JP6155715B2 - 変位センサ - Google Patents

Description

本発明は、ストローク移動する移動体の変位量を検出する変位センサに関する。

ストローク移動する移動体の変位量を検出する技術として、例えば特許文献１−４に記載のものがある。特許文献１には、液面レベルの変化に応じて移動するフロート付磁性体と、ピッチが漸減するように巻き回され、フロート付磁性体の移動に伴う磁界の変化を検知する検出コイル部とを備えた液面レベルセンサが開示されている。この液面レベルセンサは、液面のレベルの変化に応じて検出コイルの近傍又は検出コイル内をフロート付磁性体が移動し、フロート付磁性体の位置に応じた検出コイルのインダクタンスの変化により液面を検出する。また、この液面レベルセンサの検出コイルは、一次コイルと二次コイルとを有して構成することも可能である。係る構成においては、一次コイルに交流電圧を印加しておき、液面のレベルの変化に応じてフロート付磁性体が移動することにより二次コイルに生じる誘導起電力に応じて液面を検出する。

特許文献２には、円弧状のガイド筒の中に磁性体球が移動自在の状態で封入され、ガイド筒の周囲に、巻き回しピッチが疎の部分及びと密の部分とを有するコイルが設けられた傾斜角センサが開示されている。この傾斜角センサは、ガイド筒が外周方向に傾斜すると、磁性体球がガイド筒の内部を移動し、コイルとの位置関係が変化する。その結果、コイルの磁気抵抗が変化するので、当該磁気抵抗の変化を検出することによりガイド筒の傾斜角を測定する。

特許文献３には、流体流通管と、当該流体流通管内に設けられる磁性体を有するフロートと、流体流通管の周囲に巻き回されたコイルとを備えた流量計が開示されている。コイルは、磁性体の位置検出範囲を網羅するコイル長を有し、交流電圧が印加される励磁コイルと、位置検出範囲を複数に分割し各範囲に対応した探索コイルとから構成される。複数の探索コイルからは、磁性体の位置に応じた電圧が出力される。これにより液面を検出する。

特許文献４には、１次コイル及び２次コイルと、駆動軸に固定された可動磁芯とを有する差動変圧器について開示されている。この作動変圧器は、１次コイルの駆動軸方向両側に一対の２次コイルが設けられ、可動磁芯の移動に応じて一対の２次コイルに生じる電圧差から可動磁芯の変位量を検出する。

特開２００１−１９４２１３号公報 特開平５−３４１５２号公報 特開平３−１８８３２４号公報 特開２０００−２１３９５６号公報

上述した特許文献１−４に記載の技術は、インピーダンスの変化又は誘導起電力の変化を検出しているので、励磁コイルや１次コイルに印加する電圧は交流である必要がある。例えばインピーダンスの変化を検出する場合には、当該インピーダンスの変化を電圧の変化に変換する変換回路が必要となる。また、誘導起電力の変化を検出する場合には、検波回路が必要となる。このため、特許文献１−４に記載の技術では、回路構成が複雑になり、その規模が大きくなってしまう。また、検出原理として交流磁界が必要となるため、金属製のシリンダー内部への設置が困難であるなど仕様環境条件に制限がある。
また、特許文献４に記載の技術は、１次コイルと２次コイルとが駆動軸の変位方向に直列配置されているので、可動部である可動磁芯は検出範囲以上の長さが必要となる。このため、１次コイルと２次コイルとの長さが、検出範囲の倍以上の長さを要し、小型化が困難である。

本発明の目的は、上記問題に鑑み、簡素な回路構成で、小型化が容易な変位センサを提供することにある。

上記目的を達成するための本発明に係る変位センサの特徴構成は、筒状の第１のコイルと、変位の検出対象であり直線または曲線上を変位する移動体と、前記移動体の変位に連動して前記第１のコイルの内部でストローク移動する軟磁性体と、前記第１のコイルに通電する電源部と、前記第１のコイルの径方向外側に、検出方向を前記第１のコイルの軸方向に沿うように配置され、前記第１のコイルの周囲の磁界の強さを検出する検出素子と、前記検出素子の検出結果に基づいて、前記移動体の変位量を演算するストローク量演算部と、を備え、前記第１のコイルは、当該第１のコイルを形成する巻線のピッチが前記第１のコイルの軸方向一方の端部から他方の端部に向けて次第に狭くなるように形成されてあり、前記軸方向一方の端部から前記他方の端部に向けて巻線のピッチが次第に広くなるように形成された筒状の第２のコイルが、前記第１のコイルと同軸心上で、且つ、互いに軸心方向に重複するように設けられてある点にある。

このような特徴構成とすれば、軟磁性体を移動体と連動してコイルの径方向内側をストローク移動させることができる。

したがって、ストローク量に応じてコイルの径方向外側の磁界を変化させることができるので、検出素子の検出結果に応じて移動体の変位量を演算することが可能となる。

また、本構成であれば、軟磁性体を囲むようにコイルを配置し、コイルの径方向外側に検出素子を備えるだけで良いので、簡素な回路構成で、小型化が可能である。

また、このような構成とすれば、軟磁性体が移動体と共にストローク移動して到達した位置に応じて、当該軟磁性体が磁化される強度を変更することができる。したがって、ストローク量に応じてコイルの径方向外側の磁界の強度を変化させることができるので、検出感度を高めることが可能となる。

また、このような構成とすれば、例えば第１のコイルと第２のコイルとに互いに異なる向きに電流を流したり、第１コイルと第２のコイルとを構成する巻線を巻き回す方向を互いに異ならせたりすることにより、第１のコイルと第２のコイルとの夫々の磁界の非線形性を互いに打ち消し合うように構成することができる。したがって、検出感度の直線性を向上することができるので、ロバスト性を高めることができる。

また、前記検出素子は、前記第１のコイルの巻線のピッチが狭くなる軸方向端部の側に配置されてあると好適である。

このような構成とすれば、軟磁性体がピッチの狭い領域にあり前記軟磁性体が強く磁化されているときには、軟磁性体と検出素子は近くなり検出素子近傍の磁界がより強くなり、軟磁性体がピッチの広い領域にあり前記軟磁性体が弱く磁化されているときには、軟磁性体と検出素子は離れ検出素子近傍の磁界がより弱くなる。したがって、検出感度を更に高めることが可能となる。

また、前記電源部が直流電源であると好適である。

このような構成とすれば、コイル及び軟磁性体から交流磁界が生じないので、渦電流が生じることがない。したがって、例えば移動体を金属で構成した場合であっても渦電流損が発生しないので、磁界への渦電流の影響をなくすことができ、変位量の検出にかかわる誤差を抑制できる。また、前記コイルを流れる電流を少なくとも２値の値を取る階段状に変化する電流であると好適である。このような電流とすることにより異なる電流時の出力の差から外乱の影響を低減した出力が得られる。

また、前記検出素子は前記第１のコイルの軸方向に沿って両側にヨークが配置されていると好適である。

このような構成とすれば、コイルから生じる磁界をヨークで集磁し、当該集磁した磁界を検出素子に入力することができる。したがって、検出感度を高めることが可能となる。

第１の実施形態に係る変位センサの構成を模式的に示す図である。 第１の実施形態に係る検出素子の検出形態を示す図である。 第２の実施形態に係る変位センサの構成を模式的に示す図である。 第３の実施形態に係る変位センサの構成を模式的に示す図である。

１．第１の実施形態
本発明に係る変位センサは、ストローク移動する移動体の変位量を検出することが可能に構成される。以下、本実施形態の変位センサ１００について詳細に説明する。図１は変位センサ１００の構成を示す模式図である。図１に示されるように、本実施形態に係る変位センサ１００は、コイル１０、移動体２０、軟磁性体３０、電源部４０、検出素子５０、ストローク量演算部６０、ヨーク７０の各機能部を備えて構成される。ストローク量演算部６０はＣＰＵを中核部材として、移動体２０のストロークに係る変位量を検出する種々の処理を行うための上述の機能部がハードウェア又はソフトウェア或いはその両方で構築されている。

コイル１０は、当該コイル１０を形成する巻線を所定のピッチで所謂空芯コイルのように巻き回して筒状に構成される。本実施形態では、この巻線のピッチがコイル１０の軸方向一方の端部から他方の端部に向けて次第に狭くなるように形成される。巻線のピッチとは、筒状の軸心が延在する方向を軸方向とした場合に、当該軸方向に沿って互いに隣接する巻線の間隔である。また、コイル１０の軸方向一方の端部とは筒状における軸方向の一方の端部が相当し、図１においては端部１０Ａの側が相当する。コイル１０の他方の端部とは、上述の軸方向の一方の側の端部に対して軸方向に沿って反対側の端部が相当し、図１においては端部１０Ｂの側が相当する。したがって、本実施形態のコイル１０は、図１に示されるように端部１０Ａに近い側ではバネが伸びたような形状となり、端部１０Ｂに近い側ではバネが縮んだような形状で構成される。

軟磁性体３０は、移動体２０と連動してコイル１０の内部でストローク移動する。移動体２０は、変位センサ１００の検出対象に相当する。コイル１０の内部とは、筒状に形成されたコイル１０の径方向内側である。本実施形態では、軟磁性体３０はコイル１０の軸方向に沿ってストローク移動する。したがって、軟磁性体３０は、コイル１０の径方向内側において、軸方向に沿って相対移動可能に設けられる。このような軟磁性体３０は、コイル１０の軸方向に沿って延在して設けられる。

詳細は後述するが、軟磁性体３０はコイル１０が通電されて生じる磁界を変化させるよう機能する。このような軟磁性体３０は、移動体２０と連動してコイル１０の径方向内側をストローク移動する。図１では移動体２０は軟磁性体３０と一体化しコイル１０内をストローク移動しているが、軟磁性体３０は移動体２０と連動してストローク移動すれば良く、リンク等の機構により移動体２０の移動を軟磁性体３０のストローク移動に変換できれば良く、移動体２０の移動をストローク移動に限定する物ではない。軟磁性体３０は、フェライト、軟鉄、ケイ素鋼、パーマロイ、センダスト、パーメンジュール等を用いると好適である。

電源部４０は、コイル１０に通電する。本実施形態では、電源部４０は直流電源から構成される。したがって、コイル１０には当該電源部４０からの直流電流が供給され、コイル１０からは当該直流電流に応じた磁界が生じる。

検出素子５０は、コイル１０の径方向外側に、検出方向をコイル１０の軸方向に沿うように配置され、コイル１０の周囲の磁界の強さを検出する。コイル１０の径方向外側とは、筒状のコイル１０の径方向外側である。筒状のコイル１０に電流が流れると、当該電流の大きさに応じて磁界が発生する。図１においても、通電される電流の向きに応じて、磁界が生じる。このような磁界を形成する磁束は、筒状の軸方向一方の側から、径方向外側を通り、他方の側に向けて戻るようなものとなる。検出素子５０は、検出方向を磁界の向きに一致させて配置される。これにより、コイル１０の径方向外側に形成される磁界の強さを効果的に検出することが可能となる。

本実施形態では、検出素子５０は、コイル１０の巻線のピッチが狭くなる軸方向端部の側に配置される。

また、本実施形態では、検出素子５０は、コイル１０の軸方向に沿って両側にヨーク７０が配置される。このようなヨーク７０は、軟磁性体を用いて構成すると好適である。これによりコイル１０の径方向外側の磁界をヨーク７０で集磁し、このように集磁した磁界を検出素子５０に入力することができるので、検出素子５０の検出感度を高めることが可能となる。このような検出素子５０の検出結果が図２に示される。

図２は、縦軸が磁界の強さであり、横軸がストローク量としている。ここで、コイル１０の巻線からの磁界の強さは、コイル１０（巻線）に流れる電流の大きさに応じたものとなる。一方、このような磁界によりコイル１０の径方向内側に設けられる軟磁性体３０が磁化される。これにより、筒状の軸方向に沿った軟磁性体３０の軸方向両側に磁極が現れ、当該磁極により更に磁界が生じる。磁化された軟磁性体３０による磁界分布は軟磁性体３０のストローク位置によって変わる為、検出素子５０を貫通する磁界も軟磁性体の位置によって変わり、検出素子５０に対して軟磁性体３０が近い時には強い磁界が、遠い場合には弱い磁界が検出素子５０を貫通する。

一方、軟磁性体３０は、端部１０Ｂから端部１０Ａに向けてピッチが次第に広くなるように巻き回されたコイル１０の径方向内側を移動体２０と共にストローク移動する。軟磁性体３０の磁化は当該軟磁性体３０が置かれる磁界の強さに応じたものとなる。したがって、ピッチが狭い場合には、軟磁性体３０の磁化が強くなり、当該軟磁性体３０からの磁界も強くなる。一方、ピッチが広い場合には、軟磁性体３０の磁化が弱くなり、当該軟磁性体３０からの磁界も弱くなる。したがって、図２に示されるように、ストローク量に応じて検出素子５０の検出結果（磁界の強さ）が変化する。このような検出素子５０の検出結果は、後述するストローク量演算部６０に出力される。

ストローク量演算部６０は、検出素子５０の検出結果に基づいて、移動体２０のストローク量を演算する。例えば、ストローク量演算部６０は、移動体２０がストローク移動していない状態における磁界の強さを基準とし、当該基準となる磁界の強さと検出素子５０から得られた磁界の強さとの差を算出して、ストローク量を演算するよう構成することも可能である。あるいは、移動体２０のストローク量と磁界の強さとの関係を規定したマップを予め記憶しておき、検出素子５０から得られた磁界の強さをマップに当て嵌めて、ストローク量を演算するよう構成することも可能である。

２．第２の実施形態
次に本発明に係る第２の実施形態について説明する。上記第１の実施形態では、コイル１０は１つであったが、本実施形態に係るコイル１０が２つ備えられる点で第１の実施形態と異なる。以下、異なる点を中心に説明する。図３は、本実施形態に係る変位センサ１００の構成を示す模式図である。

図３に示されるように、本実施形態に係る変位センサ１００は第１のコイル７１と第２のコイル７２とを備えて構成される。第１のコイル７１は、上記第１に実施形態に係るコイル１０に相当する。したがって、第１のコイル７１は筒状に構成され、巻線のピッチが軸方向の一方の端部１０Ａから他方の端部１０Ｂに向けて次第に狭くなるように形成される。

一方、第２のコイル７２は、一方の端部１０Ａから他方の端部１０Ｂに向けて巻線のピッチが次第に広くなるように巻き回され、筒状に形成される。したがって、第２のコイル７２と第１のコイル７１とは、夫々の端部における巻線のピッチの粗密状態が互いに異なるように形成される。第２のコイル７２も、第１のコイル７１と同様に筒状に構成される。この第２のコイル７２は第１のコイル７１と同軸心上で、且つ、互いに軸心方向に重複するように設けられる。

また、第１のコイル７１及び第２のコイル７２の夫々に流す電流は、当該電流を流した際に生じる磁界が第１のコイル７１及び第２のコイル７２の夫々において互いに異なる方向となるように通電される。このような磁界は、一方の端部１０Ａと他方の端部１０Ｂとの中央の位置の第１のコイル７１及び第２のコイル７２の径方向外側において、互いに打ち消すようにすると好適である。また、本実施形態では第１のコイル７１及び第２のコイル７２の夫々に流れる電流が常時同じ大きさとなるように設定される。これにより、電界の強さとストローク量との関係を規定する特性の直線性を高めることができる。したがって、ロバスト性を向上させることが可能となる。

なお、図３の例では、検出素子５０は第１のコイル７１及び第２のコイル７２の径方向外側であって、軸方向中央部に配置するように示している。これは、単なる例示であり、検出素子５０は、第１のコイル７１及び第２のコイル７２の径方向外側であれば、軸方向に沿ったいずれの位置に配置することも可能である。

３．第３の実施形態
次に本発明に係る第３の実施形態について説明する。上記第２の実施形態では、第１のコイル７１と第２のコイル７２とを備え、電源部４０が、電流が流れた際に生じる磁界の向きが互いに異なるように常時同じ大きさの電流を通電し、ストローク量演算部６０が検出素子５０の検出結果に応じてストローク量を演算するとして説明した。本実施形態に電源部４０は、第１のコイル７１と第２のコイル７２とに常時同じ大きさの電流を流すとは限らない点で第２の実施形態と異なる。以下、異なる点を中心に説明する。図４は、本実施形態に係る変位センサ１００の構成を示す模式図である。

図４に示されるように、本実施形態に係る変位センサ１００は第１のコイル７１と第２のコイル７２とを備えて構成される。本実施形態においても、第２の実施形態と同様に、第１のコイル７１は筒状に構成され、巻線のピッチが軸方向の一方の端部１０Ａから他方の端部１０Ｂに向けて次第に狭くなるように形成される。

また、本実施形態では、検出素子５０の検出結果は電源部４０に伝達される。電源部４０は、第１のコイル７１及び第２のコイル７２の夫々に対して、電流が流れた際に生じる磁界の向きが互いに逆方向になるように通電する。また、電源部４０は、移動体２０及び軟磁性体３０がストローク移動したか否かに拘らず、検出素子５０が配置された位置における磁界の強さがゼロとなるように第１のコイル７１と第２のコイル７２との夫々の電流を調整する。具体的には、電源部４０は、検出素子５０により検出される検出結果がゼロとなるように、第１のコイル７１と第２のコイル７２との夫々の電流を調整する。電源部４０により調整された電流の値は、ストローク量演算部６０に伝達される。

ストローク量演算部６０は、電源部４０から伝達された第１のコイル７１及び第２のコイル７２の夫々に流された電流の比に基づいて移動体２０及び軟磁性体３０のストローク量を演算する。このような演算は、例えば、移動体２０がストローク移動していない状態における電流の比を基準とし、当該基準となる電流の比と電源部４０から伝達された電流の値により求めた比との差を算出して、ストローク量を演算するよう構成することも可能である。あるいは、電流の比とストローク量との関係を規定したマップを予め記憶しておき、電源部４０から伝達された電流により演算した比をマップに当て嵌めて、ストローク量を演算するよう構成することも可能である。

４．その他の実施形態
上記実施形態では、コイル１０は、当該コイル１０を形成する巻線のピッチがコイル１０の軸方向一方の端部１０Ａから他方の端部１０Ｂに向けて次第に狭くなるように形成されてあるとして説明した。しかしながら、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではない。コイル１０は、当該コイル１０を形成する巻線のピッチが軸方向に沿って一様となるように形成することも当然に可能である。

上記実施形態では、検出素子５０は、コイル１０の巻線のピッチが狭くなる軸方向端部の側に配置されてあるとして説明した。しかしながら、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではない。検出素子５０は、コイル１０の巻線のピッチが広くなる軸方向端部の側に配置することも可能であるし、コイル１０の巻線のピッチに拘らずコイル１０の径方向外側に配置することも当然に可能である。

上記実施形態では、第２のコイル７２は第１のコイル７１と同軸心上で、且つ、互いに軸心方向に重複するように設けられるとして説明した。しかしながら、本発明の適用範囲はこれに限定されるものでない。第１のコイル７１と第２のコイル７２とを異なる軸心上に設けることも可能である。

上記実施形態では、第１のコイル７１と第２のコイル７２とは、通電した際に生じる磁界の向きが互いに逆方向になるように通電されるとして説明した。しかしながら、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではない。第１のコイル７１と第２のコイル７２との夫々の巻線を巻く方向を異なるようにした場合には、通電する方向を同じ向きにすることは当然に可能である。係る場合にも、通電した際に生じる磁界の向きを互い異なる方向にすることが可能である。

上記実施形態では、電源部４０が直流電源であるとして説明した。しかしながら、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではない。電源部４０として交流電源を用いることも当然に可能である。

上記実施形態では、検出素子５０はコイル１０の軸方向に沿って両側にヨーク７０が配置されているとして説明した。しかしながら、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではない。ヨーク７０を検出素子５０におけるコイル１０の軸方向に沿った片側にのみ配置することも可能であるし、ヨーク７０を配置しない構成とすることも当然に可能である。

また、前記コイルを流れる電流を少なくとも２値の値を取る階段状に変化する電流とすることも可能である。このような電流とすることにより異なる電流時の出力の差から外乱の影響を低減した出力が得られる。例えば、電流が０Ａと既定の直流の２値を取り周期的矩形波状で、かつ一定の電流値を保つ時間を、検出素子を貫通する磁界が電流変化により変化し安定化する時間以上とする。この結果、０Ａ時に検出される外乱による出力と通電時の出力の差より外乱の影響を低減した出力が得られる。

本発明は、ストローク移動する移動体の変位量を検出する変位センサに用いることが可能である。

１０：コイル
１０Ａ：軸方向一方の端部
１０Ｂ：他方の端部（軸方向他方の端部）
２０：移動体
３０：磁性体
４０：電源部
５０：検出素子
６０：ストローク量演算部
７０：ヨーク
７１：第１のコイル
７２：第２のコイル
１００：変位センサ

Claims (4)

1. 筒状の第１のコイルと、
   変位の検出対象であり直線または曲線上を変位する移動体と、
   前記移動体の変位に連動して前記第１のコイルの内部でストローク移動する軟磁性体と、
   前記第１のコイルに通電する電源部と、
   前記第１のコイルの径方向外側に、検出方向を前記第１のコイルの軸方向に沿うように配置され、前記第１のコイルの周囲の磁界の強さを検出する検出素子と、
   前記検出素子の検出結果に基づいて、前記移動体の変位量を演算するストローク量演算部と、
   を備え、
   前記第１のコイルは、当該第１のコイルを形成する巻線のピッチが前記第１のコイルの軸方向一方の端部から他方の端部に向けて次第に狭くなるように形成されてあり、
   前記軸方向一方の端部から前記他方の端部に向けて巻線のピッチが次第に広くなるように形成された筒状の第２のコイルが、前記第１のコイルと同軸心上で、且つ、互いに軸心方向に重複するように設けられてある変位センサ。
2. 前記検出素子は、前記第１のコイルの巻線のピッチが狭くなる軸方向端部の側に配置されてある請求項１に記載の変位センサ。
3. 前記電源部が直流電源である請求項１又は２に記載の変位センサ。
4. 前記検出素子は前記第１のコイルの軸方向に沿って両側にヨークが配置されている請求項１から３のいずれか一項に記載の変位センサ。

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