(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気誘導性の測定対象物（１）と、誘導、容量、又は渦電流の原理に従って動作するセンサ（３）とを有し、前記センサ（３）が、測定装置（４）を備え、前記測定対象物（１）が、軸方向で見て前記測定装置（４）と向かい合って可動物体（２）に配置されているか、又は、前記可動物体（２）の統合物となって、前記可動物体（２）と共に軸方向に移動する、装置であって、
前記測定装置（４）が、互いに空間的に分かれている少なくとも２つの測定素子（５，５‘、５“）により形成され、
前記測定素子（５，５‘、５“）が、共通の基板（６）上に配置され、前記基板（６）が、前記可動物体（２）のための通路（９）を備えていることを特徴とする、測定対象物（１）の距離及び／又は位置を非接触式に測定する装置。
【請求項２】
前記基板（６）が、プリント回路基板または多層のセラミック基板として設計されていることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記測定素子（５，５‘、５“）が、互いに同心円状に配置されていることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記測定素子（５，５‘、５“）が、電極（１２）またはコイル（１１）として構築されていることを特徴とする、請求項１乃至請求項３いずれかの一項に記載の装置。
【請求項５】
前記電極（１２）が、並列連結されているか、又は、前記コイル（１１）が、直列連結されていることを特徴とする、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記測定素子（５，５‘、５“）が、円、楕円、又は、多角形のような区分の形の丸い幾何学形状を有していることを特徴とする、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の装置。
【請求項７】
前記測定素子（５，５‘、５“）の少なくとも１つが、温度補正のために直流電圧の加負荷が可能であるか、又は、温度センサが前記基板（６）上に配置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装置。
【請求項８】
評価電子装置（８）が、前記基板（６）の裏側、または、分割基板（１３）上に配置されていることを特徴とする、請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の装置。
【請求項９】
前記評価電子装置（８）が、可撓性のコンタクトピン（１４）によって前記測定素子（５，５‘、５“）に連結されていることを特徴とする、請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記評価電子装置（８）が、可撓性の導体（１６）によって前記測定素子（５，５‘、５“）に連結されていることを特徴とする、請求項８に記載の装置。
【請求項１１】
前記基板（６）又はセンサ（３）が、アクターハウジング（１９）内の止め部（２０）に対してばね部材（１８）によって押し付けられ、固定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装置。
【請求項１２】
電気誘導性の測定対象物（１）の位置を非接触式に測定するための請求項１乃至請求項１１のいずれか一項に記載のセンサ（３）であって、
前記測定装置（４）が、互いに空間的に分かれている少なくとも２つの測定素子（５，５‘、５“）により形成されていることを特徴とする、センサ（３）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定対象物の距離及び／又は位置を非接触式に測定する装置であって、電気誘導性の測定対象物と、特に、誘導、容量、又は渦電流の原理に従って動作するセンサと、を有しており、センサが、測定装置を備える装置に関する。
さらに、本発明は、対応するセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
軌道／位置を測定するための位置決め素子（アクター）は、閉じた制御回路内でとても頻繁に動作する。
これを可能にするために、センサには、位置決め軌道（又は距離／位置／ふれ）を検出することが求められる。
この目的のために、従来技術を代表する多くの（光学式、電磁式、接触式の）測定方法がある。
【０００３】
多くの用途が、アクター／センサシステムをできる限り小さく構築する問題に基づいている。
構築形状を形作る際、位置決め素子が、シリンダ／ピストン／針／ロッド／ストライカを軸方向に動かす結果に頻繁になることが常である。
構築空間に制限があるため、軸方向の動作を直接測定するのは不可能であるので、センサを横方向に配置することが可能なように、ターゲットフラグが頻繁に配置、配列される。
【０００４】
これは、例えば、特許文献１に示されている。
その中に、電気誘導性の金属素子が、電空式ポジションレギュレータ内のバルブロッドに取り付けられている。
横方向に取り付けられたパスセンサは、金属素子の軸方向の動きを検出し、バルブロッドの位置を検出する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】独国特許出願公開第４２３９６３５（Ａ１）号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
（渦電流式の、容量式の）電磁式センサの場合、（ターゲットへの所望の相互作用に加えて）電場や磁場の空間的な拡張により偏向したメカニズムに伴う妨害の相互作用の問題が、常に存在する。
横方向に場や境界が配置されている測定要求領域の場合、非接触式のセンサは、空間的に広い場を生成するという問題がある。
この広い場は、近くの、アクターの他の移動性又は静止物体により乱され、測定誤差を引き起こす。
センサの構築サイズを小さくすることは、測定領域を減らすことになり、この問題の満足な解決にならない。
【０００７】
従来技術に従って横方向に配置されたセンサ内で発生する別の問題は、実用上頻繁に発生する、重ね合わせの動作により発生する。
それは、センサに対するターゲットの動作が、軸方向だけで生じるのでなく、例えば、傾く動作としても特徴付けられる。
これは、結果として、重大な測定誤差になる。
【０００８】
この問題は、従来技術によると、センサを複数個配置することで解決される。
特許文献１において、１８０°オフセットされた２つのセンサが、配置され、これらのセンサは、斜面に対して測定を行う。
しかし、この結果、構築費がより高くなり、コストが増大する。
横方向に配置されたセンサの別の問題は、長手方向の要求空間が大きいことである。
【０００９】
そこで、本発明は、正確な距離及び／又は位置を測定可能にする単純な構築方法を用いて、コンパクトかつ経済的な装置を実現できるように、測定対象物の距離及び／又は位置を非接触式に測定するための、汎用装置の設計及びさらなる開発の問題に基づいている。
さらに、対応するセンサも示されるべきである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述の問題は、請求項１の特徴により、本発明に従って解決される。
よって、測定対象物の距離及び／又は位置を非接触式に測定する問題の装置は、互いに空間的に分かれている少なくとも２つの測定素子により形成される測定装置を特徴としている。
【００１１】
本発明によると、測定装置を巧みに設計することにより、単純な方法で解決可能である。
これは、測定装置の場合、測定に必要な電気的、磁気的、又は、電磁気的な場を生成するセンサの構成部品に関する。
原則として、大きい測定素子、つまり、測定装置は、複数のより小さな測定素子に分割される。
小さな測定素子のそれぞれは、構築サイズが小さく、大きい測定素子よりも小さい空間に配置される。
分割することにより、測定素子は、構造上巧みに配置することができ、大きい測定領域を持つ。
別の利点は、測定素子の散乱場が減少し、外部影響が減る。
測定対象物の傾きでさえ、測定素子の対称配置により補正可能である。
装置は、互いに空間的に分かれ、共同で測定装置を形成している、少なくとも２つの、好ましくは、３つの測定素子を含む。
一般的に、任意の所望の数ｎ個の測定素子を、共同で測定装置を形成するよう配置することができる。
共通の測定電子システム、又は、評価電子システムにより、測定素子を供給することができる。
【００１２】
特に、単純でコンパクトな装置を実現するために、測定素子を共通の基板上に配置することができる。
基板は、測定素子又は電子部品のキャリア材の、後述するすべての種類（例えば、プリント回路基板、セラミック、多層セラミック）を意味する。
別の有利な態様において、測定素子は、平面に配置されている。
【００１３】
センサは、誘導式または渦電流式のパスセンサとして動作することができる。
測定装置は、（部分）コイルとして実現される複数の測定素子に分割されるコイルであることができる。
（部分）コイルは、誘導率が累積されるよう、直列に連結する。
【００１４】
（部分）コイルは、巻き線コイル又は平面コイルとして構築する。
平面コイルとして設計される際、それらは、例えば、プリント回路基板上、又は、セラミック基板上に構築する。
あるいは、（部分）コイルは、低温同時焼成セラミックス技術（Ｌｏｗ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｃｏｆｉｒｅｄ  Ｃｅｒａｍｉｃｓ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、ＬＴＣＣ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）、又は、高温同時焼成セラミックス技術（Ｈｉｇｈ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｃｏｆｉｒｅｄ  Ｃｅｒａｍｉｃｓ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、ＨＴＣＣ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）によって製造され得る多層セラミックス層内に構築する。
ＬＴＣＣ又はＨＴＣＣ技術のコイルは、高い誘導性と小さい構築サイズを有する多層コイルが、それらを用いることで製造可能である。
さらに、（部分）コイルは、基板と共にユニットを形成し、（部分）コイルの相互連結を、このユニット内で実現する。
誘導式又は渦電流式のパスセンサのコイルは、振幅、周波数及び／又は位相を評価する評価電子装置の一部である。
これらの重大な点の２つ又は３つを、組み合わせて用いる。
【００１５】
さらに、センサは、容量式の（パス）センサとして設計される。
その際、測定装置は、平板コンデンサの電極としての既知の方法で動作する金属表面である。
測定対象物は、この測定電極と測定対象物が平板コンデンサを形成するよう、対電極としての役割を果たす。
測定電極は、つまり、測定装置は、複数の部分表面、つまり、それらの部分が互いに空間的に分かれて配置されている測定素子に細分することができる。
（部分）電極や測定素子は、（部分）電極の容量が累積されるよう、並列に連結することができる。
後者は、共通の評価電子装置により制御することができる。
（部分）電極は、例えば、プリント回路基板上、セラミック基板上、又は、ＬＴＣＣ技術やＨＴＣＣ技術により製造された多層セラミックス層内に配置することができる。
さらに、（部分）電極は、基板と共にユニットを形成することができ、（部分）電極の相互連結は、このユニットの中ですでに実現することができる。
【００１６】
請求項１の発明の配置の利点は、１つの評価電子システムを、複数の測定素子に対して使用可能なことである。
評価電子システムは、高次の測定素子としての役割を果たすことができ、それらをユニットとして考えることができる。
したがって、構築空間と費用は、抑えられ、熱／エネルギーの消費の上昇は、最小化する。
別の利点は、測定素子それぞれを同位相、及び、同周波数で制御できる点であり、結果として、測定素子間の相互作用による測定誤差を避ける。
多分割されている測定素子は、それにもかかわらず、古典的なブリッジ回路ではない。
ブリッジ回路は、測定素子間にタッピングが必要であろうし、差分信号の評価にのみ適している。
例えば、ハーフブリッジ配置の場合、信号は、ある測定素子の中で増大し、別の素子の中で弱くなる。
これにより、測定信号は、部分信号の差異から生じる。
一方で、本発明の配置では、すべての測定素子は、同じ方向に動作し、部分信号が累積し、測定信号が増大する。
部分素子間の電気タッピングは、生じない。
別の利点は、４つの電気タッピングを有する古典的なホイートストンブリッジ回路とは、対照的に、２つの電気タッピングのみが必要である。
すなわち、コイル又は電極に対する１つのサプライラインと、１つのドレインラインである。
評価電子装置は、アナログ部品のみによって組み立てられ、アナログ部品からアナログ測定信号が生成される。
あるいは、例えば、ＰＷＭ信号のような、デジタル化された信号を供給するデジタル電子装置を、評価電子装置として使用することができる。
マイクロコントローラが使用される場合、例えば、バスインターフェースを通して、デジタル信号もまた使うことができる。
【００１７】
測定素子は、累積回路として機能することができるので、例えば、測定素子や測定装置の温度の影響のような外乱は、自動的に補正されない。
したがって、測定素子は、直流電圧の負荷をかけることができ、すなわち、分割温度補正として温度を測定する。
測定素子の直流インピーダンスは、オーム抵抗に比例し、このオーム抵抗は、温度の関数である。
したがって、パスセンサの温度補正は、評価電子装置内で実行することができる。
また、温度勾配の影響の補正も、測定素子の累積回路によって実行することができる。
測定素子の片側の温度が別の側の温度と異なっていると、温度勾配が生じる。
温度の分布は、測定素子により調整され、場所により異なる温度誤差が生じる。
多分割されている測定素子全体の直流インピーダンスの測定結果として、（局地的な）直流インピーダンスを任意の位置で蓄積し、温度勾配の影響を測定素子全体にわたって補正することができる。
あるいは、１つの温度センサを基板上に配置することができる。
又は、複数の温度センサを温度補正のために基板の異なる位置上に配置することができる。
【００１８】
パスセンサのための評価電子装置を、測定素子を有する基板上に直接配置することができる。
評価電子装置が裏側、つまり、測定素子から遠ざかる方向を向く基板面に取り付けられている場合、コンパクトな構築形状にすることができる。
あるいは、評価電子装置も、環状の分割基板上に配置することができる。
評価電子装置への測定素子の電気的な連結は、例えば、剛体のコンタクトピンを介してなすことができる。
コンタクトピンは、同時に、機械的な連結、したがって、固定を意味している。
測定素子内の評価電子装置は、本明細書では、コンパクトなユニットを形成し、アクターの内側で自身の物体として組み込まれることができる。
これにより、センサが自身のハウジングを有する必要を省くことができる。
【００１９】
また、測定素子内の評価電子装置間の電気的な連結、及び／又は、測定素子への供給電圧の供給は、可撓性の導体を介して行うことができる。
リジッドフレキシブル連結は、可撓性の導体が基板に埋め込まれている際に、特に利点がある。
したがって、例えば、挿入状態での強い衝撃や振動による力により、適用先での機械的な分離が発生する可能性がある。
測定装置や測定素子は、衝撃や振動の力により測定位置で分離する一方で、本実施形態の評価電子装置は、構造要素上での力がかからなかったり、又は、低かったりする領域に配置することができる。
測定装置及び／又は測定素子は、プリント導電トラック又は電極面のみを含むことができるため、装置は、そのような力に極端に鈍感である。
評価電子装置が基板の裏側に配置されている場合、例えば、可撓性の導体、コンタクトピン、ケーブルまたは他の電気接続により、供給電圧の供給及びセンサ信号の除去もまた可能である。
【００２０】
測定装置及び／又は測定素子は、測定対象物に対して連結されるように配置されている。
測定対象物は、電気的に誘導性があり、ふれ／位置／距離が測定される移動物体（例えば、アクターや位置決め素子）の統合物であることができる。
しかし、それは、測定の目的で、移動物体に取り付けることができる。
パスセンサへの測定対象物の距離が変化する場合、測定素子の誘導率と容量は、変化する。
誘導率又は容量の変化は、評価電子装置内で、移動物体のふれ／位置／距離に比例するアナログ又はデジタル信号に変換することができる。
具体的には、測定素子は、測定対象物と反対側の共通面に配置することができ、測定対象物のふれ／シフト／位置は、測定素子の表面に実質的に垂直に方向付けられる動作方向において測定することができる。
【００２１】
アクター内の測定素子の配置は、測定素子が位置決め素子の周囲に同心円状に配置されている場合に、実現される。
加えて、測定素子を有する基板は、例えば、アクターや位置決め素子のような可動物体の通路を有していると考えられる。
特に、基板は、環状に構築することができ、及び／又は、測定素子は、共通測定軸に対して（軸方向に）測定対象物の動作／位置／ふれの全てを検出することができる。
この場合、測定軸の空間的な中央位置は、位置決め素子の動作軸の中央と合致する。
例えば、測定素子は、シリンダのピストン、針、マイクロバルブの軸、回転軸、又は空気の作用により位置が変化するロッドである。
通路の、及び、位置決め素子の、周囲に同心円状に配置されている場合、利用可能な構築空間は、最適に実用化することができる。
本明細書において、測定素子が湾曲形状を有している必要はない。
測定素子の形状は、位置決め素子の、及び／又は位置決め素子上に配置されている電気誘導性の測定対象物の、幾何学形状に適合する。
例えば、測定素子は、円、楕円、又は、特に三角形若しくは長方形の、多角形の区分の形の、丸い幾何学形状を有することができる。
（部分）コイルの場合、特定の基本的な誘導性のみは、得られなければならない。
【００２２】
特に好ましい組立状態は、センサ及び／又は基板は、弾力性のある部品により、アクターハウジングの固定された構造部品、例えば、確実な止め部として機能する陵線に対して押し付けられている状態である。
これは、温度が変化する状況において、特に有利である。
アクターすなわちセンサユニット内の異なる材料がそれぞれ膨張する場合、機械的な力が発生し、センサ又はアクターを損傷するか、又は、間違った測定値を導く。
これは、弾力性のある組立状態により減少又は排除される。
測定素子を有している基板は、アクターに対して、したがって、測定対象物に対して、常に確実に一定の位置にある。
湾曲した基板の場合、弾力性のある部品は、例えば、板バネや波型座金として設計することができる。
しかし、他の弾力性のある（弾性の）部品、例えば、ポリマーやプラスチックなどでさえも、使用することができる。
３点支持が、機械的に過剰拘束された系を避けることができる。
【００２３】
基本的な問題は、請求項１５のセンサにより、さらに解決される。
このセンサは、測定装置が、互いに空間的に分かれている少なくとも２つの測定素子により形成されていることを特徴とする。
【００２４】
繰り返しを避けるため、本発明の装置と、及びこの装置で実現されるセンサの装置と、に関する上述の記述に対する参照は、本発明のセンサの設計に対してなされる。
請求項１の発明の装置内に形成されるセンサの構造上の特徴は、請求項１５の発明のセンサによって実現し、このセンサも上述の利点を有することができる。
【００２５】
本発明の設計及びさらなる開発について、様々な可能性がある。
この点において、一方では、請求項１の従属請求項を、他方では、本発明の実施形態の後述の説明を、図面と共に参照されたい。
また、一般的に実施形態は、本発明の実施形態の説明に関連して、図面と共に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】測定対象物の距離及び／又は位置を非接触式に測定するための従来技術からの既知の装置を示す。
【図２】本発明のセンサを含む本発明の装置の実施形態の断面側面図を示す。
【図３】本発明のセンサの測定装置の２つの実施形態の概略図を示す。
【図４ａ】本発明のセンサの置換回路図の実施形態の概略図を示す。
【図４ｂ】本発明のセンサの置換回路図の別の実施形態の概略図を示す。
【図５】本発明のセンサの別の実施形態の断面側面図を示す。
【図６】本発明のセンサの別の実施形態の断面側面図を示す。
【図７】本発明の装置の別の実施形態における非組立状態及び組立状態の断面側面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
図１は、測定対象物１の距離及び／又は位置を非接触式に測定するための従来技術からの既知の装置を示す。
測定対象物１は、電気誘導性材料から製造され、位置決め素子２、例えば、バルブロッド、上に配置されている。
したがって、位置決め素子２と、測定対象物１は、図中の矢印に沿って動くことができる。
センサ３は、位置決め素子２の横に提供され、非接触式に測定対象物１への距離を測定する。
この目的で、センサ３は、測定装置４及び／又はコイルとして構築された測定素子５を含んでいる。
【００２８】
図２は、本発明のセンサ３を含む装置の実施形態の断面側面図を示し、測定対象物１は、位置決め素子２上に提供され、軸方向に位置決め素子２と共に移動する。
基板６は、測定対象物１の反対側に配置され、共同で測定装置４を形成する測定素子５、５‘を含んでいる。
測定素子５、５‘は、測定対象物１を向く面に取り付けられている。
測定素子５、５‘は、電気接続７を介して、評価電子装置８に連結されている。
評価電子装置８は、簡略化された図２には示されていない。
【００２９】
図３は、本発明のセンサ３の測定装置４の２つの実施形態の概略図を示す。
測定素子５、５‘、５“は、上面図内に示され、基板６内の通路９の周囲に同心円状に配置され、共同で測定装置４を形成している。
通路９は、位置決め素子２を受け入れる役割を果たしている。
測定素子５、５‘、５“は、誘導式の若しくは渦電流式の（パス）センサの（部分）コイルであることができ、又、容量式の（パス）センサの（部分）電極として構築することができる。
【００３０】
図４ａは、本発明のセンサ３の置換回路図１０の実施形態の概略図を示す。
具体的には、（部分）コイル１１として設計されている渦電流式のセンサの測定素子５の置換回路図１０が示されている。
それらは直列に連結されている、誘導率Ｌ１…Ｌｎのｎ個の（部分）コイルである。
これにより、Ｌ１＋Ｌ２＋…Ｌｎ＝Ｌｇｅｓの合計誘導率が得られる。
【００３１】
図４ｂは、本発明のセンサ３の置換回路図１０の別の実施形態の概略図を示す。
具体的には、容量式センサ３の測定素子５の置換回路図１０が示されている。
これは、並列に連結された容量Ｃ１…Ｃｎのｎ個の（部分）電極１２に関する。
これにより、Ｃ１＋Ｃ２＋…Ｃｎ＝Ｃｇｅｓの合計容量が得られる。
【００３２】
図５は、本発明のセンサ３の別の実施形態の断面側面図を示す。
センサ３は、基板６上に配置されている測定素子５、５‘を含んでおり、評価電子装置８を含んでいる。
評価電子装置８は、分割基板１３上に配置され、コンタクトピン１４により測定素子５、５‘に連結されている。
あるいは、コンタクトピン１４の代わりに、可撓性の導体もまた電気接続としての役割を果たすことができる。
また、評価電子装置８に対する分割基板１３も、位置決め素子２（不図示）が軸方向に通り抜ける通路１５を中央部に含むことができる。
評価電子装置８は、可撓性の導体１６によってアクターの高次の規制に連結されている。
【００３３】
図６は、本発明のセンサ３の別の実施形態の断面側面図を示す。
特に、センサ３は、コンパクトな配置を有している。
測定素子５、５‘と評価電子装置８は、同一の基板６上に配置されている。
測定素子５、５‘は、測定対象物１（不図示）に連結されて上部に配置されている。
一方で、評価電子装置８の部品は、下部に提供されている。
センサ信号の供給電圧は、線１７により、供給及び除去されている。
【００３４】
図７は、本発明の装置の別の実施形態の、非組立状態と組立状態との断面側面図を示す。
上図（組立状態）において、センサ３は、アクターハウジング１９内で波型座金１８によって位置決めされている。
波型座金１８は、基板６を下方から止め部２０（アクターハウジング１９の肩部）に対して押し付けている。
これにより、例えば、温度変化により生じる機械的な力を補正する。
【００３５】
図示のセンサ３は、請求項１から請求項１４の発明の装置の一部である。
【００３６】
繰り返しを避けるため、本明細書及び添付の請求項は、本発明の装置及びセンサの他の実施形態に対して参照される。
最後に、本発明の装置及び本発明のセンサの、前述の実施形態は、請求された教示を説明する機能のみを果たし、実施形態に限定されない。
【符号の説明】
【００３７】
１  ・・・測定対象物
２  ・・・位置決め素子
３  ・・・センサ
４  ・・・測定装置
５、５‘、５“  ・・・測定素子
６  ・・・基板
７  ・・・電気接続
８  ・・・評価電子装置
９  ・・・通路
１０  ・・・置換回路図
１１  ・・・（部分）コイル
１２  ・・・（部分）電極
１３  ・・・分割基板
１４  ・・・コンタクトピン
１５  ・・・通路
１６  ・・・可撓性の導体
１７  ・・・ライン
１８  ・・・波型座金
１９  ・・・アクターハウジング
２０  ・・・止め部
【図１】
0006625205.tif 000002
【図２】
0006625205.tif 000003
【図３】
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【図４ａ】
0006625205.tif 000005
【図４ｂ】
0006625205.tif 000006
【図５】
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【図６】
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【図７】
0006625205.tif 000009