JP2003161635A - 直線位置検出器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 構造が簡単で狭小な場所への適用が可能な直
線位置検出器で、無接触で精度良く測定が可能であり、
対環境で温度、外部磁気などによる出力の変動も少な
く、特に検出コイルと軸状移動体（１１）との相対的な
取付け位置の自由度が大きく、用途により導電体の導電
面積の形状変更で、感度検出を自由に変更できる検出器
を提供する。 【解決手段】 変位を起こす検出部に軸状軸方向移動体
（１１）と導電性または磁気抵抗の異なるパターン
（２）にコイルを近接させ、このコイル（１）に周期的
にパルス状の電圧を印加し、コンデンサ（４）の充電、
または放電をおこなわせ、その放電時の電圧がコンパレ
ータ（５）のしきい値を超えるまでの時間を電圧に変換
して直線位置検出を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、小形でシンプルな
構成で、外部環境変化の厳しい用途で、直線方向の変位
量を感知して所定の位置にあるかどうかを判定して、電
圧、電流、スイッチ出力等を発生させる目的で使用する
直線位置検出器に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の直線変位検出器には、差動トラン
ス、光学式スケール、磁気スケール等があった。差動ト
ランスは通常３個以上の巻線コイルを使用するため形状
が複雑で、外形も大きく配線の導出入も多く長手方向寸
法も長かった。光学式スケールは繰り返し安定性に欠
け、光を透過させるスリットが必要なため分解能に制限
があった。 磁気スケールは繊細な組み付けが要求さ
れ、悪環境での使用が困難であり、またインクリメンタ
ル方式のため電源投入の都度、原点設定が必要であっ
た。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本検出器を構成する部
品である軸状軸方向移動体（１１）と、この上に形成さ
れた導電体または磁気抵抗の異なるパターン（２）の形
状を図２〜図５に示す。

【０００４】軸状移動体（１１）の外周に、パターン
（２）を軸方向に一定の関数で逐次導電面積が長さに応
じて減少または増大するように印刷し、直線方向変位量
とその結果近接するコイル（１）に誘起されるインピー
ダンス変化量を増大または減少させることができるよう
に自由設計できる構造にして、この信号を処理する回路
系とのマッチングにより、各種目的に合った直線位置検
出器を提供できるようにした。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め本発明の直線位置検出器は図１、または図１Ａ，図１
Ｂに示すように、コイル（１）と軸状移動体（１１）の
外周に、軸状移動体（１１）と導電性または磁気抵抗の
異なるパターン（２）を、軸方向に比例または一定の関
数で重合距離または重合面積が減少または増加するよう
に印刷し、軸状移動体（１１）と導電性または磁気抵抗
の異なるパターン（２）よりなる変位検出部と、抵抗、
コンデンサ、コンパレータまたは固定周波数パルス発振
器と、電圧トリガー部と周期電圧変換部（２１）等より
なるコイルへの周期的な入力発振回路とその結果を出力
処理する回路で構成する。

【０００６】この目的を達成するため、本直線変位検出
器は、図１または図７に示すブロック図で示される構成
となっている。コイル（１）は軸状移動体（１１）内周
または側面または外周で近接して固定されている。軸状
移動体（１１）と導電性または磁気抵抗の異なるパター
ン（２）は軸状移動体（１１）の外周に形成または印刷
されている。被直線変位測定物（１５）が図１の矢印方
向に変位すると、近接するコイル（１）との重合距離
（１０）または重合面積が変化する。

【０００７】この変化をコイルのインダクタンス変化と
して捉える回路として、図１と図７のように２種の回路
を示す。何れの方式もコイルのインダクタンスを時間の
変化で捉えるのは同じであるが、コイルの印加する発振
回路と取りだし時間位置が異なる。

【０００８】パルス出力回路に用いるコンパレータ
（５）は、反転出力の比較器であり、入力電圧が低電圧
から上昇するときは、しきい値を超えるまでハイレベル
に出力し、しきい値を超えるとローレベルを出力する。
また、入力電圧が高電圧側から下降するときは、しきい
値を超えるまでローレベルを出力し、しきい値を超える
とハイレベルを出力する。また、しきい値にヒステリシ
スを持たせることにより、安定して連続発振を続けさせ
ることができる。具体的にはコンパレータの他にオペア
ンプや論理素子のシュミットインバータなどが利用でき
る。

【０００９】パルス出力部に用いる固定周波数パルス発
信器（９）とフリップフロップ回路（８）並びにコンパ
レータ（５）を用いた回路で、パルスの出力タイミング
を操作することで、ハードウエアのみで温度補償特性の
調整とか直線性向上を行うことができる。

【００１０】周期電圧変換部（２１）は、コンデンサ放
電の過渡状態をコンパレータのしきい値で判定すること
により得られる時間を電圧に変換する部分である。出力
変換部（２２）は変位に対応した電圧または電流を出力
するが、あらかじめ設定した位置に対してプラスまたは
マイナスのどちら側にあるかを比較・判定してスイッチ
出力を発生させる。

【００１１】

【作用】この直線位置検出器において、コイル（１）に
パルス状の電圧を印加すると、変位検出部の軸状移動体
（１１）と導電性または磁気抵抗の異なるパターン
（２）とコイル（１）が重合する量に応じてコイル
（１）のインダクタンスが変化し、これに応じてコンパ
レータ入力部の電圧が変化する。

【００１２】このインダクタンスの変化は軸状移動体
（１１）をコイル（１）に挿入するとコイルより発生す
る磁束により軸状移動体（１１）と導電性または磁気抵
抗の異なるパターン（２）の表面に渦電流が発生し、そ
れが損失となりインダクタンスを減少させる方向にはた
らき、磁性体を挿入する場合は磁性体がコイルより発す
る磁束を集中させる働きをしてインダクタンスを増加さ
せる。

【００１３】図７はヒステリシスを有するコンパレータ
を用いて連続発振させるブロック図を示し、図８はコン
パレータよりコイルにパルス状の電圧を印加すると、コ
イルのインダクタンスと、抵抗、コンデンサによって決
まる時定数でコンデンサに充電される様子を示す。

【００１４】コンデンサの充電される側の極は、コンパ
レータの入力側にも接続されているので、コンパレータ
のしきい値を超えて電圧が上昇すると、図８ように、コ
ンパレータの出力が０Ｖ（ボルト）またはグランドに反
転し、コンデンサは放電を始める。この時コイルのイン
ダクタンスと、抵抗、コンデンサにより決まる時定数で
コンデンサは電荷を放電する。

【００１５】この放電電圧がコンパレータのしきい値を
超えて下降すると、コンパレータの出力はハイレベルに
変化するので連続して発振を続け、ハイレベルになるま
での時間（図８の周期Ｔｄ）を電圧等に変換して出力と
する。また、コンパレータのしきい値にヒステリシスが
ない場合も、コイルの逆起電力によるオーバシュートに
より発振を維持できる可能性があるが，不安定なため、
コンパレータのしきい値にヒステリシスを設け、図９に
示す電位差（ＶＨとＶＬの差）ΔＶを十分に確保して、
安定して発振させることが重要である。

【００１６】次にコンデンサへの充・放電の電圧変化を
観測し、それを電圧に変換し出力とする方法について述
べる。連続して発振しているコンパレータの出力電圧反
転のタイミングにあわせて、一定時間幅を有する矩形波
Ｔｃを生成し、その矩形波の実効値をとることで、出力
となる電圧を生成できる。このように出力電圧の生成方
法では、コンパレータの出力周期をＴとすると、出力電
圧はＴｃ／Ｔとなり、実行値を求めるときに周期Ｔの方
が変化するため、コイルのインダクタンスと出力電圧の
比例関係が損なわれる。

【００１７】そこで別途固定パルス発振回路を追加し、
周期Ｔで動作するクロックの立ち上がりから、コンパレ
ータの出力が反転する間、コイルにパルス状の電圧を印
加し、コンデンサの放電時にコンパレータのしきい値を
通過するときの信号を基準に矩形波を生成し、この時間
Ｔｄを実効値にとると、出力はＴｄ／Ｔとなり、周期Ｔ
が一定なのでインダクタンスの変化に比例した出力を得
ることができる。

【００１８】この方式は周期Ｔ内で複数回のパルスを出
力しても効果は同様で、コイル等の形状等の制約によ
り、インダクタンスが小さく得られる出力が少ない場合
は、クロックの１周期内に複数回のパルス電圧を出力し
て時間をかせぐことにより、安定した出力を得ることが
できる。その他の電圧変換の方法として、コンデンサの
放電時にコンパレータのしきい値を通過するまでの時間
を計測し、その時間に比例した電圧を出力する方法も考
えられる。

【００１９】

【発明の実施の形態】図１において、被直線変位検出物
（１５）に締結した軸状移動体（１１）と導電性または
磁気抵抗の異なるパターン（２）を用いて、位置の変位
とともにコイル（１）との重合距離または重合面積が変
化するように配置することで、変位検出部を構成させ
て、コイル（１）の一端に抵抗（６）、バッファ
（７）、フリップフロップ回路（８）、固定周波数パル
ス発信器（９）を接続し、コイル（１）とコンパレータ
（５）間にコンデンサ（４）を接続し、その端部は０Ｖ
（ボルト）またはグランンド（３）に接地する。

【００２０】さらに、固定周波数パルス発信器（９）よ
り固定周波数パルスを発生させ、コイル（１）のインダ
クタンス変化に応じてヒステリシスを有するしきい値を
備えた反転出力のコンパレータ（５）の出力電圧が既定
上限電圧ＶＨに達するとフリップフロップ回路のリセッ
ト回路が働いてコイル（１）とコンパレータの電圧がデ
ィスチャージされ、この電圧が既定下限電圧ＶＬに達す
る瞬間にトリガーをかけて、固定周波数パルス発信時か
ら既定下限電圧ＶＬに達するまでの時間Ｔｄを計測す
る。

【００２１】図１はコイル（１）の内径に軸状移動体
（１１）があり、その外周に図２、図３に示すような軸
状移動体（１１）と導電性または磁気抵抗の異なるパタ
ーン（２）が形成または印刷してある。ここで印刷と呼
称しているのは軸状移動体（１１）と導電性または磁気
抵抗の異なるパターン（２）を形成するために塗布材料
の溶剤または接着剤に混練してコートするペイント法、
電気鍍金法、または真空蒸着法、イオンプレーテイング
法、各種スパッタリング法などの真空応用の成膜方法に
よるもの等を含んでいる。

【００２２】軸状移動体（１１）と導電性または磁気抵
抗の異なるパターン（２）材料として銅、銀、アルミ合
金等の電気抵抗率の低い非鉄金属が使われるのが通常で
ある。軸状移動体（１１）には鋼材、ステンレス鋼、非
鉄金属その他、高分子材料、セラミックス等が使用され
る。印刷厚みは２０μｍから２００μｍ程度が用いられ
一般に真空成膜、特にスパッタリング法による膜形成が
緻密で微細形状向き強固に均一に印刷が可能である。

【００２３】図１Ａはコイル（１）の外周がコイル固定
台（１３）を介して導電体（２）に近接している場合を
示している。この場合には導電体印刷の軸方向中心とコ
イル（１）の軸心は同一面にある必要がある。図１Ｂは
コイル（１）の側面がコイル固定台（１３）を介して、
近接固定されている場合を示している。この場合はコイ
ル軸心が導電体印刷の軸方向中心に対向していることが
必要である。

【００２４】図４および図５は円形の軸状移動体（１
１）と導電性または磁気抵抗の異なるパターン（２）の
印刷の例を示す。この場合に円形のパターン（２）の直
径が十分小さい直径で始まり、円周千鳥配列も十分多け
ればケースのコイル（１）の円周、側面近接の場合のよ
うなコイルと導電体の軸心合わせの必要はない。

【００２５】また図６にはパターン（２）材料のイオン
抽入によってイオン濃度密度を大から小、しいては皆無
にと傾斜抽入した図を模式的に示す。この密度比は１
０：１以上にする。

【００２６】

【発明の効果】本発明は直線変位検出器として、コイル
（１）と軸状移動体（１１）と導電性または磁気抵抗の
異なるパターン（２）のみで検出部を構成できることに
加えて、導電体印刷の効果によって更に急峻な感度で変
位を検出することが可能になった。しかも、変位する測
定物と無接触で測定可能であり、しかもコイル（１）と
軸状移動体（１１）と導電性または磁気抵抗の異なるパ
ターン（２）の相対的な位置は比較的自由度が大きく、
位置的な微調整が必要なく使用上大きな効果となる。

【００２７】測定物の寸法緒元に合わせて、導電体印刷
形状を選べば、回路とのマッチングにより、より狭小な
検出部を十分な感度と精度を持って作成可能である。ま
た、検出部がコイルと軸状移動体（１１）と導電性また
は磁気抵抗の異なるパターン（２）のみで構成されてい
るので、設置する環境対策も対応しやすく、特に高温対
策や耐湿対策は簡単で、高温の厳しい場所にも設置可能
である。

【符号の説明】

１． コイル ２． 軸状軸方向移動体と導電性または磁気抵抗の異な
るパターン ３． 接地部 ４． コンデンサ ５． ヒステリシスを有するしきい値を備えた反転出力
のコンパレータ ６． 抵抗 ７． バッファ ８． フリップフロップ素子 ９． 固定周波数パルス発振器 １０． 重合距離 １１． 軸状軸方向移動体 １２． 軸受け １３． コイル固定台 １４． 軸受け固定台 １５． 被変位測定物 ２１． 発振周期電圧変換部 ２２． 出力変換部

【図面の簡単な説明】

【図１】直線位置検出器の全体ブロック図

【図１Ａ】直線位置検出器のコイル外径が軸状軸方向移
動体（１１）と導電性または磁気抵抗の異なるパターン
（２）に近接している状態図

【図１Ｂ】直線位置検出器のコイル側面が軸状移動体
（１１）と導電性または磁気抵抗の異なるパターン
（２）に近接している状態図

【図２】軸状移動体外周のパターン印刷の状況の鳥瞰図

【図３】軸状移動体外周の導電体印刷で軸方向に沿っ
て、導電体面積が減少（または増加）する様子の外径展
開図

【図４】軸状移動体外周へ円状パターンが軸長さ方向に
沿って、軸円周方向には千鳥状に配列して間隔が同じで
各直径が漸減して、導電体密度が疎になる場合の外径展
開図

【図５】軸状軸方向移動体外周への円状パターンを軸長
さ方向に沿って、軸円周方向に千鳥状に配列して、軸長
さ方向には隣接する間隔が大きくなり、同じ直径の円状
導電体を印刷して、パターン密度が疎になる場合の外径
展開図

【図６】イオン抽入法によって軸方向にイオン抽入密度
が漸減するようにパターンを配置した模式図

【図７】図１と発振方法を変えた直線位置検出器の全体
ブロック図

【図８】図１のブロック図のタイミングチャート

【図９】図７のブロック図のタイミングチャート

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 三木 正之 京都府京都市下京区七条御所ノ内南町102 番地 株式会社リベックス内 Ｆターム(参考） 2F077 AA13 AA41 CC02 FF02 FF12 FF31 TT07 TT09 TT24 TT35 VV02 VV33

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 コイル（１）とコイルの内径または外周
   または側面に、軸状軸方向移動体（１１）を近接して設
   置し、その軸状軸方向移動体（１１）の外周に、軸状軸
   方向移動体（１１）と導電性または磁気抵抗の異なるパ
   ターン（２）を形成または印刷し、その軸方向の長さに
   一定の関数でパターンの印刷幅が減少または増加するよ
   うに構成し、コイル（１）に周期的に矩形波を印加する
   と、変位に応じて重合距離（１０）または重合面積が変
   化するため、コイル（１）と軸状軸方向移動体（１１）
   とパターン（２）環で渦電流損およびインダクタンスが
   変化して、矩形波の減衰状態が変化するため、この矩形
   波の減衰状態を計測して直線方向変位を検出できるよう
   にした直線位置検出器。
2. 【請求項２】 コイル（１）とコイルの内径または外周
   または側面に軸状移動体が近接して設置され、その軸状
   移動体（１１）の外周に軸状移動体（１１）と導電性ま
   たは磁気抵抗の異なるパターン（２）が形成され、その
   軸方向に隣接する距離は同じで、直径が漸減する円、楕
   円他面積変化が可能な全ての形状のパターン（２）列
   を、軸状移動体の円周上に千鳥状または平行を含む様々
   な配置に配列して軸方向にパターン面積密度を疎にし、
   変位方向に対して検出感度を急峻に制御でき、なお且つ
   高感度を可能にした検出部において、コイル（１）に周
   期的に矩形波を印加すると、変位に応じて重合距離（１
   ０）または重合面積が変化するため、コイル（１）と軸
   状移動体（１１）と導電性または磁気抵抗の異なるパタ
   ーン（２）間の渦電流損およびインダクタンスが変化し
   て、矩形波の減衰状態が変化するため、この矩形波の減
   衰状態を計測して軸方向変位を検出できるようにした直
   線位置検出器。
3. 【請求項３】 コイル（１）とコイルの内径または外周
   または側面に軸状軸方向移動体が近接して設置され、そ
   の軸状軸方向移動体（１１）の外周に軸状軸方向移動体
   （１１）と導電性または磁気抵抗の異なるパターン
   （２）が形成されて、その軸方向に隣接する距離を比例
   的に大きくなるよう、同面積パターン（２）の列を、軸
   状移動体の円周上に配列して軸方向に導電体面積密度を
   変化させ、直線方向変位に応じて重合距離（１０）また
   は重合面積が変化するため、コイル（１）と軸状移動体
   （１１）とパターン（２）間の渦電流損およびインダク
   タンスが変化して、矩形波の減衰状態が変化するため、
   この矩形波の減衰状態を計測して直線方向変位を検出で
   きるようにした直線位置検出器。
4. 【請求項４】 コイル（１）とコイルの内径または外周
   または側面に軸状移動体を近接して設置し、その軸状移
   動体（１１）の外周に軸状移動体（１１）と導電性また
   は磁気抵抗の異なるパターン（２）が形成し、その軸方
   向に導電体材料または磁性体材料をイオン抽入により、
   軸方向に面積密度の濃淡を１０：１以上の比にして形成
   し、コイル（１）に周期的に矩形波を印加すると、変位
   に応じて重合距離（１０）または重合面積が変化するた
   め、コイル（１）と軸状軸方向移動体（１１）とパター
   ン（２）または磁性体間の渦電流損およびインダクタン
   スが変化して、矩形波の減衰状態が変化するため、この
   矩形波の減衰状態を計測して変位を検出できるようにし
   た直線位置検出器。
5. 【請求項５】 請求項１〜４の直線位置検出器におい
   て、コイル（１）の一端に抵抗（６）、バッファ
   （７）、フリップフロップ素子（８）、固定周波数パル
   ス発振器（９）を接続し、コイル（１）の他端にヒステ
   リシスを有するしきい値を備えたコンパレータ（５）を
   接続し、その他端はフリップフロップ回路（８）のリセ
   ット部に接続し、コイル（１）とコンパレータ（５）間
   にコンデンサ（４）を接続し、その他端はグランド
   （３）に接地させ、軸状軸方向移動体（１１）の軸方向
   移動距離に応じてコイル（１）の内周部または外周部ま
   たは近傍を移動するパターン（２）を設け、コイル
   （１）と導電性または磁気抵抗の異なるパターン（２）
   との距離または重合距離（１０）、または重合面積に応
   じてコイル（１）のインダクタンスが変化するように構
   成し、固定周波数パルス発振器（９）より固定周波数パ
   ルスを発生させ、コイル（１）のインダクタンス変化に
   応じてヒステリシスを有するしきい値を備えたコンパレ
   ータ（５）の入力電圧があらかじめ設定した上限電圧Ｖ
   Ｈに達すると、フリップフロップ素子へのリセット回路
   が働き、バッファ（７）の出力がグランドレベルになる
   ため、コイル（１）とコンパレータ（５）間の電圧がデ
   ィスチャージされ、この電圧が下限電圧ＶＬに達すると
   トリガーを働かせて時間を固定し、この固定周波数パル
   ス立ち上がり時間から下限電圧ＶＬに達するまでの時間
   Ｔｄを計測し、この時間を軸方向の変位とみなして直線
   方向位置を検出できるようにした直線位置検出器。
6. 【請求項６】 請求項１〜４の直線位置検出器におい
   て、コイル（１）の一端に抵抗（６）、コンデンサ
   （４）を接続し、コイル（１）の他端に発振周期電圧変
   換部（２１）を接続し、抵抗（６）とコンデンサ（４）
   の間と発振周期電圧変換部（２１）の間にヒステリシス
   を有するしきい値を備えた反転出力のコンパレータ
   （５）を接続して、ヒステリシスを有するしきい値を備
   えたコンパレータ（５）の出力を発振させ、軸状軸方向
   移動体（１１）の直線方向移動距離に応じてコイル
   （１）の内周部また外周部または近傍を移動する導電性
   または磁気抵抗の異なるパターン（２）を設け、コイル
   （１）と導電性または磁気抵抗の異なるパターン（２）
   の重合距離（１０）、またはコイル（１）と導電性また
   は磁気抵抗の異なるパターン（２）の距離に応じてコイ
   ル（１）のインダクタンスが変化するように構成し、コ
   イル（１）と抵抗（６）を合わせたインピーダンスが変
   化するため、コンデンサ（４）の充・放電の時間が変化
   し、それによりコンパレータ（５）出力の発振周期が変
   化するので、その周期を観測し、この周期の変化を直線
   方向の位置とみなして直線位置検出をする直線位置検出
   器。