JP2015108516A - ストロークセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】コストアップすることなく、精度良くストローク量を測定することが可能なストロークセンサを提供する。【解決手段】ストロークセンサ１は、棒状の抵抗体１０と、当該抵抗体１０との間に抵抗体１０と容量結合可能な一定の空隙を有し、抵抗体１０の延在方向に沿って移動可能に配置される導電体２０と、抵抗体１０と導電体２０との間に亘って交流電流を供給する交流電源３０と、を備え、抵抗体１０及び導電体２０の一方が、抵抗体１０及び導電体２０の他方を複数の方向から囲むように構成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、ストローク量を検出するストロークセンサに関する。

従来、スライド移動する物体の移動量を検出するためにストロークセンサが利用されてきた。この種の技術として以下に出展を示す特許文献１及び２に記載のものがある。

特許文献１に記載のポテンショメータは、両端間に所定の交流電圧が印加される抵抗体（抵抗部材）と、当該抵抗体と一定の間隔をあけて対向した状態で抵抗体に沿って両端間を変位する可動電極と、抵抗体と可動電極との間に介在し、抵抗体または可動電極とこすれ合う均一な厚さの絶縁体層とが備えられる。絶縁体層はこすれ合う抵抗体又は可動電極に比べて高い耐摩耗性を有して構成され、可動電極と抵抗体とで形成される静電容量を介して検出結果が出力される。

特許文献２に記載の非接触形ポテンショメータは、抵抗体の近傍に非接触で移動可能に配置された可動電極（導体片）と、抵抗体の両端に接続された交流信号源とが備えられる。抵抗体と可動電極との間には、抵抗体を一方の電極とし、可動電極を他方の電極とする静電容量が形成される。

国際公開第１９９４／０１１８８８号 実公昭６０−１１６０１号公報

特許文献１では回転体の回転角度を検出するセンサであるが、特許文献１の技術を直線変位センサに適用可能であるが、特許文献１の技術では抵抗体−可動電極間の容量を形成する電極が平面であり容量が大きく取れないため、抵抗体に対して絶縁層を介して可動電極を押圧する必要があり構造の複雑化、耐久性の低下を招いている。特許文献２の技術では交流信号が印加されている抵抗体に相対する位置によって変わる移動可能な導体片の交流電位を検出しているが、検出される信号は検出回路の入力インピーダンスと、抵抗体と導体片との間に形成される容量によるインピーダンスの影響を受けるため、抵抗体と導体片間に形成される容量によるインピーダンスの影響を低減する必要があり、検出回路の入力インピーダンスを高くする必要がある。また、検出回路の直流入力電位を検出回路側で与える必要があり、回路の実現性を困難にしていた。

本発明の目的は、上記問題に鑑み、コストアップすることなく、精度良くストローク量を測定することが可能なストロークセンサを提供することにある。

上記目的を達成するための本発明に係るストロークセンサの特徴構成は、棒状の抵抗体と、前記抵抗体との間に前記抵抗体と容量結合可能な一定の空隙を有し、前記抵抗体の延在方向に沿って移動可能に配置される導電体と、前記抵抗体と前記導電体との間に亘って交流電流を供給する交流電源と、を備え、前記抵抗体及び前記導電体の一方が、前記抵抗体及び前記導電体の他方を前記一定の空隙を有する状態で複数の方向から囲むように構成され、前記導電体の位置により前記抵抗体による電圧降下が変化することより前記導電体の位置を検出している点にある。

このような特徴構成とすれば、抵抗体及び導電体の一方により他方を囲むように構成されるので、抵抗体及び導電体が互いに向き合う面の表面積を大きくすることができる。このため、抵抗体と導電体とによる容量結合に係る静電容量を大きくすることができるので、抵抗体の抵抗値に対する抵抗体及び導電体による静電容量のインピーダンスを十分小さくすることが可能となり、例えば抵抗体の交流電源接続側と導電体間の電位差を検出信号とすると、検出信号と上記抵抗体による電圧降下の差を十分小さくでき、回路構成を簡略化できる。また、検出信号の検出点は、交流電源に対して直流的に絶縁されていないため、直流電位が定まっており検出回路側の入力インピーダンスを高くし易く、精度の高い検出が可能である。

また、前記抵抗体及び前記導電体の一方に前記延在方向に沿って前記抵抗体及び前記導電体の他方が挿通される角溝が形成されていると好適である。

このような構成とすれば、抵抗体及び導電体の一方を抵抗体及び導電体の他方により、角溝の２つの側面部及び１つの底部の３つの方向から囲むことが可能なる。このため、抵抗体及び導電体が互いに対向する面の表面積を大きくすることが可能となる。したがって、抵抗体及び導電体で形成される静電容量を大きくすることが可能となる。また、上記導電体の側面に垂直方向への上記導電体の位置ズレに対し上記導電体と上記抵抗体が作る静電容量の変化を抑制でき、検出信号への上記導電体の側面に垂直方向への上記導電体の位置ズレの影響を抑制でき、位置ズレによる検出誤差を抑制できる。

また、前記抵抗体と前記導電体との間が空気層であると好適である。

このような構成とすれば、抵抗体上を導電体がスライド移動時に抵抗体と導電体で形成される静電容量を構成する部位に磨耗が発生せず耐久性の高いセンサとなる。

あるいは、前記抵抗体と前記導電体の少なくとも一方の表面に絶縁膜が形成されていても良い。

このような構成とすることにより、抵抗体と導電体とが近接した状態で導電体を移動させることができるので、上記静電容量を大きくでき、さらに上記絶縁皮膜に誘電率の高い材料を用いることにより静電容量をさらに大きくできる。
よって、上記のように検出信号を検出した場合、上記静電容量による検出信号への影響を小さくでき、精度良くストローク量を求めることが可能となる。

また、前記抵抗体が一対で設けられ、前記導電体が前記一対の抵抗体の間に亘って設けられており、交流電流を供給する交流電源が上記対となる抵抗体に接続されており、その接続は上記導電体の変位に対する各抵抗体の交流電源との接続端と上記導電体と間との抵抗成分の変化が同じ方向であるように接続されていると好適である。

上記一対の抵抗体及び上記導電体の形状は上記導電体の変位の軌跡を含む面に対して対称とし、上記交流電流源と上記対となる抵抗体との接続端間電位を検出信号とすると好適である。
このような構成とすれば、対となる抵抗体間の距離方向に上記導電体が位置ずれした場合、一方の抵抗体と導電体が作る静電容量と他方の抵抗体と導電体が作る静電容量の変化が逆方向となり、上記交流電流源と対となる抵抗体との接続端間の静電容量によるインピーダンスの変化が小さくでき、検出信号への導電体の対となる抵抗体の距離方向への位置ズレの影響を低減でき精度のよい位置検出が可能となる。

また、前記一対の抵抗体は、互いに極性が異なる抵抗温度係数を有すると好適である。

このような構成とすれば、一対の抵抗体同士で夫々の抵抗値に係る温度ドリフトを打ち消し合うことが可能となる。したがって、ストロークセンサの温度特性を向上させることができるので、環境温度の変化がある状況においてストローク量を求める場合であっても、精度良くストローク量を求めることが可能となる。

ストロークセンサの構成を模式的に示す図である。 図１のII−II線における断面図である。 図１のストロークセンサの等価回路である。 図３の回路の等価回路である。 その他の実施形態に係るストロークセンサの構成を模式的に示す図である。 図５のVI−VI線における断面図である。 その他の実施形態に係る抵抗体と導電体とを示す図である。 その他の実施形態に係る抵抗体と導電体とを示す図である。 その他の実施形態に係る抵抗体と導電体とを示す図である。 その他の実施形態に係るストロークセンサの構成を模式的に示す図である。

本発明に係るストロークセンサは、非接触で精度良くストローク量を測定することが可能に構成される。以下、本実施形態のストロークセンサ１について、詳細に説明する。図１には、本実施形態に係るストロークセンサ１の模式図が示される。図１に示されるように、ストロークセンサ１は、抵抗体１０、導電体２０、交流電源３０及び抵抗器Ｒを備えて構成される。尚、交流電源３０と抵抗器Ｒは交流電流源に置き換え可能である。

本ストロークセンサ１では、抵抗体１０は棒状のものが用いられる。棒状とは、所定の方向に延在する棒のような形状をいう。抵抗体１０は、所定の電気抵抗率を有する物体である。このため、公知のようにその抵抗値は長さに比例し、断面積に反比例する。本実施形態では、抵抗体１０の断面積は一様であるものが用いられる。したがって、抵抗体１０の抵抗値は長さに比例して増減する。

本実施形態では、抵抗体１０は一対で設けられ、導電体２０の変位方向に沿って平行に配置される。すなわち、抵抗体１０は、抵抗体１０Ａと抵抗体１０Ｂとの２つから構成される。夫々の抵抗体１０（抵抗体１０Ａ及び抵抗体１０Ｂ）は同じ断面積を有し、同じ長さの棒状ものが用いられる。

導電体２０は、抵抗体１０と一定の空隙を有し、抵抗体１０の延在方向に沿って移動可能に配置され、導電体２０と抵抗体１０の間に静電容量が形成される。このような絶縁距離は、ガタなどによる容量変化が検出精度へ与える影響度合いと求める検出精度に応じて設定される。

本実施形態では、抵抗体１０と導電体２０との間には絶縁膜が設けられる。抵抗体１０と導電体２０との間とは、抵抗体１０が導電体２０の上をスライド移動した場合であっても、抵抗体１０と導電体２０とが互いに対向し合う抵抗体１０と導電体２０との間をいう。このため、絶縁膜は抵抗体１０が有する面のうち、導電体２０の側を向く面に設けられていても良いし、導電体２０が有する面のうち、導電体２０がスライド移動した場合でも抵抗体１０の側を向く面に亘って設けられていても良い。このような絶縁膜は、例えば樹脂材料やゴム材料で形成することが可能であり、酸化ケイ素，窒化珪素等無機の絶縁膜でも可能である。

また、導電体２０は、一対の抵抗体１０の間に亘って設けられている。一対の抵抗体１０の間に亘ってとは、図１に示されるように一対の抵抗体１０がレールのように所定の間隔を有して平行に並べられ、このような一対の抵抗体１０の間を橋渡しするように設けられていることを意味する。

交流電源３０は、抵抗体１０Ａの一端より導電体２０を介して抵抗体１０Ｂの一端に抜けるように交流電流を供給する。図１に示されるように、本実施形態では一対の抵抗体１０が設けられ、当該一対の抵抗体１０に亘って導電体２０が設けられる。交流電源３０は、一対の抵抗体１０の少なくとも一方の端部に抵抗器Ｒ（後述する）を介して接続される。このため、本実施形態では交流電源３０により抵抗体１０の両端部を介して交流電流が流される。流れる電流は図１の抵抗器Ｒの電圧降下より求められる。図１において抵抗器Ｒが２つ記載されているがどちらか一方があればよい。上記抵抗体１０を流れる電流は上記抵抗器Ｒの電圧降下と抵抗値より求められ、上記抵抗体１０と導電体２０間の静電容量によるインピーダンスが上記抵抗体１０Ａ−導電体２０−抵抗体１０Ｂの電流路のインピーダンスに対して十分小さければ上記静電容量に起因するインピーダンスによる電圧降下が無視でき、上記抵抗体１０Ａ−導電体２０−抵抗体１０Ｂの電流路のインピーダンスによる電流降下は抵抗体１０の延在方向への導電体２０の変位に対して１次関数となり、上記電流降下より導電体２０の位置が求められる。また、上述のように交流電源３０と抵抗器Ｒは交流電流源に置き換えてもよい。さらに上記抵抗体１０Ａ−導電体２０−抵抗体１０Ｂの電流路のインピーダンスによる電流降下から電流と同位相成分を抽出することにより上記静電容量の影響を分離可能である。上記抵抗体１０Ａ−導電体２０−抵抗体１０Ｂの電流路のインピーダンスによる電流降下から電流と同位相成分を抽出する方法として電流に比例した信号と前記電流降下との掛け算や電流値より作成可能な同期信号による前記電流降下の同期検波などがある。

上記抵抗器Ｒは、一対の抵抗体１０及び上記導電体２０と上記抵抗体１０の間に作られる静電容量による合成インピーダンスよりも十分に大きい抵抗値のものを用いてもよい。十分に大きい抵抗値とは、上記合成インピーダンスよりも２ケタ以上大きい抵抗値を用いると好適である。このようにすることにより上記合成インピーダンスの変化に対して流れる電流の変化は小さくなり交流電源３０と抵抗器Ｒの組み合わせは交流の定電流源とみなすことができる。

また、抵抗体１０及び導電体２０の一方が、抵抗体１０及び導電体２０の他方を一定の絶縁距離を有する状態で複数の方向から囲むように構成されている。特に本実施形態では、導電体２０が抵抗体１０を複数の方向から囲むように構成されている。ここで、図１のII−II線における断面図が図２に示される。図２に示されるように、導電体２０は抵抗体１０が延在する方向に直交する方向の断面が、アルファベットの「Ｈ」のような形状で構成される。

すなわち、導電体２０には抵抗体１０の延在方向に沿って角溝２１が形成される。抵抗体１０の延在方向とは、図２におけるＸ方向である。角溝２１とは、溝の延在方向視がｎ角形である溝をいう。本実施形態では、Ｘ方向視が四角形の溝が形成される。このような導電体２０の角溝２１に空隙を介して抵抗体１０が挿通される。すなわち、導電体２０の一方の側に開口する開口部に抵抗体１０Ａが挿通され、他方の側に開口する開口部に抵抗体１０Ｂが挿通される。

したがって、本実施形態では、導電体２０が抵抗体１０を複数の方向から囲むように構成されている。複数の方向から囲むとは、少なくとも２方向から囲まれていることを意味し、本実施形態では、抵抗体１０が導電体２０により、Ｚ方向に直交する２つの面と、Ｙ方向に直交する１つの面とで囲まれている。本実施形態に係るストロークセンサ１はこのように構成されている。

上記のように抵抗体１０Ａ−導電体２０−抵抗体１０Ｂの電流路のインピーダンスによる電流降下と前記インピーダンスを流れる電流の比より前記インピーダンスを求める。抵抗体１０による抵抗値に対して抵抗体１０−導電体２０間の静電容量によるインピーダンスの大きさが十分小さければ、求めたインピーダンスは抵抗体１０による抵抗とみなせる。本実施例のように抵抗体１０と導電体２０の対向する面を増やすことにより抵抗体１０−導電体２０間の静電容量を大きくでき、抵抗体１０−導電体２０間の静電容量によるインピーダンスを小さくできる。よって上記のように信号の掛け算や同期検波をすることなく高精度な導電体２０の位置検出が可能となる。
また、抵抗体１０に対して導電体２０が図２のｚ方向に位置ずれした場合、抵抗体１０と導電体２０のｚ方向の空隙の一方が増加し他方が減少するため、抵抗体１０Ａと導電体２０間に形成される静電容量及び抵抗体１０Ｂと導電体２０間に形成される静電容量の変動が抑制され、上記検出信号への導電体２０の位置ずれの影響を小さくでき、導電体２０の変位の検出精度の低下を抑制できる。また、抵抗体１０に対して導電体２０が図２のｙ方向に位置ずれした場合、抵抗体１０の一方と導電体２０のｙ方向の空隙が増加し抵抗体１０の他方と導電体２０のｙ方向の空隙が減少するため、抵抗体１０Ａと導電体２０間に形成される静電容量及び抵抗体１０Ｂと導電体２０間に形成される静電容量の直列接続された合成容量の変動が抑制され、上記検出信号への導電体２０の位置ずれの影響を小さくでき、導電体２０の変位の検出精度の低下を抑制できる。

図４において交流電源３０の出力電圧をｖとし、可変抵抗器ＶＲと抵抗器Ｒと間における電位をＶｏｕｔとすると、以下の(１)式で示される。

ここで、ω＝２πｆである（ただし、ｆは交流電源３０の電圧出力の周波数）。一方、一対の端子間に生じる静電容量Ｃは、静電容量Ｃを形成する電極が平行平板であり、対向する電極面の寸法に対して電極間距離が十分小さいとき、一般に以下の（２）式で近似される。

ここで、ε０は、真空の誘電率であり、εｓは材料に固有した誘電率である。また、Ｓは対向する端子の表面積であり、ｄは一対の端子の間隔である。本実施形態では、抵抗体１０は導電体２０により複数の方向から囲むように設けられる。したがって、表面積Ｓは大きく設定することができる。このため、本実施形態においては静電容量Ｃは、大きな値とすることができる。これにより、静電容量Ｃのインピーダンス成分（１／（ωＣ））を抵抗器Ｒ及び可変抵抗器ＶＲの抵抗値よりも十分に小さくすることができ、さらに交流電源３０により印加される交流電圧の周波数ｆを高くすることで１／（ωＣ）をより小さくすることも可能である。上記のように静電容量Ｃのインピーダンスを抵抗器Ｒ及び可変抵抗器ＶＲに対して十分小さくすることにより、（１）式は（３）式のように近似できる。

ここで、抵抗器Ｒの抵抗値を可変抵抗器ＶＲの抵抗値よりも十分大きく設定すると、（３）式は（４）式で示すことができる。

また、交流電源３０に上記のように電圧源ではなく電流源を用いてもよい。交流電源３０の出力電流をｉとすると、(１)式は（５）式に、（４）式は（６）式に変換できる。

（５），（６）式よりＶｏｕｔは抵抗器Ｒの影響を受けないことがわかる。上記のように交流電源３０に電流源を用いた場合、抵抗器Ｒは０Ω、つまり抵抗器Ｒを除き除いた後の回路の両端を電気的に接続させ回路としてもよい。

（３）式で示されるように、Ｖｏｕｔは静電容量Ｃに拘らず、可変抵抗器ＶＲと抵抗器Ｒとの夫々の抵抗値に応じて交流電圧ｖを分圧したものとなる。よって（３）式とＶｏｕｔより可変抵抗器ＶＲの抵抗値が求められる。可変抵抗器ＶＲの抵抗値は導電体２０のストロークに応じて変化し、可変抵抗器ＶＲの抵抗値と導電体２０の変位は一対一に対応する。

また、（４），（６）式で示されるようにＶｏｕｔは可変抵抗器ＶＲの抵抗値に比例した電圧となり、（３）式より簡単にＶｏｕｔより可変抵抗器ＶＲの抵抗値を求めることが可能である。

ここで、上述のように本実施形態に係る抵抗体１０は一対で設けられる。このような一対の抵抗体１０は、互いに極性が異なる抵抗温度係数を有するものを用いると好適である。すなわち、抵抗体１０Ａ，１０Ｂの一方に温度の上昇に応じて抵抗値が大きくなる材料を用いる場合には、他方の抵抗体には温度の上昇に応じて抵抗値が小さくなる材料を用いると好適である。このような構成とすれば、抵抗体１０の一方が有する抵抗値の温度ドリフト及び抵抗体１０の他方が有する抵抗値の温度ドリフトを互いに打ち消し合うことができるので、温度特性の優れたストロークセンサ１を構成することができる。

以上のように本ストロークセンサ１にあっては、抵抗体１０と導電体２０とを容量結合しているが、当該容量結合による検出信号への影響を抑制することにより、抵抗体１０と所定の抵抗器Ｒの抵抗値とにより容易に、且つ、精度良くストローク量を求めることが可能となる。

〔その他の実施形態〕
上記実施形態では、導電体２０が抵抗体１０を複数の方向から囲むように構成されているとして説明した。しかしながら、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではない。抵抗体１０が導電体２０を複数の方向から囲むように構成することも可能である。このような形態のストロークセンサ１が図５に示される。本構成においても、導電体２０は一対の抵抗体１０に亘って設けられる。また、一対の抵抗体１０と交流電源３０との間には、抵抗器Ｒが設けられる。

図６には、図５のVI−VI線における断面図が示される。図６に示されるように、導電体２０は抵抗体１０が延在する方向に直交する方向の断面が直方体状で形成され、抵抗体１０の同断面が四角形の凹溝を有するように形成される（コの字状に形成される）。このような抵抗体１０の凹溝に導電体２０が挿通される。したがって、係る構成では、抵抗体１０が導電体２０を複数の方向から囲むように構成されている。すなわち、導電体２０が抵抗体１０により、Ｚ方向に直交する２つの面と、Ｙ方向に直交する１つの面とで囲まれている。このような構成により、容量結合に起因するインピーダンスによる検出信号への影響を抑制でき、精度良くストローク量を求めることが可能である。

上記実施形態では、導電体２０に形成された角溝２１に抵抗体１０が挿通されていたのに対し、例えば図７に示されるように、抵抗体１０に、抵抗体１０の延在方向に沿って角溝２１が形成され、導電体２０が角溝２１に挿通されるように構成することも可能である。すなわち、図７に示されるように、抵抗体１０及び導電体２０を夫々コの字状に形成し、導電体２０の一対の突起部２４を夫々一対の抵抗体１０の角溝２１である溝部１５に挿通して構成することも可能である。このような構成であっても、抵抗体１０を導電体２０により複数の方向から囲むように構成することによって検出信号への容量結合に起因するインピーダンスの影響を抑制でき、精度良くストローク量を求めることが可能である。

上記実施形態では、導電体２０を「Ｈ」型に形成したのに対し、例えば、図８に示されるように、導電体２０の延在方向における断面を、一対の溝部２３を有する櫛場状に構成することも可能である。係る場合、導電体２０に一対の溝部２３が設けられ、当該溝部２３に柱状の抵抗体１０を挿通して構成することが可能である。

上記実施形態では、導電体２０に形成された角溝２１に抵抗体１０が挿通されていたのに対し、例えば図９に示されるように、一対の抵抗体１０を円柱状に形成し、導電体２０が当該円柱状の外周面の少なくとも一部を囲むように構成することが可能である。このような構成であっても、抵抗体１０を導電体２０により複数の方向から囲むように構成し、容量結合に起因する静電容量に拘らず、精度良くストローク量を求めることが可能である。

上記実施形態では、抵抗体１０が一対で設けられ、導電体２０が一対の抵抗体１０の間に亘って設けられていたのに対し、例えば例えば図１０に示されるように、一本の棒状の抵抗体１０上を導電体２０がスライド移動可能に構成することも可能である。係る場合でも、抵抗体１０と交流電源３０との間に抵抗器Ｒを備えて構成することで、ストロークセンサ１を構成することが可能である。

上記実施例で抵抗体１０は棒状の抵抗体としたが、棒状の絶縁体表面に形成した薄膜抵抗体でもよく、平面または変位検出方向に溝を設けた絶縁体表面に形成した薄膜抵抗体でもよい。

本発明は、ストローク量を検出するストロークセンサ、より具体的には例えば車両のシートのスライド量を求めるシートスライドセンサ、車両のブレーキペダルのストローク量を求めるブレーキストロークセンサ、車高に基づいて車両のヘッドライトの光軸を調整する際における車高を求める車高センサ、クラッチのストローク量を求めるクラッチストロークセンサに用いることが可能である。

１：ストロークセンサ
１０：抵抗体
２０：導電体
２１：角溝
３０：交流電源

Claims (5)

1. 棒状の抵抗体と、
   前記抵抗体との間に前記抵抗体と容量結合可能な一定の空隙を有し、前記抵抗体の延在方向に沿って移動可能に配置される導電体と、
   前記抵抗体と前記導電体との間に亘って交流電流を供給する交流電源と、を備え、
   前記抵抗体及び前記導電体の一方が、前記抵抗体及び前記導電体の他方を前記一定の空隙を有する状態で複数の方向から囲むように構成されているストロークセンサ。
2. 前記抵抗体及び前記導電体の一方に前記延在方向に沿って前記抵抗体及び前記導電体の他方が挿通される角溝が形成されている請求項１に記載のストロークセンサ。
3. 前記抵抗体と前記導電体の少なくとも一方の表面に絶縁膜が形成されている請求項１又は２に記載のストロークセンサ。
4. 前記抵抗体が一対で設けられ、前記導電体が前記一対の抵抗体の間に亘って設けられている請求項１から３のいずれか一項に記載のストロークセンサ。
5. 前記一対の抵抗体は、互いに極性が異なる抵抗温度係数を有する請求項４に記載のストロークセンサ。

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