JP2003519374A - 可変リアクタンス位置検出器 - Google Patents
可変リアクタンス位置検出器Info
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- 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
- G01D5/00—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
- G01D5/12—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
- 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
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- G—PHYSICS
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- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R29/00—Arrangements for measuring or indicating electric quantities not covered by groups G01R19/00 - G01R27/00
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- Measuring Instrument Details And Bridges, And Automatic Balancing Devices (AREA)
- Geophysics And Detection Of Objects (AREA)
Abstract
(57)【要約】
位置センサ(10)は、インタ゛クターと直列に接続された容量性位置トランステ゛ューサ(14)を含む。発生器(30)は直列の組み合わせにその共振周波数で電流を加え、キャハ゜シタの両端の電圧が検出される位置を示す。直列共振は、共振周波数の高調波を本質的に除去するフィルタリンク゛機能を提供する。また、それはキャハ゜シタンスの両端の電圧もフ゛ーストし、それによりセンサの感度が上がる。
Description
【０００１】
本発明は、リアクタンス位置トランスデューサがセンサの駆動周波数に同調さ
れた共振回路に組み込まれた新規な位置センサに関する。より具体的には、本発
明は、方形波により駆動されるセンサに関し、この場合、共振回路がその方形波
の基本周波数に同調され、ひいてはその周波数の高調波において高い度合いの減
衰を行う。
れた共振回路に組み込まれた新規な位置センサに関する。より具体的には、本発
明は、方形波により駆動されるセンサに関し、この場合、共振回路がその方形波
の基本周波数に同調され、ひいてはその周波数の高調波において高い度合いの減
衰を行う。
【０００２】
本発明が対象とするセンサの一般的な用途は、サーボ制御された回転制限式モ
ータからなるガルバノメータユニットである。モータの軸に接続された角位置セ
ンサは、軸の瞬間的な角位置を制御するサーボループにフィードバック信号を提
供する。トランスデューサは、差動コンデンサ構成に配置された容量性トランス
デューサのような、可変リアクタンス装置である。一対のコンデンサの相対値は
線形的に軸の角位置に関係し、それに対して全キャパシタンスは本質的に軸位置
に無関係である。
ータからなるガルバノメータユニットである。モータの軸に接続された角位置セ
ンサは、軸の瞬間的な角位置を制御するサーボループにフィードバック信号を提
供する。トランスデューサは、差動コンデンサ構成に配置された容量性トランス
デューサのような、可変リアクタンス装置である。一対のコンデンサの相対値は
線形的に軸の角位置に関係し、それに対して全キャパシタンスは本質的に軸位置
に無関係である。
【０００３】
ガルバノメータユニットは、光スキャナ、レーザカッティングツール等のよう
な装置で使用され、これらの装置のサイズを縮小することがますます望まれるよ
うになっている。その結果として、ガルバノメータユニットのサイズが縮小され
る必要があり、位置センサが小型化される必要がある。しかしながら、これによ
り、センサのキャパシタンスが低減され、キャパシタンストランスデューサの感
度がこれらのキャパシタンスに大まかに比例することになる。キャパシタンスの
減少は、周波数を上げることによりある程度までオフセットさせることができる
。しかしながら、単に周波数を上げることによって得ることができる感度よりも
大きい感度を得ることが望ましい。従って、本発明は、センサの感度を低減する
ことなくそのセンサのサイズを縮小することを対象とする。
な装置で使用され、これらの装置のサイズを縮小することがますます望まれるよ
うになっている。その結果として、ガルバノメータユニットのサイズが縮小され
る必要があり、位置センサが小型化される必要がある。しかしながら、これによ
り、センサのキャパシタンスが低減され、キャパシタンストランスデューサの感
度がこれらのキャパシタンスに大まかに比例することになる。キャパシタンスの
減少は、周波数を上げることによりある程度までオフセットさせることができる
。しかしながら、単に周波数を上げることによって得ることができる感度よりも
大きい感度を得ることが望ましい。従って、本発明は、センサの感度を低減する
ことなくそのセンサのサイズを縮小することを対象とする。
【０００４】
【発明の概要】
本発明を具体化するセンサは、方形波発生器と、容量性位置トランスデューサ
及びインダクターからなる直列共振回路とを含む。センサは差動コンデンサであ
り、その全キャパシタンスは、検出される位置における変化に本質的に無関係で
ある。コンデンサとインダクタンスは発生器の基本周波数で共振し、従ってその
周波数の高調波を除去するフィルタとして機能する。更に、直列共振回路におい
て、各リアクタンス素子の両端の電圧は、その共振回路の両端の電圧より非常に
大きい。従って、コンデンサの両端の電圧は駆動電圧より非常に大きい。これに
より、トランスデューサのサイズが縮小される際に許容できる感度を得るために
使用される変圧器の必要がなくなる。
及びインダクターからなる直列共振回路とを含む。センサは差動コンデンサであ
り、その全キャパシタンスは、検出される位置における変化に本質的に無関係で
ある。コンデンサとインダクタンスは発生器の基本周波数で共振し、従ってその
周波数の高調波を除去するフィルタとして機能する。更に、直列共振回路におい
て、各リアクタンス素子の両端の電圧は、その共振回路の両端の電圧より非常に
大きい。従って、コンデンサの両端の電圧は駆動電圧より非常に大きい。これに
より、トランスデューサのサイズが縮小される際に許容できる感度を得るために
使用される変圧器の必要がなくなる。
【０００５】
換言すれば、センサの感度は、トランスデューサを流れる電流と共に増大する
。直列共振によってもたらされる低インピーダンスは、所与の駆動電圧に対して
より大きな電流をもたらし、それ故、トランスデューサは集積回路に共通な電圧
で駆動され得る。従って、回路要素は、所望の感度を維持する半導体チップ上で
見出され得る。
。直列共振によってもたらされる低インピーダンスは、所与の駆動電圧に対して
より大きな電流をもたらし、それ故、トランスデューサは集積回路に共通な電圧
で駆動され得る。従って、回路要素は、所望の感度を維持する半導体チップ上で
見出され得る。
【０００６】
本発明の以下の説明は、添付図面を参照する。
【０００７】
図１に示されるように、全体として参照番号１０で示される位置センサを用い
て、ガルバノメータのモータ（図示せず）の軸１２の角位置を検出する。センサ
は、キャパシタ位置トランスデューサ１４、そのトランスデューサに電力を供給
する駆動回路１６、及びトランスデューサ１８の出力に応答する検出回路を含む
。
て、ガルバノメータのモータ（図示せず）の軸１２の角位置を検出する。センサ
は、キャパシタ位置トランスデューサ１４、そのトランスデューサに電力を供給
する駆動回路１６、及びトランスデューサ１８の出力に応答する検出回路を含む
。
【０００８】
組み立て分解図で示されるトランスデューサ１４は、回転するために軸１２に
固定された回転子２４を取り囲む固定子２０と２２を含む。図示された回転子は
、誘電体材料から構成され、半径方向延びる４つのローブ（lobe）２４ａと共に
構成される。固定子２０は、回転子２４と固定子２２に面する表面を覆う駆動電
極（図示せず）を含む。固定子２２は、回転子２４と固定子２０に面する電極セ
グメント対２８ａ、２８ｂを含む。セグメント２８ａは共にセグメント２８ｂに
接続され、検出回路１８の一対の入力を提供する。
固定された回転子２４を取り囲む固定子２０と２２を含む。図示された回転子は
、誘電体材料から構成され、半径方向延びる４つのローブ（lobe）２４ａと共に
構成される。固定子２０は、回転子２４と固定子２２に面する表面を覆う駆動電
極（図示せず）を含む。固定子２２は、回転子２４と固定子２０に面する電極セ
グメント対２８ａ、２８ｂを含む。セグメント２８ａは共にセグメント２８ｂに
接続され、検出回路１８の一対の入力を提供する。
【０００９】
駆動回路１６は、発生器３０を含み、その発生器の出力は増幅器３１により増
幅される。増幅器３１の出力は、インダクター３２とトランスデューサ１４のキ
ャパシタンスの直列の組み合わせと接地との間に加えられる。
幅される。増幅器３１の出力は、インダクター３２とトランスデューサ１４のキ
ャパシタンスの直列の組み合わせと接地との間に加えられる。
【００１０】
好適には、軸１２のニュートラル位置において、回転子のローブ２４の各々が
一対の電極セグメント２８ａ、２８ｂの等しい部分上に重なり、固定子２０と電
極セグメントとの間のキャパシタンスが概ね等しくなるようになっている。従っ
て、発生器３０からの等しい容量性の電流がトランスデューサ１４を介して検出
回路１８の各入力端子に流れる。他方では、回転子１２がそのニュートラル位置
から移動する場合、ローブ２４の各々に対向する下にある電極セグメント対の一
方の面積が増加すると同時に、電極セグメント対の他方のセグメントの面積が減
少する。各対の電極を流れる相対的な容量性電流は、それに応じて変化し、これ
が検出回路１８の出力に反映される。
一対の電極セグメント２８ａ、２８ｂの等しい部分上に重なり、固定子２０と電
極セグメントとの間のキャパシタンスが概ね等しくなるようになっている。従っ
て、発生器３０からの等しい容量性の電流がトランスデューサ１４を介して検出
回路１８の各入力端子に流れる。他方では、回転子１２がそのニュートラル位置
から移動する場合、ローブ２４の各々に対向する下にある電極セグメント対の一
方の面積が増加すると同時に、電極セグメント対の他方のセグメントの面積が減
少する。各対の電極を流れる相対的な容量性電流は、それに応じて変化し、これ
が検出回路１８の出力に反映される。
【００１１】
具体的に言えば、検出回路１８は、一対の同一電流増幅器３４を含む。増幅器
の各々は、演算増幅器３６を含み、その演算増幅器の非反転入力端子３６ａは接
地されている。フィードバック抵抗３８が増幅器３６の反転入力端子３６ｂと出
力端子４０との間に接続される。図示されるように、ダイオード４２がトランス
デューサ１２の出力端子と接地との間に接続される。第２のダイオード４３が図
示のように直列に接続される。
の各々は、演算増幅器３６を含み、その演算増幅器の非反転入力端子３６ａは接
地されている。フィードバック抵抗３８が増幅器３６の反転入力端子３６ｂと出
力端子４０との間に接続される。図示されるように、ダイオード４２がトランス
デューサ１２の出力端子と接地との間に接続される。第２のダイオード４３が図
示のように直列に接続される。
【００１２】
発生器３０の出力の正の半サイクルにおいて、電流がトランスデューサ１４を
介して増幅器３８の入力端子３６ｂの各々に流れ、これらの入力端子は抵抗３８
のフィードバックによって接地電位に維持される。従って、出力端子４０におけ
る電圧は、それぞれのトランスデューサの電極セグメント２８ａ、２８ｂを流れ
る電流を表し、ひいては固定子２０とこれらの電極セグメントとの間のキャパシ
タンスを表す。発生器出力の負の半サイクルにおいて、電流はダイオード４２を
介して接地に流れる。端子４０における電圧の差は、軸１２の角位置を表す。
介して増幅器３８の入力端子３６ｂの各々に流れ、これらの入力端子は抵抗３８
のフィードバックによって接地電位に維持される。従って、出力端子４０におけ
る電圧は、それぞれのトランスデューサの電極セグメント２８ａ、２８ｂを流れ
る電流を表し、ひいては固定子２０とこれらの電極セグメントとの間のキャパシ
タンスを表す。発生器出力の負の半サイクルにおいて、電流はダイオード４２を
介して接地に流れる。端子４０における電圧の差は、軸１２の角位置を表す。
【００１３】
固定子２０と接地との間のトランスデューサの全キャパシタンスは、軸１２の
位置に本質的に無関係である。このキャパシタンスは、発生器３０の出力周波数
でインダクタ３２によって提供されたリアクタンスと共振する。このため、共振
の組み合わせは、その周波数において非常に小さなインピーダンスを有し、それ
故、発生器からの実質的な電流がトランスデューサを通って流れる。従って、ト
ランスデューサを流れる電流に依存する、位置センサの感度は、共振によって著
しく増大される。
位置に本質的に無関係である。このキャパシタンスは、発生器３０の出力周波数
でインダクタ３２によって提供されたリアクタンスと共振する。このため、共振
の組み合わせは、その周波数において非常に小さなインピーダンスを有し、それ
故、発生器からの実質的な電流がトランスデューサを通って流れる。従って、ト
ランスデューサを流れる電流に依存する、位置センサの感度は、共振によって著
しく増大される。
【００１４】
好適には、発生器３０は方形波（クロック）発生器である。このため、共振回
路は追加の機能、即ち発生器出力の基本周波数の高調波をフィルタリングする機
能を提供する。トランスデューサ１４を流れる電流の振幅−周波数特性は、共振
周波数より上の周波数で鋭いカットオフを示し、ひいてはトランスデューサの電
流からこれらの高調波を本質的に除去する。
路は追加の機能、即ち発生器出力の基本周波数の高調波をフィルタリングする機
能を提供する。トランスデューサ１４を流れる電流の振幅−周波数特性は、共振
周波数より上の周波数で鋭いカットオフを示し、ひいてはトランスデューサの電
流からこれらの高調波を本質的に除去する。
【００１５】
発生器３０の周波数は好適には、例えば２４ＭＨｚのような実用的な高さであ
る。このことは、位置センサの感度を維持するための能力に寄与する一方で、ト
ランスデューサのサイズを縮小し、駆動回路１６と出力回路１８を内蔵する半導
体チップ上に含められ得る小さな「空心」インダクター３２の使用も可能にする
。従って、位置センサは小さく、かつ安価に製作されることができる一方で、非
常に正確な位置測定に必要な感度を維持する。
る。このことは、位置センサの感度を維持するための能力に寄与する一方で、ト
ランスデューサのサイズを縮小し、駆動回路１６と出力回路１８を内蔵する半導
体チップ上に含められ得る小さな「空心」インダクター３２の使用も可能にする
。従って、位置センサは小さく、かつ安価に製作されることができる一方で、非
常に正確な位置測定に必要な感度を維持する。
【００１６】
従来の増幅器３１は本発明の利点を提供するが、センサ１０の感度に追加のブ
ーストを提供し、かつ駆動周波数の高調波をフィルタリング除去する際に助けに
なる図示のような増幅器を使用することが好ましい。特に、増幅器は電界効果ト
ランジスタ（ＦＥＴ）５０を含む。発生器３０の出力は、ＦＥＴのゲート５０ａ
と接地されたソース５０ｂとの間に加えられる。電力がインダクター５２を介し
てＦＥＴのドレイン５０ｃに印加される。
ーストを提供し、かつ駆動周波数の高調波をフィルタリング除去する際に助けに
なる図示のような増幅器を使用することが好ましい。特に、増幅器は電界効果ト
ランジスタ（ＦＥＴ）５０を含む。発生器３０の出力は、ＦＥＴのゲート５０ａ
と接地されたソース５０ｂとの間に加えられる。電力がインダクター５２を介し
てＦＥＴのドレイン５０ｃに印加される。
【００１７】
インダクター５２はＦＥＴ５０のキャパシタンスと共振し、インダクター３２
に接続されたドレイン５０ｃにおいて電圧をブーストする。ダイオード５４が図
示のように接続され、インダクター５２とＦＥＴ５０からなる共振回路に流れる
逆電流のためのリターンパスをＦＥＴ５０の周囲に提供する。従って、ドレイン
５０ｃにおける電圧は、参照番号５６で示されるような半正弦波の形態を有する
。
に接続されたドレイン５０ｃにおいて電圧をブーストする。ダイオード５４が図
示のように接続され、インダクター５２とＦＥＴ５０からなる共振回路に流れる
逆電流のためのリターンパスをＦＥＴ５０の周囲に提供する。従って、ドレイン
５０ｃにおける電圧は、参照番号５６で示されるような半正弦波の形態を有する
。
【００１８】
本発明の利点を提供する回路の値の例として、トランスデューサ１４は、固定
子２０と接地との間で約１０ピコファラッドのキャパシタンスを有することがで
きる。クロック周波数が１６ＭＨｚであると仮定すると、インダクター３２は９
マイクロヘンリーの値を有することができる。ＦＥＴ５０が１５ピコファラッド
のキャパシタンスを有する場合、インダクター５２は１５マイクロヘンリーの値
を有することができる。浮遊容量とインダクタンスが回路動作に大きな影響を及
ぼし、ひいてはインダクターの値と構成を調整することにより通常は補償される
ことになるので、これらのインダクタンスの値は概算である。
子２０と接地との間で約１０ピコファラッドのキャパシタンスを有することがで
きる。クロック周波数が１６ＭＨｚであると仮定すると、インダクター３２は９
マイクロヘンリーの値を有することができる。ＦＥＴ５０が１５ピコファラッド
のキャパシタンスを有する場合、インダクター５２は１５マイクロヘンリーの値
を有することができる。浮遊容量とインダクタンスが回路動作に大きな影響を及
ぼし、ひいてはインダクターの値と構成を調整することにより通常は補償される
ことになるので、これらのインダクタンスの値は概算である。
【図１】
本発明を具体化する位置センサの図である。
【手続補正書】
【提出日】平成１４年１０月９日（２００２．１０．９）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
【例示的な実施形態の詳細な説明】
図１に示されるように、全体として参照番号１０で示される位置センサを用い
て、ガルバノメータのモータ（図示せず）の軸１２の角位置を検出する。センサ
は、キャパシタ位置トランスデューサ１４、そのトランスデューサに電力を供給
する駆動回路１６、及びトランスデューサ１４の出力に応答する検出回路を含む
。
て、ガルバノメータのモータ（図示せず）の軸１２の角位置を検出する。センサ
は、キャパシタ位置トランスデューサ１４、そのトランスデューサに電力を供給
する駆動回路１６、及びトランスデューサ１４の出力に応答する検出回路を含む
。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
具体的に言えば、検出回路１８は、一対の同一電流増幅器３４を含む。増幅器
の各々は、演算増幅器３６を含み、その演算増幅器の非反転入力端子３６ａは接
地されている。フィードバック抵抗３８が増幅器３６の反転入力端子３６ｂと出
力端子４０との間に接続される。図示されるように、ダイオード４２がトランス
デューサ１４の出力端子と接地との間に接続される。第２のダイオード４３が図
示のように直列に接続される。
の各々は、演算増幅器３６を含み、その演算増幅器の非反転入力端子３６ａは接
地されている。フィードバック抵抗３８が増幅器３６の反転入力端子３６ｂと出
力端子４０との間に接続される。図示されるように、ダイオード４２がトランス
デューサ１４の出力端子と接地との間に接続される。第２のダイオード４３が図
示のように直列に接続される。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
発生器３０の出力の正の半サイクルにおいて、電流がトランスデューサ１４を
介して増幅器３４の入力端子３６ｂの各々に流れ、これらの入力端子は抵抗３８
のフィードバックによって接地電位に維持される。従って、出力端子４０におけ
る電圧は、それぞれのトランスデューサの電極セグメント２８ａ、２８ｂを流れ
る電流を表し、ひいては固定子２０とこれらの電極セグメントとの間のキャパシ
タンスを表す。発生器出力の負の半サイクルにおいて、電流はダイオード４２を
介して接地に流れる。端子４０における電圧の差は、軸１２の角位置を表す。
介して増幅器３４の入力端子３６ｂの各々に流れ、これらの入力端子は抵抗３８
のフィードバックによって接地電位に維持される。従って、出力端子４０におけ
る電圧は、それぞれのトランスデューサの電極セグメント２８ａ、２８ｂを流れ
る電流を表し、ひいては固定子２０とこれらの電極セグメントとの間のキャパシ
タンスを表す。発生器出力の負の半サイクルにおいて、電流はダイオード４２を
介して接地に流れる。端子４０における電圧の差は、軸１２の角位置を表す。
【手続補正５】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
Claims (7)
- 【請求項１】 物体センサの位置を監視するための位置トランスデューサであって、 前記センサが、 （Ａ）第１と第２の電子的リアクタンス検出素子からなるトランスデューサであ
って、前記第１と第２の電子的リアクタンス検出素子の相対的インピーダンスが
物体の位置の関数として反比例して変化し、そのインピーダンスの合計が本質的
に不変である、トランスデューサと、 （Ｂ）共振周波数で前記インピーダンスの合計と共振するリアクタンス素子と、
（Ｃ）駆動回路であって （１）前記共振周波数で出力電流を提供し、 （２）前記リアクタンス素子の直列の組み合わせを介して前記出力電流を流す
ように接続された、駆動回路と、及び （Ｄ）前記検出素子を通って流れる相対電流に応答する出力回路とからなる、位
置トランスデューサ。 - 【請求項２】 前記駆動回路が方形波発生器を含み、その発生器の基本周波数が前記共振周波
数であり、前記直列の共振回路が、前記トランスデューサを通って流れる電流か
ら共振周波数の高調波を減衰させるのに役立つ、請求項１のセンサ。 - 【請求項３】 （Ａ）前記トランスデューサがキャパシタンストランスデューサであり、前記検
出素子が第１と第２のキャパシタンスからなり、及び （Ｂ）前記リアクタンス素子が第１のインダクタである、請求項１のセンサ。 - 【請求項４】 請求項２のセンサ。
- 【請求項５】 前記トランスデューサが、 （Ａ）間隔をおいた第１と第２の固定子であって、 （１）前記第１の固定子が第１の電極として機能する共通導電面からなり、 （２）前記第２の固定子が、間隔を置いて交互になっている第２と第３の電極
からなる、第１と第２の固定子と、 （Ｂ）前記物体に機械的に接続され、誘電体セグメントからなる回転子であって
、誘電体セグメントのそれぞれが前記第１の電極と前記第２及び第３の電極のそ
れぞれの１つとの間に配置された、回転子とからなる、請求項３のトランスデュ
ーサ。 - 【請求項６】 前記出力回路が、前記第２の電極を流れる結合電流と、前記第３の電極を流れ
る結合電流とに応答する、請求項５のセンサ。 - 【請求項７】 （Ａ）前記駆動回路が、前記出力電流を提供するために前記発生器の出力を増幅
するように接続された増幅器を含み、及び （Ｂ）前記増幅器が、 （１）前記方形波発生器に接続されたゲートと、前記第１のインダクタに接続
されたドレインと、共通基準点に接続されたソースとを有する電界効果トランジ
スタと、及び （２）電源と前記第１のインダクタ及び前記トランジスタの接続部との間に接
続された第２のインダクタであって、前記第２のインダクタが前記トランジスタ
のキャパシタンスと共振して前記接続部における電圧をブーストする、請求項４
のセンサ。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US09/475,960 | 1999-12-30 | ||
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