ロボットのドライブ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、位置検知は幅広いアプリケーションで重要な機能です。位置検知には、線形、回転、角度、絶対、増分、接触、非接触センサーなど、さまざまな形式があります。3次元で位置を判定できる特殊なセンサーも開発されています。位置検知テクノロジには、電位差、誘導、渦電流、静電容量、磁歪、ホール効果、光ファイバー、光学、超音波などがあります。
この FAQ では、さまざまな形式の位置センシングについて簡単に紹介し、位置センシング ソリューションを実装する際に設計者が選択できるさまざまなテクノロジについて説明します。
ポテンショメトリック位置センサーは、位置を検知する必要がある物体に取り付けられたワイパーと固定抵抗トラックを組み合わせた抵抗ベースのデバイスです。物体の動きにより、ワイパーがトラックに沿って動きます。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割器ネットワークを使用して、固定 DC 電圧で直線運動または回転運動を測定することで測定されます (図 1)。ポテンショメトリック センサーは低コストですが、一般に精度と再現性が低くなります。
誘導型位置センサーは、センサーコイルに誘起される磁場の特性変化を利用します。構造に応じて、直線位置または回転位置を測定できます。線形可変差動変圧器（LVDT）位置センサーは、中空管に巻かれた3つのコイル（一次コイル1つと二次コイル2つ）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°ずれています。アーマチュアと呼ばれる強磁性コアが管内に配置され、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で、アーマチュアとそれが取り付けられているものの相対位置を特定できます。回転電圧差動変圧器（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センサーは、優れた精度、直線性、分解能、および高感度を備えています。摩擦がなく、過酷な環境での使用のために密閉できます。
渦電流位置センサーは導電性の物体で動作します。渦電流は、変化する磁場の存在下で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で流れ、二次磁場を生成します。渦電流センサーは、コイルと線形化回路で構成されています。交流電流がコイルに通電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、コイルのインピーダンスに影響を及ぼす渦電流によって生成される二次磁場の相互作用を使用してその位置を感知できます。物体がコイルに近づくにつれて、渦電流損失が増加し、振動電圧は小さくなります (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、物体までの距離に比例した線形 DC 出力が生成されます。
渦電流装置は、通常、近接センサーとして使用される、頑丈な非接触装置です。全方向性があり、物体までの相対距離を判定できますが、物体までの方向や絶対距離は判定できません。
名前が示すように、静電容量式位置センサーは静電容量の変化を測定して、感知対象物の位置を決定します。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。これらは誘電体で分離された 2 つのプレートで構成され、次の 2 つの方法のいずれかを使用して物体の位置を検出します。
誘電率の変化を生じさせるために、位置を検出する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、コンデンサの有効誘電率が変化します。あるいは、物体をコンデンサプレートの 1 つに接続することもできます。物体が移動すると、プレートが近づいたり遠ざかったりし、静電容量の変化を使用して相対位置を決定します。
静電容量センサーは、物体の変位、距離、位置、厚さを測定できます。信号安定性と解像度が高いため、静電容量変位センサーは実験室や産業環境で使用されています。たとえば、静電容量センサーは、自動化されたプロセスで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、変位とツールの位置を監視するために使用されます。
磁歪とは、磁場が加えられると材料のサイズや形状が変化する強磁性材料の特性です。磁歪式位置センサでは、可動式の位置磁石が測定対象物に取り付けられます。このセンサは、電流パルスを伝送するワイヤで構成された導波管で構成され、導波管の端にあるセンサに接続されています（図 3）。電流パルスが導波管に送られると、ワイヤに磁場が生成され、永久磁石（シリンダピストン内の磁石、図 3a）の軸方向の磁場と相互作用します。この磁場の相互作用は、ワイヤのねじれ（ヴィーデマン効果）によって引き起こされ、ワイヤに歪みが生じて音響パルスが生成されます。音響パルスは導波管に沿って伝播し、導波管の端にあるセンサによって検出されます（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、ひいては物体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のチューブに収納されることが多く、汚れた環境や湿気の多い環境でも使用できます。
薄く平らな導体を磁場内に置くと、流れる電流は導体の片側に蓄積される傾向があり、ホール電圧と呼ばれる電位差が生じます。導体の電流が一定であれば、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ーでは、物体はセンサー シャフトに収納された磁石に接続されます。物体が移動すると、ホール素子に対する磁石の位置が変わり、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ーもあります (図 4)。ホール効果位置センサーは、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する非接触デバイスです。民生用、産業用、自動車用、医療用のさまざまなアプリケーションで使用されています。
光ファイバー センサーには、基本的に 2 つのタイプがあります。内蔵型光ファイバー センサーでは、ファイバーがセンシング エレメントとして使用されます。外部型光ファイバー センサーでは、光ファイバーが別のセンサー テクノロジと組み合わされ、処理のためにリモート エレクトロニクスに信号を中継します。内蔵型ファイバー位置測定の場合、光時間領域反射率計などのデバイスを使用して時間遅延を判定できます。波長シフトは、光周波数領域反射率計を実装した機器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ず、高温で動作するように設計でき、非導電性であるため、高圧または可燃性物質の近くでも使用できます。
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、位置測定に使用できます。FBG はノッチ フィルターとして機能し、広帯域スペクトル光が照射されたときに、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 コアに微細構造がエッチングされて製造されます。FBG は、温度、歪み、圧力、傾斜、変位、加速度、負荷などのさまざまなパラメーターの測定に使用できます。
光学位置センサー（光学エンコーダとも呼ばれる）には 2 つのタイプがあります。1 つは、光がセンサーの反対側にある受信機に送信されるタイプです。もう 1 つは、放出された光信号が監視対象物体によって反射され、光源に戻されるタイプです。センサーの設計に応じて、波長、強度、位相、偏光などの光特性の変化を使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位置センサーは、直線運動と回転運動に使用できます。これらのセンサーは、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放射します。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することも、より複雑な設計で距離情報を提供することもできます。超音波位置センサーは、さまざまな材質と表面特徴の対象物体で動作し、他の多くの種類の位置センサーよりも遠くにある小さな物体を検出できます。振動、周囲ノイズ、赤外線、電磁干渉に対する耐性があります。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、物体の高速カウント、ロボットナビゲーションシステム、自動車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、プラスチックハウジング、追加の膜を備えた圧電トランスデューサー、信号の送信、受信、処理用の電子回路とマイクロコントローラーを備えたプリント回路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、回転、および角度の動きを測定できます。位置センサーは、アクチュエーター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モバイル プラットフォームでも使用されます。位置センサーには、環境耐久性、コスト、精度、再現性、その他の属性のさまざまな組み合わせで、さまざまなテクノロジが使用されています。
3D磁気位置センサ、Allegro Microsystems「自律走行車向け超音波センサのセキュリティ分析と強化」、IEEE Internet of Things Journal「位置センサの選び方」、Cambridge Integrated Circuits「位置センサの種類」、Ixthus Instrumentation「誘導型位置センサとは？」、Keyence「磁歪式位置センサとは？」、AMETEK
Design World の最新号とバックナンバーを、使いやすく高品質な形式で閲覧できます。一流のデザイン エンジニアリング マガジンを今すぐ編集、共有、ダウンロードしましょう。
マイクロコントローラ、DSP、ネットワーク、アナログおよびデジタル設計、RF、パワーエレクトロニクス、PCBルーティングなどを網羅した、世界トップクラスの問題解決型EEフォーラム
Copyright © 2022 WTWH Media LLC. 無断複写・転載を禁じます。WTWH Mediaの事前の書面による許可なく、このサイトのコンテンツを複製、配布、送信、キャッシュ、またはその他の方法で使用することはできません。プライバシーポリシー | 広告 | 会社概要