KR101744698B1 - 변위 센서 - Google Patents

Abstract

코일(6)과 콘덴서(8, 10)로 이루어지는 병렬 공진 회로(4)가 NPN 트랜지스터(12)의 출력측에 설치되고, 병렬 공진 회로(4)의 출력이 트랜지스터(12)의 입력측에 귀환되어, 계속해서 발진하는 콜피츠 발진 회로(2)가 구성되어 있다. 코일(6)으로의 피측정물의 위치의 변화에 의해 트랜지스터(12)의 출력 레벨이 변화한다. 코일(6)에 계속적으로 정전류원(26)이 직류 전류를 공급하고 있다. 코일(6)의 직류 저항값의 변화를, 코일(6)을 흐르는 직류 전류에 의한 전압 강하로부터 RC 로우 패스 필터(30)가 검출한다. 마이크로컴퓨터(38)가 RC 로우 패스 필터(30)의 출력에 기초하여 트랜지스터(12)의 출력 레벨을 조정한다.

Description

변위 센서{DISPLACEMENT SENSOR}

본 발명은 코일을 이용하여 피측정물의 위치의 변위를 검출하는 변위 센서에 관한 것으로, 특히 코일의 저항값의 온도 변화에 기초하는 오차를 보상하는 것에 관한 것이다.

코일을 이용한 변위 센서로서는, 예를 들어 와전류식 변위 센서가 있다. 와전류식 변위 센서는, 교류 전류가 흐르고 있는 코일에, 피측정물인 도전체가 근접하면, 도전체에 와전류가 흘러, 교류 자계가 발생하고, 이에 의해 코일의 임피던스가 변화하는 것을 이용한 것이다. 이 와전류식 변위 센서에서는, 코일의 임피던스가 사용 환경의 온도 변화에 의해서도 변화하므로, 이 온도 변화에 의한 임피던스 변화를 보상할 필요가 있다. 이 보상 기술의 일례가 일본 특허 출원 공개 소60-67819호 공보에 개시되어 있다.

상기한 변위 센서에서는, 발진기로부터의 교류 전류를 코일에 공급하고, 코일로부터 교류 자장을 발생시킨 상태에서, 피측정물의 위치의 변위에 의해 크기가 다른 와전류가 코일로 유도된다. 와전류의 크기에 따라 변화하는 코일의 출력 전압에 기초하여 피측정물의 변위를 검출한다. 이와 같이 피측정물의 위치의 변화에 따라 코일의 출력 전압이 변화하는 점을 이용한 변위 센서에서는, 주위 온도의 변화에 따라 코일의 출력 전압이 변화하면, 정확하게 피측정물의 변위를 검출할 수 없어, 온도 보상이 필요하다. 소정의 샘플링 기간의 경과마다, 교류 전류 대신에, 직류 전류 공급 수단으로부터 코일에 직류 전류를 공급하고, 이 직류 전류에 의해 코일로부터 출력되는 직류 전압을 직류 전압 검출기에서 검출한다. 코일의 온도 변화에 기초하는 저항값 변화에 수반하는 코일의 출력 전압의 변화를 보정하기 위해, 검출된 직류 전압에 기초하여, 코일에 공급하는 교류 전류를 보정 수단에 의해 제어하고 있다.

상기한 변위 센서에서는, 발진기로부터의 교류 전류를 코일에 공급해야 하므로, 코일 이외에 발진기를 설치할 필요가 있어, 회로 구성이 복잡해진다. 또한, 교류 전류와 직류 전류를 전환하는 전환 스위치나 전환 제어 회로가 필요하여, 점점 회로 구성이 복잡해지고, 이 변위 센서를 설치 스페이스가 작은 장소에 설치하는 데에는 부적합하다. 또한, 소정의 샘플링 기간의 경과마다 직류 전류를 코일에 공급하여 온도 보상을 행하고 있으므로, 이 온도 보상의 동안에는, 변위의 검출을 행할 수 없다. 예를 들어, 내연 기관의 밸브의 변위를 검출하는 경우, 계속해서 변위의 검출을 행할 필요가 있고, 특허문헌 1의 변위 센서를 사용할 수는 없다.

본 발명은 회로 구성을 간략화할 수 있는 것에 더하여 온도 보상을 행하면서 계속적으로 변위를 검출할 수 있는 변위 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 형태의 변위 센서는, 계속해서 발진하고 있는 자려식 발진 수단을 갖고 있다. 이 자려식 발진 수단은, 코일과 콘덴서로 이루어지는 병렬 공진 수단과, 증폭 수단을 구비하고 있다. 증폭 수단은, 상기 공진 수단이 출력측에 설치되고, 상기 공진 수단의 출력이 입력측에 귀환되어 있다. 이 자려식 발진 수단에서는, 코일에 대한 피측정물의 위치의 변화에 의해 상기 증폭 수단의 출력 레벨이 변화한다. 와전류식 변위 센서의 경우, 피측정물의 코일에 대한 위치의 변화에 따라, 증폭 수단의 출력 레벨이 변화한다. 발진 수단의 발진 방식으로서는 소위 LC 발진, 예를 들어 콜피츠형 발진, 하틀리형 발진, 크랩형 발진, 콜렉터 동조형 반결합 발진, 베이스 동조형 반결합 발진 및 이들의 변형형, 그 밖의 공지의 다양한 것을 사용할 수 있다. 직류 공급 수단이, 상기 코일에 계속적으로 직류 신호를 공급한다. 상기 코일의 직류 저항값의 변화를, 저항값 검출 수단이, 상기 코일을 흐르는 상기 직류 신호에 의한 전압 강하로부터 검출한다. 상기 코일의 직류 저항값은, 주위 환경의 온도 변화에 따라 변화한다. 상기 저항값 검출 수단의 출력에 기초하여 상기 증폭 수단의 출력 레벨을 제어 수단이 조정한다.

상기한 바와 같이 구성한 변위 센서에서는, 자려식의 발진 수단을 사용하고 있으므로, 회로 구성을 간략화할 수 있다. 또한, 계속해서 발진하고 있는 자려식 발진 수단을 사용하고 있는 것에 더하여, 계속적으로 직류 신호를 자려식 발진 수단의 코일에 공급하고 있으므로, 저항값을 검출하기 위해 자려식 발진 수단의 발진을 정지시킬 필요가 없고, 계속해서 변위를 검출할 수 있다.

상기 직류 공급 수단은, 상기 코일에 정전류를 공급하는 정전류원으로 할 수 있다. 이 경우, 상기 저항값 검출 수단은, 상기 코일에 발생하는 직류 전압을 검출하는 필터 수단이다.

이와 같이 구성하면, 직류 성분만이 필터 수단에 의해 검출되고, 교류 성분의 영향을 받지 않고, 저항값을 검출할 수 있다.

상기한 형태에 있어서, 상기 증폭 수단은, 제1 내지 제3 전극을 갖고, 제1 및 제2 전극간의 신호에 따라 제1 및 제3 전극간의 도전 상태를 변화시키는 능동 소자를 갖는 것으로 할 수 있다. 이 경우, 제1 및 제2 전극간에 설치된 전류 조정 수단이 상기 제어 수단에 의해 제어된다. 능동 소자로서는, 예를 들어 바이폴라 트랜지스터 또는 전계 효과 트랜지스터를 사용할 수 있다.

이와 같이 구성하면, 능동 소자의 제1 및 제3 전극간에 흐르는 전류를 제어함으로써 발진 수단의 이득을 조정할 수 있고, 그 결과 코일의 온도 보상을 행할 수 있고, 또한 자려식 발진 수단은 안정된 발진 상태를 유지한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태의 변위 센서의 회로도.
도 2는 도 1의 변위 센서에 있어서의 피측정물과 코일의 관계를 나타내는 도면.
도 3은 도 1의 변위 센서의 코일의 저항값의 변화를 나타내는 도면.

본 발명의 일 실시 형태의 변위 센서는, 예를 들어 와전류식 변위 센서이며, 도 1에 도시하는 바와 같이 자려식 발진 수단, 예를 들어 콜피츠 발진 회로(2)를 갖고 있다. 콜피츠 발진 회로(2)는, 병렬 공진 수단, 예를 들어 병렬 공진 회로(4)를 갖고 있다. 이 병렬 공진 회로(4)는, 코일(6)과, 2개의 콘덴서(8, 10)의 직렬 회로를, 병렬로 접속한 것이다. 이 병렬 공진 회로(4)는, 소정의 주파수에서 병렬 공진하도록, 코일(6), 콘덴서(8, 10)의 값이 선택되어 있다. 또한, 콜피츠 발진 회로(2)는, 능동 소자, 예를 들어 바이폴라 트랜지스터, 구체적으로는 NPN 트랜지스터(12)도 갖고 있다. NPN 트랜지스터(12)는, 제1 전극, 예를 들어 베이스 전극과, 제2 전극, 예를 들어 이미터 전극과, 제3 전극, 예를 들어 콜렉터 전극을 갖고 있다. 이 NPN 트랜지스터(12)는, 도시하고 있지 않은 바이어스 회로에 의해 적절한 바이어스가 부여되어 있다. 또한, NPN 트랜지스터(12)는, 예를 들어 베이스 접지 회로로서 동작하도록, 도시하고 있지 않은 콘덴서에 의해 기준 전위, 예를 들어 접지 전위에 접속되어 있다.

병렬 공진 회로(4)의 일단부는, 접지 전위에 접속되고, 병렬 공진 회로(10)의 타단부는, 직류 저지 콘덴서(14)를 통해 NPN 트랜지스터(12)의 콜렉터 전극에 접속되어 있다. 트랜지스터(12)의 이미터 전극은, 콘덴서(8)와 콘덴서(10)의 상호 접속점에 접속되어 있다. 따라서, 도시하고 있지 않은 콘덴서에 의해 고주파적으로 접속되어 있는 베이스·콜렉터 전극간에 발생한 출력의 일부가 이미터 전극측에 귀환되어 있다. 콜렉터 전극은, 임피던스 소자로 이루어지는 부하(16)를 통해 전원 단자, 예를 들어 정(正)의 전원 단자(18)에 접속되고, 또한 출력 단자(20)에 접속되어 있다. 또한, 이미터 전극은, 상술한 바이어스 회로의 일부를 이루는 전류 조정 수단, 예를 들어 가변 전류원(22)을 통해 접지 전위에 접속되어 있다.

이 콜피츠 발진 회로(2)는, 병렬 공진 회로(10)의 병렬 공진 주파수에 의해 결정되는 발진 주파수로 계속해서 발진하고 있고, 출력 단자(20)로부터, 그 발진 출력이 취출된다. 도 2에 나타내는 바와 같이 코일(6)에 대한 피측정물, 예를 들어 선박의 엔진의 밸브(24)의 위치가 변화하면, 예를 들어 접근하면, 종래 기술에 관련하여 설명한 바와 같이, 코일(6)의 임피던스가 변화하고, 출력 단자(20)에 발생하는 발진 출력의 레벨이 변화한다. 이 레벨의 변화를 도시하지 않은 검출 수단에 의해 검출하고, 밸브(24)의 변위를 검출한다.

도 3에 나타내는 바와 같이, 코일(6)의 저항값이나 밸브(24)의 고유 저항값이 주위 환경의 온도 변화에 따라 변화하므로, 이것을 방치하면, 출력 단자(20)로부터의 발진 출력의 레벨이 변화하고, 정확하게 밸브(24)의 변위를 검출할 수 없다. 특히, 주위 온도가 섭씨 0도 이하로부터 100도 이상의 온도로 변화하는 환경하에서는, 이 발진 출력의 레벨이 크게 변화한다. 따라서, 이 실시 형태에서는, 직류 공급 수단, 예를 들어 정전류원(26)이 코일(6)의 일단부에 접속되어 있다. 이 정전류원(26)은 정의 전원 단자에 일단부가 접속되고, 타단부가 코일(6)의 일단부에 접속되어 있다. 이 정전류원(26)으로부터의 직류 신호, 예를 들어 직류 전류가 코일(6)을 통해 접지 전위에 계속해서 흐른다. 이 직류 전류가 NPN 트랜지스터(12)의 콜렉터 전극에 흐르는 것 등을 저지하기 위해 직류 저지 콘덴서(14)가 설치되어 있다.

주위 환경의 온도 변화가 있으면, 코일(6)의 저항값이 변화하고, 정전류원(26)으로부터의 직류 전류에 의해 코일(6)의 양단부간에 발생하고 있는 직류 전압의 값이 변화한다. 이 직류 전압을 검출하기 위해, 저항값 검출 수단, 예를 들어 로우 패스 필터(30)가 코일(6)의 양단부간에 접속되어 있다. 로우 패스 필터(30)는, 예를 들어 저항기(32)와 콘덴서(34)로 이루어지는 RC 로우 패스 필터이다. 로우 패스 필터(30)를 사용하는 것은, 콜피츠 발진 회로(2)의 발진 신호를 검출하는 것을 저지하기 위해서이다. 이 로우 패스 필터(30)의 출력 신호는, 증폭 수단, 예를 들어 직류 증폭기(36)에 의해 증폭되고, 제어 수단, 예를 들어 마이크로프로세서(38)에 공급된다. 마이크로프로세서(38)에서는, 증폭기(36)의 출력 신호를 디지털화하고, 이 디지털 출력 신호를 온도와 선형 관계를 갖도록 보정한다. 그 보정된 디지털 출력 신호를 미리 정한 기준값과 비교하고, 예를 들어 기준으로 하는 온도에 있어서의 보정값과 비교하고, 제어 신호를 생성한다. 이 제어 신호는, NPN 트랜지스터(12)의 이미터 전극에 설치한 가변 전류원(22)에 공급되고, NPN 트랜지스터(12)의 이미터 전극으로부터 인출하는 전류, 나아가서는 콜렉터 전극에 흡입되는 전류를 제어한다. 이에 의해, 출력 단자(20)에 발생하는 발진 출력의 레벨은 주위 온도의 영향을 받지 않고, 선형성을 유지한 상태에서 변위 계측을 행할 수 있다. 예를 들어, 발진 출력의 레벨이 1.2배로 되는 전류를 NPN 트랜지스터(12)에 공급하면, 밸브(24)의 측정하려고 하는 스트로크의 전역에서 발진 출력의 레벨도 거의 1.2배로 되고, 선형 관계를 유지한다.

예를 들어 기준 온도보다도 주위 환경의 온도가 높고, 코일(6)의 저항값이 크게 되어 있는 경우, 발진 출력 레벨이 작아지므로, 가변 전류원(22)의 전류를 크게 하고, 발진 에너지를 증대함으로써, 발진 출력 레벨을 크게 한다. 반대로, 기준 온도보다도 주위 환경의 온도가 낮고, 코일의 저항값이 작아져, 발진 출력 레벨이 커졌을 때에는, 가변 전류원(22)의 전류를 작게 하여, 발진 출력 레벨을 작게 한다. 또한, 가변 전류원(22)의 전류값과 발진 출력 레벨 사이에는, 선형 관계가 있고, 마이크로컴퓨터 가변 전류원(22)의 제어가 용이해진다.

이와 같이 하여, 주위 환경의 온도 변화가 있어도, 변위 센서의 출력 레벨에 대해 온도 보상할 수 있다. 또한, 이 온도 보상은, 소정의 시간마다 행해지는 것이 아니라, 계속해서 행해지므로, 정밀하게 온도 보상을 행할 수 있고, 발진 회로(2)의 발진을 온도 보상을 위해 정지시킬 필요가 없다. 따라서, 계속해서 변위를 검출할 수 있어, 정밀하게 변위를 검출할 수 있다. 예를 들어, 서미스터 등을 사용하여 온도 보상하면서, 계속해서 변위를 검출하는 것은 가능하지만, 그 경우, 부품 개수가 증가하고, 변위 센서의 구성이 복잡해지는 것에 더하여, 부품 개수가 증가한 분만큼 변위 센서의 고장율이 증가하므로, 서미스터 등의 사용은 바람직하지 않다. 또한, 온도에 의한 발진 레벨의 변화를, 발진기의 발진 레벨을 증감시켜 보정하는 것이 아니라, 발진기의 출력을 승산 회로에 넣음으로써 승산의 일항으로 하고, 타항을 온도에 의한 계수로 함으로써 보정할 수도 있다. 그러나, 회로가 복잡해지는 것에 더하여, 비용도 상승한다. 이에 반해, 이 변위 센서에서는, 가변 전류원(22)을 제어함으로써 이미터 전류, 나아가서는 콜렉터 전류를 변화시키고 있으므로, 발진 상태를 안정시킨 상태에서 발진 신호의 출력 레벨을 변화시킬 수 있으므로, 회로 구성이 간단하고, 비용적으로도 유리하다.

상기한 실시 형태에서는, 와전류식 변위 센서에 본 발명을 실시하였지만, 다른 형식, 예를 들어 차동 변압식 변위 센서에 본 발명을 실시할 수도 있다. 상기한 실시 형태에서는, 밸브(24)의 변위를 검출하였지만, 이것에 한정한 것이 아니라, 다른 피측정물의 변위를 검출하는 데, 본 발명에 의한 변위 센서를 사용할 수 있다. 또한, 상기한 실시 형태에서는, 콜피츠 발진 회로(2)를 사용하였지만, 이것에 한정한 것이 아니라, 공지의 자려식 발진 회로, 예를 들어 크랩 발진 회로나 하틀리 발진 회로 등도 사용할 수 있다. 또한, 상기한 실시 형태에서는, NPN 트랜지스터(12)를 사용하였지만, PNP 트랜지스터를 사용할 수도 있고, FET를 사용할 수도 있다. 또한 NPN 트랜지스터(12)는 베이스 접지 방식으로 동작시켰지만, 이미터 접지 방식으로 동작시킬 수도 있다. 상기한 실시 형태에서는 RC 로우 패스 필터(30)를 사용하였지만, 연산 증폭기와 저항기 및 콘덴서를 사용한 능동 로우 패스 필터를 사용할 수도 있고, LC 로우 패스 필터를 사용할 수도 있다. 상기한 실시 형태에서는, 가변 전류원(22)을 전류 조정 수단으로서 사용하였지만, NPN 트랜지스터의 이미터 전극에 저항기의 일단부를 접속하고, 타단부를 가변 전압원을 통해 접지하도록 구성하여 전류 조정 수단으로서 사용할 수도 있다. 혹은 NPN 트랜지스터(12)의 이미터 전극을 이미터 저항기를 통해 접지하고, 베이스 전압을 변화시킴으로써 전류를 조정함으로써 전류 조정 수단을 구성할 수도 있다. 상기한 실시 형태에서는, 마이크로프로세서(38)를 사용하여 직류 증폭기(36)의 출력을 디지털화하여, 가변 전류원(22)을 제어하였지만, 직류 증폭기(36)의 출력을 그대로 아날로그 방식으로 구성한 선형 보정 회로에 공급하고, 이 선형 보정 회로의 출력을 아날로그 형식으로 구성한 비교기에 공급하고, 그 비교기의 출력을 가변 전류원(22)에 공급하도록 구성할 수도 있다.

Claims (4)

1. 주위 온도의 변화에 의해 저항값이 변화하는 코일과 콘덴서로 이루어지는 병렬 공진 수단과, 이 공진 수단이 출력측에 설치되고, 상기 공진 수단의 출력이 입력측에 귀환되어 있는 증폭 수단을 포함하고, 상기 코일에 대한 피측정물의 위치의 변화에 의해 상기 증폭 수단의 출력 레벨이 변화함과 함께, 상기 코일의 저항값의 온도에 따른 변화에 의해서도 상기 증폭 수단의 출력 레벨이 변화하는 자려식 발진 수단과,
   상기 증폭 수단의 출력 레벨의 변화로부터 상기 피측정물의 위치의 변화를 검출하는 검출 수단과,
   상기 코일에 계속적으로 직류 신호를 공급하는 직류 공급 수단과,
   상기 코일의 저항값의 온도에 따른 변화를, 직류 저항값의 변화로서 상기 코일에 흐르는 상기 직류 신호에 의한 전압 강하로부터 검출하는 저항값 검출 수단과,
   상기 저항값 검출 수단의 출력에 기초하여, 상기 저항값의 온도에 따른 변화에 의한 상기 증폭 수단의 출력 레벨의 축소·확대하는 변화를 보상하도록, 상기 증폭 수단의 출력 레벨을 증감시키는 제어 수단을 구비하는, 변위 센서.
2. 제1항에 있어서, 상기 직류 공급 수단은, 상기 코일에 정전류를 공급하는 정전류원이며, 상기 저항값 검출 수단은, 상기 코일에 발생하는 직류 전압을 검출하는 필터 수단인, 변위 센서.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 증폭 수단은, 콜렉터, 이미터 및 베이스를 갖는 능동 소자를 포함하고, 상기 능동 소자는 베이스와 이미터 사이에 인가된 신호에 따라 콜렉터와 이미터 사이의 도전 상태를 변화시키며, 상기 이미터에 접속되도록 설치된 전류 가변 수단이 상기 제어 수단에 의해 제어되는, 변위 센서.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 증폭 수단은, 소스, 드레인 및 게이트를 포함하는 능동 소자를 포함하고, 상기 능동 소자는 소스와 게이트 사이에 인가된 신호에 따라 드레인과 소스 사이의 도전 상태를 변화시키며, 상기 소스에 접속되도록 설치된 전류 가변 수단이 상기 제어 수단에 의해 제어되는, 변위 센서.

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