JPH0660823B2

JPH0660823B2 - 静電容量型変位検出器

Info

Publication number: JPH0660823B2
Application number: JP1092144A
Authority: JP
Inventors: 修川床; 俊隆下村
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 1989-04-12
Filing date: 1989-04-12
Publication date: 1994-08-10
Anticipated expiration: 2009-08-10
Also published as: JPH02269908A

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、特に位相のずれた交流
電圧を印加して検出信号の位相を分析することにより、
変位を検出する静電容量型変位検出器の改良に関する。

［従来の技術］少なくとも１対の電極板を対向配置してコンデンサーを
形成し、両電極板を測定子の変位量に対応して相対的に
移動させ、この時の機械的変位量をコンデンサーの静電
容量変化として電気的に検出する静電容量型変位検出器
は従来良く知られている。このような静電容量型変位検
出器においては、相対移動する電極板からなるコンデン
サーを用い分圧回路を形成し、該コンデンサーの静電容
量に応じて変化する分圧比に基ずき測定子の変位量を検
出しているため、例えば何らかの原因でコンデンサーを
形成する電源電圧が変化したような場合には、分圧出力
が測定子の変位量に正確に対応しなくなり、変位量の測
定を正確に行なうことができないという欠点があった。

また、従来このような欠点を解決した静電容量型変位検
出器も提案されている。例えば、特願昭５３−１５３５
８８号（特公昭６４−１１８８３）である。このような
検出器は、複数の送信電極板を等間隔に配置し、各送信
電極に所定の位相をずらした交流電圧を印加するととも
に、これらの送信電極に対向して受信電極を配置し、こ
の送信電極と受信電極との相対移動量を受信電極から検
出される静電容量信号の周期を分析して求めていた。第
４図、第５図に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を示す。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４図、第５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、又この送信電極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にまたがって対向配置された結合電極１８
と、前記送信電極１２及び受信電極１４にまたがって対
向配置されたアース電極２０とが交互に移動板１６の移
動方向に沿って配置されている。また、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る。従って、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１６を固定板１０に対し相対的変位すれば、受信電極
１４から移動体１６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
の位相を入力回路６及び変位処理系５０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
位量を電源電圧の移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。

一方、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ちいさくなり、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、また、このノイズは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った。

これに対して、本出願人は特願昭５８−８７２１８号及
び特願昭５８−８９８０６号において、検出信号に対す
るノイズの影響を軽減させる改良発明を提案している。
それを第６図、第７図及び第８図を用いて説明する。

各送信電極１２に対応する固定板１０の裏面位置には各
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が形成されてい
る。各送信電極１２に０゜、９０゜、１８０゜及び２７
０゜と順次等位相差の交流電圧を印加するのであるが、
結線パターンは０゜と１８０゜及び９０゜と２７０゜と
いうように逆位相の配線を空間的に隣接させてある。こ
れにより、一方側の配線からのノイズを他方側からのノ
イズで相殺する構成としたものである。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。

また、第８図に示されるように、送信電極から受信電極
に直接混入するノイズを打ち消すために補助電極２６を
設けられている。この補助電極２６からの補正信号によ
って前記ノイズを緩和相殺する構成としてある。結線パ
ターン２２から固定板１０の内部を通って混入する透過
ノイズの混入量は、受信電極１４と最も近接するパター
ン電路、すなわち第８図においては位相が２７０゜の交
流電圧を供給する受信電極側のパターン電路２２ａの混
入量が最も大きく、他のパターン電路からの混入量は極
めて小さいということが経験上確認されている。そこ
で、受信電極１４と最も近接するパターン電極２２ａが
導く電位位相、第８図においては２７０゜の位相、と逆
位相の交流電圧が印加される送信電極１２の裏面位置、
すなわち第８図においては９０゜、の位相電圧が印加さ
れる送信電極１２−２の裏面位置に補助電極２６が設け
られている。この補助電極２６と送信電極１２−２とで
容量を形成する。また、補助電極２６は固定板１０の裏
面から受信電極１４に導通接続されている。それによ
り、受信電極１４と最も近接するパターン電路２２ａか
ら受信電極１４に混入する透過ノイズは、この透過ノイ
ズと逆位相の信号、すなわち第８図において、送信電極
１２−２によって誘起される補助電極２６からの補正信
号により相殺され、結線パターン２２から受信電極１４
に混入する透過ノイズのほぼ総量を相殺することができ
る。また、結線パターン２２から固定板１０の面に沿っ
て受信電極１４に迂回して混入する迂回ノイズにたいし
ても、パターン電路２２ｂから混入するノイズを透過ノ
イズの場合と同様の考え方により相殺することができ
る。

［発明が解決しようとする課題］しかしながら、上述の補助電極を通じて着目ノイズと逆
位相の電圧を印加することによりノイズを相殺せんとす
る場合にあっては、その完全を期そうとすると各パター
ン電路ごとに補助電極を設ける必要があるため電極構造
が複雑となり、その結果二次的ノイズ生成の原因になり
かねない。また、ノイズを相殺するためには電圧値の等
しい逆位相の電圧を印加するのみでは足らず、不要経路
の容量値にあわせて補助電極の面積を調整する必要があ
る。一方、一度補助電極の面積をきめても、固定板１０
の厚さが変わったりその材質がかわってその誘電率が変
わった場合においては、ノイズを有効に相殺するために
は補助電極の面積を変える必要がある。そのため、電極
の製造時における電極の製造誤差の許容量が小さく、安
価に量産するのには問題があった。

本発明はかかる事情に鑑みなされたものであり、不要経
路の容量結合にもとずくノイズの影響を固定板に形成さ
れる補助電極の代わりに、容量値の調整される相殺用容
量（コンデンサー）を設けることにより除去し、分割精
度の高い静電容量型変位検出器を提供するものである。

［課題を解決するための手段］そのため、本発明では、ノイズとして影響する不要経路
容量のうちで経験的に最も支配的であると知られてい
る、送信電極と受信電極との間の不要経路の容量に基ず
くノイズ電圧を読取り、受信電極の近傍に相殺用容量を
設け、相殺用の電圧を印加することによりノイズの影響
を除去せんとするものである。

具体的には、本体に固定の可能な固定板と該固定板に相
対的移動の可能な移動板とを有し、前記固定板の表面に
は、該移動板との相対的移動の方向に配列された複数の
送信電極と、該送信電極に帯状の関係にある受信電極と
が設けられ、前記移動板の表面には、該送信電極及び該
受信電極にまたがって対向され、且つ、前記移動板の移
動方向に配列された、複数の結合電極が設けられ、前記
各送信電極には、位相が順次異なる交流電圧がそれぞれ
印加され、前記各受信電極が、前記結号電極から導きだ
した測定信号を測定回路に送り、該測定回路が測定信号
の位相を分析して、前記固定板に対する前記移動板の相
対的変位を測定する静電容量型変位検出器において、前
記送信電極と前記受信電極との間の不要経路容量に基ず
くノイズを相殺するために、容量値の調整できる相殺用
容量を設けることを特徴とする。

［作用］本発明の前提となる静電容量型変位検出器においては、
固定板に対し移動板が相対的移動すると各送信電極と結
合電極とで形成する容量が変化し、そのため、結合電極
に誘起される信号のうち、その送信電極に印加されてい
る交流電圧の位相と同じ位相を有する信号成分が変化す
る。その結果、結合電極に誘起される合成信号の位相
は、固定板と移動板との相対的移動の前後で変化する。
送信電極と結合電極との間で誘起される信号は、結合電
極と受信電極との間の信号として伝達される。受信電極
から出力される測定信号を測定回路で位相分析すること
により、固定板と移動板との相対的変位を検出する。

本発明においては、まず送信電極と受信電極との間の不
要経路容量の影響のみを抽出するために、移動板を固定
板から十分に離した状態でノイズの検出をおこなう。次
に、相殺用容量を受信電極の近傍に設け、それに相殺用
電圧を印加するとともにノイズをもっとも良く相殺する
ように相殺用容量の値を決定する。その後、移動板を本
来の位置にもどす。

［実施例］本発明の実施例を図面を参照して説明する。しかし、こ
れによって、この発明が限定されるものではない。

第４図及び第５図には本発明にかかる静電容量型変位検
出器の電極構造の一例が示されている。従来技術の項で
前述した提案装置と同一部材には同一符号を付してあ
る。装置本体側に固定されたステターあるいはスケール
板からなる固定板１０の表面側には、等間隔に複数の送
信電極１２が配設されており、又この送信電極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にまたがって対向配置された結合電極１８
と、前記送信電極１２及び受信電極１４にまたがって対
向配置されたアース電極とが交互に移動板１６の移動方
向に沿って配置されている。また、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る。従って、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固定板１
０に対し移動体１６を相対的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入
力回路６及び変位処理系５０にて演算処理し、所定の基
準位相と比較することにより変位測定をする。

第２図において、９０゜ごとシフトした位相を有する交
流電圧が結線パターン２２を通じて送信電極１２に印加
されることを示す。詳細は、従来技術の項の改良発明に
ついて述べたことと重複するので省略する。なお、位相
のシフト量は９０゜に限らず、例えば４５゜ごとシフト
した８相の交流電圧でもよく、とにかく３６０゜を等位
相に分割してあればよい。

第２図においては又、本発明で解決しようとする送信電
極１２と受信電極１４の間に誘起される不要経路容量２
８が模式的に図示してある。不要経路の容量の大部分が
送信電極１２と受信電極１４が乗っている固定板の方に
存在することは経験的に確認されている。

第１図において、不要経路容量２８を相殺するための本
発明の一実施例の概要を示す。相殺用容量３６が受信電
極１４の近傍に設けられ、相殺用容量３６の一方はＭＯ
Ｓスイッチ３４を経て受信電極１４に接続され、他方は
反転アンプ３８の出力側に接続されている。交流電圧源
３０はＭＯＳスイッチ３２を経て送信電極１２に接続さ
れ、かつ、一部は反転アンプ３８により逆位相にされて
相殺用容量３６に接続される。受信電極１４には受信電
極１４に誘起された電荷を検出処理するための入力回路
６が接続される。入力回路６では高周波で変調されてい
る検出信号の復調等の処理がなされる。入力回路６の出
力には本来の変位量を検出するための変位処理系５０の
他に、不要経路容量２８の容量値を検出するための検出
回路４０が接続されている。不要経路容量２８を相殺す
るための相殺用容量３６の値はＭＯＳスイッチ３４の各
々のスイッチの組合せとしてＥＥＰＲＯＭ４２に記憶さ
れる。

次に第１図に示される回路の動作について説明する。相
殺用容量３６の値を決定するのは次のように行なわれ
る。不要経路容量２８の影響のみを抽出するために移動
板１６は固定板１０より十分に離される。ノイズには印
加電圧の位相に応じた種々の位相の成分があるので、各
位相毎にノイズを相殺する必要がある。交流電圧源３０
の一つの位相のみ、例えば０゜のみをＭＯＳスイッチ３
２で選択する。相殺用容量３６−１には送信電極１２−
１に印加される電圧とは逆位相の電圧が反転アンプ３９
を通じて印加されている。ＭＯＳスイッチ３４−１は、
本変位検出器の外部にあるＩ／Ｏ回路を通じてＥＥＰＲ
ＯＭ４２に記憶させた値を読み出すことにより操作され
る。そのスイッチの組合せは、不要経路容量２８−１が
相殺用容量３６−１によって最も良く相殺されるよう
に、検出回路４０を見ながら選択される。そして、この
ように選択されたスイッチの組合せを本変位検出器の外
部にあるＩ／Ｏ回路を通じてＥＥＰＲＯＭ４２に記憶
し、相殺用容量３６−１の値を設定する。同様にして相
殺用容量３６−２、３６−３、及び３６−４の値が設定
される。次に、一度相殺用容量３６の値が設定された後
は、本来の変位計測器として動作するように、移動板１
６を固定板１０と本来の距離関係におき、また、ＭＯＳ
スイッチ３２を全て導通になるように接続する。

なお、相殺用容量３６の設定は原則として本変位検出器
たる製品の出荷前に一度行なえばよいのであり、製品は
上記の工程を終えた後に出荷される。そして、この状態
で変位計測を行なえば不要経路容量２８の影響は除去さ
れ精度の高い測定が可能になる。

次に、第３図において、いわば相殺用電圧波形注入方式
とも言うべき他の実地例を示す。検出回路４０の出力側
にノイズ波形をサンプリングするためのＡ／Ｄ変換器４
１が接続され、その出力側はＥＥＰＲＯＭ４２に接続さ
れ、ＥＥＰＲＯＭ４２の出力側にはＤ／Ａ変換器４３が
接続され、Ｄ／Ａ変換器４３の出力側は相殺用容量３６
に接続されている。

第３図に示す実施例における相殺用電圧波形の注入の手
順は次のとおりである。第１図に示した実施例の場合と
同様に、移動板１６を固定板１０より十分に離した状態
で、相殺用容量３６と相殺用の印加波形電圧を設定す
る。また、第１図に示した実地例の場合とは異なり、交
流電圧３０の各位相の電圧が全て各送信電極１２に印加
された状態でノイズの測定を行なう。ノイズは、不要経
路容量２８−１、２８−２、２８−３及び２８−４の容
量値と各位相の印加電圧値によって定まる、波形と位相
とを有する。まず、相殺用容量３６に電圧を印加しない
状態で、ノイズ電圧の波形を１周期に渡り時間的にＡ／
Ｄ変換器４１によってサンプリングし、本変位検出器の
外部にあるＩ／Ｏ回路を通じてＥＥＰＲＯＭ４２に記憶
する。次にＥＥＰＲＯＭ４２で記憶されているデータを
本変位検出器の外部にあるＩ／Ｏ回路を通じて読出し、
Ｄ／Ａ変換器４３で逆移送にして相殺用容量３６に印加
する。次に、検出回路４０でノイズ電圧を検出しなが
ら、相殺用容量３６の容量値を調整して、ノイズ電圧が
ゼロになるように言わばゲイン調整する。このようにし
てノイズ電圧がゼロになるよう決定された容量値を持つ
容量を最終的に相殺用容量３６として設置する。このよ
うに設定後、移動板１６を固定板１０と本来の距離にす
る。

なお、上記の相殺用電圧波形の注入の準備操作は、原則
として本変位検出器たる製品の出荷前に一度行なえばよ
いのであり、製品は上記の操作を終えた後に出荷され
る。そして、このような状態で変位計測をすれば、ノイ
ズ電圧は相殺用電圧波形の注入により波形全体として相
殺され、精度の高い変位計測が可能となる。

なお、本発明はリニアエンコーダーに限らずロータリエ
ンコーダーにも適用できることは言うまでもない。

また、本発明の実施例におけるＥＥＰＲＯＭ４２は、そ
のかわりにＥＰＲＯＭ，ＰＲＯＭ又は通常のＲＯＭでも
構わない。

［効果］以上の通り本発明によれば、静電容量型変位検出器の分
割精度を悪化させる不要経路の容量を、検出回路に相殺
用容量を設けることにより有効に相殺でき、静電容量型
変位検出器を用いた精度の高い変位計測が可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実地例を示す構成図、第２図は
送信電極１２と受信電極１４の間に誘起される不要経路
容量２８を模式的に示した図である。第３図は本発明の
第２の実施例を示す構成図である。第４図及び第５図は
本発明の実施例における電極構造の全体を示す図であ
る。第４図及び第５図はまた従来技術における電極構造
を示す図でもある。第６図、第７図及び第８図は補助電
極を用いてノイズを相殺せんとする従来技術を説明する
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、２２……結線
パターン、２８……不要経路容量、３６……相殺用容
量。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】本体に固定の可能な固定板と該固定板に相
対移動の可能な移動板とを有し、前記固定板の表面には、該移動板との相対的移動の方向
に配列された複数の送信電極と、該送信電極に帯状の関
係にある受信電極とが設けられ、前記移動板の表面には、該送信電極及び該受信電極にま
たがって対向され、且つ、前記移動板の移動方向に配列
された、複数の結合電極が設けられ、前記各送信電極には、位相が順次異なる交流電圧がそれ
ぞれ印加され、前記各受信電極が、前記結合電極から導きだした測定信
号を測定回路に送り、該測定回路が測定信号の位相を分析して、前記固定板に
対する前記移動板の相対的変位を測定する静電容量型変
位検出器において、容量値の調整されるノイズ相殺用容量が前記送信電極に
印加される交流電圧の位相数と等しい数だけ設けられて
おり、各々の前記相殺用容量は、その一端は共に前記受
信電極に接続され、且つ、各々の他端には位相の異なる
前記交流電圧が印加されていることを特徴とする静電容
量型変位検出器。
【請求項２】請求項（１）に記載の相殺用容量の容量値
は、前記移動板を前記固定板より十分離し、且つ、前記
相殺用容量及び前記送信用電極に各々の位相の交流信号
のみを印加した状態で、前記不要経路容量に基づくノイ
ズを検出しながらそれを最も良く相殺するように、各々
の相殺用容量毎に決定されることを特徴とする静電容量
型変位検出器。
【請求項３】本体に固定の可能な固定板と該固定板に相
対移動の可能な移動板とを有し、前記固定板の表面には、該移動板との相対的移動の方向
に配列された複数の送信電極と、該送信電極に帯状の関
係にある受信電極とが設けられ、前記移動板の表面には、該送信電極及び該受信電極にま
たがって対向され、且つ、前記移動板の移動方向に配列
された、複数の結合電極が設けられ、前記各送信電極には、位相が順次異なる交流電圧がそれ
ぞれ印加され、前記各受信電極が、前記結合電極から導きだした測定信
号を測定回路に送り、該測定回路が測定信号の位相を分析して、前記固定板に
対する前記移動板の相対的変位を測定する静電容量型変
位検出器において、前記送信電極と前記受信電極との不要経路容量に基ずく
ノイズを相殺するために、相殺用容量が設けられてお
り、該相殺用容量の一端は前記受信電極に接続され、他
端には前記不要経路容量に基づくノイズ電圧が逆位相に
されて印加されることを特徴とする静電容量型変位検出
器。
【請求項４】請求項（３）に記載の相殺用容量の容量値
は、前記移動板を前記固定板より十分離し、且つ、前記
送信用電極に異なる位相の交流電圧を同時に印加した状
態で、前記不要経路容量に基づくノイズを検出しながら
それを最も良く相殺するように、決定されることを特徴
とする静電容量型変位検出器。
【請求項５】請求項（３）に記載の、前もって検出した
前記不要経路容量に基ずくノイズ電圧は、前記移動板を
前記固定板より十分離し、且つ、前記相殺用容量を接続
せず前記送信電極に異なる位相の交流電圧を同時に印加
した状態で検出されることを特徴とする静電容量型変位
検出器。