JP2020535429A - 非接触動作式の変位センサ - Google Patents

Abstract

単純な構造で高温範囲での信頼性の高い測定を行うために、本発明は、高温に適しているセンサ素子（１）と、前記センサ素子（１）に電気的に接続されて制御電子機器及び／又は評価電子機器を含む電子機器と、を有する非接触動作式の変位センサであって、前記電子機器が、１２５℃を超える温度範囲用に設計され、かつ、前記センサ素子（１）に直接接続されているか、又は、前記センサ素子（１）に組み込まれていることを特徴とする、非接触動作式の変位センサに関する。

Description

本発明は、高温に適しているセンサ素子と、センサ素子に電気的に接続されて制御電子機器及び／又は評価電子機器を含む電子機器と、を有する非接触動作式の変位センサに関する。

非接触動作式の変位センサ、例えば、−４０℃から最高で１２５℃までの温度範囲で用いる電子機器が組み込まれた変位センサは、実際に広く知られている。
電子機器は通常、高温では、センサ素子から離れて配置されているか、又は、個別に配置されているため、高温の領域に配置されない。
１２５℃までの範囲では、標準設計の従来のＣＭＯＳ機器を使用可能である。

この点で、本発明は、１２５℃を超える、いわゆる、高温範囲で動作可能な変位センサであることを強調しなければならない。
変位センサという用語には、変位測定、位置測定、距離測定、厚さ測定などに適しているセンサが含まれる。

高温範囲に適している、上述のタイプの非接触動作式の変位センサは、特許文献１から知られている。
特許文献１に記載の変位センサでは、高温に適しているセンサ素子が、特別な補償素子とハウジングで囲われている。
電子機器は、センサ素子から離され、鉱物絶縁されている耐熱鋼被覆ケーブルを介して、センサ素子に電気的に接続されている。

渦電流センサによって形成されている、周知の非接触動作式の変位センサの問題は、ケーブル接続の２つの（１つは、センサ素子上の、もう１つは、電子機器上の）接点に多くの欠点が存在することである。
これらの欠点について、以下で説明する。

国際公開第２０１４／１１４２７９（Ａ１）号

センサ素子と電子機器とは、ケーブルを介して接続されているため、既知の変位センサのケーブルは、測定系の一部となっている。
したがって、変位センサの動作中に発生する小さな高周波信号は、ケーブルと接点を介して送信される。
センサ素子側のケーブルも、必然的に高温域にあるため、特別なケーブル等が必要となる。
例えば、銅又は鋼より線のテフロン（登録商標）ケーブル、ガラス布被覆ケーブル、又は、鉱物絶縁の鋼被覆ケーブルである。
ステンレス鋼製のより線又は被覆を、変位センサのハウジング又はセンサ素子に確実に接続するには、複雑な溶接が必要であるため、これらのタイプのケーブルは、取り扱いが非常に困難である。
封止剤又は接着剤が、テフロン（登録商標）に付着しないか、又は、付着しにくいため、テフロン（登録商標）ケーブルの密閉は、さらに困難である。

また、（測定系の一部としての）ケーブルには寄生インピーダンス（容量、抵抗、インダクタンス）が発生し、例えば、温度、動き又はＥＭＣ放射によってケーブルに変化が発生した際に、測定結果に影響を与える可能性があるという、計測上の欠点も存在する。
多くの場合、高温に適しているケーブルは、絶縁抵抗が低いか、又は、高いキャリア周波数が使用できないため、周波数範囲が制限される。
センサ素子は、高温領域にあるが、電子機器は、常温領域にあるため、ケーブルに沿った温度勾配が存在し、これを補正することは、困難である。

さらに、測定用途では、上述の特性を持つ同軸ケーブル又は３軸ケーブルの使用が必要になることが多く、構造設計と接続技術に高い要求が課される。
さらに、複雑なケーブル接触が必要なため、設置スペースが非常に大きくなる。
また、ケーブル又はコネクタ上の接点の密閉が困難であるため、又は、信号線の干渉のため、誤差が生じやすくなる。

高温に適している変位センサは、様々な分野で使用されている。
例えば、振動、高圧、高温が発生する可能性のある石油及びガスの生産、パワーユニット、スーパーチャージャー、蒸気タービン又はガスタービン等のタービンの監視、熱機関又はＣＶＤシステムなどの処理システム、放射線の周辺での使用、及び、宇宙航空術である。

したがって、本発明の目的は、単純な構造で高温範囲で信頼性の高い測定が可能になるように、上述のタイプの非接触動作式の変位センサを構成し、発展させることである。

本発明によれば、前述の目的は、請求項１の特徴を有する変位センサによって達成される。
したがって、本発明の変位センサは、前記電子機器が、１２５℃を超える温度範囲用に設計され、かつ、前記センサ素子に直接接続されているか、又は、前記センサ素子に組み込まれているように構成される。

通常、電子機器は、高温にさらされるセンサ素子から離れて配置されるが、本発明では、１２５℃を超える高温範囲でさえ、上述した慣用のケーブルを使用することなく、センサ素子と電子機器との間を電気的に接続することが可能である。
具体的には、この高温範囲用に設計された電子機器が、センサ素子に直接接続されているか、センサ素子に組み込まれている。
高温に適している電子機器が、センサ素子と電子機器との間の電気的結合にいかなる種類のケーブル接続を使用する必要なく、センサ素子に直接取り付けられている。
これにより、非常に小さい及び／又は高周波の測定信号の送信中に、ケーブルから受ける干渉を回避できるため、測定の信頼性が高くなる。
また、取り扱いが難しいケーブルを使用する必要がなく、複雑なケーブル接触のための大きな設置スペースを設ける必要もないため、製造もさらに大幅に簡略化される。

本発明による変位センサは、単純な構造で、高温範囲において信頼性の高い測定を可能にする、変位センサである。

高温範囲への使用に特に適していることに関して、前記電子機器又は前記電子機器の少なくとも１つの構成部品は、ＳｏＩ（シリコンオンインシュレータ）技術に基づいて製造可能であるか、又は、半導体材料としてＧａＡｓ、ＳｉＣ又はダイヤモンドに基づいて製造可能である。
ＳｏＩ技術は、約３００℃までの動作温度に適している。
また、半導体材料としてのＧａＡｓ、ＳｉＣ又はダイヤモンドも、３００℃を超える動作温度に適している。

本発明で使用される高温のセンサ素子は、距離、位置、変位、厚さ又は振動などの幾何学的変数を測定するために使用されるものであり、これらの用途に基づくものを、変位センサ素子と呼ぶことができる。
これらの高温のセンサ素子は、電磁測定の原理、すなわち、誘導式、容量式、又は渦電流に基づく動作モードに基づいている。
これらの測定原理により、これらのセンサ素子は、高温用途に特に適している。

特に単純な構造では、センサ素子は、コイルの巻線などの少なくとも１つのセンサ構成要素が埋め込まれている基板を含んでもよい。
電子機器との接触に使用可能な少なくとも１つのストリップ導体が、前記基板上に配置されている。

基板自体は、高温範囲に適している必要があり、前記基板は、回路基板を含んでもよく、好ましくは、前記回路基板は、ポリイミド製、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）製又はＬＣＰ（液晶ポリマー）製である。
又は、前記基板は、セラミックを含んでもよく、好ましくは、Ａｌ_２Ｏ_３製、ＬＴＣＣ（低温同時焼成セラミック）製又はＨＴＣＣ（高温同時焼成セラミック）製である。
このような高温回路基板は、約３００℃までの温度での使用に適している。
それより、高い温度では、セラミック製の基板が有利である。
高周波領域には、セラミック製のセンサ素子を用いることができる。

変位センサの電子機器は、センサ素子に直接取り付けられてもよい。
必要な組み立て及び接続技術には、高温に適している方法を使用してもよい。
前記電子機器は、例えば、セラミックハウジング内に配置されていてもよく、又は、セラミックハウジング内に配置されている少なくとも１つの構成部品を含んでもよい。
電子機器又は電子モジュールの構成部品は、セラミックハウジング内に配置されていてもよい。
あるいは、電子機器は、センサ素子に、チップオンボード又はチップオンセラミックとして、又は、シリコンキャリア上にフリップチップとして、接続されていてもよい。
半導体部品（ダイ）は、アルミニウム又は金のワイヤボンドによって、基板上のボンドパッドを用いてセンサ素子に直接接続されていてもよい。
基板上に直接配置可能な上述のストリップ導体を、この目的で使用してもよい。
基板として回路基板を用いる場合、銅ストリップ導体を使用してもよい。
ＬＴＣＣ又はＨＴＣＣ技術では、プリント回路又はストリップ導体を使用してもよい。

制御電子機器は、発振器を含んでもよい。
このような発振器を使用することで、変位センサの動作に必要な周波数を、センサ素子の場所で生成可能である。
したがって、高周波制御信号を離れた場所からラインを介して電子機器に送信する必要がなくなる。
発振器は、例えば、正弦波発振器、又は、矩形波発振器であってもよい。
このような矩形波発振器は、容易に実現できる。

一般に、評価電子機器は、複数の機能アセンブリから構成されてもよい。
前記評価電子機器が、整流電圧信号又は整流電流信号を生成する復調器のみを機能アセンブリとして含んでもよい。
これは、評価電子機器の非常に単純な設計を表している。
このように構成することで、様々な干渉要因から影響を受けやすい接続ラインを介して高周波信号を送信する必要がなくなる。
前記評価電子機器は、前置増幅器を追加で含んでもよく、この場合、外部干渉の影響を受けにくい前置増幅された信号を、より高いレベルで送信可能である。
そのような前置増幅器の代わりに、又は、それに加えて、前記評価電子機器は、測定された信号をデジタル化可能なアナログデジタル変換器を含んでもよい。
それにより、信号送信が、干渉の影響を受けないようになる。
前置増幅器及び／又はアナログデジタル変換器へのさらなる代替又は追加として、前記評価電子機器は、信号処理、例えば、線形化やフィルタリングなどを実行する、マイクロコントローラも含んでもよい。
現在、最大２００℃の温度範囲用のマイクロコントローラも存在し、評価電子機器の構成に用いると、有利である。

電子機器の構成部品は、例えば、ＳｏＩ又はＧａＡｓで製造されてもよい。

前記電子機器は、ロジック部品からなるか、又は、ロジック部品を含んでもよく、ロジック部品とは、例えば、ＸＯＲゲートなどである。
なぜならば、ロジック部品は、高温環境でも非常に安価に利用できるためである。
このようにすると、非常に単純な発振器と復調回路を実現可能である。

電子機器は、センサ素子に直接接続されているか、センサ素子に組み込まれているため、電力供給用と変位センサから周辺機器へのデータ送信（及びその逆向きのデータ送信）用とに、単純で安価なケーブルを使用可能である。
これは、高周波信号や低レベル信号を送信する必要がないためである。
電圧供給によって、制御は、充分に可能である。
センサ素子上又はセンサ素子内の電子機器は、復調済みの信号を提供可能であるため、ラインに対して特別な要求は課されない。
したがって、標準的な高温ライン又は鋼被覆ケーブルを、例えば、ねじれラインで、出力及び／又は供給に使用可能である。
最も単純なケースである、信号が供給ライン上でデジタル形式に変調される場合か、信号が電流インターフェースを介してアナログ形式で提供される場合は、１対のワイヤ（たとえば、ねじれ対）で充分である。
供給ラインと信号ラインが別々に実装されている場合、２対のワイヤ（例えば：２ｘ２のねじれ対）で充分である。
これらは、同軸又は３軸ラインよりも安価で扱いやすい。
接続ラインは、ハウジングを通過して案内され、既知の方法で電子機器に接続されてもよい。
この目的のため、前記電子機器は、適切なケーブル接続を含んでもよい。

化学処理は、高温で促進されるため、変位センサ又は変位センサの構成部品を密封するのが良い。
具体的には、前記変位センサ若しくは前記センサ素子及び／又は前記電子機器は、密封されていてもよい。
密封には、２つの側面がある。
１つは、変位センサ若しくはセンサ素子及び／又は電子機器内に有害物質が侵入して、電子機器部品や供給ラインや接点に危害が加わることを防ぐことである。
もう１つは、密封により、汚染や破損の原因となる物質や気体の漏れが、変位センサの設置場所から生じることを防止することである。
このような密封が、処理システムや宇宙航空などの特定の用途に必要である。

変位センサ、センサ素子又は電子機器の中空空間を、乾燥した不活性ガスで満たすか、又は密封中に排気する場合、有利である。

密封は、いくつかの方法で実現可能である。
ハウジング、好ましくは、基板に（特に全周を）はんだ付けされ、基板に対して密封しているハウジングを用いると、密封は、簡単に実現可能である。
金属製のハウジングは、例えば、アクティブはんだ付けや、真空はんだ付けによってはんだ付けされた金属リングを使用したレーザー溶接によって、セラミック製の基板へ密封はんだ付けを施すことが可能である。
このような金属製のハウジングを用いると、干渉信号が放出されたり照射されたりしても、それらを遮蔽する。

あるいは、密封は、基板内への封入によっても実現可能である。
電子機器又は電子機器の構成部品は、基板の層内又は層上に配置されていてもよい。
さらに、基板の少なくとも１つの層を、電子機器又は電子機器の構成部品を封入するために、その上に配置してもよい。
言い換えれば、電子機器は、それらの上に配置されたさらなる層によって、ある層への「埋め込み」がなされてもよい。
これにより、電子機器又は電子機器の構成部品を確実に密封可能になる。

さらに、上述した金属製のハウジングや封入を用いることにより、（深穴あけなどの）高温かつ高圧となる一部の用途に必要な、高圧気密性を実現可能になる。

本発明の変位センサは、例えば、誘導式に動作するか、渦電流を介して動作するか、又は、容量式に動作してもよい。

本発明の変位センサによって、直接接続されている又は組み込まれている電子機器を含む、コンパクトで高温に適している変位センサが提供され、電源及び／又は周辺機器への接続に単純なラインを使用可能になる。
変位センサの電子機器によって処理及び増幅された信号を用いることで、高い信号品質を提供可能である。
本発明の変位センサを適用可能な用途は、誘導式、容量式又は渦電流の測定原理による、距離、位置、変位及び振動の測定である。

本発明をさらに発展させる様々な方法が存在する。
この目的のために、従属請求項を参照し、図面に基づいて以下の説明を参照されたい。
図面に基づく本発明の設計例の議論に関連して、さらなる発展も同様に議論される。

本発明による第１設計例の変位センサの断面図。 本発明による第２設計例の断面図。 本発明による第３設計例の断面図。 本発明による第４設計例の断面図。 本発明による第５設計例のブロック図。

図１は、高温用に設計されており、ＬＴＣＣセラミック製の多層の基板２を有するセンサ素子１を含む、本発明による非接触動作式の変位センサの第１設計例を、断面図で示している。
ここで、変位センサは、誘導式又は渦電流式の変位センサである。
センサ素子１のコイルの多層巻線３は、基板２に埋め込まれている。
電子機器部品４を有する電子機器は、基板２の裏側に配置され、各電子機器部品４には、基板２にはんだ付けされているセラミックハウジングが含まれる。
変位センサは、測定対象物６までの距離５を測定する。

図２は、本発明による非接触動作式の変位センサの第２設計例を、断面図で示している。
この設計例は、図１による第１設計例と本質的に同じ構成である。
しかし、電子機器部品４は、セラミック製のハウジングを有しておらず、金製ワイヤボンド８によって基板２のボンドパッドに接着されている、いわゆる、電子チップ（ダイ）７と呼ばれる半導体部品によって形成されている。

図３は、本発明による非接触動作式の変位センサの第３設計例を、断面図で示している。
変位センサは、アクティブはんだ付けによってセラミック製の基板２に接続されている金属製のハウジング９を有する、距離測定用の容量式の変位センサである。
アクティブはんだ付けにより、密封されたはんだ接続１０が形成されている。
容量式の変位センサは、測定電極１１と同心のシールド電極１２とを含み、これらは、基板２に、したがって、センサ素子１に組み込まれている。

図４は、本発明による非接触動作式の変位センサの第４設計例を示している。
この渦電流式の変位センサの設計例では、異なるタイプの密封が示されている。
電子機器部品４は、多層の基板２の層内に「埋め込み」がなされている。
電子機器部品４は、ある層の上に配置されている。
これは、多層基板２に１つ又は複数の中空スペース１３を作成することで実現される。
最初に、１つの層に電子機器部品４が配置され、これに空のスペースが打ち抜かれている追加層１４が重ねられ、最終的に、１つ又は複数の層１５によって完全に閉じられる。
これを焼結すると、コイル３と電子機器部品４からなる電子機器との形態の焼結された測定素子を有する、全層密封パッケージが生成される。

図５は、ブロック図を用いて、本発明による非接触動作式の変位センサの第５設計例を示している。
ここで、変位センサは、渦電流式の変位センサである。
センサ素子１は、インダクタンスＬ及び抵抗Ｒを有するコイル２４を測定素子として含む。
コイル２４は、コンデンサＣ１６と用いられることで、共振回路を形成している。
コイル２４は、基板２内に焼結されている。
発振器１７を有する制御電子機器と、復調器１８、前置増幅器１９及びアナログデジタル変換器２０の機能アセンブリからなる評価電子機器とが、基板２の裏側に配置されている。
電子機器に接続されているケーブル２１は、ねじれ対状に配置されている２ｘ２ワイヤからなり、１対のワイヤ２２が、供給ラインとして供給電圧を提供し、もう１対のワイヤ２３が、デジタル信号を送信する。

本発明による変位センサの他の実施形態に関しては、繰り返しを避けるために、説明の一般的な部分及び添付の特許請求の範囲を参照されたい。

最後に、本発明による変位センサの設計例は、請求された教示を説明するものであり、これらの設計例に限定されない。

１ ・・・センサ素子
２ ・・・多層の基板
３ ・・・コイル、コイルの巻き線
４ ・・・電子機器部品
５ ・・・センサ素子と測定対象物との距離
６ ・・・測定対象物
７ ・・・電子チップ（ダイ）
８ ・・・金製ワイヤボンド
９ ・・・金属製のハウジング
１０ ・・・はんだ接続、継ぎ目溶接アクティブはんだ
１１ ・・・測定電極
１２ ・・・シールド電極
１３ ・・・中空空間
１４ ・・・空のスペースが打ち抜かれている層
１５ ・・・最終層
１６ ・・・コンデンサ
１７ ・・・発振器
１８ ・・・復調器
１９ ・・・前置増幅器
２０ ・・・ＡＤ変換機
２１ ・・・ケーブル
２２ ・・・ワイヤ対
２３ ・・・ワイヤ対
２４ ・・・コイル

Claims (15)

1. 高温に適しているセンサ素子（１）と、前記センサ素子（１）に電気的に接続されて制御電子機器及び／又は評価電子機器を含む電子機器と、を有する非接触動作式の変位センサであって、
   前記電子機器が、１２５℃を超える温度範囲用に設計され、かつ、前記センサ素子（１）に直接接続されているか、又は、前記センサ素子（１）に組み込まれていることを特徴とする、非接触動作式の変位センサ。
2. 前記電子機器又は前記電子機器の少なくとも１つの構成部品（４）が、ＳｏＩ（シリコンオンインシュレータ）技術に基づいて製造されているか、又は、半導体材料としてＧａＡｓ、ＳｉＣ又はダイヤモンドに基づいて製造されていることを特徴とする、請求項１に記載の変位センサ。
3. 前記センサ素子（１）が、少なくとも１つのセンサ構成部品が埋め込まれている基板（２）を含み、
   少なくとも１つのストリップ導体が、前記基板（２）上に配置されている、請求項１又は請求項２に記載の変位センサ。
4. 前記基板（２）が、回路基板を含み、
   前記回路基板が、ポリイミド製、ＰＴＦＥ製又はＬＣＰ製である、請求項３に記載の変位センサ。
5. 前記基板（２）が、セラミックを含み、
   前記セラミックが、Ａｌ_２Ｏ_３製、ＬＴＣＣ製又はＨＴＣＣ製である、請求項３に記載の変位センサ。
6. 前記電子機器が、セラミックハウジング内に配置されているか、又は、セラミックハウジング内に配置されている少なくとも１つの構成部品（４）を含むことを特徴とする、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の変位センサ。
7. 前記電子機器が、チップオンセラミックとしてのチップオンボードを介して前記センサ素子（１）に接続されていることを特徴とする、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の変位センサ。
8. 前記制御電子機器が、正弦波発振器又は矩形波発振器からなる発振器（１７）を含むことを特徴とする、請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の変位センサ。
9. 前記評価電子機器が、整流電圧信号又は整流電流信号を生成する復調器（１８）のみを機能アセンブリとして含み、
   前記評価電子機器が、前置増幅器（１９）及び／又はアナログデジタル変換器（２０）及び／又はマイクロコントローラも機能アセンブリとして含む、請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の変位センサ。
10. 前記電子機器が、ロジック部品からなるか、又は、ロジック部品を含むことを特徴とする、請求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載の変位センサ。
11. 出力及び／又は供給を行う前記電子機器の前記接続が、１対のワイヤ又は２対のワイヤを介してなされていることを特徴とする、請求項１乃至請求項１０のいずれか一項に記載の変位センサ。
12. 前記電子機器が、ケーブル接続を含むことを特徴とする、請求項１乃至請求項１１のいずれか一項に記載の変位センサ。
13. 前記センサ若しくは前記センサ素子（１）及び／又は前記電子機器が、密封されていることを特徴とする、請求項１乃至請求項１２のいずれか一項に記載の変位センサ。
14. 前記密封が、前記基板（２）にはんだ付けされているハウジングによってなされているか、又は、前記電子機器若しくは前記電子機器の構成部品（４）が前記基板（２）内に封入されていることによって、前記基板（２）の層内若しくは層上に前記電子機器若しくは前記電子機器の構成部品（４）を配置し、その上に前記基板（２）の少なくとも１つの層（１５）を更に配置することによって、前記密封がなされていることを特徴とする、請求項１３に記載の変位センサ。
15. 前記変位センサが、誘導式に動作するか、渦電流を介して動作するか、又は、容量式に動作することを特徴とする、請求項１乃至請求項１４のいずれか一項に記載の変位センサ。

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