(57)【要約】【課題】本発明は、スパイラルインダクタ間に発生する相互インダクタンスの変動や、スパイラルインダクタンスの金属や比透磁率が１とは大きく違う物質を利用した自己インダクタンスの変動を利用した、交角や回転角度，位置、速度、加速度、傾き、振動などの計測を行う装置に対する、ノイズに強い測定手法を提供する。【解決手段】本発明は、前記スパイラルインダクタを含めて構築された発振器を用いて、相互インダクタンスの変動や自己インダクタンスの変動を発振周波数の変動として検出するため、ノイズに強く、センサー部から測定部までの距離がある程度離れていても問題なく安易に安価に測定できるシステムを構築する。【選択図】図１
2013076672.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スパイラルインダクタとキャパシタ、トランジスタ、及び抵抗を有する発振器を利用した角度・振動・位置・傾き・速度・または加速度の計測装置。
【請求項２】
前記スパイラルインダクタを複数とキャパシタ、トランジスタ、及び抵抗を用いて発振器を構成し、スパイラルインダクタ間の相互インダクタンスの変動を発振周波数の変動によって計測する装置。
【請求項３】
前記スパイラルインダクタを複数とキャパシタ、トランジスタ、及び抵抗を用いて発振器を構成し、スパイラルインダクタ間の相互インダクタンスの変動を発振周波数の変動によって交角や交角の変動を計測する計測装置。
【請求項４】
前記スパイラルインダクタを複数とキャパシタ、トランジスタ、及び抵抗を用いて発振器を構成し、スパイラルインダクタ間の相互インダクタンスの変動を発振周波数の変動によって回転角度や回転角度の変動を計測する計測装置。
【請求項５】
前記スパイラルインダクタを複数とキャパシタ、トランジスタ、及び抵抗を用いて発振器を構成し、スパイラルインダクタ間の相互インダクタンスの変動を発振周波数の変動によって一方のスパイラルインダクタに対して他方のスパイラルインダクタの位置の変化を利用した位置・傾き・振動・加速度を計測する計測装置。
【請求項６】
前記スパイラルインダクタ間に比透磁率が１ではない物体や導体である金属を挟んだ物と、キャパシタ、トランジスタ、及び抵抗を用いて発振器を構成し、スパイラルインダクタ間の相互インダクタンスの変動を発振周波数の変動によって、位置・傾き・振動・速度・加速度のいずれかを計測する計測装置。
【請求項７】
前記計測装置において、１つのスパイラルインダクタと比透磁率が１ではない物体か導体である金属を用いて、スパイラルインダクタに対する物体の位置の動きにより、自己インダクタンスの大きさを変動させ、周波数を変化させ、交角、回転角度、位置、傾き、振動、速度、加速度のいずれかを計測する計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、１つ、もしくは複数のスパイラルインダクタを用いた発振器を構成し、スパイラルインダクタの自己インダクタンス、またはスパイラルインダクタ間に発生する相互インダクタンスの変動を発振周波数によって計測することによって、交差する２つの物体間の交角や、回転する物体の回転角度、物体の位置や速度、加速度、傾き、振動の度合いなどを計測する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近代になり、遠隔操作や自動操作が進み、セキュリティ面では扉の開閉の監視が重要になり、工場などにおいてはロボットアームなどの精密な制御が必要となってきている。以上のような人間が近づくことが可能な場所に対する扉の開閉や、ネジのゆるみ、ロボットアームなどの関節部の制御は、目視による修正も可能な場合も多いが、人間が2度と近づくことが不可能なような場所、例えば、宇宙船などの遠隔操作における扉の開閉やロボットアームの制御などにおいて、どの程度開閉したか、また、アームなどがどの程度回転したか、どの程度の速度で動いたかなどを人間に頼ることなく正確に計測し知ることは非常に重要である。
【０００３】
簡単で単価も安く交角や回転角度の計測を行う手法として、スパイラルインダクタなどのインダクタを複数用いて計測するシステムが開発されつつあるが、これらのシステムは、1次側から２次側に電圧が伝わる電圧の伝送効率などを利用した手法であり、計測場所から計測器までの距離が長いと、外部からのノイズにも弱いため、それぞれの計測場所に対して最適化を行う必要があり、運用をしていくことが難しい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特願2010-194144
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】森下慎哉・山内将行著、「プリンテッド・スパイラル・インダクタを用いた開口角度の計測に関する研究」、電子情報通信学会2011年総合大会、 Ａ−２−２０、 ２０１１年２月２８日発行、ｐ．５９
【非特許文献２】吉松和久・国広崇・南口達也・山内将行著、「スパイラルインダクタ間の相互インダクタンスを利用した動き検出の実験に関する考察」  ２００８年電子情報通信学会総合大会、  Ａ−１−２、２００８年3月５日発行、ｐ．２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来の、スパイラルインダクタ間に発生する相互インダクタンスを利用した交角計測システムや回転角度計測システムでは、特許文献１や非特許文献１に記載されているような一方のスパイラルインダクタから、もう一方のスパイラルインダクタへ電圧が伝わる効率を利用した方式などがあるが、これらの方式では外部からのノイズの影響を大きく受けやすく、最適化の必要もあり、離れた地点からの計測に向いているとは言えない。このため、計測部を統一し、複数個所センサーを設置して計測を行うには、個別の調整を要し、運用が難しいと言える。
【０００７】
また、非特許文献２に記載されているのと同じような技術であり、前記交角計測システムや回転角度計測システムの応用である、重ねられたスパイラルインダクタにおいて、一方のスパイラルインダクタを水平に動かすことや、2枚のスパイラルインダクタの間に、金属や透磁率の違う物体を挟み、挟んだ物体を動かすことにより実現可能な位置・振動・加速度・速度・傾きなどの計測装置においても、電圧や電力の伝送効率を用いる手法では設置環境やノイズに弱く、運用が難しい。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記問題を解決するために、本発明は、交角測定においては図1のように交わった部材１２と部材１３にそれぞれ設置できる基体１６と基体１７上に形成された、もしくは、部材１２と部材１３に直接形成された、円形・方形・多角形・歪んだ卵型などを基本とした形状で渦巻状に銅などの導体を配置した素子である第１のスパイラルインダクタ（例えばスパイラルインダクタ１４）と、第２のスパイラルインダクタ（例えばスパイラルインダクタ１５）を有し、部材１２と部材１３の間の交わった所を中心に交角が変わり、部材１２か部材１３、もしくは両方が動くのに伴ってスパイラルインダクタ１４とスパイラルインダクタ１５の間の距離や重なり具合、交角などが変化し、それに伴うスパイラルインダクタ１４とスパイラルインダクタ１５の間の相互インダクタンスの変化を検出できる手段を備えることを特徴とした交角計測システムに対して、例えばスパイラルインダクタ１５にキャパシタ１８を並列に接続し、スパイラルインダクタ１４・１５、及びキャパシタ１８を用いた発振器１９を作成してスパイラルインダクタ１４とスパイラルインダクタ１５の間の相互インダクタンスの大きさの変化により周波数を変調させて、交角、または交角の変動を計測することを特徴とする。スパイラルインダクタ１４と１５は、通電しないように間をわずかにあけるか、絶縁体を挟む形で装置は構築される。
【０００９】
上記問題を解決するために、本発明は、回転角度測定に対しても、図２のように部材２０と部材２１にそれぞれ設置できる基体上、もしくは部材２０と部材２１に直接形成された、円形・方形・多角形・扇形・卵型などのきれいな形状やそれらを歪ませた形状を基本とした渦巻状に銅などの導体を配置した素子である第１のスパイラルインダクタ（例えばスパイラルインダクタ１４）と、第２のスパイラルインダクタ（例えばスパイラルインダクタ１５）を有し、部材２０と部材２１の間の回転角度が変化し、それに伴うスパイラルインダクタ１４とスパイラルインダクタ１５の間の相互インダクタンスの変化を検出できる手段を備えることを特徴とした回転角度計測システムに対して、例えばスパイラルインダクタ１５にキャパシタ１８を並行に接続し、スパイラルインダクタ１４・１５、及びキャパシタ１８を用いた発振器１９を作成してスパイラルインダクタ１４とスパイラルインダクタ１５の間の相互インダクタンスの大きさの変化により周波数を変調させて回転角度、または回転角度の変動を計測することを特徴とする。スパイラルインダクタ１４と１５は、通電しないように間をわずかにあけるか、絶縁体を挟む形で装置は構築される。
【００１０】
上記問題を解決するために、前記交角測定システムや回転角度測定システムと同様に、図３のようなシステムを構築する。通電しないように間に絶縁体を挟むか、またはわずかな隙間を有するように重ねあわせて設置される、基体１６上に構築されたスパイラルインダクタ１４と基体１７上に構築されたスパイラルインダクタ１５と、キャパシタ１８、及びキャパシタ・抵抗を含んだ発振器１９を構築し、基体１７とキャパシタ１８、すなわち、スパイラルインダクタ１５とキャパシタ１８が同時に左右、もしくは前後に動くことにより、スパイラルインダクタ１４とスパイラルインダクタ１５間の相互インダクタンスが変動し、それによって発振器１９の発振周波数が変化する。この発振周波数の変化を計測する手段を有し、基体１７の基体１６に対する位置を逆算できる手段を有することを特徴とする。スパイラルインダクタ１４と１５の形状は円形・方形・多角形・扇形・卵型などのきれいな整った形状やそれらを歪ませた形状を基本とした渦巻状に銅などの導体を配置した素子であるとする。
【００１１】
上記問題を解決するために、前記手法と同様に、図４のようなシステムを構築する。基体１６上に構築されたスパイラルインダクタ１４と基体１７上に構築されたスパイラルインダクタ１５と、スパイラルインダクタ１４とスパイラルインダクタ１５の間に比透磁率が１とは大きく違う部材２２を挟み、キャパシタ１８、及びキャパシタ・抵抗を含んだ発振器１９を構築し、基体１７とキャパシタ１８、すなわち、スパイラルインダクタ１５とキャパシタ１８が同時に左右、または前後に動く、もしくは、部材２２のみが左右、または前後に動くことにより、スパイラルインダクタ１４とスパイラルインダクタ１５間の相互インダクタンスが変動し、それによって発振器１９の発振周波数が変化する。この発振周波数の変化を計測する手段を有し、基体１７の基体１６に対する位置、もしくは、基体１６に対する部材２２の位置を逆算できる手段を有することを特徴とする。スパイラルインダクタ１４と１５の形状は円形・方形・多角形・扇形・卵型などのきれいな整った形状やそれらを歪ませた形状を基本とした渦巻状に銅などの導体を配置した素子であるとする。部材２２が導体である場合、スパイラルインダクタ１４と１５が、部材２２と通電しないように、間をわずかにあけるか、絶縁体を挟む形で構築される。
【００１２】
これら、発振器を利用した前記計測装置において、スパイラルインダクタ１５に抵抗を接続しても良い。
【００１３】
これら、発振器を利用した前記計測装置において、スパイラルインダクタ１４とスパイラルインダクタ１５を直列、もしくは並列に接続しても良い。
【００１４】
これら、発振器を利用した前記計測装置において、スパイラルインダクタ１５とキャパシタ１８を用いず、比透磁率が大きく１ではない基材をスパイラルインダクタ１５の代わりに設置し、自己インダクタンスの大きさを変動させ、発振周波数から前記角度や速度などを計測しても良い。
【発明の効果】
【００１５】
本発明を用いることにより、複数のスパイラルインダクタを用い、それらの間の相互インダクタンスの変動を利用した、２つの交わった物体間の開閉角度や傾斜角度などの交角や、開閉速度などの交角の変動速度、また、ある物体に対するある物体の回転角度や回転速度、また、位置・速度・加速度・傾き・振動の度合いなどのいずれかを検出する装置の精度を上げるだけでなく、センサー部から測定装置までの距離を伸ばすことが可能となり、結果、１つの計測器が計測するセンサー部の数を増やせるため、より安価で精度の良いシステムの構築が可能となる。
【００１６】
本発明を用いることにより、スパイラルインダクタの上に乗せた比透磁率が大きく１ではない基材の位置の変動により、前記スパイラルインダクタの自己インダクタンスの変動を発振周波数の変化に置きかえ測定することにより、精度を上げられるだけでなく、センサー部から測定装置までの距離を伸ばすことが可能となり、結果、１つの計測器が計測するセンサー部の数を増やせるため、より安価で精度の良いシステムの構築が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明を交角計測装置に着けた場合のブロック図である。
【図２】本発明を回転角度計測装置に着けた場合のブロック図である。
【図３】本発明を位置・速度・加速度・傾き・振動計測装置に着けた場合のブロック図である。
【図４】本発明をスパイラルインダクタ間に比透磁率が大きく１ではない物体をはさんだ形状である、位置・速度・加速度・傾き・振動計測装置に着けた場合のブロック図である。
【図５】円形のスパイラルインダクタの例である。
【図６】本実施例で周波数の変動より交角と回転角度を求める際に用いた、図１〜図４におけるスパイラルインダクタ１４と１５、及びキャパシタ１８を含んだ変形コルピッツ発振器１９に本実施例で用いた測定回路の等価回路３１２を加えた回路図である。
【図７】図６の回路を用いて、交角を１°ごとに変動させた際の発振周波数の実測結果とシミュレーション結果である。
【図８】図６の回路を用いて、回転角度を１°ごとに変動させた際の発振周波数の実測結果である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図１を参照して、第１番目の本実施形態に係る、交角計測システムについて説明する。
【００１９】
図１に示した、本実施形態に係る交角検出システムは、交角を求める対象である部材１２と部材１３を含めたセンサー部１１、接続配線部１１０、および計測部３００から構成され、部材１２と部材１３に設置された、基体１６と基体１７上に形成されたスパイラルインダクタ１４とスパイラルインダクタ１５間に発生する相互インダクタンスの、部材１２と１３の間の交角の変化による変動を検出することにより、交角を求める。
【００２０】
スパイラルインダクタ１４とスパイラルインダクタ１５は、部材１２と１３の交角が０°になった時、きれいに重なるように配置し、部材１２、および部材１３にそれぞれ固定する。また、スパイラルインダクタ１４と１５が部材１２と１３の交角が０°になった時に接触しないように表面を誘電率が低い薄い絶縁体で覆うか、隙間をわずかにあけるようにする。
【００２１】
センサー部１１には、部材１２・１３、スパイラルインダクタ１４・１５、基体１６・１７以外に、発振器を利用してスパイラルインダクタ１４と１５の間に発生する相互インダクタンスを計測するため、発振器の回路を構成する発振器回路１９と、スパイラルインダクタ１５に接続するキャパシタ１８を含む。
【００２２】
計測部３００に含まれる、ユーザーが操作するためのユーザーインターフェースである操作部３１６より、例えば、ユーザーが測定開始のボタンを押すことにより、制御部３１３に計測を行うための信号を送り、これらの信号を受けて制御部３１３が、任意の直流電圧を発生させられる直流電圧印可部３１５から、直流電圧を、接続部３１１、接続端子３０１と３０２、そしてそれらに接続されている接続配線１１１と１１２を介して、スパイラルインダクタ１４に接続された発振器回路１９に供給し、スパイラルインダクタ１４と相互インダクタンスで結合されたスパイラルインダクタ１５とスパイラルインダクタ１５に結合されたキャパシタ１８を用いて発振器回路１９が発振する。
【００２３】
発振器回路１９は、相互インダクタンスの大きさによって発振周波数が変動する発振器である必要があり、例えば、インダクタとキャパシタの共振000を利用した、コルピッツ発振器回路などが望ましく、スパイラルインダクタ１４・１５を利用して発振器回路１９が構築される必要がある。
【００２４】
交角が変動することによって、スパイラルインダクタ１４と１５間の相互インダクタンスが変動するため、この発振周波数も変動する。
【００２５】
この発振周波数を、接続配線１１３を介して周波数計測部３１２で計測する。
【００２６】
制御部３１３において、以上のように計測された周波数から、現在の交角が何度であるか求め、ディスプレイなどのユーザーが確認することができる装置である表示部３１４に示す。
【００２７】
制御部は汎用のコンピュータなどで良く、メモリ上に載ったプログラムに従って動くシステムである。
【００２８】
計測場所が複数であっても、センサー部１１を増やし、１つの計測部３００に接続配線１１０と接続端子を増やして、時分割方式で、各センサー部をセンシングすれば対処が可能であり、また、計測場所とセンサー間の距離があっても、周波数を計測するため、外部からのノイズが少なく、計測が容易いと考えられる。
【００２９】
本実施形態ではスパイラルインダクタ１４・１５を基体１６・１７の上に構成しているが、直接部材１２・１３上に構築しても良い。
【００３０】
また、本実施形態ではスパイラルインダクタを2枚用いた例を示しているが、スパイラルインダクタ１５の代わりに比透磁率が大きく１ではない物体を設置し、交角の変動によりスパイラルインダクタ１４の自己インダクタンスを変動させることにより、計測しても良い。
【００３１】
また、本実施形態ではスパイラルインダクタを2枚用いた例を示しているが、複数枚のスパイラルインダクタ、例えば部材１２上に設置するスパイラルインダクタの数を３枚とし、部材１３に設置するスパイラルインダクタを２枚とし、それらスパイラルインダクタを並列、もしくは直列に接続しても良い。
【００３２】
さらに、上記のようにスパイラルインダクタを複数枚用いた場合でも、それぞれ個別で発振器１９を構築しても良い。
【００３３】
以下、図２を参照して、第２番目の本実施形態に係る、回転角度計測システムについて説明する。
【００３４】
図２に示した、本実施形態に係る回転角度検出システムは、回転角度を求める対象である部材２０と部材２１を含めたセンサー部１１、接続配線部１１０、および計測部３００から構成され、部材２０と部材２１に形成されたスパイラルインダクタ１４とスパイラルインダクタ１５間に発生する相互インダクタンスの、部材２０と２１の間の回転角度の変化による変動を検出することにより、回転角度を求める。
【００３５】
スパイラルインダクタ１４とスパイラルインダクタ１５は、部材２０と２１の回転角度が０°になった時、きれいに重なるように配置することが望ましい。
【００３６】
また、スパイラルインダクタ１４と１５が直接接触しないように表面を誘電率が低い薄い絶縁体で覆うか、隙間をわずかにあけるようにする。
【００３７】
センサー部１１には、部材２０・２１、スパイラルインダクタ１４・１５、スパイラルインダクタ１５に接続するキャパシタ１８以外に、発振器を利用してスパイラルインダクタ１４と１５の間に発生する相互インダクタンスを計測するため、スパイラルインダクタ１４・１５とキャパシタ１８を利用して発振器回路を構成する発振器１９を含む。
【００３８】
計測部３００に含まれる、ユーザーが操作するためのユーザーインターフェースである操作部３１６より、例えば、ユーザーが測定開始のボタンを押すことにより、制御部３１３に計測を行うための信号を送り、これらの信号を受けて制御部３１３が、任意の直流電圧を発生させられる直流電圧印可部３１５から、直流電圧を、接続部３１１、接続端子３０１と３０２、そしてそれらに接続されている接続配線１１１と１１２を介して、スパイラルインダクタ１４に接続された発振器回路１９に供給し、スパイラルインダクタ１４と相互インダクタンスで結合されたスパイラルインダクタ１５とスパイラルインダクタ１５に結合されたキャパシタ１８を用いて発振器１９が発振する。
【００３９】
発振器１９は、相互インダクタンスの大きさによって発振周波数が変動する発振器である必要があり、例えば、インダクタとキャパシタの共振を利用した、コルピッツ型発振器回路などが望ましく、スパイラルインダクタ１４・１５とキャパシタ１８を利用して発振器１９が構築される必要がある。
【００４０】
回転角度が変動することによって、スパイラルインダクタ１４と１５間の相互インダクタンスが変動するため、この発振周波数も変動する。
【００４１】
この発振周波数を、接続配線１１３を介して周波数計測部３１２で計測する。
【００４２】
制御部３１３において、以上のように計測された周波数から、現在の回転角度が何度であるか求め、ディスプレイなどのユーザーが確認することができる装置である表示部３１４に示す。
【００４３】
制御部３１３は汎用のコンピュータなどで良く、メモリ上に載ったプログラムに従って動くシステムである。
【００４４】
計測場所が複数であっても、センサー部１１を増やし、１つの計測部３００に接続配線１１０と接続端子を増やして、時分割方式で、各センサー部をセンシングすれば対処が可能であり、また、計測場所とセンサー間の距離があっても、周波数を計測するため、外部からのノイズが少なく、計測が容易いと考えられる。
【００４５】
本実施形態ではスパイラルインダクタ１４・１５を部材２０・２１の上に直接構成しているが、基体上に作成し部材２０・２１に設置しても良い。
【００４６】
また、本実施形態ではスパイラルインダクタを2枚用いた例を示しているが、スパイラルインダクタ１５の代わりに比透磁率が大きく１ではない物体を設置し、回転によりスパイラルインダクタ１４の自己インダクタンスを変動させることにより、計測しても良い。
【００４７】
また、本実施形態ではスパイラルインダクタを2枚用いた例を示しているが、複数枚のスパイラルインダクタ、例えば部材１２上に設置するスパイラルインダクタの数を３枚とし、部材１３に設置するスパイラルインダクタを２枚とし、それらスパイラルインダクタを並列、もしくは直列に接続しても良い。
【００４８】
さらに、上記のようにスパイラルインダクタを複数枚用いた場合でも、それぞれ個別に発振器１９を構築しても良い。
【００４９】
以下、図３を参照して、第３番目の本実施形態に係る、位置・振動・速度・加速度・傾斜のいずれかを測定する計測装置について説明する。
【００５０】
交角計測システムと回転角度計測システムと、センサー部以外は同じであり、発振器１９に直流を計測部から与え、発振器１９の発振周波数を周波数計測部３１２で計測し、制御部３１３で、発振周波数から逆算し、位置計測の場合は位置情報を、振動計測の場合は振動の情報を、速度の場合は速度の情報を、加速度の場合は加速度の情報を表示部３１４に表示する。
【００５１】
位置・振動・加速度・速度・傾斜のいずれかを計測する装置は、例えば、基体１６を前記のいずれかを計測したい物体に設置し、基体１７をスパイラルインダクタ１４と１５がわずかでも重なる範囲内で自由に動くように、例えば基体１７の上に重りを載せ、ばねやゴムなどを用いて計測したい物体に設置することによって物体の動きを計測する。これらスパイラルインダクタの形状は円形である必要はなく、歪んだ形の方が良い。
【００５２】
例えば、物体が図３の左方向に加速した際には、基体１７が慣性で右方向にずれることにより、スパイラルインダクタ１４と１５間の相互インダクタンスが変動し、発振器１９の発振周波数が変化する。この発振周波数を計測部３１２で計測することによって、基体１６に対する基体１７の位置が求められる。
【００５３】
この基体１６に対する基体１７の位置情報から、例えばXｃｍ基体１６に対して基体１７が図３の右にずれていることが周波数より明らかになれば、ばねの強度がXX[Ｎ／ｍ２]であり、摩擦係数がYYであるので、物体は左に1m/s2で加速しているなどの逆算ができる。
【００５４】
この加速データの履歴が制御部３１３に蓄えられていれば、現在の速度がわかり、最初のスタート地点の情報が蓄えられていれば、基体１６・１７を設置した物体自体の位置情報がわかる。
【００５５】
また、加速度の計算に重量加速度を加味すれば、傾きの大きさがわかる。
【００５６】
さらに、加速度センサーの履歴を蓄えられるように設計すれば、どのような振動がどの程度起きたか計測できるようになる。
【００５７】
本実施形態では、基体１６上にスパイラルインダクタ１４を作成しているが、前記基体１６を設置する物体自体にスパイルインダクタを作成しても良い。
【００５８】
また、本実施形態ではスパイラルインダクタを2枚用いた例を示しているが、複数枚のスパイラルインダクタ、図３の下側にあたるスパイラルインダクタを３枚とし、上にあたるスパイラルインダクタを１枚とし、下側のスパイラルインダクタを並列、もしくは直列に接続して発振器に接続しても良い。
【００５９】
さらに、上記のようにスパイラルインダクタを複数枚用いた場合でも、それぞれで発振器１９を構築しても良い。
【００６０】
以下、図４を参照して、第４番目の本実施形態に係る、位置・振動・速度・加速度・傾斜のいずれかを測定する計測装置について説明する。
【００６１】
交角計測システムと回転角度計測システムと、センサー部以外は同じであり、発振器１９に直流を計測部３００から与え、発振器１９の発振周波数を周波数計測部３１２で計測し、制御部３１３で、発振周波数から逆算し、位置計測の場合は位置情報を、振動計測の場合は振動の情報を、速度の場合は速度の情報を、加速度の場合は加速度の情報を表示部３１４に表示する。
【００６２】
位置・振動・加速度・速度・傾斜のいずれかを計測する装置は、例えば、基体１６と基体１７を前記のいずれかを計測したい物体に、スパイラルインダクタ１４と１５をきれいに重なるように設置し、部材２２を、スパイラルインダクタ１４と１５にわずかでも重なる範囲内で自由に動くように、ばねやゴムなどを用いて計測したい物体に設置することによって物体の動きを計測する。これらスパイラルインダクタの形状は円形である必要はなく、歪んだ形の方が良い。
【００６３】
例えば、物体が図４の左方向に加速した際には、部材２２が慣性で右方向にずれることにより、スパイラルインダクタ１４と１５間の相互インダクタンスが変動することとなり、発振器１９の発振周波数が変動する。
【００６４】
この発振周波数を計測部３１２で計測することによって、基体１６・１７に対する部材２２の位置が求められる。
【００６５】
この基体１６・１７に対する部材２２の位置情報から、例えばXｃｍ基体１６に対して部材２２が図３の右にずれていることが周波数から求められれば、ばねの強度がXX[Ｎ／ｍ２]であり、摩擦係数がYYであるので、物体は左に1m/s2で加速しているなどの逆算が可能となる。
【００６６】
この加速データの履歴が制御部３１３に蓄えられていれば、現在の速度がわかり、最初のスタート地点の情報も蓄えられていれば、基体１６・１７を設置した物体自体の位置情報がわかる。
【００６７】
また、加速度の計算に重量加速度を加味すれば、傾きの大きさがわかる。
【００６８】
さらに、加速度センサーの履歴を蓄えられるように設計すれば、どのような振動がどの程度起きたか計測できるようになる。
【００６９】
本実施形態では、基体１６上にスパイラルインダクタ１４を作成しているが、前記基体１６・１７を設置する物体自体にスパイルインダクタを設置しても良い。
【００７０】
また、本実施形態ではスパイラルインダクタを2枚用いた例を示しているが、スパイラルインダクタ１５を用いなくても、スパイラルインダクタ１４の自己インダクタンスが部材２２の位置により変動するため、このスパイラルインダクタ１４の自己インダクタンスの変動を発振周波数の変動を用いて計測し、加速度などの情報を求めても良い。
【００７１】
また、本実施形態ではスパイラルインダクタを2枚用いた例を示しているが、複数枚のスパイラルインダクタ、図３の下側にあたるスパイラルインダクタを３枚とし、上にあたるスパイラルインダクタも３枚とし、下側のスパイラルインダクタを並列、もしくは直列に接続して発振器に接続しても良い。
【００７２】
さらに、上記のようにスパイラルインダクタを複数枚用いた場合でも、それぞれ個別に発振器１９を構築しても良い。
【実施例１】
【００７３】
本実施例では、図５のような半円を組み合わせた円形のスパイラルインダクタを利用した変形コルピッツ発振器１９を用いた、発振周波数の変動により交角を求める測定手法について示す。
【００７４】
図６に変形コルピッツ発振器１９を用いた測定回路を示す。インダクタL1、L2と相互インダクタンスM、抵抗R１、R２、Ｒ３、r1、r2、そして、キャパシタC1、C2、C3、C4、C5を用いて回路を構成する。ただし、本実施例では、C1＝９．６７ｎＦ、Ｃ２＝２．３７ｎＦ、Ｃ３＝５５．０ｎＦ、Ｃ４＝４１２ｐＦ、Ｃ５＝２．４２ｎＦ、Ｒ１＝９．９３ｋΩ、Ｒ２＝９．９６ｋΩ、Ｒ３＝５０．７Ω、ｒ１＝８．８０Ω、ｒ２＝９．８０Ωであり、ｒ１とｒ２はスパイラルインダクタの内部抵抗である。
【００７５】
Ｃ６とＲ４は測定機器の等価回路を示しており（Ｃ６＝０．２７０ｐＦ、Ｒ４＝５０．０ｋΩ）、周波数計測部３１２に含まれる、キャパシタＣ５は、キャパシタ１８のことである。
【００７６】
本方式においては、Ｌ１とＬ２の間の交角が変化し、相互インダクタンスＭが変化することによって、システムの発振周波数が変化する。すなわち、発振周波数を観測することによって、交角が求められる。
【００７７】
上記パラメータで発振器を構成し、交角θ＝０°とした場合、発振周波数は２．２６ＭＨｚとなるため、２．２６ＭＨｚの時の一次側と二次側のスパイラルインダクタのインダクタンスをＬＣＲメータを用いて測定した結果、一次側と二次側のスパイラルインダクタは共に１４．１μＨとなった。
【００７８】
２つのスパイラルインダクタの重なっている状態を０°とし、１°の間隔で二次側のスパイラルインダクタを１８０°まで変化させ、周波数を測定した結果を図７に示し、実際に測定された値の一部を表１に示す。
【００７９】
【表１】
2013076672.tif 000003
【００８０】
また、１°ずつ変化させた時の相互インダクタンスＭをＬＣＲメータで測定し、それらの値を用いてシミュレーションを行った結果を同時に図７に示す。
【００８１】
図５と表１の測定結果をみると、周波数と交角が1対１対応しており、周波数を測定することにより、交角が求まることがわかる。
【００８２】
シミュレーションと実測では、測定環境による誤差と思われる誤差が生じているが、概ねシミュレーションと同様の結果が得られていることから、測定環境や計測システムにも大きく影響をうけないものと考えられる。
【００８３】
これらの結果より、このパラメータにおいては特に９０°付近までが計測しやすく、それ以降は周波数測定部３１２の精度をあげる必要があると思われる。
【００８４】
もし、θ＝１８０°まで計測する必要があるなら、このパラメータを用いた場合は、前述の９０°まで効率よく測れるセンサー部を２組用意し、１組目で０〜９０度まで測定し、２組目で、９０〜１８０度までを測定する必要があると考えられる。
【実施例２】
【００８５】
本実施例では、円形ではなく、扇形をしたスパイラルインダクタを利用し、変形コルピッツ発振器１９を用いた、発振周波数の変動により回転角度を求める測定手法について示す。
【００８６】
図６に変形コルピッツ発振器１９を用いた測定回路を示す。インダクタL1、L2と相互インダクタンスM、抵抗R１、R２、Ｒ３、r1、r2、そして、キャパシタC1、C2、C3、C4、C5を用いて回路を構成する。ただし、本実施例では、C1＝１０．２ｎＦ、Ｃ２＝２．１２ｎＦ、Ｃ３＝１６０ｎＦ、Ｃ４＝３０１ｎＦ、Ｃ５＝３．８２ｎＦ、Ｒ１＝７．５１ｋΩ、Ｒ２＝４７．２ｋΩ、Ｒ３＝８７０Ω、ｒ１＝１０．０Ω、ｒ２＝１０．０Ωであり、ｒ１とｒ２はスパイラルインダクタの内部抵抗である。
【００８７】
Ｃ６とＲ４は測定機器の等価回路を示しており（Ｃ６＝０．２７０ｐＦ、Ｒ４＝５０．０ｋΩ）、周波数計測部３１２に含まれる、キャパシタＣ５は、キャパシタ１８のことである。
【００８８】
本方式においては、Ｌ１に対してＬ２が回転することによって、Ｌ１とＬ２の間の重なり具合が変化し、相互インダクタンスＭが変化して、システムの発振周波数が変化する。すなわち、発振周波数を観測することによって、回転角度が求められる。
【００８９】
上記パラメータで発振器を構成し、回転角度θ＝０°とした場合の発振周波数は概ね１．８３ＭＨｚとなるため、１．８３ＭＨｚの時の一次側と二次側のスパイラルインダクタのインダクタンスをＬＣＲメータを用いて測定した結果、一次側のスパイラルインダクタが１８．７μＨとなり二次側のスパイラルインダクタが１８．３μＨとなった。
【００９０】
２つのスパイラルインダクタがずれなく重なっている状態を０°とし、１°の間隔で二次側のスパイラルインダクタを３６０°まで変化させ、実際に周波数を測定した結果を図８に示し、実際に測定した結果の値の一部を表２に示す。
【００９１】
【表２】
2013076672.tif 000004
【００９２】
図８と表２の測定結果をみると、扇形のスパイラルインダクタでは、0度・３６０度と１８０度付近では回転角度の計測が困難であるが、基本的に周波数と対応が取れており、測定の履歴があれば、回転角度が求まることがわかる。
【００９３】
前記０度・３６０度付近と１８０度付近での計測上の困難は、スパイラルインダクタ自体の形状を歪ませるなど、形状を変化させることにより、明確に観測できるようになる。
【符号の説明】
【００９４】
１  発振器を用いた交角計測装置全体図を指す。
２  発振器を用いた回転角度計測装置全体図を指す。
３  発振器を用いた位置・速度・加速度・傾き・振動計測装置全体図を指す。
４  発振器を用いたスパイラルインダクタ間に比透磁率が大きく１ではない部材を挟んだ位置・速度・加速度・傾き・振動計測装置全体図を指す。
１１  本発明のセンサー部を示す。
１２  交角測定を行う対象である部材の一方を指す。
１３  交角測定を行う対象である部材のもう一方を指す。
１４  本発明で用いるスパイラルインダクタの一つを指す。
１５  本発明で用いるスパイラルインダクタのスパイラルインダクタ１４と組みにして用いる一つを指す。
１６  スパイラルインダクタ１４を生成する基体を指す。
１７  スパイラルインダクタ１５を生成する基体を指す。
１８  スパイラルインダクタ１５に並列に接続するキャパシタを指す。
１９  スパイラルインダクタ１４とスパイラルインダクタ１５、及びキャパシタ１８と、複数の抵抗と複数のキャパシタ、及びトランジスタを含む発振器を指す。本実施例においては、スパイラルインダクタ１４とスパイラルインダクタ１５、及びキャパシタ１８と、抵抗Ｒ１、抵抗Ｒ２、抵抗Ｒ３、キャパシタＣ１、キャパシタＣ２、キャパシタＣ３、キャパシタＣ４、およびトランジスタを含む変形コルピッツ発振器を指す。
２０  回転角度を測定する対象である部材の一方を指す。
２１  回転角度を測定する対象である部材のもう一方を指す。
２２  スパイラルインダクタ１４と１５の間に挟む比透磁率が大きく１ではない部材を指す。
１１０  センサー部１１と計測部３００を繋ぐ配線を指す。
１１１  センサー部１１に含まれる発振器１９に計測部３００から直流電圧を送る配線を指す。
１１２  センサー部１１と計測部３００の電圧の基準となるグランドを結ぶ配線を指す。
１１３  センサー部１１の発振器１９によって得られる発振信号を計測部３００に伝える配線を指す。
３００  本発明の計測部全体を指す。
３０１  配線１１１を計測部３００に繋ぐ接続部３１１への接続端子を指す。センサー部が増えた場合は、この接続端子３０１の数もセンサーの数と同じだけ設けられる。
３０２  配線１１２を計測部３００に繋ぐ接続部３１１への接続端子を指す。センサー部が増えた場合は、この接続端子３０２の数もセンサーの数と同じだけ設けられる。
３０３  配線１１３を計測部３００に繋ぐ接続部３１１への接続端子を指す。センサー部が増えた場合は、この接続端子３０３の数もセンサーの数と同じだけ設けられる。
３１１  計測部３００のセンサー部への信号や電力の受け渡しの出入り口である接続部を指す。時分割などによって、複数のセンサーを接続する際には、接続部３１１で計測対象となるセンサー部を切り替えることとなる。
３１２  センサー部１１から入力された信号の周波数を測定する周波数計測部を指す。図４においては、本実施例で周波数測定を行った機器の等価回路を表している。
３１３  周波数計測部３１２によって計測された周波数から、交角、回転角度、位置、速度、加速度、振動、傾きなどの値に逆算する制御部を指す。時分割方式などにより複数のセンサー部１１を共有する際には、この制御部３１３によって、対象とするセンサーを決定し、信号を接続部３１１に送り、計測することとなる。また、求めた各種の値を表示部３１４に表示する信号を送る。制御部は汎用のコンピュータなどで良く、メモリ上に載ったプログラムに従って動くシステムである。
３１４  制御部３１３より送られて来た結果を表示する表示部を指す。人間に解るように表示しても良いし、別のシステムへ信号を送る装置であっても良い。
３１５  センサー部１１に含まれる発振器１９を動かすための直流電圧印可部を指す。
３１６  制御部３００を操作する操作部を指す。人間による操作を受け付けるコンソールであっても良いし、他のシステムからの制御を受け付ける部品であっても良い。
【図１】
2013076672.tif 000005
【図２】
2013076672.tif 000006
【図３】
2013076672.tif 000007
【図４】
2013076672.tif 000008
【図５】
2013076672.tif 000009
【図６】
2013076672.tif 000010
【図７】
2013076672.tif 000011
【図８】
2013076672.tif 000012