(57)【要約】      （修正有）【課題】インダクタンス式の変位センサにおいて、２周波発振回路を用いて、温度の影響が補正された可動コアの変位量を測定する手段を提供する。【解決手段】発振回路として、電界効果トランジスタを増幅素子とするゲート同調型ＬＣ発振回路を用い、この増幅素子のゲート電圧の変化によるドレイン電流の急減に伴って発生する過渡応答振動を該発振回路の主振動に重畳させて、この主振動の周波数と前記過渡応答振動の周波数をそれぞれに測定し、両周波数の測定値から温度の影響が較正されたコアの変位量を求める変位計測方法。また、この方法を実施するに適した機能を有する変位計測装置。【選択図】図１
2007232391.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可動コアの変位によりインダクタンスが変化するコイルを備えた発振回路を用い、前記コアの変位による発振周波数の変化から変位量を求める変位測定において、前記発振回路として、電界効果トランジスタ又はバイポーラトランジスタを増幅素子とするゲート同調型又はベース同調型ＬＣ発振回路を用い、この増幅素子のゲート電圧又はベース電圧の変化によるドレイン電流又はコレクタ電流の急減に伴って発生する過渡応答振動を該発振回路の主振動に重畳させて、この主振動の周波数と前記過渡応答振動の周波数をそれぞれに測定し、両周波数の測定値から温度の影響を較正したコアの変位量を求めることを特徴とする変位計測方法。
【請求項２】
前記LC発振回路のドレイン側コイルに並列に、同調用コンデンサが配されていることを特徴とする請求項１に記載の変位計測方法。
【請求項３】
下記(7)式で定義される前記過渡応答振動のQ値が同式の関係を満たすように、前記発振回路が構成されていることを特徴とする請求項２又は３に記載の変位計測方法。
Q = ωHL/R ≧ (π/2)(fH/fL)             ……(7)
ここで、ωH：過渡応答振動の角速度
L：ドレイン側コイルのインダクタンス
R：ドレイン側コイルの損失を表わす等価直列抵抗
fL，fH：主振動及び過渡応答振動の周波数
【請求項４】
可動コアの変位によりインダクタンスが変化するコイルを備えた発振回路を用い、前記コアの変位による発振周波数の変化から変位量を求める計測装置であって、
前記発振回路として、電界効果トランジスタ又はバイポーラトランジスタを増幅素子とするゲート同調型又はベース同調型LC発振回路を用い、
該発振回路の主振動の周波数、及び前記増幅素子のゲート電圧又はベース電圧の変化によるドレイン電流又はコレクタ電流の急減に伴って発生する過渡応答振動の周波数をそれぞれ測定する手段と、
この両周波数の測定値から温度の影響を較正したコアの変位量を演算する手段を備えたことを特徴とする変位計測装置。
【請求項５】
前記LC発振回路のドレイン側コイルに並列に、同調用コンデンサを配したことを特徴とする請求項４に記載の変位計測装置。
【請求項６】
前記(7)式で定義される前記過渡応答振動のQ値が同式の関係を満たすように、前記発振回路が構成されていることを特徴とする請求項４又は５に記載の変位計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は変位測定に関し、とくに可動コアの変位によりインダクタンスが変化するコイルを備えた発振回路の発振周波数の変化から変位量を求める変位測定において、周波数変化の温度依存性を補正して、真のコアの変位量を求めることのできる変位計測方法及び計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
変位(位置)センサには、種々の形式のものがあり、きわめて広範な用途に用いられている。その中でも、測定対象物と連動する可動コアを配したコイルの、インダクタンスの変化により変位を計測するインダクタンス式の変位センサが広く用いられている。このインダクタンス式の変位センサは、比較的構造が簡単で小型であり、変位をリアルタイムで電気信号として取り出せることから、監視用計器、例えば液体、粉体、固体(用紙など)の残量の監視や、可動部材の位置の監視などの計器として用いられることが多い。
【０００３】
インダクタンス式の変位センサの代表的なものとして、差動トランス型のものがあげられる。これは、逆接続された一組の２次コイルに誘起される電圧の変化からコアの変位を計測するものであるが、この他にも、可動コアを持つ1個のコイルで発振回路を構成し、コイルのインダクタンスの変化による発振周波数の変化を検知する方式のものも実際に使用されている。この原理を応用した例として、変位検出器(下記特許文献)、気圧計(特許文献２)、エアバッグ装置(特許文献３など)、厚み検知装置(特許文献４など)などが提案されている。
【特許文献１】特開平０５−４０００２号公報
【特許文献２】特開平０５−３２２６８２号公報
【特許文献３】特開平０９−５８４４００号公報
【特許文献４】特開２０００−１４６５１０号公報
【特許文献５】特開平０９−２１６０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
インダクタンス式の変位センサの問題点は、発振周波数がコアの位置のみならず、発振回路を構成する各部品の温度によっても変化することである。したがって、温度変化の大きい環境で使用すれば、検出された変位量の誤差が大きくなることが問題となる。とくに前述のように、インダクタンス式の変位センサを監視計器として使用する場合は、計器が取り付けられる現場の環境はきわめて多様で、温度の変動幅も大きくなることが予想される。例えば-10〜60℃というような幅広い温度範囲で、使用可能なことを要求される場合が少なくない。
【０００５】
従来から、インダクタンス式の変位センサの温度変化による測定誤差を低減する手段については、種々の検討がなされてきた。例えば、上記特許文献５では、測定コイルに接近して、感温抵抗素子を配置し、その抵抗変化によって測定コイルの検出出力の温度補償を行なう方法が提案されている。しかし、測定コイルと感温抵抗素子の温度が一致するという条件を確保することは必ずしも容易でなく、とくに変位量が大きい場合には、測定コイルが長尺になり、測定コイルと感温抵抗素子の温度不一致が生じ易いという問題がある。
【０００６】
また、測定コイルの温度を実測して、温度補償を行なうという方法も考えられなくはないが、装置が複雑・高価となるばかりでなく、どこの温度を測定したら正確な温度補償が可能か分からないという問題もある。
【０００７】
そこで本発明は、インダクタンス式の変位センサにおいて、温度依存性の異なる二つの発振を生じさせ、この２周波の周波数を測定することにより、温度依存性の影響が補正された可動コアの変位量の測定を可能にする手段を提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するための本発明の変位計測方法は、可動コアの変位によりインダクタンスが変化するコイルを備えた発振回路を用い、前記コアの変位による発振周波数の変化から変位量を求める変位測定において、前記発振回路として、電界効果トランジスタ又はバイポーラトランジスタを増幅素子とするゲート同調型又はベース同調型LC発振回路を用い、この増幅素子のゲート電圧又はベース電圧の変化によるドレイン電流又はコレクタ電流の急減に伴って発生する過渡応答振動を該発振回路の主振動に重畳させて、この主振動の周波数と前記過渡応答振動の周波数をそれぞれに測定し、両周波数の測定値から、温度の影響を較正した(温度依存性が補正された)コアの変位量を求めることを特徴とするものである。
【０００９】
上記の発振回路では、ゲート電圧又はベース電圧の周期的変動に伴って、ドレイン電流又はコレクタ電流が急減する際に、主振動より周波数の高い過渡応答振動が発生する。このような２周波発振回路における、主振動および過渡応答振動の周波数は、ともに可動コアの位置d及び温度Tに依存し、その依存の仕方は、両振動で互に相違する。したがって、低周波の主振動の周波数fL(d,t)および高周波の過渡応答振動の周波数fH(d,t)のd及びTへの依存性を予め把握しておけば、fLと,fHを同時に測定する一回の測定で、その時の可動コアの位置d及び温度Tを特定することができる。すなわち、本発明の方法によれば、インダクション方式の変位測定において、温度の影響が較正された真のコア位置に関する情報を、直接的に得ることができる。
【００１０】
上記の変位計測方法においては、前記LC発振回路のドレイン側コイルに並列に、前記過渡応答振動の周期を決定するための同調用コンデンサが配されていることが好ましい。
これにより、前記の過渡応答振動の周波数の安定化を図ることができ、その周波数の測定が容易になる。
【００１１】
また、この変位計測方法においては、下記(7)式で定義される前記過渡応答振動のQ値が同式の関係を満たすように、前記発振回路が構成されていることが好ましい。
【００１２】
Q = ωHL/R ≧ (π/2)(fH/fL)             ……(7)
ここで、ωH：過渡応答振動の角速度
L：ドレイン側コイルのインダクタンス
R：ドレイン側コイルの損失を表わす等価直列抵抗
fL,fH：主振動及び過渡応答振動の周波数
これにより、過渡応答振動の減衰が小さくなり、その周波数を確実に計測し得る程度に振動を持続させることができ、その周波数の測定が容易になる。
【００１３】
本発明の変位計測装置は、可動コアの変位によりインダクタンスが変化するコイルを備えた発振回路を用い、前記コアの変位による発振周波数の変化から変位量を求める計測装置であって、前記発振回路として、電界効果トランジスタ又はバイポーラトランジスタを増幅素子とするゲート同調型又はベース同調型LC発振回路を用い、該発振回路の主振動の周波数、及び前記増幅素子のゲート電圧又はベース電圧の変化によるドレイン電流又はコレクタ電流の急減に伴って発生する過渡応答振動の周波数をそれぞれ測定する手段と、この両周波数の測定値から、温度の影響を較正した(温度依存性が補正された)コアの変位量を演算する手段を備えたことを特徴とするものである。
【００１４】
この装置においては、前記LC発振回路のドレイン側コイルに並列に、前記過渡応答振動の周期を決定するための同調用コンデンサが配されていることが好ましい。
【００１５】
また、この装置においては、前記(7)式で定義される前記過渡応答振動のQ値が同式の関係を満たすように、前記発振回路が構成されていることが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明により、インダクタンス式の変位センサにおいて、温度依存性の異なる二つの発振を生じさせ、この２周波の周波数を測定することにより、温度の影響が較正された可動コアの変位量を測定することが可能になった。本発明によれば、温度を計測したり、感温抵抗素子等を用いたりすることなく、温度の影響を受けない変位計測をすることができる。そのため、簡単な装置構成で、精度の高い変位計測を行なうことが可能になった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図１は、本発明に用いられる２周波発振回路の構成例を示す図である。この発振回路は、可動コア1と増幅素子2と共振回路3を備えている。可動コア1は磁性体からなり、測定対象物(図示していない)と連動して変位する。増幅素子2には、電界効果トランジスタ(FET)が用いられている。共振回路3は一対のコイルL1,L2とコンデンサC1から構成されている。コイルL1,L2は、可動コア1を中心にして同軸に配され、相互インダクタンスMで結合されている。コイルL2はFETのゲート側4に接続され、コイルL2はFETのドレイン側5に接続されている。コンデンサC1は、この発振回路の主発振の同調用コンデンサで、コイルL1と並列に、FETのゲート側4に接続されている。すなわち、この発振回路は、増幅素子2、コイルL1,L2及びコンデンサC1から構成された、ゲート同調型LC発振回路である。
【００１８】
なお、図１において、Vcc6はFETの電源である。また、抵抗R1,R2は、ゲートバイアス電圧を供給するためのもので、FETを動作させるために不可欠の要素である。一方、抵抗R3及びコンデンサC3,C4は、発振回路の振動が電源電圧に影響を及ぼすことを避けるためのバッファ又はフィルタ−として機能するもので、本発明の本質的な(必須の)構成要素ではない。
【００１９】
この発振回路では、ゲート電圧の周期的変動に伴って、ドレイン電流が急減する際に、主振動より周波数の高い過渡応答振動が発生する。図２は、この発振回路のFETのドレイン電圧の波形を模式的に示した図である。図において、TLはゲート電圧の振動の1周期に対応する。ゲート電圧の変動が正弦波状であっても、ドレイン電流の波形には増幅素子の特性に応じて歪が生ずるが、P点付近でドレイン電流が急減するため、過渡応答振動が発生する。通常の発振回路においては、かかる過渡応答振動(副次振動)を抑制するように回路設計がなされるが、本発明は、この過渡応答振動を積極的に発生させ、これを利用して変位測定を行なうものである。
かかる過渡応答振動の周期を調整し、その周波数を決定するためには、ドレイン側に接続されたコイルL2と並列に、過渡応答振動の同調用のコンデンサC2を配することが好ましい。
【００２０】
図３は、本発明における測定原理の説明図である。本発明者らの知見によれば。上記のような２周波発振回路における、主振動および過渡応答振動の周波数は、ともに可動コアの位置及び温度に依存し、その依存の仕方は、両振動で互に相違する。
【００２１】
すなわち、図３に模式的に示すように、可動コアの位置(基準点からの距離d)とコイルの温度Tとを変数としたd-T平面上に、低周波の主振動の等周波数線(fL1,fL2,fL3,……)、及び高周波の過渡応答振動の等周波数線(fH1,fH2,fH3,……)を、予め描いておく。実際に測定された二つの周波数のセット(fL,fH)から、d-T平面でこの周波数の組合せが得られる(d,t)の値(d-T平面上での座標)を一義的に定めることができる。
【００２２】
このようにして得られたdの値は、温度Tの影響が較正された真の変位の情報とみなすことができる。また、一連の測定中の温度変動が小さい場合は、一旦二つの周波数の測定結果から、その時の温度Tの情報を得れば、後はその温度Tを固定して、いずれか一方の周波数の測定値から、正しい変位dの情報を得ることができる。
【００２３】
実測された二つの周波数のセット(fL,fH)から、その時の(d,t)の組合せの値を求める演算は、前述の等周波数線(fL1,fL2,fL3,……)及び高(fH1,fH2,fH3,……)のデータが得られていれば、さほど手間のかかる計算ではない。
しかし、後記の実施例で示すように、fL及びfHがコア位置dの一次式で近似し得る場合がある。
【００２４】
すなわち、fLとfHが下式で表される。
fL = mLd+fL0
fH = mHd+fH0 ……(1)
ここで、mL,mH：fL,fHのd座標軸に対する直線の傾き
fL0,fH0：d=0におけるfL,fHの値(縦軸の切片)
である。
【００２５】
この関係から、下式が得られる。
d = (fL-fLO)/mL = (fH-fHO)/mH ……(2)
各温度でのmL,mHとfLO,fHOの値が得られていれば、上記の関係が成り立つ温度を試行計算より求めることができる。その温度での(mL,fLO)又は(mH,fHO)から、dの値を計算することができ、計算の手間が大幅に軽減される。
【００２６】
さらに、mL,mH及びfLO,fHOが下記のように、温度の一次式で記述できる場合がある。
mL=ａmL(t-TO)+mLO
mH=ａmH(t-TO)+mHO
fLO=ａfL(t-TO)+fLOO
fHO=ａfH(t-TO)+fHOO
詳細は省略するが、この場合dは解析的に求めることができ、ａmL,ａmH,mLO,mHO
,ａfL,ａfH,fLOO,fHOOの関数として計算することができる。
【００２７】
本発明においては、前述の過渡応答振動は、その周波数又は周期を確実に測定できる程度に安定に継続するものでなければならない。そのために必要な条件を検討した結果について、以下に説明する。
LCR直列共振回路において、回路の過渡電流iは下式を満足する。
Ldi/dt+Ri+∫idt=0 ……(3)
【００２８】
初期条件をi=IOとして、上式の解を求める。
いま、vc=(1/C)∫idtに置き換えると、(3)式は下式にように書き直され、
LCd2vc/dt2+Rdvc/dt+vc=0  ……(4)
その解は、下記(5)式の形になる。
vc=A・ept
p=-R-2L±{(R/2L)2-1/LC}1/2 ……(5)
この解が振動的であるためには、下式の関係を満たすことが必要である。
(R/2L)2-1/LC<0
【００２９】
いま、p=-α±jωとおけば、vc及びiはそれぞれ下式で表される。
vc=(A1ejωt+Ａ2e-jωt)e-αt
i=Ｃdvc/dt=jωC(A1ejωt-A2e-jωt)e-αt+αC(A1ejωt+A2e-jωt)e-αt
初期条件から、t=0においては、
IO=jωC(A1-A2)+αC(A1+A2)
である。
【００３０】
これから、A1-A2=0,A1+A2=IO/αC
すなわち、A1=A2=IO/2αCとなり、
i=IO/2α｛jω(ejωt-e-jωt)+α(ejωt+e-jωt)｝e-αt
=-IO/α(ωsinωt+αcosωt)e-αt ……(6)
となる。
【００３１】
(4)式において、振動の減衰を表す項はe-αtである。低周波の主振動(周波数fL)の周期TL=1/fLの半分の期間での高周波の過渡応答振動の減衰率は
e-αt=eαTL/2=e-α/2fL ……(7)
【００３２】
α=R/2Lの関係を代入して、(7)式のeのべき数を書き直すと
-α/2fL=-(R/2L)(1/2fL)(fH/fH)
=-(fH/fL)(2πR/4ωHL) ……(8)
【００３３】
さらに、共振回路の減衰率の指標であるQ値(Q=ωHL/R)を用いて書き直すと、(7)式は、
e-αt=e-(fL/fH)(π/2Q)
となる。これがe-1程度以上残留しているためには、Qは下式の関係を満たす必要がある。
Q = ωHL/R ≧ (π/2)(fH/fL) ……(9)
過渡応答振動の周波数が主振動の周波数の10倍、すなわちfH/fL=10程度であれば、Q値は16程度以上であることが必要である。
【００３４】
本発明において、主振動の周波数fLはとくに限定を要しないが、通常は10〜100kHz程度とする。また、過渡応答振動の周波数fHは、fLの10倍程度以上(又は、100〜1000kHz程度)にすればよい。
【００３５】
また、図１の例では、発振回路の増幅素子として、FETを用いているが、これがバイポーラトランジスタであっても、過渡応答振動を発生させるような特性を有するものであればよい。すなわち、ベース電位の周期的変動により、コレクタ電流が急減して、過渡応答振動を生じるようなトランジスタを増幅素子としたベース同調型LC発振回路を構成すれば、本発明の目的を達成することができる。
【実施例】
【００３６】
図４に示す２周波発振回路を作製し、可動コアの変位と温度変化による低周波及び高周波振動の周波数を調べた。この発振回路のFETには2SK1771(東芝製)を用いた。回路の各構成要素のL,C,Rの値は図内に示す通りである。この発振回路と図１の回路の主な相違点は、図１の回路におけるドレイン側のコンデンサC2が、図４には無いことであるが、このコンデンサが無くとも、過渡応答振動は十分周波数測定が可能な程度に、安定に発生した。図５に、この発振回路のドレイン電流を記録したオシロスコープの波形の例を示す。本実施例においては、低周波及び高周波の振動の周波数は、このオシロスコープの波形をコンピュータでデータ処理することにより求めた。
【００３７】
周波数の測定は、可動コアの位置と回路の周囲温度を変えて行った。コアの位置は、基準位置を変位0として、0〜4mmの範囲で測定した。周囲温度の変更は、冷凍庫を用いて行った。なお、本実施例では、温度が0℃以上では、過渡応答振動がその周波数fHを確実に計測し得る程度に安定して発生しなかったため、温度は-1〜-15℃の範囲で変えて測定した。このように、0℃以上で過渡応答振動が不安定であった理由は、過渡応答振動を決定しているキャパシタンス分の損失増加によると考えられる。この問題は、発振回路の構成を適正にすること、例えば図１のC4に損失の少ないコンデンサを用い、またドレイン側のコイルL2に並列に損失の少ないコンデンサ(図１のC2)を入れること等により、容易に解決する問題である。
【００３８】
測定結果から得られた低周波の主振動の周波数fLとコア位置dとの関係を図６に、高周波の過渡応答振動の周波数fHとdとの関係を図７に示す。図６,７に見られるように、fLはコア位置dと温度Tの双方に依存しているが、fHは、dには依存せず、温度Tにのみ依存している。fLとfHのいずれも、前出の(1)式で示すように、コア位置dの一次式で近似することができるが、高周波振動のfHでは、勾配mH=0である。図６と図７から求めた、fLとfHの横軸dに対する傾きmL,mHと縦軸の切片fL０,fH０の値を表１に示す。
【表１】
2007232391.tif 000003
実測されたfL又はfHと表１の数値を用いて、前記(2)式により計算したdの値dcalcと実際のdとの差(算出誤差Δd=dcalc-d)を求めた結果を表２に示す。この結果から、本発明の方法により、温度如何にかかわらず、正しい(温度の影響が補正された)コアの位置を計測できることが確かめられた。また、表２より、測定されたdの値dcalcの誤差は、-15℃〜0℃において、最大誤差で-0.18mm、平均誤差で0.069mm,誤差の標準偏差は0.05mmであることが知れた。計算方法を改善することにより、この誤差の値をさらに小さくすることも可能である。
【表２】
2007232391.tif 000004
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明に用いられる２周波発振回路の構成例を示す図である。
【図２】２周波発振回路のFETのドレイン電流の波形を模式的に示した図である。
【図３】本発明における測定原理の説明図である。
【図４】本実施例で用いた２周波発振回路の構成を示す図である。
【図５】本実施例の発振回路でドレイン電流を記録したオシロスコープの波形の例を示す図である。
【図６】本実施例における低周波の主振動の周波数fLとコア位置dとの関係の例を示す図である。
【図７】本実施例における高周波の過渡応答振動の周波数fLとコア位置dとの関係の例を示す図である。
【符号の説明】
【００４０】
１：可動コア
２：増幅素子
３：共振回路
４：FETのゲート側
５：FETのドレイン側
６：FETの電源
L1,L2：コイル
C1,C2,C3,C4：キャパシタ
R1,R2,R3：抵抗
【図１】
2007232391.tif 000005
【図２】
2007232391.tif 000006
【図３】
2007232391.tif 000007
【図４】
2007232391.tif 000008
【図５】
2007232391.tif 000009
【図６】
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【図７】
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