KR20100108015A - 피스톤로드의 변위측정을 위한 실린더 외측 장착형 변위센서 - Google Patents

피스톤로드의 변위측정을 위한 실린더 외측 장착형 변위센서 Download PDF

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KR20100108015A
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magnetic
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김종식
박성환
김한메
송정훈
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부산대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명에서는 유공압식 액츄에이터를 구성하는 단(單)로드 실린더 또는 양(兩)로드 실린더의 외측 둘레면상에 착탈가능하게 장착되도록 구성되어 액츄에이터가 이송 공작기계의 테이블 같은 제어대상물에 설치된 상태에서 작동되는 경우, 실린더내 피스톤의 이송변위를 정확하게 측정할 수 있도록 하고, 가공 및 설치작업성이 단순해질 수 있도록 하며, 변위센서의 고장발생시 유지보수작업이 용이하게 이루어질 수 있도록 하는 한편, 큰 좌굴강도를 가지면서 피스톤의 수압(受壓)면적을 넓힐 수 있도록 한 피스톤로드의 변위 측정을 위한 실린더 외측 장착형 변위센서가 개시된다. 이와 같은 피스톤로드의 변위 측정을 위한 실린더 외측 장착형 변위센서는 비자성체(非磁性體)로 이루어진 단(單)로드 또는 양(兩)로드 실린더의 내부에서 유압의 인가방향에 따라 정방향 또는 역방향으로 왕복운동하는 피스톤의 외측 둘레면상에 매입·설치되는 마그네틱 링(Magnetic Ring)과; 상기 피스톤의 정방향 또는 역방향 이동거리 범위에 해당되는 실린더의 외측 둘레면상에 착탈가능하게 설치되며, 실린더와 접하는 면상에 정해진 크기와 깊이를 갖는 작동홈이 형성된 케이스와; 상기 피스톤의 외측 둘레면을 따라 매입·설치된 마그네틱 링과 반대되는 극성을 가지며, 케이스상에 형성된 작동홈의 개구부에 길이방향으로 가로질러 설치되어 가이드역할을 하는 리드선에 끼워진 상태에서 유공압식 액츄에이터의 작동에 따른 피스톤의 직선운동시 리드선을 따라 피스톤의 운동방향과 동일한 방향으로 미끄럼이동되는 마그네틱 슬라이더(Magnetic Slider)와; 상기 케이스상의 작동 홈 내측 바닥면상에서 리드선과 평행하게 설치되며, 직류전압이 공급되고, 리드선과 연결된 마그네틱 슬라이더상의 전압탐침봉과 접촉되면서 마그네틱 슬라이더의 이송길이에 비례한 전압을 출력하는 저항체를 포함한다. 또한, 실린더와 직접 접촉하는 면상에는 마그네틱 슬라이더의 원활한 움직임을 위하여 다수의 롤러가 설치되도록 구성된다.
Figure P1020090026442
유공압식 액츄에이터, 마그네틱링, 마그네틱 슬라이더, 저항체

Description

피스톤로드의 변위측정을 위한 실린더 외측 장착형 변위센서{A displacement sensor equipped on outside of cylinder for measuring displacement of a piston rod}
본 발명은 피스톤로드의 변위 측정을 위한 실린더 외측 장착형 변위센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유공압식 액츄에이터를 구성하는 단(單)로드 실린더 또는 양(兩)로드 실린더의 외측 둘레면상에 착탈가능하게 장착되도록 구성되어 유공압 액츄에이터가 밸브 및 공작기계의 테이블 같은 제어대상물에 설치된 상태에서 작동되는 경우, 실린더내 피스톤의 이송변위를 측정할 수 있도록 하고, 가공 및 설치작업성이 단순해질 수 있도록 하며, 변위센서의 고장발생시 유지보수 작업이 용이하게 이루어질 수 있도록 하는 한편, 큰 좌굴강도를 가지면서 피스톤의 수압(受壓)면적을 넓힐 수 있도록 한 피스톤로드의 변위측정을 위한 실린더 외측 장착형 변위센서에 관한 것이다.
일반적으로, 액츄에이터(Actuator)는 배관내 유체의 유량, 압력, 온도를 조절하기 위한 목적으로 유체의 통로를 개폐시키는 밸브나 공작기계의 테이블 같은 각종 제어대상물에 설치된 상태에서 외부로부터 공급되는 동력을 힘이나 토오크(Torque) 등의 기계적 출력으로 변환하여 제어대상물의 부하를 원격운전(Remote Operation) 혹은 자동제어(Automatic Control)할 수 있도록 하는 장치를 일컫는다.
이와 같은 액츄에이터는 적용되는 동력에 따라서 크게 전동식 액츄에이터(Electric Actuator), 공압식 액츄에이터(Pneumatic Actuator), 유압식 액츄에이터(Hydraulic Actuator) 등으로 분류된다. 상기 유공압식 액츄에이터는 압축성 또는 비압축성 유체의 물리적 에너지를 사용하는 것으로, 토오크 관성비가 크고 고속응답을 용이하게 얻을 수 있으며, 강성이 높으면서 고정도의 위치제어가 가능하기 때문에 각종 산업분야에서 널리 적용되고 있다. 이 같은 유공압식 액츄에이터는 제어대상물의 동작상태를 정밀하게 제어하기 위하여 실린더의 내부에서 작동되는 피스톤로드의 이송변위를 측정할 필요가 있는데, 이를 위하여 유공압식 액츄에이터를 구성하는 실린더내부의 피스톤로드에 유도 기전력의 변화로 변위를 측정하는 LVDT(Linear Variable Differential Transformer), 직류 전압원을 이용하여 저항값 변화에 비례한 전압을 출력하는 선형 포텐시오메터(Linear Potentiometer) 그리고 자기펄스를 카운팅하여 변위를 측정하는 스케일링 타입의 변위센서가 장착되도록 구성된다.
한편, 종래의 유공압식 액츄에이터에서는 도 1에 도시된 바와 같이, 유공압식 액츄에이터(10)를 구성하는 실린더(12)의 내부에 별도로 마련되는 중공(中空) 형상의 피스톤로드(14)가 끼워지도록 하고, 상기 피스톤로드(14)의 중심선을 따라 형성된 중공(14a)의 내부에 피스톤로드(14)의 이송에 따른 변위감지를 위하여 변위센서(16)가 장착되도록 구성된다. 이와 같이 이루어지는 종래 유공압식 액츄에이터(10)의 변위센서 장착구조에서는 상기 변위센서(16)를 장착할 수 있도록 하기 위하여 피스톤로드(14)의 길이방향 중심선을 따라 변위센서(16)가 끼워지는 중공(14a)이 가공되어야 한다.
또한, 도 2에서와 같이, 단로드형 실린더의 경우에 도 1의 변위센서(16)를 장착하기 어렵기 때문에 실린더(12)와 피스톤로드(14)에 마그네틱(18)과 유도코일(20)을 설치해야 한다.
그러나, 이와 같은 설계는 피스톤작동 유압에 의한 변위센서(16)의 파손방지 및 작동유압의 누유현상을 방지해야 하는 점을 고려하여 특수한 형태로 제작되어야 하기 때문에 설계 제작 및 가공에 어려움이 있다.
또한, 도 1에 도시된 양로드 타입 액츄에이터의 경우 피스톤로드(14)에 형성된 중공(14a)으로 인하여 축방향의 압축하중을 받는 장주(長柱)가 재료의 비례 한도 이하의 하중에서도 휘는 정도를 나타내는 좌굴강도(Buckling strength)가 감소되고, 피스톤의 수압(受壓)면적이 감소되면서 중공축을 가지지 않는 동일 크기의 액츄에이터에 대해 동일 크기의 힘을 발생시킬 수 없다는 문제가 있다.
본 발명은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 유공압식 액츄에이터를 구성하는 단(單)로드 실린더 또는 양(兩)로드 실린더의 외측 둘레면상에 착탈가능하게 장착되도록 구성되어 유공압식 액츄에이터가 밸브, 공작기계의 테이블 같은 제어대상물에 설치된 상태에서 작동되는 경우, 실린더내에서의 피스톤의 이송변위를 정확하게 측정할 수 있도록 한 새로운 피스톤로드의 변위 측정을 위한 실린더 외측 장착형 변위센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 액츄에이터의 가공 및 변위센서의 설치작업성이 단순해질 수 있도록 하며, 변위센서의 고장발생시 유지보수작업이 용이하게 이루어질 수 있도록 한 새로운 피스톤로드의 변위 측정을 위한 실린더 외측 장착형 변위센서를 제공하는 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 피스톤로드의 변위 측정을 위한 실린더 외측 장착형 변위센서는 비자성체(非磁性體)로 이루어진 단(單)로드 또는 양(兩)로드 실린더의 내부에서 유압의 인가방향에 따라 정방향 또는 역방향으로 왕복운동하는 피스톤의 외측 둘레면상에 매입·설치되는 마그네틱 링(Magnetic Ring)과; 상기 피스톤의 정방향 또는 역방향 이동거리 범위에 해당되는 실린더의 외측 둘레면상에 착탈가능하게 설치되며, 실린더와 접하는 면상에 정해진 크기와 깊이를 갖는 작동홈이 형성된 케이스와; 상기 피스톤의 외측 둘레면을 따라 매입·설치된 마그네틱 링과 반대되는 극성을 가지며, 케이스상에 형성된 작동홈의 개구부에 길이방향으로 가로질러 설치되어 가이드역할을 하는 리드선에 끼워진 상태에서 유공압식 액츄에이터의 작동에 따른 피스톤의 직선운동시 리드선을 따라 피스톤의 운동방향과 동일한 방향으로 미끄럼이동되는 마그네틱 슬라이더(Magnetic Slider)와; 상기 케이스상의 작동홈 내측 바닥면상에서 리드선과 평행하게 설치되며, 직류 전압원에 대하여 마그네틱 슬라이더의 움직임에 비례한 전압을 출력하는 저항체를 포함한다.
본 발명에서 상기 마그네틱 슬라이더는 내부에 피스톤상의 마그네틱링과 반대되는 극성을 갖는 자석이 내장되고, 실린더 외주면과 접촉되는 바깥면에는 마찰면적을 줄여 마모를 방지하면서, 이송동작이 원활게 이루어도록 하는 다수의 롤러가 설치되며, 저항체와 대응되는 위치에 해당되는 안쪽면에는 저항체와 항상 접촉되는 변위탐침봉이 스프링을 매개로 탄성적으로 설치된 특징을 갖는다.
본 발명을 적용하면, 유공압식 액츄에이터를 구성하는 단(單)로드 실린더 또는 양(兩)로드 실린더의 외측 둘레면상에 착탈가능하게 장착되도록 구성되기 때문 에 실린더 가공 및 변위센서의 설치작업이 단순해져 생산성이 크게 향상될 수 있다. 또한, 본 발명에서는 실린더내 피스톤의 운동방향에 따라 외부의 케이스에 설치된 마그네틱 슬라이더가 마그네틱링과 동기화되어 동일방향으로 미끄럼이동되고, 마그네틱 슬라이더의 미끄럼이동 동작시 케이스내의 저항체와 마그네틱 슬라이더 사이의 저항 변화를 이송변위에 비례하는 전압이 출력되도록 구성되기 때문에 실린더내에서의 피스톤의 이송변위를 측정할 수 있다는 효과가 있다. 또한, 본 발명에서는 변위센서가 실린더의 외측 둘레면상에 설치된 상태에서 분리시킬 수 있기 때문에 변위센서에서의 고장발생시 편리하게 수리할 수 있는 등 유지보수작업성이 크게 향상된다는 효과가 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면 도 3 내지 도 6에 의거하여 상세히 설명하며, 도 3 내지 도 6에 있어서, 동일한 기능을 수행하는 구성 요소에 대해서는 동일한 참조번호를 병기한다. 한편, 각 도면에서 주 요소들의 결합·고정을 위한 보강리브(판), 볼트 및 나사, 홀, 와셔,너트 등의 도시는 간략히 하거나 생략하였으며, 통상 유공압 실린더에 대한 구성 및 작용 등 이 분야의 종사자들이 통상적으로 알 수 있는 부분들의 도시는 생략하고, 본 발명과 관련된 부분들을 중심으로 도시하였다. 특히, 요소들 사이의 크기 비가 다소 상이하게 표현되거나 서로 결합되는 부품들 사이의 크기가 상이하게 표현된 부분도 있으나, 이와 같은 도면의 표현차이는 이 분야의 종사자들이 용이하게 이해할 수 있는 부분들이므로 별 도의 설명을 생략한다.
도 3은 본 발명에 따른 피스톤로드의 변위 측정을 위한 실린더 외측 장착형 변위센서가 유공압식 액츄에이터에 장착되는 상태를 나타내는 부분 단면을 보인 분리 사시도이고, 도 4는 본 발명에 따른 피스톤로드의 변위 측정을 위한 실린더 외측 장착형 변위센서가 설치된 상태를 나타내는 확대 단면도이며, 도 5는 본 발명에 따른 피스톤로드의 변위 측정을 위한 실린더 외측 장착형 변위센서의 작동상태를 나타내는 구성도이며, 도 6은 본 발명에 따른 피스톤로드의 변위 측정을 위한 실린더 외측 장착형 변위센서를 구성하는 마그네틱 슬라이더의 확대 단면도이다.
이를 참조하면, 본 발명은 실린더내에서의 피스톤의 이송변위를 정확하게 측정할 수 있도록 하고, 실린더 가공 및 변위센서의 설치작업성이 단순해질 수 있도록 하는 한편, 변위센서의 고장발생시 유지보수를 용이하게 할 수 있도록 하는 것이다.
이를 위하여. 본 발명에 따른 피스톤로드의 변위 측정을 위한 실린더 외측 장착형 변위센서(50)는 유공압식 액츄에이터(52)를 구성하며, 비자성체(非磁性體)로 이루어진 단(單)로드 또는 양(兩)로드 실린더(54)의 내부에서 유압력의 작동방향에 따라 정방향 또는 역방향으로 왕복운동하는 피스톤(56)의 외측 둘레면상에 마그네틱링(Magnetic Ring:58)이 매입·설치되도록 구성된다.
본 발명에서 상기 피스톤(56)의 정방향 또는 역방향 이동거리 범위에 해당되는 실린더(54)의 외측 둘레면상에는 별도의 케이스(60)가 착탈가능하게 장착되도록 구성되는데, 상기 케이스(60)는 길이방향 양단부에 실린더(54)와의 체결 용이성을 위하여 스테인레스 스틸 타이, 유니버셜 클램프 혹은 래칫록 클램프(Ratchet lock clamp) 등의 클램프(62)를 끼울 수 있는 클램프삽입홀(64)이 형성되어 클램프(62)를 이용하여 케이스(60)가 실린더(54)와 서로 밀착된 상태로 설치되도록 구성된다.
그리고, 실린더(54)의 형상에 유연하게 케이스(60)를 밀착 및 고정시키기 위한 장착공(60a)이 형성될 수도 있다. 또한 케이스(60)와 실린더(54)를 클램프(62)로 체결할 때 이물질의 유입을 방지하고 또한 실린더(54)와 케이스(60)와의 다른 곡률반경에 유동작으로 대응하고자 고무패킹(60b)이 배치될 수 있다.
또한, 상기 케이스(60)의 안쪽에 형성되는 작동홈(66)의 개구부(開口部) 내측의 바닥에는 직류전압이 가해질 저항체(74)가 길이방향으로 설치되며, 피스톤(56)의 외측 둘레면을 따라 매입·설치된 마그네틱링(58)과 반대되는 극성(極性)을 갖는 마그네틱 슬라이더(Magnetic Slider:70)가 가이드역할을 하는 리드선(68)에 결합되도록 구성된다.
상기 저항체(74)는 전원(72)으로부터 직류전압이 인가되어 마그네틱 슬라이 더(70)가 피스톤의 이동방향과 동일반 방향으로 움직이는 경우, 그 마그네틱 슬라이더(70)의 움직임에 따라 저항 값이 변하도록 구성된다.
본 발명에서 상기 마그네틱 슬라이더(70)는 도 6에서와 같이, 내부에 피스톤(56)상의 마그네틱링(58)과 반대되는 극성을 갖는 자석(70a)이 내장되고, 실린더(54) 외주면과 접촉되는 바깥면에는 마찰면적을 줄여 마모를 방지하면서, 이송동작이 원활하게 이루어도록 하는 다수의 롤러(70b)가 설치되며, 저항체(74)와 대응되는 위치에 해당되는 안쪽면에는 저항체(74)와 항상 접촉되는 변위탐침봉(70c)이 스프링(70d)을 매개로 탄성적으로 설치되도록 구성된다.
상기 마그네틱 슬라이더(70) 내부의 마그네틱(70a)은 마그네틱링(58)과 인력(引力)을 가지기 위하여 서로 상반된 극성을 가지며, 변위탐침봉(70c)은 저항체(74)와 접촉함으로써 피스톤(56)의 변화에 비례한 전압을 출력하는 리드선(68)으로 구성된다. 또한 변위탐침봉(70c)은 저항체(74)와 항상 접촉되도록 하기 위해 스프링(70d)을 매개로 탄력설치되도록 구성된다.
이와 같이 이루어지는 본 발명의 작용은 다음과 같다.
도 3 내지 도 6을 참조하면, 먼저 유공압식 액츄에이터(52)의 실린더(54)를 비자성체로 구성하고, 상기 실린더(54)내에 끼워져 설치된 상태에서 유공압의 인가 여부에 따라 정방향 또는 역방향으로 직선 왕복이동되는 피스톤(56)의 외측둘레면을 따라 N극 또는 S극의 정해진 극성을 갖는 마그네틱링(58)을 매입·설치한다.
이와 함께 유공압식 액츄에이터(52)상의 실린더(54)의 외주면과 접하는 면에 정해진 크기와 깊이를 갖는 작동홈(66)이 형성된 케이스(60)를 준비하고, 상기 작동홈(66)의 개구부쪽에는 피스톤(56)상의 마그네틱링(58)과 반대되는 극성을 띠는 마그네틱 슬라이더(70)를 관통하면서 저항체의 저항값에 비례한 전압을 출력하는 리드선(68)을 길이방향으로 가로질러 설치하는 한편, 작동홈(66)의 내부 바닥쪽에 전원(72)과 연결된 저항체(74)를 설치하여 실린더(54)의 외부에 장착할 수 있는 변위센서(50)를 준비한다.
그런 다음 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 실린더 외측 장착형 변위센서(50)를 피스톤(56)의 정방향 또는 역방향 이동범위에 해당되는 실린더(54)의 외주면상에 밀착시킨 상태에서 클램프(62)를 클램프삽입공(64)에 끼운 후 실린더(54)의 외측 둘레면에 감아 체결하여 고정시키면 외부장착형 변위센서(50)의 설치작업이 완료된다.
이와 같이 본 발명에 따른 외부장착형 변위센서(50)가 유공압식 액츄에이터(52)를 구성하는 실린더(54)의 외측 둘레면상에 장착된 상태에서 유공압식 액츄에이터(52)를 작동시키면, 유압의 인가방향에 따라 피스톤(56)이 정해진 방향으로 직선이동되면서 제어대상물의 작동이 제어된다.
이 상태에서 상기 피스톤(56)의 이동변위를 측정하고자 하는 경우, 상기 외부장착형 변위센서(50)의 전원(72)을 "ON"상태로 하면, 상기 작동홈(66)의 내측 바닥면을 따라 설치된 저항체(74)에 전류가 인가되어 흐르게 된다.
이와 동시에 상기 실린더(54)내의 피스톤(56)이 정방향 또는 역방향으로 이동되면 도 5에 도시된 바와 같이, 피스톤(56)의 외측 둘레면에 매입·설치된 마그네틱링(58)과 리드선(68)을 가로지르는 마그네틱 슬라이더(70)가 서로 반대되는 극성에 따른 인력(引力)에 의하여 마그네틱 슬라이더(70)가 피스톤(56)의 이동방향과 동일한 방향으로 이동된다. 이 때, 마그네틱 슬라이더(70)의 상부에 장착된 롤러(70b)는 실린더(54)의 외측 둘레면과의 마찰면적을 줄임과 동시에 부드러운 움직임을 유발시킨다.
이와 같이 마그네틱 슬라이더(70)가 이동되면 마그네틱 슬라이더(70) 내부의 변위탐침봉(70c)과 연결된 리드선(68)으로부터 저항체(74)와의 저항변화로 인한 비례전압이 출력되고, 이 비례전압을 이용하여 피스톤(56)의 이동변위가 측정된다.
본 발명에서 상기 마그네틱 슬라이더(70)에 롤러(70b)가 설치되는 경우 실린더(54)와의 마찰면적이 감소되면서 이동동작이 보다 원활하게 이루어질 수 있다.
도 1은 종래 유공압식 액츄에이터에서 변위센서의 장착구조를 나타내는 확대 단면도이다.
도 2는 종래 유공압식 액츄에이터의 변위센서의 다른 예를 나타내는 구성도이다.
도 3은 본 발명에 따른 피스톤로드의 변위 측정을 위한 실린더 외측 장착형 변위센서가 유공압식 액츄에이터에 장착되는 상태를 나타내는 부분 단면을 보인 분리 사시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 피스톤로드의 변위 측정을 위한 실린더 외측 장착형 변위센서가 설치된 상태를 나타내는 확대 단면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 피스톤로드의 변위 측정을 위한 실린더 외측 장착형 변위센서의 작동상태를 나타내는 구성도이다.
도 6은 본 발명에 따른 피스톤로드의 변위 측정을 위한 실린더 외측 장착형 변위센서를 구성하는 마그네틱 슬라이더의 확대 단면도이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
54 : 실린더 56 : 피스톤
58 : 마그네틱링 60 : 케이스
66 : 작동홈 68 : 리드선
70 : 마그네틱 슬라이더 74 : 저항체

Claims (2)

  1. 유공압식 액츄에이터(52)를 구성하며, 비자성체(非磁性體)로 이루어진 단(單)로드 또는 양(兩)로드 실린더(54)의 내부에서 유압의 인가방향에 따라 정방향 또는 역방향으로 왕복운동하는 피스톤(56)의 외측 둘레면상에 매입·설치되는 마그네틱 링(Magnetic Ring:58)과;
    상기 피스톤(56)의 정방향 또는 역방향 이동거리 범위에 해당되는 실린더(54)의 외측 둘레면상에 착탈가능하게 장착되며, 실린더(54)의 외주면과 접하는 면상에 정해진 크기와 깊이를 갖는 작동홈(66)이 형성된 케이스(60)와;
    상기 피스톤(56)의 외측 둘레면을 따라 매입·설치된 마그네틱링(58)과 반대되는 극성을 가지며, 케이스(60)상에 형성된 작동홈(66)의 개구부에 길이방향으로 가로질러 설치되는 리드선(68)에 끼워진 상태에서 유공압식 액츄이터(52)의 작동에 따른 피스톤(56)의 직선운동시 작동홈(66) 내에서 리드선(68)을 따라 피스톤(56)의 운동방향과 동일한 방향으로 미끄럼이동되는 마그네틱 슬라이더(Magnetic Slider:70)와;
    상기 케이스(60)상의 작동홈(66) 내측 바닥면상에서 리드선(68)과 평행하게 설치되며, 직류전압전원(72)으로부터 직류전원이 인가되는 경우 마그네틱 슬라이더(70)의 움직임에 따라 리드선(68)에서 저항값의 변화에 비례한 전압을 출력하는 저항체(74)를 포함하는 것을 특징으로 하는 피스톤로드의 변위 측정을 위한 실린더 외측 장착형 변위센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 마그네틱 슬라이더(70)는 내부에 피스톤(56)상의 마그네틱링(58)과 반대되는 극성을 갖는 자석(70a)이 내장되고, 실린더(54) 외주면과 접촉되는 바깥면에는 마찰면적을 줄여 마모를 방지하면서, 이송동작이 원활게 이루어도록 하는 다수의 롤러(70b)가 설치되며, 저항체(74)와 대응되는 위치에 해당되는 안쪽면에는 저항체(74)와 항상 접촉되는 변위탐침봉(70c)이 스프링(70d)을 매개로 탄성적으로 설치된 것을 특징으로 하는 피스톤로드의 변위 측정을 위한 실린더 외측 장착형 변위센서.
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