WO2012090583A1 - 静電容量式変位センサ及び静電容量式変位センサを有する比例制御弁 - Google Patents

静電容量式変位センサ及び静電容量式変位センサを有する比例制御弁 Download PDF

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WO2012090583A1
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WO
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electrode
pair
cylindrical
displacement sensor
electrodes
Prior art date
Application number
PCT/JP2011/075082
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English (en)
French (fr)
Inventor
伊藤　一寿
泰久 廣瀬
桂一 西川
隆弘 南谷
Original Assignee
シーケーディ株式会社
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • G01D5/14—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage
    • G01D5/24—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying capacitance
    • G01D5/241—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying capacitance by relative movement of capacitor electrodes

Definitions

  • the present invention relates to a capacitance-type displacement sensor, and more particularly to a displacement sensor that uses a change in capacitance caused by a change in the facing area of electrodes.
  • Some devices having components that move linearly with a predetermined stroke include a displacement sensor for measuring the displacement.
  • a displacement sensor for such an application since the amount of displacement of the measurement target is large, for example, a contact-type potentiometer (Patent Document 1), a differential transformer-type displacement sensor, or a magnetic material such as a Hall element is used. A contact-type displacement sensor is used.
  • a capacitance type displacement sensor having a simple configuration has also been used for other purposes.
  • the electrostatic capacitance type displacement sensor is a sensor that measures the displacement of the measurement object using the change in the electrostatic capacitance caused by the relative movement of the opposing electrodes.
  • the distance d between the counter electrodes is made as small as possible to increase the sensitivity, so that the measurement error due to the error of the distance d becomes significant as shown in the region Z1 in FIG. As a result, there was a problem of trade-off between strict manufacturing tolerance and measurement sensitivity.
  • the capacitance type displacement sensor using the change in the separation distance has a linear and excessively large measurement error due to an error related to the relative position parallel to the opposing surface between the opposing electrodes.
  • a sensor using capacitance a sensor that measures based on a communication state between counter electrodes using capacitive coupling is proposed instead of a measurement method using change in capacitance (patent) References 4, 5).
  • This method is characterized in that it is a plurality of counter electrodes to which voltages having phases different from each other are applied, and which of the plurality of counter electrodes has the strongest capacitive coupling depending on the displacement of the measurement target? Measured based on In this method, since the circuit can be switched without contact, measurement is possible without affecting the movement of the measurement target.
  • this method requires the formation of a complicated electrode pattern on a curved surface for circuit switching, and has a problem that wiring and circuits become complicated.
  • JP 2010-152663 A Japanese Patent Laid-Open No. 01-196011 Japanese Patent Laid-Open No. 03-123814 Japanese Patent Laid-Open No. 08-159704 Japanese Patent Laid-Open No. 08-166204
  • the present invention was created in order to solve at least a part of the above-described conventional problems, and an object of the present invention is to provide a technique for measuring the displacement of a measurement target with a simple configuration using capacitance.
  • a capacitance type displacement sensor for measuring a displacement on a straight line to be measured, A first member having a cylindrical cylindrical electrode having a central axis parallel to the straight line; A second member having a cylindrical outer electrode provided outside the column electrode in a state of being electrically insulated from the column electrode; With The outer electrode has at least a pair of electrodes facing each other divided in the circumferential direction, The cylindrical electrode is electrically insulated from the circuit connected to the outer electrode; The first member and the second member move relatively on the straight line with the displacement of the measurement object, and the capacitance between the at least one pair of outer electrodes changes according to the movement. Capacitive displacement sensor.
  • Means 1 includes an outer electrode that is provided outside the cylindrical electrode in a state of being electrically insulated from the cylindrical electrode, and has a pair of electrodes whose capacitance changes with the displacement of the measurement target.
  • the change in the capacitance is caused by a change in the facing area between the outer electrode and the cylindrical electrode due to the relative movement of the outer electrode and the cylindrical electrode with the displacement of the measurement target.
  • the opposing surfaces of the cylindrical electrode and the outer electrode are formed in a circumferential shape, and the cylindrical electrode is electrically insulated from the circuit connected to the outer electrode, so that the cylindrical electrode and the outer electrode are eccentric from each other. The change in capacitance due to the change in the separation distance between the opposing surfaces is canceled out.
  • the cylindrical electrode is suitable for measuring various displacements such as a valve body and an actuator shaft that are not restricted in the rotational direction.
  • Mean 2 is a preferable division configuration of the outer electrode derived by the inventor's analysis and experiment. This configuration is configured so that the opposing area becomes large based on the sensitivity analysis of the measurement error with respect to the eccentric direction of the cylindrical electrode and the outer electrode according to the experiment of the inventor and the sensitivity analysis.
  • the eccentric direction has a meaning as a relative direction with respect to the direction of the dividing surface of the outer electrode.
  • the first member has a connection part for being connected to the measurement object, 3.
  • the means 1 or 2 wherein the second member includes at least a pair of conductive portions connected to each of the at least a pair of outer electrodes and penetrating the second member toward the outside of the second member. Capacitive displacement sensor.
  • the means 3 is connected to the first member that is displaced together with the measurement object, and the electrode penetrating from the inside to the outside is provided on the second member side, so that the deformation of the wiring accompanying the displacement of the measurement object can be avoided. it can. This eliminates the need for a design that takes into account the deformation of the wiring, and also improves the reliability of the sensor by eliminating the movable portion of the wiring.
  • Means 4 The second member seals a region surrounded by the outer electrode and the cylindrical electrode;
  • the capacitive displacement sensor according to any one of means 1 to 3, wherein the region is filled with an incompressible dielectric fluid.
  • the means 4 can increase the S / N ratio by increasing the capacitance because the space surrounded by the outer electrode and the cylindrical electrode is filled with the incompressible dielectric fluid.
  • Various dielectric fluids can be used as the incompressible dielectric fluid.
  • the dielectric fluid means a fluid having a dielectric property superior to conductivity.
  • the second member further includes a compensation capacitor that is disposed in the outer circumferential direction of the outer electrode, has a pair of fixed counter electrodes that are opposed to each other with the dielectric fluid interposed therebetween and have different diameters from each other,
  • Means 5 is provided with a compensating capacitor having a pair of fixed counter electrodes which are arranged in the outer peripheral direction of the outer electrode, are opposed to each other with a dielectric fluid in between and have different diameters.
  • the compensation capacitor shares the dielectric fluid through a communication hole communicating with a region surrounded by the outer electrode and the cylindrical electrode and a region sandwiched between the pair of fixed counter electrodes.
  • the second member includes a sensor body, and is interposed between the outer electrode and the sensor body in an electrically insulated state, and the first member and the second member move relative to each other.
  • a metal cylindrical shield member that covers both the outer electrode and the cylindrical electrode over a moving range, The capacitive displacement sensor according to any one of means 1 to 5, wherein the cylindrical shield member is electrically grounded.
  • the metal cylindrical shield member covers both the outer electrode and the cylindrical electrode while the first member and the second member are relatively moved. For this reason, even when a disturbance factor such as a person touching the sensor body of the second member having the outer electrode is present when detecting the capacitance, the influence of the disturbance factor can be reduced. Further, stray capacitance generated between the outer electrode or the cylindrical electrode and the sensor body is eliminated by the cylindrical shield member connected to the ground. For this reason, the factor which destabilizes the numerical value of an electrostatic capacitance reduces, and an electrostatic capacitance can be detected stably.
  • the second member has at least a pair of conductive portions that are respectively connected to at least the pair of outer electrodes and penetrate the second member toward the outside of the second member;
  • the cylindrical shield member penetrates the second member toward the outside of the second member, and a part of the conductive portion is also covered by the cylindrical shield member,
  • a circuit board with a back surface facing the electrode side is attached to a portion of the conductive portion and the cylindrical shield member that penetrates to the outside of the second member, and a back surface of the circuit board is formed on the circuit board.
  • the means 7 encloses a part of the electrode part and the conductive part with the cylindrical shield member and the metal film, so that a wider shielding effect can be obtained. For this reason, it is possible to reduce the influence of disturbance factors, contribute to the reduction of stray capacitance, and further stabilize the detection of capacitance.
  • the influence of the disturbance factor can be reduced even in the portion where the conductive portion protrudes outside the second member.
  • stray capacitance generated between the projecting conductive portions is reduced by the cylindrical shield member and the metal film connected to the ground. For this reason, an increase in stray capacitance is suppressed, and even when a configuration in which the circuit boards are separated is employed, the capacitance can be detected in a stabilized state.
  • Means 8 A proportional control valve for controlling the flow of dielectric fluid, A capacitance type displacement sensor according to means 4 or 5; A valve body that has a valve body as the measurement target connected to the first member, and whose valve opening changes according to the displacement of the valve body on the straight line; With The valve main body is a proportional control valve having a flow path for guiding a dielectric fluid to the region.
  • the dielectric fluid can be easily used without providing a dedicated channel or reservoir for using the dielectric fluid.
  • the proportional control valve has a broad meaning, and may be any valve that can measure and feedback the valve opening, for example, and includes a mixing valve that controls the mixing ratio.
  • the present invention can be embodied not only in a capacitive displacement sensor, a vacuum control valve, and other proportional control valves, but also in the form of, for example, a cylinder, an actuator, or a spool valve that includes a capacitive displacement sensor.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing a configuration of a lift amount sensor 100.
  • FIG. 3 is an external view showing an end portion of a lift amount sensor 100.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing a configuration of a lift amount sensor 100.
  • the perspective view which shows the structure of the counter electrode of the lift amount sensor 100.
  • FIG. A calculation formula indicating the capacitance of the lift amount sensor 100.
  • the graph which compares and compares the electrostatic capacity and theoretical value of a cylindrical electrode and an outer side electrode.
  • the graph which shows the measurement error resulting from eccentricity of a cylindrical electrode and an outer side electrode Sectional drawing which shows the structure in the valve fully-closed state of the vacuum control valve 40a of a 1st modification. The graph which shows a mode that a dielectric constant changes according to the temperature of a dielectric fluid. Sectional drawing which shows the structure in the valve fully-closed state of the vacuum control valve 40b of a 2nd modification. The fragmentary sectional view which shows the structure of the dielectric fluid control valve 40c of a 3rd modification. Sectional drawing which shows the sensor installation side of the spool valve 100 of 2nd Embodiment.
  • the schematic diagram which shows a mode that the opposing area of the opposing electrode in a prior art changes.
  • the schematic diagram which shows a mode that the separation distance of a counter electrode changes in a prior art.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing the configuration of the vacuum control valve 40 according to the first embodiment of the present invention in a fully closed state.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing the configuration of the vacuum control valve 40 according to the first embodiment of the present invention in a half-open state.
  • the vacuum control valve 40 includes a valve body 41, an on-off valve 30, an actuator 42, and a lift amount sensor 100.
  • the valve body 41 is formed with a flow path 80 that connects a vacuum vessel (not shown) and a vacuum pump (not shown).
  • the flow path 80 has an upstream flow path 81 for connection to the vacuum container side and a downstream flow path 82 for connection to the vacuum pump side.
  • the on-off valve 30 has a function of opening and closing a flow path between the upstream flow path 81 and the downstream flow path 82, and a function of adjusting conductance by operating the opening of the flow path.
  • the on-off valve 30 includes a poppet valve body 31, a valve seat 32, an elastic seal member 33, and a bellows 37 that seals the sliding portion.
  • the on-off valve 30 can close between the upstream flow path 81 and the downstream flow path 82 with the elastic seal member 33 by bringing the poppet valve body 31 into contact with the valve seat 32.
  • the on-off valve 30 adjusts the conductance between the upstream flow path 81 and the downstream flow path 82 by operating a lift amount L (opening) that is a distance between the poppet valve body 31 and the valve seat 32. be able to.
  • the moving direction of the poppet valve body 31 is also referred to as an axial direction.
  • the lift amount L is an amount displaced in the axial direction.
  • Actuator 42 operates poppet valve body 31 to operate lift amount L.
  • the actuator 42 includes an actuator main body 43, a resin-made piston 49 that is an insulator, a ceramic piston rod 44 that connects the piston 49 and the poppet valve body 31, and a biasing spring 46 that biases the piston 49.
  • a cylinder cover 45c made of resin that supports the biasing spring 46.
  • the piston 49 forms a cylinder chamber 45 between the piston 49 and a recess 45 h formed inside the actuator body 43.
  • the bellophram 49 b is a member that seals the cylinder chamber 45, and is attached to a gap between the outer peripheral surface of the piston 49 and the inner peripheral surface of the cylinder chamber 45.
  • the cylinder chamber 45 is formed with an operating air flow path 47 for supplying operating air from an electropneumatic control valve (not shown).
  • the actuator 42 can control the poppet valve body 31 to an arbitrary position by operating a supply pressure of working air from an electropneumatic control valve (not shown).
  • the position of the poppet valve body 31 is stabilized at a position where the load by the working air applied to the piston 49 and the biasing force are balanced. This is because the operating air applies a load to the piston 49 in the direction of increasing the lift amount L, while the biasing spring 46 applies a biasing force to the piston 49 in a direction of decreasing the lift amount L.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing the configuration of the lift amount sensor 100 of the first embodiment.
  • FIG. 4 is an external view showing an end portion of the lift amount sensor 100 of the first embodiment.
  • FIG. 5 is a schematic diagram illustrating a configuration of the lift amount sensor 100 according to the first embodiment.
  • FIG. 6 is a perspective view showing the configuration of the counter electrode of the lift amount sensor 100 of the first embodiment.
  • the lift amount sensor 100 is a capacitance type displacement sensor.
  • the lift amount sensor 100 is a sensor that measures the lift amount L (see FIG. 2).
  • the lift amount sensor 100 includes a resin sensor main body 60, a metal movable electrode 50 having a cylindrical shape, a pair of metal fixed electrodes 10 and 20, and a pair of fixed electrodes 10 and 20.
  • a pair of terminals 71 and 72 connected and penetrating the sensor main body 60 and a resin sealing part 73 for sealing the connection between the terminals 71 and 72 and the sensor main body 60 are provided.
  • the pair of fixed electrodes 10 and 20 are also called outer electrodes.
  • the movable electrode 50 is also called a cylindrical electrode.
  • the movable electrode 50 is electrically insulated from the other components of the lift amount sensor 100 inside the lift amount sensor 100.
  • the movable electrode 50 has a sliding surface with the resin cylinder cover 45 c and is attached to the resin piston 49 and the ceramic piston rod 44.
  • the movable electrode 50 is only required to be electrically insulated inside the lift amount sensor 100.
  • an insulator such as a resin insert member is mounted between the piston rod 44 and the like, so that other parts can be separated. It may be electrically insulated. The reason why the movable electrode 50 is electrically insulated will be described later.
  • the sensor body 60 is attached to the actuator 42 with four bolts 62 as shown in FIGS.
  • a lumen surface 61 is formed in the sensor body 60.
  • a pair of fixed electrodes 10 and 20 are mounted on the lumen surface 61 with a predetermined distance G apart from each other.
  • the predetermined distance G can be set as a distance such that excessive parasitic capacitance (capacitance) does not occur in the pair of cut end faces 15 and 25 facing each other.
  • the allowable amount of parasitic capacitance is set based on comparison with the capacitance of the detection target.
  • the assembly having the sensor body 60, the pair of fixed electrodes 10, 20 and the pair of terminals 71, 72 is also called a second member.
  • the fixed electrode 10 has an end wall surface 11, a columnar cylindrical wall surface 12 that extends in a direction perpendicular to the end wall surface 11, and a column wall 12 that extends in a direction perpendicular to the column wall surface 12.
  • An external end face 13 is formed inside the fixed electrode 20, an end wall surface 21, a columnar cylindrical wall surface 22 that extends in a direction perpendicular to the end wall surface 21, and an external end surface 23 that extends in a direction perpendicular to the column wall surface 22 are formed.
  • the cylindrical wall surface 12 and the cylindrical wall surface 22 are disposed at positions facing each other, and form a cylindrical internal space Sp1 together with the end wall surfaces 11 and 21.
  • the pair of fixed electrodes 10 and 20 can be manufactured by machining as follows, for example. First, the outer shape is formed by a lathe, then the end wall surfaces 11 and 21 and the cylindrical column wall surfaces 12 and 22 are formed by a boring machine, and the cut end surfaces 15 and 25 are formed by cutting last. It can be manufactured by general machining such as. In this way, the pair of fixed electrodes 10 and 20 can be formed by machining so that they can be manufactured with high accuracy by a general process.
  • the cylindrical internal space Sp1 is a region where the movable electrode 50 is inserted.
  • the movable electrode 50 is inserted in a state (non-contact state) that is electrically insulated from the pair of fixed electrodes 10 and 20.
  • the movable electrode 50 is inserted into the fixed electrode 10 while maintaining a separation distance of ⁇ 1.
  • the movable electrode 50 constitutes a capacitor having a capacitance C1 having a facing surface whose facing area varies according to the lift amount L with respect to the fixed electrode 10.
  • the movable electrode 50 is inserted into the fixed electrode 20 while maintaining a separation distance of ⁇ 2.
  • the movable electrode 50 constitutes a capacitor having a capacitance C2 having a facing surface in which the facing area varies with the lift amount L with respect to the fixed electrode 20.
  • a capacitor having a capacitance C1 formed between the fixed electrode 10 and the movable electrode 50 is a capacitor having a capacitance C2 formed between the movable electrode 50 and the fixed electrode 20, and the movable electrode 50 as a conductor.
  • the fixed electrode 10 and the fixed electrode 20 are electrically connected to a terminal 71 and a terminal 72, respectively.
  • an electrostatic capacity is generated between the pair of terminals 71 and 72 as a capacitor in which the capacitor having the electrostatic capacitance C1 and the capacitor having the electrostatic capacitance C2 are connected in series.
  • a dielectric fluid is enclosed in order to increase the capacitance of the detection target and increase the SN ratio.
  • the dielectric fluid means a fluid having a dielectric property superior to that of conductivity.
  • an incompressible fluorine-based inert fluid can be used.
  • the fluorinated inert fluid has excellent electrical insulation and thermal properties. Since the fluorine-based inert fluid has a low viscosity, it has a feature that the load caused by the flow accompanying the relative movement of the outer electrode and the cylindrical electrode can be reduced.
  • the movable electrode 50 has four dielectric fluid passage holes 53 (only three are shown).
  • the dielectric fluid passage hole 53 is a through-hole through which the dielectric fluid sealed in the internal space Sp1 flows when the movable electrode 50 moves inside the internal space Sp1. Specifically, when the lift amount L increases, the dielectric fluid passes through the four dielectric fluid passage holes 53 and is discharged from the internal space Sp1. On the other hand, when the lift amount L is small, the dielectric fluid passes through the four dielectric fluid passage holes 53 and is supplied to the internal space Sp1.
  • a storage cylinder chamber 55 (see FIG. 2) for storing a dielectric fluid is formed as shown in FIGS.
  • the storage cylinder chamber 55 is provided with a storage piston 52 so that the internal volume of the storage cylinder chamber 55 is variable.
  • An internal hole 44 h formed inside the piston rod 44 communicates with the storage cylinder chamber 55.
  • a long hole-shaped communication hole 48h having a long axis in the axial direction is formed in the inner hole 44h, and the storage piston 52 is smoothly moved by communicating with the exhaust passage 48.
  • the assembly of the movable electrode 50 and the storage piston 52 is also called a first member.
  • FIG. 7 shows a calculation formula that conceptually represents the capacitance of the lift amount sensor 100.
  • the calculation formula F1 is a definition formula of capacitance.
  • the calculation formula F2 is a calculation formula representing the capacitance generated on the facing surface between the movable electrode 50 and the fixed electrode 10. Note that the calculation formula F2 is miniaturized (discretized) for easy understanding of the explanation, and each part is handled as a flat plate.
  • the capacitance C1 is calculated as a value obtained by dividing the product of the dielectric constant ⁇ and the facing area S by the separation distance d1.
  • the facing area S varies according to the lift amount L.
  • the calculation formula F3 is a calculation formula that represents the capacitance generated on the facing surface between the movable electrode 50 and the fixed electrode 20.
  • the capacitance C2 is calculated as a value obtained by dividing the product of the dielectric constant ⁇ and the facing area S by the separation distance d2.
  • the facing area S varies according to the lift amount L.
  • the calculation formula F4 is a definition formula for calculating the combined capacitance C of the two capacitances C1 and C2 connected in series.
  • the lift amount sensor 100 measures the lift amount L using a change in the combined capacitance C between the pair of terminals 71 and 72. This is because the combined capacitance C becomes the combined capacitance C as a capacitor in which the capacitor having the capacitance C1 and the capacitor having the capacitance C2 are connected in series as described above.
  • Formula F4 handles the configuration of the movable electrode 50 sandwiched between the two fixed electrodes 10 as two equivalent capacitances C1 and C2 connected in series.
  • This equivalent circuit is established on the assumption that the movable electrode 50 is electrically insulated from other components of the lift amount sensor 100 as described above.
  • the capacitance C2 between the fixed electrode 20 and the movable electrode 50 is considered. Will disappear, resulting in a different circuit.
  • the movable electrode 50 does not always need to be electrically insulated, and may be insulated at least during measurement.
  • the calculation formula F5 is a calculation formula for calculating the combined capacitance C of the capacitor having the capacitance C1 and the capacitor having the capacitance C2.
  • the two separation distances d1 and d2 are calculated by the nominal value (nominal value) ⁇ n and the manufacturing tolerance of the lift amount sensor 100.
  • the manufacturing tolerance is mainly an eccentricity ⁇ as an assembly error between the movable electrode 50 and the fixed electrode 10.
  • the nominal value ⁇ n is the difference between the inner diameter of the pair of cylindrical wall surfaces 12 and 22 facing each other and the outer shape of the movable electrode 50. That is, when there is no eccentricity ⁇ as an assembling error, the value corresponds to twice the separation distance between the movable electrode 50 and the fixed electrode 10 or twice the separation distance between the movable electrode 50 and the fixed electrode 20. .
  • Formula F6 is an expression that expresses the separation distance d1 between the movable electrode 50 and the fixed electrode 10 by a nominal value ⁇ n and an eccentricity ⁇ .
  • the separation distance d1 is calculated as the sum of the nominal value ⁇ n and the eccentric amount ⁇ .
  • the eccentricity of the movable electrode 50 and the fixed electrode 10 indicates that the separation distance is increased.
  • the calculation formula F7 calculates the separation distance d2 between the movable electrode 50 and the fixed electrode 20 as a difference between the nominal value ⁇ n and the eccentric amount ⁇ .
  • the separation distance d2 since the fixed electrode 20 is disposed at a position facing the fixed electrode 10 with the movable electrode 50 interposed therebetween, the eccentricity between the movable electrode 50 and the fixed electrode 20 occurs in a direction in which the separation distance decreases. Because.
  • the calculation formula F8 is a calculation formula in which the two separation distances d1 and d2 calculated by the calculation formulas F6 and F7 are substituted into the calculation formula F5 for calculating the combined capacity C.
  • the combined amount C can be calculated from the nominal value ⁇ n, the facing area S, and the dielectric constant ⁇ by offsetting the eccentricity ⁇ . That is, it can be seen that the combined capacity C is not affected by the amount of eccentricity ⁇ in the calculation.
  • Such an effect can be achieved because the lift amount sensor 100 is configured such that the movable electrode 50 is electrically insulated from other components of the lift amount sensor 100 as described above.
  • FIG. 8 is a graph showing an actual measurement value of the combined capacitance C corresponding to the lift amount L of the movable electrode 50 and the pair of fixed electrodes 10 and 20.
  • the theoretical value is shown as a straight line representing that the relationship between the lift amount L and the facing area S is linear. This is because the facing area S is determined by the amount of variation as the product of the total circumferential length of the pair of fixed electrodes 10 and 20 and the lift amount L.
  • the actual measurement value indicates that the lift amount L and the combined capacitance C (capacitance) are linear.
  • the lift amount sensor 100 since the lift amount sensor 100 has linearity between the lift amount L and the combined capacity C, the lift amount sensor 100 has preferable characteristics as a sensor. Further, the lift amount sensor 100 theoretically indicates that the displacement amount is not limited. This is because the movable electrode 50 and the pair of fixed electrodes 10 and 20 can theoretically be extended freely in the axial direction while maintaining the linearity of the sensor.
  • FIG. 9 is a graph showing measurement errors (actual measurement values) caused by the eccentricity of the movable electrode 50 and the pair of fixed electrodes 10 and 20.
  • This graph is a graph showing sensitivity analysis of the composite capacity C with respect to the eccentricity ⁇ .
  • This graph shows a state where there is no eccentricity ⁇ , a state where the eccentricity ⁇ exists in the gap direction of the distance G (cutting side), and an eccentricity ⁇ exists in a direction perpendicular to the gap direction of the distance G.
  • the measured values are compared for the three states (the not-cut side).
  • the nominal value ⁇ n was 200 ⁇ m.
  • the inventor succeeded in confirming that the composite capacity C is not affected even if an eccentricity of at least a general manufacturing tolerance occurs.
  • This experiment also had significance as a sensitivity analysis of the influence on the composite capacity C with respect to the direction of eccentricity. This sensitivity analysis was intended to be used to determine the necessity of increasing the number of divisions of the outer electrode and the optimum value of the division shape.
  • the electrode is a pair of electrodes that are substantially equally divided into two and facing each other by a plane including the direction of displacement of the poppet valve element 31 that is a measurement target. I found out. If the measurement object is divided by a plane including the direction of displacement, the capacitance ratio between the capacitor on the fixed electrode 10 side and the capacitor on the fixed electrode 20 side is not affected by the movement of the measurement object, so This is because linearity can be secured. This is because the combined capacitance C due to the series connection of the capacitor on the fixed electrode 10 side and the capacitor on the fixed electrode 20 side can be maximized if the two are substantially equally divided into two.
  • This embodiment can achieve the following effects.
  • the lift amount sensor 100 solves the trade-off between the displacement amount (maximum value of the lift amount L) measurable by the capacitance sensor and the assembly tolerance (eccentric amount ⁇ ) of the counter electrode. As an ideal linear characteristic.
  • the lift sensor 100 has a shape in which both the movable electrode 50 as a cylindrical electrode and the pair of fixed electrodes 10 and 20 as outer electrodes can realize a precise shape and size by general machining. Have.
  • the lift amount sensor 100 has a feature that it is difficult to cause aging deterioration because the counter electrode is physically disposed so as to face the non-contact.
  • 1st Embodiment is not limited to the above-mentioned content, For example, you may implement as follows.
  • the outer electrode is configured as a mechanical part.
  • the outer electrode may be formed on the inner surface 61 formed on the sensor body 60 by metal film deposition, for example. By so doing, the facing area is significantly reduced, so the distance G can be reduced and the facing area of the measurement object can be increased.
  • the outer electrode may be manufactured integrally by insert molding by injecting the resin around the metal electrode with the sensor body 60 being a heat resistant resin. Further, the outer electrode may be manufactured as a clip structure in which a metal press part is fitted into the lumen surface 61. As described above, the outer electrode has a broad meaning and may have at least a pair of electrodes that are divided in the circumferential direction and face each other.
  • the pair of outer electrodes is divided into two parts, but may be divided into, for example, three or more.
  • the outer electrode that can be used in the present invention may be a set of outer electrodes that are cylindrical and divided in the circumferential direction.
  • the pair of outer electrodes divided into two as described above has the simplest configuration, and the distance G can be reduced to increase the facing area, and the stray capacitance can be reduced by reducing the wiring. have.
  • the cylindrical electrode (movable electrode 50 in the embodiment) forms the end, but the cylindrical electrode is located at an intermediate position of the movable portion as in the first modification (see FIG. 10), for example. (For example, it may be provided between the cylindrical member 51 and the piston rod 44).
  • a resin cylindrical member 51 is attached to the end of the movable electrode 50a with a bolt 56.
  • the columnar member is a component formed by insert molding by injecting resin around the insert material 54 on which the female screw is formed.
  • the through hole 51 h is a hole for supplying and exhausting air according to the movement of the cylindrical member 51.
  • This configuration has the advantage that the dielectric fluid does not need to flow according to the displacement of the measurement target.
  • the cylindrical electrode does not need to be attached to the end of the measurement target, and may be attached between the actuator 42 and the valve main body 41 or inside the actuator 42. Furthermore, it is good also as a structure which pinches
  • a dielectric fluid is used to increase the S / N ratio, but the dielectric fluid is not necessarily an essential configuration.
  • FIG. 11 is a graph showing how the dielectric constant changes according to the temperature of the dielectric fluid.
  • Line E2 is a line showing the relationship between the temperature of the dielectric fluid and the dielectric constant. For example, when the temperature of the dielectric fluid rises from 0 degrees to 100 degrees, the dielectric constant falls by the fluctuation amount Ea. For example, if the capacitance and lift amount are calibrated at a temperature of 0 °, an error due to a change in the dielectric constant corresponding to the variation Ea occurs at the temperature of 0 °.
  • the second modification is different from the above-described embodiment in that a compensation capacitor for compensating for an error caused by a change in dielectric constant is provided outside the outer electrode.
  • the compensation capacitor is a capacitor in which a common dielectric fluid is used as a dielectric and the distance between the pair of fixed counter electrodes 91a and 91b is fixed. Separate terminals (not shown) are electrically connected to the fixed counter electrodes 91a and 91b, respectively.
  • the pair of fixed counter electrodes 91a and 91b are arranged in the outer peripheral direction (outside) of the pair of fixed electrodes 10 and 20, and are mounted between the pair of divided sensor bodies 60a1 and 60a2.
  • Each of the pair of fixed counter electrodes 91a and 91b has a ring shape having a diameter different from each other, and shares a central axis.
  • the space between the pair of fixed counter electrodes 91a and 91b communicates with the internal space Sp1 through the communication holes 92 and 93. Thereby, the dielectric fluid can fill the space between the internal space Sp1 and the fixed counter electrodes 91a and 91b.
  • the compensation capacitor is equipped in a state of being electrically separated from the outer electrode and the cylindrical electrode so as not to affect the capacitance between the terminals 71 and 72. Since the compensation capacitor can observe the dielectric constant by actually measuring its capacitance, the displacement can be measured using the observed dielectric constant. As a result, the compensation capacitor can be mounted without excessively increasing the size of the measurement target in the displacement direction, and the measurement displacement error caused by the change in the dielectric constant can be compensated.
  • a fluid separate from the fluid to be controlled is used as the dielectric fluid, but the fluid to be controlled is used as the dielectric fluid as in the third modification (see FIG. 13), for example. You may do it. In this way, it is possible to easily use the dielectric fluid without providing a dedicated channel or reservoir for using the dielectric fluid.
  • the third modification is an example in which the present invention is applied to a spool valve 40c as a proportional control valve for controlling the flow of dielectric fluid.
  • the spool valve 40c includes a spool 44a, a sleeve 57, and a movable electrode 50b.
  • the movable electrode 50b is attached to the spool 44a by a fastening member 59 through an insulating member 58. Since the movable electrode 50b is insulated inside the spool valve 40c by the insulating member 58, a metal material which is a conductor can be used as the material of the spool 44a, and the choice of materials is expanded.
  • the proportional control valve has a broad meaning, and may be any valve that can measure and feedback the valve opening, for example, and includes a mixing valve that controls the mixing ratio.
  • FIG. 13 shows the spool valve 40c of the third modified example in a state where the spool 44a is closest to the fixed electrodes 10 and 20 side.
  • the flow path of the dielectric fluid is connected to the opening 43ah downstream of the flow path through the communication between the recess 44ah as the flow path formed in the spool 44a and the opening 57h of the sleeve 57.
  • the spool 44a is separated from the fixed electrodes 10 and 20 side, the communication between the recess 44ah and the opening 57h is lost and the flow path is closed.
  • the ends of the pair of fixed counter electrodes 91c and 91d face the channel.
  • the pair of fixed counter electrodes 91c and 91d are mounted in a recess 91e formed in the sensor body 60b of the third modification. Between the pair of fixed counter electrodes 91c and 91d, there is an interval through which the dielectric fluid can flow, and the same dielectric fluid as the dielectric fluid between the fixed electrodes 10 and 20 and the movable electrode 50b flows. Therefore, it can be used as a compensation capacitor as in the second modification.
  • the fixed counter electrodes 91c and 91d have the advantage that the dielectric fluid can flow between them without any stagnation between them, and the advantage that the compensation capacitor can be equipped only by forming the recess 91e in the sensor body 60b. is doing.
  • the cylindrical electrode side moves with the measurement target, but the outer electrode side may move with the measurement target, or both may move. .
  • valve body of the vacuum control valve and the spool of the spool valve has been described as an example of measurement target.
  • other types of valves such as mixing valves and actuators are linearly formed. It can be applied to a machine part having an element that is displaced (moved).
  • FIG. 14 is a cross-sectional view showing the sensor installation side of the spool valve of the second embodiment, and (a) and (b) show the state where the spools are arranged at different positions.
  • the spool valve will be described with reference to FIG.
  • the spool valve 200 includes a valve body 201 and a sensor 221 that detects the spool position.
  • the valve main body 201 has a valve body 202 having a cylindrical shape formed of a metal material such as stainless steel and having a hollow portion having a circular cross section perpendicular to the central axis.
  • the valve body 202 is provided with an inflow port 203 and an outflow port 204 that communicate with the hollow portion.
  • a sleeve 205 is provided in the hollow portion of the valve body 202. Similarly to the valve body 202, the sleeve 205 has a cylindrical shape formed of a metal material such as stainless steel. The sleeve 205 is provided with circulation annular grooves 206a, 206b and circulation holes 207a, 207b at positions where the inlet 203 and the outlet 204 of the valve body 202 are provided. It communicates with the hollow portion of the sleeve 205 through 207a and 207b.
  • the hollow portion of the sleeve 205 is a cylinder, in which the spool 211 is accommodated.
  • the spool 211 has an axis that coincides with the axis of the cylinder, and is provided so as to be movable along the axis of the cylinder in a state where the sliding portion 212 slides on the inner surface of the cylinder.
  • the actuator (not shown) for moving the spool 211, a known technique such as a pneumatic device as in the first embodiment or a device using a solenoid can be appropriately used.
  • the spool 211 is formed with an annular recess 213 in addition to the sliding portion 212 sliding on the inner surface of the cylinder. As shown in the figure, a state where the spool 211 is disposed at the moving end opposite to the sensor unit 221 is defined as a first position. At this position, the flow hole 207 b of the sleeve 205 is closed by the sliding portion 212 of the spool 211. For this reason, the fluid supplied to the inflow port 203 does not flow out from the outflow port 204.
  • FIG. 14B shows this state.
  • the flow annular groove 206 a corresponding to the inflow port 203 and the flow annular groove 206 b corresponding to the outflow port 204 communicate with each other through the flow holes 207 a and 207 b and the annular recess 213. For this reason, the fluid supplied to the inflow port 203 flows out from the outflow port 204.
  • the sensor unit 221 is provided on one end side of the valve body 201.
  • the sensor unit 221 includes a sensor body 222 that is formed in a cylindrical shape by extending the valve body 202.
  • the open end of the sensor body 222 is closed by a closing member 223 having a flat plate shape.
  • the closing member 223 is made of an electrically insulating material such as alumina.
  • a hollow portion of the sensor body 222 (a space between the closing member 223 and the end portion of the sleeve 205) is a sensor installation space 224, in which a sensor having the same configuration as the lift amount sensor 100 of the first embodiment is provided. Is provided. That is, a pair of fixed electrodes 225 and 226 as outer electrodes are provided on the closing member 223. A movable electrode 227 as a cylindrical electrode is attached with an insulating member 214 interposed at the end of the spool 211.
  • the movable electrode 227 enters the cylindrical inner space Sp2 formed by the pair of fixed electrodes 225 and 226, as shown in FIG. In this case, the fluid in the internal space Sp2 flows to the opposite side through the through hole 215 formed in the spool 211. As the movable electrode 227 enters, the facing area between the movable electrode 227 and the fixed electrodes 225 and 226 varies. The position of the spool 211 can be detected by capturing the change in capacitance due to this area variation.
  • the pair of fixed electrodes 225 and 226 are provided with electrode terminals 225a and 226a as conductive parts, respectively.
  • the electrode terminals 225 a and 226 a extend through the closing member 223 in the moving direction of the spool 211 and are exposed outside the sensor installation space 224.
  • a sensor board 231 as a circuit board is attached to the projecting ends of the electrode terminals 225a and 226a.
  • the sensor substrate 231 is made of an electrically insulating material such as alumina or synthetic resin.
  • the sensor substrate 231 is arranged outside the sensor installation space 224 so as to be separated from the closing member 223 and substantially perpendicular to the moving direction of the spool 211, and the back surface (circuit non-forming surface) faces the closing member 223. Yes.
  • the sensor substrate 231 is formed with an output circuit for outputting a capacitance detection signal to the outside.
  • the pair of electrode terminals 225a and 226a is electrically connected to a circuit formed on the sensor substrate 231.
  • a connector 232 is provided on the sensor substrate 231, and a wiring-side connector (not shown) provided at the end of the electrical wiring is connected to the connector 232. With this connection, a signal is output to the outside through the electrical wiring.
  • the sensor substrate 231 and the closing member 223 are covered with a sensor cover 233. Further, the closing member 223 is provided with a thermistor 234, and a detecting portion of the thermistor 234 is disposed in the internal space Sp2.
  • the thermistor 234 is electrically connected to a circuit formed on the sensor substrate 231, and a temperature signal of the filling fluid (dielectric fluid) detected by the thermistor 234 is output to the outside. Based on the detected temperature, temperature compensation of the dielectric constant ⁇ is performed.
  • the temperature compensation may employ a configuration in which a compensation capacitor is provided as in the second and third modifications of the first embodiment.
  • the assembly including the sensor body 222, the pair of fixed electrodes 225 and 226, and the pair of electrode terminals 225a and 226a is also referred to as a second member.
  • an assembly including the movable electrode 227, the insulating member 214, and the spool 211 is also referred to as a first member.
  • the numerical value of the detected capacitance may fluctuate greatly due to a disturbance factor such as a person touching the valve main body unit 201 or the sensor body 222, and may vary.
  • a disturbance factor such as a person touching the valve main body unit 201 or the sensor body 222
  • the presence of stray capacitance is a factor that causes instability of the numerical value of capacitance. For this reason, there is an inconvenience that the capacitance cannot be detected stably.
  • the cylindrical shield member 241 is provided in the sensor installation space 224 of the sensor unit 221.
  • the cylindrical shield member 241 is made of a metal material such as Kovar (an alloy of iron, nickel and cobalt) or stainless steel.
  • One end of the cylindrical shield member 241 is cantilevered by the closing member 223, and is interposed between the sensor body 222 and the fixed electrodes 225 and 226 in a non-contact state. That is, the sensor body 222 is provided outside the cylindrical shield member 241 and the pair of fixed electrodes 225 and 226 is provided inside, and the cylindrical shield member 241 is electrically insulated from the sensor body 222 and the fixed electrodes 225 and 226. It is in the state.
  • One end of the cylindrical shield member 241 protrudes outside the sensor installation space 224 through the closing member 223.
  • the protruding end of the cylindrical shield member 241 is attached to the sensor substrate 231 using a fixing member such as a screw or a pin. For this reason, the sensor substrate 231 is supported by the cylindrical shield member 241.
  • a part of the protruding portion of the electrode terminals 225 a and 226 a is surrounded by the cylindrical shield member 241, the sensor substrate 231, and the closing member 223.
  • the end of the cylindrical shield member 241 opposite to the sensor substrate 231 is formed to extend to the back of the sensor installation space 224. More specifically, as shown in FIG. 14A, the cylindrical shield member 241 has a movable electrode 227 in a state where it is out of the internal space Sp2 at the first position where the facing area between the electrodes is minimized. It has a length that can cover all.
  • a thin metal film 242 is formed by vapor deposition or the like at least in a connection portion with the cylindrical shield member 241 and an inner region thereof.
  • the metal film 242 is electrically connected to a grounding circuit formed on the sensor substrate 231, and the grounding circuit is connected to a grounding wiring via a connector 232.
  • the cylindrical shield member 241 is provided in contact with the metal film 242. For this reason, the cylindrical shield member 241 is also grounded.
  • the metal film 242 is electrically insulated from the portions to which the wirings from the electrode terminals 225a and 226a and the thermistor 234 are connected.
  • the fixed electrodes 225 and 226 and the movable electrode 227 are covered with the cylindrical shield member 241.
  • a part of the electrode terminals 225 a and 226 a extending outside the sensor installation space 224 is also covered with the cylindrical shield member 241 and the metal film 242.
  • stray capacitances generated between the fixed electrodes 225 and 226 and the movable electrode 227 and the sensor body 222 and between the electrode terminals 225a and 226a are caused by the intervention of the cylindrical shield member 241 and the metal film 242 respectively connected to the ground. Has been reduced. As a result, the stray capacitance is reduced, so that the factor that destabilizes the capacitance value can be reduced. As a result, the capacitance can be stably detected, and performance that can withstand practical use can be obtained.
  • a fluid to be controlled is used as a dielectric fluid, and this point is described as a third modification of the first embodiment (see FIG. 13).
  • a fluid different from the fluid to be controlled may be used as the dielectric fluid.
  • the above-described different forms (1) to (3), (6) and (7) are also applicable.
  • the sensor substrate 231 is not in a state of being separated from the closing member 223 but is in contact with the closing member 223 may be employed.
  • the metal film 242 formed on the back surface of the sensor substrate 231 may be omitted.
  • the configuration of the present embodiment in which the metal film 242 is formed is used. It is preferable to adopt.

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Abstract

　本発明は、計測対象の直線上の変位を計測する静電容量式変位センサを提供する。本静電容量式変位センサは、直線に平行な中心軸線を有する円柱状の円柱電極を有する第１部材と、円柱電極の外側において円柱電極から電気的に絶縁された状態で設けられている円筒状の外側電極を有する第２部材と、を備える。外側電極は、周方向に分割された相互に対向する少なくとも一対の電極を有し、円柱電極は外側電極に接続されている回路から電気的に絶縁されている。第１部材と第２部材とは、計測対象の変位に伴って相対的に直線上を移動し、その移動に応じて少なくとも一対の外側電極の相互間の静電容量が変化する。

Description

静電容量式変位センサ及び静電容量式変位センサを有する比例制御弁
　本発明は、静電容量式変位センサに関し、特に電極の対向面積の変化に起因する静電容量の変化を利用する変位センサに関する。
　流体制御弁やアクチュエータといった所定のストロークで直線的に移動する構成要素を有する装置には、その変位を計測するための変位センサを備えるものがある。このような用途の変位センサとしては、計測対象の変位量が大きいことから、たとえば接触式のポテンショメータ（特許文献１）や差動トランス式変位センサ、あるいはホール素子のような磁性体を利用する非接触式の変位センサが利用されている。一方、簡易な構成を有する静電容量式変位センサも従来から他の用途に利用されている。
　静電容量式変位センサは、対向する電極の相対的な動きに起因する静電容量の変化を利用して計測対象の変位を計測するセンサである。計測対象の変位は、一般的に対向する電極の対向面積や離隔距離の変動に起因する静電容量の変化として検出される。対向面積の変化を利用する方式の静電容量式変位センサ（特許文献２，３）は、図１５に示されるように対向電極の対向面積（Ｓ＝Ｗ×Ｌ）の変化を利用するので、大きな変位量（ストローク）を計測することができるという利点を有している。しかしながら、本方式では、対向電極間の距離ｄを可能な限り小さくして感度を上げるので、図１７の領域Ｚ１に示されるように距離ｄの誤差に起因する計測誤差が顕著となる。この結果、厳しい製造公差と計測感度のトレードオフの問題が発生していた。
　一方、離隔距離の変化を利用する方式の静電容量式変位センサは、図１６に示されるように対向電極間の対向面に平行な相対位置に関する誤差に起因する計測誤差が線形で過度に大きくない利点を有している。しかしながら、本方式は、図１７に示されるように計測対象の変位ｄと静電容量（Ｃ＝ε×Ｓ／ｄ）の関係が非線形であり、領域Ｚ２のような大きな変位量（ストローク）の領域における計測が極めて困難であるという問題を有していた。
　一方、静電容量を利用するセンサとして、静電容量の変化を利用する計測方式ではなく、容量結合を利用した対向電極間の通信状態に基づいて計測する方式のセンサも提案されている（特許文献４,５）。本方式では、相互に位相が相違する電圧が印加された複数の対向電極である点に特徴を有し、計測対象の変位に応じて複数の対向電極のいずれと最も強く容量結合が発生するかに基づいて計測される。本方式は、非接触で回路を切り替えることができるので、計測対象の動きに影響を与えることなく計測を可能としている。しかし、本方式は、回路の切替えのための曲面上への複雑な電極パターンの形成を必要とし、配線や回路が複雑となるという問題をも有している。
特開２０１０－１５２７６３号公報 特開平０１－１９６０１１号公報 特開平０３－１２３８１４号公報 特開平０８－１５９７０４号公報 特開平０８－１６６２０４号公報
　このように、従来は、静電容量の変化を利用する方式のセンサでは、計測可能な変位量と対向電極の組み付け許容公差との間のトレードオフの問題が生じていた。一方、容量結合を利用して非接触で回路を切り替える方式では、曲面上への複雑な電極パターンの形成、配線や回路の複雑化という問題があった。
　本発明は、上述の従来の課題の少なくとも一部を解決するために創作されたものであり、静電容量を利用して簡易な構成で計測対象の変位を計測する技術を提供することを目的とする。
　以下、上記課題を解決するのに有効な手段等につき、必要に応じて効果等を示しつつ説明する。
　手段１．計測対象の直線上の変位を計測する静電容量式変位センサであって、
　前記直線に平行な中心軸線を有する円柱状の円柱電極を有する第１部材と、
　前記円柱電極の外側において、前記円柱電極から電気的に絶縁された状態で設けられている円筒状の外側電極を有する第２部材と、
を備え、
　前記外側電極は、周方向に分割された相互に対向する少なくとも一対の電極を有し、
　前記円柱電極は、前記外側電極に接続されている回路から電気的に絶縁されており、
　前記第１部材と前記第２部材とは、前記計測対象の変位に伴って相対的に前記直線上を移動し、前記移動に応じて前記少なくとも一対の外側電極の相互間の静電容量が変化する静電容量式変位センサ。
　手段１は、円柱電極の外側において円柱電極から電気的に絶縁された状態で設けられ、計測対象の変位に伴って静電容量が変化する一対の電極を有する外側電極を備えている。静電容量の変化は、計測対象の変位に伴って外側電極と円柱電極とが相対的に移動することによって、外側電極と円柱電極との間の対向面積が変化することによって発生する。円柱電極と外側電極の対向面は円周状に形成され、円柱電極が外側電極に接続されている回路から電気的に絶縁されているので、円柱電極と外側電極とが相互に偏心していても対向面の離隔距離の変化に起因する静電容量の変化が相殺されることになる。
　これにより、計測可能な変位量と対向電極の組み付け許容公差との間のトレードオフの問題を解決し、組み付け許容公差を過度に厳しくすること無く計測可能な変位量を拡大することができる。さらに、円柱電極は、回転しても外側電極の内面との位置関係が変化しないので、回転方向の拘束がなされていない弁体やアクチュエータシャフトといった種々の変位の計測に適している。
　手段２．前記一対の外側電極は、前記計測対象の変位の方向を含む平面によって、均等に２分割されて相互に対向している一対の電極である手段１記載の静電容量式変位センサ。
　手段２は、発明者の解析と実験とによって導き出された外側電極の好ましい分割構成である。本構成は、発明者の実験による円柱電極と外側電極の偏心方向に対する計測誤差の感度分析と、その感度分析に基づいて対向面積が大きくなるように構成されたものである。偏心方向は、外側電極の分割面の方向に対する相対的な方向としての意味を有している。
　手段３．前記第１部材は、前記計測対象に接続されるための接続部を有し、
　前記第２部材は、前記少なくとも一対の外側電極の各々に接続され、前記第２部材の外部に向かって前記第２部材を貫通している少なくとも一対の導電部を備える手段１又は２に記載の静電容量式変位センサ。
　手段３は、計測対象とともに変位する第１部材に接続され、第２部材側にその内部から外部に貫通する電極が設けられているので、計測対象の変位に伴う配線の変形を回避することができる。これにより、配線の変形を考慮した設計が不要となるとともに、配線の可動部分を無くすことによってセンサの信頼性を高めることもできる。
　手段４．前記第２部材は、前記外側電極と前記円柱電極とによって囲まれる領域を封止し、
　前記領域は、非圧縮性の誘電流体で満たされている手段１乃至３のいずれか一つに記載の静電容量式変位センサ。
　手段４は、外側電極と円柱電極とによって囲まれる空間が非圧縮性の誘電流体で満たされているので、静電容量を大きくしてＳＮ比を高くすることができる。非圧縮性の誘電流体には、種々の誘電流体が利用可能である。誘電流体とは、導電性よりも誘電性が優位な流体を意味する。
　手段５．前記第２部材は、さらに、前記外側電極の外周方向に配置され、前記誘電流体を挟んで対向し、相互に直径が相違する一対の固定対向電極を有する補償用コンデンサを備え、
　前記補償用コンデンサは、前記外側電極と前記円柱電極とによって囲まれる領域と前記一対の固定対向電極によって挟まれる領域とに連通する連通孔によって前記誘電流体を共有している手段４に記載の静電容量式変位センサ。
　手段５は、外側電極の外周方向に配置され、誘電流体を挟んで対向し、相互に直径が相違する一対の固定対向電極を有する補償用コンデンサを備えている。補償用コンデンサは、外側電極と円柱電極とによって囲まれる領域と一対の固定対向電極によって挟まれる領域とに連通する連通孔によって前記誘電流体を共有している。これにより、計測対象の変位方向のサイズを過度に大きくすることなく補償用コンデンサを実装し、誘電率の変化に起因する計測変位の誤差を補償することができる。
　手段６．前記第２部材はセンサボディを備え、前記外側電極と前記センサボディとの間にその両者と電気的に絶縁された状態で介在し、前記第１部材と前記第２部材とが相対移動するその移動範囲にわたり前記外側電極及び前記円柱電極の両者を覆う金属製の筒状シールド部材を備え、
　前記筒状シールド部材は電気的に接地されている手段１乃至５のいずれか一つに記載の静電容量式変位センサ。
　手段６は、第１部材と第２部材とが相対移動する間、外側電極及び円柱電極の両者を金属製の筒状シールド部材が覆うことになる。このため、静電容量の検出に際し、外側電極を有する第２部材のセンサボディに人が触ったりする等の外乱要因が存在しても、その外乱要因による影響を少なくすることができる。また、外側電極や円柱電極とセンサボディとの間に生じる浮遊容量が、グランドに接続された筒状シールド部材により削除される。このため、静電容量の数値を不安定させる要因が低減し、静電容量の検出を安定して行うことができる。
　手段７．前記第２部材は、少なくとも一対の前記外側電極に各々接続されて前記第２部材の外部に向かって前記第２部材を貫通する少なくとも一対の導電部を有し、
　前記筒状シールド部材は、前記第２部材の外部に向かって前記第２部材を貫通して、前記導電部の一部も前記筒状シールド部材に覆われており、
　前記導電部及び前記筒状シールド部材において前記第２部材の外部へ貫通した部分には、電極側に裏面を向けた回路基板が取り付けられ、前記回路基板の裏面には、その回路基板に形成された接地用の回路と電気的に接続された金属膜が形成されている手段６に記載の静電容量式変位センサ。
　手段７は、筒状シールド部材と金属膜とで電極部分及び導電部の一部を囲むことになり、より広範なシールド効果が得られる。このため、外乱要因による影響をより少なくすることができ、浮遊容量の削減にも寄与し、静電容量の検出をより安定化させることができる。
　それに加え、前記回路基板が第２部材から離間して取り付けられた場合であれば、導電部が第２部材の外部に突出した部分でも外乱要因による影響を少なくすることができる。また、突出した導電部間に生じる浮遊容量が、グランドにそれぞれ接続された筒状シールド部材や金属膜により削減される。このため、浮遊容量の増加が抑制されることになり、回路基板を離間させた構成を採用しても、静電容量を安定化した状態で検出することができる。
　手段８．誘電流体の流れを制御する比例制御弁であって、
　手段４又は５に記載の静電容量式変位センサと、
　前記第１部材に接続されている前記計測対象としての弁体を有し、前記直線上の前記弁体の変位に応じてバルブ開度が変化するバルブ本体と、
を備え、
　前記バルブ本体は、前記領域に誘電流体を導く流路を有している比例制御弁。
　手段８は、制御対象の流体を誘電流体として利用しているので、誘電流体を使用するための専用流路やリザーバを設けることなく、簡易に誘電流体を使用することができる。なお、本明細書では、比例制御弁は、広い意味を有し、たとえば弁開度を計測してフィードバックできるものであればよく、たとえば混合比を制御する混合弁も含まれている。
　なお、本発明は、静電容量式変位センサや真空制御弁その他の比例制御弁だけでなく、たとえば静電容量式変位センサを備えるシリンダやアクチュエータ、スプール弁といった形で具現化することもできる。
第１実施形態の真空制御弁４０の弁全閉状態における構成を示す断面図。 第１実施形態の真空制御弁４０の弁半開状態における構成を示す断面図。 リフト量センサ１００の構成を示す断面図。 リフト量センサ１００の端部を示す外観図。 リフト量センサ１００の構成を示す模式図。 リフト量センサ１００の対向電極の構成を示す斜視図。 リフト量センサ１００の静電容量を示す計算式。 円柱電極と外側電極の静電容量と理論値を比較して示すグラフ。 円柱電極と外側電極の偏心に起因する計測誤差を示すグラフ。 第１変形例の真空制御弁４０ａの弁全閉状態における構成を示す断面図。 誘電流体の温度に応じて誘電率が変化する様子を示すグラフ。 第２変形例の真空制御弁４０ｂの弁全閉状態における構成を示す断面図。 第３変形例の誘電流体制御弁４０ｃの構成を示す部分断面図。 第２実施形態のスプール弁１００のセンサ設置側を示す断面図。 従来技術における対向電極の対向面積が変化する様子を示す模式図。 従来技術において対向電極の離隔距離が変化する様子を示す模式図。 従来技術における対向電極の離隔距離と静電容量の関係を示すグラフ。
　［第１実施形態］
　以下、本発明を具現化した第１実施形態について、図面を参照しつつ説明する。本実施の形態では、半導体装置等の製造ラインにおいて使用される真空制御弁４０について具体化しており、それを図１乃至図６に基づいて説明する。
　図１は、本発明の第１実施形態の真空制御弁４０の弁全閉状態における構成を示す断面図である。図２は、本発明の第１実施形態の真空制御弁４０の弁半開状態における構成を示す断面図である。真空制御弁４０は、弁本体４１と開閉弁３０とアクチュエータ４２とリフト量センサ１００とを備えている。弁本体４１には、真空容器（図示省略）と真空ポンプ（図示省略）とを接続する流路８０が形成されている。流路８０は、真空容器側に接続されるための上流側流路８１と、真空ポンプ側に接続されるための下流側流路８２とを有している。
　開閉弁３０は、上流側流路８１と下流側流路８２との間の流路を開閉する機能と、その流路の開度を操作してコンダクタンス調整する機能とを有している。開閉弁３０は、ポペット弁体３１と、弁座３２と、弾性シール部材３３と、摺動部を封止するベローズ３７とを備えている。開閉弁３０は、ポペット弁体３１を弁座３２に当接させることによって弾性シール部材３３で上流側流路８１と下流側流路８２との間を閉鎖することができる。開閉弁３０は、ポペット弁体３１と弁座３２との間の距離であるリフト量Ｌ（開度）を操作して上流側流路８１と下流側流路８２との間のコンダクタンスを調整することができる。ポペット弁体３１の移動方向は、軸線方向とも呼ばれる。リフト量Ｌは、軸線方向に変位する量である。
　アクチュエータ４２は、ポペット弁体３１を駆動してリフト量Ｌを操作する。アクチュエータ４２は、アクチュエータ本体４３と、絶縁体である樹脂製のピストン４９と、ピストン４９とポペット弁体３１とを接続するセラミック製のピストンロッド４４と、ピストン４９を付勢する付勢バネ４６と、付勢バネ４６を支持する樹脂製のシリンダカバー４５ｃと、を備えている。ピストン４９は、アクチュエータ本体４３の内部に形成された凹部４５ｈとの間にシリンダ室４５を形成している。ベロフラム４９ｂは、シリンダ室４５を封止する部材であり、ピストン４９の外周面とシリンダ室４５の内周面との間の隙間に装着されている。シリンダ室４５には、電空制御弁（図示省略）から作動エアを供給するための作動エア流路４７が形成されている。
　アクチュエータ４２は、図示しない電空制御弁からの作動エアの供給圧を操作することによって任意の位置にポペット弁体３１を制御することができる。ポペット弁体３１の位置は、ピストン４９に印加される作動エアによる荷重と付勢力が釣り合う位置で安定する。作動エアがリフト量Ｌを大きくする方向にピストン４９に荷重を印加する一方、付勢バネ４６がリフト量Ｌを小さくする方向にピストン４９に付勢力を印加しているからである。
　図３は、第１実施形態のリフト量センサ１００の構成を示す断面図である。図４は、第１実施形態のリフト量センサ１００の端部を示す外観図である。図５は、第１実施形態のリフト量センサ１００の構成を示す模式図である。図６は、第１実施形態のリフト量センサ１００の対向電極の構成を示す斜視図である。リフト量センサ１００は、静電容量式変位センサである。
　リフト量センサ１００は、リフト量Ｌ（図２参照）を計測するセンサである。リフト量センサ１００は、樹脂製のセンサ本体６０と、円柱状の形状を有する金属製の可動電極５０と、一対の金属製の固定電極１０，２０と、一対の固定電極１０，２０のそれぞれに接続されてセンサ本体６０を貫通している一対の端子７１，７２と、端子７１，７２とセンサ本体６０との接続を封止する樹脂性の封止部７３とを備えている。なお、一対の固定電極１０，２０は外側電極とも呼ばれる。可動電極５０は円柱電極とも呼ばれる。
　可動電極５０は、リフト量センサ１００の内部において、リフト量センサ１００の他の部品から電気的に絶縁された状態とされている。具体的には、可動電極５０は、樹脂製のシリンダカバー４５ｃとの摺動面を有し、樹脂製のピストン４９とセラミック製のピストンロッド４４とに装着されている。なお、可動電極５０は、リフト量センサ１００の内部において電気的に絶縁されていればよく、たとえば樹脂製のインサート部材等の絶縁体をピストンロッド４４等との間に装着して他の部品から電気的に絶縁されていてもよい。可動電極５０が電気的に絶縁されている理由については後述する。
　センサ本体６０は、図３および図４に示されるように４本のボルト６２でアクチュエータ４２に装着されている。センサ本体６０には、内腔面６１が形成されている。内腔面６１には、一対の固定電極１０，２０が所定の距離Ｇで離隔して装着されている。所定の距離Ｇは、相互に対向する一対の切断端面１５，２５に過度な寄生容量（静電容量）が発生しないような距離として設定することができる。寄生容量の許容量は、検出対象の静電容量との比較に基づいて設定される。なお、センサ本体６０と一対の固定電極１０，２０と一対の端子７１，７２とを有する組立体は、第２部材とも呼ばれる。
　固定電極１０の内部には、図５に示されるように端部壁面１１と、端部壁面１１に対して垂直方向に連なる円柱状の円柱壁面１２と、円柱壁面１２に対して垂直方向に連なる外部端面１３とが形成されている。固定電極２０の内部には、端部壁面２１と、端部壁面２１に対して垂直方向に連なる円柱状の円柱壁面２２と、円柱壁面２２に対して垂直方向に連なる外部端面２３とが形成されている。円柱壁面１２と円柱壁面２２は、相互に対向する位置に配置され、端部壁面１１，２１とともに円柱状の内部空間Ｓｐ１を形成している。
　一対の固定電極１０，２０は、たとえば以下のように機械加工で製造することが可能である。第１に、旋盤で外形形状が形成され、次に中ぐり盤で端部壁面１１，２１と円柱状の円柱壁面１２，２２が形成され、最後に切断することによって切断端面１５，２５が形成される、といった一般的な機械加工で製造することができる。このように、一対の固定電極１０，２０は、機械加工で外形を形成できるので、一般的な工程で高精度の製造が可能である。
　円柱状の内部空間Ｓｐ１は、可動電極５０が挿入される領域である。可動電極５０は、一対の固定電極１０，２０に対して電気的に絶縁された状態（非接触状態）で挿入されている。可動電極５０は、固定電極１０に対してはδ１の離隔距離を保持した状態で挿入されている。これにより、可動電極５０は、固定電極１０に対してはリフト量Ｌに応じて対向面積が変動する対向面を有する静電容量Ｃ１のコンデンサを構成している。可動電極５０は、固定電極２０に対してはδ２の離隔距離を保持した状態で挿入されている。これにより、可動電極５０は、固定電極２０に対してはリフト量Ｌに応じて対向面積が変動する対向面を有する静電容量Ｃ２のコンデンサを構成している。
　固定電極１０と可動電極５０との間に形成される静電容量Ｃ１のコンデンサは、可動電極５０と固定電極２０との間に形成される静電容量Ｃ２のコンデンサと、導体としての可動電極５０によって直列に接続されていることになる。一方、固定電極１０と固定電極２０は、それぞれ端子７１と端子７２に電気的に接続されている。これにより、一対の端子７１と端子７２の間には、静電容量Ｃ１のコンデンサと静電容量Ｃ２のコンデンサとが直列に接続されたコンデンサとしての静電容量が発生することになる。
　内部空間Ｓｐ１には、検出対象の静電容量を大きくしてＳＮ比を高めるために誘電流体が封入されている。誘電流体とは、導電性よりも誘電性が優位な流体を意味し、たとえば非圧縮性のフッ素系不活性流体が利用可能である。フッ素系不活性流体は、優れた電気絶縁性と熱特性を有する。フッ素系不活性流体は、粘度が小さいので、外側電極と円柱電極の相対移動に伴う流動に起因する負荷を低減できるという特徴を有している。
　可動電極５０には、４個の誘電流体通過孔５３（図示は３個のみ）が形成されている。誘電流体通過孔５３は、可動電極５０が内部空間Ｓｐ１の内部を移動する際において、内部空間Ｓｐ１に封入された誘電流体が流れるための貫通孔である。具体的には、リフト量Ｌが大きくなる場合には、４個の誘電流体通過孔５３を通過して内部空間Ｓｐ１から誘電流体が排出される。一方、リフト量Ｌが小さくなる場合には、４個の誘電流体通過孔５３を通過して内部空間Ｓｐ１に誘電流体が供給される。
　可動電極５０の内部には、図１及び図２に示されるように誘電流体を貯留するための貯留シリンダ室５５（図２参照）が形成されている。貯留シリンダ室５５には、貯留用ピストン５２が装着され、貯留シリンダ室５５の内容量が可変となるように構成されている。貯留シリンダ室５５には、ピストンロッド４４の内部に形成されている内部孔４４ｈが連通している。内部孔４４ｈには、軸方向に長軸を有する長孔形状の連通孔４８ｈが形成され、排気流路４８と連通して貯留用ピストン５２の円滑な移動が実現されている。なお、可動電極５０と貯留用ピストン５２の組立体は、第１部材とも呼ばれる。
　図７は、リフト量センサ１００の静電容量を概念的に表す計算式を示している。計算式Ｆ１は、静電容量の定義式である。計算式Ｆ２は、可動電極５０と固定電極１０との間の対向面に生じる静電容量を表す計算式である。なお、計算式Ｆ２は、説明を分かり易くするために微小化（離散化）して各部分を平板として取り扱っている。
　静電容量Ｃ１は、誘電率εと対向面積Ｓの積を離隔距離ｄ１で除算した値として算出される。対向面積Ｓは、リフト量Ｌに応じて変動する。計算式Ｆ３は、可動電極５０と固定電極２０との間の対向面に生じる静電容量を表す計算式である。静電容量Ｃ２は、誘電率εと対向面積Ｓの積を離隔距離ｄ２で除算した値として算出される。対向面積Ｓは、リフト量Ｌに応じて変動する。
　計算式Ｆ４は、直列に接続されている２つの静電容量Ｃ１，Ｃ２の合成容量Ｃを算出するための定義式である。リフト量センサ１００は、一対の端子７１，７２の間の合成容量Ｃの変化を利用してリフト量Ｌを計測する。合成容量Ｃは、前述のように、静電容量Ｃ１のコンデンサと静電容量Ｃ２のコンデンサとが直列に接続されたコンデンサとしての合成容量Ｃとなるからである。
　計算式Ｆ４は、２個の固定電極１０に挟まれている可動電極５０の構成を、直列に接続されている２つの静電容量Ｃ１，Ｃ２を等価回路として取り扱っている。この等価回路は、前述のように可動電極５０がリフト量センサ１００の他の部品から電気的に絶縁されていることを前提に成立するものである。具体的には、たとえば簡単な例として可動電極５０が電気的に接地され、固定電極２０が接地側の電位である場合を考えると、固定電極２０と可動電極５０との間の静電容量Ｃ２が消滅してしまうので相違する回路となる。ただし、可動電極５０は、常に電気的に絶縁されている必要は無く、少なくとも計測時に絶縁されていれば良い。
　計算式Ｆ５は、静電容量Ｃ１のコンデンサと静電容量Ｃ２のコンデンサの合成容量Ｃを算出するための計算式である。２つの離隔距離ｄ１，ｄ２は、ノミナル値（名目値）δｎとリフト量センサ１００の製造公差によって算出される。製造公差は、主として可動電極５０と固定電極１０との組み付け誤差としての偏心量δとなる。
　ノミナル値δｎは、相互に対向する一対の円柱壁面１２，２２の内径と、可動電極５０の外形の差である。すなわち、組み付け誤差としての偏心量δが存在しない場合には、可動電極５０と固定電極１０の離隔距離の２倍、あるいは可動電極５０と固定電極２０の離隔距離の２倍に相当する値である。
　計算式Ｆ６は、可動電極５０と固定電極１０の離隔距離ｄ１をノミナル値δｎと偏心量δとで表す式である。離隔距離ｄ１は、ノミナル値δｎと偏心量δの和として算出される。離隔距離ｄ１については、可動電極５０と固定電極１０の偏心は、離隔距離が大きくなる方向に発生していることを表している。
　一方、計算式Ｆ７は、可動電極５０と固定電極２０の離隔距離ｄ２をノミナル値δｎと偏心量δの差として算出している。離隔距離ｄ２については、固定電極２０が可動電極５０を挟んで固定電極１０に対向する位置に配置されているので、可動電極５０と固定電極２０の偏心は、離隔距離が小さくなる方向に発生するからである。
　計算式Ｆ８は、合成容量Ｃを算出する計算式Ｆ５に計算式Ｆ６，Ｆ７で算出された２つの離隔距離ｄ１，ｄ２を代入した計算式である。計算式Ｆ８では、偏心量δが相殺されてノミナル値δｎと対向面積Ｓと誘電率εとによって合成容量Ｃを算出できることが分る。すなわち、合成容量Ｃは、計算上は偏心量δに影響を受けないことが分る。このような効果は、前述のように可動電極５０がリフト量センサ１００の他の部品から電気的に絶縁されるようにリフト量センサ１００が構成されている故に奏することができるものである。
　図８は、可動電極５０と一対の固定電極１０，２０のリフト量Ｌに応じた合成容量Ｃの実測値を示すグラフである。理論値は、リフト量Ｌと対向面積Ｓの関係が線形であることを表す直線として示されている。対向面積Ｓは、一対の固定電極１０，２０の円周方向の長さの合計とリフト量Ｌの積としてその変動量が決定されるからである。実測値は、リフト量Ｌと合成容量Ｃ（静電容量）が線形であることを示している。
　このように、リフト量センサ１００は、リフト量Ｌと合成容量Ｃとの間に線形性を有しているのでセンサとして好ましい特性を有していることになる。さらに、リフト量センサ１００は、理論的には、変位量に制限が無いことを示している。可動電極５０と一対の固定電極１０，２０は、センサの線形性を維持しつつ軸方向に自由に延長させることが理論上は可能だからである。
　図９は、可動電極５０と一対の固定電極１０，２０の偏心に起因する計測誤差（実測値）を示すグラフである。このグラフは、偏心量δに対する合成容量Ｃの感度分析を表すグラフである。このグラフには、偏心量δが存在しない状態、偏心量δが距離Ｇのギャップの方向に存在する状態（切込側）、および偏心量δが距離Ｇのギャップの方向と垂直の方向に存在する状態（切込なし側）の３つの状態について実測値を比較している。この実験例では、ノミナル値δｎは、２００μｍであった。
　このように、発明者は、少なくとも一般的な製造公差程度の偏心が発生していても合成容量Ｃに影響を与えないことを確認することに成功した。本実験は、さらに、偏心の方向に対する合成容量Ｃへの影響の感度分析としての意義を有していた。本感度分析は、外側電極の分割数増加の必要性や分割形状の最適値の決定に利用されるためのものであった。
　しかしながら、本実験によって、一般的な製造公差程度であれば偏心がいずれの方向に生じていても合成容量Ｃに殆ど影響を与えないことが確認できたので、分割数は２個で十分であることが確認されたことになる。具体的には、たとえば切込側への偏心が切込なし側への偏心よりも合成容量Ｃに大きな影響を与える場合には、真空制御弁４０の計測値の個体差を小さくするために切込（距離Ｇ）の数の増加や位置の調整を検討することも必要となる。しかしながら、一般的な製造公差程度であれば、いずれの方向に偏心が発生しても合成容量Ｃに殆ど影響を与えないので、実用性の観点からは検討が不要であることが確認されたことになる。
　このような解析と実験とによって、計測対象であるポペット弁体３１の変位の方向を含む平面によって、ほぼ均等に２分割されて相互に対向している一対の電極であることが好ましい形態であることが分った。計測対象の変位の方向を含む平面によって分割すれば、固定電極１０側のコンデンサと固定電極２０側のコンデンサの容量比は、計測対象に移動によって影響を受けないので変位と合成容量Ｃの関係の線形性を確保できることになるからである。ほぼ均等に２分割されて相互に対向していれば、固定電極１０側のコンデンサと固定電極２０側のコンデンサの直列接続による合成容量Ｃを最大値とすることができるからである。
　本実施形態は、以下の効果を奏することができる。
　（１）リフト量センサ１００は、静電容量式センサにおいて計測可能な変位量（リフト量Ｌの最大値）と対向電極の組み付け許容公差（偏心量δ）のトレードオフを解決し、これによりセンサとして理想的な線形特性を有している。
　（２）リフト量センサ１００は、円柱電極としての可動電極５０と外側電極としての一対の固定電極１０，２０のいずれもが一般的な機械加工で精密な形状と寸度とを実現できる形状を有している。
　（３）リフト量センサ１００は、対向電極が物理的に非接触に対向して配置されているので、経年劣化を生じさせにくいという特徴を有している。
　なお、第１実施形態は上記した内容に限定されず、例えば次のように実施してもよい。
　（１）上記実施の形態では、外側電極は、機械部品として構成されているが、たとえばセンサ本体６０に形成されている内腔面６１に金属膜蒸着で形成するようにしてもよい。こうすれば、対向面積が顕著に小さくなるので距離Ｇを小さくして計測対象の対向面積を増加させることができる。外側電極は、センサ本体６０を耐熱樹脂とし、金属電極の周りに樹脂を注入してインサート成型で一体的として製造するようにしてもよい。さらに、外側電極は、内腔面６１に金属プレス部品を嵌め込むクリップ構造として製造しても良い。このように、外側電極は、広い意味を有し、周方向に分割された相互に対向する少なくとも一対の電極を有するものであれば良い。
　（２）上記実施の形態では、２分割された一対の外側電極を使用して構成されているが、たとえば３個以上に分割されていてもよい。このように、本発明で使用可能な外側電極は、円筒状をなして周方向に分割された一組の外側電極であればよい。ただし、上述のように２分割された一対の外側電極は、最も簡易な構成であり、距離Ｇを減らして対向面積の増大を実現し、配線の削減によって浮遊容量を低減させることもできるという利点を有している。
　（３）上記実施の形態では、円柱電極（実施例では可動電極５０）が端部を形成しているが、たとえば第１変形例（図１０参照）のように円柱電極が可動部分の中間位置（たとえば円柱部材５１とピストンロッド４４の間）に設けられていても良い。第１変形例では、可動電極５０ａの端部には、ボルト５６で樹脂製の円柱部材５１が装着されている。円柱部材は、雌ネジが形成されているインサート材５４の周りに樹脂を注入してインサート成型で構成された部品である。貫通孔５１ｈは、円柱部材５１の移動に応じて給排気を行なうための孔である。
　本構成は、計測対象の変位に応じて誘電流体が流動する必要がないという利点を有している。このように、円柱電極は、計測対象の端部に装着されている必要は無く、アクチュエータ４２と弁本体４１との間やアクチュエータ４２の内部に装着してもよい。さらに、一対の計測対象で円柱電極を挟む構成としてもよい。
　（４）上記実施の形態では、ＳＮ比を高くするために誘電流体が利用されているが、必ずしも誘電流体は必須の構成ではない。ただし、誘電流体を使用する場合であって、誘電流体の大きな温度変化が想定される場合には、誘電流体の温度変化に起因する誘電率の変化を補償することが好ましい。具体的には、たとえば誘電流体の温度計測を行って補正する構成や後述する第２変形例の構成とすることが好ましい。
　図１１は、誘電流体の温度に応じて誘電率が変化する様子を示すグラフである。線Ｅ２は、誘電流体の温度と誘電率の関係を示す線である。誘電率は、たとえば誘電流体の温度が０度から１００度に上昇すると、変動量Ｅａだけ降下することになる。誘電率の変化は、たとえば温度０度で静電容量とリフト量の校正がなされたとすると、温度０度では変動量Ｅａに相当する誘電率変化に起因する誤差が発生することになる。
　第２変形例は、図１２に示されるように、誘電率変化に起因する誤差を補償する補償用コンデンサが外側電極の外部に備えられている点で上述の実施形態と相違する。補償用コンデンサは、共通の誘電流体を誘電体とし、一対の固定対向電極９１ａ，９１ｂの固定対向電極と離間距離が固定のコンデンサである。固定対向電極９１ａ，９１ｂには、それぞれ別の端子（図示省略）が電気的に接続されている。
　一対の固定対向電極９１ａ，９１ｂは、一対の固定電極１０，２０の外周方向（外側）に配置され、分割されている一対のセンサ本体６０ａ１、６０ａ２の間に装着されている。一対の固定対向電極９１ａ，９１ｂは、いずれも相互に直径が相違するリング状の形状を有し、中心軸線を共有している。一対の固定対向電極９１ａ，９１ｂの間の空間は、連通孔９２，９３を通じて内部空間Ｓｐ１に連通している。これにより、誘電流体は、内部空間Ｓｐ１と固定対向電極９１ａ，９１ｂの間の空間を満たすことができる。
　補償用コンデンサは、端子７１，７２の間の静電容量に影響を与えないように、外側電極や円柱電極から電気的に分離した状態で装備されている。補償用コンデンサは、その静電容量を実測することによって誘電率を観測することができるので、観測された誘電率を使用して変位量を計測することができる。これにより、計測対象の変位方向のサイズを過度に大きくすることなく補償用コンデンサを実装し、誘電率の変化に起因する計測変位の誤差を補償することができる。
　（５）上記実施の形態では、制御対象の流体とは別個の流体を誘電流体として利用しているが、たとえば第３変形例（図１３参照）のように制御対象の流体を誘電流体として利用しても良い。こうすれば、誘電流体を使用するための専用流路やリザーバを設けることなく、簡易に誘電流体を使用することができる。
　第３変形例は、誘電流体の流れを制御する比例制御弁としてのスプール弁４０ｃに本発明を適用した一例である。スプール弁４０ｃは、スプール４４ａとスリーブ５７と可動電極５０ｂとを備えている。可動電極５０ｂは、絶縁部材５８を介して締結部材５９でスプール４４ａに装着されている。可動電極５０ｂは、絶縁部材５８によってスプール弁４０ｃの内部で絶縁されているので、スプール４４ａの材料として導体である金属材料も使用可能となり、材料の選択肢が広がることになる。なお、本明細書では、比例制御弁は、広い意味を有し、たとえば弁開度を計測してフィードバックできるものであればよく、たとえば混合比を制御する混合弁も含まれている。
　第３変形例のスプール弁４０ｃは、図１３では、スプール４４ａが固定電極１０，２０側に最も近づいた状態を示している。この状態では、誘電流体の流路は、スプール４４ａに形成されている流路としての凹部４４ａｈからスリーブ５７の開口部５７ｈの連通を介して流路の下流の開口部４３ａｈに接続されている。この流路は、スプール４４ａが固定電極１０，２０側から離れると、凹部４４ａｈと開口部５７ｈの連通が失われて閉鎖されることになる。この流路には、一対の固定対向電極９１ｃ，９１ｄの端部が面している。
　一対の固定対向電極９１ｃ，９１ｄは、第３変形例のセンサ本体６０ｂに形成されている凹部９１ｅに装着されている。一対の固定対向電極９１ｃ，９１ｄの間には、誘電流体が流れ込むことができる間隔が存在し、固定電極１０，２０と可動電極５０ｂとの間の誘電流体と同一の誘電流体が流れ込むことになるので第２変形例と同様に補償用コンデンサとして利用することができる。固定対向電極９１ｃ，９１ｄは、その間に誘電流体が淀むことなく流れ込むことができるという利点と、センサ本体６０ｂに凹部９１ｅを形成するだけで補償用コンデンサを装備することができるといる利点とを有している。
　（６）上記実施の形態では、円柱電極側が計測対象とともに移動しているが、外側電極側が計測対象とともに移動するように構成しても良いし、あるいは双方が移動するように構成しても良い。本発明では、円柱電極と外側電極とが計測対象の変位に伴って相対的に移動し、その移動に応じて少なくとも一対の外側電極の相互間の静電容量が変化するものであればよい。
　（７）上記実施の形態では、真空制御弁の弁体やスプール弁のスプールの移動量を計測対象の例に挙げて説明したが、たとえば混合弁といった他の種類の弁やアクチュエータといった直線状に変位（移動）する要素を有する機械部品に適用可能である。
　［第２実施形態］
　次に、本発明を具現化した第２実施形態について、図面を参照しつつ説明する。本実施の形態では、半導体装置等の製造ラインにおいて使用されるスプール弁について具体化している。
　図１４は第２実施形態のスプール弁のセンサ設置側を示す断面図であり、（ａ）（ｂ）それぞれはスプールが異なる位置に配置された状態を示している。まずは、図１４（ａ）に基づき、スプール弁について説明する。
　スプール弁２００は、弁本体部２０１と、スプール位置を検出するセンサ部２２１とを備えている。弁本体部２０１は、ステンレス鋼等の金属材料により形成された筒形状をなし、中心軸線に直交する断面が円形状をなす中空部を備えた弁ボディ２０２を有している。弁ボディ２０２には、その中空部に連通する流入口２０３と流出口２０４とが設けられている。
　弁ボディ２０２の中空部には、スリーブ２０５が設けられている。スリーブ２０５も弁ボディ２０２と同じく、ステンレス鋼等の金属材料により形成された筒形状をなしている。スリーブ２０５には、前記弁ボディ２０２の流入口２０３及び流出口２０４が設けられた位置に流通環状溝２０６ａ，２０６ｂと流通孔２０７ａ，２０７ｂとが設けられ、その流通環状溝２０６ａ，２０６ｂと流通孔２０７ａ，２０７ｂを通じてスリーブ２０５の中空部と連通している。
　スリーブ２０５の中空部はシリンダとなり、そこにスプール２１１が収容されている。スプール２１１はその軸線がシリンダの軸線と一致しており、摺動部２１２がシリンダ内面に対して摺動する状態でシリンダの軸線に沿って移動可能に設けられている。なお、スプール２１１を移動させるアクチュエータ（図示略）は、第１実施形態のような空圧式の装置やソレノイドを用いた装置等、公知の技術を適宜用いることができる。
　スプール２１１にはシリンダ内面に摺動する前記摺動部２１２に加え、環状凹部２１３が形成されている。図示のように、スプール２１１がセンサ部２２１とは反対側の移動端に配置された状態を第１位置とする。この位置では、スプール２１１の摺動部２１２によってスリーブ２０５の流通孔２０７ｂが塞がれている。このため、流入口２０３に供給された流体は流出口２０４から流出しない。
　一方、前記第１位置からスプール２１１が移動し、センサ部２２１側の移動端に配置された状態を第２位置とする。図１４（ｂ）は、この状態を示している。図示のように、流入口２０３に対応する流通環状溝２０６ａと、流出口２０４に対応する流通環状溝２０６ｂとが流通孔２０７ａ，２０７ｂ及び環状凹部２１３を通じて連通する。このため、流入口２０３に供給された流体は、流出口２０４から流出する。
　図１４（ａ）に戻り、前記センサ部２２１は、弁本体部２０１の一端側に設けられている。センサ部２２１は、前記弁ボディ２０２が延長されて筒状に形成されたセンサボディ２２２を有している。センサボディ２２２の開口端部は、平板状をなす閉塞部材２２３によって閉塞されている。閉塞部材２２３は、アルミナ等の電気的絶縁性を有する材料により形成されている。
　センサボディ２２２の中空部（閉塞部材２２３とスリーブ２０５の端部との間の空間）はセンサ設置空間２２４とされ、そこに上記第１実施形態のリフト量センサ１００と同様の構成よりなるセンサが設けられている。つまり、外側電極としての一対の固定電極２２５，２２６が閉塞部材２２３に設けられている。そして、円柱電極としての可動電極２２７が、スプール２１１の端部に絶縁部材２１４を介在させた状態で取り付けられている。
　センサ設置空間２２４内では、スリーブ２０５とスプール２１１との間から漏れ出した制御対象の流体が存在し、この流体が誘電流体として機能している。スプール２１１の移動に伴い、図１４（ｂ）に示すように、可動電極２２７が一対の固定電極２２５，２２６により形成された円柱状の内部空間Ｓｐ２に入り込む。この場合、スプール２１１に形成された貫通孔２１５を通じて内部空間Ｓｐ２内の流体は反対側へ流通する。この可動電極２２７の入り込みにより、可動電極２２７と固定電極２２５，２２６との対向面積が変動する。この面積変動による静電容量の変化を捉えることにより、スプール２１１の位置を検出できる。
　再度図１４（ａ）に戻り、一対の固定電極２２５，２２６には、それぞれ導電部としての電極端子２２５ａ，２２６ａが設けられている。電極端子２２５ａ，２２６ａは閉塞部材２２３を貫通してスプール２１１の移動方向に延び、センサ設置空間２２４の外に露出している。電極端子２２５ａ，２２６ａの突出端部には、回路基板としてのセンサ基板２３１が取り付けられている。センサ基板２３１は、アルミナや合成樹脂等の電気的絶縁性を有する材料により形成されている。センサ基板２３１は、センサ設置空間２２４の外において、閉塞部材２２３から離間しかつそのスプール２１１の移動方向と略直交する状態に配置され、裏面（回路非形成面）が閉塞部材２２３と対向している。
　センサ基板２３１には、静電容量の検出信号を外部に出力する出力回路等が形成されている。一対の電極端子２２５ａ，２２６ａは、このセンサ基板２３１に形成された回路と電気的に接続されている。センサ基板２３１にはコネクタ２３２が設けられ、コネクタ２３２には電気配線の端部に設けられた配線側コネクタ（図示略）が接続される。この接続により、電気配線を通じて信号が外部に出力される。
　センサ基板２３１及び閉塞部材２２３は、センサカバー２３３により覆われている。また、閉塞部材２２３にはサーミスタ２３４が設けられ、そのサーミスタ２３４の検出部は内部空間Ｓｐ２内に配置されている。サーミスタ２３４はセンサ基板２３１に形成された回路と電気的に接続され、このサーミスタ２３４により検出された充填流体（誘電流体）の温度信号が外部に出力される。この検出温度に基づいて誘電率εの温度補償が行われる。もっとも、温度補償は、上記第１実施形態の第２変形例や第３変形例のように、補償用のコンデンサを設ける構成を採用してもよい。
　なお、この第２実施形態では、センサボディ２２２、一対の固定電極２２５，２２６及び一対の電極端子２２５ａ，２２６ａとを有する組立体が第２部材とも呼ばれる。また、可動電極２２７、絶縁部材２１４及びスプール２１１による組立体が第１部材とも呼ばれる。
　ここで、上記構成を採用したセンサ部２２１では、人が弁本体部２０１やセンサボディ２２２に触る等の外乱要因により、検出される静電容量の数値は大きく変動し、バラつきが生じるおそれがある。また、浮遊容量の存在も、静電容量の数値の不安定化を招く要因となる。このため、静電容量の検出を安定して行うことができないという不都合がある。
　そこで、この第２実施形態では、センサ部２２１のセンサ設置空間２２４に筒状シールド部材２４１が設けられている。筒状シールド部材２４１は、コバール（鉄、ニッケル及びコバルトの合金）やステンレス鋼等の金属材料により形成されている。筒状シールド部材２４１はその一端側が閉塞部材２２３に片持ち支持され、センサボディ２２２と固定電極２２５，２２６との間に、そのいずれとも非接触の状態で介在している。つまり、筒状シールド部材２４１の外側にセンサボディ２２２が、内側に一対の固定電極２２５，２２６が設けられ、筒状シールド部材２４１はセンサボディ２２２や固定電極２２５，２２６とは電気的に絶縁された状態となっている。
　筒状シールド部材２４１の一端は、閉塞部材２２３を貫通してセンサ設置空間２２４の外に突出している。筒状シールド部材２４１の突出端部は、ネジやピン等の固定部材を用いてセンサ基板２３１に取り付けられている。このため、センサ基板２３１は筒状シールド部材２４１に支持されている。また、電極端子２２５ａ，２２６ａの突出部分の一部は、筒状シールド部材２４１、センサ基板２３１及び閉塞部材２２３によって囲まれている。
　一方、筒状シールド部材２４１における前記センサ基板２３１と反対側の端部は、センサ設置空間２２４の奥まで延びるように形成されている。より具体的にみると、筒状シールド部材２４１は、図１４（ａ）に示すように電極同士の対向面積が最小となる第１位置で、内部空間Ｓｐ２から外に出た状態の可動電極２２７をすべて覆い得る長さを有している。
　次に、センサ基板２３１において閉塞部材２２３と対向する裏面には、少なくとも筒状シールド部材２４１との接続部分とその内側領域とに、薄膜状の金属膜２４２が蒸着等により形成されている。金属膜２４２はセンサ基板２３１に形成された接地用回路と電気的に接続され、その接地用回路はコネクタ２３２を介して接地用配線と接続されている。前記筒状シールド部材２４１は、この金属膜２４２と接触した状態で設けられている。このため、筒状シールド部材２４１も接地されている。ただし、金属膜２４２は、電極端子２２５ａ，２２６ａ、サーミスタ２３４からの配線が接続された部分とそれぞれ電気的に絶縁されている。
　以上の構成を有することにより、この第２実施形態のスプール弁２００によれば、第１実施形態におけるリフト量センサ１００が有する効果に加え、次のような効果を得ることができる。
　すなわち、固定電極２２５，２２６及び可動電極２２７が筒状シールド部材２４１によって覆われる。また、センサ設置空間２２４の外に延出された電極端子２２５ａ，２２６ａの一部も筒状シールド部材２４１と金属膜２４２とで覆われる。このため、静電容量の検出に際し、人が弁本体部２０１、センサボディ２２２やセンサカバー２３３に触る等の外乱要因が存在しても、そのような外乱要因による影響を抑制できる。
　また、固定電極２２５，２２６及び可動電極２２７とセンサボディ２２２との間、電極端子２２５ａ，２２６ａ間にそれぞれ生じる浮遊容量が、グランドにそれぞれ接続された筒状シールド部材２４１や金属膜２４２の介在により削減されている。その分、浮遊容量が減少するため、静電容量の数値を不安定させる要因を低減できる。これにより、静電容量の検出を安定して行うことができ、実用化に耐え得る性能を得ることができる。
　なお、上記第１実施形態の別形態として説明した内容は、この第２実施形態のスプール弁２００にも適用可能である。
　例えば、この実施形態では制御対象の流体を誘電流体として利用しており、この点は第１実施形態の第３変形例（図１３参照）として説明している。これとは逆に、この第２実施形態の変形例として、制御対象の流体とは異なる流体を誘電流体として利用してもよい。この場合、制御対象の流体の漏れを防ぐため、弁ボディ２０２とスリーブ２０５との間をシールするとよい。また、上述した別形態（１）～（３）、（６）及び（７）も適用できる。
　その他、センサ基板２３１を閉塞部材２２３から離間させた状態ではなく、閉塞部材２２３に当接させた状態で設けた構成を採用してもよい。また、センサ基板２３１の裏面に形成された金属膜２４２についてはこれを省略してもよいが、静電容量の検出を安定化させる上では、金属膜２４２が形成された本実施形態の構成を採用することが好ましい。
　１０、２０…固定電極、３０…開閉弁、３１…ポペット弁体、４０…真空制御弁、４２…アクチュエータ、４５…シリンダ室、４６…付勢バネ、４９…ピストン、５０…可動電極、５２…貯留用ピストン、５３…誘電流体通過孔、５５…貯留シリンダ室、６０…センサ本体、７１…端子、７２…端子、７３…封止部、８０…流路。

Claims (8)

  1. 　計測対象の直線上の変位を計測する静電容量式変位センサであって、
    　前記直線に平行な中心軸線を有する円柱状の円柱電極を有する第１部材と、
    　前記円柱電極の外側において、前記円柱電極から電気的に絶縁された状態で設けられている円筒状の外側電極を有する第２部材と、
    を備え、
    　前記外側電極は、周方向に分割された相互に対向する少なくとも一対の電極を有し、
    　前記円柱電極は、前記外側電極に接続されている回路から電気的に絶縁されており、
    　前記第１部材と前記第２部材とは、前記計測対象の変位に伴って相対的に前記直線上を移動し、前記移動に応じて前記少なくとも一対の外側電極の相互間の静電容量が変化する静電容量式変位センサ。
  2. 　前記一対の外側電極は、前記計測対象の変位の方向を含む平面によって、均等に２分割されて相互に対向している一対の電極である請求項１記載の静電容量式変位センサ。
  3. 　前記第１部材は、前記計測対象に接続されるための接続部を有し、
    　前記第２部材は、前記少なくとも一対の外側電極の各々に接続され、前記第２部材の外部に向かって前記第２部材を貫通している少なくとも一対の導電部を備える請求項１又は２に記載の静電容量式変位センサ。
  4. 　前記第２部材は、前記外側電極と前記円柱電極とによって囲まれる領域を封止し、
    　前記領域は、非圧縮性の誘電流体で満たされている請求項１乃至３のいずれか１項に記載の静電容量式変位センサ。
  5. 　前記第２部材は、さらに、前記外側電極の外周方向に配置され、前記誘電流体を挟んで対向し、相互に直径が相違する一対の固定対向電極を有する補償用コンデンサを備え、
    　前記補償用コンデンサは、前記外側電極と前記円柱電極とによって囲まれる領域と前記一対の固定対向電極によって挟まれる領域とに連通する連通孔によって前記誘電流体を共有している請求項４に記載の静電容量式変位センサ。
  6. 　前記第２部材はセンサボディを備え、
    　前記外側電極と前記センサボディとの間にその両者と電気的に絶縁された状態で介在し、前記第１部材と前記第２部材とが相対移動するその移動範囲にわたり前記外側電極及び前記円柱電極の両者を覆う金属製の筒状シールド部材が設けられ、
    　前記筒状シールド部材は電気的に接地されている請求項１乃至５のいずれか１項に記載の静電容量式変位センサ。
  7. 　前記第２部材は、少なくとも一対の前記外側電極に各々接続されて前記第２部材の外部に向かって前記第２部材を貫通する少なくとも一対の導電部を有し、
    　前記筒状シールド部材は、前記第２部材の外部に向かって前記第２部材を貫通して、前記導電部の一部も前記筒状シールド部材に覆われており、
    　前記導電部及び前記筒状シールド部材において前記第２部材の外部へ貫通した部分には、電極側に裏面を向けた回路基板が取り付けられ、前記回路基板の裏面には、その回路基板に形成された接地用の回路と電気的に接続された金属膜が形成されている請求項６に記載の静電容量式変位センサ。
  8. 　誘電流体の流れを制御する比例制御弁であって、
    　請求項４又は５に記載の静電容量式変位センサと、
    　前記第１部材に接続されている前記計測対象としての弁体を有し、前記直線上の前記弁体の変位に応じてバルブ開度が変化するバルブ本体と、
    を備え、
    　前記バルブ本体は、前記領域に誘電流体を導く流路を有している比例制御弁。
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