(57)【要約】【課題】測定レンジを狭めることなく高精度の量子化を行う物理量変化測定装置を提供する。【解決手段】物理量の変化に応じた一方の電圧信号１１ａを第１のデジタル信号に変換する第１のデジタル変換処理部３０と、これを第１のアナログ信号に変換するアナログ変換処理部３１と、他方の電圧信号１１ｂから第１のアナログ信号３１ａを減算した減算信号４０ａを出力する減算処理部４０と、減算信号４０ａを拡大して信号４１ａを出力する第２の増幅部４１と、前記信号４１ａを第２のデジタル信号７０ａに変換する第２のデジタル変換処理部７０と、この第２のデジタル信号７０ａと拡大した第１のデジタル信号３２ａを加算した出力信号８０ａを出力する加算処理部８０と、を備える。【選択図】図１
2008122291.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
センサによって検出される物理量の変化に応じたアナログの電圧信号を入力すると共にこの電圧信号を２系統に分ける入力部と、
この２系統に分けられた一方の電圧信号をデジタル信号に変換して第１のデジタル信号を出力する第１のデジタル変換処理部と、
この第１のデジタル信号をアナログ信号に変換して第１のアナログ信号を出力するアナログ変換処理部と、
前記２系統に分けられた他方の電圧信号から前記第１のアナログ信号を減算した減算信号を出力する減算処理部と、
前記第１のデジタル信号を拡大して第１の拡大信号を出力する第１の拡大処理部と、
前記減算信号を拡大して第２の拡大信号を出力する第２の拡大処理部と、
前記第２の拡大信号をデジタル信号に変換して第２のデジタル信号を出力する第２のデジタル変換処理部と、
この第２のデジタル信号と前記第１の拡大信号を加算した出力信号を出力する加算処理部と、を備えたことを特徴とする物理量変化測定装置。
【請求項２】
前記第１のデジタル変換処理部の分解能に基づいて前記第１の拡大処理部の拡大係数ｎ1と前記第２の拡大処理部の拡大係数ｎ2とを設定したことを特徴とする請求項１記載の物理量変化測定装置。
【請求項３】
前記センサを駆動する駆動信号の周期に基づいて、前記分岐した２つの信号を同期させる同期処理部を備えたことを特徴とする請求項１又は２記載の物理量変化測定装置。
【請求項４】
被測定物の物理量の変化量を測定すると共に当該変化量に応じたアナログの電圧信号を出力するセンサ工程と、
当該電圧信号を２系統に分ける入力工程と、
この２系統に分けられた一方の電圧信号をデジタル信号に変換して第１のデジタル信号を出力する第１のデジタル変換処理工程と、
この第１のデジタル信号をアナログ信号に変換して第１のアナログ信号を出力する第１のアナログ変換処理工程と、
前記２系統に分けられた他方の電圧信号から前記第１のアナログ信号を減算した減算信号を出力する第１のアナログ減算工程と、
前記第１のデジタル信号を拡大して第１の拡大信号を出力する第１の拡大処理工程と、
前記減算信号を拡大して第２の拡大信号を出力する第２の拡大処理工程と、
前記第２の拡大信号をデジタル信号に変換して第２のデジタル信号を出力する第２のデジタル変換処理工程と、
この第２のデジタル信号と前記第１の拡大信号を加算した出力信号を出力する加算処理工程と、を備えたことを特徴とする物理量変化測定方法。
【請求項５】
センサによって検出される物理量の変化に応じたアナログの電圧信号が入力されると共にこの電圧信号を２系統に分ける入力部と、この２系統に分けられた一方の電圧信号をデジタル信号に変換して第１のデジタル信号を出力する第１のデジタル変換処理部と、この第１のデジタル信号をアナログ信号に変換して第１のアナログ信号を出力するアナログ変換処理部と、前記２系統に分けられた他方の電圧信号から前記第１のアナログ信号を減算した減算信号を出力する減算処理部と、この減算信号の振幅をｎ1倍に増幅して第２の拡大信号を出力する増幅部と、この第２の拡大信号をデジタル信号に変換して第２のデジタル信号を出力する第２のデジタル変換処理部と、前記第１及び第２のデジタル信号をデータとして記憶するメモリと、このメモリに併設され当該メモリに格納されるデータを処理することで所定の拡大部として機能するＣＰＵとを備えた物理量変化測定装置を使用して、物理量の変化を測定するための物理量変化測定用プログラムであって、
当該ＣＰＵに、
前記増幅部の利得ｎ1を設定するための第１の設定手順と、
前記拡大部の拡大係数ｎ2を設定するための第２の設定手順と、
前記第１のデジタル変換処理部から出力される第１のデジタル信号をｎ2倍に拡大して第１の拡大信号を出力するための拡大手順と、
この拡大手順に応じて拡大された第１の拡大信号と前記第２のデジタル信号を加算した出力信号を出力するための加算手順と、を実行させることを特徴とする物理量変化測定用プログラム。
【請求項６】
請求項５に記載の物理量変化測定用プログラムを記録した記録媒体。
【請求項７】
被測定物の物理量の変化を検出すると共に当該物理量の変化に応じた電圧信号を出力する第１の変位センサと、
前記被測定物の前記物理量の変化を検出すると共に当該物理量の変化に応じた振幅の電圧信号を出力する第２の変位センサと、
前記第２の変位センサの電圧信号をデジタル信号に変換して第１のデジタル信号を出力する第１のデジタル変換処理部と、
この第１のデジタル信号をアナログ信号に変換して第１のアナログ信号を出力するアナログ変換処理部と、
前記第１のデジタル信号を拡大して第１の拡大信号を出力する第１の拡大処理部と、
前記第１の変位センサの電圧信号から前記第１のアナログ信号を減算して減算信号を出力する減算処理部と、
この減算信号を拡大して第２の拡大信号を出力する第２の拡大処理部と、
この第２の拡大信号をデジタル信号に変換して第２のデジタル信号する第２のデジタル変換処理部と、
この第２のデジタル信号と第１の拡大信号とを加算した出力信号を出力する加算処理部と、を備えたことを特徴とする物理量変化測定装置。
【請求項８】
前記第２のセンサを、前記第１のセンサによって測定される変位量の１／ｍとなる変位量を測定する位置に設置したことを特徴とする請求項７記載の物理量変化測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物理量変化測定装置等に関する。
例えば、物理量を高精度で測定するための物理量変化測定装置、方法、プログラム及びプログラムを記録した記録媒体に関する。
【背景技術】
【０００２】
変位、速度、加速度や、音、光（画像）や、電磁気、温度などの物理量を測定する測定装置が知られ、デジタル信号処理の技術を用いて測定精度を向上させた測定装置が知られている（例えば、特許文献１）。
このような測定装置は、物理量の変化に応じた電位変化を出力するセンサと、このセンサの出力信号をデジタルデータに変換するデジタル変換処理部と、を備えて構成されている。
【０００３】
デジタル変換処理部は、変位センサの励振周波数成分を除去するローパスフィルタと、予め定められた分解能で各サンプリング時間の電圧値を数値に変換するＡ／Ｄ変換器と、を備えて構成される。
このような測定装置において、物理量変化（例えば変位）がセンサによって検出され、センサから物理量変化に応じた電位変化を有する信号が出力される。
この信号は、デジタル変換処理部に入力され、ローパスフィルタを通過した後、Ａ／Ｄ変換部によってＡＤ変換される。すると、センサによる検出結果がデジタルデータとして得られる。このようにデジタルデータとして得られた測定データは所定の表示部においてデジタル表示されてもよく、あるいはさらなる測定結果の解析に用いられてもよい。
【０００４】
このような測定装置の測定分解能を向上させるにあたっては、センサからの出力信号を拡大することが行われる。例えば、センサからの出力信号を２倍に拡大すると、測定対象である物理量の変化に対して信号の電位変化量は２倍になる。すると、変位に対する感度が２倍になるので、検出感度が高まり、わずかな物理量変化を高分解能に検出することができる。
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−２４１５４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、Ａ／Ｄ変換器はダイナミックレンジ（電圧検出レンジ）を有しており、Ａ／Ｄ変換器に入力できる電圧値の幅が予め定められているという問題がある。
すなわち、入力信号がＡ／Ｄ変換器のダイナミックレンジを超過し、オーバーフローとなった場合、オーバーフローとなった期間の物理量の変化については、正確な量子化が行われないという問題が生じる。
例えば、単純に信号を２倍に拡大すると、Ａ／Ｄ変換器のダイナミックレンジの都合上、測定可能領域は１／２になってしまう。
このように従来の測定装置にあっては、広い測定可能領域において高分解能の測定を行うことができなかった。
【０００７】
本発明は、広い測定可能領域において高分解能の測定を行うことができる物理量変化測定装置、方法、プログラム、および、このプログラムを記録した記録媒体を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、センサによって検出される物理量の変化に応じたアナログの電圧信号を入力すると共にこの電圧信号を２系統に分ける入力部と、この２系統に分けられた一方の電圧信号をデジタル信号に変換して第１のデジタル信号を出力する第１のデジタル変換処理部と、この第１のデジタル信号をアナログ信号に変換して第１のアナログ信号を出力するアナログ変換処理部と、前記２系統に分けられた他方の電圧信号から前記第１のアナログ信号を減算した減算信号を出力する減算処理部と、前記第１のデジタル信号を拡大して第１の拡大信号を出力する第１の拡大処理部と、前記減算信号を拡大して第２の拡大信号を出力する第２の拡大処理部と、前記第２の拡大信号をデジタル信号に変換して第２のデジタル信号を出力する第２のデジタル変換処理部と、この第２のデジタル信号と前記第１の拡大信号を加算した出力信号を出力する加算処理部と、を備えたことを特徴とする。
【０００９】
ここで、前記入力部は、単一のセンサの電圧信号を２系統に分岐する構成でも、２つのセンサの電圧信号をそれぞれ出力することで、２系統に入力する構成としてもよい。前記入力部としては、単一のセンサの際には、入力信号を２系統に分岐する分岐部を例として挙げることができる。
第１のデジタル変換処理部と、アナログ変換処理部とは、センサの一方の電圧信号から減算用のアナログ信号を抽出する。
センサ出力に応じた電圧信号は、物理量の大きい変化に応じた振幅の大きい大振幅成分と、物理量の小さい変化に応じた振幅の小さい小振幅成分との加算と考えられる。第１のデジタル変換処理部と、アナログ変換処理部とは、電圧信号の振幅が一定幅以上の信号成分を抽出する。このため、第１のアナログ信号の例として、大振幅信号を挙げることができる。センサ出力の電圧信号から大振幅成分を減算すると、小振幅成分となる。
減算処理部は、アナログ信号である入力部の電圧信号から、アナログ信号である第１のアナログ信号を減算する。この減算は、例えば、オペアンプで実現できる。
第１の拡大処理部は、前記第１のデジタル信号を拡大して第１の拡大信号を出力する。第１の拡大処理部は、デジタル信号処理による値の拡大とすることができる。第２の拡大処理部は、前記減算信号を拡大して第２の拡大信号を出力する。この拡大は、アナログ信号の増幅とすることができ、例えばトランジスターを使用することができる。第１のデジタル変換処理部はアナログ信号である第２の拡大信号をデジタル信号に変換する。
これらのデジタル変換処理部としては、例えば、ローパスフィルタと、Ａ／Ｄ変換器との組み合わせを例として挙げることができる。
加算処理部は、デジタル信号の加算を行う。第２のデジタル信号は、減算信号（例えば、小振幅成分）を拡大（増幅）したアナログ信号を量子化（デジタル化）したデジタル信号である。第１の拡大信号は、センサからの電圧信号を量子化（例えば、大振幅成分）し、拡大したデジタル信号である。加算処理部は、例えば大振幅成分のデジタル信号を拡大し、拡大したデジタル信号と、例えば小振幅成分のデジタル信号とを加算する。この加算は、論理回路で行っても、ＣＰＵとメモリとプログラムとの組み合わせとしても良い。
【００１０】
このような構成によれば、被測定物の物理量の変化に応じた電圧信号が２系統に分けられ、一方の電圧信号は、第１のデジタル信号と、減算用の第１のアナログ信号となる。そして、減算処理部が、他方の電圧信号から、この第１のアナログ信号を減算することで、例えば小振幅信号を抽出する。本発明では、この減算信号を拡大し、デジタル変換処理することで、量子化に関して高分解能での測定を行う。この減算信号を高分解能（高解像度）で量子化したデジタル信号は、物理量に対して、増幅された状態となっている。しかし、センサ等の電圧信号の全体を拡大するのではなく、減算信号（例えば小振幅成分）を拡大しているため、測定レンジを狭めることなく、分解能を高めている。測定レンジは、センサから入力される電圧信号の大きさであり、被測定物の物理量変化の大きさである。さらに、第１のデジタル信号は、第１の拡大処理部によって拡大される。そして、加算処理部は、拡大した減算信号である第２のデジタル信号と、拡大された第１の拡大信号とを加算する。
【００１１】
本発明では、第１のデジタル変換処理部が、一方の電圧信号をデジタル信号に変換する。例えば、量子ビット数ｑ1で量子化する。アナログ変換処理部は、このデジタル信号をアナログ信号に変換する。この第１のアナログ信号には、量子ビット数ｑ１の分解能よりも高い分解能でなければ量子化できない振幅（または波高）の小さい小振幅成分は含まれず、振幅（または波高）の大きい大振幅成分のみとなる。小振幅成分は、物理量（例えば、変位）の小さい変化に対応した成分であり、大振幅成分は、物理量の大きい変化に対応した成分である。すなわち、大小の振幅成分は、周波数に着目した成分ではなく、電圧信号の大きさに着目した成分である。
減算処理部は、他方の電圧信号から、大振幅成分のみを含む第１のアナログ信号を減算する。すると、量子ビット数ｑ1で量子化されない小振幅成分の減算信号（アナログ信号）が抽出される。
【００１２】
本発明では、２系統に分けた電圧信号をそれぞれ使用して、一方の電圧信号から大振幅成分を抽出し、他方の電圧信号からこれを減算することで、小振幅成分である減算信号を抽出することができる。この小振幅成分の抽出に際しては、測定レンジは狭まっていない。
さらに、この小振幅成分を拡大して、拡大後の電圧信号をデジタルデータ（第２のデジタル信号）に変換する。この拡大後の量子化により、高い分解能での測定値を得ることができる。これにより、測定レンジを狭めることなく、高い分解能での測定を行うことができる。
【００１３】
本発明では、減算処理部の減算と、加算処理部の加算にて、センサ及び第１のデジタル変換処理部の同一の信号（減算はアナログ信号で、加算はデジタル信号）を使用するため、第１のデジタル変換処理部等の機器特性に応じた調整が不要である。
そして、第１の拡大処理部（デジタルでの拡大）での拡大率と、第２の拡大処理部（アナログでの増幅）での拡大率とを、同一比率とすると、正確で高分解能での測定とすることができる。また、校正の結果に応じて、両者の拡大率を微調整することで精度向上を図ることもできる。
【００１４】
本発明では、特に、物理量の変化の中心位置を電圧検出レンジの中心位置に合致させる作業を行わなくとも、減算処理部の減算により減算信号の中心位置が電圧検出レンジの中心位置近傍となるため、測定レンジ内の微少な変化を増幅して高精度に測定することができる。従って、物理量の測定に際して、中心を合わせるための位置合わせなどの困難で煩雑な作業を不要とすることができる。
本発明では、デジタル変換処理部を効率良く使用するため、従来と同様の測定レンジで分解能を高めることもでき、また、従来と同様の分解能としつつ測定レンジを広げることもできる。
このように、本発明によると、測定レンジを狭めることなく分解能を高くすることができる。
【００１５】
さらに、本発明では、第１のデジタル変換処理部が、センサの電圧信号を所定のビット数ｑ1でデジタル信号に変換し、アナログ変換処理部が、これを第１のアナログ信号に変換することで、量子化ビット数ｑ1では量子化されない小振幅成分を除去し、大振幅成分を抽出することができる。このため、入力される電圧信号の周波数の高低にかかわらず、大振幅の成分を抽出することができる。
そして、加算については、デジタル信号での加算であるため、第２のデジタル変換処理部のダイナミックレンジ（電圧検出レンジ）と無関係に、大振幅成分の振幅に相当する第２のデジタル信号の数値を拡大することができる。従って、測定レンジを狭めることなく、小振幅成分を増幅した分解能で、もとの大振幅成分を加算したデジタル信号を得ることができる。
【００１６】
本発明では、前記第１のデジタル変換処理部の分解能に基づいて、前記第１の拡大処理部の拡大係数ｎ1と前記第２の拡大処理部の拡大係数ｎ2とを設定することが好ましい。
ここで、ｎ1とｎ2とは、無次元の倍数で等しい単位とすると取扱いやすい。単位を等しいとして、ｎ1とｎ2とを同一とすると、高分解能の測定をすることができる。
【００１７】
本発明では、前記センサを駆動する駆動信号の周期に基づいて、前記分岐した２つの信号を同期させる同期処理部を備えることが好ましい。
同期処理部は、前記駆動信号を同期信号として、減算処理部の処理を遅延させる処理としても良い。
【００１８】
このような構成によれば、前記第１のデジタル変換部と、アナログ変換部の処理について、遅延の分散（ばらつき）が許容されるため、より高度な信号処理を行うこともできる。  
【００１９】
本発明の物理量変化測定方法は、被測定物の物理量の変化量を測定すると共に当該変化量に応じたアナログの電圧信号を出力するセンサ工程と、当該電圧信号を２系統に分ける入力工程と、この２系統に分けられた一方の電圧信号をデジタル信号に変換して第１のデジタル信号を出力する第１のデジタル変換処理工程と、この第１のデジタル信号をアナログ信号に変換して第１のアナログ信号を出力する第１のアナログ変換処理工程と、前記２系統に分けられた他方の電圧信号から前記第１のアナログ信号を減算した減算信号を出力する第１のアナログ減算工程と、前記第１のデジタル信号を拡大して第１の拡大信号を出力する第１の拡大処理工程と、前記減算信号を拡大して第２の拡大信号を出力する第２の拡大処理工程と、前記第２の拡大信号をデジタル信号に変換して第２のデジタル信号を出力する第２のデジタル変換処理工程と、この第２のデジタル信号と前記第１の拡大信号を加算した出力信号を出力する加算処理工程と、を備えたことを特徴とする。
【００２０】
本発明の物理量変化測定用プログラムは、物理量変化測定装置を使用して、物理量の変化を測定するためのプログラムである。この物理量変化測定装置は、ハードウエア資源として、センサによって検出される物理量の変化に応じたアナログの電圧信号が入力されると共にこの電圧信号を２系統に分ける入力部と、この２系統に分けられた一方の電圧信号をデジタル信号に変換して第１のデジタル信号を出力する第１のデジタル変換処理部と、この第１のデジタル信号をアナログ信号に変換して第１のアナログ信号を出力するアナログ変換処理部と、前記２系統に分けられた他方の電圧信号から前記第１のアナログ信号を減算した減算信号を出力する減算処理部と、この減算信号の振幅をｎ1倍に増幅して第２の拡大信号を出力する増幅部と、この第２の拡大信号をデジタル信号に変換して第２のデジタル信号を出力する第２のデジタル変換処理部と、前記第１及び第２のデジタル信号をデータとして記憶するメモリと、このメモリに併設され当該メモリに格納されるデータを処理することで所定の拡大部として機能するＣＰＵ、とを備えている。
そして、物理量変化測定用プログラムは、当該ＣＰＵに、前記増幅部の利得ｎ1を設定するための第１の設定手順と、前記拡大部の拡大係数ｎ2を設定するための第２の設定手順と、前記第１のデジタル変換処理部から出力される第１のデジタル信号をｎ2倍に拡大して第１の拡大信号を出力するための拡大手順と、この拡大手順に応じて拡大された第１の拡大信号と前記第２のデジタル信号を加算した出力信号を出力するための加算手順と、を実行させる、ことを特徴とする。
【００２１】
ここで、ＣＰＵに実行させる各手順は、ＣＰＵに実現させる機能であっても良い。各手順、すなわち、第１の設定手順、第２の設定手順、拡大手順及び加算手順は、ＣＰＵと接続されたキーボードやポインティングデバイス等の入力手段からの入力や操作に従って、論理演算により計算や制御を行う。
拡大手順は、上述した第１の拡大処理部に、加算手順は、加算処理部に対応する。
【００２２】
また、本発明の物理量変化測定用プログラムを記録した記録媒体は、このプログラムを記録し、ＣＰＵに接続されるハードディスク等の補助記憶装置に当該プログラムのファイルをインストールするための記録媒体である。記録媒体の例としては、ＣＤやＤＶＤ等の光ディスクを挙げることができる。この例では、ＣＰＵに光ディスクドライブ（記録媒体の読取装置）を併設し、この読取装置から補助記憶装置にプログラムをインストールする。なお、プログラム又はそのファイルは、インターネット、ＬＡＮ等のネットワークを介して、有線又は無線の通信によって伝送し、ＣＰＵを含むコンピュータに供給してインストールするようにしても良い。この場合、物理量変化測定装置のハードウエア資源を変化させることなく、デジタル信号処理の内容を事後的に更新することができる。
【００２３】
さらに、ＣＰＵに各手順又は機能を実現させるようにプログラムを構成したため、各手順におけるパラメーター（ｎ1，ｎ2）を入力手段からの入力や、予め定めた測定の態様に応じて容易に変更することができる。このため、同一のデジタル変換処理部を使用しつつ、測定レンジを一定としたまま高分解能を得る測定と、分解能を一定としたまま広い測定レンジを得る測定とを切り替えることができる。
【００２４】
また、本発明の物理量変化測定装置は、被測定物の物理量の変化を検出すると共に当該物理量の変化に応じた電圧信号を出力する第１の変位センサと、前記被測定物の前記物理量の変化を検出すると共に当該物理量の変化に応じた振幅の電圧信号を出力する第２の変位センサと、前記第２の変位センサの電圧信号をデジタル信号に変換して第１のデジタル信号を出力する第１のデジタル変換処理部と、この第１のデジタル信号をアナログ信号に変換して第１のアナログ信号を出力するアナログ変換処理部と、前記第１のデジタル信号を拡大して第１の拡大信号を出力する第１の拡大処理部と、前記第１の変位センサの電圧信号から前記第１のアナログ信号を減算して減算信号を出力する減算処理部と、この減算信号を拡大して第２の拡大信号を出力する第２の拡大処理部と、この第２の拡大信号をデジタル信号に変換して第２のデジタル信号する第２のデジタル変換処理部と、この第２のデジタル信号と第１の拡大信号とを加算した出力信号を出力する加算処理部と、を備えたことを特徴とする。
ここで、第１及び第２のセンサが、それぞれ被測定物の物理量の変化を測定し、入力電圧を出力するため、上述した入力部による２系統への分岐は、ここでは、それぞれのセンサからの電圧信号に対応する。
【００２５】
このような構成によれば、第１の変位センサの出力と、第２の変位センサの出力とを用いて、アナログ減算と、デジタル加算とにより、測定レンジを狭めずに分解能を高めることができる。
【００２６】
本発明では、前記第２のセンサを、前記第１のセンサによって測定される変位量と比較して変位量が１／ｍとなる位置に設置することが好ましい。
このため、第２のセンサの電位変化は、第１のセンサの電位変化の１／ｍとなる。従って、第２のセンサの測定レンジを広くし、または、測定レンジの狭いセンサを使用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明の実施の形態を図示すると共に図中の各要素に付した符号を参照して説明する。
【００２８】
（第１実施形態）
図１に、本発明の物理量変化測定装置の一実施形態の構成を示す。本実施形態による物理量変化測定装置は、センサ１０（例えば、変位センサ）によって検出される物理量の変化に応じたアナログの電圧信号１１ａ，１１ｂを入力すると共にこの電圧信号を２系統に分ける入力部２０と、この２系統に分けられた一方の電圧信号１１ａをデジタル信号に変換して第１のデジタル信号３０ａを出力する第１のデジタル変換処理部３０と、の第１のデジタル信号をアナログ信号に変換して第１のアナログ信号３１ａを出力するアナログ変換処理部３１と、前記２系統に分けられた他方の電圧信号１１ｂから前記第１のアナログ信号３１ａを減算した減算信号４０ａを出力する減算処理部４０と、を備えている。
物理量変化測定装置は、さらに、前記第１のデジタル信号３０ａを拡大して第１の拡大信号３２ａを出力する第１の拡大処理部（拡大部）３２と、前記減算信号４０ａを拡大（増幅）して第２の拡大信号４１ａを出力する第２の拡大処理部（増幅部）４１と、前記第２の拡大信号４１ａをデジタル信号に変換して第２のデジタル信号７０ａを出力する第２のデジタル変換処理部７０と、この第２のデジタル信号７０ａと前記第１の拡大信号３２ａを加算した出力信号８０ａを出力する加算処理部８０と、を備えている。
【００２９】
本実施形態では、センサ１０は、物理量の変化を測定し、その変化の大きさに応じて電位変化する電圧信号を出力するものとする。物理量としては、変位、速度、加速度や、音、光（画像）や、電磁気、温度などである。センサ１０を変位センサとする構成につては、実施例として後述する。
入力部２０は、センサ１０の電位変化を２系統に分岐する。一方の電圧信号１１ａは、第１のデジタル変換処理部３０に入力され、他方の電圧信号１１ｂは、減算処理部４０に入力される。
アナログ変換処理部３１は、第１のデジタル信号をアナログ信号に変換することで、電圧信号１１ｂのうち、大振幅成分を抽出する。すなわち、第１のデジタル変換処理部の量子ビットｑ1では量子化できない小振幅成分を除いた大振幅成分のみのアナログ信号３１ａを抽出する。ここでは、このアナログ信号を、他のアナログ信号（第２の拡大信号等）と区別して、第１のアナログ信号という。
減算処理部４０は、センサ１０の電圧信号１１ｂから大振幅成分を減算することで、小振幅成分４０ａを得る。減算処理部４は、減算ではなく、アナログ変換処理部３１からの第１のアナログ信号の正負を反転させて加算する加算処理部としても良い。デジタル変換処理部７０は、この小振幅成分からなる減算信号４０ａをｎ1倍に増幅した後、分解能ｑ2で量子化する。そして、拡大部６にて、大振幅成分からなる第１の拡大信号３２ａをｎ2倍に拡大し、加算処理部８にて、小振幅成分である第２のデジタル信号と加算する。これにより、測定レンジを狭めることなく、高分解能のデジタル信号を得る。
【００３０】
図２に示すように、センサ１０は、物理量の変化に応じた電位変化を出力する。測定レンジ１では、符号１ａの点線で示すように、電圧検出レンジの全体で測定レンジ１の範囲の変化を検出する。デジタル変換処理部３０の電圧検出レンジを一定としたまま、物理量の検出の分解能を高めるには、符号１ｂの実線で示すように、測定レンジ１よりも狭い測定レンジ２の範囲の変化を測定する。この実線１ｂは、点線１ａの測定レンジ２の範囲１ｃを、電圧検出レンジに拡大し、図中縦方向に引き延ばしたものである。
【００３１】
すなわち、電圧信号が被測定物の物理量変化に比例した出力を発生させるセンサ１０は、電圧信号に電気的な信号拡大の処理を施すことで、検出感度（量子化の分解能）を高めることができる。例えば、拡大処理によって出力電圧を２倍に拡大すると、変位に対する感度が２倍となる。変位等の物理量の変化が拡大された信号を後段のデジタル変換にて電圧値を読み取る場合に、デジタル変換素子（Ａ／Ｄ変換器）の電圧読み取り分解能が同じであれば、感度が２倍となると、物理量の変化を２倍高い分解能で検出することができる。このように、Ａ／Ｄ変換器のビット数（分解能）を変化させることなく、センサ１０の電圧信号をｎ倍すると、その入力変位をｎ倍の高精度で検出することができる。
【００３２】
図３に示すように、本実施形態による物理量変化測定装置は、測定レンジ１の範囲で測定し、大振幅成分を除去した小振幅成分４ａを増幅・拡大し、分解能ｑ2で量子化することで、測定レンジ１としつつ、高分解能でのデジタル信号を得ることができる。すなわち、本来、測定レンジを符号７ａで示す狭い範囲としなければならないところ、本実施形態では、小振幅成分４ａを増幅して量子化することで、測定レンジ１の範囲を維持したまま、分解能ｑ2で小振幅成分を量子化し、さらに、大振幅成分と加算することで、高い分解能での測定をすることができる。
【００３３】
図４に本実施例の出力信号８０ａの概要を示す。
符号３０ａは、センサ１０からの電圧信号を第１のデジタル変換処理部３０にて量子化した第１のデジタル信号である。符号３２ａは、この第１のデジタル信号を拡大部３２にてｎ2倍に拡大した第１の拡大信号である。図４に示す例では、図示の都合上３倍の拡大と小さめの拡大であるが、この拡大率ｎ2の値は第１のデジタル変換処理部３０の量子ビットｑ1等に依存する。第１の拡大信号の値は、横の実線で示すとびとびの値に量子化・拡大されている。
符号７０ａは、減算信号４０ａをｎ1倍に拡大した第２の拡大信号を第２のデジタル変換処理部にて量子化したものである。符号７０ａで示す第２のデジタル信号の値はプラスであり、図４にて符号７０ａ１で示す第２のデジタル信号７０ａの値はマイナスである。
符号８０ａは、第１のデジタル信号３２ａと、第２の拡大信号とを加算処理部８０にて加算した出力信号である。
【００３４】
図４中左側の第１のデジタル信号は、第１のデジタル変換処理部３０の電圧検出レンジである１０ [V] に対して、量子化の段階は２のｑ1乗となっている。例えば、量子化ビットが４ビットであれば、量子化の段階は２の４乗で１６段階である。実際の値は、０から１５である（図中最大値を１マイナスしている）。第１のデジタル信号と、減算信号とをｎ1=ｎ２倍拡大・増幅すると、量子化の段階は２の（ｑ1＋ｑ2）乗となる。これにより、本実施例の最終的な分解能を高めている。この図４中右側に対応する電圧検出レンジを示すと、量子化の段階よりも格段に狭い範囲となる。すなわち、本実施形態では、信号処理により、小さな電圧検出レンジを使用して、高い分解能での測定をすることができる。
【００３５】
図４に示すように、本実施形態での分解能は、ｑ1＋ｑ2のビット数となる。例えば、第１のデジタル変換処理部３０の分解能ｑ１が４ビット（１６段階）で、第２のデジタル変換処理部７０の分可能が８ビット（２５６段階）の場合、本実施形態の物理量変化測定装置の最終的な分解能は４＋８＝１２ビット、１６×２５６＝４０９６段階となる。このとき、電圧検出レンジが１０ [V] とすると、４ビットの分解能（最小検出レンジ３０ｂ）は、１０ [V] ／１６＝0.625 [V] となる。増幅部４１は、この最小検出レンジ３０ｂある0.625 [V] 以内の波高（振幅の２倍）を有する減算信号４０ａを増幅して第２の拡大信号４１ａとし、第２のデジタル変換処理部７０は、この第２の拡大信号４１ａを量子化して第２のデジタル信号７０ａとする。このため、第１のデジタル変換処理部３０の分解能ｑ１に、第２のデジタル変換処理部の分解能ｑ2を加えたものが、最終的な分解能となる。
【００３６】
この減算信号４０ａの設計上許容する最大波高を分解能ｑ１による最小の電圧検出幅の２倍（１ビット）以下とする例では、本実施形態による信号処理により、ｑ1＋ｑ2−１のビット数での量子化となる。ｑ1が４ビット、ｑ2が８ビットの際には、分解能は１１ビットとなる。
【００３７】
小振幅成分である減算信号４０ａの波高が、分解能ｑ１の最小の電圧検出幅の２倍（１ビット）以内と予定する例では、小振幅成分の最大電圧は、0.625 [V] ×２＝１．２５ [V] となる。この最小の電圧検出幅に対する想定される最大の振幅（波高）の倍数を、小振幅係数という。
この小振幅係数を２倍とする例では、１０ [V] ／１．２５ [V] ＝８となり、小振幅成分を８倍することができる。すなわち、４［ビット］−１［ビット］＝３ビット（８段階）分の拡大ができる。この減算する１［ビット］は、小振幅係数のビット表示である。小振幅係数を２倍若しくは２倍以上とすると、減算信号４０ａがプラスの値とマイナスの値を持つ際に、プラス側の最小検出幅と、マイナス側の最小検出幅とを余裕を持って使用し、増幅することができる。
【００３８】
第１のデジタル変換処理部３０の分解能ｑ１が８ビットで２５６段階の際には、電圧検出レンジを分解能で除すると、１０ [V] ／２５６＝０．０３９ [V] となる。
小振幅係数が１の場合、減算信号の波高はこの分解能ｑ１による最小検出レンジ３０ｂ以下となる。
１０ [V] ／０．０３９ [V] ＝２５６倍
すなわち、小振幅係数が１倍で、ｑ1が８ビットの際には、２５６倍でき、これは、８［ビット］８ビット（２５６段階）分の拡大である。
小振幅係数が２の場合、減算信号の波高はこの分解能ｑ１による最小検出レンジ３０ｂの２倍以下となる。
０．０３９ [V] ×２＝０．０７８ [V] 
１０ [V] ／０．０７８ [V] ＝１２８倍
すなわち、ｑ1が８ビットの際には、１２８倍できる。
８［ビット］−１［ビット］＝７ビット（１２８段階）分の拡大ができる。
【００３９】
上述したように本実施形態によると、第１のデジタル変換処理部３０及びアナログ変換処理部３１が大振幅成分（第１のアナログ信号３１ａ）を抽出し、センサ１０の電圧信号１１ａから減算することで、小振幅成分の減算信号４０ａを得て、この小振幅成分の減算信号４０ａを増幅した後にデジタル信号に変換するため、測定レンジ１を狭めることなく、高分解能の測定をすることができる。
【００４０】
（実施例１）
次に、実施例１による物理量変化測定装置（変位測定装置）を説明する。
再度図１を参照すると、本実施例１では、センサとして、変位センサ１０を採用している。そして、変位測定装置は、被測定物の変位量を測定すると共に当該変位量に応じた振幅の電圧信号を出力する変位センサ１０と、この変位センサ１０の出力信号を平滑化する平滑化部１１と、を備えている。
【００４１】
図５に示すように、本実施例では、変位センサ１０として、差動トランスを採用する。差動トランスは、様々なタイプのものがあるが、基本的な構成としては、キャリア信号となる一定周波数の交流電圧を励起信号１０ａとして発振する発振回路１３と、この交流電圧が印加される一次コイル１２と、２つのコイルを有し一次コイルの励磁に応じて誘起電圧を発生し、その差動結合の電圧差を出力する二次コイル１４と、一次コイル１２と二次コイル１４との間に設置され物理量の変化に追従して当該コイルと平行に動作する可動鉄心１５とを備えている。変位センサ１０は、被測定物の表面の高さに追従して中心軸１７を中心として回動する接触子１６を有する。
【００４２】
接触子１６が、被測定物の表面高さに追従し中心軸１７を中心とする回動により可動鉄心が中心位置から移動すると、二次コイル１４の上下のコイルの誘起電圧に差が生じ、その差に比例した交流電圧が現れる。中心位置からの上下に応じて、交流電圧の位相が変化する。差動トランスは、この可動鉄心と二次コイルとの性質を利用して、可動鉄心の動作に応じて振幅が変化する交流信号１０ｂ，１０ｃを出力する。図５（Ａ）に示す状態から、図５（Ｂ）に示す状態に変化すると、二次コイル１４の交流信号１０ｂの振幅から、１０ｃの振幅に変化する。変位センサ１０は、この交流信号１０ａ，１０ｂを、変位量に応じた電位変化に変換して、平滑化部１１に出力する。
変位センサ１０の時間的な追従性能は、発振回路１３の励起信号１０ａの周波数によって定まる。
平滑化部１１は、キャリア信号１０ａを除去し、高周波数成分を除去することで、平滑化する。これにより、変位量に比例した電位変化（変位信号）を出力する。入力部２０は、平滑化部１１の出力信号を、２系統に分岐させる。
【００４３】
図６に、実施例１での各信号の例を示す。この例では、次の設定としている。
・変位センサの測定可能範囲：  ±500 [μm]
・平滑化処理後の信号の振幅：  ±5 [V]
・第１及び第２のデジタル変換処理のダイナミックレンジ：  ±5 [V]
・第１のデジタル変換処理の分解能  ４ビット（１６段階）：  0.625 [V]
・第２のデジタル変換処理の分解能  ８ビット（２５６段階）：  0.04 [V]
【００４４】
平滑化部１１は、図６（Ａ）に示すように、変位信号（電位変化）を出力する。すなわち、変位センサ１０によって検出された変位信号は、平滑化部１１で平滑化され、変位と電圧とが比例する変位信号１１ａに変換される。その信号１１ａは±5 [V] の間で変動する。平滑化部１１から出力される変位信号１１ａを２系統に分岐し、一方の変位信号１１ａは第１のデジタル変換処理部３０に、もう一方の変位信号１１ｂは減算処理部４０へと送る。この信号の例では、すでに後段の第１のデジタル変換処理部３０のダイナミックレンジ±5 [V] に近い振幅を持っているので、このままでは変位を拡大することができず、高分解能の信号処理を行うことができない。
【００４５】
第１のデジタル変換処理部３０に送られた変位信号１１ａは、図６（Ｂ）に示すように、この時点でデジタル信号３０ａに変換される。
この例では、第１のデジタル変換処理部３０の量子化の分解能ｑ１は比較的低めに設定し、また、入力のダイナミックレンジはセンサのダイナミックレンジと同じ程度の広さのレンジにする。
ここでは、分解能0.625 [V] 以下の小さな振幅の成分は検出されず、図６（Ｃ）に示すような量子化されたデジタル信号３０ａ（大振幅成分）を得る。
【００４６】
この信号は２系統に分割され、一方は後段のアナログ変換処理部３１において再度アナログ信号３１ａに変換される。もう一方は、拡大部３２での係数処理の後、加算処理部８０に送られる。
平滑化部１１から減算処理部４０へ送られた信号１１ｂと、平滑化部１１から第１のデジタル変換処理部３０及びアナログ変換処理部３１を経由し減算処理部４０へ送られる信号３１ａとは、減算処理部４０にて減算演算される。
第１のデジタル変換処理部で量子化され、アナログ変換された信号３１ａが、元の信号１１ｂから減じられ、図６（Ｄ）に示す信号（小振幅成分）４０ａが得られる。
この信号４０ａは、デジタル変換処理部３０において検出されなかった0.625（×２）[V]以下の小さな振幅の変動成分である。
この「（×２）」は、上記小振幅係数である。
【００４７】
減算処理部４０を経た小振幅成分のアナログ信号４０ａは、増幅部４１において振幅が増幅され、図６（Ｅ）に示すアナログ信号４１ａとなる。元の信号１１ｂは、デジタル変換処理のダイナミックレンジに近い振幅を持つため、そのままでは振幅拡大が不可能であるが、減算処理されたアナログ信号４１ａはダイナミックレンジに比べて振幅が十分に小さいので、変位を拡大することが可能になる。
【００４８】
この例において、デジタル変換処理部により量子化の分解能ｑ１は0.625 [V] であるため、減算処理された後の信号は、分解能0.625 [V]（ の２倍（1.25 [V]））以下の振幅成分を持っている。第１のデジタル変換処理部３０のダイナミックレンジは、±5 [V] なので、最大、１６倍（８倍）の変位拡大が可能である。すなわち、実施例１等での最大の増幅率ｎ1は、第１のデジタル変換処理部の分解能ｑ１と、第１のデジタル変換処理部の電圧検出レンジとによって計算し、設定することができる。
【００４９】
第２のデジタル変換処理部７０は、変位が増幅された第２の拡大信号４１ａを量子化し、第２のデジタル信号とする。第１のデジタル変換処理部３０及び拡大部３２を経た第１の拡大信号３２ａと、第２のデジタル変換処理部７０から出力される第２のデジタル信号７０ａとは、加算処理部８０で加算され、再び一つの信号に合成される。図６（Ｆ）に示す例では、第１のデジタル信号と、第２のデジタル信号との、図における横分解能に相当するサンプリングレートを異なるように表記しているが、同一としても良い。サンプリングレートが異なる際には、この加算処理部８０の前段階にて、両デジタル信号３２ａ及び７０ａのサンプリングレートを一致させるための移動平均処理等を行う。
【００５０】
第１のデジタル変換処理部３０と、第２のデジタル変換処理部７０は、量子ビット（電圧分解能）が異なるため、それぞれの出力値をそのまま加算すると、小振幅成分と大振幅成分でスケールが異なってしまう。通常の測定に際しては、拡大部３２にてｎ2倍する係数処理を行い、２つの信号を等価にする。両者を等価として、すなわち、ｎ1とｎ2とを等しくして加算したデジタル信号を図６（Ｆ）に示す。この加算処理された信号は、広測定レンジでかつ高分解能の情報を持っており、変位センサ１０の変位信号をより高精度に検出できる。
【００５１】
この例では，第１のデジタル変換処理部３０と、第２のデジタル変換処理部７０の分解能は、それぞれ４ビットと８ビットであるため、変位センサ１０の測定可能範囲±500 [μm] を、測定レンジの低下を伴わずに、１２ビット（１１ビット）の分解能で検出することと等価である。仮に、元の信号をそのまま変位拡大し、１２ビット（１１ビット）の分解能で変位検出を行う場合には、信号拡大と反比例して変位センサの測定可能範囲は狭くなり、小振幅係数を２［倍］とすると、500 [μm] ／ 8［倍］ = ±62 [μm] の測定範囲しか得られない。
【００５２】
上記のように、実施例１等では、前記第１のデジタル変換処理部３０の分解能ｑ１に基づいて、前記増幅部４１の利得ｎ1と前記拡大部３２の拡大係数ｎ2とを設定する。通常の測定では、ｎ１＝ｎ2とする。
【００５３】
上述したように実施例１に係る装置では、入力変位に比例した電圧信号を発生する変位センサの電圧信号を大振幅成分と小振幅成分とに分離し、小振幅成分を増幅して量子化し、その後に拡大した大振幅成分のデジタル信号と加算するため、測定レンジの低下を伴わずに、変位を拡大して高分解能の信号処理を実現することが可能になる。
そして、従来、高分解能で高精度の測定を実現するためには、被測定物の厳密な位置合わせを実施する必要があったが、その作業負荷が大幅に軽減される。
【００５４】
（実施例２）
次に、実施例２を説明する。実施例２は、実施例１を方法として開示するものである。また、物理量変化測定装置用プログラム（変位測定装置用プログラム）や、その記録媒体を説明する。
【００５５】
図７に、本実施例２の変位測定方法の構成例を示す。
まず、変位センサ１０が、被測定物の物理量の変化を測定すると共に、図８（Ａ）に示す当該変位量に応じた振幅の電圧信号（変位信号１１ａ，１１ｂ）を出力する（ステップＳ１，センサ工程）。続いて、入力部２０が、当該電圧信号１１ａ，１１ｂを２系統に分岐する（ステップＳ２，入力工程）。さらに、第１のデジタル変換処理部３０が、この入力工程Ｓ２からの一方の電圧信号１１ａを図８（Ｂ）に示す第１のデジタル信号３０ａに変換する（ステップＳ３，第１のデジタル変換処理工程）。続いて、アナログ変換処理部３１は、前記第１のデジタル信号３０ａをアナログ信号に変換することで、図８（Ｃ）に示す第１のアナログ信号（大振幅成分信号）３１ａを生成する（ステップＳ４，アナログ変換処理工程）。
【００５６】
そして、減算処理部４０は、図８（Ｃ）に示すように、前記入力工程Ｓ２の他方の電圧信号１１ｂから当該大振幅成分信号３１ａを減算する（ステップＳ５，アナログ減算工程）。この減算により、図８（Ｄ）に示す小振幅成分のアナログ信号（減算信号）４０ａを得る。続いて、このアナログ減算工程Ｓ５からの減算信号４０ａの振幅をｎ1倍に増幅する（ステップＳ６，増幅工程）。さらに、第２のデジタル変換処理部７０が、図８（Ｄ）及び図９（Ａ）に示す増幅した大振幅成分のアナログ信号（第２の拡大信号）４１ａを、第２のデジタル信号７０ａに変換する（第２のデジタル変換処理工程）。
【００５７】
一方、拡大部３２は、前記ステップＳ４からＳ７と並行して、前記第１のデジタル変換処理工程Ｓ３で出力される第１のデジタル信号をｎ2倍に拡大する（ステップＳ８，拡大工程）。さらに、この拡大工程Ｓ８で拡大された第１の拡大信号３２ａと、前記第２のデジタル変換処理工程Ｓ７の第２のデジタル信号７０ａとを加算する（ステップＳ９，デジタル加算工程）。
【００５８】
図９（Ｂ）の符号８１は、第１のデジタル信号による成分である。符号８１で示す太線部分は、小振幅の減算信号４１ａを拡大し、量子化した成分７０ａである。図９（Ｂ）に示すように、大振幅成分３２ａと、小振幅成分７０ａの加算により、波形の再現性が高まっている。すなわち、図９（Ｃ）に示す高分解能でのデジタル信号８０ａを得ることができる。なお、図８及び図９に示す例では、第１及び第２のデジタル信号のサンプリングレートと、量子化ビット数とは同一である。
【００５９】
再度図４を参照すると、実施例１の構成では、拡大部３２及び加算処理部８０は個々の要素として表記されている。この拡大部３２及び加算処理部８０は、ＣＰＵと、メモリと、プログラムとによって実現することもできる。
この場合、物理量変化測定装置（変位測定装置）は、第１及び第２のデジタル変換処理部３０，７０の出力信号を記憶するメモリと、このメモリに併設され当該メモリに格納されるデータを処理するＣＰＵとを備える。そして、物理量変化測定用（変位測定用）プログラムは、このＣＰＵとメモリとを使用して、当該ＣＰＵに、必要な設定と、拡大処理及び加算とを実行させる。
【００６０】
この変位測定用プログラムは、前記増幅部の利得ｎ1を設定するための第１の設定手順（設定１）と、前記拡大部の拡大係数ｎ2を設定するための第２の設定手順（設定２）と、前記第１のデジタル変換処理部から出力される第１のデジタル信号をｎ2倍に拡大するための拡大手順（ステップＳ８に対応）と、この拡大手順に応じて拡大された第１の拡大信号３０ａと、前記第２のデジタル変換処理部７０の第２のデジタル信号７０ａとを加算するデジタル加算手順（ステップＳ９に対応）とを実行させる。
【００６１】
この例では、プログラムにより、図７のステップＳ６で使用されるｎ１と、ステップＳ８で使用されるｎ2との設定を行うことができる。従って、ＣＰＵに接続されたキーボードやパネル等の入力装置から当該ｎ1及びｎ2を設定することができる。また、変位測定装置が測定モード（測定の役割や意図）を有する際には、測定モードが選択された際に、当該ｎ1及びｎ2の値を自動的に設定するようにしても良い。
【００６２】
この変位測定用プログラムは、光ディスク等の記録媒体に格納しておき、変位測定装置のＣＰＵに併設された補助記憶装置に複写するようにしてもよい。また、変位測定装置が定常状態又はメンテナンス時にネットワークに接続される際には、遠隔のサーバーに併設されたハードディスク等の記録媒体から、ネットワークを介して、当該プログラム（ファイル）を変位測定装置に送信するようにしてもよい。
【００６３】
（実施例３）
図１０に、本発明の実施例３の構成例を示す。実施例３は、実施例１及び２の構成に、符号９０、９１及び９２で示す同期処理に必要な構成を加えたものである。すなわち、実施例３の変位測定装置は、変位センサ１０を駆動する駆動信号（励起信号）１０ａの周期に基づいて、前記分岐した２つの信号を同期させる同期処理部９０を備えている。
【００６４】
実施例１及び２の手法では、平滑化部１１から直接減算処理部４０に送られる信号１１ａと、第１のデジタル変換処理部３０及びアナログ変換処理部３１を経由して減算処理部４０に送られる信号３１ａとの間で、Ａ／Ｄ変換器の動作速度や、変位信号の周波数に応じて、処理の過程の相違による位相差が発生する可能性がある。この位相差は、高精度な測定を行う際には、誤差要因となる。ここでは、同期処理部９０が、減算処理部４０に入力される２つの信号１１ａ，３１ａに同期処理９１，９２を行い、２つの信号の間に発生しうる位相差の問題点を解決する。同期処理を実現するための入力信号としては、変位センサ１０の励起信号１０ａを利用することができる。
この実施例３により、２系統の信号処理において２つの信号間に位相差が発生することを回避することによって、高精度な測定を実現できる。
【００６５】
さらに、実施例３によると、第１のデジタル変換部３０と、アナログ変換部３１の処理について、遅延の分散（ばらつき）が許容される。すなわち、ある一時期には小さい遅延で、別の一時期には大きい遅延となるようなバラツキがあっても、同期処理９２で遅延可能な期間については、遅延のばらつきが許容される。すると、図１に示すデジタル変換処理３０及びアナログ処理部３１３に相当する処理内容について、より高度な信号処理を行うこともできる。
【００６６】
図１１に、大振幅成分の抽出に際して発生するノイズ９３の例を示す。第１のデジタル変換処理部３０やアナログ変換処理部３１の処理において、電圧が変化する瞬間に図１１に示すようなノイズ９３が発生することがある。このノイズ９３は、そのままでは、増幅部４１又は拡大部３２において同様に拡大されてしまうため、大きな誤差となる可能性がある。そこで、例えば、第１のデジタル変換処理部３０の量子化サンプリングのタイミングを図１１に示す矢印位置に設定することで、この影響を回避することができる。
また、同期処理９１の直前に、ローパスフィルタにより高周波数成分を除去するようにしてもよい。
【００６７】
（実施例４）
実施例１から３に示した例では、一つの変位センサ１０の出力からしきい値を越える大きな振幅の成分を抽出し、それ自身の信号からの差を計算することによって、小さな振幅の成分を求めた。実施例４では、２組以上の変位センサを使用することで、入力部２０による分岐をせずに、実施例１から３と同様の信号処理を実現する。
【００６８】
図１２に、本発明の実施例４の構成例を示す。図４の構成との相違点は、入力部２０がなく、第２の変位センサ１００及び平滑化部１１０を有する点である。この例は、第１のデジタル変換処理部３０に入力する変位信号１１０ａとして、第２の変位センサ１００の信号を使用している。第２の変位センサ１００にどのようなセンサを用いても、実施例１から３と同様の効果を実現できる。第１の変位センサ１０の変位-電圧変換特性の直線性がよくない場合でも、より高精度な変位センサ１００を利用して、その出力変位を参照値とすれば、高精度な測定が可能になる。
【００６９】
図１３に示す例では、前記第２の変位センサ１００を、前記第１の変位センサ１０によって測定される変位量の１／ｍとなる変位量を測定する位置１０１に設置している。
第２の変位センサ１００のダイナミックレンジが第１の変位センサ１０のレンジと比較して小さい場合には、第２の変位センサ１００の変位測定位置１０１を支点に近い位置に移動することができる。第２の変位センサ１００の測定位置１０１を、変位センサ１０と支点との中心位置（ｍ＝２）に設定した場合、第２の変位センサのダイナミックレンジは第１のセンサの１／２でよい。
この実施例４に示したいずれの方法でも、後段の信号処理部は実施例１と同様の方法を用いて、変位拡大検出方式を実現することができる。
【００７０】
このように、２組以上の変位センサを用いることで、変位感度の非直線性が大きいセンサを用いても、別の高精度なセンサを用いることで、高精度を維持できる。高精度なセンサを利用する場合、その測定可能なレンジが狭くても、検出位置をより測定子の視点に近い位置に設定することで、変位センサの全レンジに対応することができる。
【００７１】
以上、このような構成を備える物理量変化測定装置及び変位測定装置によれば、次に示すような顕著な効果を奏することができる。
（１）センサの電圧信号から、大振幅成分と小振幅成分とを得て、小振幅成分を増幅して量子化し、大振幅成分も拡大し、増幅した小振幅成分と、拡大した大振幅成分とを加算する実施例１から４では、測定レンジの低下を伴わずに変位等の物理量を拡大して高分解能の信号処理及び測定を実現することが可能になる。従来、高分解能で高帯域の測定を実現するためには、被測定物の厳密な位置合わせを実施する必要があったが、各実施例開示の手法によって、その作業負荷が大幅に低減される。
【００７２】
（２）同期処理を行う実施例３では、２系統の信号処理において２つの信号間に位相差が発生することを回避することで、高精度な測定を実現することができる。
【００７３】
（３）また、２組以上のセンサを用いる実施例４では、変位感度の非直線性が大きいセンサを用いても、別の高精度なセンサを用いることで、高精度を維持することができる。高精度なセンサを利用する場合、その測定可能なレンジが狭くても、検出位置を測定子の支点に近い位置に設定することで、変位センサの全てのレンジに対応することができる。
【００７４】
なお、本発明の物理量変化測定装置は、上記実施形態にのみ限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更を加え得ることは勿論である。例えば、第１のデジタル信号処理部と、アナログ変換処理部とを一体化して抽出部としてもよい。この抽出部は、電圧信号と予め定められた値とを比較する比較器や、出力信号を微分する微分器などを使用して大振幅成分を抽出するとよい。
【００７５】
以上、説明したように本発明の物理量変化測定装置によれば、測定レンジを狭めることなく、高分解能の測定を行うことができる、という優れた効果を奏し得る。また、測定の用途に応じて、利得ｎ1と拡大係数ｎ2との値を調整することで、小振幅成分を強調した測定値や、大振幅成分を強調した測定値を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００７６】
本発明は、変位、速度、加速度や、音、光（画像）や、電磁気、温度などの物理量を高精度な測定に利用できる。また、変位測定については、例えば、形状や表面粗さなどの高精度な測定等に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】図１は、実施形態での構成例を示す図である。
【図２】図２は、測定レンジと電圧検出レンジの関係を示す図である。
【図３】図３は、実施形態による動作原理を示す図である。
【図４】図４は、出力信号の一例を示す図である。
【図５】図５（Ａ）から（Ｂ）は、変位センサの一例である差動トランスを示す図である。
【図６】図６（Ａ）から（Ｆ）は、実施例１での信号処理の概要を説明するための図である。
【図７】図７は、実施例２での信号処理の順序を説明するための図である。
【図８】図８（Ａ）から（Ｄ）は、実施例１での信号処理の詳細を説明するための図である。
【図９】図９（Ａ）から（Ｃ）は、実施例１での信号処理の詳細を説明するための図である。
【図１０】図１０は、実施例３での構成例を示す図である。
【図１１】図１１は、オーバーシュートの一例を示す図である。
【図１２】図１２は、実施例４での構成例を示す図である。
【図１３】図１３は、実施例４での第２のセンサの配置位置の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００７８】
１０…センサ（変位センサ）、１１…平滑化部、２０…入力部（分岐部）、３０…第１のデジタル変換処理部、３１…アナログ変換処理部、３２…拡大部（第１の拡大処理部）、４０…減算処理部、４１…増幅部（第２の拡大処理部）、７０…第２のデジタル変換処理部、８０…加算処理部、９０…同期処理部、１００…第２の変位センサ。
１１ａ，１１ｂ…センサからの電圧信号、３０ａ…第１のデジタル信号（大振幅成分、デジタル）、３１ａ…第１のアナログ信号（大振幅成分、アナログ）、４０ａ…減算信号（小振幅成分、アナログ）、４１ａ…第２の拡大信号（小振幅成分、アナログ）、７０ａ…第２のデジタル信号（小振幅成分、デジタル）、８０ａ…出力信号（小振幅成分と大振幅成分の加算、デジタル）。
【図１】
2008122291.tif 000003
【図２】
2008122291.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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