(57)【要約】【課題】温度変化等によって変化するビート周波数に影響されることなく高精度測定が可能な安定した静電容量変位計を提供する。【解決手段】測定電極１に接続された演算増幅器４を有する静電容量電圧変換回路を用いた静電容量変位計であって、該変位計は、演算増幅器４及び基準コンデンサ５を囲んでフローティング構造とするガードリング７と、該回路を駆動する発信器８と、演算増幅器４に絶縁電源９を供給する電源１０とを有し、演算増幅器４の出力を絶縁増幅器１１とバンドパスフィルタ１２を経由して発信器８からの参照信号１６により位相検出器１３で検波してローパスフィルタ１４から出力し、発信器８の発信周波数ｆｏと電源１０の発信周波数ｆｄを同期回路１７で同期させ、発生するビート周波数を固定し、ローパスフィルタ１２の帯域ｆｃ内に混入するノイズを防止する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定電極１に接続された演算増幅器４を有する静電容量電圧変換回路を用いた静電容量変位計であって、該変位計は、演算増幅器４及び基準コンデンサ５を囲んでフローティング構造とするガードリング７と、該回路を駆動する発信器８と、演算増幅器４に絶縁電源９を供給する電源１０とを有し、演算増幅器４の出力を絶縁増幅器１１とバンドパスフィルタ１２を経由して発信器８からの参照信号１６により位相検出器１３で検波してローパスフィルタ１４から出力し、発信器８の発信周波数ｆｏと電源１０の発信周波数ｆｄを同期回路１７で同期させ、発生するビート周波数を固定し、ローパスフィルタ１２の帯域ｆｃ内に混入するノイズを防止することを特徴とする静電容量変位計。
【請求項２】
請求項１において、該変位計は、外部発信器を有し、該外部発信器より供給される基準周波数に対して、発信器８と電源１０の発信周波数、あるいは複数の電源の発信周波数を同期するように構成したことを特徴とする静電容量変位計。
【請求項３】
請求項１，２いずれかにおいて、発信器８がガードリング７内に配置されており、発信器８の電源が絶縁電源９より供給されることを特徴とする静電容量変位計。
【請求項４】
請求項３において、前記静電容量電圧変換回路はコンデンサ３を基準コンデンサとしてコンデンサ５で変位を検出するように構成され、発信器８の出力を接地せずに、ガードリング７とコンデンサ３の間にのみ接続することを特徴とする静電容量変位計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は静電容量の変化から変位を測定する静電容量変位計に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
演算増幅器を利用して静電容量の変化から変位を測定する静電容量変位計の回路を図１に示す。図１に示す回路は、演算増幅器Ａの反転入力に接続された測定対象物と測定電極との間に形成されるコンデンサＣｘと、演算増幅器Ａの反転入力と出力間に接続された標準コンデンサＣｓとの比による出力を、ローパスフィルタＬＰＦを通し、出力端子ＯＵＴにおける電圧変化から変位を検出する回路である。一般には測定対象物が接地されるため、発信器ＯＳＣと供給電源ＤＣは絶縁されたフローティング構造とする必要がある。
【０００３】
このため、図２に示す周波数の関係のように、基準発信器ＯＳＣの発信周波数ｆｏと絶縁ＤＣ−ＤＣコンバータの発信周波数ｆｄとの間でビート周波数ｆｏ−ｆｄが発生する。しかも、一般にＤＣ−ＤＣコンバータの周波数ｆｄは安定化されておらず大幅に変動するため、この回路を変位計として使用して高感度、高精度の測定が必要となる場合には、出力に現れる広帯域における混入ノイズが多く、加えて、ビート周波数が変動するためその除去を効果的に行なうことができず、変位計の高分解能化、高精度化、広帯域化が困難であった。
【０００４】
一般に基準発信器ＯＳＣの発信周波数ｆｏの精度は高く、温度などの環境条件による変動は少ない。しかるに、ＤＣ―ＤＣコンバータの発信周波数ｆｄは負荷条件や温度などの環境条件により左右されることが多くまた変動幅は大きい。この時の変動周波数をｆｄ´、ビート周波数をｆｏ−ｆｄ´とする。また、ｆｃをローパスフィルタの帯域とする。
【０００５】
もし、図２に示すように、ｆｃがｆｏ−ｆｄ´と同じかそれより大きい場合、あるいはビート周波数がフィルタの帯域ｆｃに接近する場合は出力端子にビート周波数の信号が現れ、かつ温度変化に従い周波数及び振幅が変化してノイズ成分が大幅に増加する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、かかる不具合を解決するために創案されたものであって、演算増幅器を使用し静電容量から変位を測定する変位計において、温度変化等によって変化するビート周波数に影響されることなく高精度測定が可能な安定した静電容量変位計を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明が採用した技術手段は、測定電極１に接続された演算増幅器４を有する静電容量電圧変換回路を用いた静電容量変位計であって、該変位計は、演算増幅器４及び基準コンデンサ５を囲んでフローティング構造とするガードリング７と、該回路を駆動する発信器８と、演算増幅器４に絶縁電源９を供給する電源１０とを有し、演算増幅器４の出力を絶縁増幅器１１とバンドパスフィルタ１２を経由して発信器８からの参照信号１６により位相検出器１３で検波してローパスフィルタ１４から出力し、発信器８の発信周波数ｆｏと電源１０の発信周波数ｆｄを同期回路１７で同期させ、発生するビート周波数を固定し、ローパスフィルタ１２の帯域ｆｃ内に混入するノイズを防止することを特徴とするものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態について図３に基づいて説明する。ガードリング６付き測定電極１と測定対象２との間に形成されるコンデンサ３は、演算増幅器４の反転入力に接続される。演算増幅器４の反転入力と出力間には基準コンデンサ５が接続されている。増幅演算器４および基準コンデンサ５は点線で囲まれたガードリング７でシールドされたフローティング構造となっている。ガードリングという表現において、部材の形状や個数は問わない。例えば、ガードリング６，７は１つあるいは複数の筒状部材から構成される。
【０００９】
ガードリング７は基準発信器８と電気的に接続されており、ガードリング７は基準発信器８から供給される高周波電圧により駆動される。演算増幅器４に供給される直流の絶縁電源９は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０により絶縁され供給される。
【００１０】
演算増幅器４の出力は絶縁増幅器１１を通してさらにバンドパスフィルタ１２を通した後、位相検波器１３を経て、さらにローパスフィルタ１４を通して出力端子１５から出力されるように構成されている。
【００１１】
基準発信器８の出力は、ガードリング６、７に接続されているが、同時に位相検波器１３の参照信号１６とすると共に、同期回路１７を通しＤＣ−ＤＣコンバータ１０の同期信号１８として接続される。発信器８の発信周波数ｆｏと電源１０の発信周波数ｆｄを同期回路１７で同期させ、発生するビート周波数を固定し、ローパスフィルタ１２の帯域ｆｃ内に混入するノイズを防止する。
【００１２】
演算増幅器４の出力は、絶縁増幅器１１とバンドパスフィルタ１２を経由して発信器８からの参照信号１６により位相検出器１３で検波してローパスフィルタ１４を経由して出力端子１５から出力される。
【００１３】
このように構成することにより、演算増幅器４の出力、すなわち、絶縁増幅器１１の出力はバンドパスフィルタ１２により帯域が制限されると共に、位相検波器１３で位相検波されるため、低雑音化が可能となる。さらに、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０の発信周波数ｆｄは基準発信器８の発信周波数ｆｏと同期するため、図２に示すビート周波数ｆｏ−ｆｄは固定され、ビート周波数が温度により変動することがなく、ローパスフィルタ１２の帯域ｆｃ内でのビートの発生を阻止できる。
【００１４】
上記のように構成された本発明に係る演算増幅器を使用した静電容量変位計は次のような利点を有する。第１に、ビート周波数をローパスフィルタのカットオフ周波数から十分離すことが可能となり、かつ帯域内にビートが発生しない。第２に、ビート周波数が固定されるため、仮にビート周波数がカットオフ周波数に接近した場合であっても、必要なバンドパスフィルタを追加し、ビート周波数を効果的に除去することができる。第３に、ノイズを制限することで、高感度、高精度かつ広帯域化が可能となり応用範囲の拡大が可能な静電容量変位計を実現できる。
【００１５】
本発明は図３に示す回路構成に限定されるものではない。たとえば、発信器８をガードリング７内とすることもでき、さらに、図１のＣｘとＣｓとを交換、すなわち、Ｃｓ部分を変位検出部としてもよい。また、外部の水晶発信器などを使用し同期回路を経由して発信器とＤＣ−ＤＣコンバータを同期することも可能で、また、複数のＤＣ−ＤＣコンバータを同期することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】演算増幅器を用いた静電容量電圧変換回路を示す原理図である。
【図２】静電容量電圧変換回路に発生するビートの周波数の説明図である。
【図３】本発明に係る静電容量変位計のブロック図である。
【符号の説明】
１  測定電極
２  測定対象物
３  コンデンサ
４  演算増幅器
５  基準コンデンサ
６  ガードリング
７  ガードリング
８  基準発信器
９  直流電源
１０  ＤＣ−ＤＣコンバータ
１１  絶縁増幅器
１２  バンドパスフィルタ
１３  位相検波器
１４  ローパスフィルタ
１５  出力端子
１６  参照信号
１７  同期回路
１８  同期信号
【図１】
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【図２】
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【図３】
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