(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
媒体の厚さを容量的に検知する装置であって、
第１の支持体、
第２の支持体、および
相互間に可変間隙を有する第１および第２の電極と、前記可変間隙に存在する誘電媒体とを備え、前記第１の電極が前記第１の支持体の一部に設置され、前記第２の電極が前記第２の支持体の一部に設置され、前記誘電媒体が真空および気体から成るグループから選択された誘電体である、可変容量コンデンサ、
を備え、
前記両支持体のいずれか一方は、他方の支持体に対して移動可能であり、且つ前記両支持体は、前記両電極が実質的に対面する関係で互いに対向して且つ第１の距離だけ離れて配置されており、
前記両電極は、前記媒体と前記各支持体のいずれか一方とが互いに接触するようにされたときに、第２の距離だけ離れて位置され、それにより、前記両電極が第１の距離から第２の距離に移動するように前記両支持体を相対変位させるようになっており、
前記媒体自身は、前記両電極の間に設置されず、前記媒体の厚さは、媒体の誘電的性質に関係なく、前記両電極の間の容量を測定することにより得られ、前記両電極の間の前記容量は、前記両電極の間の前記第２の距離、および前記可変間隙に存在する前記誘電媒体の誘電率により決定され、
前記両電極が前記第１の距離だけ離れているときに、前記両支持体のいずれか一方が接触するように位置されて、前記両電極の間に実質的に一定の間隙を維持する基準止めと、
前記両電極が前記第１の距離だけ離れているときに、基準容量を前記両電極の間で電子的に測定し、その容量の値を、前記両電極が前記第１の距離だけ離れているときの容量の理想値と比較して補償係数を決定し、その補償係数を使用して、前記両電極が前記第２の距離だけ離れているときに、前記両電極の間で測定する容量の正確さに影響する可能性のある温度および湿度を含む環境条件を補償する手段と、
を備えることを特徴とする装置。
【請求項２】
前記可変間隙に置かれる前記気体が空気および不活性気体から成るグループから選択された気体であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記第２の距離は前記第１の距離より大きく、前記コンデンサの容量は、前記両電極の間の距離に逆比例し、前記両電極が前記第１の距離から前記第２の距離に移動するにつれて減少するようになっていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記第１の距離は、前記第２の距離より大きく、前記コンデンサの容量は、前記両電極の間の距離に比例し、前記両電極が前記第１の距離から前記第２の距離に移動するにつれて増大するようになっていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記第１および第２の支持体のいずれか一方を押し、厚さを測定しようとする前記媒体の少なくとも一部と機械的にぴったり接触させるようになっている片寄せ部材を更に備えていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記片寄せ部材は、ばね、磁石、ダッシュポット、弾性材料、および錘から成るグループから選択されていることを特徴とする請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記第１および第２の支持体は互いに対向して配置され、且つ前記第１および第２の電極は互いに平行に配置されて、前記媒体が前記両支持体の間に押し込まれると、前記両電極が前記第１の距離から前記第２の距離に移動し、前記両電極は前記第２の距離だけ離れると、互いに平行に配置されるようになっていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記第１および第２の電極は、実質的に等しい表面積、および実質的に等しい形状を有していることを特徴とする請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記第１および第２の支持体のいずれか一方を押して、前記媒体の少なくとも一部と機械的にぴったり接触させる片寄せ部材を更に備え、
前記片寄せ部材が、前記支持体を、前記支持体と前記媒体との間に一様且つ平らな接触を維持するのに十分な第１の力で前記媒体と接触させ、
前記第１の力は、媒体を圧縮するのに必要な所定の閾力より低く、媒体の圧縮により生ずる媒体の厚さを検知する際の不正確さが最小になるようなものであることを特徴とする請求項７に記載の装置。
【請求項１０】
前記片寄せ部材が、ばね、磁石、ダッシュポット、弾性材料、および錘から成るグループから選択されていることを特徴とする請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記基準止めが、セラミック、アルミナ、タングステン、モリブデン、ニッケル、ニッケル・鉄合金、石英、インコネル、モネル、アンバー、およびコバール、から成るグループから選択された熱膨張係数の低い材料であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
前記第１および第２の支持体が共に支点端を備え、前記両支持体のいずれか一方が前記支点端で旋回可能に取付けられ、前記第１および第２の電極が、実質的にそのそれぞれの支持体の支点端に位置されるとともに、互いに対向して実質的に対面する関係に配置され、前記両支持体のいずれか一方および媒体が押されて互いに接触すると、前記両支持体が前記支点端で旋回し且つ前記両電極が前記第１の距離から前記第２の距離に移動するようになっていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
前記第１および第２の支持体のいずれか一方を押して前記媒体の少なくとも一部と機械的に接触させるようになっている片寄せ部材を更に備え、前記片寄せ部材が、前記両支持体を、前記両支持体と前記媒体との間に一様で且つ平らな接触を維持するのに十分な第１の力で前記媒体と接触させ、前記第１の力は、媒体を圧縮するのに必要な所定の閾力より低く、媒体の圧縮により生ずる媒体の厚さを検知する際の不正確さが極小になるようなものであることを特徴とする請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記片寄せ部材が、ばね、磁石、ダッシュポット、弾性材料、および錘から成るグループから選択されていることを特徴とする請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
前記両電極が前記第１の距離だけ離れているとき、前記コンデンサの容量が、約５．０ｐＦから約５０．０ｐＦまでの範囲にあることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１６】
前記第２の距離が前記媒体の厚さを表し、前記第１の距離で測定した容量を第２の距離で測定した容量で割り、それから得られた商に第１の距離を乗ずることにより前記第２の距離が決定されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般に媒体の厚さを容量的に検知する装置に関する。更に詳細に記せば、本発明は、相互間に可変間隙を有する電極と、該可変間隙に存在する気体の誘電体とを備えた可変容量コンデンサを使用することにより媒体の厚さを検知する装置に関する。媒体の厚さは、電極間の容量を測定することにより決定される。電極の間の容量は、その厚さを測定している媒体の誘電特性によるのではなく、電極の間の距離および可変間隙に存在する気体の誘電率により決定される。
【０００２】
【従来の技術】
媒体厚さセンサは、ほんの数種を挙げれば、インクジェット・プリンタ、レーザ・プリンタ、写真複写機、文書スキャナ、ファクシミリ機械、およびフィルム生産プロセスのような、媒体処理システムで使用されている。媒体厚さセンサを機械的センサ、光センサ、および容量センサのような、多様な技術を用いて実施することができる。
【０００３】
通常の機械的厚さセンサは、測定回路に接続された少なくとも一つの部材を備えている。その部材は、その厚さを測定しようとする媒体の表面に係合するように動作する。前記部材と媒体との間の接触により媒体が変位する。測定回路が部材の変位を測定し、媒体の厚さを表す信号を発生する。機械的厚さセンサの短所の一つは、機械要素の複雑さおよび費用が、低価格、機械的簡易性、および簡潔なサイズを必要とする用途では極端な値になる可能性があることである。機械的厚さセンサの別の短所は、機械要素が故障しやすく、最高の動作効率および測定精度を維持するためには定期的保守および調節が必要であるということである。
【０００４】
光学的厚さセンサは、発光ダイオード（ＬＥＤ）のような光源、およびフォトダイオードのような感光素子を備えることができる。ＬＥＤを定電流源のような電源により電気的に駆動することができ、フォトダイオードの出力を測定回路に接続することができる。通常、ＬＥＤおよびフォトダイオードを、ＬＥＤからの光ビームがフォトダイオードに入射するように設置する。ビームは、その厚さを測定しようとする媒体の表面から完全に反射し、または媒体を透過する。フォトダイオードからの出力信号は、フォトダイオードに入射する光の強さに比例し、媒体の厚さを表す。光学的厚さセンサの主な短所の一つは、厚さ測定の精度が測定される媒体の光学的性質に大幅に左右されることである。たとえば、媒体が不透明体であれば、ＬＥＤからの光がほとんどまたは全くフォトダイオードに届かない。したがって、光学的厚さセンサは不透明媒体の厚さを正確には測定しない。同様に、媒体が光を非常に反射するかまたは透明（澄んでいる）であれば、フォトダイオードに入射する光の強さがほとんどまたは全く変化しない。その結果、厚さの違う反射性または澄んでいる媒体の厚さ測定が不正確になる。別の形式の光センサは媒体または媒体と接触している反射性表面から光センサに反射する光により厚さを測定している。光センサ上の反射光の位置は、媒体の厚さを表している。反射性センサの短所には、電気的および機械的複雑さ、高価格、および光学的構成要素の精密な整列がある。光学的厚さセンサの第２の短所は、センサが狭い範囲の媒体形式または特定の形式の媒体だけの厚さを測定するよう調整されていることが多い。その結果、広く多様な媒体形式を測定する柔軟性が欠けている。たとえば、光学的厚さセンサを白いプリンタ用紙の厚さだけを測定するよう調整されることがある。光学的厚さセンサの第３の短所は、媒体が実質的に一様な厚さであるが、光学的性質が変わり得るものであれば、光学的性質のそれらの変動が不正確な厚さ測定結果をもたらす可能性があるということである。
【０００５】
媒体の厚さを測定するのに容量性素子を使用することは当技術で周知である。通常の容量性厚さセンサでは、対向電極を押して、厚さを測定しようとする媒体の対向表面に接触させる。媒体は電極の中間に設置される。電極間の容量の測定値は、媒体の誘電的性質、電極の面積、および電極間の距離の関数であり、容量は下記方程式により決まる。
Ｃ＝（εm＊ Ａ）÷ｄ
ここで
Ｃ＝電極間の容量の測定値
εm ＝媒体の誘電率
Ａ＝電極の面積
ｄ＝電極の間の間隙
【０００６】
電極の間の容量の変化は、媒体の厚さを表す信号を発生する適切な電子回路により検知できる。検知回路は当技術で周知である。たとえば、電極を定電流源と電気的に連絡させることができる。電極の間で測定した電圧ポテンシャルは、基準電圧に達するまで時間とともに直線的に増大する。電圧が基準電圧に達するのに必要な時間の量は、媒体の厚さに比例する。たとえば、媒体の厚さが大きくなれば、基準電圧に達するまでにかかる時間は短くなる。したがって、上の方程式に基づき、容量および電圧が基準電圧に達するまでにかかる時間はともに媒体の距離（厚さ）ｄの増大とともに減少する。
【０００７】
図１には、従来技術の容量性厚さセンサ200が示されている。センサ200は、互いに対向してされ且つ、厚さｄを測定しようとする媒体201の反対表面202および204にそれぞれ機械的に接触している導電板203および205を備えている。板205は、該板205を入れるように働き且つ厚さ測定中に媒体を静置させる表面としても役立つ支持構造体209に設置することができる。通常の用途では、板203および205は同じ表面積ａを有している。板203は、静止支持要素207に取付けられた片寄せ手段211により押されて媒体201と接触している。片寄せ手段211は、たとえば、ばねとすることができる。媒体201の厚さにより、板203は、媒体201の厚さに応じて変位213するので、媒体201が板203と205との間で押されると、板203と205との間の距離が媒体201の厚さｄに実質的に等しくなる。電気接続215および217は、それぞれ板203および205を容量検知ユニット221と電気的に連絡させている。容量検知ユニット221は、上に説明したものを含むどのような方法をも使用して、板203と205との間の容量を測定することができる。容量検知ユニット221からの出力信号222は、媒体201の厚さを計算するためにその信号を使用する制御ユニット223に連絡させることができる。たとえば、媒体201の誘電率がεmであり、板203および205の面積ａが既知であり、出力信号222が容量値Ｃを表しているとすると、制御装置223が上の方程式を使用して板203と205との間の距離ｄを計算することができる。ただし距離ｄは媒体201の厚さに実質的に等しい。従来技術の容量性厚さセンサ200では、板203と205との間で測定した容量は、この板203と205との間の距離ｄに逆比例している。
【０００８】
従来技術の容量性厚さセンサ200の短所の一つは、厚さ測定の精度が、温度および湿度のような環境条件により、および媒体201の色々な部分での該媒体201の誘電率εm が局部的に変化することにより、媒体201の誘電率εmの変化とともに変化するということである。加えて、媒体の形式または媒体の銘柄の違いが媒体の誘電率εmの変化にかなりな影響を及ぼす。したがって、厚さの測定値は、絶対的に一つではなく、誘電率εmによって直接決定される獲得測定値（derived measurement）である。従来技術の容量性厚さセンサ200の別の短所は、板203および205を板203と205との間の距離ｄが変わらないように互いに固定関係に維持しなければならないこと、すなわち、板203および205を互いに平行の関係に維持しなければならないということである。片寄せ手段211は、板203および205を押して、該板203と205間に平行関係が確立されるのに十分な力によってこれらの板203と205を媒体201に接触させるよう動作し、板203および205の表面積ａの全体が確実に媒体201とぴったり接触するようにする。しかし、その力は、板203および205に媒体を圧縮させ（スキッシング（squishing））、媒体の実際の厚さが板203および205の圧縮力により減少するようになる。その結果、厚さ測定が不正確になる。他に、媒体201が、板203および205が媒体201に接触している間運動していれば、その運動が板203および205と媒体201との間の摩擦により熱を発生させる可能性がある。誘電率εmが温度とともに変わり、それにより厚さ測定の精度に影響する可能性がある。その上、板203と205との間の運動が媒体201および板203および205に磨耗および損傷を生ずる可能性がある。たとえば、媒体201がフィルムであれば、板203および205からの過大な圧力がこのフィルムを引っ掻くことがある。
【０００９】
温度および湿度のような環境条件による誘電率εmの変化も、図２に示したような従来技術の厚さセンサにより扱われている。図２において、従来技術の基準コンデンサ210はハウジング231に入っている板233および235を備えている。ハウジング231は、板233および235を互いに対向して且つ互いに固定関係に配置し、それにより板233と235との間に一定の基準距離ｄRを形成するよう動作する。誘電材料23７が板233と235との間に設置されて、該板233および235に接触している。誘電材料23７は、所定の誘電率εRを有している。板233および235は、それぞれ導電リード225および227により容量検知ユニット221に接続されている。加えて、図１を参照して上に説明した電気接続215および217も容量検知ニット装置221に接続されている。容量検知ユニット221は、基準コンデンサ210の容量を測定し、その容量測定値を使用して上に記した環境条件による板203と205（図１を参照）との間の容量測定値の変化を補償するか、または無効にする。基準コンデンサ210を使用する一つの短所は、図１の容量性厚さセンサ200を複雑にするということである。たとえば、基準コンデンサ210を使用すると、容量検知ユニット221のための付加回路が必要になる。或る製造作業では、ハウジング231を、マイクロメータを使用して基準距離ｄRを手で調節できるようにし、たとえば、板233と235との間の間隙を調節して、容量性厚さセンサ200を使用して厚さ測定を行なう前に基準コンデンサ210の値が既知の値であるようにしている。基準コンデンサ210を使用する第２の短所は、較正体の誘電率（εR）と媒体の誘電率εmの変化との間の関係が明瞭に理解できない関係にあるということである。したがって、εRとεmとの差（Δ）が媒体の違いに対応しないことがある。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、機械的に簡単且つ低価格で、保守の必要がなく、媒体の誘電的または光学的性質に関係なく媒体厚さを検知でき、広範多様な媒体形式の厚さを正確に検知でき、付加センサを使用せずに環境条件を補償することができ、媒体およびセンサに加わる損傷を回避し、且つ媒体をスキッシュしない容量性厚さセンサの必要性が存在する。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、媒体の厚さを測定するのに使用できる容量性厚さセンサのの装置の改良である。媒体厚さセンサの様々な形式の前述の制限および短所は本発明により処理されている。
【００１２】
本発明は、機械的に簡単であり、少数の部品から構成することができ、たとえば、プラスチックのような低価格の材料から作ることができる。その上、本発明は保守、較正、および調節の必要がない。
【００１３】
測定しようとする媒体の誘電的および/または光学的性質およびそれら性質のすべての不一致は、本発明の電極が測定しようとする媒体に接触せず、測定しようとする媒体から離れて設置され、媒体の誘電的性質が電極と相互作用しないようになっているので、本発明の媒体厚さ測定の精度に影響しない。
【００１４】
他に、本発明の電極は媒体に接触しないので、媒体の厚さの測定を遂行するのに必要な力の量が減少し、それにより不正確な厚さ測定値を生ずる可能性のある媒体の圧縮（スキッシング）が極小になる。本発明の別の利益は、電極が媒体に接触しないめた媒体におよび電極に加わる損傷が無いということである。
【００１５】
本発明を使用して媒体厚さを測定し、同じ電極を使用して環境条件を補償することができる。したがって、環境補償を実施する付加構成要素を使用するという機械的複雑さおよび必要な追加回路とは共に本発明からは省略されている。
【００１６】
概して、本発明は、相対移動できる第１および第２の支持体と、相互間に可変間隙を有する第１および第２の電極、および可変間隙に存在する誘電媒体とを備えてなる可変容量コンデンサとを含む、媒体厚さを容量的に検知する装置により具体化されている。誘電媒体を真空または気体とすることができる。第１および第２の電極は、それぞれ第１および第２の支持体の一部に設置され、実質的に対面する関係で互いに対向して配置されている。
【００１７】
厚さを測定しようとする媒体およびその支持体は、押されて互いに接触し、電極は第２の距離に変位する。媒体は、可変間隙に設置されず且つ電極に接触しないので、電極が第２の位置にあるとき可変コンデンサの容量は第２の位置にある電極の間の距離および誘電媒体の誘電率により決まる。
【００１８】
本発明の他の実施形態において、装置は、両電極が第１の距離だけ離れて設置されているときに、それらの電極の間に一貫した間隔を維持するよう設置された基準止めを備えている。したがって、コンデンサの容量は、両電極が第１の距離だけ離れているときは、該両電極間の間隔の変化によってではなく、主として可変間隙にある誘電媒体の誘電率により決まる。両電極間の一貫した間隔を使用して、環境条件を補償するのに使用できる該電極間の基準容量を電子的に測定することができる。上記環境条件は、両電極が第２の距離だけ離れているときに両電極間で電子的に測定された容量の精度に影響する可能性のある温度および湿度を含む、
【００１９】
本発明の他の形態および長所は、本発明の原理を例を用いて図解する付図に関連して行なう下記詳細説明から明らかになるであろう。
【００２０】
【発明の実施の形態】
下記詳細説明において、および図面の幾つかの図においては、類似要素を類似参照数字で識別してある。
【００２１】
例示の目的の図面に示したように、本発明は、その一部に設置されたそれぞれ第１および第２の電極を有する第１および第２の支持体を含む、媒体厚さを容量的に検知する装置で具体化されている。第１および第２の支持体は、押されて支持体のいずれか一方と接触している厚さ測定媒体に応じて相対的に移動可能である。第１および第２の電極は、可変容量コンデンサの電極であり、対面する関係で互いに対向して設置されている。好適には、両電極は互いに接触しない。したがって、両電極の中間に可変間隙が存在している。コンデンサは、可変間隙に存在する誘電媒体を備えている。誘電媒体を真空または可変間隙に存在する気体としてよく、この場合コンデンサの容量は、両電極間の距離および可変間隙に存在する誘電媒体の誘電率により決まる。
【００２２】
両電極は、媒体が支持体に接触していないとき、第１の距離だけ離れて設置されている。厚さを測定しようとする媒体が押されて支持体のいずれか一方と接触すると、支持体は変位し、両電極は第２の距離だけ離れる。測定中の媒体の厚さは、両電極が第２の距離だけ離れているときの該両電極間の容量を電子的に測定することにより得ることができる。容量の測定値から得られる媒体の厚さは、媒体が容量測定中に電極と機械的に接触せず且つ媒体が測定中に両電極間に配置されないことから、媒体の誘電特性とは完全に無関係である。したがって、容量の測定値は、電極の間の第２の距離および可変間隙に存在する誘電媒体の誘電率によって決まる。
【００２３】
両電極が媒体と接触せず、または媒体と電気的に相互作用しないので、媒体の誘電的不整合に関連する前述の問題が解決する。その結果、媒体の誘電率が容量測定から除外されることにより厚さ測定の精度が向上する。電極をしっかり係合して媒体と接触させるのに必要な力の大きさは、容量測定中に支持体だけが媒体と接触するので省略される。したがって、支持体を媒体と係合するのに使用される接触力が減り、それにより媒体の圧縮に関連する前述の問題が省略される。その上、電極が媒体に接触しないので、媒体および電極の損傷にともなう問題が省略される。他に、支持体の摩擦学的状態が媒体と物理的に境を接する支持体の部分で支持体と媒体との間の摩擦を極小にするように、支持体を設計することができる。
【００２４】
図３に、媒体厚さを容量的に検知する装置10を示す。装置10は、第１の支持体11および第２の支持体13、および可変容量のコンデンサ15を備えている。支持体のいずれか一方が他方の支持体に対して可動である。コンデンサ15は、第１の支持体11の一部に設置された第１の電極17、第２の支持体13の一部に設置された第２の電極19、第１の電極17と第２の電極19との中間に設けられた可変間隙21、および可変間隙21に存在する誘電媒体（図示せず）を備えている。誘電媒体を真空または気体とすることができる。第１の電極17および第２の電極19は、実質的に対面する関係で互いに対向して設置されている。第１の支持体11および第２の支持体13は、媒体厚さ測定前に、距離Ｓ1だけ離して設置され、第１の電極17および第２の電極19は、第１の距離ｄ1だけ離して設置されている。図３は０より大きい第１の距離ｄ1を示しているが、第１の距離ｄ1を０、すなわち、第１の電極17および第２の電極19を互いに接触させることができる。好適には、第１の距離ｄ1は０より大きい。しかし、媒体厚さ測定の前に（下に説明するように）基準容量測定を行なう場合には、第１の電極17および第２の電極19が短絡しないように第１の距離ｄ1を０より大きくすべきである。
【００２５】
図４において、第１の支持体11および第２の支持体13および厚さＴを測定しようとする媒体23が押されて互いに接触すると、両支持体が相対的に距離Ｓ2だけ変位し、第１の電極17および第２の電極19が第１の距離ｄ1から第２の距離ｄ2に移動する。第１の電極17および第２の電極19を第１の距離ｄ1から第２の距離ｄ2に移動させることにより、可変間隙21の空間が、発生するコンデンサ15の容量の変化とともに変化する。図４で、媒体23と第１の電極17および第２の電極19とは互いに接触しておらず且つ媒体23は第１の電極17と第２の電極19との間に位置していない。したがって、媒体23の厚さＴは、媒体23の誘電的性質に関係なく、第１の電極17と第２の電極19との間の容量を電子的に測定することにより得ることができる。
【００２６】
コンデンサ15の容量は、第２の距離ｄ2および可変間隙21に存在する気体の誘電率εGまたは可変間隙21にある真空の誘電率ε0により決定される。誘電率（εG/ε0）を図３および図４に破線で示してある。当業者には、第１の電極17および第２の電極19の面積が一定であれば、コンデンサ15の容量の変化は、主として第１の電極17と第２の電極19との間の間隔（すなわち、ｄ2）および可変間隙21に存在する気体の誘電率εGにより決まることが明らかであろう。可変間隙21に存在する気体を、たとえば、窒素のような不活性気体とすることができる。プリンタ、複写機、およびファックス機械のような印刷設備では、誘電媒体として空気が明白な選択肢である。媒体23が閉鎖環境に設置されている設備では、窒素のような不活性気体を使用できる。他方、非不活性気体を使用すれば、電極および支持体の材料を使用する気体の腐食効果の可能性に耐えるよう選択すべきである。誘電媒体として真空を使用すれば、装置10を外囲器内にまたは真空下にある環境に設置できる。
【００２７】
図５に、媒体21（図示せず）が押されて接触する前の、第１の電極17（破線の輪郭で示してある）が第１の支持体11の下に設置されている状態の、第１の支持体の上平面図を示す。第１の電極17は、所定の表面積Ａ1を有している。図５には示してないが、第２の電極19は所定の表面積Ａ2を有している。本発明の好適実施形態では、第１の電極17および第２の電極19は、Ａ1＝Ａ2のように等しい表面積を有し、且つ実質的に等しい形状を有している。たとえば、第１の電極17および第２の電極19の形状を図５、図６、図７、および図８に示すように長方形にすることができる。電極の形状は用途によって変わり、ここで図解したまたは説明した形状に限定されるものと解釈すべきではない。
【００２８】
図６は、媒体23が押されて第１の支持体11および第２の支持体13（第１の支持体11だけを図示してある）に接触しているときの第１の電極17と第２の電極19との間の空間的関係を示している。媒体23の縁31は電極から距離Ｘに設置され、媒体厚さ測定を行なっているとき媒体23が電極に接触せず且つ電極の間に設置されないようになっている。距離Ｘは、電極の縁から放射される外縁フィールド（図示せず）が媒体23と相互作用しないように第１の電極17および第２の電極19から十分離すべきである。本質的に、距離Ｘは、媒体23の誘電特性が電極の間で測定した容量と干渉しないように第１の電極17および第２の電極19から十分遠くに離れているべきである。第１の支持体11および第２の支持体13のいずれか一方に設置された障壁32を使用して、媒体23が構造的に電極に接触しないように且つ媒体23が外縁フィールドと相互作用しないようにすることができる。
【００２９】
媒体23および第１の支持体11および第２の支持体13を多様な仕方で押して互いに接触させることができる。たとえば、媒体23を図６でそれぞれ矢印ＨおよびＶで示した方向に押して第１の支持体11および第２の支持体13に接触させることができる。他方、第１の支持体11および第２の支持体13を矢印ＨおよびＶで示した方向に押して媒体23に接触させることができる。媒体23が、たとえば、印刷用紙のシートのような材料のシートである用途では、第１の支持体11および第２の支持体13を媒体23に対して静止させ、媒体を押して支持体と接触させることができる。媒体23がロール上にあるかまたは材料の連続ウェブである用途では、第１の支持体11および第２の支持体13を押して媒体23と接触せるのが望ましい。
【００３０】
本発明の一実施形態では、図７および図８に示すように、第２の距離ｄ2が第１の距離ｄ1より大きい。コンデンサ15の容量は第１の電極17と第２の電極19との間の距離に逆比例するので、コンデンサ15の容量は、第１の電極17および第２の電極19が第１の距離ｄ1（図７を参照）から第２の距離ｄ2（図８を参照）に移動するにつれて減少する。他方、第１の距離ｄ1を第２の距離ｄ2より大きくすることができる。コンデンサ15の容量は第１の電極17と第２の電極19との間の距離に比例するので、コンデンサ15の容量は、第１の電極17および第２の電極19が第１の距離ｄ１から第２の距離ｄ2に移動するにつれて増大する。
【００３１】
本発明の他の実施形態では、第１の電極17と第２の電極19が第１の距離ｄ1だけ離れているとき、コンデンサ15は約5.0ｐＦから約50.0ｐＦまでの範囲にある容量を有することができる。
【００３２】
本発明の一実施形態では、図９および図１０に示したように、装置10は第１の支持体11および第２の支持体13のいずれか一方を押して媒体23の少なくとも一部と良好で、一様、且つ平らな接触をさせるようになっている片寄せ部材33を備えている。図９において、片寄せ部材33は、一端33ａで第１の支持体11に接続されているが、片寄せ部材33を第１の支持体11、第２の支持体13、または両支持体に接続することができる。片寄せ部材33の第２の端33ｂを、たとえば、装置10が入っている装置（図示せず）の一部に接続することができる。図９では、片寄せ部材33を圧縮されていない状態で示してあるが、第１の支持体11および第２の支持体13および媒体23は、押されて図１０に示したように互いに接触する。このとき、支持体が変位して離れ、片寄せ部材33が圧縮され、第１の支持体11および第２の支持体13が押されて図１０に示すように媒体23の少なくとも一部とぴったり接触する。図９および図１０に示した実施形態およびここに説明する他の実施形態では、片寄せ部材33をばね、磁石、ダッシュポット、弾性材料、および錘とすることができる。たとえば、第１の支持体11は、媒体23が第１の支持体に係合する場所に近いその一端に設置された錘を備えることができる。変わりに、磁石を単独でまたは別の磁石と組み合わせて使用し、支持体を押して媒体23とぴったり接触させるのに必要な力を与えることができる。
【００３３】
他に、第１の支持体11および第２の支持体13の一部11ａおよび13ａは、図９および図１０に示したように、支持体と媒体23との接触面積を減らすような形状にすることができる。たとえば、形状を弓形形状または傾斜形状にすることができる。支持体の一部を整形することから得られる利益には、特に媒体23が支持体と接触している間に運動している場合、支持体と媒体23との間の摩擦を少なくすること、気体を媒体23と支持体との間に捕らえるのに利用できる表面積を小さくして捕らえられた気体の逃げ道を与えること、および支持体および媒体が互いに係合しているとき支持体によりまたは詰まりにより損傷する可能性を少なくする滑らかで起伏のある表面を与えること、がある。
【００３４】
本発明の他の実施形態では、図１１および図１２に示すように、装置10の第１の支持体11および第２の支持体13が互いに対向して配置され、第１の電極17が第２の電極19に対して平行関係に配置されている。媒体23が第１の支持体11と第２の支持体13との間で押されると、電極は、第１の距離ｄ1から離れて第２の距離ｄ2に移動し、第２の距離ｄ2だけ離れて設置されると、互いに平行の関係に置かれる。上に説明したように、媒体23は、図１２に矢印Ｘで示したように電極と相互作用しない。電極を互いに平行関係に設置することにより、下に説明するように、コンデンサ15の容量と媒体23の厚さＴとの間に実質的線形関係を得ることができる。
【００３５】
本発明の別の実施形態では、図１１および図１２に示すように、装置10は、第１の支持体11および第２の支持体13のいずれか一方を押して媒体23の少なくとも一部と良好で一様な、平らな接触を行なわせるようになっている片寄せ部材33を備えている。片寄せ部材33は、支持体を押して、支持体と媒体23との間に一様な平らな接触を維持するのに十分な、ただし媒体23を圧縮Ｃ（破線で示してある）するのに必要な閾力より低い第１の力（図１２を参照）で媒体23と接触させる。したがって、媒体23の圧縮により媒体23の厚さＴを測定する際の不正確さは極小になる。片寄せ部材33は、推力支持構造37におよび支持体のいずれか一方に接続することができる。支持体のいずれか一方は、整列構造体35に移動可能に接続Ｍすることができる。この支持体は、矢印Ｍで示すように、整列構造体35に沿って自由に移動させ、第１の距離ｄ1で、および第２の距離ｄ2で電極の間に平行関係を維持することができるようになっている。
【００３６】
本発明の一実施形態では、図１１に示すように、装置10は、両電極が第１の距離ｄ1だけ離れて、片寄せ部材33が支持体を互いの方に押したときに、両支持体のいずれか一方が接触するように位置決めされた基準止め39を備えている。たとえば、第１の支持体11の表面41を押して基準止め39と接触させることができる。基準止め39は、電極が第１の距離ｄ1だけ離れて設置されているとき、電極の間に実質的に一定の間隔ｄCを維持し（すなわち、電極を既知量だけ離して保持し）、コンデンサ 15の容量が電極間の間隔の変化によってではなく、主として誘電媒体の誘電率によって決まるようにする。電極が第１の距離ｄ1だけ離れて設置されているとき、電極の間に実質的に一定の間隔ｄCを維持することにより、基準容量を電極の間で電子的に測定できる。次に基準容量の値を電極が第１の距離ｄ1だけ離れて設置されているときのコンデンサ15の容量に対する理想値と比較して環境条件を補償する際に使用すべき補償係数を決定する。これら環境条件には温度および湿度がある。温度および湿度が容量準拠媒体厚さセンサによる容量測定の精度に影響する可能性のある環境要因に含まれていることは当業界で十分理解されている。したがって、電極を第２の距離ｄ2に離して設置すると、補償係数を使用して電極が第２の距離ｄ2だけ離して設置されているとき電極の間で測定されたコンデンサ15の容量に影響する可能性のある環境条件を補償することができる。図１１の実施形態の長所の一つは、同じコンデンサ15を基準容量測定と媒体厚さ測定との双方に使用するということである。したがって、環境条件を補償するのに必要な構成要素が少なくなるので低価格および簡潔な装置を実現できる。
【００３７】
基準止め39を熱膨張係数の低い材料から作り、装置10を取り巻く環境の変化が一定間隔ｄCに影響しないようにすることが望ましい。基準止め39のための適切な材料には、セラミック、アルミナ、タングステン、モリブデン、ニッケル、ニッケル・鉄合金、石英、インコネルTM、モネルTM、アンバーTM、およびコバールTMがある。他に、第１の支持体11および第２の支持体13を同じ材料から作り、装置10を取り巻く環境の変化が支持体を同じ割合で機械的に膨張または収縮させるようにすることが望ましい。容量測定に更に大きい精度が必要な用途では、支持体をも上に挙げた材料を含む低い熱膨張係数の材料から作ることもできる。
【００３８】
図１３は、図１１および図１２の実施形態（すなわち、平行電極）についての容量対媒体厚さのグラフを示す。可変間隙21は電極が第１の距離ｄ1から第２の距離ｄ2に移動すると増大するので、コンデンサ15の容量は電極の間の距離に逆比例する。したがって、図１３のグラフは、ｙ軸に１/容量（１/ｐＦ）を、またｘ軸に媒体厚さ（積み重ねたページの数）を描いている。複写機用紙を測定に使用している。というのはこの紙が支持体からの圧力でわずかしか圧縮されないからである。媒体厚さの変化を更に多くのまたは更に少ない複写機用紙を積み重ねることによりシミュレートしている。両電極（17、19）の寸法はほぼ48ｍｍ×4.8ｍｍで同じであり、したがって、両電極（17、19）の面積および形状は同じである。両電極（17、19）は電極の面積を極大にするために長く且つ痩せている。１枚の複写機用紙について電極の間で測定した容量は、23.0ｐＦであった。複写機用紙の付加シートを積み重ね、全部で10枚のシートが重なるまで、積み重ねの厚さを装置10を使用して測定し、2.60ｐＦの容量を得た。理想線（黒四角の付いた破線）を10シートの測定値に対して較正したが、この場合複写機用紙の１枚の近似的厚さは約３ミルから４ミル（0.003インチから0.004インチ）である。測定値線（◆の付いた実線）は13％または約0.50ミル（0.00052インチ）を越えない理想線黒四角からの偏差である。理想線からの偏差を、電極からの外縁フィールドと測定中の媒体との間の相互作用を可能な範囲に極小にすることにより縮小することができる。その上、積み重ね媒体について、厚さ測定値の偏差の原因を、媒体の隣接層の間に捕らえられた空気にも求めることができる。捕らえられた空気または気体を排気することは厚さ測定値の偏差を極小にする一つの方法である。
【００３９】
第１の距離ｄ1および第１の距離ｄ1で測定した容量と第２の距離ｄ2で測定した容量との比を使用することによって媒体の厚さ決定するために、容量と厚さとの間の線形関係を使用することができる。たとえば、同じ面積、同じ形状を有し、且つ図１１および図１２に示すように、第１の距離ｄ1に平行関係に設置された電極では、容量Ｃ1は
Ｃ1＝（εV＊ Ａe）÷ｄ1
により与えられる。
ここで
Ｃ1＝第１の距離ｄ1にある電極の間で測定した容量
εV＝可変間隙21に存在する誘電媒体（たとえば、気体または真空）の誘電率
Ａe＝電極の面積（すなわち、Ａ1＝Ａ2）
ｄ1＝第１の距離ｄ1にある電極の間の間隔
【００４０】
更に、第２の距離ｄ2での容量Ｃ2は、
Ｃ2＝（εV ＊ Ａe）÷ｄ2
により与えられる。
ここで
Ｃ2＝第２の距離ｄ2にある電極の間で測定した容量
ｄ2＝第２の距離ｄ2にある電極の間の間隔
【００４１】
第２の距離ｄ２は媒体23の厚さを表し、下記方程式により決定できる。
ｄ2＝（Ｃ1÷Ｃ2）＊ｄ1
ただし
Ｃ1＜Ｃ2
であり、且つｄ1は既知の距離であり、または基準止め（39、59）を使用する場合には、ｄ1は実質的に一定の距離である。
【００４２】
本発明の一実施形態では、図１４および図１５に示したように、第１の支持体11および第２の支持体13は、支点端51を備え、支持体のいずれか一方は、支点端51で旋回可能に取付けられている。好適には、第１の電極17および第２の電極19が実質的に、それぞれ、それらの支持体11および13の支点51に設置されている。両電極は、実質的に対面する関係で互いに対向して設置されている。支持体のいずれか一方および媒体23が押されて互いに接触すると、支持体は、支点51で旋回し、電極が第１の距離ｄ1から第２の距離ｄ2に移動する。
【００４３】
第１の支持体11および第２の支持体13の旋回取付けを実施するのに当技術で既知のどのような方法をも使用できる。たとえば、図１４で、ピボット構造体47に穴（図示せず）を備えることができ、第１の支持体11は、前記穴に挿入されるピン（図示せず）を備えることができ、ほとんどジャーナル軸受内のシャフトのように穴の中を自由に回転する。第１の支持体11および第２の支持体13の旋回取付けを実施するのに使用されるすべての構成要素の公差を、電極が実質的に垂直の円弧を描いて別個に移動し、電極間の相対横変位を避けるように選定すべきである。
【００４４】
本発明の他の実施形態では、図１４および図１５に示すように、装置10が、図９、図１０、図１１、および図１２を参照して上に説明したように、第１の支持体11および第２の支持体13と媒体23との間に良好で、一様且つ平らな接触を維持するようになっている片寄せ部材33を備えることができる。片寄せ部材33は、支持体と媒体との間に良好で、一様且つ平らな接触を維持するのに十分であるが、媒体23を圧縮Ｃ（破線で示してある）するのに必要な閾力より低い第１の力で支持体を押して媒体23と接触させる。片寄せ部材33を、図１１を参照して上に説明したように、推力支持構造体37に接続することができる。
【００４５】
本発明の一実施形態では、図１４および図１５の装置10は基準止め59を備えることができる。基準止め59は、図１１の基準止め39と同じ機能を行い、基準止め39と同じ材料から作ることができる。
【００４６】
本発明のコンデンサ15の電極の間の容量を測定する方法および回路は、当技術で十分理解されている。図１６で、第１の電極17および第２の電極19はそれぞれ導電リード63および65により容量測定ユニット61に接続されている。容量の測定値を表す信号は容量測定ユニット61の出力67で得られる。たとえば、信号をアナログ信号またはディジタル信号とすることができる。出力67をマイクロプロセッサ（μＰ）ユニット71により読むことができる。μＰユニット71および容量測定ユニット61は、双方向リンク73により互いに通信できる。たとえば、μＰユニット71がリンク73を使用して容量測定ユニット61に容量測定を行なうよう指令することができ、容量測定ユニット61はリンク73を使用してμＰユニット71に測定が完了して信号を出力67から読むことができることを伝える。たとえば、コンデンサ15の容量の変化を発振回路を使用して振動の周波数を変えることができる。信号67を振動の周波数を表すアナログまたはディジタル信号とすることができる。
【００４７】
図１７に、媒体の厚さを測定するプロセスを示す。第１に、基準容量測定を行なうか否かに関する決定を行なうことができる(101)。ＮＯ経路を選択すれば、媒体および支持体を接触させる(103)。第２の距離ｄ2にある両電極間の容量を測定する(105)。基準容量を測定しないので、ステップ107のＮＯ経路を取る。媒体の厚さをステップ105で測定した容量に基づき計算し(109)、プロセスが終わる。ステップ105は、媒体23および支持体を静定させ、および/または平均値を得ることができるように幾つかの容量測定値を取らせるよう遅延時間を備えることができる。
【００４８】
他方、基準容量測定を行なうのが望ましい場合には、ステップ101のＹＥＳ経路を取り、第１の距離ｄ1にある電極の間の容量を測定する111。次にステップ111で得られた基準値を理想値と比較する113。たとえば、図１６のμＰユニット71がそのメモリに記憶している理想値を備えることができる。次に補償係数を計算できる115。上のステップ103および105を実行し、続いてステップ107のＹＥＳ分岐路を取る。ステップ115の補償係数をステップ105で測定した容量に適用して容量を計算する117。最後に、ステップ117で計算した容量に基づき媒体厚さを計算し119、プロセスが終わる。図１６のμＰユニット71を使用して図１７のプロセスを実施することができるが、当技術で既知の他の方法をも使用できる。
【００４９】
ここで説明したすべての実施形態について、第１の電極17および第２の電極19を多様な導電材料、たとえば、銅、金、銀、プラチナ、ロジウム、タングステン、またはそれらの合金から作ることができる。第１の支持体11および第２の支持体13も多様な材料、たとえば、プラスチック、セラミック、石英、金属、または複合材料から作ることができる。低価格用途ではプラスチックが明白な選択である。支持体のために選択する材料は、電極が撓まないよう十分に剛くすべきである。電極を、ファスナ、接着剤、溶接、または類似のものを使用して支持体に取付けることができる。好適には、支持体を不導電材料から作るべきであるが、導電材料を使用する場合には、電極をそのそれぞれの支持体から正しく絶縁するよう注意すべきである。
【００５０】
本発明の幾つかの実施形態を開示し、図解してきたが、本発明をそのように説明し図解した特定の形態または部品の配置に限定すべきではない。本発明は「特許請求の範囲」によってのみ限定される。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術の容量性厚さセンサの断面図である。
【図２】図１の従来技術の容量性厚さセンサと関連して使用される従来技術の基準コンデンサの断面図である。
【図３】本発明に従い第１の距離離して電極を設置している、媒体厚さを容量的に検知する装置の断面図である。
【図４】本発明に従い第２の距離離して電極を設置している装置の断面図である。
【図５】図３の装置の上平面図である。
【図６】図４の装置の上平面図であり、本発明による、電極に対してその厚さを測定しようとする媒体の位置を示している。
【図７】本発明に従い電極が第１の距離だけ離して設置されているときの電極を示す平面図である。
【図８】本発明に従い電極が第２の距離だけ離して設置されているときの電極を示す平面図である。
【図９】本発明に従い媒体の厚さを測定する前に第１の距離だけ離して設置されている電極を示す断面図である。
【図１０】本発明に従い媒体の厚さを測定する間、第２の距離だけ離して設置されている電極を示す断面図である。
【図１１】本発明による片寄せ部材を備えている装置の断面図である。
【図１２】本発明による基準止めを備えている装置の断面図である。
【図１３】容量測定値対媒体厚さのグラフである。
【図１４】本発明により電極が第１の距離離して設置されている状態の、旋回可能に取付けられた支持体を有する装置の断面図である。
【図１５】本発明により電極が第２の距離離して設置されている状態の、旋回可能に取付けられた支持体を有する装置の断面図である。
【図１６】本発明による装置の容量を測定するシステムの平面図である。
【図１７】本発明のよる媒体の厚さを測定する装置を使用する方法の流れ図である。
【符号の説明】
１１  第１の支持体
１３  第２の支持体
１５  可変容量コンデンサ
１７  第１の電極
１９  第２の電極
２１  可変間隙
２３  媒体
３３  片寄せ部材
３９  基準止め
５１  支点端
【図１】
0003648170.tif 000002
【図２】
0003648170.tif 000003
【図３】
0003648170.tif 000004
【図４】
0003648170.tif 000005
【図５】
0003648170.tif 000006
【図６】
0003648170.tif 000007
【図７】
0003648170.tif 000008
【図８】
0003648170.tif 000009
【図９】
0003648170.tif 000010
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
0003648170.tif 000014
【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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