JP2520137B2

JP2520137B2 - 位置検出装置

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Publication number: JP2520137B2
Application number: JP62214733A
Authority: JP
Inventors: 秀彦北原
Original assignee: Kodak Digital Product Center Japan Ltd
Current assignee: Kodak Digital Product Center Japan Ltd
Priority date: 1987-08-28
Filing date: 1987-08-28
Publication date: 1996-07-31
Anticipated expiration: 2011-07-31
Also published as: JPS6459010A

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の目的〕（産業上の利用分野）本発明は、物体の移動に伴う静電容量の変化を利用し
た位置検出装置に関し、さらに詳細には、物体に連動し
た２つの静電容量の差動成分により位置を検出する装置
で、たとえばカメラのレンズ位置の検出を行なう装置に
関する。

（従来の技術）この種の位置検出装置としては、検出物体の移動方向
に２枚の金属平板を固定配置し、これら金属平板に対向
して検出物体に追従する検出用電極としての金属平板を
設け、この検出用電極となる金属平板と、他の２枚の金
属平板との間に可変コンデンサをそれぞれ形成し、検出
物体の移動に伴う上記各可変コンデンサの静電容量の変
化により検出物体の位置を検出している。すなわち、固
定配置された一方の金属平板に、一端が接地された交流
電源の他端を接続して正弦波交流を印加すると共に、固
定配置された他方の金属平板に、上記交流電源を90゜遅
延回路を介して接続して90゜遅れた正弦波交流を印加し
ている。また、検出用電極となる金属平板には出力端子
を接続すると共に抵抗を介して接地している。

そして、検出物体が中央にあるときは固定配置された
各金属平板と、検出電極となる金属平板との対向面積が
互いに等しいため、出力は正弦波交流と90゜遅れの正弦
波交流との双方の影響を受ける。また、検出物体の移動
により、固定配置された一方の金属平板と、検出用電極
となる金属平板との対向面積が、他方の金属平板との対
向面積より大きくなると、基本の正弦波交流の影響が90
゜遅れの正弦波交流より強くなる。反対に、固定配置さ
れた他方の金属平板と、検出用電極となる金属平板との
対向面積が、前記一方の金属平板との対向面積より大き
くなると、90゜遅れの正弦波交流の影響が、基本の正弦
波交流より強くなる。このため検出用電極となる金属平
板の出力端子から得られる出力と、基本となる正弦波交
流との位相を比較することにより、検出物体の移動量、
すなわち位置を検出している。

しかし、上述した従来の位相比較方式の位置検出装置
では、回路特性上直線性に問題があり、広い範囲に渡っ
て正確な位置検出を行なうことが難しかった。

このような従来の欠点を解決した位置検出装置とし
て、本件出願人により特願昭61−239832号として提案さ
れたものがある。この位置検出装置は上述した従来装置
と同様に、検出物体の移動方向に固定配置された２枚の
金属平板と、これら金属平板と対向し、かつ検出物体の
移動に追従する検出用電極としての金属平板とを有し、
検出物体の移動により各金属平板と検出用電極としての
金属平板との間の静電容量を変化させている。

そして、前記固定配置された２枚の金属平板には、極
性の異なる２種の方形波に三角波を重畳した２種の基準
信号のいずれか対応するものを印加している。

この場合、検出物体が中央にあり、各金属平板と検出
用電極となる金属平板との対向面積が互いに等しい場合
は、前記２種の基準信号のうち極性が反対の方形波成分
は打ち消されて、三角波成分のみが検出用電極となる金
属平板から取り出される。これに対し、検出物体が移動
し、各金属平板と、検出用電極となる金属平板との対向
面積に不平衡が生じると、その不平衡の程度に応じてい
ずれかの方形波成分が残留し、この残留した方形波と三
角波成分とが重畳した信号が検出用電極から検出され
る。

これら検出用電極から検出された信号は比較回路にて
設定値と比較されるが、前述した平衡状態における三角
波成分のみの信号に対し、不平衡状態におけるいずれか
一方の方形波成分と三角波成分とが重畳された信号の場
合は、これが設定値に達して比較回路の出力が反転する
時期が変化する。すなわち、比較回路の出力の位相が変
化する。したがって、平衡状態における三角波成分のみ
の信号による比較回路の出力を基準とし、不平衡状態に
おけるいずれか一方の方形波成分と三角波成分とが重畳
した信号による比較回路出力の位相の変化を検出すれ
ば、物体の位置を検出することができる。

上述の位置検出装置は、直線性にも優れ、広い範囲に
渡って精度の高い位置検出を行なうことができる優れた
ものである。

ここで、検出装置として応答特性を高めたり、センサ
ー部のインピーダンスを下げるには基準信号の周波数を
高めればよい。しかし、上述した三角波を用いた位置検
出装置では、三角波を用いたために、数十KHzが使用限
界である。これは周波数特性の良い三角波発生回路が安
価に実現できないためである。

（発明が解決しようとする問題点）このように、従来の方式では、充分に高い周波数を適
用することが困難であり、この点に改良の余地があっ
た。

本発明の目的は、三角波発生回路を用いずに、充分に
高い周波数を適用して高精度に検出することができる静
電容量式の位置検出装置を提供することにある。

〔発明の構成〕

（問題点を解決するための手段）本発明による位置検出装置は、検出物体の変位方向に
配置された２個の基準信号電極およびこれら基準信号電
極の電極面と対向して電極面が形成された検出信号電極
を有し、検出物体の変位に連動して各基準信号電極と検
出信号電極との間の静電容量を変化させる静電容量変化
装置を持つ。また、ＨレベルおよびＬレベルそれぞれの
同相状態および２つの逆相状態を生じる一定の位相関係
に設定された２つの方形波を発生する基準信号発生回路
を設ける。さらに、この基準信号発生回路から生じる２
つの方形波を基に、所定の振幅の方形波による２つの基
準信号を前記基準信号電極の対応するものに印加すると
共に、この基準信号が各同相のときに検出信号電極に生
じる電圧を取り出してこれらの電圧変化を検出し、この
電圧変化が一定となるように前記基準信号の振幅を制御
するALC回路を設ける。また、前記２つの基準信号が各
逆相のときに検出信号電極に生じる電圧を取り出してこ
れらの電圧変化を検出し、この電圧変化を基に位置情報
を出力する回路を設けている。

（作用）本発明では、２個の基準信号電極に、ALC回路から所
定の位相関係に設定されている２種の基準信号を印加し
ている。そして、検出物体が中央に位置し、２個の基準
信号電極と検出信号電極との対向面積が等しければ、前
記２種の基準信号が逆位相になる２つのタイミングにお
いてこれらが共に相殺されるために検出信号電極には電
圧変化が生じない。これに対し、検出物体が変化し、２
個の基準信号電極と検出信号電極との対向面積に差が生
じると、前記２種の基準信号が逆位相になる２つのタイ
ミングにおいて変位量に応じた電圧変化が検出信号電極
に生じるので、これを検出物体の位置情報として用いる
ことができる。

（実施例）以下、本発明の一実施例を図面を参照して説明する。

第１図において、11は静電容量変化装置で、図示しな
い検出物体の変位方向（図示上下方向）に配置された金
属平板による２個の基準信号電極12,13と、これら基準
信号電極12,13の電極面と対向する電極面を有する金属
平板による検出信号電極14とを持つ。そして、検出物体
の変位に連動して各基準信号電極12,13と検出信号電極1
4との間の静電容量C₁,C₂を変化させている。ここでは検
出信号電極14を検出物体の変位に追従させ、静電容量
C₁,C₂を変化させているが、もちろん、２個の基準信号
電極12,13側を検出物体の変位に追従させ、静電容量C₁,
C₂を変化させてもよい。

16は基準信号発生回路で、第２図で示すような所定の
位相関係の方形波による２つの基準信号φ₁,φ_２を発生
する。この２つの基準信号φ₁,φ_２はＬレベルの同相状
態T₁およびＨレベルの同相状態T₂と、２つの逆相状態
T₃,T₄とを生じる周波数および位相関係に設定されてい
る。なお、第２図の振幅V₁は後述するALC回路から出力
される振幅を表わし、基準信号発生回路16から出力され
る振幅はV₀とする。また、この基準信号発生回路16は、
上記２つの基準信号φ₁,φ_２が同相状態T₁,T₂のとき生
じる同相同期信号CP₁,SP₁および２つの基準信号φ₁,φ
_２が逆相状態T₃,T₄のとき生じる逆相同期信号CP₂,SP₂を
それぞれ出力するよう構成されている。

17はALC回路で、基準信号発生回路16からの基準信号
φ₁,φ_２を基に、これを所定の振幅V₁なる基準信号φ₁,
φ_２にし、これを前記２つの基準信号電極12,13の対応
するものに印加する。また、このALC回路17は基準信号
発生回路16からの同相同期信号CP₁,SP₁を入力し、この
信号タイミングにおいて、前記検出信号電極14に生じる
電圧変化Vcをバッファ18を介して入力する。そして、こ
の電圧変化Vcが一定の大きさとなるように、前記基準信
号がφ₁,φ_２の振幅V₁を制御する。

19は位置検出回路で、前記基準信号発生回路16からの
逆相同期信号CP₂,SP₂を入力し、この信号タイミングに
おいて、前記検出信号電極14に生じる電圧をバッファ18
を介して入力し、その電圧変化Vdを検出する。この電圧
変化Vdが検出物体の変化方向および変化量を表わし、こ
れを基に位置情報が出力される。

上述した第１図の構成が本発明の基本的構成であり、
以下この動作を第２図を参照しながら説明する。

２つの基準信号電極12,13にはALC回路17からそれぞれ
基準信号φ₁,φ_２が印加されており、検出信号電極14に
は、各基準信号電極12,13との間の静電容量C₁,C₂に応じ
て電圧が生じる。上記２つの基準信号φ₁,φ_２の周波数
および位相は図示関係に設定してあるので、Ｌレベルの
同相状態T₁、Ｈレベルの同相状態T₂、２つの逆相状態
T₃,T₄が順次一定周期で生じる。これら各状態T₁,T₂,T₃,
T₄において検出信号電極14に生じる電圧は、検出物体の
位置すなわち静電容量C₁,C₂の大小関係により図示のよ
うになる。

まず、検出物体が中央に位置し、静電容量C₁,C₂の関
係がC₁＝C₂の場合、Ｌレベルの同相状態T₁からＨレベル
の同相状態T₂への変化により検出信号電極14には電圧変
化Vcが生じる。この同相状態T₁,T₂における検出信号電
極14の電圧は同相同期信号CP₁,SP₁によりALC回路17に入
力され、電圧変化Vcが検出される。これに対し逆相状態
T₃,T₄では共に両基準信号φ₁,φ_２が相殺され、この２
つの逆相状態T₃,T₄の間で電圧変化Vdは生じない。この
逆相状態T₃,T₄における検出信号電極14の電圧は逆相同
期信号CP₂,SP₂により位置検出回路19に入力されるが、
上述のように電圧変化Vdは検出されない。

つぎに、検出物体が変化し、静電容量がC₁＞C₂の関係
になった場合、同相状態T₁,T₂では検出信号電極14には
同様に電圧変化Vcが生じる。また逆相状態T₃では、検出
信号電極14には、静電容量C₁,C₂の差に応じて、平衡状
態より図示下側に偏倚した電圧が生じる。さらに逆相状
態T₄では、検出信号電極14には、静電容量の差に応じた
電圧が、逆相状態T₃の場合に対し反転して生じる。した
がって、逆相状態T₃からT₄への変化に伴い、電圧変化Vd
が生じる。この逆相状態T₃,T₄における検出信号電極14
の電圧は逆相同期信号CP₂,SP₂により位置検出回路19に
入力され、電圧変化Vdが検出される。そして、この電圧
変化Vdを基に位置情報が出力される。

静電容量がC₁＜C₂になった場合の基本的動作も同じで
あり、各逆相状態T₃,T₄において、検出信号電極14には
静電容量C₁,C₂の差に応じた電圧が順次反転して生じ、
これらは逆相同期信号CP₂,SP₂により位置検出回路19に
入力され、電圧変化Vdが検出される。そして、これを基
に位置情報が出力される。

ここで、前述したように、同相状態T₁,T₂において、
検出信号電極14に生じる電圧変化Vcは同相同期信号CP₁,
SP₁によりALC回路17に入力される。ALC回路17では、こ
の電圧変化Vcが一定となるように基準信号φ₁,φ_２の振
幅V₁を制御しているが、これは次の理由による。

第１図における静電容量変化装置11は、総容量をＣと
すると次の関係が成り立つ静電容量センサーとして第３
図のように表現される。

Ｃ＝C₁＋C₂,C₁＝nC、 C₂＝（１−ｎ）Ｃただし、０＜ｎ＜１とする。

浮遊容量を含む固定容量C₀はC₀＝mCとする。前述した
逆相状態での電圧変化Vd（「T₄の出力」−「T₃の出
力」）は次式で表される。

静電容量変化装置11は空気コンデンサであるため、温
度や湿度等で総容量Ｃが変化するが、この総容量Ｃが変
ると、前述したC₀＝mCが成立せず、C₀＝（ｍ＋△）Ｃ
（△は変化分）になる。つまり（１）式は次のようにな
る。

しかし、上記（１）′式のままでは正確な位置検出は
できない。

ここで、前述した同相状態T₁,T₂での電圧変化Vc（「T
₂の出力」−「T₁の出力」）は次式で表される。

（２）式と（１）′式よりV₁を消去すると次式とな
る。

上記（３）式から、Vcを常に一定にすれば、総容量Ｃ
の変化分△の有無にかかわらず、検出物体の位置に対応
した方形波の電圧変化Vdを正確に検出できる。

上述した理由から、電圧変化Vcが一定となるように制
御する必要があり、そのためALC回路17により２つの基
準信号φ₁,φ_２の振幅V₁を制御している。

次に第４図により第１図で示した構成の具体例を説明
する。基準信号発生回路16は、周波数４のクロック信
号を発生するクロック回路（CLK）21および２つのフリ
ップフロップ（FF）22,23からなる分周回路を主体とし
たもので、さらに、同相同期信号CP₁,SP₁および逆相同
期信号CP₂,SP₂を生じるためのロジック回路24を持つ。
すなわち、クロック回路21の出力端はフリップフロップ
22の出力端に接続され、その一方の出力端Ｑは他のフリ
ップフロップ23の入力端に接続される。このため、クロ
ック回路21のクロック信号（周波数４）はフリップフ
ロップ22によって周波数２の方形波に分周され、さら
にフリップフロップ23により周波数の方形波に分周さ
れる。ロジック回路24は、これらクロック回路21、フリ
ップフロップ22,23の各出力を入力し、所定のロジック
構成により第５図で示すタイミングで同相同期信号CP₁,
SP₁および逆相同期信号CP₂,SP₂を生じる。

ALC回路17は前記フリップフロップ22,23の動作に応じ
てオン・オフするスイッチ群26を持つ。すなわち、スイ
ッチ27,28は対応するフリップフロップ22,23の出力端Ｑ
からの出力によりオン動作するもので、その一端には一
定電圧Vccが供給され、他端は基準信号電極12,13のいず
れか対応するものと接続する。スイッチ29,30は対応す
るフリップフロップ22,23の出力端からの出力により
オン動作するもので、その一端は後述する反転アンプ31
の出力端と接続し、他端は基準信号電極12のいずれか対
応するものと接続する。すなわち、このスイッチ群26
は、フリップフロップ22,23の動作により、基準信号電
極12,13に対し、第５図で示す位相関係の振幅V₁なる基
準信号φ₁,φ_２を印加する。

このほか、ALC回路17には同相状態T₁,T₂にて検出信号
電極14に生じる電圧をバッファ18を介して入力するため
のクランプ回路32およびサンプルホールド回路（S/H）3
3が設けられる。クランプ回路32には一定電圧ＶAが供給
されており、また、同相同期信号CP₁が入力され、第５
図で示すように、そのタイミングにてバッファ18の出力
をクランプする。サンプルホールド回路33には同相同期
信号SP₁が入力されそのタイミングにてＶA−Vcをホール
ドする。このサンプルホールド回路33の出力は前述した
反転アンプ31に入力される。この反転アンプ31は演算増
幅器OPおよび抵抗R₁,R₂からなり、（−）側入力端には
サンプルホールド回路33の出力ＶA−Vcが加わり、
（＋）側入力端には基準電圧ＶBが加わっている。この
反転アンプ31は、サンプルホールド回路33の出力ＶA−V
cのレベルにより所定の振幅V₁を得るべく制御電圧Vcc−
V₁を生じる。

上記バッファ回路18は入力インピーダンスの高いFET
を用いた増幅器である。

位置検出回路19は逆相状態T₃,T₄で、検出信号電極に
生じる電圧をバッファ18を介して入力するために、クラ
ンプ回路35およびサンプルホールド回路36を持つ。クラ
ンプ回路35には一定電圧Vmが供給されており、第５図で
示すタイミングにて逆相同期信号CP₂が入力されてい
る。サンプルホールド回路36には同じく第５図で示すタ
イミングにて逆相同期信号SP₂が入力され、そのタイミ
ングにてVm＋Vdをホールドする。この出力は反転アンプ
37を構成する演算増幅器OPの（−）側入力端に加わり、
（＋）側入力端に加わっている基準電圧Vnと共に演算さ
れ、検出物体の位置に応じた位置情報となる。

次に、第５図により上記構成の動作を説明する。クロ
ック発生回路21から生じる周波数４のクロック信号に
基づき、ALC回路17は２種の振幅V₁なる方形波の基準信
号φ_１（周波数２）、φ_２（周波数）を生じ、これ
らを対応する基準信号電極12,13に印加する。このとき
検出信号電極14に生じる電圧はバッファ18により増幅さ
れ、その出力は同相状態T₁,T₂および逆相状態T₃,T₄毎に
図示の如く変化する。なお、図示波形はC₁＞C₂の場合で
ある。また、クランプ回路32およびサンプルホールド回
路33には同相同期信号CP₁,SP₁が加わるので、このタイ
ミングにてバッファ出力をALC回路17に抜取る。

第５図において、前述した総容量Ｃが変化しない定常
状態を実線で示す。この定常状態では、サンプルホール
ド回路33から一定電圧ＶA−Vcが反転アンプ31の演算増
幅器OPに入力されるので、基準信号電極12,13には一定
の振幅V₁の方形波による基準信号が印加される。これに
対し、総容量Ｃが減少した場合を点線で示す。この場
合、バッファ18の出力はAC電圧値であるため、全体の振
幅が小さくなる。このため、ALC回路17がサーボ動作
し、基準信号φ₁,φ_２の振幅V₁を前述した一定値より大
きくする。すなわち、サンプルホールド回路33の出力Ｖ
A−Vcが、定常時のDC電圧より高くなるため、反転アン
プ31のDC出力値が低下する。このため振幅V₁は増大す
る。この動作により、同相状態T₁,T₂において検出信号
電極14に生じる電圧変化Vcは一定となる。

逆相状態T₃,T₄では、逆相同期信号CP₂,SP₂が位置検出
回路19のクランプ回路35およびサンプルホールド回路36
の対応するものに入力されるので、静電容量C₁,C₂の差
に応じて検出信号電極14に生じた電圧変化Vdが反転アン
プ37に入力される。反転アンプ37は所定の演算機能によ
り、第６図で示す特性の位置情報を出力する。すなわ
ち、検出物体が中立状態のとき、出力電圧はVnとなり、
検出物体の位置（中立状態に対応するズレ）に対応した
直流電圧値が得られる。

上記実施例では、同相状態T₁,T₂と逆相状態T₃,T₄とが
第２図で示すように、T₁→T₂→T₃→T₄の順に生じる如
く、基準信号φ₁,φ_２を発生させているが、第７図のよ
うにT₁→T₄→T₂→T₃の順、又はT₁→T₃→T₂→T₄の順に生
じる如く基準信号φ₁,φ_２を発生させ、システムを構成
してもよい。すなわち、基準信号φ₁,φ_２は同一周波数
とし、これらの位相を90゜異なるように構成する。

このように構成しても、同相状態における電圧変化Vc
を一定にし、かつ逆相状態において、静電容量C₁,C₂の
差に応じた電圧変化Vdを得ることができる。

また基準信号φ₁,φ_２の振幅V₁を変える手法として、
「Ｌ」の直流レベルを変えているが、「Ｈ」の直流レベ
ルを変えてもよい。

〔発明の効果〕

以上のように本発明によれば、直線性に優れ広範囲に
渡って正確な位置検出が行なえると共に三角波を用いて
いないので高い周波数で応答することができ、検出精度
の高い装置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による位置検出装置の一実施例における
基本構成を示すブロック図、第２図は第１図の動作を説
明するためのタイムチャート、第３図は第１図で示した
静電容量変化装置を回路的に示した説明図、第４図は第
１図で示した各部の具体的構成例を示す回路図、第５図
は第４図の動作を説明するためのタイムチャート、第６
図は第４図で示した位置検出の回路の出力特性図、第７
図は本発明の他の実施例の動作を説明するためのタイム
チャートである。 11……静電容量変化装置、12,13……基準信号電極、14
……検出信号電極、16……基準信号発生回路、17……AL
C回路、19……位置検出回路。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】検出物体の変位方向に配置された２個の基
準信号電極およびこれら基準信号電極の電極面と対向し
て電極面が形成された検出信号電極を有し、検出物体の
変位に連動して各基準信号電極と検出信号電極との間の
静電容量を変化させる静電容量変化装置と、ＨレベルおよびＬレベルそれぞれの同相状態および２つ
の逆相状態を生じる一定の位相関係に設定された２つの
方形波を発生する基準信号発生回路と、この基準信号発生回路から生じる２つの方形波を基に所
定の振幅の方形波による２つの基準信号を前記基準信号
電極の対応するものに印加するALC回路と、前記２つの基準信号が各逆相のときに検出信号電極に生
じる電圧を取り出してこれらの電圧変化を検出し、この
電圧変化を基に位置情報を出力する位置検出回路と、を備えたことを特徴とする位置検出装置。
【請求項２】ALC回路は、基準信号発生回路から生じる
２つの方形波を基に所定の振幅の方形波による２つの基
準信号を基準信号電極に印加すると共に、この基準信号
が各同相のときに検出信号電極に生じる電圧をそれぞれ
取り出してこれらの電圧変化を検出し、この電圧変化が
一定となるように前記基準信号の振幅を制御することを
特徴とする特許請求の範囲第１項記載の位置検出装置。