JP2006208138A - 非接触型変位センサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 小型、安価、簡単な構成で、検出範囲が広く、かつ検出部と検出対象とのギャップ変動に強い非接触変位センサ装置を提供する。
【解決手段】 検出部１はコア２とコア２に巻かれたコイル３から成る。コア２は、環状の磁性体からなり、環状の一部を切り欠いた開口部２ａを有する。この検出部１はアクチュエータの固定部等に設けられる。検出対象４は直方体の磁性体からなり、開口部２ａに挿入されてδ＝δ1＋δ2のギャップを介して配置される。この検出対象４はアクチュエータなどの可動部５に固定される。コイル３には移動量演算部６が接続されており、検出対象４及び可動部５の移動に応じたコイル３のインダクタンス変化を検出して移動量に応じた移動量信号７を出力する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、検出対象に対する移動量を磁気回路を介して検出する非接触変位センサ装置に関するものである。

図１０（a）は従来の非接触変位センサ装置の構成を示し、図１０(ｂ）はセンサ出力を示す。
図１０(a)において、センサ１１はコア１２、コイル１３からなり、検出対象１４はコア１２とのギャップｇが異なる凹凸面１５を有する磁性体からなる。コイル１３に交流電流が流れると、センサ１１と検出対象１４との間に磁気回路が構成される。検出対象１４が矢印方向に移動すると、検出対象１４である磁性体と凹凸面１５とのギャップｇの変化に応じてコイル１３のインダクタンスが変化し、図１０(ｂ)のように検出対象１４の移動量に応じた正弦波状の出力が得られる。コイル１３に接続された図示しないセンサ回路により正弦波の波数をカウントし演算することによって、検出対象１４の位置情報を得ることができる。

また従来より、変位に対する検出コイルのインピーダンスの温度変化を簡単な回路で補償できるポジションセンサ（例えば、特許文献１参照）、及び少なくとも一方の面が金属で覆われているストリップ材料の厚さを検出する装置が提案されている。
特開２００４−２９００２号公報 特開平６−５０７０４号公報

上記従来の非接触変位センサ装置では、検出対象１４の形状に高い加工精度が要求され、また、センサ１１と検出対象１４の凹凸面１５とのギャップｇを一定にするように組み付けなければならず、このため加工・組付けのコストが高くなるという問題があった。また、上記特許文献１に示すものは、温度補償のための回路を必要とし、上記特許文献２に示すものは、変位を検出することはできない。
従って本発明は、小型、安価、単純な構造を有し、検出範囲が広く、かつセンサと検出対象とのギャップ変動にも強い非接触変位センサ装置を提供することを課題とする。

本発明による非接触変位センサ装置は、環状の磁性体からなり環状の一部を切り欠いた開口部を有するコアと、前記コアに巻回されたコイルとからなる検出部と、磁性体からなり、その一部が前記開口部に前記コアに対して所定のギャップを介して挿入可能になされた検出対象と、前記コイルに接続された移動量算出部とを備え、前記検出部と検出対象とは、前記コア、コイル及びギャップと共に磁気回路を形成して相対的に移動するようになされ、前記移動量算出部は、前記コイルの出力信号から前記相対的な移動に応じて変化する前記コイルのインダクタンスを検出し、この検出に基づいて移動量を算出することを特徴とするものである。

本発明によれば、次の効果を得ることができる。
・検出部と検出対象とのギャップが取り付けや寸法誤差によらず略一定になるため、精度良く移動量の検出を行うことができる。
・可動部が運動方向と直交する方向に変動した場合でもギャップが変わらないため、非検出方向の変動に影響されにくい非接触変位センサ装置を得ることができる。
・検出部と検出対象とが非接触であり、交換を要する部品がないためメンテナンスフリーである。

・部品点数が少ない簡単な構造であり、そのため温度や油などといった外乱の影響を受けにくく、また、小型化低コスト化を実現することができる。特に高温などの特殊環境下において高精度な位置決め制御を行うことができる。
・検出部のコアと検出対象の長さを変えるだけで検出範囲を変えることができる。
・検出部と検出対象を直線状に配置すれば、リニアアクチュエータ可動部の絶対変位を検出することができ、また、検出部と検出対象を扇形にして円弧状に回転させれば、モータ回転軸等の絶対角度を検出することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面と共に説明する。
図１は本発明の第１の実施の形態による非接触変位センサ装置の構成を示す正面図及び側面図である。
図１において、検出部１はコア２とこのコア２に巻回されたコイル３から成る。コア２は、図示のように長さｌの環状(図示では四角形の環状)の磁性体からなり、環状の一部を切り欠いた開口部２ａを有する。またコア２の磁路長さをａとする。この検出部１は、図示しないアクチュエータの固定部、例えばアクチュエータのアウターコアやカバー等に固定される。

一方、検出対象４は長さｌ、幅tの直方体の磁性体からなり、一部がコア２の開口部２ａに挿入され、開口部２ａの高さｂの面に対してδ＝δ1＋δ2のギャップを介して配置される。この検出対象４はアクチュエータなどの可動部５に固定される。可動部５は図のＸ軸方向に移動する。また、図１（b）において、コア２の端部から検出対象４の端部までのｘを可動部５の移動量とし、０≦ｘ≦ｌとする。
コイル３にはセンサ回路、演算回路等を含む移動量演算部６が接続されている。この移動量演算部６はコイル３のインダクタンス変化を検出して可動部５の移動量に応じた移動量信号７を出力する。

次に、上記構成による移動量検出の原理を説明する。
真空の透磁率をμ0とし、コア２と検出対象４の透磁率をμとする。漏れ磁束の影響を無視した場合、図１のコア２、コイル３、ギャップδ及び検出対象４で形成される磁気回路のパーミアンスΛは、次式（１）のようにｘの１次式で表すことができる。
Λ＝〔μ0μｂｌ／{μ（ｔ＋δ)＋μ0ａ}〕＋〔μ0μｂ（μ−μ0）ｔ／{μδ＋μ0（ａ＋ｔ）}{μ(ｔ＋δ)＋μ0ａ}〕・ｘ ・・・・（１）

コイル３のインダクタンスＬがパーミアンスΛに比例し、可動部５の移動量ｘに対して線形となるため、インダクタンスＬの変化を検出することにより、移動量ｘに対して線形なセンサ出力信号（移動量信号７）を得ることができる。また、振動や取付誤差等により検出対象４がＹ軸方向に動いた場合でも検出対象４を通る磁束の量が変わりにくく、さらにＺ軸方向に動いた場合でも、ギャップδ＝δ1＋δ2が変わらないため、ギャップ変動に強い構成となる。

次に、上記第１の実施の形態の変形例としての第２〜第１１の実施の形態について図２〜図９と共に説明する。尚、各図においては、図１及び各図相互に対応する部分には同一番号を付して重複する説明は省略する。また、各検出部１のコイル３に接続される移動量演算部６も図示を省略する。
図２は第２の実施の形態を示すもので、第１の実施の形態では検出部１のコア２と検出対象４の形状が直方体であったが、本実施の形態は図示すように、検出部１のコア２を中空円柱(円筒)形状にしたものである。本実施の形態によれば、第１の実施の形態と同等の効果を得ることができる。

図３は第３の実施の形態を示すもので、１つの可動部５の上面と下面にそれぞれ検出対象４を設けると共に、各検出対象４に対してそれぞれ検出部１を設けたものである。
上記構成によれば、移動量演算部６において２つのコイル３から得られる２つの出力の差動を取ることにより、温度変化等によるオフセット変化分や外部磁界の影響を相殺することができ、さらに精度を向上することができる。

図４は第４の実施の形態を示すもので、可動部５の１つの検出対象４に対して２つの検出部１を移動方向に配置したものである。
このような構成でも、上記２つのコイル３の差動出力を取ることにより、第３の実施の形態と同等の効果を得ることができる。

図５は第５の実施の形態を示すもので、検出部１と検出対象４及び可動部５を扇形に形成すると共に、可動部５及び検出対象４をモータ回転軸等の軸７を中心に円弧を描くよう回転させるようにしたものである。
この構成によれば、直線変位ではなく角度検出を行うことができる。図５の場合は、０°〜９０°の絶対角度を検出することができる。

図６は第６の実施の形態を示すもので、大きさの異なる検出部と検出対象を、２組以上組合わせて特定位置の分解能を上げるようにしたものである。
図６に示すように、可動部５の上下に小さい検出対象４Ａと大きい検出対象４Ｂを設けると共に、検出対象４Ａに対して小さい検出部１Ａを設け、検出対象４Ｂに対して大きい検出部１Ｂを設けたものである。

上記構成によれば、検出部１Ａ，１Ｂそれぞれの検出範囲と移動量ｘに対する出力の大きさを変えることができる。また、検出部１Ｂの磁束が通る断面積が増え、コイル３に流す電流を大きくすることにより、変位に対する出力の傾きを大きくすることができる。これによって検出対象位置付近での分解能を上げることができる。

また、第７の実施の形態として、検出部１Ａ，１Ｂを同じ大きさとし、検出対象４Ａ，４Ｂを同じ大きさとして、各コイル３に接続される移動量演算回路６のゲインを変える、もしくは各コイル３の巻数を変えても、上記第６の実施の形態と同等の効果を得ることができる。

また、第８の実施の形態として、検出部１Ａの両端部にそれぞれ検出部１Ｂを設けると共に、検出対象４Ａの両端部に検出対象４Ｂをそれぞれ設けることにより、センサのストロークエンドの分解能を上げることができる。

図７は第９の実施の形態を示すもので、複数の検出部と検出対象を組合わせ、出力の立ち上がりを数えて広範囲の検出を行えるようにしたものである。
図７(ａ)は同じ大きさの３つの検出対象４と、この検出対象４との位相関係が９０°異なる同じ大きさの２つの検出部１Ａ，１Ｂとを組み合わせている。図７(ｂ)，(ｃ)に示す検出部１Ａ，１Ｂの出力を図示しない移動量演算部６で監視し、それぞれのセンサ出力信号の立上がりと立下りを検出する。そして図７(ｄ)に示すようなセンサ出力信号が得られるように演算処理をすることにより、広い範囲に渡って高分解能なセンサを実現することができる。

図８は第１０の実施の形態を示すもので、これまでの各実施の形態では図１のように検出対象４の厚さｔを一定のものとしていたが、場所によって厚さが異なっても良い。例えば図８のように検出対象４の中心付近に長さｌ’（＜ｌ）、幅t’（＞ｔ）の肉厚部４ａを設け、検出対象４の厚さが部分的に異なるようにする。この場合、出力波形は図９のようになり、厚さがｔ’の肉厚部４ａ部分だけ感度が良いものとなる。

本実施の形態によれば、アクチュエータにより位置制御を行う場合、停止する位置が決まっている場合があり、この部分のみ感度を上げることにより停止位置精度を上げることができる。
また、検出対象の複数箇所の厚さを変えても良い。例えば図９において、検出対象４の両端部を厚さt’の肉厚部とすれば、ストロークエンドの感度を上げることもできる。即ち、停止位置精度を高くしたい部分の厚さを大きくすればよい。

次に、第１１の実施の形態は、検出部１のコア２と検出対象４の材料を、ケイ素銅板等の磁性材料を積層したもの、もしくはMn-Zn系, Ni-Zn系, Ni-Cu等のフェライトとしたものである。このような磁性材料を用いることにより、渦電流の影響を減らすことができ、センサの周波数特性を上げることができる。検出部１や検出対象４を積層した薄板で構成した場合は、部品をプレスで製作できるため、量産時に材料費や加工費の削減ができ、低コスト化を実現することができる。

尚、以上の各実施の形態では、検出部１が固定され、検出対象４が移動することにより、変位を検出したが、検出対象４を固定し、検出部１を移動させてもよい。要するに検出部１と検出対象４とが相対的に移動すればよい。

本発明の第１の実施の形態を示す正面図及び側面図である。 本発明の第２の実施の形態を示す正面図及び側面図である。 本発明の第３の実施の形態を示す正面図及び側面図である。 本発明の第４の実施の形態を示す側面図である。 本発明の第５の実施の形態を示す側面図である。 本発明の第６の実施の形態を示す正面図、側面図及び出力特性図である。 本発明の第９の実施の形態を示す側面図及び出力特性図である。 本発明の第１０の実施の形態を示す正面図及び側面図である。 第１０の実施の形態による出力特性図である。 従来の非接触変位センサ装置の正面図及び側面図である。

符号の説明

１，１Ａ，１Ｂ 検出部
２ コア
３ コイル
４，４Ａ，４Ｂ 検出対象
４ａ 肉厚部
５ 可動部
６ 移動量演算回路
７ 軸

Claims (11)

1. 環状の磁性体からなり環状の一部を切り欠いた開口部を有するコアと、前記コアに巻回されたコイルとからなる検出部と、
   磁性体からなり、その一部が前記開口部に前記コアに対して所定のギャップを介して挿入可能になされた検出対象と、
   前記コイルに接続された移動量算出部とを備え、
   前記検出部と検出対象とは、前記コア、コイル及びギャップと共に磁気回路を形成して相対的に移動するようになされ、
   前記移動量算出部は、前記コイルの出力信号から前記相対的な移動に応じて変化する前記コイルのインダクタンスを検出し、この検出に基づいて移動量を算出することを特徴とする非接触変位センサ装置。
2. 第１の検出対象に対して第１の検出部を備え、第２の検出対象に対して第２の検出部を備え、前記移動量演算部は、前記第１、第２の検出部の各コイル出力信号からそれぞれインダクタンスを検出し、この検出に基づいて前記移動量を算出することを特徴とする請求項１記載の非接触変位センサ装置。
3. １つの検出対象に対して複数の検出部を備え、前記移動量演算部は、前記複数の検出部の各コイル出力信号からそれぞれインダクタンスを検出し、この検出に基づいて前記移動量を算出することを特徴とする請求項１記載の非接触変位センサ装置。
4. １つ以上の検出対象に対して複数の検出部を備え、前記移動量演算部は、前記複数の検出部の各コイル出力信号の立上がりと立下りを検出し、この検出に基づいて前記移動量を算出することを特徴とする請求項１記載の非接触変位センサ装置。
5. 第１の検出部に対して第１の検出対象を備え、前記第１の検出部とは大きさの異なる第２の検出部に対して前記第１の検出対象とは大きさの異なる第２の検出対象を備え、前記移動量演算部は、前記第１、第２の検出部の各コイル出力信号からそれぞれインダクタンスを検出し、この検出に基づいて前記移動量を算出することを特徴とする請求項１記載の非接触変位センサ装置。
6. 前記第１の検出部の両端に前記第２の検出部を設け、前記第２の検出対象の両端に前記第１の検出対象を設けたことを特徴とする請求項５記載の非接触変位センサ装置。
7. 前記移動量演算部は、前記複数の検出部に対する回路ゲインがそれぞれ異なることを特徴とする請求項２〜６のいずれか１項記載の非接触変位センサ装置。
8. 前記複数の検出部のコイル巻数がそれぞれ異なることを特徴とする請求項２〜６のいずれか１項記載の非接触変位センサ装置。
9. 前記検出対象は、前記相対移動により前記ギャップが変化するように局所的に厚さが１箇所以上異なることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項記載の非接触変位センサ装置。
10. 前記検出部のコアと前記検出対象を、ケイ素鋼板等の磁性材料を積層したもの、もしくはMn-Zn系, Ni-Zn系, Ni-Cu系などのフェライトで構成したことを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項記載の非接触変位センサ装置。
11. 前記検出部は固定部に固定され、前記検出対象は可動部に固定されることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項記載の非接触変位センサ装置。
    
    

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