JP2004294412A - 多相励磁位相差検知方式を用いた位置変位センサ - Google Patents

Abstract

【課題】性能に影響を与えずに、廉価で構造簡単かつスペース効率に優れた位置変位センサを提供する。
【解決手段】複数ｎ個のインピーダンス素子（Ｌ１〜Ｌｎ）及びこれら各素子に対し相対的に変位可能に非接触的に配置される磁気応答部材を含み、磁気応答部材の上記各素子に対する相対的位置に応じた検出信号を上記各素子から得ることより被検体の位置変位を検出する位置変位センサであって、各素子の第１端にそれぞれ位相のずれた交流電圧（Ｖ１〜Ｖｎ）を印加し得る、一端が接地された交流電源の他端を接続し、又第２端を全て一括接続し、各素子がそれらと磁気応答部材との相対的位置の変化に伴ってインピーダンス変化を生ずることにより、一括接続に係る点ｃｗから、位置変位を位相差として含む合成対地電位が取り出される様にし、これを用いて磁気応答部材の位置変位を検出するものとする。
【選択図】 図８

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被検体の動きに応じた位置変位を検出するための位置変位センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】特開平９−３１１０３８号公報
【特許文献２】特開平１０−１７６９２５号公報
【特許文献３】特開平１０−１７６９２６号公報
【特許文献４】実用新案登録第３０３６２８５号公報
【０００３】
近年、コイル等のインピーダンス素子と磁気応答部材との相対的位置に応じた検出信号を各インピーダンス素子から得ることにより被検体の位置変位を検出する位置変位センサ（例えば、［特許文献１］〜［特許文献４］参照）が開発され、この基本検出原理の応用範囲が広いことから、種々多様な用途への展開が試みられている。
【０００４】
上記の位置変位センサは、インピーダンス素子と磁気応答部材との相対的位置に応じて交流信号中に現れる電気位相差より、位置変位を検出するものである。その基本検出原理の大略は次の通りである。
まず、この位置変位センサは、その駆動原理から２つに大別される。以下ではこれらをそれぞれ、誘導型、インピーダンス型と称する。いずれの型においても複数のインピーダンス素子が直線状に配列された直線変位検出方式と、円周方向に配列された回転角度検出方式とがあり、誘導型においては、トランスの二次コイルがインピーダンス素子となってこれらの配列が形成される（例えば、［特許文献１］〜［特許文献４］参照）。
【０００５】
そこで本発明の対象である、インピーダンス素子と磁気応答部材との相対的位置に応じて交流信号中に現れる電気位相差より位置変位を検出する、上記の位置変位センサを容易に理解出来る様、その誘導型位置変位センサについて、まず直線方式の動作原理を図１を用いて説明する。図１の（ａ）はその外観斜視図、（ｂ）はインピーダンス素子（Ｌ１〜Ｌ４）と磁性体配列棒（３）の様子を示す図である。図１において、１はソレノイド型一次コイル、２はその内側に同軸配置された二次コイル列であり、ここでは同一規格の４個のコイルＬ１〜Ｌ４が等間隔で配列されている。この二次コイル列はインピーダンス素子として機能するものである。このコイル配列に対しては、各コイル中心軸と同軸、かつ、軸方向に移動自在の関係で、被検体と物理的に結合された磁性体配列棒３が挿入される。磁性体配列棒３には、その直線変位方向に沿って所定のピッチで複数の円筒状強磁性体（磁気応答部材）４が繰り返し設けられている。図１に示す例では、強磁性体４は、コイル配列間隔（隣接コイル中心間距離）の４倍を１ピッチとして繰返し設けられている。磁性体配列棒３の棒軸は顕著な磁性を示さない金属又はプラスチック物質からなる。隣接する強磁性体４同士の間には、空隙９が存在する。
【０００６】
各二次コイルＬ１〜Ｌ４には、図の如く正弦波電圧ＡＳｉｎωｔが印加された一次コイル１からの相互誘導作用により正弦波電圧が誘起される。ところが、上記磁性体配列棒３と各二次コイルＬ１〜Ｌ４との相対的位置の変化により、一次コイルと各二次コイル間の磁気結合の変化及びそれに伴うインダクタンス変化が生ずることによって、各二次コイルには、上記磁性体配列棒３の直線位置に応じて振幅変調された誘導出力交流信号が、これら各二次コイルの配置のずれに応じて異なる振幅特性で誘起される。図１における磁性体配列棒３の軸方向位置（Ｌ１，Ｌ３の位置：実質上、それぞれのコイルの軸方向中央部分が強磁性体４と空隙９との境界部分に対応する位置， Ｌ２，Ｌ４の位置：実質上、Ｌ２が強磁性体４の軸方向中央部分に対応し、Ｌ４が反磁性体９の軸方向中央部分に対応する位置）をｘ＝０とし、且つ同棒の、図の右方への移動を正方向とすれば、Ｌ１−Ｌ３差動出力は、誘起される正弦波Ｓｉｎωｔに、変動する係数すなわち位置変位に対応した振幅関数ａＳｉｎｘを掛けた値
ａＳｉｎｘＳｉｎωｔ
となり、Ｌ２−Ｌ４差動出力は、誘起される正弦波Ｓｉｎωｔに、変動する係数すなわち位置変位に対応した振幅関数ａＣｏｓｘを掛けた値
ａＣｏｓｘＳｉｎωｔ
となる。ここで、振幅関数ａＳｉｎｘ，ａＣｏｓｘは、磁性体配列棒３上における強磁性体４の繰返し単位（＝１ピッチ変位）を１サイクルとしてそれぞれ変化する。すなわち、上記振幅関数は、１ピッチを２π［ｒａｄ］として処理し得るものであって、電気位相差３６０度分に対する機械的変位量が１ピッチに相当する。
【０００７】
次に、回転方式の動作原理に付き、図２を用いて説明する。図２に於て二次コイル２’を構成する各コイルＬ１〜Ｌ４は、一次コイル１’の中心軸と平行な中心軸を有しており、一次コイル１’に内接する形で環状・等間隔に配列される。各二次コイルＬ１〜Ｌ４は、それぞれの中心軸と同軸に配置された極鉄心５を有している。これら極鉄心の端面はいずれも、実質的に同一の軸横断面上に揃えられている。又、一次コイルの中心軸（＝二次コイル配列の中心軸）と同軸に配置されたシャフトスリーブには、二次コイルの極鉄心５を回転位置に応じて覆うための磁性体偏心板６が支持されている。磁性体偏心板６は、被検体の動きに応じて回転可能な様、被検体と物理的に結合されたものである。磁性体偏心板６は、上記一次コイルの中心軸を回転軸として回転し、それに応じて、実質的に回転軸から最も離れた磁性体偏心板６の一部分１０が、順次各二次コイルＬ１〜Ｌ４の極鉄心５上を通過して行く様になっている。
【０００８】
各二次コイルＬ１〜Ｌ４には、一次コイル１’との相互誘導により、一次側に印加された正弦波電圧ＡＳｉｎωｔに基づく正弦波電圧が誘起されるが、前述した磁性体偏心板６の回転位置に応じた一次コイルと各二次コイル間の磁気結合の変化及びそれに伴うインダクタンス変化が生ずることによって、各二次コイルには、磁性体偏心板６の回転角度変位に応じて振幅変調された誘導出力交流信号が、これら各二次コイルの配置のずれに応じて異なる振幅特性で誘起される。これら各二次コイルに誘起されたコイル端間電圧は、配置関係が１８０度（逆位相）であるＬ１−Ｌ３の組，及びＬ２−Ｌ４の組において差動的に取出せば、倍化して検出できるということが明らかである。
【０００９】
磁性体偏心板６が図２（ｂ）に示される角度位置にあるとき（＝実質的に回転軸から最も離れた磁性体偏心板６の一部分１０が、中心軸Ｐから見て水平方向右側にあるとき）における１２時方向の角度位置（＝Ｌ１に対応する位置）をθ＝０と定め、かつ、この偏心板６の、図の時計回りの回転を正方向とすれば、二次コイルＬ１−Ｌ３差動出力は、誘起される正弦波Ｓｉｎωｔに、係数すなわち角度変位に対応した振幅関数ａＳｉｎθを掛けた値、即ち、
ａＳｉｎθＳｉｎωｔ
となる。一方、Ｌ２−Ｌ４差動出力は、誘起される正弦波Ｓｉｎωｔに、係数すなわち角度変位に対応した振幅関数ａＣｏｓθを掛けた値、即ち、
ａＣｏｓθＳｉｎωｔ
となる。ここで、振幅関数ａＳｉｎθ，ａＣｏｓθは、磁性体偏心板６の１回転を１サイクルとしてそれぞれ変化する。したがって、上記振幅関数は、θの３６０度変位を１ピッチとして、直線方式の場合と同様に処理し得るものである。
【００１０】
これらの関係を、直線及び回転角度変位について一括し、回路的に示したものが図３の結線図である。
【００１１】
また、同様の関係はＬ１〜Ｌ４を実質上自己インダクタンスのみからなるインピーダンス素子として，これらに正弦波電圧ＡＳｉｎωｔを直接加えた場合にも成立する（以下、インピーダンス型と称する）。このことを示したのが図４の回路図である。尚本発明は、直接にはインピーダンス型において、インピーダンス素子と磁気応答部材との相対的位置に応じて出力交流信号中に現れる電気位相差より、位置変位を検出する新規のセンサ構造に関するものである。
【００１２】
そこで、インピーダンス型においても上記と同様にして得られるインピーダンス素子（コイルＬ１〜Ｌ４）の各端子電圧を、正弦係数の式をＸ、余弦係数の式をＹとすれば、直線変位の場合、回転角度変位の場合ともに、次の様に表すことができる。
Ｘ＝ａＳｉｎ（θ，ｘ）・Ｓｉｎωｔ・・・・・・・式１
Ｙ＝ａＣｏｓ（θ，ｘ）・Ｓｉｎωｔ・・・・・・・式２
【００１３】
これらの式から、実際の被検体の回転角度変位θ（直線変位ｘについても同様であるため、以下θで説明する）を求める演算回路としては、まず式１及び式２にそれぞれ、０から順次増加するデジタル位相値φの余弦関数Ｃｏｓφ、及び正弦関数Ｓｉｎφを乗じていき、
Ｓｉｎφ・Ｃｏｓθ−Ｃｏｓφ・Ｓｉｎθ＝０・・・式３
の時点において、θ＝φとしてθを特定する、公知のＲ−Ｄ変換方式が挙げられる（特許文献１〜３参照）。尚、この方式ではφを追従カウントするときのクロック遅れが生じ、応答性の面で改良の余地がある。
【００１４】
また、以下の様な方式も従来知られたものである。すなわち、式１におけるＳｉｎωｔを回路上でＣｏｓωｔに変換してａＳｉｎ（θ，ｘ）・Ｃｏｓωｔ（式４）を得たのち、三角関数の加法定理を適用することによって、位置変位を位相差として含む正弦波信号ａＳｉｎ（ωｔ±θ，ｘ）を得、これより被検体の位置変位（θ，ｘ）を求める方式である。下式５に、その様子を示す。以下、この方式を位相差変換方式と称する。
ａＳｉｎ（θ，ｘ）・Ｃｏｓωｔ±ａＣｏｓ（θ，ｘ）・Ｓｉｎωｔ＝ａＳｉｎ（ωｔ±θ，ｘ） ・・・・・・・式５
【００１５】
この位相差変換方式に関し、図５に、動作波形及び解析手順を示す。同図（ａ）は印加電圧ＡＳｉｎωｔと、振幅変調された式１、式２の各右辺の信号の波形図、（ｂ）はＡＳｉｎωｔのグラフと特定の位相差（θ，ｘ）を含む図５（ｃ）右辺の正弦波、この場合はａＳｉｎ（ωｔ−θ，ｘ）のグラフとの時間関係を示す波形図である。図５（ｃ）は、図５（ｂ）に表された波形図を導き出す根拠となる数式的推移（式４、式５）を示すものである。又図６に、図５（ｃ）の操作を回路上で具体的に実現する演算回路のブロック図を示す。式１、式２で表わされる信号Ｘ、Ｙはそれぞれ、位相検出部８０に入力される前に、増幅（増幅度ｂ／ａ）並びに位相シフト及び加算の各処理が施される。尚図５（ｂ）において、進み位相波ａＳｉｎ（ωｔ＋θ，ｘ）の場合、そのグラフは破線で示した遅れ位相波ａＳｉｎ（ωｔ−θ，ｘ）のグラフと対称的に、実線で示したＡＳｉｎωｔのグラフよりも（θ，ｘ）だけ時間的に先行した正弦波となる。
【００１６】
図５（ｂ）のグラフから明らかなとおり、θ又はｘを求めるにはＡＳｉｎωｔグラフのゼロクロス点から、ａＳｉｎ（ωｔ−θ，ｘ）又はａＳｉｎ（ωｔ＋θ，ｘ）グラフのゼロクロス点までの時間をカウントすれば良い。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記した通り、各インピーダンス素子から得られた、インピーダンス素子と磁気応答部材との相対的位置に応じた検出信号を用いて、実際に被検体の位置変位（回転角度変位θ，直線変位ｘ等）を求めるに当たっては、従来、位相シフト回路や加算又は減算回路等のアナログ演算回路を多数必要としており（図６のｃｃに当たる部分，［特許文献１］〜［特許文献３］参照）、これらの実装スペースが必要不可欠となる上、高コスト化にも繋がっていた。又多数の演算回路を経る程、演算結果の出力遅延の可能性が大きくなり、それはセンサの応答性にも関わって来る。
【００１８】
従って本発明は、性能に影響を与えることなく、廉価で構造簡単、しかもスペース効率に優れた位置変位センサを提供することを課題とする。
又、本発明は、より応答性に優れた位置変位センサを提供することを課題とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記課題を解決すべく種々検討を行った結果、従来一相のみで行っていた（［特許文献１］〜［特許文献４］参照）各インピーダンス素子への正弦波電圧の印加（＝コイルの励磁）に代えて、個々のインピーダンス素子の第１端に独自に、それぞれ位相を変えた励磁信号を印加（多相励磁）し得る、一端が接地電位となる交流電源の他端を接続し、各インピーダンス素子の第２端を一括接続し、各インピーダンス素子がそれらと磁気応答部材との相対的位置の変化に伴ってインピーダンス変化を生ずることによって、一括接続されたインピーダンス素子の第２端において位置変位を位相差として含む出力交流信号（合成対地電位）が取り出される様構成すれば、上記した位相シフト回路や加算又は減算回路等のアナログ演算回路を省略出来ることを見出し、本発明を完成した。
上記課題を解決するため、本発明は複数ｎ個のインピーダンス素子及びこれら各素子に対して相対的に変位可能に非接触的に配置される磁気応答部材を含み、前記磁気応答部材の前記各素子に対する相対的位置に応じた検出信号を前記各素子から得ることにより被検体の位置変位を検出する位置変位センサであって、前記各素子の第１端にそれぞれ位相のずれた交流電圧を印加し得る、一端が接地電位となる交流電源の他端を接続し、前記各素子の第２端をそれぞれ一括接続し、前記各素子がそれらと前記磁気応答部材との相対的位置の変化に伴ってインピーダンス変化を生ずることにより、前記一括接続された前記第２端から、前記位置変位を位相差として含む合成対地電位が取り出される様にし、これを用いて前記磁気応答部材の位置変位を検出することを特徴とする。
又本発明は、上記交流電圧に換え、パルス状の矩形波からなる信号電圧を印加することを特徴とする。
【００２０】
本発明において、磁気応答部材は、被検体の動きに応じて軸回転する様になっており、上記各素子は、磁気応答部材の軸回転方向に沿って、磁気応答部材の周りに環状に実質的に等間隔を置いて配置されていても良い。
また、磁気応答部材が、被検体の動きに応じて直線変位する様になっており、かつ、その直線変位方向に沿って所定のピッチで複数繰り返して設けてなっており、さらに、上記各素子が、磁気応答部材の直線変位方向に沿って一直線上に実質的に等間隔を置いて配置されており、かつ、上記各素子が上記１ピッチの範囲内に配置されていても良い。
上記各素子の第１端にそれぞれ印加される交流電圧は、順次２π／ｎ（但しｎは素子数）ずつ位相のずれたものであることが好ましい。
【００２１】
本発明の構成によれば、電気的に一括接続されたインピーダンス素子の第２端から取り出された合成信号（合成対地電位）は、位置変位を位相差として含んだかたちで得られるので、従来、各インピーダンス素子から得られた検出信号から、実際に被検体の位置変位を求める際に必要とされていたアナログ演算回路（図６に於てｃｃとして表わされた位相シフト回路や加算又は減算回路等）を省略することが出来る。
そのため本発明によれば、上記第２端より得られる合成対地電位から、特別の回路を要することなくダイレクトに位相差検出できるので、回路構成の簡素化、センサの小型化、及びコストの抑制を図ることができる。このとき、センサの検出性能に影響を与えることもない。
【００２２】
又本発明は、各インピーダンス素子に加える信号（＝励磁信号）を例えば正弦波交流電圧からなるアナログ信号ではなく、いわゆるパルス状の矩形波からなるディジタル信号としても良い。このような構成とすれば煩雑なアナログ回路素子の精度管理が不要となる。又このような構成としても、アナログ正弦波交流信号を各インピーダンス素子に入力した場合と変わらぬ性能を得ることが出来る。
以下、本発明をより詳細に説明する。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を、図７及び図８に基づき説明する。
まず、図７に基づき本発明を直線変位検出センサ及び回転角度検出センサに適用した場合の大まかな構成例を示した後、実際に各インピーダンス素子から得られる信号を用いて直線及び回転角度変位を検出するための電気的接続関係及びその動作を図８に基づき説明する。
【００２４】
［構成］
まず、本発明を適用して直線変位検出センサを構成した一実施形態につき、図７（ａ）に基づき説明する。図７（ａ）において、８は検出ヘッドであり、ここでは同一規格のｎ個のインピーダンス素子（コイルＬ１〜Ｌｎ）が、同一の中心軸上に等間隔で一列に配置されている。図１に示した誘導型の場合と異なり、本実施形態に於て説明する位置変位センサはインピーダンス型であるので一次コイルは不要である。このコイル配列に対しては、各コイル中心軸と同軸、かつ、軸方向に移動自在の関係で、被検体と物理的に結合された磁性体配列棒３が挿入される。磁性体配列棒３上には、その直線変位方向に沿って、強磁性体４が所定のピッチで複数繰り返して設けられる。本実施形態では、上記１ピッチの間隔は各コイル配列間隔（隣接コイル中心間距離）のｎ倍とされる。即ち、各インピーダンス素子は上記１ピッチの範囲内に配置される様構成される。磁性体配列棒３の棒軸は顕著な磁性を示さない金属又はプラスチック物質からなる。尚、上記した従来例の説明同様、図７（ａ）における磁性体配列棒３の軸方向位置（実質上、Ｌ１の軸方向中央部分が強磁性体４と空隙９との境界部分に対応する位置にあるとき）をｘ＝０とし、且つ同棒の、図の右方への移動を正方向とする。
各インピーダンス素子には、それぞれ位相の異なる電圧を印加し得る信号電圧源が接続される。
【００２５】
次に、本発明を適用して回転角度検出センサを構成した一実施形態につき、図７（ｂ）に基づき説明する。基本的な構成は、従来例として示した図２（ａ）に示すものと同様であるが、本実施形態の位置変位センサはインピーダンス型であるので一次コイル１’は不要である。又インピーダンス素子は複数ｎ個からなり、これらより検出ヘッド８は構成される。尚、上記した従来例の説明同様、磁性体偏心板６が図示される角度位置にあるとき（＝実質的に回転軸から最も離れた磁性体偏心板６の一部分１０が、中心軸Ｐから見て水平方向右側にあるとき）における１２時方向の角度位置（＝Ｌ１に対応する位置）をθ＝０と定め、かつ、この偏心板６の、図の時計回りの回転を正方向とする。
各インピーダンス素子には、それぞれ位相の異なる電圧を印加し得る信号電圧源が接続される。
【００２６】
図８は、上記直線変位又は回転角度センサに於て実際に各インピーダンス素子から得られる信号を用いて、直線変位や回転角度を演算して外部に出力するための電気的接続関係を示す結線図である。
図８に示す通り、本実施形態のセンサはＬ１〜Ｌｎのｎ個のインピーダンス素子からなる。各素子の第１端（１ａ〜ｎａ）は励磁電圧の入力端であり、それぞれ位相のずれた交流電圧を印加し得る信号電圧源の他端が接続されている。尚各信号電圧源の一端側は全て接地電位とされている。また各素子の第２端（１ｂ〜ｎｂ）はそれぞれ一括接続され、後述する合成対地電位の出力端とされる。
ｉ） ここで、各信号電圧源から上記各素子第１端へは、次式で示されるＳｉｎ波、或いは同等の周期及び位相関係をもつパルス状の矩形波からなり、順次２π／ｎ（但し、ｎは素子数）ずつ位相のずれた信号電圧が印加される。
【００２７】
【数１】

【００２８】
ｉｉ） 一方、各インピーダンス素子と磁性体配列棒３又は磁性体偏心板６との相対的位置の変化に応じて、各インピーダンス素子の自己インダクタンス即ち各インピーダンス素子のインピーダンスは変化する。このときの、磁性体配列棒３又は磁性体偏心板６の変位による検出ヘッド８中のコイルＬｉのインピーダンス変化は、各相が上式６に従った形で励磁される結果、次式で表わされるものとなる。
【００２９】
【数２】

【００３０】
これらの相互作用により、各インピーダンス素子の第２端側が一括接続された点ｃｗからは、位置変位に相当する位相差を含む出力交流信号Ｖ_ｃｗ＝ａＣｏｓ（ωｔ−θ）を取り出すことが出来る。
この出力交流信号（＝合成対地電位）Ｖ_ｃｗは、不平衡状態における多相交流の中性点電圧が、重ねの理により各相の出力の合成信号として求められるのと同じ考え方を適用することにより、次式を用いて導き出されるものである。
【００３１】
【数３】

【００３２】
尚、上式の変形の様子は以下の通りである。すなわち、上式８の右辺を展開し、これに三角関数積和の公式を適用してさらに展開を進めて行けば、下式９が得られるところ、その右辺第１項（▲１▼）、および第２項の後の項（▲３▼）は演算結果が零となるので、最終的には第２項の前の項（▲２▼）のみが残って、式８に表わした結果が得られる（式１０）。
【００３３】
【数４】

【００３４】
式９の右辺第１項（▲１▼）、および第２項の後の項（▲３▼）の演算結果が零となるのは、例えば、前者（▲１▼）に現れるＥＬΣＳｉｎ｛（ｉ−１）×（３６０／ｎ）｝に対し下式１１の例を適用することによって導かれるものである。尚、式９の右辺第１項（▲１▼）中にはωｔが入るが、上記関係は同様に成立する。後者（▲３▼）も同様の例による。
【００３５】
【数５】

【００３６】
このように、本発明によれば、複数ｎ個のインピーダンス素子を用い、これら各素子に、それぞれ位相の異なる信号電圧を印加（多相励磁）することで、被検体に物理的に結合された磁性体配列棒３又は磁性体偏心板６の位置変位に応じた位相差成分を含む合成対地電位を、簡素な構成により求めることが出来る。本実施形態においては、各センサはｎ＝３個以上のインピーダンス素子より構成される。
【００３７】
各素子の第２端が一括接続された点ｃｗに於て得られた合成対地電位ａＣｏｓ（ωｔ−θ）は、そのまま増幅及び位相検出回路６０に入力され、増幅部９０に於て増幅処理（増幅度ｂ／ａ）される。その後、位相検出部８０に於て例えばインピーダンス素子Ｌ１に入力した交流信号ＥＳｉｎωｔグラフのゼロクロス点から、ａＣｏｓ（ωｔ−θ）グラフのゼロクロス点までの時間をカウントすることで、これらの位相差（θ）が検出される。得られた位相差は位置変位に相当するものであり、これにより角度変位θ又は直線変位ｘの検出が実現される。
【００３８】
【実施例】
以下、本発明の位置変位センサの一実施例につき説明する。
まずはじめに、従来例と同様、４個のインピーダンス素子で本発明の位置変位センサを構成した場合について説明する。そののち、インピーダンス素子数ｎ＝３個又は５個とし、奇数相励磁により本発明の位置変位センサを構成した場合について説明する。
尚、これから述べる各実施例は、以下に説明する構成を直線変位検出センサ及び回転変位検出センサに適用した例に関するものである。上記従来例及び実施形態と同様、直線変位検出センサの場合、各図中における磁性体配列棒３の軸方向位置（実質上、Ｌ１の軸方向中央部分が強磁性体４と空隙９との境界部分に対応する位置にあるとき）をｘ＝０とし、且つ同棒の、図の右方への移動を正方向とする。又回転変位検出センサの場合、磁性体偏心板６が図示される角度位置にあるとき（＝実質的に回転軸から最も離れた磁性体偏心板６の一部分１０が、中心軸Ｐから見て水平方向右側にあるとき）における１２時方向の角度位置（＝Ｌ１に対応する位置）をθ＝０と定め、かつ、この偏心板６の、図の時計回りの回転を正方向とする。
【００３９】
［実施例１］ ｎ＝４の場合
（実施例１−１） 正弦波交流信号で各相励磁を行った場合
図９は、本発明の位置変位センサの一実施例を表わすブロック図である。インピーダンス素子は、Ｌ１〜Ｌ４のｎ＝４極のコイルからなる。直線変位検出センサ又は回転角度検出センサを構成する際の各コイルの配置は、図１又は図２に示すのと同様である。但し、本実施例の位置変位センサはインピーダンス型であるので、一次コイル（１，１’）は不要である。これらの第１端（１ａ〜４ａ）にはそれぞれ、ωｔ＝９０°（＝π／２）づつずれた正弦波交流信号（励磁信号）を入力し得る信号電圧源の他端が接続される。各信号電圧源の一端側は全て接地電位とされる。一方、各コイルの第２端（１ｂ〜４ｂ）はそれぞれ一括接続され、相互に電気的に接続される。さらに、一括接続した点ｃｗから信号が取り出されて増幅及び位相検出回路６０に入力される。そうすると、被検体の動きに対応して、各コイルＬ１〜Ｌ４対磁性体偏心板６或いは磁性体配列棒３の位置関係で各コイルにおける自己インダクタンスに差が生じるため、コイルＬ１〜Ｌ４の第２端を一括接続した点ｃｗの電位Ｖ_ｃｗは、不平衡状態における多相交流の中性点電圧と同様の考え方により、重ねの理を適用して各相の出力の合成信号を考えれば、式８で表わされる合成対地電位
Ｖ_ｃｗ＝ａＣｏｓ（ωｔ−θ）
が得られる。ここで、Ｖ_ｃｗにおけるａ＝２×Ｅ×αで、αは定数である。得られた信号ａＣｏｓ（ωｔ−θ）は、そのまま増幅及び位相検知回路６０に入力され、位相検知処理に用いられる。
【００４０】
（実施例１−２） パルス状のディジタル信号で各相励磁を行った場合
上の例と異なり、この実施例では各インピーダンス素子に印加する励磁信号をパルス状の矩形波電圧信号（ディジタル信号）に変えて位相差検出を行う。尚、基本検出原理は上の例と同様である。
図１０は、この実施例に係る位置変位センサのブロック図である。各インピーダンス素子Ｌ１〜Ｌ４の第１端（１ａ〜４ａ）にはそれぞれ、ωｔ＝９０°（π／２）づつずれたパルス状の矩形波信号（励磁信号）を入力し得る信号電圧源の他端が接続される。各信号電圧源の一端側は全て接地電位とされる。一方、各コイルの第２端（１ｂ〜４ｂ）は、それぞれ一括接続を行うことにより電気的に１つに結合され、その後ＤＣカット＆フィルタ７０に入力される。ここで、フィルタ７０により矩形波１周期の周波数成分のみが抽出される。これは、前述した（実施例１−１）の信号ａＣｏｓ（ωｔ−θ）の１周期を取り出すことに相当する。本実施例の場合、一括接続した点ｃｗで得られる信号はまだａＣｏｓ（ωｔ−θ）ではなく、そのため、点ｃｗで得られる信号を増幅及び位相検出回路６０に入力するより先にＤＣカット＆フィルタ回路７０に通し、フィルタにより矩形波１周期の周波数成分のみを抽出する。ＤＣカット＆フィルタ回路７０を経て得られる信号はａＣｏｓ（ωｔ−θ）となり、これを（実施例１−１）と同様に増幅及び位相検出回路６０に入力して位相検出処理を行う。
【００４１】
このように、（実施例１−２）によれば、各インピーダンス素子に対する励磁信号はアナログ信号でなく簡易なディジタル信号で済むため、複雑なアナログ信号回路をさらに削減することができる。この実施例の場合、アナログ信号処理回路はＤＣカット＆フィルタ回路７０及びその次段に接続される増幅及び位相検出回路６０内の増幅部だけで済む。ディジタル信号処理はアナログ信号処理回路に比して構成が簡単であり、また低コストである。
【００４２】
［実施例２］ ｎ＝３の場合
次に、ｎ＝３の場合に付いて説明する。図１１（ａ）（ｂ）はｎ＝３として直線変位検出センサ又回転角度変位センサを構成した場合の一例を示す図、図１２はこのときの回路構成を示すブロック図である。
【００４３】
図１１又は図１２に示す通り、インピーダンス素子となる各コイル（Ｌ１〜Ｌ３）の第１端（１ａ〜３ａ）にはそれぞれ、ωｔ＝１２０°（＝２π／３）づつずれた励磁信号を入力し得る信号電圧源の他端が接続される。励磁信号は、正弦波交流信号或いはパルス状の矩形波信号であり、各信号電圧源の一端は接地電位とされる。一方、各コイルの第２端（１ｂ〜３ｂ）はそれぞれ一括接続され、相互に電気的に接続される。励磁信号としてパルス状の矩形波信号を用いた場合には、接続点ｃｗにおいて得られた信号はその後ＤＣカット＆フィルタ７０に入力される。ここで、フィルタにより矩形波１周期の周波数成分のみ、即ち正弦波ａＣｏｓ（ωｔ−θ）の１周期が抽出される。その後、信号ａＣｏｓ（ωｔ−θ）［合成対地電位，但しａ＝１．５×Ｅ×α， αは定数］を増幅及び位相検出回路６０に入力して位相検知処理を行う点についてはいずれの励磁信号を用いた場合も同様であり、その詳細は上記実施形態で説明した通りである。
【００４４】
［実施例３］ ｎ＝５の場合
さらに、ｎ＝５の場合に付いて説明する。図１３（ａ）（ｂ）はｎ＝５として直線変位検出センサ又回転角度変位センサを構成した場合の一例を示す図、図１４はこのときの回路構成を示すブロック図である。
【００４５】
図１３又は図１４に示す通り、インピーダンス素子となる各コイル（Ｌ１〜Ｌ５）の第１端（１ａ〜５ａ）にはそれぞれ、ωｔ＝７２°（＝２π／５）づつずれた励磁信号を入力し得る信号電圧源の他端が接続される。励磁信号は、正弦波交流信号或いはパルス状の矩形波信号であり、各信号電圧源の一端は接地電位とされる。一方、各コイルの第２端（１ｂ〜５ｂ）はそれぞれ一括接続され、相互に電気的に接続される。励磁信号としてパルス状の矩形波信号を使用した場合には、接続点ｃｗにおいて得られた信号はその後ＤＣカット＆フィルタ７０に入力される。ここで、フィルタにより矩形波１周期の周波数成分のみ、即ち正弦波ａＣｏｓ（ωｔ−θ）の１周期が抽出される。その後、信号ａＣｏｓ（ωｔ−θ）［合成対地電位，但しａ＝２．５×Ｅ×α， αは定数］を増幅及び位相検出回路６０に入力して位相検知処理を行う点についてはいずれの励磁信号を用いた場合も同様であり、その詳細は上記実施形態で説明した通りである。
【００４６】
かくして、上記各実施例に示した構成を、実際に直線変位検出センサ及び回転変位検出センサをはじめとした位置変位センサに適用すれば、位相検出部８０より出力された位相差θは、すなわち回転変位検出センサにおける角度変位θ（あるいは、直線変位検出センサにおける直線変位ｘ）に相当する。このとき、例えば、１ピッチ（θ＝３６０度、ｘ＝１０ｍｍ）を２^１６＝６５５３６分割する１６ビット処理を行えば、角度の場合なら３６０／６５５３６≒０．００５５［度］の分解能、１０ｍｍピッチの直線変位の場合なら１００００／６５５３６≒０．１５［μｍ］の分解能を得ることができる。このように、本発明は何ら検出性能を損なわないものである。
【００４７】
尚、各インピーダンス素子の数及び配置は上記実施例に記載するものに限られず、様々な設計変更が可能である。さらにインピーダンス素子は、コイルに限らず例えば磁気抵抗素子（ＭＲ）等であっても良い。但し、各インピーダンス素子として磁気抵抗素子を使用する場合は、特開２０００−２９２１１３号公報等にも記載されている様に、各磁気抵抗素子にバイアス磁界（フィールド磁界）を別途加えることが必要である。上記各例では、磁性体配列棒３の棒軸は顕著な磁性を示さない金属又はプラスチック物質からなっているが、その他、磁性体配列棒３上に連続して設けられる各強磁性体４同士の間には、空隙９に代えて反磁性体が設けられても良い。又磁性体配列棒３の棒軸は中空のものであっても良い。
【００４８】
上記各例において、被検体は磁性体配列棒３又は磁性体偏心板６と物理的に結合されているが、本発明の位置変位センサは各インピーダンス素子と磁気応答部材との相対的位置から被検体の位置変位を検出するものであるので、被検体は各インピーダンス素子が取付けられる側に物理的に結合されていても別に構わない。
又、上記各例に於ては、各インピーダンス素子に印加される信号電圧は、順次２π／ｎ（但し、ｎは素子数）ずつ位相がずらされているが、必ずしもこれに限定されない。順次２π／ｎずつ位相がずれたものでない信号を用いて各相励磁を行う場合、位相検知部８０に於て適宜補正演算を施せば、正確な位置変位を求めることが出来る。
【００４９】
尚、上記（実施例１−２）に於て励磁信号として用いたデジタル信号は、位相差検出その他センサの制御用に使用されているマイクロコンピュータより直接出力させることも可能である。或いはまた、マイクロコンピュータからの出力信号を適宜ディジタル信号処理してから各インピーダンス素子に印加することもできる。
その他、本発明の位置変位センサは、上記の直線変位センサ、或いは回転角度位置変位センサに限られず、例えば特許文献１〜３に有る様な傾斜センサにも適用可能であることは言うまでもない。
【００５０】
【発明の効果】
以上述べた通り、本発明の多相励磁位相差検知方式を用いた位置変位センサによれば、従来と変わらない精度（分解能）で直線変位や回転角度さらには傾斜角度の検出ができる一方で、アナログ演算回路素子の実装数を減らせるので製造コストや製造時間の圧縮が出来る。さらに、各インピーダンス素子への電圧印加をディジタル信号により行うことも出来るので、センサの精度管理を行う上でも有利に働くこと必至である。
【００５１】
また、励磁相数の多少に関連して、例えば図１に示す様な直線型センサの場合、従来知られた１相励磁４コイル方式では、検出ヘッドを構成する４コイルの幅、およびこれと同じ幅相当の間隔を繰返しピッチとして円筒状強磁性体４が連続して設けられた磁性体配列棒３の構造にて、検出ピッチ（電気位相差３６０度分に対する機械的変位量）が決まる仕組みになっている。ここで、任意のピッチを作るには、そのピッチより逆算して、コイルの幅と、磁性体配列棒３上に繰返し配置される円筒状強磁性体４の配置間隔を決めることになり、ピッチの違いに応じて、コイルの種類が増えることとなる。
方や、本発明の多相励磁方式の場合、或る１種類のコイル幅に対して、信号を任意にＮ相とることで、（１コイルの幅×Ｎ）のピッチを自在に設計出来、コイルの種類が増えるのを抑制出来る効果もある。
【００５２】
このように本発明は、インピーダンス素子と磁気応答部材との相対的位置に応じて交流信号中に現れる電気位相差より位置変位を検出するインピーダンス型センサの性能に影響を及ぼすことなしに、廉価で簡素、かつ小型な位置変位センサを提供できるものであることが明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の誘導方式による直線変位検出センサの構成を模式的に示す図である。
【図２】従来の誘導方式による回転変位検出センサの構成を模式的に示す図である。
【図３】図１又は図２の構成を用いて直線変位又は回転角度変位の検出を行う様子を、一括して回路的に示したものである。
【図４】図３の誘導方式におけるトランス構造に代えて、実質上自己インダクタンスＬ１〜Ｌ４のみからなるインピーダンス素子を用いて、同様に直線変位又は回転角度変位の検出を行える様にしたインピーダンス型位置変位センサの回路図である。
【図５】直線変位及び回転変位検出センサの動作波形及び解析手順を示す図であり、（ａ）は印加電圧ＡＳｉｎωｔと、振幅変調された印加電圧信号とを示す電圧波形図、（ｂ）はＡＳｉｎωｔのグラフと、特定の位相差（θ，ｘ）を含む正弦波ａＳｉｎ（ωｔ−θ，ｘ）のグラフとの時間関係を示す波形図、（ｃ）はこれらの波形図の根拠となる数式的推移を示した図である。
【図６】図５（ｃ）にあらわされた操作を具体的に実現する回路のブロック図である。
【図７】本発明の多相励磁位相差検知方式を用いた位置変位センサの構成を模式的に示す図である。
【図８】図７（ａ）（ｂ）に示す構成がそれぞれ対象とする角度及び直線変位検出の態様を、一括して回路的に示したものである。
【図９】本発明の多相励磁位相差検知方式を用いた位置変位センサの一実施例を示す図である。
【図１０】励磁信号をディジタル信号に変えて、図９に示す位置変位センサを構成した例を示す図である。
【図１１】本発明の多相励磁位相差検知方式を用いた位置変位センサの別の実施例の構成を示す図である。
【図１２】本発明の多相励磁位相差検知方式を用いた位置変位センサの別の実施例の結線図である。
【図１３】本発明の多相励磁位相差検知方式を用いた位置変位センサのさらなる他の実施例の構成を示す図である。
【図１４】本発明の多相励磁位相差検知方式を用いた位置変位センサのさらなる他の実施例の結線図である。
【符号の説明】
ｃｗ 接続点
Ｐ 中心軸
１ 一次コイル
１’ 一次コイル
２ 二次コイル
２’ 二次コイル
３ 磁性体配列棒
４ 強磁性体
５ 極鉄心
６ 磁性体偏心板
８ 検出ヘッド
９ 空隙
１０ 磁性体偏心板の一部
４０ 演算回路
６０ 増幅及び位相検出回路
７０ ＤＣカット＆フィルタ回路
８０ 位相検出部
９０ 増幅部

Claims (4)

1. 複数ｎ個のインピーダンス素子及びこれら各素子に対して相対的に変位可能に非接触的に配置される磁気応答部材を含み、
   前記磁気応答部材の各素子に対する相対的位置に応じた検出信号を前記各素子から得ることにより被検体の位置変位を検出する位置変位センサであって、
   前記各素子の第１端に、それぞれ位相のずれた交流電圧を供給する交流電源を接続し、
   前記各素子の第２端をそれぞれ一括接続し、
   この一括接続された第２端から、
   前記各素子と前記磁気応答部材との相対的位置の変化に伴うインピーダンス変化に対応した位相差をもつ交流信号を取り出し、
   これを用いて前記磁気応答部材の位置変位を検出することを特徴とする位置変位センサ。
2. 前記磁気応答部材は前記被検体の動きに応じて軸回転する様になっており、
   前記各素子は、前記磁気応答部材の軸回転方向に沿って、前記磁気応答部材の周りに環状に実質的に等間隔を置いて配置されていることを特徴とする請求項１に記載の位置変位センサ。
3. 前記磁気応答部材は、前記被検体の動きに応じて直線変位する様になっており、かつ、その直線変位方向に沿って所定のピッチで複数繰り返して設けてなり、
   前記各素子は、前記磁気応答部材の直線変位方向に沿って一直線上に実質的に等間隔を置いて配置されており、かつ、前記各素子は前記１ピッチの範囲内に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の位置変位センサ。
4. 前記交流電圧に換え、パルス状の矩形波からなる信号電圧を印加することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の位置変位センサ。

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