JP4926637B2 - 変位センサ - Google Patents

Description

本発明は、コイルと可動磁性体とを備え、可動磁性体の変位に従って出力信号が変化する変位センサに関し、特に、その出力の整流平滑に関する。

従来、上記のコイルや稼働磁性体を備えた変位センサには、例えば特許文献１に開示されたものがある。特許文献１の技術では、変位センサの出力電圧を整流する前に、その出力電圧に含まれる針状の妨害パルスを抑圧するために、ランプ形成回路、即ちローパスフィルタに供給することが開示されている。

特表２００５−５２１０４８号公報

このようにローパスフィルタを使用する場合、妨害パルスを良好に抑圧するように、ローパスフィルタの時定数を大きくしなければならない。しかし、時定数が大きいことによりローパスフィルタの出力に遅れが生じ、応答性を高めたい機器には用いることができない。変位センサの出力信号を整流した後に、平滑するために用いるローパスフィルタにおいても、整流精度を上げるために時定数の大きいローパスフィルタを使用すると、同じ理由によって応答性が遅れる。

本発明は、応答性が高い変位センサを提供することを目的とする。

本発明の一態様の変位センサは、コイルと、測定対象物の変位に応動して移動する可動磁心とを、備えている。コイルは、一次コイルのみを備えるもの、または一次コイルと二次コイルとを備えるものとすることができる。この場合、一次コイルには、周期信号、例えば正弦波信号が周期信号の信号源から供給される。二次コイルは複数設けることもできるし、１つだけ設けることもできる。可動磁心の変位に従って、変位センサの出力信号が変化する。この変位センサの出力信号に基づいて異なる位相を持つ複数の多相信号を多相信号生成手段が生成する。これら多相信号を、これらにそれぞれ対応する複数の整流手段が整流する。これら整流手段の整流出力を合成手段が合成し、ローパスフィルタに供給する。

このように構成された変位センサでは、その出力信号が多相信号に変換される。例えば出力信号が正弦波であるとすると、多相正弦波が得られ、それらを整流するので、その合成信号のリップルの周波数成分を高次に導くことができ、リップル自身も減少するので、合成手段の出力信号が供給されるローパスフィルタには、次数の低いもの、または遮断周波数の高いものを使用することができ、ローパスフィルタの出力信号の遅れを小さくすることができ、高応答性を得ることができる。

なお、複数の二次コイルを用いる場合、二次コイルは第１及び第２の２つの二次コイルからなるものとすることができる。この場合、第１及び第２の二次コイルそれぞれの出力信号の差が前記二次コイルの出力信号として出力されるように差動接続される。或いは、第１の二次コイル用に第１の多相信号生成手段を設け、第２の二次コイル用に第２の多相信号生成手段を設け、第１の多相信号生成手段の多相信号がそれぞれ第１の整流手段によって整流され、第２の多相信号生成手段の多相信号がそれぞれ第２の整流手段によって整流され、第１の整流手段の各整流出力と第２の整流手段の整流出力とを差動合成する。

多相信号生成手段は、変位センサの出力信号をそのまま出力する経路と、変位センサの出力信号が供給される１以上の移相手段とを、備えたものとすることができる。例えば二相とする場合には、移相手段は１つでよく、三相とする場合には移相手段は２つである。即ち、相数よりも１つ少ない数の移相手段を設ける。移相手段は、変位センサの出力信号の整流出力波形の間に前記移相手段の出力信号の整流出力波形が位置するように移相する。

また、前記整流手段を半波整流手段とすることができる。この場合、移相手段がｎ（ｎは１以上の正の整数）台設けられる。ｎ台の移相手段は、前記変位センサの出力信号の１周期の（ｎ＋１）分の１の位相差が、各多相信号間に生成されるように移相量が決定されている。このように構成すると、各多相信号の半波整流信号が互いに打ち消し合うことなく、またリップルを小さくして合成することができる。

或いは、整流手段を両波整流手段とすることができる。この場合、移相手段がｎ（ｎは１以上の正の整数）台設けられる。ｎ台の移相手段は、変位センサの出力信号の１周期の２（ｎ＋１）分の１の位相差が、各多相信号間に生成されるように移相量が決定されている。このように構成すると、移相量を少なくすることができる上に、半波整流する場合よりもリップルを小さく合成することができる。

以上のように本発明によれば、センサの出力信号を多相化し、これらを整流して合成するので、高次のローパスフィルタや遮断周波数を低くしたローパスフィルタを使用せずに、低次のローパスフィルタや遮断周波数を高くしたローパスフィルタを使用できるので、ローパスフィルタから出力されるセンサの整流出力信号の応答性を高めることができ、高速応答が必要な機器のセンサとして使用することが可能である。

本発明の第１実施形態の変位センサは、図１に示すように、一次コイル２を有し、これと相互誘導するように複数、例えば２つの二次コイル４ａ、４ｂが設けられている。これら一次コイル２と二次コイル４ａ、４ｂとの間に、可動磁性体、例えば可動磁芯６が設けられている。この可動磁芯６は、測定対象物、例えば空圧または油圧バルブのような流体バルブの可動部分、例えばピストンの移動に連動してスライドするように構成されている。一次コイル２には、周期信号、例えば正弦波信号が、周期信号源、例えば発振器８によって供給されている。２つの二次巻線４ａ、４ｂは、差動接続されている。即ち、２つの二次コイル４ａ、４ｂの出力信号、例えば出力電圧が、互いの極性が反対となって合成されるように接続されている。従って、可動磁芯６が中立位置に或る場合には、２つの二次巻線の出力電圧は大きさが等しいので、二次コイル４ａ、４ｂの合成出力電圧は零である。可動磁芯が移動するとその移動方向に従って二次コイル４ａ、４ｂの一方の出力電圧が大きくなり、他方の出力電圧が小さくなり、合成出力電圧は、正または負の出力電圧を発生する。

この合成出力電圧は、多相信号形成手段、例えば多相信号形成部１０に供給されている。多相信号形成部１０は、二次コイル４ａ、４ｂの合成出力電圧をそのまま出力する経路１２と、この合成出力電圧を移相する移相手段、例えば９０度移相回路１４とを有している。９０度移相回路１４は、二次コイル４ａ、４ｂの合成出力電圧の移相を９０度進相または遅相させるものである。この多相信号形成部１０によって二次コイル４ａ、４ｂの合成電圧は、９０度の位相差を持つ２相電圧に変換される。

経路１２を介して二次コイル４ａ、４ｂの合成電圧は整流手段、例えば両波整流回路１６に供給される。両波整流回路１６には一次コイル２の電圧も供給されている。両波整流回路１６は、二次コイル４ａ、４ｂの合成電圧を、一次コイル２の電圧と同期して両波整流する。同様に、９０度位相回路１４の出力電圧も、両波整流回路１８に供給されている。両波整流回路１８には、移相手段、例えば９０度移相回路２０によって、９０度移相回路１４と同じように進相または遅相された一次コイル２の電圧が供給されている。両波整流回路１８は、９０度移相回路１４の出力電圧を、９０度移相回路２０の出力電圧に同期して両波整流する。

これら両波整流回路１６、１８の両波整流電圧は、合成手段、例えば加算合成器２２によって加算合成され、ローパスフィルタ２４に供給される。このローパスフィルタ２４の出力電圧は、例えば空圧または油圧バルブのピストンの移動量を表しており、例えばフィードバック制御に使用される。

例えば二次コイル４ａ、４ｂの合成出力電圧は、図２（ａ）に示すような正弦波であるとすると、この合成電圧は、経路１２を介して両波整流回路１６に供給され、同図（ｂ）に示すように両波整流される。一方、二次コイル４ａ、４ｂの合成出力電圧は、９０度移相回路１４によって同図（ｃ）に示すように９０度移相される。この９０度移相回路１４の出力電圧は、両波整流回路１８によって同図（ｄ）に示すように両波整流される。これら２つの両波整流回路１６、１８の整流電圧は９０度位相が異なっており、加算合成器２２の出力電圧は同図（ｅ）に実線で示すようになる。なお、同図（ｅ）では、両波整流回路１６、１８の整流電圧との比較を容易にするために、両波整流回路１６、１８の整流電圧を破線で示し、かつ両波整流回路１６、１８の整流電圧と加算合成器２２の出力電圧のピークが一致するように描いてあるが、実際には両波整流回路１６、１８の整流電圧のピーク値よりも加算合成器２２の出力電圧のピーク値は大きくなる。

例えば二次コイル４ａ、４ｂの合成出力電圧を両波整流してローパスフィルタに供給する場合、ローパスフィルタには、図２（ｂ）に示すような両波整流電圧が供給される。そのため、ピークとピークとの間には１８０度の位相差があり、これを充分に平滑してリップル率を低下させようとすると、ローパスフィルタには高次のフィルタを使用しなければならない。そのためにローパスフィルタの出力電圧の応答性が悪くなる。

これに対し、この変位センサの加算合成器２２の出力電圧は、図２（ｅ）に示すようにピーク値間の位相差は９０度と半減しており、これを充分に平滑してリップル率を低下させる場合でも、ローパスフィルタ２４には低次のフィルタを使用することができる。そのためにローパスフィルタ２４の応答性が良好になり、特にフィードバック制御系のセンサとして使用しても、応答遅れが生じることはない。

本発明の第２の実施形態の変位センサを図３に示す。この変位センサでは、二次コイル４ａ、４ｂが差動接続されずに、二次コイル４ａ、４ｂの出力電圧がそれぞれ独立して出力されている。そのため、二次コイル４ａ、４ｂの出力電圧は、多相信号形成部１０ａの経路１２ａ、１２ｂを介して両波整流回路１６ａ、１６ｂに供給され、ここで両波整流され、それらの両波整流電圧が加算器１７によって差動合成されている。即ち、二次コイル４ａの出力電圧を両波整流した両波整流回路１６ａの出力電圧から、二次コイル４ｂの出力電圧を両波整流した両波整流回路１６ｂの出力電圧が減算されて、その減算値が加算器１７の出力電圧として出力されている。

同様に、二次コイル４ａ、４ｂの出力電圧は、多相信号形成部１０ａの９０度移相回路１４ａ、１４ｂでそれぞれ９０度進相または遅相され、両波整流回路１８ａ、１８ｂで両波整流される。これら両波整流回路１８ａ、１８ｂの整流出力電圧が合成器１９によって差動合成される。即ち、二次コイル４ａの出力電圧が９０度位相回路１４ａで９０度進相または遅相され両波整流回路１８ａで両波整流される。二次コイル４ｂの出力電圧が９０度位相回路１４ｂで９０度位相回路１４ａと同様に進相または遅相され、両波整流回路１８ｂで両波整流される。そして、両波整流回路１８ａの整流出力電圧から両波整流回路１８ｂの整流出力電圧が減算され、その減算値が加算器１９の出力電圧として出力される。

これら両加算器１７、１９の出力電圧が加算器２２によって加算合成され、ローパスフィルタ２４に供給される。加算器２２の出力電圧は、図２（ｅ）に示した加算器２２の出力電圧と同一のものとなる。従って、この実施形態においても、ローパスフィルタ２４には、低次のもの、または遮断周波数の高いものを使用することができる。

上記の２つの実施形態では、多相信号形成部１０、１０ａにおいて多相信号として２相信号を生成したが、これに限ったものではなく、３相以上の多相信号とすることもできる。例えば三相信号とする場合には、例えば第１の実施形態のように二次コイル４ａ、４ｂの差動合成された出力電圧を使用し、かつ両波整流回路を使用する場合には、その基準となる二次コイル４ａ、４ｂの合成出力電圧波形のピーク値（半周期１８０度）間に、６０度移相回路と、１２０度移相回路とを設けて、各多相信号間の位相差を互いに６０度（移相回路の台数２に１を加算した値（発生させようとする多相信号の相数）３で半周期１８０度を除した値）とし、これら移相回路の出力電圧と、二次コイル４ａ、４ｂの合成出力電圧とをそれぞれ両波整流し、合成すればよい。この場合、二次コイル４ａ、４ｂの合成出力電圧の両波整流波形は図４（ａ）に示すようになり、二次コイル４ａ、４ｂの合成出力電圧を６０度移相した後に両波整流した波形は同図（ｂ）に示すようになり、二次コイル４ａ、４ｂの合成出力電圧を１２０度移相した後に両波整流した波形は同図（ｃ）に示すようになる。そして、これらを最終的に合成した出力電圧の波形は同図（ｄ）に実線で示すようになる。同図（ｄ）でも、二次コイル４ａ、４ｂの合成出力電圧の両波整流波形、二次コイル４ａ、４ｂの合成出力電圧を６０度移相した後に両波整流した波形、二次コイル４ａ、４ｂの合成出力電圧を１２０度移相した後に両波整流した波形をそれぞれ破線で示してある。また、これらのピーク値と最終的に合成した出力電圧のピークが一致するように描いてある。同図（ｄ）からも明らかなように多相信号生成回路によってより多くの多相信号を発生させることによって最終合成波形は直流波形に近づくので、ローパスフィルタの次数を更に低下させること、または、遮断周波数を更に上げることができる。

第２の実施の形態のように二次コイル４ａ、４ｂの出力電圧を互いに独立して出力する場合には、二次コイル４ａ、４ｂの出力電圧をそれぞれ両波整流し、その両波整流出力電圧の差動合成を行い、二次コイル４ａ、４ｂの出力電圧をそれぞれ６０度移相した後に両波整流し、その両波整流出力の差動合成を行い、二次コイル４ａ、４ｂの出力電圧をそれぞれ１２０度移相した後に両波整流し、その両波整流出力の差動合成を行い、これら３つの差動合成出力電圧を加算合成すればよい。

上記の２つの実施形態のセンサでは、両波整流回路を使用したが、これに限ったものではなく、半波整流回路を使用することもできる。この場合、多相信号としては三相以上の信号を発生する事が望ましい。二相信号であれば、両波整流する場合と等価であるからである。例えば半波整流する場合で、三相信号を発生させる場合、移相回路は１２０度、２４０度移相するものを使用する。上記の実施形態では、二次コイルは２つ設けたが、最低限度１つだけ設けることもできる。また、一次コイルと二次コイルとを各々設けたが、直列接続した２つのコイルと可動磁性体とを有する構造で、コイルと可動磁性体との相対位置が変化することで、コイルのインピーダンスが変化し、直列接続した接続点から取り出す出力信号が変位に比例する（差動レラクタンス型センサ）であってもよい。

本発明の第１の実施形態の変位センサのブロック図である。 図１の変位センサの各部の波形図である。 本発明の第２の実施形態の変位センサのブロック図である。 第１の実施形態の変位センサの変形例の各部の波形図である。

符号の説明

２ 一次コイル
４ａ ４ｂ 二次コイル
６ 可動磁芯（可動磁性体）
１０ １０ａ 多相信号形成部（多相信号形成手段）
１２ １２ａ １２ｂ 経路
１４ １４ａ、１４ｂ ９０度移相回路（移相手段）
１６ １６ａ １６ｂ １８ １８ａ １８ｂ 両波整流回路（整流手段）
２２ 合成器（合成手段）
２４ ローパスフィルタ

Claims (4)

1. コイルと、測定対象物の変位に応動して移動する可動磁心とを、備え、この可動磁心の移動に応じて出力信号を変化させる変位センサにおいて、
   前記出力信号に基づいて異なる位相を持つ複数の多相信号を生成する多相信号生成手段と、
   これら多相信号をそれぞれ整流する複数の整流手段と、
   これら整流手段の整流出力を合成し、ローパスフィルタに供給する合成手段とを、
   具備する変位センサ。
2. 請求項１記載の変位センサにおいて、前記多相信号生成手段は、
   前記出力信号をそのまま出力する経路と、
   前記出力信号が供給される１以上の移相手段とを、
   具備し、前記移相手段は、前記出力信号の整流出力波形の間に前記移相手段の出力信号の整流出力波形が位置するように移相する
   変位センサ。
3. 請求項２記載の変位センサにおいて、前記整流手段が半波整流手段であって、前記移相手段がｎ（ｎは１以上の正の整数）台設けられ、ｎ台の移相手段は、前記出力信号の１周期の（ｎ＋１）分の１の位相差が、各多相信号間に生成されるように移相量が決定されている変位センサ。
4. 請求項２記載の変位センサにおいて、前記整流手段が両波整流手段であって、前記移相手段がｎ（ｎは１以上の正の整数）台設けられ、ｎ台の移相手段は、前記出力信号の１周期の２（ｎ＋１）分の１の位相差が、各多相信号間に生成されるように移相量が決定されている変位センサ。

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