JP2006313121A - 無接点型変位検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 回転変位を３６０°近くまで検出でき、小型・安価に構成できる無接点型変位検出装置を提供する。
【解決手段】 コイル３４と、シャフト３１と、シャフト３１に一体化され、シャフト３１の回転によりコイル３４と対向する面積が変化する一対の導電性部材３２，３３とを具備する。導電性部材３２，３３はシャフト３１の軸心と板面が直交する平板状をなし、外形線が上記軸心を中心とする渦巻線と、その始端と終端とを径方向につなぐ線とによって構成されて、それら外形線が上記軸心方向から見て一致するように軸心方向に所定の間隙Ｓを介して配置される。コイル３４は開口形状が細長とされて、その長手方向が上記径方向とされ、かつ上記渦巻線と開口が対向するように間隙Ｓの上記軸心方向中央に配置される。上記対向面積の変化によるコイル３４のインダクタンスの変化を電気信号として取り出す。
【選択図】 図１

Description

この発明は渦電流効果によるコイルのインダクタンスの変化を利用した無接点型変位検出装置に関する。

コイルと、シャフトと、そのシャフトに取り付けられ、シャフトの回転と共に回転してコイルと対向する面積が変化するように構成された導電性部材とを具備し、導電性部材のコイルに対する対向面積の変化によって生じるコイルのインダクタンスの変化を電気信号として取り出すことにより、シャフトの回転変位を検出できるようにした無接点型の変位検出装置が従来より各種提案されている。

図６はこの種の無接点型変位検出装置の従来構成例として、特許文献１に記載されている構成の要部を示したものであり、この例ではシャフト１１に半円の扇形をなす金属体１２が取り付けられ、円筒状のハウジング１３の内周面の周方向各半部に一対のコイル１４，１５が配置されている。
ハウジング１３はシャフト１１と同軸心とされて金属体１２の回りに配置され、これにより金属体１２の半円筒面がコイル１４，１５と所定の間隙を介して対向される。金属体１２と各コイル１４，１５との対向面積はシャフト１１の回転により変化し、これによりコイル１４，１５のインダクタンスが変化する。

ここで、シャフト１１と一体化されている金属体１２がシャフト１１と共に回転し、金属体１２がコイル１４と完全に重なった時の回転角度を０°とし、金属体１２がコイル１４，１５に半分ずつ重なった時の回転角度を９０°、金属体１２がコイル１５と完全に重なった時の回転角度を１８０°とすると、回転角度０°の時、コイル１４と１５のインダクタンスの差分値は最大（＋）となり、回転角度９０°でインダクタンス差分値が０となり、回転角度１８０°の時、インダクタンス差分値は、再び最大（−）となる。従って、この図６に示したような構成を有する無接点型変位検出装置では回転変位の検出角度は最大で１８０°となる。

これに対し、本出願人は先に特願２００４−３５６９４９号にて、回転変位の検出角度を大幅に増大し、３６０°近くまで回転変位を検出することができるようにした無接点型変位検出装置を提案した。図７はその要部構成を分解して示したものであり、この例では導電性部材２１は薄い金属板を用いて形成されており、シャフト２２と同軸心とされて一体化された絶縁性部材よりなる円柱体２３の周面上に全周に渡り貼り付けられている。
導電性部材２１は円筒形をなすものとされ、その両端部２１ａ，２１ｂはシャフト２２の軸心方向に円柱体２３の周面に沿って次第に位置が変化する螺旋形状をなすものとされており、それら両端部２１ａ，２１ｂの螺旋形状はシャフト２２の軸心方向から見て円柱体２３の円周上の同一位置より始まり、円柱体２３の周面を同一方向に螺旋しているものとされる。

円筒状のハウジング２４はシャフト２２と同軸心とされ、ハウジング２４の外周面上に一対のコイル２５，２６がシャフト２２の軸心方向に配列されて設置される。シャフト２２と共に回転する導電性部材２１はハウジング２４の内周面側に配置され、導電性部材２１の端部２１ａ，２１ｂはそれぞれコイル２５，２６と対向するように位置される。
コイル２５，２６の開口形状はシャフト２２の回転方向に幅狭とされ、シャフト２２の回転により導電性部材２１の端部２１ａ，２１ｂが回転してシャフト２２の軸心方向に変化する位置をカバーできるようにシャフト２２の軸心方向は幅広とされており、つまりシャフト２２の軸心方向に延びる細長形状とされている。
図８は導電性部材２１の回転によるコイル２５，２６のインダクタンスの変化を説明するため、導電性部材２１を平面展開し、それに対向して設置されているコイル２５，２６と共にＸＹ座標系に示したものである。導電性部材２１の端部２１ａ，２１ｂとＸ軸とのなす角度をα（°）とした場合、端部２１ａ，２１ｂは傾きｔａｎαの直線となり、導電性部材２１の平面展開図は平行四辺形となる。

図７における円筒形導電性部材２１の半径をＲ、円周長をＸ_Ｏ（２πＲ）、回転角度をφ（°）とし、平面展開された導電性部材２１のなす平行四辺形の左端を図８に示したようにＹ軸上（Ｘ＝０）に配し、コイル２５，２６の左端Ｘ座標をＸ_Ｃとする。コイル２５，２６に対し、シャフト２２を回転させることと、コイル２５，２６が図８においてＸ方向へ移動することとは等価となる。つまり、コイル２５，２６の左端位置Ｘ_Ｃは、
Ｘ_Ｃ＝２πＲ×φ／３６０
で表すことができる。一方、シャフト２２をΔφ回転させた場合、コイル２５，２６が図８においてＸ方向へ移動する距離ΔＸは、
ΔＸ＝２πＲ×Δφ／３６０
で表すことができる。従って、コイル２５，２６の幅狭方向の幅をＷとし、コイル２５，２６の幅狭方向全体がＸ＝０からＸ＝Ｘ_Ｏの範囲に入っているとした場合、シャフト２２がΔφ回転した時のコイル２５の開口と導電性部材２１との対向する面積の増加ΔＳ_１は以下の式で表すことができる。
ΔＳ_１＝Ｗ×ΔＸ tanα
＝Ｗ×tanα×２πＲ×Δφ／３６０

同様に、シャフト２２がΔφ回転した時のコイル２６の開口と導電性部材２１との対向する面積の減少ΔＳ_２は以下の式で表すことができる。
ΔＳ_２＝−Ｗ×tanα×２πＲ×Δφ／３６０
以上の式から分かるように、コイル２５，２６の開口と導電性部材２１との対向する面積の変化は回転角度と比例関係にあり、コイル２５，２６のインダクタンスの変化は回転角度と比例するものとなる。なお、コイル２５，２６のインダクタンスの変化はそれらの差分値の変化として取り出される。

この図７、８を用いて説明した無接点型変位検出装置の検出角度φ_Ｏはコイル２５，２６の幅狭方向全体がＸ＝０からＸ＝Ｘ_Ｏの範囲内で移動するとして、以下の式で表せる。
φ_Ｏ＝３６０×（Ｘ_Ｏ−Ｗ）／Ｘ_Ｏ
＝３６０−１８０×Ｗ／πＲ
ここで、例えば導電性部材２１の半径Ｒを５ｍｍとし、コイル２５，２６の幅Ｗを２ｍｍとすると、検出角度φ_Ｏは約３３７°となる。
特開２００２−９０１７７号公報

上述したように、図６に示した無接点型変位検出装置では回転変位の最大検出角度は１８０°であり、これに対し、図７に示した無接点型変位検出装置では３６０°近くまで回転変位を検出できるものとなっているものの、両端部２１ａ，２１ｂが螺旋形状をなす円筒形の導電性部材２１をシャフト２２の回りに配置固定する構造となっているため、シャフト２２の軸心方向において大きな設置スペースを必要とし、よって例えば実用上のスペース制限からこのような構成を採用することができないといった問題が生じる虞れがあった。

また、両端が螺旋形状をなす円筒形導電性部材は加工に手間がかかり、その点でコストがかかるものとなっていた。
この発明の目的はこのような問題に鑑み、回転変位を３６０°近くまで検出することができるものであって、シャフトの軸心方向の必要スペースが少なくて済み、かつ安価に構成することができる無接点型変位検出装置を提供することにある。

請求項１の発明によれば、コイルと、シャフトと、そのシャフトに一体化され、シャフトの回転によりコイルと対向する面積が変化する一対の導電性部材とを具備し、上記対向面積の変化によるコイルのインダクタンスの変化を電気信号として取り出すようにした無接点型変位検出装置は、一対の導電性部材がそれぞれシャフトの軸心と板面が直交する平板状をなし、その外形線が上記軸心を中心とする渦巻線と、その渦巻線の始端と終端とをシャフトの径方向につなぐ線とによって構成されて、それら外形線が上記軸心方向から見て一致するように上記軸心方向に所定の間隙を介して配置されており、コイルはその開口形状が細長とされて、その長手方向が上記径方向とされ、かつ上記渦巻線と開口が対向するように、上記間隙の上記軸心方向中央に配置されているものとされる。

請求項２の発明によれば、コイルと、シャフトと、そのシャフトに一体化され、シャフトの回転によりコイルと対向する面積が変化する導電性部材とを具備し、上記対向面積の変化によるコイルのインダクタンスの変化を電気信号として取り出すようにした無接点型変位検出装置は、導電性部材がシャフトの軸心と板面が直交する平板状とされて、その外形線が上記軸心を中心とする渦巻線と、その渦巻線の始端と終端とをシャフトの径方向につなぐ線とによって構成されており、コイルはその開口形状が細長とされて、その長手方向が上記径方向とされ、かつ開口が上記渦巻線と対向するように配置されているものとされる。

請求項３の発明によれば、一対のコイルと、シャフトと、そのシャフトに一体化され、シャフトの回転により一対のコイルと対向する面積が変化する導電性部材とを具備し、上記対向面積の変化による一対のコイルのインダクタンスの変化を電気信号として取り出すようにした無接点型変位検出装置は、導電性部材がシャフトの軸心と板面が直交する平板状とされて、その外形線が上記軸心を中心とする渦巻線と、その渦巻線の始端と終端とをシャフトの径方向につなぐ線とによって構成されており、一対のコイルはそれぞれその開口形状が細長とされて、その長手方向が上記径方向とされ、かつ上記軸心方向から見て同一位置に位置し、導電性部材を挟むように配置されて開口が上記渦巻線と対向されているものとされる。

この発明によれば、上記構成を採用したことにより、回転変位を３６０°近くまで検出することができる。また、コイルのインダクタンスを変化させる導電性部材を外形線が渦巻線をなす平板状のものとしたことにより、従来の両端が螺旋形状をなす円筒形のものを用いる構成に比し、シャフトの軸心方向の必要スペースを削減でき、かつ部品コストも削減でき、その点で小型・安価な無接点型変位検出装置を得ることができる。

この発明の実施形態を図面を参照して実施例により説明する。
図１はこの発明による無接点型変位検出装置の一実施例の構成を示したものである。この例ではシャフト３１に一対の導電性部材３２，３３が取り付けられる。これら導電性部材３２，３３はシャフト３１の軸心と板面が直交する平板状をなすものとされ、この例では金属板によって構成されている。各導電性部材３２，３３の外形線はシャフト３１の軸心を中心として一回転している渦巻線と、その渦巻線の始端と終端とをシャフト３１の径方向につなぐ直線とによって構成されており、それら外形線がシャフト３１の軸心方向から見て一致するように導電性部材３２，３３はシャフト３１の軸心方向に所定の間隙Ｓを介して取り付けられている。
コイル３４はその開口形状が細長とされており、その開口の長手方向がシャフト３１の径方向とされ、かつ渦巻線によって構成されている導電性部材３２，３３の周端３２ａ，３３ａと開口が対向するように間隙Ｓ内に配置される。なお、図１では図示を省略しているが、コイル３４はシャフト３１に対して固定側の機構（支持部材）に固定支持されており、間隙Ｓ内においてシャフト３１の軸心方向中央に、つまり両導電性部材３２，３３の板面から等距離の位置に位置されている。

次に、上記のような構成を有する無接点型変位検出装置の動作について説明する。図２はシャフト３１の回転に伴って回転する導電性部材３２，３３の回転によるコイル３４のインダクタンスの変化を説明するための図であって、シャフト３１の軸心方向から見た図であり、座標原点をシャフト３１の軸心とし、導電性部材３２，３３とコイル３４とを極座標系（ｒ，θ）上に示したものである。
導電性部材３２，３３の周端３２ａ，３３ａがなす渦巻線は、渦巻線の始端（内端）の半径をＲ_ｍｉｎ、終端（外端）の半径をＲ_ｍａｘとし、θの単位系を度（°）とすると、
ｒ＝Ｒ_ｍｉｎ＋（Ｒ_ｍａｘ−Ｒ_ｍｉｎ）θ／３６０
で表すことができる。

一方、図２中に示したように、コイル３４の開口の長手方向の長さをＬ、幅狭方向の幅をＷとし、コイル３４の開口の内端（原点寄り端部）と原点との距離をＲ_Ｏとすると、シャフト３１と共に回転する導電性部材３２，３３の回転によって変化する周端３２ａ，３３ａの位置をカバーできるように、コイル３４はその位置（距離Ｒ_Ｏ）及び形状（長さＬ）が下記の条件を満たすものとされる。
Ｒ_Ｏ≦Ｒ_ｍｉｎ
Ｒ_Ｏ＋Ｌ≧Ｒ_ｍａｘ
なお、実際はコイル３４が固定でシャフト３１と一体化された導電性部材３２，３３が回転するが、図２では等価的に導電性部材３２，３３を固定とし、コイル３４がシャフト３１の軸心回りに、つまり原点回りに回転するものとして考える。

ここで、コイル３４の角度位置を図２中に示したようにα（°）とすると、コイル３４の開口が導電性部材３２，３３の周端急変部（シャフト３１の径方向の直線によって構成されている部分）３２ｂ，３３ｂと対向しない角度範囲は、
３６０×（Ｗ／２）／２πＲ_Ｏ＜α＜３６０−３６０×（Ｗ／２）／２πＲ_Ｏ
となり、つまり
９０×Ｗ／πＲ_Ｏ＜α＜３６０−９０×Ｗ／πＲ_Ｏ
で表すことができる。
この角度範囲内において、コイル３４の開口と導電性部材３２，３３との対向する面積をＳ_１とし、その位置からコイル３４を左回りに角度Δα回転した後のコイル３４の開口と導電性部材３２，３３との対向する面積をＳ_２とすると、対向面積の変化量ΔＳは以下の式で表すことができる。
ΔＳ＝Ｓ_２−Ｓ_１≒Ｗ×（Ｒ_ｍａｘ−Ｒ_ｍｉｎ）×Δα／３６０

上式から分かるように、コイル３４の開口と導電性部材３２，３３との対向する面積の変化は回転角度と比例関係にあり、コイル３４のインダクタンスの変化はシャフト３１の回転角度と直線比例の関係になる。
なお、この無接点型変位検出装置の検出角度α_Ｏは以下の式で表すことができる。
α_Ｏ＝３６０−３６０×Ｗ／２πＲ_Ｏ
＝３６０−１８０×Ｗ／πＲ_Ｏ
ここで、コイル３４と原点（シャフト３１の軸心）との距離Ｒ_Ｏを例えば１２ｍｍとし、コイル３４の幅Ｗを２ｍｍとすると、検出角度α_Ｏは、
α_Ｏ＝３６０−１８０×２／１２π≒３５０（°）
となる。

図３は上記のような構成を有し、Ｒ_Ｏ及びＷを上記値とした無接点型変位検出装置の出力特性及びその直線性を示したものであり、出力はコイル３４のインダクタンスの変化を電圧の変化として取り出したものである。なお、この例では２．５Ｖのオフセット電圧をかけたものとなっている。
図３から分かるように出力は上記した検出角度α_Ｏの範囲内において単調変化を示しており、即ち理論値通りの特性が得られた。
このように、この例によれば回転変位を３６０°近くまで検出することができる。また、図７に示した円筒形とされ、かつ両端が螺旋形状をなす導電性部材を用いる構成の無接点型変位検出装置に比し、この例では導電性部材３２，３３はシャフト３１の軸心と板面が直交する平板状をなすものであり、よってシャフト３１の軸心方向に大きな設置スペースを必要とせず、さらに加工も容易に行うことができる。

なお、この例では一対の導電性部材３２，３３間にコイル３４が配され、つまりシャフト３１の軸心方向においてコイル３４を一対の導電性部材３２，３３で挟む構造となっているため、例えば回転時にシャフト３１にその軸心方向に微小な動きが生じたとしても、コイル３４のインダクタンスはその動きの影響を受けず、シャフト３１の軸心方向の動きによってインダクタンスが変化しないものとなっているため、優れた検出精度を得ることができる。

図４は図１に示した構成に対し、導電性部材３３を削除し、一つの導電性部材３２を用いるだけとした構成を示したものであり、このような構成を採用することにより装置の簡易化を図ることができ、シャフトの軸心方向の必要スペースをさらに低減することができる。なお、この場合は上述したようなシャフト３１の軸心方向の動きによるインダクタンスの変化を抑制することができないため、その点で図１に示した構成に比し、検出精度は劣るものとなる。

一方、図５は図４に示した構成に対し、コイル３５をもう一つ配置し、二つのコイル３４，３５で導電性部材３２を挟むようにしたものであり、コイル３５はコイル３４と同一仕様のものであって、一対のコイル３４，３５はシャフト３１の軸心方向から見て同一位置に位置される。
この図５に示した無接点型変位検出装置では両コイル３４，３５のインダクタンスの変化の平均値を検出出力とするものであり、これにより図１に示した無接点型変位検出装置と同様、シャフト３１の軸心方向の動きに起因するインダクタンスの変化を抑制することができるものとなっている。
なお、上述した例では導電性部材３２，３３を金属板によって形成しているが、これに限らず、例えば樹脂板に導電めっきを施したものを用いることもできる。

この発明の第１の実施例を示す斜視図。 図１に示した実施例の動作を説明するための図。 図１に示した実施例の出力特性を示す図。 この発明の第２の実施例を示す斜視図。 この発明の第３の実施例を示す斜視図。 無接点型変位検出装置の従来構成例を説明するための分解斜視図。 無接点型変位検出装置の従来構成の他の例を説明するための分解斜視図。 図７に示した従来例の動作を説明するための図。

Claims (3)

1. コイルと、シャフトと、そのシャフトに一体化され、シャフトの回転により上記コイルと対向する面積が変化する一対の導電性部材とを具備し、上記対向面積の変化による上記コイルのインダクタンスの変化を電気信号として取り出すようにした無接点型変位検出装置であって、
   上記一対の導電性部材はそれぞれ上記シャフトの軸心と板面が直交する平板状をなし、その外形線が上記軸心を中心とする渦巻線と、その渦巻線の始端と終端とを上記シャフトの径方向につなぐ線とによって構成されて、それら外形線が上記軸心方向から見て一致するように上記軸心方向に所定の間隙を介して配置され、
   上記コイルはその開口形状が細長とされて、その長手方向が上記径方向とされ、かつ上記渦巻線と開口が対向するように、上記間隙の上記軸心方向中央に配置されていることを特徴とする無接点型変位検出装置。
2. コイルと、シャフトと、そのシャフトに一体化され、シャフトの回転により上記コイルと対向する面積が変化する導電性部材とを具備し、上記対向面積の変化による上記コイルのインダクタンスの変化を電気信号として取り出すようにした無接点型変位検出装置であって、
   上記導電性部材は上記シャフトの軸心と板面が直交する平板状とされて、その外形線が上記軸心を中心とする渦巻線と、その渦巻線の始端と終端とを上記シャフトの径方向につなぐ線とによって構成されており、
   上記コイルはその開口形状が細長とされて、その長手方向が上記径方向とされ、かつ開口が上記渦巻線と対向するように配置されていることを特徴とする無接点型変位検出装置。
3. 一対のコイルと、シャフトと、そのシャフトに一体化され、シャフトの回転により上記一対のコイルと対向する面積が変化する導電性部材とを具備し、上記対向面積の変化による上記一対のコイルのインダクタンスの変化を電気信号として取り出すようにした無接点型変位検出装置であって、
   上記導電性部材は上記シャフトの軸心と板面が直交する平板状とされて、その外形線が上記軸心を中心とする渦巻線と、その渦巻線の始端と終端とを上記シャフトの径方向につなぐ線とによって構成されており、
   上記一対のコイルはそれぞれその開口形状が細長とされて、その長手方向が上記径方向とされ、かつ上記軸心方向から見て同一位置に位置し、上記導電性部材を挟むように配置されて開口が上記渦巻線と対向されていることを特徴とする無接点型変位検出装置。

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