JP4088073B2

JP4088073B2 - 絶対位置測定装置

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Publication number: JP4088073B2
Application number: JP2002004799A
Authority: JP
Inventors: 康二佐々木
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
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Filing date: 2002-01-11
Publication date: 2008-05-21
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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、絶対位置測定装置に関する。例えば、マイクロメータヘッド、マイクロメータ、ホールテスト等において、スピンドルの位置をアブソリュート型で測定する絶対位置測定装置に関する。
【０００２】
【背景技術】
長さ、大きさまたは角度等を測定する小型測定器、例えばマイクロメータやマイクロメータヘッド等においては、固定部材に対する可動部材の相対移動量に関する情報を検出することによって、被測定対象の測定が行われる。
この固定部材に対する可動部材の相対移動量を測定する方法としては、本出願人が、特公平３−７９６４７において開示したインクリメンタル型と、アブソリュート型とがある。
【０００３】
前者は、固定部材と、固定部材に対して移動自在に設けられた可動部材と、可動部材の移動に応じて発信される周期信号の位相を検出する静電容量式センサとを備えて構成されている。このような構成において、可動部材が移動されると、変位センサによって、図１０に示されるように可動部材（スピンドル）の移動量に対して周期的に変化する位相信号が検出される。この位相信号の変化量を計数すると、可動部材の移動量と位相の周期の関係から可動部材の移動量が算出される。
【０００４】
後者は、可動部材の移動量に応じて発信される周期の異なる複数の位相信号を検出するものである。このような構成において、可動部材が移動されると、異なる周期の二以上の位相信号が検出され、これらの位相信号の位相からスピンドルの絶対位置が測定される。
例えば、周期の長い位相信号（粗な位相信号）と、周期が短い位相信号（密な位相信号）とを検出する。次に、粗な位相信号、密な位相信号をともに電気回路（位相変換回路、内挿回路等）を介して、一周期中のどの位置にいるかをそれぞれ求める。これら位相の関係から、密な位相信号の位相が、粗い位相信号の周期の中で、何周期目にあたるかを算出する。この結果より、粗い位相信号の位相からは上位の桁を算出し、密な位相信号の位相からは下位の桁を算出する。これら求められた上位桁と下位桁に重みをつけて合成する。
ここで、密な位相信号の位相が粗い位相信号の周期の中で何周期目のものであるかを特定する方法は、例えば、粗い位相信号の位相を、粗な位相信号の一周期に含まれる密な位相信号の周期（ステップ）で割るなどして求められる。
また、別の方法によれば、密な位相信号と、別に発信される基準信号との位相差を計数した計数パルスから下桁を求め、粗い信号から得た上位桁と合成する方法等がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、インクリメンタル型では次のような問題があった。
（１）可動部材の移動に対して発信される位相信号を計数する必要があることから、可動部材移動時は常に計数状態でなければならない。また、可動部材が高速移動されると、位相信号も高速で変化され、この高速で変化する位相信号を計数するためには、計数応答速度を高速にしなければならない。
（２）一旦ミス計数が生じて、これに使用者が気付かない場合は、測定誤差となり、正しい測定のためには、再度、可動部材の基準位置の設定（ゼロセット等）を行う必要がある。
（３）一度電源を切ると、次に使用するときに、可動部材の基準位置を設定する必要がある。
【０００６】
また、アブソリュート型では、次のような問題があった。
（４）粗、密といった複数の位相信号の位相差を精密に検出する必要があるが、広範囲にわたって位相検出の精度を確保することは困難である。絶対位置を算出するためには、異なる周期をもつ位相信号に対し、論理演算から密な位相信号が粗な位相信号の周期のどこに対応しているかを求め、各周期の重みづけをして合成する過程を必要とし、その演算工程は大変複雑である。
（５）その他、基準信号との計数パルスをカウントする方法では、同期変調制御等を必要とし、大変複雑である。また、測定精度を向上させるために、粗、中間、密といった三つの異なるモードの信号を利用することも可能である。しかしながら、データの処理が飛躍的に複雑となり、データの表示が可動部材の高速移動に追随できない場合がある。データの処理を高速で行おうとすると、データ処理ユニットを大型化せざるをえないため、ハンドツールタイプの測定器には不向きであるという問題が残る。
【０００７】
本発明の目的は、従来の問題を解決し、装置の小型化ができるとともに、簡単な構成で、正確な絶対位置検出を行うことができる絶対位置測定装置を提供しようとするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の絶対位置測定装置は、本体と、前記本体に対して移動可能に設けられた可動部材と、前記可動部材の移動量に応じて二以上の異なる周期の位相信号を発信する位相信号発信手段と、前記位相信号を演算処理し前記可動部材の絶対位置を求める演算処理手段と、前記絶対位置をデジタル表示する表示手段と、を備え、前記可動部材の可動領域において、前記二以上の位相信号は、前記可動部材の異なる位置に対して異なる位相差を有し、前記演算処理手段は、前記位相信号を比較し前記位相信号間の位相差を求める位相信号処理手段と、前記位相信号処理手段によって求められた位相差から前記可動部材の絶対位置を算出する絶対位置算出手段とを備え、前記可動部材は、回転によって軸方向進退自在に設けられたスピンドルであり、前記位相信号発信手段は、前記本体に固定されたステータおよび前記ステータに対向配置され前記スピンドルの回転に応じて回転自在に設けられたロータを有するロータリーエンコーダを二組備え、前記二つのロータは、それぞれ異なる回転周期を有し、かつ、前記スピンドルの可動領域において、前記スピンドルの異なる位置に対して異なる位相差を有することを特徴とする。
【０００９】
このような構成によれば、可動部材が移動されると、異なる周期をもつ位相信号が位相信号発信手段から発信され、この位相信号は演算処理手段によって演算処理される。このとき、位相信号発信手段によって発信された位相信号は、まず、演算処理手段の位相信号処理手段で処理され位相差が求められる。この位相差は、可動部材の異なる位置に対しては異なる位相差を有するので、逆に、位相差から可動部材の絶対位置を一義的に求めることが可能である。そこで、位相信号処理手段によって求められた位相差から絶対位置算出手段によって、可動部材の絶対位置が求められる。この絶対位置が表示手段によってデジタル表示されるので、可動部材の絶対位置を知ることができる。
【００１０】
従来は、粗、密の位相信号を演算処理して、密な信号が粗な信号の何周期目かを求めて、上位の桁を求めていた。さらに、密な信号から下位の桁を求め、これらを合成していた。しかし、本発明によれば、位相差から一義的に絶対値を求めることができる。よって、演算処理手段を簡便な構成とすることによって小型化することができ、迅速な演算を可能とし、また、コストを削減することができる。
本発明の絶対位置測定装置では、スピンドルが回転されると、スピンドルが軸方向に進退されるとともに、スピンドルの回転に応じて二つのロータがそれぞれ回転される。スピンドルの回転が停止されたとき、ステータに対する二つのロータの相対回転位相がステータによって検出される。このとき、スピンドルの異なる位置に対して、二つのロータは異なる位相差を有するので、この位相差からスピンドルの絶対位置が決定される。
本発明では、スピンドルの回転で、二つのロータを回転させて位相信号を得る構成をとるので、二つのロータが、スピンドルの異なる位置に対して異なる位相差を有する構成とすることに利点を持つ。つまり、スピンドルの可動領域において、一方のロータがＲ周期変化する場合、他方のロータの周期変化数を、例えば、Ｒ＋１、もしくはＲ−１とすればよいからである。
【００１１】
請求項２に記載の絶対位置測定装置は、請求項１に記載の絶対位置測定装置において、前記絶対位置算出手段は、前記位相差から、前記位相信号のいずれか一つが基準点から何周期目に該当するかを求め、この周期数に基づく位相変化量に対応する前記可動部材の移動量を求め、前記位相信号のいずれか一つの位相変化量に対応する前記可動部材の移動量を求め、前記周期数に基づく前記可動部材の移動量と前記位相信号のいずれか一つに基づく前記可動部材の移動量とを合成することによって前記可動部材の全移動量を算出することにより前記可動部材の絶対位置を算出することを特徴とする。
【００１２】
このような構成において、まず、位相信号のいずれか一つが基準点から何周期目に該当するかが求められる。位相信号処理手段によって求められた位相差は可動部材の異なる位置に対して異なる位相差を有するので、異なる周期数に対しては異なる位相差が一定の幅をもって存在する。よって、求められた位相差から、位相信号のいずれか一つの周期数が、例えば「Ｎ番目の周期である」と、一義的に決定される。周期数Ｎが決定されると、この周期数Ｎに至るまでにいずれか一つの位相信号が経た位相変化量が求められる。すると、周期数Ｎと可動部材の一周期あたりの移動ピッチから、周期数Ｎに至るまでに可動部材が移動した移動量が求められる。また、いずれか一つの位相信号と可動部材の一周期あたりの移動ピッチから、周期数Ｎからいずれか一つの位相信号までに可動部材が移動した移動量が求められる。周期数Ｎに至るまでに可動部材が移動した移動量と周期数Ｎからいずれか一つの位相信号までに可動部材が移動した移動量とを合成することにより、可動部材が基準点から移動した全移動量を求めることができる。
【００１３】
本発明によれば、可動部材の絶対位置に直接的に反映される位相信号はいずれか一つの位相信号であるので、このいずれか一つの位相信号が精密であればよい。残りの位相信号は、いずれか一つの位相信号と比較されて、位相差から、周期数を求めるためにのみ用いられるだけなので、周期数を読み違えない程度の誤差であれば許容される。よって、位相信号の発信と、この位相信号を検出する構成は精密加工を要求されないので、加工工程を削減し、コストを低減させることができる。
【００１４】
請求項３に記載の絶対位置測定装置は、請求項１に記載の絶対位置測定装置において、前記絶対位置算出手段は、前記位相差から、前記位相信号のいずれか一つが基準点から何周期目に該当するかを求め、この周期数に基づく位相変化量と前記位相信号のいずれか一つの位相信号に基づく位相変化量とから全位相変化量を求め、この全位相変化量を基に前記可動部材の絶対位置を算出することを特徴とする。
【００１５】
このような構成によれば、位相信号のいずれか一つが基準点から何周期目に該当するかが求められる。位相信号処理手段によって求められた位相差は可動部材の異なる位置に対して異なる位相差を有するので、異なる周期数に対しては異なる位相差が一定の幅をもって存在する。よって、求められた位相差から、位相信号のいずれか一つの周期数が、例えば「Ｎ番目の周期である」と、一義的に決定される。周期数Ｎが決定されると、この周期数Ｎに至るまでにいずれか一つの位相信号が経た位相変化量が求められる。さらに、この位相変化量といずれか一つの位相信号から、いずれか一つの位相信号が基準点から経た全位相が求まる。この全位相と、いずれか一つの位相信号の一周期に対応する可動部材のピッチから可動部材の絶対位置が決定される。
【００１６】
従来は、粗な信号、密な信号のすべてから求められた可動部材の位置データを合成することで、可動部材の絶対位置を求めていた。そのため、粗、密の位相信号のすべてが精密で、かつ、この位相信号処理も精密であることが要求されていたため、部品加工の困難さや、コスト高の原因ともなっていた。
しかしながら、本発明によれば、可動部材の絶対位置に直接的に反映される位相信号はいずれか一つの位相信号であるので、このいずれか一つの位相信号が精密であればよい。残りの位相信号は、いずれか一つの位相信号と比較されて、位相差から、周期数を求めるためにのみ用いられるだけなので、周期数を読み違えない程度の誤差であれば許容される。よって、位相信号の発信と、この位相信号を検出する構成は精密加工を要求されないので、加工工程を削減し、コストを低減させることができる。
【００２０】
請求項４に記載の絶対位置測定装置は、請求項１〜３のいずれかに記載の絶対位置測定装置において、前記ロータの回転中心には、前記スピンドルが独立回転可能に挿通され、前記スピンドルの外周には二つのキー溝が設けられ、前記二つのロータには、前記キー溝に係合するキーが設けられ、前記二つのキー溝は、前記ロータがそれぞれ異なる回転周期を有し、かつ、前記スピンドルの可動領域においては、前記スピンドルの異なる位置に対し、前記二つのロータが異なる位相差を有するように設けられていることを特徴とする。
【００２１】
このような構成によれば、スピンドルが回転すると、スピンドルのキー溝に係合されたキーによって各ロータが回転される。このとき、二つのロータはそれぞれ異なる回転周期で回転され、スピンドルの可動領域では、スピンドルの異なる位置に対して、異なる位相差を有するので、このロータの位相差からスピンドルの絶対位置が決定される。
【００２２】
請求項５に記載の絶対位置測定装置は、請求項４に記載の絶対位置測定装置において、前記二つのキー溝は、前記スピンドルの軸方向に対して異なるリード角を有することを特徴とする。
【００２３】
このような構成によれば、二つのキー溝は異なるリード角を有しているので、スピンドルが回転されると、二つのロータはそれぞれ異なる回転周期で回転される。よって、スピンドルの異なる位置に対して二つのロータが異なる位相差を有するので、この位相差からスピンドルの絶対位置が決定される。
【００２４】
請求項６に記載の絶対位置測定装置は、請求項４または５に記載の絶対位置測定装置において、前記二つのキー溝のうち、一方のキー溝は、前記スピンドルの軸方向平行に直線状に設けられ、他方のキー溝は、前記スピンドルの軸を中心とした螺旋状に設けられていることを特徴とする。
【００２５】
このような構成によれば、直線状に設けられたキー溝によって回転されるロータと、螺旋状に設けられたキー溝によって回転されるロータの回転周期は異なるようにできる。
ここで、スピンドルに対して、直線状に設けられたキー溝は、精密に加工することは容易であるが、螺旋状のキー溝は精密に加工することには多少の困難を要する。従来は複数の位相信号を精密にとる必要があったため、このように、加工が困難な溝を設けてロータを回転させることには無理があった。しかしながら、本発明の絶対位置測定装置においては、いずれか一つの位相信号が正確にスピンドルの回転に対応していればよく、その他の位相信号は、位相差からいずれか一つのロータの周期数を導ける程度の精度でよい。よって、スピンドルに直線状に設けられたキー溝を精密に加工するという簡便な加工によって測定精度を向上させることができる。
【００２６】
請求項７に記載の絶対位置測定装置は、請求項１〜６のいずれかに記載の絶対位置測定装置において、前記二組のロータリーエンコーダは、一つの共通なステータと、このステータを挟む二つのロータを備えて構成されていることを特徴とする。
【００２７】
このような構成によれば、共通なステータの一方面に対向した一方のロータから一方の位相信号を得て、共通なステータの他方面に対向した他方のロータから他方の位相信号を得ることができる。よって、一の共通なステータと二つのロータから二の異なる位相信号を得ることができ、位相差を求めることができる。その結果、スピンドルの絶対位置を決定することができる。
本発明によれば、ステータは一つで良いので、部品点数の削減ができるとともに小型化をすることができ、コストダウンを図ることができる。
【００２８】
請求項８に記載の絶対位置測定装置は、請求項１〜６のいずれかに記載の絶対位置測定装置において、前記二組のロータリーエンコーダは、二つの前記ステータの間に二つの前記ロータが配置されて構成されていることを特徴とする。
【００２９】
このような構成によれば、二つのステータに挟まれた二つのロータは接近して配置されることができる。すると、スピンドル上でキー溝が刻まれる範囲を狭くすることができる。スピンドルには、送りねじも刻まれるが、この送りねじとキー溝を同じ範囲に刻むことは困難である。また、測定器自体を小型化するためには、送りねじ以外の部分はできるかぎり短くしたい。本発明によれば、キー溝を刻む範囲を最小にできるので、測定器自体の小型化に資することができる。
【００３０】
請求項９に記載の絶対位置測定装置は、請求項１〜３のいずれかに記載の絶対位置測定装置において、前記二つのロータは第１ロータと第２ロータであり、その回転中心には、前記スピンドルが独立回転可能に挿通され、前記スピンドルの外周には第１キーが設けられ、前記第１ロータには、前記第１キーに係合する第１キー溝と、外周に第２キーとが設けられ、前記第２ロータには、前記第２キーに係合する第２キー溝が設けられ、前記二つのキー溝は、前記二つロータがそれぞれ異なる回転周期を有し、かつ、前記スピンドルの可動領域においては、前記スピンドルの異なる位置に対し、前記二つのロータが異なる位相差を有するように設けられていることを特徴とする。
【００３１】
このような構成によれば、スピンドルが回転されると、第１キーと第１キー溝との係合によって第１ロータが回転される。第１ロータが回転されると、第２キーと第２キー溝との係合によって第２ロータが回転される。このとき、スピンドルの可動領域において、二つのロータはスピンドルの異なる位置に対して、異なる位相差を有するので、この二つのロータの位相差からスピンドルの絶対位置が決定される。
【００３２】
請求項１０に記載の絶対位置測定装置は、請求項９に記載の絶対位置測定装置において、前記第１キー溝および前記第２キー溝は前記スピンドルの軸方向に対して異なるリード角を有していることを特徴とする。
【００３３】
このような構成によれば、スピンドルが回転されると、二つのロータはそれぞれ異なる回転周期で回転される。つまり、第１ロータのスピンドルに対する回転位相は第１キー溝のリード角によって規定され、第２ロータの第１ロータに対する回転位相は第２キー溝によって規定される。よって、二つのキー溝は異なるリード角を有しているので、スピンドルの異なる位置に対して二つのロータが異なる位相差を有し、この位相差からスピンドルの絶対位置が決定される。
【００３４】
請求項１１に記載の絶対位置測定装置は、請求項９または１０に記載の絶対位置測定装置において、前記第１キー溝は前記スピンドルの軸方向平行に直線状に設けられ、前記第２キー溝は前記スピンドルの軸を中心とした螺旋状に設けられていることを特徴とする。
【００３５】
このような構成によれば、直線状に設けられたキー溝によって回転される第１ロータと、螺旋状に設けられたキー溝によって回転される第２ロータの回転周期は異なるようにできる。つまり、第１ロータはスピンドルと同周期で回転されるのに対し、第２ロータは第１ロータとは異なる回転周期で回転される。
ここで、第１キー溝は直線状に設けられ、第２キー溝は螺旋状に設けられることから、請求項６と同様の作用効果を奏することができる。つまり、直線状に設けられた第１キー溝を精密に加工するという簡便な加工によって測定精度を向上させることができる。
【００３６】
請求項１２に記載の絶対位置測定装置は、請求項１〜１１のいずれかに記載の絶対位置測定装置において、前記位相信号発信手段は、一定周波数の基準信号を３６０／ｎ（ｎは自然数）度ずつずらして発信する位相変調器からの位相信号を受け、かつ、前記ステータの円周方向にそって等間隔に設けられた送信電極と、前記ロータに設けられ対応する円周位置にある前記送信電極と静電結合する結合電極と、前記ステータに設けられ前記結合電極と静電結合する受信電極と、前記受信電極からの電気信号をロータの回転位相に変換する位相信号処理手段とを備えていることを特徴とする。
【００３７】
このような構成によれば、位相変調器によって、一定周波数の基準信号は３６０／ｎ度ずつずらして発信され、この位相変調された信号は、ステータの送信電極に送られる。すると、この送信電極は、ロータの結合電極と対応する円周位置で静電結合しているので、ロータの回転位相によって、結合電極に現れる電位は基準信号に対して位相変調される。このとき、結合電極に現れる電位は、送信電極とのカップリングに依存する。結合電極は、ステータ上の受信電極とも静電結合しているので、結合電極における電位の変化は受信電極で受信される。受信電極で受信された電位の変化は位相信号処理手段に送られ、信号処理されると同時に基準信号に対する位相ずれを検出することにより、ステータに対するロータの相対回転量を相対位相として検出する。よって、この相対位相を比較して位相差を求めることにより、スピンドルの絶対位置を求めることができる。
【００３８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図示例と共に説明する。
（第１実施形態）
図１には、本発明の絶対位置測定装置に係る一実施形態としてマイクロメータヘッドが示されている。
このマイクロメータヘッドは、本体１と、可動部材としてのスピンドル２と、位相信号発信手段としてのロータリーエンコーダ３Ａ、３Ｂおよび位相変調器を含む発振回路６と、演算処理手段７と、表示手段１０とを備えている。
【００３９】
本体１は、貫通孔１１を有する円筒状で、貫通孔１１の一端側の内周には雌ねじ１２が設けられている。貫通孔１１内には、貫通孔１１内の他端側を一室として画する中仕切り板１３が設けられている。
スピンドル２は、本体１の雌ねじ１２に螺合する送りねじ２１を有し、一端には、つまみ部２２が設けられている。このつまみ部２２を回転させると、本体１の雌ねじ１２と送りねじ２１の螺合によって、スピンドル２は軸方向に進退される。スピンドル２は全ストローク５０回転で２５ｍｍ進退するように設けられている。つまり、ねじピッチ当たり０．５ｍｍ進退する。
【００４０】
スピンドル２には、２本のキー溝２３Ａ、２３Ｂが設けられていて、第１キー溝２３Ａはスピンドル２の軸と平行に直線状に設けられ、第２キー溝２３Ｂはスピンドル２に対して螺旋状に設けられている。
ここで、第２キー溝２３Ｂは、第１キー溝２３Ａに対して異なるリード角を有し、スピンドル２の一回転当たりにつき、第１キー溝２３Ａに対して７．２７２度の回転位相差を有するように設けられるが、これについては後述する。
【００４１】
ロータリーエンコーダ３Ａ、３Ｂは、第１ロータリーエンコーダ３Ａと第２ロータリーエンコーダ３Ｂの二組設けられている。第１、第２ロータリーエンコーダ３Ａ，３Ｂの構成は同様であり、次のようになる。
ロータリーエンコーダ３Ａ、３Ｂは、本体１に固定されたステータ４と、このステータ４と対向配置されて、スピンドル２と独立回転可能に設けられた二枚のロータ５Ａ、５Ｂとを備えている。
ステータ４は、図２（Ａ）に示されるように、円板の中央にスピンドル２が挿通される挿通孔４１を有し、円周方向に沿って、等間隔に配列された送信電極４２と、この送信電極４２と同心円状に配置されたリング状の受信電極４３とを備える。送信電極４２は、八個ずつ二組設けられている。送信電極４２には、後述するパルス変調発生器６から位相が変調された信号が送信され、受信電極４３は演算処理手段７に信号を送る。
【００４２】
ロータ５Ａ、５Ｂは、図２（Ｂ）に示されるように、円板の中央にスピンドル２が挿通される挿通孔５１を有し、ステータ４の送信電極４２と受信電極４３にまたがって対向配置され、対応する四つの送信電極４２と静電結合される結合電極５２を備えている。
ロータ５Ａ、５Ｂはそれぞれ、図１に示されるように、スピンドル２に対して独立回転可能な回転円筒５４Ａ、５４Ｂの外側に設けられ、この回転円筒５４Ａ、５４Ｂは、スピンドル２が挿入される挿通孔５４１を有している。回転円筒５４Ａ、５４Ｂの挿通孔５４１の内周には、スピンドル２のキー溝２３Ａ、２３Ｂにそれぞれ係合するキー５５Ａ、５５Ｂが設けられている。回転円筒５４Ａ、５４Ｂは、本体１の一室の他方側内壁と仕切り板１３によってステータ４の側に付勢されている。
よって、スピンドル２が回転されると、キー５５Ａ、５５Ｂとキー溝２３Ａ、２３Ｂの係合によって回転円筒５４Ａ、５４Ｂが回転され、同時にロータ５Ａ、５Ｂも回転される。
【００４３】
本実施形態においては、図１に示されるように、第１ロータリーエンコーダ３Ａと、第２ロータリーエンコーダ３Ｂは、一枚のステータ４を中央に挟み、このステータ４の両側に二枚のロータ５Ａ、５Ｂが配置されている。ステータ４は本体の一室の略中央に固定されて設けられる。
つまり、一枚のステータ４の両面それぞれに送信電極４２と受信電極４３が設けられ、第１ロータリーエンコーダ３Ａは、ステータ４の一端面４Ａと第１ロータ５Ａで構成され、第２ロータリーエンコーダ３Ｂは、ステータ４の他端面４Ｂと第２ロータ５Ｂによって構成されている。
さらに、第１ロータ５Ａは、第１回転円筒５４Ａに設けられ、この第１回転円筒５４Ａの第１キー５５Ａは、第１キー溝２３Ａに係合している。また、第２ロータ５Ｂは、第２回転円筒５４Ｂに設けられ、この第２回転円筒５４Ｂの第２キー５５Ｂは第２キー溝２３Ｂに係合されている。
【００４４】
本実施形態においては、ロータ５Ａ、５Ｂが半回転（１８０度）すると１周期の位相変化が得られる構成である。よって、前述の通り、スピンドル２が５０回転であれば、第１ロータ５Ａは１００周期の変化が得られる。よって、第１ロータ５Ａと第２ロータ５Ｂが常に異なる位相差を有するためには、第２ロータ５Ｂは、第１ロータ５Ａが１００周期の変化の間で、１００周期から９９周期の間の周期変化をすればよい。よって、第２ロータ５Ｂが９９周期（つまり第２ロータが４９．５回転）につき３６０度の位相のずれが生じれば良い。以上より、第２キー溝２３Ｂは、スピンドル２の２分の１回転当たり、第１キー溝２３Ａに対して、
３６０（度）÷９９（周期）＝３．６３６３（度／周期）
の周期差を有するように設けられる。
このように、第１キー溝２３Ａ、第２キー溝２３Ｂが設けられることにより、図３に示されるように、ロータ５Ａ、５Ｂのステータ４に対する相対回転量としての位相θ₁、θ₂（ロータ５Ａの回転位相θ₁、ロータ５Ｂの回転位相θ₂）が変化される。そして、このロータ５Ａとロータ５Ｂ間の位相差は、スピンドル２の可動領域においては常に異なる位相差を有し、例えば、図４のような関係を有する。
【００４５】
発振回路６は、図５に示されるように、一定周期の基準信号を発振する基準信号発振器６１と、基準信号発振器６１からの基準信号をパルス変調する位相変調器としてのパルス変調発生器６２を備えて構成されている。
パルス変調発生器６２は、基準信号発振器６１からの基準信号を、４５度ずつ位相の異なる８相の交流電流に変調して送信電極４３のそれぞれ対応する電極に送信する。
【００４６】
このような構成において、スピンドル２が回転されると、スピンドル２が軸方向に進退するとともに、ロータ５Ａ、５Ｂが回転される。このとき、ステータ４に配置された送信電極４２の電位はそれぞれパルス変調発生器６２によって変調されているので、ロータ５Ａ、５Ｂに配置された結合電極５２の電位は、送信電極４２との静電結合の組み合わせによって変化される。この結合電極５２の電位変化は、受信電極４３の電位変化となって現れる。
【００４７】
次に、ロータリーエンコーダ３Ａ、３Ｂからの位相信号を処理し、スピンドル２の絶対位置を算出する演算処理手段７について説明する。
演算処理手段７は、図５に示されるように、位相信号処理手段８と、絶対位置算出手段９とを備えて構成されている。
【００４８】
位相信号処理手段８は、第１、第２ロータリーエンコーダ３Ａ、３Ｂから発信される位相信号を処理して、位相差を求める手段であり、第１ロータリーエンコーダ３Ａからの位相信号が入力される第１積分回路８１Ａと、第２ロータリーエンコーダ３Ｂからの位相信号が入力される第２積分回路８１Ｂと、位相比較手段８２と、位相差算出手段８３とを備えて構成される。
【００４９】
位相比較手段８２は、積分回路８１Ａ、８１Ｂによって復調された信号を、基準信号発振器６１からの基準信号と比較することによって、ロータ５Ａ、５Ｂのステータ４に対する相対回転量を基準信号からのずれとして検出し、第１ロータ５Ａの位相θ₁と第２ロータ５Ｂの位相θ₂を算出する。
位相差算出手段８３は、位相比較手段８２によって求められた位相θ₁と位相θ₂の位相差Δθを求め、絶対位置算出手段９に送る。
【００５０】
絶対位置算出手段９は、周期位相算出手段９１と、周期移動量算出手段９２と、位相移動量算出手段９３と、移動量合成手段９４とを備えて構成される。
周期位相算出手段９１は、図４に示されるように、第１ロータ５Ａと第２ロータ５Ｂの位相が一致する基準点から、第１ロータ５Ａの位相が１周期増えるごとに周期数Ｎを割り当て、この周期数Ｎと位相差Δθの関係をあらわす位相差周期数表９１１を備えている。位相差Δθは、スピンドル２の異なる位置に対しては異なる位相差Δθを有しているので、異なる周期数に対しては、異なる位相差Δθの幅が存在する。つまり、位相差周期数表９１１は、位相差Δθがｋ度〜ｌ度に対する周期数はＮ、位相差Δθがｍ度〜ｎ度であれば周期数は（Ｎ＋１）、・・・というように位相差Δθに対して予め求められた周期数を記憶している。
よって、周期位相差算出手段９１において、位相差周期数表９１１を参照することにより、位相差Δθから第１ロータ５Ａの周期数Ｎが一義的に決定される。すると、この決定された周期数Ｎからは、この周期数Ｎに至るまでに第１ロータ５Ａが経た基準点からの位相変化量θ_1Nが求められる。つまり、θ_1N＝Ｎ×３６０°である。
【００５１】
周期数移動量算出手段９２は、周期位相算出手段９１によって求められたθ_1Nまでにスピンドル２が移動した移動量Ｄ_1Nを求める。スピンドル２の一周期あたりの移動ピッチは０．２５ｍｍなので、
（基準点から周期数Ｎまでのスピンドル移動量Ｄ_1N）＝０．２５×（θ_1N÷３６０）
によってスピンドル２が基準点から周期数Ｎに至るまでの移動量Ｄ_1Nが求められる。
【００５２】
位相移動量算出手段９３は、位相比較手段８２において求められた第１ロータ５Ａの位相θ₁を用いて、スピンドル２が周期数Ｎに達したのち位相θ₁に至るまでのスピンドル移動量Ｄ₁を求める。つまり、スピンドル２が位相θ₁回転したときのスピンドル移動量Ｄ₁を求める。
（位相θ₁回転したときのスピンドル移動量Ｄ₁）＝０．２５×（θ₁÷３６０）
によって、位相θ₁回転したときのスピンドル移動量Ｄ₁が求められる。
【００５３】
移動量合成手段９４は、周期移動量算出手段９２および位相移動量算出手段９３によって求められた基準点から周期数Ｎまでのスピンドル移動量Ｄ_1Nと位相θ₁回転したときのスピンドル移動量Ｄ₁とを合成して、基準点からのスピンドル２の全移動量Ｄ_1Aを求める。
（基準点からのスピンドルの全移動量Ｄ_1A）＝Ｄ_1N＋Ｄ₁
によって基準点からのスピンドル２の全移動量Ｄ_1Aが求められる。
移動量合成手段９４は、ゼロセットデータ９４１を備え、予めスピンドル２のゼロセット位置と基準点との差を記憶している。
よって、スピンドル２の絶対位置は、基準点からのスピンドル２の移動量からゼロセット位置を引いて求められる。
この絶対位置の信号は表示手段１０に送られて表示される。
【００５４】
従って、このような構成からなる第１実施形態の絶対位置測定装置によれば、次の効果を奏することができる。
本実施形態においては、周期数Ｎまでの第１ロータ５Ａの位相変化量θ_1Nから、θ_1Nに至るまでのスピンドル２の移動量Ｄ_1Nを求め、第１ロータ５Ａの位相信号θ₁から、第１ロータ５Ａの一周期内でのスピンドル２の移動量Ｄ₁を求め、この両者を足し合わせることによってスピンドル２の全移動量Ｄ_1Aを求めることができる。
【００５５】
スピンドル２の絶対位置に反映される位相は第１ロータ５Ａによる位相信号であり、位相差は、第１ロータ５Ａの周期数を算出するためにのみ用いられる。よって、第２ロータ５Ｂの位相検出精度は、周期数を読み違えない幅の誤差は許容される。これは、第２キー溝２３Ｂを螺旋状に設けることの困難さを補完する利点を有する。
従来は、粗な信号、密な信号のすべてから求められたデータを合成することで、可動部材の絶対位置を求めていた。そのため、粗、密の信号を精密に発信し、かつ、位相検出手段も精密に加工する必要があり、部品加工に困難を有し、コスト高の原因ともなっていた。
しかしながら、本実施形態においては、スピンドル２の絶対位置に反映される信号は第１ロータ５Ａの位相信号であるので、この第１ロータ５Ａが精密に位相信号を発信できればよい。よって、第２ロータ５Ｂの位相信号の発信と、この位相信号を検出する構成には精密加工を要求されないので、加工工程を削減し、コストを低減させることができる。
【００５６】
本実施形態においては、一のステータ４の両面に送信電極４２と受信電極４３を設け、この一のステータ４の両面に第１ロータ５Ａと第２ロータ５Ｂを対向させてロータリーエンコーダ３を構成している。よって、ステータ４は一つで良いので、部品点数の削減ができ、コストダウンを図ることができる。
【００５７】
（第２実施形態）
図６には、本発明にかかる第2実施形態としてマイクロメータヘッドが示されている。
第２実施形態において、基本的構成要素は第１実施形態と同様であるので、同一構成要素には同一符号を付し、その説明を省略する。
第２実施形態において、第１実施形態と異なるのは、ステータ４を二枚用いる点である。つまり、第１ステータ４Ａが本体１の一室の他方側内壁に固定して設けられ、第２ステータ４Ｂが本体１の仕切り板に固定して設けられている。第１ステータ４Ａと対向して第１ロータ５Ａが設けられ、第２ステータ４Ｂに対向して第２ロータ５Ｂが設けられている。よって、第１、第２ロータ５Ａ、５Ｂは第１、第２ステータ４Ａ、４Ｂに挟まれたように設けられている。さらに、回転円筒５４Ａ、５４Ｂのキー５５Ａ、５５Ｂは、互いに接近して設けられている。
【００５８】
このような構成によれば、二つのロータ５Ａ、５Ｂは接近して並べられる。すると、スピンドル２上でキー溝２３Ａ、２３Ｂが刻まれる範囲を狭くすることができる。スピンドル２には、送りねじ２１も刻まれるが、この送りねじ２１とキー溝２３Ａ、２３Ｂを同じ領域に刻むことは困難である。また、マイクロメータヘッド自体を小型化するためには、送りねじ２１以外の部分はできるかぎり短くしたい。本実施形態によれば、キー溝２３Ａ、２３Ｂを刻む範囲を最小にできるので、マイクロメータヘッド自体の小型化に資することができる。
【００５９】
尚、本発明の絶対位置測定装置は、上述の実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
例えば、２本のキー溝２３Ａ、２３Ｂの形状は、図７に示されるパターンが考えられる。図７（Ａ）は、スピンドル２の送りねじ１２が右ねじであって、第２キー溝２３Ｂも右ねじに構成した場合である。ここで、第２キー溝２３Ｂの実線と破線は、スピンドル２が回転によって進んだ（または戻った）状態を示している。以下、（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）は、送りねじ１２が右ねじ、左ねじ、第２キー溝２３Ｂが右螺旋、左螺旋である場合の組み合わせである。
また、上記実施形態においては、第１キー溝２３Ａは直線で、第２キー溝２３Ｂは螺旋状であったが、どちらも螺旋状に設けてもよいことはもちろんである。
【００６０】
前記実施形態においては、位相信号処理手段８において、積分回路を第１積分回路８１Ａと第２積分回路８１Ｂの二つ設けたが、積分回路は一つでもよい。スピンドル２の移動が停止されたところで、例えば、まず第１ロータリーエンコーダ３Ａからの信号を受信し、続いて第２ロータリーエンコーダ３Ｂからの信号を受信するようにすればよい。積分回路を一つにすることで、部品点数の削減を図り、小型化することができる。
【００６１】
前記実施形態においては、スピンドル２にキー溝２３Ａ、２３Ｂが設けられ、ロータ５Ａ、５Ｂの回転円筒５４Ａ、５４Ｂにキー５５Ａ、５５Ｂが設けられているが、逆に、例えば、図８に示されるように、スピンドル２にキーを設け、回転円筒５４Ａ、５４Ｂにキー溝を設けるようにしてもよい。
図８においては、スピンドル２に対して第１ロータ５Ａが独立回転可能に設けられるとともに、第１ロータ５Ａに対して独立回転可能に第２ロータ５Ｂが第１ロータ５Ａの外側に設けられている。第１ロータ５Ａは第１回転円筒５７Ａを備え、第２ロータ５Ｂは第２回転円筒５７Ｂを備えている。
スピンドル２には、スピンドル２の軸に直交した第１キー２４Ａが設けられている。第１ロータ５Ａには、スピンドル２の軸に平行に直線状の第１キー溝５６Ａが設けられるとともに、外側に第２キー２４Ｂが設けられる。第２回転円筒５７Ｂには、第１キー溝５６Ａに対して異なるリード角を有する第２キー溝５６Ｂが設けられている。このような構成で、第１キー２４Ａは第１キー溝５６Ａと係合され、第２キー２４Ｂは第２キー溝５６Ｂと係合される。また、第２キー溝５６Ｂは、スピンドル２の一回転あたりにつき第１キー溝５６Ａに対して７．２７２度の回転位相差を有するように設けられている。
【００６２】
このような構成においても、スピンドル２の回転に応じて、第１ロータ５Ａと第２ロータ５Ｂを回転させ、両ロータ５Ａ、５Ｂから位相差を得ることができる。なお、第１キー溝５６Ａは必ずしも直線状でなくともよく、第２キー溝５６Ｂと異なるリード角を有し、かつ、スピンドル２の可動領域で異なる位相差を有していればよい。
【００６３】
上記実施形態において、ロータリーエンコーダは二組であったが、三つ以上使用してもよい。三つ以上のロータリーエンコーダを用いることで、三つの異なる周期の位相信号を得ることができる。この三つの位相信号の位相差が異なる値をとるならば、本発明よりスピンドル２の絶対位置を求めることができるので、スピンドル２の可動領域を、ロータリーエンコーダを二つ用いる場合に比べて、長くすることができる。
スピンドル２の送りねじ１２のピッチおよびロータ５Ａ、５Ｂの周期は、前記実施形態に限られず、種々の値に設定できることはもちろんである。
【００６４】
上記実施形態においては、周期数までの第１ロータ５Ａの位相変化量θ_1Nから、θ_1Nに至るまでのスピンドル２の移動量Ｄ_1Nを求め、第１ロータ５Ａの位相信号θ₁から、第１ロータ５Ａの一周期内でのスピンドル２の移動量Ｄ₁を求め、この両者を足し合わせることによって基準点からのスピンドル２の全移動量Ｄ_1Aをもとめたが、スピンドル２の絶対位置の算出方法はこれに限られない。例えば、図９に示されるように、周期数までの第１ロータ５Ａの位相変化量θ_1Nと、第１ロータ５Ａの位相信号θ₁とを位相合成手段９５によって加えて、第１ロータ５Ａの基準点からの全位相変化量θ_1Aを求めてから、位相位置変換手段９６によってスピンドル２の絶対位置を求めてもよい。
【００６５】
周期数Ｎを求める方法は上記実施形態に限られず種々の方法を取り得ることはもちろんである。例えば、周期位相算出手段９１において、位相差Δθから所定の関係式を用いて周期数Ｎを求めてもよい。さらには、周期数を求めることなく、位相差Δθから所定の関係式を用いて直接に全位相θ_1Aを求めてもよい。
【００６６】
本発明の絶対位置測定装置において、位相を検出する手段は、静電容量式に限られず、例えば、光電式や磁気式でも適用できることはもちろんである。
【００６７】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明の絶対位置測定装置によれば、装置の小型化ができるとともに、簡単な構成で、正確な絶対位置検出を行うことができるという優れた効果を奏し得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態にかかる絶対位置測定装置の断面図である。
【図２】前記実施形態におけるステータおよびロータを示す図である。
【図３】前記実施形態における第１ロータと第２ロータの位相変化を示す図である。
【図４】前記実施形態における第１ロータと第２ロータの位相変化と、第１ロータの周期数の変化を示す図である。
【図５】前記実施形態に用いられる位相信号から絶対位置を求めるブロック図を示す図である。
【図６】本発明の第２実施形態にかかる絶対位置測定装置の断面図である
【図７】本発明に用いられる第１キー溝と第２キー溝の例を示す図である。
【図８】本発明の絶対位置測定装置において、回転円筒に溝が設けられた場合を示す図である。
【図９】本発明の絶対位置測定装置において、位相信号から絶対位置を求めるブロック図の変形例を示す図である。
【図１０】従来技術における位相信号の変化を示す図である。
【符号の説明】
１本体
２スピンドル
３Ａ、３Ｂロータリーエンコーダ（位相信号発信手段）
４、４Ａ、４Ｂステータ
５Ａ、５Ｂロータ
７演算処理手段
８位相信号処理手段
９絶対位置算出手段
１０表示手段
２３Ａ、２３Ｂキー溝
４２送信電極
４３受信電極
５２結合電極
５５Ａ、５５Ｂキー
６２パルス変調発生器（位相変調器）
Ｎ周期数

Claims

本体と、前記本体に対して移動可能に設けられた可動部材と、前記可動部材の移動量に応じて二以上の異なる周期の位相信号を発信する位相信号発信手段と、前記位相信号を演算処理し前記可動部材の絶対位置を求める演算処理手段と、前記絶対位置をデジタル表示する表示手段と、を備え、
前記可動部材の可動領域において、前記二以上の位相信号は、前記可動部材の異なる位置に対して異なる位相差を有し、
前記演算処理手段は、前記位相信号を比較し前記位相信号間の位相差を求める位相信号処理手段と、
前記位相信号処理手段によって求められた位相差から前記可動部材の絶対位置を算出する絶対位置算出手段とを備え、
前記可動部材は、回転によって軸方向進退自在に設けられたスピンドルであり、
前記位相信号発信手段は、前記本体に固定されたステータおよび前記ステータに対向配置され前記スピンドルの回転に応じて回転自在に設けられたロータを有するロータリーエンコーダを二組備え、
前記二つのロータは、それぞれ異なる回転周期を有し、かつ、前記スピンドルの可動領域において、前記スピンドルの異なる位置に対して異なる位相差を有する
ことを特徴とする絶対位置測定装置。
請求項１に記載の絶対位置測定装置において、
前記絶対位置算出手段は、前記位相差から、前記位相信号のいずれか一つが基準点から何周期目に該当するかを求め、この周期数に基づく位相変化量に対応する前記可動部材の移動量を求め、
前記位相信号のいずれか一つの位相変化量に対応する前記可動部材の移動量を求め、
前記周期数に基づく前記可動部材の移動量と前記位相信号のいずれか一つの位相変化量に対応する前記可動部材の移動量とを合成することによって前記可動部材の全移動量を算出することにより前記可動部材の絶対位置を算出することを特徴とする絶対位置測定装置。
請求項１に記載の絶対位置測定装置において、
前記絶対位置算出手段は、前記位相差から、前記位相信号のいずれか一つが基準点から何周期目に該当するかを求め、この周期数に基づく位相変化量と前記位相信号のいずれか一つの位相変化量とから全位相変化量を求め、この全位相変化量を基に前記可動部材の絶対位置を算出することを特徴とする絶対位置測定装置。
請求項１〜３のいずれかに記載の絶対位置測定装置において、
前記ロータの回転中心には、前記スピンドルが独立回転可能に挿通され、
前記スピンドルの外周には二つのキー溝が設けられ、
前記二つのロータには、前記キー溝に係合するキーが設けられ、
前記二つのキー溝は、前記二つのロータがそれぞれ異なる回転周期を有し、かつ、前記スピンドルの可動領域においては、前記スピンドルの異なる位置に対し、前記二つのロータが異なる位相差を有するように設けられていることを特徴とする絶対位置測定装置。
請求項４に記載の絶対位置測定装置において、
前記二つのキー溝は、前記スピンドルの軸方向に対して異なるリード角を有することを特徴とする絶対位置測定装置。
請求項４または５に記載の絶対位置測定装置において、
前記二つのキー溝のうち、一方のキー溝は、前記スピンドルの軸方向平行に直線状に設けられ、
他方のキー溝は、前記スピンドルの軸を中心とした螺旋状に設けられていることを特徴とする絶対位置測定装置。
請求項１〜６のいずれかに記載の絶対位置測定装置において、
前記二組のロータリーエンコーダは、一つの共通なステータと、このステータを挟む二つのロータを備えて構成されていることを特徴とする絶対位置測定装置。
請求項１〜６のいずれかに記載の絶対位置測定装置において、
前記二組のロータリーエンコーダは、二つの前記ステータの間に二つの前記ロータが配置されて構成されていることを特徴とする絶対位置測定装置。
請求項１〜３のいずれかに記載の絶対位置測定装置において、
前記二つのロータは第１ロータと第２ロータであり、その回転中心には、前記スピンドルが独立回転可能に挿通され、
前記スピンドルの外周には第１キーが設けられ、
前記第１ロータには、前記第１キーに係合する第１キー溝と、外周に第２キーとが設けられ、
前記第２ロータには、前記第２キーに係合する第２キー溝が設けられ、
前記二つのキー溝は、前記二つのロータがそれぞれ異なる回転周期を有し、かつ、前記スピンドルの可動領域においては、前記スピンドルの異なる位置に対し、前記二つのロータが異なる位相差を有するように設けられていることを特徴とする絶対位置測定装置。
請求項９に記載の絶対位置測定装置において、
前記第１キー溝および前記第２キー溝は前記スピンドルの軸方向に対して異なるリード角を有していることを特徴とする絶対位置測定装置。
請求項９または１０に記載の絶対位置測定装置において、
前記第１キー溝は前記スピンドルの軸方向平行に直線状に設けられ、
前記第２キー溝は前記スピンドルの軸を中心とした螺旋状に設けられていることを特徴とする絶対位置測定装置。
請求項１〜１１のいずれかに記載の絶対位置測定装置において、
前記位相信号発信手段は、一定周波数の基準信号を３６０／ｎ（ｎは自然数）度ずつずらして発信する位相変調器からの位相信号を受け、かつ、前記ステータの円周方向にそって等間隔に設けられた送信電極と、
前記ロータに設けられ対応する円周位置にある前記送信電極と静電結合する結合電極と、
前記ステータに設けられ前記結合電極と静電結合する受信電極と、
前記受信電極からの電気信号をロータの回転位相に変換する位相信号処理手段とを備えていることを特徴とする絶対位置測定装置。