JPS61235702A - 静電容量型ノギス - Google Patents

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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は静電容量型ノギス、特に変位検出部に静電容量
型エンコーダを用いた静電容量型ノギスに関するもので
ある。

［従来の技術］ 近年、ノギスは従来の機械的読取方式に変り、測定値を
電気的に読取り、デジタル表示するデジタル表示型のも
のが普及してきている。

通常、このようなデジタル表示型ノギスは、本尺に移動
可能に設けられた移動体と、該移動体の移動量を検出し
、電気信号パルスに変換出力するエンコーダと、を含み
、エンコーダの出力する電気信号パルスを計数回路で計
数し、その計数値をデジタル表示器上にデジタル表示し
ている。

ところで、この種のノギスに用いられるエンコーダとし
て、光電型エンコーダ、接点型エンコーダ、静電容量型
エンコーダ等が考えられる。

光電型エンコーダでは、スケールの表面に等間隔に設け
られたスリットと、該スケールのスリットを介して光路
を形成する発光器及び受光器とを含み、移動体の変位量
に応じてスケールを移動し、発受光器間に形成される光
路をオン・オフし移動体の変位量を検出している。

しかしながら、この充電型エンコーダでは、発光器の消
費電力が大きく、使用する電池の交換回数が増加し、ま
た容Ｍの大きな電池を使用した場合には装置のｍ８が増
大してしまうという欠点があった。

更に、測定精度を上げるためには、スケールに数ミクロ
ン間隔でスリットを設けることが必要となり、この製造
が難しく、しかも運転中にクリアランス変化に起因する
ミスカウントを生じ易いという問題点があった。

また、接点型エンコーダでは、移動体の変位量検出にス
リット、ブラシ等を用いるために、これらスリット、ブ
ラシの消耗が激しく、また測定信号にノイズが混入し易
いという問題があった。

これに対し、静電容量型エンコーダでは、光電型エンコ
ーダのように消費電力が大きくなく、接点型エンコーダ
のようにブラシ、スリット等の消耗及びノイズの混入と
いう問題がないため、近年ノギスの検出装置に幅広く用
いられている。

従来、このようなノギスに用いられる静電容量型エンコ
ーダでは、複数対の電極板を対向配置してコンデサを形
成し、両電極板を移動体の変位量に対応して相対移動さ
せ、このときの機械的変位量をコンデンサの静電容量変
化として電気的に検出していた。

この種の静電容量型エンコーダには、電圧比較型、位相
弁別型等があるが、特に位相弁別型が小型、軽量、高精
度かつ低消費電力等のメリットを有し、広く用いられて
いる。

第７図には、このような位相弁別式静電容量型エンコー
ダの用いられたデジタル表示ノギスの分解斜視図が示さ
れている。

図において、本尺１０には、受信電極及び結合電極が配
置された受信電極基板１２が一体的に取付けられている
。

そして、前記本尺１０に摺動可能に取付けられるスライ
ダ１４には、静電容量型エンコーダ及びデジタル表示器
から構成されるリーディングユニット１６が取付けられ
、該リーディングユニット１６には電池１８が組込まれ
た後、カバー２０が覆設される。

また、前記スライダ１４には、深さ測定のためのデプス
パー２２及びスライダの摺動に適当な接度感を与える板
バネ２４が取付けられている。

図示例において、本尺１０に設けられた受信電極基板１
２とスライダに設けられた送信電極基板との配置は、第
８図に詳細に説明されている。

同図において、送信電極基板２６には、等間隔に配列さ
れた複数の送信電極２８と出力電極３０が設けられ、こ
れら電極２８．３０は基板２６を貫通する導電部３２及
び該基板２６の裏面に配設された配線３４を介して不図
示の電圧印加回路及び検出回路に接続されている。また
、この送信電極基板２６に対して相対移動自在に配置さ
れた受信電極基板１２の送信電極２８対向面には、受信
電極３６とアース電極４０及び該受信電極３６に電気的
に結合された結合電極３８が設けられている。

そして、電圧印加回路から前記送信電極２８に順次所定
の位相、例えばπ／４位相をずらせた正弦波あるいは矩
形波の交流電圧を印加することにより８相電極を１単位
とするユニット電極群１００が複数形成される。ここで
、この各ユニット電極群１００に含まれる連続した所定
の送信電極２８に対向するように上記受信電極３６が配
列されている。つまり、図示例において、４個の連続し
た送信電極２８、すなわち基準電圧Ｖ１が印加される送
信電極と、基準電圧Ｖ＋　に対してπ／４，２π／４，
３π／４位相がずれたＶ２　。

Ｖ３　、Ｖ４の各電圧が印加される送信電極にまたがっ
て、１個の受信電極３６が対向配置されることとなる。

以上の構成により、受信電極基板１２を送信電極基板２
６に対して相対移動させると、受信電極３６と送信電極
２８とが相対移動し、受信電極３６から受信電極基板１
２の移動変位量に応じた周期変化を有する静電容量信号
が検出される。この検出された静電容量信号は、結合電
極３８と出力電極３０との静電結合により取出されるも
ので、図示しない検出回路を介してデジタル表示器等に
供給することにより、両基板１２．２６の相対移動変位
量を簡単な構成で正確に測定することができる。

図示例において、エンコーダの制御は、第９図に示され
るような電気回路で行われる。

同図において、８相送信信号発生器５０は、送信電極２
８へ印加するπ／４ずつ位相のずれた８相の電圧を、パ
ルスにより台形波状に作り出している。そして、受信電
極に誘起された電圧は、結合電極及び出力電極３０を介
して入力部５２に入力される。

該入力部５２では、発成器５４からのパルス電圧で同期
をとり、整流を行っている。入力部５２からの出力は、
位相差検出器５６に入力され、該位相差検出器５６は、
常にスライダが停止しているときの位相を基準として、
その後のスライダの移動にともなう位相の変化をとらえ
る。そして、移動の方向を判別し、電圧のレベルで出力
するとともに、移動量に応じた数のパルスを出力する。

位相差検出器５６の出力は、ＬＳＩ２内のカウンタ５８
へ入力され、その変位量をしＣＤ６０に表示する。

また、ＬＳＩ１内のカウンタ６２を使用し、その出力（
ＢＣＤ信号）をＬＳＩ３へ接続、ＬＣＤ６４へ表示する
ことも好適であり、このタイプでは外部機器に表示デー
タを出力するための端子６６を備えている。

以上のような静電容部型ノギスによれば、ノギスの本尺
及び該本尺に移動可能に設けられたスライダにそれぞれ
位相弁別式静電容量型エンコーダの送信電極基板及び受
信電極基板を取付は固定することで、前記本尺に対する
移動体の移動間を正確に検出することが可能となる。

［発明が解決しようとする問題点］ 従来技術の問題点 ところが、近年このような静電容量型ノギスには、測定
範囲の拡大、すなわら前述したノギスによれば、特にノ
ギス本尺の長大化が要求されている。

しかしながら、測定範囲の拡大は、受信電極基板の長大
化につながり、この結果、測定精度が低下してしまうと
いう問題点があった。

これは、基板は通常エポキシ樹脂等可撓性を有する材質
から形成されているため、基板の長大化にともない、該
基板自体の反り、曲り等を生じ易くなり、この結果、基
板の平面度が崩れ、送信電極と受信電極との平行度が維
持し得ず、受信電極への誘起電圧に変動を生じてしまう
ことに起因するものである。

この基板の反り、曲り等は該基板自体を薄板から形成し
、平面度の良好な本尺等に貼着することで解消し得るも
のであるが、長大な本尺等を一定精度内で平面加工する
ことは技術的、経済的に極めて困難である。しかも基板
を薄板から形成すれば、受信電極とノギス本体等が容量
結合してしまい、やはり測定精度が低下してしまう。

すなわち、前述のように電極が配置される基板は、通常
エポキシ樹脂等からなる非導′ｒｉ材質からなり、また
、該基板が取付は固定されるノギス等は鋼鉄等のＳ電材
から形成されている。

この結果、非導電材からなる基板を薄板に形成すれば、
受信電極とノギス等との間で形成されるコンデンサの静
電結合容量が増大し、受信電極と送信電極との容量結合
による誘起電圧に変動を生じてしまうことに起因するも
のである。

実際の測定では、エポキシ樹脂よりなる受信電極基板の
厚さを０．３５　ｃ＋ａから０．１８Ｃ■としたときに
はＳ／Ｎ比が約４０％低下してしまうという結果が示さ
れており、この点が解決し得ない限り、基板の薄板化は
極めて困難であることが理解される。

発明の目的 本発明は、前記従来の問題点に鑑み為されたものであり
、その目的は、基板の薄板化により測定精度の向上を図
ることができる静電容置型ノギスを提供することにある
。

Ｅ問題点を解決するための手段］ 前記目的を達成するために、本発明にかかる静電容部型
ノギスは、受信電極基板を非導電性薄板から形成してる
。

また、受信電極基板裏面と該基板が取付固定されるノギ
ス本尺又は移動体との間には面保持部材が介挿され、該
面保持部材の受信電極対向位置には空気層を構成する開
口が形成されていることを特徴とする。

［作用］ 前述した構成から明らかなように、本発明にかかる静電
容量型ノギスは、電極基板を薄板から形成しノギスに貼
着しているので、基板自体の反り、曲り等による送信電
極と受信電極とのクリアランス変化を確実に防止し、し
かも変位検出要素としてのエンコーダの小型・軽量化を
図ることが可能となる。

また、受信電極基板と該基板が取付は固定される本尺等
との間には、充分な機械的強度を有し変形度も少ない面
保持部材が介挿されているので、受信電極基板の平面度
はより良好な状態に維持され、しかも基板を薄板から形
成しても強度低下が問題となることはない。したがって
測定範囲を拡大、すなわちノギスの場合に本尺等を長大
化した結果、本尺等の基板取付面の平面度が悪化したと
しても、基板の平面度すなわち受信電極と送信電極との
平行度は前記面保持部材により維持されており測定精度
が悪化してしまうことはない。

ここで、電極基板を薄板から形成すれば、従来のエンコ
ーダにおいては、該基板を保持する導電材からなるノギ
ス等と受信電極との間に静電容置結合を生じエンコーダ
の測定精度を低下させる原因となってしまう。

しかしながら、本発明にかかるノギスは、面保持部材の
受信電極対向位置に空気層を構成する開口が形成されて
いる。

従って、空気の誘電率は他の誘電体と比べて著しく低い
ため、電極とノギス本尺等との間の静電結合による電気
容量を極めて低く押えることが可能となり、実質上問題
となるような測定粘度の低下は生じ得ない。

［実施例］ 以下、図面に基づいて本発明の好適な実施例を説明する
。

第１図には本発明の適用された静電容量型ノギスの受信
電極基板の部分拡大図が示されており、第２図は第１図
■−■線上での断面図である。

図において、受信電極基板１１２の送信電極（図示を省
略）対向面には受信電極１３６が複数整列配置されてお
り、また該受信電極１３６と電気的に結合された結合電
極１３８が受信電極下方に配置されている。

また、本実施例において受信電極１３６間には受信電極
の相互干渉を排除するためアース電極１４０設けられて
いる。

本実施例において、受信Ｔｉ極基板１１２は、セラミッ
クス等の非導電材からなる面保持部材１４２を介してノ
ギス本尺１１０に取付は配置されている。

本発明において特徴的なことは、基板が薄板から形成さ
れ、また該基板と本尺等の間には前記面保持部材１４２
に設けられた開口により空気層が形成されていることで
ある。

このために、本実施例においては、受信電極基板１１２
を従来の１７２の厚さのエポキシ樹脂製薄板から構成し
、また受信電極基板１１２と該基板１１２が取付は固定
される本尺１１０との間には面保持部材１４２が介挿さ
れている。

そして、該面保持部材１４２の受信電極対向位置には空
気層を構成する開口１４４を形成している。

この結果、本実施例において、受信電極基板１１２の平
面度を保持するための基礎は、該受信電極基板自体に求
めることなく、本尺１１０に取付けられた極めて平面度
の良好な面保持部材１４２に求められるから、受信電極
基板１１２の平面度は面保持部材１４２上に該基板１１
２を貼着固定することで良好に達成される。

また、受信電極基板１１２を薄板から構成できるので、
基板自体の歪等を生ずることがなくなり、かつノギスの
測定部を小型、軽量とすることができる。− さらに、受信電極基板１１２を薄板から構成したにもか
かわらず、該面保持部材１４２により受信電極１１２の
強度は十分な状態に維持することができる。

しかも、基板１１２の平面度は面保持部材１４２によっ
て維持されているから、たとえ本尺１１０を長大に形成
しても、従来のごとく本尺自体をその全長に亘り受信電
極基板の平面度保持のために求められる精巧加工が要求
されることはなく、製造容易で経済性にも優れたノギス
を提供することが可能となる。

また、本実施例おいて、面保持部材１４２の受信電極１
３６対向位置には開口１４４が設けられているので、た
とえ受信電極基板１１２を従来の基板と比較して薄板に
形成しても、受信電極と本尺１１０との間の静電結合に
よる影響を排除することが可能である。

ずなわち、一般にコンデンサの静電容ｊｉＣは、誘電体
の両電極間の距離ｔ　（ＣＩ）　、誘電率ε、電極の有
効面積Ａ　（ｊ）とすれば、次式で示されるごとくとな
る。

εＡ１ Ｃ＝□・□ ４πｔ　　　　　９Ｘ１０Ｓ 従って、エポキシ樹脂のみで誘電体を形成するなら、エ
ポキシ樹脂の誘電率εｌは５前後であるから、次式で示
される静電容ｆｆｉ　Ｃ＋で受信電極１２２と基板取付
部材１２６が静電結合することになる。

εＩＡ　　　　Ｉ　　　　　　　　　　　　ＡＣ１１＝
　　　　　・　　　　−４，４２Ｘ　１０−７・□４π
ｔ　　　９Ｘ１０Ｓ　　　　　　　　　　ｔこれに対し
、本発明のごとくエポキシ樹脂（層厚ｊ＋　　）及び空
気層（層厚ｔ２　、誘電率ε２＝１）を誘電体としてコ
ンデンサを構成した場合には、受信電極１２２と基板取
付部材１２６との距離を前記ｔと同様とするためｔ＋　
＝　ｔ２＝　１／２　ｔとすれば、次式で示される静電
容ｆｆｉ　Ｃ２で受信電極１２２と基板取付部材１２６
が静電結合することになる。

１２πｔ２πを 一一□・　９Ｘ１０Ｓ　＋□・　９Ｘ１Ｏ５Ｃ２ε＋Ａ
　　　　　　　　ε２Ａ Ｃ２＝　　１．４７　Ｘｌ０−’・□ すなわら、本実施例において、受信電極基板を従来の１
７２の厚さに形成しても、受信電極と基板取付部材との
間に空気層を形成することで従来よりもむしろ静電結合
による影響を低減することが可能であることが理解され
る。

なお、本実施例において面保持部林１４２は、充分な機
械的強度及び平面度を維持し得る部材から形成されるこ
とが必要であり、硬質金属よりなることも好適であるが
、前記実施例のごとくセラミックス等の非導電性材質か
ら構成することが、より精度を向上させる上で顕著な効
果を奏する。

すなわち、面保持部材１４２を非導電性材質から形成す
ることで、受信電極１３６と該面保持部材１４２自体、
あるいは開口１４４側壁等との静電結合も確実に除去す
ることが可能となり、しかも受信電極１３６と本尺１１
０との間の静電結合は空気層により確実に排除される。

なお、本実施例において、受信電極１３６間に設けられ
たアース電極１４０は、各受信電極１３６間及びその他
からの静電容量の干渉による悪影響防止するため設けて
いるものであり、無論面保持部材１４２のアース電極１
４０対向位置に開口を形成し空気層を設ける必要はない
。

以上のように、本発明にかかる静電容量型ノギスによれ
ば、電極基板を従来に比べて極めて薄く形成した結果法
電極基板の反り、曲り等による受信電極・送信電極間の
クリアランス変化を確実に防止することが可能となり、
しかも測定部の小型・軽量化を図ることができる。

また、基板は、面保持部材により保持されるため、基板
の平面度・強度は一定に保持され、しかも面保持部材の
受信電極対応位置には空気層が設けられているので電極
と本尺等との間の静電容量結合による精度低下を生じる
こともない。

第３図には、受信電極１３６が受信電極基板１１２へ埋
め込み形成された実施例が示されている。

この場合、電極１３６と本尺１１０はより近接すること
もあるが、空気層により静電結合は確実に除去されるの
で、精度上問題を生じることはない。

第４図には、本尺１１０の受信電極対向位置もくり抜き
形成されている実施例が示されており、この場合には、
受信電極１３６と本尺１１０との間に生じる静電結合を
より確実に除去することが可能となる。

第５図には面保持部材に設けられる開口１４４の形状が
示されており、図において、１点鎖線Ａ。

Ｂ、Ｃにも示されるように、開口は受信電極１３６と全
く同一形状に形成される必要はなく、各受信電極間にお
いて同一形状であるならば、その大きさ等が受信電極と
若干のずれを生じていたとしても、本発明の特有な効果
には事実上何らの影響も与えるものではない。

また、第６図にも示されるように、面保持部材１４２に
設けられた開口１４４の側壁は、受信電極１３６対向方
向に向けて広口に形成され、受信電極１３６と本尺１１
０との静電結合をより効果的に防止することも可能であ
る。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明にかかる静電容量型ノギス
は、受信電極基板の平面度を保持するための基礎は、該
受信電極基板自体に求めることなく、本尺等に取付けら
れた極めて平面度の良好な面保持部材に求められるから
、受信電極基板の平面度は面保持部材上に該基板を貼着
固定することで良好に達成される。

また、受信電極基板を薄板から構成できるので、基板自
体の歪等を生ずることがなくなり、かつノギスの測定部
を小型、軽足とすることができる。

さらに、受信電極基板を薄板から構成したにもかかわら
ず、該面保持部材により受信電極の強度は十分な状態に
維持することができる。

しかも、基板の平面度は面保持部材１４２によって維持
されているから、たとえ本尺等を長大に形成しても、従
来のととく本尺等自体をその全長に亘り受信電極基板の
平面度保持のために求められる精巧加工が要求されるこ
とはなく、製造容易で経済性にも優れたノギスを提供す
ることが可能となる。

また、受信電極基板とノギス本尺あるいはスライダとの
間には面保持部材に設けられた開口により空気層が形成
されているので、受信電極とノギスとの間に静電結合を
生じてしまうことがなく、基板を薄板から形成したにも
拘らず、極めて良好な測定精度を維持することが可能と
なる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の適用されたノギスの受信電極基板の部
分拡大図、 第２図は第１図にかかる受信電極基板の■−■線上での
断面図、 第３図及び第４図は本発明の他の実施例の説明図、 第５図は本発明にかかるノギスの面保持部材における空
気層の形成状態説明図、 第６図は本発明にかかる面保持部材の開口形成状態の説
明図、 第７図はデジタル表示型ノギスの一般的な構成を示す説
明図、 第８図は従来の測定部を構成するエンコーダの要部拡大
図、 第９図はデジタル表示型ノギスの一般的な回路構成図で
ある。 １０．１１０　　・・・　本尺 １２．１１２　　・・・　受信電極基板１４　・・・　
スライダ ２６　・・・　送信電極基板 ２８　・・・　送信電極 ３６．１３６　　・・・　受信電極 １４２　・・・　面保持部材 １４４　・・・　開口

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）送信電極基板上に整列配列された複数の送信電極
   と、 所定の連続した送信電極にまたがって受信電極基板上に
   対面配置された１以上の受信電極と、を有し、前記各送
   信電極ごとに順次位相をづらせて印加される交流電圧と
   、前記受信電極に誘起される誘起電圧との位相ずれから
   送信電極基板と受信電極基板の相対移動量を検出する静
   電容量型エンコーダを含み、 前記各基板の一方を本尺に、他方をスライダにそれぞれ
   取付け固定し、 前記エンコーダ出力から本尺に対するスライダの相対移
   動量を検出する静電容量型ノギスにおいて、 前記受信電極基板は非導電性薄板から形成され、受信電
   極基板と該基板が取付固定される本尺またはスライダと
   の間には面保持部材が介挿され、該面保持部材の受信電
   極との対向位置には空気層を構成する開口が形成されて
   いることを特徴とする静電容量型ノギス。
2. （２）特許請求の範囲（１）記載のノギスにおいて、面
   保持部材は非導電性材質からなることを特徴とする静電
   容量型ノギス。
3. （３）特許請求の範囲（２）記載のノギスにおいて、面
   保持部材はセラミックスからなることを特徴とする静電
   容量型ノギス。
4. （４）特許請求の範囲（１）〜（３）記載のノギスにお
   いて、面保持部材に設けられた開口は受信電極対向方向
   へ向って広口に形成されていることを特徴とする静電容
   量型ノギス。