高度AC位置トランスデューサ：ポテンショメータからインダクトシン、容量センサまで

現代のオートメーションでは、機械的動きを電気信号に正確に変換することが必須です。熱電対や歪みゲージなどのDCベースデバイスが長らくこの目的で用いられてきましたが、ACトランスデューサは—特に非接触動作、高精度、安全性が最優先される場合—独自の利点を提供します。

ポテンショメータの基礎

ポテンショメータのタップ電圧が軸取り付けオブジェクトの位置を示す。

ポテンショメータは、角度または直線変位を比例電圧に変換するシンプルで低コストな方法を提供します。しかし、スライド接点（ワイパ）の摩耗により、ドリフト、ノイズ、さらには危険環境でのアーク放電の可能性があります。これらの制約により、要求の厳しい産業用や安全クリティカルな用途には不向きです。

LVDT（リニア可変差動トランス）

スライド接点を、2つの二次巻線の間を自由に動くトランス鉄心に置き換えることで、LVDTは摩耗とアークリスクを排除します。AC励磁される一次巻線と、シリーズバッキング接続された2つの二次巻線で構成されます。鉄心が動くと、2つの二次巻線に誘導される電圧が異なり、出力はそれらの差動値になります。

主な特徴：

• 鉄心が中心にあるとき出力ゼロ。
• 出力振幅が鉄心変位に比例；位相が方向を示す。
• 典型的励磁：≤10 V RMS、50 Hz–20 kHz。
• 高速応答には高い励磁周波数が必要；さもないと急速な動きで正弦波が歪む。

RVDT（ロータリ可変差動トランス）

機能的にLVDTと類似し、RVDTは角度変位を測定します。鉄心が軸上で回転し、360°の一部ではなく全周ではなく一部を測定可能。非接触・高精度センシングが必要な回転用途に最適です。

シンクロ / セルシン

これらのデバイスは、トランスの原理を全円回転に適応させたものです。巻線型ロータACモータ/発電機構造を用い、ロータ上の単一AC励磁一次巻線と多相ステータを持ちます。ステータに誘導される電圧はロータ角度に応じて変化し、軸の絶対位置を表す正弦と余弦の出力を生成します。

シンクロはしばしば送信機/受信機ペアで動作し、遠隔位置複製を可能にします—初期の例は、舵角を長距離伝送するための海軍でのシンクロ使用です。受信機のロータに通電するかしないかで、システムは誤差検出器としても機能します。

インダクトシン（リゾルバのリニア版）

インダクトシンは、円形ステータを固定された蛇行巻線と、逆位相の2つの巻線を持つ可動スライダに置き換えます。スライダが蛇行を横切ると、正弦波と余弦波を生成し、リニア変位をエンコードします。100:1のトランス比で、数ボルトのAC励磁からミリボルトレベルの出力が得られ、リゾルバ-デジタルコンバータ（RDC）が12ビット分解能でデジタル化し、25 µインチ精度を達成。ロータリインダクトシンでは12ビットRDCでサブアーク秒分解能を実現可能です。

容量トランスデューサ

静電容量は極板面積、間隔、誘電率で変化します。これらのうち2つを固定すれば、容量トランスデューサで第3の変数を高感度で監視できます。H.クレーマーによる初期の研究（1907年）では、容量極板で心拍活動を検出；現代の医療デバイスではカテーテルベースプローブで心拍リズムをリアルタイム監視します。

容量トランスデューサは自己完結型にできます：可動極板で重なり面積または間隔を変化させるか、誘電体を挿入/除去します。差動設計—2線式ではなく3線式—は外部擾乱への耐性を高めます。

差動容量トランスデューサブリッジ

ブリッジ構成では、差動出力が変位に比例し、位相が方向を示します。容量は通常ピコファラドオーダーなので、リアクタンスを下げるために高周波励磁（MHz）を用い、慎重なシールドで杂散容量を軽減します。

差動容量トランスデューサ「ツインT」

ブリッジをツインT回路に置き換えると、読み出しが単一DC電圧に簡略化されます。ダイオードが交互半サイクルで2つのコンデンサを充電；より長く電荷を保持するコンデンサがより高いDC電圧を生成。負荷抵抗がこの差を変位に直接比例するDC出力に変換します。

利点には：

• 純粋なDC出力—位相解析不要。
• 増幅なしで電気機械式メータを直接駆動可能。
• すべての重要コンポーネントが接地基準、杂散容量エラーを低減。
• 電源周波数変動に強く、ダイオード順方向電圧のミスマッチにも耐性。

ローパスフィルタを追加して残留ACを抑制すれば、計装用のクリーンなDC信号が得られます。

全体として、LVDT、RVDT、シンクロ、インダクトシン、容量センサといったACトランスデューサは、産業オートメーション、ロボティクス、航空宇宙、医療診断向けに信頼性が高く、高精度、非接触の位置センシングを提供します。