JPS6394102A - 位置検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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） 従来の位置検出装置としては、例えば第５図に示す位相
比較方式が知られている。この方式は、検出物体の移動
方向に２枚の金属平板１．２を固定配置し、これら金属
平板１．２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３を配置し、可変コンデンサ４．５を形
成する。

そして、一端が接地された交流電源６を第１の金属平板
１に接続するとともに、交流電源６を９０°遅延回路７
を介して第２の金属平板２に接続し、また検出用電極と
しての金属平板３には出力端子を接続する。とともに抵
抗８を介して接地する。

そして、第１の金属平板１には正弦波信号を第２の金属
平板２には９０”遅延回路７で９０’遅れた正弦波信号
を印加し、検出用電極の金属平板３から出力を得る。検
出物体が中央にあるときは、第１の金属平板１と検出用
電極の金属平板３および第２の金属平板２と検出用電極
の金属平板３の対向面積が等しく、正弦波交流と９０°
遅れの正弦波交流の影響をうけ、検出物体が移動して、
第１の金属平板１と検出用電極の金属平板３との対向面
積が、第２の金属平板２と検出用電極の金属平板３との
対向面積より大きくなり、９０°遅れの正弦波交流より
基本の正弦波交流の影響が強くなった場合は、検出物体
が第１の金属平板１側に移動したことを示し、反対に第
１の金属平板１と検出用電極の金属平板３との対向面積
が第２の金属平板２と検出用電極の金属平板３との対向
面積より小さくなり、基本の正弦波交流より９０゜遅れ
の正弦波交流の影響が強くなった場合は、検出物体が第
２の金属平板２側に移動したことを示している。すなわ
ち、このようにして検出用電極としての金属平板３から
得られる出力（Ｖｏｕｔ）と交流電源６の基本の信号の
位相とを比較することにより、検出物体の移動量を検出
している。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、上記従来の位相比較方式の位置検出装置
の場合、直線性に問題がある。

第５図の装置において、９０°遅延回路７を含む交流電
源６を１２とおき換え、二一アブナンの定理を用いる。

ａ、ｂ間の開放電圧９１は、 ””Ｃｔ　＋Ｃ２・Ｅ　　　　　　　　　・・・・・・
（１）次に内部抵抗Ｒｉを求めると、 となり、９０°遅延回路７を除き、交流電源６のみを用
いた場合ａ、ｂ間の抵抗８に流れる電流１１はＥ＝Ｅｔ
で、 ・・・・・・（３） 同様に、交流電源６を取除き、９０″遅延回路７の代り
に交流電源６より９０°遅れた正弦波交流Ｅ２　を出力
する電１をおき、Ｅ＝Ｅｚ　＝ｊＥ１゜Ｃ１＝Ｃ２とす
れば、 ωＣ２ ｌ２＝ω（Ｃ１＋Ｃ２）Ｒ−ｊｏｊｒｌ　・・・・・・
（４）で、従って第５図における電流Ｉは、Ｃ−Ｃ１＋
Ｃ２とすると、 ω（Ｃ１＋ｊＣ２）　　・ Ｉ＝１１＋１２　＝　　　　　　・　　　・ＥωＣＲ−
Ｊ ・・・・・・（５） となり、よって出力ψｏｕｔは、 ■０υｔ＝１−Ｒ ・・・・・・（６） となり、従ってｖｏｕｔの交流１１６の１に対する位相
差θは、（６）式より θ＝　Ｔａｎ−１σ口邦コしヨコ Ｃ１ωＣＲ−０２ となる。

これに、誘導率：ε、板間距１ｉｆｔ：ｄ、金属平板の
幅：ａ、金属平板の長さ：し、検出物体の移動量：ｘを
代入して考えると、 となり、ＴａｎθとＸの関係は双曲線となる。

次に、振幅へを求めると、（６）式より、となる。

第５図に示す金属平板１，２と検出用電極ととしての金
属平板３との対向面積を、検出用電極としての金属平板
３を移動することによりどちらか一方の対向面積がＯに
なる場合を考えると、第１の可変コンデンサ４と第２の
可変コンデンサ５の８旦の関係は、 Ｃ１−０％　Ｃｚ　＝Ｃのとき、 一ωＣ２Ｒ 位相差θ±Ｔ　ａ　ｎ　’　　　ｃ Ｃ１＝Ｃ，Ｃ２−０のとき、 となり、位相差θは最大で９０”変化する。

振幅へについて考えると、 Ａ−Ｋ（Ｃ１２＋Ｃ２２）、 となる。ここで、Ｃ２＝Ｃ−Ｃｔであるから、Ａ＝Ｋ　
（Ｃ１２＋　（Ｃ−Ｃ１）２）よって、 線である。

従って、上記従来の位置検出装置は直線性に問題がある
。

本発明は上記問題点に鑑みなされたもので、直線性にす
ぐれた精度の高い位置検出装置を提供することを目的と
する。

（発明の構成） （問題点を解決するための手段） 本発明の位置検出装置は、極性の異なる２種類の方形波
に三角波を重畳し２種類の基準信号を発生させる基準信
号発生回路１１と、検出物体の変位方向に位置され上記
基準信号がそれぞれ印加される２個の基準信号電極２６
．２７、およびこの基準信号電極２６．２７の電極面と
対向して電極面が形成された検出信号電極２８を有し、
検出物体の変位に連動して上記基準信号電極２６．２７
と検出信号電極２８との間の静電容量を変化させる静電
８伍変化装置２５と、上記検出信号電極２８からの信号
と設定値とを比較する比較回路４１と、この比較回路４
１による出力信号を位置情報に変換する位置情報変換回
路５１とを具備するものである。

（作用） 本発明は、基準信号発生回路１１で極性の異なる２種類
の方形波φ１、φ２に三角波φ３を１畳して２種類の基
準信号φ１＋φ３．φ２＋φ３を発生させ、これらＭ準
信号φ１＋φ３．φ２＋φ３をそれぞれ基準信号電極２
６．２７に印加する。

そして検出物体の変位に連動して電極間の静電８最を変
化させ、竹記基準信号？Ｉ極２６．２７の電極面と電極
面を対向して設けた検出信号電極２８で信号を検出する
。このとき、検出信号電極２８と各基準信号電極２６．
２７との対面面積が等しいときは、極性が反対の方形波
φ１．φ２成分は打ち消されて三角波φ３構成のみが検
出される。また、検出物体の移動等により検出信号電極
２８と各基準信号電極２６．２７との対向面積が不平衡
となっときは、不平衡の程度に応じて方形波φ１．φ２
成分が残留し、三角波φ３に方形波が重畳した信号が検
出信号電極２８から検出され、反対側の検出信号電極２
８と基準信号電極２６．２７との対向面積が不平衡とな
ったときは、極性の異なる方形波成分が残留し、三角波
に前記方形波と異なる極性の方形波が重畳され、検出信
号電極２８から検出される。そして、比較回路４１に上
記検出信号電極２８からの信号を入力し、設定値と比較
する。このとき平衡状態の三角波φ３と、この三角波φ
３に方形波成分が重畳され残留することによってレベル
が増減することにより、比較回路４１の出力の変化する
時期が変化し、すなわち、比較回路４１の位相が変化す
る。

そして、比較回路４１の位相の変化により位置情報変換
回路５１は対応する位置を電気的に出力する。

（実施例） 以下、本発明の位置検出袋Ｕ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は基準信号発生回路で、極性の異
なる２つの方形波φ１．φ２と三角波発生回路１２で三
角波φ３を発生させる。この基準信号発生回路１１はク
ロックパルス（ＣＬＫ）をインバター回路１３に入力し
、第１の方形波φ１を出力するように構成し、インバー
タ回路１３の出力端には抵抗１４を接続する。またクロ
ックパルス（ＣＬＫ）を２つの直列に接続されたインバ
ータ回路１５゜１６に入力し、第２の方形波φ２を出力
するように構成し、インバータ回路１６の出力端には抵
抗１７を接続する。

インバータ回路１５とインバータ回路１６の接続点には
前記三角波発生回路１２が接続され、この三角波発生回
路１２はインバータ回路１５からコンデンサ１８、抵抗
１９を介してオペアンプ２０の反転入力側に接続され、
このオペアンプ２０の正転入力側には電圧Ｖｓが印加さ
れている。またこのオペアンプ２０の出力側と反転入力
側との間にはコンデンサ２１、出力側とコンデンサ１８
および抵抗１９の間には抵抗２２が接続され、オペアン
プ２０の出力側からは三角波φ３が出力されるように構
成され、さらに抵抗２３、抵抗２４が接続されている。

２５は静電容量変化装置で、図示しない検出物体の変位
方向に並置された２個の基準信号電極２６゜２７を有し
、これら基準信号電極２６．２７の電極面と対向して電
極面が形成され検出物体の変位に連動して基準信号電極
２６．２７との静電容量を変化させる誘電容量変化手段
を兼ねた検出信号電極２８が設けられ、第１の基準信号
電極２６と検出信号電極２８で第１の可変コンデン＋３
２９、第２の基準信号電極２７と検出信号電極２８で第
２の可変コンデンサ３０を構成している。

そして、基準信号発生回路１１の抵抗１４および抵抗２
３を第１の基準信号電極２６に接続し、合成信号（φ１
−トφ３）を印加するように構成し、抵抗１７および抵
抗２４を第２の基準信号電極２７に接続し、合成信号（
φ２＋φ３）を印加するように構成している。

３１は検出信号電極２８から出力された信号を増幅する
増幅回路で、この増幅回路３１は、前記検出信号電極２
８にコンデンサ３２を接続し、このコンデンυ３２には
電界効果トランジスタ３３が接続されている。この電界
効果トランジスタ３３のドレインには直流電源Ｖｃｃ　
、ゲートには抵抗３４、ソースには抵抗３５、コンデン
サ３６およびコンデンサ３７が接続され、抵抗３４、抵
抗３５およびコンデンサ３６は抵抗３８を介して接地さ
れている。

４１は増幅回路３１により増幅された前記検出信号電極
２８からの信号と設定値とを比較する比較回路で、この
比較回路４１のゼロクロスコンパレータとしてのオペア
ンプ４２の正転入力端は、前記増幅回路３１のコンデン
４Ｊ３７に接続されるとともに、抵抗４３を介して直流
電源に接続され、反転入力端は抵抗４６を介して直流型
ＩＶｓに接続されるとともにコンデンサ４５を介して接
地され、出力端は直流電源ＶＣＣに接続されている。

５１は比較回路４１からの出力信号を位置情報に変換す
る位置情報変換回路で、エクスクル−シブオフ回路５２
の一端を基準信号発生回路１１のインバータ回路１５と
インバータ回路１６の接続点に、１１！！端は比較回路
４１のオペアンプ４２の出力端に接続し、エクスクル−
シブオア回路５２の出力端は抵抗５３とコンデンサ５４
を介して接地し、抵抗５３とコンデンサ５４の接続点に
出力端子Ｖｏｕｔが設けられている。

つぎに、作動を第２図を参照しつつ説明する。

まず、基準信号発生回路１１でクロックパルス（ＣＬＫ
）が入力されると、インバータ回路１３を介してクロッ
クパルスとは反対の極性の第１の方形波φ１が発生し、
インバータ回路１５．１６の２段を介すことによりクロ
ックパルスと同じ極性の第２の方形波φ２が発生する。

また、三角波発生回路１２を介して三角波φ３が出力さ
れ、第１の方形波φ１と三角波φ３を重畳した第１の合
成信号φ１＋φ３を第１の基準信号電極２６に入力し、
第２の方形波φ２と三角波φ３を重畳した第２の合成信
号φ２＋φ３を第２の基準信号電極２７に入力する。

図示しない検出物体が中央の位置Ｓにあるとき、すなわ
ち静電８孕変化手段を兼ねた検出信号電極２８が、第１
の基準信号電極２６および、第２の基準信号電極２７と
の対向面積が等しいときは、第１の可変コンデンサ２９
と第２の可変コンデンサ３０の静電容ｄが等しいので、
検出信号電極２８には反対極性の方形波φ１とｈ形波φ
２とが相殺された三角波φ３のみの三角波の信号φ３Ｓ
が出力される。

この出力は増幅回路３１で増幅されたのち、比較回路４
１に入力される。この比較回路４１のコンパレータ４２
に入力される三角波の信号φ３Ｓは、振幅の中心がＯ■
を示し、このＯ■を超えている期間コンパレータ４２は
ｒＨＪ出力となり、これは、第１の方形波φ１に対して
１７４周期遅れた信号となる。

そしてこの信号φ３Ｓはインバータ回路１５を介したク
ロックパルス（ＣＬＫ）、すなわち第１の方形波φ１と
同じ特性の信号とともに位置情報変換回路５１のエクス
クル−シブオフ回路５２に入力され、出力端では排他論
理和のクロックパルス（ＣＬＫ）の２倍の周波数のデユ
ーティ５０％のパルス信号が得られる。

検出物体が第１図に示す下方の位置りにあるときは、静
電容量を変化する検出信号電極２８は検出物体に対応し
て下降し、第１の基準信号電極２６と検出信号電極２８
の対向面積が第２の基準信号電極２７と検出信号ｆｆ１
ＶｉＡ２８の対向面積より検出物体の偏位に比例して広
くなり、第１の可変コンデンサ２９の容量は第２の可変
コンデンサ３０の容量より偏位に従って大きくなるので
、検出物体が中央の位置Ｓから下方に離れれば離れる程
、第１の合成信号φ１＋φ３と第１の合成信号φ２＋φ
３で相殺されない第１の方形波φ１の影響を強く受けた
三角波の信号φ３Ｌ、すなわち、三角波φ３の上昇時は
上にシフトし、下降時は下にシフトし、このシフト示は
検出物体の偏位苗によった三角波の信号φ３Ｌが検出信
号電極２８に現われる。この出力は、増幅回路３１で増
幅されたのち、比較回路４１に入力される。この比較回
路４１のコンパレータ４２に入力されたこの三角波の信
号φ３Ｌは比較回路４１のコンパレータ４２のぜロタ０
スタイミングが中央の位置Ｓの場合より早くなる。この
ためインバータ回路１５を介したクロックパルス（ＣＬ
Ｋ）　、すなわち第１の方形波φ１と同じ特性の信号と
ともに入力された信号φ３１は、エクスクル−シブオア
回路５２から排他論理和として出力されるときはデユー
ティ５０％より小さいパルス信号として得られ、検出物
体の下方への偏位が大きい程デユーティ比が小さくなる
。

反対に、検出物体が第１図に示す上方の位置Ｈにあると
きは、静電容量を変化する検出信号電極２８は検出物体
に対応して上昇し、第１の基準信号電極２６と検出信号
電極２８０対向面積が第２の基準信号電極２７と検出信
号電極２８の対向面積より検出物体の偏位に比例して狭
くなり、第１の可変コンデン勺２９の容ｌは第２の可変
コンデンサ３０の容量より偏位に従って小さくなるので
、検出物体が中央の位置Ｓから上方に離れれば雛れる程
、第１の合成信号φ１＋φ３と第２の合成信号φ２＋φ
３で相殺されない第２の方形波φ２の影響を受けた三角
波の信号φ３Ｈすなわち三角波φ３の上昇時は下にシフ
トし、下降時は上にシフトし、このシフト向は検出物体
の偏位良によった三角波の信号φ３Ｈが検出信号電極２
８に現われる。この出力は、増幅回路３１で増幅された
のち比較回路４１に入力される。この比較回路４１のコ
ンパレータ４２に入力された三角波の信号φ３Ｎは比較
回路４１のコンパレータ４２のＵロクロスタイミングが
中央の位置Ｓの場合より遅くなる。このためインバータ
回路１５を介したりＯツクパルス（ＣＬＫ）、すなわち
、第１の方形波φ１ど同じ特性の信号とともに入力され
た信号φ３Ｈは、エクスクル−シブオア回路５２から排
他論理和として出力されるときはデユーティ５０％より
大きいパルス信号として得られ、検出物体の上方への偏
位が大きい程デユーティ比が太きくなる。

そして、このように得られたパルス幅変調（ＰＷＭ）の
出力デユーティＯ〜１００％に対応・　　させれば、検
出物体の位置を検出できる。

また、位置情報変換回路５１としてもよ、第３図に示す
］ノンプルホールド回路６１を用いることもできる。こ
れは、出力端と反転入力端を短絡したオペアンプ６２の
正転入力端をコンデンサ６３を介して接地するとともに
、オペアンプ４２に接続され立上りに起動する単安定ン
ルチバルブレータ６４により閉成される常開のスイッチ
６５を介して三角波φ３が入力されるように構成したも
のである。

そして、これはコンパレータ４２の立上り時に単安定マ
ルヂバルブレータ６４がパルスを出力しスイッチ６５を
開成し、その時点における三角波φ３の電圧をリンブリ
ングしコンデンサ６３で保持するとともにボルテージホ
ロワ回路のオペアンプ６２から出力し、この出力された
電圧により検出物体の位置を検知するものである。

さらに、位置情報変換回路５１はエクスクル−シブオア
回路５２を用いずにＣＲ積分回路によりアナログ出力と
して取り出し、電圧値で位置表示してもよい。

上記実施例では検出信号電極２８を静電容量変化手段と
して用いたが、第４図では検出信号電極と静電容量変化
手段を別個とした静電容り変化装置２５の他の実施例を
示す。

７１、７２は絶縁板７３の下面にメッキされ検出物体の
変位方向に並置された基準信号電極で、これら基準信号
電極７１．７２には電極面を対向して検出信号電極７６
が設けられ、第１の可変コンデン＋１７４と第２の可変
コンデンサ７５が形成されている。また基準信号電極７
１．７２と検出信号電極７６との間隙には接地された金
属板からなり検出物体に応動する間隙に沿って移動可能
な静電遮蔽用の静電容】変化手段としての可動体７７が
設けられている。

この実施例の動作について説明すると、静電容量変化手
段７７が中央に存在する場合は、可動体７７により遮蔽
される面積は第１の基準信号電極７１も第２の基準信号
電極７２も同じであり、第１の可変コンデンサ７４も第
２の可変コンデンυ７５も同じ容量となる。

検出物体が第１の基準信号電極７１側に移動することに
より可動体７１が第１の基準信号電極７１側に移動した
ときは、第１の基準信号電極７１の方が第２の基準信号
電極７２より可動体７７により遮蔽される面積が広くな
り、第１の可変コンデンサ７４のδ１が第２の可変コン
デンサ７５の容量より小さくなる。

反対に、検出物体が第２の基準信号電極７２側に移動す
ることにより、可動体７７が第２の基準信号電極７２側
に移動したときは、第２の基準信号電極の方が第１の基
準信号電極７１より可動体１７により遮蔽される面積が
広くなり、第１の角変コンデンυ７４の容量が第２の可
変コンデンサ７５の容量より大きくなる。

このように静電容量変化手段どしての可動体７７を移動
させ、それぞれ第１の基準信号電極７１および第２の基
準信号電極７２の静電遮蔽の面積を変化させることによ
り、可変コンデン”１７４．７５の客層を検出物体の移
動に従って変化させることができる。

また、可動体７７として誘電体を用いることもできる。

この場合誘電体の面積が増加すると容量が多くなるので
、可変コンデンサ７４．７５の関係は接地された金属板
を用いた場合と反対になる。

すなわち、検出物体が第１の基準信号電極７１側に移動
することにより可動体７７が第１の基準信号電極７１側
に移動したときは、第１の基準信号電極７１の方が第２
の基準信号Ｎ極７２より可動体１１が対向する面積が広
くなり、第１の可変コンデンサ７４の容りが第２の可変
コンデンサ７５の容量より大きくなる。

反対に、検出物体が第２の基準信号電極７２側に移動す
ることにより、可動体１７が第２の基準信号電極７２１
１１１１に移動したときは、第２の基準信号電極の方が
第１の基準信号電極７１より可動体７７が対向する面積
が広くなり、第１の可変コンデンサ７４の容１が第２の
可変コンデンサ７５の容量より小さくなる。

また、上記実施例では検出用の可変コンデンサ２９．３
０．７４．７５は平板コンデンサを用いたが円筒形、半
円筒形の可変コンデンサを用いることができる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、極性の異なる２つの方形波に三角波を
重畳させ２つの合成波を作り、検出物体を移動すること
により静電容量を変え、検出物体の位置によって三角波
に＠畳する方形波の大きさおよび極性を変化させ、これ
により得られた出力で位置を示す出力をするので、直線
性にすぐれ精度の高い位置検出を行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の位置検出装置の一実施例を示す回路図
、第２図は同上タイムチャート、第３図は同上位置情報
変換回路の他の実施例を示す回路図、第４図は同上静電
容量変化手段の実施例を示す斜視図、第５図は従来の位
置検出装置のブロック図である。 １１・・基準信号発生回路、２５・・静電容ω変化装置
、２６．２７．７１．７２・・基準信号電極、２８゜７
６・・検出信号電極、４１・・比較回路、５１・・位置
情報変化回路、７７・・可動体。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）　極性の異なる２種類の方形波に三角波を重畳し
   ２種類の基準信号を発生させる基準信号発生回路と、 検出物体の変位方向に位置され上記基準信号がそれぞれ
   印加される２個の基準信号電極、およびこの基準信号電
   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上記基準信号電極と
   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、上記検出信号電極からの信号と設定値とを比
   較する比較回路と、 この比較回路による出力信号を位置情報に変換する位置
   情報変換回路と、 を具備することを特徴とする位置検出装置。
2. （２）　静電容１変化装置は、基準信号電極と検出信号
   電極の少なくとも一方を、検出物体と連動するようにし
   た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。
3. （３）　静電容量変化装置は、基準信号電極と検出信号
   電極との間に、検出物体と連動する可動体を設けたこと
   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
   。
4. （４）　可動体は、接地された金属板からなることを特
   徴とする特許請求の範囲第３項記載の位置検出装置。