(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに逆位相となるように処理された第１基準信号ＳＡ１と第２基準信号ＳＡ２とを用いるセンサと、前記センサからセンサ信号を取り込んで計測データとする計測機器用の信号処理回路と、を備える計測機器であって、
前記センサは、直列接続された第１コイルおよび第２コイルを有し、前記第１コイルと前記第２コイルとの接続点がセンサ信号出力端となっており、
前記第１コイルにおいて前記センサ信号出力端と反対の端点が前記第１基準信号ＳＡ１が入力される第１基準信号入力端となっており、
前記第２コイルにおいて前記センサ信号出力端と反対の端点が前記第２基準信号ＳＡ２が入力される第２基準信号入力端となっており、
前記信号処理回路は、前記第１基準信号ＳＡ１と前記第２基準信号ＳＡ２との位相ズレに起因するオフセットを除去する位相補正回路を有し、
前記位相補正回路は、オフセット検出部と、補正処理部と、を有し、
前記オフセット検出部は、
第１入力端と、
第２入力端と、
加算回路と、を有し、
前記第１入力端は、前記センサの前記第１基準信号入力端に接続され、
前記第２入力端は、前記センサの前記第２基準信号入力端に接続され、
前記第１入力端と前記第２入力端とは前記加算回路に接続され、前記第１基準信号ＳＡ１と前記第２基準信号ＳＡ２とが前記加算回路で加算されて前記第１基準信号ＳＡ１と前記第２基準信号ＳＡ２とのオフセットが検出され、
前記補正処理部は、
前記センサ信号出力端から出力されるセンサ信号から前記オフセットを除去する
ことを特徴とする計測機器。
【請求項２】
請求項１に記載の計測機器において、
前記オフセット検出部と前記補正処理部とでオペアンプを共通にして加減算回路とした
ことを特徴とする計測機器用の信号処理回路。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の計測機器において、
前記位相補正回路の後段に第１増幅器が設けられ、
前記第１増幅器のあとに複数の処理回路があり、前記複数の処理回路のさらに後段に第２増幅器が設けられ、
前記第１増幅器のゲインは、前記複数の処理回路が許容するできる限りの最大の値に設定されている
ことを特徴とする計測機器用の信号処理回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、計測機器用の信号処理回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
差動インダクタンスを用いたセンサが知られており、このセンサを用いた計測機器が広く利用されている（特許文献１、特許文献２）。図１は、差動インダクタンス５００からのセンサ信号を処理する計測機器用の信号処理回路１０である。
【０００３】
差動インダクタンス５００は、二つのコイル５１０、５２０と、コイル５１０、５２０に対して相対移動するコア５３０と、を有する。二つのコイル５１０、５２０はコア５３０の中心位置（中立点）に対して対称に設けられ、互いに直列接続されている。
コア５３０は、例えば、スピンドルやスタイラスといった測定機器の測定子とともに変位するものである。二つのコイル５１０、５２０には互いに逆位相の基準信号が入力される。
例えば、一方の基準信号ＳＡ１をｓｉｎθとすると、他方の基準信号ＳＡ２は−ｓｉｎθである。一方の基準信号を第１基準信号ＳＡ１と称し、第１基準信号ＳＡ１の反転である他方の基準信号を第２基準信号ＳＡ２と称することにする。
また、二つのコイル５１０、５２０の接続点をセンサ信号出力端とする。
第１基準信号ＳＡ１が入力されるコイルの入力端を第１基準信号入力端とする。
第２基準信号ＳＡ２が入力されるコイルの入力端を第２基準信号入力端とする。
【０００４】
信号処理回路１０は、第１増幅器１１０と、処理部１２０と、第２増幅器１３０と、ＡＤ変換器１４０と、を有する。
第１増幅器１１０は、センサ信号を増幅する。
処理部１２０は、第１増幅器１１０で増幅されたセンサ信号に対し、整流（１２１）やフィルタリング（１２２）等の処理を行う。
第２増幅器１３０は、処理後のセンサ信号をＡＤ変換器１４０のレンジに合わせて増幅するものである。
【０００５】
最終的には同じ増幅率を得るとしても、第１増幅器１１０の増幅率（ＧＡ）をできる限り大きくする設計が採られる。
この方が信号ＳＮ比にとって有利となるからである。例えば、第１増幅器１１０のゲインをＧＡとし、第２増幅器１３０のゲインをＧＢとする。そして、各段階で入ってくるノイズを図１のように定める。すなわち、センサ信号にもともと含まれているノイズをｅｎｉとする。
第１増幅器１１０、処理部１２０および第２増幅器１３０の各処理で混入するノイズをｅｎ１、ｅｎ２、ｅｎ３、ｅｎ４、とする。第２増幅器１３０の出力信号に含まれるノイズをＥｎｏとする。
このとき、ノイズＥｎｏは次のようになる。
【０００６】
Ｅｎｏ２＝ＧＢ２｛ＧＡ２（ｅｎｉ２＋ｅｎ１２）＋ｅｎ２２＋ｅｎ３２＋ｅｎ４２｝
【０００７】
第１増幅器１１０の増幅率（ＧＡ）をできる限り大きくして、第２増幅器１３０の増幅率（ＧＢ）は小さくした方がＳＮ比にとって有利なのは明らかであろう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許４６９０１１０号
【特許文献２】特開平８−７７２８２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
第１基準信号ＳＡ１（ｓｉｎθ）と第２基準信号ＳＡ２（−ｓｉｎθ）とは互いに逆位相であるから、コア５３０が差動インダクタンスの中立点に位置するとき、センサ信号（変位電圧Ｚ）は０Ｖになるはずである。
しかしながら、現実的には、第１基準信号（ｓｉｎθ）と第２基準信号（−ｓｉｎθ）とは、完全に反転した信号になっているわけではなく、極僅かであるが位相ズレを有する。これは、例えば、第１基準信号（ｓｉｎθ）を反転処理して第２基準信号（−ｓｉｎθ）を生成するとしても、どうしても遅延が生じるためである。
【００１０】
図２は、基準信号の位相ズレに起因するオフセット電圧を説明するための図である。
いま、例えば、基準信号（ｓｉｎθ）の振幅を２．２Ｖとする。そして、第１基準信号ＳＡ１と第２基準信号ＳＡ２との位相ズレが２度であったとする。このとき、コア５３０が差動インダクタンス５００の中立点に位置していたとしても、振幅７７ｍＶのオフセット電圧が発生していることになる。
【００１１】
Ｚｏ＝２．２ｓｉｎθ＋（−２．２ｓｉｎ（θ−２））
θ＝０とすると、Ｚｏ＝（０＋０．０７６７）＝約７７ｍＶ
【００１２】
このようなオフセット電圧がすでにノイズとして乗ってしまっていると、増幅器のゲインを十分に大きくできない。特に、ＳＮ比の改善に有効である第１増幅器１１０のゲインを十分に大きくできないという問題がある。例えば、５Ｖの動作電圧が得られる場合に５００倍の利得を２段階に分けて、第１増幅器１１０のゲインを１００倍、第２増幅器１３０のゲインを５倍としたいとする。
しかしながら、後段の処理部１２０の動作電圧（５Ｖ）に制約があるため、第１増幅器１１０のゲインは約６０倍に制限されてしまう。
（５Ｖ÷７７ｍＶ＝６４．９）
【００１３】
したがって、ＳＮ比の改善を図ることが難しく、計測機器の分解能および精度の向上が困難となっていた。
【００１４】
そこで、本発明の目的は、第１増幅器に入力される前のセンサ信号からオフセットノイズを除去することで信号ＳＮ比の改善を図る計測機器用の信号処理回路を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の計測機器用の信号処理回路は、
互いに所定の位相差を持つように処理された二以上の基準信号を用いるセンサからセンサ信号を取り込んで計測データとする計測機器用の信号処理回路であって、
当該信号処理回路は、二以上の基準信号間の位相ズレに起因するオフセットを除去する位相補正回路を有し、
前記位相補正回路は、
前記基準信号を加算して前記オフセットを抽出するオフセット検出部と、
前記センサ信号から前記オフセットを除去する補正処理部と、を有する
ことを特徴とする。
【００１６】
本発明では、
前記オフセット検出部と前記補正処理部とでオペアンプを共通にして加減算回路としてもよい。
【００１７】
本発明では、
前記位相補正回路の後段に第１増幅器が設けられ、
前記第１増幅器のあとに複数の処理回路があり、前記複数の処理回路のさらに後段に第２増幅器が設けられ、
前記第１増幅器のゲインを可能な限り大きくする
ことが好ましい。
例えば、第１増幅器のゲインを第２増幅器のゲインの２０倍、３０倍、あるいはそれ以上に大きく設定する。これにより、信号ＳＮ比を改善することができる。第１増幅器のゲインを大きくできるのは、位相補正回路によってセンサ信号のオフセットを除去したことによる効果である。
【００１８】
本発明の計測機器は、
互いに所定の位相差を持つように処理された二以上の基準信号を用いるセンサと、
前記計測機器用の信号処理回路と、を備える
ことを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】センサ信号を処理する計測機器用の信号処理回路を示す図である。
【図２】基準信号の位相ズレに起因するオフセット電圧を説明するための図である。
【図３】本発明の信号処理回路に係る第１実施形態を示す図である。
【図４】位相補正回路の具体的な構成例を示す図である。
【図５】変形例１を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明の実施形態を図示するとともに図中の各要素に付した符号を参照して説明する。
（第１実施形態）
図３は、本発明の信号処理回路１００に係る第１実施形態を示す図である。
本実施形態の特徴は、第１増幅器１１０の前段に位相補正回路２００が設けられている点にある。つまり、センサ５００からのセンサ信号は、位相補正回路２００による補正処理の後、第１増幅器１１０に入力される。
【００２１】
図４は、位相補正回路２００の具体的な構成例を示す図である。
位相補正回路２００は、センサ信号入力部２１０と、オフセット検出部２２０と、補正処理部２３０と、を有する。
センサ信号入力部２１０は、センサ５００のセンサ信号出力端に接続され、センサ５００からセンサ信号ＳＥＯを取り込む。センサ信号入力部２１０は、取り込んだセンサ信号ＳＥＯを補正処理部２３０に出力する。
【００２２】
ここで、センサ信号ＳＥＯはコア５３０の変位に応じて変化する。ただし、第１基準信号ＳＡ１と第２基準信号ＳＡ２との間に位相ズレがある場合には、この位相ズレに起因するオフセットを含んだ信号となる（例えば図２を参照されたい）。
なお、センサ信号入力部２１０は、ゲイン１倍の非反転増幅回路（ボルテージフォロワ）であり、他の回路とのインピーダンス整合をとるためのいわゆるバッファである。
【００２３】
また、センサ信号入力部２１０と補正処理部２３０との間には、ＤＣレベルを除去するためのカップリングコンデンサ２１１が設けられている。
【００２４】
オフセット検出部２２０は、２つの入力端と、加算回路２２１と、を有する。２つの入力端を、第１入力端と第２入力端と呼称することにする。
第１入力端は、センサ５００の第１基準信号入力端に接続されている。すなわち、第１入力端には、センサ５００と同じ第１基準信号ＳＡ１が入力される。
第２入力端は、センサ５００の第２基準信号入力端に接続されている。すなわち、第２入力端には、センサ５００と同じ第２基準信号ＳＡ２が入力される。
【００２５】
第１入力端と第２入力端とは加算回路２２１に接続されている。なお、第１入力端と加算回路２２１との間、および、第２入力端と加算回路２２１との間、にはＤＣレベルを除去するためのカップリングコンデンサ２２２が設けられている。第１基準信号ＳＡ１と第２基準信号ＳＡ２とは、加算回路２２１で加算される。
第１基準信号ＳＡ１と第２基準信号ＳＡ２とが理想的な逆位相となっていれば、加算回路２２１からの出力は常に０Ｖになるはずである。
【００２６】
第１基準信号ＳＡ１と第２基準信号ＳＡ２との間に位相ズレがあれば、加算回路２２１からの出力は、位相ズレに起因するオフセットに相当する信号となる（図２参照）。そこで、加算回路２２１（オフセット検出部２２０）からの出力信号をオフセット信号Ｓｏと称することとする。加算回路２２１からのオフセット信号Ｓｏは、補正処理部２３０に入力される。
補正処理部２３０は、センサ信号ＳＥＯからオフセット信号Ｓｏを除去することで、センサ信号ＳＥＯからオフセットＳｏを取り除く補正処理を行う。
【００２７】
これにより、オフセットが取り除かれたセンサ信号ＳＥが得られる。
【００２８】
仮に、センサ自体がオフセットを含むような場合であっても、本実施形態の信号処理回路１００によればセンサ信号ＳＥＯからオフセットを取り除くことができる。
【００２９】
したがって、センサ５００を選択するにあたって、必ずしも高品位のセンサ５００を使用しなくてよく、計測機器の価格を低くすることができる。オフセットを含まないセンサ信号ＳＥが得られることから、第１増幅器１１０の増幅率（ＧＡ）を理想的に最大限に大きくできる。
例えば、第１増幅器１１０のゲインを１００倍にし、第２増幅器１３０のゲインを５倍にするといったように、第１増幅器１１０のゲインの方を十分に大きくすることができる。
【００３０】
（変形例１）
変形例１を図５に示す。
変形例１は、オフセット検出部２２０と補正処理部２３０とでオペアンプを共通にしたものであり、第１実施形態と同等の作用効果が得られる。
オフセット検出部２２０と補正処理部２３０とを合わせて加減算回路２４０としている。
この構成でも第１実施形態と同様の作用効果を得ることができ、さらに、構成部品を少なくできるので小型化に適する。
【００３１】
なお、本発明は上記実施形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
センサとしては差動インダクタンスを例示したがセンサの種類は特段に限定されない。
互いに逆相である２つの基準信号を用いたセンサであればよい。
さらには、２つの基準信号が互いに逆相でなくとも、互いに所定の位相差を持つように処理された複数の基準信号を用いたセンサであればよい。
【符号の説明】
【００３２】
１０、１００…信号処理回路、
１１０…第１増幅器、１２０…処理部、１３０…第２増幅器、１４０…ＡＤ変換器、
２００…位相補正回路、
２１０…センサ信号入力部、２１１…カップリングコンデンサ、
２２０…オフセット検出部、２２１…加算回路、２２２…カップリングコンデンサ、
２３０…補正処理部、
２４０…加減算回路、
５００…差動インダクタンス（センサ）。
【図１】
0006770300.tif 000002
【図２】
0006770300.tif 000003
【図３】
0006770300.tif 000004
【図４】
0006770300.tif 000005
【図５】
0006770300.tif 000006