JP2014092418A - 位置検出センサおよび位置検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低コストで高精度な位置検出センサおよび位置検出装置を提供することを目的とする。
【解決手段】上記目的を達成するため本発明は、互いに離間配置され、被検出物体２の状態変化に応じてインピーダンスが変化する第一、第二検出コイル６、７と、第一、第二検出コイル６、７を一体的に電気的駆動する駆動回路（発振回路８）と、第一、第二検出コイル６、７の合成インピーダンスに応じた絶対値信号検出手段９と、第一、第二検出コイル６、７のインピーダンス差に応じた電気信号を検出する相対値信号検出手段１０と、を備えたものとした。これにより本発明は、低コストで高精度な位置検出センサ３および位置検出装置１を実現できる。
【選択図】図２

Description

本発明は、被検出物体の回転量や回転角度、移動量などを検出する位置検出センサおよび位置検出装置に関する。

特許文献１はクランクシャフトに固定されたクランクロータと、クランクロータに対向配置された半導体磁気センサが開示されている。クランクロータと半導体磁気センサとの組合せは、位置検出装置の一例である。

クランクロータの外周には、所定間隔で外方へ突出する検出歯が形成されている。

半導体磁気センサには、一つのセンサチップ内に、離れて二つのセンサ部が配置されている。また、センサ部の近傍には永久磁石が備えられている。各センサ部は、クランクロータの検出歯が近接したり離反したりするとそれに応じてセンサ部の磁束密度が変化するのに伴い、その磁束密度に応じた電圧を出力し、それを波形成形してパルス信号を出力する。

この検出したパルス信号、およびその位相差から、クランクロータの回転方向や回転数を検出することができる。

特開２００２−０９０１８１号公報

上記構成の位置検出装置では、高コストでかつ検出精度が低下することがあった。

コストが高くなる理由は、以下の通りである。

すなわち各センサ部が異なるパルス信号を出力する為には、検出歯の間隔を変える度に、各センサ部間の間隔も変える必要があり、センサチップを変更する必要があったからである。また検出歯の間隔が大きくなるほどセンサチップも大型化し、製造コスト、材料コストが増大する。なお、半導体磁気センサは一つのチップに集積した場合には良好な相対精度が得られるが、別チップに設けられた半導体磁気センサ同士での相対精度は低いので信号位相の信頼度が低下するため、二つのセンサ部を別チップに分けて形成して適当なる間隔で配置するということも困難である。

また検出精度が低下する理由は、半導体磁気センサの場合、永久磁石を用いるため、半導体磁気センサと検出歯との距離が過剰に近接すると、磁気飽和を起こし、信号を検出しにくくなるからである。

そこで本発明は、低コストで検出精度の高い位置検出センサおよび位置検出装置を提供することを目的とする。

この目的を達成するため本発明の位置検出センサは、互いに離間配置され、それぞれ被検出物体の状態変化に応じてインピーダンスが変化する第一検出コイルおよび第二検出コイルと、第一検出コイルと第二検出コイルとを一体的に電気的駆動する駆動回路と、第一検出コイルと第二検出コイルの合成インピーダンスに応じた絶対値信号検出手段と、第一検出コイルと第二検出コイルのインピーダンス差に応じた電気信号を検出する相対値信号検出手段と、を備えたものとした。

また本発明の位置検出装置は、所定間隔で状態変化する被検出物体と、この被検出物体と対向して配置された本発明の位置検出センサとを備えたものとした。

これにより本発明は、低コストで高精度な位置検出センサおよび位置検出装置を実現できる。

低コスト化を実現する理由は、以下の通りである。

すなわち本発明は、被検出物体の状態変化に合わせて比較的容易に第一、第二検出コイルの配置位置を調整することができ、種々の被検出物体に対応できるからである。また被検出物体の状態変化部の間隔が大きい場合は、第一検出コイルと第二検出コイルとを分離して配置し、一対で一つの位置検出センサとして用いることができる為、状態変化部の間隔が大きな被検出物体にも低コストで対応できる。

また検出精度を向上させ得る理由は、永久磁石を用いないため、位置検出センサと被検出物体との距離が近接しても信号を検出できるからである。さらに本発明は、第一、第二検出コイルは一体的に電気的駆動されているため、電流や電圧信号など、少なくとも一つの電気パラメータを共有する。したがって、第一、第二検出コイルと被検出物体との距離が変動しても、相対関係は影響を受けにくく、相対値信号を高精度に検出できる。

そしてその結果、低コストで高精度な位置検出センサおよび位置検出装置を実現できる。

実施の形態１における位置検出装置の平面図 実施の形態１における位置検出センサの回路ブロック図 実施の形態１の別の例における位置検出センサおよび位置検出装置の要部を示す平面図 （Ａ）〜（Ｃ）実施の形態１の別の例における被検出物体の要部を示す平面図 実施の形態１の別の例における位置検出センサの要部を示す回路図 実施の形態１における位置検出センサの正転時の信号のタイムチャート 実施の形態１における位置検出センサの逆転時の信号のタイムチャート 実施の形態２における位置検出センサの回路ブロック図 実施の形態２における位置検出センサの正転時の信号のタイムチャート 実施の形態３における位置検出センサの回路ブロック図 実施の形態３における位置検出センサの正転時の信号のタイムチャート 実施の形態４における位置検出センサの回路ブロック図 （Ａ）〜（Ｄ）実施の形態４における位置検出センサの信号のタイムチャート 実施の形態４における位置検出センサの正転時の相対値信号、絶対値信号のＨ−Ｌパターンを示す図 実施の形態４における位置検出センサの逆転時の相対値信号、絶対値信号のＨ−Ｌパターンを示す図 実施の形態４の別の例における位置検出センサの正転時の相対値信号、絶対値信号のＨ−Ｌパターンを示す図 実施の形態４の別の例における位置検出センサの逆転時の相対値信号、絶対値信号のＨ−Ｌパターンを示す図 実施の形態５における位置検出センサの回路ブロック図 実施の形態５における位置検出センサの正転時の信号のタイムチャート 本発明の実施の形態の別の例における位置検出センサのコア形状を示す斜視図 本発明の実施の形態の別の例における位置検出センサの要部を示す断面図 本発明の実施の形態の別の例における位置検出装置の平面図

（実施の形態１）
本実施の形態１では、位置検出センサとしてギアトゥースセンサ、被検出物体として回転ロータ、位置検出装置としてギアトゥースセンサユニットを例に挙げ、説明する。

図１に示すように、本実施の形態の位置検出装置１は、被検出物体２と、この被検出物体２と所定間隔ｇをあけて対向して配置された位置検出センサ３と、を備えている。

被検出物体２は、中心軸４を中心に回転する。なお、移動には回転も含む。位置検出センサ３と対向する被検出物体２の外周端面には、回転方向に沿って、所定間隔で形状が変化するように、複数の突部５が配列されている。本実施の形態では、複数の突部５は同じ形状からなり、一定の間隔で配列されている。突部５は外方へ突出するように形成される。被検出物体２は、アルミニウムなどの導電性材料やフェライトなどの磁性材料、鉄などの導電性を有する磁性材料からなる。

図１、図２に示すように、位置検出センサ３は、被検出物体２の状態変化に応じてインピーダンスが変化する第一検出コイル６と、第一検出コイル６と離間配置され、被検出物体２の状態変化に応じてインピーダンスが変化する第二検出コイル７と、を備えている。なお、図２のような回路ブロック図において、第一検出コイル６をＬ₁、第二検出コイルをＬ₂と示す。また図２に示すように、位置検出センサ３は、第一検出コイル６と第二検出コイル７とを電気的駆動する駆動回路としての発振回路８と、第一検出コイル６と第二検出コイル７の合成インピーダンスに応じた絶対値信号検出手段９と、第一検出コイル６と第二検出コイル７のインピーダンス差に応じた電気信号を検出する相対値信号検出手段１０と、を有する。

本実施の形態では、第一検出コイル６と第二検出コイル７とはほぼ同じ大きさ、形状、電気的特性を有するものとした。

第一検出コイル６と第二検出コイル７は、それぞれ突部５に近接して配置される。被検出物体２が中心軸４を中心に回転すると、突部５も回転するため、被検出物体２と第一検出コイル６、第二検出コイル７との距離や対向面積が所定間隔で変化する。したがって被検出物体２が変位する方向に伴って、第一検出コイル６、第二検出コイル７のインピーダンスが変化する。なお、用いる発振周波数にもよるが、本実施の形態では、被検出物体２として鉄を用いたため、被検出物体２の回転による第一検出コイル６、第二検出コイル７の、主としてコンダクタンスが変化する。被検出物体２がアルミニウムやフェライトの場合は、発振周波数にもよるが、インピーダンス変化に伴ってインダクタンス変化を検出できる。

そして本実施の形態では、第一検出コイル６、第二検出コイル７共に、突部５に近接すると、被検出物体２との距離ｇが近くなり、あるいは被検出物体２との対向面積が大きくなり、コンダクタンスが大きくなる。他方で第一検出コイル６、第二検出コイル７共に、突部５の間の凹部１１に近接すると、被検出物体２との距離ｇが遠くなり、あるいは被検出物体２との対向面積が小さくなり、コンダクタンスが小さくなる。

本実施の形態では、図１に示すように、被検出物体２が回転体であるため、被検出物体２の形状変化の一周期とは、隣接する突部５のそれぞれの対応する一端と中心軸４とを結ぶ線の成す角θ₁となる。第一検出コイル６、第二検出コイル７の対応するそれぞれの一端と中心軸４とをそれぞれ結ぶ線が成す角θ₂は、角θ₁のＮ／２（Ｎは自然数）倍とは異なる角度とした。これにより第一検出コイル６と第二検出コイル７のインピーダンス差に応じた電気信号を出力できる。成す角θ₁と成す角θ₂とは、互いに自然数倍とならないため、第一検出コイル６と第二検出コイル７のコンダクタンスが同時に最大値をとる事はなく、同時に最小値を取ることもない。

なお、図３に示すように、被検出物体２が直線的に移動する場合は、被検出物体２の形状変化の一周期とは、隣接する突部５の一端間の距離ｄ₁を指す。第一検出コイル６、第二検出コイル７の一端間を結ぶ距離ｄ₂は、距離ｄ₁のＮ／２（Ｎは自然数）倍とは異なる距離とした。これにより被検出物体２が移動する間、第一検出コイル６と被検出物体２との距離と、第二検出コイル７と被検出物体２との距離とが異なるため、第一検出コイル６と第二検出コイル７とがインピーダンス差を持つ。この場合も、第一検出コイル６と第二検出コイル７のコンダクタンスは、同時に最大値となることはなく、同時に最小値を取ることもない。

なお、本実施の形態では、突部５は矩形状の突部５で構成したが、図４（Ａ）に示すように角に丸みを帯びた突部５としてもよいし、図４（Ｂ）に示すように階段状に突出距離が変化した突部５でもよい。さらに被検出物体２は、図４（Ｃ）に示すように、状態変化する部位が所定間隔もしくは連続的に形成された貫通孔１２や溝で構成されていてもよい。

また本実施の形態では、被検出物体２の外周側面に第一検出コイル６、第二検出コイル７が対向するように配置したが、例えば突部５に対し、被検出物体２の中心軸４方向に対向するように配置してもよい。

さらに本実施の形態では、第一検出コイル６と第二検出コイル７の二つのコイルを用いたが、三つ以上の検出コイルを用いてもよい。例えば三つの検出コイルを用いる場合、それぞれの検出コイルのインピーダンス差に応じた電気信号を相対値信号として用いることができる。

さらに本実施の形態では、変化する物理量としてコンダクタンスの例をあげたが、前述のように被検出体の材質がアルミ等の場合はインダクタンスでもよく、その場合には発振回路の発振周波数を絶対値信号にすることも好ましい。

本実施の形態では、低コストで高精度な位置検出センサ３および位置検出装置１を実現できる。

低コスト化を実現する理由は、以下の通りである。

すなわち本実施の形態では、突部５の間隔に合わせて比較的容易に第一、第二検出コイル６、７の配置位置を調整することができ、種々の被検出物体２に対応できるからである。また突部５の間隔が大きい場合は、第一検出コイル６と第二検出コイル７とを分離して配置し、一対で一つの位置検出センサ３として用いることができる為、大きな被検出物体２にも低コストで対応できる。

また検出精度を向上させ得る理由は、半導体磁気センサと異なり永久磁石を用いないため、位置検出センサ３と被検出物体２との距離が近接しても信号を検出できるからである。

さらに本実施の形態では、図２に示すように、第一検出コイル６と第二検出コイル７とが、共通の発振回路８に接続され、この発振回路８によって一体的に電気的駆動される。

これにより、第一検出コイル６、第二検出コイル７を合わせて一つのコイルとみなすことができ、第一検出コイル６、第二検出コイル７が電圧や電流などの少なくとも一つの電気パラメータを共有するように駆動できる。したがって、第一検出コイル６、第二検出コイル７の取り付けばらつきや外部からの振動、熱膨張等によって、第一検出コイル６および第二検出コイル７と被検出物体２との距離が変動した場合、第一検出コイル６、第二検出コイル７で共有する電気パラメータも変動するため、検出した相対値信号に与える影響を低減できる。また電気的に駆動するため、例えば差動トランスによる磁気的駆動と比べて検出コイルに直接駆動エネルギーを供給できるため、消費電力を低減できる。

また本実施の形態では、図２に示すように、第一検出コイル６（Ｌ₁）と第二検出コイル７（Ｌ₂）とを直列接続している。直列接続することで、第一検出コイル６と第二検出コイル７は電流Ｉ_coilが共通の電気パラメータとなり、それぞれ被検出物体２の状態変化に応じた電気信号は、電圧信号となる。電圧信号は電流信号と比較して、検出用の抵抗が不要なため信号処理として扱い易く、回路構成も簡易となる。

本実施の形態では、第一検出コイル６と第二検出コイル７に並列にコンデンサＣ_resが接続されている。これにより第一検出コイル６、第二検出コイル７、コンデンサとで共振回路が形成される。

なお、第一検出コイル６、第二検出コイル７は、図５に示すように、インダクタンス成分Ｌ₁、Ｌ₂以外に抵抗成分Ｒ₁、Ｒ₂、寄生容量Ｃ₁、Ｃ₂を持つ。したがって、図２に示すコンデンサＣ_resを省略し、寄生容量Ｃ₁、Ｃ₂のみで共振回路を構成してもよい。また第一検出コイル６に並列に外付けのコンデンサを接続し、同様に第二検出コイル７にも並列に外付けのコンデンサを接続してもよい。第一検出コイル６と寄生容量Ｃ₁や外付けコンデンサで第一共振回路１３を構成する。また第二検出コイル７と寄生容量Ｃ₂や外付けコンデンサで第二共振回路１４を構成する。発振回路８は第一共振回路１３と第二共振回路１４を一体的に励振する。

ここで、第一検出コイル６と第二検出コイル７とは実質的に同一の性能とする。第一検出コイル６のコンダクタンスをＧ₁、第二検出コイル７のコンダクタンスをＧ₂とすると、第一検出コイル６の振幅（電圧）はＩ_coil／Ｇ₁となり、第二検出コイル７の振幅（電圧）は、Ｉ_coil／Ｇ₂となる。

またコンデンサのコンダクタンスをＧ_cresとすると、第一検出コイル６、第二検出コイル７、コンデンサで構成される共振回路の合成コンダクタンスＧ_rlcは、｛Ｇ₁・Ｇ₂／（Ｇ₁＋Ｇ₂）｝＋Ｇ_cresとなる。

第一検出コイル６、第二検出コイル７と被検出物体２の状態変化部、すなわち突部５との対向面積が大きくなるほど、また突部５との距離が小さくなるほど、渦電流によってコイルインピーダンスが小さくなるため、コンダクタンスＧ₁、Ｇ₂、Ｇ_rlcは大きくなる。

本実施の形態では、発振回路８から出力される発振信号（電圧）の振幅は、第一検出コイル６、第二検出コイル７、コンデンサで構成される共振回路の合成コンダクタンスＧ_rlcと発振回路８のコンダクタンスＧ_oscとで決まる。

発振回路８のコンダクタンスＧ_oscは一定値に設定されているが、合成コンダクタンスＧ_rlcの方が発振回路８のコンダクタンスＧ_oscよりも大きくなった場合、発振回路８は発振を停止してしまい、相対値信号や絶対値信号を検出できなくなる。したがって、合成コンダクタンスＧ_rlcが発振回路８のコンダクタンスＧ_oscより大きくなって発振回路８の発振振幅が所定値以下となると、発振回路８のコンダクタンスＧ_oscを制御し、発振振幅が所定値以上は維持できる様にしている。言い換えると、発振振幅が所定値以下となると発振回路８は全体として負帰還系を形成して発振振幅を所定値以上に保つ。本実施の形態では、発振回路８のコンダクタンスＧ_oscが合成コンダクタンスＧ_rlcとほぼ同じ値となるように負帰還する。

なお、第一検出コイル６、第二検出コイル７が図５に示すように、第一共振回路１３、第二共振回路１４を構成する場合は、合成コンダクタンスＧ_rlcは第一共振回路１３と第二共振回路１４の合成コンダクタンスを指す。合成コンダクタンスＧ_rlcが発振回路８のコンダクタンスＧ_oscより大きくなると、発振回路８は所定以上の発振振幅を維持するように負帰還制御される。

図６は、図２において、被検出物体２が正転方向に移動する場合の信号のタイムチャートを示す。図６に示す時刻ｔ₀において、被検出物体２と位置検出センサ３との位置関係は、図２のように、第一検出コイル６も第二検出コイル７も突部５と近接した位置にある。ただし、一定の移動方向に対して、一方はこれから最も突部５との相互作用が強まるのに対し、他方は弱まるような位置関係となっている。本実施の形態では、ｔ₀時点から正転方向に移動するとすぐに第一検出コイル６は突部５から離れ、時刻ｔ₁時点で最も離れる。その後第一検出コイル６は時刻ｔ₂時点で隣接する突部５と最も近づく。一方で第二検出コイル７は被検出物体２が正転方向に移動して暫くは突部５と近接した状態を維持し、突部５から離れる。

図２に示すように、第一検出コイル６から出力された電圧信号と第二検出コイル７から出力された電圧信号はそれぞれ第一検波回路１５、第二検波回路１６に入力され、図６に示す第一電圧信号Ｖ₁、第二電圧信号Ｖ₂に変換される。本実施の形態の第一検波回路１５、第二検波回路１６とは、例えば差動増幅器である。第一電圧信号Ｖ₁と第二電圧信号Ｖ₂は、比較回路１７で比較され、Ｈ（Ｈｉｇｈ）、Ｌ（Ｌｏｗ）パターンの相対値信号として出力される。本実施の形態では、図６に示すように、第一電圧信号Ｖ₁が第二電圧信号Ｖ₂より大きい場合にＨ出力とし、小さい場合をＬ出力とした。

なお、相対値信号とは、第一検出コイル６、第二検出コイル７の出力電圧を所定の閾値と比較し、それぞれのＨＬパターンを更に比較して出力した信号も含む。

さらに第一検出コイル６、第二検出コイル７全体から出力された電圧信号は、発振検波回路１８に入力され、図６に示す電圧信号Ｖ_LCに変換される。電圧信号Ｖ_LCは、発振検波回路１８の出力側に接続された弁別回路１９で所定の閾値Ｖ_thと比較され、ＨＬパターンの絶対値信号を出力した。図６では、Ｖ_thよりＶ_LCの方が大きい場合をＬ、小さい場合をＨと出力している。

図６に示すように、被検出物体２の正転時では、相対値信号がＬからＨに変わる時点で、絶対値信号がＨを示す。

図７は、図２において、被検出物体２が逆転方向に移動する場合の信号のタイムチャートを示す。図７に示す時刻ｔ₀において、被検出物体２と位置検出センサ３との位置関係は、図２のようになっている。第一電圧信号Ｖ₁、第二電圧信号Ｖ₂、相対値信号、電圧信号Ｖ_LC、絶対値信号の検出方法は、図６に示す正転時と同様である為、説明を省略する。

図７に示すように、被検出物体２の逆転時では、相対値信号がＬからＨに変わる時点で、絶対値信号がＬを示す。

したがって、相対値信号と絶対値信号のＨＬパターンを用いて、被検出物体２が正転方向と逆転方向のいずれに回転しているかを検出できる。

なお、相対値信号と絶対値信号とを用いた被検出物体２の移動方向の検出手段は、上述した方法に限定されるものではない。即ち本実施の形態では、第一電圧信号Ｖ₁、第二電圧信号Ｖ₂、電圧信号Ｖ_LCを常時生成したが、例えば絶対値信号がＬからＨに変わるタイミングでのみ第一検出コイル６、第二検出コイル７の電圧にサンプルホールド回路をかけ、それらの信号を比較することで回転方向を判定してもよい。さらに相対値信号として第一検出コイル６、第二検出コイル７の中点電圧の位相、振幅をモニタリングすることで、移動方向の判定をしてもよい。また中点電圧と回路全体の電圧の位相を比較し、相対値信号として用いてもよい。

なお、相対値信号と絶対値信号とを組み合わせて被検出物体２の移動方向を検出する信号処理回路２０は、位置検出センサ３に組み込んでもよいし、位置検出センサ３と接続したモジュールや、位置検出センサ３とモジュールとの間に別回路として組み込んでもよい。位置検出センサ３と接続されるモジュールとしては、例えばＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）が挙げられる。

（実施の形態２）
本実施の形態２の被検出物体２と位置検出センサ３の外観構成は実施の形態１と同様である。実施の形態２と実施の形態１との主な違いは、図８に示すように、第一検出コイル６（Ｌ₁）と第二検出コイル７（Ｌ₂）とを並列に接続した点である。実施の形態１と同様に、第一検出コイル６、第二検出コイル７に並列にコンデンサＣ_resを接続し、第一検出コイル６、第二検出コイル７、コンデンサＣ_resで共振回路を構成している。

また本実施の形態では、第一検出コイル６は抵抗Ｒ₁と直列に接続され、第二検出コイル７は抵抗Ｒ₂と接続される。抵抗Ｒ₁と抵抗Ｒ₂の抵抗値は実質的に等しく、第一検出コイル６、第二検出コイル７に対してインピーダンスが充分に小さいものとする。したがって、第一検出コイル６のコンダクタンスと第一抵抗Ｒ₁の直列要素における合成コンダクタンスは、殆ど第一検出コイル６のコンダクタンスとなる。同様に、第二検出コイル７と第二抵抗Ｒ₂の合成コンダクタンスも、ほぼ第二検出コイルのコンダクタンスとなる。

第一検出コイル６のコンダクタンスＧ₁と第二検出コイル７のコンダクタンスＧ₂、直列抵抗Ｒ₁、Ｒ₂及びコンデンサＣ_resの合成コンダクタンスＧ_rlcは、Ｇ₁＋Ｇ₂＋Ｇ_Cresとなる。

実施の形態１と同様に、合成コンダクタンスＧ_rlcが発振回路８の発振振幅が所定値よりも大きくなった場合に、コンダクタンスＧ_oscを負帰還制御して所定以上の振幅を維持する。

第一検出コイル６と第二検出コイル７とは直列接続であるため、第一検出コイル６、第二検出コイル７、抵抗Ｒ₁、抵抗Ｒ₂にかかる発振電圧は共通である。第一検出コイル６に流れる電流Ｉ₁は、発振電圧とコンダクタンスＧ₁との積であり、第二検出コイル７に流れる電流Ｉ₂は、発振電圧とコンダクタンスＧ₂との積である。

第一検出コイル６の電流信号Ｉ₁に相当する抵抗Ｒ₁の電圧信号は第一検波回路１５で第一電圧信号Ｖ₁に変換される。同様に第二検出コイル７の電流信号Ｉ₂は第二検波回路１６で第二電圧信号Ｖ₂として変換される。

第一検出コイル６、第二検出コイル７の電圧は共通であり、発振検波回路１８を介して電圧信号Ｖ_LCに変換される。

図９は、図８において、被検出物体２が正転方向に回転する場合の信号のタイムチャートを示す。図９に示す時刻ｔ₀において、被検出物体２と位置検出センサ３との位置関係は、図８のようになっている。相対値信号、絶対値信号の検出方法は、実施の形態１と同様であるため説明を省略する。

図９に示すように、被検出物体２の正転時では、相対値信号がＬからＨに変わる時点で、絶対値信号がＨを示す。また図示を省略するが、被検出物体２の逆転時では、相対値信号がＬからＨに変わる時点で絶対値信号がＬを示す。

図９に示す信号処理回路２０では、絶対値信号と相対値信号を用いて回転方向を判別し、例えば正転と判断した場合は相対値信号をそのまま出力し、逆転と判断した場合は正転時とは異なる振幅で相対値信号を出力してもよい。信号処理回路２０は、位置検出センサ３に組み込んでもよく、別体のモジュールに組み込んでもよい。

本実施の形態においても、第一検出コイル６と第二検出コイル７とが一体に電気的駆動されるため、低コストで測定精度を向上できる。また相対値信号と絶対値信号とを用いて回転方向を検出できる。

その他実施の形態１と同様の構成および効果については説明を省略する。

（実施の形態３）
本実施の形態３の被検出物体２と位置検出センサ３の外観構成も、実施の形態１と同様である。本実施の形態３と実施の形態１との主な違いは、図１０に示すように、比較回路１７からの出力をデジタル回路（Ｄ型フリップフロップ回路２１）に入力し、デジタル信号の相対値信号を出力した点である。

第一検波回路１５、第二検波回路１６から出力された第一電圧信号Ｖ₁、第二電圧信号Ｖ₂を、それぞれ比較回路１７で基準電圧Ｖ_refと比較し、各出力をＤ型フリップフロップ回路２１に入力して相対値信号を生成した。例えば本実施の形態では、第一検出コイル６（Ｌ₁）側の信号をＤ型フリップフロップ回路２１のＣＫ（ＣＬＯＣＫ）端子に入力している。また第二検出コイル７（Ｌ₂）側の信号をＤ型フリップフロップ回路２１のＤ端子に入力している。したがって、第一検出コイル６の両端が−から＋に転ずるタイミングにおいて、第二検出コイル７の両端が＋か−かにより、相対値信号が確定する。

本実施の形態においても、第一検波回路１５、第二検波回路１６において、それぞれ第一検出コイル６、第二検出コイル７の両端電圧の差動信号をとっているが、代わりに第一検出コイル６、第二検出コイル７の中点電圧を基準電圧Ｖ_refと比較し、相対値信号として用いてもよい。また中点電圧と回路全体の電圧の位相を比較し、相対値信号として用いてもよい。

また第一検出コイル６、第二検出コイル７単体に代えて、寄生容量や外付けのコンデンサを用いてＬＣ共振回路としてもよい。

その他の実施の形態１と同様の構成については、説明を省略する。

図１１は、図１０において、被検出物体２が所定方向に移動する場合の信号のタイムチャートを示す。

なお、図１１に示す第一電圧信号Ｖ₁、第二電圧信号Ｖ₂の波形の周期は、ＬＣ発振周期に基づくものであり、被検出物体２の突部５の間隔によるものではない。したがって、タイミングスケールは実施の形態１で示したように、突部５どうしの間隔によるものよりも短い。

各第一検出コイル６、第二検出コイル７のインピーダンスは複素数であり、被検出物体２との距離、対向面積によって変化する。第一検出コイル６、第二検出コイル７を直列に接続した場合、それぞれのコイルの両端電圧は、両者の複素インピーダンスによって分圧された値となる。したがって、振幅、位相ともに変化する。

本実施の形態では、Ｄ型フリップフロップ回路２１を用いて、第一電圧信号Ｖ₁と第二電圧信号Ｖ₂のどちらの位相が進んでいるかを検知している。すなわち上述の実施の形態１では、第一検出コイル６と第二検出コイル７の電圧振幅を比較しているが、振幅のピークを高精度に検出するのは回路設計上難しいことがある。これに対し本実施の形態では、ピークディテクタを用いず、Ｄ型フリップフロップ回路２１で位相情報から相対値信号を出力できるため、回路設計が容易である。

図１１に示すように、第二検出コイル７の方が第一検出コイル６よりも位相が進んでいる場合は、Ｄ型フリップフロップ回路２１の出力ＱがＨ（Ｈｉｇｈ）となる。第一検出コイル６、第二検出コイル７のどちらがより被検出物体２と接近しているかによって、ＨとＬ（Ｌｏｗ）とが入れ替わる。

なお、第一検出コイル６、第二検出コイル７が完全に中立な場合には、出力ＱがＨになったりＬになったりするが、適宜デジタルフィルタを用いて安定な出力Ｑのみを取り出してもよい。

また第一検出コイル６、第二検出コイル７の全体の出力電圧は、図１０に示すように、発振検波回路１８を介して電圧信号Ｖ_LCに変換され、弁別回路１９で弁別されて絶対値信号が出力される。本実施の形態では、発振回路８が停止している時をＬと出力し、発振回路８が発振している時をＨと出力した。

例えば本実施の形態では、被検出物体２が正転時において、相対値信号がＬからＨに変わるとき、絶対値信号がＬとなるのに対し、被検出物体２が逆転時において、相対値信号がＬからＨに変わるとき、絶対値信号がＨとなる。これにより被検出物体２の移動方向を検出することができる。

本実施の形態においても、第一検出コイル６、第二検出コイル７を一体的に電気的駆動するため、両者のインピーダンスの相対値を忠実に信号処理に反映することができ、結果として位相差による信号判別精度が高くなるので、低コストで測定精度を高めることができる。また相対値信号と絶対値信号とを用いて回転方向を検出できる。

（実施の形態４）
本実施の形態４の被検出物体２と位置検出センサ３の外観構成も、実施の形態１と同様である。本実施の形態４と実施の形態１との主な違いは、相対値信号を発振回路８の発振周波数信号に対応する電気信号とした点である。

図１２に示すように、本実施の形態の第一検出コイル６（Ｌ₁）と第二検出コイル７（Ｌ₂）とはそれぞれコンデンサＣ_res1、Ｃ_res2と第一共振回路１３、第二共振回路１４を構成し、各共振回路が直列接続されている。コンデンサＣ_res1、Ｃ_res2は第一検出コイル６、第二検出コイル７の寄生容量でもよく、外付けのコンデンサでもよい。

第一検出コイル６が被検出物体２と最も離れている時の第一共振回路１３の共振周波数をｆ₁とし、第二検出コイル７が被検出物体２と最も離れている時の第二共振回路１４の共振周波数をｆ₂とする。共振周波数ｆ₁とｆ₂とは十分に離れているように第一検出コイル６、第二検出コイル７のインダクタンスやコンデンサＣ_res1、Ｃ_res2の容量値を設定する。

本実施の形態においても、第一検出コイル６と第二検出コイル７は被検出体の凹凸ピッチのＮ／２倍とは異なる間隔で配置されているので、それぞれのインピーダンスの変化は位相差を持つ。したがって、後述のように被検出物体２と位置検出センサ３との対向位置によって発振回路８の発振周波数が変化し、発振周波数を相対値信号として用いることができる。

発振回路８の発振周波数は、発振周波数検波回路２２で検波され、弁別回路２３に入力されて相対値信号となる。発振回路８の発振振幅は、発振振幅検波回路２４で検波され、弁別回路２５に入力されて絶対値信号となる。

図１３は、第一共振回路１３、第二共振回路１４を直列接続した回路全体の合成インピーダンスを示したものである。図１３において、横軸は周波数、縦軸はインピーダンスである。

図１３（Ａ）は第一検出コイル６と第二検出コイル７が均等に被検出物体２と近接、対向している状態である。

図１３（Ｂ）は第一検出コイル６と被検出物体２との距離が最も遠い、あるいは対向面積が最も小さい状態である。渦電流が発生しにくいため、インピーダンスが大きくなる。一方、第二検出コイル７と被検出物体２との距離は最も近い、あるいは対向面積が最も大きい状態である。渦電流が発生し、インピーダンスが小さくなる。

図１３（Ｃ）は第一検出コイル６、第二検出コイル７共に被検出物体２との距離が最も遠い状態である。渦電流が発生しにくく、インピーダンスが大きくなる。

図１３（Ｄ）は第二検出コイル７と被検出物体２との距離が最も遠い、あるいは対向面積が最も小さい状態である。渦電流が発生しにくいため、インピーダンスが大きくなる。一方、第一検出コイル６と被検出物体２との距離は最も近い、あるいは対向面積が最も大きい状態である。渦電流が発生し、インピーダンスが小さくなる。

第一共振回路１３、第二共振回路１４を励振する発振回路８は、所定の発振周波数特性を満たす周波数領域で発振条件を満たし、かつインピーダンスが最大となる周波数で発振が開始される。被検出物体２が近接し、第一共振回路１３、第二共振回路１４全体のコンダクタンスが増大して発振回路８のコンダクタンスを上回ると発振は停止する。

例えば図１３（Ｂ）のように周波数ｆ₁におけるインピーダンスが最大となった時、発振回路８は周波数ｆ₁で発振している。この状態で、ｆ₂におけるインピーダンスがｆ₁におけるインピーダンスよりも十分に大きくなった時、発振周波数がｆ₁からｆ₂に切り替わる。なお、周波数の変化にはヒステリシスがあるが、周波数の切り替えは第一共振回路１３、第二共振回路１４のインピーダンスの相対関係で決まるため、発振周波数を相対値信号として用いることができる。

本実施の形態では、被検出物体２が所定方向に回転する時、変化する形状の一周期中、すなわち図１に示すように、中心軸４を中心とし、隣接する突部５どうしが成す角θ₁で規定される領域において、図１２の第一共振回路１３と第二共振回路１４の共振点インピーダンスの大小関係が入れ替わるように構成した。これにより発振周波数が跳躍的に変化し、相対値信号として用いることができる。

なお、発振周波数そのものを相対値信号として用いる以外にも、発振周期など、発振周波数に対応する電気信号を用いてもよい。

一方で絶対値信号は、発振状態の時をＨパターンとし、発振停止状態の時をＬパターンとした。相対値信号は、発振周波数がｆ₁かｆ₂かをモニタリングした信号とした。

図１４は、図１３（Ａ）〜（Ｄ）において、被検出物体２が正転した時の相対値信号、絶対値信号のタイミングチャートである。図１５は、被検出物体２が逆転した時の同タイミングチャートである。

例えば発振停止状態となる直前、すなわち絶対値信号がＨからＬに切り替わる直前の相対値信号をモニタリングすると、正転時はｆ₂であり、逆転時はｆ₁であるため、回転方向を判定できる。

なお、実際には、第一検出コイル６、第二検出コイル７が被検出物体２に近接するとインピーダンスが下がるため、若干周波数が高い方へシフトするが、閾値ｆ_thと比較することで十分に弁別は可能である。

さらに、以上のように、発振回路８を発振・停止させてもよいが、発振停止しそうになった場合に、所定の振幅を維持するように、発振回路８のコンダクタンスを負帰還制御してもよい。図１６は、被検出物体２の正転時において、負帰還制御した場合のタイミングチャートを示し、図１７は被検出物体２の逆転時において、負帰還制御した場合のタイミングチャートを示す。いずれも低振幅で発振させている状態をＬとし、通常の発振状態をＨと示した。この場合は、常に発振周波数を検知できるため、正転・逆転を判断できる機会が多くなり、被検出物体２の移動距離が少なくても効率よく判断できる。

図１４〜図１７に示すＨ−Ｌのパターンはあくまで一例であり、その他のパターンであっても、形状変化の一周期に絶対値信号と相対値信号とを用いて正転・逆転などの移動方向が区別できればよい。

ここで、本実施の形態のように、第一検出コイル６、第二検出コイル７の共振周波数を大きく離間させることで、発振周波数は跳躍的に変化する。したがって、本実施の形態のように発振周波数で弁別する場合以外で、実施の形態１で示すように第一検出コイル６、第二検出コイル７の電圧振幅を比較する形態であっても、発振周波数の変化に伴って振幅が跳躍的に変化する。したがって、被検出物体２の状態変化に対して急峻な相対値信号の変化を得られ、測定精度を向上できる。

なお、本実施の形態では、第一検出コイル６と第二検出コイル７とがインピーダンス差を有する構成のため、第一検出コイル６と第二検出コイル７との共振周波数を変えることで、発振周波数を相対値信号として用いることができる。したがって本発明の第一検出コイル６と第二検出コイル７のインピーダンス差に応じた電気信号とは、本実施の形態における発振周波数信号を含む。

その他実施の形態１と同様の構成及び効果については、説明を省略する。

（実施の形態５）
本実施の形態５の被検出物体２と位置検出センサ３の外観構成も、実施の形態１と同様である。本実施の形態５と実施の形態１との主な違いは、図１８に示すように、駆動回路を図２の発振回路８に代えてパルス発生回路２６とした点である。パルス発生回路２６は外部電源（図示せず）に接続される。

これにより駆動回路（パルス発生回路２６）や信号処理回路２０をデジタル回路で形成でき、安価な構成となる。

パルス発生回路２６は、第一検出コイル６（Ｌ₁）、第二検出コイル７（Ｌ₂）に方形波電圧（パルス信号ＳＰ）を与える。パルスは被検出物体２の形状変化部分の一周期が第一検出コイル６あるいは第二検出コイル７を通過する周期よりも十分に小さな周期で発生させる。

また本実施の形態では、第一検出コイル６と第二検出コイル７とを並列に接続した。第一検出コイル６、第二検出コイル７には、それぞれ電流検出用の抵抗Ｒ₁、Ｒ₂を直列接続した。抵抗Ｒ₁と抵抗Ｒ₂の抵抗値は実質的に等しく、第一検出コイル６、第二検出コイル７に対してインピーダンスが充分に小さいものとする。

第一検出コイル６、抵抗Ｒ₁からなる要素と、第二検出コイル７、抵抗Ｒ₂からなる要素とは、電圧が共通の電気パラメータとなり、被検出物体２の状態変化によって各第一検出コイル６の電流Ｉ₁、第二検出コイル７の電流Ｉ₂が変化する。

パルス発生回路２６には遅延回路２７が接続される。遅延回路２７は、パルスの立ち下りのエッジから所定時間Ｔ_dの遅れを生成する。

第一検出コイル６の電流Ｉ₁と第二検出コイル７の電流Ｉ₂は、それぞれ抵抗Ｒ₁、抵抗Ｒ₂の電圧信号Ｖ₁、Ｖ₂として比較され、相対値信号ＳＲを生成する。

さらに抵抗Ｒ₁、抵抗Ｒ₂の電圧信号Ｖ₁、Ｖ₂は、それぞれ基準電圧Ｖ_thと比較され、出力された各信号Ｓ₁、Ｓ₂を、例えば更にＡＮＤをかけて絶対値信号Ｓ₁ＡＮＤＳ₂を生成する。

なお、遅延回路２７の出力はラッチ回路２８に与えられ、ラッチ回路２８では、遅延回路２７タイミングでの相対値信号、絶対値信号のＨ−Ｌパターンを次のタイミングまで保持する。

図１９は、図１８において、被検出物体２が正転方向に移動する場合の信号のタイムチャートを示す。図１９では、一つのパルス信号ＳＰに対する各要素の波形を示す。

本実施の形態において、第一検出コイル６、第二検出コイル７の過渡応答は、インダクタンスと抵抗（各コイルの交流抵抗と抵抗Ｒ₁、Ｒ₂の和）の積で決定される。ここで本実施の形態では、被検出物体２が鉄であり、発振周波数が比較的高く設定した場合は、インダクタンスの変化よりも交流抵抗の変化が支配的になる。図１９では電圧信号Ｖ₁と電圧信号Ｖ₂とを比較することで、第一検出コイル６の方が第二検出コイル７よりも交流抵抗の過渡応答時間が長いことが分かる。すなわち第一検出コイル６の方が第二検出コイル７よりも交流抵抗が大きい。

したがって、パルス信号ＳＲの立下りからＴ_d経過した時点では、電圧信号Ｖ₁＞電圧信号Ｖ₂となり、相対値信号ＳＲをＨとした。過渡応答が収束すると、比較回路１７の出力は、入力オフセットのばらつきによりＨ−Ｌパターンが不定となるが、ラッチ回路２８でＴ_d時点での情報を検出するため、測定精度への影響を抑制できる。

さらに図１８、図１９に示す状態では、Ｔ_d時点において電圧信号Ｖ₁、Ｖ₂が基準電圧Ｖ_thよりも大きいため、信号Ｓ₁、Ｓ₂はＨパターンを示す。すなわち各合成抵抗（コイルの交流抵抗と抵抗Ｒの和）の絶対値が基準値よりも大きく、突部５と近接していることを示す。

以上のようにＴ_d時点での相対値信号ＳＲと信号Ｓ₁、Ｓ₂、またはＳ₁とＳ₂の論理合成結果（絶対値信号Ｓ₁ＡＮＤＳ₂）を継続的に検出し、例えば相対値信号ＳＲがＬからＨになった時の絶対値信号の状態を知ることにより、回転方向を判別することができる。もちろん、本実施の形態以外の絶対値信号、相対値信号の生成及びそのパターン組み合わせによっても回転方向を判別することができる。

本実施の形態においても、第一検出コイル６と第二検出コイル７とが一体に電気的駆動されるため、低コストで測定精度を向上できる。また相対値信号と絶対値信号とを用いて回転方向を検出できる。さらに比較回路以外の殆どの回路要素をデジタル化できるため、安価に構成できる。

なお、上記実施の形態１〜５において、第一検出コイル６、第二検出コイル７を、図２０、図２１に示すような磁気ギャップ２９を有する環状の磁性体コア３０の中心軸３１を中心に巻回してもよい。図２２に示すように、被検出物体２の状態変化する部位、すなわち突部５は、磁気ギャップ２９間を移動する。

磁性体コア３０は、少なくとも対向する一対の延伸部３２、３３と、延伸部３２、３３間を連結する連結部３４からなる。図２０に示すようないわゆるコの字形でもよく、Ｃ字形でもよい。磁気ギャップ２９とは、一対の延伸部３２、３３どうしが最も近接し、磁束密度が大きい領域であって、ほぼ一様な平行磁束が形成される領域を指す。

このようなコア構造により、第一検出コイル６、第二検出コイル７の磁束の殆どが各磁気ギャップ２９間を通るため、被検出物体２と磁性体コア３０との位置関係が、図２０におけるＺ方向、すなわち図２２の被検出物体２の中心軸４方向にずれても、検出結果に殆ど影響がなく、高精度に測定できる。

さらに図２１に示すように、磁気ギャップ２９を、被検出物体２の状態変化する部位、すなわち突部５に投影した形状は、被検出物体２が移動する方向（図２１のＸ方向）と直交する方向（図２１のＹ方向）の両端部が、余裕寸法δをもって状態変化する部位に包含される。

このような構成により、磁性体コア３０がＹ方向にδだけずれた場合も、磁気ギャップ２９と被検出物体２との対向面積は殆ど影響を受けないため、検出結果に与える影響も抑制でき、高精度に測定できる。

第一検出コイルと第二検出コイルとが一体に電気的駆動されるため、低コストで測定精度を向上できる。したがって、高精度な測定が求められる車載用クランクロータの回転センサ等にも有用である。

１ 位置検出装置
２ 被検出物体
３ 位置検出センサ
４ 中心軸
５ 突部
６ 第一検出コイル
７ 第二検出コイル
８ 発振回路
９ 絶対値信号検出手段
１０ 相対値信号検出手段
１１ 凹部
１２ 貫通孔
１３ 第一共振回路
１４ 第二共振回路
１５ 第一検波回路
１６ 第二検波回路
１７ 比較回路
１８ 発振検波回路
１９ 弁別回路
２０ 信号処理回路
２１ Ｄ型フリップフロップ回路
２２ 発振周波数検波回路
２３ 弁別回路
２４ 発振振幅検波回路
２５ 弁別回路
２６ パルス発生回路
２７ 遅延回路
２８ ラッチ回路
２９ 磁気ギャップ
３０ 磁性体コア
３１ 中心軸
３２ 延伸部
３３ 延伸部
３４ 連結部

Claims (14)

1. 所定間隔で状態変化する被検出物体と対向して配置される位置検出センサであって、
   前記位置検出センサは、
   互いに離間配置され、それぞれ前記被検出物体の状態変化に応じてインピーダンスが変化する第一検出コイルおよび第二検出コイルと、
   前記第一検出コイルと前記第二検出コイルとを一体的に電気的駆動する駆動回路と、
   前記第一検出コイルと前記第二検出コイルの合成インピーダンスに応じた電気信号を検出する絶対値信号検出回路と、
   前記第一検出コイルと前記第二検出コイルのインピーダンス差に応じた電気信号を検出する相対値信号検出回路と、を備えた位置検出センサ。
2. 前記被検出物体は、中心軸を中心に回転する回転体であり、
   前記被検出物体の外周には、所定間隔に設けられた複数の形状変化部を有し、
   隣接する前記形状変化部のそれぞれの一端と前記中心軸とを結ぶ線の成す角をθ₁とし、
   前記第一検出コイルと前記第二検出コイルのそれぞれの一端と前記中心軸とを結ぶ線の成す角をθ₂とした場合に、成す角θ₂は成す角θ₁／２の自然数倍とは異なる角度である、請求項１に記載の位置検出センサ。
3. 前記被検出物体は、所定の直線方向に移動する移動体であり、
   前記被検出物体の、前記位置検出センサと対向する端部には、所定間隔に設けられた複数の形状変化部を有し、
   隣接する前記形状変化部のそれぞれの一端間の距離をｄ₁とし、
   前記第一検出コイルと前記第二検出コイルのそれぞれの一端間の距離をｄ₂とした場合に、距離ｄ₂は距離ｄ₁／２の自然数倍とは異なる距離である、請求項１に記載の位置検出センサ。
4. 前記被検出物体は所定方向に移動し、
   前記相対値信号と絶対値信号とを組み合わせて、前記被検出物体の移動方向が検出される、
   請求項１に記載の位置検出センサ。
5. 前記第一検出コイルと前記第二検出コイルとは直列接続され、
   前記第一検出コイルと前記第二検出コイルの電圧信号が、前記相対値信号検出手段によって比較される、
   請求項１に記載の位置検出センサ。
6. 前記第一検出コイルを含む第一共振回路と、
   前記第二検出コイルを含む第二共振回路と、を有し、
   前記駆動回路は前記第一、第二共振回路を励振する発振回路であって、
   前記発振回路の発振信号を弁別する弁別回路を更に有する、
   請求項１に記載の位置検出センサ。
7. 前記駆動回路は発振回路であり、
   前記発振回路は、所定以上の発振振幅を維持するように出力信号が負帰還制御される、請求項１に記載の位置検出センサ。
8. 前記相対値信号は、前記第一検出コイルと前記第二検出コイルの電圧又は電流の少なくとも何れか一方の位相差である、
   請求項１に記載の位置検出センサ。
9. 前記駆動回路は発振回路であり、
   前記相対値信号は、前記発振回路の発振周波数信号または前記発振周波数信号と対応する電気信号である、
   請求項１に記載の位置検出センサ。
10. 前記第一検出コイルを含む第一共振回路と、
    前記第二検出コイルを含む第二共振回路と、を有し、
    前記被検出物体は、一定の周期で形状が変化し、
    前記被検出物体が所定方向に移動する時、形状変化の一周期中に前記第一共振回路と前記第二共振回路の共振点インピーダンスの大小関係が入れ替わる、請求項８、９に記載の位置検出センサ。
11. 前記駆動回路は、外部電源に接続されたパルス発生回路であって、
    前記相対値信号検出手段は、前記第一検出コイルと前記第二検出コイルの電気信号の過渡応答の差を検出する、請求項１に記載の位置検出センサ。
12. 前記第一検出コイルおよび前記第二検出コイルは、
    それぞれ磁気ギャップを有する磁性体コアに巻回され、
    それぞれの前記磁気ギャップ間を前記被検出物体の状態変化する部位が移動する、請求項１に記載の位置検出センサ。
13. 前記磁気ギャップを前記被検出物体の状態変化する部位に投影した形状は、
    被検出物体が移動する方向と直交する方向の両端部が、余裕寸法をもって前記状態変化する部位に包含される、請求項１２に記載の位置検出センサ。
14. 所定間隔で状態変化する被検出物体と、
    この被検出物体と対向して配置された位置検出センサと、を備え、
    前記位置検出センサは、
    互いに離間配置され、それぞれ前記被検出物体の状態変化に応じてインピーダンスが変化する第一検出コイルおよび第二検出コイルと、
    前記第一検出コイルと前記第二検出コイルとを一体的に電気的駆動する発振回路と、
    前記第一検出コイルと前記第二検出コイルの電気信号を合わせた全体の電気信号を検出する絶対値信号検出手段と、
    前記第一検出コイルと前記第二検出コイルのインピーダンス差に応じた電気信号を検出する相対値信号検出手段とを有する、
    位置検出装置。