JP2022182430A - 線形可変差動変圧器 - Google Patents

Abstract

【課題】位置検出範囲の端部における磁束密度の低下を従来よりも抑制することが可能な線形可変差動変圧器を提供する。【解決手段】直管状の一次コイルと、当該一次コイルと同軸状にテーパ巻きされる一対の二次コイルと、一次コイル及び二次コイルの内側に設けられ、一次コイル及び二次コイルの中心軸方向に可動自在かつ磁気コアが装着されるプローブとを備え、一対の二次コイルにおいて層数が少ない方の端部は逆巻きされている。【選択図】図１

Description

本発明は、線形可変差動変圧器に関する。

下記特許文献１には、航空機エンジンの測定に使用される線形可変作動変圧器（ＬＶＤＴ）が記載されている。この線形可変作動変圧器は、可変ステータベーン等の対象物の直線変位を検出するための誘導型電気センサであり、１次コイルと一対の２次コイルとプローブに設けられた中央コアとを備え、中央コアの直線変位に依存する一対の２次コイルの差動電圧の変化に基づいてプローブの先端に係合する対象物の直線方向の位置を検出する。

特表２０１５－５２１７４７号公報

ところで、上述した線形可変差動変圧器は、中央コアの可動方向を中心軸方向とし、かつ構造的に有限な長さを有する直線状コイルを１次コイルとして備える。この１次コイルの端部では、当該１次コイルの中心軸方向に貫通する磁束の磁束密度が急激に低下する。この中心軸方向に貫通する磁束は、差動電圧を支配する磁束である。したがって、線形可変差動変圧器は、中央コアのフルストローク近傍において直線変位の検出精度が悪化し易いという基本的な性質を有する。

従来では、このような検出精度の悪化に対して、１次コイルのコイル長をコアの動作範囲に対して十分に余裕のある長さに設定する、あるいは所定の検出精度が得られるまで１次コイルの巻き直しを何回も繰り返すという対応を取らざるを得なかった。しかしながら、線形可変差動変圧器の長さに対する寸法の制約が厳しい場合には、１次コイルのコイル長を余裕のある長さに設定することは困難であるという問題がある。また、製造現場において１次コイルの巻き直しを何回も繰り返すことは生産効率の低下を来すという問題がある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、位置検出範囲の端部における磁束密度の低下を従来よりも抑制することが可能な線形可変差動変圧器の提供を目的とするものである。

上記目的を達成するために、本発明では、線形可変差動変圧器に係る第１の解決手段として、直管状の一次コイルと、当該一次コイルと同軸状にテーパ巻きされる一対の二次コイルと、前記一次コイル及び前記二次コイルの内側に設けられ、前記一次コイル及び前記二次コイルの中心軸方向に可動自在かつ磁気コアが装着されるプローブとを備え、一対の前記二次コイルにおいて層数が少ない方の端部は逆巻きされている、という手段を採用する。

本発明では、線形可変差動変圧器に係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記二次コイルは、前記中心軸方向に９つのセクションが設定されており、前記端部に近い２つの前記セクションにおいて逆巻きされている、という手段を採用する。

本発明では、線形可変差動変圧器に係る第３の解決手段として、上記第２の解決手段において、前記二次コイルは、前記層数が最も多いセクションが６層であり、前記層数が最も少ないセクションが１層である、という手段を採用する。

本発明では、線形可変差動変圧器に係る第４の解決手段として、上記第１～第３のいずれかの解決手段において、前記一次コイルは、全体として７層巻きであり、前記プローブに近い第１層～第５層が密巻、第６層では両端が密巻かつ中央ではスペース巻であり、第７ 層では両端の密巻度合いと中央のスペース巻度合いを前記第６層よりも低下させる、という手段を採用する。

本発明では、線形可変差動変圧器に係る第５の解決手段として、上記第１～第４のいずれかの解決手段において、回転電機のロータ内において回転軸と同軸状に配置される、という手段を採用する。

本発明によれば、位置検出範囲の端部における磁束密度の低下を従来よりも抑制することが可能な線形可変差動変圧器を提供することが可能である。

本発明の一実施形態に係る線形可変差動変圧器の全体構成を示す正面図である。 本発明の一実施形態に係る線形可変差動変圧器の要部構成を示す正面図である。 本発明の一実施形態における一次コイル及び二次コイルの巻線状態を示す模式図である。 本発明の一実施形態に係る線形可変差動変圧器の全体構成の性能を示す特性図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
本実施形態に係る線形可変差動変圧器Ａは、図１に示すように電動機Ｂに装着され、端部に係合する対象物の位置を検出する略円筒状の変位センサである。

なお、電動機Ｂは、本発明の回転電機に相当する。また、図１及び図２では、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸からなる直交三軸を付記している。さらに、この線形可変差動変圧器Ａの中心軸方向は、Ｚ軸に平行な方向である。

電動機Ｂから先に説明すると、この電動機Ｂは、周知の構成のものであり、ステータｂ１、ロータｂ２及び回転軸ｂ３を備えている。ステータｂ１は、円環状に配置された所定数のスロットを備えている。各スロットは、ステータコア及びステータ巻線を備えており、回転磁界を発生する複数の電磁石として機能する。

ロータｂ２は、回転軸ｂ３に固定された円環状の部材であり、上記ステータｂ１の内側に配置されている。このロータｂ２は、外周部が上記スロットの先端部と微小ギャップを隔てて対向しており、外周部には所定の電気角毎に磁極を構成する永久磁石が配置されている。このようなロータｂ２には、上記ステータｂ１との電磁気的な結合によって回転力が作用する。

回転軸ｂ３は、棒状金属部材であり、電動機Ｂの出力軸である。すなわち、この回転軸ｂ３は、上記ロータｂ２に作用する回転力によって回転する棒状金属部材であり、中心軸方向に貫通孔ｂ４が形成されている。本実施形態に係る線形可変差動変圧器Ａは、図示するように、この貫通孔ｂ４内に一定の間隔を空けた状態で挿通される略棒状の部材である。

この線形可変差動変圧器Ａは、図１及び図２に示すように、電動機Ｂ（回転電機）のロータ内において回転軸ｂ３と同軸状に配置されおり、筐体１、ブラケット２、プローブ３、ボビン４、一次コイル５、一対の二次コイル６Ａ、６Ｂ、磁気コア７及び案内部材８を備えている。

筐体１は、図１及び図２に示すように有底円筒状部材である。この筐体１は、円筒形状の側部１ａと円板形状の底部１ｂ、１ｃを備えており、プローブ３の一部、一次コイル５、一対の二次コイル６Ａ、６Ｂ、磁気コア７及び案内部材８を収容する。この筐体１において、一方の底部１ｂには、中心を貫く貫通孔ｈが形成されている。

すなわち、本実施形態における筐体１は、上述したようにプローブ３の一部、一次コイル５、一対の二次コイル６Ａ、６Ｂ、磁気コア７及び案内部材８を収容することに加え、プローブ３の一端が貫通する貫通孔ｈが設けられている。

ブラケット２は、このような筐体１の側部１ａに外接する金属部材であり、図２に示すように筒部２ａとフランジ部２ｂとを備える。筒部２ａは、内周面が筐体１の側部１ａに当接する円筒状部位である。フランジ部２ｂは、筒部２ａの外側に設けられた所定厚さの板部であり、複数の取付孔が形成されている。これら複数の取付孔は、線形可変差動変圧器Ａを固定するためのネジ穴である。

プローブ３は、図示するように有底円筒状の筐体１と同軸に設けられた棒状部材である。すなわち、このプローブ３は、筐体１の中心を貫く貫通孔ｈに挿通された状態で設けられており、筐体１（つまり線形可変差動変圧器Ａ）の中心軸方向（Ｚ軸に平行な方向）に可動自在である。

このようなプローブ３には、線形可変差動変圧器Ａの中心軸方向つまり可動方向の片端（先端部）に対象物と係合する係合部材２ａが設けられている。また、このプローブ３の後端部には、図３（ａ）に示すように略円筒形状の磁気コア７がプローブ３と同軸状に固定されている。

ボビン４は、筐体１内に当該筐体１及びプローブ３と同軸に設けられた円筒状部材である。このボビン４は、非磁性材料から形成された所定長さの円筒状部材である。すなわち、このボビン４は、内面（円筒面）がプローブ３に固定された磁気コア７の周面（円筒面）に対して一定のギャップを形成するように筐体１内に収容されている。

一次コイル５は、図３（ａ）に示すように、線形可変差動変圧器Ａの中心軸方向に所定の長さかつ多層に巻回された直管状の巻線である。この一次コイル５には、一対の二次コイル６Ａ、６Ｂを励磁するための交流電流（励磁電流）が外部電源（図示略）から供給される。この一次コイル５には、上記励磁電流に基づいて周囲に励磁磁界を発生する。

一対の二次コイル６Ａ、６Ｂは、図３（ａ）に示すように、一次コイルと同軸状かつ所定長さでテーパ巻きされた直管状の巻き線である。すなわち、一対の二次コイル６Ａ、６Ｂのうち、一方の二次コイル６Ａは、上記中心軸方向において一次コイル５の表面に所定長さでテーパ状に巻回され、他方の二次コイル６Ｂは、上記中心軸方向において一次コイル５の表面に所定長さで逆のテーパ状に巻回されている。

このような一対の二次コイル６Ａ、６Ｂは、各々に一次コイル５が発生する励磁磁界に基づく誘起電圧を出力する。すなわち、一次コイル５と一方の二次コイル６Ａとは、また一次コイル５と他方の二次コイル６Ａとは、各々にトランスを構成する。一次コイル５と一方の二次コイル６Ａとは第１トランスを構成し、一次コイル５と他方の二次コイル６Ａとは第２トランスを構成する。

ここで、図３（ｂ）は、上述した一次コイル５及び一対の二次コイル６Ａ、６Ｂの巻線状態を巻線比率として示す模式図である。この図３（ｂ）に示すように、一次コイル５は、ボビン４の外周面に全体として７層巻きされている。また、一次コイル５及び一対の二次コイル６Ａ、６Ｂには、中心軸方向に合計９つのセクションが設定されている。図３（ｂ）において、巻線座標が最も小さい左端のセクションが第１セクションであり、巻線座標が最も大きい右端のセクションが第９セクションである。

一次コイル５における７層のうち、ボビン４つまり磁気コア７に近い第１層～第５層は、図３（ｂ）に示すように全セクションにおいて密巻されており、また第６層では両端に属する第１セクション及び第９セクションが密巻、かつ、中央に属する第２～８セクションではスペース巻きされている。さらに、第７層では、両端の密巻度合いと中央のスペース巻度合いを前記第６層よりも低下させるように巻回されている。

上記密巻は、整列巻とも言われ、隣り合う巻線が相互に接触した状態の巻線状態である。一方、上記スペース巻は、隣り合う巻線が相互に離間した状態の巻線状態である。すなわち、密巻は巻線密度がスペース巻よりも高い巻線方法なので、一次コイル５は、中心軸方向において、両端よりも中央の方が巻線密度が高くなるように巻線されている。

このような一対の二次コイル６Ａ、６Ｂのうち、一方の二次コイル６ＡはＺ軸方向に層数が徐々に増えるよう巻線されている。すなわち、一方の二次コイル６Ａは、一方の端部において層数が最大となり、他方の端部において層数が最小となるように、つまりテーパ状に巻線されている。

より具体的には、一方の二次コイル６Ａは、図３（ｂ）に示すように、層数が最も多い第１セクションで６層であり、層数が最も少ない第９セクションで１層である。また、一方の二次コイル６Ａは、第８，第９セクションにおける巻回方向が図示するようにマイナスの値である。すなわち、第１層において、第８，第９セクションにおける巻線方向は、他の第１～第７セクションの巻線方向に対して反対方向つまり逆巻きである。

一方の二次コイル６Ａでは、第９セクションから第１セクションに向かって順次巻線されるが、第９セクション及び第８セクションについて例えばＣＣＷ方向（反時計回り）に巻線すると、巻線を一端中断し、緩み止め処理を行う。そして、第７～第１セクションについては、ＣＣＷ方向（反時計回り）とは逆向きのＣＷ方向（時計回り）に巻線する。

このような一方の二次コイル６Ａに対して、他方の二次コイル６Ｂは、Ｚ軸方向に層数が徐々に減少するよう巻線されている。すなわち、他方の二次コイル６Ｂは、他方の端部において層数が最大となり、一方の端部において層数が最小となるように、つまり一方の二次コイル６Ａとは逆向きのテーパ状に巻線されている。

他方の二次コイル６Ｂは、図３（ｂ）に示すように、層数が最も多い第９セクションで６層であり、層数が最も少ない第１セクションで１層である。また、他方の二次コイル６Ｂは、第１，第２セクションにおける巻回方向が図示するようにマイナスの値である。すなわち、第１，第２セクションにおける巻線方向は、他の第３～第９セクションの巻線方向に対して反対方向つまり逆巻きである。

すなわち、他方の二次コイル６Ｂでは、第１セクションから第９セクションに向かって順次巻線されるが、第１セクション及び第２セクションについてＣＷ方向（時計回り）に巻線すると、巻線を一端中断し、緩み止め処理を行う。そして、第３～第９セクションについては、ＣＷ方向（時計回り）とは逆向きのＣＣＷ方向（反時計回り）に巻線する。

ここで、このような一方の二次コイル６Ａにおける第８，第９セクションの逆巻き及び他方の二次コイル６Ｂにおける第１，第２セクションの逆巻きは、本実施形態に係る線形可変差動変圧器Ａのもっと重要な特徴点である。この線形可変差動変圧器Ａは、後述するように上記逆巻きによって１次コイル５の両端部つまり一対の二次コイル６Ａ、６Ｂの両端部における磁束密度の低下を従来よりも抑制している。

磁気コア７は、プローブ３の途中部位にプローブ３と同軸状に固定された円筒状の磁性部材である。この磁気コア７は、プローブ３及び筐体１の中心軸方向における長さつまり自身の中心軸方向における長さが所定長さに設定されている。このような磁気コア７は、第１トランス及び第２トランスの各結合係数を中心軸方向の位置に応じて可変する。

上述した第１、第２トランスは、ボビン４内を中心軸方向に可動自在な磁気コア７の位置に応じて結合係数が変化する。この結果として、一方の二次コイル６Ａが出力する誘起電圧（第１誘起電圧）の磁気コア７の位置に応じた変化特性は、他方の二次コイル６Ｂが出力する誘起電圧（第２誘起電圧）の磁気コア７の位置に応じた変化特性に対して逆特性となる。

案内部材８は、図２に示すように、筐体１内において他方の底部１ｃの近傍部位に設けられている。この案内部材８は、同軸状に設けられた複数の円板状部材の集合体であり、一次コイル５のリード線及び一対の二次コイル６Ａ、６Ｂのリード線を案内する。図示していないが、一次コイル５のリード線及び一対の二次コイル６Ａ、６Ｂのリード線は、案内部材８を経由して筐体１内から筐体１外に引き出される。

次に、本実施形態に係る線形可変差動変圧器Ａの作用効果について、図４の特性図をも参照して詳しく説明する。

この線形可変差動変圧器Ａでは、一次コイル５が発生する励磁磁界が磁気コア７を介して一対の二次コイル６Ａ、６Ｂに作用することによって、一方の二次コイル６Ａに第１の誘起電圧を発生させ、また他方の二次コイル６Ｂに第２の誘起電圧を発生させる。上記励磁磁界は、一次コイル５、一対の二次コイル６Ａ、６Ｂ及び磁気コア７を主に中心軸方向（Ｚ軸方向）に通過する。

一対の二次コイル６Ａ、６Ｂは、主に可動方向（Ｚ軸方向）に通過する励磁磁界に基づいて第１の誘起電圧及び第２の誘起電圧を発生させる。すなわち、一方の二次コイル６Ａは、可動方向（Ｚ軸方向）に通過する励磁磁界に基づいて第１の誘起電圧を発生させ、他方の二次コイル６Ｂは、可動方向（Ｚ軸方向）に通過する励磁磁界に基づいて第２の誘起電圧を発生させる。

このような線形可変差動変圧器Ａは、可動方向（Ｚ軸方向）に通過する励磁磁界が作用することによって、検出対象物の中心軸方向の位置を検出する。すなわち、磁気コア７はプローブ３に固定されており、また当該プローブ３は検出対象物に係合しているので、磁気コア７の可動方向（Ｚ軸方向）の位置は、検出対象物の中心軸方向の位置に応じて変化する。そして、第１の誘起電圧及び第２の誘起電圧は、磁気コア７の可動方向（Ｚ軸方向）の位置に応じて変化する。

このような線形可変差動変圧器Ａは、対象物の中心軸方向における位置に応じて変化する第１の誘起電圧と第２の誘起電圧との差分つまり差動電圧を対象物の可動方向（Ｚ軸方向）における位置を示す検出信号として出力する。

このような本実施形態では、一方の二次コイル６Ａにおける第８、第９セクション及び他方の二次コイル６Ｂにおける第１、第２セクションが逆巻きに巻線されている関係で、線形可変差動変圧器Ａの位置検出範囲の両端部における磁束密度の低下を従来よりも抑制することができる。

すなわち、図４は、本実施形態に係る線形可変差動変圧器Ａの位置検出精度の一例を示す特性図である。この図４に示すように、本実施形態に係る線形可変差動変圧器Ａによれば、位置検出範囲の全領域に亘って位置検出精度が従来よりも大幅に向上しており、特に位置検出範囲の両端部における位置検出精度は従来よりも著しく向上している。

したがって、本実施形態によれば、一対の二次コイル６Ａ、６Ｂにおいて層数が少ない方の端部が逆巻きされているので、位置検出範囲の端部における磁束密度の低下を従来よりも抑制することが可能な線形可変差動変圧器Ａを提供することが可能である。

本実施形態において、層数が少ない方の端部を逆巻きすることの技術的意義についてさらに説明すると、通常は巻線を行わない層数が少ない端部において逆巻を行うことにより、巻線領域の長さを変えずにコア位置に対する電圧ゲイン（Ｖｒｍｓ／ｍｍ）を増加させることができる。この結果、１次巻線の位置検出範囲の端部における磁束密度の低下を２次巻線により補うことが可能となる。図４に示す位置検出範囲の両端部における位置検出精度の向上は、上述した電圧ゲイン（Ｖｒｍｓ／ｍｍ）の増加に起因するものと思われる。

また、別の視点として、通常は理想の電圧出力スペックに対して、１次巻線の発生磁束が端部で不足しており、端部での位置検出精度が悪化する場合、コア位置に対する電圧ゲイン（Ｖｒｍｓ／ｍｍ）を下げるか、あるいは巻線領域を長くすることで端部における磁束密度の低下を補うことになる。しかしながら、本実施形態では、これを層数が少ない方の端部における逆巻により巻線領域長さを抑えた状態で高い電圧ゲイン（Ｖｒｍｓ／ｍｍ）を達成し、これによって位置検出範囲の両端部における位置検出精度の向上を達成している。

また、本実施形態では、線形可変差動変圧器Ａが電動機Ｂ（回転電機）のロータｂ２内において回転軸ｂ３と同軸状に配置されるという特殊な使用状態において、位置検出範囲の両端部における位置検出精度は従来よりも向上させることが可能である。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
（１）上記実施形態では、一方の二次コイル６Ａにおける第８、第９セクション及び他方の二次コイル６Ｂにおける第１、第２セクションを逆巻きとしたが、本発明はこれに限定されない。例えば、一方の二次コイル６Ａにおける第９セクション及び他方の二次コイル６Ｂにおける第１セクションを逆巻きとしてもよい。

（２）上記実施形態では、図３に各セクションの層数及び巻数の一例を示したが、本発明はこれに限定されない。各セクションの層数及び巻数は、必要に応じて適宜変更してもよい。

（３）上記実施形態では、電動機Ｂ（回転電機）のロータｂ２内において回転軸ｂ３と同軸状に線形可変差動変圧器Ａを配置したが、本発明はこれに限定されない。すなわち、本発明の回転電機は、電動機Ｂに限定されず、例えば発電機であってもよい。

Ａ 線形可変差動変圧器
Ｂ 電動機
ｂ１ ステータ
ｂ２ ロータ
ｂ３ 回転軸
ｂ４ 貫通孔
１ 筐体
２ ブラケット
３ プローブ
４ ボビン
５ 一次コイル
６Ａ、６Ｂ 二次コイル
７ 磁気コア
８ 案内部材

Claims (5)

1. 直管状の一次コイルと、
   当該一次コイルと同軸状にテーパ巻きされる一対の二次コイルと、
   前記一次コイル及び前記二次コイルの内側に設けられ、前記一次コイル及び前記二次コイルの中心軸方向に可動自在かつ磁気コアが装着されるプローブとを備え、
   一対の前記二次コイルにおいて層数が少ない方の端部は逆巻きされていることを特徴とする線形可変差動変圧器。
2. 前記二次コイルは、前記中心軸方向に９つのセクションが設定されており、前記端部に近い２つの前記セクションにおいて逆巻きされていることを特徴とする請求項１に記載の線形可変差動変圧器。
3. 前記二次コイルは、前記層数が最も多いセクションが６層であり、前記層数が最も少ないセクションが１層であることを特徴とする請求項２に記載の線形可変差動変圧器。
4. 前記一次コイルは、全体として７層巻きであり、前記プローブに近い第１層～第５層が密巻、第６層では両端が密巻かつ中央ではスペース巻であり、第７ 層では両端の密巻度合いと中央のスペース巻度合いを前記第６層よりも低下させることを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載の線形可変差動変圧器。
5. 回転電機のロータ内において回転軸と同軸状に配置されることを特徴とする請求項１～４のいずれか一項に記載の線形可変差動変圧器。

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