JPH0348719A - 位置センサ - 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】 この発明は可変位置センサに関し、特にセンサの２つの
エレメントの相対的な位置を示す電気的出力を与えるた
めのセンサに関する。

機械的なリンクまたはアクチュエータの位置を示す電気
的出力を与えるための種々の装置が提案されてきた。装
置の１つの形式は電位差計を含むが、しかしこれは摺動
コンタクト、振動のための断続するコンタクトおよび高
速度での移動のためのコンタクトのロスから摩滅しがち
である。装置のもう１つの型は線形可変変位変成器（Ｌ
ＶＤＴ）であるが、しかしこれはストローク長さで制限
され複雑な巻線を伴う。

上記の難点を克服しかつセンサの２つの可動のエレメン
ト間の相対的な位置の大きなレンジにわたり線形で正確
に位置に関係する電気的出力を与える位置センサを我々
は発明した。

１つの局面から理解されるようにこの発明に従って、セ
ンサコイル、コイルに変位するための高透磁率材料のコ
アエレメント、コイルにかかる電圧がコアエレメントの
位置で線形に変化するようにコイルに交流を供給するた
めの手段、および入力交流信号に関係なくコイルにかか
る電圧に応答して手段を含む位置センサが設けられ、前
記電圧を表わす直流出力信号を発生する手段を含む位置
センサが設けられる。

センサコイルにかかる電圧はかなり簡単に処理され得、
センサコイルに関係するコアエレメントの位置に線形に
関連した出力を与える。このように位相または他のパラ
メータに関してコイルにかかる電圧を入力交流信号と参
照し、または比較する必要が全くない。たとえば、１つ
の簡単な配置において、センサコイルにかかる交流電圧
は復調器に印加される。他の配置において、センサコイ
ルにかかる電圧は整流器に、または交流直流変換器に印
加されてもよい。

１つの好ましい実施例において、コイルに交流を供給す
るための手段は、センサコイルを含むネットワークにわ
たり接続される定出力電圧の交互波ゼネレータを含む。

好ましくはこのネットワークはセンサコイルと直列の温
度補償インピーダンスを含む。

もう１つの好ましい実施例において、交互波ゼネレータ
はそれの出力が、センサコイルに供給する演算増幅器に
接続される。電流センサはコイルに結合され、電圧フィ
ードバックはこれから得られ、演算増幅器に印加され、
コイルに与えられる電流が定ＲＭＳのものであることを
確実にする。

センサの直流出力信号を受取るために回路が設けられて
もよく、この回路は、センサのコアエレメントのユニッ
ト変位あたり、出力信号における変化を調節するために
調節され得る電源電圧から給電される。この回路は位置
センサから直流出方信号を受取りかつ印加された電源電
圧に依存するそれのゲインを有する増幅器を好ましくは
含む。

センサはここで線形可変電位差計をエミュレートする。

第２の局面から理解されるようにこの発明に従って、セ
ンサコイル、コイルに変位するための高透磁率材料のコ
アエレメント、交流をコイルに供給するための手段、コ
イルにかかる電圧がコアエレメントの位置で線形に変化
するようにそれのヒステリシス曲線の線形部分で動作さ
れているコイルおよびコアエレメントを含む磁気回路、
およびコイルにかかる電圧に応答して前記電圧を表わす
直流出力信号を発生するための手段を含む位置センサが
設けられる。

この発明の実施例は例としてのみ、かつ添付の図面と関
連して、ここで記述されるであろう。

図面の第１図および第２図を参照すると、コイル１０と
、それ自体の縦にかつコイル１０の軸に沿って可動であ
る高透磁率金属の真直ぐなコア１２とを含む誘導変位セ
ンサが図示される。コイル１０は、たとえばシェラツク
または硬化可能な樹脂の絶縁コーティングを有する精ゲ
ージ銅電線を含み、その電線は絶縁層１６を支える非磁
気金属の薄い壁のある管１４のまわりに巻かれる。二次
的コイル１８は、下文に記述されるような温度補償のた
めに、メインコイル１０の回りに巻かれる。

高透磁率金属の外部の管２０は、内部の管１４およびコ
イル１０，１８を囲む。外部の管２０の各端部は絶縁材
料の内部ディスク２２および金属の外部ディスク２４に
より閉じられ、そのディスクは外部管２０の端部内で嵌
合し、かつ内部管１４の端部か係合する中心の開口を有
する。内部の管と外部の管との間の空間は、コイルをカ
プセルに包む硬化可能な樹脂で充填される。２つのコイ
ル１０．１８の端部は、外部の管２ｏを通って、後者の
一方の端部で、出される。高透磁率コアはロッドまたは
管１２を含み、それは一方の端部から内部管１４へ延在
する。１つの修正において、コイル１０および１８の両
方はＥｕ＋ｅｃａ電線を含んでもよく、２つのコイルは
同じ長さおよび巻数であり、バイファイラ態様で巻かれ
る。

第３図を参照すると、簡易ブロック図形式で、第１図お
よび第２図の誘導変位センサのコイル１０．１８が接続
され得る回路の１つの実施例が図示され、その回路は高
透磁率ロッドまたは管１２の位置に線形に関連した出力
を与える。この回路は発振器Ｏ８Ｃを含み、それの出力
は直列にコイル１０および１８をわたり印加される。発
振器の周波数は、キャパシタＣＴおよび調節可能な抵抗
器ＲＴにより決められる。発振器は電圧調整器ＲＥＧを
介して正電源レール（典型的に＋１２ないし＋３２ボル
ト）から給電され、定電圧と、好ましくは定ＲＭＳ正弦
または三角波である定周波数出力とを与える。出力はセ
ンサコイル１０と補償コイル１８との間のジャンクショ
ンからとられ、復調器に印加され、それはこの例におい
て、直列整流器Ｄ１および抵抗器Ｒ１および分路コンデ
ンサＣ１により形成されるピーク検出器を含む。回路か
らの出力は直流調整回路ＣＯＮを介してとられる。

第４図は、第３図の簡易回路に基づいて詳細な回路を図
示する。この回路はＮＥ１５５２１Ｎ集積回路ＩＣＩ（
フィリップスにより製造される）を含み、それは第３図
の発振器、復調器、および直流調整回路を含む。集積回
路ｒＣ１は７８Ｌ０９装置である９ボルトレギユレータ
ＲＥＧを介して正電源レールから給電される。テストで
設定される抵抗器Ｒ３は、補償コイル１８をわたり接続
され、この並列結合の抵抗をセンサコイル１０の抵抗と
等しくする。

出力Ｖｏｕｔは演算増幅器ＯＡＩの一方の入力に通過さ
れ、それの他方の入力は直流電源から給電される直列経
路で２つの抵抗器Ｒ３、Ｒ４間のジャンクションに接続
され、フィードバック抵抗器Ｒ５は演算増幅器の入力と
出力との間に接続される。抵抗器Ｒ４は負の温度係数を
有し、したがってたとえばもし直流電源電圧が増加され
るならば、直流経路Ｒ３、Ｒ４を通る電流は増加するで
あろうし、Ｒ４の温度を上げかつそれの抵抗およびそれ
にかかる電位ドロップを低減し、したがって、増幅器の
ゲインを増大する。したがって演算増幅器ＯＡＩのゲイ
ンは印加された直流電源電圧で変化し、それで直流電源
電圧を調節することにより、センサコアエレメントの変
位のユニットあたりの出力における変化は調節され得る
。

第６図を参照すると、その中に第１図および第２図の誘
導可変センサのコイル１０．１８が接続され得る回路の
第２の実施例が図示され、その回路は高透磁率ロッドま
たは管の位置に線形に関係した出力を与える。その回路
は位相ロックループチップ型ＮＥ５６６に基づ（三角波
ゼネレータＧＥＮを含む。これからの定周波数出力は、
ゲインを与えるが容量性フィードバックを有する演算増
幅器ＯＡ２の一方の入力に印加され、それでそれは三角
波入力のピークをわずかに丸めるのに機能する。演算増
幅器ＯＡ２からの出力は、直列抵抗器Ｒ６を介して、セ
ンサコイル１０の一方の端部Ｊに接続され、それの他方
の端部は電流変成器Ｔ１の主要なものを介して接地に接
続される。電流変成器Ｔ１の二次的なものは、一方の端
部が接地に接続され、それの他方の端部は抵抗器Ｒ７お
よびＲ８を介して接地に接続される。抵抗器Ｒ７とＲ８
との間のジャンクションは、演算増幅器ＯＡ２の他方の
入力（非反転入力）に接続される。

電流変成器Ｔ１は、このように演算増幅器ＯＡ２へ電圧
フィードバックを与え、演算増幅器ＯＡ２が定ＲＭＳお
よび定周波数の電流をセンサコイル１０へ供給する効果
をもつ。高透磁率コア１２はセンサコイルの縦に変位さ
れるので、供給される電流は一定のままであるが、しか
しコイルにかかる交互電圧は線形の態様で変化する。

抵抗器Ｒ６をもつセンサコイル１０のジャンクションＪ
は、二次的な、温度補償コイル１８を介して、演算増幅
器ＯＡ３の一方の入力（反転入力）に接続され、それの
他方の入力（非反転入力）は接地に接続される。温度補
償コイル１８は抵抗性ワイヤを含み、メインコイル１０
と比べて数個の巻数を有してもよいが、しかしメインコ
イル１０が作られるワイヤのそれ１（こ近い抵抗の正の
温度係数を有する。温度が上昇するとき、コアエレメン
ト１２の所与の位置について、メインコイルの抵抗、お
よびしたがってそれにかかる電圧は増大し、コイル１０
．１８間のジャンクションＪにおける電位は上昇する。

同様にコイル１８の抵抗は増大し、それでそれにかかり
降下した電圧（それ自体と演算増幅器ＯＡ３への入力イ
ンピーダンスとからなる電位分割チェーンにおいて）は
対応して増加するであろう。このように演算増幅器ＯＡ
３への入力における電位は、コアエレメント１２の所与
の位置のための温度で実質上不変にとどまる。

この演算増幅器ＯＡ３は精密整流器として接続され、逆
の極をもったダイオードＤ１、Ｄ２はそれの出力からそ
れぞれの抵抗器ＲＩＯ１Ｒ９を介してそれの信号入力へ
接続される。増幅器ＯＡ３のゲインは、ダイオードにか
かる順方向ドロップを補償するのに十分である。精密整
流器からの出力は、一方の入力（それの非反転入力）が
ダイオードＤ２のカソードに直接接続されかつそれの他
方（それの反転入力）が抵抗器Ｒ１１を介してダイオー
ドＤ１のアノードに接続される演算増幅器ＯＡ４を含む
ゲイン段へ印加される。

演算増幅器ＯＡ４からの整流され増幅された出力は帯域
フィルタ（演算増幅器ＯＡ５に基づく）を介して出力段
（調節可能なゲインおよびそれぞれオフセット抵抗器Ｒ
１２、Ｒ１３をもつ演算増幅器ＯＡ６に基づく）に印加
される。フィルタＯＡ５によりバンドパスされた周波数
は、ゼネレータＧＥＮからの三角波出力の周波数未満で
ある。

第７図に図示される回路のもう１つの実施例において、
正弦波発振器Ｏ８Ｃからの出力は演算増幅器ＯＡ７の一
方の入力へ印加される。これからの出力は、センサコイ
ル１０に給電する電流バッファ回路へ印加され、すなわ
ちこの回路は、それらのコレクタが＋ｖｅ電源レールお
よび−ｖｅ電源レールに接続されかつそれらのエミッタ
がそれぞれのエミッタ抵抗器を介して接合点Ｐに接続さ
れる、ｎｐｎ）ランジスタＱ１およびｐｎｐ　）ランジ
スタＱ２を含む。演算増幅器ＯＡ７の出力はそれぞれの
ダイオードＤ３、Ｄ４を介してトランジスタベースに接
続され、それはさらに抵抗器Ｒ１４、Ｒ１５を介して＋
ｖｅ電源レールおよび−ｖｅ電源レールに接続される。

演算増幅器ＯＡ７はこのようにトランジスタＱ１、Ｑ２
を駆動し、接合点Ｐにおけるこれらからの出力は結合キ
ャパシタＣｃを介してセンサコイル１０の一方の端部Ｊ
に印加される。センサコイル１０の他方の端部は抵抗器
Ｒｓを介して接地に接続される。抵抗器Ｒｓにかかり発
生される電圧は電圧フィードバックとして抵抗器Ｒｆを
介して演算増幅器ＯＡ７の入力へ印加される。接合点Ｐ
は、キャパシタＣｐと並列の抵抗器Ｒｐを介して演算増
幅器ＯＡ７の同じ入力へ接続される。

第６図の回路でのように、第７図の回路はセンサコイル
１０に交流を印加し、演算増幅器ＯＡ７への電圧フィー
ドバックは、この電流が、センサの高透磁率コア１２の
位置にかかわりのない定ＲＭＳ値のものであるというこ
とを確実にする。しかしながらコアにかかり発生される
電圧はコア位置で線形に変化する。

第７図の中で結合キャパシタＣｃをもつセンサコイル１
０のジャンクションＪは、温度補償コイル１８および抵
抗器Ｒｄを含む電位分割器に接続され、これらの間のジ
ャンクションは交流直流変換器チップＩＣ２型Ａ、　Ｄ
　５３６　Ａ　Ｊ　Ｈの人力に接続される。交流直流変
換器ＩＣ２の出力はそれの交流入力の振幅に線形に関係
した直流電圧であり、この出力は演算増幅器ＯＡ８を含
む出力段に印加される。信号入力はそれをわたり接地に
接続された２つの抵抗器Ｒ１６、Ｒ１７を有し、これら
の抵抗器のジャンクションはオフセット調節のための電
位差計ＰＯＴに接続される。演算増幅器ＯＡ８の他方の
入力は抵抗器チェーンを介して接地に接続され、これら
の抵抗器Ｒｔの１つは温度の感度がよく温度補償をもつ
配置を与える。発振器抵抗器は高安定性抵抗器であり、
発振器出力の振幅が温度に対して一定のままであること
を確実にする。

第８図の実施例において、発振器Ｏ８Ｃは一定の電圧お
よび周波数の出力を与え、これは直列の抵抗器Ｒ１８、
センサコイル１０および抵抗器Ｒ１９を含むネットワー
クをわたり印加される。コイル１０と抵抗器Ｒ１９との
間のジャンクションは、補償コイル１８を介して演算増
幅器ＯＡ９の反転入力に接続され、それはそれの出力と
この入力との間にフィードバック抵抗器Ｒ２０を有し、
かつそれの他方の入力は接地に接続される。ＯＡ９の交
流出力は、他の実施例でのように、簡単な態様で直流電
圧に変換され得る。コイル１０および１８の両方は、パ
イフフイラ態様で巻かれた、等しい長さおよび等しい巻
数のＥｕｕｃａワイヤを含む。

記述された位置センサにおいて、配置は、センサコイル
１８およびコアエレメント１２を含む磁気回路がコアエ
レメント１２の位置にかかわりなくそれのヒステリシス
曲線の線形部分で動作するようなものである。第９図を
参照すると、磁気回路のためのヒステリシス曲線、すな
わちコイル１０により印加される磁界の強さＨと結果と
して生じるフラックス密度Ｂとの間の関係を示す曲線が
図示される。ヒステリシス損のために、この関係は真直
ぐなラインから逸脱するが、しかし、印加された電流値
ｉ、および１２に対応する限界間にある、実質上線形の
部分を含む。メインコイル１０のための対応する電気的
ネットワークは、第１０図に図示されるように、可変抵
抗Ｒｖおよび固定（抵抗損）抵抗Ｒと直列に固定インダ
クタンスＬを含むように、表現され得る。抵抗Ｒｖはコ
アエレメント１２の中のヒステリシス損（８１６″′２
’　ｆ）およびうず電流損（Ｂ２ｆ２）から作られる鉄
損で変化する（ここにｆは動作周波数である）。センサ
１０がヒステリシス曲線の線形部分で動作されると仮定
すると、それならネットワークの出力はコア位置に線形
に関係する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明に従う誘導変位センサを通る縦断面
である。 第２図は、第１図のセンサの一方の端部を通る拡大縦断
面である。 第３図は、コイルに線形に関係した出力を与えるために
センサコイルが接続されてもよい、回路の第１の実施例
の簡易ブロック図である。 第４図は第３図の回路に基づく１つの回路の詳細図であ
る。 第５図は第３図の回路に基づく代替の回路の詳細図であ
る。 第６図はセンサコイルが接続されてもよい回路の第２の
実施例の詳細図である。 第７図はセンサコイルが接続されてもよい回路の第３の
実施例の詳細図である。 第８図はセンサコイルが接続されてもよい回路の第４の
実施例の簡易図である。 第９図はセンサの磁気回路のヒステリシス曲線を図示し
、か・つセンサの動作点を示す図である。 第１０図はセンサが接続される等価電気的ネットワーク
を図示する図である。 図において１０はメインコイルであり、１２は真直ぐな
コアであり、１４は薄い壁のある管であり、１６は絶縁
層であり、１８は二次的コイルであり、２０は外部の管
であり、２２は内部のディスクであり、２４は外部のデ
ィスクである。 ＦＩＧＵＲＥ　９ ＦＩＧＵＲＥ 手続補正書□ 補正の対象 願書の４゜

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. （１）センサコイル、コイルに変位するための高透磁率
   材料のコアエレメント、コイルにかかる電圧がコアエレ
   メントの位置で線形に変化するように交流をコイルに供
   給するための手段、および入力交流信号に関係なくコイ
   ルにかかる電圧に応答する手段を含み、前記電圧を表わ
   す直流出力信号を発生する位置センサ。
2. （２）コイルに交流を供給するための手段が、センサコ
   イルを含むネットワークにわたり接続される、定出力電
   圧の交互波ゼネレータを含む（第３図）、請求項１に記
   載の位置センサ。
3. （３）前記ネットワークがセンサコイルと直列の温度補
   償インピーダンスをさらに含む（第３図）、請求項２に
   記載の位置センサ。
4. （４）コイルに交流を供給するための手段がコイルの中
   へのコアエレメントの貫通にかかわりなく前記交流定数
   を維持するように配置される（第６図、第７図）、請求
   項１に記載の位置センサ。
5. （５）コイルへ交流を供給するための手段が交互波ゼネ
   レータを含み、電流センサがコイルと電流センサから交
   互波ゼネレータへフィードバックを与える手段とに結合
   される（第６図、第７図）、請求項４に記載の位置セン
   サ。
6. （６）前記直流出力信号は調節可能な電源から給電され
   る出力回路に印加され、それでこの回路はセンサのコア
   エレメントのユニット変位あたりそれの出力の変化を調
   節するために調節され得る（第５図）、いずれかの先行
   する請求項に記載の位置センサ。
7. （７）コイルおよびコアエレメントを含む磁気回路はコ
   イルにかかる電圧がコアエレメントの位置で線形に変化
   するようにそれのヒステリシス曲線の線形部分で動作す
   る、いずれかの先行する請求項に記載の位置センサ。
8. （８）センサコイルと、コイルに変位するための高透磁
   率材料のコアエレメントと、コイルに交流を供給するた
   めの手段と、コイルにかかる電圧がコアエレメントの位
   置で線形に変化するようにそれのヒステリシス曲線の線
   形部分で動作するコイルおよびコアエレメントを含む磁
   気回路と、コイルにかかる電圧に応答し前記電圧を表わ
   す直流出力信号を発生する手段とを含む位置センサ。