静電容量式変位センサ

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【発明の名称】	静電容量式変位センサ
【発明者】	【氏名】原外満
【要約】	【課題】寄生容量増大をもたらすことなくヘッド面を小さくしたセンサヘッドを持つ静電容量式変位センサを提供する。【解決手段】センサヘッド１は、センサ電極２とこれを取り囲むリング状の基準電極３により構成される。センサ電極２は、交流信号が直接供給される基端部１１と、この基端部１１上に円錐状の誘電体コラム１３を介して配置された、基端部１１より径が小さい先端部１２とを有する。基準電極３は、基端部１１と略同じ面位置に基端部１１を取り囲むようにリング状に配置された基端部１４と、この基端部１４上に中空円錐状の誘電体ホーン１６を介在して配置された、基端部１４より径が小さい先端部１５とを有する。

【特許請求の範囲】
【請求項１】導体からなる計測面に対向するセンサ電極とこれを取り囲むリング状の基準電極とを有するセンサヘッドと、前記センサ電極を交流信号により駆動する駆動手段と、前記センサ電極と計測面との間の容量に応じて変化する前記センサ電極の端子電圧を検出する検出手段とを備えた静電容量式変位センサにおいて、前記センサ電極は、前記駆動手段からの交流信号が直接供給される第１の基端部と、この第１の基端部上に円錐状部材を介して配置された前記第１の基端部より径が小さい第１の先端部とを有し、前記基準電極は、前記第１の基端部と略同じ面位置に前記第１の基端部を取り囲むようにリング状に配置された第２の基端部と、この第２の基端部上に中空円錐状部材を介して配置された前記第２の基端部より径が小さい第２の先端部とを有し、且つ前記円錐状部材、中空円錐状部材の少なくとも一方が誘電体により構成されていることを特徴とする静電容量式変位センサ。
【請求項２】前記円錐状部材及び中空円錐状部材が共に誘電体であることを特徴とする請求項１記載の静電容量式変位センサ。
【請求項３】前記中空円錐状部材が誘電体であり、前記第１の基端部、円錐状部材及び第１の先端部が導体により一体形成されて、前記第１の先端部の先端が針状に加工されていることを特徴とする請求項１記載の静電容量式変位センサ。
【請求項４】前記円錐状部材が誘電体であり、前記第２の基端部、中空円錐状部材及び第２の先端部が導体により一体形成されていることを特徴とする請求項１記載の静電容量式変位センサ。
【請求項５】前記第２の基端部は筒状に加工され、その内部に前記駆動手段としての高周波発振源が配置されることを特徴とする請求項１記載の静電容量式変位センサ。
【請求項６】導体からなる計測面に対向するセンサ電極とこれを取り囲むリング状の基準電極とを有するセンサヘッドと、前記センサ電極を交流信号により駆動する駆動手段と、前記センサ電極と計測面との間の容量に応じて変化する前記センサ電極の端子電圧を検出する検出手段とを備えた静電容量式変位センサにおいて、前記駆動手段は、高周波発振源と、この高周波発振源の発振出力を前記センサヘッドのセンサ電極に供給するための、（１／２＋ｎ／２）λ（但し、λは発振波長、ｎは正の整数）の長さの同軸ケーブルとを有し、前記検出手段として、前記同軸ケーブルの（１／４＋ｍ／２）λ（但し、ｍは０以上でｎ以下の整数）の位置に取り付けられた高周波電圧検出回路を有することを特徴とする静電容量式変位センサ。
【請求項７】前記センサ電極は、前記駆動手段からの交流信号が直接供給される第１の基端部と、この第１の基端部上に円錐状部材を介して配置された前記第１の基端部より径が小さい先端部とを有し、前記基準電極は、前記第１の基端部と略同じ面位置に前記第１の基端部を取り囲むようにリング状に配置された第２の基端部と、この第２の基端部上に中空円錐状部材を介して配置された前記第２の基端部より径が小さく設定された第２の先端部とを有し、且つ前記円錐状部材、中空円錐状部材の少なくとも一方が誘電体により構成されていることを特徴とする請求項６記載の静電容量式変位センサ。

【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、導体からなる計測面の位置（変位）を、この計測面にセンサヘッドを対向させて、その間の静電容量を利用して検出する静電容量式変位センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来より、金属の表面位置等を非接触で測定するために、静電容量式変位センサが用いられている。この種の静電容式変位センサのセンサヘッドは、センサ電極と、このセンサ電極を取り囲むようにリング状に配置された基準電極とから構成される（例えば、特開平９－２８０８０６号公報、特開平１０－３３２３１２号公報等）。この様なセンサヘッドのセンサ電極を高周波信号で駆動すると、センサヘッドと計測面の間の距離（即ち容量）に応じて、高周波電流が変化し、センサ電極の端子電圧が変化する。従ってセンサ電極の端子電圧を検出することにより、センサヘッドと計測面の間の距離を測ることができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】静電容量式変位センサの検出感度を高いものとするためには、センサヘッドと計測面との間の容量が大きいことが望ましい。そのためには、センサヘッドの計測面に対向するヘッド面の面積が大きいこと、或いは計測面との間の距離が小さい状態とすることが必要である。しかし、ヘッド面を大きくしてしかもこれを計測面に近接させようとすると、センサヘッドが対向する計測面の状態を目視できなくなる。一方、ヘッド面の面積が大きい場合には、これが対向する計測面の平坦性が要求される。もしヘッド面の大きさの範囲で計測面に凹凸があると、測定値は凹凸の調和平均化されたものとなる。従って、計測面をスキャンして微細な段差等を検出することが難しくなる。言い換えれば、センサヘッドの横方向分解能が低いものとなる。
【０００４】センサヘッドの横方向分解能を高くするためには、ヘッド面の面積を小さくすればよい。センサヘッドの基端には高周波発振源等を内蔵させる場合には、基端部径はある程度の大きさが必要である。センサヘッドの基端部の径をある程度保持しながら、ヘッド面の径を小さくするため、しかもヘッド面の対向する計測部位を目視可能とするためには、センサヘッドを先端に行くほど径を絞った円錐状に加工すればよい。しかし、この様なセンサヘッド構造にすると、別の問題が発生する。中心のセンサ電極とこれを取り囲む基準電極とが微細な距離で隣接することになるため、その間に大きな寄生容量が入ることである。この寄生容量は、小さいヘッド面と計測面の間の容量を検出する場合に、検出感度低下をもたらす。
【０００５】この発明は、上記事情を考慮してなされたもので、寄生容量増大をもたらすことなくヘッド面を小さくしたセンサヘッドを持つ静電容量式変位センサを提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】この発明は、導体からなる計測面に対向するセンサ電極とこれを取り囲むリング状の基準電極とを有するセンサヘッドと、前記センサ電極を交流信号により駆動する駆動手段と、前記センサ電極と計測面との間の容量に応じて変化する前記センサ電極の端子電圧を検出する検出手段とを備えた静電容量式変位センサにおいて、前記センサ電極は、前記駆動手段からの交流信号が直接供給される第１の基端部と、この第１の基端部上に円錐状部材を介して配置された前記第１の基端部より径が小さい第１の先端部とを有し、前記基準電極は、前記第１の基端部と略同じ面位置に前記第１の基端部を取り囲むようにリング状に配置された第２の基端部と、この第２の基端部上に中空円錐状部材を介して配置された前記第２の基端部より径が小さい第２の先端部とを有し、且つ前記円錐状部材、中空円錐状部材の少なくとも一方が誘電体により構成されていることを特徴とする。
【０００７】この発明によると、センサヘッドのセンサ電極及び基準電極の少なくとも一方について、先端部と基端部の間に誘電体を介在させた構造として、センサヘッドの径を絞るようにしている。これにより、センサヘッドを導体のみで構成してその径を先端に行くほど絞った場合と異なり、センサ電極と基準電極の間の寄生容量の増大が抑えられる。センサヘッドの基端部と先端部の間に誘電体を介在させると、基端部に与えられる高周波信号は容量結合により先端部まで伝送される。このとき、基端部から先端部への高周波信号の振幅伝達率は、誘電体による容量と、センサ電極と計測面との間の容量による容量結合比で決まる。誘電体材料として大きな比誘電率のものを用いれば、先端部に十分なレベルの高周波駆動信号を与えることができる。
【０００８】この発明において、センサ電極の基端部と先端部の間に介在させる部材は、円錐状部材（以下、コラムという）となり、基準電極の基端部と先端部に介在させる部材は、中空円錐状部材（以下、ホーンという）となる。この場合、（ａ）コラムとホーンを共に誘電体により構成するタイプと、（ｂ）コラムのみを誘電体により構成するタイプと、（ｃ）ホーンのみを誘電体により構成するタイプの３タイプが考えれる。（ｂ）のタイプのときは、基端部からホーン及び先端部までを一体の導体により構成することができる。同様に（ｃ）のタイプのときは、基端部からコラム及び先端部までを一体の導体により構成することができる。
【０００９】この発明はまた、導体からなる計測面に対向するセンサ電極とこれを取り囲むリング状の基準電極とを有するセンサヘッドと、前記センサ電極を交流信号により駆動する駆動手段と、前記センサ電極と計測面との間の容量に応じて変化する前記センサ電極の端子電圧を検出する検出手段とを備えた静電容量式変位センサにおいて、前記駆動手段は、高周波発振源と、この高周波発振源の発振出力を前記センサヘッドのセンサ電極に供給するための、（１／２＋ｎ／２）λ（但し、λは発振波長、ｎは正の整数）の長さの同軸ケーブルとを有し、前記検出手段として、前記同軸ケーブルの（１／４＋ｍ／２）λ（但し、ｍは０以上でｎ以下の整数）の位置に取り付けられた高周波電圧検出回路を有することを特徴とする。
【００１０】この様な構成において、高周波発振源によって同軸ケーブルの一端を電圧駆動すると、他端はセンサヘッド部の静電容量であるのでインピーダンス整合はとれず、反射して定在波が発生する。この定在波は両端で「腹」、λ／４毎に「節」と「腹」が交互に現れるモードとなる。そこでセンサヘッドを計測面に対向させ、所定の距離のとき、「節」の位置を求め、その位置に高周波検出回路を設けておけば、計測面の微小な変位を検出することができる。即ち、計測面の微小な変位が静電容量の変化を引き起こし、反射率が変化し、定在波が変わり、「節」の位置が移動し、いままで「節」であったところの高周波振幅が変化する。
【００１１】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、この発明の実施例を説明する。
［実施の形態１］図１は、この発明の実施の形態１による静電容量式変位センサのセンサヘッド１の断面構造であり、図２はその分解斜視図である。センサヘッド１は、センサ電極２とこれを取り囲むリング状の基準電極３とから構成されている。センサ電極２は、基端部１１と先端部１２を有し、これらの間には円錐状に形成された部材であるコラム１３を介在させている。基端部１１及び先端部１２は共に導体、具体的には金属であり、コラム１３は誘電体である。基準電極３も同様に、基端部１１と同じ面位置の基端部１４と、先端部１２と同じ面位置の先端部１５を有し、これらの間には中空円錐状に形成されたホーン１６を介在させている。基端部１４及び先端部１５は共に導体、具体的には金属であり、ホーン１６は誘電体である。
【００１２】コラム１３及びホーン１６には好ましくは、チタン酸バリウム（比誘電率５０００）が用いられる。また先端部１２，１５にはこれらのコラム１３及びホーン１６の先端にスパッタにより形成された金属膜が用いられる。センサ電極２の基端部１１と基準電極３の基端部１４とは適当な絶縁体１７により電気的に絶縁されて同心的に保持されている。
【００１３】以上のように、この実施の形態のセンサヘッド１は、コラム１３とホーン１６を介在させることにより先端に行くにつけて径が絞られている。図２に示すように、基端部１１，１４での外径がＤ１に対し、先端部１２，１５での外径はより小さく、Ｄ２（＜Ｄ１）となる。具体的に例えば、コラム１３及びホーン１６の部分の長さをＨ＝５ｍｍ程度とし、センサヘッド１全体の先端部の外径をＤ２＝１ｍｍ程度とする。
【００１４】この実施の形態では、基準電極３の基端部１４の後方には、これと連続的に筒状体１８が形成されており、その筒状体１８の内部に高周波発振源４が配置されている。高周波発振源４は例えば、トランジスタＱと、トランスＴの一次巻線とキャパシタＣからなるＬＣ発振回路を用いて構成される。図ではトランジスタＱのバイアス回路を省略している。トランスＴの二次側出力は、整流ダイオードＤにより半波整流されて、センサ電極２の基端部１１に供給される。
【００１５】センサ電極２の基端部１１に高周波駆動信号が供給されると、容量結合により先端部１２に高周波駆動信号が与えられる。そして、センサヘッド１と計測面との間の距離ｘに応じて高周波電流が変化し、先端部１２の端子電圧が変化する。このとき距離ｘの関数となる高周波電流の変化は、トランスＴと基準電極３の基端部１４との間に接続された抵抗Ｒの端子電圧として検出することができる。
【００１６】具体的にこの実施の形態において、センサ電極２の基端部１１に印加される高周波信号により先端部１２が駆動される様子を、図３を参照して説明する。図３に示すように、センサ電極２の基端部１１と先端部１２の間のコラム１３が挟まれた部分の容量をＣ１とし、先端部１２と計測面の間の容量をＣ２とする。このとき、計測面を接地電位とし、基端部１１にある電位Ｖ１を与えたとき、先端部１２に容量結合される電位は、次のようになる。
【００１７】
【数１】Ｖ２＝Ｃ１・Ｖ１／（Ｃ１＋Ｃ２）
【００１８】コラム１３には比誘電率の極めて大きい誘電体を用いているため、容量Ｃ１はＣ２より十分に大きい状態に設定することができる。例えば、コラム１３の部分の長さをＨ、先端部１３と計測面の間の距離をｘとして、容量Ｃ１，Ｃ２の関係はほぼ、Ｃ１／Ｃ２＝（ε１・ｘ）／（ε２・Ｈ）と表される。ε１，ε２はそれぞれ、誘電体，空気の誘電率である。誘電体にチタン酸バリウムを用いた場合、その比誘電率は約５０００である。また具体例として、Ｈ＝１ｍｍ，ｘ＝０．０１ｍｍの数値を用いると、容量比はおよそ、Ｃ１／Ｃ２＝１０となる。この様な容量関係の場合、先の数１から明らかなように、基端部１１に与えられる電位Ｖ１がほぼそのまま先端部１２に結合されることがわかる。
【００１９】以上の説明から明らかなように、センサヘッド１が計測面から大きく離れた状態では、高周波駆動信号はもはやセンサ電極２の先端部１２に殆ど供給されない。しかしこれは、非計測時であるから問題はない。また、コラム１３及びホーン１６の長さＨが極端に長い場合には、高周波駆動信号の先端部への結合効率が低いものとなる。従って、計測すべき距離範囲との関係で、長さＨを最適設定することが必要になる。
【００２０】この実施の形態によると、先端部と基端部の間に誘電体を介在させた構造とすることにより、センサ電極２と基準電極３の間の寄生容量の増大を抑えながら、センサヘッド１の径を絞ることができる。これにより、センサヘッド１のヘッド面を小さくして、高い横方向分解能を実現することができる。また、センサヘッド１の先端外径Ｄ２を１ｍｍ程度とすれば、計測面に対するセンサヘッド１の先端面の平行度を保持することは、目視と軸方向の微動機構により可能である。
【００２１】［実施の形態２］図４は、実施の形態２によるセンサヘッド１ａの断面構造を図１に対応させて示している。図１の実施の形態１と異なる点は、センサ電極２の基端部１１からコラム１３及び先端部１２までを、一体の導体、例えば金属により形成していることである。またこの実施の形態２では、センサ電極２の先端部１２を、基準電極３の先端部１３の面と同じ面位置とし、且つ針状電極として加工している。
【００２２】この実施の形態２によっても先の実施の形態１と同様の効果が得られる。またこの実施の形態２の場合、センサ電極２の先端を針状電極として基準電極３の先端部１５の面より突出させている結果、電界集中が高くなり、一層の検出感度向上及び横方向分解能向上が図られる。
【００２３】［実施の形態３］図５は、実施の形態３によるセンサヘッド１ｂの断面構造を図１に対応させて示している。図１の実施の形態１と異なる点は、基準電極３の基端部１４からホーン１６及び先端部１５までを一体の導体、例えば金属により形成していることである。この実施の形態３によっても先の実施の形態１と同様の効果が得られる。
【００２４】［実施の形態４］図６は、実施の形態１によるセンサヘッド１を用いて、実施の形態１とは異なる駆動方式を適用した実施の形態４である。高周波発振源５は、センサヘッド１の外に設けられる。高周波発振源５の出力をセンサヘッド１のセンサ電極２に与えるために、同軸ケーブル６が用いられている。同軸ケーブル６の長さＬ１は、高周波発振源５の発振波長をλとして、（１／２＋ｎ／２）λ（ｎは正の整数）に調整されている。高周波発振源５の出力は同軸ケーブル６の一端に接続される。同軸ケーブル６の他端にはセンサヘッド部が接続される。
【００２５】高周波発振源５は電圧励振であり、センサヘッドは静電容量式なので、同軸ケーブル６は両端ともインピーダンス整合はとれず、ほぼ同相反射として扱うことができ、同軸ケーブル６には定在波が発生する。このとき定在波比、「節」の位置は、センサヘッドの静電容量の値によって変化する。そこでこのインピーダンス反射条件を検出するために、同軸ケーブル６の途中に高周波電圧検出回路７が接続されている。高周波電圧検出回路７は、同軸ケーブル６の中心導体に、ダイオードＤｉを介し抵抗Ｒ１とキャパシタＣ１の並列回路が接続され、その抵抗Ｒ１側に挿入された定在波比（Standing Wave Ratio）メータ７１を有する。
【００２６】高周波電圧検出回路７が接続される位置は、例えば先端からの距離Ｌ２としてＬ２＝（１／４＋ｍ／２）λ（但し、ｍは０，１，…，ｎから選ばれた整数）とする。この位置で高周波電圧を監視すると、負荷容量が基準値の場合、検出出力はゼロである。センサヘッド１と計測面との間の距離が変化して負荷容量が基準値からずれると、インピーダンス反射条件が崩れ、大きな高周波電圧が検出される。従ってこの実施の形態によると、センサヘッド１により、計測面の僅かの位置変動を感度よく検出することが可能になる。
【００２７】なお実施の形態４ではセンサヘッド１として、誘電体からなるコラム１３とホーン１６用いて先端の径を小さくしたものを用いたが、図４或いは図５のセンサヘッド１ａ或いは１ｂを用いることもできる。更にこの実施の形態４の同軸ケーブルを用いた駆動方式は、従来の形式の静電容量式変位センサヘッドにも適用して有効である。
【００２８】
【発明の効果】以上述べたようにこの発明によれば、誘電体のコラム又はホーンを用いてセンサヘッドの先端部の径を絞ることにより、寄生容量増大をもたらすことなくヘッド面を小さくしたセンサヘッドを持つ静電容量式変位センサを提供することができる。また、同軸ケーブルを用いて高周波信号をセンサヘッドに供給し、インピーダンス反射条件の成否により負荷変動を検出する駆動方式を用いることにより、計測面の位置を高感度に測定することができる。

【出願人】	【識別番号】０００１３７６９４【氏名又は名称】株式会社ミツトヨ
【出願日】	平成１２年１月１３日（２０００．１．１３）
【代理人】	【識別番号】１０００９２８２０【弁理士】【氏名又は名称】伊丹勝
【公開番号】	特開２００１－１９４１０５（Ｐ２００１－１９４１０５Ａ）
【公開日】	平成１３年７月１９日（２００１．７．１９）
【出願番号】	特願２０００－５０３６（Ｐ２０００－５０３６）