JP2017009306A

JP2017009306A - 変位センサ

Info

Publication number: JP2017009306A
Application number: JP2015121789A
Authority: JP
Inventors: 大田　康二三; Yasufumi Ota; 康二三大田; 晴光宮川; Harumitsu Miyagawa; 友哉今沢; Tomoya Imazawa
Original assignee: RIKEN KEIKI NARA SEISAKUSHO KK
Current assignee: RIKEN KEIKI NARA SEISAKUSHO KK
Priority date: 2015-06-17
Filing date: 2015-06-17
Publication date: 2017-01-12

Abstract

【課題】測定対象物の構成等にかかわらず、測定対象物の変位の検出範囲を拡大することができる変位センサを提供する。
【解決手段】筒状のボビン１７に巻回されて形成される中空孔１３ａを有するコイル１３と、コイル１３に交流信号を供給して磁束を発生させる発振回路と、測定対象物の変位に伴ってコイル１３の軸方向に変位することによって、コイル１３の中空孔１３ａ内へ出入自在に設けられる棒状のプローブ１４と、コイル１３による磁束がプローブ１４を通過することによりプローブ１４の表面に発生する渦電流の大きさによって変化するコイル１３のインピーダンスに基づいて、測定対象物の変位を検出する変位検出手段とを備える変位センサ１。
【選択図】図３

Description

本発明は、測定対象物の変位を測定する渦電流効果を利用した変位センサに関する。

従来から、金属で構成された測定対象物の変位を測定するために、渦電流効果を利用した渦電流式変位センサが知られている。このような渦電流式変位センサは、測定対象物に対してコイルの中心軸が対向するようにコイルが配設され、このコイルに対して発振回路から高周波の交流信号が供給されることによって、コイルから高周波の磁束が発生するように構成されている。そして、渦電流式変位センサでは、測定対象物がこのコイルによる磁束に近づくと、磁束が測定対象物を通過することにより測定対象物の表面に渦電流を発生させる。この渦電流の大きさは、コイルと測定対象物との距離に対応しており、渦電流の大きさによってコイルのインピーダンスが変化するので、渦電流式変位センサでは、例えば、このインピーダンス変化を発振回路出力の電圧変化として取り出して、測定対象物の変位を求めている。

また、測定対象物の変位量を高分解能で検出するために、コイルの空芯部に長手軸方向に断面積が変化する円錐状の磁性体のプローブを挿入させて配置する変位センサも提案されている（例えば、特許文献１参照）。この変位センサでは、プローブが、長手軸方向にコイルの空心部内で変位することによるコイルのインダクタンスの変化を検出し、その検出値を変位量に変換することでプローブの変位量を求めている。

特開２００３−１３９５６２号公報

しかしながら、従来のコイルに測定対象物を近づける渦電流式変位センサの場合には、検出できる測定対象物の変位の範囲が短く、長い距離は測定できない。また、コイルの径を大きくすれば、それに比例して距離が長くなるが、その場合には周囲の部材や配線等に接触してしまう虞等があるため、取り付け位置が限定されると共に、応答速度も遅くなるため、用途が非常に限定される。また、特許文献１のように、測定対象物の変位量を検出するために、長手方向に断面積が変化する円錐状のプローブを用いた場合には、プローブの後端側の断面積は大きくなるため、コイルの空芯部の径の大きさもそれに応じて大きくする必要があるので、取り付け位置が限定される。また、プローブの後端側の断面積とコイルの空芯部の径の大きさによっては、プローブの変位量が制限されるため、長い距離を測定することができない虞がある。

本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであって、測定対象物の構成等にかかわらず、測定対象物の変位の検出範囲を拡大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。

上記目的を達成するために、本発明に係る変位センサは、筒状のボビンに巻回されて形成される中空孔を有するコイルと、前記コイルに交流信号を供給して磁束を発生させる発振回路と、測定対象物の変位に伴って前記コイルの軸方向に変位することによって、前記コイルの前記中空孔内へ出入自在に設けられる棒状のプローブと、前記コイルによる前記磁束が前記プローブを通過することにより前記プローブの表面に発生する渦電流の大きさによって変化する前記コイルのインピーダンスに基づいて、前記測定対象物の変位を検出する変位検出手段と、を備えることを特徴としている。

また、本発明に係る変位センサでは、前記コイルが複数に分割され、測定対象物の変位を精度良く検出することを特徴としている。

また、本発明に係る変位センサは、前記コイルが、前記中空孔を除き筐体に収容されていることを特徴としている。

また、本発明に係る変位センサは、前記測定対象物が、不動部に対向して往復運動を行う可動部であって、前記プローブは、前記可動部又は前記不動部のいずれかに取り付けられることを特徴としている。

本発明に係る変位センサによれば、測定対象物の変位に伴ってコイルの軸方向に変位することによって、コイルの中空孔内へ出入自在に設けられる棒状のプローブを備えているので、測定対象物の構成等によってプローブの取り付け位置が制限を受けることがなく、測定対象物の変位の検出範囲を拡大することができる。また、コイルの軸方向の長さ及びプローブの長さを調節することで、様々な測定対象物の変位の検出に容易に対応することができる。

また、本発明に係る変位センサによれば、コイルが複数に分割され、発振回路および変位検出手段をそれぞれ備え、測定対象物の変位の検出精度を向上させることができる。

また、本発明に係る変位センサによれば、コイルを、中空孔を除き磁性体の筐体に収容すれば、外部からの磁場の影響等を防止することができ、測定対象物の変位の検出精度を向上させることができる。

また、本発明に係る変位センサによれば、測定対象物は、不動部に対向して往復運動を行う可動部であって、プローブは、可動部又は不動部に取り付けられるので、コイルから可動部又は不動部までの距離が長く、可動部の変位量が大きい場合でも、可動部の変位を精度良く検出することができる。

本発明の実施形態に係る変位センサを備えたプレス機械の一例を示す概略断面図である。本発明の実施形態に係る変位センサの構成の一例を示すブロック図である。筐体に収容されている状態のコイルの一例を示す概略断面図である。筒状のプローブを用いる場合の一例を示す概略断面図である。本発明の実施形態に係る変位センサの構成の他の一例を示すブロック図である。

以下、本発明に係る変位センサの実施形態について、図面を参照しつつ説明する。本発明に係る変位センサ１は、例えば測定対象物として、プレス機械等の工作機械に備えられる往復運動を行う可動部等の変位量を検出するためのものである。本実施形態に係る変位センサ１は、図１に示すように、プレス機械２の動的精度を測定するためにプレス機械２の往復運動を行う可動部であるスライド３の変位量を検出するように設けられている。

この変位センサ１が設けられるプレス機械２は、図１に示すように、下型４が保持されるボルスタ（不動部）５と、このボルスタ５に対向して配置され、ボルスタ５の上方で上下方向に昇降可能に上型６を保持するスライド（可動部）３を備えている。プレス機械２は、上型６の下面にスプリング７を介してストリッパ８が取り付けられており、このストリッパ８が、スライド３の下降に伴って上型６と共に下降し、下型４との間で被加工材料９を挟んで押さえるようになっている。そして、更にスライド３と共に上型６が下降することにより上型６に取り付けられているパンチ１０によって被加工材料９が打ち抜かれる。この打ち抜きによるカス１１は、下型４に形成されたカス穴１２へ落下するようになっている。

変位センサ１は、図１〜図３に示すように、中空孔１３ａを有するコイル１３と、スライド３の変位に伴ってコイル１３の軸方向に変位することによって、コイル１３の中空孔１３ａ内へ出入自在に設けられる円柱状のプローブ１４と、コイル１３に交流信号を供給して磁束Φを発生させる発振回路１５と、コイル１３による磁束Φがプローブ１４を通過することによりプローブ１４の表面に発生する渦電流の大きさによって変化するコイル１３のインピーダンスに基づいて、スライド３の変位を検出する変位検出手段１６とを備えている。尚、図１及び図３では、発振回路１５及び変位検出手段１６は、省略して図示している。

コイル１３は、例えば、図１に示すように、ボルスタ５に支持部材１８を介して固定された状態で取り付けられている。このコイル１３は、図３に示すように、筒状のボビン１７に巻回されて、中空孔１３ａを有するように形成されている。

ボビン１７は、例えば、絶縁性を有する樹脂材料等によって形成されており、図３に示すように、両端が開口している長尺な円筒状の胴部１７ａと、この胴部１７ａの両端の外周から軸方向に直交して外側へ突出するように設けられる略円形状の鍔部１７ｂ、１７ｃとを備えている。胴部１７ａの内径（中空孔１３ａの径）Ｄ１は、スライド３の変位に伴ってプローブ１４が中空孔１３ａ内に出入できるように、プローブ１４の外径Ｄ２よりも大きく形成されている。また、ボビン１７の胴部１７ａに巻回されるコイル１３は、軸方向の長さＨ１が、プローブ１４の可動範囲（スライド３のストローク）よりも長くなるように設けられている。また、詳しくは図示しないが、コイル１３は、同軸ケーブルに接続されており、この同軸ケーブルを介して発振回路１５等に接続されている。尚、本実施形態に係る変位センサ１では、１つのボビン１７に１つのコイル１３が巻回されている例を示しているが、これに限定されるものではなく、発振回路１５からコイル１３に交流信号が供給されることにより、図２に示すような磁束Φを発生できるように構成されていれば良く、例えば、軸方向に複数のボビン１７を配設しておき、それぞれにコイル１３を巻回することによって軸方向に複数に分割してコイル１３を設けるようにしても良い。また、１つのボビン１７に複数のコイル１３を巻回するようにしても良い。また、コイル１３の軸方向の長さＨ１は、プローブ１４の可動範囲（スライド３のストローク）に依らず、必要な長さだけでも良い。

このようなコイル１３は、例えば、図３に示すように、中空孔１３ａを除いて筐体１９に収容される。この筐体１９としては、例えば、外部からの磁場の影響等を排除して検出精度を向上させるために、磁性体材料で形成されているものを用いることができる。筐体１９は、図３に示すように、両端が開口している長尺な円筒状の円筒部１９ａと、円筒部１９ａのプローブ１４が中空孔１３ａへ挿入される側の反対側の端部（図３中の下端）の開口を閉塞する円盤状の底部１９ｂとを有している。円筒部１９ａのプローブ１４が中空孔１３ａへ挿入される側の端部（図３中の上端）の開口は、その大きさがボビン１７の内径（中空孔１３ａの径）と略同一に形成され、中心が中空孔１３ａの中心と一致するように設けられている。尚、本実施形態では、コイル１３が筐体１９に収容されている例を示しているが、これに限定されるものではなく、外部から磁場等の影響を受ける虞が少なく、検出精度が維持できる場合には、筐体１９を設けなくても良い。また、筐体１９の形状や材質は、これに限定されるものではなく、例えば、樹脂材料を用いても良い。

プローブ１４は、図１に示すように、スライド３の変位に伴ってコイル１３の軸方向に変位するように、スライド３に支持部材２０を介して取り付けられている。このプローブ１４は、例えば、鉄等の磁性金属によって円柱状に形成されている。プローブ１４は、スライド３の変位に応じて、コイル１３の中空孔１３ａ内に非接触で出入できるように、外径（底面の直径）Ｄ２が中空孔１３ａの径Ｄ１よりも小さく形成されている。このようなプローブ１４が中空孔１３ａ内に挿入されると、コイル１３のインピーダンスが増加し、発振回路１５の共振点からずれて、発振が停止してしまったり、その反面、増加が少なすぎると検出出力が小さくなり、精度を十分に取れなくなる。この相反する条件を両立させるためには、例えば、図５に示すように、コイル１３を変位方向に分割し、分割したそれぞれのコイル１３に発振回路１５および変位検出手段１６をそれぞれ備えることが好ましい。

また、プローブ１４は、可動範囲を最大限移動した場合でも、コイル１３の中空孔１３ａ内に挿入される側の端部（図３中の下端）が、中空孔１３ａ内の最下位値まで移動しないように、長さＨ２が調節されて、スライド３に支持部材２０を介して取り付けられている。尚、プローブ１４の形状は、円柱状に限定されるものではなく、多角柱を含む、コイル１３の中空孔１３ａ内に非接触で出入できるような棒状あるいは板状等であればよく、スライド３の変位と変位検出手段１６の出力の関係を事前に測定しておけば、断面積が変位方向に変化するものであってもよい。

このような変位センサ１を用いてスライド３の変位を検出する場合には、図２に示すように、発振回路１５から高周波の交流信号をコイル１３に対して供給することによって、コイル１３に高周波の磁束Φを発生させる。この際に発振回路１５からコイル１３に対して供給する交流信号の発振周波数としては、例えば、１００ｋ〜１ＭＨｚの範囲が好ましい。このように発振回路の発振周波数を高くすることにより、スライド３の変位の応答速度を向上させることができる。

変位センサ１では、スライド３の変位に伴ってプローブ１４がコイル１３の軸方向に変位し、中空孔１３ａ内へと近づくと、コイル１３による磁束Φがプローブ１４を通過することによりプローブ１４の表面にコイル１３が発生する磁界を打ち消すように渦電流が発生し、コイル１３とプローブ１４との距離に応じてコイル１３のインピーダンスが変化する。そして、変位検出手段１６では、このインピーダンスの変化を発振回路１５の出力の電圧変化として取り出して、この出力信号を整流回路１６ａによって整流し、その後、平滑化回路１６ｂによって整流後の信号を平滑化することにより、プローブ１４の変位に対応した直流電圧に変化することによって、プローブ１４の変位量と同じ変位量となるスライド３の変位量が検出される。尚、変位検出手段１６による変位量の検出の仕方は、これに限定されるものではなく、従来公知の検出方法を適宜用いても良い。また、本発明に係る変位センサ１は、上述の構成及び用途に限定されるものではなく、渦電流効果を利用して変位を検出するための様々な装置に適用することができる。

また、本実施形態に係る変位センサ１では、図１に示すように、コイル１３は、ボルスタ５に支持部材１８を介して固定された状態で取り付けられており、プローブ１４は、スライド３に支持部材２０を介して取り付けられてるが、コイル１３とプローブ１４の取り付け位置を入れ替えるように構成しても良い。

また、本実施形態に係る変位センサ１では、円柱状のプローブ１４を用いており、コイル１３の中空孔１３ａ内にスライド３の変位に伴ってプローブ１４が出入自在である例を示しているが、図４に示すように、中空孔２１ａを有するように筒状に形成されるプローブ２１をコイル１３の軸方向へ変位するようにスライド３に配設しておき、スライド３の変位に伴ってプローブ２１がコイル１３の周囲を覆うように構成しても良い。尚、この場合には、プローブ２１の内径（中空孔２１ａの径）は、ボビン１７の鍔部１７ｂの直径よりも大きく形成される。また、図４では、コイル１３を筐体１９に収容していない例を示しているが、図３の構成と同様にコイル１３は筐体１９に収容されていても良い。

尚、本発明の実施の形態は上述の形態に限るものではなく、本発明の思想の範囲を逸脱しない範囲で適宜変更することができる。

１変位センサ
２プレス機械
３スライド（可動部）
５ボルスタ（不動部）
１３コイル
１３ａ中空孔
１４プローブ
１５発振回路
１６変位検出手段
１７ボビン
１９筐体
Φ 磁束

Claims

筒状のボビンに巻回されて形成される中空孔を有するコイルと、
前記コイルに交流信号を供給して磁束を発生させる発振回路と、
測定対象物の変位に伴って前記コイルの軸方向に変位することによって、前記コイルの前記中空孔内へ出入自在に設けられる棒状のプローブと、
前記コイルによる前記磁束が前記プローブを通過することにより前記プローブの表面に発生する渦電流の大きさによって変化する前記コイルのインピーダンスに基づいて、前記測定対象物の変位を検出する変位検出手段と、を備えることを特徴とする変位センサ。
前記コイルは、複数のコイルから構成されることを特徴とする請求項１に記載の変位センサ。
前記コイルは、前記中空孔を除き筐体に収容されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の変位センサ。
前記測定対象物は、不動部に対向して往復運動を行う可動部であって、
前記プローブは、前記可動部又は前記不動部のいずれかに取り付けられることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の変位センサ。