LVDT(差動変圧器式変位センサ)

カテゴリ: 電磁場解析・センサー | 2026-10-01 改稿
CAE visualization for lvdt sensor theory - technical simulation diagram
LVDT(差動変圧器式変位センサ)

理論:コアの位置で変わる2つの結合

概要

🙋

LVDTのカタログにある測定範囲は、そのまま全部使えるのですか?

🎓

範囲の端では直線性が落ちることが多い。LVDTは、1次コイルが作る磁束を鉄のコアが2つの2次コイルへ振り分ける仕組みで、コアが片側に動くほど、そちらの結合が強く反対側が弱くなる。コアがコイルの中に十分入っている間は、結合の変化がコアの移動量に比例するので出力は直線になる。ところがコアの端がコイルの端に近づくと、比例の関係が崩れる。しかもコアの端では磁束が外へ広がるため、崩れ始めは幾何学的な端より手前になる。この広がりはコアとコイルのすき間や材料で変わるので、詳しくは電磁界の解析で求める。ここではその考え方を、重なりの簡単なモデルで示す。

重なりのモデル

$$ c(z) = \tfrac12\left[\tanh\frac{z + L_c/2}{w} - \tanh\frac{z - L_c/2}{w}\right],\qquad M_i(x) \propto \int_{\text{coil } i} c(z - x)\,dz $$

2次コイルは長さ20 mmで、[5, 25] mm と [−25, −5] mm に置く(間に1次コイル)。コアの長さ L_c = 30 mm。w はコアの端での磁束の広がりの長さで、w → 0 なら結合は重なりの長さそのもの。電磁界の解析の代わりに使う例示のモデルである。

出力と直線性の誤差

$$ D(x) = M_1 - M_2,\qquad Q(x) = \frac{M_1 - M_2}{M_1 + M_2},\qquad \varepsilon_{lin} = \frac{\max|D - kx|}{|kR|} $$

k は ±R の範囲で原点を通る最適な直線の傾き。誤差は ±R での出力に対する割合で表す。

Coffee Break よもやま話

飛行機の舵とLVDT

電気信号で舵を動かすフライ・バイ・ワイヤの飛行機では、舵を動かす油圧のアクチュエーターの位置を、LVDTで測ってフィードバックすることが多い。接触がないので摩耗せず、振動や温度の変化にも強く、壊れにくい。さらに1つのアクチュエーターに複数のコイルを組み込み、どれかが故障しても位置がわかるようにする。単純な構造で信頼性が高いことが、何十年たってもLVDTが選ばれ続ける理由である。

計算例

例1:範囲と磁束の広がりによる直線性の誤差

磁束の広がり w±4 mm±6 mm±8 mm±10 mm
0.5 mm0.00%0.00%0.00%1.54%
1.5 mm0.00%0.04%0.46%3.89%
3.0 mm0.19%0.71%2.28%5.93%

中央での感度はどの場合もほぼ同じ(1 mmあたり2.0、コイルの長さで正規化)。幾何学的な範囲は±10 mmだが、誤差0.5%以内で使えるのは、w = 1.5 mmで±8 mm、w = 3 mmで±5 mm程度まで。

🙋

磁束の広がりが大きいと範囲が狭くなるなら、コアをコイルにぴったり近づければいいのでは?

🎓

すき間を小さくするほど広がりは小さくなるが、別の問題が出る。コアは管の中を動くので、すき間が小さすぎると取り付けのずれや熱膨張でこすれ、接触しないという長所が失われる。また、コアが中心からずれると、すき間の変化で結合が変わり、変位とは関係のない出力の変化が出る。そのため実際には、コアを長めにして使う範囲をコイルの中央寄りにとる、コイルの巻き方を端で密にして端の結合を補う、といった工夫をする。どの工夫が効くかは、コアの材料の透磁率、コイルの形、励磁の周波数(渦電流で磁束が表面に寄る)で変わるので、電磁界の解析で出力の曲線を求めて確かめる。ここでの重なりのモデルは、その前に「範囲の端は使えない」ことと、その目安をつかむためのものだ。

モデリングの進め方

  1. コアの長さとコイルの配置から、幾何学的な範囲の見当をつける。
  2. 軸対称の電磁界の解析で、コアの位置ごとに2次コイルの電圧を求める。
  3. 励磁の周波数での渦電流とコアの透磁率を入れる。
  4. 差と比の出力の直線性を求め、使える範囲を決める。
  5. コアの偏心や温度を振って、出力の変化を確かめる。
Coffee Break よもやま話

「暖機の後に零点がずれたセンサー」

ある試験機で、LVDTの零点が、装置が温まるにつれて少しずつずれた。調べると、2つの2次コイルの巻き数がわずかに違い、温度で銅の抵抗が変わると、2つの電圧の位相がずれて差が完全には0にならなかった。出力を差ではなく比(差/和)で処理し、位相を合わせて検波する回路に変えると、温度による零点のずれは小さくなった。

よくある間違い

間違いと対策

間違い起きること対策
幾何学的な範囲を全部使う端で直線性が落ちる誤差から使える範囲を決める
差の出力だけを使う励磁の変動で出力が変わる比の出力を使う
渦電流を無視周波数で感度が変わる励磁周波数で解く
コアの偏心を考えない変位以外の出力変化偏心を振って評価
位相を見ない零点が残る・ずれる位相を合わせて検波
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