JP4898971B1 - Inductance change detection circuit, displacement detection device, and metal detection device - Google Patents
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Abstract
【課題】単一のコイルでインダクタンスの変化を効果的に検出し、小型でありながら高精度な変位センサを実現するためのインダクタンス変化検出回路と、これを用いる変位検出装置及び金属検出装置を提供する。
【解決手段】矩形波交流電圧源にコイルを接続し、コイルに流れる交流電流を電圧信号に変換した後、ヒステリシス特性を有するコンパレータを通すことで、コイルのインダクタンス変化をパルスの立ち上がりの位相変化として検出する。従来技術のように二つのコイルを設ける必要がなく、部品点数が少なくなるので、低コストで高精度な変位センサを実現できる。
【選択図】図3An inductance change detection circuit for effectively detecting a change in inductance with a single coil and realizing a small and highly accurate displacement sensor, and a displacement detection device and a metal detection device using the same are provided. To do.
A coil is connected to a rectangular wave AC voltage source, an AC current flowing through the coil is converted into a voltage signal, and then passed through a comparator having a hysteresis characteristic, whereby the inductance change of the coil is changed as a phase change at the rising edge of the pulse. To detect. Since there is no need to provide two coils as in the prior art and the number of parts is reduced, a highly accurate displacement sensor can be realized at low cost.
[Selection] Figure 3
Description
本発明は、インダクタンス変化検出回路、変位検出装置及び金属検出装置に関する。
より詳細には、高感度且つ安定した検出性能を実現する、アクティブ型変位センサ(変位検出装置)を構成するインダクタンス変化検出回路と、これを用いた変位検出装置及び金属検出装置に関する。
The present invention relates to an inductance change detection circuit, a displacement detection device, and a metal detection device.
More specifically, the present invention relates to an inductance change detection circuit constituting an active displacement sensor (displacement detection device) that realizes highly sensitive and stable detection performance, and a displacement detection device and a metal detection device using the inductance change detection circuit.
出願人は、抵抗スライダと違い、電気機械的接触部品を伴わずに、直線変位量をリニアなアナログ電圧で出力できる、アクティブ型変位センサを製造販売している。以下、このアクティブ型変位センサの動作原理について説明する。 Unlike the resistance slider, the applicant manufactures and sells an active displacement sensor that can output a linear displacement amount with a linear analog voltage without an electromechanical contact part. Hereinafter, the operation principle of the active displacement sensor will be described.
図10(a)、(b)及び(c)は、出願人が製造販売する変位センサの動作原理を説明するための、コイルの諸特性を説明するグラフである。
図10(a)は変位センサの原理を説明する回路図であり、図10(b)は図10(a)の回路のスイッチSWの状態を示す図であり、図10(c)は図10(a)の回路のコンデンサCの両端電圧の過渡応答特性を示すグラフである。
FIGS. 10A, 10B, and 10C are graphs for explaining various characteristics of the coil for explaining the operation principle of the displacement sensor manufactured and sold by the applicant.
10A is a circuit diagram for explaining the principle of the displacement sensor, FIG. 10B is a diagram showing the state of the switch SW in the circuit of FIG. 10A, and FIG. 10C is FIG. It is a graph which shows the transient response characteristic of the both-ends voltage of the capacitor | condenser C of the circuit of (a).
図10(a)に示すように、直流電源Eに、スイッチSW、抵抗R、コイルLとコンデンサCを直列に接続し、図10(b)に示すようにスイッチをオン操作すると、コンデンサCの両端電圧は、図10(c)に示すように、コイルLの作用で徐々に増加して、その後振動しながらある一定の電圧に収束する。これは典型的なステップ応答の波形である。
この電圧波形の、スイッチSWをオン操作した直後の立ち上がりの傾きは、コイルLのインダクタンスが大きいほど緩やかになり、コイルLのインダクタンスが小さいほど急峻になることは周知である。
本出願人の変位センサは、このコイルのインダクタンスの変化を過渡応答現象から得ることで実現している。
As shown in FIG. 10A, when a switch SW, a resistor R, a coil L and a capacitor C are connected in series to the DC power source E, and the switch is turned on as shown in FIG. As shown in FIG. 10C, the both-end voltage gradually increases due to the action of the coil L and then converges to a certain voltage while vibrating. This is a typical step response waveform.
It is well known that the rising slope of the voltage waveform immediately after the switch SW is turned on becomes gentler as the inductance of the coil L becomes larger and becomes steeper as the inductance of the coil L becomes smaller.
The displacement sensor of the present applicant is realized by obtaining the change in inductance of the coil from a transient response phenomenon.
交流を流しているコイルに非磁性体の金属を近接させると、金属に誘導電流が発生する。つまり、コイルから生じる磁束の一部が熱に変換されるため、コイルのインダクタンスは減少する。そこで、棒状に形成したコイルに真鍮等の非磁性体金属の筒を被せると、筒のコイルに対する被り具合に応じて、インダクタンスが直線的に変化する。このインダクタンスの変化を検出すると、変位センサが実現できる。 When a non-magnetic metal is brought close to a coil carrying alternating current, an induced current is generated in the metal. That is, part of the magnetic flux generated from the coil is converted into heat, so that the inductance of the coil is reduced. Therefore, when a non-magnetic metal tube such as brass is put on a coil formed in a rod shape, the inductance changes linearly according to the degree of covering of the tube with respect to the coil. When this change in inductance is detected, a displacement sensor can be realized.
図10(d)は、コイルに金属を近接させた状態における、コンデンサCの両端電圧の過渡応答特性を示すグラフである。
コイルLに金属物を近づけない状態で図10(a)の回路のスイッチSWをオン操作すると、コンデンサCの両端電圧は、図10(c)と同様に、コイルLの作用で徐々に増加して、その後振動しながらある一定の電圧に収束する(S1001)。
コイルLの一部に金属物を近づけた状態で図10(a)の回路のスイッチSWをオン操作すると、コンデンサCの両端電圧の立ち上がりの傾きは、コイルLのインダクタンスが減少した分だけ急峻になる(S1002)。
コイルLの全部を金属物で覆った状態で図10(a)の回路のスイッチSWをオン操作すると、コンデンサCの両端電圧の立ち上がりの傾きは、コイルLのインダクタンスが更に減少した分だけ急峻になる(S1003)。
このように、コイルは、金属物と干渉する長さに応じて直線的な信号を得ることができる。そこで、コイルと金属物との相対的な配置関係を、絶対的な距離を検出できるセンサとして応用できる。
特許文献1及び特許文献2は、出願人による変位センサの先行技術文献である。
FIG. 10D is a graph showing the transient response characteristics of the voltage across the capacitor C when a metal is brought close to the coil.
When the switch SW of the circuit shown in FIG. 10A is turned on without bringing a metal object close to the coil L, the voltage across the capacitor C gradually increases due to the action of the coil L, as in FIG. Then, it converges to a certain voltage while vibrating (S1001).
When the switch SW of the circuit in FIG. 10A is turned on with a metal object close to a part of the coil L, the rising slope of the voltage across the capacitor C becomes steep as the inductance of the coil L decreases. (S1002).
When the switch SW of the circuit of FIG. 10 (a) is turned on with the entire coil L covered with a metal object, the rising slope of the voltage across the capacitor C becomes steeper as much as the inductance of the coil L is further reduced. (S1003).
Thus, the coil can obtain a linear signal according to the length of interference with the metal object. Therefore, the relative arrangement relationship between the coil and the metal object can be applied as a sensor capable of detecting an absolute distance.
Patent Document 1 and
特許文献1及び特許文献2に開示されている技術内容は、コイルのインダクタンスの変化をステップ応答特性を利用して検出するための技術が共通する。
図11は特許文献1及び特許文献2に開示されている、検出回路の回路図である。
コイルA及びコイルBには、トランス1102を介して矩形波発生器の矩形波が印加される。
コイルAに流れる電流は、ダイオードD1103を通じてコンデンサC1104に流れ、コンデンサC1104には電荷が蓄積される。コイルAとコンデンサC1104との間のダイオードD1103は、コイルからコンデンサに流れる電流を片方向に制限する。ダイオードD1103に電流が流れない期間では、コンデンサC1104に蓄積された電荷は、コンデンサC1104に並列接続されている抵抗R1105によって放電される。したがって、コンデンサC1104の両端(端子1110Bと端子1110Cとの間)には鋸歯状波が得られる。
The technical contents disclosed in Patent Literature 1 and
FIG. 11 is a circuit diagram of a detection circuit disclosed in Patent Document 1 and
The rectangular wave of the rectangular wave generator is applied to the coil A and the coil B through the transformer 1102.
The current flowing through the coil A flows to the capacitor C1104 through the diode D1103, and electric charge is accumulated in the capacitor C1104. A diode D1103 between the coil A and the capacitor C1104 limits the current flowing from the coil to the capacitor in one direction. During a period in which no current flows through the diode D1103, the electric charge accumulated in the capacitor C1104 is discharged by the resistor R1105 connected in parallel to the capacitor C1104. Therefore, a sawtooth wave is obtained at both ends of the capacitor C1104 (between the
コイルBに流れる電流は、ダイオードD1106を通じてコンデンサC1107に流れ、コンデンサC1107には電荷が蓄積される。コイルBとコンデンサC1107との間のダイオードD1106は、コイルからコンデンサに流れる電流を片方向に制限する。ダイオードD1106に電流が流れない期間では、コンデンサC1107に蓄積された電荷は、コンデンサC1107に並列接続されている抵抗R1108によって放電される。したがって、コンデンサC1107の両端(端子1110Aと端子1110Cとの間)には、コンデンサC1104の両端にはコイルA側と同様な鋸歯状波が得られる。
端子1110Aと端子1110Bから得られる信号を図示しない差動増幅回路で差動増幅すると、直流電圧が得られる。この直流電圧は、コイルA及びコイルBのインダクタンスに応じて変化する。
The current flowing through the coil B flows to the capacitor C1107 through the diode D1106, and electric charge is accumulated in the capacitor C1107. A diode D1106 between the coil B and the capacitor C1107 limits the current flowing from the coil to the capacitor in one direction. In a period in which no current flows through the diode D1106, the charge accumulated in the capacitor C1107 is discharged by the resistor R1108 connected in parallel to the capacitor C1107. Accordingly, a sawtooth wave similar to that on the coil A side is obtained at both ends of the capacitor C1104 at both ends of the capacitor C1107 (between the
When signals obtained from the
コイルA及びコイルBは、片方は金属物である筒に覆われる検出コイルとして用いられ、もう片方は筒に覆われないダミーコイルとして用意される。
検出コイルとダミーコイルのそれぞれに同じ検出回路が接続され、検出出力には互いに同相の鋸歯状波が得られる。両方の検出出力信号を差動増幅器で差動増幅すると、検出コイルのインダクタンスの変化に基づいて、出力電圧が変化する。
One of the coils A and B is used as a detection coil covered with a cylinder made of metal, and the other is prepared as a dummy coil not covered with a cylinder.
The same detection circuit is connected to each of the detection coil and the dummy coil, and sawtooth waves having the same phase are obtained as detection outputs. When both detection output signals are differentially amplified by the differential amplifier, the output voltage changes based on the change in the inductance of the detection coil.
これら従来技術に用いられている検出回路は、その動作原理上、コイルを二つ用意しなければならない。コイルを二つ用意する、ということは、部品点数の増加を招き、装置の小型化を阻害する。 These detection circuits used in the prior art must prepare two coils on the principle of operation. Preparing two coils leads to an increase in the number of parts and hinders downsizing of the apparatus.
更に、従来技術である、特許文献1及び特許文献2に開示されている技術内容には、変位センサの機械的強度の点についても課題があった。以下、この課題について説明する。
例えば、自動車や自動二輪車のサスペンションに変位センサを装着して、サスペンションの変位を計測する場合、サスペンションには強い力が加わるので、変位センサを構成する合成樹脂のプローブは機械衝撃に耐えられず、破損することがあった。
そこで、出願人および発明者は、プローブの機械強度を上げるため、プローブの外殻を金属製に代える検討を始めた。
しかし、変位センサがコイルのインダクタンスの変化を検出する仕組みであるが故に、プローブの外殻を金属製にすると、外殻に渦電流に起因する損失が発生し、位置検出感度が著しく低下する。
更に、図10に開示する、従来技術の変位センサの回路構成では、検出感度を上昇させるためにコイルに流す電流を大きくしても、渦電流損失ばかり大きくなり、感度の向上に殆ど寄与しないことが判った。
Furthermore, the technical contents disclosed in Patent Document 1 and
For example, when a displacement sensor is mounted on a suspension of an automobile or a motorcycle and the displacement of the suspension is measured, since a strong force is applied to the suspension, the synthetic resin probe constituting the displacement sensor cannot withstand mechanical shock, It was sometimes damaged.
Therefore, the applicant and the inventor have started to study to replace the outer shell of the probe with metal in order to increase the mechanical strength of the probe.
However, since the displacement sensor is a mechanism for detecting a change in the inductance of the coil, if the outer shell of the probe is made of metal, a loss due to eddy current occurs in the outer shell, and the position detection sensitivity is significantly reduced.
Furthermore, in the circuit configuration of the conventional displacement sensor disclosed in FIG. 10, even if the current passed through the coil is increased in order to increase the detection sensitivity, only the eddy current loss increases, and this hardly contributes to the improvement in sensitivity. I understood.
また、図10に開示する変位センサは、コンパレータで二値化すると、金属物の存在を検出する近接センサとしても利用できる。しかし、これも機械強度を確保するために金属製の筐体に収納すると、前述の変位センサと同様の問題を生じることとなる。 The displacement sensor disclosed in FIG. 10 can also be used as a proximity sensor that detects the presence of a metal object when binarized by a comparator. However, if this is housed in a metal housing in order to ensure mechanical strength, the same problem as that of the aforementioned displacement sensor will occur.
本発明はかかる課題を解決し、単一のコイルでインダクタンスの変化を効果的に検出し、小型でありながら高精度な変位センサを実現するためのインダクタンス変化検出回路と、これを用いる変位検出装置及び金属検出装置を提供することを目的とする。 The present invention solves such a problem, effectively detects a change in inductance with a single coil, and implements an inductance change detection circuit for realizing a small but highly accurate displacement sensor, and a displacement detection device using the same And it aims at providing a metal detection apparatus.
上記課題を解決するために、本発明のインダクタンス変化検出回路は、矩形波交流電圧源と、矩形波交流電圧源に接続されてインダクタンスの変化を検出されるコイルと、コイルに流れる電流を電圧信号に変換する電流電圧変換部と、電圧信号を上限閾値電圧及び上限閾値電圧より低い下限閾値電圧を以て二値化して第一矩形波信号を出力する、ヒステリシス特性を有するコンパレータと、コンパレータが出力する第一矩形波信号と矩形波交流電圧源に同期する第二矩形波信号との排他的論理和の信号を出力する排他的論理和ゲートと、コイルに直流電流を流して、コイルの直流抵抗の変化に基づいて矩形波交流電圧源を駆動する電圧を制御する電圧制御回路とを備える。 In order to solve the above-described problems, an inductance change detection circuit according to the present invention includes a rectangular wave AC voltage source, a coil connected to the rectangular wave AC voltage source to detect an inductance change, and a current flowing through the coil as a voltage signal. A current-voltage converter that converts the voltage signal into a binary signal with an upper limit threshold voltage and a lower limit threshold voltage lower than the upper limit threshold voltage, and outputs a first rectangular wave signal; and a first output from the comparator An exclusive OR gate that outputs an exclusive OR signal of one rectangular wave signal and a second rectangular wave signal synchronized with the rectangular wave AC voltage source, and a direct current is passed through the coil to change the DC resistance of the coil And a voltage control circuit for controlling a voltage for driving the rectangular wave AC voltage source .
また、上記課題を解決するために、本発明の変位検出装置は、矩形波交流電圧源と、矩形波交流電圧源に接続されるコイルと、コイルに流れる電流を電圧信号に変換する電流電圧変換部と、電圧信号を上限閾値電圧及び上限閾値電圧より低い下限閾値電圧を以て二値化して第一矩形波信号を出力する、ヒステリシス特性を有するコンパレータと、コンパレータが出力する第一矩形波信号と矩形波交流電圧源に同期する第二矩形波信号との排他的論理和の信号を出力する排他的論理和ゲートと、コイルに直流電流を流して、コイルの直流抵抗の変化に基づいて矩形波交流電圧源を駆動する電圧を制御する電圧制御回路と、コイルの巻線方向に連続的に近接可能に設けられてコイルとの相対的変位を検出される非磁性体金属物とを備える。 In order to solve the above problems, a displacement detection device of the present invention includes a rectangular wave AC voltage source, a coil connected to the rectangular wave AC voltage source, and a current-voltage conversion that converts a current flowing through the coil into a voltage signal. A comparator having a hysteresis characteristic that outputs a first rectangular wave signal by binarizing the voltage signal with an upper threshold voltage and a lower threshold voltage lower than the upper threshold voltage, and a first rectangular wave signal and a rectangle output by the comparator An exclusive OR gate that outputs a signal of an exclusive OR with a second rectangular wave signal synchronized with a wave AC voltage source, and a rectangular wave AC based on a change in the DC resistance of the coil by passing a DC current through the coil A voltage control circuit that controls a voltage for driving the voltage source; and a nonmagnetic metal object that is provided so as to be continuously accessible in the winding direction of the coil and detects a relative displacement with the coil.
矩形波交流電圧源にコイルを接続し、コイルに流れる交流電流を電圧信号に変換した後、ヒステリシス特性を有するコンパレータを通すことで、コイルのインダクタンス変化をパルスの立ち上がりの位相変化として検出する。
従来技術のように二つのコイルを設ける必要がなく、部品点数が少なくなるので、低コストで高精度な変位センサを実現できる。
A coil is connected to a rectangular wave AC voltage source, an AC current flowing through the coil is converted into a voltage signal, and then passed through a comparator having hysteresis characteristics, thereby detecting an inductance change of the coil as a phase change at the rising edge of the pulse.
Since there is no need to provide two coils as in the prior art and the number of parts is reduced, a highly accurate displacement sensor can be realized at low cost.
本発明により、単一のコイルでインダクタンスの変化を効果的に検出し、小型でありながら高精度な変位センサを実現するためのインダクタンス変化検出回路と、これを用いる変位検出装置及び金属検出装置を提供できる。 According to the present invention, an inductance change detection circuit for effectively detecting a change in inductance with a single coil and realizing a small and highly accurate displacement sensor, and a displacement detection device and a metal detection device using the same are provided. Can be provided.
[第一の実施形態]
図1(a)及び(b)は、本発明の第一の実施形態に係る変位センサの外観斜視図と一部断面図である。
図1(a)は、変位センサの外観斜視図である。
変位センサ101は、センサ本体部102とスリーブ103の組み合わせよりなる。
センサ本体部102は、検出回路を内蔵する筐体105の一端に、円筒形状のプローブ104が取り付けられている。
筐体105には、センサ本体部102を任意の物品に固定するための取り付け穴105a及び105bが設けられている。
プローブ104には後述する検出コイルが内蔵されている。このプローブ104に、真鍮製の筒であるスリーブ103が挿入される。スリーブ103の材質は、コイルL106に対して渦電流に起因する損失を発生させるために、例えば真鍮等の非磁性体金属物である。
スリーブ103がプローブ104に挿抜されると、センサ本体部102は、プローブ104に対するスリーブ103の相対的な位置に応じた、アナログの検出信号を出力する。
[First embodiment]
1A and 1B are an external perspective view and a partial sectional view of a displacement sensor according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 1A is an external perspective view of the displacement sensor.
The displacement sensor 101 is a combination of a sensor
In the sensor
The
The
When the
図1(b)は、変位センサ101を横から見た状態で、スリーブ103とプローブ104について断面形状を示す一部断面図である。
プローブ104の外殻104aは剛性を向上させるために、本出願人の従来製品の樹脂モールドではなく、非磁性体であるオーステナイト系のステンレスで形成され、検出コイルであるコイルL106を内蔵する。
コイルL106は図1(b)に示すように、プローブ104の長手方向に螺旋状に形成されている。
FIG. 1B is a partial cross-sectional view showing the cross-sectional shapes of the
In order to improve rigidity, the
The coil L106 is formed in a spiral shape in the longitudinal direction of the
周知のとおり、オーステナイト系のステンレスは剛性が高い非磁性体金属であり、更に抵抗率が高いので、プローブ104に用いる場合、抵抗率の低い金属と比べると渦電流を小さく抑えることができる。しかしながら、抵抗率が高いとはいえどもステンレスは導体であるので、コイルに交流電流を流した際に渦電流の発生は免れない。渦電流は熱エネルギーに変換され、結果としてコイルのインダクタンスの低下を招く。
なお、プローブ104の外殻104aの材質は、必ずしもステンレスに限られないが、一定の条件が求められる。前述のように、非磁性体金属であることと、抵抗率が高いことである。抵抗率は、スリーブ103の抵抗率より高いことが好ましい。本実施形態の場合はスリーブ103の材質である真鍮(黄銅)が5〜7×10-8Ωmであるのに対し、ステンレスは7.2×10-7Ωmなので、この条件を満たす。
As is well known, austenitic stainless steel is a non-magnetic metal having high rigidity and has a high resistivity. Therefore, when used for the
The material of the
コイルL106は図1(b)に示すように、プローブ104の内部に長手方向に設けられている、円柱形状のフェライトのコア107に巻きつけられている。つまり、プローブ104は、コア107を中心として、コア107にコイルL106が巻きつけられ、これらコイルL106を外殻104aが被さることによって形成される。
スリーブ103の長さは、コイルL106の長さと同一か、やや長いことが好ましいが、変位センサ101が適用される用途によっては必ずしもこれに限られない。
As shown in FIG. 1 (b), the coil L 106 is wound around a
The length of the
図2は、変位センサ101のブロック図である。
変位センサ101は、コイルL106のインダクタンスの変化を検出する検出部201と、この検出部201に一定周期の矩形波信号を出力する矩形波信号源202と、矩形波信号源202から発生する矩形波信号の論理を反転するNOTゲート203よりなる。矩形波信号源202は、後述する図4(a)に示す波形の信号を出力する。また、NOTゲート203は後述する図4(b)に示す波形の信号を出力する。
FIG. 2 is a block diagram of the displacement sensor 101.
The displacement sensor 101 includes a
図3は、検出部201の回路図である。
第一スイッチ301は第二スイッチ302に直列接続され、電源電圧+Vccが印加される。第二スイッチ302は第一スイッチ301と接地との間に接続される。
第一スイッチ301及び第二スイッチ302はトランジスタスイッチである。
FIG. 3 is a circuit diagram of the
The
The
第一スイッチ301は矩形波信号源202が出力する制御信号P204によってオン・オフ制御される。同様に、第二スイッチ302はNOTゲート203が出力する制御信号P205によってオン・オフ制御される。つまり、第一スイッチ301と第二スイッチ302は交互にオン・オフ制御される。
第一スイッチ301には、周知の回路保護のための第一フリーホイールダイオードD303が並列接続されている。同様に、第二スイッチ302には第二フリーホイールダイオードD304が並列接続されている。
第一スイッチ301、第二スイッチ302、第一フリーホイールダイオードD303及び第二フリーホイールダイオードD304は、矩形波信号源202及びNOTゲート203によって制御され、脈流の矩形波電圧を出力する矩形波電圧源を構成する。
The
The
The
第一スイッチ301と第二スイッチ302との間の中点には、コンデンサC305とコイルL106と抵抗R306が直列接続されている。抵抗R306はその一端が接地される。
コンデンサC305は、コイルL106に矩形波電圧源の交流成分のみを与える、直流遮断のために設けられている。
抵抗R306は、コイルL106に流れる電流を電圧として検出するために設けられている、例えば10Ω程度の低抵抗である。
矩形波電圧源とコンデンサC305は、コイルL106と抵抗R306に交流の矩形波電圧を与える矩形波交流電圧源であるともいえる。
A capacitor C305, a coil L106, and a resistor R306 are connected in series at the midpoint between the
Capacitor C305 is provided for cutting off the direct current, which applies only the alternating current component of the rectangular wave voltage source to coil L106.
The resistor R306 is provided to detect the current flowing through the coil L106 as a voltage, and has a low resistance of about 10Ω, for example.
It can be said that the rectangular wave voltage source and the capacitor C305 are rectangular wave AC voltage sources for applying an AC rectangular wave voltage to the coil L106 and the resistor R306.
コイルL106と抵抗R306の接続点にはコンデンサC307が接続されている。更にコンデンサC307の他端は、抵抗R308を通じてオペアンプ309の反転入力端子に接続される。オペアンプ309の反転入力端子と出力端子の間には抵抗R310が接続されている。また、オペアンプ309の非反転入力端子には、Vcc/2、つまり電源電圧の半分の電圧が印加される。
抵抗R308、抵抗R310及びオペアンプ309は周知の反転増幅回路を構成する。反転増幅回路によって、抵抗R306の両端電圧は反転増幅される。
抵抗R306と反転増幅回路は、コイルL106に流れる交流電流を電圧信号に変換する電流電圧変換部であるともいえる。
A capacitor C307 is connected to a connection point between the coil L106 and the resistor R306. Furthermore, the other end of the capacitor C307 is connected to the inverting input terminal of the
The resistor R308, the resistor R310, and the
It can be said that the resistor R306 and the inverting amplifier circuit are a current-voltage converter that converts an alternating current flowing through the coil L106 into a voltage signal.
なお、第一の実施形態に係る図3の検出部201の回路において、コンデンサC307は接地電位とオペアンプ309の非反転入力端子との直流電位差によって抵抗R308に直流電流が流れオペアンプ309の出力に余分なオフセット電圧が発生するのを阻止している。図3の実施例は単一電源での動作を想定した回路構成になっており、両極性電源で動作させる場合はコンデンサC307は不要である。しかし、後述する第二の実施形態に係る図6の検出部601では、コンデンサC307が必須になる。コンデンサC307の役割については第二の実施形態の図6において後述する。
In the circuit of the
オペアンプ309の出力端子は、抵抗R311に接続される。抵抗R311はオペアンプ312の非反転入力端子に接続される。オペアンプ312の非反転入力端子と出力端子の間には抵抗R313が接続されている。また、オペアンプ312の反転入力端子には、Vcc/2、つまり電源電圧の半分の電圧が印加される。
The output terminal of the
抵抗R311、抵抗R313及びオペアンプ312は周知のコンパレータを構成する。そして、このコンパレータは抵抗R311と抵抗R313によって、ヒステリシス特性を備える。
入力抵抗である抵抗R311と正帰還抵抗である抵抗R313及びオペアンプ312で構成されるコンパレータは、オペアンプ312の反転入力端子に印加される電圧がVcc/2の場合、上限閾値電圧VHと、下限閾値電圧VLは、以下の式で算出できる。
The resistor R311, the resistor R313, and the
A comparator composed of a resistor R311 as an input resistor, a resistor R313 as a positive feedback resistor, and an
VH=Vcc・(1+R311/R313)/2
VL=Vcc・(1−R311/R313)/2
VH = Vcc · (1 + R311 / R313) / 2
VL = Vcc. (1-R311 / R313) / 2
入力抵抗である抵抗R311に印加される入力電圧Vinが0Vから徐々に上昇し、上限閾値電圧VHを超えると、オペアンプ312の出力は0Vから+Vccに転化する。この上限閾値電圧VHは、Vcc/2より高い電圧である。
この後、入力抵抗である抵抗R311に印加される入力電圧Vinが上限閾値電圧VHを越えた電圧から徐々に低下して、上限閾値電圧VHを下回っても、下限閾値電圧VLを下回らない限り、オペアンプ312の出力は+Vccを維持する。
そして、入力抵抗である抵抗R311に印加される入力電圧Vinが下限閾値電圧VLを下回ると、オペアンプ312の出力は+Vccから0Vに転化する。この下限閾値電圧VLは、Vcc/2より低い電圧である。
When the input voltage Vin applied to the resistor R311 which is an input resistor gradually increases from 0V and exceeds the upper threshold voltage VH, the output of the
Thereafter, even if the input voltage Vin applied to the resistor R311 as an input resistor gradually decreases from the voltage exceeding the upper threshold voltage VH and falls below the upper threshold voltage VH, it does not fall below the lower threshold voltage VL. The output of the
When the input voltage Vin applied to the resistor R311 that is an input resistor falls below the lower threshold voltage VL, the output of the
コンパレータによって、オペアンプ309の出力信号は制御信号P204(矩形波信号源202の出力信号)と比較され、矩形波の信号を出力する。この、コンパレータが出力する矩形波の信号は、コイルL106のインダクタンスの変化に応じて、立ち上がり及び立ち下がりの位相がずれる。
The comparator compares the output signal of the
コンパレータの出力信号は、排他的論理和ゲート(以下「EXORゲート」)314の入力端子に供給される。また、EXORゲート314のもう一方の入力端子には、制御信号P205(NOTゲート203の出力信号)が供給される。この結果、EXORゲート314はPWM信号を出力する。また、PWM信号を抵抗R315とコンデンサC316よりなる積分回路で積分すると、電圧信号を取り出すことができる。
The output signal of the comparator is supplied to an input terminal of an exclusive OR gate (hereinafter “EXOR gate”) 314. The control signal P205 (output signal of the NOT gate 203) is supplied to the other input terminal of the
[動作]
図4(a)、(b)、(c)、(d)、(e)及び(f)は、変位センサ101の各部の波形図である。なお、図4(d)の波形は、プローブ104の外殻104aが合成樹脂等の非金属である場合の波形である。
先ず、図4(a)は矩形波信号源202が出力する制御信号P204の波形であり、図4(b)はNOTゲート203が出力する制御信号P205の波形である。
図4(c)は、コイルL106に印加される電圧の波形図である。つまり、矩形波電圧源から出力される脈流の矩形波電圧からコンデンサC316によって直流成分がカットされた矩形波交流電圧E321である。
図4(d)は、オペアンプ309の出力信号(反転電流波形信号E322)の波形図である。
コイルL106に正方向の電圧が印加されると、コイルL106には正方向に増加する電流が流れる。コイルL106の特性により、電流は正方向に徐々に増加する。
コイルL106に負方向の電圧が印加されると、コイルL106には負方向に減少する電流が流れる。コイルL106の特性により、電流は負方向に徐々に減少する。
そして、この電流波形は抵抗R306によって電圧に変換され、反転増幅器によって増幅されるので、オペアンプ309の出力電圧は、コイルL106に正方向の電圧が印加されている間には電圧が減少し、コイルL106に負方向の電圧が印加されている間には電圧が増加する。
こうして、オペアンプ309が出力する反転電流波形信号E322は、図4(d)に示すようにVcc/2を中心に上下する鋸歯状の電圧波形になる。
[Operation]
4A, 4B, 4C, 4D, 4E, and 4F are waveform diagrams of each part of the displacement sensor 101. FIG. 4D is a waveform when the
First, FIG. 4A shows the waveform of the control signal P204 output from the rectangular wave signal source 202, and FIG. 4B shows the waveform of the control signal P205 output from the
FIG. 4C is a waveform diagram of a voltage applied to the coil L106. That is, it is the rectangular wave AC voltage E321 in which the DC component is cut by the capacitor C316 from the pulsating rectangular wave voltage output from the rectangular wave voltage source.
FIG. 4D is a waveform diagram of the output signal (inverted current waveform signal E322) of the
When a positive voltage is applied to the coil L106, a current that increases in the positive direction flows through the coil L106. Due to the characteristics of the coil L106, the current gradually increases in the positive direction.
When a negative voltage is applied to the coil L106, a current that decreases in the negative direction flows through the coil L106. Due to the characteristics of the coil L106, the current gradually decreases in the negative direction.
Since this current waveform is converted into a voltage by the resistor R306 and amplified by the inverting amplifier, the output voltage of the
In this way, the inverted current waveform signal E322 output from the
コイルL106を内蔵するプローブ104にスリーブ103を被せていないときは、オペアンプ309は図4(d)の実線に示す反転電流波形信号E322aを出力する。
これに対し、コイルL106を内蔵するプローブ104にスリーブ103を被せると、オペアンプ309は図4(d)の点線に示す反転電流波形信号E322bを出力する。つまり、コイルL106のインダクタンスが減少するので、抵抗R306に電流が流れ易くなり、電流が正方向、負方向の何れにも増加するので、鋸歯状波形のピーク電圧が上昇する。
When the
On the other hand, when the
反転増幅器が出力する反転電流波形信号E322は、ヒステリシスを有するコンパレータに通される。
反転増幅器の出力電圧信号が0Vから徐々に上昇し、上限閾値電圧VHを超えると、オペアンプ312の出力信号は0Vから+Vccに転化する。
一旦+Vccに転化したオペアンプ312の出力信号は、反転増幅器の出力電圧信号が上限閾値電圧VHを越えた電圧から徐々に低下して、上限閾値電圧VHを下回っても、下限閾値電圧VLを下回らない限り、オペアンプ312の出力信号は+Vccを維持する。
そして、反転増幅器の出力電圧信号が下限閾値電圧VLを下回ると、オペアンプ312の出力は+Vccから0Vに転化する。
一旦0Vに転化したオペアンプ312の出力信号は、反転増幅器の出力電圧信号が下限閾値電圧VLを下回った電圧から徐々に上昇して、下限閾値電圧VLを上回っても、上限閾値電圧VHを上回らない限り、オペアンプ312の出力信号は0Vを維持する。
こうして、コンパレータは図4(e)に示す矩形波の位相差信号E323を出力する。
The inverted current waveform signal E322 output from the inverting amplifier is passed through a comparator having hysteresis.
When the output voltage signal of the inverting amplifier gradually increases from 0V and exceeds the upper threshold voltage VH, the output signal of the
The output signal of the
When the output voltage signal of the inverting amplifier falls below the lower threshold voltage VL, the output of the
The output signal of the
In this way, the comparator outputs a rectangular wave phase difference signal E323 shown in FIG.
コンパレータが出力する位相差信号E323の立ち上がりのタイミングは、上限閾値電圧VH及び下限閾値電圧VLに対する、反転増幅器が出力する反転電流波形信号E322の傾きによって変化する。図4(d)を見て判るように、反転電流波形信号E322のピーク値が上昇すると、反転電流波形信号E322の傾きは急峻になり、より早いタイミングで上限閾値電圧VH及び下限閾値電圧VLに到達する。したがって、コイルのインダクタンスが低下すると、コンパレータが出力する位相差信号E323の立ち上がりの位相が早まることとなる。 The rising timing of the phase difference signal E323 output from the comparator varies depending on the slope of the inverted current waveform signal E322 output from the inverting amplifier with respect to the upper threshold voltage VH and the lower threshold voltage VL. As can be seen from FIG. 4D, when the peak value of the inverted current waveform signal E322 increases, the slope of the inverted current waveform signal E322 becomes steep, and the upper threshold voltage VH and the lower threshold voltage VL are reached earlier. To reach. Therefore, when the inductance of the coil decreases, the phase of the phase difference signal E323 output from the comparator is advanced.
したがって、コイルL106を内蔵するプローブ104にスリーブ103が被さっていない(コイルL106のインダクタンスが低下していない)状態では、コンパレータが出力する矩形波の位相差信号E323は、図4(e)の実線に示す波形E323aになるが、コイルL106を内蔵するプローブ104にスリーブ103が被さっている(コイルL106のインダクタンスが低下している)状態では、位相差信号E323は図4(e)の実線に示す波形E323aよりも立ち上がりの位相が早い、点線に示す波形E323bになる。
Therefore, when the
このようにしてコンパレータから出力される位相差信号E323と、NOTゲート203が出力する制御信号P205とをEXORゲート314に入力すると、図4(f)に示すように、PWM信号E324を取り出すことができる。このPWM信号E324は、コイルのインダクタンスが低下すると、パルス幅のデューティ比(信号の一周期のうち高電位の期間/信号の一周期)が低下する。
コイルL106を内蔵するプローブ104にスリーブ103が被さっていない(コイルL106のインダクタンスが低下していない)状態では、EXORゲート314が出力するPWM信号E324は、図4(f)の実線に示す波形E324aになるが、コイルL106を内蔵するプローブ104にスリーブ103が被さっている(コイルL106のインダクタンスが低下している)状態では、PWM信号E324は図4(f)の実線に示す波形E324aよりもパルス幅のデューティ比が上昇した、点線に示す波形E324bになる。
EXORゲート314が出力する信号はPWM信号E324なので、ディジタル入力を備える計測装置にそのまま入力することができる他、抵抗R315及びコンデンサC316よりなる積分回路を通すことで、コイルのインダクタンスの変化、転じてプローブ104に対するスリーブの相対位置に応じて電圧が変化するアナログ電圧信号を得ることができる。
なお、EXORゲート314にNOTゲート203の代わりに制御信号P204(矩形波信号源202の出力信号)を与えると、図4(f)のPWM信号E324の論理が反転し、図4(f)の上下が反転した波形になる。つまり、コイルのインダクタンスが低下すると、パルス幅のデューティ比が上昇する信号を得ることができる。
When the phase difference signal E323 output from the comparator and the control signal P205 output from the
In a state where the
Since the signal output from the
When the control signal P204 (output signal of the rectangular wave signal source 202) is given to the
図5(a)、(b)、(c)及び(d)は、プローブ104の外殻104aが金属である場合の、変位センサ101の各部の波形図である。
図5(a)は、図4(c)と同様、コイルL106に印加される電圧(矩形波交流電圧E321)の波形図である。
図5(b)は、図4(d)と同様、オペアンプ309の出力信号(反転電流波形信号E322)の波形図である。
図5(c)は、シミュレーションによって得た、プローブ104の外殻104aが金属である場合の、外殻104aに流れる電流の波形図である。外殻104aにはコイルL106によって渦電流が発生する。この渦電流は、所定の上下ピーク値を伴う、略台形形状の波形になる。この波形は、コイルが発する磁界の強さに略一致する。
図5(d)は、プローブ104の外殻104aが金属である場合の、コイルL106に流れる電流の波形図である。この波形は、図5(b)と図5(c)の合成波形になる。コイルに流れる電流は、外殻104aに渦電流を発生させる分と、コイル自身に流れる分との総和となる。したがって、渦電流の成分がコイル自身に流れる電流の、オフセットの効果を生じる。
FIGS. 5A, 5B, 5C, and 5D are waveform diagrams of each part of the displacement sensor 101 when the
FIG. 5A is a waveform diagram of a voltage (rectangular wave AC voltage E321) applied to the coil L106, as in FIG. 4C.
FIG. 5B is a waveform diagram of the output signal (inverted current waveform signal E322) of the
FIG. 5C is a waveform diagram of the current flowing through the
FIG. 5D is a waveform diagram of a current flowing through the coil L106 when the
今一度、図4(d)の波形と、図5(d)の波形とを見比べると、渦電流に起因する電流波形のオフセット成分が、コンパレータのヒステリシス特性に対して良好な効果を奏することが判る。もし、オフセット成分がないと、電流波形の傾きに対してEXORゲート314から出力されるPWM信号E324の位相の変化は小さい。しかし、電流波形に渦電流に起因する電流波形のオフセット成分が加わることと、コンパレータの上限閾値電圧VH及び下限閾値電圧VLを適切に設定することで、コイルそのものに流れる電流の、インダクタンスの変化に応じて生じる変化を広範囲に捉えることができる。
図5(b)においてピーク電流の変化による位相差の変化t1は、原理的に矩形波交流電圧E321の周期の1/4を超えることが出来ない。一方、渦電流によるオフセットが重畳された図5(d)の波形では、検出位相差t2がより広範囲に検出できることが(b)との対比により理解できる。
つまり、本来なら検出感度が低下する筈の、金属製の外殻104aをプローブ104に導入することで、変位センサとしての分解能を向上させることができる、という大変興味深い効果を得ることができる。
Once again comparing the waveform of FIG. 4D with the waveform of FIG. 5D, the offset component of the current waveform caused by the eddy current has a good effect on the hysteresis characteristics of the comparator. I understand. If there is no offset component, the change in the phase of the PWM signal E324 output from the
In FIG. 5B, the change t1 in the phase difference due to the change in the peak current cannot theoretically exceed ¼ of the period of the rectangular wave AC voltage E321. On the other hand, it can be understood from the comparison with FIG. 5B that the detected phase difference t2 can be detected in a wider range in the waveform of FIG.
That is, it is possible to obtain a very interesting effect that the resolution as a displacement sensor can be improved by introducing the metal
[第一の実施形態・変位センサ101の作用と効果]
前述の通り、プローブ104に対するスリーブ103の変位は、コイルL106のインダクタンスを変化させる。そして、インダクタンスの変化はコイルL106に流れる電流の、ピーク電流値の変化として現れる。変位センサ101は、ピーク電流値の変化によって生じる傾きの変化からスリーブ103の変位を検出している。
ピーク電流値の差を大きくするには、二通りの方法がある。一つは、パルス電圧を大きくすることであり、もうひとつはパルス電圧のパルス周期を大きくすることである。後者の場合、電流値は時間の一次関数で増加することに起因する。
[Operation and Effect of First Embodiment / Displacement Sensor 101]
As described above, the displacement of the
There are two ways to increase the difference in peak current values. One is to increase the pulse voltage, and the other is to increase the pulse period of the pulse voltage. In the latter case, the current value increases as a linear function of time.
本実施形態の変位センサ101の場合、コイルL106を保護する保護管ともいえる外殻104aの材質は、機械的強度を確保するためにオーステナイト系ステンレスである。
もし、パルス電圧を大きくすると、ステンレス製の外殻104aに発生する渦電流が大きくなる。すると、渦電流に基づく損失が大きくなり、消費電流が増大し、発熱する。
また、この現象はトランスに置き換えて説明することもできる。コイルL106に対して、ステンレス製の外殻104aは、トランスの一時コイルと1ターンの二次コイルの関係に相当する。このため、コイルL106の電流を増やすために矩形波電圧源の電圧を大きくすると、二次コイルに相当する外殻104aに誘起する電圧も大きくなり、短絡電流が増加する。
つまり、外殻104aをステンレス製にしたことで、パルス電圧を大きくすることは消費電力をいたずらに増大させるばかりで、変位センサ101の感度上昇には殆ど寄与しない。
以上のことから、パルス電圧はなるべく低く押さえて、その代わりにパルス周期を大きく取ることでピーク電流を大きくすることが、変位センサ101の感度上昇に効果がある。
In the case of the displacement sensor 101 of the present embodiment, the material of the
If the pulse voltage is increased, the eddy current generated in the stainless steel
This phenomenon can also be explained by replacing it with a transformer. For the coil L106, the
That is, by making the
From the above, it is effective to increase the sensitivity of the displacement sensor 101 by holding the pulse voltage as low as possible and increasing the peak current instead by increasing the pulse period.
なお、コイルL106のピーク電流値がそのまま回路の消費電流値にはならないことに注意されたい。
コイルを有する交流回路の電力消費は、フェライトコアの場合、巻線抵抗によるジュール熱が支配的である。例えば、ピーク電流値が50mAであっても、巻線抵抗が数Ωの場合、消費電流は1mA以下である。したがって、検出感度を上げるためにピーク電流を増大させても、消費電流に与える影響は少ない。
It should be noted that the peak current value of the coil L106 does not directly become the current consumption value of the circuit.
In the case of a ferrite core, the power consumption of an AC circuit having a coil is dominated by Joule heat due to winding resistance. For example, even if the peak current value is 50 mA, if the winding resistance is several Ω, the current consumption is 1 mA or less. Therefore, even if the peak current is increased in order to increase the detection sensitivity, the influence on the current consumption is small.
第一の実施形態に係る変位センサ101の、動作原理として最も大事な点は、コイルに流れる電流の変化を、ヒステリシスを有するコンパレータを用いて位相差として検出することである。
仮に、コイルの電流のピーク値をそのまま検出する場合は、その回路にはピーク電流値に対応したダイナミックレンジが求められる。言い換えると、大きなオフセット値を持った信号の中から僅かな変化(電流差)を求めるような回路構成になってしまう。このような回路構成の場合、出力信号のS/N比は低下する。
第一の実施形態に係る変位センサ101の場合、位相差で検出しているので、S/N比は良好であり高感度である。
The most important operation principle of the displacement sensor 101 according to the first embodiment is to detect a change in the current flowing through the coil as a phase difference using a comparator having hysteresis.
If the peak value of the coil current is detected as it is, a dynamic range corresponding to the peak current value is required for the circuit. In other words, the circuit configuration is such that a slight change (current difference) is obtained from a signal having a large offset value. In the case of such a circuit configuration, the S / N ratio of the output signal decreases.
In the case of the displacement sensor 101 according to the first embodiment, since the detection is based on the phase difference, the S / N ratio is good and the sensitivity is high.
すなわち、第一の実施形態に係る変位センサ101は、検出コイルに矩形波交流電圧E321を与え、その電流を電圧信号に変換して、ヒステリシスを有するコンパレータを用いて位相差として検出することと、矩形波交流電圧E321は低く抑え、その代わりに矩形波交流の周期を大きく設定することで、センサコイルを感度が低下してしまう金属製の外殻104aに収納しても、必要十分な位置検出感度を得ることができる。
That is, the displacement sensor 101 according to the first embodiment applies a rectangular AC voltage E321 to the detection coil, converts the current into a voltage signal, and detects it as a phase difference using a comparator having hysteresis; Even if the sensor coil is housed in the metal
[第二の実施形態]
第一の実施形態に係る変位センサには、温度変化という、変位検出精度を悪化させる最大の要因が存在する。
コイルは導体を長く巻いた巻線である。つまり、コイルそれ自体が必然的に導体に固有の直流抵抗を内包する。そして、この直流抵抗成分は、温度が高くなると抵抗値が増大する。コイルL106の内部抵抗値の増大はインピーダンスの変化となって現れ、変位検出信号を構成する抵抗R306の電位差にも跳ね返り、検出精度を悪化させる。
[Second Embodiment]
The displacement sensor according to the first embodiment has the greatest factor that deteriorates the displacement detection accuracy, that is, temperature change.
The coil is a winding obtained by winding a conductor long. That is, the coil itself inevitably contains a direct current resistance inherent in the conductor. The resistance value of the DC resistance component increases as the temperature increases. An increase in the internal resistance value of the coil L106 appears as a change in impedance, rebounds to the potential difference of the resistor R306 constituting the displacement detection signal, and deteriorates the detection accuracy.
第一の実施形態に開示した検出部201の温度補償を行うために、温度センサをコイルL106近傍に設けることも考えられる。しかし、コイルL106はプローブ104に内蔵され、長手方向に細長く形成されており、時に変位センサ101の設置状況によっては、プローブ104の先端部分だけが熱を帯び、他の箇所は冷たいまま、というような状況もあり得る。通常、温度センサの温度観測箇所は点であり、長手方向に広く温度を検出するには、それだけ温度センサを多数設けなければならない。このような解決策は非現実的である。
In order to perform temperature compensation of the
そこで、コイルL106そのものを温度センサとして利用する可能性を考える。
第一の実施形態である図3の回路図をよく見ると、コイルL106及び抵抗R306は接地とコンデンサC305とコンデンサC307との間に接続されている。つまり、コイルL106はコンデンサC305とコンデンサC307によって直流的には分離されている。インダクタンスの変化を検出するための電流は交流成分のみであり、このコイルL106に別途直流を流しても、コイルL106に温度変化をもたらす程の大電流でない限り、インダクタンスの変化の検出には全く影響しない。
コイルL106に直流電流を流し、内部抵抗を検出して、得られた電流の変化を、コンデンサC305、コイルL106及び抵抗R306の直列回路に印加する矩形波電圧源の出力電圧に反映すると、温度補償が実現できる。
Therefore, consider the possibility of using the coil L106 itself as a temperature sensor.
If the circuit diagram of FIG. 3 which is 1st embodiment is closely seen, the coil L106 and resistance R306 will be connected between the ground, the capacitor | condenser C305, and the capacitor | condenser C307. That is, the coil L106 is DC-isolated by the capacitor C305 and the capacitor C307. The current for detecting the change in inductance is only an alternating current component. Even if a separate direct current is passed through this coil L106, it does not affect the detection of the change in inductance unless the current is large enough to cause a temperature change in the coil L106. do not do.
When a direct current is passed through the coil L106, the internal resistance is detected, and the obtained change in current is reflected in the output voltage of the rectangular wave voltage source applied to the series circuit of the capacitor C305, the coil L106 and the resistor R306, temperature compensation Can be realized.
図6は、本発明の第二の実施形態に係る変位センサの、検出部601の回路図である。第二の実施形態の変位センサは、第一の実施形態の検出部201の、第一スイッチ301に印加される電圧が+Vccでないことと、コンデンサC305とコイルL106との間からコイルL106の直流抵抗値を検出するための線が引き出され、新規に回路が追加されている以外の部分は共通するので、共通部分の説明は割愛する。つまり、検出部601は、検出部201に温度補償のための電圧制御回路を追加した改良版である。
図6において、図3の検出部201に対して追加された、抵抗R602、抵抗R603、オペアンプ604、抵抗R605、コンデンサC606、抵抗R607、オペアンプ608、抵抗R609、抵抗R610、可変抵抗VR611、そしてコンデンサC612は電圧制御回路を構成する。
FIG. 6 is a circuit diagram of the detection unit 601 of the displacement sensor according to the second embodiment of the present invention. In the displacement sensor of the second embodiment, the voltage applied to the
In FIG. 6, a resistor R602, a resistor R603, an
コンデンサC305とコイルL106と抵抗R306との間には、抵抗R602が接続されている。抵抗R602は、電源電圧+Vccから抵抗Rt、抵抗R603、抵抗R602、コイルL106、そして抵抗R306を通じて接地される、抵抗の直列回路の一部を構成する。抵抗R602とR603の抵抗値は同じである。また、Rtは電流検出抵抗である抵抗R306の直流抵抗値と、コイルL106の常温における直流抵抗値との合計と同じ値である。但し、このRtは省略可能である。理由は後述する。
抵抗R602とR603との接続点にはオペアンプ604の反転入力端子が接続されている。オペアンプ604の非反転入力端子には、参照電圧としてVcc/2が供給される。すなわち(Rt+R603)を入力抵抗値とする第一の入力抵抗と(R602+R306+L106の直流抵抗値)を入力抵抗値とする第二の入力抵抗を持つ二入力反転増幅回路を構成し、それぞれの入力端子が+Vccおよび接地電位に接続されている。
A resistor R602 is connected between the capacitor C305, the coil L106, and the resistor R306. The resistor R602 forms part of a series circuit of resistors that is grounded from the power supply voltage + Vcc through the resistors Rt, R603, R602, the coil L106, and the resistor R306. The resistance values of the resistors R602 and R603 are the same. Rt is the same value as the sum of the DC resistance value of the resistor R306, which is a current detection resistor, and the DC resistance value of the coil L106 at room temperature. However, this Rt can be omitted. The reason will be described later.
An inverting input terminal of the
常温の状態であれば、コイルL106の直流抵抗値と抵抗R306との合計値は抵抗Rtと同じになる。したがって、抵抗R602とR603にはそれぞれ方向が逆で同じ値の電流が流れるので、抵抗R605に流れる電流はゼロになり、常温の状態であればオペアンプ604はVcc/2を出力する。
In the normal temperature state, the total value of the DC resistance value of the coil L106 and the resistance R306 is the same as the resistance Rt. Therefore, currents of the same value flow in the opposite directions in the resistors R602 and R603, so that the current flowing in the resistor R605 becomes zero, and the
常温の状態から温度が上昇すると、コイルL106の直流抵抗値が増加する。すると、R602に流れる電流が減少しR603に流れる電流との差がR605に流れて、オペアンプ604の出力端子の電圧はVcc/2からマイナス方向へ低下する。
逆に、常温の状態から温度が下降すると、コイルL106の直流抵抗値が減少する。すると、オペアンプ604の反転入力端子の電位が下降し、オペアンプ604の出力端子の電圧はVcc/2からプラス方向へ上昇する。
こうして、オペアンプ604は、コイルL106の周囲の温度に応じて変化する電圧信号を出力する。
When the temperature rises from the normal temperature state, the DC resistance value of the coil L106 increases. Then, the current flowing through R602 decreases, the difference from the current flowing through R603 flows into R605, and the voltage at the output terminal of the
Conversely, when the temperature drops from the normal temperature state, the DC resistance value of the coil L106 decreases. Then, the potential at the inverting input terminal of the
Thus, the
抵抗R602とR603は数kΩである。一方、コイルL106の直流抵抗値はせいぜい数Ω程度であり、電流検出抵抗値も10Ω程度である。つまり、コイルL106の直流抵抗値と電流検出抵抗値との合計値及び抵抗Rtは、抵抗R602及びR603と比較すると、誤差範囲にも満たない値である。
更に、オペアンプ604が出力すべきは、温度変化に対応してコイルL106の直流抵抗値が増減したことを示す信号である。「常温」と説明したのは説明の便宜であり、「常温」の定義を厳密に求める必要はない。
したがって、抵抗Rtはなくてもよい。
Resistors R602 and R603 are several kΩ. On the other hand, the DC resistance value of the coil L106 is at most about several Ω, and the current detection resistance value is also about 10Ω. That is, the total value of the DC resistance value and the current detection resistance value of the coil L106 and the resistance Rt are values that do not satisfy the error range as compared with the resistances R602 and R603.
Furthermore, what the
Therefore, the resistor Rt may not be provided.
オペアンプ604の反転入力端子と出力端子との間には、抵抗R605とコンデンサC606が並列接続されている。コンデンサC606が存在することで、オペアンプ604は積分回路を構成する。このコンデンサC606は、コイルL106から出力される交流成分を除去するために必要である。
A resistor R605 and a capacitor C606 are connected in parallel between the inverting input terminal and the output terminal of the
オペアンプ604は積分回路であると共に反転増幅器を構成している。温度が上昇してコイルL106の直流抵抗値が増加すると、抵抗R602の電流が減少し、オペアンプ604の出力端子の電圧は低下する。また、温度上昇によってコイルL106の直流抵抗値が増加すると、コンデンサC305に流れる電流が低下してしまう。したがって、コイルL106に温度補償を行うには、コンデンサC305に印加する電圧を温度上昇に応じて高くする必要がある。つまり、オペアンプ604の出力信号を更に反転増幅させる必要がある。
The
オペアンプ604の出力端子から抵抗R607を通じて反転入力端子に接続されるオペアンプ608は、反転入力端子と出力端子の間に抵抗R609が接続されており、反転増幅回路を構成する。更に、オペアンプ608の反転入力端子には抵抗R610を通じて可変抵抗VR611が接続されている。可変抵抗VR611の一端は、電源電圧+Vccに接続され、他端は接地されている。また、オペアンプ608自体は図示しない倍電圧回路等が出力する、電源電圧+Vccよりも電圧上昇させられた駆動電圧で駆動され、電源電圧+Vccより高い電圧を出力できるように構成されている。また、出力電圧の若干の低下を許容するのであれば、単一の電源電圧で構成しても良い。
こうして、オペアンプ608は温度補償の成分を含む駆動電圧を出力し、第一スイッチ301及び第一フリーホイールダイオードD303に印加する。
The
In this way, the
[第三の実施形態]
第一の実施形態及び第二の実施形態に係る変位センサは、いずれもコイルL106に流れる電流の変化を抵抗R306によって電圧信号に変換し、その電圧信号の交流成分をコンデンサC307で抽出していた。
コイルL106の電流変化を電圧信号に変換するには、この他にも様々な方法が考えられる。例えば、オペアンプを用いた電流電圧変換回路である。しかし、オペアンプの電流電圧変換回路の場合、オペアンプの非反転入力端子が接地されている必要がある。つまり、入力信号やその他の諸要因によって電位が変わってはならない。一方、第一の実施形態及び第二の実施形態に係る変位センサは、いずれも片電源で構成されている。PWM信号、つまり信号の時間軸上の変化でインダクタンスの変化を検出できるので、信号の振幅を決定する電源電圧に厳密性を求める必要がないからである。この点は、変位センサを構成する際、コスト面で非常に有利である。しかし、オペアンプの電流電圧変換回路を採用しようとすると、回路構成上どうしても両電源を採用せざるを得ず、折角のコスト面の優位性を捨ててしまうこととなる。これでは、変位センサを構成する上であまり好ましくない。
[Third embodiment]
In each of the displacement sensors according to the first embodiment and the second embodiment, the change in the current flowing through the coil L106 is converted into a voltage signal by the resistor R306, and the AC component of the voltage signal is extracted by the capacitor C307. .
Various other methods are conceivable for converting the current change of the coil L106 into a voltage signal. For example, a current-voltage conversion circuit using an operational amplifier. However, in the case of an operational amplifier current-voltage conversion circuit, the non-inverting input terminal of the operational amplifier needs to be grounded. That is, the potential should not change due to the input signal or other factors. On the other hand, the displacement sensors according to the first embodiment and the second embodiment are both configured by a single power source. This is because a change in inductance can be detected by a PWM signal, that is, a change on the time axis of the signal, and thus it is not necessary to obtain strictness in the power supply voltage that determines the amplitude of the signal. This point is very advantageous in terms of cost when configuring a displacement sensor. However, if the current-voltage conversion circuit of the operational amplifier is to be adopted, both power sources are inevitably adopted due to the circuit configuration, and the cost advantage of the corner is discarded. This is not very preferable in constructing a displacement sensor.
そこで、他の電流電圧変換方法として、カレントトランスの採用を考える。カレントトランス自体は抵抗やコンデンサ等の他の受動素子と比べるとやや高価な部品ではあるものの、直流電圧を分離できるので他の回路素子の電位を考慮しなくて良い等、回路設計上極めて有利な点が多々ある。 Therefore, the use of a current transformer is considered as another current-voltage conversion method. Although the current transformer itself is a somewhat expensive component compared to other passive elements such as resistors and capacitors, it is extremely advantageous in terms of circuit design because it can separate the DC voltage so that the potential of other circuit elements need not be taken into account. There are many points.
図7は、本発明の第三の実施形態に係る変位センサの、検出部701の回路図である。第三の実施形態の変位センサは、第二の実施形態の検出部601の、抵抗R306、コンデンサC307、抵抗R308、オペアンプ309及び抵抗R310を、カレントトランス702とオペアンプ703と抵抗R704にて置換した回路構成である。これ以外の回路構成は、第二の実施形態と共通するので、共通部分の説明は割愛する。
FIG. 7 is a circuit diagram of the detection unit 701 of the displacement sensor according to the third embodiment of the present invention. In the displacement sensor of the third embodiment, the resistor R306, the capacitor C307, the resistor R308, the
図7において、第一スイッチ301と第二スイッチ302との間の中点には、コンデンサC305を通じてカレントトランス702の第一巻線の一端が接続されている。カレントトランス702の第一巻線の他端と第二巻線の一端には、コイルL106が接続されている。カレントトランス702の第二巻線の他端は、接地されている。
カレントトランス702の第三巻線の端子は、それぞれオペアンプ703の反転入力端子および非反転入力端子に接続される。また、オペアンプ703の非反転入力端子にはVcc/2、つまり電源電圧の半分の電圧が印加される。オペアンプ703の反転入力端子と出力端子との間には抵抗R704が接続されている。
カレントトランス702とオペアンプ703と抵抗R704は、コイルL106に流れる交流電流を電圧信号に変換する電流電圧変換部であるともいえる。
ここで、カレントトランス702の第一巻線の巻線数N1と第二巻線の巻線数N2は等しい。これは、後述する周知のコモンモードノイズをキャンセルするためである。
In FIG. 7, one end of the first winding of the
The terminal of the third winding of the
It can be said that the
Here, the number of turns N1 of the first winding and the number of turns N2 of the second winding of the
図8はカレントトランス702とコイルL106の構成を説明する概略図である。
前述のように、コイルL106は、カレントトランス702の第一巻線の他端と第二巻線の一端に接続される。コイルL106とカレントトランス702とを二芯シールド線801で接続すると、コイルL106の端子に接続される信号線に乗るコモンモードノイズinが、カレントトランス702に到達すると逆位相に印加されることとなるので、カレントトランス702でノイズキャンセリングが実現できる。したがって、第三の実施形態の検出部701は、コイルL106を延長する形態の変位センサを構成する場合に好適である。
FIG. 8 is a schematic diagram illustrating the configuration of the
As described above, the coil L106 is connected to the other end of the first winding of the
上述の実施形態の他、以下のような応用例が考えられる。
(1)検出部201では、第一スイッチ301に印加される電圧は電源電圧であったが、これは必ずしも電源電圧である必要はない。これら素子に印加する電圧をどのように決定するかは設計的事項である。
In addition to the embodiment described above, the following application examples are conceivable.
(1) In the
(2)スリーブ103は真鍮であったが、非磁性体金属であればこれに限られない。例えば、銅やアルミニウム等が挙げられる。但し、外殻104aより抵抗率が低いことが望ましい。
(2) Although the
(3)コイルL106を変形させ、フェライトコア等にコイルを収納すると、渦電流を利用した金属検出装置に応用できる。
図9(a)及び(b)は、金属検出装置に用いるコイルとコアの概略図である。
図9(a)は、コイルとフェライトコアの分解斜視図である。図9(b)は、コイルを収納したフェライトコアの断面図である。
コイルL901を、ボビン形状のフェライトコア902に収納する。コイルL901は、第一、第二及び第二の実施形態で開示した検出部201の回路にそのまま組み込む。こうして形成された検出コイル体903は、金属が近づくと当該金属に渦電流が発生し、この渦電流に起因する損失に応じてコイルL901のインダクタンスが低下する。このインダクタンスの低下を金属検出信号として取り出す。
(3) If the coil L106 is deformed and the coil is housed in a ferrite core or the like, it can be applied to a metal detector utilizing eddy current.
FIGS. 9A and 9B are schematic views of a coil and a core used in the metal detection device.
FIG. 9A is an exploded perspective view of the coil and the ferrite core. FIG. 9B is a cross-sectional view of a ferrite core that houses a coil.
The coil L901 is housed in a bobbin-shaped
本実施形態では、変位センサを開示した。
矩形波交流電圧源にコイルを接続し、コイルに流れる交流電流を電圧信号に変換した後、ヒステリシス特性を有するコンパレータを通すことで、コイルのインダクタンス変化をパルスの立ち上がりの位相変化として検出する。
従来技術のように二つのコイルを設ける必要がなく、部品点数が少なくなるので、低コストで高精度な変位センサを実現できる。
In the present embodiment, a displacement sensor has been disclosed.
A coil is connected to a rectangular wave AC voltage source, an AC current flowing through the coil is converted into a voltage signal, and then passed through a comparator having hysteresis characteristics, thereby detecting an inductance change of the coil as a phase change at the rising edge of the pulse.
Since there is no need to provide two coils as in the prior art and the number of parts is reduced, a highly accurate displacement sensor can be realized at low cost.
更に、第二の実施形態では、コイル自身を温度センサとして流用することで、温度センサを別途設けることなく、変位センサの温度補償を実現できる。 Furthermore, in the second embodiment, by using the coil itself as a temperature sensor, temperature compensation of the displacement sensor can be realized without providing a separate temperature sensor.
また、第三の実施形態では、電流電圧変換方法としてカレントトランスを採用することで、コイルをシールド線で延長することが可能になる。 In the third embodiment, the coil can be extended with a shield wire by adopting a current transformer as the current-voltage conversion method.
以上、本発明の実施形態例について説明したが、本発明は上記実施形態例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、他の変形例、応用例を含む。 The embodiment of the present invention has been described above. However, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and other modifications may be made without departing from the gist of the present invention described in the claims. Includes application examples.
101…変位センサ、102…センサ本体部、103…スリーブ、104…プローブ、105…筐体、107…コア、201…検出部、202…矩形波信号源、203…NOTゲート、301…第一スイッチ、302…第二スイッチ、309…オペアンプ、312…オペアンプ、314…EXORゲート、601…検出部、604…オペアンプ、608…オペアンプ、701…検出部、702…カレントトランス、703…オペアンプ、801…二芯シールド線、C305、C307、C316、C606、C612…コンデンサ、D303…第一フリーホイールダイオード、D304…第二フリーホイールダイオード、L106…コイル、R306、R308、R310、R311、R313、R315、R602、R603、R605、R607、R609、R610、R704…抵抗、VR611…可変抵抗 DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 ... Displacement sensor, 102 ... Sensor main-body part, 103 ... Sleeve, 104 ... Probe, 105 ... Housing, 107 ... Core, 201 ... Detection part, 202 ... Rectangular wave signal source, 203 ... NOT gate, 301 ... First switch , 302 ... second switch, 309 ... operational amplifier, 312 ... operational amplifier, 314 ... EXOR gate, 601 ... detection section, 604 ... operational amplifier, 608 ... operational amplifier, 701 ... detection section, 702 ... current transformer, 703 ... operational amplifier, 801 ... two Core shield wire, C305, C307, C316, C606, C612 ... capacitor, D303 ... first freewheel diode, D304 ... second freewheel diode, L106 ... coil, R306, R308, R310, R311, R313, R315, R602, R603, R605, 607, R609, R610, R704 ... resistance, VR611 ... variable resistance
Claims (9)
前記矩形波交流電圧源に接続されてインダクタンスの変化を検出されるコイルと、
前記コイルに流れる電流を電圧信号に変換する電流電圧変換部と、
前記電圧信号を上限閾値電圧及び前記上限閾値電圧より低い下限閾値電圧を以て二値化して第一矩形波信号を出力する、ヒステリシス特性を有するコンパレータと、
前記コンパレータが出力する第一矩形波信号と前記矩形波交流電圧源に同期する第二矩形波信号との排他的論理和の信号を出力する排他的論理和ゲートと、
前記コイルに直流電流を流して、前記コイルの直流抵抗の変化に基づいて前記矩形波交流電圧源を駆動する電圧を制御する電圧制御回路と
を備える、インダクタンス変化検出回路。 A rectangular wave AC voltage source;
A coil connected to the rectangular wave AC voltage source to detect a change in inductance;
A current-voltage converter for converting a current flowing through the coil into a voltage signal;
A comparator having hysteresis characteristics that binarizes the voltage signal with an upper threshold voltage and a lower threshold voltage lower than the upper threshold voltage and outputs a first rectangular wave signal;
An exclusive OR gate that outputs an exclusive OR signal of the first rectangular wave signal output from the comparator and the second rectangular wave signal synchronized with the rectangular wave AC voltage source ;
An inductance change detection circuit, comprising: a voltage control circuit that controls a voltage that causes a direct current to flow through the coil and drives the rectangular wave AC voltage source based on a change in DC resistance of the coil .
前記矩形波交流電圧源に接続されるコイルと、
前記コイルに流れる電流を電圧信号に変換する電流電圧変換部と、
前記電圧信号を上限閾値電圧及び前記上限閾値電圧より低い下限閾値電圧を以て二値化して第一矩形波信号を出力する、ヒステリシス特性を有するコンパレータと、
前記コンパレータが出力する第一矩形波信号と前記矩形波交流電圧源に同期する第二矩形波信号との排他的論理和の信号を出力する排他的論理和ゲートと、
前記コイルに直流電流を流して、前記コイルの直流抵抗の変化に基づいて前記矩形波交流電圧源を駆動する電圧を制御する電圧制御回路と、
前記コイルの巻線方向に連続的に近接可能に設けられて前記コイルとの相対的変位を検出される非磁性体金属物と
を備える、変位検出装置。 A rectangular wave AC voltage source;
A coil connected to the rectangular wave AC voltage source;
A current-voltage converter for converting a current flowing through the coil into a voltage signal;
A comparator having hysteresis characteristics that binarizes the voltage signal with an upper threshold voltage and a lower threshold voltage lower than the upper threshold voltage and outputs a first rectangular wave signal;
An exclusive OR gate that outputs an exclusive OR signal of the first rectangular wave signal output from the comparator and the second rectangular wave signal synchronized with the rectangular wave AC voltage source ;
A voltage control circuit for controlling a voltage for driving the rectangular wave AC voltage source based on a change in DC resistance of the coil by passing a DC current through the coil;
A displacement detection apparatus comprising: a non-magnetic metal object that is provided so as to be continuously accessible in the winding direction of the coil and detects a relative displacement with the coil.
前記矩形波交流電圧源に接続されると共にコアを有し、前記コアに金属が近接することでインダクタンスが変化するコイルと、
前記コイルに流れる電流を電圧信号に変換する電流電圧変換部と、
前記電圧信号を上限閾値電圧及び前記上限閾値電圧より低い下限閾値電圧を以て二値化して第一矩形波信号を出力する、ヒステリシス特性を有するコンパレータと、
前記コンパレータが出力する第一矩形波信号と前記矩形波交流電圧源に同期する第二矩形波信号との排他的論理和の信号を出力する排他的論理和ゲートと、
前記コイルに直流電流を流して、前記コイルの直流抵抗の変化に基づいて前記矩形波交流電圧源を駆動する電圧を制御する電圧制御回路と
を備える、金属検出装置。 A rectangular wave AC voltage source;
A coil connected to the rectangular wave AC voltage source and having a core, and a coil whose inductance changes due to the proximity of a metal to the core;
A current-voltage converter for converting a current flowing through the coil into a voltage signal;
A comparator having hysteresis characteristics that binarizes the voltage signal with an upper threshold voltage and a lower threshold voltage lower than the upper threshold voltage and outputs a first rectangular wave signal;
An exclusive OR gate that outputs an exclusive OR signal of the first rectangular wave signal output from the comparator and the second rectangular wave signal synchronized with the rectangular wave AC voltage source ;
A metal detection device, comprising: a voltage control circuit that controls a voltage that drives a rectangular wave AC voltage source based on a change in DC resistance of the coil by passing a DC current through the coil .
第一巻線の一方の端子が前記矩形波交流電圧源に接続され、第二巻線の一方の端子が接地されるカレントトランスと、
前記第一巻線の他方の端子と前記第二巻線の他方の端子に接続されてインダクタンスの変化を検出されるコイルと、
前記カレントトランスの第三巻線に接続されて前記コイルに流れる電流を電圧信号に変換する電流電圧変換部と、
前記電圧信号を上限閾値電圧及び前記上限閾値電圧より低い下限閾値電圧を以て二値化して第一矩形波信号を出力する、ヒステリシス特性を有するコンパレータと、
前記コンパレータが出力する第一矩形波信号と前記矩形波交流電圧源に同期する第二矩形波信号との排他的論理和の信号を出力する排他的論理和ゲートと
を備える、インダクタンス変化検出回路。 A rectangular wave AC voltage source;
A current transformer in which one terminal of the first winding is connected to the rectangular wave AC voltage source, and one terminal of the second winding is grounded;
A coil connected to the other terminal of the first winding and the other terminal of the second winding to detect a change in inductance;
A current-voltage converter that is connected to the third winding of the current transformer and converts a current flowing through the coil into a voltage signal;
A comparator having hysteresis characteristics that binarizes the voltage signal with an upper threshold voltage and a lower threshold voltage lower than the upper threshold voltage and outputs a first rectangular wave signal;
An inductance change detection circuit comprising: an exclusive OR gate that outputs an exclusive OR signal of a first rectangular wave signal output from the comparator and a second rectangular wave signal synchronized with the rectangular wave AC voltage source.
前記コイルに直流電流を流して、前記コイルの直流抵抗の変化に基づいて前記矩形波交流電圧源を駆動する電圧を制御する電圧制御回路と
を備える、請求項4記載のインダクタンス変化検出回路。 Furthermore,
5. An inductance change detection circuit according to claim 4 , further comprising: a voltage control circuit that controls a voltage for driving the rectangular wave AC voltage source based on a change in DC resistance of the coil by passing a DC current through the coil.
第一巻線の一方の端子が前記矩形波交流電圧源に接続され、第二巻線の一方の端子が接地されるカレントトランスと、
前記第一巻線の他方の端子と前記第二巻線の他方の端子に接続されてインダクタンスの変化を検出されるコイルと、
前記カレントトランスの第三巻線に接続されて前記コイルに流れる電流を電圧信号に変換する電流電圧変換部と、
前記電圧信号を上限閾値電圧及び前記上限閾値電圧より低い下限閾値電圧を以て二値化して第一矩形波信号を出力する、ヒステリシス特性を有するコンパレータと、
前記コンパレータが出力する第一矩形波信号と前記矩形波交流電圧源に同期する第二矩形波信号との排他的論理和の信号を出力する排他的論理和ゲートと、
前記コイルの巻線方向に連続的に近接可能に設けられて前記コイルとの相対的変位を検出される非磁性体金属物と
を備える、変位検出装置。 A rectangular wave AC voltage source;
A current transformer in which one terminal of the first winding is connected to the rectangular wave AC voltage source, and one terminal of the second winding is grounded;
A coil connected to the other terminal of the first winding and the other terminal of the second winding to detect a change in inductance;
A current-voltage converter that is connected to the third winding of the current transformer and converts a current flowing through the coil into a voltage signal;
A comparator having hysteresis characteristics that binarizes the voltage signal with an upper threshold voltage and a lower threshold voltage lower than the upper threshold voltage and outputs a first rectangular wave signal;
An exclusive OR gate that outputs an exclusive OR signal of the first rectangular wave signal output from the comparator and the second rectangular wave signal synchronized with the rectangular wave AC voltage source;
A displacement detection apparatus comprising: a non-magnetic metal object that is provided so as to be continuously accessible in the winding direction of the coil and detects a relative displacement with the coil.
前記コイルに直流電流を流して、前記コイルの直流抵抗の変化に基づいて前記矩形波交流電圧源を駆動する電圧を制御する電圧制御回路と
を備える、請求項6記載の変位検出装置。 Furthermore,
The displacement detection apparatus according to claim 6 , further comprising: a voltage control circuit configured to control a voltage for driving the rectangular wave AC voltage source based on a change in DC resistance of the coil by passing a DC current through the coil.
第一巻線の一方の端子が前記矩形波交流電圧源に接続され、第二巻線の一方の端子が接地されるカレントトランスと、
前記第一巻線の他方の端子と前記第二巻線の他方の端子に接続されてインダクタンスの変化を検出されるコイルと、
前記カレントトランスの第三巻線に接続されて前記コイルに流れる電流を電圧信号に変換する電流電圧変換部と、
前記電圧信号を上限閾値電圧及び前記上限閾値電圧より低い下限閾値電圧を以て二値化して第一矩形波信号を出力する、ヒステリシス特性を有するコンパレータと、
前記コンパレータが出力する第一矩形波信号と前記矩形波交流電圧源に同期する第二矩形波信号との排他的論理和の信号を出力する排他的論理和ゲートと
を備える、金属検出装置。 A rectangular wave AC voltage source;
A current transformer in which one terminal of the first winding is connected to the rectangular wave AC voltage source, and one terminal of the second winding is grounded;
A coil connected to the other terminal of the first winding and the other terminal of the second winding to detect a change in inductance;
A current-voltage converter that is connected to the third winding of the current transformer and converts a current flowing through the coil into a voltage signal;
A comparator having hysteresis characteristics that binarizes the voltage signal with an upper threshold voltage and a lower threshold voltage lower than the upper threshold voltage and outputs a first rectangular wave signal;
A metal detection device comprising: an exclusive OR gate that outputs an exclusive OR signal of a first rectangular wave signal output from the comparator and a second rectangular wave signal synchronized with the rectangular wave AC voltage source.
前記コイルに直流電流を流して、前記コイルの直流抵抗の変化に基づいて前記矩形波交流電圧源を駆動する電圧を制御する電圧制御回路と
を備える、請求項8記載の金属検出装置。 Furthermore,
The metal detection apparatus according to claim 8 , further comprising: a voltage control circuit configured to control a voltage for driving the rectangular wave AC voltage source based on a change in DC resistance of the coil by causing a direct current to flow through the coil.
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