特許 6823483 変位検出器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6823483

(24)【登録日】2021年1月13日

(45)【発行日】2021年2月3日

(54)【発明の名称】変位検出器

(51)【国際特許分類】

   G01D 5/245 20060101AFI20210121BHJP

   G01D 5/244 20060101ALI20210121BHJP

【ＦＩ】

   G01D5/245 C

   G01D5/244 F

【請求項の数】10

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2017-17378(P2017-17378)

(22)【出願日】2017年2月2日

(65)【公開番号】特開2018-124193(P2018-124193A)

(43)【公開日】2018年8月9日

【審査請求日】2020年1月20日

(73)【特許権者】

【識別番号】000137694

【氏名又は名称】株式会社ミツトヨ

(74)【代理人】

【識別番号】100103894

【弁理士】

【氏名又は名称】家入 健

(72)【発明者】

【氏名】川床 修

(72)【発明者】

【氏名】松下 昌輝

【審査官】 清水 靖記

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０２−２６９９０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−３０９４１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−２４９８００（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−０３７２８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−１８５７９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−３２６４０９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−１０１７２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００８／０３００８０８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２０１７−０４０５６６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｄ ５／００ − ５／６２

Ｇ０１Ｂ ７／００ − ７／３４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

送信信号出力部が出力する送信信号を、検出ヘッドに設けられた送信電極からスケールに設けられた結合電極を介して、前記検出ヘッドに設けられた受信電極で受信し、受信信号に基づいて前記検出ヘッドと前記スケールとの間の変位量を検出する静電容量式の変位検出器であって、
前記送信信号出力部より出力される前記送信信号から位相が調整された信号を生成する位相調整部と、
前記位相調整部で位相が調整された信号の振幅を調整してクロストーク補正信号を生成する振幅調整部と、
前記クロストーク補正信号と前記受信信号とを合成した信号をサンプリングして復調する復調部と、を備える、
変位検出器。

【請求項2】

前記位相調整部は、予め設定された条件に基づいて前記送信信号の電圧を容量分圧により調整して合成することで、前記受信信号に含まれるクロストークに対して逆位相となる信号を生成し、
前記振幅調整部は、予め設定された条件に基づいて、前記位相調整部で生成された信号の振幅を前記クロストークの振幅に一致させることで、前記クロストーク補正信号を生成する、
請求項１に記載に記載の変位検出器。

【請求項3】

前記位相調整部は、一端が前記振幅調整部の入力と接続される複数の第１のコンデンサを備え、
複数の第１のコンデンサのうちで、他端に前記送信信号が入力されるものの数は、第１の制御信号により制御される、
請求項１又は２に記載の変位検出器。

【請求項4】

前記複数の第１のコンデンサは、互いに容量値が異なる、
請求項３に記載の変位検出器。

【請求項5】

前記振幅調整部は、複数の第２のコンデンサを備え、
前記複数の第２のコンデンサのうちで、前記復調部と前記振幅調整部との間に接続されるものの数が変更可能に構成される、
請求項１乃至４のいずれか一項に記載の変位検出器。

【請求項6】

前記位相調整部と前記複数の第２のコンデンサとの間、又は、前記復調部と前記複数の第２のコンデンサとの間に挿入され、第２の制御信号によって開閉される複数の第１のスイッチを備え、
前記複数の第１のスイッチのうちで閉じられるものの数は、前記第２の制御信号によって制御される、
請求項５に記載の変位検出器。

【請求項7】

前記復調部は、サンプリング信号に応じて前記受信信号と前記クロストーク補正信号とを合成した信号で充電された信号検出コンデンサの電圧をサンプリングし、ディスチャージ信号に応じて前記信号検出コンデンサに充電された電荷を放電する、
請求項６に記載の変位検出器。

【請求項8】

前記複数の第２のコンデンサの前記復調部側のそれぞれの端部とグランドとの間に接続される複数の第２のスイッチを備え、
前記第２のスイッチが前記ディスチャージ信号に応じて一斉に開放され、又は、前記第２のスイッチのうちで閉じられるものの数が前記第２の制御信号に基づいて変更可能に構成される、
請求項７に記載の変位検出器。

【請求項9】

一方の入力に前記第２の制御信号が入力され、他方の入力に前記サンプリング信号が入力され、出力信号によって前記複数の第１のスイッチのそれぞれの開閉が制御される、複数の第２のＡＮＤ回路と、
一方の入力に前記ディスチャージ信号が入力され、他方の入力に前記第２の制御信号の反転信号が入力され、出力信号によって前記第２のスイッチの開閉が制御される、複数のＯＲ回路と、を備える、
請求項８に記載の変位検出器。

【請求項10】

前記振幅調整部は、
一端が前記位相調整部の出力と接続され、第３の制御信号によって開閉される複数の第２のスイッチと、
一端が前記複数の第３のスイッチのそれぞれの他端と接続され、他端がグランドと接続される複数の第３のコンデンサと、を備え、
前記複数の第３のスイッチのうちで閉じられるものの数が前記第３の制御信号により制御される、
請求項１乃至４のいずれか一項に記載の変位検出器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、変位検出器に関する。

【背景技術】

【0002】

現在、移動量を測定する装置の一つとして、変位検出器（エンコーダ）が広く用いられている。変位検出器では、静電容量式、光学式など、種々の検出方式が用いられる。例えば、変位検出器の一例であるリニアエンコーダでは、スケールと、スケールに沿って移動する検出ヘッドとが設けられ、スケールとヘッドとの間の移動量が検出される。

【0003】

一般的な静電容量式の変位検出器では、変位検出のときに、望まれない送信信号が受信信号に入り込むクロストークが生じることが知られている。これにより、変位検出の精度が悪化してしまう。これに対し、クロストークを補正する手法が提案されている（特許文献１）。この手法では、不要経路の容量を介した信号に対して、逆位相を有する信号の振幅を調整し、補正用の信号として受信電極に入力することで受信電極でのクロストークを相殺している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開平２−２６９９０８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ところが、特許文献１では、インバータにより、送信電極に入力される信号に対して逆位相を有する補正用の信号を生成している。しかし、クロストークを高精度に補正するには、補正用の信号の位相を精細に調整することが必要である。よって、相殺用容量の容量値をより細やかに調整するためには、相殺用容量の並列数が増大することとなる。すなわち、補正用の信号の位相調整機能を向上させるためには、回路規模の増大が避けられない。

【0006】

本発明は、上記の事情に鑑みて成されたものであり、本発明の目的は、静電容量式の変位検出器のクロストークを簡易な構成により抑制ないしは除去することである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の第１の態様である変位検出器は、
送信信号出力部が出力する送信信号を、検出ヘッドに設けられた送信電極からスケールに設けられた結合電極を介して、前記検出ヘッドに設けられた受信電極で受信し、受信信号に基づいて前記検出ヘッドと前記スケールとの間の変位量を検出する静電容量式の変位検出器であって、
前記送信信号出力部より出力される前記送信信号から位相が調整された信号を生成する位相調整部と、
前記位相調整部で位相が調整された信号の振幅を調整してクロストーク補正信号を生成する振幅調整部と、
前記クロストーク補正信号と前記受信信号とを合成した信号をサンプリングして復調する復調部と、を有するものである。

【0008】

本発明の第２の態様である変位検出器は、上記の変位検出器であって、
前記位相調整部は、予め設定された条件に基づいて前記送信信号の電圧を容量分圧により調整して合成することで、前記受信信号に含まれるクロストークに対して逆位相となる信号を生成し、
前記振幅調整部は、予め設定された条件に基づいて、前記位相調整部で生成された信号の振幅を前記クロストークの振幅に一致させることで、前記クロストーク補正信号を生成する、ことが望ましい。

【0009】

本発明の第３の態様である変位検出器は、上記の変位検出器であって、
前記位相調整部は、一端が前記振幅調整部の入力と接続される複数の第１のコンデンサを備え、
複数の第１のコンデンサのうちで、他端に前記送信信号が入力されるものの数は、第１の制御信号により制御されることが望ましい。

【0010】

本発明の第４の態様である変位検出器は、上記の変位検出器であって、
前記複数の第１のコンデンサは、互いに容量値が異なる、ことが望ましい。

【0011】

本発明の第５の態様である変位検出器は、上記の変位検出器であって、
前記振幅調整部は、複数の第２のコンデンサを有し、
前記複数の第２のコンデンサのうちで、前記復調部と前記振幅調整部との間に接続されるものの個数が変更可能に構成される、ことが望ましい。

【0012】

本発明の第６の態様である変位検出器は、上記の変位検出器であって、
前記位相調整部と前記複数の第２のコンデンサとの間、又は、前記復調部と前記複数の第２のコンデンサとの間に挿入され、第２の制御信号によって開閉される複数の第１のスイッチを有し、
前記複数の第１のスイッチのうちで閉じられるものの数は、前記第２の制御信号によって制御される、ことが望ましい。

【0013】

本発明の第７の態様である変位検出器は、上記の変位検出器であって、
前記復調部は、サンプリング信号に応じて前記受信信号と前記クロストーク補正信号とを合成した信号で充電された信号検出コンデンサの電圧をサンプリングし、ディスチャージ信号に応じて前記信号検出コンデンサに充電された電荷を放電する、ことが望ましい。

【0014】

本発明の第８の態様である変位検出器は、上記の変位検出器であって、
前記第２のコンデンサの前記復調部側のそれぞれの端部とグランドとの間に接続される複数の第２のスイッチを有し、
前記複数の第２のスイッチが前記ディスチャージ信号に応じて一斉に開放され、又は、前記第２のスイッチのうちで閉じられるものの数が前記第２の制御信号に基づいて変更可能に構成される、ことが望ましい。

【0015】

本発明の第９の態様である変位検出器は、上記の変位検出器であって、
一方の入力に前記第２の制御信号が入力され、他方の入力に前記サンプリング信号が入力され、出力信号によって前記第１のスイッチの開閉が制御される、複数の第２のＡＮＤ回路と、
一方の入力に前記ディスチャージ信号が入力され、他方の入力に前記第２の制御信号の反転信号が入力され、出力信号によって前記複数の第１のスイッチのそれぞれの開閉が制御される、複数のＯＲ回路と、を有する、ことが望ましい。

【0016】

本発明の第１０の態様である変位検出器は、上記の変位検出器であって、
前記振幅調整部は、
一端が前記位相調整部の出力と接続され、第３の制御信号によって開閉される複数の第２のスイッチと、
一端が前記複数の第３のスイッチのそれぞれの他端と接続され、他端がグランドと接続される複数の第３のコンデンサと、を有し、
前記複数の第３のスイッチのうちで閉じられるものの数が前記第３の制御信号により制御される、ことが望ましい。

【発明の効果】

【0017】

本発明によれば、静電容量式の変位検出器のクロストークを簡易な構成により抑制ないしは除去することができる。

【0018】

本発明の上述及び他の目的、特徴、及び長所は以下の詳細な説明及び付随する図面からより完全に理解されるだろう。付随する図面は図解のためだけに示されたものであり、本発明を制限するためのものではない。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】実施の形態１にかかる変位検出器の構成を模式的に示す図である。

【図2】スケール及び検出ヘッドの電極配置を示す図である。

【図3】検出ヘッドの電極配置を示す図である。

【図4】クロストークと受信信号との関係をベクトル表示した図である。

【図5】クロストーク及び受信信号の波形を示す図である。

【図6】実施の形態１にかかる変位検出器の信号処理部の構成を模式的に示す図である。

【図7】位相調整用可変容量部の構成の一例を示す図である。

【図8】振幅調整用可変容量部及びサンプリング回路の構成を模式的に示す図である。

【図9】信号処理回路の動作例を表したタイミングチャートである。

【図10】実施の形態１にかかる信号処理部でのクロストーク、クロストーク補正信号及び受信信号との関係をベクトル表示した図である。

【図11】実施の形態１にかかる信号処理部でのクロストーク、クロストーク補正信号及び受信信号の波形を示す図である。

【図12】実施の形態２にかかる振幅調整用可変容量部の構成を模式的に示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。各図面においては、同一要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略される。

【0021】

実施の形態１
実施の形態１にかかる変位検出器１００について説明する。図１に、実施の形態１にかかる変位検出器１００の構成を模式的に示す。変位検出器１００は、スケール１、検出ヘッド２、信号処理部３、送信信号出力部４を有する。スケール１と検出ヘッド２とは、変位の測定方向に相対的に移動可能に構成される。以下では、測定方向をＸ方向として説明する。スケール１及び検出ヘッド２は、Ｘ方向と、Ｘ方向に垂直な方向と、に平行なＸ−Ｙ平面を主面とし、かつ、スケール１と検出ヘッド２とは、Ｘ方向及びＹ方向に垂直なＺ方向に離隔して配置される。

【0022】

図２に、スケール１及び検出ヘッド２の電極配置を示す。スケール１は、Ｘ−Ｙ平面を主面とし、Ｘ方向を長手方向とする板状部材１Ａを有する。板状部材１Ａの上には、Ｘ方向に配列された結合電極とアース電極とが設けられる。この例では、結合電極ＥＣとアース電極ＥＥとがＸ方向に沿って、周期Ｐで交互に配列されている。結合電極ＥＣとアース電極ＥＥとは電気的に絶縁されており、かつ、アース電極は接地されている。

【0023】

検出ヘッド２は、Ｘ−Ｙ平面を主面とする板状部材２Ａを有する。板状部材２Ａ上には、送信電極ＥＴ及び受信電極ＥＲが設けられる。送信電極ＥＴ及び受信電極ＥＲは、スケール１の結合電極ＥＣ及びアース電極ＥＥと対向するように設けられている。すなわち、図２においては、スケール１の結合電極ＥＣ及びアース電極ＥＥは、板状部材１ＡのＺ（＋）方向を向いている面に設けられ、検出ヘッド２の送信電極ＥＴ及び受信電極ＥＲは、板状部材２ＡのＺ（−）方向を向いている面に設けられる。なお、図２では、板状部材２ＡのＺ（−）方向を向いている面に設けられた送信電極ＥＴ及び受信電極ＥＲを、破線で表示している。

【0024】

図３に、検出ヘッドの電極配置を示す。送信電極ＥＴは、Ｘ方向に複数個配列されている。この例では、４相信号を送信するため、４枚の送信電極ＥＴ１〜ＥＴ４が１つの組となっており、この組が周期Ｐで繰り返し配列されている。このとき、送信電極ＥＴ１〜ＥＴ４のそれぞれは、Ｐ／４ピッチで順に配列されることとなる。

【0025】

送信電極ＥＴ１〜ＥＴ４には、送信信号出力部４から、それぞれ位相が異なる信号が送信信号として入力される。ここでは、送信電極ＥＴ１〜ＥＴ４のそれぞれには、位相が９０°ずつ異なる４相信号である、送信信号ＴＡ（０°）、ＴＢ（９０°）、ＴＣ（１８０°）、ＴＤ（２７０°）が入力される。

【0026】

受信電極ＥＲは、板状部材２Ａ上の送信電極ＥＴ１〜ＥＴ４からＹ方向に離隔した位置に、Ｘ方向を長手方向とする電極として設けられる。この例では、受信電極ＥＲのＸ方向、すなわち測定方向の長さを２Ｐとしている。

【0027】

送信電極ＥＴ１〜ＥＴ４に送信信号ＴＡ〜ＴＤが入力されると、受信電極ＥＲには、結合電極ＥＣを介して、送信信号ＴＡ〜ＴＤに対応する電圧が誘起される。この状態で、スケール１が検出ヘッド２に対してＸ方向に相対的に変位すると、送信電極ＥＴ１〜ＥＴ４と受信電極ＥＲとの間の静電容量が繰り返して変化し、変位量に応じた位相の信号が受信電極ＥＲで受信されることとなる。この誘起された電圧が、受信信号ＲＳとして信号処理部３に出力される。その後、受信信号ＲＳを処理して位相成分を取り出すことで、スケール１と検出ヘッド２との間の変位量を検出することができる。

【0028】

信号処理部３は、受信信号ＲＳを所定の周波数でサンプリングし、受信信号の振幅を示すロジック信号を生成する。そして、このロジック信号の位相を検出することで、スケール１と検出ヘッド２との間の変位を検出することができる。

【0029】

上記の通り、送信信号ＴＡ〜ＴＤの伝達経路は、送信電極ＥＴ１〜ＥＴ４から結合電極ＥＣを経て受信電極ＥＲに至る経路である。しかし、本構成では、図３に破線で示すように、送信電極ＥＴ１〜ＥＴ４と受信電極ＥＲとの間の結合容量ＣＣに起因する、望ましくない伝達経路を介したクロストークＣＴＫが生じる。よって、受信信号ＲＳにはクロストークが混在しているため、信号処理部３での受信信号ＲＳのサンプリングは、クロストークの影響を受けてしまう。

【0030】

図４にクロストークと受信信号との関係をベクトル表示し、図５にクロストーク及び受信信号の波形を示す。図４では、横軸の正方向が送信信号ＴＡ（０°）の振幅、縦軸の正方向が送信信号ＴＢ（９０°）の振幅、横軸の負方向が送信信号ＴＣ（１８０°）の振幅、縦軸の負方向が送信信号ＴＤ（２７０°）の振幅を示す。

【0031】

例えば、検出ヘッド２に対するスケール１の位置を示す位相がθである場合、クロストークＣＴＫによる歪みが混入した信号ＯＳ２が、受信信号ＲＳとして出力されてしまう。これに対し、本来受信すべき、クロストークＣＴＫによる歪みがない受信信号は、信号ＯＳ２からクロストークＣＴＫを除去した信号ＯＳ１である。

【0032】

そのため、本実施の形態にかかる変位検出器１００の信号処理部３は、受信信号ＲＳのクロストークを抑制、望ましくはクロストークが除去された後の信号をサンプリングするように構成される。

【0033】

以下、信号処理部３について詳細に説明する。図６に、実施の形態１にかかる変位検出器１００の信号処理部３の構成を模式的に示す。信号処理部３は、位相調整部として位相調整用可変容量部３１〜３４、振幅調整部として振幅調整用可変容量部３５及び復調部として復調回路３６を有する。

【0034】

位相調整用可変容量部３１〜３４には、送信信号出力部４から送信信号ＴＡ〜ＴＤがそれぞれ入力される。位相調整用可変容量部３１〜３４のそれぞれは、与えられる制御信号ＣＯＮ１〜ＣＯＮ４に応じて容量が調整可能である。以下では、制御信号ＣＯＮ１〜ＣＯＮ４を第１の制御信号とも称する。これにより、位相調整用可変容量部３１〜３４のそれぞれは、送信信号ＴＡ〜ＴＤの電圧を容量分圧により調整し、調整後の信号を合成して、受信信号ＲＳに含まれるクロストーク成分と逆位相の信号ＳＩＧ１を生成し、振幅調整用可変容量部３５へ出力する。

【0035】

位相調整用可変容量部３１〜３４について具体的に説明する。位相調整用可変容量部３１〜３４は、それぞれ同じ構成を有してもよい。ここでは、代表として位相調整用可変容量部３１の構成の一例について説明する。図７に、位相調整用可変容量部３１の構成の一例を示す。位相調整用可変容量部３１は、第１のコンデンサ（コンデンサＣ１〜Ｃ４）及び第１のＡＮＤ回路（ＡＮＤ回路４１〜４４）を有する。コンデンサＣ１〜Ｃ４は、互いに容量値が異なるコンデンサである。

【0036】

ＡＮＤ回路４１〜４４の入力の一方には、送信信号、この例では送信信号ＴＡが入力される。ＡＮＤ回路４１〜４４の入力の他方には、それぞれ制御信号が入力される。ここではＡＮＤ回路４１〜４４のそれぞれに、制御信号ＣＯＮ１１〜ＣＯＮ１４が入力される。換言すれば、ＡＮＤ回路４１〜４４は、それぞれ制御信号ＣＯＮ１１〜ＣＯＮ１４によって活性化、非活性化が制御される。なお、制御信号ＣＯＮ１１〜ＣＯＮ１４は、簡略化のため、図２では制御信号ＣＯＮ１と表記している。ＡＮＤ回路４１〜４４の出力は、それぞれコンデンサＣ１〜Ｃ４と接続される。上述の通り、コンデンサＣ１〜Ｃ４の容量値は相互に異なるので、位相調整用可変容量部３１の出力値、すなわち送信信号ＴＡの電圧を容量分圧により１６段階（４ビット）に切り替えることができる。

【0037】

位相調整用可変容量部３２〜３４についても、位相調整用可変容量部３１と同様であるので、説明を省略する。

【0038】

位相調整用可変容量部３１〜３４で容量分圧により電圧が調整された送信信号ＴＡ〜ＴＤは合成され、位相が調整された信号ＳＩＧ１が出力される。

【0039】

振幅調整用可変容量部３５は、位相調整用可変容量部３１〜３４からの信号ＳＩＧ１の振幅を調整した信号を、クロストーク補正信号ＣＯＲとして出力する。図８に、振幅調整用可変容量部３５及びサンプリング回路３７の構成を模式的に示す。

【0040】

振幅調整用可変容量部３５は、減衰用コンデンサＣ_ＡＴＴ、コンデンサＣＴ１〜ＣＴ４、ＡＮＤ回路５１〜５４、ＯＲ回路６１〜６４、インバータ７１〜７４及びスイッチＳ１〜Ｓ８を有する。コンデンサＣＴ１〜ＣＴ４は、互いに容量が異なるコンデンサである。以下では、コンデンサＣＴ１〜ＣＴ４を第２のコンデンサとも称する。ＡＮＤ回路５１〜５４を第２のＡＮＤ回路とも称する。スイッチＳ１〜Ｓ４を第１のスイッチとも称し、スイッチＳ５〜Ｓ８を第２のスイッチとも称する。

【0041】

ＡＮＤ回路５１〜５４の入力の一方には、サンプリング信号ＳＭＰが入力される。ＡＮＤ回路５１〜５４の入力の他方には、それぞれ制御信号ＣＴＬ１〜ＣＴＬ４が入力される。以下では、制御信号ＣＴＬ１〜ＣＴＬ４を第２の制御信号とも称する。ＯＲ回路６１〜６４の入力の一方には、ディスチャージ信号ＤＩＳが入力される。インバータ７１〜７４の入力には、それぞれ制御信号ＣＴＬ１〜ＣＴＬ４が入力される。インバータ７１〜７４の出力は、それぞれＯＲ回路６１〜６４の他方の入力と接続される。

【0042】

減衰用コンデンサＣ_ＡＴＴの一端は、信号ＳＩＧ１の入力、すなわち位相調整用可変容量部３１〜３４とコンデンサＣＴ１〜ＣＴ４の一端との間のノードと、グランドとの間に接続される。これにより、コンデンサＣＴ１〜ＣＴ４には、減衰用コンデンサＣ_ＡＴＴで減衰した信号ＳＩＧ１が入力される。スイッチＳ１〜Ｓ４は、コンデンサＣＴ１〜ＣＴ４の他端と復調回路３６との間に挿入される。スイッチＳ１〜Ｓ４は、それぞれＡＮＤ回路５１〜５４からの出力信号に応じて開閉する。スイッチＳ５〜Ｓ６は、コンデンサＣＴ１〜ＣＴ４の他端、すなわちスイッチＳ１〜Ｓ４が接続されている側の端部とグランドとの間に挿入される。スイッチＳ５〜Ｓ８は、それぞれＯＲ回路６１〜６４からの出力信号に応じて開閉する。

【0043】

復調回路３６は、受信信号ＲＳを復調し、復調信号ＤＭを出力する回路として構成される。復調回路３６は、サンプリング回路３７を含む回路として構成される。サンプリング回路３７は、サンプリング信号ＳＭＰに応じて、受信信号ＲＳにクロストーク補正信号ＣＯＲを合成した信号をサンプリングする回路として構成される。以下、サンプリング回路３７の構成の一例について説明する。

【0044】

なお、この例では、受信信号ＲＳは、電圧ＶＩＮが印加された回路３８から出力されるものとして説明する。回路３８は、送信信号を受信した受信電極ＥＲを示す等価回路であり、電圧ＶＩＮは、送信電極ＥＴに入力される電圧である。この回路３８は、電圧ＶＩＮが印加される端子と出力端子との間にコンデンサＣ５が挿入され、コンデンサＣ５と出力端子との間のノードとグランドとの間には、コンデンサＣ６が挿入される回路として表される。

【0045】

サンプリング回路３７は、信号検出コンデンサＣＳ１、スイッチＳ９及びＳ１０及び増幅器ＡＭＰを有する。スイッチＳ９の一端には受信信号ＲＳが入力され、他端は増幅器ＡＭＰの非反転入力と接続される。スイッチＳ９は、サンプリング信号ＳＭＰに応じて開閉する。スイッチＳ１０は、スイッチＳ９の受信信号ＲＳの入力側端とグランドとの間に接続される。スイッチＳ１０は、ディスチャージ信号ＤＩＳに応じて開閉する。

【0046】

増幅器ＡＭＰの非反転入力とスイッチＳ９との間のノードＮ１には、振幅調整用可変容量部３５からのクロストーク補正信号ＣＯＲが入力される。また、ノードＮ１とグランドとの間には、信号検出コンデンサＣＳ１が挿入される。増幅器ＡＭＰの反転入力は、増幅器ＡＭＰの出力と接続される。換言すれば、増幅器ＡＭＰはボルテージフォロワ接続されている。増幅器ＡＭＰの出力端子からは、サンプリング結果を示す信号ＯＵＴが出力される。図示しないが、信号ＯＵＴは復調され、復調された信号が復調信号ＤＭとして出力される。

【0047】

例えば、サンプリング信号がＨＩＧＨのときには、振幅調整用可変容量部３５では、制御信号ＣＴＬ１〜ＣＴＬ４に応じて閉じられたスイッチの数に応じて、振幅調整用可変容量部３５の容量値が決定される。また、サンプリング回路３７では、サンプリング信号ＳＭＰに応じて、信号検出コンデンサＣＳ１が受信信号ＲＳとクロストーク補正信号とを合成した信号によって充電され、その充電電圧がサンプリングされる。ディスチャージ信号ＤＩＳがＨＩＧＨのときには、振幅調整用可変容量部３５のコンデンサＣＴ１〜ＣＴ４が一斉に短絡され、かつ、サンプリング回路３７の信号検出コンデンサＣＳ１に充電された電荷が放電される。

【0048】

図９は、信号処理部３の動作例を表したタイミングチャートを示す。図９では、電圧ＶＩＮがＨＩＧＨに遷移した時の電圧値をＶ１としている。例えば、電圧ＶＩＮがＨＩＧＨに遷移するよりも前の時点において、ディスチャージ信号ＤＩＳがＬＯＷからＨＩＧＨに遷移して、スイッチＳ１０が開き（図９のタイミングＴ１）、サンプリング信号ＳＭＰがＬＯＷからＨＩＧＨに遷移してスイッチＳ９が開き（図９のタイミングＴ２）、信号検出コンデンサＣＳ１に充電された電荷が放電される。次いで、ディスチャージ信号ＤＩＳがＨＩＧＨからＬＯＷに遷移してスイッチＳ１０が閉じ（図９のタイミングＴ３）、信号検出コンデンサＣＳ１の充電が可能な状態になる。その後、電圧ＶＩＮがＬＯＷからＶ１に遷移すると、ノードＮ１の電圧がＬＯＷからＶ２に遷移する（図９のタイミングＴ４）。このときの電圧Ｖ２の値は、以下の式で表される。

Ｖ２＝Ｃ５／（Ｃ５＋Ｃ６＋ＣＳ１）×Ｖ１

その後、サンプリング信号ＳＭＰがＨＩＧＨからＬＯＷに遷移してスイッチＳ１０が閉じる（図９のタイミングＴ５）ことで、ノードＮ１の電圧値Ｖ２がサンプリングされ、サンプリング結果を示す信号ＯＵＴとして出力される。

【0049】

次いで、信号処理部３によるクロストークの補正について説明する。図１０に実施の形態１にかかる信号処理部３でのクロストーク、クロストーク補正信号及び受信信号との関係をベクトル表示し、図１１に実施の形態１にかかる信号処理部３でのクロストーク、クロストーク補正信号及び受信信号の波形を示す。図１０では、図４と同様に、横軸の正方向が送信信号ＴＡ（０°）の振幅、縦軸の正方向が送信信号ＴＢ（９０°）の振幅、横軸の負方向が送信信号ＴＣ（１８０°）の振幅、縦軸の負方向が送信信号ＴＤ（２７０°）の振幅を示す。

【0050】

この例では、図４の場合と同様に、クロストークＣＴＫの影響により、信号ＯＳ１の位相及び振幅が影響を受けて歪みが生じる。このため、図４の場合と同様に、歪みの影響で信号ＯＳ２が受信信号ＲＳとして出力されてしまう。しかし、本構成では、位相調整用可変容量部３１〜３４及び振幅調整用可変容量部３５によって、クロストークＣＴＫに対して逆位相かつ同振幅のクロストーク補正信号ＣＯＲが生成される。そして、サンプリング回路３７は、受信信号ＲＳとクロストーク補正信号ＣＯＲとが合成された信号をサンプリングする。よって、図１０に示すように、クロストークＣＴＫは、クロストークＣＴＫと逆位相かつ同振幅のクロストーク補正信号ＣＯＲによってキャンセルされる。これにより、図１０及び図１１に示すように、クロストークの影響を受けていない信号ＯＳ１がサンプリングされる。

【0051】

以上、本構成によれば、静電容量式の変位検出器のクロストークを抑制ないしは除去することができる変位検出器を実現することが可能となる。

【0052】

本実施の形態にかかる変位検出器１００では、位相調整用可変容量部３１〜３４における位相の調整量と、振幅調整用可変容量部３５における振幅調整量とは、予め決定されている。例えば、スケールを外した検出ヘッドのみで、サンプリング回路３７でサンプリングされた信号の振幅をモニタして、振幅が最小となるように位相調整用可変容量部３１〜３４及び振幅調整用可変容量部３５での容量値を調整、すなわちキャリブレーションすればよい。これにより、調整後の変位測定の際に、安定してクロストークを補正することが可能となる。

【0053】

また、本構成では、送信信号の位相調整は位相調整用可変容量部３１〜３４が担い、送信信号の振幅調整は振幅調整用可変容量部３５が担っている。換言すれば、送信信号の位相調整と、送信信号の振幅調整とは、分離されて行われている。これは、特許文献１で開示されるような手法と比べて、回路規模の縮小を実現できる点で有利である。以下、その理由について説明する。

【0054】

特許文献１では、送信電極に入力される各交流電圧の振幅を、容量値が異なる４つのコンデンサを用いて１６段階（４ビット）に変化させている。この場合、相殺用容量の容量比、すなわち最大の容量値を最小の容量値で除した値は１６となる。このような構成にて、実施の形態１にかかる変位検出器１００と同様に２５６段階（８ビット）に変化するクロストーク補正信号を生成しようとすれば、４ビットのときと比べて１６倍もの容量比を実現しなければならない。そのため、コンデンサの専有面積が大幅に増加し、回路規模の増大を招いてしまう。

【0055】

これに対し、実施の形態１にかかる変位検出器１００では、送信信号の位相調整を４ビット、送信信号の振幅調整を４ビットで、分離して行っているため、容量比の合計は１６＋１６＝３２となる。つまり、本構成では、コンデンサの専有面積が特許文献１に対して１／８とすることができるので、回路面積の縮小及びこれによる低コスト化の点で有利であることが理解できる。

【0056】

以上、本構成によれば、低コストで実現可能な簡易な構成でクロストーク補正信号の位相及び振幅を精細に調整することで、クロストークを高精度に除去することができる。

【0057】

実施の形態２
次いで、実施の形態２にかかる変位検出器について説明する。本実施の形態にかかる変位検出器は、実施の形態１にかかる変位検出器１００と比較して、信号処理部の振幅調整用可変容量部の構成が異なる。以下、実施の形態２にかかる振幅調整用可変容量部３９について説明する。

【0058】

図１２に、実施の形態２にかかる振幅調整用可変容量部３９の構成を模式的に示す。振幅調整用可変容量部３９は、コンデンサＣ１１〜Ｃ１４及びスイッチＳ１１〜Ｓ１４により構成される。この例では、コンデンサＣ１１〜Ｃ１４の容量値は、相互に異なる。スイッチＳ１１〜Ｓ１４の一端には、位相調整用可変容量部３１〜３４からの信号ＳＩＧ１が入力される。スイッチＳ１１〜Ｓ１４のそれぞれの他端とグランドとの間には、コンデンサＣ１１〜Ｃ１４が挿入される。スイッチＳ１１〜Ｓ１４の開閉は、それぞれ制御信号ＣＴＬ１〜ＣＴＬ４により制御される。以下では、コンデンサＣ１１〜Ｃ１４を第３のコンデンサとも称する。スイッチＳ１１〜Ｓ１４は第３のスイッチとも称する。実施の形態２における制御信号ＣＴＬ１〜ＣＴＬ４を第３の制御信号とも称する。

【0059】

本構成によれば、スイッチＳ１１〜Ｓ１４の開閉を制御することで、信号ＳＩＧ１を減衰させるコンデンサの容量値を１６段階に変化させることが可能となる。これにより、信号ＳＩＧ１を減衰させた信号を、クロストーク補正信号ＣＯＲとして復調回路３６に供給することができる。

【0060】

以上、本構成によれば、実施の形態１と同様に、静電容量式の変位検出器のクロストークを抑制ないしは除去することができる変位検出器を実現することが可能となる。

【0061】

なお、振幅調整用可変容量部３９においては、コンデンサＣ１１〜Ｃ１４の一部を、実施の形態１にかかる復調回路３６の減衰用コンデンサＣ_ＡＴＴとして用いてもよい。また、コンデンサＣ１１〜Ｃ１４とは別に、減衰用コンデンサＣ_ＡＴＴを設けてもよい。

【0062】

その他の実施の形態
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、位相調整用可変容量部３１〜３４は同様の構成を有するものとして説明したが、位相調整用可変容量部３１〜３４の全部又は一部は、互いに異なる構成を有していてもよい。

【0063】

例えば、位相調整用可変容量部３１〜３４は、図７を参照して説明した構成に限定されるものではなく、送信信号の位相を調整できる他の構成を適宜用いてもよい。例えば、上述では、送信信号の位相を１６段階に変化させる例について説明したが、ＡＮＤ回路の数とコンデンサの数とを適宜変更し、送信信号の位相を１６段階以外の多段階に調整する構成としてもよい。また、送信信号の位相を段階的にではなく、連続的に変化させる構成としてもよい。

【0064】

例えば、振幅調整用可変容量部３５及び振幅調整用可変容量部３９は、上記で説明した構成に限定されるものではなく、信号の振幅を調整できる他の構成を適宜用いてもよい。例えば、上述では、信号の振幅を１６段階に変化させる例について説明したが、ＡＮＤ回路の数、ＯＲ回路の数、スイッチの数、又はコンデンサの数を適宜変更し、信号に振幅を１６段階以外の多段階に調整する構成としてもよい。また、信号の振幅を段階的にではなく、連続的に変化させる構成としてもよい。

【符号の説明】

【0065】

１ スケール
１Ａ 板状部材
２ 検出ヘッド
２Ａ 板状部材
３ 信号処理部
４ 送信信号出力部
３１〜３４ 位相調整用可変容量部
３５、３９ 振幅調整用可変容量部
３６ 復調回路
３７ サンプリング回路
３８ 回路
４１〜４４、５１〜５４ ＡＮＤ回路
６１〜６４ ＯＲ回路
７１〜７４ インバータ
１００ 変位検出器
ＡＭＰ 増幅器
ＣＣ 結合容量
ＣＳ１、Ｃ１〜Ｃ６、Ｃ１１〜Ｃ１４、ＣＴ１〜ＣＴ４ コンデンサ
Ｃ_ＡＴＴ 減衰用コンデンサ
ＣＯＮ１〜ＣＯＮ４、ＣＯＮ１１〜ＣＯＮ１４、ＣＴＬ１〜ＣＴＬ４ 制御信号
ＣＯＲ クロストーク補正信号
ＣＴＫ クロストーク
ＤＩＳ ディスチャージ信号
ＤＭ 復調信号
ＥＣ 結合電極
ＥＥ アース電極
ＥＲ 受信電極
ＥＴ１〜ＥＴ４ 送信電極
ＲＳ 受信信号
Ｓ１〜Ｓ１４ スイッチ
ＳＭＰ サンプリング信号
ＴＡ〜ＴＤ 送信信号

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】