JPH04320914A - 静電容量式変位測定装置 - Google Patents

静電容量式変位測定装置

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JPH04320914A
JPH04320914A JP11685791A JP11685791A JPH04320914A JP H04320914 A JPH04320914 A JP H04320914A JP 11685791 A JP11685791 A JP 11685791A JP 11685791 A JP11685791 A JP 11685791A JP H04320914 A JPH04320914 A JP H04320914A
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sensor
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signal processing
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亨 夜久
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  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
  • Length Measuring Devices With Unspecified Measuring Means (AREA)
  • Transmission And Conversion Of Sensor Element Output (AREA)

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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
に適した静電容量式変位測定装置、特に内部信号処理回
路の試験を高速且つ高精度に行うことができるようにす
る模擬信号発生回路に関する。
【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。一つは、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である。他の
一つは、現在の変位量を直接計測できる絶対方式である
。両方式には一長一短あるが、例えば、電源に太陽電池
を用いた場合は絶対方式の方が有利になる。つまり、相
対方式では暗部での測定を期待できないが、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】上述した変位測定装置
では、静電容量式変位センサを使用する。この変位セン
サは測定しようとする変位量を容量値に変換する機能を
有するので、外部から交流信号を入力し、その出力信号
との位相比較を行えば、容量値従って変位量を電気的に
計測できる。量産される小型な変位測定装置では、位相
検出等の処理を行う信号処理回路はIC化される。この
信号処理ICは変位センサの微小出力が直接入力される
ため、極めて高感度に設定されている。このため、雑音
が混入し易い。そこで、この信号処理ICの試験を行う
には雑音の混入しない環境を設定する必要がある。
【0004】本発明は、信号処理IC内部に変位センサ
と等価な信号を発生できる回路を内蔵することにより、
雑音に影響されずに高速且つ高精度に信号処理機能の試
験を行えるようにすることを目的としている。
【0005】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明は、固定要素に対する可動要素の変位に応じた信
号を出力する静電容量式の変位センサと、この変位セン
サの出力に基づいて前記変位の量を示すデータを生成す
る信号処理回路と、前記変位センサを使用せずに前記セ
ンサ出力と同等の模擬信号を発生する模擬信号発生回路
を備えたことを特徴とする。
【0006】
【作用】模擬信号発生回路は信号処理IC内部に組み込
まれているので、変位センサ側からの雑音を遮断して信
号処理機能を試験することができる。このため、高精度
に試験できることはもとより、変位センサの容量値を実
際に変化させる機械的な変位を要しないので高速に試験
できる利点がある。
【0007】
【実施例】図1は本発明の要部構成図である。同図にお
いて、30は模擬信号発生回路、40は試験対象とする
信号処理用のアナログ回路であり、これらの回路30,
40は同じIC内に集積化されている。模擬信号発生回
路30はコンデンサC11〜C17、アナログスイッチ
SW1〜SW4、それに入力端子φA〜φC、測定条件
切換端子S0,S1、出力端子OUTを備える。入力端
子φA〜φCのそれぞれは入力段の結合コンデンサC1
1〜C13に接続され、これらの入力端子から入力した
各信号は内部のP点においてベクトル合成される。これ
らの入力端子には例えば45°ずつ位相のずれた3通り
の交流信号を入力する。コンデンサC14,C15はP
点とアース間に並列に接続され、アナログスイッチSW
1,SW2のオン/オフで有効、無効が制御される。コ
ンデンサC16,C17はP点の信号成分を容量分割し
て出力端子OUTに伝達する。P点および出力端子OU
Tに接続されたアナログスイッチSW3,SW4は本回
路を試験モードでないときに無効にするプルアップ用で
あり、外部からのモード切換信号T0,T1でそのオン
/オフが制御される。
【0008】入力端子φA,φB,φC からそれぞれ
0°,45°,90°の位相差を有する同一周波数の交
流信号を入力する一方、スイッチSW1,SW2を選択
的にオン/オフしてアナログ回路40の機能試験を行う
。これには例えば回路のオフセット特性試験、振幅変化
対位相変化特性試験等がある。スイッチSW1,SW2
が共にオフであると、P点は完全に浮いているのでP点
に現れた合成信号は減衰することなくコンデンサC16
に入力する。これに対し、スイッチSW1がオンすると
、コンデンサC14がP点とアース間に接続されるため
、P点に現れた合成信号は所定の減衰率で減衰される。 更に、スイッチSW1,SW2が共にオンすると、コン
デンサC14,C15がP点とアース間に並列に接続さ
れるため、減衰率は一層増大する。スイッチSW2だけ
をオンさせたときも異なる減衰率が得られる。この減衰
率の違いを後述する粗スケール、中スケール、密スケー
ルの測定に利用することができる。
【0009】このような試験モードではスイッチSW3
,SW4を共にオフにしてP点および出力端子OUTの
電位変化を自由にしておく。これに対し、通常の測定モ
ードではスイッチSW3,SW4を共にオンにして、P
点および出力端子OUTを電源レベルに固定する。この
ようにすると、この模擬信号発生回路30が実際の測定
、つまり後述する変位センサの出力に影響を与えずに済
む。アナログ回路40は信号処理回路の一部であり、図
示せぬディジタル回路への位相信号(これが変位情報と
なる)を出力する部分である。このアナログ回路40か
らトランジスタQを通してモニタ用の信号を取り出すこ
とができるようになっている。
【0010】図2は本発明の一実施例を示す絶対測定用
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A
BSセンサと呼ぶ)である。このABSセンサ1は、例
えば図3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24b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。
【0011】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4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2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21とメインスケール22との相対位置によっ
て変化する。
【0012】受信電極24a,24bと伝達電極25a
,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21
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。
【0013】
【数1】 D1(x) =(Pr −Pt1)x/PrD2(x)
 =(Pr −Pt2)x/Pr
【0014】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26a,26b,27a,2
7bをピッチWr1(=3Pt1),Wr2(=3Pt
2)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5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C
1 ,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。
【0015】
【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)
【001
6】これらの演算は、図2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4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。
【0017】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6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。
【0018】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、太陽電池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。
【0019】図1の模擬信号発生回路30はあたかもA
BSセンサ1と同様な作用をする。そこで、図2の実施
例ではこれをダミーセンサと呼んでいる。図1のアナロ
グ回路40は図2の復調回路3〜5および位相検出回路
6〜8を含んでいる。演算回路12は同じ信号処理回路
に含まれる他のディジタル回路である。図2の変位測定
装置にはスライダ21とスケール22との機械的なオフ
セット、ABSセンサ1のオフセット、信号処理回路の
オフセットがあり、最終的に補正される総合的なオフセ
ット量がオフセット記憶部11に記憶されるとしても、
回路のオフセット特性を知ることは製造技術上または設
計上重要である。一方、信号処理回路としてセンサ出力
を処理する場合、センサ出力の振幅変化が位相変化即ち
容量変化とどのように対応しているかを把握しなくては
測定装置としての実用性に欠ける。そこで、ダミーセン
サ30から種々の信号を信号処理回路に入力して所望の
特性が得られるか否かを判定する。このような測定に際
しダミーセンサ30を用いると雑音の混入がなく、しか
も迅速に測定条件を変更できるので、高速且つ高精度に
静電容量式変位測定装置の性能試験を行うことができる
【0020】
【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、静電
容量式センサを使用する変位測定装置において、雑音に
影響されずに高速且つ高精度に信号処理機能の試験を行
うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】  本発明の要部構成図である。
【図2】  本発明の一実施例を示すブロック図である
【図3】  ABSセンサの構成図である。
【図4】  送信信号の波形図である。
【図5】  受信信号の波形図である。
【図6】  図2の動作波形図である。
【符号の説明】
1…静電容量式センサ、30…模擬信号発生回路、φA
〜φC…入力端子、S0,S1…モード切換端子、OU
T…出力端子、C11〜C17…コンデンサ、SW1〜
SW4…アナログスイッチ。

Claims (1)

    【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変位に応
    じた信号を出力する静電容量式の変位センサと、この変
    位センサの出力に基づいて前記変位の量を示すデータを
    生成する信号処理回路と、前記変位センサを使用せずに
    前記センサ出力と同等の模擬信号を発生する模擬信号発
    生回路を備えたことを特徴とする静電容量式変位測定装
    置。
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