JP2837636B2 - 静電容量式変位測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、電子式マイクロメー
タ、ホールテスト、ダイヤルゲージ等の小型計測器に適
用される静電容量式変位測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】電気的な測長器として、２つの部材（例
えばスケール）を相対移動させ、これらのスケールに配
列された電極間の静電容量変化を検出して両スケールの
相対移動量を測定するものが知られている。この種の測
長器における容量型変位トランスジューサは、各スケー
ルに配設する電極の分割数が精度を定めるため、高分解
能の測長器を得るためには、送信電極又は受信電極の少
なくとも一方を細密化することが必要とされる。

【０００３】図１５は、従来の静電容量式変位測定装置
の概略構成を示す。装置は、相対移動可能に配置された
第１のスケールと第２のスケールを有し、第１のスケー
ルには第１の送信電極１が等間隔に複数個配列され、ま
た第１のスケールの長手方向に沿って第１の受信電極４
が配設されている。第１の送信電極１は、この例では８
個ずつユニットを構成している。パルス変調回路６から
は、発振器５のクロックパルスに基づいてパルス化され
た４５°ずつ位相のずれた８相の正弦波信号が発生さ
れ、これが第１の送信電極１に供給される。即ち第１の
送信電極１の単位ユニットのピッチは送信波長ピッチＷ
ｔ１となる。

【０００４】第２のスケールには、第１のスケールの送
信電極１の４個と容量結合するように対向する第２の受
信電極２が、送信波長ピッチＷｔ１と等しいピッチＰｒ
２で配列されている。第２のスケールにはまた、第２の
受信電極２と電気的に結合して、且つ第１のスケール上
の第１の受信電極４と容量結合するように第２の送信電
極３が配設されている。第１のスケールの第１の受信電
極４は測定回路７に接続される。

【０００５】このような構成として、第１のスケールと
第２のスケールが相対移動したとき、その相対移動に伴
う第１の送信電極１と第２の受信電極２との容量結合に
よる受信信号の位相変化を検出することにより、変位量
を測定することができる。この場合、第１の送信電極１
が８分割されて、それぞれ４５°ずつ異なる位相で駆動
される結果、第２の受信電極２のピッチＰｒ２を８分割
した精度で位置測定を行うことができる。

【０００６】上述した従来の静電容量式変位測定装置の
第１のスケールと第２のスケールを同軸の円筒体として
構成すれば、小型の円筒型変位センサを得ることができ
る。図１６は、その様な円筒型変位センサに適用したと
きの外側の固定円筒体（ステータ）と、内側の回転円筒
体（ロータ）の電極パターンを展開して示す。ステータ
の内壁には図示のように、８個で１ユニットとなる第１
の送信電極１が２ユニット分と、第１の受信電極４が形
成される。ロータの表面には、送信電極１と対向する２
ユニットの第２の受信電極２と、第１の受信電極４と対
向する第２の送信電極３とが形成される。

【０００７】このような円筒型変位センサを製造するに
は、曲面上への電極パターンの形成が必要である。この
ような電極パターンの形成法、特にステータの内側の電
極パターンを形成する方法としては、例えば、フレキ
シブルプリント基板（ＦＰＣ）に電極パターンを形成し
て、これを巻き付けて円筒体の内側に接着する方法（特
開平４−１４５３０３号）、あるいはレーザー加工を
利用する方法（ドイツ特許第３４２６７５０号）等が提
案されている。

【０００８】また上述のような円筒型の静電容量式変位
センサを実現する場合、測定精度を十分出すためには、
ステータとロータの同心度の精度が必要である。小型の
円筒型変位センサにおいてこの同心度を高精度に出すこ
とは製造上難しく、従って同心度が低くても測定精度が
出るようにする為には、図１６に示したように、少なく
とも２ユニットの電極群を配設することが必要になる。
周方向に２ユニットの電極群を配置すれば、それらの出
力を平均することによって、同心度がある程度悪くても
その影響を相殺することができる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来提案され
ている円筒型変位センサには、多くの問題が残されてい
る。まず前述したような方法で円筒体内部に電極パター
ンを形成することは、特に円筒体が小型になる程作業性
が悪く、高精度の電極パターンを形成することが難し
い。また、円筒内部の電極パターンと外部測定回路との
接続作業や、ステータとロータの組み込み作業も非常に
難しい。同心精度の問題を回避するため２ユニットの電
極群を円周上に配設することが必須であるとすると、そ
れだけセンサと外部電気回路との間の配線数が多くな
り、作業性はより悪くなる。以上のような問題から、現
実にはまだ円筒型変位センサは、製品としては実用化さ
れていない。

【００１０】この発明は、上記した事情に鑑みなされた
もので、厳密な同心度を必要とせず、電極パターンの簡
略化が可能であり、また電極パターン形成や組立が簡単
にできる円筒型の静電容量式変位測定装置を提供するこ
とを目的としている。

【００１１】

【課題を解決するための手段】この発明は、近接配置さ
れて相対変位する第１部材と第２部材とを有し、前記第
１部材は、それぞれ位相の異なる交流信号が印加される
複数の電極からなる第１の送信電極群と、これとは絶縁
され且つその電位が測定回路に印加される第１の受信電
極とを有し、前記第２部材は、前記第１の送信電極群の
複数電極と同時に容量結合するように対向配置された第
２の受信電極と、この第２の受信電極と電気的に接続さ
れ且つ前記第１の受信電極と容量結合するように対向配
置された第２の送信電極とを有する静電容量式変位測定
装置において、前記第１部材には円柱状の空孔を形成す
る円柱孔を有し、前記第１の送信電極群がこの円柱孔の
内壁面の所定領域にわたり円柱孔の軸方向に沿って螺旋
状に、また前記第１の受信電極が前記所定領域に隣接し
てリング帯状に配設され、前記第２部材は、前記円柱孔
の内部に所定ギャップを保って第１部材と相対移動する
ように配置される円筒体により構成されて、前記第２の
受信電極がこの円筒体の外側面に前記第１の送信電極群
と対向して前記第１の送信電極群と同じリード角で螺旋
状に配設されていることを特徴としている。

【００１２】この発明はまた、前記第２部材が、前記第
１部材の円柱孔の軸方向への移動が阻止されると共に軸
の周りに回転可能に保持されて、前記測定回路において
検出される位相信号から前記回転量を測定することを特
徴としている。この発明はまた、前記第２の送信電極
が、前記第２部材の円筒体の外側面の前記第１の受信電
極と対向する領域にリング帯状に配設されていることを
特徴としている。この発明はまた、前記第２の送信電極
が、前記第２部材の円筒体の外側面の前記第１の受信電
極と対向する領域に前記第２の受信電極の延長部として
配設されていることを特徴としている。この発明はま
た、前記第１部材に配設される前記第１の送信電極群
が、互いに逆向きの螺旋状パターンをもって軸方向に２
組設けられ、これら第１の送信電極群に対向して前記第
２部材の第２の受信電極群は、互いに逆向きの螺旋状パ
ターンをもって軸方向に２組設けられていることを特徴
としている。この発明はまた、前記第１部材に配設され
る前記第１の送信電極群が、それぞれに３６０°／ｎの
等位相ズレの交流電圧が印加されるｎ個の電極を１組と
するユニット電極であって、各電極が前記円柱孔の内壁
面を少なくとも１周するように１ユニット設けられてい
ることを特徴としている。この発明はまた、前記第２部
材が、前記第１部材の円柱孔の軸の周りの回転が阻止さ
れると共に軸方向への移動可能に保持され、前記測定回
路において検出される位相信号から前記移動量を測定す
ることを特徴としている。

【００１３】この発明は更に、近接配置されて相対変位
する第１部材と第２部材とを有し、前記第１部材は、そ
れぞれ位相の異なる交流信号が印加される複数の電極か
らなる第１の送信電極群と、これとは絶縁され且つその
電位が測定回路に印加される第１の受信電極とを有し、
前記第２部材は、前記第１の送信電極群の複数電極と同
時に容量結合するように対向配置された第２の受信電極
と、この第２の受信電極と電気的に接続され且つ前記第
１の受信電極と容量結合するように対向配置された第２
の送信電極とを有する静電容量式変位測定装置におい
て、前記第１部材は円筒体から構成され、前記第１の送
信電極群はこの円筒体の外側面の所定領域にわたり円筒
体の軸方向に沿って螺旋状に、また前記第１の受信電極
は前記所定領域に隣接してリング帯状に配設され、前記
第２部材には前記円筒体が所定ギャップを保って挿入さ
れる円柱孔を有し、この円柱孔の内壁面に前記第２の受
信電極が前記第１の送信電極群と対向して前記第１の送
信電極群と同じリード角で螺旋状に配設されていること
を特徴としている。

【００１４】

【作用】この発明によれば、第１，第２部材としてそれ
ぞれ同軸に配置された第１，第２の円筒体を用い、外側
の第１の円筒体の内壁及び内側の第２の円筒体の外側面
に螺旋状パターンの電極を形成して、円筒型変位センサ
を構成している。そして、第１の円筒体をステータ、第
２の円筒体をロータとして、回転変位量の測定装置とす
ることができる。また電極パターンを螺旋状としたこと
により、第１の円筒体状の送信電極とこれに対向する第
２の円筒体状の受信電極とは、これらの円筒体の軸の周
囲３６０°の範囲で対向させることができる。このこと
は、二つの円筒体の軸位置がずれても、３６０°の範囲
で平均するとギャップは一定になることを意味する。

【００１５】従って、この発明によれば、円筒型センサ
であっても軸基準の精度がラフにでき、同心度の精度が
悪くても測定精度に影響を与えることがない。また、ｎ
個の電極を一組とする送信電極のユニットを２組設ける
ことなく、１ユニットのみで変位センサを構成して、優
れた測定精度が得られる。更に送信電極ユニットが一つ
でよいということは、電極パターンの製作の容易化、及
び配線数の低減を可能とし、特に小型の変位センサの製
造を容易にする。

【００１６】更に、回転変位量の測定装置として用いる
場合に、第１の円筒体の第１の送信電極群を、互いに逆
向きの螺旋状パターンで軸方向に２組設け、同様に第２
の円筒体の第２の受信電極を、互いに逆向きの螺旋状パ
ターンで軸方向に２組設けると、軸方向のズレの影響を
相殺することができ、高精度の測定が可能になる。更に
この発明によれば、第１部材として内側の円筒体を用い
て、その外側面に第１の送信電極群と第１の受信電極を
配設し、第２部材として外側の円筒体を用いてその内壁
に第２の送信電極と第２の受信電極を配設して、第１部
材としての内側の円筒体をステータ、第２部材としての
外側の円筒体をロータとして用いることによっても、同
様の小型変位測定装置が得られる。またこの発明におい
ては、第２の円筒体の受信電極を軸方向に繰り返し所定
ピッチで配設して、この第２の円筒体を第１の円筒体の
軸方向に変位させるようにすれば、従来に比べて小径の
直線変位量の測定装置が得られる。

【００１７】

【実施例】以下、図面を参照して、この発明の実施例を
説明する。図１は、この発明の一実施例に係る静電容量
式変位センサの構成を示す。図１（ａ）は、同軸に配置
される第１部材としての第１の円筒体１１と第２部材と
しての第２の円筒体１２の分解斜視図であり、同図
（ｂ）（ｃ）はそれぞれ、第２の円筒体１２の外側面及
び第１の円筒体１１内壁面の展開図である。第１の円筒
体１１は固定されており、第２の円筒体１２は第１の円
筒体１１の内部に同軸に第１の円筒体１１に対して所定
ギャップを保ちつつ軸の周りに回転できるように配置さ
れる。

【００１８】図１（ｃ）に示される第１の円筒体１１の
内壁には、第１の送信電極群１３と、これとは絶縁され
た第１の受信電極１４とが形成されている。第１の送信
電極群１３は、この例では８個の電極群の１ユニットで
あり、円筒にしたときには第１の円筒体１１の一端側か
ら所定のリード角をもって螺旋状に等間隔となるように
配設されている。これら第１の送信電極群１３には、そ
れぞれ４５°ずつ位相のずれた交流電圧が印加される。
図１（ｃ）に示す展開図を丸めて上下端を接続した場合
には、各送信電極１３が円筒内壁を一周する。第１の受
信電極１４は、第１の円筒体１１の他端側の内壁を一周
するようにリング帯状に配設されている。

【００１９】第２の円筒体１２は、その外表面に、第２
の受信電極１５とこれと電気的に接続された第２の送信
電極１７とが形成されている。第２の受信電極１５は、
第１の円筒体１１側の第１の送信電極群１３の半分の範
囲即ち４個と対向して容量結合するように、第１の送信
電極群１３と同じリード角で螺旋状にパターン形成され
ている。第２の送信電極１７は、第１の円筒体１１側の
第１の受信電極１４と対向して容量結合するように、一
周にわたってリング帯状に形成されている。

【００２０】この実施例では、第２の円筒体１２の第２
の受信電極１５の間には接地電極１６が配設されてい
る。ただしこの接地電極１６は省略することができる。
第１の円筒体１１側の第１の送信電極群１３及び第１の
受信電極１４は、それぞれ図示しない配線により外部に
取り出され、駆動信号供給回路及び測定回路に接続され
る。

【００２１】この実施例の円筒型変位センサを回転変位
センサとして用いた場合、第１の円筒体１１はステータ
となり、第２の円筒体１２はロータとなって、これが例
えば回転変位を測定すべきスピンドル等に取り付けられ
て、図１（ａ）に矢印で示すように回転する。このと
き、各電極の配置は、従来の図１４に示す電極配置と等
価となり、ロータの一周２πｒが図１４に示す送信波長
ピッチＷｔ１となり、且つ受信電極ピッチＰｒ２とな
る。従って、ロータの一周２πｒを８分割した以上の精
度で回転変位を測定することができることになる。

【００２２】図２は、図１の円筒型変位センサを駆動し
信号を処理する測定回路の一般的な構成をできるだけ簡
略化して示している。この回路は、所定のクロックパル
スを出力する発振器２１と、そのクロックパルスに同期
して各第１の送信電極１３にそれぞれ４５°ずつ位相の
異なる８相の交流信号を印加するパルス変調回路２２を
含む。

【００２３】スケールの相対的な回転により変化する第
１の受信電極１４の出力信号は、積分回路２３を介して
位相比較器２４に入力される。位相比較器２４は、この
入力信号の位相と基準となる位相を比較し、スケール間
の相対的回転変位量を基準位相に対する入力信号の位相
ズレとして検出し、この検出信号を計数回路２５に入力
する。計数回路２５は入力された信号に基づいて、発振
器２１から出力されるクロックパルスをカウントし、表
示装置２６上に前記相対的回転変位量を表示する。

【００２４】この実施例によれば、第１の円筒体１１と
第２の円筒体１２の間で同心精度が悪くても、測定誤差
が生じることはない。即ち送受信電極パターンを螺旋状
として１ユニットで一周させているため、軸ズレが生じ
ても、平均出力信号強度が一定に保たれるからである。

【００２５】図３（ａ）（ｂ）は、別の実施例における
図１（ｂ）に示す第２の円筒体１２の変形例の電極パタ
ーンである。図３（ａ）は、第２の送信電極１７を、第
２の受信電極１５の延長部として連続する螺旋状パター
ンとしたものである。図３（ｂ）は、第２の送信電極１
７を図１（ｂ）と同様のリング帯状パターンとしている
が、螺旋状の第２の受信電極１５との間に格別のスペー
スを設けることなく連続させたものである。

【００２６】図３（ａ）の電極パターンを用いると、図
１（ｂ）の電極パターンと比較して、センサを組み立て
るときの軸方向の取り付けズレの許容範囲が広がる。図
１（ｂ）の場合、第２の受信電極１５は距離ｌの範囲に
限られているのに対して、図３（ａ）では、第２の円筒
体１２の長さ方向が全て第２の受信電極１５としても用
いられるからである。また、電極パターンが単純である
だけ、電極製造は容易になる。ただし、第２の送信電極
１７の第１の受信電極１４との対向面積が図１（ｂ）に
対してほぼ１／２になる。

【００２７】図３（ｂ）の電極パターンとすれば、軸方
向の取り付けズレの許容範囲が広がるだけでなく、第２
の送信電極１７の第１の受信電極１４との対向面積は、
図１（ｂ）と同様に十分確保することができる。

【００２８】図４は、更に別の実施例の第１の円筒体１
１と第２の円筒体１２の展開図を図１に対応させて示
す。この実施例では、第１の円筒体１１の長さｌ１に対
して、第２の円筒体１２の長さｌ２が小さくなってい
る。第２の円筒体１２の電極パターンは図３（ａ）と同
じである。このような長さ関係を満たすことにより、第
１の円筒体１１からの配線引き出しが容易になり、また
軸方向の取り付けズレの許容範囲が広くなる。

【００２９】次に、上述のような螺旋状電極パターンを
もつ円筒型センサの電極パターンの具体的な形成法を説
明する。図５は、内側の第２の円筒体１２の表面に螺旋
状の受信電極パターンを形成する方法である。第２の円
筒体１２は例えば射出成形により作られた樹脂成形品で
あって、その表面にＡｕ膜等の導電膜６１をメッキす
る。一方、所定ピッチで送ることができる雄ネジ６２と
雌ネジ６３を用意して、雄ネジ６２の頭の部分に第２の
円筒体１２を固定してその表面に固定の刃６４を当てた
状態で雄ネジ６２とともに第２の円筒体１２を回転駆動
する。これにより、導電膜６１を螺旋状に削り落とし
て、螺旋の帯状電極パターンを形成する。

【００３０】図６は、外側の第１の円筒体１１の内壁に
螺旋状の送信電極パターンを形成する方法である。第１
の円筒体１１も例えば樹脂成形品であって、まず内壁全
面にＡｕ等の導電膜６５をメッキする。これに対して、
円筒体６６の先端部周囲に８個の刃６７を設けた切削治
具を用意して、第１の円筒体１１あるいは円筒体６６を
図５の第２の円筒体１２のパターン形成と同じネジピッ
チで回転させながら直進させる。これにより、導電膜６
５を８個の刃６７により螺旋状に削り落として、螺旋状
の送信電極パターンを形成する。

【００３１】図７は、この発明の別の実施例に係る円筒
型変位センサの電極パターンを図１（ｂ）（ｃ）に対応
させて示す。第２の円筒体１２側の第２の受信電極１５
は、第１の送信電極群１３の送信波長ピッチＷｔ１を５
（一般には２以上の整数ｎ）分割した等間隔ピッチＷｔ
１／５で形成された形で、５つの電極が螺旋状に配設さ
れている。第１の円筒体１１側の８個の送信電極群１３
は、図１と同じパターンであるが、供給される駆動信号
の位相関係が図１とは異なり、順次１３５°ずつずれた
駆動信号が供給される。

【００３２】これによりこの実施例では、第１の送信電
極群の間隔を極端に狭めることなしに、５倍の分解能が
得られる。そのため、第２の円筒体１２が１／５回転、
即ち７２°回転すると、位相が３６０°変化する。言い
換えれば、１回転で位相が５周期変化する。なおこの原
理及び具体的な測定回路に関しては、特公平４−６７８
８２号に詳説されている。

【００３３】図７の実施例において、第２の円筒体１２
では、螺旋状の第２の受信電極１５をそのまま第２の送
信電極として利用している。これに対して図９に示すよ
うに、全ての第２の受信電極１５につながるリング帯状
の第２の送信電極１７を設けてもよい。これにより第２
の送信電極１７は、広い面積で第１の円筒体１１側の第
１の受信電極１４と対向させることができる。

【００３４】図８は、図７の実施例に使用される測定回
路の一例を図２より多少詳しく示し、図９は図８におけ
る各部信号波形及び各信号間の関係を横軸を時間軸とし
て示している。図８において、図７の円筒型変位センサ
はブロック１００で示され、その第１の送信電極群の各
電極には、位相の異なる複数の交流信号が供給される。
この交流信号の発生源としては、１００乃至２００ｋＨ
ｚ程度の周波数の交流信号を発生する発振器４００の出
力ｆ０が用いられる。発振器４００の出力ｆ０は、分周
器６００で分周された後、位相変換器３４０にてそれぞ
れ１３５°の位相差を有する交流信号に変換され、更に
変調器６２０において発振器４００の出力ｆ０で変調さ
れて、図９に示すような８種の信号２００−１〜２００
−８が第１の送信電極群の各電極に供給される。

【００３５】円筒型変位センサ１００においては、供給
された交流信号２０２を第１のスケール及び第２のスケ
ールの移動距離に対応した信号レベルに変換して、第１
の受信電極から電気信号を出力する。この出力は差動ア
ンプ６４０により増幅されて信号２０４として出力され
る。図９に示すようにその包絡線は正弦波曲線を描く。
この差動アンプ６４０の出力２０４は更に、発振器４０
０の出力ｆ０を同期信号とする復調器６６０により復調
される。この復調出力２０６の位相を、両スケールが基
準位置にあるときに発生する基準信号３００と比較する
ことにより、φなる位相差が求められる。この位相差φ
は、両スケールの相対位置により定まる。

【００３６】復調器６６０の出力２０６は、図示のよう
に高周波成分を含んでいるから、この高周波成分をフィ
ルタ６８０にて除去し、高周波成分が除去された信号２
０８を得る。この信号２０８は更にゼロクロス回路７０
０に入力されて、波形のゼロクロス位置が検出される。
実施例では、前記位相差φをディジタル演算する手段と
して、カウンタ７２０が用いられる。

【００３７】カウンタ７２０のリセット／スタート信号
は、変調器６２０、復調器６６０のトリガ信号と制御ユ
ニット８００に同期制御されており、測定回路による測
定開始を基準信号のトリガとして用いて、この時点から
カウンタ７２０の計数動作が開始される。カウンタ７２
０の計数タイミングは、発振器４００の出力ｆ０にて制
御される。カウンタ７２０の計数ストップは、前記ゼロ
クロス回路７００からの信号により制御される、即ち図
９中の位相差φの位置でゼロクロス回路７００がストッ
プ信号を出力し、この時点でカウンタ７２０の計数動作
が終了する。

【００３８】カウンタ７２０の計数値は、変位センサ１
００によって基準信号３００がシフトされた位相差を示
すことになり、この位相差φに対応した計数値は演算ユ
ニット７４０によって位置信号への変換演算がなされ
る。この変換された出力は、表示ドライバ７６０を介し
て表示器７８０に送られ、測定値のディジタル表示が行
われる。

【００３９】図７の実施例において、第２の円筒体１２
では、螺旋状の第２の受信電極１５をそのまま第２の送
信電極として利用している。これに対して図１０に示す
ように、全ての第２の受信電極１５につながるリング帯
状の第２の送信電極１７を設けてもよい。これにより第
２の送信電極１７は、広い面積で第１の円筒体１１側の
第１の受信電極１４と対向させることができる。

【００４０】図１１は、この発明の更に他の実施例に係
る円筒型変位センサの電極パターンを図１の実施例に対
応させて示す。この実施例では、第１の円筒体１１の軸
方向に、Ａ部，Ｂ部として、第１の送信電極群１３と第
１の受信電極１４とが、２組配設される。Ａ部とＢ部と
では、第１の送信電極群１３の螺旋状パターンは互いに
逆パターンとしている。両者の間には、第２の円筒体１
２との軸変動が所定の中央値に対して、±ａだけ変動し
てもよいように、２ａのスペースが設けられている。

【００４１】第１の円筒体１１の電極パターンに対応さ
せて、第２の円筒体１２側でも、２組（又は４以上の偶
数組）の第２の受信電極１５が軸方向に互いに逆の螺旋
パターンをもって形成されている。２組（又は４以上の
偶数組）の第１の送信電極群１３は、それぞれ対応する
電極同士が共通に駆動回路により駆動されるようにし、
また２組の第１の受信電極１４も共通に測定回路に接続
されるようにする。

【００４２】このような構成とすれば、第２の円筒体１
２の回転によるＡ部，Ｂ部の位相は同方向に変化する。
一方、第２の円筒体１２の軸方向変動に対しては、それ
が±ａの範囲であれば、Ａ部，Ｂ部の位相変化が互いに
逆方向となって出力信号上では相殺される。以上によ
り、軸方向の変動の影響を低減して回転変位を測定する
ことができる。

【００４３】なお、Ａ，Ｂ部の間の２ａのスペースは、
第１の円筒体１１側ではなく、第２の円筒体１２側の第
２の受信電極１５の間に設けてもよい。図１１の実施例
において、軸変動による影響を打ち消す効果は、Ａ部と
Ｂ部の信号強度が等しい程大きいが、Ａ部とＢ部の信号
強度のばらつきに対する許容度をより大きくする方式も
考えられる。

【００４４】図１２は、その様な方式を採用した実施例
を、図１１の実施例に対応させて示している。この実施
例では、第２の円筒体１２側の第２の受信電極１５を、
分離帯Ｃで示すように、Ａ部とＢ部とで分離している点
が図１１と異なる。更にこの第２の受信電極１５の分離
に伴い、第１の円筒体１１側のＡ部とＢ部の第１の受信
電極１４の出力信号は別々に取り出して信号処理する。

【００４５】このとき測定回路は、図１３のようにな
る。図２と異なり、変位センサ２０のＡ部出力とＢ部出
力をそれぞれ積分器２３ａ，２３ｂで積分し、位相比較
器２４ａ，２４ｂで位相比較を行う。計数回路２５では
各位相比較器２４ａ，２４ｂからの検出信号に基づいて
発振器２１のクロックを計数して変位を求めるが、この
ときＡ部出力値とＢ部出力値について、（Ａ＋Ｂ）／２
なる平均値を求める計算を行う。これにより、軸方向の
変動の影響をより低減した回転変位測定が可能になる。

【００４６】図１４は、この発明を直線変位測定に適用
した実施例の円筒型変位センサを示している。第１の円
筒体１１とその内部に挿入される第２の円筒体１２を有
することは、回転変位センサの場合と同様であるが、第
２の円筒体１２は、第１の円筒体１１に比べて長く、こ
れが図１４（ａ）に矢印で示したように軸方向にのみ変
位し、軸周りの回転を阻止する機構（図示せず）が設け
られる。

【００４７】第１の円筒体１１は、図１４（ｃ）に展開
図を示したように、８個の第１の送信電極群１３と、第
１の受信電極１４とが内壁に形成されている。第１の送
信電極群１３は螺旋状パターンをなして、周方向に所定
ギャップを残して配設されている。この実施例では、送
信電極群１３は駆動信号の１波長ピッチＷｔ１分の１ユ
ニットのみ示しているが、複数ユニット配置することも
できる。そしてこの第１の送信電極群１３のギャップ
に、第１の受信電極１４が軸方向に細長く配設されてい
る。

【００４８】第２の円筒体１２は、図１４（ｂ）に示す
ように、螺旋状パターンをなす第２の受信電極１５とこ
れと連続する第２の送信電極１７とが、軸方向にピッチ
Ｐｒ２＝Ｗｔ１で繰り返し配設されている。第２の受信
電極１５は、第１の円筒体１１側の送信電極群１３の内
４個と対向して容量結合し、第２の送信電極１７は、同
じく第１の円筒体１１側の第１の受信電極１４と対向し
て容量結合する。

【００４９】以上のセンサ構成原理は、スケール構造が
異なるのみで従来の図２と基本的に同じである。従って
先の実施例と同様の駆動回路及び測定回路を用いて、第
２の円筒体１２の第１の円筒体１１に対する軸方向の直
線変位を測定することができる。

【００５０】前述した実施例では、第１部材として外側
の円筒体を用い、その内壁に第１の送信電極群と第１の
受信電極を配設してステータとし、第２の受信電極と第
２の送信電極を配設した第２部材としての内側の円筒体
をロータとするものであるが、これらの関係を逆にする
ことも可能である。即ち、第１部材として内側の円筒体
を用いて、その外側面に第１の送信電極群と第１の受信
電極を配設し、第２部材として外側の円筒体を用いてそ
の内壁に第２の送信電極と第２の受信電極を配設して、
第１部材としての内側の円筒体をステータ、第２部材と
しての外側の円筒体をロータとして用いることができ
る。

【００５１】更に実施例では、内側の円筒体の外側面に
電極群を形成しているが、内側の円筒体は、空孔を持た
ない円柱部材であって、その外側面を直接加工処理して
電極群を形成することも可能である。また外側の円筒体
に関しても、薄板状の部材を丸めて形成するものに限ら
れず、円柱や直方体を含む任意形状の部材であって、こ
れに円柱状の空孔となる円柱孔が穿たれた形状を有する
ものであればよい。

【００５２】

【発明の効果】以上述べたようにこの発明によれば、第
１，第２部材をそれぞれ同軸に配置された第１，第２の
円筒体として、第１の円筒体の内壁及び第２の円筒体の
外側面に螺旋状パターンの電極を形成して、円筒型変位
センサを構成している。第１，第２の円筒体の一方をス
テータ、他方をロータとして、回転変位量の測定装置と
して用いれば、電極パターンを螺旋状としたことによ
り、第１の円筒体の送信電極とこれに対向する第２の円
筒体状の受信電極との間の平均的ギャップは、軸ズレが
あってもほぼ一定になり、従って同心度の精度が悪くて
も優れた測定精度を得ることができる。しかも送信電極
群が１ユニットのみで、優れた測定精度が得られる。更
に送信電極群を１ユニットのみとすれば、電極パターン
の簡略化、及び配線数の低減により小型の変位センサの
製造が容易になる。更に、回転変位量の測定装置として
用いる場合に、第１の円筒体の第１の送信電極群を互い
に逆向きの螺旋状パターンで軸方向に２組設け、同様に
第２の円筒体の第２の受信電極を互いに逆向きの螺旋状
パターンで軸方向に２組設けると、軸方向のズレの影響
を相殺することができ、より高精度の測定が可能にな
る。またこの発明によると、第２の円筒体の受信電極を
軸方向に繰り返し所定ピッチで配設して、この第２の円
筒体を第１の円筒体の軸方向に変位させるようにすれ
ば、直線変位量の測定装置が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の一実施例に係る円筒型変位センサ
を示す。

【図２】 同実施例の駆動回路及び測定回路構成を示
す。

【図３】 他の実施例による電極パターンを示す。

【図４】 他の実施例による電極パターンを示す。

【図５】 円筒体外表面の電極パターン形成法を示す。

【図６】 円筒体内壁の電極パターン形成法を示す。

【図７】 他の実施例に係る円筒型変位センサを示す。

【図８】 図７の実施例の測定回路を示す。

【図９】 図８の回路の各部信号波形を示す。

【図１０】 他の実施例による電極パターンを示す。

【図１１】 他の実施例に係る円筒型変位センサを示
す。

【図１２】 他の実施例に係る円筒型変位センサを示
す。

【図１３】 同実施例の測定回路を示す。

【図１４】 他の実施例に係る円筒型変位センサを示
す。

【図１５】 従来の静電容量式変位センサの構成を示
す。

【図１６】 従来提案されている円筒型変位センサの構
成を示す。

【符号の説明】

１１…第１の円筒体、１２…第２の円筒体、１３…第１
の送信電極群、１４…第１の受信電極、１５…第２の受
信電極、１６…接地電極、１７…第２の送信電極。

Claims (9)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 近接配置されて相対変位する第１部材と
   第２部材とを有し、前記第１部材は、それぞれ位相の異
   なる交流信号が印加される複数の電極からなる第１の送
   信電極群と、これとは絶縁され且つその電位が測定回路
   に印加される第１の受信電極とを有し、前記第２部材
   は、前記第１の送信電極群の複数電極と同時に容量結合
   するように対向配置された第２の受信電極と、この第２
   の受信電極と電気的に接続され且つ前記第１の受信電極
   と容量結合するように対向配置された第２の送信電極と
   を有する静電容量式変位測定装置において、 前記第１部材には円柱状の空孔を形成する円柱孔を有
   し、前記第１の送信電極群がこの円柱孔の内壁面の所定
   領域にわたり円柱孔の軸方向に沿って螺旋状に、また前
   記第１の受信電極が前記所定領域に隣接してリング帯状
   に配設され、 前記第２部材は、前記円柱孔の内部に所定ギャップを保
   って第１部材と相対移動するように配置される円筒体に
   より構成されて、前記第２の受信電極がこの円筒体の外
   側面に前記第１の送信電極群と対向して前記第１の送信
   電極群と同じリード角で螺旋状に配設されていることを
   特徴とする静電容量式変位測定装置。
2. 【請求項２】 前記第２部材は、前記第１部材の円柱孔
   の軸方向への移動が阻止されると共に軸の周りに回転可
   能に保持されて、前記測定回路において検出される位相
   信号から前記回転量を測定することを特徴とする請求項
   １記載の静電容量式変位測定装置。
3. 【請求項３】 前記第２の送信電極は、前記第２部材の
   円筒体の外側面の前記第１の受信電極と対向する領域に
   リング帯状に配設されていることを特徴とする請求項２
   記載の静電容量式変位測定装置。
4. 【請求項４】 前記第２の送信電極は、前記第２部材の
   円筒体の外側面の前記第１の受信電極と対向する領域に
   前記第２の受信電極の延長部として配設されていること
   を特徴とする請求項２記載の静電容量式変位測定装置。
5. 【請求項５】 前記第１部材に配設される前記第１の送
   信電極群は、互いに逆向きの螺旋状パターンをもって軸
   方向に２組設けられ、これら第１の送信電極群に対向し
   て前記第２部材の第２の受信電極群は、互いに逆向きの
   螺旋状パターンをもって軸方向に２組設けられているこ
   とを特徴とする請求項２記載の静電容量式変位測定装
   置。
6. 【請求項６】 前記第１部材に配設される前記第１の送
   信電極群は、それぞれに３６０°／ｎの等位相ズレの交
   流電圧が印加されるｎ個の電極を１組とするユニット電
   極であって、各電極が前記円柱孔の内壁面を少なくとも
   １周するように１ユニット設けられていることを特徴と
   する請求項１記載の静電容量式変位測定装置。
7. 【請求項７】 前記第２部材は、前記第１部材の円柱孔
   の軸の周りの回転が阻止されると共に軸方向への移動可
   能に保持され、前記測定回路において検出される位相信
   号から前記移動量を測定することを特徴とする請求項１
   記載の静電容量式変位測定装置。
8. 【請求項８】 近接配置されて相対変位する第１部材と
   第２部材とを有し、前記第１部材は、それぞれ位相の異
   なる交流信号が印加される複数の電極からなる第１の送
   信電極群と、これとは絶縁され且つその電位が測定回路
   に印加される第１の受信電極とを有し、前記第２部材
   は、前記第１の送信電極群の複数電極と同時に容量結合
   するように対向配置された第２の受信電極と、この第２
   の受信電極と電気的に接続され且つ前記第１の受信電極
   と容量結合するように対向配置された第２の送信電極と
   を有する静電容量式変位測定装置において、 前記第１部材は円筒体から構成され、前記第１の送信電
   極群はこの円筒体の外側面の所定領域にわたり円筒体の
   軸方向に沿って螺旋状に、また前記第１の受信電極は前
   記所定領域に隣接してリング帯状に配設され、 前記第２部材には前記円筒体が所定ギャップを保って挿
   入される円柱孔を有し、この円柱孔の内壁面に前記第２
   の受信電極が前記第１の送信電極群と対向して前記第１
   の送信電極群と同じリード角で螺旋状に配設されている
   ことを特徴とする静電容量式変位測定装置。
9. 【請求項９】 前記第１部材は、前記第２部材の円筒体
   の軸方向への移動が阻止されると共に軸周りに回転可能
   に保持され、前記測定回路において検出される位相信号
   から前記回転量を測定することを特徴とする請求項８記
   載の静電容量式変位測定装置。