JP4390347B2 - Position detection device - Google Patents

Description

となる。前記区間の始まりの位置では、Ａ（ｘ）＝Ｐａであることから、この演算結果の振幅係数「Ａ(ｘ) −Ｐa 」は「０」となる。一方、前記区間の終わり位置では、Ａ（ｘ）＝Ｐｂであることから、この演算結果の振幅係数「Ａ(ｘ) −Ｐa 」は「Ｐb −Ｐa 」となる。よって、この演算結果の振幅係数「Ａ(ｘ) −Ｐa 」は、前記区間の範囲内において、「０」から「Ｐb −Ｐa 」まで漸増する関数特性を示す。ここで、「Ｐb −Ｐa 」は最大値であるから、これを等価的に「１」と考えると、前記式（１）に従う交流信号の振幅係数「Ａ(ｘ) −Ｐa 」は、前記区間の範囲内において、「０」から「１」まで変化することになり、この振幅係数の関数特性は、サイン関数の第１象限（つまり０度から９０度の範囲）の特性になぞらえることができる。よって、前記式（１）に従う交流信号の振幅係数「Ａ(ｘ) −Ｐa 」は、等価的にｓｉｎθ（ただし、大体、０°≦θ≦９０°）と表わせる。
【０００８】
好ましい一実施形態は、前記コイル部は、１つのコイルを配置してなり、前記所定の基準電圧を発生する回路は、第１及び第２の基準電圧を発生し、前記演算回路は、前記１つのコイルから取り出した電圧と前記第１及び第２の基準電圧とをそれぞれ加算又は減算することで、第１の振幅関数を振幅係数として持つ第１の交流出力信号と、第２の振幅関数を振幅係数として持つ第２の交流出力信号とをそれぞれ生成するものである。この場合、コイル部は、ただ１つのコイルを持つだけでよいので、構成を最小限に簡略化することができる。上記第１の基準電圧として上記Ｖａを使用することで、上記第１の振幅関数として、サイン関数のほぼ第１象限（つまり０度から９０度の範囲）の特性を持つものを得ることができる。
【０００９】
また、前記区間の終わりの位置に対応するコイル出力電圧Ｖｘの値Ｐb ｓｉｎωｔと同じ値の交流電圧を第２の基準電圧Ｖｂと定め、これとコイル出力電圧Ｖｘとの差を求めると、

となる。前記区間の始まりの位置では、Ａ（ｘ）＝Ｐａであることから、この演算結果の振幅係数「Ｐb −Ａ(ｘ) 」は「Ｐb −Ｐa 」となる。一方、前記区間の終わり位置では、Ａ（ｘ）＝Ｐｂであることから、この演算結果の振幅係数「Ｐb −Ａ(ｘ) 」は「０」となる。よって、この演算結果の振幅係数「Ｐb −Ａ(ｘ) 」は、前記区間の範囲内において、「Ｐb −Ｐa 」から「０」まで漸減する関数特性を示す。前記と同様に、「Ｐb −Ｐa 」を等価的に「１」と考えると、前記式（２）に従う交流信号の振幅係数「Ｐb −Ａ(ｘ) 」は、前記区間の範囲内において、「１」から「０」まで変化することになり、この振幅係数の関数特性は、コサイン関数の第１象限（つまり０度から９０度の範囲）の特性になぞらえることができる。よって、前記式（２）に従う交流信号の振幅係数「Ｐb −Ａ(ｘ) 」は、等価的にｃｏｓθ（ただし、大体、０°≦θ≦９０°）と表わせる。なお、式（２）の減算は「Ｖｘ−Ｖｂ」であってもよい。
【００１０】
こうして、１つのコイルと２つの基準電圧を用いるだけで、検出対象位置に応じてサイン及びコサイン関数特性に従う振幅をそれぞれ示す２つの交流出力信号を生成することができる。例えば、検出対象位置を角度θに置き換えて示すと、概ね、サイン関数特性を示す振幅を持つ交流出力信号は、ｓｉｎθｓｉｎωｔで示すことができるものであり、コサイン関数特性を示す振幅を持つ交流出力信号は、ｃｏｓθｓｉｎωｔで示すことができるものである。これは、レゾルバといわれる位置検出器の出力信号の形態と同様のものであり、極めて有用なものである。例えば、前記演算回路で生成された前記２つの交流出力信号を入力し、該２つの交流出力信号における振幅値の相関関係から該振幅値を規定する前記サイン及びコサイン関数における位相値を検出し、検出した位相値に基づき前記検出対象の位置検出データを生成する振幅位相変換部を具備するようにするとよい。なお、上記サイン及びコサイン関数は、ほぼ１象限分（９０度）の範囲の特性を示すので、検出可能な位置範囲がほぼ９０度の範囲の位相角に換算されて検出されることになる。
【００１１】
ここで、基準電圧Ｖａ，ＶｂのレベルＰａ，Ｐｂを可変設定することは、検出可能な位置範囲を可変設定することにつながる。例えば、レベルＰａとＰｂの差が大きくなるようにこれらの値を設定すると、検出可能な位置範囲が広がり、小さくなるようにこれらの値を設定すると、検出可能な位置範囲が狭まる。検出可能な位置範囲の変化にかかわらず、この範囲内での位置が、常にほぼ９０度の範囲の位相角に換算されて検出されるので、基準電圧Ｖａ，Ｖｂのレベルを可変設定することで位置検出の分解能を可変設定できることになる。このことは、例えば、微小変位を検出する場合であっても、超高分解能での位置検出が可能であることを意味している。
【００１２】
別の一実施形態は、前記コイル部は、２つのコイルを配置してなり、検出対象の変位に応じて前記磁気応答部材に対する各コイルの相対的位置が逆特性で変化し、これに応じて前記各コイルのインピーダンスが逆特性で変化し、前記所定の基準電圧を発生する回路は、１つの基準電圧を発生し、前記演算回路は、前記各コイルから取り出した電圧と前記基準電圧とをそれぞれ加算又は減算することで、第１の振幅関数を振幅係数として持つ第１の交流出力信号と、第２の振幅関数を振幅係数として持つ第２の交流出力信号とをそれぞれ生成するものである。
【００１３】
例えば、前述と同様に、磁気応答部材の相対的位置が所定の範囲にわたって変化する間で第１のコイルの端子間電圧が示す漸増変化カーブは、サイン関数における０度から９０度までの範囲の関数値変化になぞらえることができる。すなわち、適当な区間の始まりの位置に対応して得られるコイル出力電圧ＶｘはＰa ｓｉｎωｔと表わすことができ、これは最小値に相当する。この始まりの位置を基準電圧Ｖａで設定できる。基準電圧Ｖａ＝Ｐa ｓｉｎωｔを用いて上記（式１）と同じ演算を行うことにより、
Ｖｘ−Ｖａ＝｛Ａ(ｘ) −Ｐa ｝ｓｉｎωｔ
となり、前述と同様に、この振幅係数「Ａ(ｘ) −Ｐa 」の関数特性として、サイン関数の第１象限（つまり０度から９０度の範囲）の特性、つまり等価的にｓｉｎθ（ただし、大体、０°≦θ≦９０°）になぞらえることができる。
【００１４】
一方、第２のコイルの端子間電圧は、上記とは逆特性の漸減変化カーブを示し、前記区間の始まりの位置に対応して得られる第２のコイル出力電圧Ｖｙを仮りにＰa' ｓｉｎωｔと表わすと、これは最大値に相当する。上記基準電圧Ｖａを第２コイル出力電圧Ｖｙから減算すると、コイル出力電圧Ｖｙの振幅係数を関数Ａ（ｙ）で示すと、

となる。前記区間の始まりの位置では、Ａ（ｙ）＝Ｐa' であることから、この演算結果の振幅係数「Ａ(ｙ) −Ｐa 」は「Ｐa' −Ｐa 」であり、「最大値−最小値」であるから、等価的に「１」とみなせる最大値、となる。一方、前記区間の終わり位置では、Ａ（ｙ）＝Ｐａであることから、この演算結果の振幅係数「Ａ(ｙ) −Ｐa 」は「０」となる。よって、この演算結果の振幅係数「Ａ(ｙ) −Ｐa 」は、前記区間の範囲内において、最大値「Ｐa' −Ｐa 」（つまり「１」）から「０」まで漸減する関数特性を示し、この振幅係数の関数特性は、コサイン関数の第１象限（つまり０度から９０度の範囲）の特性になぞらえることができる。よって、前記式（３）に従う交流信号の振幅係数「Ａ(ｙ) −Ｐa 」は、等価的にｃｏｓθ（ただし、大体、０°≦θ≦９０°）と表わせる。
【００１５】
こうして、２つのコイルと１つの基準電圧を用いる場合も、検出対象位置に応じてサイン及びコサイン関数特性に従う振幅をそれぞれ示す２つの交流出力信号（ｓｉｎθｓｉｎωｔとｃｏｓθｓｉｎωｔ）を生成することができる。この場合も、上記サイン及びコサイン関数は、ほぼ１象限分（９０度）の範囲の特性を示すので、検出可能な位置範囲がほぼ９０度の範囲の位相角に換算されて検出されることになる。また、前述と同様に、基準電圧Ｖａを可変することにより、検出可能な位置範囲を可変設定することができ、検出分解能を調整することができる。
【００１６】
なお、磁気応答部材として、銅のような良導電体を使用した場合は、渦電流損によってコイルの自己インダクタンスが減少し、磁気応答部材のコイルに対する近接に伴い該コイルの端子間電圧が漸減することになる。この場合も、上記と同様に検出することが可能である。また、磁気応答部材として、磁性体と導電体を組合わせたハイブリッドタイプのものを用いてもよい。
別の実施形態として、磁気応答部材として永久磁石を含み、コイルは磁性体コアを含むようにしてもよい。この場合は、コイルの側の磁性体コアにおいて永久磁石の接近に応じて対応する箇所が磁気飽和又は過飽和となり、該磁気応答部材すなわち永久磁石のコイルに対する相対的変位に応じて該コイルの端子間電圧が漸減することになる。
【００１７】
かくして、この発明によれば、１次コイルのみを設ければよく、２次コイルは不要であるため、小型かつシンプルな構造の位置検出装置を提供することができる。また、１つのコイルと２つの基準電圧を用いるだけで、あるいは２つのコイルと１つの基準電圧を用いることにより、検出対象位置に応じて所定の周期関数特性に従う振幅をそれぞれ示す複数の交流出力信号（例えばサイン及びコサイン関数特性に従う振幅をそれぞれ示す２つの交流出力信号）を容易に生成することができ、利用可能な位相角範囲として少なくともほぼ１象限（９０度）分をとることができる。従って、少ないコイルでありながら比較的広い位相角範囲で検出を行うことができ、検出分解能を向上させることができる。また、検出対象の変位が微小でも高分解能での位置検出が可能である。更に、基準電圧を発生する回路として、検出用のコイルと同等の温度特性を示す回路（例えばコイル）を使用すれば、演算回路におけ減算演算によって、温度ドリフト特性が自動的に補償されることとなり、温度変化の影響を排除した位置検出を容易に行うことができる。勿論、基準電圧を発生する回路は、コイルに限らず、抵抗等、その他適宜の構成からなる電圧生成回路を使用してよい。なお、コイルと基準電圧の数は１又は２に限定されず、それ以上であってもよく、これに伴い、利用可能な位相角範囲を、ほぼ１象限（９０度）分に限らず、更に拡大することも可能である。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照してこの発明の実施の形態を詳細に説明しよう。
図１（Ａ）は、この発明の一実施例に係る位置検出装置におけるコイル部５０と磁気応答部材６０との物理的配置関係の一例をコイル軸方向断面略図によって示すもの、同図（Ｂ）はその平面略図、同図（Ｃ）は該コイル部５０に関連する電気回路の一例を示す図である。図１に示す位置検出装置は、検出対象の直線位置を検出するものであり、例えば、コイル部５０が相対的に固定されており、磁気応答部材６０が検出対象の変位に応じて相対的に直線変位する。この逆に、磁気応答部材６０を相対的に固定し、コイル部５０を検出対象の変位に応じて相対的に変位させてもよいのは勿論である。
【００１９】
コイル部５０は、所定の交流信号によって励磁される１つのコイルＬ１を含み、該コイルＬ１には磁性体コア５１が設けられている。磁気応答部材６０は、コイルＬ１の磁性体コア５１の端部に対して空隙を介して対向するフラットな面を成し、検出対象位置の変化に連動して磁気応答部材６０の面が矢印ｘ方向又はその逆向きに変位する。この空隙の変化によって、磁性体コア５１を通ってコイルＬ１を貫く磁束量が変化し、もって、コイルＬ１の自己インダクタンスが変化する。このインダクタンス変化は、コイルＬ１のインピーダンス変化でもあり、該コイルＬ１の端子間電圧として測定できる。一例として、磁気応答部材６０の材質は、鉄のような磁性体からなっているものとして説明を進める。このような構造の位置検出装置は例えばダイヤフラムのような膜の微小な変位の検出に適している。その場合、検出対象たるダイヤフラムそれ自体が磁性体（若しくは導電体）からなっている場合は、それ自体を磁気応答部材６０として機能させることができる。あるいは、検出対象たるダイヤフラム等に膜状若しくは面状の磁気応答部材６０を貼り付ける若しくは塗布するようにしてもよい。
【００２０】
図１（Ａ）において、磁気応答部材６０の最大移動範囲を点ａとｂで例示した。点ａの位置がコイルＬ１から最も離れる位置、点ｂが最も近づく位置である。図２（Ａ）は、検出対象位置（横軸ｘ）に対するコイルＬ１のインピーダンス（たて軸ｚ）を例示するグラフである。磁気応答部材６０が点ａのときのコイルＬ１のインピーダンスをＺａで示し、点ｂのときのそれをＺｂで示す。インピーダンスＺａのときコイルＬ１の端子間電圧つまり出力電圧は最小レベル（最小振幅係数）であり、インピーダンスＺｂのときのそれは最大レベル（最大振幅係数）である。
【００２１】
コイルＬ１の端子間電圧は、磁気応答部材６０の相対的位置がａからｂまで動く間で、前記インピーダンスＺａに対応する最小値からインピーダンスＺｂに対応する最大値まで漸増変化する。このようなコイルＬ１の端子間電圧がとり得る値の範囲内で第１及び第２の基準電圧Ｖａ，Ｖｂを適宜に設定する。すなわち、位置ａからｂまでの最大移動範囲のうち、適当な区間を検出対象区間Ｒとして選定し、この区間Ｒの始まりの位置に対応して生じるコイルＬ１の端子間電圧の振幅係数レベル値（すなわちインピーダンス）をＰａとすると、該区間Ｒの始まりの位置に対応するコイルＬ１の端子間電圧すなわち出力電圧ＶｘはＰa ｓｉｎωｔであり、これを第１の基準電圧Ｖａとして設定する。すなわち、
Ｖａ＝Ｐa ｓｉｎωｔ
である。また、該区間Ｒの終わりの位置に対応して生じるコイルＬ１の端子間電圧の振幅係数レベル値（すなわちインピーダンス）をＰｂとすると、該区間Ｒの終わりの位置に対応するコイルＬ１の端子間電圧すなわち出力電圧ＶｘはＰb ｓｉｎωｔであり、これを第２の基準電圧Ｖｂとして設定する。すなわち、
Ｖｂ＝Ｐb ｓｉｎωｔ
である。
【００２２】
図１（Ｃ）に示すように、検出用のコイルＬ１は、交流発生源３０から発生される所定の１相の交流信号（仮にｓｉｎωｔで示す）によって定電圧又は定電流で励磁される。前述の通り、検出用のコイルＬ１のインダクタンスは、検出対象位置に応じて可変であるため、図では等価的に可変インダクタンスとして図示してある。また、各基準電圧Ｖａ，Ｖｂを発生するための回路として、コイルＬｒ１，Ｌｒ２が設けられており、これらも交流発生源３０からの交流信号によって駆動される。これらは、所望の検出対象区間Ｒを決定するために一旦設定した後は、その設定値に固定される。
【００２３】
演算回路３１Ａは、検出用コイルＬ１の出力電圧Ｖｘから第１の基準電圧Ｖａを減算するもので、前記式（１）のように、コイル出力電圧Ｖｘの振幅係数を関数Ａ（ｘ）で示すと、

なる演算を行う。第１基準電圧Ｖａによって設定した検出対象区間Ｒの始まりの位置では、Ａ（ｘ）＝Ｐａであることから、この演算結果の振幅係数「Ａ(ｘ) −Ｐa 」は「０」となる。一方、該区間Ｒの終わり位置では、Ａ（ｘ）＝Ｐｂであることから、この演算結果の振幅係数「Ａ(ｘ) −Ｐa 」は「Ｐb −Ｐa 」となる。よって、この演算結果の振幅係数「Ａ(ｘ) −Ｐa 」は、該区間Ｒの範囲内において、「０」から「Ｐb −Ｐa 」まで漸増する関数特性を示す。ここで、「Ｐb −Ｐa 」は最大値であるから、これを等価的に「１」と考えると、前記式に従う交流信号の振幅係数「Ａ(ｘ) −Ｐa 」は、区間Ｒの範囲内において、「０」から「１」まで変化することになり、この振幅係数の関数特性は、図２（Ｂ）に示すように、サイン関数の第１象限（つまり０度から９０度の範囲）の特性になぞらえることができる。よって、前記式に従う交流信号の振幅係数「Ａ(ｘ)−Ｐa 」は、等価的にｓｉｎθ（ただし、大体、０°≦θ≦９０°）を用いて表わせる。なお、図２（Ｂ）では、位置ｘに対するサイン関数特性の振幅係数のカーブｓｉｎθのみを示しているが、実際の演算回路３１Ａの出力はこの振幅係数ｓｉｎθに対応する振幅レベルを持つ交流信号ｓｉｎθｓｉｎωｔである。
【００２４】
演算回路３１Ｂは、検出用コイルＬ１の出力電圧Ｖｘと第２の基準電圧Ｖｂとの差を求めるもので、前記式（２）のように、

なる演算を行う。検出対象区間Ｒの始まりの位置では、Ａ（ｘ）＝Ｐａであることから、この演算結果の振幅係数「Ｐb −Ａ(ｘ) 」は「Ｐb −Ｐa 」となる。一方、第２の基準電圧Ｖｂによって設定した該区間Ｒの終わり位置では、Ａ（ｘ）＝Ｐｂであることから、この演算結果の振幅係数「Ｐb −Ａ(ｘ) 」は「０」となる。よって、この演算結果の振幅係数「Ｐb −Ａ(ｘ) 」は、該区間Ｒの範囲内において、「Ｐb −Ｐa 」から「０」まで漸減する関数特性を示す。前記と同様に、「Ｐb −Ｐa 」を等価的に「１」と考えると、前記式に従う交流信号の振幅係数「Ｐb −Ａ(ｘ) 」は、区間Ｒの範囲内において、「１」から「０」まで変化することになり、この振幅係数の関数特性は、コサイン関数の第１象限（つまり０度から９０度の範囲）の特性になぞらえることができる。よって、前記式に従う交流信号の振幅係数「Ｐb −Ａ(ｘ) 」は、等価的にｃｏｓθ（ただし、大体、０°≦θ≦９０°）を用いて表わせる。この場合も、図２（Ｂ）では、位置ｘに対するコサイン関数特性の振幅係数のカーブｃｏｓθのみを示しているが、実際の演算回路３１Ｂの出力はこの振幅係数ｃｏｓθに対応する振幅レベルを持つ交流信号ｃｏｓθｓｉｎωｔである。なお、演算回路３１Ｂでの減算は「Ｖｘ−Ｖｂ」であってもよい。
【００２５】
こうして、検出対象位置ｘに応じてサイン及びコサイン関数特性に従う振幅をそれぞれ示す２つの交流出力信号ｓｉｎθｓｉｎωｔとｃｏｓθｓｉｎωｔを生成することができる。これは一般にレゾルバといわれる位置検出器の出力信号の形態と同様のものであり、有効に活用することができる。例えば、演算回路３１Ａ，３１Ｂで生成されたレゾルバタイプの２つの交流出力信号を位相検出回路（若しくは振幅位相変換手段）３２に入力し、該２つの交流出力信号における振幅値の相関関係から該振幅値を規定する前記サイン及びコサイン関数ｓｉｎθ及びｃｏｓθの位相値θを計測することで、検出対象位置をアブソリュートで検出することができる。この位相検出回路３２としては、例えば本出願人の出願に係る特開平９−１２６８０９号公報に示された技術を用いて構成するとよい。例えば、第１の交流出力信号ｓｉｎθｓｉｎωｔを電気的に９０度シフトすることで、交流信号ｓｉｎθｃｏｓωｔを生成し、これと第２の交流出力信号ｃｏｓθｓｉｎωｔを加減算合成することで、ｓｉｎ（ωｔ＋θ）およびｓｉｎ（ωｔ−θ）なる、θに応じて進相および遅相方向に位相シフトされた２つの交流信号（位相成分θを交流位相ずれに変換した信号）を生成し、その位相θを測定することで、ストローク位置検出データを得ることができる。位相検出回路３２は、専用回路（例えば集積回路装置）で構成してもよいし、プログラム可能なプロセッサまたはコンピュータを使用して所定のソフトウェアを実行することにより位相検出処理を行うようにしてもよい。あるいは、公知のレゾルバ出力を処理するために使用されるＲ−Ｄコンバータを、この位相検出回路３２として使用するようにしてもよい。また、位相検出回路３２における位相成分θの検出処理は、ディジタル処理に限らず、積分回路等を使用したアナログ処理で行ってもよい。また、ディジタル位相検出処理によって回転位置θを示すディジタル検出データを生成した後、これをアナログ変換して回転位置θを示すアナログ検出データを得るようにしてもよい。勿論、位相検出回路３２を設けずに、演算回路３１Ａ，３１Ｂの出力信号ｓｉｎθｓｉｎωｔ及びｃｏｓθｓｉｎωｔをそのまま出力するようにしてもよい。
【００２６】
なお、図２（Ｂ）に示すように、サイン及びコサイン関数特性の交流出力信号ｓｉｎθｓｉｎωｔ及びｃｏｓθｓｉｎωｔにおける振幅特性は、位相角θと検出対象位置ｘとの対応関係が線形性を持つものとすると、真のサイン及びコサイン関数特性を示していない。しかし、位相検出回路３２では、見かけ上、この交流出力信号ｓｉｎθｓｉｎωｔ及びｃｏｓθｓｉｎωｔをそれぞれサイン及びコサイン関数の振幅特性を持つものとして位相検出処理する。その結果、検出した位相角θは、検出対象位置ｘに対して、線形性を示さないことになる。しかし、位置検出にあたっては、そのように、検出出力データ（検出した位相角θ）と実際の検出対象位置との非直線性はあまり重要な問題とはならない。つまり、所定の反復再現性をもって位置検出を行なうことができればよいのである。また、必要とあらば、位相検出回路３２の出力データを適宜のデータ変換テーブルを用いてデータ変換することにより、検出出力データと実際の検出対象位置との間に正確な線形性を持たせることが容易に行なえる。よって、本発明でいうサイン及びコサイン関数の振幅特性とは、真のサイン及びコサイン関数特性を示していなければならないものではなく、図２（Ｂ）に示されるように、実際は三角波形状のようなものであってよいものであり、要するに、そのような傾向を示していればよい。つまり、サイン等の三角関数に類似した関数であればよい。なお、図２（Ｂ）の例では、観点を変えて、その横軸の目盛をθと見立ててその目盛が所要の非線形目盛からなっているとすれば、横軸の目盛をｘと見立てた場合には見かけ上三角波形状に見えるものであっても、θに関してはサイン関数又はコサイン関数ということができる。
【００２７】
ここで、温度ドリフト特性の補償について説明する。温度に応じて検出用コイルＬ１のインピーダンスが変化しても、基準電圧Ｖａ，Ｖｂもこれと同様の温度ドリフト特性を持つものとすれば、演算回路３１Ａ，３１Ｂにおける差演算によって、温度ドリフト分が相殺されることになり、温度ドリフト特性が補償さることになる。そのためには、基準電圧発生用に、検出用コイルＬ１と同等の特性のコイルＬｒ１，Ｌｒ２を使用し、これらのコイルＬｒ１，Ｌｒ２と検出用コイルＬ１と同様の温度環境に置く（つまり検出用コイルＬ１の比較的近くに配置する）のがよい。勿論、基準電圧発生用のコイルＬｒ１，Ｌｒ２の特性を検出用コイルＬ１と同等の特性とすることは好ましいが必須ではなく、付加抵抗の調整等によって実質的に同等の温度ドリフト特性を持たせるように構成することが可能である。また、基準電圧発生用回路は、コイルＬｒ１，Ｌｒ２に限らず、抵抗その他の適当な定電圧発生回路を使用してもよい。
【００２８】
前述の通り、基準電圧Ｖａ，ＶｂのレベルつまりインピーダンスＰａ，Ｐｂを可変設定することは、検出可能な位置範囲つまり検出対象区間Ｒを可変設定することにつながる。検出可能な位置範囲つまり検出対象区間Ｒの長さがどれほどであるかにかかわらず、この区間Ｒ内での位置が、常にほぼ９０度の範囲の位相角θに換算されて検出されるので、基準電圧Ｖａ，Ｖｂのレベルを可変設定することで位置検出の分解能を可変設定できることになる。このことは、例えば、微小変位を検出する場合であっても、超高分解能での位置検出が可能であることを意味している。一例として、位相検出回路３２が１２ビットバイナリカウンタを用いて一回転３６０度フルの位相角を「２の１２乗」＝４０９６の分解能で検出する性能を持っている場合、９０度の範囲の位相角の検出分解能は「１０２４」であり、検出可能な位置範囲つまり検出対象区間Ｒの長さを５ミリメートルに設定したとすると、約５ミクロンの超高分解能での微小位置検出が可能となる。
【００２９】
図３は、図１の変更例を示すものであり、磁気応答部材６１の変位の方向ｘが図１とは異なっており、コイル部５０の構造は図１と同じであってよい。図３（Ａ）は断面略図、（Ｂ）は平面略図であり、コイル部５０に関連する電気回路は図１（Ｃ）と同様の構成を使用できるので図示を省略する。図３（Ａ）において、磁気応答部材６１の最大移動範囲を点ａとｂで例示した。点ａの位置では磁気応答部材６１はコイルＬ１の端部をカバーしていない状態であり、コイルＬ１の出力レベルは最小である。磁気応答部材６１は、この位置から矢印ｘ方向にコイルＬ１の端部を横切るように直線変位し、該磁気応答部材６１の端部が一点鎖線６１’で示すように点ｂに対応する位置まで来ると、磁気応答部材６１がコイルＬ１の端部を完全にカバーした状態となり、コイルＬ１の出力レベルは最大となる。図３の装置による位置検出動作は、図１と同様である。
【００３０】
図４は、図１の更に別の変更例を示す一部断面側面略図であり、コイル部５０のコイルＬ１には磁性体コア５１が設けられておらず、検出対象の変位に応じてロッド状の磁気応答部材６２が、矢印ｘ方向に相対的に変位して、コイルＬ１の内部空間内に侵入していく構造からなっている。この場合も、磁気応答部材６２の最大移動範囲を点ａとｂで例示するが、この範囲はほぼコイルＬ１の長さに対応する。図４の装置による位置検出動作も、図１と同様である。
【００３１】
図５は、図１の更に別の変更例を示す一部断面側面略図であり、コイル部５０のコイルＬ１には磁性体コア５１が設けられており、検出対象の変位に応じて円筒スリーブ状の磁気応答部材６３が、矢印ｘ方向に相対的に変位して、コイルＬ１をその円筒スリーブの空間内に呑みこんでいく構造からなっている。この場合も、磁気応答部材６３の最大移動範囲を点ａとｂで例示するが、この範囲はほぼコイルＬ１の長さに対応する。ただし、図５では、磁気応答部材６３は銅のような非磁性良導電体からなり、該磁気応答部材６３がコイルＬ１に近接する（コイルＬ１が磁気応答部材６３の円筒スリーブ空間内に入り込む）ほど、渦電流損が生じて、該コイルＬ１のインピーダンスを減少させる。よって、点ａとｂの位置が図４とは逆になるように図示してある。図５の装置による位置検出動作も、図１と同様である。
【００３２】
図６は、図１の更に別の変更例を示す一部断面側面略図であり、コイル部５０のコイルＬ１には磁性体コア５１が設けられており、検出対象の変位に応じて円筒スリーブ状の磁気応答部材６４は永久磁石からなっていて、矢印ｘ方向に相対的に変位して、コイルＬ１をその円筒スリーブの空間内に呑みこんでいく構造からなっている。永久磁石６４が、コイルＬ１に接近するとその近接箇所に対応する磁性体コア５１が部分的に磁気飽和ないし過飽和状態となり、該コイルＬ１の端子間電圧が低下する。永久磁石６４がコイルＬ１一端から他端まで変位する間で該コイルＬ１の端子間電圧が漸減するように、該永久磁石６４の長さは少なくともコイル長に相当する長さを持つ。このように、磁気応答部材６４として永久磁石を使用する場合も、上記非磁性良導電体６３を用いる場合と同様に、磁気応答部材６４つまり永久磁石がコイルＬ１の一端から他端まで変位する間で該コイルの端子間電圧の漸減変化を引き起こさせることができる。永久磁石６４はリング状のものに限らず、棒状等その他形状であってもよい。その場合、コイル軸心方向に平行にその近傍を永久磁石からなる磁気応答部材６４が通過する配置構成を採用すればよい。なお、この場合のコイルＬ１の磁性体コア５１は磁気飽和を起こし易いように比較的細い形状等とするとよい。
【００３３】
図７は、この発明に係る位置検出装置の別の実施例を示すもので、コイル部５０において２つのコイルＬ１，Ｌ２を設け、１つの基準電圧Ｖａだけを使用する例を示している。図７（Ａ）は、コイル部５０と磁気応答部材６０との物理的配置関係の一例をコイル軸方向断面略図によって示すもの、同図（Ｂ）は該コイル部５０に関連する電気回路の一例を示す図である。図７では、コイル部５０において、一方のコイルＬ１には図１と同様に磁性体コア５１が挿入されている。また、他方のコイルＬ２にも同様に磁性体コア５２が挿入されている。これらのコイルＬ１，Ｌ２は、それぞれの磁性体コア５１，５２の端部が向き合うように、同軸上に向き合って配置され、その間に平板状の磁気応答部材６０が配置されている。
【００３４】
前述と同様に、磁気応答部材６０の最大移動範囲が点ａとｂで例示されており、点ａの位置がコイルＬ１から最も離れる位置、点ｂが最も近づく位置である。逆に、コイルＬ２にとっては、点ａの位置が磁気応答部材６０が最も近づく位置、点ｂが最も離れる位置である。よって、検出対象の変位に応じて磁気応答部材６０に対する各コイルＬ１，Ｌ２の相対的位置が逆特性で変化し、これに応じて各コイルＬ１，Ｌ２のインピーダンスが逆特性で変化する。図８（Ａ）は、検出対象位置（横軸ｘ）に対するコイルＬ１及びＬ２のインピーダンス（たて軸ｚ）を例示するグラフである。磁気応答部材６０が点ａのときのコイルＬ１のインピーダンスをＺａで示し、点ｂのときのそれをＺｂで示すと、逆特性であるため、磁気応答部材６０が点ａのときのコイルＬ２のインピーダンスはＺｂ、点ｂのときのそれはＺａとなる。
【００３５】
コイルＬ１の端子間電圧は、磁気応答部材６０の相対的位置がａからｂまで動く間で、前記インピーダンスＺａに対応する最小値からインピーダンスＺｂに対応する最大値まで漸増変化する。一方、コイルＬ２の端子間電圧は、磁気応答部材６０の相対的位置がａからｂまで動く間で、前記インピーダンスＺｂに対応する最大値からインピーダンスＺａに対応する最小値まで漸減変化する。１つの基準電圧Ｖａは、位置ａからｂまでの最大移動範囲のうちから選ばれた適当なを検出対象区間Ｒの始まりの位置に対応して生じるコイルＬ１の端子間電圧の振幅係数レベル値（すなわちインピーダンス）Ｐａに対応して設定される。すなわち、前述のように、
Ｖａ＝Ｐa ｓｉｎωｔ
である。
【００３６】
図７（Ｂ）に示すように、検出用のコイルＬ１及びＬ２は、交流発生源３０から発生される所定の１相の交流信号（仮にｓｉｎωｔで示す）によって定電圧又は定電流で励磁される。前述の通り、各コイルＬ１，Ｌ２のインダクタンスは、検出対象位置に応じて可変であるため、図では等価的に可変インダクタンスとして図示してある。また、基準電圧Ｖａを発生するための回路として、コイルＬｒ１が設けられており、これも交流発生源３０からの交流信号によって駆動される。
【００３７】
演算回路３１Ｃは、図１の演算回路３１Ａと同様に、検出用コイルＬ１の出力電圧Ｖｘから基準電圧Ｖａを減算するもので、前記式（１）と同様に、

なる演算を行う。よって、前述と同様に、演算回路３１Ｃの出力交流信号における振幅係数の関数特性は、図８（Ｂ）に示すように、サイン関数の第１象限（つまり０度から９０度の範囲）の特性になぞらえることができる。
【００３８】
演算回路３１Ｄは、もう一方の検出用コイルＬ２の出力電圧Ｖｙと基準電圧Ｖａとの差を求めるもので、前記式（３）のように、

なる演算を行う。図８（Ａ）から理解できるように、コイルＬ２の端子間電圧Ｖｙは、コイルＬ１の端子間電圧Ｖｘとは逆特性の漸減変化カーブを示し、区間Ｒの始まりの位置に対応して得られる該コイル出力電圧Ｖｙを仮りにＰa' ｓｉｎωｔと表わすと、これは最大値に相当する。このように区間Ｒの始まりの位置では、Ａ（ｙ）＝Ｐa' であることから、演算回路３１Ｄの出力交流信号の振幅係数「Ａ(ｙ) −Ｐa 」は「Ｐa' −Ｐa 」であり、「最大値−最小値」であるから、等価的に「１」とみなせる最大値、となる。一方、該区間Ｒの終わり位置では、Ａ（ｙ）＝Ｐａであることから、この演算結果の振幅係数「Ａ(ｙ) −Ｐa 」は「０」となる。よって、演算回路３１Ｄの出力交流信号の振幅係数「Ａ(ｙ) −Ｐa 」は、検出対象区間Ｒの範囲内において、最大値「Ｐa' −Ｐa 」（つまり「１」）から「０」まで漸減する関数特性を示し、この振幅係数の関数特性は、コサイン関数の第１象限（つまり０度から９０度の範囲）の特性になぞらえることができる。よって、演算回路３１Ｄの出力交流信号の振幅係数「Ａ(ｙ) −Ｐa 」は、図８（Ｂ）に示すように、等価的にｃｏｓθ（ただし、大体、０°≦θ≦９０°）で表わせる。
【００３９】
こうして、２つの検出用コイルＬ１，Ｌ２と１つの基準電圧Ｖａを用いる場合も、検出対象位置に応じてサイン及びコサイン関数特性に従う振幅をそれぞれ示す２つの交流出力信号（ｓｉｎθｓｉｎωｔとｃｏｓθｓｉｎωｔ）を生成することができる。この場合も、上記サイン及びコサイン関数は、ほぼ１象限分（９０度）の範囲の特性を示すので、検出可能な位置範囲つまり検出対象区間Ｒがほぼ９０度の範囲の位相角θに換算されて検出されることになる。また、前述と同様に、基準電圧Ｖａを可変することにより、検出可能な位置範囲つまり検出対象区間Ｒを可変設定することができ、検出分解能を調整することができる。また、図１の実施例と同様に、図７の実施例でも、温度ドリフト特性の補償を行うことができる。
【００４０】
更に、図１の実施例に対して適用可能な図３〜図６の変更例は、図７の実施例に対しても同様のやり方で適用可能である。その変形の仕方の詳細は、図３〜図６から容易に類推できるので、特に図示しない。
なお、上記各実施例において、磁気応答部材６０、６１、６２として、磁性体の代わりに、銅のような非磁性良導電体を使用してもよい。その場合は、渦電流損によってコイルのインダクタンスが減少し、磁気応答部材６０、６１、６２の近接に応じてコイルの端子間電圧が減少することになる。この場合も、上記と同様に位置検出動作することが可能である。また、磁気応答部材として、磁性体と導電体を組合わせたハイブリッドタイプのものを用いてもよい。
【００４１】
次に、更に別の実施例について説明する。
図９は、サイン及びコサイン関数特性を示す振幅をそれぞれ持つ２つの交流出力信号において、電気角でほぼ０度から１８０度までの範囲での振幅変化が得られるようにする実施例を示す。図９（Ａ）は、この実施例に係る位置検出装置におけるコイル部１０と磁気応答部材１１との物理的配置関係の一例を外観略図によって示すもの、同図（Ｂ）はそのコイル軸方向断面略図、同図（Ｃ）は該コイル部１０の電気回路の一例を示す図である。図１に示す位置検出装置は、検出対象の直線位置を検出するものであり、例えば、コイル部１０が相対的に固定されており、磁気応答部材１１が検出対象の変位に応じて相対的に直線変位する。この逆に、磁気応答部材１１を相対的に固定し、コイル部１０を検出対象の変位に応じて相対的に変位させてもよいのは勿論である。コイル部１０は、所定の１相の交流信号によって励磁される複数のコイル区間（図示例では２個のコイル区間ＬＡ，ＬＢ）を、検出対象の変位方向に沿って順次縦続的に配列してなる。例えば、各コイル区間ＬＡ，ＬＢは、巻数、コイル長等の性質が同等であるとする。磁気応答部材１１は、例えば棒状の鉄のような磁性体からなり、コイル部１０のコイル空間内に侵入する。一例として、図の右方向に磁気応答部材１１が進行するとき、磁気応答部材１１の先端１１ａが、最初にコイル区間ＬＡに侵入し、次に、コイル区間ＬＢの順に侵入する、というように順次に侵入する。２点鎖線１１’は最後のコイル区間ＬＢに侵入した磁気応答部材１１を示している。
【００４２】
各コイル区間ＬＡ，ＬＢに対応する範囲が有効検出範囲である。１つのコイル区間の長さをＫとすると、図示のように２個のコイル区間ＬＡ，ＬＢを縦続的に設けた場合はその２倍の長さ２Ｋが有効検出範囲となる。
図９（Ｃ）に示すように、各コイル区間Ｌα，ＬＡ，ＬＢ，ＬＣ，ＬＤ，Ｌβは、交流電源３０から発生される所定の１相の交流信号（仮にｓｉｎωｔで示す）によって定電圧又は定電流で励磁される。各コイル区間ＬＡ，ＬＢの各端子間電圧をそれぞれＶＡ，ＶＢで示す。これらの各コイル区間ＬＡ，ＬＢの各端子間電圧ＶＡ，ＶＢは、アナログ演算回路３１５及び３１６に入力され、所定の演算式に従って加算又は減算されることで、各アナログ演算回路３１５及び３１６から検出対象位置に応じたサイン及びコサイン関数特性を示す振幅をそれぞれ持つ２つの交流出力信号（つまりｓｉｎθｓｉｎωｔとｃｏｓθｓｉｎωｔ）が生成される。
【００４３】
以上の構成により、磁気応答部材１１の各コイルに対する近接又は侵入の度合いが増すほど該コイルの自己インダクタンスすなわちインピーダンスが増加し、該部材の端部が１つのコイルの一端から他端まで変位する間で該コイルの端子間電圧が漸増する。複数のコイルＬＡ，ＬＢが検出対象の変位方向に沿って順次配列されてなることにより、これらコイルに対する磁気応答部材の位置が、検出対象の変位に応じて相対的に変位するにつれ、図１０（Ａ）に例示するように、各コイルの端子間電圧ＶＡ，ＶＢの漸増変化が順番に起こる。図１０（Ａ）において、或るコイルの出力電圧が傾斜している区間において、当該コイルの一端から他端に向かって磁気応答部材１１の端部が変位していることになる。典型的には、磁気応答部材１１の端部が或る１つのコイルの一端から他端まで変位する間に生じる該コイルの両端間電圧の漸増変化カーブは、サイン又はコサイン関数における９０度の範囲の関数値変化になぞらえることができる。そこで、各コイルの出力電圧ＶＡ，ＶＢを所定の基準電圧とを適切に組み合わせて加算及び／又は減算することにより、検出対象位置に応じたサイン及びコサイン関数特性を示す振幅をそれぞれ持つ２つの交流出力信号ｓｉｎθｓｉｎωｔ及びｃｏｓθｓｉｎωｔを生成することができる。
【００４４】
図１０（Ａ）に例示するように、各コイルの端子間電圧ＶＡ，ＶＢの漸増変化が順番に起こる。ここで、コイル内に磁気応答部材１１が全く入っていないときに得られる電圧がＶｏ（最小電圧）であるとし、コイル内に磁気応答部材１１がフルに入り込んだときに得られる電圧をＶＮ（最大電圧）とすると、該電圧ＶｏとＶＮの加算値「ＶＮ＋Ｖｏ」に相当する交流（ｓｉｎωｔ）の定電圧を基準電圧として、適宜の定電圧発生回路２７から発生する。各コイルの出力電圧ＶＡとＶＢの加算値から該定電圧「ＶＮ＋Ｖｏ」を減算すると、得られる電圧「ＶＡ＋ＶＢ−ＶＮ−Ｖｏ」は、図１０（Ｂ）に示すように０度から１８０度の範囲でのコサイン関数特性（若しくはマイナス・コサイン関数特性）を示す。一方、電圧ＶＡからＶＢを減算すると、得られる電圧「ＶＡ−ＶＢ」は、図１０（Ｂ）に示すように０度から１８０度の範囲でのサイン関数特性を示す。
【００４５】
従って、図９（Ｃ）において、コイルＬＡ，ＬＢの出力電圧ＶＡ，ＶＢを演算回路３１５で減算することにより、その減算結果「ＶＡ−ＶＢ」として、サイン関数特性の交流出力信号ｓｉｎθｓｉｎωｔを生成することができる。また、コイルＬＡ，ＬＢの出力電圧ＶＡ，ＶＢを演算回路３１６で加算し、その加算結果ＶＡ＋ＶＢから定電圧発生回路２７から発生した基準電圧「ＶＮ＋Ｖｏ」を減算回路３１７で減算することにより、その減算結果「ＶＡ＋ＶＢ−（ＶＮ＋Ｖｏ）」（つまり「ＶＡ＋ＶＢ−ＶＮ−Ｖｏ」）として、コサイン関数特性の交流出力信号ｃｏｓθｓｉｎωｔを生成することができる。ここで、定電圧発生回路２７から発生する基準電圧「ＶＮ＋Ｖｏ」が、コイルＬＡ，ＬＢの温度特性変化と同じように温度特性を持って変化するようにするものとする。そのために、定電圧発生回路２７は、コイルＬＡ又はＬＢと同等の特性を持つダミーコイルを用いて構成し、同じ励磁交流信号によって励磁するようにすればよい。例えば、そのようなダミーコイルに、磁気応答部材１１と同じ特性の磁性体コアを常時挿入しておけば、コイル内に磁気応答部材１１がフルに入り込んだときに得られる最大電圧ＶＮと同様の定電圧ＶＮを、温度特性をもたせながら常時発生することができる。また、そのようなダミーコイルに磁性体コアを挿入しなければ、最小電圧Ｖｏと同様の定電圧Ｖｏを得ることができる。
【００４６】
上記のような定電圧発生回路２７は、コイル数が２個の場合に限らず、その他適宜の数のコイルを使用する場合においても、適用できる。例えば、３個のコイルＬＡ，ＬＢ，ＬＣを順次縦続接続して、３Ｋの有効検出範囲につき、０度から２７０度までの範囲での位相変化を生じさせることができるようにする場合は、定電圧発生回路２７から前記定電圧ＶＮとＶｏを別々の基準電圧として発生し、各コイルの出力電圧ＶＡ，ＶＢ，ＶＣと定電圧発生回路２７からの基準電圧ＶＮ，Ｖｏとを用いて、「ＶＡ−ＶＢ−ＶＣ＋Ｖｏ」なる演算によってサイン関数特性の交流出力信号ｓｉｎθｓｉｎωｔを生成することができ、また、「ＶＡ＋ＶＢ−ＶＣ−ＶＮ」なる演算によってコサイン関数特性の交流出力信号ｃｏｓθｓｉｎωｔを生成することができる。
【００４７】
図１１は、有効検出範囲に対応して１個のコイルＬＡのみを設け、かつ１つの基準電圧ＶＮだけを使用する実施例を示す。この場合、１個のコイルのコイル長Ｋに対応する有効検出範囲の位相変化幅は、９０度未満となる。図１１（Ａ）の例では、ダミーコイルＬＮは、磁気応答部材１１の変位の影響を受ける検出用コイルＬＡに直列に接続されているが、該磁気応答部材１１の変位の影響を受けないようになっており、コイルＬＡ内に磁気応答部材１１がフルに入り込んだときに得られる最大電圧ＶＮと同じ定電圧ＶＮを基準電圧として常時発生する。よって、コイルＬＡから出力される検出電圧ＶＡと基準電圧ＶＮとは同等の温度特性をもつ。これにより、磁気応答部材１１の変位に応じたコイルＬＡの端子間電圧ＶＡとダミーコイルＬＮの端子間電圧ＶＮとは、図１１（Ｂ）のように生成される。演算回路３１８はこれら電圧ＶＡ，ＶＮを所定の演算式に従って演算し、例えば図１１（Ｃ）に示すように、「ＶＡ＋ＶＮ」なる演算によってサイン関数特性の交流出力信号ｓｉｎθｓｉｎωｔを生成し、「ＶＡ−ＶＮ」なる演算によってコサイン関数特性の交流出力信号ｃｏｓθｓｉｎωｔを生成する。これは、図１１（Ｄ）に示すように或る９０度未満の幅の角度範囲における特性に対応づけることができる。よって、これらの交流出力信号を位相検出回路３２に入力することにより、該当する９０度未満の幅の角度範囲における位相角θをアブソリュート検出することができる。なお、図１１（Ａ）のような直列接続に限らず、図１１（Ｅ）のように、ダミーコイルＬＮを検出用コイルＬＡに並列に接続するようにしてもよい。
【００４８】
図１２は、図１１の変形例であり、ダミーコイルＬＮに代えて抵抗素子Ｒ１を用いたものである。同図（Ａ）に示すように、１個のコイルＬＡを設けてなり、該コイルＬＡに直列に抵抗素子Ｒ１を接続してなる。これにより、磁気応答部材１１の変位に応じてコイルＬＡの端子間電圧ＶＡの振幅成分が図１２（Ｂ）に示すように漸増変化すると、これに応じて抵抗素子Ｒ１の端子間の電圧降下ＶＲの振幅成分が図１２（Ｂ）に示すように漸減変化する。抵抗素子Ｒ１の端子間電圧ＶＲをサイン関数特性の交流出力信号ｓｉｎθｓｉｎωｔとみなし、コイルＬＡの端子間電圧ＶＡをコサイン関数特性の交流出力信号ｃｏｓθｓｉｎωｔとみなせば、図１２（Ｃ）に示すようにサイン関数とコサイン関数とがクロスする或る９０度未満の幅の角度範囲における特性に対応づけることができる。よって、これらの交流出力信号を位相検出回路３２に入力することにより、該当する９０度未満の幅の角度範囲における位相角θをアブソリュート検出することができる。
【００４９】
なお、図９の実施例では、コイル部１０において各コイルの軸が略一致するように配置されており、コイルの中心空間内に磁気応答部材１１が侵入する構成からなっているが、これに限らず、コイル部１０と磁気応答部材１１との配置関係はどのようなものでもよい。例えば図１３に例示するように、コイル部１０において複数のコイルＬＡ，ＬＢ，…の軸線が横並びに並列するように配置し、該コイルの端部の近傍を磁気応答部材１１が通過する構成からなっていてもよい。その場合、各コイルＬＡ，ＬＢ，…は鉄心に巻かれたものを用いるとよい。
【００５０】
また、図９の例のようにコイル部１０において複数の各コイルの軸が略一致するようにした配置の場合であっても、コイルの中心空間内に磁気応答部材１１が侵入しないような構成としてもよい。図１４（Ａ）は、その一例を示すもので、コイル部１０の軸心方向に平行にその近傍を磁気応答部材１１が通過する構成からなっている。その場合、各コイルＬＡ，ＬＢ，…の軸心空間に鉄心コア５３を挿入しておくのがよい。これによって、コイルの外周への磁束の出方がよくなり、その外周近傍に近接する磁気応答部材１１に対する感度が良くなり、検出精度が良好となる。図１４（Ｂ）は、その別の一例を示すもので、磁気応答部材１１が中空の円筒形状からなっており、コイル部１０が該磁気応答部材１１の中空円筒空間内に入り込むようになっている。この場合も、各コイルＬＡ，ＬＢ，…の軸心空間に鉄心コア５３を挿入しておき、コイルの外周への磁束の出方をよくするとよい。
【００５１】
図１５は、コイル部１０及び磁気応答部材１１の別の構成例を示す側面及び断面図である。この場合、各コイルＬＡ，ＬＢ，…の相互の配置間隔は、図９の例と同様に、Ｋであるが、各コイルの長さが短くなっている。すなわち、隣接する各コイルＬＡ，ＬＢ，…は図９のように密接している必要はなく、適宜離隔していてもよい。磁気応答部材１１の先端１１ａは、とがった、先細りの形状をしている。例えば、ほぼＫぐらいの長さの先端部分が先細りの形状をしている。これにより、磁気応答部材１１の先端１１ａの移動にともなうコイルのインダクタンス変化を滑らかな漸増（若しくは漸減）変化特性とすることができる。勿論、図９のように各コイルＬＡ，ＬＢ，…が密接して配置されている場合も、磁気応答部材１１の先端１１ａを適宜先細りの形状としてもよい。
【００５２】
更に別の例として、コイル部１０の各コイルは、分離配置された複数のコイル部分からなっていてもよい。図１６は、その一例として、１個のコイルＬＡについて、その分離配置例を示している。図１６においては、分離配置された４つのコイル部分ＬＡ１，ＬＡ２，ＬＡ３，ＬＡ４によって、Ｋの範囲をカバーする１個のコイルＬＡが構成されている。各コイル部分ＬＡ１，ＬＡ２，ＬＡ３，ＬＡ４は直列接続され、コイルＬＡの端子間電圧ＶＡが出力される。この場合、各コイル部分ＬＡ１，ＬＡ２，ＬＡ３，ＬＡ４の巻数は、共通していてもよいし、適宜異なっていてもよい。また、各コイル部分ＬＡ１，ＬＡ２，ＬＡ３，ＬＡ４の配置の離隔間隔は均等であってもよいし、適宜異なっていてもよい。これら、コイル巻数や離隔間隔などを不均一（非線形）にすることにより、サイン関数またはコサイン関数のカーブにより近い特性の自己インピーダンス変化を引き起こすことができる。そうすれば、前述した検出位相角θと実際の検出対象距離（位置）との関係の非線形性を改善することができる。同様に、図９のように隣接するコイルＬＡ，ＬＢ，…を密接して配置する場合も、１つのコイルの全長Ｋの範囲でその巻数を均一にせずに、不均一にしてもよい。これによっても、サイン関数またはコサイン関数のカーブにより近い特性の自己インピーダンス変化を引き起こすことができ、前述した検出位相角θと実際の検出対象距離（位置）との関係の非線形性を改善することができる。
【００５３】
また、本発明に係る位置検出装置は、完全にまっすぐな直線位置の検出に限らず、所定の範囲で円弧状または曲線状に変位する検出対象の位置検出にも適用することができる。図１７はその一例を示すもので、コイル部１０の各コイルＬＡ，ＬＢ，…が所定の角度範囲ψにおいて円弧状に順次配置されており、磁気応答部材１１が軸Ｃを中心にして該角度範囲ψにわたって揺動するように配置されている。さらに、回転における所定範囲の角度を検出する検出装置として本発明の位置検出装置を構成することも可能である。
【００５４】
また、前述と同様に、上記各実施例において、磁気応答部材１１としては、磁性体に限らず、銅やアルミニウムのような非磁性良導電体を使用してもよい。その場合は、磁気応答部材１１の近接につれて渦電流損によりコイル端子間電圧が漸減することとなる。また、磁性体と導電体とを組み合わせたハイブリッドタイプとしてもよい。その場合、例えば、図１８に示すように、磁気応答部材１１の先端部分１１ａにおいて、非磁性良導電体１１ｂの先細り形状を構成し、先細りによる非磁性良導電体１１ｂの減少を補うように磁性体１１ｃを配置するとよい。
【００５５】
図９のように複数のコイルを順次縦続配置する場合も、前記図６と同様に、磁気応答部材１１として永久磁石を含み、コイル部１０の各コイルには鉄心コアを含むようにしてもよい。図１９は、その一例を示すもので、磁気応答部材１１として機能する永久磁石１１Ｍは、例えば中空リング状をなしており、このリング空間内にコイル部１０が入り込むようになっている。コイル部１０の各コイルＬＡ，ＬＢ，…の軸心空間には鉄心コア５４が挿入されている。永久磁石１１Ｍが、いずれかのコイルに接近するとその近接箇所に対応する鉄心コア３１が部分的に磁気飽和ないし過飽和状態となり、該コイルの端子間電圧が低下する。永久磁石１１Ｍが１つのコイルの一端から他端まで変位する間で該コイルの両端間電圧が漸減するように、該永久磁石１１Ｍの長さは少なくともコイル長Ｋに相当する長さを持つ。このように、磁気応答部材１１として永久磁石１１Ｍを使用する場合も、上記非磁性良導電体１１ｂを用いる場合と同様に、磁気応答部材１１つまり永久磁石１１Ｍが１つのコイルの一端から他端まで変位する間で該コイルの両端間電圧の漸減変化を引き起こさせることができる。ただし、図１９の例では、或るコイルの箇所を永久磁石１１Ｍが通り過ぎてしまうと、また非飽和状態に戻るが、後段のアナログ演算を適切に行なうことで所望のサイン及びコサイン関数特性の出力振幅レベル変化が得られるようにすればよい。あるいは、磁気応答部材１１として永久磁石１１Ｍを連続的に複数配置することにより、磁気飽和ないし過飽和状態が持続するようにしてもよい。永久磁石１１Ｍはリング状のものに限らず、棒状等その他形状であってもよい。その場合、図１４（Ａ）の例と同様に、軸心方向に平行にその近傍を永久磁石１１Ｍからなる磁気応答部材１１が通過する配置構成からなる。なお、鉄心コア５４は磁気飽和を起こし易いように比較的細い形状等とするとよい。
【００５６】
図２０は、図１４（Ｂ）におけるコイル部１０の各コイルの配置の変形例であり、隣接コイル間でのクロストークを防いで検出精度を向上させることができるようにしたものである。図２０（Ａ）においては、各コイルＬＡ，ＬＢ，…の間に磁性体スペーサ６９が配置されている。これにより、個々のコイルで発生した磁束の通り道が拡散されずに、個々のコイルの内部から直近端部（磁性体スペーサ６９の箇所）を通り、外周を通り、直近端部（磁性体スペーサ６９の箇所）を通り、内部に戻るという、図示のΦに示すようなルートを通ることになる。よって、クロストークを防ぎ、各コイルの外周に対して近接する磁気応答物質１１の存在に対する個々のコイルの応答性（インピーダンス変化）を極めて良好にし、検出精度を向上させることができる。図２０（Ａ）では隣接コイル間に設ける磁性体スペーサ６９は１個であるが、図２０（Ｂ）のように、隣接コイル間に２個の磁性体スペーサ６９ａ，６９ｂを幾分分離させて配置するようにしてもよい。この場合、コイルのボビンとして鉄心コア５３に代えて非磁性体を用いてもよい。図２０に示された変形のように、磁性体スペーサ６９，６９ａ，６９ｂによって各コイルを区画することは、図１９の実施例においても適用可能である。
【００５７】
図２１は、本発明に係る位置検出装置の別の実施例を示す断面図である。磁気応答部材１１がコイル部１０に侵入していくにつれて、コイルのインダクタンスが漸減するようになっている。図２１において、コイル部１０は、ボビン部７０に１又は複数のコイル（図示例では便宜上４個のコイルＬＡ，ＬＢ，ＬＣ，ＬＤを示したが１又は２個でもよいことは前述の通りである。）を順次巻設してなり、その外周を非磁性および非導電性の保護チューブ（若しくはコーテングあるいはモールド）７１によってカバーしてなるものである。保護チューブ７１としてはいかなる材質のものを用いてもよいが、例えば、絶縁性樹脂からなる熱収縮チューブを用いると安価である。
【００５８】
ボビン部７０は、非磁性の中空筒からなり、その内部に１又は複数の磁性体棒７２が収納されている。磁性体棒７２は、コイル部１０の全長にわたって延びており、該コイル部１０の全長にわたるインダクタンス値を設定する。ボビン部７０内に収納する磁性体棒７２の太さあるいは数を適宜調節することにより、コイル部１０の全長にわたるインダクタンス値の設定変更を行うことができる。なお、磁性体棒７２として、その周囲に銅めっき等を施して導電性被膜を形成したものを用いるとよい。そうすれば、温度ドリフト特性の補償に役立つ。ボビン部７０は、非磁性であればよく、金属あるいは樹脂等からなっていてもよい。この位置検出装置を適用する装置が大型建設機械等大きな荷重が加わる用途に使用される場合は、十分な強度を確保するために金属を用いるのがよい。例えば、ボビン部７０は非磁性のステンレス等を用いて構成する。そうでない小型の装置の場合は、樹脂を用いるのが安価で軽量である。
【００５９】
図２１の実施例において、コイル部１０と磁気応答部材１１との相対的位置関係の変化は、図９の実施例と同様である。すなわち、検出対象の変位に応じて、図の右方向に磁気応答部材１１が進行するとき、磁気応答部材１１の先端１１ａが、最初にコイルＬＡの磁場に侵入し、次に、コイルＬＢ，ＬＣ，ＬＤの順にその磁場に侵入していく。
【００６０】
各コイルＬＡ，ＬＢ，ＬＣ，ＬＤはその芯部に全長にわたって１又は数本の磁性体棒７２が挿入された状態となっており、磁気応答部材１１が近接していない限り、そのインダクタンス値は最大である。磁気応答部材１１の各コイルの磁場に対する近接又は侵入の度合いが増すほど該コイルの自己インダクタンスが減少し、該磁気応答部材１１の端部１１ａが１つのコイルの一端から他端まで変位する間で該コイルの両端間電圧が漸減する。すなわち、磁気応答部材１１が磁性体である場合は、磁性体がコイル外周にかぶさる格好になるため、コイル芯部の磁性体コアつまり７２にのみ集中していた磁束が外側にかぶさった磁気応答部材１１の方に漏洩し、コイルの自己インダクタンスが減少する。また、磁気応答部材１１が導電体である場合は、導電体がコイル外周にかぶさる格好になり、磁界によるうず電流損が生じ、コイルの自己インダクタンスが減少する。このように、磁気応答部材１１として磁性体と導電体のどちらを用いても、コイル部１０に対する磁気応答部材１１の近接に応じて、コイルの自己インダクタンスが減少する。外周の導電体のうず電流損によるインダクタンス減少率の方が、外周の磁性体による磁束漏洩によるインダクタンス減少率よりも大であるので、より好ましい実施態様は磁気応答部材１１として導電体を使用することである。なお、磁気応答部材１１として導電体は、表皮効果を生ずるものであればよいので、薄い層であってよい。その場合は、例えば、中空の円筒形状の適宜のベース部材（可動体）の円筒空間周壁に、導電体を配置する（銅めっき等であってもよい）ことで磁気応答部材１１を形成するとよい。
【００６１】
図１３〜図２１の各実施例において、特に図示していないが、図１〜図１２の実施例と同様に、適宜の基準電圧発生手段を併設し、コイル出力電圧と基準電圧とを演算することで、検出対象位置に応じてサイン及びコサイン関数特性に従う振幅をそれぞれ示す２つの交流出力信号（ｓｉｎθｓｉｎωｔとｃｏｓθｓｉｎωｔ）を生成することができる。
【００６２】
上記各実施例において、磁気応答部材は、ロッドや板等の基材の表面にめっき等の表面加工技術によって、所定のパターンで形成されたものであってもよい。図２２は、その一例を略示するもので、（Ａ）は概略斜視図、（Ｂ）コイルを断面にて示す側面図、（Ｃ）はロッド基材の表面に形成された磁気応答部材のパターンの一例を示す展開図、である。この図２２に示した例では、図１の実施例と同様に、コイル部５０に１個のコイルＬ１を有し、このコイルＬ１の出力電圧Ｖｘと２つの基準電圧Ｖａ，Ｖｂとを用いて検出信号を発生する。磁気応答部材６５は、例えばシリンダピストンロッドのような、ロッド状の基材６６の表面において漸増又は漸減する三角形のような所定形状のパターンを形成してなるものである。磁気応答部材６５と基材６６の材質の磁気的性質は異なる。例えば、基材６６が鉄のような磁性体の場合、磁気応答部材６５は銅のような非磁性の良導電体からなる。あるいは磁気応答部材６５が鉄のような磁性体の場合、基材６６は非磁性体からなるか、あるいは磁性体であっても凸部として形成された磁気応答部材６５に対して、凹みとして形成されたものからなる。
【００６３】
図２２（Ｂ）に示すように、コイルＬ１は、断面Ｕ字状であってリング状を成した磁性体コア５２の断面Ｕ字空間内に挿入されてなり、コイルＬ１のリング状空間内に、磁気応答部材６５を具えたロッド状の基材６６がその軸方向に直線移動可能に挿入されている。コイルＬ１の磁路Φは、ロッド状の基材６６の比較的表面において多く通過する。この実施例において、コイルＬ１の長さは、検出可能範囲Ｋに無関係であり、短いシンプルなものであってよい。基材６６に設けられた磁気応答部材６５の漸増又は漸減のパターンの範囲Ｋが検出可能範囲Ｋに対応する。すなわち、検出対象の変位に応じてロッド状の基材６６が変位すると、コイルＬ１に対応する磁気応答部材６５の位置が変化し、該コイルＬ１に対応している（横切っている）磁気応答部材６５の面積に応じた自己インダクタンスすなわちインピーダンスがコイルＬ１に生じ、検出対象位置に対応する出力電圧ＶｘがコイルＬ１から得られる。図２２（Ｃ）は、ロッド状の基材６６の表面に形成された磁気応答部材６５のパターンの一例を示す展開図で、このパターンは１個のみであってもよいし、同じ形状のものが図示のように複数併設されていてもよい。
【００６４】
図２３は図２２の変形例を示し、（Ａ）に示すように、面積が漸減する三角形状の磁気応答部材６５のパターンが、ロッド状の基材６６の表面で螺旋を描くように配置されてなるものである。この磁気応答部材６５の螺旋パターンは、検出対象位置の変位方向ｘに沿って面積が漸増又は漸減するもので、これは展開すると、図２３（Ｂ）に示すような、図で左から右に向かって面積が漸減する三角形状の１つのパターンと等価であり、実質的には１パターンからなっている。磁気応答部材６５のパターンが螺旋状になっていること及び、コイル部５０のコイルＬ１はロッド状基材６６の全周を覆っていることから、仮りにロッド状基材６６の回転や軸芯ずれなどがあっても、それによる検出誤差が生じないようにすることができる。よって、１パターンだけであっても、回転及び軸芯ずれによる検出誤差のない位置検出が可能である。また、このような螺旋形状の磁気応答部パターンは、ロッド状基材６６に対する形成加工が非常に容易であるので、有利である。更に、コイル部５０のコイルＬ１は１個でよいため、構成が簡単である。勿論、超小型、微小変位の検出にも適している。
【００６５】
図２２及び図２３の実施例に適用される電気回路は図１（Ｃ）と同様の構成であってよく、その動作説明も基本的には図２と同様のものが適用できる。また、図２２及び図２３の実施例に関して、図７，図９のような複数のコイルを用いる変形や、図１１のように１つの基準電圧ＶＮを使用する変形、あるいは図１２のように抵抗要素を用いて変位ｘに連動して可変する基準電圧ＶＲを使用する変形が適用可能である。
【００６６】
上記図２２及び図２３の実施例のように基材６６の表面に磁気応答部材６５を配置形成する例において、基材６６は、ロッド状のものに限らず、平板状であってもい。その場合は、板面上に形成された磁気応答部材６５に対向するようにコイルＬ１が配置される。なお、図２２（ｃ）に例示したように同一パターンの磁気応答部材６５を複数併設する場合は、コイル部５０においては各磁気応答部材６５のパターン毎に対応するように複数のコイルを併設し、各コイルの出力電圧を合計若しくは平均することで、検出対象位置に対応する前記１つのコイルＬ１の出力電圧Ｖｘ（図１）と同等の出力電圧を得るようにするとよい。
【００６７】
図２４は、本発明をスライド式位置センサに応用した実施例の概略斜視図である。この例では、基部８０上に配置されたフラット状のコイルＬ１のリング形状が丸ではなく三角形を成しており、２本のガイド棒８１、８２に沿ってｘ方向にスライド可能なブレード状の磁気応答部材６７が、フラット状のコイルＬ１に対して非接触で対峙し、この磁気応答部材６７のスライド位置に対応して三角形のコイルＬ１に対応する該磁気応答部材６７の面積が変化し、該コイルＬ１のインダクタンス即ちインピーダンスを漸増的に（または漸減的に）変化させる。この図２４の実施例においては、図１（Ｃ）と同様の検出回路を適用することができ、図２と同様の検出動作を行う。さらに、この変形例として、点線で示すように、基部８０上において第２のコイルＬ２をコイルＬ１とは逆三角形状に並列配置するようにしてもよく、その場合は図７（Ｂ）と同様の検出回路を適用することができ、図８と同様の検出動作を行う。磁気応答部材６７は、図示しない検出対象の動きに連動してスライドするようになっていればよく、あるいは人手によるスライド操作に応じて任意にスライドできるようにすることで入力操作装置として応用することも可能である。
【００６８】
上記各実施例では、出力交流信号の数（相数）はサインとコサインの２相（つまりレゾルバタイプ）であるが、これに限らないのは勿論である。例えば、３相（各相の振幅関数が例えばｓｉｎθ，ｓｉｎ（θ＋１２０），ｓｉｎ（θ＋２４０）のようなもの）であってもよい。
なお、この発明において、コイルに生じる電圧若しくはコイルの端子間電圧とは、必ずしも電圧検出タイプの回路構成に限定されるものではなく、広義に解釈されるべきであり、電流検出タイプの回路構成を採用するものも範囲に含まれる。要するにコイルのインピーダンス変化に応じたアナログ電圧または電流を生じ、これを検出することのできる回路構成であればよい。
【００６９】
【発明の効果】
以上のとおり、この発明によれば、１次コイルのみを設ければよく、２次コイルは不要であるため、小型かつシンプルな構造の位置検出装置を提供することができる。また、１つのコイルと２つの基準電圧を用いるだけで、あるいは２つのコイルと１つの基準電圧を用いることにより、検出対象位置に応じて所定の周期関数特性に従う振幅をそれぞれ示す複数の交流出力信号（例えばサイン及びコサイン関数特性に従う振幅をそれぞれ示す２つの交流出力信号）を容易に生成することができ、利用可能な位相角範囲として少なくともほぼ１象限（９０度）分をとることができる。従って、少ないコイルでありながら比較的広い位相角範囲で検出を行うことができ、検出分解能を向上させることができる。また、検出対象の変位が微小でも高分解能での位置検出が可能である。更に、基準電圧を発生する回路として、検出用のコイルと同等の温度特性を示す回路（例えばコイル）を使用すれば、演算回路におけ減算演算によって、温度ドリフト特性が自動的に補償されることとなり、温度変化の影響を排除した位置検出を容易に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る位置検出装置の一実施例を示すもので、（Ａ）はその軸方向断面略図、（Ｂ）はその平面略図、（Ｃ）はコイル部に関連する回路の一例を示すブロック図。
【図２】 図１の実施例の検出動作を説明するグラフ。
【図３】 図１の実施例に係る位置検出装置の変更例を示すもので、（Ａ）は軸方向断面略図、（Ｂ）はその平面略図。
【図４】 図１の実施例に係る位置検出装置の別の変更例を示す軸方向断面略図。
【図５】 図１の実施例に係る位置検出装置の更に別の変更例を示す軸方向断面略図。
【図６】 図１の実施例に係る位置検出装置の更に他の変更例を示す軸方向断面略図。
【図７】 本発明に係る位置検出装置の別の実施例を示すもので、（Ａ）はその軸方向断面略図、（Ｂ）はコイル部に関連する回路の一例を示すブロック図。
【図８】 図７の実施例の検出動作を説明するグラフ。
【図９】 本発明に係る位置検出装置の更に別の実施例を示すもので、（Ａ）は外観略図、（Ｂ）はコイル軸方向の断面図、（Ｃ）はコイル部に関連する電気回路図。
【図１０】 図９の位置検出装置の検出動作説明図。
【図１１】 本発明に係る位置検出装置の更に他の実施例を示すもので、（Ａ）はコイル部に関連する電気回路図、（Ｂ）は各コイルの出力例を示す図、（Ｃ）は各コイル出力の演算合成例を示す図、（Ｄ）は演算合成出力に基づく検出原理を説明するための図、（Ｅ）はコイル接続の変更例を示す回路図。
【図１２】 本発明に係る位置検出装置の更に他の実施例を示すもので、（Ａ）はコイル部に関連する電気回路図、（Ｂ）はコイルの出力例を示す図、（Ｃ）はコイル出力に基づく検出原理を説明する図。
【図１３】 本発明各実施例におけるコイル配置の変形例を示す略図。
【図１４】 （Ａ）は、本発明における磁気応答部材とコイルとの配置の変形例を示す断面略図、（Ｂ）は、同じく磁気応答部材とコイルとの配置の別の変形例を略示する斜視図。
【図１５】 本発明各実施例におけるコイル配置の更に別の変形例及び磁気応答部材の先端形状の変形例を示す断面略図。
【図１６】 本発明各実施例におけるコイル配置の更に他の変形例を示す断面略図。
【図１７】 円弧状または曲線状に変位する位置検出に適用する場合の本発明の実施例を略示する側面図。
【図１８】 本発明各実施例において磁気応答部材を磁性体と導電体によりハイブリッド構成する一例を略示する平面図。
【図１９】 本発明各実施例において磁気応答部材として永久磁石を含んで構成する一例を略示する斜視図。
【図２０】 図１４（Ｂ）におけるコイル部のコイルの配置の変形例を示す断面略図。
【図２１】 本発明に係る位置検出装置の更に他の実施例を示す軸方向断面略図。
【図２２】 本発明に係る位置検出装置の更に別の実施例を示すもので、（Ａ）は概略斜視図、（Ｂ）コイルを断面にて示す側面図、（Ｃ）はロッド基材の表面に形成された磁気応答部材のパターンの一例を示す展開図。
【図２３】 図２２の変形例を示すもので、（Ａ）は概略側面図、（Ｃ）はロッド基材の表面に形成された磁気応答部材の螺旋状パターンを展開して示す図。
【図２４】 本発明に係る位置検出装置の更に他の実施例を示す概略斜視図。
【符号の説明】
Ｌ１，Ｌ２ 検出用のコイル
Ｌｒ１，Ｌｒ２ 基準電圧発生用のコイル
５０ コイル部
５１，５２ 磁性体コア
６０，６１，６２，６３，６４，６５，６７ 磁気応答部材
６６ 基材
３０ 交流発生源
３１Ａ〜３１Ｄ 演算回路
３２ 位相検出回路
１０ コイル部
１１ 磁気応答部材
１１ａ 先端部分
１１ｂ 導電体
１１Ｍ 永久磁石
７０ ホビン部
７１ 保護チューブ
７２ 磁性体棒
８０ 基部
８１、８２ スライド用ガイド棒[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a position detection apparatus including a coil that is AC-excited and a magnetic body or a conductor that is displaced relative to the coil, and is suitable for detecting a linear position or a rotational position within a predetermined range. In particular, the present invention relates to an apparatus that generates an output AC signal indicating amplitude function characteristics of a plurality of phases according to a detection target position by using only a primary coil excited by a one-phase AC.
[0002]
[Prior art]
An inductive linear position detector called LVDT is known. The 2-wire type LVDT consists of one primary coil and one secondary coil, and the inductive coupling between the primary and secondary coils changes according to the amount of penetration of the movable part made of magnetic material into the coil part. Then, an induction output signal having a voltage level corresponding to that is generated in the secondary coil. The 3-wire type LVDT has a differential transformer configuration consisting of one primary coil and two secondary coils connected in reverse phase in series. In this case, the movable portion made of a magnetic material having a predetermined length is reversed. The inductive coupling between the primary and secondary coils changes in a balanced manner according to the amount of penetration into one of the phase secondary coils, and an induced output signal having a voltage level corresponding to the inductive coupling is generated in the secondary coil. By performing an operation of adding or subtracting the secondary output signal of the LVDT in an analog manner, an output signal having a sine characteristic and an output signal having a cosine characteristic corresponding to the position of the movable portion are generated, and the output of these sine characteristics is output. The signal and the output signal of the cosine characteristic are processed by an RD converter to generate digital data in which the position of the movable part is detected. In addition, as another type of position detector, only an exciting coil is provided, and the change of the self-inductance according to the displacement of the movable magnetic core is detected by measuring the amount of phase shift by the RL circuit. Things are also known.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
Conventionally known LVDTs require a primary coil and a secondary coil, which increases the number of parts and limits the reduction in manufacturing cost. In addition, there was a limit to downsizing. In addition, the usable phase angle range in the output signal of sine characteristics and cosine characteristics according to the position of the movable part is relatively narrow, about 45 degrees for the 2-wire type LVDT, and about 90 degrees for the 3-wire type LVDT, and can be detected. It was difficult to expand the phase angle range. In addition, the three-wire type LVDT has a problem that it is not easy to use because it can only detect a position where the movable part is displaced to the left and right of the state where the movable part is located at the center of the coil part. . Moreover, the detection resolution with respect to the minute displacement of a detection target was bad. On the other hand, in the position detector of the type that measures the self-inductance of the exciting coil, the number of coils can be reduced, but since the amount of phase shift according to the displacement of the detection target can be obtained only in a narrow range, the phase shift actually It was difficult to measure the amount, and the detection resolution was poor, which was unsuitable for practical use. In addition, if the coil impedance is changed in accordance with the change in the ambient environment temperature, the amount of phase shift is also changed, so that the temperature characteristic cannot be compensated.
[0004]
The present invention has been made in view of the above points, and has a small and simple structure, can widen a usable phase angle range, and can detect with high resolution even if a displacement of a detection target is minute. Therefore, an object of the present invention is to provide a position detection device that can easily compensate for temperature characteristics.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
The position detection device according to the present invention is One phase A coil portion formed by disposing at least one coil excited by an AC signal, and a magnetic response member disposed so as to be relatively displaced with respect to the coil portion, the member depending on the displacement of the detection target The relative position between the coil portion and the coil portion changes, and the impedance of the coil is changed according to the relative position, and the relative position changes over a predetermined range based on the impedance change, and is generated in the coil. A voltage changing circuit, a circuit for generating a predetermined at least one reference voltage composed of an AC signal, At least one Take out the voltage generated in the coil, and the reference voltage Addition or subtraction by doing, Different from each other An arithmetic circuit for generating at least two AC output signals having a predetermined periodic amplitude function as an amplitude coefficient, wherein the periodic amplitude function of each AC output signal is shifted by a predetermined phase in its periodic characteristics. With
[0006]
The magnetic response member typically includes at least one of a magnetic body and a conductor. When the magnetic response member is made of a magnetic material, the greater the degree of proximity of the member to the coil, the greater the inductance of the coil, and the electrical impedance of the coil increases. Voltage (or voltage drop) increases. On the contrary, as the degree of proximity of the magnetic response member to the coil decreases, the inductance of the coil decreases, the electrical impedance of the coil decreases, and the voltage generated in the coil, that is, the voltage between terminals decreases. To do. Thus, the voltage between the terminals of the coil increases or decreases while the relative position of the magnetic response member with respect to the coil changes over a predetermined range in accordance with the displacement of the detection target.
[0007]
For example, typically, the incremental change curve exhibited by the terminal voltage of the coil while the relative position of the magnetic response member relative to the coil varies over a predetermined range is in the range of 0 to 90 degrees in the sine function. It can be compared to a function value change. Here, when the alternating current signal component is represented by sin ωt, and the amplitude coefficient level value of the coil output voltage Vx obtained corresponding to the start position of an appropriate section in the gradually increasing curve indicated by the voltage between the terminals of the coil is Pa, The coil output voltage Vx corresponding to the start position of the section can be expressed as Pa sin ωt. If the amplitude coefficient level value of the coil output voltage Vx obtained corresponding to the end position of the section is Pb, the coil output voltage corresponding to the end position of the section can be expressed as Pb sin ωt. Here, when the alternating voltage having the same value as the value Pa sin ωt of the coil output voltage Vx corresponding to the starting position is determined as the reference voltage Va and subtracted from the coil output voltage Vx, the amplitude coefficient of the coil output voltage Vx is expressed as a function. A (x)

It becomes. Since A (x) = Pa at the start position of the section, the amplitude coefficient “A (x) −Pa” of this calculation result is “0”. On the other hand, since A (x) = Pb at the end position of the section, the amplitude coefficient “A (x) −Pa” of this calculation result becomes “Pb−Pa”. Therefore, the amplitude coefficient “A (x) −Pa” as a result of this calculation shows a function characteristic that gradually increases from “0” to “Pb−Pa” within the range of the section. Here, since “Pb−Pa” is the maximum value, when this is equivalently considered as “1”, the amplitude coefficient “A (x) −Pa” of the AC signal according to the above equation (1) In this range, it changes from “0” to “1”, and the function characteristic of the amplitude coefficient can be compared with the characteristic of the first quadrant (that is, the range of 0 to 90 degrees) of the sine function. . Therefore, the amplitude coefficient “A (x) −Pa” of the AC signal according to the above equation (1) can be equivalently expressed as sin θ (however, approximately 0 ° ≦ θ ≦ 90 °).
[0008]
In a preferred embodiment, the coil unit includes a single coil, the circuit that generates the predetermined reference voltage generates first and second reference voltages, and the arithmetic circuit includes the first circuit. A voltage extracted from one coil and the first and second reference voltages; The Each Add or subtract Thus, the first AC output signal having the first amplitude function as the amplitude coefficient and the second AC output signal having the second amplitude function as the amplitude coefficient are generated. In this case, since the coil portion need only have one coil, the configuration can be simplified to the minimum. By using the Va as the first reference voltage, it is possible to obtain the first amplitude function having a characteristic of approximately the first quadrant of the sine function (that is, a range of 0 to 90 degrees). .
[0009]
Further, when an AC voltage having the same value as the value Pb sinωt of the coil output voltage Vx corresponding to the end position of the section is defined as the second reference voltage Vb, and the difference between this and the coil output voltage Vx is obtained,

It becomes. Since A (x) = Pa at the start position of the section, the amplitude coefficient “Pb−A (x)” of this calculation result is “Pb−Pa”. On the other hand, since A (x) = Pb at the end position of the section, the amplitude coefficient “Pb−A (x)” of this calculation result is “0”. Therefore, the amplitude coefficient “Pb−A (x)” of the calculation result shows a function characteristic that gradually decreases from “Pb−Pa” to “0” within the range of the section. Similarly to the above, assuming that “Pb−Pa” is equivalent to “1”, the amplitude coefficient “Pb−A (x)” of the AC signal according to the equation (2) is “ 1 ”to“ 0 ”, and the function characteristic of the amplitude coefficient can be compared with the characteristic of the first quadrant (that is, the range of 0 to 90 degrees) of the cosine function. Therefore, the amplitude coefficient “Pb−A (x)” of the AC signal according to the equation (2) can be equivalently expressed as cos θ (provided that 0 ° ≦ θ ≦ 90 °). The subtraction in equation (2) may be “Vx−Vb”.
[0010]
In this manner, by using only one coil and two reference voltages, two AC output signals each indicating the amplitude according to the sine and cosine function characteristics can be generated according to the detection target position. For example, when the position to be detected is replaced with an angle θ, an AC output signal having an amplitude indicating a sine function characteristic can be generally indicated by sin θ sin ωt, and an AC output signal having an amplitude indicating a cosine function characteristic. Can be represented by cos θ sin ωt. This is similar to the form of the output signal of the position detector called a resolver, and is extremely useful. For example, the two AC output signals generated by the arithmetic circuit are input, and the phase value in the sine and cosine function that defines the amplitude value is detected from the correlation between the amplitude values in the two AC output signals. It is preferable that an amplitude phase conversion unit that generates position detection data of the detection target based on the detected phase value is provided. Note that the sine and cosine functions exhibit characteristics in a range of approximately one quadrant (90 degrees), so that the detectable position range is detected after being converted to a phase angle in the range of approximately 90 degrees.
[0011]
Here, variably setting the levels Pa and Pb of the reference voltages Va and Vb leads to variably setting the detectable position range. For example, when these values are set so that the difference between the levels Pa and Pb is large, the detectable position range is widened, and when these values are set so as to be small, the detectable position range is narrowed. Regardless of the change in the detectable position range, the position within this range is always converted to a phase angle in the range of approximately 90 degrees and detected, so that the levels of the reference voltages Va and Vb can be variably set. The position detection resolution can be variably set. This means that, for example, even when a minute displacement is detected, position detection with ultra-high resolution is possible.
[0012]
In another embodiment, the coil portion includes two coils, and the relative position of each coil with respect to the magnetic response member changes with a reverse characteristic according to the displacement of the detection target, and accordingly, The impedance of each coil changes with an inverse characteristic, and the circuit that generates the predetermined reference voltage generates one reference voltage, and the arithmetic circuit includes the voltage extracted from each coil and the reference voltage. The Each Add or subtract Thus, the first AC output signal having the first amplitude function as the amplitude coefficient and the second AC output signal having the second amplitude function as the amplitude coefficient are generated.
[0013]
For example, as described above, the gradually increasing change curve indicated by the voltage between the terminals of the first coil while the relative position of the magnetic response member changes over a predetermined range is in the range of 0 to 90 degrees in the sine function. It can be compared to a function value change. That is, the coil output voltage Vx obtained corresponding to the start position of an appropriate section can be expressed as Pa sin ωt, which corresponds to the minimum value. This starting position can be set by the reference voltage Va. By performing the same calculation as in (Equation 1) using the reference voltage Va = Pa sin ωt,
Vx−Va = {A (x) −Pa} sinωt
As described above, as the function characteristic of the amplitude coefficient “A (x) −Pa”, the characteristic of the first quadrant of the sine function (that is, the range of 0 degrees to 90 degrees), that is, equivalently sin θ (however, It can be roughly compared to 0 ° ≦ θ ≦ 90 °).
[0014]
On the other hand, the voltage between the terminals of the second coil shows a gradual change curve having a characteristic opposite to that described above, and it is assumed that Pa ′ sin ωt and the second coil output voltage Vy obtained corresponding to the start position of the section Expressed, this corresponds to the maximum value. When the reference voltage Va is subtracted from the second coil output voltage Vy, the amplitude coefficient of the coil output voltage Vy is represented by a function A (y).

It becomes. Since A (y) = Pa ′ at the start position of the section, the amplitude coefficient “A (y) −Pa” of this calculation result is “Pa′−Pa”, and “maximum value−minimum value”. Therefore, the maximum value can be equivalently regarded as “1”. On the other hand, since A (y) = Pa at the end position of the section, the amplitude coefficient “A (y) −Pa” of this calculation result is “0”. Therefore, the amplitude coefficient “A (y) −Pa” of the calculation result indicates a function characteristic that gradually decreases from the maximum value “Pa′−Pa” (that is, “1”) to “0” within the range of the section. The function characteristic of the amplitude coefficient can be compared with the characteristic of the first quadrant of the cosine function (that is, the range of 0 to 90 degrees). Therefore, the amplitude coefficient “A (y) −Pa” of the AC signal according to the above equation (3) can be equivalently expressed as cos θ (provided that 0 ° ≦ θ ≦ 90 °).
[0015]
Thus, even when two coils and one reference voltage are used, it is possible to generate two AC output signals (sin θ sin ωt and cos θ sin ωt) that respectively indicate amplitudes according to the sine and cosine function characteristics according to the detection target position. Also in this case, since the sine and cosine functions show characteristics in a range of approximately one quadrant (90 degrees), the detectable position range is detected by being converted into a phase angle in the range of approximately 90 degrees. Become. Similarly to the above, by changing the reference voltage Va, the detectable position range can be variably set, and the detection resolution can be adjusted.
[0016]
When a good conductor such as copper is used as the magnetic response member, the self-inductance of the coil decreases due to eddy current loss, and the voltage between the terminals of the coil gradually decreases as the magnetic response member approaches the coil. It will be. In this case, detection can be performed in the same manner as described above. Moreover, you may use the hybrid type thing which combined the magnetic body and the conductor as a magnetic response member.
In another embodiment, the magnetic response member may include a permanent magnet, and the coil may include a magnetic core. In this case, the corresponding portion of the magnetic core on the coil side becomes magnetically saturated or supersaturated according to the approach of the permanent magnet, and the magnetic response member, that is, between the terminals of the coil according to the relative displacement of the permanent magnet with respect to the coil. The voltage will gradually decrease.
[0017]
Thus, according to the present invention, it is sufficient to provide only the primary coil, and the secondary coil is not necessary. Therefore, it is possible to provide a position detecting device having a small and simple structure. Further, a plurality of AC output signals each indicating an amplitude according to a predetermined periodic function characteristic depending on a detection target position by using only one coil and two reference voltages or using two coils and one reference voltage. (For example, two AC output signals each indicating an amplitude according to the sine and cosine function characteristics) can be easily generated, and at least approximately one quadrant (90 degrees) can be taken as a usable phase angle range. Accordingly, detection can be performed in a relatively wide phase angle range with a small number of coils, and detection resolution can be improved. In addition, position detection with high resolution is possible even when the displacement of the detection target is small. Furthermore, if a circuit (for example, a coil) having a temperature characteristic equivalent to that of the detection coil is used as a circuit for generating the reference voltage, the temperature drift characteristic is automatically compensated for by subtraction operation in the arithmetic circuit. Thus, position detection without the influence of temperature changes can be easily performed. Of course, the circuit for generating the reference voltage is not limited to the coil, and a voltage generation circuit having another appropriate configuration such as a resistor may be used. In addition, the number of coils and reference voltages is not limited to 1 or 2, but may be more than that, and accordingly, the usable phase angle range is not limited to approximately one quadrant (90 degrees). It is also possible to enlarge.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1A shows an example of a physical arrangement relationship between a coil portion 50 and a magnetic response member 60 in a position detecting device according to an embodiment of the present invention by a schematic cross-sectional view in the coil axis direction. Is a schematic plan view thereof, and FIG. 6C is a diagram showing an example of an electric circuit related to the coil unit 50. The position detection device shown in FIG. 1 detects a linear position of a detection target. For example, the coil unit 50 is relatively fixed, and the magnetic response member 60 is relatively set according to the displacement of the detection target. Linear displacement. On the contrary, the magnetic response member 60 may be relatively fixed, and the coil unit 50 may be relatively displaced according to the displacement of the detection target.
[0019]
The coil unit 50 includes one coil L1 that is excited by a predetermined AC signal, and a magnetic core 51 is provided in the coil L1. The magnetic response member 60 forms a flat surface that opposes the end of the magnetic core 51 of the coil L1 via a gap, and the surface of the magnetic response member 60 changes to the arrow x in conjunction with the change in the detection target position. Displace in the direction or vice versa. Due to the change in the gap, the amount of magnetic flux passing through the coil L1 through the magnetic core 51 changes, and the self-inductance of the coil L1 changes accordingly. This inductance change is also a change in impedance of the coil L1, and can be measured as a voltage between the terminals of the coil L1. As an example, the description will proceed assuming that the magnetic response member 60 is made of a magnetic material such as iron. The position detecting device having such a structure is suitable for detecting a minute displacement of a film such as a diaphragm. In that case, when the diaphragm itself to be detected is made of a magnetic material (or a conductor), it can function as the magnetic response member 60. Alternatively, a film-like or planar magnetic response member 60 may be attached or applied to a detection target diaphragm or the like.
[0020]
In FIG. 1A, the maximum movement range of the magnetic response member 60 is illustrated by points a and b. The position of the point a is the position farthest from the coil L1, and the point b is the closest position. FIG. 2A is a graph illustrating the impedance (vertical axis z) of the coil L1 with respect to the detection target position (horizontal axis x). The impedance of the coil L1 when the magnetic response member 60 is the point a is indicated by Za, and when the magnetic response member 60 is the point b, it is indicated by Zb. When the impedance is Za, the voltage between the terminals of the coil L1, that is, the output voltage is the minimum level (minimum amplitude coefficient), and when the impedance is Zb, it is the maximum level (maximum amplitude coefficient).
[0021]
The inter-terminal voltage of the coil L1 gradually increases from the minimum value corresponding to the impedance Za to the maximum value corresponding to the impedance Zb while the relative position of the magnetic response member 60 moves from a to b. The first and second reference voltages Va and Vb are appropriately set within a range of values that the inter-terminal voltage of the coil L1 can take. That is, an appropriate section is selected as the detection target section R from the maximum movement range from the position a to the position b, and the amplitude coefficient level value of the voltage across the terminals of the coil L1 corresponding to the starting position of the section R ( In other words, assuming that the impedance is Pa, the voltage between the terminals of the coil L1 corresponding to the start position of the section R, that is, the output voltage Vx is Pa sin ωt, which is set as the first reference voltage Va. That is,
Va = Pa sin ωt
It is. Further, assuming that the amplitude coefficient level value (that is, impedance) of the inter-terminal voltage of the coil L1 generated corresponding to the end position of the section R is Pb, the inter-terminal voltage of the coil L1 corresponding to the end position of the section R That is, the output voltage Vx is Pb sin ωt, which is set as the second reference voltage Vb. That is,
Vb = Pb sin ωt
It is.
[0022]
As shown in FIG. 1C, the detection coil L1 is excited at a constant voltage or a constant current by a predetermined one-phase AC signal (indicated by sin ωt) generated from the AC generation source 30. As described above, since the inductance of the detection coil L1 is variable according to the detection target position, it is equivalently illustrated as a variable inductance in the drawing. Further, coils Lr1 and Lr2 are provided as circuits for generating the respective reference voltages Va and Vb, and these are also driven by an AC signal from the AC generation source 30. Once these are set once to determine the desired detection target section R, they are fixed to the set values.
[0023]
The arithmetic circuit 31A subtracts the first reference voltage Va from the output voltage Vx of the detection coil L1, and represents the amplitude coefficient of the coil output voltage Vx as a function A (x) as shown in the equation (1). When,

Perform the following operation. Since A (x) = Pa at the start position of the detection target section R set by the first reference voltage Va, the amplitude coefficient “A (x) −Pa” of this calculation result is “0”. On the other hand, since A (x) = Pb at the end position of the section R, the amplitude coefficient “A (x) −Pa” of this calculation result becomes “Pb−Pa”. Therefore, the amplitude coefficient “A (x) −Pa” as a result of this calculation shows a function characteristic that gradually increases from “0” to “Pb−Pa” within the range of the section R. Here, since “Pb−Pa” is the maximum value, when this is equivalently considered as “1”, the amplitude coefficient “A (x) −Pa” of the AC signal according to the above equation is within the range of the section R. In FIG. 2, the function characteristic of the amplitude coefficient changes from the first quadrant of the sine function (that is, the range from 0 degrees to 90 degrees) as shown in FIG. It can be compared to the characteristics of Therefore, the amplitude coefficient “A (x) −Pa” of the AC signal according to the above expression can be expressed equivalently using sin θ (however, approximately 0 ° ≦ θ ≦ 90 °). In FIG. 2B, only the amplitude coefficient curve sinθ of the sine function characteristic with respect to the position x is shown, but the actual output of the arithmetic circuit 31A is an AC signal sinθsinωt having an amplitude level corresponding to the amplitude coefficient sinθ. It is.
[0024]
The arithmetic circuit 31B obtains the difference between the output voltage Vx of the detection coil L1 and the second reference voltage Vb. As shown in the equation (2),

Perform the following operation. Since A (x) = Pa at the start position of the detection target section R, the amplitude coefficient “Pb−A (x)” of this calculation result is “Pb−Pa”. On the other hand, since A (x) = Pb at the end position of the section R set by the second reference voltage Vb, the amplitude coefficient “Pb−A (x)” of this calculation result is “0”. . Therefore, the amplitude coefficient “Pb−A (x)” as a result of this calculation shows a function characteristic that gradually decreases from “Pb−Pa” to “0” within the range of the section R. Similarly to the above, assuming that “Pb−Pa” is equivalent to “1”, the amplitude coefficient “Pb−A (x)” of the AC signal according to the above equation is within the range of section R from “1”. It changes to “0”, and the function characteristic of the amplitude coefficient can be compared with the characteristic of the first quadrant of the cosine function (that is, the range of 0 to 90 degrees). Therefore, the amplitude coefficient “Pb−A (x)” of the AC signal according to the above equation can be equivalently expressed using cos θ (provided that 0 ° ≦ θ ≦ 90 °). In this case as well, only the amplitude coefficient curve cosθ of the cosine function characteristic with respect to the position x is shown in FIG. 2B, but the actual output of the arithmetic circuit 31B is an alternating current having an amplitude level corresponding to the amplitude coefficient cosθ. The signal cos θ sin ωt. The subtraction in the arithmetic circuit 31B may be “Vx−Vb”.
[0025]
In this way, it is possible to generate two AC output signals sinθsinωt and cosθsinωt that respectively indicate amplitudes according to the sine and cosine function characteristics according to the detection target position x. This is the same as the output signal form of a position detector generally called a resolver, and can be used effectively. For example, two resolver-type AC output signals generated by the arithmetic circuits 31A and 31B are input to the phase detection circuit (or amplitude phase conversion means) 32, and the amplitude is determined from the correlation between the amplitude values of the two AC output signals. By measuring the phase value θ of the sine and cosine functions sin θ and cos θ that define the values, the detection target position can be detected in absolute. The phase detection circuit 32 may be configured using, for example, the technique disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-126809 related to the applicant's application. For example, the first AC output signal sin θ sin ωt is electrically shifted by 90 degrees to generate the AC signal sin θ cos ωt, and by adding and subtracting the second AC output signal cos θ sin ωt, sin (ωt + θ) and sin (ω ωt−θ), and two AC signals (signals obtained by converting phase component θ into AC phase shifts) that are phase-shifted in the leading and lagging directions according to θ are generated, and the phase θ is measured. The stroke position detection data can be obtained. The phase detection circuit 32 may be configured by a dedicated circuit (for example, an integrated circuit device), or may perform phase detection processing by executing predetermined software using a programmable processor or computer. . Alternatively, a known RD converter used for processing the resolver output may be used as the phase detection circuit 32. Further, the detection process of the phase component θ in the phase detection circuit 32 is not limited to digital processing, and may be performed by analog processing using an integration circuit or the like. Further, after digital detection data indicating the rotational position θ is generated by the digital phase detection process, this may be converted to analog to obtain analog detection data indicating the rotational position θ. Of course, the output signals sinθsinωt and cosθsinωt of the arithmetic circuits 31A and 31B may be output as they are without providing the phase detection circuit 32.
[0026]
As shown in FIG. 2B, the amplitude characteristics of the sine and cosine function characteristics of the AC output signals sin θ sin ωt and cos θ sin ωt have a linear relationship between the phase angle θ and the detection target position x. It does not show true sine and cosine function characteristics. However, in the phase detection circuit 32, apparently, the AC output signals sin θ sin ωt and cos θ sin ωt are subjected to phase detection processing as having sine and cosine function amplitude characteristics, respectively. As a result, the detected phase angle θ does not exhibit linearity with respect to the detection target position x. However, in the position detection, the nonlinearity between the detection output data (detected phase angle θ) and the actual detection target position is not a very important problem. That is, it is only necessary that position detection can be performed with a predetermined reproducibility. Further, if necessary, the output data of the phase detection circuit 32 is subjected to data conversion using an appropriate data conversion table so that accurate linearity is provided between the detection output data and the actual detection target position. Can be done easily. Therefore, the amplitude characteristics of the sine and cosine functions referred to in the present invention do not have to indicate the true sine and cosine function characteristics, but actually, as shown in FIG. In short, what is necessary is just to show such a tendency. That is, a function similar to a trigonometric function such as sine may be used. In the example of FIG. 2B, if the viewpoint is changed and the scale on the horizontal axis is regarded as θ and the scale is made up of a required non-linear scale, the scale on the horizontal axis is regarded as x. In some cases, even if it looks like a triangular wave shape, θ can be referred to as a sine function or a cosine function.
[0027]
Here, compensation for temperature drift characteristics will be described. Even if the impedance of the detection coil L1 changes according to the temperature, if the reference voltages Va and Vb also have the same temperature drift characteristics, the temperature drift amount is reduced by the difference calculation in the arithmetic circuits 31A and 31B. As a result, the temperature drift characteristic is compensated. For this purpose, coils Lr1 and Lr2 having characteristics equivalent to those of the detection coil L1 are used for generating a reference voltage, and these coils Lr1 and Lr2 are placed in the same temperature environment as the detection coil L1 (that is, the detection coil). (Relatively close to L1). Of course, it is preferable to make the characteristics of the reference voltage generating coils Lr1 and Lr2 equal to those of the detection coil L1, but it is not essential, and it is possible to provide substantially the same temperature drift characteristics by adjusting the additional resistance. It is possible to configure. Further, the reference voltage generating circuit is not limited to the coils Lr1 and Lr2, but a resistor or other appropriate constant voltage generating circuit may be used.
[0028]
As described above, variably setting the levels of the reference voltages Va and Vb, that is, the impedances Pa and Pb, leads to variably setting the detectable position range, that is, the detection target section R. Regardless of how long the detection range, that is, the length of the detection target section R is, the position in this section R is always converted into the phase angle θ in the range of approximately 90 degrees, and is detected. By variably setting the levels of the reference voltages Va and Vb, the position detection resolution can be variably set. This means that, for example, even when a minute displacement is detected, position detection with ultra-high resolution is possible. As an example, when the phase detection circuit 32 has a performance of detecting a phase angle of 360 degrees full rotation with a resolution of “2 to the power of 12” = 4096 using a 12-bit binary counter, a phase in the range of 90 degrees The corner detection resolution is “1024”, and if the position range that can be detected, that is, the length of the detection target section R is set to 5 millimeters, it is possible to detect a minute position with an extremely high resolution of about 5 microns.
[0029]
FIG. 3 shows a modification of FIG. 1, the displacement direction x of the magnetic response member 61 is different from that in FIG. 1, and the structure of the coil portion 50 may be the same as in FIG. 1. 3A is a schematic cross-sectional view, and FIG. 3B is a schematic plan view. An electric circuit related to the coil unit 50 can be configured in the same manner as in FIG. In FIG. 3A, the maximum movement range of the magnetic response member 61 is illustrated by points a and b. At the position of point a, the magnetic response member 61 does not cover the end of the coil L1, and the output level of the coil L1 is minimum. The magnetic response member 61 is linearly displaced from this position in the direction of the arrow x so as to cross the end of the coil L1, and the end of the magnetic response member 61 reaches a position corresponding to the point b as indicated by a one-dot chain line 61 ′. When it comes, the magnetic response member 61 completely covers the end of the coil L1, and the output level of the coil L1 becomes maximum. The position detection operation by the apparatus of FIG. 3 is the same as that of FIG.
[0030]
FIG. 4 is a partial cross-sectional side view showing still another modification example of FIG. 1, and the magnetic core 51 is not provided in the coil L <b> 1 of the coil unit 50, and the rod shape is formed according to the displacement of the detection target. The magnetic response member 62 is relatively displaced in the direction of the arrow x and enters the internal space of the coil L1. Also in this case, the maximum movement range of the magnetic response member 62 is illustrated by points a and b. This range substantially corresponds to the length of the coil L1. The position detection operation by the apparatus of FIG. 4 is the same as that of FIG.
[0031]
FIG. 5 is a partial cross-sectional schematic side view showing still another modified example of FIG. 1. A coil L1 of the coil portion 50 is provided with a magnetic core 51, and has a cylindrical sleeve shape according to the displacement of the detection target. The magnetic response member 63 is relatively displaced in the direction of the arrow x, and the coil L1 is swallowed into the space of the cylindrical sleeve. Also in this case, the maximum movement range of the magnetic response member 63 is illustrated by points a and b, but this range substantially corresponds to the length of the coil L1. However, in FIG. 5, the magnetic response member 63 is made of a nonmagnetic good conductor such as copper, and the magnetic response member 63 is close to the coil L1 (the coil L1 enters the cylindrical sleeve space of the magnetic response member 63). As the eddy current loss occurs, the impedance of the coil L1 is reduced. Therefore, the positions of the points a and b are shown to be opposite to those in FIG. The position detection operation by the apparatus of FIG. 5 is the same as that of FIG.
[0032]
FIG. 6 is a partial cross-sectional schematic side view showing still another modification of FIG. 1. A magnetic core 51 is provided in the coil L1 of the coil portion 50, and a cylindrical sleeve shape is formed according to the displacement of the detection target. The magnetic response member 64 is made of a permanent magnet, and has a structure in which the coil L1 is swept into the space of the cylindrical sleeve by being relatively displaced in the direction of the arrow x. When the permanent magnet 64 approaches the coil L1, the magnetic core 51 corresponding to the adjacent portion is partially magnetically saturated or supersaturated, and the terminal voltage of the coil L1 decreases. The length of the permanent magnet 64 has a length corresponding to at least the coil length so that the terminal voltage of the coil L1 gradually decreases while the permanent magnet 64 is displaced from one end to the other end of the coil L1. As described above, when a permanent magnet is used as the magnetic response member 64, the magnetic response member 64, that is, the permanent magnet is displaced from one end to the other end of the coil L1 as in the case of using the nonmagnetic good conductor 63. Thus, a gradual decrease in the voltage between the terminals of the coil can be caused. The permanent magnet 64 is not limited to a ring shape, but may be other shapes such as a rod shape. In that case, an arrangement configuration in which the magnetic response member 64 made of a permanent magnet passes in the vicinity thereof in parallel with the coil axis direction may be adopted. In this case, the magnetic core 51 of the coil L1 is preferably a relatively thin shape or the like so as to easily cause magnetic saturation.
[0033]
FIG. 7 shows another embodiment of the position detecting device according to the present invention, and shows an example in which two coils L1 and L2 are provided in the coil section 50 and only one reference voltage Va is used. 7A shows an example of a physical arrangement relationship between the coil unit 50 and the magnetic response member 60 by a schematic sectional view in the coil axial direction, and FIG. 7B shows an example of an electric circuit related to the coil unit 50. FIG. In FIG. 7, in the coil part 50, the magnetic core 51 is inserted in one coil L1 similarly to FIG. Similarly, the magnetic core 52 is inserted into the other coil L2. The coils L1 and L2 are arranged coaxially so that the ends of the magnetic cores 51 and 52 face each other, and a flat plate-like magnetic response member 60 is arranged therebetween.
[0034]
As described above, the maximum movement range of the magnetic response member 60 is illustrated by points a and b, where the position of the point a is the position farthest from the coil L1 and the position of the point b is closest. On the contrary, for the coil L2, the position of the point a is the position where the magnetic response member 60 is closest, and the point b is the position where the point b is farthest away. Therefore, the relative positions of the coils L1 and L2 with respect to the magnetic response member 60 change with reverse characteristics according to the displacement of the detection target, and the impedances of the coils L1 and L2 change with reverse characteristics according to this. FIG. 8A is a graph illustrating the impedance (vertical axis z) of the coils L1 and L2 with respect to the detection target position (horizontal axis x). The impedance of the coil L1 when the magnetic response member 60 is the point a is indicated by Za, and when the magnetic response member 60 is the point b is indicated by Zb, since the characteristics are opposite, the coil L2 when the magnetic response member 60 is the point a The impedance is Zb, and at the point b, it is Za.
[0035]
The inter-terminal voltage of the coil L1 gradually increases from the minimum value corresponding to the impedance Za to the maximum value corresponding to the impedance Zb while the relative position of the magnetic response member 60 moves from a to b. On the other hand, the voltage between the terminals of the coil L2 gradually decreases from the maximum value corresponding to the impedance Zb to the minimum value corresponding to the impedance Za while the relative position of the magnetic response member 60 moves from a to b. One reference voltage Va is an amplitude coefficient level value of an inter-terminal voltage of the coil L1 that is generated corresponding to the start position of the detection target section R, which is selected from the maximum movement range from the position a to b. That is, it is set corresponding to impedance) Pa. That is, as mentioned above,
Va = Pa sin ωt
It is.
[0036]
As shown in FIG. 7B, the detection coils L1 and L2 are excited with a constant voltage or a constant current by a predetermined one-phase AC signal (indicated by sin ωt) generated from the AC generation source 30. . As described above, since the inductance of each of the coils L1 and L2 is variable according to the detection target position, it is equivalently illustrated as a variable inductance in the drawing. A coil Lr1 is provided as a circuit for generating the reference voltage Va, and this is also driven by an AC signal from the AC generation source 30.
[0037]
The arithmetic circuit 31C, like the arithmetic circuit 31A of FIG. 1, subtracts the reference voltage Va from the output voltage Vx of the detection coil L1, and similarly to the equation (1),

Perform the following operation. Therefore, as described above, the function characteristic of the amplitude coefficient in the output AC signal of the arithmetic circuit 31C is the characteristic of the first quadrant of the sine function (that is, the range from 0 degrees to 90 degrees) as shown in FIG. Can be compared.
[0038]
The arithmetic circuit 31D obtains the difference between the output voltage Vy of the other detection coil L2 and the reference voltage Va. As shown in the equation (3),

Perform the following operation. As can be understood from FIG. 8A, the inter-terminal voltage Vy of the coil L2 shows a gradually decreasing change curve having a characteristic opposite to that of the inter-terminal voltage Vx of the coil L1, and is obtained corresponding to the start position of the section R. If the coil output voltage Vy is expressed as Pa ′ sin ωt, this corresponds to the maximum value. Thus, since A (y) = Pa ′ at the start position of the section R, the amplitude coefficient “A (y) −Pa” of the output AC signal of the arithmetic circuit 31D is “Pa′−Pa”. , “Maximum value−minimum value”, the maximum value can be equivalently regarded as “1”. On the other hand, since A (y) = Pa at the end position of the section R, the amplitude coefficient “A (y) −Pa” of this calculation result is “0”. Therefore, the amplitude coefficient “A (y) −Pa” of the output AC signal of the arithmetic circuit 31D is within the range of the detection target section R from the maximum value “Pa′−Pa” (that is, “1”) to “0”. The function characteristic gradually decreases, and the function characteristic of the amplitude coefficient can be compared to the characteristic of the first quadrant of the cosine function (that is, the range of 0 to 90 degrees). Therefore, the amplitude coefficient “A (y) −Pa” of the output AC signal of the arithmetic circuit 31D is equivalently cos θ (however, approximately 0 ° ≦ θ ≦ 90 °) as shown in FIG. I can express.
[0039]
Thus, even when two detection coils L1 and L2 and one reference voltage Va are used, two AC output signals (sin θ sin ωt and cos θ sin ωt) indicating amplitudes according to the sine and cosine function characteristics are generated according to the detection target position. be able to. Also in this case, since the sine and cosine functions show characteristics in a range of almost one quadrant (90 degrees), the detectable position range, that is, the detection target section R is converted into a phase angle θ in a range of about 90 degrees. Will be detected. Further, as described above, by changing the reference voltage Va, the position range that can be detected, that is, the detection target section R can be variably set, and the detection resolution can be adjusted. Similarly to the embodiment of FIG. 1, the embodiment of FIG. 7 can also compensate for temperature drift characteristics.
[0040]
Further, the modifications of FIGS. 3 to 6 applicable to the embodiment of FIG. 1 can be applied to the embodiment of FIG. 7 in the same manner. Details of the deformation method can be easily inferred from FIGS.
In each of the above embodiments, a nonmagnetic good conductor such as copper may be used as the magnetic response members 60, 61, 62 instead of the magnetic material. In that case, the inductance of the coil decreases due to the eddy current loss, and the voltage between the terminals of the coil decreases in accordance with the proximity of the magnetic response members 60, 61, 62. In this case, the position detection operation can be performed in the same manner as described above. Moreover, you may use the hybrid type thing which combined the magnetic body and the conductor as a magnetic response member.
[0041]
Next, still another embodiment will be described.
FIG. 9 shows an embodiment in which, in two AC output signals each having an amplitude indicating sine and cosine function characteristics, an amplitude change in an electrical angle range of approximately 0 to 180 degrees can be obtained. FIG. 9A shows an example of a physical arrangement relationship between the coil portion 10 and the magnetic response member 11 in the position detection apparatus according to this embodiment by a schematic external view, and FIG. FIG. 2C is a diagram illustrating an example of an electric circuit of the coil unit 10. The position detection device shown in FIG. 1 detects a linear position of a detection target. For example, the coil unit 10 is relatively fixed, and the magnetic response member 11 is relatively set according to the displacement of the detection target. Linear displacement. On the contrary, of course, the magnetic response member 11 may be relatively fixed, and the coil unit 10 may be relatively displaced according to the displacement of the detection target. The coil unit 10 includes a plurality of coil sections (two coil sections LA and LB in the illustrated example) that are excited by a predetermined one-phase alternating current signal, which are sequentially arranged along the displacement direction of the detection target. Become. For example, it is assumed that the coil sections LA and LB have the same properties such as the number of turns and the coil length. The magnetic response member 11 is made of a magnetic material such as rod-shaped iron, for example, and enters the coil space of the coil unit 10. As an example, when the magnetic response member 11 advances in the right direction in the drawing, the tip 11a of the magnetic response member 11 first enters the coil section LA, and then sequentially enters the coil section LB in that order. Break into. A two-dot chain line 11 ′ indicates the magnetic response member 11 that has entered the last coil section LB.
[0042]
A range corresponding to each of the coil sections LA and LB is an effective detection range. Assuming that the length of one coil section is K, when two coil sections LA and LB are provided in cascade as shown in the figure, a length 2K that is twice that becomes the effective detection range.
As shown in FIG. 9C, each of the coil sections Lα, LA, LB, LC, LD, and Lβ is a constant voltage or a constant voltage by a predetermined one-phase AC signal (indicated by sin ωt) generated from the AC power supply 30. Excited with constant current. The voltages between the terminals in the coil sections LA and LB are indicated by VA and VB, respectively. The inter-terminal voltages VA and VB of the coil sections LA and LB are input to the analog arithmetic circuits 315 and 316, and are detected from the analog arithmetic circuits 315 and 316 by adding or subtracting according to a predetermined arithmetic expression. Two AC output signals (ie, sin θ sin ωt and cos θ sin ωt) having amplitudes indicating sine and cosine function characteristics according to the target position are generated.
[0043]
With the above configuration, as the degree of proximity or penetration of the magnetic response member 11 to each coil increases, the self-inductance, that is, impedance of the coil increases, and the end of the member is displaced from one end to the other end of one coil. The voltage between the terminals of the coil gradually increases. As the plurality of coils LA and LB are sequentially arranged along the displacement direction of the detection target, the position of the magnetic response member with respect to these coils is relatively displaced according to the displacement of the detection target. As illustrated in A), gradually increasing changes in the inter-terminal voltages VA and VB of the respective coils occur in order. In FIG. 10A, in the section where the output voltage of a certain coil is inclined, the end of the magnetic response member 11 is displaced from one end of the coil toward the other end. Typically, the gradually changing curve of the voltage across the coil that occurs while the end of the magnetic response member 11 is displaced from one end of the coil to the other end is in the range of 90 degrees in the sine or cosine function. It can be compared to the function value change of. Therefore, by adding and / or subtracting the output voltages VA and VB of each coil appropriately in combination with a predetermined reference voltage, two alternating currents each having an amplitude indicating a sine and cosine function characteristic according to the position to be detected. Output signals sin θ sin ωt and cos θ sin ωt can be generated.
[0044]
As illustrated in FIG. 10A, the incremental changes in the inter-terminal voltages VA and VB of each coil occur sequentially. Here, it is assumed that the voltage obtained when the magnetic response member 11 does not enter the coil at all is Vo (minimum voltage), and the voltage obtained when the magnetic response member 11 fully enters the coil is VN ( The maximum voltage is generated from an appropriate constant voltage generation circuit 27 using an alternating current (sin ωt) constant voltage corresponding to the added value “VN + Vo” of the voltages Vo and VN as a reference voltage. When the constant voltage “VN + Vo” is subtracted from the added value of the output voltages VA and VB of each coil, the obtained voltage “VA + VB−VN−Vo” is in the range of 0 to 180 degrees as shown in FIG. The cosine function characteristics (or minus cosine function characteristics) are shown. On the other hand, when VB is subtracted from voltage VA, the obtained voltage “VA−VB” shows a sine function characteristic in the range of 0 to 180 degrees as shown in FIG.
[0045]
Accordingly, in FIG. 9C, the output voltages VA and VB of the coils LA and LB are subtracted by the arithmetic circuit 315, thereby generating an AC output signal sin θ sin ωt having a sine function characteristic as the subtraction result “VA−VB”. be able to. Further, the output voltages VA and VB of the coils LA and LB are added by the arithmetic circuit 316, and the subtraction circuit 317 subtracts the reference voltage “VN + Vo” generated from the constant voltage generation circuit 27 from the addition result VA + VB. As a result “VA + VB− (VN + Vo)” (that is, “VA + VB−VN−Vo”), the AC output signal cos θ sin ωt having the cosine function characteristic can be generated. Here, it is assumed that the reference voltage “VN + Vo” generated from the constant voltage generation circuit 27 changes with temperature characteristics in the same manner as the temperature characteristics changes of the coils LA and LB. For this purpose, the constant voltage generation circuit 27 may be configured using a dummy coil having characteristics equivalent to those of the coil LA or LB and excited by the same excitation AC signal. For example, if a magnetic core having the same characteristics as the magnetic response member 11 is always inserted in such a dummy coil, the same value as the maximum voltage VN obtained when the magnetic response member 11 fully enters the coil. The constant voltage VN can be constantly generated with temperature characteristics. If a magnetic core is not inserted into such a dummy coil, a constant voltage Vo similar to the minimum voltage Vo can be obtained.
[0046]
The constant voltage generation circuit 27 as described above is not limited to the case where the number of coils is two, but can also be applied when other appropriate number of coils are used. For example, when three coils LA, LB, and LC are connected in cascade to make it possible to cause a phase change in the range from 0 degrees to 270 degrees for the 3K effective detection range. The constant voltage VN and Vo are generated as separate reference voltages from the voltage generation circuit 27, and the output voltages VA, VB, VC of the coils and the reference voltages VN, Vo from the constant voltage generation circuit 27 are used to generate “VA”. An AC output signal sin θ sin ωt having a sine function characteristic can be generated by an operation “−VB−VC + Vo”, and an AC output signal cos θ sin ωt having a cosine function characteristic can be generated by an operation “VA + VB−VC−VN”.
[0047]
FIG. 11 shows an embodiment in which only one coil LA is provided corresponding to the effective detection range and only one reference voltage VN is used. In this case, the phase change width of the effective detection range corresponding to the coil length K of one coil is less than 90 degrees. In the example of FIG. 11A, the dummy coil LN is connected in series to the detection coil LA that is affected by the displacement of the magnetic response member 11, but is not affected by the displacement of the magnetic response member 11. The constant voltage VN, which is the same as the maximum voltage VN obtained when the magnetic response member 11 fully enters the coil LA, is always generated as a reference voltage. Therefore, the detection voltage VA output from the coil LA and the reference voltage VN have equivalent temperature characteristics. Thereby, the inter-terminal voltage VA of the coil LA and the inter-terminal voltage VN of the dummy coil LN corresponding to the displacement of the magnetic response member 11 are generated as shown in FIG. The arithmetic circuit 318 calculates these voltages VA and VN according to a predetermined arithmetic expression, and generates an AC output signal sin θ sin ωt having a sine function characteristic by an operation “VA + VN”, for example, as shown in FIG. The AC output signal cos θ sin ωt having the cosine function characteristic is generated by the calculation “VN”. As shown in FIG. 11D, this can correspond to a characteristic in an angle range with a width of less than 90 degrees. Therefore, by inputting these AC output signals to the phase detection circuit 32, it is possible to perform absolute detection of the phase angle θ in the corresponding angle range of less than 90 degrees. It should be noted that the dummy coil LN may be connected in parallel to the detection coil LA as shown in FIG. 11E without being limited to the serial connection as shown in FIG.
[0048]
FIG. 12 shows a modification of FIG. 11 in which a resistance element R1 is used instead of the dummy coil LN. As shown in FIG. 3A, one coil LA is provided, and a resistance element R1 is connected in series to the coil LA. As a result, when the amplitude component of the voltage VA between the terminals of the coil LA gradually increases as shown in FIG. 12B in accordance with the displacement of the magnetic response member 11, the voltage drop VR between the terminals of the resistance element R1 accordingly. As shown in FIG. 12 (B), the amplitude component of changes gradually. If the voltage VR between the terminals of the resistor element R1 is regarded as an AC output signal sin θ sin ωt having a sine function characteristic and the voltage VA between the terminals of the coil LA is regarded as an AC output signal cos θ sin ωt having a cosine function characteristic, the sign is as shown in FIG. It can be associated with a characteristic in an angular range of a width of less than 90 degrees where the function and the cosine function cross. Therefore, by inputting these AC output signals to the phase detection circuit 32, it is possible to perform absolute detection of the phase angle θ in the corresponding angle range of less than 90 degrees.
[0049]
In the embodiment of FIG. 9, the coil portion 10 is arranged so that the axes of the respective coils are substantially coincident with each other, and the magnetic response member 11 enters the central space of the coil. The arrangement relationship between the coil unit 10 and the magnetic response member 11 is not limited. For example, as illustrated in FIG. 13, the coil portion 10 is arranged so that the axes of the plurality of coils LA, LB,... Are arranged side by side in parallel, and the magnetic response member 11 passes near the end of the coil. It may be. In that case, the coils LA, LB,... May be wound around an iron core.
[0050]
In addition, even when the coils 10 are arranged so that the axes of the coils substantially coincide with each other as in the example of FIG. 9, the magnetic response member 11 does not enter the central space of the coil. It is good. FIG. 14 (A) shows an example thereof, and the magnetic response member 11 passes through the vicinity of the coil portion 10 in parallel with the axial direction of the coil portion 10. In that case, it is preferable to insert the iron core 53 in the axial space of each of the coils LA, LB,. This improves the way the magnetic flux is emitted to the outer periphery of the coil, improves the sensitivity to the magnetic response member 11 in the vicinity of the outer periphery, and improves the detection accuracy. FIG. 14B shows another example, in which the magnetic response member 11 has a hollow cylindrical shape, and the coil portion 10 enters the hollow cylindrical space of the magnetic response member 11. Yes. Also in this case, it is preferable to insert an iron core 53 in the axial center space of each of the coils LA, LB,.
[0051]
FIG. 15 is a side view and a cross-sectional view showing another configuration example of the coil unit 10 and the magnetic response member 11. In this case, the mutual arrangement interval of the coils LA, LB,... Is K as in the example of FIG. 9, but the length of each coil is shortened. That is, adjacent coils LA, LB,... Do not need to be in close contact as shown in FIG. The tip 11a of the magnetic response member 11 has a sharp and tapered shape. For example, a tip portion having a length of about K has a tapered shape. Thereby, the inductance change of a coil accompanying the movement of the front-end | tip 11a of the magnetic response member 11 can be made into the smooth gradual increase (or gradual decrease) change characteristic. Of course, even when the coils LA, LB,... Are closely arranged as shown in FIG. 9, the tip 11a of the magnetic response member 11 may be appropriately tapered.
[0052]
As yet another example, each coil of the coil unit 10 may be composed of a plurality of coil portions that are separately arranged. FIG. 16 shows an example of a separate arrangement of one coil LA as an example. In FIG. 16, one coil LA that covers the range of K is constituted by four coil portions LA1, LA2, LA3, and LA4 that are separately arranged. The coil portions LA1, LA2, LA3, LA4 are connected in series, and the terminal voltage VA of the coil LA is output. In this case, the number of turns of each coil portion LA1, LA2, LA3, LA4 may be common or may be appropriately different. Further, the spacing of the arrangement of the coil portions LA1, LA2, LA3, LA4 may be equal or may be appropriately different. By making the number of coil turns and the separation interval non-uniform (non-linear), it is possible to cause a self-impedance change having characteristics closer to the curve of the sine function or cosine function. Then, the nonlinearity of the relationship between the detection phase angle θ and the actual detection target distance (position) described above can be improved. Similarly, when the adjacent coils LA, LB,... Are closely arranged as shown in FIG. 9, the number of turns may not be made uniform in the range of the total length K of one coil, but may be made non-uniform. This can also cause a self-impedance change with characteristics closer to the curve of the sine function or cosine function, and can improve the nonlinearity of the relationship between the detection phase angle θ and the actual detection target distance (position) described above. it can.
[0053]
Further, the position detection device according to the present invention is not limited to the detection of a completely straight linear position, but can also be applied to the detection of the position of a detection target that is displaced in an arc shape or a curved shape within a predetermined range. FIG. 17 shows an example thereof, in which the coils LA, LB,... Of the coil portion 10 are sequentially arranged in an arc shape in a predetermined angle range ψ, and the magnetic response member 11 is centered on the axis C. It arrange | positions so that it may rock | fluctuate over the range (psi). Furthermore, the position detection device of the present invention can be configured as a detection device that detects an angle within a predetermined range in rotation.
[0054]
Similarly to the above, in each of the above embodiments, the magnetic response member 11 is not limited to a magnetic material, and may be a non-magnetic good conductor such as copper or aluminum. In that case, the voltage between the coil terminals gradually decreases due to the eddy current loss as the magnetic response member 11 approaches. Moreover, it is good also as a hybrid type which combined the magnetic body and the conductor. In this case, for example, as shown in FIG. 18, the tapered portion of the nonmagnetic good conductor 11b is formed at the tip portion 11a of the magnetic response member 11, and the magnetic property is compensated to compensate for the decrease in the nonmagnetic good conductor 11b due to the taper. The body 11c may be disposed.
[0055]
Also in the case where a plurality of coils are sequentially cascaded as shown in FIG. 9, similarly to FIG. 6, a permanent magnet may be included as the magnetic response member 11, and each coil of the coil unit 10 may include an iron core. FIG. 19 shows an example, and the permanent magnet 11M functioning as the magnetic response member 11 has, for example, a hollow ring shape, and the coil portion 10 enters the ring space. An iron core 54 is inserted into the axial space of each coil LA, LB,. When the permanent magnet 11M approaches one of the coils, the iron core 31 corresponding to the adjacent portion is partially magnetically saturated or supersaturated, and the inter-terminal voltage of the coil decreases. The length of the permanent magnet 11M has a length corresponding to at least the coil length K so that the voltage across the coil gradually decreases while the permanent magnet 11M is displaced from one end to the other end of one coil. As described above, even when the permanent magnet 11M is used as the magnetic response member 11, the magnetic response member 11, that is, the permanent magnet 11M is connected from one end of one coil to the other end as in the case of using the nonmagnetic good conductor 11b. During the displacement, a gradual change in the voltage across the coil can be caused. However, in the example of FIG. 19, when the permanent magnet 11M passes through a certain coil location, the state returns to the non-saturated state. However, the desired sine and cosine function characteristics are output by appropriately performing the subsequent analog calculation. A change in amplitude level may be obtained. Alternatively, a plurality of permanent magnets 11M may be continuously arranged as the magnetic response member 11 so that the magnetic saturation or supersaturation state is maintained. The permanent magnet 11M is not limited to a ring shape, and may be other shapes such as a rod shape. In that case, similarly to the example of FIG. 14A, the magnetic response member 11 made of the permanent magnet 11M passes through the vicinity in parallel to the axial direction. Note that the iron core 54 may have a relatively thin shape or the like so as to easily cause magnetic saturation.
[0056]
FIG. 20 is a modified example of the arrangement of the coils of the coil unit 10 in FIG. 14B, and is capable of preventing crosstalk between adjacent coils and improving detection accuracy. In FIG. 20A, a magnetic spacer 69 is disposed between the coils LA, LB,. As a result, the path of the magnetic flux generated in each coil is not diffused, and passes from the inside of each coil through the nearest end portion (location of the magnetic spacer 69), through the outer periphery, and through the outer end portion (the magnetic spacer 69). Through the route shown in the figure Φ, which goes back to the inside. Therefore, crosstalk can be prevented, the responsiveness (impedance change) of each coil with respect to the presence of the magnetic response substance 11 close to the outer periphery of each coil can be made extremely good, and the detection accuracy can be improved. In FIG. 20A, there is one magnetic spacer 69 provided between adjacent coils. However, as shown in FIG. 20B, two magnetic spacers 69a and 69b are somewhat separated between adjacent coils. It may be arranged. In this case, a nonmagnetic material may be used instead of the iron core 53 as the bobbin of the coil. As in the modification shown in FIG. 20, the division of each coil by the magnetic spacers 69, 69a, 69b is also applicable to the embodiment of FIG.
[0057]
FIG. 21 is a sectional view showing another embodiment of the position detection apparatus according to the present invention. As the magnetic response member 11 enters the coil portion 10, the coil inductance gradually decreases. In FIG. 21, the coil unit 10 includes one or a plurality of coils (in the illustrated example, four coils LA, LB, LC, and LD are shown for convenience, but one or two coils may be used as described above. Are sequentially wound, and the outer periphery thereof is covered with a nonmagnetic and nonconductive protective tube (or coating or mold) 71. The protective tube 71 may be made of any material, but for example, it is inexpensive to use a heat shrinkable tube made of an insulating resin.
[0058]
The bobbin part 70 consists of a nonmagnetic hollow cylinder, and the 1 or several magnetic body rod 72 is accommodated in the inside. The magnetic rod 72 extends over the entire length of the coil portion 10 and sets an inductance value over the entire length of the coil portion 10. By appropriately adjusting the thickness or number of the magnetic rods 72 accommodated in the bobbin portion 70, the setting of the inductance value over the entire length of the coil portion 10 can be changed. In addition, as the magnetic rod 72, it is preferable to use a conductive rod formed by applying copper plating or the like around it. This helps to compensate for temperature drift characteristics. The bobbin portion 70 may be non-magnetic and may be made of metal, resin, or the like. When a device to which this position detection device is applied is used for an application in which a large load is applied, such as a large construction machine, it is preferable to use metal in order to ensure sufficient strength. For example, the bobbin portion 70 is configured using nonmagnetic stainless steel or the like. For small devices that are not, it is cheap and lightweight to use resin.
[0059]
In the embodiment of FIG. 21, the change in the relative positional relationship between the coil portion 10 and the magnetic response member 11 is the same as in the embodiment of FIG. That is, when the magnetic response member 11 advances in the right direction in the figure according to the displacement of the detection target, the tip 11a of the magnetic response member 11 first enters the magnetic field of the coil LA, and then the coils LB, LC. , LD enters the magnetic field in this order.
[0060]
Each coil LA, LB, LC, LD is in a state in which one or several magnetic rods 72 are inserted over the entire length of its core, and unless the magnetic response member 11 is close, its inductance value is Is the largest. As the degree of proximity or penetration of each coil of the magnetic response member 11 with respect to the magnetic field increases, the self-inductance of the coil decreases, and the end 11a of the magnetic response member 11 is displaced from one end to the other end of one coil. The voltage across the coil gradually decreases. That is, when the magnetic response member 11 is a magnetic body, the magnetic body covers the outer periphery of the coil. Therefore, the magnetic response member in which the magnetic flux concentrated only on the magnetic core of the coil core portion, that is, 72, covers the outer side. 11 leaks, and the self-inductance of the coil decreases. Further, when the magnetic response member 11 is a conductor, the conductor covers the outer periphery of the coil, eddy current loss due to a magnetic field occurs, and the self-inductance of the coil decreases. Thus, regardless of whether a magnetic body or a conductor is used as the magnetic response member 11, the self-inductance of the coil decreases according to the proximity of the magnetic response member 11 to the coil portion 10. Since the inductance reduction rate due to the eddy current loss of the outer peripheral conductor is larger than the inductance reduction rate due to magnetic flux leakage due to the outer peripheral magnetic body, a more preferable embodiment uses a conductor as the magnetic response member 11. It is. In addition, since the conductor as the magnetic response member 11 should just produce a skin effect, it may be a thin layer. In that case, for example, the magnetic response member 11 may be formed by disposing a conductor (may be copper plating or the like) on the cylindrical space peripheral wall of a suitable hollow cylindrical base member (movable body). .
[0061]
Although not particularly shown in each of the embodiments of FIGS. 13 to 21, as in the embodiments of FIGS. 1 to 12, appropriate reference voltage generating means is provided to calculate the coil output voltage and the reference voltage. Thus, it is possible to generate two AC output signals (sin θ sin ωt and cos θ sin ωt) indicating amplitudes according to the sine and cosine function characteristics according to the detection target position.
[0062]
In each of the above embodiments, the magnetic response member may be formed in a predetermined pattern on the surface of a substrate such as a rod or a plate by a surface processing technique such as plating. FIG. 22 schematically shows an example, (A) is a schematic perspective view, (B) a side view showing the coil in cross section, and (C) is a magnetic response member formed on the surface of the rod base material. It is an expanded view which shows an example of a pattern. In the example shown in FIG. 22, like the embodiment of FIG. 1, the coil unit 50 has one coil L1, and the output voltage Vx of the coil L1 and the two reference voltages Va and Vb are used. Generate a detection signal. The magnetic response member 65 is formed by forming a pattern having a predetermined shape such as a triangle that gradually increases or decreases on the surface of the rod-like base material 66 such as a cylinder piston rod. The magnetic properties of the magnetic response member 65 and the base material 66 are different. For example, when the substrate 66 is a magnetic material such as iron, the magnetic response member 65 is made of a non-magnetic good conductor such as copper. Alternatively, when the magnetic response member 65 is a magnetic material such as iron, the base material 66 is made of a non-magnetic material, or is formed as a recess with respect to the magnetic response member 65 formed as a convex portion even if it is a magnetic material. Made up of.
[0063]
As shown in FIG. 22 (B), the coil L1 is inserted into the U-shaped space of the magnetic core 52 having a U-shaped section and a ring shape, and is inserted into the ring-shaped space of the coil L1. A rod-like base material 66 having a magnetic response member 65 is inserted so as to be linearly movable in the axial direction. The magnetic path Φ of the coil L1 passes a lot on the relatively surface of the rod-shaped substrate 66. In this embodiment, the length of the coil L1 is irrelevant to the detectable range K, and may be short and simple. The range K of the gradually increasing or decreasing pattern of the magnetic response member 65 provided on the substrate 66 corresponds to the detectable range K. That is, when the rod-shaped base material 66 is displaced according to the displacement of the detection target, the position of the magnetic response member 65 corresponding to the coil L1 changes, and the magnetic response member corresponding to (crosses) the coil L1. A self-inductance, that is, an impedance corresponding to the area of 65 is generated in the coil L1, and an output voltage Vx corresponding to the detection target position is obtained from the coil L1. FIG. 22C is a development view showing an example of the pattern of the magnetic response member 65 formed on the surface of the rod-shaped base material 66, and this pattern may be only one or the same shape. As shown in FIG.
[0064]
FIG. 23 shows a modification of FIG. 22, and as shown in FIG. 22A, the pattern of the triangular magnetic response member 65 whose area gradually decreases is arranged so as to draw a spiral on the surface of the rod-shaped substrate 66. It will be. The spiral pattern of the magnetic response member 65 gradually increases or decreases in area along the displacement direction x of the detection target position. When this is developed, it expands from left to right in the figure as shown in FIG. This is equivalent to one triangular pattern whose area gradually decreases toward the surface, and substantially consists of one pattern. Since the pattern of the magnetic response member 65 is spiral, and the coil L1 of the coil portion 50 covers the entire circumference of the rod-shaped base material 66, the rotation of the rod-shaped base material 66 and the shaft core are assumed. Even if there is a deviation or the like, it is possible to prevent a detection error caused by the deviation. Therefore, even with only one pattern, position detection without detection errors due to rotation and axial misalignment is possible. In addition, such a helical magnetic response part pattern is advantageous because it can be very easily formed on the rod-shaped substrate 66. Furthermore, since only one coil L1 of the coil unit 50 is required, the configuration is simple. Of course, it is also suitable for ultra-compact, small displacement detection.
[0065]
The electric circuit applied to the embodiments of FIGS. 22 and 23 may have the same configuration as that of FIG. 1C, and the operation description thereof is basically the same as that of FIG. 22 and FIG. 23, the modification using a plurality of coils as shown in FIGS. 7 and 9, the modification using one reference voltage VN as shown in FIG. 11, or the resistance as shown in FIG. A modification using a reference voltage VR that varies in conjunction with the displacement x using an element is applicable.
[0066]
In the example in which the magnetic response member 65 is arranged and formed on the surface of the base material 66 as in the embodiment of FIGS. 22 and 23 described above, the base material 66 is not limited to the rod shape but may be a flat plate shape. In that case, the coil L1 is arranged so as to face the magnetic response member 65 formed on the plate surface. When a plurality of magnetic response members 65 having the same pattern are provided as illustrated in FIG. 22C, a plurality of coils are provided in the coil unit 50 so as to correspond to each pattern of each magnetic response member 65. The output voltages of the coils may be summed or averaged to obtain an output voltage equivalent to the output voltage Vx (FIG. 1) of the one coil L1 corresponding to the detection target position.
[0067]
FIG. 24 is a schematic perspective view of an embodiment in which the present invention is applied to a slide type position sensor. In this example, the ring shape of the flat coil L1 disposed on the base 80 is not a circle but a triangle, and is a blade-like shape that can slide in the x direction along two guide rods 81 and 82. The magnetic response member 67 faces the flat coil L1 in a non-contact manner, and the area of the magnetic response member 67 corresponding to the triangular coil L1 changes corresponding to the slide position of the magnetic response member 67, The inductance or impedance of the coil L1 is changed gradually (or gradually). In the embodiment of FIG. 24, a detection circuit similar to that in FIG. 1C can be applied, and a detection operation similar to that in FIG. 2 is performed. Further, as a modified example, as shown by a dotted line, the second coil L2 may be arranged in parallel with the coil L1 in an inverted triangle shape on the base 80, and in that case, the same as in FIG. This detection circuit can be applied, and the same detection operation as in FIG. 8 is performed. The magnetic response member 67 only needs to be able to slide in conjunction with the movement of the detection target (not shown), or can be applied as an input operation device by allowing it to slide arbitrarily according to a manual slide operation. Is also possible.
[0068]
In each of the above embodiments, the number of output AC signals (number of phases) is two phases of sine and cosine (that is, resolver type), but it is of course not limited to this. For example, there may be three phases (the amplitude function of each phase is, for example, sin θ, sin (θ + 120), sin (θ + 240)).
In the present invention, the voltage generated in the coil or the voltage between the terminals of the coil is not necessarily limited to the voltage detection type circuit configuration, and should be interpreted broadly. The range to be adopted is also included in the scope. In short, any circuit configuration that can generate and detect an analog voltage or current corresponding to a change in the impedance of the coil may be used.
[0069]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is sufficient to provide only the primary coil, and the secondary coil is unnecessary. Therefore, it is possible to provide a position detecting device having a small and simple structure. Further, a plurality of AC output signals each indicating an amplitude according to a predetermined periodic function characteristic depending on a detection target position by using only one coil and two reference voltages or using two coils and one reference voltage. (For example, two AC output signals each indicating an amplitude according to the sine and cosine function characteristics) can be easily generated, and at least approximately one quadrant (90 degrees) can be taken as a usable phase angle range. Accordingly, detection can be performed in a relatively wide phase angle range with a small number of coils, and detection resolution can be improved. In addition, position detection with high resolution is possible even when the displacement of the detection target is small. Furthermore, if a circuit (for example, a coil) having a temperature characteristic equivalent to that of the detection coil is used as a circuit for generating the reference voltage, the temperature drift characteristic is automatically compensated for by subtraction operation in the arithmetic circuit. Thus, position detection without the influence of temperature changes can be easily performed.
[Brief description of the drawings]
1A and 1B show an embodiment of a position detecting device according to the present invention, in which FIG. 1A is a schematic sectional view in the axial direction, FIG. 1B is a schematic plan view thereof, and FIG. 1C is an example of a circuit related to a coil section; FIG.
FIG. 2 is a graph for explaining the detection operation of the embodiment of FIG.
FIGS. 3A and 3B show a modified example of the position detection apparatus according to the embodiment of FIG. 1, in which FIG. 3A is a schematic sectional view in an axial direction, and FIG.
4 is a schematic axial sectional view showing another modification of the position detection apparatus according to the embodiment of FIG. 1;
5 is a schematic axial sectional view showing still another modification of the position detection apparatus according to the embodiment of FIG.
6 is a schematic axial sectional view showing still another modification of the position detection apparatus according to the embodiment of FIG.
7A and 7B show another embodiment of the position detection device according to the present invention, in which FIG. 7A is a schematic sectional view in the axial direction, and FIG. 7B is a block diagram showing an example of a circuit related to a coil section.
8 is a graph for explaining the detection operation of the embodiment of FIG.
9A and 9B show still another embodiment of the position detection device according to the present invention, in which FIG. 9A is a schematic external view, FIG. 9B is a sectional view in the coil axial direction, and FIG. circuit diagram.
10 is an explanatory diagram of a detection operation of the position detection device of FIG. 9;
11A and 11B show still another embodiment of the position detection apparatus according to the present invention, in which FIG. 11A is an electric circuit diagram related to a coil section, FIG. 11B is a diagram showing an output example of each coil, and FIG. (A) is a figure which shows the example of a calculation synthesis of each coil output, (D) is a figure for demonstrating the detection principle based on a calculation synthesis output, (E) is a circuit diagram which shows the example of a change of a coil connection.
12A and 12B show still another embodiment of the position detecting device according to the present invention, in which FIG. 12A is an electric circuit diagram related to a coil section, FIG. 12B is a diagram showing an example of coil output, and FIG. FIG. 3 is a diagram for explaining a detection principle based on a coil output.
FIG. 13 is a schematic diagram showing a modification of the coil arrangement in each embodiment of the present invention.
FIG. 14A is a schematic cross-sectional view showing a modified example of the arrangement of the magnetic response member and the coil in the present invention, and FIG. 14B schematically shows another modified example of the arrangement of the magnetic response member and the coil. FIG.
FIG. 15 is a schematic cross-sectional view showing still another modified example of the coil arrangement and modified examples of the tip shape of the magnetic response member in each embodiment of the present invention.
FIG. 16 is a schematic sectional view showing still another modified example of the coil arrangement in each embodiment of the present invention.
FIG. 17 is a side view schematically showing an embodiment of the present invention applied to detection of a position displaced in an arc shape or a curved shape.
FIG. 18 is a plan view schematically showing an example in which the magnetic response member is configured by a hybrid of a magnetic body and a conductor in each embodiment of the present invention.
FIG. 19 is a perspective view schematically showing an example in which a permanent magnet is included as a magnetic response member in each embodiment of the present invention.
FIG. 20 is a schematic cross-sectional view showing a modification of the arrangement of the coils in the coil portion in FIG.
FIG. 21 is a schematic axial sectional view showing still another embodiment of the position detection apparatus according to the present invention.
FIG. 22 shows still another embodiment of the position detecting device according to the present invention, in which (A) is a schematic perspective view, (B) a side view showing a coil in cross section, and (C) is a rod base material. The expanded view which shows an example of the pattern of the magnetic response member formed in the surface.
FIG. 23 shows a modification of FIG. 22, in which (A) is a schematic side view, and (C) is a developed view of a spiral pattern of a magnetic response member formed on the surface of a rod base material.
FIG. 24 is a schematic perspective view showing still another embodiment of the position detection apparatus according to the present invention.
[Explanation of symbols]
L1, L2 detection coil
Lr1, Lr2 Reference voltage generating coil
50 Coil part
51,52 Magnetic core
60, 61, 62, 63, 64, 65, 67 Magnetic response member
66 Base material
30 AC source
31A-31D arithmetic circuit
32 Phase detection circuit
10 Coil part
11 Magnetic response member
11a Tip part
11b Conductor
11M permanent magnet
70 hobbins
71 Protective tube
72 Magnetic Bar
80 base
81, 82 Slide guide rod

Claims (13)

A coil portion formed by arranging at least one coil excited by a one-phase AC signal;
A magnetic response member disposed so as to be relatively displaced with respect to the coil part, wherein a relative position of the member and the coil part changes according to a displacement of a detection target, and according to the relative position. The impedance of the coil is changed, and the voltage generated in the coil changes while the relative position changes over a predetermined range based on the impedance change, and
A circuit for generating a predetermined at least one reference voltage composed of an AC signal;
An arithmetic circuit that generates at least two AC output signals having a predetermined periodic amplitude function different from each other as an amplitude coefficient by taking out a voltage generated in the at least one coil and adding or subtracting the voltage from the reference voltage, A position detection device comprising: the periodic amplitude function of each AC output signal being shifted by a predetermined phase in its periodic characteristics. The coil part is formed by arranging one coil,
The circuit for generating the predetermined reference voltage generates first and second reference voltages;
The arithmetic circuit, the one with the voltage and the first and second reference voltages taken out from the coil by their respective addition or subtraction, a first alternating current having a first amplitude function as an amplitude coefficient The position detection device according to claim 1, which generates an output signal and a second AC output signal having a second amplitude function as an amplitude coefficient. The first and second reference voltages define a specific phase interval in the periodic characteristics of the first and second amplitude functions in the first and second AC output signals. The position detection device according to claim 2, wherein the correspondence relationship between the specific phase section and the change range of the relative position can be changed by changing the reference voltage of 2. The coil section is formed by arranging two coils, and the relative position of each coil with respect to the magnetic response member changes with reverse characteristics according to the displacement of the detection target, and the impedance of each coil is reversed according to this. Changes in characteristics,
The circuit for generating the predetermined reference voltage generates one reference voltage,
The arithmetic circuit, and a voltage and the reference voltage taken out from the coils by their respective addition or subtraction, a first AC output signal having a first amplitude function as an amplitude coefficient, a second The position detection device according to claim 1, wherein each of the second AC output signals having an amplitude function as an amplitude coefficient is generated. 5. The position detection device according to claim 1, wherein the circuit that generates the reference voltage includes a coil having a predetermined impedance arranged so as not to be affected by the displacement of the magnetic response member. The position detection device according to claim 1, wherein the circuit that generates the reference voltage generates the reference voltage with a set constant voltage. The circuit for generating the reference voltage includes an electrical impedance element electrically connected to the coil, and generates a voltage that changes according to a change in the voltage generated in the coil as the reference voltage. The position detection device according to any one of the above. The coil includes a magnetic core, and the magnetic response member forms a flat surface facing the magnetic core of the coil via a gap, and the surface of the magnetic response member according to the position of the detection target The position detecting device according to any one of claims 1 to 7, wherein the gap is changed by displacement of the coil to cause a change in impedance of the coil. The position detection device according to claim 1, wherein an impedance change of the coil is caused by changing an interval or an area of the magnetic response member with respect to the coil according to a position of the detection target. 10. The magnetic response member according to claim 1, wherein the magnetic response member is arranged in a predetermined pattern having a section in which an area gradually increases or decreases along a displacement direction of a detection target position on a predetermined base material. The position detection device described. The position detection apparatus according to claim 1, wherein the predetermined periodic amplitude function is a sine function and a cosine function. The position detection device according to claim 1, wherein the magnetic response member includes at least one of a magnetic body and a conductor. The position detection device according to claim 1, wherein the magnetic response member includes a permanent magnet, and the coil portion includes a magnetic core.

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