JP2668785B2 - 小型差動変圧器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明にかかる小型差動変圧器は、広くは測定器の部
品に関するものであり、特に各種のものの幅や長さや移
動量等を電気的に測定するためのセンサーに関するもの
である。 就中、このセンサーの部分が短い差動変圧器に関する
もので、差動変圧器の長さを測定範囲即ちストロークの
２〜３倍に収めることができるものである。 ［従来の技術］ 従来の差動変圧器は、円筒状の１個のボビンに巻いた
１個の１次コイルと、この１次コイルによって励磁され
る２個の２次コイルと、ボビンの中を移動する丸棒状の
心とで構成されている。そして、心の移動によって２個
の２次コイルに誘起される電圧変化が差動的、即ち一方
の２次コイルに誘起される電圧が増加すれば他方の２次
コイルに誘起する電圧は減少する、或はその逆の状態に
変化することを特長としている。 ［発明が解決しようとする問題点］ このため、従来の作動トランスは、１次コイル及び２
個の２次コイルが同軸上を直列に配置されねばならない
ゆえに、差動変圧器の全長は各コイルの長さの和にな
る。即ち２段巻き差動変圧器では２個の２次コイルの長
さの和、３段巻き差動変圧器では１次コイルと２個の２
次コイルの長さの和になる。それ故に、従来の差動変圧
器の長さは測定範囲即ち、計測に使える変位量であるス
トロークの５〜10倍とはなはだ長く、計測の際、長い差
動変圧器を置く場所を設けねばならないため非常に不便
であった。 従来の差動変圧器を図示して説明すると、第４図は２
段巻き差動変圧器を示すものである（第１〜３図は本発
明にかかる小型差動変圧器に関するものであるゆえに後
述する）。図中１は中央に孔のある円筒型でベークライ
ト等の非磁性体のボビンである。２、３は２個の２次コ
イルであり、４は上記のボビン１の全長に亘って巻かれ
ている１次コイルである。丸棒状の心５は通常は軟鉄等
の透磁性の材質でつくられ、２個の２次コイル２、３に
亘る長さを持ち、上記のボビン１の中央の孔の中を往復
運動する。 尚、一般に20KHz以下の低い周波の励磁電流を用いる
場合は、２次コイルの外側に１次コイルを巻くことが普
通である。第５図は第４図の差動変圧器の電気回路図で
あり、６は１次コイル４を励磁する交流電源である。 透磁性金属で丸棒状の心５がボビン１の孔の中を移動
すると、２次コイル２、３の内部における心５の入出量
は差動的に変化するので、その入出程度に応じて磁路抵
抗が変わり、２次コイル２、３に差動的電圧変化を生ず
るものであるが、この場合２次コイル２、３は同一軸線
上に直列に配置されている必要がある。 従って第４図においては、計測のために配置する差動
変圧器の長さは、２次コイル２と３との長さの和になり
かなり長くなる。そして、３段巻きの差動変圧器ではボ
ビン１の中央に１次コイルが来て、その左右に１個づつ
２次コイルが直列に配置されるので、差動変圧器の全長
は３個のコイルの長さの和になるので、２段巻のものよ
り更に長くなる。それで、例えばストロークが5mm程度
の差動変圧器の場合、差動変圧器の長さは30〜40mmにも
なる。このように測定範囲に対し測定器のセンサー部分
の長さが長く扱いにくいことはこの検知器の大きな欠点
で、各方面への応用を阻害していた。 ［問題点を解決するための手段］ 本発明にかかる小型差動変圧器は、以上の問題点に鑑
み２分割したコイルの一方のみをセンサーとして使い、
他のコイルは測定部分以外のスペースのある箇所に設置
できるようにした。このためその１次コイルへの励磁周
波数も20KHz〜10MHzとなした。 以下に、本発明にかかる小型差動変圧器の具体的な構
成を詳細に述べる。 まず、１次コイルがある。この１次コイルは、20KHz
〜10MHzで励磁される。そして、２分割され分離して配
置されている。そして、これらの１次コイルは、直列に
結合され励磁電流を流されるものである。次に、２個の
２次コイルがある。この２個の２次コイルは上記の１次
コイルと上下関係をなしてそれぞれ巻かれている。最後
に、検出用コアーがある。この検出用のコアーは上記の
２分割されたコイルの一方のみに内設されている。 ［作用］ 本発明にかかる小型差動変圧器は、以上のごとき構成
にしたゆえに以下に述べるごとき作用が生じた。 まず、１次コイルが、50KHz〜10MHzの高い周波で励磁
されると、１次コイルの発生する磁界は弱く、コイルの
ごく近傍にしか有効な磁力線が存在しない。このため、
１次コイルに上下関係の位置で巻かれた２次コイルには
電圧が誘起されるが、金属の心はコイル素線のごく近傍
に存在する部分しか磁力線に影響を与えられないことに
なる。このため心によって生ずる２次コイルの電圧変化
即ち差動変圧器の出力は２次コイルの中に存在する心の
長さ、即ち心が２次コイルの中に移動した変位のみに関
係をする故に、差動変圧器の出力と心の変位とを広い範
囲に亘って正しく比例関係に保つことができる。 そして、このコイルは２分割され分離して配置されて
いて、検出用のコアーが上記の２分割されたコイルの一
方のみに内設されている故に、他方のコアーはそのセン
サー部分以外の箇所に収納できる。そのため、狭いスペ
ースでの変位の検出が可能となる。 しかして、この差動トランスでは、分割された２個の
１次コイルは直列に結線されその両端に励磁電源の電圧
が印加される。分割された一方の一次コイルに芯が挿入
されると、挿入された芯の変位に応じてその一次コイル
のインピーダンスは変化する。したがって、芯が一方の
１次コイルに挿入されると、芯16が挿入された変位測定
用の１次コイルに印加される電圧のみでなく、芯16を挿
入していないダミーの１次コイルに印加される電圧も変
化するものである。かくの如くにして、この差動トラン
スの分割された２つの１次コイルは、相互に影響しなが
ら変化することによってこの差動トランスの出力電圧は
リニアリティが得られることになる。 ［実施例］ 上述したごとく、本発明は長さの短い差動変圧器の構
造に関するもので、円筒状のボビンの全長に亘って層状
に巻いたものであって２つに分離された１次コイルと、
この１次コイルに密着して層状に巻いた２個の２次コイ
ルからなる差動変圧器を80〜5MHzの高い周波で励磁する
場合は、この１次コイルの発生する磁界は弱く、そのコ
イルのごく近傍にしか有効な磁力線が存在しない（磁力
線の強さについては具体的数値で後述する）。そのた
め、その１次コイルに密着巻した２次コイルには電圧が
誘起されるが、その金属の心はこのコイル素線のごく近
傍に存在する部分しか磁力線に影響を与えられないこと
になる。そこで、この心によって生ずる上記の２次コイ
ルの電圧変化即ち差動変圧器の出力はこの２次コイルの
中に存在する上記の心の長さ、即ちこの心が上記の２次
コイルの中に移動した変位のみに関係をする。それ故
に、励磁周波数、コイルの巻数及び長さ、心の直径など
を適当に選定することにより、差動変圧器の出力と心の
変位とを広い範囲に亘って正しく比例関係に保つことが
できる。 なお、これらの１次コイルは、直列に結合され励磁電
流を流されるものである。 次に上記のごとく高い周波で励磁した場合に、１次コ
イルの発生する磁力線の強さを数値で説明する。即ち具
体例として1KHzで励磁する差動変圧器と300KHzで励磁す
る差動変圧器との場合を比較すると、後者の磁界の強さ
が前者のそれの僅かに1/10程度になる。このことから、
磁力線の到達距離が仮に前者で10mmとすると後者では僅
かに1mmとなること、および磁力線の強さはそのコイル
からの距離の２乗に反比例して急速に減衰することか
ら、後者の場合はそのコイル素線のごく近傍にしか有効
な磁力線が存在しないと言うことを説明する。 1KHzで励磁される差動変圧器は１次コイルの入力イン
ピーダンスを構成する直流抵抗と交流抵抗はほぼ同じ大
きさである。よく使用されているストロークが5mm程度
の通常の差動変圧器の１次コイルは直径0.10mm程度の線
（例えばポリウレタン線）を3000回程度巻いたもので、
入力インピーダンスは約200Ω、その中の直流抵抗は約1
00Ωで交流抵抗は約100Ωである。コイルの長さを一定
とすると一般にコイルの磁力線の強さは、コイルを流れ
る電流とコイルの巻き数との積に比例すると考えられる
から、2Vで励磁する場合はこの場合の磁力線の強さは次
のごとくになる。即ち、 （コイルの磁力線の強さ）∝ （コイル電流）×（コイル巻数） ……１ となるから、上記の1KHz励磁の場合は （コイルの磁力線の長さ）∝ 2V/200Ω×3000T＝30AT ……２ この値はかなり大きい故に、1KHz励磁の従来の差動変
圧器の発生する磁界は強く、有効な磁力線は遠方まで到
達している。従って、励磁性の心の移動により、磁力線
分布状態を変化させ、その２次コイルに大きな電圧変化
を生じさせることが出来る。 次に3000KHzで励磁する差動変圧器の磁界について考
えるが、この場合、使用するコイルによって種々異なる
ので、1KHzの場合と同じコイルを使用する時と、巻数を
減じ1KHzの場合と同じコイルに電流にしたコイルを使用
する時の２つの場合について考える。 先づ1KHzの場合と同じ3000回巻いたコイルを用いる場
合の１次コイルの入力インピーダンスは、直流抵抗は前
と同じく100Ωであるが、交流抵抗は励磁周波数に比例
するから300倍の30KΩになる。従って式１からこの時の
磁力線の強さは次の如くなる。 （コイル磁力線の強さ）∝ 2V/30KΩ＋3000＝30AT/150 ……３ この値は極めて小さい。今、1KHzで励磁の場合、１次
コイルの有効な磁力線が仮にコイルから10mm離れた所に
到達していたとすると、その同じ強さの磁力線はこの場
合10mm/150＝0.067mmの所にしか到達できない。これで
は直径0.10mm程度の線を１次コイルに密着して巻いても
誘導は困難であるので、このコイルの実用にはならない
と言える。 次に巻数を減らしたコイルの場合を考える。一般に電
気回路の素子の能力から周波数が違っても同じ大きさの
電流で１次コイルを励磁することが多いので、1KHzで励
磁した場合と同じ大きさの電流になるよう巻数を減らし
たコイルを用いる場合を考える。 この場合はコイルの巻数を1KHzの場合の1/12にすると
よく、300KHzで励磁した場合の交流抵抗は100Ω×300KH
z/1KHz×1/（12）^２≒200Ωになる。一方直流抵抗は100
Ω/12＝８Ωとなるから、差動変圧器の磁力線の強さを
式１から求めると次の如くなる。 （コイルの磁力線の強さ）∝ 2V/（200Ω＋８Ω）×3000T/12≒30AT/12 ……４ となる。式２と式４とを比較すると、励磁電流を同じに
すると300KHzで励磁した場合の磁界の強さは1KHzの場合
の1/12になることが判る。 このことから1KHz励磁の時１次コイルに生している有
効な磁力線が仮にコイルから10mm離れた所に到達してい
たとすると、300KHz励磁の場合は10mm/12＝0.8mmしか到
達しないことになる。尚、磁界の強さはコイルからの距
離の２乗に反比例して変化し、距離が遠くなるにつれ急
激に減衰するので、有効な磁力線はコイルのごく近傍に
しか存在しない。 従って１次コイルに直径0.10mm程度の線を密着巻きし
た２次コイルは充分誘導されるが、ボビンの中を動く金
属の心はコイル素線にごく近づいた部分のみが磁力線に
影響を与えるから前述した現象が生ずるのである。 尚、１次コイルを励磁する周波数は、80KHz〜5MHzの
間がよい。20KHz以下では磁力線が強くなりすぎて本発
明の特性がでない。又10MHz以上では表皮電流が多くな
って１次コイルを充分励磁できない。そして差動変圧器
の内部を移動する丸棒状の心の材質は、軟鉄の如くに磁
力線に影響を与える金属即ち透磁性金属でも、アルミニ
ウムや銅の如くに渦電流損を生ずる非磁性金属の何れで
もよい。 以下に、本発明にかかる小型差動変圧器をその一実施
例を用いて添付の図面と共に詳細に説明する。 第１図は本発明の小型差動変圧器の一実施例の断面図
である。図中11,12は非磁性体の同寸法の２個のボビン
である。13は１次コイルでボビン11,12を通じて約0.10m
m程度の線（例えばポリウレタン線）を、２分割して層
状に巻いたものである。14,15は２個の２次コイルであ
り、その線は１次コイル13と同じものである。一方の２
次コイル14は、一方のボビン11に巻かれた１次コイル13
に密着して層状に巻かれている。そして、他方の２次コ
イル15は、他方のボビン12に巻かれた１次コイル13に密
着して層状に巻かれている。尚ボビン11に巻かれている
コイルとボビン12に巻かれているコイルとは同一構造で
双方の電気的性質は同じである。16は丸い棒状の心即ち
検出用のコアーで、磁力線に影響を与える金属であれば
軟鉄のごとき透磁性の金属、あるいはアルミニウムとか
銅のごとき過電流損を生ずる非磁性金属の何れでもよ
い。 第２図は第１図の小型の差動変圧器を含む簡単な電気
回路の一実施例を示すものである。17は１次コイル13を
励磁する高周波電源であって、18,19は整流ダイオー
ド、20,21はコンデンサー、22,23は抵抗であって、コン
デンサーと抵抗とで平滑回路を構成している。24,25は
出力端子,26は電圧計であり、端子24と25との間の電圧
を示す。 第３図の27は特性曲線と言われるものであって、横軸
に心16の変位、即ち心16が第３図の矢印の方向にボビン
11の２次コイル14の中に入った距離Ｓの大きさをとり、
縦軸に電圧、即ち、心16の各変位に対して、出力端子24
と25との間に表わされる電圧の差、つまり電圧計26の示
す値を書いたものである。この特性曲線27は心16の変位
と差動変圧器の出力電圧との関係を示すもので、本発明
の差動変圧器の特性曲線は、２次コイル14の中央でかな
りの範囲（２次コイル14の長さの約50％に亘り正しく比
例関係を示している。 本発明は、このような構造であるので、仮に心16が透
磁性の金属であるとすると（非磁性体の金属の場合は後
述）、心16がボビン11の中に矢印の方向に入り変位量Ｓ
の値が増加すると、変位Ｓの部分においては心16の透磁
性のため磁性抵抗が著しく減少するから、２次コイル14
の電圧は上昇しその上昇する量は変位量Ｓのみに関係す
る。一方２次コイル15の電圧は変化しないから、差動変
圧器の出力即ち、２次コイル14と15との電圧の差、つま
り電圧計26に表われる値は心16の変位の大きさのみに関
係することになる。そして励磁周波数、コイルの巻数及
び長さ、心の直径などを適当に選ぶことにより、２次コ
イル14の中央附近において２次コイル14の長さの約50％
の範囲に亘って出力と変位とが正確に比例関係を得るこ
とができ、この状態を27の特性曲線が示している。 尚、今迄の説明では計測に直接関係しないボビン12は
空心としているが、ボビン12に心を入れ任意の位置に固
定しても、同じ効果が生ずることは明らかでこの場合も
本特許の入るものとする。 以下に本発明にかかる小型差動変圧器の具体的な実施
例について述べる （例:1） 製作し易く使い易い例で心の材質は非磁性の金属の場
合 ・ボビン ベークライト（外径4.3mm,内径3.3mm,長さ16mm）を２個 ・１次コイル……１個 コイル素線 直径0.10mm ポリウレタン線 巻き巾12mm,一層巻き 各ボビンに 120回 ・２次コイル……２個 コイル素線 直径0.10mmポリウレタン線 巻き巾12mm,1次コイルに密着,4層巻き 各ボビンに470回 ・心 直径3mm黄銅製丸棒 長さ60mm ・励磁周波数300KHz ・励磁電圧1.5V ・励磁電流25ma ・比例範囲（ストローク）５〜6mm ・２次コイルの巻巾／ストローク＝12mm/5〜6mm＝2.4〜
２倍 （例２） ステンレスボビンで直径の小さいコイルで鉄心のもの ・ボビン ステンレス（外径1.0mm,内径0.7mm,長さ15mm）を２個 ・１次コイル コイル素線 直径0.07mmポリウレタン線 巻き巾15mm,2層巻き 各ボビンに220回 ・２次コイル コイル素線 直径0.07mmポリウレタン線 巻き巾10mm １次コイルに密着 ４層巻き 各ボビンに420回 ・心 直径0.5mm 丸棒鋼線，長さ50mm ・励磁周波数300KHz ・励磁電圧2V ・励磁電流20mA ・比例範囲（ストローク）6mm ・２次コイルの巻き巾／ストローク＝10mm/6mm＝1.7倍 ［発明の効果］ 斯くの如く差動変圧器の出力電圧と心の変位との間に
一定正確な関係が有るから、コイルが半分であるにもか
かわらず、差動変圧器の出力電圧を計測すれば心の変位
を正確に知ることが出来る。このことはコイル全部を使
用した従来の差動変圧器の場合と全く同じである。 尚、本発明の差動変圧器においては、心16が変位する
場合、ボビン11の中のみを動き、ボビン12には関係しな
いから、計測する際ボビン12はボビン11から離れた所
（通常電気図路の近く）に置くことができる。即ち計測
にはボビン11のみ、即ち２個の２次コイルの中の１個の
みを使用すればよいので、計測に必要な差動変圧器の長
さは従来の半分になる。この際ストロークを基準にとる
と必要な差動変圧器の長さはその２〜３倍と極めて短く
なる。 以上の説明から明らかなように、本発明の差動変圧器
の長さは従来の差動変圧器の半分という極めて短いもの
になるので、計測の際設置する場所が少なくなり極めて
便利である。 尚、心16の材質が過電流損を生ずる非磁性の金属の場
合は透磁性とは反対に磁性抵抗を増大するから心16が２
次コイル14の内部に入ると、その変位量Ｓに比例した分
だけ２次コイル14の出力電圧は減少する。つまり心16が
透磁性の金属であればｓに比例して２次コイル14の出力
は増加するのに対し、心16が渦電流損を生じる非磁性の
金属である場合は２次コイル14の出力電圧は減少する
が、＋−の符号を取り去ると心が非磁性の金属である場
合も透磁性金属である場合も同様に動作するので、負の
電圧で計測すれば透磁性金属の心の場合と全く同じこと
が成立するので、心の材質は透磁性金属でも過電流を生
ずる非磁性の金属の何れでもよい。唯過電流損の大きさ
は周波数の２乗に比例するから周波数が高い場合非磁性
の心を用いると大きい差動変圧器の出力電圧を得ること
ができるので有利である。

【図面の簡単な説明】 第１図は、本発明の小型差動変圧器の一実施例の断面図
である。 第２図は第１図の小型の差動変圧器を含む簡単な電気回
路の一実施例を示すものである。 第３図は、横軸に心16の変位をとり、縦軸に電圧を書い
た特性曲線である。 第４図は、従来の２段巻き差動変圧器の一実施例を示す
ものである。 第５図は、第４図の差動変圧器の電気回路図の一実施例
である。 13……１次コイル、14……２次コイル 15……２次コイル、16……心 17……高周波電源

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 １．50KHz〜10MHzで励磁されるものであって且つ２分割
   され分離して配置された一次コイルであってこれらの１
   次コイルが直列に結合され励磁電流を流されるもの、こ
   れらの一次コイルと上下関係をなしてそれぞれ巻かれた
   ２個の２次コイル、及び上記の２分割されたコイルの一
   方のみに内設された検出用コアー、より構成されること
   を特徴とした小型差動交圧器。 ２．励磁周波数が、80KHz〜5MHzであることを特徴とし
   た特許請求の範囲第１項に記載の小型差動変圧器。 ３．１次コイルが、非磁性体の２個のボビンの上に巻か
   れたものであることを特徴とした特許請求の範囲第１項
   に記載の小型作動変圧器。 ４．２次コイルが、それぞれ１次コイルに密着して巻か
   れたものであることを特徴とした特許請求の範囲第１項
   に記載の小型差動変圧器。 ５．２次コイルが、１次コイルの上に巻かれたものであ
   ることを特徴とした特許請求の範囲第１項に記載の小型
   差動変圧器。 ６．検出用コアーを有しないコイルが、検出用でないコ
   アーを有するものであることを特徴とした特許請求の範
   囲第１項に記載の小型差動変圧器。