JP2611094B2 - 変位測定装置 - Google Patents

変位測定装置

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JP2611094B2 JP20732192A JP20732192A JP2611094B2 JP 2611094 B2 JP2611094 B2 JP 2611094B2 JP 20732192 A JP20732192 A JP 20732192A JP 20732192 A JP20732192 A JP 20732192A JP 2611094 B2 JP2611094 B2 JP 2611094B2
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  • Transmission And Conversion Of Sensor Element Output (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、ディジタルノギス等の
小型計測器に適用される変位測定装置に係り、特に変位
センサの固定要素に対する可動要素の絶対的な変位量を
測定することを可能としたいわゆるアブソリュート型の
変位測定装置に関する。
【0002】
【従来の技術】測定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
ジ等の小型計測器として、静電容量式の変位センサを利
用するものが有望である。静電容量式変位センサは、メ
インスケール等の固定要素と、これに対して相対移動す
るスライダ等の可動要素とにそれぞれ多数の電極が配設
され、固定要素に対する可動要素の移動に伴って電極パ
ターン間に生じる周期的な容量変化の信号を取り出すこ
とにより変位量検出を行うものである。
【0003】この様な変位センサには、その出力信号の
形態によって、インクリメンタル型とアブソリュート型
の2種類がある。前者は、スライダが基準位置から移動
することにより生じる周期信号を連続的に計測すること
によって変位量を測定する。後者は、連続的な計数動作
は行わず、固定要素に対する可動要素の絶対的な変位量
(位置)を求めることが可能なもので、例えば、電極パ
ターンの形状によって、粗いピッチ,中間ピッチ,細か
いピッチの周期的信号を出力可能として、これらの各ピ
ッチの周期信号の位相情報を合成することにより、可動
要素の絶対的な変位量の検出を可能としたものである。
【0004】これらの変位センサ装置が太陽電池(ソー
ラーセル)を主電源としている場合、照度によって使え
る電源電流が決まる。インクリメンタル型では任意に定
めた原点からのスライダの移動量を連続的に計数して測
定を行う必要があるため、低照度になって電池出力電流
が少なくなった場合には測定動作を停止しなければなら
ない。これに対してアブソリュート型変位センサでは、
ある短時間の測定で絶対位置が分かるため、間欠測定が
可能であり、測定周期を制御回路により設定することが
できる。例えば、アブソリュート型変位センサを用いた
ディジタルノギスでは、測定時間40msec の測定を1
sec 間に10回という間欠的な動作とする。この様な間
欠動作を行うことにより、インクリメンタル型の場合に
比べると平均消費電流を小さいものとすることができ
る。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかし、太陽電池を用
いたアブソリュート型変位センサでも、照度があるレベ
ル以下になれば、システムに供給される電力が足りなく
なって測定不能になることに変わりはない。本発明はこ
の様な事情を考慮してなされたもので、より低い電源出
力レベルまで測定動作可能としたアブソリュート型の変
位測定装置を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明は、システムに電
力を供給する直流電源、固定要素に対する可動要素の相
対位置関係に応じた出力信号を出す変位センサ、この変
位センサの出力信号を処理して前記固定要素に対する前
記可動要素の絶対変位量を測定する信号処理手段、およ
びこの信号処理手段を制御して測定動作を間欠的に行う
制御手段を有する変位測定装置において、前記直流電源
の出力電圧を検出する電圧検出手段を備え、かつ前記制
御手段は前記直流電源の出力電圧に応じて間欠的測定動
作の単位時間当たりの測定時間を可変制御する機能を有
することを特徴とする。
【0007】
【作用】本発明によると、アブソリュート型の変位セン
サを用いた間欠的測定動作の単位時間当たりの測定時
間、即ちデューティ比が、電源出力に応じて可変制御さ
れる。具体的には例えば、電源出力がある設定レベルよ
り低くなった時には測定周期を長くする(即ち測定間隔
を広げる)という制御が行われる。これにより、低電源
電圧下でのシステムの平均消費電流を低減して、従来よ
り低電源電圧までの測定動作を保証した変位測定装置が
得られる。
【0008】
【実施例】以下、図面を参照しながら本発明の実施例を
説明する。図1は、本発明の一実施例に係る変位測定装
置のシステム構成である。1がアブソリュート型の静電
容量式変位センサ(以下、ABSセンサという)であ
り、2がABSセンサ1の出力信号の演算処理を行って
絶対変位量を求める信号処理回路、3がこれらを制御し
て間欠動作による測定を行うための制御回路である。シ
ステム全体に電力を供給する直流電源として、この実施
例では太陽電池5が用いられている。太陽電池5の出力
部にはその出力電圧を検出する電圧検出回路4が設けら
れている。
【0009】システムの具体的構成を示せば、図4,図
5の通りである。ABSセンサ1は例えば、図5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24b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,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2
5a,25bは、夫々メインスケール21側に設けられ
た第1検出電極26a,26b及び第2検出電極27
a,27bと容量結合されている。
【0010】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、計測モードではそれぞれ位相が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、高周波パルスでチョップされ
た信号となっており、図4の送信波形発生回路11から
生成出力される。
【0011】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倍に設定され
ている。ここでNは、1,3,5等の奇数であることが
好ましく、この実施例では3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、三角形状又は正弦
波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21と
メインスケール22との相対位置によって変化する。
【0012】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、単にメインスケ
ール21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、この実施
例のABSセンサ1では、粗い変位量(粗スケール)、
中間の変位量(中スケール)及び細かい変位量(密スケ
ール)の3つのレベルの変位量を検出するため、伝達電
極25a,25bが、実際には受信電極24a,24b
に対してピッチを変えて夫々D1 ,D2 だけ偏位させて
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。
【0013】
【数1】D1(x) =(Pr −Pt1)x/Pr D2(x) =(Pr −Pt2)x/Pr
【0014】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25a,25b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。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。検出信号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。
【0015】
【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)
【0016】これらの演算出力信号C1 −C2 ,B1 −
B2 ,(B1 +B2 )−(C1 +C2 )は、それぞれ粗
スケール復調回路121 ,中スケール復調回路122 ,
密スケール復調回路123 および位相検出回路131 ,
132 ,133 で処理される。復調は具体的には送信波
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、二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わ
れる。位相検出回路131 ,132 ,133 からは、送
信波形発生回路11から出力される0°の駆動信号Sd
を参照信号として、各入力信号の位相がディジタル値で
出力される。
【0017】これらの位相検出回路131 〜133 から
出力されたディジタル値は、合成回路14で重み付けら
れて合成される。合成回路14には、EEPROM等か
らなるオフセット記憶部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が調整できるよう
になっている。合成回路14の出力は、演算回路16に
おいて、例えば電極配列ピッチが実寸法値に変換され
る。演算回路16は、図示しないインターフェースを介
してマイクロコンピュータ等の制御回路と接続されてい
る。演算回路16で得られた実寸法値は、LCD表示器
17に表示されるようになっている。
【0018】この実施例において、システムが動作する
電源電圧は例えば、1.5V以上であり、これに対して
電圧検出回路4は、1.5V,1.4V,1.3Vの3
つのしきい値をもって太陽電池5の出力電圧をチェック
している。そして制御回路3は、出力電圧に応じて間欠
的測定動作の単位時間当たりの測定時間を可変制御して
いる。具体的にはこの実施例の場合、測定周期の制御を
行っており、図3に示すように、出力電圧が1.5V以
上のときは測定周期100msec (すなわち1秒に10
回測定)とし、出力電圧が1.5V以下では測定周期を
2倍の200msec (すなわち1秒に5回測定)として
いる。測定時間はいずれも、40msecである。なお制
御回路3は、以上の測定周期の制御の他、各回路にオ
ン,オフ信号、リセット信号、クロック信号等を供給し
てシステム全体の動作を制御している。
【0019】図2は、この実施例での制御の状態遷移図
である。1.5Vを境にして測定周期を変えることは前
述のとおりである。更にこの実施例では、1.4V以下
では制御回路のみオン状態に保って測定動作を停止し、
更に1.3V以下になるとシステム全体を動作停止とす
る。ここで、1.4V以下でシステム全体を動作停止さ
せず、1.3V〜1.4Vの範囲で制御回路のみオン状
態に保つようにしたのは、電源出力の復帰を待って直ち
に測定動作を再開できるように、可能な範囲で制御回路
をスタンバイ状態に保つためである。
【0020】この実施例によると、太陽電池を用いたA
BSセンサシステムにおいて、低照度下でのシステムの
平均消費電流を低減することができ、従来よりも低照度
まで測定可能とすることができる。また太陽電池出力電
圧の検出結果を利用して、低照度の警告表示を行うこと
もできる。
【0021】本発明は上記実施例に限られるものではな
い。例えば実施例では、照度に応じて間欠測定動作の測
定周期を2段階に制御したが、3段階以上に制御しても
よいし、場合によっては連続的に測定周期を可変制御し
てもよい。また実施例では測定時間一定のまま測定周期
を制御したが、逆に測定周期を一定に保って測定時間を
可変制御するようにしてもよく、これによっても単位時
間当たりの測定時間を可変制御したことになって、同様
に消費電力の節約ができる。更に実施例では、太陽電池
を用いた場合を説明したが、他の直流電源を用いた場合
にも本発明は有効である。
【0022】
【発明の効果】以上説明したように本発明よれば、間欠
動作のアブソリュート型変位測定装置において、電源出
力に応じて単位時間当たりの測定時間を可変制御するこ
とにより、低電源電圧下でのシステムの平均消費電流を
低減して、従来より低電源電圧までの測定動作を保証す
ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一実施例に係る静電容量式変位測定
装置のブロック構成を示す図である。
【図2】 同実施例の制御の状態遷移図である。
【図3】 同実施例の測定動作のタイミング図である。
【図4】 同実施例の信号処理回路部の構成を示す図で
ある。
【図5】 同実施例のABSセンサの構成を示す図であ
る。
【符号の説明】
1…ABSセンサ、2…信号処理回路、3…制御回路、
4…電圧検出回路、5…太陽電池。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 夜久 亨 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 開発研究所内 (56)参考文献 特開 昭61−219820(JP,A) 特開 昭63−24125(JP,A) 実開 昭63−8614(JP,U)

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】システムに電力を供給する直流電源と、 この直流電源の出力電圧を検出する電圧検出手段と、 固定要素に対する可動要素の相対位置関係に応じた出力
    信号を出す変位センサと、 この変位センサの出力信号を処理して前記固定要素に対
    する前記可動要素の絶対変位量を測定する信号処理手段
    と、 この信号処理手段を制御して測定動作を間欠的に行うと
    共に、前記電圧検出手段の出力に応じて間欠的測定動作
    の単位時間当たりの測定時間を可変制御する制御手段
    と、を備えたことを特徴とする変位測定装置。
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