JP3982948B2 - End detection device for conductive object - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主に帯状をなした導電性物体、例えば金属の端部が検出装置を構成する電極部に入り込む量を検出する装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、導電性帯状体の端部の位置を検出する目的のために、様々な手法が考案され、用いられてきた。例えば、光電的に検出するもの、画像情報を用いるもの、電磁的に検出するもの等がある。これらはそれぞれ得失があるため用途に応じて使い分けられてきた。
【0003】
またこれらの方法とともに実用化されている方法に静電容量もしくはこれを媒介として得られる情報の変化を評価する手法がある。原理的に、静電容量を用いた手法は更に2種類に分類される。第1の方法は静電容量の変化そのものを評価する方法であり、その例を図1に示す。交流電源101を導電性帯状体100と電極102との間に印加し電極102間に挿入された導電性帯状体100の挿入量Xによって変化する静電容量を同調コイル104とともに形成される共振周波数の変化として捕らえ共振電流の変化を増幅器103で増幅し挿入量Xを検出する。
【0004】
第2の方法は静電容量を介して伝達される信号、例えば高周波電圧が静電容量に挿入された導電性物体によって変調される度合いを評価する方法である。図2は第2の方法の一例を示す。交流電源101を送信電極102aに印加し送信電極102aと受信電極102b間に挿入された導電性帯状体100の挿入量Xによって変化する電流を増幅器103で増幅し挿入量Xを検出する。
【0005】
第2の方法は入力端子および出力端子を持ち、両者の間に定義される関数の出力を導電性物体の挿入位置によって変化させるものである。第2の方法を簡単化した式で示す。
Y=K・X …(1)
ここにY:出力値,例えば電圧、K:係数、X:導電性物体の電極への挿入量
【0006】
以下に記載する本発明は第2の方法の範疇に属するもので、以降第2の方法を「静電式3端子型」と呼ぶことにする。静電式3端子型の系で用いる励振電源は高周波の交流を用いることが多く、本発明でもこれを用いるが、これは単に実用的性能の実現のし易さから選択されるものであり、0を越えるいかなる周波数を用いても本発明は実現可能である。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
上述した(1)式に示すように、関数は導電性物体の電極への挿入量のみに感受性をもつことが望ましい。しかし、実際には各種の要因が介在し、係数に漂動が起る。次に示す(2)式は(1)式を実体に近い式にしたものである。
Y=(1+α)・K・X …(2)
ここにα:係数の漂動
αは、例えば、空間の誘電率が温度や湿度、気圧などで複雑に変化したり、入出力電極間の物理的距離が変動したりすること、あるいは周囲の電気的反射や漏洩などで変化する。しかし、従来は、αの変動が無いかあるいは微小であるとして(2)式を用いていた。いうまでもなくこのことは実用上の大きな制限事項となり、応用範囲や利便性を損ねていた。
【0008】
本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたもので、周囲の状況に影響されないで導電性物体の電極への挿入量を検出する装置を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明における根本的概念は、(2)式のα、即ち各種の不都合が検出装置の物理的専有空間内では等分に起るであろうとの予測の上に成り立っている。解決手段を説明するにあたり、先ず静電式3端子型の共通基本原理を説明する。図3はこの原理を説明する図である。対向して設けられた送信電極2と受信電極3の間には導電性物体1がxだけ挿入される。交流電源4より交流電圧が送信電極2に印加され両電極2,3の間には電気力線が形成される。ここでは一次近似についてのみ言及し静電容量の縁辺効果や電気力線の湾曲などについては説明の簡単化のため無視する。
【0010】
この条件によって、電界傾度が同じとき電気力線は電極全体について等密度で分布する。図3に示すように、電気力線は収束して電流となって負荷抵抗5に流れる。もし静電容量を形成する部分のインピーダンスが負荷抵抗値に比し十分大きいなら、負荷抵抗5に生成される電圧は、受信電極3に集約される電気力線の総数に比例する。図3では電気力線は2つのグループに別れ、それぞれ抵抗負荷5と測定対象である導電性物体1に集約される様子を示す。電気力線の密度は、電界傾度に依存するため、受信電極3に流れるaグループと導電性物体1に流れるbグループでは密度が異なるが、このシステムで評価の対象となるのは、aグループの電気力線であるため、このことが測定に不都合を与えることはない。結局、負荷抵抗5に流れる電流は導電性物体1の挿入量xに依存し、その関係は第一次近似として直線的で、次の式で表される。
【0011】
IL =k・(1−x)
ここで、IL :負荷抵抗5を流れる電流、k:比例定数、数字の1:両電極の長さ(導電性物体1の挿入方向の長さ)を1として表す。
なお、aグループの電気力線の密度に影響を与えるあらゆる外乱要素は測定誤差の要因になるので、これを解決するのが本発明の目的である。
【0012】
今まで、印加電圧、換言すれば電圧により生成される電気力線に関し、ただ1つの周波数だけが存在する場合を述べたが、ここで複数の周波数成分をもつ電気力線が混在している場合を考察する。特に周波数成分の数が2つ、f1 ,f2 から成る場合で、それらの周波数の電気力線の密度が一次元的に次のような分布をなしているとする。
EMf1X=x …(3)
EMf2X=(1−x)…(4)
ここで、EMf1X:x点における周波数f1 の電気力線密度、EMf2X:x点における周波数f2 の電気力線密度、x:導電性物体の電極への挿入量、数字の1:両電極の長さ(導電性物体1の挿入方向の長さ)を1として表す。
【0013】
図4は電気力線の密度分布を矢印の長さに置き換えて表した図で、実線は(3)式で示す周波数f1 の電気力線密度を示し、破線は周波数f2 の電気力線密度を示す。負荷抵抗5を流れる電流は図3に示すように導電性物体1で遮断されないで受信電極に到達する電気力線の積分に比例する。xの範囲を(0<x<1)とし、積分範囲をxから1までとすると、電流は次の式で表される。
ここでIL f1X は周波数f1 の電気力線により負荷抵抗5を流れる電流であり、IL f2X は周波数f2 の電気力線により負荷抵抗5を流れる電流である。
【0014】
ここで、IL f2X とIL f1X との比を求めると次式で表される。
IL f2X /IL f1X =(1−x)/(1+x)…(5)
この比は1から極限値としての0までの連続した値をとる。
【0015】
図5はこの電流の比と挿入量xとの関係を示す。縦軸が電流比IL f2X /IL f1X を示し、横軸が正規化された挿入量xを示す。図5は理論計算結果であり、x=1となる極限値では0/0の不定形となるが、xがとり得る最大値を制限する(例えば0 .8)ことにより、実用上の問題はない。この電流の比が決まれば、xの値は一意に決まるので、xに対する測定系が成立し、電導性物体の電極への挿入量xを検出できる。ここで特筆すべきは、両周波数成分の電流の比を求めることにより、kの項目が消去されたことである。すなわち、kに影響を与える諸要素、例えば、励振電源電圧、空間誘電率、送信電極と受信電極間距離、電気力線総数に影響を与える電極寸法などは、一次近似としては測定値に影響を与えない。なお、図5の非直線性が問題になるような応用では、直線化手段、例えば非線形増幅器やルックアップテーブル等を適用することにより修正可能である。
【0016】
さらに、別の処理として次の演算を行う。
IL f1X とIL f2X との和ILAを求める。
ILA=1/2・k(1−x)(( 1+x)+(1−x))=k(1−x)
また、IL f1X とIL f2X との差ILDを求める。
ILD=IL f1X −IL f2X =1/2・k(1−x)(( 1+x)−(1−x))
=k(1−x)x
【0017】
ここで、受信系に対し可変増幅率の増幅器を導入すれば、vを増幅器の増幅率としたとき
ILA=vk(1−x)
となる。
vを適宜調整することによりILAを常に任意に定めた固定値Cに保つようにすると、
k(1−x)=C より電流の差ILDは、
ILD=C・x
x=ILD/C…(6)
【0018】
このように出力電流の差ILDと導電性物体の電極への挿入量xは直接比例関係を保つことができ、しかもkに依存しない系が構成される。この場合もxが1となる極限状態ではILAをCに保つためのvは発散するので、xの最大値は具体的な設計上の許し得る範囲、例えば0 .8以下に制限することが望ましい。
【0019】
以上に説明したように、本発明では、送信電極と受信電極間に生成する電気力線の密度分布を図4に示すように電極端部から単調増加するものと、この逆の分布をするものとを発生させ、電極端部から導電性物体をx挿入したときに受信電極に発生する電流を演算処理することにより、環境定数に依存せず、常に安定した測定値xを得ることができる。
【0020】
【発明の実施の形態】
電極間に発生する電気力線の密度ρは次式に示すように、電極間の電圧e、電極間の距離L、及び電極間に存在する空間の誘電率εに依存する。
ρ=keε/L…(7)
そこで、電気力線を所望の密度で分布させることは、これらの要素e,ε,Lを調整することにより実現される。
【0021】
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
図6は本発明の第1実施形態の構成を示す図である。導電性物体1の挿入方向に平行に送信電極2と受信電極3が対向して設けられている。送信電極2は第1電極2aと第2電極2bからなり、並行して配置され、実質的に等しい形状をなし、抵抗体もしくは使用周波数において有効なインピーダンスを呈する物体、例えばインダクタンスで構成されている。受信電極3は導体で構成され、どの部分の電位も実質的に一様であり、受信電極3に集約される電気力線による電流は電気力線の積分に比例する。受信電極3には負荷抵抗5が接続され、この負荷抵抗5より出力電圧を取り出す。なお、受信電極3の構成は以降の実施形態でも同じである。周波数f1の交流信号S1を発生する第1電源4aは第1電極2aの導電性物体1が挿入される側(以下挿入端と称する)の反対端(以下反対端と称する)に接続され、挿入端は接地されている。周波数f2の交流信号S2を発生する第2電源4bは第2電極2bの挿入端に接続され、反対端は接地されている。また、交流信号S1とS2の電圧E1とE2は互いに等しくEtに設定される。
【0022】
かかる構成により、第1電極2aでは挿入端で0、反対端でEtとなる直線的に変化する電圧分布が得られる。また、第2電極2bでは挿入端でEt、反対端で0となる直線的に変化する電圧分布が得られる。この電圧の変化形状は送信電極2の抵抗もしくはインピーダンス(以降、インピーダンスとは純抵抗も含めるものとする)分布に依存することは明らかであり、送信電極2のインピーダンス分布が一様であるならば、電気力線の密度分布は図4に示した分布と等しくなる。本構成は本発明の根本的要件である電気力線の密度分布を意図にかなった形状にするという目的を達成している。本実施形態では受信電極3から取り出される信号のf1成分とf2成分の合成は空間及び受信電極3で行われる。第1電極2a、第2電極2bの幾何学的相似性及び第1電極2a、第2電極2bのそれぞれに対する受信電極3の対面の公平性は重要である。
【0023】
一方において、第1電極2a及び/または第2電極2bのインピーダンス分布を意図的に制御された状態に置くならば、図4に相当する電気力線の密度分布に非直線性を持たせられることは明らかである。そこでインピーダンス分布を図5の出力特性((5)式に示す電流比)を補整するように設定することによって、爾後の信号処理における既述の非線形補整は不必要となり便利である。
【0024】
図7は出力特性を直線化する処理を行なうための要件を概念的に説明する図である。軸1の縦目盛りは導電性物体1の電極への挿入量xの基準化された位置を示し、その他の軸の目盛りはこの位置と対応して示される。軸2は送信電極2の基準化したインピーダンス分布を示し、直線的に変化するから、目盛りは軸1と同じである。軸3は、無処理時の基準化出力((5)式に示す電流比)を示す。なお、軸1は図5の横軸を示し、軸3は縦軸を示す。導電性物体1の電極への挿入量xと基準化出力pとは、(5)式と同じ関係が成り立つ。
p=(1−x)/(1+x)
この式から任意のpに対するxの位置は次の式で表される。
x=(1−p)/(1+p)
【0025】
そこで、最終的に軸4に示すような直線的な出力特性を得るためには、軸2のような直線的インピーダンス分布に代えて軸5に示すインピーダンス分布にすればよいことがわかる。このような非線形インピーダンス分布を作り出す実際の手法は、電極材料やインピーダンス作成の具体的手法に依存し、本発明の主旨とは無関係ではあるが、例えば、電極材料に抵抗体を使うのであれば、電極の厚みを変化させることによって単位長さ当りの抵抗値を変えたり、インピーダンスの作成にインダクタンスを使うのであれば、その巻き線ピッチを場所によって変えるなど、格別の困難はない。本件の実施は実際の設計において、送信電極に非線形インピーダンス分布を持たせることと、非線形補整手段を装着することとの経済性を比較して決定すればよい。
【0026】
図8は受信電極3で得られた電流を処理する構成を示す。受信電極3に集約された電流は増幅器11により実用的な電圧に変換される。次に周波数f1に同調したバンドパスフィルタ12a、周波数f2に同調したバンドパスフィルタ12bを通して、f1成分とf2成分に分離され、整流器13a、整流器13bによって直流信号に変換され、アナログ割算器14に導かれ、(5)式で示した方法で導電性物体1の電極2,3への挿入量xが検出される。その後必要に応じて図5で示した非線形を非線形補正器15で線形に補正して最終出力とする。
【0027】
図9は受信電極3で得られた電流をデジタル素子で処理する装置を示す。整流器13a,13bまでは図8と同じで、その後A/D変換器16a,16bでデジタルデータに変換し、デジタル割算器17に導かれ、導電性物体1の電極2,3への挿入量xが算出される。その後必要に応じて出力をルックアップテーブル18を用いて直線に補正して最終出力とする。
【0028】
図10は図9で示したデジタル処理系において、デジタル割算器17とルックアップテーブル18を1つの2ポート型ルックアップテーブルに置き換えることにより、より簡単化した回路例を示す。このルックアップテーブル19は2つのポートの信号のあらゆる組合せに対し、任意の信号に変換して出力できるので、図9の2つのブロック17,18で行なう演算を1個のブロックに置き換えることができる。ルックアップテーブル19のサイズについては、A/D変換後のデータを8ビットとすれば、アドレスビット数16、即ち64キロバイト=512キロビットのROMで実現でき、十分に実用的である。なお、ルックアップテーブル19は割算のみの機能を持つものでもよい。また、図9,図10の回路では、A/D変換後の処理はコンピュータなどのソフトウエア的手法を用いることによってこれに代えることができる。
【0029】
次に第2実施形態について説明する。第1実施形態の図8〜図10に示す装置では導電性物体1の電極への挿入量xを(5)式に基づいて電流比から求めたが、第2実施形態では、電流の和と差を求め(6)式に基づき挿入量xを求める。図11は第2実施形態の構成を示す図である。受信電極3に発生した電流は可変増幅率増幅器21で増幅され、バンドパスフィルタ22a,22bにより周波数f1とf2の成分に分離され、それぞれ整流器23a,23bで整流された後、減算器24と加算器25で減算および加算される。制御信号発生器26は加算器25の出力と固定値設定器27で設定された固定値Cが一致するように可変増幅率増幅器21の増幅率を決定する。減算器24の出力が導電性物体1の電極への挿入量xとなるべき最終出力である。
【0030】
加算器25の出力は固定値Cと比較され、両者の差に基づいた制御信号で可変増幅率増幅器21の増幅率が制御される結果、加算器25の出力は常に一定値に保たれる。このとき、減算器24の出力は(6)式に示すように導電性物体1の電極への挿入量xに直接比例する。制御信号発生器26の出力は加算器25の出力と固定値Cとの差に基づき作成されるが、その手法は任意であり、例えば、P動作、PI動作、PID動作などが用いられる。本実施形態はフィードバック制御を用いているが、他の制御方法も可能である。すなわち周波数f1とf2の検出信号の和の値が評価可能でさえあれば、これによって差の値を後段で再評価し導電性物体1の電極への挿入量xを知るフィードフォワード処理も可能である。
【0031】
図12はフィードフォワード制御を用いた実施形態であり、図11に示す実施形態の拡張で、実質的には図11の装置に含まれる装置である。受信電極3に発生した電流は増幅器11で増幅され、バンドパスフィルタ22a,22bにより周波数f1とf2の電流に分離され、それぞれ整流器23a,23bで整流された後、減算器24と加算器25で減算および加算される。加算器25の出力は反転器28で逆数が算出されこの逆数と減算器24の出力が掛算器29で掛算され、この値が導電性物体1の電極への挿入量xとなる。
【0032】
次に第3実施形態を図13を参照して説明する。第3実施形態は送信電極2を1個のインピーダンスで構成し、反対端に第1電源4aの電圧Etを印加し、挿入端に第2電源4bの電圧Etを印加する。これにより挿入量xの位置での周波数f1の電圧はxEt、周波数f2の電圧は(1−x)Etとなり、電気力線の密度分布は図4に示した実線と破線の成分を合成したものが得られる。本実施形態におけるf1成分とf2成分の合成は送信電極内で行われる。本実施形態においても電気力線密度を意図にかなった形状で分布させるという目的に合致する。さらに本実施形態においても、図7で説明したように、送信電極2のインピーダンスの変化曲線を出力特性の非直線性を補整するように分布させることにより非線形補整回路が不要になることは明らかである。なお、受信電極3以降の構成は、図8〜図12の何れかの構成が用いられる。
【0033】
次に第4実施形態を図14、図15を参照して説明する。第4実施形態は(7)式において、電極間の距離Lを調整して電気力線の密度分布を所望の分布にする方法である。導電性物体1の挿入方向に平行に受信電極3が設けられている。送信電極2は第1電極2aと第2電極2bからなり、第1電極2aは受信電極3との距離が挿入端で離れ反対端で近づくように直線状に傾斜し、第2電極2bは受信電極3に対して第1電極2aと反対の形状に配置されている。両電極2a,2bは、実質的に等しい形状をなし、導体で構成されている。受信電極3は導体で構成され、どの部分の電位も実質的に一様である。第1電極2aには第1電源4aより周波数f1の電圧Etが印加され、第2電極2bには第2電源4bより周波数f2の電圧Etが印加されており、両電極2a,2bのどの位置の電圧も電源電圧Etとなっている。なお、受信電極3以降の構成は、図8〜図12の何れかの構成が用いられる。
【0034】
かかる構成により、周波数f1およびf2の成分の電気力線の密度分布は図4に準じた分布が得られる。ただし送信電極2と受信電極3との距離Lの変化に対し電気力線密度分布は直線的ではなく、直角双曲線の一部をなして変化するので、受信電極3で得られる電流の比は図5に示す曲線とは異なる傾向を示す。
【0035】
図15は送信電極2(第1電極2a,第2電極2b)と受信電極3との距離を平面的に表している。導電性物体1の電極2,3への挿入量xにおける周波数f1とf2の電気力線密度、EMf1XとEMf2Xはy=1−xとして次の式で表される。
EMf1X=k/L1=k/(py+G)
EMf2X=k/L2=k/(px+G)
ここでkは係数で周囲環境の影響を受けて変動する。
従って導電性物体1によって遮断される電気力線の積分は次のようになる。
(k/p)log(py+G)
(k/p)log(px+G)
導電性物体1が挿入されないときの電気力線の積分は、周波数f1とf2の電気力線とも同一で(k/p)log(p+G)である。従ってxだけ遮蔽したときの残留電気力線の積分は次のようになる。
(k/p)log(p+G)−(k/p)log(py+G)
(k/p)log(p+G)−(k/p)log(px+G)
両者の比ILDは次のようになる。
【0036】
【数1】
【0037】
(8)式ではkは消去さているため、安定な検出ができる。ただし本実施形態においてはpとGが単独で変動することは許されない。受信電極3に発生する電流の比ILDは(8)式で示すように対数曲線となり直線とはならない。しかし図6、図13に示した実施形態における処置に準じ、これを補整するような曲率を持つ電極を用いて解決できる。なお、本実施形態においては交流信号S1,S2を電気的に混合した後に送信するならば、受信電極と送信電極は互いに交換可能である。
【0038】
次に第5実施形態を図16〜18を参照して説明する。第5実施形態は(7)式において、電極間の誘電率εを調整して電気力線の密度分布を所望の分布にする。導電性物体1の挿入方向に平行に送信電極2と受信電極3が対向して設けられている。送信電極2は第1電極2aと第2電極2bからなり、並行して配置され、実質的に等しい形状をなし、導体で構成されている。周波数f1の交流信号S1を発生する第1電源4aは第1電極2aに接続され、第1電極2aを周波数f1、電圧Etで駆動する。周波数f2の交流信号S2を発生する第2電源4bは第2電極2bに接続され、第2電極2bを周波数f2、電圧Etで駆動する。
【0039】
図17は電極2,3間に設けられる誘電率変化体6の構造を示す。誘電率変化体6は、例えば、誘電率の異なる複数の誘電体の粉末を長さ方向に合成誘電率が直線状に変化するように分布させながら混合し焼成することによって得られる。図17の誘電率変化体6は黒丸により誘電率の高い誘電体の分布を模式的に表したものである。図17Aは第1電極2aと受信電極3の間に誘電率変化体6を配置した状態を示す。誘電率変化体6はその誘電率が挿入端で低く、反対端で高くなるように配置される。図17Bは第2電極2bと受信電極3の間に誘電率変化体6を配置した状態を示す。誘電率変化体6の配置を第1電極2aの場合と逆にしたもので、その誘電率が挿入端で高く、反対端で低くなるように配置される。なお誘電率変化体6は送信電極2と受信電極3の間に配置され、導電性物体1に当たらないよういずれかの電極2,3に近づけて、または接触させて配置される。かかる構成により送信電極2と受信電極3との間に図4に示した密度分布の電気力線を発生することができる。
【0040】
図18は別の誘電率変化体を示す。誘電体をくさび状に加工したもので、長さ方向に合成誘電率が直線状に変化するようにしたものである。図18Aは第1電極2aと受信電極3の間に誘電率変化体6を配置した状態を示す。誘電率変化体6は第1くさび6aと第2くさび6bからなり、両者は同一形状のくさびよりなる。第1くさび6aは誘電率の高い誘電体で構成され、第2くさび6bは誘電率の低い誘電体で構成されている。この組み合わせによって、誘電率変化体6はその合成変化率が挿入端で低く、反対端で高くなる。両くさび6a,6bは図18Aに示すように向かい合せ厚みが同じになるように結合されている。図18Bは第2電極2bと受信電極3の間に誘電率変化体6を配置した状態を示す。誘電率変化体6の配置を第1電極2aの場合と逆にしたもので、その合成誘電率が挿入端で高く、反対端で低くなるように配置される。かかる構成により送信電極2と受信電極3との間に図4に示した密度分布の電気力線を発生することができる。なお、上の説明では2個のくさびを組み合わせて用いたが、いずれか一方のくさびのみを用いてもよい。
【0041】
次に第6実施形態を図19を参照して説明する。第1〜5実施形態ではいずれも励振源として2つの周波数f1とf2を同時に、つまり1つの時間帯で用いたが、第6実施形態では1つの周波数を2つの時間帯で用いる。この方法はいずれの実施形態にも適用可能であるが、図13に示した第3実施形態に適用した場合を説明する。
【0042】
図19において、周波数f1の交流信号S1を発生する第1電源4aに転換スイッチ7を接続し、この転換スイッチ7を送信電極2に接続する。これにより送信電極2の一端を第1電源4aに接続し、他端を接地する接続と、この逆の接続を転換スイッチ7により行なうことができる。受信電極3には増幅器11、A/D変換器16、メモリ30、デジタル割算器17が接続されている。
【0043】
かかる構成により、第1電源2aを投入すると、送信電極2と受信電極3間には図4の実線(または破線)で示す電気力線の密度分布が得られる。この時収集されたデータはA/D変換された後、一旦メモリ30に蓄えられる。その後転換スイッチ7を転換すると、電気力線密度分布は図4の破線(または実線)で示すようになる。このときのデータをA/D変換しメモリ30に蓄えられたデータとともにデジタル割算器17で処理することにより、導電性物体1の電極2,3への挿入量xを算出することができる。本実施形態は、電源、バンドパスフィルタ、A/D変換器はそれぞれ1個でよいので、経済的に優れており、また現在一般的となったコンピュータでの信号処理にも向いている。
【0044】
以上に説明した実施形態では、x=1となる極限状態では基本的に演算が実施困難であり、xの範囲を、例えば、0<x<0 .8となるように制限すべきであると説明した。このことは実用上決定的な問題点とはならないが、できれば改良されることが望ましい。図20はこの問題点を解決した実施形態の1つである。電極2,3は図13で説明した装置が用いられており、送信電極2の反対端にバイアスインピーダンス8を介して第1電源4aが接続されている。このバイアスインピーダンス8の値を、送信電極2の2つの給電点間のインピーダンスの例えば1/4に設定する。これにより図4に相当する電気力線密度分布は図21に示す1点鎖線より下の部分だけが生成される。一方受信電極3に発生した電流は増幅器11で実用的な電圧に変換される。次に周波数f1に同調したバンドパスフィルタ12a、周波数f2に同調したバンドパスフィルタ12bを通して、f1成分とf2成分に分離され、整流器13a、整流器13bによって直流信号に変換され、それぞれ加算器31a,31bに導かれ、B1,B2なる固定電圧が加算される。このB1,B2の値はそれぞれ図21の1点鎖線より上の部分の実線及び破線で示した電気力線の積分に相当する値に設定してある。この加算したそれぞれの値を割算器14で割算することより、挿入量xが得られる。この構成では、見掛け上、導電性物体1を電極2の最深部まで挿入されたとしても、構成全体の信号処理の流れからみれば、x<0 .8の条件が保たれているため、導電性物体1のいかなる挿入位置においても演算が困難または不可能になることはない。xがとることを許される最大値(今までの説明では0 .8)は主に、実際のシステムが遭遇する信号と雑音の比から決定するとよい。
【0045】
【発明の効果】
以上の説明より明らかなように、本発明によれば、静電式3端子型導電性物体端部検出装置が持つ、本質的な不安定性、即ち、電圧、電極間距離、誘電率等の変化に代表される外部要因による測定値の変動を解消した装置を構成することが可能になる。なお、信号源として実施形態では2つの周波数による構成例を示したが、実用上、2を越える周波数を用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】導電性物体の挿入量を静電容量の変化により検出する装置の基本回路図である。
【図2】導電性物体の挿入量を電気力線の変化により検出する装置の基本回路図である。
【図3】静電式3端子型検出器の基本動作を示す概念図である。
【図4】本発明の基本要件となる電気力線の密度分布を示す図である。
【図5】本発明の導電性物体の端部位置と出力信号との関係を示す理論的曲線を示す図である。
【図6】第1実施形態の構成を示す図である。
【図7】出力(電流比)の非直線性を矯正するための送信電極に対する要件を説明する図である。
【図8】受信電極で得られた信号を処理するブロック図である。
【図9】受信電極で得られた信号をデジタル信号に変換して処理するブロック図である。
【図10】図9のブロック図を改良しデジタル増幅器とルックアップテーブルを1個のルックアップテーブルに置き換えたブロック図である。
【図11】第2実施形態の構成を示す図で、受信電極で得られる電流の和と差から挿入量xを検出するブロック図である。
【図12】図11のブロック図を変形したブロック図である。
【図13】第3実施形態の構成を示す図である。
【図14】第4実施形態の構成を示す図である。
【図15】送信電極と受信電極との距離の変化を示す図である。
【図16】第5実施形態の構成を示す図である。
【図17】送信電極と受信電極間の合成誘電率を連続的に変化させる方法を示す図である。
【図18】送信電極と受信電極間の合成誘電率を連続的に変化させる別の方法を示す図である。
【図19】第6実施形態の構成を示す図である。
【図20】挿入量xが1に近づき演算が不安定になる領域を回避する方法を示す図である。
【図21】送信電極と受信電極間の電気力線の密度分布を示す図である。
【符号の説明】
1 導電性物体
2 送信電極
2a 第1電極
2b 第2電極
3 受信電極
4a 第1電源
4b 第2電源
5 負荷抵抗
6 誘電率変化体
6a 第1くさび
6b 第2くさび
7 転換スイッチ
8 バイアスインピーダンス
11 増幅器
12a,12b,22a,22b バンドパスフィルタ
13a,13b,23a,23b 整流器
14 アナログ割算器
15 非線形補正器
16,16a,16b A/D変換器
17 デジタル割算器
18,19 ルックアップテーブル
21 可変増幅率増幅器
24 減算器
25 加算器
26 制御信号発生器
27 固定値設定器
28 反転器
29 掛算器
30 メモリ
31a,31b 加算器[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an apparatus for detecting an amount of a conductive object mainly having a band shape, for example, an end of a metal entering an electrode part constituting the detection apparatus.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, various techniques have been devised and used for the purpose of detecting the position of the end of the conductive belt. For example, there are those that detect photoelectrically, those that use image information, and those that detect electromagnetically. Each of these has its advantages and disadvantages, and has been properly used depending on the application.
[0003]
In addition to these methods, there is a method for evaluating changes in capacitance or information obtained through the method as a method that has been put into practical use. In principle, the technique using capacitance is further classified into two types. The first method is a method for evaluating the change in capacitance itself, and an example thereof is shown in FIG. Resonance frequency formed with the
[0004]
The second method is a method for evaluating the degree to which a signal transmitted through the capacitance, for example, a high frequency voltage is modulated by a conductive object inserted in the capacitance. FIG. 2 shows an example of the second method. The
[0005]
The second method has an input terminal and an output terminal, and changes the output of a function defined between the two according to the insertion position of the conductive object. The second method is shown by a simplified formula.
Y = K · X (1)
Where Y: output value, for example, voltage, K: coefficient, X: amount of insertion of conductive object into electrode
[0006]
The present invention described below belongs to the category of the second method, and hereinafter, the second method will be referred to as “electrostatic three-terminal type”. The excitation power source used in the electrostatic three-terminal type system often uses high-frequency alternating current, and this is also used in the present invention, but this is simply selected based on the ease of realizing practical performance, The present invention can be realized by using any frequency exceeding zero.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
As shown in the above equation (1), it is desirable that the function is sensitive only to the amount of insertion of the conductive object into the electrode. However, in reality, various factors intervene and the coefficient drifts. The following equation (2) is obtained by making equation (1) close to the substance.
Y = (1 + α) · K · X (2)
Where α: coefficient drift
α varies, for example, when the dielectric constant of the space changes complicatedly with temperature, humidity, pressure, etc., the physical distance between the input and output electrodes varies, or the surrounding electrical reflections and leakage . However, conventionally, the formula (2) is used on the assumption that α does not vary or is minute. Needless to say, this has become a practical limitation, and the application range and convenience have been impaired.
[0008]
The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to provide an apparatus that detects the amount of insertion of a conductive object into an electrode without being affected by surrounding conditions.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The fundamental concept of the present invention is based on the prediction that α in equation (2), that is, various inconveniences, will occur equally in the physical exclusive space of the detection apparatus. In describing the solution, first, the common basic principle of the electrostatic three-terminal type will be described. FIG. 3 is a diagram for explaining this principle. Between the transmitting
[0010]
Under this condition, when the electric field gradient is the same, the lines of electric force are distributed with equal density over the entire electrode. As shown in FIG. 3, the electric lines of force converge to form a current and flow through the
[0011]
I L = K · (1-x)
Where I L : Current flowing through the
It should be noted that any disturbance element that affects the density of the electric field lines of the a group causes measurement errors, and it is an object of the present invention to solve this.
[0012]
Up to now, the case where only one frequency exists regarding the applied voltage, in other words, the electric lines of force generated by the voltage has been described, but here, electric lines of force having a plurality of frequency components are mixed. Is considered. In particular, the number of frequency components is 2, f 1 , F 2 And the density of the electric field lines at those frequencies is one-dimensionally distributed as follows.
EMf 1X = X (3)
EMf 2X = (1-x) (4)
Where EMf 1X : Frequency f at point x 1 Electric field line density, EMf 2X : Frequency f at point x 2 X is the amount of insertion of the conductive object into the electrode, and the numeral 1: the length of both electrodes (the length in the direction of insertion of the conductive object 1) is 1.
[0013]
FIG. 4 is a diagram in which the density distribution of electric lines of force is replaced with the length of the arrow, and the solid line indicates the frequency f indicated by equation (3). 1 The broken line indicates the frequency f 2 The electric field line density is shown. The current flowing through the
Where I L f 1X Is the frequency f 1 Current flowing through the
[0014]
Where I L f 2X And I L f 1X The ratio is calculated by the following equation.
I L f 2X / I L f 1X = (1-x) / (1 + x) (5)
This ratio takes a continuous value from 1 to 0 as a limit value.
[0015]
FIG. 5 shows the relationship between the current ratio and the insertion amount x. The vertical axis is the current ratio I L f 2X / I L f 1X And the horizontal axis represents the normalized insertion amount x. FIG. 5 shows a theoretical calculation result. The limit value where x = 1 is 0/0 indefinite, but by limiting the maximum value x can take (for example, 0.8), the practical problem is Absent. If the ratio of this current is determined, the value of x is uniquely determined, so that a measurement system for x is established, and the insertion amount x of the conductive object into the electrode can be detected. What should be noted here is that the item k is eliminated by obtaining the ratio of the currents of both frequency components. That is, factors that affect k, such as excitation power supply voltage, spatial dielectric constant, distance between transmitter and receiver electrodes, electrode dimensions that affect the total number of lines of electric force, etc., affect the measured value as a primary approximation. Don't give. In an application where the non-linearity of FIG. 5 becomes a problem, it can be corrected by applying a linearizing means such as a nonlinear amplifier or a lookup table.
[0016]
Further, the following calculation is performed as another process.
I L f 1X And I L f 2X Sum I LA Ask for.
I LA = 1/2 · k (1-x) ((1 + x) + (1-x)) = k (1-x)
I L f 1X And I L f 2X Difference I LD Ask for.
I LD = I L f 1X -I L f 2X = 1/2 · k (1-x) ((1 + x)-(1-x))
= K (1-x) x
[0017]
Here, if an amplifier with a variable amplification factor is introduced into the receiving system, v is the amplification factor of the amplifier.
I LA = Vk (1-x)
It becomes.
By adjusting v appropriately, I LA Is always kept at an arbitrarily fixed value C,
Current difference I from k (1-x) = C LD Is
I LD = C · x
x = I LD /C...(6)
[0018]
Thus, the output current difference I LD And the insertion amount x of the conductive object into the electrode can maintain a direct proportional relationship, and a system independent of k is configured. Again, in the extreme state where x is 1, I LA Since v for keeping C diverges, the maximum value of x is preferably limited to a specific design allowable range, for example, 0.8 or less.
[0019]
As described above, in the present invention, the density distribution of the lines of electric force generated between the transmission electrode and the reception electrode increases monotonously from the end of the electrode as shown in FIG. 4 and the reverse distribution. And the current generated in the receiving electrode when x is inserted from the end of the electrode is processed, so that a stable measurement value x can always be obtained without depending on the environmental constant.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The density ρ of the lines of electric force generated between the electrodes depends on the voltage e between the electrodes, the distance L between the electrodes, and the dielectric constant ε of the space existing between the electrodes, as shown in the following equation.
ρ = keε / L (7)
Therefore, the distribution of the electric lines of force at a desired density is realized by adjusting these elements e, ε, and L.
[0021]
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 6 is a diagram showing the configuration of the first embodiment of the present invention. A transmitting
[0022]
With this configuration, a linearly changing voltage distribution is obtained with the
[0023]
On the other hand, if the impedance distribution of the
[0024]
FIG. 7 is a diagram conceptually illustrating the requirements for performing the process of linearizing the output characteristics. The vertical scale of the
p = (1-x) / (1 + x)
From this equation, the position of x with respect to an arbitrary p is expressed by the following equation.
x = (1-p) / (1 + p)
[0025]
Thus, in order to finally obtain a linear output characteristic as shown by the
[0026]
FIG. 8 shows a configuration for processing the current obtained at the receiving
[0027]
FIG. 9 shows an apparatus for processing the current obtained at the receiving
[0028]
FIG. 10 shows an example of a circuit simplified in the digital processing system shown in FIG. 9 by replacing the
[0029]
Next, a second embodiment will be described. In the apparatus shown in FIGS. 8 to 10 of the first embodiment, the insertion amount x of the
[0030]
The output of the
[0031]
FIG. 12 shows an embodiment using feedforward control, which is an extension of the embodiment shown in FIG. 11 and is substantially included in the apparatus of FIG. The current generated in the receiving
[0032]
Next, a third embodiment will be described with reference to FIG. In the third embodiment, the
[0033]
Next, a fourth embodiment will be described with reference to FIGS. The fourth embodiment is a method of adjusting the distance L between the electrodes in Equation (7) to make the density distribution of the electric lines of force a desired distribution. A receiving
[0034]
With this configuration, the density distribution of the electric lines of force of the components of the frequencies f1 and f2 can be obtained according to FIG. However, the electric force line density distribution is not linear with respect to the change in the distance L between the transmitting
[0035]
FIG. 15 shows the distance between the transmission electrode 2 (the
EMf 1X = K / L1 = k / (py + G)
EMf 2X = K / L2 = k / (px + G)
Here, k is a coefficient and varies under the influence of the surrounding environment.
Therefore, the integration of the electric lines of force blocked by the
(K / p) log (py + G)
(K / p) log (px + G)
The integral of the electric lines of force when the
(K / p) log (p + G)-(k / p) log (py + G)
(K / p) log (p + G)-(k / p) log (px + G)
Ratio I of both LD Is as follows.
[0036]
[Expression 1]
[0037]
In equation (8), k is eliminated, so that stable detection can be performed. However, in this embodiment, p and G are not allowed to fluctuate independently. Ratio I of current generated in the receiving
[0038]
Next, a fifth embodiment will be described with reference to FIGS. In the fifth embodiment, in equation (7), the dielectric constant ε between the electrodes is adjusted so that the density distribution of the electric lines of force is a desired distribution. A transmitting
[0039]
FIG. 17 shows the structure of the dielectric
[0040]
FIG. 18 shows another dielectric constant changing body. A dielectric is processed into a wedge shape, and the composite dielectric constant changes linearly in the length direction. FIG. 18A shows a state in which the dielectric
[0041]
Next, a sixth embodiment will be described with reference to FIG. In each of the first to fifth embodiments, two frequencies f1 and f2 are used simultaneously as an excitation source, that is, in one time zone. In the sixth embodiment, one frequency is used in two time zones. Although this method can be applied to any of the embodiments, the case where it is applied to the third embodiment shown in FIG. 13 will be described.
[0042]
In FIG. 19, a
[0043]
With this configuration, when the
[0044]
In the embodiment described above, the calculation is basically difficult in the limit state where x = 1, and the range of x should be limited so that, for example, 0 <x <0.8. explained. This is not a critical problem in practice, but it is desirable to improve it if possible. FIG. 20 shows one embodiment that solves this problem. For the
[0045]
【The invention's effect】
As is clear from the above description, according to the present invention, the intrinsic instability of the electrostatic three-terminal type conductive object end detection device, that is, changes in voltage, distance between electrodes, dielectric constant, etc. It is possible to configure a device that eliminates fluctuations in measured values caused by external factors such as In the embodiment, the configuration example using two frequencies is shown as the signal source, but a frequency exceeding two may be used practically.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a basic circuit diagram of an apparatus for detecting an insertion amount of a conductive object by a change in capacitance.
FIG. 2 is a basic circuit diagram of an apparatus for detecting an insertion amount of a conductive object by a change in electric lines of force.
FIG. 3 is a conceptual diagram showing the basic operation of an electrostatic three-terminal detector.
FIG. 4 is a diagram showing a density distribution of electric field lines, which is a basic requirement of the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing a theoretical curve showing a relationship between an end position of a conductive object of the present invention and an output signal.
FIG. 6 is a diagram showing a configuration of the first embodiment.
FIG. 7 is a diagram illustrating requirements for a transmission electrode for correcting non-linearity of output (current ratio).
FIG. 8 is a block diagram for processing a signal obtained by a receiving electrode.
FIG. 9 is a block diagram for processing a signal obtained by a receiving electrode by converting it into a digital signal.
FIG. 10 is a block diagram in which the block diagram of FIG. 9 is improved and the digital amplifier and the lookup table are replaced with one lookup table.
FIG. 11 is a diagram showing the configuration of the second embodiment, and is a block diagram for detecting an insertion amount x from the sum and difference of currents obtained at receiving electrodes.
12 is a block diagram obtained by modifying the block diagram of FIG.
FIG. 13 is a diagram showing a configuration of a third embodiment.
FIG. 14 is a diagram illustrating a configuration of a fourth embodiment.
FIG. 15 is a diagram showing a change in the distance between a transmission electrode and a reception electrode.
FIG. 16 is a diagram showing a configuration of a fifth embodiment.
FIG. 17 is a diagram illustrating a method of continuously changing a composite dielectric constant between a transmission electrode and a reception electrode.
FIG. 18 is a diagram showing another method for continuously changing the composite dielectric constant between the transmission electrode and the reception electrode.
FIG. 19 is a diagram showing a configuration of a sixth embodiment.
FIG. 20 is a diagram illustrating a method of avoiding a region where the insertion amount x approaches 1 and the calculation becomes unstable.
FIG. 21 is a diagram showing a density distribution of electric lines of force between a transmission electrode and a reception electrode.
[Explanation of symbols]
1 Conductive object
2 Transmitter electrode
2a First electrode
2b Second electrode
3 Receiver electrode
4a First power supply
4b Second power supply
5 Load resistance
6 Dielectric constant change body
6a 1st wedge
6b 2nd wedge
7 changeover switch
8 Bias impedance
11 Amplifier
12a, 12b, 22a, 22b Band pass filter
13a, 13b, 23a, 23b Rectifier
14 Analog divider
15 Nonlinear corrector
16, 16a, 16b A / D converter
17 Digital divider
18, 19 Look-up table
21 Variable gain amplifier
24 Subtractor
25 Adder
26 Control signal generator
27 Fixed value setter
28 Inverter
29 Multiplier
30 memory
31a, 31b Adder
Claims (6)
前記導電性物体を挟んで前記送信電極に対向して配置された受信電極と、
前記第1電極には第1周波数の第1交流信号を、前記第2電極には第2周波数の第2交流信号を、それぞれ印加する電源と、
前記第1電極に前記第1交流信号を印加することにより前記受信電極に発生する前記第1周波数の第1電流と、前記第2電極に前記第2交流信号を印加することにより前記受信電極に発生する前記第2周波数の第2電流と、により前記導電性物体の端部の前記送信電極と前記受信電極の間への挿入量を検出する検出手段と、
を備え、
前記第1電極の前記傾斜は前記第1電極と前記受信電極との距離が前記導電性物体の挿入方向に変化し、前記第2電極の前記傾斜は前記第2電極と前記受信電極との距離が前記導電性物体の挿入方向に前記第1電極の場合と逆に変化するように、前記第1及び第2電極を配置したことにより、
前記第1交流信号により前記第1電極から発生する電気力線は導電性物体の端部移動方向に連続的にかつ単調増加する密度分布とし、前記第2交流信号により前記第2電極から発生する電気力線は前記第1交流信号により発生する電気力線の密度分布と逆形状の密度分布とすることを特徴とする導電性物体の端部検出装置。A first electrode made of a conductor arranged to be inclined with respect to the moving direction of the end portion of the conductive object, and a second electrode made of a conductor arranged to be inclined in a direction opposite to the first electrode with respect to the moving direction. An electrode, and a transmission electrode configured by :
A receiving electrode disposed opposite the transmitting electrode across the conductive object;
A power supply for applying a first AC signal having a first frequency to the first electrode and a second AC signal having a second frequency to the second electrode ;
A first current of the first frequency generated in the receiving electrode by applying the first AC signal to the first electrode, and a second current signal applied to the receiving electrode by applying the second AC signal to the second electrode. a second current of the second frequency for generating a detection means for detecting the insertion amount into between the transmission electrode and the reception electrode end of the conductive object from two,
With
The inclination of the first electrode changes the distance between the first electrode and the reception electrode in the insertion direction of the conductive object, and the inclination of the second electrode indicates the distance between the second electrode and the reception electrode. By disposing the first and second electrodes so that changes in the insertion direction of the conductive object in the opposite direction to the case of the first electrode,
The lines of electric force generated from the first electrode by the first AC signal have a density distribution that continuously and monotonously increases in the direction of movement of the end of the conductive object, and are generated from the second electrode by the second AC signal. An apparatus for detecting an end portion of a conductive object, wherein the lines of electric force have a density distribution opposite to the density distribution of the electric lines of force generated by the first AC signal .
前記導電性物体を挟んで前記送信電極に対向して配置された受信電極と、
前記第1電極には第1周波数の第1交流信号を、前記第2電極には第2周波数の第2交流信号を、それぞれ印加する電源と、
前記第1電極に前記第1交流信号を印加することにより前記受信電極に発生する前記第1周波数の第1電流と、前記第2電極に前記第2交流信号を印加することにより前記受信電極に発生する前記第2周波数の第2電流と、により前記導電性物体の端部の前記送信電極と前記受信電極の間への挿入量を検出する検出手段と、
を備え、
前記第1電極と前記受信電極との間には合成誘電率の大きさが前記導電性物体の移動方向に直線状に変化する第1誘電率変化体を設け、前記第2電極と前記受信電極との間には合成誘電率の大きさが前記導電性物体の移動方向に前記第1誘電率変化体と逆に変化する第2誘電率変化体を設けたことにより、
前記第1交流信号により前記第1電極から発生する電気力線は導電性物体の端部移動方向に連続的にかつ単調増加する密度分布とし、前記第2交流信号により前記第2電極から発生する電気力線は前記第1交流信号により発生する電気力線の密度分布と逆形状の密度分布とすることを特徴とする導電性物体の端部検出装置。 A transmission electrode composed of a first electrode made of a conductor arranged in parallel to the moving direction of the end of the conductive object, and a second electrode made of a conductor arranged in parallel with the first electrode;
A receiving electrode disposed opposite the transmitting electrode across the conductive object;
A power supply for applying a first AC signal having a first frequency to the first electrode and a second AC signal having a second frequency to the second electrode;
A first current of the first frequency generated in the receiving electrode by applying the first AC signal to the first electrode, and a second current signal applied to the receiving electrode by applying the second AC signal to the second electrode. Detecting means for detecting an insertion amount of the end portion of the conductive object between the transmitting electrode and the receiving electrode by the generated second current of the second frequency;
With
A first dielectric constant changing body is provided between the first electrode and the receiving electrode, the magnitude of the synthetic dielectric constant changing linearly in the moving direction of the conductive object, and the second electrode and the receiving electrode. By providing a second dielectric constant change body in which the magnitude of the synthetic dielectric constant changes in the direction opposite to the first dielectric constant change body in the moving direction of the conductive object,
The lines of electric force generated from the first electrode by the first AC signal have a density distribution that continuously and monotonously increases in the direction of movement of the end of the conductive object, and are generated from the second electrode by the second AC signal. An apparatus for detecting an end portion of a conductive object, wherein the lines of electric force have a density distribution opposite to the density distribution of the electric lines of force generated by the first AC signal .
前記第1電極に前記第1交流信号を印加する時間と、前記第2電極に前記第2交流信号を印加する時間と、を異なった時間とし、
前記検出手段は、前記第1及び第2電流のうち、前記第1及び第2交流信号のうち最初に前記送信電極に印加された信号に基づく電流を、後から前記送信電極に印加された信号に基づく電流が得られるまで保持し、両電流より前記導電性物体の端部の挿入量を検出することを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一項に記載の導電性物体の端部検出装置。 The first frequency and the second frequency are the same or different frequencies,
The time for applying the first AC signal to the first electrode and the time for applying the second AC signal to the second electrode are different times,
The detection means is a signal applied to the transmission electrode later, based on a signal that is first applied to the transmission electrode among the first and second AC signals among the first and second currents. 6. The end of the conductive object according to claim 1, wherein an insertion amount of the end of the conductive object is detected from both currents until a current based on the current is obtained. Detection device.
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