JP4989919B2 - 誘導型位置検出装置 - Google Patents

Description

この発明は、検出対象の位置の変位に応じて振幅変動する出力交流信号を誘導出力する誘導型位置検出装置に関する。

従来から知られる誘導型直線位置検出装置の一例として、１相交流励磁される１次巻線及び検出対象の直線変位方向に関して異なる位置に配置された複数の２次巻線を含む巻線部と、所定の磁気応答特性を持つ磁気応答部材を所定のピッチで複数繰り返して設けてなるロッドとを有し、この巻線部に対するロッドの相対的な直線位置を検出できるようにしたものがあった（例えば、下記特許文献１を参照）。該特許文献１に記載の誘導型直線位置検出装置によれば、巻線部に対するロッドの相対位置が検出対象たる機械系の直線位置の変化に連動して変化することで、該ロッドに設けられた磁気応答部材の巻線部に対する対応位置が変化する。従って、巻線部において１次巻線と２次巻線の間の磁気結合が検出対象たる機械系の直線位置の変化に応じて変化し、該検出対象たる直線位置に応じて振幅変調された誘導出力交流信号を２次巻線に生じさせることができた。
特開平１０−１５３４０２号公報

上記特許文献１に示す誘導型直線位置検出装置は、小型且つシンプルな構造により高分解能で精度の高い位置検出が行なうことができること、また、温度ドリフト特性を補償した正確な位置検出が行なえること等、種々の優れた特長を持っていた。しかしながら、磁気応答部材を所定のピッチで複数繰り返して設けてなるロッドを使用する構成であるため、位置検出装置の用途によっては、検出対象たる機械系に実装するのに不向きなことがあった。

この発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、１次巻線と２次巻線の間の磁気結合を変化させるための所定のパターンからなる磁気応答部材を用いることなしに、小型且つシンプルな構造で精度の高い位置検出が行なうことができる誘導型位置検出装置を提供することを目的とする。

この発明は、所定の交流信号によって互いに逆相励磁される第１及び第２の１次巻線を検出対象の直線変位方向に沿って交互に配置してなる１次コイル部と、前記１次コイル部に対して相対的に変位する２つの２次巻線からなり、該２つの２次巻線は前記１次コイル部の第１及び第２の１次巻線の配列の間隔に対応して配置されてなる２次コイル部とを具え、前記２つの２次巻線の誘導信号を差動的に合成した１つの出力交流信号を生成するこ とを特徴とする誘導型位置検出装置である。

また、この発明の一実施形態においては、前記２次コイル部において更に２つの２次巻線が設けられており、該更に設けられた２つの２次巻線は前記１次コイル部の第１及び第 ２の１次巻線の配列の間隔に対応して配置され、該更に設けられた２つの２次巻線の誘導 信号を差動的に合成した更なる出力交流信号が生成され、一方の前記出力交流信号がサイン関数の振幅関数を持ち、他方の前記出力交流信号がコサイン関数の振幅関数を持つこと を特徴とする。

この発明によれば、１次コイル部において互いに逆相励磁される第１及び第２の１次巻線が検出対象の変位方向に沿って交互に配置され、且つ、２次コイル部の２つの２次巻線は該１次コイル部の第１及び第２の１次巻線の配列の間隔に対応して配置されてなるため、２次コイル部の１次コイル部に対する相対的な変位に応じて、第１及び第２の各１次巻線に基づき２次コイル部の２つの２次巻線にそれぞれ誘導される電圧（誘導信号）は互いに逆特性（プッシュプル特性）を示すことになる。そして、該２つの２次巻線の誘導信号 を差動的に合成した１つの出力交流信号を生成することにより、コイルの温度ドリフト特 性を補償した正確な位置検出信号を生成することができる。また、１次巻線と２次巻線の間の磁気結合を変化させるための所定のパターンからなる磁気応答部材を用いない、シンプルな構造でありながらも、精度の高い位置検出が行なうことができるようになるという優れた効果を奏する。

また、この発明の一実施形態によれば、前記２次コイル部において更に２つの２次巻線を設け、一方の２つの２次巻線の差動合成出力交流信号がサイン関数の振幅関数を持ち、 他方の２つの２次巻線の差動合成出力交流信号がコサイン関数の振幅関数を持つようにす ることにより、従来から知られるレゾルバにおいて得られるものと同様な２つの出力交流信号（サイン出力とコサイン出力）を得ることができる。従って、当該一実施形態に係る誘導型直線位置検出装置において、両出力交流信号の振幅値に相当するサイン関数とコサイン関数の位相値を検出する位相検出回路を利用することができる。このような位相検出回路としては、従来からレゾルバ用の位相検出回路として利用されているＲ−Ｄ（レゾルバ−ディジタル）コンバータを使用することができるし、その他の方式の位相検出回路を用いることもできるため、温度変化等によって１次コイル部の１次巻線及び２次コイル部の２次巻線のインピーダンス変化により、２次コイル部に生じる出力交流信号における電気的位相ずれに誤差が生じるという不都合を除去できる。なお、位相検出回路はディジタル回路で構成してもよいし、アナログ回路で構成してもよい。

以下、添付図面を参照して、この発明の実施形態の一例を詳細に説明する。
図１は、この実施例に係る誘導型直線位置検出装置の構成を説明するための図である。誘導型直線位置検出装置は、１次コイル部１０と２次コイル部２０とを含んで構成されており、図１においては１次コイル部１０と２次コイル部２０の回路構成が示されている。２次コイル部２０は、検出対象たる機械系（図示せず）に連結され、該機械系の直線位置の変化に連動して、直線的且つ往復的に変化可能である。これに対して、１次コイル部１０の配置は適宜固定される。かくして、２次コイル部２０は、検出対象たる機械系の直線変位に連動して、１次コイル部１０に対して相対的に直線変位する。勿論、この逆に、１次コイル部１０を検出対象たる機械系に連動して変位させ、２次コイル部２０を固定する構成でもよい。要するに、この直線位置検出装置においては、１次コイル部１０に対する２次コイル部２０の相対的な直線位置が検出できさえすればよいのである。なお、検出対象となる直線変位の方向は、図１において、符号Ｘを付与した両矢印で示す。

１次コイル部１０は、所定の交流信号によって互いに逆相励磁される第１の１次巻線１１及び第２の１次巻線１２を複数具備してなり、該複数の第１の１次巻線１１及び第２の１次巻線１２は、図１において矢印Ｘで示す検出対象の直線変位方向に沿って適宜の幅の等間隔で交互に配置される。図１に示す例では、１次コイル部１０において、３つの第１の１次巻線１１と３つの第２の１次巻線１２を具備する構成例が示されている。第１及び第２の１次巻線１１，１２の各々は、鉄心１３に巻回された導線によって構成され、各１次巻線１１，１２の物理的及び電気的特性（巻き数、巻き方向など）は各々同等とする。なお、図示のように、複数の第１及び第２の１次巻線１１，１２が共通の鉄心１３に巻回される構成に限らず、個々の第１及び第２の１次巻線１１，１２がそれぞれ個別の鉄心１３に巻回されてもよいし、或いは、適宜の複数の第１及び第２の１次巻線（例えば１組の第１及び第２の１次巻線）１１，１２毎に１つの鉄心１３に巻回される構成であってもよい。

この実施例においては、第１の１次巻線１１と第２の１次巻線１２は、それぞれ別の交流電源から発生される互いに逆相の交流信号により、互いに逆相励磁されるものとする。例えば、第１の１次巻線１１はサイン関数の振幅特性（図において「Ｓ」で示す）の交流信号「ｓｉｎωｔ」により励磁され、また、第２の１次巻線１２は該第１の１次巻線１１を励磁する交流信号「ｓｉｎωｔ」に対して逆相であるマイナスサイン関数の振幅特性（図１において「／Ｓ（Ｓバー）」で示す）の交流信号「−ｓｉｎωｔ」で励磁される。なお、本明細書中では、図１において位相の反転を示すバー記号を、表記の都合上「／」によって代用する。かくして、１次コイル部１０においては、サイン相の交流信号で励磁される第１の１次巻線１１と、マイナスサイン相の交流信号で励磁される第２の１次巻線１２とが、検出対象の直線変位方向Ｘに沿って交互に配列されることになる。

２次コイル部２０は鉄心２１に巻回された１つの２次巻線２２を具え、２次巻線２２は１次コイル部１０の第１及び第２の１次巻線１１，１２の配列の１ピッチよりも小さいサイズからなる。２次コイル部２０は、１次コイル部１０に対して適宜の空隙を開けて近接して配置されており、該１次コイル部１０との間の空隙が直線変位方向Ｘに沿って一定距離を保つよう適切に位置決めされている。１次コイル部１０の第１及び第２の１次巻線１１，１２をそれぞれ交流信号「ｓｉｎωｔ」と交流信号「−ｓｉｎωｔ」により励磁すると、該第１及び第２の１次巻線１１，１２に生じた磁束変化に応じた相互誘導により、２次コイル部２０においては交流電圧（誘導出力交流信号）が誘起される。図１に示す２次コイル部２０と１次コイル部１０の第１及び第２の１次巻線１１，１２との配置関係から理解される通り、２次コイル部２０には、１次コイル部１０の第１及び第２の１次巻線１１，１２の各々に生じた磁束の一部がそれぞれ鎖交するので、２次コイル部２０において生じる誘導出力交流信号は、該第１及び第２の１次巻線１１，１２の各々に基づき誘起される交流電圧（誘導信号）を合成したものとなる。１次コイル部１０の第１及び第２の１次巻線１１，１２が２次コイル部２０に対して及ぼす磁気的影響は、第１及び第２の１次巻線１１，１２に対する２次コイル部２０の近接量、つまり、第１及び第２の１次巻線１１，１２と２次コイル部２０の相互位置に応じて異なる。従って、以下に詳しく説明する通り、２次コイル部２０に誘導される誘導出力交流信号は、該２次コイル部２０の１次コイル部１０に対する相対的な位置に応じた振幅変動を持つ信号になる。

２次コイル部２０が第１の１次巻線１１と第２の１次巻線１２の中央に対応する位置（図１においてｘ０又はｘ２又はｘ４で示す位置）にあれば、第１の１次巻線１１と２次コイル部２０の間及び第２の１次巻線１２と２次コイル部２０の間のそれぞれの相互インダクタンスは等しくなるので、第１の１次巻線１１に基づき２次コイル部２０に誘起される誘導信号と、第２の１次巻線１２に基づき２次コイル部２０に誘起される誘導信号の大きさは相等しい。すなわち、２次コイル部２０に生じる誘導出力交流信号は、第１及び第２の１次巻線１１，１２の双方からの磁気的影響を等しく被る。

また、２次コイル部２０が、第１の１次巻線１１に全面的に対向して最も近接量が大きくなり、第２の１次巻線１２から最も離れる位置（図１においてｘ１で示す位置）にあれば、第１の１次巻線１１と２次コイル部２０の間の相互インダクタンスは極大となり、他方、第２の１次巻線１２と２次コイル部２０の間の相互インダクタンスは極小となるので、第１の１次巻線１１に基づき２次コイル部２０に誘起される誘導信号は極大値となり、第２の１次巻線１２に基づき２次コイル部２０に誘起される誘導信号は極小値となる。すなわち、位置ｘ１において、２次コイル部２０に生じる誘導出力交流信号は、第１の１次巻線１１からの磁気的影響が最大、また、第２の１次巻線１２からの磁気的影響が最小となる。

また、２次コイル部２０が、第２の１次巻線１２に全面的に対向して最も近接量が大きくなり、第１の１次巻線１１から最も離れる位置（図１においてｘ３で示す位置）にあれば、第２の１次巻線１２と２次コイル部２０の間の相互インダクタンスは極大となり、他方、第１の１次巻線１１と２次コイル部２０の間の相互インダクタンスは極小となるので、第２の１次巻線１２に基づき２次コイル部２０に誘起される誘導信号は極大値となり、第１の１次巻線１１に基づき２次コイル部２０に誘起される誘導信号は極小値となる。すなわち、位置ｘ３において、２次コイル部２０に生じる誘導出力交流信号は、第２の１次巻線１２からの磁気的影響が最大、また、第１の１次巻線１１からの磁気的影響が最小となる。

上記２次コイル部２０の１次コイル部１０に対する相対位置の変化（ｘ０〜ｘ４の間での位置変化）に応じた第１の１次巻線１１と２次コイル部２０との間の相互インダクタンスの変化特性をグラフで示すと、図２（ａ）のようになる。すなわち、第１の１次巻線１１と２次コイル部２０との間のインダクタンス変化は、２次コイル部２０の直線位置の変化（ｘ０〜ｘ４の間の位置変化）に対して、位置ｘ１にて極大値、位置ｘ３にて極小値となり、第１の１次巻線１１と第２の１次巻線１２の中間位置ｘ０，ｘ２及びｘ４にて該極大値と該極小値の中間値となる振幅関数特性を示す。この第１の１次巻線１１と２次コイル部２０との間の相互インダクタンス変化特性は、便宜上サイン関数「ｓｉｎθ」と表現することができる。なお、角度変数θは２次コイル部２０の１次コイル部１０に対する相対位置に相関する。

また、２次コイル部２０の１次コイル部１０に対する相対位置の変化（ｘ０〜ｘ４の間の位置変化）に対する第２の１次巻線１２と２次コイル部２０との間のインダクタンスの変化特性をグラフで示すと、図２（ｂ）のようになる。すなわち、第２の１次巻線１２と２次コイル部２０との間の相互インダクタンス変化は、２次コイル部２０の直線位置の変化（ｘ０〜ｘ４の間の位置変化）に対して、位置ｘ１にて極大値、位置ｘ３にて極小値となり、第１の１次巻線１１と第２の１次巻線１２の中間位置ｘ０，ｘ２及びｘ４にて該最大値と該最小値の中間値となる振幅関数特性を示す。この第２の１次巻線１２と２次コイル部２０との間のインダクタンスの変化特性は、前記第１の１次巻線１１と２次コイル部２０との間のインダクタンスの変化特性ｓｉｎθに対して逆相のマイナスサイン関数「−ｓｉｎθ」と表現することができる。

すなわち、１組の第１の１次巻線１１と第２の１次巻線１２は、２次コイル部２０の１次コイル部１０に対する相対位置に関してプッシュプル特性で変化するインダクタンス特性を提供する１つの対を成すということができる。なお、第１又は第２の１次巻線１１，１２と２次コイル部２０との間のインダクタンス変化特性は、必ずしも、正確なサイン関数又はマイナスサイン関数となる必要はなく、略サイン関数又は略マイナスサイン関数に近い傾向を示すもの、要するに、２次コイル部２０の１次コイル部１０に対する相対位置に関して互いに逆相の（プッシュプル特性の）周期的関数でさえあればよい。理想的な周期的関数特性が得られるよう、第１及び第２の１次巻線１１，１２の配列の１ピッチに対する２次巻線２２の相対的サイズを適切に設定するとよい。

先に述べた通り、第１の１次巻線１１はサイン相の交流信号「ｓｉｎωｔ」により励磁されているので、２次コイル部２０の１次コイル部１０に対する相対位置の変化に応じて、第１の１次巻線１１からの磁気的影響に基づき該２次コイル部２０に誘導される誘導信号Ａは「ｓｉｎθ＊ｓｉｎωｔ」と表現することができる。また、第２の１次巻線１２はマイナスサイン相の交流信号「−ｓｉｎωｔ」により励磁されているので、２次コイル部２０の１次コイル部１０に対する相対位置の変化に応じて、第２の１次巻線１２に基づき２次コイル部２０に誘導される誘導信号Ｂは「−ｓｉｎθ＊−ｓｉｎωｔ」と表現することができる。なお、本明細書において記号「＊」は乗算を示す。

２次コイル部２０の１次コイル部１０に対する相対位置の変化に応じて２次コイル部２０に誘導される誘導出力交流信号は、前記第１の１次巻線１１からの磁気的影響に基づき２次コイル部２０に誘導される誘導信号Ａと前記第２の１次巻線１２に基づき２次コイル部２０に誘導される誘導信号Ｂとを合成した信号である。従って、２次コイル部２０の１次コイル部１０に対する相対位置の変化に応じて２次コイル部２０に誘導される誘導出力交流信号は下記式（１）により等価的に表すことができる。
Ａ＋Ｂ＝（ｓｉｎθ＊ｓｉｎωｔ）＋｛（−ｓｉｎθ）＊（−ｓｉｎωｔ）｝
＝ｓｉｎθｓｉｎωｔ＋ｓｉｎθｓｉｎωｔ
＝２ｓｉｎθｓｉｎωｔ・・・式（１）
なお、角度変数θは、前述の通り、２次コイル部２０の１次コイル部１０に対する相対位置に相関する。また、以下において表現簡略化のため式（１）における係数２を省略する。

２次コイル部２０に誘導される誘導出力交流信号「ｓｉｎθｓｉｎωｔ」は、１次コイル部１０における１組の第１及び第２の１次巻線１１，１２の配列の１ピッチｐに相当する直線変位量を１サイクルとして周期的に変化する振幅関数特性を示す。かくして、この実施例に係る誘導直線位置検出装置によれば、２次コイル部２０に誘導される誘導出力交流信号「ｓｉｎθｓｉｎωｔ」として、該２次コイル部２０の１次コイル部１０（第１及び第２の１次巻線１１，１２）に対する相対位置に応じた振幅変動を持つ信号を得ることができる。また、誘導出力交流信号「ｓｉｎθｓｉｎωｔ」は、１次コイル部１０における１組の第１及び第２の１次巻線１１，１２の配列の１ピッチｐを１サイクルとして周期的に変化する出力交流信号となるので、該１組の第１及び第２の１次巻線１１，１２の配列の１ピッチｐの直線変位を３６０度の位相角範囲の変化に換算した高分解能で精度の高い位置検出を行なうことができるようになる。

誘導出力交流信号「ｓｉｎθｓｉｎωｔ」はサイン関数特性の振幅係数つまり振幅レベル（ｓｉｎθ）を持っているので、このような信号に対して適用可能な公知の位置データ変換方式を適用して、２次コイル部２０の１次コイル部１０に対する相対位置を示す位置データを得ることができる。すなわち、２次コイル部２０から出力された誘導出力交流信号「ｓｉｎθｓｉｎωｔ」を外部の利用装置（例えばマイクロコンピュータ）で受け取って、当該利用装置側に実装された任意の位置データ変換方式に従って位置データを得ることができる。図３は、図１に示す直線位置検出装置において適用可能な位置データ変換方式の一例として、電圧整流方式により誘導出力交流信号「ｓｉｎθｓｉｎωｔ」に基づく位置データを得るための概略構成を示すブロック図である。図３において、２次コイル部２０から出力された誘導出力交流信号ｓｉｎθｓｉｎωｔを整流部３０で整流することで、当該誘導出力交流信号ｓｉｎθｓｉｎωｔから交流成分を除去し、その振幅レベルｓｉｎθを示す直流電圧を出力するようにしている。これにより、２次コイル部２０の変位に応じた振幅レベルを示す直流電圧出力（ｓｉｎθ）を、位置検出データとして利用することができる。

ここで、温度ドリフト特性の補償について説明する。この実施例に係る直線位置検出装置おいて、２次コイル部２０に誘導される誘導出力交流信号は、第１の１次巻線１１からの磁気的影響に基づき２次コイル部２０に誘導される誘導信号Ａと第２の１次巻線１２に基づき２次コイル部２０に誘導される誘導信号Ｂとを合成してなる信号「ｓｉｎθｓｉｎωｔ」である。前述の通り、１組の第１の１次巻線１１と第２の１次巻線１２は２次コイル部２０の相対位置に関してプッシュプル特性で変化するインダクタンス特性を提供する１つの対を成すため、誘導信号Ａと誘導信号Ｂは互いにプッシュプル変化するものとなる。従って、誘導信号Ａと誘導信号Ｂとを合成した誘導出力交流信号「ｓｉｎθｓｉｎωｔ」においては、コイルの温度ドリフト誤差が補償される。従って、この実施例に係る直線位置検出装置によれば、温度ドリフトによるコイルインピーダンス変化の影響を受けない正確な位置検出を行なうことができる。

図４は、この発明に係る直線位置検出装置の別の実施例を説明するための図である。上記図１に示す直線位置検出装置においては、２次コイル部２０は１つの２次巻線２２のみを具える構成であった。これに対して、図４に示す直線位置検出装置においては、２次コイル部４０には、４つの検出用の２次巻線４１、４２、４３及び４４が具備されている。なお、前記図１を参照して説明した構成要素については同じ符号を付与し、その説明を省略する。２次巻線４１〜４４は、１次コイル部１０における１組の第１及び第２の１次巻線１１，１２の配列の１ピッチｐの範囲内において所定の間隔で配置され、２次巻線４１〜４４に生じる誘導出力交流信号の振幅関数が所望の特性を示すように設定される。

例えば、各２次巻線４１〜４４に生じる誘導出力交流信号の振幅関数が、サイン関数、マイナスサイン関数、コサイン関数及びマイナスコサイン関数にそれぞれ相当するよう設定することができる。この場合、図４において、第１及び第２の１次巻線１１，１２の配列の１ピッチｐの範囲を４分割して、ｐ／４ずつずれた各分割位置に２次巻線４１〜４４を配置する。これにより、各２次巻線４１〜４４に生じる誘導出力交流信号の振幅関数が、サイン関数（図において「Ｓ」を付記した２次巻線４１）、コサイン関数（図において「Ｃ」を付記した２次巻線４２）、マイナスサイン関数（図において「／Ｓ」を付記した２次巻線４３）、及び、マイナスコサイン関数（図において「／Ｃ」を付記した２次巻線４４）にそれぞれ相当するよう設定することができる。また、図４に示す通り、検出用コイル部４０において、サイン関数に相当する２次巻線４１とマイナスサイン関数に相当する２次巻線４３とは差動接続されており、また、コサイン関数に相当する２次巻線４２とマイナスコサイン関数に相当する２次巻線４４とが差動接続されている。

各２次巻線４１〜４４においては、上記図１において説明したものと同様に、２次コイル部４０の１次コイル部１０に対する相対位置（検出対象の直線位置）に応じて、１次コイル部１０の第１の１次巻線１１及び第２の１次巻線１２の各々に基づく誘導信号を合成した誘導出力交流信号が生じる。１次コイル部１０において１組の第１の１次巻線１１と第２の１次巻線１２はそれぞれ逆相励磁されるため、２次コイル部２０の１次コイル部１０に対する相対位置に関してプッシュプル特性で変化するインダクタンス特性を各２次巻線４１〜４４に対して提供する１つの対を成す。従って、２次コイル部４０の１次コイル部１０に対する相対位置の変化（ｘ０〜ｘ４の間での位置変化）に対する１次コイル部１０と２次コイル部２０の各巻線４１〜４４との間の各インダクタンスの変化特性をそれぞれグラフで示すと下記図５（ａ）〜（ｄ）のようになる。なお、図５（ａ）〜（ｄ）の各図において、符号Ｓを付記する上側のグラフは第１の１次巻線１１と各２次巻線４１〜４４の間のインダクタンス変化の特性を示し、符号／Ｓを付記する下側のグラフは第２の１次巻線１２と各２次巻線４１〜４４の間のインダクタンス変化の特性を示す。

図５（ａ）において、２次コイル部４０の１次コイル部１０に対する相対位置の変化（ｘ０〜ｘ４の間の位置変化）に対して、第１の１次巻線１１と２次巻線４１との間のインダクタンス変化は、位置ｘ１にて極大値、位置ｘ３にて極小値となり、第１の１次巻線１１と第２の１次巻線１２の中間位置ｘ０，ｘ２及びｘ４にて該極大値と該極小値の中間値となる振幅関数特性を示す。このインピーダンス変化特性を便宜上サイン関数「ｓｉｎθ」と表現する。なお、角度変数θは２次コイル部４０の１次コイル部１０に対する相対位置に相関する。また、第２の１次巻線１２と２次巻線４１の間のインダクタンスの変化特性は、位置ｘ１にて極小値、位置ｘ３にて極大値となり、位置ｘ０，ｘ２及びｘ４にて中間値となる振幅関数特性を示す。これは、前記第１の１次巻線１１と２次巻線４１との間のインダクタンスの変化特性ｓｉｎθに対して逆相のマイナスサイン関数「−ｓｉｎθ」と表現することができる。

また、図５（ｂ）において、２次コイル部４０の１次コイル部１０に対する相対位置の変化（ｘ０〜ｘ４の間の位置変化）に対して、第１の１次巻線１１と２次巻線４２との間のインダクタンス変化は、位置ｘ０及び位置ｘ４にて極大値、位置ｘ２にて極小値となり、位置ｘ１及びｘ３にて中間値となる振幅関数特性を示す。このインピーダンス変化特性は、前記図５（ａ）のサイン関数ｓｉｎθに対してコサイン関数「ｃｏｓθ」と表現することができる。また、第２の１次巻線１２と２次巻線４２の間のインダクタンスの変化特性は、位置ｘ２にて極大値、位置ｘ０及びｘ４にて極小値となり、位置ｘ１及びｘ３にて中間値となる振幅関数特性を示す。これは、前記第１の１次巻線１１と２次巻線４２との間のインダクタンス変化特性ｃｏｓθに対して逆相のマイナスコサイン関数「−ｃｏｓθ」と表現することができる。

また、図５（ｃ）において、２次コイル部４０の１次コイル部１０に対する相対位置の変化（ｘ０〜ｘ４の間の位置変化）に対して、第１の１次巻線１１と２次巻線４３との間のインダクタンス変化は、位置ｘ１にて極小値、位置ｘ３にて極大値となり、位置ｘ０，ｘ２及びｘ４にて中間値となる振幅関数特性を示す。このインピーダンス変化特性は前記図５（ａ）のサイン関数ｓｉｎθに対して逆相の「−ｓｉｎθ」と表現することができる。また、第２の１次巻線１２と２次巻線４３の間のインダクタンスの変化特性は、位置ｘ１にて極大値、位置ｘ３にて極小値となり、第１の１次巻線１１と第２の１次巻線１２の中央位置ｘ０，ｘ２及びｘ４にて中間値となる振幅関数特性を示しており、このインダクタンス変化特性はサイン関数「ｓｉｎθ」と表現することができる。

また、図５（ｄ）において、２次コイル部４０の１次コイル部１０に対する相対位置の変化（ｘ０〜ｘ４の間の位置変化）に対して、第１の１次巻線１１と２次巻線４４との間のインダクタンス変化は、位置ｘ２にて極大値、位置ｘ０及びｘ４にて極小値となり、位置ｘ１及びｘ３にて中間値となる振幅関数特性を示す。このインピーダンス変化特性は、前記図５（ａ）のサイン関数ｓｉｎθに対してマイナスコサイン関数「−ｃｏｓθ」と表現することができる。また、第２の１次巻線１２と２次巻線４２の間のインダクタンスの変化特性は、位置ｘ２にて極小値、位置ｘ０及びｘ４にて極大値となり、位置ｘ１及びｘ３にて中間値となる振幅関数特性を示しており、このインピーダンス変化特性はコサイン関数「−ｃｏｓθ」と表現することができる。

２次コイル部４０の１次コイル部１０に対する相対位置の変化に応じて各２次巻線４１〜４４に誘導される各誘導出力交流信号は、第１の１次巻線１１及び第２の１次巻線１２の各々に基づく誘導信号を合成した信号である。
従って、２次コイル部４０の１次コイル部１０に対する相対位置の変化に応じて２次巻線４１に誘導される誘導出力交流信号は、図５（ａ）に示す各インダクタンス変化特性から理解される通り、
（ｓｉｎθ＊ｓｉｎωｔ）＋｛（−ｓｉｎθ）＊（−ｓｉｎωｔ）｝
＝２ｓｉｎθｓｉｎωｔ
というサイン相の関数により等価的に表すことができる。
また、２次コイル部４０の１次コイル部１０に対する相対位置の変化に応じて２次巻線４２に誘導される誘導出力交流信号は、図５（ｂ）に示す各インダクタンス変化特性から理解される通り、
（ｃｏｓθ＊ｓｉｎωｔ）＋｛（−ｃｏｓθ）＊（−ｓｉｎωｔ）｝
＝２ｃｏｓθｓｉｎωｔ
というコサイン相の関数により等価的に表すことができる。
また、２次コイル部４０の１次コイル部１０に対する相対位置の変化に応じて２次巻線４３に誘導される誘導出力交流信号は、図５（ｃ）に示す各インダクタンス変化特性から理解される通り、
｛（−ｓｉｎθ）＊（ｓｉｎωｔ）｝＋｛（ｓｉｎθ）＊（−ｓｉｎωｔ）｝
＝−２ｓｉｎθｓｉｎωｔ
というマイナスサイン相の関数により等価的に表すことができる。
また、２次コイル部４０の１次コイル部１０に対する相対位置の変化に応じて２次巻線４４に誘導される誘導出力交流信号は、図５（ｄ）に示す各インダクタンス変化特性から理解される通り、
｛（−ｃｏｓθ）＊（ｓｉｎωｔ）｝＋｛（ｃｏｓθ）＊（−ｓｉｎωｔ）｝
＝−２ｃｏｓθｓｉｎωｔ
というマイナスコサイン相の関数により等価的に表すことができる。

図４に示す通り、サイン関数に相当する２次巻線４１とマイナスサイン関数に相当する２次巻線４３とは差動接続されているので、２次巻線４１の出力「２ｓｉｎθｓｉｎωｔ」と２次巻線４３の出力「−２ｓｉｎθｓｉｎωｔ」とを差動的に合成することによりサイン関数の振幅関数を持つ第１の出力交流信号「４ｓｉｎθｓｉｎωｔ」を得ることができる。また、コサイン関数に相当する２次巻線４２とマイナスコサイン関数に相当する２次巻線４４とは差動接続されているので、２次巻線４２の出力「２ｃｏｓθｓｉｎωｔ」と２次巻線４４の出力「−２ｃｏｓθｓｉｎωｔ」とを差動的に合成することによりサイン関数の振幅関数を持つ第２の出力交流信号「４ｃｏｓθｓｉｎωｔ」を得ることができる。なお、以下では、表記簡略化のため第１及び第２の出力交流信号における係数「４」を省略する。

こうして、２次コイル部４０の１次コイル部１０に対する相対位置に相関する角度変数θを含む２つの周期的振幅関数（ｓｉｎθとｃｏｓθ）によってそれぞれ振幅変調された２つの出力交流信号「ｓｉｎθｓｉｎωｔ」と「ｃｏｓθｓｉｎωｔ」を得ることができる。これは、従来からレゾルバとして知られた検出器のサイン相出力信号ｓｉｎθｓｉｎωｔとコサイン相出力信号ｃｏｓθｓｉｎωｔと同等のものである。なお、サイン相及びコサイン相という呼称、及び２つの出力交流信号の振幅関数のサイン、コサインの表し方は便宜的なものであり、一方がサイン他方がコサインであれば、どちらをサイン乃至コサインと表現してもよい。

２次コイル部４０で得られる各出力交流信号は、それぞれ、サイン関数特性の振幅係数つまり振幅レベル（ｓｉｎθ）と、コサイン関数特性の振幅係数つまり振幅レベル（ｃｏｓθ）とを持っているが故に、これに対して適用可能な公知の位置データ変換方式を適用して、２次コイル部４０の１次コイル部１０に対する相対位置を示す位置データを得ることができる。図６は、図４の直線位置検出装置において適用可能な位置データ変換方式の一例として、位相検出方式により第１の出力交流信号「ｓｉｎθｓｉｎωｔ」と第２の出力交流信号「ｃｏｓθｓｉｎωｔ」とに基づく位置データを得るための位相検出回路の構成例を示すブロック図である。２次コイル部４０から出力される２相の出力交流信号α＝ｓｉｎθｓｉｎωｔとβ＝ｃｏｓθｓｉｎωｔは位相検出回路部５０に入力される。位相検出回路部５０において、第１の出力交流信号α＝ｓｉｎθｓｉｎωｔが位相シフト回路（移相回路）５１に入力され、その電気的位相が所定量位相シフトされて（例えば９０度進められ）、位相シフトされた交流信号α´＝ｓｉｎθｃｏｓωｔを得る。

位相検出回路部５０には、加算回路５２と減算回路５３が設けられている。加算回路５２においては、位相シフト回路５１から出力された交流信号α´＝ｓｉｎθｃｏｓωｔと２次コイル部４０から出力された第２の出力交流信号β＝ｃｏｓθｓｉｎωｔとが加算され、その加算出力として、β＋α´＝ｃｏｓθｓｉｎωｔ＋ｓｉｎθｃｏｓωｔ＝ｓｉｎ（ωｔ＋θ）なる略式で表現される第１の電気的交流信号Ｙ１を得る。減算回路５３においては、位相シフト回路５１から出力された交流信号α´＝ｓｉｎθｃｏｓωｔと２次コイル部４０から出力された第２の出力交流信号β＝ｃｏｓθｓｉｎωｔとが減算され、その減算出力として、β−α´＝ｃｏｓθｓｉｎωｔ−ｓｉｎθｃｏｓωｔ＝ｓｉｎ（ωｔ−θ）なる略式で表現される第２の電気的交流信号Ｙ２を得る。

このようにして、検出対象となる直線位置に対応して正方向にシフトされた電気的位相角（＋θ）を持つ第１の電気的交流信号Ｙ１＝ｓｉｎ（ωｔ＋θ）と、同じ前記直線位置Ｘに対応して負方向にシフトされた電気的位相角（−θ）を持つ第２の電気的交流信号Ｙ２＝ｓｉｎ（ωｔ−θ）とが、位相検出回路５０における電気的処理によりそれぞれ得られる。

加算回路５２及び減算回路５３の出力信号Ｙ１，Ｙ２は、それぞれゼロクロス検出回路５４，５５に入力され、ゼロクロス検出回路５４，５５において各信号Ｙ１，Ｙ２のゼロクロスが検出される。ゼロクロスの検出の仕方としては、例えば各信号Ｙ１，Ｙ２の振幅値が負から正に変化するゼロクロスつまり０位相を検出する。これにより、各ゼロクロス検出回路５４，５５で検出したゼロクロス検出パルス（０位相検出パルス）ＬＡＴＰ，ＬＡＴＭを得ることができる。

ゼロクロス検出回路５４から出力されるゼロクロス検出パルスＬＡＴＰは、正方向にシフトされた第１の電気的交流信号Ｙ１＝ｓｉｎ（ωｔ＋θ）における位相シフト量θつまり２次コイル部４０の直線位置Ｘを１次コイル部１０の励磁交流信号ｓｉｎωｔのゼロ位相時点に対する進み時間（位相ずれ）で示すデータに相当する。また、ゼロクロス検出回路５５から出力されるゼロクロス検出パルスＬＡＴＭは、負方向にシフトされた第２の電気的交流信号Ｙ２＝ｓｉｎ（ωｔ−θ）における位相シフト量θつまり２次コイル部４０の直線位置Ｘを、１次コイル部１０の励磁交流信号ｓｉｎωｔのゼロ位相時点に対する遅れ時間（位相ずれ）で示すデータに相当する。

ゼロクロス検出パルスＬＡＴＰとゼロクロス検出パルスＬＡＴＭとは、何れも、１次コイル部１０に対する２次コイル部４０の相対的な直線位置に相当する位相シフト量θを位相ずれで示すデータである。位相検出回路５０から出力されるゼロクロス検出パルスＬＡＴＰ及びＬＡＴＭは外部の利用装置（例えばマイクロコンピュータ）に供給され、当該利用装置側にて該供給された２つのゼロクロス検出パルスＬＡＴＰ及びＬＡＴＭの時間差Δｔを計測することで、１次コイル部１０に対する２次コイル部４０の相対的な直線位置を表す位置データを得ることができる。

原理的には、位相検出回路５０から出力されるゼロクロス検出パルスＬＡＴＰ又はＬＡＴＭの何れか一方だけでも、検出対象たる直線位置を表すデータとして利用しうる。しかしながら、温度ドリフト特性により、１次コイル部１０の各励磁交流信号の周波数や振幅レベルが変動したり、或いは、１次コイル部１０又は２次コイル部４０やその他回路要素におけるインピーダンスが変動したりすると、ゼロクロス検出パルスＬＡＴＰ及びＬＡＴＭの各々における位相シフト量θには、温度ドリフト特性に基づく誤差成分εが含まれてしまうので、ゼロクロス検出パルスＬＡＴＰ又はＬＡＴＭの何れか一方だけでは位置データとして利用する構成では、位置検出の精度が不十分になってしまう。しかるに、この誤差成分εはゼロクロス検出パルスＬＡＴＰ及びＬＡＴＭにおいて同値且つ同一方向（同値且つ同一符号）で表れるものであるため、ゼロクロス検出パルスＬＡＴＰ及びＬＡＴＭの時間差Δｔにおいては誤差成分εが相殺されることになる。従って、上記のようにゼロクロス検出パルスＬＡＴＰ及びＬＡＴＭの時間差Δｔを計測し、誤差成分εを相殺したデータを得ることで、温度ドリフトによる影響を受けない高精度な位置検出が可能となる。

図７（ａ）は前記図１に示す直線位置検出装置を適用したセンサ形状の一例を示す概略側面図、図７（ｂ）は前記図４に示す直線位置検出装置を適用したセンサ形状の一例を示す概略側面図である。両図（ａ），（ｂ）において、２次コイル部２０，４０は、それぞれ断面で示されている。（ａ），（ｂ）に示す通り、第１及び第２の１次巻線１１，１２が直線変位方向Ｘに沿って交互に配列されて成る１次コイル部１０が、２次コイル部２０，４０のコイル空間内に挿入されるセンサ形状を、この発明に係る直線位置検出装置に適用することができる。

以上説明した通り、この実施例に係る誘導型直線位置検出装置によれば、１次コイル部１０において互いに逆相励磁される第１及び第２の１次巻線１１，１２が検出対象の直線変位方向に沿って交互に配置され、２次コイル部２０においては第１及び第２の１次巻線１１，１２の各々に基づく誘導信号を合成した出力交流信号を出力することで、所定のパターンからなる磁気応答部材を具備しないシンプルな構造でありながらも、精度の高い位置検出が行なうことができるようになるという優れた効果を奏する。

なお、上記図４においては、４つの２次巻線４１〜４４が１次コイル部１０の１組の第１及び第２の１次巻線１１，１２の配列の１ピッチｐの範囲内に配置される例を示したが、４つの２次巻線４１〜４４の配置態様はこの限りではない。図８は４つの２次巻線４１〜４４の配置の変更例を示している。すなわち、２次巻線４１に生じる誘導出力交流信号の振幅関数がサイン関数、２次巻線４２に生じる誘導出力交流信号の振幅関数がコサイン関数、２次巻線４３に生じる誘導出力交流信号の振幅関数がマイナスサイン関数、２次巻線４４に生じる誘導出力交流信号の振幅関数がマイナスコサイン関数に相当する特性を示しさえすれば、図８に示すように、４つの２次巻線４１〜４４を１次コイル部１０に対して適宜分散させて配置してもよい。

なお、上記各誘導型直線位置検出装置においては、１次コイル部１０の第１の１次巻線１１及び第２の１次巻線１２がそれぞれ別の交流電源から発生される互いに逆相の交流信号により励磁されるものとしたが、１次コイル部１０の別の回路構成としては、図９に示すように、１つの交流電源に対して第１の１次巻線１１と第２の１次巻線１２を互いに逆極性で接続することで、第１の１次巻線１１及び第２の１次巻線１２を互いに逆相励磁するようにしてもよい。なお、図９に示す１次コイル部１０の別の回路構成例においては、図示及び説明の便宜上、第１の１次巻線１１及び第２の１次巻線１２がそれぞれ１つずつしか描かれていないが、当該１次コイル部１０の別の回路構成例においても、図１又は図４に示す構成と同様に、第１の１次巻線１１及び第２の１次巻線１２がそれぞれ複数具備されてよい。

また、上記各誘導型直線位置検出装置において２次コイル部２０又は４０に誘起される誘導出力交流信号の使い方としては、図３を参照して例示した電圧整流方式、或いは、図６を参照して説明した位相検出方式に限らず、例えば、ＰＷＭ変換方式などその他の従来から知られる方式を適用してもよい。

また、上記各実施例に示す誘導型直線位置検出装置においては、検出対象の機械系の直線変位に連動して、２次コイル部２０又は４０が１次コイル部１０に対して相対的に直線変位する構成例について説明した。しかしながら、検出対象の実際の動きが回転運動若しくは限られた角度範囲内の回動又は揺動運動であっても、該検出対象の実際の動きに連動した２次コイル部２０の動きが、１次コイル部１０に対する相対的な直線変位と等価的な動きとみなせるような場合には、検出対象の実際の動きが直線運動でなくても、上記各実施例に示す誘導型直線位置検出装置を適用することができる。

この発明の一実施例に係る誘導型直線位置検出装置の構成例を示す図。 同実施例に係る誘導型直線位置検出装置において、（ａ）は第１の１次巻線に基づくインダクタンス変化特性、（ｂ）は第２の１次巻線に基づくインダクタンス変化特性をそれぞれ示し、（ｃ）は第１及び第２の１次巻線のそれぞれに基づく誘導信号を合成した出力交流信号。 同実施例に係る誘導型直線位置検出装置に適用可能な電圧整流方式による位置データ測定用回路の構成例を示すブロック図。 この発明の別の実施例に係る誘導型直線位置検出装置の構成例を示す図。 （ａ）〜（ｄ）は図４に示す別の実施例に係る誘導型直線位置検出装置に具わる４つの２次巻線の各々における第１及び第２の１次巻線に基づく各インダクタンス変化特性を示す。 図４に示す別の実施例に係る誘導型直線位置検出装置に適用可能な位相検出方式による位置データ測定用回路の構成例を示すブロック図。 センサ形状、 図４に示す別の実施例に係る誘導型直線位置検出装置における２次巻線の配置の変更例を示す図。 この発明に係る誘導型直線位置検出装置における１次コイル部の別の構成例を示す回路図。

符号の説明

１０ １次コイル部、１１ 第１の１次巻線、１２ 第２の１次巻線、１３ 鉄心、２０ ２次コイル部、２１ 鉄心 ２２ ２次巻線、３０ 整流部、４０ 検出用コイル部、４１ ２次巻線（サイン関数）、４２ ２次巻線（コサイン関数）、４３ ２次巻線（マイナスサイン関数）、４４ ２次巻線（マイナスコサイン関数）、５０ 位相検出回路部、５１ 位相シフト回路、５２ 加算回路、５３ 減算回路、５４，５５ ゼロクロス検出回路

Claims (2)

1. 所定の交流信号によって互いに逆相励磁される第１及び第２の１次巻線を検出対象の直線変位方向に沿って交互に配置してなる１次コイル部と、
   前記１次コイル部に対して相対的に変位する２つの２次巻線からなり、該２つの２次巻線は前記１次コイル部の第１及び第２の１次巻線の配列の間隔に対応して配置されてなる２次コイル部とを具え、
   前記２つの２次巻線の誘導信号を差動的に合成した１つの出力交流信号を生成することを特徴とする誘導型位置検出装置。
2. 前記２次コイル部において更に２つの２次巻線が設けられており、該更に設けられた２ つの２次巻線は前記１次コイル部の第１及び第２の１次巻線の配列の間隔に対応して配置 され、該更に設けられた２つの２次巻線の誘導信号を差動的に合成した更なる出力交流信 号が生成され、一方の前記出力交流信号がサイン関数の振幅関数を持ち、他方の前記出力 交流信号がコサイン関数の振幅関数を持つことを特徴とする請求項１に記載の誘導型位置検出装置。

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