JP2001249001A - 静電容量式変位検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 静電容量式センサにおいて、測長方向以外の
変位が生じた場合に、この変位を検出する。 【解決手段】 対向する２つのスケールに送信電極と受
信電極を形成して静電容量式センサを構成する。本来の
測長方向に変位するセンサ１００の他にこの測長方向と
直交する方向に他のセンサ２００及び３００を配置す
る。測長方向以外に変位した場合、センサ２００及びセ
ンサ３００からの検出信号に基づき変位量を検出する。
変位量としては、測長方向に垂直方向の変位やヨー角、
ピッチ角などを検出することができる。検出した変位量
で本来の測長結果を補正し、測長精度を向上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は静電容量式変位検出
装置、特に対向するスケールの変位を検出する装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】静電容量式変位検出装置（以下、静電容
量式センサという）は、相対移動可能に設けられた２つ
のスケールにそれぞれ送信電極と受信電極が形成され、
スケールの移動に伴って送信電極と受信電極間の容量結
合の大きさが変化することを検出電極で検出するもので
ある。

【０００３】図４には、従来の静電容量式センサの構成
が示されている。対向する二つのスケール１０、１２の
一方のスケール１０には送信電極１０ａ及び検出電極１
０ｂが設けられ、他方のスケール１２には受信電極１２
ａが設けられる。送信電極１０ａは複数の電極が配列し
てアレイ状をなし、これら電極群に所定位相角度ずつ位
相の異なる少なくとも３種類、例えば８種類以上の交流
信号が供給される。対向するスケールが変位すると、受
信電極１２には変位に応じた合成信号が生じ、これを検
出電極１０ｂで検出して出力する。

【０００４】図５には、変位検出システムの全体構成が
示されている。図４に示された静電容量式センサ１から
の検出信号は信号処理部２に供給される。信号処理部２
では、検出された合成信号から２つのスケールの相対的
変位（図４における測長方向の変位）を算出する。な
お、図４に示されるように、送信電極１０ａを挟むよう
に検出電極１０ｂを２個設ける場合、これらは互いに差
動関係を構成し、信号処理部２にてこれらの差動をとる
ことで検出信号に含まれるノイズを除去し検出精度を向
上させることができる。互いに差動関係にあるとは、あ
る信号と他の信号との位相差が１８０度であることを意
味し、信号にノイズが含まれている場合、ノイズは両信
号に等しく混入するから、差動をとることで本来の信号
強度を倍にしつつノイズ成分を除去することができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】このように、静電容量
式センサにおいては、２つのスケールの測長方向におけ
る相対的変位を検出するものであるが、２つのスリット
が測長方向以外に変位した場合、測長方向の検出精度に
影響を与えることになる。

【０００６】図６には、対向する２つのスリットがとり
得る可能な相対変位の方向が模式的に示されている。ス
ケール１０がスケール１２の面に対する垂直方向変位
（スケール１０とスケール１２との間隔が変化する変位
であり、いわゆるエアーギャップ変位と称する）、スケ
ール１０がスケール１２との間隔を維持しつつ測長方向
と直行する方向への変位（垂直変位）、スケール１０が
スケール１２に対して図中Ｘ軸周りの回転（ロール角変
位）、スケール１０がスケール１２に対して図中Ｙ軸周
りの回転（ピッチ角変位）、スケール１０がスケール１
２に対して図中Ｚ軸周りの回転（ヨー角変位）、があ
る。スケール１０がスケール１２に対して測長方向のみ
に変位するようにスケール１０を支持する構成が好適で
あるが、支持部材の精度や長年の使用による摩耗等に起
因して測長方向以外の変位が生じる可能性がある。この
ような場合、本来の測長方向以外の変位、例えば垂直変
位やヨー角変位も考慮に入れて検出しなければ高精度の
測長結果を得ることができない。 本発明は、上記従来
技術の有する課題に鑑みなされたものであり、その目的
は、本来の測長方向以外の変位を確実に検出し、これに
より測長方向の検出精度を向上させることができる装置
を提供することにある。

【０００７】

【課題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、対向するスケールに形成された受信電極
と容量結合する送信電極及び検出電極を有する静電容量
式変位検出装置であって、前記送信電極と検出電極並び
に前記受信電極の組（この組で一つのセンサを構成す
る）は、測長方向と異なる方向に複数設けられ、複数の
組のそれぞれの前記検出電極からの検出信号に基づいて
前記対向するスケール間の相対的位置関係を検出するこ
とを特徴とする。これにより、対向するスケールが測長
方向と異なる方向に変位した場合でも、測長方向と異な
る方向に設けられたセンサでこの変位を検出することが
できる。

【０００８】ここで、前記送信電極と検出電極並びに前
記受信電極の組は、同一面内、すなわち同一スケール内
において前記測長方向と直交する方向に少なくとも２組
設けられ、前記検出電極からの検出信号に基づいて前記
対向するスケール間のヨー角または前記測長方向と直交
する方向の変位の少なくともいずれかを検出することが
好適である。測長方向と直交する方向の変位（垂直変
位）は、測長方向と直交する方向に少なくとも２組設け
られたセンサで検出でき、また、ヨー角は前記２組のセ
ンサと測長方向のセンサとの検出信号の相違に基づいて
検出することができる。

【０００９】また、前記送信電極と検出電極並びに前記
受信電極の組は、異なる面内において少なくとも２組設
けられ、前記検出電極からの検出信号に基づいて前記対
向するスケール間のピッチ角あるいはロール角の少なく
ともいずれかを検出することが好適である。ピッチ角あ
るいはロール角が生じると、異なる平面内に設けられた
２組のセンサの検出信号が変化するから、この検出信号
変化に基づいてピッチ角やロール角を検出することがで
きる。

【００１０】なお、本発明において、ヨー角やピッチ
角、あるいはロール角は図６に示されるように定義され
る。すなわち、本来の測長方向をＸ軸、スケールに平行
な面内でこのＸ軸に直交する方向をＹ軸、Ｘ軸及びＹ軸
に直交する方向をＺ軸とした場合、Ｘ軸周りの回転がロ
ール角、Ｙ軸周りの回転がピッチ角、Ｚ軸周りの回転が
ヨー角である。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、図面に基づき本発明の実施
形態について説明する。

【００１２】図１には、本実施形態に係る静電容量式セ
ンサの構成が示されている。なお、全体構成は図５に示
されたシステム構成図と同様であり、センサ部１から出
力された検出信号を信号処理部２で処理し、測長方向の
変位量を出力する構成である。なお、本実施形態におい
ては、後述するように測長方向の変位のみならず、図６
におけるエアーギャップ変位、垂直変位、ピッチ角変
位、ロール角変位、あるいはヨー角変位も信号処理部２
で検出し、この検出量に基づいて検出した測長方向の変
位量を補正する。

【００１３】図１において、受信電極にはスリット１３
が測長方向とは垂直方向に複数形成され、これにより受
信電極は受信電極１２ａ〜１２ｆと複数に分割されてい
る。一方、受信電極１２ａ〜１２ｆに対向するスケール
１０（スケール１０は図示せず）には、送信電極１０ａ
１、検出電極１０ｂ１、送信電極１０ａ２、検出電極１
０ｂ２が設けられており、送信電極１０ａ１、検出電極
１０ｂ１及びこれに対向する受信電極で１個のセンサ
（センサ１）を構成し、送信電極１０ａ２、検出電極１
０ｂ２及びこれに対向する受信電極で他のセンサ（セン
サ２）を構成している。したがって、図１の構成におい
ては、測長方向と直交する方向に２個の静電容量センサ
が存在することになる。それぞれのセンサの送信電極に
は送信信号が供給され、それぞれのセンサの検出電極か
ら合成信号（検出信号）が出力されて信号処理部２に供
給される。

【００１４】ここで、送信電極及び検出電極が設けられ
たスケール１０が受信電極が設けられたスケール１２の
面に対して垂直方向に変位する（図６におけるエアーギ
ャップ量変位）と、センサ１及びセンサ２からの検出信
号の信号強度がエアーギャップ量に応じて減少する。し
たがって、信号処理部２は、センサ１及びセンサ２から
の検出信号の強度を検出し、この検出信号の強度低下に
基づき２つのスケール１０、１２のエアーギャップ変位
量を算出することができる。

【００１５】なお、センサ１あるいはセンサ２単独の検
出信号の強度に基づいてもエアーギャップ変位量を算出
することは理論上可能であるが、２つのセンサからの検
出信号強度の低下に基づきエアーギャップ変位量を算出
することで、より高精度にエアーギャップ量を算出する
ことができる。エアーギャップ変位量は、例えば予めエ
アーギャップ量と信号強度との関係を測定してテーブル
として記憶しておき、実際の検出信号の強度からテーブ
ルを参照してエアーギャップ量を決定すればよい。

【００１６】また、送信電極と検出電極が設けられてい
るスケール１０がスケール１２に対して図６で示すＺ軸
周りに回転してヨー角変位が生じると、センサ１からの
検出信号とセンサ２からの検出信号にヨー角に応じた相
違が生じるから、信号処理部２は両検出信号の相違に基
づきヨー角を一義的に決定することができる。具体的に
は、ヨー角は、

【数１】ｓｉｎ^-1｛（センサ１検出位置−センサ２検出
位置）／（センサ１−センサ２間距離）｝ により算出することができる。

【００１７】なお、本実施形態ではセンサ１とセンサ２
に独立に送信信号を供給しているが、同一信号を分配し
てセンサ１とセンサ２に供給する構成とすることもでき
る。

【００１８】図２には、他の実施形態に係る静電容量式
センサの構成が示されている。受信電極１２ａが設けら
れ、この受信電極１２ａに対向するように送信電極及び
検出電極が設けられ、これら送信電極、検出電極及び受
信電極１２ａでセンサ１００を構成する。センサ１００
は実質的に図１におけるセンサ１あるいはセンサ２と同
一であり、センサ１００の測長方向は図示したとおりで
ある。一方、受信電極１２ａの配列方向と直交する方向
すなわちセンサ１００の測長方向と直交する方向に受信
電極１２ｂが設けられ、この受信電極１２ｂに対向する
ように、送信電極と検出電極の組が２組設けられ、２つ
のセンサ２００、３００が形成されていいる。受信電極
１２ａの各電極の配列方向と受信電極１２ｂの配列方向
は互いに直交することに着目すべきである。２つのセン
サ２００、３００にとって、測長方向は受信電極１２ｂ
が配列している方向であり、センサ１００の測長方向と
直交する方向である。センサ１００、２００、３００の
送信電極及び検出電極は同一スケール１０上に設けら
れ、受信電極１２ａ、１２ｂは対向するスケール１２上
に設けられる。

【００１９】このような構成において、スケール１０が
スケール１２に対してセンサ１００の測長方向、すなわ
ち本来の変位方向に変位すると、センサ１００からの検
出信号に基づいて信号処理部２は変位量を検出すること
ができる。一方、スケール１０がスケール１２に対しセ
ンサ１００の測長方向と直交する方向に変位した場合、
すなわち図６における垂直変位が生じた場合には、この
変位量はセンサ２００及びセンサ３００の検出信号とし
て出力されるから、信号処理部２はセンサ２００あるい
はセンサ３００の検出信号に基づいて垂直変位量を検出
することができる。なお、垂直変位量を検出する際に
は、センサ２００からの検出信号に基づく値とセンサ３
００からの検出信号に基づく値を平均してもよい。

【００２０】また、スケール１０がスケール１２の面に
対して垂直方向に変位した（エアーギャップ変位）場合
には、センサ１００、２００、及び３００からの検出信
号はエアーギャップ量に応じて減少するため、信号処理
部２はこれらの検出信号の強度を検出することでエアー
ギャップ量を決定することができる。

【００２１】さらに、スケール１０がスケール１２に対
して図６におけるＺ軸周りに回転してヨー角変位が生じ
た場合でも、このヨー角に応じてセンサ１００、２０
０、３００からの検出信号に相違が生ずるから、信号処
理部２はこれらセンサ間の検出信号の相違に基づいてヨ
ー角を算出することができる。具体的には、

【数２】ｓｉｎ^-1｛（センサ２００検出位置−センサ３
００検出位置）／（センサ２００−センサ３００間距
離）｝ により算出することができる。

【００２２】したがって、図２の構成によれば、図６に
おけるエアーギャップ変位量、垂直変位量及びヨー角変
位量を検出することができる。もちろん、信号処理部２
は、これらの変位量を全て検出する必要はなく、エアー
ギャップ変位量、垂直変位量、ヨー角の少なくともいず
れかを検出してもよい。スケール１０の支持部材の構造
に応じて検出すべき変位量を決定することが好適であ
る。

【００２３】図３には、さらに他の実施形態に係る静電
容量式センサの構成が示されている。センサ１００、２
００、３００は図２に示された構成と同一であるが、本
実施形態においては、さらにセンサ１００、２００、３
００のスケール面とは直交するスケールにセンサが設け
られている。すなわち、センサ１００、２００、３００
の送信電極及び検出電極が設けられたスケール１０と直
交するスケールに送信電極及び検出電極が２組設けら
れ、センサ１００、２００、３００の受信電極が設けら
れるスケール１２に直交するスケールに前記２組の送信
電極と検出電極に対向するように受信電極が設けられて
なる２個のセンサ４００、５００がさらに形成され、こ
れらセンサ１００〜５００の検出信号が信号処理部２に
供給される。２重構造の四角柱の内側角柱の２つの側面
に受信電極が形成され、外側角柱の前記２面に対向する
２つの側面にセンサ１００〜３００及びセンサ４００、
５００がそれぞれ形成されると言い換えることもでき
る。センサ１００〜５００の測長方向は図示したとお
り、互いに直交している。

【００２４】このような構成において、センサ１００、
２００、３００からの検出信号に基づき、上述したよう
にエアーギャップ変位量や垂直変位量並びにヨー角を算
出することができるが、本実施形態においては、さらに
センサ４００及び５００からの検出信号に基づき、図６
におけるＹ軸周りの回転に伴う変位、すなわちピッチ角
変位を検出することができる。すなわち、スケール１０
がスケール１２に対して図６におけるＹ軸周りに回転す
ると、センサ４００からの検出信号強度とセンサ５００
からの検出信号強度に相違が生じるから、信号処理部２
はセンサ４００とセンサ５００の検出信号強度に基づい
てピッチ角を一義的に決定することができる。具体的に
は、ピッチ角は、

【数３】ｓｉｎ^-1｛（センサ４００検出位置−センサ５
００検出位置）／（センサ４００−センサ５００間距
離）｝ で算出することができる。

【００２５】本実施形態において、エアーギャップ量、
垂直変位量、ヨー角及びピッチ角を検出する場合につい
て示したが、ロール角も同様に検出することができる。
例えば、図３の構成において、センサ１００、２００、
３００が形成された面とセンサ４００、５００が形成さ
れた面の両面に直交する面にさらにセンサを設けること
で、図６におけるＸ軸周りの回転が生じても、これらセ
ンサ間の信号強度の相違に基づいてロール角を算出する
ことができる。

【００２６】以上、本発明の実施形態について説明した
が、本実施形態で算出した垂直変位量、ヨー角、ピッチ
角、ロール角に基づき、信号処理部２は例えば以下の方
法で本来の測長方向（図３においてセンサ１００の測長
方向）の測長結果を補正することができる。

【００２７】

【数４】（センサ１００検出位置）−（垂直変位分誤差
＋ヨー＋ピッチ＋ロール角変位誤差）

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
本来の測長方向以外の方向に変位が生じても、これらの
変位量を確実に検出し、この変位量を利用して本来の測
長方向の測長結果を補正し、測長精度を向上させること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 実施形態のセンサ構成図である。

【図２】 他の実施形態のセンサ構成図である。

【図３】 さらに他の実施形態の構成図である。

【図４】 従来のセンサ構成図である。

【図５】 静電容量式変位検出装置の全体構成図であ
る。

【図６】 測長方向以外の変位を示す説明図である。

【符号の説明】

１０、１２ スケール、１００〜５００ センサ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ▲高▼橋 哲人 神奈川県川崎市高津区坂戸１丁目20番１号 株式会社ミツトヨ内 (72)発明者 長谷川 年洋 神奈川県川崎市高津区坂戸１丁目20番１号 株式会社ミツトヨ内 Ｆターム(参考） 2F063 AA02 CA40 DA05 DD03 EA02 HA08 KA02 2F077 AA11 CC02 NN05 NN14 PP01 QQ02 VV02

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 対向するスケールに形成された受信電極
   と容量結合する送信電極及び検出電極を有する静電容量
   式変位検出装置であって、 前記送信電極と検出電極並びに前記受信電極の組は、測
   長方向と異なる方向に複数設けられ、 複数の組のそれぞれの前記検出電極からの検出信号に基
   づいて前記対向するスケール間の相対的位置関係を検出
   することを特徴とする静電容量式変位検出装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の装置において、 前記送信電極と検出電極並びに前記受信電極の組は、同
   一面内において前記測長方向と直交する方向に少なくと
   も２組設けられ、 前記検出電極からの検出信号に基づいて前記対向するス
   ケール間のヨー角または前記測長方向と直交する方向の
   変位の少なくともいずれかを検出することを特徴とする
   静電容量式変位検出装置。
3. 【請求項３】 請求項１記載の装置において、 前記送信電極と検出電極並びに前記受信電極の組は、異
   なる面内において少なくとも２組設けられ、 前記検出電極からの検出信号に基づいて前記対向するス
   ケール間のピッチ角あるいはロール角の少なくともいず
   れかを検出することを特徴とする静電容量式変位検出装
   置。