JP6088413B2 - 差動トランス型角度センサ - Google Patents

Description

この発明は、差動トランスの出力電圧に基づいて検出対象の角度を検出する差動トランス型角度センサに関するものである。

従来より、例えば、電動バルブアクチュエータの回転角度の検出には、ポテンショメータが用いられている。一般的なポテンショメータの構造は、抵抗体、シャフト、電極およびそれらを包むケース、カバーなどで構成され、構成がシンプルなため、安価であり、内部に電子回路を有さないため、ノイズに強いという特徴がある。しかし、ポテンショメータは、抵抗体と電極が常に接触、摺動しており、経年劣化でひげ状のノイズが発生するという欠点がある。

そこで、本出願人は、電動バルブアクチュエータの回転角度の検出に差動トランス型角度センサを用いようと考えている。差動トランス型角度センサは、検出対象の角度を差動トランスの出力電圧に基づいて検出するので、検出部が非接触となり、検出部の機械的な経年変化が起こりにくという利点がある。

この差動トランス型角度センサの一例として、例えば特許文献１には、多回転角度検出器が示されている。この多回転角度検出器では、筒状ケース内に設けられた直線差動トランスのコアを回転／直動変換機構を介して直動させることにより、回転軸の多回転を直線差動トランスの出力電圧で検出する構成としている。

この多回転角度検出器において、筒状ケースの内壁には筒状ボビンが設けられており、筒状ボビンの外周に直線差動トランスの巻線として１次巻線（励磁コイル）および１対の２次巻線（検出コイル）が巻回されている。また、筒状ケースには回転／直動変換機構が設けられており、回転軸の回転を接続体の直動に変換する。直線差動トランスのコアは、各巻線の軸心に位置し、接続体の直動に伴って、軸方向に往復移動する。

図８に各巻線とコアとの関係を示す。同図において、Ｐは１次巻線（励磁コイル）、Ｓ１，Ｓ２は２次巻線（検出コイル）、Ｃはコア（可動鉄心）である。コアＣの＋Ｘ側および−Ｘ側への直線移動に応じて、２次巻線Ｓ１からは出力電圧ＶＡ、２次巻線Ｓ２からは出力電圧ＶＢが得られる。この出力電圧ＶＡ，ＶＢは、１次巻線Ｐに加えられる励磁電圧の位相と同相又は逆相の電圧で、図８では各巻線Ｓ１，Ｓ２を逆極として直列接続しているため、図９に示すような差電圧ＶＡ−ＶＢが直線差動トランスの出力電圧として得られる。

また、特許文献２には、回転型のコアと、このコアと同心状に配置された励磁コイルと、この励磁コイルを挟むように配置された第１，第２の検出コイルと、励磁コイルと第１の検出コイルとの間に配置された第１のヨークと、励磁コイルと第２の検出コイルとの間に配置された第２のヨークとを備え、第１の検出コイルの出力電圧と第２の検出コイルの出力電圧との差電圧に基づいてコアの回転角度を検出する差動トランス型角度センサが示されている。

この差動トランス型角度センサでは、第１，第２のヨークの磁束伝達部を第１，第２円弧状帯により構成し、第１，第２のヨークの磁束遮断部を第１，第２円弧帯状空間により構成し、かつ、コアの外周面を円弧角２４０゜の円弧面と円弧角１２０゜の弦面とで構成し、コアの磁束伝達部を円弧面と弦面とで囲まれた部位で構成し、コアの磁束遮断部を円弧角１２０゜の仮想円弧面と弦面とで囲まれた空間により構成している。

また、特許文献３には、傾斜面が形成された円盤状のロータと、このロータを支持する軸部となる鉄心と、この鉄心の軸部に巻回されたコイルからなる１次コイルと、傾斜面を指向する複数の突極が形成されたステータと、ステータの突極に巻回された第１および第２の２次コイルとからなる差動トランスとにより構成された回転角度検出装置が示されている。

この回転角度検出装置では、ロータの回転に伴って、ロータの傾斜面と第１および第２のコイルが巻回されたステータの突極との間のエアギャップが変化し、２次コイル間の電位が変化する。この２次コイル間の電位変化に基づいて、ロータの回転角度を検出する。

特開２０１０−２１０３０９号公報 特開２００７−２４０３７２号公報 特開２０００−１１６０６８号公報

しかしながら、上述した特許文献１，２，３に示された差動トランス型角度センサは、その作動原理からも分かるように、いずれも構造が複雑で、高価であり、電動バルブアクチュエータの角度センサとして用いるには難があった。また、例えば、特許文献１に示された多回転角度検出器では、直線差動トランスのコアを回転／直動変換機構を介して直動させるようにしており、直線差動トランスはコアの長さに対し、可動範囲を２倍以上にする必要があり、大型化が避けられない。

本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、電動バルブアクチュエータの角度検出に適用可能な、構造が簡単で安価な、小型の差動トランス型角度センサを提供することにある。

このような目的を達成するために本発明は、両端が開口された絶縁部材よりなる円弧状の管と、円弧状の管の外周面の中央に巻回された励磁コイルと、円弧状の管の一方の開口端から励磁コイルまでの間の外周面に巻回された第１の検出コイルと、円弧状の管の他方の開口端から励磁コイルまでの間の外周面に巻回された第２の検出コイルと、円弧状の管の管路中に移動可能に収容された円弧状の可動鉄心と、円弧状の管の一方の開口および他方の開口からその管路中に入り、この管路中の円弧状の可動鉄心を間に挟んで円環を形成し、この円環の一部を円弧状の管の外部に露出させた状態で、検出対象の角度変化に応じて円弧状の可動鉄心とともに円弧状の管の管路に沿って回転する非磁性材よりなる円弧状のレバーとを備えることを特徴とする（請求項１）。

この発明によれば、検出対象の角度変化に応じて、円弧状のレバーが円弧状の可動鉄心とともに円弧状の管の管路に沿って回転する。この円弧状のレバーの回転によって、円弧状の可動鉄心の第１の検出コイルおよび第２の検出コイルに対する位置が変化し、第１の検出コイルおよび第２の検出コイルから得られる出力電圧が変化する。したがって、この第１の検出コイルおよび第２の検出コイルから得られる出力電圧の差電圧の変化から、検出対象の角度を検出することが可能となる。

本発明において、円弧状のレバーは、円弧状の可動鉄心を間に挟んで円環を形成するので、３６０゜から円弧状の可動鉄心の円弧の角度を差し引いた角度の円弧とする必要がある。この場合、円弧状のレバーを円弧状の管に入れ込むためには、円弧状のレバーを２分割することが望ましい（請求項２）。すなわち、円弧状の管の一方の開口から２分割した円弧状のレバーの一方を管路中に入れ込み、円弧状の管の他方の開口から２分割した円弧状のレバーの他方を管路中に入れ込んで、円弧状の可動鉄心を間に挟んだ円環を形成するようにすることが望ましい。

本発明において、円弧状のレバーを２分割した場合、２分割された円弧状のレバーを円弧状の管の外部に露出した位置で連結する連結部材を設けるようにするとよい。この場合、連結部材は、例えば、検出対象の角度変化に応じて回転するリング部と、リング部の外周面から突出して２分割された円弧状のレバーの分割点と係合する係合部とを有するものとする（請求項３）。

また、本発明において、円弧状の管はコイルの巻軸となるが、この円弧状の管は一体物であってもよいし、管路と直交する方向（上下）に２分割されていてもよい（請求項４）。

本発明によれば、円弧状の管をコイルの巻軸とし、この円弧状の管の管路中に円弧状の可動鉄心を収容し、この円弧状の管の管路中に円弧状のレバーを入れ込んで、円弧状の可動鉄心を間に挟んで円環を形成し、円弧状のレバーを円弧状の可動鉄心とともに円弧状の管の管路に沿って回転させるような構造としたので、回転／直動変換機構などの複雑な機構を必要とせず、構造を簡単として、安価とすることが可能となる。また、小型でコンパクトな構造とし、電動バルブアクチュエータの角度検出に適用することが可能となる。

本発明に係る差動トランス型角度センサの一実施の形態の要部を示す外観斜視図である。 この差動トランス型角度センサにおける円弧状の管の２分割構造およびこの円弧状の管における円弧状の可動鉄心の収容状況を示す図である。 この差動トランス型角度センサにおける円弧状の管に励磁コイルおよび検出コイルを巻回した状態を示す図である。 この差動トランス型角度センサにおける連結部材および円弧状のレバーを入れ込んだ円弧状の管を示す斜視図である。 この差動トランス型角度センサの平面断面図である。 円弧状のレバーを時計方向に一杯まで回転した状態および反時計方向に一杯まで回転した状態を示す平面断面図である。 電動バルブアクチュエータへの取り付け用フランジを含めた差動トランス型角度センサの外観斜視図および平面断面図である。 特許文献１に示された多回転角度検出器における各巻線とコアとの関係を示す図である。 特許文献１に示された多回転角度検出器の２次巻線Ｓ１，Ｓ２から得られる出力電圧ＶＡ，ＶＢおよび差電圧ＶＡ−ＶＢの変化を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明に係る差動トランス型角度センサの一実施の形態の要部を示す外観斜視図である。

図１において、１は両端が開口された絶縁部材よりなる円弧状の管（巻軸）、２は円弧状の管１の外周面の中央に巻回された励磁コイル（１次コイル）、３は円弧状の管１の一方の開口端から励磁コイル２までの間の外周面に巻回された第１の検出コイル（２次コイル）、４は円弧状の管１の他方の開口端から励磁コイル２までの間の外周面に巻回された第２の検出コイル（２次コイル）であり、円弧状の管１の一方の開口端にはフランジ１ａが形成され、円弧状の管１の他方の開口端にはフランジ１ｂが形成されている。

この実施の形態において、円弧状の管１は、図２に示すように、上側の円弧状の管１−１と下側の円弧状の管１−２とに２分割されており、上側の円弧状の管１−１の一方および他方の開口端にフランジ１−１ａおよび１−１ｂが形成され、下側の円弧状の管１−２の一方および他方の開口端にフランジ１−２ａおよび１−２ｂが形成されている。

円弧状の管１は、この上下に分割された上側の円弧状の管１−１と下側の円弧状の管１−２とが合わせられることによって１つの管とされているが、この円弧状の管１の管路中には移動可能に円弧状の可動鉄心５が収容されている。また、上側の円弧状の管１−１と下側の円弧状の管１−２とが合わせられた後、円弧状の管１を巻軸としてこの円弧状の管１の外周面の中央に励磁コイル２が巻回され、この励磁コイル２の両側に第１の検出コイル３と第２の検出コイル４とが巻回されている（図３参照）。

図１において、６は非磁性材よりなる円弧状のレバーである。この円弧状のレバー６は、円弧状の管１の一方の開口１ｃおよび他方の開口１ｄからその管路中に入り、この管路中の円弧状の可動鉄心５を間に挟んで円環を形成し、この円環の一部が円弧状の管１の外部に露出している。図５に図１に示した差動トランス型角度センサ１００の平面断面図を示す。

本実施の形態において、円弧状のレバー６は、第１の円弧状のレバー６−１と第２の円弧状のレバー６−２とに２分割されており、この２分割された第１の円弧状のレバー６−１と第２の円弧状のレバー６−２とが円弧状の管１の外部に露出した位置で連結部材７によって連結されている。

連結部材７は、リング部７−１と、このリング部７−１の外周面に一体的に突出して設けられたフック状の係合部７−２とを有し（図４参照）、この連結部材７の係合部７−２を第１の円弧状のレバー６−１と第２の円弧状のレバー６−２との分割点に係合させることによって、第１の円弧状のレバー６−１と第２の円弧状のレバー６−２とを連結して円弧状のレバー６としている。

連結部材７において、そのリング部７−１の中心は、可動鉄心５を間に挟んで円環を形成する円弧状のレバー６の円環の中心Ｏ１に位置している。本実施の形態では、このリング部７−１が電動バルブアクチュエータの出力シャフト（図示せず）に直結される。

この差動トランス型角度センサ１００では、電動バルブアクチュエータに必要な角度検出範囲を１０５゜として、円弧状の管１の円弧の角度θ_B、円弧状の可動鉄心５の円弧の角度θ_C、励磁コイル２が巻き付けられる角度範囲θ１，第１の検出コイル３および第２の検出コイル４が巻き付けられる角度範囲θ２などを定めている。

この例では、円弧状の管１の円弧の角度θ_Bを２４５゜、励磁コイル２が巻き付けられる角度範囲θ１を２０゜、第１の検出コイル３および第２の検出コイル４が巻き付けられる角度範囲θ２を１０７．５゜、円弧状の可動鉄心５の円弧の角度θ_Cを１２７．５゜としてる。

この実施の形態では、円弧状の可動鉄心５の円弧の角度θ_Cを１２７．５゜としているので、円弧状の可動鉄心５と円弧状のレバー６とで円環を形成するためには、円弧状のレバー６の円弧の角度θ_Lを２３２．５゜とする必要がある。しかし、円弧状のレバー６の円弧の角度θ_Lを２３２．５゜とすると、円弧状の管１の一方の開口端から他方の開口端までの隙間は３６０゜−θ_B（２４５゜）＝１１５゜であるので、この隙間から円弧状のレバー６を円弧状の管１に入れ込むことができない。

そこで、本実施の形態では、円弧状のレバー６を第１の円弧状のレバー６−１と第２の円弧状のレバー６−２とに２分割し、この第１の円弧状のレバー６−１および第２の円弧状のレバー６−２の円弧の角度を１１５゜以下とし、第１の円弧状のレバー６−１と第２の円弧状のレバー６−２とを円弧状の管１に入れ込んだ後、連結部材７によって両者を連結することによって、円弧状の可動鉄心５と円弧状のレバー６とで構成される円環を形成するようにしている。

なお、上側の円弧状の管１−１と下側の円弧状の管１−２とで挟むようにして円弧状のレバー６をセットすれば、円弧状のレバー６をわざわざ２分割しなくてもよいように思われる。しかし、そのようにすると、円弧状のレバー６が邪魔になって円弧状の管１に励磁コイル２および検出コイル３，４を巻き付けることができなくなる。

すなわち、円弧状の管１の一方の開口端から他方の開口端までの隙間は円弧状の管１に検出コイル３，４を巻き付けるために必要であり、円弧状のレバー６はこの隙間から円弧状の管１に入れ込むことができるように分割しなければならない。なお、円弧状の管１の一方の開口端から他方の開口端までの隙間がなくても円弧状の管１に励磁コイル２および検出コイル３，４を巻き付けるような巻線機が開発されれば、円弧状のレバー６は分割しなくてもよい。

この差動トランス型角度センサ１００において、電動バルブアクチュエータの出力シャフトに直結された連結部材７は、この出力シャフトと一体となって回転する。これにより、円弧状のレバー６が円弧状の可動鉄心５とともに円弧状の管１の管路に沿って回転する。この円弧状のレバー６の回転によって、円弧状の可動鉄心１の第１の検出コイル３および第２の検出コイル４に対する位置が変化し、第１の検出コイル３および第２の検出コイル４から得られる出力電圧ＶＡおよびＶＢが変化する。したがって、この第１の検出コイル３および第２の検出コイル４から得られる出力電圧ＶＡおよびＶＢの差電圧ＶＡ−ＶＢの変化から、電動バルブアクチュエータの出力シャフトの回転角度を検出することが可能となる。

図６（ａ）に円弧状のレバー６が時計方向に一杯まで回転した状態を示し、図６（ｂ）に円弧状のレバー６が反時計方向に一杯まで回転した状態を示す。円弧状のレバー６が時計方向に回転すると、その回転は連結部材７の係合部７−２が円弧状の管１の一方の開口端に形成されたフランジ１ａに当接することによって規制される。また、円弧状のレバー６が反時計方向に回転すると、その回転は連結部材７の係合部７−２が円弧状の管１の他方の開口端に形成されたフランジ１ｂに当接することによって規制される。すなわち、円弧状の管１のフランジ１ａおよび１ｂは、第１の検出コイル３および第２の検出コイル４の巻き止めと円弧状のレバー６の回転止めの２つの役割を果たす。

このように、本実施の形態の差動トランス型角度センサ１００では、円弧状の管１をコイルの巻軸とし、この円弧状の管１の管路中に円弧状の可動鉄心５を収容し、この円弧状の管１の管路中に円弧状のレバー６を入れ込んで、円弧状の可動鉄心５を間に挟んで円環を形成し、円弧状のレバー６を円弧状の可動鉄心５とともに円弧状の管１の管路に沿って回転させるような構造としているので、回転／直動変換機構などの複雑な機構を必要とせず、構造を簡単として、安価とすることができるようになる。また、小型でコンパクトな構造とし、電動バルブアクチュエータの角度検出に適用することができる。

図７（ａ）に電動バルブアクチュエータへの取り付け用フランジ８を含めた差動トランス型角度センサ１００の外観斜視図を、図７（ｂ）にその平面断面を示す。電動バルブアクチュエータには、このような取り付け用フランジ８を用いて、その出力シャフトに連結部材７のリング部７−１を直結させるようにして、差動トランス型角度センサ１００を取り付ける。

なお、上述した実施の形態では、電動バルブアクチュエータへの適用例として説明したが、電動バルブアクチュエータへの適用に限られるものではない。本実施の形態の差動トランス型角度センサ１００は、適用温度範囲が比較的広く、計測範囲が９０゜程度である装置に転用が可能である。

また、上述した実施の形態では、円弧状の管１を上下（管路と直交する方向）に２分割するようにしたが、必ずしも２分割しなくてもよく、円弧状の管１を一体物としてもよい。

〔実施の形態の拡張〕
以上、実施の形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明の技術思想の範囲内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。

１…円弧状の管（巻軸）、１−１…上側の円弧状の管、１−２…下側の円弧状の管、１ａ（１−１ａ，１−２ａ）…フランジ、１ｂ（１−１ｂ，１−２ｂ）…フランジ、１ｃ…一方の開口、１ｄ…他方の開口、２…励磁コイル（１次コイル）、３…第１の検出コイル（２次コイル）、４…第２の検出コイル（２次コイル）、５…円弧状の可動鉄心、６…円弧状のレバー、６−１…第１の円弧状のレバー、６−２…第２の円弧状のレバー、７…連結部材、７−１…リング部、７−２…係合部、８…取り付け用フランジ。

Claims (4)

1. 両端が開口された絶縁部材よりなる円弧状の管と、
   前記円弧状の管の外周面の中央に巻回された励磁コイルと、
   前記円弧状の管の一方の開口端から前記励磁コイルまでの間の外周面に巻回された第１の検出コイルと、
   前記円弧状の管の他方の開口端から前記励磁コイルまでの間の外周面に巻回された第２の検出コイルと、
   前記円弧状の管の管路中に移動可能に収容された円弧状の可動鉄心と、
   前記円弧状の管の一方の開口および他方の開口からその管路中に入り、この管路中の前記円弧状の可動鉄心を間に挟んで円環を形成し、この円環の一部を前記円弧状の管の外部に露出させた状態で、検出対象の角度変化に応じて前記円弧状の可動鉄心とともに前記円弧状の管の管路に沿って回転する非磁性材よりなる円弧状のレバーと
   を備えることを特徴とする差動トランス型角度センサ。
2. 請求項１に記載された差動トランス型角度センサにおいて、
   前記円弧状のレバーは、２分割されている
   ことを特徴とする差動トランス型角度センサ。
3. 請求項２に記載された差動トランス型角度センサにおいて、
   前記２分割された円弧状のレバーを前記円弧状の管の外部に露出した位置で連結する連結部材を備え、
   前記連結部材は、
   前記検出対象の角度変化に応じて回転するリング部と、
   前記リング部の外周面から突出して前記２分割された円弧状のレバーの分割点と係合する係合部と
   を有することを特徴とする差動トランス型角度センサ。
4. 請求項１〜３の何れか１項に記載された差動トランス型角度センサにおいて、
   前記円弧状の管は、
   管路と直交する方向に２分割されている
   ことを特徴とする差動トランス型角度センサ。