JPH07111355B2 - 静電容量形変位測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、直線的又は角度的な変
位測定を行うための測定装置に係り、特に、小形化して
も変位測定を高精度で行うことができる改良された静電
容量形変位測定装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】直線的又は角度的な変位測定を行うため
の多くの静電容量形測定装置が開発されている。

【０００３】この容量型測定装置においては、電極がそ
れぞれ配置された２つの支持部材を相対的に移動させ、
これら２つの支持部材の相対位置を、それぞれの支持部
材に形成された対象とする上記電極によって発生する容
量パターンの変化を関知することによって決定してい
る。

【０００４】具体的には、一方の電極アレイに複数の周
期的な信号を供給することにより、対向配置された他方
の電極アレイへ伝達されて生じる信号のシフトを測定す
ることによって相対位置を決定するものが知られてい
る。

【０００５】このような測定装置は、三次元座標測定シ
ステムや数値制御された仕上機械のような大規模な装置
から、携帯型ノギス、マイクロメータ等のような小規模
な装置まで、広い範囲に亘っている。

【０００６】上述した静電容量形変位測定装置の中に
は、相対移動可能な支持部材の一方に送信電極と受信電
極とが並設され、他方にこれら両電極とそれぞれ静電結
合された対向電極が配設され、上記送信電極から出力さ
れた信号を上記対向電極に受信させ、その対応電気信号
を上記受信電極に受信させ、その静電情報を検出するこ
とにより、上記支持部材間の変位を測定するものが知ら
れている。

【０００７】この静電容量形変位測定装置は、希望する
組合せの電極（送信電極と対向電極）間の静電容量が、
両支持部材の相対位置（変位）によって変化すること
を、その測定原理としている。

【０００８】従って、希望する組合せ以外の電極間には
不要な浮游容量が発生することを防止し、該浮游容量が
原因となる測定精度の低下を防止することが重要であ
る。

【０００９】即ち、上記のように一方の同一の支持部材
に、電気信号を入力する送信電極と、対向電極を介して
その入力に応答した静電信号を検出する受信電極とが並
設されている場合は、相対移動する他方の支持部材との
間の変位を正確に測定するために、同一の上記支持部材
における送信電極と受信電極とが静電気的に十分に絶縁
され、これら送信電極と受信電極との間に不要な浮游容
量が生じないようにすることが重要である。

【００１０】

【発明が解決しようする課題】しかしながら、前述の小
規模な装置等に、上記静電容量形変位測定装置を適用す
る場合には、同一の支持部材に形成する送信電極と受信
電極との間隔が必然的に小さくなるため、これら両電極
間に静電誘導に起因して生じる不要な浮游容量が、測定
誤差の原因となり易い。

【００１１】静電容量形変位測定装置を小形化すればす
る程、電極間隔が狭くなるために、上記浮游容量の影響
は大きくなる。その結果、小形の静電容量形変位測定装
置では、測定精度を確保できない事態が生じるという問
題がある。

【００１２】本発明は、前記従来の問題点を解決するべ
くなされたもので、小形化する場合でも、優れた測定精
度を有する静電容量形変位測定装置を提供することを課
題とする。

【００１３】

【課題を達成するための手段】本発明は、相対移動する
支持部材の一方の表面に、送信電極と受信電極とが並設
されている静電容量形変位測定装置において、送信電極
と受信電極との間に介在する絶縁領域に、これら両電極
間の静電誘導を遮断又は減衰させるための、上記絶縁領
域の支持部材を貫通するスルーホールと、該スルーホー
ルを介して、支持部材の裏面に形成されている裏面接地
電極と電気的に接続されている接地電極とからなる遮蔽
部を配設したことにより、前記課題を達成したものであ
る。

【００１４】

【００１５】

【作用】まず、具体例を挙げ、静電容量形変位測定装置
の測定原理について説明する。

【００１６】図４は、静電容量形変位測定装置の一例で
ある、容量形直線測定ノギス１０である。

【００１７】このようなノギス１０については、出願人
の先行出願である米国特許出願０７／２００３６８（対
応日本特許出願は特願平１−１７１３７８号）及び米国
特許出願０７／２００５８０（対応日本特許出願は特願
平１−１７１３７９号）（米国出願日は共に１９８８年
５月３１日）に、詳細に説明されている。

【００１８】簡単に説明すると、ノギス１０は、容量変
換器（ＴＲＡＮＳＤＵＣＥＲ）１２と、電子測定装置
（ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣ ＭＥＡＳＵＲＩＮＧ ＡＰＰ
ＡＲＡＴＵＳ）１００とを含んでいる。

【００１９】該電子測定装置１００は、電気的な励起信
号を変換器１２に供給するための信号発生器（ＳＩＧＮ
ＡＬ ＧＥＮＥＲＡＴＯＲ）１０２と、所定の測定位置
を確定するために、変換器１２によって発生した出力信
号を処理するための信号処理器（ＳＩＧＮＡＬ ＰＲＯ
ＣＥＳＳＯＲ）１０４とを備えている。

【００２０】変換器１２は、直線状の第１支持部材２０
と、所定の測定軸Ｘに沿って部材２０に対して縦方向の
軸変位を行うように摺動可能に取付けられた、第２支持
部材３０とを備えている。この第２支持部材３０は、ピ
ックオフ部材として一般的に知られている。

【００２１】上記両支持部材２０及び３０は、それぞ
れ、物体の寸法測定を可能とするのに使われるノギスア
ーム（図示省略）を通常備えている。

【００２２】前記支持部材２０及び３０は、それぞれ、
平らな表面を有しており、その上に、以下に説明する、
様々な電極配列又は構造２１０、２２０及び３１０、３
２０が、それぞれ配置されている。

【００２３】前記支持部材２０と３０は、互いに間隔
（例えば、０．０５mm）を隔てて平行に対向しており、
第２支持部材３０が、第１支持部材２０に対して測定軸
に沿って縦方向（Ｘ方向）に変位できるように、摺動自
在に支持されている。

【００２４】前記第２支持部材３０上には、電極構造３
１０と３２０が、測定軸Ｘに対して整合して、互いに近
接して配置されている。第１支持部材２０上には、同様
に、電極構造２１０と２２０が、電気的に接続された状
態で、測定軸に対して整合して互いに近接して配置され
ている。

【００２５】前記信号発生器１０２の励起信号出力は、
電極構造３１０の各電極３１２に接続され、信号処理器
１０４は、変換器１２の出力を受信するため電極構造３
２０に接続されている。なお、説明の便宜上、電極構造
３１０（以下、アレイ３１０とも称する）の電極を第１
送信電極と称し、電極構造２１０（以下、アレイ２１０
とも称する）の電極を第１受信電極と称し、電極構造２
２０（以下、アレイ２２０とも称する）の電極を第２送
信電極と称し、電極構造３２０を第２受信電極と称す
る。

【００２６】図示した例において、第１送信電極３１０
は、測定軸Ｘの方向に延びる幅Ｗt 及び長さＴl の矩形
包絡線を形成するように、ピッチＰt の所定間隔で互い
に均一の間隔を開けて近接するようにされた、同一形状
の複数の矩形電極として形成されている。

【００２７】又、図示されているように、近接する電極
３１２の１以上の所定数（図では８）からなる連続する
シリーズが、それぞれ、対応する一連の異なる励起又は
入力信号に接続されており、電極の各シリーズが、１送
信波長Ｌt を決定する距離に亘る長さのグループを構成
している。

【００２８】前記第２受信電極３２０は、前記第１送信
電極３１０に近接して平行に配置された、測定軸Ｘの方
向に延びる幅Ｗr 及びＲl の略細長い形状を有する。

【００２９】前記第１受信電極アレイ２１０は、測定軸
Ｘの方向に、第１支持部材２０上に互いに均一の間隔を
開けて近接するようにされた、それぞれが矩形の電極要
素２１２を複数個備えている。

【００３０】前記第２送信電極アレイ２２０も、同様
に、測定軸Ｘの方向に、互いに間隔を開けて近接するよ
うにされた、それぞれが矩形の電極要素２２２を複数個
備えている。この第２送信電極アレイ２２０の個々の電
極要素２２２は、それぞれ、前記第１受信電極アレイ２
１０の対応する個々の電極要素２１２に電気的に結合さ
れている。

【００３１】前記第１送信電極３１２及び第１受信電極
２１２は、それぞれ、支持部材２０及び３０上に配置さ
れ、測定軸に沿う第１と第２の支持部材２０と３０の相
対移動の間、間隔を開けて向い合った関係を維持するよ
うにされている。同様に、検出電極３２０と第２の送信
電極２２２も、それぞれ、支持部材３０と２０上に配置
され、測定軸に沿う支持部材２０と３０の移動の間、間
隔を開けて向い合った関係を維持するようにされてい
る。

【００３２】前記関連出願により詳しく説明したよう
に、周期的に変化する励起信号が、信号発生器１０２に
よって前記第１送信電極３１０の各グループに印加され
る。前記第１送信電極３１２からの信号は、第１受信電
極２１２に静電容量的に結合され、そして第２送信電極
２２２に電気的に結合される。

【００３３】前記信号は、その後、静電容量性結合によ
って第２受信電極３２０に伝達され、この受信電極３２
０が出力信号を発生すると、この出力信号が信号処理器
１０４によって検出される。信号処理器１０４は、その
後、前記第１送信電極３１２に送信された信号と、前記
検出電極３２０で受信された信号の間の関係を感知する
ことによって、位置の指示を与える。

【００３４】又、他のノギス１０の例としては、図５に
示したような、第１送信電極３１０′を、測定軸方向の
両端部に、それぞれテーパ状部３１６Ａ及び３１６Ｂを
有する形状とした以外は、基本的構成が共通であるもの
が、出願人の先行出願である米国特許出願０７／３５７
６９９（対応日本出願は特願平２−１３２４３４号）に
提案されている。

【００３５】以上詳述したノギス（静電容量形変位測定
装置）１０においては、希望する組合せの電極（第１送
信電極３１０と第１受信電極２１０、第２送信電極２２
０と第２受信電極３２０）以外の電極間、即ち第１送信
電極３１０（３１０′）と第２受信電極３２０との間に
静電浮游容量が生じると、測定精度が低下することにな
る。

【００３６】そこで、本発明では、例えば、後に説明す
る第１図のように、送信電極３１０´´（第１送信電極
に相当する）と受信電極３２０´´（第２受信電極に相
当する）との間の絶縁領域Ｚに、接地電極とスルーホー
ルからなる遮閉部を設けることにより、該両電極３１０
´´と３２０´´との間の静電誘導を遮断又は減衰させ
るようにした。なお、この場合、対向電極（図示せず）
は前記電極２１０、２２０に相当している。

【００３７】このように、静電気的に相互作用の発生を
避けたい電極３１０''と３２０''との間の静電誘導を遮
断又は減衰させることを可能としたため、測定精度を低
下させずに、これら両電極間の間隔を小さくすることが
でき、その結果、優れた測定精度を備えた小形のノギス
１０を得ることが可能となった。

【００３８】

【実施例】以下、図面を参照して、本発明の実施例を詳
細に説明する。

【００３９】図１（Ａ）は、本発明の第１実施例である
静電容量形ノギスの要部を示す部分平面図、図１（Ｂ）
は、その一部破断部の斜視図である。

【００４０】本実施例の静電容量形変位測定装置は、第
２支持部材３０が図１（Ａ）に示した構成を有している
以外は、基本構成が図４又は図５に示したものと実質的
に共通のものである。

【００４１】上記第２支持部材３０には、前記図４に示
したものと同様の測定方向両端部にテーパ状部３１６Ａ
及び３１６Ｂを有する、電極要素３１２''からなる送信
電極３１０''と、該送信電極３１０''に近接して測定軸
方向に伸びる受信電極３２０''とが並設されている。こ
の受信電極３２０''は、相補的な形状の２つの受信電極
（a ）、（b ）で形成されている。そして、これら両電
極３１０''と３２０''との間に位置する絶縁領域Ｚが支
持部材３０を構成する絶縁基板４０で形成されている。

【００４２】本実施例においては、図１（Ｂ）に拡大し
て示したように、上記送信電極３１０''と受信電極３２
０''との静電誘導を遮断又は減衰させるための遮蔽部と
して、接地電極４２と、該接地電極４２の中央部を測定
軸Ｘ方向に所定のピッチで形成されたスルーホール４４
とを、前記絶縁領域Ｚに設けてある。

【００４３】上記接地電極４２は、基板４０の裏面に付
設されている裏面接地電極４２Ａと、上記スルーホール
４４を介して電気的に接続されている。

【００４４】本実施例では、上述の如く、上記絶縁領域
Ｚに、遮蔽部（接地電極４２、スルーホール４４）４６
を配設したので、前記送信電極３１０''と前記受信電極
３２０''との間に不要な浮游容量が発生することを有効
に防止することができる。

【００４５】従って、本実施例の静電容量形ノギス１０
は、送信電極３１０''と受信電極３２０''との間の間隔
を小さくした場合でも、優れた測定精度を得ることがで
きるため、測定精度を低下させることなく、静電容量形
ノギス自体を小形化することが可能となる。

【００４６】図２は、本発明の第２実施例の要部を示す
部分断面図であり、上記図１（Ｂ）の破断部を正面から
見た図に相当している。

【００４７】本実施例は、送信電極３１０´´と受信電
極３２０´´との間に位置する基板（絶縁領域）に断面
がＶ字形状の電極を、上記図１（Ａ）に示した接地電極
４２の延在方向と同一方向に延びる導体からなる遮蔽部
４６を配設したものである。この図２に示した遮蔽部４
６は、上記接地電極４２の部分に相当し、図示は省略し
てあるが、前記第１実施例と同様にスルーホール４４を
介して裏面接地電極４２Ａと電気的に接続されている。

【００４８】このようにすることにより、上記両電極３
１０''と受信電極３２０''との間の静電容量を低減でき
るので、前記第１実施例の静電容量形ノギス１０と同様
に、小形化しても、優れた測定精度を発揮させることが
できる。

【００４９】図３は、本発明の第３実施例の要部を示
す、前記図２に相当する部分断面図である。

【００５０】本実施例は、遮蔽部４６を、前記第２実施
例の場合と逆に凸形とすると共に、その裏側にも該遮蔽
部４６と同方向に突出する第２遮蔽部４６Ａを配設した
構成としたものである。

【００５１】本実施例の場合も、同様に、小形化して
も、優れた測定精度を発揮させることができる。

【００５２】以上、本発明を具体的に説明したが、本発
明は前記実施例に示したものに限られるものでないこと
はいうまでもない。

【００５３】例えば、送信電極と受信電極との間の絶縁
領域に配設する遮蔽部は、スルーホールと、これを介し
て裏面接地電極と電気的に接続されている前述した接地
電極、Ｖ字形状の導体、凸形状の導体とからなるものに
限らず、上記両電極間の浮游容量の発生を防止したり、
減衰させたりすることができる形状であれば、任意の形
状にすることができる。

【００５４】又、送信電極、受信電極の構成、形状等も
必要に応じて任意に変更可能である。

【００５５】又、静電容量形変位測定装置としては、前
記静電容量形ノギスに限られるものでなく、直線又は回
転等の変位を測定する任意の静電容量形変位測定装置で
あってもよい。

【００５６】

【発明の効果】以上説明した通り、本発明によれば、静
電容量形変位測定装置を小形化する場合であっても、優
れた測定精度を発揮させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１（Ａ）は、第１実施例の要部を示す部分平
面図、図１（Ｂ）は、その一部破断部を拡大した斜視図
である。

【図２】図２は、第２実施例の要部を示す部分断面図で
ある。

【図３】図３は、第３実施例の要部を示す部分断面図で
ある。

【図４】図４は、静電容量形ノギスの一例を示す部分斜
視図である。

【図５】図５は、静電容量形ノギスの他の一例を示す部
分斜視図である。

【符号の説明】

２０…第１支持部材、 ３０…第２支持部材、 ４０…基板、 ４２…接地電極、 ４４…スルーホール、 ４６…遮蔽部、 ３１０''…送信電極、 ３２０''…受信電極、 Ｚ…絶縁領域。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】相対移動する支持部材の一方の表面に、送
   信電極と受信電極とが並設されている静電容量形変位測
   定装置において、 送信電極と受信電極との間に介在する絶縁領域に、これ
   ら両電極間の静電誘導を遮断又は減衰させるための、上
   記絶縁領域の支持部材を貫通するスルーホールと、該ス
   ルーホールを介して、支持部材の裏面に形成されている
   裏面接地電極と電気的に接続されている接地電極とから
   なる遮蔽部を配設したことを特徴とする静電容量形変位
   測定装置。