JP7465071B2

JP7465071B2 - 変位測定装置、変位測定装置の信号処理部およびその信号処理方法

Info

Publication number: JP7465071B2
Application number: JP2019184856A
Authority: JP
Inventors: 昌輝松下; 聡安達
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2019-10-07
Filing date: 2019-10-07
Publication date: 2024-04-10
Anticipated expiration: 2039-10-07
Also published as: US11150072B2; JP2021060293A; US20210102796A1; CN112697176A; CN112697176B; DE102020006109A1

Description

本発明は変位測定装置および変位測定方法に関する。具体的には、相対変位に応じて変化する検出信号に基づいて固定要素に対する可動要素の相対変位を測定する技術に関する。

固定要素に対する可動要素の変位あるいは位置を検出する変位測定装置、いわゆるエンコーダ、が知られている（例えば特許文献１－４）。エンコーダは、デジタルノギス、デジタルマイクロメータ、デジタルインジケータ等のいわゆる小型測定器の変位検出部に使われるのはもちろん、移動テーブル等の各種位置決めに幅広く利用されている。

エンコーダとしては、光学式、静電容量式、磁気式などがある。一例として静電容量式を例に挙げる。なお、検出原理という点では光学式や磁気式でも本質的には同じである。
静電容量式エンコーダは、メインスケールと、メインスケールに対して相対移動可能であるとともにメインスケールに対する相対変位を検出する検出ヘッドと、を有する。
メインスケールを固定要素とし検出ヘッドを可動要素とすることが一般的であるが、逆にしてもよい。メインスケールと検出ヘッドとにはそれぞれ多数の電極が配設される。メインスケールと検出ヘッドとの相対変位に伴って電極パターン間に周期的な容量変化が生じる。この周期的な容量変化の信号を取り出すことによって変位の検出を行う。

電極に生じる周期的な信号、すなわち位相信号を取り出すのであるが、サンプリング、ミキシング、低域濾過、二値化等の処理により位相信号は周期的方形波信号ＣＭＰとして取り出される。周期的方形波信号ＣＭＰは、そのエッジに位相情報を担っている。位相検出回路は、方形波信号ＣＭＰの位相情報をデジタル値で出力する。例えば、ループカウンタをクロックに合わせてカウントアップしておき、方形波信号ＣＭＰのエッジのタイミングでカウント値をサンプリングすれば、位相情報をデジタル値として取り出せる。位相情報が得られれば、位相情報と電極配列のピッチ寸法との対比から、検出ヘッドの相対変位が換算で求められる。

そして、絶対位置検出型（アブソリュート型）の変位測定装置においては、周期が異なる二つ以上の周期的信号を取り出し、これら複数の周期的信号の位相情報を合成することによって絶対位置検出を行なっている。

特公平０６－０６４１００号特許２９０９３３８号特許２８７８９１３号特許２７３８９９６号

絶対位置検出型（アブソリュート型）の変位測定装置においては、周期が異なる二つ以上の周期的信号を取り出すことになるので、駆動信号、復調回路、位相検出回路が複数セット必要ということになる。
変位測定装置の電源がオンになっている間、すべての回路が動作するとなると、消費電力が極めて大きい。あるいは、省電力化するとしても、粗・中・密等の全スケールの位相情報の取得を終えるまではすべての回路を動作させなければならない。このような事情から、絶対位置検出型（アブソリュート型）の変位測定装置は、どうしても消費電力が増大してしまうという傾向がある。

本発明の目的は、不要な電力消費を極力排除して電力効率を改善する変位測定装置を提供することにある。

本発明の変位測定装置の信号処理部は、
メインスケールと検出ヘッドとの相対変位に応じて前記検出ヘッドから出力される第1周期の周期的信号と第2周期の周期的信号とを含む検出信号から得られる前記第1周期の周期的信号と前記第2周期の周期的信号とを用いて前記検出ヘッドの相対変位または位置を測定する変位測定装置の信号処理部であって、
前記第1周期の周期的信号をエッジに位相情報を持つ矩形波の第1スケール信号として抽出する第1スケール復調部と、
前記第2周期の周期的信号をエッジに位相情報を持つ矩形波の第2スケール信号として抽出する第2スケール復調部と、
前記第1スケール信号のエッジのタイミングで、予め決められたk1個の位相情報を取得し、さらに、前記第1スケール信号のエッジが前記k1個に達した場合に、第1スケール検出動作停止指令を出力する第1位相検出部と、
前記第2スケール信号のエッジのタイミングで、予め決められたk2個の位相情報を取得する第2位相検出部と、を備え、
前記第1スケール検出動作停止指令が出力されると、前記第1スケール復調部は前記第1スケール信号の復調動作を停止し、かつ、前記第1位相検出部は前記第1スケール信号の位相情報の検出動作を停止する
ことを特徴とする。
ここで、k1、k2は自然数であり、さらに、k1<k2を満たす。
本発明では、
さらに、前記検出ヘッドに駆動信号を供給する駆動信号発生回路を有し、
前記駆動信号発生回路は、
前記メインスケールとの相対変位に応じて前記第1周期の周期的信号を生成させるための第1スケール用パルス列信号と、
前記メインスケールとの相対変位に応じて前記第2周期の周期的信号を生成させるための第2スケール用パルス列信号と、を発生させる回路であり、
前記第1位相検出部から前記第1スケール検出動作停止指令が出力されると、前記駆動信号発生回路は、第1スケール用パルス列信号を停止する
ことが好ましい。
本発明では、
前記駆動信号発生回路は、
前記第1スケール用パルス列信号と前記第2スケール用パルス列信号とを重ね合わせたマルチ駆動信号を供給するマルチ駆動信号供給回路と、
前記第2スケール用パルス列信号だけを含むシングル駆動信号を供給するシングル駆動信号供給回路と、を有し、
前記第1位相検出部から前記第1スケール検出動作停止指令が出力される前は、前記マルチ駆動信号供給回路から前記マルチ駆動信号を供給し、
前記第1スケール検出動作停止指令が出力されると、前記シングル駆動信号供給回路から前記第2スケール用パルス列信号だけを供給する
ことが好ましい。

本発明の変位測定装置の信号処理方法は、
メインスケールと検出ヘッドとの相対変位に応じて前記検出ヘッドから出力される第1周期の周期的信号と第2周期の周期的信号とを含む検出信号から得られる前記第1周期の周期的信号と前記第2周期の周期的信号とを用いて前記検出ヘッドの相対変位または位置を測定する変位測定装置の信号処理方法であって、
前記第1周期の周期的信号をエッジに位相情報を持つ矩形波の第1スケール信号として抽出する第1スケール復調動作と、
前記第2周期の周期的信号をエッジに位相情報を持つ矩形波の第2スケール信号として抽出する第2スケール復調動作と、
前記第1スケール信号のエッジのタイミングで、予め決められたk1個の位相情報を取得し、さらに、前記第1スケール信号のエッジが前記k1個に達した場合に、第1スケール検出動作停止指令を出力する第1位相検出動作と、
前記第2スケール信号のエッジのタイミングで、予め決められたk2個の位相情報を取得する第2位相検出動作と、を備え、
前記第1スケール検出動作停止指令が出力されると、前記第1スケール復調動作を停止し、かつ、前記第1位相検出動作を停止する
ことを特徴とする。
ここで、k1、k2は自然数であり、さらに、k1<k2を満たす。

本発明の変位測定装置は、
メインスケールと、
前記メインスケールに対して相対変位可能に設けられ、前記メインスケールに対する相対変位に応じて変化する第1周期の周期的信号と第2周期の周期的信号とを含む検出信号を出力する検出ヘッドと、
前記検出信号から得られる前記第1周期の周期的信号と前記第2周期の周期的信号とをエッジに位相情報を持つ矩形波のスケール信号として抽出する復調部と、
前記スケール信号の位相情報をエッジのタイミングで検出する位相検出部と、を備え、位相情報から前記検出ヘッドの相対変位または位置を測定する変位測定装置であって、
前記復調部は、
前記第1周期の周期的信号を第1スケール信号として抽出する第1スケール復調部と、
前記第2周期の周期的信号を第2スケール信号として抽出する第2スケール復調部と、を有し、
前記位相検出部は、
前記第1スケール信号の位相情報を検出する第1位相検出部と、
前記第2スケール信号の位相情報を検出する第2位相検出部と、を有し、
前記第1位相検出部は、
前記第1スケール信号のエッジのタイミングで第1サンプリング信号を出す第1サンプリング信号生成部と、
クロックパルスに基づいて一定時間毎にカウント値をカウントアップするとともに前記第1サンプリング信号で指示されるタイミングでカウント値を出力する第1カウンタと、
予め決められたk1個のサンプリング値の平均を算出する第1平均演算実行部と、
前記第1スケール信号のエッジが前記k1個に達したことを検出した場合に、第1スケール検出動作停止指令を出力する第1スケール停止指令部と、を有し、
前記第2位相検出部は、
前記第2スケール信号のエッジのタイミングで第2サンプリング信号を出す第2サンプリング信号生成部と、
クロックパルスに基づいて一定時間毎にカウント値をカウントアップするとともに前記第2サンプリング信号で指示されるタイミングでカウント値を出力する第2カウンタと、
予め決められたk2個のサンプリング値の平均を算出する第2平均演算実行部と、を有し、
前記第1スケール停止指令部から前記第1スケール検出動作停止指令が出力されると、前記第1スケール復調部は前記第1スケール信号の復調動作を停止し、かつ、前記第1位相検出部は前記第1スケール信号の位相情報の検出動作を停止する
ことを特徴とする。
ここで、k1、k2は自然数であり、さらに、k1<k2を満たす。

エンコーダの全体構成を示す図である。メインスケールに設けられた電極パターンを示す図である。検出ヘッドに設けられた電極パターンを示す図である。信号処理部の機能ブロック図である。駆動信号の位相配列の一例を示す図である。マルチ駆動信号の一例を示す図である。シングル駆動信号の一例を示す図である。粗位相検出部の機能ブロック図である。粗スケール信号のエッジのタイミングでサンプリング信号が立ち上がる様子を例示した図である。中位相検出部の機能ブロック図である。密位相検出部の機能ブロック図である。粗・中・密位相検出部で位相検出する際のタイミングチャートの一例を示す図である。

本発明の実施形態を図示するとともに図中の各要素に付した符号を参照して説明する。
（第１実施形態）
本実施形態では変位測定装置１００としてアブソリュート型の静電容量式エンコーダを例に説明する。
図１は、エンコーダ１００の全体構成を示す図である。
エンコーダ１００は、メインスケール２２と、検出ヘッド２１と、信号処理部２００と、表示器１７と、を備える。

検出ヘッド２１は、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、メインスケール２２の長手方向に移動可能に設けられている。メインスケール２２の長手方向を測定軸Ｘ方向、すなわち測長方向とする。

メインスケール２２および検出ヘッド２１は、位置検出用の電極パターンを互いの対向面にそれぞれ有する。
図２は、メインスケール２２に設けられた電極パターンを示す図である。
図３は、検出ヘッド２１に設けられた電極パターンを示す図である。

メインスケール２２には、第１受信電極２４ａと、第２受信電極２４ｂと、第１伝達電極２５ａと、第２伝達電極２５ｂと、が設けられている。
図２において各第１受信電極２４ａは下向きの略三角形状であり、メインスケール２２の測長方向（測定軸Ｘ方向）に沿って一定ピッチ（Ｐｒ）で多数配列されている。一方、第２受信電極２４ｂは上向きの略三角形状であり、同じく、メインスケール２２の測長方向（測定軸Ｘ方向）に沿って一定ピッチ（Ｐｒ）で多数配列されている。第１受信電極２４ａと第２受信電極２４ｂとは櫛歯が噛み合うように配設されている。

第１伝達電極２５ａは、第１受信電極２４ａに並列するように配列されており、第１伝達電極２５ａと第１受信電極２４ａとは一対一で接続されている。第１伝達電極２５ａは、メインスケール２２の測長方向（測定軸Ｘ方向）に沿って一定ピッチ（Ｐｔ１）で配設されている。
一方、第２伝達電極２５ｂは、第２受信電極２４ｂに並列するように配列されており、第２伝達電極２５ｂと第２受信電極２４ｂとは一対一で接続されている。第２伝達電極２５ｂは、メインスケール２２の測長方向（測定軸Ｘ方向）に沿って一定ピッチ（Ｐｔ２）で配設されている。
第１伝達電極２５ａの配列ピッチＰｔ１および第２伝達電極２５ｂの配列ピッチＰｔ２は、受信電極２４ａ、２４ｂの配列ピッチＰｒとは異なるようにしてあるが、これについては後述する。
なお、Ｐｒ＞Ｐｔ２＞Ｐｔ１としておく。

次に、図３を参照しながら検出ヘッド２１側の電極パターンについて説明する。
検出ヘッド２１には、送信電極２３と、第１検出電極２６ａ、２６ｂと、第２検出電極２７ａ、２７ｂと、が設けられている。

送信電極２３は、所定ピッチＰｔ０で測長方向（測定軸Ｘ方向）に沿って多数配列されている。送信電極２３は、メインスケール２２側の第１受信電極２４ａおよび第２受信電極２４ｂと容量結合する。
ここで、送信電極２３は、８つの電極で一つの単位（一群）を構成する。すなわち、送信電極２３は、７つおきに共通接続されている。
例えば、１番目の送信電極２３は、２番から８番を飛ばして、９番目の送信電極と共通接続され、さらに、１０番から１６番を飛ばして、１７番目の送信電極と共通接続されている。（以下同様なので省略。）
図３中、送信電極の数を数えやすいように番号を付した。

送信電極には駆動信号Ｓｄが供給される。
駆動信号Ｓｄとしては、４５°ずつ位相がずれた８相の周期信号ａ，ｂ，…，ｈが用意される。（８相の周期信号ａ－ｈに対し、位相の順に相番号０から７と番号付けする。）そして、一群を構成する８つの送信電極には、４５°ずつ位相がずれた８相の周期信号ａ，ｂ，…，ｈがそれぞれ供給される。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、駆動信号発生回路２２０で生成される（図４）。
駆動信号Ｓｄの電位の時間変化を式で表わすと次式のようになる。

Ｖｎ＝Ａｓｉｎ２π｛（ｔ／Ｔ）－（ｎ／８）｝
ここで、Ａは送信信号Ｓｄの振幅、Ｔは送信信号Ｓｄの周期、ｎは相番号（０、１、２、・・・・７）である。

駆動信号Ｓｄが送信電極２３に供給されると、送信電極２３の配列方向（測定軸Ｘ方向）に周期的に振動する電場パターンが発生する。この周期的電場パターンのピッチＷｔは、送信電極２３のピッチＰｔ０の８倍である。このピッチＷｔは、受信電極２４ａ，２４ｂのピッチＰｒのＮ倍になるように設定されている。（Ｎは正の整数。）Ｎとしては、１，３，５等の奇数であることが好ましく、本実施形態ではＮ＝３としている。したがって、８つの連続する送信電極２３に対し、常に３つ乃至４つの受信電極２４ａ，２４ｂが容量結合することになる。そして、各受信電極２４ａ，２４ｂが受信する信号（の位相）は、容量結合する送信電極２３と受信電極２４ａ，２４ｂとの組み合わせによって決定されるところ、メインスケール２２に対する検出ヘッド２１の相対位置に応じて変化する。

第１検出電極２６ａ，２６ｂは、周期Ｗｒ１を有する一続きの正弦波形状の電極であり、メインスケール２２側の第１伝達電極２５ａと容量結合するように配置されている。互いに半周期ずれた二つの正弦波状の電極２６ａ，２６ｂが噛み合うように配置されることで一組の第１検出電極２６ａ，２６ｂとなっている。第１検出電極２６ａ，２６ｂの周期Ｗｒ１と第１伝達電極２５ａの配列ピッチＰｔ１との関係については後述する。

第２検出電極２７ａ，２７ｂは、周期Ｗｒ２を有する一続きの正弦波形状の電極であり、メインスケール２２側の第２伝達電極２５ｂと容量結合するように配置されている。互いに半周期ずれた二つの正弦波状の電極２７ａ，２７ｂが噛み合うように配置されることで一組の第２検出電極２７ａ，２７ｂとなっている。第２検出電極２７ａ，２７ｂの周期Ｗｒ２と第２伝達電極２５ｂの配列ピッチＰｔ２との関係については後述する。

本実施形態のエンコーダにおいては、アブソリュート型とするため、粗い周期（粗スケール）、中間の周期（中スケール）、および、細かい周期（密スケール）、の３つのレベルで位相変化を検出するようにしている。

すなわち、第１伝達電極２５ａのピッチＰｔ１および第２伝達電極２５ｂのピッチＰｔ２を受信電極２４ａ，２４ｂのピッチＰｒからわずかに異ならせ、第１伝達電極２５ａおよび第２伝達電極２５ｂが受信電極２４ａ，２４ｂに対してそれぞれ偏位Ｄ１、偏位Ｄ２を持つようにしている。
偏位量Ｄ１、Ｄ２は、基準位置ｘ０からの測定軸Ｘ方向の距離ｘの関数で、それぞれ下記式のように表わされる。

Ｄ１（ｘ）＝（Ｐｒ－Ｐｔ１）ｘ／Ｐｒ
Ｄ２（ｘ）＝（Ｐｒ－Ｐｔ２）ｘ／Ｐｒ

この偏位Ｄ１、Ｄ２により、第１、第２受信電極２４ａ、２４ｂに生じた電場パターンが第１、第２伝達電極２５ａ、２５ｂに伝達されるときに、大きな周期λ１、λ２に応じた変動がそれぞれ加わる。
（偏位Ｄ１による大きな周期をλ１とし、偏位Ｄ２による大きな周期をλ２とした。）

そして、第１検出電極２６ａ，２６ｂおよび第２検出電極２７ａ，２７ｂの周期を、例えば、それぞれＷｒ１（＝３Ｐｔ１），Ｗｒ２（＝３Ｐｔ２）とする。第１検出電極２６ａ，２６ｂおよび第２検出電極２７ａ，２７ｂは、第１伝達電極２５ａの（３つ分）および第２伝達電極２５ｂの（３つ分）と容量結合しているのであるから、第１伝達電極２５ａおよび第２伝達電極２５ｂに生じた容量変化を検出電流として取り出せる。

送信電極２３と検出電極２６ａ，２６ｂ、２７ａ，２７ｂとは、間に受信電極２４ａ、２４ｂおよび伝達電極２５ａ、２５ｂを介して容量結合していると見なせる。
例えば、送信電極２３のうちのどれか一つと第１検出電極の一方（２６ａ）との間の容量が位置ｘによってどのように変化するかを考えてみる。この容量をＣｎ（Ｂ１）で表わすことにする。容量Ｃｎ（Ｂ１）は次の式で表わされる。

Ｃｎ（Ｂ１）＝Ｂｓｉｎ２π｛（ｘ／λ１）－（ｎ／８）｝＋Ｃｓｉｎ２π｛（ｘ／Ｐｒ）－（３ｎ／８）｝＋Ｄ
Ｂは大きな周期の振幅、Ｃは小さな周期（ｐｒ）の振幅、Ｄはオフセット値である。

同じく、送信電極２３のうちのどれか一つと第１検出電極の他方（２６ｂ）との間の容量が位置ｘによってどのように変化するかを考えてみる。
第１検出電極の一方（２６ａ）と他方（２６ｂ）とは半周期ずれているので、大きな周期（λ１）は逆相になる。
この容量をＣｎ（Ｂ２）で表わすことにする。
容量Ｃｎ（Ｂ２）は次の式で表わされる。

Ｃｎ（Ｂ２）＝－Ｂｓｉｎ２π｛（ｘ／λ１）－（ｎ／８）｝＋Ｃｓｉｎ２π｛（ｘ／Ｐｒ）－（３ｎ／８）｝＋Ｄ

容量は、位置ｘの関数であり、送信電極２３のうちのどの相が検出電極２６ａ、２６ｂと大きく結合しているかはｘによって変わってくる。

第１検出電極２６ａ、２６ｂは送信電極２３と容量結合しているので、第１検出電極２６ａ、２６ｂに電圧が誘起される。
この誘起電圧の変化を検出信号Ｂ１、Ｂ２として取り出すと次のようになる。

Ｂ１＝Σ_ｎ＝０ ^７Ｃｎ（Ｂ１）・Ｖｎ
Ｂ２＝Σ_ｎ＝０ ^７Ｃｎ（Ｂ２）・Ｖｎ

第２検出電極２７ａ、２７ｂで検出される検出信号Ｃ１、Ｃ２も同様に表わされる。

ここで、検出信号Ｂ１、Ｂ２の大きな周期（λ１）が小さな周期（Ｐｒ）の数十倍になるようにする。また、検出信号Ｃ１，Ｃ２の大きな周期（λ２）が検出信号Ｂ１，Ｂ２の大きな周期（λ１）の数十倍になるようにする。すると、下記式の演算により、各レベル、すなわち、粗い周期（粗スケール）、中間の周期（中スケール）、および、細かい周期（密スケール）、で位相変位を得ることができる。

（粗スケール）：Ｃ１－Ｃ２
（中スケール）：Ｂ１－Ｂ２
（密スケール）：（Ｂ１＋Ｂ２）－（Ｃ１＋Ｃ２）

粗スケール信号、中スケール信号、密スケール信号を整理すると例えば次のようになる。

（粗スケール信号）
Ｃ１－Ｃ２＝Ｋ１ｃｏｓ２π（ｘ／λ２－ｔ／Ｔ）

（中スケール信号）
Ｂ１－Ｂ２＝Ｋ２ｃｏｓ２π（ｘ／λ１－ｔ／Ｔ）

（密スケール信号）
（Ｂ１＋Ｂ２）－（Ｃ１＋Ｃ２）＝Ｋ３ｃｏｓ２π（ｘ／Ｐｒ－ｔ／Ｔ）

ここで、例えば、密スケール信号のゼロクロス点の時間をｔ０とすると次のようになる。

２π（ｘ／Ｐｒ－ｔ０／Ｔ）＝π／２
ｘ＝（１／４＋ｔ０／Ｔ）・Ｐｒ

したがって、基準信号の位相（が０になる基準時）からゼロクロス点ｔ０までの時間をカウンタ等によってカウントすることにより、検出ヘッド２１の位置ｘが求められることになる。

信号処理部２００について説明する。
図４は、信号処理部２００の機能ブロック図である。
信号処理部２００は、制御回路２１０と、駆動信号発生回路２２０と、復調部２３０と、位相検出部３００と、合成回路２７０と、実寸換算部２８０と、を備える。

制御回路２１０は、各回路に、制御信号、クロック信号、リセット信号等を供給してシステム全体の動作タイミングを制御している。

駆動信号発生回路２２０は、４５°ずつ位相がずれた８相の周期信号ａ，ｂ，…，ｈを生成し、駆動信号Ｓｄとして各送信電極２３に供給する。
駆動信号発生回路２２０は、マルチ駆動信号供給回路２２１と、シングル駆動信号供給回路２２２と、駆動信号切替回路２２３と、を有する。
上記において、位置ｘによる送信電極２３と検出電極（２６ａ，２６ｂ、２７ａ，２７ｂ）との容量結合の変化と、粗スケール信号、中スケール信号および密スケール信号の取り出し方と、を概略説明した。
この容量結合の変化と各スケール信号の取り出しとを考えると、８つの送信電極に８相の周期信号ａ，ｂ，…，ｈを供給するにあたって、粗スケール信号および中スケール信号を取り出すための駆動信号の位相と、密スケール信号を取り出すための駆動信号の位相と、は異なる。例えば、図５に例示するように、粗スケール信号および中スケール信号を取り出すための駆動信号は、隣の信号の位相と４５°ずつずれた信号とする。密スケール信号を取り出すための駆動信号は、隣の信号の位相と１３５°ずつずれた信号とする。

粗スケール信号を取り出すための駆動信号と、中スケール信号を取り出すための駆動信号と、は共通化できるので、以後の説明では、まとめて、粗スケール用パルス列信号と称することにする。また、密スケール信号を取り出すための駆動信号を密スケール用パルス列信号と称することにする。

マルチ駆動信号供給回路２２１は、粗スケール用パルス列信号と密スケール用パルス列信号とを重ね合わせたマルチ駆動信号を生成する。
図６は、マルチ駆動信号の一例である。
粗スケール用パルス列信号としても、密スケール用パルス列信号としても、大事なのはエッジの位置（位相）である。マルチ駆動信号は、粗スケール用パルス列信号のエッジと、密スケール用パルス列信号のエッジと、の両方を含むパルス列信号となっている。なお、図６中において、ＣＳは粗スケール用パルス列信号のエッジの位置を表わし、Ｆは密スケール用パルス列信号のエッジの位置を表わしている。

シングル駆動信号供給回路２２２は、密スケール用パルス列信号だけを含むシングル駆動信号を生成する。
図７は、シングル駆動信号の一例である。すなわち、シングル駆動信号は、密スケール用パルス列信号のエッジだけを含むパルス列信号である。

駆動信号切替回路２２３は、マルチ駆動信号供給回路２２１からのマルチ駆動信号とシングル駆動信号供給回路２２２からのシングル駆動信号とを切り替えて出力する。
制御回路２１０からの起動信号を受けて駆動信号発生回路２２０が起動したとき、最初、駆動信号切替回路２２３は、マルチ駆動信号供給回路２２１からのマルチ駆動信号を選択して出力する。その後、粗スケール検出動作停止信号および中スケール検出動作停止信号（これらスケール検出動作停止信号については後述する）の両方を受け取ったとき、駆動信号切替回路２２３は、シングル駆動信号供給回路２２２からのシングル駆動信号に切り替えて出力する。さらに、密スケール検出動作停止信号（スケール検出動作停止信号については後述する）を受け取ったとき、駆動信号発生回路２２０は動作を停止し、すなわち、マルチ駆動信号供給回路２２１およびシングル駆動信号供給回路２２２の動作を停止する。

なお、粗スケール検出動作停止信号、中スケール検出動作停止信号、密スケール検出動作停止信号については後述する。

ここで、起動信号を受けて駆動信号発生回路２２０が起動したとき、駆動信号発生回路２２０は、最初はマルチ駆動信号を出力して、シングル駆動信号は出力しなくてよいわけだから、最初はマルチ駆動信号供給回路２２１だけを起動し、シングル駆動信号供給回路２２２は停止しておいてもよいかもしれない。そして、シングル駆動信号に切り替える瞬間にシングル駆動信号供給回路２２２を起動するようにしてもよいかもしれない。
ただし、駆動信号供給回路（マルチ駆動信号供給回路２２１、シングル駆動信号供給回路２２２）の起動にはやや時間を要する場合もあるし、駆動信号供給回路自体をオンオフするのは却って消費電力が増える場合があるかもしれない。そこで、駆動信号供給回路（マルチ駆動信号供給回路２２１、シングル駆動信号供給回路２２２）をオンオフするのではなくて、切替回路２２３で駆動信号発生回路２２０からの出力信号をマルチ駆動信号とシングル駆動信号とで切り替えるようにする。この構成でも、シングル駆動信号に切り替えたときには信号のアップダウンが少なくなる（エッジの数が減る）ので、その分省電力化が図られる。

復調部２３０は、粗スケール復調部２３１と、中スケール復調部２３２と、密スケール復調部２３３と、を有する。

粗スケール復調部２３１には、第２検出電極２７ａ、２７ｂからの検出信号Ｃ１、Ｃ２が入力される。これにより、粗スケール復調部２３１は、"Ｃ１－Ｃ２"で得られる粗スケール信号の復調を行う。
中スケール復調部２３２には、第１検出電極２６ａ、２６ｂからの検出信号Ｂ１、Ｂ２が入力される。これにより、中スケール復調部２３２は、"Ｂ１－Ｂ２"で得られる中スケール信号の復調を行う。
密スケール復調部２３３には、第１検出電極２６ａ、２６ｂおよび第２検出電極２７ａ、２７ｂからの検出信号Ｂ１、Ｂ２、Ｃ１、Ｃ２が入力される。これにより、密スケール復調部２３３は、"（Ｂ１＋Ｂ２）－（Ｃ１＋Ｃ２）"で得られる密スケール信号の復調を行う。

復調にあたっては、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、および、２値化処理等を行う。これにより、エッジに位相情報を担った矩形の周期信号ＣＭＰが生成される。
すなわち、
粗スケール信号（ＣＭＰ－ＣＯＡ）、
中スケール信号（ＣＭＰ－ＭＥＤ）、および、
密スケール信号（ＣＭＰ－ＦＩＮ）が得られる。

位相検出部３００は、粗位相検出部３１０と、中位相検出部３２０と、密位相検出部３３０と、を有する。
粗位相検出部３１０には、粗スケール信号（ＣＭＰ－ＣＯＡ）が入力される。
中位相検出部３２０には、中スケール信号（ＣＭＰ－ＭＥＤ）が入力される。
密位相検出部３３０には、密スケール信号（ＣＭＰ－ＦＩＮ）が入力される。

位相検出部３００について説明する。粗位相検出部３１０、中位相検出部３２０、および、密位相検出部３３０は、基本的には同じ構成であるので、まず、粗位相検出部３１０を例にして説明する。

図８は、粗位相検出部３１０の機能ブロック図である。
粗位相検出部３１０は、カウンタ３１１と、サンプリングタイミング制御部３１２と、位相演算部３１４と、
粗スケール停止指令部３１５と、を備える。

カウンタ３１１は、ループカウンタであり、クロックパルスに合わせてカウントアップを行う。例えば、制御回路２１０から所定時間間隔（例えば１００ｍｓｅｃ間隔）で起動信号が発せられるとすると、この起動信号を受けて、駆動信号発生回路２２０、復調部２３０、位相検出部３００が動作を開始する。すなわち、起動信号を受けて、駆動信号発生回路２２０は駆動信号Ｓｄを生成し、カウンタ３１１は０からカウントアップをスタートする。これにより、相番号０番（周期信号ａ）の基準信号Ｓｄ０とカウンタ３３１とが同期する。カウント値は、位相演算部３１４に向けて出力される。

サンプリングタイミング制御部３１２には、粗スケール復調部２３１から粗スケール信号（ＣＭＰ－ＣＯＡ）が入力され、制御回路２１０からは１００ｍｓｅｃ間隔のイネーブル信号ＥＮＢが入力される。サンプリングタイミング制御部３１２は、粗スケール信号（ＣＭＰ－ＣＯＡ）およびイネーブル信号ＥＮＢに基づいて、カウンタ３１１にカウント値の出力を指示する。

サンプリングタイミング制御部３１２は、サンプリング信号生成部３１３を備える。図９は、粗スケール信号（ＣＭＰ－ＣＯＡ）のエッジのタイミングでサンプリング信号が立ち上がる様子を例示した図である。

サンプリング信号生成部３１３には制御回路２１０からのイネーブル信号ＥＮＢと粗スケール復調部２３１からの粗スケール信号（ＣＭＰ－ＣＯＡ）とが入力される。サンプリング信号生成部３１３は、イネーブル信号ＥＮＢの立ち上がりの後、粗スケール信号（ＣＭＰ－ＣＯＡ）のエッジのタイミングで２回立ち上がるサンプリング信号を生成する。

ここでは、イネーブル信号ＥＮＢの立ち上がりの後、粗スケール信号（ＣＭＰ－ＣＯＡ）の最初の立ち上がりエッジからサンプリング信号の生成を開始するとする。ただし、位相調整を行なうことができるなら、エッジが立ち上がりか立ち下がりかを区別した上で、イネーブル信号ＥＮＢの立ち上がりの後、粗スケール信号（ＣＭＰ－ＣＯＡ）の最初の立ち下がりエッジからサンプリング信号の生成を開始してもよい。これは、特願２０１５－００７６６０で詳しく説明している。

粗スケール信号の位相検出にあたっては２回分（ｋ１個）のサンプリング値を平均した平均値を位相情報とするため、サンプリング信号が２回立ち上がるように設定してある。例えば、密スケール信号（ＣＭＰ－ＦＩＮ）の位相検出にあたっては４回分（ｋ２個）のサンプリング値から平均値を求めるとすれば、サンプリング信号が立ち上がる回数は４回ということになる。

このように生成されるサンプリング信号は、カウンタ３１１に供給される。カウンタ３１１は、サンプリング信号のタイミングでカウント値を出力する。

位相演算部３１４は、カウンタ３１１から得られた複数個（ここでは２個）のカウント値に基づいて、粗スケール信号（ＣＭＰ－ＣＯＡ）の位相（平均位相）を求める。

粗スケール停止指令部３１５は、サンプリング信号生成部３１３からのサンプリング信号が所定回数（例えば２回）立ち上がり、かつ、位相演算部３１４が２個のカウント値から平均位相を得たことを確認次第、粗スケール検出動作停止指令を出力する。粗スケール検出動作停止指令が出力されると、粗位相検出部３１０、および、粗スケール復調部２３１が動作を停止する。

次に、図１０は、中位相検出部３２０の機能ブロック図である。
中位相検出部３２０の構成は、粗位相検出部３１０とほぼ同じである。中位相検出部３２０は、中スケール停止指令部３２５を有する。中スケール停止指令部３２５は、サンプリング信号生成部３２３からのサンプリング信号が所定回数（例えば２回）立ち上がり、かつ、位相演算部３２４が二個のカウント値から平均位相を得たことを確認次第、中スケール検出動作停止指令を出力する。中スケール検出動作停止指令が出力されると、中位相検出部３２０、および、中スケール復調部２３２が動作を停止する。

さらに、前述のように、粗スケール検出動作停止信号および中スケール検出動作停止信号は駆動信号発生回路２２０にも供給される。駆動信号発生回路２２０が粗スケール検出動作停止信号および中スケール検出動作停止信号の両方を受け取ったとき、駆動信号切替回路２２３は、シングル駆動信号供給回路２２２からのシングル駆動信号に切り替えて出力する。

次に、図１１は、密位相検出部３３０の機能ブロック図である。
密位相検出部３３０の構成は、粗位相検出部３１０の構成とほぼ同じである。ただし、密位相検出部３３０において、サンプリング信号生成部３３３は、イネーブル信号ＥＮＢの立ち上がりの後、密スケール信号（ＣＭＰ－ＦＩＮ）のエッジのタイミングで４回（ｋ２回）立ち上がるサンプリング信号を生成する。すなわち、密位相検出部３３０においては、４つのカウント値（位相情報）から密スケール信号（ＣＭＰ－ＦＩＮ）の位相（平均位相）を求める。

密スケール停止指令部３３５は、サンプリング信号生成部３３３からのサンプリング信号が所定回数（例えば４回）立ち上がり、かつ、位相演算部３３４が４個のカウント値から平均位相を得たことを確認次第、密スケール検出動作停止指令を出力する。密スケール検出動作停止指令が出力されると、位相検出部３００の全体、復調部２３０の全体、および、駆動信号発生回路２２０の全体が動作を停止し、次の起動信号までスリープ状態になる。

図１２は、粗・中・密位相検出部３１０、３２０、３３０で位相検出する際のタイミングチャートの一例である。
イネーブル信号ＥＮＢの立ち上がりの後、各位相検出部３１０、３２０、３３０は、各スケール信号ＣＭＰのエッジのタイミングで所定個の位相情報（カウンタのカウント値）を取得する。粗・中位相検出部３１０、３２０は二つ、密位相検出部３３０は４つの位相情報（カウンタのカウント値）を取得する。

図１２のケースでは、まず時刻ｔ１において、中位相検出部３２０が２つの位相情報を取り終えてしまう。すると、中スケール停止指令部３２５から中スケール検出動作停止指令が出力される。中スケール検出動作停止指令により、中位相検出部３２０および中スケール復調部２３２の動作が停止する。

次に、時刻ｔ２において、粗位相検出部３１０が２つの位相情報を取り終えてしまう。すると、粗スケール停止指令部３１５から粗スケール検出動作停止指令が出力される。粗スケール検出動作停止指令により、粗位相検出部３１０および粗スケール復調部２３１の動作が停止する。さらに、粗スケール検出動作停止指令と中スケール検出動作停止指令との二つが揃ったので、駆動信号発生回路２２０は、マルチ駆動信号からシングル駆動信号に切り替える。

そして、時刻ｔ３で密位相検出部３３０が４つの位相情報を取り終えてしまう。すると、密スケール停止指令部３３５から密スケール検出動作停止指令が出力される。密スケール検出動作停止指令により、密位相検出部３３０および密スケール復調部２３３の動作が停止し、すなわち、位相検出部３００および復調部２３０の動作が停止する。さらに、密スケール検出動作停止指令により、駆動信号発生回路２２０はシングル駆動信号の出力も停止してしまい、すなわち、駆動信号発生回路２２０の動作が停止する。

各位相検出部３１０－３３０で求められた各位相情報は合成回路２７０で重み付けられて合成される。合成回路２７０からの出力は、実寸換算部２８０により実寸法値に変換される。実寸換算部２８０で得られた実寸法値は、表示器１７に表示される。

このような構成を備える本実施形態によれば次の効果を奏する。
従前は、変位測定装置の電源がオンになっている間はすべての回路が動作していたので消費電力が大きかった。あるいは、省電力化するとしても、粗・中・密の全スケールの位相情報の取得を終えるまではすべての回路を動作させていた。
これに対し、本実施形態では、位相情報の取得が終わったトラック（スケール）に関連する回路動作を停止できるようにした。さらに、駆動信号発生回路２２０は、マルチ駆動信号供給回路２２１だけでなくシングル駆動信号供給回路２２２を併せ持つようにし、マルチ駆動信号が不要になったらシングル駆動信号に切り替えられるようにした。これにより、不要な電力消費を極力排除し、電力効率を改善することができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
本発明の適用範囲は、静電容量式のエンコーダに限らないし、直線移動型に限られるものでもない。位相情報に基づいて絶対位置を求めるエンコーダであれば光電式や磁気式のエンコーダでもよい。ロータリーエンコーダでもよいことはもちろんである。

上記実施例では、密位相検出部３３０は４つ（ｋ２個）のカウント値（位相情報）の平均値を求め、粗・中位相検出部３１０、３２０は２つ（ｋ１個）のカウント値（位相情報）の平均値を求めるように設定している。（つまり、ｋ２≧ｋ１＋２）。
この場合、必ず密位相検出部３３０より前に粗・中位相検出部３１０、３２０が必要な位相情報を取り終えてしまう。つまり、密スケール検出動作停止指令が出力されるときには、粗・中位相検出部３１０、３２０が必要な位相情報を取り終えてしまっている。したがって、密スケール検出動作停止指令が出力されたときには、位相検出部３００の全体、復調部２３０の全体、および、駆動信号発生回路２２０の全体が動作を停止してしまってもよい。

ただし、密位相検出部３３０、粗位相検出部３１０、および、中位相検出部３２０がそれぞれいくつのカウント値（位相情報）から平均位相を求めるかは適宜設定されるものであり、どの位相検出部（３１０、３２０、３３０）が必ず最後になるかは確定しないケースも有り得る。この場合、位相検出が終わったものから関連する動作（復調、位相検出）を停止するようにすればよい。そして、密スケール検出動作停止指令よりも先に粗・中スケール検出動作停止指令が二つ揃った場合には、駆動信号の切替動作を行なう。３つの停止指令（粗・中・密スケール検出動作停止指令）が揃ったら、駆動信号発生回路２２０の動作を止めるようにすればよい。

上記実施形態では、粗位相検出の方が密位相検出よりも平均位相算出に用いる位相情報（カウンタのカウント値）の数が少ないとした。つまり、密位相検出部では４個（ｋ２個）、粗位相検出部では２個（ｋ１個）の位相情報を用いるとした。
もちろん、これは逆になってもよい。すなわち、密位相検出の方が粗位相検出よりも平均位相算出に用いる位相情報（カウンタのカウント値）の数が少なくてもよい。つまり、粗位相検出部では４個（ｋ２個）、密位相検出部では２個（ｋ１個）の位相情報を用いるとしてもよい。

１７…表示器、
２１…検出ヘッド、
２２…メインスケール、
２３…送信電極、
２４ａ…第１受信電極、２４ｂ…第２受信電極、
２５ａ…第１伝達電極、２５ｂ…第２伝達電極、
２６ａ、２６ｂ…第１検出電極、２７ａ、２７ｂ…第２検出電極、
１００…変位測定装置（エンコーダ）、
２００…信号処理部、
２１０…制御回路、
２２０…駆動信号発生回路、
２２１…マルチ駆動信号供給回路、２２２…シングル駆動信号供給回路、２２３…駆動信号切替回路、
２３０…復調部、
２３１…粗スケール復調部、２３２…中スケール復調部、２３３…密スケール復調部、
２７０…合成回路、
２８０…実寸換算部、
３００…位相検出部、
３１０…粗位相検出部、
３１１…カウンタ、３１２…サンプリングタイミング制御部、３１３…サンプリング信号生成部、３１４…位相演算部、３１５…粗スケール停止指令部、
３２０…中位相検出部、
３２３…サンプリング信号生成部、３２４…位相演算部、３２５…中スケール停止指令部、
３３０…密位相検出部、
３３１…カウンタ、３３３…サンプリング信号生成部、３３４…位相演算部、３３５…密スケール停止指令部。

Claims

メインスケールと検出ヘッドとの相対変位に応じて前記検出ヘッドから出力される第1周期の周期的信号と第2周期の周期的信号とを含む検出信号から得られる前記第1周期の周期的信号と前記第2周期の周期的信号とを用いて前記検出ヘッドの相対変位または位置を測定する変位測定装置の信号処理部であって、
前記第1周期の周期的信号をエッジに位相情報を持つ矩形波の第1スケール信号として抽出する第1スケール復調部と、
前記第2周期の周期的信号をエッジに位相情報を持つ矩形波の第2スケール信号として抽出する第2スケール復調部と、
前記第1スケール信号のエッジのタイミングで、予め決められたk1個の位相情報を取得し、さらに、前記第1スケール信号のエッジが前記k1個に達した場合に、第1スケール検出動作停止指令を出力する第1位相検出部と、
前記第2スケール信号のエッジのタイミングで、予め決められたk2個の位相情報を取得する第2位相検出部と、を備え、
前記第1スケール検出動作停止指令が出力されると、前記第1スケール復調部は前記第1スケール信号の復調動作を停止し、かつ、前記第1位相検出部は前記第1スケール信号の位相情報の検出動作を停止する
ことを特徴とする変位測定装置の信号処理部。
ここで、k1、k2は自然数であり、さらに、k1<k2を満たす。
請求項1に記載の変位測定装置の信号処理部において、
さらに、前記検出ヘッドに駆動信号を供給する駆動信号発生回路を有し、
前記駆動信号発生回路は、
前記メインスケールとの相対変位に応じて前記第1周期の周期的信号を生成させるための第1スケール用パルス列信号と、
前記メインスケールとの相対変位に応じて前記第2周期の周期的信号を生成させるための第2スケール用パルス列信号と、を発生させる回路であり、
前記第1位相検出部から前記第1スケール検出動作停止指令が出力されると、前記駆動信号発生回路は、第1スケール用パルス列信号を停止する
ことを特徴とする変位測定装置の信号処理部。
請求項2に記載の変位測定装置の信号処理部において、
前記駆動信号発生回路は、
前記第1スケール用パルス列信号と前記第2スケール用パルス列信号とを重ね合わせたマルチ駆動信号を供給するマルチ駆動信号供給回路と、
前記第2スケール用パルス列信号だけを含むシングル駆動信号を供給するシングル駆動信号供給回路と、を有し、
前記第1位相検出部から前記第1スケール検出動作停止指令が出力される前は、前記マルチ駆動信号供給回路から前記マルチ駆動信号を供給し、
前記第1スケール検出動作停止指令が出力されると、前記シングル駆動信号供給回路から前記第2スケール用パルス列信号だけを供給する
ことを特徴とする変位測定装置の信号処理部。
メインスケールと検出ヘッドとの相対変位に応じて前記検出ヘッドから出力される第1周期の周期的信号と第2周期の周期的信号とを含む検出信号から得られる前記第1周期の周期的信号と前記第2周期の周期的信号とを用いて前記検出ヘッドの相対変位または位置を測定する変位測定装置の信号処理方法であって、
前記第1周期の周期的信号をエッジに位相情報を持つ矩形波の第1スケール信号として抽出する第1スケール復調動作と、
前記第2周期の周期的信号をエッジに位相情報を持つ矩形波の第2スケール信号として抽出する第2スケール復調動作と、
前記第1スケール信号のエッジのタイミングで、予め決められたk1個の位相情報を取得し、さらに、前記第1スケール信号のエッジが前記k1個に達した場合に、第1スケール検出動作停止指令を出力する第1位相検出動作と、
前記第2スケール信号のエッジのタイミングで、予め決められたk2個の位相情報を取得する第2位相検出動作と、を備え、
前記第1スケール検出動作停止指令が出力されると、前記第1スケール復調動作を停止し、かつ、前記第1位相検出動作を停止する
ことを特徴とする変位測定装置の信号処理方法。
ここで、k1、k2は自然数であり、さらに、k1<k2を満たす。
メインスケールと、
前記メインスケールに対して相対変位可能に設けられ、前記メインスケールに対する相対変位に応じて変化する第1周期の周期的信号と第2周期の周期的信号とを含む検出信号を出力する検出ヘッドと、
前記検出信号から得られる前記第1周期の周期的信号と前記第2周期の周期的信号とをエッジに位相情報を持つ矩形波のスケール信号として抽出する復調部と、
前記スケール信号の位相情報をエッジのタイミングで検出する位相検出部と、を備え、位相情報から前記検出ヘッドの相対変位または位置を測定する変位測定装置であって、
前記復調部は、
前記第1周期の周期的信号を第1スケール信号として抽出する第1スケール復調部と、
前記第2周期の周期的信号を第2スケール信号として抽出する第2スケール復調部と、を有し、
前記位相検出部は、
前記第1スケール信号の位相情報を検出する第1位相検出部と、
前記第2スケール信号の位相情報を検出する第2位相検出部と、を有し、
前記第1位相検出部は、
前記第1スケール信号のエッジのタイミングで第1サンプリング信号を出す第1サンプリング信号生成部と、
クロックパルスに基づいて一定時間毎にカウント値をカウントアップするとともに前記第1サンプリング信号で指示されるタイミングでカウント値を出力する第1カウンタと、
予め決められたk1個のサンプリング値の平均を算出する第1平均演算実行部と、
前記第1スケール信号のエッジが前記k1個に達したことを検出した場合に、第1スケール検出動作停止指令を出力する第1スケール停止指令部と、を有し、
前記第2位相検出部は、
前記第2スケール信号のエッジのタイミングで第2サンプリング信号を出す第2サンプリング信号生成部と、
クロックパルスに基づいて一定時間毎にカウント値をカウントアップするとともに前記第2サンプリング信号で指示されるタイミングでカウント値を出力する第2カウンタと、
予め決められたk2個のサンプリング値の平均を算出する第2平均演算実行部と、を有し、
前記第1スケール停止指令部から前記第1スケール検出動作停止指令が出力されると、前記第1スケール復調部は前記第1スケール信号の復調動作を停止し、かつ、前記第1位相検出部は前記第1スケール信号の位相情報の検出動作を停止する
ことを特徴とする変位測定装置。
ここで、k1、k2は自然数であり、さらに、k1<k2を満たす。