JP5226024B2

JP5226024B2 - 変位量検出装置

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Publication number: JP5226024B2
Application number: JP2010051170A
Authority: JP
Inventors: 昌啓山田
Original assignee: Kawasaki Jukogyo KK
Current assignee: Kawasaki Motors Ltd
Priority date: 2010-03-08
Filing date: 2010-03-08
Publication date: 2013-07-03
Anticipated expiration: 2030-03-08
Also published as: JP2011185732A

Description

本発明は、検出対象物の変位量に相当する電気信号を出力する変位量検出装置に関する。

図９は、変位量検出装置である巻線型レゾルバ装置１を簡略化して示す図である。巻線型レゾルバ装置１は、固定子と回転子とのそれぞれが、鉄心と巻線とによって構成される。固定子には、その鉄心に励磁（ＲＥＦ）巻線２が巻き付けられ、回転子には、その鉄心にＳＩＮ巻線３と、ＣＯＳ巻線４とが巻き付けられる。励磁巻線２を交流電圧で励磁すると、ＳＩＮ巻線３の出力端子と、ＣＯＳ巻線４の出力端子とに交流の出力電圧がそれぞれ誘起される。励磁巻線２を励磁する交流電圧を、Ｖｓｉｎωｔとし、回転子の回転角度をθとし、励磁巻線２とＳＩＮ巻線３およびＣＯＳ巻線４の変圧比をそれぞれｋとすると、ＳＩＮ巻線３の出力端子から出力される交流電圧は、ｋＶｓｉｎωｔ・ｓｉｎθとなり、ＣＯＳ巻線４の出力端子から出力される交流電圧は、ｋＶｓｉｎωｔ・ｃｏｓθとなる。また、固定子と回転子の関係を逆にしてもよい（たとえば特許文献１参照）。

図１０は、変位量検出装置である差動変圧装置１０を簡略化して示す図である。差動変圧装置１０は、１次コイル１１と、２つの２次コイル１２，１３と、１次コイル１１および２つの２次コイル１２，１３を磁気的に結合させる可動鉄心（コア）１４とを含んで構される。１次コイル１１を交流電圧で励磁すると、２次コイル１２，１３の各出力端子に交流の出力電圧がそれぞれ誘起される。各２次コイル１２，１３の出力端子に誘起される出力電圧は、可動鉄心の変位量に比例し、１次コイル１１を励磁する交流電圧を、Ｖｓｉｎωｔとすると、２次コイル１２，１３の出力端子から出力される交流電圧は、それぞれＶ_Ａｓｉｎωｔ，Ｖ_Ｂｓｉｎωｔとなる（たとえば特許文献２参照）。

特許第２７９８３４０号公報特開平６−１０５４８７号公報

前述した巻線型レゾルバ装置１は、作製にあたり、高精度の鉄心加工技術および極細線を鉄心のスロットに多数巻回する特殊な工程が必要であり、作製に特別な施設およびコア抜き、積層、巻線など高度な加工技術および熟練したノウハウが必要である。そのため製造が難しく、製品単価が高価となってしまうという問題がある。

また前述した差動変圧装置１０についても、１次コイル１１と２次コイル１２，１３とをそれぞれ巻き付けるためには、高度な加工技術および熟練したノウハウが必要であり、そのため製造が難しく、製品単価が高価となってしまうという問題がある。

したがって本発明の目的は、巻線型レゾルバ装置および差動変圧装置などに比べて、製造が容易であり、生産コストを低減することができる変位量検出装置を提供することである。

また本発明は、検出対象物との相対距離の変化に応じてインダクタンスが変化する検出用コイルをそれぞれ備え、発振周波数が前記検出用コイルのインダクタンスに依存する複数の発振回路と、
交流の予め定める電気信号が与えられ、各発振回路の発振周波数に基づいて、前記予め定める電気信号を検出対象物の変位量に相当する電気信号に変換して出力する信号処理部と、
前記検出対象物が変位してもインダクタンスが一定となる位置に設けられる参照用コイルを備え、発振周波数が参照用コイルのインダクタンスに依存する第２発振回路とを含み、
少なくとも２つの前記検出用コイルのうちの一方の検出用コイルは、他方の検出用コイルを前記検出対象物の厚み方向の一表面に対して傾斜して交わる軸線まわりに予め定める角度だけ角変位させた位置に設けられ、
前記信号処理部は、
前記各発振回路で発振した各電気信号に、前記第２発振回路で発振した電気信号をそれぞれ乗算する乗算部を有し、
前記乗算部によって得られる電気信号から、検出対象物の角変位の正弦波および余弦波をそれぞれ抽出し、抽出した正弦波および余弦波にそれぞれ基づいて、前記予め定める電気信号の一部を通過して出力することを特徴とする変位量検出装置である。

また本発明は、前記検出対象物は、厚み方向の一表面が前記各検出用コイルに臨んで設けられ、前記一表面に対して傾斜して交わる前記軸線まわりに角変位し、
少なくとも２つの前記検出用コイルは、前記軸線まわりに予め定める間隔をあけて設けられることを特徴とする。

また本発明は、検出対象物との相対距離の変化に応じてインダクタンスが変化する検出用コイルをそれぞれ備え、発振周波数が前記検出用コイルのインダクタンスに依存する複数の発振回路と、
交流の予め定める電気信号が与えられ、各発振回路の発振周波数に基づいて、前記予め定める電気信号を検出対象物の変位量に相当する電気信号に変換して出力する信号処理部と、
前記検出対象物が変位してもインダクタンスが一定となる位置に設けられる参照用コイルを備え、発振周波数が参照用コイルのインダクタンスに依存する第２発振回路とを含み、
少なくとも２つの前記検出用コイルは、予め定める方向に配列され、前記検出対象物の前記予め定める方向への変位に伴って、前記一方の検出用コイルを備える発振回路の発振周波数が増加するとき、前記他方の検出用コイルを備える発振回路の発振周波数が減少するように設けられ、
前記信号処理部は、
前記発振回路で発振した電気信号に、第２発振回路で発振した電気信号をそれぞれ乗算する乗算部を有し、
前記乗算部によって得られる電気信号から、前記各発振回路における発振周波数の増加および減少に応じた電圧を抽出し、抽出した電圧に基づいて、前記予め定める電気信号の一部を通過して出力することを特徴とする変位量検出装置である。

また本発明は、前記信号処理部は、予め定める電気信号を整流して電力を取得する電力取得部を備えることを特徴とする。

本発明によれば、検出対象物が変位することによって、検出対象物と検出用コイルとの相対距離が変化すると、検出用コイルのインダクタンスが変化する。発振回路の発振周波数は、検出用コイルのインダクタンスに依存するので、検出用コイルのインダクタンスが変化すると、発振回路の発振周波数が変化する。各発振回路の発振周波数に基づいて、前記予め定める電気信号を検出対象物の変位量に相当する電気信号に変換して出力する。
すなわち、乗算部によって第２発振回路で発振した電気信号を発振回路で発振した電気信号に乗算し、信号処理部によって、乗算部で得られた電気信号から、検出対象物の角変位の正弦波および余弦波をそれぞれ抽出し、抽出した正弦波および余弦波にそれぞれ基づいて予め定める電気信号の一部を通過させて出力するので、周囲温度などの環境の変化による発振周波数への影響を受けにくくすることができる。また２つの前記検出用コイルのうちの一方の検出用コイルは、他方の検出用コイルを前記軸線まわりに予め定める角度、たとえば９０度の角変位させた位置に設けられており、これによって信号処理部は、乗算部によって得られる電気信号から、検出対象物の角変位の正弦波および余弦波をそれぞれ容易に抽出することができる。信号処理部が、抽出した正弦波および余弦波のそれぞれに基づいて、予め定める電気信号の一部を通過して出力することによって、巻線型レゾルバの２つの出力信号と同等の回転角度を表す電気信号が出力される。
このような変位量検出装置によって、従来の技術の巻線型レゾルバ装置１と比較すると、変位する部分にコイルを巻回する必要がなくなり、差動変圧装置１０と比較すると１次コイルが不要となる。変位する部分にコイルを巻回する構成および１次コイルを巻回する構成では、高度な加工技術が必要であるが、本発明では、このような構成を必要としないので、高度な加工技術がなくても変位量検出装置を構成することができ、製造が容易となり、また生産コストを低減することができる。

また信号処理部としては、従来の技術において固定子側の巻線および１次コイルに通電される参照信号と同様の信号を予め定める電気信号として入力し、この予め定める電気信号の一部分を、発振回路の発振周波数に基づいて出力することができる構成であればよく、このような回路構成は簡単であり、精度が高い処理回路を容易に実現することができ、信頼性の高い変位検出装置を構成することができる。

また本発明によれば、検出対象物を板状として、厚み方向の一表面を各コイルに臨んで設け、前記一表面に対して傾斜して交わる軸線まわりに角変位させ、少なくとも２つの前記検出用コイルは、前記軸線まわりに予め定める間隔をあけて配置されることによって、２つの検出用コイルのうちの一方の検出用コイルに接続される発振回路から出力される電気信号と、他方の検出用コイルに接続される発振回路から出力される電気信号の周波数を異ならせることができる。これらの周波数が異なる２つの電気信号に基づいて、信号処理部が予め定める電気信号を検出対象物の変位量に相当する電気信号に変換することによって、信号処理部からは、巻線型レゾルバ装置の２つの出力信号と同等の回転角度を表す電気信号を出力することができ、これによって、巻線型レゾルバ装置と同様の機能を有する装置を実現することができる。したがって、特殊な製造技術を必要とせずに、現行の巻線型レゾルバをそのまま置換することができる低コストの変位量検出装置を実現することができる。

また本発明によれば、検出対象物の予め定める方向への変位すると、予め定める方向に配列される２つのコイルのうち一方のコイルを備える発振回路の発振周波数が増加し、他方のコイルを備える発振回路の発振周波数が減少し、各発振回路の発振周波数は、検出対象物の予め定める方向への変位量に応じて変化する。検出対象物の予め定める方向への変位量に応じて各発振回路の発振周波数の変化に基づいて、信号処理部が予め定める電気信号を検出対象物の変位量に相当する電気信号に変換することによって、信号処理部からは、差動変圧装置の２つの出力信号と同等の変位量を表す電気信号を出力することができ、これによって、差動変圧装置と同様の機能を有する装置を実現することができる。したがって、特殊な製造技術を必要とせずに、現行の差動変圧装置をそのまま置換することができる低コストの変位量検出装置を実現することができる。

また本発明によれば、乗算部によって第２発振回路で発振した電気信号を発振回路で発振した電気信号に乗算し、信号処理部によって、乗算部で得られた電気信号から各発振回路における発振周波数の増加および減少に応じた電圧を抽出し、抽出した電圧にそれぞれ基づいて予め定める電気信号の一部を通過させて出力するので、周囲温度などの環境の変化による発振周波数への影響を受けにくくすることができる。信号処理部は、乗算部によって得られる電気信号から各発振回路における発振周波数の増加および減少に応じた電圧を抽出し、抽出した電圧に基づいて、予め定める電気信号の一部を通過して出力することによって、信号処理部からは、差動変圧装置の２つの出力信号と同等の変位量を表す信号が出力される。

また本発明によれば、信号処理部が動作するための電力は、予め定める電気信号を整流して生成されるので、電源を別体で設ける必要がなく、装置をより簡素化することができ、低コスト化を図ることができる。また電源が必要ではないので、従来からの変位量検出装置に換えてそのまま用いることができる。

本発明の実施の一形態の変位量検出装置２０の構成を示す図である。検出対象物２１の平面図である。検出対象物２１とコイル２５との相対距離と、発振回路２２の発振周波数との関係を説明するための図である。検出対象物２１とコイル２５との相対距離と、発振回路２２の発振周波数との関係を模式的に示すグラフである。発振回路２２を模式的に示す回路図である。第１および第２ゲート部３５，３６における動作を説明する図である。図７は第１および第２ゲート部３５，３６の出力信号を生成する信号処理手順を説明するための波形図であり、図７（１）は第１および第２ゲート部３５，３６の入力信号波形を示し、図７（２）は図７（１）の入力信号に同期した基準パルス信号波形を示し、図７（３）はカットオフ信号波形を示し、図７（４）は切出された出力信号波形を示す。本発明の実施の他の形態の変位量検出装置５０の構成を示す図である。変位量検出装置である巻線型レゾルバ装置１を簡略化して示す図である。変位量検出装置である差動変圧装置１０を簡略化して示す図である。

図１は、本発明の実施の一形態の変位量検出装置２０の構成を示す図である。図２は、検出対象物２１の平面図である。図１では、理解の容易のために検出対象物２１についても図示している。変位量検出装置２０は、電子式レゾルバ装置であって、巻線型レゾルバ装置と同様な機能を有し、検出対象物２１の角変位量、すなわち回転角度を検出し、角変位量に相当する電気信号を出力する。また第２検出用コイル２５ｂと、参照用コイル２５ｒとは、図１において実際には重なるが、理解の容易のために離れて図示している。

変位量検出装置２０は、複数の発振回路２２ａ，２２ｂ，２２ｒ（以下、総称する場合には、添字ａ，ｂ，ｒは省略する）と、信号処理部２３とを含んで構成される。検出対象物２１は、金属などの磁性を有する材料によって形成される。

発振回路２２は、発振周波数と同じ周波数の正弦波の電気信号を出力する。発振回路２２は、検出対象物２１との相対距離の変化に応じてインダクタンスが変化するコイル２５ａ，２５ｂ，２５ｒ（以下、総称する場合には、添字ａ，ｂ，ｒは省略する）を含んで構成される。

コイル２５は、第１および第２検出用コイル２５ａ，２５ｂと、参照用コイル２５ｒとを含む。第１および第２検出用コイル２５ａ，２５ｂと、参照用コイル２５ｒとは、インダクタンスなどの電気的特性が互いに等しくなるように形成される。第１および第２検出用コイル２５ａ，２５ｂと、参照用コイル２５ｒとは、たとえば板状のプリント配線基板の一表面上に配置され、このプリント配線基板の一表面上において、参照用コイル２５ｒの磁気軸を中心とし、半径をＲとする同心円上に９０°の間隔をあけてそれぞれ配置される。第１および第２検出用コイル２５ａ，２５ｂと、参照用コイル２５ｒとは、検出対象物２１に臨んで設けられる。第１および第２検出用コイル２５ａ，２５ｂの検出対象物２１に臨む端面および参照用コイル２５ｒの検出対象物２１に臨む端面は、各コイル２５ａ，２５ｂ，２５ｒの磁気軸に垂直な第１仮想平面上にそれぞれ設けられる。コイル２５は、略円柱状のボビンに電線が巻回されて形成される。コイル２５は、磁気軸がプリント配線基板の一表面に垂直となるように、プリント配線基板の一表面上において間隔をあけてそれぞれ配列される。

検出対象物２１は、板状に形成され、本実施の形態では円板形状を有する。検出対象物２１は、前記コイル２５に厚み方向の一表面２１ａを臨ませて設けられる。前記一表面２１ａは平面に形成される。検出対象物２１は、前記第１仮想平面に垂直であって、参照用コイル２５ｒの磁気軸に平行な軸線Ｌに垂直な第２仮想平面に対して、検出対象物２１の前記一表面２１ａを、予め定める角度φ傾けた状態で、軸線Ｌまわりに回転可能に配置される。この軸線Ｌは、参照用コイル２５ｒの磁気軸の延びる直線上に配置される。したがって参照用コイル２５ｒと検出対象物２１との相対距離ｘｒは、検出対象物２１が軸線Ｌまわりに角変位したとしても不変（ｘｒ＝ｘｏ）である。以下、第１検出用コイル２５ａと検出対象物２１との相対距離ｘ１が、最も小さくなるとき（ｘ１＝ｘｏ−Ｒ×ｔａｎφ）を検出対象物２１の基準位置という。基準位置からの軸線Ｌまわりの角変位量をθとすると、参照用コイル２５ｒと検出対象物２１との相対距離ｘｒ、第１検出用コイル２５ａと検出対象物２１との相対距離ｘ１、および第２検出用コイル２５ｂと検出対象物２１との相対距離ｘ２は、それぞれ次式（１）で表される。

各発振回路２２の発振周波数は、コイル２５のインダクタンスに依存する。すなわち発振回路２２から出力される正弦波の周波数は、検出対象物２１とコイル２５との相対距離に応じて変化する。信号処理部２３は、各発振回路２２から与えられる正弦波の周波数に基づいて、検出対象物２１の角変位量に相当する電気信号を出力する。

図３は、検出対象物２１とコイル２５との相対距離と、発振回路２２の発振周波数との関係を説明するための図である。図４は、検出対象物２１とコイル２５との相対距離と、発振回路２２の発振周波数との関係を模式的に示すグラフである。図４において、横軸は、検出対象物２１とコイル２５との相対距離を表し、縦軸は、周波数を表す。図４において実線２６の曲線によって示す検出対象物２１とコイル２５との相対距離と、発振回路２２の発振周波数との関係は、検出対象物２１とコイル２５との相対距離を変化させる毎に発振回路２２の発振周波数を測定することによって得られる。このグラフを用いると、発振回路２２の発振周波数に基づいて、検出対象物２１とコイル２５との相対距離を算出することができる。

基準となる相対距離ｘｏから、微小に変位したときの発振周波数ｆを次式（３）で示す。
ｆ（ｘ）＝ａ０＋ａ１（ｘ−ｘｏ）＝ａ０＋ａ１×Δｘ …（３）
式（３）において、ａ１は、比例係数であり、基準となる相対距離ｘｏからの変位（ｘ−ｘｏ）をΔｘとしている。

図５は、発振回路２２を模式的に示す回路図である。本実施の形態の発振回路２２は、タンク回路４１と、負性抵抗素子４２とを含んで構成される。タンク回路４１は、コイル２５とコンデンサ４３とが並列に接続されて構成される。負性抵抗素子４２とタンク回路４１とは、並列に接続される。図５では、コイル２５を理想的なコイルとして図示しているが、コイル２５は、実際には抵抗成分を含む。理想的なタンク回路４１では電力が消費されないが、実際のタンク回路４１では、前記抵抗成分によって電力が消費される。この消費された電力が負性抵抗素子４２によって補給されるので、タンク回路４１の共振周波数において発振が起こる。発振回路２２の発振周波数は、タンク回路４１の共振周波数にほぼ一致する。このタンク回路４１の共振周波数は、コイル２５のインダクタンスに依存し、このコイル２５のインダクタンスは、検出対象物２１との相対距離に依存する。したがって、図４に示すように、発振回路２２の発振周波数は、コイル２５と検出対象物２１との相対距離の変化に応じて変化する。負性抵抗素子４２は、たとえば演算増幅器およびトランジスタなどの増幅器を含んで実現される。

参照用コイル２５ｒを有する発振回路２２（以下、参照用発振回路２２ｒという場合がある）の発振周波数をｆｒとし、第１検出用コイル２５ａを有する発振回路２２（以下、第１発振回路２２ａという場合がある）の発振周波数をｆ１とし、第２検出用コイル２５ｂを有する発振回路２２（以下、第２発振回路２２ｂという場合がある）の発振周波数をｆ２として、式（１）の各相対距離ｘｒ，ｘ１，ｘ２をそれぞれ式（３）に代入すると、各発振回路２２の発振周波数は、次式（４）で表される。

式（４）においてａ１（−Ｒ×ｔａｎφ）を不変な定数としてＡとおいた。コイル２５のインダクタンスは、検出対象物２１との距離に反比例し、発振周波数はインダクタンスに反比例するので、発振周波数は、前述の式（４）に示すように距離の一次関数で近似することができる。式（４）において温度因子によって変化するのは、ａ０およびＡである。

信号処理部２３は、各発振回路２２から出力される電気信号に基づいて、検出対象物２１の角変位量に相当する電気信号を出力する。信号処理部２３は、第１乗算部３１と、第２乗算部３２と、第１低域通過フィルタ３３と、第２低域通過フィルタ３４と、第１ゲート部３５と、第２ゲート部３６とを含んで構成される。

第１乗算部３１は、第１発振回路２２ａと、参照用発振回路２２ｒとに接続され、第１発振回路２２ａから出力される電気信号と、参照用発振回路２２ｒから出力される電気信号とを乗算することによって同期整流を行い、乗算した電気信号を第１低域通過フィルタ３３に与える。次式（８）に第１低域通過フィルタ３３に与えられる電気信号を示す。

式（５）においてｔは、時間を表し、φ１は、第１発振回路２２ａから出力される電気信号の初期位相を表し、φｒは、参照用発振回路２２ｒから出力される電気信号の初期位相を表す。第１乗算部３１は、第１低域通過フィルタ３３に接続される。式（５）に示すように、第１低域通過フィルタ３３に与えられる電気信号は、周波数が│ｆ１−ｆｒ│の低周波数の余弦波と、周波数がｆ１＋ｆｒの高周波数の余弦波との重ね合わせである。

第１低域通過フィルタ３３は、式（５）の右辺の第２項の高周波数の余弦波を除去して、右辺の第１項の低周波数の余弦波を通過させて第１ゲート部３５に与える。第１ゲート部３５は、第１低域通過フィルタ３３に接続される。第１低域通過フィルタ３３の遮断周波数は、式（５）の右辺の第１項の周波数と右辺の第２項の周波数との間に選ばれ、たとえば検出対象物２１が基準位置のときの｛（ｆ１＋ｆｒ）＋│ｆ１−ｆｒ│｝／２に選ばれる。

第１低域通過フィルタ３３から出力される電気信号の周波数は、│ｆ１−ｆｒ│＝│ａ０＋Ａ×ｃｏｓθ−ａ０│＝Ａ×ｃｏｓθとなり、第１低域通過フィルタ３３によって余弦波が抽出されて、この余弦波の電気信号を第１ゲート部３５に与える。

第２乗算部３２は、第２発振回路２２ｂと、参照用発振回路２２ｒとに接続され、第２発振回路２２ｂから出力される正弦波と、参照用発振回路２２ｒから出力される正弦波とを乗算し、乗算した電気信号を第２低域通過フィルタ３４に与える。次式（６）に第２低域通過フィルタ３４に与えられる電気信号を示す。

式（６）においてφ２は、第２発振回路２２ｂから出力される正弦波の初期位相を表す。第２乗算部３２は、第２低域通過フィルタ３４に接続される。式（６）に示すように、第２低域通過フィルタ３４に与えられる電気信号は、周波数が│ｆ２−ｆｒ│の低周波数の余弦波と、周波数がｆ２＋ｆｒの高周波数の余弦波との重ね合わせである。

第２低域通過フィルタ３４は、式（６）の右辺の第２項の高周波数の余弦波を除去して、右辺の第１項の低周波数の余弦波を通過させて第２ゲート部３６に与える。第２ゲート部３６は、第２低域通過フィルタ３４に接続される。第２低域通過フィルタ３４の遮断周波数は、式（６）の右辺の第１項の周波数と右辺の第２項の周波数との間に選ばれ、たとえば検出対象物２１が基準位置のときの｛（ｆ２＋ｆｒ）＋│ｆ２−ｆｒ│｝／２に選ばれる。

第２低域通過フィルタ３４から出力される周波数は、│ｆ２−ｆｒ│＝│ａ０＋Ａ×ｓｉｎθ−ａ０│＝Ａ×ｓｉｎθとなり、第２低域通過フィルタ３４によって正弦波が抽出されて、この正弦波の電気信号を第２ゲート部３６に与える。

第１および第２ゲート部３５，３６には、それぞれ予め定める電気信号である参照信号がそれぞれ個別に与えられるとともに、第１ゲート部３５には、前記第１低域通過フィルタ３３から前記余弦波の電気信号が与えられ、第２ゲート部３６には、前記第２低域通過フィルタ３４から前記正弦波の電気信号が与えられる。

図６は、第１および第２ゲート部３５，３６における動作を説明する図である。まず図６（１）は、参照用の電気信号の波形を示す。図６（２）は、参照用の電気信号の一部を切出した波形であって、信号処理部２３から出力される電気信号の波形の一例を示す。図６（１）および（２）において、縦軸は電圧を示し、横軸は位相を表す。

巻線型レゾルバ装置は、励磁用の電気信号が与えられ、回転角度に応じてその正弦および余弦に比例する電気信号を出力する。これらの正弦および余弦に比例する電気信号を、レゾルバデジタル（ＲＤ）コンバータに代表される信号変換器で処理することによって、回転角度に比例した検出量を得ることができる。巻線型レゾルバ装置は、回転トランスの原理で二次巻線に誘導される電圧を利用するものであるが、これと同等の機能を得るために、与えられた参照用の電気信号に対して、図６（２）の斜線部で示すように、その一部を切出した波形を考える。本実施の形態における参照用の電気信号は、巻線型レゾルバ装置における励磁用の電気信号に対応する。

参照用の電気信号を次式（７）で表し、図６（２）に示す参照用の電気信号の１波長の区間で、−π／２−αから−π／２の区間、−αから＋αの区間、およびπ／２からπ／２＋αの区間を切出したときの波形の基本波成分を求めると、斜線部波形の基本波成分ａ１は、次式（８）のようになる。αは、０≦α≦π／２に選ばれる。ここで参照用の正弦波の電気信号をＶｒとし、斜線部波形の基本波成分をａ１とする。斜線部波形の基本波成分ａ１は、フーリエ級数の係数である。また、電圧をＶとする。

Ｖｒ＝Ｖ・ｃｏｓωｔ …（７）
ａ１＝∫Ｖｒ・ｃｏｓωｔ・ｄ（ωｔ）
＝∫Ｖ・ｃｏｓ^２ωｔ・ｄ（ωｔ） …（８）

ここで、斜線部の各区間を計算すると、以下（ａ）〜（ｃ）のようになる。
（ａ）−αから＋α区間の計算値：Ａ１＝α＋(ｓｉｎ２α)/２
（ｂ）π/２からπ/２＋αの区間の計算値：Ａ２＝α/２−(ｓｉｎ２α)/４
（ｃ）−π/２−αから−π/２区間の計算値：Ａ３＝α/２−(ｓｉｎ２α)/４
したがって、
ａ１＝Ａ１＋Ａ２＋Ａ３＝２α
となる。

したがって、２αとなるように、第１および第２低域通過フィルタ３３，３４によって抽出された角変位量を表す、ｓｉｎθおよびｃｏｓθに相当する量をそれぞれ出力すれば、これらの電気信号の基本波成分は、巻線型レゾルバ装置における励磁信号の正弦および余弦にそれぞれ対応した出力信号となる。

図７は第１および第２ゲート部３５，３６の出力信号を生成する信号処理手順を説明するための波形図であり、図７（１）は第１および第２ゲート部３５，３６の入力信号波形を示し、図７（２）は図７（１）の入力信号に同期した基準パルス信号波形を示し、図７（３）はカットオフ信号波形を示し、図７（４）は切出された出力信号波形を示す。波形成形回路によって図７（２）に示す周期２Ｔの基準パルス信号が生成される。

前記波形成形回路によって生成された基準パルス信号は、カウンタ回路等の論理回路によって実現されるカットオフ信号生成回路に入力され、このカットオフ信号生成回路によって、低域通過フィルタ３３，３４から第１および第２ゲート部３５，３６に入力されるｃｏｓ成分抽出信号およびｓｉｎ成分抽出信号に基づいて、図７（３）に示すカットオフ信号が生成される。このようなカットオフ信号を用いて、たとえばアナログスイッチの導通・遮断動作を切換えることによって、図７（１）に示す入力信号から図７（４）に示す信号、すなわち第１ゲート部３５からはＡＶｓｉｎ（ωｔ）×ｃｏｓθに相当する波形信号、第２ゲート部３６からはＡＶｓｉｎ（ωｔ）×ｓｉｎθに相当する波形信号を切出して出力することができる。

第１および第２ゲート部３５，３６から出力される電気信号の基本波成分は、元の電気信号、すなわち図６（２）に示す波形の電気信号を低域通過フィルタに通すことによって得られる。従来の技術で用いられる巻線型レゾルバ装置においても、巻線型レゾルバ装置から出力される電気信号を処理する信号処理回路では、この信号処理回路の内部に同期乗算部を持っており、巻線型レゾルバ装置から与えられる電気信号の基本波成分を抽出して信号処理を行うので、変位量検出装置２０では、基本波成分を抽出する回路を備える必要がない。すなわち図６（２）に示す波形をそのまま出力することによって、変位量検出装置２０は、巻線型レゾルバ装置を模擬することが可能になる。

前記信号処理部２３には、参照用の電気信号を整流して電力を取得する電力取得部である整流平滑回路３７が設けられる。整流平滑回路３７は、参照用の交流信号を、直流に変換し、たとえばチョークインプット単相全波整流回路などによって実現される。整流平滑回路３７は、信号処理部２３の各部、第１および第２乗算部３１，３２，第１および第２低域通過フィルタ３３，３４、ならびに第１および第２ゲート部３５，３６の電源であって、これら各部に直流電圧を与えて電力を供給する。また整流平滑回路３７が発振回路２２にも電力を供給する構成としてもよい。

以上のように変位量検出装置２０では、検出対象物２１が角変位することによって、検出対象物２１と第１および第２検出用コイル２５ａ，２５ｂとの相対距離が変化すると、第１および第２検出用コイル２５ａ，２５ｂのインダクタンスが変化する。発振回路２２の発振周波数は、第１および第２検出用コイル２５ａ，２５ｂのインダクタンスに依存するので、第１および第２検出用コイル２５ａ，２５ｂのインダクタンスが変化すると、発振回路２２の発振周波数が変化する。各発振回路２２の発振周波数に基づいて、参照用の電気信号を検出対象物２１の変位量に相当する電気信号に変換して出力するので、従来の技術の巻線型レゾルバ装置１と比較すると、変位する部分にコイルを巻回する必要がなくなり、製造に高度な加工技術が必要としないので、製造が容易となり、また生産コストを低減することができる。

また信号処理部２３としては、従来の技術の巻線型レゾルバ装置において固定子側の巻線に通電される参照信号と同様の信号を予め定める電気信号として入力し、この予め定める電気信号の一部分を切出す構成とすればよく、このような回路構成は簡単であり、精度が高い処理回路を容易に実現することができ、信頼性の高い変位検出装置を構成することができる。

また検出対象物２１の厚み方向の一表面２１ａを第１および第２検出用コイル２５ａ，２５ｂに臨んで設け、前記一表面２１ａに対して傾斜して交わる軸線Ｌまわりに角変位させ、第１および第２検出用コイル２５ａ，２５ｂは、前記軸線Ｌまわりに予め定める間隔をあけて配置されることによって、第１および第２検出用コイル２５ａ，２５ｂのうちの一方のコイル２５に接続される発振回路２２から出力される電気信号と、他方のコイル２５に接続される発振回路２２から出力される電気信号の位相を異ならせることができる。これらの位相が異なる２つの電気信号に基づいて、信号処理部２３が予め定める電気信号を検出対象物２１の変位量に相当する電気信号に変換することによって、信号処理部２３からは、巻線型レゾルバ装置の２つの出力信号と同等の回転角度を表す電気信号を出力することができ、これによって、巻線型レゾルバ装置と同様の機能を有する装置を実現することができる。したがって、特殊な製造技術を必要とせずに、現行の巻線型レゾルバをそのまま置換することができる低コストの変位量検出装置２０を実現することができる。

また第１および第２乗算部３１，３２によって参照用発振回路２２ｒで発振した電気信号を第１および第２発振回路２２ａ，２２ｂで発振した電気信号に乗算することによって、信号処理部によって、乗算部で得られた電気信号から正弦波および余弦波をそれぞれ抽出し、抽出した正弦波および余弦波にそれぞれ基づいて予め定める電気信号の一部を通過させて出力するので、周囲温度などの環境の変化による発振周波数への影響を受けにくくすることができる。また第１および第２検出用コイル２５ａ，２５ｂのうちの一方のコイル２５は、他方のコイル２５を前記軸線Ｌまわりに９０度の角変位させた位置に設けられており、これによって信号処理部２３は、乗算部３１，３２によって得られる電気信号から余弦波および正弦波をそれぞれ容易に抽出することができる。信号処理部２３が、抽出した正弦波および余弦波のそれぞれに基づいて、予め定める電気信号の一部を通過して出力することによって、巻線型レゾルバの２つの出力信号と同等の回転角度を表す電気信号が出力される。

また信号処理部２３が動作するための電力は、参照用の電気信号を整流して生成されるので、電源を別体で設ける必要がなく、装置をより簡素化することができ、低コスト化を図ることができる。また電源が必要ではないので、従来からの巻線型レゾルバ装置に換えてそのまま用いることができる。

図８は、本発明の実施の他の形態の変位量検出装置５０の構成を示す図である。図８では、理解の容易のために検出対象物５１についても図示している。変位量検出装置５０は、差動変圧装置と同様な機能を有し、検出対象物５１の予め定める方向における変位量を検出する。変位量検出装置５０は、前述した変位量検出装置２０とは、各コイル２５と検出対象物５１との配置関係が異なるのみであり、その他の構成は同様であるので、本実施の形態で、前述の構成と同様の部分には、同様の参照符号を付してその説明を省略する場合がある。

変位量検出装置５０は、複数の発振回路２２と、信号処理部２３とを含んで構成される。検出対象物５１は、金属などの磁性を有する材料によって形成される。

各発振回路２２は、たとえば板状のプリント配線基板に設けられる。コイル２５は、略円柱状のボビンに電線が巻回されて形成される。コイル２５は、磁気軸がプリント配線基板の厚み方向の一表面に垂直となるように、プリント配線基板の一表面上において、前記予め定める方向に一列に等間隔をあけてそれぞれ配列される。各コイル２５は、インダクタンスなどの電気的特性が互いに等しくなるように形成される。以下、コイル２５が配列される方向を配列方向Ｙという。第１検出用コイル２５ａは、各コイル２５のうちの配列方向Ｙの一方Ｙ１の端に配置され、第２検出用コイル２５ｂは、各コイル２５のうちの配列方向Ｙの他方Ｙ２の端に配置され、参照用コイル２５ｒは、各コイル２５のうちの配列方向Ｙの中央に配置される。

参照用コイル２５ｒは、使用状態において、検出対象物５１が変位しても検出対象物５１との距離が一定となる位置に設けられる。第１検出用コイル２５ａは、検出対象物５１が基準位置から配列方向Ｙの一方Ｙ１に移動したときに、検出対象物５１との磁気的結合度が強まり、検出対象物５１が基準位置から配列方向Ｙの他方Ｙ２に移動したときに、検出対象物５１との磁気的結合度が弱まる位置に設けられる。また第２検出用コイル２５ｂは、検出対象物５１が基準位置から配列方向Ｙの一方Ｙ１に移動したときに、検出対象物５１との磁気的結合度が弱まり、検出対象物５１が基準位置から配列方向Ｙの他方Ｙ２に移動したときに、検出対象物５１との磁気的結合度が強まる位置に設けられる。すなわち、検出対象物５１が変位することによって、第１および第２検出用コイル２５ａ，２５ｂのうち、一方のコイル２５と検出対象物５１との磁気的結合度が強まると、他方のコイル２５と検出対象物５１との磁気的結合度が弱まる。

検出対象物５１は、たとえば棒状の略四角柱形状を有する。検出対象物５１の各コイル２５に一側面５１ａを臨ませて、前記一側面５１ａが前記配列方向Ｙに平行となるように設けられる。検出対象物５１は、検出対象物５１の延びる方向が前述した配列方向Ｙに一致し、一側面５１ａがプリント配線基板の厚み方向の一表面に対向するように配置される。以下、参照用コイル２５ｒの磁気軸が延びる位置に中央部５７が位置するときの検出対象物５１の位置を基準位置とする。変位量検出装置５０は、検出対象物５１の基準位置からの配列方向Ｙへの変位量を検出する。

検出対象物５１が基準位置から配列方向Ｙの一方Ｙ１に移動すると、第１検出用コイル２５ａのインダクタンスが基準位置のときよりも大きくなるように変化し、第２検出用コイル２５ｂのインダクタンスが基準位置のときよりも小さくなるように変化するので、その結果、第１発振回路２２ａの発振周波数が基準位置のときよりも低くなり、第２発振回路２２ｂの発振周波数が基準位置のときよりも高くなる。また検出対象物５１が基準位置から配列方向Ｙの他方Ｙ２に移動すると、第１検出用コイル２５ａのインダクタンスが基準位置のときよりも小さくなるように変化し、第２検出用コイル２５ｂのインダクタンスが基準位置のときよりも大きくなるように変化するので、その結果、第１発振回路２２ａの発振周波数が基準位置のときよりも高くなり、第２発振回路２２ｂの発振周波数が基準位置のときよりも低くなる。

信号処理部２３は、各発振回路２２から出力される正弦波に基づいて、検出対象物５１の変位量に相当する電気信号を出力する。第１乗算部３１は、第１発振回路２２ａから出力される正弦波と、参照用発振回路２２ｒから出力される正弦波とを乗算し、乗算した電気信号を第１低域通過フィルタ３３に与える。第２乗算部３２は、第２発振回路２２ｂから出力される正弦波と、参照用発振回路２２ｒから出力される正弦波とを乗算し、乗算した電気信号を第２低域通過フィルタ３４に与える。

第１および第２低域通過フィルタ３３，３４では、第１および第２乗算部３１，３２のそれぞれから与えられる電気信号の低周波成分をそれぞれ抽出して、第１および第２ゲート部３５，３６にそれぞれ与える。

第１ゲート部３５は、第１低域通過フィルタ３３から与えられる電気信号に基づいて、前述の図７のようにして、αがＹ方向への変位量に対応する電気信号を出力する。したがって、参照用の電気信号としてＶｓｉｎωｔを入力すると、第１ゲート部３５からは、変位量に応じたＶ_Ａｓｉｎωｔを表す電気信号が出力される。

第２ゲート部３６は、第２低域通過フィルタ３４から与えられる電気信号に基づいて、前述の図７のようにして、αがＹ方向への変位量に対応する電気信号を出力する。したがって、参照用の電気信号としてＶｓｉｎωｔを入力すると、第２ゲート部３６からは、変位量に応じたＶ_Ｂｓｉｎωｔを表す電気信号が出力される。

以上説明した変位量検出装置５０では、参照用の電気信号Ｖｓｉｎωｔを入力すると、信号処理部２３からは、２つの電気信号Ｖ_Ａｓｉｎωｔ、Ｖ_Ｂｓｉｎωｔを表す電気信号が出力されるので、インタフェースが、従来の技術の差動変圧装置と等しく、これによって従来の技術の差動変圧装置を、そそまま本実施の形態の変位量検出装置５０に置き換えて、変位量を検出することができる。したがって、変位量検出装置５０から出力される電気信号を用いて、変位量を測定する測定機器については、なんら変更することなく、そのまま使用することができる。

本発明の実施のさらに他の形態の変位量検出装置では、前述した各実施の形態の変位量検出装置２０，５０において、それぞれが検出対象物２１，５１を含んで構成されてもよい。

また前述の各実施の形態の変位量検出装置２０，５０における参照用コイル２５ｒは、検出対象物２１，５１との相対距離が不変となるように配置されるけれども、検出対象物２１，５１が変位したときに、相対距離が変化する位置に配置されてもよい。各検出用コイル２５ａ，２５ｂがこのように配置されたとしても、前述の各実施の形態の変位量検出装置と同様に、検出対象物２１の軸線Ｌまわりの角変位量θ、または検出対象物５１の配列方向Ｙへの変位量に相当する電気信号を出力することができる。

さらに、第１検出用コイル２５ａと、第２検出用コイル２５ｂとは、参照用コイル２５ｒの磁気軸を中心とし、半径をＲとする同心円上に９０°の間隔をあけてそれぞれ配置されるとしたけれども、１８０°以外の角度であれば、どのように配置されてもよい。各検出用コイル２５ａ，２５ｂがこのように配置されたとしても、前述の各実施の形態の変位量検出装置２０と同様に、検出対象物２１の軸線Ｌまわりの角変位量θに相当する電気信号を得ることができる。

２０，５０変位量検出装置
２１，５１検出対象物
２２発振回路
２３信号処理部
２５ａ第１検出用コイル
２５ｂ第２検出用コイル
２５ｒ参照用コイル
３１第１乗算部
３２第２乗算部
３３第１低域通過フィルタ
３４第２低域通過フィルタ
３５第１ゲート部
３６第２ゲート部
３７整流平滑回路

Claims

検出対象物との相対距離の変化に応じてインダクタンスが変化する検出用コイルをそれぞれ備え、発振周波数が前記検出用コイルのインダクタンスに依存する複数の発振回路と、
交流の予め定める電気信号が与えられ、各発振回路の発振周波数に基づいて、前記予め定める電気信号を検出対象物の変位量に相当する電気信号に変換して出力する信号処理部と、
前記検出対象物が変位してもインダクタンスが一定となる位置に設けられる参照用コイルを備え、発振周波数が参照用コイルのインダクタンスに依存する第２発振回路とを含み、
少なくとも２つの前記検出用コイルのうちの一方の検出用コイルは、他方の検出用コイルを前記検出対象物の厚み方向の一表面に対して傾斜して交わる軸線まわりに予め定める角度だけ角変位させた位置に設けられ、
前記信号処理部は、
前記各発振回路で発振した各電気信号に、前記第２発振回路で発振した電気信号をそれぞれ乗算する乗算部を有し、
前記乗算部によって得られる電気信号から、検出対象物の角変位の正弦波および余弦波をそれぞれ抽出し、抽出した正弦波および余弦波にそれぞれ基づいて、前記予め定める電気信号の一部を通過して出力することを特徴とする変位量検出装置。
前記検出対象物は、厚み方向の一表面が前記各検出用コイルに臨んで設けられ、前記一表面に対して傾斜して交わる前記軸線まわりに角変位し、
少なくとも２つの前記検出用コイルは、前記軸線まわりに予め定める間隔をあけて設けられることを特徴とする請求項１に記載の変位量検出装置。
検出対象物との相対距離の変化に応じてインダクタンスが変化する検出用コイルをそれぞれ備え、発振周波数が前記検出用コイルのインダクタンスに依存する複数の発振回路と、
交流の予め定める電気信号が与えられ、各発振回路の発振周波数に基づいて、前記予め定める電気信号を検出対象物の変位量に相当する電気信号に変換して出力する信号処理部と、
前記検出対象物が変位してもインダクタンスが一定となる位置に設けられる参照用コイルを備え、発振周波数が参照用コイルのインダクタンスに依存する第２発振回路とを含み、
少なくとも２つの前記検出用コイルは、予め定める方向に配列され、前記検出対象物の前記予め定める方向への変位に伴って、前記一方の検出用コイルを備える発振回路の発振周波数が増加するとき、前記他方の検出用コイルを備える発振回路の発振周波数が減少するように設けられ、
前記信号処理部は、
前記発振回路で発振した電気信号に、第２発振回路で発振した電気信号をそれぞれ乗算する乗算部を有し、
前記乗算部によって得られる電気信号から、前記各発振回路における発振周波数の増加および減少に応じた電圧を抽出し、抽出した電圧に基づいて、前記予め定める電気信号の一部を通過して出力することを特徴とする変位量検出装置。
前記信号処理部は、予め定める電気信号を整流して電力を取得する電力取得部を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の変位量検出装置。