(57)【要約】      （修正有）【課題】面積変化型静電容量式センサのおいて初期の整列誤差を補正し、駆動時の整列誤差を減少させるようにする。【解決手段】固定物体上に伝導性パターン１４が形成される固定要素１０と、移動物体上に伝導性パターン２４が前記固定要素１０の伝導性パターン１４と対向するように配置されて前記固定要素１０に対して相対的に平行移動されて重なる面積を変化させる移動要素２０と、前記固定要素１０と移動要素２０とが常に密着した状態を維持バネ要素３０と、前記固定要素１０と移動要素間２０の静電容量の変化によって出力信号を発生させるための電源と、信号検出回路とを備えた面積変化型静電容量式センサにおいて、前記固定要素１０及び前記移動要素２０の初期整列誤差の補正及び駆動時の整列誤差を減少させるガイド手段とを含む。【選択図】図３Ａ
2009282031.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
面積変化型静電容量式センサであって、
固定物体上に伝導性パターンが形成される固定要素と、
移動物体上に伝導性パターンが前記固定要素の伝導性パターンと対向するように配置されて前記固定要素に対して相対的に平行移動されて重なる面積を変化させる移動要素と、
前記固定要素と移動要素とが常に密着した状態を維持するように前記固定要素又は移動要素のいずれか１つを他の１つに対して密着させる密着力を駆動方向に対して垂直な方向に提供するバネ要素と、
前記固定要素と移動要素間の電気容量の変化によって出力信号を発生させることができるように前記固定要素又は移動要素のいずれか１つの伝導性パターンに供給される電源と、
前記固定要素と移動要素間の電気容量の変化を検出して電気的信号として出力するように前記電源が印加されない前記固定要素又は移動要素の伝導性パターンに連結される信号検出回路と、
前記固定要素及び前記移動要素の初期整列誤差の補正及び駆動時の整列誤差を減少させるガイド手段と
を含む機械的ガイドを有する面積変化型静電容量式センサ。
【請求項２】
前記ガイド手段は前記移動要素の中央で所定高さに上方突出した突出部と、前記固定要素で下方突出した一対のガイド突起からなり、
前記突出部がガイド突起の間に嵌め込まれた時、前記移動要素の突出部の上面と前記ガイド突起間の固定要素の底面との間にギャップが形成されるように前記固定要素の伝導性パターンが前記ガイド突起間の底面に、前記移動要素の伝導性パターンは前記突出部の上面に形成されることを特徴とする請求項１に記載の機械的ガイドを有する面積変化型静電容量式センサ。
【請求項３】
前記ガイド手段は前記移動要素で所定高さに上方突出した一対のガイド突起を含み、
前記固定要素が前記ガイド突起の間に嵌め込まれた時、前記固定要素の伝導性パターンと前記移動要素の伝導性パターンとの間にギャップが形成されるように前記各伝導性パターンは薄い絶縁膜により均一にコーティングされることを特徴とする請求項１に記載の機械的ガイドを有する面積変化型静電容量式センサ。
【請求項４】
前記ガイド手段は前記移動要素で所定高さに上方突出した一対の突出部と、前記固定要素で下方突出した二対のガイド突起からなり、
前記突出部のそれぞれがガイド突起のそれぞれに嵌め込まれた時、前記移動要素の突出部間の上面と前記各ガイド突起間の固定要素の底面との間にギャップが形成されるように前記固定要素の伝導性パターンが前記各ガイド突起間の底面に、前記移動要素の伝導性パターンは前記突出部間の上面に形成されることを特徴とする請求項１に記載の機械的ガイドを有する面積変化型静電容量式センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は機械的ガイドを有する面積変化型静電容量式センサに関し、更に詳しくは、面積変化型静電容量式センサのギャップを容易に維持し、センサの整列誤差を補正するようにガイド手段を有する面積変化型静電容量式センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
周知のように、面積変化型静電容量式センサは微小線形変位の測定のためのものであって、２枚の伝導性平板間の変位変化に相応する静電容量（ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ）の変化を電気的な信号として出力するセンサである。
【０００３】
このような面積変化型静電容量式センサは、２枚の伝導性平板を平行に対向するように位置させた時、２枚の平板間の静電容量は２枚の平板間の媒質の誘電率と向かい合う２枚の平板の面積に比例し、２枚の平板の間隔（ギャップ）に反比例する値に近似化される。即ち、２枚の平板の間で相対的移動が発生し、２枚の平板間の間隔や重なる面積が変化することにより、静電容量も変わるので、このような現象を変位測定の原理として利用する。
【０００４】
従って、静電容量式センサは、その測定原理によって２種類に区分され、その１つは物体の移動時に向かい合う２枚の平板間の垂直方向へのギャップの変化を測定するものであり、もう１つは物体の移動によって向かい合う板が平行な方向に動く時に移動した板の面積変化を測定するものであって、これと関連した内容は下記の非特許文献１に詳細に説明されている。
【０００５】
一方、これまでの微小変位の測定には変位による非常に高い敏感度を利用でき、比較的に単純な構造を有するという長所のため、主に空間（ギャップ）変化測定方式が用いられてきたが、この方式は変位が大きくなるほど、敏感度が非線形的に急激に減少して測定可能な変位の範囲が極めて制約的であり、機械的な設置誤差に敏感なため、設置に細心な注意が必要であり、特に駆動方向（水平方向）と測定方向（垂直方向）とが一致していないことから発生し得るａｂｂｅ誤差、コサイン誤差などにより測定の信頼性が低下すると共に、構成の空間活用性が低いという問題があった。
【０００６】
これにより、下記の特許文献１には接触式電気容量型センサ（ｃｏｎｔａｃｔ-ｔｙｐｅ  ｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ  ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ  ｓｅｎｓｏｒ）が開示されており、このような接触式電気容量型センサは、図１に示すように、固定物体１２上に伝導性パターン１４が形成され、その伝導性パターン１４を薄い絶縁膜１６で均一にコーティングした固定要素１０と、この固定要素１０と同様に、移動物体２２上に伝導性パターン２４が形成され、その伝導性パターン２４を薄い絶縁膜２６で均一にコーティングすることによって、この絶縁膜２６が固定要素１０の絶縁膜１６と当接するように配置されて固定要素１０に対して相対的に平行移動されて重なる面積を変化させる移動要素２０と、固定要素１０と移動要素２０とが常に密着した状態を維持するように固定要素１０又は移動要素２０のいずれか１つを他の１つに対して密着させる密着力を駆動方向に対して垂直な方向に提供するバネ要素３０と、固定要素１０と移動要素２０間の電気容量の変化によって出力信号を発生させることができるように固定要素１０又は移動要素２０のいずれか１つの伝導性パターン１４、２４に供給される交流電源４０と、固定要素１０と移動要素２０間の電気容量の変化を検出して電気的信号として出力するように交流電源４０が印加されない固定要素１０又は移動要素２０の伝導性パターン１４、２４に連結される信号検出回路５０と、移動要素２０を固定要素１０に対して相対的に平行移動させて変位を変化させるように移動要素２０に連結される駆動器Ａとを含むことによって、機械的な設置誤差及び駆動方向と測定方向の不一致による誤差を減少させることができ、駆動方向以外の変位誤差が含まれる余地がないため、信頼性の高い測定が可能であり、駆動方向と測定方向が一致するので、構成時に空間を節約でき、微小変位の測定はもちろん、広い範囲の変位測定も安定的に行うことができ、終局的に全般的な性能を大幅に向上させた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】韓国特許第１０−０５４７２７５号明細書
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Ｂａｘｔｅｒ、「ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ ｓｅｎｓｏｒｓ（容量型センサ）」、ＩＥＥＥ出版社（米国ニューヨーク）、１９９７年、第３章
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
前記特許文献１の場合、固定及び移動物体１０、２０の表面の各絶縁膜１６、２６をコーティングした伝導性パターン１４、２４（以下、電極）が互いに接触した状態で平行相対運動を行うことによって、各絶縁膜１６、２６がコーティングされた分量に該当するギャップｄが生成され、更に、コーティングされた伝導性パターン１４、２４が破損及び変形しない限り、上下電極に若干の垂直圧力を加えることによって、ギャップを一定に維持できるようになる。しかしながら、設置時に発生した相対角度θとθだけ回転された方向に駆動するようにするヨー（ｙａｗ）方向のａｂｂｅ誤差を意味する「初期整列誤差」、即ち、ヨー誤差の場合、図２に示すように、単純にθだけの誤差が発生した形態の状態でＸ方向に駆動されるのではなく、微細な誤差の場合にも誤差が発生した方向にａｂｂｅ誤差を更に誘発する。たとえ、直接ａｂｂｅ誤差を誘発しなくても既に発生しているａｂｂｅ誤差の確認が難しく、駆動時には間隔及び回転誤差が発生するという問題があり、更に、このような誤差を補正し難いという問題がある。
【００１０】
そこで、本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、初期の整列誤差を補正し、駆動時の整列誤差を減少させるように機械的ガイドを有する面積変化型静電容量式センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記目的を達成するために本発明の機械的ガイドを有する面積変化型静電容量式センサは、面積変化型静電容量式センサであって、固定物体上に伝導性パターンが形成される固定要素と、移動物体上に伝導性パターンが前記固定要素の伝導性パターンと対向するように配置されて前記固定要素に対して相対的に平行移動されて重なる面積を変化させる移動要素と、前記固定要素と移動要素とが常に密着した状態を維持するように前記固定要素又は移動要素のいずれか１つを他の１つに対して密着させる密着力を駆動方向に対して垂直な方向に提供するバネ要素と、前記固定要素と移動要素間の電気容量の変化によって出力信号を発生させることができるように前記固定要素又は移動要素のいずれか１つの伝導性パターンに供給される電源と、前記固定要素と移動要素間の電気容量の変化を検出して電気的信号として出力するように前記電源が印加されない前記固定要素又は移動要素の伝導性パターンに連結される信号検出回路と、前記固定要素及び前記移動要素の初期整列誤差の補正及び駆動時の整列誤差を減少させるガイド手段とを含む。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、相対的に製作が簡単でありながらも、高解像度を得ることができる静電容量式センサの初期の整列誤差がガイドラインにより補正され、駆動時の整列誤差が減少するので、静電容量式センサをフィードバックセンサとして用いる超精密なポジショナ及びこれを応用した製品群に適用可能であり、長い行程区間を精密に制御しなければならないシステムのフィードバックセンサとしても適用可能であるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】従来の接触式電気容量型センサを示す概略構成図である。
【図２】整列誤差を説明する概念図である。
【図３Ａ】本発明の好適な第１実施形態による機械的ガイドを有する面積変化型静電容量式センサの固定要素と移動要素が分離された状態を示す斜視図である。
【図３Ｂ】第１実施形態による機械的ガイドを有する面積変化型静電容量式センサの固定要素と移動要素が結合された状態を示す斜視図である。
【図４Ａ】本発明の第２実施形態による機械的ガイドを有する面積変化型静電容量式センサの固定要素と移動要素が分離された状態を示す斜視図である。
【図４Ｂ】第２実施形態による機械的ガイドを有する面積変化型静電容量式センサの固定要素と移動要素が結合された状態を示す斜視図である。
【図５】図４ＢのＡ−Ａ線に沿った断面図である。
【図６Ａ】本発明の第３実施形態による機械的ガイドを有する面積変化型静電容量式センサの固定要素と移動要素が分離された状態を示す斜視図である。
【図６Ｂ】第３実施形態による機械的ガイドを有する面積変化型静電容量式センサの固定要素と移動要素が結合された状態を示す斜視図である。
【図７】図６ＢのＢ−Ｂ線に沿った断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の好適な実施形態を添付の図面を参照して本発明の技術分野において通常の知識を有する者が容易に実施できるように更に詳細に説明する。なお、従来と同じ構成要素には同じ参照番号を併記し、その詳細な説明を省略する。
【００１５】
図３Ａ〜図７は、本発明の好適な実施形態によって機械的ガイドを有する面積変化型静電容量式センサの構成を概略的に示している。
【００１６】
図３Ａ，３Ｂは、本発明の第１実施形態による面積変化型静電容量式センサを示し、図３Ａは、固定要素１０と移動要素２０の底面を示すように分離された状態であり、図３Ｂは、結合された状態を示すものである。図示するように、固定物体１２（図１）上に伝導性パターン１４が形成される固定要素１０と、前記固定要素１０と同様に、移動物体２２（図１）上に伝導性パターン２４が前記固定要素１０の伝導性パターン１４と対向するように配置されて前記固定要素１０に対して相対的に平行移動されて重なる面積を変化させる移動要素２０と、前記固定要素１０と移動要素２０とが常に密着した状態を維持するように前記固定要素１０又は移動要素２０のいずれか１つを他の１つに対して密着させる密着力を駆動方向に対して垂直な方向に提供するバネ要素３０と、前記固定要素１０と移動要素２０間の電気容量の変化によって出力信号を発生させることができるように前記固定要素１０又は移動要素２０のいずれか１つの伝導性パターン１４、２４に供給される電源４０と、前記固定要素１０と移動要素２０間の電気容量の変化を検出して電気的信号として出力するように前記電源４０が印加されない前記固定要素１０又は移動要素２０の伝導性パターン１４、２４に連結される信号検出回路５０と、互いに密着する前記固定要素と移動要素それぞれの伝導性パターン間のギャップを維持するように前記駆動方向に形成されたガイド手段を含み、説明の便宜上、バネ手段３０と、電源４０と、信号検出回路５０はその図示を省略した。
【００１７】
図３において、ガイド手段６０は、移動要素２０の中央で所定高さに上方突出した突出部６２と、固定要素１０で下方突出した一対のガイド突起６４からなる。このとき、固定要素１０の伝導性パターン１４がガイド突起６４間の底面に形成され、また移動要素２０の伝導性パターン２４は突出部６２の上面に形成されて突出部６２がガイド突起６４の間に嵌め込まれた時、移動要素１０の突出部６２の上面と、ガイド突起６４間の固定要素１０の底面との間にはギャップｄが形成される。
【００１８】
このように構成された静電容量式センサは、ガイド突起６４の間に突出部６２が嵌め込まれる構造であるため、初期整列時のヨー誤差が工程誤差よりは大きくなれないため、機械的にヨー方向の自由度を制限するようになり、また図３Ｂに示すように、駆動されてもガイド突起６４によりガイドされるので、ａｂｂｅ誤差によりθ方向に移動しようとする力が拘束力により防止される。
【００１９】
図４Ａ，４Ｂは、本発明の第２実施形態による面積変化型静電容量式センサを示し、図４Ａは、固定要素１０と移動要素２０の底面を示すように分離された状態であり、図４Ｂは、結合された状態を示すものである。図示するように、ガイド手段７０は移動要素２０で所定高さに上方突出した一対のガイド突起７２を含み、図５に示すように、固定要素１０がガイド突起７２の間に嵌め込まれた時、固定要素１０の伝導性パターン１４と移動要素２０の伝導性パターン２４との間にギャップが形成されるように各伝導性パターン１４、２４は薄い絶縁膜１６、２６により均一にコーティングされる。
【００２０】
同様に、図４Ａ，４Ｂの実施形態もガイド突起７２の間に固定要素１０を嵌め込む構造であるため、初期整列時のヨー誤差が工程誤差よりは大きくなれないため、機械的にヨー方向の自由度を制限するようになり、また図４Ｂに示すように、駆動されてもガイド突起７２によりガイドされるので、ａｂｂｅ誤差によりθ方向に移動しようとする力が拘束力により防止される。
【００２１】
図６Ａ，６Ｂは、本発明の第３実施形態による面積変化型静電容量式センサを示し、図６Ａは、固定要素１０の上面と移動要素２０の底面を示すように分離された状態であり、図６Ｂは、結合された状態を示すものであって、図示するように、ガイド手段８０は移動要素２０で所定高さに上方突出した一対の突出部８２と、前記固定要素１０で下方突出した二対のガイド突起８４からなる。
【００２２】
図６Ａ，６Ｂの実施形態において、図７に示すように、突出部８２のそれぞれがガイド突起８４のそれぞれに嵌め込まれた時、固定要素１０の突出部８２間の上面と、各ガイド突起８４間の固定要素２０の底面との間にギャップが形成されるように固定要素１０の伝導性パターン１４が各突出部８２間の上面に形成され、移動要素２０の伝導性パターン２４はガイド突起８４間の底面に形成されて前記実施形態と同様に作動する。
【００２３】
以上のように構成された本発明の面積変化型静電容量式センサは、上下の固定又は移動要素を用いて相対運動を行う他の１つの要素のヨー方向の自由度を制限するものであって、このとき、第１及び第３実施形態の場合、ギャップは突出部の高さ差で調節でき、第２実施形態の場合、ギャップは伝導性パターンを覆う絶縁膜の厚さに該当するので、絶縁膜の厚さで調節できる。
【００２４】
従って、ガイド手段がない場合、ａｂｂｅ誤差によりθだけずれた方向に駆動されても確認できなかったが、本発明の面積変化型静電容量式センサは、ガイド手段によりθだけずれた方向に駆動されようとする力を拘束力が発揮されて防止できるようになり、仮りに拘束力が不十分なため、防止できない程度になれば、ガイドが破損するようになるので、ａｂｂｅ誤差が大きく存在するということを確認するようになる。
【００２５】
以上で説明した本発明の機械的ガイドを有する面積変化型静電容量式センサは、１つの好適な実施形態に過ぎないものであって、本発明は前記実施形態に限定されないので、以下の特許請求の範囲で請求するように、本発明の要旨を逸脱することなく、当該発明の属する分野において通常の知識を有する者であれば、誰でも多様な変更実施が可能な範囲まで本発明の技術的精神があるといえる。
【符号の説明】
【００２６】
１０…固定要素、１２…固定物体、１４…伝導性パターン、１６…絶縁膜、２０…移動要素、２４…伝導性パターン、２６…絶縁膜、３０…バネ要素、４０…電源、５０…信号検出回路、６０、７０、９０…ガイド手段、６２、８２…突出部、６４、７２、８４…ガイド突起。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６Ａ】
2009282031.tif 000010
【図６Ｂ】
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【図７】
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