专利名称：位移传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及位移传感器。
背景技术：
为了控制用于显微机械加工和基因操作中的操作器等微调节器的动作，要求小型轻量、以微米到纳米的分辨率对运动对象物体的位移量进行检测和测量。以前、关于以微米到纳米的分辨率来检测和测量位移量，已提出了各种各样的方案，并已实用化。代表性的方法有向对象物体照射激光，检测随着对象物体的位移所产生的相位差的方法，或者利用与参考光之间的干涉现象的方法等激光测量方法。
通过利用激光测量技术等，可以进行纳米级位移量的测量。但是，与大小从几厘米到十几厘米级的微调节器相比，激光测量中用于检测光源、相位差或干涉的测量部等就显得太大。此外，为了提高分辨率，还要使用复杂的光学系统或高频的测量频率等，导致装置价格昂贵。
发明内容
本发明的目的是解决上述现有技术的问题，提供一种位移传感器，该位移传感器结构简单，以微米到纳米的分辨率对运动对象物体的位移量进行检测和测量并适合于小型轻量化。
为达到上述目的，涉及本发明的位移传感器的特征在于，具有励磁线圈和检测线圈，它们按规定位置关系配置；放大器，其输入端连接到检测线圈的输出端；移相电路，其设置于放大器的输出端和励磁线圈的输入端之间，当输入到励磁线圈的输入波形与从检测线圈输出的输出波形产生相位差时，改变频率使所述相位差移位为0；频率测量装置，其检测所述移相所产生的频率偏移；磁性体棒状探头，其插入所述励磁线圈或检测线圈至少一个的空心部，横截面积沿长轴方向变化，该位移传感器在维持包含励磁线圈和检测线圈之间空间的闭环的谐振状态的同时，根据所述棒状探头沿长轴方向移动而产生的所述频率偏移，检测被测量对象的位移量。
此外，本发明的位移传感器的特征在于所述励磁线圈是将相互极性相反缠绕的两个线圈串联连接而成的。
此外，涉及本发明的位移传感器的特征在于，具有发光器件，其将光线入射到被测量对象；光敏器件，其检测来自被测量对象的反射波；放大器，其输入端连接到光敏器件的输出端；移相电路，其设置于放大器的输出端和发光器件的输入端之间，当输入到发光器件的输入波形与从光敏器件输出的输出波形产生相位差时，改变频率使所述相位差移位为0；频率测量装置，其检测由所述移相所产生的频率偏移，该位移传感器在维持包含发光器件和光敏器件之间的空间的闭环的谐振的同时，根据所述测量对象的移动所产生的所述频率偏移，检测被测量对象的位移量。
本发明的位移传感器具有下述结构其按检测线圈、放大器、移相电路、励磁线圈的顺序连接，在检测线圈或励磁线圈至少一个的空心部，插入配置沿长轴方向横截面发生变化的磁性体棒状探头。利用该结构，当上述棒状探头沿长轴方向移动时，由于其一边维持包括励磁线圈和检测线圈之间空间的闭环的谐振状态，一边根据位移量产生频率偏移，因此可以检测出棒状探头的位移量。由于1mm的位移量会产生数KHz的频率偏移，因此可以实现以0.1～0.001微米的分辨率检测位移量、结构简单、以从微米到纳米的分辨率对运动对象物体的位移量进行检测和测量的适合小型轻量化的位移传感器。
此外，励磁线圈是将相互极性相反缠绕的两个线圈串联连接而成的。在此情况下，在该两个线圈的连接点附近，磁场相互抵消，当两个线圈具有相同特性时，磁场几乎为0而呈平衡状态。通过作成在其空心部插入配置磁性体探头的结构，提高了对位移的敏感度，由于1mm的位移量会产生10KHz或10KHz以上的频率偏移，因此可以实现结构简单、以微米级的分辨率对运动对象物体的位移量进行检测和测量的适合小型轻量化的位移传感器。
此外，本发明的位移传感器利用发光器件、光敏器件，将光入射到被测量对象，检测该反射波，并按光敏器件、放大器、移相电路、发光器件的顺序连接而构成。利用该结构，当被测量对象移动时，因为位移传感器一边维持包括发光器件和光敏器件之间空间的闭环的谐振状态，一边根据位移量产生频率偏移，因此可以检测出被测量对象的位移量。由于1mm的位移量会产生10KHz或10KHz以上的频率偏移，因此可以实现结构简单、以微米到纳米级的分辨率对运动对象物体的位移量进行检测和测量的适合小型轻量化的位移传感器。
第1图是本发明的第1实施方式的电感直接测量方式的位移传感器的结构示意图。
第2图是在本发明的第1实施方式中，当把探头的位移量取为横轴，线圈的电感取为纵轴时，它们之间的关系示意图。
第3图是本发明的第2实施方式的电感方式位移传感器的方框图。
第4图是本发明的第3实施方式的敏感度更高的电感方式位移传感器的方框图。
第5图是本发明的第4实施方式的光方式位移传感器的方框图。
具体实施例方式
以下，利用附图，对本发明的实施方式进行详细说明。图1是第1实施方式的电感直接测量方式位移传感器1的结构示意图。该位移传感器1由下列部分构成线圈3；圆锥状磁性体探头5，其横截面积沿长轴方向变化；电感计7，其配置在线圈3的两个端子之间；位移量转换部9，其将电感计7的检测值转换为位移量。磁性体探头5被插入配置在线圈3的空心部中。
根据该结构，当磁性体探头5沿长轴方向(x)在线圈3的空心部内移动时，线圈3的电感发生变化。亦即，一般来说，对于空心部的导磁率为μ、横截面积为A、长方向长度为L、圈数为N的线圈，已知其电感与μ*A*N*N/L成正比。因此，当横截面积沿长方向变化的磁性体探头5在线圈3的空心部内移动时，根据该位移量，处于线圈3的空心部内的探头的体积发生变化，μ发生实质变化，电感发生变化。
图2是把探头5的位移量取为横轴，把线圈3的电感取为纵轴时，它们之间的关系示意图。这时，将位移量增加的方向取为处于线圈3的空心部内的磁性体探头5的体积增加方向。此时，随着位移量的增加，μ发生实质性增加，线圈3的电感也增加。若适当地设计探头5的横截面积沿长方向的变化率，可以使位移量的变化与电感的变化为线性关系。
这样，使横截面积沿长方向变化的磁性体探头5在线圈3的空心部内移动，用电感计7检测这时的线圈3的电感变化，通过将该检测值在位移量转换部9转换为位移量，可以用简单的结构得到探头5的位移量。
图3是第2实施方式的电感方式位移传感器21的方框图。将励磁线圈23和检测线圈25排列配置，使它们的空心部的长轴同轴。此外，具有沿长方向横截面积发生变化的圆锥状探头27，该探头27由磁性体构成。而且，探头27以插入励磁线圈23的空心部的状态配置。从检测线圈25引出的输出端子和输入到励磁线圈23的输入端子与信号处理部31连接。检测线圈25的输出端子连接到信号处理部31的放大器33，在放大器33与励磁线圈23的输入端之间，设有移相电路35。移相电路35连接着频率偏移检测器37，进而，频率偏移检测器37连接着位移量计算器39。
这样，在励磁线圈23和检测线圈25之间的空间、即包含励磁线圈23-包含探头27的空心部-检测线圈25的磁回路，形成一个闭环谐振电路，从图中未示的电源供给能量，通过适当地设定移相电路35的频率-增益、相位特性，可以持续谐振。关于这样的闭环谐振电路中的移相电路35的内部结构及其作用，在特开平9-145691号公报中有详细描述。
在图3中，当磁性体探头27移动，从而在励磁线圈23的空心部内移动时，由于磁性体探头27为圆锥状，因此空心部内的磁性体的体积发生变化。从而，如图2已说明的那样，励磁线圈23的电感发生变化，在励磁线圈23和检测线圈25之间的空间、即在励磁线圈23-包含探头27的空心部-检测线圈25的磁回路发生变化。与此伴随，输入到励磁线圈23的输入信号和从检测线圈25输出的输出信号之间产生相位差，移相电路35改变频率，使该相位差为0。用频率偏移检测器37检测此时的频率偏移，由进行频率偏移和位移量关系式处理的位移量计算器39输出位移量。
由于1mm的位移量会产生数10KHz或数10KHz以上的频率偏移，因此能以微米级的分辨率检测出位移量。由于频率偏移为数10KHz的数量级，因此信号处理部的处理频率为较低的频率，可以作成简单的电路结构。
图4是本发明的第3实施方式的敏感度更高的电感方式位移传感器22的示意图。与图3相同的结构要素赋予同一符号，省略其说明。此时，励磁线圈24采用把相互极性相反缠绕的两个线圈24a、24b串联连接起来的结构。在该结构中，在该两个线圈24a、24b的连接点附近，磁场相互抵消，当两个线圈24a、24b具有相同特性时，磁场几乎为0而呈平衡状态。通过作成在其空心部插入配置磁性体探头27的结构，可以用检测线圈26来检测由磁性体探头27的插入引起的平衡变化，进一步提高对位移的敏感度。
由于1mm的位移量会产生10KHz或10KHz以上的频率偏移，因此可以实现结构简单、以微米级的分辨率检测和测量运动对象物体的位移量的适合小型轻量化的位移传感器。
励磁线圈和检测线圈的位置关系可以采用以下固定一定位置关系的配置方法如图3所示，将励磁线圈和检测线圈排列配置，使它们的空心部的长轴共轴；或者，如图4所示，在励磁线圈的外周，按同心状配置检测线圈等。探头也可以配置为插入励磁线圈和检测线圈至少一方的空心部内。探头除圆锥状外，也可以利用圆锥的一部分、把长轴作为旋转轴的函数旋转体、角锥的一部分等横截面发生变化的其它形状。
这样，采用励磁线圈、检测线圈、探头以及处理频率较低的信号处理部的简单结构，可以实现以从微米到纳米的分辨率对运动对象物体的位移量进行检测和测量的适合小型轻量化的位移传感器。
图5是第4实施方式的光方式位移传感器51的方框图。发光器件53和光敏器件55与被测量对象57相对设置。从光敏器件55引出的输出端子和输出到发光器件53的输入端子连接到信号处理部31。由于信号处理部31的结构和作用与图2相同，故省略其说明。这样，包含发光器件53和光敏器件55之间的空间、即发光器件53-被测量对象57-光敏器件55的光通路，形成一个闭环谐振电路。
在图5中，当被测量对象57移动，在发光器件53和光敏器件55之间的空间、即在发光器件53-被测量对象57-光敏器件55的光通路的长度产生变化，随之，在输入到发光器件53的输入信号与从光敏器件55输出的输出信号之间产生相位差，移相电路35改变频率，使该相位差为0。用频率偏移检测器37检测此时的频率偏移，通过进行频率偏移和位移量关系式处理的位移量计算器39输出位移量。
由于1mm的位移量会产生100KHz～1000KHz或100KHz～1000KHz以上的频率偏移，因此能以纳米级的分辨率对位移量进行检测。由于利用了频率偏移，因此可以采用信号处理部的处理频率较低的简单的电路结构。
这样，用发光器件、光敏器件以及处理频率较低的信号处理部的简单结构，可以实现以从微米到纳米的分辨率对运动对象物体的位移量进行检测和测量的适合小型轻量化的位移传感器。
产业可用性本发明的位移传感器，结构简单，能以从微米到纳米的分辨率对运动对象物体的位移量进行检测和测量，并适合小型轻量化。
权利要求
1.一种位移传感器，其特征在于，具有励磁线圈和检测线圈，它们按规定位置关系配置；放大器，其输入端连接到检测线圈的输出端；移相电路，其设置于放大器的输出端和励磁线圈的输入端之间，当输入到励磁线圈的输入波形与从检测线圈输出的输出波形产生相位差时，改变频率使所述相位差移位为0；频率测量装置，其检测所述移相所产生的频率偏移；磁性体棒状探头，其插入所述励磁线圈或检测线圈中至少一个的空心部，横截面积沿长轴方向变化，该位移传感器在维持包含励磁线圈和检测线圈之间空间的闭环的谐振状态的同时，根据所述棒状探头沿长轴方向移动而产生的所述频率偏移，检测被测量对象的位移量。
2.如权利要求1所述的位移传感器，其特征在于，所述励磁线圈是将相互极性相反缠绕的两个线圈串联连接而成的。
3.一种位移传感器，其特征在于，具有发光器件，其将光线入射到被测量对象；光敏器件，其检测来自被测量对象的反射波；放大器，其输入端连接到光敏器件的输出端；移相电路，其设置于放大器的输出端和发光器件的输入端之间，当输入到发光器件的输入波形与从光敏器件输出的输出波形产生相位差时，改变频率使所述相位差移位为0；频率测量装置，其检测由所述移相所产生的频率偏移，该位移传感器在维持包含发光器件和光敏器件之间的空间的闭环的谐振的同时，根据所述测量对象的移动所产生的所述频率偏移，检测被测量对象的位移量。
全文摘要
本发明提供一种结构简单、能以从微米到纳米的分辨率对运动对象物体的位移量进行检测的位移传感器。励磁线圈23和检测线圈25排列配置，横截面积沿长方向变化的圆锥状磁性体探头27以插入励磁线圈23的空心部的状态配置。从检测线圈25引出的输出端连接到放大器33，在放大器33与励磁线圈23的输入端之间设有移相电路35。当磁性体探头27在励磁线圈23的空心部内移动时，励磁线圈23的电感发生变化，输入到励磁线圈23的输入信号和从检测线圈25输出的输出信号之间产生相位差，移相电路35改变频率，使该相位差为0，根据此时的频率偏移来检测位移量。
文档编号G01D5/20GK1496474SQ0280621
公开日2004年5月12日 申请日期2002年4月18日 优先权日2001年10月30日
发明者尾股定夫 申请人:学校法人日本大学