JP5501043B2

JP5501043B2 - 容量変化型変位計

Info

Publication number: JP5501043B2
Application number: JP2010058704A
Authority: JP
Inventors: 充小田
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2010-03-16
Filing date: 2010-03-16
Publication date: 2014-05-21
Anticipated expiration: 2030-03-16
Also published as: JP2011191223A

Description

本発明は、サーボ型加速度ピックアップや傾斜計等、計測対象の変位をコンデンサの可動極に力学的に作用させて、当該コンデンサの容量変化を検出することにより前記変位を計測する容量変化型変位計に関する。

容量変化型変位計は、高周波キャリア信号を変位検出する変位検出用コンデンサの容量値により変調をかけ、その変調信号を復調することにより変位を検出する方式をとることがある。この場合、復調回路には検出感度が高いトランジスタをベース接地で用いたベース接地型検波回路を用いることが多い。

特開平成０８‐１７８９５５号公報

しかし、上述したベース接地型検波回路の検出値は、トランジスタの温度特性がそのまま反映されて敏感に温度変化するという問題がある。

本発明は以上の従来技術における問題に鑑みてなされたものであって、容量変化型変位計のベース接地型検波回路の検出値の温度依存により変化する成分を除去して計測精度を向上し、安定させることを課題とする。

以上の課題を解決するための請求項１記載の発明は、計測対象の変位を変位検出用コンデンサの可動極に力学的に作用させて、当該変位検出用コンデンサの容量変化を検出することにより前記変位を計測する容量変化型変位計において、
変位検出用コンデンサを導電するキャリア信号を検出する第１のトランジスタ（Ｑ１）を有する第１のベース接地型検波回路、及び、変位検出用コンデンサを導電するキャリア信号を検出する第２のトランジスタ（Ｑ２）を有する第２のベース接地型検波回路を含み、前記第１のベース接地型検波回路の出力信号と前記第２のベース接地型検波回路の出力信号の差動信号を、前記変位を示す変位検出信号として出力する第１組の回路と、
変位検出用コンデンサを導電するキャリア信号を検出する第３のトランジスタ（Ｑ３）を有する第３のベース接地型検波回路、及び、変位検出用コンデンサを導電するキャリア信号を検出する第４のトランジスタ（Ｑ４）を有する第４のベース接地型検波回路を含み、前記第３のベース接地型検波回路の出力信号と前記第４のベース接地型検波回路の出力信号の差動信号を、前記変位を示す変位検出信号として出力する第２組の回路と、
前記第１のトランジスタ（Ｑ１）と、前記第３のトランジスタ（Ｑ３）とは同等の温度変化特性を有し、変位検出用コンデンサを導電するキャリア信号を当該キャリア信号の相互逆位相で検出し、
前記第２のトランジスタ（Ｑ２）と、前記第４のトランジスタ（Ｑ４）とは同等の温度変化特性を有し、変位検出用コンデンサを導電するキャリア信号を当該キャリア信号の相互逆位相で検出する容量変化型変位計である。

請求項２記載の発明は、前記第１組の回路が出力する前記差動信号（ＯＵＴ１）と、前記第２組の回路が出力する前記差動信号（ＯＵＴ２）とを相互に減算して出力することで、前記第１のベース接地型検波回路の出力信号と前記第３のベース接地型検波回路の出力信号とが相互に減算され、前記第２のベース接地型検波回路の出力信号と前記第４のベース接地型検波回路の出力信号とが相互に減算された差動信号を出力するオペアンプ（Ｕ１）を備えた請求項１に記載の容量変化型変位計である。

本発明によれば、同等の温度変化特性を有する１対のベース接地型検波回路の出力信号をオペアンプで相互に減算して出力することにより、温度依存により変化する成分を除去することができるので、容量変化型変位計の計測精度を向上し、安定させることができるという効果がある。

本発明一実施形態の容量変化型変位計に係る電気回路の回路図である。本発明一実施形態の容量変化型変位計に係る電気回路の出力ＯＵＴ１，２，３のオフセット電圧の異なる温度毎による時間変化を示すグラフである。本発明一実施形態の容量変化型変位計に係る電気回路の出力ＯＵＴ３のオフセット電圧の異なる温度毎による時間変化を示すグラフである。比較例の容量変化型変位計に係る電気回路図である。比較例の容量変化型変位計に係る電気回路の出力ＯＵＴ１のオフセット電圧の異なる温度毎による時間変化を示すグラフである。

以下に本発明の一実施形態につき図面を参照して説明する。以下は本発明の一実施形態であって本発明を限定するものではない。

図１に示すように本実施形態の容量変化型変位計は、図４に示す比較例と同様に、可動極を有する変位検出用コンデンサと変位検出用リファレンスコンデンサの２つのコンデンサＣ１，Ｃ２を備える。コンデンサＣ１，Ｃ２のうち一方が可動極を有するコンデンサで、他方がリファレンスコンデンサである。
発振器により生成された数ＭＨｚのキャリア信号Ｖ４がコンデンサＣ１，Ｃ２に入力される。コンデンサＣ１，抵抗Ｒ５，コンデンサＣ３を介して導電するキャリア信号をトランジスタＱ１等から構成されるベース接地型検波回路で検出する一方、コンデンサＣ２，抵抗Ｒ６，コンデンサＣ４を介して導電するキャリア信号をトランジスタＱ２等から構成されるベース接地型検波回路で検出し、両検波部の出力信号の差動信号が電極ＯＵＴ１に出力される。
本回路は、変位検出用コンデンサの可動極の変位が０であれば、リファレンスコンデンサの容量と変位検出用コンデンサの容量とが一致し、前記差動信号が０となる。変位検出用コンデンサの可動極に変位があれば、変位検出用コンデンサの容量が変化してリファレンスコンデンサの容量と変位検出用コンデンサの容量と間に容量差が生じるので、前記差動信号がその変位を示す変位検出信号として出力される。
なお、以上のコンデンサＣ１，Ｃ２を、２つの固定極版の間に力学的作用を受ける可動極版を備えたコンデンサに置き換え、一方の固定極と可動極と間の容量変化及び他方の固定極と可動極と間の容量変化をそれぞれ検出してこの両者の差動信号を出力するプッシュプル方式の構成を実施してもよい。

本実施形態の容量変化型変位計は図４に示す比較例と異なり、コンデンサＣ１を介して導電するキャリア信号を検出するトランジスタＱ１等から構成されるベース接地型検波回路、及び、コンデンサＣ２を介して導電するキャリア信号を検出するトランジスタＱ２等から構成されるベース接地型検波回路からなる回路と同様の回路をもう一組有する。すなわち、トランジスタＱ１等から構成されるベース接地型検波回路と対を構成するように、トランジスタＱ３等から構成されるベース接地型検波回路を備え、トランジスタＱ２等から構成されるベース接地型検波回路と対を構成するように、トランジスタＱ４等から構成されるベース接地型検波回路を備える。
トランジスタＱ１とトランジスタＱ３とは同等の温度変化特性を有し、変位検出用コンデンサを導電するキャリア信号を当該キャリア信号の相互逆位相で検出する。
トランジスタＱ２とトランジスタＱ４とは同等の温度変化特性を有し、変位検出用コンデンサを導電するキャリア信号を当該キャリア信号の相互逆位相で検出する。
図１に示すようにトランジスタＱ１とトランジスタＱ２とで検出した信号の出力ＯＵＴ１と、トランジスタＱ３とトランジスタＱ４とで検出した信号の出力ＯＵＴ２とがオペアンプＵ１で減算されて出力ＯＵＴ３として出力される。

以上の本発明実施形態（図１）と比較例（図４）について、０，２０，４０，６０，８０，１００［℃］における各出力のオフセット電圧の時間変化を、電気回路シミュレータにより求めた。

図５に示すように比較例（図４）にあっては、温度上昇に伴ってオフセット電圧が上昇している。これはＰＮＰ型トランジスタＱ１とＮＰＮ型トランジスタＱ２とに温度特性の不一致があることを示している。

図２に示すように本発明実施形態（図１）にあっては、出力ＯＵＴ１，２については、比較例（図４）と同様の分布となったが、出力ＯＵＴ３が非常に低いレベルとなった。同一温度における出力ＯＵＴ１，２の値はほぼ重なった。出力ＯＵＴ３のみを縦軸の尺度を変えて図３に示した。図３に示すように、出力ＯＵＴ３も温度による変化は認められる。
しかし、比較例（図４）において、２０［℃］で５２［ｍＶ］出ていたオフセット電圧が本発明実施形態（図１）においては２０［℃］で１５［μＶ］となり、１０００倍以上の安定化が得られた。
このような効果を得るためには、トランジスタＱ１とＱ２のバランスや、トランジスタＱ３とＱ４のバランスは重要でなく、相殺されるトランジスタＱ１とＱ３のバランスや、トランジスタＱ２とＱ４のバランスが重要であり、従ってトランジスタＱ１とＱ３とが均等な温度特性に、トランジスタＱ２とＱ４とが均等な温度特性になることが重要である。この点を踏まえて電子部品の選択とその実装に留意する。

以上のように構成される本実施形態の容量変化型変位計によれば、同等の温度変化特性を有する１対のベース接地型検波回路の出力信号をオペアンプＵ１で相互に減算して出力することにより、温度依存により変化する成分を除去することができるので、容量変化型変位計の計測精度を向上し、安定させることができる。

なお、本発明の実施にあたり、以上の変位検出用コンデンサ、１対のベース接地型検波回路、オペアンプ等の回路要素を同一機器に構成する必要はなく、異なる機器に構成して相互に接続することにより回路を構成してもよい。例えば、ベース接地型検波回路の出力をオペアンプに伝達する通信システムをこれらの間に介在させて実施することも可能である。どの部分にどのような信号伝達手段を介在させようが、変位検出用コンデンサ、１対のベース接地型検波回路及びその出力信号を相互に減算するオペアンプ等を備えた本発明の容量変化型変位計を構成できる。

Ｕ１オペアンプ
Ｖ４キャリア信号
Ｑ１ＰＮＰ型トランジスタ
Ｑ２ＮＰＮ型トランジスタ
Ｑ３ＰＮＰ型トランジスタ
Ｑ４ＮＰＮ型トランジスタ

Claims

計測対象の変位を変位検出用コンデンサの可動極に力学的に作用させて、当該変位検出用コンデンサの容量変化を検出することにより前記変位を計測する容量変化型変位計において、
変位検出用コンデンサを導電するキャリア信号を検出する第１のトランジスタを有する第１のベース接地型検波回路、及び、変位検出用コンデンサを導電するキャリア信号を検出する第２のトランジスタを有する第２のベース接地型検波回路を含み、前記第１のベース接地型検波回路の出力信号と前記第２のベース接地型検波回路の出力信号の差動信号を、前記変位を示す変位検出信号として出力する第１組の回路と、
変位検出用コンデンサを導電するキャリア信号を検出する第３のトランジスタを有する第３のベース接地型検波回路、及び、変位検出用コンデンサを導電するキャリア信号を検出する第４のトランジスタを有する第４のベース接地型検波回路を含み、前記第３のベース接地型検波回路の出力信号と前記第４のベース接地型検波回路の出力信号の差動信号を、前記変位を示す変位検出信号として出力する第２組の回路と、
前記第１のトランジスタと、前記第３のトランジスタとは同等の温度変化特性を有し、変位検出用コンデンサを導電するキャリア信号を当該キャリア信号の相互逆位相で検出し、
前記第２のトランジスタと、前記第４のトランジスタとは同等の温度変化特性を有し、変位検出用コンデンサを導電するキャリア信号を当該キャリア信号の相互逆位相で検出する容量変化型変位計。
前記第１組の回路が出力する前記差動信号と、前記第２組の回路が出力する前記差動信号とを相互に減算して出力することで、前記第１のベース接地型検波回路の出力信号と前記第３のベース接地型検波回路の出力信号とが相互に減算され、前記第２のベース接地型検波回路の出力信号と前記第４のベース接地型検波回路の出力信号とが相互に減算された差動信号を出力するオペアンプを備えた請求項１に記載の容量変化型変位計。