JP3646252B2

JP3646252B2 - 高感度変位測定装置

Info

Publication number: JP3646252B2
Application number: JP2001006083A
Authority: JP
Inventors: 秀鉉金; 東俊崔
Original assignee: Korea Advanced Institute of Science and Technology KAIST
Current assignee: Korea Advanced Institute of Science and Technology KAIST
Priority date: 2000-02-02
Filing date: 2001-01-15
Publication date: 2005-05-11
Anticipated expiration: 2021-01-15
Also published as: JP2001221606A; DE10101716C2; KR20010077406A; KR100347012B1; US20020030486A1; US6489760B2; DE10101716A1

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は変位を測定するために多く使用される線形変形差動変圧器（Linear Variable Differential Transformer；以下では‘ＬＶＤＴ’という）に関するものであって、特に周囲環境及び雑音などの影響を少なく受け、分解能を向上させてマイクロメータ以下の精密測定が可能なＬＶＤＴを用いた高感度変位測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＬＶＤＴを用いた変位測定装置において、測定しようとする入力変位に対するアナログ出力電圧の比を感度というが、感度が高いということは入力変位に対して生じる出力値が大きいことを意味する。このような通常的なアナログ出力発生装置の場合、その分解能は雑音及び感度と密接な関係がある。
分解能（Resolution）＝雑音（Noise）／感度（Sensitivity）
【０００３】
実際の状況において、分解能は雑音、即ち、周囲環境や様々な他の要因によって激しく変化する。このような外部要因にあまり敏感でなく、高い分解能、即ち、最小測定可能な変位量が小さいため、マイクロメータ以下の領域でも使用できるためには感度が高いのが有利である。
【０００４】
図６は従来の技術に従うＬＶＤＴを用いた変位測定装置の概略図である。
図６に図示されたように、従来の技術に従う変位測定装置は円筒形状を有しており、内部には主コイル巻き２が円筒形状に配置され、主コイル巻き２の上下部に２次コイル巻き３Ｈ、３Ｌが位置する。そして、このような主コイル巻き２と上下部２次コイル巻き３Ｈ、３Ｌとの中心部には磁性体コア４が位置し、磁性体コア４の下段にはロッド５が連結され、ロッド５の端部には接触プローブ６が配置される。そして、下部２次コイル巻き３Ｌの下部にはロッド５の上下移動が自在なようにボールベアリング８がロッド５の周りに設けられ、ボールベアリング８の下部にはスプリング９が設けられてロッド５の上下移動に従って伸縮されるように設けられる。また、ハウジング７が主コイル巻き２と、上下部２次コイル巻き３Ｈ、３Ｌと、ボールベアリング８及びスプリング９とを受け入れており、ハウジング７の下端部には接触プローブ６の下段部が突出されている。
【０００５】
従って、ハウジング７の下端部に突出された接触プローブ６が変位に従って上下に移動するようになるとロッド５に連結された磁性体コア４もやはり上下に接触プローブ６が移動した変位だけ移動するようになる。
【０００６】
一方、主コイル巻き２に電圧を印加すると変位測定装置１の内部には磁気場が形成され、入力された変位に従って磁性体コア４が動くようになる。これによって変位測定装置１の内で其々の２次コイル巻き３Ｈ、３Ｌの磁気場分布が変わるようになり、このような磁気場分布の変化によって其々の２次コイル巻き３Ｈ、３Ｌに誘導される電圧の差である差動電圧の大きさが変化するようになり、このような差動電圧の大きさは入力変位に比例する。
【０００７】
このような従来のＬＶＤＴを用いた変位測定装置は、主コイル巻きのコイル巻線数に対する２次コイル巻きのコイル巻線数の比が大きい場合に、感度の向上を招くことができる。従って、感度向上のためには２次コイル巻きのコイル巻線数を増加させなければならず、そのために変位測定装置のサイズが大きくなるしかないという短所がある。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は先に説明したような従来の技術の問題点を解決するために提供されたものであって、超精密測定が容易なように構造を改善し、入力変位を増幅するガイド手段を使用してもっと感度を高めてマイクロメータ以下の分解能を有する超精密な高感度変位測定装置を提供するのにその目的がある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
先に説明したような目的を達成するための本発明によると、位置分解能を有する変位測定装置において、磁性体を用いて閉ループを形成し、前記磁性体の閉ループ内に磁気場を形成する主コイルと２次コイルとを受け入れる電磁気システムと；、変位入力部と前記２次コイルに固定された変位出力部とを備え、前記変位入力部に入力された変位に対して前記変位出力部が比例的に増幅された変位を出力するように案内するガイド手段と；、前記入力される変位が一軸方向にのみ入力されるように前記ガイド手段の変位入力部を支持する支持手段を含む変位測定装置が提供される。
【００１２】
また、本発明によると、前記電磁気システムは‘Ｅ’の形状を有する複数の閉ループ磁性体と、閉ループが形成されるように前記複数の閉ループ磁性体の上下の両端部を連結するビーム磁性体と、前記閉ループ磁性体の内側突出部に巻かれた複数の主コイルと、前記複数の主コイルの間で前記ビーム磁性体と平行なように位置し、前記主コイルが囲んでいる閉ループ磁性体の内側突出部及びｍｍ以下の所定の間隔で離れて位置する複数のコアと、前記コアに巻かれる複数の２次コイルとを含み、前記ガイド手段の変位出力部に前記複数のコアの両端部が固定される。
【００１３】
また、本発明によると、前記コアと前記ビーム磁性体との材質は同一である。
【００１４】
また、本発明によると、前記ガイド手段は数百マイクロメータの厚さを有する板スプリングであって、前記板スプリングの下段には前記変位入力部が突出されており、前記変位入力部の上部には前記ビーム磁性体に固定される固定部が位置し、前記固定部の両側には回転部が連結され、前記固定部と前記回転部とは前記板スプリングの上下段に対称的に形成され、前記変位出力部が前記上下段の回転部を連結する構造であり、前記固定部と前記回転部と前記変位入力部及び前記変位出力部とは連結部によって連結され、前記変位入力部に変位が入力されると前記回転部が前記固定部と連結された部分を中心として回転し、前記変位出力部を下記数学式１のように変位出力をする。
【００１５】
また、本発明によると、前記板スプリングはベリリウム銅板で、２枚の前記板スプリングが前記電磁気システムの閉ループと平行なように前記電磁気システムの両側面に設けられる。
【００１６】
また、本発明によると、前記支持手段は前記電磁気システムに固定される固定ブロックと、接触プローブとが設けられ、前記ガイド手段の変位入力部に固定される移動ブロック及び、前記固定ブロックと前記移動ブロックとを連結する支持台を含む。
【００１７】
また、本発明によると、前記移動ブロックの両側面は前記電磁気システムの両側面に位置した２枚の板スプリングの変位入力部に両側面が固定される。また、前記移動ブロックに設けられた前記接触プローブは、前記移動ブロックの前記ビーム磁性体側の面とは反対の裏面側に取り付けてあり、前記ビーム磁性体側と逆方向に向いている。
【００１８】
また、本発明によると、前記支持台は平面バーの形状を有し、前記電磁気システムの底面に固定された前記固定ブロックと前記移動ブロックの上下面とを連結する。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明による高感度変位測定装置の良好な実施例を添付した図面を参照して詳細に説明する。
【００２０】
図面で、図１は本発明の一実施例による高感度変位測定装置の斜視図であり、図２は図１に図示された高感度変位測定装置の組立図であり、図３は図１に図示された高感度変位測定装置の電磁気システムの正面図であり、図４は図１に図示された高感度変位測定装置のガイド手段の正面図であり、図５は図１に図示された高感度変位測定装置の支持手段を示した斜視図である。
【００２１】
図１及び図２に図示されたように、本発明による変位測定装置は大きく３部分に分けられるが、強磁性体とコイルなどからなって磁束が生じる電磁気システム１０と、変位が入力される接触プローブを支持する支持手段３０及び、電磁気システム１０の磁性体コアと支持手段３０とが固定され、入力変位に対して増幅された出力変位で磁性体コアを動かすガイド手段である板スプリング２０とに区分する。
【００２２】
「図２及び図３に示すように、この電磁気システム１０は、上下に長尺梁部を形成し中央に短尺梁部を形成したＥ字形の磁性体コアと、この磁性体コアの前記短尺梁部に主コイル巻き１１ａ、１１ｂを位置させ、さらに後述のビーム磁性体１９ａ、１９ｂを前記長尺梁部に接続し、これらを左右上下対象に配置すると共に、主コイル巻き１１ａ、１１ｂのある左右２つの短尺梁部の間に２次コイル巻き１３ａ、１３ｂを有する２つの磁性体コア１４ａ、１４ｂを位置した構成であり、この主コイル巻き１１ａ、１１ｂを有するＥ字形をなした複数の閉ループ磁性体１７ａ、１７ｂで励磁した磁束は、２つの磁性体コア１４ａ、１４ｂとビーム磁性体１９ａ、１９ｂを磁路として形成する。そして、主コイル巻き１１ａ、１１ｂのある短尺梁部と、この磁性体コア１４ａ、１４ｂ両端面は、エアギャップ１８を介して対抗し、その間隙は通常１ｍｍ以下に設定する。さらに、この２つの磁性体コア１４ａ、１４ｂは互いに平行を成している。
【００２３】
そして、各々主コイル巻き１１ａ、１１ｂは‘Ｅ’形状を有する２つの閉ループ磁性体１７ａ、１７ｂの内側突出部に巻かれており、２つの閉ループ磁性体１７ａ、１７ｂの開放部の上下段部をビーム磁性体１９ａ、１９ｂが連結する。従って、２つの閉ループ磁性体１７ａ、１７ｂと２つのビーム磁性体１９ａ、１９ｂとの連結によって閉ループが形成され、このような閉ループの構造内に２つの２次コイル巻き１３ａ、１３ｂと２つの主コイル巻き１１ａ、１１ｂとが位置する。従って、閉ループ磁性体１７ａ、１７ｂとビーム磁性体１９ａ、１９ｂ及び主コイル巻き１１とは固定されてあり、２次コイル巻き１３ａ、１３ｂ及び磁性体コア１４ａ、１４ｂとは自在に移動できるようになる。
【００２４】
一方、ビーム磁性体１９ａ、１９ｂの長さは２次コイル巻き１３ａ、１３ｂの磁性体コア１４ａ、１４ｂと同一な長さであり、磁性体コア１４ａ、１４ｂとビーム磁性体１９ａ、１９ｂとは同一な材質で製作され、熱膨脹係数が同一である。従って、磁性体コア１４ａ、１４ｂの熱による膨脹及び収縮と、ビーム磁性体１９ａ、１９ｂの熱による膨脹及び収縮とが同一をなしてエアギャップ１８は温度の変化に無関係でいつも一定に維持される。
【００２５】
一方、主コイル巻き１１ａ、１１ｂに電圧が印加されると電磁気システム１０の内では磁気場が形成される。この時、基準位置に対して入力変位発生に従って２つの２次コイル巻き１３ａ、１３ｂの磁性体コア１４ａ、１４ｂが動くようになり、磁性体コア１４ａ、１４ｂの周りに囲まれている２次コイル巻き１３ａ、１３ｂのコイルを貫通する磁束が其々変位に比例して差を表す。其々の２次コイル１３ａ、１３ｂには誘導電圧が生じ、この電圧の差によって差動電圧が発生する。
【００２６】
一方、図２及び図４に図示したガイド手段である板スプリング２０は、厚さが数百マイクロメータのベリリウム銅（Ｂｅ−Ｃｕ）板である。このような板スプリング２０はエッチング技法を用いて図４に図示されように板スプリング２０の一部をスリット状に蝕刻する。このように蝕刻された板スプリング２０は各区域別（後述する‘イ’‘ロ’‘ハ’）に形成されるが、このような板スプリング２０の特徴は各区域などが全て連結されているため、板スプリング２０の１つの区域を変位させると板スプリング２０の全区域が比例的に変位するということである。
【００２７】
図４に図示されたように板スプリング２０は上下部が対称的で各区域が形成されるが、便宜上、板スプリング２０の各区域を定義すると、板スプリング２０の中間下端に突出された区域を‘イ’区域２１とし、中間下段に‘⊥’形状で区分された区域を‘ロ’区域２２とし、‘ロ’区域２２の左右に位置した区域を‘ハ’区域２３とし、板スプリング２０の中間部の縦方向に形成された区域を‘ニ’区域２４とする。そして、‘イ’区域２１と‘ハ’区域２３とを連結する部分を第１の連結部２５とし、‘ロ’区域２２と‘ハ’区域２３とを連結する部分を第２の連結部２６とし、‘ハ’区域２３と‘ニ’区域２４とを連結する部分を第３の連結部２７とする。
【００２８】
そして、このような板スプリング２０の作動関係は以下で詳細に説明する。
このように形成された２つの板スプリング２０を前記電磁気システム１０の前後面に付着する。この時、板スプリング２０を電磁気システム１０の前後面に付着することにおいて、付着部位は図２に図示されたように、上下部のビーム磁性体１９ａ、１９ｂと板スプリング２０の上下部‘ロ’区域２２とを付着固定させ、２つの２次コイル巻き１３ａ、１３ｂの磁性体コア１４ａ、１４ｂの両端部と板スプリング２０の中間部の‘ニ’区域２４とを付着固定することによって、２つの磁性体コア１４ａ、１４ｂは互いに所定の間隔を維持しながら‘Ｅ’字形閉ループ磁性体の内側突出部とのエアギャップ１８もやはり一定に維持される。一方、図２で橢円形にエッチングされた部分は接着剤を用いて板スプリング２０と電磁気システム１０とを付着固定する部分である。
【００２９】
そして、図５に図示されたように支持手段３０は閉ループ磁性体１７ａ、１７ｂの底面の一側面に固定される固定ブロック３４と、ビーム磁性体１９ｂの底面の中間部に位置する移動ブロック３２及び、固定ブロック３４と移動ブロック３２とを連結する４つの支持台３６を含む。従って、固定された固定ブロック３４に支持台３６で連結された移動ブロック３２はビーム磁性体１９ｂの底面に位置し、移動ブロック３２の前後面は板スプリング２０の‘イ’区域２１に付着固定される。
【００３０】
それゆえに、移動ブロック３２は支持台３６と板スプリング２０とによって上下方向にのみ変位し、移動ブロック３２の変位と共に板スプリング２０の‘イ’区域２１も同一に変位するようになり、これは板スプリング２０の‘ニ’区域２４を変位させる。一方、移動ブロック３２の底面にはロッド３８が固定されており、ロッド３８の端部には接触プローブ３９が設けられる。
【００３１】
次では板スプリングの作動関係について詳細に説明する。
‘イ’区域２１は移動ブロック３２に固定されており、‘ロ’区域２２はビーム磁性体１９ｂに固定されており、‘ニ’区域２４は２次コイル巻き１３ａ、１３ｂの磁性体コア１４ａ、１４ｂに固定されている。このような状態で移動ブロック３２が入力変位だけ移動すると、移動ブロック３２の移動変位は第１の連結部２５を介して‘ハ’区域２３に伝達される。この時、‘ハ’区域２３の先端部は固定された‘ロ’区域２２の第２の連結部２６によって連結されているため、移動変位は‘ハ’区域２３の後端部の第３の連結部２７を介して‘ニ’区域２４に伝達される。言い換えると、入力変位が与えられると、‘ハ’区域２３は梃子の原理によって第１、第２の連結部２５、２６の距離と第２、第３の連結部２６、２７との距離に比例して入力変位を増幅させ、‘ニ’区域２４に伝達する。
【００３２】
従って、移動ブロック３２に加えられる入力変位は板スプリング２０を介して増幅され、２次コイル巻き１３ａ、１３ｂの磁性体コア１４ａ、１４ｂを増幅された出力変位だけ移動させる。これは下記数学式１のように表現される。
この数学式１の誘導について説明する。図４において、板スプリング２０の‘ロ’区域２２はビーム磁性体１９に付着固定されている。そこで、‘ロ’区域２２に連結されている第２の連結部２６は固定されており、第１の連結部２５と第３の連結部２７とは‘ハ’区域２３と共に入力変位によって動くことになる。‘変位入力部２１を通じて入ってくる入力変位ΔＺは第１の連結部２５を動かすので、第３の連結部２７を介して出力変位ΔＺ´に増幅され、変位出力部２４に伝達される。すなわち、入力変位ΔＺは第１の連結部２５とビーム磁性体１９に固定された第２の連結部２６の間の距離Ｌｂと、第１の連結部２５と第３の連結部２７との間の距離Ｌａとに対して数学式１によって表現された通り、出力変位ΔＺ´に増幅される。
【数１】

ここで、ΔＺ′は出力変位であり、ΔＺは入力変位であり、Ｌａは第１の連結部から第３の連結部までの距離であり、Ｌｂは第１の連結部から第２の連結部までの距離である。
【００３３】
以上のように構成された高感度変位測定装置の作動について詳細に説明する。接触プローブ３９に変位が感知されると、変位量だけロッド３８は上下に移動するようになる。ロッド３８の上下移動だけ移動ブロック３２も移動し、移動ブロック３２に固定付着された板スプリング２０の‘イ’区域２１もやはり変位量だけ移動するようになる。‘イ’区域２１の移動は‘ハ’区域２３に伝達され、‘ハ’区域２３の第３の連結部２７では数学式１のような出力変位量で増幅され、‘ニ’区域２４を移動させる。
【００３４】
‘ニ’区域２４の移動に従って、‘ニ’区域２４に固定付着された２つの２次コイル巻き１３ａ、１３ｂ及び磁性体コア１４ａ、１４ｂも増幅された出力変位量だけ上下移動する。
【００３５】
一方、主コイル巻き１１ａ、１１ｂに電圧を印加すると、高感度変位測定装置１００の内部には磁気場が形成され、２つの磁性体コア１４ａ、１４ｂの移動に従って磁気場分布が変わるようになる。このような磁気場分布の変化によって其々の２次コイル巻き１３ａ、１３ｂに誘導される電圧の差である差動電圧の大きさが変化するようになる。従って、差動電圧の大きさは初期入力変位に対して数学式１のように増幅された出力変位と比例して出力される。
【００３６】
【発明の効果】
先で詳細に説明したように、本発明の高感度変位測定装置はコイルの再配置、閉ループ構造と磁性体コアの両端の狭い間隙を通じた構造的改善を介して出力感度を向上させ、また、磁性体コアの変位を板スプリングの変位増幅機構を用いて増幅させることによって、感度を向上させ、マイクロ領域以下の測定が容易であり、板スプリングの弾性係数及び板スプリングの連結部の距離を調節してプローブの接触力の調節が可能であるという長所がある。
【００３７】
また、移動ブロックが支持台によって支持されながら一方向にのみ移動可能であり、ビーム磁性体と磁性体コアとを同じ材質を使用して外部環境変化、即ち、雑音及び温度変化にあまり敏感でない構造を有するという長所がある。
【００３８】
以上で本発明の高感度変位測定装置に対する技術思想を添付図面と共に叙述したが、これは本発明の最も良好な実施例を例示的に説明したものに過ぎず、本発明を限定するものではない。なお、この技術分野で通常の知識を持つ者であれば誰にも本発明の技術思想の範疇を離脱しない範囲内で多様な変形及び模倣が可能であるのは明らかな事実である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例による高感度変位測定装置の斜視図である。
【図２】図１に図示された高感度変位測定装置の組立図である。
【図３】図1に図示された高感度変位測定装置の電磁気システムの正面図である。
【図４】図1に図示された高感度変位測定装置のガイド手段の正面図である。
【図５】図1に図示された高感度変位測定装置の支持手段を示した斜視図である。
【図６】従来の技術による線形変形差動変圧器（LVDT; Linear Variable Differential Transformer）を用いた変位測定装置の概略図である。
【符号の説明】
１、１００：変位測定装置
２、１１ａ、１１ｂ：主コイル巻き
３Ｈ、３Ｌ、１３ａ、１３ｂ：２次コイル巻き
４、１４ａ、１４ｂ：磁性体コア
６、３９：接触プローブ
１０：電磁気システム
１７ａ、１７ｂ：閉ループ磁性体
１９ａ、１９ｂ：ビーム磁性体
２０：板スプリング
３０：支持手段
３２：移動ブロック
３４：固定ブロック
３６：支持台

Claims

位置分解能を有する変位測定装置において、
中空部を有す直方体の磁性体を用いて閉ループを形成し、前記磁性体の閉ループ内に磁気場を形成する主コイルと、前記中空部に配置した２次コイルとを受け入れる電磁気システムと；
ここで、前記電磁気システムは‘Ｅ’の形状を有する複数の閉ループ磁性体と、閉ループが形成されるように前記複数の閉ループ磁性体の上下の両端部を連結するビーム磁性体と、
前記閉ループ磁性体の内側突出部に巻かれた複数の主コイルと、
前記複数の主コイルの間で前記ビーム磁性体と平行なように位置し、前記主コイルが囲んでいる閉ループ磁性体の内側突出部に離れて位置する複数のコアと、前記コアに巻かれる複数の２次コイルとを含み、
第１の変位を入力する変位入力部と前記第１の変位に比例して増幅された第２の変位を出力する変位出力部を含むガイド手段と；を具備し、
前記磁性体の閉ループの両面を挟むように複数の前記ガイド手段を配置し、
前記ガイド手段の変位出力部に前記複数のコアの両端部が固定され、
前記第１の変位が一軸方向にのみ入力されるように前記ガイド手段の変位入力部で支持する変位検出部支持手段を含むことを特徴とする変位測定装置。
前記コアと前記ビーム磁性体の材質は同一である請求項１記載の変位測定装置。
前記ガイド手段は数百マイクロメータの厚さを有する板スプリングを成し、前記板スプリングの一部には前記変位入力部が突出されており、前記変位入力部の上側に前記ビーム磁性体に固定する固定部を配置し、前記板スプリングは複数の連結部以外をスリットで切断すると共に、前記変位入力部に接続する連結部を第１の連結部とし、前記固定部に接続する連結部を第２の連結部とし、前記変位出力部に接続する連結部を第３の連結部とするとき、
前記第２の連結部から順次第１の連結部、第３の連結部の順番で前記固定部より離れる構成であり、前記第２の連結部を前記板スプリングの成す平面において回転する回転部とする構造であって、
前記変位出力部を下記式のように変位出力する請求項１記載の変位測定装置。

ここで、ΔＺ′は出力変位であり、ΔＺは入力変位であり、Ｌａは前記第１の連結部と第３の連結部間の距離であり、Ｌｂは第１の連結部と第２の連結部間の距離である。
前記板スプリングはベリリウム銅板であって、２枚の前記板スプリングが前記電磁気システムの閉ループと平行なように前記電磁気システムの両側面に設けられる請求項３記載の変位測定装置。
前記支持手段は前記電磁気システムに固定される固定ブロックと、接触プローブが設けられ、前記ガイド手段の変位入力部に固定される移動ブロック及び、前記固定ブロックと前記移動ブロックとを連結する支持台を含む請求項１記載の変位測定装置。
前記移動ブロックの両側面は前記電磁気システムの両側面に位置した２枚の板スプリングの変位入力部に両側面が固定され、前記移動ブロックに設けられた前記接触プローブは、前記移動ブロックの前記ビーム磁性体側面に対して裏面となる面に取り付けられている請求項５記載の変位測定装置。
前記支持台は平面バーの形状を有し、前記電磁気システムの底面に固定された前記固定ブロックと前記移動ブロックの上下面とを連結する請求項５又は請求項６記載の変位測定装置。