JP4334750B2

JP4334750B2 - 差動トランス式変位センサ

Info

Publication number: JP4334750B2
Application number: JP2000281660A
Authority: JP
Inventors: 彰利水谷; 史生浅倉; 公雄内田; 寛一八木
Original assignee: Denso Corp; Nippon Soken Inc
Current assignee: Denso Corp; Soken Inc
Priority date: 2000-09-18
Filing date: 2000-09-18
Publication date: 2009-09-30
Anticipated expiration: 2020-09-18
Also published as: JP2002090106A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、差動トランス式変位センサに関するもので、例えばディーゼルエンジン用燃料噴射ポンプに使用される位置センサに用いると好適な差動トランス式変位センサに係る。
【０００２】
【従来の技術】
直線的に変位する変位部材の位置を検出する変位センサとして、例えば、特開平８−１４９３９号公報に開示される差動トランス式変位センサが知られている。この差動トランス式変位センサでは、コア材質は電磁ステンレス鋼、一次コイルの励振周波数は数ｋＨｚ、にて良好な感度が得られている。この場合の応答性は数十Ｈｚである。近年、エンジンの排気浄化等のためにエンジン関係の制御が高精度化および高速化されるにつれて、差動トランス式変位センサに対しても高応答性化、例えば数ｋＨｚ程度、の要求が出されてきた。数ｋＨｚの応答性を実現するためには、一次コイルの励振周波数を数百ｋＨｚに高める必要がある。
【０００３】
ところが、特開平８−１４９３９号公報に開示される差動トランス式変位センサに使用されている電磁ステンレス鋼製コアは、数百ｋＨｚの条件下では透磁率が低下するために差動トランス式変位センサに使用した場合には感度が低下してしまう。そこで、数百ｋＨｚの励振周波数でも透磁率が低下しないフェライトがコア材料として用いられている。
【０００４】
しかしながらフェライトは焼結金属であり、硬くて脆いために衝撃に弱いという問題がある。そこで、数ｋＨｚの応答性を持つ変位センサにおいては、フェライトコアを樹脂でモールド成形して補強することにより、検出体を構成することが一般的に行われている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
一方、差動トランス式変位センサの用途が拡大するに従って、小型化、すなわち全長短縮化や外径縮小化の要求も強まってきている。差動トランス式変位センサの外径を縮小するためには、検出体の外径を小さくする必要がある。しかし、検出特性維持およびフェライトの強度確保の両面から、フェライトコア外径は一定の大きさが必要であり、結局、樹脂モールドの樹脂厚さを薄くせざるを得ない。樹脂厚さを薄くするとフェライトコアを補強するために必要な強度を確保することができなくなってしまう。
【０００６】
本発明は、上記のような点に鑑みなされたものであり、フェライトコアの強度向上と検出体の小型化との両立を可能とする差動トランス型変位センサを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成する為、以下の技術的手段を採用する。
【０００８】
本発明の請求項１に記載の差動トランス型変位センサでは、変位部材に固定されると共に磁性体からなるコアによって構成される検出体は、コアの外周部に緩衝部材を介して配設されると共に変位部材の固定部に圧入固定される金属円筒を有する。これにより、検出体の外径を増大させることなしに、コアの強度を向上させることができる。また、コアと金属円筒の間に緩衝部材を介在させているので、金属円筒に外力が作用した場合、緩衝部材によりコアに作用する力が緩和されるのでコアの損傷を防止することができる。さらに、コアの外径を必要最小とすることができるので、差動トランス型変位センサを小型化することができる。
【０００９】
本発明の請求項２に記載の差動トランス型変位センサは、コアの外周部に金属製円筒を遊嵌配設している。これにより、検出体の外径を増大させることなしに、コアの強度を向上させることができる。さらに、コアの外径を必要最小とすることができるので、差動トランス型変位センサを小型化することができる。
【００１０】
本発明の請求項２に記載の差動トランス型変位センサは、コアと金属円筒との間に緩衝部材を充填している。これにより、金属円筒に外力が作用してもコアに伝わる力が緩衝部材により低減されるので、コアが外力により損傷することを防止できる。
【００１１】
本発明の請求項３、請求項５に記載の差動トランス型変位センサは、金属円筒の側面に、軸方向に長さを有する開口部あるいは凹部を少なくとも１個設けている。これらの開口部あるいは凹部により、一次コイルの励振高周波電流によって金属円筒表面に誘起された渦電流が遮断されるので、一次コイルの励振エネルギーの渦電流損失を防止して二次コイルに確実に出力電圧を誘起させることができる。
【００１２】
本発明の請求項４、請求項６に記載の差動トランス型変位センサは、開口部あるいは凹部は、金属円筒の周方向において１８０度の対向位置にコアと対応して設けられ、金属円筒の軸方向において、開口部あるいは凹部の全長はコアの全長と同じまたはコアの全長より長く且つコアの両端部は開口部あるいは凹部の両端部の内側に位置する。これにより、一次コイルの励振高周波電流によって金属円筒表面に誘起された渦電流が遮断されるので、一次コイルの励振エネルギーの渦電流損失を防止して、コアに効率良く磁束を発生させて二次コイルに確実に出力電圧を誘起させることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態として、ディーゼルエンジン用燃料噴射ポンプのコントロールラック位置検出センサに本発明の差動トランス型変位センサを適用した場合を例に、図面に基づいて説明する。なお、各図において、同一構成部分には同一符号を付してある。
【００１４】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態による差動トランス型変位センサを図１〜図４に示す。
【００１５】
２は変位部材で、その一端にはねじ部２ａが設けられ、変位部材２は、このねじ部２ａを介して直線的に移動する被検出部材であるコントロールラック１２に連結固定されている。他端には固定部２ｂが設けられ、この固定部２ｂを介して検出体３が変位部材２に固定されている。従って、検出体３はコントロールラックと一体に移動することができる。
【００１６】
検出体３は、金属円筒３２（第１の実施形態においてはステンレス鋼製パイプ）の内部に磁性体（第１の実施形態においてはフェライト）からなるコア３１が同一軸心上に遊嵌配置され、コア３１の外周と金属円筒３２との間を含む金属円筒３２内部には、樹脂３３（緩衝部材）が充填されている。さらに、検出体３は、金属円筒３２が変位部材２の固定部２ｂに圧入固定されて変位部材２と一体化している。検出体３の正面図である図３に示すように、金属円筒３２には、軸方向に長い開口部３２ａが２個１８０度の対向位置に設けられている。検出体３の断面図である図２に示すように、開口部３２ａの全長はコア３１の全長より長く、且つコア３１の両端部は開口部３２ａの両端部の内側に位置している。
【００１７】
４はボビンで、検出体３を軸方向に移動可能に収容する孔４ａを有している。ボビン４の外周部には差動トランスの一次コイル５ａおよび５ｂ、二次コイル６ａおよび６ｂが巻回されている。
【００１８】
７は円筒状のハウジングで、ボビン４および回路部８を内蔵している。ハウジング７の一端側にはフランジ部７ａが設けられ、差動トランス式変位センサ１は、このフランジ部７ａを介して燃料噴射ポンプ本体１１に取付けられている。他端側にはカバー９が固定されている。カバー９は、ゴムあるいは樹脂により形成され、ハウジング７の他端に接着あるいは熱溶着等により固定されて、ハウジング７の内部の気密を維持しながらボビン４や回路部８を水分や異物から保護している。
【００１９】
８は回路部で、ボビン４の孔４ａと反対側の端部に固定され、ハウジング７に内蔵されている。回路部８は、発振器、増幅器等を有しており、外部から電力供給を受けて検出体３の変位に応じた信号を外部へ出力する。
【００２０】
１０はリード線で、複数の電線から構成され回路部８への電力供給および回路部８からの信号出力を行なっている。リード線１０の一端は回路部８に接続され、他端にはコネクタ（図示せず）が取付けられて外部に接続されている。
【００２１】
第１の実施形態による差動トランス式変位センサ１は、ハウジング７のフランジ部７ａを介してボルト１３により燃料噴射ポンプ本体１１に固定されると共に、検出体３が変位部材２を介して燃料噴射ポンプのコントロールラック１２に固定されている。エンジン運転中において、エンジンの負荷条件に応じてコントロールラック１２は直線的に変位するので、第１の実施形態による差動トランス式変位センサ１によってコントロールラック１２の位置、すなわちエンジン負荷が検出されて、エンジンの各種制御に使用される。
【００２２】
ここで、第１の実施形態による差動トランス式変位センサ１の変位部材２と検出体３の組立方法を簡単に説明する。
【００２３】
先ず、変位部材２の固定部２ｂに金属円筒３２を圧入により固定する。次に、コア３１を金属円筒３２内部に金属円筒３２と同一軸心上にセットする。この時、コア３１の軸方向位置は金属円筒３２の開口部３２ａの両端部の間にある。最後に、金属円筒３２内部に樹脂３３を注入して、コア３１と金属円筒３２の隙間を完全に樹脂３３で充填する。
【００２４】
次に、第１の実施形態による差動トランス式変位センサ１の作動について説明する。
【００２５】
差動トランス式変位センサ１の電気回路は、図５に示すように構成されている。一次コイル５ａ、５ｂの両端子には回路部８を経由して所定周波数の交流電圧が印加される。二次コイル６ａ、６ｂの両端子は、回路部８に導かれ、この回路部８内の増幅器において二次コイル６ａ、６ｂの両端電位差を増幅する。回路部８は、端子８ａ、８ｂ、８ｃが取り出され、第１の端子８ａには回路部８内の増幅器を駆動する電源電圧Ｖｃｃが図示しない外部電源から印加され、また第２の端子８ｂには二次コイル６ａ、６ｂの両端電位差の増幅された電圧Ｖｏｕｔが発生し、第３の端子８ｃには標準電位Ｖｇｎｄが発生している。これら３個の端子８ａ、８ｂ、８ｃにはそれぞれ電線が接続されており、これら３本の電線がリード線１０を構成している。回路部８は、一次コイル５ａ、５ｂを周波数１００〜２００ｋＨｚにて励磁し、かつ二次コイル６ａ、６ｂの出力電圧差を増幅する増幅器を有しており、コイル５ｂ、５ｂの端末近傍のボビン４の孔４ａと反対側の端部に配設されている。
【００２６】
ボビン４の内部に形成される孔４ａには、検出体３が軸方向に移動可能に収容されている。例えば、検出体３が図１に示す位置から軸方向右側に変位すると、この検出体３のコア３１が一次コイル５ａ、５ｂの内部を軸方向右側に移動する。回路部８により一定周波数で励磁される一次コイル５ａ、５ｂは、交流の磁束を発生し、同時に二次コイル６ａ、６ｂにも発生磁束が鎖交している。
【００２７】
ここで、検出体３の移動によりコア３１が一次コイル５ａ、５ｂ内を移動して磁束密度が変化すると、二次コイル６ａ、６ｂに鎖交する磁束量が変化する。このとき二次コイル６ａ、６ｂに誘起される電圧がコア位置に比例するため、二次コイル６ａ、６ｂの電圧差を増幅器にて増幅し、この増幅信号を検出することにより、コア３１の位置が電圧値として検知される。
【００２８】
ところで、検出体３のコア３１の外側には、コア３１を補強するために金属円筒３２が配設されているが、一次コイル５ａ、５ｂを周波数１００〜２００ｋＨｚにて励磁すると、金属円筒３２の表面には渦電流が誘起され渦電流損失が発生する。このため、一次コイル５ａ、５ｂの磁気エネルギがコア３１を介して二次コイル６ａ、６ｂに誘起され難くなり、二次コイル６ａ、６ｂに誘起される電圧が低くなるので、差動トランス式変位センサ１の感度が低下してしまう、という問題が発生する。第１の実施形態においては、金属円筒３２に開口部３２ａを設けるという簡易な手段を採用している。この開口部により、金属円筒３２の表面を流れる渦電流は遮断されて渦電流損失がなくなるので、一次コイル５ａ、５ｂの磁気エネルギがコア３１を介して二次コイル６ａ、６ｂに確実に誘起され、差動トランス式変位センサ１の感度を良好に維持することができる。
【００２９】
さらに、この開口部３２ａの位置は、コア３１に対応している。つまり、開口部３２ａの軸方向長さはコア３１の長さと同じまたはそれ以上に長く、コア３１の両端部は開口部３２ａの両端部の内側に位置している。これにより、コア３１の全長に亘って金属円筒３２の表面に誘起された渦電流の影響が除去され、コア３１全体を有効に二次コイル６ａ、６ｂへの電圧誘起に利用することができるので、差動トランス式変位センサ１の感度を良好に維持することができる。
【００３０】
また、第１の実施形態では、フェライト製のコア３１の外周部に樹脂（緩衝部材）を介してステンレスパイプ（金属円筒）を配設しているので、検出体３、すなわち金属円筒３２に外力が作用した場合、樹脂３３によりコア３１に作用する力が緩和されるので、コア３１が損傷を受けることを防止できる。さらに、検出体３の外径増加を抑えてコア３１の強度を向上することができる。また、コア３１を補強して使用するためコア３１の外径を必要最小とすることができるので、差動トランス型変位センサを小型化することができる。
【００３１】
図６に、検出体３の仕様を変えた場合における差動トランス式変位センサの出力特性の測定結果を示す。各仕様共コア３１はフェライト製である。図６において、特性Ａ（図中の実線）は、第１の実施形態による検出体３、すなわち開口部３２ａが２個の場合、特性Ｂ（図中の破線）は、コア３１のみ、すなわち金属円筒３２が無い場合、特性Ｃ（図中の一点鎖線）は金属円筒３２に開口部３２ａが無い場合、特性Ｄ（図中の二点鎖線）は、開口部３２ａが１個の場合を示す。図６の縦軸は出力電圧、横軸検出体３の変位量である。
【００３２】
図６によれば、金属円筒３２に開口部３２ａを設けない場合はセンサ出力がほぼ０となってしまうのに対して、金属円筒３２に開口部３２ａを２個設けることにより金属円筒３２が無い場合と同等の出力特性まで回復することがわかる。従って、第１の実施形態において、フェライト製コア３１を補強する金属円筒３２に２個の開口部３２ａを設けるという簡易な手段により、差動トランス式変位センサ１の出力特性をフェライト製コア３１単体の場合と同等レベルに維持しつつ、フェライト製コア３１の強度を向上することができる。
【００３３】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態の差動トランス型変位センサ１について、図７、図８、図９により説明する。第２の実施形態の差動トランス型変位センサは、第１の実施形態における検出体３の金属円筒３２に設けた開口部３２ａの代わりに凹部３２ｂを設けている。図７〜図９に示すように、金属円筒３２には、軸方向に長い凹部３２ｂが２個１８０度の対向位置に設けられている。凹部３２ｂの全長はコア３１の全長と同じまたはそれ以上に長く、且つコア３１の両端部は凹部３２ｂの両端部の内側に位置している。これにより、一次コイル５ａ、５ｂの励磁により金属円筒３２の表面に誘起される渦電流が遮断されて渦電流損失がなくなるので、一次コイル５ａ、５ｂの磁気エネルギがコア３１を介して二次コイル６ａ、６ｂに確実に誘起され、差動トランス式変位センサ１の感度を良好に維持することができる。
【００３４】
さらに、この凹部３２ｂの位置は、コア３１に対応している。つまり、凹部３２ｂの軸方向長さはコア３１の全長と同じまたはそれ以上に長いと共に、コア３１の両端部は凹部３２ｂの両端部の内側に位置している。これにより、コア３１の全長に亘って金属円筒３２の表面に誘起された渦電流の影響が除去され、コア３１全体を有効に二次コイル６ａ、６ｂへの電圧誘起に利用することができるので、差動トランス式変位センサ１の感度を良好に維持することができる。
【００３５】
また、第２の実施形態では、金属円筒３２に開口部３２ａを設けた場合よりも金属円筒３２自体の強度を向上することができる。
【００３６】
以上説明した、第１の実施形態および第２の実施形態において、金属円筒３２に設けた開口部３２ａ、あるいは凹部３２ｂの全長をコア３１の全長と同じまたはそれ以上に長くしているが、これらの全長をコア３１の全長より短くしてもよい。その場合においても、金属円筒３２の表面に誘起された渦電流の影響が除去され、差動トランス式変位センサ１の感度を良好に維持することができる。
【００３７】
また、第１の実施形態および第２の実施形態において、金属円筒３２に設けた開口部３２ａあるいは凹部３２ｂの個数は２個であるが、２個に限る必要はなく、１個あるいは３個以上設けてもよい。
【００３８】
また、第１の実施形態および第２の実施形態においてはコア３１の補強部材としてステンレスパイプを用いているが、ステンレス以外の金属円筒を用いても構わない。さらに、金属円筒の代わりに非金属材料、例えばセラミックス製の円筒を用いてもよい。なお、コア３１の補強部材として電気の不導体を用いた場合は、補強部材の表面に渦電流が誘起されないので補強部材に開口部あるいは凹部を設ける必要はない。
【００３９】
また、第１の実施形態において金属円筒３２に設けた開口部３２ａ、および第２の実施形態において金属円筒３２に設けた凹部３２ｂに代わって、図１０に示すように、金属円筒３２に部分的に肉厚の小さい薄肉部３２ｃを設けてもよい。この薄肉部３２ｃにより金属円筒３２のインピーダンスを大きくして金属円筒３２表面に発生した渦電流の電流値小さくできるので、渦電流損失を小さくして二次コイル６ａ、６ｂに確実に電圧を誘起させて、差動トランス式変位センサ１の感度を良好に維持することができる。
【００４０】
さらに、第１の実施形態において金属円筒３２に設けた開口部３２ａ、および第２の実施形態において金属円筒３２に設けた凹部３２ｂに代わって、図１１に示すように複数の円形開口部３２ｄを設けてもよい。この円形開口部３２ｄによっても金属円筒３２の表面に発生した渦電流を遮断して渦電流損失を除去し、二次コイル６ａ、６ｂに確実に電圧を誘起させることができるので、差動トランス式変位センサ１の感度を良好に維持することができる。さらに、複数の円形開口部３２ｄを設けることにより、金属円筒３２の剛性を低下させずに検出体３を軽量化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態による差動トランス型変位センサ１の断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態による差動トランス型変位センサ１の変位部材２および検出体３の構成説明図である。
【図３】図２のＡ矢視外観図である。
【図４】図３のＩＶ−ＩＶ線断面図を示す。
【図５】本発明の第１の実施形態による差動トランス型変位センサ１の電気回路説明図である。
【図６】第１の実施形態による差動トランス式変位センサ１の出力特性測定結果を示す。
【図７】本発明の第２の実施形態による差動トランス型変位センサ１の変位部材２および検出体３の構成説明図である。
【図８】図６のＢ矢視外観図である。
【図９】図７のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線断面図を示す。
【図１０】本発明の変形例による検出体３の、（ａ）は外観図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ線断面図である。
【図１１】本発明の変形例による金属円筒３２の外観図である。
【符号の説明】
１差動トランス型変位センサ
２変位部材
３検出体
３１コア
３２金属円筒
３２ａ開口部
３２ｂ凹部
３２ｃ薄肉部
３２ｄ円形開口部
３３樹脂（緩衝部材）
４ボビン
５ａ一次コイル
５ｂ一次コイル
６ａ二次コイル
６ｂ二次コイル
７ハウジング
８回路部
９カバー
１０リード線

Claims

直線的に変位する変位部材と、前記変位部材に固定されると共に磁性体からなるコアによって構成される検出体と、前記検出体を軸方向に移動可能に収容する孔を有する筒状のボビンと、前記ボビンの外周部に巻回される差動トランスの一次コイルおよび二次コイルと、前記一次コイルおよび二次コイルの外周部に配設され前記ボビンを収容・固定する筒状のハウジングとを備えた差動トランス式変位センサにおいて、
前記検出体は、前記コアの外周部に緩衝部材を介して配設されると共に前記変位部材の固定部に圧入固定される金属円筒を有することを特徴とする差動トランス式変位センサ。
前記コアの外周部に遊嵌配設された前記金属円筒と、前記コアとの間に、前記緩衝部材が充填されることを特徴とする請求項１に記載の差動トランス式変位センサ。
前記金属円筒の側面に、軸方向に長い開口部を少なくとも１個設けたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の差動トランス式変位センサ。
前記開口部は、前記金属円筒の周方向において１８０度の対向位置に前記コアと対応して設けられ、
前記金属円筒の軸方向において、前記開口部の全長は前記コアの全長と同じまたは前記コアの全長より長く且つ前記コアの両端部は前記開口部の両端部の内側に位置することを特徴とする請求項３に記載の差動トランス式変位センサ。
前記金属円筒の側面に、軸方向に長い凹部を少なくとも１個設けたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の差動トランス式変位センサ。
前記凹部は、前記金属円筒の周方向において１８０度の対向位置に前記コアと対応して設けられ、
前記金属円筒の軸方向において、前記凹部の全長は前記コアの全長と同じまたは前記コアの全長より長く且つ前記コアの両端部は前記凹部の両端部の内側に位置することを特徴とする請求項５に記載の差動トランス式変位センサ。