JP2568322B2 - 絶対測定用変位測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、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
に適用される絶対測定用変位測定装置、特に制御部で使
用するシステムクロックを切換えて消費電力を低減する
絶対測定用変位測定装置に関する。

【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
類あるが、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より、現在の変位量
を直接計測できる絶対方式の方が有利な面もある。例え
ば、電源に太陽電池を用いた場合、相対方式では暗部で
の測定を期待できない。これに対し、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】

【発明が解決しようとする課題】上述した絶対測定用変
位測定装置を小型で携帯可能とするにはその電源に太陽
電池や小型電池を使用する。この場合、消費電力の節減
がシステム設計上重要になる。特に、オフセット値を記
憶する不揮発性メモリ（例えばＥＥＰＲＯＭ）の書き込
み電流を作る充電回路や、システムクロックを使用して
多くの計算を行う制御部（マイクロコンピュータ）、さ
らには測定値を表示する表示器の消費電流は無視できな
い。

【０００４】本発明は、絶対測定用変位測定装置が変位
量の変化がないときはさほどの処理を要しない点に着目
し、システムクロックの周波数や制御間隔を切換えるこ
とで消費電力を低減することを目的とするものである。

【０００５】上記目的を達成するため本発明は、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
記第二の部材との絶対位置関係を演算手段で計算して表
示手段に表示する絶対測定用変位測定装置において、前
記絶対位置関係が変化していると判定されている間は前
記演算手段を高速システムクロックで動作させ、前記絶
対位置関係が変化していないと判定されている間は前記
演算手段を低速システムクロックで動作させると共に前
記演算手段の制御回数を減少させることを特徴とする。

【０００６】

【作用】制御部で使用するシステムクロックは高速にな
るほど消費電流が増大する。絶対測定用変位測定装置で
は位置変化のあった直後は高速に演算して変位量を算出
する必要があるが、位置変化のない待機状態では位置変
化の有無を判断する程度の処理しかないため、低速のシ
ステムクロックでも問題ない。そこで、本発明ではシス
テムクロックの周波数や制御間隔を切換えることにより
消費電力の低減を図る。

【０００７】

【実施例】図１は本発明の一実施例を示す静電容量式の
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２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２４
ｂ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。

【０００８】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３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１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２４ａ，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２
１とメインスケール２２との相対位置によって変化す
る。

【０００９】受信電極２４ａ，２４ｂと伝達電極２５
ａ，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２
１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２５
ａ，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。

【００１０】

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

【００１１】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２６
ａ，２６ｂ，２７ａ，２７ｂをピッチＷr1（＝３Ｐt
1），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４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。

【００１２】

【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）

【００１３】これらの演算は、図１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３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。

【００１４】各スケール復調回路３，４，５から出力さ
れる位相信号ＣＭＰＣＯＡ．、ＣＭＰＭＥＤ．、ＣＭＰ
ＦＩＮＥ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５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。

【００１５】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。また、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も供給されており、合成値の
オフセット量を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
モリからなっている。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１
３に表示されるようになっている。そして、これらの各
回路には、ソーラセル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ようになっている。

【００１６】本装置の各部にはクロック発生回路１６で
発生したシステムクロックを供給する。このシステムク
ロックを直接使用するか分周して使用するかは各部の条
件による。カウンタ９で使用するクロックＣＫもこの一
種である。この他に演算回路１２や位相検出回路６〜８
等でもクロックが必要である。但し、ノギス等ではスラ
イダ２１が移動していない停止時間の方が長く、しかも
絶対方式では停止状態で演算する必要が殆どないため、
主として表示制御等を行えば足りる。そこで本発明では
停止状態になったらシステムクロックを低速側に切換
え、さらに制御間隔を長くすることで消費電流の節減を
図る。

【００１７】システムクロックの切換えは制御部１７に
おいて行う。図６はこの制御部１７の処理を示すフロー
チャートである。最初はステップＳ１で高速システムク
ロックを選択する。そしてこの状態で全体を動作させス
テップＳ２でＡＢＳセンサを制御する。ここで各部の処
理結果が得られたら最終的な結果、つまり距離を表示器
に表示する。ステップＳ３がこの表示処理である。つぎ
にステップＳ４で移動判定を行う。これは前回の測定値
と今回の測定値との差が一定値（たとえばａμｍ）を越
えたら移動ありと判定し、そうでなければ停止している
と判定する論理をとる。ここで移動したと判定されたら
ステップＳ１へ戻るが、移動していない、つまり停止状
態にあると判定されたらステップＳ５へジャンプして低
速システムクロックを選択する。これで各部の動作周期
は長くなるので、その分消費電流が減少する。加えてス
テップＳ６で所定の時間待ちを行ってからステップＳ２
へ戻るようにしているので、これで制御間隔が長くなり
一層消費電流を削減できる。

【００１８】一例を挙げると、高速システムクロックは
２００kHz、低速システムクロックは３２kHzである。こ
れにより移動中は一秒間に１０回の割合で測定が行われ
るが、停止中は２回の割合に減少する。尚、移動判定は
迅速に行う必要があるが、停止判定には多少時間をかけ
ても良い。

【００１９】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、絶対
測定用変位測定装置において、可動要素の移動中と停止
中とでシステムクロックの周波数や制御間隔を切換える
ようにしたので、消費電力の節減を図ることができる。
このため、小型電池や太陽電池等を使用しても長時間動
作させることができる利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例を示すブロック図である。

【図２】 ＡＢＳセンサの構成図である。

【図３】 送信信号の波形図である。

【図４】 受信信号の波形図である。

【図５】 図１の動作波形図である。

【図６】 本発明のフローチャートである。

【符号の説明】

１…ＡＢＳセンサ、９…カウンタ、１２…演算回路、１
３…ＬＣＤ表示器、１６…クロック発生回路、１７…制
御部、２１…スライダ、２２…メインスケール。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 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絶対位置関係を
   演算手段で計算して表示手段に表示する絶対測定用変位
   測定装置において、 前記絶対位置関係が変化していると判定されている間は
   前記演算手段を高速システムクロックで動作させ、前記
   絶対位置関係が変化していないと判定されている間は前
   記演算手段を低速システムクロックで動作させると共に
   前記演算手段の制御回数を減少させることを特徴とする
   絶対測定用変位測定装置。