特許 7584336 線形可変差動変圧器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-11-07

(45)【発行日】2024-11-15

(54)【発明の名称】線形可変差動変圧器

(51)【国際特許分類】

   G01D 5/22 20060101AFI20241108BHJP

【ＦＩ】

G01D5/22 Z

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2021045550

(22)【出願日】2021-03-19

(65)【公開番号】P2022144505

(43)【公開日】2022-10-03

【審査請求日】2024-01-15

(73)【特許権者】

【識別番号】000232357

【氏名又は名称】株式会社ＹＤＫテクノロジーズ

(74)【代理人】

【識別番号】100106909

【弁理士】

【氏名又は名称】棚井 澄雄

(74)【代理人】

【識別番号】100167553

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 久典

(74)【代理人】

【識別番号】100181124

【弁理士】

【氏名又は名称】沖田 壮男

(72)【発明者】

【氏名】木村 哲也

(72)【発明者】

【氏名】杉目 道史

【審査官】細見 斉子

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１８－１９４４１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－３１７２８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００１－１５３６０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－１１４０９０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｄ ５／００－ ５／２５２

Ｇ０１Ｄ ５／３９－ ５／６２

Ｇ０１Ｂ ７／００－ ７／３４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

直管状の一次コイルと、
当該一次コイルと同軸状に設けられる一対の二次コイルと、
前記一次コイル及び前記二次コイルの内側に設けられ、前記一次コイル及び前記二次コイルの中心軸方向に可動自在かつ磁気コアが装着されるプローブと、
前記プローブの一部、前記一次コイル、前記二次コイル及び前記磁気コアを収容し、前記プローブの一端が貫通する貫通孔が設けられた筐体とを備え、
前記筐体の内部を電磁気的に遮蔽するシールド部材が設けられ、
前記シールド部材は、外側に第１の磁性部材、中間に導電性部材、内側に第２の磁性部材が配置された三層構造を備えることを特徴とする線形可変差動変圧器。

【請求項2】

前記シールド部材は、前記筐体における前記中心軸方向に直交する側に設けられることを特徴とする請求項１に記載の線形可変差動変圧器。

【請求項3】

前記シールド部材は、前記筐体を構成していることを特徴とする請求項２に記載の線形可変差動変圧器。

【請求項4】

前記第２の磁性部材は、厚さが前記第１の磁性部材よりも小さく設定されていることを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載の線形可変差動変圧器。

【請求項5】

前記第２の磁性部材と前記第１の磁性部材との厚さ比率は、１：８．７６であることを特徴とする請求項４に記載の線形可変差動変圧器。

【請求項6】

回転電機のロータ内において回転軸と同軸状に配置されることを特徴とする請求項１～５のいずれか一項に記載の線形可変差動変圧器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、線形可変差動変圧器に関する。

【背景技術】

【0002】

下記特許文献１には、航空機エンジンの測定に使用される線形可変作動変圧器（ＬＶＤＴ）が記載されている。この線形可変作動変圧器は、可変ステータベーン等の対象物の直線変位を検出するための誘導型電気センサであり、１次コイルと一対の２次コイルとプローブに設けられた中央コアとを備え、中央コアの直線変位に依存する一対の２次コイルの差動電圧の変化に基づいてプローブの先端に係合する対象物の直線方向の位置を検出する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特表２０１５－５２１７４７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところで、上述した線形可変差動変圧器は、中央コアの可動方向を中心軸方向とし、かつ構造的に有限な長さを有する直線状コイルを１次コイルとして備える。この１次コイルの端部では、当該１次コイルの中心軸方向に貫通する磁束の磁束密度が急激に低下する。この中心軸方向に貫通する磁束は、差動電圧を支配する磁束である。したがって、線形可変差動変圧器は、１次コイルの中心軸方向に貫通する磁束に外乱磁界が混入した場合に直線変位の検出精度が悪化し易いという基本的な問題点を有する。

【0005】

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、プローブの可動方向への外乱磁界の混入を抑制することが可能な線形可変差動変圧器の提供を目的とするものである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記目的を達成するために、本発明では、線形可変差動変圧器に係る第１の解決手段として、直管状の一次コイルと、当該一次コイルと同軸状に設けられる一対の二次コイルと、前記一次コイル及び前記二次コイルの内側に設けられ、前記一次コイル及び前記二次コイルの中心軸方向に可動自在かつ磁気コアが装着されるプローブと、前記プローブの一部、前記一次コイル、前記二次コイル及び前記磁気コアを収容し、前記プローブの一端が貫通する貫通孔が設けられた筐体とを備え、前記筐体の内部を電磁気的に遮蔽するシールド部材が設けられる、という手段を採用する。

【0007】

本発明では、線形可変差動変圧器に係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記シールド部材は、前記筐体における前記中心軸方向に直交する側に設けられる、という手段を採用する。

【0008】

本発明では、線形可変差動変圧器に係る第３の解決手段として、上記第２の解決手段において、前記シールド部材は、前記筐体を構成している、という手段を採用する。

【0009】

本発明では、線形可変差動変圧器に係る第４の解決手段として、上記第１～第３のいずれかの解決手段において、前記シールド部材は、磁性部材及び導電性部材を備え、前記磁性部材が内側、前記導電性部材が外側に配置される、という手段を採用する。

【0010】

本発明では、線形可変差動変圧器に係る第５の解決手段として、上記第４の解決手段において、前記磁性部材及び前記導電性部材は、各々に板材であり、重ね合うように配置されている、という手段を採用する。

【0011】

本発明では、線形可変差動変圧器に係る第６の解決手段として、上記第１～第５のいずれかの解決手段において、回転電機のロータ内において回転軸と同軸状に配置される、という手段を採用する。

【発明の効果】

【0012】

本発明によれば、１次コイルの中心軸方向への外乱磁界の混入を抑制することが可能な線形可変差動変圧器を提供することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明の一実施形態に係る線形可変差動変圧器の全体構成を示す斜視図である。

【図2】本発明の一実施形態に係る線形可変差動変圧器の内部構成を示す斜視図である。

【図3】本発明の一実施形態に係る線形可変差動変圧器の内部構成を示す断面図である。

【図4】本発明の一実施形態に係る線形可変差動変圧器の位置検出精度を示す特性図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
本実施形態に係る線形可変差動変圧器Ａは、図１に示すように電動機Ｂに装着され、端部に係合する対象物の位置を検出する略円筒状の変位センサである。

【0015】

なお、この電動機Ｂは、本発明の回転電機に相当する。また、図１及び図２では、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸からなる直交三軸を付記している。この線形可変差動変圧器Ａにおいて、中心軸方向はＺ軸に平行な方向である。

【0016】

電動機Ｂから先に説明すると、この電動機Ｂは、周知の構成のものであり、ステータｂ１、ロータｂ２及び回転軸ｂ３を備えている。ステータｂ１は、円環状に配置された所定数のスロットを備えている。各スロットは、ステータコア及びステータ巻線を備えており、回転磁界を発生する複数の電磁石として機能する。

【0017】

ロータｂ２は、回転軸ｂ３に固定された円環状の部材であり、上記ステータｂ１の内側に配置されている。このロータｂ２は、外周部が上記スロットの先端部と微小ギャップを隔てて対向しており、外周部には所定の電気角毎に磁極を構成する永久磁石が配置されている。このようなロータｂ２には、上記ステータｂ１との電磁気的な結合によって回転力が作用する。

【0018】

回転軸ｂ３は、棒状金属部材であり、電動機Ｂの出力軸である。すなわち、この回転軸ｂ３は、上記ロータｂ２に作用する回転力によって回転する棒状金属部材であり、中心軸方向に貫通孔ｂ４が形成されている。本実施形態に係る線形可変差動変圧器Ａは、図示するように、この貫通孔ｂ４内に一定の間隔を空けた状態で挿通される略棒状の部材である。

【0019】

この線形可変差動変圧器Ａは、図１並びに図２及び図３に示すように、電動機Ｂ（回転電機）のロータ内において回転軸ｂ３と同軸状に配置されおり、筐体１、ブラケット２、プローブ３、ボビン４、一次コイル５、一対の二次コイル６Ａ、６Ｂ、磁気コア７及び案内部材８を備えている。なお、このような線形可変差動変圧器Ａの構成要素のうち、筐体１は、本発明のシールド部材に相当する。

【0020】

筐体１は、本実施形態において最も特徴的な構成要素であり、図示するように有底円筒状部材である。この筐体１は、円筒形状の側部１ａと円板形状の底部１ｂ、１ｃを備えており、プローブ３の一部、一次コイル５、一対の二次コイル６Ａ、６Ｂ、磁気コア７及び案内部材８を収容する。上記側部１ａは、円筒状磁性部材１ｄ、円筒状導電性部材１ｅ及び円筒状薄肉磁性部材１ｆから構成されている。

【0021】

すなわち、この側部１ａは、外側に円筒状磁性部材１ｄが配置され、中間に円筒状導電性部材１ｅが配置され、内側に円筒状薄肉磁性部材１ｆが配置された三層構造を備える。円筒状磁性部材１ｄ、円筒状導電性部材１ｅ及び円筒状薄肉磁性部材１ｆは、各々に円筒形状かつ所定厚の板状部材（板材）であり、お互いが接した状態つまり重ね合うように隣接配置されている。

【0022】

ここで、円筒状磁性部材１ｄ及び円筒状薄肉磁性部材１ｆは、同一の磁性材料によって形成されているが、円筒状薄肉磁性部材１ｆは、厚さが円筒状磁性部材１ｄよりも小さく設定されている。円筒状薄肉磁性部材１ｆと円筒状磁性部材１ｄとの厚さ比率は、例えば１：８．７６である。なお、円筒状磁性部材１ｄ及び円筒状薄肉磁性部材１ｆは、磁性材料として周知の材料から形成されており、例えばパーマロイである。

【0023】

一方、円筒状導電性部材１ｅは、導電性及び加工性に優れた金属材料から形成されている。この円筒状導電性部材１ｅは、上述した円筒状磁性部材１ｄと円筒状薄肉磁性部材１ｆとの間に挟まれた状態で側部１ａを構成する。また、この円筒状導電性部材１ｅは、上述した円筒状磁性部材１ｄと円筒状薄肉磁性部材１ｆのうち、厚さが比較的大きい円筒状磁性部材１ｄの内側に配置されている。このような円筒状導電性部材１ｅを形成する金属材料は、例えば純銅である。

【0024】

一方の底部１ｂは、図１に示すように、中心を貫く貫通孔ｈが形成されている。すなわち、本実施形態における筐体１は、上述したようにプローブ３の一部、一次コイル５、一対の二次コイル６Ａ、６Ｂ、磁気コア７及び案内部材８を収容することに加え、プローブ３の一端が貫通する貫通孔ｈが設けられている。

【0025】

また、この底部１ｂは、図２に示すように、円板状磁性部材１ｇ及び円板状導電性部材１ｈから構成されている。これら円板状磁性部材１ｇ及び円板状導電性部材１ｈは、各々に所定厚の板状部材（板材）であり、お互いが接した状態つまり重ね合うように隣接配置されている。

【0026】

すなわち、この側部１ａは、外側に円板状磁性部材１ｇが配置され、内側に円板状導電性部材１ｈが配置された二層構造を備える。円板状磁性部材１ｇは、上述した円筒状磁性部材１ｄ及び円筒状薄肉磁性部材１ｆと同一の磁性材料によって形成されているが、厚さが円筒状磁性部材１ｄよりも大きく設定されている。このような円板状磁性部材１ｇと円筒状磁性部材１ｄとの厚さ比率は、例えば１：０．８である。

【0027】

円板状導電性部材１ｈは、上述した円筒状導電性部材１ｅと同一の導電性材料によって形成されているが、厚さあるいは／及び導電率が円筒状導電性部材１ｅよりも大きく設定されている。円板状導電性部材１ｈと円筒状導電性部材１ｅとの厚さあるいは／及び導電率の比率は、例えば１：０．８９である。

【0028】

他方の底部１ｃは、図２に示すように、円板状磁性部材１ｉ及び円板状導電性部材１ｊから構成されている。これら円板状磁性部材１ｉ及び円板状導電性部材１ｊは、各々に所定厚の板材であり、お互いが接した状態つまり重ね合うように配置されている。

【0029】

すなわち、この側部１ａは、外側に円板状磁性部材１ｉが配置され、内側に円板状導電性部材１ｊが配置された二層構造を備える。円板状磁性部材１ｉは、上述した円筒状磁性部材１ｄ及び円筒状薄肉磁性部材１ｆと同一の磁性材料によって形成されているが、厚さが円筒状磁性部材１ｄよりも小さく設定されている。このような円板状磁性部材１ｉと円筒状磁性部材１ｄとの厚さ比率は、例えば１：１．２３である。

【0030】

円板状導電性部材１ｊは、上述した円筒状導電性部材１ｅと同一の導電性材料によって形成されているが、厚さあるいは／及び導電率が円筒状導電性部材１ｅよりも大きく設定されている。円板状導電性部材１ｊと円筒状導電性部材１ｅとの厚さあるいは／及び導電率の比率は、例えば１：０．８９である。

【0031】

ブラケット２は、このような筐体１の側部１ａに外接する金属部材であり、図２に示すように筒部２ａとフランジ部２ｂとを備える。筒部２ａは、内周面が筐体１の側部１ａに当接する円筒状部位である。フランジ部２ｂは、筒部２ａの外側に設けられた所定厚さの板部であり、複数の取付孔が形成されている。これら複数の取付孔は、線形可変差動変圧器Ａを固定するためのネジ穴である。

【0032】

プローブ３は、図示するように有底円筒状の筐体１と同軸に設けられた棒状部材である。すなわち、このプローブ３は、筐体１の中心を貫く貫通孔ｈに挿通された状態で設けられており、筐体１の中心軸方向（Ｚ軸方向）つまり自身の中心軸方向に可動自在である。このようなプローブ３には、中心軸方向つまり可動方向（Ｚ軸方向）の片端（先端部）に対象物と係合する係合部材２ａが設けられている。また、このプローブ３は、可動方向（Ｚ軸方向）の途中部位に円筒形状の磁気コア７が固定されている。

【0033】

ボビン４は、筐体１内に当該筐体１及びプローブ３と同軸に設けられた円筒状部材である。このボビン４は、非磁性材料から形成された所定長さの円筒状部材である。すなわち、このボビン４は、内面（円筒面）がプローブ３に固定された磁気コア７の周面（円筒面）に対して一定のギャップを形成するように筐体１内に収容されている。

【0034】

一次コイル５は、所定長さを有するボビン４の外周部において、上記中心軸方向に所定の長さで巻回された直管状の巻線である。この一次コイル５には、一対の二次コイル６Ａ、６Ｂを励磁するための交流電流（励磁電流）が外部電源（図示略）から供給される。この一次コイル５には、上記励磁電流に基づいて周囲に励磁磁界を発生する。

【0035】

一対の二次コイル６Ａ、６Ｂは、上述した一次コイル５と同軸状かつ所定長さでテーパ巻きされた直管状の巻線である。すなわち、一対の二次コイル６Ａ、６Ｂのうち、一方の二次コイル６Ａは、上記中心軸方向において一次コイル５の表面に所定長さでテーパ状に巻回され、他方の二次コイル６Ｂは、上記中心軸方向において一次コイル５の表面に所定長さでテーパ状に巻回されている。

【0036】

このような一対の二次コイル６Ａ、６Ｂは、各々に一次コイル５が発生する励磁磁界に基づく誘起電圧を出力する。すなわち、一次コイル５と一方の二次コイル６Ａとは、また一次コイル５と他方の二次コイル６Ａとは、各々にトランスを構成する。一次コイル５と一方の二次コイル６Ａとは第１トランスを構成し、一次コイル５と他方の二次コイル６Ａとは第２トランスを構成する。

【0037】

磁気コア７は、プローブ３の途中部位にプローブ３と同軸状に固定された円筒状の磁性部材である。この磁気コア７は、プローブ３及び筐体１の中心軸方向における長さつまり自身の中心軸方向における長さが所定長さに設定されている。このような磁気コア７は、第１トランス及び第２トランスの各結合係数を中心軸方向の位置に応じて可変する。

【0038】

ここで、上述した第１、第２トランスは、ボビン４内を中心軸方向に可動自在な磁気コア７の位置に応じて結合係数が変化する。この結果として、一方の二次コイル６Ａが出力する誘起電圧（第１誘起電圧）の磁気コア７の位置に応じた変化特性は、他方の二次コイル６Ｂが出力する誘起電圧（第２誘起電圧）の磁気コア７の位置に応じた変化特性に対して逆特性となる。

【0039】

案内部材８は、図２に示すように、筐体１内において他方の底部１ｃの近傍部位に設けられている。この案内部材８は、同軸状に設けられた複数の円板状部材の集合体であり、一次コイル５のリード線及び一対の二次コイル６Ａ、６Ｂのリード線を案内する。図示していないが、一次コイル５のリード線及び一対の二次コイル６Ａ、６Ｂのリード線は、案内部材８を経由して筐体１内から筐体１外に引き出される。

【0040】

次に、本実施形態に係る線形可変差動変圧器Ａの作用効果について、図４をも参照して詳しく説明する。

【0041】

この線形可変差動変圧器Ａでは、一次コイル５が発生する励磁磁界が磁気コア７を介して一対の二次コイル６Ａ、６Ｂに作用することによって、一方の二次コイル６Ａに第１の誘起電圧を発生させ、また他方の二次コイル６Ｂに第２の誘起電圧を発生させる。上記励磁磁界は、一次コイル５、一対の二次コイル６Ａ、６Ｂ及び磁気コア７を主に中心軸方向に通過する。

【0042】

一対の二次コイル６Ａ、６Ｂは、主に可動方向（Ｚ軸方向）に通過する励磁磁界に基づいて第１の誘起電圧及び第２の誘起電圧を発生させる。すなわち、一方の二次コイル６Ａは、可動方向に通過する励磁磁界に基づいて第１の誘起電圧を発生させ、他方の二次コイル６Ｂは、可動方向に通過する励磁磁界に基づいて第２の誘起電圧を発生させる。

【0043】

線形可変差動変圧器Ａは、可動方向に通過する励磁磁界が作用することによって、検出対象物の中心軸方向の位置を検出する変位センサである。磁気コア７はプローブ３に固定されており、また当該プローブ３は検出対象物に係合しているので、磁気コア７の可動方向（Ｚ軸方向）の位置は、検出対象物の中心軸方向の位置に応じて変化する。すなわち、第１の誘起電圧及び第２の誘起電圧は、磁気コア７の可動方向の位置に応じて変化する。

【0044】

このような線形可変差動変圧器Ａは、対象物の中心軸方向における位置に応じて変化する第１の誘起電圧と第２の誘起電圧との差分つまり差動電圧を対象物の可動方向における位置を示す検出信号として出力する。

【0045】

一方、電動機Ｂは、作動を開始すると、ステータｂ１の各スロットとロータｂ２の各磁極とを通過するループ状の磁束が発生する。この磁束は、回転軸ｂ３内をＺ軸方向通過する。すなわち、電動機Ｂが発生する磁界は、線形可変差動変圧器Ａを中心軸方向に通過する磁束であり、線形可変差動変圧器Ａに対して外乱磁界として作用する。

【0046】

このような電動機Ｂの外乱磁界に対して、線形可変差動変圧器Ａの内部は、筐体１によって磁気的及び電気的に遮蔽されている。すなわち、筐体１は、上述したように磁性材料と導電性材料から形成された側部１ａ及び底部１ｂ、１ｃを備えており、電動機Ｂの外乱磁界の筐体１の内部への影響を防止あるいは大幅に抑制する。

【0047】

電動機Ｂの外乱磁界のうち、周波数が比較的低い低周波磁界は、線形可変差動変圧器Ａの内部が最外装の円筒状磁性部材１ｄ及び円板状磁性部材１ｇ、１ｉで覆われているため、プローブ３の可動方向に通過する励磁磁界に対して外乱として作用することがない。

【0048】

また、電動機Ｂの外乱磁界のうち、周波数が比較的高い高周波磁界は、線形可変差動変圧器Ａの内部が円筒状導電性部材１ｅ及び円板状導電性部材１ｈ、１ｊで覆われているため、当該円筒状導電性部材１ｅ及び円板状導電性部材１ｈ、１ｊに渦電流を発生させる。この渦電流は、高周波磁界を打ち消す方向の磁界を発生させるため、プローブ３の可動方向（Ｚ軸方向）に通過する励磁磁界に対して外乱として作用することがない。

【0049】

このような本実施形態によれば、シールド部材として機能する筐体１によって筐体１の内部が磁気的及び電気的に遮蔽されているので、プローブ３の可動方向への外乱磁界の混入を十分に抑制することが可能な線形可変差動変圧器Ａを提供することが可能である。

【0050】

図４は、本実施形態に係る線形可変差動変圧器Ａの位置検出精度の一例を示す特性図である。この図４に示すように、本実施形態に係る線形可変差動変圧器Ａでは、電動機Ｂの外乱磁界が外乱として作用することを大幅に抑制するので、プローブ３の可動方向における検出対象物の位置を従来（シールド部材を備えない場合）よりも高精度に検出することが可能である。

【0051】

また、本実施形態では、筐体１をシールド部材として構成しているので、シールド部材を別途設ける場合に比較して、線形可変差動変圧器Ａのサイズを小型したり、あるいは筐体１内に収容する一次コイル５、一対の二次コイル６Ａ、６Ｂ及び磁気コア７等を大型化することが可能である。

【0052】

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
（１）上記実施形態では、筐体１をシールド部材として構成したが、本発明はこれに限定されない。筐体１とは別に筐体１の内部を電磁気的に遮蔽するシールド部材を設けてもよい。

【0053】

（２）上記実施形態では、筐体１の内部を全方位的にシールド部材で覆ったが、本発明はこれに限定れない。外乱磁界が侵入して来る方向のみをシールド部材で覆ってもよい。例えば、図１に示す線形可変差動変圧器Ａと電動機Ｂとの配置状態では、筐体１の側部１ａから電動機Ｂの外乱磁界が筐体１の内部に侵入し易いので、筐体１における中心軸方向に直交する側つまり筐体１の側部１ａのみにシールド部材を設けてもよい。

【0054】

（３）上記実施形態では、電動機Ｂ（回転電機）のロータｂ２内において回転軸ｂ３と同軸状に線形可変差動変圧器Ａを配置したが、本発明はこれに限定されない。すなわち、本発明の回転電機は、電動機Ｂに限定されず、例えば発電機であってもよい。

【符号の説明】

【0055】

Ａ 線形可変差動変圧器
Ｂ 電動機
ｂ１ ステータ
ｂ２ ロータ
ｂ３ 回転軸
ｂ４ 貫通孔
１ 筐体（シールド部材）
２ ブラケット
３ プローブ
４ ボビン
５ 一次コイル
６Ａ、６Ｂ 二次コイル
７ 磁気コア
８ 案内部材

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】