JP5644787B2

JP5644787B2 - 非接触センサ

Info

Publication number: JP5644787B2
Application number: JP2012025653A
Authority: JP
Inventors: 康元佐藤; 北山　綱次; 綱次北山; 夏樹小倉
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2012-02-09
Filing date: 2012-02-09
Publication date: 2014-12-24
Anticipated expiration: 2032-02-09
Also published as: JP2013160737A

Description

本発明は、非接触センサに関する。

従来から、電極と測定対象との誘導結合を利用した非接触センサが知られている。

例えば、特許文献１では、センサ電極を備えた非接触センサが開示されている。センサ電極はコイルから構成され、交流電源からセンサ電極へ交流電流が供給される。センサ電極を導電材料に近づけると、センサ電極から発生する磁界により、センサ電極と導電材料が誘導結合される。誘導結合によって、センサ電極の電位が低下する。

この現象を利用して、例えば、絶縁材料に混入した金属片を検出することができる。センサ電極を金属片に近づけると、センサ電極の電位が低下し始める。センサ電極の電位低下は、センサ電極が金属片上に至るときにピークとなり、センサ電極が金属片から遠ざかるにつれて、電位が上昇（回復）し始める。このことから、電位変化のピークポイントに対応するセンサ電極の位置を特定することで、金属片の位置を特定することができる。

特開２０１１−１１９１１４号公報

ところで、測定対象をより高精度に測定するために、センサの分解能の向上が求められている。センサの分解能を高めるためには、センサ電極の導線径を小さくすることが好適である。図１０には、相対的に導線径の大きいセンサ電極１０６Ａと、相対的に導線径の小さいセンサ電極１０６Ｂを、測定対象１００上に走査させたときの模式図が示されている。この図に示されているように、導線径の大きいセンサ電極１０６Ａの電位変化のピークポイントと比較して、導線径の小さいセンサ電極１０６Ｂの電位変化のピークポイントは急峻になる。ピークポイントが急峻になるほど、金属片１０２の特定範囲が絞り込まれ、その結果、より迅速に金属片１０２の位置を特定することが可能となる。

一方、従来の非接触センサでは、導線を小径化すると、以下のような課題が生じる。センサ電極に電流が流れることによって、センサ電極にはジュール熱が発生する。ジュール熱Ｑは、電流Ｉの自乗と抵抗Ｒの積に比例する（Ｑ∝Ｉ²Ｒ）ことが知られている。また、センサ電極における導体抵抗Ｒは、導線径Ｄが小さくなるほど高くなる（Ｒ∝１／Ｄ）ことが知られている。したがって、電流量を維持したまま、導線を小径化すると、センサ電極が過熱により損傷するおそれがある。一方、センサ電極の過熱を抑えるために電流量を減らそうとすると、図１１に示すように、磁界１０８が弱まって測定対象１１０を誘導できる範囲が狭くなる。つまり、センサの感度が低下するという別の問題が生じる。

本発明は、非接触センサに関するものである。当該非接触センサは、交流電源から供給される交流電流によって磁界を発生させる供給電極と、前記供給電極の磁界によって測定対象と誘導結合される測定電極と、前記測定電極の電位変化から前記測定対象の特性を求める演算部と、を備える。

また、上記発明において、前記供給電極及び前記測定電極は、それぞれ導線から構成され、前記測定電極の導線径は、前記供給電極の導線径よりも小さいことが好適である。

また、上記発明において、前記測定対象との間の相互インダクタンスが、前記測定電極と前記測定対象との間の相互インダクタンスとは異なる値となるように前記測定対象と誘導結合される参照電極を備えることが好適である。

本発明によれば、センサの感度低下や電極の過熱を抑制しつつ、測定電極の導線を小径化することが可能となる。

本発明の一実施形態における非接触センサの構成を説明する図である。本発明の一実施形態における非接触センサの測定方法について説明する図である。本発明の一実施形態における非接触センサの測定原理を説明する図である。本発明の一実施形態における非接触センサの測定原理を説明する図である。本発明の一実施形態における非接触センサの測定原理を説明する図である。本発明の一実施形態における非接触センサの測定方法について説明する図である。本発明の一実施形態における非接触センサの測定方法について説明する図である。本発明の一実施形態における非接触センサの構成を説明する図である。本発明の一実施形態における非接触センサの測定原理を説明する図である。センサ電極の径をセンサの分解能との関係を説明する図である。従来の非接触センサを説明する図である。

図１に、本実施の形態に係る非接触センサを例示する。非接触センサ１０は、交流電源１２、供給電極１４、測定電極１６、及び演算部１８を備えている。

交流電源１２は、交流電力を供給電極１４に供給する。交流電源１２は、例えば、電圧や周波数が可変なＶＶＶＦ電源であってよい。また、交流電源１２は、増幅器１３を介して交流電力を供給電極１４に送るようにしてもよい。

演算部１８は、測定電極１６の電位変化を取得するとともに、当該電位変化から測定対象２０の特性を求める。演算部１８は、例えば、計測器２６と情報処理器２８を備えていてもよい。

計測器２６は、測定電極１６から取得した信号からノイズ成分を除去したり、除去された信号を増幅するなどの機能を有している。計測器２６は、例えば、位相検波器２９、増幅器３０、及びフィルタ３２を備えていてよい。

位相検波器２９は、測定電極１６から取得した電圧信号のうち、交流電源１２が供給電極１４に印加した入力電圧と同位相の成分を取り出す。増幅器３０は、位相検波後の信号を増幅する。フィルタ３２は、増幅後の信号から、位相検波器２９で除去し切れなかった成分（例えば、高周波成分）を除去する。

情報処理器２８は、計測器２６から信号を受け取るとともに、信号の演算処理を行う。例えば、情報処理器２８は、Ａ／Ｄ変換器３４、記憶装置３６、データ処理装置３８、及び表示装置４０を備えてよい。

Ａ／Ｄ変換器３４は、計測器２６から送られたアナログ信号をデジタル信号に変換する。記憶装置３６は、変換後の信号を記憶する。データ処理装置３８は、変換後の信号から測定対象２０の特性を求めるための演算処理を行う。表示装置４０は、変換後の信号の波形を表示したり、測定対象２０の特性を表示する。

供給電極１４は、交流電源１２から送られる交流電流によって磁界を発生させる電極である。供給電極１４は、磁界の発生に適した形状であればよく、導線を環状に巻いたコイルであってよい。

測定電極１６は、測定対象２０の特性を測定するための電極である。測定電極１６は、導線から構成されていることが好適である。

後述するように、供給電極１４が測定電極１６及び測定対象２０と誘導結合されることに伴って、測定電極１６と測定対象２０とが誘導結合される。測定電極１６と測定対象２０との誘導結合に伴う、測定電極１６の電位変化から、測定対象２０の特性を求めることができる。このことから、供給電極１４及び測定電極は、供給電極１４、測定電極１６及び測定対象２０の三者が効率よく誘導結合を行えるような構造を備えていることが好適である。誘導結合の強さ、すなわち、相互インダクタンスの強さは、隣り合う導体が平行に延びる長さに比例する。このことから、例えば、供給電極１４は、測定対象２０に沿って延びる延伸部１５を備えていてもよい。また、測定電極１６も、供給電極１４の延伸部１５に沿って延びる延伸部１７を備えていてもよい。

また、測定電極１６と供給電極１４との離間距離（リフトオフ量）は、互いに誘導結合可能であればよく、例えば、０．５ｍｍ以上４．０ｍｍ以下であってよい。また、測定対象２０と測定電極１６のリフトオフ量も、互いに誘導結合可能であればよい。測定対象２０と測定電極１６とのリフトオフ量の数値範囲については後述する。

また、供給電極１４と測定電極１６とのリフトオフ量、及び、測定電極１６と測定対象２０とのリフトオフ量を調整可能とするために、それぞれの相対位置を調整可能な移動手段を設けてもよい。例えば、移動手段は、供給電極１４、測定電極１６及び測定対象２０の３者が互いに誘導結合可能となるような位置に、それぞれの相対位置を調整可能であってよい。

図１で示す実施の形態では、供給電極１４に対する測定電極１６の位置は、誘導結合可能な位置に予め固定されている。また、測定電極１６と測定対象２０とのリフトオフ量を調整可能とする移動手段として、ステージ２２が示されている。ステージ２２は、測定対象２０を保持する保持手段を備えている。また、ステージ２２は、鉛直方向（図１のＺ方向）に移動可能であってよい。ステージ２２を鉛直方向に移動させることで、測定対象２０の測定表面２４を、供給電極１４の磁界に含めるように測定対象２０を移動させることができる。

また、ステージ２２は、奥行き方向（図１のＸ方向）に移動可能であってよい。図２のように、ステージ２２を奥行き方向に移動させることで、供給電極１４及び測定電極１６を測定対象２０の表面上に走査させることができる。

本実施の形態における好適な例として、測定電極１６の導線径を、供給電極１４の導線径より小さく構成してもよい。従来のセンサ電極のように、磁界の発生と電位の測定を同一の電極で行う場合、磁界の強さを維持しながら導線径を小さくすることは困難であるが、本実施形態では、磁界を発生させる手段（供給電極１４）と、電位を測定する手段（測定電極１６）とを分離させているので、磁界の強さを維持しつつ、電位測定手段の小径化が可能となる。電位測定手段の小径化により、高分解能の測定を行うことが可能となる。

また、供給電極１４と測定電極１６とは、誘導結合や容量結合によって電気的に接続されている。誘導結合及び容量結合でのインピーダンスのため、測定電極１６の電流量は供給電極１４の電流量よりも少なくなる。つまり、測定電極１６の導線径を供給電極１４の導線径より小さくしても、測定電極１６に流れる電流量は供給電極１４に流れる電流量より少なくなるので、測定電極１６の過熱は抑制される。具体的には、供給電極１４の導線径に対する測定電極１６の導線径の比（測定電極１６／供給電極１４）は、０．１以上０．５以下であることが好適である。

次に、図３を用いて、本実施の形態に係る非接触センサ１０を用いた、導体表面の凹凸形状の測定方法について説明する。まず、測定電極１６、測定対象２０及び供給電極１４の三者を、互いに誘導結合可能な位置に配置する。なお、本実施の形態では、供給電極１４と測定電極１６とのリフトオフ量は予め固定されている。測定対象２０の位置決めについて、ステージ２２に測定対象２０を配置する。次に、ステージ２２を鉛直方向に移動させて、測定対象２０の測定表面２４に対する測定電極１６のリフトオフ量を調整する。

リフトオフ量の調整後、当該リフトオフ量を固定した状態で、ステージ２２を図２のＸ方向に移動させる。これにより、測定電極１６は測定表面２４上を走査する。走査の際には、交流電源１２から供給電極１４に対して交流電力を供給する。このとき、供給電極１４に交流電流が供給されることにより、供給電極１４周辺には磁界４２が発生する。磁界４２に含まれる測定電極１６及び測定対象２０は、供給電極１４と誘導結合される。これに伴い、測定対象２０及び測定電極１６も誘導結合される。つまり、図３で示すように、供給電極１４と測定対象２０とは相互インダクタンスＭ１を介して結合される。供給電極１４と測定電極１６とは相互インダクタンスＭ２を介して結合される。また、測定電極１６と測定対象２０とは相互インダクタンスＭ３を介して結合される。

また、図４に示すように、供給電極１４、測定電極１６、及び測定対象２０のそれぞれの電位差に基づき、供給電極１４、測定電極１６、測定対象２０はそれぞれ容量結合（電界結合）される。供給電極１４と測定対象２０とは静電容量Ｃ１を介して結合される。供給電極１４と測定電極１６とは静電容量Ｃ２を介して結合される。また、測定電極１６と測定対象２０とは静電容量Ｃ３を介して結合される。

測定電極１６と測定対象２０との間の回路について、相互インダクタンスＭと静電容量ＣとをまとめてインピーダンスＺで表した等価回路を、図５に示す。相互インダクタンスＭと静電容量Ｃは、それぞれ導体間の距離ｄに応じて変化することが知られている。このことから、測定電極１６と測定対象２０の間のインピーダンスＺ３は、測定電極１６と測定表面２４の距離ｄに応じて変化する。インピーダンスＺ３が変化することから、測定電極１６と測定対象２０との電位差Ｖ３も変化する。演算部１８は、測定電極１６の電圧変化を測定し、この電圧変化に応じた測定対象２０の特性を求める。

図６に示すように、測定電極１６を、導電材料からなる測定対象２０の測定表面２４上に走査させると、測定表面２４の形状（凹凸）に応じて測定電極１６の電位が変化する。演算部１８は、測定電極１６の走査位置と電圧の変化量とを対応付け、測定表面の形状を求める。

また、測定対象２０が絶縁材料から構成され、測定対象２０中の金属片を検出する場合には、図７に示すように、金属片の近傍で、測定電極１６の電位が変動する。この変動のピークポイントに対応する走査位置を求めることで、測定対象２０中の金属片の位置を特定できる。

図７には、測定対象２０に対する測定電極１６のリフトオフ量を変更させたそれぞれの場合における電圧値の変化が示されている。この図に示されているように、リフトオフ量が小さくなるほど（測定電極１６を測定対象２０に近づけるほど）、ピークポイントが鋭くなる。また、図７においては、リフトオフ量が５．０ｍｍでも電圧値のピークポイントが表れている。このことから、測定対象２０に対する測定電極１６のリフトオフ量は、５．０ｍｍ以下であることが好適である。一方、リフトオフ量が小さい、つまり測定電極１６が測定対象２０に近づき過ぎると、走査の過程で測定電極１６が測定対象２０と接触するおそれがある。このことから、リフトオフ量は、０．５ｍｍ以上であることが好適である。

なお、測定電極１６の電圧変化は、測定対象２０と測定電極１６との距離の変化以外によっても生じる場合がある。例えば、インダクタンス及び静電容量は温度依存性が高く、雰囲気温度の変動によって測定電極１６の電圧値が変わる。そうなると、測定電極１６の電圧が変化したときに、その原因が、測定電極１６と測定表面２４との距離ｄの変化であるか、それ以外の要素であるかを特定することが困難となる場合がある。そこで、測定電極１６と測定対象２０との距離ｄの変化以外の電圧変動の影響をキャンセルするために、非接触センサ１０は、図８に示すような参照電極４４を備えてもよい。

参照電極４４は、供給電極１４と誘導結合するために、供給電極１４の磁界に含まれるように配置される。例えば、交流電源１２及び供給電極１４から離間されるとともに、供給電極１４から見て、測定電極１６より外周側を測定電極１６に沿って延びるように参照電極４４を配置してもよい。

また、参照電極４４は、測定電極１６と同様の温度変化を受けるように、測定電極１６と同一の材料や形状から構成されていることが好適である。例えば、参照電極４４は、測定電極１６と同一材料からなる導線から構成されてよい。さらに、測定電極１６の導線径は測定電極１６と同一径であってよい。

また、参照電極４４と測定対象２０との相互インダクタンスが、測定電極１６と測定対象２０との相互インダクタンスとは異なるように、参照電極４４の配置や形状が定められることが好適である。相互インダクタンスは、平行に延びる導体間の間隔ｄ及び平行に伸びる長さｌに応じて変化することが知られている。したがって、図９のように、測定電極１６の延伸部１７と測定表面２４との距離ｄ１と、参照電極４４の延伸部４５と測定表面２４との距離ｄ２を異ならせるか、測定電極１６の延伸部１７の長さｌ１と、参照電極４４の延伸部４５の長さｌ２を異ならせることが好適である。例えば、ｄ１＝ｄ２とし、ｌ２＝０としてよい。こうすることで、参照電極４４は測定対象２０の表面形状の変化による影響を殆ど受けなくなり、温度変化による電位変化の影響をより明確に捉えることが可能となる。

１０非接触センサ、１２交流電源、１３増幅器、１４供給電極、１５供給電極の延伸部、１６測定電極、１７測定電極の延伸部、１８演算部、２０測定対象、２２ステージ、２４測定表面、２６計測器、２８情報処理器、２９位相検波器、３０増幅器、３２フィルタ、３４Ａ／Ｄ変換器、３６記憶装置、３８データ処理装置、４０表示装置、４２磁界、４４参照電極、４５参照電極の延伸部。

Claims

交流電源から供給される交流電流によって磁界を発生させる供給電極と、
前記供給電極の磁界によって測定対象と誘導結合されるとともにその一端が開放端である測定電極と、
前記測定電極の電位変化から前記測定対象の特性を求める演算部と、
を備えることを特徴とする、非接触センサ。
請求項１に記載の非接触センサであって、
前記供給電極及び前記測定電極は、それぞれ導線から構成され、
前記測定電極の導線径は、前記供給電極の導線径よりも小さいことを特徴とする、非接触センサ。
請求項１または２に記載の非接触センサであって、
前記測定対象との間の相互インダクタンスが、前記測定電極と前記測定対象との間の相互インダクタンスとは異なる値となるように前記測定対象と誘導結合される参照電極を備えることを特徴とする、非接触センサ。
請求項１から３にいずれかに記載の非接触センサであって、
前記測定電極と測定対象は、それぞれの電位差に基づいて容量結合され、
前記演算部は、前記測定電極と測定対象の誘導結合による相互インダクタンス及び容量結合による静電容量を含むインピーダンスの変化に応じた、前記測定電極の電位変化から、前記測定対象の特性を求めることを特徴とする、非接触センサ。