JP2015137888A - 変位センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 回路構成を簡略化することができる上に継続的に変位の検出を行いながら温度補償する。
【解決手段】 コイル６とコンデンサ８、１０とからなる並列共振回路４がＮＰＮトランジスタ１２の出力側に設けられ、並列共振回路４の出力がトランジスタ１２の入力側に帰還されて、継続して発振するコルピッツ発振回路２が構成されている。コイル６への被測定物の位置の変化によってトランジスタ１２の出力レベルが変化する。コイル６に継続的に定電流源２６が直流直流電流を供給している。コイル６の直流抵抗値の変化を、コイル６を流れる直流電流による電圧降下からＲＣローパスフィルタ３０が検出する。マイクロコンピュータ３８が、ＲＣローパスフィルタ３０の出力に基づいてトランジスタ１２の出力レベルを調整する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、コイルを利用して被測定物の位置の変位を検出する変位センサに関し、特にコイルの抵抗値の温度変化に基づく誤差を補償するものに関する。

コイルを利用した変位センサとしては、例えば交流電流が流れているコイルに、被測定物である導電体が近づくと、導電体に渦電流が流れて、交流磁界が発生し、これによりコイルのインピーダンスが変化することを利用した渦電流式変位センサがある。この渦電流式変位センサでは、コイルのインピーダンスが使用環境の温度変化によっても変化するので、これを補償する必要がある。この補償技術の一例が特許文献１に開示されている。

特許文献１の技術では、発振器からの交流電流をコイルに供給し、コイルから交流磁場を発生させ、被測定物の位置の変位によって大きさの異なる渦電流をコイルに誘導し、渦電流の大きさによって変化するコイルの出力電圧に基づいて被測定物の変位を検出する。このように被測定物の位置の変化に従ってコイルの出力電圧が変化する点を利用した変位センサでは、周囲温度の変化に従ってコイルの出力電圧が変化すると、正確に被測定物の変位を検出できず、温度補償が必要である。所定のサンプリング期間の経過ごとに、交流電流に代えて、直流電流供給手段からコイルに直流電流を供給し、この直流電流によってコイルから出力される直流電圧を直流電圧検出器で検出し、検出された直流電圧に基づいて、コイルの温度変化に基づく抵抗値変化に伴うコイルの出力電圧の変化を補正するために、コイルに供給する交流電流を補正手段によって制御している。

特開昭６０−６７８１９号公報

特許文献１の技術によれば、発振器からの交流電流をコイルに供給しなければならないので、コイル以外に発振器を設置する必要があり、回路構成が複雑となる。その上、交流電流と直流電流とを切り換える切換スイッチや切換制御回路が必要であり、益々回路構成が複雑となり、設置スペースが小さい場所に設置するのには不向きである。また、所定のサンプリング期間の経過ごとに直流電流をコイルに供給して温度補償を行っているので、この温度補償の間には、変位の検出を行うことができない。例えば、内燃機関のバルブの変位を検出する場合、継続して変位の検出を行う必要があり、特許文献１の技術を使用することはできない。

本発明は、回路構成を簡略化することができる上に温度補償を行いながら継続的に変位を検出することができる変位センサを提供することを目的とする。

本発明の一態様の変位センサは、継続して発振している自励式発振手段を有している。この自励式発振手段は、コイルとコンデンサとからなる並列共振手段と、増幅手段とを、備えている。増幅手段は、前記共振手段が出力側に設けられ、前記共振手段の出力が入力側に帰還されている。この自励式発振手段では、コイルに対する被測定物の位置の変化によって前記増幅手段の出力レベルが変化する。渦電流式変位センサの場合、被測定物のコイルに対する位置の変化に従って、増幅出段の出力レベルが変化する。発振手段の発振方式としては所謂ＬＣ発振、例えばコルピッツ型発振、ハートレー型発振、クラップ型発振、コレクタ同調型反結合発振、ベース同調型反結合発振や、これらの変形型と公知の種々のものを使用できる。直流供給手段が、前記コイルに継続的に直流信号を供給する。前記コイルの直流抵抗値の変化を、抵抗値検出手段が、前記コイルを流れる前記直流信号による電圧降下から検出する。前記コイルの直流抵抗値は、周囲環境の温度変化に従って変化する。前記抵抗値検出手段の出力に基づいて前記増幅手段の出力レベルを制御手段が調整する。

上記のように構成した変位センサでは、自励式の発振手段を使用しているので、回路構成を簡略化することができる。更に、継続して発振している自励式発振手段を使用している上に、継続的に直流信号を自励式発振手段のコイルに供給しているので、抵抗値を検出するために自励式発振手段の発振を停止させる必要が無く、継続して変位を検出することができる。

前記直流供給手段は、前記コイルに定電流を供給する定電流源とすることができる。この場合、前記抵抗値検出手段は、前記コイルに発生する直流電圧を検出するフィルタ手段である。

このように構成すると、直流成分のみがフィルタ手段によって検出され、交流成分の影響を受けずに、抵抗値を検出することができる。

上記の態様において、前記増幅手段は、第１乃至第３の電極を有し、第１及び第２の電極間の信号に従って第１及び第３の電極間の導電状態を変化させる能動素子を有するものとできる。この場合、第１及び第２の電極間に設けられた電流調整手段が前記制御手段によって制御される。能動素子としては、例えばバイポーラトランジスタや電界効果トランジスタを使用することができる。

このように構成すると、能動素子の第１及び第３の電極間に流れる電流を制御することにより発振手段の利得を調整することができ、その結果コイルの温度補償を行うことができ、しかも自励式発振手段は安定した発振状態を保つ。

以上のように、本発明によれば、変位センサの回路構成を簡略化することができる上に温度検出と温度補償しながら、継続的に変位を測定することができる。

本発明の１実施形態の変位センサの回路図である。 図１の変位センサにおける被測定物とコイルとの関係を示す図である。 図１の変位センサのコイルの抵抗値の変化を示す図である。

本発明の一実施形態の変位センサは、例えば渦電流式変位センサで、図１に示すように自励式発振手段、例えばコルピッツ発振回路２を有している。コルピッツ発振回路２は、並列共振手段、例えば並列共振回路４を有し、この並列共振回路４は、コイル６と、直列に接続された２つのコンデンサ８、１０とを、並列に接続したもので、所定の周波数で並列共振するように、コイル６、コンデンサ８、１０の値が選択されている。さらに、コルピッツ発振回路２は、能動素子、例えばバイポーラトランジスタ、具体的にはＮＰＮトランジスタ１２も有している。ＮＰＮトランジスタ１２は、第１の電極、例えばベースと、第２の電極、例えばエミッタと、第３の電極、例えばコレクタとを有し、図示していないバイアス回路によって適切なバイアスが与えられている。さらに、ＮＰＮトランジスタ１２は、例えばベース接地回路として動作するように、図示していないコンデンサによって基準電位、例えば接地電位に接続されている。

並列共振回路４の一端は、接地電位に接続され、並列共振回路１０の他端は、直流阻止コンデンサ１４を介してＮＰＮトランジスタ１２のコレクタに接続されている。トランジスタ１２のエミッタは、コンデンサ８と１０との相互接続点に接続されている。従って、図示していないコンデンサによって高周波的に接続されているベース・コレクタ間に発生した出力の一部がエミッタ側に帰還されている。コレクタは、インピーダンス素子からなる負荷１６を介して電源端子、例えば正の電源端子１８に接続され、さらに出力端子２０に接続されている。また、エミッタは、上述したバイアス回路の一部をなす電流調整手段、例えば可変電流源２２を介して接地電位に接続されている。

このコルピッツ発振回路２は、並列共振回路１０の並列共振周波数によって決まる発振周波数で継続して発振し、出力端子２０から、その発振出力が取り出される。図２に示すようにコイル６に対する被測定物、例えば船舶のエンジンのバルブ２４の位置が変化すると、例えば接近すると、従来技術に関連して説明したように、コイル６のインピーダンスが変化し、出力端子２０に生じる発振出力のレベルが変化する。このレベルの変化を図示しない検出手段によって検出し、バルブ２４の変位を検出する。

図３に示すように、コイル６の抵抗値やバルブ２４の固有抵抗値が周囲環境の温度変化に従って変化するので、これを放置すると、出力端子２０からの発振出力のレベルが変化し、正確にバルブ２４の変位を検出することができない。特に、周囲温度が摂氏零度以下から１００度以上の温度に変化する環境下では、この発振出力のレベルが大きく変化する。そこで、この実施形態では、直流供給手段、例えば定電流源２６が、コイル６の一端に接続されている。この定電流源２６は正の電源端子に一端が接続され、他端がコイル６の一端に接続されている。この定電流源２６からの直流信号、例えば直流電流がコイル６を介して接地電位に継続して流れる。この直流電流がＮＰＮトランジスタ１２のコレクタに流れることを阻止するため等に直流阻止コンデンサ１４が設けられている。

周囲環境の温度変化があると、コイル６の抵抗値が変化し、定電流源２６からの直流電流によってコイル６の両端間に発生している直流電圧の値が変化する。この直流電圧を検出するために、抵抗値検出手段、例えばローパスフィルタ３０がコイル６の両端間に接続されている。ローパスフィルタ３０は、例えば抵抗器３２とコンデンサ３４とからなるＲＣローパスフィルタである。ローパスフィルタ３０を使用するのは、コルピッツ発振回路２の発振信号を検出することを阻止するためである。このローパスフィルタ３０の出力信号は、増幅手段、例えば直流増幅器３６によって増幅され、制御手段、例えばマイクロプロセッサ３８に供給される。マイクロプロセッサ３８では、増幅器３６の出力信号をデジタル化し、温度と線形関係を持つように非線形補正し、その補正値を予め定めた基準値と比較し、例えば基準とする温度における補正値と比較し、制御信号を生成する。この制御信号は、ＮＰＮトランジスタ１２のエミッタに設けた可変電流源２２に供給され、ＮＰＮトランジスタ１２のエミッタから引き出す電流、ひいてはコレクタに吸い込まれる電流を制御する。これによって、出力端子２０に生じる発振出力のレベルは周囲温度の影響を受けず、線形性を保ったまま変位計測を行うことができる。例えば、発振出力のレベルが１．２倍になる電流をＮＰＮトランジスタ１２に供給すると、バルブ２４の測定しようとするストロークの全域で発振出力のレベルもほぼ１．２倍となり、線形関係を保つ。

例えば基準温度よりも周囲環境の温度が高く、コイル６の抵抗値が大きくなっている場合、発振出力レベルが小さくなるので、可変電流源２２の電流を大きくし、発振エネルギーを増大することにより、発振出力レベルを大きくする。逆に、基準温度よりも周囲環境の温度が低く、コイルの抵抗値が小さくなって、発振出力レベルが大きくなったときには、可変電流源２２の電流を小さくして、発振出力レベルを小さくする。しかも、可変電流源２２の電流値と発振出力レベルとの間には、線形関係があり、マイクロコンピュータ可変電流源２２の制御が容易になる。

このようにして、周囲環境の温度変化があっても、変位センサの出力レベルに対して温度補償することができる。しかも、この温度補償は、所定の時間ごとに行われるのではなく、継続して行われるので、精密に温度補償を行うことができるし、発振回路２の発振を温度補償のために停止させる必要が無く、継続して変位を検出することができ、精密に変位を検出することができる。例えば、サーミスタ等を使用して温度補償しながら、継続して変位を検出することは可能であるが、その場合、部品点数が増加し、変位センサの構成が複雑になる上に、部品点数が増加した分だけ変位センサの故障率が増加するので、サーミスタ等の使用は望ましくない。また、温度による発振レベルの変化を、発振器の発振レベルを増減させて補正するのでは無く、発振器の出力を掛け算回路に入れ掛け算の一項とし、他項を温度による係数とする事で補正する事もできるが、回路が複雑になる上、コストも上昇する。これに対し、この変位センサでは、可変電流源２２を制御することによってエミッタ電流、ひいてはコレクタ電流を変化させているので、発振状態を安定させたまま発振信号の出力レベルを変化させることができるため、回路構成が簡単で、コスト的にも有利である。

上記の実施形態では、渦電流式変位センサに本発明を実施したが、他の型式、例えば差動変圧式変位センサに本発明を実施することもできる。上記の実施形態では、バルブ２４の変位を検出したが、これに限ったものではなく、他の被測定物の変位を検出するのに、本発明による変位センサを使用することができる。また、上記の実施形態では、コルピッツ発振回路２を使用したが、これに限ったものではなく、公知の自励式発振回路、例えばクラップ発振回路やハートレー発振回路等も使用することができる。また、上記の実施形態では、ＮＰＮトランジスタ１２を使用したが、ＰＮＰトランジスタを使用することもできるし、ＦＥＴを使用することもできる。またＮＰＮトランジスタ１２はベース接地方式で動作させたが、エミッタ接地方式で動作させることもできる。上記の実施形態ではＲＣローパスフィルタ３０を使用したが、演算増幅器と抵抗器及びコンデンサとを使用した能動ローパスフィルタを使用することもできるし、ＬＣローパスフィルタを使用することもできる。上記の実施形態では、可変電流源２２を電流調整手段として使用したが、ＮＰＮトランジスタのエミッタに抵抗器の一端を接続し、他端を可変電圧源を介して接地するように構成して電流調整手段として使用することもできる。或いはＮＰＮトランジスタ１２のエミッタをエミッタ抵抗器を介して接地し、ベース電圧を変化させることによって電流を調整することによって電流調整手段を構成することもできる。上記の実施形態では、マイクロプロセッサ３８を用いて直流増幅器３６の出力をデジタル化して、可変電流源２２を制御したが、直流増幅器３６の出力をそのままアナログ方式で構成した線形補正回路に供給し、この線形補正回路の出力をアナログ型式で構成した比較器に供給し、その比較器の出力を可変電流源２２に供給するように構成することもできる。

２ コルピッツ発振回路（自励式発振手段）
４ 並列共振回路（並列共振手段）
６ コイル
８、１０ コンデンサ
２６ 定電流源（直流供給手段）
３０ ＲＣローパスフィルタ（抵抗値検出手段）
３８ マイクロプロセッサ（制御手段）

Claims (3)

1. コイルとコンデンサとからなる並列共振手段と、この共振手段が出力側に設けられ、前記共振手段の出力が入力側に帰還されている増幅手段とを、含み、前記コイルへの被測定物の位置の変化によって前記増幅手段の出力レベルが変化し、継続して発振している自励式発振手段と、
   前記コイルに継続的に直流信号を供給する直流供給手段と、
   前記コイルの直流抵抗値の変化を、前記コイルを流れる前記直流信号による電圧降下から検出する抵抗値検出手段と、
   前記抵抗値検出手段の出力に基づいて前記増幅手段の出力レベルを調整する制御手段とを、
   具備する変位センサ。
2. 請求項１記載の変位センサにおいて、前記直流供給手段は、前記コイルに定電流を供給する定電流源であり、前記抵抗値検出手段は、前記コイルに発生する直流電圧を検出するフィルタ手段である変位センサ。
3. 請求項１または２記載の変位センサにおいて、前記増幅手段は、第１乃至第３の電極を有し、第１及び第２の電極間の信号に従って第１及び第３の電極間の導電状態を変化させる能動素子を有し、前第１及び第２の電極間に設けられた電流可変手段が前記制御手段によって制御される変位センサ。

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