间隙传感器以及间隙测量方法与流程

本发明涉及一种间隙传感器及其测量方法，其检测相向的部件表面的间隙，更具体而言检测面状分布的间隙。

背景技术：

在船舶、飞机等组装技术中，在进行外部面板和内部部件的组装时，需要进行相对位置的对准。例如，飞机的主翼具有盒段构造，该盒段构造包含由翼梁和翼肋组成的骨架而构成，其基端部具有用于与机身结合的框构造。在机身形成有容纳主翼的基端部的大致筒状构造的固定部(支架)，将主翼的基端部插入固定部，通过像茶叶筒那样的构造进行结合。机身的固定部构成为通过2个板部件夹住构成主翼的基端部的板部件，基端部的板部件的两面分别与固定部的板部件经由数毫米左右的间隙而相向。另外，各板部件为铝合金、碳纤维等导电性材料。在结合作业中，进行对准调整，使得机身与主翼成为预定的位置关系，然后插入与间隙空间的形状相匹配的垫片进行连结。另外，在将机身分割成前机身、中机身、后机身进行制造后将各机身部分结合构成机体时也是相同的。在日本专利公报特许4832512号以及日本特开2015－79979号中举例表示了关联技术。

技术实现要素：

发明要解决的课题

通过间隙传感器(feelergauge测隙规，thicknessgauge测厚仪)，对由对准后的主翼基板部的板部件和机身固定部的板部件规定的结合位置的间隙进行多点测量，通过取得间隙空间的形状的3维数据来确定垫片的形状。

关于使用静电容传感器的电子式间隙传感器，通常构成长的探针部分，且在其前端侧配置平面状的探测电极。当在探针的两面配置电极时，需要通过保护图案包夹各电极层的两侧，因此整体需要6层的导电层，探针变薄存在界限。近年来在船舶、飞机、汽车等的板材的冲压模具加工中，即使在调整冲模和冲头的间隙(空间)的情况下也需要3维测量间隙，要求测量更小的间隙。

另外，在将主翼与机身进行了结合的状态下能够安装轮子，因此为了能够通过轮子进行移动，需要迅速且正确地执行间隙测量。另外，在船舶、飞机、汽车等的板材的冲压模具加工中，由于在调整冲模和冲头的间隙(空间)的情况下也需要进行间隙空间的3维测量，因此存在相同的课题。

在使用了静电容传感器的电子式间隙传感器中，一般向电极施加矩形波等预定的信号，使电极电压经由缓冲器从而对保护图案进行积极保护。即，如图1(a)所示，探针具备施加探针信号的探测电极de’和使电极的周边以及背面成为与电极相同电位的保护图案g1、g2。对包含电极de’的电极图案e1、e2施加探针信号，检测与测量对象的电容相对应的电流。另外，使检测到的电极de’的电位经由缓冲器，通过电极电位对保护图案g1、g2进行积极保护，使电极周边成为同一电位。积极保护能够抑制在电极与测量对象之间产生的电场以外的电场来提高电容测量的精度。

但是，因为使测量中的电极de’的电位成为保护图案g1或者g2的保护电位，所以无法同时测量被相同的保护图案包围的多个电极。其原因在于，由于各电极信号不同，因此对应的保护信号针对每个电极而不同。

用于解决课题的手段

本发明是着眼于这样的课题而作出的，根据本发明能够提供一种电子式间隙传感器以及间隙测量方法，其取得测量误差小且再现性高的间隙数据。

根据本发明的技术面，一种间隙传感器，其通过静电容测量法，对相互相向的具有导电性的第1部件的表面与具有导电性的第2部件的表面之间的间隙进行检测，所述间隙传感器具备沿主轴方向延伸的探针以及主体，所述探针的基端部与所述主体连接，且在前端侧设置多个电极，所述探针具有层叠了第1导电层、第2导电层以及第3导电层的多层基板构造，所述第1导电层规定所述探针的第1面，排列形成第1电极群，并形成与第1电极群非电气连接的第1保护层，所述第3导电层规定所述探针的第2面，在与所述第1电极群相应的位置排列形成第2电极群，形成与第2电极群非电气连接的第2保护层，所述第2导电层配置在所述第1导电层与第3导电层之间，在与所述第1电极群以及第2电极群相应的位置形成保护电极，形成与保护电极非电气连接的信号图案，信号图案与所述第1电极群以及第2电极群的各电极电气连接。并且，所述主体的控制部：向所述第1保护层、保护电极以及第2保护层施加探查信号，通过所述探查信号，经由所述信号图案对所述第1电极群以及第2电极群的各电极进行电压钳位，通过检测基于电压钳位的钳位电流来测量在各电极位置的间隙。

根据本发明的另一技术面，提供一种间隙测量方法，其通过静电容测量法，对相互相向的具有导电性的第1部件的表面与具有导电性的第2部件的表面之间的间隙进行检测，在探针两面的对应的位置形成多个电极对和保护层，产生探查信号，向所述保护层施加所述探查信号，将所述多个电极对的各电极分别独立地电压钳位为所述探查信号，通过测量所述各电极的钳位电流来检测各电极位置的静电容，基于所述静电容来测量在所述各电极位置的间隙。

附图说明

图1(a)是关联技术所涉及的电极部的导电层的概念图，(b)是本发明所涉及的电极部的导电层的概念图。

图2是表示本实施方式的间隙传感器的俯视图。

图3是表示本实施方式的探针电极部的截面结构的概念图。

图4是控制部控制电路的概念图。

图5是表示间隙传感器进行的间隙测量的原理的概念图。

图6是间隙传感器进行的间隙测量的概念图。

图7是表示其他实施方式的探针电极的概念图。

图8是其他实施方式的传感器主体的仰视图。

具体实施方式

参考表示本发明的优选实施方式的附图来进行说明。

在图2中表示本实施方式的间隙传感器的俯视图。间隙传感器1具备：配置了用于探测间隙的电极的探针2、经由作为探针支承部的连接器20与探针2连接的主体21。主体21包含向探针2的探测电极施加电压和测量位移电流的控制部10。探针2成为在xy面内沿主轴方向(xc)延伸的长长的形状，插入到间隙空间g中来测量间隙，该间隙空间g是在相向的工件等导电性部件的表面s1、s2之间等形成的间隙空间。另外，探针2具备设置有电极部3的柔性印刷基板5，电极部3包含电极对阵列4。柔性印刷基板(fpb)5在图1中是沿主轴x方向延伸的长长的形状且具有三层结构，在长圆形的电极4与成为测量对象的导电材料的表面s1、s2之间施加预定的电位来测量响应电流，基于取得的电容量来取得在电极位置的间隙。另外，在包含电极部3的探针2的表面形成有用于通过磁铁进行吸引的填充膜。

＜探针电极＞

在图1(b)以及图3中表示探针2的电极部3的导电面的结构的概念图。柔性印刷基板(fpc)5具有：规定表面(第1面)p1的保护图案g1(第1导电层c1)、规定背面(第2面)p2的保护图案g2(第3导电层c3)、在2个保护图案之间间隔的信号图案es(第2导电层c2)。信号图案es是独立地与各电极ei电气连接的各电极信号图案esi的集合体。另外，在导电层之间配置未图示的绝缘层。在图1(b)中为了方便，将电极ei设为圆形，但是也可以是椭圆、长圆等任意形状。

参照图3，在电极部3中，在第1导电层c1形成有电极图案e1，在电极图案e1与以环绕周边的方式形成的保护图案g1之间，形成有环状的间隔gp1来作为绝缘体，因此不电气连接。在第3导电层c3中形成有电极图案e2，在电极图案e2与以环绕周边的方式形成的保护图案g2之间形成有环状的间隔gp2因此不电气连接。电极图案e1和电极图案e2在xy面内的相同的位置形成，构成1个电极对。

在第2导电层c2中在与电极对相对应的位置形成保护图案ge，经由通孔gb1、gb2与保护图案g1、g2电气连接。另一方面，电极图案e1经由通孔eb1与第2导电层c2所对应的信号图案es1连接，并且电极图案e2经由通孔eb2与对应的信号图案es2连接。在第2导电层c2中，在通孔eb1、eb2与保护图案ge之间形成有间隙。在电极部3形成多个电极对，且各电极ei经由信号图案esi与对应的电压钳位放大器vcai连接。

另外，保护图案g1、ge、g2在所有的电极{ei：i＝1，2···n}(n为电极4的极数)中是共同的图案。因此，如后所述那样，将所有的电极ei独立地电压钳位为同一探查信号vp，保护图案g1、ge、g2也同时通过探查信号vp驱动，因此全体电极始终为同一电位。由于全部的电极ei以及保护图案在电气方面独立，所以成为虚拟的短路状态而非实际上短路。因此，即使是3层构造也能够高精度地测量静电容。并且，由于将各电极ei独立地进行电压钳位，因此能够同时测量各钳位电流来同时取得电容。另外，在图2的实施方式中，假设8对电极对，即以电极数n＝16来进行说明。

＜等电位驱动控制＞

在图4中表示控制部10的控制电路的概念图。本发明的保护电位以及电极的控制采用独自的等电位驱动法。探查信号产生器sg产生正弦波来作为基准探查信号sp，其振幅由微控制器mc控制。将探查信号sp经由驱动器amp作为保护信号vp施加到保护图案g1、ge、g2。

电压钳位放大器(电压钳位电路)vca1～vca16经由信号图案es1～es16与16极的电极e1～e16独立地连接。各电压钳位放大器vcai将驱动器amp的输出vp作为探查电压进行输入，将电极ei电压钳位为电压vp。由于探查电压vp为正弦波，因而电压钳位放大器vcai为可变电压源。

电压钳位放大器vcai具有作为主钳位放大器opia的差动放大器(运算放大器)，当在同相输入端子(+)输入了探查电压vp时，进行负反馈控制，使得与反相输入端子(－)连接的钳位输出电压vfia始终与探查电压vp相等。另外，在主钳位放大器opia的输出端子与反相输入端子之间连接有用于检测钳位电流isi的电阻器(钳位电流检测电阻)rsia，能够根据电阻器rsia的两端电压来检测对电极ei正在进行电压钳位时的钳位电流(位移电流)。

将电阻器rsia的两端电压δv经由切换开关sw1以及sw2通过差动放大器ina进行放大，能够检测钳位电流iei＝δv/rsia。

构成主钳位放大器opia的差动放大器具有微小的输入电容、偏置电流等，还具有温度特性以及特性的波动。由于探查对象的静电容一般为pf程度以下，因此差动放大器的特性的波动可能成为较大的测量误差。因此，构成为采用特性一致的差动放大器来作为参考钳位放大器opib，对探查电流以外的误差要素进行补偿。

更详细地说，电压钳位放大器vcai具有主钳位放大器opia和参考钳位放大器opib。参考钳位放大器opib具有与主钳位放大器opia相同的外部电路，在同相输入端子(+)输入探查电压vp，进行负反馈控制使得与反相输入端子(－)连接的钳位输出电压vf1b始终与vp相等。与主钳位放大器opia的不同之处仅在于，钳位输出电压vfib不与电极ei连接而是无负载。

在参考钳位放大器opib的输出端子与反相输入端子之间连接用于检测无负载时的钳位电流iri的电阻器(参考电流检测电阻)rsib，根据电阻器rsib的两端电压能够检测在无负载下进行电压钳位时的参考钳位电流iri。参考钳位电流iri反映在作为负载的电极中流过的电流以外的电流成分。另一方面，2个运算放大器的钳位输出电压vfia、vfib在电压钳位时实质上与探查电压vp相等。因此，能够解释为在由主钳位放大器opia检测出的探查电压voia中，除了流过电极ei的纯净的钳位电流isi以外，还附加了由差动放大器引起的偏置电流iri。因此，通过进行主钳位放大器opia与参考钳位放大器opib的输出电压voia、voib的差动运算，能够取得更加纯净的钳位电流iei。

另外，优选构成电压钳位放大器vcai的2个差动放大器opia、opib是将特性一致的运算放大器收纳到1个封装中的双运算放大器。并且，为了保护差动放大器的输入，可以在各同相输入端子与钳位输出端子vfia、vfib之间插入电阻器。

在图4的实施方式中，根据微控制器mc的控制，通过切换开关(模拟开关)sw1以及sw2顺次选择测量对象的电极ei，通过差动放大器(仪表放大器)ina进行输出电压voia、voib的差动运算，由此高精度地检测钳位电流(电流检测回路)。

本发明采用通过同电位独立地驱动各电器元件的独有的等电位驱动法，因而原理上能够同时测量多个电极的钳位电流，在本实施方式中，将1个差动放大器ina与切换开关进行组合，通过时间分割来测量各电极的静电容。通过对全部的电极使用共同的1个处理系统，能够期待稳定的处理，并且能够使主体21紧凑。另外，在本实施方式中，使探针2的电极4为6对共12极，但也能够更加多极化。

＜自适应探查信号的反馈控制和电荷钳位法＞

电极ei是平面电极，在与相向的被测量面之间形成虚拟电容(电容c)，因而如下所述，通过测量静电容能够求出极板间的距离d。

当在电极ei与导电性表面s1、s2之间产生电位差v时，与其相对应地在各自表面产生电荷q＝±cv。在作为电位差施加了交流时，在电极中流过位移电流i＝cδv/δt。在导电性表面，在与电极相同的区域中产生相反极性的电荷，因此若将电极与导电性表面的距离设为d，则存在c＝εs/d的关系(ε为间隙空间的介电常数)。因此，若通过测量位移电流来求出虚拟电容的静电容量，则能够取得距离d＝εs/c。另外，在本实施方式中，如上所述，使用电压钳位来控制电位差v，使其正确地与探查信号vp一致，探查信号通过vp(t)＝asin(2πft)的形式表现。

测量对象的电容c越小，通过施加探查信号而产生的钳位电流的振幅越小，检测的精度下降。因此，在本实施方式中，微控制器mc为了使钳位电流的大小维持在预定值的附近，对探查信号的振幅a进行自适应控制，来提高测量精度。使电流的大小恒定对应于即使电容器的静电电容变化，也使积蓄的电荷(位移电流的积分值)恒定。具体而言，若钳位电流的振幅减小，则微控制器mc进行控制，使得作为等电位驱动的共同电位的探查信号vp的振幅增大，若钳位电流的振幅变大，则微控制器mc进行控制，使得探查信号vp的振幅减小。

并且，优选对探查信号电压vp进行反馈控制，使得与电压的振幅系数a成比例的钳位电流的振幅恒定，由此能够根据自适应探查信号vp的振幅a来求出静电容。这是对为了向虚拟电容器充电预定的电荷而需要的探查信号vp的大小进行反馈控制，是以电极的电压钳位控制以及等电位驱动控制为前提的本发明独有的电荷钳位法，上述虚拟电容器是通过测量对象和电极校正的虚拟电容器。

在电荷钳位法中，在将与已知的校正后的基准静电容c0相对的探查信号电压vp的振幅设为a0时，在与任意的静电容c相对的自适应探查信号电压vp的振幅为a时，c/c0＝a/a0的关系成立。能够通过对探查信号vp进行整流、平滑(积分)而直接取得振幅a的信息。因此，仅通过测量基于反馈控制的自适应探查信号电压vp的振幅a，能够取得静电容c。

在本实施方式中，使探查信号vp为正弦波，但是并不限于此，能够使用任意的波形。此时，能够根据向静电容c充电预定的电荷时的探查信号电压vp的大小来求出静电容。

根据本发明的探针中的电极部的结构、电压钳位控制、等电位驱动控制以及电荷钳位控制，通过与探查信号vp相同的电压始终驱动保护电极以及全部的电极。在电压钳位动作中，正在检测钳位电流的电极的电位可以说被固定为探查信号，因而能够进行高稳定高精度的间隙测量。另外，通过设置多个差动放大器ina，能够同时取得多个电极的钳位电流。

＜间隙测量＞

以下，对本发明的使用间隙传感器的间隙测量方法进行说明。

构成探针2的电极对阵列4的各电极对ei被配置在基板5的表面p1和背面p2的相同位置，并且经由信号线es分别独立地与主体21中内置的控制部10连接。

如图5(a)所示，将探针2插入间隙g，通过各电极对检测各位置的静电容，取得上侧的电极e1与表面s1之间的静电容。接着取得与上侧的电极e1为相同位置的下侧的电极e2与表面s2之间的静电容。若通过这些静电容数据能够取得上侧的电极e1与表面s1之间的距离d1和下侧的电极e2与表面s2之间的距离d2，则能够求出相向的面s1、s2之间的间隙d。通过对全部的电极对依次进行相同的测量，能够取得电极部周边的间隙d的2维分布。将通过间隙传感器1取得的间隙数据经由通信单元31发送到平板pc等控制器30进行数据处理。

电极对4在探针2上离散地配置且具备多个电极对，因此基于电极对的位置以及间隙数据，能够计算邻近的电极对之间的任意的位置的数据。即，通过对邻接的3个电极对4的间隙数据进行补充，能够计算被该电极群包围的区域的任意的位置的间隙数据。因此，通过本实施方式，能够使间隙传感器小型化，能够连续测量较宽的间隙空间来进行3d显示。另外，由于在探针2上沿主轴xc方向设置了刻度28，因而能够容易地确认测量电极ei的位置(深度)r。

虽然假设成为间隙测量的测量对象的部件由铝合金、碳纤维等导电性材料构成，但是即使是在非导电性材料的情况下，若在表面或其附近沿着表面涂布或者覆盖了导电性材料，则能够进行间隙测量。

在间隙测量中，优选电极面与测量面s1、s2平行，如图6(a)所示，也可以使用磁铁25使探针2附着于测量面s1。由于在探针2的表面形成有磁性填充膜，因而通过设置磁铁25使得探针2被吸着在测量面s1侧，从而能够进行稳定的间隙测量。

根据本发明，通过采用独有的电极构造，通过在静电容测量中使用等电位驱动法以及电荷钳位控制，能够准确且再现性良好地测量间隙。另外，本发明的等电位驱动法由于是使探查信号成为共同的电位的方法，因而即使不是本实施例那样的3层基板构造，也能够驱动多个电极和多个保护图案，从而得到相同的效果。

在进行间隙测量时进行间隙传感器1的校正。在校正中使用基准样品，该基准样品由铝平板构成且具有预定的间隙d0。间隙例如为0.5mm、1mm、2mm、3mm。将金属平板与间隙传感器1共同接地。在基准样品的间隙g中插入探针2测量间隙d0来进行校正。在校正中，进行上述基准振幅a0的修正等。

＜其他实施方式＞

图7以及图8表示探针2的其他的实施方式。电极部的构造与图2的实施方式的探针2相同，但是使电极对4a～4e沿着探针2的主轴xc成为2列的交错配置，并具备16极的圆形的电极。探针2经由探针支承部(包含连接器)20被固定在主体21，该探针支承部20具有能够绕y轴方向旋转的旋转轴。在上侧的工件等部件为板部件的情况下，在将主体21设置在板部件的上表面将探针2折叠到底面21b的状态下插入间隙g。探针支承部20根据板部件的厚度自由地上下移动。另外，如图6(b)所示，由于在主体21的底部内置了磁铁25，因而能够利用探针2的填充膜的磁性将探针2吸着在表面s1上。

关于间隙测量，如以上说明的那样，采用电荷钳位控制，即基于探查信号vp在使保护电位以及全部的电极的电位相同后，测量电极对4的上下电极的静电容，从而取得间隙d数据。对全部的电极对4依次执行间隙测量。

在主体底面21b中配置有作为用于测量y方向的移动距离(相对位置)的位置检测传感器的旋转编码器23和用于确认y方向的基准位置的基准位置检测传感器24。在板部件的上表面在y方向上等间隔地配置有由基准位置传感器24进行检测的条形码状的标记，基准位置检测传感器24读取来自标记的反射光来检测基准位置。另外，在本实施方式中，探针2虽然旋转成与主体21的底面21b平行的程度，但是例如相对于在yz面方向上延伸的间隙，若将探针2旋转成与z轴方向平行，则也能够进行间隙计测。

通过将本发明的探针设为三层结构且使各电极的保护共同化，能够薄薄地构成，能够测量更狭窄的间隙。另外，通过使保护电位共同化，能够减少配线的数量，能够在探针配置较多的电极。并且，通过应用等电位驱动控制，将全部的电极以及保护电位驱动为等电位，因此能够进行稳定且再现性高的测量。并且，通过采用电荷钳位法，能够根据探查信号的大小测量静电容。

(美国指定)

本国际专利申请涉及美国指定，对于2017年5月26日申请的日本专利申请第2017－104083号，援用基于美国专利法第119条(a)的优先权的利益，引用该公开内容。