ロボット駆動チェーンからサプライチェーン業務のコンベアベルト、風力タービンタワーの揺れまで、位置検出は幅広いアプリケーションにおいて重要な機能です。位置検出には、直線型、回転型、角度型、絶対型、増分型、接触型、非接触型など、さまざまな形態があります。3次元で位置を検出できる特殊なセンサーも開発されています。位置検出技術には、電位差式、誘導式、渦電流式、容量式、磁歪式、ホール効果式、光ファイバー式、光学式、超音波式などがあります。
このFAQでは、位置検出のさまざまな形式について簡単に紹介した後、設計者が位置検出ソリューションを実装する際に選択できるさまざまな技術について概説します。
電位差式位置センサは、抵抗ベースのデバイスで、固定抵抗トラックと、位置を検出する必要のある物体に取り付けられたワイパーを組み合わせたものです。物体の動きによってワイパーがトラックに沿って移動します。物体の位置は、レールとワイパーによって形成される電圧分圧ネットワークを使用して、固定DC電圧による直線運動または回転運動を測定することによって測定されます（図1）。電位差式センサは低コストですが、一般的に精度と再現性が低くなります。
誘導型位置センサは、センサコイルに誘起される磁場の特性の変化を利用します。その構造に応じて、直線位置または回転位置を測定できます。リニア可変差動トランス（LVDT）位置センサは、中空チューブに巻かれた3つのコイル（一次コイルと2つの二次コイル）を使用します。コイルは直列に接続され、二次コイルの位相関係は一次コイルに対して180°位相がずれています。アーマチュアと呼ばれる強磁性コアがチューブ内に配置され、測定対象の位置にある物体に接続されます。一次コイルに励起電圧が印加され、二次コイルに電磁力（EMF）が誘起されます。二次コイル間の電圧差を測定することにより、アーマチュアとそれが接続されているものの相対位置を決定できます。回転電圧差動トランス（RVDT）は、回転位置を追跡するために同じ技術を使用します。LVDTおよびRVDTセンサは、優れた精度、直線性、分解能、および高感度を提供します。摩擦がなく、過酷な環境での使用のために密閉できます。
渦電流位置センサは導電性物体で動作します。渦電流は、変化する磁場が存在する導電性材料に発生する誘導電流です。これらの電流は閉ループを流れ、二次磁場を生成します。渦電流センサは、コイルと線形化回路で構成されています。交流電流がコイルを励磁して一次磁場を生成します。物体がコイルに近づいたり遠ざかったりすると、渦電流によって生成された二次磁場の相互作用を使用してその位置を検出できます。この相互作用はコイルのインピーダンスに影響を与えます。物体がコイルに近づくにつれて、渦電流損失が増加し、振動電圧が小さくなります（図2）。振動電圧は整流され、線形化回路によって処理されて、物体の距離に比例した線形DC出力が生成されます。
渦電流式デバイスは、頑丈で非接触型のデバイスであり、一般的に近接センサーとして使用されます。全方向性があり、物体までの相対距離を測定できますが、方向や絶対距離は測定できません。
その名の通り、静電容量式位置センサーは静電容量の変化を測定することで、検出対象物の位置を特定します。これらの非接触式センサーは、直線位置または回転位置の測定に使用できます。誘電体材料で隔てられた2枚のプレートで構成され、物体の位置を検出するために2つの方法のいずれかを使用します。
誘電率を変化させるために、位置を検出したい物体を誘電体に取り付けます。誘電体が移動すると、誘電体の面積と空気の誘電率の組み合わせにより、コンデンサの実効誘電率が変化します。あるいは、物体をコンデンサの電極板のいずれかに接続することもできます。物体が移動すると、電極板が近づいたり遠ざかったりし、その静電容量の変化を利用して相対位置を特定します。
静電容量式センサーは、物体の変位、距離、位置、厚さを測定できます。高い信号安定性と分解能を持つ静電容量式変位センサーは、実験室や産業環境で使用されています。例えば、静電容量式センサーは、自動化されたプロセスにおけるフィルムの厚さや接着剤の塗布量を測定するために使用されます。産業機械では、変位や工具の位置を監視するために使用されます。
磁歪は、強磁性材料が磁場を印加するとサイズや形状が変化する性質です。磁歪位置センサでは、可動位置磁石が測定対象物に取り付けられます。電流パルスを伝送するワイヤで構成された導波管と、導波管の端に配置されたセンサからなります（図3）。電流パルスが導波管に送られると、ワイヤ内に磁場が発生し、永久磁石（シリンダーピストン内の磁石、図3a）の軸方向磁場と相互作用します。この磁場相互作用は、ワイヤをねじる（ヴィーデマン効果）ことによって生じ、ワイヤに歪みが生じ、導波管に沿って伝播する音響パルスが発生し、導波管の端にあるセンサで検出されます（図3b）。電流パルスの開始から音響パルスの検出までの経過時間を測定することで、位置磁石、ひいては対象物の相対位置を測定できます（図3c）。
磁歪式位置センサーは、直線位置を検出するために使用される非接触式センサーです。導波管はステンレス鋼またはアルミニウム製のチューブに収められていることが多く、これにより、これらのセンサーは汚れた環境や湿った環境でも使用できます。
薄くて平らな導体を磁場中に置くと、流れる電流は導体の片側に蓄積され、ホール電圧と呼ばれる電位差が生じます。導体内の電流が一定の場合、ホール電圧の大きさは磁場の強さを反映します。ホール効果位置センサでは、物体はセンサシャフトに収容された磁石に接続されます。物体が移動すると、磁石の位置がホール素子に対して変化し、その結果、ホール電圧が変化します。ホール電圧を測定することで、物体の位置を特定できます。3 次元で位置を特定できる特殊なホール効果位置センサもあります (図 4)。ホール効果位置センサは非接触デバイスで、高い信頼性と高速センシングを提供し、広い温度範囲で動作します。これらは、さまざまな民生、産業、自動車、医療用途で使用されています。
光ファイバーセンサーには、大きく分けて2種類あります。内在型光ファイバーセンサーでは、ファイバー自体がセンシング素子として使用されます。外在型光ファイバーセンサーでは、光ファイバーが別のセンサー技術と組み合わされ、信号を遠隔の電子機器に中継して処理します。内在型ファイバーの位置測定の場合、光時間領域反射率計などの装置を使用して時間遅延を測定できます。波長シフトは、光周波数領域反射率計を実装した装置を使用して計算できます。光ファイバーセンサーは電磁干渉の影響を受けにくく、高温で動作するように設計でき、非導電性であるため、高圧や可燃性物質の近くでも使用できます。
位置測定には、ファイバーブラッググレーティング（FBG）技術に基づく別の光ファイバーセンシングも使用できます。FBGはノッチフィルターとして機能し、広帯域光で照射されたときにブラッグ波長（λB）を中心とした光のごく一部を反射します。これは、ファイバーコアにエッチングされた微細構造によって製造されます。FBGは、温度、歪み、圧力、傾斜、変位、加速度、荷重などのさまざまなパラメータを測定するために使用できます。
光学式位置センサ（光学エンコーダとも呼ばれる）には2種類あります。1つは、光がセンサの反対側の受信機に送られるタイプです。もう1つは、放射された光信号が監視対象物によって反射され、光源に戻されるタイプです。センサの設計に応じて、波長、強度、位相、偏光などの光特性の変化を利用して物体の位置を決定します。エンコーダベースの光学式位置センサは、直線運動と回転運動の両方に使用できます。これらのセンサは、透過型光学エンコーダ、反射型光学エンコーダ、干渉型光学エンコーダの3つの主要なカテゴリに分類されます。
超音波位置センサーは、圧電結晶トランスデューサーを使用して高周波超音波を発信します。センサーは反射音を測定します。超音波センサーは、単純な近接センサーとして使用できるほか、より複雑な設計では測距情報を提供できます。超音波位置センサーは、さまざまな材質や表面形状の対象物に対応し、他の多くのタイプの位置センサーよりも遠距離にある小さな物体を検出できます。振動、周囲の騒音、赤外線放射、電磁干渉に耐性があります。超音波位置センサーを使用するアプリケーションの例としては、液面検出、高速物体計数、ロボットナビゲーションシステム、自動車用センシングなどがあります。一般的な自動車用超音波センサーは、プラスチック製のハウジング、追加のメンブレンを備えた圧電トランスデューサー、および信号の送信、受信、処理を行うための電子回路とマイクロコントローラを備えたプリント基板で構成されています（図 5）。
位置センサーは、物体の絶対的または相対的な直線運動、回転運動、および角度運動を測定できます。位置センサーは、アクチュエータやモーターなどのデバイスの動きを測定できます。また、ロボットや自動車などの移動プラットフォームにも使用されています。位置センサーには、環境耐久性、コスト、精度、再現性、その他の特性のさまざまな組み合わせを持つ、多様な技術が使用されています。
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