JP2011185882A - 静電容量式エンコーダ及び移動量測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】検出信号にノイズ信号が含まれていても移動量を正確に検出することができ、小型化を図ること。
【解決手段】スケール１とスケールに対向配置されたスライダ２とを備え、スケールとスライダが相対移動自在とされた静電容量式エンコーダ１００において、スケールに備えられ、交流電圧が印加される複数の送信電極１２と、スライダに備えられ、送信電極から静電誘導により電圧が誘起される受信電極２２と、スケールに備えられ、受信電極から静電誘導により電圧が誘起される検出電極１３と、検出電極に誘起される電圧の検出信号に含まれるノイズ信号を除去するノイズ除去手段３と、ノイズ除去手段によりノイズ信号が除去された検出信号と送信電極に印加される電圧の印加信号のズレ量からスケールとスライダの相対移動量を検出する移動量検出手段３と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、静電容量式エンコーダ及び移動量測定装置に関する。

ノギス等の精密測定機器やその他の精密機器のなかには、移動体の移動量を検出するための静電容量式エンコーダが備えられているものがある。
静電容量式エンコーダは、複数の送信電極及び検出電極を有する固定子と、受信電極を有する移動子とを備えており、固定子に対して移動子が移動したときの静電容量の変化を検出電極で検出することで移動子の移動量を検出するものである。
具体的には、複数の送信電極にそれぞれ位相をずらした正弦波状に振幅変調された印加信号を印加すると、静電誘導により受信電極を介して検出電極に検出信号が誘起される。そして、印加信号と検出信号との位相差を検出することにより、固定子に対する移動子の移動量を検出することができる（例えば、特許文献１参照。）。

特開昭６１−２３５７２１号公報

ところで、近年、各機器には、小型化が求められており、静電容量式エンコーダについてもより小型化することが望まれている。静電容量式エンコーダを小型化するためには、各電極の隙間を極力小さくし、デッドスペースを減らすことが必要である。
しかし、送信電極と検出電極の間隔が小さくなると、送信電極に電圧信号を印加した際に、その印加信号の一部が検出電極に誘起され、検出電極に検出されてしまうことがある。
この場合、実際に検出される検出信号は、ノイズ信号と受信電極から誘起される検出信号とを含んだものとなるため、移動量を正確に検出することができないという問題があった。特に、この問題は、Ｓ／Ｎ比が小さくなるほど、ノイズの影響が無視できなくなるので、顕著に現れる。

そこで、本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、検出信号にノイズ信号が含まれていても移動量を正確に検出することができ、小型化を図ることができる静電容量式エンコーダ及び移動量測定装置を提供することを目的とする。

本発明は、スケールと前記スケールに対向配置されたスライダとを備え、前記スケールと前記スライダが相対移動自在とされた静電容量式エンコーダにおいて、
前記スケールに備えられ、交流電圧が印加される複数の送信電極と、
前記スライダに備えられ、前記送信電極から静電誘導により電圧が誘起される受信電極と、
前記スケールに備えられ、前記受信電極から静電誘導により電圧が誘起される検出電極と、
前記検出電極に誘起される電圧の検出信号に含まれるノイズ信号を除去するノイズ除去手段と、
前記ノイズ除去手段によりノイズ信号が除去された検出信号と前記送信電極に印加される電圧の印加信号のズレ量から前記スケールと前記スライダの相対移動量を検出する移動量検出手段と、
を備えることを特徴とする。

また、本発明は、上記の発明において、
ノイズ信号を記憶する記憶手段を備え、
前記ノイズ除去手段は、前記検出電極に誘起される電圧の検出信号から前記記憶手段に記憶されたノイズ信号を差し引くことを特徴とする。

また、本発明は、上記の発明において、
前記ノイズ信号は、前記受信電極と前記送信電極との間で静電誘導が発生しないように離隔した状態において、前記検出電極に誘起される電圧の信号であることを特徴とする。

また、本発明は、上記の発明において、
前記送信電極に印加される電圧の印加信号は、互いに位相の異なる正弦波状に振幅変調された信号であることを特徴とする。

また、本発明は、上記の発明において、
ノイズ信号が除去された検出信号と前記送信電極に印加される電圧の印加信号のズレ量は両信号の位相差であり、
前記移動量検出手段は、この位相差から前記スケールと前記スライダの相対移動量を検出することを特徴とする。

また、本発明は、移動量測定装置であって、
上記の静電容量式エンコーダを備えることを特徴とする。

本発明によれば、ノイズ除去手段は、検出電極に誘起される電圧の検出信号に含まれるノイズ信号を除去し、移動量検出手段は、ノイズ除去手段によりノイズ信号が除去された検出信号と送信電極に印加される電圧の印加信号のズレ量からスケールとスライダの相対移動量を検出する。
これにより、検出信号にノイズ信号が含まれていてもノイズ除去手段が検出信号からノイズ信号を除去するので、移動量を正確に検出することができ、静電容量式エンコーダの小型化を図ることができる。

（ａ）は静電容量式エンコーダのスケールの概略平面図、（ｂ）は静電容量式エンコーダのスライダの概略平面図。 静電容量式エンコーダと制御回路との間の信号のやりとりを示すブロック図。 印加信号と真の検出信号の波形を示す図。 ノイズ信号の波形を示す図。 ノイズ信号を含んだ検出信号と印加信号の波形を示す図。 Ｓ／Ｎ比と検出誤差との関係を示す図。 レンズ鏡胴の内部の斜視図。 レンズ鏡胴の平面図。 スムーズインパクト駆動機構の原理を説明する模式図。 スムーズインパクト駆動機構において、圧電素子に入力される電圧波形とレンズ枠の変位との関係を示す図。

以下、本発明に係る静電容量式エンコーダ及び移動量測定装置の実施形態について図面を参照しながら説明する。

＜静電容量式エンコーダの構成＞
図１、図２に示すように、静電容量式エンコーダ１００は、スケール１と、スライダ２と、制御回路３と、記憶部４とを備えている。
スケール１とスライダ２は、互いの面が対向するように配置されている。スライダ２は、スケール１に対して相対移動自在に設けられている。

（スケール）
図１（ａ）に示すように、スケール１は、固定子として機能し、基板１１と、送信電極１２と、検出電極１３とを備えている。
基板１１は、長方形の板状に形成されており、送信電極１２と検出電極１３が取り付けられる。
送信電極１２は、基板１１の一方の表面に設けられている。送信電極１２は、一方向に長尺な平面視長方形状に形成されている。送信電極１２は、基板１１に複数（本実施形態においては８個）設けられており、各送信電極１２は、等間隔に並んで配置されている。
送信電極１２は、電圧印加回路５に接続されており、電圧印加回路５から交流電圧が印加される。ここで、電圧印加回路５から送信電極１２に印加される電圧の印加信号は、互いに位相の異なる正弦波状に振幅変調された信号である。
送信電極１２に印加される印加信号は、制御回路３にも送信され、スケール１とスライダ２の相対移動量の算出に用いられる。各送信電極１２には、隣接する送信電極１２に対して位相が４５°ずれた印加信号が与えられることとなる。

検出電極１３は、基板１１における送信電極１２と同じ側の面に設けられている。検出電極１３は、一方向に長尺な平面視長方形状に形成されている。検出電極１３は、長手方向が送信電極１２の並び方向に沿うように配置されている。すなわち、送信電極１２の長手方向と検出電極１３の長手方向が直交するようにそれぞれが基板１１に配置されている。
検出電極１３の長手方向の長さは、並べられた８個の送信電極１２のうち、一端に配置された送信電極１２の側縁から他端に配置された送信電極１２の側縁までの長さと等しくなるように形成されている。
検出電極１３は、それぞれの送信電極１２の一端から一定の距離をあけて配置されている。
検出電極１３は、後述する受信電極２２から静電誘導により電圧が誘起される。この誘起された電圧信号は、検出信号として制御回路３に出力され、基板１１と基板２１の相対移動量、すなわち、スケール１とスライダ２の相対移動量の算出に用いられる。

（スライダ）
図１（ｂ）に示すように、スライダ２は、移動子として機能し、基板２１と、受信電極２２とを備えている。
基板２１は、基板１１に対向するように配置され、基板１１に対して相対移動自在に配置されている。
基板２１は、長方形の板状に形成されており、受信電極２２が取り付けられる。
受信電極２２は、基板２１における基板１１との対向面に設けられている。受信電極２２は、送信電極１２に対向する領域と検出電極１３に対向する領域とにわたって設けられている。すなわち、受信電極２２のうち、送信電極１２に対向する送信電極対向部２２ａにおいては送信電極１２からの静電誘導により電圧が誘起され、検出電極１３に対向する検出電極対向部２２ｂにおいては、静電誘導により検出電極１３に電圧を誘起させる。
受信電極対向部２２ａと検出電極対向部２２ｂは、電気的に接続されており、受信電極対向部２２ａで誘起された電圧は、検出電極対向部２２ｂにも作用し、検出電極対向部２２ｂからの静電誘導により検出電極１３に検出信号を出力させることができる。
受信電極２２は、一枚の板状の電極に切欠部２２ｃを形成したものであり、この切欠部２２ｃを境として受信電極対向部２２ａと検出電極対向部２２ｂが形成されている。

（制御回路）
図２に示すように、制御回路３は、電圧印加回路５から送信電極１２への通電制御や、スケール１とスライダ２の相対移動量検出の際の演算等を行う。
具体的には、制御回路３は、検出電極１２に誘起される電圧の検出信号から、その検出信号に含まれるノイズ信号を除去する。すなわち、制御回路３は、ノイズ除去手段として機能する。ここで、検出電極１３に誘起される電圧の検出信号から記憶部４に記憶されたノイズ信号を差し引くことで、検出信号からノイズ信号を除去することができる。これにより、ノイズ信号を含まない真の検出信号を求めることができる。
また、制御回路３は、ノイズ信号が除去された検出信号と送信電極１２に印加される電圧の印加信号のズレ量（位相差）からスケール１とスライダ２の相対移動量を検出する。すなわち、制御回路３は、移動量検出手段として機能する。
ここで、制御回路３による移動量の検出は、ノイズ信号が除去された検出信号と送信電極１２に印加される電圧の印加信号の位相差からスケール１とスライダ２の相対移動量を検出する。

（記憶部）
図２に示すように、記憶部４は、ノイズ信号を記憶する。すなわち、記憶部４は、記憶手段として機能する。ノイズ信号は、予め検出したものを記憶部４に記憶させておく。
ここで、ノイズ信号の検出方法について説明すると、まず、スライダ２をスケール１から外す、又は、スライダ２の受信電極２２がスケール１の送信電極１２と対向しない位置までスライダ２を移動させる。言い換えると、受信電極２２と送信電極１２との間で静電誘導が発生しない位置までスライダ２を移動させ、受信電極２２と送信電極１２を離隔した位置に配置する。
そして、この状態で検出電極１３における検出信号を検出する。受信電極２２と送信電極１２とが静電誘導の発生しない位置まで引き離されていれば、本来検出信号は検出されないはずである。しかし、検出信号が検出されるということはその検出された信号が送信電極１２から検出電極１３に誘起された電圧信号、すなわち印加信号の漏れであるため、移動量検出に悪影響（誤差の発生）を及ぼすノイズ信号であると確認できる。この検出信号をノイズ信号として記憶部４に記憶させる。

＜静電容量式エンコーダの移動量検出の原理＞
上記の静電容量式エンコーダ１００による移動量検出の原理について説明する。
制御回路３による電圧印加回路５の制御により、送信電極１２に交流電圧を印加すると、送信電極１２に対向する受信電極２２の受信電極対向部２２ａには静電誘導により電圧が誘起される。
受信電極２２の受信電極対向部２２ａに電圧が誘起されると、検出電極対向部２２ｂにも電圧が誘起される。
検出電極対向部２２ｂに電圧が誘起されると、検出電極対向部２２ｂに対向する検出電極１３には静電誘導により電圧が誘起される。
ここで、検出電極１３において誘起された電圧の検出信号には、送信電極１２から検出電極１３に静電誘導により誘起された電圧のノイズ信号が含まれているため、制御回路３は、記憶部４に記憶されたノイズ信号を読み出し、検出信号からノイズ信号の成分を差し引く。これにより、ノイズ信号を除去した真の検出信号が得られる。

具体例を挙げて説明すると、図３に示すように、スライダ２を所定量移動させたときの位相のズレが７２°であるとする。検出電極１３にノイズが誘起されなければ、図３に示すように、印加信号（図３の実線で表示）と同じ波長、振幅の正弦波が７２°ずれた状態で検出信号（図３の破線で表示）として出力されるはずである。
しかし、静電容量式エンコーダ１００の小型化により、送信電極１２と検出電極１３の間隔が小さくなって、送信電極１２に印加される電圧が検出電極１３に誘起されると、その誘起された電圧が図４に示すようなノイズ信号として真の検出信号に合成される。
すると、図５に示すように、実際に検出される検出信号は位相も振幅も真の検出信号とは大きく異なることとなる。これにより、位相のズレ量も異なってくるので、スライダ２の移動量の測定にも誤差が生じてしまう。

そこで、予め記憶部４に図４に示すようなノイズ信号を記憶させておき、図５に示す検出信号から図４に示すノイズ信号を差し引くことで、図３に示すような真の検出信号が得られる。
なお、記憶部４に記憶されるノイズ信号は、送信電極１２と受信電極２２とが静電誘導を起こさないように十分に離隔させた状態にしておいて、検出電極１３により検出された検出信号をノイズ信号としている。そのため、純粋にノイズ信号だけを検出することができるので、ノイズ信号を差し引いて得られる検出信号は信頼できる。

そして、制御回路３は、ノイズ信号を除去した真の検出信号と印加信号の位相差からスケール１に対するスライダ２の移動量を検出する。これにより、スライダ２の移動量を正しく検出することができる。
図６は、スライダ２が５ｍｍ移動すると検出信号の位相が３６０°ずれる場合のＳ／Ｎ比と誤差との関係を示したグラフである。
図６に示すように、Ｓ／Ｎ比が小さくなるにつれて、誤差による影響が大きくなるので、ノイズは無視できないが、制御回路３は、検出信号から予め発生するノイズ信号を差し引いてスライダ２の移動量を求めることができるので、Ｓ／Ｎ比に関係なく、正し移動量を検出することができる。

＜移動量測定装置の構成＞
次に、上記の静電容量式エンコーダ１００を備えたレンズ鏡胴について説明する。レンズ鏡胴は、カメラのレンズを保持するものであるが、焦点を合わせる際にレンズの移動量を測定する必要があり、この移動量の測定に静電容量式エンコーダ１００が用いられている。すなわち、レンズ鏡胴は、移動量測定装置としての機能も有している。

（主胴、レンズ枠）
図７、図８に示すように、レンズ鏡胴２００は、主胴７１と、レンズ枠７２と、駆動機構７３と、静電容量式エンコーダ１００とを備えている。
主胴７１は、レンズ枠７２、駆動機構７３、静電容量式エンコーダ１００が収納されるケース体である。主胴７１には、１群のレンズと４群のレンズが嵌め込まれ、固定されている。
レンズ枠７２は、二つ設けられ、一方が２群のレンズを支持し、他方が３群のレンズを支持する。各レンズ枠７２は、一端が駆動機構７３に支持され、他端が主胴７１に設けられたガイド７５に移動自在に支持されている。
二つのレンズ枠７２は並んで配置され、駆動機構７３により並設方向に沿って往復移動自在とされている。駆動機構７３により二つのレンズ枠７２間の距離を変えることで、光学ズームをワイドからテレまで調節することができる。

駆動機構７３は、レンズ枠７２をその並び方向に沿って移動させる。駆動機構７３は、スムーズインパクト駆動機構により構成されている。スムーズインパクト駆動機構は、圧電素子の体積変化と移動体（移動させる対象であり、本実施形態においてはレンズ枠）の慣性と摩擦力を利用したアクチュエータである。
駆動機構７３は、それぞれのレンズ枠７２毎に設けられている。
図７から図９に示すように、駆動機構７３は、固定部材８０と、複数の圧電素子８１と、駆動摩擦部材８２とを備えている。
固定部材８０は、主胴７１に固定されている。固定部材８０には、複数の圧電素子８１を積層した圧電素子層が取り付けられている。
圧電素子８１は、レンズ枠７２を移動させる方向に沿って複数積層されており、積層された圧電素子層の一端が固定部材８０に取り付けられ、他端に駆動摩擦部材８２が取り付けられている。駆動摩擦部材８２には、レンズ枠７２が摩擦保持されるように取り付けられている。

圧電素子８１は、図１０に示すような略鋸歯状の波形を有する電圧信号を入力することにより、圧電素子８１を急激に膨張及び収縮させたり、ゆっくりと膨張及び収縮させたりすることができる。
図９（ａ）に示す状態において、図１０に示すような波形の電圧信号を圧電素子８１に入力すると、圧電素子８１に入力される電圧は時間とともに増加していくので、圧電素子８１は膨張する。このとき、入力される電圧は比較的緩やかに増加するため、圧電素子８１をゆっくりと膨張させることができる。これにより、駆動摩擦部材８２もゆっくりと軸方向（レンズ枠７２の移動方向Ａ）に移動する。
図９（ｂ）に示すように、駆動摩擦部材８２がゆっくり移動すると、駆動摩擦部材８２に摩擦保持されているレンズ枠７２も駆動摩擦部材８２とともに移動する。
しばらくすると、圧電素子８１に入力される電圧は減少するので、圧電素子８１は収縮する。このとき、入力される電圧は比較的急激に減少するため、圧電素子８１を急速に収縮させることができる。これにより、駆動摩擦部材８２も急速に軸方向（レンズ枠７２の移動方向Ｂ）に移動する。
図９（ｃ）に示すように、駆動摩擦部材８２が急速に移動すると、レンズ枠７２がその位置に留まろうとする慣性力がレンズ枠７２と駆動摩擦部材８２との間の摩擦力よりも大きくなるので、駆動摩擦部材８２だけが移動し、レンズ枠７２は同じ位置に留まる。
このように、図１０に示すような略鋸歯状の波形を有する電圧信号を繰り返し圧電素子８１に入力することで、レンズ枠７２をＡ方向に移動させることができる。
なお、上記とは逆に、入力する電圧を急激に増加させ、ゆっくり減少させることで、レンズ枠７２を逆方向Ｂに移動させることができる。
従って、圧電素子８１に入力する電圧信号の波形を変えるだけで、レンズ枠７２の移動制御を行うことができる。

図８に示すように、静電容量式エンコーダ１００は、固定子となるスケール１を主胴７１の内壁面に固定し、移動子となるスライダ２をレンズ枠７２の表面に取り付ける。もちろん、スケール１は、スライダ２の移動経路に対向する位置に固定することが必要である。
ここで、検出信号に含まれるノイズ信号を検出する際には、レンズ枠７２をスケール１に対向しない位置まで移動させ、移動させた後に検出電極１３から検出信号を検出すればよい。

＜作用・効果＞
以上のように、静電容量式エンコーダ１００によれば、制御回路３は、検出電極１３に誘起される電圧の検出信号に含まれるノイズ信号を除去し、ノイズ信号が除去された真の検出信号と電圧印加回路５から送信電極１２に印加される電圧の印加信号の位相差（位相のズレ量）からスケール１とスライダ２の相対移動量を検出する。
これにより、検出信号にノイズ信号が含まれていても制御回路３が検出信号からノイズ信号を除去するので、移動量を正確に検出することができ、静電容量式エンコーダ１００の小型化を図ることができる。

また、ノイズ信号は予め測定して記憶部４に記憶させておき、検出信号から記憶部４に記憶されたノイズ信号を差し引くことでノイズ信号を除去することができるので、簡易かつ確実にノイズ信号を除去することができる。
また、ノイズ信号を検出する際には、スケール１の送信電極１２とスライダ２の受信電極２２との間で静電誘導が生じないように送信電極１２と受信電極２２が対向しないように離隔させた状態で検出電極１３から検出される信号をノイズ信号としているので、受信電極２２からの静電誘導による信号の影響を完全に排除することができ、ノイズ信号だけを検出することができる。

また、送信電極１２に印加される電圧の印加信号は、互いに位相の異なる正弦波状に振幅変調された信号であるため、位相のズレから移動量を測定する際に有用な信号として用いることができる。
また、このような静電容量式エンコーダ１００をレンズ鏡胴２００に設けることで、高い精度が要求される移動量測定装置に用いることができる。

なお、本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、発明の本質的部分を変更しない範囲内で自由に設計変更が可能である。
静電容量式エンコーダを用いて移動量測定装置としての機能を持たせたものは、上記のレンズ鏡胴に限らず、ノギス、マイクロメータ等の精密測定機器に用いることも可能である。
また、送信電極と受信電極が対向して静電誘導が可能であるとともに、受信電極と検出電極が対向して静電誘導が可能であれば、各電極の形状、数量、配置は自由に変更可能であり、上記実施形態の態様に限定されるものではない。
また、駆動機構の構成は任意であって、スムーズインパクト機構に限らず、シリンダ装置、ラックギヤとピニオンギヤからなる歯車機構を用いてもよい。

１ スケール
２ スライダ
３ 制御回路（ノイズ除去手段、移動量検出手段）
４ 記憶部（記憶手段）
１２ 送信電極
１３ 検出電極
２２ 受信電極
１００ 静電容量式エンコーダ
２００ レンズ鏡胴（移動量測定装置）

Claims (6)

1. スケールと前記スケールに対向配置されたスライダとを備え、前記スケールと前記スライダが相対移動自在とされた静電容量式エンコーダにおいて、
   前記スケールに備えられ、交流電圧が印加される複数の送信電極と、
   前記スライダに備えられ、前記送信電極から静電誘導により電圧が誘起される受信電極と、
   前記スケールに備えられ、前記受信電極から静電誘導により電圧が誘起される検出電極と、
   前記検出電極に誘起される電圧の検出信号に含まれるノイズ信号を除去するノイズ除去手段と、
   前記ノイズ除去手段によりノイズ信号が除去された検出信号と前記送信電極に印加される電圧の印加信号のズレ量から前記スケールと前記スライダの相対移動量を検出する移動量検出手段と、
   を備えることを特徴とする静電容量式エンコーダ。
2. ノイズ信号を記憶する記憶手段を備え、
   前記ノイズ除去手段は、前記検出電極に誘起される電圧の検出信号から前記記憶手段に記憶されたノイズ信号を差し引くことを特徴とする請求項１に記載の静電容量式エンコーダ。
3. 前記ノイズ信号は、前記受信電極と前記送信電極との間で静電誘導が発生しないように離隔した状態において、前記検出電極に誘起される電圧の信号であることを特徴とする請求項１又は２に記載の静電容量式エンコーダ。
4. 前記送信電極に印加される電圧の印加信号は、互いに位相の異なる正弦波状に振幅変調された信号であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の静電容量式エンコーダ。
5. ノイズ信号が除去された検出信号と前記送信電極に印加される電圧の印加信号のズレ量は両信号の位相差であり、
   前記移動量検出手段は、この位相差から前記スケールと前記スライダの相対移動量を検出することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の静電容量式エンコーダ。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載の静電容量式エンコーダを備えることを特徴とする移動量測定装置。

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