JP2007085959A

JP2007085959A - 静電容量式変位センサー

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Publication number: JP2007085959A
Application number: JP2005277065A
Authority: JP
Inventors: Seigo Tsuji; 辻成悟
Original assignee: Jeol Ltd
Current assignee: Jeol Ltd
Priority date: 2005-09-26
Filing date: 2005-09-26
Publication date: 2007-04-05

Abstract

【課題】静電容量の変位測定時に、浮遊容量による影響を最小限に抑えることができるような静電容量式変位センサーを提供する。
【解決手段】静電容量を発生する２枚から成る電極対のうち、第１の電極に交流定電圧を印加して、その結果、第２の電極に発生する交流電流を測定することにより、前記２枚の電極間距離を求めるようにした。
【選択図】図２

Description

本発明は、静電容量式変位センサーに関し、特に、磁気共鳴力顕微鏡（ＭＲＦＭ）に用いて好適な静電容量式変位センサーに関する。

コンデンサを構成する２枚の電極のうち、片方の電極を検出電極、もう片方の電極を被測定体側の電極とすると、両電極間に発生する静電容量Ｃ₀は、下式（１）で与えられる。

ここで、εは電極間の誘電率、Ｓは電極同士が対向する面積、ｄは電極間距離を表わす。つまり、静電容量Ｃ₀を計測することによって、検出電極の位置に対する被測定体の相対的な位置変位が得られる。静電容量式変位センサーの特徴は、電極同士が非接触で測長が行なえ、測長に際して被測定体に物理的な負荷を与えないことである。

図１に、一般的に用いられる静電容量式変位センサーの構成例を上げる。図中１は検出電極、２は被測定体である。検出電極１と被測定体２の間の誘電率はε、距離はｄ、検出電極１の電極面積はＳである。被測定体２は被測定体でありながら電極をも兼ねるため、表面は電気良導体である必要がある。さらに、表面電位を検出回路の共通アースと同電位に設定する必要がある。

３は、検出電極１を固定保持する電極ホルダーである。電極ホルダー３が電気良導体である場合には、電極ホルダー３と検出電極１の間に絶縁材を挟む必要がある。４は、容量がＣ_rであるような参照用標準静電容量である。５は、検出電極１と参照用標準静電容量４とを電気的に接続する配線、６は、参照用標準静電容量４へ交流電圧信号を伝送する配線である。８は、交流定電圧発振器、９は、交流電圧信号受信器である。

ここで、交流定電圧発振器８の出力電圧実効値をＶ₀とすると、交流電圧信号受信器９で検出される実効電圧値Ｖ₁は、下式（２）で与えられる。

参照用標準静電容量Ｃ_rの容量値は既知であるため、実効電圧値Ｖ₁を計測することによって、検出電極１と被測定体２とが与える静電容量Ｃ₀の値を得ることができる。つまり、式（１）により、検出電極１の電極面積Ｓおよび検出電極１と被測定体２の間の誘電率εが既知であれば、得られたＣ₀の値から、検出電極１と被測定体２の距離ｄが導出される。

特開２００２−２２１４０２号公報

ところで、図１には、電極１、２間の静電容量Ｃ₀および参照用標準静電容量Ｃ_rが明記されている。しかしながら、現実的な問題として、静電容量検出回路内に、以下に上げるような浮遊容量が発生する。
（１）検出電極１とホルダー３の周辺に、被測定体２の他にアースと同電位の導体が存在する場合、その導体と検出電極１との間に浮遊容量が発生する。
（２）配線５の周囲に、アースと同電位の導体が存在する場合、その導体と検出電極１との間に浮遊容量が発生する。
（３）配線６の周囲に、アースと同電位の導体が存在する場合、その導体と検出電極１との間に浮遊容量が発生する。
（１）から（３）の浮遊容量の総和をＣ_sとすると、交流電圧信号受信器９で検出される実効電圧値Ｖ₁は、下式（３）で与えられる。

（３）式から、Ｃ₀に対してＣ_sが大きくなると（Ｃ₀＜Ｃ_s）、Ｖ₁の値はＣ_sに大きく依存することが理解できる。そして、電極間距離ｄの変位δｄに対するＶ₁の変化量δＶ₁は、下式（４）で与えられる。

（４）式から、Ｃ₀に対してＣ_sが大きくなると（Ｃ₀＜Ｃ_s）、δｄ／ｄに対するδＶ₁／Ｖ₁の比例係数Ｃ₀／（Ｃ₀＋Ｃ_r＋Ｃ_s）が減少し、ｄの変位検出感度が低下することが理解できる。

例えば、直径１φの円盤形状を持つ小型検出電極を用いたとする。εを真空誘電率とすると、ｄ＝１０μｍとした場合、Ｃ₀＝０．７０ｐＦと計算される。また、ｄ＝２０μｍに変位した場合に、Ｃ₀＝０．３５ｐＦと計算される。さらに、参照用標準静電容量４と交流定電圧発振器８との間の距離が隔たれている状況を仮定し、配線６として１ｍの同軸ケーブル１．５Ｃ−２Ｖ（特性インピーダンス７５Ω、単位メートルあたりの静電容量は６７ｐＦ）を用いたとする。このとき、浮遊容量Ｃ_sは６７ｐＦになる。また、Ｃ_r＝５ｐＦ、Ｖ₀＝１Ｖとする。

この場合に、Ｃ₀＝０ｐＦのとき、Ｖ₁＝０．０６９４Ｖ、Ｃ₀＝０．７０ｐＦのとき、Ｖ₁＝０．０６８８Ｖ、Ｃ₀＝０．３５ｐＦのとき、Ｖ₁＝０．０６９１Ｖとなる。つまり、Ｖ₁はＣ₀の変化を反映しがたく、大きな浮遊容量Ｃ_sの値で決まる。また電極間距離ｄの変位検出感度を示す比例係数Ｃ₀／（Ｃ₀＋Ｃ_r＋Ｃ_s）は、０．０６８８になり、１よりも著しく低下する。

このように、従来技術において、例えば小型静電容量式変位センサーなど、小さな静電容量しか発生できない静電容量センサーを取り扱う場合に、浮遊容量が大きく影響する。

浮遊容量が大きくなることによって、以下の問題が浮上する。

１．出力電圧Ｖ₁が、目的のＣ₀ではなく、浮遊容量Ｃ_sに大きく依存する。具体的に、測定中に配線ケーブルを曲げるなど、配線ケーブルを変化させた場合に、配線ケーブルで発生する浮遊容量が変化し、被測定体の位置変化量に誤差が発生する、といった問題が発生する。

２．Ｃ₀の変化に対する出力電圧Ｖ₁のダイナミックレンジが効率よく稼げない。つまり、Ｖ₁は大きな浮遊容量Ｃ_sで決まる有限な値を持ち、その値に電圧レンジを合わせると、Ｃ₀の変化に対するＶ₁の小さな変化量が効率よく計測されない。

３．相対変位δｄ／ｄに対し、電圧計測精度δＶ₁／Ｖは、浮遊容量Ｃ_sの逆数に依存し、大きな浮遊容量Ｃ_sの存在によって、電圧計測精度が著しく低下する。

また、浮遊容量を小さくする場合に、以下の問題が浮上する。

４．配線ケーブルを長くすることができない、もしくは、発振器を測定系の中に組み込まなければならない、など制限が加わる。この制限は、測定系が狭い空間に限られる環境、また真空下、低温高温下、高磁場下など、特殊な環境にある場合に問題となる。

本発明の目的は、上述した点に鑑み、静電容量の変位測定時に、浮遊容量による影響を最小限に抑えることができるような静電容量式変位センサーを提供することにある。

この目的を達成するため、本発明にかかる静電容量式変位センサーは、
静電容量を発生する２枚から成る電極対のうち、第１の電極に交流定電圧を印加して、その結果、第２の電極に発生する交流電流を測定することにより、前記２枚の電極間距離を求めるようにしたことを特徴としている。

また、前記静電容量に比例した交流電流は、電圧値に変換後、位相検波回路で交流電圧の振幅値として出力させることにより、前記２枚の電極間距離を求めるようにしたことを特徴としている。

また、前記電極対は３軸方向に１対ずつ設置され、そのうち片側は、１枚の共通電極で構成されていることを特徴としている。

また、前記各電極対に印加される交流定電圧の周波数は、それぞれ異なる周波数であることを特徴としている。

本発明の静電容量式変位センサーによれば、
静電容量を発生する２枚から成る電極対のうち、第１の電極に交流定電圧を印加して、その結果、第２の電極に発生する交流電流を測定することにより、前記２枚の電極間距離を求めるようにしたので、
静電容量の変位測定時に、浮遊容量による影響を最小限に抑えることができるような静電容量式変位センサーを提供することが可能となる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。

図２および図３は、本発明にかかる静電容量センサーの一実施例である。本実施例は、被測定体１５に設けられた電極１６に交流定電圧をかけ、検出電極１１に発生する交流微小電流を検出し、電極１１および電極１６の間に発生する静電容量を計測することによって、検出電極１１から被測定体１５までの相対的な距離ｄを得るものである。以下に各構成要素の具体例を説明する。

１１：検出電極。電極１６から流れる微小電流を検出する電極である。絶縁スペーサー１２で囲まれ、さらに検出電極ホルダー１３で固定される。また、検出電極１１は、同軸ケーブル１４の内導体に接続され、発生した交流電流信号が、電流電圧変換器１９へ伝送される。

１２：絶縁スペーサー。検出電極１１と検出電極ホルダー１３とが、電気的に接触しないように媒介する役割を担う。

１３：検出電極ホルダー。検出電極１１と絶縁スペーサー１２を固定し、支持する導電性のホルダーである。また、外部ノイズ電界が検出電極１１に伝達されないように、電気遮蔽する役割を兼ねる。このため、電位がアースと同電位になるように、同軸ケーブル１４の外導体と電気的に接触させる必要がある。また、感度良く被測定体の相対位置変位を測定するために、検出電極１１を電極１８の近傍へアプローチする必要があり、このホルダーにアプローチ可能な粗動機構が備わっている必要がある。また、アプローチする際に、検出電極１１と電極１８が接触する可能性がある場合は、この接触を回避する目的で、できる限り検出電極１１の電極面が検出電極ホルダー面より奥に収まるような設計にする必要がある。

１４：同軸ケーブル。検出電極１１で発生した交流電流信号を電流電圧変換器１９へ伝送する役割を担う。また、外部ノイズ電界が交流電流信号に入らないように電気遮蔽する役割、および内導体と同軸ケーブル１８の内導体との間に浮遊容量が発生しないように外導体で遮蔽する役割を兼ねる。これらの役割を担えれば、一般のシールドケーブルでも支障はない。また、同軸ケーブルの特性インピーダンスはできる限り大きい方が好ましい。

１５：被測定体。検出電極１１によって、相対的な位置が計測される測定対象である。特別に、電気伝導性といった電気特性を限定しないが、表面に絶縁スペーサー１７と電極１６、および配線１８が設置できるものに限られる。

１６：電極。被測定体に蒸着もしくは貼り付けられた電極である。交流定電圧発生器２２より、この電極とアースとの間に、交流定電圧がかけられる。被測定体１５との間に絶縁スペーサー１７を挟み、被測定体と電気的接触が断たれている。例えば、銅箔を長さ１２ｍｍ×幅８ｍｍ×厚さ０．３ｍｍに切り出し、電極表面を鏡面状にかつ平行に仕上げ、絶縁スペーサー１７の上に接着剤で貼り付けることによって作製される。

１７：絶縁スペーサー。被測定体１５に装着された絶縁膜。被測定体１５と電極１６との電気的接触を断つ役割を担う。例えば、市販のマイラーテープを利用する。このとき、テープの接着面を被測定体１５に接着させ、接着面と逆側の面にエポキシ系樹脂接着剤を薄く塗り、電極１６を貼り付ける。

１８：同軸ケーブル。交流定電圧発振器２２から電極１６へ交流電圧信号を伝送する役割を担う。また、外部ノイズ電界が交流電流信号に入らないように電気遮蔽する役割、および内導体と同軸ケーブル１８の内導体との間に浮遊容量が発生しないように外導体で静電遮蔽する役割を兼ねる。これらの役割を担うことができれば、一般のシールドケーブルでも支障はない。内導体と電極１８の接合は、接点でできる物理的な凹凸によって静電容量式センサーのアプローチ動作の妨げにならないように注意する。このために、電極１８を広く確保し、電極１８の縁で端子付けを行なう。外導体は、その電位をアースと同電位にすれば十分であり、必ずしも被測定体１５に接触させる必要はない。

１９：電流電圧変換器。検出電極１１より発生した交流電流信号を検出し、検出された電流値を電圧値に変換させる。変換された交流電圧信号は、バッファー増幅器２０を経て、交流電圧の振幅値を出力する検波回路２１に送られる。電流電圧変換器１９の内部抵抗（入力インピーダンス）は、小さい値が求められる。また、微小電流の検出精度δＩを確保するためには、入力バイアス電流値をδＩに比べて十分大きく取る必要がある。

２０：バッファー増幅器。微小入力電圧信号を、検波回路２１で検波可能な電圧レベルまで増幅させる。

２１：検波回路。入力された交流電圧に対し、その振幅値を出力する検波回路である。図２に示す検波回路２１は、整流回路および平滑回路から成る検波回路を意味し、また、図３の破線枠２１で示す回路の実施例では、交流定電圧発振器２２の出力から分波された信号を参照波として位相検波を行なう位相検波回路２４を意味する。後者においては、後段に高調波をカットするための低周波アンプ２５を設けている。

２２：交流定電圧発振器。交流定電圧信号を発振し、電極１６へ送信させる。

２３：記録計。直流電圧信号の電圧値を表示し、記録する。

２４：位相検波回路。入力された交流電圧に対し、その振幅値を出力する位相検波回路。交流定電圧発振器２２の出力から分波された信号を参照波とする。

２５：低周波アンプ。位相検波回路の出力信号において、高周波をカットする。

図２において、点線の内側に配置された装置は、被測定体１５と同じ測定環境、例えば、真空下、低温高温下、強磁場下などに置かれる。点線の外側に配置された装置は、特に被測定体１５と同じ測定環境に置かれる必要はなく、同軸ケーブル１４、１８の長さを長くして、室温環境に設置しても構わない。

また、状況によっては、検出電極１１を電極１６にアプローチさせる際に、両者が接触する場合が考えられる。交流定電圧発振器２２からの大電流が電流電圧変換器１９に直接流れ込む可能性が考えられるので、別途、電流電圧変換器１９の前段に過電流保護回路を必要とする。

また、図２の変形例として、静電容量センサー側に交流定電圧をかけ、電極１６に発生した電流を読む手法も考えられる。

さて、以上のような静電容量センサーは、以下のように動作する。

１．予め、検出電極１１を電極１６の近傍にアプローチさせておく。アプローチには、検出電極ホルダー１３に備わった粗動機構を用いる。また、アプローチ作業で電極同士が接触する可能性が考えられる場合には、交流定電圧発振器２２の出力をＯＦＦにしておく必要がある。さらにアプローチ後、交流定電圧発振器２２の出力をＯＮにする前に、同軸ケーブル１４の外導体と電極１６、また同軸ケーブル１４の内導体と電極１６との電気的接触確認作業を行ない、電極１６と検出電極ホルダー１３、また電極同士が物理的に接触していないことを確認する。

２．交流定電圧発振器２２の出力をＯＮにし、電極１６に交流定電圧をかける。出力される交流電圧の角振動数と振幅実効値を、それぞれωおよびV₀とする。

３．検出電極１１に発生した微小交流電流の実効値Ｉを検出する。

４．以下の手順で、得られた実効電流値Ｉから被測定体の相対変位ｄを求める。電極１１、１６間に発生する静電容量をＣ₀、電流電圧変換器１９の内部抵抗をＲ_IVとする。また、静電容量式センサー内で発生する浮遊容量、同軸ケーブル１４および１８内で発生する浮遊容量、電極１６と被測定体１５との間で発生する浮遊容量の総和をＣ_sとする。このとき、電流電圧変換器１９で検出される電流値Ｉは、次式（５）で与えられる。

ここで、ωＲ_IVＣ_s《１が成立すれば、Ｉ＝Ｃ₀Ｖ₀と近似され、電流値ＩはＣ_sに依存しなくなる。よって、Ｖ₀は既知であるので、電流値ＩからＣ₀を導出することができる。つまり上式（５）より、Ｓおよびεが既知であれば、得られたＣ₀から被測定体１５の相対距離ｄが換算される。また、電極間距離ｄの変位δｄに対するＶ₁の変化量δＶ₁は、次式（６）で与えられる。

検出値相対精度δＩ／Ｉのδｄ／ｄに対する比例係数は−１であり、浮遊容量Ｃ_sには依存しない。

ωＲ_IVＣ_s《１なる条件について、標準的な実現例を上げる。浮遊容量で発生するインピーダンス１／ωＣ_sは、ω＝２π×１０００Ｈｚ、Ｃ_s＝１００ｐＦとして１．６ＭΩである。Ｒ_IVが１０Ω程度のものを選べば、ωＲ_IVＣ_s＝６．３×１０^−６《１を満たすことが可能である。

図４は、測定結果の一例である。検出電極１１の直径は３．８φである。被測定体１５は、ピエゾ駆動ステージとした。ステージに貼り付けられた電極１６の面積は９６ｍｍ²である。電流電圧変換器１９の入力インピーダンスは、１０Ωである。電流電圧変換器から得られた交流電圧の位相検波について、時定数を０．１６ｓとした。交流定電圧発振器１２の出力定電圧実効値は７．１Ｖ_rms、周波数は１１０３Ｈｚとした。

図４の横軸は、予め電極同士をおよそ５０μｍの間隔に近づけ、その走査距離Ｐ_osを０μｍとし、電極が離れる方向に被測定体を１００μｍ走査した際の走査距離Ｐ_osを示す。横軸の位置測定は、ステージに備えられた歪ゲージセンサーを用いた計測結果を示す。縦軸は、電流電圧変換器で受信した電流値を表わす。

位置測定精度は、Ｐ_os＝０．０μｍ、５０μｍ、１００μｍにおいて、δＰ_os＝０．００８μｍ、０．０５μｍ、０．１１μｍ程度が得られた。

図５と図６は、本発明にかかる３軸型静電容量式変位センサーの一実施例である。図５には、測定系に含まれる部位を示す。図５（ａ）は、被測定体３６に共通検出電極３７を貼り付け、その電極近傍に、互いに直交する３枚の電極３１、３１^’、３１^”を設置した様子を示す。図５（ｂ）は、図５（ａ）において、被測定体３６のみを取り出した図を示す。また、被測定体３６に貼り付けられた検出電極３７の断面図を図５（ｅ）に示す。図５（ｃ）は、図５（ａ）の中で被測定体３６を取り出した様子を示す。図５（ａ）では、電極面裏側を図示し、図５（ｃ）では、電極面側を図示した。図５（ｄ）は、電極の断面図を示す。また、図６は、主に静電容量測定に必要な構成要素をブロック図として示す。点線で囲まれた部位は、図５において記述された測定系に含まれる部位を示す。プライムは、静電容量式センサーおよび検出装置において、軸の異なることを区別する目的で付けたものであり、プライムの有無によって構造および機能の違いを示すものではない。以下に各構成要素の具体例を説明する。

３１：電極。３軸用電極は、互いに直交する３枚の電極から構成される。各電極は、絶縁スペーサー３２を挟んで、電気伝導性ホルダー３３に取り付けられている。これらの電極は、同軸ケーブル３４の内導体と電気接触があり、それぞれ３つの交流定電圧発振器４２から周波数の異なる交流電圧がかけられる。また、電極面は、共通電極３７と電気的に接触しないように、電極面を電気伝導性ホルダー３３や絶縁スペーサー３２の面に対して、奥に収めるようにする。

３２：絶縁スペーサー。電極３１と電極ホルダー３３とが、電気的に接触しないように挟む。

３３：電極ホルダー。電極３１と絶縁スペーサー３２を固定する。また、電位がアースと同電位になるように、同軸ケーブル３４の外導体と電気的に接触させる。

３４：同軸ケーブル。電極３１と交流定電圧発振器４２とを、電気的に接続するための同軸ケーブル。同軸ケーブル３４の外導体は、他の軸用の定電圧信号同士が混成しないように、また、同軸ケーブル３９との間に静電容量が発生しないように設ける。外導体の電位は、交流定電圧発振器４２のアースと共通にする。

３５：アーム。３軸用電極を互いに垂直になるように設置する支持板。感度良く被測定体３６の相対的位置変位を測定するために、電極３１を共通検出電極３７近傍にアプローチする必要があり、このアームには、アプローチ可能な粗動機構が備わっている必要がある。

３６：被測定体。相対的な位置が計測される測定対象。特別に、電気伝導性といった電気特性を限定しないが、表面に絶縁スペーサー３２と電極３７、および、配線３９が設置できるものに限られる。さらに、互いに直交した３軸位置変位測定が可能なように、一部に互いに直交した３面が切り出された被測定体、もしくは、別途互いに直交した３面を持つ物体を装着することが可能な被測定体に限られる。

３７：共通検出電極。３軸用電極３１の各面と平行な面を有する電極。この電極と電極３１との間に、各軸方向の距離に応じた静電容量が発生する。そして、電極３１にかけた各軸周波数が異なる交流電圧によって、静電容量に比例した微小電流が発生する。発生した３種類の交流電流は、同じ同軸ケーブル３９を経て、電流電圧変換器４０に送られる。

３８：絶縁スペーサー。共通検出電極３７と被測定体３６とが、電気的に接触しないように挟む。

３９：同軸ケーブル。外部ノイズ電界が交流電流信号に混じらないように遮蔽し、かつ、内導体と同軸ケーブル３４の内導体との間に浮遊容量が発生しないように外導体で遮蔽しながら、共通検出電極３７で発生した微小交流電流信号を電流電圧変換器３９に伝送する役割を担う。

４０：電流電圧変換器。共通検出電極３７より発生した交流電流信号を検出し、検出された電流値を電圧値に変換する。変換された交流電圧信号は、バッファー増幅器４１を通して、位相検波回路４３で交流電圧の振幅値を出力する検波回路に送られる。電流電圧変換器４０の内部抵抗（入力インピーダンス）をＲ_IVとすると、小さなＲ_IVを持つ機器を選ぶ必要がある。また、微小電流の検出精度δＩを確保するためには、入力バイアス電流値をδＩに比べて十分大きく取る必要がある。

４１：バッファー増幅器。微小入力電圧信号を位相検波回路４３で検出可能な電圧レベルまで増幅する。

４２：交流定電圧発振器。交流定電圧信号を発振し、電極４１に送信する。

４３：位相検波回路。入力された交流電圧に対し、その振幅値を出力する位相検波回路。交流定電圧発振器４２の出力から分波された信号を参照波とする。

４４：低周波アンプ。位相検波回路の出力信号において、高周波をカットする。

４５：記録計。直流電圧信号の電圧値を表示し、記録する。

また、図５の変形例として、アーム３５側に共通検出電極を設け、被測定体３６側に設けられた３軸用電極に交流定電圧を印加する手法も考えられる。

さて、以上のような３軸静電容量センサーは、以下のように動作する。

１．予め、３軸用電極３１を共通検出電極３７の近傍にアプローチさせておく。アプローチには、アーム３５に備わった粗動機構を用いる。また、アプローチ作業で電極同士が接触する可能性が考えられる場合には、交流定電圧発振器４２の出力をＯＦＦにしておく必要がある。さらにアプローチ後、交流定電圧発振器４２の出力をＯＮにする前に、同軸ケーブル３４の外導体と共通検出電極３７、また同軸ケーブル３４の内導体と共通検出電極３７との電気的接触確認作業を行ない、共通検出電極３７と検出電極ホルダー３３、また共通検出電極３７と３軸用電極３１とが物理的に接触していないことを確認する。

２．交流定電圧発振器４２の出力をＯＮにし、３軸用電極３１に交流定電圧をかける。出力される交流電圧の角振動数と振幅実効値を、それぞれωおよびV₀とする。３軸用の交流信号について、各軸用に用いる周波数は、ω₀、αω₀、βω₀（αとβは無理数）などのように、互いに混成し合わないようにする。

３．共通検出電極３７に発生した３軸の微小交流電流の実効値Ｉ、Ｉ^’、Ｉ^”を検出する。

４．以下の手順で、得られた実効電流値Ｉから被測定体の相対変位ｄを求める。また、Ｉ^’やＩ^”からｄ^’やｄ^”を求めることを同様に行なう。電極３１、３７間に発生する静電容量をＣ₀、電流電圧変換器４０の内部抵抗をＲ_IVとする。また、静電容量式センサー内で発生する浮遊容量、同軸ケーブル３４および３９内で発生する浮遊容量、共通検出電極３７と被測定体３６との間で発生する浮遊容量の総和をＣ_sとする。このとき、電流電圧変換器４０で検出される電流値Ｉは、次式（７）で与えられる。

ここで、ωＲ_IVＣ_s《１が成立すれば、Ｉ＝Ｃ₀Ｖ₀と近似され、電流値ＩはＣ_sに依存しなくなる。よって、Ｖ₀は既知であるので、電流値ＩからＣ₀を導出することができる。つまり上式（７）より、Ｓおよびεが既知であれば、得られたＣ₀から被測定体３６の相対距離ｄが換算される。また、電極間距離ｄの変位δｄに対するＶ₁の変化量δＶ₁は、次式（８）で与えられる。

ＭＲＦＭ装置に広く利用できる。

従来の静電容量式変位センサーを示す図である。本発明にかかる静電容量式変位センサーの一実施例を示す図である。本発明にかかる静電容量式変位センサーの一実施例を示す図である。本発明の静電容量式変位センサーによる測定結果の一例を示す図である。本発明にかかる静電容量式変位センサーの別の実施例を示す図である。本発明にかかる静電容量式変位センサーの別の実施例を示す図である。

符号の説明

１：検出電極、２：被測定体、３：電極ホルダー、４：参照用標準静電容量、５：配線、６：配線、８：交流定電圧発振器、９：交流電圧信号受信器、１１：検出電極、１２：絶縁スペーサー、１３：検出電極ホルダー、１４：同軸ケーブル、１５：被測定体、１６：電極、１７：絶縁スペーサー、１８：同軸ケーブル、１９：電流電圧変換器、２０：バッファー増幅器、２１：検波回路、２２：交流定電圧発振器、２３：記録計、２４：位相検波器、２５：低周波アンプ、３１：電極、３２：絶縁スペーサー、３３：電極ホルダー、３４：同軸ケーブル、３５：アーム、３６：被測定体、３７：共通検出電極、３８：絶縁スペーサー、３９：同軸ケーブル、４０：電流電圧変換器、４１：バッファー増幅器、４２：交流定電圧発振器、４３：位相検波器、４４：低周波アンプ、４５：記録計

Claims

静電容量を発生する２枚から成る電極対のうち、第１の電極に交流定電圧を印加して、その結果、第２の電極に発生する交流電流を測定することにより、前記２枚の電極間距離を求めるようにしたことを特徴とする静電容量式変位センサー。
前記静電容量に比例した交流電流は、電圧値に変換後、位相検波回路で交流電圧の振幅値として出力させることにより、前記２枚の電極間距離を求めるようにした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ー。
前記電極対は３軸方向に１対ずつ設置され、そのうち片側は、１枚の共通電極で構成されていることを特徴とする請求項１または２記載の静電容量式変位センサー。
前記各電極対に印加される交流定電圧の周波数は、それぞれ異なる周波数であることを特徴とする請求項３記載の静電容量式変位センサー。