JP4251346B2

JP4251346B2 - 校正機能付き変位センサ

Info

Publication number: JP4251346B2
Application number: JP2001111723A
Authority: JP
Inventors: 久安藤
Original assignee: 久安藤
Priority date: 2001-04-10
Filing date: 2001-04-10
Publication date: 2009-04-08
Anticipated expiration: 2021-04-10
Also published as: JP2002310604A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、変位センサが人の近寄り難い環境、たとえば、地中、海中、建造物中、宇宙空間、機械の深奥部等々にあっても、直線変位（以下単に変位という）の測定と並行して、稼動状態のまま変位校正を行うことができる変位センサの校正技術に係わり、特開２００１−６６１０３号公報記載の「ヘルムホルツ・コイルを応用した変位検出器」の改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の変位センサにおいては、稼動状態のまま変位校正が必要な場合には、一例として、図８に示す特開平８−３２７３０４号公報記載の「変位測定器」における実施例のように差動トランス１００に伝達ロッドスライド機構１０３と強制変位付加機構１０６からなる校正機能を付加していた。すなわち、コア１０２を保持する伝達ロッドを二重構造にして、内側の伝達ロッドＡ１０４に被測定体（図示せず）を、また、外側の伝達ロッドＢ１０５にはコア１０２と強制変位付加機構１０６（永久磁石と移動子とコイルから構成されるアクチュエータ、詳細は図示せず）を取り付けていた。
【０００３】
そして、変位測定時には、伝達ロッドスライド機構１０３のばね１１０により、二重構造の伝達ロッドＡ１０４と伝達ロッドＢ１０５を一体化して、伝達ロッドＡ１０４の動きに伝達ロッドＢ１０５とコア１０２が遅れることなく追従して変位を測定し、変位校正時には強制変位付加機構１０６によって、ばね１１０の反力に対抗して伝達ロッドＢ１０５とコア１０２を強制的に移動させていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の変位センサにあっては、変位測定および変位校正のいずれの場合にも差動トランス１００のコア１０２を移動させていたので、（１）変位校正による新たな外力が被測定体にかかるので、それに耐えることのできる強度のある特殊な被測定体にしか適用できない、（２）一体化されている伝達ロッドＢ１０５とコア１０２は、これも一体となっている被測定体と伝達ロッドＡ１０４との間において、ばね１１０を介してつながっているので、一種の振動系を形成して動的な変位測定には向かない、（３）全体を一つの小さな変位センサとしたり、一般的な物理量センサに組み込んだりして応用分野を広げることができない、と言う問題があった。
【０００５】
本発明は、人の近寄り難い環境においても、さまざまな被測定体の静的ないし動的な変位測定ができ、かつ、被測定体への干渉を抑えながら、遠隔制御で変位校正や自己診断ができる変位センサの実現を目的としている。なお、ここで言う自己診断とは、本発明変位センサを他の物理量センサの検出器とした場合に、変位以外の物理量標準を与えて校正するのではなく、内蔵の変位標準で出力を確認することを言う。
【０００６】
【問題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の変位センサにおいては、変位測定時には変位検出器のコアと軸のみが、また、変位校正時には変位検出器の本体と変位標準発生機構、すなわち、アクチュエータに関連する可動部のみが動く様にして、相互に干渉のない変位検出と変位校正の二つの機能を一つの変位センサ内で一体化したものである。
【０００７】
このため、本発明変位センサの変位検出器には特開２００１−６６１０３号公報記載の「ヘルムホルツ・コイルを応用した変位検出器」を用いることとした。ヘルムホルツ・コイルは、電力測定用の電流力（りき）計形計器などの平等磁界発生用コイルとしても知られており、その構造は単純で、半径と向かい合った距離がともにｒである二つの同じコイルからなっている。そして、両コイルの発生する磁界を互いに加えてその中間部に平等磁界を得るために直列に接続、同一電流を流して用いられる。
【０００８】
この２個で１組のヘルムホルツ・コイルの近傍に、やはり２個で１組の検出コイルをそれぞれ重ねるように対称的に配置したうえで、今度は、両コイルの出力を引き算するよう直列に接続して変位検出器の本体を形成する。この変位検出器には、変位検出に際して基本的に二つの動作モードがあり、一つは、非磁性体コアと渦電流効果の組み合わせであり、他の一つは、磁性体コアと磁気誘導効果の組み合わせを用いたものである。以下、この両者を区別する必要のあるときは、前者を渦電流モード、後者を磁気誘導モードと呼ぶことにする。
【０００９】
いま、変位検出器本体の平等磁界発生部に、たとえば、円盤形等をした非磁性体のコアを置いた後、数十キロヘルツ前後、あるいはそれ以上の高周波電圧をヘルムホルツ・コイルに加えると、コア内に渦電流が効果的に生じるようになり、それによる新たな磁束がヘルムホルツ・コイルが作った既存の平等磁界を打ち消すように作用する。従って、コアに近い検出コイルほど発生電圧が減少するので、両検出コイルの差動出力が変位に比例する様になり、これが前者の渦電流モードである。この点は、従来公知の差動トランスにおいて、コアに近い２次コイルにより大きな電圧が発生するのとは対照的である。
【００１０】
このような構造にすることで、非磁性体のコアは、平等磁界内で渦電流を生じながらも、被測定変位による移動方向が磁力線を切らない方向、すなわち、磁力線に沿った方向なので反力の発生とは無縁となる。また、非磁性体のコアは、磁力線ループを引っ張って変形させる性質もないことから、コアを支える軸が非金属材料であるような場合には、変位測定および変位校正に伴ってコアや軸に反力が生じることはない。この点でも、従来公知の差動トランスにおいて、移動する磁性体コアが磁力線ループを強制的に引っ張って変形させ、測定に反力を伴うのとは対照的である。
【００１１】
また一方、前記変位検出器のコアを従来公知の差動トランスのように磁性体コアとして、ヘルムホルツ・コイルの励磁周波数も差動トランスのように１０〜３０キロヘルツ程度の低い周波数に下げてくると、コア内の渦電流効果は減少して、コアが磁力線を引きつける磁気誘導効果の方が大きくなり、差動トランスと同様にコアに近い検出コイルにより大きな電圧が発生するようになる。これが後者の磁気誘導モードであり、変位測定と変位校正を通じてコアが磁力線ループを引っ張って移動するため、コアに反力が発生することと、ヘルムホルツ・コイルの励磁周波数が低いためコイルの形状を小型化しにくいと言った性質を示すようになる。
【００１２】
この渦電流効果と磁気誘導効果は、コアの材質や形状、ヘルムホルツ・コイルの励磁周波数等の選択によって、コア内に併存させることもでき、変位センサとしての特性の改善、すなわち、変位検出感度の向上などに利用できる場合もある。なお、以下の説明は、渦電流モードを念頭において進めることとする。
【００１３】
本発明変位センサは、比較的小さな変位の測定を主体としているので、変位標準の発生機構に用いるアクチュエータも多くの選択肢を持っている。ソレノイド形アクチュエータは、ストロークの制御にばねや機械的なリミッタを必要とするが、使用実績が多く信頼性も高いので、人の近寄り難い環境や長期の測定にも向いている。また、ソレノイドからの漏れ磁束があっても、変位検出器のヘルムホルツ・コイルは励磁周波数が前記のように高いので、変位測定や変位校正への影響を避けることができる。
【００１４】
また、従来公知の圧電形、電歪ポリマー形および静電形アクチュエータ等の固体アクチュエータは、ストロークの程度を加えた電圧の大きさで制御することができ、変位標準発生機構として設計上の自由度も大きい。また、ストロークの制御にフィードバック制御を取り入れたアクチュエータもあり、校正機能の多様化に向いている。
【００１５】
【発明の実施の形態】
発明の実施の形態を実施例に基づき図面を参照して説明する。
図１は、本発明変位センサにおいて、変位測定機能と変位校正機能を一体化した状態を示す断面図である。変位検出器本体９は、特開２００１−６６１０３号公報に記載された「ヘルムホルツ・コイルを応用した変位検出器」の相当部分であり、図２ないし図４に基づいて変位測定機能について説明する。
【００１６】
図２は、変位検出器１０の断面図で、それぞれが２個で１組のヘルムホルツ・コイル１、２と検出コイル３、４は、これも２個で１組の絶縁板７、８を挟んで変位検出器１０の本体９を構成する（図中では、これら２個で１組のコイルや絶縁板の名称には、それぞれａ、ｂの符号を付して区別した）。コア５は、ヘルムホルツ・コイル１、２の平等磁界内で軸６が伝達する被測定変位Ｄや変位校正時の変位標準ＤＳを感知する。
【００１７】
図３は、前記すべてのコイルを簡略化して１ターンとした時の変位検出器１０の原理を示す斜視図で、ヘルムホルツ・コイル１、２の半径と両者の距離がともにｒであり、コア５は距離ｒの中間部分で平等磁界内に置くことを示している。
【００１８】
図４は、前記各コイルの接続図を示し、ヘルムホルツ・コイル１、２には励磁入力ｅｐを加えて平等磁界を得、検出コイル３、４からは差動出力ｅｏ１−ｅｏ２を取り出すことを示している。なお、図中で各コイルの端に付けた小さな黒い点は、それぞれの巻き始めを示している。
【００１９】
図１に戻って、もう一つの機能である変位校正機能について説明する。取り付け部２１、ばね２２およびリミッタ２３を備えたソレノイド形アクチュエータ２７が、不動点７０に固定された変位センサケース２８内で、取り付け部２１を介して変位検出器本体９と連結されている。そして、ソレノイド２５を駆動してフレーム２６とプランジャー２４を励磁すると、ばね２２の反力に対抗してソレノイド２５がプランジャー２４を引き込んで、リミッタ２３により定まる変位標準ＤＳを変位検出器本体９に与える。こうして、変位検出器本体９を左方に点線で示す位置まで移動させると、これは見かけ上、コア５を右方に変位標準ＤＳだけ移動させることに相当し、これによって変位校正が可能となる。
【００２０】
図５は、図１におけるソレノイド形アクチュエータ２７、ばね２２およびリミッタ２３による機能を、機械的な摩耗部分を持たず、かつ、応答の速い固体アクチュエータの一つである圧電形アクチュエータ３３に置き換えた例である。変位標準ＤＳは、単に圧電形アクチュエータ３３の駆動電圧を変えるのみで制御できるが、前記ソレノイド形アクチュエータ２７の場合とは異なり、変位検出器本体９の移動する方向が逆になる。すなわち、圧電形アクチュエータ３３は、自身が伸びて変位検出器本体９を右方に点線で示す位置まで移動させる。これはコア５を左方に変位標準ＤＳだけ移動させることに相当し、このため、前記ソレノイド形アクチュエータ２７の場合と比べると変位校正が逆極性で行われることになる。
【００２１】
図６は、本発明変位センサ４０とシグナルコンディショナ６０とを組み合わせて変位測定装置を構成した例を示すブロック図である。シグナルコンディショナ６０の回路構成は、従来公知の差動トランス用のものと似ているが、アクチュエータ駆動回路５２を付加した点が異なっている。
【００２２】
図６において、変位測定時には、本発明変位センサ４０が、発振回路５１の出力ｅｐによって励磁されて被測定変位Ｄに比例した差動出力ｅｏ１−ｅｏ２を得てから、以下、従来公知の差動トランスの場合と同様な手順に従って、位相弁別回路５３で変位の大きさと極性を示す電圧信号ｅｓとなり、増幅回路５４、出力回路５５を経て適当なレベルの変位を代表する出力ｅｏとして外部に導かれる。
【００２３】
一方、変位校正時には、被測定変位Ｄが一定の値に留まっている状態でアクチュエータ駆動回路５２の校正信号ｃｃによって、本発明変位センサ４０に変位標準ＤＳを与えて、被測定変位Ｄの現在値に変位標準ＤＳが重畳した差動出力ｅｏ１−ｅｏ２を得た後、前記変位測定の場合と同様な過程を経て、今度は、図７で後述するように、被測定変位Ｄの現在値と変位標準ＤＳが加え合わされた合成出力ｅｏとして外部に導かれる。こうして、一つのシグナルコンディショナ６０から得られる出力ｅｏは、変位測定、変位校正の動作に応じて異なった内容の出力ｅｏとして提供されるようになる。
【００２４】
図７は、被測定変位Ｄの時間経過と変位標準ＤＳとの関係をグラフで示している。すなわち、本発明変位センサが稼動中、時刻ｔｃにおいて３回繰り返し同一変位校正を行った場合、被測定変位Ｄの現在値と変位標準ＤＳが重畳して現れる様子を示している。校正１は、ソレノイド形アクチュエータ２７を用いた場合を、また、校正２は、圧電形アクチュエータ３３を用いた場合をそれぞれ示しており、両者の変位標準ＤＳが逆極性で与えられていることがわかる。なお、変位標準ＤＳの大きさや繰り返し回数は、設計により任意に決めることができ、ここでも校正１、校正２を異なる値で示した。
【００２５】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したように構成されているので、以下に記載するような効果を奏する。
【００２６】
変位センサが人の近づき難い環境に置かれた場合でも、変位校正が任意にできるようになり、何年間も変位校正なしで使われる様なこともなくなって、測定した変位データの不確かさ、長期測定の信頼性等が改善される。
【００２７】
変位センサが、長い延長ケーブルで接続されている場合でも、ケーブル抵抗を含めて変位校正ができ、不正確で面倒な補正計算なども不要となる。
【００２８】
変位測定、変位校正の両面で、反力を零ないし微小にした変位センサが実現でき、軟らかくて変形し易い測定対象でも変位測定と変位校正ができるようになる。
【００２９】
平面コイルなどを用いて変位検出器本体を小型化したうえで、他の物理量センサに検出器として組み込むことによって、自己診断機能を持ったいろいろな物理量センサを容易に実現できるようになる。
【００３０】
変位標準の発生機構に、電気的なストローク制御機能を持った固体アクチュエータを用いて、機械的な摩耗部分をなくすこともできる。同時に、応答の速いことを生かして、短い周期で変位校正を繰り返して、統計的な方法で校正の不確かさを改善することもできる。また、単純な構造になることから、水、油などの液体中における変位測定、変位校正にも適した変位センサが容易に実現できる。
【００３１】
この他にも、発明の効果が併用計測機器のハード／ソフトウエアを含むシステムの機能改善に及ぶ例もあげられる。すなわち、人の近寄り難い環境に置かれた多数のセンサが、数年以上の長期にわたって測定されるようなケースでは、測定装置を構成する機器、特に、センサにつながるシグナルコンディショナ等の設備更新の際に、その前後において、ほとんどの測定点がデータに不連続性を示すのは半ば常識化している。こうした問題の原因究明の一助として、零点移動、感度変化の有無、程度を明確にでき、これまで不透明であった問題に的確な対応ができるようになる。
【００３２】
さらに、本発明変位センサには多くの変更を加えることが可能であり、たとえば、変位校正時、コアにある程度の反力が許される場合には、機構上で工作を施してコアを移動させること、変位標準発生用のアクチュエータを従来公知の電磁式や固体式のみならず、空気圧、油圧および水圧等を用いた機械式アクチュエータも視野に入れて、従来公知のストローク制御手段と組み合わせることができる。この他にも、コアを支える軸に適当な軸受けや自己復帰用のスプリング等を設けること、シグナルコンディショナを内蔵すること等が考えられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明変位センサの実施例を示す断面図である。
【図２】特開２００１−６６１０３号公報記載の「ヘルムホルツ・コイルを応用した変位検出器」の断面図である。
【図３】特開２００１−６６１０３号公報記載の「ヘルムホルツ・コイルを応用した変位検出器」の原理を示す斜視図である。
【図４】特開２００１−６６１０３号公報記載の「ヘルムホルツ・コイルを応用した変位検出器」を構成するコイルの接続図である。
【図５】本発明変位センサの他の実施例を示す断面図である。
【図６】本発明変位センサとシグナルコンディショナとを組み合わせて変位測定装置を構成した例を示すブロック図である。
【図７】変位測定データの時間経過と変位標準との関係を例示するグラフである。
【図８】特開平８−３２７３０４号公報記載の「変位測定器」における実施例を示す説明図である。
【符号の説明】
１、２ヘルムホルツ・コイル
３、４検出コイル
５コア
６軸
７、８絶縁板
９変位検出器本体
１０変位検出器
２１取り付け部
２２ばね
２３リミッタ
２４プランジャー
２５ソレノイド
２６フレーム
２７ソレノイド形アクチュエータ
２８変位センサケース
３１固定部ａ
３２固定部ｂ
３３圧電形アクチュエータ
４０本発明変位センサ
５１発振回路
５２アクチュエータ駆動回路
５３位相弁別回路
５４増幅回路
５５出力回路
５６電源回路
６０シグナルコンディショナ
７０不動点
７１被測定体

Claims

変位測定の基準点である不動点（７０）と、変位測定の対象である被測定体（７１）との間に取り付けて直線変位を測定する変位センサにおいて、変位の測定を目的として、変位検出器本体（９）内で絶縁板（７、８）を挟んでヘルムホルツ・コイル（１、２）の外側または内側に検出コイル（３、４）を取り付け、前記ヘルムホルツ・コイル（１、２）の平等磁界発生部に変位検出用のコア（５）を設けて、変位伝達用の軸（６）を介して被測定体（７１）に連結したうえ、シグナルコンディショナ（６０）の発振回路（５１）で前記ヘルムホルツ・コイル（１、２）を励磁した時、コア（５）内に生じる渦電流効果、磁気誘導効果または両効果の併存によって検出コイル（３、４）に生じるコア（５）の位置に比例した電圧を用いて被測定体（７１）の被測定変位（Ｄ）が測定できるようにして変位検出器（１０）を構成する一方、変位の校正を目的として、取り付け部（２１）、ばね（２２）およびリミッタ（２３）を備えたソレノイド形アクチュエータ（２７）を用いて、変位標準（ＤＳ）の発生機構を構成するとともに、不動点（７０）に固定される変位センサケース（２８）の内側で、前記変位センサケース（２８）の固定部分内壁に前記ソレノイド形アクチュエータ（２７）を組み込み、取り付け部（２１）を介して前記変位検出器（１０）を取り付けて、変位測定機能と変位校正機能を一体化した後、被測定体（７１）、軸（６）およびコア（５）が静止状態と認められる時間帯において、シグナルコンディショナ（６０）のアクチュエータ駆動回路（５２）からソレノイド形アクチュエータ（２７）を駆動し、ばね（２２）の反力に対抗して、リミッタ（２３）により定まる変位標準（ＤＳ）を前記変位検出器本体（９）に与えて、コア（５）を相対的に移動させることによって、被測定変位（Ｄ）の現在値に変位標準（ＤＳ）を重畳させて、遠隔制御で変位校正が可能な校正機能付き変位センサ。
コア（５）を銅やアルミ等の固有抵抗が小さく、ほとんど磁性を示さない金属材料で、また、軸（６）を樹脂材料等の非金属材料で構成して変位測定と変位校正を通じて、電気磁気的な要因でコア（５）と軸（６）に発生する反力を抑えて、軟らかく変形し易い測定対象についても変位測定および変位校正ができるようにした請求項１記載の変位センサ。
取り付け部（２１）、ばね（２２）およびリミッタ（２３）を備えたソレノイド形アクチュエータ（２７）に代えて、圧電形アクチュエータ（３３）を用いて、変位標準（ＤＳ）の発生機構を構成した請求項１または２記載の変位センサ。
変位検出手段として、ヘルムホルツ・コイルを応用した変位検出器本体（９）、コア（５）および軸（６）に代えて、差動トランスのコイルを含む本体、コアおよび伝達ロッドをそれぞれ用いた請求項１または３記載の変位センサ。