JPH08504957A - キャパシタンス／抵抗型位置センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 位置センサは、並列位置関係に配置され且つ各対が高い比オーミック抵抗と側面面積とを有する１対の導電性長形部材（１、２）と、長形部材の対との間の相対的変位を許容する関係で長形部材の対に密に隣接して該対の長形部材の組合わせの長手方向に沿う方向に配置され且つ表面面積を有する導電性スタブ部材（３）とを備え、この相対的変位は目標部材の変位に動的に結合される。入力交番電気信号が第１の長形部材（１）の２つの対向端部へ供給され、位相角測定デバイス（１７）が、第２の長形部材（２）の２つの対向端部からそれぞれ取出される２つの出力交番電気信号間の位相角差を測定する。位相角測定デバイス（１７）から位相角差についての情報を受取るデータ・アナライザ（２０）は、２つの出力交番電気信号間の位相角差の関数としてスタブ部材の位置を決定する。

Description

【発明の詳細な説明】 キャパシタンス／抵抗型位置センサ （技術分野） 本発明は、大きな側面面積を有する高い比オーミック抵抗を持つ少なくとも１ つの長形の導電性部材と、大きな表面積を有する導電性スタブ部材とを含み、こ れら長形部材とスタブ部材とが、長形部材の側面面積とスタブ部材の表面積との 間に密に隣接する対面関係を維持しながら、相互に密に隣接する関係において長 形部材の長手方向に相対運動を許容するように配置される位置センサに関する。 電源が、入力交流信号をスタブ部材へ供給し、あるいは長形部材の２つの対向端 部の一方または両方へ供給し、位相角測定デバイスは、長形部材の２つの対向端 部からあるいは長形部材とスタブ部材の２つの対向端部の一方からそれぞれ取出 された２つの出力交番電気信号間の位相角差を測定する。データ・アナライザは 、２つの出力交番電気信号間の位相角差の関数として長形部材の基準部分に対す るスタブ部材の位置を決定する。該スタブ部材自体がマーカであり、あるいは測 定下の当該位置を表わすマーカに動的に接続される。 （背景技術） 液体媒体の自由表面に浮かぶフロート、流体媒体の流れに吊された抵抗体、ダ イアル・ゲージまたは直線ゲージの目盛上に直線型あるいは回転型アクチュエー タの位置を指示する指針、流体の動的トルクにより枢動される枢動ベーン、など の如き機械的マーカあるいは目標部材の位置を非侵入的に決定する、直線型ある いは回転型の位置センサに対する多くの要求がなされており、この位置センサは 、高度の分解能および高精度でマーカまたは機械的目標の位置を自動的あるいは 遠隔的に測定しあるいは監視するための安価な手段を提供する。不都合なことに は、高性能および低コストのこのような直線型または角度型の位置センサは、現 在入手できない。 （発明の概要） 本発明の主な目的は、大きな側面面積を有し高い比オーミック抵抗を持つ少な くとも１つの導電性長形部材と、大きな表面面積を有する導電性スタブ部材とを 含み、長形部材とスタブ部材とは、長形部材の大きな側面面積とスタブ部材の大 きな表面面積との間に密に隣接する対面関係を維持しながら、相対的運動を許容 する関係で相互に密に隣接して長形部材の長手方向に沿う方向に配置され、電源 が、入力交番電気信号をスタブ部材に、あるいは長形部材の２つの対向端部の少 なくとも一方に供給し、位相角測定デバイスが、長形部材の２つの対向端部から 、あるいは長形部材とスタブ部材との２つの対向端部の一方からそれぞれ取出さ れる２つの出力交番電気信号間の位相角差を測定する直線型または回転型位置セ ンサを提供することにある。データ・アナライザは、２つの出力交番電気信号間 の位相角差の関数として測定下の当該位置を表すスタブ部材の位置を決定する。 別の目的は、長形部材とスタブ部材との組合わせが周囲の環境から電磁的遮蔽 を提供する筐体内に収容される位置センサであって、本発明の上記の主目的に記 載された位置センサを提供することにある。 更なる目的は、電源が入力交番電気信号をスタブ部材に対して供給し、位相角 測定デバイスが、長形部材の２つの対向端部からそれぞれ取出される２つの出力 交番電気信号間の位相角差を測定する位置センサであって、本発明の上記の主目 的に記載された位置センサを提供することにある。 更に別の目的は、入力交番電気信号がスタブ部材に物理的に接続された導体を 介してスタブ部材へ供給される、本発明の更なる目的において記載された位置セ ンサを提供することにある。 更に他の目的は、入力交番電気信号が、大きな側面面積を有し高い値または有 限値の比オーミック抵抗を含む第２の導電性長形部材の２つの対向端部の少なく とも一方に供給され、この第２の長形部材は、前記第１の長形部材に対して平行 に並列関係で配置されて、前記第１および第２の長形部材に対するスタブ部材の 運動中に前記第２の長形部材の側面面積とスタブ部材の表面面積との間に密に隣 接する対面関係を維持し、これにより第２の長形部材の２つの対向端部の一方に 供給された入力交番電気信号が、スタブ部材と第２の長形部材との間の容量性の 電気的結合によりスタブ部材へ送られる位置センサであって、本発明の更なる目 的に記載された位置センサを提供することにある。 更に他の目的は、入力交番電気信号が長形部材の２つの対向端部の一方に供給 され、位相角測定デバイスが、スタブ部材と長形部材の２つの対向端部の一方と からそれぞれ取出される２つの出力交番電気信号間の位相角差を測定する位置セ ンサであって、本発明の上記の主目的に記載された位置センサを提供することに ある。 更に別の目的は、スタブ部材から取出される２つの出力交番電気信号の一方が スタブ部材に物理的に接続された導体を介して得られる、本発明の上記の更に他 の目的に記載された位置センサを提供することにある。 追加の目的は、２つの出力交番電気信号の一方が、大きな側面面積を有し高い 値あるいは有限値のオーミック抵抗を持つ第２の導電性長形部材の２つの対向端 部の一方から取出され、前記第２の長形部材は、前記第１の長形部材に対して平 行に並列関係で配置され、かつ前記第１および第２の長形部材に対するスタブ部 材の運動中に前記第２の長形部材の側面面積とスタブ部材の表面面積との間に密 に隣接する対面関係を維持し、これにより前記第２の長形部材の２つの対向端部 の一方から取出される２つの出力交番電気信号の前記一方がスタブ部材と第２の 長形部材との間の容量性の電気的結合によりスタブ部材から送られる位置センサ であって、上記の更に他の目的に記載された位置センサを提供することにある。 更に他の目的は、２つの出力交番電気信号が、前記第１の長形部材の一方の端 部と、前記第１の長形部材の前記一方の端部の場所とスタブ部材の同じ側に配置 された第２の長形部材の一方の端部とからそれぞれ取出される位置センサであっ て、上記の本発明の追加の目的に記載された位置センサを提供することにある。 本発明の上記および他の目的については、本発明の記述が進行するに伴って明 らかになるであろう。 （図面の簡単な説明） 図１は、本発明の直線型位置センサの一実施例の断面図、 図２は、図１に示された直線型位置センサの別の断面図、 図３は、図２に示された断面図に代わる設計である直線型位置センサの修正例 の断面図、 図４は、図２に示された断面図に代わる別の設計である直線型位置センサの別 の修正例の断面図、 図５は、ロータメータの構造における図３に示された直線型位置センサの用例 を示し、 図６は、液体レベル・センサの構造における図３に示された直線型位置センサ の別の用例を示し、 図７は、本発明の回転型位置センサの一実施例の断面図、 図８は、図７に示された回転型位置センサの別の断面図、 図９は、本発明の回転型位置センサの別の実施例を示し、 図１０は、本発明の直線型位置センサの別の実施例の断面図、 図１１は、図１０に示された直線型位置センサの別の断面図、 図１２は、本発明の回転型位置センサの他の実施例を示し、 図１３は、本発明の回転型位置センサの更に別の実施例を示している。 （実施例） 本発明の動作原理は、図１に示された位置センサの実施例を参照することによ り最もよく記述することができる。大きな側面面積を有する高い比オーミック抵 抗を持つ１対の導電性長形部材は相互に平行な位置関係で配置され、大きな側面 面積を持つ導電性スタブ部材３は、スタブ部材３の表面と長形部材１、２の側面 との間に密に隣接する対面関係を維持しながら、長形部材１、２の対の長手方向 に長形部材１、２の対に密に隣接して配置される。長形部材１、２の対とスタブ 部材３との組合わせは、交番電気信号発生器１０を接続する２つの並列な電気回 路を提供し、位相角測定デバイス１７は、第２の長形部材２の２つの対向端部か らそれぞれ取出される２つの出力交番電気信号間の位相角差を測定する。入力交 番電気信号は、前記第１の長形部材の２つの対向端部へ供給される。交番電気信 号発生器１０と位相角測定デバイス１７とを接続する２つの並列電気回路の第１ の回路は、スタブ部材３の片側に配置された長形部材１、２の対の第１の部分、 リード・ワイヤ１３、１８、信号発生器１０と位相角測定デバイス１７とに含ま れる内部電気回路、及び長形部材１、２の対を相互に容量的に接続するスタブ部 材３を含むが、２つの並列電気回路の第２の回路は、スタブ部材３の他側に配置 された長形部材１、２の対の他の部分、リード・ワイヤ１４、１９、信号発生器 １０と位相角測定デバイス１７とに含まれる内部電気回路及びスタブ部材３を含 んでいる。２つの並列電気回路に帰属する抵抗は、それぞれ下式により長形部材 １、２の対の中心部から測定されたスタブ部材３の中心部の位置ｘとそれぞれ関 連付けられる。即ち、 Ｒ₁＝α（Ｌ−２ｘ）＋Ｒw₁＋Ｒ₁ （１） および Ｒ₂＝α（Ｌ＋２ｘ）＋Ｒw₂＋Ｒ₁ （２） 但し、αは長形部材１、２の対の各々の単位長さ当たりのオーミック抵抗値、Ｌ は長形部材１、２の対の各々の長さ、Ｒw₁およびＲw₂はリード・ワイヤ１３、１ ８および１４、１９のオーミック抵抗値、Ｒ₁は位相角測定デバイス１７に含ま れる内部電気回路の抵抗値である。２つの並列電気回路に帰属するキャパシタン スは、下式によりそれぞれ与えられる。即ち、 Ｃ₁＝（β／２）・（Ｌ＋２ｘ）＋Ｃ＋Ｃw₁ （３） および Ｃ₂＝（β／２）・（Ｌ−２ｘ）＋Ｃ＋Ｃw₂ （４） 但し、βは長形部材１、２の対間の長形部材１、２の対の単位長さ当たりのキャ パシタンス、Ｃはスタブ部材３を介する長形部材１、２の対間の容量性結合のキ ャパシタンス、Ｃ_W1およびＣ_W2はリード・ワイヤ１３、１８、１４、１９のキャ パシタンスである。式（１）、（２）、（３）および（４）が用いられる時、第 ２の長形部材２の２つの対向端部からそれぞれ取出される２つの出力交番電気信 号 の位相角はそれぞれ下式により与えられる。、即ち、 および 但し、ωは第１の長形部材１の２つの対向端部へ供給される入力交番電気信号の 角周波数である。式（５）および（６）が正接関数の差へ代入され、計器の抵抗 値Ｒ₁が長形部材１、２の対のオーミック抵抗値および２つの並列電気回路に含 まれるリード・ワイヤのオーミック抵抗値よりはるかに大きいこと、および、２ つの並列電気回路の各々に帰属する全キャパシタンスが、入力交番電気信号がキ ロヘルツ以下の大きさの周波数を有する限り、および２つの並列電気回路の間の キャパシタンスと該並列電気回路に含まれるリード・ワイヤのキャパシタンスと の和がスタブ部材３により与えられるキャパシタンスＣよりはるかに小さい限り 極めて小さい値を有することを用いると、２つの出力交番電気信号間の位相角差 に対する下記の関係を得ることができる。即ち、 式（７）は、位相角差をスタブ部材３の位置に関連付ける下式を得るためスタブ 部材３の位置ｘについて容易に解くことができる。即ち、 一般に、長形部材１、２の対の組合わせの中心部から測定されたスタブ部材３の 位置ｘは、下式に、より２つの出力交番電気信号間の位相角差と関連付けられる 。 即ち、 ｘ＝Ａｔａｎ（φ₁−φ₂）−Ｂ （９） 但し、ＡおよびＢは、長形部材１、２の対とスタブ部材３とを含む組合わせの構 造的配列に固有な定数である。長形部材１、２の対の組合わせの一端部から測定 されたスタブ部材３の位置Ｓは、下式により与えられる。 Ｓ＝Ａｔａｎ（φ₁−φ₂）−Ｃ 但し、Ｃ＝Ｂ−Ｌ／２ （１０） 式（９）および（１０）は、スタブ部材３の位置と、長形部材２の２つの対向端 部からそれぞれ取出される２つの出力交番電気信号間の位相角差との間の正確な 関係の近似形態である。スタブ部材３の位置と位相角差Δφ＝（φ₁−φ₂）との 間の正確な関係は、理論的に得るのではなく位置センサを校正することにより経 験的に得られねばならない。式（１０）の経験的部分は次の形で表わすことがで きる。即ち、 ｓ＝ｆ（Δφ） （１１） 但し、関数ｆにより表わされる特定の数学的関係は、位置センサを校正すること により実験的に決定されねばならない。 式（９）および（１０）の誘導に似た試みを用いることにより、長形部材１、 ２の対の組合わせの２つの対向端部の一方に関するスタブ部材３の位置もまた、 第１の長形部材１の一端部および第２の長形部材２の一端部からそれぞれ取出さ れる２つの出力交番電気信号間の位相角差と関連付けられる。即ち、 ｓ＝ｇ（Δφ′） （１２） 但し、Δφ′は、第１の長形部材１の一端部および第２の長形部材２の一端部か らそれぞれ得られる２つの出力交番電気信号間の位相角差であり、前記位相角差 は、第１の長形部材１の一端部へ与えられる入力交番電気信号と、第２の長形部 材２の一端部から得られる出力交番電気信号との間の位相差に等しくすることが できる。式（１２）を用いることによりスタブ部材３の位置を決定する際に、そ の間に位相角差を生じる２つの交流出力の交番電気信号が第１および第２の長形 部材１、２の各端部からそれぞれ得られる時に最良の結果が得られ、長形部材１ 、２の対の各端部はスタブ部材３の同じ側に配置される。無論、式（１２）に現 れ る関数ｇにより表わされる数学的関係は、位置センサを校正することによって経 験的に決定されねばならない。長形部材１、２の対を用いる位置センサの特定例 は、本発明の位置センサの主要な例を提供する。 式（１）、（２）、（３）および（４）から式（１０）および（１１）を生じ る分析から、位置センサの修正例が、スタブ部材と関連する唯一つの導電性長形 部材を含むことが明らかになる。この場合、入力交番電気信号はスタブ部材へ、 あるいは前記の１つの長形部材の２つの対向端部の少なくとも一方へ与えられ、 スタブ部材の位置は、この１つの長形部材の２つの対向端部から、あるいは、ス タブ部材と１つの長形部材の２つの対向端部の一方とからそれぞれ得られる２つ の出力交番電気信号間の位相角差として決定される。大半の材料のオーミック抵 抗値が温度の変化と共に変化することは周知の事実である。温度の変動による導 電性の長形部材の比オーミック抵抗値の変化から生じる誤差を補償するために、 式（１１）および（１２）は、本発明の位置センサを用いることにより、マーカ または目標部材の位置の測定における温度変動から生じる誤差を取除く温度影響 補償項を含む。 式（１１）および（１２）が２つの出力交番電気信号間の位相角差の関数とし てスタブ部材の位置を決定するので、２つの交番電気信号間の位相角差を決定す るための少数の典型的な方法について述べることが妥当である。第１の周知の方 法は、２つの交番電気信号による２つの連続するゼロ交差間の時間と、２つの交 番電気信号の少なくとも一方の周波数とを測定することである。位相角差は、交 番電気信号の２つの連続するゼロ交差の間の時間と周波数との積に（２π）を乗 じることにより得られる。次によく知られた第２の方法は、２つの電気信号の正 規化形態の差の大きさと和の大きさとを測定して、この２つの大きさの比を求め ることであり、この大きさは位相角差の正接に等しい。第３の方法は、第２の交 番電気信号がそれぞれゼロ値およびピーク値に達する２つの瞬間における第１の 交番電気信号の２つの値をそれぞれ測定することである。第１の信号の２つの値 の比は、第１および第２の交番電気信号間の位相角差の正接に等しい。位相角差 自体あるいは位相角差の正接を測定する種々の方法について、式（１１）および （１２）をスタブ部材の位置が２つの出力交番電気信号間の位相角差と関連する 電気的変数の関数であると解釈する方が適当である。 図１には、本発明の直線型位置センサの一実施例の断面図が示される。それぞ れ大きな側面面積を有する比オーミック抵抗の高い値または有限値を持つ１対の 導電性の長形部材１、２が、並列の平行関係で配置され、大きな表面面積を有す る導電性スタブ部材３が、長形部材１、２の対の組合わせに関するその長さ方向 でのスタブ部材３の運動を許容する関係で長形部材１、２の対に密に隣接して配 置され、スタブ部材３の大きな表面面積および長形部材１、２の対の大きな側面 面積が、スタブ部材３と長形部材１、２の対との間の相対的運動の間、密に隣接 する対面関係を維持する。長形部材１、２の対の少なくとも一方が高い比オーミ ック抵抗を有することが望ましいが、最良の結果は、長形部材の対の双方が高い 比オーミック抵抗を有する時に得られる。スタブ部材３の大きな表面と長形部材 １、２の対の大きな側面面積との間の密に隣接する対面関係が一定の間隔で維持 され、これによりスタブ部材３を介する長形部材１、２の対間の容量性の電気的 結合があらゆる瞬間にも実質的に一定のレベルに止まることが要求される。特定 の実施例では、長形部材１、２の対は、誘電性あるいは絶縁性の材料から作られ た管状構造体６の２つの直径方向に対向する部分から半径方向内方に延在する１ 対の薄い平坦な延長部４、５にそれぞれ埋設されて支持される。前記管構造体６ は周囲の環境から内部空間を電磁的に遮蔽する金属管７の内部に密閉される。ス タブ部材３の運動は、２つの平坦な延長部４、５の縁部により案内され、この縁 部は該縁部に沿う方向に摺動関係でスタブ部材３に含まれる２つのローラ８、９ を包含する。交番電気信号発生器１０は、入力交番電気信号を、２本のリード・ ワイヤ１３、１４を介して第１の長形部材の２つの対向端部１１、１２の少なく とも一方へ供給する。第２の長形部材２の２つの対向端部１５、１６は、２本の リード・ワイヤ１８、１９により位相角測定デバイス１７の２つの入力端子へそ れぞれ接続されている。第２の長形部材２の２つの対向端部１５、１６からそれ ぞれ取出される２つの出力交番電気信号間の位相角差についての情報を受取るデ ータ・アナライザ２０は、出力交番電気信号間の位相角差の関数としてスタブ部 材３の位 置を決定する。２つの長形部材１、２が、炭素粉末が含浸されたプラスチック材 料のリボンあるいはストリップの如き温度感応材料から作られる時、長形部材１ 、２の対の比オーミック抵抗は温度の変化と共に変化し、この変化はスタブ部材 ３の位置の決定に誤りを導入し得る。温度センサ２１が装置に含まれ、温度につ いての情報をデータ・アナライザ２０へ与える。これにより、データ・アナライ ザ２０は、２つの出力交番電気信号間の位相角差からスタブ部材３の位置を決定 する際に温度補償を行う。 別の設計においては、位相角測定デバイス１７は、第１の長形部材１の端部１ １へ与えられる入力交番電気信号と、第２の長形部材２の端部１５から得られる 出力交番電気信号との間の位相角差を測定する別の位相角測定デバイス２２で置 換することができ、その位相角差からデータ・アナライザ２０はスタブ部材３の 位置を決定する。リード・ワイヤ１４、１９が省かれる時に、この代替設計が最 も効果を生じる。 図２には、図１に示された直線型位置センサの別の断面が示され、図１に示さ れた面２−２に沿ったこの断面は、スタブ部材３と１対の薄い平坦な延長部４、 ５との間の自由に摺動する係合を更に詳細に示している。位置の検出における分 解能は、長形部材１、２の対間の容量性の電気的接続を提供するスタブ部材３の キャパシタンスが高い値を持つほど大きくなる。従って、スタブ部材３は長形部 材１、２の対に対する密に隣接する対面関係の大きな容量性表面面積を有するこ とが望ましい。このような大きな容量性表面面積は、特に図示した実施例におけ る挟持関係で長形部材１、２の対と係合するスタブ部材３によって提供される。 スタブ部材自体は、マーカであり、あるいは金属筐体７の外部に配置されたマー カに動的に結合されてもよい。後者の場合は、スタブ部材３はマーカ２３に接続 されて、誘電性の管６および金属管７の組合わせに含まれる軸方向スリットを介 して延在する結合部材２５により目盛り２４に対する位置を表わす。別の設計で は、このスタブ部材は、長形部材１、２の対に平行に配置された結合ロッドであ って、リード・ワイヤ１４、１９に対する案内通路を提供する如き金属管７の一 端部に含まれる穴を通して延在する結合ロッドにより外部のマーカに接続するこ と ができる。長形部材１、２の対とスタブ部材３との特定図示例に示された如き挟 持関係における係合が非常に望ましいが、これは第一に、長形部材１、２の対の 片側における間隔の増加が長形部材１、２の対の他の側の係合における間隔の減 少によって補償されて、結果的に一定の値のキャパシタンスが維持されるので、 スタブ部材３と長形部材１、２の対との間の係合における空隙即ち緩みとは独立 的に一定レベルの容量性の電気的結合を維持する故であり、第二に、この挟持形 式の係合が、式（８）により示される如き位置の検出における分解能を向上させ る電気的キャパシタンスの大きな値を提供する故である。なお、誘電性の管６の 壁部は、長形部材１、２の対間の容量性の電気的結合に関する限り金属管７の壁 部が非常に小さなキャパシタンスを持つように相当な厚さを持たねばならない。 図３には、図２に示された直線型位置センサの断面に代わる設計が示される。 この特定の例示的な実施態様においては、長形部材２６、２７の対が円形状に配 置された１対の半円断面形部を含み、その組合わせが金属管２９の内部に収容さ れた誘電性管２８内に埋設される。誘電性円形リング３１に埋設された円形シェ ル形状のスタブ部材３０は、誘電性管２８と軸方向に自由に摺動する関係で係合 する。この形式の構造の直線型の位置センサはスタブ部材３０自体が図５および 図６に示された用途で例示される如きマーカである用途に特に適している。 図４において、図２に示された直線型位置センサの断面に代わる別の設計が示 される。この特定例では、図３に示された実施例に含まれる長形部材２６、２７ の対の各々の半円断面形部が、「丸いＥ」の形状の断面形部に変更されている。 長形部材３２、３３の対は、それぞれ半円形状の断面を持つ長形部材３２、３３ の対にそれぞれ含まれるウェブ３５、３６を挟持するスタブ部材３４により係合 される。 図５には、ロータメータの構造における図３に示された直線型位置センサの用 途が示される。環形状の断面を持つ末広がりの流路３７が、流路３７の円筒状壁 部３８と流路３７内部に同軸位置関係に固定的に配置された流線形状のコア３９ との間に設けられている。抵抗体あるいはフロート４０が、自由に浮遊する関係 で末広がりの環状の流路３７内部に配置され、このフロートは、抵抗体４０に対 する流体力学的抵抗力と抵抗体４０の重量とが相互に平衡状態を確立する均衡位 置まで浮上する。水平位置で取付けられるロータメータの例では、抵抗体４０を 流体力学的抵抗力に抗して押圧する偏倚コイルばねが含まれねばならない。流路 ３７の壁部３８に同軸状に含まれる導電性の長形部材４１、４２の対と、抵抗体 ４０に同軸状に含まれる導電性のスタブ部材４３とは、図３に示されたものと同 じ位置関係に組立てられ、末広がりの環状の流路３７を介して移動する流体の流 量の測定値として抵抗体４０の位置を示す位置センサを構成する。 図６には、液体レベル・センサの構造における図３に示された直線型位置セン サの用例が示される。液体媒体４５中に部分的に沈められた中空円筒状の長形部 材４４は、中心に配置された通気孔４７を持つ円筒形状のフロート４６を有する 。自由に摺動する関係に中空円筒状の長形部材の中空部内に配置されたこのフロ ートは、液体媒体の自由面上に浮遊する。中空円筒状の長形部材４４の壁部に同 軸状に含まれた１対の導電性の長形部材４８、４９と、フロート４６に同軸状に 含まれる導電性のスタブ部材５０とは、図３に示されたものと同じ構造の組立体 を有し、液体レベルの位置の測定値としてスタブ部材４６の位置を示す位置セン サを構成している。中空円筒状の長形部材の円筒状の外表面上に取付けられる環 状形態に前記フロートを構成できるが、この場合スタブ部材は導電性の長形部材 ４８、４９の対の円筒状の組合わせに対して外側に配置される。このような代替 的な設計においては、電磁遮蔽を提供する金属管５１を省かねばならない。 図７には、本発明の回転型位置センサの一実施例の断面が示される。この実施 例は、図１に示された直線型位置センサの実施例を、長形部材１、２の対の組合 わせの長手方向に対して直角で長形部材１、２の対により規定される面に対して 平行な軸に関して回転させて円筒形状にする時に得られる。リボンまたはストリ ップの構造を有する１対の導電性の長形部材５２、５３が、枢動軸５６の周囲に 枢動するポインタ５５の径方向の端点に固定された導電性のスタブ部材５４によ り規定される仮想円筒面に密に隣接し且つ同軸の円筒状面上に配置される。ポイ ンタ５５の枢動角度が３６０°より小さいので、長形部材５２、５３の対により 含 まれる円弧角は３６０°より小さい。無論、長形部材の対は、３６０°より大き な円弧角を含む螺旋状形状に配置することができ、３６０°より大きい角度を含 む回転位置の測定が要求されるならば、ポインタは螺旋状経路に従って枢動する ように作ることができる。なお、この回転型位置センサの特定の断面図では、第 ２の長形部材５３は第１の長形部材５２の背後に隠れるために見えない。リード ・ワイヤ５７、５８の対は第１の長形部材５２の２つの対向端部からそれぞれ延 長しており、リード・ワイヤ５９、６０の対は、第２の長形部材５３の２つの対 向端部からそれぞれ延長し、これらのリード・ワイヤは図１に示されこれに関し て述べたものと同じ電気配線の一部を構成する。誘電性管６２を密閉する金属筺 体６１は、周囲の環境からの電磁遮蔽を行う。 図８には、図７に示された回転型位置センサの別の断面が示される。図７に示 される面８−８に関するこの断面は、長形部材５２、５３の対と、長形部材５２ 、５３の対に対して接線状に配置され、かつ枢動軸５６の周囲に枢動可能なポイ ンタ５５の径方向の端点に固定されてたスタブ部材５４とを明瞭に示している。 特定の断面図では示されない金属筐体６１の外側に配置された目標の枢動運動は 、磁気的な回転運動結合器６３によりポインタ５５の枢動運動に結合される。別 の設計においては、目標の回転運動とポインタ５５の回転運動は、共通軸あるい は軸結合カラーの如き機械的結合器によって直接結合することができる。 図９には、回転型位置センサの別の実施例が示される。このセンサは、ポイン タ６６の枢動軸６５に対して直角の共通面上に配置された円弧形状の１対の長形 部材６３、６４と、ポインタ６６の径方向の端点に固定され且つ長形部材６３、 ６４の対に密に隣接して平行な位置関係で配置されたスタブ部材６７とを含む。 この特定の実施例は、図１に示されこれに関して記載したものと同じ電気的配線 を用いる。なお、１対の長形部材を用いる回転型位置センサは、図１に示されこ れに関して述べた２つの異なる方法の１つで動作させ得る。 図１０には、直線型位置センサの別の実施例の断面が示され、この断面は、直 線型位置センサの長軸に対して直角の面に沿うものである。直線型位置センサの この特定の実施例は、周囲の環境から電磁遮蔽を行う金属管７０内に収容された 誘電性管６９に埋設され且つこれにより支持される薄い円形管構造を持つ単一の 導電性の長形部材６８と、薄い円形管構造を持つ長形部材６８に対して密に隣接 し且つ同軸状の関係で誘電性管６９の中空の内部空間内に配置された円形シェル 構造のスタブ部材７１とを含む。このスタブ部材７１は、小さな摩擦係数を持つ テフロンの如きプラスチック材料から作られた誘電性リング７２に埋設されるの で、誘電性管６９に関して且つこれにより案内される誘電性リング７２の摺動運 動が向上する。 図１１には、図１０に示された直線型位置センサの別の断面が示される。図１ ０に示された面１１−１１に関するこの断面は、金属管７０により包囲された誘 電性管６９に同軸状に埋設された薄い円形管構造を有する単一の長形部材６８と 、薄い管構造の単一の導電性の長形部材６８内に密に隣接する対面関係で同軸状 に配置され、且つ誘電性管６９に対して自由に摺動でき、誘電性管６９により案 内される円筒状シェル形状の誘電性リング７２内に埋設された円筒状のシェル形 状のスタブ部材７１とを示している。スタブ部材７１と誘電性リング７２との組 合わせは、誘電性管６９に対して同軸状に配置された結合ロッド７３により、金 属管７０の外側に配置されたマーカに接続される。交番電気信号発生器７４は、 スタブ部材７１から延びるリード・ワイヤ７５を介してスタブ部材７１へ直接に 入力交番電気信号を供給し、位相角測定デバイス７６は、２つのリード・ワイヤ ７７、７８を介して単一の長形部材６８の２つの対向端部からそれぞれ取出され る２つの出力交番電気信号間の位相角差を測定する。データ・アナライザ７９は 、２つの出力交番電気信号間の位相角差の関数としてスタブ部材７１の位置を決 定する。代替的な設計では、位相角測定デバイス７６を、スタブ部材７１に対し てリード・ワイヤ７５を介して供給される入力交番電気信号と単一の導電性長形 部材６８の一端部からリード・ワイヤ７８を介して取出される出力交番電気信号 との間の位相角差を測定する別の位相角測定デバイスで置換することができ、こ の場合、データ・アナライザは、入力および出力の交番電気信号間の位相角差の 関数としてスタブ部材７１の位置を決定する。上記の代替設計は、リード・ワイ ヤ７７が省かれる時に最もよく動作する。 図１２では、回転型位置センサの更に他の実施例が示される。この実施例は、 長形部材５２、５３の対の一方が図７に示された実施例から省かれるときに得る ことができるもので、入力交番電気信号は枢動ポインタ８１の径方向の端点に固 定されたスタブ部材８０に対してリード・ワイヤ８２を介して直接に供給される 。位相角測定デバイス８３は、単一の長形部材８４の２つの対向端部から２つの リード・ワイヤ８５、８６を介してそれぞれ取出される２つの出力交番電気信号 間の位相角差を測定する。なお、単一の長形部材を用いるこの回転型位置センサ は、図１１に示されかつこれに関して述べた２つの異なる設計の一方において動 作し得る。 図１３には、図９に示された実施例の対応例である回転型位置センサの更に別 の実施例が示される。この実施例は単一の円弧形の長形部材を用いるので、入力 交番電気信号は、スタブ部材８８に物理的に接続されたリード・ワイヤ８９を介 してスタブ部材８８へ直接供給される。位相角測定デバイス９０は、単一の長形 部材８７の２つの対向端部から２つのリード・ワイヤ９１、９２を介してそれぞ れ取出される２つの出力交番電気信号間の位相角差を測定する。なお、単一の長 形部材を用いるこの回転型位置センサは、図１０に示されこれに関して記述した ２つの異なる方法の一方で動作し得る。手動読出し手段を用いる全てのバー・ゲ ージあるいはダイヤル・ゲージは、本発明の直線型位置センサおよび回転型位置 センサの原理を用いることにより、電子データ・アナライザまたは電子データ・ プロセッサへ送ることができる電気的出力を有する自動のあるいは遠隔読出し可 能なデバイスへ変換できる。 本発明の原理は本文の実施例により明らかになったあろうが、当業者には明ら かであり、かつ特にかかる原理から逸脱することなく本発明の使用における特定 の使用環境および動作条件に適合される構造、配置、比率、要素および材料の多 くの変更が可能である。 本発明は本文に示した特定の実施例に限定されるものではなく、従って、全て の適当な変更および相等内容は、請求の範囲により記載される本発明の範囲内に 該当するものと見做される。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．ａ）単位長さ当たりの有限オーミック抵抗値を有し、目標部材の変位により 規定される方向と平行に配置された容量性電気的結合のための側面面積を有する 導電性長形部材と、 ｂ）前記導電性長形部材に密に隣接して配置され、該導電性長形部材の長手方 向に沿う方向にＧＡＩ導電性長形部材との間の相対的変位を許容する位置関係で 前記目標部材の変位に動的に結合され、且つ容量性電気的結合のための表面面積 を持つ導電性スタブ部材であって、前記相対的変位は前記目標部材の変位と関連 され、前記相対的変位の間、前記導電性スタブ部材の表面面積は、前記導電性長 形部材の側面面積の一部との密に隣接する対面関係を維持する導電性スタブ部材 と、 ｃ）前記導電性スタブ部材と前記導電性長形部材の２つの対向端部とのうちの １つに入力交番電気信号を送出する手段であって、前記入力交番電気信号は、前 記導電性スタブ部材の表面面積と前記導電性長形部材の側面面積の一部との間の 容量性電気的結合によって前記導電性スタブ部材と前記導電性長形部材との間で 伝送される手段と、 ｄ）３つの要素、即ち、前記導電性スタブ部材と前記導電性長形部材の２つの 対向端部とからそれぞれ取出される２つの出力交番電気信号間の位相角差と関連 し且つ前記目標部材の位置の測定値を提供する電気的変数を取得する手段と を組合わせにおいて備える、目標部材の位置を測定する装置。 ２．前記組合わせが、前記位相角差と関連する前記電気的変数の関数として前記 目標部材の位置を決定する手段を含む請求項１記載の装置。 ３．前記導電性長形部材と前記導電性スタブ部材との組合わせが、周囲の環境か らの電磁的遮蔽を提供する筺体内部に収容される請求項１記載の装置。 ４．前記入力交番電気信号が、前記導電性スタブ部材に物理的に接続された導体 を介して前記導電性スタブ部材へ供給され、前記の２つの出力交番電気信号が、 前記導電性長形部材の２つの対向端部からそれぞれ取出される請求項１記載の装 置。 ５．前記組合わせが、前記位相角差と関連する前記電気的変数の関数として前記 目標部材の位置を決定する手段を含む請求項４記載の装置。 ６．前記入力交番電気信号が、前記導電性スタブ部材に物理的に接続された導体 を介して前記導電性スタブ部材へ供給され、前記２つの出力交番電気信号が、導 電性スタブ部材と、前記導電性長形部材の２つの対向端部の１つとからそれぞれ 取出される請求項１記載の装置。 ７．前記組合わせが、前記位相角差と関連する前記電気的変数の関数として前記 目標部材の位置を決定する手段を含む請求項６記載の装置。 ８．前記入力交番電気信号が、前記導電性長形部材の一端部へ供給され、前記２ つの出力交番電気信号が、前記導電性スタブ部材と、前記導電性長形部材の２つ の対向端部の１つとからそれぞれ取出される請求項１記載の装置。 ９．前記組合わせが、前記位相角差と関連する前記電気的変数の関数として前記 目標部材の位置を決定する手段を含む請求項８記載の装置。 １０．前記組合わせが、単位長さ当たりの有限オーミック抵抗値を有し、前記導 電性スタブ部材に対して密に隣接する位置関係で前記導電性長形部材に対して平 行に配置され、且つ容量性電気的結合のための側面面積を有する別の導電性長形 部材を含み、前記導電性スタブ部材の表面面積が、該導電性スタブ部材と、前記 導電性長形部材及び前記別の導電性長形部材の組合わせとの間の相対的変位の間 、前記別の導電性長形部材の側面面積の一部との密に隣接する対面関係を維持し 、前記入力交番電気信号が、前記別の導電性長形部材の２つの対向端部の１つに 供給され、これにより前記入力交番電気信号が、導電性スタブ部材の表面面積と 前記別の導電性長形部材の側面面積の一部との間の容量性電気的結合によって、 該別の導電性長形部材から前記導電性スタブ部材へ伝送され、前記２つの出力交 番電気信号が、前記導電性長形部材の２つの対向端部からそれぞれ取出される請 求項１記載の装置。 １１．前記組合わせが、前記位相角差と関連する前記電気的変数の関数として前 記目標部材の位置を決定する手段を含む請求項１０記載の装置。 １２．前記入力交番電気信号が、前記別の導電性長形部材の２つの対向端部の両 方に供給される請求項１０記載の装置。 １３．前記組合わせが、前記位相角差と関連する前記電気的変数の関数として前 記目標部材の位置を決定する手段を含む請求項１２記載の装置。 １４．前記組合わせが、単位長さ当たり有限オーミック抵抗値を有し、前記導電 性スタブ部材に対して密に隣接する位置関係で前記導電性長形部材に平行に配置 され、且つ容量性電気的結合のための側面面積を有する別の導電性長形部材を含 み、前記導電性スタブ部材の表面面積が、該導電性スタブ部材と、前記導電性長 形部材及び前記別の導電性長形部材の組合わせとの間の相対的変位の間、該別の 導電性長形部材の側面面積の一部との密に隣接する対面関係を維持し、前記入力 交番電気信号が、前記別の導電性長形部材の一端部へ供給され、それにより、前 記導電性スタブ部材の表面面積と前記別の導電性長形部材の側面面積の一部との 間の容量性電気的結合によって、前記入力交番電気信号が前記別の導電性長形部 材から前記導電性スタブ部材へ伝送され、前記２つの出力交番電気信号が、前記 導電性長形部材の２つの対向端部の１つ及び前記別の導電性長形部材の２つの対 向端部の１つからそれぞれ取出される請求項１記載の装置。 １５．前記組合わせが、前記位相角差と関連する前記電気的変数の関数として前 記目標部材の位置を決定する手段を含む請求項１４記載の装置。 １６．前記入力交番電気信号が、前記別の導電性長形部材の２つの対向端部の両 方へ供給される請求項１４記載の装置。 １７．前記組合わせが、前記位相角差と関連する前記電気的変数の関数として前 記目標部材の位置を決定する手段を含む請求項１６記載の装置。