(57)【要約】【課題】高い分解能と信頼性を兼ね備えた表面弾性波を用いた変位センサを得ること。【解決手段】本発明に係る変位センサは、圧電材料製で、表面弾性波伝播面を有するスケールと、前記表面弾性波伝播面に形成された少なくとも１つの励振電極と、前記表面弾性波伝播面に形成され、前記励振電極により励振される表面弾性波の伝播方向に沿って、前記表面弾性波の波長をλとしたとき、λ／２ピッチで配置される複数の位置電極と、前記表面弾性波伝播面と対向して配置される検出面を有する検出器と、前記検出面に形成され、λ／２ピッチで配置される一対の第一検出電極と、前記検出面に形成され、前記第一検出電極と９０°位相がずれた位置にλ／２ピッチで配置される一対の第二検出電極と、を有する。【選択図】図１
2015135292.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電材料製で、表面弾性波伝播面を有するスケールと、
前記表面弾性波伝播面に形成された少なくとも１つの励振電極と、
前記表面弾性波伝播面に形成され、前記励振電極により励振される表面弾性波の伝播方向に沿って、前記表面弾性波の波長をλとしたとき、λ／２ピッチで配置される複数の位置電極と、
前記表面弾性波伝播面と対向して配置される検出面を有する検出器と、
前記検出面に形成され、λ／２ピッチで配置される一対の第一検出電極と、
前記検出面に形成され、前記第一検出電極と９０°位相がずれた位置にλ／２ピッチで配置される一対の第二検出電極と、
を有する変位センサ。
【請求項２】
前記励振電極に、前記表面弾性波伝播面に定在波を発生させる交番電圧を印加する定在波発振器と、
前記第一検出電極に励振された交番電圧の振幅と、前記第二検出電極に励振された交番電圧の振幅に基いて前記位置電極と前記第一検出電極又は前記第二検出電極との位相差を検出する位相差検出器と、
を有する請求項１に記載の変位センサ。
【請求項３】
前記励振電極或いは前記第一検出電極又は前記第二検出電極のいずれか一方に、前記表面弾性波伝播面に進行波を発生させる電圧を印加する進行波発振器と、
前記励振電極或いは前記第一検出電極又は前記第二検出電極のいずれか他方に前記進行波により励振された電圧を検出する進行波検出器と、
前記進行波発振器による進行波の発生から前記進行波検出器による進行波の検出までの時間を計測する伝播時間計測器と、
を有する請求項２に記載の変位センサ。
【請求項４】
前記進行波発振器又は前記進行波検出器は、前記第一検出電極及び前記第二検出電極に励振された交番電圧の振幅に基いて前記第一検出電極及び前記第二検出電極のいずれを用いるかを選択する請求項３に記載の変位センサ。
【請求項５】
前記検出面に形成され、前記第一検出電極と４５°位相がずれた位置にλ／２ピッチで配置される一対の第三検出電極と、
前記検出面に形成され、前記第一検出電極と１３５°位相がずれた位置にλ／２ピッチで配置される一対の第四検出電極と、
を有する請求項１に記載の変位センサ。
【請求項６】
前記励振電極に、前記表面弾性波伝播面に定在波を発生させる交番電圧を印加する定在波発振器と、
前記第一検出電極、前記第二検出電極、前記第三検出電極及び前記第四検出電極に励振された交番電圧の振幅の中の最大振幅と、前記最大振幅を示す検出電極と９０°位相がずれた位置に配置される検出電極が示す振幅に基いて前記位置電極と前記第一検出電極、前記第二検出電極、前記第三検出電極又は前記第四検出電極との位相差を検出する位相差検出器と、
を有する請求項５に記載の変位センサ。
【請求項７】
前記励振電極或いは前記第一検出電極、第二検出電極、第三検出電極又は前記第四検出電極のいずれか一方に、前記表面弾性波伝播面に進行波を発生させる電圧を印加する進行波発振器と、
前記励振電極或いは前記第一検出電極、第二検出電極、第三検出電極又は前記第四検出電極のいずれか他方に前記進行波により励振された電圧を検出する進行波検出器と、
前記進行波発振器による進行波の発生から前記進行波検出器による進行波の検出までの時間を計測する伝播時間計測器と、
を有する請求項６に記載の変位センサ。
【請求項８】
前記進行波発振器又は前記進行波検出器は、前記位相差検出器により検出された位相差に基いて前記第一検出電極、第二検出電極、第三検出電極及び前記第四検出電極のいずれを用いるかを選択する請求項７に記載の変位センサ。
【請求項９】
圧電材料製で、表面弾性波伝播面を有するスケールであって、前記表面弾性波伝播面に形成された少なくとも１つの励振電極と、前記表面弾性波伝播面に形成され、前記励振電極により励振される表面弾性波の伝播方向に沿って、前記表面弾性波の波長をλとしたとき、λ／２ピッチで配置される複数の位置電極と、を有するスケールを用意するステップと、
前記表面弾性波伝播面と対向して配置される検出面を有する検出器であって、前記検出面に形成され、λ／２ピッチで配置される一対の第一検出電極と、前記検出面に形成され、前記第一検出電極と９０°位相がずれた位置にλ／２ピッチで配置される一対の第二検出電極と、を有する検出器を用意するステップと、
前記励振電極に、交番電圧を印加して前記表面弾性波伝播面に定在波を発生させるステップと、
前記第一検出電極に励振された交番電圧の振幅と、前記第二検出電極に励振された交番電圧の振幅に基いて前記位置電極と前記第一検出電極との位相差θを検出するステップと、
前記励振電極から奇数番目又は偶数番目の位置電極と前記第一検出電極又は前記第二検出電極との変位をθλ／２πとして求めるステップと、
を有する変位測定方法。
【請求項１０】
前記励振電極或いは前記第一検出電極又は前記第二検出電極のいずれか一方に電圧を印加して前記表面弾性波伝播面に進行波を発生させるステップと、
前記励振電極或いは前記第一検出電極又は前記第二検出電極のいずれか他方に前記進行波により励振された電圧を検出するステップと、
前記進行波の発生から前記進行波の検出までの時間Δｔを計測するステップと、
前記表面弾性波の伝播速度をｖとしたとき、前記励振電極から前記第一検出電極又は前記第二検出電極と容量性カップリングしている位置電極までの距離をｖΔｔとして求めるステップと、
を有する請求項９に記載の変位測定方法。
【請求項１１】
前記進行波を発生させるステップ又は前記電圧を検出するステップにおいて、前記位相差θを検出するステップにより検出された位相差θに基いて、前記第一検出電極及び前記第二検出電極のいずれを用いるかを選択するステップを有する請求項１０に記載の変位測定方法。
【請求項１２】
圧電材料製で、表面弾性波伝播面を有するスケールであって、前記表面弾性波伝播面に形成された少なくとも１つの励振電極と、前記表面弾性波伝播面に形成され、前記励振電極により励振される表面弾性波の伝播方向に沿って、前記表面弾性波の波長をλとしたとき、λ／２ピッチで配置される複数の位置電極と、を有するスケールを用意するステップと、
前記表面弾性波伝播面と対向して配置される検出面を有する検出器であって、前記検出面に形成され、λ／２ピッチで配置される一対の第一検出電極と、前記検出面に形成され、前記第一検出電極と９０°位相がずれた位置にλ／２ピッチで配置される一対の第二検出電極と、前記検出面に形成され、前記第一検出電極と４５°位相がずれた位置にλ／２ピッチで配置される一対の第三検出電極と、前記検出面に形成され、前記第一検出電極と１３５°位相がずれた位置にλ／２ピッチで配置される一対の第四検出電極と、を有する検出器を用意するステップと、
前記励振電極に、交番電圧を印加して前記表面弾性波伝播面に定在波を発生させるステップと、
前記第一検出電極、前記第二検出電極、前記第三検出電極及び前記第四検出電極のいずれか一の検出電極に励振された交番電圧の振幅と、前記一の検出電極と９０°位相がずれた位置に配置される検出電極が示す振幅に基いて前記位置電極と前記第一検出電極、前記第二検出電極、前記第三検出電極又は前記第四検出電極との位相差θを検出するステップと、
前記励振電極から奇数番目又は偶数番目の位置電極と前記第一検出電極、前記第二検出電極、前記第三検出電極又は前記第四検出電極との変位をθλ／２πとして求めるステップと、
を有する変位測定方法。
【請求項１３】
前記励振電極或いは前記第一検出電極、前記第二検出電極、前記第三検出電極又は前記第四検出電極のいずれか一方に電圧を印加して前記表面弾性波伝播面に進行波を発生させるステップと、
前記励振電極或いは前記第一検出電極、前記第二検出電極、前記第三検出電極又は前記第四検出電極のいずれか他方に前記進行波により励振された電圧を検出するステップと、
前記進行波の発生から前記進行波の検出までの時間Δｔを計測するステップと、
前記表面弾性波の伝播速度をｖとしたとき、前記励振電極から前記第一検出電極、前記第二検出電極、前記第三検出電極又は前記第四検出電極と容量性カップリングしている位置電極までの距離をｖΔｔとして求めるステップと、
を有する請求項１２に記載の変位測定方法。
【請求項１４】
前記進行波を発生させるステップ又は前記電圧を検出するステップにおいて、前記第一検出電極、前記第二検出電極、前記第三検出電極及び前記第四検出電極に励振された交番電圧の振幅に基いて、前記第一検出電極、前記第二検出電極、前記第三検出電極及び前記第四検出電極のいずれを用いるかを選択するステップを有する請求項１３に記載の変位測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、変位センサ及び変位測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
精密な変位センサとして、リニアスケール又はリニアエンコーダと称されるものが知られている。リニアスケールは、一般に、光学的、磁気的等何らかの手段により目盛が記録されたスケールと、そのスケールに近接して配置される検出器により構成されており、検出器がスケールに記録された目盛を読み取ることにより、検出器の位置を知ることができるようになっている。
【０００３】
リニアスケールにおける位置の検出方法には種々のものがあるが、一般に実用に供されている光学式、磁気式のものに換え、表面弾性波を用いたものが提案されている。
【０００４】
例えば、特許文献１には、ガラスセラミックス材で構成されたスケール基板上に櫛型電極対からなる励振器と受信器を設け、励振器により励振された表面弾性波の定在波を受信器により検出する計測装置が記載されている。
【０００５】
また、特許文献２には、圧電材料素子を挟んで、表面弾性波伝播面を対向させ、表面弾性波の伝播方向の互いの距離が可変となるように圧電材料基板の表面に配置した表面弾性波素子間の表面弾性波の伝播時間を計測することにより２つの表面弾性波素子間の変位を算出する変位センサが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１１−２５７３１５号公報
【特許文献２】特開２００９−２１６４４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上掲の特許文献１の計測装置では、測定分解能は櫛歯状電極を構成する電極指間の間隔の１／２にすぎない。また、上掲の特許文献２の変位センサでは、測定分解能は表面弾性波の伝播時間の測定精度に依存しており、一般に表面弾性波の伝搬速度が数千ｍ／ｓと高速であることから、この測定精度を向上させるためには検出器の動作周波数を著しく高めなければならず、現実的でない（例えば、表面弾性波の伝播速度が５０００ｍ／ｓのとき、１μｍの測定精度を得るためには、検出器の動作周波数として実に５ＧＨｚ以上が必要となる）。
【０００８】
さらに、上掲の特許文献１の計測装置では受信器とスケール基板とをスライド可能に密着させて表面弾性波を伝搬させなければならない。また特許文献２の変位センサにおいても、２つの表面弾性波素子は互いの距離が可変となるように圧電材料基板の表面に配置されなければならない。しかし、表面弾性波が伝搬するように２以上の部材を機械的に確実に接触させ、なおかつその相対的な位置を可変とすることは難しい。
【０００９】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、その課題は、高い分解能と信頼性を兼ね備えた表面弾性波を用いた変位センサを得ること、及び、かかる変位センサを用いた変位測定方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決すべく本出願において開示される発明は種々の側面を有しており、それら側面の代表的なものの概要は以下のとおりである。
【００１１】
（１）圧電材料製で、表面弾性波伝播面を有するスケールと、前記表面弾性波伝播面に形成された少なくとも１つの励振電極と、前記表面弾性波伝播面に形成され、前記励振電極により励振される表面弾性波の伝播方向に沿って、前記表面弾性波の波長をλとしたとき、λ／２ピッチで配置される複数の位置電極と、前記表面弾性波伝播面と対向して配置される検出面を有する検出器と、前記検出面に形成され、λ／２ピッチで配置される一対の第一検出電極と、前記検出面に形成され、前記第一検出電極と９０°位相がずれた位置にλ／２ピッチで配置される一対の第二検出電極と、を有する変位センサ。
【００１２】
（２）（１）において、前記励振電極に、前記表面弾性波伝播面に定在波を発生させる交番電圧を印加する定在波発振器と、前記第一検出電極に励振された交番電圧の振幅と、前記第二検出電極に励振された交番電圧の振幅に基いて前記位置電極と前記第一検出電極又は前記第二検出電極との位相差を検出する位相差検出器と、を有する変位センサ。
【００１３】
（３）（２）において、前記励振電極或いは前記第一検出電極又は前記第二検出電極のいずれか一方に、前記表面弾性波伝播面に進行波を発生させる電圧を印加する進行波発振器と、前記励振電極或いは前記第一検出電極又は前記第二検出電極のいずれか他方に前記進行波により励振された電圧を検出する進行波検出器と、前記進行波発振器による進行波の発生から前記進行波検出器による進行波の検出までの時間を計測する伝播時間計測器と、を有する変位センサ。
【００１４】
（４）（３）において、前記進行波発振器又は前記進行波検出器は、前記第一検出電極及び前記第二検出電極に励振された交番電圧の振幅に基いて前記第一検出電極及び前記第二検出電極のいずれを用いるかを選択する変位センサ。
【００１５】
（５）（１）において、前記検出面に形成され、前記第一検出電極と４５°位相がずれた位置にλ／２ピッチで配置される一対の第三検出電極と、前記検出面に形成され、前記第一検出電極と１３５°位相がずれた位置にλ／２ピッチで配置される一対の第四検出電極と、を有する変位センサ。
【００１６】
（６）（５）において、前記励振電極に、前記表面弾性波伝播面に定在波を発生させる交番電圧を印加する定在波発振器と、前記第一検出電極、前記第二検出電極、前記第三検出電極及び前記第四検出電極に励振された交番電圧の振幅の中の最大振幅と、前記最大振幅を示す検出電極と９０°位相がずれた位置に配置される検出電極が示す振幅に基いて前記位置電極と前記第一検出電極、前記第二検出電極、前記第三検出電極又は前記第四検出電極との位相差を検出する位相差検出器と、を有する変位センサ。
【００１７】
（７）（６）において、前記励振電極或いは前記第一検出電極、第二検出電極、第三検出電極又は前記第四検出電極のいずれか一方に、前記表面弾性波伝播面に進行波を発生させる電圧を印加する進行波発振器と、前記励振電極或いは前記第一検出電極、第二検出電極、第三検出電極又は前記第四検出電極のいずれか他方に前記進行波により励振された電圧を検出する進行波検出器と、前記進行波発振器による進行波の発生から前記進行波検出器による進行波の検出までの時間を計測する伝播時間計測器と、を有する変位センサ。
【００１８】
（８）（７）において、前記進行波発振器又は前記進行波検出器は、前記位相差検出器により検出された位相差に基いて前記第一検出電極、第二検出電極、第三検出電極及び前記第四検出電極のいずれを用いるかを選択する変位センサ。
【００１９】
（９）圧電材料製で、表面弾性波伝播面を有するスケールであって、前記表面弾性波伝播面に形成された少なくとも１つの励振電極と、前記表面弾性波伝播面に形成され、前記励振電極により励振される表面弾性波の伝播方向に沿って、前記表面弾性波の波長をλとしたとき、λ／２ピッチで配置される複数の位置電極と、を有するスケールを用意するステップと、前記表面弾性波伝播面と対向して配置される検出面を有する検出器であって、前記検出面に形成され、λ／２ピッチで配置される一対の第一検出電極と、前記検出面に形成され、前記第一検出電極と９０°位相がずれた位置にλ／２ピッチで配置される一対の第二検出電極と、を有する検出器を用意するステップと、前記励振電極に、交番電圧を印加して前記表面弾性波伝播面に定在波を発生させるステップと、前記第一検出電極に励振された交番電圧の振幅と、前記第二検出電極に励振された交番電圧の振幅に基いて前記位置電極と前記第一検出電極との位相差θを検出するステップと、前記励振電極から奇数番目又は偶数番目の位置電極と前記第一検出電極又は前記第二検出電極との変位をθλ／２πとして求めるステップと、を有する変位測定方法。
【００２０】
（１０）（９）において、前記励振電極或いは前記第一検出電極又は前記第二検出電極のいずれか一方に電圧を印加して前記表面弾性波伝播面に進行波を発生させるステップと、前記励振電極或いは前記第一検出電極又は前記第二検出電極のいずれか他方に前記進行波により励振された電圧を検出するステップと、前記進行波の発生から前記進行波の検出までの時間Δｔを計測するステップと、前記表面弾性波の伝播速度をｖとしたとき、前記励振電極から前記第一検出電極又は前記第二検出電極と容量性カップリングしている位置電極までの距離をｖΔｔとして求めるステップと、を有する変位測定方法。
【００２１】
（１１）（１０）において、前記進行波を発生させるステップ又は前記電圧を検出するステップにおいて、前記位相差θを検出するステップにより検出された位相差θに基いて、前記第一検出電極及び前記第二検出電極のいずれを用いるかを選択するステップを有する変位測定方法。
【００２２】
（１２）圧電材料製で、表面弾性波伝播面を有するスケールであって、前記表面弾性波伝播面に形成された少なくとも１つの励振電極と、前記表面弾性波伝播面に形成され、前記励振電極により励振される表面弾性波の伝播方向に沿って、前記表面弾性波の波長をλとしたとき、λ／２ピッチで配置される複数の位置電極と、を有するスケールを用意するステップと、前記表面弾性波伝播面と対向して配置される検出面を有する検出器であって、前記検出面に形成され、λ／２ピッチで配置される一対の第一検出電極と、前記検出面に形成され、前記第一検出電極と９０°位相がずれた位置にλ／２ピッチで配置される一対の第二検出電極と、前記検出面に形成され、前記第一検出電極と４５°位相がずれた位置にλ／２ピッチで配置される一対の第三検出電極と、前記検出面に形成され、前記第一検出電極と１３５°位相がずれた位置にλ／２ピッチで配置される一対の第四検出電極と、を有する検出器を用意するステップと、前記励振電極に、交番電圧を印加して前記表面弾性波伝播面に定在波を発生させるステップと、前記第一検出電極、前記第二検出電極、前記第三検出電極及び前記第四検出電極のいずれか一の検出電極に励振された交番電圧の振幅と、前記一の検出電極と９０°位相がずれた位置に配置される検出電極が示す振幅に基いて前記位置電極と前記第一検出電極、前記第二検出電極、前記第三検出電極又は前記第四検出電極との位相差θを検出するステップと、前記励振電極から奇数番目又は偶数番目の位置電極と前記第一検出電極、前記第二検出電極、前記第三検出電極又は前記第四検出電極との変位をθλ／２πとして求めるステップと、を有する変位測定方法。
【００２３】
（１３）（１２）において、前記励振電極或いは前記第一検出電極、前記第二検出電極、前記第三検出電極又は前記第四検出電極のいずれか一方に電圧を印加して前記表面弾性波伝播面に進行波を発生させるステップと、前記励振電極或いは前記第一検出電極、前記第二検出電極、前記第三検出電極又は前記第四検出電極のいずれか他方に前記進行波により励振された電圧を検出するステップと、前記進行波の発生から前記進行波の検出までの時間Δｔを計測するステップと、前記表面弾性波の伝播速度をｖとしたとき、前記励振電極から前記第一検出電極、前記第二検出電極、前記第三検出電極又は前記第四検出電極と容量性カップリングしている位置電極までの距離をｖΔｔとして求めるステップと、を有する変位測定方法。
【００２４】
（１４）（１３）において、前記進行波を発生させるステップ又は前記電圧を検出するステップにおいて、前記第一検出電極、前記第二検出電極、前記第三検出電極及び前記第四検出電極に励振された交番電圧の振幅に基いて、前記第一検出電極、前記第二検出電極、前記第三検出電極及び前記第四検出電極のいずれを用いるかを選択するステップを有する変位測定方法。
【発明の効果】
【００２５】
上記（１）の側面によれば、高い分解能と信頼性を兼ね備えた表面弾性波を用いた変位センサを得ること、及び、かかる変位センサを用いた変位測定方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る変位センサの外観を模式的に示した斜視図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る変位センサの回路構成を示す図である。
【図３Ａ】位相差が０°の時のスケールと検出器の側面視による部分拡大図である。
【図３Ｂ】位相差が９０°の時のスケールと検出器の側面視による部分拡大図である。
【図４】位相差θに対して第一作動出力及び第二差動出力の振幅をプロットしたグラフである。
【図５】変位の測定方法を説明するフロー図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る変位センサの回路構成を示す図である。
【図７】本発明の第３の実施形態に係る変位センサのスケールと検出器の側面視による部分拡大図である。
【図８】位相差θに対して第一作動出力、第二差動出力、第三差動出力及び第四差動出力の振幅をプロットしたグラフである。
【図９】２対の検出電極が設けられた変位センサにおいて、位置電極と第一検出電極の位相差が４５°となった時のスケールと検出器の側面視による部分拡大図である。
【図１０】本発明の第４の実施形態に係る変位センサの外観を模式的に示した斜視図である。
【図１１】本発明の第５の実施形態に係る変位センサの外観を模式的に示した斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明の第１の実施形態を図１〜図５を参照しつつ説明する。
【００２８】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る変位センサ１００の外観を模式的に示した斜視図である。変位センサ１００は、スケール１と、スケール１と所定の間隔をあけて対向するように配置される検出器２からなる検出部と、スケール１と検出器２と接続され、各種電気回路を内蔵するコントローラ３を有している。なお、同図において検出部とコントローラ３の比率は図示の通りでなく、理解を容易にするため、検出部を拡大して示している。
【００２９】
スケール１は、圧電材料、例えば、水晶やチタン酸ジルコン酸鉛等のピエゾセラミックス製であり、変位の測定方向に延びる平らな表面を持つ形状である。図１に示した例では、薄板形状であり、変位の測定方向に直線状に長く延びている。ここで、スケール１の表面には多数の電極が形成されており、当該表面は表面弾性波が励振され、測定方向に伝播する表面弾性波伝播面１０である。
【００３０】
表面弾性波伝播面１０の一端には、変位の測定方向（この例では、スケール１の長手方向）に伝播する表面弾性波を励振するための励振電極１１が設けられる。この励振電極１１は、一対の櫛歯形状の電極となっており、その一方である印加電極１２はコントローラ３と接続され、その他方である接地電極１３は接地される。印加電極１２と接地電極１３は、表面弾性波の伝播方向に対し直交するストリップライン形状の電極が、表面弾性波の伝播方向について交互に配置されるように互いに入れ子となるように配置されている。なお、印加電極１２と接地電極１３が交互に繰り返される回数は特に限定はなく、図１では２回であるが、これを３回以上としてもよいし、１回としてもよい。１回の場合には、印加電極１２と接地電極１３は櫛歯形状でなく、単なるストリップライン形状の電極である。
【００３１】
また、表面弾性波伝播面１０の他端には、励振電極１１により励振され、表面弾性波伝播面１０を伝播してきた表面弾性波を反射させる反射電極１４が設けられる。この反射電極１４もまた一対の櫛歯形状の電極であり、浮遊電極１５と接地電極１６の対となっている。浮遊電極１５は電気的に浮遊しており、接地電極１６は接地される。反射電極１４の形状は励振電極１１と等しく、その浮遊電極１５と接地電極１６は、表面弾性波の伝播方向に対し直交するストリップライン形状の電極が、表面弾性波の伝播方向について交互に配置されるように互いに入れ子となるように配置されている。
【００３２】
さらに、励振電極１１と反射電極１４の間には、多数のストリップライン形状の電極である位置電極１７が設けられている。位置電極１７は、表面弾性波の伝播方向に対し直交する向きに設けられ、また、個々の位置電極１７は電気的に浮遊している。そして、全てのストリップライン形状の電極は、等ピッチで配置される。図１では、検出器２に隠されて見えない部分にも位置電極１７は配置されている。
【００３３】
ここで、励振電極１１の印加電極１２に電圧を印加すると（以降では、この操作を単に「励振電極１１に電圧を印加する」と記述する）、スケール１の圧電効果により表面弾性波伝播面１０に局所的なひずみが生じ、このひずみが表面弾性波として表面弾性波伝播面１０上を変位の測定方向に表面弾性波として伝播していく。この表面弾性波の波長は、ストリップライン形状の電極のピッチをλ／２とすると、λである。
【００３４】
伝播した表面弾性波は、反射電極１４にて反射され、逆方向に進行する。そのため、励振電極１１に一定周波数の交番電圧を印加し、励振電極１１と反射電極１４間の距離をλ／２の整数倍としておくと、表面弾性波伝播面１０上には定在波が励起されることとなり、位置電極１７はその定在波の腹に位置することになる。
【００３５】
以降本明細書では、各電極の位置を距離で表示するだけでなく、位相によっても表示する。ここでの位相は表面弾性波伝播面１０上に励振される定在波を正弦波としたときのものであり、距離λ／２が１８０°、距離λが３６０°（＝０°）に相当する。当然に、ある位置に対し特定の位相だけずれた位置は、多数存在する。例えば、ある電極に対し１８０°位相がずれた位置とは、ｍを自然数として、（ｍ＋１／２）λずれた位置を意味している。また、電極の位置は、ストリップライン形状の電極の中心線の位置によりこれを示すものとする。
【００３６】
また、以上の説明では、表面弾性波伝播面１０の他端に反射電極１４を設けたが、これに換え、励振電極１１をさらに設けるようにしてもよい。すなわち、表面弾性波伝播面１０の両端にそれぞれ励振電極１１を設けてもよい。このとき、表面弾性波伝播面１０を発生させるためには、励振電極１１間の距離に位相差が無い場合には２つの励振電極１１に同位相の交番電圧を、励振電極間の距離に１８０°の位相差がある場合には逆位相の交番電圧を印加すればよい。
【００３７】
検出器２の材質は特に圧電材料である必要はなく、任意の絶縁材料で良い。好ましくは、スケール１と線膨張係数の近い材料を選択するとよく、例えば、アルミナセラミックスやガラス製とするとよい。検出器２は表面弾性波伝播面１０と対向して、すなわち、互いに向き合うように所定の距離をあけて配置される検出面２０を有しており、ここでは薄板形状である。検出面２０の表面には、λ／２ピッチで配置される一対のストリップライン形状の電極である第一検出電極２１と、同じくλ／２ピッチで配置される一対のストリップライン形状の電極である第二検出電極２２が設けられる。第一検出電極２１、第二検出電極２２は共に位置電極１７と平行に設けられ、第一検出電極２１と第二検出電極２２とは互いに位相が９０°ずれた位置に配置される。ここで示す例では、第一検出電極２１と第二検出電極２２間の距離が（３／４）λである。なお、このときの第一検出電極２１と第二検出電極２２との位相差は、λ／２＋（３／４）λ＝（５／４）λ＝４５０°＝９０°となっている。第一検出電極２１と第二検出電極２２のそれぞれの電極は、コントローラ３に接続されている。なお、第一検出電極２１と第二検出電極２２は図１では検出器２の裏側となり見えないため、破線でその位置を示した。
【００３８】
コントローラ３は、マイクロコントローラやＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  Ｓｐｅｃｉｆｉｃ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ）等のデジタル信号処理回路とアンプや各種電子部品からなる回路を実装した回路基板、操作スイッチ、表示部等の電気・電子部品をひとまとめにしたものである。なお、図１で示したコントローラ３の外観は一例であり、その形状は任意であり、単なる単一の又は複数の回路基板であってもよい。また、コントローラ３の機能の一部（例えば、アンプ）をスケール１や検出器２上に設けてもよい。なお、図１では、コントローラ３に対する電源線や接地線、外部機器との通信線等は図示を簡略化するため省略して示している。
【００３９】
以上の構成による変位センサ１００は、スケール１の表面弾性波伝播面１０と検出器２の検出面２０との間隔を保ちつつ、スケール１と検出器２が相対的に移動した際に、スケール１に対する検出器２の変位（又は検出器２に対するスケール１の位置。両者は符号が異なるだけで同じである）を高い分解能と信頼性をもって測定するものである。一般的には、スケール１を固定部材（例えば、工作機械のベッド）に貼付する等して固定し、検出器２を可動部材（例えば、工作機械のステージ）に貼付する等して固定することにより、その変位、すなわち、固定部材に対する可動部材の位置を正確に検出する。しかしながら、この関係を逆にしてスケール１を可動部材に、検出器２を固定部材に固定してもよいし、両者を可動部材に固定し、その相対位置を検出するようにしてもよい。検出された変位はコントローラ３の表示部に表示してもよいし、外部機器に出力してもよい。
【００４０】
図２は、本実施形態に係る変位センサ１００の回路構成を示す図である。同図において、スケール１及び検出器２はその側面視における形状を模式的に示している。
【００４１】
励振電極１１の印加電極１２は、スイッチ３０により、定在波発振器３１及び進行波発振器３２のいずれかに選択的に接続される。また、第一検出電極２１の１対の電極からの信号は差動アンプ３３に入力され、電極間の電位差が増幅されて取り出される（これを以降、第一差動出力と呼ぶ）。第二検出電極２２の一対の電極からの信号も同様に差動アンプ３４に入力され、電極間の電位差が増幅されて取り出される（これを以降、第二差動出力と呼ぶ）。
【００４２】
取り出された第一差動出力及び第二差動出力は、位相差検出器３５に入力される。また、第一差動出力及び第二差動出力は、スイッチ３６によりそのいずれかが選択されて進行波検出器３７に入力される。進行波発振器３２による進行波の発生のタイミングと、進行波検出器３７による進行波の検出のタイミングは伝播時間計測器３８に入力される。
【００４３】
なお、ここで示した各発振器や検出器、スイッチの動作は図示しないマイクロコントローラ等のプロセッサによりその動作が制御されている。
【００４４】
定在波発振器３１は、既知の周波数で交番電圧を発生させる。交番電圧の波形に特に限定はなく、矩形波、三角波であってもよいが、本実施形態では正弦波を発生させる。定在波発振器３１からの交番電圧が励振電極１１に印加されると、表面弾性波伝播面１０には表面弾性波として、定在波が生じる。
【００４５】
一方、進行波発振器３２は、パルス電圧又はバースト電圧を発生させる。進行波発振器３２からのパルス電圧又はバースト電圧が励振電極１１に印加されると、表面弾性波伝播面１０には励振電極１１を起点とするパルス波又はバースト波が生じ、表面弾性波伝播面１０上を伝播する進行波となる。また、進行波発振器３２によりパルス電圧又はバースト電圧が発生させられたタイミング、すなわち、進行波の発生のタイミングは伝播時間計測器３８に入力される。
【００４６】
差動アンプ３３，３４は、第一検出電極２１、第二検出電極２２に励起される電圧を増幅するものである。第一検出電極２１及び第二検出電極２２に電圧が励起される理由については後述する。
【００４７】
位相差検出器３５は、第一差動出力と第二差動出力から位置電極１７に対する第一検出電極２１の位相差を検出するものである。この検出の原理についても後述する。
【００４８】
進行波検出器３７は、第一差動出力及び第二差動出力のいずれかについて、検波を行い、第一検出電極２１及び第二検出電極２２のいずれかの位置に進行波が到達したことを検出するものである。進行波が検出されたタイミングは、伝播時間計測器３８に入力され、伝播時間が計測される。
【００４９】
位相差検出器３５により検出された位相差及び伝播時間計測器３８により計測された伝播時間は変位算出部３９に入力され、かかる位相差及び伝播時間に基いて変位が算出される。
【００５０】
以上の構成を持つ変位センサ１００が変位、すなわち、スケール１に対する検出器２の位置を検出する方法を以下に説明する。
【００５１】
本実施形態に係る変位センサ１００は、変位の計測を２段階の手順により行う。まず第１段階の手順は、位置電極１７に対する第一検出電極２１の位相差を検出する位相差検出であり、第２段階の手順は、励振電極１１に対する第一検出電極２１又は第二検出電極２２の大まかな位置を検出する概略位置検出である。
【００５２】
まず、第１段階の手順である位相差検出では、スイッチ３０は定在波発振器３１側に接続される。そのため、定在波発振器３１からの交番電圧が励振電極１１に印加され、表面弾性波伝播面１０の表面には定在波が励振される。このとき、励振電極１１の印加電極１２の位置を０°の位置とする。すなわち、印加電極１２は０°の位置にあり、接地電極１３は１８０°の位置にあることになる。また、位置電極１７は、０°位置のものと、１８０°位置のものとが交互に並んでいることとなる。
【００５３】
このとき、各位置電極１７には、スケール１の圧電効果により、定在波発振器３１が発生する交番電圧の周波数と等しい周波数で正弦波電圧が発生し、それにより電荷が発生することになる。
【００５４】
図３Ａは、位相差が０°の時のスケール１と検出器２の側面視による部分拡大図である。同図では、定在波が励起されているときの位置電極１７の位相と、定在波の波形を示した。
【００５５】
このとき、位置電極１７と第一検出電極２１とはお互いに位置がずれることなく向き合う。そして、表面弾性波伝播面１０と検出面２０とは、十分に近い所定の距離だけ離して向き合っているため、位置電極１７と第一検出電極２１とは容量性カップリングを生じる。そして、位置電極１７に電荷が発生すると、それに伴い、第一検出電極２１にも逆電荷が誘起され電圧を生じるため、第一検出電極２１により定在波の存在を検出できるのである。
【００５６】
一方、第二検出電極２２は、位置電極１７に対し９０°位相のずれた位置に配置されているため、ちょうど位置電極１７と向き合わない位置となる。そのため位置電極１７と第二検出電極２２とは容量性カップリングを生じず、また、仮に生じたとしても隣接する位置電極１７には逆極性の電荷が生じているため互いに打ち消され、第二検出電極２２には電荷は誘起されず、電圧も生じない。
【００５７】
図３Ｂは、位相差が９０°の時のスケール１と検出器２の側面視による部分拡大図である。この場合には、第一検出電極２１が位置電極１７に対し９０°位相のずれた位置にくるため電荷は誘起されず、第二検出電極２２は位置電極１７に対し１８０°位相のずれた位置に来るため、図３Ａにおける第一検出電極２１とは逆極性の電荷が誘起され、電圧が生じる。
【００５８】
以上の説明より容易に理解できるように、第一検出電極２１及び第二検出電極２２は、位置電極１７に対し０°又は１８０°の位置にあるとき最大振幅の電圧が生じ、当該位置からずれるに従って発生する電圧の振幅が減少していき、９０°又は２７０度の位置において０となり、再び振幅が増加していく。
【００５９】
このとき、第一検出電極２１の位置電極１７に対する位相差をθとすると、第一検出電極２１及び第二検出電極２２により検出される電圧の振幅、すなわち差動出力Ｖの振幅は、θに対し図４に示すようになる（ここでの振幅は、差動出力Ｖの位相が定在波発振器３１により励振される定在波に対し反転している場合には負の値をとる）。ここで、差動アンプ３３より出力される第一差動出力をＶ１、差動アンプ３４より出力される第二差動出力をＶ２としている。
【００６０】
このことから、Ｖ１、Ｖ２よりθを
【００６１】
【数１】
2015135292.tif 000003
により求めることができる。ただし、
【００６２】
【数２】
2015135292.tif 000004
【００６３】
図２の位相差検出器３５は、以上の方法により第一差動出力及び第二差動出力より位相差θを検出する。これにより、位置電極１７のピッチλ／２よりはるかに精細に、第一検出電極２１と位置電極１７との変位が検出される。この精度は、差動アンプ３３，３４の線形特性と位相差検出器３５の分解能（例えば、位相差検出器３５が備えるＡ／Ｄコンバータの分解能）に依存するため、測定ノイズの影響を受けない限度において、必要なだけの精度を確保することは容易である。
【００６４】
なお、上の説明では、励振電極１１の印加電極１２の位置を０°の位置としたため、励振電極１１から奇数番目の位置電極１７が０°の位置にある位置電極１７となったが、接地電極１３の位置を０°としてもよい。この場合には、励振電極１１から偶数番目の位置電極１７が０°の位置にあることになる。また、位置電極１７に対する位相差を第一検出電極２１について検出するようにしたが、これに換えて、位置電極１７に対する第二検出電極２２の位相差を求めるようにしてもよい。
【００６５】
以上の位相差検出では、第一検出電極２１の位置電極１７に対する位相差を検出するものであるため、位置電極１７の位相が０°の位置に対する相対位置は検出できるが、かかる位置は多数（距離λごとに）存在するため、これだけでは第一検出電極２１、すなわち検出器２のスケール１に対する絶対位置は検出できない。
【００６６】
これを解決する方法としては２種があり、まず１つは本変位センサ１００をいわゆるインクリメンタル方式の変位センサとして用い、基準となる原点位置を接触式のスイッチなど別途の方法により検出し、絶対位置は原点位置に対する位相差検出結果の積算として求める方法である。この場合には、図２で示した進行波発振器３２、進行波検出器３７及び伝播時間計測器３８は不要である。
【００６７】
もう１つは、次に説明する第２段階の手順である概略位置検出を行う方法である。
【００６８】
概略位置検出では、スイッチ３０は進行波発振器３２側に接続される。そして、進行波発振器３２は、パルス波又はバースト波を印加するものであるから、進行波発振器３２からのパルス波又はバースト波は、励振電極１１の印加電極１２の位置を起点として表面弾性波伝播面１０上を物性により定まる速度ｖで伝播していく進行波となる。
【００６９】
このとき、各位置電極１７には、やはりスケール１の圧電効果により、進行波が到達したときに電圧が発生し、それにより電荷が発生する。発生した電荷は進行波の通過に伴い消失する。
【００７０】
従って、第一検出電極２１及び第二検出電極２２の少なくともいずれかは位置電極１７と容量性カップリングを生じるので、第一検出電極２１又は第二検出電極２２に誘起された電圧を検出することにより、進行波が到来したことを検出できるのである。
【００７１】
ここで、検出器２の位置によって、第一検出電極２１又は第二検出電極２２と位置電極１７との容量性カップリングの強弱に差異が生じる。例えば、上述したように位置電極１７に対し９０°又は２７０°位相のずれた位置では、容量性カップリングが生じないため、進行波の検出ができなくなる。そこで、先の第１段階の手順として行った位相差検出により検出された第一差動出力と第二差動出力のうち、より大きい振幅を示した差動出力に対応する検出電極をスイッチ３６により選択することにより、より強い容量性カップリングを示す検出電極を選択する。すなわち、第一差動出力の振幅の方が大きければ、スイッチ３６により第一検出電極２１を選択し、そうでなければ第二検出電極２２を選択し、その出力を進行波検出器３７に入力するのである。
【００７２】
進行波検出器３７では、スイッチ３６により選択された第一差動出力又は第二差動出力に対し検波を行い、進行波が到来したタイミングを検出する。進行波発振器３２によりパルス波又はバースト波が印加されたタイミング及び進行波検出器３７により進行波が検出されたタイミングは、伝播時間計測器３８に入力される。
【００７３】
伝播時間計測器３８では、進行波発振器３２によりパルス波又はバースト波が印加されたタイミングと進行波検出器３７により進行波が検出されたタイミングとの差、すなわち、進行波の伝播時間Δｔをタイマカウンタ等の適宜の回路により計測する。
【００７４】
ここで、表面弾性波の進行速度ｖは物性により定まる値なので、励振電極１１と使用した検出電極（第一検出電極２１又は第二検出電極２２）と容量性カップリングを生じている位置電極までの距離はｖΔｔである。ここで、位置電極１７はλ／２ピッチで配置されているため、
【００７５】
【数３】
2015135292.tif 000005
と表すことができる。つまり、この概略位置検出の精度はλ／２であり、ｖΔｔと最も近い値を示すｋλ／２を第一検出電極２１又は第二検出電極２２の概略位置として採用すればよい。このことは、Δｔの検出精度として、隣接する位置電極１７を誤検出することがない程度のもので足ることを示しており、その分解能はλ／４ｖより細かいものであればよく、概ねλ／２０ｖより細かいものは不要と考えられる。このため、伝播時間計測器３８の必要な動作周波数にはさほど高周波は必要ない。一例として、表面弾性波の伝播速度が５０００ｍ／ｓとして、λを１ｍｍとすると、Δｔの必要分解能は０．０５μｓであり、伝播時間計測器３８の必要な動作周波数は２０ＭＨｚにすぎない。
【００７６】
以上の第１段階及び第２段階の計測終了後、変位算出部３９は位相差θ及び伝播時間Δｔに基いてスケール１に対する検出器２の変位ｌ、ここでは、励振電極１１に対する第一検出電極２１までの距離を算出する。すなわち、伝播時間Δｔより上述のｋを求め、変位ｌを、
【００７７】
（概略位置検出時に第一検出電極２１が選択された場合）
【数４】
2015135292.tif 000006
【００７８】
（概略位置検出時に第二検出電極２２が選択された場合）
【数５】
2015135292.tif 000007
として求める。上式により求められる変位ｌの精度は、第一項は位置電極１７の工作精度に、第二項は位相差検出器３５の測定分解能に依存するため、スケール１上に例えばフォトリソグラフィ等の工作精度の高い手法により位置電極１７を形成し、位相差検出器３５に用いるＡ／Ｄコンバータの分解能を高くする等の簡単な方法により高精度に変位ｌを検出することができ、コントローラ３の動作周波数は低く抑えられる。
【００７９】
図５は、コントローラ３が実行する、以上説明した変位ｌの測定方法を説明するフロー図である。まず、事前準備として、スケール１を用意し、変位測定対象の一方に固定し（ＳＴ１）、又検出器２を用意し、変位測定対象の他方にスケール１と所定の間隔をあけて固定し（ＳＴ２）、そしてスケール１及び検出器２をコントローラ３と接続する（ＳＴ３）。
【００８０】
事前準備の完了後、実際の測定においては、まず第１の手順である位相差検出として、スイッチ３０を定在波発振器３１側に接続して定在波発振器３１を選択し（ＳＴ４）、定在波発振器３１により交番信号をスケール１の励振電極１１に印加し、表面弾性波伝播面１０に定在波を発生させる（ＳＴ５）。その状態で、検出器２の第一検出電極２１と第二検出電極２２により検出される第一差動出力と第二差動出力から、位相差検出器３５により位置電極１７と第一検出電極２１との位相差θを検出する（ＳＴ６）。
【００８１】
続いて、第２の手順である概略位置検出として、スイッチ３０を進行波発振器３２側に接続して進行波発振器３２を選択し（ＳＴ８）、位相差検出結果において得られた第一差動出力と第二差動出力の振幅に基いて、スイッチ３６を第一検出電極２１か第二検出電極２２のいずれかの側に接続し、検出電極を選択する（ＳＴ８）。さらに、進行波発振器３２によりパルス信号又はバースト信号をスケール１の励振電極１１に印加し、表面弾性波伝播面１０に進行波を発生させる（ＳＴ９）。そして、進行波検出器３７により進行波を検出し、伝播時間計測器３８により伝播時間Δｔを計測する（ＳＴ１０）。
【００８２】
最後に、得られた位相差θ及び伝播時間Δｔに基いて、励振電極１１から第一検出電極２１までの変位ｌを上掲式等を使用して求める（ＳＴ１１）。
【００８３】
続いて、本発明の第２の実施形態に係る変位センサ２００を図６を参照して説明する。本実施形態にかかる変位センサ２００の外観及び、その構成要素、動作は先に説明した第１の実施形態に係る変位センサ１００と同等である。従って、変位センサ２００の外観は図１に示したものと同一である。また、測定の原理及びフローを説明する図３〜図５についても同様であるから、これら図を第２の実施形態に係る変位センサ２００のものとして援用する。さらに、先の実施形態で示した部材や要素と同等の構成については同符号を付し、重複する説明は省略するものとする。
【００８４】
本実施形態に係る変位センサ２００では、その回路構成が先の実施形態のものと異なっている。図６は、本実施形態に係る変位センサ２００の回路構成を示す図である。
【００８５】
変位センサ２００では、スイッチ３０により、励振電極１１は定在波発振器３１と、進行波検出器３７とに選択的に接続されるようになっている。また、第一検出電極２１及び第二検出電極２２には、連動スイッチ４０により、第一検出電極２１と第二検出電極２２のいずれかを選択し、その一方の電極を進行波発振器３２と接続し、他方を接地するようになっている。
【００８６】
第一検出電極２１からの信号に基く第一差動出力及び第二検出電極２２からの信号に基く第二差動出力が位相差検出器３５に入力されて位相差θが検出される点や、進行波発振器３２によるパルス信号又はバースト信号の印加のタイミングと進行波検出器３７による進行波検出のタイミングが伝播時間計測器３８に入力され、伝播時間Δｔが計測される点、変位算出部３９により位相差θ及び伝播時間Δｔに基いて変位ｌが算出される点はいずれも先の実施形態と同じである。
【００８７】
変位センサ２００では、第一の手順である位相差検出は先の実施形態と全く同様である。第二の手順である概略位置検出については、進行波を発生されるためのパルス信号又はバースト信号を印加する電極と、伝播した進行波を検出する電極が先の実施形態と逆になっている。すなわち、本実施形態では、連動スイッチ４０により第一検出電極２１と第二検出電極２２のいずれかを選択し、パルス信号又はバースト信号を容量性カップリングにより位置電極１７に入力して、位置電極１７を起点とする進行波を発生させる。そして、スイッチ３０により励振電極１１に接続された進行波検出器３７で進行波を検出するのである。
【００８８】
変位センサ２００をこのように構成しても先の実施形態に係る変位センサ１００と同様の効果が得られる。
【００８９】
さらに、本発明の第３の実施形態に係る変位センサ３００を図７〜図９を参照して説明する。本実施形態にかかる変位センサ３００の外観やその動作についても先の第１の実施形態と概ね同等であり、その重複する説明は省略するものとする。
【００９０】
図７は、本実施形態に係る変位センサ３００のスケール１と検出器２の側面視による部分拡大図である。変位センサ３００では、検出器２に検出電極が第一検出電極２１、第二検出電極２２に加え、第三検出電極２３及び第四検出電極２４の４対が設けられている。そして、第一検出電極２１に対する位相差は、第二検出電極２２が９０°、第三検出電極２３が４５°、第四検出電極２４が１３５°となっている。各検出電極の電極間ピッチは全てλ／２である。
【００９１】
このようにする第一の理由は、第一検出電極２１と第二検出電極２２のみを使用する場合として図４を参照すると、第一検出電極２１の位置電極１７に対する位相差θが０°、９０°、１８０°及び２７０°付近では、いずれか一方の出力がほぼ０となり、また他方の出力は位相差に対する変化が鈍感（曲線の傾きが０付近）となるため、測定精度が悪化する恐れがあるためである。これに対し、変位センサ３００のように第一検出電極２１〜第四検出電極２４の４対の検出電極を設け、その差動出力をそれぞれＶ１，Ｖ２，Ｖ３及びＶ４とすると、その出力は位相差θに対し、図８に示したようになる。この場合、第一検出電極２１の位置電極１７に対する位相差θが０°、９０°、１８０°及び２７０°付近においては、第三検出電極２３及び第四検出電極２４からの第三作動出力Ｖ３及び第四差動出力Ｖ４を用いて位相差θを算出すれば、常に十分な測定精度が確保できる。いずれにせよ、位相差θの算出には一の検出電極と、当該一の検出電極に対し９０°位相のずれた位置に配置された検出電極を用いるため、第一検出電極２１と第二検出電極２２を用いるか、第三検出電極２３と第四検出電極２４を用いるかのいずれかとなる。
【００９２】
どの検出電極を用いるかの使い分けは、例えば、得られる位相差θが０°〜２２．５°、６７．５°〜１１２．５°、１５７．５°〜２０２．５°、２４７．５°〜２９２．５°、３３７．５°〜３６０°である場合（これは０°、９０°、１８０°及び２７０°をそれぞれ中心とする４５°の範囲を示している）には、第三検出電極２３と第四検出電極２４を用い、それ以外の場合には第一検出電極２１及び第二検出電極２２を用いるようにするとよい。
【００９３】
また、第二の理由は、先の実施形態のように２対の検出電極が設けられた変位センサにより変位の検出を行うとした場合に、図９に示すように、位置電極１７と第一検出電極２１の位相差が４５°となったときに、第一検出電極２１及び第二検出電極２２それぞれと位置電極１７の容量性カップリングの強度が均等になり、容量性カップリングの強度が共に強くないため、特に概略位置検出の際に検出精度が劣る可能性があるためである。
【００９４】
変位センサ３００では、図７より明らかなように、スケール１に対し検出器２の位相差が４５°毎に位置電極１７と正対する検出電極が存在するため、常に位置電極１７との容量性カップリングの強度の強い検出電極を選択して概略位置検出を行うことができる。この場合には、位相差検出の際に得られた差動出力の振幅が最も大きい検出電極を選択するとよい。
【００９５】
さらに、本発明の第４の実施形態に係る変位センサ４００を図１０を参照して説明する。
【００９６】
図１０は、本実施形態に係る変位センサ４００の外観を模式的に示した斜視図である。同図に示すように、変位センサ４００ではスケールは矩形の平板形状であり、第一のスケール１ａ及び第二のスケール１ｂの２枚よりなっている。図中下側に配置された第一のスケール１ａの上面は第一の表面弾性波伝播面１０ａとなっており、その表面には第一の励振電極１１ａ、第一の反射電極１４ａ及び第一の位置電極１７ａ（以下、第一の電極群という。）が形成される。図中上側に配置された第二のスケール１ｂの下面は第二の表面弾性波伝播面１０ｂとなっており、その表面には第一の表面弾性波伝播面１０ａと同じく第二の励振電極１１ｂ、第二の反射電極１４ｂ及び第二の位置電極１７ｂ（以下、第二の電極群という。）が形成される。第一の表面弾性波伝播面１０ａと第二の表面弾性波伝播面１０ｂは互いに向き合うように対置され、また、第一の電極群と第二の電極群は平面視において互いに直交する向きに形成されている。
【００９７】
検出器２は第一の表面弾性波伝播面１０ａと第二の表面弾性波伝播面１０ｂに挟まれるように配置されており、その下面である第一の表面弾性波伝播面１０ａと向き合う面が第一の検出面２０ａ、その上面である第二の表面弾性波伝播面１０ｂと向き合う面が第二の検出面２０ｂとされている。第一の検出面２０ａには、第一の第一検出電極２１ａ及び第一の第二検出電極２２ａ（以下、第一の検出電極群という。）が形成され、第二の検出面２０ｂには第二の第一検出電極２１ｂ及び第二の第二検出電極２２ｂ（以下、第二の検出電極群という。）が形成されている。第一の検出電極群と第二の検出電極群は平面視において互いに直交する向きとされ、また第一の電極群と第一の検出電極群、及び、第二の電極群と第二の検出電極群はそれぞれ平行な向きに配置される。
【００９８】
第一の励振電極１１ａ及び第二の励振電極１１ｂ、並びに各検出電極はそれぞれコントローラ３に接続される。図１０では、接地される電極についての接地の表示や、コントローラ３と検出電極との接続等については図示が煩雑となるため省略している。また、図示をわかりやすくするため第一のスケール１ａと検出器２及び第二のスケール１ｂと検出器２間の距離は離して示されている。
【００９９】
このような構成の変位センサ４００を用いると、第一の電極群により励振される表面弾性波と、第二の電極群により励振される表面弾性波は直交しているため、第一の電極群及び第一の検出電極群を用いて第一の変位を得、さらに第二の電極群及び第二の検出電極群を用いて第二の変位を得ることで、スケール１ａ，１ｂに対する検出器２の二次元方向の変位を測定することができる。すなわち、変位センサ４００は、あたかも第一の実施形態に係る変位センサ１００を直交する２方向についてそれぞれ独立に配置した場合と同様の測定結果を得ることができ、なおかつ、検出器２は１台で済むことになる。
【０１００】
さらに、本発明の第５の実施形態に係る変位センサ５００を図１１を参照して説明する。
【０１０１】
図１１は、本実施形態に係る変位センサ５００の外観を模式的に示した斜視図である。同図に示すように、変位センサ５００ではスケール１は円形（ドーナツ状）の平板形状であり、その表面弾性波伝播面１０上の一か所に励振電極１１が設けられ、他の部分には全周に渡って、円の直径方向に平行に位置電極１７が等ピッチで設けられている。そして、検出器２の検出面２０には、第一検出電極２１及び第二検出電極２２が同じく円の直径方向に平行に設けられる。
【０１０２】
変位センサ５００では、励振電極１１に交番電圧を印加すると、スケール１の円周方向に定在波が発生する。これにより、先の実施形態と同様の位相差検出により、位相差θを検出することができる。さらに、励振電極１１（又は第一検出電極２１及び第二検出電極２２のいずれか）にパルス信号又はバースト信号を印加すると、表面弾性波伝播面１０の円周方向両側に向かって伝播する進行波が発生する。これを第一検出電極２１又は第二検出電極２２（或いは、励振電極１１）により検出することにより、伝播時間Δｔを計測することができる。なお、検出された進行波の進行方向は、検波時の位相により識別することができる。これにより、変位センサ５００では、スケール１に対する検出器２の円周方向の変位を測定することができる。
【０１０３】
以上説明した実施形態に示した具体的な構成は例示として示したものであり、本明細書にて開示される発明をこれら具体例の構成そのものに限定するものではない。当業者はこれら開示された実施形態に種々の変形、例えば、各部材あるいはその部分の形状や数、配置等を適宜変更したり、例示された実施形態を互いに組み合わせたりしてもよく、本明細書にて開示される発明の技術的範囲は、そのようになされた変形をも含むものと理解すべきである。
【符号の説明】
【０１０４】
１  スケール、２  検出器、３  コントローラ、１０  表面弾性波伝播面、１１  励振電極、１２  印加電極、１３  接地電極、１４  反射電極、  ２０  検出面、２１  第一検出電極、２２  第二検出電極、２３  第三検出電極、２４  第四検出電極、  ３０  スイッチ、３１  定在波発振器、３２  進行波発振器、３３  差動アンプ、３４  差動アンプ、３５  位相差検出器、３６  スイッチ、３７  進行波検出器、３８  伝播時間計測器、３９  変位算出部、４０  連動スイッチ、１００，２００，３００，４００，５００  変位センサ。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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