JPH0376404B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は静電容量型変位検出器、特に装置移動
体の移動変位を該移動体に連動する移動電極と本
体に固定された固定電極との両電極間の静電容量
変化に基づいて検出する静電容量型変位検出器に
関するものである。

背景技術 従来より測定子の機械的変位或いは移動台の変
位を電気的に変換してその変位量を検出する変位
検出器が周知であり、通常この種の装置は装置本
体に移動可能に設けられた移動体と、該移動体の
移動量を検出し、電気信号パルスに変換出力する
エンコーダと、を含み、エンコーダの出力する電
気信号パルスを計数回路にて計数し、その計数値
をデジタル表示器上にデジタル表示している。と
ころで、この種の装置に用いられるエンコーダと
して従来より光電型エンコーダ、接点型エンコー
ダ、静電型エンコーダ等が周知である。

光電型エンコーダでは、スケール或いは回転円
板の表面に等間隔に設けられたスリツトと、該ス
ケール或いは回転円板のスリツトを介して光路を
形成する発光器及び受光機と、を含み、移動体の
変位量に応じてスケール或いは円板を移動或いは
回転し発受光器間に形成される光路をオンオフ
し、移動体の変位量を検出している。

しかし、この光電型エンコーダでは、発光器の
消費電力が大きく、使用する電池の交換回数が増
加し、また容量の大きな電池を使用した場合には
装置全体が大型となるという欠点があつた。さら
に、測定精度を上げるためには、スケール或いは
回転円板状に数ミクロン間隔でスリツトを設ける
ことが必要となり、その製造が難しくしかも運転
中にクリアランス変化に起因するミスカウントを
生じやすいという問題があつた。

また、接点型エンコーダでは、移動体の変位量
検出にスリツト、ブラシなどを用いるため、これ
らスリツト、ブラシの消耗が激しく、また測定信
号にノイズが混入しやすいという問題があつた。

これに対し、静電型エンコーダでは、光電型エ
ンコーダのように消費電力が大きくなく、接点型
エンコーダのようにブラシ、スリツト等の消耗及
びノイズの混入という問題がないため、近年、移
動体の検出装置に幅広く用いられている。

従来技術 従来、このような変位検出器に用いられる静電
型エンコーダでは、複数対の電極板を対向配置し
てコンデンサを形成し、両電極板を移動体の変位
量に対応して相対移動させ、このときの機械的変
位量をコンデンサの静電容量変化として電気的に
検出していた。

たとえば、メインスケール上に一方の電極板を
等間隔に複数個整列配置し、このメインスケール
と一定間隔をおいて対向配置されたインデツクス
スケール上に他方の電極板を配置し、メインスケ
ール又はインデツクススケールの何れかを移動体
に装着することにより、このとき両電極板により
形成されるコンデンサの容量変化により移動体の
変位量を検出している。

しかし、従来の装置における静電型エンコーダ
では、前記移動電極板からなるコンデンサを用い
分圧回路を形成し、コンデンサの静電容量に応じ
て変化する分圧比を検出して移動体の変位量を検
出していた。このため、従来の装置では、コンデ
ンサを形成する移動電極板の板面間距離が何らか
の原因で変化しコンデンサの静電容量が変化した
場合や、分圧回路に印加する電源電圧が変化した
ような場合には、その分圧出力が移動体の変位量
に応じて正確に対応しなくなり、正確な測定がで
きないという欠点があつた。

本発明の成立過程 上記従来の欠点を解消するために、前記複数対
からなる電極対の一方の電極にそれぞれ異なる位
相の交流電圧を印加し、他方の電極に誘起される
交流信号を検出し、両電極の相対移動に基づいて
変化する出力信号の基準位相に対する位相変化を
検出して前記相対移動量を求める静電容量型変位
検出器が提案されている。

第１図は、この静電容量型変位検出器の電極構
造を示す断面図であり、第２図はこの静電容量型
変位検出器の電極構造を示す展開図であり、第３
図は送信電極に交流信号を印加する結線パターン
の配線状態を示す説明図であり、第６図は第３図
の断面図である。

第１図に示されるように、装置本体側には、ス
テータあるいはスケール板からなる固定板１０が
設けられ、その固定板１０に対して所定間〓をも
つて移動可能な移動板１６が対向配置されてい
る。そして、前記固定板１０の表側面には、第２
図に示されるように、移動板１６の移動方向に沿
つて等間隔に複数の送信電極１２が整列配置され
ており、また、この送信電極１２と一定間隔をお
いて整列方向と平行な方向に沿つて固定板１０の
表側面に帯状の受信電極（第１図において14で示
す）が配置されている。

一方、前記固定板１０に対向配置された移動板
１６は、移動体と連動するロータあるいは可動ス
ケール板に設けられている。この移動板１６は、
前記送信電極１２と受信電極１４にまたがつて対
向配置され、両者を静電結合する結合電極１８と
アース電極２０とが一定間隔をおいて交互に配置
されている。

更に、第３図及び第６図に示されるように、前
記固定板１０の裏側面には、各送信電極１２に対
してそれぞれ位相の異なる交流信号を印加する複
数の電路からなる結線パターン２２が設けられて
いる。そして、この結線パターン２２からは固定
板１０を貫通したリード２４によつて前記送信電
極１２にそれぞれ位相の異なる交流信号が供給さ
れている。

また、第１図に示すように、前記各送信電極１
２からの交流信号は、静電結合によつて結合電極
１８により受信電極１４に誘起される。従つて、
前述したように、前記各送信電極１２に位相の異
なる交流信号を印加した状態で移動板１６を移動
方向に変位させると、受信電極１４から移動板１
６の変位量に応じた出力信号が得られる。そし
て、この出力信号は、第１図に示す積分器１５に
よつて計数が行なわれ、さらに所定の基準位相と
比較することにより、移動体の変位量を正確に測
定することが可能となる。

すなわち、第１図に示されるように、送信電極
１２と結合電極１８とで構成されるコンデンサに
誘起される信号は、互いに共有する結合電極１８
によつて、結合電極１８と受信電極１４とで構成
されるコンデンサに送られる。この場合、受信電
極１２で検出される信号をＳとし、位相をΦj、
送信電極１２と結合電極１８とで構成されるコン
デンサの容量値をCj、交流信号の角周波数をωと
すれば、検出信号Ｓは、次式で表すことができ
る。

Ｓ＝₄ 〓^j=1 Cjcos（ωt＋Φj） なお、結合電極１８と受信電極１４とで構成さ
れるコンデンサは、移動板１６の移動によつても
その容量が不変なため、上記式には表われていな
い。

そして、上式から理解されるように、移動板１
６の変位量に応じてコンデンサの容量値Cjが変化
するため、これにより検出信号Ｓも変化すること
になる。従つて、この検出信号Ｓを求めることに
よつて、移動板１６の変位量を得ることができ
る。

具体的に例を示せば、移動板１６が第３図に示
される送信電極１２−１〜１２−５までの距離
（これを配列周期長という）移動したとすると、
これにより上記信号Ｓは360度位相変化すること
になる。

なお、移動板１４の変位量が送信電極１２の前
記配列周期長を越えると、その変位量を特定でき
なくなるため、積分器１５によつて上記信号Ｓの
周期を計数している。

近年、装置の携帯性及び操作性を図るために、
装置の小型化が要請されており、前述した提案装
置を小型化する場合には、通常、複数の送信電極
のうち、同一位相の交流電圧が印加される送信電
極相互を共通接続する結線パターンが固定板１０
の裏面に配設される。そして、この結線パターン
のパターン電路は各位相ごとに送信電極の配列方
向に沿つて複数平行配設される。

しかしながら、装置の小形化に伴い各電極の電
極面積が小さくなり、極間距離が狭小となる。こ
のため受信電極１４の信号出力電圧が下がり、い
わゆるノイズの混入によるSN比の低下現象が生
じる。

このようなノイズの混入をできるだけ防止する
ために、第３図に示すように、結線パターン２２
は互いに逆位相となる電路が隣接されるように配
置し、一方の電路のノイズを他方の電路のノイズ
で緩和相殺することができる。

しかしながら、受信電極と結線パターンの各電
路との距離が各位相ごとに異なる結果、各パター
ン電路から受信電極に混入するノイズに強弱があ
り、このため前記のごとく逆位相となる電路を隣
接配置しても受信電極へのノイズ混入を完全に阻
止できず、これにより装置の検出精度が悪化する
という問題があつた。

特に、第６図に示すように装置の小型化によつ
て固定板１０を挟む結線パターン２２と受信電極
１４との距離が近くなると、固定板１０の内部を
通つて結線パターン２２から受信電極１４に混入
するノイズＮが増加するという問題があつた。

発明の目的 本発明は前述した従来の課題に鑑み為されたも
のであり、その目的は、装置の小型化を図るとと
もに、結線パターンから固定板内部を通つて受信
電極に混入するノイズを遮断して移動体の変位量
を正確に検出することができる静電容量型変位検
出器を提供することにある。

発明の構成 上記目的を達成するために本発明は、固定板
と、この固定板に対向配置されて所定方向に移動
可能な移動板と、前記固定板の表側面に移動板の
移動方向に沿つて整列配置された複数の送信電極
と、この送信電極と一定間隔をおいて固定板の表
側面に配置された受信電極と、前記移動板に配置
され、前記送信電極と受信電極の両者に静電結合
する結合電極と、前記固定板の裏側面に配線さ
れ、位相の異なる交流信号をそれぞれ所定の送信
電極に供給する結線パターンと、前記固定板の内
部にその表側面及び裏側面と平行に広がつて形成
されたアース層と、を有し、前記結線パターンか
ら固定板内部を通つて受信電極に混入するノイズ
を遮断することを特徴とする。

実施例 以下、本発明の好適な実施例を図面に基づいて
説明する。

第４図は本発明の一実施例を示す固定板断面図
であり、第５図は本発明の他の実施例を示す固定
板断面図である。

本実施例の静電容量型変位検出器の特徴は、第
４図に示すように、固定板１０内部に表側面と裏
側面とに平行にアース層２６を形成したことを特
徴としている。すなわち、固定板１０は３層に積
層されて形成され、具体的には、表側面から電極
基板１０ａ、アース層２６、及び入力基板１０ｂ
のサンドイツチ構造で構成されている。なお、こ
のアース層２６はグランドに接地されている。

そして、この固定板１０に対して、電極基板１
０ａには、送信電極１２と受信電極１４とが配設
され、入力基板１０ｂには送信電極１２に交流信
号を供給する結線パターン２２が形成されてい
る。

この結線パターン２２は、上述した第３図に示
すように、各送信電極１２−１〜１２−８のう
ち、共通位相が与えられる各送信電極に同一位相
（位相差が2nπ（ｎは整数）を含む）の交流信号を
供給するものである。そして、結線パターン２２
の電路と各送信電極１２−１〜１２−８とは、リ
ード２４によつて接続されている。

本実施例の固定板１０は、上記のように構成さ
れているため、第６図に示すように、固定板１０
内部を通つて結線パターン２２から受信電極１４
に混入するノイズＮは、アース層２６で阻止さ
れ、この結果、受信電極１４へノイズを混入させ
ないという効果が得られる。

また、本実施例では、第４図に示すようにアー
ス層２６を固定板１０の全面にわたつて形成させ
ているため、結線パターン２２の電路から固定板
１０の内部を通つて位相の異なる送信電極１２へ
混入するノイズも阻止することができる。

次に、このような固定板１０を有する静電容量
型変位検出器を用いて移動体の変位量を検出する
場合について説明する。第１図及び第２図で示す
ように、移動板１６が固定板１０に対して相対移
動すると、結合電極１８とこの結合電極に対面す
る３枚の送信電極１２とで構成されるコンデンサ
に発生する交流信号の位相が変化する。すなわ
ち、一つの結合電極１８に対して静電結合関係に
ある各送信電極１２からの寄与は、移動板１６の
移動によつて変化する。このため、静電容量型変
位検出器は、変位によつて変位した信号を静電結
合関係にある受信電極１４から検出して、積分器
を介することにより移動板１６の変位量を求める
ことができる。この移動板１６の変位量は、受信
電極１４から出力される信号に基づいているた
め、この受信電極１４に結線パターン２２などか
ら固定板１４内部を通つてノイズが混入すると、
変位量が正確に検出できなくなる恐れがある。し
かし、本実施例の静電容量型変位検出器は、上記
アース層２６によりノイズの混入が阻止できるた
め、移動体の変位を高精度で検出することができ
る。

次に、第５図に示す他の実施例では、上記第４
図の実施例と同様に固定板１０内部の面方向に沿
つてアース層２６が形成されている。

更に、第５図において、上記アース層２６以外
に固定板１０の表側面には、送信電極１２と受信
電極１４との間に隔絶アース電極２８が設けられ
ている。この隔絶アース電極２８は、送信電極１
２から固定板１０の表側面に沿つて受信電極１４
に混入するノイズを阻止するものである。

加えて、第５図の固定板１０の裏面側には、結
線パターン２２の配線方向に沿つた両脇に補助ア
ース電極３０が設けられている。この補助アース
電極３０は、結線パターン２２から固定板１０の
端面の外側を回り込んで受信電極１４に混入する
ノイズを阻止するものである。

このように、隔絶アース電極２８、補助アース
電極３０を適宜設けることにより、前記アース層
２６の効果とあいまつて更に一層の受信電極１４
へのノイズの混入阻止効果が発揮され、移動体の
移動量を極めて高精度にて検出することができ
る。

発明の効果 以上説明したように、本発明によれば、固定板
の表側面と裏側面の間にアース層が設けられたの
で、前記結線パターンの電路から固定板の内部を
通つて受信電極に混入するノイズ経路を遮断する
ことができる。

これによつて、位相変位量の精度のよい検出が
可能な静電容量型変位検出装置を構成することが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明が適用される静電容量型変位検
出器の電極構造を示す説明図、第２図は第１図の
固定板と移動板に設けられた各電極の説明図、第
３図は本発明に係る静電容量型変位検出器の固定
板側に設けられた電極構造を示す説明図、第４図
は第３図のＡ−Ａ断面図、第５図は本発明装置の
固定板に設けた電極構造を示す他の実施例図、第
６図は結線パターンから固定板の内部を通つて受
信電極に混入するノイズを示す説明図である。 １０……固定板、１２……送信電極、１４……
受信電極、１６……移動板、１８……結合電極、
２２……結線パターン、２６……アース層、３０
……補助アース電極。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 固定板と、 この固定板に対向配置されて所定方向に移動可
   能な移動板と、 前記固定板の表側面に移動板の移動方向に沿つ
   て整列配置された複数の送信電極と、 この送信電極と一定間隔をおいて固定板の表側
   面に配置された受信電極と、 前記移動板に配置され、前記送信電極と受信電
   極の両者に静電結合する結合電極と、 前記固定板の裏側面に配線され、位相の異なる
   交流信号をそれぞれ所定の送信電極に供給する結
   線パターンと、 前記固定板の内部にその表側面及び裏側面と平
   行に広がつて形成されたアース層と、 を有し、前記結線パターンから固定板内部を通つ
   て受信電極に混入するノイズを遮断することを特
   徴とする静電容量型変位検出器。