JP2000180108A - 位置検出器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 検出距離に対して全長、及び径方向の大きさ
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）の内径部に、コイル（１）に平
行に磁性体（２）を挿入したとき、磁性体（２）の挿入
距離に応じてコイル（１）のインダクタンスが変化する
ことに着目し、このインダクタンスを測定することで直
線距離を検出する位置検出器において、直列に接続され
たコイル（１）と抵抗（３）に一定周期の矩形電圧を印
加し、コイル（１）のインダクタンスと抵抗（３）の関
係で一義的に発生する電圧の過渡応答を観測し、ある一
定の電圧値を越えるまでの時間を磁性体（２）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）、
及び磁性体（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
部に磁性体（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性体
（１２）に磁束を集中させる。その結果、検出コイル
（１０）（１１）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
されているので磁性体（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。磁性体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
わたって磁性体（１２）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（１０）（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とする
ため、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（１３）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。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、１個のコイルと１個の磁性
体により構成される変位検出部、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る。

【０００７】また、上記変位検出部に用いる磁性体は、
鉄、アモルファス、ニッケル、フェライト、磁性ステン
レス等の磁性材料を棒状にして被位置検出物に接触、接
合、または一体として被位置検出物の変位と等しい変位
となるように構成される。

【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】上記抵抗は、発振器の出力に対して、コイ
ルと直列に接続されたものである。

【００１０】上記比較器は、コイルの両端、または抵抗
の両端の電圧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。

【００１１】上記出力変換部は、コイルに挿入された磁
性体の変位に比例した電圧、または電流を出力したり、
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。

【００１２】また、上記コイルは、コイルに挿入された
磁性体の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。

【００１３】また、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
係数の小さい合金により製作された導電線を利用するこ
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。

【００１４】さらに、上記コイルは、磁性体により製作
された円筒状のカバー内に配置し、外部の磁界による出
力の変動を最小にすることが必要である。

【００１５】

【作用】上記のように構成された位置検出器において、
直列に接続されたコイルと抵抗に、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、及び抵抗を流れる電流は、
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に実線で示すように数２の関
係を示す。また抵抗の両端の電圧は、図７に破線で示す
ように数３の関係を示す。

【００１６】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、コイルの両端の電圧でも、抵抗の両端の電圧
でも同じ値を示す。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。

【００１７】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し、コイルに
作用する磁束鎖交数は、コイルに磁性体を挿入し磁束を
その磁性体に集中させることにより増加する。従って、
コイル内の磁性体の変位量とコイル両端、および抵抗両
端の電圧変化の時定数の関係は、図８に示すようにな
る。

【００１８】また、図９は、コイルの全長を外径に対し
十分長くした場合の磁性体の変位量と時定数の関係を示
す。このように、コイルのインダクタンスを磁性体を挿
入して変化させるときは、コイル端の影響を少なくする
ためにコイルの全長を外径に対して十分長くすることが
必要である。

【００１９】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、あ
る一定の電圧値となるまでの時間であれば、時定数と同
様に扱うことが可能であり、インダクタンスの変化を観
測することができる。

【００２０】

【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、変位検出部（５）は、図１０のように、
非磁性材料で製作されたボビン（２１）に絶縁皮膜付き
導電線を巻き付けたコイル（１８）と、その外側部、及
び両端部に磁性体で製作された円筒状のカバー（２０）
を配置し、これらの内部に被位置検出物に接触、接合、
または一体化された磁性体（１９）がコイル（１８）に
平行に挿入されることにより構成される。

【００２１】図１において、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、直
列に接続されたコイル（１）と抵抗（３）とに入力す
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。その状態は、図７の実線で示される。
比較器（７）では、ある一定の電圧のしきい値を保持し
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、電流、または電圧
を出力する。

【００２２】また、比較器（７）において、抵抗（３）
の両端の電圧を観測すると、図７の破線で示されるよう
な波形を示し、この場合は、電圧の立ち上がりが、ある
一定のしきい値を越えたかどうかを判定することによ
り、上記と同様の結果を得ることができる。

【００２３】また、図１で示される出力変換部（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。図１の比較器（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に使用
する導電線の材質に銅ニッケル合金、銅ニッケルマンガ
ン合金、および銅に比較して抵抗温度係数の小さい合金
を利用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変化を最小に抑えることが
でき、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９に、コイルの全長を外径に対し
十分長くしたコイルの場合の磁性体の変位と時定数の関
係を示す。コイル端の影響を少なくするためにコイルの
全長を外径に対して十分長くすることにより直線性を向
上させることができる。

【００２７】

【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。

【００２８】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。

【００２９】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。

【００３０】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、および
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。

【００３１】コイルを円筒状の磁性材料によりカバーす
ることにより外部磁界の影響を最小にすることが可能と
なり、外部磁界による出力値の変動を最小にできる。

【００３２】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】位置検出器の回路図である。

【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と抵抗に入力する電圧
（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と抵抗に流れる電流（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）、及び抵抗
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）と時定数（ｓｅ
ｃ）の関係を示すグラフである。

【図９】位置検出器の変位量（ｍｍ）と時定数（ｓｅ
ｃ）の関係を示すグラフである。

【図１０】変位検出部の断面である。

【符号の説明】

１、１８ コイル ２、１９ 磁性体 ３ 抵抗 ４、２０ カバー 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 磁性体 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 磁性体 ２１ ボビン

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 コイル（１）の内径部に、コイル（１）
   に平行に磁性体（２）を挿入したとき、磁性体（２）の
   挿入距離に応じてコイル（１）のインダクタンスが変化
   することに着目し、このインダクタンスを測定すること
   で直線距離を検出する位置検出器において、直列に接続
   されたコイル（１）と抵抗（３）に一定周期の矩形電圧
   を印加し、コイル（１）のインダクタンスと抵抗（３）
   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磁性体（２）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の長さが長い円筒状
   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。
4. 【請求項４】 磁性体により円筒状に製作されたカバー
   （４）内にコイル（１）を配置した請求項１記載の位置
   検出器。