JPH0921602A - 変位検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 変位を検出するためのコイルを１個とし、装
置の小型化を図るとともに、周囲温度によって電気抵抗
が変化する受動素子を用いて温度特性の優れた変位検出
装置を提供する。 【構成】 一定の長さに巻回したコイル１と、コイル１
とほぼ同等或いはそれ以上の長さを有する非磁性で比較
的電気良導体からなる外筒１３をコイル１の軸線方向に
移動可能に配設し、コイル１を交流信号によって定電流
駆動し、外筒１３の変位に比例的に変化するコイル１の
駆動電圧を出力信号とする。コイル１の２本の引出し線
３，４間に２組の抵抗回路５，６を直列に接続し、その
接合点から第３の引出し線７を引出している。２組の抵
抗回路５，６のうち少なくとも一方の抵抗回路を周囲の
温度に応じてその抵抗値が変化するものとしている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、産業機械装置の機械的
変位、或いは液体のレベル変位を浮子等による機械的変
位に変換して、その変化を電気信号として出力する変位
検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術及びその課題】変位を検出する装置として
従来から種々の方式が提案されている。最も古典的なも
のとしては、差動トランス或いはポテンショメータなど
を挙げることが出来る。差動トランスは基本的に無接触
で変位を検出できるが、その原理構造上、有効な変位測
定範囲に対して検出装置の変位検出方向長さが大きくな
る欠点があるとともに、検出装置の可動部（差動トラン
スのコア）が機械的振動、衝撃によって破損し易い欠点
がある。ポテンションメータは安価であることから多く
の機械装置に用いられているが原理的に接触式変位検出
装置であり、寿命に限界があるといった問題がある。

【０００３】無接触である特徴を維持しながら、上記従
来方式（特に差動トランス）を改良した例として特開昭
６３−２７３００１、特開昭６３−２７３００２、特開
平２−１１６７１２、特開平２−２０１１１４及び特開
平３−４６５１２などを挙げることができる。

【０００４】これらの例は、いずれもコイルの中心部に
設けられるコアは固定しておき、そのコイルの外周部に
金属外筒をコイルの軸線方向に移動可能なように配設
し、金属外筒のコイルに対する相対変位を電気信号に変
換するものである。

【０００５】この改良例は上記した公開特許公報に記載
されているように、機械的に強い構造を有する変位検出
装置を具現できることになる。

【０００６】しかしながら、変位検出装置においては、
その機械的構造の強さだけでなく、その性能、特に周囲
の温度の変化に対して出力信号の変化が少ないものが要
求される。

【０００７】特開昭６３−２７３００１号では、温度特
性を良くするために、コイルＡとＢの２個を軸方向に設
けている。この方式であると、コイルが２個になるた
め、装置の軸方向長さが大きくなる。この欠点を改善す
るため、特開昭６３−２７３００２号では２個のコイル
を並設する方式を提案している。

【０００８】特開平２−１１６７１２号では、２個のコ
イルの一方を別な場所に設置し、変位検出装置の小型化
を計っている。特開平２−２０１１１４号及び特開平３
−４６５１２号も、同様の考えで小型化を提案したもの
である。

【０００９】いずれにしても、２個のコイルを差動型に
接続して変位検出装置の温度特性を良くしようとするも
のである。しかしながら、この方式でも、実際上は３０
０〜９００ppm/℃と非常に大きな温度特性しか得られて
いない。この理由は、コイルを２個用いて差動型にして
も、当然のことながら、変位に応じて２個のコイルが異
なるインダクタンスを有するため、完全な温度補償がで
きないためである。

【００１０】

【発明の目的】そこで、本発明は、変位を検出するため
のコイルを１個とし、装置の小型化を図るとともに、周
囲温度によって電気抵抗が変化する受動素子（シリコン
温度センサ素子、薄膜抵抗温度センサ素子或いはサーミ
スタなど）を用いて温度特性の優れた変位検出装置を提
案するものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、一定の長さに
巻回したコイルと、該コイルとほぼ同等或いはそれ以上
の長さを有する非磁性で比較的電気良導体からなる外筒
を前記コイルの軸線方向に移動可能に配設し、該コイル
を交流信号によって定電流駆動し、外筒の変位に比例的
に変化する前記コイルの駆動電圧を出力信号とすること
を特徴とする変位検出装置により、前記課題を解決し
た。本発明の実施態様としては、前記変位検出装置にお
いて、前記コイルの２本の引出し線間に２組の抵抗回路
を直列に接続し、前記抵抗回路の接合点から第３の引出
し線を設け、該第３の引出し線から得られる電圧信号を
出力としたもの、さらに、この変位検出装置において、
２組の抵抗回路のうち少なくとも一方の抵抗回路を周囲
の温度に応じてその抵抗値が変化するものとしたもの、
そして、前記の各変位検出装置において、非磁性で比較
的電気不良導体からなる密閉容器で前記コイルを取り囲
んだものが好適である。

【００１２】

【作用】本発明においては、交流信号によって定電流駆
動されるコイルは１個であり、外筒の変位に比例的に変
化する前記コイルの駆動電圧を出力信号として取り出す
ことができるから、小型化を実現することができるとと
もに、強度の向上、温度補償特性の向上を図ることがで
きる。

【００１３】

【実施例】図１は本発明にかかる変位検出装置の一例を
示し、図２は図１に示した変位検出装置の簡略図とその
駆動回路を示したものである。図１において、符号１は
コイルでボビン２に巻回されている。本例ではコイル１
は２層に巻回されているが１層でもよいし、また２層を
超える多層巻でもよい。コイル１は変位検出軸方向に１
個だけ設けたもので、このコイルの引出し線３と４の間
に抵抗素子５と６が直列に接続され、この抵抗素子５と
６の接合点から第３の引出し線７が引き出されている。
符号８は非磁性で比較的電気不良導体、例えば、オース
テナイト系ステンレスＳＵＳ３０４等の金属パイプから
なり、この金属パイプ８の両端は、先端プラグ９とヘッ
ドプラグ１０で封止された密閉構造になっており、「密
閉容器」を構成している。本例では、符号１１と１２で
示すように、溶接によって封止しているが、Ｏリング等
でシール性を持たせた取付け方法でもよい。本発明の動
作原理からいって、先端プラグ９とヘッドプラグ１０
も、金属パイプ８と同様、非磁性で比較的電気不良導体
が望ましい。

【００１４】符号１３は、非磁性で比較的電気良導体、
例えば、銅、銅合金、アルミニウム或いはアルミニウム
合金からなる外筒である。この外筒１３は、コイル１の
軸線方向でコイル１に対して相対変位し、外筒１３がコ
イル１に対して一種のショートコイルの役をなし、外筒
１３の変位に応じてコイル１のインダクタンスが変化す
ることになる。

【００１５】符号１４は、ボビン２の中心部に挿入され
るコアで透磁率の良い材質、例えば、パーマロイなどが
望ましいが、コア１４は必須のものではなく、ボビン２
の中心部は空洞でもよい。但し、空洞の場合は、コイル
１のインダクタンスの外筒１３の変位に対する変化率
（感度）が小さくなることを覚悟しなければならない。

【００１６】なお、符号１５は、ヘッドプラグ１０に設
けられたねじ部であり、後述する応用例図６に示すよう
に、機器にねじ込むことが出来るようにしたものであ
る。

【００１７】図２において、符号１６は、コイル１を定
電流駆動するための回路で、演算増幅器１７、入力抵抗
１８、フィードバック抵抗１９、電流検出抵抗２０から
なり、コイル１に流れる電流が抵抗２０によって検出さ
れ励振源２１で出力される交流信号に比例した電流が常
にコイル１に流れることになる。なお、定電流駆動回路
１６は従来技術のうち最も簡単な方法を例示したに過ぎ
ない。コイル１に励振源２１の信号に比例した電流を供
給できる回路であれば、どのようなものでもよい。

【００１８】従って、外筒１３のコイル１に対する相対
位置に比例した交流電圧が引出し線３と４の間或いは引
出し線３と回路１６のグランドの間に生ずることにな
る。すなわち、変位に比例した交流電圧が本発明による
変位検出装置の出力信号となる。既に述べたように、こ
の交流信号電圧は、抵抗素子５と６によって分圧されて
いるので、第３の引出し線７で計測される電圧〓も変位
に比例することになる。コイル１のインダクタンスは、
外筒１３が図２で右方向に移動（Ｘが大きくなる方向）
するに比例して大きくなるので、上記の交流信号電圧も
これに比例して大きくなる。

【００１９】励振源２１の交流信号は正弦波が望まし
く、また、出力である交流信号電圧は、その実効値を出
力してもよいし、或いは、従来技術で容易に得ることの
出来る整流された直流電圧を出力信号としてもよい。或
いは、出力された交流信号電圧が正弦波の場合は、その
ピーク値をホールドし直流に変換したものでもよい。い
ずれにしても、外筒１３の変位に比例した目的にかなっ
た電気信号を容易に得ることができる。

【００２０】

【実験例】本発明の効果を実証するために、図１で示す
変位検出装置を試作した。コイル１の線径は０．２mm
で、軸方向長さを１５０mm、ボビン２の外径、すなわ
ち、コイル１の内径は４mmとし、２層巻回した。外筒１
３の有効移動範囲は、コイル１の軸方向長さ１５０mmの
両端から１０mm以内、すなわち、１３０mmとした。抵抗
素子には、金属被膜抵抗を使用した。

【００２１】図３、図４及び図５は実験結果の一例を示
し、図３はＸ＝０mm、図４はＸ＝６５mm及び図５はＸ＝
１３０mmの場合を示す。図の中の横軸は周囲温度で、縦
軸は第３の引出し線７の出力電圧Ｖを示す。なお実験で
は、抵抗素子６を固定抵抗２０ＫΩとし、抵抗素子５を
０Ωから１００Ω毎に変化させた。すなわち、図３乃至
図５において、０Ωと記した実験結果は、抵抗素子５と
６による分圧効果のない場合を示す。

【００２２】これらの試験結果から明らかなように、コ
イル１のインダクタンスの大きさ、換言すれば、外筒１
３の位置の違いによって出力信号の周囲温度に対する変
化率が大きく変化することが分かる。例えば、抵抗素子
５が０Ωの場合、変位検出装置の有効測定範囲１３０mm
を、フルストローク（ＦＳ）として温度特性を計算する
と、 Ｘ＝０mmのとき ４８５ppm FS／℃ Ｘ＝６５mmのとき １００４ppm FS／℃ Ｘ＝１３０mmのとき １５２４ppm FS／℃ となった。なお、温度特性とは、出力信号の周囲温度に
対する変化率のことであり、周囲温度が１℃変化したと
き、フルストロークを１００万に換算して、そのいくつ
に相当する測定誤差が生じるかを数値で示している。

【００２３】すなわち、このように、変位によって温度
特性の異なることが、前述の先行技術によるコイル２個
を使用した差動方式にしても完全に温度補償しきれない
理由である。

【００２４】さて、図３乃至図５の実験結果から、次に
示す線形方程式で、出力信号と抵抗値及び周囲温度の関
係を近似できることが分かった。 Ｘ＝０のとき Ｖ＝１．８３３・Ｔ＋Ｄ１−（７／１００）・Ｒｘ…（１） Ｘ＝６５のとき Ｖ＝３．８００・Ｔ＋Ｄ２−（１５／１００）・Ｒｘ …（２） Ｘ＝１３０のとき Ｖ＝５．７６７・Ｔ＋Ｄ３−（２３／１００）・Ｒｘ …（３） 但し、Ｖ： 第３の引出し線７の出力信号 Ｔ： 周囲温度 Ｒｘ：抵抗素子５の抵抗値 Ｄ１，Ｄ２及びＤ３：Ｔ＝０、Ｒｘ＝０のときの出力信
号Ｖの値ここでＲｘが周囲温度に対して線形にその抵抗
値を変化しうるとすると、 Ｒｘ＝α・Ｔ＋β …（４） となるので、これをＸ＝６５mmのときの方程式（２）に
代入すれば、 Ｖ＝３．８００・Ｔ＋Ｄ２−（１５／１００）・（α・Ｔ＋β） ＝［３．８００−（１５／１００）α］Ｔ＋Ｄ２−（１５・β）／１００ …（５） となる。

【００２５】（５）式において周囲温度Ｔの係数が０で
あれば、少なくともＸ＝６５mmのとき、変位検出装置の
第３の引出し線７から得られる出力信号は周囲温度に全
く影響されないことになる。そこで、このような温度係
数を求めることにすると、 ３．８００−（１５／１００）α＝０から、 α＝２５．３３３ …（６）となる。

【００２６】（６）式で得られたαをＸ＝０mm及びＸ＝
１３０mmの場合の方程式（１）と（３）に代入すると、
それぞれのＴの係数は、 Ｘ＝０mmのとき ０．０６ Ｘ＝１３０mmのとき −０．０６ となる。本試作品における外筒１３の有効移動範囲での
出力電圧Ｖの一定周囲温度２０℃下における最大変動
は、３７８３mVであったので、フルストロークに対し
て、温度特性を計算すれば、 Ｘ＝０mmのとき ０．０６／３７８３＝ １５．８ppmFS／℃ Ｘ＝１３０mmのとき −０．０６／３７８３＝−１５．８ppmFS／℃ となり、有効移動範囲全域で非常に優れた温度特性を得
ることができることが分かった。

【００２７】（６）式に見るように、αは温度に対して
正の係数を示す。この特性は、既に述べたシリコン温度
センサ素子或いは薄膜抵抗温度センサ素子を用いること
によって得ることが可能である。このような温度センサ
で適当なαを得ることができない場合は、逆に、抵抗素
子５を固定抵抗とし、抵抗素子６にサーミスタからなる
抵抗回路を設けるとよい。サーミスタは負の温度係数を
有するので、効果としては、上記した正の温度係数を示
すαを別な方法で得ることが可能であることを意味す
る。さらに、抵抗素子５と抵抗素子６の一方が正の温度
係数、他方が負の温度係数をそれぞれ有するようにする
と、温度補償効果が一層増大する。なお、抵抗素子５と
抵抗素子６は、単一の抵抗素子からなる場合に限られ
ず、複数の素子からなる回路である場合もある。特許請
求の範囲で「抵抗回路」と言っているのはそのためであ
る。

【００２８】

【応用例】図６は本発明による変位検出装置を油空圧シ
リンダに組込み、シリンダのロッドの変位を検出する例
を示したものである。

【００２９】図１で示した構成の変位検出装置２２が、
油空圧シリンダ２３の側底部にねじ込まれ、Ｏリング２
７でシールされる。すなわち、加圧流体の加えられるシ
リンダなどに内蔵しうる例を図６は示している。変位検
出装置の外筒１３は、ロッド２４の中心部に設けられた
穴２８に挿入され、この外筒１３の端部に固着されたフ
ランジ２５がボルト２６でシリンダのピストン部２９に
取付けられている。

【００３０】このような構造によって、シリンダ２３の
ポート３０或いは３１を経て加圧された流体がシリンダ
２３の内部に供給され、ロッド２４が伸縮し、この伸縮
の変位を本発明による変位検出装置２２が検出すること
になる。

【００３１】このように、金属パイプ８、先端プラグ９
及びヘッドプラグ１０で密閉された強固な容器の中にコ
イル１を収納できる構造であるから、図６のような応用
例に用いることが可能となる。当然のことであるが、応
用例は図６に限る必要はなく、一般的な産業機械の可動
部位に外筒１３を取付けて変位を検出できることは言う
までもない。

【００３２】

【発明の効果】請求項１の構成によれば、変位を検出す
るためのコイルを１個としたので、小型化されたこの種
の変位検出装置を得ることができる。請求項２、３の構
成では、周囲温度によって電気抵抗が変化する受動素子
（シリコン温度センサ素子、薄膜抵抗温度センサ素子或
いはサーミスタ等）を用いて温度補償特性の優れた変位
検出装置を得ることができる。さらに、請求項４の構成
によれば、以上の効果に加えて、強度的にもすぐれた変
位検出装置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の変位検出装置の実施例の軸方向断面
図。

【図２】 図１の変位検出装置の概略とその駆動回路の
実施例を示した図。

【図３】 出力電圧が周囲温度によってどのように影響
されるかを示した実験結果を示す図表で、変位がゼロの
場合である。

【図４】 出力電圧が周囲温度によってどのように影響
されるかを示した実験結果を示す図表で、変位が中間の
場合である。

【図５】 出力電圧が周囲温度によってどのように影響
されるかを示した実験結果を示す図表で、変位が最大の
場合である。

【図６】 本発明の応用例で、油空圧シリンダに組み込
まれ、シリンダのロッドの変位を検出する場合の軸方向
断面図。

【符号の説明】

１ コイル ３，４ ２本の引出し線 ５，６ 抵抗回路 ７ 第３の引出し線 ８ 金属パイプ（密閉容器） １３ 外筒

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一定の長さに巻回したコイルと、該コイ
   ルとほぼ同等或いはそれ以上の長さを有する非磁性で比
   較的電気良導体からなる外筒を前記コイルの軸線方向に
   移動可能に配設し、該コイルを交流信号によって定電流
   駆動し、外筒の変位に比例的に変化する前記コイルの駆
   動電圧を出力信号とすることを特徴とする、変位検出装
   置。
2. 【請求項２】 請求項１の変位検出装置において、前記
   コイルの２本の引出し線間に２組の抵抗回路を直列に接
   続し、前記抵抗回路の接合点から第３の引出し線を設
   け、該第３の引出し線から得られる電圧信号を出力とす
   ることを特徴とする、変位検出装置。
3. 【請求項３】 請求項２の変位検出装置において、２組
   の抵抗回路のうち少なくとも一方の抵抗回路を周囲の温
   度に応じてその抵抗値が変化するものとしたことを特徴
   とする、変位検出装置。
4. 【請求項４】 請求項１、２又は３の変位検出装置にお
   いて、非磁性で比較的電気不良導体からなる密閉容器で
   前記コイルを取り囲んだことを特徴とする、変位検出装
   置。