WO2021095557A1 - 変位センサ及び変位センサシステム - Google Patents
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- G01B5/0014—Arrangements for eliminating or compensation of measuring errors due to temperature or weight due to temperature
Definitions
- the present invention relates to a displacement sensor and a displacement sensor system for measuring a distance to a measurement object.
- the present application claims priority based on Japanese Patent Application No. 2019-204835 filed on November 12, 2019, the contents of which are incorporated herein by reference.
- a displacement sensor using an oscillation circuit is known as a displacement sensor that measures the distance between a measurement object such as metal.
- an oscillation circuit and an integration circuit are mounted on a substrate having a coil.
- the oscillation frequency of the oscillation circuit changes according to the change in the distance between the coil and the object to be measured. Therefore, the distance between the object to be measured is measured by detecting this oscillation frequency.
- the coil provided on the substrate is, for example, a round spiral coil formed in a plane on the substrate.
- the conventional displacement sensor it is difficult to reduce the size in order to secure the number of coil turns.
- the problem to be solved by the present invention is to provide a displacement sensor and a displacement sensor system capable of miniaturization.
- One aspect of the present invention is a coil mounted on a substrate and formed in less than one turn, an inverter electrically connected to the coil to generate an oscillation signal, and a frequency detection electrically connected to the inverter.
- a displacement sensor including a frequency detection unit that detects an oscillation frequency of an oscillation circuit including the coil and the inverter according to the distance between the object to be measured and the coil.
- a lead wire is connected to the coil, and the coil and the lead wire may be formed in less than one turn.
- the substrate includes a component placement section provided with the inverter and the frequency detection section, and a coil mounting section projecting from a part of the component placement section and mounting the coil. Good.
- the coil may be arranged along the end of a coil mounting portion on which the coil is mounted.
- the coil may be arranged on the side surface of the substrate of the coil mounting portion on which the coil is mounted.
- the coil includes a horizontal portion arranged on both sides of an end portion of the coil mounting portion, a vertical portion connecting the horizontal portions to each other, and a vertical portion arranged along the side surface of the substrate. May be equipped.
- the coil mounting portion has a shape having a length in a first direction protruding from the component arranging portion and a length in a second direction orthogonal to the first direction.
- the length of the coil mounting portion in the first direction may be longer than the length of the second direction.
- the substrate is formed with a passing hole through which the object to be measured passes during measurement, and the coil may be arranged on the inner surface of the passing hole.
- a notch is formed on one side of the substrate, and the coil may be arranged on the inner surface of the notch.
- the substrate is formed with a passing hole through which the object to be measured is passed during measurement and a notch portion cut out between the passing hole and one side of the substrate.
- the coil may be arranged on the inner surface of the passage hole.
- the substrate includes a first substrate and a second substrate to be combined with the first substrate, and a first notch is formed on one side of the first substrate to form the second substrate.
- a second notch is formed on one side and the first substrate and the second substrate are arranged at a position where the first notch and the second notch face each other, the first notch and the second substrate are arranged.
- the second notch forms a through hole through which the object to be measured passes during measurement, and the coil is arranged along at least one of the inner surface of the first notch and the inner surface of the second notch. May be done.
- One aspect of the present invention includes a first coil mounted on a first substrate and formed in less than one turn, a second coil mounted on a second substrate and formed in less than one turn, and the first coil.
- a first inverter that is electrically connected to generate an oscillation signal
- a second inverter that is electrically connected to the second coil and generates an oscillation signal
- a frequency detection that is electrically connected to the first inverter.
- the first coil and the first oscillator according to the distance between the first coil and the measurement object arranged between the first coil and the second coil facing each other.
- a first frequency detection unit that detects the oscillation frequency of an oscillation circuit including, and a frequency detection unit that is electrically connected to the second inverter, at a distance between the measurement object and the second coil.
- the second frequency detection unit that detects the oscillation frequency of the oscillation circuit including the second coil and the second inverter, the oscillation frequency detected by the first frequency detection unit, and the second frequency detection unit.
- It is a displacement sensor system including a measuring unit for measuring the displacement of the object to be measured based on the measured oscillation frequency.
- FIG. 1 is a block diagram showing an example of the configuration of the displacement sensor 1 of the first embodiment.
- the displacement sensor 1 includes, for example, a substrate 10, a coil 22, an inverter 26, and a frequency detection unit 30. Electronic components such as the coil 22, the inverter 26, and the frequency detection unit 30 are provided on the substrate 10.
- the substrate 10 is further provided with electronic components such as capacitors, connectors, and buffers (not shown).
- the displacement sensor 1 measures the distance D between the measurement object T, which is a conductor such as metal, and the displacement sensor 1, and outputs the measurement result to an external control device 40 or the like.
- the coil 22 and the inverter 26 form a loop circuit and function as an oscillation circuit.
- the substrate 10 is formed of, for example, a glass substrate, an epoxy-based substrate (glass epoxy substrate, paper epoxy substrate, etc.), a polyimide substrate, a ceramic substrate, or the like.
- the coil 22 is arranged on the substrate 10.
- the displacement sensor 1 measures the distance D between the coil 22 and the object T to be measured.
- the oscillation frequency of the oscillation circuit is, for example, 30 MHz or more.
- the oscillation frequency of the oscillation circuit is, for example, about 100 to 500 MHz.
- the frequency of the oscillating circuit may be a higher frequency, for example, 800 MHz to 2 GHz.
- the material of the coil 22 is, for example, Ag, Cu, gold, or the like. Further, the surface of the coil 22 may be covered with a protective film to prevent external stains and oxidation.
- the inverter 26 generates an oscillation signal for oscillating the coil 22 at a high frequency.
- the inverter 26 is, for example, a CMOS inverter.
- the input end of the inverter 26 is electrically connected to the coil 22.
- the inverter 26 oscillates the coil 22 by performing an operation of outputting a Hi signal when a Lo signal is input and outputting a Lo signal when a Hi signal is input.
- the frequency detection unit 30 detects the oscillation frequency of the oscillation circuit that changes according to the distance between the measurement object T and the coil 22.
- the frequency detection unit 30 is electrically connected to the inverter 26.
- the frequency detection unit 30 outputs a value (count value) indicating the detected oscillation frequency to the control device 40, which is an external device. Further, the frequency detection unit 30 may output a value indicating the detected oscillation frequency to the control device 40 by converting the value indicating the detected oscillation frequency into the distance D between the measurement object T and the coil 22.
- the control device 40 may be incorporated in the displacement sensor 1.
- the frequency detection unit 30 includes, for example, a frequency counter and an output unit.
- the frequency counter detects the oscillation frequency of the oscillation circuit according to the distance between the object T to be measured and the coil 22.
- the measurement time for the frequency counter to count the frequency can be set in advance according to the application.
- the resolution of the displacement sensor 1 can be improved by lengthening the measurement time.
- the measurement time is, for example, 100 ⁇ s, 200 ⁇ s, 300 ⁇ s, 400 ⁇ s, or the like.
- the output unit outputs a value indicating the oscillation frequency detected by the frequency counter to the control device 40 as a digital signal.
- the inverter 26 and the frequency detection unit 30 are mounted on the substrate 10 as hardware such as an IC (Integrated Circuit) 20.
- the coil 22 is arranged outside the IC 20.
- the inverter 26 and the frequency detection unit 30 may be provided on the substrate 10 in a mode other than hardware such as the IC 20.
- the control device 40 converts a value indicating the oscillation frequency input from the frequency detection unit 30 into a distance D between the measurement object T and the coil 22 and displays it.
- the control device 40 is, for example, a terminal device such as a personal computer or a mobile phone. Further, when the frequency detection unit 30 outputs a value converted into a distance D between the measurement object T and the coil 22 to the control device 40, the control device 40 displays a liquid crystal display or an organic EL (Electroluminescence). It may be a device or the like.
- FIG. 2A is a view of the displacement sensor 1 of the first embodiment viewed from the first surface side
- FIG. 2B is a view of the displacement sensor 1 of the first embodiment viewed from the second surface side.
- the direction along the axis of the coil 22 is referred to as the Z direction
- the two orthogonal directions intersecting the X direction, for example, on the orthogonal planes, will be described as the X direction and the Y direction, respectively.
- the Y direction is an example of the "first direction”
- the X direction is an example of the "second direction”.
- the substrate 10 has a rectangular shape.
- the substrate 10 may have a shape other than a rectangle, and may have a shape such as a square, a circle, or an ellipse.
- the coil 22 is arranged and mounted on the first surface, which is one surface of the substrate 10.
- the coil 22 is formed in less than one turn. Specifically, the coil 22 is formed on the substrate 10 in less than one turn in a shape in which a part of a circle is cut off.
- the coil 22 may be formed on the first surface or the second surface of the substrate 10.
- the coil 22 may be provided along an inclined surface having an inclined surface on the surface of the substrate 10. Since the coil 22 is formed in less than one turn, it has a shape in which there is no overlapping portion.
- the coil 22 is formed in less than one turn, but may have a shape other than an arc shape, for example, a polygon such as a triangle, a quadrangle, a pentagon, or a hexagon, a regular polygon, an ellipse, or a part of an oval. May be cut out or formed in a wavy or pulsed shape in one turn.
- the coil 22 may have a shape in which an arc and a straight line are mixed.
- the first lead wire 41 on the first surface side and the second lead wire 42 on the first surface side arranged on the first surface of the substrate 10 are connected to one end and the other end of the coil 22, respectively.
- a first through hole 51 and a second through hole 52 are provided side by side on the lower side of the coil 22.
- the first through hole 51 and the second through hole 52 penetrate the substrate 10, respectively, and are provided over the first surface of the substrate 10 and the second surface facing the first surface.
- Both ends of the coil 22 are connected to vias provided in the first through hole 51 and the second through hole 52 via the first lead wire 41 on the first surface side and the second lead wire 42 on the first surface side, respectively. ..
- Both ends of the coil 22 may be directly connected to vias provided in the first through hole 51 and the second through hole 52 without passing through a lead wire.
- the IC 20 is mounted on the second surface of the substrate 10.
- the first lead wire 61 on the second surface side and the second lead wire 62 on the second surface side are connected to the IC 20.
- the first lead wire 61 on the second surface side is connected to the first lead wire 41 on the first surface side via a via provided in the first through hole 51.
- the second lead wire 62 on the second surface side is connected to the second lead wire 42 on the first surface side via a via provided in the second through hole 52.
- Capacitors, connectors, buffers and the like are mounted on the second surface of the substrate 10, for example.
- the coil 22 is formed in less than one turn. Therefore, since the number of turns of the coil 22 can be reduced, it is possible to reduce the size.
- the coil 22 since the coil 22 is formed in less than one turn, the coil 22 can be made shorter than the case where the coil 22 is formed in a plurality of turns. Therefore, the coil 22 can be easily manufactured, and the room for manufacturing mistakes such as disconnection and short circuit can be reduced. Further, in the displacement sensor 1 of the first embodiment, since the coil 22 is formed on the surface of the substrate 10, the displacement of the object to be measured in the Z direction is high at a position separated from the substrate 10 in the Z direction. It can be detected by sensitivity. Further, since the coil 22 is formed in less than one turn, it can be easily provided at various places on the substrate.
- FIG. 3 is a graph for explaining the detection sensitivity of the displacement sensor 1 of the first embodiment.
- the horizontal axis of FIG. 3 indicates the distance between the coil 22 and the object to be measured, and the vertical axis indicates the minimum detectable displacement distance (resolution).
- the minimum detectable displacement distance indicates the minimum distance of displacement that can be detected per 100 ⁇ s, and the shorter the minimum detectable distance, the higher the detection sensitivity.
- the first conventional graph K11 shows the relationship between the minimum detectable displacement distance in the conventional displacement sensor and the distance between the coil and the object to be measured
- the first embodiment graph P11 shows the minimum detectable displacement in the displacement sensor 1.
- the relationship between the distance and the distance between the coil 22 and the object to be measured is shown.
- the graph shown in FIG. 3 shows the relationship with respect to the distance in the Z direction.
- the conventional displacement sensor is a displacement sensor including a coil wound for a plurality of turns.
- the ratio of the longest detectable minimum displacement distance becomes larger than that in the displacement sensor 1.
- the rate at which the minimum detectable displacement distance increases sharply increases.
- the minimum detectable displacement distance gradually increases, but the minimum detectable displacement distance increases. The ratio is almost the same.
- the displacement sensor 1 has a higher detection sensitivity than the conventional displacement sensor.
- FIG. 4A is a diagram showing an outline of a substrate 10 for explaining common matters of the second embodiment to the seventh embodiment.
- the substrate 10 for explaining common matters has a square shape in a plan view, and includes a first surface 10U, a second surface 10L, and a substrate side surface 10S. Further, the substrate 10 is provided with an end edge 10V at the end portion 10E.
- the end side 10V is a line (side) that is a transition between the first surface 10U or the second surface 10L of the substrate 10 and the substrate side surface 10S.
- the side surface of the substrate may be the side surface of the through hole inside the substrate.
- the coil 22 is mounted on the end portion 10E of the substrate 10.
- the coil 22 provided at the end portion 10E of the substrate 10 may be in contact with the end side 10V or may be separated from the end side 10V.
- the coil 22 is formed at the end portion 10E of the substrate 10 in one turn, but in each of the following embodiments, the portion corresponding to the end portion 10E of the substrate 10 is different, and the coil mounting portion 12 of the substrate 10 (FIG. 5) is attached, a through hole 14 (see FIG. 9) is formed, and a notch 15 (see FIG. 11A) is formed, and these ends correspond to the end 10E of the substrate 10. To do. Therefore, the description of the specific formation mode of the coil 22 is left to each embodiment.
- the substrate 10 may have a shape other than a square, a quadrangle such as a rectangle, a polygon such as a pentagon or a hexagon, a circle, an ellipse, an oval, or a combination of these shapes.
- the substrate 10 is provided with a first through hole 51 and a second through hole 52 that penetrate the substrate 10 and extend to the first surface 10U and the second surface 10L of the substrate 10.
- the second surface 10L of the substrate 10 is provided with the same IC20 (see FIG. 2B) as in the first embodiment.
- FIG. 4B to 4E are cross-sectional views for explaining the coil 22 mounted on the substrate 10.
- the coil 22 mounted on the substrate 10 may be provided on the first surface 10U of the substrate 10 as shown in FIG. 4B, or may be provided on the substrate side surface 10S of the substrate 10 as shown in FIG. 4C. Good. Although not shown, the coil 22 may be provided on the second surface 10L of the substrate 10.
- the coil 22 may include a horizontal portion arranged at both end portions of the substrate 10 and a vertical portion connecting the horizontal portions and arranged along the side surface of the substrate. Specifically, as shown in FIG. 4D, the coil 22 connects the horizontal portions 22A provided on the first surface 10U and the second surface 10L of the end portion 10E of the substrate 10, and the horizontal portions 22A to each other.
- a vertical portion 22B arranged along the side surface 10S of the substrate may be provided, and the cross section may be U-shaped. The vertical portion 22B is arranged on the substrate side surface 10S of the substrate 10. In this way, the coil 22 may be provided so as to sandwich the end portion 10E of the substrate 10.
- the vertical portion 22B may be the same as the width of the substrate side surface 10S (thickness of the substrate 10), or may be shorter than the width of the substrate side surface 10S.
- the width of the horizontal portion 22A is narrower (shorter) than the width of the vertical portion 22B, but may be wider (longer) than the width of the vertical portion 22B.
- the coil 22 may be provided on the first surface 10U and the substrate side surface 10S of the substrate 10 in a substantially L-shaped cross section.
- the coil 22 may be provided on the second surface of the substrate 10 and the side surface of the substrate in a substantially L-shaped cross section.
- the coil 22 By providing the coil 22 on the first surface 10U of the substrate 10, it is possible to detect the displacement of the object to be measured in the Z direction with high sensitivity at a position separated from the substrate 10 in the Z direction.
- the coil 22 By providing the coil 22 on the substrate side surface 10S of the substrate 10, the displacement of the object to be measured in the X direction and the Y direction can be detected with high sensitivity even at a position separated from the substrate 10 in the X direction or the Y direction. can do.
- the outer turn portion tends to be close to the measurement object, but the inner turn portion is difficult to approach the measurement object. .. Therefore, when looking at the entire coil, in the XY direction, there are a portion that is easily close to the object to be measured and a portion that is difficult to approach.
- the coil 22 is formed in less than one turn, there is no portion where the entire coil 22 is difficult to approach the object to be measured in the XY direction. Therefore, even at a position separated from the substrate 10 in the X direction or the Y direction, the displacement of the object to be measured in the X direction and the Y direction can be detected with high sensitivity.
- the coil 22 is formed in less than one turn. Therefore, since the number of turns of the coil 22 can be reduced, it is possible to reduce the size and prevent manufacturing mistakes such as disconnection and short circuit.
- the coil 22 and the lead wires 61 and 62 may be provided in less than one turn in total. As a result, the coil 22 and the IC 20 can be connected without the lead wire passing through the through hole, so that further miniaturization can be achieved.
- FIG. 5 is a view of the displacement sensor 2 of the second embodiment as viewed from the first surface side.
- the substrate 10 includes a component arranging portion 11 and a coil mounting portion 12.
- the component arranging portion 11 has a square shape.
- the component arranging portion 11 may have a shape other than a square, a quadrangle such as a rectangle, a polygon such as a pentagon or a hexagon, a circle, an ellipse, an oval, or a combination of these shapes.
- the coil mounting portion 12 is a protruding portion provided so as to project in the Y direction from one side of the component arranging portion 11.
- the coil mounting portion 12 forms a square smaller than the component arranging portion 11.
- the coil mounting portion 12 may have a shape other than a square, similarly to the component arranging portion 11.
- the coil 22 is arranged in the coil mounting portion 12 in less than one turn.
- the coil 22 has been described in the above common items.
- the coil 22 is provided at the end of the coil mounting portion 12 corresponding to the end 10E of the substrate 10 shown in FIG. 4A.
- the coil 22 may be provided over the entire circumference of the end portion of the coil mounting portion 12, or may be provided over a part of the end portion of the coil mounting portion 12 without extending over the entire circumference of the coil mounting portion 12.
- the coil 22 may not be provided in the other part.
- the shapes of the component arranging portion 11 and the coil mounting portion 12 may be the same or different.
- the component arranging portion 11 may be larger or smaller than the coil mounting portion 12.
- An electronic component or the like may be arranged on the coil mounting portion 12, or the coil 22 may be mounted over the component arranging portion 11.
- the displacement sensor 2 of the second embodiment exhibits the effects described in the common items of the first embodiment and the second to seventh embodiments. Further, in the displacement sensor 2 of the second embodiment, since the coil 22 is arranged along the end edge of the coil mounting portion 12, the X is also X at a position separated from the substrate 10 in the X direction or the Y direction, respectively. The displacement of the measurement object T in the direction and the Y direction can be detected with high sensitivity.
- FIG. 6A is a graph for explaining the detection sensitivity of the displacement sensor 2 of the second embodiment
- FIG. 6B is a partially enlarged view of FIG. 6A
- the graph shown in FIG. 6A is a graph for explaining the detection sensitivity of an example in which the coil 22 is formed in the coil mounting portion 12 as shown in FIG. 4B.
- the horizontal axis of FIGS. 6A and 6B indicates the distance between the coil 22 and the object to be measured T, and the vertical axis indicates the minimum detectable displacement distance.
- the second conventional graph K21 shows the relationship between the minimum detectable displacement distance in the conventional displacement sensor and the distance between the coil and the object to be measured
- the second embodiment graph P21 shows the detection in the displacement sensor 2.
- the relationship between the minimum possible displacement distance and the distance between the coil 22 and the object T to be measured is shown.
- the graphs shown in FIGS. 6A and 6B show the relationship with respect to the distance in the Y direction.
- FIG. 7 is a graph for explaining the detection sensitivity of the displacement sensor 2 of the second embodiment.
- the graph shown in FIG. 7 is a graph for explaining the detection sensitivity of an example in which the coil 22 is formed on a part of the side surface of the coil mounting portion 12 as shown in FIG. 4D.
- the horizontal axis of FIG. 7 indicates the distance between the coil 22 and the object to be measured, and the vertical axis indicates the minimum detectable displacement distance.
- the 2-1st embodiment graph P31 and the 2nd-2nd embodiment graph P32 are the first measurement when the object to be measured is measured twice by the displacement sensor 2 using the substrate 10 having a thickness of 300 ⁇ m.
- the relationship between the minimum detectable displacement distance in the second time and the distance between the coil 22 and the object to be measured is shown.
- the thickness of the substrate 10 corresponds to the wiring width of the coil 22.
- the second-third embodiment graph P33 and the second-fourth embodiment graph P34 are detected in the first and second times when the object to be measured is measured twice by the displacement sensor 2 using the substrate 10 having a thickness of 600 ⁇ m.
- the relationship between the minimum possible displacement distance and the distance between the coil 22 and the object to be measured is shown.
- a substrate 10 having a thickness of 300 ⁇ m was used.
- the relationship between the minimum detectable displacement distance in the first and second measurements and the distance between the coil 22 and the object to be measured is almost the same. From this result, it can be seen that the distance in the Y direction can be detected with the same detection accuracy regardless of the thickness of the substrate 10.
- FIG. 8A is a view of the displacement sensor 3 of the third embodiment viewed from the second surface side
- FIG. 8B is a view of the displacement sensor 3 of the third embodiment viewed from the side.
- the substrate 10 includes a component arranging portion 11 and a coil mounting portion 12.
- An IC 20 is provided on the second surface of the component arranging portion 11.
- the coil mounting portion 12 is provided so as to project in the Y direction from one side of the component arranging portion 11.
- the coil 22 is mounted on the coil mounting portion 12.
- the coil 22 has been described in the above common items. As shown in FIG. 8B, the coil 22 is arranged at the tip of the coil mounting portion 12 at a position separated from the component arranging portion 11 in the coil mounting portion 12 in less than one turn. Therefore, the coil 22 is provided on a part of the side surface of the substrate of the coil mounting portion 12, and a part of the coil mounting portion 12 is exposed without the coil 22 being provided.
- the displacement sensor 3 of the third embodiment is provided on the obstacle W1 for the purpose of measuring the measurement object T provided in the structure (obstacle) W1 that prevents the sensor from approaching the measurement object, for example.
- the coil mounting portion 12 is inserted into the obstacle W1 through the insertion hole, the coil 22 is brought close to the measurement object T, and the displacement of the measurement object T is measured.
- the length between the coil 22 and the component arranging portion 11 is longer than the length (thickness) of the outer frame of the obstacle W1.
- the displacement sensor 3 of the third embodiment exhibits the effects described in the common items of the first embodiment and the second to seventh embodiments.
- the coil mounting portion 12 has an elongated rectangular shape, and the coil 22 is provided on the coil mounting portion 12. Therefore, when the displacement of the measurement object T provided in a narrow area, for example, the measurement object T provided in the obstacle W1 such as a box, is measured by inserting the coil mounting portion 12, the obstacle The displacement of the object to be measured T can be measured by inserting the coil mounting portion 12 through the insertion hole provided in W1. Therefore, it is possible to detect the displacement of the measurement object T provided in a narrow space or the like.
- the displacement sensor 3 of the third embodiment is provided at the tip of the coil mounting portion 12 which is longer than the component arranging portion 11. Therefore, the displacement of the measurement object T can be detected even at a position away from the component arranging portion 11. Further, since the length between the coil 22 and the component arranging portion 11 is longer than the thickness of the obstacle W1, the displacement of the object T to be measured can be measured while avoiding the obstacle W1. Further, the coil mounting portion 12 has an elongated rectangular shape whose length in the Y direction is longer than the length in the X direction. Therefore, the displacement of the measurement object T provided at a position away from the component arranging portion 11 can be easily detected.
- the length between the coil 22 and the component arranging portion 11 can be determined according to the thickness of the obstacle W1. For example, when the obstacle W1 is thick, the coil 22 and the component arranging portion 11 The length between the coils 22 may be increased, and when the obstacle W1 is thin, the length between the coil 22 and the component arranging portion 11 may be increased.
- the IC 20 provided in the component arrangement portion 11 and the coil 22 provided in the coil mounting portion 12 are connected by the first lead wire 61 on the second surface side and the second lead wire 62 on the second surface side. Therefore, even when the distance between the IC 20 and the coil 22 becomes large, the IC 20 and the coil 22 can be easily connected. Further, since a large margin for arranging the lead wires can be taken, the degree of freedom in design can be increased, and the possibility of being retrofitted to the existing structure can be increased. Further, since the inductance of the coil 22 itself is low, even if the inductance of the lead wire increases, the influence on the detection accuracy of the coil 22 can be reduced.
- FIG. 9 is a view of the displacement sensor 4 of the fourth embodiment as viewed from the second surface side.
- the IC 20 is provided on the second surface of the substrate 10.
- a passing hole 14 for passing the measurement object T1 at the time of measurement is provided above the IC 20, a passing hole 14 for passing the measurement object T1 at the time of measurement is provided.
- the displacement sensor 4 of the fourth embodiment targets, for example, a disk-shaped measurement object T1 as a measurement target.
- the width of the object to be measured T1 is narrower than the width of the passing hole 14, the height of the object to be measured T1 is lower than the height of the passing hole 14, and the object can pass through the passing hole 14.
- a coil 22 is mounted on the inner surface of the passing hole 14.
- the coil 22 has been described in the above common items.
- the coil 22 is arranged along the inner surface of the through hole 14 in less than one turn.
- the displacement sensor 4 of the fourth embodiment exhibits the effects described in the common items of the first embodiment and the second to seventh embodiments. Further, in the displacement sensor 4 of the fourth embodiment, since the coil 22 is arranged along the inner side surface of the passage hole 14 provided in the coil mounting portion 12, from a position separated from the substrate 10 in the Z direction. It is possible to detect with high sensitivity that the object to be measured T1 passes through the passing hole in the Z direction.
- the inductance can be reduced even if the coil size is increased. Further, since the coil 22 can be arranged at a position very close to the measurement object T1 passing through the passing hole 14, it is possible to detect the passage of a large object.
- the object to be measured is coiled as compared with the case where the coil is provided along the passing hole 14 on one or both of the first surface and the second surface of the substrate 10. It can approach 22. Therefore, when the coil 22 is provided on the inner surface of the passing hole 14, the measurement target has higher sensitivity than when the coil is provided along the passing hole 14 on one or both of the first surface and the second surface of the substrate 10. The displacement of an object can be measured.
- FIG. 10 is a graph showing an example of the detection result of the displacement sensor 4 of the fourth embodiment.
- the horizontal axis of FIG. 10 shows the time when the measurement object T1 is passed through the passing hole 14, and the vertical axis shows the sensor output at that time.
- the sensor output is small, and the sensor output gradually increases until the time t12. After the time t12, the sensor output is greatly increased at the stage where the diameter of the measurement object T1 is increased.
- the sensor output decreases significantly, and at time t14, after the diameter of the object to be measured T1 decreases, the sensor output continues to decrease. The amount of decrease becomes small, and the sensor output continues to decrease gradually. After that, the measurement of the object to be measured ends at time t15.
- FIG. 11A is a view of the displacement sensor 5 of the fifth embodiment viewed from the second surface side
- FIG. 11B is a view of the displacement sensor 5 of the fifth embodiment viewed from the side.
- a semicircular notch portion 15 having a notch on one side is formed on the substrate 10.
- the notch portion 15 is a portion formed in a state in which a part of the substrate 10 is notched. By notching one side of the substrate 10, the substrate 10 is notched over the entire length in the thickness direction thereof.
- the displacement sensor 5 of the fifth embodiment targets, for example, a rod-shaped measurement target.
- the radius of the object to be measured is shorter than the diameter of the notch 15.
- a rod-shaped measurement object T2 having a problematic portion whose diameter fluctuates in the longitudinal direction is drawn as the measurement object.
- the coil 22 is mounted on the substrate 10.
- the coil 22 has been described in the above common items.
- the coil 22 is arranged on the inner surface of the notch 15 in less than one turn.
- the coil 22 has a horizontal portion and a vertical portion connecting the horizontal portions arranged at the ends of the first surface and the second surface of the substrate 10, respectively, and has a U-shaped cross section.
- the coil 22 may be arranged on the inner surface of the notch 15 in other embodiments, or may be arranged along the notch 15 on one or both of the first and second surfaces of the substrate 10. Good.
- the coil 22 is formed over the entire surface of the notch portion 15.
- the displacement sensor 5 of the fifth embodiment exhibits the effects described in the common items of the first embodiment and the second to seventh embodiments.
- the notch portion 15 is formed on one side of the substrate 10, and the coil 22 is arranged on the inner side surface of the notch portion 15. Therefore, since the measurement object T2 can be brought closer to the coil 22 from the upper direction (Y direction) of the substrate 10, the restriction on the installation location of the displacement sensor 5 can be reduced, and the displacement sensor 5 can be easily installed. Can be. Further, since the coil 22 is provided at an open position on one side of the substrate 10, it is possible to facilitate the measurement of the large measurement object T2.
- FIG. 12 is a graph showing an example of the detection result of the displacement sensor 5 of the fifth embodiment.
- the horizontal axis of FIG. 12 shows the time when the measurement object T2 passes through the notch portion 15 in the X direction, and the vertical axis shows the sensor output at that time.
- the object to be measured T2 has a problem that the diameter of the object to be measured T2 is originally manufactured in a cylindrical shape, but the diameter of the object T2 is increased in the first problem portion ML1 and the diameter is reduced in the second problem portion ML2. It is assumed that it has occurred.
- the sensor output gradually increases for a while after the measurement object T2 starts to pass through the notch portion 15.
- the sensor output increases significantly, and then the sensor output decreases. Turn around.
- the sensor output decreases, and the sensor output after the decrease starts to increase. ..
- the displacement sensor 5 can identify the problem occurring in the measurement object T2, the problematic part, and the problematic shape by increasing or decreasing the sensor output.
- the notch portion 15 has a semicircular shape, but may have another shape.
- the notch 15 may have a V-shape in which two straight lines are connected with an acute angle, a right angle, or an obtuse angle, or three straight lines are connected with an acute angle, a right angle, or an obtuse angle. It may be U-shaped.
- the coil 22 is formed over the entire surface of the notch portion 15, it may be formed in a part of the notch portion 15.
- FIG. 13 is a view of the displacement sensor 6 of the sixth embodiment as viewed from the second surface side.
- a hole portion 16 having a shape in which a part of a circle is cut off is provided on one side of the substrate 10.
- the hole 16 extends around the center point to a range exceeding 180 °.
- the displacement sensor 6 of the sixth embodiment targets, for example, a rod-shaped measurement object.
- the diameter of the object to be measured T3 is shorter than the length of the cut-out portion of the hole 16.
- the coil 22 provided on the substrate 10 is arranged on the second surface of the substrate 10 along the hole 16 in less than one turn.
- the coil 22 has been described in the above common items.
- the coil 22 is arranged, for example, on the inner surface of the hole 16 in less than one turn.
- the coil 22 is formed over the entire circumference of the hole 16.
- the coil 22 may be formed not over the entire surface of the hole portion 16 but over a range excluding a part of the hole portion 16.
- the displacement sensor 6 of the sixth embodiment exhibits the effects described in the common items of the first embodiment and the second to seventh embodiments. Further, in the displacement sensor 6 of the sixth embodiment, the hole portion 16 is formed on one side of the substrate 10, the coil 22 is arranged on the inner side surface of the hole portion 16, and a part of the hole portion 16 is cut off. ing. Therefore, the object to be measured T3 can be passed through the hole 16 from the portion where a part of the hole 16 is cut out, in addition to passing through the hole 16 from the Z direction, and the displacement sensor 6 and the object T3 to be measured can be passed. Installation can be facilitated.
- FIG. 14 is a view of the displacement sensor 7 of the seventh embodiment as viewed from the second surface side.
- the substrate 10 includes a first substrate 17 and a second substrate 18.
- Electronic components such as the IC 20 are mounted on the first substrate 17.
- the second substrate 18 can be combined with the first substrate 17.
- a semi-circular first notch 31 is provided on one side of the first substrate 17, and a second notch 31 having the same size and shape as the first notch 31 is provided on one side of the second substrate 18.
- 32 is provided.
- the second notch portion 32 faces the first notch portion 31, and the first notch portion 31 and the second notch portion 32 have a circular connection hole. It is arranged at the position where 23 is formed.
- the displacement sensor 7 of the seventh embodiment targets, for example, a rod-shaped measurement object T4 as a measurement target.
- the diameter of the object to be measured T4 is shorter than the diameter of the circular connection hole 23 formed by the first notch 31 and the second notch 32.
- the coil 22 provided on the substrate 10 is formed along the first notch portion 31 and the second notch portion 32 in a state in which a part thereof is cut at the first notch portion 31.
- the coil 22 has been described in the above common items.
- the coil 22 is arranged, for example, on the inner surface of the connection hole 23 in less than one turn.
- the displacement sensor 7 of the seventh embodiment exhibits the effects described in the common items of the first embodiment and the second to seventh embodiments. Further, in the displacement sensor 7 of the seventh embodiment, the first substrate 17 and the second substrate 18 are removable, and the connection hole 23 is opened by removing the second substrate 18 from the first substrate 17. .. Therefore, the object to be measured T4 can be easily arranged inside the connection hole 23.
- a plurality of second substrates 18 having different shapes and sizes of the second notch 32 may be combined with the first substrate 17.
- the second substrate 18 by selecting the second substrate 18 according to the size of the measurement object T4, it is possible to detect the displacement of the measurement object T4 having various sizes. Further, since calibration (memory adjustment) may be required when the second substrate 18 is combined with the first substrate 17, calibration measures may be taken. Further, the second substrate 18 having a different shape and size may be combined with the first substrate 17.
- FIG. 15A is an exploded perspective view of the displacement sensor system 100 of the eighth embodiment
- FIG. 15B is a side view of the displacement sensor system 100 of the eighth embodiment.
- the displacement sensor system 100 includes a first displacement sensor 70 and a second displacement sensor 80.
- the first displacement sensor 70 includes a first substrate 71 and a first coil 72
- the second displacement sensor 80 includes a second substrate 81 and a second coil 82.
- the first substrate 71 and the second substrate 81 have the same shape and size.
- the first substrate 71 and the second substrate 81 are arranged so as to face each other.
- the first coil 72 is formed in a shape in which a part of a circle is cut off in less than one turn.
- a second coil 82 is formed on the first surface of the second substrate 81 (the surface facing the first substrate 71) in a shape in which a part of a circle is cut off in less than one turn.
- the first substrate 71 and the second substrate 81 are arranged at positions where the first coil 72 and the second coil 82 face each other.
- the first IC 73 and the second IC 83 have the same configuration as the IC 20 of the first embodiment, and each outputs the frequency detected by the frequency detection unit 30 to the control device 40.
- the first IC 73 includes, for example, a first inverter and a first frequency detection unit
- the second IC 83 includes, for example, a second inverter and a second frequency detection unit.
- the displacement sensor system 100 of the eighth embodiment measures, for example, the displacement of the plate-shaped measurement object T5.
- the displacement sensor system 100 arranges the measurement object T5 between the first substrate 71 and the second substrate 81, and is detected by the first IC 73 and the second IC 83 provided on the first substrate 71 and the second substrate 81, respectively.
- the oscillation frequency is output to the control device 40.
- the control device 40 converts the value indicating the oscillation frequency output from the frequency detection unit 30 of each of the first IC 73 and the second IC 83 into the distance between the measurement target T5 and the first coil 72, and converts the measurement target.
- the displacement of the object T5 is detected.
- the control device 40 is an example of a measuring unit.
- the displacement sensor system 100 of the eighth embodiment has the same effect as the displacement sensor 1 described in the first embodiment. Further, in the displacement sensor system 100 of the eighth embodiment, the first coil 72 and the second coil 82 are provided on the first substrate 71 and the second substrate 81, respectively, and the oscillation frequency is set to the oscillation frequency output by the first IC 73 and the second IC 83. Based on this, the displacement of the measurement object T5 is detected. Therefore, for example, even if a measurement error occurs due to a temperature change, the first IC73 and the second IC83 receive the error of the temperature change, and the same measurement error occurs. Therefore, by calculating the measurement result obtained by each IC, for example, subtracting it, the measurement error is canceled, and as a result, the displacement of the measurement object can be detected with high sensitivity.
- the separation distance between the first substrate 71 and the second substrate 81 that can detect the displacement of the measurement object T5 can be widened.
- FIG. 16A is a graph showing the relationship between the sensor output by the first IC73 and the second IC83 in the displacement sensor system 100 of the tenth embodiment and the distance between the first coil 72 and the measurement object T5
- FIG. 16B is a displacement sensor. It is a graph which shows the relationship between the difference of the sensor output by the 1st IC 73 and the 2nd IC 83 in the system 100, and the distance between the 1st coil 72 and the measurement object T5.
- first sensor output the sensor output by the first IC73 shown in the first output graph P41
- the sensor output by the second IC83 shown in the second output graph P42 hereinafter referred to as “1st sensor output”.
- first sensor actual output the sensor output by the first IC73 when there is no influence of temperature
- first sensor actual output the sensor output by the second IC83 when there is no influence of temperature
- second sensor actual output the sensor output by the second IC83 when there is no influence of temperature
- a distance graph P60 showing the distance between the first coil 72 and the measurement object T5 shown in FIG. 16B is obtained based on the difference between the output of the first sensor and the output of the second sensor.
- Both the first sensor output and the second sensor output include an error due to the influence of temperature. Therefore, the difference between the output of the first sensor and the output of the second sensor is substantially the same as the difference between the actual output of the first sensor and the actual output of the second sensor.
- the thicker the wiring width of the coil 22 or the like the higher the sensitivity. Therefore, the wiring width of the coil 22 or the like may be widened. Further, the shorter the lead wiring or the like, the higher the sensitivity. Therefore, the lead wiring or the like may be shortened. Further, the lead wiring and the like may be wired not only on the first surface and the second surface of the substrate but also on the side surface of the substrate, or may be wired across these surfaces.
- the substrate may be a bendable substrate such as a flexible substrate or a rigid flexible substrate. In this case, the coil may be attached after the substrate is bent, or the substrate may be bent after the coil is attached.
- a shield material may be provided on the lead wiring or the like so as not to pick up noise.
- the coil may be generated from a material used for a printed circuit board, and may be generated as a pattern coil by etching copper, for example. Further, the frequency may be adjusted by attaching a capacitor to the through hole. Further, in addition to the IC 20 shown in the first embodiment or the like, another IC, an input connector, or the like may be provided.
- Displacement sensor 10 ... Board, 11 ... Parts placement part, 12 ... Coil mounting part, 14 ... Passing hole, 15 ... Notch part, 16 ... Hole part, 17,71 ... First board, 18,81 ... 2nd substrate, 22 ... Coil, 31 ... 1st notch, 32 ... 2nd notch, 70 ... 1st displacement sensor, 72 ... 1st coil, 73 ... 1st IC, 80 ... 2nd displacement sensor, 82 ... 2nd coil, 83 ... 2nd IC, T, T1 to T5 ... Object to be measured
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Abstract
基板に実装され、1ターン未満で形成されたコイルと、前記コイルと電気的に接続され、発振信号を生成するインバータと、前記インバータと電気的に接続された周波数検出部であって、測定対象物と前記コイルとの間の距離に応じて、前記コイル及び前記インバータを含む発振回路の発振周波数を検出する周波数検出部と、備える、変位センサである。
Description
本発明は、測定対象物との間の距離を測定する変位センサ及び変位センサシステムに関する。
本願は、2019年11月12日に出願された日本国特許出願第2019-204835号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
本願は、2019年11月12日に出願された日本国特許出願第2019-204835号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
金属等の測定対象物との間の距離を測定する変位センサとして、発振回路を用いた変位センサが知られている。この変位センサでは、発振回路と、積算回路とが、コイルを有する基板上に実装されている。この変位センサにおいては、コイルと測定対象物との間の距離変化に応じて発振回路の発振周波数が変化するため、この発振周波数を検出することにより測定対象物との間の距離を測定する。
このような従来の変位センサにおいて、基板に設けられたコイルは、例えば、基板上に平面状に形成された丸形のスパイラルコイルである。従来の変位センサでは、コイルの巻き数を確保するため、小型化を図るのが難しかった。
本発明が解決しようとする課題は、小型化を図ることが可能な変位センサ及び変位センサシステムを提供することである。
本発明の一態様は、基板に実装され、1ターン未満で形成されたコイルと、前記コイルと電気的に接続され、発振信号を生成するインバータと、前記インバータと電気的に接続された周波数検出部であって、測定対象物と前記コイルとの間の距離に応じて、前記コイル及び前記インバータを含む発振回路の発振周波数を検出する周波数検出部と、備える、変位センサである。
本発明の一態様において、前記コイルにリード線が接続されており、前記コイルと前記リード線が1ターン未満で形成されてよい。
本発明の一態様において、前記基板は、前記インバータ及び前記周波数検出部が設けられる部品配置部と、前記部品配置部の一部から突出し、前記コイルが実装されるコイル実装部と、を備えてよい。
本発明の一態様において、前記コイルは、前記コイルが実装されるコイル実装部の端部に沿って配置されてよい。
本発明の一態様において、前記コイルは、前記コイルが実装されるコイル実装部の基板側面に配置されてよい。
本発明の一態様において、前記コイルは、前記コイル実装部の端部の両面にそれぞれ配置された水平部と、前記水平部同士を接続し、前記基板側面に沿って配置される鉛直部と、を備えてよい。
本発明の一態様において、前記コイル実装部は、前記部品配置部から突出する第1方向の長さと、前記第1方向に直交する第2方向の長さとを備えた形状をなしており、前記コイル実装部における前記第1方向の長さは、前記第2方向の長さよりも長くてよい。
本発明の一態様において、前記基板に、前記測定対象物を測定時に通過させる通過穴が形成されており、前記コイルは、前記通過穴の内側面に配置されてよい。
本発明の一態様において、前記基板の一辺に切欠き部が形成されており、前記コイルは、前記切欠き部の内側面に配置されてよい。
本発明の一態様において、前記基板に、前記測定対象物を測定時に通過させる通過穴と、前記通過穴と前記基板の一辺との間が切り欠かれた切欠き部と、が形成され、前記コイルは、前記通過穴の内側面に配置されてよい。
本発明の一態様において、前記基板は、第1基板と、前記第1基板と組み合わされる第2基板を備え、前記第1基板の一辺に第1切欠き部が形成され、前記第2基板の一辺に第2切欠き部が形成され、前記第1切欠き部と前記第2切欠き部が向き合う位置で前記第1基板と前記第2基板を並べた際に、前記第1切欠きと前記第2切欠き部により、前記測定対象物を測定時に通過させる通過穴が形成され、前記コイルは、前記第1切欠き部の内側面と第2切欠きの内側面の少なくとも一方に沿って配置されてよい。
本発明の一態様は、第1基板に実装され、1ターン未満で形成された第1コイルと、第2基板に実装され、1ターン未満で形成された第2コイルと、前記第1コイルと電気的に接続され、発振信号を生成する第1インバータと、前記第2コイルと電気的に接続され、発振信号を生成する第2インバータと、前記第1インバータと電気的に接続された周波数検出部であって、互いに向き合わされた前記第1コイル及び前記第2コイルの間に配置された測定対象物と前記第1コイルとの間の距離に応じて、前記第1コイル及び前記第1インバータを含む発振回路の発振周波数を検出する第1周波数検出部と、前記第2インバータと電気的に接続された周波数検出部であって、前記測定対象物と前記第2コイルとの間の距離に応じて、前記第2コイル及び前記第2インバータを含む発振回路の発振周波数を検出する第2周波数検出部と、前記第1周波数検出部により検出された発振周波数及び前記第2周波数検出部により検出された発振周波数に基づいて、前記測定対象物の変位を測定する測定部と、を備える、変位センサシステムである。
本発明の一態様によれば、小型化を図ることが可能な変位センサ及び変位センサシステムを提供することができる。
以下、本発明のいくつかの実施形態の変位センサ及び変位センサシステムを、図面を参照して説明する。
(第1実施形態)
まず、第1実施形態の変位センサ1について説明する。図1は、第1実施形態の変位センサ1の構成の一例を示すブロック図である。変位センサ1は、例えば、基板10と、コイル22と、インバータ26と、周波数検出部30とを含む。コイル22、インバータ26、周波数検出部30といった電子部品は、基板10に設けられる。基板10には、さらに、図示しないコンデンサ、コネクタ、バッファなどの電子部品が設けられる。変位センサ1は、金属などの導電体である測定対象物Tと変位センサ1との間の距離Dを測定し、測定結果を外部の制御装置40などに出力する。コイル22と、インバータ26とがループ回路を形成し、発振回路として機能する。
まず、第1実施形態の変位センサ1について説明する。図1は、第1実施形態の変位センサ1の構成の一例を示すブロック図である。変位センサ1は、例えば、基板10と、コイル22と、インバータ26と、周波数検出部30とを含む。コイル22、インバータ26、周波数検出部30といった電子部品は、基板10に設けられる。基板10には、さらに、図示しないコンデンサ、コネクタ、バッファなどの電子部品が設けられる。変位センサ1は、金属などの導電体である測定対象物Tと変位センサ1との間の距離Dを測定し、測定結果を外部の制御装置40などに出力する。コイル22と、インバータ26とがループ回路を形成し、発振回路として機能する。
基板10は、例えば、ガラス基板、エポキシ系基板(ガラスエポキシ基板、紙エポキシ基板など)、ポリイミド基板、セラミック基板などで形成される。
コイル22は、基板10上に配置される。変位センサ1は、コイル22と測定対象物Tとの間の距離Dを測定する。発振回路の発振周波数は、例えば、30MHz以上である。発振回路の発振周波数は、例えば、100から500MHz程度である。発振回路の周波数は、さらに大きな周波数、例えば800MHz~2GHz等であってもよい。コイル22の材料は、例えば、Ag、Cu、金などである。また、コイル22の表面は、外部からの汚れや酸化防止などのために保護膜で被覆されてよい。
インバータ26は、コイル22を高周波で発振させるための発振信号を生成する。インバータ26は、例えば、CMOSインバータである。インバータ26の入力端は、コイル22と電気的に接続されている。インバータ26は、Lo信号が入力されるとHi信号を出力し、Hi信号が入力されるとLo信号を出力する動作を行うことで、コイル22を発振させる。
周波数検出部30は、測定対象物Tとコイル22との間の距離に応じて変化する発振回路の発振周波数を検出する。周波数検出部30は、インバータ26と電気的に接続される。周波数検出部30は、検出した発振周波数を示す値(カウント値)を外部装置である制御装置40に出力する。また、周波数検出部30は、検出した発振周波数を示す値を測定対象物Tとコイル22との間の距離Dに換算した値を制御装置40に出力するようにしてもよい。制御装置40は、変位センサ1内に組み込まれていてもよい。
周波数検出部30は、例えば、周波数カウンタと、出力部とを備える。周波数カウンタは、測定対象物Tとコイル22との間の距離に応じた発振回路の発振周波数を検出する。周波数カウンタが周波数を計数する測定時間は、用途に応じて予め設定することが可能である。測定時間を長くすることで変位センサ1の分解能を高めることが出来る。測定時間は、例えば、100μs、200μs、300μs、400μsなどである。出力部は、周波数カウンタが検出した発振周波数を示す値を、デジタル信号として制御装置40に出力する。
第1実施形態において、インバータ26および周波数検出部30は、IC(Integrated Circuit)20などのハードウェアとして基板10上に実装される。コイル22は、IC20の外部に配置される。インバータ26および周波数検出部30は、IC20などのハードウェア以外の態様で基板10に設けられてもよい。
制御装置40は、周波数検出部30から入力された発振周波数を示す値を、測定対象物Tとコイル22との間の距離Dに換算して表示する。制御装置40は、例えば、パーソナルコンピュータや携帯電話などの端末装置である。また、周波数検出部30が測定対象物Tとコイル22との間の距離Dに換算した値を制御装置40に出力する場合などには、制御装置40は、液晶ディスプレイや有機EL(Electroluminescence)表示装置などであってもよい。
次に、基板10における電子部品の実装について説明する。図2Aは、第1実施形態の変位センサ1を第1面側から見た図であり、図2Bは、第1実施形態の変位センサ1を第2面側から見た図である。なお、以下の説明において、コイル22の軸に沿った方向をZ方向といい、X方向に交差、例えば直交する面上における直交する2方向をそれぞれX方向、Y方向として説明を行う。なお、Y方向は「第1方向」の一例であり、X方向は「第2方向」の一例である。
図2Aに示すように、基板10は、長方形をなしている。基板10は、長方形以外の形状でもよく、例えば、正方形、円形、楕円形、などの形状でもよい。コイル22は、基板10の一側の面である第1面に配置されて実装される。コイル22は、1ターン未満で形成されている。具体的に、コイル22は、円形の一部が切り取られた形状で基板10に1ターン未満で形成される。
コイル22は、基板10の第1面または第2面に形成されていてもよい。コイル22は、基板10の表面に傾斜を設けた傾斜面に沿って設けられていてもよい。コイル22は、1ターン未満で形成されるので、重なり合う部分がない形となっている。コイル22は、1ターン未満で形成されるが、弧を描く形状以外の形状でもよく、例えば、三角形、四角形、五角形、六角形等の多角形、正多角形、楕円形、長円形の一部が切り取られたり、波状やパルス状に形成されたりして1ターンで形成されていてもよい。コイル22は、弧と直線とが混合する形状であってもよい。
コイル22の一端及び他端には、基板10の第1面に配置された第1面側第1リード線41及び第1面側第2リード線42がそれぞれ接続される。コイル22の下側には、第1スルーホール51及び第2スルーホール52が並んで設けられる。第1スルーホール51及び第2スルーホール52は、それぞれ基板10を貫通し、基板10の第1面と、第1面に対向する第2面に渡って設けられる。コイル22の両端は、それぞれ第1面側第1リード線41及び第1面側第2リード線42を介して、第1スルーホール51及び第2スルーホール52に設けられたビアに接続される。コイル22の両端は、リード線を介することなく、第1スルーホール51及び第2スルーホール52に設けられたビアに直接接続されてもよい。
図2Bに示すように、基板10の第2面には、IC20が実装される。IC20には、第2面側第1リード線61と、第2面側第2リード線62が接続される。第2面側第1リード線61は、第1スルーホール51に設けられたビアを介して第1面側第1リード線41と接続される。第2面側第2リード線62は、第2スルーホール52に設けられたビアを介して第1面側第2リード線42と接続される。コンデンサ、コネクタ、バッファ等は、例えば、基板10の第2面に実装される。
第1実施形態の変位センサ1においては、コイル22が1ターン未満で形成されている。このため、コイル22の巻き数が少なくて済むので、小型化を図ることが可能となる。
また、第1実施形態の変位センサ1では、コイル22が1ターン未満で形成されているため、コイル22を複数ターンで形成する場合よりも短くすることができる。したがって、コイル22の製造を容易に行うことができ、断線やショートなどの製造ミスが生じる余地を低減することができる。また、第1実施形態の変位センサ1は、コイル22が基板10の表面に形成されているので、基板10に対して、Z方向に離間する位置において、測定対象物のZ方向の変位を高い感度で検出することができる。また、コイル22は、1ターン未満で形成されているため、基板の種々の場所に設けることが容易となる。
図3は、第1実施形態の変位センサ1の検出感度を説明するためのグラフである。図3の横軸は、コイル22と測定対象物の距離を示し、縦軸は検出可能最小変位距離(分解能)を示す。検出可能最小変位距離は、100μsあたりに検出可能となる変位の最小距離を示し、検出可能最小距離が短いほど検出感度が高くなる。図3において、第1従来グラフK11は、従来の変位センサにおける検出可能最小変位距離とコイルと測定対象物の距離の関係を示し、第1実施形態グラフP11は、変位センサ1における検出可能最小変位距離とコイル22と測定対象物の距離の関係を示す。また、図3に示すグラフでは、Z方向の距離についての関係を示す。なお、従来の変位センサは、複数ターン巻かれたコイルを備える変位センサである。
第1従来グラフK11の変化から分かるように、従来の変位センサでは、コイルと測定対象物の距離が長くなると、検出可能最小変位距離が長くなる割合が変位センサ1よりも大きくなる。特に、コイルと測定対象物の距離が1500μmを超えるあたりから、検出可能最小変位距離が長くなる割合が急激に大きくなる。一方、第1実施形態グラフP11から分かるように、変位センサ1では、コイル22と測定対象物の距離が長くなると、検出可能最小変位距離も徐々に大きくなるが、検出可能最小変位距離が大きくなる割合はほとんど変わらない。その結果、コイル22と測定対象物の距離が長いときには、従来の変位センサと変位センサ1との間で検出可能最小変位距離の差が大きくなる。この結果から、変位センサ1は、従来の変位センサと比較して、検出感度が高いことが分かる。
(第2~第7実施形態の共通事項)
以下に、第1実施形態以外の第2実施形態~第8実施形態について順次説明する。各実施形態を順次説明する前に、第2実施形態~第7実施形態の共通事項について説明する。図4Aは、第2実施形態~第7実施形態の共通事項を説明するための基板10の概要を示す図である。図4Aに示すように、共通事項の説明に関する基板10は、平面視した形状が正方形をなしており、第1面10Uと、第2面10Lと、基板側面10Sと、を備える。さらに、基板10の端部10Eにおける端辺10Vを備える。端辺10Vは、基板10の第1面10Uまたは第2面10Lと基板側面10Sの変わり目となる線(辺)である。例えば基板10の内側において、第1面10Uと第2面10Lを貫通する貫通穴を形成する場合には、基板側面は、基板内側における貫通穴の側面としてもよい。
以下に、第1実施形態以外の第2実施形態~第8実施形態について順次説明する。各実施形態を順次説明する前に、第2実施形態~第7実施形態の共通事項について説明する。図4Aは、第2実施形態~第7実施形態の共通事項を説明するための基板10の概要を示す図である。図4Aに示すように、共通事項の説明に関する基板10は、平面視した形状が正方形をなしており、第1面10Uと、第2面10Lと、基板側面10Sと、を備える。さらに、基板10の端部10Eにおける端辺10Vを備える。端辺10Vは、基板10の第1面10Uまたは第2面10Lと基板側面10Sの変わり目となる線(辺)である。例えば基板10の内側において、第1面10Uと第2面10Lを貫通する貫通穴を形成する場合には、基板側面は、基板内側における貫通穴の側面としてもよい。
基板10の端部10Eには、コイル22が実装される。基板10の端部10Eに設けられるコイル22は、端辺10Vと接触していてもよいし端辺10Vとは離間していてもよい。コイル22は、基板10の端部10Eにおいて、1ターンで形成されるが、以下の各実施形態では、基板10の端部10Eに相当する部分がそれぞれ異なり、基板10のコイル実装部12(図5参照)が取り付けられたり、通過穴14(図9参照)が形成されたり、切欠き部15(図11A参照)が形成されたりして、これらの端部が基板10の端部10Eに相当する。このため、コイル22の具体的な形成態様の説明は、各実施形態に委ねる。
基板10は、正方形以外の形状でもよく、長方形などの四角形、五角形や六角形などの多角形、さらには円形、楕円形、長円形、これらの形状を組み合わせた形状でもよい。基板10には、基板10を貫通し、基板10の第1面10Uと第2面10Lに渡る第1スルーホール51及び第2スルーホール52が設けられる。基板10の第2面10Lには、第1実施形態と同様のIC20(図2B参照)が設けられる。
図4B~図4Eは、基板10に実装されるコイル22を説明するための断面図である。基板10に実装されるコイル22は、図4Bに示すように、基板10の第1面10Uに設けられてもよいし、図4Cに示すように、基板10の基板側面10Sに設けられてもよい。また、コイル22は、図示はしないが、基板10の第2面10Lに設けられてもよい。
また、コイル22は、基板10の両面の端部にそれぞれ配置された水平部と、水平部同士を接続し、基板側面に沿って配置される鉛直部と、を備えるものでもよい。具体的には、図4Dに示すように、コイル22は、基板10の端部10Eの第1面10U及び第2面10Lにそれぞれ設けられた水平部22Aと、水平部22A同士を接続し、基板側面10Sに沿って配置される鉛直部22Bと、を備え、断面コ字形状をなしてもよい。鉛直部22Bは、基板10の基板側面10Sに配置される。このように、コイル22は、基板10の端部10Eを挟んで設けられてもよい。鉛直部22Bは、基板側面10Sの幅(基板10の厚さ)と同一でもよいし、基板側面10Sの幅よりも短くてもよい。水平部22Aの幅は、鉛直部22Bの幅より狭い(短い)が、鉛直部22Bの幅より広く(長く)てもよい。
また、コイル22は、図4Eに示すように、基板10の第1面10U及び基板側面10Sに断面略L字形状に設けられてもよい。また、コイル22は、図示はしないが、基板10の第2面及び基板側面に断面略L字形状に設けられてもよい。
コイル22が基板10の第1面10Uに設けられることにより、基板10に対して、Z方向に離間する位置おいて測定対象物のZ方向の変位を高い感度で検出することができる。コイル22が基板10の基板側面10Sに設けられることにより、基板10に対して、X方向またはY方向に離間する位置においても、測定対象物のそれぞれX方向、Y方向の変位を高い感度で検出することができる。
この点についてさらに説明すると、複数のターンで形成されたコイルにおいて、XY方向において、外側のターンの部分は測定対象物に近接しやすいが、内側のターンの部分は測定対象物に近接しにくくなる。したがって、コイル全体でみると、XY方向において、測定対象物に近接しやすい部分と近接しにくい部分が存在する。
これに対して、コイル22が1ターン未満で形成されているため、XY方向において、コイル22の全体が測定対象物に近接しにくい部分が存在しない。したがって、基板10に対して、X方向またはY方向に離間する位置においても、測定対象物のそれぞれX方向、Y方向の変位を高い感度で検出することができる。
また、コイル22が1ターン未満で形成されている。このため、コイル22の巻き数が少なくて済むので、小型化を図ることが可能となるとともに、断線やショートなどの製造ミスを防止することができる。なお、コイル22とリード線61、62を合わせて1ターン未満で設けてもよい。これにより、リード線がスルーホールを通らなくてもコイル22とIC20を接続することができるため、さらなる小型化を図ることができる。
(第2実施形態)
次に、第2実施形態の変位センサ2について説明する。図5は、第2実施形態の変位センサ2を第1面側から見た図である。図5に示すように、基板10は、部品配置部11と、コイル実装部12と、を備える。部品配置部11は、正方形をなしている。部品配置部11は、正方形以外の形状でもよく、長方形などの四角形、五角形や六角形などの多角形、さらには円形、楕円形、長円形、これらの形状を組み合わせた形状でもよい。
次に、第2実施形態の変位センサ2について説明する。図5は、第2実施形態の変位センサ2を第1面側から見た図である。図5に示すように、基板10は、部品配置部11と、コイル実装部12と、を備える。部品配置部11は、正方形をなしている。部品配置部11は、正方形以外の形状でもよく、長方形などの四角形、五角形や六角形などの多角形、さらには円形、楕円形、長円形、これらの形状を組み合わせた形状でもよい。
コイル実装部12は、部品配置部11の一辺からY方向に突出して設けられた突出部である。コイル実装部12は、部品配置部11よりも小さい正方形をなす。コイル実装部12は、部品配置部11と同様に、正方形以外の形状でもよい。コイル実装部12には、コイル22が1ターン未満で配置される。コイル22は、上記の共通事項において説明したものである。
コイル22は、図4Aに示す基板10の端部10Eに相当するコイル実装部12の端部に設けられる。コイル22は、コイル実装部12の端部の全周に渡って設けられてもよいし、全周に渡ることなく、コイル実装部12の端部の一部に設けられ、コイル実装部12の他の一部にはコイル22が設けられないようにしてもよい。
部品配置部11とコイル実装部12の形状は同じでもよいし異なってもよい。部品配置部11は、コイル実装部12よりも大きくてもよいし小さくてもよい。コイル実装部12に電子部品等が配置されてもよいし、部品配置部11に渡ってコイル22が実装されてもよい。
第2実施形態の変位センサ2は、上記第1実施形態及び第2~第7実施形態の共通事項で説明した作用効果を奏する。また、第2実施形態の変位センサ2では、コイル22がコイル実装部12の端辺に沿って配置されるので、基板10に対して、X方向またはY方向に離間する位置においても、それぞれX方向、Y方向の測定対象物Tの変位を高い感度で検出することができる。
図6Aは、第2実施形態の変位センサ2の検出感度を説明するためのグラフ、図6Bは、図6Aの一部拡大図である。図6Aに示すグラフは、コイル実装部12に、図4Bのようにコイル22が形成された例についての検出感度を説明するグラフである。図6A、図6Bの横軸は、コイル22と測定対象物Tの距離を示し、縦軸は検出可能最小変位距離を示す。図6A、図6Bにおいて、第2従来グラフK21は、従来の変位センサにおける検出可能最小変位距離とコイルと測定対象物の距離の関係を示し、第2実施形態グラフP21は、変位センサ2における検出可能最小変位距離とコイル22と測定対象物Tの距離の関係を示す。また、図6A、図6Bに示すグラフでは、Y方向の距離についての関係を示す。
図6Aに示す第2従来グラフK21の変化から分かるように、従来の変位センサでは、コイルと測定対象物の距離が長くなると、検出可能最小変位距離が長くなる割合が変位センサ2よりも大きくなる。一方、第2実施形態グラフP21から分かるように、変位センサ2では、コイル22と測定対象物Tの距離が長くなると、検出可能最小変位距離も徐々に大きくなるが、検出可能最小変位距離が大きくなる割合はほとんど変わらない。その結果、コイル22と測定対象物Tの距離が長いときには、従来の変位センサと変位センサ2との間で検出可能最小変位距離の差が大きくなる。この傾向は、図6Bに示すように、コイル22と測定対象物Tの距離が近い場合から顕著に表れる。この結果から、変位センサ2は、従来の変位センサと比較して、検出感度が高いことが分かる。
また、図7は、第2実施形態の変位センサ2の検出感度を説明するためのグラフである。図7に示すグラフは、コイル実装部12の側面の一部に、図4Dのようにコイル22が形成された例についての検出感度を説明するグラフである。図7の横軸は、コイル22と測定対象物の距離を示し、縦軸は検出可能最小変位距離を示す。図7において、第2-1実施形態グラフP31及び第2-2実施形態グラフP32は、300μmの厚さの基板10を用いた変位センサ2によって測定対象物を2回測定した場合における1回目と2回目における検出可能最小変位距離とコイル22と測定対象物の距離の関係をそれぞれ示す。なお、基板10の厚さは、コイル22の配線幅に相当する。第2-3実施形態グラフP33及び第2-4実施形態グラフP34は、600μmの厚さの基板10を用いた変位センサ2によって測定対象物を2回測定した場合における1回目と2回目における検出可能最小変位距離とコイル22と測定対象物の距離の関係をそれぞれ示す。
第2-1実施形態グラフP31及び第2-2実施形態グラフP32、第2-3実施形態グラフP33及び第2-4実施形態グラフP34から分かるように、300μmの厚さの基板10を用いた場合と600μmの厚さの基板10を用いた場合の双方において、1回目及び2回目の測定における検出可能最小変位距離とコイル22と測定対象物の距離の関係はほぼ同様である。この結果から、基板10の厚さに関わらず、Y方向についての距離については同等の検出精度での検出が可能となることが分かる。
(第3実施形態)
次に、第3実施形態の変位センサ3について説明する。図8Aは、第3実施形態の変位センサ3を第2面側から見た図、図8Bは、第3実施形態の変位センサ3を側方から見た図である。図8Aに示すように、基板10は、部品配置部11と、コイル実装部12と、を備える。部品配置部11の第2面には、IC20が設けられる。
次に、第3実施形態の変位センサ3について説明する。図8Aは、第3実施形態の変位センサ3を第2面側から見た図、図8Bは、第3実施形態の変位センサ3を側方から見た図である。図8Aに示すように、基板10は、部品配置部11と、コイル実装部12と、を備える。部品配置部11の第2面には、IC20が設けられる。
コイル実装部12は、部品配置部11の一辺からY方向に突出して設けられる。コイル実装部12には、コイル22が実装される。コイル22は、上記の共通事項において説明したものである。コイル22は、図8Bにも示すように、コイル実装部12における部品配置部11と離間した位置であるコイル実装部12の先端に1ターン未満で配置される。このため、コイル22は、コイル実装部12の基板側面の一部に設けられ、コイル実装部12の一部は、コイル22が設けられず、露出した状態となる。
第3実施形態の変位センサ3は、例えばセンサを測定対象物に近づけるのを妨げる構造物(障害物)W1内に設けられた測定対象物Tの測定を目的としており、障害物W1に設けられた挿通穴を通して障害物W1の内部にコイル実装部12を挿入し、コイル22を測定対象物Tに近接させて、測定対象物Tの変位を測定する。第3の実施形態の変位センサ3において、コイル22と部品配置部11との間の長さは、障害物W1の外枠の長さ(厚さ)以上の長さである。
第3実施形態の変位センサ3は、上記第1実施形態及び第2~第7実施形態の共通事項で説明した作用効果を奏する。また、第3実施形態の変位センサ3では、コイル実装部12は、細長い長方形状をなし、コイル実装部12にコイル22が設けられる。このため、コイル実装部12を挿入することにより、狭い領域に設けられた測定対象物T、例えば箱などの障害物W1の中に設けられた測定対象物Tの変位を測定するにあたり、障害物W1に設けられた挿通穴からコイル実装部12を挿入して測定対象物Tの変位を測定できる。したがって、狭いスペースなどに設けられた測定対象物Tについての変位を検出することができる。
また、第3実施形態の変位センサ3では、部品配置部11よりも長いコイル実装部12の先端に設けられる。このため、部品配置部11から離れた位置であっても、測定対象物Tについての変位を検出することができる。また、コイル22と部品配置部11との間の長さが、障害物W1の厚さ以上の長さであるため、障害物W1を避けて測定対象物Tの変位を測定することができる。また、コイル実装部12は、Y方向の長さが、X方向の長さよりも長い細長い長方形状をなす。このため、部品配置部11から離れた位置に設けられた測定対象物Tの変位を容易に検出することができる。なお、コイル22と部品配置部11との間の長さは、障害物W1の厚さに応じて定めることができ、例えば、障害物W1が厚い場合には、コイル22と部品配置部11との間の長さを長くし、障害物W1が薄い場合等には、コイル22と部品配置部11との間の長さを長くしてもよい。
また、部品配置部11に設けられたIC20と、コイル実装部12に設けられたコイル22を、第2面側第1リード線61及び第2面側第2リード線62により接続する。このため、IC20とコイル22の離間距離が大きくなった場合でも、IC20とコイル22を容易に接続できる。また、リード線を配置する余裕を多くとることができるので、設計の自由度を高めることができるとともに、既存の構造に後付できる可能性を高めることができる。また、コイル22自体のインダクタンスが低いことから、リード線のインダクタンスが増加しても、コイル22における検出精度に与える影響を小さくすることができる。
(第4実施形態)
次に、第4実施形態の変位センサ4について説明する。図9は、第4実施形態の変位センサ4を第2面側から見た図である。図9に示すように、基板10の第2面には、IC20が設けられる。IC20の上方には、測定対象物T1を測定時に通過させるための通過穴14が設けられる。第4実施形態の変位センサ4は、例えば、円盤状の測定対象物T1を測定の対象とする。測定対象物T1の幅は通過穴14の幅よりも狭く、測定対象物T1の高さは通過穴14の高さよりも低く、通過穴14を通過可能である。
次に、第4実施形態の変位センサ4について説明する。図9は、第4実施形態の変位センサ4を第2面側から見た図である。図9に示すように、基板10の第2面には、IC20が設けられる。IC20の上方には、測定対象物T1を測定時に通過させるための通過穴14が設けられる。第4実施形態の変位センサ4は、例えば、円盤状の測定対象物T1を測定の対象とする。測定対象物T1の幅は通過穴14の幅よりも狭く、測定対象物T1の高さは通過穴14の高さよりも低く、通過穴14を通過可能である。
通過穴14の内側面には、コイル22が実装される。コイル22は、上記の共通事項において説明したものである。コイル22は通過穴14の内側面に沿って、1ターン未満で配置される。
第4実施形態の変位センサ4は、上記第1実施形態及び第2~第7実施形態の共通事項で説明した作用効果を奏する。また、第4実施形態の変位センサ4では、コイル22がコイル実装部12に設けられた通過穴14の内側面に沿って配置されるので、基板10に対して、Z方向に離間する位置から測定対象物T1がZ方向に通過穴を通過するのを高い感度で検出することができる。
また、コイル22が1ターン未満であることから、コイルサイズを大きくしてもインダクタンスを小さくすることができる。さらに、通過穴14を通過する測定対象物T1に対して非常に近い位置にコイル22を配置することができるので、大きな物体の通過を検知することができる。
特に、通過穴14の内側面にコイル22を設ける場合には、基板10の第1面及び第2面の一方または両方において通過穴14に沿ってコイルを設ける場合よりも、測定対象物をコイル22に近づけることができる。したがって、通過穴14の内側面にコイル22を設ける場合には、基板10の第1面及び第2面の一方または両方において通過穴14に沿ってコイルを設ける場合よりも、高い感度で測定対象物の変位を測定することができる。
図10は、第4実施形態の変位センサ4の検出結果の一例を示すグラフである。図10の横軸は測定対象物T1を通過穴14に通過させた場合の時間を示し、縦軸はそのときのセンサ出力を示す。図10に示すように、時刻t11において、測定対象物T1が通過穴14を通過し始めた段階では、センサ出力が小さく、時刻t12まではセンサ出力が漸増する。時刻t12の後、測定対象物T1の径が大きくなる段階で、センサ出力が大きく増加するようになる。その後、時刻t13において、測定対象物T1が最大径となった後、センサ出力は大きく減少し、時刻t14において、測定対象物T1の径が小さくなった後、センサ出力は減少を続けるが、その減少量は小さくなり、センサ出力は漸減を続ける。その後、時刻t15において測定対象物の測定が終了する。このようなセンサ出力の時間変化により、通過した測定対象物T1の形状や径などを測定することができる。
(第5実施形態)
次に、第5実施形態の変位センサ5について説明する。図11Aは、第5実施形態の変位センサ5を第2面側から見た図、図11Bは、第5実施形態の変位センサ5を側方から見た図である。図11Aに示すように、変位センサ5において、基板10には、一辺が切り欠かれた半円状の切欠き部15が形成されている。切欠き部15は、基板10の一部が切り欠かれた状態に形成された部分である。基板10の一辺を切り欠くことにより、基板10は、その厚さ方向の全長分にわたって切り欠かれることになる。第5実施形態の変位センサ5は、例えば、棒状の測定対象物を測定の対象とする。測定対象物の半径は、切欠き部15の径よりも短い。なお、図11A、図11Bにおいては、測定対象物として、長手方向に径が変動する問題個所を有する棒状をなす測定対象物T2が描かれている。
次に、第5実施形態の変位センサ5について説明する。図11Aは、第5実施形態の変位センサ5を第2面側から見た図、図11Bは、第5実施形態の変位センサ5を側方から見た図である。図11Aに示すように、変位センサ5において、基板10には、一辺が切り欠かれた半円状の切欠き部15が形成されている。切欠き部15は、基板10の一部が切り欠かれた状態に形成された部分である。基板10の一辺を切り欠くことにより、基板10は、その厚さ方向の全長分にわたって切り欠かれることになる。第5実施形態の変位センサ5は、例えば、棒状の測定対象物を測定の対象とする。測定対象物の半径は、切欠き部15の径よりも短い。なお、図11A、図11Bにおいては、測定対象物として、長手方向に径が変動する問題個所を有する棒状をなす測定対象物T2が描かれている。
基板10には、コイル22が実装される。コイル22は、上記の共通事項において説明したものである。コイル22は、切欠き部15の内側面に1ターン未満で配置される。図11A、図11Bに示す例では、コイル22は、基板10の第1面及び第2面の端部にそれぞれ配置された水平部及び水平部を接続する鉛直部を備え、断面コ字形状をなす。コイル22は、他の態様で切欠き部15の内側面に配置されてもよいし、基板10の第1面及び第2面の一方または両方において、切欠き部15に沿って配置されてもよい。コイル22は、切欠き部15の全面に渡って形成される。
第5実施形態の変位センサ5は、上記第1実施形態及び第2~第7実施形態の共通事項で説明した作用効果を奏する。また、第5実施形態の変位センサ5では、基板10の一辺に切欠き部15が形成され、切欠き部15の内側面にコイル22が配置されている。このため、基板10の上方向(Y方向)から測定対象物T2をコイル22に近づけられるようになるので、変位センサ5を設置場所の制限を少なくすることができ、変位センサ5の設置を容易にすることができる。また、基板10の一辺側に開放された位置にコイル22が設けられるので、大きな測定対象物T2の測定を容易なものとすることができる。
図12は、第5実施形態の変位センサ5の検出結果の一例を示すグラフである。図12の横軸は測定対象物T2がX方向に切欠き部15を通過させた場合の時間を示し、縦軸はそのときのセンサ出力を示す。この例において、測定対象物T2は、本来、円筒形状の製造されるべきところを、第1問題個所ML1において径が太くなる問題が生じており、第2問題個所ML2において径が細くなる問題が生じているものとする。
図12に示すように、時刻t21において、測定対象物T2が切欠き部15を通過し始めてからしばらくの間は、センサ出力が漸増する。時刻t22~時刻t23の間で、図11Bに示す測定対象物T2の第1問題個所ML1が変位センサ5の切欠き部15を通過するときには、センサ出力が大きく増加し、その後センサ出力が減少に転じる。さらに、時刻t23~時刻t24の間で測定対象物T2の第2問題個所ML2が変位センサ5の切欠き部15を通過するときには、センサ出力が減少し、減少した後のセンサ出力が増加に転じる。時刻t24において測定対象物T2の第2問題個所ML2が変位センサ5の切欠き部15を通過した後は、センサ出力が漸増し、時刻t25で測定対象物T2の全体が切欠き部15を通過する。このように、変位センサ5では、センサ出力の増減により、測定対象物T2に生じた問題及びその問題個所の特定や問題となる形状の特定を行うことができる。
なお、第5実施形態の変位センサ5では、切欠き部15は、半円形をなすが、他の形状であってもよい。例えば、切欠き部15は、2本の直線を鋭角、直角、または鈍角を挟んでつないだV字形状であってもよいし、3本の直線を鋭角、直角、または鈍角を挟んだ繋いだコ字形状であってもよい。また、コイル22は、切欠き部15の全面に渡って形成されるが、切欠き部15の一部に形成されてもよい。
(第6実施形態)
次に、第6実施形態の変位センサ6について説明する。図13は、第6実施形態の変位センサ6を第2面側から見た図である。図13に示すように、変位センサ6において、基板10の一辺には、円形の一部が切り取られた形状の穴部16が設けられる。穴部16は、中心点回りに180°を超える範囲まで延在する。第6実施形態の変位センサ6は、例えば、棒状の測定対象物を測定の対象とする。測定対象物T3の径は、穴部16の切り取られた部分の長さよりも短い。
次に、第6実施形態の変位センサ6について説明する。図13は、第6実施形態の変位センサ6を第2面側から見た図である。図13に示すように、変位センサ6において、基板10の一辺には、円形の一部が切り取られた形状の穴部16が設けられる。穴部16は、中心点回りに180°を超える範囲まで延在する。第6実施形態の変位センサ6は、例えば、棒状の測定対象物を測定の対象とする。測定対象物T3の径は、穴部16の切り取られた部分の長さよりも短い。
基板10に設けられるコイル22は、基板10の第2面において、穴部16に沿って1ターン未満で配置される。コイル22は、上記の共通事項において説明したものである。コイル22は、例えば、穴部16の内側面に1ターン未満で配置される。コイル22は、穴部16の全周に渡って形成される。コイル22は、穴部16の全面に渡らず、穴部16の一部を除いた範囲にわたって形成されていてもよい。
第6実施形態の変位センサ6は、上記第1実施形態及び第2~第7実施形態の共通事項で説明した作用効果を奏する。また、第6実施形態の変位センサ6では、基板10の一辺に穴部16が形成され、穴部16の内側面にコイル22が配置され、穴部16の一部が切り取られた形状をしている。このため、測定対象物T3は、穴部16へZ方向から通す以外に、穴部16の一部が切り取られた箇所から穴部16へ通す事ができ、変位センサ6と測定対象物T3の設置を容易にすることができる。
(第7実施形態)
次に、第7実施形態の変位センサ7について説明する。図14は、第7実施形態の変位センサ7を第2面側から見た図である。図14に示すように、変位センサ7において、基板10は、第1基板17と第2基板18とを備える。第1基板17には、IC20などの電子部品が実装される。第2基板18は、第1基板17に組み合わせ可能とされている。
次に、第7実施形態の変位センサ7について説明する。図14は、第7実施形態の変位センサ7を第2面側から見た図である。図14に示すように、変位センサ7において、基板10は、第1基板17と第2基板18とを備える。第1基板17には、IC20などの電子部品が実装される。第2基板18は、第1基板17に組み合わせ可能とされている。
第1基板17の一辺には、半円形の第1切欠き部31が設けられ、第2基板18の一辺には、第1切欠き部31と同一の大きさ及び形状の第2切欠き部32が設けられる。第2切欠き部32は、第1基板17に第2基板18を組み合わせた際に、第1切欠き部31と向き合い、第1切欠き部31と第2切欠き部32で円形の接続穴23が形成される位置に配置される。第7実施形態の変位センサ7は、例えば、棒状の測定対象物T4を測定の対象とする。測定対象物T4の径は、第1切欠き部31と第2切欠き部32により形成される円形の接続穴23の径よりも短い。
基板10に設けられるコイル22は、第1切欠き部31及び第2切欠き部32に沿って、第1切欠き部31においてその一部が切断された状態で形成される。コイル22は、上記の共通事項において説明したものである。第1基板17に第2基板18が組み合わされることにより、コイル22は、例えば、接続穴23の内側面に1ターン未満で配置される。
第7実施形態の変位センサ7は、上記第1実施形態及び第2~第7実施形態の共通事項で説明した作用効果を奏する。また、第7実施形態の変位センサ7では、第1基板17と第2基板18を取り外し可能とされており、第2基板18を第1基板17から取り外すことにより、接続穴23が開放される。このため、測定対象物T4を容易に接続穴23の内側に配置することができる。
なお、第2基板18として、第2切欠き部32の形状および大きさの異なる複数の第2基板18を第1基板17に組み合わせられるようにしてもよい。この場合、測定対象物T4の大きさに合わせて第2基板18を選択することにより、種々の大きさの測定対象物T4についての変位を検出できるようすることができる。また、第1基板17に第2基板18を組み合わせる際に、キャリブレーション(メモリの調整)が必要になることがあるため、キャリブレーションの対策を施してもよい。また、形状及び大きさの異なる第2基板18を第1基板17に組み合わせられるようにしてもよい。
(第8実施形態)
次に、第8実施形態の変位センサシステム100について説明する。図15Aは、第8実施形態の変位センサシステム100の分解斜視図であり、図15Bは、第8実施形態の変位センサシステム100を側方から見た図である。図15Aに示すように、変位センサシステム100は、第1変位センサ70及び第2変位センサ80を備える。第1変位センサ70は、第1基板71及び第1コイル72を備え、第2変位センサ80は、第2基板81及び第2コイル82を備える。第1基板71と第2基板81は、同一の形状および大きさである。
次に、第8実施形態の変位センサシステム100について説明する。図15Aは、第8実施形態の変位センサシステム100の分解斜視図であり、図15Bは、第8実施形態の変位センサシステム100を側方から見た図である。図15Aに示すように、変位センサシステム100は、第1変位センサ70及び第2変位センサ80を備える。第1変位センサ70は、第1基板71及び第1コイル72を備え、第2変位センサ80は、第2基板81及び第2コイル82を備える。第1基板71と第2基板81は、同一の形状および大きさである。
第1基板71と第2基板81は、互いに向き合って配置される。第1基板71の第1面(第2基板81と向き合う側の面)には、第1コイル72が、円形の一部が切り取られた形状で、1ターン未満で形成される。第2基板81の第1面(第1基板71と向き合う側の面)には、第2コイル82が、円形の一部が切り取られた形状で、1ターン未満で形成される。第1基板71と第2基板81とは、第1コイル72と第2コイル82とが向き合う位置に配置される。第1基板71の第2面には第1IC73などの電子部品が実装され、第2基板81の第2面には第2IC83などの電子部品が実装される。第1基板71及び第2基板81において、第1IC73及び第2IC83は、リード線を介して第1コイル72及び第2コイル82にそれぞれ接続される。第1IC73及び第2IC83は、第1実施形態のIC20と同様の構成を有し、それぞれが周波数検出部30で検出した周波数を制御装置40に出力する。第1IC73には、例えば第1インバータ及び第1周波数検出部が含まれ、第2IC83には、例えば第2インバータ及び第2周波数検出部が含まれる。
第8実施形態の変位センサシステム100は、例えば、板状の測定対象物T5の変位を測定する。変位センサシステム100は、第1基板71と第2基板81の間に測定対象物T5を配置し、第1基板71及び第2基板81のそれぞれに設けられた第1IC73及び第2IC83により検出される発振周波数を制御装置40に出力する。制御装置40は、第1IC73及び第2IC83のそれぞれが有する周波数検出部30から出力された発振周波数を示す値を、測定対象物T5と第1コイル72との間の距離に換算して、測定対象物T5の変位を検出する。制御装置40は測定部の一例である。
第8実施形態の変位センサシステム100は、上記第1実施形態で説明した変位センサ1と同等の作用効果を奏する。また、第8実施形態の変位センサシステム100では、第1基板71と第2基板81のそれぞれに第1コイル72及び第2コイル82が設けられ、第1IC73及び第2IC83により出力される発振周波数に基づいて測定対象物T5に変位を検出する。このため、例えば、温度変化によって測定誤差が生じる場合でも、第1IC73及び第2IC83が温度変化の誤差を受けて同様の測定誤差が発生する。よって、各ICにより得られる測定結果を演算すること、例えば減算することで、測定誤差が相殺され、その結果、測定対象物の変位を高い感度で検出することができる。
また、第1コイル72及び第2コイル82の感度が高くなることから、測定対象物T5の変位を検出できる第1基板71と第2基板81の離間距離を広くすることができる。
図16Aは、第10実施形態の変位センサシステム100における第1IC73及び第2IC83によるセンサ出力と、第1コイル72と測定対象物T5との距離の関係を示すグラフであり、図16Bは、変位センサシステム100における第1IC73及び第2IC83によるセンサ出力の差と、第1コイル72と測定対象物T5との距離の関係を示すグラフである。例えば、図16Aに示すように、第1出力グラフP41で示す第1IC73によるセンサ出力(以下、「第1センサ出力」という)と、第2出力グラフP42で示す第2IC83によるセンサ出力(以下、「第2センサ出力」という)が得られたとする。このとき、変位センサシステム100による出力が温度の影響を受けた誤差を含むとする。この場合、温度の影響がない場合の第1IC73によるセンサ出力(以下、「第1センサ実出力」)が第1実出力グラフP51で表され、温度の影響がない場合の第2IC83によるセンサ出力(以下、「第2センサ実出力」)が第2実出力グラフP52で表されるとする。
ここで、第1センサ出力と第2センサ出力の差分に基づいて、図16Bに示す第1コイル72と測定対象物T5との距離を示す距離グラフP60が得られたとする。第1センサ出力及び第2センサ出力は、いずれも温度の影響に基づく誤差を含む。したがって、第1センサと第2センサ出力の差分は、第1センサ実出力と第2センサ実出力の差分とほぼ同等のものとなる。第1センサと第2センサ出力の差分に基づいて、第1コイル72と測定対象物T5との距離を求めることにより、測定時に温度等の影響があった場合でも、測定対象物の変位を高い感度で検出することができる。
なお、上記の各実施形態においては、コイル22等の配線幅が太くなるほど、感度が高くなる。このため、コイル22等の配線幅を広くするようにしてもよい。また、リード配線等が短いほど感度が高くなる。このため、リード配線等を短くするようにしてもよい。また、リード配線等は、基板の第1面や第2面のみならず、基板側面に配線されてもよいし、これらの面にまたがって配線されてもよい。また、基板は、フレキシブル基板、リジッドフレキシブル基板などの曲げることができる基板でもよい。この場合基板を曲げた後にコイルを取り付けてもよいし、コイルを取り付けた後に基板を曲げてもよい。また、リード配線等がノイズを拾わないように、にシールド材を設けてもよい。また、コイルは、プリント基板に用いられる材料で生成してよく、例えば、銅をエッチングするなどしてパターンコイルをとして生成してもよい。また、スルーホールにコンデンサを取り付けるなどして、周波数を調整してもよい。また、第1実施形態等に示すIC20の他に、他のICや入力コネクタ等を設けてもよい。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
1~7…変位センサ、10…基板、11…部品配置部、12…コイル実装部、14…通過穴、15…切欠き部、16…穴部、17,71…第1基板、18,81…第2基板、22…コイル、31…第1切欠き部、32…第2切欠き部、70…第1変位センサ、72…第1コイル、73…第1IC、80…第2変位センサ、82…第2コイル、83…第2IC、T,T1~T5…測定対象物
Claims (12)
- 基板に実装され、1ターン未満で形成されたコイルと、
前記コイルと電気的に接続され、発振信号を生成するインバータと、
前記インバータと電気的に接続された周波数検出部であって、測定対象物と前記コイルとの間の距離に応じて、前記コイル及び前記インバータを含む発振回路の発振周波数を検出する周波数検出部と、備える、
変位センサ。 - 前記コイルにリード線が接続されており、
前記コイルと前記リード線が1ターン未満で形成されている、
請求項1に記載の変位センサ。 - 前記コイルは、前記コイルが実装されるコイル実装部の端部に沿って配置される、
請求項1または2に記載の変位センサ。 - 前記コイルは、前記コイルが実装されるコイル実装部の基板側面に配置される、
請求項1または2に記載の変位センサ。 - 前記コイルは、前記コイル実装部の端部の両面にそれぞれ配置された水平部と、前記水平部同士を接続し、前記基板側面に沿って配置される鉛直部と、を備える、
請求項4に記載の変位センサ。 - 前記基板は、前記インバータ及び前記周波数検出部が設けられる部品配置部と、
前記部品配置部の一部から突出し、前記コイルが実装されるコイル実装部と、を備える、
請求項3~5のいずれか1項に記載の変位センサ。 - 前記コイル実装部は、前記部品配置部から突出する第1方向の長さと、前記第1方向に直交する第2方向の長さとを備えた形状をなしており、
前記コイル実装部における前記第1方向の長さは、前記第2方向の長さよりも長い、
請求項6に記載の変位センサ。 - 前記基板に、前記測定対象物を測定時に通過させる通過穴が形成されており、
前記コイルは、前記通過穴の内側面に配置される、
請求項3~5のいずれか1項に記載の変位センサ。 - 前記基板の一辺に切欠き部が形成されており、
前記コイルは、前記切欠き部の内側面に配置される、
請求項3~5のいずれか1項に記載の変位センサ。 - 前記基板に、前記測定対象物を測定時に通過させる通過穴と、
前記通過穴と前記基板の一辺との間が切り欠かれた切欠き部と、が形成され、
前記コイルは、前記通過穴の内側面に配置される、
請求項3~5のいずれか1項に記載の変位センサ。 - 前記基板は、第1基板と、前記第1基板と組み合わされる第2基板を備え、
前記第1基板の一辺に第1切欠き部が形成され、前記第2基板の一辺に第2切欠き部が形成され、
前記第1切欠き部と前記第2切欠き部が向き合う位置で前記第1基板と前記第2基板を並べた際に、前記第1切欠きと前記第2切欠き部により、前記測定対象物を測定時に通過させる通過穴が形成され、
前記コイルは、前記第1切欠き部の内側面と第2切欠きの内側面の少なくとも一方に沿って配置される、
請求項3~5のいずれか1項に記載の変位センサ。 - 第1基板に実装され、1ターン未満で形成された第1コイルと、
第2基板に実装され、1ターン未満で形成された第2コイルと、
前記第1コイルと電気的に接続され、発振信号を生成する第1インバータと、
前記第2コイルと電気的に接続され、発振信号を生成する第2インバータと、
前記第1インバータと電気的に接続された周波数検出部であって、互いに向き合わされた前記第1コイル及び前記第2コイルの間に配置された測定対象物と前記第1コイルとの間の距離に応じて、前記第1コイル及び前記第1インバータを含む発振回路の発振周波数を検出する第1周波数検出部と、
前記第2インバータと電気的に接続された周波数検出部であって、前記測定対象物と前記第2コイルとの間の距離に応じて、前記第2コイル及び前記第2インバータを含む発振回路の発振周波数を検出する第2周波数検出部と、
前記第1周波数検出部により検出された発振周波数及び前記第2周波数検出部により検出された発振周波数に基づいて、前記測定対象物の変位を測定する測定部と、を備える、
変位センサシステム。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 20887316 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
|
122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 20887316 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |