JPH0458883B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は容量型位置測定トランスデユーサ、特
に、互いに相対的に移動する一対の移動部材間の
変位量を静電容量の変化から正確に測定すること
のできる改良された容量型位置測定トランスデユ
ーサに関するものである。

［従来の技術］ 電気的な測長器として２枚のスケールを相対移
動させ、両スケールに配列された電極間の静電容
量の変化を用いて前記両スケールの相対移動位置
を測定する電気的測長器が周知であり、三次元測
定器あるいはNC加工機等の大型測長器から携帯
可能なノギス、マイクロメータその他の小型測長
器まで広範囲に利用可能である。

このような測長器に用いられる静電容量型トラ
ンスデユーサはその送信電極に交流信号、好まし
くは複数の位相の異なる交流信号、を供給して対
応する受信電極には電気的な測定回路が接続さ
れ、両電極間の相対移動による静電容量変化を用
いて所定の位置測定が行われている。

従来における容量型位置検出トランスデユーサ
は、周知のごとく、各スケールに設ける電極の分
割数がその精度を定め、従来においては、高分解
能の測長器を得るためには送信電極あるいは受信
電極の少なくともいずれか一方を細密化し、これ
によつて、高精度の測定を可能としていた。

第７図にはこのような高分解能の容量型位置検
出トランスデユーサの従来における一例が示され
ており、装置は近接して互いに相対移動可能に配
置された第１スケールと第２スケールとを有し、
例えばノギス等の測長器にトランスデユーサを組
込む場合、ノギスの本尺に第２スケールを、副尺
に第１スケールを配置する。

そして、両スケールには互いに容量結合する送
信電極と受信電極とがそれぞれ設けられ、両者間
の相対移動時にその静電容量の変化によつて両ス
ケールの相対位置を電気的に検出する。

第７図において、副尺側の第１スケールには第
１送信電極１２が等間隔に複数配列されており、
この第１送信電極には発振器３０から交流信号が
供給されており、実施例においては、この交流信
号は位相変換器３４によつて８相の位相の異なる
信号として各送信電極１２に供給されている。

従つて、第７図においては、各交流信号は互い
に45度の位相差を有し、８個の第１送信電極１２
を１ブロツクとして各位相の異なる交流信号が供
給される。

図において、前記ブロツクに組合わされた第１
送信電極１２群はその群のピツチが送信波長ピツ
チWt₁に示されている。

一方、本尺側の第２スケールには第２受信電極
２２が等間隔に整列配置されており、図におい
て、各第２受信電極２２は前記ブロツク毎に形成
された第１送信電極１２群と対応して配置され、
この結果、第２受信電極２２のピツチPr₂は前記
送信側の送信波長ピツチWt₁と等しいことが理解
される。

従つて、この従来装置によれば、受信側の第１
受信電極ピツチPr₂を８分割した精度で位置検出
を行うことが可能となり、高分解能のトランスデ
ユーサを提供可能である。

もちろん、このような高分解能の装置において
は、トランスデユーサは第２受信電極ピツチPr₂
の範囲内でのみ絶対測定が可能であり、このピツ
チPr₂を超えたときには絶対位置の判別が不能と
なるために、基本的に相対測定に適する装置とい
える。

前記第２受信電極２２には第２送信電極２４が
各電極毎に結合電極２６にて電気的に導通されて
おり、前記第２送信電極２４は第１スケールに前
記第１送信電極１２と並列して配置された第１受
信電極１４と容量結合しており、この結果、位相
変換器３４から第１送信電極１２に供給された信
号は第２受信電極２２との間で容量結合し、次に
第２送信電極２４に電気的に導通された後に、再
び容量結合によつて第１スケールの第１受信電極
１４にて電気的信号として検出される。

前記第１受信電極１４の出力は測定回路３２に
おいて電気的な処理が施される。

［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、前述した第７図の細密分割トラ
ンスデユーサによれば、電極が著しく細密化され
るために、これを正確にスケール上に配置するた
めには極めて高精度の加工技術が必要とされると
いう問題があつた。

通常の場合、前記電極は絶縁基板上に蒸着等に
よつて形成されるが、高分解能の測長器を得るた
めに前記細密分割された電極に頼る場合、その加
工は著しく困難となり、また必然的に装置の価格
上昇を招くという問題があつた。

更に、第７図の従来トランスデユーサによれ
ば、第２スケールに第１スケールに対する傾きが
生じた場合には、電極間の静電容量の値が偏り、
測定誤差を生じさせる原因となるという問題も生
じていた。

本発明は上記従来の課題に鑑みされたものであ
り、その目的は、電極自体の機械的細密分割を必
要とすることのない、高分解能のトランスデユー
サを提供することを目的とする。

［問題点を解決するための手段］ 上記目的を達成するために、本発明は、互いに
相対移動可能に配置された第１スケールと第２ス
ケールとを有し、前記第１スケールには、位相の
異なる複数の交流信号が供給される電極群からな
る第１送信電極と、前記第１送信電極に対して絶
縁された状態で配置され測定回路が接続された第
１受信電極と、が設けられ、前記第２スケールに
は、相対移動方向に沿つて前記第１送信電極と容
量結合可能な位置に対向配置された電極群からな
る第２受信電極と、相対移動方向に沿つて第１受
信電極と対向可能な位置に配置された第１受信電
極と容量結合する第２送信電極と、が設けられ、
第２受信電極と第２送信電極とは互いに結合電極
にて電気的に接続されている。

そして、本発明において特徴的なことは、第２
受信電極が第１送信電極群の長さすなわち、送信
波長ピツチを所定の２以上の整数で分割した等間
隔ピツチの複数の電極からなり、これによつて、
第２受信電極ピツチにおける送信電極群内の送信
電極数分の１の高精度のスケール分解能を達成し
たことにある。

すなわち、本発明によれば、従来のような単一
の受信電極ピツチに対してこれを整数分の１に分
割する細密分割とは異なり、第１送信電極及び第
２受信電極のそれぞれ複数個の群を異なる数ずつ
の群として対向配置させ、両電極数の差をビート
信号として取出し、これによつて、電極自体は加
工の容易な大きなピツチを有して配置されるが、
その分解能自体は前記ビートによつて極めて細か
く設定できることを特徴とする。

更に特徴的なことは、第２送信電極が共通電極
として一体形成されていることであり、これによ
つて電極の細分化が不要となるとともに第２受信
電極からも受信信号を平均化し安定させることが
可能である。

第２図には前述した本発明の原理が示されてい
る。

第２図において、第７図の従来における装置と
同一部材には同一符号を付して説明を省略する。

本発明において特徴的なことは、従来は第１送
信電極１２が第２受信電極２２に対してそれぞれ
複数に分割されていたのに対し、今回は、従来に
おける送信波長ピツチWt₁から１つずつ送信電極
を抽出してその電極を大きく拡大して配置したこ
とを特徴とする。

すなわち、第２図から明らかなごとく、従来に
おける第１の送信波長ピツチWt₁すなわち８個の
電極からなる送信電極群である第１の送信電極ブ
ロツクからは第１の電極のみを取出してこれを符
号１２−１で示されるごとく拡大して第１の第１
送信電極とし、他の電極を除去した。

同様に、第２の送信電極ブロツクからは２番目
の電極１２−２を取出し他を除去し、以下順次１
２−３，１２−４…１２−８で示される第１送信
電極を取出した。

従つて、本発明によれば、送信波長ピツチWt₁
は従来に対して８倍に拡大されたことが理解され
る。

従つて、第２図の原理図から明らかなごとく、
受信側においては受信電極は前記送信電極群の長
さすなわち送信波長ピツチWt₁を所定の整数、こ
の場合には「９」で分割した等間隔ピツチの複数
の電極から形成されることが理解される。

従つて、第２図において、第２受信電極ピツチ
Pr₂は1/9×Wt₁となることが理解される。

そして、この原理図から明らかなごとく、第２
図のそれぞれ取出した第１送信電極１２は９個の
整列配置された第２受信電極２２に対して第７図
のそれぞれの受信電極に対して細密配置された第
１送信電極と同様の関係にあることが理解され
る。すなわち、第２図においても両スケールが相
対移動すれば、第１送信電極１２及び第２受信電
極２２間の相対移動は第７図と全く同様に考える
ことができ、ただ、第２図においては、受信電極
の９枚分にわたつた長さで判断しなければならな
いという相違を有するのみである。

しかしながら、このような相違は単に測長器の
例えばノギスにおいて副尺の横幅が従来より広が
ることのみを意味し、実際上、副尺の横幅は各送
信電極の幅に対して十分に大きいために、装置の
実用化に対して前記特徴は何ら阻害要因となるこ
とはない。

また、第２受信電極２２から出力される信号は
結合電極２６を介して第２送信電極２４に送ら
れ、この信号は、更に第２送信電極２４と容量結
合する第１受信電極１４に向けて送られる。この
第１受信電極１４は一体形成されており、送られ
る信号は合成信号となり測定回路へ送られる。

すなわち、測定回路では、合成信号によつての
測定が可能である。

従つて、第１受信電極１４へ送られる信号は、
第２送信電極２４において既に合成信号となつて
いるものであつても測定上問題はない。従つて、
第２送信電極２４は、第７図の従来例のごとく複
数の電極にて構成し第２受信電極２２と各電極毎
に１対１の接続とする必要はなく、第２図の鎖線
で示すように一体にて形成した共通電極とするこ
とも可能である。

すなわち、第２受信電極２２からの電気的信号
を一端第２受信電極２４にて合成して第２送信電
極１４に送ることも可能である。

本発明はこの原理に基づいてなさたものであ
り、第２送信電極２４は一体形成された共通電極
としている。この一体形成としたことによる効果
は、第２スケールに第１スケールに対する傾きが
生じたような場合に発揮される。

すなわち、第７図の従来例のごとく第２送信電
極２４が第２受信電極２２に対応して個々に分割
されている場合には、静電容量が他の条件が一定
であれば電極間の距離によつて変化するので、距
離が近づいた電極と遠くなつた電極とでは静電容
量値が異なつてくるため、第１送信電極１２から
第２受信電極２２への容量結合の際及び第２送信
電極２４から第１受信電極１４への容量結合の際
に各電極毎の信号の値に大きな偏りが生じ測定誤
差が生じる原因となる。

これに対し第２送信電極２４を一体形成とする
と第２受信電極２２からの信号を一旦合成し、平
均化して第１受信電極１４へ送ることができ信号
の値の偏りを低減することができ、測定誤差の発
生を防ぐことができる。

［実施例］ 以下図面に基づいて本発明の好適な実施例を説
明する。

第１図において、前述した第７図と同一部材に
は同一符号を付して説明を省略する。

図において、第１スケールは符号１０、そして
第２スケールは符号２０にて示され、両者は互い
に例えばノギスの副尺と本尺に組込まれて近接し
て相対移動をする。

従つて、第１スケール１０に設けられた第１送
信電極１２と第２スケール２０に設けられた第２
受信電極２２との間には容量結合が行われること
が理解される。

従つて、前記第１送信電極１２に位相の異なる
複数の交流信号を発振器３０及び位相変換器３４
から供給すれば、この交流信号は電極１２，２２
間の容量値データを保有したまま第２スケール２
０側に伝達されることが理解される。そして、こ
の信号は更に結合電極２６によつて第２スケール
２０の第２送信電極２４に電気的に導通され、再
び第２送信電極２４と第１スケール１０側に設け
られた第１受信電極１４との容量結合によつて第
１スケール１０側に戻され、測定回路３２によつ
て所望の演算処理が施される。

従つて、本実施例によれば、容量測定用のトラ
ンスデユーサを貫通する回路は単一の回路にて形
成され、装置の機械的誤差あるいは電気的な遅れ
時間等の差による誤差が生じる恐れがなく、例え
ば従来において２系列の送受信回路を組合わせる
場合に比較してその安定度が著しく増加すること
が理解される。

本発明における第１の特徴事項は、前述したご
とく、第１送信電極１２と第２受信電極２２との
電極配置であり、本実施例において送信電極１２
は８個の交流信号、すなわち45度位相の異なる信
号をそれぞれ受入れるために８個の電極にて１つ
の群を形成している。

従つてこの一群の長さが送信波長ピツチWt₁を
形成し、また各送信電極間のピツチは図において
Pt₁にて示されている。実施例において、第２受
信電極は前記第１送信電極群の長さすなわち送信
波長ピツチWt₁を所定の整数で分割した等間隔ピ
ツチの複数の電極２２からなり、実施例において
この分割数は「３」に設定されている。

本実施例において、前記送信波長ピツチWt₁を
分割する整数を送信波長ピツチWt₁内の送信電極
１２の数より小さくしたことは、本発明の本質的
な事項ではないが、実際上、スケールの全長にわ
たつて伸びる第２スケール２０の電極ピツチPr₂
をできるだけ大きくし、第２スケールの電極加工
を容易にするためには有用である。

以上の結果、第２受信電極２２は送信波長ピツ
チWt₁内で「１，２，３」の順に配列され、受信
電極ピツチPr₂は 1/3Wt₁ となる。

一方、このような第２受信電極２２の配置に対
して、前述した第１送信電極１２はそのピツチ
Pt₁が 3/8Pr₂ となり、その交流信号の供給順は測定回路３２に
おける処理を容易にするために図示のごとく定め
られる。

すなわち、第２受信電極ピツチPr₂を第１送信
電極数、実施例においては「８」分割したとき
に、各送信電極１２には前記第２受信電極ピツチ
の分割位置に対応する交流信号が供給され、実施
例においては、左から順次「１，４，７，２，
５，８，３，６」なる順番で交流信号の供給が行
われる。このような供給順は本発明において必ず
しも必須ではないが、原理図で示した第２図と異
なり、第１送信電極数よりも第２受信電極数が少
ない場合、その配置は両電極の位相差順に図示の
ごとく配列することが後の検出信号の処理を容易
にするために有用である。

第１図において、第１送信電極のピツチPt₁は 3/8Pr₂ で示される。

以上のようにして、第１図の実施例から明らか
なごとく、本発明によれば、第２受信電極２２を
送信電極波長ピツチWt₁の整数分の１に分割した
等間隔ピツチで配置したので、第２受信電極ピツ
チPr₂の第１送信電極１２群内の送信電極数すな
わち1/8のスケール精度で位置検出を行うことが
可能となる。

第３図には本発明の更に他の送受信電極の組合
わせが示されている。

第３図の実施例において、第１送信電極１２は
第１図と同様に８相の異なる交流信号を受入れ、
その送信波長ピツチはWt₁で示され、また電極ピ
ツチPt₁にて示されている。そして、第２受信電
極２２は、この実施例においては、前記送信波長
ピツチWt₁を「５」にて分割した構成を有し、こ
の結果、受信電極ピツチPr₂は 1/5Wt₁ となる。

この実施例においても、第１送信電極１２の信
号供給順序は第２受信電極ピツチPr₂を送信信号
数である８で分割した位置にて定まり、図におい
て、左から「１，６，３，８，５，２，７，４」
なる順次に設定される。

第３図の実施例において、第１送信電極ピツチ
Pt₁は 5/8Pr₂ に設定されている。

第４図は本発明の更に他の実施例を示し、この
実施例においては第１送信電極１２が非等間隔で
配置されていることを特徴とする。

すなわち、第４図の実施例において、６個の第
１送信電極が一群となつて送信波長ピツチを定め
ているが、この一群内での電極ピツチPt₁は一定
でなく、３個ずつの更に細かいサブブロツクに別
れている。

しかしながら、このような装置においても、第
２受信電極２２側を等間隔で整列配置すれば、本
発明の権利を損うことなく良好な位置検出作用を
行うことができる。

もちろん、このような非等間隔配置において
も、交流信号の供給順は前述したと同様に、受信
電極ピツチPr₂を送信電極数で分割した位置にて
決定され、実施例によれば、「１，３，５，４，
６，２」なる順序が設定される。

本実施例によれば、図示のごとく、第２受信電
極ピツチPr₂は 1/3Wt₁ に選ばれている。

次に、本発明における第２の特徴事項は、第２
送信電極２４を各第２受信電極２２に対応する位
置に一枚の共通電極として一体形成し、第１受信
電極１４の移動軌跡に対向する位置に設けられ、
そして各第２受信電極２２と各結合電極２６にて
電気的に接続されていることである。

第２送信電極２４をこような構成としたことに
より、第２図の原理図にて説明したように、副尺
である第１スケール１０に傾きが生じた場合であ
つても、第２受信電極２２からの信号を一体化し
た第２送信電極２４にて一旦合成信号として平均
化して第１受信電極１４へ送ることができるの
で、スケールの傾きによる静電容量の値の偏りを
緩和することができる。

第５図には前述した本発明にかかるトランスデ
ユーサに接続される測長回路の一例が示され、ま
たその各部波形及びタイミングチヤートが第６図
に示されている。

前述した本発明に係るトランスデユーサは符号
１００にて示されており、その第１送信電極には
複数の位相の異なる交流信号が供給されており、
この交流信号は発振器３０から得られ、この発振
出力f₀は本発明においてさほど高周波である必要
はなく、例えば100〜200KHz程度の比較的低い周
波数とすることができる。

前記発振器３０の出力f₀はトランスデユーサ１
００に対しては更に分周器６０にて分周された信
号として供給されるが、変復調器に対する同期信
号としても用いられており、装置の分解能を定め
るための一つの要因を形成するが、前述したごと
く、本発明においてはこの基本周波数及び次に分
周されて第１送信電極に供給される交流信号の周
波数が低いことから、回路構成を簡略化して安価
な装置によつて十分な分解能が得られるという効
果を有する。

前記分周器６０の出力は更に位相変換器３４に
て所望の８個のそれぞれ45度の位相差を有する交
流信号200−１〜200−８に変換される。従つて、
このような位相の異なる８個の交流信号は例えば
前述した第１図の第１送信電極１２に供給される
ことが好適である。

前述した８個の交流信号は変調器６２におい
て、前記発振器３０の出力f₀で変調され、この信
号200−１〜200−８がトランスデユーサ１００の
各第１送信電極１２へ供給される。

トランスデユーサ１００は前述したごとく、前
記供給された交流信号２０２を第１、第２スケー
ルの相対移動位置に対応した信号レベル変換を行
つた後に第１受信電極から電気的な信号として出
力し、この出力は差動アンプ６４から信号204と
して出力され、第６図のごとくその包絡線が正弦
波曲線を描く信号となることが理解される。

この差動アンプ６４の出力２０４は更に復調器
６６によつて復調され、その出力２０６は両スケ
ールが基準位置にいるときの基準信号300と比し
てφなる位相差を有することが理解され、この位
相差φを求めることによつて、両スケールの相対
位置によつて定まる絶対値を求めることができ
る。

なお、前記復調器６６の出力２０６は図示のご
とく高周波成分を含んでおり、実施例において
は、この高周波成分をフイルタ６８にて除去し高
周波成分が除去された信号208を得ている。

前記信号208は更に零クロス回路７０によつて
波形の零クロス位置が検出されている。

実施例において、前記位相差φをデジタル演算
するために、装置は、カウンタ７２を含み、その
リセツト／スタート信号は、実施例において、変
調器６２、復調器６６のトリガ信号と制御ユニツ
ト８０により同期制御されており、装置の測定開
始を基準信号のトリガとして用い、この時点から
カウンタ７２の計数動作が開始される。カウンタ
７２の計数タイミングは、発振器３０の出力周波
数f₀にて制御されている。

そして、カウンタ７０の計数ストツプは前記零
クロス回路７０からの信号によつて制御されてお
り、第６図の位相φ位置にて、前記零クロス回路
７０はフイルタ６８の出力２０８からストツプ信
号をカウンタ７２へ出力し、前記カウンタ７２の
計数動作がこの時点で終了する。

従つて、前記カウンタ７２の計数値はトランス
デユーサによつて基準信号300がシフトされた位
相差を示すこととなり、前述したごとく、本発明
によれば、この位相差φは測定時における両スケ
ール１０，２０の偏差Ｄ（Ｘ）と対応し、前記カ
ウンタ７２の出力は演算ユニツト７４によつて絶
対値への変換演算が行われる。

そして、制御ユニツト８０にて制御された演算
ユニツト７４の出力は、表示ドライバ７６を介し
て表示器７８に所望の表示信号を供給して、前記
測定値を通常の場合デジタル表示する。

本実施例において、前記表示器７８は、例えば
ノギスの副尺表面に埋め込み固定した液晶表示器
等からなり、これによつて、測長値を使用者が容
易に読取ることができる。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、第１送
信又は第２受信電極の細密化を行うことなく高分
解能の位置測定を可能とし、特に安価で携帯可能
な電池駆動される測長器に対して極めて有用であ
る。

更に、本発明によれば、第２送信電極を一体形
成された共通電極とすることにより電極の細分化
が不要となると共に、各スケールに傾きが生じた
場合でも受信信号を一旦合成し平均化した後、第
１受信電極へ送ることができるので、静電容量の
値の変化による信号値の偏りを緩和することが可
能となる。

これにより、トランスデユーサの測定誤差の発
生を防ぐことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る容量型位置測定トランス
デユーサの好適な第１実施例を示す概略斜視図、
第２図は本発明の原理を示す説明図、第３図は本
発明の他の実施例を示す電極配置図、第４図は本
発明の更に他の実施例を示す電極配置図、第５図
は本発明に係るトランスデユーサから得られた検
出信号を処理するための測定回路の一例を示す回
路図、第６図は第５図の波形及びタイミングチヤ
ートを示す説明図、第７図は従来における細密電
極を用いたトランスデユーサの説明図である。 １０……第１スケール、１２……第１送信電
極、１４……第１受信電極、２０……第２スケー
ル、２２……第２受信電極、２４……第２送信電
極、２６……結合電極、３０……発振器、３２…
…測定回路、３４……位相変換器、Wt₁……送信
波長ピツチ、Pt₁……送信電極ピツチ、Pr₂……受
信電極ピツチ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 近接して互いに相対移動可能に配置された第
   １スケールと第２スケールとを有し、 前記第１スケールには、位相の異なる複数の交
   流信号が供給される複数の電極群からなる第１送
   信電極と、 前記第１送信電極に対して絶縁された状態で配
   置され測定回路が接続された第１受信電極と、が
   設けられ、 前記第２スケールには、相対移動方向に沿つて
   前記第１送信電極と容量結合可能な位置に対向配
   置され、第１送信電極群の送信波長ピツチを所定
   の２以上の整数で分割した等間隔ピツチの、電極
   群からなる第２受信電極と、 相対移動方向に沿つて第１受信電極と対向可能
   な位置に配置され、共通電極として一体形成され
   た電極からなり第１受信電極と容量結合する第２
   送信電極と、が設けられ、 第２受信電極と第２送信電極とは互いに結合電
   極にて電気的に接続され、 第２受信電極ピツチにおける第１送信電極郡内
   の送信電極数分の１のスケール精度を可能とした
   ことを特長とする容量型位置測定トランスデユー
   サ。 ２ 特許請求の範囲１記載のトランスデユーサに
   おいて、第２受信電極は第１送信電極群の送信電
   極ピツチを第１送信電極郡内の送信電極数より少
   ない２以上の整数で分割した等間隔ピツチの複数
   の電極からなることを特徴とする容量型位置測定
   トランスデユーサ。 ３ 特許請求の範囲１，２のいずれかに記載のト
   ランスデユーサにおいて、第１送信電極は非等間
   隔ピツチを有することを特徴とする容量型位置測
   定トランスデユーサ。