【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、変位センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電磁誘導の原理を利用した変位センサは多数提案されており、導電性を有し、カプラディスクと呼ばれる回転子と、この回転子の回転位置によってコイルパターンが変化するコイル部材とを備え、回転子の回転によって変化する回転子とコイルパターンとの間の電磁的な結合状況を信号処理手段で検出し、回転子の回転位置信号に変換して回転子の回転位置である変位を検出する角度位置センサが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−８２９１５号公報（第３−４頁、図５）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の角度位置センサにおいては、発振コイル用のコイル部材と受信コイル用のコイル部材が少なくとも１つずつ必要であり、その分コストが増加すると共に余分なスペースを取るという問題があった。
【０００５】
また、上述の角度位置センサは、回転子の導電性を利用して、発振コイルに生ずる交流磁界を横切って回転子に渦電流を発生させ、この電流量の変化によって受信コイルに誘導される信号電圧を変動させることで角度位置を検出する原理を採用している。このため、上記角度位置センサは、発振コイルにおける発振周波数が高いことが望ましく、１ＭＨｚの信号源を使用している。しかし、電磁環境適合性（ＥＭＣ：Ｅｌｅｃｔｒｏ−ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ）に関する試験においては、通常１００ｋＨｚ〜５００ＭＨｚの周波数範囲が規定されている。このため、上述の周波数範囲における信号を使用する場合、周囲への電磁波の漏れを防いで電磁環境適合性に対する対策を施さなければならず、構造が非常に複雑になり、コストやスペースの面で問題があった。
【０００６】
更に、上述の角度位置センサにおいては、発振コイルと受信コイルとの電磁的な結合状況やコイルのインピーダンスは、回転子に発生する渦電流の他、周囲に存在する導体から影響を受ける。このような影響は、具体的にはセンサのノイズとなり、Ｓ／Ｎ比が低下して信頼性の面での問題が生じる。
【０００７】
この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、安価でコンパクトなうえ、電磁環境適合性に必要な対策を簡単化でき、信頼性に優れた変位センサを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決し、目的を達成するため、請求項１の発明に係る変位センサは、コイルが巻回形成され、交流電流が印加されるコイル部材と、前記コイル部材との間に所定の間隔を置いて対向配置され、前記コイルに沿って変位する変位子とを備えた変位センサであって、前記コイルと前記変位子との間における実効誘導結合面積の変化による前記コイルのインダクタンス変動に基づいて前記変位子の変位量を検出することを特徴とする。
【０００９】
請求項１の発明によれば、コイルのインダクタンス変動を、変位子の実効誘導結合面積の変化に基づいて高精度に検出するようにしている。
【００１０】
ここで、本明細書において、コイルとの間における変位子の実効誘導結合面積（Ａｅｆｆ）とは、コイルのコイル巻回面と変位子とが重なった部分の面積Ｓとその部分におけるコイルターン数ｎとの積（Ａｅｆｆ＝Ｓ×ｎ）と定義する。
【００１１】
また、請求項２の発明に係る変位センサは、上記の発明において、前記コイル部材は、１ターン以上巻回され、前記変位子の変位方向に沿った位置によって、変位方向と直交する方向における幅が異なり、変位方向に沿った位置に拘わらずターン数が同じであるコイルが形成されていることを特徴とする。
【００１２】
また、請求項３の発明に係る変位センサは、上記の発明において、前記コイル部材は、前記変位子の変位方向と直交する方向における幅が同じで、前記変位子の変位方向に沿った位置によってターン数が段階的に異なるコイルが形成されていることを特徴とする。
【００１３】
また、請求項４の発明に係る変位センサは、上記の発明において、前記コイル部材は、前記変位子の変位方向に沿った位置によって、前記変位子の変位方向と直交する方向における幅と、ターン数とが異なるコイルが形成されていることを特徴とする。
【００１４】
請求項２〜４の発明によれば、コイル部材を種々の形態とすることで変位子の実効誘導結合面積を好適に変化させている。
【００１５】
また、請求項５の発明に係る変位センサは、上記の発明において、前記コイル部材は、ターン数が異なるコイルが前記変位子の変位方向に沿って複数連結され、各コイルはコイル巻回面の面積が等しく形成されていることを特徴とする。
【００１６】
また、請求項６の発明に係る変位センサは、上記の発明において、前記コイル部材は、ターン数が異なるコイルが前記変位子の変位方向に沿って複数連結され、各コイルはコイル巻回面の面積が異なるように形成されていることを特徴とする。
【００１７】
また、請求項７の発明に係る変位センサは、上記の発明において、前記コイル部材は、ターン数が等しいコイルが前記変位子の変位方向に沿って複数連結され、各コイルはコイル巻回面の面積が異なるように形成されていることを特徴とする。
【００１８】
請求項５〜７の発明によれば、コイルを複数連結したコイル部材を種々の形態とすることで変位子の実効誘導結合面積を好適に変化させている。
【００１９】
また、請求項８の発明に係る変位センサは、上記の発明において、前記コイル部材は、前記コイルが円板の表面に周方向に沿って形成されていることを特徴とする。
【００２０】
請求項８の発明によれば、円板表面に周方向に沿って形成されたコイルに沿って変位子を回転させ、変位子の回転量を検出するようにしている。
【００２１】
また、請求項９の発明に係る変位センサは、上記の発明において、前記コイル部材は、前記コイルが円筒の表面に周方向に沿って形成されていることを特徴とする。
【００２２】
請求項９の発明によれば、円筒表面に周方向に沿って形成されたコイルに沿って変位子を回転させ、変位子の回転量を検出するようにしている。
【００２３】
また、請求項１０の発明に係る変位センサは、上記の発明において、前記変位子は、磁性材であることを特徴とする。
【００２４】
請求項１０の発明によれば、コイル部材のコイルとの間で、磁気回路を形成すると共に、導体の場合には磁性材表面に渦電流を生じさせるようにしている。
【００２５】
また、請求項１１の発明に係る変位センサは、上記の発明において、前記コイル部材と前記変位子の外側に導体からなる電磁遮蔽部材が配置されていることを特徴とする。
【００２６】
請求項１１の発明によれば、電磁遮蔽部材を配置することで、外部から受ける電磁波の影響を遮断して電磁環境適合性を向上させることができる。
【００２７】
また、請求項１２の発明に係る変位センサは、上記の発明において、前記コイル部材は、表裏両面にコイルが形成され、当該コイル部材を挟んで２つの移動子が、それぞれの移動子と前記コイル部材との間隔の和を一定に保持する固定手段によって固定されていることを特徴とする。
【００２８】
請求項１２の発明によれば、自動車等で使用することによって変位センサが振動しても、各移動子とコイル部材との間隔の和が一定に保持されるようにしている。
【００２９】
また、請求項１３の発明に係る変位センサは、上記の発明において、隣接するコイル間のターン数が異なる場合に、各ターンにおける変位子の変位方向に沿った長さの差分をＬｃ、変位子の変位方向に沿った長さをＬｍとしたとき、長さＬｃが長さＬｍと等しいか小さい（Ｌｍ≧Ｌｃ）ことを特徴とする。
【００３０】
請求項１３の発明によれば、変位センサの感度を高めるようにしている。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、この発明に係る変位センサの好適な実施の形態について説明する。
【００３２】
（実施の形態１）
まず、この発明の変位センサに係る実施の形態１について説明する。図１は、この発明の実施の形態１である変位センサの基本構成であるコイル部材と移動子との配置を示すもので、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は右側面図である。図２は、この発明の実施の形態１である変位センサを用いた位置検出装置の回路構成図である。
【００３３】
変位センサ１は、図１（ａ），図１（ｂ）に示すように、コイル部材２と移動子３が所定の間隔Ｇを置いて対向配置され、図２に示すように、位置検出装置１０に組み込まれて使用される。
【００３４】
コイル部材２は、矩形に形成された合成樹脂からなる基板２ａの表面に微細なコイルパターンを長手方向に沿って所定ターン数巻回したプリント回路からなるコイル２ｂが形成されている。コイル２ｂは、図１（ａ）に示すように、移動子３の移動方向Ａに沿った位置によって、移動子３の移動方向Ａと直交する方向における幅が異なるコイルで、巻回された内端及び外端には、それぞれリード線２ｃ，２ｄが接続されている。
【００３５】
移動子３は、フェライト等の絶縁磁性材あるいは金属（鉄）等の導体を含む磁性材からなり、幅がコイル部材２と略同じで、長さが短い板状の部材である。従って、移動子３がコイル部材２に沿って移動した場合、移動子３に対して対向するコイル２ｂの巻回面は、図１（ａ）に示すように、移動子３がコイル２ｂの左端側に移動したときには面積Ｓ１、移動子３がコイル２ｂの中央に移動したときには面積Ｓ２、移動子３がコイル２ｂの右端側に移動したときには面積Ｓ３（Ｓ１＜Ｓ２＜Ｓ３）となる。
【００３６】
このとき、コイル２ｂとの間における移動子３の実効誘導結合面積Ａｅｆｆを、コイル２ｂのコイル巻回面と移動子３とが重なった部分の面積Ｓとターン数ｎとの積（Ａｅｆｆ＝Ｓ×ｎ）と定義する。すると、移動子３が絶縁磁性材、例えば、フェライトの場合には、各移動位置における移動子３の実効誘導結合面積は、Ａｅｆｆ１＜Ａｅｆｆ２＜Ａｅｆｆ３となる。このとき、コイル２ｂのインダクタンスは、前記面積Ｓが同じであれば、実効比透磁率に比例し、実効比透磁率が同じであれば前記面積Ｓに比例する。そして、移動子３がコイル部材２に沿って移動すると、コイル２ｂの幅は移動子３の移動距離に比例して変化し、前記面積Ｓが大きくなる。従って、変位センサ１においては、コイル２ｂのインダクタンスが移動子３の移動距離に比例して変化し、移動距離を絶対値で求めることができる。
【００３７】
一方、移動子３が導電性を有する磁性材、例えば、金属の場合、移動子３の表面には渦電流が誘起され、この渦電流がインダクタンスを抑える。このため、コイル２ｂのインダクタンスは、磁性材の実効比透磁率及び面積に基づく前記インダクタンスと、移動子３の表面に誘起される渦電流によるインダクタンスの減少とのバランスによって決まる。このとき、移動子３が、実効比透磁率の影響よりも導電率の影響が勝る素材の場合、移動子３の実効誘導結合面積は、Ａｅｆｆ１＞Ａｅｆｆ２＞Ａｅｆｆ３となる。但し、移動子３の素材として機械構造用炭素鋼（Ｓ４５Ｃ）を用いた場合、Ｓ４５Ｃは透磁率が約２０００で、導電率が銅よりかなり低い。このため、移動子３は、比透磁率の影響が導電率の影響よりも勝り、信号周波数が１０ｋＨｚの場合、図１（ａ）に示す各移動位置における移動子３の実効誘導結合面積は、Ａｅｆｆ１＜Ａｅｆｆ２＜Ａｅｆｆ３となり、コイル２ｂのインダクタンスもこの傾向に従ったものとなる。実施の形態１の変位センサ１においては、移動子３の素材として機械構造用炭素鋼（Ｓ４５Ｃ）を用いた。
【００３８】
従って、コイル２ｂのインダクタンスは、移動子３の導電率が実効比透磁率よりも大きい影響を有する場合、移動子３の実効誘導結合面積は、移動子３と対向するコイル２ｂの巻回面の面積増加に対して減少する傾向を示す。一方、移動子３の実効比透磁率が導電率よりも大きい影響を有する場合、コイル２ｂのインダクタンスは、移動子３と対向するコイル２ｂの巻回面の面積増加に対して増加する傾向を示す。また、コイル２ｂのインダクタンスは、コイル２ｂに印加される交流電流の周波数が増加するのに伴って、減少する傾向がある。
【００３９】
本発明の変位センサ１において、移動子３の素材としては、上述のフェライトや鉄等の磁性材を用いることができる。しかし、変位センサ１は、素材が安価で、例えば、自動車で使用する場合に、走行に伴う振動等の影響を受け難いことを考慮すると、移動子３の素材として鉄を用いることが好ましい。
【００４０】
上記のように構成される変位センサ１は、図２に示す回路構成を有する位置検出装置１０に組み込んで使用される。位置検出装置１０は、移動子３の移動によるコイル部材２におけるコイル２ｂのインダクタンス変動に基づいて移動子３の移動量を検出するもので、コイル２ｂのインダクタンス変動を、移動子３の移動に伴うコイル２ｂとの間における移動子３の実効誘導結合面積の変化に基づいて検出する。位置検出装置１０は、図３に示すように、発振回路１１、位相シフト部１３、位相シフト検出部１４及び制御部１５を備えている。
【００４１】
発振回路１１は、分周回路１２を介して位相シフト部１３と接続され、例えば、１６ＭＨｚの水晶発信回路を用いて２０ｋＨｚのパルス信号を位相シフト部１３に出力している。
【００４２】
位相シフト部１３は、抵抗１３ａとコンデンサ１３ｂを有している。抵抗１３ａは、コイル部材２のコイル２ｂを介して位相シフト検出部１４と接続され、コンデンサ１３ｂは、コイル２ｂと直列接続されている。位相シフト部１３においては、移動子３の移動によるコイル２ｂのインダクタンス変動に応じ、分周回路１２から出力されたパルス信号の位相がシフトされて、位相シフト検出部１４に出力される。
【００４３】
位相シフト検出部１４は、位相シフト部１３から出力されたパルス信号の位相シフト量を検出し、この信号を交流信号から直流信号に変換して増幅した後、制御部１５に出力する。
【００４４】
制御部１５は、ワンチップマイクロコンピュータ等が使用され、Ａ／Ｄ変換ユニット１５ａとＤ／Ａ変換ユニット１５ｂとを有するワンチップマイクロコンピュータ等が使用されている。Ａ／Ｄ変換ユニット１５ａは、位相シフト検出部１４から入力された位相シフト量に関する直流信号をデジタル信号に変換し、Ｄ／Ａ変換ユニット１５ｂに出力する。Ｄ／Ａ変換ユニット１５ｂは、Ａ／Ｄ変換ユニット１５ａから入力されたデジタル信号を移動子３の移動量に対応したアナログ出力電圧信号に変換する。この結果、位置検出装置１０においては、変位センサ１におけるコイル２ｂのインダクタンス変動が、移動子３の移動量として検出されることになる。
【００４５】
以上のように構成される変位センサ１においては、移動子３は、図１において、コイル部材２左方のコイル２ｂのコイル巻回面と移動子３とが重なる部分の面積ＳがＳ＝０となる位置に設置され、この初期位置からコイル部材２に沿って図１において右方へと移動する。変位センサ１においては、移動子３の左右方向への移動により、移動子３とコイル２ｂのコイル巻回面とが重なる部分の面積Ｓが変動し、移動子３の実効誘導結合面積Ａｅｆｆも変化する。このため、位置検出装置１０においては、変位センサ１における移動子３の移動に伴うコイル２ｂのインダクタンス変動が、移動子３の移動量として高い精度の下に検出される。
【００４６】
このように、変位センサ１は、コイル２ｂと移動子３との間における実効誘導結合面積Ａｅｆｆの変化によるコイル２ｂのインダクタンス変動に基づいて移動子３の変位量を検出する。このため、変位センサ１は、コイル部材を２以上必要とする従来の変位センサに比べて、安価でコンパクトなうえ、低周波数のパルス信号（例えば、２０ｋＨｚ〜２０ＭＨｚ程度）を使用でき、電磁環境適合性に対する対策が簡単になり、信頼性に優れたものとなる。また、変位センサ１は、移動子３の移動に伴うコイル２ｂのインダクタンス変動を移動子３の移動量として検出することから、コイル２ｂの長さに対応した移動量を検出できる。このため、変位センサ１は、ロングレンジに亘って移動子３の移動量を検出することができる。
【００４７】
ここで、コイル２ｂは、移動子３の移動に伴うインダクタンス変動を、コイル２ｂと移動子３との間における実効誘導結合面積Ａｅｆｆの変化に基づいて検出することができれば、例えば、図３に示すように、１つのループ内に複数ターン巻回され、移動子の移動方向Ａと直交する方向における幅が同じで、移動方向に沿った位置によってターン数が段階的に異なるように形成してもよい。このように構成すると、コイル２ｂは、長手方向に沿って幅が変化する図１（ａ）に示すコイル２ｂと異なり、ターン数の相違によって実効誘導結合面積Ａｅｆｆを平均的に変化させることができる。
【００４８】
即ち、図３において、移動子３の長さをＬｍ、コイル２ｂの各枠内に記載した数字をコイル２ｂのターン数、コイル２ｂの各ターンにおける移動子３の移動方向に沿った長さの差分をＬｃ（≦Ｌｍ）、コイル２ｂの幅をＷ、移動子３の移動距離（変位量）をｄ、コイル２ｂの２ターン目に重なっている移動子３の長さをａとする。すると、図３において、コイル２ｂの４ターン目に重なっている移動子３の長さはＬｍ−Ｌｃ−ａ（（ａ）参照）、コイル２ｂの３ターン目に重なっている移動子３の長さはＬｃ＋ａ−ｄ（（ｂ）参照）、コイルの５ターン目に重なっている移動子の長さは−２・Ｌｃ−ａ＋ｄ｛＝Ｌｍ−（Ｌｃ＋ａ−ｄ）−Ｌｃ｝（（ｂ）参照）となる。
【００４９】
従って、図３（ａ）に示す位置においてコイル２ｂの各枠毎に求めた移動子３の実効誘導結合面積の総和Ａｅｆｆ（Ａ）は、次式のようになる。ここで、移動子３の実効誘導結合面積Ａｅｆｆは、コイル２ｂのコイル巻回面と移動子３とが重なった部分の面積Ｓとターン数ｎとの積（Ｓ×ｎ）である。
【００５０】
一方、図３（ｂ）に示す位置における移動子３の実効誘導結合面積Ａｅｆｆ（Ｂ）は、同様にして次式のようになる。
【００５１】
従って、移動に伴う移動子３の実効誘導結合面積の変化量は、次式で表される。この場合、移動子３は、左右方向へ移動することから変化量は絶対値で考える。
【００５２】
ここで、式（１）はコイルのターン数が１ずつ変化する場合であるが、２あるいはそれ以上で変化する場合、式（１）の各項にはターン数に応じた係数が掛けられる。従って、式（１）より、変位センサ１の感度を高めるには、式（１）の変化量を大きくする。即ち、移動子３の長さＬｍ，コイル２ｂの幅Ｗ，移動子３の変位量ｄを大きくし、コイル２ｂの各ターンにおける移動子３の移動方向に沿った長さの差分Ｌｃを小さく設定すると共に、Ｌｍ≧Ｌｃとすればよい。
【００５３】
一方、コイル２ｂにおける移動子３の移動方向に沿った長さの差分Ｌｃが移動子３の長さＬｍよりも大きい場合（Ｌｃ＞Ｌｍ）、移動子３の移動前後における実効誘導結合面積の総和Ａｅｆｆ（Ａ），Ａｅｆｆ（Ｂ）は次のようになる。
【００５４】
従って、移動に伴う移動子３の実効誘導結合面積の変化量は、前記と同様にして次式で表される。
但し、この場合、ｄ＜Ｌｃ−Ｌｍであり、かつ、移動子３が同じターン数のコイル２ｂ内のみを移動するときには、Ａｅｆｆ（Ｂ）−Ａｅｆｆ（Ａ）＝０となり、この範囲内では移動量が検出できない不感帯が生じてしまうという問題がある。
【００５５】
また、Ｌｃ＜Ｌｍ＜２・Ｌｃの場合には、式（１）が成立し、移動子３の移動量を適正に検出することができる。
【００５６】
更に、２・Ｌｃ＜Ｌｍ＜３・Ｌｃの場合には、実効誘導結合面積の総和Ａｅｆｆ（Ａ），Ａｅｆｆ（Ｂ）は以下のようになる。
【００５７】
従って、実効誘導結合面積の変化量は、前記と同様にして次式で表される。
【００５８】
以上求めた式（１）〜（３）より、変位センサ１の感度は移動子３の変位量を表すパラメータｄの係数の大小によっても影響される。上記式（１）〜（３）を比較すると、ｄの係数は式（３）＞（１）＞（２）の関係にある。
【００５９】
従って、以上より、変異センサ１は、Ｌｍ≧Ｌｃであって、かつ、Ｌｍ／Ｌｃが大きい程、大きな感度を有することになる。
【００６０】
ここで、コイル２ｂは、変位センサ１において十分な感度を有し、移動子３の広範囲な移動に伴って移動子３の実効誘導結合面積が平均的に変化すれば、図４（ａ）に示すコイル２ｂのように、１つのループ内に複数ターン巻回され、移動子３の移動方向と直交する方向における幅が同じで、左側から１ターン，２ターン，３ターンのように、移動子３の移動方向に沿った位置によってコイルのターン数が段階的に異なるようにしてもよい。あるいは、図４（ｂ）に示すコイル２ｂのように、１つのループ内に複数ターン巻回され、移動子３の移動方向に沿った位置によって、移動方向と直交する方向における幅が移動方向に向かって狭くなり、左側から１ターン，２ターン，３ターンのように、移動子３の移動方向に沿った位置によってコイル２ｂのターン数が異なるようにしてもよい。
【００６１】
このとき、図４（ａ）に示すコイル２ｂを用いた変位センサ１において、コイル２ｂに印加する交流電流の周波数が２００Ｈｚ，５００Ｈｚ，１ｋＨｚ，２ｋＨｚ，５ｋＨｚ，１０ｋＨｚ，２０ｋＨｚのそれぞれの場合における０〜１９０ｍｍに及ぶ移動子３の移動量（ｍｍ）とインダクタンス（μＨ）との関係を測定したところ、図５に示す結果が得られた。従って、変位センサ１は、電磁環境適合性に必要な対策を簡単化できる２０ｋＨｚ以下の周波数領域において、移動子３の移動量（ｍｍ）を高精度に検出することができる。しかも、変位センサ１は、特許文献１に開示された従来の変位センサのように、発振コイル用のコイル部材と受信コイル用のコイル部材とを必要とせず、コイル部材２のみでよいので、安価でコンパクトに製造することができる。
【００６２】
また、コイル２ｂは、図６に示すように、左から順に２ターン，３ターン，４ターンのように、ターン数が異なるコイルＣ１〜Ｃ３を移動子３の移動方向に沿って複数連結し、両端にコイル端子２ｅ，２ｆを設けてもよい。このとき、複数のコイルは、図７（ａ）に示すように、左から順に６ターン，５ターン，………，１ターンのようにターン数が異なり、移動子３の移動方向に沿って移動子３に対向するコイル巻回面の面積Ｓ１〜Ｓ６を等しく形成したコイルＣ１〜Ｃ６を連結したり、図７（ｂ）に示すように、ターン数が同じで、移動子３に対向するコイル巻回面の面積Ｓ１〜Ｓ６がＳ１＞Ｓ２＞Ｓ３＞Ｓ４＞Ｓ５＞Ｓ６のように異なるコイルＣ１〜Ｃ６を連結したり、図７（ｃ）に示すように、左から順に６ターン，５ターン，………，１ターンのようにターン数が異なり、移動子３に対向するコイル巻回面の面積Ｓ１〜Ｓ６がＳ１＞Ｓ２＞Ｓ３＞Ｓ４＞Ｓ５＞Ｓ６のように異なるコイルＣ１〜Ｃ６を連結したりしてもよい。コイルＣ１〜Ｃ６をこのように連結することによって、コイル２ｂは、移動子３の実効誘導結合面積を高感度の下に変化させることができる。
【００６３】
（実施の形態２）
次に、この発明の変位センサに係る実施の形態２について説明する。図８は、この発明の実施の形態２である変位センサの基本構成であるコイル部材と移動子との配置を示す図である。この発明の実施の形態１である変位センサ１においては、コイル部材２と移動子３との間隔Ｇが変動すると、コイル２ｂのインダクタンスに影響を及ぼす場合が考えられる。このため、実施の形態２に係る変位センサ２０においては、コイル部材２の表裏両面にコイル２ｂを形成すると共に、２つの移動子３をコイル部材２の両面に一定間隔で対向配置させてある。
【００６４】
即ち、変位センサ２０は、コイル部材２と移動子３との相対的な位置ずれが生じたとしても、図８に示すように、コイル部材２と移動子３との間隔（Ｇ１＋Ｇ２）が一定に保持されるように、２つの移動子３が複数箇所でリベットやボルト等の固定手段２１によって固定されている。このため、変位センサ２０は、自動車等で使用することによって振動しても、コイル部材２と２つの移動子３との関係においては、コイル部材２の表面と表面に対向する左側の移動子３との間隔Ｇ１が減少しても、その減少分はコイル部材２の裏面と裏面に対向する右側の移動子３との間隔Ｇ２が増加して補償され、コイル部材２と移動子３との間隔Ｇ１＋Ｇ２が常に一定に保持される。
【００６５】
従って、変位センサ２０は、振動等によってコイル部材２と移動子３との間隔Ｇ１＋Ｇ２が変動しないため、検出されるコイル２ｂのインダクタンス変動に振動等の影響が及ばず、変位センサ１と比べて間隙Ｇ１＋Ｇ２の変動を１／１０以下に抑えることができた。このため、変位センサ２０は、移動子３の変位量をより一層高精度に検出でき、高い信頼性を有したものとなる。
【００６６】
また、変位センサ２０は、各移動子３の外側に鉄，ステンレス（ＳＵＳ４３０等），アルミニウム，真鍮等の導体からなる遮蔽板２２，２３が設けられている。遮蔽板２２，２３は、導体であれば磁性体でも非磁性体の何れであっても良い。ここで、コイル部材２と移動子３との間隔Ｇ１＋Ｇ２を常に一定に保持する手段として上述の固定手段の他に、スペーサを２つの移動子３の間に配置してもよい。このように、変位センサ２０は、遮蔽板２２，２３を設けると、外部から受ける電磁波の影響を遮断することができるので、変位センサ１以上に電磁環境適合性が向上する。
【００６７】
（実施の形態３）
次に、この発明の変位センサを角度センサとした実施の形態３について説明する。図９は、この発明の実施の形態３である変位センサの基本構成であるコイル部材と移動子との配置を示す図である。この発明の実施の形態１である変位センサ１は、コイル部材２に沿った移動子３の移動によるコイル２ｂのインダクタンス変動に基づいて移動子３の直線方向の移動量を検出するリニアセンサであった。これに対し、実施の形態３の変位センサ２５は、コイル部材２６のコイル２６ｂに沿った移動子３の周方向における変位、即ち、移動子３の回転角度を検出する角度センサである。
【００６８】
変位センサ２５は、円形の基板２６ａ上に周方向に沿ってプリント回路からなるコイル２６ｂが形成され、中央に軸孔２６ｃが設けられている。変位センサ２５は、上記のような構成とすることにより、変位センサ１と同様に、安価でコンパクトなうえ、電磁環境適合性に必要な対策を簡単化でき、高い信頼性の下に移動子３の矢印Ａで示す周方向に沿った回転角度を検出することができる。
【００６９】
（実施の形態４）
次に、この発明の変位センサに係る実施の形態４について説明する。図１０は、この発明の実施の形態４である変位センサを遮蔽板の一部を破断して示す斜視図である。図１１は、図１０に示す変位センサの平面図である。この発明の実施の形態１である変位センサ１においては、コイル部材２は、矩形の基板２ａの表面に長手方向に沿ってコイル２ｂを形成したが、実施の形態４の変位センサ３０においては、コイル部材３１は、円筒基板３１ａの外周面上に周方向に沿ってプリント回路からなるコイル３１ｂが形成されている。
【００７０】
変位センサ３０は、コイル部材３１の内周側と外周側に２つの移動子３を配置すると共に、移動子３とコイル部材３１との間に一定の間隔を保持して２つの移動子３をリベットやボルト等の固定手段３２によって固定し、２つの移動子３の内周側と外周側に鉄，ステンレス（ＳＵＳ４３０等），アルミニウム，真鍮等の導体からなる遮蔽板３３，３４を配置したものである。
【００７１】
変位センサ３０は、移動子３の長手方向に沿った変位を検出する変位センサ１と異なり、移動子３の矢印Ａで示す周方向に沿った変位、即ち、移動子３の回転角度の検出に使用される。変位センサ３０は、上述の構成とすることにより、変位センサ１と同様に、安価でコンパクトなうえ、電磁環境適合性に必要な対策を簡単化でき、高い信頼性の下に移動子３の回転角度を検出することができる。
【００７２】
しかも、変位センサ３０は、移動子３とコイル部材３１とを遮蔽板３３，３４で遮蔽したので、周囲からの電磁的ノイズを遮断できる。このため、変位センサ３０は、変位センサ１，２０，２５に比べてＳ／Ｎ比が改善され、一層信頼性が向上する。
【００７３】
また、変位センサ３０は、２つの移動子３を固定手段３２によって固定したので、振動等によってコイル部材３１と移動子３との間隔変動が抑えられ、検出されるコイル３１ｂのインダクタンス変動に振動等の影響が及ばず、移動子３の変位量をより一層高精度に検出でき、高い信頼性を有したものとなる。
【００７４】
尚、上記各実施の形態においては、移動子３の移動や回転に基づく移動量や回転量（回転角度）を検出する場合について説明した。しかし、本発明の思想においては、移動子が停止し、コイル部材側が移動や回転をしても、同様にして移動子３の相対移動量や相対回転量（回転角度）として検出することができる。
【００７５】
また、実施の形態１〜４において、コイル部材２，２６，３１においては、コイル２ｂ，２６ｂ，３１ｂを基板２ａ，２６ａや円筒基板３１ａの表面に形成したが、基板２ａ，２６ａや円筒基板３１ａの内部に形成されていてもよい。
【００７６】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、コイルが巻回形成され、交流電流が印加されるコイル部材と、前記コイル部材との間に所定の間隔を置いて対向配置され、前記コイルに沿って変位する変位子とを備えた変位センサであって、前記コイルと前記変位子との間における実効誘導結合面積の変化による前記コイルのインダクタンス変動に基づいて前記変位子の変位量を検出するので、安価でコンパクトなうえ、電磁環境適合性に必要な対策を簡単化でき、信頼性に優れた変位センサを提供することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１である変位センサの基本構成であるコイル部材と移動子との配置を示す平面図と右側面図である。
【図２】この発明の実施の形態１である変位センサを用いた位置検出装置の回路構成図である。
【図３】この発明の実施の形態１である変位センサで使用するコイル部材に形成するコイルの変形例を示す平面図である。
【図４】コイル部材に形成されるコイルの他の変形例を示す平面図である。
【図５】図４に示すコイルを用いた変位センサにおいて、コイルに印加する交流電流の周波数が異なる場合における移動子の移動量（ｍｍ）とインダクタンス（μＨ）との関係の実測図である。
【図６】コイル部材に形成するコイルの変形例を示し、ターン数が異なるコイルを移動子の移動方向に沿って複数連結したコイルを示す平面図である。
【図７】コイル部材に形成するコイルの他の変形例を示す平面図である。
【図８】この発明の実施の形態２である変位センサの基本構成であるコイル部材と移動子との配置を示す図である。
【図９】この発明の実施の形態３である変位センサの基本構成であるコイル部材と移動子との配置を示す図である。
【図１０】この発明の実施の形態４である変位センサを遮蔽板の一部を破断して示す斜視図である。
【図１１】図１０に示す変位センサの平面図である。
【符号の説明】
１ 変位センサ
２ コイル部材
２ａ 基板
２ｂ コイル
２ｃ，２ｄ リード線
２ｅ，２ｆ コイル端子
３ 移動子
１０ 位置検出装置
１１ 発振回路
１２ 分周回路
１３ 位相シフト部
１３ａ 抵抗
１３ｂ コンデンサ
１４ 位相シフト検出部
１５ 制御部
１５ａ Ａ／Ｄ変換ユニット
１５ｂ Ｄ／Ａ変換ユニット
２０ 変位センサ
２１ 固定手段
２２，２３ 遮蔽板
２５ 変位センサ
２６ コイル部材
２６ａ 基板
２６ｂ コイル
２６ｃ 軸孔
３０ 変位センサ
３１ コイル部材
３１ａ 円筒基板
３１ｂ コイル
３２ 固定手段
３３，３４ 遮蔽板
Ｃ１〜Ｃ６ コイル
Ｇ 間隔
Ｓ１〜Ｓ６ コイル巻回面の面積[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a displacement sensor.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a large number of displacement sensors using the principle of electromagnetic induction have been proposed.They have conductivity, and include a rotor called a coupler disk, and a coil member whose coil pattern changes according to the rotational position of the rotor. The electromagnetic coupling state between the rotor and the coil pattern, which is changed by the rotation of the rotor, is detected by a signal processing unit, and is converted into a rotation position signal of the rotor to detect a displacement that is the rotation position of the rotor. An angular position sensor has been proposed (for example, see Patent Document 1).
[0003]
[Patent Document 1]
JP-A-2001-82915 (page 3-4, FIG. 5)
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above-described angular position sensor, at least one coil member for the oscillation coil and one coil member for the reception coil are required, and there is a problem that the cost is increased and an extra space is required.
[0005]
In addition, the above-described angular position sensor uses the conductivity of the rotor to generate an eddy current in the rotor across the alternating magnetic field generated in the oscillation coil, and a signal induced in the receiving coil by a change in the amount of the current. The principle of detecting the angular position by changing the voltage is adopted. For this reason, the angular position sensor desirably has a high oscillation frequency in the oscillation coil, and uses a signal source of 1 MHz. However, in a test related to electromagnetic environment compatibility (EMC: Electro-magnetic Compatibility), a frequency range of 100 kHz to 500 MHz is usually specified. For this reason, when using signals in the above-mentioned frequency range, it is necessary to take measures against electromagnetic environment compatibility by preventing leakage of electromagnetic waves to the surroundings, and the structure becomes extremely complicated, and costs and space are reduced. There was a problem.
[0006]
Furthermore, in the above-described angular position sensor, the electromagnetic coupling state between the oscillation coil and the reception coil and the impedance of the coil are affected by eddy currents generated in the rotor and conductors present in the surroundings. Such an effect is, specifically, a noise of the sensor, and lowers the S / N ratio to cause a problem in reliability.
[0007]
An object of the present invention is to provide a displacement sensor that is inexpensive, compact, and simplifies the countermeasures required for electromagnetic environment compatibility and that is excellent in reliability in order to solve the above-described problems caused by the conventional technology. .
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described problems and achieve the object, a displacement sensor according to the first aspect of the present invention is configured such that a coil is formed by winding and a predetermined coil member is provided between the coil member to which an alternating current is applied and the coil member. A displacement sensor comprising a displacer that is disposed to face each other at an interval and displaces along the coil, wherein the coil has a variation in inductance of the coil due to a change in an effective inductive coupling area between the coil and the displacer. The displacement amount of the displacement element is detected based on the displacement amount.
[0009]
According to the first aspect of the invention, the variation in inductance of the coil is detected with high accuracy based on the change in the effective inductive coupling area of the displacement element.
[0010]
Here, in the present specification, the effective inductive coupling area (Aeff) of the displacer between the coil and the coil is the area S of the portion where the coil winding surface of the coil overlaps the displacer and the number of coil turns in that portion. n (Aeff = S × n).
[0011]
Further, in the displacement sensor according to the second aspect of the present invention, in the above invention, the coil member is wound one or more turns and has a width in a direction orthogonal to the displacement direction depending on a position along the displacement direction of the displacement element. And a coil having the same number of turns regardless of the position along the displacement direction is formed.
[0012]
In the displacement sensor according to the third aspect of the present invention, in the above invention, the coil member has the same width in a direction orthogonal to the displacement direction of the displacer, It is characterized in that coils having different numbers of turns are formed stepwise.
[0013]
In the displacement sensor according to a fourth aspect of the present invention, in the above invention, the coil member has a width and a turn in a direction orthogonal to the displacement direction of the displacer depending on a position along the displacement direction of the displacer. It is characterized in that coils having different numbers are formed.
[0014]
According to the second to fourth aspects of the present invention, the effective inductive coupling area of the displacement element is suitably changed by forming the coil member in various forms.
[0015]
In the displacement sensor according to a fifth aspect of the present invention, in the above invention, the coil member is configured such that a plurality of coils having different numbers of turns are connected along a displacement direction of the displacement element, and each coil has a coil winding surface. It is characterized by having the same area.
[0016]
In the displacement sensor according to a sixth aspect of the present invention, in the above invention, the coil member is configured such that a plurality of coils having different numbers of turns are connected along a displacement direction of the displacer, and each coil has a coil winding surface. It is characterized in that they are formed so as to have different areas.
[0017]
Further, in the displacement sensor according to the invention of claim 7, in the above invention, the coil member is configured such that a plurality of coils having the same number of turns are connected along a displacement direction of the displacement element, and each coil is formed of a coil winding surface. It is characterized in that they are formed so as to have different areas.
[0018]
According to the fifth to seventh aspects of the present invention, the effective inductive coupling area of the displacement element is suitably changed by forming the coil member having a plurality of coils connected in various forms.
[0019]
In a displacement sensor according to an eighth aspect of the present invention, in the above invention, the coil member is formed such that the coil is formed on a surface of a disk along a circumferential direction.
[0020]
According to the invention of claim 8, the displacement element is rotated along a coil formed on the surface of the disk along the circumferential direction, and the amount of rotation of the displacement element is detected.
[0021]
In a displacement sensor according to a ninth aspect of the present invention, in the above-mentioned invention, the coil member is formed such that the coil is formed on a surface of a cylinder along a circumferential direction.
[0022]
According to the ninth aspect of the present invention, the displacement element is rotated along the coil formed on the surface of the cylinder along the circumferential direction, and the amount of rotation of the displacement element is detected.
[0023]
In a displacement sensor according to a tenth aspect of the present invention, in the above invention, the displacement element is made of a magnetic material.
[0024]
According to the tenth aspect, a magnetic circuit is formed between the coil of the coil member and an eddy current on the surface of the magnetic material in the case of a conductor.
[0025]
The displacement sensor according to the invention of claim 11 is characterized in that, in the above invention, an electromagnetic shielding member made of a conductor is arranged outside the coil member and the displacement element.
[0026]
According to the eleventh aspect of the present invention, by arranging the electromagnetic shielding member, it is possible to cut off the influence of the electromagnetic wave received from the outside and improve the electromagnetic environment compatibility.
[0027]
Further, in the displacement sensor according to the twelfth aspect of the present invention, in the above invention, the coil member has coils formed on both front and back surfaces, and two movers sandwich the coil member, and each of the movers and the coil It is characterized by being fixed by fixing means for keeping the sum of the intervals between the members constant.
[0028]
According to the twelfth aspect, even when the displacement sensor vibrates when used in an automobile or the like, the sum of the intervals between the respective moving elements and the coil member is kept constant.
[0029]
Further, in the displacement sensor according to the thirteenth aspect, in the above invention, when the number of turns between adjacent coils is different, the difference in length along the displacement direction of the displacement element in each turn is represented by Lc, When the length along the displacement direction is Lm, the length Lc is equal to or smaller than the length Lm (Lm ≧ Lc).
[0030]
According to the thirteenth aspect, the sensitivity of the displacement sensor is enhanced.
[0031]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of a displacement sensor according to the present invention will be described with reference to the drawings.
[0032]
(Embodiment 1)
First, a displacement sensor according to a first embodiment of the present invention will be described. FIGS. 1A and 1B show the arrangement of a coil member and a moving element, which are the basic components of a displacement sensor according to Embodiment 1 of the present invention. FIG. 1A is a plan view, and FIG. FIG. FIG. 2 is a circuit configuration diagram of a position detection device using the displacement sensor according to the first embodiment of the present invention.
[0033]
As shown in FIGS. 1 (a) and 1 (b), the displacement sensor 1 has a coil member 2 and a moving element 3 opposed to each other with a predetermined gap G therebetween, and as shown in FIG. 10 and used.
[0034]
The coil member 2 has a coil 2b formed of a printed circuit in which a fine coil pattern is wound a predetermined number of turns along a longitudinal direction on a surface of a substrate 2a formed of a rectangular synthetic resin. As shown in FIG. 1A, the coil 2 b is a coil whose width in a direction orthogonal to the moving direction A of the moving element 3 differs depending on the position along the moving direction A of the moving element 3. Lead wires 2c and 2d are connected to the end and the outer end, respectively.
[0035]
The mover 3 is made of an insulating magnetic material such as ferrite or a magnetic material including a conductor such as metal (iron), and is a plate-like member having a width substantially equal to that of the coil member 2 and a short length. Therefore, when the moving element 3 moves along the coil member 2, the winding surface of the coil 2b facing the moving element 3 is, as shown in FIG. The area S1 when moving to the side, the area S2 when the moving element 3 moves to the center of the coil 2b, and the area S3 when the moving element 3 moves to the right end side of the coil 2b (S1 <S2 <S3).
[0036]
At this time, the effective inductive coupling area Aeff of the mover 3 between the coil 2b and the coil 2b is obtained by multiplying the area S of the portion where the coil winding surface of the coil 2b overlaps the mover 3 by the number n of turns (Aeff = Seff). × n). Then, when the moving element 3 is an insulating magnetic material, for example, a ferrite, the effective inductive coupling area of the moving element 3 at each moving position is Aeff1 <Aeff2 <Aeff3. At this time, the inductance of the coil 2b is proportional to the effective relative magnetic permeability if the area S is the same, and is proportional to the area S if the effective relative magnetic permeability is the same. When the moving element 3 moves along the coil member 2, the width of the coil 2b changes in proportion to the moving distance of the moving element 3, and the area S increases. Therefore, in the displacement sensor 1, the inductance of the coil 2b changes in proportion to the moving distance of the moving element 3, and the moving distance can be obtained as an absolute value.
[0037]
On the other hand, when the moving element 3 is made of a conductive magnetic material, for example, a metal, an eddy current is induced on the surface of the moving element 3, and the eddy current suppresses the inductance. For this reason, the inductance of the coil 2b is determined by the balance between the inductance based on the effective relative permeability and the area of the magnetic material and the decrease in inductance due to the eddy current induced on the surface of the moving element 3. At this time, if the moving element 3 is made of a material whose conductivity is more affected by the effect of the conductivity than the effect of the effective relative magnetic permeability, the effective inductive coupling area of the moving element 3 is Aeff1>Aeff2> Aeff3. However, when carbon steel for machine structure (S45C) is used as the material of the mover 3, S45C has a magnetic permeability of about 2000 and a considerably lower conductivity than copper. For this reason, when the effect of relative permeability exceeds the effect of electric conductivity and the signal frequency is 10 kHz, the effective inductive coupling area of the mover 3 at each movement position shown in FIG. Aeff1 <Aeff2 <Aeff3, and the inductance of the coil 2b follows this tendency. In the displacement sensor 1 according to the first embodiment, carbon steel for machine structure (S45C) is used as the material of the moving element 3.
[0038]
Therefore, when the inductance of the coil 2b has an effect that the conductivity of the mover 3 is larger than the effective relative magnetic permeability, the effective inductive coupling area of the mover 3 becomes larger than the winding surface of the coil 2b facing the mover 3. It shows a tendency to decrease as the area increases. On the other hand, when the effective relative magnetic permeability of the mover 3 has a greater effect than the conductivity, the inductance of the coil 2b tends to increase with an increase in the area of the winding surface of the coil 2b facing the mover 3. . The inductance of the coil 2b tends to decrease as the frequency of the alternating current applied to the coil 2b increases.
[0039]
In the displacement sensor 1 of the present invention, as the material of the moving element 3, the above-described magnetic material such as ferrite or iron can be used. However, considering that the material of the displacement sensor 1 is inexpensive and, for example, when it is used in an automobile, it is hard to be affected by vibrations and the like during traveling, it is preferable to use iron as the material of the moving element 3.
[0040]
The displacement sensor 1 configured as described above is used by being incorporated into a position detection device 10 having a circuit configuration shown in FIG. The position detection device 10 detects the amount of movement of the movable element 3 based on the variation of the inductance of the coil 2 b in the coil member 2 due to the movement of the movable element 3. Detection is performed based on a change in the effective inductive coupling area of the movable element 3 between the movable element 3 and the coil 2b. The position detection device 10 includes an oscillation circuit 11, a phase shift unit 13, a phase shift detection unit 14, and a control unit 15, as shown in FIG.
[0041]
The oscillation circuit 11 is connected to the phase shift unit 13 via the frequency dividing circuit 12, and outputs a 20 kHz pulse signal to the phase shift unit 13 using, for example, a 16 MHz crystal oscillation circuit.
[0042]
The phase shift unit 13 has a resistor 13a and a capacitor 13b. The resistor 13a is connected to the phase shift detector 14 via the coil 2b of the coil member 2, and the capacitor 13b is connected in series with the coil 2b. In the phase shift unit 13, the phase of the pulse signal output from the frequency divider 12 is shifted according to the inductance change of the coil 2 b due to the movement of the movable element 3, and is output to the phase shift detector 14.
[0043]
The phase shift detector 14 detects the amount of phase shift of the pulse signal output from the phase shifter 13, converts the signal from an AC signal to a DC signal, amplifies the signal, and outputs the signal to the controller 15.
[0044]
As the control unit 15, a one-chip microcomputer or the like is used, and a one-chip microcomputer having an A / D conversion unit 15a and a D / A conversion unit 15b is used. The A / D conversion unit 15a converts a DC signal relating to the phase shift amount input from the phase shift detection unit 14 into a digital signal, and outputs the digital signal to the D / A conversion unit 15b. The D / A conversion unit 15b converts the digital signal input from the A / D conversion unit 15a into an analog output voltage signal corresponding to the amount of movement of the mover 3. As a result, in the position detection device 10, a change in the inductance of the coil 2 b in the displacement sensor 1 is detected as the amount of movement of the movable element 3.
[0045]
In the displacement sensor 1 configured as described above, in FIG. 1, the area S of the portion where the coil winding surface of the coil 2b on the left side of the coil member 2 overlaps the movable element 3 in FIG. And moves rightward in FIG. 1 along the coil member 2 from this initial position. In the displacement sensor 1, the area S of the portion where the moving element 3 and the coil winding surface of the coil 2b overlap varies due to the movement of the moving element 3 in the left-right direction, and the effective inductive coupling area Aeff of the moving element 3 also changes. I do. Therefore, in the position detecting device 10, the inductance variation of the coil 2b due to the movement of the moving element 3 in the displacement sensor 1 is detected with high accuracy as the moving amount of the moving element 3.
[0046]
As described above, the displacement sensor 1 detects the displacement of the movable element 3 based on the inductance variation of the coil 2b due to the change of the effective inductive coupling area Aeff between the coil 2b and the movable element 3. For this reason, the displacement sensor 1 is inexpensive and compact compared to a conventional displacement sensor that requires two or more coil members, can use a low-frequency pulse signal (for example, about 20 kHz to 20 MHz), and is compatible with an electromagnetic environment. The measures for reliability are simplified and the reliability is improved. Further, since the displacement sensor 1 detects the change in inductance of the coil 2b accompanying the movement of the movable element 3 as the amount of movement of the movable element 3, it can detect the amount of movement corresponding to the length of the coil 2b. For this reason, the displacement sensor 1 can detect the moving amount of the moving element 3 over a long range.
[0047]
Here, if the coil 2b can detect an inductance change due to the movement of the movable element 3 based on a change in the effective inductive coupling area Aeff between the coil 2b and the movable element 3, for example, as shown in FIG. As described above, a plurality of turns are wound in one loop, the width of the mover in the direction orthogonal to the moving direction A is the same, and the number of turns is stepwise different depending on the position along the moving direction. Good. With this configuration, the coil 2b differs from the coil 2b shown in FIG. 1A in which the width changes along the longitudinal direction, and the effective inductive coupling area Aeff can be changed on average by the difference in the number of turns. .
[0048]
That is, in FIG. 3, the length of the mover 3 is Lm, the number described in each frame of the coil 2b is the number of turns of the coil 2b, and the length along the moving direction of the mover 3 in each turn of the coil 2b. The difference is Lc (≦ Lm), the width of the coil 2b is W, the moving distance (displacement amount) of the moving element 3 is d, and the length of the moving element 3 overlapping the second turn of the coil 2b is a. Then, in FIG. 3, the length of the mover 3 overlapping the fourth turn of the coil 2b is Lm-Lc-a (see (a)), and the length of the mover 3 overlapping the third turn of the coil 2b. The length of the mover overlapping the fifth turn of the coil is −2 · Lc−a + d ｛= Lm− (Lc + ad−Lc) (see (b)). ).
[0049]
Accordingly, the total sum Aeff (A) of the effective inductive coupling area of the moving element 3 obtained for each frame of the coil 2b at the position shown in FIG. Here, the effective inductive coupling area Aeff of the moving element 3 is the product (S × n) of the area S of the portion where the coil winding surface of the coil 2b and the moving element 3 overlap and the number of turns n.
[0050]
On the other hand, the effective inductive coupling area Aeff (B) of the moving element 3 at the position shown in FIG.
[0051]
Therefore, the amount of change in the effective inductive coupling area of the mover 3 due to the movement is represented by the following equation. In this case, since the mover 3 moves in the left-right direction, the change amount is considered as an absolute value.
[0052]
Here, equation (1) is for the case where the number of turns of the coil changes by one, but when it changes by two or more, each term of equation (1) is multiplied by a coefficient corresponding to the number of turns. Therefore, from equation (1), to increase the sensitivity of the displacement sensor 1, the amount of change in equation (1) is increased. That is, the length Lm of the mover 3, the width W of the coil 2b, the displacement d of the mover 3 are increased, and the difference Lc of the length of the coil 2b along the moving direction of the mover 3 at each turn is set to be small. And Lm ≧ Lc.
[0053]
On the other hand, when the difference Lc of the length of the coil 2b along the moving direction of the movable element 3 is larger than the length Lm of the movable element 3 (Lc> Lm), the sum of the effective inductive coupling areas before and after the movable element 3 moves. Aeff (A) and Aeff (B) are as follows.
[0054]
Therefore, the amount of change in the effective inductive coupling area of the moving element 3 due to the movement is expressed by the following equation in the same manner as described above.
However, in this case, when d <Lc−Lm, and the mover 3 moves only in the coil 2b having the same number of turns, Aeff (B) −Aeff (A) = 0, and the movement within this range. There is a problem that a dead zone in which the amount cannot be detected occurs.
[0055]
In the case of Lc <Lm <2 · Lc, Expression (1) holds, and the amount of movement of the movable element 3 can be properly detected.
[0056]
Further, when 2 · Lc <Lm <3 · Lc, the total sums Aeff (A) and Aeff (B) of the effective inductive coupling areas are as follows.
[0057]
Therefore, the amount of change in the effective inductive coupling area is expressed by the following equation in the same manner as described above.
[0058]
From the expressions (1) to (3) obtained above, the sensitivity of the displacement sensor 1 is also affected by the magnitude of the coefficient of the parameter d representing the displacement of the moving element 3. Comparing the above equations (1) to (3), the coefficient of d has the relationship of equation (3)>(1)> (2).
[0059]
Therefore, from the above, the mutation sensor 1 has higher sensitivity as Lm ≧ Lc and Lm / Lc is larger.
[0060]
Here, if the coil 2b has sufficient sensitivity in the displacement sensor 1 and the effective inductive coupling area of the movable element 3 changes on average with the wide movement of the movable element 3, FIG. As shown in the drawing, a coil 2b is wound a plurality of turns in one loop, has the same width in a direction orthogonal to the moving direction of the moving element 3, and has a moving element such as 1 turn, 2 turns, and 3 turns from the left side. The number of turns of the coil may be changed stepwise according to the position along the moving direction of No. 3. Alternatively, as in a coil 2b shown in FIG. 4B, a plurality of turns are wound in one loop, and the width in the direction perpendicular to the moving direction is changed in the moving direction depending on the position of the moving element 3 along the moving direction. The number of turns of the coil 2b may be different depending on the position along the moving direction of the moving element 3, such as 1 turn, 2 turns, and 3 turns from the left side.
[0061]
At this time, in the displacement sensor 1 using the coil 2b shown in FIG. 4A, the frequency of the alternating current applied to the coil 2b is 0 to 200 Hz, 500 Hz, 1 kHz, 2 kHz, 5 kHz, 10 kHz, and 20 kHz. When the relationship between the moving amount (mm) of the moving element 3 over 190 mm and the inductance (μH) was measured, the result shown in FIG. 5 was obtained. Accordingly, the displacement sensor 1 can detect the movement amount (mm) of the movable element 3 with high accuracy in a frequency range of 20 kHz or less, which can simplify measures required for electromagnetic environment compatibility. Moreover, unlike the conventional displacement sensor disclosed in Patent Document 1, the displacement sensor 1 does not require a coil member for an oscillation coil and a coil member for a receiving coil, and only the coil member 2 is required. And can be manufactured compactly.
[0062]
As shown in FIG. 6, the coil 2b connects a plurality of coils C1 to C3 having different numbers of turns along the moving direction of the mover 3, such as 2 turns, 3 turns, and 4 turns in order from the left. The coil terminals 2e and 2f may be provided at both ends. At this time, as shown in FIG. 7A, the plurality of coils have different numbers of turns such as 6 turns, 5 turns,..., 1 turn from the left, and along the moving direction of the mover 3. The coils C1 to C6 having the same area S1 to S6 of the coil winding surface facing the moving element 3 are connected, or the number of turns is the same as shown in FIG. The coils C1 to C6 having different coil winding surface areas S1 to S6 such as S1>S2>S3>S4>S5> S6 are connected, and as shown in FIG. The number of turns is different, for example, 5 turns,..., 1 turn, and the areas S1 to S6 of the coil winding surface facing the mover 3 are different as S1>S2>S3>S4>S5> S6. To C6 may be connected. By connecting the coils C1 to C6 in this way, the coil 2b can change the effective inductive coupling area of the moving element 3 with high sensitivity.
[0063]
(Embodiment 2)
Next, a displacement sensor according to a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 8 is a diagram showing an arrangement of a coil member and a mover, which is a basic configuration of a displacement sensor according to Embodiment 2 of the present invention. In the displacement sensor 1 according to the first embodiment of the present invention, a change in the gap G between the coil member 2 and the moving element 3 may affect the inductance of the coil 2b. For this reason, in the displacement sensor 20 according to the second embodiment, the coils 2b are formed on both the front and back surfaces of the coil member 2 and the two movers 3 are arranged on both surfaces of the coil member 2 at regular intervals.
[0064]
That is, as shown in FIG. 8, the displacement sensor 20 keeps the distance (G1 + G2) between the coil member 2 and the moving element 3 constant even if the relative displacement between the coil member 2 and the moving element 3 occurs. The two moving elements 3 are fixed at a plurality of positions by fixing means 21 such as rivets and bolts so as to be held. For this reason, even if the displacement sensor 20 vibrates when used in an automobile or the like, in the relationship between the coil member 2 and the two movable members 3, the surface of the coil member 2 and the left movable member 3 facing the surface. Even if the gap G1 between the coil member 2 and the movable element 3 is reduced, the reduced amount is compensated by increasing the gap G2 between the back surface of the coil member 2 and the right moving element 3 facing the rear surface. G1 + G2 is always kept constant.
[0065]
Accordingly, the displacement sensor 20 does not change the distance G1 + G2 between the coil member 2 and the moving element 3 due to vibration or the like. The fluctuation of G1 + G2 could be suppressed to 1/10 or less. Therefore, the displacement sensor 20 can detect the displacement amount of the moving element 3 with higher accuracy, and has high reliability.
[0066]
Further, the displacement sensor 20 is provided with shielding plates 22 and 23 made of a conductor such as iron, stainless steel (SUS430 or the like), aluminum, or brass outside each of the moving elements 3. The shielding plates 22 and 23 may be either magnetic or non-magnetic as long as they are conductors. Here, in addition to the above-described fixing means, a spacer may be arranged between the two movers 3 as means for always keeping the distance G1 + G2 between the coil member 2 and the mover 3 constant. As described above, when the displacement sensor 20 is provided with the shielding plates 22 and 23, the influence of the electromagnetic wave received from the outside can be cut off.
[0067]
(Embodiment 3)
Next, a third embodiment in which the displacement sensor of the present invention is an angle sensor will be described. FIG. 9 is a diagram showing an arrangement of a coil member and a mover, which is a basic configuration of a displacement sensor according to Embodiment 3 of the present invention. The displacement sensor 1 according to the first embodiment of the present invention is a linear sensor that detects the amount of movement of the moving element 3 in the linear direction based on the inductance variation of the coil 2b due to the movement of the moving element 3 along the coil member 2. Was. On the other hand, the displacement sensor 25 according to the third embodiment is an angle sensor that detects the displacement of the moving element 3 in the circumferential direction along the coil 26b of the coil member 26, that is, the rotation angle of the moving element 3.
[0068]
In the displacement sensor 25, a coil 26b made of a printed circuit is formed along a circumferential direction on a circular substrate 26a, and a shaft hole 26c is provided in the center. The displacement sensor 25 can be inexpensive and compact as in the case of the displacement sensor 1 as well as the measures necessary for the electromagnetic environment compatibility can be simplified, and the displacement sensor 25 can be highly reliable. A rotation angle along the circumferential direction indicated by the arrow A can be detected.
[0069]
(Embodiment 4)
Next, a displacement sensor according to a fourth embodiment of the present invention will be described. FIG. 10 is a perspective view showing a displacement sensor according to Embodiment 4 of the present invention, with a part of a shielding plate cut away. FIG. 11 is a plan view of the displacement sensor shown in FIG. In the displacement sensor 1 according to the first embodiment of the present invention, the coil member 2 has the coil 2b formed along the longitudinal direction on the surface of the rectangular substrate 2a. However, in the displacement sensor 30 according to the fourth embodiment, In the coil member 31, a coil 31b made of a printed circuit is formed on the outer peripheral surface of the cylindrical substrate 31a along the circumferential direction.
[0070]
The displacement sensor 30 arranges two movers 3 on the inner peripheral side and the outer peripheral side of the coil member 31, and holds the two movers 3 while maintaining a fixed interval between the mover 3 and the coil member 31. Shields 33 and 34 made of a conductor such as iron, stainless steel (SUS430 or the like), aluminum, or brass are arranged on the inner and outer sides of the two movers 3 with fixing means 32 such as rivets and bolts. It is.
[0071]
The displacement sensor 30 is different from the displacement sensor 1 that detects the displacement of the moving element 3 along the longitudinal direction, and is used for detecting the displacement of the moving element 3 along the circumferential direction indicated by the arrow A, that is, the rotation angle of the moving element 3. used. By adopting the above-described configuration, the displacement sensor 30 can be inexpensive and compact, can simplify measures necessary for electromagnetic environment compatibility, and can rotate the movable element 3 with high reliability, similarly to the displacement sensor 1. The angle can be detected.
[0072]
In addition, since the displacement sensor 30 shields the moving element 3 and the coil member 31 with the shielding plates 33 and 34, electromagnetic noise from the surroundings can be cut off. Therefore, the S / N ratio of the displacement sensor 30 is improved as compared with the displacement sensors 1, 20, and 25, and the reliability is further improved.
[0073]
In addition, since the displacement sensor 30 fixes the two moving elements 3 by the fixing means 32, fluctuations in the distance between the coil member 31 and the moving elements 3 due to vibrations and the like are suppressed, and fluctuations in the detected inductance fluctuations of the coil 31b are caused by vibrations and the like. , The displacement of the moving element 3 can be detected with even higher accuracy, and high reliability can be obtained.
[0074]
In each of the above embodiments, a case has been described in which the movement amount and the rotation amount (rotation angle) based on the movement and rotation of the movable element 3 are detected. However, in the concept of the present invention, even when the movable member stops and the coil member moves or rotates, the relative movement amount and the relative rotation amount (rotation angle) of the movable member 3 can be similarly detected. .
[0075]
In the first to fourth embodiments, in the coil members 2, 26 and 31, the coils 2b, 26b and 31b are formed on the surfaces of the substrates 2a and 26a and the cylindrical substrate 31a. May be formed inside.
[0076]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a coil is formed by winding, and a coil member to which an alternating current is applied and the coil member are opposed to each other at a predetermined interval, and are arranged along the coil. A displacement sensor having a displacement element that displaces the displacement element, and detects a displacement amount of the displacement element based on a change in inductance of the coil due to a change in an effective inductive coupling area between the coil and the displacement element. In addition, it is possible to provide a displacement sensor that is inexpensive, compact, and can simplify measures required for electromagnetic environment compatibility, and can provide a highly reliable displacement sensor.
[Brief description of the drawings]
FIGS. 1A and 1B are a plan view and a right side view showing an arrangement of a coil member and a moving element, which are basic structures of a displacement sensor according to Embodiment 1 of the present invention.
FIG. 2 is a circuit configuration diagram of a position detection device using the displacement sensor according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a plan view showing a modification of a coil formed on a coil member used in the displacement sensor according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a plan view showing another modification of the coil formed on the coil member.
5 is an actual measurement diagram of a relationship between a moving amount (mm) of a moving element and an inductance (μH) when a frequency of an alternating current applied to the coil is different in the displacement sensor using the coil shown in FIG. 4;
FIG. 6 is a plan view showing a modification of the coil formed on the coil member, and showing a coil in which a plurality of coils having different numbers of turns are connected along the moving direction of the moving element.
FIG. 7 is a plan view showing another modification of the coil formed on the coil member.
FIG. 8 is a diagram showing an arrangement of a coil member and a mover, which is a basic configuration of a displacement sensor according to Embodiment 2 of the present invention.
FIG. 9 is a diagram showing an arrangement of a coil member and a moving element, which is a basic configuration of a displacement sensor according to Embodiment 3 of the present invention.
FIG. 10 is a perspective view showing a displacement sensor according to a fourth embodiment of the present invention, with a part of a shielding plate cut away.
11 is a plan view of the displacement sensor shown in FIG.
[Explanation of symbols]
1 Displacement sensor
2 Coil member
2a substrate
2b coil
2c, 2d Lead wire
2e, 2f coil terminal
3 mover
10 Position detection device
11 Oscillation circuit
12 divider circuit
13 Phase shift unit
13a resistance
13b capacitor
14 Phase shift detector
15 Control unit
15a A / D conversion unit
15b D / A conversion unit
20 Displacement sensor
21 Fixing means
22,23 shielding plate
25 Displacement sensor
26 Coil member
26a substrate
26b coil
26c shaft hole
30 Displacement sensor
31 coil member
31a cylindrical substrate
31b coil
32 fixing means
33,34 shielding plate
C1-C6 coil
G interval
S1 to S6 Area of coil winding surface
