位移探測裝置以及位移探測方法
2023-09-23 14:41:45
專利名稱：位移探測裝置以及位移探測方法
技術領域：
本發明涉及一種檢測探測對象物的位移的位移探測裝置以及位移探測方法。
背景技術：
作為用於檢測探測對象物的位移的位移檢測傳感器，已知的有作為在對象物中產生的因渦流引起的振蕩強度、振蕩頻率的變化來檢測與對象物的距離的變化的、自激振蕩型位移檢測傳感器和共振型位移檢測傳感器。自激振蕩型位移檢測傳感器，通過電感器得到振蕩，將從振蕩的電感器輸出的磁通貼近對象物，來根據振蕩強度、振蕩周期的變化檢測與對象物的距離變化。因此，當使多個自激振蕩型位移檢測傳感器接近時，由相互接近的其他的自激振蕩型位移檢測傳感器發出的磁通會對振蕩狀態產生影響，而變得無法檢測正確的振蕩強度的變化。為了防止這種現象，要考慮加入磁性屏蔽，而這樣一來成本變高，同時也難以進行完全的屏蔽。
另一方面，共振型位移檢測傳感器，通過晶體振蕩器等外部振蕩器得到應該疊加在驅動電壓上的頻率，來驅動共振電路。此時，雖然由各個電感器輸出磁通，但是因為外部振蕩器振蕩的振蕩頻率相同，所以可減輕鄰接影響。在相關的公知文獻中，有特開2003-298403號公報、特開平9-101106號公報。
發明內容
但是，在共振型位移檢測傳感器中，存在這樣的問題由於在各個傳感器中構成共振電路的電感器以及電容器的容量變化，共振頻率發生變化。即，因為在電感器中存在由繞線的形狀變化和溫度變化引起的電感變化，在電容器中存在時效變化和溫度變化，所以電感以及電容器的容量的積變化，故此共振頻率變化。結果，由於共振頻率的變化，而振幅的強度(輸出電壓)降低，故此可能無法正確地檢測對象物的位移。
本發明，是為解決上述課題而形成的，其目的在於在共振型位移探測裝置中，降低或者排除共振電路的特性變化的影響，來提高位移探測精度。
為了解決上述課題，作為檢測探測對象物的位移探測系統，其特徵在於具備共振電路，其具有與探測對象物相向的檢測用線圈，並與共振頻率相對應來輸出共振電壓；可變頻率振蕩電路，其可以在第1頻率與第2頻率之間反覆變更振蕩頻率；驅動電路，其將可變頻率振蕩電路振蕩的頻率疊加在驅動電壓上施加給共振電路；和位移檢測器，其使用由共振電路輸出的共振電壓來檢測探測對象物的位移。據此，尤其可以降低或者排除共振電路的特性變化的影響，來提高位移探測精度。
圖1是表示具備多個位移探測裝置的位移探測系統的一個構成例的說明圖；圖2是例示構成位移探測裝置的線圈與位移探測對象物的位置關係的說明圖；圖3是表示通過位移探測裝置檢測位移探測對象物的位移的探測方法的說明圖；圖4是表示由可變振蕩器連續輸出的頻率的變化情況的說明圖；圖5是表示由可變振蕩器離散輸出的頻率的變化情況的說明圖；圖6是表示由位移探測裝置得到的共振電壓的一個例子的說明圖；圖7是表示由某個位移探測裝置得到的共振電壓的一個例子的說明圖；圖8是概略表示作為紙張厚度的檢測機構臨近設置地具備多個位移探測裝置的適用位移探測系統的適用例的說明圖上；圖9是概略表示圖8所示的適用例中的間隙G探測機構的說明圖；圖10是概略表示涉及其他實施方式的位移探測系統(位移探測裝置)的結構例子的說明圖。
具體實施例方式
下面，一邊參照附圖，一邊根據實施例對位移探測裝置以及位移探測方法進行說明。
參照圖1～圖3對涉及本發明的具備多個位移探測裝置的位移探測系統的概略構成進行說明。圖1是概略表示涉及本實施方式的具備多個位移探測裝置的位移探測系統的一個構成例的說明圖。圖2是表示涉及本實施方式的構成位移探測裝置的線圈與位移探測對象物的位置關係的說明圖。圖3是表示涉及本實施方式的基於位移探測裝置的位移探測對象物的位移的檢測方法的說明圖。
圖1所示的位移探測系統10，具備3個位移探測裝置20a、20b和20c。此外，位移探測系統10，也可具備2個或者4個或4以上的位移探測裝置20。在各個位移探測裝置20a、20b和20c，連接有通用的可變振蕩器30。可變振蕩器30，例如，為在從第1頻率到第2頻率的規定範圍內反覆可以變更振蕩頻率(驅動頻率)的頻率可變型振蕩器，例如，可以使用電壓控制振蕩器(VCO)、數字式計數器IC。可變振蕩器30的振蕩頻率，例如為數M赫茲，該重複周期為數百μs。最好預先估計位移探測裝置20(後面說到的共振電路21)所能取的共振頻率範圍，然後確定第1頻率以及第2頻率以使其包含所估計的頻率範圍。
各個位移探測裝置20a、20b和20c，具備共振電路21；驅動電路22，其對共振電路21施加驅動電壓；檢波部23，其探測由共振電路21輸出的振幅(共振電壓)的峰值；和檢測部24，其根據由檢波部23輸出的共振電壓的峰值的位移檢測位移探測對象物的位移。此外，檢波部23和檢測部24形成位移檢測器。
控制位移探測系統10的控制電路40與可變振蕩器30、以及各個位移探測裝置20a、20b和20c的驅動電路22、檢測部24連接。控制電路40具備CPU、存儲器和輸入輸出部。控制電路40，執行可變振蕩器30的振蕩頻率的指示的處理；根據基於由檢測部24檢測的共振電路21的輸出電壓的位移探測對象物T的位移的探測的報告的處理；和探測出位移的位移探測對象物的處理。
共振電路21，被構成為具備線圈211和電容器212的並聯LC電路。線圈211作為位移探測部來工作，如圖2所示，間隔規定的間隙G與位移探測對象物T相向地設置。涉及本發明的位移探測裝置20a、20b和20c通過間隙G的位移，檢測位移探測對象物T的位移，例如，厚度的變化。
檢波部23，具備二極體231、保持電容器232和放電電阻233。保持電容器232和放電電阻233並聯連接，兩者231、233的一端與共振電路21以及檢測部24連接，另一端接地。放電電阻233，例如，其電阻值被決定為，使其在頻率變更的重複周期的1個周期內消耗由保持電容232所保持的功率。檢波部23，除此而外，也可以使用採樣/保持電路和A/D轉換電路實現。通過檢波部23，由保持電容器232保持從共振電路21輸出的電壓值(振幅)中、最高的電壓值(峰值)。由保持電容器232保持的功率在頻率變更的重複周期的1個周期內，經由放電電阻233消耗。通過該重複，在每個頻率周期(每個掃描)檢測輸出電壓的峰值。
檢測部24，根據由檢波部23檢測的電壓值的變動，檢測探測對象物的位移。關於具體的方法參照圖3進行說明。圖3圖示出了共振電路21以驅動頻率f0為共振頻率的情況下的、對於驅動頻率的輸出電壓(振幅)的變化。當對共振電路21施加疊加了共振頻率f0的驅動電壓時，在作為位移探測部工作的線圈211和位移探測對象物T的間隙G大的情況下，得到間隙G大的共振電壓(輸出電壓的峰值)Vgl。另一方面，當位移探測對象物T的厚度增大，而線圈211與位移探測對象物T的間隙G減小時，由於在位移探測對象物T產生的渦流，與共振電路21的Q值相當的參數發生變化，共振頻率變高，而共振電壓下降。結果，在同一驅動頻率f0下，得到間隙G小的共振電壓Vgs。
因此，通過檢測在驅動頻率f0的、共振電壓Vgl與共振電壓Vgs的差(間隙變化)，可以檢測位移探測對象物T的位移。當檢測位移探測對象物T的位移時，將位移檢測信號從檢測部24發送給控制電路40，控制電路40，例如，將其作為歷史存儲在非易失性存儲器中，或者對位移探測對象物T的輸送機構發送指示，使其將探測出位移的位移探測對象物T與其他的位移探測對象物T不同地進行保管。
參照圖4～圖7對涉及本實施方式的位移探測裝置20a、20b和20c的作用進行說明。圖4是表示由涉及本實施方式的可變振蕩器連續輸出的頻率的變化的情況的說明圖。圖5是表示由涉及本實施方式的可變振蕩器離散輸出的頻率的變化的情況的說明圖。圖6是表示由涉及本實施方式的位移探測裝置得到的共振電壓的一個例子的說明圖。圖7是表示由某個位移探測裝置得到的共振電壓的一個例子的說明圖。
本實施例的可變振蕩器30，根據控制電路40的指示，可以如圖4所示對於時間軸連續地重複變化振蕩頻率，或者也可以如圖5所示對於時間軸離散地(階梯狀地)重複變化振蕩頻率。在圖4和圖5中，橫軸表示經過時間，縱軸表示振蕩頻率。而且，在圖4中同時還記述了使振蕩頻率連續變化時的波形概念。
如上所述，在共振型位移檢測傳感器中，根據在各個傳感器中構成共振電路的電感器以及電容器的容量的變化，共振頻率可以變化為多個驅動頻率，例如變化為fr1、fr2。結果，如圖6所示，對於驅動頻率的共振電路21所表示的輸出電壓的特性，在驅動頻率為共振頻率fr1時，表示LG1(間隙G大)、SG1(間隙G小)，在驅動頻率為共振頻率fr2時，表示LG2(間隙G大)、SG2(間隙G小)。因此，例如在驅動頻率被固定在規定的頻率fr的情況下，在驅動頻率變化成為共振頻率fr1或者fr2時，則無法檢測共振電壓(輸出電壓的峰值)。
即，如圖7所示，在某個共振型位移探測裝置中，因為共振頻率與驅動頻率不一致，所以間隙G大的輸出電壓Vgl成為比共振電壓Vgl peak還低的值。結果，間隙G大的輸出電壓Vgl與間隙G小的輸出電壓Vgs的電壓差變小，而無法高精度地探測間隙的變化。
但是，在涉及本實施方式的位移探測系統10中，預先估計共振電路21所能取的共振頻率範圍，決定驅動頻率的變動範圍f1～f2使其包括已估計的共振頻率範圍，控制電路40，通過可變振蕩器30，使驅動頻率在第1頻率f1～第2頻率f2之間重複變化。因此，如圖6所示，檢測部24，在共振電路21的共振頻率為fr1的情況下，在驅動頻率變化為fr1時，作為峰值可以得到間隙G大時的共振電壓Vgl1。另外，檢測部24，在共振電路21的共振頻率為fr2的情況下，在驅動頻率變化為fr2時，作為峰值可以得到間隙G大的共振電壓Vgl2。
另一方面，當位移探測對象物T接近(位移)線圈211時，檢測部24，將間隙G小的共振電壓Vgs1或者Vgs2作為峰值進行檢測。檢測部24，求取在間隙G大時得到的輸出電壓的峰值(共振電壓值)和在間隙G小時得到的輸出電壓的峰值的差，在差為規定值以上時，檢測出在位移探測對象物T中已經存在厚度變化、通過位置變化等的位移。
在本實施例中，因為使驅動頻率在第1頻率到第2頻率之間周期地變化，所以作為從共振電路21輸出的間隙G大時的輸出電壓可以得到峰值大的共振電壓。即，在共振頻率fr1、fr2下，可以得到間隙G大的共振電壓Vgl1以及Vgl2，這些間隙G大的共振電壓Vgl1以及Vgl2與間隙G小的共振電壓Vgs1以及Vgs2的電壓差變得明顯，所以可以高精度地嚴格區別間隙變化。即，可以正確地檢測位移探測對象物T的位移。而且，涉及本實施例的位移探測裝置20中的、驅動頻率的重複周期(掃頻周期)為數百μs，所以在通過位移探測對象物T時可以充分地檢測位移探測對象物T的位移。
關於涉及本實施例的位移探測系統10的應用例子，參照圖8以及圖9進行說明。圖8是概略表示作為紙張厚度的檢測機構臨近設置地具備多個位移探測裝置的適用位移探測系統的適用例的說明圖。圖9是概略表示圖8所示的適用例中的間隙G探測機構的說明圖。
在圖8的例子中，使用了具備3個位移探測裝置20的位移探測系統10，而且為了便於說明只圖示出了各個位移探測裝置20的線圈211。參照圖9進行詳細地說明，紙張厚度的檢測結構100，具備多個搖臂101、軸102、作為位移探測對象物T的被探測片103和旋轉輥104。各個搖臂101的一端由軸102可自由搖動地支持。在各個搖臂101的另一端自由旋轉地配備有被設置為與紙張110的正面和反面旋轉接觸的、用於引導紙張110的旋轉輥104。在被檢測片103的上方設置規定的間隙來設置位移探測裝置20的線圈211。
當紙張110通過旋轉輥104時，搖臂101根據紙張110的厚度如圖9中的箭頭所示以軸102為軸進行擺動。由於搖臂101擺動，被探測片103和線圈211之間的間隙發生位移，探測紙張110的厚度。例如如圖8所示，在紙張110上附著附著物111，例如附著紙帶的情況下，當紙張110的附著物111附著部分通過旋轉輥104時，搖臂101僅大致向上方位移附著物111厚度。結果，被檢測片103和線圈211之間的間隙發生位移，探測出在紙張110上附著有附著物111。
如上述說明過的那樣，根據本實施例，使驅動頻率在第1頻率～第2頻率之間重複變動以使包含構成位移探測系統10的各個位移探測裝置20所能取的共振頻率，，所以即使在位移探測裝置的電感器以及電容器的容量發生變化時，也可以探測間隙G大時的共振電壓。
因此，例如，可以正確地探測由於在紙張110上附著的附著物111的厚度而縮小的間隙G所導致下降的共振電壓的變化。即，因為可以將間隙G大時的共振電壓與間隙G小時的共振電壓的電壓差做成足夠大，所以可以高精度地探測由於在紙張110上附著的附著物111的厚度而引起的共振電壓的下降。結果，可以提高附著著附著物111的紙張110的探測精度。而且，在涉及本實施例的位移探測系統10中的驅動頻率的重複周期(掃頻周期)，為數百μs，所以在通過紙張100時可以充分探測在紙張110上附著的附著物111。
而且，因為涉及本實施方式的位移探測系統10，具備共振型位移探測裝置20a、20b和20c，所以可以將多個位移探測裝置20靠近設置。
·其他實施方式(1)在上述實施例中，是通過可變振蕩器30使驅動頻率在第1頻率～第2頻率之間重複變化，但也可以只按規定的定時使驅動頻率從第1頻率向第2頻率變化。例如，可以通過具備圖10所示的結構來實現。圖10是概略地表示涉及其他實施例的位移探測系統(位移探測裝置)的構成例子的說明圖。該位移探測裝置，在與可變振蕩器30以及檢測裝置24連接的控制電路40中具備作為存儲器的存儲部41，並將探測到的共振電路21的共振頻率存儲在存儲部41中。控制電路40，通過將存儲的共振頻率作為驅動頻率使用來探測位移探測對象物T的位移。
即，控制電路40，是以納入了位移探測系統10中的裝置，例如在現金處理裝置沒有進行現金的支付、存入的定時，或者以規定的時間間隔，通過可變振蕩器30，使驅動頻率從第1頻率向第2頻率變化，由檢測器24來檢測共振電路21的輸出電壓表示峰值(共振電壓)的頻率，即檢測共振頻率，並將其存儲在存儲部41中。之後，控制電路40，在下次共振頻率的探測定時到來之前，將存儲在存儲部41中的共振頻率作為驅動頻率使用，將疊加了該驅動頻率的驅動電壓施加給位移探測裝置20的共振電路21，來探測位移探測對象物T的位移。
根據該位移探測裝置，在探測位移探測對象物T的位移時，因為總可以將此前不久探測到的共振頻率作為驅動頻率使用，所以可以加大間隙G大時的共振電壓與間隙G小時的共振電壓的電壓差，故可以提高位移探測對象物T的位移的探測精度。
(2)在上述實施例中，使用具備3個位移探測裝置20的位移探測系統10進行了說明，但是即使對於具備1個、2個或者4個以上的位移探測裝置20的位移探測系統10，也可以得到同樣的效果。
以上，根據實施例對位移探測系統10、位移探測裝置20以及位移探測方法進行了說明，但上述的實施方式，是為了使本發明容易理解，並非是限定本發明的。當然，本發明，在不脫離其主旨以及權利要求範圍的情況下，可以進行變更、改良，同時，在本發明中包括與其等價的內容。
權利要求
1.一種位移探測系統，其具有探測探測對象物、靠近配置的多個位移探測裝置，其特徵在於，上述多個位移探測裝置的各自，具備共振電路，其具有與上述探測對象物相向的檢測用線圈，並根據共振頻率輸出共振電壓；可變頻率振蕩電路，其可以在第1頻率與第2頻率之間可重複地變更振蕩頻率；驅動電路，其將上述可變頻率振蕩電路振蕩的頻率疊加在驅動電壓上施加給上述共振電路；和位移檢測器，其使用由上述共振電路輸出的共振電壓檢測上述探測對象物的位移。
2.根據權利要求1所述的位移探測系統，其特徵在於，上述第1頻率和上述第2頻率，至少包括上述振蕩電路所能取的共振頻率的範圍；上述可變頻率振蕩電路，在上述第1頻率和上述第2頻率之間連續地變化頻率。
3.根據權利要求1所述的位移探測系統，其特徵在於，上述第1頻率和上述第2頻率，至少包括上述振蕩電路所能取的共振頻率的範圍；上述可變頻率振蕩電路，在上述第1頻率和上述第2頻率之間離散地變化頻率。
4.根據權利要求1所述的位移探測系統，其特徵在於，上述位移檢測器，檢測在上述探測對象物和上述檢測用線圈的間隙大時的由上述共振電路輸出的第1共振電壓、和在上述探測對象物和上述檢測用線圈的間隙小時的由上述共振電路輸出的第2共振電壓。
5.根據權利要求4所述的位移探測系統，其特徵在於，上述位移檢測器，在檢測出的上述第1共振電壓和上述第2共振電壓的差為規定值以上時，檢測出上述探測對象物發生了位移。
6.根據權利要求1所述的位移探測系統，其特徵在於，上述位移檢測器，具有檢波部，其與上述共振電路連接而另一端接地；和檢測部，其根據由上述檢波部所檢測的輸出電壓值的變動來檢測上述探測對象物的位移。
7.根據權利要求6所述的位移探測系統，其特徵在於，上述檢波部，具有保持電容器和與上述保持電容器並聯連接的放電電阻；上述保持電容器，保持由上述共振電路所輸出的電壓值中、電壓值最高的峰值。
8.根據權利要求7所述的位移探測系統，其特徵在於，上述放電電阻，在變更頻率的一個周期內消耗在上述保持電容器中保持的電功率。
9.根據權利要求1所述的位移探測系統，其特徵在於，具備存儲由上述共振電路探測的共振頻率的存儲部；上述位移檢測器，對上述可變頻率振蕩電路要求上述存儲的共振頻率的頻率振蕩，疊加振蕩的上述共振頻率後將驅動電壓施加給上述共振電路，使用由上述共振電路輸出的上述共振電壓來檢測上述探測對象物的位移。
10.根據權利要求1所述的位移探測系統，其特徵在於，具有引導紙張的旋轉輥和支撐上述旋轉輥的搖臂，將上述檢測用線圈與通過上述旋轉輥擺動的上述搖臂相向地配置。
11.一種探測探測對象物的位移的位移探測方法，其特徵在於，在第1頻率與第2頻率之間重複變更振蕩頻率；將上述變更的振蕩頻率疊加在驅動電壓上，將其施加給包含與探測對象物相向的檢測用線圈的共振電路；使用由上述共振電路對應共振頻率所輸出的共振電壓來檢測上述探測對象物的位移。
12.根據權利要求11所述的位移探測方法，其特徵在於，將由上述共振電路探測的共振頻率存儲在存儲裝置中；用已存儲的上述共振頻率疊加在上述驅動電壓上，將其施加給包含上述檢測用線圈的上述共振電路。
全文摘要
本發明的目的在於，在共振型位移探測裝置中，降低或者排除共振電路的特性變化的影響，來提高位移探測精度。在位移探測系統(10)中，預先估計共振電路(21)所能取的共振頻率範圍，決定驅動頻率的變動範圍f1～f2使其包括已估計的共振頻率範圍，由可變振蕩器(30)在第1頻率f1～第2頻率f2之間重複變化驅動頻率。因此，在共振電路21的共振頻率為fr1的情況下，在驅動頻率變化為fr1時，可以得到間隙G大時的共振電壓Vg11。另外，在共振電路21的共振頻率為fr2的情況下，在驅動頻率變化為fr2時，可以得到間隙G大的共振電壓Vg12。
文檔編號G01D5/20GK1699912SQ20051007092
公開日2005年11月23日 申請日期2005年5月17日 優先權日2004年5月20日
發明者加納光成, 森章, 林逸樹, 中林宗治 申請人:日立歐姆龍金融系統有限公司