JPH0337502A

JPH0337502A - 静電容量型距離計

Info

Publication number: JPH0337502A
Application number: JP1171732A
Authority: JP
Inventors: Naoyuki Omatoi; 直之大纒
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1989-07-03
Filing date: 1989-07-03
Publication date: 1991-02-18
Anticipated expiration: 2013-10-08
Also published as: JP2807827B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は静電容量型距離計に関し、特に移動物体の接近
状況をも計測する距離計に関する。

［従来の技術］静電容量型センサを用いた距離計では、従来から物体と
の距離によりコンデンサの静電容量か変化する性質を利
用して共振周波数を変化せしめ、この変化を検出するこ
とによって距離を１ｉｌＪ定していた。しかし、かかる
従来の距離計は検出精度、温度補償の点で欠点を有して
いた。この問題を解決すべく本出願人は測定用と比較用
の２つのコンデンサを用い、両者に交流信号を与えつつ
、静電容量の変化を位相差として検出する方式を本発明
に先立ち開発し特許出願している（特開昭６３５９０１
８号、特開昭６３−５９０１９号）。

［発明が解決しようとする課題］上記各特許出願に開示されている方式では、温度補償が
十分でないという問題の他に検出距離の設定の方法に問
題があった。すなわち、位相差をＯ又は所定値とするた
め、一方のコンデンサに直流電圧を与える構成となって
おり、これはポテンショメータを手動調整することによ
り行っていた。

しかしポテンショメータにより設定される電圧とこれに
対応する検出距離の関係は非直線であると共に、設定距
離の変化方向により対応する値が異なるというヒステリ
シス特性を有している。第７図は、この様子を示すグラ
フであり、設定距離を近距離から遠距離へ変化するとき
と、その逆とでは所望の設定距離を得るための電圧に応
差がある。

このため設定距離が実際の距離に対して誤差を有するこ
とがあるという問題があった。

従って本発明は温度補償が十分であると共に設定距離と
実際の距離との間の誤差の少ない静電容量型距離計を提
供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］本発明は上記目的を達成するため、センサ部のコンデン
サとして測定用と比較用の２つのコンデンサを直列に接
続するのではなく、単純な３層構造の単一のコンデンサ
を用いると共に、距離設定のための電圧を連続的に上昇
、下降させ、移動物体の接近によりコンデンサの一方の
電極のストレー容量の変化による出力反転時点を検出す
ることにより、その時点の電圧を読むことにより距離を
測定するようにしている。又、電圧の上昇と下降におけ
るヒステリシスの影響を防止するためこの電圧が上昇中
又は下降中のどちらか一方のときのみ距離測定を行うこ
とができる。

すなわち本発明によれば被測定物に近接するよう配され
た第１ｉ１ｉ極と、前記第１電極に近接して配された第
２電極と、前記第１及び第２電極間に配された板状誘電
体と、前記第１電極に一端が接続された第１抵抗と、前
記第２電極に一端が接続された第２抵抗と、前記第１抵
抗及び前記第２抵抗の他端と接地の間に接続されたパル
ス発生器又は交流発生器と、前記第１Ｎ極と第２電極の
いずれか一方に時間と共に上昇、下降を繰り返す直流電
圧を与える手段と、前記第１電極と前記第２電極に接続
された位相差検出手段と、前記位相差検出手段からの出
力信号を受けたときの前記直流電圧を読む手段とからな
る静電容量型距離計が提供される。

［実施例］以下図面と共に本発明の実施例について説明する。第１
図は本発明の静電容量型距離計の第１実施例を示すブロ
ック図である。

Ｃはセンサ部を構成する３層構造のコンデンサであり、
その構造の詳細は第２図及び第３図に従って説明する。

尚２０は検出電極、２２は補償用電極、２６は誘電体で
ある。検出電極２０はインバータ１０を介してＤフリッ
プフロップ１６の一方の入力端子に接続されると共に抵
抗Ｒｏを介してパルス発生器１４に接続されている。一
方、補償用電極２２はインバータ１２を介してＤフリッ
プフロップ１６の他の入力端子に接続されると共に抵抗
Ｒ２を介して上記パルス発生器１４に接続されている。

１８は三角波又は鋸歯状波を作る変動直流電圧発生回路
であり、その出力はコンデンサ２４を介して接地される
と共に抵抗Ｒ３を介して補償電極２２に接続されている
。

第２図は本発明に係る静電容量型距離計のセンサ部の側
面断面図であり、第３図は第１図のｎ−■線における断
面図である。このセンサ部は合成樹脂等のケース３０に
収められた３層構造のコンデンサＣを有しており、その
固定のために支持部材３４が用いられている。コンデン
サＣは２枚の銅箔等の金属箔２０．２２と１枚のガラス
布・エポキシ基板、テフロン、ポリイミド等の板状又は
フィルム状誘電体基板２６を３層のサンドインチ積層構
造としたものである。この金属箔２０．２２は基板２６
に貼付するか又は化学処理、真空蒸着、スパッタリング
等により設ける。金属箔２０及び２２はそれぞれ第１図
に示した検出用電極（第１電極）及び補償用電極（第２
電極）を構成するものであり、金属箔２０はケース３０
の先端に配され、外部の被測定物に近接して配されるこ
ととなる。各電極２０．２２の一端にはリード線３２が
それぞれ取り付けられている。尚、誘電体基板２６の材
質としては、他の合成樹脂やセラミック、硝子等の薄板
も用いることができるが、平板状でなく湾曲させる場合
は、ポリイミド等のフレキシブルなものが好適である。

この場合その厚さは５０μｍ〜１００μｍが最適である
。尚、例えば湾曲させない場合であっても容量や熱伝導
の観点から、誘電体基板２６の厚さは１〜２ｍｍ程度が
好ましい。第２図の例では誘電体基板２６の厚さは１．
６ｍｍである。

第３図に示すようにコンデンサＣは円形であり、円筒状
ケース３０内に収められているが、この形状は円形に限
らず、多角形や楕円形等所望の形状とすることができる
。この形状を円形とし、直径３ｃｍとすると、誘電体基
板２６の厚みにより数ｐｆ〜数十ｐｆの静電容量のコン
デンサＣが得られる。

尚、コンデンサＣは充填剤によることなく支持部材３４
で周辺が固定されており、外部からの衝撃に強い構造と
なっている。なお、充填剤を用いると、その種類や使用
条件によっては熱膨張により充填剤がコンデンサ表面か
ら剥離することがある。

まず第１図の回路について説明すると、パルス発生器１
４からの例えば３　ｋＨｚの周波数のパルスは抵抗Ｒ１
、Ｒ２を介してコンデンサＣの検出電極２０及び補償用
電極２２にそれぞれ与えられる。

この抵抗Ｒ１、Ｒ２としては必要に応じて、サーミスタ
、金属被膜抵抗、カーボン抵抗又はこれらの組合せを用
いることができる。この場合抵抗Ｒ１、Ｒ２は温度補償
の観点からコンデンサＣの近傍に配しておくことが好ま
しい。

検出電極２０が被測定物に近接していないときであって
、かつ変動直流電圧発生回路１８が接続されていないと
仮定すると、検出電極２０及び補償用電極２２における
ストレー容量はほぼ等しい。

画電極２０，２２にかかっている電圧の位相は検出電極
２０の方を進相させておき、Ｄフリップフロップ１６の
２つの入力に、それぞれ加えるようにする。検出電極２
０に被検出物が接近すると、検出電極２０のストレー容
量が増加し、コンデンサＣの対称性がくずれる。このた
め検出電極２０の電圧の立上りが遅くなって位相が補償
用電極２２にかかる電圧の位相より遅れる。従ってＤフ
リップフロップ１６の２つの入力信号間の位相関係が逆
転し、その結果Ｄフリップフロップ１６の出力状態が反
転する。

変動直流電圧発生回路１８から出力される直流電圧は数
Ｈｚ〜数百Ｈｚ程度の周波数で、例えば３Ｖから９■ま
での間を繰り返し上昇、下降するものである。第４図は
この電圧の変化の様子を示したものである。補償電極２
２に与える直流電圧の変化により補償電極２２側の検出
電極２０に対する位相が変化するので、結果として検出
すべき設定距離が変化する。なお、この電圧の変化速度
は検出すべき物体が移動物体であるときは、その移動速
度を考慮して十分に速いものでなくてはならない。

このようにインバータ１２の入力に与えられる電圧が変
動直流電圧発生回路１８の出力電圧により連続的に上昇
、下降するので、Ｄフリップフロップ１６の出力が反転
する条件としては検出電極２０側の入力電圧がストレー
容量の増大により遅相することが必要である。前述のよ
うに被測定物の接近により、このような状態となりＤフ
リップフロップ１６の出力が反転する。この反転出力は
電圧ホールド回路２８のホールド制御信号として用いら
れ、変動直流電圧発生回路１８の出力電圧をホールドす
る。このようにしてホールドされた直流電圧値は表示回
路３６に与えられて使用者か目視てきる形で表示される
。この表示回路３６としては回動針を有する電圧計やデ
ジタル表示器等を用いることができる。なお電圧ホール
ド回路２８にはリセット回路３８が接続されており、一
定周期で電圧ホールド回路２８をリセットするようにな
っており、被測定物の接近状態を連続的に監視できる。

なお、このリセット回路３８は使用目的によっては手動
回路とすることもできる。

第１図の静電容量型距離計を用いて接近する被測定物体
までの距離を測定するには、上述のようにしてＤフリッ
プフロップ１６の出力の反転時の変動直流電圧を読み、
用意しである電圧対距離の対比表を見ることにより、物
体までの距離を知ることができる。又、電圧値が次々と
変化していれば、距離の変化、速度、加速度、移動量を
知ることができる。

この電圧と距離は非直線的関係にあるので、検出電圧か
ら直接距離を読むためには所定の直線化回路を介すこと
により距離に比例した電圧を作る１ことが望ましい。

第１図の回路では変動直流電圧発生回路１８からの変動
直流電圧か上昇するときと、下降するときの双方で電圧
ホールドか行われ、しかも第７図によって説明したよう
に電圧対検出距離のヒステリシスにより電圧の上昇時と
下降時では検出距離に差異を生じてしまい、正確な測定
ができない。

そこで、この電圧か上昇又は下降のどちらか一方のとき
のみ測定するようにして、このときの電圧対距離の正確
な関係を把握しておくことにより、正確な測定が可能と
なる。この目的のためには、電圧ホールド動作を、例え
ば電圧の上昇時にのみ行うとか、又は表示回路３６の表
示動作を同様に電圧の上昇時にのみ行うようにすること
ができる。

第５図は電圧の上昇時（又は下降時）にのみホールド動
作を行うようにした場合の構成例を示すブロック図であ
り、第１図中変更部分のみを示している。４０は変動直
流電圧発生回路１８を制御するパルス発生回路であり、
この出力はＡＮＤゲート４２にも与えられている。パル
ス発生回路４２０の出力がＨレヘルのとき直流電圧が上昇し、Ｌレベル
のとき下降するものとすると、直流電圧の上昇中にのみ
Ｄフリップフロップ１６の出力が電圧ホールド回路２８
に与えられることとなる。

次に第６図は他の実施例を示す回路図であり、この実施
例ではＤフリップフロップの代りに２段のオペアンプ５
２．６２を用いており、又パルス発生器の代りに交流発
生器１４′を用いている。

オペアンプ５２の２人力の位相差に従った出力電圧を得
る構成となっており、オペアンプ６２でこの出力電圧を
所定電圧と比較してこれらの大小によりオペアンプ６２
の出力が反転する。従ってオペアンプ６２の出力を第１
図のＤフリップフロップ１６の出力の代りとして用いる
ことができる。

筒、１図と同一の構成要素は同一番号で示されており、
その説明は省略する。なおオペアンプ６２の反転入力と
出力間に接続された可変抵抗Ｒ４はオペアンプ６２の反
転タイミングの微調整用であり、必要に応じて正確な距
離測定を行うべく手動調整を行う。

上記各実施例において今センサの周囲温度か上昇したと
すると、誘電体２６の体積が熱膨張し、その厚みを増加
させる。その結果、コンデンサＣは静電容量が減少する
。しかしコンデンサＣはアース中点を採ることなく、ア
ースから浮上させており、パルス発生器１４又は交流発
生器１４′に等しい抵抗器により対称に接続されている
ため、誘電体２６の膨張によっては位相差は生じない。

従って周囲温度による静電容量の変化による検出誤差を
防止すべく温度補償が容易に達成できる。

尚、本発明の静電容量型距離計を用いて測定したところ
、０°Ｃ〜９００Ｃまでの温度変化において測定誤差は
１０％以下であった。

上記実施例以外にも、大きな物体までの距離の測定にも
本発明は利用可能である。すなわち、大きな被測定物の
場合はセンサ部のコンデンサを数１０ｃｍ〜数ｍ程度の
幅及び高さのフィルム状のものとし、壁面に貼り付ける
等することができる。

この場合静電容量が相当大きくなるが、静電容量の大小
に拘らず所望の温度補償特性を得ることができる。

［発明の効果］上述の説明から明らかな如く本発明の静電容量型距離計
では泣相差検出方式のセンサとして単純な３層構造のコ
ンデンサを用い、接地中性点を設けずに２つの抵抗を介
してコンデンサの両電極にパルス又は交流電源を接続し
、両電極における位相差を検出する位相差検出手段を設
けたので、周囲温度の変化による影響を相殺、補償する
ことを可能としており、かつ一方の電極に変動直流電圧
を与えて位相差検出手段の出力に応答してこの変動直流
電圧を読むようにしているので、移動物体の距離測定が
容易に行える。

又、コンデンサＣの静電容量をＣとすると、そのインピ
ータンス１／ωＣにより、不要な高周波雑音に対しては
大きな減衰特性を示し、パルス発生器又は交流発生器か
らの数ｋＨｚの信号に対しては減衰量が少なく、同相除
去比が大きくなって大きな利得が得られる。更に単一の
コンデンサを用いるため、測定用と比較用の同一規格の
２つのコニ５ンデンサを用意するための精度維持が不要となり、生産
上の問題が改善された。位相差検出方式を採用し、温度
補償を行うことにより大型化が可能となり、又測定目的
や状況に応して電極の形状や配置を自由に変えることが
できるようになった。更にセンサ部も積層構造としたた
め、半導体等の電子部品と同様に容易に量産化できると
いう利点もある。又センサのケース内にコンデンサを固
定するのに、合成樹脂を充填することなく、周辺部に支
持する支持部材を用いているので充填剤の熱膨張による
悪影響がない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る静電容量型距離計の第１実施例を
示すブロック図、第２図は第１図中のセンサ部の実施例
の側面断面図、第３図は第２図の■〜■線から見た断面
図、第４図は第１図中の変動直流電圧発生回路の出力電
圧波形図、第５図は第１図中の部分的変化態様を示すブ
ロック図、第６図は本発明の静電容量型距離計の他の実
施例を示すブロック図、第７図は従来装置において距離
６設定電圧を変化した場合のヒステリシス特性を示すグラ
フである。１０．１２・・・インバータ、　　１４・・・パルス発
生器、　１４−・・・交流発生器、　１６・・・Ｄフリ
・ソプフロソプ、　１８・・・変動直流電圧発生回路、
　２０・・・検出電極、　２２・・・補償電極、　２６
・・・板状誘電体、　　２８・・・電圧ホールド回路、
　Ｃ・・・コンデンサ、　　３０・・・ケース、　３２
・・・リード線、　　３４・・・支持部材、　３６・・
・表示回路、　３８・・・リセ、。ト回路、　　５２．６２・・・オペアンプ、　Ｒ１，Ｒ
２・・・抵抗。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）被測定物に近接するよう配された第１電極と、前
記第１電極に近接して配された第２電極と、前記第１及
び第２電極間に配された板状誘電体と、前記第１電極に
一端が接続された第１抵抗と、前記第２電極に一端が接
続された第２抵抗と、前記第１抵抗及び前記第２抵抗の
他端と接地の間に接続されたパルス発生器又は交流発生
器と、前記第１電極と第２電極のいずれか一方に時間と
共に上昇、下降を繰り返す直流電圧を与える手段と、前
記第１電極と前記第２電極に接続された位相差検出手段
と、前記位相差検出手段からの出力信号を受けたときの
前記直流電圧を読む手段とからなる静電容量型距離計。
（２）前記直流電圧を読む手段が前記直流電圧が上昇又
は下降しているときのいずれか一方のときのみ前記直流
電圧を読む手段を有している請求項１記載の静電容量型
距離計。
（３）前記板状誘電体としてガラス布・エポキシ基板、
テフロン又はポリイミドを用いた請求項１記載の静電容
量型距離計。
（４）前記板状誘電体の厚みが２ｍｍ以下である請求項
１記載の静電容量型距離計。
（５）前記板状誘電体の厚みが５０μ〜１００μである
請求項１記載の静電容量型距離計。
（６）前記第１及び第２電極が前記板状誘電体に密着さ
れた銅箔である請求項１記載の静電容量型距離計。
（７）前記第１電極、第２電極及び板状誘電体がそれら
の周辺部で支持部材により中空筒状ケース内に保持され
、前記第１電極が前記ケースの一端付近に配されている
請求項１記載の静電容量型距離計。