JPH08159705A - 容量センサにより物体の幾何学的位置、変位又は角度を検出する方法および装置 - Google Patents

容量センサにより物体の幾何学的位置、変位又は角度を検出する方法および装置

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JPH08159705A
JPH08159705A JP7143704A JP14370495A JPH08159705A JP H08159705 A JPH08159705 A JP H08159705A JP 7143704 A JP7143704 A JP 7143704A JP 14370495 A JP14370495 A JP 14370495A JP H08159705 A JPH08159705 A JP H08159705A
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voltage divider
supply
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Franz Gleixner
グライクスナー フランツ
Rainer Utz
ウーツ ライナー
Dieter Baechle
ベシュレ ディーター
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Horst Siedle KG
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HORUSHIYUTO JIIDORE KG
Horst Siedle KG
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 高い測定精度と外乱に対する低感度とを実現
する評価回路を設け、容量センサにより物体の幾何学的
位置、変位又は角度を検出する方法および装置を提供す
る。 【構成】 少なくとも２つの異なった供給電圧分布パタ
ーンが分圧器を横断して互いに時間に追従して得られる
ように、電圧分布素子20に印加される供給電圧がスイッ
チングされ及び／又は位相シフト電圧が印加されるよう
構成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、容量センサにより物体
の幾何学的位置、変位又は角度を検出する方法および装
置に係わり、特に、可動物体の位置が非接触方式で検出
されることを可能にするように、変位センサ、角度セン
サ、又は位置センサに関連して容量を検出することを可
能にする周辺回路素子と組み合わせた評価回路に係わ
る。
【０００２】
【従来の技術】多くの場合にはアナログ分圧回路がこの
用途に使用されるが、こうしたアナログ分圧回路は、変
位エンコーダ、可変抵抗器、もしくは電位差計（ポテン
シオメータ）として、公知の電位差計原理に基づいて設
計されるか、又は、例えば、差動コイル、差動変圧器、
もしくは、管の形状をした短絡巻線を有するインダクタ
として、インダクタの形式で使用される。
【０００３】アナログ抵抗電位差計の場合には、噴霧
（スプレー）又は蒸着によって基体上に付着させた付着
物が抵抗経路として働き、この抵抗経路上を接触子（ワ
イパー）が接触しながら滑動し、それによって一定の位
置に置かれ、その個々の位置に応じた抵抗経路の電位を
直接拾い上げ、この直接の電位を、接触子に接続された
コレクタ接触子を介して、検出電位が評価用に使用可能
であるコレクタ経路に送られる。その特定の具体例が変
位センサ又はピックオフ（感知器）として極めて高い精
度で使用することが可能である上記電位差計は、特定の
条件下では、接触子が急速に移動する場合に結果的に磨
耗の問題を生じさせることにもなる絶え間ない接触関係
を原因とする問題を生じさせる可能性があり、従って、
実際に、適切な測定値の非接触式感知を可能にするシス
テムが求められている。
【０００４】同様に非接触方式で働くが、一定の測定誤
差を含み、特定の状況下では非直線性を伴う誘導性測定
システムの代わりに、例えばDE 28 26 398 C2 に開示さ
れた上記種類の公知の容量性位置センサ又は変位センサ
が使用される場合には、特定の条件下では、漂遊容量と
漏れ抵抗とのために、得られる測定値が極めて不正確と
なることが予測され、これは、殆どの場合に許容できな
いものである。
【０００５】DE 28 26 398 C2 に記載されている容量性
変位センサは、斜めに分割され且つ互いに絶縁された１
対のコンデンサプレート(capacitor plate) を備え、交
番電圧がこれらのコンデンサプレートに印加され、これ
らのプレート間に配置された中間プレートが、ピックオ
フ（感知）されるべき経路の長さに応じて調整されるこ
とが可能なピックオフとして働き、接続ケーブルを介し
て評価回路の入力に接続される。このピックオフの移動
は、接続ケーブルとその接続点とに対して作用する常に
変化する力をもたらす。こうした力は、結果的に変位セ
ンサの老化を加速させるばかりでなく、特にケーブルの
位置の変動と移動とに起因する更に他の作用を有し、容
量変化、漂遊容量の変動および漏れ抵抗の変動を引き起
こし、こうした変動は、特定されることが不可能であり
且つ従って補償不可能な外乱変数を生じる。
【０００６】この公知の変位センサの評価回路は、ピッ
クオフとして働く可動中間プレートにその一方の入力が
接続ケーブルを介して演算増幅器に接続され、この演算
増幅器の他方の入力に対しては、グラウンドに接続され
た抵抗器を介してフィードバック測定信号が入力され
る。この演算増幅器の出力は、整流器を介して、その１
つがエミッタホロワとして構成される他の増幅器素子に
接続される。こうした評価回路では、発生する漂遊容量
がおよそ測定容量に等しく、上記増幅器の入力抵抗が、
通常の周波数のためのセンサインピーダンスの値域内で
あるので、正確かつ厳密な線形の出力電圧は期待できな
い。
【０００７】その評価回路が全く開示されていないか又
は単純な下流の増幅器（DE 34 41 217) の形でしか開示
されていない他の容量性変位センサの場合には、湾曲形
状又はジグザグ形状をした緊密に実装された抵抗経路
が、基体表面上に支持され、更には、個々の電位を容量
的に切り離して、電圧計から成る測定回路に接続線を介
して上記電位を供給するために、平らな環として設計さ
れた可動ピックオフ素子が、抵抗経路から一定の距離を
置いて配置される形で設けられる。しかし、導体経路が
直流供給電圧に接続されるので、適度な高速度で変位が
発生させられている時にだけ容量を検出することが可能
であり、静止的な位置検出は、この場合の測定値の損失
のために不可能である。この場合にも同様に、排除不可
能な漂遊容量と漏れ抵抗とのために、外乱変数が生じる
ことになる。
【０００８】最後に、検流計（ガルバノメータ）に関連
して、可動素子である検流計の指針を交番電圧接続点に
接続することが公知であり、この場合に、抵抗器素子の
上方に一定の距離を置いて位置する平面内をその指針が
移動し、それによって、容量性結合によって上記抵抗器
内で電圧降下が引き起こされ、この電圧降下を、指針位
置を得るために評価することが可能である(US-PS 3 636
449) 。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の目的
は、容量ベースの非接触式の位置センサを提供すること
にあり、また、高い測定精度と共に、外乱に対しては特
に低い感度を達成するように、その評価回路を設計する
ことにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段と作用】本発明は、請求項
１及び／又は請求項２の特徴によって上記目的を達成
し、さほど厳密性が求められない低コストの構成部品を
使用することが可能であると同時に、漂遊容量と漏れ抵
抗との影響が、完全に排除されるか、又は、容量性結合
により影響される非接触式変位測定における所望の測定
精度に影響を及ぼさないレベルに維持されるという利点
を提供するものである。
【００１１】本発明では、電位差計タイプの変位センサ
でも使用されるタイプの通常の抵抗経路であることが好
ましい分圧回路の総合利得の自動制御及び／又は供給に
より、グラウンドに対する漂遊容量と回路の入力抵抗と
が補償されるので、上記目的のための高コストの点での
適格性を考慮することが全く不要である。この自動制御
は、評価回路の他の点で行われるスイッチング動作と一
体となり、このスイッチング動作と同調して有効とな
る。
【００１２】従って、本発明の第１の好ましい実施例
は、抵抗経路に信号を供給する信号源と抵抗経路との間
の接続線をタイミングをとって遮断することによって２
つの段階に区分される、即ち、（その電圧分布パターン
を走査する容量性電位プローブの位置とは無関係に）抵
抗経路の全長に亙って存在する全電圧が上記プローブに
よって検出されて基準電圧と比較される第１の段階I
と、得られた測定値が評価されることが可能な第２の測
定段階IIと、に区分される装置に基づいている。段階I
の間に、上記電位プローブによって容量的に検出された
測定値の増幅利得が、適切に補償され、及び／又は、測
定段階IIの間に生じるあらゆる変動が、抵抗経路の一方
の末端に制御電圧が再び供給される時に電位プローブの
移動に基づくその電位プローブの個々の位置のみに基づ
いて生じるように、制御可能な振幅で抵抗経路に給電す
る信号源が影響を受け、一方、漂遊容量又は漏れ抵抗に
起因するその他の影響は、段階I （即ち、基準電圧との
比較の段階）中の利得変化によって漂遊容量又は漏れ抵
抗が既に補償され終わっているので排除される。当然の
ことながら、使用される回路構成素子が線形の挙動を示
すことが、このシステムのための前提条件であり、この
条件は本実施例で満たされている。
【００１３】漂遊容量と漏れ抵抗とによる干渉に起因す
る電圧降下を総合利得の自動制御によって補償すること
は、グラウンドに接続されている抵抗経路の末端が、他
方の末端において上記測定段階中に逆相の電圧が印加さ
れる時にも行うことが可能であり、その結果として、こ
の場合にも、分圧器経路全体に亙って電圧降下が生じ
る。
【００１４】本発明の他の実施例では、更に、交互に一
方の末端が交番電圧に接続され他方の末端がグラウンド
に接続されるように、交番電圧を分圧器に供給すること
が可能である。これは、出力に現れる電圧が分圧器の比
率又は「１」に対するその差を交互に表すという効果を
有する。この場合に、これらの値の合計が基準電圧に一
致するように利得は制御され、更に、分圧器比率を表す
２つの互いに反対向きの出力電圧、即ち、所望の測定値
と基準電圧とが、別々に得られる。
【００１５】サブクレームで特定される更に別の特徴
は、本発明の更に別の発展と改善とを可能にする。
【００１６】以下では、本発明の幾つかの実施例が、添
付図面を参照して説明される。
【００１７】
【実施例】本発明の基本的なアイデアは、コンデンサ区
域内と導体経路上とにおいて生じる漏れ電流と故障電流
とを確実に補償することが可能であり、且つ、そうする
ことによって、従来では実現不可能だった高い精度をこ
のタイプの位置センサにもたらすことが可能である、容
量ベースの位置センサのための評価回路を提供すること
であり、その結果として、決定的な技術的重要性を有す
る新規の着想が、容量ベースで動作するセンサの公知の
利点、即ち、非接触式の動作、耐老化性等と組み合わさ
れた形で達成される。補償は、分圧素子における交番供
給電圧をスイッチングすることによって得られ、この分
圧素子は、電位測定プローブによって走査され、抵抗経
路から成ることが普通であり、その結果、外乱変数の影
響を排除するために、測定段階に加えて、抵抗素子の交
番電圧供給又は評価区域内の増幅器に対して逆の作用を
及ぼす比較段階と補償段階とが得られる。
【００１８】これに関連して、図１の代表例を参照して
最初に説明されるように容量ベースの位置センサの機械
的／電気的構造が構成されることが好ましいが、後で更
に詳細に説明する多数の実施例も実現可能である。この
説明は、本発明の更に明確な理解を得ることを意図する
ものでもあり、図１に概略的に示されているタイプの構
造が、上記センサに求められている外乱変数に対する非
感受性の実現と、個々の評価回路を特に有効にすること
に、特に適している。
【００１９】図１に示されている通りの容量ベースの位
置センサ10は、電位測定区域11と電位結合区域12とを備
え、この電位測定区域11は、この実施例の場合には、滑
らかな電圧特性を有する実際の分圧素子13であり、例え
ば、好ましくは、（この場合には直流が供給される）電
位差計ベースのピックオフで一般的に使用されるタイプ
の、又は、回転式電位差計で一般的に使用されるタイプ
の抵抗経路である。
【００２０】この場合には、分圧器21の抵抗経路の２つ
の接続点13a 、13b に、（本発明の他の実施例に関連し
て後で詳細に説明する給電／評価回路14を介して）一定
不変で且つ恐らくは制御可能な振幅の交番電圧が供給さ
れ、この実施例の場合には、接続点の一方（例えば接続
点13b ）がグラウンドに接続され、その結果として、接
続点13a から接続点13b への交番電圧の振幅低下の分布
が分圧器の抵抗経路全体に亙って得られるということが
非常に明確に理解されるだろう。
【００２１】分圧器13の抵抗経路は非接触タイプであ
り、このことは、電位測定プローブ15が、予め決められ
た間隔を空けてこの経路にあてがわれ、それによって抵
抗経路と容量的に相互作用し合い、従って、（測定方向
における）距離s を横断して変化する、抵抗経路の交番
電圧の電位を検出(tapping) することも可能であり、こ
の場合には長方形プレートとして設計された電位測定プ
ローブ15が、積分又は平均化の作用を有し、電位測定プ
ローブの位置からの平均値として求められる交番電圧の
振幅を常に検出する。
【００２２】電位測定区域11と電位結合区域12とが適切
な方法で互いから電気的に絶縁され、電位結合区域12は
更に、可動プローブ部分、即ち、電位結合プローブ17を
含み、この電位結合プローブ17は、電位測定プローブ15
と同期して電位結合区域12の全体的に導電性である電極
表面16全体に亙って、同様に非接触的に、一定の間隔を
空けて移動する。電位測定プローブ15と電位結合プロー
ブ17の個々の表面（この場合には長方形）は、適切な支
持物（図示されていない）によって抵抗経路の対応表面
又は結合電極表面16全体に亙って測定方向に一緒に移動
させられるように、例えば二重銅プレート構造のような
１つの共通の構成素子を形成する形に、少なくとも電気
的に相互に結合され、好ましくは、更にその機械的構造
によっても相互に結合される。
【００２３】電位測定プローブ15と電位結合プローブ17
との各表面が、抵抗経路13と電極16との各々の対向表面
と共に、各々に測定コンデンサ CM 及び／又は結合コン
デンサ CK として後述の評価回路内に示されているコン
デンサを形成し、これらのコンデンサの容量は、測定値
の発生が容量の変動によって影響を受けないように移動
経路全体に亙って殆ど変化しない。
【００２４】従って、電位結合プローブ17は、電位測定
プローブ15において検出された交番電圧振幅測定信号
を、電位結合区域12の電極表面16に対して容量的に且つ
適正に伝送する。位置を変化させない単一の追加接続点
があり、電圧振幅信号はその接続点に給電／評価回路14
の入力18に到達する。
【００２５】この理論的／物理的機構は、交流電流が供
給される時に、図２に示される通りの「電位差計」抵抗
経路上で得られる電位分布が次式によって決定されるこ
とが可能であるような機構であり、
【数１】 又は、電界分布として表現する場合に、
【数２】 この場合に、φ1 ＞φ2 ＞φ3 ＞φ4 ＞....であり、こ
れは図２に示されている。
【００２６】電圧が交番電圧であるので、電位が次式に
よって表され、 φ = φo ・sign [sin(ω・ｔ）］ 前式中で、o ＝電位の振幅 ω＝角周波数 2 πν ν＝周波数 ｔ＝時間 である。
【００２７】このシステム全体が、図３に更に詳細に示
されるように、複数の小さなコンデンサで構成された１
つのコンデンサと見なされることが可能である。図３は
基板７１上の抵抗経路７２における容量を測定プローブ
７３により測定している所を示す。
【００２８】容量の方程式は、次の通りである。 C = εｒ・εo ・A/α 前式中で、C ＝容量 εｒ＝相対誘電率 A ＝コンデンサ表面 ｄ＝（プレートの）距離
【００２９】容量は次式の通りに定義され、
【００３０】
【数３】
【００３１】容量に関しては、次式が適用される。
【００３２】
【数４】
【００３３】検出された電位は軌跡ｘに対し線形関係を
有する。→φ＝φ(x) である。素子容量≡Ciを経由し
て、変位電流I1が次式に従って上記プローブ内に流れ込
む。
【００３４】
【数５】
【００３５】この場合に、総変位電流I は次式で表さ
れ、
【００３６】
【数６】
【００３７】このことは、個々の電圧振幅が合計されて
総合変位電流I になることを意味する。
【００３８】従って、φs の変位が生じる時に部分電圧
の比率が自然に変化するにつれて、電位測定プローブ15
のプレートの最小の変位が、検出された交番電圧振幅の
中に統合される。測定信号の検出は非接触式に行われ、
固定電極表面16への送電も非接触式に行われ、従って、
こうした位置センサには機械的な磨耗は全く生じず、そ
うでない場合に、曲がった接続線等によって生じさせら
れる可能性がある可変的な漂遊容量、又は、スライド接
点の接触抵抗のような外乱変数は、この時点で既に完全
に排除されている。
【００３９】評価回路の第１の実施例が図４に示されて
いる。抵抗経路20は、一方の末端が22においてグラウン
ドに接続された交番電圧供給源21に接続される。電位プ
ローブは、抵抗経路20の個々の関連部品と共に、結合コ
ンデンサ CK と直列に接続された第１の測定コンデンサ
CM を形成する。図４の回路図は、更に、接地と抵抗経
路に個々に接続された又は他の供給線に個々に接続され
た漂遊コンデンサ CSと、可変利得増幅器23の入力に位
置するコンデンサC E と入力抵抗 RE を示し、これら自
体は何れも外乱変数として作用する。
【００４０】上記増幅器23の出力は、（当然のことなが
ら電子スイッチの形をとることも可能なプッシュプル装
置の形で備えられるスイッチS1、S2を経由して）、制御
装置25（例えば演算増幅器）にその一方の出力が接続さ
れた第１の整流器24に並列に接続され、この制御装置25
の他方の入力には基準電圧 Uref が供給される。これに
加えて、蓄電コンデンサ26が、整流器出力信号の一時的
貯蔵のために制御装置25の入力に設けられる。
【００４１】上記制御装置25の出力は、可変利得増幅器
23に接続され、更に、任意に、（単独で、又は、可変利
得増幅器23に対する何らかの作用と組み合わせて）交番
電圧供給源21に対して作用し、それによって、交番電圧
供給源21が、制御可能な振幅を有する信号源を構成す
る。
【００４２】並列の出力分岐も、必要に応じて、低域フ
ィルタ28に直列に接続された整流器27を備え、測定信号
（ UA ) が低域フィルタ28の出力に供給される。スイッ
チS1、S2が、図４に示されるスイッチング条件が交番す
るように、抵抗経路20に対する供給線の中に接続された
スイッチS3に同期を取って接続され、このことは、スイ
ッチS1が閉じられる毎にスイッチS3が開き、又は、スイ
ッチS1が開かれる毎にスイッチS3が閉じるということを
意味する。増幅器23の出力に測定値処理素子を接続する
スイッチS2は、交番供給電圧が抵抗経路20にも供給され
る時に閉じられ、この時に、スイッチS3は閉じ状態にあ
り、且つスイッチS1は開状態にあり、従って、増幅の変
化、又は、供給電圧の振幅変化は、その時点、即ち、そ
の動作段階中には発生しない。
【００４３】従って、様々な形に変化させられることが
可能な上記回路構成の基本的機能は、次の通りである。
スイッチS3が開状態であり且つスイッチS2も開状態であ
る第１の段階中も、スイッチS2が閉じられる間は（個々
の起動は論理／制御回路29によって制御される）、スイ
ッチS3が開状態にあって、電位測定プローブがその時点
で占める位置に関わらず、抵抗経路を介した電圧降下が
全く起こらないので、両端が同一の電位を示すように分
圧器は交番電圧供給源21によって給電される。従って、
この電位測定プローブは各位置において同一の電位を感
知し、この電位は、可変利得増幅器23によって増幅され
て制御装置25（I 制御装置であることが好ましい）の入
力部で整流された後に、基準電圧と比較される。この後
で、基準電圧 Uref に対応する出力電圧が、整流器24の
出力に、又は、最終的に増幅器23に接続されるI 制御装
置25の入力に現れることを確実なものにするために、I
制御装置25が可変利得増幅器23の利得を再調整する（又
は、この場合には制御可能な交番電圧供給源21の振幅に
影響を与える）。これは、当然のことながら、測定プロ
ーブの出力電圧が測定プローブの位置には依存していな
い比較段階中に行われる。これと同時に、比較段階中に
電位測定プローブによって感知されるこの信号は、抵抗
経路20から電位測定プローブへの伝送のための測定値を
与え、更に、一般的に、評価回路によって実現される伝
送速度のための測定値を与える。しかし、このシステム
の動作が線形なので、この伝送速度は部分電圧にも適用
され、即ち、抵抗経路20が分圧器として有効に動作する
時にも適用される。
【００４４】これは、スイッチS3が閉じられ且つ従って
電位測定プローブがその個々の位置に対応する交番電圧
振幅信号を感知する時に、測定段階II中において当ては
まり、それゆえ、上記のスイッチング動作と、増幅器の
特性上の作用及び／又は供給源の振幅とが、外乱変数に
起因する全ての影響を排除する効果を有するのである。
【００４５】上記測定段階中には、スイッチS2が閉じら
れている時に、得られた信号が整流器27によって整流さ
れ、低域フィルタ28を通して測定出力に伝送され、この
測定出力では、基準電圧 Uref に対応する信号が全電圧
条件下で現れるように利得が調整されているので、出現
する信号が分圧器比率に比例し、即ち、測定プローブの
位置を表す。
【００４６】図４に関連して説明された基本原理、即
ち、比較及び／又は補償段階と測定段階とへの測定プロ
セスの細分割を、様々な実施例の形で具体化することが
可能である。図５に示される実施例の場合には、抵抗経
路の両方の接続端にスイッチ30、30' を介して交番電圧
Uv1 、Uv2 とが別々に供給され、スイッチ30、30' は、
抵抗経路20' の両方の末端に同一の電圧が供給される
（このことはUv1 ＝Uv2 を意味する）ようにスイッチ逐
次開閉制御装置31によって制御され、従って電圧降下が
生じることがなく、一方、その後続の段階では、抵抗経
路20' の一方の末端にだけ電圧が印加され、その他方の
末端がスイッチ制御装置によってグラウンドに接続さ
れ、その結果として電圧降下が分圧器経路全体に亙って
生じ、又は、（実際には同じことだが）上記一方の末端
に印加された電圧と逆相の電圧が上記他方の末端に印加
され、電圧降下が分圧器経路全体に亙って生じる。
【００４７】第１の比較段階I 中には、電圧降下が生じ
ない時に、プローブ32によって感知されたプローブ電圧
Usが、（可変）増幅器33によって増幅され同期整流器34
によって整流された後で、直流電圧Ugv として加算点36
に達し、この点では、供給される基準電圧 Uref に対す
る差が得られる。その後で、この差分直接電圧が、後続
の制御装置37に伝送され、この制御装置37の出力が、上
記のように増幅器33の利得を調整するために増幅器33の
入力に印加されるか、又は、交番電圧発生器38によって
供給される電圧Uv1 、Uv2 の振幅を調整するために使用
される。
【００４８】この場合にも同様に、上記プローブの個々
の位置を表す測定出力電圧 UA が、測定段階中に、同期
した整流器35を介して測定出力に伝送される。基準電圧
に対応する信号が全電圧条件下で現れるように電位差計
経路の利得及び／又は供給電圧が調整され終わった場合
には、出力電圧 UA は、分圧比率と基準電圧とに比例す
るだろう。
【００４９】図６に示される回路構成では、抵抗経路2
0' に位相シフト供給電圧を使用することも可能であ
り、この場合には、この回路の様々な点で得られる電位
勾配は、図７のグラフによって示される通りである。図
６以降の図においては、同一の参照番号が、図５に示さ
れる回路構成素子と同一の回路構成素子を識別するため
に使用されており、僅かに異なった機能を有する回路構
成素子の参照番号にはアポストロフィが加えられてい
る。
【００５０】交番電圧発生器38によって発生させられる
２つの供給電圧Uv1'、Uv2'の位相のずれのために、抵抗
経路20' には、同一で且つ互いに逆の位相の電圧が交互
に供給され、電圧Uv2'は電圧Uv1'より1/4 周期だけ遅れ
ている。従って、V によって示される時間期間中は、こ
れら２つの電圧が同一の（正又は負の）極性を有し、一
方、M によって示される時間期間中は、これら２つの供
給電圧が互いに逆相である。従って、「同相」期間V の
間は、電圧降下は分圧器において生じず、電子スイッチ
と整流器34は、この期間中に、この期間中の電位プロー
ブ電圧Usに対応する基準電圧Ugv を発生させる。時間M
の期間中には、逆相の供給電圧が、抵抗経路20' 全体に
亙って電圧降下を生じさせ、これは、「分圧比率」即ち
電位測定プローブの位置を決定するために使用される
（測定段階II）。測定電圧Ugm が、同様に、電子的に制
御された回路と整流器35とによって生じさせられ、２つ
の値Ugv 、Ugm の電圧が、コンデンサ26、26' の形で満
足される適切な回路内に蓄積される。図７のグラフは、
３つの異なった電位測定プローブ位置に関する電位曲線
を示し、即ち、供給電圧Uv1 のための接続点の付近の電
位測定プローブ位置と、抵抗経路の概ね中央の測定プロ
ーブ位置と、供給電圧Uv2 のための電圧供給点の末端付
近の測定プローブ位置とに関する電位曲線を示す。
【００５１】当然のことながら、分圧器又は同様の効果
を得るために使用される分圧素子の両方の接続点に正弦
信号が供給される時に、同様の関係が得られ、この場合
に、一方の末端に例えば所定の周波数の正弦電圧が供給
され、他方の末端に上記周波数の２倍の周波数の正弦信
号が供給される。この場合にも、測定段階として及び参
照段階として各々に使用されることが可能な同相の時間
期間と逆相の時間期間とがあるであろう。
【００５２】このシステムを具体化するための他の形態
は、図４に示されているものであり、この実施例では、
分圧素子の抵抗経路20' に交番電圧が位相反転の形で供
給され、このことは、言い換えれば、電位差計経路の極
性を変化させることによって図９に示されるように上昇
特徴と下降特徴とが生じさせられる。この場合（図８参
照）、交番電圧源38' が、抵抗経路20' の両端に交互に
供給される等振幅の交番供給電圧Uv1 、Uv2 を、第１の
電子スイッチ45、48を介して供給し、一方、これと同時
に、抵抗経路20' の他方の末端が更に別の電子スイッチ
46、47を介して常にグラウンドに接続される。従って、
スイッチ45、47が、制御された整流器回路35と組み合わ
せて起動され、一方、この代わりに、本発明のこの実施
例の場合には別途の比較段階も測定段階も存在しない
が、次の段階で、スイッチ46、48が、制御された整流器
回路34と組み合わせて起動される。
【００５３】スイッチ45、46、47、48と同期させて制御
される上記２つの整流器34、35の出力信号は、コンデン
サ26、26' 内に一時的に蓄えられ、その後で、加算素子
36'を介して制御装置回路37' に送られ、この場合も同
様に、２つの特性曲線1 、2の和が抵抗経路の何れの位
置に置いても一定不変の値を持たなければならないの
で、決定された２つの出力電圧の和が一定不変のままで
あるように、即ち、（図９に示されるように）電圧の和
が例えば一定不変の値との比較によって更に高い値に調
整されるように、抵抗電位差計経路に対する供給電圧Uv
1 、Uv2 の入力振幅を制御するためのI 制御装置として
上記制御装置回路37' が構成されることが好ましい。図
８の実施例の場合も、このことは、加算素子36' に供給
される基準電圧 Uref との比較を行うことによって同様
に実現することが可能である。その後で、制御装置37'
は、増幅器33の利得を調整することによって、又は、I
制御装置37' の出力と交番電流発生器38' の入力との間
の点線の接続線によって示されるように電位差計のため
供給電圧の振幅を対応する形で再調整することによっ
て、上記２つの出力の和が基準電圧 Uref と等しいこと
を確保する。
【００５４】この場合には、一方又は他方の特徴の信
号、即ち、Uan 又はUap を出力電圧として使用すること
が可能であるので、こうした制御は、結合コンデンサの
特性に起因する何れの外乱変数の影響をも排除するとい
う効果がある。
【００５５】こうした容量ベースの変位センサ、角度セ
ンサ、又は位置センサの場合には、分圧器に供給する電
圧源と出力電圧のための増幅器入力とが、定義された電
位基準点を有するべきことが望まれることが見つけられ
ており、そうでない場合には、測定値は、供給電圧にお
ける電位比率とセンサハウジングとに依存することにな
るだろう。従って、少なくとも使用周波数範囲に関して
は、供給電圧の接地（グラウンド）電位がセンサハウジ
ングに接続されることが必要であり、そうでない場合に
は測定誤差が排除されることのできない未確定の条件が
生じる恐れがある。
【００５６】一方では、電気システムにおいて、センサ
ハウジングを供給電圧の接地電位に接続することが常に
可能であるわけではないので、本発明をある程度発展さ
せれば、電位比率の不完全な分離を原因として生じる可
能性がある如何なる外乱をも排除するための便利な方法
が提案できる。
【００５７】図10に示されているように、第１の変形例
は、絶縁されたスクリーニング（防護）ハウジングと分
圧素子とを備え、測定プローブとフィードバック電極又
は結合電極とが、接地電位として作用する防護によって
囲まれる。
【００５８】図10のブロック図は、電位差計抵抗経路と
しての分圧素子13と、電位測定プローブ17と電位結合プ
ローブ15とから成る共通素子を有する結合電極16と、増
幅器33' と、図８に一点鎖線によって示されている構成
素子を備える構成部品41と、図８で破線で囲まれている
構成素子を備える構成部品42とを示す。
【００５９】絶縁スクリーニング（防護）ハウジングを
有するこうしたセンサの場合には、上記センサのハウジ
ング40から電位測定／結合プローブ17、15への結合と、
上記センサのハウジング40から増幅器33' に対する接続
点への結合とが生じさせられないことが極めて重要であ
る。これに加えて、抵抗経路13と交番電圧源42からの供
給線とに対して供給される交番電圧が上記ハウジング内
に結合されることは防止されなければならない。このた
めに、スクリーニング（防護）43がハウジング40内の絶
縁構造内に備えられ、基準電位（例えば、負の電圧供給
接続点）に接続される。従来の場合には、電子システム
全体、又は、少なくとも交番電圧が生じる部分が、この
スクリーニング43の内側に配置されることが有利であ
る。
【００６０】こうした解決策は、電気的側面においては
比較的容易に実現することが可能であるが、空間上の必
要条件のために追加のコストを生じさせ、更には、特に
僅かな空間しか使用できない場合に組立上の困難をもた
らす可能性がある。
【００６１】従って、（図10で使用されている構成素子
と同じ構成素子が同じ参照番号で表されている）図11に
示される他の解決策は、例えば分圧素子と前置増幅器と
プローブ信号とを電気的に絶縁する絶縁変圧器44、44'
を備えることによって、分圧器と前置増幅器と供給電圧
とを電気的に絶縁するものである。分圧器が１つ以上の
変圧器によって給電される場合に、プローブ信号の増幅
器33' のための供給電圧が追加のブロック49を介しても
発生させることができることは、この解決策におけるそ
の他の利点である。
【００６２】この解決策の場合には、センサハウジング
が接地電位とシールドとしてのスクリーニング（防護）
として使用されることが可能であり、これに加えて、こ
うした構造は、電磁気的な適合性の側面において更に好
適であり、同時に、より単純な構造を与える。
【００６３】ブロック図を参照しながら本発明の様々な
側面が説明されてきたが、当然のことながら、幾つかの
部品、又は、更に大規模な回路ユニットが、現在一般的
に使用されるタイプの構成素子、特にマイクロプロセッ
サ等によって、実現されることが可能であることを指摘
しておくことは重要である。従って、本発明は、本明細
書に示されている個々の回路ステップ及び／又は回路ブ
ロックに限定されない。むしろ、これらは、本発明の基
本的な機能と効果と幾つかの特別な機能シーケンスとを
例示するためにこれまで特に説明してきた。言うまでも
なく、様々な構成素子とブロックはアナログタイプであ
っても、ディジタルタイプであっても、ハイブリッドタ
イプであってもよく、又は、マイクロプロセッサ、小型
コンピュータ、ディジタル又はアナログ論理回路等のよ
うな、プログラム制御ディジタルシステムの適切な部分
を備えた完全集積ユニット又は部分集積ユニットとして
実現することも可能である。従って、上記の本発明の説
明は、言及した個々のブロックの機能シーケンスとタイ
ミングシーケンスと動作とを説明するための好ましい実
施例の説明と理解されるべきであり、更に、上記で言及
した個々の構成素子が、同一の効果を有する他の構成素
子によって置き換えられることも可能であるということ
を理解されたい。
【００６４】本発明の他の側面は、未発見のままのセン
サ故障がより大きなダメージを引き起こすことを防止す
るために、上記回路の特定の部分又は全機能を監視する
ことが必要だということである。従って、より高いレベ
ルの回路、好ましくは、各図に関連して説明された上記
実施例の個々の回路点に接続されることが可能であり、
且つ、予め決められた幾つかの閾値を上回るか下回る時
に警報又は何らかの他の処置を起動する、複数の入力を
有するマイクロプロセッサとして設計された回路を提供
することが適切である。
【００６５】電子システムの故障に加えて、センサに対
する給電線の破損と、センサ接続点の短絡と、測定電極
の短絡と、出力電圧とが、発生の可能性がある故障条件
として考慮されなければならない。
【００６６】出力電圧が適切な範囲内にあることを確実
にするために出力電圧を監視することに加えて、そのシ
ステムの適正な機能が、他の回路詳細部分によって能動
的に確認され、即ち、 − 基準電圧の再調整のための動作利得が監視され、 − これに加えて、センサの適正な機能を確保するため
に、制御電圧（可変増幅器が備えられている場合）又は
分圧器用の供給電圧が監視されることができるように、
測定プローブの最小出力信号と最大出力信号とが現れな
ければならず、 − 例えば、システムが適正に機能する限り基準電圧が
出力に現れるように制御入力によって整流を変化させる
ことによって、基準比較が監視され、 − 例えば、基準電位付近の電位が出力に現れるように
整流を制御することによって、基準電位が監視され、 − 逆相の出力電圧が監視され、この場合にも、分圧器
の２つの接続点が交換されたかのように出力電圧が値を
とる形で、整流を制御することも可能である。
【００６７】上記のように、これらの特徴の全ては、適
切にプログラムされたマイクロプロセッサ又は小型コン
ピュータによって低コストで実現することができる。
【００６８】最後に、全クレーム、特に、本発明の主構
成要素からなる主クレームは、先行技術の深い知識を持
たないとしても、クレームが不利な効果をもつものと解
釈できないことに留意されたい。従って、本明細書中で
説明され示された全ての特徴と、クレームと、図面と
は、本発明にとって不可欠であり、個々に又は任意の組
合せの形でクレーム中に組み入れることが可能であるこ
とは理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例としての、測定及び結合コン
デンサ構成を有する好ましい容量性変位センサの機械的
／構造的設計の極めて簡略的な説明図である。
【図２】電位測定プローブによって走査される抵抗経路
として設計された電圧分布素子上の電位分布を示す説明
図である。
【図３】電位測定プローブと抵抗経路との間の容量の関
係を示す説明図である。
【図４】抵抗経路の適切な電圧制御によって比較及び補
償段階I と測定段階IIとに動作サイクル全体が分割され
る、ブロック図で示す、本発明の一実施例の説明図であ
る。
【図５】予め決められたタイミングコードに従って起動
されるスイッチによって、抵抗経路の両方の末端が同一
の電圧に接続されるか、又は、一方の末端だけが電圧に
接続される、本発明の他の実施例のブロック図である。
【図６】抵抗経路が位相シフト供給電圧に接続されてい
る、本発明の他の実施例のブロック図である。
【図７】図６の回路に関する電圧／時間の関係を示すタ
イムチャートである。
【図８】互いに反対向きの交流電圧が抵抗経路に供給さ
れる、本発明の１つの実施例のブロック図である。
【図９】２つの特性曲線とその漸増的曲線とを示すグラ
フである。
【図１０】特定の回路構成部品の防護を可能にするため
の解決策の一例を示す説明図である。
【図１１】特定の回路構成部品の電気的絶縁とを可能に
するための解決策の一例を示す説明図である。
【符号の説明】
10…位置センサ 11…電位測定区域 12…電位結合区域 13…分圧素子（抵抗経路） 14…給電／評価回路 15…電位測定プローブ 16…導電性電極表面 17…電位結合プローブ 20…電圧分布素子（抵抗経路） 21…交番電圧供給源 23…可変利得増幅器 24…第１の整流器 25…制御装置 27…整流器 28…低域フィルタ 29…論理／制御回路
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ディーター ベシュレ ドイツ連邦共和国，デー−71093 バイル イー．シュ，イン デル レーテ 31

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 予め決められた測定方向に沿って交番電
    圧の電位の分布が変化する電圧分布素子（抵抗経路）と
    容量的に相互作用する電位プローブとを案内する段階
    と、感知された電位を評価する段階とを含む、容量を検
    出することによって物体の個々の幾何学的位置、変位、
    又は角度をそれぞれ検出する方法であって、 前記電圧分布素子（20, 20' ) に印加される供給電圧を
    スイッチングし、又は、少なくとも２つの異なった供給
    電圧分布パターンが分圧器を横断して時間順に得られる
    ように前記供給電圧を位相シフトさせることを特徴とす
    る容量センサにより物体の幾何学的位置、変位、又は角
    度を検出する方法。
  2. 【請求項２】 単一の物理的ユニットを形成するように
    電位測定プローブ (15) を電位結合プローブ (17) に電
    気的且つ機械的に接続し、前記電位測定プローブと前記
    電位結合プローブとが同一の測定経路を移動し、前記電
    位結合プローブが、測定値が送られる固定結合電極（1
    6）に同様に容量的に作用する請求項１に記載の方法。
  3. 【請求項３】 漂遊容量及び／又は漏れ抵抗によって生
    じさせられる何れの外乱変数をも補償するように、前記
    分圧素子（20, 20' ) に対する電位の変化する分布パタ
    ーンと同調させて時間順に前記電位測定プローブによっ
    て感知された個々のプローブ電圧に基づいて、総合利得
    を制御し、及び／又は、前記分圧素子（20, 20' ）の供
    給電圧を変化させる請求項１に記載の方法。
  4. 【請求項４】 前記分圧器全体に亙って電圧降下を生じ
    させずに、２つの末端が交互に等電圧を示すように前記
    電圧分布素子（20, 20')に交番電圧を印加し（比較段階
    I)、その後で、前記分圧器経路全体に亙って電位差を得
    るために、前記分圧器の一方の末端に電圧が印加される
    と同時に、その他方の末端をグラウンドに接続し、又
    は、互いに逆相の電圧を両方の末端に印加し（測定段階
    II）、前記電位測定プローブによって感知された電圧
    を、前記比較段階中に基準電圧と比較して、前記分圧器
    の供給電圧の利得及び／又は変動の適切な制御によって
    再調整し、それによって、前記測定段階II中に、個々の
    位置を表す電位プローブ電圧が外乱変数の影響なしに感
    知されることが可能である請求項１に記載の方法。
  5. 【請求項５】 前記分圧器（20, 20' ）の一方の末端に
    交番電圧が交互に供給されるように、前記分圧器（20,
    20')に交番電圧を供給し、前記分圧器の他方の末端が接
    地され、前記電位測定プローブによって感知される逆相
    の電圧の合計を、個別的に見た場合の逆相出力電圧の各
    々が前記分圧器の比率を反映する形で基準電圧に対応す
    るように、前記分圧器の供給電圧の利得又は変動を適切
    に制御する請求項１に記載の方法。
  6. 【請求項６】 予め決められた測定方向に沿って交番電
    圧の電位の分布が変化する電圧分布素子と容量的に相互
    作用する電位プローブとを案内するための、及び、感知
    された電位を評価するための手段を含む、容量を検出す
    ることによって物体の幾何学的位置、変位、又は角度を
    それぞれ検出する装置であって、 分圧器（20, 20' ）に沿った電圧分布パターンが互いに
    時間追従する少なくとも２つの異なった分布構造を有す
    るように設計された、回路手段（S3; 30, 30';38; 45,
    46, 47, 48 ）が備えられ、前記分布構造の両方が電位
    測定プローブによって容量的に感知され、前記分布構造
    の少なくとも１つが、総合利得を調整するために又は前
    記分圧器の供給電圧を変化させるために評価されること
    を特徴とする容量センサにより物体の幾何学的位置、変
    位、又は角度を検出する装置。
  7. 【請求項７】 一方の側で供給線を開路すること又は前
    記分圧器の両方の末端に等電圧を供給することによっ
    て、第１の時間期間（比較段階I ）中は、前記分圧器全
    体に亙って電圧降下が生じず、且つ、後続の第２の時間
    期間中は、電圧降下が前記分圧器経路全体に亙って生じ
    るように前記分圧器の端子が供給電圧源（21, 38）に接
    続されるように、前記分圧器（20, 20' ）に対する供給
    電圧を制御するスイッチング手段（スイッチS3, 20, 3
    0')を備えた請求項６に記載の装置。
  8. 【請求項８】 少なくとも特定の時間期間（V ）中は前
    記分圧器全体に亙って電圧降下が生じることがないよう
    に位相シフト交番電圧（Uv1, Uv2）が前記分圧器（20,
    20' ）の端子に印加されるように、前記供給電圧源（3
    8）が制御される請求項に記載６の装置。
  9. 【請求項９】 電圧降下が生じない時間期間中に電位測
    定プローブによって感知されるプローブ電圧が、そのプ
    ローブ位置に関わらず、増幅後に、基準電圧（ Uref ）
    と比較され、総合利得及び／又は供給電圧源（21, 38）
    によって発生される供給電圧（Uv1, Uv2）が、漂遊容量
    と漏れ抵抗との影響を補償するように再調整される請求
    項８に記載の装置。
  10. 【請求項１０】 前記分圧器の各々の接続点に交番供給
    電圧を交互に印加する場合（20, 20' の極変化）に、前
    記プローブの位置とは独立に測定された上昇特徴又は下
    降特徴の合計が一定不変であるように交互に印加される
    交番電圧の入力振幅及び／又は入力増幅器（33）の利得
    を制御装置（I 制御装置）に調整させるように前記制御
    装置（I 制御装置）を作動するため、感知された前記上
    昇特徴又は前記下降特徴の時間同期整流の後に、加算素
    子（36')が前記増幅器の下流に配置される請求項６に記
    載の装置。
  11. 【請求項１１】 少なくとも前記分圧器（20, 20' ）と
    前記電位測定プローブ（32）とフィードバック電極（1
    6）とが、接地電位として働く防護手段（43）内に封入
    される請求項６に記載の装置。
  12. 【請求項１２】 前記分圧器と前記増幅器と前記供給電
    圧発生手段が互いに電気的に絶縁される請求項６に記載
    の装置。
  13. 【請求項１３】 マイクロプロセッサであることが好ま
    しい監視回路が備えられ、前記監視回路が、出力電圧と
    動作利得と基準比較と基準電位と逆相出力電圧と前記制
    御装置の出力電圧とを含む変数グループの中の少なくと
    も１つがその最小限界と最大限界との範囲内において適
    合するように監視されるよう設けられる請求項６に記載
    の装置。
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