JP2000180109A - 位置検出器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 検出距離に対して全長、または径方向の大き
さを最小にし、さらに製造も容易な位置検出器を提供す
ることを目的とする。 【構成】 コイル（１）の内部に棒状の磁性体（２）を
配置し、コイル（１）のインダクタンスを増加させた状
態のもとで、コイル（１）の外周上にパイプ状、または
穴を有する導電体（３）を平行に挿入すると、その重合
する部分に渦電流が発生し、その渦電流による損失によ
ってコイル（１）に鎖交する磁束が減少し、コイル
（１）のインダクタンスが減少することを利用して、直
列に接続されたコイル（１）と抵抗（４）に、一定周期
の矩形電圧を印加したときにコイル（１）のインダクタ
ンスと抵抗（４）の関係で一義的に発生する過渡応答を
コイル（１）の両端、または抵抗（４）の両端にて観測
し、ある一定電圧のしきい値を越えるまでの時間を、パ
イプ状、または穴を有する導電体（３）の挿入距離に関
係付け、直線距離を検出するように構成した位置検出
器。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、変位を感知して電圧、
または電流を出力したり、また変位を感知してスイッチ
出力を発生する位置検出器に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の位置検出器では、図２に示すよう
な差動トランスが用いられ、１個の励磁コイル（９）と
差動に接続された２個の検出コイル（１０）（１１）、
及び磁芯（１２）により構成され、３個のコイル（９）
（１０）（１１）を同一軸上に配置し、コイル内部に磁
芯（１２）を挿入する。励磁コイル（９）を正弦波によ
り励磁することにより磁界を発生させ磁芯（１２）に磁
束を集中させる。その結果、検出コイル（１０）（１
１）には、電磁誘導により電圧を発生する。２個の検出
コイル（１０）（１１）は、差動に接続されているので
磁芯（１２）の挿入位置によりそれぞれの検出コイル
（１０）（１１）の誘導起電力の差が出力される。磁芯
の変位量と出力電圧の関係は、図３のようになり２個の
検出コイル（１０）（１１）の全長にわたって磁芯（１
２）を変位させると同じ出力電圧を２値とることにな
り、実用上の検出距離範囲は、２個の検出コイル（１
０）（１１）のうちのどちらか１個分の軸方向長さとな
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】差動トランスにあって
は、軸方向に配置された２個の検出コイルを必要し、全
長は少なくとも検出距離の２倍の長さを必要とする。ま
た３個のコイルを必要とするため小型化に適さない。特
に図４に示すような空気圧、及び液圧のシリンダー（１
３）に装着する際は、差動トランス（１４）の全長が、
シリンダー変位量（１５）の少なくとも２倍の長さが必
要であり、その結果シリンダー内に完全に収めることが
できず、差動トランス（１４）の一部が飛び出すことに
なり、設置する際により広い場所を必要とする。さら
に、コイル内部に磁芯（１７）を挿入する必要があるた
め構造が複雑になる。また、３個のコイルそれぞれ単体
での特性に加え配置状態によっても全体の特性に影響を
与え、同じ特性のものを複数個製造するうえでの変動要
因が多く製造が難しい。さらに、励磁コイルに２本、検
出コイルに２本の接続ケーブルが必要であり、製造する
うえにおいても、小型化するうえにおいても不利であ
る。

【０００４】本発明は、位置検出器の全長を検出距離に
対して最小にし、また径方向の大きさも最小にし、さら
に製造も容易な位置検出器を提供することを目的とす
る。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の位置検出器は、棒状の磁性体に巻かれた１
個のコイルと、パイプ状、または穴を有する導電体より
構成される変位検出部と、抵抗、発振器、比較器、出力
変換部により構成される。

【０００６】上記変位検出部に用いるコイルは、１本の
導電線を円筒状に巻いたものであり、パイプ状、または
穴を有する導電体は、パイプそのもの、または被検出物
に穴をあけただけの構造である。

【０００７】また、上記変位検出部に用いるコイルは、
鉄、アモルファス、ニッケル、フェライト、磁性ステン
レス等の棒状の磁性体に巻き付けられたものである。

【０００８】上記発振器は、時間とともに電圧が矩形波
状に変化する一定周期の電圧を発生させるものである。

【０００９】上記比較器は、発振器に接続されたコイル
に流れる電流の過渡状態を観測するものであり、コイル
のインダクタンスを比較抽出するものである。

【００１０】上記出力変換部は、変位に比例した電圧、
及び電流を出力したり、また特定の位置を設定し、その
位置に対して被検出物がどちら側にあるかを判定してス
イッチ出力を発生させるものである。

【００１１】また、上記コイルは、変位に対する出力の
直線性を確保するために、外径に対して軸方向長さを長
くした円筒状に製作されることが必要である。

【００１２】さらに、上記コイルは、銅ニッケル合金
線、銅ニッケルマンガン合金線、及び銅に比較して抵抗
温度係数の小さい合金を用いた導電線を利用して製作す
ることにより温度変化に対して出力値の変動をより少な
くすることが可能である。

【００１３】

【作用】上記のように構成された位置検出器のコイルに
図５に示すように時間とともに電圧が矩形波状に変化す
る一定周期の電圧を印加する。すると、コイルの持つイ
ンダクタンスと抵抗成分により、コイルを流れる電流
は、図６のような過渡現象を示し、この時の時間と電流
の関係は、数１で示される。従って、この過渡状態の
時、コイルの両端の電圧は、図７の実線のように数２の
関係で変化し、抵抗の両端の電圧は、図７の破線のよう
に数３の関係で変化する。

【００１４】この時、図７のａは、時定数と呼ばれるコ
イルの持つインダクタンスに固有の時間であり、数４で
表わされる。数４により、コイルの時定数は、コイルの
インダクタンスに比例する。

【００１５】コイルのインダクタンスは、数５に示すよ
うに、コイルに作用する磁束鎖交数に比例する。該位置
検出器のように、棒状の磁性体に巻き付けられたコイル
では、磁束がコイル近傍に集中し磁束鎖交数が増大し、
その結果、コイルのインダクタンスが大きくなり、コイ
ル両端の電圧変化の時定数は、空芯のコイルに比較して
長くなる。

【００１６】この状態でコイルの外周部にパイプ状、ま
たは穴を有する導電体を挿入すると、コイル近傍に集中
した磁束により導電体の表面に渦電流が発生する。これ
は、導電体の内部抵抗により熱に変換され損失となる。
その結果、導電体が挿入された部分では、コイルを鎖交
する磁束が減少し、コイル全体のインダクタンスも減少
する。

【００１７】コイル端の影響を無視して説明すると、パ
イプ状、または穴を有する導電体とコイルの重複長さ
と、コイルのインダクタンスの関係は、ほぼ比例関係に
あり、重複長さが長いほどインダクタンスは減少する。

【００１８】図８に示すように、パイプ状、または穴を
有する導電体の変位量と、コイル両端の電圧変化の時定
数の関係は、ほぼ比例関係にあり、従って、パイプ状、
または穴を有する導電体の位置を検出することができ
る。

【００１９】また、図９に示すようにコイルの全長を外
径に対し十分長くすることによりコイル端の影響が少な
くなり、図８に比較して、直線性が改善される。

【００２０】また、上記のように、コイルのインダクタ
ンスの変化を観測するために時定数を用いなくとも、他
の方法によってもかまわない。

【００２１】

【実施例】実施例について図面を参照して説明すると、
図１において、棒状の磁性体（２）に巻き付けた１個の
コイル（１）の外周上に、被検出物に接触、接合、また
は一体化されたパイプ状、または穴を有する導電体
（３）を挿入する。

【００２２】発振器（６）より、時間とともに電圧が矩
形波状に変化する一定周期の電圧をコイル（１）に入力
する。そして、比較器（７）によりコイル（１）の両端
の電圧を観測する。比較器（７）では、ある一定の電圧
レベルに固定されたしきい値を保持しており、コイル
（１）の両端の電圧の立ち下がりの電圧がしきい値を越
えたかどうかを判定する。そして、発振器（６）により
発生される矩形波の立ち上がり時からコイル（１）の両
端の電圧の立ち下がりがしきい値を越えるまでの間に矩
形波を発生させる。その矩形波を、出力変換部（８）に
より実効値に換算し、電圧、または電流を出力する。

【００２３】また、出力変換部（８）内において、特定
の位置を設定し、その位置に対して被検出物がどちら側
にあるかを判定してスイッチ出力を発生させる場合は、
上記のように出力された電圧を、スイッチ出力の発生を
希望する位置に相当する電圧レベルと比較して上か下か
を判定し、スイッチ出力のハイレベル、またはローレベ
ルを出力する。

【００２４】スイッチ出力の発生法として、他の方法を
示す。比較器（７）内において観測した時定数と、スイ
ッチ出力を希望する位置に相当する時間とを比較して前
か後ろかを判定してスイッチ出力のハイレベル、または
ローレベルを出力する方法も考えられる。

【００２５】図１に示される実施例のうちコイル（１）
に使用する導電線の材質を銅ニッケル合金、銅ニッケル
マンガン合金、または銅に比較して抵抗温度係数の小さ
い合金とすることにより銅線を利用した場合に比べて温
度変化による固有抵抗の変化を最小にすることが可能と
なり、数４で表わされる時定数の温度による変化を最小
に抑えることができる。従って、温度変化による出力値
の変動を最小にできる。

【００２６】また、図８で示されるコイル両端の電圧変
化の時定数と変位量の関係において、直線性を高めるた
めにコイル端の影響を少なくすることが必要であり、図
９で示されるように、コイルの全長を外径に対して十分
長くすることにより直線性を改善できる。

【００２７】図１０に示される実施例では、空気圧、ま
たは液圧のシリンダー（１８）に位置検出器を装着した
ものである。中心部に穴をあけた金属製のシリンダーロ
ッド（１９）がそのまま位置検出器の一部となり、パイ
プ状、または穴を有する導電体となる。その内部に棒状
の磁性体（２０）に巻かれたコイル（２１）を挿入す
る。この時、シリンダーの変位量（２２）とコイルの全
長は、同程度の長さでよく、図４のように差動トランス
を挿入した場合と比べて、位置検出器が飛び出す量は、
最小になる。

【００２８】

【発明の効果】本発明は、以上説明したように構成され
ているので、以下に記載されるような効果を奏する。

【００２９】コイルが１個のみで変位検出部を構成する
ため、検出距離に対して検出部の全長を最小にできる。

【００３０】コイルが１個のみで変位検出部を構成する
ため、接続用のケーブルを含め構成部品が少なくなり、
小型化する上において有効であり、製造も容易である。

【００３１】コイルを構成するための導電線の材料とし
て、銅ニッケル合金、銅ニッケルマンガン合金、または
銅に比較して抵抗温度係数の小さい合金が利用できるた
め、温度変化による出力値の変動を最小にできる。

【００３２】コイルの外周部に挿入するパイプ状、また
は穴を有する導電体は、金属製の被検出物に穴をあける
だけでその機能を果たすため、装着する際に、一体化が
容易になり、小型化が可能となる。

【００３３】コイルの全長を外径に対し十分長くしたコ
イルを利用することにより、コイル端の影響を少なくで
き、変位に対する出力値の直線性を確保できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】位置検出器の構成図である。

【図２】差動トランスの断面図である。

【図３】差動トランスの変位量（ｍｍ）と出力電圧
（Ｖ）の関係を示すグラフである。

【図４】差動トランスをシリンダーに装着した場合の断
面図である。

【図５】位置検出器のコイルに入力する電圧（Ｖ）と時
間（ｓｅｃ）の関係を示すグラフである。

【図６】位置検出器のコイルに流れる電流（Ａ）と時間
（ｓｅｃ）の関係を示すグラフである。

【図７】位置検出器のコイルの両端（実線）、および抵
抗の両端（破線）にかかる電圧（Ｖ）と時間（ｓｅｃ）
の関係を示すグラフである。

【図８】位置検出器の変位量（ｍｍ）とコイル両端の電
圧変化の時定数（ｓｅｃ）の関係を示すグラフである。

【図９】位置検出器の変位量（ｍｍ）とコイル両端の電
圧変化の時定数（ｓｅｃ）の関係を示すグラフである。

【図１０】位置検出器をシリンダーに装着した場合の断
面図である。

【符号の説明】

１、２１ コイル ２、２０ 棒状の磁性体 ３ パイプ状、または穴を有する導電体 ４ 抵抗 ５ 変位検出部 ６ 発振器 ７ 比較器 ８ 出力変換部 ９ 励磁コイル １０ 検出コイル １１ 検出コイル １２ 磁芯 １３ シリンダー １４ 差動トランス １５ シリンダー変位量 １６ シリンダーロッド １７ 磁芯 １８ シリンダー １９ シリンダーロッド ２２ シリンダー変位量

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 時間とともに矩形波状に変化する一定周
   期の電圧をコイル（１）に印加することにより、コイル
   （１）に鎖交する磁束を、コイル（１）の内部に棒状の
   磁性体（２）を配置することによって増加させ、コイル
   （１）のインダクタンスを増加させた状態のもとで、コ
   イル（１）の外周上にパイプ状、または穴を有する導電
   体（３）を平行に挿入すると、その重合する部分に渦電
   流が発生し、その渦電流による損失によってコイル
   （１）に鎖交する磁束が減少し、コイル（１）のインダ
   クタンスが減少することを利用して、直列に接続された
   コイル（１）と抵抗（４）に、時間とともに矩形波状に
   変化する一定周期の電圧を印加したときにコイル（１）
   のインダクタンスと抵抗（４）の関係で一義的に発生す
   る電圧の過渡応答をコイル（１）の両端、または抵抗
   （４）の両端にて観測し、ある一定電圧のしきい値を越
   えるまでの時間を、パイプ状、または穴を有する導電体
   （３）の挿入距離に関係付け、直線距離を検出するよう
   に構成した位置検出器。
2. 【請求項２】 外径に対して軸方向長さの長い円筒状に
   製作された１個のコイル（１）よりなる請求項１記載の
   位置検出器。
3. 【請求項３】 銅ニッケル合金線、銅ニッケルマンガン
   合金線、および銅に比較して抵抗温度係数の小さい合金
   により製作された導電線を利用したコイル（１）よりな
   る請求項１記載の位置検出器。