JPH0460530B2 - - 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エンコーダ、特にリニア移
動変位量を検出する静電容量型エンコーダに関す
るものである。

［従来の技術］ 近年、ノギス、マイクロメータ、ハイトゲージ
等の測定器は従来の機械的読取方式に代わり、測
定値を電気的に読取り、デジタル表示するデジタ
ル表示型のものが普及してきている。

通常、このようなデジタル表示型測定器は、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で計数し、その計数
値をデジタル表示器上にデジタル表示するもので
ある。

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、静電容量型エンコーダ等が周知であ
る。

光電型エンコーダは、スケールの表面に等間隔
に設けられたスリツトと、該スケールのスリツト
を介して光路を形成する発光器及び受光器とを含
み、移動体の変位量に応じてスケールを移動し、
発受光器間に形成される光路をオン・オフするこ
とで電気信号パルスを得、移動体の変位量を検出
する。

しかしながら、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、しかも容量の大きな電池を使用した
場合には装置の重量が増大してしまうという欠点
を有していた。

更に、測定精度を上げるためにはスケール上に
数ミクロン間隔でスリツトを設けることが必要と
なり、この製造が難しく、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易いと
いう問題点があつた。

また、接点型エンコーダは、移動体の変位量検
出にスリツト、ブラシ等を用いるために、これら
スリツト、ブラシの消耗が激しく、また測定信号
にノイズが混入し易いという問題点があつた。

これに対し、静電容量型エンコーダは光電型エ
ンコーダのように消費電流が大きくなく、また接
点型エンコーダのようにブラシ、スリツト等の消
耗あるいは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。

このような測定器に用いられる静電容量型エン
コーダは、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、この時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するも
のである。

そして、この種の静電容量型エンコーダには、
電圧比較型、位相弁別型等があるが、特に位相弁
別型が小型、軽量、高精度かつ低消費電力等のメ
リツトを有しており、広く用いられている。

第５図は、このような従来の位相弁別式静電容
量型エンコーダの基本原理を示す要部の斜視図で
ある。

同図において、静電容量型エンコーダ１０は四
角板状の固定部材１２と、帯板状の可動スケール
１４とを有している。

固定部材１２の可動スケール１４対向面側に
は、等間隔に整列配置された複数の送信電極１
６、及び該送信電極群下方に配置された出力電極
１８が設けられている。

また可動スケール１４の固定部材１２対向面側
には、該可動スケール１４長手方向に沿つて前記
送信電極１６対応位置には受信電極２０が、また
受信電極２０下方には結合電極２２が設けられて
いる。なお、図示例において可動スケール１４上
には受信電極２０が複数設けられており、各受信
電極２０の間にはアース電極２４が配置されてい
る。

そして、不図示の電圧印加回路から前記送信電
極１６に順次所定の位相、例えばπ／４位相をず
らせた正弦波あるいは矩形波の交流電圧が印加さ
れ、８相電極を１単位とするユニツト電極群１０
０が形成される。ここで、この各ユニツト電極群
１００に含まれる連続した所定の送信電極１６に
対向するように前記受信電極２０が配列されてい
る。つまり、図示例において、４個の連続した送
信電極１６、すなわち基準電圧Ｖ１が印加される
送信電極と、基準電圧Ｖ１に対してπ／４、
2π／４、3π／４位相がずれたＶ２，Ｖ４，Ｖ４
の各電圧が印加される送信電極にまたがつて、１
個の受信電極２０が対向配置されることとなる。

以上の構成により、可動スケール１４を固定部
材１２に対して相対移動させると、受信電極２０
と送信電極１６とが相対移動し、受信電極２０か
ら可動スケール１４の移動変位量に応じた周期変
化を有する静電容量信号が得られる。このように
して検出された静電容量信号は、受信電極２０と
電気的に結合された結合電極２２を介して、結合
電極２２と静電結合された出力電極１８により取
出され、図示を省略した検出回路を介してデジタ
ル表示器等に供給されることにより、固定部材１
２及び可動スケール１４の相対移動変位量を簡単
な構成で正確に測定することができる。

以上説明したように、位相弁別式静電容量型エ
ンコーダは、各種の測定器の装置本体及び該本体
に移動可能に設けられた移動体にそれぞれ固定部
材１２及び可動スケール１４が取付け固定され、
前記装置本体に対する移動体の移動量を検出する
ことが可能となる。

［発明が解決しようとする問題点］ 従来技術の問題点 ところで、このような位相弁別式静電容量型エ
ンコーダは、送信電極及び受信電極間のクリアラ
ンスが他の形式のエンコーダと比較して大きくて
も許容されるため、製造容易である等の利点は有
するが、反面送信電極と受信電極との距離が静電
容量に直接影響するため、両電極の平行度は常に
一定とすることが要求される。

しかしながら、各電極が配置された固定部材及
び可動スケールは前述したようにそれぞれ測定器
の装置本体及び該本体に移動可能に設けられた移
動体に取付けられており、移動体と装置本体との
若干の遊び、あるいは摺動に伴う摩耗によるガタ
等により固定部材及び可動スケール間の間隙すな
わち、送信電極及び受信電極間のクリアランスが
変動してしまう。

この結果、出力電極からの静電容量信号に変動
を生じ移動変位量の測定に誤差を生じてしまうと
いう問題点があつた。

また、静電容量型エンコーダは、小型化が要求
されており、この結果、特に固定部材及び可動ス
ケールの幅が規制を受け、これに伴い各電極面積
も狭くせざるを得ない。従つて、検出される静電
容量信号値が小さくなり、Ｓ／Ｎが悪化してしま
うという問題点もあつた。

この問題点を第６図を用い更に詳述する。

第６図は第５図に示した静電容量型エコーダの
固定部材及び可動スケールを拡大して示した図で
あり、同図Ａは固定部材を送信電極設置面側から
見た状態、同図Ｂは可動スケールを受信電極設置
面側から見た状態を示し、前記第５図と同一部分
には同一符号を付する。

同図からも明らかなように、静電容量型エンコ
ーダの長さＬは該エンコーダが測定の対象とする
測長域に応じて決定されるものであり、単純に小
型化を計るということはできない。

従つて、ここで問題となるエンコーダの小型化
は固定部材１２ないし可動スケール１４の幅Ｗで
ある。

この幅Ｗはエンコーダが取付けられる測定器等
の機械的条件あるいは取扱い性等の点から規制さ
れるが、一般的にはできるだけ小さくすることが
要請される。

ここで、従来の静電容量型エンコーダにあつて
は、固定部材１２には送信電極１６及び出力電極
１８が、また可動スケールには受信電極２０及び
結合電極２２が設置される必要があり、しかも各
部材に設けられる各電極は同一面上に設置される
ため、必然的に各電極面積は小さくならざるを得
ない。

無論、送信電極１６の幅Ａを大きくすれば、各
電極面積を拡大することが可能であるが、反面こ
の送信電極幅Ａを拡大することは分解能を低下さ
せることとなつてしまう。

以上のように、従来の静電容量型エンコーダに
あつては各電極面積を小さく設定せざるを得ず、
この結果静電容量信号の出力低下、測定精度の悪
化に直結してしまうのである。

更に、第６図に示したように、送信電極１６と
出力電極１８を同一面上に隣接させた結果、両者
間にクロストークを生じ、やはり測定精度を悪化
させるとともに、各電極への配線が複雑となり製
造が極めて困難でたるという問題点も生じさせて
いた。

発明の目的 本発明は前述した従来技術の問題点に鑑み成さ
れたものであり、その目的は小型で高精度の静電
容量型エンコーダを提供することにある。

［問題点を解決するための手段］ 前記目的を達成するために、本発明に係る静電
容量型エンコーダは、被測定物に連動して移動す
る可動スケールと、前記可動スケールの一方の面
の長手方向に整列配置された受信電極群と、前記
可動スケールの他方の面に配置され、前記受信電
極群と電気的に結合している結合電極と、前記受
信電極群に対向するように配置・固定され、位相
の異なる交流電圧が印加される送信電極群と、前
記結合電極と対向するように配置・固定され、前
記結合電極と静電結合したた出力電極と、を備
え、前記可動スケールの移動によつて変化する出
力電極からの静電容量信号に基づき、被測定物の
移動変位量を検出する静電容量型エンコーダにお
いて、前記各受信電極間に設けられ、互いに電気
的に結合するように前記可動スケール上にパター
ン形成された接地電極群、を有することを特徴と
する。

また、前記可動スケールは、板状導電材に絶縁
材を被覆し、前記被覆上に前記受信電極群と前記
結合電極と前記接地電極群とを設けたことを特徴
とする。

［作用］ 前述した構成から明らかなように、本発明に係
る静電容量型エンコーダによれば、固定部材の送
信電極基板部上に設けられた複数の送信電極に位
相の異なる交流電圧が印加されることにより、該
送信電極と静電結合された可動スケールの受信電
極には静電容量信号が検出される。

この静電容量信号は該可動スケールの受信電極
とは反対側の面に設けられた結合電極を介して該
結合電極と静電結合した出力電極から取出され
る。

ここで、出力電極より取出される静電容量信号
は、平行配置された送信電極と出力電極、すなわ
ち固定部材の送信電極と出力電極との距離にのみ
依存する。正確にいえば、送信電極と受信電極と
の間の距離と、結合電極と出力電極との間の距離
との和に依存する。

この結果、固定部材と可動スケールの相対位置
関係に若干の変動が生じたとしても、第一部材の
送信電極と出力電極の相対位置関係に変動が生じ
ない限り出力電極から取出される静電容量信号に
は何らの影響も与えない。

従つて、固定部材と可動スケールの相対位置変
動あるいは傾き、ガタ等に起因する測定精度の低
下を確実に排除することが可能となる。

また、受信電極及び結合電極はそれぞれ帯板状
可動スケールの各面に分離配置されているため、
各面のほぼ上下いつぱいにそれぞれの電極形成を
行うことが可能となる。

しかも、これに伴い固定部材にあつても各電極
を上下いつぱいに形成することができる。

この結果、各電極面積は固定部材及び可動スケ
ールの幅を変更することなく約２倍とすることが
でき、出力電極から取出される静電容量信号の検
出効率を向上させることができ、エンコーダの測
定精度、特にＳ／Ｎを大幅に改善することが可能
となる。

また、送信電極と出力電極は互いに隣接しない
ため、両電極間にクロストークを生じることがな
く、この点からも測定精度の向上を図ることがで
きるものである。

なお、固定部材の厚さは若干大きくなるが、そ
の増加分は僅かに数ミリ程度厚くなるにすぎず、
実際上問題となることはない。

以上のようにして、本発明によれば、何ら大型
化することなく高精度の静電容量型エンコーダを
得ることが可能となる。

［実施例］ 以下、図面に基づいて本発明の好適な実施例に
ついて説明する。

第１図から第３図には本発明に係る静電容量型
エンコーダの好適な一実施例が示されており、第
１図は一部を破断して示した外観斜視図、第２図
は第１図において矢印方向から見た側面図、第
３図は第１図において−線上での横断面図で
ある。

なお、前記第５図と同一部分には符号１００を
加えて説明を省略する。

本発明において特徴的なことは、帯板状の可動
スケールの各面にそれぞれ受信電極及び結合電極
を分離配置し、また固定部材は、前記可動スケー
ルの受信電極配置面に対面した送信電極と、結合
電極配置面に対面した出力電極とを有したことで
ある。

このために、本実施例においては、可動スケー
ル１１４の右側面には受信電極１２０を、左側面
には結合電極１２２を、それぞれ可動スケール１
１４の上下いつぱいに形成している。また固定部
材１１２は断面口字状の筒型に形成され前記可動
スケール１１４をその筒中に挿通している。そし
て、該可動スケール１１２の右側壁は送信電極基
板部１１２ａを、また左側壁は出力電極基板部１
１２ｂを構成する。

この両電極基板部１１２ａ，１１２ｂは互いに
平行に形成されており、送信電極基板部１１２ａ
の内側面すなわち受信電極１２０対向面には送信
電極１１６が、また出力電極基板部１１２ｂの内
側面すなわち結合電極１２２対向面には出力電極
１１８が、それぞれ前記受信電極１２０及び結合
電極１２２と対応して上下いつぱいに配置されて
いる。

なお、本実施例において、受信電極１２０は複
数説けられており、各受信電極１２０間には相互
干渉を排除するためアース電極１２４が配置され
ている。この構成により、各受信電極間の分離が
明確になり、出力信号中の位相検出がより一層正
確に行えるようになる。

また、可動スケール１１４は第３図からも明ら
かなように、中心部１１４ａをステンレス材から
形成し、その両面には電気絶縁層１１４ｂを被覆
形成している。

そして、この電気絶縁層１１４ｂ上に受信電極
１２０、結合電極１２２、アース電極１２４がそ
れぞれ配置されるわけであるが、受信電極１２０
と結合電極１２２は第２部材１１４を貫通する導
電部１３０にて電気的に結合されている。

本実施例に係る静電容量型エンコーダは以上の
ように構成され、以下にその作用について説明す
る。

本実施例に係る静電容量型エンコーダは、前記
第５図に示した従来例と同じく固定部材１１２と
可動スケール１１４の相対移動変位量を送信電極
１１６と受信電気１２０の移動変位量に応じた周
期変化を有する静電容量信号から検出するもので
ある。ここで、送信電極基板部１１２ａ及び出力
電極基板部１１２ｂは平行に形成されており、こ
の結果、送信電極１１６と出力電極１１８の距離
Ｄも常に一定である。そして、この送信電極基板
部１１２ａ及び出力電極基板部１１２ｂ間に介挿
された可動スケール１１４は、固定部材１１２と
相対移動するわけであるが、この際送信電極１１
６と受信電極１２０間の距離Ｄ１及び結合電極１
２２と出力電極１１８間の距離Ｄ２が第二部材１
１４のガタあるいは傾き等によりそれぞれ変動す
ることが考えられる。

従来においては、この固定部材１１２と可動ス
ケール１１４の相対位置関係の変化が直接静電容
量信号に影響を与えていたが、本実施例において
は、送信電極基板部１１２ａと出力電極基板部１
１２ｂの平行度に変動が生じない限りＤ１＋Ｄ２
は常に一定であり、この結果送信電極１１６と受
信電極１２０間の静電容量及び結合電極１２２と
出力電極１１８間の静電容量の容量和は常に一定
となる。

従つて、固定部材及び可動スケール間のガタあ
るいは傾き等の相対位置変動によつては検出精度
は何ら影響を受けず、高精度を維持することがで
きる。

また、第４図からも明らかなように、各電極面
積を大きくすることができるため、測定精度を向
上させることができる。

すなわち、第４図Ａは送信電極基板部１１２ａ
を送信電極１１６形成面から見た状態、同図Ｂは
可動スケール１１４を結合電極１２２形成面から
見た状態、同図Ｃは出力電極基板部１１２ｂを出
力電極１１８形成面から見た状態をそれぞれ示
す。

同図より明らかなごとく、前記第６図に示した
ような従来の静電容量型エンコーダと同じ幅Ｗと
しても、該部材幅Ｗいつぱいに各電極を形成する
ことが可能となり、静電容量信号の検出が極めて
効率的に行われる。

更に、送信電極１１６と出力電極１１８は距離
Ｄを挟んで対向配置されており、従来のごとく同
一板状に隣接配置されているのではないので、ク
ロストークによる影響をも確実に排除される。

そして、前述したように、各受信電極間には、
アース電極が説けられているため、各受信電極の
間の分離が明瞭になり、位相の弁別が高精度で行
える。

なお、本実施例においては、固定部材１１２は
断面口字状に形成されているので、外部からの押
圧力等に対しても変形を生じることはほとんどな
い。

また、出力電極基板部の外側面に遮蔽電極を設
け、よりＳ／Ｎを向上させることも好適である。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明に係る静電容量型
エンコーダによれば、帯板状可動スケールの各面
にそれぞれ受信電極及び結合電極を分離配置し、
また固定部材は、可動スケールの受信電極配置面
に対面した送信電極基板部と、第二部材の結合電
極配置面に対面した出力電極基板部とを有するよ
うに構成し、前記受信電極は複数の電極からな
り、接地電極が各受信電極間に設けられているの
で、小型でかつ高精度の測長作用を行うことが可
能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の好適な一実施例に係る静電容
量型エンコーダの一部を破断した外観斜視図、第
２図は第１図に係る静電容量型エンコーダの側面
図、第３図は第１図に係る静電容量型エンコーダ
の−線上での横断面図、第４図は第１図に係
る静電容量型エンコーダの固定部材及び可動スケ
ールの説明図、第５図は従来の静電容量型エンコ
ーダの要部斜視図、第６図は第５図に示した静電
容量型エンコーダの第一部材及び第二部材の説明
図である。 １０，１１０……静電容量型エンコーダ、１
２，１１２……固定部材、１１２ａ……送信電極
基板部、１１２ｂ……出力電極基板部、１４，１
１４……可動スケール、１６，１１６……送信電
極、１８、１１８……出力電極、２０，１２０…
…受信電極、２２，１２２……結合電極。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 被測定物に連動して移動する可動スケール
   と、 前記可動スケールの一方の面の長手方向に整列
   配置された受信電極群と、 前記可動スケールの他方の面に配置され、前記
   受信電極群と電気的に結合している結合電極と、 前記受信電極群に対向するように配置・固定さ
   れ、位相の異なる交流電圧が印加される送信電極
   群と、 前記結合電極と対向するように配置・固定さ
   れ、前記結合電極と静電結合した出力電極と、 を備え、前記可動スケールの移動によつて変化す
   る出力電極からの静電容量信号に基づき、被測定
   物の移動偏位量を検出する静電容量型エンコーダ
   において、 前記各受信電極間に設けられ、互いに電気的に
   結合するように前記可動スケール上にパターン形
   成された接地電極群、 を有することを特徴とする静電容量型エンコー
   ダ。 ２ 特許請求の範囲１記載の静電容量型エンコー
   ダにおいて、 前記可動スケールは、板状導電材に絶縁材を被
   覆し、前記被覆上に前記受信電極群と前記結合電
   極と前記接地電極群とを設けたことを特徴とする
   静電容量型エンコーダ。