JPH06207805A - 変位測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 データ合成失敗が発生する変位センサ移動速
度を実用上十分なレベルまで高くしたアブソリュート型
の変位測定装置を提供することを目的とする。 【構成】 ＡＢＳセンサ１、その出力信号を処理してそ
れぞれエッジに位相情報を持った粗，中，密スケールの
変位量検出用の方形波信号を得る復調回路３，４，５、
これら復調回路により得られた方形波信号から位相情報
を検出して、粗，中，密スケールの位相データを得る位
相検出回路６，７，８、各位相データをそれぞれ複数回
サンプリングして平均化する平均化回路９、密スケール
の位相データのサンプリングタイミングを基準としてこ
れに近接して中および粗スケールの位相データのサンプ
リングタイミングを決定するサンプリング制御回路１
４、および平均化回路９により得られた各位相データを
合成する合成回路１０とを備えた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ディジタルノギス等の
小型計測器に適用される変位測定装置に係り、特に変位
センサの固定要素に対する可動要素の絶対的な変位量を
測定することを可能としたいわゆるアブソリュート型の
変位測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】測定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
ジ等の小型計測器として、静電容量式の変位センサを利
用するものが有望である。静電容量式変位センサは、メ
インスケール等の固定要素と、これに対して相対移動す
るスライダ等の可動要素とにそれぞれ多数の電極が配設
され、固定要素に対する可動要素の移動に伴って電極パ
ターン間に生じる周期的な容量変化の信号を取り出すこ
とにより変位量検出を行うものである。

【０００３】この様な変位センサのうちアブソリュート
型の変位センサは、電極パターンの形状によって、粗い
変位量検出のための粗スケール信号と細かい変位量検出
のための密スケール信号、更に必要なら中間の変位量検
出のための中スケール信号の各周期的方形波信号を出力
可能としている。そしてこれらの復調信号からそれぞれ
得られる位相データを合成して、可動要素の絶対的な変
位量（位置）の検出を可能としている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】この様なアブソリュー
ト型変位センサの各方形波信号の位相はエッジに担われ
ており、従ってエッジでしか位相データが得られない。
このため、粗密各位相データのサンプリングタイミング
には当然にずれが生じる。変位センサ移動中は、このサ
ンプリングタイミングのずれにより異なったセンサ位置
での情報をサンプリングすることになり、場合によって
は粗密各位相データの合成に失敗する可能性が出てく
る。この合成エラー発生の可能性は特に変位センサの移
動速度が大きくなる程、高くなり、合成エラーが発生す
ると変位センサ移動中のデータ表示がスムーズでなくな
る。

【０００５】本発明は、この様な事情を考慮してなされ
たもので、データ合成失敗が発生する変位センサ移動速
度を実用上十分なレベルまで高くしたアブソリュート型
の変位測定装置を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明にかかる変位測定
装置は、固定要素に対する可動要素の相対位置関係に応
じた出力信号を出す変位センサと、この変位センサの出
力信号を処理して、それぞれエッジに位相情報を持った
少なくとも粗スケールおよび密スケールの変位量検出用
の周期的方形波信号を得る復調手段と、この復調手段に
より得られた周期的方形波信号のそれぞれから位相情報
を検出して、粗スケールおよび密スケールの位相データ
を得る位相検出手段と、前記粗スケールおよび密スケー
ルの各位相データをそれぞれ複数回サンプリングして平
均化する平均化手段と、前記粗スケールまたは密スケー
ルの位相データの一方のサンプリングタイミングを基準
としてこれに近接して他方のサンプリングタイミングを
決定するサンプリング制御手段と、前記平均化手段によ
り得られた粗スケールおよび密スケールの位相データを
合成して、前記固定要素に対する前記可動要素の絶対変
位量を求める合成手段とを備えたことを特徴としてい
る。

【０００７】

【作用】本発明によれば、粗，密スケールの各位相デー
タを取込むタイミングのずれが小さくなるようにサンプ
リング制御を行って、各位相データのサンプリングタイ
ミングを近付けるという処理を行っている。これによ
り、変位センサが比較的高速で移動している場合にもデ
ータ合成の失敗という事態が防止される。

【０００８】

【実施例】以下、図面を参照しながら本発明の実施例を
説明する。図１は、本発明の一実施例に係る変位測定装
置のシステム構成であり、図２は図１におけるアブソリ
ュート型静電容量式変位センサ（以下、ＡＢＳセンサと
いう）１の構成である。

【０００９】ＡＢＳセンサ１は、図２に示すように、固
定要素であるメインスケール２２とこれに対し僅かの間
隙を介して対向配置された可動要素であるスライダ２１
とを有する。スライダ２１は、メインスケール２２に対
して、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，２
４ｂは、その配列方向に沿って隣接するピッチＰt1，Ｐ
t2の第１伝達電極２５ａ，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
々スライダ２１側に設けられた第１検出電極２６ａ，２
６ｂ及び第２検出電極２７ａ，２７ｂと容量結合されて
いる。

【００１０】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、計測モードではそれぞれ位相が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、高周波パルスでチョップされ
た信号となっており、図１の送信波形発生回路２から生
成出力される。

【００１１】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倍に設定され
ている。ここでＮは、１，３，５等の奇数であることが
好ましく、この実施例では３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、三角形状又は正弦
波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２５
ａ，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、単にメインスケ
ール２２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、この実施
例のＡＢＳセンサ１では、粗い変位量（粗スケール）、
中間の変位量（中スケール）及び細かい変位量（密スケ
ール）の３つのレベルの変位量を検出するため、伝達電
極２５ａ，２５ｂが、実際には受信電極２４ａ，２４ｂ
に対してピッチを変えて夫々Ｄ1 ，Ｄ2 だけ偏位させて
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／Ｐr Ｄ2(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２６
ａ，２６ｂ，２７ａ，２７ｂをピッチＷr1（＝３Ｐt
1），Ｗr2（＝３Ｐt2）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２５ａ，２５ｂ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。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。検出信号Ｃ1 ，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）

【００１６】これらの演算出力信号Ｃ1 −Ｃ2 ，Ｂ1 −
Ｂ2 ，（Ｂ1 ＋Ｂ2 ）−（Ｃ1 ＋Ｃ2 ）は、それぞれ粗
スケール復調回路３，中スケール復調回路４，密スケー
ル復調回路５、および粗位相検出回路６，中位相検出回
路７，密位相検出回路８で処理される。復調は具体的に
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、二値化等の処理を経て、エッジに位相
情報を担った周期的方形波信号ＣＭＰを生成することに
より行われる。位相検出回路６，７，８からは、送信波
形発生回路２から出力される０°の駆動信号Ｓｄを参照
信号として、各入力信号の位相がディジタル値で出力さ
れる。

【００１７】これらの位相検出回路６，７，８から出力
されるディジタル値の各位相データは、複数回のサンプ
リングと平均化処理が行われる。これは、表示ちらつき
の低減や、復調回路３，４，５内の演算増幅器，比較器
等のオフセット相殺のためである。平均化回路９が各位
相検出回路６，７，８からの複数回サンプリングにより
得られる位相データを平均化する部分であり、各位相デ
ータのサンプリングのタイミングを最適化するために、
微分回路１３およびサンプリング制御回路１４が設けら
れている。これら平均化回路９，微分回路１３およびサ
ンプリング制御回路１４の部分の詳細は後述する。

【００１８】平均化回路９から得られる各位相データ
は、合成回路１０で重み付けられて合成される。合成回
路１０には、ＥＥＰＲＯＭ等からなるオフセット記憶部
（図示せず）に記憶されたオフセット値も供給されてお
り、合成値のオフセット量が調整できるようになってい
る。合成回路１０の出力は、演算・表示回路１１におい
て、例えば電極配列ピッチが実寸法値に変換され、得ら
れた実寸法値は表示用デコーダを介してＬＣＤ表示器１
２に表示されるようになっている。

【００１９】システムコントローラ１５は、合成回路１
０，演算・表示回路１１に対するイネーブル信号ＥＮＢ
1 、他の回路に対するイネーブル信号ＥＮＢ2 、その他
各種リセット信号，クロック信号を発生してシステム全
体の動作を制御している。

【００２０】平均化回路９は、粗，中，密スケールの各
位相データをそれぞれ、複数回サンプリングして加算・
平均化する演算部９２，９４，９６およびレジスタ９
１，９３，９５を有する。粗，中，密の各スケール用方
形波信号ＣＭＰＦ，ＣＭＰＭ，ＣＭＰＣのうち、表示デ
ータの最下位桁に直接反映して表示ちらつきの最も大き
な原因となるのは、密スケール用方形波信号ＣＭＰＦで
ある。そのためこの実施例では、密スケール復調回路５
の出力方形波信号ＣＭＰＦについては４回サンプリング
して平均化し、粗スケールおよび中スケールの復調回路
３，４の各出力方形波信号ＣＭＰＣ，ＣＭＰＭについて
は、２回のサンプリングを行って平均化する。この際、
密スケール方形波信号ＣＭＰＦのサンプリングタイミン
グを基準として、これに最も近い位置に中スケールおよ
び粗スケールの方形波信号ＣＭＰＭ，ＣＭＰＣのサンプ
リングタイミングが決定されるようにしている。

【００２１】以上のサンプリング制御を行うのが、微分
回路１３およびサンプリング制御回路１４の部分であ
る。微分回路１３は、粗，中，密スケールの各復調回路
３，４，５から得られる各方形波信号ＣＭＰＣ，ＣＭＰ
Ｍ，ＣＭＰＦのエッジでパルスを出力する回路である。
具体的にこの微分回路１３は、方形波信号ＣＭＰＣ，Ｃ
ＭＰＭ，ＣＭＰＦの各立上がりエッジ微分パルスＣＲ
Ｐ，ＭＲＰ，ＦＲＰ、両エッジ微分パルスＣＥＰ，ＭＥ
Ｐ，ＦＥＰ、方形波信号ＣＭＰＣ，ＣＭＰＭの各立下が
りエッジ微分パルスＣＦＰ，ＭＦＰを発生する。この微
分回路１３の入出力関係を図４に示す。

【００２２】サンプリング制御回路１４は、これらの微
分回路１３の出力パルスを受けて、平均化回路９内の各
レジスタ９１，９３，９５にそれぞれ、転送用クロック
ＣＣＫ，ＭＣＫ，ＦＣＫおよびリセットパルスＣＲＥＳ
Ｂ，ＭＲＥＳＢ，ＦＲＥＳＢを発生する。その具体的な
回路例は、図３の通りである。この制御回路１４は、大
きく分けて、粗スケール用サンプリング制御回路部１４
C ，中スケール用サンプリング制御回路部１４M 、およ
び密スケール用サンプリング制御回路部１４Fにより構
成されている。

【００２３】密スケール用のサンプリング制御回路部１
４F は、イネーブル信号ＥＮＡＢＬＥと、密スケール用
方形波信号ＣＭＰＦから得られた立上がりエッジ微分パ
ルスＦＲＰおよび両エッジ微分パルスＦＥＰに基づい
て、密スケール位相データについて４回サンプリングを
行うためのレジスタ用クロックＦＣＫとレジスタリセッ
ト信号ＦＲＥＳＢを発生する。中スケール用のサンプリ
ング制御回路部１４M は、イネーブル信号ＥＮＡＢＬＥ
と、中スケール用方形波信号ＣＭＰＭから得られた立上
がりエッジ微分パルスＭＲＰ，立ち下がり微分パルスＭ
ＦＰおよび両エッジ微分パルスＭＥＰに基づいて、中ス
ケール位相データについて２回サンプリングを行うため
のレジスタ用クロックＭＣＫとレジスタリセット信号Ｍ
ＲＥＳＢを発生する。粗スケール用のサンプリング制御
回路部１４C は、イネーブル信号ＥＮＡＢＬＥと、粗ス
ケール用方形波信号ＣＭＰＣから得られた立上がりエッ
ジ微分パルスＣＲＰ，立ち下がり微分パルスＣＦＰおよ
び両エッジ微分パルスＣＥＰに基づいて、粗スケール位
相データについて２回サンプリングを行うためのレジス
タ用クロックＣＣＫとレジスタリセット信号ＣＲＥＳＢ
を発生する。

【００２４】基準となる密スケール位相データサンプリ
ングの動作を、図５を用いて説明する。図５に示すよう
に、イネーブル信号ＥＮＡＢＬＥが“１”になった後、
最初の立上がり微分パルスＦＲＰにより、レジスタ９５
をリセットするリセット信号ＦＲＥＳＢが出力され、そ
の後両エッジ微分パルスＦＥＰに同期してその４個目ま
でレジスタ用クロックＦＣＫが発生される。そしてクロ
ックＦＣＫの各立上がりで、密スケール位相検出回路８
からの位相データとレジスタ９５の内容が演算部９６で
加算され、４回加算後の平均化データが得られる。両エ
ッジ微分パルスＦＥＰの４パルス目の立下がりで、フリ
ップフロップＦ／Ｆ1 の出力ノードＡが“０”となり、
それ以降、リセット信号ＦＲＥＳＢおよびクロック信号
ＦＣＫは出力されない。

【００２５】両エッジ微分パルスＦＥＰの３パルス目の
立下がりで、フリップフロップＲＳ−Ｆ／Ｆ1 の出力ノ
ードＢが“１”となる。このＲＳ−Ｆ／Ｆ1 の出力ノー
ドＢが、中スケール用のサンプリング制御回路部１４M
、および粗スケール用のサンプリング制御回路部１４C
に、中スケールおよび粗スケールの位相データのサン
プリングタイミングの基準信号として入力される。

【００２６】次に、中スケール位相データサンプリング
動作を説明すれば、イネーブル信号ＥＮＡＢＬＥが
“１”になった後、立上がりエッジ微分パルスＭＲＰに
同期してレジスタリセット信号ＭＲＥＳＢが出力され、
両エッジ微分パルスＭＥＰに同期してレジスタ用クロッ
クＭＣＫが出力される。中スケール用のレジスタ９３に
は、クロックＭＣＫの立上がりで位相検出回路７からの
位相データとレジスタ９３の内容が加算された結果が書
き込まれる。次に立上がりエッジ微分パルスＭＲＰが入
ると、レジスタリセット信号ＭＲＥＳＢが出力されてレ
ジスタ９３はクリアされる。

【００２７】ここで、密スケール用サンプリング制御回
路部１４F のＲＳ−Ｆ／Ｆ1 の出力ノードＢが“１”に
なった後、立ち下がりエッジ微分パルスＭＦＰが来る
か、または両エッジ微分パルスＭＥＰが来た後でかつ立
上がりエッジ微分パルスＭＲＰが来る前にノードＢが
“１”になると、それ以降、レジスタリセット信号ＭＲ
ＥＳＢおよびクロック信号ＭＣＫは出力されない。粗ス
ケール位相データのサンプリング動作も、中スケール位
相データサンプリング動作と同様である。

【００２８】以上のサンプリング動作はディジタル的に
処理されるが、これを各位相データＣＭＰＦ，ＣＭＰ
Ｍ，ＣＭＰＣの信号入力時に当てはめて表せば、図６の
ようになる。密スケールの方形波信号ＣＭＰＦについて
は、イネーブル信号ＥＮＡＢＬＥが“１”になった後の
最初の立上がりエッジから、連続する４個のエッジＦ
1，Ｆ2 ，Ｆ3 ，Ｆ4 で位相データがサンプリングさ
れ、これが平均化される。

【００２９】中スケールの方形波信号ＣＭＰＭについて
は、最初の二つのエッジＭ1 ，Ｍ2の時点では、密スケ
ール用サンプリング制御回路部１４F のＲＳ−Ｆ／Ｆ1
の出力ノードＢが“１”になっておらず、次のエッジＭ
3 の時点でレジスタ９３の内容がリセットされる。そし
て、二つのエッジＭ3 ，Ｍ4 の位相データがサンプリン
グされると、密スケールの方形波信号ＣＭＰＦのエッジ
Ｆ3でノードＢが“１”になり、それ以降サンプリング
は行われない。従って中スケール位相データの平均値
は、（Ｍ3 ＋Ｍ4 ）／２となる。粗スケールの位相デー
タもほぼ同様であり、エッジＦ3 後のエッジＣ4 の時点
でサンプリングが終了し、二つのエッジＣ3 ，Ｃ4 の位
相データの平均値（Ｃ3＋Ｃ4 ）／２として求まる。

【００３０】従って、密スケール位相データの平均値サ
ンプリング点ｔ1 と、中スケール位相データの平均値サ
ンプリング点ｔ2 、粗スケール位相データの平均値サン
プリング点ｔ3 とのずれＴFM，ＴFCは小さく抑えられて
いる。ちなみに、以上のようなサンプリング制御を行わ
ない場合のサンプリングタイミングを図６と比較して図
７に示す。これは、密スケール位相データは、イネーブ
ル信号ＥＮＡＢＬＥが“１”になった後の最初の立上が
りエッジから４個のエッジＦ1 〜Ｆ4 の平均をとり、中
スケール位相データについては、やはり最初の立ち上が
りエッジから２個のエッジＭ1 ，Ｍ2 の平均、粗スケー
ル位相データについても最初の立上がりエッジから２個
のエッジＣ1 ，Ｃ2 の平均をとった場合である。この場
合、平均サンプリングタイミングのずれＴFM，ＴFCは、
図６と比較して明らかに大きくなっている。

【００３１】以上のようにこの実施例によれば、各位相
データのサンプリングタイミングが近接しているため、
変位センサが比較的高速で移動している場合でも合成が
失敗するという事態が防止されることになる。

【００３２】なお実施例では、サンプリングタイミング
制御の基準として密スケールデータを用いて、そのデー
タサンプリング回数を４回としたが、これは、前述のよ
うに密スケールデータが表示ちらつきに最も大きく影響
するためである。但しデータ合成の失敗を防止するとい
う意味では、必ずしも密スケールデータをサンプリング
の基準にすることは必要ではなく、他の位相データを基
準としてもよい。また実施例では、粗，中，密の３スケ
ールを用意した変位センサを用いたが、本発明はこれに
限られるわけではなく、少なくとも粗，密の二つのスケ
ールを用意した変位センサを用いた場合に有効である。
また実施例における図３のサンプリング回路は一例であ
り、マイクロプロセッサ等により図３の回路と同じルー
ルでサンプリングを行ってもよい。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、デ
ータサンプリングの調整によって、合成エラーが発生し
にくく、従って変位センサが比較的高速で移動中にもス
ムーズなデータ表示を可能としたアブソリュート型の変
位測定装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例に係る変位測定装置の構成
を示す図である。

【図２】 図１におけるＡＢＳセンサの構成を示す図で
ある。

【図３】 図１のサンプリング制御回路の構成を示す図
である。

【図４】 図１の微分回路の出力信号を示す図である。

【図５】 図３のサンプリング制御回路の動作波形を示
す図である。

【図６】 実施例のデータサンプリングのタイミングを
示す図である。

【図７】 比較例のデータサンプリングのタイミングを
示す図である。

【符号の説明】

１…ＡＢＳセンサ、２…送信波形発生回路、３…粗スケ
ール復調回路、４…中スケール復調回路、５…密スケー
ル復調回路、６…粗位相検出回路、７…中位相検出回
路、８…密位相検出回路、９…平均化回路、９１，９
３，９５…レジスタ、９２，９４，９６…演算部、１０
…合成回路、１１…演算・表示回路、１２…表示器、１
３…微分回路、１４…サンプリング制御回路、１５…コ
ントローラ。

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相対位置関
   係に応じた出力信号を出す変位センサと、 この変位センサの出力信号を処理して、それぞれエッジ
   に位相情報を持った少なくとも粗スケールおよび密スケ
   ールの変位量検出用の周期的方形波信号を得る復調手段
   と、 この復調手段により得られた周期的方形波信号のそれぞ
   れから位相情報を検出して、粗スケールおよび密スケー
   ルの位相データを得る位相検出手段と、 前記粗スケールおよび密スケールの各位相データをそれ
   ぞれ複数回サンプリングして平均化する平均化手段と、 前記粗スケールまたは密スケールの位相データの一方の
   サンプリングタイミングを基準としてこれに近接して他
   方のサンプリングタイミングを決定するサンプリング制
   御手段と、 前記平均化手段により得られた粗スケールおよび密スケ
   ールの位相データを合成して、前記固定要素に対する前
   記可動要素の絶対変位量を求める合成手段と、を備えた
   ことを特徴とする変位測定装置。