特許 7368728 物理量測定装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-10-17

(45)【発行日】2023-10-25

(54)【発明の名称】物理量測定装置

(51)【国際特許分類】

   G01D 3/02 20060101AFI20231018BHJP

   G01D 5/20 20060101ALI20231018BHJP

【ＦＩ】

G01D3/02 L

G01D5/20 K

G01D5/20 110F

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2020010916

(22)【出願日】2020-01-27

(65)【公開番号】P2021117116

(43)【公開日】2021-08-10

【審査請求日】2022-12-26

(73)【特許権者】

【識別番号】000151494

【氏名又は名称】株式会社東京精密

(74)【代理人】

【識別番号】100083116

【弁理士】

【氏名又は名称】松浦 憲三

(74)【代理人】

【識別番号】100170069

【弁理士】

【氏名又は名称】大原 一樹

(74)【代理人】

【識別番号】100128635

【弁理士】

【氏名又は名称】松村 潔

(74)【代理人】

【識別番号】100140992

【弁理士】

【氏名又は名称】松浦 憲政

(72)【発明者】

【氏名】高久 正和

【審査官】平野 真樹

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１７－１３３９８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－３４５３０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５７－１９７６９７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｄ ３／００－３／１０

Ｇ０１Ｄ ５／００－５／２５２，５／３９－５／６２

Ｇ０１Ｂ ７／００－７／３４

Ｇ０１Ｒ ３３／００－３３／２６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１振幅の交流信号を発生する交流信号源と、
前記交流信号源から発生される交流信号を入力し、測定対象物に対する物理量に応じた検出信号を出力するセンサ部と、
前記交流信号を入力し、ゼロ点設定用の第１ゲインにより前記交流信号を増幅し、かつゼロ点設定用の位相ずれを付与する補償部と、
前記センサ部の検出信号から前記補償部の出力信号を減算する第１減算部と、
第１整流回路及び第１増幅器を含む第１信号処理部であって、前記第１減算部から出力される差信号に対して整流及び第２ゲインによる増幅を行う第１信号処理部と、
前記補償部から出力される出力信号を整流する第２整流回路と、
前記第１振幅と前記第１ゲインとの積に比例した第１直流定電圧信号を発生する直流定電圧発生部と、
前記第２整流回路の出力信号から前記第１直流定電圧信号を減算する第２減算部と、
前記第２減算部から出力される差信号を第２ゲインで増幅する第２増幅器と、
前記第１増幅器の出力信号と前記第２増幅器の出力信号とを加算する加算部と、
を備えた物理量測定装置。

【請求項2】

前記第１信号処理部は、前記差信号を前記第１整流回路により整流し、前記整流した整流信号を前記第１増幅器により第２ゲインで増幅し、又は前記差信号を前記第１増幅器により第２ゲインで増幅し、前記増幅した信号を前記第１整流回路により整流する、
請求項１に記載の物理量測定装置。

【請求項3】

前記センサ部の出力信号は、前記交流信号と同じ周波数を有し、前記測定対象物に対する物理量に応じて振幅が変化し、かつ位相が変化する信号である、
請求項１又は２に記載の物理量測定装置。

【請求項4】

前記ゼロ点設定用の第１ゲインは、前記交流信号の第１振幅と前記測定対象物の物理量が予め設定した物理量の場合に前記センサ部から出力される検出信号の振幅との比であり、
前記ゼロ点設定用の位相ずれは、前記測定対象物の物理量が予め設定した物理量の場合に前記センサ部から出力される検出信号と前記交流信号との位相ずれである、
請求項３に記載の物理量測定装置。

【請求項5】

前記補償部は、前記第１ゲイン及び前記位相ずれに応じて選択された抵抗及びコンデンサを含む請求項４に記載の物理量測定装置。

【請求項6】

前記交流信号源は、
前記交流信号の周波数を有する基準信号を発生する発振器と、
前記基準信号を増幅し、前記交流信号を生成する可変増幅器と、
前記可変増幅器から出力される前記交流信号を整流し、前記交流信号の振幅を示す直流電圧信号を出力する第３整流回路と、
前記第１振幅に対応する第２直流定電圧信号を出力する直流定電圧源と、
前記第２直流定電圧信号と前記直流電圧信号との差電圧に基づいて前記差電圧をゼロにするように前記可変増幅器のゲインを調整するゲイン調整部と、
を備えた請求項１から５のいずれか１項に記載の物理量測定装置。

【請求項7】

前記直流定電圧発生部は、前記直流定電圧源から前記第２直流定電圧信号を入力し、前記第２直流定電圧信号を前記第１ゲインに比例した前記第１直流定電圧信号を発生する、
請求項６に記載の物理量測定装置。

【請求項8】

前記センサ部は、前記交流信号源から発生される交流信号が印加される検出コイルを有し、シングルエンド動作による前記検出信号を出力するセンサである、
請求項１から７のいずれか１項に記載の物理量測定装置。

【請求項9】

前記センサ部は、前記交流信号源から発生される交流信号が印加される一次コイルと、２つの二次コイルと、測定対象物に接触して移動する測定子に連結された磁気コアとを有し、前記測定子の変位に対応する前記検出信号を出力する差動トランス式の変位センサである、
請求項１から７のいずれか１項に記載の物理量測定装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は物理量測定装置に係り、特に測定対象物との距離、変位、圧力等の測定対象物に対する物理量を測定する際に、任意に設定した測定点付近における分解能を向上させる技術に関する。

【背景技術】

【0002】

一般に、交流信号により励磁されるコイルを有するセンサでは、測定範囲全域に渡って測定値の分解能を向上させることは困難である。

【0003】

例えば、特許文献１に記載のＬＶＤＴ(Linear Variable Differential Transformer)センサは、交流信号により励磁される一次コイルと、２つの二次コイルを有する差動トランス式による変位センサである。

【0004】

このＬＶＤＴセンサの回路には増幅器が導入され、増幅器の倍率（ゲイン）を調整することで、後段のＡ／Ｄ（Analog to Digital）コンバータの分解能を最大限に利用している。即ち、増幅器のゲインは、センサ出力の最大値が、Ａ／Ｄコンバータの最大入力範囲に入るように調整される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２００４－１５６４５９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

特許文献１に記載の発明は、ＬＶＤＴセンサの機械的基準点であるゼロ点（入力交流信号レベルが０Ｖの測定点）付近の「分解能」を向上させることが可能であるが、任意の測定点付近における「分解能」を向上させることができないという問題がある。

【0007】

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、任意に設定した測定点付近における分解能を向上させることができる物理量測定装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記目的を達成するために、本発明の第１態様に係る物理量測定装置は、第１振幅の交流信号を発生する交流信号源と、交流信号源から発生される交流信号を入力し、測定対象物に対する物理量に応じた検出信号を出力するセンサ部と、交流信号を入力し、ゼロ点設定用の第１ゲインにより交流信号を増幅し、かつゼロ点設定用の位相ずれを付与する補償部と、センサ部の検出信号から補償部の出力信号を減算する第１減算部と、第１整流回路及び第１増幅器を含む第１信号処理部であって、第１減算部から出力される差信号に対して整流及び第２ゲインによる増幅を行う第１信号処理部と、補償部から出力される出力信号を整流する第２整流回路と、第１振幅と前記第１ゲインとの積に比例した第１直流定電圧信号を発生する直流定電圧発生部と、第２整流回路の出力信号から第１直流定電圧信号を減算する第２減算部と、第２減算部から出力される減算信号を第２ゲインで増幅する第２増幅器と、第１増幅器の出力信号と前記第２増幅器の出力信号とを加算する加算部と、を備える。

【0009】

本発明の第１態様によれば、センサ部の検出信号から、ゼロ点設定用の第１ゲインにより交流信号を増幅し、かつゼロ点設定用の位相ずれを付与する補償部の出力信号を減算する。これにより、センサ部から分解能を向上させたい任意の測定点（以下、「仮想ゼロ点」と称す）の検出信号が出力される場合、その検出信号から補償部の出力信号が減算された差信号は、ほぼ０レベルの信号になる。

【0010】

差信号は、その後、第１信号処理部により第２ゲインで増幅されるが、「仮想ゼロ点」ではほぼ０レベルの信号になるため、第２ゲインを大きくすることが可能であり、「仮想ゼロ点」付近の分解能を向上させることができる。また、温度等の影響により交流信号の増幅が変動する場合、センサ部の検出信号はそれに比例して変化するが、交流信号の振幅が変化しても「仮想ゼロ点」における差信号は常にゼロであり、「仮想ゼロ点」付近の測定精度の低減を抑制することができる。

【0011】

一方、第１信号処理部の出力信号に対して、補償部から出力される出力信号を第２整流回路で整流した後、第２ゲインで増幅する第２増幅器の出力信号を加算することで、「仮想ゼロ点」におけるセンサ部の出力信号に対して、補償部の出力信号の振幅、位相がずれていても、その影響がキャンセルされ、「仮想ゼロ点」付近の測定精度及び分解能には影響しないようにすることができる。

【0012】

また、第２増幅器から出力される出力信号は、直流定電圧発生部からの第１直流定電圧信号（交流信号の第１振幅を示す電圧信号と第１ゲインとの積に比例した第１直流定電圧信号）を第２ゲインで増幅した電圧信号が減算されているため、測定点が「仮想ゼロ点」の場合にゼロになり、これにより「ゼロ点」の設定が可能になる。

【0013】

本発明の第２態様に係る物理量測定装置は、第１態様において、第１信号処理部は、差信号を第１整流回路により整流し、整流した整流信号を第１増幅器により第２ゲインで増幅し、又は差信号を第１増幅器により第２ゲインで増幅し、増幅した信号を第１整流回路により整流することが好ましい。

【0014】

第１信号処理部は、減算部から出力される差信号を整流してから第２ゲインにより増幅してもよいし、減算部から出力される差信号を第２ゲインにより増幅してから整流してもよいが、前者の方が好ましい。第１増幅器に入力する信号をより小さくすることができるからである。

【0015】

本発明の第３態様に係る物理量測定装置は、第１態様又は第２態様において、センサ部の出力信号は、交流信号と同じ周波数を有し、測定対象物に対する物理量に応じて振幅が変化し、かつ位相が変化する信号である。

【0016】

本発明の第４態様に係る物理量測定装置は、第３態様において、ゼロ点設定用の第１ゲインは、交流信号の第１振幅と測定対象物の物理量が予め設定した物理量の場合にセンサ部から出力される検出信号の振幅との比であり、ゼロ点設定用の位相ずれは、測定対象物の物理量が予め設定した物理量の場合にセンサ部から出力される検出信号と交流信号との位相ずれであることが好ましい。

【0017】

本発明の第５態様に係る物理量測定装置は、第４態様において、補償部は、第１ゲイン及び位相ずれに応じて選択された抵抗及びコンデンサを含むことが好ましい。第１ゲイン及び位相ずれに応じて抵抗及びコンデンサを選択することで、「仮想ゼロ点」を設定することができる。

【0018】

本発明の第６態様に係る物理量測定装置は、第１態様から第５態様のいずれかにおいて、交流信号源は、交流信号の周波数を有する基準信号を発生する発振器と、基準信号を増幅し、交流信号を生成する可変増幅器と、可変増幅器から出力される交流信号を整流し、交流信号の振幅を示す直流電圧信号を出力する第３整流回路と、第１振幅に対応する第２直流定電圧信号を出力する直流定電圧源と、第２直流定電圧信号と直流電圧信号との差電圧に基づいて差電圧をゼロにするように可変増幅器のゲインを調整するゲイン調整部と、を備えることが好ましい。これにより、発振部から発振される交流信号の振幅を安定させることができ、交流信号の振幅の変動により、センサ出力がそれに比例して変動する不具合を防止することができる。

【0019】

本発明の第７態様に係る物理量測定装置は、第６態様において、直流定電圧発生部は、直流定電圧源から第２直流定電圧信号を入力し、第２直流定電圧信号を第１ゲインに比例した第１直流定電圧信号を発生することが好ましい。直流定電圧発生部は、交流信号の振幅を制御するための第２直流定電圧信号を増幅して、第１直流定電圧信号を発生させるため、交流信号の振幅と第１直流定電圧信号とを連動させることができ、更なる測定精度の向上（両信号の差異による誤差の低減）を図ることができる。

【0020】

本発明の第８態様に係る物理量測定装置は、第１態様から第７態様のいずれかにおいて、センサ部は、交流信号源から発生される交流信号が印加される検出コイルを有し、シングルエンド動作による検出信号を出力するセンサであることが好ましい。本発明は、特に検出信号自体にゼロ点を設定することできないシングルエンド動作するセンサ部に対して有効である。

【0021】

本発明の第９態様に係る物理量測定装置は、第１態様から第７態様のいずれかにおいて、センサ部は、交流信号源から発生される交流信号が印加される一次コイルと、２つの二次コイルと、測定対象物に接触して移動する測定子に連結された磁気コアとを有し、測定子の変位に対応する検出信号を出力する差動トランス式の変位センサであることが好ましい。差動トランス式の変位センサの場合、機械的基準点であるゼロ点で、センサ出力をゼロに調整することができるが、本発明は、機械的基準点であるゼロ点とは異なる任意の「仮想ゼロ点」の設定ができる。

【発明の効果】

【0022】

本発明によれば、任意に設定した測定点（仮想ゼロ点）付近における分解能を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0023】

【図1】図１は、本発明に係る物理量測定装置の実施形態を示す構成図である。

【図2】図２（Ａ）は、図１に示したセンサ部の一例を示す模式図であり、図２（Ｂ）は、渦電流センサと測定対象物との位置関係を示す図である。

【図3】図３は、測定対象物との距離に応じて変化する検出信号を示す波形図である。

【図4】図４は、図１に示した複素補償回路の一例を示す回路図である。

【図5】図５は、物理量測定装置の各部から出力される信号の概要を示す波形図である。

【図6】図６は、図１に示した発振部及び直流定電圧発生部の好ましい実施形態を示す構成図である。

【図7】図７は、図１に示したセンサ部の他の例を示す模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0024】

以下、添付図面に従って本発明に係る物理量測定装置の好ましい実施形態について説明する。

【0025】

［物理量測定装置の構成］
図１は、本発明に係る物理量測定装置の実施形態を示す構成図である。

【0026】

本実施形態の物理量測定装置１は、交流信号源１０、センサ部２０、補償部として機能する複素補償回路３０、第１減算部４０、第１信号処理部５０、第２信号処理部６０、及び加算部９０とから構成されている。

【0027】

交流信号源１０は、振幅（第１振幅）Ｖ_０の交流信号ａを発振し、それぞれセンサ部２０及び複素補償回路３０に出力する。

【0028】

センサ部２０は、交流信号源１０から交流信号ａを入力し、測定対象物に対する物理量に応じた検出信号ｂを出力する。

【0029】

＜センサ部の一例＞
図２（Ａ）は、図１に示したセンサ部２０の一例を示す模式図であり、図２（Ｂ）は、渦電流センサ２０－１と測定対象物２４との位置関係を示す図である。

【0030】

図２（Ａ）に示すセンサ部は、渦電流センサ２０－１であり、交流信号源１０から交流信号ａが印加される検出コイル２２を有している。検出コイル２２は、インピーダンス２２Ａと抵抗２２Ｂの直列回路と見なすことができる。尚、図２において、２２Ｃ、および２２Ｄは、交流信号源１０側から見た検出コイル２２の付加インピーダンスである。

【0031】

検出コイル２２には、交流信号源１０から振幅Ｖ_０の交流信号ａが、付加インピーダンス２２Ｃを通じて供給され、検出コイル２２からは交番磁界が発生する。この交番磁界内に金属材料からなる測定対象物２４があると、電磁誘導作用により測定対象物２４の表面に磁束の通過と垂直方向の渦電流が流れ、検出コイル２２のインピーダンス２２Ａが変化する。渦電流の大きさは、検出コイル２２と測定対象物２４との距離ｘに応じて変化する。

【0032】

この現象により渦電流センサ２０－１は、測定対象物２４との距離ｘに応じて振幅が変化する検出信号ｂを出力する。

【0033】

図３は、測定対象物２４との距離ｘに応じて変化する検出信号を示す波形図である。

【0034】

渦電流センサ２０－１から出力される検出信号は、図３に示すように測定対象物２４との距離ｘに応じて振幅が変化し、かつ位相ずれが発生する。

【0035】

渦電流センサ２０－１の検出感度を向上させる一例として、距離ｘが遠い程検出信号の振幅が大きくなる様に、２２Ｃ、２２Ｄを調整する方法が考えられる。この調整の場合においては、一般的には、距離ｘが遠い程、位相ずれ（位相進み）は大きくなる。

【0036】

なお、渦電流センサ２０－１の検出感度を向上させる手段は別な手段でも構わず、距離ｘと検出信号の振幅との関係や、位相ずれの生じ方が別な挙動を示す場合においても、本明細記載の技術は、当然ながら有効である。

【0037】

ここで、検出コイル２２に印加される交流信号ａと渦電流センサ２０－１の検出信号との複素的な比（以下、「センサゲイン」と称す）は、渦電流センサ２０－１と測定対象物２４との距離ｘにより決まる。尚、センサゲインの挙動のうち、距離ｘとは独立した挙動は、誤差要因とみなす。

【0038】

また、渦電流センサ２０－１は、渦電流センサ２０－１が出力する検出信号自体にゼロ点を設定することできないシングルエンド動作するセンサであり、交流信号ａに対して、複素インピーダンス的な応答をする。

【0039】

図１に戻って、複素補償回路３０は、交流信号源１０から交流信号ａを入力し、ゼロ点設定用の第１ゲインＰにより交流信号ａを増幅し、かつゼロ点設定用の位相ずれ（θ）を付与する（以下、入力された交流信号が実数倍され、かつその位相がずれた交流信号を出力することを『複素応答する』とも記述する）。

【0040】

即ち、複素補償回路３０は、分解能を向上させたい任意の測定点（仮想ゼロ点）におけるセンサゲインを、ゼロ点設定用の第１ゲイン（Ｐ）とし、仮想ゼロ点における交流信号ａに対する位相ずれを、ゼロ点設定用の位相ずれ（θ）とし、第１ゲイン（Ｐ）により交流信号ａを増幅し、増幅した交流信号ａに対して位相ずれ（θ）を付与する。

【0041】

これにより、複素補償回路３０は、その出力信号ｃ（図中のＶ_１)を、仮想ゼロ点におけるセンサ部２０の検出信号ｂと一致させる。

【0042】

図４は、図１に示した複素補償回路３０の一例を示す回路図である。

【0043】

図４に示すように、複素補償回路３０は、インピーダンス素子（抵抗、コンデンサおよびインダクタ）３１～３４と、増幅素子（オペアンプ）３５とより構成することができる。インピーダンス素子３１～３４は、第１ゲイン（Ｐ）及び位相ずれ（θ）に応じて適宜選択されたものが使用される。

【0044】

なお、インピーダンス素子３１～３４は、抵抗、コンデンサ、およびインダクタに限らず、複素補償回路３０が複素応答するのであれば、これ以外の素子を用いても構わない。また、増幅素子３５はオペアンプに限らず、複素補償回路３０が複素応答するのであれば、これ以外の素子を用いても構わない。また、複素補償回路３０の回路構成は、複素補償回路３０が複素応答するのであれば、図４に示す回路以外の構成であっても構わない。

【0045】

具体的には、信号ａ，ｃにおける複素電圧信号をそれぞれＶa、Ｖｃ、インピーダンス素子３１～３４の複素インピーダンスをそれぞれ、Ｚ31～Ｚ34とすると、この回路の複素増幅率Ｖｃ／Ｖａは、次式、
［数１］
Ｖｃ／Ｖａ＝｛Ｚ32・（Ｚ33＋Ｚ34）｝／｛（Ｚ31＋Ｚ32）・Ｚ33｝
となる。この右辺の絶対値がＰに、偏角がθになるようにインピーダンス素子３１～３４を選べばよい。

【0046】

なお、複素電圧信号とは、交流信号源１０と同じ周波数をもつ交流信号の電圧状態を１つの複素数値で表すものであり、その複素数値の絶対値は電圧信号の振幅と一致し、その複素数値の偏角は交流信号源１０の信号からの進み位相であらわされる量である。

【0047】

また、各インピーダンス素子の複素インピーダンスは、交流信号源１０と同じ周波数の電流を流した場合の複素インピーダンス値であることを前提とする。

【0048】

ここで、複素補償回路３０から出力される出力信号ｃは、仮想ゼロ点におけるセンサ部２０の検出信号ｂと完全に一致させる場合に限らず、若干ずれていてもよい。

【0049】

一般的に流通している安価な抵抗、コンデンサの定数は離散的であり、許容差も大きいため、厳密に入出力信号の位相差を作ることは困難である。

【0050】

また、入力信号に対して、出力信号の位相を常に一定に保つのは、下記の理由で容易ではない。

【0051】

(1) 一般的に流通している安価な抵抗、コンデンサは、周囲温度変化等によりその定数が変化してしまう。

【0052】

(2) 交流信号ａの周波数が変化しても、入出力信号の振幅、位相の関係が変化してしまう。

【0053】

(3) 増幅素子や増幅回路の回路構成の性能（温度特性、直線性など）によっても、複素増幅率が変化してしまう。

【0054】

しかしながら、複素補償回路３０から出力される出力信号ｃは、後述するように仮想ゼロ点におけるセンサ部２０の検出信号ｂと完全に一致させなくてもよいため、複素補償回路３０は、一般的に流通している安価な抵抗、コンデンサを適宜選択して構成することができし、回路３０の様に簡易な回路構成を用いることができる。
る。

【0055】

図１に戻って、第１減算部４０には、センサ部２０から検出信号ｂが加えられ、複素補償回路３０から出力信号ｃが加えられており、第１減算部４０は、検出信号ｂから出力信号ｃを減算し、その差信号ｄを第１信号処理部５０に出力する。

【0056】

尚、センサ部２０から仮想ゼロ点における検出信号ｂが出力される場合、差信号ｄ（図中のＶ_２）はゼロになる。複素補償回路３０から出力される出力信号ｃ（図中のＶ_１）は、仮想ゼロ点における検出信号ｂと一致するように生成されたものだからである。また、本例では、加減算等により信号レベルがゼロになるとは、ほぼゼロになる場合を含むものとする。

【0057】

第１信号処理部５０は、第１整流回路５２と第１増幅器５４により構成されている。

【0058】

第１整流回路５２は、第１減算部４０から出力される差信号ｄを整流する。第１整流回路５２は、線形応答する回路であることが好ましく、例えば、入力信号の極性（ゼロクロス点）によりスイッチング動作する同期整流回路が好ましい。差信号ｄは、「仮想ゼロ点」ではほぼ０レベルの信号になるため、「仮想ゼロ点」では整流信号ｅもほぼ０レベルの信号になる。

【0059】

第１増幅器５４は、第１整流回路５２から出力される整流信号ｅを第１増幅器５４の第２ゲイン（Ａ）により増幅する。整流信号ｅは、「仮想ゼロ点」ではほぼ０レベルの信号になるため、第２ゲイン（Ａ）を大きくすることができ、「仮想ゼロ点」付近の分解能を向上させることができる。

【0060】

第２信号処理部６０は、第２整流回路６２、直流定電圧発生部６４、第２減算部６６、及び第２増幅器６８から構成されている。

【0061】

第２整流回路６２は第１整流回路５２と、第２増幅器６８は第１増幅器５４と同じ構成の回路である。

【0062】

第２整流回路６２は、複素補償回路３０から出力される信号ｃを整流する。信号ｃのレベルは複素補償回路３０の構成により決まるが、回路３０に使用するインピーダンス素子や増幅素子、およびその回路構成の性能により厳密には理想値からの若干のずれが生じ、また若干の変動が生じる。

【0063】

直流定電圧発生部６４は、複素補償回路３０が理想的な信号出力をしたと仮定した場合の第１直流定電圧信号ｈを出力する様に構成する。なお、ここでいう「理想的な信号出力をしたと仮定した場合の定電圧信号」には、「理想的な信号出力をしたと仮定した場合の定電圧信号」とほぼ同じ定電圧信号も含むものとする。

【0064】

以上から、整流信号ｇは、直流定電圧発生部６４から出力される第１直流定電圧信号ｈから若干ずれた信号となる。

【0065】

第２減算部６６の正入力には整流信号ｇが、負入力には第１直流定電圧ｈが入力される。すなわち、第２減算部６６の出力には、整流信号ｇから第１直流定電圧ｈを減じた差信号が出力される。

【0066】

前述のとおり、整流信号ｇは第１直流定電圧ｈから若干ずれた信号であるから、差信号ｈはほぼ０レベルの信号となる。

【0067】

第２増幅器６８は、第２減算部６６から出力される差信号ｉを第２ゲイン（Ａ）により増幅する。差信号ｉはほぼ０レベルの信号であるため、第２ゲイン（Ａ）を大きくすることができる。すなわち、第２信号処理部６０のゲインは第１信号処理部５０のゲインと共通のゲインとすることができる。

【0068】

第１信号処理部５０の結果ｆ、および第２信号処理部６０の結果ｊは、それぞれ加算部９０に入力される。すなわち、加算部の出力には、結果ｆと結果ｈとが加わった信号が信号ｋとして出力される。

【0069】

尚、本例の第１信号処理部５０は、入力する差信号ｄを第１整流回路５２により整流し、整流した整流信号ｅを第１増幅器５４により第２ゲイン（Ａ）で増幅するが、入力する差信号ｄを第１増幅器５４により第２ゲイン（Ａ）で増幅し、増幅した信号を第１整流回路５２により整流してもよい。

【0070】

また、直流定電圧発生部６４は、振幅Ｖ_０を示す電圧信号、第１ゲイン（Ｐ）を使用して第１直流定電圧信号ｈを発生させることができるが、これに限らず、複素補償回路３０が理想的な信号出力をしたと仮定した場合の出力信号を発生させるものであればよい。また、本例では、第１整流回路５２及び第２整流回路６２では、簡単のため入力信号の振幅と出力信号の直流電圧が等しくなることを前提に説明しているが、当然ながら、適切に各回路（直流定電圧発生部６４）の感度を設定することにより、入力信号の振幅と出力信号の直流電圧とを等しくする必要はない。

【0071】

複素補償回路３０の出力信号ｃ（図中のＶ_１）を、整流すると、直流定電圧発生部６４と同じ電圧信号になるため、第２減算部６６から出力される差信号i、及びこれをＡ倍した信号ｊ（図中のＶ_３）は、ゼロになる。但し、実際のＶ_３は、ゼロに保持されず、ゼロ近傍の値になる。例えば、複素補償回路３０から出力される出力信号ｃの振幅（Ｖ_０×Ｐ）は、周囲温度の変化等に変動し得るが、この場合、その変動に相当する信号ｊが出力されることになる。

【0072】

加算部９０は、第１信号処理部５０から出力される出力信号ｆと第２信号処理部６０から出力される出力信号ｊとを加算し、その加算結果を物理量測定装置１による測定信号ｋとして出力する。

【0073】

いま、複素補償回路３０から出力される出力信号ｃに着目すると、この出力信号ｃは、一方の系統では、反転されて第１信号処理部５０により整流、増幅され、他方の系統では、そのまま第２信号処理部６０により整流、増幅された後、第１信号処理部５０の出力信号と第２信号処理部６０の出力信号とは結果的に加算されることになる。したがって、加算部９０から出力される測定信号ｋには、出力信号ｃの影響はキャンセルされている。

【0074】

これにより、前述したように複素補償回路３０から出力される出力信号ｃは、仮想ゼロ点におけるセンサ部２０の検出信号ｂと完全に一致していなくてもよい。

【0075】

また、直流定電圧発生部６４から出力される第１直流定電圧信号ｈは、仮想ゼロ点における測定信号ｋがゼロになるように作用する。

【0076】

以上から、物理量測定装置１のいずれの回路ポイントにおいても、第１増幅器５４の第２ゲイン（Ａ）を、従来の設定可能な最大ゲインよりも大きくしても、ダイナミックレンジ（アナログ信号の変動可能範囲）を超えることを避けることができ、また、第１増幅器５４の第２ゲイン（Ａ）を大きくすることで、仮想ゼロ点付近の分解能を向上させることができる。

【0077】

図５は、物理量測定装置１の各部から出力される信号の概要を示す波形図である。

【0078】

尚、図５において、図５（Ａ）～図５（Ｋ）は、それぞれ図１中の信号ａ～ｋを示し、実線は、測定対象物２４が仮想ゼロ点の距離にある場合を示し、点線は、測定対象物２４が仮想ゼロ点の距離よりも遠い距離に位置する場合に関して示している。

【0079】

まず、仮想ゼロ点の場合の各部の信号の波形について説明する。

【0080】

図５（Ａ）は、交流信号源１０から発生される励磁用の交流信号ａを示す波形図である。

【0081】

図５（Ｂ）の実線は、測定対象物２４が仮想ゼロ点の距離にある場合のセンサ部２０の検出信号ｂを示す。この場合、センサ部２０の検出信号ｂは、交流信号ａと比較して振幅が小さくなり、かつ位相がずれている。

【0082】

図５（Ｃ）は、複素補償回路３０から出力される出力信号ｃを示す波形図である。複素補償回路３０の出力信号ｃは、交流信号ａに対するゲイン及び位相が調整されることで、図５（Ｂ）の実線の検出信号ｂと一致している。

【0083】

図５（Ｄ）は、第１減算部４０から出力される差信号ｄを示す波形図である。図５（Ｄ）の実線で示す差信号ｄは、仮想ゼロ点における検出信号ｂと出力信号ｃとの差信号であるため、ゼロになっている。

【0084】

図５（Ｅ）及び（Ｆ）は、それぞれ差信号ｄを整流した第１整流回路５２の出力信号ｅ、及びこれを増幅した第１増幅器５４の出力信号ｆを示す波形図である。図５（Ｅ）及び（Ｆ）の実線で示すように、ゼロの差信号ｄを整流した第１整流回路５２の出力信号ｅ、及びこれを増幅した第１増幅器５４の出力信号ｆは、それぞれゼロである。

【0085】

図５（Ｇ）は、図５（Ｃ）に示した信号ｃを整流した第２整流回路６２の出力信号ｇを示す波形図である。

【0086】

図５（Ｈ）は、直流定電圧発生部６４から発生される第１直流定電圧信号ｈを示す波形図である。この第１直流定電圧信号ｈは、図５（Ｇ）に示した第２整流回路６２の出力信号ｇと一致している。

【0087】

図５（Ｉ）は、第２減算部６６から出力される差信号ｉを示す波形図である。第２減算部６６は、複素補償回路３０の出力信号（振幅Ｖ_０を第１ゲイン（Ｐ）でＰ倍した信号）を整流した信号から、第１直流定電圧信号ｈを減算するため、その差信号ｉはゼロである。

【0088】

図５（Ｊ）は、図５（Ｉ）に示した信号ｉを第２ゲイン（Ａ）で増幅した第２増幅器６８の出力信号ｊを示す波形図である。ゼロである差信号ｉを増幅した信号であるから出力信号jはゼロである。

【0089】

図５（Ｋ）は、加算部９０から出力される測定信号ｋを示す波形図である。仮想ゼロ点の場合、加算部９０から出力される測定信号ｋは、図５（Ｆ）の実線で示す第１信号処理部５０の出力信号ｆがゼロであり、かつ図５（Ｊ）に示す第２信号処理部６０の出力信号ｊもゼロであるため、これらの加算結果を示す測定信号ｋもゼロである。

【0090】

即ち、測定対象物２４が仮想ゼロ点の距離にある場合、測定信号ｋの信号レベルはゼロになる。

【0091】

次に、測定対象物２４が仮想ゼロ点の距離よりも遠い距離に位置する場合について説明する。

【0092】

センサ部２０が、図２に示した渦電流センサ２０－１の場合、渦電流センサ２０－１から出力される検出信号ｂは、測定対象物２４との距離ｘに応じて振幅が変化し、かつ位相ずれが発生する。測定対象物２４が仮想ゼロ点の距離よりも遠い距離に位置する場合、図５（Ｂ）の点線で示す検出信号ｂの振幅は、実線で示す仮想ゼロ点の距離の場合の振幅よりも大きくなり、かつ位相が進む。

【0093】

この検出信号ｂの変動に応じて第１減算部４０から出力される差信号ｄが変動し、差信号ｄは、図５（Ｄ）の点線で示すようになる。

【0094】

図５（Ｄ）の点線で示した差信号ｄが整流された信号ｅ、及び第２ゲイン（Ａ）で増幅された信号ｆは、それぞれ図５（Ｅ）及び（Ｆ）の点線で示すようになる。

【0095】

図５（Ｋ）の点線で示す測定信号ｋは、図５（Ｆ）の点線で示す第１信号処理部５０の出力信号ｆと図５（Ｊ）に示す第２信号処理部６０の出力信号ｊとを加算した信号であるが、信号ｊはゼロであるため、測定信号ｋは、図５（Ｆ）の点線で示す第１整流回路５２の出力信号ｆと同等の信号になる。

【0096】

即ち、測定信号ｋは、測定対象物２４が仮想ゼロ点の距離から異なる距離に変動すると、その変動分に相当する検出信号ｂの変化量が、第１整流回路５２により整流され、第１増幅器５４によりＡ倍された測定信号ｋとして出力される。特に第１増幅器５４には、検出信号ｂの仮想ゼロ点からの変動分を整流した信号eが入力するため、第１増幅器５４での第２ゲイン（Ａ）を大きくすることができ、これにより仮想ゼロ点付近の距離を測定する場合の測定信号ｋの分解能を向上させることができる。

【0097】

＜交流信号源及び直流定電圧発生部の実施形態＞
図６は、図１に示した交流信号源１０及び直流定電圧発生部６４の好ましい実施形態を示す構成図である。

【0098】

図６に示す交流信号源１０は、発振器１１、可変増幅器１２、第３整流回路１４、直流定電圧源１５、減算部１６、及びオペアンプ１７から構成され、直流定電圧発生部６４は、直流定電圧源１５及び増幅器１８から構成されている。

【0099】

発振器１１は、交流信号の周波数を有する基準信号を発振し、オペアンプで構成される可変増幅器１２の負入力に出力する。可変増幅器１２は、基準信号を増幅して交流信号として出力するが、その負帰還回路にアナログフォトカプラ１２Ａが設けられている。アナログフォトカプラ１２Ａに流れる電流の大きさに応じて負帰還回路の抵抗が変化するため、可変増幅器１２は、アナログフォトカプラ１２Ａに流れる電流の大きさに応じて、基準信号を増幅するゲインが変化し、可変増幅器として機能する。

【0100】

具体的には、アナログフォトカプラ１２Ａに流れる電流が大きくなると、負帰還回路の抵抗が小さくなり、可変増幅器１２のゲインも小さくなり、逆にアナログフォトカプラ１２Ａに流れる電流が小さくなると、負帰還回路の抵抗が大きくなり、可変増幅器１２のゲインも大きくなる。

【0101】

第３整流回路１４には、可変増幅器１２から出力される交流信号が加えられており、第３整流回路１４は、入力する交流信号を整流し、整流した直流電圧信号を減算部１６の負入力に出力する。本例の第３整流回路１４は、入力する交流信号の振幅を示す直流電圧信号を出力するものとする。

【0102】

減算部１６の正入力には、直流定電圧源１５から電圧Ｖ_０の直流定電圧信号（第２直流定電圧信号）が加えられている。電圧Ｖ_０の第２直流定電圧信号は、可変増幅器１２を介して発生させる交流信号の所望の振幅Ｖ_０（第１振幅）に対応して設定された、基準の電圧信号である。

【0103】

減算部１６は、第２直流定電圧信号から第３整流回路１４の出力信号（直流電圧信号）を減算する。減算された差電圧信号は、オペアンプ１７の入力抵抗を介して負入力に加えられる。オペアンプ１７は、入力する差電圧信号を反転増幅してアナログフォトカプラ１２Ａに出力する。尚、オペアンプ１７の負帰還にはコンデンサが配置されており、オペアンプ１７は積分回路（積分値×－１）として振る舞うため、Ｖ4に負の電圧が入力された場合には、オペアンプ１７の出力は増大を続け、Ｖ4に正の電圧が入力された場合には、オペアンプ17の出力は減少を続ける。

【0104】

アナログフォトカプラ１２Ａに流れる電流は、オペアンプ１７の出力電圧が低くなると小さくなり、可変増幅器１２のゲインは大きくなり、オペアンプ１７の出力電圧が高くなると大きくなり、可変増幅器１２のゲインは小さくなる。

【0105】

したがって、減算部１６及びオペアンプ１７は、可変増幅器１２のゲインを調整するゲイン調整部として機能し、第３整流回路１４、減算部１６及びオペアンプ１７により構成される回路は、減算部１６からの出力（Ｖ_４）が常にゼロとなるように可変増幅器１２のゲインを調整するフィードバック回路として機能する。その結果、可変増幅器１２から出力される交流信号の振幅は、直流定電圧源１５の第２直流定電圧信号の電圧Ｖ_０に維持される。

【0106】

図６に示す交流信号源１０によれば、周囲温度等により発振器１１から出力される基準信号の振幅が変動しても、振幅Ｖ_０の交流信号を安定して出力することができる。

【0107】

また、直流定電圧発生部６４を構成する増幅器１８の増幅率Ｂは、複素補償回路３０が理想的な信号出力をしたと仮定した場合の出力信号と同じ（もしくはほぼ同じ）信号を増幅器１８が出力するように決める。具体的には、下記の様な値となるように増幅率Ｂを決める。

【0108】

Ｂ＝Ｐ×Ａ×cosθ
図６に示す交流信号源１０及び直流定電圧発生部６４は、それぞれ直流定電圧源１５から出力される同じ電圧Ｖ_０の第２直流定電圧信号を基準にして振幅Ｖ_０の交流信号、及び第１直流定電圧信号（Ｖ_０×Ｐ×cosθ）を出力するため、これらの信号を使用して生成される測定信号は、より測定精度が高いものになる。

【0109】

＜センサ部の他の例＞
図７は、図１に示したセンサ部２０の他の例を示す模式図である。

【0110】

図７に示すセンサ部は、差動トランス式の変位センサ２０－２である。

【0111】

この差動トランス式の変位センサ２０－２は、交流信号源１０から発生される交流信号が印加される一次コイル２５と、逆極で直列に接続された２つの二次コイル２６Ａ、２６Ｂと、測定対象物に接触して移動する測定子２７に連結された磁気コア２８とを有し、測定子２７の変位に対応する検出信号を出力する。

【0112】

差動トランス式の変位センサ２０－２は、一次コイル２５が交流信号により励磁されると、２つの二次コイル２６Ａ、２６Ｂから、磁気コア２８（測定子２７）の位置に比例する差動出力信号が誘起され、検出信号として出力する。

【0113】

図７に示すように磁気コア２８が２つの二次コイル２６Ａ、２６Ｂの中心にある状態では、一次コイル２５に対する２つの二次コイル２６Ａ、２６Ｂの相互インダクタンスが等しく、２つの二次コイル２６Ａ、２６Ｂの出力電圧も等しく、また位相は互いに１８０°異なるため、検出信号はゼロになる。

【0114】

したがって、差動トランス式の変位センサ２０－２は、一般に検出信号がゼロになる点（即ち、測定子２７が測定対象物に接触しない状態）がゼロ点として設定される。

【0115】

しかしながら、図１に示した物理量測定装置１のセンサ部として、差動トランス式の変位センサ２０－２を使用すると、磁気コア２８が２つの二次コイル２６Ａ、２６Ｂの中心以外にある状態を、仮想ゼロ点として設定することができ、かつ仮想ゼロ点付近の分解能を向上させることができる。

【0116】

［その他］
本実施形態の物理量測定装置１の各部から出力される信号は、アナログ信号であるが、これに限らず、アナログ信号をＡ／Ｄコンバータによりデジタル信号に変換し、物理量測定装置の一部の処理をデジタル処理するようにしてもよい。例えば、第１信号処理部５０及び第２信号処理部６０の後段にそれぞれＡ／Ｄコンバータを配置し、これらのＡ／Ｄコンバータで２系統を同タイミングでサンプリングし、ソフトウェア又はハードウェアにより以降の信号処理をデジタル処理することができる。

【0117】

また、センサ部２０は、渦電流センサ２０－１、及び差動トランス式の変位センサ２０－２に限らず、複素応答するセンサであれば、如何なるセンサでもよい。

【0118】

更に、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の精神を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であることは言うまでもない。

【符号の説明】

【0119】

１ 物理量測定装置
１０ 交流信号源
１１ 発振器
１２ 可変増幅器
１２Ａ アナログフォトカプラ
１４ 第３整流回路
１５ 直流定電圧源
１６ 減算部
１７、３５ オペアンプ
１８ 増幅器
２０ センサ部
２０－１ 渦電流センサ
２０－２ 変位センサ
２２ 検出コイル
２２Ａ インピーダンス
２２Ｂ 抵抗
２２Ｃ、２２Ｄ 付加インピーダンス
２４ 測定対象物
２５ 一次コイル
２６Ａ 二次コイル
２６Ｂ 二次コイル
２７ 測定子
２８ 磁気コア
３０ 複素補償回路
３１～３４ インピーダンス素子
４０ 第１減算部
５０ 第１信号処理部
５２ 第１整流回路
５４ 第１増幅器
６０ 第２信号処理部
６２ 第２整流回路
６４ 直流定電圧発生部
６６ 第２減算部
６８ 第２増幅器
９０ 加算部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】