(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
センサからの検出信号を、デジタル信号に変換する計測システムにおいて、
前記センサに、基準電圧を出力する基準電圧出力回路と、前記基準電圧を中心として前記センサの検出信号を増幅して出力信号を出力する信号増幅回路を備えた検出装置と、
前記基準電圧出力回路が出力する前記基準電圧を入力し、前記基準電圧を中心として前記出力信号をデジタル信号に変換するアナログ−デジタル変換器と、前記基準電圧出力回路が出力する前記基準電圧を入力し、前記アナログ−デジタル変換器に変換上限電圧と、変換下限電圧を与える定電圧回路とを備えた制御装置と、
を有することを特徴とする計測システム。
【請求項２】
前記基準電圧出力回路は、電圧を固定抵抗により分割し、前記基準電圧を出力することを特徴とする請求項１記載の計測システム。
【請求項３】
前記基準電圧出力回路は、ツェナーダイオードにより前記基準電圧を出力することを特徴とする請求項１記載の計測システム。
【請求項４】
前記基準電圧出力回路は、３端子レギュレータにより前記基準電圧を出力することを特徴とする請求項１記載の計測システム。
【請求項５】
前記定電圧回路は、ツェナーダイオードにより前記変換上限電圧と、変換下限電圧を与えることを特徴とする請求項１記載の計測システム。
【請求項６】
前記定電圧回路は、３端子レギュレータにより前記変換上限電圧と、変換下限電圧を与えることを特徴とする請求項１記載の計測システム。
【請求項７】
前記アナログ−デジタル変換器と前記定電圧回路を一つの半導体装置として搭載したことを特徴とする請求項１記載の計測システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は計測システムに関し、特にセンサ等からの検出信号を増幅しデジタル信号に変換する計測システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
変位検出センサであるスケール、角度検出センサであるロータリエンコーダ等は、一般に機械に取り付けられるように小型化にされている。そのため測定する物理量を電気信号に変換するこれらのセンサと、検出された信号を増幅する増幅回路は、別々にすることが行われている。
【０００３】
一方、信号がノイズ等の影響を受けないで、ケーブルが十分に伸ばせるように、センサと増幅回路を一体化し、増幅した検出信号を出力信号としてケーブルに出力するようにしている。また、ケーブルの芯数を減らすため、一般に増幅回路には単一電源が用いられている。
【０００４】
図６は、従来の計測システムの構成図である。
計測システム１００は、検出装置１１０と、制御装置１３０と、検出装置１１０から出力信号を制御装置１３０へ送るケーブル１２０からなる。検出装置１１０は、センサ１１１と増幅器から構成される。増幅器は固定抵抗Ｒ７、Ｒ８、オペアンプＺ４から構成される。増幅器に与える基準電圧は、固定抵抗Ｒ９、Ｒ１０、可変抵抗ＶＲ１から発生させる。センサ１１１からの検出信号は、固定抵抗Ｒ７、Ｒ８、オペアンプＺ４により構成される増幅器により反転増幅し出力される。また、固定抵抗Ｒ９、Ｒ１０、可変抵抗ＶＲ１は、基準電圧を発生させ、オペアンプＺ４の正相入力端子に入力している。このため、検出装置１１０は、基準電圧を中心に増幅し、出力信号を出力する。検出装置１１０から出力する出力信号は、ケーブル１２０を介して、制御装置１３０に送られる。
【０００５】
制御装置１３０は、アナログ−デジタル変換器Ｚ５と、アナログ−デジタル変換器Ｚ５に定電圧を与える固定抵抗Ｒ１１，Ｒ１２、可変抵抗ＶＲ２から構成される。この制御装置１３０のアナログ−デジタル変換器Ｚ５は、リファレンス電圧入力端子であるＲＥＦ端子を持ち、固定抵抗Ｒ１１，Ｒ１２、可変抵抗ＶＲ２によりリファレンス電圧を決め、ＲＥＦ端子に入力する。アナログ−デジタル変換器Ｚ５はこのリファレンス電圧をデジタル信号の基準、たとえば、デジタル信号の０として、出力信号をデジタル信号に変換する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
単一電源を用いることにより、負の電圧振幅は、増幅されないので、検出信号の全振幅が増幅されるように基準電圧を中心に検出信号を増幅するようにし、基準電圧を可変抵抗ＶＲ１で調整する。
【０００７】
また、アナログ−デジタル変換器Ｚ５のＲＥＦ端子に入力するリファレンス電圧は、基準電圧がアナログ−デジタル変換器Ｚ５のデジタル信号の基準となるように、基準電圧と等しくなるように可変抵抗ＶＲ２で調整する。
【０００８】
このような調整において、例えば、２Ｖｐ−ｐの増幅された信号に対し１０ｂｉｔ、１０２４階調のデジタル信号の精度を必要とする場合、２ｍＶ以下の精度で可変抵抗ＶＲ１，ＶＲ２の調整を必要とし、このような調整は容易ではない。
【０００９】
また、このような調整は、センサ１１１が故障し、交換するごとに調整する必要がある。
さらに、基準電圧、リファレンス電圧をこのような精度で得るには、精度のよい電源が要求される。
【００１０】
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、回路調整が不要でセンサの交換が簡単な計測システムを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明では上記問題を解決するために、センサからの検出信号を、デジタル信号に変換する計測システムにおいて、前記センサに、基準電圧を出力する基準電圧出力回路と、前記基準電圧を中心として前記センサの検出信号を増幅して出力信号を出力する信号増幅回路を備えた検出装置と、前記基準電圧出力回路が出力する前記基準電圧を入力し、前記基準電圧を中心として前記出力信号をデジタル信号に変換するアナログ−デジタル変換器と、前記基準電圧出力回路が出力する前記基準電圧を入力し、前記アナログ−デジタル変換器に変換上限電圧と、変換下限電圧を与える定電圧回路とを備えた制御装置と、を有することを特徴とする計測システムが提供される。
【００１２】
このような計測システムによれば、検出装置における基準電圧を調整する可変抵抗、また、アナログ−デジタル変換器のリファレンス電圧を調整する可変抵抗を除くことができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は本発明に係る計測システムの構成図である。計測システム１００は、測定する物理量を電気信号に変換し、出力信号を出力する検出装置１１０と、検出装置１１０から出力する出力信号を制御装置１３０に送るケーブル１２０と、ケーブル１２０を介して送られた出力信号を、アナログ−デジタル変換する制御装置１３０から構成される。また、図１には示さないが、制御装置１３０は、単一電源を有し、制御装置１３０内に単一電源電圧を供給し、さらにケーブル１２０を介して、検出装置１１０内に単一電源電圧を供給している。
【００１４】
検出装置１１０は、センサ１１１、信号増幅回路１１２、基準電圧出力回路１１３、により構成される。センサ１１１は、測定すべき物理量を電気信号に変換し、検出信号を出力する。基準電圧出力回路１１３は、一定の基準電圧を出力する。信号増幅回路１１２は、基準電圧を中心に、検出信号を増幅し、出力信号として出力する。
【００１５】
ケーブル１２０は、検出装置１１０から出力された出力信号を、制御装置１３０に送り、また、図１には示さないが、制御装置１３０内に有する単一電源より出力された単一電源電圧を検出装置１１０に供給している。
【００１６】
制御装置１３０は、アナログ−デジタル変換器１３１と、定電圧回路１３２と、単一電源により構成される。アナログ−デジタル変換器１３１は、ケーブル１２０より送られた出力信号を基準電圧を中心に出力信号をアナログ−デジタル変換する。このとき定電圧回路１３２より出力される、２つの異なる値の定電圧の範囲内でアナログ−デジタル変換する。
【００１７】
図２は、検出装置の具体的な回路を示す図である。センサ１１１は、例えば、変位検出センサであるスケールであり、測定する物理量（位置信号）を電気信号に変換し、検出信号として出力する。基準電圧出力回路１１３は、固定抵抗Ｒ３、Ｒ４からなり、電源電圧を分圧し基準電圧ＶBを出力する。信号増幅回路１１２は、固定抵抗Ｒ１，Ｒ２、オペアンプＺ１により反転増幅器を構成し、検出信号を反転増幅する。また、図２に示さないが、制御装置１３０からケーブル１２０を介して正の単一電源電圧ＶEEが供給される。
【００１８】
基準電圧出力回路１１３より出力される基準電圧ＶBは、オペアンプＺ１の正相入力端子に接続する。また、センサ１１１から出力される検出信号は、信号増幅回路１１２の固定抵抗Ｒ１に接続され、信号増幅回路１１２は、基準電圧ＶBを中心に検出信号を固定抵抗Ｒ１、Ｒ２で決まる増幅率で反転増幅する。このとき、基準電圧出力回路１１３より出力する基準電圧ＶBは、検出信号の負側電圧の、最小値の絶対値より大きい電圧値を出力するように固定抵抗Ｒ３，Ｒ４を設定する。この様な設定をすることにより、信号増幅回路１１２より出力される出力信号は、負の電圧に振れることがなく、正の単一電源電圧ＶEEにより、信号増幅回路１１２を駆動できる。また、基準電圧ＶBは、後段における負荷を考慮して、オペアンプＺ２より構成されるバッファを介して、ケーブル１２０に出力される。
【００１９】
ケーブル１２０は、少なくとも、検出装置１１０から出力される出力信号、基準電圧の各線、制御装置１３０から供給される単一電源電圧、アース線の計４本が必要となる。
【００２０】
図３は制御装置の具体的な回路を示す図である。アナログ−デジタル変換器（以下Ａ／Ｄ変換器と記載する）Ｚ３は、リファレンス電圧入力端子であるＲＥＦ端子、変換上限電圧入力端子であるＶMAX端子、および、変換下限電圧入力端子であるＶMIN端子、アナログ電圧入力端子であるＡIN端子、を持つＡ／Ｄ変換器である。ＡIN端子に入力されるアナログ信号は、ＲＥＦ端子に入力される電圧と同じ電圧のとき、デジタル信号の０として変換される。また、ＡIN端子に入力されるアナログ信号は、ＶMIN端子に入力される電圧値から、ＶMAX端子に入力される電圧値までの範囲で、デジタル信号に変換される。定電圧回路１３２は固定抵抗Ｒ５、Ｒ６、ツェナーダイオードＺＤ１、およびＺＤ２から構成される。
【００２１】
ケーブル１２０より送られてきた出力信号、および、基準電圧は、Ａ／Ｄ変換器Ｚ３のＡIN端子、および、ＲＥＦ端子に入力される。このため、出力信号は、基準電圧をデジタル信号の０としてデジタル信号に変換される。また、定電圧回路１３２から出力される定電圧は、リファレンス電圧にツェナーダイオードＺＤ１によるツェナー電圧を加算した電圧がＶMAX端子へ、リファレンス電圧にツェナーダイオードＺＤ２によるツェナー電圧を引算した電圧がＶMIN端子へ、入力される。このため、出力電圧は、基準電圧からツェナーダイオードＺＤ２のツェナー電圧を引算した電圧から、基準電圧からツェナーダイオードＺＤ１のツェナー電圧を加算した電圧までの範囲で、デジタル信号に変換される。
【００２２】
図４は、検出信号、出力信号、および、デジタル信号出力値の波形を示す図であり、図４（ａ）は、センサ１１１から出力された検出信号の図、図４（ｂ）は、基準電圧を中心に増幅された出力信号の図、図４（ｃ）は、出力信号がデジタル出力値に変換された図である。
【００２３】
図４に示す信号の波形を用いて、検出信号からデジタル出力値に変換されるまでを説明する。図４（ａ）に示す検出信号は、サイン波形で、振幅電圧をＶSとする。図４（ｂ）の波形は、基準電圧出力回路１１３から出力された基準電圧ＶBを基準に、信号増幅回路１１２より増幅された出力信号である。正の単一電源電圧ＶEEを用いるとしたため、検出信号の負電圧側の波形を保ったまま増幅できるように、基準電圧ＶBは正で、検出信号の振幅電圧ＶSより、基準電圧ＶBは大きい。図４（ｃ）の波形は、Ａ／Ｄ変換器Ｚ３のＲＥＦ端子に基準電圧ＶBが入力され、基準電圧ＶBをデジタル信号の０として、出力電圧をアナログ−デジタル変換した波形である。なお、図４（ｃ）のＶMAXのデジタル信号値、ＶMINのデジタル信号値は、Ａ／Ｄ変換器Ｚ３のＶMAX、ＶMIN端子入力されている電圧を、デジタル信号に変換した場合を示したものである。さらに、ツェナーダイオードＺＤ１、ＺＤ２のツェナー電圧が同じツェナーダイオードを用いた場合は、ＶMAXのデジタル値、ＶMINのデジタル値の絶対値は等しくなり、ＶMAXのデジタル値、ＶMINのデジタル値の中心点にデジタル信号の０が位置するため、検出信号の正負の振幅値を有効にデジタル変換できる。
【００２４】
このように出力信号の中心となる基準電圧ＶBを、ケーブル１２０用いてＡ／Ｄ変換器Ｚ３のＲＥＦ端子にリファレンス電圧として送出するため、図６に示すような、可変抵抗ＶＲ１、ＶＲ２が不要となり調整も不要となる。
【００２５】
上記の説明では、基準電圧出力回路１１３は、固定抵抗を用いて説明したが、ツェナーダイオード、３端子レギュレータを使用してもよい。図５にツェナーダイオードを用いた場合の図を示す。このとき、端子ＴＰ１４０に出力する基準電圧ＶBをオペアンプＺ１，Ｚ２の正相入力端子に入力する。
【００２６】
また、定電圧を出力するものとして、ツェナーダイオードに代替し、３端子レギュレータを使用してもよい。また、上記の信号増幅回路１１２は、トランジスタで構成してもよい。
【００２７】
また、定電圧回路１３２、および、Ａ／Ｄ変換器Ｚ３を一つの半導体で搭載してもよい。
さらに、センサ１１１において変位検出センサであるスケールを用いて説明したが、エンコーダ、その他のセンサであってもよい。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように本発明では、検出装置では、基準電圧と出力信号を出力し、制御装置では、送られた基準電圧を中心に出力信号を、デジタル信号に変換するようにしたので、オフセット電圧を調整する可変抵抗、またＡ／Ｄ変換器に入力するリファレンス電圧を調整する可変抵抗が不要となる。
【００２９】
したがって、製造時に調整し出荷するものであれば、生産時間の短縮ができる。
また、取り付け時の調整が不要となり設置時間の短縮につながる。
【００３０】
さらに、検出装置が故障した場合、調整の必要がないので、取り替えを容易に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】計測システムの構成図である。
【図２】検出装置の具体的な回路を示す図である。
【図３】制御装置の具体的な回路を示す図である。
【図４】信号波形の図であり、（ａ）は検出信号波形、（ｂ）は出力信号波形、（ｃ）は出力信号波形をデジタル信号に変換したときの図である。
【図５】ツェナーダイオードを用いた場合の基準電圧出力回路の図である。
【図６】従来の計測システムの構成図である。
【符号の説明】
１００…計測システム、１１０…検出装置、１１１…センサ、１１２…信号増幅回路、１１３…基準電圧出力回路、１２０…ケーブル、１３０…制御装置、１３１…アナログ−デジタル変換器、１３２…定電圧回路
【図１】
0004644956.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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