JPH02275313A - 変位測定方法及び差動コイル型変位測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、被測定物の機械的変位量を測定する方法と、
この方法を用いた差動コイル型変位測定装置に関するも
のであり、例えば所謂電気マイクロメータの分野に於い
て実施される。

［従来の技術］ 差動コイル型変位測定装置として、従来は、例えばカラ
ー版電気百科事典（昭和５８年９月１０日、株式会社オ
ーム社発行）、第２９０頁に記載された電気マイクロメ
ータが公知である。

この電気マイクロメータを第８図によって説明すると、
差動変圧器Ｔには１次コイルＮｌと、この１次コイルＮ
１の上下に２つの２次コイルＮ２　、Ｎ３とが巻かれて
おり、該差動変圧器Ｔの中心には被測定物Ａの変位によ
って上下に移動するコアＣが配置されている。

１次コイルＮ、には交流電源Ｂが接続され、２次コイル
Ｎ２　＋　Ｎ３は差動的に結線され、差動出力線が増幅
器りに接続され、増幅器りの出力は同期整流器已に接続
され、同期整流器Ｅの出力は零点中心の電圧計Ｆに接続
されている。

交流電源Ｂから差動変圧器Ｔの１次コイルＮ１に交流電
流が印加されると、２つの２次コイルＮ２　、Ｎ３にそ
れぞれ起電力Ｅ、、Ｅ２が誘起され、増幅器りはその差
電圧（Ｅｌ−Ｅ２）を増幅し、同期整流器Ｅは増幅器り
の出力を同期整流し、電圧計Ｆは同期整流器りの出力電
圧を表示する。

コアＣが差動変圧器Ｔの中心にあるときは、２次コイル
Ｎ２．Ｎ、の誘導起電力Ｅ、、Ｅ２は等しいため差電圧
（Ｅｌ　−Ｅ２　）が零となり、電圧計Ｆは零点を指す
。被測定物Ａが例えば上方向に変位すると、２次コイル
Ｎ２の起電力Ｅ１が２次コイルＮ３の起電力Ｅ２より大
きくなり、電圧計Ｆは差電圧（Ｅｌ−Ｅ２）に比例した
値を表示する。この電圧計Ｆの指示値は被測定物Ａの変
位量に比例するので電圧計Ｆの指示値から被測定物Ａの
変位量を知ることができる。

［発明が解決しようとする課題］ 以上に説明した従来の電気マイクロメータでは、差動変
圧器Ｔの２次コイルＮ２　、Ｎ３に誘起される起電力の
電圧Ｅ、、Ｅ２はコアＣの移動で変化するとともに１次
コイルＮｌに印加される電圧の変動、すなわち交流電源
Ｂの電圧の変動によっても変化するため、特に被測定物
Ａの微少変位を検出するためには、交流電源Ｂに極めて
安定度の高い出力が要求される。

また、２次コイルＮ２．Ｎ３の誘起電圧の差（ＥＩ　　
Ｅ２）を増幅し、同期整流を行なう処理は全てアナログ
処理であるため高い測定精度が保ちにくい。

本発明は、以上の様な問題点を解決すべく提案するもの
で、簡単な構成で高い測定精度が得られる変位測定方法
とこの方法を用いた差動コイル型変位測定装置を得るこ
とを課題とするものである。

［課題を解。決するための手段］ 以上の課題のため、本発明は、それぞれが単独で発振周
波数の決定要素となる２つのコイルを発振回路に交互に
接続するとともに、被測定物の変位が上記２つのコイル
のインダクタンスに差動的に作用するように被測定物を
上記２つのコイルに結合し、上記それぞれのコイルが上
記発振回路に接続されたときの上記発振回路のそれぞれ
の発振周波数に基いて上記被測定物の変位を求めるよう
にしたものであり、被測定物の変位を２つのコイルのイ
ンダクタンスに差動的に作用する結合構造として、並べ
て配置した２つのコイルの内部を被測定物に結合したコ
アが被測定物の変位に従って移動する構造の測定装置、
又は粗巻きにされた２つのコイルを直列に接続し、この
接続点に被測定物を結合して被測定物の変位を上記２つ
のコイルの伸縮に変えて伝達する構造の測定装置を提供
するものである。

［作 用］ 第７図は本発明の詳細な説明する図である。

第７図に示すように、本発明の主要部は発振回路１と、
この発振回路１の発振周波数をそれぞれ単体で決定する
２つのコイル２，３と、この２つのコイル２．３を発振
回路１に交互に接続するスイッチ４，５でなり、上記コ
イル２゜３は被測定物６の変位に従って、一方のインダ
クタンスが増加し、他方のインダクタンスが減少するよ
うに被測定物６に差動的に結合される。

第７図に示すように、スイッチ４がオンでスイッチ５が
オフのときには発振回路１の発振周波数はコイル２とも
う１つの発振周波数決定要素であるコンデンサ７によっ
て決定される。但し、コンデンサ７は固定であり、従っ
て被測定物６の変位による発振周波数の変位は専らコイ
ル２に依存することとなる。

いま、コイル２のインダクタンスをＬ１％コンデンサ７
の静電容量をＣとすると、スイッチ４がオン、スイッチ
５がオフのときの発振回路１の発振周波数ｆ１は に ′・＝２ｒｔＪ霞で　　　−（１） （但し、ｋは定数） となる。

スイッチ４がオフ、スイッチ５がオンのときは発振回路
１の発振周波数はコイル３とコンデンサ７によって決定
される。コイル３のインダクタンスをＬｌとすると、前
記と同様にして発振回路１の発振周波数ｆ２は ｆ２＝□　　　　　　・・・（２） ２やｆでｉ− となる。

上記（１）式及び（２）式では、被測定物６の変位に基
く変数はそれぞれインダクタンスＬ１゜Ｌｌであり、Ｌ
ｌ、Ｌｌの変化を後で説明する実施例の説明の第５図を
借りて説明すると、第５図の（イ）及び（ロ）の様にな
る。

上記発振周波数ｆ、、ｆ２の比をとるととなる。この比
の変化は第５図（八）の様になる。

前記したように、インダクタンスＬｌ　、　　Ｌｌは互
に差動的に変化するので被測定物６の変位に従って上記
発振周波数の比（ｆ２／ｌも必ず変化するので、当該比
（ｂ／Ｌ）から被測定物６の変位を算出することができ
る。

また、（３）式から明らかなように、発振周波数を決定
する定数ｋ及びＣは発振周波数の比をとることによって
相殺される。この定数には発振回路１特有の定数であり
、電源電圧の変動及び周囲温度で変化等で変動し、また
、定数Ｃはコンデンサ７の温度係数に従って周囲温度の
変化で変動するが、コイル２及び３が接続される発振回
路１（コンデンサ７を含む）は同一であることにより、
上記（３）式で示されるように定数ｋ及びＣの変動が変
位算出処理に影響を及ぼすことはない。

以上の説明では被測定物６の変位を発掘周波数ｆ＋、ｆ
ｚの比で算出した例であるが、これを発振周波数ｆｌ、
ｆ２の差に基いて算出することも可能である。

この場合には算出処理に於いて定数ｋ及びＣが残ること
となるが、２つの発振周波数ｆ１ｆ２に於ける定数ｋ及
びＣは同一であることにより変位算出処理が容易であり
、電源電圧を安定化し、周囲温度の変化が少ない環境で
使用する場合には、充分に高い精度の測定が可能である
。

施　　例］ 第１図〜第６図は本発明の詳細な説明する図で、第１図
はブロック図、第２図〜第４図はそれぞれコイルと被測
定物との結合構造の実施例を示す構造概略図、第５図は
第２図に示す実施例の動作を説明するグラフ、第６図は
第３図又は第４図に示す実施例の動作を説明するグラフ
である。

第１図に示すように、実施例に係る変位測定装置は、発
振回路１と、それぞれが独自に上記発振回路１の周波数
決定要素となる２つのコイル２．３と、このコイル２，
３をそれぞれ発振回路１に接続するスイッチ４．５と、
このスイッチ４．５を交互にオン・オフするために互に
逆極性の切換信号を供給するためのインバータ８と、発
振回路１の出力信号（発振周波数）に基いて被測定物６
の変位を算出する演算処理部９と、演算処理部９で算出
した変位を表示し、又は／及び記録する表示記録部１０
で構成されている。

［実 コイル２及びコイル３と被測定物６とは前記したように
、被測定物６の変位に従）てそれぞれのコイル２．３の
インダクタンスが相互に差動的に変化するように結合さ
れる。この結合構造は、例えば第２図〜第４図に示すよ
うな構造で実現できる。

第２図に示す実施例は、コイル２，３を、それぞれの巻
回の中心軸が互に一致するように、かつ当該中心軸の方
向が被測定物６の変位方向に向くように巻回し、被測定
物６と連結したコアを上記中心軸の方向に変位可能であ
るようにしたものである。すなわち、コイルボビン１２
と同じ特性のコイル２及びコイル３が並べて巻回され、
これが被測定物６の変位に対して不変である基体１３に
固定され、また、コイルボビン１２の中心にはコイル２
，３の巻回箇所にまたがる位置にコア１４が配設されて
いて、このコア１４には連結体１５によって被測定物６
が連結されている。また、コイル２とコイル３とは直列
接続されており、コイル２．３の直列接続端ａは発振回
路１に、コイル２の他端すはスイッチ４に、コイル３の
他端ｃはスイッチ５にそれぞれ接続されている。

第３図に示す実施例は、コイル２．３を空心でかつ粗巻
きに構成するとともに上記第２図の実施例と同様に配置
及び結線し、コイル２．３の直列接続端でないそれぞれ
の端部を被測定物に対して不変である基体１３．１３に
固定し、コイル２．３の直列接続点を連結体１５を介し
て被測定物６に結合したものである。尚、コイル２，３
は弾性導電線材、例えばりん青銅線材で形成される。

また、第４図に示す実施例は、第３図の実施例と同様の
コイル構造とし、被測定物６の変位をコイル２，３に転
動的に伝達する構造としたものである。すなわち、被測
定物６とコイル２．３の直列接続点とは、転勤の支点１
６を有する連結体１５で結合したものである。

次に実施例の動作を説明する。

まず、第１図により変位測定装置の動作を説明すると、
切換制御端子１１には、（＋）　、　（−）の比が１対
１の切換信号が供給され、この切換信号はスイッチ４の
制御端子にはそのままの極性で、スイッチ５の制御端子
にはインバータ８によって反転された極性でそれぞれ印
加される。

従ってスイッチ４及びスイッチ５は交互にオン・オフを
繰り返す。ななわち、切換制御端子１１に入力された切
換信号の極性が（＋）であるときには、スイッチ４には
（＋）の制御信号が、スイッチ５には（−）の制御信号
がそれぞれ印加されて、スイッチ４がオン、スイッチ５
がオフとなり、コイル２が発振回路１に接続されて当該
発振回路１はそのときのコイル２のインダクタンスによ
り決定される周波数で発振する。また、上記切換信号の
極性が（−）であるときには、スイッチ４及びスイッチ
５にはそれぞれ上記とは逆の極性の制御信号が印加され
て、スイッチ４がオフ、スイッチ５がオンとなり、コイ
ル３が発振回路１に接続されて当該発振回路１はそのと
きのコイル３のインダクタンスにより決定される周波数
で発振する。

演算処理部９は、コイル２が接続されたときの発振回路
１の発振出力信号及びコイル３が接続されたときの発振
回路１の発振出力信号の双方を切換制御端子１１から入
力される切換信号に基いて識別して受信し、それぞれの
発振出力信号の周波数ｆｌ、ｆ２の比又は差によって被
測定物６の変位を演算する。すなわち、演算処理部９は
上記周波数ｆ、、ｆ２の比又は差と変位量の関係を示す
データを格納したテーブルを有しており、このテーブル
を参照して被測定物６の変位量を算出する。

演算処理部９で算出された被測定物６の変位量は表示記
録部１０に表示され、又は／及び記録される。

以上の動作に於いて、切換信号の周期は被測定物６の変
位変化の速さに比べて充分に速い周期に設定される。

次にコイル２．３と被測定物の連結部の動作を説明する
。

まず、第２図に示す実施例の動作を説明する。

被測定物６が第２図に於ける左右に変位すると、コア１
４も左右に変化する。例えば被測定物６が右方向に変位
したものとすると、コア１４が右方向に移動し、これに
よってコイル２のインダクタンスが増加し、コイル３の
インダクタンスは減少する。すなわち、被測定物６とコ
イル２，３とは、被測定物６の変位に対してコイル２．
３のインダクタンスが相互に差動的に変化するように結
合されていることとなる。

この第２図に示す実施例に於けるコア１４の変位量とコ
イル２．３のインダクタンスＬｌ。

Ｌ２の変化の関係及びインダクタンスＬ、、Ｌ２の比、
すなわち発振回路１のそれぞれの発振周波数ｆ＋、ｆ２
の比の変化の関係は第５図の（イ）。

（ロ）及び（Ａ）　　に示すようになる。

第５図に示すように、コア１４がコイル２゜３と等距離
にまたがる位置にあるときにはインダクタンスＬ　Ｉ　
＊　Ｌ　２が等しく発振周波数の比（ｆ　２　／　ｆ　
ｌ）は１となる。この位置を変位量０の基準点とする。

被測定物６が右方向（左方向）に変位し、コア１４が右
方向（左方向）に移動すると、インダクタンスＬ１が増
加（減少）し、インダクタンスＬ２が減少（増加）して
発振周波数の比（ｆ２　／ｆｌ　’）が増加（減少）す
る。このように、コア１４の穆動量に従って発振周波数
の比（ｆ２／ｆ、１）が関数的に変化するので、被測定
物の変化量が計測できることとなる。

また、本実施例による測定は、インダクタンスＬ１が極
大値を示す位置からインダクタンスＬ２が極大値を示す
位置までの範囲、すなわち、第５図に示す（：）の範囲
以内で行なわれる。この範囲はコア１４がコイル２とコ
イル３の境界を移動する範囲である。

次に第３図又は第４図に示す実施例の動作を説明する。

第３図に於いて、被測定物６が左右に変位すると、コイ
ル２及びコイル３は一方が伸びて他方が縮む。例えば被
測定物６が右方向に変位したものとすると、コイル２が
縮んでそのインダクタンスが増加し、コイル３が伸びて
そのインダクタンスが減少する。すなわち、本実施例に
於いても前記第２図に示す実施例と同様、被測定物６と
コイル２．３とは、被測定物６の変位に対してコイル２
．３のインダクタンスが相互に差動的に変化するように
結合されている。

また、第４図の実施例では、被測定物６の変位は、連結
体１５の支点１６を中心とした転動的な変位としてコイ
ル２．３の直列接続点に伝達され、上記第３図に示す実
施例と同様、コイル２及びコイル３の一方が伸びて他方
が縮み、それぞれのインダクタンスが上記第３図の実施
例と同様に変化する。尚、本実施例では、被測定物６の
変位がコイル２．３に非直線的に伝達されるため、コイ
ル２．３の変化も非直線的となるが、変位量と発振周波
数の関係を予め演算処理部９に入力しておくことにより
変位量の測定が可能となる。また、支点１６の位置によ
って被測定物６の変位は縮められてコイル２．３に伝達
されるので、支点１６の位置を考慮することにより（被
測定物６から支点１６までの距離をコイル２．３の接続
点から支点１６までの距離より長くする。）、被測定物
６の変位がある程度大きくてもコイル２，３の変化を直
線的変化とみなすことができるため、演算処理部９での
処理が容易となる。

上記第３図又は第４図の実施例に於ける被測定物６の変
位とコイル２．３のインダクタンスＬ　Ｉ、　Ｌ　２の
変化の関係及びインダクタンスし１゜Ｌ２の比、すなわ
ち発振回路１のそれぞれの発振周波数ｆ、、ｆ２の比の
変化の関係は第６図の（イ）、（ロ）及び（八）に示す
ようになる。

第６図に示すように、コイル２とコイル３の巻回密度が
同じである位置（２の位置を変位量０の基準点とする。

）ではインダクタンスＬ＋。

Ｌ２が等しく、発振周波数の比は（ｆ２／ｆｌ）は１と
なっており、コイル２を縮め（伸ばし）、コイル３を伸
ばす（縮める）方向に被測定物６が変位すると、コイル
２の巻回密度が大きく（小さく）なってインダクタンス
Ｌ１が増加（減少）し、コイル３の巻回密度が小さく（
大きく）なってインダクタンスし、が減少（増加）する
ので発振周波数の比（ｆ　２　／　ｆ　ｌ）は増加（減
少）する。このように、被測定物６の変位量に従って発
振周波数の比（ｆ２／ｆｌ）が関数的に変化するので上
記被測定物６の変化量が計測できることとなる。

以上の実施例では、被測定変位を２つの発振周波数の比
に基いて演算するようにしたが、２つの発振周波数の差
に基いて演算するようにもできる。

［発明の効果］ 以上に説明したように、本発明は、被測定物の変位を２
つのコイルに当該２つのコイルのインダクタンスが相互
に差動的に変化するように伝達するようにし、上記２つ
のコイルを発振回路に交互に接続してそれぞれのコイル
が接続されたときの当該発振回路の発振周波数に基いて
被測定物の変位を求める変位測定方法及び変位測定装置
を提供するものであり、従来の電気ｖイクロメータのよ
うに基準信号源としての交流電源を必要としないことと
、信号処理が発振周波数によっているためデジタル信号
による測定及び演算処理が可能であること等により、極
めて精度の高い変位測定が可能であり、かつ装置構成も
簡単かつ小形化される。

また、特に２つの発振周波数の比に基いて変位を算出す
る方式によれば、発振回路の電圧変動、温度変化による
特性の変動、もう一つの周波数決定要素であるコンデン
サの温度特性等に起因する容量変化が測定結果に影響を
及ぼすことは全くなく、またコイル自体に起因する変動
要素も、２つのコイルの特性を等しくすることによって
排除できるものであり、測定環境の変化に左右されるこ
となく極めて高い精度の測定が可能となり、本発明の効
果は極めて顕著である。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第７図は本発明の詳細な説明する図で、第１図
は変位測定装置のブロック図、第２図〜第４図はそれぞ
れコイルと被測定物との結合構造の実施例を示す構造概
略図、第５図及び第６図は動作を説明するグラフ、第７
図は作用説明図である。また第８図は従来例を示す図で
ある。 （主な記号） １・・・発振回路　　　　２．３・・・コイル４．５・
・・スイッチ　　６・・・被測定物９・・・演算処理部
　　　１４・・・コア１５・・・連結体 他４名 第 図 第 図 第 図 第 図 ５（連結体） 第 図 ＼−−−−−−−７′ 第　６　口 変イ（ｌ≧ｉ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　それぞれが単独で発振周波数の決定要素となる２つ
   のコイルを発振回路に交互に接続するとともに、被測定
   物の変位が上記２つのコイルのインダクタンスに差動的
   に作用するように被測定物を上記２つのコイルに結合し
   、上記それぞれのコイルが上記発振回路に接続されたと
   きの上記発振回路のそれぞれの発振周波数に基いて上記
   被測定物の変位を求めるようにした変位測定方法。 ２　それぞれの中心軸が被測定物の変位軸方向と一致す
   るように並べて配置した同特性の２つのコイルと、この
   ２つのコイルにまたが り、かつこの２つのコイルの中心軸位置に配置され、上
   記被測定物に結合されていて上記中心軸方向に変位可能
   とされたコアと、上記２つのコイルのそれぞれを単独で
   発振周波数の決定要素とする発振回路と、この発振回路
   に上記２つのコイルを交互に接続するスイッチ回路と、
   上記発振回路に上記それぞれのコイルが接続されたとき
   の上記発振回路のそれぞれの発振周波数に基いて被測定
   物の変位を算出する演算処理部でなる差動コイル型変位
   測定装置。 ３　粗巻きにされ、直列接続されていて直列接続点でな
   いそれぞれの端部が固定された弾性導電線材でなる２つ
   のコイルと、この２つのコイルの直列接続点に結合され
   、被測定物の変位を上記２つのコイルの伸縮に変えて伝
   達する変位伝達部と、上記２つのコイルのそれぞれを単
   独で発振周波数の決定要素とする発振回路と、この発振
   回路に上記２つのコイルを交互に接続するスイッチ回路
   と、上記発振回路に上記それぞれのコイルが接続された
   ときの上記発振回路のそれぞれの発振周波数に基いて被
   測定物の変位を算出する演算処理部でなる差動コイル型
   変位測定装置。 ４　演算処理部は、それぞれのコイルが接続されたとき
   の発振回路の発振周波数の比に基いて被測定物の変位を
   演算するようにした請求項２又は請求項３に記載の差動
   コイル型変位測定装置。 ５　演算処理部は、それぞれのコイルが接続されたとき
   の発振回路の発振周波数の差に基いて被測定物の変位を
   演算するようにした請求項２又は請求項３に記載の差動
   コイル型変位測定装置。