JPS6358112A

JPS6358112A - 位相比較測定用３極センサ−

Info

Publication number: JPS6358112A
Application number: JP20112986A
Authority: JP
Inventors: Naoyuki Omatoi; 直之大纒
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1986-08-27
Filing date: 1986-08-27
Publication date: 1988-03-12

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】［産業上の利用分野］本発明は静電容量型センサに関し、更に詳しくはプール
、河川の水位検知、ロボットの手の先端における物体の
検知、工場等におけるベルトコンベア上の物体の検知等
に用いられる静電容量型センサに関する。

［従来の技術］水位検知やロボットの手の先端における物体の存在の検
知のために、従来から種々の型式のセンサが開発されて
外でいる。その一つとしてコンデンサの静電容量の変化
を利用したセンサがある。

これは被検出物がセンサのコンデンサ部に接近する時の
微小な分布容量即ちストレー容量の変化を利用して該コ
ンデンサを含む共振回路の共振周波数を変化せしめる等
して、該被検出物の接近、存在等を検知するものである
。

この場合、検出精度を上げるためには共振周波数を高い
値、例えば数１０ｋＨｚ〜数ＭＨｚに設定する必要があ
ることから、その共振周波数を決定する一要素であるセ
ンサの静電容量は極めて小さくしなければならない。又
、高いＱを確保するためにも静電容量を小さくする必要
がある。通常、かかるセンサの静電容量は０．１ｐＦ〜
５ｐＦである。従って、従来の静電容量型センサにおい
ては第１０図に示すように被検出物に対向する検出電極
１０と、これに対向する接地電極１２、及びこの接地電
極に対向するその他の電極１４は、それぞれ所定の空間
間隔を以って配され、特に、これらの各電極が相隣る電
極と面と面で対向しないよう、接地電極１２、その他の
電極１４は中空円筒状の部祠を軸方向に配した構造とな
っていた。これら中空円筒状の接地電極１２及びその他
の電極１４の中空内部に合成樹脂等を充填してしまうと
、静電容量が増加して共振周波数とＱが低下する。従っ
てセンサのケース内にこれらの電極を固定する場合、上
記中空部は空洞となっている。

［発明が解決しようとする問題点１かかる構造の従来のセンサは、その静電容量が小さいの
で周囲温度の変化による都電容量の変化量も小さいが、
測定回路の感度を極端に上げると、静電容量のわずかな
変化でも共振周波数に影響を与えてしまう。従って検出
感度を十分に上げることが困難である。かかる温度変化
による静電容量の変化による影響は適温度特性のコンデ
ンサを付加することで、ある程度改善できるが、これだ
けでは不十分であり、温度変化による検出感度の低下を
防止する有効な補償手段がなかった。

又、中空円筒状電極の内部が空洞のため、衝撃に則する
強度が弱い欠点があった。

［問題点を解決するための手段］本発明においては、まず第一に検出素子としてのコンデ
ンサを共振回路を講成する素子として用いるのでなく、
センサの静電容量の変化を位相の変化として測定する測
定回路と組み合わせるので、市電容量は数十ＩＮＦ〜数
百ＩＩＦのオーダまでの大きいものとすることかで慇る
。上記位相差の検出のため、同一構造、同一容量の２個
のコンデンサを直列に接続して用いるが、本発明におい
ては、検出用コンデンサと比較用コンデンサを実質的に
同一の構造とし、又周囲温度の影響が両コンデンガに同
様に及ぶ構成とすることにより、周囲温度の変化による
等電容量の変化を相殺、消去することにより温度補償を
行うものである。

更に具体的には、本願の第１の発明においては、等電容
量の差により位相差を生じさせて、この位相差を検出す
る測定装置に用いる２個のコンデンサを直列に接続した
センサ素子であって、平行に配置された第１、第２及び
第３の板状電極と、該第１、第２電極間及び該第２、第
３電極間にそれぞれ挟持されたフィルム状誘電体とから
なることを特徴とす己３極センサが提供され、本願第２
の発明においては、靜電容量の差により位相差を生しさ
せて、この位オ目差を検出する測定装置に用いる２個の
コンデンサを直列に接続したセンサであって該２個のコ
ンデンサの各々が第１及び第２の板状電極と、該第１及
び第２電極間に挟持されたフィルム状誘電体とからなり
、該２個のコンデンサの一方の該第２電極と他方の該第
１電極を電気的に接続する手段を有し、該一方のコンデ
ンサの該第２電極と該他方のコンデンサの該第１電極間
に熱伝導率の高い部柁を配したことを特徴とする３極セ
ンサが提供されている。

［作用１」二記本願の第１の発明のセンサにあっては、検出用コ
ンデンサと比較用コンデンサが密着された積層構造とな
っているため、両コンデンサが熱平衡に至る時間がｉυ
く、温度補惰を確実、迅速に行うことがで外る。更に等
電穿量がストレー容量に比して極めて大きいのでストレ
ー容量の温度変化を無視できる。

一方、上記第２の発明のセンサにあっては、同一構造、
同−性質の積層コンデンサを電気的に直列に接続した構
成であるため、両コンデンサを所望の離れた位置に配置
することか可能となる。この場合、一方のコンデンサを
検出用に、他方を温度補（Ｗ用に用いるために両コンデ
ンガの間の空間１−熱伝導率の高い部拐を配して両コン
デンサの熱平衡に達する時間を短くすることができる。

上記、第１及び第２の発明においてコンデンサ素子をフ
レキシブルなフィルム状誘電体の両面に金属箔を設ける
構造とすれば、コンデンサ素子、即ち電極の形状を平板
状に限らず、湾曲させることができるので、種々の形状
とすることがでｂる。

［実施例１以下図面を参照して本発明の実施例について説明する。

第１図は本願第１の発明に係るセンサの側面断面図であ
り、第２図は第１図のＴＩ−ＴＩ線における断面図であ
る。このセン世は合成＋１脂等のケース３０に収められ
た５層構造のコンデンサ集合体Ｃを有しており、その固
定のためにケース３０の内部空間は合成樹脂、例えばエ
ポキシ樹脂等の充填剤３４により充填されている。コン
デンサ集合体Ｃは検出用コンデンサＣＩと比較用コンデ
ンサＣ７がらな乙。

艮体的には、３枚の銅箔等の金属箔２０．２２．２４と
２枚のポリイミド等のフィルム状誘電体基板２６．２８
を５８１のサンドインチ積層構造としたものである。こ
の金属箔２０．２２．２４は基板２６．２８に貼付する
か又は化学処理、真空蒸着、スパッタリング等により設
ける。金属箔２０及び２４はそれぞれ検出用電極及び比
較用電極であり、両コンデンサに共通の電極となる中央
の金属箔２２は接地電極となる。

この接地電極２２が２つのコンデンサＣ１、Ｃ２の間に
あるため、等電遮蔽としても作用する。各電極２０．２
２．２４の一端にはリード線３２がそれぞれ取りイ」け
られている。尚、誘電体基板２６．２８の材質としては
、他の合成樹脂やセラミック、硝子等の薄板も用いるこ
とができるが、後述するように、平板状でなく湾曲させ
る場合は、ポリイミド等の７レキンブルなものが好適で
ある。この場合その厚さは５０μ＋ｎ−１００μｆｏか
最適である。尚、例えば湾曲させない場合であっても容
量や熱伝導の観点から、誘電本基板２６．２８の１７さ
は１１ｎＩｎ以下が好ましい。

第２図に示すようにコンデンサ集合体Ｃは円形であり、
円筒状ケース３０内に収められているが、この形状は円
形に限らず、多角形や楕円形等所望の形状とすることか
できる。尚コンデンサ集合体Ｃは充填剤３４で固定され
ており、外部からの衝撃に強い構造となっている。ＣＩ
、Ｃ２は同一形状、同一寸法、同一材質として、その静
電容量が等しいことが好ましく、その誤差は±６％以内
が望ましい。

第１図及び第２図に示す第１の発明の実施例は次のよう
に動作する。ケース３０の先端（第１図の左ｆ４）を図
示しない被測定物が接近できる位置に配し、リード線３
２を第５図又は第６図に示す測定回路に接続する。第５
図及び第６図において４０は交流電源、４０゛はパルス
発生回路、４２．４４．４６．４８．５０．５６．５８
．６０．６８．８４．８６．８８．９２．９４．９６は
抵抗、５２．６２はオペアンプ、５４．６４．７４はコ
ンデンサ、６６は可変抵抗、７０．７２はダイオード、
８０．８２はＦＥＴ、９０．９Ｓはツェナーグイオード
、１．（１０はＪ−に７ワツプ７０ツブである。尚、オ
ペアンプ５２、コンデンサ５４、抵抗５６及びオペアン
プ６２、コンデンサ６４、可変抵抗６６はそれぞれロー
パスフィルタを構成している。

まず第５図の回路について説明すると、交流電源４０か
らの交流は抵抗４２．４４を介して第１及び第２のコン
デンサＣ，，Ｃ２の検出電極２０及び比較電極２旧こそ
れぞれ与えられる。尚コンデンサＣ０、Ｃ２の共通の接
地電極２２は接地される。今、Ｃ１、Ｃ２の静電容量が
等しいとすると、検出電極２０及び比較電極２４に流れ
込む電流の位相は等しいので、オペアンプ５２の反転（
−）、非反転（十）入力の電位は等しく変化するので、
オペアンプ５２の出力はＯとなり、従って次段のオペア
ンプ６２の出力もＯとなり出力端子０ｔｌＴからの出力
もＯとなる。検出電極２０に被検出物が接近すると、検
出電極２０のストレー容量が増加し、Ｃ１の見かけの静
電容量が増加する。このため検出電極２０に流れ込む電
流の位相が比較型（瓶２・ｌ　ｌ＋流れ込む電流の位相
より進む。従ってオペアンプ５２の２つの入力信号間に
位相差を生じ、その位相差に応じた直流電圧が出力とし
て出力端子ＯＵＴに９灯られる。従ってこの出力電圧を
監視することにより、被測定物の接近距離等を知ること
ができる。可変抵抗６６は被測定物の種類や、センサの
取付位置等により検出感度を調節するためのものである
。

今センサの周囲温度が上昇したとすると、誘電体２６及
び２８の体積が熱膨張し、その厚みを増加させる。その
結果、両コンデンサＣ，，Ｃ２は同様に静電容量が減少
する。Ｃ１、Ｃ２は接地電極２２を介して密着している
ため、センサの先端、即ち０１側の温度変化が迅速に０
２側に伝わり、その熱平衡に達する時間は極めて短い。

従って周囲温度による静電容量の変化による検出誤差を
防止すべく温度補償が容易に達成で慇る。

第６図の回路の場合は、第５図の交流電源４ｏの代わり
にパルス発生源４０’を用いている。Ｃ４と０２の静電
容量が等しいと鰺は、ＦＥＴ８０．８２のデートへ与え
られる信号の位ａは等しく、従って、Ｊ−１す、ブ７０
ツブ１００の２つの入力信号の位相も等しく１．１−に
７リソブ７０ツブ１００の出力Ｑ、ζは交互に出力１．
０を操り返す。

被検出物が検出電極２０に接近すると、第５図と同様に
Ｃ４側、即ちＦＥＴ８０側の位相が０２側、即ちＦＥＴ
８２側の位相より進む。従ってＪ−にフリップ７０ツブ
１００の出力パルス信号のパルス幅が増加し、これを公
知のパルス１賜検出回路（図示せず）に与えることによ
りパルス幅の増加分を検出し、被検出物までの距離を測
定することができる。周囲温度に変化があった場合、第
５図について説明したと同様に、Ｃ１とＣ２の静電容量
はほぼ同時に変化するため、位相差は生じず第５図と同
様に温度補償がなされる。

第１図の実施例では電極と誘電体が５層に重ねられてい
るが、比較電極２４の上（第１図では右）に他の誘電体
層を介して更に別の電極を設けて、これを接地電極２２
と接続することも可能である。即ち７層構造とするわけ
で、これにより比較電極２４は２枚の接地された電極の
開に配され有効に静電シールドすることが可能である。

第３図は本願第２の発明に係るセンサの実施例を示す側
面１０１面図であり、第１図はその要部の斜視図である
。検出用コンデンサＣ４と比較用コンデンサＣ２は各々
同一構造の３Ｎコンデンサであり、Ｃ１は誘電体基板２
６の両面に金属箔２０．２２八を、Ｃ２は誘電体基板２
８の両面に金属箔２２Ｄ、２４を設けたものである。金
属箔２２＾、２２［（は導線３６により電気的に結線さ
れて接地電極として作用する。３８は円筒状ケース３０
の内部に設けられたシールド部材であり、３４は第１図
と同様の充填剤である。充填剤としては熱伝導率の高い
物質を選」ζことにより、２つのコンデンサの熱平衡に
要する時間を短くすることができる。本実施例ではＣ２
は比較用コンデンサとして用いられているか、Ｃ１、Ｃ
２を離して両者を検出用コンデンサとして用いることと
すれば比較装置を作己ことができる。比較装置の例とし
ては新液と劣化した液の判別、物体の寸法の大小、又は
旺離の遠近等を比較するものがある。Ｃ，、Ｃ２を所定
化部たけ部して配置する必要のないとき１土、電極２２
八、２２Ｄを接合することがでｂる。こうした場合は、
第１　Ｌ′Ｉｌの５層の構成と実質的に同じコンデンサ
集８−本を得ることかでｂる。

次に本願発明に係るセンサの応用例について説明する。

第７図は第１の発明の応用例であり、液体の比誘電率を
測定するための装置である。この装置はパイプ１１０の
中央に仕切板１１２を設け、この仕切板１１２に入ルー
ホールを設けて、ここに第１図に示した第１の発明に係
るセンサのコンデンサ集合体Ｃを取り付ける。１１４は
仕切板１１２のスルーホールを塞ぐように、その両端に
設けられており、コンデンサ集合体Ｃは２枚の仕切板に
挟持されている。パイプ１．１０内に於て仕切板１１２
の上側には被測定液体Ａを、下側には既知の比誘電率を
有する標準液体Ｂを通過せしめる。両液体Ａ、Ｂの比誘
電ハ・りの差は第５図又は第６図の測定回路により位４
［］差を利用して測定することかで終る。

第）〕図は第１の発明のセンサを水位計に応用した例を
示す。二の水位計は塩化ビニール等のパイプの中空部に
２つのコンデンサ集合体Ｃ゛、Ｃ”を取り１τｊけたも
のである。このコンデンサ集合体Ｃ゛、Ｃ゛の部分断面
斜視図を第９図に示す。コンデンサ集合体Ｃ′、Ｃ゛は
第１図に示した５層構造のコンデンサ集合体Ｃをカバー
材１３０で覆ったものである。

尚誘電体２６．２８にはポリイミド等の７レキシブルな
フィルム状材を用いることにより、円筒形のコンデンサ
集合体Ｃ゛を構成している。

水位が一ヒ昇してきて下方のコンデンサ集合体Ｃ゛の周
囲に水が接近すると、第５図、第６図について説明した
のと同様にストレー容量の増加による位相差を検出して
水位が下方のコンデンサ集合体Ｃ’　（−１近に上昇し
たことを検知できる。更に水位が上昇すると、−ヒ方の
コンデンサ集合体Ｃ゛が同様にこれを検知する。

第８図、第９図の例にあってはコンデンサ集合体Ｃ゛、
Ｃ”の外側の電極が検知電極として用いられているか、
逆に内側の電極を検知電極として用いることも可能であ
る。この場合は被検出物体の周囲に円筒状コンデンサ集
合体を配することとなる。

［発明の効果］上述の説明から明らかな如く本願第１の発明にあっては
位相差検出方式の測定装置用のセンサとして２つのコン
デンサを５層講造とし、更に共に形状、寸法、材質等を
共通とすることにより、周囲温度の変化による影響を相
殺、補償することを可能としている。従って従来７０°
Ｃ程度までしか安定に検出できなかった静電穿量型セン
サにおいて９０　’Ｃ程度の高温の中であっても正確な
動作と、良好な感度を得ることができるようになった。

このように温度変化の影響を軽）成できるため、従来よ
り２〜３倍の感度上昇を行うことができると共に、定期
的キャリブレーションは不要となった。具体的には被検
出物の接近時に０．０５ｐＦ以下の変化も検出が可能と
なった。更に従来、辞電容量の制限から大面積のコンデ
ンサとすることができなかったし、又電極の形状や配置
を自由に変更することかできなかったか、位相差検出方
式を採用し、温度補イ′ａを行うことにより大型化が可
能となり、又測定目的や情況に応して電極の形状や配置
を自由に変えることがでとるようになった。

従来のセンサにあっては、コンデンサ素子の自己薄型容
量か約０．ＩＩＩＰへ５１］Ｆと小さいため、外周スｌ
レー容呈／自己容量か約１７′３〜１７′２であるのに
対して、本発明にあっては、自己容量が１ｏｐｐ〜５０
．Ｆと大きくでとるので、この比を１／１０００〜１／
１００と小さくでトる。従って外周ストレー容量の温度
変化による変化の影響を着しく小さくできる。更に積Ｎ
　ｈＭ造としたため、半導体等の電子部品と同様に容易
に量産化できるという利点もある。又センサのケース内
にコンデンサ集合体を固定するのに、合成樹脂を充填す
ることができるので衝撃にも強い。

本願第２の発明にあっては同一構成の３層構造のコンデ
ンサを２個直列に接続したため、検出用コンデンサと比
較用コンデンサを離れた位置に配することが可能となり
、又コンデンサ間に熱伝導率の高い部材を配置すれば、
熱平衡に要する時間を短くすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本願第１の発明に係るセンサの実施例の側面断
面図、第２図は第１図のＩＩ−ＩＩ線から見た断面図、
第３図は本願第２の発明に係るセンサの実施例の側面断
面図、第４図は第３図のセン世の要部を示す斜視図、第
５図及び第６図は本願発明のセンサの出力を処理して被
検出物までの距離等を測定する回路例を示す図、第７図
〜第９図は本発明のセンサの応用例を示す図、第１０図
は従来のセンサの描造を示す斜視図である。２０・・・検出電極、２２・・・接地電極、２４・・・比較電極、２６．２８・・・フィルム状誘電体、Ｃ５・・・検出用コンデンサ、Ｃ２・・・比較用コンデンサ、Ｃ・・・コンデンサ集合体、３０・・・ケース３２・・・リード線、３４・・・充填剤、３６・・・導線、３８・・・シールド部ヰＡ。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）静電容量の差により位相差を生じさせて、この位
相差を検出する測定装置に用いる２個のコンデンサを直
列に接続したセンサ素子であって、平行に配置された第
１、第２及び第３の板状電極と、該第１、第２電極間及
び該第２、第３電極間にそれぞれ挟持されたフィルム状
誘電体とからなることを特徴とする３極センサ。
（２）該フィルム状誘電体の厚みが１ｍｍ以下であるこ
とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の３極センサ
。
（３）該第１、第２電極間に挟持された該フィルム状誘
電体と、該第２、第３電極間に挾持された該フィルム状
誘電体とが同一の材質からなることを特徴とする特許請
求の範囲第１項記載の３極センサ。
（４）該２個のコンデンサの静電容量が等しいことを特
徴とする特許請求の範囲第１項記載の３極センサ。
（５）該フィルム状誘電体としてポリイミドを用いたこ
とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の３極センサ
。
（６）該フィルム状誘電体の厚みが５０μ〜１００μで
あることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の３極
センサ。
（７）該第１、第２、第３の電極が該フィルム状誘電体
に接着された銅箔であることを特徴とする特許請求の範
囲第１項記載の３極センサ。
（８）該第３の電極の上に更に誘電体をはさんで第４の
電極を設け、これを該第２の電極に接続して接地したこ
とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の３極センサ
。
（９）静電容量の差により位相差を生じさせて、この位
相差を検出する測定装置に用いる２個のコンデンサを直
列に接続したセンサであって該２個のコンデンサの各々
が第１及び第２の板状電極と、該第１及び第２電極間に
挟持されたフィルム状誘電体とからなり、該２個のコン
デンサの一方の該第２電極と他方の該第１電極を電気的
に接続する手段を有し、該一方のコンデンサの該第２電
極と該他方のコンデンサの該第１電極間に熱伝導率の高
い部材を配したことを特徴とする３極センサ。
（１０）該フィルム状誘電体の厚みが１ｍｍ以下である
ことを特徴とする特許請求の範囲第９項記載の３極セン
サ。
（１１）該第１、第２電極間に挟持された該フィルム状
誘電体と、該第２、第３電極間に挟持された該フィルム
状誘電体とが同一の材質からなることを特徴とする特許
請求の範囲第９項記載の３極センサ。
（１２）該２個のコンデンサの静電容量が等しいことを
特徴とする特許請求の範囲第９項記載の３極センサ。
（１３）該フィルム状誘電体としてポリイミドを用いた
ことを特徴とする特許請求の範囲第９項記載の３極セン
サ。
（１４）該フィルム状誘電体の厚みが５０μ〜１００μ
であることを特徴とする特許請求の範囲第９項記載の３
極センサ。
（１５）該第１及び第２の電極が該フィルム状誘電体の
両面に接着された銅箔であることを特徴とする特許請求
の範囲第９項記載の３極センサ。