JP2015055553A - 高周波発振式非接触変位センサ - Google Patents
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Abstract
【課題】従来の高周波発振式非接触変位センサの欠点を伴わずに、簡単な構造で小型の、かつ、温度変動の影響が少ない、高精度な高周波発振式非接触変位センサを提供すること。【解決手段】物体の変位によって高周波発振回路の発振状態が変化することを検知あるいはその変化量を測定する非接触変位センサであって、プリント配線板に形成している平面コイルと、前記プリント配線板上に実装している電子部品とで、高周波発振回路を一体形成したものである。【選択図】図１
Description
本発明は、高周波コイルからなる高周波発振回路を含むセンサヘッドを導電性の対象物に近づけたときに、電磁誘導作用と渦電流の影響により発振状態が変化することを検知あるいはその変化量を測定することによって、センサヘッドと対象物との変位を求める高周波発振式変位センサとそれを用いた変位測定方法に関するものである。
従来の高周波発振式非接触変位センサは、特許文献１および特許文献２に開示されているように、コアに巻装したコイルを備えたセンサヘッドと、前記コイルを励磁する高周波発振回路と、この発振回路の発振状態を検出する検出回路あるいは発振状態の変化から距離を測定する距離測定回路とが、分離されて構成されており、構成が複雑で大型であった。また、特許文献３および特許文献４に開示されているように、コアに巻装したコイルと、前記コイルを励磁する高周波発振回路と、この発振回路の発振状態を検出する検出回路とを、金属製ケース内に実装した高周波発振式近接スイッチが実用化されている。しかしながら、上述した高周波発振式非接触変位センサは、コアに巻装したコイルを用いるために、構造が複雑であること、また、温度変動によっても発振状態が変化することなどの課題があり、高精度な距離測定を行うことが難しいという欠点があった。
本発明の目的は、上記の従来の高周波発振式非接触変位センサの欠点を伴わずに、簡単な構造で小型の、かつ、温度変動の影響が少ない、高精度な高周波発振式非接触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、本発明に係る請求項１の高周波発振式非接触変位センサは、物体の変位によって高周波発振回路の発振状態が変化することを検知あるいはその変化量を測定する非接触変位センサであって、プリント配線板に形成している平面コイルと、前記プリント配線板上に実装している電子部品とで、高周波発振回路を一体形成していることを特徴とする。
また、請求項２の高周波発振式非接触変位センサは、請求項１において、前記高周波回路と温度検出素子とをプリント配線板上に一体形成していることを特徴とする。
また、請求項３の高周波発振式非接触変位センサは、請求項１において、前記高周波発振回路の高周波発振電圧を、物体の変位に対する一次変化量として、出力することを特徴とする。
また、請求項４の高周波発振式非接触変位センサは、請求項１において、前記高周波発振回路の高周波発振電圧の周波数変化を、アナログ信号あるいはディジタル信号に変換する変換手段と、前記変換手段により変換したアナログ信号あるいはディジタル信号を、物体の変位に対する二次変化量として、出力する出力手段を備えていることを特徴とする。
また、請求項５の高周波発振式非接触変位センサは、請求項１において、前記高周波発振回路の高周波発振電圧の周波数変化と物体の変位との関係を予め測定した測定値に基づいて校正する校正手段と、前記校正手段により物体の変位に比例したアナログ信号あるいはディジタル信号を出力する出力手段とを、備えていることを特徴とする。
また、請求項６の高周波発振式非接触変位センサは、請求項２において、前記高周波発振回路の高周波発振電圧の周波数変化と物体の変位と温度との関係を予め測定した測定値に基づいて校正する校正手段と、前記校正手段により物体の変位に比例したアナログ信号あるいはディジタル信号を出力する出力手段とを、備えていることを特徴とする。
本発明は、従来のコアに巻装したコイルを用いるのではなく、プリント配線板上に形成した平面コイルを用いるので、構造が簡単で小型化が可能となる。また、高周波発振回路を構成する平面コイルと他の電子部品もプリント基板上に一体形成しているので、さらに小型化が可能になるとともに、高周波発振回路の発振状態を安定化でき、高精度な変位測定を行うことが可能となる。また、温度検出素子を高周波発振回路とともにプリント基板上に一体形成しているので、高周波発振回路を構成する電子部品の温度特性を補償でき、温度変動に影響されない高精度な変位測定を行うことが可能となる。
［第１の実施形態］
この発明の第１の実施形態を、図を参照して説明する。図１は、本発明の係る高周波発振式非接触変位センサ１の斜視図である。図２は、本発明の係る高周波発振式非接触変位センサ１の一部を省略した縦断面図である。有底筒上のセンサケース１１に円形プリント基板１２が収納されている。円形プリント基板１２の表面１２Aには渦巻状平面コイル１３が形成されており、円形プリント基板１２の裏面１２Bには高周波発振回路を構成するコンデンサや抵抗、ICなどの電子部品が実装されている。また、高周波発振回路を構成する電子部品以外に、温度検出素子などの電子部品を実装しても良い。
この発明の第１の実施形態を、図を参照して説明する。図１は、本発明の係る高周波発振式非接触変位センサ１の斜視図である。図２は、本発明の係る高周波発振式非接触変位センサ１の一部を省略した縦断面図である。有底筒上のセンサケース１１に円形プリント基板１２が収納されている。円形プリント基板１２の表面１２Aには渦巻状平面コイル１３が形成されており、円形プリント基板１２の裏面１２Bには高周波発振回路を構成するコンデンサや抵抗、ICなどの電子部品が実装されている。また、高周波発振回路を構成する電子部品以外に、温度検出素子などの電子部品を実装しても良い。
図３は、円形プリント基板１２のコイル面１２Aに形成する平面コイルパターン図の一実例である。平面コイル１３は、図３に示す円形に限らず、楕円形や四角形や、他の形のものでであっても良い。図４は、円形プリント基板１２の部品面１２Bにコンデンサや抵抗、ICなどの電子部品を実装する配線パターン図の一実例である。
図５は、図３と図４に示す配線パターン図により構成するピアース型高周波発振回路の回路図の一例である。高周波発振回路２０は、ピアース型高周波発振回路に限らず、図６に示すフランクリン型高周波発振回路や他の高周波発振回路であっても良い。
図７は、図５に示すピアース型高周波発振回路の高周波発振電圧波形の一実例である。本実施形態における高周波発振式非接触変位センサ１は、物体の変位に対する一次変化量として、図７に示した高周波発振回路の高周波発振電圧を、センサケーブル１０から出力する。
図８は、図５に示すピアース型高周波発振回路で構成した高周波発振式非接触変位センサ１に導電性板を近付けたときの高周波発振周波数の変化を表すグラフの一実例である。図８から、物体の変位を計測するために、高周波発振回路の発振状態に係る一次変化量として、周波数の変化を測定すれば良いことが判る。高周波発振回路の発振状態に係る一次変化量として、位相の変化や振幅の変化を測定しても良い。高周波発振回路の発振状態に係る一次変化量は、高周波発振式非接触変位センサ１に結線される外部計測機器を用いて測定することができる。
［第２の実施形態］
この発明の第２の実施形態の高周波発振式非接触変位センサ１は、第１の実施形態の構成に加えて、前記高周波発振回路の高周波発振電圧の周波数変化を、アナログ信号あるいはディジタル信号に変換する変換手段と、前記変換手段により変換したアナログ信号あるいはディジタル信号を、物体の変位に対する二次変化量として、出力する出力手段を備えている。
この発明の第２の実施形態の高周波発振式非接触変位センサ１は、第１の実施形態の構成に加えて、前記高周波発振回路の高周波発振電圧の周波数変化を、アナログ信号あるいはディジタル信号に変換する変換手段と、前記変換手段により変換したアナログ信号あるいはディジタル信号を、物体の変位に対する二次変化量として、出力する出力手段を備えている。
図９は、本実施形態における変換手段の一例である。アナログ信号に変換する場合、高周波発振回路の高周波発振電圧をIC化した周波数−電圧（F／V）変換器入力し、アナログ電圧信号に変換する。さらに、ディジタル信号に変換する場合、F／V変換器が出力するアナログ電圧信号をIC化したアナログ−ディジタル（A／D）変換器に入力し、ディジタル信号に変換する。
本実施形態における出力手段は、特に図示しないが、アナログ信号を出力する場合、差動増幅器を用い、その一方の入力端子にF／V変換器が出力するアナログ電圧信号を、他方の入力端子にオフセット電圧を入力し、F／V変換器が出力するオフセット電圧分を差し引いて増幅してアナログ信号を出力する。
本実施形態における出力手段は、特に図示しないが、ディジタル信号を出力する場合、A／D変換器が出力するパラレルデータのディジタル信号を、バッファ増幅器を用いてバッファしてパラレルデータのディジタル信号を出力する。シリアルデータのディジタル信号を出力する場合、パラレル−シリアル変換器を用いればよい。
本実施形態における変換手段および出力手段について、上記に一例を示したが、他の回路構成であっても良い。また、本実施形態における変換手段および出力手段は、CPUと、RAMと、ROMと、を備えた、さらには、汎用ディジタル入出力ポート（GPIO）、通信ポート（SCI、I2C、CAN、USB、イーサネット（登録商標）など）、A／D変換器、D／A変換器などのペリフェラルICをワンチップ化した、マイコンを用いれば容易に構成することができる。
本実施形態における変換手段および出力手段を構成するための電子部品は、平面コイルと高周波発振回路を構成する電子部品を実装するプリント基板に実装して、あるいは、他のプリント基板に実装して、センサケースに収納する。
［第３の実施形態］
この発明の第３の実施形態の高周波発振式非接触変位センサ１は、第１の実施形態の構成に加えて、前記高周波発振回路の高周波発振電圧の周波数変化と物体の変位との関係を予め測定した測定値に基づいて校正する校正手段と、前記校正手段により物体の変位に比例したアナログ信号あるいはディジタル信号を出力する出力手段とを、備えている。
この発明の第３の実施形態の高周波発振式非接触変位センサ１は、第１の実施形態の構成に加えて、前記高周波発振回路の高周波発振電圧の周波数変化と物体の変位との関係を予め測定した測定値に基づいて校正する校正手段と、前記校正手段により物体の変位に比例したアナログ信号あるいはディジタル信号を出力する出力手段とを、備えている。
本実施形態の校正手段および出力手段は、特に図示しないが、CPUと、RAMと、ROMと、を備えた、さらには、汎用ディジタル入出力ポート（GPIO）、通信ポート（SCI、I2C、CAN、USB、イーサネット（登録商標）など）、A／D変換器、D／A変換器などのペリフェラルICをワンチップ化した、マイコンを用いれば容易に構成することができる。校正手段は、前記高周波発振回路の高周波発振電圧の周波数変化と物体の変位との関係を予め測定した測定値をROMに記憶しておき、これを参照することによって容易に実現できる。
本実施形態における変換手段および出力手段を構成するための電子部品は、平面コイルと高周波発振回路を構成する電子部品を実装するプリント基板に実装して、あるいは、他のプリント基板に実装して、センサケースに収納する。
［第４の実施形態］
この発明の第４の実施形態の高周波発振式非接触変位センサ１は、第１の実施形態の構成に加えて、前記高周波発振回路の高周波発振電圧の周波数変化と物体の変位と温度との関係を予め測定した測定値に基づいて校正する校正手段と、前記校正手段により物体の変位に比例したアナログ信号あるいはディジタル信号を出力する出力手段とを、備えている。
この発明の第４の実施形態の高周波発振式非接触変位センサ１は、第１の実施形態の構成に加えて、前記高周波発振回路の高周波発振電圧の周波数変化と物体の変位と温度との関係を予め測定した測定値に基づいて校正する校正手段と、前記校正手段により物体の変位に比例したアナログ信号あるいはディジタル信号を出力する出力手段とを、備えている。
本実施形態においては、平面コイルと高周波発振回路を構成する電子部品を実装するプリント基板上に、IC温度センサなどの温度検出素子を実装する。図１０は、図５に示すピアース型高周波発振回路において、環境温度を変化させたときの発振周波数の変化と実装した温度検出素子が出力する温度値の変化との関係を示すグラフの一実例である。
本実施形態の校正手段および出力手段は、特に図示しないが、CPUと、RAMと、ROMと、を備えた、さらには、汎用ディジタル入出力ポート（GPIO）、通信ポート（SCI、I2C、CAN、USB、イーサネット（登録商標）など）、A／D変換器、D／A変換器などのペリフェラルICをワンチップ化した、マイコンを用いれば容易に構成することができる。校正手段は、前記高周波発振回路の高周波発振電圧の周波数変化と物体の変位と温度の関係を予め測定した測定値をROMに記憶しておき、これを参照することによって容易に実現できる。
本実施形態における校正手段および出力手段を構成するための電子部品は、平面コイルと高周波発振回路を構成する電子部品および温度検出素子を実装するプリント基板に実装して、あるいは、他のプリント基板に実装して、センサケースに収納する。
１： 高周波発振式非接触変位センサ
１０： センサケーブル
１１： センサケース
１２ ： 円形プリント基板
１２A： 円形プリント基板表面(コイル面）
１２B： 円形プリント基板裏面（部品面）
１３： 平面コイル
２０： 高周波発振回路
１０： センサケーブル
１１： センサケース
１２ ： 円形プリント基板
１２A： 円形プリント基板表面(コイル面）
１２B： 円形プリント基板裏面（部品面）
１３： 平面コイル
２０： 高周波発振回路
Claims (6)
- 物体の変位によって高周波発振回路の発振状態が変化することを検知あるいはその変化量を測定する非接触変位センサであって、プリント配線板に形成している平面コイルと、前記プリント配線板上に実装している電子部品とで、高周波発振回路を一体形成している高周波発振式非接触変位センサ。
- 請求項１において、前記高周波回路と温度検出素子とをプリント配線板上に一体形成している高周波発振式非接触変位センサ。
- 請求項１において、前記高周波発振回路の高周波発振電圧を、物体の変位に対する一次変化量として、出力する高周波発振式非接触変位センサ。
- 請求項１において、前記高周波発振回路の高周波発振電圧の周波数変化を、アナログ信号あるいはディジタル信号に変換する変換手段と、前記変換手段により変換したアナログ信号あるいはディジタル信号を、物体の変位に対する二次変化量として、出力する出力手段を備えている高周波発振式非接触変位センサ。
- 請求項１において、前記高周波発振回路の高周波発振電圧の周波数変化と物体の変位との関係を予め測定した測定値に基づいて校正する校正手段と、前記校正手段により物体の変位に比例したアナログ信号あるいはディジタル信号を出力する出力手段とを、備えている高周波発振式非接触変位センサ。
- 請求項２において、前記高周波発振回路の高周波発振電圧の周波数変化と物体の変位と温度との関係を予め測定した測定値に基づいて校正する校正手段と、前記校正手段により物体の変位に比例したアナログ信号あるいはディジタル信号を出力する出力手段とを、備えている高周波発振式非接触変位センサ。
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| JP2013189105A JP2015055553A (ja) | 2013-09-12 | 2013-09-12 | 高周波発振式非接触変位センサ |
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-
2013
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