JP2008292457A - Detector and method for detection - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、検出コイルとコンデンサとを接続してなる共振回路を駆動し、該共振回路から出力される振動波の位相ズレ成分にもとづいて検出を行う検出装置及び検出方法に関し、特に、磁気的な特性変化に基づいて金属の近接、変位、材質、応力、温度、疲労、損傷、欠陥などを検出する検出装置及び検出方法に関する。 The present invention relates to a detection device and a detection method for driving a resonance circuit formed by connecting a detection coil and a capacitor and performing detection based on a phase shift component of a vibration wave output from the resonance circuit, and more particularly, a magnetic method. The present invention relates to a detection apparatus and a detection method for detecting proximity, displacement, material, stress, temperature, fatigue, damage, defect, and the like of a metal based on various characteristic changes.
検出コイルを備える検出装置が知られている。例えば、特許文献1に記載される近接センサは、検出コイルを含む高周波発振回路を備えた高周波発振型近接スイッチであり、金属が検出コイルに近接したとき、高周波発振回路の発振振幅や発振周波数が変化することを利用し、金属の近接や材質を判定するようになっている。すなわち、高周波発振回路の発振振幅や発振周波数は、金属との近接距離に応じて変化するだけでなく、金属の材質(透磁率、導電率などの違い)に応じて変化するのであり、例えば、振幅測定方式の近接スイッチでは、磁性金属(鉄など)の近接を良好に検出でき、周波数測定方式の近接スイッチでは、非磁性金属(アルミなど)の近接を良好に検出できる。また、両方式を兼ね備えた近接スイッチでは、磁性金属及び非磁性金属の近接を良好に検出でき、かつ、金属の材質判定も良好に行うことができる。
A detection device including a detection coil is known. For example, the proximity sensor described in
しかしながら、従来における周波数測定方式の検出装置は、高周波発振を継続しつつ、その僅かな位相ズレを測定しているため、同期検波回路などの複雑な回路が必要になり、振幅測定方式の検出装置に比べて、著しく高価になるという問題がある。また、僅かな位相ズレをデジタル回路で検出することも可能ではあるが、この場合には、極めて高速で動作するカウンタやCPUが必要になるため、却ってコスト高となる可能性がある。 However, the conventional frequency measurement type detection apparatus measures a slight phase shift while continuing high-frequency oscillation, so that a complicated circuit such as a synchronous detection circuit is required, and the amplitude measurement type detection apparatus There is a problem that it is extremely expensive. Although a slight phase shift can be detected by a digital circuit, in this case, a counter and a CPU that operate at extremely high speed are required, which may increase the cost.
そこで、本出願人は、検出コイルにコンデンサを接続してなる共振回路と、該共振回路に対して駆動信号を出力する駆動信号出力手段と、該駆動信号出力手段の信号出力停止後に前記共振回路から減衰状に出力される自由振動波にもとづいて、金属の近接に伴う振動波の位相ズレを測定する位相ズレ測定手段とを備える近接センサを過去に提案した(特許文献2参照)。そして、このような近接センサによれば、金属の近接に伴う振動波の位相ズレを簡単な回路構成で精度良く測定することが可能になる。すなわち、共振回路から減衰状に出力される自由振動波にあっては、金属の近接に伴う振動波の位相ズレが明確に現れるだけでなく、位相ズレが振動波の数だけ蓄積されるので、高速なカウンタを持たない安価なデジタル回路でも、位相ズレを高精度に測定することができる。 Therefore, the applicant of the present invention provides a resonance circuit in which a capacitor is connected to the detection coil, a drive signal output means for outputting a drive signal to the resonance circuit, and the resonance circuit after the signal output of the drive signal output means is stopped. In the past, a proximity sensor provided with a phase shift measuring means for measuring a phase shift of a vibration wave accompanying the proximity of a metal based on a free vibration wave output in a damped manner has been proposed (see Patent Document 2). According to such a proximity sensor, it is possible to accurately measure the phase shift of the vibration wave accompanying the proximity of the metal with a simple circuit configuration. That is, in the free vibration wave output in a damped form from the resonance circuit, not only the phase shift of the vibration wave accompanying the proximity of the metal appears clearly, but also the phase shift is accumulated by the number of vibration waves, Even an inexpensive digital circuit that does not have a high-speed counter can measure the phase shift with high accuracy.
さらに、本出願人は、前記駆動信号出力手段の信号出力停止後に前記共振回路から出力される自由振動波の数をカウントし、所定数の自由振動波をカウントしたタイミングで、前記駆動信号出力手段に駆動信号を出力させる、という回帰動作を所定回数繰り返すことによって、自由振動波の位相ズレを増幅させる近接センサを提案した(特願2006−232267号)。 Further, the applicant counts the number of free vibration waves output from the resonance circuit after stopping the signal output of the drive signal output means, and at the timing when the predetermined number of free vibration waves are counted, the drive signal output means Proposed a proximity sensor that amplifies the phase shift of a free vibration wave by repeating a regression operation of outputting a driving signal to a predetermined number of times (Japanese Patent Application No. 2006-232267).
またさらに、本出願人は、自由振動波における位相ズレの蓄積作用や、自由振動波カウント処理の繰り返しによる位相ズレの増幅作用を利用して、金属に生じる圧縮、引張、捻りなどの応力を検出する応力センサを提案した(特願2007−19347号)。
しかしながら、本出願人が過去に提案した近接センサや応力センサの実施例では、図20に示すように、所定回数の自由振動波カウント処理を実行した後、自由振動波カウント処理を中断して検出信号出力処理を行っているので、良好な応答性が得られない可能性があるだけでなく、検出信号出力処理中における自由振動波の位相ズレを見落とし、検出精度が低下する可能性がある。 However, in the embodiment of the proximity sensor and the stress sensor previously proposed by the applicant, as shown in FIG. 20, after the predetermined number of times of free vibration wave count processing is executed, the free vibration wave count processing is interrupted and detected. Since the signal output processing is performed, there is a possibility that not only a good responsiveness cannot be obtained, but also the phase deviation of the free vibration wave during the detection signal output processing is overlooked, and the detection accuracy may be lowered.
上記の如き実情に鑑み、これらの課題を解決することを目的として創作された本発明の検出装置は、検出コイルとコンデンサとを接続してなる共振回路を駆動し、該共振回路から出力される振動波の位相ズレ成分にもとづいて検出を行う検出装置であって、前記共振回路に対して所定数の駆動信号を出力すると共に、駆動信号出力停止後に前記共振回路から減衰状に出力される自由振動波の数をカウントする自由振動波カウント処理手段と、前記自由振動波カウント処理における自由振動波のカウント数が所定数に達したタイミングを基準として、前記自由振動波カウント処理をエンドレスに繰り返す繰り返し処理手段と、前記自由振動波カウント処理の繰り返し回数が所定数に達する毎にタイミング信号を出力するタイミング信号出力処理手段と、前記自由振動波カウント処理と並行して行われる処理であって、所定回数の前記自由振動波カウント処理に要した時間を前記タイミング信号にもとづいて測定し、測定した時間を所定の信号形式で出力する検出信号出力処理手段とを備えることを特徴とする。
このような検出装置によれば、所定回数の自由振動波カウント処理に要した時間を所定の信号形式で出力するにあたり、この検出信号出力処理を自由振動波カウント処理と並行して行うことができるので、所定回数の自由振動波カウント処理を実行した後、自由振動波カウント処理を中断して検出信号出力処理を行う場合に比べ、良好な応答性が得られると共に、検出信号出力処理中における位相ズレの見落としを無くし、検出精度を向上させることができる。
In view of the above circumstances, the detection device of the present invention created for the purpose of solving these problems drives a resonance circuit formed by connecting a detection coil and a capacitor, and is output from the resonance circuit. A detection device that performs detection based on a phase shift component of a vibration wave, and outputs a predetermined number of drive signals to the resonance circuit and freely outputs the attenuation signal from the resonance circuit after the drive signal output is stopped. Free vibration wave count processing means for counting the number of vibration waves, and repeating the free vibration wave counting process endlessly with reference to the timing when the free vibration wave count in the free vibration wave counting process reaches a predetermined number Processing means and timing signal output processing for outputting a timing signal each time the number of repetitions of the free vibration wave count processing reaches a predetermined number And a process performed in parallel with the free vibration wave counting process, the time required for the free vibration wave counting process a predetermined number of times is measured based on the timing signal, and the measured time is determined as a predetermined signal. And a detection signal output processing means for outputting in a format.
According to such a detection apparatus, when the time required for the predetermined number of times of free vibration wave counting processing is output in a predetermined signal format, this detection signal output processing can be performed in parallel with the free vibration wave counting processing. Therefore, after executing the free vibration wave counting process a predetermined number of times, compared to the case where the free vibration wave counting process is interrupted and the detection signal output process is performed, a better responsiveness is obtained and the phase during the detection signal output process is obtained. It is possible to eliminate oversight of deviation and improve detection accuracy.
また、本発明の検出装置は、並行して処理を行う第一及び第二の処理モジュールを備え、第一の処理モジュールは、前記自由振動波カウント処理手段、繰り返し処理手段及びタイミング信号出力処理手段を備え、第二の処理モジュールは、前記検出信号出力処理手段を備えることを特徴とする。
このような検出装置によれば、並行処理機能を持たない処理モジュールでも、本発明の実施が可能になる。
In addition, the detection apparatus of the present invention includes first and second processing modules that perform processing in parallel, and the first processing module includes the free vibration wave count processing means, repetitive processing means, and timing signal output processing means. And the second processing module includes the detection signal output processing means.
According to such a detection apparatus, the present invention can be implemented even in a processing module that does not have a parallel processing function.
また、前記検出信号出力処理手段は、期間をずらして測定した複数の測定時間の差分を出力することを特徴とする。
このような検出装置によれば、検出精度を向上させるために測定期間を延長しても(自由振動波カウント数や繰り返し回数の増加に伴う測定期間の延長)、差分演算によって測定期間の一部分を切り出すことができるので、良好な分解能が得られる。また、測定期間の設定や差分の演算手順にもとづいて、出力信号を暗号化することが可能になる。例えば、本発明を貨幣識別用センサに適用する場合には、出力信号の暗号化によって、識別アルゴリズムの漏洩を防止することができる。
The detection signal output processing means outputs a difference between a plurality of measurement times measured by shifting the period.
According to such a detection device, even if the measurement period is extended to improve detection accuracy (extension of the measurement period due to an increase in the number of free vibration wave counts and the number of repetitions), a part of the measurement period is calculated by the difference calculation. Since it can be cut out, a good resolution can be obtained. Further, the output signal can be encrypted based on the measurement period setting and the difference calculation procedure. For example, when the present invention is applied to a currency identification sensor, it is possible to prevent leakage of the identification algorithm by encrypting the output signal.
また、本発明の検出方法は、検出コイルとコンデンサとを接続してなる共振回路を駆動し、該共振回路から出力される振動波の位相ズレ成分にもとづいて検出を行う検出方法であって、前記共振回路に対して所定数の駆動信号を出力すると共に、駆動信号出力停止後に前記共振回路から減衰状に出力される自由振動波の数をカウントする自由振動波カウント処理を行い、前記自由振動波カウント処理における自由振動波のカウント数が所定数に達したタイミングを基準として、前記自由振動波カウント処理をエンドレスに繰り返し、前記自由振動波カウント処理の繰り返し回数が所定数に達する毎にタイミング信号を出力し、前記自由振動波カウント処理と並行して行われる処理として、所定回数の前記自由振動波カウント処理に要した時間を前記タイミング信号にもとづいて測定し、測定した時間を所定の信号形式で出力することを特徴とする。
このような検出方法によれば、所定回数の自由振動波カウント処理に要した時間を所定の信号形式で出力するにあたり、この検出信号出力処理を自由振動波カウント処理と並行して行うことができるので、所定回数の自由振動波カウント処理を実行した後、自由振動波カウント処理を中断して検出信号出力処理を行う場合に比べ、良好な応答性が得られるだけでなく、検出信号出力処理中における位相ズレの見落としを無くし、検出精度を向上させることができる。
The detection method of the present invention is a detection method for driving a resonance circuit formed by connecting a detection coil and a capacitor, and performing detection based on a phase shift component of a vibration wave output from the resonance circuit, A predetermined number of drive signals are output to the resonance circuit, and a free vibration wave count process is performed to count the number of free vibration waves output from the resonance circuit after the drive signal output is stopped. The free vibration wave count process is repeated endlessly with reference to the timing at which the free vibration wave count number reaches a predetermined number in the wave count process, and each time the number of repetitions of the free vibration wave count process reaches a predetermined number, a timing signal As a process performed in parallel with the free vibration wave counting process, the time required for the free vibration wave counting process a predetermined number of times The measured based on the timing signal, and outputs the measured time with a predetermined signal format.
According to such a detection method, when outputting the time required for the predetermined number of times of the free vibration wave counting process in a predetermined signal format, this detection signal output process can be performed in parallel with the free vibration wave counting process. Therefore, after executing the free vibration wave counting process for a predetermined number of times, compared to the case where the free vibration wave counting process is interrupted and the detection signal output process is performed, not only a good responsiveness is obtained but also the detection signal output process is In this case, the detection accuracy can be improved.
また、期間をずらして測定した複数の測定時間の差分を出力することを特徴とする。
このような検出方法によれば、検出精度を向上させるために測定期間を延長しても(自由振動波カウント数や繰り返し回数の増加に伴う測定期間の延長)、差分演算によって測定期間の一部分を切り出すことができるので、良好な分解能が得られる。また、測定期間の設定や差分の演算手順にもとづいて、出力信号を暗号化することが可能になる。例えば、本発明を貨幣識別用センサに適用する場合には、出力信号の暗号化によって、識別アルゴリズムの漏洩を防止することができる。
Further, the present invention is characterized in that a difference between a plurality of measurement times measured by shifting the period is output.
According to such a detection method, even if the measurement period is extended in order to improve detection accuracy (extension of the measurement period due to an increase in the number of free vibration wave counts and the number of repetitions), a part of the measurement period is reduced by the difference calculation. Since it can be cut out, a good resolution can be obtained. Further, the output signal can be encrypted based on the measurement period setting and the difference calculation procedure. For example, when the present invention is applied to a currency identification sensor, it is possible to prevent leakage of the identification algorithm by encrypting the output signal.
次に、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。ただし、図面に示す波形には、実際の検出波形と、波形画像を合成したシミュレーション波形とが含まれる。 Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the waveform shown in the drawing includes an actual detection waveform and a simulation waveform obtained by synthesizing a waveform image.
[第一実施形態]
図1は、検出装置(トルクセンサ)の構成を示すブロック図である。この図に示される検出装置は、回転軸(金属)Sに生じる捻り応力(トルク)を検出するトルクセンサ1であって、共振回路2及び検出回路3を備えて構成されている。共振回路2は、回転軸Sに対して近接配置される検出コイルLに、コンデンサCを直列又は並列に接続して構成され、検出回路3から出力される駆動信号により駆動される。検出回路3は、例えば、CPU、ROM、RAM、I/O、比較器(コンパレータ)などが内蔵された1チップマイコンなどの処理モジュール3a、3bを2つ用いて構成され、ROMに書き込まれたプログラムに従い、後述する検出処理を行う。
[First embodiment]
FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration of a detection device (torque sensor). The detection device shown in this figure is a
検出回路3は、共振回路2に対して駆動信号を出力し、該駆動信号の出力停止後に共振回路2から減衰状に出力される自由振動波の位相ズレ成分にもとづいて、回転軸Sに生じる捻り応力を検出するようになっている。すなわち、回転軸Sにトルクが加えられると、回転軸Sの磁気的な特性(透磁率など)が変化し、その変化に応じて検出コイルLのインダクタンスが変化する。そして、検出コイルLにおけるインダクタンスの変化は、共振回路2から減衰状に出力される自由振動波の位相ズレとして明確に現れる。しかも、自由振動波における位相ズレは、振動波の数だけ蓄積されるので、応力に応じて変化する位相ズレを高精度に検出することが可能になる。
The
また、検出回路3は、共振回路2に対して所定数の駆動信号を出力すると共に、駆動信号出力停止後に共振回路2から減衰状に出力される自由振動波の数をカウントし、該カウント数が所定数Nに達したか否かを判断する自由振動波カウント処理を行い、該自由振動波カウント処理に要した時間測定にもとづいて自由振動波の位相ズレ成分を検出するようになっている。このようにすると、自由振動波の位相ズレ成分を安価なデジタル回路を用いて測定することができる。
The
また、検出回路3は、自由振動波カウント処理における自由振動波のカウント数が所定数に達したタイミングを基準として、自由振動波カウント処理を所定回数だけ繰り返すことにより、自由振動波の位相ズレ成分を増幅させるようになっている。このようにすると、回路構成を複雑にすることなく、自由振動波カウント処理の繰り返し回数を増やすだけで、自由振動波の位相ズレ成分を任意に増幅させることができるので、トルクセンサ1の検出精度を飛躍的に向上させることができる。
The
さらに、検出コイルLは、中心部が中空状態の筒形状であり、その内周部が回転軸Sの外周部と対向するように配置される。このようにすると、検出コイルLと回転軸Sとの相対的な位置変化に起因する誤差の発生を抑制し、検出精度をさらに向上させることができる。すなわち、金属を筒状の検出コイルLで囲むような配置とした場合は、検出コイルLと金属との相対的な変位に起因する検出コイルLのインダクタンス変化が小さくなり、特に、円柱形状又は円筒形状の金属を円筒状の検出コイルLで囲むような配置とした場合は、検出コイルLと金属との相対的な変位に起因する検出コイルLのインダクタンス変化を最小化することができる。 Further, the detection coil L has a cylindrical shape with a hollow center portion, and is arranged so that the inner peripheral portion thereof faces the outer peripheral portion of the rotation shaft S. In this way, it is possible to suppress the occurrence of errors due to the relative position change between the detection coil L and the rotation axis S, and to further improve the detection accuracy. That is, when the metal is surrounded by the cylindrical detection coil L, the inductance change of the detection coil L due to the relative displacement between the detection coil L and the metal is reduced, and in particular, a columnar shape or a cylinder In the case where the shape metal is surrounded by the cylindrical detection coil L, an inductance change of the detection coil L due to the relative displacement between the detection coil L and the metal can be minimized.
次に、トルクセンサ1の具体的な構成について説明する。
Next, a specific configuration of the
共振回路2は、検出コイルLにコンデンサCを並列に接続した並列共振回路であってもよいが、検出コイルLにコンデンサCを直列に接続した直列共振回路であることが好ましい。このようにすると、直列共振回路の作用によって、最大でソース電圧(例えば5V)のQ倍(例えば8倍)の電圧を検出コイルLに印加できるので、共振回路2から振幅の大きい自由振動波を出力することができる。これにより、自由振動波カウント数を多くし、測定精度を更に高めることができるだけでなく、ノイズにも強いものとできる。しかも、振幅の大きい自由振動波は、増幅器を介さずに検出回路3に直接入力できるので、回路構成がよりシンプルになり、更なるコストダウンが可能になる。
The
なお、検出コイルLに印加される最大電圧VLMAXは、以下に示す式で求めることができる。ただし、ω0は共振角周波数、Lは検出コイルLのインダクタンス、Rは検出コイルLの抵抗、CはコンデンサCのキャパシタンス、VSはソース電圧、Qは共振回路の良好度である。 Note that the maximum voltage V LMAX applied to the detection coil L can be obtained by the following equation. However, ω 0 is the resonance angular frequency, L is the inductance of the detection coil L, R is the resistance of the detection coil L, C is the capacitance of the capacitor C, V S is the source voltage, and Q is the goodness of the resonance circuit.
検出回路3は、駆動パルス信号によって共振回路2を強制振動させるにあたり、複数の駆動パルス信号により共振回路2を強制振動させた後、駆動信号出力を停止させることができる。このようにすると、単発の駆動パルス信号で共振回路2を強制振動させる場合に比べ、強制振動波の振幅を大きくできる。特に、強制振動波の振幅が最大になるように所定の共振周波数で数発(例えば6発)の駆動パルス信号を出力すれば、駆動信号出力停止後に共振回路2から出力される自由振動波の振幅をより大きくし、測定精度を更に高めることが可能になる。
ちなみに、共振回路2を強制振動させる共振周波数fは、以下に示す式で求めることができる。
When the
Incidentally, the resonance frequency f for forcibly oscillating the
次に、自由振動波における位相ズレの蓄積作用(増幅作用)について、図2〜図10を参照して説明する。 Next, a phase shift accumulation operation (amplification operation) in a free vibration wave will be described with reference to FIGS.
図2は、駆動パルス信号波形(a点)及び共振回路の振動波形(b点)を示す説明図である。この図に示すように、検出回路3は、所定電圧(例えば5V)の駆動パルス信号を出力し、共振回路2を強制振動させる。このとき、所定の共振周波数で数発(例えば6発)の駆動パルス信号を出力することにより、検出コイルLに最大電圧(例えば40V)を印加させることができる。そして、駆動パルス信号の出力を停止した後は、共振回路2から複数の自由振動波が減衰状に出力される。
FIG. 2 is an explanatory diagram showing a drive pulse signal waveform (point a) and a vibration waveform (point b) of the resonance circuit. As shown in this figure, the
図3は、十数個目の自由振動波を拡大した説明図、図4は、回転軸に大きなトルクを加えたときの位相ズレを示す説明図、図5は、回転軸に小さなトルクを加えたときの位相ズレを示す説明図である。これらの図に示すように、共振回路2から出力される自由振動波は、十数個目であっても検出に十分な振幅を保っている。ここで、回転軸Sにトルクを加えると、検出コイルLのインダクタンスが変化し、自由振動波の位相が進む。この自由振動波の位相ズレは、強制振動波に比べて明確に現れるだけでなく、自由振動波の個数分だけ蓄積されるので、低速なカウンタでも高精度に位相ズレを測定することが可能になる。また、図4及び図5に示すように、自由振動波の位相ズレは、回転軸Sに作用するトルクが大きいほど大きくなるので、自由振動波の位相ズレにもとづいて、回転軸Sに作用するトルクを高精度に測定することが可能になる。
3 is an explanatory diagram showing an enlarged tenth free vibration wave, FIG. 4 is an explanatory diagram showing a phase shift when a large torque is applied to the rotating shaft, and FIG. 5 is a graph showing a small torque applied to the rotating shaft. It is explanatory drawing which shows the phase shift at the time. As shown in these drawings, the free vibration wave output from the
図6は、自由振動波形(b点)と比較器出力(c点)の関係を示す説明図、図7は、回転軸にトルクが加えられていないときの比較器出力を示す拡大図、図8は、回転軸に小さなトルクが加えられたときの比較器出力を示す説明図、図9は、回転軸に大きなトルクが加えられたときの比較器出力を示す説明図である。これらの図に示すように、共振回路2から出力される自由振動波は、十数個目であっても検出に十分な振幅を保っているので、比較器によって明確な矩形波に変換することができる。ここで、回転軸Sにトルクを加えると、比較器出力波形の位相が進む。図8及び図9から明らかなように、この位相ズレは、自由振動波の個数が増えるほど蓄積され、測定が容易になる。
FIG. 6 is an explanatory view showing the relationship between the free vibration waveform (point b) and the comparator output (point c), and FIG. 7 is an enlarged view showing the comparator output when no torque is applied to the rotating shaft. 8 is an explanatory diagram showing a comparator output when a small torque is applied to the rotating shaft, and FIG. 9 is an explanatory diagram showing a comparator output when a large torque is applied to the rotating shaft. As shown in these figures, the free vibration wave output from the
次に、自由振動波カウント処理の繰り返しによる位相ズレの増幅作用(蓄積作用)について、図10を参照して説明する。 Next, the phase shift amplifying action (accumulating action) by repeating the free vibration wave counting process will be described with reference to FIG.
図10は、自由振動波カウント数を5、その繰り返し回数を10とした場合における位相ズレの増幅作用を示す説明図である。この図に示す波形は、一回の検出処理における共振回路2の出力波形であって、2発の駆動パルス信号を出力して、共振回路2を強制振動させた後、共振回路2から減衰状に出力される自由振動波の数をカウントし、カウント数が所定数5に達したか否かを判断する自由振動波カウント処理を行い、該自由振動波カウント処理に要した時間測定にもとづいて自由振動波の位相ズレ成分を検出するにあたり、自由振動波カウント処理における自由振動波のカウント数が所定数5に達したタイミングを基準として、自由振動波カウント処理を10回繰り返した場合の波形であり、上側の波形は、下側の波形よりも大きなトルクを回転軸Sに加えた場合を示している。この図から明らかなように、自由振動波カウント処理における自由振動波のカウント数が所定数に達したタイミングを基準として、自由振動波カウント処理を所定回数繰り返すと、自由振動波の位相ズレが増幅される。これにより、回路構成を複雑にすることなく、自由振動波カウント処理の繰り返し回数を増やすだけで、位相ズレの測定精度を飛躍的に向上させることができる。
FIG. 10 is an explanatory diagram showing the phase shift amplification effect when the free vibration wave count is 5 and the number of repetitions is 10. FIG. The waveform shown in this figure is an output waveform of the
次に、自由振動波カウント数及びその繰り返し回数を変更した場合における位相ズレの増幅作用(蓄積作用)について、図11及び図12を参照して説明する。 Next, the phase shift amplification function (accumulation function) when the free vibration wave count number and the number of repetitions thereof are changed will be described with reference to FIGS.
図11は、自由振動波カウント数を1、その繰り返し回数を100とした場合における位相ズレの増幅作用(検出波形始端部を拡大)を示す説明図、図12は、自由振動波カウント数を1、その繰り返し回数を100とした場合における位相ズレの増幅作用(検出波形終端部を拡大)を示す説明図である。これらの図に示す波形は、一回の検出処理における共振回路2の出力波形であって、1発の駆動パルス信号を出力して、共振回路2を強制振動させた後、共振回路2から減衰状に出力される自由振動波の数をカウントし、カウント数が所定数1に達したか否かを判断する自由振動波カウント処理を行い、該自由振動波カウント処理に要した時間測定にもとづいて自由振動波の位相ズレ成分を検出するにあたり、自由振動波カウント処理における自由振動波のカウント数が所定数1に達したタイミングを基準として、自由振動波カウント処理を100回繰り返した場合の波形であり、上側の波形は、回転軸Sにトルクを加えない場合を示し、下側の波形は、回転軸Sにトルクを加えた場合を示している。これらの図から明らかなように、検出波形の始端部、つまり自由振動波カウント処理の繰り返し回数が少ない段階では、位相ズレがあまり増幅されていないが(図11参照)、自由振動波カウント処理の繰り返し回数が多くなると、自由振動波の位相ズレが増幅され、その検出が容易になることがわかる(図12参照)。
FIG. 11 is an explanatory diagram showing the phase shift amplification effect (enlarged detection waveform start end) when the free vibration wave count is 1 and the number of repetitions is 100, and FIG. FIG. 10 is an explanatory diagram showing the phase shift amplification effect (enlarged detection waveform terminal portion) when the number of repetitions is 100. The waveforms shown in these figures are the output waveforms of the
さて、本発明の実施形態に係るトルクセンサ1の検出回路3は、自由振動波における位相ズレの蓄積作用や、自由振動波カウント処理の繰り返しによる位相ズレの増幅作用を利用して、回転軸Sに加えられたトルクを検出するにあたり、共振回路2に対して所定数の駆動信号を出力すると共に、駆動信号出力停止後に共振回路2から減衰状に出力される自由振動波の数をカウントする自由振動波カウント処理手段と、自由振動波カウント処理における自由振動波のカウント数が所定数に達したタイミングを基準として、自由振動波カウント処理をエンドレスに繰り返す繰り返し処理手段と、自由振動波カウント処理の繰り返し回数が所定数に達する毎にタイミング信号を出力するタイミング信号出力処理手段と、自由振動波カウント処理と並行して行われる処理であって、所定回数の自由振動波カウント処理に要した時間をタイミング信号にもとづいて測定し、測定した時間を所定の信号形式で出力する検出信号出力処理手段とを備える。このようにすると、所定回数の自由振動波カウント処理に要した時間を所定の信号形式で出力するにあたり、この検出信号出力処理を自由振動波カウント処理と並行して行うことができるので、所定回数の自由振動波カウント処理を実行した後、自由振動波カウント処理を中断して検出信号出力処理を行う場合に比べ、良好な応答性が得られるだけでなく、検出信号出力処理中における位相ズレの見落としを無くし、検出精度を向上させることができる。
Now, the
また、本実施形態の検出回路3は、並行して処理を行う第一及び第二の処理モジュール3a、3bを備え、第一の処理モジュール3aは、自由振動波カウント処理手段、繰り返し処理手段及びタイミング信号出力処理手段を備え、第二の処理モジュール3bは、検出信号出力処理手段を備える。このようにすると、並行処理機能を持たない処理モジュールでも、本発明の実施が可能になる。
The
次に、検出回路3の具体的な検出処理手順及びその作用について、図13〜図15を参照して説明する。
Next, a specific detection processing procedure and its operation of the
図13は、検出回路(第一の処理モジュール)の検出処理手順を示すフローチャートである。この図に示すように、第一の処理モジュール3aは、まず、比較器のREF電圧を設定した後(S11)、カウンタクリア処理(S12)と、自由振動波カウント処理(S13〜S15:自由振動波カウント処理手段)と、自由振動波カウント処理の繰り返し処理(S16、S17:繰り返し処理手段)と、タイミング信号出力処理(S18:タイミング信号出力処理手段)とからなる検出処理を繰り返し実行する。 FIG. 13 is a flowchart showing the detection processing procedure of the detection circuit (first processing module). As shown in this figure, the first processing module 3a first sets the REF voltage of the comparator (S11), then the counter clear process (S12) and the free vibration wave count process (S13 to S15: free vibration). Detection processing consisting of wave count processing means), free vibration wave count processing repetition processing (S16, S17: repetition processing means), and timing signal output processing (S18: timing signal output processing means).
カウンタクリア処理は、繰り返し回数カウンタをクリアする処理である(S12)。また、自由振動波カウント処理は、強制振動波の振幅が最大になるように、共振回路2に対して所定の共振周波数で数発の駆動パルス信号を出力した後(S13)、自由振動波カウンタをクリアし(S14)、共振回路2から減衰状に出力される自由振動波の数をカウントすると共に、カウント数が所定数Nに達したか否かを判断する処理である(S15)。また、繰り返し処理は、自由振動波のカウント数が所定数Nに達したタイミングで、繰り返し回数カウンタをインクリメントすると共に(S16)、繰り返し回数カウンタが所定数Mに達したか否かを判断し(S17)、該判断結果がYESになるまで、自由振動波カウント処理(S13〜S15)を繰り返す処理である。また、タイミング信号出力処理は、自由振動波カウント処理の繰り返し回数が所定数Mになったとき、所定のタイミング信号(パルス信号、反転信号など)を第二の処理モジュール3bに対して出力する処理である(S18)。なお、タイミング信号出力処理は、検出信号出力処理に比べ、極めて短い時間で実行可能な処理であり、自由振動波カウント処理の繰り返し回数が所定数Mに達する毎にタイミング信号出力処理を実行しても、実質的には、自由振動波カウント処理の繰り返し周期に影響はなく、略一定の周期で自由振動波カウント処理をエンドレスに繰り返すことができる。
The counter clear process is a process for clearing the repeat count counter (S12). In the free vibration wave counting process, several drive pulse signals are output at a predetermined resonance frequency to the
図14は、検出回路(第二の処理モジュール)の検出処理手順を示すフローチャートである。この図に示すように、第二の処理モジュール3aは、まず、タイミング信号の入力を判断し(S21)、該判断結果がYESの場合は、所定の検出信号出力処理(S22〜S24:検出信号出力処理手段)を実行する。検出信号出力処理は、今回のタイミング信号入力に応じて時間計測カウンタ値を取得すると共に(S22)、前回のタイミング信号入力時に取得した時間計測カウンタ値との差分(所定回数の自由振動波カウント処理に要した時間)を演算し(S23)、該差分値を所定の信号形式に変換して出力する処理である(S24)。そして、この検出信号出力処理は、図15に示すように、自由振動波カウント処理と並行して行われるので、所定回数の自由振動波カウント処理を実行した後、自由振動波カウント処理を中断して検出信号出力処理を行う場合に比べ、良好な応答性が得られるだけでなく、検出信号出力処理中における位相ズレの見落としを無くし、検出精度を向上させることができる。 FIG. 14 is a flowchart illustrating a detection processing procedure of the detection circuit (second processing module). As shown in this figure, the second processing module 3a first determines the input of a timing signal (S21). If the determination result is YES, a predetermined detection signal output process (S22 to S24: detection signal) Output processing means). In the detection signal output process, the time measurement counter value is acquired in response to the current timing signal input (S22), and the difference from the time measurement counter value acquired at the previous timing signal input (predetermined number of free vibration wave counting processes) Is a process of calculating and outputting the difference value into a predetermined signal format (S24). As shown in FIG. 15, this detection signal output process is performed in parallel with the free vibration wave counting process. Therefore, after the predetermined number of times of free vibration wave counting process is executed, the free vibration wave counting process is interrupted. Compared with the case where detection signal output processing is performed, not only good responsiveness can be obtained, but also an oversight of phase shift during detection signal output processing can be eliminated, and detection accuracy can be improved.
[他の実施形態]
前記実施形態では、タイミング信号が出力される毎に、所定回数の自由振動波カウント処理に要した時間を算出しているが、図16に示す第二実施形態のように、自由振動波カウント処理を繰り返す毎にタイミング信号を出力すると共に、タイミング信号の出力数が所定数に達したタイミングで、所定回数の自由振動波カウント処理に要した時間を算出するようにしてもよい。また、図15や図16では、所定回数の自由振動波カウント処理に要した時間の測定期間を互に重複しないように設定しているが、図17に示す第三実施形態のように、一部が重複するように設定してもよい。
[Other Embodiments]
In the above embodiment, every time the timing signal is output, the time required for the predetermined number of times of free vibration wave counting processing is calculated. However, as in the second embodiment shown in FIG. A timing signal may be output each time the above is repeated, and a time required for a predetermined number of free vibration wave counting processes may be calculated at a timing when the number of output timing signals reaches a predetermined number. In FIGS. 15 and 16, the measurement periods of the time required for the predetermined number of times of free vibration wave counting processing are set so as not to overlap each other, but as in the third embodiment shown in FIG. You may set so that a part may overlap.
図18及び図19に示す第四実施形態のように、期間をずらして測定した複数の測定時間の差分を出力するようにしてもよい。例えば、第一〜第三の実施形態では、図15〜図17に示すように、時間測定期間が終了する毎に、その期間の測定時間を出力しているが、第四実施形態では、図19に示すように、時間測定期間が終了する毎に、前回の期間の測定時間と、今回の期間の測定時間との差分を演算して出力するようになっている(具体的な処理は、図18のS34〜S36参照)。このようにすると、検出精度を向上させるために測定期間を延長しても(自由振動波カウント数や繰り返し回数の増加に伴う測定期間の延長)、差分演算によって測定期間の一部分を切り出すことができるので、良好な分解能が得られる。また、測定期間の設定や差分の演算手順にもとづいて、出力信号を暗号化することが可能になる。例えば、本発明を貨幣識別用センサに適用する場合には、出力信号の暗号化によって、識別アルゴリズムの漏洩を防止することができる。 As in the fourth embodiment shown in FIGS. 18 and 19, a difference between a plurality of measurement times measured by shifting the period may be output. For example, in the first to third embodiments, as shown in FIGS. 15 to 17, each time measurement period ends, the measurement time of that period is output. In the fourth embodiment, 19, every time the time measurement period ends, the difference between the measurement time of the previous period and the measurement time of the current period is calculated and output (specific processing is as follows). (See S34 to S36 in FIG. 18). In this way, even if the measurement period is extended in order to improve the detection accuracy (extension of the measurement period accompanying an increase in the number of free vibration wave counts and the number of repetitions), a part of the measurement period can be cut out by the difference calculation. Therefore, good resolution can be obtained. Further, the output signal can be encrypted based on the measurement period setting and the difference calculation procedure. For example, when the present invention is applied to a currency identification sensor, it is possible to prevent leakage of the identification algorithm by encrypting the output signal.
なお、本発明は、前記実施形態に限定されないことは勿論であって、共振回路から出力される振動波の位相ズレ成分にもとづいて検出を行うものであれば、トルクセンサに限らず、金属の近接、変位、材質、応力、温度、疲労、損傷、欠陥などを検出する検出装置及び検出方法にも適用することができる。また、前記実施形態では、検出回路から出力される駆動信号で共振回路を直接駆動しているが、電磁誘導などにより共振回路を間接的に駆動させる検出装置でも実施することができる。例えば、検出コイルとは別個に設けられる励磁コイルを駆動し、該駆動に応じて励磁コイルから発生する交流磁界の変化を検出コイル(共振回路)で検出する金属状態検出装置にも好適に用いることができる。 Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and of course, as long as the detection is performed based on the phase shift component of the vibration wave output from the resonance circuit, the present invention is not limited to the torque sensor. The present invention can also be applied to a detection apparatus and a detection method for detecting proximity, displacement, material, stress, temperature, fatigue, damage, defect, and the like. In the above embodiment, the resonance circuit is directly driven by the drive signal output from the detection circuit. However, the detection circuit can also be implemented by indirectly driving the resonance circuit by electromagnetic induction or the like. For example, it is also suitable for a metal state detection device that drives an excitation coil provided separately from a detection coil and detects a change in an alternating magnetic field generated from the excitation coil in response to the drive by a detection coil (resonance circuit). Can do.
1 トルクセンサ
2 共振回路
3 検出回路
3a 第一の処理モジュール
3b 第二の処理モジュール
C コンデンサ
L 検出コイル
S 回転軸
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記共振回路に対して所定数の駆動信号を出力すると共に、駆動信号出力停止後に前記共振回路から減衰状に出力される自由振動波の数をカウントする自由振動波カウント処理手段と、
前記自由振動波カウント処理における自由振動波のカウント数が所定数に達したタイミングを基準として、前記自由振動波カウント処理をエンドレスに繰り返す繰り返し処理手段と、
前記自由振動波カウント処理の繰り返し回数が所定数に達する毎にタイミング信号を出力するタイミング信号出力処理手段と、
前記自由振動波カウント処理と並行して行われる処理であって、所定回数の前記自由振動波カウント処理に要した時間を前記タイミング信号にもとづいて測定し、測定した時間を所定の信号形式で出力する検出信号出力処理手段とを備える
ことを特徴とする検出装置。 A detection device that drives a resonance circuit formed by connecting a detection coil and a capacitor and performs detection based on a phase shift component of a vibration wave output from the resonance circuit,
A free vibration wave count processing means for outputting a predetermined number of drive signals to the resonance circuit and counting the number of free vibration waves output from the resonance circuit after the drive signal output is stopped;
Repetitive processing means for repeating the free vibration wave counting process endlessly with reference to the timing at which the free vibration wave count number reaches a predetermined number in the free vibration wave counting process,
Timing signal output processing means for outputting a timing signal each time the number of repetitions of the free vibration wave counting process reaches a predetermined number;
A process performed in parallel with the free vibration wave counting process, measuring a predetermined number of times of the free vibration wave counting process based on the timing signal, and outputting the measured time in a predetermined signal format A detection signal output processing means for performing detection.
第一の処理モジュールは、前記自由振動波カウント処理手段、繰り返し処理手段及びタイミング信号出力処理手段を備え、
第二の処理モジュールは、前記検出信号出力処理手段を備える
ことを特徴とする請求項1記載の検出装置。 Comprising first and second processing modules for performing processing in parallel;
The first processing module includes the free vibration wave count processing means, a repetition processing means, and a timing signal output processing means,
The detection apparatus according to claim 1, wherein the second processing module includes the detection signal output processing means.
前記共振回路に対して所定数の駆動信号を出力すると共に、駆動信号出力停止後に前記共振回路から減衰状に出力される自由振動波の数をカウントする自由振動波カウント処理を行い、
前記自由振動波カウント処理における自由振動波のカウント数が所定数に達したタイミングを基準として、前記自由振動波カウント処理をエンドレスに繰り返し、
前記自由振動波カウント処理の繰り返し回数が所定数に達する毎にタイミング信号を出力し、
前記自由振動波カウント処理と並行して行われる処理として、所定回数の前記自由振動波カウント処理に要した時間を前記タイミング信号にもとづいて測定し、測定した時間を所定の信号形式で出力する
ことを特徴とする検出方法。 A detection method of driving a resonance circuit formed by connecting a detection coil and a capacitor and performing detection based on a phase shift component of a vibration wave output from the resonance circuit,
A predetermined number of drive signals are output to the resonance circuit, and a free vibration wave count process is performed to count the number of free vibration waves output from the resonance circuit after the drive signal output is stopped,
Based on the timing at which the free vibration wave count in the free vibration wave count process reaches a predetermined number, the free vibration wave count process is repeated endlessly,
A timing signal is output each time the number of repetitions of the free vibration wave count process reaches a predetermined number,
As a process performed in parallel with the free vibration wave counting process, a time required for the free vibration wave counting process a predetermined number of times is measured based on the timing signal, and the measured time is output in a predetermined signal format. A detection method characterized by.
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