JPH01193607A - 誘電マイクロ波共振器の使用方法およびセンサ回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、請求項１に記載の誘電マイクロ波共振器の使
用方法および請求項５の上位概念に記載のセンサ回路と
に関する。

位置測定のための容量性センサまたは誘導性センサはか
なり前から既知でありかつ広く用いられ℃いる。このよ
うなセンサにおいては、振動回路の周波数決定構成部分
として、センサと工作物との間のキャパシタンスまたは
工作物により影響を受けるセンサインダクタンスが設け
られる。このようなセンサはたとえば、英国特許（ＧＢ
−Ａ−）第２０８５５９４号、欧州特許（ＥＰ−Ａ−）
　第００１６６３８号、ドイツ特許（ＤＥ−Ａ−Ｊ第１
９２８８９９号、ドイツ特許（ＤＥ−Ａ−〕第２７４７
５３９号、米国特許（ＵＳ−ＰＳ−）第４．０１５，１
０１号、米国特許（ＵＳ−ＰＳ−）第３．１７１．０７
１号ならびに多数の他の文献に記載され、それらの一部
は本出願人にも所属する。このような容量性または誘導
性センサは導電物体ないしは金属物体との組合せ使用に
制限されることが知られている。容量性または誘導性セ
ンサの金属対象物に対する相対位置の変化によりキャパ
シタンスないしはインダクタンスの変化、したがって周
波数の変化が発生する。これは既知の評価回路（たとえ
ば帯域フィルタ、弁別器など）内で計測され、センサの
相対位置に対応した信号の発生に利用される。

このよっなセンサにおいては大抵、小さな値の測定が要
求される。したがっ℃きわめ℃小さなセンサキャパシタ
ンスまたはセンサインダクタンスのみが利用される。し
かしながら、センサへのリード線も同様に容量特性およ
び誘導特性を示す。

したがって、とくに、有効なセンサキャパシタンス自身
より本質的に大きくなることがありうる導線キャパシタ
ンスが重要になる。これにより、このようなセンサのセ
ンサ感度だけでなく一般的な安定特性もまた不利な影響
を受けることがありうる。

誘電共振器を高周波回路におけるフィルタ構成部分とし
または発振器として使用することはかなり前から知られ
ている。このような共振器の動作周波数はマイクロ波帯
域ないしＧＨｚ　帯域にある。

適切な回路装置においては、２つの回路部分を選択的に
結合するために誘電共振器の電磁界が利用され、これに
よりフィルタ回路Ｑ）周波数依存減衰特性が発生するか
または共振器の特定の亀ｉ特性により振動回路内の特定
簡波骸が直接形成されるかのいずれかである。この点で
は、誘電共振器は等価回路では５０回路として示さねる
。

誘電共振器を備えたこのような回路の微細同調のために
は、たとえば、その電磁界に影響を与えるように発振器
に接近可能な金属部分（たとえばねじ）が使用される。

このような共振器の市販されているタイプは。

たとえば、シーメンスコンポーネンツ（ＳｉｅｍｅｎＳ
Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ、＋　２５　（１９８７）第２巻
、８６＜−ジに記載され℃いる。

発明の要約 本発明は、既知のセンサ回路の欠点を回避すること、ま
たとくに簡単かつ小型な構造の場合に環境の影響および
導線キャパシタンスないしは導線インダクタンスの影響
を全く受けないセンサ装置を可能にすることを課題とす
る。これは本発明により、請求項１に記載のようにセン
サとしてマイクロ波共振器を使用する方法により、ない
しは請求項５の特徴部分に記載Ｑ）よ５なセンサ回路に
より達成される。

撮動発生に利用される発振器ないし振動回路においては
１本発明による装置の場合においても発振条件の形成に
当然ＬＣ部品が設けられている。

しかしながら、数十年来採用されかつ実際に実現された
ように、センサ要素としてこのＬ部品またはＣ部品を採
用することは最適条件に至らないことかわかったことは
驚くべきことである。本発明の装置におけるＬＣ部品は
むしろ、対象物σ）相対位置変化によっては影響を受け
ない構成部分として設けられている。その代りにさらに
、マイクロ波共振器を筒波数決定栴成部分としておよび
センサとし使用することが拠案される。これは隔離され
た導線を介しての結合を可能とし、導線の長さは実際に
は瓜要でない。適切な入力結合／出力結合（ラムダない
しはラムダ／２の複数倍）は導線損失と（に導線キャパ
シタンスまた＋Ｓ導線インダクタンスによる周波数影響
を最小にするであろう。

共振器はまた。容量性センサおよび訪導性センサの場合
のように他の妨害影響とくに金属部分（たとえばロボッ
トにおいて〕の接近によっても同様に妨害されることは
ない。共振器は一方では適切なハウジングにより、対象
物梅捉領域外に存在する影響に対して良好に遮蔽可能宅
ある。このときはたとえば機械部分またはロボット部分
の横からの接近によるキャパシタンスの変化が共振器周
波数に影響を与えることはない。他方で共振器周波数の
変化は、一定の妨害量が発生している場合であっても対
象物の接近に依存する。両方の周波数変化（対象物の接
近および妨害対象物の接近に原因する）は加算されるだ
けである。これに対し容量性センサにおいては、妨害キ
ャパシタンスの影響が大きくなればなるほど、センサキ
ャパシタンスの変化により利用可能な周波数変化はます
ます小さくなる。すなわち、既知のセンサの感度は妨害
量の増大とともに減少するが、一方本発明においては、
共振器の周波数の移動だけが期待されるだけである。

この場合驚くべき大きな技術進歩として、共振器の使用
により金属物体に対してだけでなく不導体に対するセン
サ位置も測定可能であることが得られる。共振器の固有
周波数は金属物体の接近により増大するがｂｉｔ物体に
よっては減少することがわかっている。したがって本発
明は、予測もしなかった方法で、非接触形センサに対し
全＜＊ｒＬい利用分野を開発する。

共振器と導波管との間の結合は、たとえば直接結合ルー
プにより、またはマイクロ帯導体により達成可能である
。結合要素としてたとえば追加の共振器の使用のような
他の結合様式も考えうる。

導波管としＣは高周波帯域を考慮し″′Ｃ種々の株式の
隔離された導線が使用可能である。たとえば同軸導線ま
たは帯状導線が適していることが実証されている。

センサとして１個の共振器（たとえば間隔測定用）だけ
でなく好ましくは複数個の共振器も使用可能である。

この場合共振器は好ましくは振動回路自身の周波数決定
要素として設けることが可能である。この場合、ダイオ
ード発振器のみでなくトランジスタ発振器もまた使用可
能である。

とくにたとえば複数の共振器を使用した場合のように複
合的な使用方法において、１個ないし複数の共振器が少
なくとも１つの発振回路の出力端におけるフィルタとし
て結合されるときは有利である。相対位置の変化により
、好ましくは異なる周波数に設定された共振器のフィル
タ特注が影響されるので、適切な選択的周波数評価が個
々の共振器の相対位置との関係付けを可能とする。

センサの相対位置の変化によりとくに共振器の共振周波
数が影響されることは明らかである。さらに、導波管と
共振器との間の結合ないしハ種々の共振器間の結合およ
び共振器の位置における精度ならびに導線インピーダン
スも影０される。したがって回路構造に応じて、対象物
の接近は周波数変化を変化させるだけでなく振幅または
位相をも変化させることが可能であり、これらは対応の
周波数選択、振幅選択または位相選択評価回路により評
価可能である。

とくに１つの共振器ないしは２個または複数個の共振器
の、対象物への相対位置に対する減衰曲線を有するフィ
ルタ／帯域フィルタとしての使用は、大きさおよび位相
に応じて変化する出力信号を有する高感度回路の実現な
可能にする。すべての実施態様に対し、共振器へのリー
ド線として使用される導波管が隔離されていること、す
なわち終端抵抗は導線の坂動抵抗に相当すること、とが
本質である。

とくに間隔／位置選択の複合信号を得るためには、発振
器装置が複数の周波数を得ることが好ましい。このうち
それぞれに決定された周波数は共振器と対象物との間の
相対位置変化に応じて卓越したりまたは減衰されたりす
るので、ある特定の周波数をその減衰にわたり絶対間隔
信号に対するガイド値として使用可能であるばかりでな
く、他σ〕周波数を追加σ）間隔選択／位置選択追加信
号として導波管を介して１つないし複数の誘電共振器に
結合することも本発明により可能である。

要約すると、本発明は本質的に改善されたセンサ回路を
可能とし、さらに金属対象物ばかりでな〈従来実現不可
能であったあ電対本物に対する非接触式相対位置測定を
可能に−する。

本発明を図示の実施例を用いて以下にさらに詳細に説明
する。

実施例 第１図によると、発振器回路１は導波管２および３を介
して誘電マイクロ波共振器６に結合されている。共振器
６はジルコニウム−チタン酸スズからなる通常のセラミ
ック構成部分である。他の共振器形式も当然使用可能で
ある。導波管２および３の端部に終端抵抗４および５が
設けられている。終端抵抗４および５は導線の導波抵抗
に応じて寸法が決定され、したがって理想的な場合には
導波管２．３の反射のない特性が得られる。共振器６は
、共振器周波数が発振器ｌの固有周波数を決定するよう
に発振器回路内へ一緒に組込まれ℃いる。この場合導波
管２および３は共振器６により結合される。共振器６は
、導波管３に１８０°だけ位相がずれた電圧が発生する
ように導波管２の入力信号の位相を回転する。したがっ
て位相に関してｈｓ共振条件が満足される。

略図で示した金属物体７は、セ／す６に対する相対位置
が変化可能なように配置され℃いる。間隔を変化させる
ことにより、共振器の電磁界が変化される。これにより
共振器６の共振周波数が変化し、共振器６はそれに対応
し１発振器１の固有周波数を「同調」させる。これとと
もに出力端８における発振器ｌの周波数が変化する。こ
の周陳数変化は図示されてない通常の評価回路により、
発振器工ないし共振器６の周波数に対応しかつそれと同
時に共振器６と物体７どの間隔に対応する後処理可能な
信号に変換される。

この実施例におい′Ｃは、導波管２および３は帯状導線
として形成されている。共振器６との結合が可能な限り
、隔離された導線に他の種々の形状が使用可能であるこ
とは当然である。

第１図から、既知のセンサ回路との本質的な相違がとく
によくわかる。本発明のこの実施例においては、略図で
示した発振器１のキャパシタンス１ａまたは１ｂの全体
またはその一部がセンサとして使用されるのではなく、
追加として設けられた共振器６がセンサとして使用され
る。

第２図は共振器６の側面図を略図で示し、ここで磁界振
幅はＨｚでまた電界振幅はＥ９）で示されている。

第３図は原理図を示し、ここで共振器６は同様に両溝１
ｆ８２および３の結合のために使用される。

この場合導線２は図示されてない発振器に接続され、一
方導線３は同様に図示され℃ない増幅器および適切な評
価回路とに接続されている。導？ｆＭ２および導線３は
終端抵抗４および５により隔離され℃いる。さらに共振
器６は金属板帯状の微調節用部材９を設けている。金属
板帯は図示され℃ない手段たとえば調節ねじにより共振
器６に対する間隔が変化され、これにより共振器周波数
の調節が可能である。共振器６の下方に誘電物体７たと
えばプラスチック板が図示されている。共振器６がプラ
スチック板７に接近すると共振器６の周波数は低下し、
間隔が増大すると周波数は逆に上昇する。それに応じ℃
共振器６の固有周波数により決定される導線２および導
＆３間の結合ないしフィルタ特性もまた変化する。

第４図は、導線２および導線３０間でフィルタ要素の結
合のための共振器６ないしはフィルタ要素としての共振
器６を有する回路装置を示す。導線２は発振器回路１の
出力端に接続され℃いる。

導線３は増幅器１０を介して後にさらに詳細に説明され
る評価回路に接続されている。導線２および３は前述の
実施例の場合と同様に終端抵抗４および５により反射か
ないように隔離されている。

発振器は通常の方法で、それが実施例に応じて１つまた
は複数の周波数を導＋９７２に与えることができるよう
に通常の方法で形成されている。共振器６により導線３
に伝達された信号は増幅器１０内で評価可能な振幅に増
幅される。導線１１を介してさらに発振器ｌかも基準信
号が位相評価ｉ１２に供給される。位相評価器１２はそ
の第２の比較入力端で増幅器１０の出刃端に接続されて
いる。

したがって出力端１３に共振器の状態を識別する出力信
号が発生し、出力信号は本来発振器ｌ内で得られた信号
と共振器６を介して結合された信号との間の位相のずれ
を示す。これに対し振幅出力端１４に、共振器６により
伝達された信号の振幅に対応する信号が発生する。この
場合、共振器６０周波数が発振器１０周波数と完全に同
調したときに最大振幅が出現するであろう。共振器６０
同調のずれが大きくなり両方の位相が相互にずれればず
れるほど、それだけ導１Ｉｊ１２および導Ｉｖ！１３の
間の共振器６の結合特性がますます低下し、出力端１４
に発生する信号がそれだけ小さくなる。増幅器１０の出
力端にはさらに２つの周波数選択回路１５．１６が接続
されている。この回路はたとえば帯域フィルタまたは弁
別器により実現可能である。両方の回路１５および１６
は、共振器６が事前設定周波数を得たときに回路１５．
１６がそれぞれ出力信号を与えるように既知の方法で事
前設定可能周波数に同調可能である。これにより、外部
からの対象物の影響の結果の共振器の電磁界の特定の状
態に対応する事前設定の限界値またはしきい値（閾値）
を指示可能である。

第５図は、共振器６が撮動回路の部分として設けられτ
いる実施例を示す。この場合共振器６は導線ループ１７
により励起され、同様に共振器６がそれに結合されてい
る第２の導線ループ１８に対応の信号を伝達する。妨害
となる二次共振を回避するために、両方の導線ループ１
７．１８に共振部分としてコンデンサ１９．２０が組込
まれている。導線ループ１７．１８がそれに接続され℃
いる発振器１内に、固有振動条件が大きさおよび位相に
従って既知の方法で保持されるように既知の方法で増幅
器が内蔵され℃いろ。発振器１の出力端８に、共振器６
ないしその？Ｗ体７との相対位置により決定される出力
周波数が発生する。

第６図は多重配置の共振器６ａ、６ｂ、６Ｃおよび６ｄ
を示す。この場合磁ガ線Ｈ（第２図）の軌跡は、間隔信
号のほかに位置検知信号を得るために共振器６ａないし
６ｄの範囲にわたり利用される。可能な多重共振器配置
の例として、第６図は共通の励起導線２を設けたフィル
タ（ロ）路を示す。

出力端ｉ１．ｉ２．ｉ３およびＩ４にそれぞれ４つの共
振器からの結合電圧が別々に利用可能であり、これらの
電圧はたとえば第４図に示すような評価回路を用いて適
切に評価可能である。増幅器の多重動作により装置はコ
スト的に有利に構成可能である。このような共振器の多
重配置を用いて、−界分布のＨ特性曲線の特性軌跡を利
用し℃、共振器の表面に平行に走る方向依存性の重心が
実現可能である。これにより、すべての共振５６ａない
し６ｄが対称物により同様に影響を受けるとき、すなわ
ち対称物が共振器６ａないし６ｄの中央に配置されたと
きにはじめて共振器の同一状態、したがって同一位相が
出現するので、このような配置を用いることによりたと
えば金属尖頭部またはボルトを介しての中心合せの実施
が可能である。

実際の態様化のためには、評価回路に適切な追跡回路だ
けは既知σ）方法で接続されなければならない。

共振器の配置および共振器の数は、それぞれの設定され
た課題ないしはその位置がセンサにより把握されるべき
対１．本物に応じ℃決定される。多重共振器を有する（
口）路の場合、共振器の数に応じ又複数の撮動回路が使
用可能であり、これらの振動回路は共通の周波数で駆動
してもまたはと（に異なる周波数で駆動してもよく、ま
たこれらはそれぞれ周波数および／または位相および／
または振幅を評価する評価回路を有している。この場合
、電子回路手段の費用を低減するために、１台の評価回
路が多重処理をするように接続され、すなわち複数の共
振器回路に周期的に接続されるようにすることも可能で
ある。

第７図は、具体例としてＶ継目７ａを有する鋼板である
物体７の上方における２つの共振器６ａ、６ｂを有した
装置を示す。

第７図および第８図に示す実施例の場合、共振器６ａの
みは、図示され℃ない帯状導線により同様に図示され℃
ない発振器に接続され℃いる。共振器６ｂは共振器６ａ
Ｋ誘導結合されている。共振器６ａおよび６ｂは異なる
周波数ｆ１．ｆｚに設定され℃いる。第７図においては
、金属物体７に対する間隔がｈｌの場合に共振器６ａ、
６ｂの掃引減衰がどのように推移するかが略図でグラフ
に示され℃いる。間隔をｈＯに接近させることにより、
共振器６ａおよび６ｂの両方の周波数ｆｌおよびｒ２は
上昇されるので、掃引的ｇ）、ｂｓ移動する。

第８図は、■継目７ａの上方で共振器６ａ、６ｂが横に
ずれたときの曲線推移を略図で示す。この場合共振器６
ａに対する条件は明らかに一定であり、これは変化しな
い周波数ｆｌで示されている。

一方弁振器６ｂの周波数は、共振器６ｂが■継目の領域
内にあって金属物体７に対する間隔がより大となるので
変化する。したがって周波数工゛２′が出現し、これに
より掃引曲線−家図示の点線の推移をとる。

第７図および第８図に示す共振器の掃引特性の変化はた
とえば第４図に示す実施例に類似して構成された回路に
より評価される。たとえば複数の周波数選択回路１５．
１６（第４図）によりフィルタ特性の変化が監視可能で
ある。位置信号ないし間隔信号における適切な変換は、
既知の回路装置により達成可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の特徴を有する近接センサの略図； 第２図は誘電共振器上の電磁界分布； 第３図は共振器結合の原理図； 第４図はセンサがフィルタとして接続されているセ／す
装置の略図； 第５図は振動回路の周波数決定要素として共振器を有す
る変更実施例； 第６図はフィルタとして接続された４つの共振器を有す
る本発明の実施例； 第７図および第８図は、それぞれの周波数−減衰特性を
用いて対象物上の間隙−追跡のための２つのセンサ共振
器の略図である。 １・・・発振器、　　　２，３，１７．１８・・・導波
管、６．６ａ、６ｂ、６０．６（１・・−共振器、　　
７・・・物体、１０．１２．１５．１６・・・評価回路
。 セへ ―山 −ＪＦ） 〔力 Ｕ） 一 〜＼

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、物体（７）に対するセンサの相対位置の決定のため
   の装置におけるセンサとして、隔離された導波管（２，
   １７）用いて少なくとも１つの発振器（１）ないしは発
   振回路の活性構成部分に結合されている誘電マイクロ波
   共振器（６）を使用する方法。 ２、上記共振器（６）が共振回路の周波数決定要素とし
   て設けられている請求項１記載の使用方法。 ３、上記共振器（６）が少なくとも１つの発振器回路（
   １）の出力端におけるフィルタとして設けられている請
   求項１記載の使用方法。 ４、少なくとも２つの異なる周波数を共振器に与える発
   振器回路（１）を有した請求項３記載の使用方法。 ５、センサとして少なくとも１つの誘電マイクロ波共振
   器（６）が設けられていること、およびマイクロ波発生
   装置（１）および評価回路（１０，１２，１５，１６）
   が設けられていること、とを特徴とする物体（７）に対
   するセンサの相対位置を測定するためのセンサ回路。 ６、共振器（６）が隔離された導波管（２，３，１７，
   １８）により少なくとも１つの振動回路（１）の活性構
   成部分に結合されていることを特徴とする請求項５記載
   のセンサ回路。 ７、共振器（６）が、一方ではフィルタとして隔離され
   た導波管（２）を介して少なくとも１つの発振器（１）
   の出力端に結合され、他方では周波数選択および／また
   は振幅選択および／または位相選択評価回路（１０，１
   ２，１５，１６）に結合されていることを特徴とする請
   求項５記載のセンサ回路。 ８、少なくとも２つの共振器（６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ
   ）が設けられていることを特徴とする請求項５ないし７
   のいずれかに記載のセンサ回路。 ９、共振器（６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ）が直接または間
   接に相互に結合されていることを特徴とする請求項８記
   載のセンサ回路。 １０、共振器（６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ）が異なる周波
   数を示すことを特徴とする請求項８または９記載のセン
   サ回路。