JPS62235504A - 容量型位置測定トランスデユ−サ - Google Patents

容量型位置測定トランスデユ−サ

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JPS62235504A
JPS62235504A JP61078948A JP7894886A JPS62235504A JP S62235504 A JPS62235504 A JP S62235504A JP 61078948 A JP61078948 A JP 61078948A JP 7894886 A JP7894886 A JP 7894886A JP S62235504 A JPS62235504 A JP S62235504A
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electrodes
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    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
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    • H03M1/12—Analogue/digital converters
    • H03M1/22—Analogue/digital converters pattern-reading type
    • H03M1/24—Analogue/digital converters pattern-reading type using relatively movable reader and disc or strip
    • H03M1/28—Analogue/digital converters pattern-reading type using relatively movable reader and disc or strip with non-weighted coding
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B7/00—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
    • G01B7/003—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring position, not involving coordinate determination
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • G01D5/14—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage
    • G01D5/24—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying capacitance
    • G01D5/241—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying capacitance by relative movement of capacitor electrodes
    • G01D5/2412—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying capacitance by relative movement of capacitor electrodes by varying overlap
    • G01D5/2415—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying capacitance by relative movement of capacitor electrodes by varying overlap adapted for encoders

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］ 本発明は容最型位置測定（・ランスデｌ　−’す°、１
ｚ１に、互いに相対的に移＃Ｊ１′る一対の移動部材間
の変位ｂ１４！：静電容昂の変化から正確に測定するこ
とのできる改良された容母型位置測定トランスデューサ
に関するものである。
［従来の技術］ 電気的な測長器として２枚のスケールを相対移動ざヒ、
両スケールに配列された電極間の静電容量の変化を用い
て前記両スケールの相対移動位置を測定する電気的測長
器が周知であり、三次元測定器必るいはＮＯ加工機等の
大型測長器から携帯可能なノギス、マイクロメータその
他の小型測長器まで広範囲に利用可能でおる。
このにうな測長器に用いられる静電容量型トランスデユ
ーりはその送信電極に交流信号、好ましくは複数の位相
の異なる交流信号、を供給して対応する受信電極には電
気的な測定回路が接続され、両心（近間の相対移動によ
る静電容量変化を用いて所定の位置測定が行われている
。
従来にお（〕る容組型位置検出１〜ランスデューサは、
周知のごとく、各スケールに設ける電極の分割数がその
精度を定め、従来においては、高分解能の測長器を得る
ためには送信電極おるいは受信７程極の少なくともいず
れか一方を細密化し、これによって、高精度の測定を可
能としていた。
第７図にはこのような高分解能の容Ｎ型位首検Ｌ［口・
ランスデ：Ｌ−リ゛の従来における一例が示されており
、装置は近・接して互いに相対移動可１１ヒに配置され
た第１スケールと第２スク゛−ルとを有し、例えばノギ
ス等の測長器にトランスデユーサ°を組込む場合、ノギ
スの本尺に第２スケールを、副尺に第１スケールを配置
する。
モし−（、両スケールには互いに′＠′爪結合する送（
ｉ￥電極と受信電極との一方を設け、両名間の相対移動
ｎ、１にその静電８伍の変化にＪ：って両スケールの相
対位置を電気的に検出する。
第７図において、副尺側の第１スケールには第１送信電
４ｉＴｌｉ、”＋２が等間隔に複数配列されており、こ
の第１送信電極には発振器３０から交流信号が供給され
ており、実施例においては、この交流信号は位相変換器
３４によって８相の位相の異なる信号として各送信電極
１２に供給されている。
従って、第７図においては、各交流信号は互いに４５度
の位相差を有し、８個の第１送信真電極１２を１ブロツ
クとして各位相の異なる交流信号が供給される。
図に＋３いて、前記ブロックに組合わされた第１送信電
極１２群はその群のピッチが送信波長ピッチＷｔｌにて
示されている。
一方、本尺側の第２スケールには第２受信電極２２が等
間隔に整列配置されており、図において、各第２受信電
極２２は前記ブロック毎に形成された第１送信電極１２
群と対応して配置され、この結果、第２受信電極２２の
ピッチＰｒ２は前記送信側の送信波長ピッチＷｔｌと等
しいことが理解される。
従って、この従来装置によれば、受信側の第１受信電極
ピツヂＰｒ２を８分割した精度で位置検出を行うことが
可能となり、高分解能のトランスデユーサを提供可能で
ある。
もらろん、このような高分解能の装置においては、トラ
ンスデユーサは第２受信電極ピッチＰｒ２の範囲内での
み絶対測定が可能であり、このピッチＰｒ２を超えたと
ぎには絶対位置の判別が不能となるために、基本的に相
対測定に適する装置といえる。
前記第２受信電極２２には第２送信電＠２４が各電極毎
に結合電極２６にて電気的に導通されており、前記第２
送信電極２４は第１スケールに前記第１送信電極１２と
並列して配置された第１受信電極１４と容量結合してお
り、この結果、位相変換器３４から第１送信電極１２に
供給された信号は第２受信電極２２との間で容量結合し
、次に第２送信電極２４に電気的に導通された後に、再
び容量結合によって第１スケールの第１受信電極１４に
て電気的信号として検出される。
前記第１受信電極１４の出力は測定回路３２において電
気的な処理が施される。
［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、前述した第７図の細密分割トランスデユ
ーサーによれば、電極が著しく細密化されるために、こ
れを正確にスケール上に配置するためには極めて高精度
の加工技術が必要とされるという問題があった。
通常の場合、前記電極は絶縁基板上に蒸着等によって形
成されるが、高分解能の測長器を得るために前記細密分
割された電極に頼る場合、その加工は著しく困難となり
、また必然的に装置の価格上昇を招くという問題があっ
た。
本発明は上記従来の課題に鑑みなされたものであり、そ
の目的は、電極自体の機械的細密分割を必要とすること
なく、高分解能のトランスデユーサを提供を目的とする
。
［問題点を解決するための手段］ 上記目的を達成するために、本発明は、互いに相対移動
可能に配置された第１スケールと第２スケールの両者に
、それぞれ相対移動方向に沿って配列された電極群から
なり互いに容量結合する送信電極と受信電極のいずれか
一方を設け、前記送信電極には位相の異なる複数の交流
信号が供給される送信電極群を形成する。そして、本発
明において特徴的なことは、受信電極が前記送信電極群
の長さを所定の整数で分割した等間隔ピッチの複数の電
極からなり、これによって、受信電極ピッチの送信電極
群内の送信電極数分の１の＾精度のスケール分解能を達
成したことにある。
丈なわら、本発明によれば、従来のような単一の受信電
極ピッチに対してこれを整数分の１に分割する細密分割
とは異なり、送信電極及び受信電極のそれぞれ複数個の
群を異なる数ずつの群として対向配置させ、両電極数の
差をビート信号として取出し、これによって、電極自体
は加工の容易な大きなピッチを有して配置されるが、そ
の分解能自体は前記ビートによって極めて細かく設定で
きることを特徴とする。
第２図には前述した本発明の原理が示されている。
第２図において、第７図の従来における装置と同一部材
には同一符号を付して説明を省略する。
本発明において特徴的なことは、従来は第１送信電極が
第２受信電楊２２に対してそれぞれ複数に分割されてい
たのに対し、今回は、従来における送信波長ピッチＷｔ
ｌから１つずつ送信電極を抽出してその電極を大ぎく拡
大して配置したことを特徴とする。
すなわち、第２図から明らかなごとく、従来における第
１の送信波長ピッチＷｔ１すなわち８個の送信電極群か
らは第１の電極のみを取出してこれを符号１２−１で示
されるごとく拡大して第１の第１送信電極とし、他の電
極を除去した。
同様に、第１の送信電極ブロックからは２番目の電極１
２−２を取出し他を除去し、以下順次１２−３．１２−
４・−１２−８で示される第１送信電極を取出した。
従って、本発明によれば、送信波長ビッーチＷｔｌは従
来に対して８倍に拡大されたことが理解される。
従って、第２図の原理図から明らかなごとく、受信側に
お（、′Ｘでは受信電極は前記送信電極群の長さすなわ
ち送信波長ピッチＷｔ１を所定の整数、この場合には「
９」で分割した等間隔ピッチの複数の電極から形成され
ることが理解される。
従って、第２図において、第２受信電極ピッチＰｒ２は
１／９ｘＷｔｌとなることが理解される。
そして、この原理図から明らかなごとく、第２図のそれ
ぞれ取出した第１送信電極１２は９個の整列配置された
第２受信電極２２に対して第７図のそれぞれの受信電極
に対して細密配置された第１送信電極と同様の関係にあ
ることが理解される。
すなわち、第２図においても両スケールが相対移動すれ
ば、送信電極及び受信電極間の相対移動は第７図と全く
同様に考えることができ、ただ、第２図においては、受
信電極の９枚分にわたった長。
さて判断しなければならないという相違を有するのみで
ある。
しかしながら、このような相違は単に測長器の例えばノ
ギスにおいて副尺の横幅が従来より広がることのみを意
味し、実際上、０１尺の横幅は各送信電極の幅に対して
十分に大ぎいために、実際上装置の実用化に対して前記
特徴は何ら阻害要因となることはない。
［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図において、前述した第７図と同一部材には同一符
号を付して説明を省略する。
図において、第１スケールは符号１０、そして第２スケ
ールは符号２０にて示され、両者は互いに例えばノギス
の副尺と本尺に組込まれて近接して相対移動をする。
従って、第１スケール１０に設けられた第１送信電極１
２と第２スケール２０に設けられた第２受信電極２２と
の間には容量結合が行われることが理解される。
従って、前記第１送信電極１２に位相の異なる複数の交
流信号を発振器３０及び位相変換器３４から供給すれば
、この交流信号は電極１２．２２間の容邑値データを保
有したまま第２スケール２０側に伝達されることが理解
される。そして、この信号は更に結合電極２６によって
第２スケール２０の第２送信電極２４に電気的に導通さ
れ、再び第２送信電極２４と第１スケール１０側に設け
られた第１受信電極１４との容量結合によって第１スク
ー−ル１０側に戻され、測定回路３２によって所望の演
算処理が施される。
従って、本実施例によれば、８母測定用のトランスデユ
ーサを貫通する回路は単一の回路にて形成され、装置の
機械的誤差あるいは電気的な遅れ時間等の差による誤差
が生じる恐れがなく、例えば従来において２系列の送受
信回路を組合わせる場合に比較してその安定度が著しく
増加することが理解される。
本発明において特徴的なことは、前述したごとく、第１
送信電極１２と第２受信電極２２との電極配置であり、
本実施例において送信電極１２は８個の交流信号、すな
わち４５度位相の異なる信号をそれぞれ受入れるために
８個の電極にて１つの群を形成している。
従ってこの一群の長さが送信波長ピッチＷｔ１を形成し
、また各送信電極間のピッチは図においてＰｔｌにて示
されている。実施例において、受信電極は前記送信電極
群の長さすなわち送信波長ピッチＷｔ１を所定の整数で
分割した等°間隔ピッチの複数の電極２２からなり、実
施例においてこの分割数は「３」に設定されている。
本実施例において、前記送信波長ピッチＷｔ１を分割す
る整数を送信波長ピッチＷｔｌ内の送信電極１２の数よ
り小さくしたことは、本発明の本質的な事項ではないが
、実際上、スケールの全長にわたって伸びる第２スケー
ル２０の電極ピッチＰｒ２をできるだけ大きくし、第２
スケールの電極加工を容易にするためには有用である。
以上の結果、第２受信電極２２は送信波長ビッヂＷｔｌ
内でＮ、２，３Ｊの順に配列され、受信電極ピッチＰｒ
２は １／３Ｗｔｌ となる。
一方、このような第２受信電極２２の配置に対して、前
述した第１送信電極１２はそのピッチＰｔ１が ３／８　Ｐ　ｒ２ となり、その交流信号の供給順は測定回路３２における
処理を容易にするために図示のごとく定められる。
すなわら、受信電極ピッチＰｒ２を送信電極数、実施例
においては「８」分割したときに、各送信電極１２には
前記受信電極ピッチの分割位置に対応する交流信号が供
給され、実施例においては、左から順次ｒ１，４，７，
２，５，８，３，６Ｊなる順番で交流信号の供給が行わ
れる。このような供給順は本発明において必ずしも必須
ではないが、原理図で示した第２図と異なり、送信電極
数よりも受信電極数が少ない場合、その配置は両電極の
位相着順に図示のごとく配列することが俊の検出信号の
処理を容易にするために有用である。
第１図において、第１送信電極のピッチＰｔｌは３／８
Ｐｒ２ で示される。
以上のようにして、第１図の実施例から明らかなごとく
、本発明によれば、受信電極２２を送信電極波長ピッチ
Ｗｔ１の整数分の１に分割した等間隔ピッチで配置した
ので、受信電極ピッチＰｒ２の送信電極２２群内の送信
電極数すなわら１／８のスケール精度で位置検出を行う
ことが可能となる。
第３図には本発明の更に他の送受信電極の組合わせが示
されている。
第３図の実施例において、送信電極１２は第１図と同様
に８相の異なる交流信号を受入れ、その送信波長ピッチ
はＷｔｌで示され、また電極ピッチＰｔ１にて示されて
いる。そして、受信電極２２は、この実施例においては
、前記送信波長ピッチＷｔ１を「５」にて分割した構成
を有し、この結果、受信電極ピッチＰｒ２は １５Ｗｔｌ となる。
この実施例においても、送信電極１２の信号供給順序は
受信電極Ｐｒ２を送信信号数である８で分割した位置に
て定まり、図において、左から「１゜６．３，８．５，
２，７，４Ｊなる順次に設定される。
第３図の実施例において、送信電極ピッチＰｔ１は ５／８Ｐｒ２ に設定されている。
第４図は本発明の更に他の実施例を示し、この実施例に
おいては送信電極１２が非等間隔で配置されていること
を特徴とする。
すなわち、第４図の実施例において、６個の送信電極が
一群となって送信波長ピッチを定めているが、この一群
内での電極ピッチＰｔｌは一定でなく、３個ずつの更に
細かいサブブロックに別れている。
しかしながら、このような装置においても、受信電極２
２側を等間隔で整列配置すれば、本発明の権利を損うこ
となく良好な位置検出作用を行うことができる。
もちろん、このような非等間隔配置においても、交流信
号の供給類は前述したと同様に、受信電極ピッチＰｒ２
を送信電極数で分割した位置にて決定され、実施例によ
れば、Ｎ、３，５，４，６゜２」なる順序が設定される
。
本実施例によれば、図示のごとく、受信電極ピッチＰｒ
２は １／３Ｗｔｌ に選ばれている。
第５図には前述した本発明にかかるトランスデユーサに
接続される測長回路の一例が示され、またその各部波形
及びタイミングヂャードが第６図に示されている。
前述した本発明に係るトランスデユーサは符号１００に
て示されており、その第１送信電極には複数の位相の異
なる交流信号が供給されており、この交流信号は発振器
３０から得られ、この発振出力ｆＯは本発明においてさ
ほど高周波である必要はなく、例えば１００〜２００Ｋ
Ｈ２程度の比較的低い周波数とすることができる。
前記発振器３０の出力ｆＯはトランスデユーサ１００に
対しては更に分周器６０にて分周された信号として供給
されるが、変復調器に対する同期信号としても用いられ
ており、１ｌｆｉの分解能を定めるための一つの要因を
形成するが、前述したごとく、本発明においてはこの基
本周波数及び次に分周されて第１送信電極に供給される
交流信号の周波数が低いことから、回路構成を簡略化し
て安価な装置によって十分な分解能が得られるという効
果を有する。
前記分周器６０の出力は更に位相変換器３４にて所望の
８個のそれぞれ４５度の位相差を有する交流信号２００
−１〜２００−８に変換される。
従って、このような位相の異なる８個の交流信号は例え
ば前述した第１図の第１送信電極に供給されることが好
適である。− 前述した８個の交流信号は変ｖＡ器６２において、前記
発振器３０の出力ｆＯで変調され、この信号２００−１
〜２００−８がトランスゲ１−リ°１００の各第１送信
電極１２へ供給される。
トランスデユーサ１００は前述したごとく、前記供給さ
れた交流信号２０２を第１．第２スケールの相対移動位
置に対応した信号レベル変換を行った後に第１受信電極
から電気的な信号として出力し、この出力は差動アンプ
６４から信＠２０４として出力され、第６図のごとくそ
の包絡線が正弦波曲線を描く信号となることが理解され
る。
この差動アンプ６４の出力２０４は更に復調器６６によ
って復調され、その出力２０６は両スケールが基準位置
にいるときの基準信＠３００と比してφなる位相差を有
することが理解され、この位相差φを求めることによっ
て、両スケールの相対位置によって定まる絶対値を求め
ることができる。
なお、前記復調器６６の出力２０６は図示のごとく高周
波成分を含んでおり、実施例においては、この高周波成
分をフィルタ６８にて除去し高周波成分が除去された信
号２０８を得ている。
前記信号２０８は更に零クロス回路７０によって波形の
零クロス位置が検出されている。
実施例において、前記位相差φをデジタル演算するため
に、Ｖｔ置は、カウンタ７２を含み、そのリセット／ス
タート信号は、実施例において、変調器６２．復調器６
６のトリガ信号と制御ユニット８０により同期制御され
おり、装置の測定開始を基準信号のトリガとして用い、
この時点からカウンタ７２の計数動作が開始される。カ
ウンタ７２の計数タイミングは、発振器３０の出力周波
数ｆＯにて制御されている。
そして、力ｔクンタフ０の計数ス１〜ツブは前記零クロ
ス回路７０からの信号によって制御されており、第６図
の位相φ位置にて、前記零クロス回路７０はフィルタ６
８の出力２０８からストップ信号をカウンタ７２へ出力
し、前記カウンタ７２の計数動作がこの時点で終了する
。
従って、前記カウンタ７２の計数値は１〜ランスデユー
サによって基準信＠　３００がシフトされた位相差を示
すこととなり、前述したごとく、本発明によれば、この
位相差φは測定時における両スケール１０．２０の偏差
Ｄ（Ｘ）と対応し、前記カウンタ７２の出力は演算ユニ
ット７４によって絶対値への変換演算が行われる。
そして、制御ユニット８０にて制御された演算ユニツ１
−７４の出力は、表示ドライバ７６を介して表示器７８
に所望の表示信号を供給して、前記測定値を通常の場合
デジタル表示する。
本実施例において、前記表示器７８は、例えばノギスの
副尺表面に埋め込み固定した液晶表示器等からなり、こ
れによって、測長値を使用者が容易に読取ることができ
る。
［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、送信又は受信電
極の細密化を行うことなく高分解能の位置測定を可能と
し、特に安価で携帯可能な電池駆動される測長器に対し
て極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明に係る容Ｍ型位置測定ニーランスデュー
サの好適な第１実施例を示す概略斜視図、第２図は本発
明の原理を示す説明図、 第３図は本発明の伯の実施例を示す電極配置図、第４図
は本発明の更に他の実施例を示す電極配置図、 第５図は本発明に係る１〜ランスデユーサから得られた
検出信号を処理するための測定回路の一例を示す回路図
、 第６図は第５図の波形及びタイミングチャートを示ず説
明図、 第７図は従来にお（プる細密電極を用いたトランスデユ
ーサの説明図でおる。 １０　・・・　第１スケール １２　・・・　第１送信電極 １４　・・・　第１受信電極 ２０　・・・　第２スケール ２２　・・・　第２受信電極 ２４　・・・　第２送信電極 ２６　・・・　結合電極 ３０　・・・　発振器 ３２　・・・　測定回路 ３４　・・・　位相変換器 Ｗｔｌ　　・・・　送信波長ピッチ Ｐｔｌ　　・・・　送信電極ピッチ Ｐｒ２　　・・・　受信電極ピッチ。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）近接して互いに相対移動可能に配置された第１ス
    ケールと第２スケールとを有し、 両スケールにはそれぞれ相対移動方向に沿って配列され
    た電極群からなり互いに容量結合する送信電極と受信電
    極とのいずれか一方が設けられ、前記送信電極は位相の
    異なる複数の交流信号が供給される送信電極群を形成し
    、 前記受信電極は前記送信電極群の送信波長ピッチを所定
    の整数で分割した等間隔ピッチの複数の電極からなり、 前記受信電極ピッチの前記送信電極群内の送信電極数分
    の１のスケール精度を可能としたことを特徴とする容量
    型位置測定トランスデューサ。
  2. （２）特許請求の範囲（１）記載のトランスデューサに
    おいて、受信電極は前記送信電極群の送信電極ピッチを
    送信電極群内の送信電極数より少ない整数で分割した等
    間隔ピッチの複数の電極からなることを特徴とする容量
    型位置測定トランスデューサ。
  3. （３）特許請求の範囲（１）、（２）のいずれかに記載
    のトランスデューサにおいて、送信電極は非等間隔ピッ
    チを有することを特徴とする容量型位置測定トランスデ
    ューサ。
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