JPH02201102A - 線形出力を有する容量性寸法測定チェーン - 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】 （技術分野） 本発明は、一般に無接触の寸法測定分野に関する。特に
、本発明は、Ｉｌ？ｌＩ定されるべき距離を一次的（線
形）に表す測定信号を直接中じるように構成された容量
的な寸法測定チェーンに関する。

このような技術の領域内には、現在上として次のような
２つの形式の１１１１１１定装置が使用されている。即
ち、 インピーダンス測定ブリッジと、 容量性測定チェーンである。

手動あるいは自動形式のインピーダンス測定ブリッジは
、使用が厄介であり、分解能に制限があり、また静止し
た使用条件においてのみ使用が可能である。更に、これ
らのブリッジは、高価であり、かつ寸法測定に関して非
線形手法である。

（従来技術） 仏国特許出願第２．６０８．７５１号に開示される如き
容量性測定チェーンは、容量を表す測定信号を生じる。

この測定信号は、測定すべき距離に反比例し、従って、
この距離を線形に表すものではない。ディジタルあるい
はアナログ線形化装置もまた、測定信号を線形化するよ
うに測定チェーンに含まれる。この線形化装置は、付加
的な誤差を生じ、並行的に寸法測定の効率を低下させる
という短所を有する。

この短所は、米国特許第４．０６７、２２５号に記載さ
れた容ｆｆｌ　ｌ’！’］　Ｉｔ）Ｉ定チェーンにおい
ては回避される。

このチェーンは、交流基準電圧を生じ、かつ基準コンデ
ンサを付勢する発振器を含む。発振器の１つの出力端子
は、基票コンデンサを介して第１の増幅器の１つの入力
と接続され、容量性センサの中心電極に対して同軸ケー
ブルの内部導体により接続されている。発振器の別の出
力端子は、第１の増幅器の別の入力と直接接続され、ま
た同軸ケーブルの外側の被覆導体を介してセンサのガー
ド・リングと接続されている。

米国特許第４．０６７、２２５号における測定チェーン
は、第１の増幅器の出力と接続された復調器と、低域フ
ィルタと、別の増幅器と、可変利得増幅器と、ピーク／
ビーク検出器と、センサ面と導電性を持つ部分即ちボデ
ィとの間の距離を測定するための表示計器とを含む。

作動においては、第１の増幅器の出力電圧は、基準コン
デンサと、中心のセンサ電極および導体ボディ間の間隙
により画成されるコンデンサとの間のキャパシタンス比
に比例する第１の増幅器の入力電圧との間にある比率を
有する。この間隙の距離が測定されるべきものである。

発振器の出力電圧は一定でありかつ既知であるため、基
準コンデンサに流れる電流は一定となり、第１の増幅器
の出力における電圧は、センサのコンデンサの容量と反
比例することになり、また従って、測定されるべき距離
とは正比例する。

容量性センサと接続される増幅器の入力と基準コンデン
サを介して接続される基準電圧発娠器を含む別の距Ｍ／
キャパシタンス測定チェーンも、英国特許第１．０４７
．６００号に開示されている。

それでも尚、従来の測定チェーンから生じる測定電圧は
、温度および時間に関して正確には較正されない。距離
が推定される測定電圧は、センサに給電し温度および時
間に応じてゆっくり変化する準一定電流に依存している
。

（発明の目的） 本発明の目的は、前記の短所のない線形出力を持つ容量
性寸法測定チェーンの堤供にある。

本発明の別の目的は、測定電圧が測定する距離に比例し
、従ってセンサのキャパシタンスとは反比例する容量性
寸法測定チェーンにおける測定を安定化することにある
。

（発明の要約） 本発明の容量性寸法測定チェーンは、検出電極とこの検
出電極を包囲する保護電極とにより形成される容Ｊｉｉ
性センサを含み、前記検出電極は導体部分に面すること
によりセンサのキャパシタンスを規定するように置かれ
、 交流基準電圧ソースにより給電されて基準信号を生しる
基準コンデンサと、 それぞれ前記センサのキャパシタンス成分およびｌＡ肇
コンデンサを流れる電流間の差の関数として振幅が変調
された信号を生じる装置と、 振幅変調された信号を増幅して、検出電極と導体部分と
の間の距離を線形に表す距離測定信号へ復調する手段と
、 同じ振幅を持ち、基準信号と等しい周波数および位相を
有し、かつそれぞれ検出電極および保護電極を付勢する
信号を生じる２つの交流電圧ソースとを設けてなり、前
記２つのソースは前記距離測定信号によりレベルが制御
される事を特徴としている。

最も効率のよい容量性寸法測定チェーンを従来技術を用
いた線形化出力と比較すれば、同様な特性を持つ容量性
センサと関連する本発明を用いた測定チェーンは、４倍
以上の測定範囲を有し、かつ略々８に等しい係数だけ線
形誤差を低減する。

センサを付勢する電圧は、チェーンから出力する測定電
圧によって制御され、従って、このセンサは早足電流で
はなく一定の電気負荷即ち一定の電気容量で付勢される
。本発明を用いるチェーンは、より優れた線形性、およ
びより大きな温度および時間的な安定性を呈する。

本発明の上記および池の目的、特徴および利点について
は、対応する添付図面に関して本発明のいくつかの望ま
しい実施態様の以降の詳細な記述から明らかになるであ
ろう。

（実施例） 第１図においては、従来技術を用いた線形出力をす丁す
る容Ｉｎ性寸法測定チェーンは、検出爪ｔｉｉ。

およびこの検出電極を包囲する保護電極１１により形成
される容量性センサ１と、バイアス電圧ソース２と、３
芯の電気的リンク１３と、負荷増幅器３と、振幅増幅／
検出回路４と、線形化装置５とからなっている。

この測定チェーンの目的は、センサ１の中心電極１０と
このセンサ１に面して電極１０に対して；１ト列に置か
れて接地端子と接続された導、工部Ｐの間の距ｆｍＱを
表す距離測定信号Ｖｅを生じることである。

バイアス電圧ソース２は、センサ１と負荷増幅器３との
間に直列に接続されて第１の正弦波信号Ｖｐを供給し、
これによりセンサ１の検出電極ｌＯをバイアスする。ソ
ース２はまた、その振幅および位相が信号Ｖｐのそれと
同じである第２の正弦波信号Ｖ’ｐを供給し、これによ
りセンナの保護電極１１および３芯リンク１３の保護導
体１．３１をバイアスする。電圧ソース２は、正弦波発
生器２０と、−次および二次巻き線が同軸ケーブル１こ
含まれる変圧器２１とを含む。変圧器２１の一次巻き線
は、正弦波発生器２０により付勢される。変圧器２１の
二次巻き線は、バイアス信号Ｖｐ、Ｖ’ｐを生じ、３芯
リンク１３を介してセンサ１および負荷増幅器３と接続
されている。リンク１３内の３芯ケーブルの芯部を形成
する中心導体は、その一端部で検出電極１０と接続され
、他端部で負荷増幅器３の反転入力（−）と接続されて
いる。

同様に、リンク１３の同軸ケーブルの被覆部は、保護電
極と負荷増幅器３の直接入力（＋）、ならびにアースに
接続されている。負荷増幅器から検出電極に対する前記
センサのバイアスを保証する回路の完全な電気的保護は
このように行われる。３芯リンク１３からの接地線１３
２は、接地端子およびセンサ１の電極１２に対して接続
されている。電圧ソース２の電磁シールド２２は、リン
クを電磁放射に対して不透過にするように、接゛地端子
および３芯リンク１３における接地線１３２に対して接
続されている。

増幅器３は演算増幅器型である。増幅器３の直接入力（
＋）は、接地端子と接続されている。

キャパシタンスＣＣｒのコンデンサ３０は、ｊ９幅？、
２３の出力と反転入力（−）との間の負のフィードバッ
クとして接続される。

増幅器３は、センサ１の中心電極１０とこれに面する部
分］〕との間の距ｆｅｅにより原則的に決定されるセン
サのキャパシタンスＣｃｐｔの関数として振幅変調され
た正弦波形の測定信号Ｖｍｅを生じる。

信ｑ　Ｖｍｃは、下式により表される。

Ｖｍｅ＝　Ｖ　ｐ−Ｃｃｐｔ／　Ｃａｒ振幅増幅／検出
回路４は、信号Ｖｍｅから、その振幅がセンサのキャパ
シタンスＣｃｐｔに比例するキャパシタンス測定信号Ｖ
ｃａｐを生じる。

測定される距離Ｃは、センサのキャパシタンスＣｃｐｔ
の逆関数であり、その結果回路４により生しる信号Ｖｃ
ａｐは距離ｅを線形的に表すものではない。

線形化装置５は、例えば、サンプリングおよびディジタ
ル化回路の前方に置かれたディジタル・コンピュータか
らなる。装置５は、Ｆ　（ｘ）　＝１７ｘ（但し、Ｘは
変数）型の逆関数の計算を行うようにプログラムされる
。信号Ｖｃａｐは、線形化装置５の入力に加えられる。

この装置５は、距離ｅを線形的に表す距離測定信号Ｖｅ
を生じる。

第２図に関しては、本発明を実施した線形出力を持つ容
量性寸法測定チェーンの作用原理について説明する。

この測定チェーンは、保護電極を含みキャパシタンスＣ
ｃｐｔのセンサ・コンデンサにより略図的に示される容
量性センサ１ａと、２つのバイアス電圧ソース２ａ、２
”ａと、＋ヤバシタンスＣｒの基準コンデンサ６と、基
準交流電圧ソース７と、電流減算器８および測定回路９
とからなる。

交流電圧ソース２ａ１２°ａおよび７は、同期的に動作
してそれぞれ検出電極に対してバイアス電圧Ｖｐを、保
護電極に対してはバイアス電圧Ｖ’ｐを、また基準電圧
Ｖｒを与える。

電圧Ｖ　（、＋、Ｖ’ｐおよびＶｒは同じ周波数を持ち
、その波形は正弦波あるい１搗方形波であり、位相にお
いて同期する。電圧ＶｐおよびＶ′ｐは同じ振幅を６丁
する。

バイアス電圧ソース２ａおよび２°ａは、レベルお制御
形である。電圧ＶｐおよびＶ′ｐの振幅は、ソース２ａ
の入力２００およびソース２゛ａの入力２００ａに加え
られたレベル制御信号に依存する。

本発明によれば、測定回路９の出力において得られる距
１＠　ｌ１ｌ１１定信号Ｖｅは、ソース２ａの入力２０
０およびソース２’ａの入力２００ａに対して加えられ
、下式に従って電圧ｖｐおよびＶ′ｐのレベルを制御す
る。

Ｖｐ＝Ｖ’ｐ＝Ｋｐ−Ｖｅ 但し、Ｋｐは比例係数である。

別の実施態様によれば、距離測定信号Ｖｅは、第２図に
示されるようにソース２ａおよび２’ａを直接制御する
のではなく、測定チェーンの安定性を改善するよう意図
されたフィルタおよび位相の補正回路を介して制御され
る。

容量性センサ１ａおよびキャパシタンスＣｒの基準コン
デンサ６は、電流ｆ　Ｃｐｔおよび１ｒを流し、それぞ
れ電気的負荷ｆｆｌ　Ｑ　ＣｐＥおよびＱｒを有する。

電流Ｉｃｐｔおよび１ｒはそれぞれ減算器８の反転（−
）および非反転（＋）入力に供給される。

減算器８は、差電流１ｅｒ＝　Ｉ　ｒ　−１ｃｐｔを生
じる。この差電流１ｅｒは、測定回路９の入力に加えら
れる。

測定回路９は、容量的な負のフィードバックを持つ演算
増幅器と、レベル増幅、同期、復調およびフィルタ手段
（図示せず）を何し、測定される距離ｅを表す距離測定
信号Ｖｅを出力する。

測定チェーンがその周波数範囲内で静的あるいは動的な
動作条件下で動作する時、減算器８により与えられる差
電流Ｅｅｒは振幅Ｏになろうとし、センサ１のキャパシ
タンスおよび基準コンデンサ６における電気的負荷Ｑｃ
ｐｔおよびＱｒはそれぞれ同じ値に近付こうとする。負
荷ＱｃｐｔおよびＱｒは下式により表される。

ＱｃｐＬ＝ＣｃｐＬ１ｖｐ、およびＱｒ＝（：ｒ−Ｖｒ
但し、Ｖｐ＝Ｖｒ−（Ｃｒ／Ｃｃｐｔ）この関係から、
距離の測定信号Ｖｅの下式が導出される。

Ｖｅ＝　（Ｖｒ／Ｋｐ）　　・　（Ｃｒ／Ｃｃｐｔ）但
し、Ｖｒは基準信号の振幅を表す。

この式は、信号ＶｅがセンサのキャパシタンスＣｃｐｔ
に反比例することを示す。従って、本発明を実施する測
定チェーンにおける距離のｆｉｌ＋定信号Ｖｅは、正に
距ｍｔ　ｃに正比例する。

第３図においては、本発明を実施した測定チェーンの望
ましい実施態様について詳細に述べる。

測定チェーンは、容量性センサ１ａ１バイアス電圧ソー
ス２　ａ　’−同軸ケーブル１９、基準電圧ソース７ａ
と関連する基準コンデンサ６ａ、タイム・ベース８ａお
よび測定回路９からなっている。

容量性センサ１ａは、接地電極１２がなく従ってコスト
が安い点で第１図に示された容量性センサ１と異なる。

中心検出電極１０ａおよび保護電極１１ａは、それぞれ
同軸ケーブル１９の中心導体および外側の被１１導体に
接続される。

バイアス・ソース２ａは、同期変調器２０ａおよび同期
ケーブル変圧器２１ａからなる。

同期復調器２０ａは、レベル制御入力部２００を介して
距ｆＩｉ測定信号を、またクロック入力部２０１を介し
てクロック信号１１を受は取る。

このクロック信号Ｈは、タイム・ベース８ａにより発生
される。変調器２０ａは、クロック信号１１と同期する
交流信号Ｖａｐを生じる。この信号Ｖａｐは、変圧器２
１ａの一次巻き線に供給される。

同軸ケーブル変圧器２１ａは、第１図に示される変圧器
２１と類似する。変圧器２１ａの二次巻き線は、変圧器
２１ａの磁気鉄芯の周囲に巻かれた同軸ケーブル１９の
一部からなることが望ましい。

変圧ｉ：４２１ａの二次界き線の鉄芯は、センサの検出
電極１０ａのバイアス電圧Ｖｐを生じる。この二次往き
線のンールド（被覆導体）は、保護電極のバイアス電圧
■′ｐを生じる。この配置は、第２図の電圧ソース２ａ
および２“ａを提供する。

コンデンサ６ａおよび基準ソース７ａは、コンデンサ６
ａのキャパシタンス値および基準ソース７ａにより与え
られる基準電圧−Ｖｒの振幅の調整を可能にするように
、調整可能な形式であることが望ましい。

基を電圧ソース７ａは、タイム・ベース８ａにより供給
されるクロック信号Ｈを受は取り、検出電極および保護
電極のバイアス電圧ＶｐおよびＶ’ｐと同じ性質である
交流基準電圧−Ｖｒを生じる。この基準電圧−Ｖｒは、
検出および保護電極のバイアス電圧ＶｐおよびＶ′ｐと
同じ周波数を持つがこれらと反対の位相であり、これに
より測定回路９に含まれる負荷増幅器９０の反転入力（
−）において逆の符号の２つの電流を加えることにより
差電流を生じる。

０前哨幅器９０に加えて、測定回路９は、レベル増幅：
ｌ！７９１と、同期復調器９２と、Ｍ分器９３とからｔ
Ｃっでいる。

〔１前槽幅？ｘ９０は、容量性のｔ〕フィードバックを
持つ演ｎ増幅器からなっている。増幅器９０の反転入力
（−）は、同軸ケーブル１９の第２の端部鉄芯と接続さ
れ、またコンデンサ６ａを介して基準電圧ソース７ａの
出力側に接続されている。増幅２に四の非反転入力（＋
）は、接地端子ならびにケーブル１９の保護導体に接続
されている。コンデンサ９００は、増幅器９０の出力と
反転入力との間の負のフィードバックに介挿される。増
幅器９０は、基本周波数としてクロック信号１−ｆの周
波数を持つＶ　ａｃｃを生じる。

レベル増幅器９１および同期復調器９２は、負荷増幅器
９０と積分器９３との間にカスケード状に接続される。

レベル増幅器９１の目的は、Ａｐｊ定信号Ｖａ罰Ｃを同
期復調器９２により処理することを可能にするよう充分
に高いレベルに増幅することである。同期復調器９２は
、測定信号Ｖａｓｅをｆｉ号Ｖ”ｅに復調１−てこの信
号から測定信号ＶｅがＦｒ’Ｊ分により専用されるよう
に、クロック信号１１により制御される。

積分器９３は一般に演算増幅器を含み、その目的は信号
Ｖ’ｅの積分により距離測定信号Ｖｅを生じることであ
る。ＦＩｌｆ分器９３の第２の目的は、制御ループに一
π／２の位相の遅れを導入することにより、測定チェー
ンにおける作動の安定性を確保することである。積分器
９３は、抵抗９３０を介して反転入力（−）により信号
Ｖ’ｅを受は取る。

Ｆ／ｊ分器９３の非反転入力（＋）は、接地端子と接続
される。コンデンサ９３１は、積分器９３の出力と反転
入力（−）との間のｔｌのフィードバックに介挿される
。積分器９３は、距ｍ測定信号Ｖｅを生じる。

検出電極がｌ＋ｎ＋ｎの直径を持ち、保護リングが１、
２５ｍｍの巾を有する容量性センサと関連する具現され
た測定チェーンの主な特性は、下記のとおり列記される
。

一測定範囲二〇乃至２．５ａｍ −直線性く０乃至１ｍ間で±０．１５μ−１く１乃至２
．５ｍ＋ｎ間で±０．５μｍ−温度ドリフトく測定範囲
／℃の１０−５−〇乃至ＩＨｚの周波数帯における分解
能くキャパシタンス ２．１０川９Ｆと対応する２０ｎｍ −２００ｔ（ｚにおける直流の通過帯域比較の目的のた
め、渦電流の使用に依存し上記の容量性センサと同じ諸
元を有する状導センサと関連する公知のインピーダンス
測定ブリッジは、下記の特性を呈する（ＫａｍａｎＳｃ
ｉｅｎｃｅｓ社）。

一測定範囲：０乃至１．２７ｎ＋＋ −直線性く±１２μｌ −分解能＜　０．１２μ■

【図面の簡単な説明】

第１図は従来技術を用いた線形化出力を有する容量的な
寸法測定チェーンを示すブロック図、第２図は本発明を
実施した容量的な寸法測定チェーンを示す理論的ブロッ
ク図、および第３図は本発明を実施した測定チェーンの
望ましい実施態様の詳細ブロック図である。 １・・・センサ、２．２ａ・・・バイアス電圧ソース、
３・・・増幅器、４・・・振幅増幅／検出回路、５・・
・線形化装置、６・・・基準コンデンサ、７．７ａ・・
・基準交流電圧ソース、８・・・減算器、８ａ・・・タ
イム・ベース、９・・・測定回路、ＩＯ・・・検出電極
、１．Ｏａ・・・中心検出電極、■！、ｌｌａ・・・保
護電極、１２・・・電極、１３・・・３芯リンク、ＩＯ
・・・同１＋ｈケーブル、２０・・・正弦波発生器、２
０ａ・・・同期変調器、２Ｉ・・・変圧器、２１ａ・・
・同期ケーブル変圧器、２２・・・電磁シールド、９０
・・・負荷増幅器、９１・・・レベル増幅器、９２・・
・同期復調器、９３・・・Ａｉ分器、１３１・・・保護
導体、１３２・・・接地線、２００・・・レベル制御入
力部、２０１・・・クロック入力部、９００・・・コン
デンサ、９３０・・・抵抗、９３１・・・コンデンサ。 １、埋入　　弁理士　湯　浅 恭三 （タト　４・二寺ζ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、線形出力を有する容量性寸法測定チェーンにおいて
   、 検出電極と、該検出電極を包囲する保護電極とにより形
   成される容量性センサであって、前記検出電極が、導体
   部分に面して配置されることによりセンサのキャパシタ
   ンスを規定するよう構成された容量性センサと、 交流基準電圧ソースにより給電されて基準信号を生じる
   基準コンデンサと、 前記センサのキャパシタンスおよび前記基準コンデンサ
   にそれぞれ流れる電流の差の関数として振幅変調された
   信号を生じる信号生成手段と、 前記振幅変調された信号を増幅し、かつこれを前記検出
   電極と前記導体部分との間の距離を線形的に表す距離測
   定信号へ復調する増幅復調手段と、 同じ振幅を持ち、前記基準信号と同じ周波数と位相とを
   持ち、かつ前記検出電極および保護電極にそれぞれ供給
   される信号を生じる２つの電圧ソースとを設け、該２つ
   の電圧ソースは前記距離測定信号によりレベル制御され
   ることを特徴とする測定チェーン。 ２、前記３つの電圧ソース、ならびに前記増幅復調手段
   に含まれる復調手段の動作を同期させるクロック信号を
   生じるタイム・ベースと、 前記距離測定信号を積分する手段と を更に設けることを特徴とする請求項１記載の測定チェ
   ーン。 ３、前記基準コンデンサが調整可能な形式であることを
   特徴とする請求項１記載の測定チェーン。 ４、前記基準ソースがレベル調整可能な形式のものであ
   ることを特徴とする請求項１記載の測定チェーン。 ５、前記２つの交流電圧ソースが、それぞれ同軸ケーブ
   ルによる一次および二次巻き線を有する変圧器の二次巻
   き線で構成され、 前記二次巻き線が、前記センサと前記信号 生成手段との間に電気的リンクを介して直列に接続され
   、 前記二次巻き線の同軸ケーブルの中心導体は、一端部で
   前記検出電極に接続されかつ他端部で前記信号生成手段
   の第１の入力に接続され、前記二次巻き線の同軸ケーブ
   ルのシールド 部は、一端部で前記保護電極と接続されかつ他端部で前
   記信号生成手段の第２の入力に接続され、 前記変圧器の前記一次巻き線の同軸ケーブルの中心導体
   が、前記基準ソースと同期された同期復調器を介して前
   記の生成された距離測定信号の供給を受けるように構成
   されたことを特徴とする請求項１記載の測定チェーン。 ６、前記リンクが同期ケーブルであることを特徴とする
   請求項５記載の測定チェーン。 ７、前記リンクが３芯リンクであることを特徴とする請
   求項５記載の測定チェーン。 ８、前記導体部分と、前記信号生成手段の前記第２の入
   力と、前記変圧器の前記一次巻き線の同軸ケーブルのシ
   ールド部の一端の一方とが、接地端子と接続されること
   を特徴とする請求項６記載の測定チェーン。