JP2001147101A - 誘導型スラスト変位センサ - Google Patents
誘導型スラスト変位センサInfo
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 回転体の半径方向位置が変動しても安定した
出力が得られ、センサコイルの励磁周波数を下げても広
い範囲の回転体の検出周波数特性が得られる誘導型スラ
スト変位センサを提供する。 【解決手段】 円周方向に均一で軸方向に異なる透磁率
分布を備えた回転体側に固着されるターゲット４と、該
ターゲットの外周を取り囲む円周方向に均一に配置され
た複数の磁極歯部５ａと該磁極歯部間に配置されたコイ
ルスロット５ｂを備えたセンサコア５と、該センサコア
のコイルスロットに装着された複数相のセンサコイル６
とからなる。
出力が得られ、センサコイルの励磁周波数を下げても広
い範囲の回転体の検出周波数特性が得られる誘導型スラ
スト変位センサを提供する。 【解決手段】 円周方向に均一で軸方向に異なる透磁率
分布を備えた回転体側に固着されるターゲット４と、該
ターゲットの外周を取り囲む円周方向に均一に配置され
た複数の磁極歯部５ａと該磁極歯部間に配置されたコイ
ルスロット５ｂを備えたセンサコア５と、該センサコア
のコイルスロットに装着された複数相のセンサコイル６
とからなる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、誘導型スラスト変
位センサに係り、特に回転体の軸方向位置を電磁気的誘
導現象（インダクタンスの変化）を利用して検出する変
位センサに関する。
位センサに係り、特に回転体の軸方向位置を電磁気的誘
導現象（インダクタンスの変化）を利用して検出する変
位センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】回転体の軸方向変位を検出する最も一般
的な形態は、回転体に回転軸垂直断面を設け、この面に
対して垂直方向にセンサを配置して被検出面の位置を検
出する方式である。即ち、図６に示すように回転体１の
軸端に磁性材２を設け、この面に対向する位置にセンサ
コイル３ｋを固設したセンサヘッド３を配置する。磁性
材の端面２ａとセンサヘッドの端面３ａ間の距離によっ
て、コイル３ｋのインダクタンスが変化するので、その
間の距離検出が可能になる。しかしながら、このような
検出形態では、回転軸１の軸端にカップリング、羽根車
などの付加機器の取り付けが難しいので、実用上の問題
が生じる場合がある。
的な形態は、回転体に回転軸垂直断面を設け、この面に
対して垂直方向にセンサを配置して被検出面の位置を検
出する方式である。即ち、図６に示すように回転体１の
軸端に磁性材２を設け、この面に対向する位置にセンサ
コイル３ｋを固設したセンサヘッド３を配置する。磁性
材の端面２ａとセンサヘッドの端面３ａ間の距離によっ
て、コイル３ｋのインダクタンスが変化するので、その
間の距離検出が可能になる。しかしながら、このような
検出形態では、回転軸１の軸端にカップリング、羽根車
などの付加機器の取り付けが難しいので、実用上の問題
が生じる場合がある。
【０００３】一方で、回転体円柱側面を検出対象として
利用することにより、この問題は回避できる。この具体
例を図７を用いて説明する。回転体のターゲット部４
は、回転体垂直断面を境に透磁率の高い磁性材４ａと非
磁性材４ｂが接合して構成される。変位センサヘッド３
は、この境界の半径方向延長線上に固定される。回転体
１が軸方向に移動することにより、センサヘッドの磁性
材端面３ａと回転体側の磁性材４ａの円周面の重なる面
積が異なるため、この空隙の磁気抵抗は変化することと
なる。よって、センサコイル３ｋの自己インダクタンス
は回転体の軸方向変位に依存して変化するので、回転体
１の軸方向位置検出が可能となる。
利用することにより、この問題は回避できる。この具体
例を図７を用いて説明する。回転体のターゲット部４
は、回転体垂直断面を境に透磁率の高い磁性材４ａと非
磁性材４ｂが接合して構成される。変位センサヘッド３
は、この境界の半径方向延長線上に固定される。回転体
１が軸方向に移動することにより、センサヘッドの磁性
材端面３ａと回転体側の磁性材４ａの円周面の重なる面
積が異なるため、この空隙の磁気抵抗は変化することと
なる。よって、センサコイル３ｋの自己インダクタンス
は回転体の軸方向変位に依存して変化するので、回転体
１の軸方向位置検出が可能となる。
【０００４】例えば、回転体が図７の右側に移動した場
合、回転体磁性材４ａの円周面とセンサコイルヘッドの
端面３ａの重なる面積が増加し、センサコイル３ｋで発
生した磁束の磁路面積は増加することになる。このた
め、コイルの磁束鎖交量は増加し、自己インダクタンス
は増加する。逆に回転体が左に移動した場合には、セン
サコイルの自己インダクタンスは減少する。このよう
に、磁性材４ａと非磁性材４ｂの境界面をセンサヘッド
３に対面して配置することにより、回転体の軸方向位置
の検出が可能となる。
合、回転体磁性材４ａの円周面とセンサコイルヘッドの
端面３ａの重なる面積が増加し、センサコイル３ｋで発
生した磁束の磁路面積は増加することになる。このた
め、コイルの磁束鎖交量は増加し、自己インダクタンス
は増加する。逆に回転体が左に移動した場合には、セン
サコイルの自己インダクタンスは減少する。このよう
に、磁性材４ａと非磁性材４ｂの境界面をセンサヘッド
３に対面して配置することにより、回転体の軸方向位置
の検出が可能となる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この形
態を適用した場合、正確な回転体の軸方向位置が検出で
きなくなる場合がある。例えば図８に示すように、回転
体が半径方向に移動した場合、又は図９に示すように回
転体が傾いた場合には、回転軸方向の位置が一定であっ
ても、センサコイルのインダクタンスは変化することに
なり、正確な軸方向位置の検出が不可能となる。
態を適用した場合、正確な回転体の軸方向位置が検出で
きなくなる場合がある。例えば図８に示すように、回転
体が半径方向に移動した場合、又は図９に示すように回
転体が傾いた場合には、回転軸方向の位置が一定であっ
ても、センサコイルのインダクタンスは変化することに
なり、正確な軸方向位置の検出が不可能となる。
【０００６】又、別の問題として、誘導電流の検出特性
阻害の問題がある。センサの磁束経路に導電性物質があ
る場合、例えば、センサヘッド、回転子ターゲット間に
キャン等の導電体を有する構成、あるいは、ターゲット
乃至センサヘッドコアが導電体で構成されているとき
は、誘導電流の反作用により、センサヘッドの磁束密度
が低下する。そのためセンサの磁路に導電性物質がある
場合は、変位センサの検出特性が低下し、極端な場合は
変位検出が不可能になる。この変位検出を阻害する誘導
電流は励磁磁束の時間微分に比例して発生するので、励
磁周波数が高いと損失が大きくなるので、励磁周波数は
極力低くした方が、センサ感度は向上する。
阻害の問題がある。センサの磁束経路に導電性物質があ
る場合、例えば、センサヘッド、回転子ターゲット間に
キャン等の導電体を有する構成、あるいは、ターゲット
乃至センサヘッドコアが導電体で構成されているとき
は、誘導電流の反作用により、センサヘッドの磁束密度
が低下する。そのためセンサの磁路に導電性物質がある
場合は、変位センサの検出特性が低下し、極端な場合は
変位検出が不可能になる。この変位検出を阻害する誘導
電流は励磁磁束の時間微分に比例して発生するので、励
磁周波数が高いと損失が大きくなるので、励磁周波数は
極力低くした方が、センサ感度は向上する。
【０００７】その一方で、従来の誘導型変位センサにお
いては、回転体の駆動制御、又は浮上位置制御等のシス
テム構成上の要求から、センサコイルの励磁磁界周波数
は回転体の変位の変動の周波数に対して十分に高く設定
する必要があった。一般に励磁周波数は、回転体の検出
変位周波数の５〜１０倍以上が望まれる。このため、悪
影響を及ぼす誘導電流の発生を抑える目的で、センサコ
イルの励磁周波数を極端に下げると、回転体の変動変位
の高周波数成分が検出不可能になる。又、従来の変位セ
ンサは励磁磁界により回転体の位置変動による振幅変調
を行っているので、復調演算の際に励磁磁界周波数成分
を除去する必要がある。この信号処理のためにＬＰＦ
（ローパスフィルタ）を使用する必要があったため、変
位検出可能な周波数領域の上限が生じてしまうという問
題があった。
いては、回転体の駆動制御、又は浮上位置制御等のシス
テム構成上の要求から、センサコイルの励磁磁界周波数
は回転体の変位の変動の周波数に対して十分に高く設定
する必要があった。一般に励磁周波数は、回転体の検出
変位周波数の５〜１０倍以上が望まれる。このため、悪
影響を及ぼす誘導電流の発生を抑える目的で、センサコ
イルの励磁周波数を極端に下げると、回転体の変動変位
の高周波数成分が検出不可能になる。又、従来の変位セ
ンサは励磁磁界により回転体の位置変動による振幅変調
を行っているので、復調演算の際に励磁磁界周波数成分
を除去する必要がある。この信号処理のためにＬＰＦ
（ローパスフィルタ）を使用する必要があったため、変
位検出可能な周波数領域の上限が生じてしまうという問
題があった。
【０００８】本発明は上述した事情に鑑みて為されたも
ので、電磁気的誘導現象を利用した回転体の軸方向位置
を検出するセンサにおいて、回転体の半径方向位置が変
動しても安定した出力が得られ、センサコイルの励磁周
波数を下げても広い範囲の回転体の検出周波数特性が得
られる誘導型スラスト変位センサを提供することを目的
とする。
ので、電磁気的誘導現象を利用した回転体の軸方向位置
を検出するセンサにおいて、回転体の半径方向位置が変
動しても安定した出力が得られ、センサコイルの励磁周
波数を下げても広い範囲の回転体の検出周波数特性が得
られる誘導型スラスト変位センサを提供することを目的
とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、円周方向に均一で軸方向に異なる透磁率分布を備え
た回転体側に固着されるターゲットと、該ターゲットの
外周を取り囲む円周方向に均一に配置された複数の磁極
歯部と該磁極歯部間に配置されたコイルスロットを備え
たセンサコアと、該センサコアのコイルスロットに分布
して巻線された複数相のセンサコイルとからなることを
特徴とする誘導型スラスト変位センサである。
は、円周方向に均一で軸方向に異なる透磁率分布を備え
た回転体側に固着されるターゲットと、該ターゲットの
外周を取り囲む円周方向に均一に配置された複数の磁極
歯部と該磁極歯部間に配置されたコイルスロットを備え
たセンサコアと、該センサコアのコイルスロットに分布
して巻線された複数相のセンサコイルとからなることを
特徴とする誘導型スラスト変位センサである。
【００１０】これにより、センサコアがターゲットの外
周を取り囲むように配置されているので、回転体に半径
方向の位置変動が生じても、センサコアに配置されたセ
ンサコイルの分布した巻線によりその変動に伴う出力が
相殺される。従って、半径方向のターゲットの位置変動
に伴う出力がセンサコイル端子に現れないので、回転体
の半径方向位置が変動しても、正確な軸方向変位のみを
検出できる。
周を取り囲むように配置されているので、回転体に半径
方向の位置変動が生じても、センサコアに配置されたセ
ンサコイルの分布した巻線によりその変動に伴う出力が
相殺される。従って、半径方向のターゲットの位置変動
に伴う出力がセンサコイル端子に現れないので、回転体
の半径方向位置が変動しても、正確な軸方向変位のみを
検出できる。
【００１１】請求項２記載の発明は、前記変位センサの
巻線に通電する際、ターゲットに回転磁界を作用させる
ように、巻線電流を与えることを特徴とする。この手法
により、更に、センサコイル端子に現れる出力が磁気回
路の抵抗成分の影響を受けず、又励磁周波数の影響を受
けないので、センサコイルの励磁周波数を下げても広い
範囲の回転体の検出周波数特性が得られる。
巻線に通電する際、ターゲットに回転磁界を作用させる
ように、巻線電流を与えることを特徴とする。この手法
により、更に、センサコイル端子に現れる出力が磁気回
路の抵抗成分の影響を受けず、又励磁周波数の影響を受
けないので、センサコイルの励磁周波数を下げても広い
範囲の回転体の検出周波数特性が得られる。
【００１２】請求項３に記載の発明は、前記変位センサ
を回転体の軸方向の異なる位置に２組備え、前記ターゲ
ットは回転体の軸方向に対して前記軸方向に異なる透磁
率分布を対称に配置し、且つ前記２組の複数相の巻線を
互いに差動的な出力が得られるように直列に接続したこ
とを特徴とする。これにより、２組の変位センサが差動
的に動作することから、標準位置におけるインダクタン
ス固定分が互いに相殺され、変動分のみを加算して取り
出すことができる。従って、検出感度の高い誘導型スラ
スト変位センサが得られる。
を回転体の軸方向の異なる位置に２組備え、前記ターゲ
ットは回転体の軸方向に対して前記軸方向に異なる透磁
率分布を対称に配置し、且つ前記２組の複数相の巻線を
互いに差動的な出力が得られるように直列に接続したこ
とを特徴とする。これにより、２組の変位センサが差動
的に動作することから、標準位置におけるインダクタン
ス固定分が互いに相殺され、変動分のみを加算して取り
出すことができる。従って、検出感度の高い誘導型スラ
スト変位センサが得られる。
【００１３】又、前記軸方向に異なる透磁率分布を備え
たターゲットは、透磁率の高い磁性材と非磁性材を接合
させたものであることが好ましい。
たターゲットは、透磁率の高い磁性材と非磁性材を接合
させたものであることが好ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図１乃至図５を参照しながら説明する。図１は本発
明の実施の形態のスラスト変位検出センサの形状を示
し、センサコイルの巻線は省略して図示している。即
ち、回転体に固定されたターゲット４の外周を取り囲む
ように、磁極歯部５ａとコイルスロット５ｂを備えたセ
ンサコア５が配置されている。コイルスロット５ｂに
は、後述するようにセンサコイルが電動機の巻線と同様
に分布して配置される。回転体１に装着したターゲット
４は図７に示した構成と同一で、透磁率の高い磁性材と
非磁性材を軸方向に隣接して配置し、その境界位置の磁
束の変化を検出に利用する。図７に示すセンサとの違い
は、磁性材からなる複数の磁極歯部５ａとスロット５ｂ
を有するセンサコア５がこのターゲット４の境界部を取
り囲む形で同軸状に配置されていることにある。
て、図１乃至図５を参照しながら説明する。図１は本発
明の実施の形態のスラスト変位検出センサの形状を示
し、センサコイルの巻線は省略して図示している。即
ち、回転体に固定されたターゲット４の外周を取り囲む
ように、磁極歯部５ａとコイルスロット５ｂを備えたセ
ンサコア５が配置されている。コイルスロット５ｂに
は、後述するようにセンサコイルが電動機の巻線と同様
に分布して配置される。回転体１に装着したターゲット
４は図７に示した構成と同一で、透磁率の高い磁性材と
非磁性材を軸方向に隣接して配置し、その境界位置の磁
束の変化を検出に利用する。図７に示すセンサとの違い
は、磁性材からなる複数の磁極歯部５ａとスロット５ｂ
を有するセンサコア５がこのターゲット４の境界部を取
り囲む形で同軸状に配置されていることにある。
【００１５】センサコイル６は、回転磁界が形成できる
ように電動機と同様の巻線に配置され、結線が施されて
いる。図６は、センサコイル配置の一例として、二極二
相巻線として配置した場合である。即ち、ａ相巻線とｂ
相巻線とは、互いに直交する方向の磁束を生成するよう
に配線され、各相に９０゜位相の異なる交流電流を供給
することにより２極の回転磁界を形成する。このように
回転対称となるように巻線を配置することで、回転体の
ラジアル位置の変動は、センサコイルのインダクタンス
に影響を及ぼさない。
ように電動機と同様の巻線に配置され、結線が施されて
いる。図６は、センサコイル配置の一例として、二極二
相巻線として配置した場合である。即ち、ａ相巻線とｂ
相巻線とは、互いに直交する方向の磁束を生成するよう
に配線され、各相に９０゜位相の異なる交流電流を供給
することにより２極の回転磁界を形成する。このように
回転対称となるように巻線を配置することで、回転体の
ラジアル位置の変動は、センサコイルのインダクタンス
に影響を及ぼさない。
【００１６】即ち、図８と図９に示されるような回転体
の半径方向位置の変化、又は傾きに対しては、これによ
りセンサコアの磁極歯部から生成する巻線端子側から見
た自己インダクタンスは変化しない。一方、スラスト方
向の変位に対しては、センサコアの磁極歯部から見た磁
気抵抗が変化して生成する磁束量が変化し、センサコイ
ルのインダクタンスは一意に変化するので、回転体の軸
方向位置検出が可能になる。よって、このようなセンサ
構成とすることにより、回転体のラジアル変位の影響を
受けることなく、スラスト方向の位置検出が可能とな
る。
の半径方向位置の変化、又は傾きに対しては、これによ
りセンサコアの磁極歯部から生成する巻線端子側から見
た自己インダクタンスは変化しない。一方、スラスト方
向の変位に対しては、センサコアの磁極歯部から見た磁
気抵抗が変化して生成する磁束量が変化し、センサコイ
ルのインダクタンスは一意に変化するので、回転体の軸
方向位置検出が可能になる。よって、このようなセンサ
構成とすることにより、回転体のラジアル変位の影響を
受けることなく、スラスト方向の位置検出が可能とな
る。
【００１７】又、このようなセンサコアの構成をとるこ
とにより、検出される変位の周波数特性は励磁周波数等
の影響を受けない。このため、理論上、高い周波数の回
転体の変動も検出可能になる。次に、図２に示した二極
二相巻線の端子電圧より、変位信号を抽出する原理を説
明する。尚、ａ相巻線、ｂ相巻線の電気的特性は同一で
あり、コイルの配置は幾何学的に９０゜の回転角度の差
異があるだけとする。ここで、回転体のスラスト方向位
置を記号zで表し、zの基準位置をz０とし、この基準位
置からの変位をδｚで表す。
とにより、検出される変位の周波数特性は励磁周波数等
の影響を受けない。このため、理論上、高い周波数の回
転体の変動も検出可能になる。次に、図２に示した二極
二相巻線の端子電圧より、変位信号を抽出する原理を説
明する。尚、ａ相巻線、ｂ相巻線の電気的特性は同一で
あり、コイルの配置は幾何学的に９０゜の回転角度の差
異があるだけとする。ここで、回転体のスラスト方向位
置を記号zで表し、zの基準位置をz０とし、この基準位
置からの変位をδｚで表す。
【００１８】回転体が基準位置z０にある場合のセンサ
コイルの自己インダクタンスをL０で表記するとδｚと
インダクタンスL(δz)の関係は L(δz)＝(z０/（z０+δz）)L０ と表される。これをｚ０中心でTaylor展開すると、 L(δz)＝｛1-(δz/z０)+2(δz/z０)２-6(δz/z０)３+…｝L０（１） を得る。又、ａ相巻線、ｂ相巻線の電流・電圧を
（iａ，iｂ），（vａ，vｂ）で表すと、
コイルの自己インダクタンスをL０で表記するとδｚと
インダクタンスL(δz)の関係は L(δz)＝(z０/（z０+δz）)L０ と表される。これをｚ０中心でTaylor展開すると、 L(δz)＝｛1-(δz/z０)+2(δz/z０)２-6(δz/z０)３+…｝L０（１） を得る。又、ａ相巻線、ｂ相巻線の電流・電圧を
（iａ，iｂ），（vａ，vｂ）で表すと、
【数１】 Rは巻線純抵抗分である。
【００１９】両式よりdL(δz)/dtを消去すると、
【数２】 この式と、前記Taylor展開（１）の近似式、 より、変位δzは結局
【数３】 で計算される。
【００２０】この結果から明らかなように、変位演算過
程でセンサコイルの純抵抗分は消去されることがわか
る。これにより、センサの環境温度が変化し、抵抗値が
変化した場合でも、その影響を受けないので安定した変
位検出特性が得られる。
程でセンサコイルの純抵抗分は消去されることがわか
る。これにより、センサの環境温度が変化し、抵抗値が
変化した場合でも、その影響を受けないので安定した変
位検出特性が得られる。
【００２１】上式の演算を簡単にするために、振幅一定
の回転磁界でセンサ磁気回路を励磁することを考える。
即ち、センサコイルａ相，ｂ相に流す電流（iａ，iｂ）
を、電流振幅iｐ，回転角周波数ωθを一定値として iａ=iｐcosωθt iｂ=iｐsinωθt で与えるものとする。これを（３）式に代入し、 δz=z０+(z０/ωθiｐL０)(vａsinωθt-vｂcosωθt) （４） となる。式中のz０，iｐ，L０，ωθは一定値であるか
ら、センサコイル端子電圧（vａ，vｂ）を回転磁界に同
期させるだけで変位信号を得ることができる。
の回転磁界でセンサ磁気回路を励磁することを考える。
即ち、センサコイルａ相，ｂ相に流す電流（iａ，iｂ）
を、電流振幅iｐ，回転角周波数ωθを一定値として iａ=iｐcosωθt iｂ=iｐsinωθt で与えるものとする。これを（３）式に代入し、 δz=z０+(z０/ωθiｐL０)(vａsinωθt-vｂcosωθt) （４） となる。式中のz０，iｐ，L０，ωθは一定値であるか
ら、センサコイル端子電圧（vａ，vｂ）を回転磁界に同
期させるだけで変位信号を得ることができる。
【００２２】従来の誘導型変位センサにおいては、励磁
磁界周波数はターゲット変位周波数に対して、十分に高
く設定する必要があった。これに対して本発明の変位セ
ンサにおいては、上式で示したように、原理上の検出特
性は励磁磁界の回転角周波数に依存しない。このため、
変位検出特性に悪影響を及ぼす渦電流が発生しないよう
に励磁磁界周波数を低くしても十分な検出特性が得られ
る。
磁界周波数はターゲット変位周波数に対して、十分に高
く設定する必要があった。これに対して本発明の変位セ
ンサにおいては、上式で示したように、原理上の検出特
性は励磁磁界の回転角周波数に依存しない。このため、
変位検出特性に悪影響を及ぼす渦電流が発生しないよう
に励磁磁界周波数を低くしても十分な検出特性が得られ
る。
【００２３】又、従来の変位センサは励磁磁界による振
幅変調を行っているので、復調演算する際に励磁磁界周
波数成分を除去する必要がある。このために、LPF（ロ
ーパスフィルタ）を使用する必要があったため、変位検
出可能な周波数領域の上限が生じていたが、本発明で
は、このようなフィルタリングの操作が一切ないので、
理論上高い周波数の変位が検出可能である。
幅変調を行っているので、復調演算する際に励磁磁界周
波数成分を除去する必要がある。このために、LPF（ロ
ーパスフィルタ）を使用する必要があったため、変位検
出可能な周波数領域の上限が生じていたが、本発明で
は、このようなフィルタリングの操作が一切ないので、
理論上高い周波数の変位が検出可能である。
【００２４】次に、図３に示すように回転体１の軸方向
の異なる位置に上述の変位センサを２組備え、２組のセ
ンサコイル結線を互いに差動的な出力が得られるように
直列に接続したものである。ターゲット４は軸方向に異
なる透磁率分布を対称に配置しているので、回転体が片
側に変位すると、片方の変位センサのインダクタンスL
(δz)が増大し、他方の変位センサのインダクタンスL
(δz)が減少する。係る場合の直列接続のセンサコイル
の出力について考察する。
の異なる位置に上述の変位センサを２組備え、２組のセ
ンサコイル結線を互いに差動的な出力が得られるように
直列に接続したものである。ターゲット４は軸方向に異
なる透磁率分布を対称に配置しているので、回転体が片
側に変位すると、片方の変位センサのインダクタンスL
(δz)が増大し、他方の変位センサのインダクタンスL
(δz)が減少する。係る場合の直列接続のセンサコイル
の出力について考察する。
【００２５】（３）式を導出する際に使用したインダク
タンスのTaylor展開の近似式、 L(δz)=L０-(δz/z０)L０ 上式は右辺第一項は変位δzに無関係な量なので、微少
なδzの変化に対してL(δz)はほとんど変化しない。即
ち、右辺第二項(δz/z０)L０の大きさがL０に比して小
さいとL(δz)の変位は相対的に小さくなり、このため検
出感度の低下を引き起こしてしまう。又、上式は（１）
式のδzの１次までの項までしか含んでいないので、δz
が大きくなると、検出変位に含まれる誤差が大きくな
り、正確な測定が困難になる。
タンスのTaylor展開の近似式、 L(δz)=L０-(δz/z０)L０ 上式は右辺第一項は変位δzに無関係な量なので、微少
なδzの変化に対してL(δz)はほとんど変化しない。即
ち、右辺第二項(δz/z０)L０の大きさがL０に比して小
さいとL(δz)の変位は相対的に小さくなり、このため検
出感度の低下を引き起こしてしまう。又、上式は（１）
式のδzの１次までの項までしか含んでいないので、δz
が大きくなると、検出変位に含まれる誤差が大きくな
り、正確な測定が困難になる。
【００２６】いま、図３において、変位センサ１のイン
ダクタンスをL１，変位センサ２のインダクタンスをL２
とすると、 L１(δz)=(z０/（z０+δz）)L０ L２(δz)=(z０/（z０−δz）)L０ これをz０中心でTaylor展開して L１(δz)＝｛1-(δz/z０)+2(δz/z０)２-6(δz/z０)３+…｝L０ L２(δz)＝｛1+(δz/z０)+2(δz/z０)２+6(δz/z０)３+…｝L０ 両式の差分をとると L２(δz)-L１(δz)=｛(δz/z０)+６(δz/z０)３+…｝2L０ を得る。
ダクタンスをL１，変位センサ２のインダクタンスをL２
とすると、 L１(δz)=(z０/（z０+δz）)L０ L２(δz)=(z０/（z０−δz）)L０ これをz０中心でTaylor展開して L１(δz)＝｛1-(δz/z０)+2(δz/z０)２-6(δz/z０)３+…｝L０ L２(δz)＝｛1+(δz/z０)+2(δz/z０)２+6(δz/z０)３+…｝L０ 両式の差分をとると L２(δz)-L１(δz)=｛(δz/z０)+６(δz/z０)３+…｝2L０ を得る。
【００２７】変位センサ１と変位センサ２の巻線を逆極
性になるように接続し、ひとつのコイルと見なした場
合、そのインダクタンスはL２(δz)-L１(δz)になるの
で、上式の差分の操作となる。これをTaylor展開の１次
式で近似することにより、 L２(δz)-L１(δz)=(δz/z０)2L０ が得られる。この式は（２）式に比較すると、変位に無
関係な定常項L０が存在しないので、検出感度が向上し
ていることがわかる。又、δzの２次の項まで考慮する
ことで、近似による丸め誤差の影響が少なくなり、精度
の高い測定が可能となる。
性になるように接続し、ひとつのコイルと見なした場
合、そのインダクタンスはL２(δz)-L１(δz)になるの
で、上式の差分の操作となる。これをTaylor展開の１次
式で近似することにより、 L２(δz)-L１(δz)=(δz/z０)2L０ が得られる。この式は（２）式に比較すると、変位に無
関係な定常項L０が存在しないので、検出感度が向上し
ていることがわかる。又、δzの２次の項まで考慮する
ことで、近似による丸め誤差の影響が少なくなり、精度
の高い測定が可能となる。
【００２８】回転体変位とセンサコイル端子電圧の関係
を求めるために次の信号を導入する。変位センサ１のａ
相巻線，ｂ相巻線の端子電圧を（v１ａ，v１ｂ），変位
センサ２のａ相巻線，ｂ相巻線の端子電圧を（v２ａ，v
２ｂ）で表すことにする。変位センサ１と変位センサ２
のセンサコイルを逆極性になるように接続し、一つのコ
イルと見なした場合のａ相巻線，ｂ相巻線の端子電圧は
(v２ａ-v１ａ,v２ｂ-v １ｂ)になる。
を求めるために次の信号を導入する。変位センサ１のａ
相巻線，ｂ相巻線の端子電圧を（v１ａ，v１ｂ），変位
センサ２のａ相巻線，ｂ相巻線の端子電圧を（v２ａ，v
２ｂ）で表すことにする。変位センサ１と変位センサ２
のセンサコイルを逆極性になるように接続し、一つのコ
イルと見なした場合のａ相巻線，ｂ相巻線の端子電圧は
(v２ａ-v１ａ,v２ｂ-v １ｂ)になる。
【００２９】従ってセンサコイルの端子電圧から変位を
導出する式は、
導出する式は、
【数４】 となり、回転磁界を生成する電流の式、 iａ=iｐcosωθt iｂ=iｐsinωθt から δz=(z０/2iｐωθL０)｛(v２ａ-v１ａ)sinωθt-(v
２ｂ-v１ｂ)cosω θt｝ により導出される。
２ｂ-v１ｂ)cosω θt｝ により導出される。
【００３０】以下、本発明の実施例について図４及び図
５を参照しながら説明する。尚、以下の説明では、便宜
上センサコイルの巻線形態は、三相二極として説明する
が、回転磁界が生成可能な形態ならばいかなる極数、及
び相数でも適用が可能である。又、センサコイルのスロ
ット数を１２個として説明するが、スロット数は適宜決
められるのは勿論のことである。回転体のターゲットと
変位センサの配置は図７に示した形態を用いるものとす
る。センサコアに巻回されるセンサコイルの配置は変位
センサ１，変位センサ２共に図４に示すように三相二極
に配線されている。
５を参照しながら説明する。尚、以下の説明では、便宜
上センサコイルの巻線形態は、三相二極として説明する
が、回転磁界が生成可能な形態ならばいかなる極数、及
び相数でも適用が可能である。又、センサコイルのスロ
ット数を１２個として説明するが、スロット数は適宜決
められるのは勿論のことである。回転体のターゲットと
変位センサの配置は図７に示した形態を用いるものとす
る。センサコアに巻回されるセンサコイルの配置は変位
センサ１，変位センサ２共に図４に示すように三相二極
に配線されている。
【００３１】図５は、このセンサコイル端子電圧から回
転体軸方向位置を演算する回路構成例である。センサコ
イルは、変位センサ１と変位センサ２の極性が逆になる
ように接続され、三相Ｙ結線にして使用する。このコイ
ルに回転磁界を発生させるために、一定振幅、一定周波
数の三相交流電流を流す必要がある。この電流を生成す
るために二相発振器１１、二相・三相変換器１２、三相
電流増幅器１３を使用する。二相発振器１１にて一定振
幅、一定角周波数の信号 iａ=cosωθt iｂ=sinωθt を得る。
転体軸方向位置を演算する回路構成例である。センサコ
イルは、変位センサ１と変位センサ２の極性が逆になる
ように接続され、三相Ｙ結線にして使用する。このコイ
ルに回転磁界を発生させるために、一定振幅、一定周波
数の三相交流電流を流す必要がある。この電流を生成す
るために二相発振器１１、二相・三相変換器１２、三相
電流増幅器１３を使用する。二相発振器１１にて一定振
幅、一定角周波数の信号 iａ=cosωθt iｂ=sinωθt を得る。
【００３２】次に、二相・三相変換器１２にて、次の演
算、
算、
【数５】 を行い、三相電流指令値を生成する。この信号を電流増
幅器１３にて三相結線としたセンサコイルに通電し、回
転磁界を生成する。
幅器１３にて三相結線としたセンサコイルに通電し、回
転磁界を生成する。
【００３３】このときのセンサコイル端子電圧(vｕ，v
ｖ，vｗ)を三相・二相変換器１４で二相信号（vａ，
vｂ）に変換する。
ｖ，vｗ)を三相・二相変換器１４で二相信号（vａ，
vｂ）に変換する。
【数６】
【００３４】このようにして得た二相電圧信号と、二相
発振器の信号を用いて、回転体変位を次の式で導出す
る。 δz=k｛-vａsinωθt+vｂcosωθt｝ ここでkは比例定数である。得られた軸方向変位の検出
特性は、励磁角周波数ω θに依存しないので、高い周波
数で変動する回転体の変位の検出が可能となる。
発振器の信号を用いて、回転体変位を次の式で導出す
る。 δz=k｛-vａsinωθt+vｂcosωθt｝ ここでkは比例定数である。得られた軸方向変位の検出
特性は、励磁角周波数ω θに依存しないので、高い周波
数で変動する回転体の変位の検出が可能となる。
【００３５】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
回転体に固設した磁性材ターゲットの円筒面を取り囲む
ように、センサコアを配置したことにより、回転体半径
方向変位の影響を受けることなく軸方向変位の検出が可
能となる。又、抵抗成分の影響を受けないので、センサ
の周辺の温度が変動して抵抗値が変化した場合でも、安
定した変位検出特性が得られる。更に、変位の検出周波
数特性は、励磁磁界周波数に依存しないので、変位セン
サ周辺に発生する誘導電流の影響を最小限にとどめるた
めに励磁磁界周波数を低くして使用できる。又、振幅変
調方式を用いないので、キャリア周波数を除去するため
のフィルタが不要となり、回転体の変位を高い周波数領
域まで検出できる。
回転体に固設した磁性材ターゲットの円筒面を取り囲む
ように、センサコアを配置したことにより、回転体半径
方向変位の影響を受けることなく軸方向変位の検出が可
能となる。又、抵抗成分の影響を受けないので、センサ
の周辺の温度が変動して抵抗値が変化した場合でも、安
定した変位検出特性が得られる。更に、変位の検出周波
数特性は、励磁磁界周波数に依存しないので、変位セン
サ周辺に発生する誘導電流の影響を最小限にとどめるた
めに励磁磁界周波数を低くして使用できる。又、振幅変
調方式を用いないので、キャリア周波数を除去するため
のフィルタが不要となり、回転体の変位を高い周波数領
域まで検出できる。
【００３６】又、回転体に二つの変位センサを配置し
て、センサコイル出力が差動的に得られるように結線す
ることにより、センサコイルのインダクタンスのオフセ
ットが消失し、検出された変位は線形性が増加するの
で、検出特性が向上する。
て、センサコイル出力が差動的に得られるように結線す
ることにより、センサコイルのインダクタンスのオフセ
ットが消失し、検出された変位は線形性が増加するの
で、検出特性が向上する。
【図１】本発明の実施の形態の誘導型スラスト変位セン
サの（ａ）軸方向の側面図であり、（ｂ）センサコアの
断面図である。
サの（ａ）軸方向の側面図であり、（ｂ）センサコアの
断面図である。
【図２】図１のセンサコアの巻線の配置を示す図である
【図３】図１の変位センサを軸方向の異なる位置に２個
配置した例を示す図である。
配置した例を示す図である。
【図４】図１のセンサコアの巻線の配置の他の例を示す
図である
図である
【図５】図３の変位センサの配置による変位検出回路の
構成例を示す図である。
構成例を示す図である。
【図６】従来の誘導型スラスト変位センサの構成例を示
す図である。
す図である。
【図７】軸方向に異なる透磁率分布を備えたターゲット
と、その側方にセンサヘッドを配置した場合を示す図で
ある。
と、その側方にセンサヘッドを配置した場合を示す図で
ある。
【図８】図７において、回転体が半径方向に変位した場
合を示す図である。
合を示す図である。
【図９】図７において、回転体が傾斜した場合を示す図
である。
である。
１ 回転体 ４，４ａ ターゲット（磁性材） ４ｂ ターゲット（非磁性材） ５ センサコア ５ａ 磁極歯部 ５ｂ スロット ６ 巻線
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 森 敏 神奈川県藤沢市本藤沢４丁目２番１号 株 式会社荏原総合研究所内 Ｆターム(参考） 2F063 AA02 BD16 CA08 CA40 CB12 CC04 DA01 DB04 DD03 DD04 DD05 GA04 GA30 GA35 GA36 GA68 GA69 GA80 LA02 LA12 LA23 LA24 LA25 2F077 FF04 FF12 FF39 NN04 NN21 TT06
Claims (4)
- 【請求項１】 円周方向に均一で軸方向に異なる透磁率
分布を備えた回転体側に固着されるターゲットと、該タ
ーゲットの外周を取り囲む円周方向に均一に配置された
複数の磁極歯部と該磁極歯部間に配置されたコイルスロ
ットを備えたセンサコアと、該センサコアのコイルスロ
ットに分布して巻線された複数相のセンサコイルとから
なることを特徴とする誘導型スラスト変位センサ。 - 【請求項２】 前記ターゲットに回転磁界を作用させる
ように、前記巻線に電流を通電することを特徴とする請
求項１に記載の誘導型スラスト変位センサ。 - 【請求項３】 前記変位センサを回転体の軸方向の異な
る位置に２組備え、前記ターゲットは回転体の軸方向に
対して前記軸方向に異なる透磁率分布を対称に配置し、
且つ前記２組の複数相の巻線を互いに差動的な出力が得
られるように直列に接続したことを特徴とする請求項１
に記載の誘導型スラスト変位センサ。 - 【請求項４】 前記軸方向に異なる透磁率分布を備えた
ターゲットは、透磁率の高い磁性材と非磁性材を接合さ
せたものであることを特徴とする請求項１乃至３のいず
れかに記載の誘導型スラスト変位センサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP33016099A JP2001147101A (ja) | 1999-11-19 | 1999-11-19 | 誘導型スラスト変位センサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP33016099A JP2001147101A (ja) | 1999-11-19 | 1999-11-19 | 誘導型スラスト変位センサ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001147101A true JP2001147101A (ja) | 2001-05-29 |
Family
ID=18229493
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP33016099A Pending JP2001147101A (ja) | 1999-11-19 | 1999-11-19 | 誘導型スラスト変位センサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2001147101A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN100383488C (zh) * | 2006-03-17 | 2008-04-23 | 清华大学 | 一种同步测量转动轴径向和轴向位移的方法及其传感器 |
| CN100394143C (zh) * | 2006-03-24 | 2008-06-11 | 重庆工学院 | 齿电式时栅传感器 |
-
1999
- 1999-11-19 JP JP33016099A patent/JP2001147101A/ja active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN100383488C (zh) * | 2006-03-17 | 2008-04-23 | 清华大学 | 一种同步测量转动轴径向和轴向位移的方法及其传感器 |
| CN100394143C (zh) * | 2006-03-24 | 2008-06-11 | 重庆工学院 | 齿电式时栅传感器 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20060207 |
|
| A977 | Report on retrieval |
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|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20071016 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20071212 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20080805 |
|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20081202 |