JPH0374766B2 - - Google Patents

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JPH0374766B2
JPH0374766B2 JP58201673A JP20167383A JPH0374766B2 JP H0374766 B2 JPH0374766 B2 JP H0374766B2 JP 58201673 A JP58201673 A JP 58201673A JP 20167383 A JP20167383 A JP 20167383A JP H0374766 B2 JPH0374766 B2 JP H0374766B2
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electrode
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signal
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • G01D5/14—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage
    • G01D5/24—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying capacitance
    • G01D5/241—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying capacitance by relative movement of capacitor electrodes
    • G01D5/2412—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying capacitance by relative movement of capacitor electrodes by varying overlap
    • G01D5/2415—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying capacitance by relative movement of capacitor electrodes by varying overlap adapted for encoders

Description

【発明の詳細な説明】
【産業上の利用分野】 本発明は、容量式変位測定機に係り、特に、相
対移動する２つの部材にそれぞれ配設された対向
電極間の静電的な容量変化を、電極から検出した
信号の位相変化に基づいて検出し、該位相変化か
ら前記両部材間の相対変位を測定するようにした
容量式変位測定機の改良に関する。
【従来の技術】
一般に物体の長さ等を測定する測定機におい
て、その本体に対する測定子の移動量、コラムに
対するスライダの移動量等のように、相対移動す
る物体の移動量を測定する場合、一方にメインス
ケールを保持した枠体、他方にインデツクススケ
ールを含む検出器を固定し、枠体と検出器の相対
変位量を、例えば静電的な方法によつて読取るよ
うにした容量式変位測定機が知られている。 この容量式変位測定機のうち、相対移動する２
つの部材間の相対変位による対向電極間の静電的
な容量変化を、電極から検出した信号の位相変化
に基づいて検出し、該位相変化から前記両部材間
の相対変化を測定するようにしたものとしては、
例えば、米国特許3068457で開示されている如く、
本発明と同様の、先端部が相補的な正弦波状とさ
れた、２つの正弦波状電極を用いるものが提案さ
れている。 この装置は、第６図に示すような、例えばロツ
ド１２３を介してサポート１２６によ固定支持さ
れたステータ１２１と、該ステータ１２１に対し
て微小間隔で対向配置される、例えば回転軸１２
９を介してベアリングブロツク１３０により回転
可能に支持されたロータ１２２との相対回転変位
を測定するためのレゾルバ１２０において、前記
ロータ１２２の内側面（ステータとの対向面）１
３２及び前記ステータ１２１の内側面（ロータと
の対向面）１３４の外周近傍に、それぞれ第７図
及び第８図に示すような格子状パターン１３１の
電極と正弦波状及びリング状パターン１３３の電
極を配設し、ロータ１２２とステータ１２１の相
対回転変位による電極間の対向面積の変化、即ち
静電容量変化を、２組の正弦波状電極（例えば、
１５５，１５６，１５８，１５９）に印加した４
相交流信号（高周波入力）によつてリング状電極
（例えば１４８，１４９，１５０）に発生する検
出信号（出力）の、入力交流信号に対する位相
変化により検出し、これからロータ１２２とステ
ータ１２１の相対回転変位を測定するものであ
る。 前記ロータ１２２上のパターン１３１は、第７
図に示す如く、ロータの中心と同心状の金属リン
グ部１３５−１３９と、各リング部間毎に同じサ
イズで均等配置された多数の放射状バー部１４
０，１４１，１４４，１４６と、それぞれ対応す
るバー部と同じサイズの多数の開口１４２，１４
３，１４５，１４７とから構成されている。 バーニヤ作用を得るために、外側のバー部１４
０，１４１の数は、内側のバー部１４４，１４６
の数とは所定数だけ異なり、例えば200本のバー
部１４０，１４１と198本のバー部１４４，１４
６とされる。 一方、前記ステータ１２１上のパターン１３３
は、第８図及び第９図に示す如く、ステータの中
心と同心状のリング状電極１４８−１５２と、各
リング状電極を他のパターンから絶縁するための
円形スペース１５３，１５４（第８図では線で表
現）と、各リング状電極間毎に配設された、相補
的な正弦波状電極１５５，１５６；１５８，１５
９；１６１，１６２；１６４，１６５と、同一リ
ング状電極間の正弦波状電極を互いに絶縁するた
めの、パターン１３３を一周する正弦波状スペー
ス１５７，１６０，１６３，１６６（第８図では
線で表現）とから構成されている。ここで、スペ
ース５７と１６０、及び、スペース１６３と１６
６は、それぞれ同じ形状で、同じ数の正弦を含ん
でいるが、一つの正弦を電気角で360°として、
90°だけ正弦の位相が互いにずれている。 第９図に示す如く、２つのパターンが互いに近
接して配置された時、バー部１４０，１４１，１
４４，１４６は、それぞれ正弦波状スペース１５
７，１６０，１６３，１６６と直接対向する。ロ
ータパターンの各バー部及び各隣接開口の周方向
幅は、対向する正弦波のπラジアンと対応するよ
うにされ、その結果、一つの正弦波に一つのバー
部と一つの開口が対向する。従つて、正弦波状ス
ペース１５７と１６０、200個の完全な正弦を含
み、正弦波状スペース１６３と１６６は、198個
の完全な正弦を含む。 ここで、第８図に示す如く、同じ数の正弦を含
む、機械的な位相が互いに電気角で90°ずれるよ
うにされた２組の正弦波状電極（例えば第９図に
示す外側の正弦波状電極１５５，１５６，１５
８，１５９）に、同一振幅、同一周波数で、位相
がそれぞれ電気角で0°（基準値）、90°、180°、270
°
だけずれた４組の（第１）高周波入力信号（電
圧）を印加すると、正弦波状電極とバー部１４
０，１４１の間、及び、該バー部と導通するリン
グ部１３５，１３６，１３７とリング状電極１４
８，１４９，１５０の間の静電結合により、該リ
ング状電極に（第１）出力信号が発生する。 例えば第９図に示した状態では、スペース１５
７の正弦は、スペース１６０の正弦より電気角で
90°進んでおり、ロータパターンのバー部１４０
と１４１は、両スペースの電気角で180°に対応し
ている。バー部１４０は、スペース１５７の両側
にある正弦波状電極１５５と１５６に対向する領
域と静電的に結合されており、第９図の位置で
は、これらの領域は等しい面積となつている。
又、バー部１４１は、スペース１６０の両側にあ
る正弦波状電極１５８と１５９に対向する領域と
静電的に結合されており、第９図の位置では、正
弦波状電極１５９との対向面積の方が、正弦波状
電極１５８との対向面積より大きくなつている。 従つて、４つの領域を組合せた効果は、位相ベ
クトルを、対応する正弦波状電極の引用符号で示
した第１０図にベクトル線図で示す如くである。
即ち、正弦波状電極１５５と１５６への入力は、
位相が電気角で180°ずれており、バー部１４０に
対向するこれらの電極の面積は等しいので、バー
部１４０に静電結合された信号は、互いに打ち消
し合う。一方、正弦波状電極１５８と１５９への
入力は、位相が電気角で180°ずれており、バー部
１４１に対向するこれらの電極の面積は等しくな
いので、バー部１４１の出力信号（ベクトル１８
４で図示）も等しくなくなる。バー部１４１の出
力信号の位相は、位相基準とした正弦波状電極１
５９への入力の位相と一致している。 ロータ１２２が回転すると、バー部１４０，１
４１にそれぞれ対向する正弦波状電極１５５，１
５６と１５８，１５９の面積の割合が変化し、こ
れによつて端子における出力ベクトル（第１０
図の１８４）の方向も変化する。電気角で360°
（正弦の一波長に対応）分ロータ１２２が回転す
ると、再び第１０図の状態に戻る。出力信号のベ
クトルは、ロータの回転と共に連続的に方向が変
化し、ロータ１２２とステータ１２１が電気角で
360°相対回転すると、出力信号の位相も360°変化
する。 同様にして、ロータ１２２のバー部１４４と正
弦波状電極１６１，１６２の対向領域の静電結
合、及び、ロータ１２２のバー部１４６と正弦波
状電極１６４，１６５の対向領域の静電結合の結
果、正弦波状電極１６１，１６２，１６４，１６
５に印加された、第１高周波入力信号とは周波数
が異なる４相の第２高周波入力信号によつてリン
グ状電極１５０，１５１，１５２に発生する第２
出力信号の位相も変化する。この第２出力信号の
位相も、基準信号の位相に対して、ロータ１２２
の正弦波状スペース１６３と１６６の電気角で
360°（正弦の一波長に対応）の移動の間に、電気
角で360°変化する。しかしながら、スペース１５
７と１６０が200波長を含むのに対して、スペー
ス１６３と１６６は198波長を含むので、ロータ
１２２の機械的な360°の回転（即ち１回転）に対
して、リング状電極１４８，１４９，１５０から
の出力信号は360°の位相変化が200回であるのに、
リング状電極１５０，１５１，１５２からの出力
信号は360°の位相変化が198回となる。従つて、
この差を利用してバーニヤによる測定を行うよう
にされている。 又、特開昭54−94354には、相対移動する２つ
の部材の幅方向に１組だけ電極を配設すればよい
ものが提案されている。 この装置は、第１１図に示す如く、相対的に可
動なスライダ２２２のスケール２２０に対する位
置を容量によつて測定する装置において、前記ス
ライダ２２２に複数（図では３）のグループをな
す供給電極２２６，２２７，２２８を測定方向に
配設し、該供給電極をグループごとにｎ相（図で
は３相）発振器（OSC）２２９の各相の出力に
接続して、全供給電極に第１２図に示すような周
期的パターンＲ、Ｓ、Ｔで電圧を供給するように
なすと共に、前記スライダ２２２に信号処理回路
２２４のアンプ２３２，２３３に接続された少な
くとも１つ（図では２つ）の受信電極２３０，２
３１を更に配置し、前記スケール２２０には、互
いに絶縁された複数の電極２２１からなる電極パ
ターンを配置し、これらの電極２２１のそれぞれ
を互いに接続された２つの電極部分２４０，２４
１によつて構成し、一方の電極部分は検出電極２
４０をなし、この検出電極２４０は前記スライダ
２２２上の供給電極２２６，２２７，２２８がそ
の上を通過移動する前記スケール２２０の区域の
近傍に配置され、前記他方の電極部分は伝達電極
２４１をなし、この伝達電極２４１は前記スライ
ダ２２２の受信電極２３０，２３１がその上を通
過移動する前記スケール２２０の区域の近傍に配
置され、前記スライダ２２２とスケール２２０を
相対変位させることにより、前記供給電極２２
６，２２７，２２８の少なくとも２つの隣り合う
電極の信号に基づいて前記受信電極２３０，２３
１が第１２図に示すような信号Ｙを発生し、前記
信号処理回路２２４の論理回路２３４において供
給信号の１つ（第１２図ではＴ）と発生信号Ｙの
位相差ψに基づいて、前記スライダ２２２とスケ
ール２２０の相対位置を測定して表示器２３５で
表示するものである。
【発明が解決しようとする問題点】
しかしながら、前者においては、相対移動する
２つの部材の幅方向に少くとも２組、実施例では
４組の正弦波状電極を配設する必要があり、特に
小型の変位測定機に用いるのには適していないと
いう問題点を有していた。 又、後者は、三相以上の多相発振器を必要と
し、更に、デジタル処理を行う際には、回路構成
がかなり複雑となるという問題点を有していた。 本発明は、前記従来の問題点を解消するべくな
されたもので、相対移動する２つの部材の幅方向
に１組の連続波状電極を配設すれば良く、しか
も、多相発振器を必要とせず、簡単な回路構成に
よりデジタル処理を行うことができ、従つて、小
型化が容易な容量式変位測定機を提供することを
目的とする。
【問題点を解決するための手段】
本発明は、容量式変位測定機を、第１図乃至第
３図に例示する如く、高周波の方形波信号を発生
する方形波信号発生手段（第３図の符号６０）
と、相対移動する一方の部材（第２図の紙面下側
のスライダ１００）に、相対移動方向（第２図の
矢印Ａの方向）と平行に互いに間隔を空けて配設
された、前記方形波信号発生手段６０出力の方形
波信号が互いに互いに逆位相で印加される２つの
送信電極（第２図の符号２０，２１）と、相対移
動する他方の部材（第１図の紙面下側のスケール
２００）に、相対移動方向（第１図の左右方向）
に沿つて配設された、基部（例えば第１図の符号
２Ｂ，９Ｂ）が前記２つの送信電極（２０，２
１）と夫々重なるように対向配置され、該送信電
極間の間隙に対応する位置に配設される先端部
（例えば第１図の符号２Ａ，９Ａ）が所定波長Ｐ
の相補的な連続波状（第１図では正弦波17状）と
された２列の連続波状電極（第１図の符号１−
７，８−１４）と、前記一方の部材１００の送信
電極２０，２１の間に、相対移動方向に沿つて前
記連続波の波長Ｐより小さい所定ピツチで並列に
配設された、前記２列の連続波状電極１−７，８
−１４の連続波状部１７と重なるように対向配置
される複数の受信電極（第２図の符号２２−５
３）と、該受信電極の出力を順次取込むための走
査手段（第３図のマルチプレクサ６６）と、該走
査手段６６出力の、連続波に対応する形状に振幅
変調された方形波信号の低周波成分を抽出するこ
とによつて、振幅変調に対応する復調信号を得る
ための復調手段と、前記走査手段６６の走査基準
信号と該復調手段出力の復調信号との位相差を検
出するための位相差検出手段（第３図の符号８
２）とを用いて構成し、該位相差検出手段により
検出した位相変化に基づいて、両部材間の相対変
位を測定するようにして、前記目的を達成したも
のである。 本発明は、又、容量式変位測定機を、第１図乃
至第３図に例示したような、前記方形波信号発生
手段６０と、前記２つの送信電極２０，２１と、
前記２列の連続波状電極１−７，８−１４）と、
第５図に例示するような、前記一方の部材１００
の送信電極２０，２１の間に、相対移動方向に沿
つて前記連続波の波長Ｐより小さい所定ピツチで
並列に配設された、前記２列の連続波状電極１−
７，８−１４の連続波状部（第１図の符号１７）
と重なるように対向配置される、相対移動方向中
央部に前記連続波と同じ波長Ｐで繰り返し配設さ
れた複数組（第５図では４組）の活性受信電極３
０−４５，３０′−４５′，３０″−４５″，３０
−４５、及び、その相対移動方向両端部にそれ
ぞれ配設された不活性受信電極２２−２９，４６
−５３からなる受信電極と、前記各組の活性受信
電極３０−４５，３０′−４５′，３０″−４５″，
３０−40中の、対応する電極（例えば３０，
３０′，３０″，３０）の出力を互いに同期して
順次取込むための走査手段（マルチプレクサ６
６）と、第３図に例示したような、前記復調手段
と、前記位相差検出手段８２を用いて構成し、該
位相差検出手段により検出した位相変化に基づい
て、両部材間の相対変位を測定するようにして、
高分解能の測定が高精度で行えるようにしたもの
である。
【作用】
本発明においては、第２図に例示する如く、相
対移動する一方の部材１００に、相対移動方向
（矢印Ａの方向）と平行に２つの送信電極２０，
２１を互い間隔を空けて配置すると共に、該送信
電極２０，２１の間に、複数の受信電極２２−５
３を、相対移動方向に沿つて前記連続波状電極
（第１図の１−７，８−１４）の連続波の波長Ｐ
より小さい所定ピツチで、該連続波状電極の連続
波状部（破線１７参照）と対向して重なるよう
に、並列に配設する。 一方、第１図に例示する如く、相対移動する他
方の部材２００には、相対移動方向（図の左右方
向）に沿つて２列の連続波状電極１−７，８−１
４を、その基部（例えば２Ｂ，９Ｂ）が前記２つ
の送信電極２０，２１と夫々重なるように対向配
置し、所定波長Ｐの相補的な連続波１７状とされ
た先端部（例えば２Ａ，９Ａ）が、前記送信電極
間の間隙に対応するように対向配置する。 このような電極配置で、第３図に例示する如
く、方形波信号発生手段６０により発生された高
周波の方形波信号を、前記２つの送信電極２０，
２１に互いに逆位相で印加すると、各送信電極２
０，２１と各連続波状電極１−７，８−１４の基
部２Ｂ，９Ｂ間の静電容量結合、及び、該基部と
導通している各連続波状電極の連続波１７状部と
各受信電極２２−５３間の静電容量結合により、
各受信電極２２−５３に信号が伝達される。ここ
で、各受信電極２２−５３に伝達される信号は、
各電極間の静電容量結合の状態、即ち、相対移動
部材１００，２００間の相対変位に応じた各電極
間の重なりの状態による振幅変調を受けており、
これを、走査手段（マルチプレクサ６６）により
順次取込むと、第３図の信号線７２の近傍に示す
ような信号が得られる。従つて、復調手段によ
り、該信号の低周波成分を抽出して信号線７８の
近傍に示すような復調信号を得て、走査手段の走
査基準信号との位相差を検出することにより、相
対移動部材間の相対変位を測定することができ
る。 又、前記連続波状電極を、相対移動方向に関し
て分離・絶縁されたものとした場合には、外部ノ
イズの影響を受け難くなる。 又、前記連続波を、正弦波とした場合には、復
調が容易な振幅変調信号が得られる。 又、前記受信電極を、第２図に例示する如く、
相対移動方向中央部に配設され、前記走査手段６
６と接続された活性受信電極３０−４５と、その
相対移動方向両端部にそれぞれ配設された、前記
走査手段６６と接続されない不活性受信電極２２
−２９，４６−５３とから構成した場合には、活
性電極両端部の境界条件を整えて高精度の測定を
行うことができる。 又、前記活性受信電極３０−４５の１組の長さ
を、連続波１７の波長Ｐと等しく、又は、その整
数倍とした場合には、最高の性能が得られる。 又、前記走査手段６６の切換周波数信号を、第
３図に例示する如く、前記方形波信号発生手段６
０で発生される方形波信号を（例えば分周器７１
で）分周することによつて形成するようにした場
合には、構成を更に簡略化できる。 又、前記復調手段を、第３図に例示する如く、
前記走査手段６６出力の振幅変調された方形波信
号を検波するための検波器75＋76＋77と、該検波
出力から、その直流オフセツト分を除去するため
の高域通過フイルタ７９とを用いて構成した場合
には、比較的簡単な構成で復調信号が得られる。 又、前記復調手段を、前記走査手段出力の振幅
変調された方形波信号から振幅変調成分を抽出す
るための同期復調器で構成した場合には、集積回
路化が容易に行える。 又、前記位相差検出手段８２が、第３図に例示
する如く、360°毎のリセツト８４を備え、該リセ
ツトの回数を記憶しておくことにより、360°以上
の位相変化を検出できるようにした場合には、１
周期以上の位相差も、正確に測定できる。 又、第３図に例示したような基本構成の容量式
変位測定機において、第５図に例示するように、
前記受信電極を、前記一方の部材１００の送信電
極２０，２１の間に、相対移動方向に沿つて前記
連続波の波長Ｐより小さい所定ピツチで並列に配
設された、前記２列の連続波状電極１−７，８−
１４の連続波状部１７と重なるように対向配置さ
れる、相対移動方向中央部に前記連続波と同じ波
長Ｐで繰り返し配設された複数組（第５図では４
組）の活性受信電極３０−４５，３０′−４５′，
３０″−４５″，３０−４５と、その相対移動
方向両端部にそれぞれ配設された不活性受信電極
２２−２９，４６−５３とを用いて構成し、前記
走査手段６６により、前記各組の活性受信電極３
０−４５，３０′−４５′，３０″−４５″，３０
−４０中の対応する電極（例えば３０，３０′，
３０″，３０）の出力を互いに同期して順次取
込むようにした場合には、連続波の波長Ｐを小さ
くして分解能を高めた場合であつても、十分な容
量を確保して、測定精度を高めることができる。
【実施例】
以下図面を参照して、本発明が採用された容量
式直線型変位測定機の実施例を詳細に説明する。 本発明の第１実施例における、スケール又はス
テータ（相対移動する他方の部材）２００上の電
極の形状を第１図に、又、該スケールに対して一
定の間隔を保つた上で、その長手方向に相対移動
するスライダ（相対移動する一方の部材）１００
上の電極の形状を第２図に示す。 第１図にその一部が示されるスケール２００上
の電極は、スライダ１００の移動方向に沿つて配
設された、先端部（例えば２Ａ，９Ａ）が絶縁部
分１７によつて、波長Ｐの相補的な正弦波状とさ
れると共に、スライダの移動方向に沿つて分離・
絶縁された２列の正弦波状電極（連続波状電極）
１〜７，８〜１４を有している。第１図におい
て、上方の列が正弦波状電極１〜７によつて構成
され、下方の列が正弦波状電極８〜１４によつて
構成されている。第１図は、スケール２００の短
い一部分のみを示したものであり、正弦波状電極
１〜７，８〜１４は、夫々、スケールの全長に亘
つて多数繰返し配置されている。 一方、スライダ１００上には、第２図に示す如
く、前記２列の正弦波状電極１〜７，８〜１４の
基部（例えば２Ｂ，９Ｂ）と夫々対向配置され
る、比較的大きな２つの送信電極２０，２１と、
スライダの移動方向に沿つて複数個、実施例では
32個設けられた、前記２列の正弦波状電極１〜
７，８〜１４の先端部（例えば２Ａ，９Ａ）と対
向配置される、比較的小さな受信電極２２〜５３
とが設けられている。 測定に際して通常配置されるように、スライダ
１００がスケール２００上に配置されると、スラ
イダの電極２０−５３は、スケールの電極１−１
４に対して、ごく僅かな距離、例えば約0.1mm離
れた状態で対向配置される。スライダの電極とス
ケールの電極の相対関係を示すため、絶縁部分１
７の位置を第２図中に破線で示している。測定に
際して、スライダは、スケールに対して、矢印Ａ
で示す方向に移動できる。 前記受信電極２２−５３は、第２図に示した如
く、スケール２００に対するスライダ１００の相
対位置の決定に用いられる電子回路と接続され
る、中心部の活性受信電極３０−４５と、そのス
ライダ移動方向両端部に配設された、外部回路と
は全く接続されてはいないが、境界条件を整える
上で役に立つ不活性受信電極２２−２９，４６−
５３とから構成されている。これらの不活性受信
電極２２−２９，４６−５３は、省略することも
可能であるが、この場合には、測定精度が若干損
われる恐れがある。 前記活性受信電極３０−４５として、本実施例
では、16個の電極が用いられているが、この活性
受信電極の数Ｎは、２以上であればいくつであつ
ても構わない。なぜならば活性受信電極の数Ｎが
１の場合は、活性受信電極が正弦波状電極に対し
移動したとしても、実質的に同じ正弦波状電極を
見ていることになるため、検出信号に位相変化を
生じないからである。一方、数Ｎが多いほど検出
信号の位相変化が精度良く得ることができるが実
際的には、恐らく100程度が上限となる。 第２図において、（１組の）活性受信電極３０
−４５によつて覆われるスケール２００の長さ
が、前記正弦波状電極の波長Ｐ（第１図参照）と
一致していることに注意する必要がある。この長
さは、波長Ｐと一致しなくとも、波長Ｐに対応す
る同期の特性が存在し検出信号に位相変化が生じ
るので、波長Ｐと一致させる必要はないが、（１
組の）活性受信電極の長さが波長Ｐ又はその整数
倍と等しい場合に、装置は最高の性能を発揮する
ことができる。 スライダ１００の位置を決定するための電子回
路と、スライダ上の各電極２１−５３との接続状
態を第３図に示す。 前記送信電極２０，２１は、方形波発生器６０
の２つの出力端子に夫々接続されている。簡単の
ため、ここでは送信電極２０を回路のアースとし
ている。 図面が必要以上に複雑になるのを避けるため、
第３図は、実際の回路に対して、次の２つの方法
によつて、簡略化されている。即ち、活性受信電
極３０−４５に関しては、初めの８個の活性受信
電極３０−３７だけが明示されている。他の８個
の活性受信電極３８−４５も、初めの８個と同様
に、夫々第３図の８本の信号線６３によつて接続
されている。 又、スケール２００上の各正弦波状電極１−１
４を夫々示す代りに、第３図においては、上方の
列の全ての正弦波状電極１−７を、符号６４によ
つて表わされる単一の電極として取扱つている。
又、スケール２００上の下方の列の正弦波状電極
８−１４も同様に、符号６５で表わされる単一の
電極として取扱つている。 回路を解析すれば明らかな通り、スライダの下
方に位置する、各列の全てのスケール電極は、正
弦波状電極１−１４の作る面と平行に置かれてい
るので、本質的に同じ電位を持つている。従つ
て、第３図に示したように、各列の電極を互いに
接続した状態で表わすことは、本質的に同じ電位
を持つているのであるから、各列毎に互いに分
離・絶縁された多数の電極を有する実際の装置と
電気的に等価である。 このような簡略化が行われていることを考慮す
ると、第３図に示す如く、１６個の活性受信電極
３０−４５は、16チヤンネルのマルチプレクサ６
６の入力端子に夫々接続されている。 このマルチプレクサ６６の動作は、第３図中に
破線で原理的に示されている。信号線６７からな
るマルチプレクサ６６のアドレス入力は、４ビツ
ト２進カウンタ６８のカウントレジスタに接続さ
れている。 第２図に示される電極間の対向面積を考慮する
と、送信電極２１と上方列の正弦波状電極１〜７
によつて形成されるキヤパシタが、単一の各受信
電極とスケール電極の一方の列の間の容量に比べ
て大きな容量を有していることが明らかである。
この送信電極２１と上方列の正弦波状電極１〜７
で形成されるキヤパシタが、第３図においては、
符号６９で表わされている。同様に、送信電極２
０と下方列の正弦波状電極８〜１４によつて形成
されるキヤパシタは、第３図において、符号７０
で表わされている。このキヤパシタも、比較的大
きな容量を有している。 前記活性受信電極３０−４５とスケール電極１
−７，８−１４によつて形成されるキヤパシタ
は、第３図において、可変キヤパシタとして示さ
れている。実際、スライダ１００がスケール２０
０に対して移動すると、これらのキヤパシタの
夫々の容量も変化する。 キヤパシタ６９及び７０の容量が比較的大きい
ことを考慮し、キヤパシタ６９及びキヤパシタ７
０と各活性受信電極３０−４５との結合が直列的
であることを合せて考えると、第３図の回路か
ら、各活性受信電極が容量性電圧分圧器の出力電
極となつており、これらの電極の各々の上に発生
する電圧は、前記方形波発生器６０によつて発生
された電圧波形をした電圧の或る部分となつてい
ることが分る。即ち、キヤパシタ６９，７０の容
量の影響を受けず、各活性受信電極に方形波発生
器６０の電圧波形がほぼそのまま印加される。 スライダ１００がスケール２００に対して第２
図に示すような位置にある場合、この分圧比は、
電極３６，３７及び３８については比較的小さ
く、電極３０，３１，４４及び４５については比
較的大きく（即ちほとんど1.0に近い）、電極３３
及び４１については、約0.5となる。 前記方形波発生器６０で発生される方形波信号
の周波数は、容量性リアクタンスを最小にするた
めに、むしろ高い（例えば１−50MHz）方が好ま
しい。 第３図において、分周器７１は、カウンタ６８
に対する適切なクロツク周波数を発生するのに用
いられている。このカウンタ周波数は、一測定当
りの周期を決めるものであり、高精度の測定を行
うためには、むしろ低い方が望ましいが、予想さ
れるスライダ１００の最大速度に対して的確に回
路が応答できるよう、十分に高いことが必要であ
る。従つて、適切なクロツク周波数は、恐らく10
−100KHzの間となる。従つて、前記分周器７１
における分周比Ｃは、カウンタ６８に対して必要
なクロツク周波数を与えることができるような値
が選ばれている。 又、第３図に示される如く、信号線７２上のマ
ルチプレクサ６６の出力は、振幅変調された方形
波信号となつている。この振幅変調信号における
搬送周波数は、前記方形波発生器６０の周波数と
一致する。又、変調の周期は、信号線７３上のカ
ウンタクロツク周波数を16で除した値と一致す
る。 第３図に加えて第２図を参照すると、スケール
２００に対してスライダ１００が相対移動する
と、正弦波状電極１−１４と活性受信電極３０−
４５とにおいて、重なる電極の面積が変化して各
活性受信電極３０−４５が受け持つ容量値が変化
するので、マルチプレクサ６６の走査基準信号と
なるカウンタ６８の最上位ビツト（以下MSBビ
ツトと称する）出力の位相に対する、検出信号の
変調の位相が、スケール２００に対するスライダ
１００の位置に依存していることが明らかであ
る。第３図の回路は、この位相差φ、即ち、スケ
ールに対するスライダの相対的な位置を測定する
ように設計されたものである。 信号線７２上の振幅変調信号は、増幅器７４に
よつて増幅され、該増幅器７４の出力信号は、ダ
イオード７５、抵抗器７６、キヤパシタ７７から
なる検波器によつて検波される。従つて、信号線
７８上には、検波された変調信号が現われること
になるが、この信号は直流オフセツト分を含んで
いる。 キヤパシタ７９及び抵抗器８０によつて構成さ
れる高域通過フイルタが、前記直流オフセツト分
を除き、中心値が零である復調信号が信号線８１
上に現われる。 復調のための回路としては様々の回路が知られ
ており、用いることができる。例えば、第３図で
使用されているダイオード７５、抵抗器７６，８
０、キヤパシタ７７，７９の代りに、一台の同期
復調器を用いることができる。この同期復調器を
用いた場合の１つの利点は、最小数のキヤパシタ
を用いることによつて、集積回路の形に容易に作
ることができることにある。第３図で用いられて
いるキヤパシタ７７及び７９は、比較的大きな容
量を有する必要があり、従つて、このままで集積
回路の形に作ることは困難である。 再び第３図を参照すると、信号線８１上の復調
信号は、位相差検出器８２の一方の入力端子IN
１に入力される。位相差検出器８２の他方の入力
端子IN２に対する入力信号は、前記カウンタ６
８のMSBビツト出力から取られる。従つて、信
号線８３上に現われる位相差検出器８２の出力
は、カウンタ６８のMSB信号（走査基準信号）
に対する復調信号の位相φに比例する電圧とな
り、従つて、スケール２００に対するスライダ１
００の位置を表わすものとなつている。 第３図に示されたアナログ出力の位相差検出器
８２の代りに、デジタル出力の位相差検出器を用
いることも可能である。 この位相差検出器８２は、360°の数倍以上の範
囲に渡る位相差測定が可能である必要がある。こ
れによつて、正弦波の波長Ｐの数倍に渡る距離
の、正確且つ一義的な測定が可能となる。360°以
上の測定が可能な位相差検出器は、通常、リセツ
トが備わつている。従つて、リセツトの回数を記
憶しておくことにより、360°以上の測定が可能と
なる。第３図において、位相差検出器８２のリセ
ツトは、信号線８４によつて表されている。 この第１実施例における、各部信号波形の例を
第４図に示す。 受信信号のＳ／Ｎ比を最大にするためには、活
性受信電極３０−４５とスケール電極間の容量
を、実際上可能な限り大きくすることが望まし
い。一方、分解能を高めるためには、正弦波状電
極の波長Ｐを、例えば写真印刷の限界まで小さく
することが望ましい。しかしながら、正弦波状電
極の波長Ｐを小さくすると、本来は大きくしたい
活性受信電極の容量も小さくなつてしまう。 この矛盾は、第５図に示される第２実施例の原
理を用いることによつて避けることができる。 即ち、第５図には、受信電極の改良された配置
が示されている。各活性受信電極３０−４５は、
互に距離Ｐだけ離れて配置された、同様な受信電
極の多数（第２実施例では３個）と接続されてい
る。例えば、活性受信電極３０に接続された追加
の活性受信電極は、第５図において、符号３０′，
３０″及び３０で表されている。又、活性受信
電極３１等に接続された追加の活性受信電極は、
第５図において、符号３１′，３１″及び３１等
で表されている。図面が複雑になるのを避けるた
め、第５図においては、活性受信電極又は導体の
繰返しパターンの連続を表すために、３個の点●
●●が用いられている。 第５図の技術が、同様にして、活性受信電極の
各組当りの任意の数に対して拡張・適用できるこ
とは明らかである。例えば、１組当り６個の活性
受信電極を用いた場合には、活性受信電極３０に
接続される活性受信電極は、３０′，３０″，３０
，３０′′′′及び３０′′′′′となる。 この第２実施例の他の利点は、数周期分の容量
が加算されることによつて、活性受信電極等の寸
法誤差が吸収され、測定精度が高められることに
ある。 この第２実施例の更に他の利点は、不活性受信
電極２２−２９，４６−５３（第２図参照）に関
するものである。即ち、第２図から明らかなよう
に、これらの不活性受信電極２２−２９，４６−
５３は、スライダ電極の全表面積のうち、かなり
大きな部分（約25％）を占めている。これに対し
て、第５図の配置においては、この不活性受信電
極の部分が、非常に小さな値（第５図において約
８％）となる。不活性受信電極の面積を減らすこ
とは、スライダ１００のサイズを小さくすること
ができるので望ましい。スライダ面積を最小にす
ることは、この装置を手持ノギスに用いる場合に
特に重要である。なお、第５図の図面の大きさの
関係で、第５図においては、不活性受信電極４７
−５３が省略されている。 なお、前記実施例においては、いずれも、連続
波状電極として正弦波状電極が用いられていた
が、連続波の形状は正弦波に限定されず、三角波
等、他の形状とすることも可能である。 前記実施例においては、いずれも、本発明が直
線型変位測定機に用いられていたが、本発明の適
用範囲はこれに限定されず、ロータリエンコーダ
等の回転型変位測定機にも同様に適用できること
は明らかである。
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明によれば、相対移動
する２つの部材の幅方向に１組の連続波状電極を
配設すれば良く、しかも、多相発振器を必要とせ
ず、簡単な回路構成によりデジタル処理を行うこ
とができる。従つて、小型化が容易であるという
優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明が採用された容量式直線型変
位測定機の第１実施例における、スケール上の電
極配置を示す平面図、第２図は、同じく、スライ
ダ上の電極配置を示す平面図、第３図は、同じ
く、電子回路の構成を示すブロツク線図、第４図
は、同じく、電子回路の各部信号波形の例を示す
線図、第５図は、本発明が採用された容量式直線
型変位測定機の第２実施例における、スライダ上
の電極配置の容部を示す平面図、第６図乃至第１
０図は、米国特許第3068457号特許明細書に開示
された従来技術の構成及び作用を説明するための
線図、第１１図及び第１２図は、特開昭54−
94354号公報に開示された従来の技術の構成及び
作用を説明するための線図である。 １００……スライダ（相対移動部材）、２００
……スケール（相対移動部材）、１−７，６４，
８−１４，６５……正弦波状電極、２０，２１…
…送信電極、２２−５３……受信電極、３０−４
５，３０′−４５′，３０″，４５″，３０−45
……活性受信電極、２２−２９，４６−５３……
不活性受信電極、６０……方形波発生器、６６…
…マルチプレクサ、６８……カウンタ、７１……
分周器、７５……ダイオード、７６，８０……抵
抗器、７７，７９……キヤパシタ、８２……位相
差検出器。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 高周波の方形波信号を発生する方形波信号発
    生手段と、 相対移動する一方の部材に、相対移動方向と平
    行に互いに間隔を空けて配設された、前記方形波
    信号発生手段出力の方形波信号が互いに逆位相で
    印加される２つの送信電極と、 相対移動する他方の部材に、相対移動方向に沿
    つて配設された、基部が前記２つの送信電極と
    夫々重なるように対向配置され、該送信電極間の
    間隙に対応する位置に配設される先端部が所定波
    長の相補的な連続波状とされた２列の連続波状電
    極と、 前記一方の部材の送信電極の間に、相対移動方
    向に沿つて前記連続波の波長より小さい所定ピツ
    チで並列に配設された、前記２列の連続波状電極
    の連続波状部と重なるように対向配置される複数
    の受信電極と、 該受信電極の出力を順次取込むための走査手段
    と、 該走査手段出力の、連続波に対応する形状に振
    幅変調された方形波信号の低周波成分を抽出する
    ことによつて、振幅変調に対応する復調信号を得
    るための復調手段と、 前記走査手段の走査基準信号と該復調手段出力
    の復調信号との位相差を検出するための位相差検
    出手段とを備え、 該位相差検出手段により検出した位相変化に基
    づいて、両部材間の相対変位を測定することを特
    徴とする容量式変位測定機。 ２ 前記連続波状電極が、相対移動方向に関して
    分離・絶縁されている特許請求の範囲第１項に記
    載の容量式変位測定機。 ３ 前記連続波が、正弦波とされている特許請求
    の範囲第１項に記載の容量式変位測定機。 ４ 前記受信電極が、相対移動方向中央部に配設
    され、前記走査手段と接続された活性受信電極
    と、その相対移動方向両端部にそれぞれ配設され
    た、前記走査手段と接続されない不活性受信電極
    とから構成されている特許請求の範囲第１項に記
    載の容量式変位測定機。 ５ 前記活性受信電極の１組の長さが、連続波の
    波長と等しく、又は、その整数倍とされている特
    許請求の範囲第４項に記載の容量式変位測定機。 ６ 前記走査手段の切換周波数信号が、前記方形
    波信号発生手段で発生される方形波信号を分周す
    ることによつて形成されている特許請求の範囲第
    １項に記載の容量式変位測定機。 ７ 前記復調手段が、前記走査手段出力の振幅変
    調された方形波信号を検波するための検波器と、
    該検波器出力から、その直流オフセツト分を除去
    するための高域通過フイルタとから構成されてい
    る特許請求の範囲第１項に記載の容量式変位測定
    機。 ８ 前記復調手段が、前記走査手段出力の振幅変
    調された方形波信号から振幅変調成分を抽出する
    ための同期復調器から構成されている特許請求の
    範囲第１項に記載の容量式変位測定機。 ９ 前記位相差検出手段が、360°毎のリセツトを
    備え、該リセツトの回数を記憶しておくことによ
    り、360°以上の位相差を検出できるようにされて
    いる特許請求の範囲第１項に記載の容量式変位測
    定機。 １０ 高周波の方形波信号を発生する方形波信号
    発生手段と、 相対移動する一方の部材に、相対移動方向と平
    行に互いに間隔を空けて配設された、前記方形波
    信号発生手段出力の方形波信号が互いに逆位相で
    印加される２つの送信電極と、 相対移動する他方の部材に、相対移動方向に沿
    つて配設された、基部が前記２つの送信電極と
    夫々重なるように対向配置され、該送信電極間の
    間隙に対応する位置に配設される先端部が所定波
    長の相補的な連続波状とされた２列の連続波状電
    極と、 前記一方の部材の送信電極の間に、相対移動方
    向に沿つて前記連続波の波長より小さい所定ピツ
    チで並列に配設された、前記２列の連続波状電極
    の連続波状部と重なるように対向配置される、相
    対移動方向中央部に前記連続波と同じ波長で繰り
    返し配設された複数組の活性受信電極、及び、そ
    の相対移動方向両端部にそれぞれ配設された不活
    性受信電極からなる受信電極と、 前記各組の活性受信電極中の対応する電極の出
    力を互いに同期して順次取込むための走査手段
    と、 該走査手段出力の、連続波に対応する形状に振
    幅変調された方形波信号の低周波成分を抽出する
    ことによつて、振幅変調に対応する復調信号を得
    るための復調手段と、 前記走査手段の走査基準信号と該復調手段出力
    の復調信号との位相差を検出するための位相差検
    出手段とを備え、 該位相差検出手段により検出した位相変化に基
    づいて、両部材間の相対変位を測定することを特
    徴とする容量式変位測定機。
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