JP2014153325A - 渦電流センサ - Google Patents

Abstract

【課題】構成を簡素化することができる渦電流センサを提供する。
【解決手段】渦電流センサ１は、励磁回路５から交流波の電流が流される一対の第１三角状コイル２及び第２三角状コイル３を備える。第１三角状コイル２及び第２三角状コイル３は、金属板により部分的に覆れると、インダクタンス差を発生する。第１三角状コイル２の出力電圧Ｖout1と第２三角状コイル３の出力電圧Ｖout2とは、アンプ６によって差がとられ、これが増幅、検波された後、差分Ｖｓとしてコンパレータ８に出力される。コンパレータ８は、差分Ｖｓと閾値Ｖｋとを比較し、その比較結果としてＨｉ信号又はＬｏ信号を出力する。
【選択図】図２

Description

本発明は、渦電流によるコイルのインダクタンス変化を利用して位置を検出する渦電流センサに関する。

従来、図６（ａ），（ｂ）に示すように、被検出体（例えば、車両のシフトレバー）の位置を検出するセンサとして渦電流センサ８１が周知である（例えば、特許文献１等参照）。渦電流センサ８１は、コイル８２に磁界を発生させ、その磁界内に金属体８３がある（図６（ｂ）の状態）と、金属体８３に渦電流が流れることにより、コイル８２のインダクタンスが変化する特性を利用して、被検出体の位置等を検出するものである。

図７に示すように、渦電流センサ８１をオン／オフの２状態を検出するセンサスイッチとして使用する場合、コイル８２の出力電圧と閾値とを比較するようにし、出力電圧が閾値以上のときにＨｉ信号を出力し、出力電圧が閾値未満のときにＬｏ信号を出力することにより、オン／オフの２位置を検出する。

特開平８−２７１２０４号公報

ところで、図７に示すように、コイル８２の出力電圧は、温度によって変動する現状がある。このため、場合によっては、コイル８２の出力電圧が閾値を常時下回ってしまう状況となることもあり、こうなるとオン／オフの切り替えを検出することができなくなってしまう。

そこで、図８に示すように、この状況を回避するためには、閾値に温度特性を持たせて温度補償をする必要がある。即ち、周囲温度に応じて閾値が切り替わる機能を持たせればよい。しかし、この対策をとると、閾値に温度補償をする構成が必要となるので、構造の簡素化に支障を来す問題があった。

本発明の目的は、構成を簡素化することができる渦電流センサを提供することにある。

前記問題点を解決する渦電流センサは、コイルと金属体とが相対移動可能に設けられ、これらの間の位置に応じて変わる前記コイルのインダクタンスの変化を利用して、前記コイル及び前記金属体の間の位置に応じた信号を出力する構成において、前記金属体に覆われた際にインダクタンスに差分が生じるように並び配置された一対の前記コイルと、一対の前記コイルから出力された信号の差分を検出する差分検出回路とを備え、前記コイル及び前記金属体の間の位置に応じた信号として、前記差分検出回路から前記差分を出力する。

本構成によれば、金属体に覆われた際にインダクタンスに差分が生じるように並び配置された一対のコイルを設け、これらコイルから出力される信号の差分をとって、これをコイル及び金属体の位置に応じた信号として出力する。このため、仮に温度変化によって２つのコイル出力が変化しても、これらの差分をとることによって温度変化に起因するコイル出力の変化が相殺される。よって、少なくともコイル出力の温度特性を補償する回路を渦電流センサに設ける必要がないので、渦電流センサの構成を簡素化することが可能となる。

前記渦電流センサにおいて、一対の前記コイルは、同一形状のものが、対称配置されていることが好ましい。この構成によれば、一対のコイルとして同じ形状のコイルを用意すればよいので、渦電流センサの構成簡素化に寄与する。

前記渦電流センサにおいて、前記差分検出回路から出力された前記差分と閾値とを比較し、その比較結果としてＨｉ信号又はＬｏ信号を出力する比較回路を備え、前記コイル及び前記金属体の間の位置に応じた信号として、前記Ｈｉ信号又は前記Ｌｏ信号の２値を出力するセンサスイッチとしてなることが好ましい。この構成によれば、渦電流センサをオン／オフの２状態を検出するセンサスイッチとして使用することが可能となる。

前記渦電流センサにおいて、前記閾値は、一対の前記コイル及び前記金属体が相対移動する際に取り得る前記差分の最大値の温度特性下限値よりも低い値に設定されていることが好ましい。この構成によれば、温度補償の範囲内であれば、差分が閾値を下回ることはない。よって、渦電流センサのＨｉ／Ｌｏの切り替えの確実性が確保される。

本発明によれば、渦電電流センサにおいて、構成を簡素化することができる。

一実施形態の渦電流センサの構成図であり、（ａ）がオフの図、（ｂ）がオンの図。 渦電流センサの電気構成図。 周囲温度がＡ℃時のコイル出力電圧及びコンパレータ出力の波形図。 周囲温度がＢ℃時のコイル出力電圧及びコンパレータ出力の波形図。 別例の渦電流センサの構成図。 従来の渦電流センサの構成図であり、（ａ）がオンの図、（ｂ）がオフの図。 温度補償前のコイル出力電圧及びセンサ出力の波形図。 温度補償後のコイル出力電圧及びセンサ出力の波形図。

以下、渦電流センサの一実施形態を図１〜図４に従って説明する。
図１（ａ），（ｂ）に示すように、渦電流センサ１は、一対の略三角形状のコイル（以降、第１三角状コイル２及び第２三角状コイル３と記す）と、第１三角状コイル２及び第２三角状コイル３から発生される磁界によって渦電流が生成される金属板４とを備える。第１三角状コイル２及び第２三角状コイル３は、例えば直角三角形に形成されるとともに、点対称配置されている。金属板４は、被検出体（例えば、シフトレバー等）の移動に伴い、第１三角状コイル２及び第２三角状コイル３に対して相対移動する。本例の場合、第１三角状コイル２において直角をなす一辺（図１（ａ）の２ａ）に対して交差する方向（図１（ａ）の矢印Ｒ方向）に直線往復動する。なお、第１三角状コイル２及び第２三角状コイル３がコイルの一例であり、金属板４が金属体の一例である。

図２に示すように、本例の渦電流センサ１は、オン／オフの２状態を検出するセンサスイッチとして使用されている。渦電流センサ１は、第１三角状コイル２及び第２三角状コイル３に発振周波数を出力する励磁回路（発振回路）５と、第１三角状コイル２の出力電圧Ｖout1と第２三角状コイル３の出力電圧Ｖout2との差分を算出し、これを増幅するアンプ６と、アンプ６から出力された増幅後の差分信号を検波する検波回路７と、検波後の差分Ｖｓをコンパレートするコンパレータ８とを備える。出力電圧Ｖout1，Ｖout2は、交流波形の信号である。検波回路７は、アンプ６から入力した増幅信号を検波（整流）し、これを略一定値の差分Ｖｓとしてコンパレータ８に出力する。コンパレータ８は、検波後の差分Ｖｓと閾値Ｖｋとを比較し、差分Ｖｓが閾値Ｖｋ以上のときにＨｉ信号を出力し、差分Ｖｓが閾値Ｖｋ未満のときにＬｏ信号を出力する。なお、アンプ６が差分検出回路の一例であり、コンパレータ８が比較回路の一例である。

図１（ａ）に示すように、金属板４が第１三角状コイル２及び第２三角状コイル３を覆わないとき、第１三角状コイル２及び第２三角状コイル３の各インダクタンスが一致することにより、渦電流センサ１がオフする。一方、図１（ｂ）に示すように、金属板４が第１三角状コイル２及び第２三角状コイル３を各々異なる面積で部分的に覆うと、第１三角状コイル２及び第２三角状コイル３の間にインダクタンスの差が生じ、この差が最大となるとき、渦電流センサ１がオンする。

図３及び図４に示すように、渦電流センサ１のオン／オフの切替範囲Ｌは、「金属板４が第１三角状コイル２及び第２三角状コイル３を覆っていない位置」と「第１三角状コイル２及び第２三角状コイル３のインダクタンスの差分Ｖｓが最大となるときの金属板４の位置」との間の範囲に設定されている。即ち、センサスイッチは、この切替範囲Ｌの間でオン／オフが切り替わる。また、渦電流センサ１のオン／オフの切り替えの閾値Ｖｋは、差分Ｖｓの最大値の温度特性下限値よりも低い値に設定されている。

次に、図３及び図４を用い、渦電流センサ１の動作を説明する。
［周囲温度がＡ℃のときの動作］
図３に示すように、金属板４が第１三角状コイル２及び第２三角状コイル３を覆っていないとき、第１三角状コイル２及び第２三角状コイル３のインダクタンスは一致する。このため、第１三角状コイル２の出力電圧Ｖout1と第２三角状コイル３の出力電圧Ｖout2との差分Ｖｓは「０」となる。よって、コンパレータ８は、差分Ｖｓが閾値Ｖｋ未満を検出するので、「Ｌｏ信号」を出力する。即ち、センサスイッチがオフ信号を出力する。

この状態から、例えば被検出体が操作されるなどすると、金属板４が第１三角状コイル２及び第２三角状コイル３を覆うように移動する。このとき、第１三角状コイル２は直ぐに広く金属板４に覆われるのに対し、第２三角状コイル３は金属板４に徐々に覆われていく。即ち、第１三角状コイル２の出力電圧Ｖout1は直ぐに大きく低下する変化をとるのに対し、第２三角状コイル３の出力電圧Ｖout2は緩やかに低下する変化をとるので、出力電圧Ｖout1，Ｖout2の間に差分Ｖｓが生じる。そして、金属板４が移動するとともに、差分Ｖｓが徐々に増加していく。

コンパレータ８は、差分Ｖｓが閾値Ｖｋ以上となると、「Ｈｉ信号」を出力する。即ち、切替範囲Ｌの所定地点において、センサスイッチがオンに切り替わる。このように、本例のセンサスイッチは、周囲温度がＡ℃のとき、被検出体が操作されると、切替範囲Ｌ内においてオフからオンに切り替わる。

［周囲温度がＢ℃のときの動作］
図４に示すように、センサスイッチの周囲温度がＡ℃からＢ℃に変化し、出力電圧Ｖout1，Ｖout2がＡ℃時に比べて相対的に低下したとする。金属板４が第１三角状コイル２及び第２三角状コイル３を覆っていないとき、第１三角状コイル２及び第２三角状コイル３のインダクタンスが一致するので、差分Ｖｓが「０」となる。よって、コンパレータ８は、差分Ｖｓが閾値Ｖｋ未満を検出するので、「Ｌｏ信号」を出力する。即ち、周囲温度がＢ℃のときも、金属板４が第１三角状コイル２及び第２三角状コイル３を覆わないときは、センサスイッチから「Ｌｏ信号」が出力される。

この状態から、例えば被検出体が操作されるなどすると、金属板４が第１三角状コイル２及び第２三角状コイル３を覆うように移動する。このとき、周囲温度がＡ℃のときと同様に、出力電圧Ｖout1，Ｖout2が電圧差を広げつつ変化していくことにより、差分Ｖｓが徐々に増加していく。本例の場合、切替範囲Ｌが「金属板４が第１三角状コイル２及び第２三角状コイル３を覆っていない位置」と「第１三角状コイル２及び第２三角状コイル３のインダクタンスの差分Ｖｓが最大となるときの金属板４の位置」との間の範囲に設定され、かつ閾値Ｖｋが差分Ｖｓの最大値の温度特性下限値よりも低い値に設定されているので、切替範囲Ｌ内の所定地点において、差分Ｖｓが閾値Ｖｋ以上に切り替わり変化することとなる。即ち、周囲温度がＡ℃→Ｂ℃に変化しても、差分Ｖｓが閾値Ｖｋ以上に切り替わる動作が確保される。

コンパレータ８は、差分Ｖｓが閾値Ｖｋ以上となると、「Ｈｉ信号」を出力する。即ち、周囲温度がＢ℃のとき、切替範囲の所定地点においてセンサスイッチがオンに切り替る。このように、本例のセンサスイッチにおいては、周囲温度がＡ℃からＢ℃に変化した場合であっても、切替範囲Ｌ内においてセンサスイッチをオフ→オンに切り替えることが可能である。

本実施形態の構成によれば、以下に記載の効果を得ることができる。
（１）渦電流センサ１は、被検出体と連動する金属板４と、金属板４に覆われた際にインダクタンスに差分Ｖｓが発生するように並び配置された一対の第１三角状コイル２及び第２三角状コイル３とを備える。そして、第１三角状コイル２及び第２三角状コイル３から出力される出力電圧Ｖout1，Ｖout2の差分Ｖｓをとり、この差分Ｖｓと閾値Ｖｋとを比較することにより、比較結としてＨｉ信号又はＬｏ信号を出力する。このため、仮に周囲の温度変化によってコイル電圧が変化しても、出力電圧Ｖout1，Ｖout2の差分Ｖｓをとって位置検出を行うようにすれば、コイル電圧から位置を検出する際において、温度変化に起因するコイル電圧の変動が相殺される。よって、少なくともコイル出力の温度特性を補償する回路を渦電流センサ１に設ける必要がないので、渦電流センサ１の構成を簡素化することができる。

（２）温度補償するにしても、アンプ６より後段の温度特性の補償のみ考慮すればよいので、温度補償が容易となる。
（３）第１三角状コイル２及び第２三角状コイル３は、同じ形状のものを点対称配置してなる。よって、一対のコイルとして同じ形状のコイルを容易すればよいので、渦電流センサ１の構成簡素化に一層寄与する。

（４）第１三角状コイル２の出力電圧Ｖout1と第２三角状コイル３の出力電圧Ｖout2との差分Ｖｓを閾値Ｖｋと比較し、その比較結果としてＨｉ信号又はＬｏ信号の２値を出力する。よって、本例の渦電流センサ１をオン／オフの２状態を検出するセンサスイッチとして使用することができる。

（５）閾値Ｖｋは、差分Ｖｓの最大値の温度特性下限値よりも低い値に設定されている。よって、温度補償の範囲内であれば、差分Ｖｓが閾値Ｖｋを下回ることはないので、渦電流センサ１のＨｉ／Ｌｏの切り替えの確実性を確保することができる。

なお、実施形態はこれまでに述べた構成に限らず、以下の態様に変更してもよい。
・図５に示すように、渦電流センサ１を複数設け、各渦電流センサ１の金属板４をオフセットさせて被検出体に取り付けることにより、被検出体の複数位置を検出可能としてもよい。

・金属板４がコイルを全て覆う状態と、金属板４がコイルを半分覆う状態とで、オン／オフの２位置を検出するようにしてもよい。
・コンパレータ８の後段に反転回路を設けて、Ｈｉ／Ｌｏ信号を反転させて出力してもよい。

・コイル形状は、三角形状に限らず、例えば長方形など、他の形状に適宜変更可能である。
・一対のコイルは、同一形状に限定されず、インダクタンス差を発生することができれば、異なる形状としてもよい。

・金属板４が固定側に取り付き、コイルが被検出体に取り付いてもよい。
・金属体は、板状以外の他の形状でもよい。
・閾値Ｖｋは、種々の値に設定することが可能である。

・渦電流センサ１（差分回路や比較回路等）の回路は、種々の素子を用いて構築することが可能である。
・渦電流センサ１は、オン／オフの２状態を検出するセンサスイッチに限らず、例えば差分Ｖｓをそのまま出力することにより、位置をリニアに検出するセンサとしてもよい。

・渦電流センサ１は、シフトレバーの位置検出に使用されることに限らず、例えばニュートラルスイッチなど、他の装置や機器に適用可能である。
次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想について、それらの効果とともに以下に追記する。

（イ）前記渦電流センサにおいて、一対の前記コイル、前記金属体及び前記差分検出回路の組を複数組備える。この構成によれば、被検出体の複数位置を検出することが可能となる。

（ロ）前記渦電流センサにおいて、前記コイルは、三角形状をなしている。この構成によれば、コイルを三角形状という簡素な形状にすることが可能となる。

１…渦電流センサ、２…コイルを構成する第１三角状コイル、３…コイルを構成する第２三角状コイル、４…金属体としての金属板、６…差分検出回路としてのアンプ、８…比較回路としてのコンパレータ、Ｖout1，Ｖout2…コイルから出力される信号としての出力電圧、Ｖｓ…差分、Ｖｋ…閾値。

Claims (4)

1. コイルと金属体とが相対移動可能に設けられ、これらの間の位置に応じて変わる前記コイルのインダクタンスの変化を利用して、前記コイル及び前記金属体の間の位置に応じた信号を出力する渦電流センサにおいて、
   前記金属体に覆われた際にインダクタンスに差分が生じるように並び配置された一対の前記コイルと、
   一対の前記コイルから出力された信号の差分を検出する差分検出回路とを備え、
   前記コイル及び前記金属体の間の位置に応じた信号として、前記差分検出回路から前記差分を出力する
   ことを特徴とする渦電流センサ。
2. 一対の前記コイルは、同一形状のものが、対称配置されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の渦電流センサ。
3. 前記差分検出回路から出力された前記差分と閾値とを比較し、その比較結果としてＨｉ信号又はＬｏ信号を出力する比較回路を備え、
   前記コイル及び前記金属体の間の位置に応じた信号として、前記Ｈｉ信号又は前記Ｌｏ信号の２値を出力するセンサスイッチとしてなる
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の渦電流センサ。
4. 前記閾値は、一対の前記コイル及び前記金属体が相対移動する際に取り得る前記差分の最大値の温度特性下限値よりも低い値に設定されている
   ことを特徴とする請求項３に記載の渦電流センサ。