JPH06160006A - 変位検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 誤差の影響を受けにくく、かつ位置検出の精
度を向上する。 【構成】 回転軸１に近接して設置され、ストリップ導
体で構成される伝送線路部５ａ，５ｂと、伝送線路部５
ａ，５ｂに高周波電流を印加する高周波電源と、回転軸
１と伝送線路５ａ，５ｂとの間の距離の変化に伴うスト
リップ導体の寄生容量変化を検出する位置検出部１０と
を有しており、ストリップ導体の寄生容量変化を検出す
ることにより、回転軸１の相対位置を精度良く検出す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、変位検出装置に関
し、さらに詳細にいえば、変位測定対象物の基準位置か
らの変位を検出する場合に使用される変位検出装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、変位測定対象物の基準位置か
らの変位を検出するために各種の変位検出装置が提案さ
れている。例えば、磁気軸受等において回転軸の半径方
向の相対位置を知るためにインダクタンス式、容量式の
変位検出装置が提案されている。

【０００３】インダクタンス式の変位検出装置の一例と
しては、回転軸の近接位置に回転軸の位置によりインピ
ーダンスが変化するコイルを配置するとともに、そのコ
イルの両端に抵抗を経由して数１０ｋＨｚ程度の正弦波
電圧を印加して、抵抗とコイルの電圧の分圧比から回転
軸の位置を検出する方法が知られている。また、容量式
の変位検出装置としては、回転軸に対して誘電体の電極
を微小間隔を有して対向させることにより回転軸と電極
との間にコンデンサを構成し、回転軸の変位をコンデン
サの容量変化によって検出する方法が知られている（特
開平２−２０１１０１号公報など）。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来のインダクタンス式、容量式の変位検出装置において
は、変位の検出部分はコイルの軸芯あるいはコンデンサ
を構成する電極面のような小さな面積しか持たないため
に、回転軸の変位を点でしか測定できない。したがっ
て、変位の検出部分において測定の誤差を生じる要因、
例えば、回転軸の凹み部分、回転軸の傷など、がある場
合にはその誤差要因の影響がそのまま位置検出精度の低
下につながってしまう問題がある。また、変位の検出部
分が小さい場合において高精度な位置検出を達成するに
は、検出部分での凹み、傷などがないように回転軸など
の測定対象物を高精度に加工することが必要になり、変
位検出装置を適用する場合にコストが高くなる問題があ
る。

【０００５】また、局部的な誤差要因による位置検出精
度の低下を防ぐために、測定点を増やしてそれらの測定
点の平均化処理を行ない、前記誤差要因の影響を軽減す
ることも考えられるがこの場合には複数の検出器が必要
になる。さらに、この方法を採用した場合においては平
均化回路が必要になり構成が複雑化するとともにコスト
が増大する問題がある。

【０００６】

【発明の目的】この発明は上記の問題点に鑑みてなされ
たものであり、省スペース、低コストで誤差要因の影響
を受けにくくすることができ、位置検出の精度を向上さ
せることのできる変位検出装置を提供することを目的と
している。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの、請求項１の変位検出装置は、変位測定対象物に近
接して設置され、ストリップ導体で構成される伝送線路
と、伝送線路に接続された高周波電源と、変位測定対象
物と伝送線路間の距離変化に伴う伝送線路の容量変化を
電気特性の変化として検出する電気特性検出手段とを含
んでいる。

【０００８】請求項２の変位検出装置は、請求項１に記
載の変位検出装置であって、変位測定対象物を挟んで少
なくとも１対の伝送線路を設け、１対の伝送線路の電気
特性検出手段で検出される出力の差を取る差算出手段と
を含んでいる。

【０００９】

【作用】請求項１の変位検出装置であれば、ストリップ
導体で構成される伝送線路に高周波電流印加手段により
高周波電流を印加し、電気特性検出手段が変位測定対象
物と伝送線路間の距離変化に伴う伝送線路の容量変化を
電気特性の変化として検出する。ここでストリップ導体
で構成される伝送線路を使用することにより、分布定数
で現われる容量変化を検出することとなり、伝送線路が
設置される範囲において平均処理を施したと同様の効果
を持たせることができる。したがって、変位測定対象物
の局部的な誤差要因による位置検出精度の低下を防ぐこ
とができるとともに、従来の構成において測定点を増や
してそれらの測定点の平均化処理を行なう場合に比べ
て、変位検出装置を簡素化でき、変位検出装置のコスト
を下げることができる。

【００１０】さらに、ストリップ導体で構成される伝送
線路は非常に薄いシート状の構造とすることができるの
で、変位測定対象物の回りにスペース的にあまり余裕が
ない場合であっても、変位検出装置を設置することが可
能になる利点がある。請求項２の変位検出装置であれ
ば、変位測定対象物を挟んで少なくとも１対の伝送線路
を設け、１対の伝送線路の電気特性検出手段で検出され
る出力の差を取る差算出手段を設けることにより、変位
測定対象物の相対位置を１つの信号で表わすことができ
るとともに、１対の伝送線路のノイズによる変動分を打
ち消し合って変位測定対象物の変位を精度良く検出する
ことが可能になる。

【００１１】

【実施例】以下、実施例を示す添付図面によって詳細に
説明する。図１はこの発明の変位検出装置の一実施例と
して、磁気軸受装置に適用された回転体の位置検出装置
を示す正面図、図２は軸方向から見た回転軸回りの平面
図である。

【００１２】この磁気軸受装置は磁性体製回転軸１と、
図示しないケーシングにより固定され励磁コイル２が巻
かれた１対の電磁石３ａ，３ｂと、回転軸１の半径方向
の位置を伝送線路部５ａ，５ｂの寄生容量によって検出
する位置検出部１０と、位置検出部１０の出力に応じて
所定方向に電磁力を働らかせるように電磁石３ａ，３ｂ
をそれぞれ制御する電磁石制御部５０とを有している。
なお、説明を簡単にするために図１、図２においては１
対の電磁石３ａ，３ｂしか示していないが、１対の電磁
石３ａ，３ｂに直交する方向の回転軸１の変位も検出す
る場合は、１対の電磁石３ａ，３ｂに直交する方向にも
同様に１対の電磁石が設けられる。

【００１３】また、伝送線路部５ａ，５ｂはそれぞれ電
磁石３ａ，３ｂの設置位置に対応して設けられ、回転軸
１に近接して設けられている。図３は位置検出部１０の
構成の一例を示す図である。この位置検出部１０は片方
の伝送線路部５ａに対応する位置検出部１０ａと、他方
の伝送線路部５ｂに対応する位置検出部１０ｂとが設け
られた構成となっている。

【００１４】位置検出部１０ａにおけるストリップ導体
伝送線１１は定抵抗Ｒ１とバッファ１２とを介して高周
波電源１３の一端側に接続されている。また、ストリッ
プ導体伝送線１４は定抵抗Ｒ１とバッファ１６とπだけ
位相をシフトさせる位相制御部１５とを介して高周波電
源１３の他端側に接続されている。そして、ストリップ
導体伝送線１１とストリップ導体伝送線１４とは定抵抗
Ｒ２を挟んで接続されている。なお、ストリップ導体伝
送線１１とストリップ導体伝送線１４の部分が片方の伝
送線路部５ａを構成している。

【００１５】また、定抵抗Ｒ１とストリップ導体伝送線
１１との接続点（Ａ点）における高周波電圧を入力とし
て、正の値に全波整流する整流回路１７および平滑回路
１８からなる検波回路１９によって検波して第１差動増
幅部２０に入力する。また、定抵抗Ｒ１とストリップ導
体伝送線１４との接続点（Ｂ点）における高周波電圧を
入力として、負の値に全波整流する整流回路２３および
平滑回路２４からなる検波回路２５によって検波して第
１差動増幅部２０に入力する。そして、第１差動増幅部
２０からの差動出力を第３差動増幅部２６に出力する。

【００１６】一方、位置検出部１０ｂにおいてはストリ
ップ導体伝送線３１は定抵抗Ｒ１とバッファ３２とを介
して高周波電源１３の一端側に接続されている。また、
ストリップ導体伝送線３４は定抵抗Ｒ１とバッファ３６
とπだけ位相をシフトさせる位相制御部３５とを介して
高周波電源１３の他端側に接続されている。そして、ス
トリップ導体伝送線３１とストリップ導体伝送線３４と
は定抵抗Ｒ２を挟んで接続されている。なお、ストリッ
プ導体伝送線３１とストリップ導体伝送線３４の部分が
他方の伝送線路部５ｂを構成している。

【００１７】そして定抵抗Ｒ１とストリップ導体伝送線
３１との接続点（Ｃ点）における高周波電圧を入力とし
て、正の値に全波整流する整流回路３７および平滑回路
３８からなる検波回路３９によって検波して第２差動増
幅部４０に入力する。また、定抵抗Ｒ１とストリップ導
体伝送線３４との接続点（Ｄ点）における高周波電圧を
入力として、負の値に全波整流する整流回路４３および
平滑回路４４からなる検波回路４５によって検波して第
２差動増幅部４０に入力する。また、第２差動増幅部４
０からの差動出力を第３差動増幅部２６に出力する。そ
して、第３差動増幅部２６は第１差動増幅部２０の出力
と第２差動増幅部４０の出力の差動を取り、電磁石制御
部５０へ電磁石３ａ，３ｂの位置検出信号として出力す
る。

【００１８】ストリップ導体伝送線１１，３１とストリ
ップ導体伝送線１４，３４は、それぞれストリップ導体
で構成されている。ストリップ導体は分布定数回路を構
成し、２つのストリップ導体を回転軸１に対して並列に
配置した場合、単位長さ当たりにおいて、ストリップ導
体伝送線間にキャパシタが形成され、ストリップ導体伝
送線とグランド（回転軸１）との間にキャパシタが形成
され、ストリップ導体伝送線の長さ方向にインダクタが
形成される。したがって、グランドとしての回転軸１と
ストリップ導体伝送線との距離に応じてキャパシタの寄
生する容量が変化するので、ストリップ導体伝送線の寄
生容量の変化を検出することにより距離の検出ができ
る。

【００１９】上記構成の回転体の位置検出装置の作用は
次の通りである。まず、図３に示す位置検出部１０ａに
おいて、高周波電源１３から高周波電流がストリップ導
体伝送線１１，ストリップ導体伝送線１４に印加される
と、回転軸１の半径方向の位置に対応した寄生容量に基
づいた高周波電圧が発生する。そしてストリップ導体伝
送線１１の接続点（Ａ点）において検出された高周波電
圧を整流回路１７によって正の値に全波整流すると図４
（ａ）のような波形になり、平滑回路１８を経た後は図
４（ｂ）のような信号電圧Ｖａとなる。

【００２０】同様にストリップ導体伝送線１４の接続点
（Ｂ点）において検出された高周波電圧を整流回路２３
によって負の値に全波整流すると図４（ｃ）のような負
の値の波形になり、平滑回路２４を経た後は図４（ｄ）
のような負の信号電圧Ｖｂとなる。そして第１差動増幅
部２０においてそれぞれの平滑回路１８，２４を経た信
号電圧の差動を取ると図４（ｅ）のような伝送線路部５
ａに対応する信号電圧Ｖａ−ｂが得られる。

【００２１】このように伝送線路部５ａにおいてストリ
ップ導体伝送線１１とストリップ導体伝送線３１の差動
を取ることによりストリップ導体伝送線１１とストリッ
プ導体伝送線１４に共に現われるノイズが除去される。
また、同様に位置検出部１０ｂにおいて検波回路３９、
検波回路４５によって検出された信号電圧を第２差動増
幅部４０において差動を取り、伝送線路部５ｂに対応す
る信号電圧を得る（図示していないが図４（ｅ）と同様
な直流信号が得られる）。

【００２２】そして第３差動増幅部２６において伝送線
路部５ａに対応する信号電圧と伝送線路部５ｂに対応す
るの信号電圧との差動を取ることにより、図２における
伝送線路部５ａ，５ｂと回転軸１との距離ｄ１，ｄ２の
差ｄ１−ｄ２に対応した位置検出信号を得ることができ
る。図５は横軸に差ｄ１−ｄ２を取り、縦軸に第３差動
増幅部２６の出力を取った図である。図５から分かるよ
うに回転軸１の位置に応じて直線性の高い位置検出信号
が得られるので、高精度な位置検出を行なうことができ
る。

【００２３】以上、説明したようにこの実施例の回転体
の位置検出装置によれば、ストリップ導体によって伝送
線路部を構成し、ストリップ導体の寄生容量がストリッ
プ導体と回転軸との距離によって変化することを利用し
て、回転軸の相対位置を検出する。したがって、従来の
位置検出装置のように点で検出する場合に比べてストリ
ップラインが配置されるある程度拡りを持った領域の距
離の平均を検出することになるので、局部的な異常のた
めに検出精度が著しく低下することを防ぎ、安定した変
位の測定が可能になる。

【００２４】なお、ストリップ導体で構成されるストリ
ップ導体伝送線１１，１４，３１，３４の幅、長さ、お
よび配置形状（例えば、ストリップ導体を円状に配置す
る、長方形状に配置するなど）は変位測定対象物の移動
方向、形状などによって最適な位置検出が可能になるよ
うに適宜、設定される。

【００２５】

【実施例２】図６はこの発明の回転体の位置検出装置の
他の実施例のストリップ導体伝送線１１，１４，３１，
３４の構成を示す断面図である。この実施例が前記第１
実施例と異なるのは、ストリップ導体６０を挟んで回転
軸１と反対側にストリップ導体６０のグランド面となる
導体６１を設けた点と、ストリップ導体６０とグランド
面となる導体６１との間に特性インピーダンスを大きく
する誘電体６２を挿入した点のみである。

【００２６】この実施例によれば、グランド面となる導
体６１が外部からのノイズに対して電磁シールドの効果
を持ち、耐ノイズ性能を向上させることができるととも
に、所定誘電率の誘電体６２を挿入することにより、特
性インピーダンスを大きくすることができ、位置検出の
感度を高めることができる。なお、この発明は上記実施
例に限定されるものではなく、この発明の要旨を変更し
ない範囲内において種々の設計変更を施すことが可能で
ある。

【００２７】例えば、前記第１実施例において、回転軸
１を挟むようにストリップ導体伝送線１１とストリップ
導体伝送線１４とを設け、図３における接続点（Ａ点）
と接続点（Ｂ点）での信号電圧の差を取ることにより、
直接に最終出力である位置検出信号を作ることも可能で
ある。但し、この場合は位置検出信号のレベルが１／２
となる。

【００２８】また、前記実施例では回転体の位置検出装
置にこの発明を適用したが、回転体だけでなく、磁性体
レバーなどの移動物体において、基準位置からの変位を
検出する場合などにおいてもこの発明は同様に適用が可
能である。

【００２９】

【発明の効果】以上のように、請求項１の発明は、スト
リップ導体で構成される伝送線路を使用することによ
り、分布定数で現われる容量変化を検出することとな
り、伝送線路が設置される範囲において平均処理を施し
た場合と同様の効果を持たせることができ、変位測定対
象物の局部的な誤差要因による位置決め精度の低下を防
ぐことができるとともに、従来の構成において測定点を
増やしてそれらの測定点の平均化処理を行なう場合に比
べて変位検出装置を簡素化でき、変位検出装置のコスト
を下げることができるという特有の効果を奏する。

【００３０】請求項２の発明は、請求項１記載の発明の
効果に加え、変位測定対象物の変動方向に対応して少な
くとも１対の伝送線路を設け、それぞれ電気特性検出手
段で検出される前記変動方向に対応する２つの出力の差
を取る差動手段を設けることにより、変位測定対象物の
相対位置を１つの信号で表わすことができるとともに、
１対の伝送線路のノイズによる変動分を打ち消し合って
変位測定対象物の変位をより精度よく検出することが可
能になるという特有の効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の変位検出装置の一実施例としての回
転体の位置検出装置の概略図である。

【図２】回転体の位置検出装置において軸方向から見た
回転軸回りの平面図である。

【図３】この発明の一実施例としての回転体の位置検出
装置における位置検出部の構成の一例を示す回路図であ
る。

【図４】この発明の一実施例としての回転体の位置検出
装置における位置検出部内の信号波形を示す図である。

【図５】この発明の一実施例としての回転体の位置検出
装置によって得られる位置検出信号を示す図である。

【図６】この発明の変位検出装置の他の実施例としての
回転体の位置検出装置の要部の断面図である。

【符号の説明】

１ 回転軸 ５ａ，５ｂ 伝送線路部 １１ ストリップ導体伝送線 １４ ストリップ導体
伝送線 １３ 高周波電源 １９ 検波回路 ２０ 第１差
動増幅器 ２５ 検波回路 ２６ 第３差動増幅器 ３１ ストリップ導体伝送線 ３４ ストリップ導体
伝送線 ３９ 検波回路 ４０ 第２差動増幅器 ４５ 検
波回路 ６０ ストリップ導体

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 変位測定対象物（１）に近接して設置さ
   れ、ストリップ導体（１１）（１４）（３１）（３４）
   （６０）で構成される伝送線路（５ａ）（５ｂ）と、伝
   送線路（５ａ）（５ｂ）に接続された高周波電源（１
   ３）と、変位測定対象物（１）と伝送線路（５ａ）（５
   ｂ）間の距離変化に伴う伝送線路（５ａ）（５ｂ）の容
   量変化を電気特性の変化として検出する電気特性検出手
   段（１９）（２５）（２０）（３９）（４５）（４０）
   とを含むことを特徴とする変位検出装置。
2. 【請求項２】 変位測定対象物（１）を挟んで少なくと
   も１対の伝送線路（５ａ）（５ｂ）を設け、１対の伝送
   線路（５ａ）（５ｂ）の電気特性検出手段（１９）（２
   ５）（２０）（３９）（４５）（４０）で検出される出
   力の差を取る差算出手段（２６）とを含む請求項１に記
   載の変位検出装置。