JPS62207902A - 静電容量式変位検出装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は静電容量式変位検出装置に係り、変位に相応し
て静電容量が変化する可変コンデンサと静電容量が一定
の固定コンデンサとを設は積分コンデンサを共通として
二重積分して、可変コンデンサと固定コンデンサとの静
電容量比を時間長の比として評価して、変位をデジタル
的に検出できるようにした変位検出装置の改良に関する
。

〔背景技術とその問題点〕

長さ、重量、圧力等を自動測定するために変位検出装置
が広く採用されている０例えば直線変位測長器の如く測
定値をデジタル表示するために採用される変位検出装置
としてはその原理上光電式、接点式と種々あるが消費電
力の軽減、安定作動の保障の点から静電容量方式が採用
される場合がある。

従来かかる静電容量式の変位検出装置の構造としては第
４図に示す如く、要素電極１０３を一定ビ・７チで配設
した固定電極１０１に対し同じく要素電極１０２を一定
ピッチで配設した可動電極１００を相対配置せしめ両者
間に図示しない高周波電源を印加し、第４図（Ａ）でＸ
２方向に相対移動させることによって第４図（Ｂ）に示
すようなサイクリックな信号を発生せしめこれを評価し
て変位を検出するものでありた。

しかしながら、上記の従来の変位検出装置としては次の
ような欠点を有していた。

■一定ピッチで複数の要素電極を配列しなければならな
いので、各要素電極の電気的特性、配設ピッチ、対向電
極とのクリアランス等の不揃いが発生し、これらは直接
精度に影響を及ぼすので高精変の検出が難しいという問
題があった。

■小型化に際しては要素電極を極めて微細な加工をしな
ければならず、また静電容量の変化が小さいので高周波
を用いる必要があり、この高周波電源装置が経済的負担
も大きいものであると同時に電源電圧の変動、周囲温度
の影響を受は易い等の欠点を有していた。

■また検出される信号はアナログ信号のために後に表示
や制御に使う場合等デジタル信号を求める場合には格別
のＡ／Ｄ変換器を採用しなければならないという問題も
あった。

このように従来においては構造が簡単で感度が比較的高
いという静電容量式の一般的原理、原則は知られている
ものの上述のような大きな問題点のために実用化が阻ま
れていた。

〔発明の目的〕

本発明は前記従来の問題点を解消するべくなされたもの
で、測定精度を安定して維持することができるとともに
、小型化、さらに変位検出量を直接デジタル信号として
検出できるようにした静電容量式変位検出装置を提供す
ることを目的とする。

Ｃ問題点を解決するための手段および作用〕（手段） 本発明は変位に伴って静電容量が変化するように形成さ
れた可変コンデンサとこれと別に静電容量が一定の固定
コンデンサ等を設は電源電圧および積分器の積分コンデ
ンサを共通としていわゆる二重積分を行い可変コンデン
サと固定コンデンサとの静電容量比を時間長の比として
評価し変位をデジタル的に検出できるようにした変位検
出装置を構成したものである。

具体的には変位に相応をさせて静電容量を変化するよう
形成された可変コンデンサと、静電容量が一定の固定コ
ンデンサと、前記可変コンデンサと固定コンデンサとが
切り換え接続される積分器゛と、所定の基準時間の経過
前には前記可変コンデンサを基準時間の経過後には前記
固定コンデンサを前記積分器に選択切り換えしつつ所定
の手順で二重積分動作をさせるためのシーケンス回路と
、前記積分器の出力電圧と参照電圧とを比較して両電圧
が等しくなるクロスポイントを求めるための比較回路と
、前記基準時間終了時点からクロスポイント到達時点ま
での有効測定時間を前記比較回路のクロスポイント信号
を利用して求める有効測定時間検出回路と、この有効測
定時間検出回路に接続され前記基準時間に対するを効測
定時間の比をもって当該可変コンデンサの静電容量相当
の変位量を検出するための変位検出回路と、を設は前記
目的を達成しようとするものである。

（作用） まず、変位に相応して静電容量が変化する可変コンデン
サを積分器に接続させて基準時間だけ正の積分動作を行
う。これにより積分コンデンサの電荷は高まり積分器の
出力電圧は徐々に高くなる。

次いで、基準時間経過後、可変コンデンサに換えて固定
コンデンサを積分器に接続し、負の積分動作を行わせる
。積分器の出力電圧は徐々に降下する。その結果、出力
電圧と参照電圧とを比較して両電圧が等しくなるクロス
ポイントを比較回路において検出する。このクロスポイ
ントにおける検出信号、すなわちクロスポイント信萼を
利用して前記基準時間終了時点からクロスポイント信号
発生時（クロスポイント到達時）までの有効測定時間を
求める。ここに可変コンデンサをＣＸ、固定コンデンサ
をＣ＊　、基準時間をＴ、有効測定時間をＴＸ　とすれ
ばＴヮーＣＸ　／Ｃｌ　ｘＴｓの式が成立する。すなわ
ち可変コンデンサおよび固定コンデンサに対する電源電
圧および積分コンデンサを共通としているから、基準時
間Ｔ、と有効測定時間Ｔｌｌは可変コンデンサＣＸと固
定コンデンサＣ６との比となる。従って、予め設定され
た基準時間Ｔ、に対する有効測定時間Ｔ８を求めれば静
電容量一定の固定コンデンサに対する可変コンデンサの
電気容量が求まることになる。ところで、可変コンデン
サの静電容量は変位に比例するから、結果として有効測
定時間が変位に相当することになる。

従って、この有効測定時間ＴＸを評価すれば変位量を検
出することができる。この評価は変位検出回路で例えば
時分割することによって直接的にデジタル信号として変
位量を検出することができる。

【実施例〕

以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する
。

本発明の実施例は第１図および第３図に示され、可変コ
ンデンサＣＸと固定コンデンサＣ３とは第３図に示す如
く構成される。すなわち、可変他方電極１および固定他
方電極２を有する外筒４、変位に伴って軸方向に変位す
る筒状部５を存するスピンドル６および共通電極３はこ
の順で同芯状に配されている。そして可変コンデンサＣ
×は外筒４の可変他方電極１と共通電極３の間における
空−間をもって形成され、一方固定コンデンサＣ１１は
同じく共通電極３と外筒４の固定他方電極２によって形
成される。従ってスピンドルを変位に伴って図でＸ１方
向に移動させれば共通電極３はスピンドル６の筒状部５
によって包囲される長さが異なるので結果として可変コ
ンデンサＣ８の静電容量はスピンドルの移動量、すなわ
ち変位に比例して変化するよう構成されている。

次にこの可変コンデンサＣＩ＋と固定コンデンサＣ８と
を含む静電容量式変位検出装置の全体を第１図をもって
説明する。

まずオペアンプ１８および積分コンデンサ１９で積分器
１０が形成される。１１は比較回路であって積分器の出
力電圧Ｅ、が参照電圧Ｖ＊−ｔ　　（この実施例ではア
ース電位すなわち零）と比較することによってクロスポ
イント信号Ｅｃを求めるためのものである。１５は有効
測定時間検出回路であってＤ−フリップフロップ２０お
よびアンド回路２１から形成されているフリップフロッ
プ回路２０のＣＫ端子には比較回路１１の出力電圧Ｅ。

が接続されＲ端子には基準時間設定信号φＢが接続され
る。また、Ｄ端子には電源電圧ＶＤＤが接続されている
。端子Ｑは積分動作中はＨレベルであって、負の積分時
間動作に伴いクロスポイント信号Ｅ、がＣ１端子に入力
されるとＨレベルからＬレベルに反転する。アンド回路
２１にはこのＤ−フリップフロップ回路２０の端子石の
出力と有動領域時間設定信号φＧが入力されている。こ
の両者がともにＨレベルであるときに出力電圧がＨレベ
ルとなりこれが有効測定時間ＴＸということになる。変
位検出回路１６はゲート２２、カウンタ２３、アンド回
路２４および発振器２６から形成され、ゲート２４には
インバータ２５を介して測定時間設定信号φＡと発振器
２６からの高周波数のパルス信号が入力される。ここに
ゲート２２で有効測定時間ＴＸの間だけパルス１８号を
カウンタへ入力しカウンタ２３で計数したカウント値が
、有効測定時間ＴＸを時分割した変位量ということにな
る。

従ってこの静電容量式変位検出装置においては有効測定
時間Ｔ工と発振器２６からのパルス周波数により分解能
が決定できることになる。なお、デジタル表示器１７は
カウンタ２３でのカウント変位量をデジタル表示する手
段である。スイッチＳＷＩからＳＷ６は可変コンデンサ
ＣＭ　と固定コンデンサＣえとを切り換えて積分器１０
に接続するものである。スイッチＳＷ７が積分器の積分
コンデンサ１９をディスチャージするものである。

ここにスイッチＳＷ１からスイッチＳＷ４は正の積分用
スイッチであって積分器１０に可変コンデンサＣＸを接
続するために用せられる。また、スイッチＳＷＩ、ＳＷ
２およびスイッチＳＷ５．３Ｅ６は負の積分用スイッチ
である。

ところで、この変位検出装置においては、高分解能と小
型化を達成するために、正の積分動作を可変コンデンサ
Ｃ１１の電源電圧ＶＤＤをもってする充電工程とこの充
電工程により充電された可変コンデンサの電荷を積分器
ｌＯの積分コンデンサ１９に転移させる転移工程とを順
次繰り返して実行させるよう構成し、この充電工程にス
イッチＳＷ１とスイッチＳＷ３を閉成し、転移工程にお
いてスイッチＳＷ２とスイッチＳＷ４を閉成するようし
ている。同様に負の積分動作においても電源電圧ＶＤＤ
をもって固定コンデンサＣＲに充電した逆極性の電荷に
より正の積分動作で充電した積分コンデンサ１９の電荷
を減少するようにする放電工程と、固定コンデンサＣ１
１を接地する接地工°　程とを順次繰り返して実行され
るよう構成するために放電工程にはスイッチＳＷＩおよ
びスイッチＳＷ６が閉成され接地工程においてスイッチ
ＳＷ２およびスイッチＳＷ５が閉成するようになってい
る。なお、正の積分動作中はスイッチＳＷ６を開成し積
分器ｌＯに固定コンデンサＣ１１が接続されないようし
ている。また同様に負の積分動作においてはスイッチＳ
Ｗ４を開成し可変コンデンサＣＸが積分器１０に接続さ
れないようされている。

１２はシーケンス回路であってスイッチＳＷ１からスイ
ッチＳＷ７を所定の手順で切り換え正の積分と負の積分
を実行するようコントロールする。

また測定時間Ｔ、の設定信号φＡ、有効領域時間ＴＡの
設定信号φＣおよび基準時間Ｔ、の設定信号φＢを適時
出力するよう形成されている。１３はクロックパルス発
生器でアナログスイッチとされたスイッチＳＷ１からス
イッチＳＷ６までをコントロールするための信号φｌか
らφ６を発生されるための基準クロックパルスをシーケ
ンス回路１２に供給するものである。１４は基準時間設
定器であって所定分解能を得るために必要な有効測定時
間Ｔｘを確保するために可変コンデンサＣ８、固定コン
デンサＣＲ１さらには当該変位検出装置のスピンドル６
の移動速度等から任意に決定するものである。なおデジ
タル表示器１７は変位検出回路１６によるカウンタ２３
の出力をデジタル表示器に表示し読み取り容易性を確保
するためのものである。

次にこの実施例における動作を主に第２図を用いて説明
する。

いま変位に基づいて第３図におけるＸ１方向に移動する
スピンドル６は停止状態とされ、基準時間設定器１４に
よって基準時間Ｔ、が設定されているものとする。この
実施例ではシーケンス回路１２は基準時間Ｔ３が設定さ
れることにより測定時間ＴＭ、積分器１０のリセット時
間、有効領域時間ＴＡが自動的に決定される。ここで測
定時間設定信号φＡがＬレベルのときに測定時間Ｔ、１
が決定され、Ｈレベルのときに積分器１０がリセットさ
れるものである。また基準時間設定信号φＢがＨレベル
のときに基準時間Ｔ、が規定され有効領域時間設定信号
φＣも同じ＜　Ｈレベルのときに有効領域時間ＴＡを指
定するものである。アナログスイッチとされたスイッチ
ＳＷＩを閉成するための閉成指令信号φ１　（以下単に
信号φｌという。

その他の閉成Ｉ旨令信号についても同様とする。）およ
びこれと半周期遅れの信号φ２にはこの変位検出装置の
元電源がオンされている間は常に一定周期で発生されて
いるものである。また基準時間Ｔ、内にあっては信号φ
３は信号φ１に同期し、信号φ４は信号φ２に同期して
発生する。なお初期状態においてはすなわち積分器１０
がリセント状態にあ′っても信号φ１およびφ３とが同
時にＨレベルとなる場合があるため可変コンデンサＣＩ
は電源電圧ＶＤＤにより充電されているものとされ、ま
たフリップフロップ２０のＱ端子の出力電圧はＬレベル
とされている。このような条件下から正の積分工程につ
いて説明する。測定時間設定信号φＡがＬレベルとなり
基準時間設定信号φＢが１ルベルとなる。信号φ２およ
びφ４が発生するとスイッチＳＷ２およびスイッチＳＷ
４を介し、可変コンデンサＣｘ　は積分器１０に接続さ
れる。

従って可変コンデンサＣイに充電されていた電荷に基づ
いて積分器１０には可変コンデンサＣＸ側から負の電流
が流れ込む。これに対し積分コンデンサ１９側からはオ
ペアンプ１８の入力側に正の電流が流れ込む。従ってオ
ペアンプ１８の出力電圧Ｅ０は上昇する。すなわち可変
コンデンサＣｘに充電された電荷が積分コンデンサ１９
に移し換えられたことになる。続いてシーケンス回路１
２からの指令によって信号φ２、信号φ４によりスイッ
チＳＷ２およびスイッチＳＷ４が開成する。

その後にスイッチＳＷ１およびスイッチＳＷ３が閉成す
ると可変コンデンサＣＸには電源電圧ＶＤＤが印加され
、可変コンデンサＣｘが充電される。

この可変コンデンサＣＸの充電完了後、半周期遅れで再
びスイッチｓｗｔ、ｓｗ３が開成し、スイッチＳＷ２と
ＳＷ４とが閉成されると、上記と同様に可変コンデンサ
Ｃｘの電荷は積分コンデンサ１９に移し換えられさらに
積分器１０の出力電圧−Ｅｏは上昇する。このようにス
イッチＳＷＩ、ＳＷ３による充電工程とスイッチＳＷ２
．ＳＷ４による転移工程が繰り返し行われ基準時間Ｔ、
の間は積分器１０の出力電圧Ｅ０は図で実線で示すよう
に上昇する。なおこの基準時間Ｔ、の間は固定コンデン
サＣＭを積分器１０のオペアンプ１日に接続させないた
めに信号φ６は出力されずスイッチＳＷ６は閉成される
ことがない。

このように変位検出装置を小型化するために制限される
可変コンデンサＣＸの静電容量や電源電圧等を考慮して
実際には第２図の２点鎖線で示される如く階段状に積分
器１０の出力電圧Ｅ、は傾斜上昇する。

続いて負の積分工程を説明する。

基準時間Ｔ、が終了すると基準時間設定信号φＢはＬレ
ベルとなり代わって有効領域時間設定信号φＣが■（レ
ベルとなる。従って、基準時間設定信号φＢがＬレベル
になることによってフリップフロップ２０のＱ端子電圧
はＨレベルとされ、有効領域時間設定信号φＣがＨレベ
ルになることを条件として有効測定時間Ｔ、ｌが進行を
始める。すなわち、有効測定時間検出回路１５のアンド
回路２１からはＩ（レベルの信号Ｅ、ｔが出力される。

さて、を動領域時間Ｔ＾内にあっては信号φ４はＬレベ
ルとなり可変コンデンサＣＸはスイッチＳＷ４が開成と
なるので積分器１０のオペアンプ−１８に接続されるこ
とはなくなる。一方基準時間Ｔ、内にあって信号φ２お
よびφ５に基づいて閉成されたスイッチＳＷ２．ＳＷ５
を介し固定コンデンサＣ３は接地されていたので、シー
ケンス回路１２からの信号φ１とφ６に基づいて閉成さ
れるスイッチＳＷｌおよびＳＷ６を介して固定コンデン
サＣ１１は積分器１０のオペアンプ１８に接続される。

この場合、固定コンデンサＣ１は電源電圧ＶＤＤに接続
されるので電源電圧ＶＤＤからはオペアンプ１８に正の
電流が流れ込む。これに対し、積分コンデンサ１９側、
すなわちオペアンプ１Ｂの出力側からは負の電流がオペ
アンプ１８の入力側に流れ込むことによって打ち消せる
よう作用する。

従って正の積分工程において充電された積分コンデンサ
１９の電荷は徐々に低減し積分器１０の出力電圧Ｅ０が
降下する。その後再びスイッチＳＷ２、ＳＷ５とスイッ
チＳＷＩ、ＳＷ６は半周期遅れで交互に開成、閉成を繰
り返すので第２図の有効領域時間内にあっては２点鎖線
で示す如く階段状に積分器１０の出力電圧Ｅ０は下がり
、結果として実線で示す如く一定の傾斜で出力電圧Ｅ０
は低下していくとみなされる。このように負の積分工程
において積分器ＩＯの出力電圧Ｅ、が参照電圧Ｖ　、、
ｆ　と比較回路１１において比較され両者が等しくなっ
たときに比較回路１１からクロスポイント信号Ｅ、が出
力される。すなわち参照電圧ＶＲ＊ｆを零値しているの
で積分器ＩＯの出力電圧Ｅ０が零値となったときにクロ
スポイント信号ＥＣがＨレベルとなり出力される。する
と有効測定時間検出回路１５のフリップフロップ２０の
ＣＫ線端子クロスポイント信号Ｅｃが入力されるためＱ
端子の出力電圧はＬレベルとなり結果として有効測定時
間Ｔ、ｌの終点が規制される。

ところで、変位検出回路１６においては有効測定時間検
出回路Ｉ５のアンド回路２１から有効領域時間設定信号
φＣがＨレベルと有効測定時間Ｔ８が出力されているこ
とを条件としてゲート２２の一方端子に入力され他方端
子には測定時間Ｔ４内すなわら積分器ｌＯのリセット状
態にない場合の条件がインバータ１４を通しゲート回路
２４に、および発振器２６からのクロックパルスが入力
されているので有効測定時間ＴｘＯ間だけゲート２２を
介し発振器２６からのクロックパルスがカウンタ２３に
人力され、カウンタ２３ではこれを変位量として計数す
る。

このように積分器ｌＯを共通しシーケンス回路１２に基
づく所定の手順に基づく信号にコントロールされ、可変
コンデンサＣｘを接続して行う正の積分工程と固定コン
デンサＣＲを接続した負の積分工程とを、積分器１０の
出力電圧Ｅ０が零値からスタートし零値で完了させるよ
うしているので正の積分工程をする基準時間Ｔ、と有効
／ｌｔｑ定時間ＴＸの比は可変コンデンサＣＸ　と固定
コンデンサＣ３との比と等しくなる。

ここに可変コンデンサＣＸの静電容量はスピンドル６の
一端に設けられた筒状部５によってコントロールされ測
定子７を介して関与される変位と比例するから結局カウ
ンタ２３での計数した発振器２６のクロックパルスの数
は変位量を求めたことになる。

従って例えば可変コンデンサＣｘ　と固定コンデンサＣ
Ｉ＋　とが等しい場合基準時間Ｔ、と有効測定時間Ｔ１
は等しいからこれを基準状態と指定しておけばこれを中
心としたカウンタ２３での計数値の増減が基準位置に対
するスピンドル６の変位量として求められる。

カウンタ２３にはデジタル表示器１７が接続され、変位
量をデジタル表示器１７でデジタル量として読み取るこ
とができる。

この実施例によれば従来の複数の小さな要素電極を一定
ピッチで配列するという加工上の問題もなく極めて小型
に形成することができる。また、変位量は時間の長さと
して評価できるのでこれを時分割するべくクロックパル
スの周波数をもって所望の分解能を容易に求めることが
できる。また、変位量は固定コンデンサＣＩに対する可
変コンデンサＣＸの比、すなわち有効測定時間に対する
基準時間での比として求めることができるから時分割用
クロックパルスの周波数をより高くすれば迅速な測定が
可能となる。これはまた、積分器の出力電圧を低めに抑
えることができるから消費電力が低減され結果として電
池容量が小さくて済む。

取り分は片手操作の電源内蔵小型測定機等においては電
池を代えずに長時間運転することができるようになる。

以上の実施例においては正の積分工程および負の積分工
程をそれぞれ段階的に繰り返し行ったが測定変位量が小
ストロークのような場合にはそれらを繰り返させず一回
の正の積分動作と同じく一回の負の積分動作で同様に目
的を達成することは可能である。また、可変コンデンサ
および固定コンデンサは回忌円上に配された電極をもっ
て構成したがこれに限定されずに平面電極をもって構成
することが可能である。また、変位検出回路のカウンタ
に接続される発振器もクロックパルス周波数を基準時間
または有効領域時間に基づいて所定の分解能をもって変
位量を求めるために適当な周波数に自動的に調整するよ
う構成することも可能である。

さらに変位はスピンドルを介して直線上に関与されるも
のとしたが回転角度として関与する場合にもまた測定対
象は長さ厚さ等に限らす圧力重量等とも適用あるもので
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る静電容量式変位検出装置の一実施
例を示す全体説明図、第２図は同じく動作説明図、第３
図は可変コンデンサおよび固定コンデンサを構成するた
めの断面図、第４図は従来の静電容量式変位検出装置を
示し、第４図（Ａ）は可動電極と固定電極の一部断面図
、第４図（Ｂ）は出力波形を示す線図である。 ＣＸ・・・可変コンデンサ、ＣＩ・・・固定コンデンサ
、１０・・・積分器、１１・・・比較回路、１２・・・
シーケンス回路、１４・・・基準時間設定器、１５・・
・有効測定時間検出回路、１６・・・変位検出回路、１
７・・・デジタル表示器、１８・・・オペアンプ、１９
・・・積分コンデンサ、２３・・・カウンタ、２６・・
・発振器。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）変位に相応させて静電容量が変化するよう形成さ
   れた可変コンデンサと、静電容量が一定の固定コンデン
   サと、前記可変コンデンサと固定コンデンサとが切り換
   え接続される積分器と、所定の基準時間の経過前には前
   記可変コンデンサを、基準時間の経過後には前記固定コ
   ンデンサを前記積分器に選択切り換え接続しつつ所定の
   手順で二重積分動作をさせるためのシーケンス回路と、
   前記積分器の出力電圧と参照電圧とを比較して両電圧が
   等しくなるクロスポイントを求めるための比較回路と、
   前記基準時間終了時点からクロスポイント到達時までの
   有効測定時間を前記比較回路のクロスポイント信号を利
   用して求める有効測定時間検出回路と、この有効測定時
   間検出回路に接続され前記基準時間に対する有効測定時
   間の比をもって当該可変コンデンサの静電容量相当の変
   位を検出するための変位検出回路と、を備えている静電
   容量式変位検出装置。
2. （２）前記特許請求の範囲第１項において、前記シーケ
   ンス回路は、前記可変コンデンサを前記積分器に接続し
   て行う正の積分動作を、前記可変コンデンサに電源電圧
   をもってする充電工程とこの充電工程により充電された
   可変コンデンサの電荷を前記積分器の積分コンデンサに
   転移させる転移工程とを順次繰り返して実行させるとと
   もに前記基準時間経過後に前記固定コンデンサを前記積
   分器に接続して行う負の積分動作を、電源電圧をもって
   前記固定コンデンサに充電した逆極性の電荷により前記
   正の積分動作で充電した前記積分コンデンサの電荷を減
   する放電工程と前記固定コンデンサを接地する接地工程
   とを順次繰り返して実行させるよう構成したことを特徴
   とする静電容量式変位検出装置。
3. （３）前記特許請求の範囲第１項において、前記比較回
   路は、前記参照電圧が零電圧とされ前記積分器の出力電
   圧が零値となったことをもってクロクポイント信号を発
   生するよう形成された静電容量式変位検出装置。
4. （４）前記特許請求の範囲第１項において、前記可変コ
   ンデンサと固定コンデンサとは、丸軸状部材の外周面に
   設けられた共通電極をともに一方電極とするとともに各
   他方電極は共通電極と同芯的に配設され形成されたこと
   を特徴とする静電容量式変位検出装置。