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Technisches Gebiet auf das
sich die Erfindung bezieht
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Diese Erfindung bezieht sich auf
eine Verlagerungsmessvorrichtung, die mit einem Verlagerungssensor
versehen ist, der eine relative Position bezüglich eines Objekts, das zu
detektieren ist, detektiert.
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Technischer Hintergrund
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Im Allgemeinen wird eine Verlagerungsmessvorrichtung,
die mit einem Verlagerungssensor versehen ist, in einer Vielfalt
von Anwendungen verwendet, wie zum Beispiel einem Motor vom Magnetschwebe-Typ. Der
Verlagerungssensor, der üblicherweise
verwendet wird, wird als ein Sensor vom Wirbelstromtyp bezeichnet
und ist, wie in 12 gezeigt
ist, gestaltet. In 12 wird
ein elektrischer Strom durch eine Spule 2 geleitet, die
um einen stabförmigen
Kernkörper 1 gewickelt
ist, um einen magnetischen Fluss ϕr zur Detektion zu erzeugen.
Wenn zur Detektion ein Objekt 3, das zu detektieren ist,
wie zum Beispiel ein metallischer Drehstab und der Kernkörper 1 relativ
einander angenähert
werden oder voneinander getrennt werden, und zwar bei gegebenen
magnetischem Feld, das durch den magnetischen Fluss ϕr
ausgebildet wird, wobei der Betrag des Wirbelstroms, der in dem
Objekt 3 erzeugt wird, entsprechend der Variation des Abstandes
zwischen dem Objekt 3 und dem Kernkörper 1 variiert und
der magnetische Widerstand ebenso in Übereinstimmung mit seiner Variation
variiert. Deshalb wird eine Detektionsausgabe, wie in 13 gezeigt ist, erhalten,
indem die Variation der Induktanz für die Variation des magnetischen
Widerstands detektiert wird.
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Jedoch entspricht bei einer derartigen
Verlagerungsmessvorrichtung vom herkömmlichen Typ die endgültige Detektionsausgabe
der Impedanzvariation, weil eine Gleichstrom-Widerstandskomponente
in der magnetischen Widerstandsvariation enthalten ist, die Luft
zwischen dem Kernkörper 1 und
dem Objekt bzw. Gegenstand 3 enthält, das bzw. der zu detektieren
ist. Infolge dessen ist bei diesem Verlagerungssensor vom herkömmlichen
Typ die Empfindlichkeit der Detektionsausgabe immer noch nicht ausreichend
und weiter wird eine bevorzugte Temperaturcharakteristik nicht durch
den Einfluss der Gleichstrom-Widerstandskomponente, der
Temperaturvariation der Permeabilität des Kernkörpers oder dergleichen erzielt.
Darüber
hinaus ist, da die Variation des magnetischen Widerstands in der
Luft zwischen dem Kernkörper 1 und
dem Gegenstand 3 proportional zu dem Quadrat des Abstandes
ist, die Linearität
der Detektionsausgabe nicht zufriedenstellend. Weiter ist, wie in 14 gezeigt ist, wenn der
Umfang der Variation dadurch vergrößert wird, dass die Variation des
dreidimensionalen magnetischen Flusses ϕr verwendet wird,
die Größe der gesamten
Vorrichtung erhöht. Da
ebenso die Impedanz durch Ändern
der Länge
eines Kabels, das mit einem Sensorverstärker verbunden ist, variiert,
ist es erforderlich, dass der Verstärker dazu entsprechend eingestellt
bzw. justiert wird.
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Deshalb ist es ein Ziel der vorliegenden
Erfindung, eine Verlagerungsmessvorrichtung bereitzustellen, die
dazu in der Lage ist, ein stabiles Detektionsergebnis zu erhalten,
und zwar mit einem einfachen Aufbau und einer geeigneten Detektionsempfindlichkeit.
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Offenbarung der Erfindung
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Um das oben erwähnte Ziel gemäß der vorliegenden
Erfindung zu erreichen, die in Anspruch 1 dargelegt ist, ist eine
Verlagerungsmessvorrichtung vorgesehen, die mit einem Verlagerungssensor
versehen ist, der in einer Art und Weise aufgebaut ist, dass ein
Ausgangssignal in Übereinstimmung
mit einer Variation einer relativen Positionsbeziehung bezüglich eines
zu detektierenden Objekts bzw. Gegenstands variiert wird, und wobei
das Objekt bzw. der Gegenstand auf der Grundlage der Variation des
Ausgangs bzw. Ausgangssignals detektiert wird, dadurch gekennzeichnet,
dass ein Sensor-Set bzw. eine Sensoranordnung angeordnet ist, das bzw.
die ein Paar von Verlagerungssensoren enthält, die einander gegenüberliegend
bzw. entgegengesetzt angeordnet sind, um so das Objekt bzw. den
Gegenstand zwischen das Paar von Verlagerungssensoren zu bringen,
wobei die jeweiligen Verlagerungssensoren in dem Sensor-Set bzw.
der Sensoranordnung jeweilig in einer solchen Art und Weise aufgebaut
sind, dass eine Erregerspule und eine Detektionsspule jeweilig um
einen Kernkörper
gewickelt und auf derselben Achse angebracht sind, wobei eine Spule
der Erregerspule und Detektionsspule auf einem zentralen Kernteil
montiert ist, der bei einem im Allgemeinen zentralen Abschnitt in einer
axialen Richtung des Kernkörpers
angeordnet ist, wobei die andere Spule der Erregerspule und Detektionsspule
auf einem Paar von axialen Endkernteilen jeweilig angebracht ist,
die an beiden Endabschnitten in einer axialen Richtung des Kernkörpers angeordnet
sind, wobei die axiale Richtung des Kernkörpers in einer im Allgemeinen
gleichen Richtung wie eine Variationsrichtung einer relativen Position
bezüglich
des Objekts bzw. Gegenstands angeordnet bzw. ausgerichtet ist und
von dem Paar von axialen Endkernteilen oder dem Objekt das Paar
oder das Objekt einander angenähert
werden oder voneinander getrennt werden, während sie einander gegenüberliegend
sind.
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Mit anderen Worten sind bei der Verlagerungsmessvorrichtung
mit einem derartigen Aufbau die Erregerspule und die Detektionsspule
diskret bei jedem Verlagerungssensor angeordnet und darüber hinaus
wird eine Detektion basierend auf der Balance bzw. dem Ausgleich
zwischen dem Paar von Erregungsspulen oder dem Paar von Detektionsspulen
durchgeführt.
Deshalb wird die Quantität
bzw. der Umfang der Variation des magnetischen Flusses direkt gemessen,
und zwar ungeachtet der Impedanz einschließlich der Gleichstrom-Widerstandskomponente
oder dergleichen. Dementsprechend kann ein Ausgangssignal mit einer
hohen Empfindlichkeit mit einem kleinen Kernkörper erzielt werden und darüber hinaus
kann eine stabile Detektionsoperation mit einer preiswerten Schaltung
erzielt werden, und zwar ungeachtet einer Variation der Umgebungstemperatur,
ohne dass eine herkömmliche
Konstantstromschaltung verwendet wird. Infolge dessen kann ein stabiles
Detektionsergebnis mit einem einfachen Aufbau erzielt werden, während eine
zufriedenstellende Detektionsempfindlichkeit erhalten wird, und
somit kann eine Leistungsfähigkeit
und Verlässlichkeit
der Verlagerungsmessvorrichtung verbessert werden.
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Ebenso in Übereinstimmung mit der vorliegenden
Erfindung, die im Anspruch 2 dargelegt ist, sind wenigstens zwei
Sensor-Sets, die jeweilig aus dem Paar gegenüberliegender Verlagerungssensoren
bestehen, die im Anspruch 1 dargelegt sind, angeordnet, um in der
Richtung senkrecht zueinander positioniert zu sein. Deshalb kann
die Verlagerungs-Detektionsoperation mit extrem hoher Empfindlichkeit
und hoher Auflösung durchgeführt werden.
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Weiter in Übereinstimmung mit der vorliegenden
Erfindung, die im Anspruch 3 dargelegt ist, besteht der Kernkörper, der
im Anspruch 1 dargelegt ist, aus einem Stück eines plattenförmigen Gliedes
und eine Fläche
des axialen Endkernteils in der Dickenrichtung ist dem Objekt, das
zu detektieren ist, gegenüberliegend. Deshalb
kann der Kernkörper
dünner
gemacht werden und eine weitere Miniaturisierung kann erzielt werden.
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Weiter in Übereinstimmung mit der vorliegenden
Erfindung, die im Anspruch 4 dargelegt ist, ist eine Breitenabmessung
des axialen Endkernteils, der im Anspruch 1 dargelegt ist, in der
Richtung senkrecht zu der axialen Richtung kleiner ausgebildet als
die Breitendimension des oben erwähnten zentralen Kernteils.
In Übereinstimmung
mit dem Verlagerungssensor, der im Anspruch 5 dargelegt ist, ist
die Breitenabmessung des axialen Endkernteils, das im Anspruch 4
dargelegt ist, so eingestellt, dass sie nicht mehr als die Hälfte der
Breitenabmessung des zentralen Kernteils ist.
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Wie oben beschrieben wurde, kann,
da der axiale Endkernteil, der so positioniert ist, dass er nahe
an dem Objekt ist, das zu detektieren ist, ausgebildet ist, schmäler zu sein,
die Stromeffizienz in dem axialen Endkernteil verbessert werden
und die Detektionsempfindlichkeit kann weiter verbessert werden,
indem mehr magnetischer Fluss erzeugt wird.
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Ebenso in Übereinstimmung mit der Verlagerungsmessvorrichtung,
die im Anspruch 6 dargelegt ist, werden eingreifende Flanschteile,
die jeweilig in der Breitenrichtung vorstehen, an jedem Grenzabschnitt
zwischen dem zentralen Kernteil und den axialen Endkernteilen vorgesehen,
die im Anspruch 4 dargelegt sind, und die Windungspositionen bzw.
Wicklungspositionen der Erregerspule und der Detektionsspule sind
bei einer spezifischen Position eingestellt bzw. reguliert, und
zwar durch den eingreifenden Flanschteil.
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Wie oben beschrieben wurde, wird,
wenn die Windungsposition bzw. Wicklungsposition einer jeden Spule
genau beschränkt
werden kann, indem das eingreifende Flanschteil bei der Grenzposition
zwischen dem zentralen Kernteil und dem axialen Endkernteil vorgesehen
wird, eine Phasenverschiebung oder eine Ausgangssignalverschiebung
reduziert und eine große
Variationsrate kann erzielt werden.
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Ebenso ist in Übereinstimmung mit der Verlagerungsmessvorrichtung,
die im Anspruch 7 dargelegt ist, ein Vergleichsmetallkörper angeordnet,
um so dem axialen Endkernteil an der gegenüberliegenden Seite des axialen
Endkernteils gegenüberzuliegen,
das dem Objekt, das zu detektieren ist, gegenüberliegt, wie im Anspruch 4
dargelegt.
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Wie oben beschrieben wurde, kann,
wenn der Unterschied zwischen dem Detektionsausgangssignal von dem
Objekt, das zu detektieren ist, und dem Detektionsausgangssignal
von dem Vergleichsmetallkörper als
die Quantität
bzw. der Umfang der Variation detektiert wird, die Startposition
in einem Detektionsbereich, der für das zu detektierende Objekt
erforderlich ist, auf eine „Null"-Ausgabe eingestellt
werden, und zwar durch Ändern
des Referenzabstandes zwischen dem Vergleichsmetallkörper und
dem axialen Endkernteil oder durch Ändern des Materials des Vergleichsmetallkörpers. Dementsprechend
wird eine große
Ausgangsvariation erzielt, um eine Detektionsgenauigkeit und Auflösung zu
verbessern, und um eine zufriedenstellende Linearität zu erzielen.
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Weiter beinhaltet bei der Verlagerungsmessvorrichtung,
die im Anspruch 8 dargelegt ist, die Erregerspule, die im Anspruch
1 dargelegt ist, ein Paar von Spulenwindungsabschnitten, die so
angeordnet sind, dass gegenüberliegende
Magnetfelder auf derselben Achse ausgebildet sind. Gemäß einem
derartigen Aufbau kann, da ein Ausgangssignal in einem differentiellen
Zustand, der durch das Paar von Erregerspulen ausgebildet wird,
erhalten wird, eine weitere genaue Detektion mit hoher Empfindlichkeit
erhalten werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine erläuternde
Seitenansicht, die einen schematischen Aufbau eines Verlagerungssensors zeigt,
der bei einer Verlagerungsmessvorrichtung verwendet wird, und zwar
für einen Motor
von Magnetschwebetyp, auf den die vorliegende Erfindung angewendet
wird.
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2 ist
eine erläuternde
perspektivische Erscheinungsansicht, die eine Kernstruktur des Verlagerungssensors
zeigt, der in 1 gezeigt
ist.
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3 ist
eine erläuternde
Frontansicht, die eine Anordnung des Verlagerungssensors in der
Verlagerungsmessvorrichtung für
den Motor vom Magnetschwebetyp zeigt, der in 1 und 2 gezeigt
ist.
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4 ist
ein Graph, der ein Detektionsausgangssignal des Verlagerungssensors
zeigt, der bei der Verlagerungsmessvorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung im Vergleich zu einem Detektionsausgangssignal eines herkömmlichen
Sensors verwendet wird.
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5 ist
eine erläuternde
schematische Draufsicht, die eine Anordnung des Verlagerungssensors
bei der Verlagerungsmessvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
zeigt.
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5(a) zeigt
einen Fall, dass ein Verlagerungssensor verwendet wird und 5(b) zeigt einen Fall, das
ein Paar von Verlagerungssensoren verwendet wird.
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6 ist
ein Graph, der Beispiele des Detektionsausgangssignals zeigt, das
durch den jeweiligen Aufbau erhalten wird, der in 5 gezeigt ist.
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7 ist
ein Blockdiagramm, das ein Beispiel einer Detektionsschaltung zeigt,
die für
die Verlagerungsdetektionsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
verwendet wird.
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8 ist
eine erläuternde
Seitenansicht, die einen schematischen Aufbau des Verlagerungssensors in Übereinstimmung
mit einer anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt.
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9 ist
ein Graph, der einen Einstellzustand bei dem Detektionsbereich des
Verlagerungssensors zeigt, der in 8 gezeigt
ist.
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10 ist
eine erläuternde
perspektivische Erscheinungsansicht, die andere Beispiele eines
kubisch geformten Kernkörpers
zeigt.
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10(a) zeigt
einen zylindrisch geformten Kernkörper und 10(b) zeigt einen quadratisch geformten
Kernkörper.
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11 ist
ein erläuterndes
Schaltungsdiagramm, das ein Beispiel einer parallelen Verbindung
der Erregerspulen zeigt.
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12 ist
eine erläuternde
Seitenansicht, die einen schematischen Aufbau eines herkömmlichen
Verlagerungssensors zeigt.
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13 ist
ein Graph, der ein Detektionsausgangssignal des herkömmlichen
Verlagerungssensors zeigt, der in 12 gezeigt
ist.
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14 ist
eine erläuternde
perspektivische Erscheinungsansicht, die einen schematischen Aufbau
eines herkömmlichen
Verlagerungssensors zeigt.
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Beste Art und Weise der Ausführung der
Erfindung
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Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung werden im Detail unten unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben.
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Eine Ausführungsform, die in 3 gezeigt ist, ist ein Beispiel,
bei dem die vorliegende Erfindung auf einen Motor vom Magnetschwebetyp
angewendet wird. Eine Beschreibung wird zuerst bezüglich einer Übersicht
eines Motors vom Magnetschwebetyp gegeben, bevor der Aufbau der
Verlagerungsmessvorrichtung, die in 3 gezeigt
ist, beschrieben wird. Beispielsweise werden, wie in der japanischen
ungeprüften
Patentveröffentlichung
Nr. Hei 6-269144 beschrieben ist, magnetische Pole, auf die einpolige
Wicklungen jeweilig angewendet werden, in einer peripheren Fläche eines
hohlen zylinderförmigen
Stators ausgebildet, der in einem Motorgehäuse montiert ist, und ein Rotor
mit einem Permanentmagneten ist mit einem vorgeschriebenen Spalt bezüglich der
inneren peripheren Fläche
des Stators angeordnet. Das rotierende Magnetfeld der Anzahl von Polen
von M±2
entlang der inneren peripheren Fläche des Stators wird durch
ein vorbestimmtes Steuermittel bezüglich der magnetischen Pole
von M-Polen erzeugt, die in dem Rotor vorgesehen sind, und zwar
in einer solchen Art und Weise, dass Schwebekräfte durch die Wechselwirkung
zwischen dem Rotationsmagnetfeld und dem permanenten Magneten des
Rotors erhalten werden. Das heißt,
ein elektrischer Strom zum Drehen des Rotors wird mit einem elektrischen
Strom zum Erzielen der Schwebekräfte überlagert
und diese Ströme werden
den Windungen bzw. Wicklungen des Stators zugeführt, um eine Rotation und ein
magnetisches Schweben des Rotors durchzuführen.
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Wie oben beschrieben wurde, wird
bei der Ausführungsform,
die in 3 gezeigt ist,
ein Rotationsschaft bzw. eine Rotationswelle 14 als das
Objekt verwendet, das zu detektieren ist, und vier Verlagerungssensoren 10a, 10b, 10c und 10d sind
so angeordnet, um den Rotationsschaft 14 als ihre Mitte
zu umgeben. Diese vier Verlagerungssensoren 10a, 10b, 10c und 10d sind
so angeordnet, um zwei Sensorsätze
Sx und Sy auszubilden, die jeweilig an zwei Achsen angeordnet sind,
die sich erstrecken, um senkrecht zueinander zu sein, und zwar bei
einer geometrischen Mittenposition „O" des Rotationsschafts 14, d.h.
sowohl auf der X-Achse als auf der Y-Achse. Ein Paar der Verlagerungssensoren 10a und 10b,
die das Sensor-Set Sx bilden, ist gegenüberliegend angeordnet, um so
den Rotationsschaft 14 ausgehend von beiden Seiten auf
der X-Achse mit einem geeigneten Spalt dazwischen zu bringen bzw.
dazwischen anzuordnen. Ebenso ist ein Paar von Verlagerungssensoren 10c und 10d,
die das andere Sensor-Set Sy bilden, gegenüberliegend angeordnet, um so den
Rotationsschaft 14 ausgehend von beiden Seiten auf der
Y-Achse mit einem geeigneten Spalt in der Vertikalrichtung in der
Zeichnung dazwischen anzuordnen bzw. dazwischen zu bringen.
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Jeder der Verlagerungssensoren 10(a,
b, c, d) ist in einer solchen Art und Weise aufgebaut, dass
eine Detektionsspule 12 um einen mittleren Kernteil 11a eines
Kernkörpers 11 gewickelt
bzw. gewunden ist, der aus einem Stück eines dünnen plattenförmigen Gliedes
ausgebildet ist, wie in 1 und 2 gezeigt ist. Ein Paar axialer
Endkernteile 11c und 11d, die integral mit dem
zentralen Kernteil 11a ausgebildet sind, ist jeweilig auf beiden
Seitenabschnitten des mittleren Kernteils 11a in der Vertikalrichtung
in der Zeichnung via bzw. verbunden durch Eingriffsflanschteile
11b vorgesehen. Erregerspulen 13c und 13d sind
jeweilig um das Paar von axialen Endkernteilen 11c und 11d gewickelt.
In 1 und 2 ist nur der Verlagerungssensor 10d,
der direkt unterhalb des Rotationsschafts 14 der vier Verlagerungssensoren 10a, 10b, 10c und 10d angeordnet
ist, beschrieben, aber andere Verlagerungssensoren 10a, 10b und 10c sind
jeweilig ausgebildet, um so vollständig ähnlich mit dem Verlagerungssensor 10d zu
sein, und somit wird ihre Beschreibung weggelassen.
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Mit anderen Worten ist der axiale
Endkernteil 11c, der an der oberen Seite in der Zeichnung
des Paars axialer Endkernteile 11c und 11d angeordnet
ist, die in dem Verlagerungssensor 10 vorgesehen sind,
angeordnet, um dem Rotationsschaft 14 gegenüberzuliegen,
der aus einem Metallglied oder magnetischen Körper besteht. Eine Richtung
der Achse CO (vertikale Richtung in der Zeichnung), die die Richtung
von dem axialen Endkernteil 11c zu dem axialen Endkernteil
11d durch den zentralen Kernteil 11a ist, wird eingestellt,
um durch die Y-Achse (oder X-Achse) hindurch zu gelangen, d.h. eine
Achse des Rotationsschafts bzw. der Rotationswelle 14.
Mit anderen Worten werden, wenn der Rotationsschaft 14 entlang
der Y-Achsen-Richtung oder X-Achsen-Richtung hin- und herbewegt
wird, d.h. entlang der Richtung der Achse CO bezüglich des axialen Endkernteils 11c, die
axialen Endkernteile 11c und der Rotationsschaft bzw. die
Rotationswelle 14 so angeordnet, um einander angenähert zu
werden bzw. voneinander getrennt zu werden, während sie einander gegenüberliegend
sind. Das heißt
die Position des Rotationsschafts bzw. der Rotationswelle 14 wird
durch den Verlagerungssensor 10 detektiert. Der Verlagerungssensor 10 kann
in einer solchen Art und Weise angeordnet sein, dass der Verlagerungssensor 10 bezüglich eines
festen Rotationsschafts bzw. einer festen Rotationswelle 14 beweglich
ist.
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Genauer wird der zentrale Kernteil 11a des
Verlagerungssensors 10, der oben beschrieben wurde, in einem
nahezu zentralen Abschnitt des Verlagerungssensors 10 in
einer Erstreckungsrichtung der Achse CO (vertikalen Richtung in
der Zeichnung) ausgebildet. Die Breitenabmessung des zentralen Kernteils 11a,
d.h. die Breitenabmessung W3 in der Richtung senkrecht zu der Richtung
der Achse CO (horizontale Richtung in der Zeichnung) ist relativ
breiter ausgebildet. Im Gegensatz dazu werden die jeweiligen Breitenabmessungen W2
der beiden axialen Endkernteile 11c und 11d eingestellt,
enger bzw. schmäler
zu sein, als die Breitenabmessung W3 des zentralen Kernteils 11a (W2 < W3). Insbesondere
werden bei der vorliegenden Ausführungsform
die jeweiligen Breitenmessungen W2 der beiden axialen Endkernteile 11c und 11d ausgebildet,
nicht mehr als die Hälfte
von W3 zu sein, d.h. der Breite des zentralen Kernteils (W2 ≤ W3/2).
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Ebenso besteht ein Paar von Erregerspulen 13c und 13d,
die sowohl um den axialen Endkernteil 11c als auch 11d gewickelt
sind, aus einem einstückig
verbundenen seriellen Spulenglied. In jeder Spule des Paars von
Erregerspulen 13c und 13d sind die jeweiligen
inneren Endabschnitte, die um die Wurzelabschnitte der beiden axialen
Endkernteile 11c und 11d gewickelt sind, einstückig durch
einen Kreuz-Draht in einem seriellen Zustand verbunden. Auf der
anderen Seite sind die jeweiligen Leitungsabschnitte 13f und 13g,
die von der jeweiligen Spitzenendseite der beiden axialen Endkernteile 11c und 11d herausgezogen
werden, jeweilig mit beiden Anschlussenden einer Wechselstrom-Leistungsquelle 15 verbunden.
Eine Sinuswelle einer Rechteckwelle, die von der Wechselstrom-Leistungsquelle 15 erzeugt
wird, auf die jeweiligen Spulenwicklungsabschnitte beider axialer
Endkernteile 11c und 11d angewendet, um so entgegengesetzte
Magnetfelder ϕ1 und ϕ2 in Gegenrichtungen auf
derselben Achse CO auszubilden.
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Die Eingriffs-Flanschteile 11b und 11b sind
jeweilig an jeweiligen Grenzabschnitten zwischen dem zentralen Kernteil 11a und
dem Paar axialer Endkernteile 11c und 11d vorgesehen.
Jeder der Eingriffsflanschteile 11b ist in einer vorstehenden
Gestalt ausgebildet, die in einer Breitenrichtung vorsteht, die
im Wesentlichen senkrecht zu der Richtung der Achse CO (Richtung
der X-Achse oder Y-Achse) ist. Die jeweiligen Eingriffsflanschteile 11b sind
in einer Gestalt ausgebildet, und zwar als ein Glied, das zwischen
dem zentralen Kernteil 11a und jeden der axialen Endkernteile 11c und 11d unterteilt.
Dementsprechend sind die jeweiligen Wicklungspositionen der oben
erwähnten
Erregerspulen 13c und 13d und der Detektionsspule 12 durch
die Eingriffsflanschteile 11b und 11b in einem
getrennten Zustand zueinander positioniert.
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Bei dem Verlagerungssensor 10 in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung mit einer derartigen Struktur ist
die Detektionsausgabe, die von der Detektionsspule 12 vorgesehen
ist, von dem Magnetfeld abhängig,
das zu der Summe der gegenüberliegenden
Magnetfelder ϕ1 und ϕ2 in entgegengesetzten Richtungen äquivälent ist,
die durch das Paar von Erregerspulen 13c und 13d erzeugt
werden. Dementsprechend sind, wenn der Rotationsschaft bzw. die
Rotationswelle 14 an einem entfernten Platz positioniert
ist, und zwar ausreichend weg von dem Verlagerungssensor 10,
die jeweiligen absoluten Werte der entgegengesetzten Magnetfelder ϕ1
und ϕ2 in den entgegengesetzten Richtungen einander gleich
(|ϕ1| = |ϕ2|) und somit ist das Ausgangssignal
von der Detektionsspule 12 „Null" . Auf der anderen Seite, wenn der Verlagerungssensor
10 und der
Rotationsschaft bzw. die Rotationswelle 14 sich einander
annähern,
variiert ein Wirbelstrom, der in dem Rotationsschaft 14 erzeugt
wird, in Übereinstimmung
mit der Variation des Abstandes zwischen dem Verlagerungssensor 10 und
dem Rotationsschaft 14. Infolge dessen wird die Balance
bzw. der Ausgleich der entgegengesetzten Magnetfelder ϕ1
und ϕ2 in den Gegenrichtungen verloren und beispielsweise
wird das Magnetfeld ϕ2 größer, wenn das Magnetfeld ϕ1
größer wird.
Das differentielle Ausgangssignal wird von der Detektionsspule 12 auf
der Grundlage des magnetischen Feldes erhalten, das der Differenz
(|ϕ1| – |ϕ2|)
der Absolutwerte der entgegengesetzten Magnetfelder ϕ1
und ϕ2 zu jener Zeit entspricht.
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Ein Ausgangssignal wird durch einen
differentiellen Zustand erhalten und das Ausgangssignal wird beispielsweise
durch den folgenden Ausdruck ausgedrückt.
Ausgangssignal =
(dϕ1/dt) – (dϕ2/dt)
wobei
ϕ1
= Asinωt
ϕ2
= Bsinωt
(selbe
Phase)
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Bei dem Verlagerungssensor 10 mit
dem Aufbau, der oben beschrieben wurde, sind die Erregerspulen 13c und 13d und
die Detektionsspule 12 diskret angeordnet. Weiter wird
die Detektion auf der Grundlage der Balance des Paars von Erregerspulen 13c und 13d durchgeführt. Deshalb
wird der Umfang der Variation des Magnetflusses direkt gemessen
und zwar ungeachtet der Impedanz durch die Gleichstrom-Widerstandskomponente
usw. Dementsprechend kann ein Ausgangssignal mit zufriedenstellender
Linearität
und hoher Empfindlichkeit erhalten werden, während der Kernkörper 11 dünner und
kleiner Größe verwendet wird.
Weiter kann die stabile Detektionsoperation erhalten werden, und
zwar ungeachtet der Umgebungstemperaturvariation mit der günstigen
Schaltung, ohne eine teure Konstantenstromschaltung zu verwenden.
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Ebenso wird bei der vorliegenden
Erfindung die Stromeffizienz in den axialen Endkernteilen 11c und 11d verbessert,
indem die Breite des axialen Endkernteils 11c, das in der
Nachbarschaft des Rotationsschafts 14 platziert ist, und
des axialen Endkernteils 11d ausgebildet wird, schmäler zu sein.
Da dadurch der magnetische Fluss noch mehr erzeugt wird, wird der
detektierte Umfang der Variation, d.h. die Empfindlichkeit weiter verbessert.
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Weiter werden bei dem Verlagerungssensor 10 in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung die Eingriffsflanschteile 11b an
den Grenzabschnitten zwischen dem Kernteil 11a und den
Kernteilen 11c und 11d vorgesehen. Deshalb können die
Wicklungspositionen der jeweiligen Spulen 12, 13c und 13d genau
bestimmt werden und somit wird eine Phasenverschiebung oder eine
Ausgangssignalverschiebung reduziert und eine große Variationsrate
kann erzielt werden.
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Ebenso wird bei dem Verlagerungssensor 10 in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung die Ausgangsbalance zwischen dem
Paar von Erregerspulen 13c und 13d so eingestellt,
dass sie in dem differentiellen Zustand ist und somit kann eine
genauere Detektion mit einer höheren
Empfindlichkeit erhalten werden. Zusätzlich ist die Temperaturcharakteristik
ebenso aufgrund des differentiellen Aufbaus zufriedenstellend.
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Beispielsweise wird der Verlagerungssensor 10 in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung, bei dem die Anzahl der Windungen
bzw. Turns der jeweiligen Erregerspulen 13c und 13d auf
20T eingestellt werden, die Anzahl der Windungen bzw. Turns der
Detektionsspule 12 auf 40T eingestellt werden, die Erregerfrequenz
auf 1 MHz eingestellt wird und der Erregerstrom auf 20 mApp (0,65
V) eingestellt wird, mit einem herkömmlichen Sensor verglichen.
Die Vergleichsergebnisse sind in 4 gezeigt.
In 4 wird, wenn das Ausgangssignal
von der Detektionsspule 12 auf „1" eingestellt wird, in dem Fall, dass
der Rotationsschaft bzw. die Rotationswelle 14 sich in
einer ausreichend weit entfernten Position befindet, die Ausgangsvariationsrate (vertikale
Skala in 4; %) bezüglich des
Abstands zwischen dem Rotationsschaft 14 und dem Verlagerungssensor 10 (horizontale
Skala in 4; mm) gezeigt.
Der herkömmliche
Verlagerungssensor (Linie „A" in 4) erhält den Umfang der Variation
mit nur ungefähr
10–20%
. Im Gegensatz hierzu erhält
der Verlagerungssensor 10 (Linie „B" in 4)
in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung den Umfang der Variation mit 900–950%, was
viel größer ist,
als der herkömmliche
Sensor.
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Weiter sind bei der vorliegenden
Ausführungsform
die Verlagerungssensoren 10 mit einem derartigen Aufbau
in einem Paar für
jede der zwei Achsen X und Y jeweilig angeordnet und somit kann
eine noch höhere Auflösung und
eine zufriedenstellende Linearität
erzielt werden. Beispielsweise werden die Struktur, die den einzelnen
Verlagerungssensor 10 verwendet, wie in 5(a) gezeigt ist und die Struktur, die
das Paar von Verlagerungssensoren 10 und 10 verwendet,
wie in 5(b) gezeigt
ist, tatsächlich
verglichen, um die Ergebnisse zu erhalten, die in 6 gezeigt sind.
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Das heißt, wenn der einzelne Verlagerungssensor 10 verwendet
wird, wie in 5(a) gezeigt
ist, ist das Verhältnis
des Ausgangssignals, das von dem einzigen Verlagerungssensor 10 (vertikale
Skala) erhalten wird, bezüglich
des Abstands zwischen dem Verlagerungssensor 10 und dem
Rotationsschaft 14 (horizontale Skala; gegenüberliegend
FS) invers proportional und wird in einer hohlen konkaven Form ausgedrückt, wie durch
die Linie ➀ in 6 ausgedrückt ist.
Auf der anderen Seite, wenn das Paar von Verlagerungssensoren 10 und 10 verwendet
wird, wie in 5(b) gezeigt
ist, wird eine nahezu lineare Beziehung erhalten, wie durch die
Linien ➁ bis ➄ in 6 gezeigt
ist. Insbesondere, wenn der Abstand (gegenüberliegend FS) zwischen dem Verlagerungssensor 10 und
dem Rotationsschaft 14 so eingestellt wird, dass er nicht
mehr als 1/2 (FS/2) von jenem in dem Fall ist, der den einzigen
Verlagerungssensor 10 verwendet, wird die extrem zufriedenstellende Linearität erhalten,
wie durch die Linie ➃ oder ➄ gezeigt ist.
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Die jeweiligen Auflösungen sind
in der folgenden Tabelle gezeigt.
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Weiter wird bei der vorliegenden
Ausführungsform
das Detektionsausgangssignal, das von dem Verlagerungssensor 10a (10c)
erhalten wird, so gestaltet, um ein differentielles Ausgangssignal
mit dem Detektionsausgang zu erzeugen, der von dem Verlagerungssensor 10b (10d)
erhalten wird, der auf der gegenüberliegenden
Seite bezüglich
des Rotationsschafts 14 angeordnet ist, indem eine geeignete
Schaltung verwendet wird. Das heißt, eine Detektionsschaltung,
wie zum Beispiel in 7 gezeigt
ist, wird jeweilig für
zwei Sensor-Sets Sx und Sy installiert, die oben beschrieben wurden
(siehe 3). Die jeweiligen
differentiellen Ausgangssignale des Paars von Verlagerungssensoren 10a und 10b und
des Paars von Verlagerungssensoren 10c und 10d,
die jeweilig in den Sensor-Sets Sx und Sy vorgesehen sind, werden
durch Komparatoren bzw. Vergleicher 16 erzielt. Der jeweilige
Verlagerungsumfang des Rotationsschafts 14 in den jeweiligen
Richtungen der X-Achse und der Y-Achse können auf der Grundlage der
differentiellen Ausgangssignale von den jeweiligen Sensor-Sets Sx
und Sy erhalten werden, und zwar mit einer noch höheren Genauigkeit
und Schnelligkeit.
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Wie oben beschrieben wurde, kann
bei der vorliegenden Ausführungsform,
da zwei Sensor-Sets, die jeweilig das Paar der Verlagerungssensoren 10 haben,
angeordnet sind, die Detektionsoperation der Verlagerung des Rotationsschafts 14 mit
einer extrem hohen Genauigkeit und Auflösung durchgeführt werden.
Ebenso wird der Variationsumfang aufgrund der Temperaturcharakteristik
der Schaltung auf 1/10 von jener bei dem herkömmlichen Sensor in dem Bereich
von 10°C
bis 40°C
reduziert.
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Bei der Ausführungsform, die in 8 gezeigt ist, bei der dieselben
Bezeichnungssymbole für
dieselben strukturellen Glieder wie jene bei der oben erwähnten Ausführungsform
gegeben sind, ist das axiale Endkernteil 11c, das an der
oberen Seite in der Zeichnung des Paars der axialen Endkernteile 11c und 11d angeordnet
ist, so angeordnet, um dem Rotationsschaft 14 gegenüber zu liegen,
der aus einem metallischen Glied oder einem magnetischen Material
hergestellt ist. Weiter ist der andere axiale Endkernteil 11d,
der auf der unteren Seite in der Zeichnung angeordnet ist, so angeordnet,
um einem Vergleichs-Metallkörper 20 gegenüber zu liegen.
Der Vergleichsmetallkörper 20 ist
aus demselben Material wie der Rotationsschaft 14, ein
Material mit nahezu derselben Leitfähigkeit, wie der Rotationsschaft 14 (nicht
magnetisches Material, wenn Rotationsschaft 14 ein nicht-magnetisches
Material ist), oder ein Material mit nahezu derselben Permeabilität wie der Rotationsschaft 14 (magnetisches
Material, wenn der Rotationsschaft 14 ein magnetisches
Material ist). Wenn beispielsweise der Rotationsschaft 14 aus
Aluminiummaterial, Kupfer, Ferrit, Permalloy usw. hergestellt ist, wird
dasselbe Material wie Aluminium, Kupfer, Ferrit oder Permalloy für den Vergleichsmetallkörper 20 verwendet
oder Kombinationen der magnetischen Materialien oder nicht-magnetischen
Materialien werden verwendet.
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Wenn der oben erwähnte Rotationsschaft 14 sich
in die obere oder untere Richtung in der Zeichnung bezüglich des
Verlagerungssensors 10 bewegt, wird der axiale Endkernteil 11c dem
jeweiligen Rotationsschaft 14 angenähert oder davon getrennt und
der Abstand L1 zwischen dem axialen Endkernteil 11c und
dem Rotationsschaft 14 variiert. Zu dieser Zeit wird der
axiale Endkernteil 11d aufgebaut, um eine vorgeschriebene Position
bezüglich
des Vergleichsmetallkörpers 20 aufrecht
zu erhalten, ohne den Abstand L2 zu variieren.
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Dementsprechend ist die Position,
wo das Ausgangssignal von der Detektionsspule 12 „Null" wird, die Position,
wo der Abstand L2 zwischen dem Vergleichskörper 20 und dem axialen
Endkernteil 11d gleich dem Abstand L1 zwischen dem axialen
Endkernteil 11c und dem Rotationsschaft 14 ist. Deshalb
kann eine größere Variation
des Detektionsausgangssignals abgegriffen bzw. entnommen werden,
und die zufriedenstellende Linearität kann erzielt werden, wenn
der Abstand L1 zwischen dem axialen Endkernteil 11c und dem Rotationsschaft 14 so
eingestellt wird, dass er innerhalb eines Bereichs variiert, der
gleich oder kleiner als der Abstand L2 zwischen dem Vergleichsmetallkörper 20 und
dem axialen Endkernteil 11d ist (0 < L1 ≤ L2).
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Entsprechend dem Verlagerungssensor
in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Ausführungsform, wie
oben beschrieben wurde, wird die Differenz zwischen dem Detektionsausgangssignal
seitens des Rotationsschafts 14 und dem Detektionsausgangssignal
seitens des Vergleichsmetallkörpers 20 als
der Variationsumfang detektiert. Deshalb kann durch Ändern des
Abstandes L2 zwischen dem Vergleichsmetallkörper 20 und dem axialen
Endkernteil 11c oder durch Ändern des Materials des Vergleichsmetallkörpers 20,
die Position L2 in der Zeichnung in 9,
wo das Ausgangssignal von der Detektionsspule 12 „0" wird, beliebig geändert werden,
um den erforderlichen Detektionsbereich innerhalb des Rotationsschafts 14 zu ändern, der
zwischen dem Symbol „0" und „L2" in 9 gezeigt ist. Folglich kann die Detektionspräzision und
Auflösung
verbessert werden und die verbesserte Linearität kann mittels des Erzielens
des großen
Umfangs der Ausgangsvariation erhalten werden.
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Bei der oben erwähnten Ausführungsform sind die Spulen 13c und 13d auf
beiden Seiten der Detektionsspule 12 angeordnet, die bei
dem zentralen Abschnitt positioniert ist. Jedoch können im
Gegensatz dazu Detektionsspulen auf beiden Seiten einer Erregerspule
angeordnet sein, die bei dem zentralen Abschnitt vorgesehen ist.
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Weiter wird bei der oben erwähnten Ausführungsform
die Breitenabmessung des axialen Endkernteils 11c so eingestellt,
dass sie kleiner als die Breitenabmessung des zentralen Kernteils 11a (W2 < W3) ist. Jedoch
können
beide Breitenabmessungen einander gleich sein oder das inverse Verhältnis zu
der obigen Ausführungsform
kann für
die Breitenabmessungen angenommen werden. Die abgeschnittenen Teile
bei einer konkaven Gestalt sind an dem Abschnitt vorgesehen, wo
die Detektionsspule 12 herumgewickelt ist, in dem zentralen
Kernteil 11a des Kernkörpers 11 bei
der oben erwähnten
Ausführungsform.
Jedoch kann der zentrale Kernteil 11a des Kernkörpers 11 in
einer einfachen rechteckigen Gestalt ausgebildet sein, und zwar
ohne derartige abgeschnittene Teile.
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Weiter wird bei der oben erwähnten Ausführungsform
ein Teil des dünnen
Plattenglieds als Kernteil verwendet. Jedoch können Kernkörper 11' und 11' bei einer kubischen Gestalt, wie
in 10(a) und 10(b) gezeigt ist, ähnlich verwendet
werden. Ebenso können
in diesem Fall der zentrale Abschnitt des Kernkörpers in der Axialrichtung
einer einfachen Gestalt ausgebildet sein, ohne einen abgeschnittenen
Ausnehme-Teil bzw. Vertiefungs-Teil 11'a oder 11"a auszubilden.
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Zusätzlich ist das Paar von Erregerspulen 13c und 13d bei
der oben erwähnten
Ausführungsform
einstückig
bzw. integral in einem seriellen Zustand verbunden. Jedoch können diese
jeweiligen Erregerspulen 13c und 13d in einem
parallelen Zustand bezüglich
einer Wechselstrom-Leistungsquelle 15 angeschlossen sein, um
die entgegengesetzten Magnetfelder zu erzeugen, wie beispielsweise
in 11 gezeigt ist.
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Weiter können bei der oben erwähnten Ausführungsform,
obwohl zwei Sensor-Sets,
die jeweilig das Paar von Verlagerungssensoren haben, vorgesehen
sind, drei oder mehr Sensor-Sets vorgesehen sein.
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Industrielle Anwendbarkeit
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Wie oben beschrieben wurde, ist die
Verlagerungsmessvorrichtung in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung wirksam, um in dem Fall beispielsweise
verwendet zu werden, dass das Objekt bzw. der Gegenstand, der zu
detektieren ist, ein Rotationsschaft bzw. eine Rotationswelle eines
Motors vom Magnetschwebetyp ist. Jedoch ist die vorliegende Erfindung
nicht auf die oben erwähnten
Ausführungsformen
beschränkt,
es wird klar sein, dass viele Modifikationen gemacht werden können, ohne
von dem Geist davon abzuweichen. Beispielsweise können verschiedene
Typen von Objekten bzw. Gegenständen,
wie zum Beispiel Münzen
als das zu detektierende Objekt verwendet werden.
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Zusammenfassung
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Die Erregerspulen 13c und 13d und
die Detektionsspule 12 sind diskret angeordnet. Die Verlagerungssensoren 10a bis 10d,
die jeweilig in einer solchen Art und Weise aufgebaut sind, dass
die Detektion auf der Grundlage der Balance zwischen den Erregerspulen 13c und 13d durchgeführt wird,
um die verbliebene Variation mit zufriedenstellender Linearität und hoher
Empfindlichkeit zu erzielen, bei der die Impedanz aufgrund der Gleichstrom-Widerstandskomponente
oder dergleichen gelöscht
wird und entfernt wird, während
der Kernkörper 11 kleiner
Größe verwendet
wird, werden so angeordnet, um das zu detektierende Objekt 14 dazwischen
anzuordnen, wie zum Beispiel dass der Rotationsschaft zwischen ihnen
ist. Deshalb kann eine stabile Detektionsoperation mit einer günstigen
Schaltung realisiert werden, und zwar ungeachtet der Variation der
Umgebungstemperatur, ohne die herkömmliche Konstantstrom-Schaltung
zu verwenden. Das stabile Detektionsergebnis kann mit dem einfachen
Aufbau und der zufriedenstellenden Detektionsempfindlichkeit erzielt werden.
