JP2013076672A - Measurement apparatus using spiral inductor and oscillator - Google Patents

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Masayuki Yamauchi
将行 山内
Shinya Morishita
慎哉 森下
Takuhiro Kurokawa
卓弘 黒河
Kazuhisa Yoshimatsu
和久 吉松
Mamoru Tanaka
衞 田中
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Tsuru Gakuen
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Tsuru Gakuen
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  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a measurement method resistant to noise in an apparatus for measuring an intersection angle, a rotation angle, a position, a speed, acceleration, an inclination, vibration, etc. by utilizing variation of mutual inductance generated between spiral inductors and variation of self-inductance using a metal of spiral inductance and a substance with relative magnetic permeability sharply different from "1".SOLUTION: Since the variation of the mutual inductance or the variation of the self-inductance is detected as variation of the oscillation frequency by using an oscillator including the spiral inductor, a system resistant to noise and capable of easily and inexpensively performing measurement is constructed even when a distance from a sensor part up to a measurement part is comparatively long.

Description

本発明は、1つ、もしくは複数のスパイラルインダクタを用いた発振器を構成し、スパイラルインダクタの自己インダクタンス、またはスパイラルインダクタ間に発生する相互インダクタンスの変動を発振周波数によって計測することによって、交差する2つの物体間の交角や、回転する物体の回転角度、物体の位置や速度、加速度、傾き、振動の度合いなどを計測する装置に関する。 The present invention constitutes an oscillator using one or a plurality of spiral inductors, and measures the self-inductance of the spiral inductor or the mutual inductance variation generated between the spiral inductors by measuring the oscillation frequency by two oscillation frequencies. The present invention relates to an apparatus for measuring an intersection angle between objects, a rotation angle of a rotating object, a position and speed of an object, an acceleration, a tilt, a degree of vibration, and the like.

近代になり、遠隔操作や自動操作が進み、セキュリティ面では扉の開閉の監視が重要になり、工場などにおいてはロボットアームなどの精密な制御が必要となってきている。以上のような人間が近づくことが可能な場所に対する扉の開閉や、ネジのゆるみ、ロボットアームなどの関節部の制御は、目視による修正も可能な場合も多いが、人間が2度と近づくことが不可能なような場所、例えば、宇宙船などの遠隔操作における扉の開閉やロボットアームの制御などにおいて、どの程度開閉したか、また、アームなどがどの程度回転したか、どの程度の速度で動いたかなどを人間に頼ることなく正確に計測し知ることは非常に重要である。 In modern times, remote operation and automatic operation have progressed, and in terms of security, it is important to monitor the opening and closing of doors. In factories and the like, precise control of robot arms and the like has become necessary. The opening and closing of doors, the loosening of screws, and the control of joints such as robot arms can be visually corrected in many places where humans can approach, but humans approach twice. In places where it is impossible to control, for example, how to open and close, how much the arm etc. has rotated, and at what speed in remote control of a spacecraft etc. It is very important to accurately measure and know whether it has moved without relying on humans.

簡単で単価も安く交角や回転角度の計測を行う手法として、スパイラルインダクタなどのインダクタを複数用いて計測するシステムが開発されつつあるが、これらのシステムは、1次側から2次側に電圧が伝わる電圧の伝送効率などを利用した手法であり、計測場所から計測器までの距離が長いと、外部からのノイズにも弱いため、それぞれの計測場所に対して最適化を行う必要があり、運用をしていくことが難しい。 Systems that use multiple inductors, such as spiral inductors, are being developed as a simple and inexpensive method for measuring intersection and rotation angles, but these systems use a voltage from the primary side to the secondary side. It is a method that uses the transmission efficiency of the transmitted voltage, etc. If the distance from the measurement location to the measuring instrument is long, it is also vulnerable to noise from the outside, so it is necessary to optimize each measurement location and operate it It is difficult to do.

特願2010-194144Japanese Patent Application 2010-194144

森下慎哉・山内将行著、「プリンテッド・スパイラル・インダクタを用いた開口角度の計測に関する研究」、電子情報通信学会2011年総合大会、 A−2−20、 2011年2月28日発行、p.59Shinya Morishita and Masayuki Yamauchi, “Study on Measurement of Aperture Angle Using Printed Spiral Inductor”, IEICE 2011 General Conference, A-2-20, February 28, 2011, p . 59 吉松和久・国広崇・南口達也・山内将行著、「スパイラルインダクタ間の相互インダクタンスを利用した動き検出の実験に関する考察」 2008年電子情報通信学会総合大会、 A−1−2、2008年3月5日発行、p.2Kazuhisa Yoshimatsu, Takashi Kunihiro, Tatsuya Minamiguchi, Masayuki Yamauchi, “Study on Motion Detection Experiments Using Mutual Inductance Between Spiral Inductors” 2008 IEICE General Conference, A-1-2, March 2008 Issued on the 5th, p. 2

従来の、スパイラルインダクタ間に発生する相互インダクタンスを利用した交角計測システムや回転角度計測システムでは、特許文献1や非特許文献1に記載されているような一方のスパイラルインダクタから、もう一方のスパイラルインダクタへ電圧が伝わる効率を利用した方式などがあるが、これらの方式では外部からのノイズの影響を大きく受けやすく、最適化の必要もあり、離れた地点からの計測に向いているとは言えない。このため、計測部を統一し、複数個所センサーを設置して計測を行うには、個別の調整を要し、運用が難しいと言える。 In the conventional cross angle measurement system and rotation angle measurement system using mutual inductance generated between spiral inductors, one spiral inductor as described in Patent Document 1 or Non-Patent Document 1 is replaced with the other spiral inductor. There are methods that use the efficiency of transmitting voltage to the outside, but these methods are highly susceptible to external noise and need to be optimized, so they cannot be said to be suitable for measurements from remote locations. . For this reason, in order to unify the measurement unit and install multiple sensors to perform measurement, individual adjustments are required and it can be said that the operation is difficult.

また、非特許文献2に記載されているのと同じような技術であり、前記交角計測システムや回転角度計測システムの応用である、重ねられたスパイラルインダクタにおいて、一方のスパイラルインダクタを水平に動かすことや、2枚のスパイラルインダクタの間に、金属や透磁率の違う物体を挟み、挟んだ物体を動かすことにより実現可能な位置・振動・加速度・速度・傾きなどの計測装置においても、電圧や電力の伝送効率を用いる手法では設置環境やノイズに弱く、運用が難しい。 In addition, in a technique similar to that described in Non-Patent Document 2, in one of the stacked spiral inductors, which is an application of the intersection angle measurement system and the rotation angle measurement system, one spiral inductor is moved horizontally. In addition, voltage and power can be measured even in measuring devices such as position, vibration, acceleration, speed, and tilt that can be realized by holding a metal or an object with different permeability between two spiral inductors and moving the sandwiched object. The method using the transmission efficiency is weak to the installation environment and noise and difficult to operate.

上記問題を解決するために、本発明は、交角測定においては図1のように交わった部材12と部材13にそれぞれ設置できる基体16と基体17上に形成された、もしくは、部材12と部材13に直接形成された、円形・方形・多角形・歪んだ卵型などを基本とした形状で渦巻状に銅などの導体を配置した素子である第1のスパイラルインダクタ(例えばスパイラルインダクタ14)と、第2のスパイラルインダクタ(例えばスパイラルインダクタ15)を有し、部材12と部材13の間の交わった所を中心に交角が変わり、部材12か部材13、もしくは両方が動くのに伴ってスパイラルインダクタ14とスパイラルインダクタ15の間の距離や重なり具合、交角などが変化し、それに伴うスパイラルインダクタ14とスパイラルインダクタ15の間の相互インダクタンスの変化を検出できる手段を備えることを特徴とした交角計測システムに対して、例えばスパイラルインダクタ15にキャパシタ18を並列に接続し、スパイラルインダクタ14・15、及びキャパシタ18を用いた発振器19を作成してスパイラルインダクタ14とスパイラルインダクタ15の間の相互インダクタンスの大きさの変化により周波数を変調させて、交角、または交角の変動を計測することを特徴とする。スパイラルインダクタ14と15は、通電しないように間をわずかにあけるか、絶縁体を挟む形で装置は構築される。 In order to solve the above problem, the present invention is formed on the base 16 and base 17 that can be installed on the crossed member 12 and member 13 as shown in FIG. A first spiral inductor (for example, spiral inductor 14), which is an element in which conductors such as copper are spirally arranged in a shape based on a circle, square, polygon, distorted egg shape, etc. It has a second spiral inductor (for example, spiral inductor 15), the angle of intersection changes around the intersection between the member 12 and the member 13, and the spiral inductor 14 as the member 12 or the member 13 or both move. And the spiral inductor 15 and the spiral inductor 15 are changed in the distance, overlapping condition, intersection angle, and the like. For example, a capacitor 18 is connected to the spiral inductor 15 in parallel, and the spiral inductors 14 and 15 and the capacitor 18 are used. The oscillator 19 is prepared, the frequency is modulated by the change in the mutual inductance between the spiral inductor 14 and the spiral inductor 15, and the crossing angle or the fluctuation of the crossing angle is measured. The spiral inductors 14 and 15 are constructed in such a way as to be slightly spaced so as not to energize or sandwich an insulator.

上記問題を解決するために、本発明は、回転角度測定に対しても、図2のように部材20と部材21にそれぞれ設置できる基体上、もしくは部材20と部材21に直接形成された、円形・方形・多角形・扇形・卵型などのきれいな形状やそれらを歪ませた形状を基本とした渦巻状に銅などの導体を配置した素子である第1のスパイラルインダクタ(例えばスパイラルインダクタ14)と、第2のスパイラルインダクタ(例えばスパイラルインダクタ15)を有し、部材20と部材21の間の回転角度が変化し、それに伴うスパイラルインダクタ14とスパイラルインダクタ15の間の相互インダクタンスの変化を検出できる手段を備えることを特徴とした回転角度計測システムに対して、例えばスパイラルインダクタ15にキャパシタ18を並行に接続し、スパイラルインダクタ14・15、及びキャパシタ18を用いた発振器19を作成してスパイラルインダクタ14とスパイラルインダクタ15の間の相互インダクタンスの大きさの変化により周波数を変調させて回転角度、または回転角度の変動を計測することを特徴とする。スパイラルインダクタ14と15は、通電しないように間をわずかにあけるか、絶縁体を挟む形で装置は構築される。 In order to solve the above-mentioned problem, the present invention also provides a circular shape formed on a base that can be installed on the member 20 and the member 21 as shown in FIG. A first spiral inductor (for example, spiral inductor 14), which is an element in which conductors such as copper are arranged in a spiral shape based on a beautiful shape such as a square, a polygon, a fan shape, an egg shape, or a shape obtained by distorting them. A means for detecting a change in mutual inductance between the spiral inductor 14 and the spiral inductor 15 due to a change in the rotation angle between the member 20 and the member 21, having a second spiral inductor (for example, the spiral inductor 15). For example, a capacitor 18 is connected to a spiral inductor 15. The oscillator 19 using the spiral inductors 14 and 15 and the capacitor 18 is connected to the row, and the frequency is modulated by the change in the mutual inductance between the spiral inductor 14 and the spiral inductor 15, and the rotation angle or It is characterized by measuring the fluctuation of the rotation angle. The spiral inductors 14 and 15 are constructed in such a way as to be slightly spaced so as not to energize or sandwich an insulator.

上記問題を解決するために、前記交角測定システムや回転角度測定システムと同様に、図3のようなシステムを構築する。通電しないように間に絶縁体を挟むか、またはわずかな隙間を有するように重ねあわせて設置される、基体16上に構築されたスパイラルインダクタ14と基体17上に構築されたスパイラルインダクタ15と、キャパシタ18、及びキャパシタ・抵抗を含んだ発振器19を構築し、基体17とキャパシタ18、すなわち、スパイラルインダクタ15とキャパシタ18が同時に左右、もしくは前後に動くことにより、スパイラルインダクタ14とスパイラルインダクタ15間の相互インダクタンスが変動し、それによって発振器19の発振周波数が変化する。この発振周波数の変化を計測する手段を有し、基体17の基体16に対する位置を逆算できる手段を有することを特徴とする。スパイラルインダクタ14と15の形状は円形・方形・多角形・扇形・卵型などのきれいな整った形状やそれらを歪ませた形状を基本とした渦巻状に銅などの導体を配置した素子であるとする。 In order to solve the above problem, a system as shown in FIG. 3 is constructed in the same manner as the intersection angle measurement system and the rotation angle measurement system. A spiral inductor 14 built on the base 16 and a spiral inductor 15 built on the base 17, which are installed so as to sandwich an insulator between them so as not to be energized or to have a slight gap; A capacitor 18 and an oscillator 19 including a capacitor / resistor are constructed, and the base 17 and the capacitor 18, that is, the spiral inductor 15 and the capacitor 18 move left and right or back and forth at the same time. The mutual inductance fluctuates, whereby the oscillation frequency of the oscillator 19 changes. It has means for measuring the change in the oscillation frequency, and has means for back-calculating the position of the base 17 with respect to the base 16. The shape of the spiral inductors 14 and 15 is an element in which conductors such as copper are arranged in a spiral shape based on a clean, well-rounded shape such as a circle, a rectangle, a polygon, a fan, an egg shape, or a shape obtained by distorting them. To do.

上記問題を解決するために、前記手法と同様に、図4のようなシステムを構築する。基体16上に構築されたスパイラルインダクタ14と基体17上に構築されたスパイラルインダクタ15と、スパイラルインダクタ14とスパイラルインダクタ15の間に比透磁率が1とは大きく違う部材22を挟み、キャパシタ18、及びキャパシタ・抵抗を含んだ発振器19を構築し、基体17とキャパシタ18、すなわち、スパイラルインダクタ15とキャパシタ18が同時に左右、または前後に動く、もしくは、部材22のみが左右、または前後に動くことにより、スパイラルインダクタ14とスパイラルインダクタ15間の相互インダクタンスが変動し、それによって発振器19の発振周波数が変化する。この発振周波数の変化を計測する手段を有し、基体17の基体16に対する位置、もしくは、基体16に対する部材22の位置を逆算できる手段を有することを特徴とする。スパイラルインダクタ14と15の形状は円形・方形・多角形・扇形・卵型などのきれいな整った形状やそれらを歪ませた形状を基本とした渦巻状に銅などの導体を配置した素子であるとする。部材22が導体である場合、スパイラルインダクタ14と15が、部材22と通電しないように、間をわずかにあけるか、絶縁体を挟む形で構築される。 In order to solve the above problem, a system as shown in FIG. A spiral inductor 14 constructed on the substrate 16, a spiral inductor 15 constructed on the substrate 17, and a member 22 having a relative permeability significantly different from 1 between the spiral inductor 14 and the spiral inductor 15 are sandwiched between the capacitor 18, By constructing the oscillator 19 including the capacitor and the resistor, the base body 17 and the capacitor 18, that is, the spiral inductor 15 and the capacitor 18 move left and right or back and forth simultaneously, or only the member 22 moves left and right or back and forth. The mutual inductance between the spiral inductor 14 and the spiral inductor 15 fluctuates, whereby the oscillation frequency of the oscillator 19 changes. It has means for measuring the change in the oscillation frequency, and has means for back-calculating the position of the base 17 with respect to the base 16 or the position of the member 22 with respect to the base 16. The shape of the spiral inductors 14 and 15 is an element in which conductors such as copper are arranged in a spiral shape based on a clean, well-rounded shape such as a circle, a rectangle, a polygon, a fan, an egg shape, or a shape obtained by distorting them. To do. When the member 22 is a conductor, the spiral inductors 14 and 15 are constructed so as to be slightly spaced or sandwich an insulator so that the member 22 is not energized.

これら、発振器を利用した前記計測装置において、スパイラルインダクタ15に抵抗を接続しても良い。 In these measuring devices using an oscillator, a resistor may be connected to the spiral inductor 15.

これら、発振器を利用した前記計測装置において、スパイラルインダクタ14とスパイラルインダクタ15を直列、もしくは並列に接続しても良い。 In the measuring device using an oscillator, the spiral inductor 14 and the spiral inductor 15 may be connected in series or in parallel.

これら、発振器を利用した前記計測装置において、スパイラルインダクタ15とキャパシタ18を用いず、比透磁率が大きく1ではない基材をスパイラルインダクタ15の代わりに設置し、自己インダクタンスの大きさを変動させ、発振周波数から前記角度や速度などを計測しても良い。 In these measuring devices using an oscillator, a spiral inductor 15 and a capacitor 18 are not used, a base material having a relative permeability that is not large and 1 is installed instead of the spiral inductor 15, and the magnitude of the self-inductance is varied. The angle and speed may be measured from the oscillation frequency.

本発明を用いることにより、複数のスパイラルインダクタを用い、それらの間の相互インダクタンスの変動を利用した、2つの交わった物体間の開閉角度や傾斜角度などの交角や、開閉速度などの交角の変動速度、また、ある物体に対するある物体の回転角度や回転速度、また、位置・速度・加速度・傾き・振動の度合いなどのいずれかを検出する装置の精度を上げるだけでなく、センサー部から測定装置までの距離を伸ばすことが可能となり、結果、1つの計測器が計測するセンサー部の数を増やせるため、より安価で精度の良いシステムの構築が可能となる。 By using the present invention, a plurality of spiral inductors are used, and a crossing angle such as an opening / closing angle and an inclination angle between two intersecting objects and a change in a crossing angle such as an opening / closing speed are utilized. In addition to increasing the accuracy of the device that detects the speed, the rotation angle and rotation speed of an object relative to an object, and the position, velocity, acceleration, tilt, degree of vibration, etc., the measuring device from the sensor unit As a result, it is possible to increase the number of sensor units to be measured by one measuring instrument, so that it is possible to construct a more inexpensive and accurate system.

本発明を用いることにより、スパイラルインダクタの上に乗せた比透磁率が大きく1ではない基材の位置の変動により、前記スパイラルインダクタの自己インダクタンスの変動を発振周波数の変化に置きかえ測定することにより、精度を上げられるだけでなく、センサー部から測定装置までの距離を伸ばすことが可能となり、結果、1つの計測器が計測するセンサー部の数を増やせるため、より安価で精度の良いシステムの構築が可能となる。
By using the present invention, by measuring the change of the self-inductance of the spiral inductor in place of the change of the oscillation frequency due to the change of the position of the base material where the relative permeability placed on the spiral inductor is not large and 1, Not only can the accuracy be increased, but the distance from the sensor unit to the measuring device can be increased, resulting in an increase in the number of sensor units measured by a single measuring instrument. It becomes possible.

本発明を交角計測装置に着けた場合のブロック図である。It is a block diagram at the time of wearing this invention on a crossing angle measuring apparatus. 本発明を回転角度計測装置に着けた場合のブロック図である。It is a block diagram at the time of wearing this invention to a rotation angle measuring device. 本発明を位置・速度・加速度・傾き・振動計測装置に着けた場合のブロック図である。It is a block diagram at the time of attaching this invention to a position, speed, acceleration, inclination, vibration measuring device. 本発明をスパイラルインダクタ間に比透磁率が大きく1ではない物体をはさんだ形状である、位置・速度・加速度・傾き・振動計測装置に着けた場合のブロック図である。FIG. 3 is a block diagram when the present invention is attached to a position / velocity / acceleration / tilt / vibration measuring apparatus having a shape in which an object having a large relative permeability other than 1 is sandwiched between spiral inductors. 円形のスパイラルインダクタの例である。It is an example of a circular spiral inductor. 本実施例で周波数の変動より交角と回転角度を求める際に用いた、図1〜図4におけるスパイラルインダクタ14と15、及びキャパシタ18を含んだ変形コルピッツ発振器19に本実施例で用いた測定回路の等価回路312を加えた回路図である。The measurement circuit used in this embodiment for the modified Colpitts oscillator 19 including the spiral inductors 14 and 15 and the capacitor 18 in FIGS. 1 to 4 used when obtaining the crossing angle and the rotation angle from the frequency fluctuation in this embodiment. FIG. 6 is a circuit diagram to which an equivalent circuit 312 is added. 図6の回路を用いて、交角を1°ごとに変動させた際の発振周波数の実測結果とシミュレーション結果である。FIG. 7 shows an actual measurement result and a simulation result of the oscillation frequency when the crossing angle is changed every 1 ° using the circuit of FIG. 図6の回路を用いて、回転角度を1°ごとに変動させた際の発振周波数の実測結果である。FIG. 7 is an actual measurement result of an oscillation frequency when the rotation angle is changed every 1 ° using the circuit of FIG.

以下、図1を参照して、第1番目の本実施形態に係る、交角計測システムについて説明する。 Hereinafter, the intersection angle measurement system according to the first embodiment will be described with reference to FIG.

図1に示した、本実施形態に係る交角検出システムは、交角を求める対象である部材12と部材13を含めたセンサー部11、接続配線部110、および計測部300から構成され、部材12と部材13に設置された、基体16と基体17上に形成されたスパイラルインダクタ14とスパイラルインダクタ15間に発生する相互インダクタンスの、部材12と13の間の交角の変化による変動を検出することにより、交角を求める。 The crossing angle detection system according to the present embodiment shown in FIG. 1 includes a member 12 and a sensor unit 11 including a member 13 for which a crossing angle is obtained, a connection wiring unit 110, and a measuring unit 300. By detecting the variation of the mutual inductance generated between the spiral inductor 14 and the spiral inductor 15 formed on the base 16 and the base 17 installed on the member 13 due to the change in the crossing angle between the members 12 and 13, Find the angle of intersection.

スパイラルインダクタ14とスパイラルインダクタ15は、部材12と13の交角が0°になった時、きれいに重なるように配置し、部材12、および部材13にそれぞれ固定する。また、スパイラルインダクタ14と15が部材12と13の交角が0°になった時に接触しないように表面を誘電率が低い薄い絶縁体で覆うか、隙間をわずかにあけるようにする。 The spiral inductor 14 and the spiral inductor 15 are arranged so as to be overlapped cleanly when the crossing angle of the members 12 and 13 becomes 0 °, and are fixed to the member 12 and the member 13, respectively. Further, the spiral inductors 14 and 15 are covered with a thin insulator having a low dielectric constant so that the spiral inductors 14 and 15 do not come into contact with each other when the crossing angle between the members 12 and 13 becomes 0 °, or a gap is slightly opened.

センサー部11には、部材12・13、スパイラルインダクタ14・15、基体16・17以外に、発振器を利用してスパイラルインダクタ14と15の間に発生する相互インダクタンスを計測するため、発振器の回路を構成する発振器回路19と、スパイラルインダクタ15に接続するキャパシタ18を含む。 In addition to the members 12 and 13, the spiral inductors 14 and 15, and the base bodies 16 and 17, the sensor unit 11 includes an oscillator circuit for measuring the mutual inductance generated between the spiral inductors 14 and 15 using an oscillator. An oscillator circuit 19 to be configured and a capacitor 18 connected to the spiral inductor 15 are included.

計測部300に含まれる、ユーザーが操作するためのユーザーインターフェースである操作部316より、例えば、ユーザーが測定開始のボタンを押すことにより、制御部313に計測を行うための信号を送り、これらの信号を受けて制御部313が、任意の直流電圧を発生させられる直流電圧印可部315から、直流電圧を、接続部311、接続端子301と302、そしてそれらに接続されている接続配線111と112を介して、スパイラルインダクタ14に接続された発振器回路19に供給し、スパイラルインダクタ14と相互インダクタンスで結合されたスパイラルインダクタ15とスパイラルインダクタ15に結合されたキャパシタ18を用いて発振器回路19が発振する。 From the operation unit 316 included in the measurement unit 300, which is a user interface for the user to operate, for example, when the user presses a measurement start button, a signal for performing measurement is sent to the control unit 313. In response to the signal, the control unit 313 generates a DC voltage from the DC voltage application unit 315 that can generate an arbitrary DC voltage, and connects the connection unit 311, the connection terminals 301 and 302, and the connection wirings 111 and 112 connected thereto. To the oscillator circuit 19 connected to the spiral inductor 14, and the oscillator circuit 19 oscillates using the spiral inductor 15 coupled to the spiral inductor 14 by mutual inductance and the capacitor 18 coupled to the spiral inductor 15. .

発振器回路19は、相互インダクタンスの大きさによって発振周波数が変動する発振器である必要があり、例えば、インダクタとキャパシタの共振000を利用した、コルピッツ発振器回路などが望ましく、スパイラルインダクタ14・15を利用して発振器回路19が構築される必要がある。 The oscillator circuit 19 needs to be an oscillator whose oscillation frequency varies depending on the mutual inductance. For example, a Colpitts oscillator circuit using a resonance 000 of an inductor and a capacitor is desirable, and a spiral inductor 14 or 15 is used. Thus, the oscillator circuit 19 needs to be constructed.

交角が変動することによって、スパイラルインダクタ14と15間の相互インダクタンスが変動するため、この発振周波数も変動する。 Since the mutual inductance between the spiral inductors 14 and 15 fluctuates due to the fluctuation of the crossing angle, the oscillation frequency also fluctuates.

この発振周波数を、接続配線113を介して周波数計測部312で計測する。 This oscillation frequency is measured by the frequency measuring unit 312 via the connection wiring 113.

制御部313において、以上のように計測された周波数から、現在の交角が何度であるか求め、ディスプレイなどのユーザーが確認することができる装置である表示部314に示す。 The control unit 313 obtains how many times the current intersection angle is based on the frequency measured as described above, and shows the display unit 314 that is a device that can be checked by a user such as a display.

制御部は汎用のコンピュータなどで良く、メモリ上に載ったプログラムに従って動くシステムである。 The control unit may be a general-purpose computer or the like, and is a system that moves according to a program stored on a memory.

計測場所が複数であっても、センサー部11を増やし、1つの計測部300に接続配線110と接続端子を増やして、時分割方式で、各センサー部をセンシングすれば対処が可能であり、また、計測場所とセンサー間の距離があっても、周波数を計測するため、外部からのノイズが少なく、計測が容易いと考えられる。 Even if there are a plurality of measurement locations, the sensor unit 11 can be increased, the connection wiring 110 and connection terminals can be increased in one measurement unit 300, and each sensor unit can be sensed in a time-sharing manner. Even if there is a distance between the measurement location and the sensor, since the frequency is measured, there is little noise from the outside, and the measurement is considered easy.

本実施形態ではスパイラルインダクタ14・15を基体16・17の上に構成しているが、直接部材12・13上に構築しても良い。 In the present embodiment, the spiral inductors 14 and 15 are formed on the bases 16 and 17, but may be directly constructed on the members 12 and 13.

また、本実施形態ではスパイラルインダクタを2枚用いた例を示しているが、スパイラルインダクタ15の代わりに比透磁率が大きく1ではない物体を設置し、交角の変動によりスパイラルインダクタ14の自己インダクタンスを変動させることにより、計測しても良い。 In this embodiment, an example using two spiral inductors is shown, but instead of the spiral inductor 15, an object having a large relative magnetic permeability and not 1 is installed, and the self-inductance of the spiral inductor 14 is changed by the change of the crossing angle. You may measure by making it fluctuate.

また、本実施形態ではスパイラルインダクタを2枚用いた例を示しているが、複数枚のスパイラルインダクタ、例えば部材12上に設置するスパイラルインダクタの数を3枚とし、部材13に設置するスパイラルインダクタを2枚とし、それらスパイラルインダクタを並列、もしくは直列に接続しても良い。 In this embodiment, an example is shown in which two spiral inductors are used. However, the number of spiral inductors installed on the member 12 is three, and the spiral inductors installed on the member 13 are the same. Two spiral inductors may be connected in parallel or in series.

さらに、上記のようにスパイラルインダクタを複数枚用いた場合でも、それぞれ個別で発振器19を構築しても良い。 Further, even when a plurality of spiral inductors are used as described above, the oscillators 19 may be individually constructed.

以下、図2を参照して、第2番目の本実施形態に係る、回転角度計測システムについて説明する。 Hereinafter, a rotation angle measurement system according to the second embodiment will be described with reference to FIG.

図2に示した、本実施形態に係る回転角度検出システムは、回転角度を求める対象である部材20と部材21を含めたセンサー部11、接続配線部110、および計測部300から構成され、部材20と部材21に形成されたスパイラルインダクタ14とスパイラルインダクタ15間に発生する相互インダクタンスの、部材20と21の間の回転角度の変化による変動を検出することにより、回転角度を求める。 The rotation angle detection system according to the present embodiment illustrated in FIG. 2 includes a sensor unit 11 including a member 20 and a member 21 whose rotation angle is to be obtained, a connection wiring unit 110, and a measurement unit 300. The rotation angle is obtained by detecting the variation of the mutual inductance generated between the spiral inductor 14 and the spiral inductor 15 formed on the member 20 and the member 21 due to the change of the rotation angle between the members 20 and 21.

スパイラルインダクタ14とスパイラルインダクタ15は、部材20と21の回転角度が0°になった時、きれいに重なるように配置することが望ましい。 Desirably, the spiral inductor 14 and the spiral inductor 15 are arranged so as to be neatly overlapped when the rotation angle of the members 20 and 21 becomes 0 °.

また、スパイラルインダクタ14と15が直接接触しないように表面を誘電率が低い薄い絶縁体で覆うか、隙間をわずかにあけるようにする。 Further, the surface is covered with a thin insulator having a low dielectric constant so that the spiral inductors 14 and 15 are not in direct contact with each other, or a slight gap is formed.

センサー部11には、部材20・21、スパイラルインダクタ14・15、スパイラルインダクタ15に接続するキャパシタ18以外に、発振器を利用してスパイラルインダクタ14と15の間に発生する相互インダクタンスを計測するため、スパイラルインダクタ14・15とキャパシタ18を利用して発振器回路を構成する発振器19を含む。 In addition to the members 20 and 21, the spiral inductors 14 and 15, and the capacitors 18 connected to the spiral inductor 15, the sensor unit 11 measures the mutual inductance generated between the spiral inductors 14 and 15 using an oscillator. It includes an oscillator 19 that forms an oscillator circuit using spiral inductors 14 and 15 and a capacitor 18.

計測部300に含まれる、ユーザーが操作するためのユーザーインターフェースである操作部316より、例えば、ユーザーが測定開始のボタンを押すことにより、制御部313に計測を行うための信号を送り、これらの信号を受けて制御部313が、任意の直流電圧を発生させられる直流電圧印可部315から、直流電圧を、接続部311、接続端子301と302、そしてそれらに接続されている接続配線111と112を介して、スパイラルインダクタ14に接続された発振器回路19に供給し、スパイラルインダクタ14と相互インダクタンスで結合されたスパイラルインダクタ15とスパイラルインダクタ15に結合されたキャパシタ18を用いて発振器19が発振する。 From the operation unit 316 included in the measurement unit 300, which is a user interface for the user to operate, for example, when the user presses a measurement start button, a signal for performing measurement is sent to the control unit 313. In response to the signal, the control unit 313 generates a DC voltage from the DC voltage application unit 315 that can generate an arbitrary DC voltage, and connects the connection unit 311, the connection terminals 301 and 302, and the connection wirings 111 and 112 connected thereto. The oscillator 19 oscillates using the spiral inductor 15 coupled to the spiral inductor 14 and the capacitor 18 coupled to the spiral inductor 15.

発振器19は、相互インダクタンスの大きさによって発振周波数が変動する発振器である必要があり、例えば、インダクタとキャパシタの共振を利用した、コルピッツ型発振器回路などが望ましく、スパイラルインダクタ14・15とキャパシタ18を利用して発振器19が構築される必要がある。 The oscillator 19 needs to be an oscillator whose oscillation frequency varies depending on the magnitude of the mutual inductance. For example, a Colpitts oscillator circuit using resonance between the inductor and the capacitor is desirable, and the spiral inductors 14 and 15 and the capacitor 18 are connected. The oscillator 19 needs to be constructed by using it.

回転角度が変動することによって、スパイラルインダクタ14と15間の相互インダクタンスが変動するため、この発振周波数も変動する。 Since the mutual inductance between the spiral inductors 14 and 15 varies due to the variation of the rotation angle, the oscillation frequency also varies.

この発振周波数を、接続配線113を介して周波数計測部312で計測する。 This oscillation frequency is measured by the frequency measuring unit 312 via the connection wiring 113.

制御部313において、以上のように計測された周波数から、現在の回転角度が何度であるか求め、ディスプレイなどのユーザーが確認することができる装置である表示部314に示す。 The control unit 313 obtains how many times the current rotation angle is from the frequency measured as described above, and shows the display unit 314 that is a device that can be checked by a user such as a display.

制御部313は汎用のコンピュータなどで良く、メモリ上に載ったプログラムに従って動くシステムである。 The control unit 313 may be a general-purpose computer or the like, and is a system that operates according to a program stored on a memory.

計測場所が複数であっても、センサー部11を増やし、1つの計測部300に接続配線110と接続端子を増やして、時分割方式で、各センサー部をセンシングすれば対処が可能であり、また、計測場所とセンサー間の距離があっても、周波数を計測するため、外部からのノイズが少なく、計測が容易いと考えられる。 Even if there are a plurality of measurement locations, the sensor unit 11 can be increased, the connection wiring 110 and connection terminals can be increased in one measurement unit 300, and each sensor unit can be sensed in a time-sharing manner. Even if there is a distance between the measurement location and the sensor, since the frequency is measured, there is little noise from the outside, and the measurement is considered easy.

本実施形態ではスパイラルインダクタ14・15を部材20・21の上に直接構成しているが、基体上に作成し部材20・21に設置しても良い。 In this embodiment, the spiral inductors 14 and 15 are configured directly on the members 20 and 21, but they may be formed on the base and installed on the members 20 and 21.

また、本実施形態ではスパイラルインダクタを2枚用いた例を示しているが、スパイラルインダクタ15の代わりに比透磁率が大きく1ではない物体を設置し、回転によりスパイラルインダクタ14の自己インダクタンスを変動させることにより、計測しても良い。 In this embodiment, an example using two spiral inductors is shown. However, instead of the spiral inductor 15, an object having a large relative permeability and not 1 is installed, and the self-inductance of the spiral inductor 14 is changed by rotation. Therefore, measurement may be performed.

また、本実施形態ではスパイラルインダクタを2枚用いた例を示しているが、複数枚のスパイラルインダクタ、例えば部材12上に設置するスパイラルインダクタの数を3枚とし、部材13に設置するスパイラルインダクタを2枚とし、それらスパイラルインダクタを並列、もしくは直列に接続しても良い。 In this embodiment, an example is shown in which two spiral inductors are used. However, the number of spiral inductors installed on the member 12 is three, and the spiral inductors installed on the member 13 are the same. Two spiral inductors may be connected in parallel or in series.

さらに、上記のようにスパイラルインダクタを複数枚用いた場合でも、それぞれ個別に発振器19を構築しても良い。 Furthermore, even when a plurality of spiral inductors are used as described above, the oscillators 19 may be individually constructed.

以下、図3を参照して、第3番目の本実施形態に係る、位置・振動・速度・加速度・傾斜のいずれかを測定する計測装置について説明する。 Hereinafter, with reference to FIG. 3, a measurement apparatus for measuring any of position, vibration, velocity, acceleration, and tilt according to the third embodiment will be described.

交角計測システムと回転角度計測システムと、センサー部以外は同じであり、発振器19に直流を計測部から与え、発振器19の発振周波数を周波数計測部312で計測し、制御部313で、発振周波数から逆算し、位置計測の場合は位置情報を、振動計測の場合は振動の情報を、速度の場合は速度の情報を、加速度の場合は加速度の情報を表示部314に表示する。 The crossing angle measurement system and the rotation angle measurement system are the same except for the sensor unit. A direct current is applied to the oscillator 19 from the measurement unit, the oscillation frequency of the oscillator 19 is measured by the frequency measurement unit 312, and the control unit 313 determines the oscillation frequency from the oscillation frequency. In reverse, position information is displayed on the display unit 314 in the case of position measurement, vibration information in the case of vibration measurement, speed information in the case of speed, and acceleration information in the case of acceleration.

位置・振動・加速度・速度・傾斜のいずれかを計測する装置は、例えば、基体16を前記のいずれかを計測したい物体に設置し、基体17をスパイラルインダクタ14と15がわずかでも重なる範囲内で自由に動くように、例えば基体17の上に重りを載せ、ばねやゴムなどを用いて計測したい物体に設置することによって物体の動きを計測する。これらスパイラルインダクタの形状は円形である必要はなく、歪んだ形の方が良い。 An apparatus for measuring any one of position, vibration, acceleration, speed, and tilt is, for example, in which the base 16 is placed on an object to be measured and the base 17 is within a range where the spiral inductors 14 and 15 slightly overlap. For example, a weight is placed on the base 17 so as to move freely, and the movement of the object is measured by installing it on the object to be measured using a spring or rubber. The shape of these spiral inductors does not have to be circular, but a distorted shape is better.

例えば、物体が図3の左方向に加速した際には、基体17が慣性で右方向にずれることにより、スパイラルインダクタ14と15間の相互インダクタンスが変動し、発振器19の発振周波数が変化する。この発振周波数を計測部312で計測することによって、基体16に対する基体17の位置が求められる。 For example, when the object accelerates in the left direction in FIG. 3, the mutual inductance between the spiral inductors 14 and 15 varies due to the base body 17 shifting to the right due to inertia, and the oscillation frequency of the oscillator 19 changes. By measuring this oscillation frequency by the measuring unit 312, the position of the base body 17 with respect to the base body 16 is obtained.

この基体16に対する基体17の位置情報から、例えばXcm基体16に対して基体17が図3の右にずれていることが周波数より明らかになれば、ばねの強度がXX[N/m]であり、摩擦係数がYYであるので、物体は左に1m/s2で加速しているなどの逆算ができる。 If the position information of the base body 17 with respect to the base body 16 reveals, for example, that the base body 17 is shifted to the right in FIG. 3 with respect to the Xcm base body 16, the strength of the spring is XX [N / m 2 ]. Yes, since the friction coefficient is YY, the object can be calculated backwards, such as accelerating to the left at 1 m / s 2 .

この加速データの履歴が制御部313に蓄えられていれば、現在の速度がわかり、最初のスタート地点の情報が蓄えられていれば、基体16・17を設置した物体自体の位置情報がわかる。 If the history of acceleration data is stored in the control unit 313, the current speed can be known, and if the information of the first start point is stored, the position information of the object on which the base bodies 16 and 17 are installed can be known.

また、加速度の計算に重量加速度を加味すれば、傾きの大きさがわかる。 In addition, if the weight acceleration is added to the calculation of acceleration, the magnitude of the inclination can be found.

さらに、加速度センサーの履歴を蓄えられるように設計すれば、どのような振動がどの程度起きたか計測できるようになる。 Furthermore, if it is designed so that the history of the acceleration sensor can be stored, it becomes possible to measure what kind of vibration has occurred.

本実施形態では、基体16上にスパイラルインダクタ14を作成しているが、前記基体16を設置する物体自体にスパイルインダクタを作成しても良い。 In this embodiment, the spiral inductor 14 is formed on the base body 16, but a spiral inductor may be formed on the object itself on which the base body 16 is installed.

また、本実施形態ではスパイラルインダクタを2枚用いた例を示しているが、複数枚のスパイラルインダクタ、図3の下側にあたるスパイラルインダクタを3枚とし、上にあたるスパイラルインダクタを1枚とし、下側のスパイラルインダクタを並列、もしくは直列に接続して発振器に接続しても良い。 In this embodiment, two spiral inductors are used. However, a plurality of spiral inductors, three spiral inductors corresponding to the lower side of FIG. 3, and one spiral inductor corresponding to the upper side are provided. These spiral inductors may be connected in parallel or in series to the oscillator.

さらに、上記のようにスパイラルインダクタを複数枚用いた場合でも、それぞれで発振器19を構築しても良い。 Furthermore, even when a plurality of spiral inductors are used as described above, the oscillator 19 may be constructed for each.

以下、図4を参照して、第4番目の本実施形態に係る、位置・振動・速度・加速度・傾斜のいずれかを測定する計測装置について説明する。 Hereinafter, with reference to FIG. 4, a measurement apparatus according to the fourth embodiment of the present invention that measures any of position, vibration, speed, acceleration, and tilt will be described.

交角計測システムと回転角度計測システムと、センサー部以外は同じであり、発振器19に直流を計測部300から与え、発振器19の発振周波数を周波数計測部312で計測し、制御部313で、発振周波数から逆算し、位置計測の場合は位置情報を、振動計測の場合は振動の情報を、速度の場合は速度の情報を、加速度の場合は加速度の情報を表示部314に表示する。 The crossing angle measurement system and the rotation angle measurement system are the same except for the sensor unit. A direct current is applied to the oscillator 19 from the measurement unit 300, the oscillation frequency of the oscillator 19 is measured by the frequency measurement unit 312, and the control unit 313 performs the oscillation frequency. The position information is displayed on the display unit 314 for position measurement, the vibration information for vibration measurement, the speed information for speed, and the acceleration information for acceleration.

位置・振動・加速度・速度・傾斜のいずれかを計測する装置は、例えば、基体16と基体17を前記のいずれかを計測したい物体に、スパイラルインダクタ14と15をきれいに重なるように設置し、部材22を、スパイラルインダクタ14と15にわずかでも重なる範囲内で自由に動くように、ばねやゴムなどを用いて計測したい物体に設置することによって物体の動きを計測する。これらスパイラルインダクタの形状は円形である必要はなく、歪んだ形の方が良い。 An apparatus for measuring any one of position, vibration, acceleration, speed, and inclination is provided, for example, by placing the base 16 and the base 17 so that the spiral inductors 14 and 15 are superimposed on an object to be measured in a clean manner. The movement of the object is measured by installing 22 on the object to be measured using a spring, rubber or the like so as to move freely within a range that overlaps the spiral inductors 14 and 15 even slightly. The shape of these spiral inductors does not have to be circular, but a distorted shape is better.

例えば、物体が図4の左方向に加速した際には、部材22が慣性で右方向にずれることにより、スパイラルインダクタ14と15間の相互インダクタンスが変動することとなり、発振器19の発振周波数が変動する。 For example, when the object accelerates in the left direction in FIG. 4, the mutual inductance between the spiral inductors 14 and 15 varies due to the member 22 shifting to the right due to inertia, and the oscillation frequency of the oscillator 19 varies. To do.

この発振周波数を計測部312で計測することによって、基体16・17に対する部材22の位置が求められる。 By measuring this oscillation frequency by the measuring unit 312, the position of the member 22 with respect to the base bodies 16 and 17 is obtained.

この基体16・17に対する部材22の位置情報から、例えばXcm基体16に対して部材22が図3の右にずれていることが周波数から求められれば、ばねの強度がXX[N/m]であり、摩擦係数がYYであるので、物体は左に1m/s2で加速しているなどの逆算が可能となる。 If the position information of the member 22 with respect to the bases 16 and 17 determines from the frequency that the member 22 is displaced to the right in FIG. 3 with respect to the Xcm base 16, for example, the spring strength is XX [N / m 2 ]. Since the friction coefficient is YY, it is possible to perform reverse calculations such as the object accelerating to the left at 1 m / s 2 .

この加速データの履歴が制御部313に蓄えられていれば、現在の速度がわかり、最初のスタート地点の情報も蓄えられていれば、基体16・17を設置した物体自体の位置情報がわかる。 If the history of acceleration data is stored in the control unit 313, the current speed can be known, and if the information of the first start point is also stored, the position information of the object itself on which the base bodies 16 and 17 are installed can be known.

また、加速度の計算に重量加速度を加味すれば、傾きの大きさがわかる。 In addition, if the weight acceleration is added to the calculation of acceleration, the magnitude of the inclination can be found.

さらに、加速度センサーの履歴を蓄えられるように設計すれば、どのような振動がどの程度起きたか計測できるようになる。 Furthermore, if it is designed so that the history of the acceleration sensor can be stored, it becomes possible to measure what kind of vibration has occurred.

本実施形態では、基体16上にスパイラルインダクタ14を作成しているが、前記基体16・17を設置する物体自体にスパイルインダクタを設置しても良い。 In this embodiment, the spiral inductor 14 is formed on the base body 16, but a spiral inductor may be installed on the object itself on which the base bodies 16 and 17 are installed.

また、本実施形態ではスパイラルインダクタを2枚用いた例を示しているが、スパイラルインダクタ15を用いなくても、スパイラルインダクタ14の自己インダクタンスが部材22の位置により変動するため、このスパイラルインダクタ14の自己インダクタンスの変動を発振周波数の変動を用いて計測し、加速度などの情報を求めても良い。 Further, in the present embodiment, an example using two spiral inductors is shown, but even if the spiral inductor 15 is not used, the self-inductance of the spiral inductor 14 varies depending on the position of the member 22. The self-inductance variation may be measured using the oscillation frequency variation to obtain information such as acceleration.

また、本実施形態ではスパイラルインダクタを2枚用いた例を示しているが、複数枚のスパイラルインダクタ、図3の下側にあたるスパイラルインダクタを3枚とし、上にあたるスパイラルインダクタも3枚とし、下側のスパイラルインダクタを並列、もしくは直列に接続して発振器に接続しても良い。 In this embodiment, two spiral inductors are used. However, a plurality of spiral inductors, three spiral inductors corresponding to the lower side of FIG. 3, and three spiral inductors corresponding to the upper side are also provided. These spiral inductors may be connected in parallel or in series to the oscillator.

さらに、上記のようにスパイラルインダクタを複数枚用いた場合でも、それぞれ個別に発振器19を構築しても良い。 Furthermore, even when a plurality of spiral inductors are used as described above, the oscillators 19 may be individually constructed.

本実施例では、図5のような半円を組み合わせた円形のスパイラルインダクタを利用した変形コルピッツ発振器19を用いた、発振周波数の変動により交角を求める測定手法について示す。 In the present embodiment, a measurement method for obtaining the crossing angle by fluctuation of the oscillation frequency using a modified Colpitts oscillator 19 using a circular spiral inductor combining semicircles as shown in FIG. 5 will be described.

図6に変形コルピッツ発振器19を用いた測定回路を示す。インダクタL1、L2と相互インダクタンスM、抵抗R1、R2、R3、r1、r2、そして、キャパシタC1、C2、C3、C4、C5を用いて回路を構成する。ただし、本実施例では、C1=9.67nF、C2=2.37nF、C3=55.0nF、C4=412pF、C5=2.42nF、R1=9.93kΩ、R2=9.96kΩ、R3=50.7Ω、r1=8.80Ω、r2=9.80Ωであり、r1とr2はスパイラルインダクタの内部抵抗である。 FIG. 6 shows a measurement circuit using the modified Colpitts oscillator 19. A circuit is configured using the inductors L1, L2, the mutual inductance M, the resistors R1, R2, R3, r1, r2, and the capacitors C1, C2, C3, C4, C5. However, in this example, C1 = 9.67 nF, C2 = 2.37 nF, C3 = 55.0 nF, C4 = 412 pF, C5 = 2.42 nF, R1 = 9.93 kΩ, R2 = 9.96 kΩ, R3 = 50 0.7Ω, r1 = 8.80Ω, r2 = 9.80Ω, and r1 and r2 are internal resistances of the spiral inductor.

C6とR4は測定機器の等価回路を示しており(C6=0.270pF、R4=50.0kΩ)、周波数計測部312に含まれる、キャパシタC5は、キャパシタ18のことである。 C6 and R4 indicate an equivalent circuit of the measuring device (C6 = 0.270 pF, R4 = 50.0 kΩ), and the capacitor C5 included in the frequency measuring unit 312 is the capacitor 18.

本方式においては、L1とL2の間の交角が変化し、相互インダクタンスMが変化することによって、システムの発振周波数が変化する。すなわち、発振周波数を観測することによって、交角が求められる。 In this method, the crossing angle between L1 and L2 changes and the mutual inductance M changes, whereby the oscillation frequency of the system changes. That is, the intersection angle is obtained by observing the oscillation frequency.

上記パラメータで発振器を構成し、交角θ=0°とした場合、発振周波数は2.26MHzとなるため、2.26MHzの時の一次側と二次側のスパイラルインダクタのインダクタンスをLCRメータを用いて測定した結果、一次側と二次側のスパイラルインダクタは共に14.1μHとなった。 When the oscillator is configured with the above parameters and the crossing angle θ = 0 °, the oscillation frequency is 2.26 MHz. Therefore, the inductances of the spiral inductors on the primary side and the secondary side at 2.26 MHz are calculated using an LCR meter. As a result of the measurement, the spiral inductors on the primary side and the secondary side were both 14.1 μH.

2つのスパイラルインダクタの重なっている状態を0°とし、1°の間隔で二次側のスパイラルインダクタを180°まで変化させ、周波数を測定した結果を図7に示し、実際に測定された値の一部を表1に示す。 The overlapping state of the two spiral inductors is set to 0 °, the secondary spiral inductor is changed to 180 ° at intervals of 1 °, and the frequency measurement results are shown in FIG. Some are shown in Table 1.

また、1°ずつ変化させた時の相互インダクタンスMをLCRメータで測定し、それらの値を用いてシミュレーションを行った結果を同時に図7に示す。 Moreover, the mutual inductance M when it changes 1 degree at a time is measured with an LCR meter, and the result of having performed simulation using those values is shown in FIG.

図5と表1の測定結果をみると、周波数と交角が1対1対応しており、周波数を測定することにより、交角が求まることがわかる。 From the measurement results of FIG. 5 and Table 1, it can be seen that the frequency and the crossing angle have a one-to-one correspondence, and the crossing angle can be obtained by measuring the frequency.

シミュレーションと実測では、測定環境による誤差と思われる誤差が生じているが、概ねシミュレーションと同様の結果が得られていることから、測定環境や計測システムにも大きく影響をうけないものと考えられる。 In the simulation and actual measurement, an error that seems to be an error due to the measurement environment has occurred, but since the same result as the simulation is obtained, it is considered that the measurement environment and the measurement system are not greatly affected.

これらの結果より、このパラメータにおいては特に90°付近までが計測しやすく、それ以降は周波数測定部312の精度をあげる必要があると思われる。 From these results, it is easy to measure up to about 90 ° in this parameter, and after that, it seems necessary to increase the accuracy of the frequency measuring unit 312.

もし、θ=180°まで計測する必要があるなら、このパラメータを用いた場合は、前述の90°まで効率よく測れるセンサー部を2組用意し、1組目で0〜90度まで測定し、2組目で、90〜180度までを測定する必要があると考えられる。 If it is necessary to measure up to θ = 180 °, if this parameter is used, two sets of sensor units that can be measured efficiently up to the above 90 ° are prepared, and the first set measures from 0 to 90 degrees. It is considered necessary to measure 90 to 180 degrees in the second set.

本実施例では、円形ではなく、扇形をしたスパイラルインダクタを利用し、変形コルピッツ発振器19を用いた、発振周波数の変動により回転角度を求める測定手法について示す。 In the present embodiment, a measurement method for obtaining a rotation angle based on fluctuation of oscillation frequency using a spiral inductor having a fan shape instead of a circle and using a modified Colpitts oscillator 19 will be described.

図6に変形コルピッツ発振器19を用いた測定回路を示す。インダクタL1、L2と相互インダクタンスM、抵抗R1、R2、R3、r1、r2、そして、キャパシタC1、C2、C3、C4、C5を用いて回路を構成する。ただし、本実施例では、C1=10.2nF、C2=2.12nF、C3=160nF、C4=301nF、C5=3.82nF、R1=7.51kΩ、R2=47.2kΩ、R3=870Ω、r1=10.0Ω、r2=10.0Ωであり、r1とr2はスパイラルインダクタの内部抵抗である。 FIG. 6 shows a measurement circuit using the modified Colpitts oscillator 19. A circuit is configured using the inductors L1, L2, the mutual inductance M, the resistors R1, R2, R3, r1, r2, and the capacitors C1, C2, C3, C4, C5. However, in this embodiment, C1 = 10.2 nF, C2 = 2.12 nF, C3 = 160 nF, C4 = 301 nF, C5 = 3.82 nF, R1 = 7.51 kΩ, R2 = 47.2 kΩ, R3 = 870Ω, r1 = 10.0Ω, r2 = 10.0Ω, and r1 and r2 are internal resistances of the spiral inductor.

C6とR4は測定機器の等価回路を示しており(C6=0.270pF、R4=50.0kΩ)、周波数計測部312に含まれる、キャパシタC5は、キャパシタ18のことである。 C6 and R4 indicate an equivalent circuit of the measuring device (C6 = 0.270 pF, R4 = 50.0 kΩ), and the capacitor C5 included in the frequency measuring unit 312 is the capacitor 18.

本方式においては、L1に対してL2が回転することによって、L1とL2の間の重なり具合が変化し、相互インダクタンスMが変化して、システムの発振周波数が変化する。すなわち、発振周波数を観測することによって、回転角度が求められる。 In this method, when L2 rotates with respect to L1, the degree of overlap between L1 and L2 changes, the mutual inductance M changes, and the oscillation frequency of the system changes. That is, the rotation angle is obtained by observing the oscillation frequency.

上記パラメータで発振器を構成し、回転角度θ=0°とした場合の発振周波数は概ね1.83MHzとなるため、1.83MHzの時の一次側と二次側のスパイラルインダクタのインダクタンスをLCRメータを用いて測定した結果、一次側のスパイラルインダクタが18.7μHとなり二次側のスパイラルインダクタが18.3μHとなった。 When the oscillator is configured with the above parameters and the rotation angle θ = 0 °, the oscillation frequency is approximately 1.83 MHz. Therefore, the inductances of the spiral inductors on the primary side and the secondary side at 1.83 MHz are calculated using the LCR meter. As a result, the primary spiral inductor was 18.7 μH, and the secondary spiral inductor was 18.3 μH.

2つのスパイラルインダクタがずれなく重なっている状態を0°とし、1°の間隔で二次側のスパイラルインダクタを360°まで変化させ、実際に周波数を測定した結果を図8に示し、実際に測定した結果の値の一部を表2に示す。 The state where the two spiral inductors overlap without deviation is 0 °, the secondary spiral inductor is changed to 360 ° at 1 ° intervals, and the actual frequency measurement results are shown in FIG. Some values of the results are shown in Table 2.

図8と表2の測定結果をみると、扇形のスパイラルインダクタでは、0度・360度と180度付近では回転角度の計測が困難であるが、基本的に周波数と対応が取れており、測定の履歴があれば、回転角度が求まることがわかる。 Looking at the measurement results in Fig. 8 and Table 2, with a fan-shaped spiral inductor, it is difficult to measure the rotation angle around 0 °, 360 °, and 180 °, but basically it corresponds to the frequency and the measurement is possible. If there is a history, it can be seen that the rotation angle can be obtained.

前記0度・360度付近と180度付近での計測上の困難は、スパイラルインダクタ自体の形状を歪ませるなど、形状を変化させることにより、明確に観測できるようになる。 Measurement difficulties near 0 ° / 360 ° and 180 ° can be clearly observed by changing the shape, such as distorting the shape of the spiral inductor itself.

1 発振器を用いた交角計測装置全体図を指す。
2 発振器を用いた回転角度計測装置全体図を指す。
3 発振器を用いた位置・速度・加速度・傾き・振動計測装置全体図を指す。
4 発振器を用いたスパイラルインダクタ間に比透磁率が大きく1ではない部材を挟んだ位置・速度・加速度・傾き・振動計測装置全体図を指す。
11 本発明のセンサー部を示す。
12 交角測定を行う対象である部材の一方を指す。
13 交角測定を行う対象である部材のもう一方を指す。
14 本発明で用いるスパイラルインダクタの一つを指す。
15 本発明で用いるスパイラルインダクタのスパイラルインダクタ14と組みにして用いる一つを指す。
16 スパイラルインダクタ14を生成する基体を指す。
17 スパイラルインダクタ15を生成する基体を指す。
18 スパイラルインダクタ15に並列に接続するキャパシタを指す。
19 スパイラルインダクタ14とスパイラルインダクタ15、及びキャパシタ18と、複数の抵抗と複数のキャパシタ、及びトランジスタを含む発振器を指す。本実施例においては、スパイラルインダクタ14とスパイラルインダクタ15、及びキャパシタ18と、抵抗R1、抵抗R2、抵抗R3、キャパシタC1、キャパシタC2、キャパシタC3、キャパシタC4、およびトランジスタを含む変形コルピッツ発振器を指す。
20 回転角度を測定する対象である部材の一方を指す。
21 回転角度を測定する対象である部材のもう一方を指す。
22 スパイラルインダクタ14と15の間に挟む比透磁率が大きく1ではない部材を指す。
110 センサー部11と計測部300を繋ぐ配線を指す。
111 センサー部11に含まれる発振器19に計測部300から直流電圧を送る配線を指す。
112 センサー部11と計測部300の電圧の基準となるグランドを結ぶ配線を指す。
113 センサー部11の発振器19によって得られる発振信号を計測部300に伝える配線を指す。
300 本発明の計測部全体を指す。
301 配線111を計測部300に繋ぐ接続部311への接続端子を指す。センサー部が増えた場合は、この接続端子301の数もセンサーの数と同じだけ設けられる。
302 配線112を計測部300に繋ぐ接続部311への接続端子を指す。センサー部が増えた場合は、この接続端子302の数もセンサーの数と同じだけ設けられる。
303 配線113を計測部300に繋ぐ接続部311への接続端子を指す。センサー部が増えた場合は、この接続端子303の数もセンサーの数と同じだけ設けられる。
311 計測部300のセンサー部への信号や電力の受け渡しの出入り口である接続部を指す。時分割などによって、複数のセンサーを接続する際には、接続部311で計測対象となるセンサー部を切り替えることとなる。
312 センサー部11から入力された信号の周波数を測定する周波数計測部を指す。図4においては、本実施例で周波数測定を行った機器の等価回路を表している。
313 周波数計測部312によって計測された周波数から、交角、回転角度、位置、速度、加速度、振動、傾きなどの値に逆算する制御部を指す。時分割方式などにより複数のセンサー部11を共有する際には、この制御部313によって、対象とするセンサーを決定し、信号を接続部311に送り、計測することとなる。また、求めた各種の値を表示部314に表示する信号を送る。制御部は汎用のコンピュータなどで良く、メモリ上に載ったプログラムに従って動くシステムである。
314 制御部313より送られて来た結果を表示する表示部を指す。人間に解るように表示しても良いし、別のシステムへ信号を送る装置であっても良い。
315 センサー部11に含まれる発振器19を動かすための直流電圧印可部を指す。
316 制御部300を操作する操作部を指す。人間による操作を受け付けるコンソールであっても良いし、他のシステムからの制御を受け付ける部品であっても良い。
1 Refers to the overall view of the crossing angle measurement device using an oscillator.
2 Refers to the overall view of the rotation angle measurement device using an oscillator.
3 Refers to the overall view of the position / velocity / acceleration / tilt / vibration measuring device using an oscillator.
4 Refers to an overall view of the position / velocity / acceleration / tilt / vibration measuring apparatus in which a member having a large relative permeability and not 1 is sandwiched between spiral inductors using an oscillator.
11 shows a sensor unit of the present invention.
12 Refers to one of the members for which the intersection angle measurement is performed.
13 Refers to the other member to be subjected to the intersection angle measurement.
14 One of the spiral inductors used in the present invention.
15 This refers to one used in combination with the spiral inductor 14 of the spiral inductor used in the present invention.
16 Refers to a substrate on which the spiral inductor 14 is generated.
17 Refers to a substrate on which the spiral inductor 15 is generated.
18 A capacitor connected in parallel to the spiral inductor 15.
19 An oscillator including a spiral inductor 14, a spiral inductor 15, a capacitor 18, a plurality of resistors, a plurality of capacitors, and a transistor. In the present embodiment, it refers to a modified Colpitts oscillator including a spiral inductor 14, a spiral inductor 15, and a capacitor 18, a resistor R1, a resistor R2, a resistor R3, a capacitor C1, a capacitor C2, a capacitor C3, a capacitor C4, and a transistor.
20 Refers to one of the members whose rotation angle is to be measured.
21 Refers to the other member whose rotation angle is to be measured.
22 Refers to a member having a large relative magnetic permeability between the spiral inductors 14 and 15, which is not 1.
110 Refers to a wiring connecting the sensor unit 11 and the measurement unit 300.
111 A wiring that sends a DC voltage from the measurement unit 300 to the oscillator 19 included in the sensor unit 11.
112 Refers to a wiring connecting the ground serving as a voltage reference of the sensor unit 11 and the measurement unit 300.
113 indicates a wiring that transmits an oscillation signal obtained by the oscillator 19 of the sensor unit 11 to the measurement unit 300.
300 Refers to the entire measurement unit of the present invention.
301 A connection terminal to the connection unit 311 that connects the wiring 111 to the measurement unit 300. When the number of sensor units is increased, the same number of connection terminals 301 are provided as the number of sensors.
302 A connection terminal to the connection unit 311 that connects the wiring 112 to the measurement unit 300. When the number of sensor units is increased, the number of connection terminals 302 is the same as the number of sensors.
303 A connection terminal to the connection unit 311 that connects the wiring 113 to the measurement unit 300. When the number of sensor units is increased, the same number of connection terminals 303 is provided as the number of sensors.
311 Refers to a connection part that is a doorway for signal and power delivery to the sensor part of the measurement part 300. When connecting a plurality of sensors by time division or the like, the sensor unit to be measured is switched by the connection unit 311.
312 indicates a frequency measurement unit that measures the frequency of a signal input from the sensor unit 11. FIG. 4 shows an equivalent circuit of a device that performs frequency measurement in this embodiment.
313 A control unit that calculates back from the frequency measured by the frequency measurement unit 312 to values such as an intersection angle, a rotation angle, a position, a velocity, acceleration, vibration, and tilt. When a plurality of sensor units 11 are shared by a time division method or the like, the control unit 313 determines a target sensor, sends a signal to the connection unit 311, and measures. In addition, a signal for displaying the obtained various values on the display unit 314 is sent. The control unit may be a general-purpose computer or the like, and is a system that moves according to a program stored on a memory.
Reference numeral 314 denotes a display unit that displays a result sent from the control unit 313. It may be displayed so as to be understood by humans, or may be a device that sends a signal to another system.
Reference numeral 315 denotes a DC voltage applying unit for moving the oscillator 19 included in the sensor unit 11.
316 Refers to an operation unit that operates the control unit 300. It may be a console that accepts human operations, or may be a component that accepts control from another system.

Claims (7)

スパイラルインダクタとキャパシタ、トランジスタ、及び抵抗を有する発振器を利用した角度・振動・位置・傾き・速度・または加速度の計測装置。 Angle, vibration, position, tilt, speed, or acceleration measuring device using an oscillator with spiral inductor, capacitor, transistor, and resistor. 前記スパイラルインダクタを複数とキャパシタ、トランジスタ、及び抵抗を用いて発振器を構成し、スパイラルインダクタ間の相互インダクタンスの変動を発振周波数の変動によって計測する装置。 An apparatus that configures an oscillator using a plurality of the spiral inductors, capacitors, transistors, and resistors, and measures a variation in mutual inductance between the spiral inductors by a variation in oscillation frequency. 前記スパイラルインダクタを複数とキャパシタ、トランジスタ、及び抵抗を用いて発振器を構成し、スパイラルインダクタ間の相互インダクタンスの変動を発振周波数の変動によって交角や交角の変動を計測する計測装置。 A measuring device that forms an oscillator using a plurality of the spiral inductors, capacitors, transistors, and resistors, and measures a change in mutual inductance between the spiral inductors based on a change in oscillation frequency and a change in the crossing angle. 前記スパイラルインダクタを複数とキャパシタ、トランジスタ、及び抵抗を用いて発振器を構成し、スパイラルインダクタ間の相互インダクタンスの変動を発振周波数の変動によって回転角度や回転角度の変動を計測する計測装置。 A measuring device that forms an oscillator using a plurality of spiral inductors, capacitors, transistors, and resistors, and measures a change in mutual inductance between spiral inductors by measuring a rotation angle and a change in rotation angle by a change in oscillation frequency. 前記スパイラルインダクタを複数とキャパシタ、トランジスタ、及び抵抗を用いて発振器を構成し、スパイラルインダクタ間の相互インダクタンスの変動を発振周波数の変動によって一方のスパイラルインダクタに対して他方のスパイラルインダクタの位置の変化を利用した位置・傾き・振動・加速度を計測する計測装置。 An oscillator is configured by using a plurality of the spiral inductors, capacitors, transistors, and resistors, and changes in the mutual inductance between the spiral inductors are caused by changes in the position of the other spiral inductor with respect to one spiral inductor due to fluctuations in the oscillation frequency. A measuring device that measures the position, tilt, vibration, and acceleration used. 前記スパイラルインダクタ間に比透磁率が1ではない物体や導体である金属を挟んだ物と、キャパシタ、トランジスタ、及び抵抗を用いて発振器を構成し、スパイラルインダクタ間の相互インダクタンスの変動を発振周波数の変動によって、位置・傾き・振動・速度・加速度のいずれかを計測する計測装置。 An oscillator is configured by using an object having a relative permeability not equal to 1 or a metal that is a conductor between the spiral inductors, a capacitor, a transistor, and a resistor, and fluctuations in mutual inductance between the spiral inductors are measured with respect to the oscillation frequency. A measuring device that measures position, tilt, vibration, velocity, or acceleration depending on the fluctuation. 前記計測装置において、1つのスパイラルインダクタと比透磁率が1ではない物体か導体である金属を用いて、スパイラルインダクタに対する物体の位置の動きにより、自己インダクタンスの大きさを変動させ、周波数を変化させ、交角、回転角度、位置、傾き、振動、速度、加速度のいずれかを計測する計測装置。
In the measuring device, using one spiral inductor and a metal whose relative permeability is not 1 or a metal that is a conductor, the magnitude of the self-inductance is changed and the frequency is changed by the movement of the position of the object with respect to the spiral inductor. , A measuring device that measures any of intersection angle, rotation angle, position, tilt, vibration, speed, and acceleration.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN113391093A (en) * 2021-07-20 2021-09-14 中国工程物理研究院总体工程研究所 Method for mounting fixed sensor in spiral heat transfer pipe

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