JPH03296615A - 移動体の位置検出装置 - 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】 ［産業上の利用分野］ この発明は、例えば工作機械の工具の変位や自動車のク
ランクシャフトの角度変位等を非接触で測定する磁気式
の位置検出装置、特に測定精度の向上に関するものであ
る。

［従来の技術］ 例えば工作機械の工具の変位を非接触で測定する方法と
して、渦電流や光、超音波あるいは磁気等を利用した変
位計が従来から使用されている。

これらの各種変位計を使用して変位を測定する方法にお
いて、磁気を利用した測定方法は他の測定方法と比べて
悪環境でも変位を測定することカイできるため、あらゆ
る場所で古くから利用されている。

従来の磁気を利用した変位計はホール素子や磁気抵抗効
果素子あるいはコイル等からなる磁気センサを用いてい
る。

例えばコイルを使用した場合は、第５図に示すように、
Ｘ方向に移動する被測定物の可動部１０に磁瘉の方向な
Ｘ方向と垂直にした磁石１２を固定し、この磁石１２に
対して一定の距離りを置いてコイル１３を設置し、可動
部１０の移動により変化する磁石１２の磁界の強さによ
って変わるコイル１３のインピーダンスを電圧変化とし
て測定し、可動部ｌＯの変位を検出している。

第６図は、上記コイル１３により可動部１０の変位を測
定したときのコイル１３の出力電圧特性の一例を示す０
図に示すように、コイル１３の出力電圧は、正規分布の
ように変化し、コイル１３と磁石１２の中心が一致して
いるときに最大になり、磁石１２の変位が大きくなるに
したがって急激に小さくなっている。このコイル１３の
出力電圧の変化を検出して、間接的に可動部１０の変位
を計測している。

しかしながら、このように可動部１０に磁石１２を固定
し、その磁束変化により可動部ｌＯの変位を測定してい
ると、可動部ｌＯの移動に伴い磁石１２に鉄粉や鉄片あ
るいはボルト、ナツト。

座金等の小物物品等を吸着する。このため、磁石１２と
コイル１３の距離りが変動して測定誤差が生じてしまう
。

この測定誤差が生じることを防ぐために、第７図に示す
ように、コイル１３の可動部ｌＯと反対側に磁石１４を
配置し、可動部１０に強磁性体からなる被験体１１を固
定することにより、可動部１０とコイル１３との間に鉄
粉等が吸着することを防止しながら、変位を測定する方
法が用いられている。

そして、この場合第７図に示すように、磁石１４のＮＳ
の軸方向をコイル１３の中心軸と同軸とし、かつこの軸
方向を可動部１０の移動方向Ｘと垂直にな方向に配置し
たり、あるいは第８図に示すように、磁石１４のＮＳの
軸方向とコイル１３の中心軸方向を可動部１０の移動方
向Ｘと並行にすることにより、第６図に示した出力特性
と同様なコイル１３の出力電圧を得ることができる。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、上記のように可動部ｌＯに相対した１個
のコイル１３により可動部ｌＯの変位を測定する場合、
何れの場合においてもコイル１３の出力電圧は可動部１
０の変位が零のときに極大になり、変位零の近傍におけ
る出力電圧の変化が小さく、変位検出精度が悪いという
短所があった。

また、コイル１３の出力電圧が左右対象であるため、可
動部１０の移動方向がＸ方向のプラス側かマイナス側か
を直接判別することができなかった。

さらに、可動部ｌＯとコイル１３の距離がある程度変化
してもコイル１３の出力電圧はあまり変わらず、可動部
ｌＯがＸ方向に移動したのか、Ｘ方向と垂直方向に移動
したかを判別することもできなかった。

このような短所を解消し、かつ変位測定領域を拡大する
ために、第９図に示すようにコイル１３と磁石１４から
なるセンサ１５と、コイル１３の極性とは逆掻性のコイ
ル１３ａと磁石１４ａからなるセンサ１５ａを設け、第
１０図（ａ）に示すコイル１３の出力電圧と、第１０図
（ｂ）に示すコイル１３ａの出力電圧を加算して、第１
１図に示すように合成した出力電圧を得るようにして、
可動部１０の変位を測定する方法が用いられている。

しかしながら、このように２組のセンサ１５゜１５ａを
使用した場合、第１０図（ａ）、（ｂ）に示した両出力
電圧を重ねあわせるようにセンサ１５．１５ａを配置す
る必要があるが、磁石１４．１４ａの強度特性や幾何学
的な位置精度を全く同一にすることは困難であり、第１
１図に示すように可動部１０の変位零の位置に誤差を生
じてしまうという短所があった。

また、コイル１３．１３ａの出力特性をそのまま使用し
ているため、可動部１０の変位零近傍の電圧変化が小さ
く、その部分の測定精度が低下するとともにいう短所も
あった。

この発明はかかる短所を解決するためになされたもので
あり、変位測定領域を拡大するとともに、変位測定を高
精度に行なうことができる移動体の位置検出装置を得る
ことを目的とするものである。

［課題を解決するための手段］ この発明に係る移動体の位置検出装置は、強磁性体コア
に巻き回磯れ、移動体に取付けられた強磁性体からなる
被験体に対向して配置されたコイルと、ＮＳ極の軸方向
が上記コイルの中心軸とほぼ直交し、コイルの被測定部
と反対側に配設された磁石と、上記コイルに固定インピ
ーダンスを介して一定周波数、一定電圧の交流電力を供
給する交流電力供給手段と、上記強磁性体コアによるに
磁束と、磁石と移動体に取付けられた強磁性体からなる
被験体による磁束との交差により変動する上記コイルの
両端出力電圧の正側電圧と負側電圧をそれぞれ検出する
直流電圧検出手段と、直流電圧検出手段で検出した正側
電圧と負側電圧の変化から移動体の移動位置を演算する
変位算出手段とを備えたことを特徴とする。

この移動体の位置を検出するときに、上記コイルは、そ
の中心軸が移動体の移動方向と垂直になるように設置し
でもよく、あるいはその中心軸が移動体の移動方向と並
行になるように設置してもよい。

［作用］ この発明においては、強磁性体コアに巻き回されコイル
に一定周波数、一定電圧の交流電力を供給し、このコイ
ルに流れる交流電流により生じる磁界によってヒステリ
シス特性を示す強磁性体コアの透磁率によりコイルのイ
ンピーダンスを変化させ、コイルの両端出力電圧を正負
対象のほぼ矩形波状に変化させる。

このコイルに、コイルの中心軸とＮＳ極の軸方向が直交
するように配置された磁石の、移動体に取り付けられた
強磁性体からなる被験体の相対的な移動により変動する
磁束を交差させ、コイルの両端出力電圧の正側電圧と負
側電圧の電圧値を変化させる。この被験体の位置に応じ
て変化するコイルの正側電圧と負側電圧をそれぞれ検出
し、検出した正側電圧と負側電圧の差、あるいは一方の
電圧レベルの変化より、移動体の変位した位置を検出す
る。

この移動体の位置を検出するときに、コイルの中心軸を
移動体の移動方向と垂直になるように設置し、磁石なＮ
Ｓ穫の軸方向が移動体の移動方向と並行になるように配
置したり、あるいはコイルの中心軸が移動体の移動方向
と並行になるように設置し、磁石のＮＳ極の軸方向を移
動体の移動方向と垂直な方向に配置することにより、被
験体の移動に応じて磁石の磁束のコイル中心軸方向成分
を変化させることができる。

［実施例］ 第１図はこの発明の一実施例を示すブロック図である１
図に示すように、位置検出器は棒状の強磁性体コアｌに
巻き回されたコイル２と磁石３を有する。

強磁性体コアｌに巻き回されたコイル２は、その中心軸
が被測定物の可動部１０の移動方向と垂直になるように
して、可動部１０に取付けられた強磁性体からなる被験
体１１に対向して配置されている。磁石３は、ＮＳ極の
軸方向がコイル２の中心軸に対して垂直になるように配
置されている。

また、位置検出器はコイル２に固定インピーダンスを介
して一定周波数、一定電圧の交流電力を供給する発振器
を有する交流電力供給装置４、コイル２の両端に接続さ
れた直流電圧検出手段５、変位算出手段６、距離六方手
段７、記憶手段８及び表示手段９を有する。

直流電圧検出手段５は正極性検波器と負極性検波器とを
有し、コイル２の出方電圧の正側電圧と負側電圧をそれ
ぞれ検出する。

変位算出手段６は直流電圧検出手段５の出力を受けてコ
イル２の正側電圧と負側電圧の差を求め、この電圧差と
距離入力手段７で入力されるコイル２と可動部ｌＯの距
離とから可動部１０のＸ方向変位を算出する。

上記のように構成された位置検出器の動作を説明するに
あたり、まず位置検出器の原理について説明する。

コイル２に外部磁界を加えない状態で、コイル２に交流
電流を流すると、コイル２の磁束により強磁性体コアｌ
が磁化される。強磁性体コアｌの透磁率は一定でなく、
磁界の強さによって変化し、磁化曲線がヒステリシス特
性を示す、この強磁性体コアｌのヒステリシス特性を示
す磁界の強さによって、コイル２のインピーダンスＺｓ
が変化する。

このためコイル２の両端に発生する出力電圧は正負対象
の矩形波状の波形になる。そして外部磁界が加えられな
い状態では正側電圧と負側電圧は等しくなる。

この状態でコイル２の中心軸と並行に外部磁界を加える
と強磁性体コアｌを交差する磁束はコイル２で発生する
磁束と外部磁界の磁束の合成磁束となる。このためコイ
ル２の両端に発生する正側電圧と負側電圧に差が生じる
。このコイル２の両端に発生する出力電圧の正側電圧と
負側電圧を比較しその差を求めることによって間接的に
外部磁界を計測することができる。

そこで第１図に示すようにコイル２を、その中心軸２が
可動部１０の移動方向Ｘと垂直になるように設置する。

そして、このコイル２の中心軸Ｚに対してＮＳ極の軸方
向が垂直、すなわち可動部１０の移動方向Ｘと同方向に
なるように設置した磁石３と可動部１０に取付けられた 強磁性体からなる被験体１１で形成される磁気回路によ
り外部磁界をコイル２に加える。

可動部１０の移動量が零で、被験体１１がコイル２の中
心軸Ｚ上にあるときには、磁石３と被験体１１による磁
束でコイル２を貫く磁束はコイル２の中心軸Ｚと垂直に
なり、コイル２の中心軸２と並行な磁束成分は零である
。

この状態から可動部１０が図で左方向に移動し、強磁性
体からなる被験体１１がコイル２の中心軸２から左側に
ずれると、磁石３と被験体１１による磁束の方向が変る
。そしてコイル２を貫く磁束は右上りになり、この磁束
のコイル２の中心軸Ｚに並行な成分は上向きになる。

逆に、可動部ｌＯが図で右方向に移動し、強磁性体から
なる被験体１１がコイル２の中心軸２から右側にずれる
と、磁石３と被験体１１による磁束の方向が逆方向に変
り、コイル２を貫く磁束は左上りになって、コイル２の
中心軸２に並行な成分は下向きになる。

このため、磁石３と被験体１１による磁束で形成される
コイル２の中心軸Ｚ方向の磁場Ｈは、可動部１０の位置
に応じて、第２図に示すように変化する。この可動部ｌ
Ｏの位置に応じて変化する外部磁界をコイル２に加えて
、その磁界の変化をコイル２の出力電圧で検出すること
により、間接的に可動部１０の位置変化を検出すること
ができる。

次に上記原理に基ずく位置検出器の動作を説明する。第
１図に示すように、強磁性体コアｌに巻き回されたコイ
ル２とコイル２に一定距装置いて固定された磁石３を、
コイル２が被測定物の可動部１０に固定された強磁性体
からなる被験体１１と一定距離りを置くようにして設置
する。この状態でコイル２に交流電力供給装置４から固
定インピーダンス１６を介して、一定周波数、一定電圧
の交流電力を供給する。コイル２は供給された交流電流
により磁界を生じ、その磁束が強磁性体コアｌを、磁束
密度Ｂが飽和状態になるまで磁化する。この強磁性体コ
アｌの磁界の強さはコイル２に流れる交流電流によりヒ
ステリシス特性を繰返し、コイル２のインピーダンスを
交流電流の周波数と同じ周波数で変化させる。一方、こ
のコイル２には磁石２と強磁性体からなる被験体１１で
形成される磁束が加えられる。このコイル２に加えられ
る磁石２と被験体１１による磁束による磁場のコイル２
の中心軸Ｚ方向成分は、第２図に示すように可動部ＩＯ
のＸ方向移動距離に応じて変化する。

可動部ｌＯがＸ方向に移動し、被験体１１がコイル２の
中心軸２からずれると、コイル２の両端出力電圧の正側
電圧と負側電圧に差が生じる。

そこで、直流電流検出手段５でコイル２の正側電圧と負
側電圧をそれぞれ検出し、変位算出手段６に送る。変位
算出手段６は送られた正側電圧と負側電圧の電圧差ΔＶ
を演算する。

第３図は強度が一定の磁石３を使用し、コイル２と被験
体１１との距離りを変えて測定したときの５電圧差ΔＶ
の変化特性の一例を示す０図において、Ａは距離りが小
さいとき、Ｂは距離りが中程度のとき、Ｃは距離りが大
きいときの変化特性をそれぞれ示す。

コイル２の中心軸Ｚと磁石３のＮ３％の軸方向が直交し
ていると、図に示すように、被験体１１の中心がコイル
２の中心軸２と一致しているとき、すなわち、可動部ｌ
ＯのＸ方向の変位が零のときの電圧差ΔＶは検出感度の
大小にかかわらず常に零であり、可動部ＩＯの移動に応
じて電圧差Δ■は一定範囲までほぼ線形に変化する。

この距離りに対する電圧差ΔＶの変化特性があらかじめ
測定されて記憶手段８に記憶されている。

そこで、変位算出手段６で距離りに応じて定まる可動部
ｌＯのＸ方向に変位したときの電圧差ΔＶと、距離入力
手段７で入力される距ＩＩＩＬとを用い、記憶手段８に
記憶されている電圧差ΔＶの変化特性から可動部１０の
位置変位りを求める。

この求めた位置変位りを表示手段９に送り表示する。

このようにコイル２の出力電圧の正側電圧と負側電圧の
電圧差ΔＶにより位置変位を測定するから、変位測定の
際に温度が変動してコイル２の巻線抵抗と強磁性体コア
ｌや被験体１１の透磁率が変化しても、この変化による
コイルのインピーダンスは磁化電流の正負換作とも等し
く変化するので相互に補償し合い、温度変化によるコイ
ル２の正側電圧と負側電圧の差にドリフトは発生せず、
温度変動の影響なしに精度良く変位を測定することがで
きる。

なお、上記各実施例においては、強磁性体コアｌに巻き
回したコイル２の出力電圧の正側電圧と負側電圧を比較
して可動部１０の変位りを算出する場合について説明し
たが、コイル２の出力電圧を半波整流して正側電圧を検
出し、正側電圧の電圧レベルの変動を検出しても可動部
ｌＯの変位りを算出することができる。この場合コイル
２に温度補償回路を接続しておくことにより、変位測定
の際に温度が変動しても、その影響を打消すことができ
る。

なお、上記実施例はコイル２の中心軸が可動部１０の移
動方向と垂直になるように、コイル２を配置する場合に
ついて説明したが、第４図に示すように、コイル２を、
その中心軸が可動部１０の移動方向と並行になるように
配置し、磁石３を、ＮＳ極の軸方向が可動部１０の移動
方向と垂直になるように配置しても、上記実施例と同様
に可動部１０の移動変位を検出することができる。

［発明の効果］ この発明は以上説明したように、強磁性体コアに巻き回
されコイルに一定周波数、一定電圧の交流電力を供給し
、このコイルに流れる交流電流により生じる磁界によっ
てヒステリシス特性を示す強磁性体コアの透磁率により
コイルのインピーダンスを変化させ、コイルの両端出力
電圧を正負対象のほぼ矩形゛波状に変化させる。このコ
イルに、コイルの中心軸とＮＳ極の軸方向が直交するよ
うに配置された磁石の、移動体に取り付けられた強磁性
体からなる被験体の相対的な移動により変動する磁束を
交差させ、コイルの両端出力電圧の正側電圧と負側電圧
の電圧値の差をほぼ線形に変化させて、被験体の位置に
応じて変化するコイルの正側電圧と負側電圧をそれぞれ
検出し、移動体の変位した位置を検出するようにしたか
ら、変位測定領域を拡大することができるとともに、移
動体の変位した位置を精度よく測定することができる。

また、強磁性体コアをコイルに流す電流で充分飽和する
まで磁化することにより、コイルの両端に発生する出力
電圧は一定値にクリップされ、コイル両端の出力電圧は
外部磁界の強弱のみによって１礪と負極との振幅及び位
相が変化するから、交流電力の電圧や固定インピーダン
スの抵抗値が多少変化しても検出感度は変化せず、高感
度で変位を測定することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例を示すブロック図、第２図は
磁石と被験体による磁束による磁場のコイルの中心軸方
向成分の変化特性図、第３図は上記実施例の出力特性図
、第４図は他の実施例を示す配置図、第５図は従来例を
示す配置図、第６図は従来例の出力特性図、第７図、第
８図、第９図はそれぞれ他の従来例を示す配置図、第１
０図。 第１１図はそれぞれ第９図に示した従来例の動作を示す
出力特性図である。 ｌ・・・・強磁性体コア、２・・・・コイル、３・・・
・磁石、４・・・・交流電力供給装置、５・・・・直流
電圧検出手段、６・・・・変位算出手段、７・・・・距
離入力手段、 ０・・・・可動部、

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、強磁性体コアに巻き回され、移動体に取付けられた
   強磁性体からなる被験体に対向して配置されたコイルと
   、 ＮＳ極の軸方向が上記コイルの中心軸とほぼ直交し、コ
   イルの被測定部と反対側に配設された磁石と、 上記コイルに固定インピーダンスを介して一定周波数、
   一定電圧の交流電力を供給する交流電力供給手段と、 上記強磁性体コアによるに磁束と、磁石と移動体に取付
   けられた強磁性体からなる被験体による磁束との交差に
   より変動する上記コイルの両端出力電圧の正側電圧と負
   側電圧をそれぞれ検出する直流電圧検出手段と、 該直流電圧検出手段で検出した正側電圧と負側電圧の変
   化から移動体の移動位置を演算する変位算出手段と、 を備えたことを特徴とする移動体の位置検出装置。 ２、上記コイルを、その中心軸が移動体の移動方向と垂
   直になるように設置した請求項１記載の移動体の位置検
   出装置。 ３、上記コイルを、その中心軸が移動体の移動方向と並
   行になるように設置した請求項１記載の移動体の位置検
   出装置。