JPH10267687A - センサ出力のリニアライズ回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 検出信号の逆数を算出するセンサ出力のリニ
アライズ回路において、簡単な回路を付加するだけでリ
ニアな変化範囲を拡大する。 【解決手段】 測定値に反比例する検出信号の逆数を算
出する除算回路１５を備え、検出信号を測定値に比例す
る信号に変換するセンサ出力のリニアライズ回路であっ
て、検出信号が所定値以上の時に、検出信号に応じて変
化する第１補正信号を生成する第１補正信号生成回路１
６と、検出信号が所定値以下の時に、検出信号に応じて
変化する第２補正信号を生成する第２補正信号生成回路
１７と、第１補正信号と第２補正信号に応じて検出信号
を変化させる補正回路１８とを備え、検出信号が測定値
に比例する範囲を拡大する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、静電容量センサや
渦電流センサなどの測定値に反比例する検出信号を出力
するセンサの出力を、測定値に比例する信号に変換する
センサ出力の線形化（リニアライズ）回路に関し、特に
簡易なアナログ処理で変換を実現するリニアライズ回路
に関する。

【０００２】

【従来の技術】金属物体の表面位置などを測定するため
に静電容量センサや渦電流センサなどが使用されてい
る。アクティブプローブを使用する静電容量センサや渦
電流センサでは、検出信号がセンサの先端表面から物体
の表面位置までの距離に反比例することが知られてい
る。そのため、距離を示す信号を得るには検出信号の逆
数を算出するなどの処理が必要である。本発明は、この
ような検出信号が測定値に反比例するセンサであればど
のようなものにでも適用可能であるが、ここでは、静電
容量センサを例として説明を行う。

【０００３】静電容量センサには、パッシブプローブ
（Passive Probe)型とアクティブプローブ(Active Prob
e)型の２種類がある。パッシブプローブ型は、電気回路
がプローブから離れた基板上にあり、電気回路とプロー
ブはケーブルで結ばれる。電気回路からはプローブに交
流信号が印加され、そこで生じた電圧が電気回路で検出
される。パッシブプローブ型では、検出信号は電圧とし
て得られ、電圧は測定値であるターゲットの表面とプロ
ーブの表面との距離に比例して変化する。これに対し
て、アクティブプローブ型は、電気回路の一部がプロー
ブ内に組み込まれて一体となっており、他の電気回路の
部分は基板に設けられ、それらの間はケーブルで結ばれ
る。アクティブプローブ型では、検出信号は電流として
得られ、この電流は測定値であるターゲットの表面とプ
ローブの表面との距離に反比例して変化する。

【０００４】図１は、アクティブプローブ型の静電容量
センサの基本構成と信号を示す図である。図１の（１）
に示すように、アクティブプローブ型のプローブは、測
定電極１と、その周囲に設けられたガード電極２と更に
その周囲に設けられた外周シールド３とを有し、それら
の間には絶縁材５が設けられている。プローブには、更
に測定電極１に一定の交流電圧を印加する交流信号源７
が設けられている。図１の（２）は、アクティブプロー
ブ型のプローブの等価回路とプローブ１０から出力され
る検出信号を示す図である。測定電極１は対向する金属
物体（ターゲット）の表面１００との間で容量素子を形
成し、その容量は測定電極１の先端表面とターゲットの
表面１００との間の距離ｄに反比例して変化する。交流
信号源７から測定電極１に印加される交流電圧に応じ
て、プローブ１０からは図示のような交流電流ｉが出力
される。交流電流ｉの電流値は容量素子の容量に比例す
るので、距離ｄに反比例することになる。アクティブプ
ローブ型の静電容量センサでは、この交流電流ｉの電流
を電流検出回路８で検出する。実際には、交流電流ｉを
直流信号に変換してその電圧Ｖｆｅを検出することによ
り検出するが、電圧Ｖｆｅも距離ｄに反比例することに
なる。

【０００５】センサの出力する検出信号は測定値に比例
していることが望ましい。比例していれば、検出信号を
そのままメータなどに印加して測定値を指示することが
可能であるが、比例していない場合には作業者がメータ
値を換算して測定値を算出する必要があり、非常に煩雑
である。そのため、検出信号が測定値に比例していない
場合には、検出信号が測定値に比例するように変換する
リニアライズ回路が使用される。リニアリズ回路として
は、例えば、検出信号をアナログ／ディジタル（Ａ／
Ｄ）変換回路でディジタル信号値に変換した後、あらか
じめ測定してある変換式を記憶したルックアップテーブ
ル（ＬＵＴ）で補正値を算出するディジタル処理による
回路がある。しかし、ディジタル処理を行うには、上記
のようにＡ／Ｄ変換回路が必要であり、分解能の高いビ
ット数の多いＡ／Ｄ変換器は高価であるので、コストが
高いという問題があった。そこで、簡単なアナログ処理
でリニアライズ回路を実現することが行われている。

【０００６】アナログ処理でリニアライズ回路を実現す
る手法としては、ブレークポイント方式とマルチプライ
ヤ方式が知られている。図２は、ブレークポイント方式
を説明する図である。電圧Ｖｆｅは距離ｄに対して図２
の（１）に示すように変化するが、ブレークポイント方
式では、図２の（２）に示すように検出信号の変化範囲
を複数の範囲に分け、各範囲において検出信号に補正信
号を加算又は乗算して補正する。得られる補正後の信号
は、図２の（３）に示すようになる。全体としては、測
定値に比例する信号が得られるが、微視的には、図示の
ようになっている。

【０００７】図３は、マルチプライヤ方式の説明図であ
る。図３の（１）に示すように、マルチプライヤ方式で
は、センサ１０からの信号を交流−直流変換回路（積分
回路）１３で直流信号に変換した後アンプ１４で増幅
し、更に演算回路１５で所定の値をアンプ１４の出力で
除算する。これにより、電流ｉに比例する電圧の逆数の
信号Ｖｏｕｔが得られる。前述のように、電流ｉは距離
ｄに反比例するので、信号Ｖｏｕｔは距離ｄに比例す
る。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかし、図３の（１）
に示したマルチプライヤ方式のリニアライズ回路では、
実際に距離ｄと信号Ｖｏｕｔが比例すると見なせる範囲
は、図３の（２）に示すように限定され、ｄが所定値以
上又は所定値以下の範囲では比例しなくなる。そのた
め、図３の（１）に示したマルチプライヤ方式のリニア
ライズ回路では使用できる範囲が十分ではなく、リニア
な出力の得られる検出範囲が狭いという問題が生じてい
た。そのため、マルチプライヤ方式のリニアライズ回路
において、距離ｄと信号Ｖｏｕｔが比例すると見なせる
リニアな検出範囲を広げることが要望されていた。

【０００９】本発明はこのような問題を解決するための
もので、マルチプライヤ方式のリニアライズ回路におい
て、検出信号が測定値に比例すると見なせる範囲を拡大
することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を実現するた
め、本発明のセンサ出力のリニアライズ回路は、検出信
号が測定値に比例すると見なせる範囲外においては、ブ
レークポイント方式を適用して補正を行うことにより、
検出信号が測定値に比例すると見なせる範囲を拡大す
る。

【００１１】図４は、本発明のセンサ出力のリニアライ
ズ回路の基本構成を示す図である。すなわち、本発明の
センサ出力のリニアライズ回路は、測定値に反比例する
検出信号の逆数を算出する除算回路１５を備え、検出信
号を測定値に比例する信号に変換するセンサ出力のリニ
アライズ回路であって、検出信号が所定値以上の時に、
検出信号に応じて変化する第１補正信号を生成する第１
補正信号生成回路１６と、検出信号が所定値以下の時
に、検出信号に応じて変化する第２補正信号を生成する
第２補正信号生成回路１７と、第１補正信号と第２補正
信号に応じて検出信号を変化させる補正回路１８とを備
え、検出信号が測定値に比例する範囲を拡大することを
特徴とする。

【００１２】図４に示すように、第１及び第２補正信号
生成回路１６と１７に入力する信号は、除算回路１５に
入力する信号でも除算回路１５から出力される信号のい
ずれでもかまわない。また、補正する方法としては、補
正信号を加算する場合と、補正信号を乗算する場合があ
る。図５は補正方法を説明する図である。第１及び第２
補正信号として、図５の（１）に示すような信号を発生
させる。この第１及び第２補正信号を加算回路１８で演
算回路の出力に加算すると、検出信号は図５の（２）に
示すように補正され、比例すると見なせる範囲が拡大す
る。図５の（１）に示すような第１及び第２補正信号を
加算し、更に所定のバイアス値を加算すると、図５の
（３）に示すような信号が得られる。この信号を演算回
路１５の出力に乗算すると、同様に補正を行うことがで
きる。この場合、図４の加算回路１８は乗算回路とす
る。また、そのような乗算回路を設けず、除算回路１５
の分子として、図５の（３）に示すような信号を印加し
ても同様に補正が行える。

【００１３】

【発明の実施の形態】図６は、本発明の実施例の静電容
量センサのリニアライズ回路の回路構成を示す図であ
る。図６に示すように、静電容量センサ１０の出力する
交流信号は、積分回路と増幅回路を合わせた回路２３
で、直流信号に変換される。この直流信号の電圧は、交
流信号の電流に比例する。演算回路２５は、入力信号Ｂ
を入力信号Ａで除算する回路であり、入力信号Ａとして
回路２３の出力する直流信号が入力され、入力信号Ｂと
して第１と第２補正信号生成回路２６と２７の出力の和
が入力される。演算回路２５の出力は、増幅回路２９で
増幅された後、ドライバ回路３０から出力されるが、増
幅回路２９の出力は第１と第２補正信号生成回路２６と
２７に入力される。第１補正信号生成回路２６は、２段
の反転増幅器で構成され、増幅回路２９の出力が第１の
所定値より小さい時には、ダイオードＤ１とＤ２が導通
して一定値になるが、第１の所定値より大きくなると、
ダイオードＤ１とＤ２は非導通状態になり、増幅回路２
９の出力に比例した信号が出力される。従って、図５の
（１）の第１補正信号が得られる。第１の所定値はＶＲ
１で調整可能であり、２段の反転増幅器の増幅率、すな
わち第１の所定値より大きい場合の信号の傾きは、ＶＲ
２を変化させることにより調整可能である。同様に、第
２補正信号生成回路２７では、図５の（１）の第２補正
信号が得られ、閾値および傾きは、ＶＲ３とＶＲ４で調
整可能である。この実施例では、第１と第２補正信号生
成回路２６と２７の出力の和信号は演算回路２５の入力
信号Ｂとして入力され、演算回路２５での演算処理にお
ける分子として使用されるので、図５の（３）で説明し
た、補正信号を乗算する処理が行われることになる。

【００１４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
検出信号の逆数を算出するセンサ出力のリニアライズ回
路において、簡単な回路を付加するだけでリニアな変化
範囲を拡大することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】静電容量センサの構成と検出信号を説明する図
である。

【図２】検出信号が測定値に逆比例する場合のブレーク
ポイント方式の補正を説明する図である。

【図３】検出信号が測定値に逆比例する場合のマルチプ
ライヤ方式の補正を説明する図である。

【図４】本発明のセンサ出力のリニアライズ回路の基本
構成を示す図である。

【図５】本発明のセンサ出力のリニアライズ回路におけ
る補正を説明する図である。

【図６】本発明の実施例のセンサ出力のリニアライズ回
路の回路構成を示す図である。

【符号の説明】

１０…静電容量センサ １４…アンプ １５…演算（除算）回路 １６…第１補正信号生成回路 １７…第２補正信号生成回路 １８…補正（加算）回路

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 測定値に反比例する検出信号の逆数を算
   出する除算回路（１５）を備え、前記検出信号を測定値
   に比例する信号に変換するセンサ出力のリニアライズ回
   路であって、 前記検出信号が所定値以上の時に、前記検出信号に応じ
   て変化する第１補正信号を生成する第１補正信号生成回
   路（１６）と、 前記検出信号が所定値以下の時に、前記検出信号に応じ
   て変化する第２補正信号を生成する第２補正信号生成回
   路（１７）と、 前記第１補正信号と前記第２補正信号に応じて前記検出
   信号を変化させる補正回路（１８）とを備え、前記検出
   信号が測定値に比例する範囲を拡大することを特徴とす
   るセンサ出力のリニアライズ回路。
2. 【請求項２】 請求項１に記載のセンサ出力のリニアラ
   イズ回路であって、 前記第１補正信号は、前記検出信号が所定値以上の時
   に、該所定値との差に比例して増加する信号で、それ以
   外の時には一定値である信号であり、 前記第２補正信号は、前記検出信号が所定値以下の時
   に、該所定値との差に比例して減少する信号で、それ以
   外の時には一定値である信号であり、 前記補正回路（１８）は、前記第１補正信号と前記第２
   補正信号を前記検出信号に加算する加算回路であるセン
   サ出力のリニアライズ回路。
3. 【請求項３】 請求項１に記載のセンサ出力のリニアラ
   イズ回路であって、 前記第１補正信号は、前記検出信号が所定値以上の時
   に、該所定値との差に比例して増加する信号で、それ以
   外の時には一定値である信号であり、 前記第２補正信号は、前記検出信号が所定値以下の時
   に、該所定値との差に比例して減少する信号で、それ以
   外の時には一定値である信号であり、 前記補正回路（１８）は、前記第１補正信号と前記第２
   補正信号を前記検出信号に乗算する乗算回路であるセン
   サ出力のリニアライズ回路。