JP2788826B2 - 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相対位置関係に基
づいて絶対的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】インクリメンタル型変位センサでは、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
て測定を行うので、可動要素が停止しても測定動作を停
止させることはできない。測定停止期間に可動要素の移
動があると、その移動量は測定再開によって検出するこ
とができないからである。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４
０ｍsec の測定を１sec 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くして
電池寿命を伸ばすことができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、アブソリュー
ト型変位センサにおいて、内蔵電池の寿命を更に伸ばす
ことができれば、電池の小型化や電池交換作業の低減，
省資源等にとって好ましい。本発明は、この様な事情を
考慮してなされたもので、システムの平均消費電流を低
減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、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
を間欠的に行う制御手段とを有するアブソリュート型変
位測定装置において、前記変位センサの可動要素の移動
または停止を検出する移動／停止状態検出手段を設け、
前記制御手段はこの移動／停止状態検出手段の出力に応
じて間欠的測定動作の間隔を可変制御するようにしたこ
とを特徴とする。

【０００７】

【作用】本発明においては、変位センサの固定要素に対
する可動要素の移動または停止（以下、これを単に変位
センサの移動または停止という）の状態を検出して、そ
の状態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。具体的に例えば、変位センサがあ
る期間停止している場合には、測定周期（測定間隔）を
通常測定の場合に比べて伸ばす。更に長い停止期間が経
過した場合には、電源をオフにする。この様に変位セン
サが止まっているときには測定頻度を落とすことによっ
て、システムの平均消費電力が低減される。例えば、デ
ィジタルノギスを考えると、実際にセンサが移動してい
る時間より停止している時間が圧倒的に長いので、アブ
ソリュート型変位センサを用いた場合に本発明のように
測定頻度を制御することによって、効果的に平均消費電
流を低減することができる。

【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り、図２はここに用いられたアブ
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）１の構成である。ＡＢＳセンサ１は、可動
要素であるスライダ２１が、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，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、夫々メイン
スケール２１側に設けられた第１検出電極２６ａ，２６
ｂ及び第２検出電極２７ａ，２７ｂと容量結合されてい
る。

【０００９】送信電極２３は、８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１の送信波形発生回路２から生
成出力される。

【００１０】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。

【００１１】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。

【００１２】

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

【００１３】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。

【００１４】

【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）

【００１５】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３，中スケール復調回路４，密スケー
ル復調回路５および位相検出回路６，７，８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ＣＭ
Ｐを生成することにより行われる。位相検出回路６，
７，８からは、送信波形発生回路２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。

【００１６】これらの位相検出回路６〜８から出力され
たディジタル値は、合成回路１０で重み付けられて合成
される。合成回路１０には、ＥＥＰＲＯＭ等からなるオ
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が調整できるようにな
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が実寸法値に変換される。演
算回路１２は、各回路に対する電源供給のオン，オフ制
御信号、クロック信号，リセット信号等を出す制御回路
９と接続されている。演算回路１２で得られた実寸法値
は、ＬＣＤ表示器１３に表示されるようになっている。
１４は内蔵の小型電池であり、その出力が電圧レギュレ
ータ１５により安定化されてシステム全体に供給されて
いる。

【００１７】この実施例においてはまた、ＬＣＤ表示器
１３への出力信号をモニターしてＡＢＳセンサ１の移動
または停止を検出するセンサ移動／停止検出回路１６が
設けられ、その出力が制御回路９に供給されている。す
なわち制御回路９は、間欠測定動作の測定周期を設定す
る機能を有するが、移動／停止検出回路１６の出力によ
り、次に説明するように、ＡＢＳセンサ１の移動または
停止状態に応じて間欠測定動作の測定周期が可変制御さ
れるようになっている。

【００１８】図３は、移動／停止検出回路１６の出力を
受けて制御回路９が行う測定間隔制御の様子である。通
常の測定は例えば、１sec 間に１０回（１回の測定時間
が４０ｍsec ）という間欠測定である。ＡＢＳセンサ１
が停止すると制御回路９ではその停止時間を計測して、
停止後１分経過したら、測定を１sec 間に５回という間
引き測定に切替える。ＡＢＳセンサ１が再度移動開始す
れば、通常測定に戻す。ＡＢＳセンサ１の停止時間が３
分経過したら、電源オフとする。このようにして、この
実施例によれば、ＡＢＳセンサ１の動きの状態に応じ
て、測定頻度の制御や電源制御を行うことにより、シス
テムの平均消費電流を減らすことができ、電池寿命を伸
ばすことができる。

【００１９】なお制御回路９には、Ｚero ／ＡＢＳスイ
ッチおよびＯＦＦスイッチが設けられている。パワーオ
フの状態からＺero ／ＡＢＳスイッチを押すと、制御回
路９が働いて、ＬＣＤ表示器１３は計測値表示を行う。
このスイッチをもう一度押すと、ＬＣＤ表示がゼロとな
る（ゼロセット動作）。即ちこのＺero ／ＡＢＳスイッ
チは、計測値とゼロ値を交互に切り替える役割をする。
ＯＦＦスイッチは、電源が太陽電池の場合は不要であ
る。

【００２０】制御回路９は、他の全ての回路にオン／オ
フ信号，リセット信号，クロック信号等を供給してお
り、センサ移動／停止検出回路１６の出力だけでなく、
電源出力をモニターする電圧検出回路１７の出力も入力
されている。そして、電源出力が基準値より低い時に
は、制御回路９は各回路へ測定オフの信号を供給するよ
うになっている。

【００２１】実施例では、変位センサの移動／停止状態
を検出して、１分間の停止により測定間隔すなわち測定
周期を２倍に伸ばすという制御を行ったが、これらの時
間，測定周期は他の適当な値に設定することができる。
また停止時間に応じて測定周期を複数段階に切替えるよ
うにしてもよく、更に一般に単位時間当たり測定時間を
制御することによっても、同様の効果が得られる。ま
た、センサの移動／停止状態検出は、ＬＣＤ表示器への
出力信号ではなく、変位センサの直接の出力や他の信号
処理回路部の適当なノードの信号を用いて行うことが可
能である。また電池として、通常の一次電池の他、二次
電池や太陽電池を用いた場合にも本発明は有効である。
その他本発明はその趣旨を逸脱しない範囲で種々変形し
て実施することができる。

【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、変位セ
ンサの移動／停止状態に応じて測定間隔を可変制御する
ことにより、システムの平均消費電流を効果的に低減す
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ＡＢＳセンサの構成を示す図であ
る。

【図３】 同実施例の測定動作の制御フローである。

【符号の説明】

１…ＡＢＳセンサ、２…送信信号波形発生回路、３，
４，５…復調回路、６，７，８…位相検出回路９…制御
回路、１０…合成回路、１１…オフセット記憶部、１２
…演算回路、１３…ＬＣＤ表示器、１４…電池、１５…
電圧レギュレータ、１６…センサ移動／停止状態検出回
路、１７…電圧検出回路。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01B 21/00 - 21/32 G01B 7/00 - 7/34 G01D 5/00 - 5/62

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 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、 前記変位センサの固定要素に対する可動要素の移動また
   は停止を検出する移動／停止状態検出手段と、 前記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、前記移動／停止状態検出手段の出力に応じて間欠
   的測定動作の間隔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。
2. 【請求項２】 前記制御手段は、前記可動要素が移動し
   ている間及び可動要素の停止後第１の時間が経過するま
   では単位時間当たり一定回数の測定動作を行わせ、前記
   第１の時間が経過した後可動要素の停止後第２の時間が
   経過するまでは測定動作の間隔を少なくとも１段階拡げ
   た間引き測定動作を行わせ、前記第２の時間が経過した
   後は電源をオフにするという制御を行うことを特徴とす
   る請求項１記載の変位測定装置。