特開 2024-129867 距離測定装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024129867

(43)【公開日】2024-09-30

(54)【発明の名称】距離測定装置

(51)【国際特許分類】

   G01B 7/00 20060101AFI20240920BHJP

【ＦＩ】

G01B7/00 101C

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023039229

(22)【出願日】2023-03-14

(71)【出願人】

【識別番号】591156799

【氏名又は名称】ユニパルス株式会社

(72)【発明者】

【氏名】嶋本 篤

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 忠章

【テーマコード（参考）】

2F063

【Ｆターム（参考）】

2F063AA02

2F063BB02

2F063BB05

2F063DA01

2F063DA05

2F063DA11

2F063EB01

2F063HA04

2F063KA01

2F063KA04

2F063LA06

2F063LA11

2F063LA13

2F063LA16

(57)【要約】

【課題】電極と測定対象物との間の距離を精度良く計測する。
【解決手段】第１交流定電流発生部１２２₁は、定電圧交流信号生成部１２１が生成した基準交流電圧ｖ_refに基づいて、交流定電流iを発生させ、第１整流部１４０₁及び第１ＬＰＦ部１５０₁が、第１電極と測定対象物との間の静電容量体に、当該交流定電流iを流したときの静電容量体にかかる第１電圧Ｖ_nを出力する。また、第２交流定電流発生部１２２₂は、定電圧交流信号生成部１２１が生成した基準交流電圧ｖ_refに基づいて、交流定電流iを発生させ、第２整流部１４０₂及び第２ＬＰＦ部１５０₂が、静電容量が固定の容量素子に、当該交流定電流iを流したときの当該静電容量にかかる第２電圧Ｖ_dを出力する。除算部１６０は、第１電圧Ｖ_nを第２電圧Ｖ_dで除算し、算出部１７０が、当該除算結果に基づいて、測定ギャップｇを算出する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１電極及び前記第１電極を取り囲むようにして配置された少なくとも１つの第２電極を含む電極ヘッドを有し前記第１電極と、接地された測定対象物との間の距離を静電容量の変化で測定する距離測定装置であって、
接地された容量素子と、
所定の周波数を有する基準交流電圧を生成する定電圧交流信号生成部と、
前記基準交流電圧に基づき、前記所定の周波数を有する交流定電流を発生させる第１交流定電流発生部及び第２交流定電流発生部と、
前記第１電極と前記測定対象物との間の静電容量体に、前記第１交流定電流発生部が発生した前記交流定電流を流したときの前記静電容量体にかかる第１電圧を出力する第１電圧出力部と、
前記容量素子に、前記第２交流定電流発生部が発生した前記交流定電流を流したときの前記容量素子にかかる第２電圧を出力する第２電圧出力部と、
前記第１電圧及び前記第２電圧に基づいて、前記距離を測定する測定部と、
を備えることを特徴とする距離測定装置。

【請求項2】

前記測定部は、
前記第１電圧を前記第２電圧で除算する除算部と、
前記除算部による除算結果に基づいて、前記距離を算出する算出部と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載の距離測定装置。

【請求項3】

前記測定部は、
前記第１電圧からオフセット電圧を差し引いた差電圧を前記第２電圧で除算する除算部と、
前記除算部による除算結果に基づいて、前記距離を算出する算出部と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載の距離測定装置。

【請求項4】

前記容量素子は、静電容量が固定である、ことを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載の距離測定装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、距離測定装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来から、微小なギャップや変位を測定するための非接触式の距離センサとして、測定プローブとワークとの間の距離に応じた静電容量を測定する静電容量型センサがある。

【0003】

図２（Ａ）には、静電容量型センサの基本的な構成である距離測定装置９００Ａが示されている。図２（Ａ）に示されるように、距離測定装置９００Ａは、交流定電流源９１０を備えている。交流定電流回路９１０が発生する定電流Ｉの角周波数をω、電極ＥＬとワークＷＫ間の静電容量体の静電容量をＣ_Xとすると、静電容量体にかかる電圧Ｖ_mは、交流のオームの法則から、次の（１）式で与えられる。
Ｖ_m＝Ｉ／（ωＣ_X） …（１）

【0004】

ここで、理想的な平行平板コンデンサの場合、電極ＥＬの面積をＡ、真空誘導率をε₀、測定ギャップｇの比誘電率をε_Sとすると、静電容量Ｃ_Xは、Ｃ_X＝（ε₀ε_SＡ）／ｇで与えられるため、測定ギャップｇは、次の（２）式で与えられる。
ｇ＝ε₀ε_S Ａ／Ｃ_X
＝［（ω×ε₀ε_S Ａ）/Ｉ］×Ｖ_m …（２）

【0005】

しかしながら、距離測定装置９００Ａでは、図２（Ａ）に示されるように、接地されたワークＷＫに対向した有限の大きさの電極の端部で電気力線が乱れて平行電場では無くなる。このため、距離測定装置９００Ａでは、電気力線の乱れにより、Ｃ_X＝（ε₀ε_SＡ）／ｇの関係が得られず、正確な測定ギャップｇを測定することができない。

【0006】

こうした電気力線の乱れを解消するものとして、図２（Ｂ）に示される距離測定装置９００Ｂがある。距離測定装置９００Ｂは、図２（Ｂ）に示されるように、電極として中心電極ＥＬ_cとガード電極ＥＬ_gとを備えている。また、距離測定装置９００Ｂは、交流定電流回路９１０と、インピーダンス変換回路９２０である電圧バッファ回路とを備えている。

【0007】

距離測定装置９００Ｂの中心電極ＥＬ_cは、ワークＷＫとの間の測定ギャップｇを計測するためのセンシングを行う。ガード電極ＥＬ_gは、中心電極ＥＬ_cが行うセンシングを補助する。ガード電極ＥＬ_gの電位は、後述するように、中心電極ＥＬ_cの電位と等しくなるため、中心電極ＥＬ_cとガード電極ＥＬ_gとは、あたかも一体の電極のように振る舞う。この結果、接地されたワークＷＫに対向した有限の大きさの電極の端部での電気力線の乱れはガード電極ＥＬ_gの外周部のみで生じ、中心電極ＥＬ_cの直下では平行な電気力線が保たれる。このため、静電容量Ｃ_Xの逆数が測定ギャップｇに比例する関係、すなわち、１／Ｃ_X＝ｇ／（ε₀ε_SＡ）の関係が得られることになる。

【0008】

このため、（１）式と、静電容量Ｃ_Xの逆数が測定ギャップｇに比例する関係とから、次の（３）式が得られる。
Ｖ_m＝Ｉ／（ωＣ_X）
＝［Ｉ／（ωε₀ε_SＡ）］×ｇ …（３）
このように、電圧Ｖ_mは測定ギャップｇに比例した値となり、電圧Ｖ_mを利用することは、測定ギャップｇを測定するのに都合がよい。

【0009】

また、距離測定装置９００Ｂでは、インピーダンス変換回路９２０の入力は中心電極ＥＬ_cに接続され、インピーダンス変換回路９２０の出力はガード電極ＥＬ_gに接続されている。このため、中心電極ＥＬ_c及びガード電極ＥＬ_gは交流的に同電位となるので、中心電極ＥＬ_cからガード電極ＥＬ_gへ電流が流れることはない。この結果、中心電極ＥＬ_cとガード電極ＥＬ_gとの間の浮遊容量の影響はキャンセルされる。

【0010】

また、距離測定装置９００Ｂでは、中心電極ＥＬ_cは、シールド編組の同軸ケーブルＣＶの内部導体に接続され、インピーダンス変換回路９２０の出力に接続されたガード電極ＥＬ_gは、内部導体と絶縁されている同軸ケーブルＣＶの外側導体に接続されている。このため、インピーダンス変換回路９２０は、ドリブンシールドとして作用し、同軸ケーブルＣＶ内の内部導体と外部導体間の静電容量の影響はキャンセルされる。

【0011】

このように距離測定装置９００Ｂでは、ガード電極ＥＬ_gを設けて、中心電極ＥＬ_cでの電気力線の乱れを無くすとともに、中心電極ＥＬ_cとガード電極ＥＬ_gとの間に存在する内部導体と外部導体間の静電容量の影響もキャンセルしている。

【0012】

上述した距離測定装置９００Ｂのように、交流定電流回路を用いたものとして特許文献１の技術（以下、「従来例」と呼ぶ）がある。こうした交流定電流回路は、交流定電圧源、増幅器、抵抗等を有し、交流定電圧源から発生される角周波数ωの交流定電圧を増幅器で増幅し、増幅器の出力側の電流路に設けられた抵抗により、交流電流を所定のレベルに設定するようにしている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0013】

【特許文献1】特開平１１－１８８４９２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0014】

上述した従来例１等の技術で用いられる交流定電圧源は、水晶発振回路、増幅器、振幅安定化回路等を有しいる。そして、水晶発振回路から送られるクロック出力に対して増幅、分周処理を行い、振幅安定化回路で振幅安定化処理を行い、予め規定された一定の振幅で、一定の周波数ωの交流定電圧（正弦波定電圧）を生成している。

【0015】

ここで、水晶発振回路から送られるクロック出力には、時間軸方向の揺らぎによって生じるクロックエッジの理想的な位置からのズレであるジッタが発生している。このジッタが原因で、交流定電圧の角周波数ωが一定に安定しない。測定ギャップｇは、上述した（１）式を用いて導出されるため、角周波数ωが一定で安定していないと、測定ギャップｇを精度良く測定することはできない。

【0016】

したがって、従来例の距離センサにおいて、改善の余地があった。

【0017】

本発明は、上記の事情を鑑みてなされたものであり、電極と測定対象物との間の距離を精度良く計測することができる距離測定装置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】

【0018】

本発明は、第１電極及び前記第１電極を取り囲むようにして配置された少なくとも１つの第２電極を含む電極ヘッドを有し前記第１電極と、接地された測定対象物との間の距離を静電容量の変化で測定する距離測定装置であって、接地された容量素子と、所定の周波数を有する基準交流電圧を生成する定電圧交流信号生成部と、前記基準交流電圧に基づき、前記所定の周波数を有する交流定電流を発生させる第１交流定電流発生部及び第２交流定電流発生部と、前記第１電極と前記測定対象物との間の静電容量体に、前記第１交流定電流発生部が発生した前記交流定電流を流したときの前記静電容量体にかかる第１電圧を出力する第１電圧出力部と、前記容量素子に、前記第２交流定電流発生部が発生した前記交流定電流を流したときの前記容量素子にかかる第２電圧を出力する第２電圧出力部と、前記第１電圧及び前記第２電圧に基づいて、前記距離を測定する測定部と、を備えることを特徴とする距離測定装置である。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】本発明の一実施形態に係る距離測定装置の構成を概略的に示すブロック図である。

【図2】従来の静電容量型センサによる距離測定を説明するための図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

以下、発明の実施形態を、添付図面を参照して説明する。なお、以下の説明及び図面においては、同一又は同等の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

【0021】

［構成］
図１には、一実施形態に係る距離測定装置１００の概略的な構成が示されている。図１に示されるように、距離測定装置１００は、取付部１１０と、電極ヘッド１１５と、容量素子Ｃ１と、容量素子Ｃ２とを備えている。また、距離測定装置１００は、定電圧交流信号生成部（交流定電圧源）１２１と、第１交流定電流発生部１２２₁と、第２交流定電流発生部１２２₂とを備えている。ここで、定電圧交流信号生成部１２１及び第１交流定電流発生部１２２₁により、第１の交流定電流源回路が形成され、定電圧交流信号生成部１２１及び第２交流定電流発生部１２２₂により、第２の交流定電流源回路が形成される。

【0022】

さらに、距離測定装置１００は、第１整流部１４０₁と、第２整流部１４０₂と、第１ローパスフィルタ部（ＬＰＦ）部１５０₁と、第２ＬＰＦ部１５０₂とを備えている。また、距離測定装置１００は、除算部１６０と、算出部１７０とを備えている。

【0023】

上記の取付部１１０は、円筒状の筐体である。取付部１１０には、鉛直下方（－Ｚ方向側）の面に、電極ヘッド１１５が取り付けられている。

【0024】

上記の電極ヘッド１１５は、第１電極に対応する中心電極Ｅ１と、第２電極に対応するガード電極Ｅ２とを備えている。本実施形態では、中心電極Ｅ１は円盤形状になっており、ガード電極Ｅ２は有底円筒形状になっている。ガード電極Ｅ２の円筒形状の内径は、中心電極Ｅ１の円盤部分の直径より長くなっている。そして、ガード電極Ｅ２の円筒形状の内部に、中心電極Ｅ１が配置されている。当該中心電極Ｅ１とガード電極Ｅ２との間には、絶縁体が介在している。

【0025】

中心電極Ｅ１は、中心電極Ｅ１とワークＷＫとの間の静電容量体の静電容量Ｃ_Xを利用した、中心電極Ｅ１とワークＷＫとの間の測定ギャップｇ（距離）を計測するためのセンシングを行う。ここで、ワークＷＫは導体であり、測定対象物に対応している。

【0026】

ガード電極Ｅ２は、中心電極Ｅ１が行うセンシングを補助する。後述するように、ガード電極Ｅ２の電位は、中心電極Ｅ１の電位と等しくなるため、中心電極Ｅ１とガード電極Ｅ２とは、あたかも一体の電極のように振る舞う。この結果、電気力線の乱れはガード電極Ｅ２の外周部のみで生じ、中心電極Ｅ１直下では平行な電気力線が保たれる。このため、平行平板コンデンサにおけるＣ_X＝（ε₀ε_SＡ）／ｇの関係が得られ、上述した（３）式により、電圧Ｖ_mを利用して測定ギャップｇを測定することができる。

【0027】

本実施形態では、中心電極Ｅ１は、シールド編組の同軸ケーブルＣＶの内部導体（中心線）に接続され、ガード電極Ｅ２は、内部導体と絶縁されている同軸ケーブルＣＶの外側導体（編組線）に接続されている。

【0028】

上記の容量素子Ｃ１，Ｃ２は、静電容量Ｃ_rが固定（一定値）の素子である。

【0029】

上記の定電圧交流信号生成部（交流定電圧源）１２１は、水晶発振回路を有し、所定の周波数ω及び所定の振幅Ａを有する次の（４）式で与えられる基準交流電圧ｖ_refを生成する。定電圧交流信号生成部１２１は、第１交流定電流発生部１２２₁及び第２交流定電流発生部１２２₂に接続されている。
ｖ_ref ＝ Ａsin(ωｔ) … （４）

【0030】

上記の第１交流定電流発生部１２２₁は、演算増幅器１２３と、抵抗素子Ｒ_Sと、抵抗素子Ｒ_A，Ｒ_B，Ｒ_C，Ｒ_Dと、容量素子Ｃ_Aと、インピーダンス変換回路１２５とを備えている。ここで、抵抗素子Ｒ_Sの抵抗値は、抵抗素子Ｒ_A，Ｒ_B，Ｒ_C，Ｒ_Dの抵抗値よりも大きな値となっていて、抵抗素子Ｒ_S及び抵抗素子Ｒ_A，Ｒ_B，Ｒ_C，Ｒ_Dの抵抗値は、実験、シミュレーション等に基づいて予め定められる。

【0031】

抵抗素子Ｒ_Aは、一端が定電圧交流信号生成部１２１に接続され、他端が演算増幅器１２３の反転入力端子（－入力端子）及び抵抗素子Ｒ_Bの一端に接続されている。

【0032】

演算増幅器１２３の反転入力端子（－入力端子）は、抵抗素子Ｒ_Aの他端及び抵抗素子Ｒ_Bの一端に接続されている。演算増幅器１２３の非反転入力端子（＋入力端子）は、抵抗素子Ｒ_Cの一端及び抵抗素子Ｒ_Dの一端に接続されている。そして、抵抗素子Ｒ_Cの他端は、容量素子Ｃ_Aを介してインピーダンス変換回路１２５の出力側に接続されている。また、抵抗素子Ｒ_Cの他端は接地されている。

【0033】

演算増幅器１２３の出力端子は、抵抗素子Ｒ_Bの他端及びセンス抵抗である抵抗素子Ｒ_Sの一端に接続されている。そして、抵抗素子Ｒ_Sの他端が、中心電極Ｅ１及びインピーダンス変換回路１２５の入力側に接続されている。抵抗素子Ｒ_Sの抵抗値Ｒｓとすると、第１交流定電流発生部１２２₁から、次の（５）式で与えられる交流定電流ｉ（以下、「定電流ｉ」とも記す）が発生する。
ｉ ＝ ｖ_ref／Ｒｓ
＝ Ｋsin(ωｔ) … （５）
こうして発生した定電流ｉは、中心電極Ｅ１とワークＷＫとの間の静電容量体（静電容量Ｃ_X）に流れる。ここで、Ｋは定数であり、Ｋ＝（Ａ／Ｒｓ）の関係がある。

【0034】

ここで、演算増幅器１２３の非反転入力端子（＋入力端子）に入力される電圧は、抵抗素子Ｒ_Sにかかる電圧と等しくなっている。演算増幅器１２３の非反転入力端子（＋入力端子）に接続されたラインには電流は流れない。演算増幅器１２３の出力と抵抗素子Ｒ_Bの他端が接続した点で、センス抵抗である抵抗素子Ｒ_Sにかかる電圧が生成される。

【0035】

上記のインピーダンス変換回路１２５の入力は、中心電極Ｅ１及び抵抗素子Ｒ_Sの他端と接続されている。また、インピーダンス変換回路１２５の出力は、ガード電極Ｅ２及び第１整流部１４０₁と接続されている。このため、中心電極Ｅ１及びガード電極Ｅ２は交流的に同電位となる。

【0036】

当該インピーダンス変換回路１２５は、出力インピーダンスを入力インピーダンスに対して低くし、入力電圧ｖ_n,inと出力電圧ｖ_n,out（以下、「出力電圧ｖ_n」とも記す）とが等しくなる増幅率が１の電圧バッファ回路として機能する。この結果、当該インピーダンス変換回路１２５では、入力信号と同じ位相で低いインピーダンスの出力が得られる。

【0037】

インピーダンス変換回路１２５の入力に接続された中心電極Ｅ１は、シールド編組の同軸ケーブルＣＶの内部導体に接続され、インピーダンス変換回路１２５の出力に接続されたガード電極Ｅ２は、同軸ケーブルＣＶの外側の編組に接続されている。このため、インピーダンス変換回路１２５は、ドリブンシールドとして作用する。したがって、中心電極Ｅ１に接続された同軸ケーブルＣＶの中心線と、ガード電極Ｅ２に接続された同軸ケーブルＣＶの編組線との間の浮遊容量の影響を無視することができる。

【0038】

第１交流定電流発生部１２２₁のインピーダンス変換回路１２５から出力される出力電圧ｖ_nは、次の（６）式で与えられる。
ｖ_n ＝ｉ／(ωＣ_X） … （６）

【0039】

第２交流定電流発生部
上記の第２交流定電流発生部１２２₂は、上述した第１交流定電流発生部１２２₁と同様に、演算増幅器１２３と、抵抗素子Ｒ_Sと、抵抗素子Ｒ_A，Ｒ_B，Ｒ_C，Ｒ_Dと、容量素子Ｃ_Aと、インピーダンス変換回路１２５とを備えている。

【0040】

第２交流定電流発生部１２２₂では、抵抗素子Ｒ_Sの他端が、容量素子Ｃ１の一端及びインピーダンス変換回路１２５の入力側に接続されている。そして、第２交流定電流発生部１２２₂が発生させた定電流ｉは、容量素子Ｃ１（静電容量Ｃ_r：一定値）に流れる。

【0041】

また、第２交流定電流発生部１２２₂では、インピーダンス変換回路１２５の入力は、容量素子Ｃ１及び抵抗素子Ｒ_Sの他端と接続されている。また、インピーダンス変換回路１２５の出力は、容量素子Ｃ２及び第２整流部１４０₂と接続されている。

【0042】

当該インピーダンス変換回路１２５は、出力インピーダンスを入力インピーダンスに対して低くし、入力電圧ｖ_d,inと出力電圧ｖ_d,out（以下、「出力電圧ｖ_d」とも記す）とが等しくなる増幅率が１の電圧バッファ回路として機能する。

【0043】

第２交流定電流発生部１２２₂のインピーダンス変換回路１２５から出力される出力電圧ｖ_dは、次の（７）式で与えられる。
ｖ_d ＝ｉ／(ωＣ_r） …（７）

【0044】

上記の第１整流部１４０₁は、出力電圧ｖ_nに対して整流処理を行う。整流結果は、第１ＬＰＦ部１５０₁へ出力される。上記の第１ＬＰＦ部１５０₁は、第１整流部１４０₁から出力された整流処理結果に対して平滑化処理を行う。第１ＬＰＦ部１５０₁による平滑処理結果は、次の（８）式で与えられ、除算部１６０へ送られる。
Ｖ_n ＝ｉ／(πωＣ_X） … （８）

【0045】

上記の第２整流部１４０₂は、出力電圧ｖ_dに対して整流処理を行う。整流結果は、第２ＬＰＦ部１５０₂へ出力される。上記の第２ＬＰＦ部１５０₂は、第２整流部１４０₂から出力された整流処理結果に対して平滑化処理を行う。第２ＬＰＦ部１５０₂による平滑処理結果は、次の（９）式で与えられ、除算部１６０へ送られる。
Ｖ_d ＝ｉ／(πωＣ_r） … （９）

【0046】

上記の除算部１６０は、第１ＬＰＦ部１５０₁から送られた処理結果Ｖ_n、及び、第２ＬＰＦ部１５０₂から送られた処理結果Ｖ_dを受ける。引き続き、除算部１６０は、処理結果Ｖ_nを処理結果Ｖ_dで除算する。測定値Ｖ_n，Ｖ_dの除算結果（Ｖ_n／Ｖ_d）は、算出部１７０へ送られる。

【0047】

上記の算出部１７０は、除算部１６０から送られた除算結果（Ｖ_n／Ｖ_d）を受ける。そして、算出部１７０は、当該除算結果に基づいて、測定ギャップｇ（距離）を測定する。除算結果（Ｖ_n／Ｖ_d）は、次の（１０）式で与えれれる。
Ｖ_n／Ｖ_d ＝ [ｉ／(πωＣ_X）] /[ｉ／(πωＣ_r）]
＝Ｃ_r／Ｃ_X … （１０）
ここで、静電容量Ｃ_rは一定値で既知であり、静電容量Ｃ_XはＣ_X＝（ε₀ε_SＡ）／ｇで与えられから、（１０）式は、（１１式）のようにすることができる
Ｖ_n／Ｖ_d ＝ Ｃ_r／[（ε₀ε_SＡ）／ｇ] …（１１）
したがって、測定ギャップｇは、次の（１２）式で与えられる。
ｇ＝（Ｖ_n／Ｖ_d）×［(ε₀ε_SＡ)/Ｃ_r］ …（１２）
値［(ε₀ε_SＡ)/Ｃ_r］は、既知であり、ｇは角周波数ωに依存していない。したがって、本実施形態では（Ｖ_n／Ｖ_d）を測定することで、測定ギャップｇを算出することができる。

【0048】

以上説明したように、本実施形態では、定電圧交流信号生成部１２１を共通にして、定電圧交流信号生成部１２１及び第１交流定電流発生部１２２₁により、第１の交流定電流源回路が形成され、定電圧交流信号生成部１２１及び第２交流定電流発生部１２２₂により、第２の交流定電流源回路が形成される。第１交流定電流発生部１２２₁は、定電圧交流信号生成部１２１が生成した基準交流電圧ｖ_refに基づいて、交流定電流ｉを発生させる。そして、第１整流部１４０₁及び第１ＬＰＦ部１５０₁が、第１電極と測定対象物との間の静電容量体に、当該交流定電流を流したときの当該静電容量体にかかる第１電圧Ｖ_nを出力する。また、第２交流定電流発生部１２２₂は、定電圧交流信号生成部１２１が生成した基準交流電圧ｖ_refに基づいて、交流定電流ｉを発生させる。そして、第２整流部１４０₂及び第２ＬＰＦ部１５０₂が、静電容量が固定の容量素子に、当該交流定電流を流したときの当該静電容量にかかる第２電圧Ｖ_dを出力する。

【0049】

引き続き、除算部１６０が、第１電圧Ｖ_nを第２電圧Ｖ_dで除算する。当該除算演算により、角周波数ωはキャンセルされ、除算結果は角周波数ωに依存しない。次いで、算出部１７０は、当該除算結果に基づいて、測定ギャップｇ（距離）を算出する。算出される測定ギャップｇは、角周波数ωに依存していない。

【0050】

このため、定電圧交流信号生成部１２１の水晶発振回路から送られるクロック出力のジッタの影響を受けなくなる。すなわち、上述した除算演算により角周波数ωがキャンセルされるため、定電圧交流信号生成部１２１が生成する基準交流電圧ｖ_ref（＝ Ａsin(ωｔ)）の角周波数ωや振幅Ａが安定したものでなかったとしても、電極と測定対象物との間の距離を精度良く測定するこができる。
）

【0051】

したがって、本実施形態では、電極と測定対象物との間の距離を精度良く測定することができる。

【0052】

［実施形態の変形］
本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。

【0053】

例えば、上記の実施形態では、容量素子は静電容量を固定にしたが、これに限らず値を精確に知ることができれば可変であってもよい。

【0054】

また、上記の実施形態では、、中心電極を１つとし、ガード電極を１つとした。これに対し、中心電極及びガード電極は他の形状であってもよいし、ガード電極の数が２以上であってもよい。

【0055】

また、上記の実施形態では、第１電圧出力部は第１整流部及び第１ＬＰＦ部を備え、第２電圧出力部は第２整流部及び第２ＬＰＦ部を備えるようにしたが、第１電圧及び第２電圧を出力することができれば、他の構成であってもよい。

【0056】

また、上記の実施形態では、除算部はＡＤコンバータで構成されていてもよい。

【0057】

＜変形例＞
上記の実施形態では、除算部が第１電圧Ｖ_nを第２電圧Ｖ_dで除算し、算出部が除算部による乗算結果に基づいて、測定ギャップを測定した。これに対し、出力電圧（第１電圧）ｖ_nにオフセット電圧ｖ_oが加えられている場合には、次のようにして測定ギャップｇを測定することができる。

【0058】

ここで、オフセット電圧ｖ_oがｖ_o＝Ｋ_o×ｉ／(ωＣ）で与えられるとすると、次の（１３）式の関係が得られる。
（ｖ_n－ｖ_o）/ｖ_d ＝ [ｉ／(ωＣ_X）－Ｋ_o×ｉ／(ωＣ）] /[ｉ／(ωＣ_r）]
＝Ｃ_r／（Ｃ_X－Ｃ） … （１３）
静電容量Ｃ_XはＣ_X＝（ε₀ε_SＡ）／ｇで与えられるから、測定ギャップｇは、次の（１４）式で与えられる。
ｇ＝(ε₀ε_SＡ)[(ｖ_n－ｖ_o)/(ｖ_d×Ｃ_r) ＋Ｋ_o/Ｃ …（１４）

【0059】

（１４）式から、ｇは角周波数ωに依存していない。ε₀，ε_S，Ａ，Ｃ_r，Ｋ_o，Ｃ，ｖ_oは既知であるため、ｖ_n，ｖ_dを測定して得ることで、測定ギャップｇを算出することができる。このように出力電圧ｖ_nにオフセット電圧ｖ_oが加えられている場合には、除算部が第１電圧ｖ_nからオフセット電圧ｖ_oを差し引いた差電圧を第２電圧ｖ_dで除算し、算出部が除算部による乗算結果に基づいて、測定ギャップを測定すればよい。

【0060】

この場合にも、測定ギャップｇの導出に際して、交流定電流ｉ、角周波数ωがキャンセルされるため、定電圧交流信号生成部１２１が生成する基準交流電圧ｖ_ref（＝ Ａsin(ωｔ)）の角周波数ωや振幅Ａが安定したものでなかったとしても、電極と測定対象物との間の距離を精度良く測定するこができる。したがって、電極と測定対象物との間の距離を精度良く測定することができる。

【符号の説明】

【0061】

１００ … 距離測定装置
１１０ … 取付部
１１５ … 電極ヘッド
１２１ … 定電圧交流信号生成部
１２２₁ … 第１交流定電流発生部
１２２₂ … 第２交流定電流発生部
１４０₁ … 第１整流部（第１電圧出力部の一部）
１４０₂ … 第２整流部（第２電圧出力部の一部）
１５０₁ … 第１ＬＰＦ（第１電圧出力部の一部）
１５０₂ … 第２ＬＰＦ（第２電圧出力部の一部）
１６０ … 除算部（測定部の一部）
１７０ … 算出部（測定部の一部）
９００Ａ … 距離測定装置
９００Ｂ … 距離測定装置
９１０ … 交流定電流源
９２０ … インピーダンス変換回路
ＣＶ … 同軸ケーブル
Ｅ１ … 中心電極（第１電極）
Ｅ２ … ガード電極（第２電極）
ＥＬ … 電極
ＥＬ_c … 中心電極
ＥＬ_g … ガード電極
Ｃ１，Ｃ２ … 容量素子
ＷＫ … ワーク（測定対象物）

【図1】

【図2】