JPH04122307U - 静電容量式変位測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 静電容量式センサを使用する変位測定装置に
おいて、信号処理ＩＣと送信電極との間の容量的な結合
を低減することにより、信号処理ＩＣへの雑音の混入を
防止し、測定精度を向上させる。 【構成】 固定要素に対する可動要素の変位に応じた信
号を出力する静電容量式変位センサと、この変位センサ
の出力に基づいて前記変位の量を示すデータを生成する
信号処理回路とを備え、この信号処理回路を前記可動要
素に内蔵した静電容量式変位測定装置において、前記可
動要素を構成する一対の基板の一方に前記信号処理回路
を実装し、且つ他方の基板に前記固定要素との間の容量
を検出する電極群を配列し、さらに両基板間に静電シー
ルド用の部材を介在させる。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は、ディジタルノギス、ディジタルマイクロメータ、ハイトゲージ等の 小型計測器に適した静電容量式変位測定装置、特にそのセンサ構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】

計測値を液晶表示装置等に表示するディジタルノギス、ディジタルマイクロメ ータ、ハイトゲージ等の小型な変位測定装置として、静電容量式の変位センサを 利用するものが有望である。 この変位センサは、複数の送信電極を配列した第一の部材と、複数の受信電極 を配列した第二の部材とをスライド可能に対向させ、前記送信電極と受信電極と の間の容量値から前記第一の部材と前記第二の部材との位置関係を測定できるよ うにしたものである。ディジタルノギスを例にとると、長尺なメインスケールに 複数の受信電極を配列し、これと対向する短寸のスライダに受信電極とはピッチ の異なる複数の送信電極を配列し、複数の送信電極のそれぞれに位相のずれた送 信信号を印加してスライダとメインスケールとの位置関係を測定する。 この変位測定装置にも二種類ある。一つは、基準点からの変位をインクリメン トすることで現在の変位量を計測する相対方式である。他の一つは、現在の変位 量を直接計測できる絶対方式である。両方式には一長一短あるが、例えば、電源 に太陽電池を用いた場合は絶対方式の方が有利になる。つまり、相対方式では暗 部での測定を期待できないが、絶対方式ではスライダを移動させている間は電源 を必要としないため、暗部で対象物を測定しその状態を保持して明部にノギスを 移動すれば、太陽電池から供給される電力で絶対変位量が計測できる。

【０００３】

【考案が解決しようとする課題】

量産される小型な変位測定装置では、位相検出等の処理を行う信号処理回路は ＩＣ化される。この信号処理ＩＣは変位センサの微小出力が直接入力されるため 、極めて高感度に設定されている。ディジタルノギスを例にとると、この信号処 理ＩＣは薄型のスライダに搭載されるため、自らの送信電極から送信した信号が 回り込み、雑音として混入する問題がある。

【０００４】 本考案は、信号処理ＩＣと送信電極との間の容量的な結合を低減することによ り上記雑音の混入を防止し、測定精度を向上させることを目的としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】

上記目的を達成するため本考案は、固定要素に対する可動要素の変位に応じた 信号を出力する静電容量式変位センサと、この変位センサの出力に基づいて前記 変位の量を示すデータを生成する信号処理回路とを備え、この信号処理回路を前 記可動要素に内蔵した静電容量式変位測定装置において、前記可動要素を構成す る一対の基板の一方に前記信号処理回路を実装し、且つ他方の基板に前記固定要 素との間の容量を検出する電極群を配列し、さらに両基板間に静電シールド用の 部材を介在させてなることを特徴とする。

【０００６】

【作用】

可動要素の構成に２枚の基板を対向させて使用する場合、両基板間に容量が形 成されることは不可避である。この容量を低減する一つの方法は、基板間距離を 大きくとることであるが、小型且つ薄型を目指した可動要素では基板間距離は自 ずと制限される。そこで、本考案では両基板間に静電シールド効果のある部材、 例えば導体板を介在させる。この導体板は薄くても充分なシールド効果があるの で、可動要素の厚みを増すことなく、送信電極から信号処理ＩＣへの回り込みを 防止し、測定精度を向上させることができる。

【０００７】

【実施例】

図１は本考案をディジタルノギスに適用した実施例の構造図である。同図(c) は全体図で、２１はスライダ、２２はメインスケールである。スライダ２１はメ インスケール２２に沿って移動する。メインスケール２２にはの上面には長手方 向に多数の電極が配列されており、これと対向する複数の電極がスライダ２１の 下面に配列されている。スライダ２１の上面には測定値を表示するＬＣＤ表示器 ３０が設けられている。

【０００８】 図１の(a) はスライダ２１の組立斜視図、(b) は側面図である。このスライダ は２枚の基板３１，３２を近接して対向させ、固定している。このうち上側の基 板３１は下面に信号処理ＩＣ３３を実装している。下側の基板３２には下面中央 に送信電極列２３が、またその両側には受信電極列２６，２７が配列されている 。尚、この受信電極列２６，２７はメインスケール２２側の受信電極とは異なる 。つまり、後述する例ではスライダ側の受信電極を検出電極と呼んでいるが、こ こではその機能だけに着目し、そのような区別をしないで説明する。 送信電極２３は複数本を一群として位相の異なる送信信号を印加するため、数 本おきに配線３４で共通接続されている。この配線３４は基板３２の上面に形成 されるため、途中はスルーホール３５で接続されている。一方、受信電極列２６ ，２７はスルーホール３６，３７で基板表面のランド３８，３９に接続されてい る。上側の基板３１の下面には、受信電極のランド３６，３７に接続する配線４ ０，４１が形成され、その端部がボンディングワイヤー４２で信号処理ＩＣ３３ の入力端に接続されるようになっている。この信号処理ＩＣ３３の周囲は絶縁物 ４３でモールドされ、湿度や他の外乱からできるだけ内部回路を保護するように してある。

【０００９】 基板３１の下面にはこの他に接地電極４４も形成され、これを導体または誘電 体の静電シールド部材５０の一部に接続する。本例のシールド部材５０は薄型の 導体板であり、これを上下の基板３１，３２間に介在させる。 下側の基板３２には送信電極２３が配列されているため、これに送信信号を印 加すると電界が発生する。この電界にはメインスケール２２方向へ向かう必要成 分と、基板３１，３２間の浮遊容量を通して上側の基板３１へ向かう不要成分と がある。基板３１，３２間の浮遊容量は、送信電極２３、配線３４のパターン、 送信電極２３に入力するディジタル信号に同期した信号が流れる配線パターン（ 図示せず）、および上記２種類の配線パターンに接続されている電子部品（図示 せず）を一方の極とし、且つ、受信電極２６，２７、この受信電極に接続された 配線パターン４０、および前記受信電極と配線パターン４０に接続されている電 子部品とを他方の極として形成される。 本考案ではこの不要電界成分を導体板５０で遮蔽し、送信信号が雑音成分とし て信号処理ＩＣ３３へ入力するのを阻止する。この導体板５０は薄い金属板また は箔でよいので、基板３１，３２間の厚みをなんら増加させるものではない。従 って、小型化、薄型化の妨げにはならない。

【００１０】 図２は本考案を適用する絶対測定用変位測定装置のブロック図である。同図に おいて、１は静電容量式アブソリュートタイプの変位センサ（以下ＡＢＳセンサ と呼ぶ）である。 このＡＢＳセンサ１は、例えば図３に示すように構成されている。可動要素で あるスライダ２１は、固定要素であるメインスケール２２に対し僅かの間隙を介 して対向配置され、測定軸Ｘ方向に移動可能なものとなっている。スライダ２１ には、送信電極２３が所定ピッチＰt0で配設されている。送信電極２３は、メイ ンスケール２２にピッチＰr で配設された第１受信電極２４ａ及び第２受信電極 ２４ｂと容量結合されている。受信電極２４ａ，２４ｂは、その配列方向に沿っ て隣接するピッチＰt1，Ｐt2の第１伝達電極２５ａ及び第２伝達電極２５ｂに１ 対１で夫々接続されている。伝達電極２５ａ，２５ｂは、夫々スケール２１側に 設けられた第１検出電極２６ａ，２６ｂ及び第２検出電極２７ａ，２７ｂと容量 結合されている。

【００１１】 送信電極２３は、７つおきに共通接続されて一群が８電極の複数の電極群を構 成している。これらの電極群には、それぞれ位相が４５°ずつずれた８相の周期 信号ａ，ｂ，…，ｈが駆動信号Ｓｄとして供給されるようになっている。これら の駆動信号Ｓｄは、より具体的には、図４に示すように、高周波パルスでチョッ プされた信号となっており、図２の送信波形発生回路２から生成出力されるよう になっている。 送信電極２３に駆動信号Ｓｄが供給されることにより生ずる電場パターンのピ ッチＷt は、送信電極２３のピッチＰt0の８倍であり、このピッチＷt は、受信 電極２４ａ，２４ｂのピッチＰr のＮ（例えば３）倍に設定されている。したが って、８つの連続する送信電極２３に対しては常に３乃至４つの受信電極２４ａ ，２４ｂが容量結合されることになる。受信電極２４ａ，２４ｂは、三角形状（ 又はsin 波形状）の電極片を相互に挟み合う形で配設してなるものである。各受 信電極２４ａ，２４ｂで受信される信号の位相は、送信電極２３と受信電極２４ ａ，２４ｂとの容量結合面積によって決定されるが、これはスライダ２１とメイ ンスケール２２との相対位置によって変化する。

【００１２】 受信電極２４ａ，２４ｂと伝達電極２５ａ，２５ｂとが同一ピッチで形成され ていれば、検出電極２６ａ，２６ｂ，２７ａ，２７ｂは、単にスケール２１のｘ 方向位置がピッチＰr だけ変化する毎に繰り返される周期信号を検出することに なるが、このＡＢＳセンサ１では、粗い変位量、中間の変位量及び細かい変位量 の３つのレベルの変位量を検出するため、伝達電極２５ａ，２５ｂが、実際には 受信電極２４ａ，２４ｂに対して夫々Ｄ1 ，Ｄ2 だけ偏位するようになっている 。偏位量Ｄ1 ，Ｄ2 は、夫々基準位置ｘ0 からの測定方向の距離ｘの関数で、下 記数１のように表すことができる。

【００１３】

【数１】 Ｄ1(ｘ) ＝（Ｐr −Ｐt1）ｘ／Ｐr Ｄ2(ｘ) ＝（Ｐr −Ｐt2）ｘ／Ｐr

【００１４】 伝達電極２５ａ，２５ｂをこのように受信電極２４ａ，２４ｂに対して偏位さ せ、検出電極２６ａ，２６ｂ，２７ａ，２７ｂをピッチＷr1（＝３Ｐt1），Ｗr2 （＝３Ｐt2）の波形パターンとすることにより、検出電極２６，２７からは、偏 位量Ｄ1(ｘ) ，Ｄ2(ｘ) に応じた大きな周期に検出電極２４ａ，２４ｂ単位の小 さな周期が重畳された検出信号Ｂ1 ，Ｂ2 ，Ｃ1 ，Ｃ2 を得ることができる。図 ５はこの信号Ｂ1 ，Ｂ2 の位相成分を電極間容量として示したものである。信号 Ｂ1 ，Ｂ2 は大きな周期が逆相、小さな周期が同相である。従って両信号の差か ら大きな周期の信号が、また両信号の和から小さな周期の信号が得られる。信号 Ｃ1 ，Ｃ2 についても同様である。ここで、検出信号Ｂ1 ，Ｂ2 の大きな周期が 小さな周期の数十倍、検出信号Ｃ1 ，Ｃ2 の大きな周期が検出信号Ｂ1 ，Ｂ2 の 大きな周期の数十倍になるように電極パターンを設定することにより、下記数２ の演算で各レベルの変位を得ることができる。

【００１５】

【数２】 Ｃ1 −Ｃ2 （粗スケール） Ｂ1 −Ｂ2 （中スケール） （Ｂ1 ＋Ｂ2 ）−（Ｃ1 ＋Ｃ2 ） （密スケール）

【００１６】 これらの演算は、図２の粗スケール復調回路３、中スケール復調回路４及び密 スケール復調回路５で行なわれるようになっている。復調は、具体的には、図４ に示した送信波形のチョップ周波数でのサンプリング、ミキシング、低域ろ波、 ２値化等の処理を経て、エッジに位相情報を担った矩形波の位相信号ＣＭＰを生 成することにより行なわれる。

【００１７】 各スケール復調回路３，４，５から出力される位相信号ＣＭＰＣＯＡ．、ＣＭ ＰＭＥＤ．、ＣＭＰＦＩＮＥは、夫々粗位相検出回路６、中位相検出回路７、密 位相検出回路８に入力されている。これらの位相検出回路６〜８は、図６に示す ように、位相信号ＣＭＰの立ち上がりタイミング（立ち下がりでもよい）でカウ ンタ９のカウント値をラッチするようになっている。カウンタ９は、０°の駆動 信号Ｓｄに同期した基準位相信号ＣＰＯの１周期で０からＮまでをカウントする ので、各位相検出回路６〜８には夫々位相信号ＣＭＰと基準位相信号ＣＰＯとの 位相差に相当するカウント値がラッチされることになる。これらの位相検出回路 ６〜８で夫々ラッチされた計数値は、合成回路１０で重み付けられて合成される 。

【００１８】 合成回路１０には、オフセット記憶部１１に記憶されたオフセット値が供給さ れ、ここで装置の原点とセンサの原点とのずれを演算で調整するようになってい る。このオフセット記憶部１１は、例えばＥＥＰＲＯＭ等の不揮発性メモリから なる。合成回路１０の出力は、演算回路１２において、例えば電極配列ピッチを 実寸法値に変換される。そして、得られた実寸法値は、ＬＣＤ表示器１３に表示 される。そして、これらの各回路には、太陽電池１４で発生しレギュレータ１５ で安定化させた電源電圧ＶＤＤが供給され、この電源供給によって装置が作動す る。

【００１９】 上記の静電容量式変位測定装置において、とくに図３の電極関係を図１と対比 すると次のようになる。まず、スライダ側について言えば、図３の送信電極２３ は図１でもそのままであるが、図３の検出電極２６，２７は図１の受信電極２６ ，２７に相当する。またメインスケール側については、図３の受信電極２４と伝 達電極２５を図１では受信電極と総称した。

【００２０】

【考案の効果】

以上述べたように本考案によれば、静電容量式センサを使用する変位測定装置 において、信号処理ＩＣと送信電極との間の容量的な結合を低減することにより 、信号処理ＩＣへの雑音の混入を防止し、測定精度を向上させるさせることがで きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本考案の一実施例を示す構造図である。

【図２】 本考案を適用する静電容量式変位測定装置の
ブロック図である。

【図３】 ＡＢＳセンサの構成図である。

【図４】 送信信号の波形図である。

【図５】 受信信号の波形図である。

【図６】 図２の動作波形図である。

【符号の説明】

１…静電容量式センサ、２１…スライダ、２２…メイン
スケール、２３…送信電極、３１，３２…基板、３３…
信号処理ＩＣ、５０…静電シールド部材。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 固定要素に対する可動要素の変位に応じ
   た信号を出力する静電容量式変位センサと、この変位セ
   ンサの出力に基づいて前記変位の量を示すデータを生成
   する信号処理回路とを備え、この信号処理回路を前記可
   動要素に内蔵した静電容量式変位測定装置において、前
   記可動要素を構成する一対の基板の一方に前記信号処理
   回路を実装し、且つ他方の基板に前記固定要素との間の
   容量を検出する電極群を配列し、さらに両基板間に静電
   シールド用の部材を介在させてなることを特徴とする静
   電容量式変位測定装置。