LVDT（リニア可変差動トランス）の基礎：構造・動作・主要性能指標

LVDTの核心原理を探る：構造、動作、伝達関数、リニアレンジ、直線性、感度

リニア可変差動トランス（LVDT）は、機械的コア変位を比例した交流電圧へ変換する精密電気機械トランスデューサーです。実質的に無限の分解能、0.5%未満の直線性、高感度、事実上ゼロの機械的摩擦を実現し、クリティカルな測定用途に最適です。

本記事では、物理的レイアウト、動作原理、そして3つの重要な性能パラメータ——リニアレンジ、直線性誤差、感度——を詳細に解説します。

図1は典型的なLVDTのカットアウェイ図と等価回路を示します。デバイスは単一の一次巻線と、それを取り囲む2つの二次巻線で構成されます。フェライトコア（通常は非鉄ロッド）がコイル軸に沿って自由に移動できます。コアがシフトすると、各二次巻線への磁気結合が変化し、位置依存の電圧が生成されます。

2つの二次巻線は逆系列接続されています：直列接続だが逆方向に巻かれています。コアは測定対象物体に取り付けられ、コイルアセンブリは固定されます。

コアが中心位置にあるとき、等しい磁束が両二次巻線と結合します。二次巻線が逆向きに巻かれているため、誘導電圧は打ち消し合い、出力電圧はゼロになります（V_out = 0）。これは図2で示されています。

コアを上方向に変位させると、第1二次巻線への結合が強まり、第2二次巻線より大きな電圧が生じます（|V_s1| > |V_s2|）。結果として励磁と同相の非ゼロ出力が得られます（図3）。

逆に、コアを下方向にシフトすると第2二次巻線が有利になり、理想的には励磁と180°位相がずれた負の出力が生成されます。このシナリオの波形は図4に示されています。

コア変位と出力電圧の関係は図5に示されています。伝達曲線はヌルポイント周辺でリニアですが、限られた変位範囲でのみです。

振幅のみを測定しても変位方向は判別できません。左/右の移動を区別するには位相情報が不可欠です。

リニア領域を超えると磁気結合が飽和し、出力は直線トレンドから逸脱します。出力がリニアでいられる最大変位がフルスケールレンジとして定義されます。LVDTは±100µmから±25cmまで利用可能で、実験室、産業、水中用途に適しています。

公称リニアレンジ内でも、出力曲線は完全な直線ではありません。最適フィットラインからの最大偏差を直線性誤差と呼び、通常フルスケール出力のパーセンテージで表現されます。例えば、Measurement Specialties E-100 LVDTは±0.5%の直線性誤差を謳っています。

磁気飽和はヌルポイントでも第3高調波成分を導入する可能性があります。これは出力にローパスフィルターをかけることで軽減できます。

感度——または伝達比——は出力電圧とコア変位を関連付けます。一次側を推奨レベル（E-100では3V_RMS）で励磁し、コアをフルスケール変位させます。結果として得られる出力電圧から感度を求めます：

\[\text{感度} = \frac{V_{out}}{V_{Primary}\times\text{コア変位}}\]

典型的な単位は、励磁1ボルトあたりのコア変位1ミル（1/1000インチ）あたりのミリボルト出力（mV/V/mil）です。E-100は2.4 mV/V/milを提供し、設計者が調整アンプを適切にサイジングできるようにします。

要約すると、LVDTは高分解能、優れた直線性、ゼロ機械摩擦を兼ね備え、幅広いアプリケーションで精密変位測定の基幹トランスデューサーとなっています。

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