JPH05164507A

JPH05164507A - 変位検出器

Info

Publication number: JPH05164507A
Application number: JP33361991A
Authority: JP
Inventors: Makoto Ishibashi; 橋誠石; Takeshi Nakane; 根武司中
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 1991-12-17
Filing date: 1991-12-17
Publication date: 1993-06-29

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】検出範囲が広く、小型で、かつ、相対変位す
る２部材が接触し、摩耗しても性能に影響しない変位測
定器を得る。【構成】シリンダ１２と、該シリンダ内を軸方向に移
動するピストン１１と、前記シリンダの一部に巻回され
た第１コイル１３と、前記シリンダの他部に巻回された
第２コイル１４と、前記第１および第２コイル間の結合
度を測定し出力する結合度測定手段１７〜２１，２５を
備える変位検出器。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、２個の物体の相対変位
量を測定するための変位測定装置であり、変位の測定が
必要なセンサとして利用できる。

【０００２】

【従来の技術】幾何学量の内、変位を測定するための手
段として、差動変圧器，歪ゲージ，すべり抵抗器，静電
容量型センサ等数々のセンサがあり、用途に応じて使い
分けられている。一般に、ピストンとシリンダを使うタ
イプのセンサには、差動変圧器や静電容量型センサが用
いられる。

【０００３】差動変圧器では、図７に示すように、可動
鉄心入りのボビンに３つのコイル、コイル１，コイル２
およびコイル３が巻かれている。コイル２には交流電圧
が印加されている。鉄心とコイル１，３との相対変位に
応じて、コイル１，３にそれぞれコイル２と同じ周波数
の交流電圧が誘起される。この変位に応じた交流電圧を
交流増幅器により増幅すれば所望の出力変化が得られ
る。

【０００４】静電容量型センサは、シリンダとピストン
を電極とし、ピストンとシリンダ間を電気的に絶縁さ
せ、間に誘電体を入れる構成を取る。この静電容量の変
化は

【０００５】

【数１】Ｃ＝εＳ／ｄ（但し、ｄは電極間隔，εは電極間の誘電体の誘電率，
Ｓは電極対向面積）となる。この静電容量型センサを変
位検出器として使用する場合、電極間隔ｄも静電容量変
化に影響を与えるため、ピストンとシリンダとの間隔を
精度よく、また、耐久性も高く製造する必要があった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、差動変圧器で
は、よい直線性の得られる範囲はコイル１，２，３の全
体の長さの１／１０程度しかなく、検出可能範囲も１／
２以下しかない。特に大きな変位測定には適していな
い。また、センサ全体の大きさに比べ、検出範囲が小さ
いために、センサ自体が大きくなってしまう。

【０００７】また、静電容量型センサにおいては、高耐
久性、高精度を必要とするため、構成が複雑となり、ま
た、コストが高くなる傾向があった。

【０００８】そこで、本発明においては、検出範囲が広
く、小型で、かつ、相対変位する２部材が接触し、摩耗
しても性能に影響しないセンサを得ることを課題とす
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明において用いた手段は、シリンダ；該シリンダ
内を軸方向に移動するピストン；前記シリンダの一部に
巻回された第１コイル；前記シリンダの他部に巻回さ
れ、前記第１のコイルの３倍以上の長さを有する第２コ
イル；前記第１および第２コイル間の結合度を測定し出
力する結合度測定手段；を備える変位検出器を用いたこ
とである。

【００１０】

【作用】上記の手段によれば、シリンダ内をピストンが
移動すると、第１コイルと第２コイルの結合度が変化す
る。結合度測定手段は、この結合度の変化を測定し出力
するので、ピストンとシリンダの相対変位量に応じた測
定値が出力できる。

【００１１】尚、ピストンを先細り状とすることでより
よい直線性が得られる。また、第２コイルを第１のコイ
ルの３倍以上の長さとすることで、よりよい出力特性が
得られる。

【００１２】更に、前記結合度検出手段は、前記第１コ
イルに所定周波数の信号を印加する発振回路と、前記第
２コイルに発生する波形を半波整流する半波整流回路
と、半波整流された信号を平滑化する平滑回路、および
平滑された信号を増幅する増幅回路を備えるように構成
することにより、確実に結合度を測定できる。また、善
意所定周波数を１０ＫＨｚ以上とすることで、ピストン
の動的誤差を少なくすることができる。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照しながら
説明する。

【００１４】図１において、変位検出器１０は略円筒状
の非磁性のシリンダ１２およびシリンダ１２内をシリン
ダの軸方向に移動可能な磁性体からなる円筒状のピスト
ン１１ａから構成されている。ピストン１１ａおよびシ
リンダ１２は、図示しないが相対変位する２部材にそれ
ぞれ接続されている。シリンダの外周には第１コイル１
３および第２コイル１４の２つのコイルが巻回されてい
る。シリンダ１２の軸方向の長さにおいて、第２コイル
１４は第１コイル１３の３倍以上に構成されている。本
実施例においては、第２コイルの巻回数は第１コイルの
巻回数の１０倍以上としてある。

【００１５】第１コイルおよび第２コイルに接続される
回路を図２に示す。第１コイル１３の両端１３ａおよび
１３ｂは分周器１６を介して水晶発振器１５に接続され
ている。水晶発振器１５と分周器１６により発振回路を
構成している。分周器１６は水晶発振器１５により発生
される高周波交流信号を分周し、第１コイル１３に所定
の周波数の交流波を加える。この交流波の周波数は、本
実施例では１０ＫＨｚ以上に設定する。

【００１６】第２コイル１４の一端１４ｂには、本回路
を作動させるための電圧Ｖ０を定電圧回路２１により作
成し付与する。本実施例では電源電圧Ｖｃｃは５Ｖと
し、電圧Ｖ０は２Ｖとしている。第２コイル１４の他端
１４ａは半波整流回路１７に加えられ、半波整流され
る。半波整流された信号は平滑回路１８の端子１８ａに
送られる。この平滑回路１８は半波整流された信号を平
滑化し、直流電圧信号に変換する。平滑回路１８の端子
１８ｃには定電圧回路２０により提供される定電圧Ｖ４
が与えられる。この定電圧Ｖ４は３Ｖとする。平滑回路
１８は端子１８ａに与えられた電圧波形を平滑すると共
に、抵抗Ｒ１〜３により分圧する。端子１８ａの電圧値
をＶ２とすると、平滑回路１８の出力端である端子１８
ｂの電圧値Ｖ３は、

【００１７】

【数２】Ｖ３＝Ｒ３／（Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３）×（Ｖ２−Ｖ４）＋Ｖ４となる。本実施例では各抵抗の抵抗値をＲ１＝１ＫΩ、
Ｒ２＝Ｒ３＝１００ＫΩとしている。したがって、電圧
Ｖ３は、

【００１８】

【数３】Ｖ３＝１００Ｋ／２０１Ｋ×（Ｖ２−Ｖ４）＋Ｖ４ ≒１／２×（Ｖ２−Ｖ４）＋Ｖ４＝（Ｖ２＋Ｖ４）／２となる。

【００１９】平滑回路１８の出力端子である端子１８ｂ
からの信号は信号増幅回路１９により所望の倍率に増幅
され、出力端子Ｓｏから電圧値Ｖ６として出力される。
信号増幅回路１９はオペアンプＯＰ４を備え、オペアン
プＯＰ４の反転入力端子は端子１８ｂに接続される。オ
ペアンプＯＰ４は非反転入力端子と反転入力端子の電圧
差（Ｖ７−Ｖ３）を所定倍率Ｇ１だけ増幅し、出力す
る。オペアンプＯＰ４の出力は、更に抵抗Ｒ４及びＲ５
により分圧された後、トランジスタＴｒ１にてＧ２倍に
増幅される。トランジスタＴｒ１の出力端であるコレク
タ端子は抵抗Ｒ６を介して出力端子Ｓｏに接続されてい
る。出力端子Ｓｏは抵抗Ｒ７により電源電圧Ｖｃｃに接
続されている。一方、定電圧回路２５は定電圧値Ｖ５を
出力する。

【００２０】この定電圧値は本実施例では２．５Ｖに設
定されている。定電圧回路２５の出力は抵抗Ｒ９を介し
てオペアンプＯＰ４の非反転入力端子に接続されてい
る。また、オペアンプＯＰ４の非反転入力端子と出力端
子Ｓｏ間を抵抗Ｒ８が連結している。本実施例では、各
抵抗値はＲ４＝９．１ＫΩ，Ｒ５＝９．１ＫΩ，Ｒ６＝
６８Ω，Ｒ７＝６８０Ω，Ｒ８＝３００ＫΩ，Ｒ９＝
３．９ＫΩとした。Ｒ６≪Ｒ８，Ｒ９≪Ｒ８である。こ
の信号増幅回路１９の出力Ｖ６と入力Ｖ３の関係は次の
数４式のようになる。

【００２１】

【数４】Ｖ６≒（Ｒ８＋Ｒ９）／Ｒ９×（Ｖ３−Ｖ５）＋Ｖ５上記の構成において、ピストン１１ａとシリンダ１２の
相対距離に応じて第１コイル１３による第２コイル１４
への影響度即ち第１コイル１３と第２コイル１４の結合
度が変化する。ピストン１１ａが第２コイル１４へ深く
挿入されている場合には結合度は大きくなり、第２コイ
ル１４に誘起される交流電圧の振幅は大きくなる。ま
た、ピストン１１ａが第２コイル１４へ浅く挿入されて
いる場合には結合度は小さくなり、第２コイル１４に誘
起される交流電圧の振幅は小さくなる。第２コイル１４
の他端１４ａにおける電圧Ｖ１は電圧Ｖ０を中心とする
交流波形となる。半波整流回路１７はこの交流波形を半
波整流し、平滑回路１８はこの半波整流された交流波形
を平滑化する。平滑化された電圧Ｖ３は信号増幅回路１
９によって増幅される。したがって、出力電圧Ｖ６から
第１コイル１３と第２コイル１４の結合度を知ることが
できる。

【００２２】図４に変位と出力電圧の関係を示す。本実
施例のように、ピストン１１ａを単一円筒状とすると、
変位と出力の関係はＡで示す曲線状となる。このため、
変位が小さいときと大きいときで精度が変わってしま
う。精度を変位により変化させないようにするために
は、図５に示す第２実施例を用いるとよい。第２実施例
では、ピストンの形状を先細りするテーパー形状として
いる。これにより、ピストン１１ｂの変位と出力電圧の
関係は図４のＢで示す曲線状になる。曲線Ｂは曲線Ａに
対し、より直線に近い。ピストン１１ｂのテーパーの加
減を調整することでより直線に近づけることができる。

【００２３】テーパー状のピストンの他の形態を図６に
示す。（ａ）は図５と同一の形状である。（ｂ）は段階
的に段差をつけたものである。（ｃ）は複数の部材２２
ａ〜ｅを張り合わせて作成する。（ｄ）は複数の部材２
２ａ’〜２２ｅ’を樹脂２４内に一体成形したものであ
る。いずれも先細りの形状をしている。尚、ピストンは
必ずしも円柱状でなくてもよい。

【００２４】本実施例においては、ピストンの変位速度
が早いと出力信号に動的誤差を含んでしまうことがあ
る。これに対応するには、第１コイル１３に印加する入
力周波数を１０ＫＨｚ以上に上げればよい。入力周波数
を上げることで、ピストンが急激に移動したときに出力
に発生するヒゲ状のノイズが低下する。

【００２５】本実施例によれば、コイルとピストン間の
ラジアル方向のガタによる影響は、２〜３mmのガタでも
最大２５ｍＶ（０．６％ＦＳ）であり、静電容量式より
１ケタ以上小さい。したがって、高い精度管理も必要な
い。

【００２６】

【発明の効果】本発明によれば、第２コイルの長さ分だ
け変位の測定ができるので、検出範囲が広い。また、小
型化が可能である。

【００２７】また、シリンダとピストンの中心軸がずれ
ても出力に影響はほとんどない。したがって、シリンダ
とピストン間の精密な調整が不要であり、耐振性、耐久
性にも優れる。

【００２８】更に、シリンダとピストン間を非接触にし
て耐久性を向上することもできる。

【００２９】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の変位検出器の断面図

【図２】本発明の第１実施例の回路図

【図３】本発明の第１実施例の各部の波形を示すタイム
チャート

【図４】本発明の実施例の変位と出力電圧の関係を示す
グラフ

【図５】本発明の第２実施例の変位検出器の断面図

【図６】本発明のピストンの他の実施例

【図７】従来の差動変圧器の構成図

【符号の説明】

１０変位検出器１１ａ，１１ｂピストン１２シリンダ１３第１コイル１４第２コイル１５水晶発振器１６分周器１７半波整流回路１８平滑回路１９信号増幅回路２０，２１，２５定電圧回路２４樹脂Ｓｏ出力端子

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】シリンダ；該シリンダ内を軸方向に移
動するピストン；前記シリンダの一部に巻回された第１
コイル；前記シリンダの他部に巻回された第２コイル；
前記第１および第２コイル間の結合度を測定し出力する
結合度測定手段；を備える変位検出器。
【請求項２】前記第２コイルは前記第１のコイルの
３倍以上の長さを有することを特徴とする請求項１記載
の変位検出器。
【請求項３】前記ピストンを先細り形状としたこと
を特徴とする請求項１記載の変位検出器。
【請求項４】前記結合度検出手段は、前記第１コイルに所定周波数の信号を印加する発振回
路；前記第２コイルに発生する波形を半波整流する半波
整流回路；半波整流された信号を平滑化する平滑回路；
および平滑された信号を増幅する増幅回路；を備えるこ
とを特徴とする請求項１記載の変位検出器。
【請求項５】前記所定周波数は１０ＫＨｚ以上とし
たことを特徴とする請求項４記載の変位検出器。