JP2016125940A - 位置検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】検出コイルの配置に必要となるスペースを小さく抑えることができる位置検出装置を提供する。【解決手段】位置検出装置１は、電源３と、電源３から交流電圧Ｖｅが印加される第１検出コイル４及び第２検出コイル５と、被検出部２の動きに応じて第１検出コイル４及び第２検出コイル５に発生する磁界を変化させる被検出対象６とを備える。被検出部２の動きに伴い被検出対象６が第１検出コイル４に対して接近又は離間すると、第１検出コイル４及び第２検出コイル５の出力電圧Ｖ１，Ｖ２が変化する。そして、第１検出コイル４の出力電圧Ｖ１と第２検出コイル５の出力電圧Ｖ２とを用いて計算（本例は除算）を実行し、この計算結果から被検出部２の位置を求める。【選択図】図１

Description

本発明は、被検出部の位置を検出する位置検出装置に関する。

従来、被検出部の位置を検出する位置検出装置として、被検出部と連動する金属部を検出コイルに対向配置させ、被検出部が移動したときの検出コイル及び金属部の間の距離変化を、検出コイルのインダクタンスの変化を基に検出する技術が周知である（特許文献１等参照）。

特表２００７−５０５５３４号公報

ところで、この種の位置検出装置においては、検出コイルの電源の電圧が周囲環境の変化等を要因として変動する可能性があり、印加電圧が変動してしまうと、検出コイルの出力電圧が変化してしまい、正確な位置検出に支障を来す。そこで、電源の電圧変動をキャンセルしたいニーズがあるが、これを検出コイルに必要となる配置スペースを極力抑えた方法で実現したい現状があった。

本発明の目的は、検出コイルの配置に必要となるスペースを小さく抑えることができる位置検出装置を提供することにある。

前記問題点を解決する位置検出装置は、電源から交流電圧を検出コイルに印加し、被検出対象との距離に応じて変化する前記検出コイルの出力信号を基に、位置演算部によって被検出部の位置を検出する構成において、前記検出コイルは、前記被検出対象に対し近い側に位置する第１検出コイルと、前記被検出対象に対し遠い側に位置する第２検出コイルとを備え、前記第１検出コイル及び第２検出コイルは、コイル軸の軸方向に沿って並び配置され、前記位置演算部は、前記第１検出コイル及び第２検出コイルの各出力信号を基に、前記被検出部の位置を演算する。

本構成によれば、コイル軸の軸方向に並び配置された第１検出コイル及び第２検出コイルに電源から電圧を印加し、被検出部との距離に応じて変化する第１検出コイル及び第２検出コイルの出力信号によって計算を実行し、この計算結果を基に被検出部の位置を求める。ここで、仮に電源の電圧が変動したとしても、被検出部の位置を計算するにあたり、第１検出コイル及び第２検出コイルの出力を除算するなどの計算方法をとれば、位置演算の計算過程において変動電圧の値がキャンセルされる。このため、電源電圧が変動する場合であっても、正しい位置検出結果を得るのに有利となる。また、本構成の場合、第１検出コイル及び第２検出コイルがコイル軸の軸方向に並び配置されるので、例えばこれら検出コイルを平面方向に並び配置する場合に比較して、検出コイルに必要となる配置面積を小さく抑えることが可能となる。

前記位置検出装置において、前記第１検出コイル及び第２検出コイルは、同一基板上に形成されていることが好ましい。この構成によれば、例えば基板の片側の層に第１検出コイルを形成し、もう片側の層に第２検出コイルを形成するなど、コイル軸の軸方向に並ぶ第１検出コイル及び第２検出コイルを、容易に製造することが可能となる。

前記位置検出装置において、前記第１検出コイル及び第２検出コイルは、直列接続されていることが好ましい。この構成によれば、１つの電源で第１検出コイル及び第２検出コイルに電圧を印加することが可能となる。

前記位置検出装置において、前記第１検出コイル及び第２検出コイルは、互いに逆方向に電流が流されるように配置されることにより、磁界が逆方向に発生することが好ましい。この構成によれば、被検出対象が接近又は離間するとき、第１検出コイル及び第２検出コイルの各インダクタンスは、増減が互いに逆方向に変化する。すなわち、第１検出コイルのインダクタンスが増加すれば、第２検出コイルのインダクタンスが減少し、逆に、第１検出コイルのインダクタンスが減少すれば、第２検出コイルのインダクタンスが増加する。このため、被検出部の位置を計算するにあたって、計算結果の変動幅を大きくとることが可能となる。よって、被検出部の位置を、より正しく検出するのに有利となる。

前記位置検出装置において、前記第１検出コイル及び第２検出コイルは、それぞれ基板の１層にのみ形成されていることが好ましい。この構成によれば、第１検出コイルを基板の複数層に亘って形成せずに済むので、第１検出コイルの形成を簡素に済ますことが可能となる。また、これは第２検出コイルも同様である。

本発明によれば、位置検出装置において、検出コイルの配置に必要となるスペースを小さく抑えることができる。

一実施形態の位置検出装置の構成図。 位置検出装置の基板の側面図。 従来の位置付けの位置検出装置の構成図。 位置検出装置の作用を説明する具体図。 第１検出コイル及び第２検出コイルの電流が同じ向きのときのインダクタンス変化を示す波形図。 第１検出コイル及び第２検出コイルの電流が同じ向きのときの分圧比変化を示す波形図。 第１検出コイル及び第２検出コイルの電流が逆向きのときのインダクタンス変化を示す波形図。 第１検出コイル及び第２検出コイルの電流が逆向きのときの分圧比変化を示す波形図。

以下、位置検出装置の一実施形態を図１〜図８に従って説明する。
図１に示すように、位置検出装置１は、被検出部２の位置（被検出部２との間の距離）を検出する渦電流センサの一種である。本例の位置検出装置１は、位置検出装置１の電源３と、電源３から交流電圧Ｖｅが印加される第１検出コイル４及び第２検出コイル５と、被検出部２の動きに応じて第１検出コイル４及び第２検出コイル５に発生する磁界を変化させる被検出対象６とを備える。

被検出対象６は、例えば金属から形成された板状の部材（金属板）からなる。本例の被検出対象６は、被検出部２に取り付け固定されることにより、被検出部２と連動する。被検出対象６は、被検出部２の動きに伴って、第１検出コイル４（第２検出コイル５）のコイル軸Ｌの軸方向（コイル軸方向：図１の矢印Ｋ方向）に沿い、第１検出コイル４に接近又は離間する直線往復動が可能である。

第１検出コイル４及び第２検出コイル５は、コイル軸Ｌの軸方向（コイル軸方向）に沿って並び配置されている。本例の場合、第１検出コイル４は、被検出対象６に対し近い側に配置され、第２検出コイル５は被検出対象６に対し遠い側に配置されている。これは、第１検出コイル４の出力電圧（インダクタンス）を位置検出のための信号として用い、第２検出コイル５を第１検出コイル４のリファレンスコイル（基準コイル）とするためである。

第１検出コイル４及び第２検出コイル５は、電源３に対して直列接続されている。第１検出コイル４と第２検出コイル５とは、流される電流が逆方向とされることにより、互いに逆方向の磁界が生成されるようになっている。第１検出コイル４及び第２検出コイル５は、同じ巻数に形成されるとともに、同一面積に形成されている。

第１検出コイル４の入出力端の間には、第１検出コイル４に発生する電圧を検出可能な電圧検出部７が接続されている。また、第２検出コイル５の入力端とＧＮＤとの間には、第２検出コイル５に発生する電圧を検出可能な電圧検出部８が接続されている。

位置検出装置１は、第１検出コイル４及び第２検出コイル５の出力信号を基に被検出部２の位置を演算する位置演算部９を備える。位置演算部９は、電圧検出部７から入力する出力電圧Ｖ１と、電圧検出部８から入力する出力電圧Ｖ２とを基に、被検出部２の位置を検出する。具体的にいうと、位置演算部９は、電圧検出部７の出力電圧Ｖ１を、電圧検出部８の出力電圧Ｖ２で除算した値（Ｖ１／Ｖ２）を基に、第１検出コイル４と被検出対象６との間の距離、すなわち被検出部２の位置を求める。

図２に示すように、本例の第１検出コイル４及び第２検出コイル５は、第１検出コイル４が基板１０の第１層１０ａ（例えば表面）に設けられ、第２検出コイル５が基板１０の第２層１０ｂ（例えば裏面）に設けられることにより、同一基板上に重ね配置されている。第１検出コイル４は、基板１０の第１層１０ａのみに形成され、第２検出コイル５は、基板１０の第２層１０ｂのみに形成されている。

次に、図３〜図８を用いて、位置検出装置１の動作を説明する。
図３に、従来位置付けの位置検出装置１の構成図を図示する。ところで、位置検出装置１の周囲環境によっては電源３の電圧が変動することがあり、電源電圧が変動すると、検出コイル出力もそれに応じて変化してしまうため、正確な位置検出に支障を来す。そこで、従来位置付けの位置検出装置１の場合は、リファレンスコイルとして用いる第２検出コイル５のインダクタンスが常に一定となるように、第１検出コイル４及び第２検出コイル５を平面方向に並べ配置する。なお、この位置検出装置１においては、電源３との接続状態をスイッチ１５によって時分割制御して、第１検出コイル４及び第２検出コイル５から出力を得る。

第１検出コイル４及び第２検出コイル５が前述の配置をとれば、第２検出コイル５のインダクタンスは被検出対象６の距離によらず一定となるので、第２検出コイル５の電圧値を測定することによって、この測定値を基に電源３の電圧変動をキャンセルすることが可能となる。しかし、この配置の場合、基板１０上に第１検出コイル４の他、第２検出コイル５を配置するためのスペースが必要となり、また第２検出コイル５を被検出部２から十分に離す必要があるので、結果として検出コイルのスペースが増大してしまう問題があった。

一方、図４に示す本例の位置検出装置１のように、第１検出コイル４及び第２検出コイル５をコイル軸Ｌの軸方向に並び配置すれば、仮に電源３の電圧が変動しても、この電圧変動は、第１検出コイル４の出力電圧Ｖ１と第２検出コイル５の出力電圧Ｖ２との両方に同じ比率で影響を与えるので、位置演算の除算により、電圧変動がキャンセルされる。このため、本例の位置検出装置１を用いれば、電圧変動を考慮に入れた正確な演算結果を得ることが可能となる。また、本例の場合、第１検出コイル４及び第２検出コイル５がコイル軸Ｌの軸方向に並び配置されているので、コイル配置のスペースを極力少なく抑えることも可能である。

図５に、第１検出コイル４及び第２検出コイル５に流れる電流を同じ方向としたときの第１検出コイル４及び第２検出コイル５の各々のインダクタンス変化を図示し、図６に、その分圧比の変化を図示する。これら図に示されるように、第１検出コイル４及び第２検出コイル５に流れる電流が同じ方向だと、被検出対象６との間の距離変化に対するインダクタンス増減の変化が同じ方向となり、被検出対象６との距離変化に対する分圧比の変化を大きくとることができない。これは、被検出部２の位置を精度よく検出するのに支障を来す。

図７に、第１検出コイル４及び第２検出コイル５に流れる電流を逆方向としたときの第１検出コイル４及び第２検出コイル５の各々のインダクタンス変化を図示し、図８に、その分圧比の変化を図示する。これら図に示されるように、第１検出コイル４及び第２検出コイル５に流れる電流を逆方向にすると、被検出対象６との間の距離変化に対するインダクタンス増減の変化が互いに逆向きとなり、被検出対象６との距離変化に対する分圧比の変化を大きくとることができる。よって、本例のように、第１検出コイル４と第２検出コイル５とに流れる電流を逆方向にすれば、被検出部２の位置を精度よく検出するのに有利となる。

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）コイル軸Ｌの軸方向に並び配置された第１検出コイル４及び第２検出コイル５に電源３から交流電圧Ｖｅを印加し、被検出部２との間の位置に応じて変化する第１検出コイル４及び第２検出コイル５の出力電圧Ｖ１，Ｖ２を用いて計算（本例は除算）を実行し、この計算結果を基に被検出部２の位置を求める。ここで、仮に電源３が電圧変動したとしても、被検出部２の位置を計算するにあたり、第１検出コイル４及び第２検出コイル５の出力電圧Ｖ１，Ｖ２を除算するなどの計算をとれば、位置演算の計算過程において変動電圧の値がキャンセルされる。このため、電源３が電圧変動する場合であっても、正しい位置検出結果を得るのに有利となる。また、本例の場合、第１検出コイル４及び第２検出コイル５がコイル軸Ｌの軸方向に並び配置されるので、例えば第１検出コイル４及び第２検出コイル５を平面方向に並び配置する場合に比較して、第１検出コイル４及び第２検出コイル５の配置に必要となるスペースを小さく抑えることが可能となる。よって、第１検出コイル４及び第２検出コイル５の配置に必要となるスペースを小さく抑えることができる。

（２）第１検出コイル４及び第２検出コイル５は、両方とも基板１０に形成されることにより、同一基板上に形成されている。よって、例えば基板１０の第１層１０ａに第１検出コイル４を形成し、基板１０の第２層１０ｂに第２検出コイル５を形成するなど、コイル軸Ｌの軸方向に並ぶ第１検出コイル４及び第２検出コイル５を、容易に製造することができる。

（３）第１検出コイル４及び第２検出コイル５を直列接続した回路構成をとるので、１つの電源３で第１検出コイル４及び第２検出コイル５に電圧を印加することができる。
（４）第１検出コイル４及び第２検出コイル５は、互いに逆方向に電流が流されるように配置されることにより、磁界が逆方向に発生するようになっている。このため、被検出対象６が第１検出コイル４に接近又は離間するとき、第１検出コイル４及び第２検出コイル５の各インダクタンスは、増減が互いに逆方向に変化する。すなわち、第１検出コイル４のインダクタンスが増加すれば、第２検出コイル５のインダクタンスが減少し、逆に、第１検出コイル４のインダクタンスが減少すれば、第２検出コイル５のインダクタンスが増加する。これにより、被検出部２の位置を計算（除算）するにあたって、計算結果（除算結果）の変動幅を大きくとることが可能となる。よって、被検出部２の位置を、より正しく検出するのに有利となる。

（５）第１検出コイル４及び第２検出コイル５は、それぞれ基板１０の１層にのみ形成されている。よって、第１検出コイル４を基板１０の複数層に亘って形成せずに済むので、第１検出コイル４の形成を簡素に済ますことができる。また、これは第２検出コイル５も同様である。

（６）金属の接近離間に対する検出コイルの出力から被検出部２の位置を検出する位置検出装置としては、励磁コイルとの相互誘導によって検出コイルに誘導起電力を発生させ、被検出対象６との距離に応じて変化する誘導起電力を基に被検出部２の位置を検出するものがある。この構成の位置検出装置に比較して、本例の位置検出装置１は第１検出コイル４及び第２検出コイル５を直に発振させるため、第１検出コイル４及び第２検出コイル５の出力を大きくとることができる。よって、被検出部２の位置を容易に検出するのに有利となる。

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。
・第１検出コイル４及び第２検出コイル５は、同一軸心上に配置されない配置パターンとしてもよい。

・第１検出コイル４及び第２検出コイル５は、互いに異なる形状としてもよい。
・第１検出コイル４及び第２検出コイル５のコイル形状は、四角形状以外の他の形状に変更可能である。

・基板１０は、多層基板でもよく、多層基板の所定層に第１検出コイル４及び第２検出コイル５が形成されてもよい。
・第１検出コイル４及び第２検出コイル５は、基板１０の複数層に亘って形成されてもよい。

・第１検出コイル４及び第２検出コイル５の間の電圧を検出するとともに、第２検出コイル５の電圧を検出し、これらを除算した結果から被検出部２の位置を求めてもよい。
・第１検出コイル４及び第２検出コイル５と電圧検出部（本例でいう電圧検出部７や電圧検出部８）との接続を、スイッチにより時分割制御してもよい。こうすれば、位置検出装置１に必要となる電圧検出部が少なく済むので、装置サイズの小型化に一層寄与する。

・被検出部２の位置検出時に行う計算は、出力電圧Ｖ１，Ｖ２の除算に限定されず、他の計算方法に変更してもよい。
・第１検出コイル４及び第２検出コイル５は、直列接続されることに限定されない。例えば、第１検出コイル４及び第２検出コイル５の各々に専用の電源を接続した回路とするなど、他の構成に適宜変更することができる。

・位置検出に使用する出力信号は、電圧値に限らず、例えば電流値などの他のパラメータに変更可能である。
・被検出対象６は、金属板に限らず、例えばコイルなどの他の部材に変更してもよい。

１…位置検出装置、２…被検出部、３…電源、４…検出コイルの一例である第１検出コイル、５…検出コイルの一例である第２検出コイル、６…被検出対象、９…位置演算部、１０…基板、１０ａ…基板の第１層、１０ｂ…基板の第２層、Ｖｅ…交流電圧、Ｖ１，Ｖ２…出力信号の一例である出力電圧。

Claims (5)

1. 電源から交流電圧を検出コイルに印加し、被検出対象との距離に応じて変化する前記検出コイルの出力信号を基に、位置演算部によって被検出部の位置を検出する位置検出装置において、
   前記検出コイルは、前記被検出対象に対し近い側に位置する第１検出コイルと、前記被検出対象に対し遠い側に位置する第２検出コイルとを備え、
   前記第１検出コイル及び第２検出コイルは、コイル軸の軸方向に沿って並び配置され、
   前記位置演算部は、前記第１検出コイル及び第２検出コイルの各出力信号を基に、前記被検出部の位置を演算する
   ことを特徴とする位置検出装置。
2. 前記第１検出コイル及び第２検出コイルは、同一基板上に形成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の位置検出装置。
3. 前記第１検出コイル及び第２検出コイルは、直列接続されている
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の位置検出装置。
4. 前記第１検出コイル及び第２検出コイルは、互いに逆方向に電流が流されるように配置されることにより、磁界が逆方向に発生する
   ことを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか一項に記載の位置検出装置。
5. 前記第１検出コイル及び第２検出コイルは、それぞれ基板の１層にのみ形成されている
   ことを特徴とする請求項１〜４のうちいずれか一項に記載の位置検出装置。