JPH02502670A - 誘導変位センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 誘導変位センサ 本発明は、変位に関係する電気的アナログ出力データを提供するための変動する インダクタンスを使用するセンサに関する。変位は直線運動あるいは回転運動に よるものであり、位置決め、回転軸角度、あるいは直線運動における変動に関係 する。

回転あるいは変動における角度に対応した電気的データは、同時に速度、方向、 および総回転数を考慮した関連し得る情報とともに、機械およびロボットの分野 の上下における多くの応用の領域で計測および制御の目的のため、増々必要とさ れている。このようなデータはまた、傾斜の角度を確立あるいは測定するため、 あるいは、傾きすぎから生じる危険に対して運転中の機械のオペレータに警告す るための、名目上の静的な応用において必要とされる。電気的に情報を得る方法 は多く存在し、スライド接点が容認されるときの簡単な電位差計からキャパシタ ンスを使用した２軸精密傾斜センサまであるが、最もアナログ的装置は角度範囲 に制限があり、測定の単一径路によってなされる。しかしながら、これらすべて は単独の情報を与え、すなわち、データはスイッチがオンおよび停止の状態で有 効で動的状態と同様である。本発明の実施例は、角度データを得る最も安価で効 率のよい方法を設計する問題に対し新しい接近を使用したものである。同様の原 理が直線運動と変動の検知にまで拡張できる。

固定子と回転子の両方に電気的接続を含まずに３６０°あるいは連続した回転に 対する軸回転の電気的検知手段および正弦波を線形データに変換する手段とを提 供することは有益なことである。線形変位に対して巻線固定子を使用することは （それは相対的に高価なことである）、少なくとも固定子の全周にわたって相対 的に移動可能な要素の変位を測定できる有利さがある。直線運動あるいは回転運 動の変位に対して、線形の出力は便利である。

本発明により、つぎのような装置が提供される。

変位に関する電気的アナログ出力データを供給することに使用する装置であって 、強磁性体コアを有し一定の間隔で分離された第４部材と第２部材を具備し、前 記コアが磁気回路を定義しかつ該磁気回路の磁束路を横切る径路に沿って平行に 伸長し、前記第１部材が巻線を有する巻部を具備し該巻線が前記径路に沿って配 置されかつ直列に接続された複数のコイル部分を具備し、前記複数のコイル部分 が直列の一方の端部に第１端子を、直列の他の一方の端部に第２端子を、そして 中央のタップ接続を有し、前記磁気回路の回りに磁束を供給するために前記端子 間に交流を供給するために提供される手段を具備し、前記第２部材が前記巻線の コイル部分の近辺のインダクタンスに影響を及ぼすそれの長さに沿った交番磁束 に対して異なった有効透磁率の領域をそれが有するように構成されかつ配置され 、そして、少なくとも第２部材の部分がコイル部分に相対的に異なった有効透磁 率の領域の変位に影響を及ぼす前記径路に沿って第１部材に相対的に変位可能で あり、相対的などこの部分に対しても巻部の長さの一方の半分のコイル部分が他 の一方の半分のコイル部分より高いインダクタンスを有するように配置され、端 子間に交流が印加されかつ前記相対変位が影響を受けるとき中央のタップ接続（ Ｃ）での電圧が巻部（ＡＥ）の一方の半分の長さに対応して変位に対するほぼ線 形のアナログ特性で変化しかつさらなる半分の長さに対する検知において持続す る変位はそれの元の値の電圧に対称な形で復旧するような、変位に関する電気的 アナログ出力データを供給することに使用する装置である。

前記巻線が、第１の端子と中央のタップの間の中間に、そして、中央のタップと 第２の端子の間の中間にそれぞれ設けられた１対の中間タップ接続を有する。

これらは、一方の半分の長さの変位に対して高く他方の半分の長さの変位に対し ては低い出力を提供するのに使用でき、ゆえに、中央のタップに供給される最初 のアナログ電圧で半分の長さの変位を定義している。

１つの好ましい形態として、センサ装置が、その円周の範囲の一部のみを占有す る変位可能なコア手段を有するトロイダルコイルから構成される。他の好ましい 形態として、変位可能な素材が電気的に伝導性で適当に流動性で、コアの回り（ 一般に静的である）に短絡回路を確立するように作用する。

どちらの場合においても、コイルを回転させれば変位可能な素材の変位を駆り立 て、コイルの領域はその素材によって占有されたその度合に従属して変化するイ ンダクタンスを有する。少なくともコイルのある角度領域のインダクタンスに関 係するデータを得るための手段がある。コイルに交流電圧を供給する手段がある （例えば、１対の端子とおそらく電源供給手段から構成される）。領域間の電圧 降下を測定するための手段がある。

変位可能な素材手段がコイルの約１８０°を占有する。１８０゜の位置に端子あ るいはタップが存在し、なるべくなら、９０゜毎の間隔がよい。

変位可能なコア手段はおそらく転がるような要素、例えばボールベアリング、に よって提供される。それらは、例えば、枠組み手段によって、規則正しい間隙で 保持され、それとともに変位可能である。

もし、コア手段を外部から回転軸によって推進して回すことができれば、出力電 圧の変化は軸の位置に関係する。これは実際には明らかに不可能である。なぜな ら、トロイダル巻線がじゃまになるからである。しかし、もし装置が次のような 方法で改造されればアナログの結果を得ることができる。

ａ）磁束を再配置することによって、つまり、トロイダルの内側に制限する代わ りに、センサの回りの円形の径路をたどり回転子を経由して固定子の内側と外側 でループさせる。

ｂ）回転子の表面の２つの１８０°部分の相対的透磁率を相異させる。

このように、実施例のさらなる形態が、変位の径路に沿った連続して配置された 多数の突出巻線棒と、その１つおきの極が逆の極性であり、そして、インダクタ ンス変化部材と、それは変位によ弓て極に相対的に変位するよう配置され、また 、インダクタンス変化部材は、いかなる位置においても極の半分のみのインダク タンスに影響を及ぼし、あるいは、異なった半分に異なった方法で影響を及ぼす ように配置され、交流信号が極に供給されたとき、相対的変位は極の間あるいは 複数の極の間で電圧降下に変化し、それは変位の表示になるように構成された変 位センサを提供する。

一般に極は変位の径路と交差するように配置される。

インダクタンス変化部材は変位の方向に沿って連続した部分を有し、それらは異 なった透磁率である。

１つの形態として、極が、インダクタンス変化部材を提供する回転子を取り囲ん でいる環状の列の中に提供される。（あるいは、装置が“反転”せしめられ、回 転子が固定子の外部にある。） 第２の形態として、極がほぼ直線の列の中にあり、インダクタンス変化部材がそ の方向に細長いような形態である。

本発明のいくつかの実施例を添付図面を参照して記述する。

ここで、 第１ａ図は、本発明による回転センサの第１実施例の軸方向図、 第１ｂ図は、垂直軸面でのセンサの断面図、第２図は、センサの概略図、 第３図は、センサの出力電圧を示すグラフ、第４ａ図および第４ｂ図は、第１ａ 図および第１ｂに類似しているが第２実施例を示す図、 第５図は、本発明の直線運動の実施例を示す側面図、第６図は、本発明の回転運 動の第３実施例を示す軸方向図、第７図は、第６図に類似しているが磁束の径路 を示す図で、また、回転子の他の態様を示しており、第８図は、センサの出力電 圧を示すグラフ、第９図は、回転運動の第４実施例の斜視図、第１０図および第 １１図は、回転運動の第５実施例の軸方向の断面図および端面図、 第１２図から第１４図は、第５実施例の詳細を示す図であり、第１２図のＹ−Ｙ の線での断面図が第１３図であり、第１５図および第１６図は、本発明による直 線運動の第２実施例を示す側面図、 第１７図は、巻線での電圧降下の問題を説明したベクトル図、である。

第１ａ図および第１ｂ図で図示されるセンサは、プラスチックのような適当な非 磁性体かつ不導体である材料から造られた中空のトロイダル巻枠２を有する。巻 枠２には連続した等間隔のトロイダル巻線１が巻かれている。巻枠２の内部には 半周（ｈａｌｆ−ｒａｃｅ）分の強磁性体の球体３があり、その球体３は適当な 枠組みの内部で分離せしめられ、かつ支持されており、その枠組みは通常のボー ルベアリングの内部と同様に互いに他の球体を引きするようなことをせず球体が 自由に転がることを可能ならしめるが、互いにそれらの相対的位置は保持し、ゆ えに例えば、この例では、巻枠２によって提供される有効な円形軌道の１８０° を球体が占有する。巻線１の外部には、磁束径路を完全なものとするだめの、そ して、センサを外部の場から遮蔽し、また、センサ自身の場による他の機器への 干渉を遮蔽するための、強磁性体からなる中空のトロイダル収容体４が存在する 。

巻線は、端子ＡとＥから適当な周波数で交流を供給される。

タップの位置Ｂ、ＣおよびＤは９０°の角度間隔で配置されている。

もし、Ｍｌａ図に示される位置にセンサがあるとき、端子ＡとＥは最上部にあり 、重力によって球体はトロイダルの下半分Ｂ−Ｄを占有する。強磁性体である球 体が存在することは巻線部Ｂ−Ｄのインダクタンスが他の半分（Ａ−Ｂ部とＤ− Ｅ部からなる）より高いことになる。このように、球体によって占有された領域 （ここではＢ−Ｄ）のコイルのりアクタンスは高い。端子Ａｊ、；よびＥの間に 供給される交流電流により、あたかも、コイルの周りで移動することのできる球 体によっであるインピーダンスが提供されるかのようなことを意味する。第１ａ 図で示される位置決め基準点において、端子Ａ、Ｅ間に交流電圧が供給されたと き、端子Ｂ−Ｄ間の電圧は最大となる。もし、装置が１８０°回転せしめられれ ば、球体は他の半分を占有するので位置ＢとＤの間のインダクタンスは最小とな り、そのため、位置ＢとＤの間の電圧も最小となる。それゆえに、この電圧の計 測は存在するセンサによる検知手段を得さしめ、その計測された電圧は一方では 高い電圧であり、他方では低い電圧である。

タップの位置Ｃ（端子ＡＥと正反対に位置する）は、１８０゜の範囲内で得られ る比例した角度を表示することを可能とし、第２図に接続状態が図示されている 。第２図は、また、（ａ）。

（ｂ）、（Ｃ）および（ｄ）において９０°の間隔で位置を異にする球体の集合 を示している。

センサが回転せしめられ、それによって端子りが最上部に位置すれば、第２図（ ａ）で示されるように球体はＡ−Ｃ部を占有する。このことはＡ−Ｃ部のインダ クタンスを最大とし、それによってＡ−Ｃ間の電圧が減少する。Ｃ−Ｅ間の電圧 は最小となり、主として巻線の抵抗のみによる。

この位置からセンサが時計回りに回転せしめられると、球体がＣ−Ｅ部に入り込 むのでＣ−Ｅ部のインダクタンスと電圧は増加する。Ａ−Ｃ部の電圧はこれに対 応して減少する。第１図に示される位置（第２図（ｂ）に対応する）に達した時 には、Ａ−Ｃ間とＣ−Ｅ間のインダクタンスは等しくなり、それゆえに、Ｃ−Ｅ 間の電圧は中間の値となる。このとき、Ｂ−Ｅ間の電圧はその最大の値となる。

さらに時計回りに回転すると、すべての球体がＣ−Ｅ部に位置するまではＣ−Ｅ 間のインダクタンスおよび電圧は増加し信号が存在する。

さらに時計回りに回転するとＣ−Ｅ部のインダクタンスと電圧は再び減少する。

球体がＢ−Ａ−Ｅ−Ｄ部（第２図（ｄ））にあるときＣ−Ｅ部は中間の値となる 。このとき、Ｂ−Ｅ間の電圧はそれの最小の値である。

このように、Ｂ−Ｅ間の電圧が監視されると、その電圧が中間の値より大きいか 小さいかを検知することで球体によって２つの１８０°の部分のどちらが占有さ れているか、そして、これによって、Ｃ−Ｅ電圧特性のどの折れ線が適用できる か、の表示を提供することが可能である。Ｃ−Ｅ間の電圧の値が回転状態の測定 に使用することができる。これらの電圧と回転の間の関係が第３図にグラフで表 示される。第３図は概略図である。この特性図は実際には直線ではなく、また、 正確な測定結果を表現しようとしたものではない。

記述した実施例では球体の半円径路の形状をした移動する強磁性体コアを使用し たが、同様の効果を得るための他の多くの可能な構造が存在し、例えば、摩擦防 止のベアリングを適当に軸受けとした鉄あるいはフェライトの半トロイダル形状 の塊状コアのようなものとか、あるいは、強磁性体である流動体をトロイダル巻 枠の半分に満たすものとかである。

第４ａ図および第４ｂ図にやや異なった方法が例示されている。これは、強磁性 体コア上の巻線部分の誘導リアクタンスを減少させるための磁気回路での移動短 絡手段を導入したことを利用している。この例において短絡手段はトロイダル巻 枠内の水銀の形態によって得られる。

第４ａ図および第４ｂ図に示すように、この構造は第」実施例との多くの類似点 を持つ。このように、トロイダル巻線１は巻枠２を取り巻いているが、巻線部Ａ −Ｃと巻線部Ｃ−Ｅの２つの半分部分には反対方向の磁束を発生させるために逆 方向に巻線が巻かれており、それは漏れ磁束によって強磁性体からなる収容体４ である囲いと結合されている。トロイダル巻枠２の内部には、鉄かフェライトの ような強磁性体であり、かつ巻枠２との間に環状の間隙を残すようなより小さい 断面をもつ、完全なトロイダル５が存在する。トロイダル５は巻枠２内の位置に 、例えば、耐水銀性のニッケル板のようなものでコーティングされた銅あるいは 真ちゅうのような伝導体リング６によって固定される。環状の間隙は水銀７で半 分が満たされ、それによりコア５の円周の長さの半分は伝導体リング６と水銀７ を通しての磁気回路での短絡回路で取り囲まれる。

もし水銀短絡回路が同じ位置に球体径路と置き換えられたら、同一タップ位置で の重力に対しての回転の電圧への影響は第２図と類似しているが反転した値であ る。第２図の位置（ａ）において、巻線部Ａ−Ｃでの水銀柱はそのリアクタンス と電圧降下を最小にし、その結果、Ｃ−Ｅ間の電圧は最大となる。

第２図の位置（Ｃ）においては、その逆の状態であり、Ｃ−Ｅ間の出力電圧は最 小となる。それゆえに、電圧は同様に１８０°で最大と最小の間を変化し、同時 に、相対的な電圧の値から、またもや、Ｂ−Ｅ間の電圧は正負の論理信号を得さ しめることを特徴とする 特に、もし、センサが垂直から横に傾いたら、水銀を使用したこの構造の利用は 、球体径路あるいはそれと同等のものの機械的な静的摩擦に起因するヒステリシ スの点から鉄の移動を利用したものより優れたものを提供する。しかしながら、 簡単に提供される水銀を使用したさらなる実施例が第９図を参照して後で記述さ れるであろう。

第５図に示されるように、同様の原理が直線運動の移動センサを製作することに 適用できる。これは、適当なプラスチック土台の内部のフェライトあるいは鉄粉 のような強磁性体＜１１０）の管の内部に軸方向に巻いた巻線（１０９）を示し ており、第１ａ図および第」ｂ図の外部収容体４によって提供されるのと同様に 磁束の帰還回路を提供している。この巻線はトロイダルの場合と同様に同一の４ つの部分Ａ−Ｂ、Ｂ−Ｃ，Ｃ−り、Ｄ−Ｅを有するが、連続した平坦に横たわる 螺旋の巻線を形成している。

移動コア（１１１）は強磁性体ロッドで、銅あるいはアルミニウムの管のような 磁気回路での短絡された導体の部分（１１２）および（１１３）を携えており、 各部分（１１２，１１３）は巻線（１０９）の長さの半分に相当する。図示され た位置において、巻線部Ａ−Ｃは短絡回路部（１１２）と接合せしめられ、それ ゆえ、最小のインダクタンスを有し、このとき、Ｃ−Ｄ部は強磁性体コアと接面 しているのみでありインダクタンスは最大である。

コア（１１１）を左へ移動させれば、短絡回路（１１２）がＡ−Ｂ部を抜は出る のでＡ−Ｂ部のインダクタンスは顕著に増加し、このとき、対応した短絡回路（ １１３）の挿入はＣ−Ｅ部のインダクタンスを減少させる。Ａ−Ｅ間の交流での 励磁によってすでに述べたように各タップ位置での相対的電圧の測定はコアの位 置と関連したアナログ値を得ることができる。さらに、中間位置のタップでの値 は半分の長さの移動で対称に上昇し下降し、その半分の長さはＢ−Ｄ間の相対的 電圧の値によって決定される。Ａ−Ｃ部とＣ−Ｅ部に逆方向に巻線を巻くことは 有益であることがわかり、図において、巻線部Ｃ−Ｅと短絡回路（１１２）の間 の結合は減少し、同様にＡ−Ｃ部と短絡回路（１１３）の間もコアが移動するの で結合は減少する。

線形可変差動変成器（ＬＶＤＴ）の構造において、類似した外観の直線運動の移 動センサが永年使用されているが、それらに関する本発明によって提供される優 れた点は信号の範囲が巻線部の約半分の長さにのみ対応したＬＶＤＴで得られる ことであるが、第５図に示す構造は全体の長さが測定されることを可能としく移 動するコアの長さの増加に対応して）、回転運動センサの±１８０°の範囲に等 しい。

図示された回転運動および直線運動の実施例において、アナログ値の範囲は半回 転あるいは半分の長さの正と負に対応する。どちらを供給するかは明らかに可能 である。例えば、回転センサは、２極モータ制御の応用では、１８０°毎に反復 する情報を供給することが要求される。このため、センサの回転子は（３）と（ ４）の２つの１８０°部分の代わりに異なった透磁率を有する１対の９０°部分 を２組提供することによって４極から造ることができ、このとき、固定子は１８ ０°の範囲のみからなることを必要とする（再び、要求されるタップ位置が４の 倍数の極数によって提供される）。結果としてのアナログ値はＡ−Ｃ部あるいは Ｃ−Ｅ部から９０°の範囲であり、正と負がＢ−Ｄ部に割り当てられる。

複数回転の応用のために、２つのセンサを使用することができ、その１つは適当 な倍率で低速にすることであり、通常のシンクロあるいはレゾルバシステムのよ うなものである。長い直線運動の応用のためには、連続した固定子が端から端ま で横たえられたもので、それらの全長に沿って動く遮蔽物あるいはコアの対のよ うな連続して入出力がスイッチされ、スイッチされた信号は先行する長さからプ ログラムによって得られる。

第６図および第７図に示された回転運動の実施例は環状の固定子２１を有する。

これは内部へ伸びた４０倍数個ある突出した極を有し、例のように１２個の極（ ｈからＶ）が図解されている。すべての極は等しい巻数と等しい大きさのそれぞ れの巻線によって取り囲まれており、また、奇数と偶数の極は反対の極性である ように接続されている。巻線はすべて交流電源に直列に接続され、結果として、 回転子２２の内側と外側の磁束のループは第７図の破線で示されるようになる。

環状の固定子の中心に位置する回転子２２の表面は異なった有効透磁率の２つの １８０°の部分２３および２４に分割されている。

この相異は種々の方法によって成し遂げられ、例えば、（ａ）強磁性体で一方の 部分２３を造り、もう一方の部分２４をプラスチックのような非磁性体、かつ、 非伝導体で造ることによるか、 （ｂ）（ａ）のような方法であるが、伝導体で非磁性体部分２４であり、部分２ ４によって誘導される固定子のその部分と短絡回路層を結合して、これにより、 さらにその有効透磁率を減少させるか、 （Ｃ）部分２３および部分２４の両方を、あるいは回転子のコアの全体を強磁性 体で造り、しかし、一方の部分２４に銅あるいはアルミニウムのような伝導体金 属の短絡回路層を導入し、どちらも、通常のかご形回転子の内部のように連続し た短絡棒を接続した形態であるか、あるいは単純に表面層のようなものである。

どちらの場合においても、固定子の強磁性体コアと回転子の間の極小の間隙は巻 線固定子と回転子の枠組みあるいは短絡回路部分２４での遮蔽部分との間の結合 を最大とする。

各々の場合において、第１の部分２３に向い合った極の固定子巻線は高い誘導リ アクタンスを有し電圧降下に対応している。

回転子と固定子の強磁性体コアは通常の、打抜き薄板か、鋳造されたフェライト か、適当な樹脂あるいはプラスチックの土台に鉄あるいはフェライトの粉を鋳造 したものを使用して製造される。最後の製造方法は、巻線固定子と回転子の遮蔽 部分あるいは枠組みが同時に鋳造される点で潜在的に有益である。

回転子が回転すると、固定子の各スロットは回転子の部分２３および２４０面に よって通過されるので出力電圧の段階的な変化が生じる。これらの段階はなるべ くなら電気的機器に対して回転子の軸に相対的に固定子のスロットをスキューさ せることによって、あるいは固定子のスロットに相対的に回転子の部分２３およ び２４０面をスキューさせることによって通常の方法でなめらかに出力される。

またしても、鋳造されたコアの構造は固定子あるいは回転子の製作においてスキ ューの結合を容易にする。

各極は、その巻線が属する半分の巻線の総インダクタンスによって段階的上昇と 下降を構成する。スキューがなければ、特性は極の増加において段階をなし、ゆ えに、より多くの極があれば繊細さはより増加する。これらの増加はスキューに よってなめらかにされ、それは、段階の増加をなめらかにするために、１つの極 の幅を取り囲むことを必要とするだけである。このように、４極のみの使用は９ ０°のスキニーを必要とし、一方、２４極では１５°だけのスキューを必要とす る。この実際的な結果は、多くの極を有する装置は少ない極を有する装置より簡 単に作ることができることである。

第６図は、固定子への巻線の配置と接続を示し、回転子はそれが遮蔽された形態 で、すなわち、第２部分２４が強磁性体コア上に銅あるいはアルミニウムの表面 層を有する形態で、簡単に示しである。

図示された位置において、極に−ｐは回転子の高い透磁率部分２３に接面し、一 方、極ｑ−ｖは部分２４の短絡遮蔽した部分に接面している。端子ＡおよびＥに 供給される交流によって、端子Ｃ−Ｅ間よりＡ−Ｃ間がより電圧降下が大きい。

回転子が時計回りに回転せしめられれば、Ａ−Ｃ間の電圧は降下しＣ−Ｅ間の電 圧は上昇し、１８０°回転するい到って、Ｃ−Ｅ間の電圧は最大となりＡ−Ｃ間 の電圧は最小となる。さらに回転すると、最初の位置に達するまで電圧の変化が 反転するので、Ｃ−Ｅ間あるいはＡ−Ｃ間いずれの電圧も、１８０°の間で軸の 角度のアナログ値として使用できる。

さらに、先の応用で示したように、端子ＢおよびＤでの極ｍおよびｎと極Ｓおよ びｔの間の中間位置のタップもＡ−Ｃ間あるいはＣ−Ｅ間の電圧から９０°位相 がずれた１８０°の間で変化するアナログ電圧値を提供する。このことは他の一 方の１８０°の間のアナログ値に正負の符号を割り当てることに使用できる。な ぜなら、Ｂ−Ｄ間の電圧は一方の半回転において高く他方の半回転において低い からである。このようにして、３６０°のアナログ出力値を得ることが可能とな る。これらの実効値におけるアナログ電圧は典型的な型として第８図に示すよう になり、位相のずれとその他のエラーにより多少非線型である。（Ａ−Ｃ間の電 圧特性はＣ−Ｅ間の電圧特性の反転したものである。） 第９図は、スロットを有し第６図および第７図で示すような多極固定子２１を有 するもう１つの回転運動の実施例を示す。

しかしながら、回転子の代わりに環状の非金属の容器４０を有し液体水銀４２で 半分が満たされている。この内部に筒状の固定された内側の強磁性体コア４４が 存在する。

固定子２１は１つの歯の勾配によるスキューでスロットに巻線が巻かれている（ スキューは図示されない）。コアとの間の水銀を伴なう半円周はもう一方の伴な わない半円周より低い透磁率を発揮し、重力に相対的なセンサの角度変位を既に 述べた方法によって測定することを可能とする。

第１０図から第１４図は、土壌を突き通す器具あるいは操縦ができるように設計 されたもぐら取りのような装置のための回転運動の実施例を示している。正確な 操縦のために、水平線と相対的なもぐら取りの回転する角度を知ることが大切で ある。

加えて、回転のセンサが環状の構造であれば、もぐらに流動体を送り込むホース がその間を通ることができ、そのまわりに空気を排出することができることは便 利である。そのような回転のセンサの実際的な設計が第１０図に示される。ここ において、直径Ｈはもぐら取り内部にセンサを収容できる内部直径であり、直径 Ｊはホースを通すために必要とされる直径である。収容体端部のフランジ５０は センサの回りに空気を排出する通路のための空間５４を確保する突起５２によっ て間隙を持つ。フランジ５０は中空の軸５８を軸受けしているベアリング５６と 結合している。この軸５８は既に記述した１つの形態の、典型的には第６図に示 すような、回転子６０を携えて回転し、回転子の環状は主に適当な接着鋳型によ るフェライトあるいは鉄粉のような強磁性体の素材であり、それの半周は銅ある いはアルミニウムの伝導層によって遮蔽されている。銅の場合は、この層の高い 密度は重力の傾きを提供するのに十分であるが、もし必要なら追加の重荷を結合 できる。外部の管６２は第６図および第７図で示された形態の固定子６４を保持 しており、一方、内部の固定管６６は、密閉剤あるいはオーリングあるいは特有 の密閉手段（図示されない）のいずれかを使用して、包含され密閉された完全な 収容体を提供する。

固定子への接続は第６図に示すように、既に述べたように９０゜によって励振す る交流から２つの１８０°のアナログ出力値が得られる。

共に組み立てることを確実にするための手段は示されていないが、典型的には、 フランジはもぐら取りの部品としての目的によって設計された接合点の間を締め つけられる。しかし、他の確実とするための手段は応用に合わせて設計される。

固定子は、適当な鉄板の厚さの打ち抜いた薄板を使用した電気的恭啓のための通 常の形状で造られ、その後、極ごとに適当な回数巻線が巻かれ、この過程でも固 定子のスロットの決まった場所に巻線が巻かれることを確実とするための手段が 提供されることを含んでいる。このタイプの低い電力で高い周波数の交流装置に 対して有益さをもって使用することのできる代わりの構造は固定子の磁気回路を 、同時に巻線を組み入れて、プラスチックあるいは樹脂の適当な鋳型において結 合される鉄あるいはフェライトの粉から鋳造することである。

これを達成する方法は第１２図に示されるようにプラスチックあるいは他の絶縁 材から鋳造された巻枠７０の固定子に巻線を巻くことである。これは、巻線７２ が固定子の内側からよりも巻枠の外側から挿入されるという有利さを持ち、機械 による線を巻くことを容易にし、スロットの線とくさび状の形状の必要性を取り 除く。巻線を巻かれた巻枠は適当な収容体７４の内部に適合し、第１３図に示さ れるように磁性体の鋳物材料７６が満たされる。結果として、鋳造され巻線を巻 かれた内径を有する固定子は巻線の巻枠のプラスチック材によるスロットの線を 有する。このことは、巻線を保護する材料を最小の厚さとし、固定子と回転子の 間の空隙を最小とするために必要な機械化を可能とする。

図解は回転のセンサの実施例に直接に関係しているが、ここでの技術は、本発明 の多極構造を有するすべての回転運動および直線運動の形態に等しく応用するこ とができる。

変位による段階的出力を避けるため、回転子と固定子は少なくとも極のピッチの 相対的スキューと結合しなければならない。これは、回転子に面する高いあるい は低い透磁率の前縁および後縁を形づくるか、あるいは、極のピッチのスキュー を伴なう固定子の巻き方か、のどちらかによってなすことができる。この後者の 方法は第１３図に描かれた巻線を示している。類似したスキューは直線運動に等 価の場合にも組み入れることができる。

第１５図および第１６図は、第６図および第７図の回転運動の実施例に等価な１ ２極の直線運動の構造を示す。固定子８５は奇数と偶数は逆の極性で逆の巻き方 向である奇数と偶数の極を有し、回転子は、固定子の半分の長さが高い透磁率で もう一方の半分の長さが低い透磁率であるように作用する長さの部材によって置 き換えられている。さらに、これを達成する方法はいくつかあり、回転子で既に 記述した通りである。最も単純なものはおそらく固定子の磁束径路を提供するた めの静的な強磁性体部材８６を、空隙において移動可能な遮蔽体８７のような銅 あるいはアルミニウムの板とともに、使用することであろう。

第１５図で示される位置において、遮蔽体８７は極ｑ−ｖと結合しており、最小 の誘導リアクタンスを有し、ゆえにＡ−Ｃ間の電圧は高＜Ｃ−Ｅ間は低い。遮蔽 体８７を左へ移動するとＡ−Ｃ間の電圧は降下しＣ−Ｅ間の電圧は上昇するから 、回転運動の機器の１８０°と等価に固定子の半分の長さのアナログ値を提供す る。

固定子の全長にわたってのアナログ値を発生させるため、第１６図は、第１の遮 蔽部８７から半分の長さだけ隔たった遮蔽部８８に位置する遮蔽体８８と遮蔽体 ８７０２つの遮蔽体が必要であることを示しており、２つの部材８７および８８ は機械的に一緒に動くように結合せしめられている。一方の部材８７が固定子の 範囲外に左へ移動すると他の部分８８は右から範囲内に移動してＣ−Ｅ間の電圧 は再び降下する。極ｍ−ｎとｓ−ｔのそれぞれに接続されたタップＢとＤは再び 、Ａ−ＣおよびＣ−発生させ、ゆえに、回転運動の機器の半回転のように正確に 半分の長さに対して正負の符号を割り当てることができる。

第１５図および第１６図は直線運動の移動部材に対するただひとつの構造しか図 示していないが、固定子に沿って強磁性体材料の半分の長さが移動することは半 分の長さのアナログ値を発生させることは明らかで、それは、半分の長さだけ離 れた第２の類似する半分の長さの部材と結合することによって２重の移動体とし て作用させることができる。

第８図で図示された、Ａ−Ｃ間およびＣ−Ｅ間のアナログ電圧の位相のずれの非 線形効果については前述で言及した。理由は第１７図のグラフから理解でき、こ のグラフにおいて、左側で、電圧降下が単純化された表現でベクトルで表わされ 、巻線の自己インダクタンスとキャパシタンスおよび回転子の渦電流損の抵抗の 効果のような２次変数は無視している。巻線Ａ−Ｅのインピーダンスは単純に電 線の抵抗から構成されるものとみなされ、それはタップ位置Ｃで２つの等しい部 分に分割され、移動可能なコアの透磁部分からインダクタンスが上昇する。この インダクタンスは一定であり、空隙と他の機械的な許容範囲での変動は無視し、 しかしながらその位置は可変である。誘導性要素間の電圧は抵抗性要素間の電圧 から９０°の位相のずれがある。巻線を流れる交流電流Ｉによって、抵抗Ｒと誘 導リアクタンスＸＬにおいて、中間位置のタップＣでの電圧降下のベクトル値は ＩＲ／２の値の２つの抵抗性分であり、それらに対して直角にＩＸＬの値を持つ １つの誘導性要素間によって結合される。それゆえに、中間位置のタップＣの効 果的位置はＩＸＬ線に沿ったどこかに存在し、インダクタンス部材が各半分の部 分にいくら存在するかに依存する。Ａ−Ｃ部分においてインダクタンス部材が最 大のとき、中央のタップはＣ１の位置となる。インダクタンス部材がＣ−Ｅ部へ 移動せしめられるにつれて、位置Ｃは、すべてのインダクタンス部材がＣ−Ｅ部 に存在し、かつ、位置Ｃの電位がＣ５となるまで、ＩＸＬＯ線に沿って移動する 。

明らかに、誘導性コアが移動することの、例えば、Ｃ−Ｅ間の電圧への、影響は 、Ａ−Ｃ間の電圧に相対的なその位相が破線［：２−Ｅ　、　Ｃ３−Ｅ　、　Ｃ ４−Ｅによって示されるように変化するので、非線形となる。各位置Ｃｌ−Ｃ５ はＩＸＬの線に沿って等間隔ではあるが、Ｃ１−ＥとＣ２−Ｅの間の長さとそれ ゆえの電圧はＣ３−Ｅ　、！：Ｃ４−Ｅの間のそれより少さいという相異がある 。同様の効果がＡ−Ｃ間の電圧においてもみられる。

角度による電圧の変化はできるかぎり線形であることが望ましい。グラフから、 電圧の変化がＡおよびＥの位置に関しては非線形ではあるがＣ１と０５の間では 線形であることは明白である。もし、基準点をこの線の延長線上に見い出すこと ができ、それに関する電圧が測定されれば、変化は角度によって線形となるであ ろう。

第１７図の右側の部分はこのことを達成する方法を示している。

位相差補正回路網が端子ＡとＥから供給され、その成分の値は、接続位置をベク トルＩＸＬの両側の延長線上に持ってくる電圧振幅と位相を有する接続位置を作 り出すように調整される。この回路網は単純にコンデンサとタップ抵抗を備えて おり、図示（右側）されたように基準点Ｆを作り出す。位置ＣとＦの間の電圧は Ｃ５で最小となり、すなわち、最大のインダクタンス部材がＣ−Ｅ部にある時で ある。コアのいかなる他の位置であってもより高い電圧を生じる。最大電圧と最 小電圧の比は、すなわち、アナログ読取り値の実効ゼロ補正は、ＩＸＬ延長線上 に基準点Ｆを保持している間は、Ｆの位相のずれを変更するのに成分の値を変え ることによって変更することができ、それゆえに、望む線形を維持する。

類似の回路網が等価の位置Ｇを作り出すために他方に配置することができ、位置 ＣからＧの電圧はＦでの電圧が最大のとき最小となる。ゆえに、Ａ−Ｃ間の電圧 と他方のＣ−Ｅ間の電圧とを必要なら補正することに使用できる。

コンデンサー抵抗の回路網の代わりにインダクター抵抗の配置を使用することが でき類似の効果を得ることができる。代わりに、適当な振幅と位相の位相差電圧 がＡ−Ｅ間の電源のように同時に生成することができ、ゼロ補正のために適当な 調整を伴う。すべてのこれらの結果は、記述したすべての実施例において、アナ ログ出力から主電源の非線形性を取り除く。

非線形性は、もしＢ−Ｄ間の電圧がＡ−ＣあるいはＣ−Ｅの１８０°のアナログ 電圧に正負の符号を与えるためにのみ必要とされるのであれば、Ｂ−Ｄ間の電圧 においては重要性は少ない。なぜなら、Ｂ−Ｄ間の電圧はこの振幅を検知して設 定したレベルより大きいか小さいかを決めるために必要なだけである。

第１７図の論議において、回転子の渦電流損の抵抗の効果のような２次変数は無 視されたことが述べられた。記述されたすべてのセンサの設計に対する代わりの 方法として、電圧／位置のアナログ値を発生させるために、これらの効果を故意 に強調することである。

移動する要素における伝導性の板あるいは伝導体の短絡効果が巻線部分のインピ ーダンスを変化させることに使用される時、それらの効果は変成器の動作による ２次巻線を有効に取り入れている。銅あるいは他の伝導性の素材の抵抗率は１次 巻線の見かけ上のインピーダンスにおいて等価の実効抵抗として反映される。図 示された例において、移動要素の一方の半分に伝導層があり他の半分には何もな い。

代わりの方法は伝導層を両方の半分に提供することであるが、はなはだしく抵抗 率が異なり、同時に非磁性体である。誘導成分の変動が抵抗成分の変動によって 置き換えられ、例えば、一方の半分に銅を使用し他の半分に高抵抗の合金を使用 することによる。

実際の使用においては、交流アナログ電圧は関連する熟練した電気的技術により 直流レベルの実効値に変換される。この目的のために、交流信号の分離が要求さ れ、それは変成器の結合によって提供される。必要であれば、この分離を達成す るために、２次巻線が固定子に組み入れられる。

アナログのレベルはまた、よく知られたＡ−Ｄ変換技術を使用してディジタルに 変換される。センサからの根本的なアナログ信号の特別の長所は、スロープが直 接に速度の測定に関係していることである。これは単純に測定加速度に微分され ることができる。Ｂ−Ｄ間の電圧からの正／負の符号と結合したスロープの符号 は方向を与える。正／負の符号の論理は通過した半回転（回転運動）あるいは半 分の長さく直線運動）の回数を与え、それによって、習慣的に、回転速度発生器 と回転軸符号化群によって供給されるすべての情報は適当な信号処理回路を有す る簡単なアナログ装置からたやすく得られる。

手続補正書く方式） 平成２年り月／７日 特許庁長官　吉　１）文　毅　殿 １、事件の表示 ＰＣＴ／ＧＢ８８１０Ｏ１４１ 、発明の名称 誘導変位上ンサ ３、補正をする者 事件との関係　　　特許出願人 名称　ラディオディテクション　リミティド４、代理人 住所　〒１０５東京都港区虎ノ門−丁目８番１０号靜光虎ノ門ビル　電話５０４ −０７２１５、補正命令の日付 平成２年５月２９日（発送日） ６、補正の対象 明細書及び請求の範囲の翻訳文 ７、補正の内容 明細書、請求の範囲の翻訳文の浄書（内容に変更なし） ８、添附書類の目録 明細書及び請求の範囲の翻訳文　　各　１　通国際調査報告 国際調査報告

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．変位に関する電気的アナログ出力データを供給することに使用する装置であ って、強磁性体コア（２，３，４；５−７；１１０，１１２，１１３；２１；８ ５，８６）を有し一定の間隔で分離された第１部材（１，２，４；６４；１０９ ，１１０；２１；８５）と第２部材（３；５−７；１１１−１１３；２２；８６ ，８７；４２；６０）を具備し、前記コアが磁気回路を定義しかつ該磁気回路の 磁束路を横切る径路に沿って平行に伸長し、前記第１部材が巻線（１；１０９） を有する巻部を具備し該巻線が前記径路に沿って配置されかつ直列に接続された 複数のコイル部分（ＡＣ，ＣＥ）を具備し、前記複数のコイル部分が直列の一方 の端部に第１端子（Ａ）を、直列の他の一方の端部に第２端子（Ｅ）を、そして 中央のタップ接続（Ｃ）を有し、前記磁気回路の回りに磁束を供給するために前 記端子間に交流を供給するために提供される手段を具備し、前記第２部材（３； ５−７；６０；１１１−１１３；２３，２４；８６，８７）が前記巻線のコイル 部分の近辺のインダクタンスに影響を及ぼすそれの長さに沿った交番磁束に対し て異なった有効透磁率の領域をそれが有するように構成されかつ配置され、そし て、少なくとも第２部材の部分（３；７；６０；１１２，１１３；２３，２４； ８７）がコイル部分（ＡＣ，ＣＥ）に相対的に異なった有効透磁率の領域の変位 に影響を及ぼす前記径路に沿って第１部材（１，２，４；６４；１０９，１１０ ；２１；８５）に相対的に変位可能であり、相対的などこの部分に対しても巻部 （ＢＤ）の長さの一方の半分のコイル部分（ＡＣ，ＣＥ）が他の一方の半分（Ｄ Ｂ）のコイル部分より高いインダクタンスを有するように配置され、端子（Ａ， Ｅ）間に交流が印加されかつ前記相対変位が影響を受けるとき中央のタップ接続 （Ｃ）での電圧が巻部（ＡＥ）の一方の半分の長さに対応して変位に対するほぼ 線形のアナログ特性で変化しかつさらなる半分の長さに対する検知において持続 する変位はそれの元の値の電圧に対称な形で復旧するような、変位に関する電気 的アナログ出力データを供給することに使用する装置。 ２．前記巻線（１；１０９）が、第１の端子（Ａ）と中央のタップ（Ｃ）の間の 中間に、そして、中央のタップ（Ｃ）と第２の端子（Ｅ）の間の中間にそれぞれ 設けられた１対の中間タップ接続（Ｂ，Ｄ）を有する請求の範囲第１項記載の装 置。 ３．前記第１部材（１，２；２１；６４）と前記の相対的に変位可能な第２部材 あるいは部分（３；７；２２；６０）が相対的に回転可能でかつ前記の決められ た径路が円形である請求の範囲第１項記載の装置。 ４．回転可能な前記部材あるいは部分（３；７；４２）が水平面に対して相対的 に予め定められた角度基準点から重力によって偏よらせしめられ、それにより、 前記の電気的出力データが装置の傾斜に関係する請求の範囲第３項記載の装置。 ５．前記複数のコイル部分（ｋ，ｌ，ｍ…）が前記径路を横切るように方向づけ られた請求の範囲第１項記載の装置。 ６．連続するコイル部分（ｋ，ｌ，ｍ…）が互い違いに巻かれている請求の範囲 第５項記載の装置。 ７．前記の第２部材（４０−４４；８６，８７）の強磁性体コアが静止せしめら れかつ前記径路によって前記コイル部分から分離せしめられ、該第２部材が巻い た部分の長さの半分に等しい径路の長さの方向に伸長した遮蔽手段（４２；８７ ）を具備する変位可能な部分を有する請求の範囲第５項記載の装置。 ８．第１部材が前記コイル部分を支持する放射状に伸長したコア部分を伴なう環 状部材を含む固定子（２１）であり、前記の分離された強磁性体コア（４４）が 環状部材の内側に放射状に配置され、かつ、前記遮蔽手段が分離された強磁性体 コアとコイル部分の間に配置された環状の溝によって提供され該溝が伝導性流体 （４２）で部分的に満たされている請求の範囲第７項記載の装置。 ９．前記径路が線形でありかつ前記変位可能な部分が巻部の長さの一方の半分に 等しい距離によって他の一方から隔てられている複数の遮蔽手段を具備しかつそ れぞれは巻部の長さの一方の半分に等しい径路の長さに伸長している請求の範囲 第７項記載の装置。 １０．前記第２部材の前記強磁性体コア部材（８６）が前記径路に沿って相対的 に変位可能であり、コア部材の部分はそれの有効透磁率を減少させるためにその 表面上に短絡回路手段を有する請求の範囲第５項記載の装置。 １１．前記第２部材が、前記径路に沿って直列に強磁性体部分と非強磁性体部分 を有する相対的に変位可能なコア部材を具備する請求の範囲第５項記載の装置。 １２．前記コイル部分が、第２部材あるいは変位可能部分がその内側で相対的に 変位可能である管状の径路を定義する請求の範囲第１項記載の装置。 １３．第２部材が、径路の部分のみに伸長しかつそれに沿って変位可能である強 磁性体コア手段を具備する請求の範囲第１２項記載の装置。 １４．コイル部分が円環面を定義しかつ第２部材が円環面の一方の半分を占有し その回りで変位可能な強磁性体の球体の集合を具備する請求の範囲第１３項記載 の装置。 １５．前記第１部材が前記コイル部分を密閉する強磁性体の収容体を含みかつ前 記第２部材がコイル部分の内側の内部強磁性体コアを具備しかつそれから間隔を 持ち遮蔽あるいは短絡手段が径路の部分のみに伸長し内部コアを遮蔽あるいは短 絡するよう作用する請求の範囲第１２項記載の装置。