JP2006258561A - 変位センサ - Google Patents

Abstract

【課題】高性能な変位センサを安価に実現する。
【解決手段】変位センサは、回転速度を測定可能な変位センサであって、回転速度の測定対象である回転体の少なくとも一部に固定された導電性物質と離間して対向するように配置可能な検出面を有する平板状のセンサ基板であって、検出面には所定のパターンのセンサコイル３１が配置されているセンサ基板と、センサコイル３１を導電性物質と対向させて発生される分布キャパシタンスと、センサコイル３１の分布インダクタンスとで発振回路を構成し、発振回路の発振周波数をカウント値に変換し、デジタル信号で出力可能なカウンタ基板９１とを備えており、センサコイル３１のパターンは、回転体が回転軸を中心として回転する回転位置により、センサコイル３１と導電性物質との間で発生される分布キャパシタンスの静電容量が変化するように配置されており、これによって発振回路の発振周波数の変化をカウンタ基板９１で検出して、回転位置を特定するよう構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、金属等の導電性物質に対する位置を測定する距離測定用の変位センサに関する。

導電性物質に対する位置を検出する技術は、ロボットアームの位置の検出など、多くの産業機械に用いられている。中でも非接触で変位を測定可能な近接スイッチ等の変位センサは、距離や角度などの変位を測定する用途で利用されている。変位センサは、非接触で変位を測定できるため、測定対象物やセンサを破損することなく、機械式接点もないため、長寿命で安定して使用できる利点があり、また悪環境下でも測定精度が高いというメリットもあるため、リミットスイッチやマイクロスイッチなどの機械式スイッチに替わって利用されている。

例えばタコメータ等の回転角は、受光素子を用いた光学式エンコーダ等の回転エンコーダによって回転数を測定している。しかしながら、現在市販されているこれらのセンサは高価であり、また性能的にも２万回転程度の測定が限界となる。これ以上の回転数を測定するには、ストロボを使用した時間変化によるマークの移動量算出等、オフライン系の動作検出を利用しなければならなかった。

一方、光学的な検出によらず回転速度を測定可能なセンサも開発されている（特許文献１）。この回転角度検出センサは、図２５に示すように、軸状回転体２５３の外周面に一定の関数で、軸状回転体と導電性または磁気抵抗の異なるパターンを形成し、これに近接するコイル２５１と組み合わせて検出部を構成し、この検出部に周期的にパルス状の電圧を印加して、コンデンサ２５４の充電または放電を行わせ、その放電時の電圧がコンパレータ２５５のしきい値を超えるまでの時間を検出し、この時間を電圧等に変換させて回転角度を検出する。

しかしながら、上記の回転角度検出センサを含め、既存のセンサの多くはアナログ系のデータ処理が行われており、その殆どでアナログデータを処理するためのアンプが必要となる。アンプを使用したアナログ系のセンサでは、時々刻々と変化する測定値を瞬間的に捉える必要があるため、高精度な測定には分解能の高い高速なアンプが必要となり、コストが高くなるという問題があった。またアンプの調整作業も必要となるため、アンプ系がセンサに占めるウェイトが費用面、調整作業面のいずれにおいても大きくなる。一方で、アナログ回路では温度変化等により大きく影響され得る電流ドリフトも問題となっていた。
特開２００３−１６１６３６号公報

本発明は、このような問題点を解決するために成されたものである。本発明の主な目的は、高性能な変位センサを安価に実現した変位センサを提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明の第１の側面に係る変位センサは、回転速度を測定可能な変位センサであって、回転速度の測定対象である回転体の少なくとも一部に固定された導電性物質と離間して対向するように配置可能な検出面を有する平板状のセンサ基板であって、検出面には所定のパターンのセンサコイルが配置されているセンサ基板と、センサコイルを導電性物質と対向させて発生される分布キャパシタンスと、センサコイルの分布インダクタンスとで発振回路を構成し、発振回路の発振周波数をカウント値に変換し、デジタル信号で出力可能なカウンタ基板とを備えており、センサコイルのパターンは、回転体が回転軸を中心として回転する回転位置により、センサコイルと導電性物質との間で発生される分布キャパシタンスの静電容量が変化するように配置されており、これによって発振回路の発振周波数の変化をカウンタ基板で検出して、回転位置を特定するよう構成されている。この構成によって、高価な高分解能のアンプなどを使用せずとも、高周波帯域を使用して分解能の高い変位センサを安価に実現できる。特にカウンタ基板は発振周波数のカウント値に基づいて容易に回転位置を検出するため、サンプリング時間を長くすることで精度を向上できる。周波数のカウントには安価なカウンタを使用できるので、センサのコストも安価にできる。

また、本発明の第２の変位センサは、センサコイルのパターンが、センサ基板を回転体と対向させた状態で回転体の回転軸に対して非対称に形成されている。この構成により、回転体の回転位置に応じてセンサコイルと導電性物質とが対向する重複面積が変化するので、分布インダクタンスを回転位置によって変化させることができ、回転位置の検出が実現できる。

さらに、本発明の第３の変位センサは、平板状の導電性部材を所定のパターンで一面に形成した導電パターン基板を、導電性物質として回転体に固定している。この構成により、導電性物質を有しない回転体であっても、導電パターン基板を回転体に装着することで回転位置の検出が可能となる。

さらにまた、本発明の第４の変位センサは、カウンタ基板がＩＣで構成されており、ＩＣの一面にセンサ基板を一体に設けている。この構成により、ＩＣの表面を検出面として、変位センサを極めてコンパクトに構成できる。

さらにまた、本発明の第５の変位センサは、センサ基板とカウンタ基板とが、脱着可能に接続されている。この構成により、回転体に応じて異なるパターンのセンサコイルを施したセンサ基板に交換でき、測定目的に応じた適切なセンサ基板をセットして所望の回転位置検出が実現される。

さらにまた、本発明の第６の変位センサは、さらにカウンタ基板で測定された回転体の回転位置を表示するための表示部を備える。この構成により、検出された回転位置をユーザが判り易い数値などの形式で表示できる。

さらにまた、本発明の第７の変位センサは、直線移動する移動体の変位を測定可能な変位センサであって、直線移動の測定対象である移動体の少なくとも一部に固定された導電性物質と離間して対向するように配置可能な検出面を有する平板状のセンサ基板であって、検出面には所定のパターンのセンサコイルが配置されているセンサ基板と、センサコイルを導電性物質と対向させて発生される分布キャパシタンスと、センサコイルの分布インダクタンスとで発振回路を構成し、発振回路の発振周波数をカウント値に変換し、デジタル信号で出力可能なカウンタ基板とを備えており、センサコイルのパターンは、移動体の位置に応じて、センサコイルと導電性物質との間で発生される分布キャパシタンスの静電容量が変化するように配置されており、これによって発振回路の発振周波数が変化することをカウンタ基板で検出して、変位を特定するよう構成されている。この構成によって、高価な高分解能のアンプなどを使用せずとも、高周波帯域を使用して分解能の高い変位センサを安価に実現できる。特にカウンタ基板は発振周波数のカウント値に基づいて容易に回転位置を測定するため、サンプリング時間を長くすることで精度を向上できる。周波数のカウントには安価なカウンタを使用できるので、センサのコストも安価にできる。

さらにまた、本発明の第８の変位センサは、センサ基板が、平板状の検出面の裏面を、さらに所定のパターンのセンサコイルを配置した第２の検出面とし、センサコイルの両面でそれぞれ変位を測定可能に構成している。この構成により、センサ基板の両面で変位を測定可能であり、中広段付き平行板の間隔などを、内部にセンサ基板を挿入することで容易に測定でき、かつセンサコイルの位置も判別できる。

本発明によれば、導電性物質の変位に分布キャパシタンスが高速で顕著に反応する性質を利用して、測定精度の高い変位センサが得られる。特に非接触による高速回転検出が可能となり、回転速度を広い範囲で正確に測定できる。またデジタル信号による出力が可能で、Ａ／Ｄ変換器などを介することなく直接コンピュータにデータを送出でき、また耐ノイズ性にも優れた変位センサとできる。さらにアナログ系センサのようなアンプが不要で、アンプの調整やメンテナンスも不要として手間のかからないメンテナンスフリーの変位センサが実現される。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するための変位センサを例示するものであって、本発明は変位センサを以下のものに特定しない。また、本明細書は特許請求の範囲に示される部材を、実施の形態の部材に特定するものでは決してない。特に実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。

まず静電結合に基づく変位検出について説明する。静電結合分布インダクタンス型変位検出では、距離を測定するインダクタと導電体を静電的に結合する。静電結合を最大にするために、距離を測定するためのインダクタを２次元状の構造にする。２次元状に分布する平面状インダクタに導電体を接近させると、静電結合が最大になるので、距離を測定する平面状インダクタの感度が増加し、消費電力が最小になる。２次元状に分布する平面状インダクタと導電体が静電的に結合すると、２次元状に分布する平面状インダクタの導体部と導電体は等価的にキャパシタとなる。すなわち、２次元状に分布する平面状インダクタの導体部は分布キャパシタの一方の電極となり、他方の電極は導電体になる。一般的に、回路に流れる電流の周波数が高くなると、キャパシタに流れる電流は増加するが、平面状インダクタに流れる電流は減少する。２次元状に分布する平面状インダクタと導電体の距離が短くなると、分布キャパシタの容量は増加するので、２次元状に分布する平面状インダクタのインダクタンスが等価的に減少する。すなわち、インダクタンスが減少するので、発振回路に流れる電流の周波数は増加する。したがって、周波数の変化を検出すれば、２次元状に分布する平面状インダクタと導電体の距離の変化を測定することが可能になる。

変位センサの回路図を図１に示す。この変位センサは、発振回路が発振コイルＬ１とキャパシタＣ１が直列に接続されたＬＣ発振回路で構成され、ＣＭＯＳインバータ（発振用）７２及び（バッファ用）７３が接続されている。発振回路を高周波で発振させ、発振コイルＬ１から発される磁界によって、導電体６０の表面に電磁誘導による誘導電流が発生し、電磁エネルギーとして消費する。導電体６０が移動して発振コイルＬ１に接近すると、発振回路に発振周波数の変化が生じる。なお図１の例では、ＣＭＯＳインバータ（発振用）７２の入力側に回路自体の抵抗成分Ｒ１が存在しているが、別途抵抗を付加することもできる。また、入力側に接続するキャパシタＣ１は、固定式とする他、他のキャパシタと交換可能とすることもできる。特に、キャパシタＣ１を可変コンデンサとすることで、ＬＣ発振回路の発振周波数を調整可能とし、装置毎の素子の特性ばらつき等に起因する発振周波数の不一致を解消することもできる。さらにＣＭＯＳインバータ（発振用）７２の出力側をフィードバックすることで、フィードバック制御による出力安定化を図ることもできる。

次に、変位センサで変位量を検出する検出システムのブロック図を図２に示す。このブロック図は、発振回路７６、周波数カウンタ７７、バッファ回路７８及び制御回路７９を備える。これらは専用ＩＣにより構成できる。検出対象に圧力が加えられて検出対象面が移動すると、変位センサに内蔵される発振回路７６の周波数ｆが変化する。周波数カウンタ７７を用いて、周波数ｆを測定し、測定データをバッファ回路７８に格納する。周波数カウンタ７７とバッファ回路７８は制御回路７９によって制御される。バッファ回路７８に格納されているデータを読み出すことにより、変位を測定することが可能となる。また必要に応じて駆動電力を安定化させる安定化電源回路８０を付加することもできる。また図２の回路例では、周波数カウンタの出力を変調する変調回路を設けず、周波数カウンタの結果を直接出力することで回路の簡素化と処理の軽減を図っている。ただ、変調回路等を設けて変調して伝送することも可能である。
（実施例１）

本発明の実施例１に係る変位センサの構成を図３の模式図に示す。この図に示す変位センサ１００は、センサ基板９２とカウンタ基板９１とを備え、これらを電気的に接続している。またカウンタ基板９１は外部出力を備え、デジタル信号線等のケーブルを介して測定結果を外部に出力できる。変位センサ１００のセンサ基板９２は、ケーブルなどを介してカウンタ基板９１と接続されている。なおセンサヘッドは、図４の斜視図に示すように、測定対象物である導電体６０に対向するよう配置される。この変位センサは、センサ基板９２の基準面から測定対象物の測定対象面までの距離を測定できる。よって、例えばセンサ基板９２を固定して、基準面に対して移動する測定対象物の変位量を測定できる。変位センサは、磁性の有無に拘わらず導電性を有するものであれば検出可能である。したがって、金属等の非誘電体はもちろんのこと、導電性を有しないものであっても、移動、回転する部位すなわち測定対象面に、導電性部材を固定することで検出可能とできる。

この変位センサの動作原理を、図５のブロック図に基づいて説明する。この図は、変位の測定対象物である導電体６０と、変位センサを構成するセンサＩＣ９５と、測定結果を表示するための表示部９８とを示している。変位センサは、測定対象物の導電性物質に対してセンサ基板９２を対向させて、分布インダクタンスとの間で分布キャパシタンスを生じさせ、これによってＬＣ発振回路を構成し、発振周波数をセンサＩＣ９５の周波数カウンタによって計測する。センサＩＣ９５は周波数カウンタのカウント値をデジタル信号として表示部９８に出力し、表示部９８は長さの単位に変換して表示する。周波数カウンタでカウントするデジタル回路は、簡単な構成で実現できる。従来のようなアンプは不要とできる。特に、アナログ系のセンサでは、測定値の瞬間的な測定となるため、瞬間的に得られたデータを高精度で検出しようとすれば分解能の高い高性能なアンプが必要となり、コストが高くなる。これに対して、カウンタは安価であり、しかも累積的な計数で処理されるため、サンプリング時間を長くすることで分解能を向上できる。この結果、極めて安価な回路を使用して高精度な測定が実現される。またアナログ回路で問題となり得るドリフト等の問題もなく、２万回転以上の回転数にも対応可能な高性能な変位センサが実現できる。さらにデジタル信号による処理が行えるため、Ａ／Ｄ変換器なども不要で、直接コンピュータなどに出力が可能となる。センサＩＣ９５にはチップサイズパッケージ等、小型化したタイプが好適に使用できる。図６に示すように、対向する金属などの導電性物質とセンサ基板９２との距離に応じて、発振回路の発振周波数は変化する。特に、図６においてＡで示すように、０ｍｍ〜１ｍｍの範囲で発振周波数の変化が大きいため、この領域を使用すれば極めて高分解能で精度の高い測定が可能となる。この方式は渦電流方式と似ているが、高周波帯域を使用して分解能を格段に向上できる。特に発振周波数が数十ＭＨｚ〜数百ＭＨｚといった高いオーダで使用できるため、対向する導電性部材の厚みによる影響を殆ど受けることなく、変位を高精度で測定できる。さらに回路の小型化も実現でき、低消費電力での駆動が可能となる。
（センサ基板９２）

センサ基板９２は、所定のコイルパターンを形成した基板で構成できる。基板は、ガラスエポキシ基板などの硬質基板とできる。センサ基板９２をカウンタ基板９１と接続した変位センサの一例を図７に示す。この図において、図７（ａ）は変位センサ７０Ａの平面図、図７（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ’線から見た側面図、図７（ｃ）は（ａ）のｃ−ｃ’面から見た正面図を、それぞれ示している。この図に示す変位センサ７０Ａは、カウンタ基板９１と、カウンタ基板９１の前面に装着されたセンサ基板９２とを備える。センサ基板９２は、検出面に平面状インダクタ７１を配置しており、平面状インダクタ７１と導電体６０を対向させ、その静電結合によって変位を検出する。具体的には、平面状インダクタ７１としてコイルを含む高周波発振回路（図２の発振回路７６）と対向させた導電体６０との静電結合によって生じた分布キャパシタの影響と、分布インダクタンスが変化することを利用して、両者間の距離の変動に対応させてＬＣ共振回路の発振周波数を変化させ、この周波数信号をカウンタでカウントし、距離変位をデジタル信号に変換して出力する。この変位センサは、磁性の有無に拘わらず導電体に対して利用でき、周囲の磁界の影響を受けないため安定した検出が可能である。また発振周波数が数十ＭＨｚ〜数百ＭＨｚと高いため、対向する導電体の厚みにも影響されず、高分解能で変位を検出できる。

センサ基板９２は、図７（ｃ）に示すようにほぼ円形状に形成され、平面状インダクタ７１Ａとして渦巻き状のコイルを表面に形成してセンサ回路を構成している。またカウンタ基板９１は、ＬＣ共振回路の発振周波数をカウントするデジタルカウンタを含む周波数カウンタ、カウントされたデータを外部に出力するためのデータ転送回路、安定化電源回路等を備える。

センサ基板９２とカウンタ基板９１とは、一対の金属製ワイヤ９３で固定される。この変位センサ７０Ａの変位計測有効範囲は、コイルの大きさに依存する。したがって、センサ回路の大きさ（図７においてはセンサ基板９２の直径）を大きくすることで、精度を向上させることができる。図７の例ではセンサ基板９２とカウンタ基板９１とを個別に構成しているので、センサ基板９２を交換可能とすることで変位計測精度を変更できる。
（一体型）

図７の変位センサ７０Ａでは電源投入時に数分〜１０数分程度経過しないと安定しないという問題があった。これは回路の発熱が熱伝導して定常状態となるまで遷移状態となることが原因と考えられる。特に、図７の変位センサ７０Ａではセンサ基板９２とカウンタ基板９１とを別部材としているため、ワイヤ９３を介して熱平衡状態となるまでに時間がかかると思われる。そこで、図８に示すようにセンサ基板とカウンタ基板とを一体化した変位センサ７０Ｂを構成することによって、速やかに熱平衡状態に移行して直ちに安定した動作を得ることを可能とした。

図８（ａ）は変位センサ７０Ｂの検出面９２ｂ、図８（ｂ）は変位センサ７０ＢのＩＣ面９１ｂをそれぞれ示す平面図である。この図に示す変位センサ７０Ｂは、図８（ａ）に示すように８角形状の基板の裏面に平面状インダクタ７１Ｂとしてコイルを配置してセンサ回路とし、一方で図８（ｂ）に示すように基板の表面に周波数カウンタ等を配置している。図８（ａ）の例では、コイルは略正方形状に形成している。また図８（ｂ）に示すように、各種の回路を実現するＩＣを配置すると共に、電源供給端子やグランド端子、クロック信号端子、シリアル信号、測定信号端子等の各種信号端子９４を形成している。このように、一枚の基板にセンサ回路とカウンタ回路とを実装して一体化することによって小型化し、変位センサ自体の小型軽量化を図ることもできる。

ＬＣ共振回路の駆動電力は、変位センサの外部から供給される。具体的には、信号端子９４に含まれる電源端子から供給される。供給された電力は、安定化電源回路にて電源変動を抑え、安定化された供給電源によってＬＣ共振回路を駆動し、数十ＭＨｚから数百ＭＨｚオーダで発振させる。このとき、カウンタ基板への電磁波エネルギー供給の際の電磁波信号の周波数帯域は、数ＭＨｚオーダの正弦波信号であることが望ましい。また上記の例では、図３に示すように変位センサ１００をコンピュータＣなどの外部機器と有線接続して、電力供給及びデータの転送を有線で行っているが、電波や赤外線、光、音波等を使用した無線接続とすることもできる。例えば駆動電力は、コンピュータＣやデータ処理ユニット９６側から発される電磁エネルギーによって、変位センサ内のＬＣ共振回路のコイルで誘導起電力を発生させ、これを整流して取得することで、無線供給できる。あるいは、電池等の電源を変位センサに内蔵することもできる。

またデータ転送回路の接続先として、データ処理ユニット９６を採用することにより、バッファ回路として機能させることができる。またデータ処理ユニット９６は、変位センサをコンピュータＣ等の外部機器にＵＳＢ規格等の通信規格に従って接続するインターフェースを実現する。データ処理ユニット９６は、図３に示すように変位センサの後端でケーブル９７と接続される。センサ回路から直接出力される信号を、一旦カウンタ回路側で処理して、処理されたデータをデータ処理ユニット９６に出力することにより、バッファ的な作用が実現され、外部から受ける影響を最小限に抑える効果が得られる。これによって発生した信号のノイズ等をバッファで抑制することができ、更なる安定化が得られる。またデータ処理ユニット９６のデータ通信は、ＵＳＢに限られず、ＲＳ−２３２ＣやＵＳＢ、ＩＥＥＥ１３９４などのシリアル、またはパラレル線によりコンピュータＣに送出できる。

以上の静電結合分布インダクタンス型変位センサは、空間分解能が高くμｍ〜ｎｍオーダでも瞬時に測定できリアルタイム処理に適しており、またデジタル出力が得られるためＡ／Ｄ変換が不要である等の利点が得られる。なお上記の実施例では、変位センサとして静電結合分布インダクタンス型変位センサを使用した。このような変位センサは、本出願人が先に開発した距離測定用ＩＣが利用できる。この距離測定用ＩＣの詳細は、特許第３３５２６１９号に記載されるので、詳細説明を割愛する。ただ、他の方式を利用した変位センサとして、例えばレーザ光変位センサや静電容量型変位センサ、渦電流型変位センサ等を利用することも可能である。このようにセンサ基板にカウンタ基板を一体に組み込むことで、変位センサの更なる小型化、低消費電力化を図ることができる。
（実施例２）
（フレキシブル基板を利用したセンサ基板９２Ｂ）

センサ基板は、上記のように硬質基板に限られず、フレキシブル基板など可撓性基板を利用して構成することもできる。これによって、検出面をより柔軟に配置でき、例えばセンサ基板自体を移動する部材に固定することも容易となる。また薄いフレキシブル基板を利用すれば、フィルム状センサとして狭い場所への挿入等も可能となり、利用可能な用途が広がる。またフレキシブル基板にコイルパターンを形成すれば、基板の両面を検出面とすることも可能となり、２方向で測定可能な２方向センサとして利用できる。図９に、本発明の実施例２に係る２方向センサ２００を利用して２面で測定を行う例を示す。この図は、内径の異なる段差を有する開口部材である導電体６０に、開口部分から２方向センサ２００を挿入して各部の内径を測定する様子を示している。図９（ａ）は、開口奥側の内径の大きい部分、図９（ｂ）は開口端側の内径の小さい部分を、それぞれ２方向センサ２００で内径を測定している。この図に示すように、中空円筒の内径や平行板の間隔などにセンサ基板９２Ｂを挿入して、ノギスのように内径を測定できるようになる。特に非接触で高精度な測定が実現できる。さらに、センサ基板を固定して、基準面に対する変位量を検出する他、センサ基板自体を移動体に固定し、センサ基板の位置を検出するような態様も利用可能となる。
（フレキシブルセンサ基板９２Ｃ）

図１０に、フレキシブル基板を使用したセンサ基板の一例を示す。このセンサ基板９２Ｃは、正方形状のコイルパターンと、コイルパターンをセンサ基板９２Ｃと接続するために延長された接続部とで構成される。このセンサ基板９２Ｃは、コイルパターン２及び接続部３を導線パターンなどで形成し、ラミネート状に挟み込んだフィルムで構成できる。また接続部３の両端には、銅箔などでグランドパターン４が形成され、これによって接続部３のシールド効果を得ることができる。図１０においては、センサ基板９２Ｃをカウンタ基板９１Ｃと接続するため、接続部３の端縁でグランドパターン４から導線パターンを突出させて接続端子としている。またコイルパターン２は、上記と同様にジグザグ状に曲がりくねった線路となるメアンダ状、あるいは渦巻き状のスパイラル状等が利用できる。
（カウンタ基板９１Ｃ）

カウンタ基板９１Ｃは、ガラスエポキシ基板などの硬質基板で構成される。カウンタ基板９１Ｃの基板上には、図１１に示すように、センサ基板９２Ｃと接続するためのコネクタ１１と、周波数カウンタ等を内蔵した距離測定用ＩＣ１２（図５の発振回路を構成する距離測定用ＩＣ９５に対応）と、ノイズ対策等のためのバッファ回路１３（図２のバッファ回路７８に対応）と、発振回路に供給される電力を安定化させる安定化電源回路１４（図２の安定化電源回路８０に対応）とを備える。なお上記実施例１で説明した部材については、同様の部材が利用できるので、詳細説明を割愛する。コネクタ１１は、センサ基板９２Ｃの接続端子を挿入して狭持し、機械的、電気的に接続可能な構成としている。
（実施例３）
（スライド型変位センサ）

上記の性質を利用して、変位センサは単なる静止物体の変位測定のみならず、移動する移動体の移動量の測定や回転体の回転位置、回転速度の測定などに利用できる。この様子を、図１２に基づいて説明する。変位センサ３００に金属などの導電性物質６０Ｄを近付けると、発振周波数が増加し、逆に遠ざけると発振周波数は減少する。したがって、発振周波数を監視すれば金属などの導体の通過を判別できることとなる。これによって、導電体６０Ｄの変位量を測定できるので、直線状に移動する移動体の位置を測定可能なスライド型の変位センサ３００が実現できる。また発振周波数の増減を監視することで、金属等の導体の通過を検出することもできる。スライド型変位センサ３００で金属の変位を検出する例を、図１３及び図１４に基づいて説明する。図１３は、移動体のスライド方向に対して、対向面が傾斜している場合の例であり、図１３（ａ）は側面図、図１３（ｂ）は平面図をそれぞれ示している。この図に示すスライド型変位センサ３００Ａは、検出面と対向する金属６０Ａの測定対象面が対向面に対して傾斜しているため、移動体の移動に応じて検出面と測定対象面との距離が変化するので、これに応じて変化する発振周波数に基づいて移動量が判定できる。

一方、図１４は、検出面との重複面積が変化するように傾斜している場合の例であり、図１４（ａ）は側面図、図１４（ｂ）は平面図をそれぞれ示している。この図に示すスライド型変位センサ３００Ｂは、検出面と対向する金属６０Ｂの測定対象面の面積が変化するよう傾斜しているため、移動体の移動に応じて検出面と測定対象面とが対向する重複面積が変化するので、これに応じて変化する分布キャパシタンスに基づいて移動量が判定できる。
（実施例４）
（回転計）

また、上記の原理を応用して変位センサを、回転体の回転位置や回転速度を測定、検出可能な回転計に利用する例を図１５に示す。この図に示すように、変位センサ４００は測定対象となる回転体に導電パターン基板２０を固定する。導電パターン基板２０は、ガラスエポキシ基板などの絶縁部材が利用でき、この表面に所定の導電パターン２２を形成している。なおこの例では、モータで回転される回転軸に導電パターン基板２０を固定しているが、回転体自体がこのような非対称パターンを有する導電性物質である場合は、別途導電パターン基板を固定する必要はない。例えば回転体が絶縁部材である場合は、回転体に所定パターンの導電パターンのみを固定することもできる。
（導電パターン２２）

導電パターン２２は、回転の円周方向に沿って少なくとも一部が変化するパターンとする。例えば図１６の例では、円盤状の導電パターン基板２０に、半月状の導電パターン２２を形成している。このように左右非対称とすることで、後述する導電パターン２２とコイルパターン２とが対向する面積を回転位置に応じて変化できる。また図１７に示すように、均一な扇形状に導電パターン２２Ｂを形成することもできる。導電パターン２２を細かく形成することで、より詳細な回転位置の検出が可能となる。導電パターン２２を構成する導電性部材には、銅箔やアルミニウムなど導電性の良い金属が好適に利用できる。
（センサ基板）

さらに変位センサ４００のセンサ基板３０を構成する検出面には、所定のパターンのセンサコイル３１が配置されている。この例では、図１６の導電パターン２２に対して図１８のようなコイルパターン３２のセンサコイル３１を検出面に形成している。またこの例に限らず、例えば図１７のような導電パターン基板２０Ｂの基板導電パターン２２Ｂに対しては、図１９のようなセンサ基板３０Ｂにコイルパターン３２Ｂのようなセンサコイル３１Ｂを形成することもできる。このように導電パターン２２とコイルパターン３２は、回転方向と対向する面積に応じて適宜設定できる。

センサ基板３０は、図２０に示すように導電パターン基板２０と離間させて対向させる。この状態で回転体を回転させると、回転体に固定された導電パターン基板２０も回転し、検出面と導電性部材との間で、導電パターン２２とコイルとが対向する重複領域の面積が変化する。重複面積に応じて分布キャパシタンスが変化するので、図２１に示すように発振周波数も回転位置に応じて、すなわち時間と共に変化する。したがって、図２１から、所定時間内のピーク数を計数すれば、回転数（ｒｐｍ）が算出できる。ピークの計数は、カウンタ基板９１の周波数カウンタで行える。あるいは、ピークの周期を計測することでも同様に回転数が算出できる。

ここで、センサ基板３０を図１８の位置で固定とし、導電パターン基板２０を図１６の位置を基準として反時計回りに回転するとした場合の、導電パターン２２とコイルパターン３２の位置関係を、図２２に示す。この図に示すように、導電パターン基板２０の回転角度に応じて、導電パターン２２とコイルの重複面積は変化する。このときの導電パターン基板２０の回転位置による発振周波数の変化を、図２３のグラフに示す。図２２（ｅ）に示すように回転角度１８０°で重複面積が最大となり、分布キャパシタンスが最大となるため発振周波数も最大値となる。逆に図２２（ａ）に示すように回転角度０°で重複面積が最小となり、出力周波数は最小値となる。このように、回転角度の変化に応じて発振周波数が図２３のように変化するので、発振周波数を測定すれば回転位置が検出できる。また、回転位置の時間変化を捉えれば、回転速度の検出も可能となる。

上記の導電パターン及びコイルパターンは一例であって、種々のパターンを利用でき、またパターンに応じて回転位置の検出精度を調整できる。例えば図１６の半月円状の導電パターン２２を使用する場合、機能的には３６０°回転を１サイクルとしており、角度変化量の測定としては１万回転を前提とした場合、サンプリング時間２００μＳであり約１２°刻みのデータをサンプリング可能となる。したがって、回転角度測定に有効となる。

また、図１７に示すように多分割円状の導電パターン２２Ｂを使用する場合は、図２４に示すように、周波数ｆ変化の最小から最大までの変化時間が分割された数だけ高速に応答するため、回転数の測定レスポンスを非常に速く行うことが可能となる。したがって回転数測定等に特に有効となる。図２４において、太線は図１６の導電パターン２２と図１８のコイルパターン３２を組み合わせた場合、すなわち約１８０°のパターンを使用した場合の、発振周波数の変化を示している。また細線は図１７の導電パターン２２Ｂと図１９のコイルパターン３２Ｂを組み合わせた場合、すなわち約４５°のパターンを使用した場合の、発振周波数の変化を示している。さらに波線は、約９０°のパターンを使用した場合の、発振周波数の変化を示している。このように、パターンを細かくする程、周波数変化の応答も速くなるので、より高速で詳細な検出が可能となる。

また、例えば、１２０°ピッチの導電パターンと１２０°ピッチのコイルパターン３２を組み合わせた場合、必ず１のパターンは全く導体と重なっていないデータを測定することが可能となるので、他の２のパターンの変化よりも回転数を測定することが可能となる。さらに測定対象の回転体の回転数に合わせて、パターンの分割数を可変とすれば、効率的な回転位置の検出が可能となる。導電パターン２２やコイルパターン３２を可変とするには、導電パターン基板２０やセンサ基板３０を交換可能とすることで実現できる。

このように、導電パターンやコイルパターンを検出面の全面に均一に設けるのでなく、偏在させることで、分布インダクタンスを回転位置によって変化させることができ、回転位置や変位量を測定できる。また二次元平面コイルの表皮効果を利用して、エネルギーを有効に利用できるので、測定感度も良好であり、磁性の有無に関係なく導電性物質について利用できる。さらに導体の変位に高速で反応できる。さらにまた数百ＭＨｚの高周波発振により高分解能が実現できる。特に対向金属との距離が数十μｍ付近では発振周波数が最大に近くなるため、数ｎｍの分解能が実現できる。またサンプリング時間を発振周波数とカウンタの分解能に応じて適切に設定することで、さらに分解能を上げることも可能である。またデジタル信号での信号伝送であるので、耐ノイズ性に優れ、渦電流タイプや静電容量タイプのセンサのように、後段にＡ／Ｄ変換器や高精度のアナログアンプが不要とでき、デジタル信号をコンピュータ等に直接出力できる。さらに消費電力とノイズを少なくできる。

本発明の変位センサは、非接触の回転角度検出や回転速度計として適用できる。例えば金属の摩耗検査や、回転体の偏心計測、厚み計測、平滑面の凹凸検知、高精度な位置決め、光ファイバの調芯、圧力検知、振動検知といった微小変位を検出可能な変位センサとして好適に利用できる。また非接触の近接スイッチとしても利用可能である。

変位センサの発振回路を示す回路図である。 変位センサの構成を示すブロック図である。 本発明の実施例１に係る変位センサの構成を示す模式図である。 変位センサのセンサ基板の外観を示す斜視図である。 変位センサの動作原理を示すブロック図である。 導電性物質とセンサ基板との距離に応じて、発振回路の発振周波数が変化する様子を示すグラフである。 変位センサの一例を示す平面図、側面図、正面図である。 変位センサの他の例を示す平面図及び底面図である。 本発明の実施例２に係る２方向センサを利用して２面で測定を行う例を示す概略図である。 フレキシブル基板を使用したセンサ基板の一例を示す平面図である。 カウンタ基板を示す平面図及び側面図である。 対象物の移動に応じて発振周波数が変化する様子を示す模式図である。 移動体のスライド方向に対して、対向面が傾斜している例を示す模式図である。 移動体の検出面とセンサ基板との重複面積が変化するように傾斜している例を示す模式図である。 本発明の実施例４に係る変位センサを回転計に利用する例を示す模式図である。 導電パターン基板に導電パターンを形成した一例を示す平面図である。 導電パターン基板に導電パターンを形成した他の例を示す平面図である。 センサ基板にコイルパターンを形成した一例を示す平面図である。 センサ基板にコイルパターンを形成した他の例を示す平面図である。 センサ基板を導電パターン基板と離間させて対向させた状態を示す側面図である。 発振周波数が時間と共に変化する様子を示すグラフである。 導電パターンとコイルパターンの位置関係を示す模式図である。 回転角度に応じて発振周波数が変化する様子を示すグラフである。 回転角度に応じて発振周波数が変化する様子を、パターンのピッチ毎に示すグラフである。 従来の回転角度を検出する回転角度検出センサを示すブロック図である。

符号の説明

１００、３００、３００Ａ、３００Ｂ、４００…変位センサ；２００…２方向センサ
２…コイルパターン；３…接続部；４…グランドパターン
１１…コネクタ；１２…距離測定用ＩＣ
１３、７８…バッファ回路；１４、８０…安定化電源回路
２０、２０Ｂ…導電パターン基板；２２、２２Ｂ…導電パターン
３０、３０Ｂ…センサ基板
３１、３１Ｂ…センサコイル；３２、３２Ｂ…コイルパターン
６０、６０Ｄ…導電体
６０Ａ、６０Ｂ…金属
７０Ａ、７０Ｂ…変位センサ
７１、７１Ａ、７１Ｂ…平面状インダクタ
７２…ＣＭＯＳインバータ（発振用）；７３…ＣＭＯＳインバータ（バッファ用）
７６…発振回路；７７…周波数カウンタ；７９…制御回路
９１、９１Ｃ…カウンタ基板；９１ｂ…ＩＣ面
９２、９２Ｂ、９２Ｃ…センサ基板；９２ｂ…検出面；９３…ワイヤ
９５…センサＩＣ
９４…信号端子；９６…データ処理ユニット；９７…ケーブル；９８…表示部
２５１…コイル；２５３…軸状回転体；２５４…コンデンサ；２５５…コンパレータ

Claims (8)

1. 回転速度を測定可能な変位センサであって、
   回転速度の測定対象である回転体の少なくとも一部に固定された導電性物質と離間して対向するように配置可能な検出面を有する平板状のセンサ基板であって、前記検出面には所定のパターンのセンサコイルが配置されているセンサ基板と、
   前記センサコイルを導電性物質と対向させて発生される分布キャパシタンスと、前記センサコイルの分布インダクタンスとで発振回路を構成し、発振回路の発振周波数をカウント値に変換し、デジタル信号で出力可能なカウンタ基板と、
   を備えており、
   前記センサコイルのパターンは、回転体が回転軸を中心として回転する回転位置により、前記センサコイルと導電性物質との間で発生される分布キャパシタンスの静電容量が変化するように配置されており、これによって発振回路の発振周波数の変化を前記カウンタ基板で検出して、回転位置を特定するよう構成されてなることを特徴とする変位センサ。
2. 請求項１に記載の変位センサであって、
   前記センサコイルのパターンが、前記センサ基板を回転体と対向させた状態で回転体の回転軸に対して非対称に形成されてなることを特徴とする変位センサ。
3. 請求項１又は２に記載の変位センサであって、
   平板状の導電性部材を所定のパターンで一面に形成した導電パターン基板を、導電性物質として回転体に固定してなることを特徴とする変位センサ。
4. 請求項１から３のいずれかに記載の変位センサであって、
   前記カウンタ基板がＩＣで構成されており、ＩＣの一面に前記センサ基板を一体に設けていることを特徴とする変位センサ。
5. 請求項１から３のいずれかに記載の変位センサであって、
   前記センサ基板と前記カウンタ基板とが、脱着可能に接続されてなることを特徴とする変位センサ。
6. 請求項１から５のいずれかに記載の変位センサであって、さらに、
   前記カウンタ基板で測定された回転体の回転位置を表示するための表示部を備えることを特徴とする変位センサ。
7. 直線移動する移動体の変位を測定可能な変位センサであって、
   直線移動の測定対象である移動体の少なくとも一部に固定された導電性物質と離間して対向するように配置可能な検出面を有する平板状のセンサ基板であって、前記検出面には所定のパターンのセンサコイルが配置されているセンサ基板と、
   前記センサコイルを導電性物質と対向させて発生される分布キャパシタンスと、前記センサコイルの分布インダクタンスとで発振回路を構成し、発振回路の発振周波数をカウント値に変換し、デジタル信号で出力可能なカウンタ基板と、
   を備えており、
   前記センサコイルのパターンは、移動体の位置に応じて、前記センサコイルと導電性物質との間で発生される分布キャパシタンスの静電容量が変化するように配置されており、これによって発振回路の発振周波数が変化することを前記カウンタ基板で検出して、変位を特定するよう構成されてなることを特徴とする変位センサ。
8. 請求項１から７のいずれかに記載の変位センサであって、
   前記センサ基板は、平板状の前記検出面の裏面を、さらに所定のパターンのセンサコイルを配置した第２の検出面とし、前記センサコイルの両面でそれぞれ変位を測定可能に構成してなることを特徴とする変位センサ。
   

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