JP3757274B2 - 静電容量型位置センサー及び該センサーを具備した位置制御装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、対向する２つの電極間の静電容量を測定することにより電極間の距離を求める静電容量型位置センサーに関し、特にレーザー発振系等に用いるミラー制御に適した静電容量型位置センサーに関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザー発振にはレーザ光をミラー間で往復して増幅させるために複数のミラーが用いられ、これらミラーは相互に位置や面の方向が精密に調整されて、発振状態が維持される。 従来、このようなミラーを調整するための位置センサーとしては、光学式のものや抵抗式のものが知られている。しかし、光学式のものは部品点数が多く、ミラーやレンズを５〜１０個用いており、小型化が難しいと共に高価になってしまう欠点がある。例えば、現在市販されている世界最小の位置センサーは、オムロン社製の光学式位置センサーであるが、３３×３９×１７mmの大きさである。また、スライド抵抗を用いるセンサーは、安価ではあるが機械的接触を必要とし、スライド抵抗器のバックラッシュ等のため位置調整の精度が劣る。
【０００３】
レーザー発振には少なくとも数個から十数個のミラーを用いるため、安価で精度がよく、かつ小型の位置センサーが必要とされているが、上記のように小型で、高精度で、しかも安価な装置は現在実現されていない。
【０００４】
また、静電容量型の位置センサーとしてＡＤＥ社製のものも存在するが、これはブリッジ型である（カナダ特許第９６１９２７号参照）。これも、やはり高価（２０万円）であり、絶対値測定の精度も明らかでない。なお、該従来の静電容量型の位置センサーは、シャントに入った静電容量の容量変化による信号の減衰、すなわち振幅の変化あるいは位相の変化を見ているものであり、ノイズの影響が大きく、精度も劣る。
【０００５】
この他、平面上インダクタンスを用いる位置センサーとして特開平１１−２０１７０８号公報記載のものが知られているが、同公報、図２０のグラフを見てもそれほど精度の高いものではない。また、ノギスのフレームとスライダのようにレール上の位置を検出するための静電容量変位検出装置として特開平９−１７８４０７号公報記載のものが公知であるが、これも検出精度は高くない。フレームとスライダーが接触する構造なので、原理的に検出精度の向上に限界があり、本発明が使用する間隙では、通常は数ミクロンの検出精度である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、小型で精度がよく、ノイズに強く、構造が簡単で、安価な位置センサー及び該位置センサーを具備する位置制御装置を提供することを目的とする。特に、レーザー発振等に多数用いるミラーの制御、多軸位置制御に適した新しいタイプの静電容量型位置センサーを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するために、本発明は、対向する２つの電極間の静電容量を測定することにより電極間の距離を求める静電容量型位置センサーにおいて、平板状電極、コイルにトロイダルコアを有するバルクハウゼン型発振回路を用い、該発振器の発振周波数から上記電極間の距離の絶対値を正確に求める構成を提供する。
【０００８】
さらに、上記トロイダルコアの材質がカーボニル鉄ダスト材であり、前記バルクハウゼン型発振回路がクラップ発振回路であることを特徴とする。
【０００９】
また、上記トロイダルコア、発振回路が温度センサーと共にモールドされ、該温度センサー出力により発振器出力の周波数の温度補正値が演算処理装置により計算されることを特徴とする。さらに、上記モールドされた回路が薄い金属板で覆われてシールドされていることを特徴とする。
【００１０】
また、表面に上記検知電極を有する基板を設け、該基板の裏面側に垂直に延在するプリント基板を形成し、前記発振回路が該プリント基板上に設けられると共に、上記検知電極を有する基板の裏面側がシールド用の金属膜を有することを特徴とする。
【００１１】
本発明の静電容量型位置センサーを固定部材に貫入させ、対向電極を移動部材に貼り付けるとともに、静電容量型位置センサーの周辺に移動部材を駆動する操作手段を具備する位置制御装置を特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本願発明を、図面を参照して実施例について説明する。
図１は本願発明の静電容量型位置センサー（以下単にセンサー）のプローブ部分の一実施例を示す。図１（ａ）は、センサーの外観図を、図１（ｂ）は裏面から見た筐体の裏蓋を除いた外観図を、図１（ｃ）は回路をモールドしたモールドの外観図を示す。図中、１はセンサープローブ、２は電極、３は筐体、４は筺体３に収納された回路部に接続されたリード線、５は回路部を遮蔽する金属筒シールド、６はモールド、７は電極２と回路部とを接続するリード線、８はリード線を通す孔を表す。電極２は被測定物に貼られた電極（図示していない。）との間で容量を構成し、この容量とモールド内の回路部とで発振回路を構成する。
【００１３】
図２はセンサープローブの内部構造の一例を示す。図２（ａ）は回路部の外観図、図２（ｂ）はモールドを電極２側から見た外観図、図２（ｃ）は側面中央断面図を示す。図中、１１は基板、１２は回路基板、１３は回路素子、１４は発振回路のコイル、１５は電極、１６はリード線、１８は金属膜、１９はアース線、２０はリード線１６を通す孔、２１は温度センサー、２２はモールド範囲を表す。
【００１４】
表面側に電極１５が貼られた基板１１の裏面側中央部に回路基板１２が立設されている。基板１１は円形円盤状（１０mmφ）であり、その裏面側には金属膜１８が貼られている。該金属膜１８はアースに接続され、回路基板１２に対するシールドの役目を果たす。回路基板１２は、図２（ｃ）に示されるように、基板裏面の金属膜１８にその端面を半田付けされて立設される。なお、全体の長さは１２mmである。本発明の場合、回路をモールドするのは温度の影響を受けるコイル等の発振回路の構成部品と温度センサーの検出温度を同一になるような熱的接触を確保するためである。
【００１５】
図１の場合と同様、電極１５は基板の孔２０を通じてリード線１６を回路に接続し、回路基板１２にはセンサー電極間の容量以外の容量と共に発振回路を構成するコイル１４が設けられている。該コイル１４はトロイダルコア（ドーナツ状のコア）に巻線をした構造で回路基板（回路基板内にシールド層がある。）１２に回路素子が付設された面とは反対側に付設される。トロイダルコアのコイルはコイル損失が小さくて、温度変化も小さい。
【００１６】
同様に、コアには低損失で温度係数の小さい（透磁率の温度変化が少ない）カーボニル鉄ダスト材が用いられる。具体的には、Micrometals社製の＃６材が用いられる。該カーボニル鉄ダスト材の温度係数は３５ppm/℃であり、使用周波数帯は３〜４０MHzである。また、コンデンサも温度係数の小さいマイカコンデンサが用いられる。
【００１７】
図３は本発明に用いられる回路の構成例を示す。図中、３１は被測定対象物に貼られた電極、３２はセンサーの電極、３３は発振回路、３４はバッファ回路、３５はシールド信号線、３６は電源回路、３７は出力端子を表す。同発振回路中、４１，４２，４４，４５，４６はコンデンサ、４３はインダクタンス、４７，４８，４９は抵抗、５０はＦＥＴ（電解効果トランジスタ）、５１は発振回路の出力端子である。インダクタンス４３はコイル１４のインダクタンスを表している。
【００１８】
被測定対象物が移動すると、これに貼り付けられた電極３１が移動し、電極３１と電極３２との距離ｄが変動して電極間の静電容量Ｃが変化する。電極間の静電容量Ｃが変化すると発振回路３３の発振周波数ｆが変動する。発振回路３３は、安定度の高いクラップ発振回路が用いられる。周波数は１５ＭＨｚ近辺が用いられる。
【００１９】
図４（ａ）はクラップ発振回路の基本構成を示す。図中、Ｃ，Ｃ１，Ｃ２はコンデンサの容量、Ｌはインダクタンス、ｒはコイルの抵抗分を表す。インダクタクタンスＬはコイル１４のインダクタンス、容量Ｃ，Ｃ１，Ｃ２はそれぞれ図３の電極３１，３２間の容量と容量４４，４５との容量に相当する。 図４（ｂ）は、発振回路の発振条件式を求めるための等価回路である。
【００２０】
発振回路３３の出力は５１から取り出され、３４のバッファー回路に入力する。バッファー回路３４は負荷の影響を受けないようにするために設けられている。バッファー回路３４の出力はシールド信号線３５を介して周波数処理回路に導かれる。
【００２１】
なお、センサーへの電源供給（＋５V）は図中３６に示されるように、シールド信号線３５を介してなされる。電極３１，３２間の容量が発振回路の発振周波数ｆを決定するので、該周波数を計測することにより電極３１，３２間の距離ｄが計算できる。ただし、該発振周波数は温度の影響をなくすため、該発振回路と一体にモールドされた温度センサー６５の出力によって温度補正された計算値が求まる。
【００２２】
図５は本発明のセンサーの概念図を示す。図中、６１は被測定対象に貼り付けられた電極、６４はセンサープローブ、６３は電極、６４は発振器／バッファ回路、６５は温度センサー、６６はセンサーコントローラ、６７は周波数カウンター、６８はデジタル電圧計、６９はＣＰＵ（マイコン）、７０は出力情報（距離・位置情報）を表す。周波数カウンター６７は、センサプローブからの発振出力信号を波形整形して得られるパルスを演算し、一定時間におけるパルス数から発信出力信号の周波数を計測する。
【００２３】
発振器／バッファ回路６４の発信周波数は、周波数カウンタ６７で発振周波数ｆがデジタル信号に変換され、温度センサー６５のアナログ出力値はデジタル電圧計６８でデジタル値に変換され、周波数カウンター６７の出力とデジタル電圧計６８の出力から記憶された校正曲線あるいは計算式により温度補正された電極間距離ｄが算出される。
【００２４】
センサーの発振回路に図４（ａ）のバルクハウゼン型発振器の１種であるクラップ型発振回路を使用する。バルクハウゼン型発振器はＬＣ共振回路に損失があると、発振周波数は能動素子（図４（ａ）ではＦＥＴ）のパラメータの影響を受ける。能動素子のパラメータは、温度や電源電圧によって変化しやすいが、これらの変化に対する発振周波数の変化を少なくするために、クラップ型発振器を使用すると良い。
【００２５】
検出電極間の容量をＣとすると、図３，図４の発振回路の発振周波数ｆは次の近似式（１）及び近似式（２）で表される。また、検出電極間の容量Ｃは、検出電極間にある空気の誘電率、電極面積、電極間距離をそれぞれε，Ｓ，ｄとすると、次の式（３）で表される。ただし、図４中、ｒｄはＦＥＴのドレイン出力抵抗、ｇｍは伝達コンダクタンス，ＶｇはＦＥＴのゲート入力電圧を表し、Ｃ１，Ｃ２はＣに比べて非常に大きい値である。
【００２６】
【数１】
【００２７】
実際には、検出される電極間容量としては電極間容量Ｃに一定量の容量（漂遊容量）Ｃｓを加算した容量が検出されるので、近似式（２）のＣはＣ＋Ｃｓとし、式（２）の近似式は次の式（４）で表され、式（３）と式（４）とより電極間距離ｄは次の式（５）で表され、定数部分を係数Ａ１，Ａ2，Ａ3で表すと次の式（６）及び式（７）で表される。
【００２８】
【数２】
【００２９】
図６は、図１のセンサプローを使用したセンサーの測定例を示す。横軸は電極間の距離、縦軸は発振周波数を表す。この実施例の具体的数値は、例えば以下のとおりである。
電極３１，３２の面積Ｓ＝１cm２ で、空気の誘電率 ε＝８．８５４１８×１０−１４／cmのとき、
ｄ＝０．０５cm（＝５００μm）のとき、１．７７０８３６pFで、
ｄ＝０．０５０１cm（＝５０１μm）のとき、１．７６７３０１pFと測定される 。従って、このときの電極間距離ｄ，１μm当たりの容量変化ΔCは３．５３fFとなる。
【００３０】
図７は、上記式（４）〜（７）を用いて、電極３１と電極３２間の距離ｄと発振周波数ｆとの特性線を求め、この特性をリニアスケールに変換した特性線を示す。横軸は発振周波数の自乗の逆数、縦軸は電極間の容量と電極間の距離を表す。図７の特性直線の勾配からＡ２が、ｙ切片からＣｓが求まる。
【００３１】
図１の実施例の性能は、以下の通りであった。
位置測定精度：０．２μm以下（ただし、電極間距離５００μmの場合）
５０nm以下（ただし、電極間距離１００μmの場合）
センサーヘッド寸法：１５×１５×２０mm
距離測定範囲：（２０μm〜５０００μm）
センサー消費電力：５０mW以下
【００３２】
図８は、本発明のセンサーを使用した１軸方向におけるの位置測定応用例を示す。図中、７１は本発明のセンサー、７２はセンサー７１のリード線、７３は移動台（ステージ）に貼り付けられた電極、７４は電極７３を接地するアース線、７５は被測定対象である移動台、７６は移動台を保持する固定枠を、７７は送りネジ、７８は送りネジを支持するナット固定枠、７９は送りネジ７７を駆動する操作手段を表す。センサー７１はナット固定枠７８の上面に据え付けられ、センサーの電極（図の外観図では隠れている。）は電極７３に対向している。
【００３３】
操作手段７９により送りネジ７７を回転させ、図の左右方向に移動台７５を移動させる。センサー７１の電極と電極７３との間の距離（容量）はセンサーから出力される周波数として測定され、これにより移動台７５上の被測定物の位置が測定される。
【００３４】
図９は、本発明のセンサーを具備した２軸位置制御装置例としてレーザー発振器に用いられるミラーの２軸制御装置例を示す。図９の実施例は、レーザ発振器装置のミラー・ミラー架台を、ミラー面角度を２軸制御する装置である。図では、移動台、操作部、検出部を斜視図で示す。図中、８１はミラーを架台にはめ込み固定するミラー孔、８２はミラー架台、８３はミラー架台８２を支持する固定部材、８５，８７，８９はミラー架台８２の位置を調整する送りネジ、８６，８８，９０は送りネジを駆動する操作手段を表す。
【００３５】
各送りネジ８５，８７，８９の付近で固定部材８３とミラー架台８２との間に設けられたバネ（図示せず）はミラー架台を固定部材側に吸引されている。送りネジ８５，８７，８９は固定部材８３に挿入固定され、その先端（球面状先端でも良い）は固定部材８３から突出し、ミラー架台表面と一点で押圧接触している。送りネジ８５の先端９１はミラー架台８２の支点を決め、送りネジ８７，８９はミラー架台８２と固定部材８３との距離ｄ１，ｄ２をバネ力に抗して調整する。
【００３６】
さらに、９２，９４はミラー架台に貼り付けられた電極（この電極を接地するアース線は図示していない）、９３，９５は電極を貼り付けたセンサー、９７は制御装置、９８は表示装置、９９はミラー調整信号指令を表す（例えば、特開２００１−１９６６６９号公報記載の制御信号）。なお、センサー９３，９５は電極９２，９４に対向する面にそれぞれ電極が貼られている。又、センサー９３，９５は測定すべき位置付近に設けらた固定部材の孔に貫入固定される。
【００３７】
図９のミラー架台８２の上部と右部にそれぞれ図８の送りネジ７７と同じ送りネジ８７，８９が取り付けられている。該ネジの先端が図示されていないミラー架台８２の裏側に押圧当接している（図では隠れている。）ので、操作手段８８，９０により送りネジを回すことによりミラー架台の２軸方向制御（ｄ１，ｄ２）が行われる。操作手段８６はミラー架台の２軸制御の原点を手動調整する操作手段である。
【００３８】
すなわち、ミラー架台８２は、送りネジ８５の先端９１を支点として、送りネジ８７によって、図のｘ軸に平行な面内でｚ方向に移動可能であり、送りネジ８９によって図のｙ軸に平行な面内でｚ方向に移動可能である。先端９１を原点とするｘ−ｙ系に対する、ミラー架台８２の部分に取り付けられるミラーの面の２軸方向（ｄ１，ｄ２）の傾斜調整が行われる。操作手段８８，９０は手動操作や、ミラー制御信号指令９９に基づいて、図９のように制御装置９７によるモータ駆動により送り制御できる。又、手動による粗機構を操作手段８８，９０に設けても良い。
【００３９】
ミラー架台の２軸データは位置センサー９３，９５の発振周波数出力ｆ１，ｆ２、温度センサー出力Ｔ１，Ｔ２をＡ／Ｄ変換して、制御装置９７に入力し、温度補正した電極間距離を計算し、ミラー制御信号指令９９（２軸信号指令）とそれぞれ比較し、操作手段８８，９０に調整信号ｄ１’，ｄ２’を出力し、操作手段を駆動制御する。
【００４０】
図８は１軸方向の位置測定応用例であるが、操作手段７９をセンサー７１の位置検出信号と制御信号との誤差値により操作させることにより、移動台を所定位置に移動させる１軸方向の移動台の位置制御装置に適用できることは明らかである。
【００４１】
図１０は、３軸位置制御装置を、ミラー制御に適用した例を示す。図９の２軸ミラー制御装置とは、図９の操作手段８６（原点調整用）の代わりに固定部材１０４に固定された操作手段１００、送りネジ１０１、センサー１０３、ミラー架台８２上にセンサー１０３の電極に対向して貼付された電極１０２を設けた点で相違する。操作手段１００、送りネジ１０１、センサー１０３、電極１０２は、それぞれ操作手段８８，９０、送りネジ８７，８９、センサー９３，９５、電極９２，９４と同じ機能を有するので、説明は省略する。８７ａ，８９ａ，１０１ａは固定部材１０４に貫入された送りネジ部分を示す。
【００４２】
操作手段１００は、図のＸ，Ｙ，Ｚ軸の原点をＺ軸方向にｄ３移動させるもので、原点調整といえる。これにより、図９の位置制御装置では、３軸方向制御（ｄ１，ｄ２，ｄ３）が可能となる。なお、本明細書及び図面で使用する参照記号が同じ部材は同じ機能を有する部材を表す。
【００４３】
図１１は、図１０と同じ３軸位置制御装置の移動台，操作部，検出部の変形例を斜視図で示す。移動台ににおける操作手段、センサーの配置例である。図中、１０５は移動台、１０６は固定部材、点Ｐは移動台の中心を表し、被制御部材は移動台上にＰを中心にして載置固定される。点Ｐを通り、互いに直交する直線Ｌ１，Ｌ２上で、点Ｐよりそれぞれ等距離な位置に操作手段８８，９０，１００（送りネジ８７，８９，１０１の先端）（図では円Ｒ上に）、センサー９３，９５，１０３は配置される。このような配置により、操作手段の駆動は相互独立に調整可能となり、移動距離と位置検出センサーの検出位置との差が少なくなり、誤差補償が簡単になる。
【００４４】
図１２は、４軸位置制御装置の移動台，操作部，検出部例を斜視図で示す。３軸方向移動台（図９）と、１軸方向の移動台とを移動台を組み合わせて４軸位置制御装置を構成するものである。図中、１０８は移動台、１０９はその固定枠、１０９ａは移動台１０８のガイド、１１０は操作手段、１１１は操作手段１１０によって駆動される送りネジ、１１２はセンサーを表す。固定部材１０６は移動台１０８に垂直に設置される。移動台１０５とその固定部材１０６及び操作手段８８，９０，１００、センサー９３，９５，１０３は図１０の３軸位置制御装置のものと同じである。操作手段１１０、送りネジ１１１、センサー１１２は図９，図１０のものと同じである。
【００４５】
操作手段は送りネジを駆動して移動台１０５，１０８を駆動する。操作手段１１０は、図で上方向（固定部材１０６の面に平行に）移動台１０８をｄ４移動させる。図示していない制御回路は、４個のセンサー９３，９５，１０３，１１２の検出距離信号と制御指令信号を入力とし、４個の操作手段８８，９０，１００，１１０を駆動することにより、移動台の４軸方向制御（ｄ１，ｄ２，ｄ３，ｄ４）を行うことができる。
【００４６】
図１２の固定部材１０９（移動台１０８）を他の位置制御と組み合わせることにより位置制御軸を増加させることができる。例えば、図１２に固定部材１０９（移動台１０８）をｄ４の移動方向に対して直角方向にｄ５移動させる位置制御を組合わせると、５軸方向位置制御が可能になり、更に、固定部材１０９（移動台１０８）を回転方向に駆動させると６軸方向位置制御できる等任意の多軸方向制御が可能となる。
【００４７】
本発明の位置制御装置を、移動台（ミラー架台）における多軸方向の位置制御例で説明したが、この例に限定されるものでない。曲面、三次元物体面上の多点に対する多軸位置制御も可能である。
【００４８】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の静電容量型位置センサーは、従来使用されなかった、静電容量を発振回路の周波数で検出することにより、ノイズに強い、非接触小型の高精度の位置を検出することができる。従来の位置センサーに比べ、大きさで１／４以下、値段でも半分以下の簡単な構造で高精度を実現している。さらに、センサーは被測定対象の装置部材に簡単に多数据え付けることができる。
【００４９】
本発明の位置センサーを具備する位置制御装置は、被駆動部材、その固定部材を組合わせ結合することができ、位置制御に必要な電極を被制御体の必要な位置に、センサーを固定枠に任意に設置できるので、被制御体における任意の多軸位置制御が可能となる。被制御物体の固定部材に、多数のセンサー据え付け可能で多軸制御する必要がある時に好都合である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の静電容量型位置センサーにおけるセンサープローブの一実施例の外観図を示す。
【図２】本発明の静電容量型位置センサーにおけるセンサープローブの他の実施例の外観図、構造図を示す。
【図３】本発明の静電容量型位置センサーの回路図例を示す。
【図４】本発明の静電容量型位置センサーに使用する発振回路の基本例を示す。
【図５】本発明の静電容量型位置センサーの概念図を示す。
【図６】本発明の静電容量型位置センサーの測定結果例を示す。
【図７】図６の測定結果例をリニア化した表示例を示す。
【図８】本発明の静電容量型位置センサーの使用形態を示す。
【図９】本発明の静電容量型位置センサーを具備した２軸位置制御装置を示す。
【図１０】本発明の静電容量型位置センサーを具備した３軸位置制御装置を示す。
【図１１】本発明の３軸位置制御の移動台に静電容量型位置センサーと操作手段の設置例を説明する図を示す。
【図１２】本発明の静電容量型位置センサーを具備した３軸位置制御装置を示す。
【符号の簡単な説明】
１，７１，６２，９３，９５ センサー（プローブ）
２，１５，６３ 電極
６１，７３，９２，９４，１０２ 電極
３ 筐体
４，７２ リード線
５，２２ モールド
１１ 基板
１２ 回路基板
１４ コイル
２１，６５ 温度センサー
３３ 発振回路
３４ バッファー
７５，１０５，１０８ 移動台
８２ ミラー架台
７６，１０９ 固定枠
８３，１０４，１０６ 固定部材
１０３，１１２ センサー（プローブ）
８６，８８，９０，１１０ 操作手段
９７ 制御回路
【発明の属する技術分野】
この発明は、対向する２つの電極間の静電容量を測定することにより電極間の距離を求める静電容量型位置センサーに関し、特にレーザー発振系等に用いるミラー制御に適した静電容量型位置センサーに関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザー発振にはレーザ光をミラー間で往復して増幅させるために複数のミラーが用いられ、これらミラーは相互に位置や面の方向が精密に調整されて、発振状態が維持される。 従来、このようなミラーを調整するための位置センサーとしては、光学式のものや抵抗式のものが知られている。しかし、光学式のものは部品点数が多く、ミラーやレンズを５〜１０個用いており、小型化が難しいと共に高価になってしまう欠点がある。例えば、現在市販されている世界最小の位置センサーは、オムロン社製の光学式位置センサーであるが、３３×３９×１７mmの大きさである。また、スライド抵抗を用いるセンサーは、安価ではあるが機械的接触を必要とし、スライド抵抗器のバックラッシュ等のため位置調整の精度が劣る。
【０００３】
レーザー発振には少なくとも数個から十数個のミラーを用いるため、安価で精度がよく、かつ小型の位置センサーが必要とされているが、上記のように小型で、高精度で、しかも安価な装置は現在実現されていない。
【０００４】
また、静電容量型の位置センサーとしてＡＤＥ社製のものも存在するが、これはブリッジ型である（カナダ特許第９６１９２７号参照）。これも、やはり高価（２０万円）であり、絶対値測定の精度も明らかでない。なお、該従来の静電容量型の位置センサーは、シャントに入った静電容量の容量変化による信号の減衰、すなわち振幅の変化あるいは位相の変化を見ているものであり、ノイズの影響が大きく、精度も劣る。
【０００５】
この他、平面上インダクタンスを用いる位置センサーとして特開平１１−２０１７０８号公報記載のものが知られているが、同公報、図２０のグラフを見てもそれほど精度の高いものではない。また、ノギスのフレームとスライダのようにレール上の位置を検出するための静電容量変位検出装置として特開平９−１７８４０７号公報記載のものが公知であるが、これも検出精度は高くない。フレームとスライダーが接触する構造なので、原理的に検出精度の向上に限界があり、本発明が使用する間隙では、通常は数ミクロンの検出精度である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、小型で精度がよく、ノイズに強く、構造が簡単で、安価な位置センサー及び該位置センサーを具備する位置制御装置を提供することを目的とする。特に、レーザー発振等に多数用いるミラーの制御、多軸位置制御に適した新しいタイプの静電容量型位置センサーを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するために、本発明は、対向する２つの電極間の静電容量を測定することにより電極間の距離を求める静電容量型位置センサーにおいて、平板状電極、コイルにトロイダルコアを有するバルクハウゼン型発振回路を用い、該発振器の発振周波数から上記電極間の距離の絶対値を正確に求める構成を提供する。
【０００８】
さらに、上記トロイダルコアの材質がカーボニル鉄ダスト材であり、前記バルクハウゼン型発振回路がクラップ発振回路であることを特徴とする。
【０００９】
また、上記トロイダルコア、発振回路が温度センサーと共にモールドされ、該温度センサー出力により発振器出力の周波数の温度補正値が演算処理装置により計算されることを特徴とする。さらに、上記モールドされた回路が薄い金属板で覆われてシールドされていることを特徴とする。
【００１０】
また、表面に上記検知電極を有する基板を設け、該基板の裏面側に垂直に延在するプリント基板を形成し、前記発振回路が該プリント基板上に設けられると共に、上記検知電極を有する基板の裏面側がシールド用の金属膜を有することを特徴とする。
【００１１】
本発明の静電容量型位置センサーを固定部材に貫入させ、対向電極を移動部材に貼り付けるとともに、静電容量型位置センサーの周辺に移動部材を駆動する操作手段を具備する位置制御装置を特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本願発明を、図面を参照して実施例について説明する。
図１は本願発明の静電容量型位置センサー（以下単にセンサー）のプローブ部分の一実施例を示す。図１（ａ）は、センサーの外観図を、図１（ｂ）は裏面から見た筐体の裏蓋を除いた外観図を、図１（ｃ）は回路をモールドしたモールドの外観図を示す。図中、１はセンサープローブ、２は電極、３は筐体、４は筺体３に収納された回路部に接続されたリード線、５は回路部を遮蔽する金属筒シールド、６はモールド、７は電極２と回路部とを接続するリード線、８はリード線を通す孔を表す。電極２は被測定物に貼られた電極（図示していない。）との間で容量を構成し、この容量とモールド内の回路部とで発振回路を構成する。
【００１３】
図２はセンサープローブの内部構造の一例を示す。図２（ａ）は回路部の外観図、図２（ｂ）はモールドを電極２側から見た外観図、図２（ｃ）は側面中央断面図を示す。図中、１１は基板、１２は回路基板、１３は回路素子、１４は発振回路のコイル、１５は電極、１６はリード線、１８は金属膜、１９はアース線、２０はリード線１６を通す孔、２１は温度センサー、２２はモールド範囲を表す。
【００１４】
表面側に電極１５が貼られた基板１１の裏面側中央部に回路基板１２が立設されている。基板１１は円形円盤状（１０mmφ）であり、その裏面側には金属膜１８が貼られている。該金属膜１８はアースに接続され、回路基板１２に対するシールドの役目を果たす。回路基板１２は、図２（ｃ）に示されるように、基板裏面の金属膜１８にその端面を半田付けされて立設される。なお、全体の長さは１２mmである。本発明の場合、回路をモールドするのは温度の影響を受けるコイル等の発振回路の構成部品と温度センサーの検出温度を同一になるような熱的接触を確保するためである。
【００１５】
図１の場合と同様、電極１５は基板の孔２０を通じてリード線１６を回路に接続し、回路基板１２にはセンサー電極間の容量以外の容量と共に発振回路を構成するコイル１４が設けられている。該コイル１４はトロイダルコア（ドーナツ状のコア）に巻線をした構造で回路基板（回路基板内にシールド層がある。）１２に回路素子が付設された面とは反対側に付設される。トロイダルコアのコイルはコイル損失が小さくて、温度変化も小さい。
【００１６】
同様に、コアには低損失で温度係数の小さい（透磁率の温度変化が少ない）カーボニル鉄ダスト材が用いられる。具体的には、Micrometals社製の＃６材が用いられる。該カーボニル鉄ダスト材の温度係数は３５ppm/℃であり、使用周波数帯は３〜４０MHzである。また、コンデンサも温度係数の小さいマイカコンデンサが用いられる。
【００１７】
図３は本発明に用いられる回路の構成例を示す。図中、３１は被測定対象物に貼られた電極、３２はセンサーの電極、３３は発振回路、３４はバッファ回路、３５はシールド信号線、３６は電源回路、３７は出力端子を表す。同発振回路中、４１，４２，４４，４５，４６はコンデンサ、４３はインダクタンス、４７，４８，４９は抵抗、５０はＦＥＴ（電解効果トランジスタ）、５１は発振回路の出力端子である。インダクタンス４３はコイル１４のインダクタンスを表している。
【００１８】
被測定対象物が移動すると、これに貼り付けられた電極３１が移動し、電極３１と電極３２との距離ｄが変動して電極間の静電容量Ｃが変化する。電極間の静電容量Ｃが変化すると発振回路３３の発振周波数ｆが変動する。発振回路３３は、安定度の高いクラップ発振回路が用いられる。周波数は１５ＭＨｚ近辺が用いられる。
【００１９】
図４（ａ）はクラップ発振回路の基本構成を示す。図中、Ｃ，Ｃ１，Ｃ２はコンデンサの容量、Ｌはインダクタンス、ｒはコイルの抵抗分を表す。インダクタクタンスＬはコイル１４のインダクタンス、容量Ｃ，Ｃ１，Ｃ２はそれぞれ図３の電極３１，３２間の容量と容量４４，４５との容量に相当する。 図４（ｂ）は、発振回路の発振条件式を求めるための等価回路である。
【００２０】
発振回路３３の出力は５１から取り出され、３４のバッファー回路に入力する。バッファー回路３４は負荷の影響を受けないようにするために設けられている。バッファー回路３４の出力はシールド信号線３５を介して周波数処理回路に導かれる。
【００２１】
なお、センサーへの電源供給（＋５V）は図中３６に示されるように、シールド信号線３５を介してなされる。電極３１，３２間の容量が発振回路の発振周波数ｆを決定するので、該周波数を計測することにより電極３１，３２間の距離ｄが計算できる。ただし、該発振周波数は温度の影響をなくすため、該発振回路と一体にモールドされた温度センサー６５の出力によって温度補正された計算値が求まる。
【００２２】
図５は本発明のセンサーの概念図を示す。図中、６１は被測定対象に貼り付けられた電極、６４はセンサープローブ、６３は電極、６４は発振器／バッファ回路、６５は温度センサー、６６はセンサーコントローラ、６７は周波数カウンター、６８はデジタル電圧計、６９はＣＰＵ（マイコン）、７０は出力情報（距離・位置情報）を表す。周波数カウンター６７は、センサプローブからの発振出力信号を波形整形して得られるパルスを演算し、一定時間におけるパルス数から発信出力信号の周波数を計測する。
【００２３】
発振器／バッファ回路６４の発信周波数は、周波数カウンタ６７で発振周波数ｆがデジタル信号に変換され、温度センサー６５のアナログ出力値はデジタル電圧計６８でデジタル値に変換され、周波数カウンター６７の出力とデジタル電圧計６８の出力から記憶された校正曲線あるいは計算式により温度補正された電極間距離ｄが算出される。
【００２４】
センサーの発振回路に図４（ａ）のバルクハウゼン型発振器の１種であるクラップ型発振回路を使用する。バルクハウゼン型発振器はＬＣ共振回路に損失があると、発振周波数は能動素子（図４（ａ）ではＦＥＴ）のパラメータの影響を受ける。能動素子のパラメータは、温度や電源電圧によって変化しやすいが、これらの変化に対する発振周波数の変化を少なくするために、クラップ型発振器を使用すると良い。
【００２５】
検出電極間の容量をＣとすると、図３，図４の発振回路の発振周波数ｆは次の近似式（１）及び近似式（２）で表される。また、検出電極間の容量Ｃは、検出電極間にある空気の誘電率、電極面積、電極間距離をそれぞれε，Ｓ，ｄとすると、次の式（３）で表される。ただし、図４中、ｒｄはＦＥＴのドレイン出力抵抗、ｇｍは伝達コンダクタンス，ＶｇはＦＥＴのゲート入力電圧を表し、Ｃ１，Ｃ２はＣに比べて非常に大きい値である。
【００２６】
【数１】
実際には、検出される電極間容量としては電極間容量Ｃに一定量の容量（漂遊容量）Ｃｓを加算した容量が検出されるので、近似式（２）のＣはＣ＋Ｃｓとし、式（２）の近似式は次の式（４）で表され、式（３）と式（４）とより電極間距離ｄは次の式（５）で表され、定数部分を係数Ａ１，Ａ2，Ａ3で表すと次の式（６）及び式（７）で表される。
【００２８】
【数２】
図６は、図１のセンサプローを使用したセンサーの測定例を示す。横軸は電極間の距離、縦軸は発振周波数を表す。この実施例の具体的数値は、例えば以下のとおりである。
電極３１，３２の面積Ｓ＝１cm２ で、空気の誘電率 ε＝８．８５４１８×１０−１４／cmのとき、
ｄ＝０．０５cm（＝５００μm）のとき、１．７７０８３６pFで、
ｄ＝０．０５０１cm（＝５０１μm）のとき、１．７６７３０１pFと測定される 。従って、このときの電極間距離ｄ，１μm当たりの容量変化ΔCは３．５３fFとなる。
【００３０】
図７は、上記式（４）〜（７）を用いて、電極３１と電極３２間の距離ｄと発振周波数ｆとの特性線を求め、この特性をリニアスケールに変換した特性線を示す。横軸は発振周波数の自乗の逆数、縦軸は電極間の容量と電極間の距離を表す。図７の特性直線の勾配からＡ２が、ｙ切片からＣｓが求まる。
【００３１】
図１の実施例の性能は、以下の通りであった。
位置測定精度：０．２μm以下（ただし、電極間距離５００μmの場合）
５０nm以下（ただし、電極間距離１００μmの場合）
センサーヘッド寸法：１５×１５×２０mm
距離測定範囲：（２０μm〜５０００μm）
センサー消費電力：５０mW以下
【００３２】
図８は、本発明のセンサーを使用した１軸方向におけるの位置測定応用例を示す。図中、７１は本発明のセンサー、７２はセンサー７１のリード線、７３は移動台（ステージ）に貼り付けられた電極、７４は電極７３を接地するアース線、７５は被測定対象である移動台、７６は移動台を保持する固定枠を、７７は送りネジ、７８は送りネジを支持するナット固定枠、７９は送りネジ７７を駆動する操作手段を表す。センサー７１はナット固定枠７８の上面に据え付けられ、センサーの電極（図の外観図では隠れている。）は電極７３に対向している。
【００３３】
操作手段７９により送りネジ７７を回転させ、図の左右方向に移動台７５を移動させる。センサー７１の電極と電極７３との間の距離（容量）はセンサーから出力される周波数として測定され、これにより移動台７５上の被測定物の位置が測定される。
【００３４】
図９は、本発明のセンサーを具備した２軸位置制御装置例としてレーザー発振器に用いられるミラーの２軸制御装置例を示す。図９の実施例は、レーザ発振器装置のミラー・ミラー架台を、ミラー面角度を２軸制御する装置である。図では、移動台、操作部、検出部を斜視図で示す。図中、８１はミラーを架台にはめ込み固定するミラー孔、８２はミラー架台、８３はミラー架台８２を支持する固定部材、８５，８７，８９はミラー架台８２の位置を調整する送りネジ、８６，８８，９０は送りネジを駆動する操作手段を表す。
【００３５】
各送りネジ８５，８７，８９の付近で固定部材８３とミラー架台８２との間に設けられたバネ（図示せず）はミラー架台を固定部材側に吸引されている。送りネジ８５，８７，８９は固定部材８３に挿入固定され、その先端（球面状先端でも良い）は固定部材８３から突出し、ミラー架台表面と一点で押圧接触している。送りネジ８５の先端９１はミラー架台８２の支点を決め、送りネジ８７，８９はミラー架台８２と固定部材８３との距離ｄ１，ｄ２をバネ力に抗して調整する。
【００３６】
さらに、９２，９４はミラー架台に貼り付けられた電極（この電極を接地するアース線は図示していない）、９３，９５は電極を貼り付けたセンサー、９７は制御装置、９８は表示装置、９９はミラー調整信号指令を表す（例えば、特開２００１−１９６６６９号公報記載の制御信号）。なお、センサー９３，９５は電極９２，９４に対向する面にそれぞれ電極が貼られている。又、センサー９３，９５は測定すべき位置付近に設けらた固定部材の孔に貫入固定される。
【００３７】
図９のミラー架台８２の上部と右部にそれぞれ図８の送りネジ７７と同じ送りネジ８７，８９が取り付けられている。該ネジの先端が図示されていないミラー架台８２の裏側に押圧当接している（図では隠れている。）ので、操作手段８８，９０により送りネジを回すことによりミラー架台の２軸方向制御（ｄ１，ｄ２）が行われる。操作手段８６はミラー架台の２軸制御の原点を手動調整する操作手段である。
【００３８】
すなわち、ミラー架台８２は、送りネジ８５の先端９１を支点として、送りネジ８７によって、図のｘ軸に平行な面内でｚ方向に移動可能であり、送りネジ８９によって図のｙ軸に平行な面内でｚ方向に移動可能である。先端９１を原点とするｘ−ｙ系に対する、ミラー架台８２の部分に取り付けられるミラーの面の２軸方向（ｄ１，ｄ２）の傾斜調整が行われる。操作手段８８，９０は手動操作や、ミラー制御信号指令９９に基づいて、図９のように制御装置９７によるモータ駆動により送り制御できる。又、手動による粗機構を操作手段８８，９０に設けても良い。
【００３９】
ミラー架台の２軸データは位置センサー９３，９５の発振周波数出力ｆ１，ｆ２、温度センサー出力Ｔ１，Ｔ２をＡ／Ｄ変換して、制御装置９７に入力し、温度補正した電極間距離を計算し、ミラー制御信号指令９９（２軸信号指令）とそれぞれ比較し、操作手段８８，９０に調整信号ｄ１’，ｄ２’を出力し、操作手段を駆動制御する。
【００４０】
図８は１軸方向の位置測定応用例であるが、操作手段７９をセンサー７１の位置検出信号と制御信号との誤差値により操作させることにより、移動台を所定位置に移動させる１軸方向の移動台の位置制御装置に適用できることは明らかである。
【００４１】
図１０は、３軸位置制御装置を、ミラー制御に適用した例を示す。図９の２軸ミラー制御装置とは、図９の操作手段８６（原点調整用）の代わりに固定部材１０４に固定された操作手段１００、送りネジ１０１、センサー１０３、ミラー架台８２上にセンサー１０３の電極に対向して貼付された電極１０２を設けた点で相違する。操作手段１００、送りネジ１０１、センサー１０３、電極１０２は、それぞれ操作手段８８，９０、送りネジ８７，８９、センサー９３，９５、電極９２，９４と同じ機能を有するので、説明は省略する。８７ａ，８９ａ，１０１ａは固定部材１０４に貫入された送りネジ部分を示す。
【００４２】
操作手段１００は、図のＸ，Ｙ，Ｚ軸の原点をＺ軸方向にｄ３移動させるもので、原点調整といえる。これにより、図９の位置制御装置では、３軸方向制御（ｄ１，ｄ２，ｄ３）が可能となる。なお、本明細書及び図面で使用する参照記号が同じ部材は同じ機能を有する部材を表す。
【００４３】
図１１は、図１０と同じ３軸位置制御装置の移動台，操作部，検出部の変形例を斜視図で示す。移動台ににおける操作手段、センサーの配置例である。図中、１０５は移動台、１０６は固定部材、点Ｐは移動台の中心を表し、被制御部材は移動台上にＰを中心にして載置固定される。点Ｐを通り、互いに直交する直線Ｌ１，Ｌ２上で、点Ｐよりそれぞれ等距離な位置に操作手段８８，９０，１００（送りネジ８７，８９，１０１の先端）（図では円Ｒ上に）、センサー９３，９５，１０３は配置される。このような配置により、操作手段の駆動は相互独立に調整可能となり、移動距離と位置検出センサーの検出位置との差が少なくなり、誤差補償が簡単になる。
【００４４】
図１２は、４軸位置制御装置の移動台，操作部，検出部例を斜視図で示す。３軸方向移動台（図９）と、１軸方向の移動台とを移動台を組み合わせて４軸位置制御装置を構成するものである。図中、１０８は移動台、１０９はその固定枠、１０９ａは移動台１０８のガイド、１１０は操作手段、１１１は操作手段１１０によって駆動される送りネジ、１１２はセンサーを表す。固定部材１０６は移動台１０８に垂直に設置される。移動台１０５とその固定部材１０６及び操作手段８８，９０，１００、センサー９３，９５，１０３は図１０の３軸位置制御装置のものと同じである。操作手段１１０、送りネジ１１１、センサー１１２は図９，図１０のものと同じである。
【００４５】
操作手段は送りネジを駆動して移動台１０５，１０８を駆動する。操作手段１１０は、図で上方向（固定部材１０６の面に平行に）移動台１０８をｄ４移動させる。図示していない制御回路は、４個のセンサー９３，９５，１０３，１１２の検出距離信号と制御指令信号を入力とし、４個の操作手段８８，９０，１００，１１０を駆動することにより、移動台の４軸方向制御（ｄ１，ｄ２，ｄ３，ｄ４）を行うことができる。
【００４６】
図１２の固定部材１０９（移動台１０８）を他の位置制御と組み合わせることにより位置制御軸を増加させることができる。例えば、図１２に固定部材１０９（移動台１０８）をｄ４の移動方向に対して直角方向にｄ５移動させる位置制御を組合わせると、５軸方向位置制御が可能になり、更に、固定部材１０９（移動台１０８）を回転方向に駆動させると６軸方向位置制御できる等任意の多軸方向制御が可能となる。
【００４７】
本発明の位置制御装置を、移動台（ミラー架台）における多軸方向の位置制御例で説明したが、この例に限定されるものでない。曲面、三次元物体面上の多点に対する多軸位置制御も可能である。
【００４８】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の静電容量型位置センサーは、従来使用されなかった、静電容量を発振回路の周波数で検出することにより、ノイズに強い、非接触小型の高精度の位置を検出することができる。従来の位置センサーに比べ、大きさで１／４以下、値段でも半分以下の簡単な構造で高精度を実現している。さらに、センサーは被測定対象の装置部材に簡単に多数据え付けることができる。
【００４９】
本発明の位置センサーを具備する位置制御装置は、被駆動部材、その固定部材を組合わせ結合することができ、位置制御に必要な電極を被制御体の必要な位置に、センサーを固定枠に任意に設置できるので、被制御体における任意の多軸位置制御が可能となる。被制御物体の固定部材に、多数のセンサー据え付け可能で多軸制御する必要がある時に好都合である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の静電容量型位置センサーにおけるセンサープローブの一実施例の外観図を示す。
【図２】本発明の静電容量型位置センサーにおけるセンサープローブの他の実施例の外観図、構造図を示す。
【図３】本発明の静電容量型位置センサーの回路図例を示す。
【図４】本発明の静電容量型位置センサーに使用する発振回路の基本例を示す。
【図５】本発明の静電容量型位置センサーの概念図を示す。
【図６】本発明の静電容量型位置センサーの測定結果例を示す。
【図７】図６の測定結果例をリニア化した表示例を示す。
【図８】本発明の静電容量型位置センサーの使用形態を示す。
【図９】本発明の静電容量型位置センサーを具備した２軸位置制御装置を示す。
【図１０】本発明の静電容量型位置センサーを具備した３軸位置制御装置を示す。
【図１１】本発明の３軸位置制御の移動台に静電容量型位置センサーと操作手段の設置例を説明する図を示す。
【図１２】本発明の静電容量型位置センサーを具備した３軸位置制御装置を示す。
【符号の簡単な説明】
１，７１，６２，９３，９５ センサー（プローブ）
２，１５，６３ 電極
６１，７３，９２，９４，１０２ 電極
３ 筐体
４，７２ リード線
５，２２ モールド
１１ 基板
１２ 回路基板
１４ コイル
２１，６５ 温度センサー
３３ 発振回路
３４ バッファー
７５，１０５，１０８ 移動台
８２ ミラー架台
７６，１０９ 固定枠
８３，１０４，１０６ 固定部材
１０３，１１２ センサー（プローブ）
８６，８８，９０，１１０ 操作手段
９７ 制御回路
Claims (7)
- 対向する２つの電極間の静電容量を測定することにより電極間の距離を求める静電容量型位置センサーにおいて、
平板状の電極、トロイダルコア巻線を有するバルクハウゼン型発振回路を用い、該発振器の発振周波数から上記電極間の距離の絶対値を求めることを特徴とする静電容量型位置センサー。 - 前記トロイダルコアの材質がカーボニル鉄ダスト材であることを特徴とする請求項１記載の静電容量型位置センサー。
- 前記バルクハウゼン型発振回路がクラップ発振回路であることを特徴とする請求項１または２記載のいずれかの静電容量型位置センサー。
- 前記トロイダルコア巻線を含む発振回路が温度センサーと共にモールドされ、演算処理装置によって該温度センサー出力により発信回路の周波数の温度補正値が計算されることを特徴とする請求項１ないし請求項３の内、いずれか記載の静電容量型位置センサー。
- 前記モールドされた回路が薄い金属板で覆われてシールドされていることを特徴とする請求項４記載の静電容量型位置センサー。
- 対向する電極の一つの電極を表面に貼り付けた基板を設け、該基板の裏面側に垂直に延在するプリント基板を形成し、前記発振回路が該プリント基板上に設けられると共に、上記検知電極を有する基板の裏面側がシールド用の金属膜を有することを特徴とする請求項１〜５記載のうち、いずれか記載の静電容量型位置センサー。
- 請求項１〜請求項６記載のうち、いずれか記載の静電容量型位置センサーを固定部材に貫入させ、対向電極を移動部材に貼り付けるとともに、該静電容量型位置センサーの周辺に移動部材を駆動する操作手段を配置したことを特徴とする静電容量型位置センサーを具備する位置制御装置。
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