JP2000500862A

JP2000500862A - 磁気変位センサー

Info

Publication number: JP2000500862A
Application number: JP9519132A
Authority: JP
Inventors: ディルガー，ジョン，パトリック; ディエルシュナイダー，ニル，ケントン; シーザー，ジェリー，マーヴィン
Original assignee: フィッシャーコントロールズインターナショナル，インコーポレイテッド
Priority date: 1995-11-14
Filing date: 1996-11-12
Publication date: 2000-01-25
Also published as: CN1203660A; AU7736496A; WO1997018441A1; EP0861417A1; BR9611550A; MX9803800A; HK1016688A1; CN1129778C; DE69638204D1; EP0861417B1; US5670876A

Abstract

(57)【要約】変位センサーが第１及び第２部材の相対的変位を検知し、第１部材に取り付けられるハウジングを含む。磁石手段が第１及び第２磁極面を有し、ハウジングに取り付けられている。磁束センサーが第１及び第２磁極面の間でハウジングに取り付けられている。ターゲットが第２部材に取り付けられ、第１及び第２の磁極面の間で磁束経路を形成し、第１及び第２部材の変位に応じて変化する磁気抵抗を有している。この装置が、磁束センサーを経由する一定の磁気抵抗を有する漏洩経路と、ターゲットを経由する主要な磁束経路とを形成している。一つの形態では、ターゲットが変位に応じて高さが変化する面を有している。他の形態では変位に応じてターゲットの幅が変化する。このようなセンサーを対にして差動センサーとすることができる。

Description

【発明の詳細な説明】磁気変位センサー発明の背景本発明は、変位に応じて磁気抵抗が変化する磁気回路をもつ磁気変位センサーに関する。詳しくは、本発明は、磁力源を有する磁気回路と、弁に固定された磁束センサーと、弁棒に取り付けられ弁操作部材の変位に応じて磁気抵抗が変化する磁束経路を形成するターゲットを使用した、弁操作部材の位置センサーに関する。磁気変位センサーは変位に応じた電気信号を発する。一般にこのようなセンサーでは、変位に応じた磁界又は磁束を発生し、磁界又は磁束の変化を検知するセンサーが使用される。変位はいかなる形態でもよいが、通常は、回転方向又は直線方向の位置変化である。磁気変位センサーでは、第２部材に対する第１部材の変位を検知するため、第１部材にセンサーの第１部分が取り付けられ、第２部材にセンサーの第２部分が取り付けられる。リッグス(Ｒiggs)外に付与された米国特許第 5,359,288 号明細書には、自動車の懸架装置に使用する直線位置センサーが開示されている。このセンサーは、運動部分と静止部分が伸縮自在に構成されている。運動部分には永久磁石が設けられ、運動部分の位置変化に応じて磁界の強度が変化する。静止部分にはホール効果センサー(Ｈall effect sensor)等の磁気センサーが設けられ、運動部分に設けた永久磁石の磁界を検知する。従って、静止部分に対して運動部分が変位すると、変化した磁界をセンサーが検知して変位信号を出すことができる。馬場外に付与された米国特許第 3,777,273 号明細書には、２つの磁気回路を使用した回転位置センサーが開示されている。このセンサーの静止部分には、それぞれ磁束センサーを有する２つの磁気回路が設けられている。センサーの運動部分には、その回転運動に応じて回路の磁気抵抗が変化する非対称部分が含まれている。静止部分に対する運動部分の回転方向の変位は、各磁束センサーを通る磁束の比率によって測定される。馬場外及びリッグス外の開示した磁気変位センサーは、変位を正確に測定できるが、他の公知のセンサーと同様に、静止部分と運動部分の両方にセンサーが大きな部分を占めている。従って、センサーを交換する場合に、静止部分と運動部分の両方を交換せざるを得ない場合が多い。又、多くの磁気センサー（馬場外等）では、変位測定部分をセンサーと機械的に結合しなければならない。遠隔操作弁等の現場機器として各種の変位センサーが広く使用されている。弁開度の監視及び制御にマイクロプロセッサーが使われることが多い。例えば、ある種の弁では圧力作動ダイヤフラムが使用されている。ダイヤフラムと弁箱の間に設けられた弁棒等の弁操作部材が直線的に移動して弁を開閉する。電位差計等のセンサーが弁棒に接続され、弁棒の直線的変位の信号をマイクロプロセッサーに送るようになっている。他の種類の弁は、回転作動装置によって操作される。弁棒等の弁操作部材が回転作動装置と弁の間に設けられる。回転作動装置により弁棒が回転して弁を開閉する。弁棒の回転方向の変位信号をマイクロプロセッサーに送るためのセンサーが弁棒に接続されている。磁気変位センサーも、弁棒等の弁操作部材の直線運動又は回転運動による変位を検知するために使用されている。この変位センサーは、通常、磁束センサーが静止部分に設けられ、運動部分、即ち弁棒に設けられた磁力源の磁束経路内で使用される。回転軸に設けられる回転方向の変位センサーの例では、磁力源を設けた回転軸が、偏心して設けられた磁束センサーを囲み、回転方向の変位に応じて磁束センサーを通過する磁気回路の磁気抵抗が変化するようになっている。上記のような現場機器での共通の問題は、変位センサーが時間と共に劣化して交換が必要となることである。しかし、運動部分に設けられた変位センサーの交換は容易でない。発明の概要本発明は、静止部分と運動部分の間で磁気回路を形成する磁気変位センサーである。変位センサーの静止部分には、磁力源と磁束センサーとが設けられている。磁力源は磁界を形成する磁束の供給源であり、磁束センサーは一定の磁気抵抗を有する漏洩回路（分岐回路）上に設けられる。センサーの運動部分には、磁力源との間に間隙を隔てて磁束を誘導する磁束経路を形成するターゲットが設けられ、変位に応じてこの磁束経路の磁気抵抗が変化する。磁気抵抗が変化する回路と磁気抵抗が一定の回路とが並列に設けられ、磁気抵抗が変化する回路で磁気抵抗が変わると、磁気センサーを設けた磁気抵抗一定の回路中の磁束が変化する。この磁気変位センサーが、回転又は直線運動する操作部材の側で使用される。詳しくは、運動する弁棒にターゲットが設けられ、静止側に設けられた磁束センサーが、弁棒の変位を静止側の磁力源からの漏洩磁束によって検知する。本発明の一つの形態は、第１及び第２部材の相対的変位を磁気的に検知するための磁束発生手段と磁束検知手段にあり、変位センサーの第２部材にターゲットが設けられ、変位の方向に垂直な磁束経路を形成し、第１及び第２部材の変位に応じて磁束経路の磁気抵抗を変化させる。磁束発生手段と磁束検知手段は第１部材を取り付けたハウジングに収容されている。ハウジング内には磁束を発生するための磁石手段が設けられている。第１部材に設けたハウジング内の磁石手段は、磁束経路に沿ってターゲットに対向する第１及び第２磁極面を有している。磁束センサーはハウジング内で第１及び第２磁極面の間に設けられる。本発明の別の形態は、第１及び第２部材の間の相対的変位を検知する変位センサーである。このセンサーは第１部材に設けられるハウジングを有している。第１及び第２磁極面を有する磁石手段がハウジング内に設けられる。磁束センサーがハウジング内の第１及び第２磁極面の間に設けられる。第２部材に設けられるターゲットは、第１及び第２磁極面の間で磁束経路を形成し、第１及び第２部材の変位に応じて磁束経路の磁気抵抗が変化する。本発明の別の形態は、第１部材に設けられ、第１及び第２磁極面を有する磁石手段を有する変位センサーである。磁気回路は、第１及び第２磁極面の間で、第２部材に設けられたターゲットを含む主要経路としての第１磁束経路を形成している。また、この磁気回路は、第１及び第２磁極面の間に、磁束センサーを有し、磁気抵抗が一定の第２磁束経路を形成している。第２磁束経路の磁気抵抗は第１及び第２部材の変位に応じて変化する。一つの形態では、変位に応じてターゲット面の高さが変化し、ターゲットと磁石手段の間の間隙の距離が変化する。他の形態では、変位方向に対してターゲットの縁が鋭角を成しており、ターゲットと磁石手段の間の間隙の長さが変化する。さらに別の形態では、ターゲットの磁石手段に対向する面が変位に応じて変化する形状となっている。本発明の磁気変位センサーは、又、静止部分と運動部分の間の望ましくない間隙変動を修正するための差動的に使用することもできる。差動形態では、静止部分と運動部分が、それぞれターゲット経路と漏洩経路を有する２つの磁気回路を形成している。変位に応じて一方のターゲット経路で磁気抵抗が増加すると、他方のターゲット経路の磁気抵抗が減少する。２つの磁気回路の磁気抵抗に基づいて変位を算出することにより、望ましくない間隙変動の影響を打ち消すことができる。他の形態では、ターゲットに偏心カムを使用し、半径方向に向いた静止部分とターゲットのカム面の間の間隙の距離が変化するようになっている。図面の簡単な説明図１は、本発明の磁気変位センサーの斜視図である。図２は、本発明の変位センサーの静止部分の斜視図である。図３は、図２に示す静止部分の正面図である。図４は、図２に示す静止部分の側面図である。図５は、図２に示す静止部分の底面図である。図６及び７は、図１の変位センサーの磁気回路図である。図８は、図６及び７に示す磁気回路の等価回路図である。図９は、本発明の別の形態の磁気変位センサーの図１と同様の斜視図である。図１０は、図９に示す磁気変位センサーの磁気回路図である。図１１は、本発明の別の形態の磁気変位センサーの図１０と同様の磁気回路図である。図１２は、図９に示す磁気変位センサーを複数個使用した本発明の改良に基づく差動式磁気変位センサーの斜視図である。図１３は、図１２の磁気変位センサーの作用を説明するためのターゲットの図である。図１４は、図１の磁気変位センサーを複数個用いた本発明の改良に基づく差動式磁気変位センサーの図１２と同様の斜視図である。図１５は、本発明の他の改良に基づく作動式磁気変位センサーの静止部分の図である。図１６は、本発明の他の改良に基づく差動式磁気変位センサーのターゲットの平面図である。図１７及び１８は、本発明の他の改良に基づく磁気変位センサーの正面図及び側面図である。図１９は、図１７及び１８に示す磁気変位センサーを複数個用いた本発明の改良に基づく磁気変位センサーの側面図である。好ましい実施形態の詳細な説明図１は、本発明の好ましい実施形態に基づく磁気変位センサーの斜視図である。磁気変位センサーは、静止部分１０（図２〜５により詳細に図示）とターゲット２０とで構成されている。静止部分１０は弁箱等の静止部材に取り付けられる。静止部分１０を孔１４で固定する取付アーム１２を弁箱に設けておくと都合がよい。ターゲット２０は弁棒２２に設けられる。図１の形態では、弁棒２２が軸２６に沿って矢印２４の方向に直線的に往復運動する。弁棒２２は直線運動する弁開閉部材であって、圧力作動ダイヤフラム等のバルブ作動機構と弁（図示省略）との間に設けられ、弁が公知の方法で開閉制御される。弁を開閉するため弁棒２２は矢印２４の方向に往復運動する。図２〜５に示すように、静止部分１０は、永久磁石３２、３４を両側部で保持するハウジング３０で構成されている。永久磁石３２、３４のうちの一方の磁石３２はＮ極をハウジング３０の上面に向けＳ極をハウジング３０の底面に向けて配置されている。他方の磁石３４は、磁石３２とは逆にＮ極（磁極面３５）をハウジング３０の底面に向けＳ極をハウジング３０の上面に向けて配置されている。磁石３２、３４にはアルニコＶ(Ａlmico Ｖ)磁石が使用できる。磁石としては、センサーへの組込みが容易で電源が不要であることから永久磁石が好ましい。磁界センサー３６としては、例えばアレグロＡ(Ａllegro Ａ)350ＬＵホール効果センサー(Ｈall effect sensor)が、磁石３２の磁極面３２と磁石３４の磁極面３５の間に設けたハウジング３０の底面４８の溝３８に取り付けられている。センサー３６の各導線は、マイクロプロセッサー等の制御装置に接続する導電板４０に個別に接続されている。ハウジング３０の上部に極片４２が設けられ、この極片に磁石３２のＮ極と磁石３４のＳ極が接触している。極片４２は薄い鉄板等の金属板で形成され、磁石３２のＮ極と磁石３４のＳ極の間の磁気抵抗の少ない磁束経路を形成する。極片４２はハウジング３０と磁石３２、３４に接着剤等の公知の手段で固定されている。磁石３２、３４及び極片４２が一定の磁束発生源となる。本発明の１形態では、ハウジング３０は剛性の高い合成樹脂等の非磁性体で形成されている。磁石３２、３４は、ねじ４４、４６等の非磁性の取付部材でハウジング３０に固定されている。センサー３６は溝３８内に接着剤等で固定されている。図１に示すように、ターゲット２０は軸２６に対して傾斜した面５０を有している。ターゲット２０は非磁性の基礎２１に取り付けられ、基礎２１は弁棒２２に取り付けられており、ターゲット２０は厚みが均一で静止部材１０との間に間隔を形成している。ターゲット２０は、静止部材１０の底面４８に対向するターゲット面５０を有し、磁石３２の磁極面３３との間の間隙５２、及び磁石３４の磁極面３５との間の間隙５４を形成する。弁棒２２が軸方向に変位すると、その変位に応じて間隙５２、５４の高さが変化する。ターゲット２０は鉄その他の薄い金属板等の磁気抵抗の少ない材料で形成されている。ターゲット２０は磁極面３３、３５の間で変位に垂直な磁束経路を形成する。空気は、金属製のターゲット２０に比べてはるかに大きな磁気抵抗を有するため、ターゲット２０を経由する磁束経路の磁気抵抗は、主として軸方向の変位に応じて変化する間隙５２、５４の高さによって決まる。間隙高さの変化と磁気抵抗の変化の非直線性を修正するため、ターゲット２０（図１４参照）の表面５０を僅かに湾曲させておくことが望ましい。図６〜８は、図１に示した磁気変位センサーの磁気回路を示す。図６及び図７に示すように、磁石３２、極片４２、及び磁石３４が２つの磁束経路を形成する。第１の経路は、間隙５４からターゲット２０を経由して間隙５２に至る経路である。第２の経路５６は、磁石３２の磁極面３３と磁石３４の磁極面３５の間でセンサー３６を経由する漏洩経路である。周知の如く、漏洩経路５６の磁気抵抗はハウジング３０とセンサー３６の構造によって決まる。一方、間隙５２及び５４を経由する経路の磁気抵抗は、少なくとも部分的に、これらの間隙の高さに応じて変化する。ターゲット２０は、間隙５２、５４と共に漏洩経路５６に対する分岐経路を形成する。間隙５２、５４の高さの変化に応じてターゲット２０を通る分岐経路の磁気抵抗が変化する。磁石が供給する磁束は一定であるため、ターゲット２０を通る経路の磁気抵抗の変化によって漏洩経路５６を通る磁束の量が変化する。従って、センサー３６を通過する磁束は、間隙５２、５４の高さ、即ち、静止部材１０に対する弁棒２２の直線上の位置に関係して変化する。図８に、その等価磁気回路を示し、磁気抵抗Ｒ₅₂及びＲ₅₄及びターゲット２０が、一定の磁気抵抗Ｒ₅₆ とセンサー３６に並列に設けられている。図８に示すように、マイクロプロセッサー４９が端子板４０（図１〜５）を介してセンサー３６に接続されている。マイクロプロセッサー４９は弁制御機構に接続され、公知の方法で弁の開閉位置を制御する。図１に示す磁気変位センサーの静止部材１０は、磁石３２、３４が軸２６に垂直に配置され、磁束経路５６と、ターゲット２０を通過する磁束経路が軸２６に垂直となっているが、各磁石、磁束経路５６及びターゲット２０を通過する磁束経路を、軸２６に対して別の角度とするのがよい場合がある。このような改良は、静止部材１０を例えば図１に示す位置から９０°回転させるなどして静止部材１０の取付角度を変えるだけでよい。また、図１の形態では、静止部材の底面４８が弁棒２２の軸２６と平行になっているが、底面４８をターゲット２０の対向面５０と平行にするのが都合がよい。これは取付アーム１２の軸を面５０の勾配と平行にすればよい。磁気ターゲット２０の透磁率が空気の数千倍であるため、磁気抵抗は主として間隙５２、５４の高さに応じて変化する。図９及び１０には、本発明の別の形態の磁気変位センサーを示す。図１の形態と同様に、図９及び１０には、棒２２が軸２６に沿って矢印２４の方向に、往復直線運動する。磁気変位センサーは、静止部材１０（図１、２に示す静止部材と同一である）と、低磁気抵抗のターゲット７０とで構成されている。静止部材１０は、取付孔１４に通された取付アーム１２によって、弁箱等の静止部材に固定されている。ターゲット７０は、低透磁率の基礎７７に取り付けられ、基礎が弁棒２２に取り付けられている。基礎７７は、弁棒２２に丸みがあってもこれを補正し、低磁気抵抗のターゲット７０の厚みを均一にすることができる。ターゲット７０は弁棒２２の軸２６に平行な面７２を有している。図１のターゲット２０と異なり、ターゲット７０は、その先端７４から基端７６にかけて、弁棒２２の移動方向に鋭角のテーパーとなっている。静止部材１０の底面４８は、ターゲット７０の面７２に対向し、ターゲット７０の縁と磁石３２、３４との間でそれぞれ間隙７８、８０を形成する。図１０では、弁棒２２が紙面に垂直な方向に移動する。弁棒２２の移動に対して面７２と面４８の間隔は事実上一定であるが、ターゲット７０の幅Ｗが変化する。従って、ターゲット７０と磁石３２の空気間隙７８、及びターゲット７０と磁石３４の空気間隙８０が変化する。その結果、紙面に垂直方向の変位によってターゲット７０を経由する回路の磁気抵抗が変化して、磁気センサー３６がその変位に応じた信号を発する。図９及び１０に示すターゲット７０を経由する磁束経路の磁気抵抗は、ターゲット７０を経由する磁石３２、３４の各磁極面３６、３５の間の距離ｄに応じて変化する。この距離ｄは、間隙７８、８０の各長さと、静止部材１０に対向する部分で運動方向に垂直なターゲット７０の幅Ｗの合計に等しい。強磁性ターゲット７０は空気の数千倍の透磁率を持つため磁気抵抗の大部分は間隙７８、８０の長さに応じて変化する。もちろん変化の小部分はターゲット７０の幅Ｗにも関係する。図１１は、本発明の別の形熊のターゲットを示す図１０と同様の図である。ターゲット７１は、図９に示すものと同様に、運動方向に鋭角のテーパーをもつが、静止部１０に対するターゲット７１の軸方向運動の全ての位置で、ターゲット７１の面７３が磁石３２、３４の各磁極面３３、３５に対向している。従って、面７３と磁石の磁極面３３、３５の間隙７５は一定であり、ターゲットの幅Ｗが変位に応じて変わる。図１１に示すように、ターゲット７１と磁石３２、３４の間の磁力線の大部分は、面７３に対向する磁石の各磁極面３３、３５に集中し、僅かの磁力線が磁石がターゲットの縁からはみ出した部分を通る。その結果、磁石の磁極面３３、３５のターゲット７１を経由する距離ｄは、間隙７５（これは一定）と、静止部材１０に対向する領域で運動方向に垂直なターゲット７１の幅Ｗとの合計となる。図９及び１０に示すターゲット７０を使用した回路の磁気抵抗は、その非直線性により、図１に示すターゲット２０を使用した回路の磁気抵抗に比べて、ターゲット材料の磁気抵抗が変位に比例しなくなる。しかし、磁気抵抗の変化の非直線性は、実験及び／又は、マイクロプロセッサ４９から経験的に得られた修正データにより、ターゲット７０又は７１の幅を決めるテーパーの角度を変えることによって補正することができる。磁石３２、３４に対向するターゲットの縁に面取り部８２、８４を形成することによってもターゲット７０の非直線性に対する補正ができる。上記のように、本発明の変位センサーは、静止部分１０とターゲット２０、７０の間に間隙を有している。変位を正確に測定するためには、間隙を精密に制御しなければならない。しかし、機械部材の摩耗によって生じる遊隙がセンサーの精度に影響を与える。さらに振動その他の外部要因によっても静止部材１０と可動部材１５との間の間隙の精密な制御が困難となることもある。２つのセンサーを逆向きに配置して間隙誤差を相殺することにより、上記間隙制御の問題を克服することができる。図１２及び１３には、図９のセンサーを逆向きに組み合わせた差動センサーが図示されており、連結部材８１（図１３）で連結された静止部分１０ａ、１０ｂ、及びこれらに対向するターゲット７０ａ、７０ｂを有している。ターゲット７０ａ、７０ｂは、運動部分の軸に対してテーパーを逆向きにして配置されている。ターゲット７０ａの先端とターゲット７０ｂの基端との軸方向位置が一致し、ターゲット７０ａの基端とターゲット７０ｂの終端との軸方向位置が一致している。図１３は、線８２に沿ったＤ_MINとＤ_MAXの間のターゲットの直線的変位を示す。ターゲット７０ａでは、Ｄ_MINからＤ_MAXにかけて磁気抵抗が増加しＤ_MAXからＤ_MINにかけて磁気抵抗が減少する。ターゲット７０ａがＤ_MINからＤ_MAXに移動すると、静止部分１０ａとターゲット７０ａで形成される磁気回路の磁気抵抗がＲ_MINからＲ_MAXに変化する。中間位置Ｄ₁での磁気抵抗はＲ_MEASaである。同様に、ターゲット７０ｂがＤ_MINからＤ_MAXに移動すると、静止部分９２とターゲット９０で形成される回路の磁気抵抗がＲ_MAXからＲ_MINに変化する。中間位置Ｄ₁での磁気抵抗はＲ_MEASbである。摩耗又は取付誤差により、静止部分とターゲットの間の間隙に誤差が生じると、実際の変位に対して、一方のセンサーの測定値は過大な値となり、他方のセンサーの測定値は過小な値となる。ところが各センサーの誤差は同じである。その結果、両方の測定値の平均が実際の変位となる。また製作誤差による取付誤差、摩耗、材料又は環境条件が、各静止部分と各ターゲットに一様に影響する。図１２及び１３に示す変位センサーを使用して変位を測定するためには、各静止部分１０ａ、１０ｂの磁束センサー３６が、それぞれ信号Ｖａ、Ｖｂを出力する。２つの磁束センサーによる共通の差動信号は関係式に基づくが、他の公知の関係式を使用することもできる。従って、静止部１０ａ、１０ｂの磁束センサー３６の差動信号を測定することにより共通モードの誤差が消去される。図１４には、静止部分１０ａ、１０ｂがそれぞれターゲット２０ａ、２０ｂに対向した、図１に示すような変位センサーを対に設けた変位センサーが示されている。ターゲット２０ａ、２０ｂは、運動部材を取り付けた軸に沿って、勾配が逆になるように配置されている。こうして、ターゲット２０ａの面５０ａは軸２６に接近する方向に傾斜し、ターゲット２０ｂの面５０ｂは軸２６から離れる方向に傾斜している。図１４に示す変位センサーは、図１２及び１３に示すものと類似の働きをする。図１２〜１４で述べた変位センサーでは２つの変位センサーを使用するが、図１５では、３つの磁石９２、９４、９６と、極片９８及び２つの磁束センサー１００、１０２を使用した差動センサー９０を示す。このセンサーは上記と同様に作動するが、磁石９４は対をなす２つの磁気回路に共用されている。従って、磁石９４は、磁石９２、９６に対して逆向きに配置されている。差動センサーに対して１つのターゲットを使用することもできる。図１６は、図１５に示す差動センサー９０を平行四辺形のターゲット１０４の上方に配置したセンサーの平面図である。縁１０６、１０８は運動方向１１０に対して鋭角であり、矢印１１０方向への直線運動により、一方の磁気回路の磁気抵抗が増加し、他方の回路の磁気抵抗が減少して、上記のような示差変位の測定ができる。ターゲット１０４は図１５に示す差動センサー９０と共に使用することでき、また、図１２〜１４で述べた２つのセンサーと共に使用することもできる。図１７及び１８は、回転作動機構に使用する磁気変位センサーを示す。この場合、回転作動機構１２０が、軸１２２の周りを矢印１２４（図１７）の方向に回転移動する。ターゲット１２６は作動機構１２０の軸に偏心して取り付けた円筒形カムである。カム１２６は鉄等の高透磁性材料で形成されている。カム１２６の表面１２８は、間隙１３０を隔てて静止部分１０に対向している。静止部分１０は図１〜５のものと同様である。図１７及び１８に示すセンサーは、使用時に、作動機構の軸１２０が軸１２２の周りを回転してカム１２６が回転すると、その表面１２８が静止部分１０の面４８に接近離反する。カム１２６を通過する磁束は、軸１２２に平行であり、軸の回転面に垂直である。こうして、表面１２８と静止部分１０の磁石の端面との間隙長さが、軸１２０の半径方向位置に応じて変化する。間隙１３０の長さの変化によりカム１２６を経由する磁気回路の磁気抵抗が変化し、前記の磁石と磁束センサーとの間の回路を通過する磁束が変化する。図１９は、図１７及び１８に示した回転センサーを対にして使用する差動磁気変位センサーを示す。図１９に示すセンサーでは、図１７及び１８に示すように、カム１２６ａ及び１２６ｂが軸に対して偏心して取り付けられているが、カム１２６ａ及び１２６ｂの内の一方のカムの表面が静止部分１０ａ、１０ｂに接近するときに、カム１２６ａ及び１２６ｂの内の他方のカムの表面が静止部分１０ａ、１０ｂから離れるように、カム１２６ａ及び１２６ｂが１８０°離してセットされている。こうして、カム１２６ａの表面が静止部分１０ａに接近すると、カム１２６ｂの表面が静止部分１０ｂから離れる。静止部分１０ａ及び１０ｂの磁束センサーからの信号は、図１２〜１６で述べたように、共通モードの誤差が打ち消されている。回転変位センサーのターゲットは、図７に示すターゲット７０と同様に、軸方向に幅が変化するターゲットとしてもよく、また図１６に示すターゲット１０４ように軸の周りで半径方向位置を検知するものでもよいことは、当業者に明らかであろう。また、同じ機能を得るために別の形のターゲットが使用できることも当業者に明らかであろう。例えば、変位に応じて透磁率が変化するターゲットが、本発明の変位センサーに適切であることがわかる。いずれにしても、ターゲットの材料として、従来のセンサーに用いられるカーペンター４９やＨｙＭｕ８０などの特殊材料を使用する必要がない。ターゲットにも極片４２にも通常の磁性材料が使用可能である。さらに、本発明は、希土類磁石等の高価な材料を使用することなく、鋳造品であるアルニコＶ(Ａlnico Ｖ)磁石が使用できる。従って、本発明のセンサーは安価で高性能である。本発明は、また、互換性部品を使用した変位センサーを提供する。特に、静止部１０は、回転変位センサーにも直線変位センサーにも使用できるため、多くの形式のセンサーに共通の静止部材１０を使用することにより、製造及び在庫管理に要する費用が最小限となる。ターゲット２０及び７０は、変位の範囲で、厚みが均一となるように、高い磁気抵抗の基礎の上に取り付けられているが、弁棒に正しい勾配の平面（ターゲット７０では変位方向に平行で、ターゲット２０では変位方向に鋭角）を形成して、基礎を省略することができる。さらに、基礎をターゲットと一体として、変位方向に厚みを変化させてセンサーを非直線的なものにし、経験的観察又は経験データ、又はマイクロプロセッサー内の補正データに基づいて修正することができる。同様に、図１７〜１９に示す回転センサーにおける直線性の問題は、作動機構の回転軸に対する取付角度を経験値に基づいて調整したり、図１９に示す差動センサーの場合はカムの相対的な半径方向位置を調整することにより解決できる。本発明は、変位測定対象物に装着する部材の数が最小となる非接触型の磁気変位センサーを提供する。多くの場合、ターゲットを測定対象物に形成することができる。例えば、上記の静止部分と共に磁気回路を形成する金属ピストン部に、ターゲットとして楔形部分又は偏心カムを形成することができる。運動部分に要する部材の数が最小であるため、保守としては静止部分の交換だけですむ。磁気センサーを静止部分に使用するため、運動部分に永久磁石を使用した従来の多くのセンサーに比べて上記の構成は特に有利である。永久磁石の磁界強度が時間と共に低下し、磁界センサーに誤差が生じるようになると、従来のセンサーでは運動部分と静止部分の両方を交換する必要があった。永久磁石と磁界センサーを一つの部分にまとめることにより、交換費用が最小となる。本発明を、好ましい実施形態の基づいて説明したが、当業者が、この範囲から逸脱することなくいろいろな改良を加えることができることが明らかである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ)，ＵＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＲＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ (72)発明者シーザー，ジェリー，マーヴィンアメリカ合衆国 50158 アイオワマーシャルタウンニコラスドライブ 408

Claims

【特許請求の範囲】１．第１部材と第２部材の間の相対的変位を磁気的に検知する変位センサーにおいて、第１部材に装着し、第１及び第２磁極面を有する磁石手段、及び第１及び第２磁極面の間に設けられた磁束センサーを含み、一定の磁気抵抗を有する第１部材の第１及び第２磁極面の間の第１磁束経路と、第２部材に設けられるターゲットを含み、第１部材と第２部材の間の変位に応じて磁気抵抗が変化する第２磁束経路とからなる磁気回路で構成されたことを特徴とする磁気変位センサー。２．前記第１部材が弁箱であり、前記第２部材が弁棒であり、前記変位センサーが弁箱に対する弁棒の変位を検知するセンサーである請求項１記載の変位センサー。３．前記ターゲットが、第１及び第２磁極面のと間に、第１部材と第２部材の変位に応じて距離が変化する第１及び第２間隙を形成するよう、磁石手段に対して配置されたターゲット面を有する請求項１記載の変位センサー。４．前記第１部材と第２部材の変位に対して第１間隙と第２間隙の距離が一定である請求項３記載の変位センサー。５．前記ターゲット面が少なくとも一方の磁極面との間に間隙を形成し、その間隙の距離が、第１部材と第２部材の変位に応じて変化するように配置されたターゲットを有する請求項１記載の変位センサー。６．前記ターゲット面が第１部材と第２部材の変位方向に対して鋭角に配置されている請求項５記載の変位センサー。７．前記ターゲット面が変位方向に平行であり、少なくとも一方の縁が変位方向に対して鋭角であり、縁と少なくとも一方の磁極面との間に間隙が形成される請求項５記載の変位センサー。８．前記変位が回転方向であり、ターゲット面が円筒面である請求項５記載の変位センサー。９．第２部材が軸の周りを回転し、その軸に対してターゲット面が偏心している請求項８記載の変位センサー。１０．前記変位が直線状であり、ターゲット面が平面である請求項５記載の変位センサー。１１．前記ターゲットが高透磁性材料で形成されている請求項１記載の変位センサー。１２．前記磁束センサーに接続され、磁束センサーによって検知された磁束に応じて変位信号を発するための処理手段を有する請求項１記載の変位センサー。１３．前記第１部材を取り付けられるハウジング、このハウジング内に取り付けられた第１の磁気手段、ハウジング内で第１磁石手段の第１及び第２磁極面の間に設けられた第１磁束センサー、ハウジング内に設けられ、第１及び第２磁極面を有する第２磁石手段、ハウジング内で第２磁石手段の第１及び第２磁極面の間の第３磁束経路に取り付けられて第２磁束センサー、ターゲット面と第１の磁石手段の間に第１の間隙を形成し、ターゲット面と第２磁石手段の間に第２間隙を形成するよう、第１及び第２磁石手段に対して配置された少なくとも１つのターゲット面を有するターゲット、及び、第１及び第２部材の変位に対して、間隙の長さが逆方向に変化する第１及び第２間隙を有する請求項１記載の変位センサー。１４．前記ターゲット面が、第１及び第２部材の間の変位方向に鋭角を成す第１及び第２の縁を有し、第１の縁と第１の磁石手段の間に第２磁束通路を形成し、第２の縁と第２磁石手段の間に第４磁束通路を形成する請求項１３記載の変位センサー。１５．前記第１磁石手段が第１及び第２永久磁石を有し、前記第２磁石手段が第２及び第３永久磁石を有し、第１、第２及び第３磁石が、第１永久磁石とターゲット面の間の第１間隙を隔てて第２磁束通路を形成し、第３永久磁石とターゲット面の間の第２間隙を隔てて第４磁束間隙を形成する請求項１３記載の変位センサー。１６．前記第１及び第２磁束センサーに接続され、第１及び第２磁束センサーによって検知された磁束に基づいて変位信号を発するための処理手段を有する請求項１３記載の変位センサー。１７．処理手段が次の関係式に基づいて変位を計算する請求項１６記載の変位センサー。但し、Ｖ₁は第１磁束センサーにより検知された磁束の値Ｖ₂は第２磁束センサーにより検知された磁束の値１８．第１部材と第２部材の間の相対変位を検知する変位センサーにおいて、第１部材に取り付けられるハウジング、ハウジングに取り付けられ、第１及び第２磁極面を有する磁石手段、ハウジング内の第１及び第２磁極面の間に取り付けられた磁束センサー、及び第１磁極面と第２磁極面の間に、第１部材と第２部材の変位に応じた磁気抵抗が生じる磁束経路を形成するよう、第２部材に設けられたターゲット、とで構成される変位センサー。１９．前記第１部材が弁箱であり、前記第２部材が弁棒であり、前記変位センサーが弁箱に対する弁棒の変位を検知する請求項１８記載のセンサー。２０．前記ターゲットが、第１及び第２磁極面の間に、第１及び第２の間隙を形成する磁石手段に対して配置されたターゲット面を有し、第１及び第２部材の変位に応じて第１及び第２間隙に対して変化する幅を有している請求項１８記載の変位センサー。２１．第１及び第２部材の変位に対して、第１及び第２間隙の長さが一定である請求項２０記載の変位センサー。２２．前記ターゲットが、磁石手段に対して、第１及び第２磁極面の少なくとも一方の磁極面との間に間隙を形成するよう配置されたターゲット面を有し、第１及び第２部材の変位により間隙の長さが変化する請求項１８記載の変位センサー。２３．前記ターゲット面が、第１及び第２部材の変位の方向に鋭角を成す請求項２２記載の変位センサー。２４．前記ターゲット面が変位の方向に平行であり、少なくとも一方の縁が変位の方向に鋭角であり、その縁と少なくとも１つの磁極面との間に磁束経路を形成する請求項２２記載の変位センサー。２５．前記変位が回転方向であり、ターゲット面が円筒面である請求項２２記載の変位センサー。２６．前記第２部材が軸の周りを回転し、その軸に対してターゲット面が偏心している請求項２５記載の変位センサー。２７．前記変位が直線状で、ターゲット面が平面である請求項２２記載の変位センサー。２８．前記ターゲットが高透磁性材料で形成されている請求項１８記載の変位センサー。２９．前記処理手段が磁束センサーに接続され、磁束センサーが検知した磁束に基づいて変位信号を発する請求項１８記載の変位センサー。３０．ハウジングに取り付けられ、第１及び第２磁極面を有する第２磁石手段、ハウジング内の第２磁石手段の第１及び第２磁極面の間に取り付けられた第２磁束センサーとを有し、前記ターゲットが、少なくとも第１の磁極面との間に第１間隙を形成し、第２の磁極面との間に第２間隙を形成するよう、第１及び第２磁石手段に対して配置されたターゲット面を有し、第１及び第２の間隙が、第１及び第２部材の変位に基づいて逆方向に形成される請求項１８記載の変位センサー。３１．前記ターゲット面が、第１及び第２部材の間の変位方向に鋭角を成す第１及び第２の縁を有し、第１の縁と第１磁石手段の間で第１間隙が形成され、第２の縁と第２磁石手段の間に第２間隙が形成される請求項３０記載の変位センサー。３２．第１磁石手段が第１及び第２永久磁石で構成され、第２磁石手段が第２及び第３永久磁石で構成され、第１、第２、及び第３の永久磁石が、第１磁石とターゲット面の間の第１間隙を隔てた第１磁束経路を形成し、第３磁石とターゲット面の間の第２間隙を隔てた第２磁束経路を形成する請求項３０記載の変位センサー。３３．処理手段が第１及び第２磁束センサーに接続され、磁束センサーが、第１及び第２磁束センサーが検知した磁束に基づく変位信号を発する請求項３０記載の変位センサー。３４．処理手段が次の関係式に基づいて変位を計算する請求項３０記載の変位センサー。但し、Ｖ₁は第１磁束センサーによって検知された磁束の信号Ｖ₂は第２磁束センサーによって検知された磁束の信号３５．第１及び第２部材の相対変位を検知する変位センサーであって；第１部材に取り付けられ、第１及び第２磁極面を有する第１及び第２磁石手段、第２部材に取り付けられるターゲット、第１磁石手段の第１及び第２磁極面の間に第１磁束センサーを含み、一定の磁気抵抗を有し、第１磁石手段の第１及び第２磁極面の間で形成される第１磁束通路と、少なくともターゲットの一部を含み、第１及び第２部材の間の変位に応じて磁気抵抗が変化する第２磁束経路を有する第１磁気回路、及び第２磁石手段の第１及び第２磁極面の間に設けられた第２磁束センサーを含み、一定の磁気抵抗を有し、第２磁石手段の第１及び第２磁極面の間で形成される第３磁束経路と、少なくともターゲットの一部を含み、第１及び第２部材の変位に応じて磁気抵抗が変化し、第２磁束経路の磁気抵抗の減少に応じて磁気抵抗が増加する第４磁束経路を有する第２磁気回路、で構成される変位センサー。３６．前記第１及び第２の磁束センサーが、第１及び第２磁束センサーによって検知された磁束に基づく変位信号を発する請求項３５記載の変位センサー。３７．前記処理手段が次の関係式の基づいて変位を計算する請求項３５記載の変位センサー。但し、Ｖ₁は第１磁束センサーによって検知された磁束の信号Ｖ₂は第２磁束センサーによって検知された磁束の信号３８．前記ターゲットが、第１磁石手段との間で第１間隙を形成し、第２磁石手段との間で第２間隙を形成するよう第１磁石手段に対して配置されたターゲット面を有し、ターゲット面が、第１及び第２部材の変位方向に鋭角を成す第１及び第２の縁を有し、第１間隙が、第１磁石手段と第１の縁の間の長さを有し、第２間隙が第２磁石手段と第２の縁の長さを有している請求項３５記載の変位センサー。３９．第１及び第２部材の相対的変位を検知する変位センサーであって：第１部材を取り付けるハウジング、ハウジングに取り付けられ、それぞれ第１及び第２磁極面を有する第１及び第２磁石手段、ハウジング内で第１磁石手段の第１及び第２磁極面の間に設けられた第１磁束センサー、ハウジング内で第２磁石手段の第１及び第２磁極面の間に設けられた第２磁束センサー、第１磁石手段の第１及び第２磁極面の間に第１磁束経路を形成し、第２磁石手段の第１及び第２磁極面の間に第２磁束経路を形成し、第１及び第２部材の変位によって、第１及び第２磁束経路の磁気抵抗が変化し、第２磁束経路の磁気抵抗の減少に応じて第１磁束経路の磁気抵抗が増加するように、第２部材に取り付けられたターゲット、とで構成される変位センサー。４０．前記ターゲットが、第１磁石手段との間で第１間隙を形成し、第２磁石手段との間で第２間隙を形成し、ターゲット面が、第１及び第２部材の変位方向に鋭角を成す第１及び第２の縁を有し、第１間隙が第１磁石手段と第１の縁の間の距離を有し、第２間隙が第２磁石手段と第２の縁の間の距離を有するよう、第１磁石手段に対して配置されたターゲット面を有する請求項３９記載の変位センサー。４１．弁箱と可動の弁棒を有する弁において、弁箱に対する弁棒の変位を検知する変位センサーが、弁箱に取り付けられ、磁束源と、磁束源に磁気的に結合された磁束検知手段を有する第１部分と、弁棒に取り付けられ、弁捧と弁箱の間の変位に応じて磁気源との間で磁束が変化するよう、磁気源に対して配置されたターゲット面を有するターゲットとで構成される変位センサー。４２．前記ターゲット面が、弁棒と弁箱の間の変位の方向に鋭角を成すように配置されている請求項４１記載の変位センサー。４３．前記ターゲット面が変位方向に平行であり、少なくとも一方の縁が変位方向に鋭角を成し、縁と磁束源の間に間隙が形成されている請求項４１記載の変位センサー。４４．前記変位が回転方向であり、ターゲット面が円筒面である請求項４１記載の変位センサー。４５．弁棒が軸の周りを回転し、その軸に対してターゲット面が偏心している請求項４４記載の変位センサー。４６．変位が直線方向でありターゲット面が平面である請求項４１記載の変位センサー。４７．第１及び第２部材の相対的変位を検知する変位センサーであって；第１部材に取り付けられ、磁束源と、磁束源に磁気的に接続された磁束検知手段を有する第１部分、及び第２部材に取り付けられ、第１部材との間に第１及び第２間隙を形成するよう配置された面を有し、弁棒と弁箱の変位に応じて第１及び第２の間隙が変化する幅を有するターゲット、とで構成される変位センサー。４８．第１及び第２部材の間の変位によって、第１及び第２の隙の距離が一定である請求項４７記載の変位センサー。４９．第１及び第２部材の相対的変位を検知する磁気変位センサーに用いる磁束生成装置と磁束検知装置であって、変位の方向に垂直な磁束経路を形成するよう、変位センサーが第２部材に取り付けられ、第１及び第２部材の間の変位に応じて磁気抵抗が変化する装置において、第１部材に取り付けられるハウジング、ハウジングに取り付けられ、磁束経路に沿ったターゲットに対向する第１及び第２磁極面を有する磁石手段、及びハウジングの第１及び第２の磁極面の間に設けられた磁束センサーで構成される磁束生成及び磁束検知装置。５０．磁束センサーを通じて第１及び第２磁極面の間に第２磁束経路が形成され、第２磁束経路が一定の磁気抵抗を有している請求項４９記載の装置。５１．ハウジングに取り付けられ、ターゲットに対向するように配置された第１及び第２磁極面を有する第２磁石手段、及び、第２磁石手段の第１及び第２磁極面の間でハウジングに取り付けられた第２磁束センサーを含む請求項４９記載の装置。５２．第１磁石手段が第１及び第２永久磁石で構成され、第２磁石手段が第３及び第４永久磁石で構成され、第１磁石が第１磁石手段の第１磁極面を形成し、第２磁石が第１磁石手段の第２磁極面を形成し、第２磁石手段の第１磁極面と第３磁石の磁極面が第２磁石手段の第２磁極面を形成し、さらに、第１、第２、及び第３磁石の磁極面と反対側の端部を連結する極片を有している請求項５１記載の装置。５３．磁石手段が第１及び第２の永久磁石を含み、第１磁石の端面が第１磁極面を形成し、第２磁石の端面が第２磁極面を形成しており、さらに、第１及び第２磁石の磁極面の反対側を連結する極片を有している請求項４９記載の装置。