JP2652575B2

JP2652575B2 - 移動体の静電検出装置

Info

Publication number: JP2652575B2
Application number: JP1275205A
Authority: JP
Inventors: 昇増田; 康生藤井; 哲夫大澤
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1989-10-23
Filing date: 1989-10-23
Publication date: 1997-09-10
Anticipated expiration: 2012-09-10
Also published as: JPH03137568A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、静電容量の変化を検出して移動体の回転あ
るいは直進の物理的な移動量を検出する移動体の静電検
出装置に関するものである。

〔従来の技術〕

従来から、回転移動の検出装置として、磁気式の装置
と、電磁誘導式の装置と、光学式の装置とが知られてい
る。

前記磁気式の装置は、磁性体の回転ドラムの表面に複
数のＮ極とＳ極とを着磁形成し、この回転ドラムを回転
軸に装着し、回転軸と一体的に回転する回転ドラムの近
傍に磁気センサを配置し、前記回転軸の回転移動量を回
転ドラムを介して磁気センサにより検出するものであ
る。

また、電磁誘導式の装置は、回転軸に装着する誘電体
のアタッチメントを備え、このアタッチメントの近傍位
置にコイル式の検出部を設け、アタッチメントの表面に
形成した凹凸やエジーカレントを検出することにより、
回転軸の回転移動量を検出するものである。

さらに、光学式の装置は、回転体に装着するアタッチ
メントの表面に例えば光をよく反射する部分と、光をほ
とんど反射しない面を交互に設け、このアタッチメント
から反射する光の光量を検出することにより回転体の回
転移動量を検出するものである。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、前記磁気式の装置は、回転ドラムを磁
性体により構成しなければならないという制約があり、
また、電磁誘導式の装置も、アタッチメントを誘電体に
より構成しなければならないという材料上の制約があ
る。

また、光学式の装置は、アタッチメントの表面に光の
反射量の強弱部を形成しなければならないという面倒が
あり、また、反射光量を処理する光学系の装置も複雑に
なるという問題があった。

本発明は上記従来の課題を解決するためになされたも
のであり、その目的は、移動体に装着するアタッチメン
トの材料上の制約がなく、また、装置構成の簡易な移動
体の静電検出装置を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は上記目的を達成するために、次のように構成
されている。すなわち、本発明は、移動体に装着され移
動体の移動を前記被検出部に対する静電容量変化によっ
て検出するための被検出部が設けられているアタッチメ
ントと、移動体と共に移動するアタッチメントの移動を
静電容量の変化によって検出する静電センサ装置とによ
って構成される移動体の静電検出装置であって、前記静
電センサ装置は周波数信号を発振出力する１個の発振回
路と、前記アタッチメントの被検出部で検出される外部
静電容量の変化を受けて前記周波数信号に対して共振周
波数のとの同調点が変化する第１および第２の２個の同
調回路と、前記第１の同調回路側から加えられる信号と
第２の同調回路側から加えられる信号との差動出力を送
出する出力回路とを有して構成され、前記発振回路の出
力側には高インピーダンス変換部が設けられ、第１と第
２の各同調回路の出力側には高インピーダンス化回路が
設けられて、第１と第２の各同調回路は前記高インピー
ダンス変換部と高インピーダンス化回路によって挟まれ
ていることを特徴としている。

〔作用〕

本発明では、移動体に装着されるアタッチメントに対
向してアタッチメントの移動を静電容量の変化として検
出する例えば一対の電極が設けられる。この状態で、移
動体が移動すると、これに連動してアタッチメントが移
動し、アタッチメントの被検出部が電極の近傍を通過し
ていく。この結果、一対の各電極で移動体の移動が静電
容量の変化として検出され、各電極から対応する第１お
よび第２の同調回路へ検出信号が加えられる。各同調回
路には高インピーダンス変換部の出力側から発振回路の
周波数信号が加えられており、各同調回路では前記外部
静電容量の変化を受け、前記周波数信号に対して共振周
波数の同調点が変化し、前記外部静電容量の変化に対応
する信号を送出する。出力回路は、前記第１の同調回路
側から高インピーダンス化回路を介して加えられる信号
と、第２の同調回路側から高インピーダンス化回路を介
して加えられる信号との差を求め、その差動信号を出力
する。

〔実施例〕

以下、本発明に係る移動体の静電検出装置の一実施例
を図面に基づいて説明する。第１図には本発明の一実施
例のブロック図が示されている。本実施例の装置は、ア
タッチメント14と、静電センサ装置とからなる。前記ア
タッチメント14は第３図に示すように、軸孔15を有する
金属あるいは合成樹脂等からなる円板によって構成さ
れ、この円板の側面側には複数の凸部16が等角間隔に形
成されており、この凸部16と凹部17とで静電容量の被検
出部が構成されている。

一方、静電センサ装置は、発振回路１と、同調回路2,
2′と、検波回路4,4′と、増幅回路5,5′と、出力回路
としての差動増幅器７とからなる。前記発振回路１と、
同調回路（第１の同調回路）２と、検波回路４と、増幅
回路５とで第１系列のセンサ回路13aが構成されてお
り、同様に、発振回路１と、同調回路（第２の同調回
路）２′と、検波回路４′と、増幅回路５′とで第２系
列のセンサ回路13bが構成されている。すなわち、１個
の発振回路１を共有して２系列のセンサ回路13a,13bが
形成され、この各センサ回路13a,13bの出力側には差動
増幅器７が接続される。本実施例では第１系列のセンサ
回路13aと第２系列のセンサ回路13bは同一の回路構成と
している。

第２図は一系列（第１系列）のセンサ回路の詳細を示
したもので、発振回路１には超高周波、本実施例では0.
5GHz〜5GHzの範囲内の固定された一定の発振周波数を発
振する誘電体共振器としてのセラミック共振器10が用い
られている。この発振回路１は前記高周波の周波数信号
を発振し、これを高インピーダンス変換部６の出力側か
ら同調回路２に加える。この同調回路２は発振回路１の
誘電体共振器10とは別個独立の誘電体共振器としてのセ
ラミック共振器12によって構成され、検出部11には外部
静電容量の変化を検出するピックアップ電極３が接続さ
れている。

検波回路４は結合コンデンサ25を介してセラミック共
振器12に接続されており、この検波回路４はインダクタ
ンス素子21と、ダイオード22と、コンデンサ23と、抵抗
器24とによって構成されており、前記セラミック共振器
12からの出力信号は結合コンデンサ25を介して検波回路
４に加えられるようになっている。前記ダイオード22
と、コンデンサ23と、抵抗器24は検波回路の検波部を構
成するが、本実施例ではこのダイオード22の動作点は０
電圧よりも負側に十分深くバイアス点が設定されてい
る。前記検波部はセラミック共振器12から出力される超
高周波の出力信号を包絡線検波し、被検出体の信号帯域
の信号に変換するものである。このように、検波部はセ
ラミック共振器12からの超高周波信号を検波するが、こ
のとき、ダイオード22の特性インピーダンスを考察すれ
ば、このダイオード22の順方向のインピーダンスがセラ
ミック共振器12に大きな影響を与え、このダイオード22
を直接共振器12に接続すると共振器12のＱが低下すると
いう不都合が生じる。この不都合を防止するために、前
記インダクタンス素子21がダイオード22のアノード側に
接続されている。つまり、コンデンサ25とこのインダク
タンス素子21は高インピーダンス化回路として機能し、
Ｑの低下を防止する。

増幅回路５はトランジスタ27と抵抗器等の素子を用い
て構成され、この増幅回路５は検波回路４から加えられ
る信号を増幅し出力回路に供給する。なお、第２図の回
路中▽の記号の頭部は接地点を示している。

静電センサ装置は上記のように構成される一系列のセ
ンサ回路が前述したように、13aと13bとで２系列備えら
れるものであり、共通の発振回路１からは高周波の周波
数信号がそれぞれの系列の同調回路2,2′に加えられて
いる。そして、各系列の増幅回路5,5′から送出される
信号は出力回路としての差動増幅器７に加えられてい
る。

前記センサ回路13a,13bの検出部11に設けられている
ピックアップ電極3,3′はその一方側が前記アタッチメ
ント14の被検出部としての凸部16に対向配置され、他方
側の電極３′はアタッチメント14の被検出部としての凹
部17に対向配置される。すなわち、アタッチメント14に
対して、一方側のピックアップ電極３（３′）が最小の
静電容量となるときに、他方側のピックアップ電極３′
（３）は最大の静電容量となる位置に配置される。

本実施例は以上説明したように構成されており、以
下、その動作について説明する。

第10図に示すように、センサ回路13a,13bのセラミッ
ク共振器12の共振周波数（同調周波数）f₀に対して発振
回路１の発振周波数f₁がわずかにずれた位置に設定され
ている状態において、被測定装置の回転軸に装着された
アタッチメントが回転軸とともに回転移動を行うと、回
転軸側をグランドとしてピックアップ電極3,3′とアタ
ッチメント14間に静電容量の変化が生じる。すなわち、
第４図（ａ）に示すように、ピックアップ電極３がアタ
ッチメント14の凹部17に対向し、ピックアップ電極３′
が凸部16に対向した状態から、アタッチメント14が回転
して矢印方向に移動すると、第４図（ｂ）に示すよう
に、ピックアップ電極３は凸部16に対向し、ピックアッ
プ電極３′は凹部17に対向する。このように、アタッチ
メント14の回転移動に伴って、ピックアップ電極3,3′
はアタッチメント14の凸部16と凹部17に交互に対向し、
アタッチメント14に対する静電容量の変化が生じる。例
えば、ピックアップ電極３によって検出される静電容量
が第10図でΔＣだけ変化して同調回路２の共振周波数が
Δｆだけ偏倚すると、同調回路２から静電容量の変化成
分ΔＣに対応する出力電圧の変化成分ΔＶが取り出せ
る。同様にピックアップ電極３′によって検出される静
電容量がΔＣ′変化すると同調回路２′の共振周波数が
Δｆ′だけ偏倚し、同調回路２′から出力電圧の変化成
分ΔＶ′が取り出される。また、同調回路2,2′では発
振周波数f₁と同調回路2,2′における共振周波数の変化
成分Δf,Δｆ′とのかけ算が行われる。すなわち、第１
系列のセンサ回路13aでは、発振周波数f₁の周波数信号
と、共振点の変化成分Δｆとのかけ算が行われ、また、
第２系列のセンサ回路13bでは発振周波数f₁の周波数信
号と共振点での変化成分Δｆ′とのかけ算が行われ、い
わゆるAM変調が得られる。本実施例において、発振周波
数を超高周波数、例えば1GHzとすれば、各系列の変調信
号は1GHzを中心とし、凸部16と凹部17との段差に対応し
た超高周波の信号になり、この超高周波の信号が対応す
る検波回路4,4′に加えられる。検波回路4,4′ではこの
超高周波信号を包絡線検波を行って被検出部の信号帯域
（本実施例では3MHzの信号）に変換する。この帯域変換
された信号は増幅回路5,5′によって増幅され、その出
力信号は出力回路としての差動増幅器７に送られる。

差動増幅器７では、第１系列の増幅回路５から加えら
れる信号と、第２系列の増幅回路５′から加えられる信
号との差を求めてこれを増幅し、単一の差動検出信号と
して図示されていない信号処理回路等に加える。この信
号処理回路は、例えば、コンパレータを含むコンピュー
タ回路等により構成され、前記差動増幅器７から加えら
れる差動検出信号をコンパレータによってパルス波形に
整形し、そのパルス数をカウント、演算することにより
回転数、回転角度の検出ができ、また、パルス間の時間
を計測、演算することにより、回転加速度の検出が可能
になり、さらに、差動増幅器７から加えられる差動検出
信号の電圧値を解析することにより、回転体の微小回転
位置の検出が可能になる。

上記のように、本実施例によれば、センサ回路13aに
よって検出される静電容量の検出信号と、センサ回路13
bによって検出される検出信号との差動出力を求めてい
るから、回転軸の振れや偏心の誤差要因が効果的に取り
除かれることとなり、これにより、信頼性の高い高精度
の回転検出が可能となる。

また、本実施例では発振回路１と同調回路2,2′の共
振器をいずれも誘電体共振器により構成しているから、
装置の小型化が図れる。また、誘電体共振器をＱが高い
セラミック誘電体により構成し、かつ、回路を高インピ
ーダンス化しているので微小静電容量の超高感度の検出
が可能となり、本実施例の装置では１×10^-5PF程度の微
小静電容量の変化が検出可能となる。このような超高感
度の装置で超高周波の発振周波数を用いて静電検出を行
う場合には、第１系列のセンサ回路13aの発振周波数と
第２系列のセンサ回路13bの発振周波数とが少しでも異
なると相互干渉が起こり、正確な検出を行うことができ
ないが、本実施例のように、センサ回路13a,13bの発振
回路１を共有させることにより、このような弊害を完全
に防止することができ、信頼性の高い高精度の検出を可
能にする。

なお、本発明は上記実施例に限定されることはなく、
様々な実施の態様を採り得る。例えば、上記実施例で
は、被検出部としての凸部16と凹部17とを円板の側面側
に形成したが、これを、第５図に示すように、円板の円
周面に形成し、歯車状のアタッチメントとしてもよく、
あるいは、第６図に示すように、ガラス等の絶縁性の円
板の円周面あるいは側面（第５図では側面）に金属蒸着
膜18を等角間隔に形成し、絶縁性の材料部分と金属蒸着
膜18の部分との誘電率の違いを利用した被検出部を構成
することも可能である。

さらに上記実施例では、発振回路１の共振器と、同調
回路2,2′の共振器とを共に誘電体共振器（セラミック
共振器）により構成したが、これらをストリップライン
で構成することも可能である。

さらに、上記実施例の静電センサ装置にはAFC（Autom
atic Frequency Control）回路を設けていないが、例え
ば第７図に示すように、各系列のセンサ回路にAFC回路
８を設けてもよい。このAFC回路８は、例えば、オペア
ンプ28と、コンデンサ29,30と、可変抵抗器31と、抵抗
器32,35と、可変容量ダイオード33と、結合コンデンサ3
4とを主要回路素子にもって構成できるものであり、前
記可変容量ダイオード33はコンデンサ30と抵抗器32によ
って構成される積分回路から印加される電圧に応じて容
量を変化させ、この容量変化を結合コンデンサ34を介し
てセラミック共振器12に伝え、同共振器12の共振周波数
を変える。このAFC回路８を設けることで、発振周波数f
₁を第10図において左右にずらすことが可能であり、し
たがって、この発振周波数f₁の変位によって同調点を変
えることができる。換言すれば、静電容量変化に対する
検出電圧のレベルと、その検出レベル範囲とを任意に可
変することが可能となり、検出の対象となる回転軸の感
応回転数とその検出範囲を適宜可変調整することが可能
になる。これに対し、AFC回路を有していない本実施例
では、DCレベル（直流レベル）からの移動検出を行うこ
とができるという利点（AFC回路を設けないことによる
利点）があり、信号処理の容易化を図ることができる。

さらに、上記実施例では、回転軸の回転移動の検出例
を対象として説明したが、第２図〜第５図に示すような
被検出部を例えば平板状の表面に形成し、この平板状の
アタッチメントを工作機械の移動テーブル等に取り付け
て、移動対の直進移動を検出するリニアエンコーダとし
て使用することも可能である。

回転検出例アタッチメントとしてポリアセタール系の歯車と黄銅
製の歯車とを使用し、これを測定対象の回転軸にそれぞ
れ装着し、回転軸をグランド側として回転検出実験を行
った。前記ポリアセタール系の歯車と黄銅製の歯車はい
ずれもモジュール0.5、歯数30、刃先円直径16mmのもの
を用い、第１系列のセンサ回路13aと第２系列のセンサ
回路13bとによってそれぞれ検出された静電容量の検出
信号の差動出力を求めた。第８図には黄銅製の歯車を用
いた場合の差動出力が示され、また、第９図にはポリア
セタール系の歯車を用いた差動出力の波形がそれぞれ示
されている。なお、これらの図の横軸は時間を示し、縦
軸は差動出力電圧を示している。これらの図からも分か
るように、歯車の回転に伴う差動出力電圧の変化が明確
に現れており、高感度、かつ、高精度の回転検出が可能
であることを実証している。

〔発明の効果〕

本発明は、１個の発振回路と、２個の同調回路とを備
えて、アタッチメントの被検出部で検出される移動体の
移動に伴う静電容量の変化を各同調回路の同調点の変化
として検出し、これら２個の同調回路から出力される検
出信号の差動出力を求めるように構成したものであるか
ら、移動体の振れや偏心に起因する誤差要因を取り除く
ことが可能となり、これにより信頼性の高い高精度の移
動検出が可能となる。

また、前記の如く、移動体の移動検出を静電容量の変
化を利用して検出するものであるから、アタッチメント
の材料に制限を受けることがなく、任意の材料によって
アタッチメントを製作できる。また、静電容量の検出部
分は、アタッチメントに対向させて２個のピックアップ
電極を配置するだけの簡単な構成とすることができるか
ら、装置製造も容易となり、本発明の優れた性能を有す
る装置を安価に提供することが可能となる。ところで、
同調回路（共振回路）が隣接する他の回路と直列共振状
態になると、同調回路のインピーダンスが低くなり、同
調回路のＱが低下するという不都合が生じてしまう。こ
れに対し、本発明では、第１と第２の各同調回路を高イ
ンピーダンス変換部と高インピーダンス化回路で挟むこ
とによって、隣接する他の回路との直列共振状態がカッ
ト（回避）され、各同調回路のＱの低下を防止すること
ができる。したがって、各同調回路は高いＱを維持でき
ることとなり、微小静電容量の超高感度の検出が可能で
あるという優れた効果を奏することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る移動体の静電検出装置の一実施例
を示すブロック図、第２図は同実施例装置を構成する一
系列の静電センサ装置の回路図、第３図は同実施例の装
置を構成するアタッチメントの構成図、第４図は同実施
例における回転移動体の静電検出例を示す作用説明図、
第５図および第６図はアタッチメントの他の構成例を示
す斜視図、第７図はAFC回路を付与した一系列の静電セ
ンサ装置の回路図、第８図および第９図は同実施例装置
を用いて回転体の回転検出を行った差動出力の波形図、
第10図は本実施例の装置を構成する静電センサ装置の微
小静電容量の検出原理を示す説明図である。１……発振回路、2,2′……同調回路、3,3′……ピック
アップ電極、4,4′……検波回路、5,5′……増幅回路、
６……高インピーダンス変換部、７……差動増幅器、８
……AFC回路、10……セラミック共振器、11……検出
部、12……セラミック共振器、13a,13b……センサ回
路、14……アタッチメント、15……軸孔、16……凸部、
17……凹部、18……金属蒸着膜、21……インダクタンス
素子、22……ダイオード、23……コンデンサ、24……抵
抗器、25……結合コンデンサ、27……トランジスタ、28
……オペアンプ、29,30……コンデンサ、31……可変抵
抗器、32,35……抵抗器、33……可変容量ダイオード、3
4……結合コンデンサ。

フロントページの続き (72)発明者大澤哲夫京都府長岡京市天神２丁目26番10号株式会社村田製作所内 (56)参考文献特開昭63−155917（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−194469（ＪＰ，Ａ) 特開昭53−125874（ＪＰ，Ａ) 特開平３−231166（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】移動体に装着され移動体の移動を静電容量
変化によって検出するための被検出部が設けられている
アタッチメントと、移動体と共に移動するアタッチメン
トの移動を前記被検出部に対する静電容量の変化によっ
て検出する静電センサ装置とによって構成される移動体
の静電検出装置であって、前記静電センサ装置は周波数
信号を発振出力する１個の発振回路と、前記アタッチメ
ントの被検出部で検出される外部静電容量の変化を受け
て前記周波数信号に対して共振周波数の同調点が変化す
る第１および第２の２個の同調回路と、前記第１の同調
回路側から加えられる信号と第２の同調回路側から加え
られる信号との差動出力を送出する出力回路とを有して
構成され、前記発振回路の出力側には高インピーダンス
変換部が設けられ、第１と第２の各同調回路の出力側に
は高インピーダンス化回路が設けられて、第１と第２の
各同調回路は前記高インピーダンス変換部と高インピー
ダンス化回路によって挟まれている移動体の静電検出装
置。