(57)【要約】【課題】  小型化が可能であって、導電性部材が小さいものであっても、高分解能で高精度に変位を測定できる。【解決手段】  対向している記導電性部材１８との距離が変化する集積回路２の上面に、インダクタンスパターン４を形成し、このインダクタンスパターン４の端に導電性部材１８と対向する容量電極１２、１６とを設けてある。インダクタンスパターン４のインダクタンスと、容量電極１２、１６及び導電性部材１８による静電容量との合成インダクタンスが誘導性となるようにインダクタンスパターン４及び容量電極１２、１６が構成されている。【選択図】        図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性部材と対向し、かつ前記導電性部材との距離が変化する、平板状部の面に、形成されたインダクタンスパターンと、
このインダクタンスパターンの端に接続され、前記導電性部材と対向する容量電極とを、備え、前記インダクタンスパターンのインダクタンスと、前記容量電極及び前記導電性部材による静電容量との合成インダクタンスが誘導性となるように、前記インダクタンスパターン及び前記容量電極が構成されている
変位センサ。
【請求項２】
請求項１記載の変位センサにおいて、前記インダクタンスパターンの一端に、第１の接続パターンが形成され、前記インダクタンスパターンの他端に、第２の接続パターンが形成され、前記容量電極は、第１及び第２の容量電極から成り、第１の容量電極は、前記第１の接続パターンに設けられ、第２の容量電極は、第２の接続パターンに設けられ、第１及び第２の容量電極は、前記インダクタンスパターンの中心付近を中心として点対称に配置されている変位センサ。
【請求項３】
請求項２記載の変位センサにおいて、前記容量電極は、第３及び第４の容量電極も含み、第３の容量電極は、第１の接続パターンにに取り付けられ、第４の容量電極は、第２の接続パターンに取り付けられ、第３及び第４の容量電極は、前記インダクタンスパターンの中心付近を中心として点対称に配置されている変位センサ。
【請求項４】
請求項１記載の変位センサにおいて、前記インダクタンスパターンの一端に、第１の接続パターンが形成され、前記インダクタンスパターンの他端に、第２の接続パターンが形成され、前記容量電極は、第１及び第２の容量電極からなり、第１の容量電極は、第１の接続パターンの両側に跨って形成され、前記第２の容量電極は、第２の接続パターンの両側に跨って形成され、第１及び第２の容量電極は、前記インダクタンスパターンの中心付近を中心として点対称に配置されている変位センサ。
【請求項５】
請求項１記載の変位センサにおいて、前記インダクタンスパターンの一端に、第１の接続パターンが形成され、前記インダクタンスパターンの他端に、第２の接続パターンが形成され、前記容量電極は、第１及び第２の容量電極からなり、第１の容量電極は、第１の接続パターンに接続され、第２の容量電極は、第２の接続パターンに接続され、第１の容量電極は第２の接続パターン側に向かい、第２の容量電極は第１の接続パターン側に向かい、前記インダクタンスパターンの中心付近を中心として点対称に配置されている変位センサ。
【請求項６】
請求項１記載の変位センサにおいて、前記容量電極は、前記インダクタンスパターンと前記導電性部材との間に、配置されている変位センサ。
【請求項７】
請求項１乃至６いずれか記載の変位センサにおいて、前記インダクタンスパターンは、つづら折り、メアンダまたはスパイラル状に形成されている変位センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、変位センサに関し、特に、二次元状のインダクタンスを用いたものに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、上記のような二次元状のインダクタを用いた変位センサとして、例えば特許文献１に開示されているようなものがある。特許文献１の技術では、二次元状のインダクタを形成し、このインダクタに対して導電性部材が変位する。この変位によってインダクタと導電性部材との間の分布静電容量が変化し、等価的にインダクタの両端から見たインダクタンスが変化する。このインダクタンスの変化に従って、このインダクタと外部回路とによって構成した共振回路の共振周波数が変化するので、この共振周波数の変化によって、インダクタと導電性部材との距離の変化を測定する。
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−２０１７０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１では、分布容量を介して導電性部材に渦電流が流れるとして説明されているが、現実にはインダクタが発生する磁界によって渦電流が導電性部材に流れ、それによって発生する磁界も影響していると考えられる。このような磁界の作用と静電容量による誘導作用との挙動を正確に解析することは困難である。更に、共振回路において使用する周波数がＭＨｚオーダーの高周波であるので、インダクタを構成しているパターン間の分布容量や、中心部端子と外側部端子との間の静電容量もバイパス経路を形成する可能性が高い。これらが相互に作用して、導電性部材とインダクタとが接近した場合、共振周波数が高くなり、距離が離れると低くなるという現象を生じ、距離と周波数との関係が逆になっている。
【０００５】
特許文献１の変位センサでは、発振回路と周波数カウント回路とをワンチップＩＣに形成してインダクタの近傍に実装することによって、極端に厚さを減少させることができる。しかし、インダクタを形成するパターンの部分で、上述したように分布静電容量を得ているので、パターンの長さを短くすることができず、スパイラル状のインダクタンスパターンを使用した場合、その直径は少なくとも５乃至８ｍｍ程度になる。これでは、この直径と同程度の曲率を有する導電性部材を使用した場合、変位に対する線形性が無くなったり、変位に対する周波数の変化幅が小さくなり測定分解能が低下したりする。
【０００６】
また、この変位センサでは、共振周波数の変化をカウントしているので、変位のサンプリング時間を短くして、応答特性を向上させるためには、共振周波数を高くして、周波数変化を短い周期で取り込めるようにする必要がある。また、周波数変化を捕捉するには、共振のＱを高くして急峻な共振ピークを得る必要があり、インダクタの抵抗を極力小さくしなければならない。そのため、インダクタは、パターン厚のとれるプリント基板を使用して製作しなければならない等の製造手法に限界があった。また、プリント基板を使用した場合、ラインアンドスペースに制限があり、導電性と微細化を両立する場合、少なくとも６０μｍ程度のラインアンドスペースまでしか小型化できない。
【０００７】
本発明は、上述した変位センサよりも更に小型化が可能であって、導電性部材が小さいものであっても、高分解能で高精度に変位を測定できる変位センサ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】
【０００８】
本発明の一態様の変位センサでは、導電性部材と対向して平板状部が配置され、この平板状部は前記導電性部材との距離が変化する。この平板状部の導電性部材と対向している面にインダクタンスパターンが形成されている。インダクタンスパターンとしては種々のものを使用することができ、例えばメアンダ型、スパイラル型またはつづらおり型を使用することができる。このインダクタンスパターンの端に容量電極が、前記導電性部材と対向するように接続されている。容量電極は、１つだけ設けることもできるし、複数設けることもできる。容量電極は、平板状部上に設けることもできるし、或いはインダクタンスパターンと導電性部材との間の空間に設けることもできる。この変位センサの合成インダクタンスが誘導性になるようにインダクタンスパターン及び容量電極は構成されている。
【０００９】
このように構成した場合、インダクタンスパターンによるインダクタの両端に、並列に容量電極と導電性部材とによる静電容量が接続されたものと等価となる。インダクタンスをＬｏ、静電容量をＣｇとすると、合成インダクタンスＬは、
ｊωＬ＝ｊωＬｏ／（１−ω２ＬｏＣｇ）
で表せる。合成インダクタンスＬが誘導性であるように、即ち、１／ωＣｇ＞ωＬｏとなるようにインダクタンスパターンと、容量電極とが形成されている。
【００１０】
合成インダクタンスＬにおいて、Ｃｇは、インダクタンスパターンと導電性部材とのギャップｇに反比例するので、合成インダクタンスＬをギャップｇの変化としてとらえることができる。このように変化する合成インダクタンスＬと、別個に設けた外部の静電容量Ｃとの共振周波数ｆは、
ｆ＝１／２π（Ｌ・Ｃ）１／２
と表される。ここで、Ｃｇは、真空の誘電率をεo、比誘電率をεｓ、インダクタンスパターンと導電性部材との対向面積をＳとすると、合成インダクタンスＬは、
Ｌ＝ｇ・Ｌｏ／（ｇ−ω２Ｌｏ・εo・εｓ・Ｓ）
となる。従って、このＬを上記共振周波数ｆの式に代入し、ｆを求めると、ｆは、
ｆ＝１／２π（ｇ／（Ｃｏ・ｇ・Ｌｏ＋Ｌｏ・εo・εｓ・Ｓ））１／２
となる。図１は、Ｌｏ＝３０ｎＨ、εｓ＝１、Ｓ＝２ｍｍ２、Ｃｏ＝１ＰＦとして、ギャップｇの変化による共振周波数の変化を計算したもので、特許文献１と異なり、キャップの増加にほぼ比例して周波数が増加している。図１におけるギャップｇが０から１．２μｍの部分を拡大して図２に示す。図２から明らかなように、ギャップが１μｍ以下の微細な部分でも、ギャップｇの変化を測定可能であり、しかも線形性もほぼ維持されている。
【００１１】
このように、インダクタンスパターンとは別に、導電性部材との間で静電容量を形成する電極を設け、これによって導電性部材との距離が変化すれば、インダクタンスパターンと接続された電極及び導電性部材による静電容量が変化し、これに伴い合成インダクタンスＬが変化し共振周波数を測定することによって変位を測定することができる。なお、合成インダクタンスＬの変化を直接に測定することもできる。
【００１２】
このような構成によれば、インダクタンスパターンには、例えばつづら折りのような簡単なパターンを使用でき、インダクタンスパターンの線路長も短くて済むので、インダクタンスパターンの抵抗成分の減少のため、パターンの幅やパターンの厚みを大きくする必要が無くなり、小型化が可能である。また、インダクタンスパターンが小さくできるので、導電性部材の曲率半径が小さくても、これに対応でき、変位に対する線形性を確保することができ、また測定分解能を高めることもできる。
【００１３】
上記の態様において、前記インダクタンスパターンの一端に、第１の接続パターンが形成され、前記インダクタンスパターンの他端に、第２の接続パターンを形成することができる。この場合、前記容量電極は、第１及び第２の容量電極を含み、第１の容量電極は、前記第１の接続パターンに設けられ、第２の容量電極は、第２の接続パターンに設けられている。第１及び第２の容量電極は、前記インダクタンスパターンの中心付近を中心として点対称に配置されている。
【００１４】
このように構成すると、第１及び第２の容量電極と、導電性部材との間で形成される２つの静電容量がほぼ等しくなり、これらの直列回路がインダクタンスパターンに並列に接続されたものと等価となる。そして、導電性部材が例えば第１の陽極電極に近づくように、かつ第２の陽極電極から離れるように傾いたとしても、合成された静電容量は、傾く前と殆ど変化が無く、傾きの影響を除去することができる。
【００１５】
更に、前記容量電極は、第３及び第４の容量電極も含むことができる。この場合、第３の容量電極は、第１の接続パターンに取り付けられ、第４の容量電極は、第２の接続パターンに取り付けられ、第３及び第４の容量電極は、前記インダクタンスパターンの中心付近を中心として点対称に配置されている。
【００１６】
上述した態様において、前記インダクタンスパターンの一端に、第１の接続パターンを、前記インダクタンスパターンの他端に、第２の接続パターンを形成することができる。この場合、前記容量電極は、第１及び第２の容量電極からなり、第１の容量電極は、第１の接続パターンの両側に跨って形成され、前記第２の容量電極は、第２の接続パターンの両側に跨って形成され、第１及び第２の容量電極は、前記インダクタンスパターンの中心付近を中心として点対称に配置されている。
【００１７】
或いは、上記の態様の変位センサにおいて、前記インダクタンスパターンの一端に、第１の接続パターンを形成し、前記インダクタンスパターンの他端に、第２の接続パターンを形成することができる。この場合、前記容量電極は、第１及び第２の容量電極からなり、第１の容量電極は、第１の接続パターンに接続され、第２の容量電極は、第２の接続パターンに接続され、第１の容量電極は第２の接続パターン側に向かい、第２の容量電極は第１の接続パターン側に向かい、前記インダクタンスパターンの中心付近を中心として点対称に配置されている。
【００１８】
これらの態様では、どのような方向に導電性部材が傾いても、その影響を除去することができる。
【００１９】
上記の態様の変位センサにおいて、前記容量電極を、前記インダクタンスパターンと前記導電性部材との間に配置することもできる。この場合、前記インダクタンスパターンの一端に、第１の接続パターンを形成し、前記インダクタンスパターンの他端に、第２の接続パターンを形成し、前記容量電極を、複数の電極、例えば第１及び第２の容量電極から構成し、第１の容量電極を、第１の接続パターンに接続し、第２の容量電極を、第２の接続パターンに接続することもできる。
【００２０】
このように構成すると、容量電極をインダクタンスパターンと導電性部材との間に配置することによって、三次元構成の変位センサを構成できる。
【発明の効果】
【００２１】
以上のように、本発明によれば、小型化が可能であって、対向する導電性部材の大きさが小さい場合や、曲率半径が小さい場合であっても、高分解能で高精度に変位を測定できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明の第１の実施形態の変位センサは、図３に示すように、平板状部、例えば集積回路２を有している。集積回路２は、この変位センサの測定用の回路が構成されている。集積回路２の絶縁性の一表面、例えば上面に、インダクタンスパターン４が形成されている。インダクタンスパターン４は、図４に示すように、集積回路２の上面の長さ方向に沿って配置され、小さなインダクタンスを形成するようにつづらおりパターンとされている。
【００２３】
このインダクタンスパターン４の一端に直線状の接続パターン、例えば導通パターン６が形成されている。同様に、インダクタンスパターン４の他端に直線状の接続パターン、例えば導通パターン８が形成されている。導通パターン６、８は、それぞれ同一直線上に位置するように配置されている。
【００２４】
導通パターン６の中途に、導通パターン６に対して直角に中継パターン１０が形成されており、中継パターン１０の先端に容量電極１２が形成されている。同様に導通パターン８の中途に、導通パターン６に対して直角にかつ中継パターン１０と反対方向に中継パターン１４が形成され、その先端に容量電極１６が形成されている。これら容量電極１２、１６は、容量電極１２、１６は、同一の形状に形成され、インダクタンスパターン４の中心を中心とする点対称に配置されている。
【００２５】
図３に示すように、集積回路２の上面の上方に導電性部材、例えば測定対象金属１８が配置されている。この測定対象金属１８と２つの容量電極１２、１６との間にそれぞれ静電容量が形成される。測定対象金属１８は、集積回路２の上面に対して変位し、測定対象金属１８と２つの容量電極１２、１６との間のギャップが変化する。
【００２６】
容量電極１２、１６は、上述した静電容量を２Ｃｇ、インダクタンスパターン４のインダクタンスをＬｏとすると、この変位センサの等価回路は、図５に示すようになる。この変位センサの両端に高周波電流が供給され、角周波数をωとすると、合成インピーダンスωＬは、
ωＬ＝ｊωＬｏ／（１−ω２ＬｏＣｇ）
となる。ωＬを誘導性とするために、容量電極１２、１６は、１／ωＣｇがωＬｏよりも大きくなるようにその大きさが定められている。インダクタンスパターン４をつづら折りにしているので、Ｌｏは比較的小さく構成することができるので、１／ωＣｇをωＬｏよりも大きくすることは容易である。
【００２７】
２Ｃｇは、ｇをギャップ長、Ｓを陽極電極１２、１６と測定対象金属１８との対向面積、εｏを真空中の誘電率、εｓを比誘電率とすると、上述したのと同様に、
２Ｃｇ＝εｏεｓＳ／ｇ
で表され、ギャップが小さくなると、２Ｃｇが増加し、合成インダクタンスＬが大きくなり、ギャップが大きくなると、２Ｃｇが減少し、合成インダクタンスＬが小さくなる。この変位センサと外部コンデンサＣとを直列に接続して共振回路を構成すると、その共振周波数は、ギャップが小さくなることにより低くなり、ギャップが大きくなることにより高くなる。この共振周波数の変化を集積回路２によって測定することによって、ギャップの変化、即ち変位を測定することができ、しかも共振周波数の増加の場合には変位が大きくなっていることが判り、共振周波数が減少した場合には変位が小さくなっていることがわかる。しかも、図２に関連して述べたように、ギャップが１μｍ以下の微細な部分でも、ギャップｇの変化を測定可能であり、線形性もほぼ維持されている。
【００２８】
このような特性が得られるのは、容量電極１２、１６と測定対象金属１８とによって静電容量を構成しており、インダクタンスパターン４と測定対象金属１８との間の分布容量や、インダクタンスパターンが発生する磁界に基づく渦電流に基づくインダクタンスの影響を受けていないからである。特に、この実施形態では、インダクタンスパターン４をつづらおりパターンとしているので、測定対象金属１８に向かう磁束の発生を極力抑えられていることが影響している。
【００２９】
また、この実施形態では、容量電極１２、１６は、インダクタンスパターン４の中心を中心として点対称に配置されているので、測定対象金属１８が例えば容量電極１２側に近づき、容量電極１６から離れるように傾いても、或いは逆に傾いても、容量電極１２、１６と測定対象金属１８とが発生する静電容量の合成容量は、Ｃｇと一定である。従って、測定対象金属の傾きによる測定誤差が生じにくくなる。
【００３０】
本発明の第２の実施形態の変位センサを図６に示す。この実施形態の変位センサは、第１の実施形態の変位センサに新たに容量電極１２ａ、１６ａを追加したものである。他の構成は、第１の実施形態の変位センサと同一である。同一部分には、同一符号を付して、その説明を省略する。この変位センサでは、容量電極１２ａは、容量電極１２と同一形状のもので、中継パターン１０と同じ長さで同じ位置から反対方向に伸びた中継パターン１０ａの先端に形成されている。容量電極１６ａも、容量電極１２、１６と同一形状のもので、中継パターン１４と同じ長さで同じ位置から反対方向に伸びた中継パターン１４ａの先端に形成されている。従って、容量電極１２ａ、１６ａは、インダクタンスパターン４の中心を中心として点対称に配置されている。
【００３１】
このように構成された変位センサは、第１の実施形態の変位センサと同様に動作する。その上、容量電極１２ａ、１６ａが設けられているので、測定対象金属１８が、第１の実施形態と同様に容量電極１２に近づき容量電極１６から離れるように、或いはその逆に傾いた場合だけでなく、測定対象金属１８が、容量電極１２ａに近づき容量電極１６ａから離れるように、或いはその逆に傾いた場合でも、合成静電容量は一定であり、測定対象金属がどのような方向に傾いた場合でも、傾きによる誤差を生じることはない。
【００３２】
本発明の第３の実施形態の変位センサを図７に示す。この変位センサは、インダクタンスパターン４ａがメアンダ型に形成されている以外、第１の実施形態の変位センサと同一に構成され、第１の実施形態と同様に動作する。同一部分には同一符号を付してその説明を省略する。
【００３３】
本発明の第４の実施形態の変位センサを図８に示す。この変位センサは、インダクタンスパターン４ｂがスパイラル型に形成されている以外、第１の実施形態の変位センサと同一に構成され、第１の実施形態と同様に動作する。同一部分には同一符号を付してその説明を省略する。なお、第３及び第４の実施形態においても、第２の実施形態と同様に容量電極１２ａ、１６ａを設けることができる。なお、図８では、インダクタンスパターン４ｂは、角型のスパイラルとしたが、円弧状のスパイラルとすることもできる。
【００３４】
本発明の第５の実施形態の変位センサを図９に示す。この実施形態では、中継パターン１０、１４が除去された代わりに、容量電極１２ｂ、１６ｂが、形成されている。容量電極１２ｂ、１６ｂは同一形状であり、導通パターン６、８上に、それらの幅方向に等量だけ突出するように形成されている。他の構成は第２の実施形態の変位センサと同一であり、第２の実施形態の変位センサと同様に動作する。同一部分には、同一符号を付して、その説明を省略する。
【００３５】
本発明の第６の実施形態の変位センサを図１０に示す。この実施形態の変位センサは、容量電極１２ｃ、１６ｃが矩形状に形成されている。容量電極１２ｃは、中継パターン１０側から導通パターン８側に向かってインダクタンスパターン４の長さ方向に沿って配置され、容量電極１６ｃは、中継パターン１４側から導通パターン６側に向かってインダクタンスパターン４の長さ方向に沿って配置されている。容量電極１２ｃ、１６ｃは、やはりインダクタンスパターン４の中心を中心として点対称に配置されている。他の構成は、第１の実施形態の変位センサと同一であるので、同一符号を付して、説明を省略する。この変位センサも、第１の実施形態の変位センサと同様に動作する。
【００３６】
本発明の第７の実施形態の変位センサを図１１（ａ）、（ｂ）に示す。この実施形態の変位センサでは、容量電極１２ｄ、１６ｄは、つづらおりのインダクタンスパターン４の上方に立体的に配置されている。即ち中継パターン１０、１４の先端には、図１１（ｂ）に示すように直立部１０ｄ、１４ｄが形成され、これら直立部１０ｄ、１４ｄの上端に、容量電極１２ｄ、１６ｄの一端が支持されている。これら容量電極１２ｄ、１６ｄは、同一の楕円状の形状で、容量電極１２ｄの他端は、導電パターン８側に位置し、容量電極１６ｄの他端は、導電パターン６側に位置している。即ち、容量電極１２ｄ、１６ｄもインダクタンスパターン４の中心を中心として点対称に位置している。他の構成は、第１の実施形態の変位センサと同様であるので、同一部分には同一符号を付して、説明を省略する。この実施形態の変位センサでも、第１の実施形態の変位センサと同様に動作する。なお、容量電極１２ｄ、１６ｄと、インダクタンスパターン４とを立体的に配置するにあたり、容量電極１２ｄ、１６ｄとインダクタンスパターン４の間は空間としても良く、誘導性が無視できる程度の構造物を配置して機械的強度を上げても良い。
【００３７】
上記の各実施形態では、インダクタンスパターン等は、集積回路２の上面に形成したが、これに限ったものではなく、例えばプリント基板上に形成することもできる。また、上記の各実施形態では、測定対象金属がインダクタンスパターン４等に対して変位したが、逆に測定対象金属に対してインダクタンスパターン４等が変位するように構成することもできる。第１の実施形態では、２つの容量電極１２、１６を形成したが、１つの容量電極だけを設けることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の変位センサにおけるギャップと周波数との関係を示す図である。
【図２】図１の一部の拡大図である。
【図３】本発明の第１の実施形態の変位センサの斜視図である。
【図４】図３の変位センサのパターン形成部の平面図である。
【図５】図４の変位センサの等価回路図である。
【図６】本発明の第２の実施形態の変位センサのパターン形成部の平面図である。
【図７】本発明の第３の実施形態の変位センサのパターン形成部の平面図である。
【図８】本発明の第４の実施形態の変位センサのパターン形成部の平面図である。
【図９】本発明の第５の実施形態の変位センサのパターン形成部の平面図である。
【図１０】本発明の第６の実施形態の変位センサのパターン形成部の平面図である。
【図１１】本発明の第７の実施形態の変位センサのパターン形成部の平面図と側面図である。
【符号の説明】
【００３９】
２  集積回路（平板状部）
４  インダクタンスパターン
１２  １６  容量電極
１８  測定対象金属（導電性部材）  
【図１】
2009264825.tif 000003
【図２】
2009264825.tif 000004
【図３】
2009264825.tif 000005
【図４】
2009264825.tif 000006
【図５】
2009264825.tif 000007
【図６】
2009264825.tif 000008
【図７】
2009264825.tif 000009
【図８】
2009264825.tif 000010
【図９】
2009264825.tif 000011
【図１０】
2009264825.tif 000012
【図１１】
2009264825.tif 000013