JPS5923218A - 容量型変位測定装置 - Google Patents

容量型変位測定装置

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JPS5923218A
JPS5923218A JP58124552A JP12455283A JPS5923218A JP S5923218 A JPS5923218 A JP S5923218A JP 58124552 A JP58124552 A JP 58124552A JP 12455283 A JP12455283 A JP 12455283A JP S5923218 A JPS5923218 A JP S5923218A
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    • H03M1/06Continuously compensating for, or preventing, undesired influence of physical parameters
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  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic 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】 本発明は長さ又は角度の測定装置、即ちスケールとスラ
イド部の相対変位を測定する容量型測定装置を目的とし
、さらに正確に言うと、しかもこれに限定するものでは
ないか、例えはスライド式キャリパ−、コラム(柱状)
インジケータ、あるいはアングルインジケータのような
手動の測定装置に1児する。
このような装置は既に公知であり、この装置ではスケー
ルとスライド部に1連の電極が設けられていて、互いに
変位する方向に整列し、しかもこれらの電極は組み合わ
されて複数のキャパシタを形成するように配置、給電さ
れるが、これらキャパシタは周期数が変位と比例する周
期信号を発生するように設けられており、さらにこのよ
うな装置ではスライド部の電柱は電子処理回路に接続さ
れているが、この回路は周期数をカウントし、各周期内
でこれら周期数を補間することにより該変位の測定終了
のディジタル信号を細密にするように設けられている。
このタイプの容量型測定装置はフランス特許公告公報第
2,411,391号に開示されている。この装置では
スケールに1連の電極が設けられ、これら電極は等間隔
に並べられ互いに電気的に絶縁されており、各電極は2
つの直流電気の連結部材から成り、一方は検出用電極、
もう1方は変換用電極である。
これに対して、スライド部には少なくとも3つツクルー
プの送信用電極が設けられていて、各クループはサイク
ル形状を示ず電圧を受けるように、少なくとも3つの信
号を発する信号発生器の出力端に接続されているととも
に少なくとも1つの受信用電極があって亀子信号の処理
回路に接続している。
このような電極の構成においては、スケールの検出用電
極はスライド部の送信用電極の径路に向いて位置し、ス
ケールの変換用電極はスライド部の受信用重臣の径路に
向いて位置している。このようにしてスケール上でスラ
イド部が変位することにより2つの隣り合った送信用電
極に対応する少なくとも2つの信号から発せられる1つ
の信号を受1言用電極に生せしめ、また各信号の振幅の
比を電子回路によって確認することによりスケールに対
するスライド部の位置を決定することが可能である。
この公知の装置には、スケールとスライド部間にケーブ
ルまたは摺動接点のいずれかによる装置の使用又はメン
テナンスに支障をきたすような接続を回避するという必
須の利点がある。
しかし、この容量型測定装置は単純性と経済性を念頭に
おいて設計されてはいるものの、回路は依然として比較
的複雑で、かつほとんどの部分にアナログ的な性質を有
し、また測定結果をディジタル表示するために必然的に
アナログ−ディジタル変換器を備えているためエネルギ
ー消費が依然として比較的高い。
本発明の目的は電子処理回路を大幅に単純化し、かつエ
ネルギーの消費を前記装置よりもより低く押えることを
可能とすることにある。そのためにはとくに電気容量の
小さい、従って容積が小さい電池またはバッテリーを用
いて送信回路や処理回路を備えたハウジングの大きさを
できるだけ小さくする1方、電池を取り替えたりt%+
ツテリーを充電したりするととなく長期間使用できるよ
うにする。
このため、本発明による容量型測定装置の特徴は、スケ
ールの電極をその長さ方向に等間隔に並べたこと、スラ
イドの電極の少なくとも1部は2つのグループに分配さ
れ、各グループは少なくとも1対の電極から成り、これ
ら2つの電極は互いに絶縁され、スケールの電極の領域
より上に配置されかつディジタルの信号発生器により給
電され、さらに180°位相がずれており、また2つの
グループの電極はスケールの電極と連結させることによ
って2対の接池測定キャパシタを形成するように900
位相がずれており、その信号のコースは前記変位の振幅
や方向を示すこと、さらに電子処理回路は測定キャパシ
タとブリッジして2つの容量型ブリッジを形成するよう
にした二進式MOS型のスイッチ式基準キャパシタの2
クループと、これら2つのブリッジと個々に接続された
2つのコンパレータと、これら2つのコンパレータに接
続された2つの入力部および2つの容量型ブリッジに接
続された2つの反転用出力部を備えた0MO3型のプロ
セッサとから成り、またこのプロセッサの回路はディジ
タルの信号発生器による側脚で基準キャパシタのスイッ
チングによって容量形ブリッジを周期的にバランスさせ
、バランスする毎にこレラ基準キャパシタのスイッチの
位置が変位に相当するディジタル値を示し、パルス発生
器を介してバランス操作の間でさらに周期をできるだけ
カウントできるようにした、各周期内で数値補間を行な
うモジュールを備えていることにある。
こうして、2対の測定キャパシタから来るアナログ信号
を処理するこの方法は全くディジタル的である。これは
本発明が意図する単純化とエネルギーの節約という目的
に完全に合致するものであり、電子回路のアナログ部分
は容量型ブリッジに限定されており、さらにこのブリッ
ジはスケール」−をスライドが変位して測定が行われる
場合しか付勢しない。
添+1図面には本発明の目的の1つの実施態様と3つの
変形態様が例として示されている。
第1図にその全体が示された容量型測定装置は、直線状
のスケール1(例えばスライド式キャリ/s+’−のバ
ー)と、移動自在に取り付けられ、スケール1に沿って
従来のようにスライドするスライド2(例えばスライド
式キャリパ−のスライド部)と、電子給電・処理回路3
(これはスライド2と1体のハウジンク内に組込む〕と
から成る。
スケール1は長手方向に等間隔に設けた1連の電極E1
を備え、かつこれら全ては接地されてい茗。
これらの電螺は矩形状で、2つの電唖間の間隔i〕と電
極の幅aとは等しい。このようにして、このスケール1
は、電極E1により形成された基準溝′改素子を等間隔
(一定の周期〕に並べて直線状の測定基ω部を構成して
おり、その周期eは等式e−a+1)に従ってこの電極
の幅aとその次の重置との間隔すとの和に等しい。
スライド2は2つの電極グループAとBを備え、各クル
ープは一定数対の電極A、 −A2. B、 −B、、
を(こ\ては3対)備えている。これら2つの電極グル
ープAとBはスケール1の長手方向に一定の間隔て位置
し、各対の電極A、とA2 + 8+とB2のそれぞれ
は互いに電気的に絶縁され、またスケールの横方向に一
定の間隔に置かれ、電子回路3に組込まれたディジタル
の信号発生器に接続されている。
スライド2の電WiAIl A2.、 n、、 B2ハ
フ1.ケ−J’v(D電極E、と同じように幅1を有し
、がっ各グループA、B内で互いに同じ間隔すを有する
が、横方向に対しては電ff1E+が占める帯域をカバ
ーするように、一方の側にA、と81が、もう1方の側
にA、と82が配置されている。
各電極グループAとBでは、一対ごとの2つの電極は位
相が1800ずれていて、2つの電極グループは位相が
90°つれている。このことはスケール1の電極E1に
対して各グループAとBの1対の電極を点線により正射
影した第1図に示されている。
このような配置のため、スケール1とスライド2の電極
は接地に対してそれぞれ2対の測定キャパシタCA、 
−CA2とCB、 −C:B2とを形成しており、その
信号は第2図のグラフで示したようにスケールとスライ
ド間の相対変位の関数としてしかも電極の位相ずれに従
って変化する。
このグラフには変位りが横座標にプロットされ、キャパ
シタcΔ1.cA21cB1.cB2ニヨリソレソレ発
生した信号の振幅Cの変化が縦座標にプロットされてい
る。
変位中にキャパシタCA、 、 CA2. CB、 、
 CB2がそれぞれ発した信号の平均値をCAおよびC
Bとし、−周期内の信号の振幅の変化をCとすると、こ
れらの信号は次のように変化する。
CA、 =: CA″−CCB=CB±Cおよび CA、、= CA王CCB2=CB〒C振幅Cは一周期
内のスケールとスライドとの相対変位に関連するため、
2つの測定成分を組み合わせることによりこれら2つの
部材の相対的な位置を決定することができる。即ち、 ■)周期数をカウントアツプ及び/またはカウントダウ
ンすることによって大体の位置を決定する。2対のキャ
パシタCA、 −CA2とCr2.− CB2はこれら
の間で90°位相がずれている結果変位方向を決定する
ことができる。
2)−周期中の補間によってIF確な位置を決定fる。
信号の周期−e−に等しい変位の間に、発生した4つの
信号全体はゼロ点を通る4つの径路をなす。これにより
ゼロ点を通る前記径路をカウントすることによって測定
増分を1周期の長さ−e−の1/4に減らすことができ
るということに注目されたい。
この大体の位置と正確な位置およびその組合せは2対の
測定キャパシタによって供給されたアナログ信号に基づ
いて電子処理回路3により得られる。
このため、電子処理回路3は2対の測定キャパシタCA
、 −CA2とCB、 −CB2とに接続されていて、
切換式の基準キャパシタRA、とRA2およびRB、と
RB2の2つのグループから成っており、これらの基準
キャパシタはそれぞれ前記測定キャパシタとブリッジし
て2つの類似してるが別個の容量型ブリッジ4Aと4B
を形成し、その1つである4Aが第3図に示されている
。これらの基準キャ/−、+1シタは第3図に示された
各グループではCRと表示されていてスイッチ11と同
じようにMOS型であり、しかも2進式のものである(
 1.2,4.8等)っこれら2つの容量型ブリッジ4
Aと4Bそれぞれが有する2つの出力部はコンパレータ
5Aと5Bに接続されており、この出力部はC〜10S
型のプロセッサ6に接続されている。このプロセッサ6
は前記容量型ブリッジに接続された2つのフィードバッ
ク出力部7と8と、デジタル表示部材10に接続された
第3出力部9とを備えている。
プロセッサ6は純粋なディジタルのアルゴリズムにより
2つの容量型ブリッジ4Aと4Bの基準キャパシタのス
イッチングを行う特徴のある機能を備えている。これは
次のようにして行われる(第4図参照〕。
コンパレータ5Aと5Bはそれぞれの容量型ブリッジ4
 Aと4Bの不均衡方向をプロセッサ6に指示する。プ
ロセッサ6は基儒キャパノタCRを開閉することにより
これら2つのブリッジそれぞれをバランスさせる。この
時のスイッチ11の位置によって、ディジタル信号の振
幅は上記しかつ第2図に示した測定キャパシタCA、 
、 CA2. CB、 。
C1λ2か供給するアナログ信号の振幅Cに相当する。
基準キャパシタは二進式なので、今月いているバランス
をとる方法は連続概算によって変換することであって、
これはアナログ−ディジクル変換器で用いている方法と
類似のものである。前記信号の振幅Cは各周期中でのス
ケールとスライドの′相対的な位置と関連するため、バ
ランスをとるこの方法は仮想変位の方法に相当する。な
ぜならコンパレータ5A、!:5Bの場合は実際の動き
と概略処理とを区別することができないからである。
ディジタルのアルゴリズムによる基準キャパ7りのこの
特徴のあるスイッチ機能(こより測定装置のスケールと
スライドが相対的な変位を行なう間に、測定キャパシタ
GA、 、 CA2. CB、 、 CB2から来る周
期的な信号を各周期内でディジタルに補間するときによ
って精密測定を行なうことができる。
この機能と、粗測定を行いかつこれら2つの測定部材を
組み合わせて周期をカウントアツプ/カウントタウンす
るもう工つの機能とは第4図のブロック図に示されてい
る。
このブロック図ではすでに示した連結部や部材には同し
参照番号がイマ]されている。
プロセッサ6には連続概算する平衡モジュール12と1
3があって、これらは結合部材であるフィードバック出
力部7と8により2つの容量型ブリッジ4Aと4Bにそ
れぞれ接続されており、それぞれに連結されたコンパレ
ータ5Aと5Bからの出力信号と、独立したパルス発生
器14から来る周期的な断続パルスとを受ける。
これら2つの平衡モジュール12と13は第2出力部1
5と16とにより精密測定を行なう演算器17に接続さ
れており、この演算器もさらにパルス発生器14から来
る周期的な断続信号を受ける。
演算器17による精密測定を決定するためのプロセッサ
6の何路の前部分においては、周期的な断続パルスは行
われつつある連続概算をパルス毎に中断する機能をもっ
ているが、これは容量型ブリッジ4Aと4Bをバランス
させ、またカウントによる粗測定を無駄にしないように
すると共に弁別によってスケールとスライドの相対的な
変位方向を決定することを目的としているからである。
粗測定を行なうために、プロセッサ6は2つのコンパレ
ータ5Aと5Bの各出力部とパルス発生器14とに接続
されている一方、2対の測定キャパシタから来る信号の
位相が90°ずれていることにより動作する変位方向の
弁別器1日と、前記測定キャパシタから来る信号がゼロ
点を通ること(こよって動作しかつ前記弁別器18に接
続する可逆カウンタ19とを備えている。
このようにして決定される変位の精密測定と粗測定とは
次に加算器20により加算されるが、この加算器は精密
位置の演算器17の出力側と可逆カウンタ19の出力側
に接続され、加算器の出力側はデコーダ21を介してデ
ィジタルの表示部材10に接続されている。
この回路の可逆カウンタ19と加算器20とは回路外の
リセット制御器22iこ接続されている。
本発明の容量型測定装置の分解能と精度は計数に用いら
れる増分の大きさと、その均衡のとれた配分と、測定信
号の各周期内に行われる補間の精密さによるものである
ことは明らがであり、このことは計数と補間とをベース
にして作動する公知の容量型測定装置においても同じで
ある。
ディジタルのアルゴリズムに従ってプロセラ与6によっ
て容帛塑ブリッジ4Aと4 Isの基準キャパシタCR
のスイッチ操作をすることによりディジタルの補間を行
なうということは、CM OS技術を用いた結果キャパ
シタンスの比が極めて正確にはじき出されるという点で
非常に有利である。
より1西い精度か必要とされる時は、第5図に示した回
路によってこのような補間を行なうのが有利であり、実
際このことは第3図に示された容量型ブリッジの第1変
形実施態様でもある。
この第1変形実施態髄にはスイッチ式基準キャパシタを
備えた積分回路をシュミレー1・するという利点がある
。このブリッジ回路はディジタルの制御利用を有するス
イッチ式基準キャパシタを備えた2つの逆積分器から成
っている。
この回路には2つのグループRA、とRA2の基準キャ
パシタCRのスイッチ11が接続されていて、すべての
スイッチングは前記キャパシタの回路に組込まれた演算
増幅器23と24それぞれの出方部から成る低インピー
ダンス源により制御される電位と、前記増幅器の入方部
により形成された仮の接地との間で行われるようになっ
ている。
これら2つの積分器の抵抗は測定キャパシタCA。
トスインチ25.測定キャパソタCA2トスイッチ26
といった各組合せによりシュミレートされる。
これら2つのスイッチ25と26は前記ディジタルの信
号発生器(こより動作され、そのスイッチの切替えは上
記ディジタル信号発生器により給電される低インピーダ
ンス源29と、増幅器23と24の仮の接地とにまたが
っている。
このブリッジ回路の2つの出力部は同じようにしかも前
述したのと同じ目的でコンパレータ5Aに接続されてい
る。
勿論、この第1変形態様では第2の同一ブリッジ回路は
測定キャパシタRT3.とRB2の第2の一対どコンパ
レータ5Bとに接続され、これら2つのブリッジ回路の
基準キャパシタの各グループの内側では基準キャパシタ
は6i1述のようにプロセッサ6により操作される。
第1変形態様では渦電流による弊害を取り除くことによ
って所要のより高い精度の効果をあげる。
実際」二は接地電位すなわち仮の接地電位と低インピー
ダンス源の出力部の電位との間でスイッチングが行われ
るために、アナログスイッチの容量漏れはなくなる。さ
らに、測定キャパシタCA、とCA2は電位が同じであ
るために、電極と電極との容量性連結もa% K流によ
る弊害も発生しない。これによって電極や電子回路のシ
ールドが一層簡竿にできる。
装置の感度をさらに高めることができる。
第6図に第2の変形態様を示したのはこのことを示ずた
めである。
この第2変形態様では、スケールの電%E+はスイッチ
27.28により接地するか、ディジタルの信号発生器
により給電される低インピーダンス源29に接続される
。この場合測定キャパシタCA、とCA2 も上記しか
つ第5図に示した第1変形態様と同じ性質の容量型ブリ
ッジに取り付けられている。第1変形態様がスイッチ式
基準キャパシタを備えた2つの逆積分器で構成されてい
ることを思い出してもらいたい。
この場合もスイッチ27と28はスイッチ25と26の
ようなディジタルの信号発生器により制御され、かつこ
れと同期する。
従ってスイッチ25と26はそれぞれ接地と演算増幅器
23.24の仮接地との間をスイッチングし、スイッチ
27と28は低インピーダンス源29と接地との間をス
イッチングする。このようにしてスイッチによるすべて
の渦電流のキャパシタの接地をなくし、その結果生じた
感度利得によって0.1pF(ピコファラド)以下の値
のキャパシタンスの測定が可能となる。
測定キャパシタンスを基準キャパシタンスと常に比較す
ることとして、容量ブリッジ4Aと4Bを本発明の範囲
を逸脱することなくこれ以外にも変形することができる
ことが分るであろう。
電極に関しても、本発明の範囲を逸脱することなく2対
の測定キャパシタに信号発生ができるようにしてスケー
ルおよびスライド間の変位の振幅と方向の両方を表示r
るような重臣構成に変えることができる。
第3変形態様である電極のもう1つの構成を第7図に示
す。
この第3の実施態様では、理解に役ケつものに限定して
略図的に示しであるが、スライド2は2つの電極グルー
プAとB(第1図に詳1圃に図示〕に加えて、送信用電
極または接地用電極のいづれてあってもよく、中間位置
に配設された絶縁電極31によって前記2つのグループ
と電気的に絶縁状りである電極30とを備え、これらイ
で1加された2つの電極は前記2つのグループAと13
を囲んでいる。
■方、スケールの電I!i、 E+ (図示省略)は個
々に独ヴし、かつ浮動した状態、即ち互いにだけでなく
スケールきも電気的に絶縁状、態にある。このようにし
てスケールの電ff1E+は信号の伝達用電極としての
み作動する。この構成は第1図に示された実施態様の場
合と同じようにスライドとスケールとの電気的な接触を
必要としないと云う利点がある。
この第3変形態様では2つの電極グループAとBと個々
に絶縁されている複数の送信用または接地用電極30に
より同じ効果が得られる。
もう1つの実施例としては、スライドの2対の電極であ
るA、−A2と膓−82が2つのくしの歯のように互い
に貫入し合うと云った電極構成(図示省略〕にすること
もできる。この構成によれば電極を対称的な形状やその
位相のずれに合わすことが容易である。
最後に、連続概算による変換の代りに例えは反復変換と
いったようなもう1つのアルゴリズムを用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
第1図は実施態様の全体図、第2図は発生した信号の径
路を示したグラフ、第3図は電子回路の1つの部材を示
した図、第4図は発生信号の処理方法を示したブロック
図、第5図、第6図、第7図は3つの変形聾様を示した
図である。 1・・・スケール、2・・スライド、4A、4B・・・
容量型ブリッジ、5A、5B・・・コンパレータ、6・
・プロセッサ、7.8・・・フィードバック出力部、1
1・・・スイッチ、23.24・・・演算増幅器、29
・・・低インピーダンス源 特許出願人 テサ ニス アー 同 代理人 鎌 1)交 二

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)  スケールとスライドには、これらの相対的な
    変位か向に整列しこれら両部材を組み合せることにより
    周期数がその変位と比例する周期信号を発生するように
    した複数のキャパシタを形成するように配置されかつ給
    電される1連の重臣が設けられ、またスライドの電極が
    周期数をカウントしかつ各周期内で補間することにより
    この変位のディジタルの測定終了信号を発生するように
    した電子処理回路に接続されている長さまたは角度の…
    り定装置であるスケールおよびスライドの相対変位を測
    定する容量型変位測定装置において、スケール1の電f
    tE+をその長さ方向に等間隔に並べたこと、スライド
    2の電極の少なくとも1部は2つのグループA、Bに分
    配され、各グループは少なくとも1対の電極Al−A2
    . B、 −32から成り、これらの2つの電極は互い
    に絶縁され、スケールの電%E+の領域より上に配置さ
    れかつディジタルの信号発生器により給電され、さらに
    1.80°位相がずれており、また2つの電極グループ
    はスケールの電極E、と連結させることによって2対の
    接地測定用キャパシタ(CA、 −CA2. CB、 
    −CB2)を形成するように90°位相がずれており、
    前記2対のキャパシタの信号の変化は前記変位の振幅と
    方向を示すこと、さらに電子処理回路3は測定キャパシ
    タとブリッジ接続をして2つの容量型ブリッジ4A、4
    Bを形成した二進式のMO5型スイッチ式基準キャパシ
    タの2グループRA、 −RA2゜RB、 −RB2 
    と、前記2つのブリッジのそれぞれに接続された2つの
    コンパレータ5A、5B(!:、これら2つのコンパレ
    ータおよび2つの容量型ブリッジに接続された2つのフ
    ィードバック出力部7,8に接続された2つの入力部を
    備えたCMO5型プロ他プロセツサ6成り、またこのプ
    ロセッサの回路はディジタルの信号発生器による制御で
    基準キャパシタCRのスイッチングにより容量型ブリッ
    ジを周期的にバランスさせ、バランスする毎にこれら基
    準キャパシタのスイッチ11 (7) (mlが変位に
    相当するディジタル値を与え、パルス発生器を介してこ
    れらバランス操作の間でさらに周期をできるだけカウン
    トできるようにした、各周期内でディジタルの補間を行
    なうモジュール12.13を備えていることを特徴とす
    る容量型変位測定装置。
  2. (2)  スケールの電極する1(第1図、第3図、第
    5図〕はすべて接地していることを特徴とする特許請求
    の範囲第1項に記載の容量型変位測定装置。
  3. (3)  スケールの電% E+ (第6図)はすべて
    ディジタル信号発生器により動作する2つのスイッチ2
    7.28により接地と、ディジタル信号発生器により給
    電される低インピーダンス29とに接続されることを特
    徴とする特許請求の範囲第1項に記載の容量型変位測定
    装置。
  4. (4)2つの容量型ブリッジ4A、4Bはそれぞれ、測
    定キャパシタCA、 、 CA2 とディジタル信号発
    生器により動作されるスイッチ25 、26を組み合わ
    せることにより抵抗が7ユミレートされるスイッチキャ
    パシタに逆積分器として接続された2つの演算増幅器2
    3.24を備え、基準キャパシタCRはこれら積分器の
    フィードバックループに接続されてそれ自体作動するこ
    とにより前記基準キャパシタのスイッチ11がディジタ
    ル制御する利得を示すようにした(第5図、第6図〕こ
    とを特徴とする特許請求の範囲第1項に記載の容量型変
    位測定装置。
  5. (5)2つの積分器の2つのスイッチ25 、26(第
    5図)はディジタルの信号発生器により給電される低イ
    ンピーダンス源29と演算増幅器23.24の仮の接地
    との切替えが行なえるように取り付けられたことを特徴
    とする特許請求の範囲第1項、第2項、第4項のいずれ
    かに記載の容量型変位測定装置。
  6. (6)2つの積分器の2つのスイッチ25 、26(第
    6図〕は接地と演算増幅器23.24の仮の接地との切
    替えが行なえるように取りイ」けられ、これら2つのス
    イッチはスケールの電極を接地と低インピーダンス源2
    9とに接続させるスイッチ27.28と目明作動を行な
    うことを特徴とする特許請求の範囲第1項、第3項、第
    4項のいずれかに記載の容量型変位測定装置。
  7. (7)  スケールの電Tffi E+ (第7図9は
    それぞれ独立しかつ浮動しており、スライド2にはその
    2つの電極グループA、Bの他にこれらの2つの電極グ
    ループと絶縁状態にある少なくとも1つの給電また接地
    電極30が備えられていることを特徴とする特許請求の
    範囲第1項に記載の容量型変位測定装置。
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