KR100654790B1

KR100654790B1 - 스트로크 센서

Info

Publication number: KR100654790B1
Application number: KR1020000051734A
Authority: KR
Inventors: 고토아츠토시; 사카모토가즈야; 사카모토히로시; 도자와쇼지
Original assignee: 가부시키가이샤 아미텍; 신갸타피라 미쓰비시 가부시키가이샤
Priority date: 1999-09-03
Filing date: 2000-09-01
Publication date: 2006-12-07
Also published as: KR20010050315A; EP1081390B1; JP2001074006A; DE60019044D1; DE60019044T2; EP1081390A3; EP1081390A2

Abstract

본 발명은, 소형화가 가능하고, 심플한 구조를 가지며, 검출가능 스트로크 범위를 넓게 취할 수 있고, 또 고분해능으로 검출가능하게 한다.

본체(2)의 내부에서, 상기 본체의 소정 단측에 일단이 캔틸레버 지지되고, 타단이 본체의 공간 내에 연장되어 있는 센서 부재(4)는, 소정의 교류신호에 의해 동상 여자(勵磁)되는 복수의 코일 구간을 가동체의 직선 변위 방향을 따라서 순서대로 배열하여 이루어지는 코일부(10)를 포함한다. 가동체(3)의 내부에서, 센서 부재의 침입을 허용하도록 내부 공간(5)이 설치되고, 내부 공간(5)의 주위 벽은 자성체 또는 도전체의 자기응답물질(11)로 이루어진다. 가동체의 스트로크 위치에 따라서 자기응답물질과 코일부의 상대적 위치가 변화하고, 이 상대적 위치에 따라서 각 코일 구간의 인덕턴스를 변화시켜, 자기응답물질의 단부가 1개의 코일 구간의 일단으로부터 타단까지 변위하는 동안에 코일 구간의 양단간 전압이 점감 또는 점증한다.

Description

스트로크 센서{Stroke sensor}

도 1은 본 발명에 관한 스트로크 센서의 유체압 실린더 장치에서의 하나의 실시예를 도시하는 축방향 단면 개략도,

도 2는 도 1의 스트로크 센서에 의한 위치검출원리를 설명하는 도면으로서, (A)는 도 1에서의 코일부와 자기응답물질과의 배치를 추출하여 도시하는 외관 개략도, (B)는 그 코일 축방향 단면 개략도, (C)는 상기 코일부에 관련된 전기 회로도,

도 3은 도1, 도2의 실시예에서의 위치검출 동작 설명도로서, (A)는 각 코일의 출력예를 도시하는 도면, (B)는 각 코일 출력의 연산합성예를 도시하는 도면,

도 4는 도 1, 도 2의 실시예에서의 자기응답물질의 선단 형상의 변형예를 도시하는 단면 개략도,

도 5는 본 발명에 관한 스트로크 센서의 다른 실시예를 도시하는 축방향 단면 개략도,

도 6은 도 5의 실시예에서의 코일부에 관련된 전기 회로도,

도 7은 도 5의 실시예에서의 위치검출 동작 설명도로서, (A)는 코일의 출력예를 도시하는 도면, (B)는 각 코일 출력의 연산합성예를 도시하는 도면,

도 8은 본 발명의 각 실시예에서의 자기응답물질의 선단 현상의 변형예와 코일 배치의 변형예를 도시하는 단면 개략도,

도 9는 본 발명의 각 실시예에서의 코일 배치의 다른 변형예를 도시하는 단면 개략도,

도 10은 본 발명의 각 실시예에서의 코일 배치의 또다른 변형예를 도시하는 단면 개략도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 실린더 장치 2 : 실린더 본체

3 : 피스톤부 4 : 센서 부재

5 : 피스톤부의 내부 공간 6 : 보빈부

7 : 보호 튜브 8 : 자성체 봉

10 : 코일부 11 : 자기응답물질

12 : 교류전원 LA, LB, LC, LD, Lα, Lβ : 코일(코일 구간)

20, 21 : 아날로그 연산회로 22 : 위상검출회로

31, 31a, 31b : 자성체 스페이서

본 발명은, 유체압 실린더의 스트로크 위치검출이나 스풀밸브의 스풀 위치검출 등의 용도에 적용할 수 있는 스트로크 센서에 관한 것으로, 특히, 교류 여자되는 코일과 이 코일에 대해서 상대적으로 변위하는 자성체 또는 도전체를 포함하여 구성되는 것으로, 더욱 상세하게는, 1상의 교류로 여자되는 1차 코일만을 사용하여 복수상의 진폭 함수 특성을 나타내는 출력교류신호를 스트로크 위치에 따라서 생성하는 것에 관한 것이다.

유체압 실린더 등의 스트로크 위치를 검출하는 위치검출장치는 종래로부터 다양한 방식의 것이 알려져 있다. 그 중, 전자기 코일을 사용한 유도형의 실린더 위치 검출장치로서는 예를 들면, 일본국 실용신안공고 평 2-26003호 공보 등에 나타낸 것이 알려져 있다. 종래 공지의 이 종류의 유도형의 실린더 위치검출장치는 어느것이나 피스톤 로드의 표면을 요철가공한다든지, 피스톤 로드의 표면에 자성체 또는 도전체의 패턴을 형성하고, 그 위에 소요의 코팅처리를 실시하여 피스톤 로드 표면의 보호를 도모한 것이다. 또, 위치검출방식은 복수의 1차 코일을 서로 전기적 위상이 어긋난 복수상의 교류신호(예를 들면 sinωt와 cosωt)로 각각 여자시켜, 각 1차 코일에 의한 2차측 유도신호를 합성하여 하나의 2차 출력신호를 생성하고, 여자용의 교류신호에 대한 이 2차 출력신호에서의 전기적 위상 어긋남이 검출대상 피스톤 위치를 나타내도록 한 위상 시프트 타입으로 이루어져 있다.

종래 장치와 같이 피스톤 로드의 표면에 소요의 가공·형성을 행하는 것에 있어서는, 피스톤 로드의 제조·가공이 번거롭고, 또, 각 실린더 로드마다 특별주문하여 제조·가공을 행하지 않으면 안되기 때문에, 다양한 타입·사이즈의 실린더에 있어서 위치검출장치의 공용화를 도모할 수 없었다. 또, 가공이 완료된 피스톤 로드의 표면에 소요의 코팅처리를 실시했다고 해도 피스톤 로드의 신축동작의 반복에 의한 미끄러짐 동작의 마모에 의해서, 그리고 수년동안의 사용에 의해, 표면코팅이 벗겨져 버려서, 내구성이 약해진다고 하는 문제점도 있었다.

이와 같은 결점을 제거하기 위해, 일본국 특허공개 평 10-153203호 공보에 나타낸 바와 같은 실린더 스트로크 위치검출장치가 제안되어 있다. 이것은 피스톤 로드의 내부에 공간을 설치하고, 그 내부공간 내에 센서구조를 수용할 수 있도록 함으로써, 피스톤 로드의 외주에 특별한 가공을 할 필요를 없게 하고, 사이즈가 다른 실린더에서도 검출장치 각 요소의 공용화를 용이하게 도모할 수 있도록 하고, 또한, 미끄러짐 동작에 의한 마모의 걱정없이 내구성이 풍부한 실린더 스트로크 위치검출장치를 제공하는 것이다. 그러나, 피스톤 로드의 내부공간 내에 수용하는 센서 구조는 1차 코일과 2차 코일을 포함하는 것으로, 코일 구성측면에서 개량의 여지가 있었다.

즉, 종래 알려진 실린더 스트로크 위치검출장치에 이용되는 유도형 위치센서의 코일구성은 1차 코일과 2차 코일이 필요하기 때문에, 부품수가 많아지고, 제조 비용을 저렴하게 하는데에 한계가 있었다. 또, 소형화하는데에도 한계가 있었다. 여자코일의 자기 인덕턴스를 측정하는 타입의 위치검출기도 알려져 있고, 그것은 그것으로 코일수를 줄일 수 있지만, 검출대상의 변위에 따른 이상량(移相量)을 좁은 범위에서만 얻을 수 있기 때문에, 실제로는 그 이상량의 측정이 곤란하고, 또, 검출분해능이 나빠서, 실용화에는 부적합하였다.

본 발명은 상술한 점을 감안하여 이루어진 것으로, 소형이고 심플한 구조를 갖는 동시에, 이용가능한 검출가능 스트로크 범위를 넓게 할 수 있으며, 또 검출대상의 변위가 미소해도 고분해능으로 검출이 가능한 스트로크 센서를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명은, 본체의 공간내에서 상기 본체에 대해서 상대적으로 직선 변위하는 가동체의 스트로크 위치를 검출하기 위한 스트로크 센서로서, 상기 본체의 내부에서 상기 본체의 소정 단측에 일단이 캔틸레버 지지되고, 타단이 본체의 공간내에 연장되어 있는 센서부재와, 상기 가동체의 내부에서 상기 센서부재의 침입을 허용하도록 설치된 내부 공간과, 소정의 교류신호에 의해서 여자되는 복수의 코일 구간을 상기 가동체의 직선 변위 방향을 따라서 순서대로 배열하여 이루어지는 코일부로서, 상기 센서부재 또는 상기 가동체의 내부 공간의 주위 벽의 한쪽에 설치되어 이루어지는 것과, 상기 코일부에 대해서 상대적으로 변위하도록 상기 센서부재 또는 상기 가동체의 내부공간의 주위 벽의 다른 쪽에 설치되어 이루어지는 자기응답물질로서, 상기 가동체의 스트로크 위치에 따라서 상기 자기응답물질과 상기 코일부의 상대적으로 위치가 변화하고, 이 상대적 위치에 따라서 각 코일의 인덕턴스를 변위시켜, 상기 자기응답물질이 1개의 코일 구간의 일단으로부터 타단까지 변위하는 동안에 상기 코일 구간의 전압이 점감 또는 점증하도록 한 것을 구비하고 있다.

본 발명을 유체압 실린더의 스트로크 센서에 적용한 경우, 상기 본체는 실린더 본체에 해당하고, 상기 가동체는 피스톤 및 피스톤 로드에 해당한다. 그 경우, 센서부재는 실린더 본체의 내부에서 상기 본체의 소정 단측에 일단이 캔틸레버 지지되고, 타단이 본체의 공간내에 연장되도록 설치된다. 또, 피스톤 및 피스톤 로드 결국 가동체의 내부에서, 상기 센서부재의 침입을 허용하도록 내부 공간이 설치된다. 이와 같은 구조는 상술한 일본국 특허공개 평 10-153203호에 나타낸 것과 공통이고, 거기에서 설명되어 있는 바와 같이, 구조의 간단화, 내구성의 향상, 소형화, 공용화 등의 다양한 이점을 향수할 수 있다. 스트로크 위치검출은 유도원리에 따라서 코일부와 상기 코일부에 대해서 상대적으로 변위하도록 배치된 자기응답물질과의 상대적 위치를 상기 상대적 위치에 따라서 발생하는 각 코일의 인덕턴스 변위에 따른 출력전압에 기초하여 검출함으로써 행해진다. 한편, 스풀밸브의 위치검출장치로서 적용하는 경우에는, 상기 가동체는 스풀에 해당한다.

일례로서 코일부는 상기 센서부재의 측에 설치되고, 그 경우에는 자기응답물질은 상기 가동체의 상기 내부공간의 주위 벽 측에 설치된다. 상기 가동체의 재질 그 자체가 소정의 자기응답물질로 이루어지는 경우에는, 가동체의 내부공간의 주위 벽 그 자체가 상기 자기응답물질에 해당하는 것이 되어, 그것과는 별도로 특별한 자기응답물질을 설치할 필요는 없다. 상기 가동체의 재질 그 자체가 소정의 자기응답물질에 해당하지 않으면, 가동체의 내부공간의 주위 벽 측에 특별히 상기 소정의 자기응답물질을 배치하는 것이 된다. 코일부와 자기응답물질의 배치는 반대이어도 되기 때문에, 다른 예로서는 코일부를 상기 가동체의 상기 내부공간의 주위 벽 측에 설치하고, 소정의 자기응답물질을 상기 센서부재 측에 설치하도록 해도 된다.

자기응답물질은 전형적으로는 자성체 및 도전체의 적어도 한쪽을 포함하여 이루어지는 것이어도 된다. 자기응답물질이 자성체로 이루어지는 경우에는, 상기 자기응답물질의 어느 코일 구간에 대한 근접 또는 침입의 정도가 증가할수록 상기 코일 구간의 자기 인덕턴스가 증가하고, 상기 자기응답물질의 단부가 1개의 코일 구간의 일단으로부터 타단까지 변위하는 동안에 상기 코일 구간의 양단간 전압이 점증한다. 코일부에서 복수의 코일 구간이 위치검출대상인 가동체의 직선 변위 방향을 따라서 순서대로 배열되어 이루어짐으로써, 코일부에 대한 자기응답물질의 위치가 검출대상의 변위에 따라서 상대적으로 변위함에 따라서, 각 코일 구간의 양단간 전압의 점증(또는 점감) 변화가 순서대로 일어난다. 따라서, 이 코일 단자간 전압의 점증(또는 점감) 변화를 소정 주기 함수의 부분적 위상 범위에서의 변화로 가정하여 이것을 조합하여 이용함으로써, 검출대상위치에 따라서 소정의 주기함수특성에 따른 진폭을 각각 나타내는 복수의 교류출력신호를 생성할 수 있다. 즉, 각 코일 구간의 단자간 전압을 각각 꺼내고, 이것을 가감연산하여 조합시킴으로써, 검출대상위치에 따라서 소정의 주기함수특성에 따른 진폭을 각각 나타내는 복수의 교류출력신호를 생성할 수 있다.

예를 들면, 전형적으로는 자기응답물질의 단부가 1개의 코일 구간의 일단으로부터 타단까지 변위하는 동안에 발생하는 상기 코일 구간의 양단간 전압의 점증변화 곡선은 예를 들면, 사인함수에서의 0도로부터 90도까지의 범위의 함수값 변화에 비견할 수 있다. 또, 이 점증변화 곡선은 그 진폭을 음으로 반전하여, 소정 레벨(오프셋 레벨)을 가산하는 전압 시프트를 행하면, 소정 레벨로부터 점감하는 점감변화 곡선으로 변환할 수 있다. 이와 같은 점감변화 곡선은 예를 들면 사인함수에서의 90도로부터 180도까지의 범위의 함수값 변화에 비견할 수 있다. 이렇게 해서 순서대로 늘어선 4개의 코일 구간에서의 순서대로 일어나는 이들의 양단간 전압의 점증변화는 필요에 따라서 적절한 가감연산을 실시함으로써, 사인함수에서의 0도로부터 90도까지의 범위의 함수값 변화, 90로부터 180도까지의 범위의 함수값 변화, 180도로부터 270도까지의 범위의 함수값 변화, 270도로부터 360도까지의 범위의 함수값 변화에 각각 비견할 수 있다. 각 범위에서의 곡선의 경사방향이나 전압 시프트의 오프셋 레벨은 적절한 아날로그 연산에 의해 적절히 콘트롤할 수 있다. 이렇게 해서, 검출대상위치에 따라서 사인함수 특성에 따른 진폭을 나타내는 제 1 교류출력신호를 생성할 수 있고, 또, 이 사인함수에 대해서 90도 위상이 어긋난 동일 특성의 주기함수 즉, 코사인 함수의 특성에 따른 진폭을 나타내는 제 2 교류출력신호를 생성할 수도 있다.

이와 같이, 바람직한 하나의 실시예로서, 검출대상위치에 따라서 사인 및 코사인함수 특성에 따른 진폭을 각각 나타내는 2개의 교류출력신호를 생성할 수 있다. 예를 들면, 검출대상위치를 각도 θ로 치환하여 나타내면, 대개 사인 함수 특성을 나타내는 진폭을 갖는 교류출력신호는 sinθsinωt로 나타낼 수 있고, 코사인 함수 특성을 나타내는 진폭을 갖는 교류출력신호는 cosθsinωt로 나타낼 수 있다. 이것은 리졸버(resolver)라고 하는 위치검출기의 출력신호의 형태와 동일한 것으로, 매우 유용한 것이다. 예를 들면, 상기 아날로그 연산회로에서 생성된 상기 2개의 교류출력신호를 입력하여, 상기 2개의 교류출력신호에서의 진폭값의 상관관계로부터 상기 진폭값을 규정하는 상기 사인 및 코사인 함수에서의 위상값을 검출하여, 검출한 위상값에 기초하여 상기 검출대상의 위치검출 데이터를 생성하는 진폭위상 변화부를 구비하도록 하면 된다.

또한, 자기응답물질로서 구리와 같은 양도전체를 사용한 경우에는, 소용돌이 전류손(渦電流損)에 의해서 코일의 자기 인덕턴스가 감소하고, 자기응답물질의 단부가 1개의 코일의 일단으로부터 타단까지 변위하는 동안에 상기 코일의 양단간 전압이 점감하게 된다. 이 경우에도 상기와 동일하게 검출하는 것이 가능하다. 자기응답물질로서 자성체와 도전체를 조합한 하이브리드 타입의 것을 이용해도 된다. 다른 실시예로서 자기응답물질로서 영구자석을 포함하여, 코일은 자성체 코어를 포함하도록 해도 된다. 이 경우에는, 코일측의 자성체 코어에서 영구자석의 접근에 따라서 대응하는 개소가 자기포화 또는 과포화되고, 상기 자기응답물질 즉 영구자석이 1개의 코일의 일단으로부터 타단까지 변위하는 동안에 상기 코일의 양단간 전압이 점감하게 된다.

이렇게 해서, 이 발명에 의하면 1차 코일만을 설치하면 되고, 2차 코일은 불필요하기 때문에, 소형이고 심플한 구조의 위치검출장치를 제공할 수 있다. 또, 복수의 코일 구간을 검출대상의 변위방향을 따라서 순서대로 배열하여 이루어지고, 자기응답물질의 단부가 1개의 코일 구간의 일단으로부터 타단까지 변위하는 동안에 상기 코일의 양단간 전압이 점증(또는 점감)하는 특성의 변화가 각 코일구간마다 순서대로 일어나기 때문에, 각 코일구간마다 양단간 전압을 각각 추출하여 이것을 가감연산하여 조합함으로써, 검출대상위치에 따라서 소정의 주기함수 특성에 따른 진폭을 각각 나타내는 복수의 교류출력신호(예를 들면, 사인 및 코사인 함수 특성에 따른 진폭을 각각 나타내는 2개의 교류출력신호)를 용이하게 생성할 수 있고, 이용가능한 위상각 범위를 넓게 할 수 있다. 예를 들면, 상기와 같이, 0도로부터 360도까지의 모든 위상각 범위에서 검출을 행하는 것도 가능하다. 또, 이들 복수의 교류출력신호에서의 진폭값의 상관관계로부터 상기 진폭값을 규정하는 소정 주기함수(예를 들면, 사인 및 코사인 함수)에서의 위상값을 검출함으로써, 검출대상의 변위가 미소해도 고분해능으로의 위상검출이 가능하다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다.

도 1은, 본 발명에 관한 스트로크 센서를 실린더 위치검출장치로서 구성한 하나의 실시예를 실린더 축방향을 따른 단면도로 나타내는 것이다. 이 실린더 위치검출장치가 적용되는 실린더 장치(1)는 유압 또는 공기압 실린더 등, 어떠한 타입의 실린더이어도 된다. 이 실린더 장치(1)는 통상 알려진 바와 같이, 실린더 본체(2)와, 이 실린더 본체(2)에 대해서 상대적으로 직선변위 가능하게 삽입된 피스톤부(3)를 포함하고 있다. 또한, 도 1에서, 실린더 본체(2)에 관련되는 유압 또는 공기압 회로의 도시는 생략하고 있다.

실린더 본체(2)의 내부에서는 상기 실린더 본체(2)의 폐쇄단(2a)측에 일단이 캔틸레버 지지되고, 타단이 상기 실린더 본체(2)의 개구단(2b)쪽으로 연장된, 센서부재(4)가 설치되어 있다. 실린더 본체(2)의 내부에는 센서부재(4)가 연장되어 설치되어 있기 때문에, 실린더 본체(2)의 내부에서 도시한 x방향으로 전후로 직선 이동하는 피스톤부(3)는 이 길이가 긴 센서부재(4)를 적절히 피할 필요가 있다. 그래서, 피스톤부(3)의 내부에서 이 센서부재의 침입을 허용하도록 소요의 공간(5)이 설치된다.

센서부재(4)에는 코일부(10)가 설치되어 있다. 이 코일부(10)는 소정의 1상의 교류신호에 의해서 여자되는 복수의 코일구간(도시예에서는 4개의 코일 구간(LA, LB, LC, LD))을 피스톤부(3)의 직선 변위방향(도시한 x방향)을 따라서 순서대로 배열하여 이루어진다. 상세하게는 센서부재(4)에서 복수 코일 구간(LA, LB, LC, LD)를 포함하는 코일부(10)는 보빈부(6)에 감겨서 설치되고, 그 외주를 비자성 및 비도전성의 보호 튜브(또는 코팅 혹은 몰드)(7)에 의해서 커버되어 이루어진다. 보호 튜브(7)로서는 어떠한 재질의 것을 사용해도 되지만, 예를 들면, 절연성 수지로 이루어지는 열수축 튜브를 이용하면 저렴하다. 또한, 코일부(10)에서의 각 코일 구간(LA, LB, LC, LD)은 소정의 1상의 교류신호에 의해서 여자되는 것이기 때문에, 물리적으로 각각 분리된 개별의 코일로 이루어질 필요는 없고, 전체가 실질적으로 1개의 코일로 이루어지는 것이어도 된다. 즉, 이 1개의 코일을 소요의 복수의 각 코일 구간에 대응시켜 복수의 중간 위치에서 나누고, 각 중간위치로부터 출력단자를 각각 도출함으로써, 복수의 각 코일구간(LA, LB, LC, LD)을 형성하도록 해도 된다. 이 경우, 전기회로적으로는 각 코일 구간(LA, LB, LC, LD)이 직렬 접속되어 소정의 1상의 교류신호에 의해서 여자된다. 물론, 이것에 한정되지 않고, 각 코일구간(LA, LB, LC, LD)으로서 물리적으로 각각의 코일을 사용하여, 이들을 직렬 접속하여 소정의 1상의 교류신호에 의해서 일괄 여자시키거나, 또는 소정의 1상의 교류신호에 의해서 각각의 여자회로를 통해서 동상 여자시켜도 된다. 그러나, 최초로 서술한 바와 같은 1개의 코일을 소요의 복수의 각 코일구간에 대응시켜 복수의 중간위치에서 나누어 사용하는 실시예가 가장 심플하다. 또한, 이하, 각 코일 구간(LA∼LD)을 간단히 「코일」이라고 한다.

보빈부(6)는 비자성의 중공통(中空筒)으로 이루어지고, 그 내부에 하나 또는 복수의 자성체 봉(8)이 수납되어 있다. 자성체 봉(8)은 코일부(10)의 전체 길이에 걸쳐서 연장되어 있고, 상기 코일부(10)의 전체 길이에 걸친 인덕턴스값을 설정한다. 보빈부(6) 내에 수납하는 자성체 봉(8)의 굵기 혹은 수를 적절히 조절함으로써, 코일부(10)의 전체 길이에 걸친 인덕턴스값의 설정변경을 행할 수 있다. 또한, 자성체 봉(8)으로서 그 주위에 구리도금 등을 실시하여 도전성 피막을 형상한 것을 이용하면 된다. 그렇게 하면, 후술하는 바와 같이, 온도 드리프트 특성을 저감시킬 수 있다. 보빈부(6)는 비자성이면 되고, 금속 혹은 수지 등으로 이루어져 있어도 된다. 그러나, 적용하는 실린더 장치(1)가 대형건설기계 등 큰 하중이 가해지는 용도로 사용되는 경우에는, 충분한 강도를 확보하기 위해 금속을 이용하는 것이 좋다. 예를 들면, 보빈부(6)는 비자성의 스테인레스 등을 이용하여 구성한다. 또한, 실린더 폐쇄단(2a)에 폐쇄가 자유롭고 기밀 및 액밀하게 밀폐할 수 있는 캡부(9)를 설치하고, 상기 캡부(9)를 개방함으로써 실린더 내의 센서부재(4)의 출입을 행할 수 있게 하면, 센서부재(4)의 실린더 내로의 설치 및 유지 보수를 용이하게 행할 수 있다. 코일부(10)의 배선(도시하지 않음)은 실린더 폐쇄단(2a)의 적절한 개소(예를 들면, 캡부(9)의 개소이어도 된다)에 뚫린 통로(도시하지 않음)를 통해서 외부와 접촉하기 위한 커넥터(도시하지 않음)에 접속된다.

피스톤부(3)에서의 내부 공간(5)의 주위 벽에는 소정의 자기응답물질(11)이 설치된다. 또한, 도면에서는 피스톤부(3)의 재질과 소정의 자기응답물질(11)이 구별할 수 있도록 도시되어 있지만, 피스톤부(3)의 재질 그 자체가 소정의 자기응답물질(11)과 동일 재질인 경우에는, 피스톤부(3)에서의 내부 공간(5)의 주위 벽에는 특별한 부재를 부가적으로 설치하지 않고, 상기 피스톤부(3)의 내벽 부분 그 자체를 상기 소정의 자기응답물질(11)로서 기능시킬 수 있다. 예를 들면, 소정의 자기응답물질(11)로서 자성체를 이용하는 경우에는, 피스톤부(3)의 재질 그 자체가 철 등의 강자성체로 이루어지는 경우에는, 소정의 자기응답물질(11)로서 특별한 부재를 부가적으로 설치하지 않고, 상기 피스톤부(3)의 내벽 부분 그 자체를 상기 소정의 자기응답물질(11)로서 기능시킬 수 있지만, 이것에 대해서 피스톤부(3)의 재질이 스테인레스와 같은 비자성체로 이루어지는 경우에는, 소정의 양도전체 또는 강자성체로 이루어지는 슬리브를 피스톤부(3)에서의 내부 공간(5)의 주위 벽에 끼워서 만들어, 상기 소정의 자기응답물질(11)로서 기능시킨다. 그 경우, 피스톤부(3)에서의 내부 공간(5)의 주위 벽에 구리도금을 실시함으로써, 양도전체로 이루어지는 자기응답물질(11)을 형성하도록 해도 된다.

다음에, 코일부(10)와 자기응답물질(11)의 상대적 위치관계를 검출하는 원리에 대해서 설명한다.

도 2(A)는 도 1에서의 코일부(10)와 자기응답물질(11)(피스톤부(3)의 내주벽)의 배치를 추출하여 외관 개략도에 의해서 나타내는 것이고, 도 2(B)는 그 코일 축방향 단면 개략도, 도 2(C)는 상기 코일부(10)의 전기회로의 일례를 나타내는 도면이다. 코일부(10)는 감긴 수, 코일 길이 등의 성질이 동등한 4개의 코일(LA, LB, LC, LD)을 피스톤부(3)의 직선 변위방향을 따라서 순서대로 배열하여 이루어진다. 피스톤부(3)의 내주벽을 구성하는 원통형상의 자기응답물질(11)은 피스톤부(3)의 수축방향의 움직임에 따라서 그 내부 공간(5) 내로 봉형상의 센서부재(4)가 들어가서, 센서부재(4)에 설치된 코일부(10)의 각 코일의 자장 내에 침입한다. 도시한 예에서는 피스톤부(3)의 수축방향의 움직임에 따라서 도면의 오른쪽 방향으로 자기응답물질(11)이 진행할 때, 자기응답물질(11)의 선단(11a)이 최초로 코일(LA)의 자장에 침입하고, 다음에 코일(LB, LC, LD)의 순서대로 그 자장에 침입해 간다. 2점 쇄선(11')은 최후의 코일(LD)까지 침입한 자기응답물질(11)을 나타내고 있다. 4개의 코일(LA, LB, LC, LD)에 대응하는 범위를 유효검출범위로 한다. 즉, 1개의 코일의 길이를 K로 하면, 그 4배의 길이 4K가 유효검출범위가 된다. 또한, 실제로는 범위 4K의 양단에서는 정밀도가 떨어지기 때문에, 그 부분은 사용하지 않는 것으로 하고, 실제의 유효검출 범위는 4K보다 조금 좁게 된다.

각 코일(LA, LB, LC, LD)은 그 코어부에 전체 길이에 걸쳐서 자성체 봉(8)이 삽입된 상태가 되어 있고, 자기응답물질(11)이 근접하지 않는 한, 그 인덕턴스값은 최대이다. 자기응답물질(11)의 각 코일의 자장에 대한 근접 또는 침입 정도가 증가할수록, 상기 코일의 자기 인덕턴스가 감소하고, 상기 자기응답물질(11)의 단부(11a)가 1개의 코일의 일단으로부터 타단까지 변위하는 동안에 상기 코일의 양단간 전압이 점감한다. 즉, 자기응답물질(11)이 자성체인 경우에는, 자성체가 코일 외주에 씌워지는 모양이 되기 때문에, 코일 코어부의 자성체 코어(8)에만 집중해 있던 자속이 외측에 씌워진 자기응답물질(11) 쪽으로 누설되고, 코일의 자기 인덕턴스가 감소한다. 또, 자기응답물질(11)이 도전체인 경우에는, 도전체가 코일 외주에 씌워진 모양이 되어, 자계에 의한 소용돌이 전류손이 발생하여, 코일의 자기 인덕턴스가 감소한다. 외주의 도전체의 소용돌이 전류손에 의한 인덕턴스 감소율 쪽이 외주의 자성체에 의한 자속누설에 의한 인덕턴스 감소율보다도 크기 때문에, 보다 바람직한 실시예는 자기응답물질(11)로서 도전체를 사용하는 것이다.

도 2(C)에 도시하는 바와 같이, 각 코일(LA, LB, LC, LD)은 교류전원(12)으로부터 발생되는 소정의 1상의 교류신호(임시로 sinωt로 나타낸다)에 의해서 정전압 또는 정전류로 여자된다. 각 코일(LA, LB, LC, LD)의 양단간 전압을 각각 VA, VB, VC, VD로 나타내면, 이 각각의 전압(VA, VB, VC, VD)을 추출하기 위해, 단자(14∼18)가 설치되어 있다. 용이하게 이해할 수 있도록, 각 코일(LA, LB, LC, LD)은 물리적으로 분리된 각각의 코일일 필요가 없고, 일련의 코일의 전체 길이를 4분할하는 위치에 중간 단자(14∼18)를 설치하는 것만으로도 된다. 즉, 단자(14, 15)간의 코일 부분이 코일 LA가 되고, 단자(15, 16)간의 코일 부분이 코일 LB, 단자(16, 17)간의 코일 부분이 코일 LC, 단자(17, 18)간의 코일부분이 코일 LD가 된다. 각 코일의 출력전압(VA, VB, VC, VD)은 아날로그 연산회로(20 및 21)에 소정의 조합으로 입력되고, 소정의 연산식에 따라서 가산 또는 감산됨으로써, 각 아날로그 연산회로(20 및 21)로부터 검출대상위치에 따른 사인 및 코사인 함수 특성을 나타내는 진폭을 각각 갖는 2개의 교류출력신호(결국 서로 90도 위상이 어긋난 진폭함수 특성을 갖는 2개의 교류출력신호)가 생성된다. 예시적으로, 아날로그 연산회로(20)의 출력신호를 sinθsinωt로 나타내고, 아날로그 연산회로(21)의 출력신호를 cosθsinωt로 나타낸다. 아날로그 연산회로(20 및 21)는 연산 증폭기(OP1, OP2)와 저항회로군(RS1, RS2)을 포함하여 구성된다.

상술한 바와 같이, 자기응답물질(11)의 각 코일의 자장에 대한 근접 또는 침입의 정도가 증가할수록, 상기 코일의 자기 인덕턴스가 감소하고, 상기 자기응답물질(11)의 단부(11a)가 1개의 코일의 일단으로부터 타단까지 변위하는 동안에 상기 코일의 양단간 전압이 점감한다. 그래서 복수의 코일(LA, LB, LC, LD)이 검출대상의 변위방향을 따라서 순서대로 배열되어 이루어짐으로써, 이들 코일에 대한 자기응답부재의 위치가 검출대상의 변위에 따라서 상대적으로 변위함에 따라서, 도 3(A)에 예시하는 바와 같이, 각 코일의 양단간 전압(VA, VB, VC, CD)의 점감변화가 순서대로 일어난다. 도 3(A)에서, 어떤 코일의 출력전압이 경사져 있는 구간에서, 상기 코일의 일단으로부터 타단을 향하여 자기응답물질(11)의 단부(11a)가 변위하게 된다. 전형적으로는 자기응답물질(11)의 단부(11a)가 어느 1개의 코일의 일단으로부터 타단까지 변위하는 동안에 발생하는 상기 코일의 양단간 전압의 점감변화 곡선은 사인 또는 코사인 함수에서의 90도의 범위의 함수값 변화에 비견할 수 있다. 그래서 각 코일의 출력전압(VA, VB, VC, VD)을 각각 적절하게 조합하여 가감연산함으로써, 검출대상위치에 따른 사인 및 코사인 함수 특성을 나타내는 진폭을 각각 갖는 2개의 교류출력신호 sinθsinωt 및 cosθsinωt를 생성할 수 있다.

즉, 아날로그 연산회로(20)에서는 코일(LA, LB, LC ,LD)의 출력전압(VA, VB, VC, VD)을 하기 식 (1)과 같이 연산함으로써, 도 3(B)에 도시하는 바와 같은 사인함수 특성의 진폭 곡선을 나타내는 교류출력신호를 얻을 수 있고, 이것은 등가적으로 「sinθsinωt」로 나타낼 수 있다.

(VB-VA)-(VD-VC)-Vo …식(1)

또한, Vo는 최소 인덕턴스값(자기응답물질(11)이 1개의 코일의 전체를 커버했을 때의 인덕턴스값)에 대응하는 기준전압으로, 0레벨로 오프셋하기 위한 것이다.

또, 아날로그 연산회로(21)에서는 코일(LA, LB, LC, LD)의 출력전압(VA, VB, VC, VD)을 하기 식 (2)와 같이 연산함으로써, 도 3(B)에 도시하는 바와 같은 코사인 함수 특성의 진폭 곡선을 나타내는 교류출력신호를 얻을 수 있다. 이것은 등가적으로 「cosθsinωt」로 나타낼 수 있다.

VA+(VB-VC)+(Vp-VD)-Vo …식(2)

Vp는 최대 인덕턴스값(자기응답물질(11)이 1개의 코일에 완전히 근접하지 않을 때의 인덕턴스값)에 대응하는 기준전압으로, 출력전압(VD)을 오프셋하기 위한 것이다. 또한, 온도 드리프트를 고려하면, 각 코일(LA∼LD)의 온도 드리프트와 동등한 온도 드리프트 특성으로 각 기준전압(Vo, Vp)이 생성되도록 하기 위해, 적절한 더미코일을 개재시켜 각 기준전압(Vo, Vp)을 생성하는 것이 좋다. 물론, 다른 온도보상수단을 이용해도 된다.

각 교류출력신호의 진폭성분인 사인 및 코사인 함수에서의 위상각(θ)은 검출대상위치에 대응하고 있고, 90도 범위의 위상각(θ)이 1개의 코일의 길이(K)에 대응하고 있다. 따라서, 4K의 길이의 유효검출범위는 위상각(θ)의 0도로부터 360도까지의 범위에 대응하고 있다. 따라서, 이 위상각(θ)을 검출함으로써, 4K의 길이의 범위에서의 검출대상위치를 고유하게 검출할 수 있다.

여기에서, 온도특성의 보상에 대해서 설명하면, 온도에 따라서 각 코일의 임피던스가 변화하고, 그 출력전압(VA, VB, VC, VD)도 변동한다. 예를 들면, 도 3(A)에서 실선의 곡선에 대해서 파선으로 나타내는 바와 같이, 각 전압이 한 방향으로 증가 또는 감소 변동한다. 그러나, 이들을 가감산 합성한 사인 및 코사인 함수 특성의 교류출력신호(sinθsinωt 및 cosθsinωt)에서는 도 3(B)에서 실선의 곡선에 대해서 파선으로 나타내는 바와 같이 양음 양 방향의 진폭변화로서 나타낸다. 이것을 진폭계수(A)를 이용하여 나타내면, Asinθsinωt 및 Acosθsinωt가 되고, 이 진폭계수(A)가 주변환경온도에 따라서 변화하게 되고, 이 변화는 2개의 교류출력신호에서 동일하게 나타난다. 이것으로부터 명확하게 알 수 있는 바와 같이, 온도특성을 나타내는 진폭계수(A)는 각각의 사인 및 코사인 함수에서의 위상각(θ)에 대해서 영향을 미치지 않는다. 따라서, 이 실시예에서는 자동적으로 온도특성의 보상이 이루어지게 되고, 정밀도가 좋은 위치검출을 기대할 수 있다. 또한, 전술한 바와 같이 코일부(10)의 자성체 코어에 해당하는 자성체 봉(8)의 외주에 구리도금 등을 실시하여 도전체 피막을 형성함으로써, 온도보상을 행할 수 있다. 즉, 이 자성체 봉(8)의 표면의 도전체 피막은 거기에 생기는 소용돌이 전류손에 의해서 자기회로의 인덕턴스를 감소시키는 것이지만, 예를 들면, 온도 상승시에 각 코일의 임피던스가 상승할 때(이것은 본래, 자기 인덕턴스의 감소를 초래하지만), 도전체 피막의 소용돌이 전류손이 감소하여 상대적으로 자기회로의 인덕턴스를 상승시켜, 코일의 인덕턴스의 온도 드리프트를 보상한다. 동일한 이유로, 보빈부(6)의 비자성 금속으로서 다소라도 도전성을 갖는 것을 이용하면 동일한 온도 드리프트 보상효과를 기대할 수 있다.

사인 및 코사인 함수 특성의 진폭을 갖는 교류출력신호(sinθsinωt 및 cosθsinωt)에서의 진폭함수(sinθ 및 cosθ)의 위상성분(θ)을 위상검출회로(또는 진폭위상 변환수단)(22)로 계측함으로써, 검출대상인 스트로크 위치를 고유하게 검출할 수 있다. 이 위상검출회로(22)로서는 예를 들면, 일본국 특허공개 평 9-126809호 공보에 나타낸 기술을 이용하여 구성하면 된다. 예를 들면, 제 1 교류출력신호(sinθsinωt)를 전기적으로 90도 시프트함으로써, 교류신호(sinθcosωt)를 생성하고, 이것과 제 2 교류출력신호(cosθsinωt)를 가감산 합성함으로써, sin(ωt+θ) 및 sin(ωt-θ)인, θ에 따라서 진상(進相) 및 지상(遲相)방향으로 위상 시프트된 2개의 교류신호(위상성분(θ)을 교류위상 어긋나게 변환한 신호)를 생성하고, 그 위상(θ)을 측정함으로써, 스트로크 위치 검출 데이터를 얻을 수 있다. 혹은 공지의 리졸버 출력을 처리하기 위해 사용되는 R-D 컨버터를 이 위상검출회로(22)로서 사용하도록 해도 된다.

또한, 도 3(B)에 도시하는 바와 같이, 사인 및 코사인 함수 특성의 교류출력신호(sinθsinωt 및 cosθsinωt)에서의 진폭특성은 각도(θ)와 검출대상위치(x)와의 대응관계가 선형성을 갖는 것으로 하면, 진정한 사인 및 코사인 함수특성을 나타내고 있지 않다. 그러나, 위상검출회로(22)에서는 외관상, 이 교류출력신호(sinθsinωt 및 cosθsinωt)를 각각 사인 및 코사인 함수의 진폭특성을 갖는 것으로서 위상검출처리한다. 그 결과, 검출한 위상각(θ)은 검출대상위치(x)에 대해서 선형성을 나타내지 않게 된다. 그러나, 위상검출을 할 때에, 그와 같이, 검출출력 데이터(검출한 위상각(θ))와 실제의 검출대상위치와의 비선형성은 그다지 중요한 문제는 되지 않는다. 결국, 소정의 반복 재현성을 갖고 위치검출을 행할 수 있으면 된다. 또, 필요하면 위상검출회로(22)의 출력 데이터를 적절히 데이터 변환 테이블을 이용하여 데이터 변환함으로써, 검출출력 데이터와 실제의 검출대상위치와의 사이에 정확한 선형성을 갖게 하는 것을 용이하게 행할 수 있다. 따라서, 본 발명에서 말하는 사인 및 코사인 함수의 진폭특성을 갖는 교류출력신호(sinθsinωt 및 cosθsinωt)라는 것은 진정한 사인 및 코사인 함수 특성을 나타내지 않으면 안되는 것이 아니고, 도 3(B)에 도시된 바와 같이, 실제로는 삼각파 형상과 같은 것이어도 되고, 결국, 그와 같은 경향을 나타내고 있으면 된다. 즉, 사인 등의 삼각함수와 유사한 주기함수이면 된다. 또한, 도 3(B)의 예에서는 관점을 바꾸어 그 횡축의 눈금을 θ이라고 가정하여 그 눈금이 소요의 비선형 눈금으로 이루어져 있다고 하면, 횡축의 눈금을 x라고 가정한 경우에는 외관상 삼각파 형상으로 보여도 θ에 관해서는 사인 함수 또는 코사인 함수라고 할 수 있다.

사인 및 코사인 함수 특성의 교류출력신호(sinθsinωt 및 cosθsinωt)에서의 진폭함수(sinθ 및 cosθ)의 위상성분(θ)의 변화범위는 상기 실시예와 같은 0도로부터 360도까지의 거의 모든 범위에서의 변화에 한정되지 않고, 그것보다도 좁은 한정된 각도범위에서의 변화이어도 된다. 그 경우에는, 코일의 구성을 간략화할 수 있다. 유효검출범위가 좁아도 좋은 경우에는, 검출가능 위상범위는 360도 미만의 적절한 범위에서 된다. 그 밖에, 검출목적에 따라서 검출가능 위상범위가 360도 미만의 적절한 범위에서 좋은 경우가 종종 있기 때문에, 그와 같은 경우에 적절히 응용가능하다.

도 4는 자기응답물질(11)의 배치의 변형예를 나타내는 단면도이다. 피스톤부(3)의 내부 공간(5)의 직경이 그 출구에 가까워짐에 따라서 서서히 넓어지는 형상을 이루고 있고, 결과적으로 상기 내부 공간(5)의 주위 벽에 형성되는 자기응답물질(11)의 치수가 그 선단(11a)에 가까울수록, 센서부재(4) 즉, 코일부(10)로부터의 방사 방향 거리가 넓어지도록 경사를 이루고 있다. 이 자기응답물질(11)의 경사 범위는 예를 들면, 거의 K정도의 길이에 걸쳐 있으면 된다. 이 자기응답물질(11)의 경사에 따라서 코일에 대한 자기응답물질(11)의 갭 거리가 변화하고, 코일에 매끄러운 또는 비선형적인 인덕턴스 변화를 초래한다. 즉, 자기응답물질(11)의 선단(11a)의 이동에 수반되는 코일의 인덕턴스 변화를 매끄러운 또는 비선형적인 점감특성으로 할 수 있다.

도 5는 본 발명에 관한 스트로크 센서의 다른 실시예를 나타내는 단면도이다. 이 실시예에서는 피스톤부(3) 측의 자기응답물질(11)이 센서부재(4)의 코일부(10)에 침입해 감에 따라서, 코일의 인덕턴스가 점증하게 되어 있다. 즉, 코일부(10)의 보빈(60)은 비자성체로 이루어져 있고, 피스톤부(3)의 내부 공간(5)의 주위 벽에 설치된 자기응답물질(11)은 강자성체로 이루어진다. 이것에 의해, 피스톤부(3)의 수축 스트로크에 의해서 자기응답물질(11)의 코일부(10)의 각 코일의 자장에 대한 근접 또는 침입의 정도가 증가할수록 상기 코일의 자기 인덕턴스가 증가하고, 상기 자기응답물질(11)의 단부가 1개의 코일의 일단으로부터 삽입되어 타단까지 변위하는 동안에 상기 코일의 양단간 전압이 점증한다. 피스톤부(3)의 신장 스트로크시에는 그 반대이다.

또, 도 5의 예에서는 코일부(10)에서 유효검출범위에 대응하는 코일(LA, LB, LC, LD)의 전후에 보조 코일(Lα, Lβ)이 더 설치되어 있다. 즉, 코일부(10)는 감긴 수, 코일 길이 등의 성질이 동등한 6개의 코일(Lα, LA, LB, LC, LD, Lβ)을 피스톤부(3)의 직선변위 방향을 따라서 순서대로 배열하여 이루어지는 구성이다. 보조 코일(Lα, Lβ)은 코사인 함수 특성을 충실하게 얻을 수 있도록 하기 위해 설치한 것으로, 정밀도를 그만큼 추구하지 않는 경우에는 생략가능하다.

피스톤부(3)의 스트로크 변화에 따른 코일부(10)와 자기응답물질(11)의 상대적 위치관계의 변화는 도 1의 실시예와 동일하다. 즉, 피스톤부(3)의 내주벽을 구성하는 원통형상의 자기응답물질(11)은 피스톤부(3)의 수축방향의 움직임에 따라서 그 내부 공간(5) 내로 봉형상의 센서부재(4)가 들어가서, 센서부재(4)에 설치된 코일부(10)의 각 코일의 자장 내에 침입한다. 도시한 예에서는 피스톤부(3)의 수축방향의 움직임에 따라서 도면의 오른쪽 방향으로 자기응답물질(11)이 진행할 때, 자기응답물질(11)의 선단이 최초로 코일(Lα)의 자장에 침입하고, 다음에, 코일(LA, LB, LC, LD)의 순서대로 그 자장에 침입해 가며, 마지막으로 코일(Lβ)의 자장에 침입한다. 단, 이 실시예에서는 코일부(10)의 보빈(60)은 비자성체로 이루어져 있어서 자성체를 포함하지 않고, 한편, 피스톤부(3)의 내부 공간(5)의 주위 벽에 설치된 자기응답물질(11)은 강자성체로 이루어지기 때문에, 자기응답물질(11)의 각 코일의 자장에 대한 근접 또는 침입의 정도가 증가할수록 상기 코일의 자기 인덕턴스가 증가하며, 상기 자기응답물질(11)의 단부가 1개의 코일의 일단으로부터 삽입되어 타단까지 변위하는 동안에 상기 코일의 양단간 전압이 점증한다.

도 6은 도 5의 실시예에서의 코일부(10)의 접속예를 나타낸다. 각 코일(Lα, LA, LB, LC, LD, Lβ)은 교류전원(12)으로부터 발생되는 소정의 1상의 교류신호(sinωt)에 의해서 정전압 또는 정전류로 여자된다. 각 코일(Lα, LA, LB, LC, LD, Lβ)의 양단간 전압을 각각 Vα, VA, VB, VC, VD, Vβ로 나타내면, 이 각각의 전압(Vα, VA, VB, VC, VD, Vβ)을 추출하기 위해 단자(13∼19)가 설치되어 있다. 전술한 바와 동일하게, 각 코일(Lα, LA, LB, LC, LD, Lβ)은 물리적으로 분리시킨 각각의 코일일 필요는 없고, 일련의 코일의 전체 길이를 6분할하는 위치에 단자(13∼19)를 설치하는 것만이어도 된다. 각 코일의 출력전압(Vα, VA. VB, VC, VD, Vβ)은 아날로그 연산회로(20 및 21)에 소정의 조합으로 입력되고, 소정의 연산식에 따라서 가산 또는 감산됨으로써, 각 아날로그 연산회로(20 및 21)로부터 검출대상위치에 따른 사인 및 코사인 함수 특성을 나타내는 진폭을 각각 갖는 2개의 교류출력신호(sinθsinωt 및 cosθsinωt)가 생성된다.

이상의 구성에 의해, 자기응답물질(11)의 각 코일의 자장에 대한 근접 또는 칩입의 정도가 증가할수록 상기 코일의 자기 인덕턴스가 증가하고, 상기 부재의 단부가 1개의 코일의 일단으로부터 타단까지 변위하는 동안에 상기 코일의 양단간 전압이 점증한다. 복수의 코일(Lα, LA, LB, LC, LD, Lβ)이 검출대상의 변위방향을 따라서 순서대로 배열되어 이루어짐으로써, 이들 코일에 대한 자기응답부재의 위치가 검출대상의 변위에 따라서 상대적으로 변위함에 따라서, 도 7(A)에 예시하는 바와 같이, 각 코일의 양단간 전압(Vα, VA, VB, VC, VD, Vβ)의 점증변화가 순서대로 일어난다. 도 7(A)에서 어떤 코일의 출력전압이 경사져 있는 구간에서, 상기 코일의 일단으로부터 타단을 향하여 자기응답물질(11)의 단부(11a)가 변위하게 된다. 전형적으로는 자기응답물질(11)의 단부(11a)가 어떤 1개의 코일의 일단으로부터 타단까지 변위하는 동안에 발생하는 상기 코일의 양단간 전압의 점증변화 곡선은 사인 또는 코사인 함수에서의 90도의 범위의 함수값 변화에 비견할 수 있다. 거기에서, 각 코일의 출력전압(Vα, VA, VB, VC, VD, Vβ)을 각각 적절하게 조합하여 가감연산함으로써, 검출대상위치에 따른 사인 및 코사인 함수 특성을 나타내는 진폭을 각각 갖는 2개의 교류출력신호(sinθsinωt 및 cosθsinωt)를 생성할 수 있다.

즉, 도 6의 아날로그 연산 회로(20)에서는 코일(LA, LB, LC, LD)의 출력전압(VA, VB, VC, VD)을 하기식 (3)과 같이 연산함으로써, 도 7(B)에 나타내는 바와 같은 사인함수 특성의 진폭 곡선을 나타내는 교류출력신호를 얻을 수 있고, 이것은 등가적으로 「sinθsinωt」로 나타낼 수 있다.

(VA-VB)+(VD-VC) …식(3)

또, 도 6의 아날로그 연산회로(21)에서는 코일(Lα, LA, LB, LC, LD, Lβ)의 출력전압(Vα, VA, VB, VC, VD, Vβ)을 하기 식 (4)와 같이 연산함으로써, 도 7(B)에 도시하는 바와 같은 코사인 함수 특성의 진폭 곡선을 나타내는 교류출력신호를 얻을 수 있다. 또한, 도 7(B)에 나타내는 코사인 함수 특성의 진폭 곡선은 실제로는 마이너스 코사인 함수 특성, 즉 「-cosθsinωt」이지만, 사인함수 특성에 대해서 90도의 어긋남을 나타내는 것이기 때문에, 코사인 함수 특성에 해당하는 것이다. 따라서, 이것을 코사인 함수 특성의 교류출력신호라고 하고, 이하, 등가적으로 「cosθsinωt」로 나타낸다.

(VA-Vα)+(VB-VC)+(Vβ-VD) …식(4)

또한, 식 (4)의 연산을 대신하여, 하기 식 (4')의 연산을 행해도 된다.

(VA-Vα)+(VB-VC)-VD …식(4')

또한, 식 (4)에서 구한 마이너스 코사인 함수 특성의 교류출력신호 「-cosθsinωt」를 전기적으로 180도 위상 반전처리함으로써, 실제로 cosθsinωt로 나타내는 신호를 생성하고, 이것을 코사인 함수 특성의 교류출력신호로 해도 된다. 그러나, 후단의 위상검출회로(진폭 위상 변환회로)(22)에서, 예를 들면, 코사인 함수 특성의 교류출력신호를 「-cosθsinωt」의 형으로 감산연산에 사용하는 경우에는, 마이너스 코사인 함수 특성의 교류출력신호 「-cosθsinωt」인 채로 사용하면 된다. 또한, 식(4)의 연산을 대신하여, 하기 식 (4")의 연산을 행하면, 실제로 코사인 함수 특성의 교류출력신호 「cosθsinωt」를 생성할 수 있다.

(Vα-VA)+(VC-VB)+(VD-Vβ) …식(4")

도 5의 구성도 도 1의 경우와 동일하게, 온도 드리프트 보상가능하다. 온도 드리프트 특성은 도 7(A)에서 실선의 곡선에 대해서 파선으로 나타내는 바와 같고, 각 전압이 한 방향으로 증가 또는 감소 변동한다. 그러나, 이들을 가감산 합성한 사인 및 코사인 함수 특성의 교류출력신호(sinθsinωt 및 cosθsinωt)에서는 도 7(B)에서 실선의 곡선에 대해서 파선으로 나타내는 바와 같이 양음 양 방향의 진폭변화로서 나타난다. 이것을 진폭계수(A)를 이용하여 나타내면, Asinθsinωt 및 Acosθsinωt가 되고, 이 진폭계수(A)가 주변환경온도에 따라서 변화하게 되며, 이 변화는 2개의 교류출력신호에서 동일하게 나타난다. 이것으로부터 명확하게 알 수 있는 바와 같이, 온도특성을 나타내는 진폭계수(A)는 각각의 사인 및 코사인 함수에서의 위상각(θ)에 대해서 영향을 미치지 않는다. 따라서, 이 실시예에서는 자동적으로 온도특성의 보상이 이루어지게 되고, 정밀도가 좋은 위치검출을 기대할 수 있다.

사인 및 코사인 함수 특성의 교류출력신호(sinθsinωt 및 cosθsinωt)에서의 진폭함수(sinθ 및 cosθ)의 위상성분(θ)을 전술한 바와 동일하게 위상검출회로(또는 진폭위상 변환수단)(22)에서 계측함으로써, 검출대상위치를 고유하게 검출할 수 있다.

도 8은, 코일부(10) 및 자기응답물질(11)의 다른 구성예를 나타내는 측면 및 단면도이다. 이 경우, 각 코일(Lα, LA∼LD, Lβ)의 상호의 배치간격은 도 5 등의 예와 동일하게, K이지만, 각 코일의 길이가 짧아지고 있다. 즉, 인접하는 각 코일(Lα, LA∼LD, Lβ)은 도 1이나 도 5와 같이 밀접할 필요는 없고, 적절히 이격되어 있어도 된다. 피스톤부(3)의 내부공간(5)의 직경이 그 출구에 가까워짐에 따라서 서서히 넓어지는 형상을 이루고 있고, 결과적으로 상기 내부공간(5)의 주위 벽에 형성되는 자기응답물질(11)의 치수가 그 선단(11a)에 가까워질수록, 센서부재(4) 즉, 코일부(10)로부터의 방사 방향 거리가 넓어지도록 경사를 이루고 있다. 이 자기응답물질(11)의 경사범위는, 예를 들면, 거의 K정도의 길이에 이르고 있다. 이 자기응답물질(11)의 경사에 따라서 코일에 대한 자기응답물질(11)의 갭 거리가 변화하고, 코일에 매끄러운 인덕턴스 변화를 초래한다. 즉, 자기응답물질(11)의 선단(11a)의 이동에 수반되는 코일의 인덕턴스 변화를 매끄러운 점증(또는 점감) 변화특성으로 할 수 있다. 물론, 도 1이나 도 5와 같이 각 코일(Lα, LA∼LD, Lβ)이 밀접하게 배치되어 있는 경우에도, 피스톤부(3)의 내부공간(5)의 주위 벽에 설치된 자기응답물질(11)이 그 선단(11a)으로부터 소정의 범위로 도 8에 도시한 바와 같은 경사를 이루도록 형성해도 되는 것은 도 4에서 이미 서술하였다. 또, 도 1 및 도 5와 같이 피스톤부(3)의 내부공간(5)의 주위 벽에 설치된 자기응답물질(11)에 특별한 경사를 설치하지 않는 경우에도 도 8과 같이 각 코일(Lα, LA∼LD, Lβ)을 적절히 분리하여 배치하는 것도 가능하다.

또한 다른 예로서, 코일부(10)의 각 코일은 분리배치된 복수의 코일부분으로 이루어져 있어도 된다. 도 9는 그 일례로서, 1개의 코일(LA)에 대해서 그 분리배치예를 나타내고 있다. 도 9에서는 분리배치된 4개의 코일부분(LA1, LA2, LA3, LA4)에 의해서 K의 범위를 보충하는 1개의 코일(LA)이 구성되어 있다. 각 코일부분(LA1, LA2, LA3, LA4)은 직렬접속되고, 코일(LA)의 단자간 전압(VA)이 출력된다. 이 경우, 각 코일부분(LA1, LA2, LA3, LA4)의 감긴 수는 공통이어도 되고, 적절히 달라도 된다. 또 각 코일부분(LA1, LA2, LA3, LA4)의 배치의 이격간격은 균등해도 되고, 적절히 달라도 된다. 이들 코일의 감긴 수나 이격간격 등을 불균일(비선형)하게 함으로써, 사인 함수 또는 코사인 함수의 곡선에 보다 가까운 특성의 자기 임피던스 변화를 일으킬 수 있다. 그렇게 하면, 전술한 검출위상각(θ)과 실제의 검출대상거리(위치)의 관계의 비선형성을 개선할 수 있다. 동일하게, 도 1이나 도 5와 같이 인접하는 코일(Lα, LA∼LD, Lβ)을 밀접하게 배치하는 경우에도, 1개의 코일의 전체 길이(K)의 범위에서 그 감긴 수를 균일하게 하지 않고, 위치에 따라서 불균일하게 해도 된다. 그것에 의해서도 사인 함수 또는 코사인 함수의 곡선에 보다 가까운 특성의 자기 임피던스 변화를 일으킬 수 있고, 전술한 검출위상각(θ)과 실제의 검출대상거리(위치)와의 관계의 비선형성을 개선할 수 있다.

도 10은, 도 5에서의 코일부(10)의 각 코일 배치의 변형예이고, 인접코일 사이에서의 스트로크를 방지하여 검출정밀도를 향상시킬 수 있도록 한 것이다. 도 10(A)에서는 각 코일(Lα, LA∼LD, Lβ)의 사이에 자성체 스페이서(31)가 배치되어 있다. 이것에 의해, 각각의 코일에서 발생한 자속의 통로가 확산되지 않고, 각각의 코일의 내부로부터 가장 가까운 단부(자성체 스페이서(31)의 개소)를 통하고, 외주를 통하고, 가장 가까운 단부(자성체 스페이서(31)의 개소)를 통하여, 내부로 되돌아간다고 하는, 도시한 Φ로 나타내는 바와 같은 루트를 통하게 된다. 따라서, 스트로크를 방지하고, 각 코일의 외주에 대해서 근접하는 자기응답물질(11)의 존재에 대한 각각의 코일의 응답성(임피던스 변화)을 매우 양호하게 하여, 검출정밀도를 향상시킬 수 있다. 도 10(A)에서는 인접코일간에 설치하는 자성체 스페이서(31)는 1개이지만, 도 10(B)와 같이 인접 코일간에 2개의 자성체 스페이서(31a, 31b)를 몇 개로 분리시켜 배치하도록 해도 된다. 이 경우, 비자성체로 이루어지는 보빈(60)의 코어에 가는 철사와 같은 자성체를 삽입하여, 자속이 잘 통하도록 해도 된다. 도 10에 나타낸 변형은 도 1의 예에서도 적용가능하다.

상기 각 실시예에서, 자기응답물질(11)의 구성은 자성체 또는 도전체의 한쪽에 한정되지 않고, 양쪽을 역특성으로 하이브리드로 조합시킨 것이어도 된다. 또, 자기응답물질(11)로서 영구자석을 포함하는 것을 사용하여, 코일부(10)의 각 코일에는 철심코어를 포함하도록 해도 된다. 예를 들면, 도 1과 같이 보빈부(6)에 자성체 봉(8)을 구비하는 구성을 채용하여, 자기응답물질(11)로서 영구자석은 적어도 코일 길이(K)에 해당하는 길이를 갖는 링형상 자석을 이용해도 된다. 그 경우에서는 피스톤부(3)의 움직임에 따라서, 자기응답물질(11)인 영구자석이 어느 코일에 근접하면 그 근접개소에 대응하는 철심코어가 부분적으로 자기포화 내지 과포화 상태가 되어, 상기 코일의 단자간 전압이 저하한다. 이와 같이, 자기응답부재(11)로서 영구자석을 사용하는 경우에도, 비자성 양도전체를 이용하는 경우와 동일하게 자기응답부재(11) 즉, 영구자석이 1개의 코일의 일단으로부터 타단까지 변위하는 동안에 상기 코일의 양단간 전압의 점감변화를 일으킬 수 있다.

또한, 상기 각 실시예에서는 사인 및 코사인 함수의 진폭특성을 갖는 2개의 출력교류신호(sinθsinωt 및 cosθsinωt)를 생성하는 예(말하자면, 리졸버 타입의 2상 출력을 발생하는 예)에 대해서 설명하였지만, 이것에 한정되지 않고, 소정의 위상 어긋남을 나타내는 3개 이상의 삼각함수의 진폭특성을 갖는 3개 이상의 출력교류신호(예를 들면, sinθ·sinωt, sin(θ-120。)·sinωt 및 sin(θ-240。)·sinωt)를 출력하도록 구성해도 된다.

또한, 상기 각 실시예에서 배치하는 코일(LA∼LD)의 수는 2개 또는 3개이어도 되고, 4개 이상이어도 된다. 출력교류신호에서의 진폭함수의 위상(θ)의 변화범위로서 360도 모두로 하지 않고, 90도 정도 혹은 180도 정도의 범위에서 좋은 경우에는, 2개 또는 3개의 코일로도 끝낼 수 있다.

변형예로서, 공지의 위상 시프트형 위치검출원리에 따른 검출장치와 같이 2상교류신호(예를 들면, sinωt와 cosωt)를 이용하여 복수상으로 코일을 여자하여, 스트로크 위치에 대응하는 위상각(θ)만큼 위상 시프트한 출력교류신호(예를 들면, sin(ωt+θ))를 얻도록 하는 것도 가능하다. 그것을 위해서는, 예를 들면, 2개의 코일 그룹을 병렬배치하고, 각 그룹마다 위상이 다른 교류신호(예를 들면, sinωt와 cosωt)에 의해서 각각 상기 그룹내의 코일을 공통으로 여자하여, 한쪽의 코일 그룹의 출력을 아날로그 연산함으로써, cosθsinωt를 형성하고, 다른 쪽의 코일 그룹의 출력을 아날로그 연산함으로써, sinθcosωt를 형상하도록 하여, 양 출력을 가산 또는 감산하면, 위상 시프트한 출력교류신호 sin(ωt+θ)를 얻을 수 있다.

상기 각 실시예에서, 코일부(10)와 자기응답물질(11)의 관계를 반대로 하고, 코일부(10)를 가동체 즉, 피스톤부(3)의 내부공간(5) 내에 배치하여, 자기응답물질(11)을 센서부재(4)측에 고정하도록 해도 된다.

상기 각 실시예에 관한 본 발명의 스트로크 센서는 유체압 실린더의 스트로크 위치검출장치에 한정되지 않고, 스풀 밸브의 스풀위치 검출장치 등, 그 밖의 적절한 가동체 스트로크 위치검출장치에 적용할 수 있다. 또, 센서의 사이즈도 적용하는 장치의 사이즈에 맞추어 대형의 견고한 장치로서 구성할 수도 있고, 소형의 정밀 스트로크 위치검출장치로서 구성할 수도 있다.

이상과 같이, 본 발명에 의하면, 1차 코일만을 설치하면 되고, 2차 코일은 불필요하기 때문에, 소형화가 용이하고 심플하며 저렴한 구조의 스트로크 센서를 제공할 수 있다. 또, 복수의 코일 구간을 검출대상의 변위방향을 따라서 순서대로 배열하여 이루어지고, 자기응답물질의 단부가 1개의 코일 구간의 일단으로부터 타단까지 변위하는 동안에 상기 코일 구간의 양단간 전압이 점감(또는 점증)하는 특성의 변화가 각 코일 구간마다 순서대로 일어나기 때문에, 각 코일 구간마다의 양단간 전압을 각각 추출하여 이들을 가감연산하여 조합함으로써, 검출대상위치에 따라서 소정의 주기함수특성에 따른 진폭을 각각 나타내는 복수의 교류출력신호(예를 들면, 사인 및 코사인 함수특성에 따른 진폭을 각각 나타내는 2개의 교류출력신호)를 용이하게 생성할 수 있고, 이용가능한 위상각 범위를 넓게 취할 수 있다. 예를 들면, 상기와 같이, 0도로부터 360도까지의 모든 위상각 범위에서 검출을 행하는 것도 가능하다. 또, 이들 복수의 교류출력신호에서의 진폭값의 상관관계로부터 상기 진폭값을 규정하는 소정 주기 함수(예를 들면, 사인 및 코사인 함수)에서의 위상값을 검출함으로써, 검출대상의 변위가 미소해도 고분해능으로의 위치검출이 가능하다.

Claims

본체의 공간 내에서 상기 본체에 대해서 상대적으로 직선 변위하는 가동체의 스트로크 위치를 검출하기 위한 스트로크 센서에 있어서,

상기 본체의 내부에서, 상기 본체의 소정 단측에 일단이 캔틸레버 지지되고, 타단이 본체의 공간 내에 연장되어 있는 센서부재와,

상기 가동체의 내부에서 상기 센서부재의 침입을 허용하도록 설치된 내부공간과,

소정의 교류신호에 의해서 여자되는 복수의 코일 구간을 상기 가동체의 직선 변위방향을 따라서 순서대로 배열하여 이루어지는 코일부로서, 상기 센서부재 또는 상기 가동체의 내부공간의 주위 벽의 어느 한쪽에 설치되어 이루어지는 것과,

상기 코일부에 대해서 상대적으로 변위하도록 상기 센서부재 또는 상기 가동체의 내부 공간의 주위 벽의 다른 쪽에 설치되어 이루어지는 자기응답물질로서, 상기 가동체의 스트로크 위치에 따라서 상기 자기응답물질과 상기 코일부의 상대적 위치가 변위하고, 이 상대적 위치에 따라서 각 코일 구간의 인덕턴스를 변화시켜, 상기 자기응답물질이 1개의 코일 구간의 일단으로부터 타단까지 변위하는 동안에 상기 코일 구간의 전압이 점감 또는 점증하도록 한 것과,

상기 각 코일 구간의 전압을 각각 추출하여, 이들을 가감연산함으로써, 상기 스트로크 위치에 따라서 소정의 주기함수특성에 따른 진폭을 각각 나타내는 복수의 교류출력신호를 생성하는 아날로그 연산회로를 구비하고,

상기 아날로그 연산회로가 생성하는 상기 복수의 각 교류출력신호의 진폭을 규정하는 상기 주기함수특성은 소정 위상만 다른 동일 특성의 주기함수로 이루어지는 것을 특징으로 하는 스트로크 센서.
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제 1항에 있어서, 상기 생성된 복수의 교류출력신호를 입력하고, 상기 교류출력신호에서의 진폭값의 상관관계로부터 상기 진폭값을 규정하는 상기 소정의 주기함수에서의 특정한 위상값을 검출하여, 검출한 위상값에 기초하여 상기 검출대상의 위치검출 데이터를 생성하는 진폭위상 변환부를 더 구비한 것을 특징으로 하는 스트로크 센서.
제 1항에 있어서, 상기 복수의 교류출력신호는 검출대상위치에 따라서 사인함수특성에 따른 진폭을 나타내는 교류출력신호와, 검출대상위치에 따라서 코사인함수특성에 따른 진폭을 나타내는 교류출력신호로 이루어지는 것을 특징으로 하는 스트로크 센서.
제 1항, 제 4항 또는 제 5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 코일부가 상기 센서부재측에 설치되고, 상기 자기응답물질이 상기 가동체의 내부공간의 주위 벽측에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 스트로크 센서.
제 6항에 있어서, 상기 센서부재는 자성체를 포함하는 보빈부를 포함하고, 이 보빈부에 상기 코일부의 각 코일이 끼워져 있는 것을 특징으로 하는 스트로크 센서.
제 7항에 있어서, 상기 보빈부는 비자성체로 이루어지는 통부와, 통부 내에 수납된 하나 또는 복수의 자성체 봉으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 스트로크 센서.
제 8항에 있어서, 상기 보빈부에서의 자성체 또는 자성체 봉은 그 표면에 도전체 피막이 형성되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 스트로크 센서.
제 6항에 있어서, 상기 센서부재는 상기 코일부를 끼워서 이루어지는 코어 봉(棒)과, 인접하는 각 코일 구간의 단부 사이에 끼운 자성체 스페이서를 포함하는 것을 특징으로 하는 스트로크 센서.
제 6항에 있어서, 상기 가동체의 소재 그 자체가 상기 자기응답물질로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 스트로크 센서.
제 1항, 제 4항 또는 제 5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 자기응답물질은 자성체 또는 도전체의 적어도 한쪽을 포함하는 것을 특징으로 하는 스트로크 센서.
제 1항, 제 4항 또는 제 5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 코일부는 상기 가동체의 직선변위 방향을 따라서 연장된 실질적으로 1개의 코일로 이루어지고, 이 1개의 코일의 소정의 중간위치로부터 출력단자를 각각 도출함으로써, 상기 1개의 코일에 의해서 상기 복수의 코일 구간이 형성되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 스트로크 센서.