JP2004257974A

JP2004257974A - 静電容量式変位測定器

Info

Publication number: JP2004257974A
Application number: JP2003051421A
Authority: JP
Inventors: Koji Sasaki; 康二佐々木; Yuichi Ichikawa; 雄一市川
Original assignee: Mitutoyo Corp; Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Current assignee: Mitutoyo Corp; Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Priority date: 2003-02-27
Filing date: 2003-02-27
Publication date: 2004-09-16
Anticipated expiration: 2023-02-27
Also published as: JP4054693B2

Abstract

【課題】耐ノイズ性能を向上し、測定精度を向上できる静電容量式変位測定器を提供すること。
【解決手段】静電容量式変位測定器の静電容量式エンコーダ５を構成するステータ５１およびロータ５２は、スピンドル３の外周に配置されている。ステータ５１は本体に固定され、ロータ５２はスピンドル３の軸方向の変位に伴ってスピンドル３の周方向に回転する。ステータ５１は、ロータ５２と対向する面に、送信電極５１１と、送信電極５１１より外周側に設けられた受信電極５１２とを備えている。ロータ５２は、ステータ５１と対向する面に、送信電極５１１および受信電極５１２と静電結合する結合電極５２１を備えている。この構成によれば、ステータ５１上にスピンドル３から遠ざけて受信電極５１２を配置したので、受信電極５１２に対するスピンドル３からの外乱ノイズの影響を低減でき、耐ノイズ性能の向上、測定精度の向上を図ることができる。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スピンドルの軸方向変位から被測定物の寸法等を測定する静電容量式変位測定器に関する。詳しくは、スピンドルの軸方向変位を静電容量式エンコーダにより電気信号として検出し、その検出信号を基に被測定物の寸法等を測定する静電容量式変位測定器に関する。
【０００２】
【背景技術】
従来から、スピンドルの軸方向の変位に伴って二枚のスケールを相対移動させ、これらスケールに配設された電極間の静電容量変化を検出し、この検出信号を基にスピンドルの変位量、すなわち、被測定物の寸法等を測定する変位測定器（例えば特許文献１参照）等が知られている。
【０００３】
特許文献１に記載されているマイクロメータは、静電容量式エンコーダを備えている。図６に示すように、この静電容量式エンコーダ９は、図示しない本体に固定され、スピンドル８の外周に配置されたステータ９１と、ステータ９１と対向するようにスピンドル８の外周に配置され、スピンドル８の軸方向変位に伴って回転するロータ９２とを備えている。
【０００４】
図６および図７に示すように、ステータ９１には、ロータ９２と対向する面に、それぞれ位相のずれた交流電流を受ける複数の送信電極９１１と、これら送信電極９１１の内周側に、送信電極９１１と絶縁された状態で受信電極９１２が設けられている。また、ロータ９２のステータ９１と対向する面には、送信電極９１１および受信電極９１２と静電結合する結合電極９２１が設けられている。
【０００５】
ステータ９１には、フレキシブルプリント基板（以下、ＦＰＣと略）９３が設けられており、ステータ９１上の送信電極９１１および受信電極９１２は、ＦＰＣ９３上に配設された送信電極配線９３１および受信電極配線９３２と接続されている。また、これらの配線は、スピンドル８の変位量に基づいて、被測定物の長さ寸法等を算出する図示しない電気回路に接続されている。
【０００６】
図８に示すように、ステータ９１の受信電極９１２とは反対側面には、受信電極９１２とスルーホールを介して電気的に接続された連結層９１３が設けられている。ＦＰＣ９３のステータ９１と対向する面には、連結層９１３と結合された受信電極配線９３２が設けられている。この受信電極配線９３２は、同一面上に設けられたシールド層９３３を避けるように、ＦＰＣ９３の裏面、すなわち、ステータ９１と対向していない面に配線されたのち、再度ＦＰＣ９３のステータ９１と対向する面に配線され、電気回路へと接続される。従って、受信電極９１２から出力される交流電流である受信信号は、図８中に矢印で示されるように、受信電極９１２から連結層９１３を介して、ステータ９１のＦＰＣ９３に対向する面に設けられた受信電極配線９３２に伝達され、ＦＰＣ９３の裏面を伝わり、さらにＦＰＣ９３のステータに対向する面に伝達されたのち、電気回路に出力される。
【０００７】
このような構成において、スピンドル８が軸方向へ変位すると、これに伴ってロータ９２が回転する。ロータ９２上に配設された結合電極９２１は、ステータ９１上に配設された複数の送信電極９１１および受信電極９１２と静電結合しているので、送信電極９１１に印加されたそれぞれ位相のずれた交流電流は、結合電極９２１を介して受信電極９１２へと流れる。受信電極９１２へと流れた交流電流である受信信号の波形の位相は、その後の過程で、基準信号の波形の位相と比較されてスピンドル８の軸方向の変位量に換算される。そのスピンドル８の変位量、つまり、被測定物の測定部位の長さは、図示しないデジタル表示部に表示される。
【０００８】
【特許文献１】
特公平０３−０７９６４７号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
このような特許文献１のマイクロメータでは、ねじの噛み合いによってスピンドルが本体と結合している構成のため、スピンドルと本体との結合が不十分となりやすい。このため、本来なら放電されてしまう静電気等の外乱ノイズが、スピンドルに帯電することとなる。この場合において、受信電極は、ステータ上のスピンドルに近い内周側に設けられているので、つまり、スピンドルに近接して設けられているので、スピンドルがアンテナとなり外乱ノイズの影響を受けてしまう。ゆえに、誤測定の原因となるという課題がある。
【００１０】
本発明の目的は、耐ノイズ性能を向上し、測定精度を向上できる静電容量式変位測定器を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の静電容量式変位測定器は、本体と、前記本体に軸方向変位自在に設けられたスピンドルと、前記スピンドルの変位量を検出して電気信号に変換する静電容量式エンコーダとを備えた静電容量式変位測定器であって、前記静電容量式エンコーダは、前記本体に固定され、かつ、前記スピンドルの外周に配置されたステータと、前記スピンドルの外周に前記ステータと対向して配置され、前記スピンドルの軸方向の変位に伴って前記スピンドルの周方向に回転するロータとを備え、前記ステータは、前記ロータと対向する面の周方向に沿って等間隔に配置され、それぞれ位相の異なる交流信号が印加される複数の送信電極と、前記送信電極とは絶縁され、前記送信電極より外周側に設けられた受信電極とを備え、前記ロータは、前記ステータと対向する面に、前記送信電極および前記受信電極と静電結合する結合電極を備えたことを特徴とする。
【００１２】
この発明によれば、スピンドルから遠ざけてステータ上に受信電極を設けたので、受信電極へのスピンドルからの外乱ノイズの影響を受けにくくすることができる。従って、耐ノイズ性能の向上を図ることができるため、ミスカウント等による誤測定の防止、ひいては、測定精度の向上が図れる。また、受信電極がステータの外周側に配置されているので、受信電極上に生じる受信信号を伝達する受信電極配線が短くて済む。これにより、受信電極から受信電極配線を介してスピンドルの変位量を算出する電気回路へと伝達される際の電気信号の劣化が抑えられ、この点からも測定精度の向上を図ることができる。
【００１３】
本発明では、前記スピンドルは、前記本体に螺合され、その螺合回転に伴って軸方向へ変位し、前記ロータは、前記スピンドルの軸方向の変位を許容しつつ、前記スピンドルの回転を伝達して前記ロータを回転させる係合部材を備えていることが好ましい。
これによれば、スピンドルが螺合回転に伴って軸方向に変位する場合において、係合部材がスピンドルの螺合回転を伝達してロータを回転させる。従って、スピンドル自体の回転を利用するので、スピンドルの軸方向変位に伴ってロータを回転させるのに、複雑な機構を必要とせず、本体の内部構造を簡素化することができる。
【００１４】
本発明では、前記受信電極は、リング状に形成されていることが好ましい。
これによれば、逆相の送信電極が同じ面積、距離で受信電極と相対するので、送信電極から受信電極に直接に入る送信信号とで互いの影響を打ち消しあう。従って、受信電極に対する送信電極の及ぼす影響を低減することができ、測定精度の向上を図ることができる。
【００１５】
本発明では、前記送信電極は、所定角度ずつ位相のずれた電気信号が印加される複数の送信電極が、前記ステータの中心に対して対称に少なくとも二組以上設けられていることが好ましい。
これによれば、送信電極を一組設けた場合に比べ、さらに高い測定精度を有することとなるので、測定精度を向上することができる。
【００１６】
本発明では、前記ステータには、前記ロータと対向する面とは反対側の面に前記送信電極に電気信号を送信する送信電極配線が設けられ、前記ロータと対向する面と前記送信電極配線が設けられた面との間にシールド層が設けられていることが好ましい。
これによれば、送信電極に電気信号を送信する送信電極配線と受信電極とをシールドするシールド層が設けられているので、受信電極に対する送信電極配線の及ぼす影響を低減させることができ、測定精度を向上することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は本実施形態に係るマイクロメータの正面図が示されている。
図１において、本体１は、断面略Ｕ字型に成形されたフレーム２と、このフレーム２に螺合され螺合回転に伴って軸方向変位自在に設けられた導電性のスピンドル３と、スピンドル３の外端に固定されスピンドル３を軸方向に変位させるシンブル４とを備えている。シンブル４を回転させると、これと一体のスピンドル３が回転しながら軸方向に変位するようになっている。
【００１８】
シンブル４とは反対側のフレーム２端部には、被測定物の測定部位に当接するアンビル２１が設けられている。
フレーム２正面には、被測定物の測定部位の長さ寸法をデジタル表示するデジタル表示部２２と、電源のオン・オフ、原点セット、測定値の保持等を行う複数のスイッチ２３１が配設された操作パネル２３とが設けられている。
フレーム２の内部には、スピンドル３の軸方向変位を検出する静電容量式エンコーダ５と、このエンコーダ５によってスピンドル３の変位量に応じて出力された交流電流をスピンドル３の変位量に換算し被測定物の測定部位の長さ寸法を算出する電気回路６（図５参照）が設けられている。
【００１９】
エンコーダ５は、ステータ５１と、ロータ５２とを備えている。ステータ５１およびロータ５２は、互いに対向するようにスピンドル３の外周に配置されている。ステータ５１は、フレーム２内部にねじ等の取付具５０１によって取り付けられた基台５０に固定されている。ロータ５２は、フレーム２内部の定位置において、スピンドル３の外周に配置された係合部材５３に固定されている。係合部材５３は、スピンドル３に形成されたキー溝３１に係合する係合ピン５３１を備えている。従って、係合部材５３は、スピンドル３の軸方向の変位を許容しつつ、スピンドル３の螺合回転を伝達して、ロータ５２をスピンドル３の軸を中心として回転させる。
【００２０】
図２には、エンコーダ５を構成するステータ５１およびロータ５２の配置が示されている。また、図３には、ステータ５１およびロータ５２の正面図が示されている。
図２および図３に示すように、ステータ５１のロータ５２に対向する面には、スピンドル３に近い方に送信電極５１１と、スピンドル３から遠い方に受信電極５１２とが設けられている。また、ロータ５２のステータ５１に対向する面には、対向するステータ５１の複数の送信電極５１１および受信電極５１２に静電結合する結合電極５２１が設けられている。
【００２１】
ステータ５１は、略ドーナツ状をしており、中心にスピンドル３が挿通する孔５１３が形成されている。送信電極５１１は、複数の電極から構成されている。それぞれの送信電極５１１には、それぞれ位相の異なる交流電流が印加されている。詳述すれば、４５°ずつ位相のずれた交流電流がそれぞれの送信電極５１１には印加される。リング状の受信電極５１２は、送信電極５１１とは絶縁された状態で配置されている。
【００２２】
ステータ５１の送信電極５１１および受信電極５１２は、ＦＰＣ５４に設けられた送信電極配線５４１および受信電極配線５４２に接続されている。４５°ずつ位相のずれた交流電流は、送信電極配線５４１を経て複数の送信電極５１１に出力され、結合電極５２１を介して受信電極５１２に伝達される。受信電極５１２上に発生した交流電流である受信信号は、受信電極配線５４２を経てＦＰＣ５４から電気回路６（図５参照）に出力される。
【００２３】
ロータ５２は、ステータ５１と同様に、略ドーナツ状をしており、中心にスピンドル３が挿通する孔５２３が形成されている。ロータ５２には、結合電極５２１が、ロータ５２の中心から略放射状に一体的に形成されている。結合電極５２１が設けられたロータ５２の面で、結合電極５２１が設けられていない領域は、絶縁領域５２２となっている。
【００２４】
図４は、ステータ５１およびＦＰＣ５４の接続を示す断面図である。
この図において、ステータ５１の送信電極５１１および受信電極５１２が設けられた面の反対側の面には、それぞれの送信電極５１１に位相のずれた交流電流を送信するための送信電極配線５１４が設けられている。この送信電極配線５１４は、ＦＰＣ５４に設けられた送信電極配線５４１と接続されている。また、ステータ５１は、送信電極５１１および受信電極５１２が設けられた基板５１５と、送信電極配線５１４が設けられた基板５１６とを備えており、これら基板５１５、５１６に挟まれてシールド層５１７が形成されている。
ここで、ロータ５２の結合電極５２１を介して受信電極５１２に伝達された交流電流である受信信号は、図４中に矢印で示すように、ＦＰＣ５４に設けられた受信電極配線５４２に伝達され、電気回路６（図５参照）に出力される。
【００２５】
図５には、電気回路６の構成をできるだけ簡略化して示している。電気回路６は、発振器６１と、ＦＰＣ５４の送信電極配線５４１に接続されたパルス変調発生器６２と、ＦＰＣ５４の受信電極配線５４２に接続された積分器６３と、位相比較器６４と、計数回路６５とを備えている。
【００２６】
発振器６１は、所定のクロックパルスを出力するもので、このクロックパルスは、パルス変調発生器６２および計数回路６５に出力される。パルス変調発生器６２では、発振器６１から出力されたクロックパルスに同期して、それぞれ４５°ずつ位相の異なる交流電流を発生する。これらの交流電流は、パルス変調発生器６２に接続されたＦＰＣ５４の送信電極配線５４１を介して、エンコーダ５の送信電極５１１に印加される。
【００２７】
エンコーダ５では、スピンドル３の軸方向の変位に伴ってロータ５２が回転することで、複数の送信電極５１１に印加された位相の異なる複数の交流電流が、結合電極５２１を介して受信電極５１２に伝達される。受信電極５１２上に生じた交流電流は、ＦＰＣ５４の受信電極配線５４２を介して積分器６３に伝達される。
【００２８】
積分器６３は、受信電極５１２上に生じた複数の交流電流を合成して新たな波形の電気信号を生成し、位相比較器６４に出力する。位相比較器６４では、入力された電気信号と基準信号とを比較し、基準位相に対する入力信号の位相のずれを検出し、その検出信号を計数回路６５に出力する。計数回路６５では、入力された検出信号に基づき、発振器６１から出力されるクロックパルスをカウントしてデジタル表示部２２に、スピンドル３の変位量を基にした被測定物の測定部位の長さ寸法を表示する。
【００２９】
従って、本実施形態によれば、スピンドル３からステータ５１の受信電極５１２を遠ざけたので、スピンドル３からの静電気等による外乱ノイズの影響を抑えることができ、耐ノイズ性能が向上する。その結果、ミスカウント等の誤測定を防止でき、測定精度の向上を図ることができる。
【００３０】
また、従来のようにステータ５１の裏面に受信電極配線を引き回す場合に比べ、受信電極５１２上で発生した電気信号をＦＰＣ５４に直接出力することができるので、受信電極５１２で生じた電気信号の劣化を抑えて積分器６３に出力できる。従って、測定精度の向上を図ることができる。
【００３１】
また、係合ピン５３１がスピンドル３のキー溝３１に係合した係合部材５３をロータ５２に設けたので、スピンドル３の螺合回転をロータ５２の回転に利用できる。従って、スピンドル３の軸方向変位を検出するエンコーダ５のロータ５２を回転させるのに、複雑な機構を設けなくて済むので、部品点数の削減を図ることができ、内部構成の簡素化を実現することができる。
【００３２】
また、ステータ５１上に受信電極５１２をリング状に設けたので、逆相の送信電極５１１、例えば０°に対する１８０°の位相角の交流電流が印加された送信電極５１１が、受信電極５１２に対して同じ面積、距離となるように配置されている。従って、電気信号同士の影響が互いに打ち消しあうので、受信電極５１２に及ぼす影響を低減でき、これにより、測定精度の向上を図ることができる。
【００３３】
また、ステータ５１には、同じ位相角の交流電流を印加した送信電極５１１が対角線上に二組設けられている。従って、送信電極を一組設けた場合に比べ、測定精度を向上することができる。
【００３４】
また、ステータ５１には、送信電極５１１および受信電極５１２が設けられた面と、その反対側の面である送信電極配線５１４が設けられた面との間には、シールド層が設けられている。従って、受信電極５１２に対する送信電極配線５１４が及ぼす影響を低減させることができ、測定精度の向上を図ることができる。
【００３５】
なお、本発明は前述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
【００３６】
前記実施形態では、変位測定器としてマイクロメータを用いたが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、本発明の静電容量式エンコーダ５を採用できる形態の変位測定器であれば、マイクロメータ以外のものも本発明に含まれる。例えば、このようなものに、ホールテスト、デプスマイクロメータおよびマイクロメータヘッド等が挙げられる。
【００３７】
前記実施形態では、それぞれの送信電極５１１に送信する交流電流は４５°ずつ位相のずれたものとしたが、本発明は、これに限定されるものではない。すなわち、９０°ずつ位相をずらした交流電流をそれぞれの送信電極５１１に送信してもよいし、９０°以上であっても以下でもよい。なお、位相角度が４５°ずつずらした交流電流を印加すれば、測定精度を向上することができるだけでなく、内部構成の複雑化を抑えることができる。
【００３８】
前記実施形態では、ステータ５１上に、４５°ずつ位相のずれた交流電流が印加された送信電極５１１を二組設けるとしたが、本発明はこれに限らない。すなわち、一組設けたものであってもよい。なお、送信電極５１１を二組設けたステータ５１の方が、測定精度をより向上することができる。
【００３９】
前記実施形態では、ロータ５２は、スピンドル３のキー溝３１に係合する係合ピン５３１を備えた係合部材５３に固定され、この係合部材５３によりスピンドル３の螺合回転をロータ５２の回転に利用しているが、本発明ではこれに限らない。すなわち、スピンドル３の軸方向の変位に伴い、ロータ５２が回転するような構成であれば、ロータ５２の回転機構は他の機構であっても構わない。例えば、スピンドル３が回転しないで軸方向に変位する場合において、スピンドル３の外周面に螺旋溝が形成され、この螺旋溝に係合する部材により、スピンドル３の軸方向の変位をロータ５２の回転に利用するような構成であっても構わない。
【００４０】
前記実施形態では、ステータ５１およびロータ５２は、略ドーナツ状としたが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、本発明の機能を実現できるような構成であれば、略矩形状であっても構わない。
【００４１】
【発明の効果】
本発明によれば、ステータ上にスピンドルから遠ざけて受信電極を配置したので、受信電極に対するスピンドルからの外乱ノイズの影響を低減でき、耐ノイズ性能の向上、ひいては、測定精度の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態にかかるマイクロメータを示す正面図。
【図２】前記実施形態のエンコーダの配置を示す断面図。
【図３】前記実施形態のエンコーダを構成するステータおよびロータを示す正面図。
【図４】前記実施形態のステータとＦＰＣの配置を示す断面図。
【図５】前記実施形態の電気回路を示す模式図。
【図６】従来例のエンコーダの配置を示す断面図。
【図７】従来例のエンコーダを構成するステータおよびロータを示す正面図。
【図８】従来例のステータとＦＰＣの配置を示す断面図。
【符号の説明】
１…本体（変位測定器）
２…フレーム
３…スピンドル
５…静電容量式エンコーダ
５１…ステータ
５２…ロータ
５３…係合部材
５１１…送信電極
５１２…受信電極
５１４…送信電極配線
５１７…シールド層
５２１…結合電極

Claims

本体と、前記本体に軸方向変位自在に設けられたスピンドルと、前記スピンドルの変位量を検出して電気信号に変換する静電容量式エンコーダとを備えた静電容量式変位測定器であって、
前記静電容量式エンコーダは、前記本体に固定され、かつ、前記スピンドルの外周に配置されたステータと、前記スピンドルの外周に前記ステータと対向して配置され、前記スピンドルの軸方向の変位に伴って前記スピンドルの周方向に回転するロータとを備え、
前記ステータは、前記ロータと対向する面に、前記ステータの回転方向に沿って等間隔に配置され、それぞれ位相の異なる交流信号が印加される複数の送信電極と、前記送信電極とは絶縁され、前記送信電極より外周側に設けられた受信電極とを備え、
前記ロータは、前記ステータと対向する面に、前記送信電極および前記受信電極と静電結合する結合電極を備えたことを特徴とする静電容量式変位測定器。
請求項１に記載の静電容量式変位測定器において、
前記スピンドルは、前記本体に螺合され、その螺合回転に伴って軸方向へ変位し、
前記ロータは、前記スピンドルの軸方向の変位を許容しつつ、前記スピンドルの回転を伝達して前記ロータを回転させる係合部材を備えていることを特徴とする静電容量式変位測定器。
請求項１または請求項２に記載の静電容量式変位測定器において、
前記受信電極は、リング状に形成されていることを特徴とする静電容量式変位測定器。
請求項１〜３のいずれかに記載の静電容量式変位測定器において、
前記送信電極は、所定角度ずつ位相のずれた電気信号が印加される複数の送信電極が、前記ステータの中心に対して対称に少なくとも二組以上設けられていることを特徴とする静電容量式変位測定器。
請求項１〜４のいずれかに記載の静電容量式変位測定器において、
前記ステータには、前記ロータと対向する面とは反対側の面に前記送信電極に電気信号を送信する送信電極配線が設けられ、前記ロータと対向する面と前記送信電極配線が設けられた面との間にシールド層が設けられていることを特徴とする静電容量式変位測定器。