JP2007108027A - 電磁誘導式変位センサ - Google Patents

Abstract

【課題】電磁誘導式変位センサが交流磁界の存在する環境中において使用される場合に、センサの測定精度の低下を防止すること。
【解決手段】外部交流磁界Hによって第１の交流信号を出力する第１巻線コイル部1と、測定対象物の変位方向に沿って等間隔で配列された巻線コイル素子L1〜L4を有する第２巻線コイル部2と、測定対象物の変位に追従しかつ第２巻線コイル部に対し相対変位可能に配置され、その変位方向に沿って所定のピッチで配列された磁気応答部材を備え、相対変位に応じて、第２巻線コイル部に、第１の交流信号に対し振幅変調され、異なる振幅関数特性をもつ複数の第２の交流信号を誘起させる可動部3と、第２巻線コイル部から入力された第２の交流信号の合成信号を生成し、合成信号と第１巻線コイル部から入力された第１の交流信号との電気的位相差を検出する変位量検出部4を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、電磁誘導方式により測定対象物の変位量を検出する変位センサに関するものである。

従来の電磁誘導式変位センサは、巻線部と、この巻線部に対して相対的に変位可能に設けられ、巻線部に対する相対変位に応じて、巻線部との間に形成される磁気回路の磁気抵抗に変化を与える部材とを有している。磁気抵抗に変化を与える部材は、軸方向に設けられた磁性体部と非磁性体部の繰り返しパターン（磁気目盛り部）を備えたロッドからなり、巻線部は、ロッドの軸方向に所定間隔をもって配置された４個の１次コイルと、これに対応して設けられた２次コイルからなり、巻線部の内部に形成される円筒空間がロッドと同心となるように配置される（特許文献１参照）。

この構成において、一対の１次コイルが正弦信号ｓｉｎωｔで互いに同相に励磁され、対応する一対の２次コイルからの出力交流信号は逆相で合成され、他の一対の１次コイルが余弦信号ｃｏｓωｔで互いに同相に励磁され、対応する一対の２次コイルからの交流出力信号は逆相で合成される。さらに、これらの２次コイルからの出力交流信号の合成出力信号が得られる。合成出力信号は、ロッドの磁性体部と、巻線部との間の相対的な直線変位に応じた位相角φだけ基準交流信号ｓｉｎωｔを位相シフトしたものとなり、よって、この合成出力信号における基準交流信号ｓｉｎωｔからの位相のずれφを測定することにより、直線位置の検出がなされるようになっている。

このように、従来の電磁誘導式変位センサは、交流信号によって励磁される１次コイル、および２次コイルからなる巻線部と、巻線部との間で磁気回路を形成し、巻線部に対する相対変位に応じて磁気回路の磁気抵抗に変化を与える部材とから構成されているので、例えば、非接触給電によって作動する機械などに実装されるような場合には、センサの周辺に存在する強力な交流磁界がノイズ源となって、センサの測定精度を低下させてしまうおそれがある。しかしながら、そのノイズ対策が非常に難しいという問題があった。
特開平９−８９５１６号公報（［００２９］〜［００３９］段落）

したがって、本発明の課題は、電磁誘導式変位センサが交流磁界の存在する環境中において使用される場合に、センサの測定精度の低下を防止することにある。

上記課題を解決するため、本発明は、定常的に交流磁界が存在する環境で使用されるものであって、前記交流磁界によって誘起される第１の交流信号を出力する第１巻線コイル部と、測定対象物の変位方向に沿って等間隔で配列された複数個の巻線コイル素子を有する第２巻線コイル部と、前記測定対象物の変位に追従しかつ前記第２巻線コイル部に対し相対変位可能に配置され、その変位方向に沿って所定のピッチで配列された複数個の磁気応答部材を備え、前記相対変位に応じて、前記第２巻線コイル部に、前記第１の交流信号に対し振幅変調され、異なる振幅関数特性をもつ複数の第２の交流信号を誘起させる可動部と、前記第１巻線コイル部および前記第２巻線コイル部に接続され、前記第２巻線コイル部から入力された前記複数の第２の交流信号から合成信号を生成し、前記合成信号と前記第１巻線コイル部から入力された前記第１の交流信号との電気的位相差を検出する変位量検出部とを備えたことを特徴とする電磁誘導式変位センサを構成したものである。

上記構成において、好ましくは、前記第２巻線コイル部は、４個の前記巻線コイル素子を備えかつ軸方向にのびる円筒空間を有し、前記可動部は、前記第２巻線コイル部の前記円筒空間を貫通し前記軸方向にスライド運動可能に配置された棒状体からなり、前記棒状体の軸方向に沿って、前記巻線コイル素子の間隔の４倍を１ピッチとして円筒状の前記磁気応答部材が配列されている。
さらに好ましくは、前記第１の交流信号は、正弦波信号Ａｓｉｎωｔであり、前記可動部の相対変位ｘに応じて、前記第２巻線コイル部の一端側から順に並ぶ第１〜第４の前記巻線コイル素子のうち、前記第１および第３の巻線コイル素子の対から正弦関数の振幅関数特性をもつ交流信号ａｓｉｎθ・ｓｉｎωｔが、前記第２および第４の巻線コイル素子の対から余弦関数の振幅関数特性をもつ交流信号ａｃｏｓθ・ｓｉｎωｔがそれぞれ出力され、これらの異なる２つの振幅関数特性をもつ交流信号から正弦関数の振幅関数特性をもつ合成信号ａｓｉｎ（ωｔ±θ）が生成される。

本発明によれば、外部磁界が定常的な交流磁界からなっている場合には、従来のように電磁誘導式センサの１次コイルに励磁交流信号を適用して変位検出用のベースとなる磁界を生成する代わりに、外部交流磁界を直接利用することにより、可動部との位置関係に応じた第２巻線コイル部（従来の２次コイル）のインダクタンスの変化を検出するようにしたので、外部磁界の存在による電磁誘導式変位センサの測定精度の低下を防止することができる。

以下、添付図面を参照して本発明の好ましい実施例について説明する。図１は、本発明の１実施例による電磁誘導式変位センサの構成を示すブロック図である。図１に示されるように、本発明によれば、定常的に存在する外部の交流磁界Ｈによって誘起される第１の交流信号を出力する第１巻線コイル部１と、測定対象物（図示はされない）の変位方向Ｚに沿って等間隔で配列された複数個（この実施例では４個）の巻線コイル素子Ｌ１〜Ｌ４を有する第２巻線コイル部２と、測定対象物の変位に追従しかつ第２巻線コイル部２に対し相対変位可能に配置され、その変位方向Ｚに沿って所定のピッチで配列された複数個の磁気応答部材を備え、前記相対変位に応じて、第２巻線コイル部２に、第１の交流信号に対し振幅変調され、異なる振幅関数特性をもつ複数（この実施例では２つ）の第２の交流信号を誘起させる可動部３が備えられる。

図２は、図１に示された電磁誘導式センサの第２巻線コイル部および可動部の構成を示した斜視図である。図２を参照して、第２巻線コイル部２は、４個の巻線コイル素子Ｌ１〜Ｌ４を備えかつ軸方向にのびる円筒空間６を有している。また、可動部３は、顕著な磁性を示さない金属またはプラスチックから形成されたロッド４と、ロッド４に取付けられ、そしてその軸方向に沿って、巻線コイル素子Ｌ１〜Ｌ４間の間隔の４倍を１ピッチとして配列された円筒状の磁気応答部材（強磁性体）５とからなる棒状体として形成され、第２巻線コイル部２の円筒空間６を貫通し軸方向にスライド運動可能に配置されている。

また、第１巻線コイル部１および第２巻線コイル部２には変位量検出部４が接続される。変位量検出部４は、第１巻線コイル部１から出力された第１の交流信号が入力される第１交流信号検出部７と、第２巻線コイル部２から入力された複数の第２の交流信号の合成信号を生成する第２交流信号合成部８と、第２交流信号合成部８から入力された合成信号と第１交流信号検出部７から入力された第１の交流信号との電気的位相差を検出する位相差検出部９を備えている。

こうして、第１巻線コイル１には、外部交流磁界Ｈによって第１の交流信号Ａｓｉｎωｔが誘起され、この交流信号が第１交流信号検出部７によって検出される。
一方、第２巻線コイル部２の巻線コイル素子Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４は、外部交流磁界Ｈによって、第１巻線コイル部１と同様、正弦波信号Ａｓｉｎωｔを誘起されるが、可動部３が変位量ｘだけ相対変位すると、可動部２に所定ピッチで設けられた磁気応答部材５との関係位置に応じたインダクタンスの変化によって、巻線コイル素子Ｌ１およびＬ３の対において正弦関数の振幅関数特性をもつ交流信号ａｓｉｎθ・ｓｉｎωｔが、また、巻線コイル素子Ｌ２およびＬ４の対において余弦関数の振幅関数特性をもつ交流信号ａｃｏｓθ・ｓｉｎωｔがそれぞれ誘起される。

巻線コイル素子Ｌ１およびＬ３の対からの第２の交流信号ａｓｉｎθ・ｓｉｎωｔおよび巻線コイル素子Ｌ２およびＬ４の対からの第２の交流信号ａｃｏｓθ・ｓｉｎωｔは、第２交流信号合成部８に入力される。第２交流信号合成部８は、入力された第２の交流信号
Ｘ＝ａｓｉｎθ・ｓｉｎωｔ ・・・（１）
Ｙ＝ａｃｏｓθ・ｓｉｎωｔ ・・・（２）
に基づき、（１）式のｓｉｎωｔをｃｏｓωｔに変換して、ａｓｉｎθ・ｃｏｓωｔを得、三角関数の加法定理を適用し、合成信号
ａｓｉｎθ・ｃｏｓωｔ±ａｃｏｓθ・ｓｉｎωｔ＝ａｓｉｎ（ωｔ±θ）
を生成する。

そして、位相差検出部９において、合成信号ａｓｉｎ（ωｔ±θ）と、第１の交流信号Ａｓｉｎωｔとの電気的位相差θが検出される。位相差θの検出は、図３に示されるように、Ａｓｉｎωｔのグラフのゼロクロス点から、ａｓｉｎ（ωｔ＋θ）のグラフのゼロクロス点までの時間をカウントすることによってなされる。
位相差θは、可動部３の位置と比例関係にあるので、位相差θを検出することによって可動部３の位置、よって基準位置からの変位量が求められる。

本発明の１実施例による電磁誘導式変位センサの構成を示すブロック図である。 図１の電磁誘導式変位センサの第２巻線コイル部および可動部の構成を示す斜視図である。 Ａｓｉｎωｔのグラフとａｓｉｎ（ωｔ＋θ）のグラフとの時間関係を示す図である。

符号の説明

１ 第１巻線コイル部
２ 第２巻線コイル部
３ 可動部
４ 変位量検出部
５ ロッド
６ 磁気応答部材
７ 円筒空間
８ 第１交流信号検出部
９ 第２交流信号合成部
１０ 位相差検出部

Claims (3)

1. 定常的に交流磁界が存在する環境で使用されるものであって、
   前記交流磁界によって誘起される第１の交流信号を出力する第１巻線コイル部と、
   測定対象物の変位方向に沿って等間隔で配列された複数個の巻線コイル素子を有する第２巻線コイル部と、
   前記測定対象物の変位に追従しかつ前記第２巻線コイル部に対し相対変位可能に配置され、その変位方向に沿って所定のピッチで配列された複数個の磁気応答部材を備え、前記相対変位に応じて、前記第２巻線コイル部に、前記第１の交流信号に対し振幅変調され、異なる振幅関数特性をもつ複数の第２の交流信号を誘起させる可動部と、
   前記第１巻線コイル部および前記第２巻線コイル部に接続され、前記第２巻線コイル部から入力された前記複数の第２の交流信号から合成信号を生成し、前記合成信号と前記第１巻線コイル部から入力された前記第１の交流信号との電気的位相差を検出する変位量検出部とを備えたことを特徴とする電磁誘導式変位センサ。
2. 前記第２巻線コイル部は、４個の前記巻線コイル素子を備えかつ軸方向にのびる円筒空間を有し、前記可動部は、前記第２巻線コイル部の前記円筒空間を貫通し前記軸方向にスライド運動可能に配置された棒状体からなり、前記棒状体の軸方向に沿って、前記巻線コイル素子の間隔の４倍を１ピッチとして円筒状の前記磁気応答部材が配列されていることを特徴とする請求項１に記載の電磁誘導式変位センサ。
3. 前記第１の交流信号は、正弦波信号Ａｓｉｎωｔであり、前記可動部の相対変位に応じて、前記第２巻線コイル部の一端側から順に並ぶ第１〜第４の前記巻線コイル素子のうち、前記第１および第３の巻線コイル素子の対から正弦関数の振幅関数特性をもつ交流信号ａｓｉｎθ・ｓｉｎωｔが、前記第２および第４の巻線コイル素子の対から余弦関数の振幅関数特性をもつ交流信号ａｃｏｓθ・ｓｉｎωｔがそれぞれ出力され、これらの異なる２つの振幅関数特性をもつ交流信号から正弦関数の振幅関数特性をもつ合成信号ａｓｉｎ（ωｔ±θ）が生成されることを特徴とする請求項２に記載の電磁誘導式変位センサ。

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