專利名稱：傳感器信號電路和測量儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及傳感器信號電路和測量儀。
背景技術(shù)：
包括驅(qū)動裝置、檢測出驅(qū)動裝置的驅(qū)動狀態(tài)并輸出傳感器信號的傳感器、以及根據(jù)來自傳感器的傳感器信號來驅(qū)動控制驅(qū)動裝置的控制裝置的傳感器信號電路是眾所周知的，目前正利用使用了該傳感器信號電路的測量儀。
作為這樣的測量儀1，已知有如圖6所示那樣的表面特性測量儀，該表面特性測量儀包括在被測量物W的表面上進(jìn)行掃描的探針2；使上述探針2驅(qū)動的裝置主體3；控制裝置主體3的計(jì)算機(jī)電路5；以及連接計(jì)算機(jī)電路5和裝置主體3的電纜6。
裝置主體3包括使設(shè)置于工作臺31上的被測量物W朝Y方向(圖6中的與紙面垂直的方向)滑動的Y軸滑塊32；直立設(shè)置于工作臺31上的Z驅(qū)動軸33；在Z驅(qū)動軸33的縱向方向上可自由滑動地設(shè)置的Z軸滑塊34；以及可在X方向自由滑動、設(shè)置于Z軸滑塊34上的X軸滑塊35，在X軸滑塊35上設(shè)置有探針2。
設(shè)置有檢測Z軸滑塊34的驅(qū)動量的Z軸線性編碼器；檢測X軸滑塊35的驅(qū)動量的X軸線性編碼器；以及檢測Y軸滑塊的驅(qū)動量的Y軸線性編碼器。
探針2包括設(shè)置在與X軸方向大致平行的方向、一端被X軸滑塊35支撐的觸針臂21；沿Z軸方向設(shè)置于觸針臂21的另一端、與被測量物表面接觸的、作為觸頭的觸針22。觸針臂21在XZ平面內(nèi)可作輕微圓弧運(yùn)動地被X軸滑塊35支撐，在X軸滑塊35的內(nèi)部，設(shè)置有檢測觸針臂21的搖動的位移量檢測裝置(未圖示)。
計(jì)算機(jī)電路5和裝置主體3之間以電纜6連接，根據(jù)來自計(jì)算機(jī)電路5的控制指令來對X軸滑塊35的驅(qū)動速度(控制目標(biāo))進(jìn)行驅(qū)動控制。
圖7表示作為為了驅(qū)動X軸滑塊35而在Z軸滑塊34的內(nèi)部構(gòu)成的電壓信號發(fā)送部的電路的結(jié)構(gòu)、以及作為電壓信號部接收部即控制裝置的計(jì)算機(jī)電路5的結(jié)構(gòu)。由該Z軸滑塊34的內(nèi)部的電路、計(jì)算機(jī)電路5、電纜6構(gòu)成傳感器信號電路。
Z軸滑塊34的內(nèi)部，包括作為驅(qū)動X軸滑塊35的驅(qū)動裝置的電機(jī)41；作為檢測出該電機(jī)41的轉(zhuǎn)動數(shù)，將產(chǎn)生與電機(jī)轉(zhuǎn)動數(shù)成比例的電壓來當(dāng)作傳感器信號的傳感器的測速發(fā)電機(jī)42，測速發(fā)電機(jī)42，是作為對電機(jī)41的轉(zhuǎn)動進(jìn)行檢測的轉(zhuǎn)動檢測裝置的傳感器，此外還是根據(jù)電機(jī)41的轉(zhuǎn)動來進(jìn)行發(fā)電的發(fā)電機(jī)。電機(jī)41是使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的線圈電機(jī)(coil motor)。
計(jì)算機(jī)電路5包括接受來自測速發(fā)電機(jī)42的傳感器信號的電壓值的接口電路51(T.G.I/F電路)；對來自接口電路51的電壓值同由外部輸入的指示電機(jī)41的轉(zhuǎn)動數(shù)的指令電壓值進(jìn)行比較，并輸出該差值的比較器55；對來自比較器55的輸出進(jìn)行特性補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償電路56；以及作為接受來自補(bǔ)償電路56的輸出并驅(qū)動電機(jī)41的驅(qū)動裝置的電機(jī)驅(qū)動電路59。
補(bǔ)償電路56包括對來自比較器55的輸出進(jìn)行積分補(bǔ)償?shù)姆e分電路57；對來自積分電路57的輸出進(jìn)行波形整形的PWM電路58(脈寬調(diào)制電路)。
計(jì)算機(jī)電路5和Z軸滑塊34的內(nèi)部的電路之間由電纜6連接。電機(jī)驅(qū)動電路59和電機(jī)41之間用傳輸線61進(jìn)行連接，該傳輸線61把來自電機(jī)驅(qū)動電路59的指令傳輸?shù)诫姍C(jī)41。測速發(fā)電機(jī)42和接口電路51之間用傳輸線62連接，該傳輸線62把來自測速發(fā)電機(jī)42的電壓傳輸?shù)浇涌陔娐?1。
以下，對具有這樣結(jié)構(gòu)的測量儀1的動作進(jìn)行說明。
首先，將被測量物W放置于Y軸滑塊32之上，使Z軸滑塊34移動以使觸針22接觸到被測量物的表面。向計(jì)算機(jī)電路5輸入測量的測量速度。即，輸入X軸滑塊35的驅(qū)動速度。所輸入的X軸滑塊35的驅(qū)動速度，被換算成電機(jī)41的轉(zhuǎn)動速度，進(jìn)而，被換算成與該電機(jī)41的轉(zhuǎn)動速度對應(yīng)的電壓值，作為指令電壓值而被輸入到比較器55。
被輸入到比較器55中的指令電壓值，通過補(bǔ)償電路56、電機(jī)驅(qū)動電路59而由電纜6的傳輸線61進(jìn)行傳輸后，驅(qū)動電機(jī)41使其轉(zhuǎn)動。通過電機(jī)41的轉(zhuǎn)動，來驅(qū)動X軸滑塊35。在X軸滑塊35被驅(qū)動后，觸針22開始沿著被測量物表面按X軸方向進(jìn)行掃描，此時觸針22沿著被測量物表面的凹凸在Z軸方向上移動。觸針22的位移，通過觸針臂21的搖動而被傳輸，由X軸滑塊35內(nèi)的位移量檢測裝置進(jìn)行檢測。此時，對Z軸滑塊34的位置、X軸滑塊35的位置、觸針臂21的搖動量進(jìn)行取樣，由此進(jìn)行運(yùn)算處理，能夠測量被測量物表面的形狀。進(jìn)而，通過使Y軸滑塊32滑動，就能夠測量整個被測量物表面。
通過測速發(fā)電機(jī)42檢測出電機(jī)41的轉(zhuǎn)動數(shù)，輸出對應(yīng)于電機(jī)轉(zhuǎn)動數(shù)的電壓(傳感器信號)。來自測速發(fā)電機(jī)42的電壓，通過電纜6的傳輸線62而傳輸，并被接口電路51所接受。由接口電路51接受的電壓值被發(fā)送到比較器55。利用比較器55，將指令電壓值與來自接口電路51的電壓值進(jìn)行比較，該差值通過補(bǔ)償電路56和電機(jī)驅(qū)動電路59被反饋給電機(jī)41。于是，通過該反饋，電機(jī)41的轉(zhuǎn)動數(shù)被恒定地控制在所指示的轉(zhuǎn)動數(shù)。
這樣將電機(jī)41的轉(zhuǎn)動速度恒定地控制后，X軸滑塊35的驅(qū)動速度就被恒定地控制。于是，因?yàn)橛|針22的掃描速度被恒定地控制，所以測量值就變得穩(wěn)定。
但是，上述傳感器信號電路和使用了該傳感器信號電路的測量儀1存在以下的問題。
Z軸滑塊34的內(nèi)部和計(jì)算機(jī)電路5之間由電纜6連接。由此會產(chǎn)生以下的問題，即來自外部的電場和磁場組合而成的電磁耦合等對該電纜6產(chǎn)生影響，結(jié)果就導(dǎo)致所傳輸?shù)男盘?電壓)中混入噪聲。
圖8是為了表示電場針對從測速發(fā)電機(jī)42至接口電路51的傳輸線62的電場的影響，而將傳輸線62等價置換為線性元件(電阻、電容)的圖。當(dāng)來自外部的電場影響到圖8的傳輸線62時，在傳輸線62就會產(chǎn)生由電容性的結(jié)合而產(chǎn)生的噪聲。
為了除去該噪聲，可以考慮如圖8所示那樣在接口電路51中設(shè)置低通濾波器52。在圖8中還設(shè)置有放大來自低通濾波器52的輸出的同相放大器53。利用設(shè)置于接口電路51中的低通濾波器52，能夠一定程度地削減噪聲。但是，要想充分地減少噪聲，就必須將低通濾波器52的截止頻率設(shè)定得較低。如果將截止頻率設(shè)定得過低，就無法進(jìn)行電機(jī)控制，因此不能只用低通濾波器52來除去噪聲。
此外，在由電纜6傳輸?shù)碾妷狠^小的情況下，存在由于來自外部電場的影響而造成信號的電壓被覆蓋這樣的問題。在使電機(jī)41低速轉(zhuǎn)動時，由測速發(fā)電機(jī)42輸出的電壓將變小。例如，在電機(jī)轉(zhuǎn)動數(shù)為4rpm時，由測速發(fā)電機(jī)42輸出的電壓為2mV～4mV。如果測速發(fā)電機(jī)42所輸出的電壓較小，就會產(chǎn)生電纜6內(nèi)混入噪聲，電機(jī)41的轉(zhuǎn)動數(shù)無法準(zhǔn)確地傳輸?shù)接?jì)算機(jī)電路5這樣的問題。于是，由于無法正常地進(jìn)行電機(jī)41的轉(zhuǎn)動控制，因此就產(chǎn)生電機(jī)轉(zhuǎn)動數(shù)降低、轉(zhuǎn)動不均這樣的問題。
作為即便電機(jī)41低速轉(zhuǎn)動，也使測速發(fā)電機(jī)42所輸出的傳感器信號的電壓變高的方法，可以考慮在電機(jī)41同測速發(fā)電機(jī)42之間設(shè)置齒輪，使其具有轉(zhuǎn)動比。但是，會產(chǎn)生由于測速發(fā)電機(jī)42的轉(zhuǎn)動數(shù)有限制，結(jié)果造成必須將電機(jī)41的最高轉(zhuǎn)動數(shù)設(shè)定得較低這樣的問題。如果電機(jī)41的最高轉(zhuǎn)動數(shù)受到限制，那么X軸滑塊35的驅(qū)動速度也會受到限制，造成驅(qū)動速度變得較低。例如，將X軸滑塊35的最高掃描速度限制在5mm/s左右，結(jié)果就出現(xiàn)在測量上花費(fèi)時間、測量效率變差這樣的問題。
將以上的問題綜合起來考慮，就是無法在從低速轉(zhuǎn)動到高速轉(zhuǎn)動的寬廣的范圍內(nèi)進(jìn)行電機(jī)41的轉(zhuǎn)動控制。也就是測量儀1的測量速度只能設(shè)定在恒定的狹小范圍內(nèi)。
此外，還存在以下的問題。
通過電纜6的傳輸線62，測速發(fā)電機(jī)42和接口電路51具有相同的基準(zhǔn)電位，測速發(fā)電機(jī)42和接口電路51在該基準(zhǔn)電位下進(jìn)行電壓的交換。但是，當(dāng)來自外部的電場導(dǎo)致電纜6中混入噪聲時，就造成在接口電路51和測速發(fā)電機(jī)42之間產(chǎn)生電位差，變成兩者不再有相同的基準(zhǔn)電位。此處，例如，如果測速發(fā)電機(jī)42的基準(zhǔn)電位高，由測速發(fā)電機(jī)42所輸出的傳感器信號的電壓，就變成包含了該基準(zhǔn)電位的大小的值。該傳感器信號的電壓由傳輸線62傳輸，在接口電路51接受該傳感器信號的電壓值時，作為由低的基準(zhǔn)電位測得時的電位而接受。即，變成作為比由測速發(fā)電機(jī)42輸出的電壓(電位差)高的電壓(電位差)接受。于是，變成由接口電路51接受了的電壓，與由測速發(fā)電機(jī)42檢測出的電機(jī)41的轉(zhuǎn)動數(shù)相比，顯示高的轉(zhuǎn)動數(shù)。將這個由接口電路51接受的電壓輸入到比較器55，從指定電壓值減去后，反饋到電機(jī)41的電壓，變成比預(yù)定值小的值。于是，電機(jī)41的轉(zhuǎn)動數(shù)變得比預(yù)定轉(zhuǎn)動數(shù)小。這樣，只要由外部的電場使傳輸線62產(chǎn)生電位差，就會造成無法將測速發(fā)電機(jī)42檢測出的轉(zhuǎn)動數(shù)準(zhǔn)確地傳輸?shù)接?jì)算機(jī)電路5。其結(jié)果是產(chǎn)生無法準(zhǔn)確地控制電機(jī)41的轉(zhuǎn)動數(shù)的問題。
如果想將裝置主體3和計(jì)算機(jī)電路5設(shè)置為隔開一定的距離，就必須將連接計(jì)算機(jī)電路5和Z軸滑塊34的電纜6的長度增長?？紤]到在工廠內(nèi)測量儀1的配置的情況，在裝置主體3和計(jì)算機(jī)電路5之間的距離上留有自由度將更為便利，例如，希望能有6m左右距離的自由度。但是，隨著電纜6變長，來自外部電場的影響也將相應(yīng)地增大。例如，低電位的信號傳輸由于噪聲變得更加困難，測速發(fā)電機(jī)42和接口電路51之間就產(chǎn)生越來越大的電位差。由于在電纜6中產(chǎn)生的噪聲，使得難以將電纜6的長度增長。由此，產(chǎn)生了無法將裝置主體3和計(jì)算機(jī)電路5設(shè)置為隔開一定的距離的問題。
這樣的問題，并不限于上述測量儀1(表面特性測量儀)，這是包括將檢測結(jié)果作為電壓信號輸出的傳感器的電壓信號發(fā)送部、傳輸來自傳感器的信號的電纜、接受所傳輸?shù)男盘柕碾妷盒盘柦邮詹康膫鞲衅餍盘栯娐罚褪褂昧嗽搨鞲衅餍盘栯娐返臏y量儀所共有的問題。尤其當(dāng)傳感器將檢測結(jié)果作為電壓波形輸出時，將會明顯產(chǎn)生上述問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的在于，解決現(xiàn)有的問題，提供一種能夠降低電磁耦合噪聲對連接電壓信號發(fā)送部和電壓信號接收部的電纜的影響，能夠準(zhǔn)確地進(jìn)行信號的傳輸?shù)膫鞲衅餍盘栯娐泛蜏y量儀。
本發(fā)明提供一種傳感器信號電路，其特征在于，包括電壓信號發(fā)送部，具有將檢測結(jié)果作為電壓信號發(fā)送的傳感器；電壓信號接收部，接收上述電壓信號；電壓-電流轉(zhuǎn)換裝置，具有設(shè)置于上述電壓信號發(fā)送部一方，對上述電壓信號進(jìn)行同相電流轉(zhuǎn)換的同相式電壓-電流轉(zhuǎn)換裝置，和對上述電壓信號進(jìn)行反相電流轉(zhuǎn)換的反相式電壓-電流轉(zhuǎn)換裝置，并將上述電壓信號轉(zhuǎn)換成與該電壓對應(yīng)的電流信號；電壓轉(zhuǎn)換裝置，設(shè)置于上述電壓信號接收部一方，用于對上述電流信號進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換并取出上述電壓信號；去路電纜，將來自上述同相式電壓-電流轉(zhuǎn)換裝置的上述電流信號傳輸?shù)缴鲜鲭妷恨D(zhuǎn)換裝置；以及回路電纜，將從上述電壓轉(zhuǎn)換裝置返回的上述電流信號傳輸?shù)缴鲜龇聪嗍诫妷?電流轉(zhuǎn)換裝置。
利用這樣的結(jié)構(gòu)，由傳感器檢測出的檢測結(jié)果被作為電壓信號進(jìn)行輸出。該電壓信號由同相電壓-電流轉(zhuǎn)換裝置進(jìn)行同相電流轉(zhuǎn)換并作為輸出電流通過去路電纜而被傳輸?shù)诫妷盒盘柦邮詹俊?br> 此外，上述電壓信號由反相電壓-電流轉(zhuǎn)換裝置進(jìn)行反相電流轉(zhuǎn)換并作為吸入電流通過回路電纜被傳輸?shù)诫妷盒盘柦邮詹?。在電壓信號接收部中，該輸出電流?jīng)由電壓轉(zhuǎn)換裝置被傳輸給吸入電流，由該電壓轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)換成電壓并取出電壓信號。
這樣，通過電壓轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)換的電壓，由輸出電流和吸入電流確定。因而，當(dāng)受到由外部電場造成的噪聲的影響時，雖然去路電纜和回路電纜各自產(chǎn)生的絕對電壓發(fā)生變動，但由于在電壓轉(zhuǎn)換裝置的兩端子間增加等量的電壓，或者減去等量的電壓，因此由電壓轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)換的電壓不發(fā)生變化。其結(jié)果是由傳感器檢測出的電壓信號被準(zhǔn)確地輸送到電壓接收部。
在本發(fā)明中，優(yōu)選的是上述電壓轉(zhuǎn)換裝置具有電壓轉(zhuǎn)換用電阻，將上述電壓轉(zhuǎn)換用電阻的兩端的電壓在差動放大電路中作為輸出電壓信號。
利用這樣的結(jié)構(gòu)，能夠?qū)㈦妷恨D(zhuǎn)換用電阻的兩端的電壓放大并作為輸出電壓信號。
另外，優(yōu)選的是差動放大電路的輸入阻抗比電壓轉(zhuǎn)換用電阻高。只要輸入阻抗高，即使電壓轉(zhuǎn)換用電阻的電阻值高，也能夠準(zhǔn)確地放大兩端的電壓。此外，能夠除去施加到電壓轉(zhuǎn)換用電阻的兩端的由外部電場造成的噪聲電壓。
此外，優(yōu)選的是傳感器輸出以接地為基準(zhǔn)的電壓信號，差動放大電路以接地作為基準(zhǔn)將輸出電壓信號輸出。利用這樣的結(jié)構(gòu)，無論是來自傳感器的電壓信號，還是輸出電壓信號，基準(zhǔn)電位都變成相等。
在本發(fā)明中，優(yōu)選的是在上述電壓信號發(fā)送部中，設(shè)置有驅(qū)動裝置，和檢測出上述驅(qū)動裝置的驅(qū)動狀態(tài)并將檢測結(jié)果作為上述電壓信號輸出的上述傳感器；在上述電壓信號接收部中，設(shè)置有根據(jù)上述輸出電壓信號驅(qū)動控制上述驅(qū)動裝置的控制裝置，設(shè)置有將來自上述控制裝置的控制信號傳輸?shù)缴鲜鲵?qū)動裝置的控制用電纜，根據(jù)上述控制信號來反饋控制上述驅(qū)動裝置。
在這樣的結(jié)構(gòu)中，當(dāng)對驅(qū)動裝置進(jìn)行驅(qū)動時，其驅(qū)動狀態(tài)由傳感器進(jìn)行檢測。傳感器將與驅(qū)動裝置的驅(qū)動狀態(tài)對應(yīng)的電壓作為電壓信號輸出。該電壓信號由電壓-電流轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)換成電流信號。由電壓-電流轉(zhuǎn)換裝置輸出的電流信號，通過去路和回路電纜被傳送至電壓信號接收部的電壓轉(zhuǎn)換用電阻，進(jìn)而由差動放大器轉(zhuǎn)換成輸出電壓信號。
由于控制裝置能夠通過該輸出電壓信號獲知驅(qū)動裝置的驅(qū)動狀態(tài)，因此根據(jù)該輸出電壓信號輸出驅(qū)動控制驅(qū)動裝置的控制信號。該控制信號通過控制用電纜發(fā)送給驅(qū)動裝置，對驅(qū)動裝置進(jìn)行反饋控制。
將由傳感器輸出的電壓信號通過電壓-電流轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)換成電流后通過電纜進(jìn)行傳輸。此處，當(dāng)通過電纜傳輸電壓時，由于電纜所帶有的阻抗造成電壓下降，無法準(zhǔn)確地傳輸信號，但是，當(dāng)通過電纜傳輸電流時，由于不受電纜所帶有的阻抗的影響，因此能夠準(zhǔn)確地傳輸信號。因而，即使在驅(qū)動裝置的驅(qū)動電平低，由傳感器輸出的電壓小的情況下，也能夠?qū)⒂蓚鞲衅鳈z測出的檢測結(jié)果準(zhǔn)確地傳輸給控制裝置。其結(jié)果是即便在驅(qū)動裝置的驅(qū)動電平低的情況下，也能夠通過控制裝置準(zhǔn)確地驅(qū)動控制驅(qū)動裝置。
由于即使從傳感器輸出的電壓低也沒有關(guān)系，因此可以不受傳感器的測量范圍的限制來使驅(qū)動裝置驅(qū)動。其結(jié)果是能在從高到低的寬廣的范圍對驅(qū)動裝置的驅(qū)動電平進(jìn)行控制。
由于電流的傳輸不受電纜所帶有的阻抗的影響，因此能夠準(zhǔn)確地傳輸信號。因而，即使將電纜的長度增長也能夠準(zhǔn)確地傳輸電流的信號。
由于能夠增長電纜的長度，因此能夠?qū)⒖刂蒲b置與傳感器隔開一定的距離設(shè)置，提高符合使用該傳感器信號電路的實(shí)際情況的利用上的自由度。
在本發(fā)明中，優(yōu)選的是上述驅(qū)動裝置具有使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的電機(jī)，上述傳感器為輸出與上述轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動數(shù)成比例的電壓的轉(zhuǎn)動檢測裝置。
根據(jù)這樣的結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子利用驅(qū)動裝置的電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)動，由轉(zhuǎn)動檢測裝置輸出與該轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動成比例的電壓。例如，將轉(zhuǎn)動檢測裝置作為發(fā)電機(jī)，只需設(shè)定為將電機(jī)的轉(zhuǎn)子直接連接在該發(fā)電機(jī)的電樞線圈上這樣的結(jié)構(gòu)，就能夠獲得與電機(jī)的轉(zhuǎn)動數(shù)成比例的電壓。
在本發(fā)明中，優(yōu)選的是上述控制裝置包括比較電路，該比較電路對上述輸出電壓信號和按照上述驅(qū)動裝置的控制目標(biāo)而預(yù)先設(shè)定的指定電壓進(jìn)行比較，并輸出該差值；上述控制裝置根據(jù)來自上述比較電路的輸出，驅(qū)動控制上述驅(qū)動裝置。
根據(jù)這樣的結(jié)構(gòu)，比較電路比較指定電壓和輸出電壓信號并輸出該差值。例如，在輸出電壓信號比指定電壓小的情況下，輸出指示差值部分的電壓的電壓值?？刂蒲b置按照該電壓值對驅(qū)動裝置進(jìn)行驅(qū)動。于是，能夠?qū)Ⅱ?qū)動裝置控制在由指定電壓所指定的驅(qū)動狀態(tài)。
本發(fā)明的測量儀，使用上述本發(fā)明的傳感器信號電路，其特征在于，包括由上述驅(qū)動裝置驅(qū)動的驅(qū)動軸；設(shè)置在上述驅(qū)動軸、掃描被測量物表面的觸頭；以及檢測上述觸頭的位移量的位移量檢測裝置。
根據(jù)這樣的結(jié)構(gòu)，由驅(qū)動裝置來驅(qū)動驅(qū)動軸，觸頭利用該驅(qū)動軸的驅(qū)動來掃描被測量物表面。此時，只需通過位移量檢測裝置檢測出觸頭的位移量，就可以由該檢測值測量被測量物表面的形狀。
此時，該測量儀能夠?qū)崿F(xiàn)與上述發(fā)明相同的作用和效果。即能夠在從低電平到高電平的寬廣的范圍控制驅(qū)動裝置的驅(qū)動狀態(tài)。因而，能夠從低速到高速在寬廣的范圍來驅(qū)動控制軸的驅(qū)動速度。
由于是將來自傳感器的電壓轉(zhuǎn)換成與該電壓成比例的電流后通過電纜進(jìn)行傳輸，因此能夠不受電纜所帶有的阻抗的影響，將傳感器的檢測結(jié)果準(zhǔn)確地傳輸?shù)娇刂蒲b置。因而，能夠準(zhǔn)確地驅(qū)動控制裝置，其結(jié)果就是能夠準(zhǔn)確地控制驅(qū)動軸的驅(qū)動速度。
即使對于由位移量檢測裝置檢測出的觸頭的位移量，也只需將觸頭的位移作為電壓變化來進(jìn)行檢測，將該電壓值進(jìn)行電流轉(zhuǎn)換并進(jìn)行傳輸，這樣，即使電纜變長，有來自外部電場所產(chǎn)生的噪聲造成的影響，也能夠準(zhǔn)確地傳輸觸頭的位移。
由于能夠增長電纜的長度，因此能夠?qū)⒖刂蒲b置與傳感器隔開一定的距離而設(shè)置，即能夠?qū)⒖刂蒲b置與驅(qū)動裝置隔開一定的距離而設(shè)置。由此，提高符合實(shí)際使用該測量儀時的情況的利用上的自由度。


圖1是表示使用了本發(fā)明的傳感器信號電路的測量儀的一個實(shí)施方式的圖。
圖2是表示在上述實(shí)施方式中，從測速發(fā)電機(jī)到接口電路的電路結(jié)構(gòu)的圖。
圖3A是表示在上述實(shí)施方式中的同相電壓-電流轉(zhuǎn)換器的圖。
圖3B是表示反相電壓-電流轉(zhuǎn)換器的圖。
圖4是表示作為本發(fā)明的變形例，經(jīng)由電纜傳輸位移檢測器的檢測結(jié)果的結(jié)構(gòu)的圖。
圖5表示作為上述變形例的應(yīng)用，將電纜收容進(jìn)Z軸驅(qū)動軸內(nèi)并從工作臺引出的結(jié)構(gòu)的圖。
圖6是表示以往的測量儀的圖。
圖7是表示用于以往的測量儀的傳感器信號電路的結(jié)構(gòu)的圖。
圖8是表示以往的從測速發(fā)電機(jī)到接口電路的電路結(jié)構(gòu)的圖。
具體實(shí)施例方式
以下參照

本發(fā)明的傳感器信號電路和測量儀的實(shí)施方式。
圖1是實(shí)施本發(fā)明的實(shí)施方式的一例，在圖中，賦予了與背景技術(shù)(圖6、圖7、圖8)相同的標(biāo)號的部分表示相同的部件。本實(shí)施方式的基本結(jié)構(gòu)與背景技術(shù)的相同，本實(shí)施方式的特征在于，設(shè)置了電壓-電流轉(zhuǎn)換器(V-I轉(zhuǎn)換器)43，當(dāng)作將來自作為傳感器的測速發(fā)電機(jī)的輸出電壓轉(zhuǎn)換成電流的電壓-電流轉(zhuǎn)換裝置。
電壓-電流轉(zhuǎn)換器43，將作為由測速發(fā)電機(jī)42所輸出的傳感器信號的電壓信號轉(zhuǎn)換成電流信號(傳感器信號電流)。電壓-電流轉(zhuǎn)換器43與測速發(fā)電機(jī)42同樣被設(shè)置于Z軸滑塊34的內(nèi)部。測速發(fā)電機(jī)42與電壓-電流轉(zhuǎn)換器43通過電路線7連接，具有相同的基準(zhǔn)電位。
圖2表示從測速發(fā)電機(jī)42和電壓-電流轉(zhuǎn)換器43，經(jīng)由電纜6的傳輸線62到達(dá)接口電路51的電路結(jié)構(gòu)。在圖2中，傳輸線62以線性元件來等價表示。
電壓-電流轉(zhuǎn)換器43的結(jié)構(gòu)如圖2所示那樣，包括將來自測速發(fā)電機(jī)42的電壓轉(zhuǎn)換成同相的電流的同相電壓-電流轉(zhuǎn)換器(V/+I轉(zhuǎn)換器)44；將來自測速發(fā)電機(jī)42的電壓反相后轉(zhuǎn)換成電流的反相電壓-電流轉(zhuǎn)換器(V/-I)45。
同相電壓-電流轉(zhuǎn)換器44如圖3A所示那樣，包括作為來自測速發(fā)電機(jī)42的電壓輸入到同相輸入端子(+)、反相輸入端子(-)被接至GND1的同相式加法電路的運(yùn)算放大器OP1；將運(yùn)算放大器OP1的輸出反饋給運(yùn)算放大器OP1的同相輸入端子(+)的電壓輸出器的運(yùn)算放大器OP2；各個電阻R1～R5。此處，GND 1和測速發(fā)電機(jī)42的接地具有相同的電位。
反相電壓-電流轉(zhuǎn)換器45如圖3B所示那樣，基本的結(jié)構(gòu)與同相電壓-電流轉(zhuǎn)換器44相同，包括運(yùn)算放大器OP3和運(yùn)算放大器OP4，但來自測速發(fā)電機(jī)42的電壓被輸入到運(yùn)算放大器OP3的反相輸入端子(-)。此外，接地GND2和測速發(fā)電機(jī)的接地具有相同的電位。
電壓-電流轉(zhuǎn)換器43與傳輸線62連接，來自同相電壓-電流轉(zhuǎn)換器44的輸出電流I1(排出電流)通過去路電纜621而傳輸，來自反相電壓-電流轉(zhuǎn)換器45的輸出電流I2(吸入電流)通過回路電纜622而傳輸。
指定電壓被輸入到比較器55。指定電壓是這樣設(shè)定的，即由測速發(fā)電機(jī)42檢測出電機(jī)41的設(shè)定轉(zhuǎn)動數(shù)，在該檢測結(jié)果的基礎(chǔ)上再加上利用接口電路51進(jìn)行放大時的放大率。比較器55比較指定電壓和由接口電路51輸入的輸出電壓值，并輸出該差值。
接口電路51如圖2所示那樣，包括電壓轉(zhuǎn)換用電阻511；高輸入電阻減法器54；低通濾波器52；以及同相放大器53。
電壓轉(zhuǎn)換用電阻511被配置在去路電纜621和回路電纜622之間。由同相式電壓-電流轉(zhuǎn)換器44輸出的電流I1，通過去路電纜621被輸送到電壓轉(zhuǎn)換用電阻511。流過電壓轉(zhuǎn)換用電阻511的電流，變成被吸入到反相式電壓-電流轉(zhuǎn)換器45的電流I2。然后，在電壓轉(zhuǎn)換用電阻511的兩端，產(chǎn)生僅由電流I1(I1＝｜I2｜)和電壓轉(zhuǎn)換用電阻511的電阻值R確定的電壓V＝I1R。該電壓轉(zhuǎn)換用電阻511的兩端的電壓V，即使在電纜6受到來自外部的電場噪聲的影響的情況下，由于是電路整體產(chǎn)生電壓變動，因此，僅由電流I1(I1＝｜I2｜)和電壓轉(zhuǎn)換用電阻511的電阻值R確定的關(guān)系是不發(fā)生改變的，電壓V＝I1R成立。
高輸入電阻減法器54作為差動放大電路，對電壓轉(zhuǎn)換用電阻511的兩端的電壓進(jìn)行差動放大并將其輸出。來自高輸入電阻減法器54的輸出利用低通濾波器52除去噪聲后，由同相放大電路53放大，被輸送到比較器55。
對具有這樣結(jié)構(gòu)的測量儀1的動作進(jìn)行說明。
首先，將被測量物W放置于Y軸滑塊32之上，讓Z軸滑塊34移動以使得觸針22接觸到被測量物表面。然后，將X軸滑塊35的驅(qū)動速度作為指令電壓值輸入到計(jì)算機(jī)電路5。另外，指令電壓值是這樣的值，即在由測速發(fā)電機(jī)42檢測出電機(jī)41的預(yù)定轉(zhuǎn)動時的電壓值的基礎(chǔ)上，再加上接口電路51的放大率。
被輸入到比較器55的指令電壓值，通過補(bǔ)償電路56、電機(jī)驅(qū)動電路59通過電纜的傳輸線61進(jìn)行傳輸，通過所傳輸?shù)男盘栻?qū)動電機(jī)41而使其轉(zhuǎn)動。在這里，電機(jī)驅(qū)動電路59，按照由PWM電路58進(jìn)行了脈沖寬度調(diào)制后的信號的占空比因數(shù)，接通或者斷開(ON/OFF)驅(qū)動電壓，以所希望的轉(zhuǎn)動數(shù)來驅(qū)動電機(jī)41。通過電機(jī)41的轉(zhuǎn)動，驅(qū)動X軸滑塊35，在X軸滑塊35被驅(qū)動后，觸針22開始沿著被測量物表面按X軸方向進(jìn)行掃描，此時，當(dāng)觸針22沿著被測量物表面的凹凸在Z軸方向上進(jìn)行移動時，觸針22的移動通過觸針臂21的搖動來傳輸，并由X軸滑塊35內(nèi)的位移量檢測裝置進(jìn)行檢測。
通過對Z軸滑塊34的位置、X軸滑塊35的位置、觸針臂21的搖動量進(jìn)行取樣，并進(jìn)行運(yùn)算處理，能夠測量被測量物表面的特性。進(jìn)而，通過驅(qū)動Y軸滑塊32，就能夠測量整個被測量物表面。
通過測速發(fā)電機(jī)42檢測出電機(jī)41的轉(zhuǎn)動數(shù)，輸出對應(yīng)于電機(jī)轉(zhuǎn)動數(shù)的電壓信號(傳感器信號)。來自測速發(fā)電機(jī)42的電壓信號，由電壓-電流轉(zhuǎn)換器43轉(zhuǎn)換成與電壓值成比例的電流值。
此時，來自測速發(fā)電機(jī)42的電壓，通過電壓-電流轉(zhuǎn)換器43的同相電壓-電流轉(zhuǎn)換器44被轉(zhuǎn)換成以同相進(jìn)行轉(zhuǎn)換后的電流I1(輸出電流)，通過反相電壓-電流轉(zhuǎn)換器45被轉(zhuǎn)換成以反相進(jìn)行轉(zhuǎn)換后的電流I2(吸入電流)，這些電流分別通過電纜6的傳輸線62進(jìn)行傳輸。
通過傳輸線62傳輸?shù)碾娏鱅1(輸出電流)和電流I2(吸入電流)由接口電路51來接受。
在接口電路51中，由高輸入電阻減法器54對在電壓轉(zhuǎn)換用電阻511的兩端產(chǎn)成的電壓進(jìn)行差動放大，來自高輸入電阻減法器54的輸出由低通濾波器52除去噪聲后，由同相放大器53放大，被輸送到比較器55。
比較器55將指令電壓值與來自接口電路51的電壓值比較，通過補(bǔ)償電路56和電機(jī)驅(qū)動電路59將該差值反饋給電機(jī)41。于是，通過該反饋使得電機(jī)41的轉(zhuǎn)動數(shù)以所指示的轉(zhuǎn)動數(shù)而被恒定地控制。
利用具有這樣結(jié)構(gòu)的測量儀1和傳感器信號電路，能夠達(dá)到以下的效果。
(1)通過電壓-電流轉(zhuǎn)換器43將由測速發(fā)電機(jī)42輸出的電壓轉(zhuǎn)換成電流并進(jìn)行傳輸。而且，由于只要通過電流進(jìn)行傳輸，就不受電纜所帶有的阻抗的影響，因此能夠準(zhǔn)確地傳輸信號。因而，能夠?qū)⒂蓽y速發(fā)電機(jī)42檢測出的檢測結(jié)果準(zhǔn)確地傳輸?shù)接?jì)算機(jī)電路5。其結(jié)果是能夠準(zhǔn)確地控制電機(jī)41的轉(zhuǎn)動。
此外，由于通過電流進(jìn)行傳輸能夠準(zhǔn)確地傳輸信號，因此即使將電纜6的長度增長，也能夠?qū)⒂蓽y速發(fā)電機(jī)42檢測出的檢測結(jié)果準(zhǔn)確地傳輸?shù)接?jì)算機(jī)電路5。只要能將電纜6的長度增長，就能將Z軸滑塊34同計(jì)算機(jī)電路5隔開一定的距離設(shè)置。例如，能將以往為2m左右的電纜長度增長到6m左右。其結(jié)果是提高符合測量儀1的使用時的利用上的自由度。
(2)電壓-電流轉(zhuǎn)換器43具有同相電壓-電流轉(zhuǎn)換器44和反相電壓-電流轉(zhuǎn)換器45，傳輸同相的電流I1(輸出電流)和反相的電流I2(吸入電流)。于是，接口電路51一側(cè)，能夠保持原樣地向電壓轉(zhuǎn)換用電阻511的兩端傳輸由測速發(fā)電機(jī)42產(chǎn)生的電壓信號。這即使在電纜6變長導(dǎo)致電流I1和電流I2中混入噪聲的情況下也是成立的。因而，即使將電纜6的長度增長，也能夠準(zhǔn)確地控制電機(jī)41的轉(zhuǎn)動。
(3)即使在電機(jī)41低速轉(zhuǎn)動，來自測速發(fā)電機(jī)42的輸出電壓降低的情況下，由于是將該電壓轉(zhuǎn)換成電流進(jìn)行傳輸，因此能夠不受電纜的阻抗的影響準(zhǔn)確地傳輸信號，其結(jié)果是能夠?qū)⒂蓽y速發(fā)電機(jī)42檢測出的檢測結(jié)果準(zhǔn)確地傳輸?shù)接?jì)算機(jī)電路5。于是，由于即使來自測速發(fā)電機(jī)42的輸出電壓是低電壓也沒有關(guān)系，因此不再需要設(shè)置電機(jī)41和測速發(fā)電機(jī)42之間的轉(zhuǎn)動比，不再受測速發(fā)電機(jī)42的最高轉(zhuǎn)動速度的限制。因而，能在從低速轉(zhuǎn)動到高速轉(zhuǎn)動的寬廣的范圍對電機(jī)41進(jìn)行控制。例如，雖然以往X軸滑塊的驅(qū)動速度為從0.02mm/s到5mm/s左右，但現(xiàn)在甚至可將最高速度設(shè)定為其10倍的50mm/s。如果能將X軸滑塊的驅(qū)動速度提升到10倍，就可以謀求測量效率的劃時代的提升。
(變形例1)接著，對上述實(shí)施方式的變形例進(jìn)行說明。
該變形例的特征在于，對作為檢測觸針22的位移的傳感器的位移檢測器的檢測結(jié)果進(jìn)行電流轉(zhuǎn)換并傳輸。
位移檢測器8如圖4所示。該位移檢測器8被設(shè)置于X軸滑塊35的內(nèi)部，包括與觸針臂21連接，具有與觸針22的移動聯(lián)動地移動的磁性的可動片81；和檢測出該可動片81的移動的檢測部82。
檢測部82具有與可動片81的移動方向平行地配置的2個線圈，即線圈L1和線圈L2。線圈L1和線圈L2串聯(lián)連接，被施加來自振蕩電路821的正弦波。線圈L1和線圈L2之間以輸出電壓用電纜83連接，電壓-電流轉(zhuǎn)換器431與該輸出電壓用電纜83連接。
而且，在可動片81發(fā)生了移動時，輸出電壓根據(jù)線圈L1與線圈L2的感應(yīng)電動勢的差而變化。該輸出電壓由電壓-電流轉(zhuǎn)換器431進(jìn)行同相和反相的電壓-電流轉(zhuǎn)換并輸出后，由設(shè)置于計(jì)算機(jī)電路5內(nèi)的電壓轉(zhuǎn)換用電阻512取出電壓。該電壓由高輸入電阻減法器541進(jìn)行差動放大等處理后，通過預(yù)定的運(yùn)算處理而被換算成觸針22的位移，例如在顯示部等顯示觸針22的位移量。
利用這樣的結(jié)構(gòu)，能夠達(dá)到以下的效果。
由檢測部82檢測出作為電壓變化的觸針22的位移，該檢測結(jié)果被準(zhǔn)確地傳輸并由電壓轉(zhuǎn)換用電阻512取出。這使得即使在電磁耦合噪聲影響到了電纜的情況下，由于設(shè)定為由電壓-電流轉(zhuǎn)換器431進(jìn)行電流轉(zhuǎn)換，吸入電流和排出電流完成一圈循環(huán)的結(jié)構(gòu)，因此電壓的值被準(zhǔn)確地傳輸?shù)接?jì)算機(jī)電路。因而，即使由檢測部82輸出的電壓值是微小的值，即使電纜變長，也能夠?qū)⒂|針22的位移量準(zhǔn)確地傳輸?shù)接?jì)算機(jī)電路5。
在這里，由于可以將電纜的長度增長，因此也可以設(shè)定為如圖5所示那樣的結(jié)構(gòu)，即輸出電壓用電纜83，從X軸滑塊35通過Z軸驅(qū)動軸33內(nèi)后由工作臺31引出到計(jì)算機(jī)電路5。如果是從X軸滑塊35等驅(qū)動的部分引出電纜的結(jié)構(gòu)，則電纜頻繁移動會帶來危險，而且電纜容易損傷。因此，設(shè)定為將電纜收容進(jìn)Z軸驅(qū)動軸33、工作臺31等固定的部分的內(nèi)部，從固定的部分引出電纜的結(jié)構(gòu)。于是，電纜的移動減少、安全、并能防止電纜的損傷。
另外，本發(fā)明的傳感器信號電路和測量儀，并不限于上述實(shí)施方式，在不脫離本發(fā)明的精神的范圍內(nèi)，可以加以各種各樣的變更。
傳感器設(shè)定為在電機(jī)的轉(zhuǎn)子上安裝了發(fā)電機(jī)的測速發(fā)電機(jī)，但并不限于此，只要是輸出電壓波形的傳感器就可以。
驅(qū)動裝置并不限于電機(jī)，只要是驅(qū)動裝置就可以。例如既可以是利用了壓電元件、磁致伸縮元件等固體元件的驅(qū)動裝置，也可以是電磁調(diào)節(jié)器等調(diào)節(jié)器。
控制裝置并不限于上述的計(jì)算機(jī)電路的結(jié)構(gòu)，也可以是進(jìn)行各種反饋控制的控制電路的結(jié)構(gòu)。
作為測量儀，并不限于上述的表面特性測量儀，只要是包括驅(qū)動裝置、檢測驅(qū)動裝置的驅(qū)動狀態(tài)的傳感器、以及根據(jù)該傳感器的檢測結(jié)果進(jìn)行反饋控制的控制裝置的測量儀即可。
位移檢測器8并不限于上述結(jié)構(gòu)，也可以是讀出作為電壓值的觸針22的位移量的傳感器，例如，具有根據(jù)觸針22的移動而進(jìn)行移動的可動電極板和與可動電極板相對配置的固定電極板的靜電電容式編碼器等。
如以上已說明的那樣，根據(jù)本發(fā)明的傳感器信號電路和測量儀，得以實(shí)現(xiàn)以下的優(yōu)異效果，即能夠降低電磁耦合噪聲對連接電壓信號發(fā)送部和電壓信號接收部的電纜的影響而準(zhǔn)確地進(jìn)行信號的傳輸。
權(quán)利要求
1.一種傳感器信號電路，其特征在于，包括電壓信號發(fā)送部，具有將檢測結(jié)果作為電壓信號發(fā)送的傳感器；電壓信號接收部，接收上述電壓信號；電壓-電流轉(zhuǎn)換裝置，具有設(shè)置于上述電壓信號發(fā)送部一方，對上述電壓信號進(jìn)行同相電流轉(zhuǎn)換的同相式電壓-電流轉(zhuǎn)換裝置，和對上述電壓信號進(jìn)行反相電流轉(zhuǎn)換的反相式電壓-電流轉(zhuǎn)換裝置，并將上述電壓信號轉(zhuǎn)換成與該電壓對應(yīng)的電流信號；電壓轉(zhuǎn)換裝置，設(shè)置于上述電壓信號接收部一方，用于對上述電流信號進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換并取出上述電壓信號；去路電纜，將來自上述同相式電壓-電流轉(zhuǎn)換裝置的上述電流信號傳輸?shù)缴鲜鲭妷恨D(zhuǎn)換裝置；以及回路電纜，將從上述電壓轉(zhuǎn)換裝置返回的上述電流信號傳輸?shù)缴鲜龇聪嗍诫妷?電流轉(zhuǎn)換裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器信號電路，其特征在于上述電壓轉(zhuǎn)換裝置，具有電壓轉(zhuǎn)換用電阻，和將上述電壓轉(zhuǎn)換用電阻的兩端的電壓作為輸出電壓信號的差動放大電路。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的傳感器信號電路，其特征在于在上述電壓信號發(fā)送部設(shè)置有驅(qū)動裝置，和檢測上述驅(qū)動裝置的驅(qū)動狀態(tài)將檢測結(jié)果作為上述電壓信號輸出的上述傳感器；在上述電壓信號接收部設(shè)置有根據(jù)上述輸出電壓信號來對上述驅(qū)動裝置的驅(qū)動狀態(tài)進(jìn)行反饋控制的控制裝置；設(shè)置有將來自上述控制裝置的控制信號傳輸?shù)缴鲜鲵?qū)動裝置的控制用電纜。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的傳感器信號電路，其特征在于上述驅(qū)動裝置包括使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的電機(jī)，上述傳感器為輸出與上述轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動數(shù)成比例的電壓的轉(zhuǎn)動檢測裝置。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的傳感器信號電路，其特征在于上述控制裝置包括比較電路，該比較電路比較上述輸出電壓信號和按照上述驅(qū)動裝置的控制目標(biāo)而預(yù)先所設(shè)定的指定電壓，并輸出該差值；上述控制裝置，根據(jù)來自上述比較電路的輸出來驅(qū)動控制上述驅(qū)動裝置。
6.一種測量儀，使用權(quán)利要求3～5的任一項(xiàng)所述的傳感器信號電路，包括驅(qū)動軸，由上述驅(qū)動裝置進(jìn)行驅(qū)動；觸頭，設(shè)置在上述驅(qū)動軸，掃描被測量物表面；以及位移量檢測裝置，檢測上述觸頭的位移量。
全文摘要
本發(fā)明提供一種傳感器信號電路和測量儀。包括檢測出電機(jī)的轉(zhuǎn)動數(shù)將檢測結(jié)果進(jìn)行了電壓轉(zhuǎn)換后，作為傳感器信號進(jìn)行輸出的測速發(fā)電機(jī)(42)；和根據(jù)來自測速發(fā)電機(jī)(42)的傳感器信號對電機(jī)(41)進(jìn)行驅(qū)動控制的控制裝置(5)。還包括將與測速發(fā)電機(jī)(42)所輸出的電壓的大小成比例的電流作為傳感器信號電流來進(jìn)行輸出的電壓－電流轉(zhuǎn)換器(43)；連接電壓－電流轉(zhuǎn)換器(43)和控制裝置(5)的電纜(6)；以及對電流進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換的電阻(511)。
文檔編號G01P3/46GK1683904SQ20051006428
公開日2005年10月19日 申請日期2005年4月12日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月12日
發(fā)明者金松敏裕 申請人:株式會社三豐