JPS60253803A - 変位検出センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （技術分野） 本発明は、変位を電気信号の周期に対応・させて検出す
るようにした小型の変位検出センサに関するものである
。

（従来技術） 従来、この種の技術においては変位を電気信号に変換し
て検出するものが数多く種々発明されている。−例えば
、コンデンサの静電容量の変化を利用した静電容量型セ
ンサ、コイル中の金属のコアが変位することによシコイ
ルの起電力が変化する差動変圧器型センサ、渦電流によ
って発生する磁界が、コイルの変位によシそのコイルの
インピーダンスを変化させる渦電流型センサ等がある。

このうち静電容量型センサは、特公昭５５−２５６０１
（容量形変位計）に開示されているようにコンデンサの
容量が電極間の距離の変位によって変化する距離変化型
、電極の対向面積が変化する面積変化型、電極間の誘電
体の誘電率が変化する誘電率変化型に分類することが出
来る。しかしながら、静電容量型センサは、非接触でほ
とんどの材質の物体の変位を検出できるという利点をも
つが、物体の材質によって変位の検出のために校正が必
要であり、センサ部と駆動部が同一基板上に形成されて
いないので、長い電気配線によって接続する必要がある
。そのため、外部からの機械的変動や雑音に弱いという
欠点があった。また、差動変圧器型センサは、信号の変
換部が機械系で構成されているために、応答周波数が低
く振動に弱いなどの欠点がある。さらに、渦電流型セン
サは、測定対象が金属に限られ、金属板の物理的性質の
違いが直接検出結果に影響するため、測定対象ごとの校
正が必要であるという欠点があった。

（不発明の目的） 本発明の目的は、以上に述べた従来の変位検出センサの
有する欠点、すなわち振動や雑音に弱いこと、壕だ測定
対象ごとに校正を要する等があるので、これを取シ除く
ために駆動部とセンサ部とを一体形成し、基板に溝を作
シ変位を一方向に限定することによシ振動や雑音に強く
するとともに非接触でないがゆえに被測定物の材質によ
る校正を必要としない小型で安価な変位検出センサを提
供することにある。

（本発明の要旨） この目的を達成するために本発明では、−静電容量と発
振周期とが比例する特徴があるリングオシレータと、変
位によりその静電容量が変化するコンデンサを２枚の基
板を重ね合せる形で構成し、小型の変位検出センサを得
るようにした。ここでいうコンデンサはトランスジー−
サでちゃ、リングオシレータはその駆動部であり、本発
明では、該トランスジーーサと該駆動部とが一体形成さ
れたセンサを実現するものである。すなわち、第一の絶
縁性基板上に、谷もしくは丘部のテーパーと、奇数個の
インバータで構成されるリングオシレータを形成し、該
インバータを構成するドライバ用ＦＥＴのゲートに接続
された電極４と、該ドライバ用ＦＥＴのソースに接続さ
れた電極５を該テーパーの下底もしくは頂上部に形成す
る。一方、第二の絶縁性基板上に、丘もし７くは谷部の
テーパーと、その頂上もしくは下底部に電極８を形成す
る。

このとき、電極４，５．’８の表面は薄い誘電体で覆う
。そして、該電極４，５と該電極８とが対向するように
該第−の絶縁性基板、該第二の絶縁性基板を重ね合せる
ことにより、平板形コンデンサを構成する。リングオシ
レータを有する該第−の絶縁性基板に対し、対向する該
第二の絶縁性基板が相対的に移動することによって該平
板形コンデンサの電気力線密度が変化する。すなわち、
側基板の相対的な変位量を該平板形コンデンサの静電容
量の変化に変換し、次にこの変化に起因してリングオシ
レータの発振周波数が変化することを利用して変位の検
出を行うものである。したがって、本発明の変位検出セ
ンサからは、被測定物の変位に応じた発振周波数を有す
る連続的な電気信号が出力されるのである。

（本発明の構成） 本発明の変位検出センサの一実施例について第１図を用
いて説明する。リングオシレータ１は、奇数個のインバ
ータで構成されるが、本実施例では、５個のインバータ
を使用する。各インバータはＭＯＳＦＥＴからなる負荷
抵抗とドライバ用ＦＥＴで構成されておυ、エンノ・ン
スメントタイプのＦＥＴを用いている。この方法以外に
も、例えば負荷抵抗として、金属皮膜抵抗、あるいは拡
散抵抗を用いることもできる。こうして構成されるイン
バータの出力部を次段のインバータのドライバ用ＦＥＴ
のゲート部に、次段の出力部を贅だ次のインバータのド
ライバ用ＦＥＴのゲート部にと順次従属接続してゆき、
５個のインバータについてそれぞれのゲート部と出力部
を全て接続して、リングオシレータを構成する。また、
５段目のインバータの出力を検出用インバータ３に接続
し、その検出用インバータからリングオシレータ１の出
力を取シ出す。リングオシレータ１の製造方法は、拡散
、酸化、蒸着、フォトエツチング技術を主体とする通常
のＩＣ製造プロセスを用いる。設計時には素子の感度を
上げるために、配線を短くするなどして、寄生容量を少
なくする必要がある。

また、第２図および第３図を用いてセンサ部である平板
形コンデンサ２の構造について説明すると、本発明の実
施例では、第一の絶縁性基板６上の谷もしくは丘部９の
下底もしくは頂上部に、５個のドライバ用ＦＥＴのゲー
トにそれぞれ接続された幅５０μｍ、長さ１　ｍｍ　＋
間隔５０μｍの隔置整列されたＡｔ電極４を形成し、そ
のＡｔ電極４上に、陽極酸化法で誘電体である薄いＡｔ
２０３膜を形成する。

同様にドライバ用ＦＥＴのソースに接続された５個の電
極５も、ゲートに接続された５個の電極５と１朔の間隔
をあけ一直線と々る位置に形成し、表面をＡｔ２０３膜
で被覆する。また、第二の絶縁性基板７上の丘もしくは
谷部１０の頂上もしくは下底部に幅５０μｍ、長さ３闘
１間隔５０μｍの表面に薄いＡｔ２０３膜を有する隔置
整列されたＡｔ電極８を多数形成する。そして側基板６
，７を重ね合せ、隙間をシリコンオイルで埋めることに
よ逆摩擦を減らし、ドライバ用ＦＥＴのゲートとソース
の間に平板形コンデンサ２を作る。側基板６．７の重ね
合せは、例えば、側基板６．７を２５％−ＮａＯＨ溶液
や、ヒドラジン、水、イン−２−プロピルアルコールの
３元混合液や、水、エチレンジアミン、パイロカテコー
ルの３元混合液等のアルカリ溶液によるＳｉの異方性エ
ツチングによるテーパーを利用し、精度よく行うことが
できる。そして、この平板形コンデンサ２は、テーパー
の方向に移動する被測定物の変位に関連して、その平板
形コンデンサ２の電気力線密度が変化する構造をとって
いる。本実施例でのＭ電極の作シ方は、５ｉ０２上にＡ
７を蒸着し、選択陽極酸化でＭ電極間をＡｔ２ｏ３で絶
縁し、またＭ電極上に薄いＡｔ２０３膜を形成した。こ
れ以外にも、Ｍをフォトエツチングでパターニングして
電極を形成し、そのＭ電極上にＣＶＤによシ、５１０２
　＋　５１３Ｎ４　＋　Ｐ　Ｓ　Ｇなどの誘電体を形成
する方法や、スパッタリングによシ、Ｍ電極上にＡ７２
０３　＋５ｉ０２　、　Ｓｉ３Ｎ４　＋　Ｐ　Ｓ　Ｇな
どの誘電体を形成する方法等も考えられる。

（本発明の動作） 次に、本発明の変位検出センサの動作について説明する
。リングオシレータ１の電源電圧に、＝２０Ｖが印加さ
れている場合のある瞬間に、１段目のインバータのドラ
イバ用ＦＥＴがＯＮ状態、すなわちそのゲートにスレッ
シ−ホールド電圧以上の負の電圧が加わって１段目のイ
ンバータの出力が接地電位近くまで落ちていると仮定す
る。そのとき、２段目のインバータのドライバ用ＦＥＴ
のゲートにはスレッシ−ホールド電圧以下の電圧しかな
いため、２段目のドライバ用ＦＥＴはＯＦＦ状態となっ
ている。同様に、３段目のドライバ用ＦＥＴはＯＮ状態
、４段目のドライバ用ＦＥＴはＯＦＦ状態、５段目のド
ライバ用Ｆ　Ｅ　ＴｌｄＯＮ状態となっている。そこで
５段目の出力信号が１段目にフィードバックされると、
１段目のドライバ用ＦＥＴをＯＦＦ状態にし、１段目の
インバータの出力はゲートの立ち上が９電圧以上の負の
電位にもち上げられる。すなわち、信号が５個のインバ
ータをひと回りしてき・たときに状態が反転する。

その信号が２段目をかえ、さらに３段目の状態をかえて
、次々に反転させていく。このように、電源電圧が印加
されている限り、リングオシレータは自己発振する。こ
こで、ドライバ用ＦＥＴのゲートに接続されている電極
とソースに接続されている電極が、第二の絶縁性基板上
に設けた電極と丁度型なり合った状態にあるとする。こ
のとき、電極の厚みは１０００Ｘとし、Ａｔ２０３の厚
みは１００久、第一と第二の絶縁性基板間に５０＾の厚
みのシリコンオイルがあるとすると、Ａｔ２０３の比誘
電率は８でアシ、シリコンオイルの比誘電率ハ２．６　
ｆあるから、平板形コンデンサの静電容量は、５０．６
ｐＦとなる。ここで、被測定物の変位に関連して第二の
絶縁性基板が第一の絶縁性基板に対し相対的に移動し、
平板形コンデンサの電気力線密度が減少していったとす
る。すると、平板形コンデンサの静電容量は減少し、５
０μｍ移動したとき、静電容量は最小となシ、その値は
０．６　ｐＦとなる。この被測定物の変位に関連した、
平板形コンデンサの静電容量の連続的な変化により、リ
ングオシレータの発振周波数が連続的に変化し、その連
続的な電気信号の変化により被測定物の変位を検出する
ことができる。ここで第一と第二の絶縁性基板間の距離
が１０チ増え５５久になったとする。そのとき、電極が
丁度重なシ合った状態であるとすると、平板形コンデン
サの静電容量は４８ｐＦとなり１０係の基板間の距離の
変化による静電容量の誤差は４チである。

（本発明の効果） 本発明の変位検出センサは、駆動部とセンサ部が一体形
成され、絶縁性基板にテーパーを作シ、これらを重ね合
せることによシ移動方向を一方向に限定し、移動方向に
電極を等間隔に多数形成するという構成であるから、次
のような効果がある。

（イ）Ｓｉ基板上に、通常のＩＣ製造プロセスを用いて
、センサ部と駆動部を作るため、特性が一定した変位検
出センサを安価、多量に作ることができる。

（ロ）　Ａｔ電極間に陽極酸化法で作ったＡｔ２ｏ３と
シリコンオイルをはさむ形の平板形コンデンサをセンナ
部に用いているため、非常に再現性のある変位検出セン
サを作ることができる。

（ハ）第二の絶縁性基板上のＭ電極には、外部からの電
気配線がないため、振動や雑音に強く、耐久性がある。

に）被測定物の変位量を、信号処理の容易外周波数の変
化として直接取り出せる。

（ホ）μｍオーダの微小な変位量は、周波数のアナログ
変化量で検出できる。

（へ）■オーダの比較的大きな変位量は、第二の絶縁性
基板上のＭ電極を増やすことによって可能である。この
場合、発振周波数の増減を計数することによってデジタ
ル量として変位量の検出ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例の構成を示す回路図である
。第２図は、第１図におけるＡ　Ａ／部分の構造を示す
断面図である。第３図は、第１図におけるＢ−Ｂ’部分
の構造を示す断面図である。 図において符号１は５段のリングオシレータ、２は平板
形コンデンサ、３は検出用インバータ、４はドライバ用
ＦＥＴのゲートに接続されたＭ電極、５はドライバ用Ｆ
ＥＴのソースに接続されたＭ電極、６け第一の絶縁性基
板、７け第二の絶縁性基板、８１ｄ第二の絶縁性基板上
に形成されだＭ電極、９は第一の絶縁性基板上の谷部、
１ｏけ第二の絶縁性基板上の丘部を示す。 第１図　１

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 第一の絶縁性基板（６）と；検出すべき変位方向に延在
   するように該第−の絶縁性基板上に形成された谷もしく
   は丘部（９）と：該谷もしくは丘部と離れて該第−の絶
   縁性基板（６）上に形成されたｎ個のインバータよ構成
   るリン（オシレータ（１）と；。 該ｎ個のインバータを構成するそれぞれのドライバ用Ｆ
   ＥＴ素子のゲートに接続され、該谷もしくは丘５（９）
   にその延在方向に隔置整列して形成されたｎ個の第一の
   電極（４）と；該ｎ個のインバータを構成するキれぞれ
   のドライバ用ＦＥＴ素子のソースに接続され、該ゲート
   に接続された谷もしくは丘部（９）に形成された電極と
   ともに平板形コンデンサ（２）を構成するように、該谷
   もしくは丘部（９）にその延在方向に隔置整列して形成
   されたｎ個の第二の電極（５）と；第二の絶縁性基板（
   ７）と；該第−の絶縁性基板（６）上に形成された谷も
   しくは丘部（９）に対して、検出すべき変位方向に摺動
   可能に嵌合するように該第二の絶縁性基板（７）上に・
   延在して形成された丘もしくは谷部（１０）と；該第−
   および第二の両電極（４’、５）で形成される該平板形
   コンデンサ（２）中の電気力線密度を変化させるごとく
   、該両電極（４，５）と絶縁物を介し該第二の絶縁性基
   板（７）上あ丘もしくは谷部（１０）の頂上もしくは下
   底部に隔置整列されたｍ個の電極（８）とから構成され
   、該第二の絶縁性基板（７）の摺動変位に伴い、該リン
   グオシレータ（１）の発振周波数が変化するようにした
   ことを特徴とす゛る変位検出センサ。