JP2002206948A - Displacement sensor - Google Patents

Displacement sensor

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JP2002206948A
JP2002206948A JP2001003229A JP2001003229A JP2002206948A JP 2002206948 A JP2002206948 A JP 2002206948A JP 2001003229 A JP2001003229 A JP 2001003229A JP 2001003229 A JP2001003229 A JP 2001003229A JP 2002206948 A JP2002206948 A JP 2002206948A
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JP
Japan
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displacement
displacement sensor
phase
frequency
equation
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Application number
JP2001003229A
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Japanese (ja)
Inventor
Kunitoshi Nishimura
国俊 西村
Kiyokazu Okamoto
清和 岡本
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitutoyo Corp
Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Original Assignee
Mitutoyo Corp
Mitsutoyo Kiko Co Ltd
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Publication date
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  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
  • Transmission And Conversion Of Sensor Element Output (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a displacement sensor being tough enough against environmental changes and capable of measuring an absolute value of displacement within a range of several mms, at a reproduction resolution of about several nms even in air, and its measuring method. SOLUTION: The displacement sensor includes a resonance circuit consisting of a capacitor and a coil, with at least one of the capacitor and the coil being varied correspondingly to displacement. If a phase change from the resonance circuit which occurs as a resonance frequency is shifted by application of an alternating current to the resonance circuit exceeds a predetermined range, the application frequency is increased or decreased by a predetermined value to keep the phase change within the predetermined range. The amount by which the frequency is increased or decreased correspondingly to the displacement and the amount of phase shift at the latest application frequency are measured and the displacement is determined from these measurements.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は微細変位を高精度に
絶対値計測する変位センサに関し、特に、数mmの測定
範囲を、数nm程度の分解能で微細に変位の絶対値を計
測する変位センサに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a displacement sensor for measuring an absolute value of a minute displacement with high accuracy, and more particularly, to a displacement sensor for minutely measuring the absolute value of a displacement in a measuring range of several mm with a resolution of several nm. About.

【0002】[0002]

【従来の技術】これまで、数nm程度の分解能で変位の
絶対値を計測する変位センサとしては、例えば環境の変
動にも頑強で、空気中でも計測値の再現性の高い静電容
量センサが良く知られているけれども、その計測範囲は
0.05mm程度の微小な範囲であり、用途が大幅に限
定されていた。
2. Description of the Related Art Heretofore, as a displacement sensor for measuring an absolute value of a displacement with a resolution of about several nm, for example, a capacitance sensor that is robust against environmental fluctuations and has high reproducibility of measured values even in the air has been preferred. Although known, its measurement range is a minute range of about 0.05 mm, and its use has been greatly limited.

【0003】空気中でのレーザ干渉系による変位計測に
あっては、計測範囲は数1000mmオーダまでと十分
大きくとれるが、空気の揺らぎに伴う光路中の空気の屈
折率の変動を主因として、変位しなくても、光学的な光
路長が変動し、計測値への精度の期待感は低く、再現性
を考慮した分解能は使用環境に高度の注意を払っても1
00nm程度にとどまっている。しかも、レーザ干渉計
による計測は、波長の整数倍は別に計数しなければなら
ない差分値計測であり、直接的な絶対値計測でない問題
があった。
In the displacement measurement using a laser interference system in the air, the measurement range can be sufficiently large, on the order of several thousand mm, but the displacement is mainly due to the fluctuation of the refractive index of the air in the optical path due to the fluctuation of the air. Without this, the optical path length fluctuates, the expectation of the accuracy of the measured value is low, and the resolution considering the reproducibility is 1
It stays at about 00 nm. Moreover, the measurement by the laser interferometer is a difference value measurement that must be counted separately for an integer multiple of the wavelength, and has a problem that it is not a direct absolute value measurement.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】つまり、このレーザ干
渉計計測では、計測範囲拡大と再現分解能の精細化の両
立のためには、真空中に変位に対応した可変長の真空光
路を形成する必要があるが、計測範囲に比べて実現手段
が複雑大規模で結果として、大型かつ高価になってい
た。
That is, in this laser interferometer measurement, it is necessary to form a variable-length vacuum optical path corresponding to the displacement in a vacuum in order to achieve both the expansion of the measurement range and the refinement of the reproduction resolution. However, the implementation means is complicated and large-scale as compared with the measurement range, and as a result, it is large and expensive.

【0005】本発明の目的は、前述したような従来の精
密変位センサの現状に鑑み、環境の変動にも頑強で、空
気中でも数nm程度の再現分解能で変位の絶対値を数m
mの範囲で計測できる変位センサ及びその測定方法を得
るにある。
An object of the present invention is to make the absolute value of the displacement several millimeters in the air with a reproducibility of about several nm even in the air, in view of the current situation of the conventional precision displacement sensor described above, which is robust to environmental fluctuations.
An object of the present invention is to provide a displacement sensor capable of measuring in a range of m and a measuring method thereof.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】この目的を達成するた
め、本発明は、変位に対応した可変長共振回路に印加す
る周波数と、共振回路から得られる位相信号とを併せ用
いて、従来のダイナミックレンジ(計測範囲/再現分解
能)を104 程度から106 程度にまで大幅に拡大した
絶対値変位センサを提供するものである。本発明を要約
すれば、コンデンサとコイルからなる共振回路を含み、
少なくともその一方は変位に対応して変化するようにし
た変位センサにおいて、同共振回路に交流電流を印加す
ることにより共振周波数のずれに応じて生じる共振回路
からの位相変化が所定範囲を超えると、前記印加周波数
を所定値だけ加減して前記位相変化を前記所定範囲に収
め、前記変位に対応した前記周波数の加減量及び最近の
印加周波数における前記位相ずれ量をそれぞれ測定し、
これらの測定値から前記変位を求める変位センサの測定
方法にある。
In order to achieve the above object, the present invention provides a conventional dynamic circuit using a frequency applied to a variable length resonance circuit corresponding to displacement and a phase signal obtained from the resonance circuit. An object of the present invention is to provide an absolute value displacement sensor in which the range (measurement range / reproduction resolution) is greatly expanded from about 10 4 to about 10 6 . In summary of the present invention, including a resonance circuit consisting of a capacitor and a coil,
At least one of the displacement sensors is configured to change in response to the displacement, and when an AC current is applied to the resonance circuit, a phase change from the resonance circuit that occurs according to a shift in the resonance frequency exceeds a predetermined range. The applied frequency is adjusted by a predetermined value to keep the phase change within the predetermined range, and the phase shift amount at the latest applied frequency and the amount of the frequency corresponding to the displacement are measured,
The measurement method of the displacement sensor for obtaining the displacement from these measured values is provided.

【0007】後述する本発明の好ましい実施例の説明に
おいては、 1)前記コンデンサのキャパシタンスは、2つの電極の間
の対向面積に応じて、直接または中継電極を介在して形
成され、前記変位に応じて前記対向面積が変化するよう
にした変位センサ、 2)前記コイルのインダクタンスはこのコイルに出入りす
る磁性体との間の位置に応じて形成され、前記変位に応
じて前記位置が変化するようにした変位センサ、 3)前記共振回路の検出信号の位相は、前記印加周波数の
位相を基準として位相差が定められる変位センサ、 4)前記位相差は、ディジタル位相検波手段により、前記
位相変化範囲を離散的に近似して検出される変位セン
サ、 5)前記印加周波数の加減値は、所定値の整数倍である変
位センサ、 6)前記印加交流波形は、振幅一定の矩形波からなる変位
センサ、 7)前記矩形波の1周期は、時間幅の異なる複数の矩形波
により構成され、基本波に対して3倍、5倍等の所定の
低い次数の高調波が除去された変位センサ、 8)前記所定値は、請求項5における前記位相変化範囲に
対応する変位センサ、 9)前記印加周波数ならびに請求項4における前記離散的
位相の検出値とは、前記変位との対応が請求項6の前記
整数値をパラメータとして線形化される変位センサが説
明される。
In the following description of a preferred embodiment of the present invention, 1) the capacitance of the capacitor is formed directly or via a relay electrode depending on the facing area between two electrodes, and 2) The inductance of the coil is formed in accordance with the position between the coil and the magnetic material entering and exiting the coil, and the position is changed in accordance with the displacement. 3) The phase of the detection signal of the resonance circuit is a displacement sensor whose phase difference is determined based on the phase of the applied frequency.4) The phase difference is determined by digital phase detection means. 5) a displacement sensor in which the adjustment value of the applied frequency is an integral multiple of a predetermined value, 6) the applied AC waveform is a rectangular having a constant amplitude. 7) One cycle of the rectangular wave is constituted by a plurality of rectangular waves having different time widths, and harmonics of a predetermined lower order such as three times or five times the fundamental wave are removed. Displacement sensor, 8) the predetermined value is a displacement sensor corresponding to the phase change range in claim 5, 9) the applied frequency and the detection value of the discrete phase in claim 4 are in correspondence with the displacement. A displacement sensor linearized using the integer value as a parameter according to claim 6 will be described.

【0008】[0008]

【発明の実施の形態】以下、図面について本発明の実施
例の詳細を説明する。図1は対向する2枚の金属板間の
静電容量を説明するための図であり、金属板に電気力線
が垂直方向にのみ生ずると仮定すれば、図に示す2枚の
電極間の静電容量C1
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram for explaining the capacitance between two opposing metal plates. Assuming that lines of electric force are generated only in the vertical direction on the metal plate, the distance between the two electrodes shown in FIG. The capacitance C 1 is

【数1】 と表すことができる。ここにおいて、ε0 は電極間に挿
入される物質の誘電率であり、Sは対向面積、そしてd
1 は電極間の隙間量である。ここで、2枚の電極が隙間
量一定の下に上下方向に移動する場合を考え、対向面積
Sを
(Equation 1) It can be expressed as. Here, ε 0 is the dielectric constant of the substance inserted between the electrodes, S is the facing area, and d
1 is a gap amount between the electrodes. Here, consider the case where the two electrodes move in the up and down direction while keeping the gap constant, and consider the facing area S as

【数2】 と表せば、静電容量C1(Equation 2) Then the capacitance C 1 is

【数3】 ・・・式(1) となる。ここで、χは移動方向の変位であり、bは電極
の幅であるが、静電容量は変位χに比例して変化するこ
とがわかる。
(Equation 3) ... Equation (1) is obtained. Here, χ is the displacement in the moving direction, and b is the width of the electrode, but it can be seen that the capacitance changes in proportion to the displacement χ.

【0009】また、図2に示すように、同軸上に配置さ
れた2つの金属円筒間の静電容量を考え、図1と同様に
電気力線が円筒面の垂直方向のみに生ずると仮定して近
似的に求めると、
Considering the capacitance between two metal cylinders arranged coaxially as shown in FIG. 2, it is assumed that lines of electric force are generated only in the direction perpendicular to the cylinder surface, as in FIG. Approximately,

【数4】 ・・・式(2) となり、やはり静電容量は軸方向の相対変位に比例して
変化することがわかる。
(Equation 4) ... Equation (2) It can be seen that the capacitance also changes in proportion to the relative displacement in the axial direction.

【0010】また、図3に示すように、測定対象物であ
る金属板を中間電極として使用した場合にあっても、絶
縁板を挟んで同一平面状に配される金属板1と金属板2
の間の静電容量も、これまでと同様に変位χに比例して
変化する。つまり、変位センサにおいては、上記の静電
容量より電気信号を取り出し、如何に正確に変位χに対
応付けるかが重要になる。
As shown in FIG. 3, even when a metal plate to be measured is used as an intermediate electrode, a metal plate 1 and a metal plate 2 which are arranged on the same plane with an insulating plate interposed therebetween.
Also changes in proportion to the displacement χ as before. That is, in the displacement sensor, it is important how to extract an electric signal from the above-mentioned capacitance and accurately associate the electric signal with the displacement χ.

【0011】次に、図4を用いて本発明の検出原理を説
明する。図4はインダクタンスLのコイル、キャパシタ
ンスCのコンデンサ、そしてRの抵抗が直列に繋がれ、
両端に電圧Eが印加される回路である。この回路に流れ
る電流をiとするとき、
Next, the detection principle of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 4 shows that a coil of inductance L, a capacitor of capacitance C, and a resistor of R are connected in series,
This is a circuit to which a voltage E is applied to both ends. When the current flowing through this circuit is i,

【数5】 ・・・式(3) が成立する。ここで、qを電荷量として、(Equation 5) ... Expression (3) holds. Here, q is a charge amount, and

【数6】 ・・・式(4) あるいは(Equation 6) ... Equation (4) or

【数7】 と置けば、式(3)は次式となる。(Equation 7) Equation (3) becomes the following equation.

【数8】 ・・・式(5)(Equation 8) ... Equation (5)

【0012】ここで、Here,

【数9】 ・・・式(6) とおき、ラプラス変換すれば、(Equation 9) ... Equation (6) and Laplace transform gives

【数10】 ・・・式(7) となり、ラプラスの演算子sを(Equation 10) ... Equation (7), and the Laplace operator s is

【数11】 と置き換えて、入力電圧Aに対する電荷量qの位相ψを
計算すれば、
[Equation 11] By calculating the phase ψ of the charge amount q with respect to the input voltage A,

【数12】 ・・・式(8) となる。(Equation 12) Expression (8) is obtained.

【0013】この位相特性は、図5に示すようにThis phase characteristic is, as shown in FIG.

【数13】 のとき(Equation 13) When

【数14】 を通るS字型の曲線となる。[Equation 14] And an S-shaped curve passing through.

【0014】そこで、Therefore,

【数15】 ・・・式(9) とおいて、原点を、(Equation 15) ... In equation (9), the origin is

【数16】 に移動し、原点近傍における変化の様子を考える。(Equation 16) And consider the state of change near the origin.

【0015】すなわち、That is,

【数17】 とすれば、式(8)は[Equation 17] Then, equation (8) becomes

【数18】 ・・・式(10) と近似すること(すなわち、直線近似)ができる。(Equation 18) ... (10) (ie, linear approximation) can be obtained.

【0016】また、式(7)および式(9)よりFurther, from equations (7) and (9),

【数19】 ・・・式(11) であり、更に[Equation 19] ... Equation (11), and

【数20】 を加えて、式(10)に代入すれば、(Equation 20) Is added to the equation (10),

【数21】 ・・・式(12) となる。(Equation 21) Expression (12) is obtained.

【0017】ここで、L,ωを一定と考えて、位相(−
Δψ)が静電容量Cによってどのように変化するかを考
える。図1〜図3で説明したように、静電容量が変位χ
と比例関係にある場合、ある基準位置χ0 からの微小変
位Δχを考え、
Here, assuming that L and ω are constant, the phase (−
Consider how Δ を) varies with capacitance C. As described with reference to FIG. 1 to FIG.
When there is a proportional relationship with, consider a small displacement Δχ from a certain reference position χ 0 ,

【数22】 とおいて、式(12)に代入し、整理すれば次式とな
る。
(Equation 22) By substituting into equation (12) and rearranging, the following equation is obtained.

【数23】 ・・・式(13)(Equation 23) ... Expression (13)

【0018】ここで、Here,

【数24】 ・・・式(14) となるように、周波数ωを選択する。このとき、式(1
3)は
(Equation 24) ... The frequency ω is selected so as to obtain Expression (14). At this time, equation (1)
3) is

【数25】 ・・・式(15) となり、位相は変位に比例して変化することがわかる。(Equation 25) Expression (15) shows that the phase changes in proportion to the displacement.

【0019】次いで、式(14)と式(15)よりχ0
を消去すれば、
Next, from equations (14) and (15), χ 0
If you delete

【数26】 ・・・式(16) と表すこともできる。図6は式(16)を図解したもの
である。基準位置χ0 に対応した印加周波数ω(式(1
4)で与えられる)で駆動すれば、基準位置からの変位
に比例して位相が変化するとわかる。その勾配は
(Equation 26) ... Expression (16) can also be expressed. FIG. 6 illustrates equation (16). The applied frequency ω corresponding to the reference position χ 0 (formula (1)
It can be understood that the phase changes in proportion to the displacement from the reference position if the driving is performed in (4)). The gradient is

【数27】 である。したがって、位相変化(−Δψ)を電気的に正
確に検出すれば、基準位置からの変位χを正確に知るこ
とができるわけである。電気的な位相差は、デジタル位
相検波手段を含む既存の検出技術で正確に検出可能であ
るので、ここでは省略する。以上が本発明の基本検出原
理である。
[Equation 27] It is. Therefore, if the phase change (−Δψ) is electrically and accurately detected, the displacement χ from the reference position can be accurately known. Since the electrical phase difference can be accurately detected by an existing detection technique including digital phase detection means, the description is omitted here. The above is the basic detection principle of the present invention.

【0020】さて、図6より理解できるように、直線近
似できるのは、
Now, as can be understood from FIG. 6, what can be approximated by a straight line is

【数28】 の場合であり、式(14)では Δχ<<1 の場合、すなわち基準位置χ0 の十分近傍の場合であ
る。
[Equation 28] In Expression (14), Δχ << 1, that is, a case where the reference position is sufficiently close to 近 傍0 .

【0021】基準位置から大きく離れる場合は、次のよ
うな手順にしたがって、位相より変位を求める。すなわ
ち、図7に示すように基準位置を複数ヶ所設定し、その
位置に対応する印加周波数を決定しておく。
When the distance is far from the reference position, the displacement is obtained from the phase according to the following procedure. That is, as shown in FIG. 7, a plurality of reference positions are set, and an applied frequency corresponding to the position is determined.

【0022】図7は基準位置をχ01,χ02,χ03,・・
・と設定する場合の例である。基準位置χ01において
は、印加周波数を式(14)にしたがって、
FIG. 7 shows the reference positions as χ 01 , χ 02 , χ 03 ,.
This is an example of setting At the reference position χ 01 , the applied frequency is calculated according to equation (14).

【数29】 とし、同様に基準位置χ02においては、(Equation 29) Similarly, at the reference position χ 02 ,

【数30】 基準位置χ03においては、[Equation 30] At reference position χ 03 ,

【数31】 等とすれば、各基準点の近傍でそれぞれ直線近似でき
る。
(Equation 31) In this case, linear approximations can be made in the vicinity of each reference point.

【0023】ここで、変位が次第に大きくなる場合の接
続の仕方を説明する。各直線は基準位置の近傍での近似
直線であるので、予め直線近似可能な範囲は(−Δψ
min )と(−Δψmax )の間であると予め設定してお
く。さて、印加周波数ω1 で励振する場合、その特性は
直線(1) 上にあるが、上限(−Δψmax )を越えて, 位
相(−Δψ1 )になった場合を考える。この際には印加
周波数をω2 に変更する。すると、位相は同一変位であ
るにもかかわらず、(−Δψ2 )に変化する。
Here, the connection method when the displacement gradually increases will be described. Since each straight line is an approximate straight line near the reference position, the range in which the straight line can be approximated in advance is (−Δψ).
min ) and (−Δψ max ) are set in advance. Now, when excited at applied frequency omega 1, the characteristic is located on a straight line (1), it is assumed that exceeds the upper limit (-Derutapusai max), it became phase (-Derutapusai 1). In this case To change the applied frequency ω 2. Then, the phase changes to (−Δψ 2 ) despite the same displacement.

【0024】変位が更に増加する場合、直線(2) の特性
にしたがって、位相から変位を求めればよく、更に限界
を超える場合は先の手順に従って印加周波数をω3 へと
変更すればよい。この手順を踏めば測定範囲を拡大する
ことは簡単である。
[0024] If the displacement is further increased, according to the characteristics of the straight line (2), may be determined displacements from the phase may be changed and the applied frequency according to the previous steps to omega 3 If further exceeding the limit. It is easy to expand the measurement range by following this procedure.

【0025】逆に変位が小さくなる場合は、直線(2) 上
で位相が(−Δψmin )を越えて、小さくなる時点で、
印加周波数ω2 を印加周波数ω1 に変更すればよい。直
線(1) 上で位相が(−Δψmax )となる変位を(χ01
max とし、直線(2)上で位相が(−Δψmin )となる変
位を(χ02min として、(χ01max >(χ02min
の場合を図7は示している。
On the contrary, when the displacement becomes small, when the phase on the straight line (2) exceeds (−Δψ min ) and becomes small,
The applied frequency ω 2 may be changed to the applied frequency ω 1. The displacement at which the phase becomes (-Δψ max ) on the straight line (1) is (χ 01 )
max, and the displacement at which the phase becomes (−Δψ min ) on the straight line (2) is (χ 02 ) min , where (χ 01 ) max > (χ 02 ) min
FIG. 7 shows the case (1).

【0026】次に(χ01max =(χ02min の場合を
考える。すなわち、図8に示すように、直線(1) 上で上
限(−Δψmax )となる変位のとき、直線(2) 上で下限
(−Δψmin )となるように、基準位置χ01,χ02を設
定する場合を考えるが、設定位置の間隔は一番大きく設
定できるので、変位χの測定範囲を一定とすると基準位
置の数は一番少なくて済む利点がある。しかし、計算あ
るいは実験により正確に基準位置あるいは印加周波数を
設定する必要がある。
Next, consider the case of (χ 01 ) max = (χ 02 ) min . That is, as shown in FIG. 8, when the displacement is the upper limit (−Δψ max ) on the straight line (1), the reference positions { 01 , χ} are lower than the lower limit (−Δψ min ) on the straight line (2). The case where 02 is set is considered, but since the interval between the set positions can be set to be the largest, there is an advantage that the number of reference positions can be minimized if the measurement range of the displacement χ is fixed. However, it is necessary to accurately set the reference position or the applied frequency by calculation or experiment.

【0027】印加周波数を所定値に厳密に設定するのが
困難な場合には次のようにしてもよい。すなわち、ある
基準の周波数ωb を決め、その整数倍を印加周波数とす
れば、この場合の基準位置は式(14)より
If it is difficult to strictly set the applied frequency to a predetermined value, the following may be performed. That is, if a certain reference frequency ω b is determined and an integer multiple thereof is used as the applied frequency, the reference position in this case is given by Expression (14).

【数32】 と計算できるので、この値を用いて検出される位相より
変位を求めればよい。なお、この場合, 図9に示すよう
に、ある変位に対して、必ず1つ以上の近似直線が存在
するように、オーバラップする領域があるように基準周
波数ωb を決める必要がある。
(Equation 32) Therefore, the displacement may be obtained from the phase detected using this value. In this case, as shown in FIG. 9, for a displacement, always as one or more approximate straight line is present, it is necessary to determine a reference frequency omega b so that there is a region of overlap.

【0028】以上の説明において、検出される位相は基
準信号と回路に流れる電荷量を表す信号の位相差であ
る。しかし、図4に示される回路で簡単に求められるの
は、抵抗Rに発生する電圧vであるが、電荷量qと電圧
vの関係は
In the above description, the detected phase is the phase difference between the reference signal and the signal representing the amount of charge flowing through the circuit. However, the voltage v generated in the resistor R is simply obtained by the circuit shown in FIG.

【数33】 であるので、これに式(4)を代入すれば、[Equation 33] Therefore, if equation (4) is substituted into this,

【数34】 となり、発生電圧vを電気的に時間積分すれば、電荷量
qを容易に求めることが可能である。
(Equation 34) By electrically integrating the generated voltage v with time, the charge amount q can be easily obtained.

【0029】また、これまでの数式的な説明を駆動電圧
Eと電荷量qの関係で説明したが、駆動電圧Eと電圧v
との関係で説明しても、同様な結果を導くことができ
る。また、図4に示される回路に限定されるものではな
く、本発明では、各種の変形が考えられる。例えば、図
10の場合、図4におけるインダクタンスをトランスで
形成してそこで駆動電圧を付加し、出力は同様にトラン
スを介して検出するのが実用的な方法である。
Further, while the mathematical description so far has been described in terms of the relationship between the drive voltage E and the charge amount q, the drive voltage E and the voltage v
The same result can be obtained by describing the relationship with Further, the present invention is not limited to the circuit shown in FIG. 4, and various modifications can be considered in the present invention. For example, in the case of FIG. 10, it is a practical method to form the inductance in FIG. 4 with a transformer, apply a drive voltage there, and detect the output through the transformer in the same manner.

【0030】式(7)に相当する入力電圧と出力電圧の
関係は次式で与えられる。
The relationship between the input voltage and the output voltage corresponding to equation (7) is given by the following equation.

【数35】 ここで(Equation 35) here

【数36】 とおけば、入力電圧と出力電圧の位相は式(8)と同様
に与えられる。
[Equation 36] If so, the phase of the input voltage and the phase of the output voltage are given as in equation (8).

【0031】更に、これまでの説明は正弦波で駆動する
場合を前提にしていたが、矩形波であってもよい。矩形
波の方が発信回路は簡単になるが、基本波以外に高調波
が重畳されるので、高調波除去回路が必要になる。しか
し、矩形波のなかの好ましくない高調波を除き同時に電
圧の基本波分を制御する高調波除去法もよく知られてい
る。これは、先の矩形波の1周期を、時間幅の異なる複
数の矩形波より構成することにより、基本波に対して3
倍、5倍等の低い次数の高調波を除去する方法である
が、この手法に関しては、電気書院刊行の「パワーエレ
クトロニクス&ACドライブ」B.K.Bose著、秦泉寺、内
藤訳、ページ174〜176に詳述されているので省略
する。
Further, the description so far has been made on the assumption that the driving is performed by a sine wave, but a rectangular wave may be used. A square wave simplifies the transmission circuit, but a harmonic wave is superimposed on a signal other than the fundamental wave, so that a harmonic wave elimination circuit is required. However, there is also a well-known harmonic elimination method for simultaneously controlling a fundamental component of a voltage except for undesired harmonics in a rectangular wave. This is because one cycle of the above-mentioned rectangular wave is composed of a plurality of rectangular waves having different time widths, so that three cycles with respect to the fundamental wave are obtained.
It is a method to remove low order harmonics such as double and five times, and this method is described in detail in "Power Electronics & AC Drive" published by Denki Shoin by BKBose, translated by Hatsenguji, Naito, pages 174 to 176. The description is omitted here.

【0032】またこれまでは、容量が変位と共に変化す
る場合で説明したが、これに限定されるものではなく、
インダクタンスを変位と共に変化させ、静電容量を一定
とする場合であってもよい。この場合のインダクタンス
の変化はコイルの中に出入りする磁性体との間の位置に
応じて形成される。市販される差動トランス型の変位計
はこの原理によるものであるが、詳細は省略する。
Although the case where the capacitance changes with displacement has been described above, the present invention is not limited to this case.
The case where the inductance is changed along with the displacement to make the capacitance constant may be employed. In this case, the change in the inductance is formed according to the position between the magnetic material entering and exiting the coil. A commercially available differential transformer type displacement meter is based on this principle, but details are omitted.

【0033】更に、これまでの説明では静電容量が変位
に対して比例関係にある場合で説明したが、これに限定
されるものではなく、2枚の金属製電極の間隙が変化す
る場合や、測定対象物である金属板を中間電極として用
い、変位センサの電極1と電極2間の静電容量を測るタ
イプであってもよい。この場合、静電容量は変位に対し
て、
In the above description, the case where the capacitance is proportional to the displacement has been described. However, the present invention is not limited to this case. Alternatively, a type in which the capacitance between the electrode 1 and the electrode 2 of the displacement sensor is measured using a metal plate to be measured as an intermediate electrode may be used. In this case, the capacitance is

【数37】 のように、反比例で変化する。(37) It changes in inverse proportion, like

【0034】この場合、In this case,

【数38】 とおいて、式(12)に代入し、として近似すれば、式(14)
および式(16)に相当する式として次式を得る。
(38) Then, by substituting into equation (12) and approximating as
And the following equation is obtained as an equation corresponding to equation (16).

【数39】 同様に、位相差は微小変位に比例するから、これまでの
議論をそのまま適用できる。
[Equation 39] Similarly, since the phase difference is proportional to the minute displacement, the above discussion can be applied as it is.

【0035】[0035]

【発明の効果】以上に説明したように、本発明は変位と
ともに変化する容量あるいはインダクタンスを用いて電
気的な共振回路を形成し、この共振回路に印加する周波
数を所定値に設定して共振点付近における位相と変位の
比例関係より変位を求めると共に、位相が所定範囲を越
える場合は印加周波数を所定値だけ加減して位相変化が
所定範囲に収まるようにし、前記変位に対応して、前記
周波数の加減量を計数し、かつ、最近の印加周波数にお
ける前記位相ずれ量を計数し、この計数値より前記変位
を求めるようにしたため、計測範囲を大きくすることが
できる。
As described above, according to the present invention, an electric resonance circuit is formed by using a capacitance or an inductance which changes with displacement, and a frequency applied to the resonance circuit is set to a predetermined value to set a resonance point. In addition to calculating the displacement from the proportional relationship between the phase and the displacement in the vicinity, when the phase exceeds a predetermined range, the applied frequency is adjusted by a predetermined value so that the phase change falls within a predetermined range, and the frequency corresponds to the displacement. Is calculated, the phase shift amount at the latest applied frequency is counted, and the displacement is obtained from the counted value, so that the measurement range can be enlarged.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】対向する2枚の金属板間の静電容量の説明図で
ある。
FIG. 1 is an explanatory diagram of a capacitance between two metal plates facing each other.

【図2】同軸上に配置された2つの金属円筒の静電容量
の説明図である。
FIG. 2 is an explanatory diagram of capacitance of two metal cylinders arranged coaxially.

【図3】測定対象物である金属板を中間電極として用い
る場合の静電容量の説明図である。
FIG. 3 is an explanatory diagram of capacitance when a metal plate to be measured is used as an intermediate electrode.

【図4】本発明による変位センサの検出原理図である。FIG. 4 is a diagram illustrating the principle of detection of a displacement sensor according to the present invention.

【図5】印加周波数が変化する場合の位相特性図であ
る。
FIG. 5 is a phase characteristic diagram when an applied frequency changes.

【図6】本発明による変位センサの位相−変位特性図で
ある。
FIG. 6 is a phase-displacement characteristic diagram of the displacement sensor according to the present invention.

【図7】基準位置から大きく離れる場合の同変位センサ
の位相−変位特性図である。
FIG. 7 is a phase-displacement characteristic diagram of the same displacement sensor when it is far away from a reference position.

【図8】設定位置間隔を大きく設定した場合の同変位セ
ンサの位相−変位特性図である。
FIG. 8 is a phase-displacement characteristic diagram of the displacement sensor when the set position interval is set large.

【図9】オーバラップ領域があるように基準周波数を決
める場合の同変位センサの位相−変位特性図である。
FIG. 9 is a phase-displacement characteristic diagram of the displacement sensor when a reference frequency is determined so that an overlap region exists.

【図10】インダクタンスをトランスで構成する場合の
説明図である。
FIG. 10 is an explanatory diagram of a case where an inductance is configured by a transformer.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

x 変位 C キャパシタンス L インダクタンス R 抵抗 x displacement C capacitance L inductance R resistance

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 2F063 AA02 CA10 DA05 HA01 HA05 HA11 HA12 KA02 LA04 LA05 LA30 2F077 AA27 CC02 HH02 HH03 HH11 HH13 TT02 TT04 TT07 TT21 TT23  ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page F term (reference) 2F063 AA02 CA10 DA05 HA01 HA05 HA11 HA12 KA02 LA04 LA05 LA30 2F077 AA27 CC02 HH02 HH03 HH11 HH13 TT02 TT04 TT07 TT21 TT23

Claims (11)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 コンデンサとコイルからなる共振回路を
含み、少なくともその一方は変位に対応して変化するよ
うにした変位センサにおいて、 同共振回路に交流電流を印加することにより共振周波数
のずれに応じて生じる共振回路からの位相変化が所定範
囲を超えると、前記印加周波数を所定値だけ加減して前
記位相変化を前記所定範囲に収め、 前記変位に対応した前記周波数の加減量及び最近の印加
周波数における前記位相ずれ量をそれぞれ測定し、 これらの測定値から前記変位を求めることを特徴とする
変位センサの測定方法。
1. A displacement sensor including a resonance circuit including a capacitor and a coil, at least one of which is adapted to change in response to a displacement, wherein an alternating current is applied to the resonance circuit to respond to a shift in resonance frequency. When the resulting phase change from the resonance circuit exceeds a predetermined range, the applied frequency is adjusted by a predetermined value to keep the phase change within the predetermined range, and the amount of addition and subtraction of the frequency corresponding to the displacement and the latest applied frequency Measuring the phase shift amount in step (a), and obtaining the displacement from the measured values.
【請求項2】 請求項1記載の変位センサの測定方法に
おいて、前記コンデンサのキャパシタンスは、2つの電
極の間の対向面積に応じて、直接または中継電極を介在
して形成され、前記変位に応じて前記対向面積が変化す
るようにしたことを特徴とする変位センサ。
2. The displacement sensor measuring method according to claim 1, wherein the capacitance of the capacitor is formed directly or via a relay electrode, depending on the facing area between the two electrodes, and according to the displacement. Wherein the facing area is changed.
【請求項3】 請求項1記載の変位センサの測定方法に
おいて、前記コイルのインダクタンスはこのコイルに出
入りする磁性体との間の位置に応じて形成され、前記変
位に応じて前記位置が変化するようにしたことを特徴と
する変位センサ。
3. The method for measuring a displacement sensor according to claim 1, wherein the inductance of the coil is formed in accordance with a position between the coil and a magnetic material entering and exiting the coil, and the position changes in accordance with the displacement. A displacement sensor characterized in that:
【請求項4】 請求項1記載の変位センサの測定方法に
おいて、前記共振回路の検出信号の位相は、前記印加周
波数の位相を基準として位相差が定められることを特徴
とする変位センサ。
4. The displacement sensor according to claim 1, wherein the phase of the detection signal of the resonance circuit is determined based on the phase of the applied frequency.
【請求項5】 請求項4記載の変位センサにおいて、前
記位相差は、ディジタル位相検波手段により、前記位相
変化範囲を離散的に近似して検出されることを特徴とす
る変位センサ。
5. The displacement sensor according to claim 4, wherein said phase difference is detected by digital phase detection means by discretely approximating said phase change range.
【請求項6】 請求項1記載の変位センサの測定方法に
おいて、前記印加周波数の加減値は、所定値の整数倍で
あることを特徴とする変位センサ。
6. The displacement sensor according to claim 1, wherein the adjustment value of the applied frequency is an integral multiple of a predetermined value.
【請求項7】 請求項1記載の変位センサの測定方法に
おいて、前記印加交流波形は、振幅一定の矩形波からな
ることを特徴とする変位センサ。
7. The displacement sensor according to claim 1, wherein the applied AC waveform is a rectangular wave having a constant amplitude.
【請求項8】 請求項7記載の変位センサにおいて、前
記矩形波の1周期は、時間幅の異なる複数の矩形波によ
り構成され、基本波に対して3倍、5倍等の所定の低い
次数の高調波が除去されたことを特徴とする変位セン
サ。
8. The displacement sensor according to claim 7, wherein one cycle of the rectangular wave is constituted by a plurality of rectangular waves having different time widths, and has a predetermined lower order such as three times or five times the fundamental wave. Displacement sensor characterized by eliminating higher harmonics.
【請求項9】 請求項6記載の変位センサにおいて、前
記所定値は、請求項5における前記位相変化範囲に対応
することを特徴とする変位センサ。
9. The displacement sensor according to claim 6, wherein the predetermined value corresponds to the phase change range according to claim 5.
【請求項10】 請求項1記載の変位センサの測定方法
において、前記印加周波数ならびに請求項4における前
記離散的位相の検出値とは、前記変位との対応が請求項
6の前記整数値をパラメータとして線形化されることを
特徴とした変位センサ。
10. The displacement sensor measuring method according to claim 1, wherein the applied frequency and the detected value of the discrete phase in claim 4 correspond to the displacement by using the integer value in claim 6 as a parameter. A displacement sensor characterized by being linearized as:
【請求項11】 請求項1記載の印加周波数において、
ある範囲の変位に対応して、1つ以上の近似直線が存在
するように印加周波数を定めたことを特徴とする変位セ
ンサ。
11. An applied frequency according to claim 1, wherein
A displacement sensor characterized in that the applied frequency is determined so that one or more approximate straight lines exist corresponding to a certain range of displacement.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106197240A (en) * 2016-07-06 2016-12-07 重庆理工大学 Absolute type straight line time grating displacement sensor based on alternating electric field
CN113720248A (en) * 2021-09-01 2021-11-30 西京学院 Linear displacement measuring device and method based on capacitance sensing

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