JPH0354284B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は静電容量型変位検出器、特に装置移動
体の移動変位を該移動体に連動する移動電極と本
に固定された固定電極との両電極間の静電容量変
化に基づいて検出する静電容量型変位検出器に関
するものである。

背景技術 従来より測定子の機械的変位或いは移動台の変
位を電気的に変換してその変位量を検出する変位
検出器が周知であり、通常この種の装置は装置本
体に移動可能に設けられた移動体と、該移動体の
移動量を検出し、電気信号パルスに変換出力する
エンコーダと、を含み、エンコーダの出力する電
気信号パルスを計数回路にて計数し、その計数値
をデジタル表示器上にデジタル表示している。と
ころで、この種の装置に用いられるエンコーダと
して従来より光電型エンコーダ、接点型エンコー
ダ、静電型エンコーダ等が周知である。

光電型エンコーダでは、スケール或いは回転円
板の表面に等間隔に設けられたスリツトと、該ス
ケール或いは回転円板のスリツトを介して光路を
形成する発光器及び受光機と、を含み、移動体の
変位量に応じてスケール或いは円板を移動或いは
回転し発受光器間に形成される光路をオンオフ
し、移動体の変位量を検出している。

しかし、この光電型エンコーダでは、発光器の
消費電力が大きく、使用する電池の交換回数が増
加し、また容量の大きな電池を使用した場合には
装置全体が大型となるという欠点があつた。さら
に、測定精度を上げるためには、スケール或いは
回転円板状に数ミクロン間隔でスリツトを設ける
ことが必要となり、その製造が難しくしかも運転
中にクリアランス変化に起因するミスカウントを
生じやすいという問題があつた。

また、接点型エンコーダでは、移動体の変位量
検出にスリツト、ブラシなどを用いるため、これ
らスリツト、ブラシの消耗が激しく、また測定信
号にノイズが混入しやすいという問題があつた。

これに対し、静電型エンコーダでは、光電型エ
ンコーダのように消費電力が大きくなく、接点型
エンコーダのようにブラシ、スリツト等の消耗及
びノイズの混入という問題がないため、近年、移
動体の検出装置に幅広く用いられている。

従来技術 従来、このような変位検出器に用いられる静電
型エンコーダでは、複数対の電極板を対向配置し
てコンデンサを形成し、両電極板を移動体の変位
量に対応して相対移動させ、このときの機械的変
位量をコンデンサの静電容量変化として電気的に
検出していた。

たとえば、メインスケール上に一方の電極板を
等間隔に複数個整列配置し、このメインスケール
と一定間隔をおいて対向配置されたインデツクス
スケール上に他方の電極板を配置し、メインスケ
ール又はインデツクススケールを移動体の変位に
応じて板面と平行にスライド移動させ、このとき
両電極板により形成されるコンデンサの容量変化
により移動体の変位量を検出している。

しかし、従来の装置における静電型エンコーダ
では、前記移動電極板からなるコンデンサを用い
分圧回路を形成し、コンデンサの静電容量に応じ
て変化する分圧比を検出して移動体の変位量を検
出していた。このため、従来の装置では、コンデ
ンサを形成する移動電極板の板面間距離が何らか
の原因で変化しコンデンサの静電容量が変化した
場合や、分圧回路に印加する電源電圧が変化した
ような場合には、その分圧出力が移動体の変位量
に応じて正確に対応しなくなり、正確な測定がで
きないという欠点があつた。

本発明の成立過程 上記従来の欠点を解消するために、前記複数対
からなる電極対の一方の電極にそれぞれ異なる位
相の交流電圧を印加し、他方の電極に誘起される
電圧信号を検出し、両電極の相対移動に基づいて
変化する出力信号の基準位相に対する位相変化を
検出して前記相対移動量を求める静電容量型変位
検出器が提案されている。

第１図、第２図にはこの提案された静電容量型
変位検出器の電極構造を示す説明図が示され、装
置本体側に固定されたステータあるいはスケール
板からなる固定板１０の表面側には、第２図に示
すように、等間隔に複数の送信電極１２が配設さ
れており、またこの送信電極１２に並列して帯状
の受信電極１４が設けられている。そして前記各
送信電極１２に位相の異なる交流電圧信号が印加
される。

一方、前記固定板１０に対向させて移動体と連
動するロータあるいは可動スケール板からなる移
動板１６が設けられており、この移動板１６には
送信電極１２と受信電極１４にまたがつて対向配
置された結合電極１８と、前記送信電極１２およ
び受信電極１４にまたがつて対向配置されたアー
ス電極２０とが交互に移動板１６の移動方向に沿
つて配置されている。

他方、受信電極１４には結合電極１８を介して
前記各送信電極１２の電圧信号に対応した電圧信
号が誘起され、従つて、前記各送信電極１２に位
相の異なる交流電圧を印加した状態で移動体を変
位すれば受信電極１４から移動体の変位量に応じ
た位相の出力信号を得ることができ、この受信電
極１４から出力される信号の位相を積分器１５に
て演算処理し、所定の基準位相と比較することに
より、移動体の変位量を電源電圧の変動等に影響
されることなく正確に測定することが可能とな
る。すなわち、第１図に示されるように、送信電
極１２と結合電極１８とで構成されるコンデンサ
に誘起される信号は、互いに共有する結合電極１
８によつて、その結合電極１８と受信電極１４と
で構成されるコンデンサに送られる。この場合、
受信電極１２で検出される信号をＳとし、位相を
Φ_j、送信電極１２と結合電極１８とで構成され
るコンデンサの容量値をC_j、交流信号の角周波数
をωとすれば、検出信号Ｓは、周知のように、次
式で表すことができる。

Ｓ＝₄ 〓^j=1 C_jcos（ωt＋Φ_j） なお、結合電極１８と受信電極１４とで構成さ
れるコンデンサの容量については、移動板１６の
移動によつても不変なため、上記式には表われて
いない。

そして、上式から理解されるように、移動板１
６の変位量に応じてコンデンサの容量値C_jが変化
するため、これにより検出信号Ｓも変化すること
になる。従つて、この検出信号Ｓを求めることに
よつて、移動板１６の変位量を得ることができ
る。

具体的に例を示せば、第５図に示される移動板
１６が送信電極１２−１〜１２−５までの距離
（これを配列周期長という）移動したとすると、
これにより上記信号Ｓは360度位相変化すること
になる。

そして、移動板１４の変位量が送信電極１２の
前記配列周期長を越えると変位量が特定できなく
なるため、積分器１５を介してその周期の計数を
行つている。

近年、装置の携帯性及び操作性を図るために、
装置の小型化が要請されており、前述した提案装
置を小型化する場合には、各電極の電極面積が小
さくなり、極間距離が狭小となる。このため受信
電極１４の信号出力電圧が下がり、いわゆるノイ
ズの混入によるSN比の低下現象が生じる。この
極間距離の狭小に伴い送信電極１２の入力部から
結合電極１８を介することなく、受信電極１４に
混入するもので、これにより装置の検出精度が悪
化するという問題があつた。

発明の目的 本発明は前述した従来の課題に鑑み成されたも
のであり、その目的は、装置の小型化を図るとと
もに、移動体の変位量を正確に検出することがで
きる静電容量型変位検出器を提供することにあ
る。

発明の構成 上記目的を達成するために、本発明は、固定板
と、固定板に対向配置されて所定方向に移動可能
な移動板と、前記固定板の表側に移動板の移動方
向に沿つて整列配置された複数の送信電極と、そ
の送信電極と一定間隔をおいて固定板の表側に配
置された受信電極と、前記移動板に配置され、前
記送信電極と受信電極の両者に静電結合する結合
電極と、を含む静電容量型変位検出器において、
前記送信電極の整列方向に沿つて前記固定板に配
線され、互いに逆位相の交流信号をそれぞれ所定
の送信電極に供給する少なくとも一対の電路を含
む結線パターンと、前記一対の電路のうち、前記
受信極から遠い方の電路に接続された送信電極の
固定板を介した裏側位置に設けられ、受信電極と
導通する補助電極と、を有することを特徴とす
る。

実施例 以下、本発明の好適な実施例を図面に基づいて
て説明する。

第３図には固定板１０の表面側に配置された複
数の送信電極１２と受信電極１４との配置関係が
示されている。ここにおいて、固定板１０の裏面
側には後に詳述する結線パターン２２が配設され
ている。この結線パターン２２は、各送信電極１
２に対して所定の電圧信号を印加するものであ
る。

また、第４図には、第３図に示す−断面が
示されており、この第４図には、結線パターン２
２を構成する電路から受信電極１４に混入するノ
イズが模式的に示されている。

さらに、第５図には、固定板１０の上面図が示
されている。

なお、各図において、前述した提案装置と同一
部材には同一符号を付してその説明を省略する。

第５図に示すように、各送信電極１２には、互
いに位相の異なる交流電圧がそれぞれ定められた
順序で印加されている。

ここで、結線パターン２２は、互いに位相の異
なる一対の電路を二対含んでおり、それぞれの対
の関係における電路には、180度位相の異なる交
流信号が送られている。これにより、第１図で示
したように、移動板１６が相対移動すると、第２
図に示したように、結合電極１８とこの結合電極
に対面する３枚の送信電極１２とで構成されるコ
ンデンサに発生する交流電圧信号の位相が変化す
ることになる。すなわち、一つの結合電極１８に
対して静電結合関係にある各送信電極１２からの
寄与が移動板１６の移動によつて変化するためで
ある。

各送信電極１２に対して供給される交流電圧信
号の位相について具体的に説明すると、４相では
０度、90度、180度、270度であるから、０度と
180度、90度と270度の二対の逆位相関係にある位
相差組が構成される。また、例えば８相の場合に
は、０度と180度、45度と225度、90度と270度、
135度と315度の四対の逆位相関係にある位相差組
が構成される。以下に、第５図を用いて、具体的
な配線構造について説明する。

本実施例第５図において、各送信電極１２に対
応する固定板１０の裏面位置には前記各送信電極
１２−１〜１２−８の各共通位相電極に共通位相
の電圧を供給する結線パターン２２が形成されて
おり、この結線パターンと各送信電極１２−１〜
１２−８はリード２４により導通接続されてい
る。そして第５図装置においては各送信電極１２
−１〜１２−８に順次０度、90度、180度、270
度、の位相の異なる電圧が印加されており、ここ
において位相が０度の信号が入力される送信電極
１２−５と、これに対し逆位相、すなわち、180
度ずれた電圧信号が印加される送信電極１２−７
とで一対の位相差組が形成されており、同様に、
送信電極１２−２と送信電極１２−４及び送信電
極１２−１と送信電極１２−３とでそれぞれ位相
差組が形成されている。

本発明において、特徴的なことは、第４図に示
すように、固定板１０の表側に配設された各送信
電極１２に交流電圧信号を供給する結線パターン
２２から、固定板１０の内部の点線ａ，ｂの経路
を通つて受信電極１４に混入するノイズを打消す
ための補助電極を設け、この補助電極からの補正
信号によつて前記ノイズを緩和相殺する構成とし
たことである。

本実施例においては、これら各位相差組を形成
する一方側の送信電極に対応する固定板１０の裏
面位置に、受信電極１４と導通する補助電極２６
が設けられていることである。すなわち、第５図
に示されるように、受信電極１４と結線パターン
２２を構成する二対の電路との位置関係を考える
と、例えば、複数の電路の中で最も受信電極１４
に近接するのは270度の位相差を有する交流電圧
信号を印加する電路である。従つて、この電路か
ら受信電極１４に混入するノイズが最も大きい。
従つて、このノイズと逆位相関係にある信号を適
切な量だけ受信電極１４に与えることより、逆位
相関係にあるノイズと信号とが互いに相殺される
ことが理解される。

このため、本発明においては、一対の電路のう
ち前記ノイズと逆位相の信号がのる電路に接続さ
れた送信電極に対して補助電極２６を設けてい
る。本実施例において具体的には、第５図に示さ
れるように、90度の位相差をもつた電路に接続さ
れた送信電極１２−６の固定板を介した裏側に補
助電極２６が配置されている。

この結果、補助電極２６には送信電極１２−６
と同位相ずれを有する電圧信号が誘起されこの誘
起された電圧信号が受信電極１４に導通供給され
る結果、位相差組の他方の送信電極、すなわち
270度の交流電圧が印加される送信電極１２−４
に接続された電路から受信電極１４に混入するノ
イズを補助電極２６からの補正信号により効果的
に相殺することが可能となる。つまり、送信電極
１２−６と補助電極２６とでコンデンサが形成さ
れ、これによつて、前述したノイズに対する逆位
相の信号が増加し、結果として、両ノイズが受信
電極１４内で相殺しあつてノイズが緩和されるた
めである。

この補助電極２６は、各送信電極１２に位相差
組が複数ある場合には、送信電極に接続された電
路から受信電極１４に混入するノイズの量に対応
して所望数設けられ、特に混入ノイズ量が大きい
場合には全位相差組の一方の送信電極の裏面位置
にそれぞれ設けると効果的である。また、この場
合において、混入ノイズの大小に応じ補助電極２
６の電極面積を大小変化させることも可能であ
る。

本実施例においては、送信電極１２から固定板
１０の表側の面を沿つて直接受信電極１４に混入
するノイズを効果的に除去するために、補助手段
として送信電極１２と受信電極１４との間には第
７図、第８図に示すように、両者を電気的に隔絶
する隔絶アース電極２８が設けられている。

また、第６図〜第８図に示すように、固定板１
０の裏面には送信電極１２の入力接続部の外側位
置に補助アース電極３０が設けられ、各送信電極
に電圧信号を供給する入力部から固定板１０の面
に沿つて迂回して受信電極１４に混入するノイズ
を阻止することができる。

さらに、第８図、第９図に示すように、固定板
１０の内部にアース層３２を設けることにより、
送信電極１２の入力部から固定板１０の内部を通
つて受信電極１４に混入するノイズを阻止するこ
とも可能であり、上記隔絶アース電極２８、補助
アース電極３０、アース層３２を適宜設けること
により前記補助電極２６の効果とあいまつて更に
一層の受信電極１４へのノイズの混入阻止効果が
発揮され、移動体の移動量を極めて高精度にて検
出することができる。

具体例 次に本発明装置をマイクロメータに適用した具
体例について説明する。

装置構成 (1) 固定板と移動板の配設態様 スピンドル側に移動板、本体側に固定板を
配設。

(2) 電極の配置とその駆動方法 送信電極８個を１組とし、ステータの円周
上に５組等間隔配列した。そして各組の送信
電極に順次０度、45度、90度、135度、180
度、225度、270度の位相を有する交流電圧を
印加し、いわゆる８組駆動方式とした。

また、補助電極は、受信電極と最も近接す
るパターン電路が導く電圧位相と逆位相の交
流電圧が印加される送信電極の裏面位置に設
けた。

(3) 本装置適用マイクロメータの概略 この具体例において、ロータ１回転あたり
電気角は360゜×５＝1800゜位相変化すること
となり、本具体例において、0.5mmピツチの
1μm読みのマイクロメータに適用する場合に
は、ロータ１回転500パルスの信号を出力す
ることとなり、この場合には機械角360゜の位
相を360゜／500÷５＝360゜／100、すなわち、
360゜位相を100分割することにより、1μmの
読みが実現される。

(4) 検出部の具体的設計値 送信電極と結合電極間の距離：１mm以下 受信電極と最も近接する結線パターン電路
との距離：２mm 送信電極１個の電極面積６mm² 送信電極の印加電圧：3V 送信電極と補助電極との距離：１mm 補助電極の電極面積：６mm² 結 果 本具体例において混入ノイズを相殺する補助電
極が設けられる結果、補助電極を有しない前述の
提案装置に比較して受信電極へのノイズ混入によ
る悪影響を効果的に解消することができた。

すなわち、補助電極を有しない提案装置によれ
ば、結線パターンから受信電極に混入するノイズ
は約200mv（Ｓ／Ｎ＝22dB）であり、このときの
最大位相誤差は11゜となり、上記1μm読みのマイ
クロメータにおいては、最大非直線誤差は約3μm
となる。

これに対し、補助電極を設けた具体例によれ
ば、結線パターンから受信電極に混入するノイズ
は40mv（Ｓ／Ｎ＝36dB）までに減少しており、
このときの最大誤差は2.2゜となり、上記マイクロ
メータにおいて、その最大非直線誤差は0.6μmと
極めて小さい誤差におさえることができた。

発明の効果 以上説明したように、本発明によれば、結線パ
ターンを構成する一対の電路のうち受信電極から
遠い方の電路に接続された送信電極の固定板を介
た裏側位置に補助電極が設けられ、受信電極から
近い方の電路から生ずるノイズをそのノイズと逆
位相の補償用の交流信号によつて相殺できるの
で、検出器を小型化しても精度よく変位が検出で
きる静電容量型変位検出器を構成することが可能
である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明が適用される静電容量型変位検
出器の電極構造を示す説明図、第２図は第１図の
固定板と移動板に設けられた各電極の説明図、第
３図は各送信電極に交流電圧を印加する結線パタ
ーンとその入力接続部を示す説明図、第４図は第
３図の側面図、第５図は本発明に係る静電容量型
変位検出器の固定板側に設けられた電極構造を示
す説明図、第６図は第５図のＡ−Ａ断面図、第７
図、第８図、第９図は本発明装置の固定板に設け
た電極構造を示す他の実施例図である。 １０……固定板、１２……送信電極、１４……
受信電極、１６……移動板、１８……結合電極、
２６……補助電極、２８……隔絶アース電極、３
０……補助アース電極。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 固定板と、 この固定板に対向配置されて所定方向に移動可
   能な移動板と、 前記固定板の表側に前記移動板の移動方向に沿
   つて整列配置された複数の送信電極と、 この送信電極と一定間隔をおいて固定板の表側
   に配置された受信電極と、 前記移動板に配置され、前記送信電極と前記受
   信電極の両者に静電結合する結合電極と、 を含む静電容量型変位検出器において、 前記送信電極の整列方向に沿つて前記固定板に
   配線され、互いに逆位相の交流信号をそれぞれ所
   定の送信電極に供給する少なくとも一対の電路を
   含む結線パターンと、 前記一対の電路のうち、前記受信電極から遠い
   方の電路に接続された送信電極の固定板を介した
   裏側位置に設けられ、前記受信電極と導通する補
   助電極と、 を有することを特徴とする静電容量型変位検出
   器。 ２ 特許請求の範囲１記載の静電容量型変位検出
   器において、前記固定板の表側には、前記送信電
   極と前記受信電極との間で両者を電気的に隔絶す
   る隔絶アース電極が設けられたことを特徴とする
   静電容量型変位検出器。