JPH0694406A - 変位測定装置 - Google Patents

変位測定装置

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JPH0694406A
JPH0694406A JP4270912A JP27091292A JPH0694406A JP H0694406 A JPH0694406 A JP H0694406A JP 4270912 A JP4270912 A JP 4270912A JP 27091292 A JP27091292 A JP 27091292A JP H0694406 A JPH0694406 A JP H0694406A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】低消費電力化を図り、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
ことを目的とする。 【構成】ABSセンサ10、その出力を処理して位相情
報を持った粗スケール、中間スケール信号、密スケール
の各周期信号を得る復調回路12、得られた周期信号か
ら位相情報を検出して、粗スケール,中間スケール,密
スケールの各位相データを得る位相検出回路13、各位
相データを合成して絶対変位量を求める合成回路14、
この合成回路14により得られた絶対変位量を所定のリ
フレッシュサイクルで表示するための演算回路16と表
示器17、および各回路を制御する制御回路18を備
え、制御回路18は復調回路12および位相検出回路1
3による位相データ抽出の動作時間を制限するタイマ1
9を内蔵している。

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には、その出力信号の
形態によって、インクリメンタル型とアブソリュート型
の2種類がある。前者は、スライダが基準位置から移動
することにより生じる周期信号を連続的に計測すること
によって変位量を測定する。後者は、電極パターンの形
状によって、粗密に応じた複数種の変位量検出のための
周期信号、例えば粗スケール信号,中間スケール信号,
および密スケール信号の各周期信号を出力可能として、
これらの各周期信号の位相情報を合成することにより、
可動要素の絶対的な変位量(位置)の検出を可能とした
ものである。
【0004】アブソリュート型の変位測定装置におい
て、上述した粗スケール信号,中間スケール信号および
密スケール信号はそれぞれのエッジに位相情報を持つ矩
形波の周期信号として復調される。これらの周期信号か
ら位相を検出するには、通常立上がりエッジ位相と立下
がりエッジ位相を複数回ずつ検出して平均化することが
行われる。これは、復調回路内の演算増幅器のオフセッ
トを相殺し、またデータ変動による表示のちらつきを防
止するためである。
【0005】一方復調回路により得られる各周期信号
は、変位センサのスライダのメインスケールに対する相
対移動(以下、単に変位センサ移動という)時には信号
周期が伸縮する。この信号周期の伸縮は移動方向によっ
て異なり、またその影響は密スケール信号,中間スケー
ル信号,粗スケール信号の順に大きい。そしてこの信号
周期の伸縮のために、位相情報抽出に要する時間は変位
センサの停止,移動の状態により変化することになる。
【0006】アブソリュート変位測定装置における上述
した位相情報抽出時間の変動の様子を、具体的に図5を
参照して説明する。図5(a) ,(b) はそれぞれ、変位セ
ンサ停止時および変位センサ移動時の密スケール信号
(CMP−FIN.),中間スケール信号(CMP−M
ED.)および粗スケール信号(CMP−COA.)を
示している。位相データの抽出は、例えば密スケール信
号についていえば、その立上がりエッジの位相データD
FRと立ち下がりエッジの位相データDFFを検出してこれ
らの平均値、即ち(DFR+DFF)/2を求めることによ
り行われる。中間スケール信号についても(DMR+DM
F)/2を求め、粗スケール信号についても(DCR+DC
F)/2を求める。こうして求められた位相データを合
成することにより絶対変位量が算出され、これが所定の
リフレッシュサイクルで表示される。表示リフレッシュ
サイクルの1フレームは、以上のデータ抽出時間、合
成,表示時間および待ち時間により構成されることにな
る。
【0007】図5(a) (b) を比較して明らかなように、
変位センサ停止時と変位センサ移動時では、復調された
周期信号の周期が異なる。これは、静電容量式変位セン
サに用いられる駆動信号は周波数一定であるが、変位セ
ンサ移動による送信電極と受信電極の対向関係変化によ
って実質的に周波数変調されたと等価の効果が得られる
ためである。そしてこの周期変動は、密スケール信号,
中間スケール信号,粗スケール信号の順に大きく、図5
(b) では密スケール信号の周期がセンサ停止時の図5
(a) に比べて大きくなった状態を示している。図5(b)
の状態では、立上がりエッジ検出と立ち下がりエッジ検
出を必要とする位相データ抽出に要する時間が、図5
(a) のセンサ停止時に比べて長くなることになる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】以上のように、アブソ
リュート型変位測定装置では、変位センサのある方向へ
の高速移動時には、全位相情報を得るために長時間を要
することになる。その間位相データ抽出のためにアナロ
グ回路部を動作させておくことにすると、これにより装
置の消費電力が増加する。また位相データ抽出時間に応
じて、表示リフレッシュサイクルを変化させれば、表示
が不規則になって見苦しくなる。表示リフレッシュサイ
クルを固定するとしても、位相データ抽出時間の変化を
考慮すると、1フレーム時間が大きくなり過ぎて、セン
サ移動に対するデータ表示の追従性が悪くなり、表示が
不自然になる。
【0009】本発明は、上述のような位相データ抽出時
間の変動に伴う問題を解決して、低消費電力化を図り、
また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を目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明に係る変位測定装
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,密スケールの二種の変位量検出用
の周期信号を得る復調手段と、この復調手段により得ら
れた各周期信号のそれぞれから位相情報を検出して、粗
スケール,密スケールの位相データを得る位相検出手段
と、この位相検出手段により得られた粗スケール,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、この合
成手段により得られた絶対変位量を所定のリフレッシュ
サイクルで表示する表示手段と、前記復調手段および位
相検出手段による位相データ抽出の動作時間を制限する
制御手段とを備えたことを特徴としている。
【0011】本発明に係る変位測定装置はまた、上述し
た基本構成に加えて、制限された位相データ抽出時間内
に抽出できない位相データを補完するために用いられる
ダミー位相データを発生するダミー位相データ発生手段
を有することを特徴としている。
【0012】
【作用】本発明によれば、アブソリュート型変位測定装
置において、位相データ抽出の動作にタイムリミットを
設けることによって、表示リフレッシュサイクルを表示
に最適な値に固定して、変位センサの停止状態,移動状
態の如何に拘らず、スムーズな測定値表示を行うことが
できる。また位相データ抽出を行う復調回路および位相
検出回路部の動作時間にタイムリミットを設けることに
より、効果的に消費電力を低減することができる。特に
アナログ回路である復調回路での消費電力低減効果が大
きい。
【0013】本発明によると、位相データ抽出動作にタ
イムリミットを設けたことにより、変位センサの高速移
動時に位相データ抽出ができなくなる場合が生じるが、
この場合にはダミー位相データを用意して位相データ合
成を行うことにより、センサの高速移動中も合成,表示
に支障をきたさないようにして、自然なデータ表示を行
うことができる。
【0014】
【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)10の構成である。
【0015】ABSセンサ10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2
1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,
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,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,
26b及び第2検出電極27a,27bと容量結合され
ている。
【0016】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11から
生成出力される。
【0017】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。
【0018】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10では、粗い変位量(粗スケー
ル)、中間の変位量(中間スケール)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24
a,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x
0 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。
【0019】
【数1】D1(x) =(Pr −Pt1)x/Pr D2(x) =(Pr −Pt2)x/Pr
【0020】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。
【0021】
【数2】 C1 −C2 (粗スケール) B1 −B2 (中間スケール) (B1 +B2 )−(C1 +C2 ) (密スケール)
【0022】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121 ,中スケール復調回路122 ,
密スケール復調回路123 および位相検出回路131 ,
132 ,133 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
った矩形波の周期信号CMP、即ち粗スケール信号(C
MP−COA.),中間スケール信号(CMP−ME
D.)および密スケール信号(CMP−FIN.)を生
成する。位相検出回路131 ,132 ,133 は、送信
波形発生回路11から出力される0°の駆動信号Sdを
参照信号として、各スケール信号の立上がりエッジと立
下がりエッジ位相情報を検出し、これを平均して各スケ
ール信号の位相をディジタル値で出力する。
【0023】これらの位相検出回路131 〜133 から
出力されたディジタル値の各位相データはそれぞれ、測
定しようとする変位量に相当するものであるが、これら
は合成回路14で重み付けられて合成される。合成回路
14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14の出力は、演算回路16において、例
えば電極配列ピッチが実寸法値に変換される。演算回路
16は、図示しないインターフェースを介してマイクロ
コンピュータ等の制御回路18と接続されている。演算
回路16で得られた実寸法値は、LCD表示器17に表
示されるようになっている。この実施例においては、シ
ステムを駆動する直流電源として太陽電池15が用いら
れている。
【0024】制御回路18は、タイマ19を内蔵してい
る。このタイマ19によって、表示リフレッシュサイク
ルが固定されると共に、その表示リフレッシュサイクル
内で位相データ抽出動作時間とその後の合成,表示動作
時間とがそれぞれ所定値に固定されて、データ抽出動作
が間欠的に行われる。即ち制御回路18は、送信波形発
生回路11,アナログ回路である復調回路121 〜12
3 、および位相検出回路131 〜133 を間欠的に動作
させるデータ抽出用駆動信号ON1 と、位相検出回路1
31 〜133 から得られる各位相データをディジタル的
に処理して合成し表示するために合成回路14,演算回
路16に送る駆動信号ON2 とを発生する。制御回路1
8は、これら各回路のオン,オフ駆動を行う駆動信号の
他、各回路にリセット信号、クロック信号等を供給して
システム全体の動作を制御している。
【0025】図3は、この実施例の変位センサ装置での
制御回路18により制御される具体的な測定動作波形で
ある。表示リフレッシュサイクルは、余り長くなると、
変位センサを移動した時のLCD表示器17の数値変化
が変位センサ移動に追随しないように見えるため不自然
になる。また、表示リフレッシュサイクルを余り短くす
ることは、変位センサの高速移動中のデータ抽出が困難
になるという不都合があり、見易さの点でも無意味にな
る。したがって経験上、この実施例では表示リフレッシ
ュサイクルを0.1sec としている。
【0026】この表示リフレッシュサイクル内で、間欠
的測定動作を行うべく、データ抽出用駆動信号ON1 の
オン期間が40〜50msec の間で固定され、これに引
き続く合成,表示用駆動信号ON2 のオン期間が40〜
50msec の間で固定されている。残りの時間は待ち時
間である。待ち時間は必須のものではなく、表示リフレ
ッシュサイクルがまず設定され、その中でデータ抽出時
間,合成および表示時間が設定されて残った時間が待ち
時間となっている。
【0027】図示のように、データ抽出の動作時間は駆
動信号ON1 により固定されてタイムリミットが設けら
れている。センサ停止時には、このタイムリミットの範
囲内で全てのスケール信号についてそれぞれ、立上がり
エッジと立ち下がりエッジの位相情報(DFR,DFF),
(DMR,DMF),(DCR,DCF)を取出すことができ、
それらの平均をとって位相データを得ることができる。
【0028】一方、変位センサの移動速度および移動方
向によって、復調回路121 〜123 に得られる復調信
号の周期が変化する。この周期変化はセンサ移動速度が
大きい程大きい。また、密スケール信号(CMP FI
N.)、中間スケール信号(CMP MED.)、粗ス
ケール信号(CMP COA.)の順でセンサ移動速度
の変化による周期変化の割合が大きい。例えば、図示の
ように、センサのある方向への高速移動時には、密スケ
ール信号CMP FIN.の周期が長くなって、タイム
リミット内でその立ち下がりエッジの位相情報DFFを取
ることができなくなる。より高速にセンサが移動してい
る場合には、密スケール信号CMP FIN.だけでな
く、中間スケール信号CMP−MED.についても立ち
下がりエッジの位相情報DMFが取れなくなる。
【0029】そこでこの実施例においては、タイムリミ
ット内で位相データ抽出動作が終了しなかった場合に
は、ダミー位相データを用意してこれを補完する。ダミ
ー位相データとしては、具体的にはたとえば、過去の複
数の表示リフレッシュサイクルに渡る抽出データを保存
しておいて、その中で最新のデータを用いるか、或いは
別途発生したダミーデータを用いる。例えば、密スケー
ル信号からの位相データ抽出ができない場合には、ここ
にダミー位相データを与えて、中間スケール信号,粗ス
ケール信号からの位相データと共に合成処理を行う。こ
れによりデータ表示部の下位桁が、正しい値ではない
が、実際の位相データを用いた場合と同様の自然な数値
表示変化を示すことになる。
【0030】具体的に、上述したダミー位相データ発生
を用いてデータ合成を行う部分の構成例を含めたシステ
ムを示せば、図4のようになる。ここでは、図1の実施
例の粗,中,密スケールのうち一系統のみを代表的に示
しているが、実際にはABSセンサ10と合成回路14
の間に同様の構成で3系統の位相検出部が構成される。
図示のように、位相検出回路13の後段には、ダミー位
相データ発生回路31が設けられている。ダミー位相デ
ータ発生回路31は、ここでは位相検出回路13から得
られる位相データを、少なくとも1リフレッシュサイク
ル分、好ましくは複数リフレッシュサイクル分一次記憶
するバッファメモリ32と、位相検出のエラーを検出し
てバッファメモリ32の読出し制御を行うエラー検出回
路33を有する。位相検出回路13の出力とバッファメ
モリ32の出力とはセレクタ34により選択されて合成
回路14に入力されるようになっている。
【0031】正常に位相検出が行われている時、例えば
センサ停止時は、位相検出回路13に得られる位相デー
タがセレクタ34を介して合成回路14に送られる。セ
ンサの高速移動により前述したタイムリミット内で位相
データを検出できなかった場合には、エラー検出回路3
2がエラー検出信号を出す。このエラー検出信号が出る
と、これによりバッファメモリ32とセレクタ34が制
御されて、バッファメモリ32に記憶されている最も最
近の位相データが読み出され、これがダミー位相データ
としてセレクタ34を介して合成回路14に送られる。
【0032】この様にセンサの高速移動中は、ダミー位
相データが用いられる結果、合成データには誤差が含ま
れるが、もともとセンサの高速移動中は表示データが順
次更新され、特に下位桁では大きく変化する。したがっ
て、センサ移動中は表示データの単調増加,単調減少が
保持される程度の正確さで表示がリフレッシュされれ
ば、使用者に違和感を与えることはない。またセンサ停
止によって正確なデータ表示がなされるので、センサ移
動中の表示データそのものの不正確は問題にならない。
【0033】なお実施例では、タイムリミットを設けた
ことにより位相データ抽出ができなくなった場合のダミ
ー位相データとして、前のサイクルで抽出された位相デ
ータを用いたが、他の任意のデータをダミー位相データ
とすることもできる。但し、“0”のような固定データ
を用いると、合成後の測定データが偶数のみ,或いは奇
数のみとなり、表示が若干不自然になる。したがって自
然な表示を行うために好ましくは、ダミー位相データは
ランダム・データであった方がよい。
【0034】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、位
相データ抽出動作にタイムリミットを設けることによっ
て、表示リフレッシュサイクルを最適設定して変位セン
サの停止時,移動時に拘らず良好な測定値表示を可能と
し、同時に平均消費電流を低減したアブソリュート型変
位測定装置を得ることができる。また位相データ抽出動
作にタイムリミットを設けたことに伴い、抽出できなか
った位相データについてはダミー位相データを用いて補
完することにより、高速移動中の不自然なデータ表示を
なくすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一実施例に係る静電容量式変位測定
装置のブロック構成を示す図である。
【図2】 同実施例のABSセンサの構成を示す図であ
る。
【図3】 同実施例の測定動作のタイミング図である。
【図4】 ダミー位相データ発生部を含む実施例装置の
要部構成を示す図である。
【図5】 従来装置よる位相データ抽出の動作を説明す
るための図である。
【符号の説明】
10…ABSセンサ、11…送信波形発生回路、121
〜123 …復調回路、131 〜133 …位相検出回路、
14…合成回路、15…太陽電池、16…演算回路、1
7…LCD表示器、18…制御回路、19…タイマ、3
1…ダミー位相データ発生回路、32…バッファメモ
リ、33…位相検出エラー検出回路、34…セレクタ。

Claims (3)

    【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,密スケール
    の二種の変位量検出用の周期信号を得る復調手段と、 この復調手段により得られた各周期信号のそれぞれから
    位相情報を検出して、粗スケール,密スケールの位相デ
    ータを得る位相検出手段と、 この位相検出手段により得られた粗スケール,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、 この合成手段により得られた絶対変位量を所定のリフレ
    ッシュサイクルで表示する表示手段と、 前記復調手段および位相検出手段による位相データ抽出
    の動作時間を制限する機能を有する制御手段と、を備え
    たことを特徴とする変位測定装置。
  2. 【請求項2】 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,密スケール
    の二種の変位量検出用の周期信号を得る復調手段と、 この復調手段により得られた各周期信号のそれぞれから
    位相情報を検出して、粗スケール,密スケールの位相デ
    ータを得る位相検出手段と、 この位相検出手段により得られた粗スケール,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、 この合成手段により得られた絶対変位量を所定のリフレ
    ッシュサイクルで表示する表示手段と、 前記復調手段および位相検出手段による位相データ抽出
    の動作時間を制限する機能を有する制御手段と、 この制御手段により制限された動作時間内に抽出できな
    い位相データを補完するためのダミー位相データを発生
    するダミー位相データ発生手段と、を備えたことを特徴
    とする変位測定装置。
  3. 【請求項3】 前記制御手段は、前記位相データ抽出の
    動作時間を制限するタイマを内蔵し、このタイマによっ
    て固定の表示リフレッシュサイクル内で一定時間前記復
    調手段および位相検出手段をオン駆動し、その後一定時
    間前記合成手段および表示手段をオン駆動することを特
    徴とする請求項1または2に記載の変位測定装置。
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