JP6554537B2 - 特に誘電体目標物や金属目標物までの距離測定装置 - Google Patents

特に誘電体目標物や金属目標物までの距離測定装置 Download PDF

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Description

本発明は、特に誘電体や金属の目標物までの距離測定装置に関する。
特許文献1に開示された距離測定装置は、センサと評価エレクトロニクスを備えている。当該センサは、共振器を有している。当該共振器は、流体材料(空気や不活性ガスなど)が充填された空洞共振器の形態である。
あるいは、誘導センサ、容量センサ、光学センサ、および超音波センサが近距離の測定に使用される。
欧州特許出願公開第1000314号公報
誘導センサは、交流磁場の原理に基づいており、金属目標物にのみ動作する。高い測定精度を得るためには、当該目標物の材料とサイズが知られている必要がある。隣接する誘導センサ同士は、影響を与え合う。それらの検出角度範囲が180°に達するからである。加えて、静磁場と動磁場は、センサの機能に悪影響を及ぼしうる。測定精度も温度に伴って変動する。
容量センサについては、信頼性のある距離測定のためには、目標物の材料とサイズが知られていることを要する。さらに、測定精度は、大気の湿度、温度、および電磁場によって影響を受ける。
光学センサは、限られた範囲の産業用途にのみ用いられうる。汚染環境下において機能が保証されていないからである。
超音波センサについては、測定精度は、環境条件(大気の湿度や温度など)に大きく左右される。
請求項1に係る距離測定装置は、特に誘電体や金属の目標物に対して使用可能であるが、被覆されたプラスチック材料などの材料にも使用可能であり、非常に良好な測定特性によって特徴づけられるように考案された。
さらに、請求項16に係る装置(距離測定装置など)は、特殊な共振特性あるいは共振モードによって特徴づけられるように考案された。
幾つかの実施形態は、従属請求項によって特定される。
本発明に係る距離測定装置あるいは本発明に係る距離測定方法の少なくとも一つの実施形態例によって提供される利点は、測定範囲の顕著な増大である。すなわち、センサと目標物の間の測定可能距離が、同サイズの誘導近接センサと比較して2倍から3倍まで明確に増大する。
他方、所望の設計条件が満足されうる。当該条件の例としては、最大周波数帯域におけるモード純度、共振器に対する電磁波の結合と分離の容易性、誘電材料と空気の境界におけるセンサ壁電流の小ささなどが挙げられる。
本発明に係る距離測定装置あるいは本発明に係る距離測定方法の少なくとも一つの実施形態例において、ファクター1センサなどの形態をとるセンサが用いられうる。この種のセンサは、金属などの目標物が存在し、目標物の表面領域の大きさがセンサの径あるいはセンサ面領域よりもさほど小さくなければ、その全てに対して同じ測定特性曲線を有しうる。
少なくとも一つの実施形態において、このセンサは小さな取り付けばねを備える特殊な組み立て構造を有しうる。これにより、センサを包囲する部品に対して高さ方向への上下変位がごく僅かであるか、皆無である。
本発明の一態様によれば、特に誘電体や金属の目標物までの距離を測定する装置が提供される。当該装置は、共振チャンバと共振構造を有するセンサを備えている。前記共振構造は、縁に幅狭部を有する誘電材料からなる要素を備えている。前記共振チャンバの共振周波数は、前記要素と前記目標物の間の距離に依存する。
前記幅狭部は、周方向に延びており、例えば回転対称である。前記幅狭部は、例えば凹部または溝の形状である。前記幅狭部は、例えば矩形状の断面を有している。
前記要素は、角のある形状や円筒形状でありうる。
前記幅狭部の高さ寸法は、前記要素の高さ寸法の5〜25%、あるいは10〜20%、あるいは約15%、あるいは0.2mm〜1.0mm、あるいは0.5mm〜0.7mm、あるいは約0.6mmでありうる。
これに加えてあるいは代えて、前記幅狭部の深さ寸法は、前記要素の幅寸法の5〜25%、あるいは10〜20%、あるいは約15%、あるいは1.0mm〜3.8mm、あるいは1.6mm〜3.2mm、あるいは約2.4mmでありうる。
前記幅狭部は、前記要素の上側三分の一の部分に配置されうる。スリーブが設けられる場合、前記幅狭部は、当該スリーブの上縁の上方に配置されうる。
前記幅狭部の縁面を含む前記要素の下部は、少なくとも部分的に金属化されうる。前記要素の外側部分と上側部分の少なくとも一方を覆うようにプラスチックが射出成形されうる。
前記センサの前記共振構造の少なくとも一部は、スリーブ内に設置されうる。前記要素は、その上部の一部が前記スリーブの上方に位置するように、当該スリーブ内に配置されうる。
少なくとも一つの実施形態例に係る距離測定装置においては、周波数変調された信号を生成する信号生成部が設けられうる。前記信号は、ある点において前記共振構造と結合され、所定の共振を伴う当該共振構造の別の点において分離される。
前記距離測定装置は、前記共振構造から分離された信号を、ベースバンドと混合する手段、増幅する手段、フィルタリングする手段、A/D変換する手段の少なくとも一つを備えうる。
前記距離測定装置は、前記共振構造に結合される信号と局部発振器信号(LO信号)を生成する発振器と、前記共振構造から分離された信号と前記局部発振器信号が入力されうるミキサと、を備えうる。
前記共振構造は、電気的励起と磁気的励起の少なくとも一方が行なわれうるように形成されうる。
少なくとも一つの実施形態例あるいは本発明の別態様に係る装置において、前記共振構造は、その内部にモードが形成されるような形状構成とされうる。前記モードの少なくとも大半は、H111モード、TE011モード、TE111モードの少なくとも一つである。当該装置は、距離測定以外の目的にも使用されうる。
前記モードの一部は、TMモードのように区別できる形状でありうる。
前記センサの前記幅狭部は、絞り弁のように振る舞い、短絡状態をアイドリング状態に変換しうる。
少なくとも一つの実施形態例においては、回転対称なセンサ特性を得るために、複数の共振器結合点が設けられうる。当該複数の共振器結合点は、特定の角度または距離だけオフセットした配置とされうる。特定の位相差(例えば90°)を伴う複数の信号(振幅は同じでもよい)が、モードを循環させるべく前記複数の共振器結合点に供給可能である。
本発明の別態様によれば、共振チャンバと共振構造を有するセンサを用いて特に誘電体や金属の目標物までの距離を測定する方法が提供される。前記共振構造は、縁に幅狭部を有する誘電材料からなる要素を備えている。前記共振チャンバの共振周波数は、前記要素と前記目標物の間の距離に依存する。ある点において前記共振構造に信号を供給可能であり、前記共振構造の別の点において所定の共振を伴う信号が分離可能である。
前記距離測定方法などの方法において、前記共振構造は、その内部にモードが形成されるような形状構成とされている。前記モードの少なくとも大半は、H111モード、TE011モード、TE111モードの少なくとも一つである。
第一共振器結合点を介して信号が供給され、当該第一共振器結合点とは位置が異なる第二共振結合点を介して信号が分離されることにより、回転対称なセンサ特性が得られる。位相差が例えば90°である複数の信号(振幅は同じでもよい)が複数の共振器結合点あるいは共振器接続点に供給されると、モードの循環が生ずる。
更なる利点、特徴、および本発明の応用可能性は、図面を参照した好適な実施形態の例に係る以降の説明より明らかになる。
本発明に係る距離測定装置の実施形態例を示すブロック図である。 本発明に係る距離測定装置あるいは距離測定に用いられうる共振構造の実施形態の断面図である。 図2の共振構造におけるモードの一部を示している。 円モードで動作する本発明に係る距離測定装置の実施形態例を示すブロック図である。 円モードを簡略化して示している。 目標物距離に対する共振周波数の応答を示している。 シミュレーション対象(目標周波数変化、高い品質、小さい壁電流、広いモード明瞭範囲、単純な結合など)を列挙している。 電場によるH011モード形成、電気エネルギー密度、および表面電流を示している。 反射型目標または透過型目標の有無による動作モードを示している。ここで目標とは、目標物を意味している。 目標物距離に対する周波数と品質の特性曲線を示している。 目標物距離に対する周波数変化を示している。 目標物距離に対する周波数と品質の特性曲線の形態をとる誘電率の変化を示している。 目標物距離に対する周波数変化特性曲線の形態をとる誘電率の変化を示している。 目標物距離に対する周波数と品質の特性曲線についてセンサ径を小さくした場合の効果を例示している。 目標物距離に対する周波数変化特性曲線についてセンサ径を小さくした場合の効果を例示している。 目標物距離に対する周波数と品質の特性曲線(無負荷)についてセンサ径を大きくした場合の効果を例示している。 目標物距離に対する周波数変化特性曲線についてセンサ径を大きくした場合の効果を例示している。 H111/E110モード用のシミュレーションモデルを目標物および共振構造とともに示している。 H111/E110モード、目標物および共振構造とともに、電場像の形態で動作モードを示している。 電場によるH111/E110モード形成、電気エネルギー密度、および表面電流を示している。 目標物距離が5mmの場合と目標物が存在しない場合における電場の断面を示している。 H111/E110モードに係る周波数および品質の特性曲線(無負荷)を例示している。 H111/E110モードに係る周波数変化の特性曲線を例示している。
図1に係る一実施形態におけるセンサの原理は、当該センサ内に配置された共振構造と当該センサから特定の距離だけ離間した目標物により定まる共振チャンバの周波数を特定することにある。以降の説明においては、記録される当該距離を目標物距離とも称する。
目標物距離は、その共振周波数依存性に基づいて決定されうる。したがって、共振構造は、周波数変調信号に対して結合あるいは作用されうる。当該共振構造の別の点においては、所定の共振に伴い、信号が分離されうる。分離された信号は、ベースバンドへの混合、増幅、フィルタリング、およびA/D変換の少なくとも一つに供されうる。
図1に示される実施形態例には、電子回路などの形態をとる制御・評価装置1が設けられている。制御・評価装置1は、電圧変化などの形態をとる制御信号を、電圧制御される発振器(VCO)3にライン2を介して入力する。VCO3から出力された周波数変調信号は、ライン4を介して共振構造5の入力接続部5’に励起信号として入力される。
別の接続部5”において共振構造5から取り出された出力信号は、ライン6を介してミキサ7に入力される。ライン4に現れて共振構造5に供給される信号は、局部発振器信号として第二の入力部8を通じてミキサ7に供給される。
少なくとも一つの実施形態例において、ミキサ7の出力信号は、増幅器9を介してローパスフィルタ10とA/Dコンバータ11の少なくとも一方に送られ、入力部から制御・評価装置1に供給される。
多くの実施形態例において、ミキサ7の入力部8に送られる局部発振器信号(LO信号)は、VCO3以外の発振器によって生成されうる。しかしながら、図1に係る実施形態例および幾つかの実施形態例において、当該信号は、同じ発振器3によって入力部8におけるカップリング信号として生成される。この混合原理は、振幅に対する感度を持たせ、共振周波数に曖昧性と対向する構造的に同一のセンサによるカップリングを防止する。
少なくとも一つの実施形態例において、当該センサは、以下の構造を有しうる。当該センサは、図2に例示したものに対応する共振構造5を有する。図示された寸法は、M18サイズ(螺合センサのねじサイズとしてのISOメートルねじ規格)のセンサにおける典型的なものであるが、仕様に応じて適宜に変更されうる。
図示された実施形態例において、共振構造5は、主に要素14、目標物20、当該要素14と当該目標物20の間の空気領域19からなる。要素14は、誘電材料からなり、円筒形状をとりうる。この構成により、小さな寸法比で高い共振周波数が得られうる。
少なくとも一つの実施形態例において、誘電材料からなる要素14は、幅狭部18を有する。幅狭部18は、例えば外周縁に形成され、回転対称性を有する溝などの凹部である。要素14の下部の大半あるいは全体は、金属化されうる(例えば金属化部15を有する)。要素14の下側面と幅狭部18の境界面(すなわち、センサ5の下側面と平行に延びる面、および当該面と直交する凹部18の内縁側)の少なくとも一方の大半あるいは全体もまた、金属化されうる(例えば金属化部15を有する)。要素14は、樹脂などのプラスチック16によって包囲されうる。例えば、要素14は、射出成形によってプラスチック16に覆われうる。プラスチック16は、凹部18の内側を含む要素14の側部全体だけでなく、要素14の上側も小さな層厚で覆う。
下部において、要素14は、センサスリーブ17によって包囲されている。要素14の一部は、センサスリーブ17よりも上方の上部に位置している。センサスリーブ17の高さ寸法は、要素14の高さ寸法の三分の一から三分の二でありうる。上端が凹部18よりも下方(例えば要素14の約半分の高さ)に位置するようにしてもよい。
少なくとも一つの実施形態例において、幅狭部18は、矩形の断面を有しうる。幅狭部18の高さ寸法は、要素14の高さ寸法の5〜25%、あるいは10〜20%、あるいは約15%でありうる(例えば、0.2mm〜1.0mm、あるいは0.5mm〜0.7mm、あるいは約0.6mm)。
さらに、幅狭部18は、要素14の幅寸法の5〜25%、あるいは10〜20%、あるいは約15%の深さ寸法を有しうる(例えば、1.0mm〜3.8mm、あるいは1.6mm〜3.2mm、あるいは約2.4mm)。
図示の実施形態例において、幅狭部18は、外縁に形成され、要素14の上側半分あるいは上側三分の一の部分に配置されている。
共振構造5は、電気的あるいは磁気的に励起され、図3に示されるように内部にモードが形成されるような形状構成とされる。当該モードの大部分はTE111モードの形態でありうる。加えて、当該モードは、TMモードのように異なる形状の部分を有する。溝のz位置(すなわち、図示された例における凹部18の上側水平境界)において、共振器5内の電場の強さは最大となる。他方、誘電材料からなる要素14の縁(溝あるいは凹部18の内側)には壁電流が流れる。これにより、センサ面に流れる破壊的な壁電流が防止される。外側、すなわちセンサの縁に向かって、凹部あるいは溝18は、絞り弁のように振る舞い、短絡状態をアイドリング状態に変換する。後者は、センサヘッド周辺のフィールド部分を最小化する。当該フィールド部分は、凹部18の下方において形成されるEモード型の部分によってさらに低減される。
少なくとも一つの実施形態例において、上述のモードを循環させることによって回転対称なセンサ特性が得られうる。そのため、図4に示されるように、少なくとも二つの共振結合点22、23が、90°だけオフセットされた配置で設けられている。共振結合点22、23においては、同じ振幅であるが位相が90°異なる信号が供給される。図4は、矢印で示される座標系のz方向から見た要素14の底面を示している。VCO3によって生成された周波数変調信号24は、第一の結合点22と90°位相シフタ25へ直接入力される。90°位相がずらされた出力信号は、第二の結合点23に入力される。
そして、図5に示されるように、右円モードあるいは左円モード26が形成される。図5は、要素14の上面を示している。
図6は、図2に示された構成における周波数特性曲線28の例を示している。当該曲線は、金属目標物20の距離変化に対する共振周波数の変化を示している。曲線28は、目標物距離に対する周波数変化が比較的直線的であることが特に特徴的である。この特性は使用されるモードによって定まり、主にEモード型部分とH111モード型部分とから構成される。後者は、目標物距離に対する周波数変化により顕著かつ大きく寄与し、場の構造と比較的低い共振周波数に基づき、特に長距離の測定に適している。
図6においては、横軸を目標物距離(単位mm)とし、縦軸を周波数(単位GHz)としてプロットがなされている。
図6から判るように、M18サイズのセンサによる距離測定が、1mmから20mm以上という非常に広い範囲にわたって確実になされうる。
当該センサは、誘電体目標物の距離測定においても有利である。この場合、場の一部は誘電体目標物に侵入する。より高い目標物内における場の集中度と、空気および目標物の間の誘電率差とに基づき、共振周波数は、目標物距離に対して金属目標物の場合とは異なるシフトをする。この効果は、誘電率の値、材料の厚さと高周波数特性に依存する。この効果は、距離の測定や材料の特定に用いられうる。
少なくとも一つの実施形態例において、共振構造の形状は、内部で形成されるモードの少なくとも大部分がH111モードの形態をとるように構成されうる。新しいタイプの生成器または非常に広い範囲の測定能力は、H111モードによって生み出される。この生成器または測定能力は、測定装置(すなわち距離測定装置)や距離測定だけでなく、他の目的にも用いられうる。HモードとEモードはドイツ式の表記であり、TMモードとTEモードはアメリカ式の表記である。例えば、H111モードはTE111モードと同じであり、E110モードはTM110モードと同じである。
図7から図23は、本発明に係る距離測定装置の実施形態例における共振構造5(ディマ30におけるセラミック共振器など)についてのシミュレーション構造とシミュレーション結果(共振周波数、品質、スイッチング距離、周波数特性曲線、場の特性など)を示している。
図7は、シミュレーション対象(目標周波数変化、高い品質、小さい壁電流、広いモード明瞭範囲、単純な結合など)を列挙している。
図8は、電場によるH011モード形成、電気エネルギー密度、および表面電流を示している。
図9は、反射型目標または透過型目標の有無による動作モードを示している。ここで目標とは、目標物を意味している。
図10は、目標物距離に対する周波数と品質の特性曲線を示している。
図11は、目標物距離に対する周波数変化を示している。
図12は、目標物距離に対する周波数と品質の特性曲線の形態をとる誘電率の変化を示している。
図13は、目標物距離に対する周波数変化特性曲線の形態をとる誘電率の変化を示している。
図14は、目標物距離に対する周波数と品質の特性曲線についてセンサ径を小さくした場合の効果を例示している。
図15は、目標物距離に対する周波数変化特性曲線についてセンサ径を小さくした場合の効果を例示している。
図16は、目標物距離に対する周波数と品質の特性曲線(無負荷)についてセンサ径を大きくした場合の効果を例示している。
図17は、目標物距離に対する周波数変化特性曲線についてセンサ径を大きくした場合の効果を例示している。
図18は、H111/E110モード用のシミュレーションモデルを目標物および共振構造とともに示している。
図19は、H111/E110モード、目標物および共振構造とともに、電場像の形態で動作モードを示している。
図20は、電場によるH111/E110モード形成、電気エネルギー密度、および表面電流を示している。
図21は、目標物距離が5mmの場合と目標物が存在しない場合における電場の断面を示している。
図22は、H111/E110モードに係る周波数および品質の特性曲線(無負荷)を例示している。
図23は、H111/E110モードに係る周波数変化の特性曲線を例示している。
これらの図面は、それ自体で独立した開示として理解可能であるため、より詳細な説明は不要である。

Claims (26)

  1. 特に誘電体や金属の目標物までの距離を測定する装置であって、
    前記目標物とともに共振チャンバを定める共振構造、および当該共振構造と結合された電子回路を有するセンサを備えており、
    前記共振構造は、縁に幅狭部を有する誘電材料からなる要素を備えており、
    前記共振チャンバの共振周波数は、前記要素と前記目標物の間の距離に依存
    前記電子回路は、前記共振周波数に対応する前記共振構造からの出力信号に基づいて、前記要素から前記目標物までの距離を決定するように構成されている、
    装置。
  2. 前記幅狭部は、周方向に延びており、回転対称である、
    請求項1に記載の装置。
  3. 前記幅狭部は、凹部または溝の形状である、
    請求項1または2に記載の装置。
  4. 前記要素は、円筒形状である、
    請求項1から3のいずれか一項に記載の装置。
  5. 前記幅狭部は、矩形状の断面を有している、
    請求項1から4のいずれか一項に記載の装置。
  6. 前記幅狭部の高さ寸法は、前記要素の高さ寸法の5〜25%、あるいは10〜20%、あるいは約15%、あるいは0.2mm〜1.0mm、あるいは0.5mm〜0.7mm、あるいは約0.6mmである、
    請求項1から5のいずれか一項に記載の装置。
  7. 前記幅狭部の深さ寸法は、前記要素の幅寸法の5〜25%、あるいは10〜20%、あるいは約15%、あるいは1.0mm〜3.8mm、あるいは1.6mm〜3.2mm、あるいは約2.4mmである、
    請求項1から6のいずれか一項に記載の装置。
  8. 前記要素は、上側が下側よりも前記目標物に近くなるように延びており、
    前記幅狭部は、前記要素の上側三分の一の部分に配置されている、
    請求項1から7のいずれか一項に記載の装置。
  9. 前記要素は、上側が下側よりも前記目標物に近くなるように延びており、
    前記幅狭部の縁面を含む前記要素の下部は、少なくとも部分的に金属化されている、
    請求項1から8のいずれか一項に記載の装置。
  10. 前記要素は、上側が下側よりも前記目標物に近くなるように延びており、
    前記要素の外側部分と上側部分の少なくとも一方を覆うようにプラスチックが射出成形されている、
    請求項1から9のいずれか一項に記載の装置。
  11. 前記センサの前記共振構造の少なくとも一部が設置されたスリーブを備えており、
    前記要素は、上側が下側よりも前記目標物に近くなるように延びており、
    前記要素は、その上部の一部が前記スリーブの上方に位置するように、当該スリーブ内に配置されている、
    請求項1から10のいずれか一項に記載の装置。
  12. 前記電子回路は、周波数変調された入力信号を生成する信号生成部を備えており、
    前記出力信号は、ある点において前記共振構造と結合され、所定の共振を伴う当該共振構造の別の点において分離される、
    請求項1から11のいずれか一項に記載の装置。
  13. 前記電子回路は、前記共振構造から分離された前記出力信号をベースバンドと混合する手段、前記出力信号を増幅する手段、前記出力信号をフィルタリングする手段、および前記出力信号をA/D変換する手段の少なくとも一つを備えている、
    請求項1から12のいずれか一項に記載の装置。
  14. 前記電子回路は、前記共振構造に結合される入力信号と局部発振器信号(LO信号)を生成する発振器と、
    前記共振構造から分離された前記出力信号と前記局部発振器信号が入力されうるミキサと、
    を備えている、
    請求項1から13のいずれか一項に記載の装置。
  15. 前記共振構造は、電気的励起と磁気的励起の少なくとも一方が行なわれうるように形成されている、
    請求項1から14のいずれか一項に記載の装置。
  16. 前記共振構造は、その内部にモードが形成されるような形状構成とされており、
    前記モードの少なくとも大半は、H111モード、TE011モード、TE111モードの少なくとも一つである、
    請求項1から15のいずれか一項に記載の装置。
  17. 前記モードの一部は、TMモードのように区別できる形状であり、好ましくはTM110モードまたはE110モードである、
    請求項16に記載の装置。
  18. 前記センサの前記幅狭部は、絞り弁のように振る舞い、短絡状態をアイドリング状態に変換する、
    請求項1から17のいずれか一項に記載の装置。
  19. 回転対称なセンサ特性を得るために、複数の共振器結合点が設けられている、
    請求項1から18のいずれか一項に記載の装置。
  20. 前記複数の共振器結合点は、90°だけオフセットした配置とされている、
    請求項19に記載の装置。
  21. モードを循環させるために、振幅が同じで位相差が90°である複数の入力信号が前記複数の共振器結合点に供給可能である、
    請求項19または20に記載の装置。
  22. に誘電体や金属の目標物までの距離を測定する方法であって、
    に幅狭部を有する誘電材料からなる要素を備えるとともに前記目標物と共振チャンバを定める共振構造を有するセンサを当該共振チャンバの共振周波数前記要素と前記目標物の間の距離に依存するように配置し
    前記共振周波数に対応する前記共振構造からの出力信号に基づいて、前記要素から前記目標物までの距離を決定する、
    方法。
  23. ある点において前記共振構造に入力信号を供給可能であり、
    前記共振構造の別の点において所定の共振を伴う前記出力信号が分離可能である、
    請求項22に記載の方法。
  24. 前記共振構造は、その内部にモードが形成されるような形状構成とされており、
    前記モードの少なくとも大半は、H111モード、TE011モード、TE111モードの少なくとも一つである、
    請求項22または23に記載の方法。
  25. 第一共振器結合点を介して入力信号が供給され、当該第一共振器結合点とは位置が異なる第二共振結合点を介して前記出力信号が分離されることにより、回転対称なセンサ特性が得られる、
    請求項22から24のいずれか一項に記載の方法。
  26. モードを循環させるために、振幅が同じで位相差が90°である複数の入力信号が複数の共振器結合点に供給される、
    請求項25に記載の方法。
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