JP2004510997A

JP2004510997A - センサ装置

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Publication number: JP2004510997A
Application number: JP2002534772A
Authority: JP
Inventors: ハルベス、フランツ; ラインドゥル、ノルベルト
Original assignee: Micro Epsilon Messtechnik GmbH and Co KG
Current assignee: Micro Epsilon Messtechnik GmbH and Co KG
Priority date: 2000-10-09
Filing date: 2001-08-08
Publication date: 2004-04-08
Anticipated expiration: 2021-08-08
Also published as: US20030169036A1; WO2002031433A1; EP1342048A1; US6822442B2; JP4059766B2; DE10050193A1; WO2002031433A8

Abstract

好ましくは渦電流原理により動作する測定コイル（２）からなるとともに目標物（６）からの距離を検出する第１のセンサ（１）と、第２のセンサ（３）とを有しており、これらの２個のセンサ（１，３）がハウジング（４）内に配置されるセンサ装置は、前記ハウジング（４）の測定側において、前記第２のセンサ（３）の有効構成要素である層（７）が形成されるような態様で、前記センサ同士の相互作用の減少に関して改良され、かつさらに開発される。第２のセンサは、好ましくは容量性センサであり、前記層（７）は、この容量性センサの有効測定面である。
【選択図】図１

Description

本発明は、特に渦電流原理により動作する測定コイルからなることが好ましい第１のセンサと、第２のセンサとを有しており、前記２個のセンサがハウジング内に配置されるセンサ装置に関する。
【０００１】
【従来技術】
この種のセンサ装置は、旧来から実施されることにより周知であった。例えば、独国特許第４３２７７１２Ｃ２号に、金属性目標物の表面層の特性を検出するセンサ装置が開示されている。このセンサ装置は、渦電流センサと変位センサとを組み合わせたものからなる。渦電流センサと変位センサとは、変位センサが渦電流センサの測定コイルの内側において該コイルの軸に対して平行に配置される状態で１本の軸に沿って配置される。
【０００２】
独国特許第４３２７７１２Ｃ２号に記載のセンサ装置は、特に、これらのセンサが入れ子状に配置されることがセンサ同士の相互作用を引き起こすという問題を有する。この相互作用によって、例えば、測定時の温度変化による必然的な誤りとは対照的に全く補償困難な測定誤りが生じることがある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、本発明の目的は、冒頭に記載された種類のセンサ装置において、センサ同士の相互作用を低減するセンサ装置を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、前記目的は、請求項１に記載の特徴を有するセンサ装置によって達成される。これにより、問題のセンサ装置は、ハウジングの測定側において第２のセンサの有効構成要素である層が形成されるような態様で改良され、かつさらに開発される。
【０００５】
本発明にしたがった方法において、センサの相互作用を補償することは、極めて複雑であり、したがって適切な方策をこうじて、こうした相互作用の結果として引き起こされる誤りをできる限り小さくすることが必要であることがわかった。本発明によれば、ハウジングの測定側に形成される層を第２のセンサの有効構成要素とすることにより、このような誤りを減少させることができる。このため、測定にわずかな悪影響も与えることなしに、異なるセンサだけでなく、異なる種類のセンサをも単純な態様で組み合わせること、およびさらには互いに嵌合させることができる。
【０００６】
特に機能的な構成という点では、前記有効構成要素は、少なくとも１個の有効測定面からなり得る。センサまたは異なる種類のセンサが特に複雑な入れ子状に配置されるという範囲内において、前記有効構成要素は、さらにまた、複数個の測定面からなり得る。これは、特に、センサ装置が、第１および第２のセンサに加えてさらにまた他のセンサを含む場合に有利である。その場合には、個別のセンサの測定面を互いに別々に調整することができる。
【０００７】
前記層は、半導電性から導電性の材料から製作され得るため、前記層の製作に用いられ得る材料の選択範囲が特に大きくなる。この場合は、材料を選択する際に、ある特定の電気的特性を有する材料に限定する必要なしに、前記層の材料を特定の用途に特にうまく適合させることができる。
【０００８】
特に有利な態様において、前記層の電気抵抗を知ることができる。例えば、前記層は、例えば、１００オーム以上の低オーム電気抵抗を有し得る。この相対的に低オーム電気抵抗の層の場合は、該層における渦電流効果は、例えば、渦電流センサであるセンサの測定コイルが前記層にほとんど影響されない程度、すなわち前記層をいわば「看破する」程度にすでに減じられる。
【０００９】
しかしながら、前記層は、高オーム電気抵抗を有してもよい。高オーム電気抵抗を有する層の場合は、渦電流による影響は、全く検出されえない。
【００１０】
第２のセンサまたはさらに追加のセンサの有効構成要素として特に申し分のない適性を有する層という点では、前記層は、大部分が黒鉛含有材料により製作され得る。この黒鉛含有材料は、押圧され、かつ乾燥または焼成され得る抵抗性ペーストであってもよい。
【００１１】
これに代わる方法として、前記層は、非常に優れた導電性を示してもよい。この場合は、前記層は、優れた導電性にもかかわらず前記層内において渦電流を誘導しえないように製作され得る。これは、例えば、前記層において、渦電流の流れる方向に対して直交する方向、すなわちセンサの測定コイルの軸に対して半径方向にスロットを設けることにより達成され得る。これにより、渦電流が層内に広がることを効果的に防ぐことができる。
【００１２】
しかしながら、高導電性の層は、層内において渦電流が誘導され得るように製作されてもよい。特に有利な態様において、これにより層内において流れる渦電流の強さを知ることができる。このため、明確になった渦電流の強さをさらなる測定においても考慮することができる。この場合は、電場は、浸透の深さ――表皮効果――または遮蔽効果の公式にしたがって弱められる。このため、センサ信号のさらなる処理において、測定時における渦電流を考慮し、かつ補償すればよい。
【００１３】
これに関しては、金属面における高周波渦電流の浸透の深さとこれらの渦電流の周波数ｆ、導電率ρおよび透磁率μ_ｒとの間に下記の関係が存在する：
浸透の深さ
【数１】

【００１４】
この場合は、弱められた電場を用いて位置ｘにおいて導電性目標物を検出することもできる。下式の電流
Ｉ（ｘ）＝ｌ_０ｅ^−ａｘ
の代わりに、
Ｉ（ｘ）＝ｌ_１ｅ^−ｂｘ
が位置ｘにおいて該当し、ここで、ａおよびｂは、２つのそれぞれの浸透の深さを表す。ただし、この場合は、前記層の厚さが渦電流の仮想浸透深さより実質的に小さいことが、目標物検出の先行条件となる。
【００１５】
第１のセンサおよび／または第２のセンサによって、目標物を検出することができる。このように、前記検出は、センサ装置がいかなる材料の層によって覆われている場合でも可能である。
【００１６】
特に有利な態様において、目標物からの距離を第１のセンサおよび／または第２のセンサによって検出することもできる。例えば、目標物からの距離を測定することにより、測定時における距離の変化によって引き起こされる誤りを最大限に補償することが可能になる。
【００１７】
第１および／または第２のセンサによって、ハウジングと目標物との間に配置される誘電体を検出することもできる。この態様において、前記両者間の隙間にある可変媒体を測定することも可能である。
【００１８】
センサ装置の特に可変的な構成に関しては、第１のセンサの測定コイルを前記層または有効測定面の前または後だけではなしに、まわりに配置することも可能である。
【００１９】
特に有利な態様において、第１のセンサを渦電流センサまたは誘導センサとして実現することが可能である。これに代わる方法として、第１のセンサは、超音波センサとしても実現され得る。
【００２０】
特に有利な態様において、第２のセンサは、容量性センサであってもよい。これは、目標物からの距離が第１のセンサによって検出される場合に、その場合は容量性センサを用いてハウジングと目標物との間に配置される周知の誘電体の体積または層厚さを検出することができるため、特に有利である。
【００２１】
特に機能的な構成の範囲内において、少なくとも１個のまた他の層がハウジングの測定側に形成され得る。この場合は、これらの層は、互いに重なり合って配置され得る。特に有利な態様において、これにより複数の種類のセンサをセンサ同士の相互作用を伴わずに組み合わせることができる。特に、有効構成要素を形成する層または複数の層が複数個の有効測定面に分割される場合には、これらのセンサを例えば互いに独立して全面的に機能させることもでき、または、例えば目標物を介して複数個の面間における容量結合を検出することが可能になる。
【００２２】
センサ装置の特に頑丈な構造に関しては、前記層を保護被膜により覆うことができる。この保護被膜は、センサ装置の測定に影響を与えないように実現され得る。これは、センサ装置および／または目標物が移動する場合、およびセンサ装置が目標物との接触に適していなければならない場合に特に有利である。
【００２３】
特に機能的かつ可変的な構成という点では、２個のセンサは、互いに独立して動作するようにされ得る。しかしながら、２個のセンサの少なくとも１個を複数個のその他の追加のセンサから独立して動作可能にすることもできる。
【００２４】
本発明の教示を有利な態様で改良し、かつさらに開発する多様な可能性がある。この目的のために、一方では請求項１に従属する請求項を、他方では以下に図面を参照して行なわれる本発明にしたがったセンサ装置の好適な実施例の説明を参照することができる。図面を参照して行なわれるセンサ装置の好適な実施例の説明と併せて、本発明の一般に好ましい改良およびさらなる開発についても説明する。
【００２５】
【実施例】
図１に、渦電流原理により動作する測定コイル２を有する第１のセンサ１と、第２のセンサ３とからなるセンサ装置が示されている。第１のセンサ１と第２のセンサ２とは、ハウジング４内に配置されており、このハウジング４は、目標物６から距離５の位置にある。
【００２６】
本発明にしたがった方法において、第２のセンサ３の有効構成要素をなす層７は、ハウジング４の測定側に形成される。この場合は、センサ３の有効構成要素は、有効測定面である。層７は、約１００オームに達する低オーム電気抵抗を有する。したがって、層７内における渦電流効果は、センサが層７によりほとんど影響されないような程度、すなわち前記層をいわば「看破する」ような程度に減少せしめられる。
【００２７】
本実施例において、第１のセンサ１は、その測定コイル２が層７の背後に配置された渦電流センサとして構成される。第２のセンサ３は、容量性センサとして構成されて、層７がこの容量性の第２のセンサの有効測定面を形成する。
【００２８】
図２に、本発明にしたがったセンサ装置のまた他の実施例が示されている。このセンサ装置は、同様に、渦電流原理により動作する測定コイル２を有する第１のセンサ１と、第２のセンサ３とからなる。第１のセンサ１と第２のセンサ３とは、ハウジング４内に配置されており、このハウジング４は、目標物６から距離５の位置にある。
【００２９】
ハウジング４の測定側において、第２のセンサ３の有効構成要素である層７が配置される。同様に、この実施例において、前記有効構成要素は、測定コイル２により取り囲まれる有効測定面からなる。
【００３０】
第１のセンサ１は、この場合も渦電流センサとして構成され、第２のセンサ３は容量性センサとして構成される。第２のセンサ３によって、ハウジング４と目標物６との間に配置される誘電体８を検出することができる。
【００３１】
本実施例においては、層７は優れた導電性を有するため、渦電流が層７内において誘導される。しかしながら、これらの渦電流は、また他の測定において所定のものと考えられ得る。電場は、下記の浸透の深さの公式にしたがって弱められる。
【００３２】
浸透の深さ
【数２】

【００３３】
この弱まりは、図３において位置ａで示されている。層内において渦電流が誘導される結果として、所定の位置ｘにおいて、電流分布ｌ_０ｅ^−ａｘはもはや該当しない。その代わりに、弱められた電流ｌ_１ｅ^−ｂｘが該当する。
【００３４】
さらなる詳細に関しては、繰り返しを避けるために、一般的な説明を参照により本明細書に取り入れる。
【００３５】
最後に、前記の実施例は、特許請求の範囲に記載の教示のみを説明する役割を果たすが、これを前記実施例に制限するものではないことを明白に述べておくこととする。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明にしたがったセンサ装置の実施例の略図である。
【図２】
センサ装置と目標物との間に配置される誘電体を有する、本発明にしたがったセンサ装置のまた他の実施例の略図である。
【図３】
目標物における理想的電流分布の図である。

Claims

特に渦電流原理により動作する測定コイル（２）からなることが好ましい第１のセンサ（１）と、第２のセンサ（３）とを有しており、前記２個のセンサ（１、３）がハウジング（４）内に配置されるセンサ装置において、前記ハウジング（４）の測定側において、前記第２のセンサ（３）の有効構成要素である層（７）が形成されることを特徴とするセンサ装置。
前記有効構成要素は、少なくとも１個の有効測定面を有することを特徴とする請求項１に記載のセンサ装置。
前記有効構成要素は、複数個の測定面からなることを特徴とする請求項１または２に記載のセンサ装置。
前記層（７）は、半導電性から導電性であることを特徴とする請求項１〜３の１項に記載のセンサ装置。
前記層（７）の電気抵抗は、既知であることを特徴とする請求項１〜４の１項に記載のセンサ装置。
前記層（７）は、低オーム電気抵抗を有することを特徴とする請求項１〜５の１項に記載のセンサ装置。
前記層（７）の電気抵抗は、約１００オームであることを特徴とする請求項６に記載のセンサ装置。
前記層（７）は、高オーム電気抵抗を有することを特徴とする請求項１〜５の１項に記載のセンサ装置。
前記層（７）は、大部分が黒鉛含有材料により製作されることを特徴とする請求項８に記載のセンサ装置。
前記層（７）は、大部分が抵抗性ペーストにより製作されることを特徴とする請求項９に記載のセンサ装置。
前記抵抗性ペーストは、押圧され、かつ乾燥または焼成されることを特徴とする請求項１０に記載のセンサ装置。
前記層（７）は、優れた導電性を有することを特徴とする請求項１〜５の１項に記載のセンサ装置。
前記層（７）の厚さは、実質的に前記渦電流の仮想浸透深さより小さいことを特徴とする請求項１２に記載のセンサ装置。
前記層（７）は、スロットを含むことを特徴とする請求項１２または１３に記載のセンサ装置。
前記スロットは、前記渦電流の流れる方向に対して直交的に、前記第１のセンサ（１）の前記測定コイル（２）の軸に対して半径方向に配置されることを特徴とする請求項１４に記載のセンサ装置。
前記層（７）内において流れる前記渦電流の強さは、既知であることを特徴とする請求項１〜１５の１項に記載のセンサ装置。
目標物（６）は、前記第１のセンサ（１）および／または前記第２のセンサ（３）によって検出可能であることを特徴とする請求項１〜１６の１項に記載のセンサ装置。
目標物（６）からの距離は、前記第１のセンサ（１）および／または前記第２のセンサ（３）によって検出可能であることを特徴とする請求項１〜１７の１項に記載のセンサ装置。
前記ハウジング（４）と前記目標物（６）との間に配置される誘電体（８）は、前記第２のセンサ（３）によって検出可能であることを特徴とする請求項１〜１８の１項に記載のセンサ装置。
前記測定コイル（２）は、前記層（７）の前に配置されることを特徴とする請求項１〜１９の１項に記載のセンサ装置。
前記測定コイル（２）は、前記層（７）の後に配置されることを特徴とする請求項１〜２０の１項に記載のセンサ装置。
前記測定コイル（２）は、前記層（７）の横に配置されることを特徴とする請求項１〜２１の１項に記載のセンサ装置。
前記測定コイル（２）は、前記層（７）のまわりに配置されることを特徴とする請求項１〜２２の１項に記載のセンサ装置。
前記第１のセンサ（１）は、渦電流センサまたは誘導センサであることを特徴とする請求項１〜２３の１項に記載のセンサ装置。
前記第１のセンサ（１）は、超音波センサであることを特徴とする請求項１〜２３の１項に記載のセンサ装置。
前記第２のセンサ（３）は、容量性センサであることを特徴とする請求項１〜２５の１項に記載のセンサ装置。
少なくとも１個のまた他の層が前記ハウジング（４）の前記測定側に形成されることを特徴とする請求項１〜２６の１項に記載のセンサ装置。
前記層は、互いに重なり合って配置されることを特徴とする請求項２７に記載のセンサ装置。
前記層（７）は、保護被膜により覆われることを特徴とする請求項１〜２８の１項に記載のセンサ装置。
前記２個のセンサ（１、３）と、必要な場合には、さらに他のセンサとが、互いに独立して動作せしめられ得ることを特徴とする請求項１〜２９の１項に記載のセンサ装置。