JPH05506091A - 位置センサ - 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】 位置センサ 本発明は、その一方の部分が少なくとも一つのコイルに接続される一方、その他 方の部分が、要素の位置いかんにより、コイルの磁界が影響を受けるようにコイ ルに近接して配置された少なくとも一つの要素に接続された２つの相対的に可動 の部分の位置センサに関するものである。

この型式の公知の位置センサは、例えば、２つの部分の動く程度いかんにより、 コアがその中により深く又はより浅く没するコイルから成っている。このように して、コイル機構のインダクタンスが変化し、コアの位置いかんによる誘導信号 が受け取られる。この型式の位置センサの欠点は、かかる機構は装置の相当なコ ストを犠牲にしなければ作動シリンダ内に一体化させることが出来ないことであ る。

本発明の目的は、簡単な方法により、調節可能な駆動機構内に構造的に一体化さ せることが出来、又、小型の装置として、位置の精密な検出及び判断を許容する 型式の位置センサを提供することである。

この目的は、本発明による位置センサにおいて、一方が第１又は駆動コイルとし て形成され、その他方が第２又はセンサコイルとして形成した少な（とも２つの コイルの２つの相対的に可動の部品の一方に接続され、これら２つのコイルが２ つの部品の他方に可動であるように接続された要素により少なくとも一部、磁気 的に結合され、移動方向に漸進的に変化する透過性及び／又は導電性を呈するよ うにすることで達成される。

この位置センサは、２つのコイルをシリンダの作動ロッドの周囲にリングとして 配置し、作動ロッドが移動方向に漸進的に変化する透過性を呈するようにするこ とにより、例えば、液圧又は空気圧作動シリンダのような駆動機構内に容易に取 り付けられる。これは、例えば、作動ロッドに対し僅かに円錐形の形状を付与し 、該円錐形部分の上に、例えば、ニッケルから成る逆円錐形の外層を被覆するこ とにより形成し、全体として、作動ロッドの円筒形状が維持されるようにする。

センサコイルを作動ロッドの周囲にリングとして配！することは、所望の結果を 実現するための可能な手段の一つにしか過ぎない。センサコイルと協働する漸進 的に変化する透過性を有する要素は、例えば、コイルを通って伸長する別個のロ ッド状要素であって、平行でかつその共通軸線方向に対して可動であるように制 御ロッドに取り付けられるロッド状要素とすることが出来る。

駆動コイルとセンサコイルとの接続部は、駆動コイルに交流電圧を付与し、セン サコイル内で誘導される信号を評価する制御及び評価回路に連結する。

駆動コイル及びセンサコイルは相互に十分近接して配置し、これらセンサとシリ ンダの作動ロッドとの間の空隙が十分に小さい場合、シリンダケーシングに対す る作動ロンドの位置いかんにより、センサコイル内に誘導される電圧が極めて大 きく変化する。

該評価回路は、プログラマブル制御手段に接続する一方、該制御手段は、シリン ダを作動させる弁を制御する。

又、位置センサのコンパクトな設計は、極めて小さい調節可能な駆動機構及び液 圧シリンダ内への取り付けを許容する。

円錐形の漸進的な外層厚さの増大率を適当に選択することにより、センサコイル 内で誘導される電圧を作動ロッドの位置の関数として線形にすることも可能であ る。軸方向位置の関数としての厚さの所望の増大率は、コンピュータ又は較正測 定装置により予め設定することが出来る。製造時、コンピュータ制御工作機械に より、例えば、Ｖ２Ａ鋼から成る作動ロッドに対応する輪郭を付与し、鋼ロッド の略円錐形の輪郭と相補的な形状を付与すべきニッケル層はその後の電解析出工 程中、コンピュータ制御による浸漬を行って付与することが出来る。

又、円筒状作動ロッドに対し特殊な表面処理を施し、その結果、例えば、適正に 制御したレーザ焼入れ法により、浸透深さを変えて焼入れすることにより、透過 性が基本的に円錐形に外部から漸進的に変化させて製造することも可能である。

コイルと作動ロッドとの間の結合領域は、シリンダケーシング内に位置するため 、機構全体は、電磁干渉に対し十分に遮蔽され、その結果、その位置を正確に測 定することが可能となる。

本発明による位置測定装置の原理は、数学的に次のように説明することが出来る 。２つのコイルを相互に隣接して配置しかつ渦電流の透過外皮厚さが異なる２つ の重ね合わせた金属層を有する要素により相互に結合したとき、渦電流の透過外 皮厚さは、次のようにめることが出来る。

ここで、ｆ＝渦電流の周波数 σ＝導電性 μ＝磁気透過性 センサコイル内で誘導される電圧Ｖｓは、次式に従い、駆動コイルを通る電流Ｉ Ｔいかんによる。

■、＝２１．　ｆ、　Ｍ、□、１γ ここで、Ｍ１□＝駆動コイルとセンサコイルとの間の相互インダクタンスｖｓは 、入力インピーダンスの大きい評価回路により測定し、温度に比較的依存する測 定信号を提供する。金属外層の厚さが、その層の渦電流の透過外皮厚さの５０％ 以下であり、作動ロッドの内層がより厚い渦電流の透過外皮厚さである場合、相 互インダクタンスＭＨ及び外層厚さにより一層、依存する結果となる。コイルの 間に小さい空隙を備え、コイルと作動ロッドとの間に小さい空隙を備えるように することで、センサの寸法を極めて小さくすることが出来るのみならず、より強 力な測定信号が得られる。２つのコイルの配置が、フェライトリングコア上の多 数ストランド巻きの形態をとる場合、センサの寸法を更に縮小させることが出来 る。このとき、センサコイルは、この多数ストランド巻線の一つのストランドで ある。得られる測定信号は、磁束効果を備えるフェライトリングコアを使用する 場合、更に向上する。

位置センサ及び評価回路により制御される調節可能な駆動機構又は液圧作動シリ ンダは、極めて高精度であるため、特に、弁の作動に適したものである。

作動ロッドの外層としてぶつ化ビニル樹脂を使用することは、この材料は、優れ た弾性を備え、密封作用を果たし、更に、その有利な電磁的性質のため、コイル と作動ロッドとの間に極めて小さい空隙を許容するから、特に有利である。

要素の透過性の漸進的な変化は、例えば、構造体的変化を生じさせる適当な表面 処理により実現することが有利である。かかる表面処理は、同様に、円筒状の制 御ロッドの円形断面積を変化させることもない。

以下、添付図面に示した実施例に関して本発明を更に詳細に説明する。

第１図は、本発明による一体化された位置センサを備える作動フリンゾの一部切 り欠き縦断面図、 第２図は、本発明による機械的に接続された位置センサを備える別の作動シリン ダの一部切り欠き縦断面図、 第３図は、第１図又は第２図に示した作動フリンゾを制御する位置センサの評価 回路の概略図、 第４図は、上記位置センサの駆動コイル及びセンサコイルのフェライトリングコ アの断面図である。

例えば、空気圧又は液圧シリンダとし、以下、液圧シリンダ１０と呼ぶ第１図に その一部を示した作動シリンダにおいて、ピストン１２はシリンダケーシング１ ４内に軸方向に摺動可能に取り付けられる。このピストン１２の中心にて、軸方 向作動ロッド１６．１８が、位置設定部材を作動させ得るように固着される。

該作動ロッド１８は、シリンダケーシング１４の長手方向端部から案内溝２０を 通って伸長し、作動ロッド１８は半径方向遊びが極めて小さい状態で軸方向に動 くことが出来る。又、案内溝２０には、シール（図示せず）が設けられており、 ピストン１２、シリンダケーシング１４及びガイド溝２０の間の圧力チャンバ２ ２内で圧力流体をタイトに密封する。圧力チャンバ２２に対する加圧流体の供給 は、圧力チャンバ２２を圧力流体源に接続する圧力流体管２６内に配置された電 気作動弁２４により制御される。又、例えば、作動ロッド１８を囲繞する円形コ イル機構２８を備えるリングがガイド溝２０に接続されかつフランジ止めされて いる。

コイル機構２８は、例えば、丁字形の形状であることが望ましいフェライトリン グコア３０と、２つのコイル３２．３４とから成っている。これらコイルは、駆 動コイル３２及び受け取りコイル３４として形成され、作動ロッド１８に対し同 軸状に配置される。コイル３２．３４には、作動ロッドが摺動するとき、コイル の損傷を回避し得るように介装させたプラスチ・ツク層３６が作動ロッド１８の 上方に設けられている。コイル３２．３４と作動ロッド１８との間の空隙は、０ １乃至１ｍｍとする。これらコイル間の空隙も又、１ｍｍ以下に小さくすること が望ましい。

作動ロッド１８は、ピストン１２から外方に伸長する円錐形にテーパーが付けら れた中実の内側部分３８から成り、例えば、その内面が円錐形の内側部分３８に 正確に適合する囲繞する中空円筒状の外側部分４０と共に、Ｖ２Ａ鋼にて形成さ れる。これら２つの相補的に円錐形の部分３８．４０により、作動ロッド１８は 円形シリンダの外形を維持する。

外側部分４０は、その渦電流の透過外皮厚さはＶ２Ａ鋼の場合の厚さと著しく異 なるような、例えば、ニッケルにて形成してもよい。ニッケルの渦電流の透過外 皮厚さはＶ２Ａ鋼の透過厚さよりも著しく薄い。外側部分４０の厚さは、ピスト ンにて約１μｍで、その位置の反対端部で約５０μｍである。駆動コイル３２内 の交流電流の場合、１００乃至２００ｋＨｚの範囲の周波数のとき、センサコイ ル３４内で誘導される電圧は、ピストン１２、従って作動ロッド１８の位置に依 存して、例えば、５０％異なる。−例として、これは、ロッドの径が２０ｍｍで あり、コイルが約Ｑ、５ｍｍの隙間を有し、コイル間の空隙が約０．３ｍｍの場 合である。このように、適正な寸法としたコイル装置は、２０ｍｍ乃至５００ｍ ｍのビストンストロークに対して、作動ロッドに対する位置を約１％の範囲の精 度で表示することが出来る。一方、受は取った測定ａ号は、液圧／リンダ１０を 精密に制御する目的にて、以下に掲げた評価及び制御回路により付与することが 出来る。

第２図には、第１図の液圧シリンダ１０と同様であり、従って、略同−の部品は 同一の参照符号で示す液圧シリンダ４２が示しである。第１図の構成との相違は 、作動ロッド自体が、渦電流の透過外皮厚が漸進的に変化するコイルコアとして 機能せず、位１センサ４３は、連結要素４６により液圧シリンダ４２の作動ロッ ド４４に接続されることを理由とするものである。この位置センサ４３も同様に 、その構成部品は図１に示したものと同一であり、固定状態に配置したコイル機 構２８から成り、作動ロッド１４により動かし得るように連結要素４６により支 持され、該コアロッド４８は、第１図の作動ロッド１８と同様、コイル機構２８ を通って軸方向に動き、２つの相補的な円錐形状の同軸状部品から成る。第２図 に示した形態のとき、位置センサは、第１図の場合のように液圧シリンダ１０内 に一体化されず、必要であれば、液圧シリンダから容易に除去し、交換し、又は 別の装置に取り付けることが出来る。

第３図には、第１図及び第２図に示した位置センサの信号評価回路及び制御シス テム５０が概略図で示しである。該評価回路及び制御システム５０は、例えば、 回路５６をして位置センサ２８の駆動コイル３２に対し所定の振幅及び周波数の 出力信号を供給せしめる励起信号を付与する出力側５４が設けられた、例えば、 ８０ビツトコンピユータのような単一チップコンビ二−タ５２を基本にする。セ ンサコイル３４内で誘導され、作動ロッド１８又は４８の位置に依存する振幅を 有するＶ５信号は、受信回路５７内で増幅され、入力側５８を介してマイクロプ ロセッサ５２のアナログ−デジタル変換器部分に付与される。マイクロプロセッ サ５２は、インターフェイス又はバス接続６０用の入出力装置を更に備えており 、これら入出力装置により、プロセッサは、プログラマブル制御システムとのデ ータ交換が可能となる。次に、マイクロプロセッサ５２への入力側５８における 信号は、液圧シリンダの制御に関し、理論／実際の比較を行ってチェックするこ とが出来、この目的上、マイクロプロセッサ５２は、駆動回路に対する２つの出 力側６２．６４を備えており、これにより、電気作動弁、即ち、電磁弁２４を作 動させることが出来る。

温度変動を最小にするため、駆動回路５６には、一定の電流を保証する部分を設 けることが出来る。マイクロプロセッサのタイミング周波数により、出力側５４ における信号に一定の周波数が確保される。広い温度範囲に亙り、極めて精密な 測定を行うために評価回路を利用する場合、補正アルゴリズムをマイクロプロセ ッサ内にプログラム化し、回路５６．５７及びコイル３２．３４内の温度変化を 補正することが出来る。

回路５０の全体は、例えば、５０ｍｍｘ５０ｍｍｘ１５ｍｍの寸法であり、セン サコイルシステムに直接接続し、又は液圧又は空気圧／リンダ構造体の適当な部 分内に収容することの出来る容器内で表面取り付は装置（ＳＭＤ）技術を使用し て収容することが出来る。回路５０の金具のコストは、極めて低廉に保つことが 出来る。

第４図には、磁界をコイルの軸方向に集束するのを許容するフェライトリンダコ ア７０の断面図が示しである。

該フェライトコア７０は、その細断面図で見たとき、截頭円錐形の形状を備えて おり、センサコイル３４は、フェライトコアの小径部分を囲繞するように取り付 け、駆動コイル３２が大径の端部を囲繞するようにすることが望ましい。

要約書 ンサに関するものである。かかる位置センサは、極めてコンパクトな形態に形反 し、作動シリンダ内で又は該作動シリンダと一体化させ、少なくとも２つのコイ 一部、相互に磁気的に結合され、該要素の透過性及び／又は導電性がその移動ブ 向に漸進的に変化するようにする。

国際調査報告　ｏｒＴ／１ｕｌｌ　Ｑｎ／ｎ＋Ｑ７Ｒ成 イ 方 国際調査報告

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．一方の部分が少なくとも１つのコイルに接続され、その他方の部分が要素の 位置に依存してコイルの磁界が影響を受けるようにコイルに近接して配置した少 なくとも一つの要素に接続された２つの相対的に可動な部品の位置センサにして 、少なくとも２つのコイル（３２、３４）が設けられ、その一方（３２）が一次 又は駆動コイルとして形成され、その他方（３４）が二次又はセンサコイルとし て形成され、前記２つのコイル（３２、３４）が、前記要素（１８、４８）によ り少なくともその一部が相互に磁気的に結合され、前記要素（１８、４８）がそ の移動方向に漸進的に変化する透過性及び／又は導電性を呈するようにしたこと を特徴とする位置センサ。 ２．請求の範囲第１項に記載の位置センサにして、前記要素（１８、４８）が、 透過性の異なる少なくとも２の材料（３８、４０）を備え、前記要素（１８、４ ８）の表面領域における材料の相互の組み合わせ体の移動方向に向けて漸進的に 変化することを特徴とする位置センサ。 ３．請求の範囲第１項又は第２項に記載の位置センサにして、２つのコイル（３ ２、３４）が、一方が他方に並ぶように要素（１８、４８）の移動方向に向け近 接して配置されることを特徴とする位置センサ。 ４．請求の範囲第１項乃至第３項の何れかに記載の位置センサにして、前記要素 （１８）がプル及び／又はプッシュシリンダ（１０）の作動ロッドにより構成さ れ、前記コイル（３２、３４）が前記シリンダ（１０）に剛性に接続されること を特徴とする位置センサ。 ５．請求の範囲第４項に記載の位置センサにして、前記コイル（３２、３４）が 、少なくともその一部が係合する関係で作動ロッドの外周に近接して配置される ことを特徴とする位置センサ。 ６．請求の範囲第４項又は第５項に記載の位置センサにして、前記作動ロッドが 、相互に接続しかつ相互に同心状の２つの部分（３８、４０）から成り、透過性 及び／又は導電性の異なる材料にて形成され、前記材料の径の比率が軸方向に漸 進的に変化することを特徴とする位置センサ。 ７．請求の範囲第６項に記載の位置センサにして、前記部分（３８、４０）間の 境界面が円錐形面の形状を有することを特徴とする位置センサ。 ８．請求の範囲第６項又は第７項に記載の位置センサにして、内側部分（３８） の材料が外側部分（４０）の材料より厚い渦電流透過外皮厚さを有することを特 徴とする位置センサ。 ９．請求の範囲第６項乃至第８項の何れかに記載の位置センサにして、外側部分 （４０）の材料の厚さが該材料の渦電流透過外皮厚さの半分以下であることを特 徴とする位置センサ。 １０．請求の範囲第１項乃至第９項の何れかに記載の位置センサにして、コイル （３２、３４）が多数ストランドの巻線形態に配置され、前記多数ストランドの 一つがセンサコイル（３４）を構成することを特徴とする位置センサ。 １１．請求の範囲第１項乃至第１０項の何れかに記載の位置センサにして、前記 コイル（３２、３４）がフェライトリングコア（３０）を備えることを特徴とす る位置センサ。 １２．請求の範囲第１１項に記載の位置センサにして、駆動コイルの少なくとも フェライトコアが磁束状に配置されることを特徴とする位置センサ。 １３．請求の範囲第１項乃至第１２項の何れかに記載の位置センサにして、前記 要素の一つの材料、特に、その量外側材料がニッケル又はふつ化ビニル樹脂であ り、又はこれらを含むことを特徴とする位置センサ。 １４．請求の範囲第１項乃至第１２項の何れかに記載の位置センサにして、前記 要素（１８、４８）の透過性の漸進的変化が、例えば、構造体に変化を生じさせ る適当な表面処理に起因することを特徴とする位置センサ。 １５．請求の範囲第１項乃至第１４項の何れかに記載の位置センサにして、円筒 状作動ロッド（１８）の円形断面が、前記透過性の漸進的変化により変化しない ことを特徴とする位置センサ。