JP2000213956A - 差動変圧器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 差動変圧器の磁芯と駆動軸との結合強度を増
大させる。 【課題手段】 差動変圧器の可動磁芯２４が、磁芯２５
に該磁芯を駆動するための駆動軸２６を摩擦圧接により
突合わせ結合して構成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、差動変圧器に関す
るものであり、特に可動磁芯として、磁芯にこれを駆動
するための非磁性体材料の駆動軸を摩擦圧接により突合
わせ結合して構成された駆動軸付き磁芯を使用した差動
変圧器に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】差動変圧器は磁芯の変位量に応じて１対
の２次コイルに誘起した電圧の差を取出し、この差電圧
から上記測定すべき変位量を検出あるいは制御するため
に使用される。この差動変圧器は、激しい振動あるいは
往復運動を伴う例えばプレス機械や採石機械等における
位置の測定、制御に使用されることもあれば、高度の信
頼性が要求される発電プラント、化学プラントあるいは
航空機の位置制御機用センサーとして使用されることも
ある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】図２（ａ）は、差動変
圧器の磁芯と、これを駆動するための駆動軸とを結合す
るための従来の一結合方法を示したもので、パーマロイ
（商品名）のようなニッケル基磁性体からなる磁芯１に
雌ねじを切り、ステンレス鋼のような非磁性体の駆動軸
２の上記磁芯１に結合される側の一端部を小径にしてそ
の部分に雄ねじを切り、駆動軸２のネジ部３を磁芯１に
ネジ込むことにより両者を結合したものである。図２
（ｂ）は、磁芯と駆動軸とを結合する従来の他の結合方
法を示すもので、同様にパーマロイ（商品名）のような
ニッケル基磁性体からなる磁芯６に貫通孔９を形成し、
ステンレス鋼のような非磁性体の駆動軸７の結合部８を
上記貫通孔９を貫通するように小径に加工してその先端
１０に雄ネジを形成し、上記結合部８を磁芯６の貫通孔
９に挿入して先端１０にナット１１を螺合することによ
り、上記磁芯６と駆動軸７とを結合したものである。

【０００４】ところで、断面が円形の所謂丸棒の場合、
曲げ応力σはモーメントＭに比例し、断面係数Ｚに反比
例する。なわわち、 σ＝ｋ・Ｍ／Ｚ で表わされる。 ここで、ｋ：比例定数 Ｍ：結合面の曲げモーメント Ｚ：断面係数で、丸棒の場合、その直径をｄとすると、
πｄ³ ／３２になる。

【０００５】図２（ａ）に示すネジによる結合で、磁芯
１および駆動軸２の直径を例えば６ｍｍ、ネジ部３の呼
び径をＭ４、谷部の直径を３．２ｍｍとした場合、上記
の断面係数Ｚは、磁芯１および駆動軸２の本来の断面係
数の（３．２／６）³ 倍、すなわち約０．１５倍にな
る。このため、上記ネジ谷部の曲げ応力σは断面係数Ｚ
に反比例することから約６．７倍に増大し、上記ネジ谷
部の強度が著しく低下する。またネジ切り加工により磁
芯１の磁気特性が変化するため、ネジ切り加工後に磁気
特性の変化を補償するための焼鈍を行う必要があるが、
焼鈍により機械的強度、特に硬度および引張り強さが焼
鈍前の６０乃至７０％に低下する。このため、図２
（ａ）に示した従来の結合方法による駆動軸付き磁芯を
使用した差動変圧器を激しい振動や往復運動を伴う各種
の計測装置や制御装置のセンサーとして使用すると、ネ
ジ部３の結合端部４近くの特にネジの谷部で簡単に折損
する可能性がある。

【０００６】図２（ａ）に示す磁芯１と駆動軸２とのネ
ジ結合において、両者の結合端部４に有機接着剤を塗布
することも行われたが、これは専らネジ結合の緩み止め
を目的としたもので、強度の向上は望めない。上記ネジ
結合に加えて結合部４に銀ロウ等による硬ロウ付けを併
用する方法も採られたが、硬ロウ付けを行った場合の結
合強度はネジ結合のみの場合の１．５乃至２倍程度しか
増大せず、特に軸に直角方向の振動や衝撃に対して弱
い。上記結合端部４に硬ロウ付けの代わりにアルゴン溶
接を施すと、かなりの結合強度が得られるが、溶接時の
高熱により上記結合端部４から周囲に溶解が拡がり、磁
芯２の形状、磁気特性の変化が大きく、差動変圧器全体
の電気的特性が大きく変化し、ばらつきも大きくなり、
実用上問題があった。

【０００７】図２（ｂ）に示す従来の他の結合方法にお
いても、図２（ａ）の結合方法と同様な問題がある。図
２（ｂ）に示す結合方法において、磁芯６および駆動軸
７の直径を６ｍｍとし、小径の結合部８の直径を４ｍｍ
とした場合、上記小径の結合部８の断面係数Ｚは、磁芯
６および駆動軸７の本来の断面係数の（４／６）³ 倍、
すなわち約０．３倍になる。このため、結合部１２の曲
げ応力σは断面係数Ｚに反比例して約３．３倍になる。
また磁芯６に貫通孔９を形成した後の焼鈍処理により機
械的強度、特に硬度および引張り強さが焼鈍前の６０乃
至７０％に低下し、結合端部１２のコーナー部１３の強
度が著しく低下して、この部分で折損し易いという問題
がある。結合端部１２に有機接着剤を塗布する方法、結
合端部１２に硬ロウ付けを施す方法を併用しても、十分
な結合強度が得られず、さらに結合端部１２にアルゴン
溶接を施す方法を適用すると、結合部の結合強度は増大
するが、溶接時の高熱により磁芯２の形状、磁気特性が
大きく変化して初期の電気的特性を得ることができない
という問題があった。

【０００８】磁芯と駆動軸とを結合する従来のさらに他
の方法として、ネジ結合を使用せずに、磁芯と駆動軸と
を直接銀ロウのような硬ロウで突合わせ結合する方法、
ＴＩＧ溶接（ガスシールド非消耗電極式アーク溶接）、
ＭＩＧ（不活性ガスシールド消耗電極式アーク溶接）等
により突合わせ結合する方法も試みられたが、前者の硬
ロウを使用する方法では、硬ロウとして磁芯母材よりも
低溶融点のものを使用する必要があり、結合強度が弱
く、激しい振動や往復運動、あるいは軸に直行する方向
の加重に対して弱いという問題があった。後者の溶接に
よる方法は、図２（ａ）、（ｂ）の結合方法で溶接を併
用した場合と同様に、溶接時の高熱により結合面から周
辺に磁芯の溶解が拡がり、磁芯および駆動軸の形状変化
が大きく、磁芯の磁気特性、差動変圧器の電気的特性も
大きく変化するため、実用上問題があった。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、磁芯とこれを
駆動する駆動軸とを摩擦圧接により突合わせ状態で強固
に結合したもので、結合部の機械的強度が極めて大で、
激しい振動や往復運動を伴う計測装置や制御装置のセン
サーとして安心して使用することができ、また磁気特
性、電気的特性の変化、ばらつきも少なく、設計通りの
精度の高い特性をもった差動変圧器を得ることができる
ものである。

【００１０】

【発明の実施の形態】図１は本発明による差動変圧器の
実施の形態を示す。同図で、例えば非磁性体のステンレ
ス鋼製ボビン２０に１次コイル２１と１対の２次コイル
２２とが巻回されている。コイル２１、２２はは同じく
非磁性体のステンレス鋼製のケース２３で覆われてい
る。２４は本発明による可動磁芯で、例えばパーマロイ
（商品名）のようなニッケル基磁性体からなり、焼鈍の
ような熱処理を行っていない磁芯２５に非磁性体の例え
ばステンレス鋼製の駆動軸２５を摩擦圧接により突合わ
せ状態で結合して構成されている。

【００１１】上記のように、磁芯２５にステンレス鋼製
の駆動軸２６を摩擦圧接により突合わせ状態で結合して
構成された駆動軸付き磁芯２４は、後述の実験結果から
明らかなように、結合部の機械的強度が図２に示すよう
な従来のネジ結合によるものに比して大であり、また圧
接時の発熱は磁芯２５と駆動軸２６の結合界面付近だけ
に局限されるので、圧接時の発熱による機械的強度の低
下は殆どなく、磁気特性の低下あるいは変化も殆どなか
った。

【００１２】さらに、本発明による駆動軸付き磁芯２４
は、磁気的特性のばらつきが非常に小さく、設計通りの
特性の製品を得ることができ、互換性に優れ、磁芯２５
の変位量と出力値との直線性がよく、出力感度のばらつ
きも小さい差動変圧器を得ることができた。

【００１３】本発明による駆動軸付き磁芯、図２（ａ）
に示す従来のネジ結合による駆動軸付き磁芯の各々につ
いて引っ張り強度試験を行った。図３は引っ張り強度試
験を行うために加工された試験用駆動軸付き磁芯の試験
片で、ＪＩＳ１４Ａ号に加工した。同図で３０は本発明
で使用される磁芯と同じニッケル基磁性体で作られた磁
芯、３１は同じく本発明で使用される駆動軸と同じ非磁
性体のステンレス鋼で作られた駆動軸で、それぞれの端
部３２、３３は試験機のチャックに取り付けるために直
径が１０ｍｍの円柱状に形成されている。磁芯３０と駆
動軸３２の結合部３４における断面の直径は８ｍｍのも
のと６ｍｍのものを準備した。磁芯３０は未焼鈍とし
た。

【００１４】結合部３４の結合形態としては、本発明に
よる摩擦圧接による突合わせ結合によるもの、図２
（ａ）のネジ結合で、その結合端部に有機接着剤を塗布
したもの、同じく図２（ａ）のネジ結合で、その結合端
部に銀ロウ付けを施したもで、直径が上記の８ｍｍ、６
ｍｍのものについて１０本づつ準備した。ネジ結合部の
ネジの呼び径はＭ４とした。

【００１５】結合面の直径が６ｍｍ、８ｍｍのものにつ
いて、それぞれの結合形式の各１０本の試験片の引っ張
り強度の平均値を表１に示す。表１から明らかなよう
に、直径が６ｍｍのもの、８ｍｍのもののいずれにおい
ても本発明による摩擦圧接による突合わせ結合によるも
のはネジ結合によるものよりも大きな引っ張り強度が得
られることが判った。なお、本発明によるものは、引っ
張り強度試験において磁芯３０と駆動軸３１の結合部３
４では分離せず、引っ張り強度は磁芯３０または駆動軸
３１自体の強度で決定された。

【００１６】

【表１】

【００１７】次に、本発明の駆動軸付き磁芯、図２
（ａ）に示す従来の結合方法による駆動軸付き磁芯の各
々について図４に概略的に示す曲げ試験機による曲げ試
験を行った。引っ張り強度試験と同様に本発明で使用さ
れる磁芯と同じニッケル基磁性体で作られた磁芯４０、
同じく本発明で使用される駆動軸と同じ非磁性体のステ
ンレス鋼で作られた駆動軸４１で、両者の結合部４４に
おける断面の直径が８ｍｍのものと６ｍｍのものについ
て、結合部４４の結合形態が、本発明による摩擦圧接に
よる突合わせ結合によるもの、図２（ａ）のネジ結合
で、その結合端部に有機接着剤を塗布したもの、同じく
図２（ａ）のネジ結合で、その結合端部に銀ロウ付けを
施したものを、試験片としてそれぞれ１０本づつ準備し
た。ネジ結合のネジの呼び径はＭ４とした。磁芯４０は
未焼鈍とした。

【００１８】図４に示す曲げ試験機３５は、上面に９０
°の開き角をなす溝状の受け面３７が形成された曲げ受
けベース３６と、この受け面３７に向けて試験片を押し
下げるための押圧器３８とからなり、押圧器３８とし
て、その先端部の丸みが５Ｒ（半径５ｍｍ）、厚さが１
０ｍｍ、幅が５０ｍｍのものを使用した。磁芯４０と駆
動軸４１とを結合した試験片４５を、その結合部４４が
溝３７の中央に位置するようにベース３６上に載置し、
押圧機３８を押し下げて、結合部４４の下側に亀裂が生
ずるか否か、生じた場合は上記結合部４４の下側に０．
５ｍｍの幅の亀裂が生じたときの軸方向と水平との間の
角度を測定した。

【００１９】曲げ試験の結果を表２に示す。表２から明
らかなように、ネジ結合に有機接着剤を塗布した試験片
では、断面の直径が６ｍｍの試験片では８°の角度で結
合部４４に０．５ｍｍの幅の亀裂が生じ、直径が８ｍｍ
試験片では５．５°の角度で０．５ｍｍの幅の亀裂が生
じた。ネジ結合に銀ロウ付けを施したものでは、断面の
直径が６ｍｍの試験片では１７．０°の角度で結合部４
４に０．５ｍｍの幅の亀裂が生じ、直径が８ｍｍの試験
片では１３．５°の角度で０．５ｍｍの幅の亀裂が生じ
た。これに対して圧接接合による本発明の駆動軸付き磁
芯の試験片では、直径が６ｍｍ、８ｍｍの両方とも図の
ように９０°まで曲げても全く亀裂は生じなかった。

【００２０】

【表２】

【００２１】以上の２つの試験結果から磁芯と駆動軸と
を摩擦圧接により突合わせ結合して構成された本発明に
よる駆動軸付き磁芯は、機械的強度が優れ、激しい強い
振動や往復運動を伴う装置に使用しても、折損のような
故障がなく、高い信頼性が得られることが判った。

【００２２】次に本発明による駆動軸付き磁芯を使用し
た差動変圧器と図２（ａ）に示す従来のネジ結合を採用
した駆動軸付き磁芯を使用した差動変圧器の電気的特性
の比較試験を行った。表３は磁芯の変位量に対する各変
位位置における差動変圧器の出力値の偏差、つまり出力
値の直線性を試験した結果を示す。本発明の突合わせ摩
擦接合による断面の直径が６ｍｍの駆動軸付き磁芯を１
０本、図２（ａ）の従来のネジ結合で、その結合端部に
有機接着剤を塗布したものと、銀ロウ付けを施したもの
で、断面の直径が６ｍｍの駆動軸付き磁芯をそれぞれ１
０本づつの合計３０本を試料として準備して、各試料に
ついて直線性の試験を行った。ネジ結合の場合は、通常
ネジを切った後焼鈍を行うが、本発明の駆動軸付き可動
磁芯は焼鈍を行わないので、同一条件で比較を行うため
に従来のネジ結合によるものも焼鈍を行わなかった。ネ
ジ結合のネジの呼び径はＭ４とした。

【００２３】試験は次の条件で行った。 励磁電圧 ２．５ボルト 周波数 ５ＫＨｚ 周囲温度 ２０℃ 湿度 ５８％ 磁芯の変位 ５ｍｍ間隔で±２５ｍｍの範囲 許容出力誤差（偏差） ±１％以内

【００２４】次の表３に示す値は各変位位置（±５ｍ
ｍ、±１０ｍｍ、・・・）における各１０本づつの試料
の内の最大の出力値誤差（偏差）の値を呈したものをピ
ックアップして示したもので、いずれの駆動軸付き磁芯
を使用した場合も出力偏差の最大値は±１％以内の許容
誤差範囲内におさまっていることが判った。出力値（ボ
ルト）の偏差は式（１）にって表わされる。

【００２５】

【数１】 理想値＝（−25ｍｍの点の出力値) ＋（＋25ｍｍの点の
出力値）を２で除した値を各点の偏位量（％）に応じて
比例配分した値（ボルト） 各点の出力値＝磁芯の各変位点（±５ｍｍ、±１０ｍ
ｍ、・・・）における出力値（ボルト）

【００２６】

【表３】

【００２７】次の表４は、前述の出力値誤差（偏差）の
測定に使用した合計３０本の駆動軸付き磁芯のそれぞれ
について、設計基準感度に対する感度差を測定したもの
である。感度差は、磁芯の最大偏位量を＋２５ｍｍ、−
２５ｍｍとし、各試料について＋２５ｍｍの位置と−２
５ｍｍの位置における各出力値の平均値Ｖ（ボルト）を
２５ｍｍで除して単位偏位量（１ｍｍ）当たりの出力値
（感度）（Ｖ／ｍｍ）を求め、この単位偏位量当たりの
出力値（感度）と上記設計基準感度（Ｖ／ｍｍ）との差
の割合として測定した。

【００２８】感度差の測定は次の条件で行った。 励磁電圧 ２．５ボルト 周波数 ５ＫＨｚ 周囲温度 ２０℃ 湿度 ５８％ 磁芯の測定変位位置 ＋２５ｍｍおよび−２５ｍｍ

【００２９】

【表４】

【００３０】感度差は式（２）によって表わされる。

【数２】

【００３１】表４から明らかなように、図２（ａ）のネ
ジ結合に有機接着剤を施したものでは、試料２が正方向
の最大の感度差＋０．６７％を示し、試料７が負方向の
最大の感度差−０．３６％を示した。ネジ結合に銀ロウ
付けを併用したものでは、感度差はいずれも負方向で、
試料１が最大の感度差−３．１２％を示した。これに対
して本発明の試料では、試料２が−０．１４％の感度差
を示し、最大感度差は試料９の＋０．６１％で、最大感
度差の点でも本発明の駆動軸付き磁芯は従来のものに比
して平均して優れていることが判った。

【００３２】

【発明の効果】以上のように、本発明による磁芯に駆動
軸を摩擦圧接により突合わせ結合して構成された駆動軸
付き磁芯は、機械的強度が極めて大であるから、激しい
振動や往復運動を伴うプレス機械や採石機械等の位置計
測装置、制御装置で使用される差動変圧器にも安心して
使用することができる。また、本発明による駆動軸付き
磁芯を使用した差動変圧器は、磁芯の各変位位置におけ
る出力値誤差（偏差）、基準感度に対する感度差共従来
の駆動軸付き磁芯に比して概して小さく、発電プラン
ト、化学プラント等のサーボ弁の制御、航空機の位置制
御センサー等、精密で信頼性を要する用途にも安心して
使用することができ、また特性のばらつきが小さいこと
から互換性の点でも優れているという効果が得られた。

【図面の簡単な説明】

【図１】可動磁芯として本発明の駆動軸付き磁芯を使用
した差動変圧器の概略構成図である。

【図２】（ａ）は従来の磁芯と駆動軸との結合形態の１
例を示す概略図である。（ｂ）は従来の磁芯と駆動軸と
の結合形態の他の例を示す概略図である。

【図３】駆動軸付き磁芯の引っ張り強度試験を行うため
の駆動軸付き磁芯の試験片の構成を示す概略図である。

【図４】駆動軸付き磁芯の曲げ試験を行う方法を説明す
る概略図である。

【符号の説明】

２１ １次コイル ２２ ２次コイル ２４ 駆動軸付き磁芯 ２５ 磁芯 ２６ 駆動軸

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 １次コイルおよび２次コイルと、可動磁
   芯とを含み、上記可動磁芯が、磁芯に非磁性体材料の駆
   動軸を摩擦圧接により突合わせ結合して構成された駆動
   軸付き磁芯であることを特徴とする差動変圧器。
2. 【請求項２】 磁芯がニッケル基磁性体により構成さ
   れ、駆動軸が非磁性体のステンレス鋼により構成されて
   いることを特徴とする請求項１記載の差動変圧器。
3. 【請求項３】 磁芯は未焼鈍であることを特徴とする請
   求項１または２に記載の差動変圧器。