JP5028683B2 - 変位センサ - Google Patents

Description

本発明は、被検出物に対向するように配置され、コイル巻線を備えた変位センサに関する。

従来から、被検出物の位置検出を行うためのセンサとして、磁気式の変位センサがある。磁気式の変位センサには、被検出物と変位センサとの相互インダクタンスの変化量を利用したものや、渦電流によるインダクタンス変化を利用したものなどが存在し、その検出形式は様々である。一方で、その構成態様は、センサコア（鉄心）及びコイル巻線から構成されているか、或いは、コイル巻線のみから構成されているのが一般的である。

センサコアとコイル巻線からなる変位センサ、或いは、コイル巻線のみからなる変位センサにおいて、その信号出力を適切なレベルで得るために、例えば、変位センサのＬ（インダクタンス）に基づいて、Ｒ（抵抗）とＣ（静電容量）からなる発振回路を形成することが考えられる。すなわち、変位センサのＬに応じてＲやＣを適宜選択した発振回路を、変位センサに接続することによって、被検出物と変位センサの相対距離の変化によるＬの変化を出力する際、感度調整やオフセット調整を行うことができるようになり、ひいては適切なレベルでの信号出力を得ることができる。

また、例えば特許文献１に開示された磁気近接センサでは、シリンダの外壁に向けて突没自在な突起体によって、当該センサ全体の動かすことができるようになっている。これにより、外部磁力源と当該センサとの距離を変えることができ、ひいては感度調整やオフセット調整を行うことができる。

なお、一般的な変位センサでは、コイルの巻き状況やセンサコアの寸法バランスのバラツキによって、そのＬを均一にするのは難しい。そのため、上述した感度調整やオフセット調整が必要になる。

特開平３−１０１０１号公報（第１図参照）

しかしながら、発振回路を利用して感度調整しようとする場合、変位センサと発振回路とは１対の構成となることから、組み立て上・メンテナンス上でも、変位センサと発振回路とを一対で組み立て・交換しなければならない。仮に、変位センサのみを交換する場合には、発振回路の回路調整（ＲやＣの変更）が必要になり、煩雑な作業を伴う（回路調整には時間が掛かる場合もある）。

また、特許文献１に開示されている磁気近接センサは、センサ全体を動かして感度調整を行おうとするものであるため、微調整が困難である。また、磁気近接センサが既にシリンダ等に固定されている場合など、設計の問題上、センサ全体を動かすことが困難な場合もある。

本発明は、以上の点に鑑みてなされたものであり、その目的は、変位センサ自体で感度調整が可能であって、ひいては生産性やメンテナンス性を向上させることが可能な変位センサを提供することにある。

以上のような課題を解決するために、本発明は、以下のものを提供する。

（１） 少なくともコイル巻線を備えて被検出物に対向するように配置する変位センサにおいて、前記コイル巻線は、前記被検出物と対向して前記被検出物に対する相対位置変化を検出するセンサ面を有し、前記被検出物と前記センサ面とのインダクタンスの変化量は、前記相対位置変化に対応して変化するとともに、前記センサ面とは反対側の位置に、前記インダクタンスの変化量を調整する調整部材が設けられており、前記調整部材は、前記センサ面との距離が変動する変動部材と、当該変動部材を押圧する押圧部材と、から構成され、前記変動部材は、弾性変形するバネ部材であることを特徴とする変位センサ。

本発明によれば、変位センサのコイル巻線は、被検出物と対向して被検出物に対する相対位置変化を検出するセンサ面を有しており、被検出物とセンサ面とのインダクタンスの変化量は、その相対位置変化に対応して変化する状態であって、センサ面とは反対側の位置に、インダクタンスの変化量を調整する調整部材が設けられていることとしたので、変位センサ自体で感度調整が可能になる。

すなわち、変位センサに設けられた調整部材の存在により、被検出物とセンサ面とのインダクタンスの変化量を調整することができるので、変位センサ自体で感度調整が可能になる。その結果、例えば発振回路などの回路部分による回路調整が必要なくなり、センサ部分と回路部分との一対一対応が不要となるので、センサ部分のみ又は回路部分のみを容易に交換できるなど、メンテナンス性を向上させることができる。また、センサ部分と回路部分との一対一対応が不要となることで（個別に製造・品質管理できるようになることで）、生産性（生産管理性）を向上させることができる。

また、従来の特許文献１に開示された磁気近接センサは、センサ全体を動かして感度調整を行うものであったが、本発明に係る変位センサは、その一構成要素である調整部材によって感度調整を行うものである。従って、特許文献１の場合と比べて、微調整を行うことが可能となる。また、設計の問題上、センサ全体を動かすことができない場合であっても、本発明に係る変位センサによれば、インダクタンスの変化量を調整することが可能である。

ここで、「少なくともコイル巻線を備えて」とあることから、センサコアの有無の如何は問わない。センサコアとコイル巻線を有する変位センサであってもよいし、コイル巻線のみを有する変位センサであってもよい。また、「センサ面とは反対側の位置」は、換言すれば、例えば磁束の向きが、センサ面から被検出物（センサコア外部）に向かう方向になっている瞬間においては、センサ面からみて磁束の向きと反対側の位置になる一方で、例えば磁束の向きが、被検出物からセンサ面を貫通する方向になっている瞬間においては、センサ面からみて磁束の向きと同じ側の位置になる。さらに、本明細書において、「インダクタンスの変化量」には、被検出物とセンサ面との相対的な距離によって決せられる相互インダクタンスの変化量だけでなく、被検出物が変位センサ（センサ面）に近づくことで、被検出物内に発生する渦電流に起因したインダクタンスの変化量が含まれるものとする。

（２） 前記調整部材は、非磁性体であることを特徴とする変位センサ。

本発明によれば、上述した調整部材は、非磁性体であることとしたので、例えば、磁気浮上モータなどの磁場中で変位センサを使用する場合や、被検出物が磁性体の場合であっても、材質に起因した悪影響を与えることなくインダクタンスの変化量を調整することができる。

（３） 前記調整部材は、磁性体であることを特徴とする変位センサ。

本発明によれば、上述した調整部材は、磁性体（温度により透磁率が変化する）であることとしたので、渦電流を検出する変位センサにおいて、材質に起因した悪影響を低減することができる。

（４） 前記調整部材は、前記被検出物の温度特性を相殺するような温度特性を有することを特徴とする変位センサ。

本発明によれば、上述した調整部材は、被検出物の温度特性を相殺するような温度特性を有することとしたので、被検出物の導電率が温度により変化し、渦電流が変化した場合であっても、その悪影響を低減することができる。

また、本発明に係る変位センサの調整部材は、前記センサ面との距離が変動する変動部材と、当該変動部材を押圧する押圧部材と、から構成されることを特徴とする。

本発明によれば、上述した調整部材は、センサ面との距離が変動する変動部材と、この変動部材を押圧する押圧部材と、から構成されることとしたので、簡易な構成で、感度調整を行うことができる。

ここで、「押圧部材」は、変動部材に対して外圧を加えることが可能なものであればよく、例えば、変動部材に対して押し込んだり引っぱったりすることで、変動部材に外圧を加えるレバーやスイッチであってもよい。また、変動部材に向けて捻じ込むことで、変動部材に外圧を加える調整ネジであってもよい。さらに、変動部材に対し、手動で外圧を与えるものであっても、（アクチュエータ等を用いて）自動的に外圧を加えるものであってもよい。

また、本発明に係る変位センサの変動部材は、弾性変形するバネ部材であることを特徴とする。

本発明によれば、上述した変動部材は、弾性変形するバネ部材であることとしたので、押圧部材の動きに追随して変形することになり、感度調整を容易に行うことができる（例えば、変動部材に加える外圧を強めたり弱めたりすることで、変動部材を容易に変形させることができ、ひいては感度調整を容易に行うことができる）。

（５） 前記コイル巻線は、前記被検出物に対向するセンサ面を備える検出用コイル巻線と、当該センサ面とは反対側の位置に配置される励磁用コイル巻線と、から構成され、前記調整部材は、少なくとも前記検出用コイル巻線の前記センサ面とは反対側の位置に設けられていることを特徴とする変位センサ。

本発明によれば、上述したコイル巻線は、被検出物に対向するセンサ面を備える検出用コイル巻線と、センサ面とは反対側の位置に配置される励磁用コイル巻線と、から構成され、調整部材は、少なくとも検出用コイル巻線のセンサ面とは反対側の位置に設けられていることとしたので、例えば２個のコイル巻線を用いて変位センサを差動構成としている場合であっても、変位センサ自体で感度調整を行うことができる。特に、差動一体型のセンサとした場合において、上述した検出用コイル巻線と励磁用コイル巻線とを近接配置することにより、各々のコイルが受ける電磁ノイズを略同等とすることができる。その結果、（差動構成に起因して）電磁波ノイズを相殺することができることから、電磁ノイズに対してより良的なセンサを提供することができる。

本発明に係る変位センサは、調整部材を有することにより、変位センサ自体で、被検出物とセンサ面とのインダクタンスの変化量を調整することができる。また、変位センサに接続される回路部分（発振回路など）と一対一対応させる必要がないため、生産性及びメンテナンス性を向上させることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る変位センサ１の機械構成を示す概略図である。

図１において、変位センサ１は、ケース２と、フレーム３と、フレーム３に固設されたボビン４と、ボビン４に巻回されたコイル巻線５と、コイル巻線５から出力信号を得るための端子６と、を有している。

また、変位センサ１は、被検出物１０と対向するように配置されており、コイル巻線５のうち、この被検出物１０と対向する面がセンサ面５Ａとなる。センサ面５Ａによって、被検出物１０に対する変位センサ１の相対位置変化が検出される。より具体的には、予めコイル巻線５には交流電流を流しておく。そして、金属性の被検出物１０が変位センサ１に接近すると、被検出物１０内に渦電流が発生し、これに起因して変位センサ１のインダクタンスが変化する。このように、被検出物１０とセンサ面５Ａとのインダクタンスの変化量は、両者の相対位置変化に対応して変化し、この変化を端子６において観察することで、被検出物１０に対する変位センサ１の相対位置変化が検出される。

ここで、図１に示すように、変位センサ１には、センサ内部に感度調整・オフセット調整をするための機構として、変動部材としての感度調整板７及び押圧部材としての調整ネジ８が設けられている。感度調整板７は、図１ではＬ字形状に折り曲げられており、一端がフレーム３に固定されている。また、調整ネジ８は、フレーム３のネジ穴（図示せず）に捻じ込まれており、時計回りに回すことで、より深く（図１中の左方向）捻じ込むことができるようになっている。これにより、調整ネジ８を時計回りに回すと、感度調整板７に対して外圧が加わることになり、感度調整板７は、図１中の左方向に押圧され、例えば感度調整板７'の位置まで変形する。そうすると、インダクタンスの変化量が調整されることになる。

図２は、図１に示す変位センサ１の出力信号を説明するための説明図である。

図２（ａ）に示すように、一般に、変位センサ１はＬ（インダクタンス）のバラツキによって、出力信号の信号レベル（交流電圧の振幅）も変化する。具体的には、図２（ａ）中、理想的な信号レベルの出力信号Ｘが、例えば、より大きな信号レベルの出力信号Ｙになったり、より小さな信号レベルの出力信号Ｚになったりする。すなわち、変位センサ１からの出力信号を検波・平滑することによって得られたＤＣ出力について着目すると、図２（ｃ）に示すように、理想的なＤＣレベルＸよりも大きなＤＣレベルＹになったり、理想的なＤＣレベルＸよりも小さなＤＣレベルＺになったりする。

そこで、上述した調整ネジ８を回して、感度調整板７を適当な位置まで変形させることによって、変位センサ１の出力信号の信号レベルを合わせることができ（図２（ｂ）参照）、その結果、検波・平滑後に理想的なＤＣレベルＸを得ることができる（図２（ｃ）参照）。

このように、本実施形態に係る変位センサ１においては、センサ面５Ａとは反対側の位置に、インダクタンスの変化量を調整するための調整部材として、感度調整板７を設けることによって、変位センサ１自体で感度調整が可能になり、ひいては生産性やメンテナンス性を向上させることができる。特に、調整ネジ８を回すことによって感度調整が可能なので、センサ全体を動かして感度調整を行う場合と比べて、より正確な微調整を行うことが可能である。

なお、本実施形態では、コアレスの変位センサ１を考えたが、センサコアを有するものを考えることもできる。図３の模式図を用いて説明すると、本実施形態に係る変位センサ１は、図３（ａ）に示すようにコアレスのものであるが、例えば図３（ｂ）に示すように、ボビン４内にセンサコア２０を有するものであってもよい。

ただし、図３（ａ）に示すようにコアレスとすることによって、ノイズの発生を防ぐことができる。具体的には、センサコア２０が飽和するような外乱磁場中で変位センサ１を使用した場合には、外乱磁界によるセンサコア２０の透磁率変化は、変位量の誤差となってしまう（すなわち、出力信号にノイズが乗ってしまう）。そこで、コアレスにすることによって、このようなノイズの発生を防ぐことができる。

なお、図３（ａ）に示す変位センサ１では、感度調整板７の折れ曲がる方向が、図１の場合と比べて逆となっているが、折れ曲がる方向については、フレーム３に固定しやすい方向に折り曲げればよい。

次に、感度調整板７の形態や材質について詳述する。感度調整板７は、調整ネジ８による外圧が加わって、その形態が変形した後、樹脂によってフレーム３等に封止される。また、本実施形態において、感度調整板７は、上述したようにＬ字形状に折り曲げられた形態になっており、弾性変形するバネ部材で構成されている。これにより、調整ネジ８を回す方向を変え、感度調整板７に加える外圧を変えることによって、感度調整板７の変形度合いを変えることができる。

図３（ａ）に示す変位センサ１では、感度調整板７を変形させるにあたって調整ネジ８を用いることとしたが、例えば、これを手で変形させることとしてもよい。図４は、図１に示す変位センサ１の変形例を示す模式図である。図４に示すように、感度調整板７をケース２（フレーム３）から少し突出させ（図４（ａ）参照）、その突出部分を指で押し倒すようにして変形させることもできる（図４（ｂ）参照）。

このように、図３（ａ）に示す変位センサ１は、センサ面５Ａとの距離が変動する感度調整板７と、感度調整板７を押圧する調整ネジ８と、から構成されていたが、図４に示す変形例によれば、変位センサ１から調整ネジ８を取り除き、コスト削減に寄与することができる。

また、図３及び図４に示す変位センサ１では、感度調整板７を変形させることで、センサ面５Ａとの距離を変えることとしたが、例えば、これをスライドさせることで距離を変えるようにしてもよい。図５は、図１に示す変位センサ１の変形例を示す模式図である。図５に示すように、感度調整板７をケース２（フレーム３）から少し突出させ（図５（ａ）参照）、その突出部分を指で移動させることもできる（図５（ｂ）参照）。

このように、図５に示す変形例によれば、感度調整板７が弾性変形しない部材であっても、センサ面５Ａとの距離を適切に変えることができる。なお、この場合には、感度調整板７が真っ直ぐスライドするように、ケース２又はフレーム３にガイド溝を設けておくことが好ましい。

また、図３及び図４に示す変位センサ１では、感度調整板７をＬ字形状に折り曲げることとしたが、例えば、これを折り曲げずに平板のまま使用しても構わない。図６は、図１に示す変位センサ１の変形例を示す模式図である。図６に示すように、感度調整板７を平板にすることで、感度調整板７の折り曲げ工程などを省くことができ、ひいては製造工程の簡易化に資することができる。

一方で、図３及び図４に示す変位センサ１では、感度調整板７又は調整ネジ８の材質として、非磁性体を採用している。これにより、例えば、磁気浮上モータなどの磁場中で変位センサを使用する場合であっても、材質に起因した悪影響が生じるのを防ぐことができる。より具体的に説明すると、磁性体の特性であるＢ−Ｈカーブは、未飽和領域においてもより厳密には線形変化しないことが知られている。すなわち、磁性体は、磁場中で使用すると、外部磁場強度によって多少透磁率が変化してしまう。そして、この透磁率変化は、インダクタンス変化を惹き起こす結果、外部磁界の変動が出力変動に現れてしまい（変位以外に起因した出力変動となり）、ノイズが生じることになる。従って、感度調整板７又は調整ネジ８の材質として非磁性体を採用することによって、かかるノイズの発生を防止することができる。なお、ここでいう非磁性体とは、例えば、アルミ，銅，非磁性ＳＵＳなどが挙げられる。また、感度調整板７と調整ネジ８とで、材質が異なっていてもよい（組合せは自由である）。

その他、感度調整板７又は調整ネジ８の材質として、磁性体を採用することもできる。磁性体は、一般的に温度によって透磁率が変化するので、渦電流を検出する形式の変位センサにおいて、材質に起因した悪影響を低減することができる。より具体的に説明すると、磁性体は、一般的に温度上昇によって透磁率が高くなることが知られている。一方で、金属の電気抵抗は温度上昇に伴って大きくなるため、渦電流は温度上昇に伴って小さくなる。これらの特性を利用して、被検出物と感度調整板７又は調整ネジ８の材質を変えることによって、温度による出力オフセットを相殺することができる。例えば、被検出物が磁性体の場合に、感度調整板７を非磁性金属にしたり、被検出物が非磁性体の場合に、感度調整板７を磁性金属にしたりすることができる。なお、ここでいう磁性体とは、例えば、珪素鋼，パーマロイ，磁性ＳＵＳ，鉄，フェライトなどが挙げられる。また、感度調整板７と調整ネジ８とで、非磁性体・磁性体を問わず、材質が異なっていてもよい（組合せは自由である）。

また、感度調整板７又は調整ネジ８の材質として、被検出物１０の温度特性を相殺するような温度特性を有するものを採用することもできる。これにより、被検出物１０の導電率が温度によって変化し、渦電流が変化した場合であっても、その悪影響を低減することができる。

図７は、本発明の他の実施の形態に係る変位センサ１Ａの機械構成を示す概略図である。図７に示す変位センサ１Ａは，２個のコイル巻線５Ｂ，５Ｃを一体のセンサに配置して、差動構成としている場合の機械構成を示している。図７（ａ）は、変位センサ１Ａの平面図を示し、図７（ｃ）は、変位センサ１Ａの側面断面図を示し、図７（ａ）は、図７（ｃ）に示す変位センサ１Ａを左方から見たときの図を示し、図７（ｄ）は、図７（ｃ）に示す変位センサ１Ａを右方から見たときの図を示している。

図７において、変位センサ１Ａのコイル巻線は、被検出物（図示を省略）に対向するセンサ面５Ａを備える検出用コイル巻線（感磁コイル）５Ｂと、センサ面５Ａとは反対側の位置に配置される励磁用コイル巻線（基準コイル）５Ｃと、から構成されている。そして、感度調整板７は、検出用コイル巻線５Ｂ及び励磁用コイル巻線５Ｃの右方、すなわちセンサ面５Ａとは反対側の位置に設けられている。

このような構成からなる変位センサ１Ａの動作について詳述する。まず、被検出物（図示を省略）が変位センサ１に接近すると、渦電流によって、感磁側の検出用コイル巻線５Ｂのインダクタンス（Ｌ）が低下する。

ここで、２個のコイルで差動構成にする場合において、被検出物が動作する範囲内で、常に、感磁コイルのＬが基準コイルのＬ以下であること又は感磁コイルのＬが基準コイルのＬ以上であることが満たされれば、ＤＣ出力は変位と共に一方方向に変化する。一方で、被検出物が動作する範囲内で、これら２個のＬが逆転する場合には、ＤＣ出力はＶ字に変化するため（検波・平滑する過程で、２個のＬの差分の絶対値をとるため）、使用不可能となる。

図７に示す変位センサ１Ａは、被検出物が無限に遠い場合であるから、接触するまでを動作範囲とした場合には、感磁コイルのＬが基準コイルのＬ以下となっている。なお、ケース２の貫通穴径について、感磁コイル付近の方が基準コイル付近よりも小さくなるように配置することによって、感磁コイルのＬが基準コイルのＬ以下となるようにすることができる。

このように、感磁コイルのＬが基準コイルのＬ以下となっている状況において、センサ感度を決める感磁コイルの調整は、感磁コイルと、ケース２のＰ枠内の突起との位置によって行われる。

しかし、図７に示す変位センサ１Ａは差動構成であるため、感磁コイルの感度のみを調整しても、オフセット電圧（出力信号のＤＣレベル）は、基準コイルのＬのバラツキ分で変動してしまうことになる。

そこで、図７では、オフセットは、感度調整板７と基準コイルとの距離によって決めるようにしている。これにより、２個のコイル巻線５Ｂ，５Ｃを用いて変位センサ１Ａを差動構成としている場合であっても、変位センサ１Ａ自体で感度調整を行うことができる。

なお、差動構成の目的からして、２個のコイルのＬは、できる限り同じにするのが好ましい。従って、図７では、被検出物が無限遠の場合に、感磁コイルのＬ＝基準コイルのＬとなるように調整している。

図８は、図７に示す変位センサ１Ａの変形例を示す模式図である。

図７に示す変位センサ１Ａでは、感度調整板７を励磁用コイル巻線（基準コイル）５Ｃの右側に設けることとしたが、例えば図８に示すように、検出用コイル巻線（感磁コイル）５Ｂと励磁用コイル巻線（基準コイル）５Ｃとの間に感度調整板７を設けることとしてもよい。

以上説明したように、本発明は、変位センサ自体で感度調整が可能なものとして有用である。

本発明の実施の形態に係る変位センサの機械構成を示す概略図である。 図１に示す変位センサの出力信号を説明するための説明図である。 図１に示す変位センサの変形例を示す模式図である。 図１に示す変位センサの変形例を示す模式図である。 図１に示す変位センサの変形例を示す模式図である。 図１に示す変位センサの変形例を示す模式図である。 本発明の他の実施の形態に係る変位センサの機械構成を示す概略図である。 図７に示す変位センサの変形例を示す模式図である。

符号の説明

１ 変位センサ
２ ケース
３ フレーム
４ ボビン
５ コイル巻線
６ 端子
７ 感度調整板
８ 調整ネジ
１０ 被検出物

Claims (5)

1. 少なくともコイル巻線を備えて被検出物に対向するように配置する変位センサにおいて、
   前記コイル巻線は、前記被検出物と対向して前記被検出物に対する相対位置変化を検出するセンサ面を有し、
   前記被検出物と前記センサ面とのインダクタンスの変化量は、前記相対位置変化に対応して変化するとともに、
   前記センサ面とは反対側の位置に、前記インダクタンスの変化量を調整する調整部材が設けられており、
   前記調整部材は、前記センサ面との距離が変動する変動部材と、当該変動部材を押圧する押圧部材と、から構成され、
   前記変動部材は、弾性変形するバネ部材であることを特徴とする変位センサ。
2. 前記調整部材は、非磁性体であることを特徴とする請求項１記載の変位センサ。
3. 前記調整部材は、磁性体であることを特徴とする請求項１記載の変位センサ。
4. 前記調整部材は、前記被検出物の温度特性を相殺するような温度特性を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか記載の変位センサ。
5. 前記コイル巻線は、前記被検出物に対向するセンサ面を備える検出用コイル巻線と、当該センサ面とは反対側の位置に配置される励磁用コイル巻線と、から構成され、
   前記調整部材は、少なくとも前記検出用コイル巻線の前記センサ面とは反対側の位置に設けられていることを特徴とする請求項１から４のいずれか記載の変位センサ。

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