JPS6093312A - 容量式変位測定機 - Google Patents

容量式変位測定機

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JPS6093312A
JPS6093312A JP58201674A JP20167483A JPS6093312A JP S6093312 A JPS6093312 A JP S6093312A JP 58201674 A JP58201674 A JP 58201674A JP 20167483 A JP20167483 A JP 20167483A JP S6093312 A JPS6093312 A JP S6093312A
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ジエームズ　アトウツド　ベヤー
Buruusu Kuraaku Chiyaaruzu
チヤールズ　ブルース　クラーク
Suteiibun Etsukaaru Jiyosefu
ジヨセフ　ステイーブン　エツカール
Fuinchi Furoobatsuku Hiyuu
ヒユー　フインチ　フローバツク
Teodooru Urufuramu Ratsuseru
ラツセル　テオドール　ウルフラム
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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、容量式変位測定機に係り、特に、相対移動す
る２つの部材の相対変位による電極間の容量変化を、検
出信号の位相変化に基づいて検出し、これから両者間の
相対変位を測定するようにした、バーニヤ方式の容量式
変位測定機の改良に関する。
一股に物体の長さ等を測定する測定機において、その本
体に対する測定子の移動量、コラムに対するスライダの
移動量等のように、相対移動するものの移動量を測定す
る場合、一方にメインスケールを保持した枠体、他方に
インデックススケールを含む検出器を固定し、枠体と検
出器の相対変位量を、例えば静電的方法によって読取る
ようにした容量式変位測定機が知られている。
このような容量式変位測定機のうち、特に、相対移動す
る２つの部材の相対変位による電極間の容量変化を、検
出変位の位相変化に基づいて検出し、これから両者間の
相対変位を測定するようにした、バーニヤ作用の容量式
変位測定機としては、例えば、米国特許３０６８４５７
に示されるような装置が提案されている。しかしながら
、この米国特許３０６８４５７においては、相対移動す
る一方の部材に配設される電極を、相補的な正弦波状の
電極とし、２対の正弦波状電極の位相を９０゜だ【プず
らりことによって、バーニヤ作用を得るようにしている
ため、部材の幅方向寸法が大きくなるたりてなく、２対
の正弦波状電極を互いに位相をずらして正確に形成する
のが容易ではないという問題点を有していた。
又、例えば特開昭５４−９４３５４には、１組の電極を
用いて、信号処理回路で周波数をずら１ことによってバ
ーニヤ作用を得るようにしたものが提案されているが、
回路構成が非常に複雑となるという問題点を有していた
。
本発明は、前記従来の問題点を解消づるべくなされたも
ので、電極の形状や配置を複雑化したり、回路構成を複
雑化したリタることなくバーニヤ作用を得ることができ
、従って、小型化が容易な、バーニヤ方式の容量式変位
測定機を提供することを目的とする。
本発明は、相対移動づる２つの部材の相対変位による電
極間の容量変化を、検出信号の位相変化に基づいて検出
し、これから両者間の相対変位を測定するようにした、
バーニヤ方式の容量式変位測定機において、一定振幅の
交流信号を発生ずる発振器と、該発振器出力の交流信号
を順次切換えるｌＣめのマルチプレクサと、相対移動づ
る一方の部材に、その移動方向に沿って一定ピッチで、
少くとも１周期分配設された、前記マルチプレクサによ
り交流信号が順次印加される送信電極と、相対移動づる
他方の部材に、その移動方向に沿って、前記送信電極と
は異なる一定ピッチで多数配設された、一部が前記送信
電極と対向配置される伝達電極と、前記一方の部材に、
その移動方向に沿って配設された、前記伝ｆ！電極の他
の部分と対向配置される受信電極と、該受信電極で得ら
れる、略三角波状の受信１８号の位相変化を検出するた
めの位相検出手段と、を備えることにより、前記目的を
達成しＩｃものである。
本発明においては、相対移動する一方の部材に、その移
動り向に沿って一定ピッチで、少くとも１周期分配設さ
れた、ンルチプレクサにより交流信号が順次印加される
送信電極、及び、その移動方向に沿って配設された受信
電極を設け、一方、相対移動づる他力の部材に、その移
動方向に沿って、、前記送信電極とは異なる一定ピッチ
で多数配設された、前記送信電極及び受信電極と対向配
置される伝達電極を設けて、前記受信電極で得られる、
略三角波状の受１ｉ錨号の位相変化に基づいて、相対移
動づる２つの部材間の相対変位を測定するようにしたの
で、電極の形状や配置を複雑化したり、回路構成を複雑
化したりすることなく、バーニヤ作用を得ることができ
る。
又、本発明の実施態様は、前記送信電極を、相互に位相
を１８０°ずらした状態で２組設けると共に、これに対
応して同じく２組設けられた受信電極で得られる受信信
号の差動信号の位相変化を検出するようにして、高精度
な測定が行えるようにしたものである。
更に、本発明の他の実施態様は、前記位相検出手段を、
クロックと、該クロックの出力に応じて前記ンルチプレ
クサに走査信号を出力する走査カウンタと、該走査カウ
ンタの出力に応じて、各走査周期の時間基準信号を発生
ずるデコーダと、前記受信電極の出力を増幅する電流増
幅器と、該電流増幅器出力から略三角波状の包￥８線信
号を得るための包絡線検波器と、該包絡線検波器出力の
包絡線信号から、その直流成分を除去した交流波形のゼ
ロクロス信号を得るための比較器と、前記デ」−ダ出力
の時間基準信号に応じてクロック信号の計数を開始し、
前記比較器出力のゼロクロス信号に応じて計数を停止す
ることによって、受信信号の位相変化に応じた位置計数
値を得るための位置カウンタと、から構成して、位相検
出手段が比較的簡単な構成により得られるようにしｌ〔
ものである。
又、本発明の他の実施態様は、前記クロックと走査カウ
ンタの間に、デバイダを設けて、前記位置カウンタの分
解能を高めるようにしたものである。
更に、本発明の他の実Ｍ態様は、前記電流増幅器を零入
力インピーダンスとして、その出力が送信電極と伝達電
（φ間の容量に比例するようにしたものである。
又、本発明の他の実施態様は、前記包絡線検波器を、ダ
イオードと、単純なＲＣフィルタから構成して、包絡線
検波器が簡単な構成により得られるようにしたものであ
る。
更に、本発明の他の実施態様は、前記位置カウンタが、
零から最大計数値迄を繰返し計数するようにし、零スィ
ッチがオンとされた基準位置で、前記包絡線信号のゼロ
クロス点後にクロック信号の計数を開始するようにして
、任意の位置からの相対変位が容易に測定できるように
したものである。
以下図面を参照して、本発明が採用された容量式直線型
変位測定機の実施例を詳細に説明する。
本発明の第１実施例で用いられている各電極は、第１図
に示づ如く配置されている。即ち、移動部材又はスライ
ダ上には、１列の金属製の送信電極１−１１と、１個の
金属製の受信電極２０が配設されでいる。一方、固定部
材又はステータには、１列の金属製の伝達′／４極２２
が配設されている。
スライダ上の前記送（５電極１〜１１及び受信電極２０
と、ステータ上の前記伝達電極２２は、薄い誘電体によ
って分離されている。前記伝達電極２２の配設ピッチは
１〕とされており、その９倍の長ざ９Ｐの中に、前記送
信電極１〜１１が１０ピツチの間隔で配設されている。
第１図から明らかな如く、送信電極１が伝達電極２２と
完全に重なるようにスライダが位置されている時、それ
以降の送信電極と伝達電極間の重なり面積、即ち電極間
の電気容量は、送信電極６で零となるまで減少し、それ
から再び送信電極１１で最大となるまで増大づる。この
関係は、固定された時間基準に対ダる位相が、ステータ
に対するスライダの澹械的な変位に伴って直線的に変化
するような、三角波状の電気的な波形を発生ずるのに利
用される。
第１図に示した如く、送信電極１−１１は、マルチプレ
クサ２４の出力によって個々に励起される。該マルチプ
レクサ２４の入力は、電極間の容量ｌのりアクタンスを
介して充分な電気的な結合を与えることができるような
高い周波数で作動している、一定振幅の発振器２６によ
って励起されている。前記マルチプレクサ２４は、走査
制御１５号に応じて、前記発振器２６の出力信号を、送
信電４ｉｌ！１−１０まで順次１個ずつ切換えて印加し
、再び送信電極１まで戻って、その周期を繰返すように
されている。送信電極１１は、電極の第２周期の１番目
であり、マルチプレクサ２４の内部で送信電極１と接続
されている。従って、第２図のタイムチャートに示され
るような各送信信号が、個々の送信電極に現われること
になる。送信電極１−１１上の信号は、１走査周期中の
割当られた時間要素間だ番プ、伝達電極２２によって単
一の受信電極２０と夫々結合される。受信電極２０に結
合される各信号の振幅は、各送信電極と伝達電極２２間
の重なり、即ち、容量に直接比例しており、従って、受
信電ｔｉｉ　２０に現われる合成信号は、第３図に符号
Ｒで示すような波形となる。第３図には、検波器及びフ
ィルタを通した後の波形Ｒの包絡線も示されている。
第１図に示される位置からスライダが右側に移動し、送
信電極１に続く各送信電極が、それに関連する伝達電極
２２と完全に重なる状態となると、合成波状Ｒの最大振
幅を有する部分は、マルチプレクサ走査周期の時間要素
１から時間要素２等に移動し、同様に、より低い振幅を
有する他の波形部分も、後の時間要素に移動する。従っ
て、全合成波形の包絡線は、時間と共に移動し、又は、
例えば、時間要素１の開始時点のような時間基準に対し
て位相が変化することとな−る。包絡線の位相は、スラ
イダがピッチＰだけ移動した場合には、時間基準に対し
て、１つの完全な周期、又は３６０°だけ移動すること
となる。
包絡線の位相変化を数値に変換するための簡単な電子回
路を、第４図に示づ。図において、タロツク３０は、給
えず走査カウンタ３２をカウントアツプしており、この
走査カウンタ３２の出力は、前記ンルチブレクサ２４を
制御するのに使われている。この走査カウンタ３２は、
又、各走査周期の同一時点で時間基準パルスを発生ずる
デ」−ダ３４を駆動している。この時聞ＭＬＩＫパルス
によって位置カウンタ３６が起動し、前記クロック３０
出力のクロック信号によってカウントアツプされる。前
記受信電極２０出力の受信信号は、零入力インピーダン
スの電流増幅器３８によって増幅される。この電流増幅
器３８を零入力インピーダンスとづることにって、出ノ
ｊ信号の振幅が、確実に、各送信“電極と伝達電極２２
間の容量に直接比例するものとなるようにｌる。電流増
幅器３８の出力側における波形Ｒは、ここでは、第３図
に示した波形から１８０°移動した状態で示されており
、ダイオード４０及び単純なＲＣフィルタ４２からなる
包絡線検波器によって、包絡線検波される。
この包絡線（ｉ号は、その６流成分を含まない交流波形
の零クロス点によって出力が切換えられるよう参照電圧
■がオフセット設定された電圧比較器４４によって波形
整形される。この電圧比較器４４の出力信号が負から正
に変化した時点で、ｌ１ｊＪ　Ｍｅ位置カウンタ３６の
カウントアツプが停止される。
位置カウンタ３６は、各カウントアツプ開始時点で零に
リセットされているので、カウントアツプ停止時点の計
数値が、１つのステータピッチ間隔内におけるスライダ
変位に比例するものとなる。
実際の装置で用いられる１つの有用な機能は、スライダ
の任意の位置において、表示計数値を零とすることがで
きるようにして、その位置に対する相対的な測定が容易
に行えるようにすることである。この機能は、前記装置
の作動を改良することによって与えられる。即ち、前記
位置カウンタ３６を、各走査周期の開始時点で零にリセ
ットする代りに、位置カウンタ３６は、零からその最大
計数レンジまで繰返しカウントアツプするようにされる
。又、零ボタンスイッチを押すことによって、包絡線波
形Ｒが負から正に零クロスして遷移づる点で、前記位置
カウンタ３６が零にリセットされるようにする。実際、
位置カウンタ３６は、再び１６１期がとられ、零クロス
に続く最初のクロック信号によってその計数が開始され
る。零ボタンスイッチが離された時には、それにつづく
零クロスによって、計数値が、表示用記憶レジスタに同
期人力される。しかしながら、前記装置のように、これ
によって位置カウンタ３６が停止しでしまうことはない
。スライダが、その基準位置に苗よっている場合には、
計数値層が常に表示レジスタに同期入力される。スライ
ダが基準位置から移動した場合には、零クロスが異なる
時点で発生することとなり、従って、始めの零基準時間
又は位置に対して相対的な同期計数値が得られる。
上記の回路におい°（、前記走査カウンタ３２及び位置
カウンタ３６が、同じクロック周波数によって駆動され
ると、ピッチＰに対する位置カウンタ３６の読取りの分
解能は１／１０となる。これは、マルチプレクサ２４の
１つの完全な走査周期中に駆動される電極の数によって
決定される。これに対して、第４図に示り如く、前記り
Ｕツク３０と走査カウンタ３２の間に分周器４６が設け
られると、前記分解能は、１／１０を分周比によって除
した値まで高められることとなる。例えば分周比が１０
であるとすると、位置カウンタ３６の分解能はＰ／１０
０となる。
実際の装置においては、スライダの移動によつτ引起さ
れるステータピッチの変化回数を計数するための付加的
な回路も必要となる。この付加的な回路による計数値が
、萌出第４図に示した回路による１ピツチ内のバーニヤ
計数値と結合され、はじめに零に設定された開始点から
のスライダの総合変位が測定される。
なお前記実施例においては、送信電極１−１１及び受（
ｊＮ極２０が１組だけ設けられていたが、例えば第５図
に示す第２実施例の如く、前記送信電極１−１１．１′
−１１−を相互に位相を１８０°ずらした状態で２組設
けると共に、これに対応して受信電極２０．２０′も２
組設け、該受ｆ５電極２０．２０′で得られる受信信号
の差動信号を差動増幅器５０で１ｑるようにして、該差
動信号の位相変化からスライダの変位を測定するように
構成することも可能である。
本実施例においては、測定精度が大幅に向上する。
前記実施例においては、いずれも、本発明が、直線型変
位測定機に用いられていたが、本発明の適用範囲はこれ
に限定されず、ロータリエンコーダ等の回転型変位測定
線にも同様に適用できることは明らかである。
以上説明した通り、本発明によれば、電極の形状や配置
を複雑化したり、回路構成を複雑化したりすることなく
、バーニヤ作用を得ることができる。従って、小型化が
容易であるという優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明が採用された容量式直線型変位測定機
の第１実施例における、電極の配置を示す平面図、第２
図は、前記第１実施例における。 マルチプレクサを介して各送信電極に印加される信号を
示す線図、第３図は、同じく、受信電極に現れる受信信
号を示す線図、第４図は、同じく、信号処理回路の構成
を示すブロック線図、第５区は、本発明が採用された容
量式直線型変位測定機の第２実施例における、電極の配
置を示す平面図である。 １−１１．１−−１１−・・・送信電極、２０．２０′
・・・受信電極、　２２・・・伝達電極、２４・・・マ
ルチプレクサ、２６・・・発振器、３０・・・クロック
、　３２・・・走査カウンタ、３４・・・デコーダ、　
３６・・・位置カウンタ、３８・・・電流増幅器、　４
０・・・ダイオード、４２・・・ＲＣフィルタ、　４４
・・・電圧比較器、４６・・・分周器、　５０・・・差
動増幅器。 代理人　高　矢　論 （ほか１名） 第１頁の続き ０発　明　者　ラッセル　チオドール　アメリカ合衆国
、ウルツラム　ニー・ストリート カリフォルニア州、ロス・アルトス・ジ８４

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）相対移動りる２つの部材の相対変位による電極間
    の容量変化を、検出信号の位相変化に基づいて検出し、
    これから両者間の相対変位を測定するようにした、バー
    ニヤ方式の容量式変位測定機におい−（。 一定Ｄｉ１幅の交流信号を発生する発振器と、該発振器
    出力の間流信号を順次切換えるためのマルチプレクサと
    、 相対移動づる一方の部材に、その移動方向に沿って一定
    ビツチｅ１少くとも１周期分配設された、前記マルチプ
    レクサにより交流信号が順次印加される送信電極と、 相対移＃Ｊ−＝Ｊる他りの部材に、その移動方向に沿っ
    て、前記送信電極とは異なる一定ピッチで多数配設され
    た、一部が前記送信電極と対向配置される伝達電極と、 前記一方の部材に、その移動方向に沿って配設された、
    前記伝達電極の他の部分と対向配置される受信電極と。 該受信電極で得られる、略三角波状の受信信号の位相変
    化を検出するための位相検出手段と、を備えたことを特
    徴とづる容量式変位測定機。
  2. （２）前記送信電極が、相互に位相を１８０°ずらした
    状態で２組設けられると共に、これに対応して同じく２
    組設けられた受信電極で得られる受１ｉ伯号の差動信号
    の位相変化を検出づるようにした特許請求の範囲第１項
    に記載の容量式変位測定機。
  3. （３）前記位相検出手段が、クロックと、該クロックの
    出力に応じて前記マルチプレクサに走査信号を出力りる
    走査カウンタと、該走査カウンタの出力に応じで、各走
    査周期の時間基準信号を発生づるデ」−ダと、前記受信
    電極の出力を増幅づる電流増幅器と、該電流増幅器出力
    から略三角波状の包絡線信号を得るための包絡線検波器
    と、該包絡線検波器出力の包絡線信号から、その直流成
    分を除去した交流波形のゼロクロス信号を得るための比
    較器と一１前記デ」−ダ出力の詩開基準信号に応じてク
    ロック信号の計数を開始し、前記比較器出力のゼロクロ
    ス１６号に応じて計数を停止することによって、受信信
    号の位相変化に応じた位置計数値を得るための位置カウ
    ンタと、がら構成されている特許＆Ｍ水の範囲第１項に
    記載の容量式変位測定機。
  4. （４）前記クロックと走査カウンタの間に、デバイダが
    設けられている特許請求の範囲第３項に記載の容量式変
    位測定機。
  5. （５）前記電流増幅器が、零人カインピーダンスとされ
    ている特許請求の範囲第３項に記載の容量式変位測定機
    。
  6. （６）前記包絡線検波器が、ダイオードと、単純なＲＣ
    フィルタから構成されている特許請求の範囲第３項に記
    載の容量式変位測定機。
  7. （７）前記位置カウンタが、零から最大計数値迄を繰返
    し計数Ｊるようにされ、零スィッチがオンとされた基準
    位置で、前記包絡線信号のゼロクロス点後にクロック信
    号の計数を開始するようにされている特許請求の範囲第
    ３項に記載の容量式変位測定機。
JP58201674A 1983-10-27 1983-10-27 容量式変位測定機 Granted JPS6093312A (ja)

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JP58201674A JPS6093312A (ja) 1983-10-27 1983-10-27 容量式変位測定機
DE19843436681 DE3436681A1 (de) 1983-10-27 1984-10-05 Kapazitives verschiebungsmessgeraet
US06/665,525 US4733235A (en) 1983-10-27 1984-10-26 Capacitance type displacement measuring instrument

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