JP2008170360A - 変位センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 変位センサのコイルの巻き数を減少させて、インピーダンスを低くしつつ、出力信号の直線性を維持する。
【解決手段】 変位センサは、一次コイル２と、二次コイル４ａ、４ｂと、測定対象物の変位に応じて移動する可動磁芯６とを、備え、可動磁芯６の移動に応じて変位センサの出力信号が変化する。一次コイル２、二次コイル４ａ、４ｂは、可動磁芯６の周囲に巻回され、二次コイル４ａ、４ｂの端部付近における巻線ピッチが、中途における巻線ピッチよりも狭く形成されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、測定対象物の変位に応じて移動する可動磁性体の移動に従って出力信号が変化する変位センサに関する。

上記のような変位センサには、例えば差動トランスがある。差動トランスは、移動可能な磁性体コアの周囲に一次コイルと二次コイルとを巻回し、一次コイルに励磁交流電流を流すことによって二次コイルに誘起起電力を発生させ、この誘起起電力を磁性体コアの移動によって変化させ、磁性体コアの移動量を検出するものである。この差動トランスでは、磁性体コアがコイルの両端付近に移動した際、磁束が減少しているので、感度が低下し、差動トランスの出力信号の直線性が得られない。この点を改善したものとして特許文献１に開示されたものがある。

特許文献１の技術では、二次コイルの両端付近に二次コイル上に補助コイルを積層し、これら補助コイルの出力と二次コイルの出力とを合成している。

特開２００２−１３９３０１号公報

しかし、特許文献１の技術では、補助コイルが無い場合より直線性は改善されるが、補助コイルの出力は、補助コイルに出力が発生する位置より端部側にコアが移動すると急に増大する為、直線性の改善度合いは低い、また、補助コイルを設けたことにより、二次コイルの巻き数が実質的に増加し、その結果、変位センサの出力インピーダンスが増加し、この変位センサの負荷回路の影響を受けて、直線性が崩れ易い。特に、励磁周波数を高くした際に、この現象が顕著になる。

本発明は、直線性を改善し、かつコイルの巻き数を減少させて、負荷インピーダンスを低くしても、出力信号の直線性を維持することができる変位センサを提供することを目的とする。

本発明の一態様の変位センサは、コイルと、測定対象物の変位に応じて移動する可動磁性体とを、備えている。コイルは、１つだけ設けることもできるし、複数設けることもできる。複数のコイルを設ける場合には、各コイルが電磁誘導結合されるように配置する。複数のコイルを設ける場合には、そのうちの出力コイルが、また１つのコイルだけ設ける場合にはそのコイルは、巻線が前記可動磁性体の周囲を包囲しながら前記移動体の移動方向に沿って巻回されている。いわゆるソレノイド状に巻回されている。このコイルの端部付近における巻線ピッチが、中途における巻線ピッチよりも狭く形成されている。

このように構成された変位センサでは、コイルの端部付近の巻線ピッチは、中途の巻線ピッチよりも狭いが、密着巻線を行った場合より広いので、コイルの巻き数は、密着巻きのコイルよりも少なくなり、インピーダンスを低下させることができる。しかも、コイルの端部付近の巻線ピッチが中途の巻線ピッチよりも狭いので、端部付近での巻線密度は中途より高く、出力信号の直線性を維持することができる。

コイルをその長さ方向に沿って複数のセクションに分割することができる。各セクションの境界には隔壁を設けることができる。これら各セクション内では前記コイルの巻線ピッチは同一で、前記コイルの端部付近のセクションの前記コイルの巻線ピッチは、前記コイルの中途のセクションの巻線ピッチよりも狭い。

このように構成すると、各セクションでの巻線ピッチが同一であるので、均等ピッチに巻線を巻くことができる自動巻線機によってコイルを巻くことができ、製造が容易になる。

さらに、端部付近のセクションの長さを中央付近より短くすることができる。このように構成すると、一次側が作る磁束が端部付近で減少し、出力が二次側の巻き線ピッチに見合った増加をしなくなる範囲で、巻き線ピッチ補正を細かに行うことができ、各巻線に誘起する信号が中央付近から端部付近まで均一に増加し、直線性が更に向上する。

前記コイルの巻線ピッチは、前記コイルの中央付近から前記コイルの端部に向かうに従って徐々に狭くすることができる。このように構成すると、各巻線に誘起する信号が中央付近から端部付近まで均一に増加し、直線性が更に向上する。

或いは、前記コイルの端部付近に密着巻線部を設け、この密着巻線部の周囲に第２巻線を配置し、第２巻線の巻線ピッチを第２巻線の線径よりも大きくすることができる。このように構成すると、全ての巻線を密着巻きした場合よりも巻き数を減少させることができ、出力インピーダンスを低下させることができる上に、感度を増加させることができる。

更に、第２巻線の端部付近の巻線ピッチを、前記第２巻線の中途における巻線ピッチよりも狭くすることができる。このように構成すると、直線性を改善することができる。

各セクションは、実際に設けずに仮想的に形成することもできる。このように構成すると、セクションを区画する隔壁を設ける必要が無く、変位センサの構成を簡略化することができる。

以上のように本発明によれば、変位センサに使用されているコイルの巻線の巻き数を減少させることができ、出力インピーダンスを低下させることができる上に、出力信号の直線性を維持することができる。

本発明の第１実施形態の変位センサは、図２に示すように、一次コイル２を有し、これと相互誘導するように複数、例えば２つの二次コイル４ａ、４ｂが設けられている。これら一次コイル２と二次コイル４ａ、４ｂとは、可動磁性体、例えば可動磁芯６の周囲に設けられている。この可動磁芯６は、測定対象物、例えば空圧または油圧バルブのような流体バルブの可動部分、例えばピストンの移動に連動してスライドするように構成されている。一次コイル２には、周期信号、例えば正弦波信号が、周期信号源、例えば発振器８によって励磁電圧として供給されている。２つの二次コイル４ａ、４ｂは、同じ巻き数であり、さらに差動接続されている。従って、２つの二次コイル４ａ、４ｂの出力信号、例えば出力電圧が、互いの極性が反対となって合成されるように接続されている。可動磁芯６が中立位置に或る場合には、２つの二次コイルの出力電圧は大きさが等しいので、二次コイル４ａ、４ｂの合成出力電圧は零である。可動磁芯が移動するとその移動方向に従って二次コイル４ａ、４ｂの一方の出力電圧が大きくなり、他方の出力電圧が小さくなり、合成出力電圧は、可動磁芯とコイルの相対位置に比例した、正相または逆相の出力電圧となる。

図１に示すように、可動磁芯６は、筒状体、例えば円筒部１０内に、その軸線に沿って移動可能に配置されている。円筒状部１０は、非磁性体金属または樹脂やセラミックである。可動磁芯６の一端は、ロッド１２を介して流体バルブの可動部分に接続されている。

この円筒部１０の外周面に一次コイル２が巻回されている。一次コイル２は、円筒状部１０の外周面の一端から他端まで外周面を包囲するように、ソレノイド状に巻回されている。一次コイル２は、それの巻線の線径と巻線ピッチとが一致する密着巻きされ、この実施形態では二層に巻回されている。

一次コイル２の外周側に円筒状の区画壁１４が形成され、区画壁１４の外周面に二次コイル４ａ、４ｂが巻回されている。区画壁１４も樹脂やセラミックである。二次コイル４ａは、円筒部１０の中央から円筒部１０の一方の端部側まで巻回され、二次コイル４ｂは、円筒部１０の中央から円筒部１０の他方の端部側まで巻回されている。二次コイル４ａ、４ｂは、１つの導線を巻回することによって構成されているので、円筒状部１０の中央部において二次コイル４ａ、４ｂは結合されている。また、二次コイル４ａ、４ｂの巻き方向は互いに反対にされている。これら二次コイル４ａ、４ｂは、これらの巻線である導線の線径よりも巻線のピッチの方が広くなるように、巻回されている。そのため、これら二次コイル４ａ、４ｂの合計の巻き数は、一次コイル２の一層の巻き数よりも少ない。

しかも、二次コイル４ａ、４ｂの巻線ピッチは、円筒状部１０の両端部付近の方が、円筒状部１０の中途、例えば中央部付近よりも狭い。即ち、円筒状部１０をその長さ方向に沿って複数、例えば１０個のセクション１６ａ乃至１６ｊに等間隔に区画してある。セクション１６ａ乃至１６ｊは、円筒状部１０の一方の端部側から他方の端部側に順に並んでいる。二次コイル４ａには、円筒状部１０の一方の端部側から中央部までのセクション１６ａ乃至１６ｅが割り当てられている。二次コイル４ｂには、円筒状部１０の中央部から他方の端部までのセクション１６ｆ乃至１６ｊが割り当てられている。

二次コイル４ａでは、セクション１６ｅにおける巻き数は１である。セクション１６ｄにおける巻き数は２で、セクション１６ｄにおける巻線ピッチは互いに等しい。セクション１６ｃにおける巻き数は３で、セクション１６ｃにおける巻線ピッチは互いに等しい。セクション１６ｂにおける巻き数は４で、セクション１６ｂにおける巻線ピッチは等しい。セクション１６ａにおける巻き数は５で、セクション１６ａにおける巻線ピッチは等しい。各セクション１６ａ乃至１６ｅの長さは等しく、巻き数はセクション１６ｅから１６ａに向かうに従って順に増加しているので、巻線ピッチもセクション１６ｅから１６ａに向かうに従って順に狭くなり、円筒状部１０の一端部側ほど中央部より巻線密度が大きくなっている。

二次コイル４ｂは二次コイル４ａとセクション１６ｅと１６ｆとの境界を通って円筒状部１０の軸線に垂直な線を対称軸として線対称に巻回されている。これは二次コイル４ａ、４ｂの巻線の巻き方向を逆にして、差動接続するためである。この場合でも、二次コイル４ｂの巻線ピッチは、セクション１６ｆから１６ｊに向かうに従って順に狭くなり、円筒状部１０の他端部側ほど中央部より巻線密度が大きくなっている。

例えば円筒状部１０のほぼ中央にあるセクション１６ｅにおける磁束よりも円筒状部の一方の端部付近のセクション１６ａにおける磁束が小さくても、セクション１６ａにおける巻き数は、セクション１６ｅにおける巻き数よりも多いので、巻き数を適切に選択すれば、磁束密度が減るのを補って、出力電圧の直線性を良好に維持することができる。

しかも、このように直線性を良好にすることを、一層の二次コイル４ａ、４ｂの巻線ピッチを端部側ほど狭くすることによって端部側ほど巻線数を増加させるという手法で行っているので、二次コイル４ａ、４ｂを多層化する必要が無い。従って、二次コイル４ａ、４ｂの直径を小さくすることができ、変位センサを細くすることができ、狭い場所で変位センサを使用可能となる。

更に、セクション１６ｅからセクション１６ａまたはセクション１６ｆからセクション１６ｊに向かうに従って徐々にこれらセクションにおける巻き数が増加しているので、直線性をより良好にすることができる。例えば円筒状部１０のセクション１６ｅ、１６ｆからセクション１６ｂ、１６ｉまで巻線ピッチを同一として、セクション１６ａ、１６ｊのみだけ巻線ピッチを他のセクションの巻線ピッチよりも狭くすることも考えられる。しかし、これでは、セクション１６ｅからセクション１６ｂ、セクション１６ｆからセクション１６ｉに向かうに従って出力が飽和傾向になり、セクション１６ａ、１６ｉにおいて急激に出力が増加することになり、直線性が維持できなくなる可能性がある。そこで、この実施形態では、各セクションにおいて出力電圧の増分が等しくなるように、セクション１６ｅからセクション１６ａまたはセクション１６ｆからセクション１６ｊに向かうに従って徐々にセクションにおける巻き数を増加させている。

また、二次コイル４ａ、４ｂの巻き数は、これらを密着巻きした場合よりも少なく、その結果、この変位センサの出力インピーダンスを低く維持できる。出力インピーダンスを低く維持できるので、発振器８から供給する励磁電圧の周波数を高くした場合でも、この変位センサがその負荷から受ける影響が少ない。負荷が低インピーダンスであっても、変位センサの出力側電圧は、殆ど負荷の影響を受けない。このように発振器８の周波数を高くすることができるので、一次コイル２の巻き数も少なくすることができ、一次コイル２の巻回も容易になるし、一次コイル２の直径も小さくでき、さらに変位センサを細くすることができる。

各セクション１６ａ乃至１６ｊのうち同じセクション内では巻線ピッチは同一であるので、自動巻線機によって自動的に巻線を巻回することができ、巻回が容易になり、製造コストも低下させられる。

なお、図１では、二次巻線４ａ、４ｂを差動接続するために、二次コイル４ａ、４ｂは線対称に巻回したが、差動接続せずに、二次コイル４ａ、４ｂを同じ巻線方向に巻回することもできる。この場合でも、端部側の巻線ピッチを中央部側よりも狭くして、端部側での巻線密度を大きくする。この場合には、図３に示すように、二次巻線４ａ、４ｂの出力電圧を図示していない差動増幅器に供給して、差動増幅する。

第２の実施形態の変位センサを図４に示す。この実施形態の変位センサでは、各セクション１６ａ乃至１６ｊの境界に隔壁１８ａ乃至１８ｉを設けた以外、第１の実施形態の変位センサと同様に構成されている。同一部分には同一符号を付して、その説明を省略する。

第３の実施形態の変位センサを図５に示す。この実施形態の変位センサでは、各セクション１６ａ乃至１６ｊの幅を不均一にしたものである。他の構成は、第１の実施形態と同様に構成されている。同一部分には同一符号を付して、その説明を省略する。各セクション１６ａ乃至１６ｊの幅の不均一は、具体的には、中央部にあるセクション１６ｅ、１６ｆの幅が最も長く、これらから端部にあるセクション１６ａ、１６ｊに向かうに従って幅が短くされているものである。従って、巻線ピッチを狭くする巻線が位置するセクションほど幅が短く、端部で一次側が作る磁束が減少し巻き線ピッチに見合った出力の増加が期待できない位置で、巻き線ピッチを細かく制御できる様になり、直線性を良好にすることが容易になる。

第４の実施形態の変位センサを図６及び図７に示す。上記の各実施形態では、二次コイル４ａ、４ｂは、全体にわたって密着巻きされていないので、全体にわたって密着巻きした場合と比較して、巻き数が少なく、変位センサの感度が低くなる。そこで、この変位センサでは、感度を増加させるために、図６に示すように、端部付近から中央側に向かうセクション１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｈ、１６ｉ、１６ｊにおける二次巻線４ａ、４ｂの巻線を、各巻線が密着している密着巻線部としてある。これら密着巻線部のうちセクション１６ａ、１６ｂ、１６ｉ、１６ｊにあるものの周囲に巻線ピッチが各巻線の直径よりも広い巻線ピッチの第２巻線、例えば付属コイル１８ａ、１８ｂを巻回してある。付属コイル１８ａでも、セクション１６ｂの巻線ピッチが広く、セクション１６ａの巻線ピッチが狭く、その結果、巻き数が多い。付属コイル１８ｂでも、セクション１６ｉの巻線ピッチが広く、セクション１６ｊの巻線ピッチが狭く、巻き数が多い。付属コイル１８ａの巻線方向は、二次コイル４ａと同じであり、付属コイル１８ｂの巻線方向は、二次コイル４ｂと同じである。従って、付属コイル１８ａと１８ｂとでは、巻く方向が逆である。

図７に示すように、付属コイル１８ａは、二次コイル４ａと直列に接続され、付属コイル１８ｂは、二次コイル４ｂと直列に接続されている。このように構成することによって、巻線数が増加し、感度を高めることができる。他の構成は、第１の実施形態と同様であるので、同一部分には同一符号を付して、その説明を省略する。

上述の各実施形態によれば、巻き数を低減することができるので、加工工数および部品コストを低減できる。また、各セクション１６ａ乃至１６ｊは、実際に設けずに仮想的に形成することで、隔壁１４を省くことができ、コストを低減できる。

上記の各実施形態の変位センサでは、セクションの数を１０としたが、これに限ったものではなく、その数は任意に変更することができ、１０よりも増加させることも減少させることもできる。また、上記の各実施形態における各セクションにおける巻き数は、単なる一例に過ぎず、種々の変更が可能である。

上記の各実施形態では、二次コイル４ａ、４ｂは同一セクション内では同一巻線ピッチとし、外側にあるセクションほど巻線ピッチを小さくしたが、同一セクション内においても巻線ピッチを異ならせることも可能である。また、上記の各実施形態では複数のセクションを設け、同一セクション内では巻線ピッチを同一としたが、セクションを設けずに、円筒状部１０の中央から両端部に向かうに従って徐々に巻線ピッチを狭くすることも可能である。また、上記の各実施形態では、２つの二次コイル４ａ、４ｂを使用したが、最低限度１つの二次コイルだけを使用することもできる。この場合も、１つの二次コイルの両端部付近の巻線ピッチを中央付近よりも狭くする。また、一次コイル２と二次コイル４ａ、４ｂとを設けたが、例えば１つの筒状体に巻回され、直列接続された２つのコイルと筒状体内をその軸線方向に沿って移動する可動磁性体とを有する構造で、コイルと可動磁性体との相対位置が変化することによって、コイルのインピーダンスが変化し、コイルの直列接続した接続点から取り出す出力信号が変位に比例する変位センサを使用することもできる。この場合でも、２つのコイルの両端部の巻線の巻線ピッチが中央部の巻線ピッチよりも狭くなるように、２つのコイルが巻回される。

本発明の第１の実施形態の変位センサの縦断面図である。 図１の変位センサの回路図である。 図１の変位センサを変形した場合の回路図である。 本発明の第２の実施形態の変位センサの縦断面図である。 本発明の第３の実施形態の変位センサの縦断面図である。 本発明の第４の実施形態の変位センサの縦断面図である。 図６の変位センサの回路図である。

符号の説明

２ 一次コイル
４ａ ４ｂ 二次コイル（コイル）
６ 可動磁芯（可動磁性体）
１６ａ乃至１６ｊ セクション
１８ 隔壁

Claims (7)

1. コイルと、測定対象物の変位に応じて移動する可動磁性体とを、備え、この可動磁性体の移動に応じて出力信号が変化する変位センサにおいて、
   前記コイルは、その巻線が前記可動磁性体の周囲を包囲しながら前記移動体の移動方向に沿って巻回され、前記コイルの端部付近における巻線ピッチが、前記コイルの中途における巻線ピッチよりも狭く形成されている
   変位センサ。
2. 請求項１記載の変位センサにおいて、前記コイルをその長さ方向に沿って複数のセクションに分割し、これら各セクション内では前記コイルの巻線ピッチは同一で、前記コイルの端部付近のセクション内の前記コイルの巻線ピッチは、前記コイルの中途のセクション内の巻線ピッチよりも狭い変位センサ。
3. 請求項２記載の変位センサにおいて、端部付近の前記セクションの長さが中央付近よりも短く形成される変位センサ。
4. 請求項１乃至３いずれか記載の変位センサにおいて、前記コイルの巻線ピッチは、前記コイルの中央付近から前記コイルの端部に向かうに従って徐々に狭くなっている変位センサ。
5. 請求項１乃至４いずれか記載の変位センサにおいて、前記コイルの端部付近に密着巻線部を設け、この密着巻線部の上に第２巻線を配置し、第２巻線の巻線ピッチを第２巻線の線径よりも大きくした変位センサ。
6. 請求項５記載の変位センサにおいて、第２巻線の端部付近の巻線ピッチが、前記第２巻線の中途における巻線ピッチよりも狭くした変位センサ。
7. 請求項２または３記載の変位センサにおいて、前記セクションを仮想的に形成した変位センサ。

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