JP2020063962A - Displacement sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、被測定物との距離すなわちギャップを非接触で検出する変位センサに関する。 The present invention relates to a displacement sensor that detects a distance from a measurement object, that is, a gap without contact.
コイルを利用した変位センサは、コイルに交流電流を流す発振器とともに、コイルのインピーダンス変化による信号変化を検出する回路を備えている。発振器の発振信号は、整流器にて直流信号に変換された後、リニアライザによって、被測定物とのギャップに応じて線形的に変化する信号が生成される（特許文献１、２参照）。
A displacement sensor using a coil includes an oscillator that causes an alternating current to flow through the coil, and a circuit that detects a signal change due to a change in the impedance of the coil. The oscillation signal of the oscillator is converted into a DC signal by the rectifier, and then the linearizer generates a signal that linearly changes according to the gap with the DUT (see
コイルは、温度によってインピーダンスが変化することが知られている。このため、特許文献１では、コイルを有する発振器から出力された発振信号の振幅レベルを温度により補正している。また、特許文献２では、リニアライザの出力を、温度に応じた補正値で補正している。
It is known that the impedance of the coil changes with temperature. Therefore, in
特許文献１は、整流器で整流する前の段階で温度補正を行っている。整流器の前段側は、信号周波数が高いため、浮遊容量の影響を受けやすく、整流器の前段側に温度補正回路を設けると、回路が大型化するため、浮遊容量が増大することによる影響を受け易くなり、プリント基板のパターン設計が難しくなる傾向があった。
In
また、特許文献２は、Ｒ−Ｖ変換器の出力電圧をリニアライザの出力電圧に加算して補正処理を行っているが、単なる加算処理では、補正を行いたい特定の変位でしか補正処理が行えず、広範囲にわたる入出力特性を線形化させることはできない。
Further, in
さらに、特許文献２のように、リニアライザの出力に対して温度補正を行う場合、リニアライザには温度補正を行っていない信号が入力されることになる。特に高温域では、整流回路からの信号の減衰が大きくなるため、このような減衰信号が入力されたリニアライザの出力は線形性が崩れており、崩れた信号に対して補正値を加算しても、正しい温度補正が行えないおそれがある。
Further, when temperature correction is performed on the output of the linearizer as in
本発明は、温度依存性をできるだけ少なくして、被測定物の変位に対する変位信号の線形性を向上させることが可能な変位センサを提供するものである。 The present invention provides a displacement sensor capable of improving the linearity of a displacement signal with respect to the displacement of an object to be measured by minimizing temperature dependency.
上記の課題を解決するために、本発明の一態様では、被測定物に渦電流を発生させるコイルに流れる電流を整流して出力端子から出力する整流器と、
前記整流器の出力に基づいて、被測定物の変位に換算した電圧または電流を出力端子から出力する信号変換器と、
前記整流器の出力端子から前記信号変換器の出力端子に至るまでの経路に配置され、前記コイル周辺の温度を取得して、この温度に基づいて、低温よりも高温のときに補正値を高くすることで前記信号変換器の出力信号の特性を改善する信号特性改善部と、を備える、変位センサが提供される。
In order to solve the above problems, in one embodiment of the present invention, a rectifier that rectifies a current flowing in a coil that generates an eddy current in an object to be measured and outputs the rectified current from an output terminal,
Based on the output of the rectifier, a signal converter that outputs a voltage or current converted to the displacement of the measured object from the output terminal,
It is arranged in a path from the output terminal of the rectifier to the output terminal of the signal converter, acquires the temperature around the coil, and increases the correction value when the temperature is higher than the low temperature based on this temperature. Thus, a displacement sensor including a signal characteristic improving unit that improves the characteristic of the output signal of the signal converter is provided.
前記コイル周辺の温度を計測する温度計測器を備え、
前記信号変換器は、リニアライザであってもよく、
前記信号特性改善部は、
前記整流器の出力にゲインを乗じた信号を生成する可変ゲインアンプと、
前記変位に対する前記リニアライザの出力の線形性が改善されるように、前記温度計測器で計測された温度に基づいて前記ゲインを調整するゲイン調整部と、を有してもよい。
A temperature measuring device for measuring the temperature around the coil is provided,
The signal converter may be a linearizer,
The signal characteristic improving unit,
A variable gain amplifier that generates a signal by multiplying the output of the rectifier by a gain,
A gain adjusting unit that adjusts the gain based on the temperature measured by the temperature measuring device may be provided so that the linearity of the output of the linearizer with respect to the displacement is improved.
前記可変ゲインアンプは、前記整流器の出力に前記ゲインを乗じた信号を生成するアナログ乗算器または乗算型Ｄ／Ａコンバータを有し、
前記リニアライザには、前記アナログ乗算器または前記乗算型Ｄ／Ａコンバータの出力が入力されてもよい。
The variable gain amplifier has an analog multiplier or a multiplication type D / A converter that generates a signal by multiplying the output of the rectifier by the gain,
The output of the analog multiplier or the multiplication D / A converter may be input to the linearizer.
前記コイル周辺の温度と前記ゲイン調整部にて調整されたゲインとの相関関係を格納する相関関係格納部を備え、
前記ゲイン調整部は、前記温度計測器で計測された温度に対応する前記ゲインを、前記相関関係格納部から取得してもよい。
A correlation storage unit that stores the correlation between the temperature around the coil and the gain adjusted by the gain adjustment unit;
The gain adjustment unit may acquire the gain corresponding to the temperature measured by the temperature measuring device from the correlation storage unit.
前記コイル周辺の温度を計測する温度計測器を備え、
前記信号変換器は、リニアライザであり、
前記信号特性改善部は、前記温度計測器で計測された温度に応じて前記リニアライザの入出力特性を補正してもよい。
A temperature measuring device for measuring the temperature around the coil is provided,
The signal converter is a linearizer,
The signal characteristic improving unit may correct the input / output characteristic of the linearizer according to the temperature measured by the temperature measuring device.
前記信号特性改善部は、前記リニアライザの入出力特性の線形性が改善するように前記リニアライザの入出力特性を補正してもよい。 The signal characteristic improving unit may correct the input / output characteristic of the linearizer so that the linearity of the input / output characteristic of the linearizer is improved.
前記信号特性改善部は、前記温度計測器で計測された温度ごとに異なる基準信号レベルにて入出力特性が変化する折れ線関数に基づいて、前記整流器の出力をレベル変換して出力してもよい。 The signal characteristic improving unit may level-convert and output the output of the rectifier based on a polygonal line function in which the input / output characteristic changes at a reference signal level different for each temperature measured by the temperature measuring device. .
前記信号特性改善部は、前記温度計測器で計測された温度が高いほど、前記折れ線関数の前記基準信号レベルを低くしてもよい。 The signal characteristic improving unit may lower the reference signal level of the polygonal line function as the temperature measured by the temperature measuring device is higher.
前記信号特性改善部は、基準信号レベルにて前記温度計測器で計測された温度に応じて傾きが変化する折れ線関数に基づいて、前記整流器の出力をレベル変換して出力してもよい。 The signal characteristic improving unit may level-convert and output the output of the rectifier based on a line function whose slope changes according to the temperature measured by the temperature measuring device at a reference signal level.
前記コイル、前記整流器および前記信号変換器が実装された基板と、
前記基板の温度を計測する基板温度計測器と、を備え、
前記信号特性改善部は、前記温度計測器で計測された前記コイルの温度と、前記基板温度計測器で計測された前記基板の温度とに基づいて、前記信号変換器の出力の特性を改善させてもよい。
A board on which the coil, the rectifier and the signal converter are mounted,
A substrate temperature measuring device for measuring the temperature of the substrate,
The signal characteristic improving unit improves the characteristics of the output of the signal converter based on the temperature of the coil measured by the temperature measuring device and the temperature of the substrate measured by the substrate temperature measuring device. May be.
前記コイルのインピーダンスを利用して発振動作を行って発振信号を出力する自励式発振回路を有し、
前記自励式発振回路の発振レベルは、前記被測定物に発生した渦電流による前記コイルのインピーダンスの変化の影響を受けて変化してもよい。
A self-excited oscillation circuit that performs an oscillation operation by using the impedance of the coil and outputs an oscillation signal;
The oscillation level of the self-excited oscillation circuit may change under the influence of a change in impedance of the coil due to an eddy current generated in the DUT.
前記コイルは、コアレスのコイル又はコアを有するコイルであってもよい。 The coil may be a coreless coil or a coil having a core.
本発明によれば、温度依存性をできるだけ少なくして、被測定物の変位に対する変位信号の線形性を向上させることができる。 According to the present invention, it is possible to reduce the temperature dependency as much as possible and improve the linearity of the displacement signal with respect to the displacement of the measured object.
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
（第１の実施形態）
図１は第１の実施形態による変位センサ１の概略構成を示すブロック図である。図１の変位センサ１は、コイル２と、発振器３と、整流器４と、リニアライザ５と、出力アンプ６と、温度計測器７と、信号特性改善部８とを備えている。
(First embodiment)
FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a
発振器３は、例えば自励式の発振回路で構成されている。自励式の発振回路は、他励式に比べて回路構成を簡略化でき、実装面積および部品コストを削減できる。また、コイルの共振を利用するため、被測定物との距離の変化に伴う発振信号の電圧レベルの変化を大きくできるという利点もある。自励式の発振回路の具体的な回路構成は特に問わないが、例えば、コルピッツ発振回路を適用可能である。
The
発振器３は、コイル２と不図示のコンデンサによる共振回路を内蔵している。コイル２には、共振周波数の交流電流が流れる。よって、コイル２からは交流電流に応じた磁束が発生し、この磁束によって、コイル２の近傍に配置された被測定物に渦電流が発生する。被測定物に渦電流が発生すると、その影響で、コイル２のインピーダンスが変化し、発振回路の発振信号の電圧レベルも変化する。このように、コイル２は、交流電流を供給することで交流磁場を発生させ、被測定物の位置の変位に応じて被測定物に誘導される渦電流に応じた出力を生成する。
The
なお、被測定物が絶縁体の場合は、渦電流は発生しないため、図１の変位センサ１で変位すなわちギャップを検出可能な被測定物は、導電体に限定される。なお、被測定物の内部が絶縁体であっても、表面が導電体であれば、渦電流が発生するため、図１の変位センサ１で変位を検出可能である。被測定物は、導電体であればよく、非磁性体でも磁性体でもよい。
When the object to be measured is an insulator, no eddy current is generated, and therefore the object to be measured whose displacement, that is, the gap can be detected by the
整流器４は、被測定物に渦電流を発生させるコイル２に流れる電流を整流して出力端子から出力する。すなわち、整流器４は、発振器３の発振信号すなわちコイル２の出力を整流して、直流信号に変換する。リニアライザ５等の信号変換器は、整流器４の出力に基づいて、被測定物の変位に換算した電圧または電流を出力端子から出力する。信号変換器としてリニアライザ５を用いる場合、リニアライザ５は、整流器４の出力に基づいて、被測定物の変位に応じて信号レベルが線形に変化する変位信号を生成する。リニアライザ５は、理想的には、被測定物の変位に応じて線形に信号レベルが変化する変位信号を生成する。ただし、実際のリニアライザ５は、コイル２の温度変化によるインピーダンス変動により、整流器４の出力が変動するため、同一の温度環境下であっても、被測定物の変位に対する出力信号レベルが線形にはならない。そこで、本実施形態では、温度計測器７と信号特性改善部８を有する。
The
なお、信号変換器は必ずしもリニアライザ５に限定されない。例えば、リニアライザ５の代わりに、入力信号に対して任意の信号変換処理を行って出力する信号変換器を設けてもよい。任意の信号変換処理とは、例えば、入力信号を正弦波信号に変換する処理などである。
The signal converter is not necessarily limited to the
温度計測器７は、コイル２の周辺の温度を計測する。図１の変位センサ１を、例えばエンジンのバルブの変位を計測するために用いる場合、コイル２の周辺の温度が１００℃を超えるような高温になるおそれがある。上述したように、コイル２は、温度によって直流抵抗が変化し、変位センサ１の出力信号レベルも変化してしまう。よって、変位センサ１の使用環境下で、コイル２そのものを温度か、あるいはコイル２にできるだけ近い場所の温度を計測するのが望ましい。
The
信号特性改善部８は、整流器４の出力端子から信号変換器の出力端子に至るまでの経路に配置され、コイル２周辺の温度を取得して、この温度に基づいて、低温よりも高温のときに補正値を高くすることで信号変換器の出力の特性を改善する。例えば、信号特性改善部８は、温度計測器７で計測された温度に基づいてリニアライザ５等の信号変換器の出力の特性を改善する。より具体的には、信号特性改善部８は、整流器４の出力ノードからリニアライザ５の出力ノードに至るまでの信号経路上に配置されており、温度計測器７で計測された温度に基づいて、被測定物の変位に対するリニアライザ５の出力の特性を改善させる。ここで、特性の改善とは、例えば被測定物の変位に対するリニアライザ５の出力の線形性をよくする、すなわち線形性を改善させることを指す。図１では、信号特性改善部８が整流器４とリニアライザ５の間に配置されている例を示しているが、信号特性改善部８はリニアライザ５の内部に設けられていてもよい。信号特性改善部８がリニアライザ５の内部に設けられる例は後述する第２の実施形態で説明し、本実施形態では、信号特性改善部８が整流器４とリニアライザ５の間に配置されている例を説明する。
The signal
本実施形態による信号特性改善部８は、被測定物の変位に対するリニアライザ５の出力の線形性を改善させる。理想的には、信号特性改善部８は、リニアライザ５が被測定物の変位に応じて線形に変化する信号を出力するように、所定の線形性改善処理を行う。
The signal
図２は図１の信号特性改善部８をより具体化した第１具体例のブロック図である。図２の信号特性改善部８は、可変ゲインアンプ１１とゲイン調整部１２とを有する。この他、図２の信号特性改善部８は、相関関係格納部１３を備えていてもよい。
FIG. 2 is a block diagram of a first specific example in which the signal
可変ゲインアンプ１１は、整流器４から出力された直流信号に、調整可能なゲインを乗じた信号を生成する。可変ゲインアンプ１１は、例えばアナログ乗算器で構成可能である。
The
ゲイン調整部１２は、被測定物の変位に対するリニアライザ５の出力の線形性が改善されるように、温度計測器７で計測された温度に基づいてゲインを調整する。
The
必須の構成要素ではないが、相関関係格納部１３は、温度と、可変ゲインアンプ１１のゲインとの相対関係を予め格納したものである。相関関係格納部１３に格納されるデータの生成方法は、後に詳述するが、相関関係格納部１３にコイル２の温度を与えることで、対応する可変ゲインアンプ１１のゲインを抽出可能となる。このように、相関関係格納部１３を予め設けておけば、ゲイン調整部１２は、温度計測器７で計測された温度に対応するゲインを、相関関係格納部１３から迅速に取得でき、可変ゲインアンプ１１のゲイン調整を容易に行うことができる。
Although not an essential component, the
図３は図２をさらにより具体化した第２具体例のブロック図である。図３の変位センサ１は、ゲイン調整部１２として機能するＭＣＵ（Micro Control Unit）１４を有する。ＭＣＵ１４は、ゲイン調整部１２の処理動作をデジタル信号処理で行う。このため、図３の変位センサ１は、温度計測器７の出力をデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータ１５をＭＣＵ１４の前段側に接続し、ＭＣＵ１４の出力信号をアナログ信号に変換するＤ／Ａコンバータ１６をＭＣＵ１４の後段側に接続している。Ｄ／Ａコンバータ１６の出力信号にて可変ゲインアンプ１１のゲインが調整されることになる。ＭＣＵ１４は、内蔵または外付けされた相関関係格納部１３を参照して、コイル２の温度に応じたゲインを設定する。
FIG. 3 is a block diagram of a second specific example that is a more specific version of FIG. The
図４は図３の一変形例のブロック図である。図４の信号特性改善部８は、図３の可変ゲインアンプ１１とＤ／Ａコンバータ１６を乗算型Ｄ／Ａコンバータ１７に置換したものである。乗算型Ｄ／Ａコンバータ１７を用いることで、ブロック構成を図３よりも簡易化することができる。なお、図３と図４の変位センサ１の基本的な動作原理は、図１や図２と同じである。図３と図４の一変形例として、整流器４の出力をＡ／Ｄコンバータでデジタル信号に変換してＭＣＵ１４に入力し、ＭＣＵ１４にてデジタル的にゲイン調整を行い、ゲイン調整されたデジタル信号をＤ／Ａコンバータでアナログ信号に変換してからリニアライザ５に入力してもよい。これにより、可変ゲインアンプ１１を設ける必要がなくなる。
FIG. 4 is a block diagram of a modification of FIG. The signal
図５は図１の信号特性改善部８とリニアライザ５を備えていない変位センサの入出力特性を示す図である。図５の横軸は被測定物とのギャップすなわち距離（ｍｍ）、縦軸は出力信号レベルである。図５には、コイル２の温度が０℃、３０℃、６０℃、９０℃、１２０℃の５つのグラフｗ１〜ｗ５が示されている。図５の各グラフからわかるように、温度補正と線形化処理のいずれも行わない場合には、被測定物とのギャップの大小によって、出力信号レベルは非線形に変化し、しかも、変位センサの入出力特性は、コイル２の温度によって変化する。
FIG. 5 is a diagram showing the input / output characteristics of the displacement sensor that does not include the signal
図６および図７は信号特性改善部８を備えた本実施形態による変位センサ１の特性を示す図、図８および図９は信号特性改善部８を備えていない一比較例による変位センサ１の特性を示す図である。図６と図８は、変位センサ１の入出力特性を示しており、図７と図９は、温度と変位センサ１の出力信号レベルとの関係を示している。図６と図８の横軸は被測定物とのギャップ（ｍｍ）、縦軸は変位センサ１の出力信号レベルである。図７と図９の横軸はコイル２の温度（℃）、縦軸は変位センサ１の出力信号レベルである。図６と図８の横軸の右側ほどギャップが大きく、図７と図９の横軸の右側ほど温度が高く、図６〜図９の縦軸の上側ほど出力信号レベルが大きいことを示している。
6 and 7 are diagrams showing the characteristics of the
図６と図８には、０℃、４０℃、８０℃、１２０℃のグラフｗ６〜ｗ９が描かれている。信号特性改善部８を備えていない場合には、図８に示すように、温度が高いほど線形性が悪くなり、しかも、ギャップが大きいほど出力信号レベルの低下が大きくなる。これに対して、信号特性改善部８を備えると、図６に示すように、温度によらず、かつギャップに依存せず、良好な線形性を維持できる。すなわち、信号特性改善部８を備えることで、被測定物の変位すなわち被測定物とのギャップに対するリニアライザ５の出力は、温度によらず、ほぼ同じ直線になる。信号特性改善部８とリニアライザ５をともに備えていない場合には図５に示すように、変位センサの入出力特性が温度ごとに相違し、かつ非線形な特性となったが、リニアライザ５を設けることで、図６および図８に示すように、入出力特性が線形化され、かつ信号特性改善部８を設けることで、図６に示すように、変位センサの入出力特性が温度依存性を持たなくなる。
In FIGS. 6 and 8, graphs w6 to w9 at 0 ° C., 40 ° C., 80 ° C. and 120 ° C. are drawn. In the case where the signal
また、図７と図９には、複数のギャップについての、コイル２の温度とリニアライザ５の出力レベルとの関係を示すグラフｗ１０〜ｗ１５が描かれている。グラフｗ１０〜ｗ１５は、ギャップの大きい順に並んでいる。信号特性改善部８を備えていない場合には、図９に示すように、温度が高いほどリニアライザ５の出力レベルが低下する。これは、温度が高いほど、変位センサ１の感度が低下することを示している。また、図９には示されていないが、温度が次第に低くなると、リニアライザ５の出力レベルはいったんピークに到達した後に低下する。よって、温度が下がりすぎても、変位センサ１の感度は低下する傾向がある。これに対して、信号特性改善部８を備えた場合には、図７に示すように、温度を変化させても、リニアライザ５の出力レベルは略一定である。これは、温度によらず、かつギャップに依存せず、変位センサ１の感度が略一定になることを示している。
Further, FIGS. 7 and 9 show graphs w10 to w15 showing the relationship between the temperature of the
本発明者は、事前に基準となる変位センサ１を用いて、コイル２の温度と被測定物とのギャップを変化させながら、図８と図９のグラフを作成した。その後、可変ゲインアンプ１１のゲインを種々に変更して、図６と図７のようなグラフになるような最適なゲインを見つけた。そして、温度と、ゲインとの相対関係を相関関係格納部１３に格納し、コイル２の温度を入力すると、その温度に対応する最適なゲインを簡易かつ迅速に検索できるようにした。
The inventor prepared the graphs of FIG. 8 and FIG. 9 while changing the temperature of the
このように、第１の実施形態では、整流器４とリニアライザ５との間の信号経路上に信号特性改善部８を設けるため、発振器３の内部信号や発振器３の出力信号に対して線形性改善処理を施すよりも、より線形性に優れて、かつ温度依存性のない信号を出力できる。
As described above, in the first embodiment, since the signal
より具体的には、整流器４で整流した後の直流信号に可変ゲインアンプ１１でゲインを乗じる際に、コイル２の周辺の温度に応じてゲインを最適化するため、構成をそれほど複雑化せずに変位センサ１の線形性を改善できる。
More specifically, when the
（第２の実施形態）
以下に説明する第２の実施形態は、リニアライザ５の内部で線形性改善処理を行うものである。
(Second embodiment)
In the second embodiment described below, the linearity improving process is performed inside the
図１０は第２の実施形態による変位センサ１の概略構成を示すブロック図である。図１０の変位センサ１は、図１と同様のコイル２、発振器３、整流器４、出力アンプ６および温度計測器７を備えているが、リニアライザ５の内部構成が図１とは異なっている。また、図１０の変位センサ１では、可変ゲインアンプ１１は必須の構成要素ではないため、図１０では省略している。なお、後述するように、図１０の変位センサ１に、可変ゲインアンプ１１を設けてもよい。
FIG. 10 is a block diagram showing a schematic configuration of the
図１０のリニアライザ５は、その内部に信号特性改善部８を有する。図１０の信号特性改善部８は、コイル２の周辺の温度に応じてリニアライザ５の入出力特性を補正する。すなわち、信号特性改善部８は、リニアライザ５の入出力特性の線形が改善するようにリニアライザ５の入出力特性を補正する。より具体的には、信号特性改善部８は、コイル２の周辺の温度ごとに異なる基準信号レベルにて入出力特性が変化する折れ線関数に基づいて、整流器４の出力をレベル変換して出力する。
The
ここで、折れ線関数は、傾きの異なる複数の線分を繋いだ関数である。本明細書では、各線分の接続点を折れ線ポイントと呼ぶ。基準信号レベルとは、折れ線関数の各折れ線ポイントである。折れ線ポイントの位置は、コイル２の周辺の温度に応じて変化する。温度ごとに別個に折れ線関数が設けられており、各折れ線関数は、複数の折れ線ポイントを有し、隣接する２つの折れ線ポイント同士は、傾きの異なる線分で接続されている。
Here, the polygonal line function is a function that connects a plurality of line segments having different inclinations. In this specification, the connection point of each line segment is called a polygonal line point. The reference signal level is each line point of the line function. The position of the polygonal line point changes according to the temperature around the
図１１はリニアライザ５内の信号特性改善部８が有する折れ線関数を示す図である。図１１の横軸はリニアライザ５の入力信号、縦軸は出力信号である。横軸の右側ほど入力信号レベルが大きいことを示し、縦軸の上側ほど出力信号レベルが大きいことを示している。
FIG. 11 is a diagram showing a polygonal line function included in the signal
図１１には、３種類の折れ線関数ｗ１６〜ｗ１８が図示されている。折れ線関数ｗ１６はコイル２の感度変化がない場合、折れ線関数ｗ１７は感度が１０％低下した場合、折れ線関数ｗ１８は感度が２０％低下した場合を示している。図１１の黒丸は、基準信号レベルすなわち折れ線ポイントである。各折れ線関数ｗ１６〜ｗ１８は、折れ線ポイントを変更することによって全体の傾きが変化する。折れ線ポイントは、コイル２の感度すなわちコイル２の温度ごとに異なるため、リニアライザ５の入出力特性は温度ごとに異なったものになる。整流器４の出力がリニアライザ５に入力されると、この入力信号は、コイル２の温度に応じた折れ線関数にてレベル変換されて出力される。図１１には、温度すなわち感度が異なる３種類の折れ線関数が図示されているが、実際には、多数の温度に応じた多数の折れ線関数が存在している。
In FIG. 11, three types of polygonal line functions w16 to w18 are shown. The polygonal line function w16 shows the case where the sensitivity of the
図１１の各折れ線関数上の各折れ線ポイントの位置からわかるように、温度が高くなって感度が低下すると、折れ線ポイントは左側にシフトしている。これは、感度が低くなるほど、より小さい入力信号レベルから線形性改善処理を行うことを示している。各折れ線ポイントにて、折れ線関数の傾きが変化する。また、隣接する２つの折れ線ポイント間を繋ぐ線分の傾きは、温度が変わっても同じに設定されている。例えば、折れ線ポイントｐ１と折れ線ポイントｐ４とを結ぶ線分と、折れ線ポイントｐ２と折れ線ポイントｐ５とを結ぶ線分と、折れ線ポイントｐ３と折れ線ポイントｐ６とを結ぶ線分とは、いずれも同じ傾きを有する。なお、これらの傾きをそれぞれ相違させてもよい。また、直線近似の代わりに、より線形性が改善するように、曲線近似を行ってもよい。 As can be seen from the positions of the respective polygonal line points on the respective polygonal line functions in FIG. 11, the polygonal line points shift to the left as the temperature increases and the sensitivity decreases. This indicates that the linearity improvement processing is performed from a smaller input signal level as the sensitivity becomes lower. The slope of the polygonal line function changes at each polygonal line point. Further, the slope of the line segment connecting two adjacent polygonal line points is set to be the same even if the temperature changes. For example, the line segment connecting the polygonal line point p1 and the polygonal line point p4, the line segment connecting the polygonal line point p2 and the polygonal line point p5, and the line segment connecting the polygonal line point p3 and the polygonal line point p6 all have the same slope. Have. The inclinations may be different from each other. Further, instead of the linear approximation, the curve approximation may be performed so as to improve the linearity.
図１２〜図１４はそれぞれ異なる感度でのリニアライザ５の特性を示すグラフである。図１２はコイル２の感度変化がない場合、図１３はコイル２の感度が１０％低下した場合、図１４はコイル２の感度が２０％低下した場合の特性を示している。図１２〜図１４の横軸は被測定物とのギャップ（ｍｍ）、縦軸は電圧（Ｖ）または直線性（％）である。
12 to 14 are graphs showing the characteristics of the
図１２〜図１４には、リニアライザ５の入力信号波形ｗ１９と、リニアライザ５の理想的な出力信号波形ｗ２０と、本実施形態によるリニアライザ５の出力信号波形ｗ２１と、各ギャップでの直線性を示す波形ｗ２２とが図示されている。すなわち、波形ｗ２２とは、理想的な出力信号波形ｗ２０とリニアライザ５によってリニアライズされた出力信号波形ｗ２１との差分を示しており、ギャップが全域にわたって、差分の変動が少ないほど、リニアライザ５によるリニアライズが良好に行われたことを示している。
12 to 14 show the input signal waveform w19 of the
理想的な出力信号波形ｗ２０は、線形すなわち直線状の波形である。直線性を示す波形ｗ２２の谷の位置が折れ線ポイントである。波形ｗ２２と交差する水平方向に延びる基準線Ｌ１に対して上下に均等に波形ｗ２２が変化するのが理想的である。感度変化がない場合を示す図１２では、感度低下がある図１３や図１４と比べて、リニアライザ５の実際の出力信号波形ｗ２１は、理想的な出力信号波形ｗ２０に最も近い特性になる。
The ideal output signal waveform w20 is a linear or linear waveform. The position of the valley of the waveform w22 showing the linearity is the polygonal line point. Ideally, the waveform w22 changes evenly up and down with respect to the horizontal reference line L1 intersecting the waveform w22. In FIG. 12 showing the case where there is no change in sensitivity, the actual output signal waveform w21 of the
感度が１０％低下した場合は、感度変化がない場合よりも低い入力信号レベルに折れ線ポイントが移動する。また、感度が２０％低下した場合は、感度が１０％低下した場合よりもさらに低い入力信号レベルに折れ線ポイントが移動する。これにより、感度が低下した場合であっても、リニアライザ５の実際の出力信号波形ｗ２１を、理想的な出力信号波形ｗ２０に近づけることができる。
When the sensitivity decreases by 10%, the polygonal line point moves to a lower input signal level than when there is no sensitivity change. When the sensitivity decreases by 20%, the polygonal line point moves to a lower input signal level than when the sensitivity decreases by 10%. As a result, the actual output signal waveform w21 of the
図１５は図１１〜図１４の特性を有するリニアライザ５の一具体例の回路図である。図１５のリニアライザ５は、オペアンプＯＰ１〜ＯＰ６と、抵抗Ｒ１〜Ｒ１８と、ダイオードＤ１〜Ｄ６とを有する。
FIG. 15 is a circuit diagram of a specific example of the
オペアンプＯＰ１〜ＯＰ６の非反転入力端子は接地されている。オペアンプＯＰ１の反転入力端子には、抵抗Ｒ１を介して整流器４の出力が入力される。オペアンプＯＰ１の出力端子と反転入力端子との間には抵抗Ｒ２が接続されている。オペアンプＯＰ１は、整流器４の出力を反転出力する。
The non-inverting input terminals of the operational amplifiers OP1 to OP6 are grounded. The output of the
オペアンプＯＰ２〜ＯＰ４の反転入力端子には、それぞれ抵抗Ｒ３〜Ｒ５を介してオペアンプＯＰ１の出力信号が入力される。オペアンプＯＰ２〜ＯＰ４の反転入力端子には、それぞれ抵抗Ｒ６〜Ｒ８を介して基準信号Ｖ１〜Ｖ３がそれぞれ入力される。基準信号Ｖ１〜Ｖ３は、図１１の折れ線ポイントの信号である。例えば、波形ｗ１６上の折れ線ポイントｐ１，ｐ４，ｐ７の信号レベルが基準信号Ｖ１〜Ｖ３に入力される。オペアンプＯＰ２〜ＯＰ４の反転入力端子にはダイオードＤ１〜Ｄ３のアノードがそれぞれ接続され、オペアンプＯＰ２〜ＯＰ４の出力端子にはダイオードＤ１〜Ｄ３のカソードがそれぞれ接続されている。ダイオードＤ１〜Ｄ３のカソードおよびオペアンプＯＰ２〜ＯＰ４の出力端子には、ダイオードＤ４〜Ｄ６のアノードがそれぞれ接続されている。ダイオードＤ４〜Ｄ６のカソードとダイオードＤ１〜Ｄ３のアノードとの間には、抵抗Ｒ９〜Ｒ１１がそれぞれ接続されている。ダイオードＤ４〜Ｄ６のカソードは、それぞれ抵抗Ｒ１２〜Ｒ１４を介してオペアンプＯＰ５の反転入力端子に接続されている。オペアンプＯＰ５の反転入力端子と出力端子との間には、抵抗Ｒ１５が接続されている。オペアンプＯＰ５の出力端子とオペアンプＯＰ６の反転入力端子との間には抵抗Ｒ１６が接続されている。オペアンプＯＰ６の反転入力端子とオペアンプＯＰ１の出力端子との間には抵抗Ｒ１７が接続されている。オペアンプＯＰ６の反転入力端子と出力端子ＯＵＴとの間には抵抗Ｒ１８が接続されている。以下では、抵抗Ｒ１２〜Ｒ１４の抵抗値をそれぞれｒ１，ｒ２，ｒ３とし、それ以外の抵抗Ｒ１〜Ｒ１１、Ｒ１５〜Ｒ１８の抵抗値をＲとする。 The output signals of the operational amplifier OP1 are input to the inverting input terminals of the operational amplifiers OP2 to OP4 via the resistors R3 to R5, respectively. The reference signals V1 to V3 are input to the inverting input terminals of the operational amplifiers OP2 to OP4 via the resistors R6 to R8, respectively. The reference signals V1 to V3 are signals at the broken line points in FIG. For example, the signal levels of the polygonal line points p1, p4, p7 on the waveform w16 are input to the reference signals V1 to V3. The inverting input terminals of the operational amplifiers OP2 to OP4 are connected to the anodes of the diodes D1 to D3, respectively, and the output terminals of the operational amplifiers OP2 to OP4 are connected to the cathodes of the diodes D1 to D3, respectively. The anodes of the diodes D4 to D6 are connected to the cathodes of the diodes D1 to D3 and the output terminals of the operational amplifiers OP2 to OP4, respectively. Resistors R9 to R11 are connected between the cathodes of the diodes D4 to D6 and the anodes of the diodes D1 to D3, respectively. The cathodes of the diodes D4 to D6 are connected to the inverting input terminal of the operational amplifier OP5 via the resistors R12 to R14, respectively. A resistor R15 is connected between the inverting input terminal and the output terminal of the operational amplifier OP5. A resistor R16 is connected between the output terminal of the operational amplifier OP5 and the inverting input terminal of the operational amplifier OP6. A resistor R17 is connected between the inverting input terminal of the operational amplifier OP6 and the output terminal of the operational amplifier OP1. A resistor R18 is connected between the inverting input terminal and the output terminal OUT of the operational amplifier OP6. In the following, the resistance values of the resistors R12 to R14 are r1, r2 and r3, respectively, and the resistance values of the other resistors R1 to R11 and R15 to R18 are R.
図１５のリニアライザ５に入力される入力信号をＶinとすると、オペアンプＯＰ１の出力電圧は−Ｖinになる。Ｖ３＞Ｖ２＞Ｖ１のとき、入力信号Ｖinが基準信号Ｖ１以下の場合には、ダイオードＤ４〜Ｄ６のカソード電圧は全て０Ｖになるため、オペアンプＯＰ５の出力も０Ｖとなり、オペアンプＯＰ６の出力はオペアンプＯＰ１の反転信号となる。すなわちＶout＝Ｖinになる。
When the input signal input to the
入力信号ＶinがＶ１＜Ｖin≦Ｖ２の場合には、抵抗Ｒ１８を流れる電流は、ダイオードＤ４のカソードのみ(Ｖin−Ｖ１)の電圧が現れるため、Ｖout＝Ｖin＋(Ｖin−Ｖ１）Ｒ／ｒ１になる。 When the input signal Vin is V1 <Vin ≦ V2, the current flowing through the resistor R18 becomes Vout = Vin + (Vin−V1) R / r1 because the voltage of only the cathode (Vin−V1) of the diode D4 appears. .
入力信号ＶinがＶ２＜Ｖin≦Ｖ３の場合には、ダイオードＤ４のカソードには(Ｖin−Ｖ１)の電圧が現れ、ダイオードＤ５のカソードには(Ｖin−Ｖ２)の電圧が現れるため、それらをｒ１，ｒ２で加算することになり、Ｖout＝Ｖin＋(Ｖin−Ｖ１)Ｒ／ｒ１＋(Ｖin−Ｖ２)Ｒ／ｒ２になる。 When the input signal Vin is V2 <Vin ≦ V3, a voltage (Vin−V1) appears at the cathode of the diode D4 and a voltage (Vin−V2) appears at the cathode of the diode D5. , R2, and Vout = Vin + (Vin−V1) R / r1 + (Vin−V2) R / r2.
入力信号ＶinがＶ３＜Ｖinの場合には、ダイオードＤ４のカソードには(Ｖin−Ｖ１)の電圧が現れ、ダイオードＤ５のカソードには(Ｖin−Ｖ２)の電圧が現れ、ダイオードＤ６カソードには(Ｖin−Ｖ３)の電圧が現れるため、それらをｒ１，ｒ２、ｒ３で加算することになり、Ｖout＝Ｖin＋(Ｖin−Ｖ１)Ｒ／ｒ１＋(Ｖin−Ｖ２)Ｒ／ｒ２＋(Ｖin−Ｖ３)Ｒ／ｒ３になる。 When the input signal Vin is V3 <Vin, a voltage of (Vin-V1) appears at the cathode of the diode D4, a voltage of (Vin-V2) appears at the cathode of the diode D5, and a (Vin-V2) appears at the cathode of the diode D6. Since a voltage of (Vin-V3) appears, these are added by r1, r2, and r3, and Vout = Vin + (Vin-V1) R / r1 + (Vin-V2) R / r2 + (Vin-V3) R / It becomes r3.
なお、リニアライザ５の具体的な回路構成は、図１５に示したものに限定されない。例えば、図１６は一変形例によるリニアライザ５の回路図である。図１６のリニアライザ５は、オペアンプＯＰ７〜ＯＰ１１と、抵抗Ｒ２１〜Ｒ２７と、トランジスタＱ１〜Ｑ３と、ダイオードＤ７〜Ｄ９とを有する。
The specific circuit configuration of the
オペアンプＯＰ７とＯＰ１１の非反転入力端子は接地されている。オペアンプＯＰ７の反転入力端子には、抵抗Ｒ２１を介して整流器４の出力が入力される。オペアンプＯＰ７の出力端子と反転入力端子との間には抵抗Ｒ２２が接続されている。オペアンプＯＰ７は、整流器４の出力を反転出力する。
The non-inverting input terminals of the operational amplifiers OP7 and OP11 are grounded. The output of the
オペアンプＯＰ８〜ＯＰ１０の非反転入力端子には、基準信号Ｖ１〜Ｖ３がそれぞれ入力される。オペアンプＯＰ８〜ＯＰ１０の反転入力端子には、抵抗Ｒ２３〜Ｒ２５を介して整流器４の出力が入力される。オペアンプＯＰ８〜ＯＰ１０の出力信号は、トランジスタＱ１〜Ｑ３のベースとダイオードＤ７〜Ｄ９のアノードにそれぞれ入力される。ダイオードＤ７〜Ｄ９のカソードは、オペアンプＯＰ８〜ＯＰ１０の反転入力端子とトランジスタＱ１〜Ｑ３のエミッタにそれぞれ接続されている。トランジスタＱ１〜Ｑ３のコレクタは、オペアンプＯＰ７の反転入力端子に接続されている。オペアンプＯＰ７の出力端子は、抵抗Ｒ２６を介してオペアンプＯＰ１１の反転入力端子に接続されている。オペアンプＯＰ１１の出力端子と反転入力端子との間には抵抗Ｒ２７が接続されている。
The reference signals V1 to V3 are input to the non-inverting input terminals of the operational amplifiers OP8 to OP10, respectively. The output of the
図１６のリニアライザ５も、図１５のリニアライザ５と同様に、入力信号Ｖinと基準信号Ｖ１〜Ｖ３の大小関係によって、出力信号Ｖoutの信号レベルが変化する。
Similarly to the
図１１では、リニアライザ５の折れ線関数の折れ線ポイントの位置をコイル２の温度に応じて変化させる例を示したが、折れ線ポイントの位置は変えずに、折れ線ポイント間の線分の傾きをコイル２の温度ごとに変化させてもよい。図１７は一変形例による折れ線関数ｗ２３〜ｗ２５を示す図である。図１７の折れ線関数ｗ２３〜ｗ２５は、図１１と異なり、コイル２の温度が変化しても折れ線ポイントの位置は変化しないが、折れ線ポイント間の線分の傾きが温度によって変化している。リニアライザ５内の信号特性改善部８は、図１７のような折れ線関数に基づいて、整流器４の出力のレベル変換を行って出力してもよい。これにより、図１１の折れ線関数を用いた場合と同程度の線形性改善処理を行うことができる。
FIG. 11 shows an example in which the position of the polygonal line point of the polygonal liner function of the
このように、第２の実施形態では、リニアライザ５の内部に信号特性改善部８を設けて、コイル２の温度に応じた折れ線関数に基づいて、整流器４の出力をレベル変換した信号を出力する。このため、コイル２が高温下に置かれても、リニアライザ５の線形性を維持できる。
As described above, in the second embodiment, the signal
（第３の実施形態）
第３の実施形態は、第１の実施形態と第２の実施形態を組み合わせたものである。
(Third Embodiment)
The third embodiment is a combination of the first embodiment and the second embodiment.
図１８は第３の実施形態による変位センサ１の概略構成を示すブロック図である。図１８の変位センサ１は、図２と同様の可変ゲインアンプ１１およびゲイン調整部１２と、図１０と同様のリニアライザ５とを備えている。
FIG. 18 is a block diagram showing a schematic configuration of the
図１８の変位センサ１では、ゲイン調整部１２は、コイル２の温度に応じて可変ゲインアンプ１１のゲインを調整する。可変ゲインアンプ１１の出力が入力されるリニアライザ５は、コイル２の温度に応じてリニアライザ５の入出力特性を補正する信号特性改善部８を有し、信号特性改善部８は、リニアライザ５の入出力特性の線形性が改善するようにリニアライザ５の入出力特性を補正する。
In the
図１８の変位センサ１では、ゲイン調整部１２にて可変ゲインアンプ１１のゲインを調整した上で、リニアライザ５にて入出力特性の線形性改善処理を行うため、リニアライザ５の線形性がより改善される。
In the
上述した第１〜第３の実施形態では、コイル２の周辺の温度が変化しても、変位センサ１が適切に線形性改善処理を行えるようにしている。コイル２がコアを有する場合、コイル２の感度が向上するが、コアは磁性体であり、高温下では透磁率が低下して本来の機能を果たせなくなる。よって、高温下で変位センサ１を使用する場合、コアレスのコイル２を使用することが多い。第１〜第３の実施形態による変位センサ１は、コアを有するコイル２でも、あるいはコアレスのコイル２でも適用可能であり、上述した手法により、変位に対する変位信号の線形性を改善できる。
In the above-described first to third embodiments, the
上述した第１〜第３の実施形態では、温度計測器７にてコイル２の周辺の温度を計測して、計測された温度に基づいて、被測定物の変位に対する変位信号の線形化処理を行っている。第１〜第３の実施形態による変位センサ１では、コイル２以外の構成部品は共通の基板上に実装され、コイル２だけがこの基板から離れた位置に配置されることが多い。この場合、コイル２の周辺の温度と基板の温度との温度差が大きくなる可能性がある。特に、エンジンのバルブの変位を検出する場合など、被測定物の温度が数百℃を超えるような高温になる場合は、コイル２の周辺の温度と基板の周辺の温度との温度差が大きくなりやすい。上述したように、コイル２の温度によってコイル２のインピーダンスは変化するが、基板の温度によっても基板内の各回路素子の電気的特性が変化し、変位信号の信号レベルに影響を与える。
In the above-described first to third embodiments, the temperature around the
よって、コイル２の周辺の温度と基板の周辺の温度とが相違する可能性がある場合には、コイル２の周辺の温度を計測する温度計測器７とは別に、基板の周辺の温度を計測する基板温度計測器を設けてもよい。
Therefore, when there is a possibility that the temperature around the
この場合、第１〜第３の実施形態では、温度計測器７で計測されたコイル２の周辺の温度だけでなく、基板温度計測器で計測された基板の周辺の温度も考慮に入れて、線形性改善処理を行うことになる。これにより、コイル２の周辺の温度と基板の周辺の温度とに基づいて、被測定物の変位に対する変位信号を生成でき、コイル２や基板の温度が変化しても、また、被測定物の変位が変化しても、変位に対する変位信号の線形性をより改善させることができる。
In this case, in the first to third embodiments, not only the temperature around the
上述したゲイン調整部１２およびリニアライザ５の処理の少なくとも一部は、ソフトウェアで実行してもよい。例えば、信号処理プロセッサなどを用いて、ゲイン調整部１２やリニアライザ５の処理を実行するプログラムを実行してもよい。
At least a part of the processes of the
本発明の態様は、上述した個々の実施形態に限定されるものではなく、当業者が想到しうる種々の変形も含むものであり、本発明の効果も上述した内容に限定されない。すなわち、特許請求の範囲に規定された内容およびその均等物から導き出される本発明の概念的な思想と趣旨を逸脱しない範囲で種々の追加、変更および部分的削除が可能である。 The aspects of the present invention are not limited to the individual embodiments described above, but include various modifications that can be conceived by those skilled in the art, and the effects of the present invention are not limited to the above-described contents. That is, various additions, changes and partial deletions can be made without departing from the conceptual idea and spirit of the present invention derived from the contents defined in the claims and the equivalents thereof.
１ 変位センサ、２ コイル、３ 発振器、４ 整流器、５ リニアライザ、６ 出力アンプ、７ 温度計測器、８ 信号特性改善部、１１ 可変ゲインアンプ、１２ ゲイン調整部、１３ 相関関係格納部、１４ ＭＣＵ、１５ Ａ／Ｄコンバータ、１６ Ｄ／Ａコンバータ、１７ 乗算型Ｄ／Ａコンバータ、１８ 入出力特性補正部
DESCRIPTION OF
Claims (12)
前記整流器の出力に基づいて、被測定物の変位に換算した電圧または電流を出力端子から出力する信号変換器と、
前記整流器の出力端子から前記信号変換器の出力端子に至るまでの経路に配置され、前記コイル周辺の温度を取得して、この温度に基づいて、低温よりも高温のときに補正値を高くすることで前記信号変換器の出力の特性を改善する信号特性改善部と、を備える、変位センサ。 A rectifier that rectifies the current flowing in the coil that generates an eddy current in the DUT and outputs it from the output terminal,
Based on the output of the rectifier, a signal converter that outputs a voltage or current converted to the displacement of the measured object from the output terminal,
It is arranged in a path from the output terminal of the rectifier to the output terminal of the signal converter, acquires the temperature around the coil, and increases the correction value when the temperature is higher than the low temperature based on this temperature. A displacement characteristic sensor for improving the characteristic of the output of the signal converter.
前記信号変換器は、リニアライザであり、
前記信号特性改善部は、
前記整流器の出力にゲインを乗じた信号を生成する可変ゲインアンプと、
前記変位に対する前記リニアライザの出力の線形性が改善されるように、前記温度計測器で計測された温度に基づいて前記ゲインを調整するゲイン調整部と、を有する、請求項１に記載の変位センサ。 A temperature measuring device for measuring the temperature around the coil is provided,
The signal converter is a linearizer,
The signal characteristic improving unit,
A variable gain amplifier that generates a signal by multiplying the output of the rectifier by a gain,
The displacement sensor according to claim 1, further comprising: a gain adjusting unit that adjusts the gain based on the temperature measured by the temperature measuring device so that the linearity of the output of the linearizer with respect to the displacement is improved. .
前記リニアライザには、前記アナログ乗算器または前記乗算型Ｄ／Ａコンバータの出力が入力される、請求項２に記載の変位センサ。 The variable gain amplifier has an analog multiplier or a multiplication D / A converter that generates a signal by multiplying the output of the rectifier by the gain,
The displacement sensor according to claim 2, wherein an output of the analog multiplier or the multiplication D / A converter is input to the linearizer.
前記ゲイン調整部は、前記温度計測器で計測された温度に対応する前記ゲインを、前記相関関係格納部から取得する、請求項２または３に記載の変位センサ。 A correlation storage unit that stores the correlation between the temperature around the coil and the gain adjusted by the gain adjustment unit;
The displacement sensor according to claim 2, wherein the gain adjusting unit acquires the gain corresponding to the temperature measured by the temperature measuring device from the correlation storing unit.
前記信号変換器は、リニアライザであり、
前記信号特性改善部は、前記温度計測器で計測された温度に応じて前記リニアライザの入出力特性を補正する、請求項１に記載の変位センサ。 A temperature measuring device for measuring the temperature around the coil is provided,
The signal converter is a linearizer,
The displacement sensor according to claim 1, wherein the signal characteristic improving unit corrects the input / output characteristic of the linearizer according to the temperature measured by the temperature measuring device.
前記基板の温度を計測する基板温度計測器と、を備え、
前記信号特性改善部は、前記温度計測器で計測された前記コイルの温度と、前記基板温度計測器で計測された前記基板の温度とに基づいて、前記信号変換器の出力の特性を改善させる、請求項２乃至９のいずれか一項に記載の変位センサ。 A board on which the coil, the rectifier and the signal converter are mounted,
A substrate temperature measuring device for measuring the temperature of the substrate,
The signal characteristic improving unit improves the characteristic of the output of the signal converter based on the temperature of the coil measured by the temperature measuring device and the temperature of the substrate measured by the substrate temperature measuring device. The displacement sensor according to any one of claims 2 to 9.
前記自励式発振回路の発振レベルは、前記被測定物に発生した渦電流による前記コイルのインピーダンスの変化の影響を受けて変化する、請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の変位センサ。 A self-excited oscillation circuit that performs an oscillation operation by using the impedance of the coil and outputs an oscillation signal;
11. The displacement sensor according to claim 1, wherein an oscillation level of the self-excited oscillation circuit changes under the influence of a change in impedance of the coil due to an eddy current generated in the object to be measured.
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