JP2996447B2 - 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、特に原点設定作
業を容易にした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
位測定装置では、装置の原点（ノギスを例とすればスラ
イダがメインスケールと衝合して移動不能になる点）に
おいて測定値がゼロになる必要がある。しかしながら、
実際には静電容量式センサ（後述するＡＢＳセンサ）の
取り付け誤差があるため、装置の原点において測定値が
ゼロになることは期待できない。何故ならばＡＢＳセン
サを組み付けるには、その最小分解能以上の精度で位置
決め、締め付けおよび接着をしなければならず、極めて
困難な作業が要求されるからである。

【０００４】本発明は、装置の機械的な原点とＡＢＳセ
ンサの原点とのずれを演算で補正することにより、セン
サ組み付け時の作業を容易にすることを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明の絶対測定用変位測定装置は、固定要素に対する
可動要素の相対位置に応じた出力信号であって、１つの
前記相対位置に対して唯一に決定される出力信号を出力
する絶対変位センサと、この絶対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位
置を求めて絶対位置データを出力する信号処理手段と、
スイッチ操作により設定される原点設定モードにおいて
前記固定要素と可動要素の任意の位置関係で前記信号処
理手段から得られる絶対位置データをオフセット値とし
て記憶する不揮発性メモリと、計測モードにおいて前記
信号処理手段から得られる絶対位置データから前記不揮
発性メモリに保持されたオフセット値を減算して表示す
る液晶表示手段とこれらを駆動する電池とを備えたこと
を特徴とし、小型計測器に適用されるものである。

【０００６】

【作用】演算による原点調整は高精度に行うことがで
き、しかもセンサ組み付け時の作業精度は要求されな
い。加えて、装置の原点は任意に選択できる汎用性もあ
る。さらには原点調整用のオフセット量を不揮発性のメ
モリに記憶しておけばその都度原点を再設定する必要も
ない。

【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。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。

【００１５】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が供給され、ここで装置の原
点とセンサの原点とのずれを演算で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ＥＥＰＲ
ＯＭ等の不揮発性メモリからなる。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、Ｌ
ＣＤ表示器１３に表示される。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。

【００１６】オフセット記憶部１１は、原点設定モード
において合成回路１０で得られた生データＷＤをオフセ
ット値として記憶し、通常測定モードでは既に記憶して
あるオフセット値ＲＤを原点調整用に合成回路１０に与
える。ＷＤはライトデータ、ＲＤはリードデータの意味
である。このオフセット記憶部１１のリード、ライトＲ
／Ｗは制御部１６により制御される。通常測定モードの
指示には特別な操作をしないとすれば、原点設定モード
時はスイッチ操作等でその旨の指示を制御部１６に与え
る。制御部１６はこの記憶部制御だけでなく全体の制御
も行うが、以下にその処理の概要を示す。

【００１７】図６はこの制御部１６の処理を示すフロー
チャートである。最初のステップＳ１でＡＢＳセンサを
制御する。次にステップＳ２で原点設定モードか否かを
判定し、ＹＥＳであればステップＳ３，Ｓ４で生データ
をオフセット値として記憶してからステップＳ５へ移行
する。これに対し、ステップＳ２でＮＯと判定されたと
きは通常の測定モードであるから、ステップＳ５で生デ
ータからオフセット値を減算して表示値を算出し、その
値をステップＳ６で表示器に表示する。この後はステッ
プＳ１へ戻り同様の処理を繰り返す。

【００１８】上述下処理を行うことにより、原点設定を
必ずしも機械的な原点だけでなく、任意点において行う
ことができる自由度が生ずる。。またオフセット量を不
揮発性のメモリに記憶しておくことにより、再電源投入
時に原点の再設定をする必要がなくなる。このため、原
点設定をし忘れたまま測定するということがなく、信頼
性が向上する。

【００１９】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、装置
の機械的な原点とＡＢＳセンサの原点とのずれを演算で
補正することにより、センサ組み付け時の作業を容易に
することができる。また、原点設定を必ずしも機械的な
原点だけでなく、任意点において行うことができる自由
度が生ずる。さらに、オフセット量を不揮発性のメモリ
に記憶しておくことにより、再電源投入時に原点の再設
定をする必要がなくなる。このため、原点設定をし忘れ
たまま測定するということがなく、信頼性が向上する利
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、１１…オフセット記憶部、１２…演
算回路、１３…ＬＣＤ表示器、１６…制御部、２１…ス
ライダ、２２…メインスケール。

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭56−97808（ＪＰ，Ａ) 特開 昭50−30553（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−202579（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−79209（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−59115（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−73715（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−24125（ＪＰ，Ａ) 実開 昭63−167217（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭56−137007（ＪＰ，Ｕ)

Claims (1)

(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に
   応じた出力信号であって、１つの前記相対位置に対して
   唯一に決定される出力信号を出力する絶対変位センサ
   と、 この絶対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位置を求めて絶対位置デー
   タを出力する信号処理手段と、 スイッチ操作により設定される原点設定モードにおいて
   前記固定要素と可動要素の任意の位置関係で前記信号処
   理手段から得られる絶対位置データをオフセット値とし
   て記憶する不揮発性メモリと、 計測モードにおいて前記信号処理手段から得られる絶対
   位置データから前記不揮発性メモリに保持されたオフセ
   ット値を減算して表示する液晶表示手段とこれらを駆動
   する電池とを備えたことを特徴とする小型計測器に適用
   される絶対測定用変位測定装置。