(57)【要約】【課題】  電位センサの低コスト化。【解決手段】  電位測定の対象となる被測定面に対抗配置された検出電極と、被測定面と検出電極との対向面積を周期的に変化させる為に２本の振動腕で構成された音叉振動子とを有する電位センサに於いて、検出電極を金属製の筒型構造とし、従来性能を維持しつつ低コスト化を実現させる電位センサ。【選択図】  図１
2007093439.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電位測定の対象となる被測定面に対抗配置された検出電極と、
前記被測定面と前記検出電極との対向面積を周期的に変化させる為に２本の振動腕で構成された音叉振動子と、
前記検出電極と前記音叉振動子を取り付ける為の基板と、
前記基板をシールドする様に構成され、かつ前記検出電極が前記被測定面に対向する箇所に開口部を有するケースとを有し、
前記検出電極が金属製の筒型構造である事を特徴とした電位センサ。
【請求項２】
電位測定の対象となる被測定面に対抗配置された検出電極と、
前記被測定面と前記検出電極との対向面積を周期的に変化させる為に２本の振動腕で構成された音叉振動子と、
前記検出電極と前記音叉振動子を取り付ける為の基板と、
前記基板をシールドする様に構成され、かつ前記検出電極が前記被測定面に対向する箇所に開口部を有するケースとを有し、
前記検出電極は、被測定面から遠ざかるにつれてその断面積が減少していく構造であるである事を特徴とした電位センサ。
【請求項３】
前記検出電極は三角柱構造である事を特徴とした請求項２に記載の電位センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、対象物体の表面電位を非接触で測定するための電位センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
電位センサ１００は、一般的に図６に示す構成を備えている。
【０００３】
検出電極３と、被測定対象であるターゲット１との間に図示の様な形状の音叉振動子と呼ばれる振動子４を配置する。音叉振動子４の両腕に駆動用圧電素子４ａと検出用圧電素子４ｂが取り付けてある。駆動用圧電素子４ａに正弦波なり、方形波を加えてメカニカルに振動を起す。その振動を検出用圧電素子４ｂにて電気信号に変換し、その電気信号の振幅が最大になるように駆動用圧電素子４ａに加える波形の周波数を制御することにより、振動子４をメカニカルに共振させる方法などが用いられている。
【０００４】
電位センサの具体的な検出部の電気回路は図７の様になり、音叉振動子４を圧電素子等により振動させ、検出電極３とターゲット１間の有効な対向面積を周期的に変化させる構造を有している。
【０００５】
このことは、電気的に言い換えると検出電極３とターゲット１間の静電容量を周期的に変化させることと等価である。
【０００６】
この種の電位センサによるターゲット表面の被測定面電位測定制御の例を図７の例を参照して以下に説明する。
【０００７】
図７に示す例において、ターゲット１の電位をＶｔ、検出電極３の電位をＶｓとする。
【０００８】
そして、音叉振動子４を下式のように振動させる。
【０００９】
ｘ（ｔ）=Ｘ＊ｓｉｎ（２πｆ＊ｔ）
つまり、振動周波数：ｆ、振動振幅：Ｘ、時間：ｔである。
【００１０】
検出電極３とターゲット１間の静電容量をＣ（ｔ）とする。
【００１１】
そして、音叉振動子４が振動すると、ターゲット１〜検出電極３間には、以下のＩ（ｔ）なる電流が流れる。
【００１２】
Ｉ（ｔ）=（Ｖｔ−Ｖｓ）＊｛ｄＣ（ｔ）／ｄｔ｝
ここで、｛ｄＣ（ｔ）／ｄｔ｝は、Ｃ（ｔ）の時間微分である。
簡単のために、
｛ｄＣ（ｔ）／ｄｔ｝=Ｙ＊ｓｉｎ（２πｆ＊ｔ＋θ）
とおく。ここで、Ｙ，θは、定数である。
【００１３】
この結果、Ｉ（ｔ）を検出抵抗Ｒｓを用いて検出することで容易に検出電極電位Ｖｓとターゲット１間の電位差を検出することができる。図７中５が検出回路である。
【００１４】
つまり、検出電極３とターゲット１間において、誘電率、対向面積、距離のいずれかを周期的に変化させて容量変化が起こせれば両者間の電位差に相当する信号を得ることが可能なのである。
【００１５】
ここで、音叉振動子４は検出抵抗Ｒｓの検出電極３が接続された端子ともう一方の端子側に接続されており、音叉振動子４を振動させた際、検出電極３とターゲット１間の静電容量Ｃ（ｔ）が変化する他に、検出電極３と音叉振動子４の間の静電容量Ｃｘ（ｔ）も変化している。
【００１６】
このＣｘ（ｔ）の変化の主要因となるのが、電極３とターゲット１が対抗する方向と垂直方向での音叉振動子4の振動腕と電極３の距離の変化である。
【００１７】
その様子を図８に示す。音叉振動子４が矢印ａの方向に動作した時、電極３とターゲット１間の静電容量Ｃ（ｔ）は対向面積が増加する事で容量が増加する。同時に、電極３と音叉振動子４の間の静電容量Ｃｘ（ｔ）は距離が増加する事で容量が減少する。そして、音叉振動子４が矢印ｂの方向に動作した時、電極３とターゲット１間の静電容量Ｃ（ｔ）は対向面積が減少する事で容量が減少する。同時に、電極３と音叉振動子４の間の静電容量Ｃｘ（ｔ）は距離が減少する事で容量が増加する。つまり、Ｃ（ｔ）とＣｘ（ｔ）は音叉振動子４の振動と同期し逆位相で変化する。よって、Ｃｘ（ｔ）の存在により測定誤差がうまれてしまう。そしてＣｘ（ｔ）が大きくなればなるほど測定誤差が大きくなるのである。そこで、従来はＣｘ（ｔ）をなるべく小さくする為に、検出電極３に図９の様な部品を使用していた。
【００１８】
図９に示す検出電極３の構成は、直方体（立方体）のセラミックス部の対向する２面、この場合は図９中の３ａ、３ｂのみに導電部が形成された構成となっている。つまり、３ａ、３ｂ面は全面が導電部なのに対しその他の面の大部分はセラミックス面のままとなっている。検出電極３の大きさは様々だが、いずれも１辺が５ｍｍ以下の小さな部品である。
【００１９】
そして、図９の検出電球３は、音叉振動子に対し、図１０の様に配置されている。よって、音叉振動子４の長腕部と検出電極３が対向する３ｃ、３ｄ面はその殆どがセラミックス部であり、音叉振動子４が振動した際に、検出電極３と音叉振動子４の長腕部との対向距離が変化しても、元々の対向面積が小さい為、静電容量Ｃｘ（ｔ）の変化量を小さくする事が出来、測定誤差を小さくする事が出来るのである。
【００２０】
従来例としては、例えば特許文献１をあげることが出来る。
【特許文献１】特開2004-212296号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
しかしながら、従来型の検出電極はセラミックスという高価な材料を使用し、かつその２面に導電部を形成している。また、その大きさが１辺５ｍｍ以下と小さく加工にもコストが掛かる為、非常に高価な部品であり、電位センサの低コスト化に向けての妨げとなっていた。これは、電位センサを内蔵した機器の低コスト化に対しても非常に不利である。
【００２２】
そこで、安価な構成でかつ、十分な性能を発揮する検出電極を用いた電位センサが求めれている。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明は上述した課題を解決することを目的としてなされたもので、上述した課題を解決し、安価な構成でかつ、十分な性能を発揮する検出電極を用いた電位センサを提供することにある。
【００２４】
係る目的を達成する一手段として例えば以下の構成を備えるものである。
請求項１においては、電位測定の対象となる被測定面に対抗配置された検出電極と、
前記被測定面と前記検出電極との対向面積を周期的に変化させる為に２本の振動腕で構成された音叉振動子と、前記検出電極と前記音叉振動子を取り付ける為の基板と、前記基板をシールドする様に構成され、かつ前記検出電極が前記被測定面に対向する箇所に開口部を有するケースとを有し、前記検出電極が金属製の筒型構造である事を特徴とする。
【００２５】
請求項２においては、電位測定の対象となる被測定面に対抗配置された検出電極と、
前記被測定面と前記検出電極との対向面積を周期的に変化させる為に２本の振動腕で構成された音叉振動子と、前記検出電極と前記音叉振動子を取り付ける為の基板と、前記基板をシールドする様に構成され、かつ前記検出電極が前記被測定面に対向する箇所に開口部を有するケースとを有し、前記検出電極は、被測定面から遠ざかるにつれてその断面積が減少していく構造であるである事を特徴とする。
【００２６】
請求項３においては、前記検出電極は三角柱構造である事を特徴とする。
【発明の効果】
【００２７】
以上のように、本発明によれば、検出電極の構造を薄い金属板をロールさせた中央部が空洞の筒型構造や、単なる金属の固まりである三角柱構造などとすることで、ターゲットとの対向面の面積は従来同様で、かつ、検出電極と音叉振動子との間の静電容量増加を最小限に抑える事ができ、検出電極のコストと性能を両立化させる事が可能となる。
【００２８】
つまり、安価な構成でかつ、十分な性能を発揮する検出電極を用いた電位センサが実現可能となるのである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
【００３０】
なお、以下では前述の従来例の図６〜８と同一ないし相当する部材には同一符号を付し、その説明は省略するものとする。
【実施例１】
【００３１】
図１〜３は本発明の第一の実施形態を示した図である。
【００３２】
図１〜３に於いて前述の従来例の図６〜１０と同一ないし相当する部材には同一符号を付し、その説明は省略するものとする。
【００３３】
図１は本発明の第一の実施形態の電位センサの構成の一部を示す図である。
【００３４】
図１に於いて、符号３１が検出電極であり、符号４が音叉振動子である。
【００３５】
図２に検出電極３１の構成を示す。この検出電極３１が図６の符号３検出電極に置き換わり、図１の様に配置されるのである。
【００３６】
本発明の検出電極３１は図２に示す様に、薄い金属板をロールさせた中央部が空洞の筒型電極である。この検出電極３１は図３に示す様に単に薄い金属板を曲げ加工するだけであり、材料費も加工費も共に安く製造する事ができる。
【００３７】
また、性能面でも、この様に筒型とする事で、従来形と比較し、図１に示す検出電極３１の測定ターゲットと対向する面３１ａの面積はそのままで、検出電極３１が音叉振動子４と対向する３１ｃ、３１ｄの面積増加は最小限に抑えられており、その結果、検出電極３１と音叉振動子４との間の静電容量Ｃｘ（ｔ）の増加も最小限に抑えられており、電位センサとして十分な性能が得られる。
【００３８】
さらに、検出電極３１の大きさは通常のチップ部品程度であり、自動機の実装が可能である。
【００３９】
つまり、従来とほぼ同等性能ながら十分に低コストな検出電極と言える。
【実施例２】
【００４０】
図４〜５は本発明の第二の実施形態を示した図である。
【００４１】
図４〜５に於いて前述の実施例１の図１〜３、及び従来例の図６〜１０と同一ないし相当する部材には同一符号を付し、その説明は省略するものとする。
【００４２】
図４は本発明の第二の実施形態の電位センサの構成の一部を示す図である。
【００４３】
図４に於いて、符号３２が検出電極であり、符号４が音叉振動子である。
【００４４】
図５に検出電極３２の構成を示す。この検出電極３２が図６の符号３検出電極に置き換わり、図４の様に配置されるのである。
【００４５】
本発明の検出電極３２は図４に示す様に、金属製で三角柱の形状をした検出電極である。
【００４６】
単なる金属の固まりであり、当然、材料費も加工費も共に安く製造する事ができる。
【００４７】
また、性能面でも、この様にターゲットからの距離が遠くなるにつれて検出電極の断面積は段々小さくなる形状のため、従来形と比較し、図１に示す検出電極３２の測定ターゲットと対向する面３２ａの面積はそのままで、検出電極３２が音叉振動子４と対向する３２ｃ、３２ｄは対向面積が増加するのもの、代わりに対向距離を稼いでおり、その結果、検出電極３２と音叉振動子４との間の静電容量Ｃｘ（ｔ）の増加も最小限に抑えられており、電位センサとして十分な性能が得られる。
【００４８】
つまり、従来とほぼ同等性能ながら十分に低コストな検出電極と言える。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の第１の実施形態に於ける電位センサの構成の一部を示す図。
【図２】本発明の第１の実施形態に於ける検出電極の構成を示す図。
【図３】本発明の第１の実施形態に於ける検出電極の構成の製造方法を示す図。
【図４】本発明の第２の実施形態に於ける電位センサの構成の一部を示す図。
【図５】本発明の第２の実施形態に於ける検出電極の構成を示す図。
【図６】従来の電位センサの構成を示す図。
【図７】電位センサの測定原理を説明する図。
【図８】電位センサに於ける容量変化の様子を説明する図。
【図９】従来の電位センサに於ける検出電極の構成を示す図。
【図１０】従来の電位センサの構成の一部を示す図。
【符号の説明】
【００５０】
１  ターゲット（被測定面）
２  基板
３、３１、３２  検出電極
４  音叉振動子（音叉）
４ａ  駆動用圧電素子
４ｂ  振動検出用圧電素子
５  検出回路
７  ケース
１００  電位センサ
【図１】
2007093439.tif 000003
【図２】
2007093439.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2007093439.tif 000010
【図９】
2007093439.tif 000011
【図１０】
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