JP3827661B2 - Signal processing circuit of differential capacitive transducer - Google Patents

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Description

本発明は、モータやアクチュエータ等に取り付けられ、その回転角度や直線方向の変移量を高精度に検出するための差動容量型トランスデューサの信号処理回路に関する。   The present invention relates to a signal processing circuit of a differential capacitive transducer that is attached to a motor, an actuator, or the like and detects the amount of change in the rotation angle or linear direction with high accuracy.

本件出願人は、差動容量型トランスデューサを用いた回転差動容量型角度変換器(特許文献1)を提案している。
この提案によれば、大振幅の交流信号源や温度補償のための帰還制御を用いることなく、回転角度を高い精度で検出することが可能になるが、本発明では、検出精度をさらにあげるために、信号処理回路で発生するノイズ,直流電圧オフセットの影響をなくすように考案されている。
The present applicant has proposed a rotary differential capacitive angle converter (Patent Document 1) using a differential capacitive transducer.
According to this proposal, the rotation angle can be detected with high accuracy without using a large-amplitude AC signal source or feedback control for temperature compensation. In the present invention, however, the detection accuracy is further improved. In addition, it is devised to eliminate the influence of noise and DC voltage offset generated in the signal processing circuit.

図7は従来の他の差動容量型トランスデューサの信号処理回路を示すもので、帰還回路を備えた回路構成をブロック図で示している。
正弦波発振器27の信号vsがCaとCbの2つの容量をもつ差動容量型トランスデューサの共通電極2に印加され、Caの他の端子がダイオードD1,D2の接続点に接続され、Cbの他の端子はダイオードD3とD4の接続点に接続されている。これにより、静電容量Ca,Cbに比例した交流電流ia,ibはダイオードD1,D2,D3およびD4により直接半波整流される。そして、演算増幅器OP1,抵抗,コンデンサよりなる2次能動低域通過フィルタ22,演算増幅器OP2,抵抗,コンデンサよりなる2次能動低域通過フィルタ23により直流電圧信号Va,Vbが出力されている。各直流電圧信号Va,Vbは、減算回路24および加算回路25にそれぞれ接続されている。
FIG. 7 shows a signal processing circuit of another conventional differential capacitance type transducer, and shows a block diagram of a circuit configuration provided with a feedback circuit.
The signal vs of the sine wave oscillator 27 is applied to the common electrode 2 of the differential capacitive transducer having two capacitances Ca and Cb, the other terminal of Ca is connected to the connection point of the diodes D1 and D2, and the other of Cb. Is connected to a connection point between the diodes D3 and D4. Thereby, the alternating currents ia and ib proportional to the capacitances Ca and Cb are directly half-wave rectified by the diodes D1, D2, D3, and D4. DC voltage signals Va and Vb are output by a secondary active low-pass filter 22 composed of an operational amplifier OP1, a resistor and a capacitor, and a secondary active low-pass filter 23 composed of an operational amplifier OP2, a resistor and a capacitor. The DC voltage signals Va and Vb are connected to the subtracting circuit 24 and the adding circuit 25, respectively.

減算回路24からは各静電容量の変化量に比例した電圧Voが出力される。また、加算回路25の出力は抵抗を介して演算増幅器OP3の反転入力端子に入力され、非反転入力端子電圧と比較され、加算回路出力が常に一定の値Vrになるように正弦波発振器27の振幅または周波数を制御している。
図7における演算増幅器OP1の出力Vaと演算増幅器OP2の出力Vbは以下のように示すことができる。
Va={2fCaRaAa(Vs−Vd)}/(1+2fCaRa) ・・・(1)

Vb={2fCbRbAb(Vs−Vd)}/(1+2fCbRb) ・・・(2)
From the subtraction circuit 24, a voltage Vo proportional to the amount of change in each capacitance is output. The output of the adder circuit 25 is input to the inverting input terminal of the operational amplifier OP3 through a resistor and compared with the non-inverting input terminal voltage, so that the adder circuit output always has a constant value Vr. The amplitude or frequency is controlled.
The output Va of the operational amplifier OP1 and the output Vb of the operational amplifier OP2 in FIG. 7 can be expressed as follows.
Va = {2fCaRaAa (Vs−Vd)} / (1 + 2fCaRa) (1)

Vb = {2fCbRbAb (Vs−Vd)} / (1 + 2fCbRb) (2)

ここで、fとVs正弦波発振器からの正弦波の周波数とピーク振幅値、RaとRbはそれぞれ図7の節点AとBから右側を見た抵抗値、AaとAbはそれぞれOP1とOP2によって形成されている2次低域通過フィルタの通過帯域の利得であり、
図7の構成では
Aa=Ab≒1 ・・・(3)
となる。
従って、VaとVbは
2fCaRa≦1、2fCbRb≦1 ・・・(4)
の条件の下でVaはCaに、VbはCbに比例する。
この時、減算回路出力Voは
Vo=2f(CaRa−CbRb)(Vs−Vd) ・・・(5)
となり、
Ra=Rb ・・・(6)
の条件のもとで、VoはCa−Cbに比例する。又、上記各条件の下で、加算回路出力Vsumは
Vsum=(Ca+Cb)(Vs−Vd) ・・・(7)
となる。
OP3によって形成されている積分器はVsumが直流電圧Vrと一致するように発振器の発振振幅Vs又は発振周波数fを制御するので
Vsum=(Ca+Cb)(Vs−Vd)=Vr ・・・(8)
となる。よって、減算回路24の出力Voは(8) 式を(5) 式に代入して
Vo={(Ca−Cb)Vr}/(Ca+Cb) ・・・(9)
となる。よって、この構成により、CaとCbの温度変化を相殺することができる。
特許第2967413号 特開平07−55500号公報
Here, the frequency and peak amplitude value of the sine wave from the f and Vs sine wave oscillators, Ra and Rb are the resistance values viewed from the nodes A and B in FIG. 7, respectively, and Aa and Ab are formed by OP1 and OP2, respectively. Is the gain of the pass band of the second order low pass filter being
In the configuration of FIG. 7, Aa = Ab≈1 (3)
It becomes.
Therefore, Va and Vb are 2fCaRa ≦ 1, 2fCbRb ≦ 1 (4)
Va is proportional to Ca and Vb is proportional to Cb.
At this time, the subtraction circuit output Vo is Vo = 2f (CaRa−CbRb) (Vs−Vd) (5)
And
Ra = Rb (6)
Under these conditions, Vo is proportional to Ca-Cb. Under the above conditions, the summing circuit output Vsum is Vsum = (Ca + Cb) (Vs−Vd) (7)
It becomes.
Since the integrator formed by OP3 controls the oscillation amplitude Vs or oscillation frequency f of the oscillator so that Vsum coincides with the DC voltage Vr, Vsum = (Ca + Cb) (Vs−Vd) = Vr (8)
It becomes. Therefore, the output Vo of the subtraction circuit 24 is obtained by substituting the equation (8) into the equation (5). Vo = {(Ca−Cb) Vr} / (Ca + Cb) (9)
It becomes. Therefore, this configuration can cancel the temperature change of Ca and Cb.
Japanese Patent No. 29967413 JP 07-55500 A

しかし、従来のダイオードによる直接検波方式では静電容量の変化量とは無関係の外部ノイズや信号成分以外の電磁波も検波してしまう。また、条件式(3) と(6) に見られるように検波回路の高精度の整合を必要とする。さらに、条件式(4) より、検波出力を有用な値にするには正弦波発振器vsの振幅を数100V程度としなければならない。   However, the conventional direct detection method using a diode also detects electromagnetic waves other than external noise and signal components that are unrelated to the amount of change in capacitance. In addition, as shown in conditional expressions (3) and (6), high-precision matching of the detector circuit is required. Furthermore, from the conditional expression (4), the amplitude of the sine wave oscillator vs must be set to about several hundred volts in order to make the detection output a useful value.

このような高い電圧を発生するためには変圧器が必要となり、回路規模が大きくなるという問題があった。
また、変圧器からの不要電波を防止するために、電磁シールドやガードリングが必要となる。さらに高電圧による放電を防ぐために静電容量電極間を広くしなければならず、その分寄生容量や電極端電界の影響をうけやすくなり、高精度化するにシステム全体が複雑で大形になってしまうという問題があった。
In order to generate such a high voltage, a transformer is required, and there is a problem that the circuit scale becomes large.
Moreover, in order to prevent unnecessary radio waves from the transformer, an electromagnetic shield and a guard ring are required. Furthermore, in order to prevent discharge due to high voltage, the space between the capacitance electrodes must be widened, and it becomes easier to be affected by the parasitic capacitance and the electric field at the electrode end, and the overall system becomes complicated and large for higher accuracy. There was a problem that.

本発明の目的は、ダイオードによる直接半波整流の検波ではなく、低電圧駆動の同期検波による全波整流を行うことにより、静電容量の変化量のみ検出することができ、回路規模を簡略化可能で、信号処理回路自身の直流オフセット電圧や,温度ドリフトの影響を受けることのない回路を構成できる差動容量型トランスデューサの信号処理回路を提供することにある。
本発明の他の目的は、第2の電極の移動に対する各静電容量の容量変化が各静電容量の理想値に対し1次の誤差を持つとき、同期検波前段の外部ノイズ,オフセット,温度ドリフトの影響をうけることなくその誤差の補償が可能な差動容量型トランスデューサの信号処理回路を提供することにある。
The object of the present invention is not to detect direct half-wave rectification using a diode, but to perform full-wave rectification using low-voltage driven synchronous detection, so that only the amount of change in capacitance can be detected, thereby simplifying the circuit scale. It is an object of the present invention to provide a signal processing circuit of a differential capacitance type transducer that can constitute a circuit that is possible and that is not affected by the DC offset voltage of the signal processing circuit itself or temperature drift.
Another object of the present invention is to provide external noise, offset, and temperature before synchronous detection when the capacitance change of each capacitance with respect to the movement of the second electrode has a first order error with respect to the ideal value of each capacitance. It is an object of the present invention to provide a signal processing circuit for a differential capacitive transducer that can compensate for the error without being affected by drift.

前記目的を達成するために本発明による請求項1記載の発明は、同一面上に配置された複数の第1の電極と、該第1の電極と空隙を介して対向する第2の電極とで構成され、前記第1の複数の電極と前記第2の電極を共有する2つの容量CaとCbを有し、前記第2の電極の回転又は移動に応じて一方の容量が増加すると他方が減少するように配置、接続された差動容量型トランスデューサにおいて、高周波の正弦波を前記第2の電極に供給するための正弦波発振回路と、入力端子に前記複数の第1の電極の端子を接続して2つの容量を流れる高周波電流を電圧に変換するための複数の容量・電圧変換回路と、前記複数の容量・電圧変換回路の交流電圧出力を減算する減算回路と、前記複数の容量・電圧変換回路の交流電圧出力を加算する加算回路と、前記減算回路および加算回路の交流電圧出力を同期検波し、(Ca−Cb)と(Ca+Cb)に比例した直流出力電圧を得る同期検波回路と、前記同期検波回路の出力の一部を入力し、所定の基準電圧を参照することにより前記加算回路出力が常に一定の直流電位になるように前記正弦波発振回路を制御する帰還回路とを備え、前記同期検波回路は、前記加算回路の交流電圧出力から同期キャリア信号を得る波形整形回路と、前記波形整形回路出力により前記減算回路の交流電圧出力を同期検波する第1同期検波部と、前記波形整形回路出力により前記加算回路の交流電圧出力を同期検波する第2同期検波部とから構成されたことを特徴とする。
また請求項2記載の発明は、請求項1記載の発明において、前記第2の電極の回転又は移動に対し前記2つの静電容量の変化が理想値に対し1次の誤差を持つ容量変化となるような差動容量型トランスデューサに対して、前記容量・電圧変換回路は、前記静電容量の感度を変えるように一部の回路定数を調整することにより前記1次の誤差を補正できる機能を有することを特徴とする。
In order to achieve the above object, the present invention according to claim 1 is characterized in that a plurality of first electrodes arranged on the same plane, and a second electrode opposed to the first electrode via a gap are provided. Two capacitors Ca and Cb that share the first plurality of electrodes and the second electrode, and when one capacitor increases in accordance with the rotation or movement of the second electrode, the other is In a differential capacitive transducer arranged and connected so as to decrease, a sine wave oscillation circuit for supplying a high-frequency sine wave to the second electrode, and terminals of the plurality of first electrodes as input terminals A plurality of capacitance / voltage conversion circuits for converting a high-frequency current flowing through two capacitances into a voltage; a subtraction circuit for subtracting an AC voltage output of the plurality of capacitance / voltage conversion circuits; Add the AC voltage output of the voltage conversion circuit A synchronous detection circuit for synchronously detecting the AC voltage output of the circuit, the subtracting circuit and the adding circuit to obtain a DC output voltage proportional to (Ca−Cb) and (Ca + Cb), and a part of the output of the synchronous detection circuit A feedback circuit that controls the sine wave oscillation circuit so that the output of the addition circuit is always a constant DC potential by referring to a predetermined reference voltage, and the synchronous detection circuit includes: A waveform shaping circuit that obtains a synchronous carrier signal from an AC voltage output, a first synchronous detection unit that synchronously detects an AC voltage output of the subtraction circuit by the waveform shaping circuit output, and an AC voltage of the addition circuit by the waveform shaping circuit output It is characterized by comprising a second synchronous detector for synchronously detecting the output .
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the change in the two capacitances with respect to the rotation or movement of the second electrode is a capacitance change having a first order error with respect to an ideal value. In such a differential capacitance type transducer, the capacitance / voltage conversion circuit has a function capable of correcting the primary error by adjusting a part of circuit constants so as to change the sensitivity of the capacitance. It is characterized by having.

上記構成によれば、(Ca−Cb)/(Ca+Cb)に比例した出力が得られ、しかも、前記出力電圧は低電力、低駆動電圧で寄生容量や外部ノイズに影響されない、回路自身の直流オフセット電圧および温度ドリフトに影響されず、さらに正弦波発振回路をコンパクトにすることができる。
また、駆動信号から同期検波用のキャリア信号を得る回路を必要とせず回路をコンパクトに構成することができる。
さらに1次の誤差を、簡単に補正することができる。
本発明による差動容量型トランスデューサの信号処理回路を用いることによりコンパクトで高精度に回転角度や変位を測定するシステムを構築することができる。
According to the above configuration, an output proportional to (Ca−Cb) / (Ca + Cb) can be obtained, and the output voltage is low power, low drive voltage, and is not affected by parasitic capacitance or external noise, and the circuit itself has a DC offset. The sine wave oscillation circuit can be made compact without being affected by voltage and temperature drift.
In addition, a circuit for obtaining a carrier signal for synchronous detection from the drive signal is not required, and the circuit can be made compact.
Furthermore, the first order error can be easily corrected.
By using the signal processing circuit of the differential capacitive transducer according to the present invention, a compact and highly accurate system for measuring the rotation angle and displacement can be constructed.

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳しく説明する。
図1は、差動容量型トランスデューサの電極の構成の一例を示す図である。
電極1aおよび1bは基板上の金属パターンであり、同じく基板上の金属パターンの電極2が電極1aおよび1bに対面して設けられている。電極2はx方向に移動可能である。
電極2と電極1aおよび1bの間にそれぞれ形成される静電容量Ca,Cbは、電極2のx方向の移動により増減する。
図1(a)に示す例は電極2と電極1aおよび1bと平行状態を維持しながらx方向に移動する場合で、この場合の移動量に対する静電容量の変化量は図1(b)に示すように直線的に変化する。しかしながら、完全に平行を保つことは困難であり、図2(a)に示すように電極1aおよび1bに対し電極2は少なからず傾くことが考えられる。その場合の移動量に対する静電容量の変化量は図2(b)に示すような曲線の変化量となる。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a configuration of electrodes of a differential capacitive transducer.
The electrodes 1a and 1b are metal patterns on the substrate, and the electrode 2 of the metal pattern on the substrate is also provided facing the electrodes 1a and 1b. The electrode 2 is movable in the x direction.
Capacitances Ca and Cb formed between the electrode 2 and the electrodes 1a and 1b increase or decrease as the electrode 2 moves in the x direction.
The example shown in FIG. 1A is a case where the electrode 2 moves in the x direction while maintaining a parallel state with the electrodes 1a and 1b. In this case, the amount of change in capacitance with respect to the movement amount is shown in FIG. It changes linearly as shown. However, it is difficult to keep it completely parallel, and as shown in FIG. 2A, the electrode 2 may be inclined to some extent with respect to the electrodes 1a and 1b. In this case, the change amount of the capacitance with respect to the movement amount is a change amount of the curve as shown in FIG.

図3は、本発明による差動容量型トランスデューサの信号処理回路の実施の形態を示すブロック図である。
本発明による信号処理回路は、AGC回路を有し高周波の正弦波vsを出力する正弦波発振器21,電極2と電極1aの間に形成されるコンデンサCa11,電極2と電極1bの間に形成されるコンデンサCb12,コンデンサ11および12の他方の端子にそれぞれ接続され、静電容量Ca,Cbに応じた交流電圧va,vbを出力するC−V変換回路13,14,回路13,14の交流電圧va,vbをそれぞれ入力し、加算,減算を行う減算回路15および加算回路16,減算回路15の交流出力(vb−va)および加算回路16の交流出力(vb+va)を同期検波し直流電圧検出信号Voを出力する同期検波回路17,同期検波回路17の直流電圧検出信号Voに重畳されているノイズ分を除去するLPF18,同期検波回路17の加算側の出力Vsumのノイズ分を除去するLFP19ならびにLFP19の出力Vsumを、加算回路側出力が一定の値Vsに保持されるように、参照電圧Vrefと比較し、正弦波発振器の振幅(または周波数)を制御する帰還回路20から構成されている。
FIG. 3 is a block diagram showing an embodiment of the signal processing circuit of the differential capacitive transducer according to the present invention.
The signal processing circuit according to the present invention is formed between a sine wave oscillator 21 having an AGC circuit and outputting a high frequency sine wave vs, a capacitor Ca11 formed between the electrode 2 and the electrode 1a, and an electrode 2 and the electrode 1b. AC voltage of the CV conversion circuits 13 and 14 and the circuits 13 and 14 that are connected to the other terminals of the capacitor Cb12 and the capacitors 11 and 12, respectively, and output AC voltages va and vb according to the capacitances Ca and Cb. Va and vb are respectively input, and the subtraction circuit 15 and the addition circuit 16 that perform addition and subtraction, the AC output (vb-va) of the subtraction circuit 15 and the AC output (vb + va) of the addition circuit 16 are synchronously detected to detect a DC voltage detection signal. The synchronous detection circuit 17 that outputs Vo, the LPF 18 that removes noise superimposed on the DC voltage detection signal Vo of the synchronous detection circuit 17, and the synchronous detection circuit 1 The LFP 19 for removing the noise component of the output Vsum on the addition side and the output Vsum of the LFP 19 are compared with the reference voltage Vref so that the output on the addition circuit side is held at a constant value Vs, and the amplitude of the sine wave oscillator (or The feedback circuit 20 controls the frequency.

C−V変換回路13は非反転入力端子が接地され、反転入力端子がコンデンサ11の端子に接続された演算増幅器OP1および反転入力端子と出力の間に接続された抵抗Rより形成されている。C−V変換回路14は非反転入力端子が接地され、反転入力端子がコンデンサ12の端子に接続された演算増幅器OP2および反転入力端子と出力の間に接続された抵抗Rより形成されている。減算回路15は、反転入力端子側に演算増幅器OP1の出力(交流電圧va)が抵抗R3を介して接続され、非反転入力端子側には演算増幅器OP2の出力(交流電圧vb)が抵抗R5を介して接続された演算増幅器OP3,反転入力端子と出力の間に接続された抵抗R4および非反転入力端子と接地の間に接続された抵抗R6より形成されている。   The CV conversion circuit 13 includes an operational amplifier OP1 having a non-inverting input terminal grounded and an inverting input terminal connected to the terminal of the capacitor 11, and a resistor R connected between the inverting input terminal and the output. The CV conversion circuit 14 is formed of an operational amplifier OP2 having a non-inverting input terminal grounded and an inverting input terminal connected to the terminal of the capacitor 12, and a resistor R connected between the inverting input terminal and the output. In the subtraction circuit 15, the output (AC voltage va) of the operational amplifier OP1 is connected to the inverting input terminal side via the resistor R3, and the output (AC voltage vb) of the operational amplifier OP2 is connected to the resistor R5 on the non-inverting input terminal side. And an operational amplifier OP3 connected through the resistor R4 connected between the inverting input terminal and the output, and a resistor R6 connected between the non-inverting input terminal and the ground.

加算回路16は、反転入力端子側に演算増幅器OP1の出力(交流電圧va)と演算増幅器OP2の出力(交流電圧vb)がそれぞれ抵抗R7およびR9を介して接続され、非反転入力端子側は接地された演算増幅器OP4ならびに反転入力端子と出力の間に接続された抵抗R8より形成されている。
同期検波回路17は演算増幅器OP4の出力(va+vb)より同期キャリア信号を作る波形整形回路17c,この同期キャリア信号により演算増幅器OP3の出力(交流電圧vb−va)を同期検波する同期検波器17aおよび同じく同期キャリア信号により演算増幅器OP4の出力(交流電圧va+vb)を同期検波する同期検波器17bより形成されている。
帰還回路20は、反転入力端子にLPF19の出力Vsumが抵抗R10を介して接続され、非反転入力端子に参照電圧Vrefが入力される演算増幅器OP5および反転入力端子と出力間に接続されたコンデンサC1よりなる積分回路より構成されている。
In the adder circuit 16, the output of the operational amplifier OP1 (AC voltage va) and the output of the operational amplifier OP2 (AC voltage vb) are connected to the inverting input terminal side through resistors R7 and R9, respectively, and the non-inverting input terminal side is grounded. The operational amplifier OP4 and the resistor R8 connected between the inverting input terminal and the output are formed.
The synchronous detection circuit 17 is a waveform shaping circuit 17c that generates a synchronous carrier signal from the output (va + vb) of the operational amplifier OP4, a synchronous detector 17a that synchronously detects the output (AC voltage vb-va) of the operational amplifier OP3 using this synchronous carrier signal, and Similarly, it is formed by a synchronous detector 17b for synchronously detecting the output (AC voltage va + vb) of the operational amplifier OP4 by the synchronous carrier signal.
The feedback circuit 20 includes an operational amplifier OP5 in which the output Vsum of the LPF 19 is connected to the inverting input terminal via the resistor R10, and the reference voltage Vref is input to the non-inverting input terminal, and the capacitor C1 connected between the inverting input terminal and the output. It is comprised from the integrating circuit which consists of.

つぎに図4のタイミングチャートを参照して本信号処理回路の動作を説明する。
演算増幅器OP1およひOP2の交流電圧出力は、
va=−jωCaRvs …(10)
vb=−jωCbRvs …(11)
で表される。va,vbはvsに対し位相が90°進んでいる状態となる。
これらの交流電圧に対する次段の演算増幅器OP3およびOP4の出力は、
vb−va=jω(Ca−Cb)Rvs …(12)
va+vb=jω(Ca+Cb)Rvs …(13)
となる。この(12)式の交流電圧信号は同期検波により全波整流し、LPF18により平滑化すると、目的の静電容量の変化量に比例した直流電圧検出信号Voが得られる。
Next, the operation of the signal processing circuit will be described with reference to the timing chart of FIG.
The AC voltage output of operational amplifiers OP1 and OP2 is
va = -jωCaRvs (10)
vb = −jωCbRvs (11)
It is represented by va and vb are in a state where the phase is advanced by 90 ° with respect to vs.
The outputs of the operational amplifiers OP3 and OP4 in the next stage for these AC voltages are
vb−va = jω (Ca−Cb) Rvs (12)
va + vb = jω (Ca + Cb) Rvs (13)
It becomes. When the AC voltage signal of equation (12) is full-wave rectified by synchronous detection and smoothed by the LPF 18, a DC voltage detection signal Vo proportional to the target capacitance change amount is obtained.

また、同期キャリア信号vcとは非同期の信号成分は同期検波によって交流信号に変換され、LPF18により除去されることから、外来電波やノイズ、回路自身の直流オフセット電圧やその温度ドリフト成分の影響を受けることなく静電容量の変化量のみを検出することができる。
さらに(12)式の交流電圧は(13)式の交流電圧と同相であるので、(13)式の交流電圧から同期キャリア信号を作れば、駆動入力信号からキャリア信号vcを作るための回路が不用となり、回路の簡略化を実現できる。
In addition, since the signal component asynchronous with the synchronous carrier signal vc is converted into an AC signal by synchronous detection and removed by the LPF 18, it is affected by external radio waves, noise, the DC offset voltage of the circuit itself and its temperature drift component. Only the amount of change in capacitance can be detected without any problem.
Furthermore, since the alternating voltage of the expression (12) is in phase with the alternating voltage of the expression (13), if a synchronous carrier signal is generated from the alternating voltage of the expression (13), a circuit for generating the carrier signal vc from the drive input signal is obtained. It becomes unnecessary and simplification of the circuit can be realized.

図5A,図5Bは信号vcと検波入力信号が所定の位相関係の場合の同期検波出力波の例、図5B,図5Cは信号vcに対する検波入力信号が同期キャリア周波数よりも高い場合及び低い場合の例をそれぞれ示している。
図5Aは信号vcと検波入力信号が同位相の場合であり、本発明が採用する回路である。同期検波しLPF18を通過後の出力は
Vo=(2ω/π)(Ca−Cb)RVs ・・・(14)
となる。
図5Bは信号Vcと検波入力信号が90°位相が異なる場合であり、同期検波しLPF18を通過後の出力はVo=0となる。
図5Cは信号Vcに対し検波入力信号が低い周波数の場合であり、同期検波しLPF18を通過後の出力は上記同様Vo=0となる。
図5Dは信号Vcに対し検波入力信号が高い周波数の場合であり、同期検波しLPF18を通過後の出力は上記同様Vo=0となる。
図5C,図5Dの結果から、同期キャリア周波数と異なる周波数成分のノイズは同期検波により影響がなくなることがわかる。
5A and 5B are examples of the synchronous detection output wave when the signal vc and the detection input signal have a predetermined phase relationship, and FIGS. 5B and 5C are the cases where the detection input signal for the signal vc is higher and lower than the synchronous carrier frequency. Each example is shown.
FIG. 5A shows a case where the signal vc and the detection input signal have the same phase, and is a circuit employed by the present invention. The output after synchronous detection and passing through the LPF 18 is Vo = (2ω / π) (Ca−Cb) RVs (14)
It becomes.
FIG. 5B shows a case where the signal Vc and the detection input signal are 90 ° out of phase, and the output after synchronous detection and passing through the LPF 18 becomes Vo = 0.
FIG. 5C shows a case where the detection input signal has a lower frequency than the signal Vc, and the output after synchronous detection and passing through the LPF 18 becomes Vo = 0 as described above.
FIG. 5D shows a case where the detection input signal has a higher frequency than the signal Vc, and the output after synchronous detection and passing through the LPF 18 becomes Vo = 0 as described above.
From the results of FIGS. 5C and 5D, it can be seen that noise having a frequency component different from the synchronous carrier frequency has no effect due to synchronous detection.

また、(13)式の交流電圧自身も同期キャリア信号vcにより同期検波で全波整流し、LPF19により平滑化され、基準電圧Vrefと比較積分された直流電圧信号かAGC回路を有する正弦波発振器21に接続される。
このときの基準電圧Vrefと(13)式の関係は、
|va+vb|=(2ω/π)(Ca+Cb)RVs=Vref …(15)
となるから、結果として目的の静電容量の変化量に比例した直流電圧検出信号Voは、(15)式を(14)式に代入して求めることができる。
Vo={(Ca−Cb)Vref}/(Ca+Cb) …(16)
となる。従って、従来のダイオード検波に対し誤差要因のない、理想的な静電容量の変化量に比例した直流電圧を検出することができる。
Further, the AC voltage itself of the expression (13) is also full-wave rectified by synchronous detection by the synchronous carrier signal vc, smoothed by the LPF 19, and a sine wave oscillator 21 having an AGC circuit or a DC voltage signal that is integrated with the reference voltage Vref. Connected to.
The relationship between the reference voltage Vref and the equation (13) at this time is as follows:
| Va + vb | = (2ω / π) (Ca + Cb) RVs = Vref (15)
Therefore, as a result, the DC voltage detection signal Vo proportional to the target capacitance change amount can be obtained by substituting Equation (15) into Equation (14).
Vo = {(Ca−Cb) Vref} / (Ca + Cb) (16)
It becomes. Therefore, it is possible to detect a DC voltage proportional to an ideal amount of change in capacitance without causing an error with respect to conventional diode detection.

また、本発明の回路構成において、差動容量型トランスデューサのコンデンサの各端子は正弦波発振器の低インピーダンス出力端子またはC−V変換回路の仮想接地に接続されているため、寄生容量の影響を受けないようになっている。   Further, in the circuit configuration of the present invention, each terminal of the capacitor of the differential capacitance type transducer is connected to the low impedance output terminal of the sine wave oscillator or the virtual ground of the CV conversion circuit, so that it is affected by the parasitic capacitance. There is no such thing.

以上の動作は図1(a)に示すように電極2が電極1a、1bに対し、平行状態で移動する理想的な状態を前提としたものである。しかしながら、前述したように図2(a)に示すように少なからず電極2が傾きを持って移動することも考えられる。このときの静電容量の変化量は図2(b)に示すような曲線となる。すなわち共通電極の移動量x
に対する各静電容量Ca,Cbの容量変化が静電容量Caの理想値に対して1次の誤差εを持つものであり、このときの各静電容量は、(16)(17)式で表される。
Ca=Co(1+x)/(1+εx) …(16)
Cb=Co(1−x)/(1−εx) …(17)
そして(16)(17)式を(Ca−Cb)/(Ca+Cb)に代入すると、
x(1−ε)/(1−εx2 ) …(18)
となる。ここで、Coは原点位置のときの静電容量である。以上のことからεx2 ≪1として1/(1−εx2 )≒1+εx2 として(18)式を整理すると、
x(1−ε)(1+εx2 ) …(19)
となり、信号処理最終出力は移動量xに対し2次の誤差となることがわかる。
The above operation is based on an ideal state in which the electrode 2 moves in a parallel state with respect to the electrodes 1a and 1b as shown in FIG. However, as described above, as shown in FIG. 2A, it is conceivable that the electrode 2 moves with a certain inclination. The amount of change in capacitance at this time is a curve as shown in FIG. That is, the amount of movement of the common electrode x
The capacitance change of each of the capacitances Ca and Cb with respect to the equation has a first-order error ε with respect to the ideal value of the capacitance Ca, and each capacitance at this time is expressed by equations (16) and (17). expressed.
Ca = Co (1 + x) / (1 + εx) (16)
Cb = Co (1-x) / (1-εx) (17)
Substituting the equations (16) and (17) into (Ca−Cb) / (Ca + Cb),
x (1-ε) / (1-εx 2 ) (18)
It becomes. Here, Co is a capacitance at the origin position. Based on the above, when εx 2 << 1 and 1 / (1−εx 2 ) ≈1 + εx 2 , formula (18) is rearranged:
x (1-ε) (1 + εx 2 ) (19)
Thus, it can be seen that the final signal processing output is a second order error with respect to the movement amount x.

この誤差を補償するため、静電容量Caの各端子の一方が正弦波発振器の信号vsに接続され、もう一方が仮想接地となる演算増幅器OP1の反転入力端子に接続された演算増幅器OP1の帰還抵抗Rを可変し、すなわち一方の静電容量の感度を調整することでその演算増幅器OP1の出力vaと、演算増幅器OP2の出力vbは
va=jωCo(1+x)(R+r)vs/(1+εx) …(20)
vb=jωCo(1−x)Rvs/(1−εx) …(21)
r;出力vaを移動量xに対し1次の誤差とするための補償抵抗
と表され、(20)、(21)式を(va−vb)/(va+vb)に代入し、整理すると、
{2x(1−ε)R+(1+x)(1−εx)r}/{2(1−εx2 )R+ (1+x)(1−εx)r} ・・・(22)
となる。この式が理想値の変位量xと等しくなるような補償抵抗rは、(22)式=xとし、rについて解くと、
r=2εxR/(1−εx) ・・・(23)
となり、以上のことから補償抵抗rを(23)式のように調整することにより、1次の誤差成分を補償することが可能となる。
In order to compensate for this error, one of the terminals of the capacitance Ca is connected to the signal vs of the sine wave oscillator, and the other is fed back to the operational amplifier OP1 connected to the inverting input terminal of the operational amplifier OP1 serving as a virtual ground. By varying the resistance R, that is, adjusting the sensitivity of one capacitance, the output va of the operational amplifier OP1 and the output vb of the operational amplifier OP2 are: va = jωCo (1 + x) (R + r) vs / (1 + εx) (20)
vb = jωCo (1-x) Rvs / (1-εx) (21)
r: It is expressed as a compensation resistor for making the output va a first order error with respect to the movement amount x. Substituting the equations (20) and (21) into (va−vb) / (va + vb)
{2x (1-ε) R + (1 + x) (1-εx) r} / {2 (1-εx 2 ) R + (1 + x) (1-εx) r} (22)
It becomes. Compensation resistance r such that this equation becomes equal to the ideal amount of displacement x is expressed by equation (22) = x.
r = 2εxR / (1-εx) (23)
Thus, the first order error component can be compensated by adjusting the compensation resistor r as shown in equation (23).

さらに出力vaは同期検波の前段の交流領域で演算しているため、その2次の誤差を外部ノイズ,オフセット,温度ドリフトに影響することなく補償することができる。
図6(a)に理想値に対し1次の誤差を持つときの移動量xに対する出力Voの関係を示す。また、図6(b)に1次の誤差を補償する抵抗を接続したときの移動量xに対する出力Vo’の関係を示す。
補償抵抗を挿入したときのVo’曲線は、1次の誤差εを持つときのVo曲線に比較し理想値の直線に近い形になっていることが理解できる。
なお、静電容量Cbが理想値に対し1次の誤差εを持つときも同様であり、演算増幅器OP2の帰還抵抗Rの抵抗値(静電容量の感度)を変えることによって補償することが可能である。
Further, since the output va is calculated in the alternating current region before the synchronous detection, the secondary error can be compensated without affecting external noise, offset, and temperature drift.
FIG. 6A shows the relationship of the output Vo to the movement amount x when there is a first order error with respect to the ideal value. FIG. 6B shows the relationship of the output Vo ′ with respect to the movement amount x when a resistor for compensating the first order error is connected.
It can be understood that the Vo ′ curve when the compensation resistor is inserted is closer to the ideal value straight line than the Vo curve having the first order error ε.
The same applies when the capacitance Cb has a first-order error ε with respect to the ideal value, and compensation can be made by changing the resistance value (capacitance sensitivity) of the feedback resistor R of the operational amplifier OP2. It is.

モータの回転軸に取り付けられたミラーによってレーザ光を走査するスキャナーなどに応用させることができる。   The present invention can be applied to a scanner that scans laser light with a mirror attached to a rotating shaft of a motor.

静電容量型トランスデューサにおける分割電極の構成の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of a structure of the division | segmentation electrode in an electrostatic capacitance type transducer. 静電容量型トランスデューサにおける分割電極に発生する誤差を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the error which generate | occur | produces in the division | segmentation electrode in an electrostatic capacitance type transducer. 本発明による静電容量型トランスデューサの信号処理回路の実施の形態を示すブロック図である。It is a block diagram which shows embodiment of the signal processing circuit of the capacitive type transducer by this invention. 本発明による静電容量型トランスデューサの信号処理回路の動作を説明するためのタイミングチャートである。6 is a timing chart for explaining the operation of the signal processing circuit of the capacitive transducer according to the present invention. 信号vcと検波入力信号が同じ位相の場合の同期検波出力波の例を示す波形図である。It is a wave form diagram which shows the example of the synchronous detection output wave in case the signal vc and a detection input signal are the same phases. 信号vcと検波入力信号の位相が90°異なる場合の同期検波出力波の例を示す波形図である。It is a wave form diagram which shows the example of the synchronous detection output wave in case the phase of signal vc and a detection input signal differs 90 degrees. 検波入力信号の周波数が同期キャリア信号vcよりも低い場合の同期検波出力波の例を示す波形図である。It is a wave form diagram which shows the example of a synchronous detection output wave when the frequency of a detection input signal is lower than the synchronous carrier signal vc. 検波入力信号の周波数が同期キャリア信号vcよりも高い場合の同期検波出力波の例を示す波形図である。It is a wave form diagram which shows the example of a synchronous detection output wave when the frequency of a detection input signal is higher than the synchronous carrier signal vc. (a)は理想値に対し1次の誤差を持つときの移動量xに対する出力Voの関係を示す図、(b)は1次の誤差を補償する抵抗を接続したときの移動量xに対する出力Vo’の関係を示す図である。(A) is a diagram showing the relationship of the output Vo with respect to the movement amount x when there is a first order error with respect to the ideal value, and (b) is the output with respect to the movement amount x when a resistor for compensating the first order error is connected. It is a figure which shows the relationship of Vo '. 従来の静電容量型トランスデューサの信号処理回路の一例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows an example of the signal processing circuit of the conventional capacitive transducer.

符号の説明Explanation of symbols

1a,1b,2 電極
11,12 コンデンサ
13,14 C−V変換回路(容量・電圧変換回路)
15 減算回路
16 加算回路
17 同期検波回路
18,19 ローパスフィルタ(LPF)
20 帰還回路(積分器)
21 正弦波発振器
1a, 1b, 2 electrodes 11, 12 capacitors 13, 14 CV conversion circuit (capacitance / voltage conversion circuit)
15 Subtraction circuit 16 Addition circuit 17 Synchronous detection circuit 18, 19 Low-pass filter (LPF)
20 Feedback circuit (integrator)
21 Sine wave oscillator

Claims (2)

同一面上に配置された複数の第1の電極と、該第1の電極と空隙を介して対向する第2の電極とで構成され、前記第1の複数の電極と前記第2の電極を共有する2つの容量CaとCbを有し、前記第2の電極の回転又は移動に応じて一方の容量が増加すると他方が減少するように配置、接続された差動容量型トランスデューサにおいて、
高周波の正弦波を前記第2の電極に供給するための正弦波発振回路と、
入力端子に前記複数の第1の電極の端子を接続して2つの容量を流れる高周波電流を電圧に変換するための複数の容量・電圧変換回路と、
前記複数の容量・電圧変換回路の交流電圧出力を減算する減算回路と、
前記複数の容量・電圧変換回路の交流電圧出力を加算する加算回路と、
前記減算回路および加算回路の交流電圧出力を同期検波し、(Ca−Cb)と(Ca+Cb)に比例した直流出力電圧を得る同期検波回路と、
前記同期検波回路の出力の一部を入力し、所定の基準電圧を参照することにより前記加算回路出力が常に一定の直流電位になるように前記正弦波発振回路を制御する帰還回路とを備え、
前記同期検波回路は、
前記加算回路の交流電圧出力から同期キャリア信号を得る波形整形回路と、
前記波形整形回路出力により前記減算回路の交流電圧出力を同期検波する第1同期検波部と、
前記波形整形回路出力により前記加算回路の交流電圧出力を同期検波する第2同期検波部と、
から構成されたことを特徴とする差動容量型トランスデューサの信号処理回路。
A plurality of first electrodes arranged on the same plane and a second electrode facing the first electrode with a gap therebetween, wherein the first plurality of electrodes and the second electrode are In the differential capacitance type transducer having two capacitors Ca and Cb to be shared and arranged and connected so that when one capacitor increases in accordance with the rotation or movement of the second electrode, the other decreases,
A sine wave oscillation circuit for supplying a high-frequency sine wave to the second electrode;
A plurality of capacitance / voltage conversion circuits for connecting a terminal of the plurality of first electrodes to an input terminal and converting a high-frequency current flowing through two capacitors into a voltage;
A subtraction circuit for subtracting the AC voltage output of the plurality of capacitance / voltage conversion circuits;
An adding circuit for adding the AC voltage outputs of the plurality of capacitance / voltage conversion circuits;
A synchronous detection circuit that synchronously detects the AC voltage output of the subtraction circuit and the addition circuit, and obtains a DC output voltage proportional to (Ca−Cb) and (Ca + Cb);
A feedback circuit for controlling the sine wave oscillation circuit to input a part of the output of the synchronous detection circuit and refer to a predetermined reference voltage so that the output of the addition circuit is always a constant DC potential;
The synchronous detection circuit is
A waveform shaping circuit for obtaining a synchronous carrier signal from the AC voltage output of the adding circuit;
A first synchronous detector for synchronously detecting the AC voltage output of the subtracting circuit by the waveform shaping circuit output;
A second synchronous detector for synchronously detecting the AC voltage output of the adder circuit from the waveform shaping circuit output;
A signal processing circuit of a differential capacitance type transducer characterized by comprising:
前記第2の電極の回転又は移動に対し前記2つの静電容量の変化が理想値に対し1次の誤差を持つ容量変化となるような差動容量型トランスデューサに対して、
前記容量・電圧変換回路は、前記静電容量の感度を変えるように一部の回路定数を調整することにより前記1次の誤差を補正できる機能を有することを特徴とする請求項1記載の差動容量型トランスデューサの信号処理回路。
For a differential capacitive transducer in which the change in the two capacitances with respect to the rotation or movement of the second electrode results in a capacitance change having a first order error with respect to the ideal value,
2. The difference according to claim 1, wherein the capacitance / voltage conversion circuit has a function of correcting the first order error by adjusting a part of circuit constants so as to change sensitivity of the capacitance. Signal processing circuit for dynamic capacitive transducer.
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