産業
線形可変差動変圧器（LVDT）の基本
LVDT は、海中、発電、産業オートメーション、航空宇宙、検査・計測機器などの分野で信頼性の高い位置測定を可能にします。
線形可変差動変圧器（LVDT） は、本体と機械的に連結された物体の直線運動を対応する電気信号に変換できる、電気機械トランスデューサの一種です。LVDT 線形位置センサは簡単に利用でき、数百万分の 1 インチのわずかな動きから数インチの動きまで測定できます。また、±30 インチ（±0.762 メートル）までの位置も測定できます。
LVDT の仕組み
変圧器の内部構造は、同一の方法で巻かれた 1 対の二次巻線と、それらが対称になるように中央に置かれた一次巻線で構成されています。コイルは、耐熱ガラス強化ポリマの中空の一体型形状の周りに巻かれた上で、湿気を防ぐために封止され、高透磁率磁気シールドで全体を覆われてから、ステンレス鋼製の円筒形のハウジングに固定されています。このコイル アセンブリは、通常、位置センサの定常要素です。
LVDT の可動部は、透磁性材料による分離した管状電機子です。これはコアと呼ばれ、コイルの中空ボア内で軸方向に自由に移動し、位置を測定する物体と機械的に結合します。このボアは通常、コアとボアの間に半径方向の十分なクリアランスが得られるほどの大きさがあり、コイルと物理的に接触しません。そのため、摩擦のない測定が可能で、機械寿命はほぼ無限です。動作時には、LVDT の一次巻線は適切な振幅と周波数の交流電流によって通電されます。これは一般に「一次励磁」と言われます。LVDT の電気出力信号は 2 つの二次巻線間の差動 AC 電圧です。これは LVDT コイル内のコアの軸の位置によって変わります。通常、この AC 出力電圧は、適当な電子回路によって使いやすい高レベル DC 電圧または電流に変換されます。
一般的な LVDT の構成要素（図 1）：一次巻線は LVDT の中心に示されています。2 つの二次コイルは、「短ストローク」LVDT では図のように一次コイルの両側に対称的に巻かれ、「長ストローク」LVDT では一次コイルの上に巻かれます。2 つの二次巻線は通常、「直列に対立する」ように接続されます（差動）。
軸方向の位置
LVDT の一次巻線 P は、一定振幅の AC 電源によって通電されます。これにより作られた磁束は、コアによって隣接する二次巻線 S1 および S2 に結合されます。コアが S1 と S2 の中間にある場合、等しい磁束がそれぞれの二次巻線に結合されるため、巻線 S1 および S2 でそれぞれ誘導される電圧 E1 および E2 は等しくなります。この基準となる中間コア位置（ヌル点として知られています）では、差動電圧出力（E1 - E2）は実質的にゼロとなります。
反対に、コアが S2 の近くに移動した場合、S2 に結合される磁束が S2 より多くなるため、E1 が増加して E2 が減少し、差動電圧（E1 - E2）が発生します。反対に、コアが S2 の近くに移動した場合、S2 に結合される磁束が S1 より多くなるため、E2 が増加して E1 が減少し、差動電圧（E2 - E1）が発生します。
図 2：LVDT のコアを軸のどの位置に置くかによって何がどう変わるのかを示しています。
コア タイプ
フリーコア型およびガイドコア型の LVDT 線形位置センサ 無限の解像度という利点があり、各タイプには過酷な環境下でも動作可能なモデルをご用意しています。フリーコア LVDT は、通常安価で幅広い範囲に対応するさまざまなサイズがある反面、ガイド付きコアのセンサに比べて取り付けが難しいという問題があります。 ガイド付きコア LVDT にはバネ荷重型と空気荷重型の 2 種類があり、取り付けは簡単ですが、フリーコア LVDT より高額で対応する範囲が限られています。 これらの相違点に加え、単にフリーコア LVDT の方が適している用途もあれば、ガイド付きコア LVDT の方が適している用途もあります。
フリーコア LVDT
フリーコア LVDT の可動部は、コアと呼ばれる透磁性材料による分離した管状電機子です。コアはコイルの中空ボア内で軸方向に自由に移動して、位置を測定する物体と機械的に結合します。このボアは通常、コアとボアの間に半径方向の十分なクリアランスが得られるほどの大きさがあり、コイルと物理的に接触しません。そのため、摩擦のない測定が可能で、機械寿命はほぼ無限です。
フリーコア LVDT は汎用性に優れ、非接触式で堅牢であり、適切な材料で構成された場合は過酷な環境で長期にわたる信頼性を提供します。摩擦のない動作により、高度な再現性と分解能が生み出されます。これらの特性に基づいて、LVDT は通常、航空機の下げ翼インジケータ、海中用途、高温蒸気バルブ、発電所など、所有コストや安全性、高い信頼性が最優先されるシステムで使用されています。
フリーコア LVDT のその他の用途：
- 測定対象が基準面または対象物に機械的に結合している場合（バルブ、油圧シリンダ、アクチュエータ、張力計）
- 4.00 インチ超の測定範囲、周波数応答 >10 Hz（振動測定）
- わずかな機械抵抗または機械抵抗なしで測定対象物を移動できる、感受性材料または高度弾力性材料のクリティカルな測定
バネ荷重型 LVDT
一般に寸法計測プローブと呼ばれるバネ荷重型 LVDT には、LVDT またはハーフ ブリッジの非接触誘導型位置センサが組み込まれています。これには、高精度線形ベアリングで支持されるシャフトに結合されたバネ荷重型の可動アーマチュアが含まれます。一般的な計測プローブの最大計測範囲は ±0.50 mm ～ ±50.0 mm（±0.020 インチ ～ ±2.00 インチ）で、分解能はミクロン単位です。電子部品がバネ荷重アセンブリに内蔵されている場合、外部電子部品は必要ありません。そのため、自動化された機械へのセンサの機械的セットアップが簡単になり、コスト効率が向上します。
電子計測プローブは、製造部品の寸法計測に広く使われており、品質保証システムにおいて重要な役割を果たします。これは以下のように、測定対象が機械的に基準面に結合されない用途に適しています。
- 重工業における計測：気密封止型計測プローブは、過酷な環境における寸法測定に伴う問題を解決します。
- 高精度測定：半径方向の遊びと側面荷重の影響を最小限にするため、高精度の計測プローブには、硬化・研磨された非回転プローブ シャフトに密着するライナー ボール ベアリング アセンブリが使われています。これは、0.000006 インチ（0.15 μm）という驚異的な再現性をもたらします。
- 組立ラインでの品質測定：これらの用途には空気膨張式/引き込みバネ構造の計測プローブが推奨されます。これらのプローブは、測定を行うために膨張/伸張した後に元に戻るため、製品が組み立てラインを移動するときにプローブが損傷しません。
- プレートの平面度測定
- 測定対象物の軸間方向への移動の可能性：たとえば、回転している部品の真円度測定を行う場合など
出力信号
AC 駆動の LVDT 線形位置センサには電子部品が組み込まれていないため、作動させるにはオシレータ、搬送波増幅器、復調器やフィルタなどの外部装置が必要です。DC 駆動の LVDT 線形位置センサは、AC 駆動の LVDT と搬送波発振器/信号調整モジュールで構成されています。AC 駆動の LVDT の望ましい特性をすべて持ちながら、DC 駆動の使いやすさも兼ね備えています。多くの場合、AC と DC のどちらの出力信号を選ぶかは用途によって決まります。
AC 駆動の LVDT センサ
- 基本的な AC LVDT は 1 つの一次コイルと 2 つの二次コイルで構成されている
- コイル アセンブリ内部の強磁性体コアにより、これらのコイルを結合する磁束の経路を形成
- 一次コイルを AC 電圧（一般的には 2.5 kHz で 3 ～ 7 Vrms）で励磁すると、その電圧がコアによって 2 つの二次コイルに誘導結合される
- コイル アセンブリは固定されており、コアはコネクティング ロッドによって可動体につながっている
- エレクトロニクスを使用して、コイル アセンブリ内部でコアが占める正確な位置を判断可能
DC 駆動の LVDT センサ
信号調整回路を内蔵
- 内部オシレータによって、コイルを所要の AC 信号で励磁
- DC LVDT は、センサ本体内部に小型の信号調整回路がパッケージ化済み
- 同期復調回路で二次コイルの出力を読み取り、その出力を整流および増幅して、LVDT コア位置の全範囲に比例するスケーリングされた DC 信号を生成
出力電圧
差動出力電圧
差動出力電圧の大きさ EOUT のコア位置による変化を示します。ヌルからのコアの変位が最大時の EOUT の値は、一次励磁電圧の振幅と特定の LVDT の感度係数によって変わりますが、通常は数ボルト RMS です。
この交流出力電圧 EOUT の位相角は、一次励磁電圧を基準とした場合、鉄心の中心が零点を通過するまでは一定に保たれますが、図 3B に示されているように、零点を通過すると位相角が 180 度急激に変化します。
この 180 度の位相シフトを利用すれば、適切な回路を介して、ゼロ点からコアの方向を特定することができます。図 3C はこれを示しています。出力信号の極性はコアのヌル点との位置関係を表します。また、この図では、LVDT の出力がコアの指定された移動範囲では高い線形性を示し、その範囲を超えてセンサを使用すると出力の線形性が低下することも示しています。
図 3：LVDT の出力特性は、コアの位置の違いによって変わります。全範囲の出力は、通常 1 ボルト以上の大きい信号であり、多くの場合増幅は不要です。LVDT は全範囲の 100% を超えても動作しますが、線形性は低下します。
信号調整器
LVDT は変圧器ですが、正しく動作するためには通常の電力線とは大きく異なる振幅および周波数の AC 電力を必要とします（通常 3 kHz で 3 Vrms）。この励磁出力を LVDT に供給することは、LVDT 信号調整機器としても知られる、LVDT サポート電子機器に求められる機能の 1 つです。その他の機能としては、LVDT の低レベル交流電圧出力を、より扱いやすい高レベルの直流信号に変換すること、LVDT のコアがゼロ点を通過する際の180度の出力位相シフトから方向情報をデコードすること、および電気的に調整可能な出力ゼロレベルを提供することが挙げられます。LVDT 用信号処理電子機器には、OEM 用途向けのチップレベルおよびボードレベルの製品をはじめ、ユーザー向けのモジュールや完成品の実験用計測器など、さまざまな種類をご用意しています。
図 4 に示す DC-LVDT のように、サポート電子機器を自己完結型にすることもできます。このような使いやすい位置トランスデューサでは、単純な DC 入力、DC 出力操作で LVDT のほぼすべてのメリットを得ることができます。当然ながら、電子機器内蔵の LVDT が適さない用途もあります。また、取り付け環境によっては適切にパッケージ化できないこともあります。
電気接続
コネクタとリード ワイヤは、LVDT 位置センサのコイルと信号調整電子機器を電気的に接続します。 以下に、開発中のセンサにコネクタとリード ワイヤのどちらを使用すべきか判断するために役立つヒントを示します。
ワイヤ リード
多くの場合、LVDT センサにはリード ワイヤが使われます。その理由は、コネクタほど費用がかからず、使いやすいため、信号調整電子機器に簡単に接続してすぐにベンチトップ試験を実施できるからです。場合によっては、リード ワイヤは温度と圧力の双方において幅広い動作範囲に対応します。たとえば、リード ワイヤは、高圧のシリンダ内液圧用途や使用温度が 400 °F を超える用途で使用するセンサの電気接続に適しています。
ただし、リード ワイヤは破損しやすく、それが潜在的な問題となります。接続するときに慎重に扱わないと断線する可能性があります。また、リードを長く引き込むと、取り付けにくく複雑になることがあります。さらにリード ワイヤはノイズの影響を受けやすく、調整機器による信号の解釈に影響を与え、結果としてセンサ出力の精度が下がる場合があります。
コネクタ
コネクタによるセンサ接続は配線に依存せず、取り付け・取り外しが簡単です。センサを取り付け直す場合、リード ワイヤは断線して修理が必要になることがあるのに対し、コネクタは抜き差しすればよいだけです。コネクタをシールド ケーブル アセンブリで指定して、LVDT 線形位置センサと電子機器の間の距離を長くすることもできます。配線は抵抗が低く、外部の干渉源から保護するためのシールドも劣るため、これは過酷な環境でセンサを稼働させなければならない場合に特に重要です。
ケーブル アセンブリ上でワイヤが断線または引っ張られている場合、交換が必要なのはケーブル アセンブリのみで、LVDT センサは正常に動作し続けます。リード ワイヤを強く引っ張って断線や被覆除去が生じると、センサは修理不能になり、代わりのセンサを購入する必要があります。コネクタの使用によって LVDT センサは気密封止することができ、IP-68 の侵入保護定格に適合します。ただし、コネクタが場所を取り、狭いスペースや LVDT の小型パッケージ サイズの要件に合わないことがあります。
LVDT センサに最も適した電気接続を決定する場合、複数の要素が性能に影響する可能性があるので、センサを配置する環境に関する情報を十分に集めてください。
- 400 °F を超える温度：高圧にはリードが適しています。水などの伝導性流体では、コネクタが必要です。作動油のように導電性のない流体では、リードが使用可能です。
- 粉じんおよび湿度：粉じん、湿度、浸漬の多い場合は、ガラス防水型コネクタが優れた環境保護を提供します。
- 振動：センサが長期にわたって恒常的に衝撃と振動に曝される場合は、リードまたはねじ留め式コネクタが最もよい選択肢になります。
リード線とコネクタのどちらを選ぶべきか判断する際の推奨用途です。LVDT 性能仕様とともに用途の要件を常に確認する必要があります。
| 用途 | リード線 | コネクタ |
|---|---|---|
| シンプルなベンチトップ セットアップ | X | |
| 頻繁な現場での交換 | X | |
| 清浄環境/乾燥環境 | X | |
| 大量の粉じん/ほこり/湿度 | X | |
| 少量の粉じん/ほこり | X | |
| 高圧作動油 | X | |
| 淡水/海水浸漬 | X |
環境への配慮
粉じん、ほこり、湿度、噴流の激しい環境や屋外にセンサを設置する場合は、外部媒体の巻線への侵入を確実に防ぐために、気密封止型 LVDT を推奨します。外部媒体が侵入すると、センサの耐久性や信頼性が低下します。穏やかな環境や屋内研究所の環境では、非気密封止型の標準的なトランスデューサを使用すると初期コストを削減できます。
作動油のあるシリンダ内の用途では、通気型 LVDT が適しています。通気型の LVDT 線形位置センサでは、センサのコイル アセンブリのベントによって LVDT 線形位置センサ内外の圧力が等化されるため、高圧・高温・衝撃・振動の影響を同時に受けても耐えることができます。
放射に対する適度な耐性を持ち、水中・高圧・大気の環境下においても動作する特殊な構成の LVDT もあります。たとえば、センサが海水に直接接触する場合、ある種のステンレス鋼は LVDT の構造に使用できません。海中の環境 に耐えるには、海水に対する耐薬品性の高い特殊な合金で LVDT ケーシングが作られている必要があります。このような超合金は LVDT アセンブリのすでに高い信頼性をさらに強化するもので、デバイスが海水に完全に接触した状態で最大海深 15,000 フィートで外部から約 7,500 psi の圧力を受けても、LVDT アセンブリが長期耐用年数の要件を満たすことが確認されています。
合金 400 は微生物によるピッチングや攻撃に対して優れた抵抗性を持つニッケルベースの特殊な合金です。酸素レベルの高い、浅くて暖かい水域で動作するセンサに有効です。表面に海洋生物が発生することはありません。深度 7500 フィートの海中で 3500 psi を超える外部圧力を受ける用途では、インコネル、チタン、およびハステロイが優れた耐腐食性を発揮します。ニッケル、クロミウム、モリブデンの含有量が多いからです。
耐圧性と耐腐食性に優れた合金 625 または合金 718 で設計された LVDT アセンブリは、デバイスが海水に完全に接触する状態が何年も続いても、高い信頼性を維持します。これらの合金はステンレス鋼よりもコストがかかりますが、酸化や還元の影響を受けず、局部腐食を起こしません。無機物絶縁体を含むコバルト、ニッケル、クロミウムのような特殊合金を採用すれば、LVDT の性能をさらに高めることになり、これに匹敵する技術は存在しなくなるでしょう。
IP 定格
LVDT 線形位置センサの定格は、通常 IP-61 から IP-69 です。LVDT センサは、ほぼすべての構成において防塵性能を備えていますが、構造によって防水性能のレベルが異なります。たとえば、LVDT センサの中には、コイルの保護が限定的なものもある一方で、ワニスやエポキシ樹脂で保護されているものもあります。気密封止型 LVDT は、センサへの侵入を防ぐために溶接で封止されています。LVDT 構成の種類別に IP 定格は異なり、製造業者によって異なる場合もあります。
非気密封止型 LVDT
IP-61 定格
非気密封止型 LVDT 線形位置センサの外部シーリングは、IEC 規格 IP-61 に適合しています。これらのセンサはほこりの侵入や結露から保護されており、次の用途に適しています。
- ほこりや汚物への暴露が限られている乾燥した環境
- 実験室での試験
- 屋内用途
- 精密計測
- ダイヤル インジケータの交換
- ロボット アクチュエータの位置フィードバック
コイルがエポキシで完全にカプセル化されている場合、非気密封止型 LVDT 位置センサの定格は IP-64 になり、高湿度が生じる環境での使用に最適です。
気密封止型 LVDT
IP-68 定格
ステンレス鋼だけで構成された、気密封止型 LVDT では、IEC 規格 IP-68 に準拠してコイル巻線が過酷な環境から封止されています。これらのセンサは、完全な防塵に加えて、一定の圧力まで水が侵入しない長期的な浸水定格を備えています。
IP-68 定格の LVDT に推奨される用途：
- 屋外の構造モニタ
- ほこり、土、グリース、湿度が存在する環境での使用
- 重工業
- バルブ位置
製造業者によって IP-68 に定格付けされたセンサがすべて同じとは言えませんが、IP-67 定格を超えていることは確かです。IP-68 センサは、金属で構成されるすべての接液部を含めて（コネクタは除く）溶接で封止されています。非作動時には、センサ自体を最大 1,000 psi までの水またはその他の液体に浸漬できます。ただし、嵌合プラグに水が入ると短絡が発生するため、浸漬中にセンサを作動させることはできません。
水中 LVDT
IP-68 定格
水中で使用できる LVDT は定格 IP-68 を備えており、適切な Seacon-Branter 嵌合コネクタが使われています。コネクタと嵌合プラグの圧力定格は、最大 5,000 psi 以上です。通常、これらのユニットは、交換や修理のためのユニットへのアクセスに多額の費用がかかるクリティカルな用途での使用において、20 年間の寿命を保つように設計されています。
推奨用途：
- 海水または淡水
- ダム/橋の構造モニタ
- チョーク/クリスマス ツリーのバルブ位置モニタ
- 海中伸び計
- 係留ケーブル
- ROV アクチュエータ/ラッチ位置フィードバック
