絕對原點型Digimatic數顯千分表ID-C系列產品

1、前言 

指針式千分表（DIAL GAGES以下簡稱“DG”）不僅可以簡單地作為尺寸量具應用于比較測量儀器的測量臺，而且可以廣泛地作為嵌入?埋置式裝置裝在支架、夾具上或裝配在深度計，厚度計或其他測量儀上使用，用途廣泛。
三豐早在卡尺和千分尺之前，就著手進行DG的數顯化了，利用具有高精度、實時測量功能的光電檢測器和靜電電容（低電壓、低電流）檢測器，成功地開發出Digimatic Indicator—數顯千分表（DIGIMATIC INDICATORS以下簡稱“ID”）。該產品作為數顯手持量具的主力產品，得到了改良和發展。
通常ID中所使用的檢測器全部都是采用增量檢測方式，即通過感應安裝在心軸上的標尺與固定在框架上的柵格相關位置變量。三豐進一步利用其在靜電電容檢測器開發過程中獲得的專業技術，開發出公司獨創的絕對原點型（ABS）靜電電容檢測器。這種靜電電容檢測器是通過讀取刻在標尺上的絕對位置刻度來得到測量數據的。
本文將介紹采用了這種絕對原點測量法的絕對原點型（ABS）Digimatic數顯千分表ID-C系列。
*ABS（絕對原點）是“absolute”的縮寫。

2、開發理念 

當今的經濟發展日益呈現出平穩走勢，各行業商家都越來越傾向于使用低成本的產品，向節約型公司發展。因此，制造業領域的眾多公司也必須積極適應這種全球競爭的新需要。
ID-C系列產品采用了絕對原點（ABS）標尺技術，有效提高了產品的技術性能和品質，以拉開與其他產品的差距。同時兼顧降低制造成本，以滿足當前市場需要，其設計理念如下。
1) 采用絕對原點標尺，無需再頻繁地進行基準點確認操作。
2) 采用絕對原點標尺，響應速度無極限，有效提高了測量數據的可靠性。
3) 采用大型LED大字符顯示，更便于讀數。
4) 通過采用通用零部件和商品改良，進一步降低制造成本。

圖1 ID-C系列

3、 產品概述 

3-1 規格
ID-C系列由上面圖1中所示的5種基本型號產品構成。
分辨率可分為1μm和10μm兩種設計，各型號均具有12.7mm、25.4mm或50.8mm3種量程。量程為12.7mm的兩種型號：一種是采用輕型鋁制心軸的低測力型，另一種是具有IP53防護標準的封裝防塵型。這些產品的主要規格見下面表1。
表1 ID-C系列主要性能 

型號	ID-C112	ID-C125B	ID-C150B	ID-C1012	ID-C1025B	ID-C1050B
測量范圍	12.7mm	25.4mm	50.8mm	12.7mm	25.4mm	50.8mm
分辨率	0.001mm			0.01mm
精度	0.003mm	0.003mm	0.006mm	0.020mm	0.030mm	0.040mm
軸套外徑	Φ8mm
測針裝配部	硬質合金M2.5×0.45（三豐千分表通用）
顯示	液晶顯示（LCD）（6位，負號），字符高度為8.5mm
功能	ZERO/ABS 預調 TOL（公差判斷和放大顯示） +/-（切換測量方向） 測量值輸出
顯示裝置旋轉角度	330o
電池壽命	一個氧化銀電池（SR44）可連續使用5,000小時
測力	1.2N	1.8N	2.3N	0.9N	1.8N	2.3N
重量	160g	190g	280g	160g	190g	280g

3-2 特點
(1) 絕對原點標尺
使用在標尺上帶有絕對原點型靜電電容檢測器的ID-C，原點經設置后，即使斷電，也仍可保留，無需每次開機后重新設置原點，用戶可在開機后直接進行測量。這種絕對原點型檢測器，是通過直接讀取刻在標尺上的位置信息，從而得到可靠的測量位置，對速度或加速度均無任何限制，絕對不會像從前使用的型號那樣出現“超速錯誤”。
(2) 電池壽命更長
以在開發數顯手持量具時積累的節能電路方面經驗為基礎，結合絕對原點型檢測器技術，實現了ID-C的低耗電量，從而使電池壽命得以延長：一個氧化銀電池可連續工作約5,000小時。
(3) 公差判斷功能
ID-C系列產品具有新建的公差判斷功能，公差判斷更簡便：只需一次性設置上限和下限就可進行公差判斷。并且放大顯示功能使公差判斷結果更易讀取。
(4) 顯示裝置更清晰易讀
LCD字符高度為8.5mm（比以前增大1.6倍），更清晰且易于讀數。

3-3 結構
以圖2所示的ID-C 112（分辨率為1μm，測量范圍為12.7mm）結構為例。
三豐產品的主要零部件都盡可能采用模塊化設計，這不僅能夠提高組裝的質量和效率，也能夠有效利用減少零部件個數，提高通用性。
ID-C 112系列包括4個主要組裝模塊：顯示組件、柵格組件、標尺組件和內部框架組件。ID-C的測針、后蓋等附件與DG產品通用。
標尺組件固定在穿過內部框架組件的心軸上。由標尺基準電極和與其成對的反向電極組成的柵格，與包含信號處理集成電路（MN146）的檢測電路板一起，由兩個板簧夾持著，共同構成了柵格組件。由于柵格組件采用了一種簡單懸掛結構，這樣即可保持滑塊與標尺表面的輕微接觸，又可保持與檢測器間的間隙和方位。顯示組件通過一個O形環和一個移動FPC固定到內部框架組件上，以確保顯示裝置可進行330o旋轉。

4. 絕對原點型靜電電容檢測器
用于ID-C系列產品中的絕對原點型檢測器由標尺上所形成的3個軌跡（Coarse、Medium、Fine）和柵格上所配置的傳送電極和兩對接收電極構成。當標尺移動時，通過柵格層之間的靜電電容藕合器傳送震動信號。該信號中的相位變化由接收電極檢測到。信號處理過程中將這一信息轉換為位置信息。首先是上方的Coarse軌跡，然后是Medium軌跡和Fine軌跡，位置一個個確定以后，從而可以檢測出標尺的位移量—絕對位置。
在此對1μm讀數絕對原點型檢測器的結構和特點作簡單概述。

4-1 結構
利用平版印刷電路技術在玻璃晶片上形成

電極圖案，如上面圖3標尺和柵格結構圖所示。

在標尺上，由鉻層（≒2000?）形成（Coarse、Medium、Fine）3個軌跡圖形，然后用二氧化硅（SiO2）保護膜（厚度約為1000?）
涂蓋整個表面。

4-2 規格
本絕對原點型檢測器不僅僅用于ID系列產品，考慮到還可擴展到最小分辨率為1μm的其它數顯手持工具的使用兼容性，作出了省空間設計。
新型柵格外部尺寸為10.5×15mm，與傳統靜電電容INC檢測器的尺寸23×10mm相比，面積減小68%，而精度和非直線度容許值與原有型號相同，甚至性能更好。
下面表2列舉了各軌跡的分辨率與基本周期之間的對應情況；圖5圖示出檢測器單體精度的代表測量例。圖6列舉出為確保該精度所必需的柵格安裝誤差的容許范圍（非直線度容許值）。
表2 軌跡的基本周期和分辨率

標尺軌跡	基本周期	插入數	分辨率
Coarse	65.536mm	256	0.256mm
Medium	4.096mm	256	0.016mm
Fine	0.256mm	256	0.001mm

5. 制造成本
很難預測日本制造業究竟能不能，或者說什么時候能再次進入一個經濟飛速發展的時代？日本制造業的發展很有可能處于一個長期低迷的狀態。在此期間，國際制造業的競爭更為激烈，有效降低制造成本不僅能改善目前的收益狀況還可以作為將來企業生存的支柱。因此，制造業眾多公司將不得不通過整個公司的改革與提高去迎接這一挑戰。
在ID-C系列產品的開發過程中，降低制造成本被作為本次商品開發的重要課題?；谶@一個理念，將現有產品零部件的設計進行全面改良，改進將生產工藝與制造技術集成一體的工程設計，通過推行上述措施，三豐取得了巨大的成效?，F將其中的一部分介紹給大家。
5-1 重新審查并合理減少多余的產品零部件
在日本經濟強勁發展的“泡沫”階段，需要重新審查那些最初為追求高效而選用的高價零部件和材料，要著眼于在確保能滿足性能要求的同時，減少多余零部件，尋求低價替代品。此外，我們還要努力尋求減少零部件數量的方法，例如將分離式的補充性零部件集成為模塊等。
(1)柵格組件       從原先的9個零部件構成改進成由4個零部件形成的模塊。
(2)空氣阻尼器    使用新設計的心軸帽取代了以前6個部件的配置（采用絕對原點型標尺，響應速度無極限，并且無需使用節氣閥。盡管對于長量程型                        號的儀器，為確保測量精度仍需繼續使用節氣閥，但還是成功地從心軸導軌中省去了起著節氣閥作用的部件。）
(3)螺絲的通用化    傳統型號要使用14種不同規格的60顆螺絲，而ID-C系列削減到僅需要使用9種規格的50顆螺絲。
(4)顯示裝置罩    罩體材料從具有高隔熱性、高防沖擊性的絕對原點型樹脂材料換為一般耐熱等級的絕對原點型樹酯材料。
(5)遮蔽板    遮蔽板由于無明顯效果而不再使用（由電路板和FPC代替抗干擾措施）。
* 以上零部件的數量由原有產品的47個減少到了ID-C 122型的32個，大約削減了33%的原有零部件。

5-2 降低最初的模具成本
雖說使用模制零部件可以大大節省成本，但使用復雜的高性能模具，初始成本是相當高的，這便相對增加了折舊和攤銷成本，結果也就造成了較高的產品價格。因此，關鍵是要購買適于批量生產的模具和認真選擇模具供應商。
ID-C系列產品有33個模制部件（包括沖壓制件），與模具供應商共同制定出技術解決方案之后，最初的模具成本比最初預計減少了28%。
5-3 提高絕對原點型檢測器的成品率
如上所述，新型絕對原點型檢測器比原有型號的檢測器尺寸減小到68%，這就意味著每塊玻璃墊板上可生產出1.7倍于以前的檢測器。此外，由于三豐清原工廠進行了制造流程上的改進，絕對原點型檢測器的生產成本降低了約二分之一，產量大幅度提高。

6. 結論
以上簡要介紹了用于ID-C系列的絕對原點型靜電電容檢測器在改進與降低成本方面所取得的成功。因為ID產品在測量領域應用廣泛，許多客戶都要求提高測量數據的實時顯示功能和測量精度。在成功開發出絕對原點型靜電電容檢測器的基礎上，三豐將繼續努力開發新型ID產品，力求以高增值性能不斷滿足客戶的新需求。