(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の位置関係に配置された励磁コイルおよび検出コイルと、
検出コイルの出力端に入力端が接続された増幅器と、
増幅器の出力端と励磁コイルの入力端との間に設けられ、励磁コイルへの入力波形と検出コイルからの出力波形に位相差が生じるときは、周波数を変化させて前記位相差をゼロにシフトする位相シフト回路と、
前記位相シフトにより生じた周波数偏差を検出する周波数計測手段と、
前記励磁コイルまたは検出コイルの少なくとも一つの空心部に挿入され、長手軸方向に断面積が変化する磁性体の棒状プローブと、
を備え、励磁コイルと検出コイルとの間の空間を含む閉ループの共振状態を維持しつつ、前記棒状プローブが長手軸方向に変位することで生ずる前記周波数偏差から、被測定対象の変位量を検出することを特徴とする変位センサ。
【請求項２】
請求項１に記載の変位センサにおいて、
前記励磁コイルは、互いに極性が逆向きに巻かれた二つのコイルが直列に接続されたものであることを特徴とする変位センサ。
【請求項３】
被測定対象に光を入射する発光素子と、
被測定対象からの反射波を検出する受光素子と、
受光素子の出力端に入力端が接続された増幅器と、
増幅器の出力端と発光素子の入力端との間に設けられ、発光素子への入力波形と受光素子からの出力波形に位相差が生じるときは、周波数を変化させて前記位相差をゼロにシフトする位相シフト回路と、
前記位相シフトにより生じた周波数偏差を検出する周波数計測手段と、
を備え、発光素子と受光素子との間の空間を含む閉ループの共振を維持しつつ、前記測定対象の変位により生ずる前記周波数偏差から、被測定対象の変位量を検出することを特徴とする変位センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、変位センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
マイクロマシン、遺伝子操作に用いられるマニピュレータ等のマイクロアクチュエータの動作を制御するため、小型軽量で、運動対象物の変位量をミクロンメートルからナノメートルの分解能で検出、計測することが要求されている。従来、変位量をミクロンメートルからナノメートルの分解能で検出、計測することについては、さまざまな方式が提案され、実用化されている。代表的には、対象物にレーザ光を照射し、対象物の変位に伴い生ずる位相差を検出する方法や、参照光との間の干渉現象を用いる方法等のレーザ計測をあげることができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
レーザ計測技術等を用いることで、ナノメートルオーダーの変位量計測を行うことができる。しかしながら、マイクロアクチュエータの大きさは数センチメートルから十数センチメートルのオーダーであるのに対し、レーザ計測は光源、位相差や干渉を検出し計測する計測部等がかなり大型となる。また分解能を高めるため、複雑な光学系や高周波の測定周波数を用いる等、高価な装置となる。
【０００４】
本発明の目的は、かかる従来技術の課題を解決し、簡単な構造で、運動対象物の変位量をミクロンメートルからナノメートルの分解能で検出、計測する、小型軽量化に適した変位センサの提供をすることである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明に係る変位センサは、所定の位置関係に配置された励磁コイルおよび検出コイルと、検出コイルの出力端に入力端が接続された増幅器と、増幅器の出力端と励磁コイルの入力端との間に設けられ、励磁コイルへの入力波形と検出コイルからの出力波形に位相差が生じるときは、周波数を変化させて前記位相差をゼロにシフトする位相シフト回路と、前記位相シフトにより生じた周波数偏差を検出する周波数計測手段と、前記励磁コイルまたは検出コイルの少なくとも一つの空心部に挿入され、長手軸方向に断面積が変化する磁性体の棒状プローブと、を備え、励磁コイルと検出コイルとの間の空間を含む閉ループの共振状態を維持しつつ、前記棒状プローブが長手軸方向に変位することで生ずる前記周波数偏差から、被測定対象の変位量を検出することを特徴とする。
【０００６】
また、本発明に係る変位センサにおいて、前記励磁コイルは、互いに極性が逆向きに巻かれた二つのコイルが直列に接続されたものであることを特徴とする。
【０００７】
また、本発明に係る変位センサは、被測定対象に光を入射する発光素子と、被測定対象からの反射波を検出する受光素子と、受光素子の出力端に入力端が接続された増幅器と、増幅器の出力端と発光素子の入力端との間に設けられ、発光素子への入力波形と受光素子からの出力波形に位相差が生じるときは、周波数を変化させて前記位相差をゼロにシフトする位相シフト回路と、前記位相シフトにより生じた周波数偏差を検出する周波数計測手段と、を備え、発光素子と受光素子との間の空間を含む閉ループの共振を維持しつつ、前記測定対象の変位により生ずる前記周波数偏差から、被測定対象の変位量を検出することを特徴とする。
【０００８】
本発明に係る変位センサは、検出コイル、増幅器、位相シフト回路、励磁コイルの順に接続し、検出コイルまたは励磁コイルの少なくとも一つの空心部に、長手軸方向に断面積が変化する磁性体の棒状プローブを挿入して配置される構成とする。この構成で、前記棒状プローブが長手軸方向に変位すると、励磁コイルと検出コイルとの間の空間を含む閉ループの共振状態を維持しつつ、変位量に応じ周波数偏差を生じるので、棒状プローブの変位量を検出することができる。１ｍｍの変位量で数ｋＨｚの周波数偏差を生ずるので、０．１〜０．０１ミクロンメートルの分解能で変位量が検出でき、簡単な構造で、運動対象物の変位量をミクロンメートルからナノメートルオーダーの分解能で検出、計測する、小型軽量化に適した変位センサが実現できる。
【０００９】
また、励磁コイルは、互いに極性が逆向きに巻かれた二つのコイルが直列に接続されたものであるとする。この場合、この二つのコイルの接続点付近では磁界が打ち消しあい、二つのコイルが同じ特性のときは、ほぼゼロの磁界となってバランスしている。この空心部に磁性体のプローブを挿入して配置する構成とすることで、変位に対する感度が高まり、１ｍｍの変位量で１０ｋＨｚ以上の周波数偏差を生ずるので、簡単な構造で、運動対象物の変位量をミクロンメートルレベルの分解能で検出、計測する、小型軽量化に適した変位センサが実現できる。
【００１０】
また、本発明に係る変位センサは、発光素子、受光素子を用い、被測定対象に光を入射し、その反射波を検出し、受光素子、増幅器、位相シフト回路、発光素子の順に接続する構成とする。この構成で、被測定対象が変位すると、発光素子と受光素子との間の空間を含む閉ループの共振状態を維持しつつ、変位量に応じ周波数偏差を生じるので、被測定対象の変位量を検出することができる。１ｍｍの変位量で１０ｋＨｚ以上の周波数偏差を生ずるので、簡単な構造で、運動対象物の変位量をミクロンメートルからナノメートルオーダーの分解能で検出、計測する、小型軽量化に適した変位センサが実現できる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態について詳細に説明する。図１は、第一の実施の形態である、インダクタンス直接計測方式の変位センサ１の構成を示す図である。この変位センサ１は、コイル３と、長手軸方向に断面積が変化する円錐状の磁性体のプローブ５と、コイル３の両端子間に配置されたインダクタンスメータ７およびインダクタンスメータ７の検出値を変位量に変換する変位量変換部９から構成される。磁性体のプローブ５は、コイル３の空心部に挿入されて配置される。
【００１２】
この構成で、磁性体のプローブ５が、長手軸方向（ｘ）にコイル３の空心部内で変位すると、コイル３のインダクタンスが変化する。すなわち、一般に、空心部の透磁率μ、断面積Ａ、長手方向の長さＬ、巻き数Ｎのコイルのインダクタンスは、μ＊Ａ＊Ｎ＊Ｎ／Ｌに比例することが知られている。そこで、断面積が長手方向に変化する磁性体のプローブ５が、コイル３の空心部内で長手方向（ｘ）に変位すると、その変位量に応じ、コイル３の空心部内に有るプローブの体積が変化し、μが実質的に変化し、インダクタンスが変化する。
【００１３】
図２は、プローブ５の変位量を横軸に、縦軸にコイル３のインダクタンスをとり、それらの間の関係を示したものである。いま、変位量が増す方向は、コイル３の空心部にある磁性体のプローブ５の体積が増す方向とする。このとき、変位量が増加するにつれ、μが実質的に増加し、コイル３のインダクタンスも増加する。プローブ５の断面積の長手方向の変化率を適切に設計すれば、変位量の変化とインダクタンスの変化を線形とすることもできる。
【００１４】
このようにして、長手方向に断面積の変化する磁性体のプローブ５を、コイル３の空心部内で変位させ、そのときのコイル３のインダクタンスの変化をインダクタンスメータ７で検出し、その検出値を変位量変換部９で変位量に変換することで、プローブ５の変位量を簡単な構造で得ることができる。
【００１５】
図３は、第二の実施の形態である、インダクタンス方式変位センサ２１のブロック図である。励磁コイル２３と検出コイル２５とが、それぞれの空心部の長手軸を共通にして並べて配置される。また、長手方向に断面積が変化する円錐状のプローブ２７を備え、このプローブ２７は、磁性体で構成される。そして、プローブ２７は、励磁コイル２３の空心部に挿入される状態で配置される。検出コイル２５からの出力端子と、励磁コイル２３への入力端子は、信号処理部３１と接続される。信号処理部３１は、検出コイル２５からの出力端子が増幅器３３に接続され、増幅器３３と励磁コイル２３の入力端子との間に位相シフト回路３５が設けられる。位相シフト回路３５に、周波数偏差検出器３７が接続され、さらに、周波数偏差検出器３７に変位量算出器３９が接続される。
【００１６】
このように、励磁コイル２３と検出コイル２５との間の空間、すなわち励磁コイル２３−プローブ２７を含む空心部―検出コイル２５の磁気回路を含めて、ひとつの閉ループ共振回路を形成し、図示されていない電源からエネルギが供給され、位相シフト回路３５の周波数―ゲイン・位相特性を適切に設定することで、共振を持続することができる。このような閉ループ共振回路における位相シフト回路３５の内部構成とその作用については、特開平９−１４５６９１号公報に詳しく述べられている。
【００１７】
図３において、磁性体のプローブ２７が変位し、励磁コイル２３の空心部を移動すると、磁性体のプローブ２７は円錐状なので、空心部内の磁性体の体積が変化する。これにより、図２で説明したように、励磁コイル２３のインダクタンスが変化し、励磁コイル２３と検出コイル２５との間の空間、すなわち励磁コイル２３−プローブ２７を含む空心部―検出コイル２５の磁気回路に変化が起こる。それに伴い、励磁コイル２３への入力信号と検出コイル２５からの出力信号との間に位相差が生じ、位相シフト回路３５がその位相差をゼロにするように周波数を変化させる。このときの周波数偏差は、周波数偏差検出器３７で検出され、周波数偏差と変位量の関係式処理を行う変位量算出器３９により、変位量が出力される。
【００１８】
１ｍｍの変位量で数１０ｋＨｚ以上の周波数偏差を生ずるので、ミクロンメートルレベルの分解能で変位量が検出できる。周波数偏差が数１０ｋＨｚのオーダーなので、信号処理部の処理周波数は比較的低周波であり、簡単な回路構成とできる。
【００１９】
図４は、第三の実施の形態で、より感度の高いインダクタンス方式変位センサ２２を示す。図３と共通の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。この場合、励磁コイル２４に、互いに極性が逆向きに巻かれた二つのコイル２４ａ，２４ｂを直列に接続したものを用いる。この構成では、この二つのコイル２４ａ，２４ｂの接続点付近で磁界が打ち消しあい、二つのコイル２４ａ，２４ｂが同じ特性のときは、ほぼゼロの磁界となってバランスしている。この空心部に磁性体のプローブ２７を挿入して配置する構成とすることで、磁性体のプローブ２７の挿入によるバランスの変化を検出コイル２６で検出でき、変位に対する感度が一段と高まる。
【００２０】
１ｍｍの変位量で１０ｋＨｚ以上の周波数偏差を生ずるので、簡単な構造で、運動対象物の変位量をミクロンメートルレベルの分解能で検出、計測する、小型軽量化に適した変位センサが実現できる。
【００２１】
励磁コイルと検出コイルとの位置関係は、図３のように励磁コイルと検出コイルとを、それぞれの空心部の長手軸を共通にして並べて配置することや、図４のように励磁コイルの外周に同心状に検出コイルを配置する等、一定の位置関係が固定される配置方法で良い。プローブは、励磁コイルと検出コイルの少なくとも一方の空心部内に挿入して配置されることでも良い。プローブは円錐状のほか、円錐の一部、長手軸を回転軸とする関数回転体、角錐の一部等、断面積が変化する他の形状を用いることができる。
【００２２】
このように、励磁コイル、検出コイル、プローブおよび処理周波数が比較的低い信号処理部の簡単な構成で、運動対象物の変位量をミクロンメートルからナノメートルの分解能で検出、計測する、小型軽量化に適した変位センサが実現できる。
【００２３】
図５は、第四の実施の形態である光方式変位センサ５１のブロック図である。発光素子５３と受光素子５５が、被測定対象５７に対向して設けられる。受光素子５５からの出力端子と、発光素子５３への入力端子は、信号処理部３１と接続される。信号処理部３１の構成と作用は、図２と同様であるので説明を省略する。このように、発光素子５３と受光素子５５との間の空間、すなわち発光素子５３−被測定対象５７―受光素子５５の光の経路を含めて、ひとつの閉ループ共振回路を形成する。
【００２４】
図５において、被測定対象５７が変位し、発光素子５３と受光素子５５との間の空間、すなわち発光素子５３−被測定対象５７―受光素子５５における光の経路の長さに変化が起こると、それに伴い、発光素子５３への入力信号と受光素子５５からの出力信号との間に位相差が生じ、位相シフト回路３５がその位相差をゼロにするように周波数を変化させる。このときの周波数偏差は、周波数偏差検出器３７で検出され、周波数偏差と変位量の関係式処理を行う変位量算出器３９により、変位量が出力される。
【００２５】
１ｍｍの変位量で１００ｋＨｚ〜１０００ｋＨｚ以上の周波数偏差を生ずるので、ナノメートルオーダーの分解能で変位量が検出できる。周波数偏差を利用しているので、信号処理部の処理周波数は比較的簡単な回路構成とできる。
【００２６】
このように、発光素子、受光素子、処理周波数が比較的低い信号処理部の簡単な構成で、運動対象物の変位量をミクロンメートルからナノメートルの分解能で検出、計測する、小型軽量化に適した変位センサが実現できる。
【００２７】
【発明の効果】
本発明に係る変位センサは、簡単な構造で、運動対象物の変位量をミクロンメートルからナノメートルの分解能で検出、計測でき、小型軽量化に適する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第一の実施の形態である、インダクタンス直接計測方式の変位センサの構成を示す図である。
【図２】  本発明の第一の実施の形態において、プローブの変位量を横軸に、縦軸にコイルのインダクタンスをとり、それらの間の関係を示した図である。
【図３】  本発明の第二の実施の形態である、インダクタンス方式変位センサのブロック図である。
【図４】  本発明の第三の実施の形態である、より感度の高いインダクタンス方式変位センサのブロック図である。
【図５】  本発明の第四の実施の形態である、光方式変位センサのブロック図である。
【符号の説明】
１  インダクタンス直接計測方式変位センサ、３  コイル、５，２７  プローブ、７  インダクタンスメータ、９  変位量変換部、２１，２２  インダクタンス方式変位センサ、２３，２４  励磁コイル、２５，２６  検出コイル、３１  信号処理部、３３  増幅器、３５  位相シフト回路、３７  周波数偏差検出器、３９  変位量算出器、５１  光方式変位センサ、５３  発光素子、５５  受光素子、５７  被測定対象。
【図１】
0003888427.tif 000002
【図２】
0003888427.tif 000003
【図３】
0003888427.tif 000004
【図４】
0003888427.tif 000005
【図５】
0003888427.tif 000006