專利名稱：位移傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及位移傳感器。
背景技術：
為了控制用于顯微機械加工和基因操作中的操作器等微調(diào)節(jié)器的動作，要求小型輕量、以微米到納米的分辨率對運動對象物體的位移量進行檢測和測量。以前、關于以微米到納米的分辨率來檢測和測量位移量，已提出了各種各樣的方案，并已實用化。代表性的方法有向?qū)ο笪矬w照射激光，檢測隨著對象物體的位移所產(chǎn)生的相位差的方法，或者利用與參考光之間的干涉現(xiàn)象的方法等激光測量方法。
通過利用激光測量技術等，可以進行納米級位移量的測量。但是，與大小從幾厘米到十幾厘米級的微調(diào)節(jié)器相比，激光測量中用于檢測光源、相位差或干涉的測量部等就顯得太大。此外，為了提高分辨率，還要使用復雜的光學系統(tǒng)或高頻的測量頻率等，導致裝置價格昂貴。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是解決上述現(xiàn)有技術的問題，提供一種位移傳感器，該位移傳感器結(jié)構(gòu)簡單，以微米到納米的分辨率對運動對象物體的位移量進行檢測和測量并適合于小型輕量化。
為達到上述目的，涉及本發(fā)明的位移傳感器的特征在于，具有勵磁線圈和檢測線圈，它們按規(guī)定位置關系配置；放大器，其輸入端連接到檢測線圈的輸出端；移相電路，其設置于放大器的輸出端和勵磁線圈的輸入端之間，當輸入到勵磁線圈的輸入波形與從檢測線圈輸出的輸出波形產(chǎn)生相位差時，改變頻率使所述相位差移位為0；頻率測量裝置，其檢測所述移相所產(chǎn)生的頻率偏移；磁性體棒狀探頭，其插入所述勵磁線圈或檢測線圈至少一個的空心部，橫截面積沿長軸方向變化，該位移傳感器在維持包含勵磁線圈和檢測線圈之間空間的閉環(huán)的諧振狀態(tài)的同時，根據(jù)所述棒狀探頭沿長軸方向移動而產(chǎn)生的所述頻率偏移，檢測被測量對象的位移量。
此外，本發(fā)明的位移傳感器的特征在于所述勵磁線圈是將相互極性相反纏繞的兩個線圈串聯(lián)連接而成的。
此外，涉及本發(fā)明的位移傳感器的特征在于，具有發(fā)光器件，其將光線入射到被測量對象；光敏器件，其檢測來自被測量對象的反射波；放大器，其輸入端連接到光敏器件的輸出端；移相電路，其設置于放大器的輸出端和發(fā)光器件的輸入端之間，當輸入到發(fā)光器件的輸入波形與從光敏器件輸出的輸出波形產(chǎn)生相位差時，改變頻率使所述相位差移位為0；頻率測量裝置，其檢測由所述移相所產(chǎn)生的頻率偏移，該位移傳感器在維持包含發(fā)光器件和光敏器件之間的空間的閉環(huán)的諧振的同時，根據(jù)所述測量對象的移動所產(chǎn)生的所述頻率偏移，檢測被測量對象的位移量。
本發(fā)明的位移傳感器具有下述結(jié)構(gòu)其按檢測線圈、放大器、移相電路、勵磁線圈的順序連接，在檢測線圈或勵磁線圈至少一個的空心部，插入配置沿長軸方向橫截面發(fā)生變化的磁性體棒狀探頭。利用該結(jié)構(gòu)，當上述棒狀探頭沿長軸方向移動時，由于其一邊維持包括勵磁線圈和檢測線圈之間空間的閉環(huán)的諧振狀態(tài)，一邊根據(jù)位移量產(chǎn)生頻率偏移，因此可以檢測出棒狀探頭的位移量。由于1mm的位移量會產(chǎn)生數(shù)KHz的頻率偏移，因此可以實現(xiàn)以0.1～0.001微米的分辨率檢測位移量、結(jié)構(gòu)簡單、以從微米到納米的分辨率對運動對象物體的位移量進行檢測和測量的適合小型輕量化的位移傳感器。
此外，勵磁線圈是將相互極性相反纏繞的兩個線圈串聯(lián)連接而成的。在此情況下，在該兩個線圈的連接點附近，磁場相互抵消，當兩個線圈具有相同特性時，磁場幾乎為0而呈平衡狀態(tài)。通過作成在其空心部插入配置磁性體探頭的結(jié)構(gòu)，提高了對位移的敏感度，由于1mm的位移量會產(chǎn)生10KHz或10KHz以上的頻率偏移，因此可以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)簡單、以微米級的分辨率對運動對象物體的位移量進行檢測和測量的適合小型輕量化的位移傳感器。
此外，本發(fā)明的位移傳感器利用發(fā)光器件、光敏器件，將光入射到被測量對象，檢測該反射波，并按光敏器件、放大器、移相電路、發(fā)光器件的順序連接而構(gòu)成。利用該結(jié)構(gòu)，當被測量對象移動時，因為位移傳感器一邊維持包括發(fā)光器件和光敏器件之間空間的閉環(huán)的諧振狀態(tài)，一邊根據(jù)位移量產(chǎn)生頻率偏移，因此可以檢測出被測量對象的位移量。由于1mm的位移量會產(chǎn)生10KHz或10KHz以上的頻率偏移，因此可以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)簡單、以微米到納米級的分辨率對運動對象物體的位移量進行檢測和測量的適合小型輕量化的位移傳感器。


第1圖是本發(fā)明的第1實施方式的電感直接測量方式的位移傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。
第2圖是在本發(fā)明的第1實施方式中，當把探頭的位移量取為橫軸，線圈的電感取為縱軸時，它們之間的關系示意圖。
第3圖是本發(fā)明的第2實施方式的電感方式位移傳感器的方框圖。
第4圖是本發(fā)明的第3實施方式的敏感度更高的電感方式位移傳感器的方框圖。
第5圖是本發(fā)明的第4實施方式的光方式位移傳感器的方框圖。
具體實施例方式
以下，利用附圖，對本發(fā)明的實施方式進行詳細說明。圖1是第1實施方式的電感直接測量方式位移傳感器1的結(jié)構(gòu)示意圖。該位移傳感器1由下列部分構(gòu)成線圈3；圓錐狀磁性體探頭5，其橫截面積沿長軸方向變化；電感計7，其配置在線圈3的兩個端子之間；位移量轉(zhuǎn)換部9，其將電感計7的檢測值轉(zhuǎn)換為位移量。磁性體探頭5被插入配置在線圈3的空心部中。
根據(jù)該結(jié)構(gòu)，當磁性體探頭5沿長軸方向(x)在線圈3的空心部內(nèi)移動時，線圈3的電感發(fā)生變化。亦即，一般來說，對于空心部的導磁率為μ、橫截面積為A、長方向長度為L、圈數(shù)為N的線圈，已知其電感與μ*A*N*N/L成正比。因此，當橫截面積沿長方向變化的磁性體探頭5在線圈3的空心部內(nèi)移動時，根據(jù)該位移量，處于線圈3的空心部內(nèi)的探頭的體積發(fā)生變化，μ發(fā)生實質(zhì)變化，電感發(fā)生變化。
圖2是把探頭5的位移量取為橫軸，把線圈3的電感取為縱軸時，它們之間的關系示意圖。這時，將位移量增加的方向取為處于線圈3的空心部內(nèi)的磁性體探頭5的體積增加方向。此時，隨著位移量的增加，μ發(fā)生實質(zhì)性增加，線圈3的電感也增加。若適當?shù)卦O計探頭5的橫截面積沿長方向的變化率，可以使位移量的變化與電感的變化為線性關系。
這樣，使橫截面積沿長方向變化的磁性體探頭5在線圈3的空心部內(nèi)移動，用電感計7檢測這時的線圈3的電感變化，通過將該檢測值在位移量轉(zhuǎn)換部9轉(zhuǎn)換為位移量，可以用簡單的結(jié)構(gòu)得到探頭5的位移量。
圖3是第2實施方式的電感方式位移傳感器21的方框圖。將勵磁線圈23和檢測線圈25排列配置，使它們的空心部的長軸同軸。此外，具有沿長方向橫截面積發(fā)生變化的圓錐狀探頭27，該探頭27由磁性體構(gòu)成。而且，探頭27以插入勵磁線圈23的空心部的狀態(tài)配置。從檢測線圈25引出的輸出端子和輸入到勵磁線圈23的輸入端子與信號處理部31連接。檢測線圈25的輸出端子連接到信號處理部31的放大器33，在放大器33與勵磁線圈23的輸入端之間，設有移相電路35。移相電路35連接著頻率偏移檢測器37，進而，頻率偏移檢測器37連接著位移量計算器39。
這樣，在勵磁線圈23和檢測線圈25之間的空間、即包含勵磁線圈23-包含探頭27的空心部-檢測線圈25的磁回路，形成一個閉環(huán)諧振電路，從圖中未示的電源供給能量，通過適當?shù)卦O定移相電路35的頻率-增益、相位特性，可以持續(xù)諧振。關于這樣的閉環(huán)諧振電路中的移相電路35的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其作用，在特開平9-145691號公報中有詳細描述。
在圖3中，當磁性體探頭27移動，從而在勵磁線圈23的空心部內(nèi)移動時，由于磁性體探頭27為圓錐狀，因此空心部內(nèi)的磁性體的體積發(fā)生變化。從而，如圖2已說明的那樣，勵磁線圈23的電感發(fā)生變化，在勵磁線圈23和檢測線圈25之間的空間、即在勵磁線圈23-包含探頭27的空心部-檢測線圈25的磁回路發(fā)生變化。與此伴隨，輸入到勵磁線圈23的輸入信號和從檢測線圈25輸出的輸出信號之間產(chǎn)生相位差，移相電路35改變頻率，使該相位差為0。用頻率偏移檢測器37檢測此時的頻率偏移，由進行頻率偏移和位移量關系式處理的位移量計算器39輸出位移量。
由于1mm的位移量會產(chǎn)生數(shù)10KHz或數(shù)10KHz以上的頻率偏移，因此能以微米級的分辨率檢測出位移量。由于頻率偏移為數(shù)10KHz的數(shù)量級，因此信號處理部的處理頻率為較低的頻率，可以作成簡單的電路結(jié)構(gòu)。
圖4是本發(fā)明的第3實施方式的敏感度更高的電感方式位移傳感器22的示意圖。與圖3相同的結(jié)構(gòu)要素賦予同一符號，省略其說明。此時，勵磁線圈24采用把相互極性相反纏繞的兩個線圈24a、24b串聯(lián)連接起來的結(jié)構(gòu)。在該結(jié)構(gòu)中，在該兩個線圈24a、24b的連接點附近，磁場相互抵消，當兩個線圈24a、24b具有相同特性時，磁場幾乎為0而呈平衡狀態(tài)。通過作成在其空心部插入配置磁性體探頭27的結(jié)構(gòu)，可以用檢測線圈26來檢測由磁性體探頭27的插入引起的平衡變化，進一步提高對位移的敏感度。
由于1mm的位移量會產(chǎn)生10KHz或10KHz以上的頻率偏移，因此可以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)簡單、以微米級的分辨率檢測和測量運動對象物體的位移量的適合小型輕量化的位移傳感器。
勵磁線圈和檢測線圈的位置關系可以采用以下固定一定位置關系的配置方法如圖3所示，將勵磁線圈和檢測線圈排列配置，使它們的空心部的長軸共軸；或者，如圖4所示，在勵磁線圈的外周，按同心狀配置檢測線圈等。探頭也可以配置為插入勵磁線圈和檢測線圈至少一方的空心部內(nèi)。探頭除圓錐狀外，也可以利用圓錐的一部分、把長軸作為旋轉(zhuǎn)軸的函數(shù)旋轉(zhuǎn)體、角錐的一部分等橫截面發(fā)生變化的其它形狀。
這樣，采用勵磁線圈、檢測線圈、探頭以及處理頻率較低的信號處理部的簡單結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)以從微米到納米的分辨率對運動對象物體的位移量進行檢測和測量的適合小型輕量化的位移傳感器。
圖5是第4實施方式的光方式位移傳感器51的方框圖。發(fā)光器件53和光敏器件55與被測量對象57相對設置。從光敏器件55引出的輸出端子和輸出到發(fā)光器件53的輸入端子連接到信號處理部31。由于信號處理部31的結(jié)構(gòu)和作用與圖2相同，故省略其說明。這樣，包含發(fā)光器件53和光敏器件55之間的空間、即發(fā)光器件53-被測量對象57-光敏器件55的光通路，形成一個閉環(huán)諧振電路。
在圖5中，當被測量對象57移動，在發(fā)光器件53和光敏器件55之間的空間、即在發(fā)光器件53-被測量對象57-光敏器件55的光通路的長度產(chǎn)生變化，隨之，在輸入到發(fā)光器件53的輸入信號與從光敏器件55輸出的輸出信號之間產(chǎn)生相位差，移相電路35改變頻率，使該相位差為0。用頻率偏移檢測器37檢測此時的頻率偏移，通過進行頻率偏移和位移量關系式處理的位移量計算器39輸出位移量。
由于1mm的位移量會產(chǎn)生100KHz～1000KHz或100KHz～1000KHz以上的頻率偏移，因此能以納米級的分辨率對位移量進行檢測。由于利用了頻率偏移，因此可以采用信號處理部的處理頻率較低的簡單的電路結(jié)構(gòu)。
這樣，用發(fā)光器件、光敏器件以及處理頻率較低的信號處理部的簡單結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)以從微米到納米的分辨率對運動對象物體的位移量進行檢測和測量的適合小型輕量化的位移傳感器。
產(chǎn)業(yè)可用性本發(fā)明的位移傳感器，結(jié)構(gòu)簡單，能以從微米到納米的分辨率對運動對象物體的位移量進行檢測和測量，并適合小型輕量化。
權(quán)利要求
1.一種位移傳感器，其特征在于，具有勵磁線圈和檢測線圈，它們按規(guī)定位置關系配置；放大器，其輸入端連接到檢測線圈的輸出端；移相電路，其設置于放大器的輸出端和勵磁線圈的輸入端之間，當輸入到勵磁線圈的輸入波形與從檢測線圈輸出的輸出波形產(chǎn)生相位差時，改變頻率使所述相位差移位為0；頻率測量裝置，其檢測所述移相所產(chǎn)生的頻率偏移；磁性體棒狀探頭，其插入所述勵磁線圈或檢測線圈中至少一個的空心部，橫截面積沿長軸方向變化，該位移傳感器在維持包含勵磁線圈和檢測線圈之間空間的閉環(huán)的諧振狀態(tài)的同時，根據(jù)所述棒狀探頭沿長軸方向移動而產(chǎn)生的所述頻率偏移，檢測被測量對象的位移量。
2.如權(quán)利要求1所述的位移傳感器，其特征在于，所述勵磁線圈是將相互極性相反纏繞的兩個線圈串聯(lián)連接而成的。
3.一種位移傳感器，其特征在于，具有發(fā)光器件，其將光線入射到被測量對象；光敏器件，其檢測來自被測量對象的反射波；放大器，其輸入端連接到光敏器件的輸出端；移相電路，其設置于放大器的輸出端和發(fā)光器件的輸入端之間，當輸入到發(fā)光器件的輸入波形與從光敏器件輸出的輸出波形產(chǎn)生相位差時，改變頻率使所述相位差移位為0；頻率測量裝置，其檢測由所述移相所產(chǎn)生的頻率偏移，該位移傳感器在維持包含發(fā)光器件和光敏器件之間的空間的閉環(huán)的諧振的同時，根據(jù)所述測量對象的移動所產(chǎn)生的所述頻率偏移，檢測被測量對象的位移量。
全文摘要
本發(fā)明提供一種結(jié)構(gòu)簡單、能以從微米到納米的分辨率對運動對象物體的位移量進行檢測的位移傳感器。勵磁線圈23和檢測線圈25排列配置，橫截面積沿長方向變化的圓錐狀磁性體探頭27以插入勵磁線圈23的空心部的狀態(tài)配置。從檢測線圈25引出的輸出端連接到放大器33，在放大器33與勵磁線圈23的輸入端之間設有移相電路35。當磁性體探頭27在勵磁線圈23的空心部內(nèi)移動時，勵磁線圈23的電感發(fā)生變化，輸入到勵磁線圈23的輸入信號和從檢測線圈25輸出的輸出信號之間產(chǎn)生相位差，移相電路35改變頻率，使該相位差為0，根據(jù)此時的頻率偏移來檢測位移量。
文檔編號G01D5/20GK1496474SQ0280621
公開日2004年5月12日 申請日期2002年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2001年10月30日
發(fā)明者尾股定夫 申請人:學校法人日本大學