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JP4248324B2 - アクチュエータ - Google Patents

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JP4248324B2
JP4248324B2 JP2003194510A JP2003194510A JP4248324B2 JP 4248324 B2 JP4248324 B2 JP 4248324B2 JP 2003194510 A JP2003194510 A JP 2003194510A JP 2003194510 A JP2003194510 A JP 2003194510A JP 4248324 B2 JP4248324 B2 JP 4248324B2
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正夫 守田
太▲げん▼ 金
敏恵 竹内
敏行 吉澤
済文 菅原
昭彦 丸山
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、物体の変位量を測定する変位センサを用いたアクチュエータに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来の変位センサとして、例えば容量センサ、光学センサ、磁気センサ、半導体センサ、ホールセンサ、渦電流センサ等を検出手段として固定側に備え、一方、可動部にはそれら検出手段に対応したターゲットを備え、それらの相対的な位置の変化を変位量として測定するものが一般的にある。
【0003】
例えば代表的な変位センサのひとつとして差動トランスがある。これは励振コイル、検出コイルおよび可動部から構成されている。励振コイルが作る変動磁場は可動部の位置によって、その磁場分布が変化するが、この変化を2つの検出コイルで測定し、変位量に対応付けるものである。また、他の例として検出手段はコイルで形成され、発振回路における発振周波数を測定して、変位量を同定するものがある。さらに渦電流を利用した変位センサがある(例えば、特許文献1参照)。
【0004】
【特許文献1】
特開2002−81902号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した変位センサをアクチュエータに適用しようとすると、変位センサの構造上、アクチュエータの外部に付加しなければならず、アクチュエータ全体の外形寸法が大きくなるという課題があった。また、外部からの変動磁場、例えば電磁アクチュエータの場合は固定子コイルにより発生する磁場が検出素子や検出コイルに交差してノイズの原因となり、エラーが生じやすいという課題があった。
【0006】
従ってこの発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、小型のアクチュエータを得ることを目的としている。
【0007】
【課題を解決するための手段】
この発明に係るアクチュエータは、測定対象物の移動に応じて変位し、内部に渦電流を発生する可動板と、可動板の表面と裏面の夫々から所定距離離間した位置に対向して固定設置された少くとも1対の検出コイルと、検出コイルに交流信号を印加する交流発振回路と、前記検出コイルによって検出された電圧を変位量に変換する電圧・変位変換手段とを備えた変位センサを変位測定手段として用いた、可動子と固定子とから構成されるアクチュエータであって、可動子を、前記変位センサに対する渦電流を発生させる可動部とし、固定子を構成するコアに巻回させない空心の検出コイルを、固定子のコア間であって可動子側に、可動子に対して所定距離を離間させて設けたものである。
【0009】
【発明の実施の形態】
この発明の変位センサに係る実施の一形態について説明する。
実施の形態1.
実施の形態1の変位センサ1について図1〜図3を参照して説明する。図1は実施の形態1に係る変位センサの構成を示し、同図(a)はその斜視図であり、同図(b)は同図(a)のA1−A1における断面を示し、同図(c)は具体的な構成例を示す。また、図2はこの発明の変位センサの動作原理を示す図であり、図3は変位センサの変位に対する出力電圧を示す図である。
【0010】
変位センサ1は、検出コイル20a、20b、20c、20d、可動板21、固定部22、軸23、スプリング24を備えて構成される。また、検出コイル20a、20b、20c、20dの出力を変位量に変換する回路を備えて構成される。この出力を変位量に変換する回路については後段で詳細に説明する。
また、検出コイルは20a、20cの2つのコイルのみとし、20b、20dを省略した構成としても良い。
【0011】
可動板21の一方の面に検出コイル20a、20bが、その面に対向して固定部22に固定されている。また、可動板21の他の一方の面には検出コイル20c、20dが、その面に対向して固定部22に固定されている。可動板21はその内部に渦電流を生じる導電体で形成され、また、外部磁界の影響を排除する必要のある場合は非磁性体の導電体を用いる。可動板21は軸23に結合されていて、固定部22の外から変位が伝わる。また、軸23はスプリング24によって固定部22に結合されているので、可動板21は固定部22の中央の位置に定まると共に、矢印L方向の動作を可能とし、また、復元力を得ることができる。
【0012】
この軸23の先端部に、変位する測定対象物体を当接して可動板21にその変位を伝達し、変位量が測定される。従って、小型で取り扱いが容易な変位センサが形成される。なお、変位する測定対象が軸23に固定されている場合には、スプリング24は不要となる。
【0013】
つぎに、本発明の変位センサの動作原理について図2を参照して説明する。同図(a)は可動板21が中立点にある状態であり、同図(b)は可動板21が中立点から下側にある状態を示している。
【0014】
図2(a)において、中立点では上下2つの検出コイル20a,20cのインピーダンスjωLは等しく、検出コイル20aに流れる電流30aによって生じる磁場と検出コイル20cに流れる電流30cによって生じる磁場は、可動板21上の渦電流29aおよび渦電流29cによって均等に遮蔽される。従って2つの検出コイル20a,20cの出力電圧は同一である。
【0015】
一方、図2(b)に示すように可動板21が矢印Lの下方向に変位すると、下側の検出コイル20cと可動板21が近接するため大きな渦電流29cが流れる(このときの検出コイル20aによる小さな渦電流29aは図示せず)。このとき、検出コイル20cのインピーダンスは検出コイル20aのインピーダンスより小さくなり、2つの検出コイル20a,20cの出力電圧には差が生じ、この電圧の差が変位量に対応している。
【0016】
このようなインピーダンスの違いによる電圧の変化を、例えば4つの検出コイル20a,20b,20c,20dで構成されたブリッジ回路で検出することにより、精度の高い変位センサが形成される。ブリッジ回路については後段で詳しく説明する。
【0017】
この発明の変位センサの出力の一例を図3に示す。同図から、中立点(変位0mm)から矢印Lの上下方向(図3の+、−に対応する)の変位に対する出力電圧が得られる。従って図3に基づき、測定された出力電圧から未知の変位量を求めることが可能となる。
【0018】
実施の形態2.
実施の形態2の変位センサ2について図4を参照して説明する。図4は実施の形態2に係る変位センサの構成を示し、同図(a)はその斜視図であり、同図(b)は同図(a)のA2−A2における断面を示し、同図(c)は具体的な構成例を示す。なお、実施の形態2は上述した実施の形態1に導電体部25a、25b、25c、25dを設けたものであって、その他の構成は同様であり、それらの説明は省略する。
【0019】
導電体部25a、25b、25c、25dは可動板21の表面に、検出コイル20a、20b、20c、20dの夫々に対向して、略同一の大きさの導電性材料で構成され設けられたものである。導電性材料としては抵抗が小さく非磁性のもの、例えば銅やアルミニウムが好ましく、これらの材料を接着、クラッド、メッキや蒸着等で可動板21上に形成する。また、導電体部の厚さは、導電性材料と変位センサの駆動周波数で決まる表皮厚以上に設定することが望ましい。
【0020】
可動板21が磁性体で形成されている場合、変動する外部磁束が与えられると、可動板21の透磁率が変化し、変位センサ2の出力にノイズとなって現れる。外部磁束の影響を解消するためには、高い周波数(例えば1GHz以上)で検出コイル20a、20b、20c、20dを駆動しなければならない。非磁性の導電体部25a、25b、25c、25dを設けることによって低い周波数であっても変位センサとして機能させることができる。
【0021】
実施の形態3.
実施の形態3の変位センサ3について図5を参照して説明する。図5は実施の形態3に係る変位センサの構成を示し、同図(a)はその斜視図であり、同図(b)は同図(a)のA3−A3における断面を示し、同図(c)は具体的な構成例を示す。なお、実施の形態3は上述した実施の形態1および実施の形態2に励振コイル26a、26b、26c、26dを設けたものであって、その他の構成は同様であり、それらの説明は省略する。
【0022】
励振コイル26a、26b、26c、26dは検出コイル20a、20b、20c、20dの夫々に対応して、近接して設けられている。この励振コイル26a、26b、26c、26dには後述する励振回路45によって駆動される。励振コイル26a、26b、26c、26dを設けることで、ブリッジ回路を用いた直接的なインピーダンス計測による変位の測定に限らず、その位相情報に基づき変位の情報を処理することができるので、より高精度に変位量の測定が可能となる。
【0023】
つぎに、上述した実施の形態1、2、3の変位センサの変位量測定回路11、12、13について図6〜図8を参照して説明する。
【0024】
まず、図6に示す変位量測定回路11は、前段処理回路40a、40b、40c、40d、演算回路41、42、43、電圧−変位変換回路44、励振回路45を備えて構成される。励振回路45からの交流信号は検出コイル20a、20b、20c、20dに交流信号を印加する。前段処理回路40a、40b、40c、40dは夫々、検出コイル20a、20b、20c、20dからの出力信号を波形整形等の処理をするもので、例えばフィルタ、整流回路、増幅回路等を備える。演算回路41は検出コイル20a、20bからの信号を加算し、演算回路42は検出コイル20c、20dからの信号を加算する。また、演算回路43は演算回路41の出力と演算回路42の出力とから、その差を演算する。
【0025】
電圧−変位変換回路44では演算回路43の演算結果に基づいて変位量に変換する。ここでは例えば図3に示す変位センサ固有の変位と出力電圧との関係を表すテーブルを備えていて、このテーブルに基づき変換すればよい。また、感度を補正する必要があれば、補正したテーブルを備えればよいことになる。
【0026】
なお、検出コイル20a、20bを直列に接続し、また、検出コイル20c、20dを直列に接続して夫々、信号を加算するようにしても良い。この場合、前段処理回路は2つでよく、演算回路41と演算回路42は省くことができる。また、検出コイル20aと20b、及び、検出コイル20cと20dを夫々、単一のコイルで構成するようにしても良い。
また、図6では図4に示す変位センサ2を用いて示しているが、図1に示す変位センサ1にも適用可能であることは当然である。
【0027】
つぎに、図7に示す変位量測定回路12は図5に示す変位センサ3を対象とした回路であって、変位量測定回路11に励振回路45を付加した構成である。他の回路要素とその働きは変位量測定回路11における説明と同様であり、省略する。
【0028】
励振回路45からの交流信号は励振コイル26a,26b,26c,26dに印加され、検出コイル20a、20b、20c、20dに交流信号を重畳する。また、励振回路45からの交流信号は前段処理回路40a、40b、40c、40dにも入力されて、励振コイル26a,26b,26c,26dの出力から位相検波をおこなうものである。従って精度の高い変位量の測定ができる。
【0029】
つぎに、図8に示す変位量測定回路13はブリッジ回路で構成したものであって、検出コイル20a、20b、20c、20dを図8に示すようにブリッジに構成する。検出コイル20aと検出コイル20dの接続点と、検出コイル20bと検出コイル20dの接続点との間に交流源46を配置し、検出コイル20bと検出コイル20dの接続点と、検出コイル20aと検出コイル20cの接続点との間に電圧検出回路47を設ける。電圧検出回路47の出力電圧は電圧−変位変換回路44で変位量に変換して出力される。ブリッジ回路にすることで感度の良い変位センサが構成される。
【0030】
つぎにコイルの形成について図9〜図13を参照して説明する。検出コイルや励振コイルは線材を巻いて形成する他に、プリント基板上にコイルのパターンを形成することや、導電体膜をその表面に設けた可撓性のフィルムを、エッチング等のプリント回路の形成技術を適用して形成することができる。
【0031】
図9はフィルム50の上に8の字検出コイル27を形成した1ターンのコイルであって端子51a,51bからリード線52a,52bにより出力される。ターン数が複数の場合は、図11で示すようにフィルムの表面に2つの逆向きの渦巻状に形成すればよく、更にターン数が多い場合は、コイルが作成されたフィルムを多数積層し、上下の回路をコイルが形成されるように接続するか、又は、多層プリント基板上にコイルを形成すればよい。フィルムはポリイミド等の絶縁性のフィルムが用いられる。また、検出コイルと励振コイルを1枚の多層プリント基板上に形成しても良い。
【0032】
また、コイルが共通の磁場に置かれた場合に磁場が変化することによる起電力はノイズ成分となるが、コイルの形状を「8の字」にすることで8の字の上下の部分で夫々、逆の起電力となるため相殺することになり、S/Nの良い変位の検出信号が得られる。
【0033】
また、図10に示すように8の字検出コイル27a,27b,27c,27dを一体としてフィルム上に形成することも可能である。4つの検出コイルを一度に形成でき、コイル間の配線も同時に形成するので、変位センサの組み立てが容易になる。
【0034】
なお、上述したことは通常の円形コイルを作成する場合にも適用することは当然可能である。また、コイルの素材は、変位センサからの出力が安定するために電気的抵抗が小さく温度変化に対して変動の少ない非磁性の部材が好ましい。
また、図12に示すように、8の字検出コイルに近接して、励振コイルを設置する場合には、励振コイルも同形状の8の字コイルとして、検出コイルに重ね合わせて配置することで、効率良く検出コイルを励振する事が可能となる。
また、図13に示すように、8の字検出コイルに近接して、励振コイルを設置する場合に、略円形の励振コイルを、8の字検出コイルに対して、非対称に配置することで、効率良く、検出コイルを励振する事が可能となる。
【0035】
つぎに、図14〜図18を参照し、本発明の変位センサを用いたアクチュエータに係る実施の一形態について説明する。
【0036】
実施の形態4.
まず、実施の形態4に係るアクチュエータ5は図14に示すように、固定子61は磁性体コア62と固定子コイル63で構成され、これと対向して強磁性体の可動子65が備わる。可動子65を挟んで図示しない同じ固定子が上方に配置されていてアクチュエータ5を構成している。可動子65は軸等の手段によって、外部にその動作が伝えられると共に、外部から可動子65に動作が伝えられる。
【0037】
変位センサの検出コイル20c、20dは固定子61の内部に固定されている。可動子65は変位センサの可動板21を兼用し、その表面に導電体部25a、25b、25c、25dが設けられている。また、導電体部25a、25dは図14には図示していないが固定子に設けられた検出コイル20a、20bに対向して設けられている。このように本発明の変位センサはアクチュエータの内部に形成されるので、アクチュエータのサイズは増大しない。
【0038】
実施の形態5.
つぎに、実施の形態5に係るアクチュエータ6は図15に示すように、上述した実施の形態4とは、検出コイル20c、20dを小さくし、中央部に寄せて配置したことにおいて異なるものである。他の構成要素とその働きは上述したことと同様であり、説明は省略する。
検出コイル20c、20dは中央部に寄せて配置しているので、可動子65が傾いても、変位量の検出に大きな影響を与えることはない。
【0039】
実施の形態6.
つぎに、実施の形態6に係るアクチュエータ7は図16に示すように、上述した実施の形態4とは、検出コイルとして8の字検出コイル27c,27dを用いたことにおいて異なるものである。他の構成要素とその働きは上述したことと同様であり、説明は省略する。
8の字検出コイル27c,27dを用いたことにより、外部磁界の影響によるS/Nの劣化が防止できる。
【0040】
実施の形態7.
つぎに、実施の形態7に係るアクチュエータ8は図17に示すように、上述した実施の形態4とは、検出コイルとして8の字検出コイル27c,27dを用い、さらに8の字励振コイル64c,64dを用いたことにおいて異なるものである。他の構成要素とその働きは上述したことと同様であり、説明は省略する。
8の字励振コイル64c,64dを用いたことにより、検出コイルの出力に位相情報を付加することができ、精度の高い変位量の測定が可能となる。
【0041】
実施の形態8.
つぎに、実施の形態8に係るアクチュエータ9は図18に示すように、本発明の変位センサをアクチュエータ9の外部において軸23に装着したものである。従来の変位センサと同様に、本発明の変位センサも汎用に使用することが可能である。
【0042】
実施の形態9.
つぎに、実施の形態9に係るアクチュエータ10aについて図19を参照して説明する。なお、以下の実施の形態9から実施の形態11は検出コイルをアクチュエータの固定部に固定する形態に関している。
【0043】
アクチュエータ10aの検出コイル20の固定は、図19に示すように磁性体コア62に固定部材70を介して固定する。固定部材70には予め検出コイル20が固定されている。固定方法は例えば磁性体コア62の固定する部位に切り欠き部71を設け、一方、その切り欠き部71にはめ込む形状を固定部材70に設け、それらをあわせて固定する。さらに接着等をしてもよい。
検出コイル20の位置を磁性体コア62に精度良く、しかも十分に固着して配置できるので、可動子65の位置を高い精度で測定することができる。
【0044】
実施の形態10.
つぎに、実施の形態10に係るアクチュエータ10bについて図20を参照して説明する。
アクチュエータ10bの検出コイル20の固定は、図20に示すように磁性体コア62の内壁の検出コイル20が配置される部位に導電性遮蔽板72を設け、予め検出コイル20が固定されている固定部材70を導電性遮蔽板72の間に固着する。
【0045】
検出コイル20と磁性体コア62の間に導電性遮蔽板72が配置されることになり、検出コイル20の高周波磁場が固定子61側に漏れることを防止する。従って磁性体コア62の飽和による比透磁率の変化に起因する誤差信号の発生を防止する。
【0046】
実施の形態11.
つぎに、実施の形態11に係るアクチュエータ10cについて図21を参照して説明する。
アクチュエータ10cの検出コイル20の固定は、図21に示すように固定子コイル63に接着、或いはモールドの手法により一体化する。この構成により堅牢に変位センサを構成することができる。
【0047】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、測定対象物の移動に応じて変位し、内部に渦電流を発生する可動板と、可動板の表面と裏面の夫々から所定距離離間した位置に対向して固定設置された少くとも1対の検出コイルと、検出コイルに交流信号を印加する交流発振回路と、検出コイルによって検出された電圧を変位量に変換する電圧・変位変換手段とを備えた変位センサを変位測定手段として用いた、可動子と固定子とから構成されるアクチュエータであって、可動子を、変位センサに対する渦電流を発生させる可動部とし、固定子を構成するコアに巻回させない空心の検出コイルを、固定子のコア間であって可動子側に、可動子に対して所定距離を離間させて設けたので、小形化が図れ、かつ、高精度の位置決めを行うことができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明に係る変位センサの第1の構成を示し、(a)はその斜視図であり、(b)は(a)のA1−A1断面における断面側面図であり、(c)は具体的な構成を示す図である。
【図2】 この発明の変位センサの動作原理を示す図である。
【図3】 この発明の変位センサの変位に対する出力電圧を示す図である。
【図4】 この発明に係る変位センサの第2の構成を示し、(a)はその斜視図であり、(b)は(a)のA2−A2断面における断面側面図であり、(c)は具体的な構成を示す図である。
【図5】 この発明に係る変位センサの第3の構成を示し、(a)はその斜視図であり、(b)は(a)のA3−A3断面における断面側面図であり、(c)は具体的な構成を示す図である。
【図6】 変位センサの変位量を検出する変位量測定回路の第1の回路例である。
【図7】 変位センサの変位量を検出する変位量測定回路の第2の回路例である。
【図8】 変位センサの変位量を検出する変位量測定回路の第3の回路例である。
【図9】 この発明に係る変位センサを構成する検出コイルの例を示す図である。
【図10】 この発明に係る変位センサを構成する検出コイルの例を示す図である。
【図11】 この発明に係る変位センサを構成する検出コイルの例を示す図である。
【図12】 この発明に係る変位センサを構成する検出コイルの例を示す図である。
【図13】 この発明に係る変位センサを構成する検出コイルの例を示す図である。
【図14】 この発明に係る変位センサを用いたアクチュエータの第1の構成を示す図である。
【図15】 この発明に係る変位センサを用いたアクチュエータの第2の構成を示す図である。
【図16】 この発明に係る変位センサを用いたアクチュエータの第3の構成を示す図である。
【図17】 この発明に係る変位センサを用いたアクチュエータの第4の構成を示す図である。
【図18】 この発明に係る変位センサを用いたアクチュエータの第5の構成を示す図である。
【図19】 この発明に係る変位センサを構成する検出コイルの第1の固定方法について示す図である。
【図20】 この発明に係る変位センサを構成する検出コイルの第2の固定方法について示す図である。
【図21】 この発明に係る変位センサを構成する検出コイルの第3の固定方法について示す図である。
【符号の説明】
1,2,3 変位センサ、5,6,7,8,9,10a,10b,10c アクチュエータ、11,12,13 変位量測定回路、20,20a,20b,20c,20d 検出コイル、21 可動板、22 固定部、23 軸、24 スプリング、25,25a,25b,25c,25d 導電体部、26,26a,26b,26c,26d 励振コイル、27,27a,27b,27c,27d8の字検出コイル(8の字型のコイル)、28a,28c 磁束、29a,29c 渦電流、30a,30c 検出コイル電流、34 変位センサ中立位置、40a,40b,40c,40d 前段処理回路、41,42,43 演算回路、44 電圧−変位変換回路(電圧・変位変換手段)、45 励振回路、46 交流源、47 電圧検出回路、50 フィルム(シート)、51a,51b 端子、52a,52b リード線、61 固定子、62 磁性体コア、63 固定子コイル(固定子を構成するコイル)、64,64a,64b,64c,64d8の字励振コイル(8の字型のコイル)、65 可動子、70 固定部材、71 切り欠き部、72 導電性遮蔽板(電磁気遮蔽部材)。

Claims (5)

  1. 測定対象物の移動に応じて変位し、内部に渦電流を発生する可動板と、前記可動板の表面と裏面の夫々から所定距離離間した位置に対向して固定設置された少くとも1対の検出コイルと、検出コイルに交流信号を印加する交流発振回路と、前記検出コイルによって検出された電圧を変位量に変換する電圧・変位変換手段とを備えた変位センサを変位測定手段として用いた、可動子と固定子とから構成されるアクチュエータであって、
    前記可動子を、前記変位センサに対する渦電流を発生させる可動部とし、前記固定子を構成するコアに巻回させない空心の検出コイルを、前記固定子のコア間であって前記可動子側に、前記可動子に対して所定距離を離間させて設けたことを特徴とするアクチュエータ。
  2. 検出コイルは、固定子を構成するコアに固定されていることを特徴とする請求項1記載のアクチュエータ。
  3. 検出コイルは、固定子を構成するコアに巻回され、可動子に対する電磁吸引力発生用のコイルに固定されていることを特徴とする請求項1記載のアクチュエータ。
  4. 固定子を構成するコアの、検出コイルが設けられる近傍の内壁に電磁気遮蔽部材を設けたことを特徴とする請求項1から請求項3のうちのいずれか1項記載のアクチュエータ。
  5. 変位センサの検出コイルを、アクチュエータの可動軸の近傍に配置したことを特徴とする請求項1から請求項4のうちのいずれか1項記載のアクチュエータ。
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