JP2014167440A - Displacement sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、検出対象である可動体の変位量を検出する変位センサに関する。 The present invention relates to a displacement sensor that detects a displacement amount of a movable body that is a detection target.
従来、移動体の変位量を検出する技術として例えば特許文献1−3に記載のものがある。特許文献1には、シリンダの位置を検出するシリンダ位置検出装置が記載されている。このシリンダ位置検出装置は、ピストンロッドの表面にストローク方向に沿って面積が漸増又は漸減するようなパターンで形成された磁気応答部と、シリンダ本体の側に固定され、磁気応答部に対向して配置されるコイルとを備えて構成される。シリンダ位置は、ピストンロッドのストローク位置に応じたコイルの端子間電圧に基づき検出される。
Conventionally, as a technique for detecting a displacement amount of a moving body, for example, there is a technique described in Patent Documents 1-3.
特許文献2には、直線長手形状の可動子と、当該可動子の一方の面に形成される波形部と、励磁巻線及び出力巻線を有し、波形部に対向配置される固定子と、を備えた直線位置検出装置について記載されている。可動子の直線移動に伴い可動子と固定子との間のギャップが変化し、出力巻線から信号が出力される。直線位置検出装置は、この出力巻線からの信号に基づいて可動子の位置を検出する。
In
特許文献3には、励磁コイルと、当該励磁コイルの近傍に配置された受信コイルとを備えた位置センサについて記載されている。受信コイルは、2つの区画を形成するように同一平面上に形成され、巻方向が互いに逆向きになるように配置される。これにより、受信コイルの2つの区画からは、互いに異なる方向の磁束が生じる。この位置センサは、このような2つの区画から生じる磁束に基づいて磁性体の位置を検出する。
上述の特許文献1−3に記載の技術では、コイルと検出対象物との距離が一定であることが前提であり、この距離が変動すると検出結果に影響が出る。このため、正確に検出対象物の変位量を検出することができない。したがって、コイルと検出対象物との組み付けを精度良く行う必要があり組付交差や傾き等に制約があった。また、コイル又は検出対象物の形状をストローク方向に変化させる構造としているので、センサのサイズ又は検出対象物のサイズが大きくなってしまうといった問題があった。 The technique described in Patent Documents 1-3 described above is based on the premise that the distance between the coil and the detection target is constant, and if this distance fluctuates, the detection result is affected. For this reason, it is impossible to accurately detect the amount of displacement of the detection object. Therefore, it is necessary to perform the assembly of the coil and the detection target with high accuracy, and there are restrictions on the assembly intersection, inclination, and the like. In addition, since the structure of the coil or the detection object is changed in the stroke direction, there is a problem that the size of the sensor or the size of the detection object increases.
本発明の目的は、上記問題に鑑み、コンパクトで組み付けを容易に行うことが可能な変位センサを提供することにある。 In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a displacement sensor that is compact and can be easily assembled.
上記目的を達成するための本発明に係る変位センサの特徴構成は、交流電圧が印加される励磁コイルと、非磁性金属材料からなり、前記励磁コイルと対向しつつ前記励磁コイルに対して相対移動する可動体と、前記励磁コイルと前記可動体との間において前記励磁コイルと前記可動体とが対向する方向に沿って積層配置され、前記励磁コイルと磁気結合する少なくとも3つの検出コイルを有する検出部と、前記検出コイルの出力と前記可動体の変位量との関係が規定された変位量特性が予め記憶されてある特性記憶部と、前記可動体の変位に応じて取得された前記少なくとも3つの検出コイルの出力と、前記変位量特性とに基づいて前記検出部に対する前記可動体の変位量を特定する変位量特定部と、を備えている点にある。 In order to achieve the above object, the displacement sensor according to the present invention is characterized by an excitation coil to which an alternating voltage is applied and a nonmagnetic metal material, and is moved relative to the excitation coil while facing the excitation coil. A movable body, and a stack having at least three detection coils magnetically coupled to the excitation coil, wherein the excitation coil and the movable body are stacked between the excitation coil and the movable body in a direction opposite to each other. A characteristic storage unit preliminarily storing a displacement amount characteristic in which a relationship between the output of the detection coil and the displacement amount of the movable body is defined, and the at least 3 acquired according to the displacement of the movable body There is a displacement amount specifying unit that specifies a displacement amount of the movable body with respect to the detection unit based on outputs of two detection coils and the displacement amount characteristic.
このような特徴構成とすれば、検出コイルからの出力を特性記憶部に予め記憶されてある変位量特性に当て嵌めることにより、可動体の変位量を容易に特定することができる。また、少なくとも3つの検出コイルが、励磁コイルと可動体とが対向する方向に沿って積層されているので、可動体の位置が3次元的に変わった場合でも、高さ方向の変位(すなわち、検出コイルの積層方向に沿った変位)及び面内変位(すなわち、検出コイルの積層方向に直交する方向の変位)を適切に検出することが可能となる。また、それらを組み合わせた方向の変位であっても、適切に検出することが可能となる。このように本構成であれば、少なくとも3つの検出コイルと励磁コイルとを積層するだけで良いので、コンパクトで組み付けを容易に行うことが可能な変位センサを実現できる。
また、各検出コイルからの出力は、励磁コイルを電磁石化した際の相互誘導によるものであるので永久磁石を必要としない。このため、鉄粉等の異物の影響を受け難く、またレアアース等の高騰によるコストアップをすることもない。
With such a characteristic configuration, the displacement amount of the movable body can be easily specified by fitting the output from the detection coil to the displacement amount characteristic stored in advance in the characteristic storage unit. In addition, since at least three detection coils are stacked along the direction in which the exciting coil and the movable body face each other, even if the position of the movable body changes three-dimensionally, the displacement in the height direction (that is, The displacement along the stacking direction of the detection coil) and the in-plane displacement (that is, the displacement in the direction orthogonal to the stacking direction of the detection coil) can be detected appropriately. Moreover, even if it is the displacement of the direction which combined them, it becomes possible to detect appropriately. Thus, with this configuration, it is only necessary to stack at least three detection coils and excitation coils, so that a displacement sensor that is compact and can be easily assembled can be realized.
Further, since the output from each detection coil is due to mutual induction when the exciting coil is converted to an electromagnet, no permanent magnet is required. For this reason, it is hard to receive the influence of foreign materials, such as iron powder, and it does not raise the cost by soaring of rare earths.
また、前記励磁コイルと前記少なくとも3つの検出コイルとが、前記少なくとも3つの検出コイルの積層方向に見て同じ形状で形成されてあると好適である。 In addition, it is preferable that the excitation coil and the at least three detection coils are formed in the same shape when viewed in the stacking direction of the at least three detection coils.
このような構成とすれば、励磁コイルと検出コイルとの磁気結合がし易くなる。したがって、夫々の検出コイルからの出力を適切に得ることにより、精度良く可動体の変位量を検出することが可能となる。 With such a configuration, the magnetic coupling between the excitation coil and the detection coil is facilitated. Therefore, it is possible to accurately detect the displacement amount of the movable body by appropriately obtaining the outputs from the respective detection coils.
また、前記励磁コイルと前記少なくとも3つの検出コイルとが、1枚の多層プリント基板で構成されてあると好適である。 Further, it is preferable that the excitation coil and the at least three detection coils are constituted by a single multilayer printed board.
このような構成とすれば、励磁コイルと検出コイルとを容易に形成することが可能となる。したがって、夫々の積層方向に対する位置精度を高めることができるので、検出精度を高めることが可能となる。また、同サイズのものを簡単に作ることができるので、製造コストも低減できる。 With such a configuration, the excitation coil and the detection coil can be easily formed. Therefore, since the positional accuracy with respect to each stacking direction can be increased, the detection accuracy can be increased. In addition, since the same size can be easily produced, the manufacturing cost can be reduced.
本発明に係る変位センサは、可動体の変位量を検出する機能を備えて構成される。以下、本実施形態の変位センサ100について詳細に説明する。本変位センサ100は、励磁コイル11、可動体12、検出部13、特性記憶部14、変位量特定部15、通電制御部21の各機能部を備えて構成される。特に特性記憶部14、変位量特定部15、通電制御部21はCPUを中核部材として、可動体12の変位量を検出する種々の処理を行うための機能部がハードウェア又はソフトウェア或いはその両方で構築されている。ここで、本実施形態では、このような機能部が一つのECU(Electronic Control Unit)で構成されている例を挙げて説明する。
The displacement sensor according to the present invention has a function of detecting the displacement amount of the movable body. Hereinafter, the
励磁コイル11は、交流電圧が印加される。本実施形態に係る励磁コイル11は、例えばガラスエポキシ基板等のプリント基板1上にパターンニングして形成される。このような励磁コイル11が図2に示される。本実施形態では、プリント基板1の絶縁層1A上の銅をエッチングして渦巻き状のコイルパターン3が形成される。したがって、励磁コイル11は平面状に形成される。また、コイルパターン3の両端(始点及び終端)には、プリント基板1を貫通するスルーホール4が形成される。このスルーホール4を介してコイルパターン3にプリント基板1の裏面から交流電圧が印加される。これによりプリント基板1に直交する方向の磁束が生じる。本実施形態では、図1に示されるように、交流電圧の印加は通電制御部21により制御される。
An alternating voltage is applied to the
図1に戻り、可動体12は、励磁コイル11と対向しつつ励磁コイル11に対して相対移動するよう構成される。上述のように本実施形態では、励磁コイル11はプリント基板1上に平面状で形成される。ここで、可動体12は、非磁性金属材料で形成される。本実施形態では、例えば銅やアルミニウムの平板により構成される。このような平板の可動体12は、平面状の励磁コイル11に対して対向するように配置される。
Returning to FIG. 1, the
可動体12は、本変位センサ100による変位量の検出対象物に相当する。可動体12は、励磁コイル11が形成されるプリント基板1に対して直交する方向であるギャップ方向、及びプリント基板1の表面に平行な方向であるストローク方向に移動することが可能である。本変位センサ100は、このようなギャップ方向及びストローク方向の変位を検出することが可能である。
The
検出部13は、励磁コイル11と磁気結合する少なくとも3つの検出コイルを有して構成される。本実施形態では、3つの検出コイルが、検出コイル31,32,33であるとして説明する。磁気結合するとは、上述のように交流電圧が印加された励磁コイル11から生じる磁束に基づく磁界により、電磁誘導により検出コイル31,32,33にも電流が生じる状態をいう。すなわち、励磁コイル11と検出コイル31,32,33とにおいて、相互誘導が生じている状態をいう。
The
本実施形態に係る検出コイル31,32,33も、上述の励磁コイル11と同様に、例えばガラスエポキシ基板等のプリント基板7上にパターンニングされて形成される。図2には、このような検出コイル31,32,33が示される。プリント基板7の絶縁層7A上の銅をエッチングして渦巻き状のコイルパターン8が形成される。したがって、検出コイル31,32,33も、励磁コイル11と同様に平面状に形成される。また、夫々のコイルパターン8の両端には、プリント基板7を貫通するスルーホール9が形成される。このスルーホール9を介して検出コイル31,32,33の夫々に生じる電圧を測定する。図2においては、検出コイル31の電圧を「V1」、検出コイル32の電圧を「V2」、検出コイル33の電圧を「V3」としている。
The detection coils 31, 32, and 33 according to the present embodiment are also formed by patterning on a printed
図1に示されるように、検出コイル31,32,33は、励磁コイル11と可動体12との間において励磁コイル11と可動体12とが対向する方向に沿って積層配置される。上述のように励磁コイル11と可動体12とは互いに対向するように配置される。対向する方向とは、図1におけるギャップ方向に相当する。検出コイル31,32,33は、互いに絶縁された状態で積層され、この積層された方向がギャップ方向に沿って配置される。したがって、検出コイル31,32,33は、夫々のプリント基板1,7の面がギャップ方向に直交するように積層して配置される。
As shown in FIG. 1, the detection coils 31, 32, and 33 are stacked between the
本実施形態では、励磁コイル11と検出コイル31,32,33とが、当該検出コイル31,32,33の積層方向に見て同じ形状で形成される。「検出コイル31,32,33の積層方向に見て」とは、変位センサ100を鉛直方向に見ることを意味する。すなわち、変位センサ100をギャップ方向に見ることを意味する。また、同じ形状とは、プリント基板1,7上に形成されたコイルパターン3,8が互いに重複するように形成されていることをいう。ただし、夫々のコイルパターン3,8の両端には上述のようにスルーホール4,9が形成されるので、その部分は除く。このような構成により、本実施形態では、変位センサ100をギャップ方向に見た場合に、励磁コイル11と検出コイル31,32,33とのコイルパターン3,8が互いに重複するように全く同じ形状で形成される。
In the present embodiment, the
このような励磁コイル11と検出コイル31,32,33とは、1枚の多層プリント基板で構成することができる。すなわち、励磁コイル11と検出コイル31,32,33とを4層基板で構成すると好適である。これにより、少なくとも励磁コイル11と検出コイル31,32,33の夫々との間には絶縁層を配置しつつ、互いに近接させることができる。したがって、励磁コイル11から生じる磁界により、検出コイル31,32,33の夫々に相互誘導を作用させることが可能となる。また、公知のパターンニング技術により、励磁コイル11と検出コイル31,32,33との夫々のコイルパターン3,8を同じ形状で形成することが可能となる。
Such an
特性記憶部14は、検出コイル31,32,33の出力と可動体12の変位量との関係が規定された変位量特性が予め記憶されている。ここで、可動体12が、検出コイル31,32,33に対してストローク方向に移動した場合の特性が図3に示される。図3は横軸が可動体12のストローク方向への移動量(ストローク量)であり、縦軸が検出コイル31,32,33のインピーダンスである。図3に示されるように、可動体12がストローク方向に移動した場合、検出コイル31,32,33のインピーダンスは線形に変化する。なお、図3の縦軸は検出コイル31,32,33のインピーダンスで示しているが、検出コイル31,32,33の出力電圧で示しても同様である。
The
一方、可動体12が、検出コイル31,32,33に対してギャップ方向に移動した場合の特性が図4に示される。図4は横軸が可動体12のギャップ方向への移動量(ギャップ量)であり、縦軸が検出コイル31,32,33のインピーダンスである。図4に示されるように、可動体12がギャップ方向に移動した場合、検出コイル31,32,33のインピーダンスは非線形に変化する。なお、図3及び図4の特性は一例であり、コイルパターン3,8の断面積を変更することによりインピーダンスの値は変化する。また、図4の縦軸は検出コイル31,32,33のインピーダンスで示しているが、検出コイル31,32,33の出力電圧で示しても同様である。
On the other hand, the characteristics when the
上記のように可動体12がストローク方向へ移動した場合とギャップ方向へ移動した場合とで特性が異なる。一方、上述のように検出コイル31,32,33は積層して配置される。このため、3つの検出コイル31,32,33のギャップは図5のように一定である(例えば0.5mm)が、3つの検出コイル31,32,33の出力はストローク方向への移動量及びギャップ方向への移動量に応じて異なるものとなる。したがって、3つの検出コイル31,32,33の出力と、3つの検出コイル31,32,33のギャップとにより、可動体12の変位量が一義的に定まる。特性記憶部14には、このような変位量特性が予め記憶されている(図6参照)。
As described above, the characteristics are different between the case where the
変位量特定部15は、可動体12の変位に応じて取得された3つの検出コイル31,32,33の出力と、変位量特性とに基づいて検出部13に対する可動体12の変位量を特定する。3つの検出コイル31,32,33の出力は、図1に示されるように夫々のコイルパターン3,8の両端に形成されたスルーホール4,9を介して変位量特定部15に伝達され、測定される。また、変位量特定部15は、これら3つの検出コイル31,32,33のギャップも予め記憶されている。変位量特定部15は、このような予め記憶されている検出コイル31,32,33のギャップと、伝達された出力とを図6に示されるような変位量特性に当て嵌めて、可動体12の変位量を特定する。
The displacement
具体的には、変位量特性上に、測定された検出コイル31,32,33の夫々の出力電圧に応じたインピーダンスを示す3本の仮想線を設定する。次に、この3本の仮想線を同一のストローク量を規定する平面上で順次、カットしていく。このようにカットされたカット面において、既知の検出コイル31,32,33のギャップ(例えば「0.5mm」)の関係を具備するか否かを判定していき、具備した場合のカット面に対応したストローク量が可動体12の実際の変位量となる。すなわち、このように検出された座標における「ストローク量」及び「ギャップ量」が可動体12の変位量にあたる。このように本変位センサ100によれば、可動体12のストローク方向への変位量、及びギャップ方向への変位量を容易に検出することが可能となる。なお、可動体12のギャップ方向への変位量は、検出コイル31,32,33のいずれかを基準とし、変位量特性から当該基準とした検出コイルからのギャップ量を読み取ることで特定することができる。
Specifically, three virtual lines indicating impedances corresponding to the measured output voltages of the detection coils 31, 32, and 33 are set on the displacement characteristic. Next, the three virtual lines are sequentially cut on a plane that defines the same stroke amount. It is determined whether or not the cut surface thus cut has a known gap (for example, “0.5 mm”) relationship between the detection coils 31, 32, and 33. The corresponding stroke amount becomes the actual displacement amount of the
〔その他の実施形態〕
上記実施形態では、検出部13が有する検出コイルが3つであるとして説明した。しかしながら、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではない。検出部13が4つ以上の検出コイルを有して構成することも当然に可能である。係る場合であっても変位量特性から該当する変位量を特定することにより可動体12の変位量を適切に検出することが可能である。また、3つの場合に比べて、検出コイルの数を増やすことにより検出精度を高めることが可能である。
[Other Embodiments]
In the embodiment described above, the
上記実施形態では、励磁コイル11と検出コイル31,32,33とが、検出コイル31,32,33の積層方向に見て同じ形状で形成されているとして説明した。しかしながら、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではない。すなわち、励磁コイル11と検出コイル31,32,33とを、積層方向に見て異なる形状で構成することも当然に可能である。
In the above embodiment, the
上記実施形態では、励磁コイル11と検出コイル31,32,33とが、1枚の多層プリント基板で構成されているとして説明した。しかしながら、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではない。すなわち、夫々を別のプリント基板で構成した後、積層することも可能であるし、プリント基板1を用いずに構成することも可能である。すなわち、例えば励磁コイル11と検出コイル31,32,33とを、所謂「チップ積層インダクタ」で構成することも当然に可能である。
In the embodiment described above, the
本発明は、検出対象である可動体の変位量を検出する変位センサに用いることが可能である。 The present invention can be used in a displacement sensor that detects the amount of displacement of a movable body that is a detection target.
1:プリント基板(多層プリント基板)
11:励磁コイル
12:可動体
13:検出部
14:特性記憶部
15:変位量特定部
31:検出コイル
32:検出コイル
33:検出コイル
100:変位センサ
1: Printed circuit board (multilayer printed circuit board)
11: Excitation coil 12: Movable body 13: Detection unit 14: Characteristic storage unit 15: Displacement amount specifying unit 31: Detection coil 32: Detection coil 33: Detection coil 100: Displacement sensor
Claims (3)
非磁性金属材料からなり、前記励磁コイルと対向しつつ前記励磁コイルに対して相対移動する可動体と、
前記励磁コイルと前記可動体との間において前記励磁コイルと前記可動体とが対向する方向に沿って積層配置され、前記励磁コイルと磁気結合する少なくとも3つの検出コイルを有する検出部と、
前記検出コイルの出力と前記可動体の変位量との関係が規定された変位量特性が予め記憶されてある特性記憶部と、
前記可動体の変位に応じて取得された前記少なくとも3つの検出コイルの出力と、前記変位量特性とに基づいて前記検出部に対する前記可動体の変位量を特定する変位量特定部と、
を備える変位センサ。 An exciting coil to which an alternating voltage is applied;
A movable body made of a non-magnetic metal material and moving relative to the excitation coil while facing the excitation coil;
A detection unit having at least three detection coils that are stacked between the excitation coil and the movable body along a direction in which the excitation coil and the movable body face each other and are magnetically coupled to the excitation coil;
A characteristic storage unit in which a displacement characteristic in which a relationship between the output of the detection coil and the displacement of the movable body is defined is stored in advance;
A displacement amount specifying unit that specifies the displacement amount of the movable body relative to the detection unit based on the outputs of the at least three detection coils acquired according to the displacement of the movable body and the displacement amount characteristics;
A displacement sensor comprising:
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WO2023243618A1 (en) * | 2022-06-14 | 2023-12-21 | オリエンタルモーター株式会社 | Inductive position detector |
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- 2013-02-28 JP JP2013039656A patent/JP2014167440A/en active Pending
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WO2023243618A1 (en) * | 2022-06-14 | 2023-12-21 | オリエンタルモーター株式会社 | Inductive position detector |
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