JP5227350B2

JP5227350B2 - 変位量検出装置

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Publication number: JP5227350B2
Application number: JP2010043184A
Authority: JP
Inventors: 昌啓山田
Original assignee: Kawasaki Jukogyo KK
Current assignee: Kawasaki Motors Ltd
Priority date: 2010-02-26
Filing date: 2010-02-26
Publication date: 2013-07-03
Anticipated expiration: 2030-02-26
Also published as: JP2011179914A

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。

物体の変位を検出する装置として、検知コイルとコンデンサとによって構成されるタンク回路を含む近接センサがある（たとえば特許文献１参照）。検知コイルは、物体との距離に応じてインダクタンスが変化するので、物体と検知コイルとの距離に応じてタンク回路の共振周波数が変化する。近接センサは、物体と検知コイルとの距離に応じて変化するタンク回路の共振周波数に基づいて、検知コイルと物体との距離に相当する電気信号を出力している。

特開平６−１６４３５８号公報

物体と検知コイルとの距離と、タンク回路の共振周波数との関係は、温度などの環境因子に依存するので、従来の技術の近接センサによって検出される変位には、温度因子に起因する検出誤差が含まれる。

したがって本発明の目的は、環境因子の影響を受けずに検出対象物の変位量を検出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。

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コイルを備え、発振周波数が前記コイルのインダクタンスに依存する複数の発振回路と、
各コイルと検出対象物との相対距離をそれぞれ独立変数として、前記各発振回路の発振周波数を予め定める次数の多項式でそれぞれ近似し、この近似した複数の多項式を用いて前記多項式の係数を消去することによって求められる各発振回路の発振周波数と検出対象物の変位量との関係に基づいて、検出対象物の変位量に相当する電気信号を出力する信号処理部とを含み、
前記複数の発振回路の数は、前記予め定める次数に数値２を加算した数に選ばれ、
前記各発振回路は、検出対象物の予め定める方向への変位に対して、複数の発振回路のうちのいずれか１つを除く残余の発振回路の各コイルと検出対象物との相対距離が変化するように配置され、前記１つの発振回路のコイルは、検出対象物との相対距離が変化しないように配置され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、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コイルを備え、発振周波数が前記コイルのインダクタンスに依存する複数の発振回路と、
各コイルと検出対象物との相対距離をそれぞれ独立変数として、前記各発振回路の発振周波数を予め定める次数の多項式でそれぞれ近似し、この近似した複数の多項式を用いて前記多項式の係数を消去することによって求められる各発振回路の発振周波数と検出対象物の変位量との関係に基づいて、検出対象物の変位量に相当する電気信号を出力する信号処理部とを含み、
前記複数の発振回路の数は、前記予め定める次数に数値２を加算した数に選ばれ、
前記検出対象物は、厚み方向の一表面が前記各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軸線まわりに角変位し、
前記各発振回路は、検出対象物の予め定める方向への変位に対して、複数の発振回路のうちのいずれか１つを除く残余の発振回路の各コイルが前記軸線まわりに予め定める間隔をあけ、かつ検出対象物との相対距離が変化するように配置され、前記１つの発振回路のコイルは、検出対象物との相対距離が変化しないように配置され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、パルス幅変調を用いて検出対象物の変位量に相当する電気信号を出力することを特徴とする。

本発明によれば、各発振回路は、検出対象物との相対距離に応じてインダクタンスが変化するコイルを含んで構成され、発振周波数がコイルのインダクタンスに依存する。したがって、各発振回路の発振周波数は、コイルと検出対象物との相対距離に応じてそれぞれ変化する。

コイルと検出対象物との相対距離と、各発振回路の周波数との関係は、温度などの環境因子に応じて変化する。コイルと検出対象物との相対距離と、各発振回路の周波数との関係を、相対距離を独立変数とする予め定める次数の多項式で近似すると、多項式の係数が温度などの環境因子に依存する。したがって、近似した多項式を用いて発振回路の発振周波数から相対距離を算出して測定すると、環境因子に起因する測定誤差が生じる。

複数の多項式を、多項式の係数を未知数とする連立方程式と考えると、環境因子に依存して変化する係数を消去することができる。信号処理部は、環境因子に依存する係数を消去することによって得られる各発振回路の発振周波数と、検出対象物の変位量との関係に基づいて、検出対象物の変位量に相当する電気信号を出力する。したがって、環境因子に起因する測定誤差を含むことのない検出対象物の変位量の測定結果を得ることができる。

発振回路の数は、多項式の予め定める次数に２を加算した数なので、前記多項式の数も、多項式の予め定める次数に２を加算した数となる。未知数である係数の数は、予め定める次数に１を加算した数であり、求める変位量が一つなので、未知数と多項式の数が同じになる。したがって未知数の係数の数と変位量の数との合計と同じ数の多項式から成る連立方程式を解くことによって、未知数である全ての係数を消去し変位量を求めることができる。このように環境因子に依存する全ての係数を消去することによって得られる各発振回路の発振周波数と、検出対象物の変位量との関係に基づいて、信号処理部は、環境因子に起因する測定誤差を含むことのない検出対象物の変位量に相当する電気信号を出力することができる。したがって、環境因子に起因する測定誤差を含むことのない検出対象物の変位量の測定結果を得ることができる。

また本発明によれば、検出対象物は、厚み方向の一表面が前記各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軸線まわりに角変位する。また各発振回路は、検出対象物の予め定める方向への変位に対して、複数の発振回路のうちのいずれか１つを除く残余の発振回路の各コイルが前記軸線まわりに予め定める間隔をあけ、かつ検出対象物との相対距離が変化するように配置され、前記１つの発振回路のコイルは、検出対象物との相対距離が変化しないように配置される。
前記軸線まわりに検出対象物が角変位すると、複数の発振回路のうちのいずれか１つを除く残余の発振回路の各コイルの検出対象物への相対距離が変化する。検出対象物が前記軸線まわりに角変位すると、独立変数に相当する相対距離の変化量は、それぞれ多項式ごとに異なる。したがって、未知数を多項式の係数としたときに、複数の多項式は、それぞれ互いに一次独立の関係になる。このような互いにそれぞれ一次独立の多項式から成る連立方程式を解くことによって、多項式の係数を消去することができる。
このように環境因子に依存する全ての係数を消去することによって得られる各発振回路の発振周波数と、検出対象物の角変位量との関係に基づいて、信号処理部は、検出対象物の軸線まわりの角変位量に相当する電気信号を出力することができる。これによって環境因子に起因する測定誤差を含むことのない検出対象物の角変位量の測定結果を得ることができる。

また本発明によれば、信号処理部は、パルス幅変調を用いて検出対象物の変位量に相当する電気信号を出力する。すなわち検出対象物の変位量に相当するデューティー比のＰＷＭ波を出力する。信号処理部から出力されるＰＷＭ波は、高電圧のハイレベルの電気信号と低電圧のローレベルの電気信号とが交互に切換わる単純な２値の電気信号なので、電気信号が伝搬する伝送媒体を伝送するときに、アナログ信号に比べてノイズの影響を受け難い。信号処理部は、ノイズの影響を受け難い電気信号を出力することができるので、電気信号の伝送距離が長いようなシステムであっても、変位量検出装置を好適に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１の構成を模式的に示すブロック図である。検出対象物４とコイル５との相対距離と、発振回路２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４とコイル５との相対距離と、発振回路２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２を模式的に示す回路図である。変位量演算部２５の電気的構成を示すブロック図である。第１低域通過フィルタ２３、波形整形部３１、基準クロック生成部３２およびＡＮＤゲート３３からそれぞれ出力される電気信号の波形を示すタイミングチャートである。ＰＷＭ波発生部２８から出力される電気信号の波形を表す。本発明の他の実施の形態の変位量検出装置４１の構成を示す図である。検出対象物４２の平面図である。変位量演算部４４から出力される電気信号の波形を表す。

図１は、本発明の実施の一形態の変位量検出装置１の構成を模式的に示すブロック図である。図１では、理解の容易のために検出対象物４についても図示している。変位量検出装置１は、複数の発振回路２ａ，２ｂ，２ｒ（総称する場合には、添字ａ，ｂ，ｒは省略する）と、信号処理部３とを含んで構成される。検出対象物４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２は、発振周波数と同じ周波数の正弦波を出力する。発振回路２は、検出対象物４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５ａ，５ｂ，５ｒ（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。この発振回路２の発振周波数は、コイル５のインダクタンスに依存する。すなわち発振回路２から出力される正弦波の周波数は、検出対象物４とコイル５との相対距離に応じて変化する。信号処理部３は、各発振回路２から与えられる正弦波の周波数に基づいて、検出対象物４の変位量に相当する電気信号を出力する。

図２は、検出対象物４とコイル５との相対距離と、発振回路２の発振周波数との関係を説明するための図である。図３は、検出対象物４とコイル５との相対距離と、発振回路２の発振周波数との関係を模式的に示すグラフである。図３において、横軸は、検出対象物４とコイル５との相対距離を表し、縦軸は、周波数を表す。図３において実線６の曲線によって示す検出対象物４とコイル５との相対距離と、発振回路２の発振周波数との関係は、検出対象物４とコイル５との相対距離を変化させる毎に発振回路２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２の発振周波数に基づいて、検出対象物４とコイル５との相対距離を算出することができる。

検出対象物４とコイル５との相対距離と、発振回路２の発振周波数との関係は、温度などの環境因子に依存して変化する。したがって発振回路２の発振周波数に基づいて算出される相対距離に、環境因子に起因する測定誤差が含まれる。変位量検出装置１は、複数の発振回路２から出力される正弦波の周波数を用いることによって、この環境因子に起因する測定誤差を可及的に除去する。

図３において実線６の曲線によって示す検出対象物４とコイル５との相対距離と、発振回路２の発振周波数との関係を、発振周波数を従属変数ｆとし、相対距離を独立変数ｘとする有限の予め定める次数ｎ（記号「ｎ」は、自然数を表す）の多項式で近似すると、一般的に次式（１）で表される。

式（１）においてｘｏは、基準となる相対距離を表す。すなわち式（１）は、図３における実線６の曲線のｘ＝ｘｏまわりでのテイラー展開に相当する。式（１）において、係数ａｋ（記号「ｋ」は、０以上かつｎ以下の整数を表す）は、温度などの環境因子によって変動する定数である。この環境因子に依存して変動する係数ａｋを、複数の多項式を用いて消去することによって、環境因子に起因する誤差を可及的に除去する。

ｎ＋２個の発振回路２を用いると、それぞれの発振回路２について式（１）が成り立つ。係数ａｋを未知数とすると、未知の係数がｎ＋１個で求める変位量が一つであって、方程式の数がｎ＋２なので、この未知数を消去して変位量を求めることができる。本実施の形態では、変位量検出装置１は、ｎ＋２個の発振回路２を有し、予め定める次数ｎが１の場合について具体的に説明する。

式（１）において、予め定める次数ｎを１としたときの発振周波数ｆを次式（２）に示す。また図３において、式（２）で示される予め定める次数ｎを１としたときの発振周波数ｆを破線７の直線で示す。図３では、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４は、発振回路２を模式的に示す回路図である。本実施の形態の発振回路２は、タンク回路１１と、負性抵抗素子１２とを含んで構成される。タンク回路１１は、コイル５とコンデンサ１３とが並列に接続されて構成される。負性抵抗素子１２とタンク回路１１とは、並列に接続される。図４では、コイル５を理想的なコイルとして図示しているが、コイル５は、実際には抵抗成分を含む。理想的なタンク回路１１では電力が消費されないが、実際のタンク回路１１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１２によって補給されるので、タンク回路１１の共振周波数において発振が起こる。発振回路２の発振周波数は、タンク回路１１の共振周波数にほぼ一致する。このタンク回路１１の共振周波数は、コイル５のインダクタンスに依存し、このコイル５のインダクタンスは、検出対象物４との相対距離に依存する。したがって、図３に示すように、発振回路２の発振周波数は、コイル５と検出対象物４との相対距離の変化に応じて変化する。負性抵抗素子１２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。

各発振回路２から出力される正弦波に基づいて検出対象物４の変位量を算出する仕組みについて説明する。本実施の形態では、変位量検出装置１は、検出対象物４の予め定める方向への変位量を測定することができるように構成される。本実施の形態では、予め定める次数ｎを１とするので、変位量検出装置１は、ｎ＋２個、すなわち３個の発振回路２を含む。

各発振回路２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５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５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一列に等間隔をあけてそれぞれ配列される。以下、相互に隣接するコイル５の磁気軸の間隔を配列間隔ｄという。各コイル５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５が配列される方向を配列方向Ｙという。以下、３個の発振回路２の各コイル５のうちの、配列方向Ｙの一方Ｙ１の端に配置されるコイル５を参照用コイル５ｒといい、配列方向Ｙの他方Ｙ２の端に配置されるコイル５を第１検出用コイル５ａといい、配列方向Ｙの真中に配置されるコイル５を第２検出用コイル５ｂという。また参照用コイル５ｒを含む発振回路２を参照用の発振回路２ｒといい、第１検出用コイル５ａを含む発振回路２を第１発振回路２ａといい、第２検出用コイル５ｂを含む発振回路２を第２発振回路２ｂという。

検出対象物４は、たとえば棒状の略四角柱形状を有する。検出対象物４の一側面１４は、検出対象物４の延びる方向の一端１６から中央部１７まで延び、裏側の他側面１５に平行に形成される平行面１４ａと、中央部１７から検出対象物４の延びる方向の他端１８に向かうにつれて他側面１５に近接するように傾斜する傾斜面１４ｂとから成る。以下、平行面１４ａを含む仮想一平面と、傾斜面１４ｂとの成す角度θを、傾斜角θという。

検出対象物４は、検出対象物４の延びる方向が前述した配列方向Ｙに一致し、一側面１４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、第２検出用コイル５ｂの磁気軸が延びる位置に中央部１７が位置するときの検出対象物４の位置を基準位置とする。変位量検出装置１は、検出対象物４の基準位置からの配列方向Ｙへの変位量を測定する。

参照用コイル５ｒと検出対象物４との相対距離をｘｒとし、第１検出用コイル５ａと検出対象物４との相対距離をｘ１とし、第２検出用コイル５ｂと検出対象物４との相対距離をｘ２とすると、検出対象物４が基準位置から配列方向Ｙの一方Ｙ１に距離ｙ（０≦ｙ＜ｄ）変位したときの各相対距離ｘｒ，ｘ１，ｘ２は、それぞれ次式（３）で表される。ここで各相対距離ｘｒ，ｘ１，ｘ２は、具体的には各コイル５の磁気軸の延びる線上において、各コイル５の検出対象物４寄りの端部と、検出対象物４の一側面１４との間の距離である。

式（３）において定数ｘｏは、基準位置における参照用コイル５ｒと検出対象物４との相対距離を表す。式（３）に示すように、検出対象物４が配列方向Ｙに変位したときに、各コイル５は、３つのコイル５のうちの参照用コイル５ｒを除く残余の第１および第２検出用コイル５ａ，５ｂの検出対象物４への相対距離ｘ１，ｘ２が変化するように配置される。このようなコイル５の配置において検出対象物４が配列方向Ｙに変位したとき、独立変数に相当する相対距離ｘｒ，ｘ１，ｘ２の変化量は、それぞれ多項式ごとに異なる。したがって、未知数を多項式の係数としたときに、複数の多項式は、それぞれ互いに一次独立の関係になる。このような互いにそれぞれ一次独立の多項式から成る連立方程式を解くことによって、多項式の係数を消去することができる。式（３）に示すように、相対距離ｘｒは、検出対象物４の変位量ｙが０以上かつｄ未満であれば、一定である。参照用の発振回路２ｒの発振周波数をｆｒとし、第１発振回路２ａの発振周波数をｆ１とし、第２発振回路２ｂの発振周波数をｆ２として、式（３）の各相対距離ｘｒ，ｘ１，ｘ２をそれぞれ式（２）のｘに代入すると、各発振回路２の発振周波数は、次式（４）で表される。

まず係数ａ０を消去するために、ｆ１−ｆｒおよびｆ２−ｆｒを計算すると、次式（５）となる。

次に係数ａ１を消去するために、（ｆ２−ｆｒ）／（ｆ１−ｆｒ）を計算すると、次式（６）となる。

式（６）をｙに関して整理すると、変位量ｙは、次式（７）で表される。

配列間隔ｄは、既知の値なので、各発振周波数ｆｒ，ｆ１，ｆ２を求めることによって変位量ｙを算出することができる。このようにして算出される変位量ｙは、環境因子によって変動するａ０およびａ１が含まれないので、環境因子に左右されない。

信号処理部３は、各発振回路２から出力される正弦波に基づいて、検出対象物４の変位量ｙに相当する電気信号を出力する。具体的には信号処理部３は、式（７）に相当する電気信号を出力する。信号処理部３は、第１乗算部２１と、第２乗算部２２と、第１低域通過フィルタ２３と、第２低域通過フィルタ２４と、変位量演算部２５とを含んで構成される。

第１乗算部２１は、第１発振回路２ａから出力される正弦波と、参照用の発振回路２ｒ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２３に与える。次式（８）に第１低域通過フィルタ２３に与えられる電気信号を示す。

式（８）においてｔは、時間を表し、φ１は、第１発振回路２ａから出力される正弦波の初期位相を表し、φｒは、参照用の発振回路２ｒから出力される正弦波の初期位相を表す。式（８）に示すように、第１低域通過フィルタ２３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２３は、式（８）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変位量演算部２５に与える。第１低域通過フィルタ２３の遮断周波数は、式（８）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４が基準位置のときの｛（ｆ１＋ｆｒ）＋│ｆ１−ｆｒ│｝／２に選ばれる。

第２乗算部２２は、第２発振回路２ｂから出力される正弦波と、参照用の発振回路２ｒ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２４に与える。次式（９）に第２低域通過フィルタ２４に与えられる電気信号を示す。

式（９）においてφ２は、第２発振回路２ｂから出力される正弦波の初期位相を表す。式（９）に示すように、第２低域通過フィルタ２４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２４は、式（９）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変位量演算部２５に与える。第２低域通過フィルタ２４の遮断周波数は、式（９）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４が基準位置のときの｛（ｆ２＋ｆｒ）＋│ｆ２−ｆｒ│｝／２に選ばれる。

図５は、変位量演算部２５の電気的構成を示すブロック図である。図６は、第１低域通過フィルタ２３、波形整形部３１、基準クロック生成部３２およびＡＮＤゲート３３からそれぞれ出力される電気信号の波形を示すタイミングチャートである。図６において横軸は時間を表す。変位量演算部２５は、検出対象物４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。つまり変位量演算部２５は、式（７）に相当する電気信号を出力する。

変位量演算部２５は、第１周波数計測部２６と、第２周波数計測部２７と、ＰＷＭ（
Pulse Width Modulation）波発生部２８とを含んで構成される。第１周波数計測部２６は、第１低域通過フィルタ２３から与えられる周波数が│ｆ１−ｆｒ│の正弦波の周波数を計測して、ＰＷＭ波発生部２８に与える。同様に第２周波数計測部２７は、第２低域通過フィルタ２４から与えられる周波数が│ｆ２−ｆｒ│の正弦波の周波数を計測してＰＷＭ波発生部２８に与える。第１周波数計測部２６と第２周波数計測部２７とは、同様の構成を有するので、第１周波数計測部２６についてのみ説明し、重複する説明を省略する。図５において、第２周波数計測部２７の構成のうちの、第１周波数計測部２６の構成に対応する部分については、同一の参照符号を付す。

第１周波数計測部２６は、波形整形部３１と、基準クロック生成部３２と、ＡＮＤゲート３３と、計数部３４とを含んで構成される。波形整形部３１は、第１低域通過フィルタ２３から与えられる周波数が│ｆ１−ｆｒ│の正弦波を、周波数が│ｆ１−ｆｒ│の方形波に波形整形する。波形整形部３１は、たとえばシュミットトリガによって実現される。波形整形部３１は、整形した方形波をＡＮＤゲート３３に与える。基準クロック生成部３２は、周波数Ｆが│ｆ１−ｆｒ│よりも十分大きい周波数のクロック信号（Ｆ>>│ｆ１−ｆｒ│）を生成してＡＮＤゲート３３に与える。

ＡＮＤゲート３３は、波形整形部３１からの入力と基準クロック生成部３２からの入力との両方が高電圧のハイ（Ｈ）レベルのときに、ハイレベルの電気信号を出力し、波形整形部３１からの入力と基準クロック生成部３２からの入力とのうちの少なくともいずれか一方が低電圧のロー（Ｌ）レベルのときに、ローレベルの電気信号を出力する。したがって波形整形部３１から出力される電気信号がハイレベルのときに、基準クロック生成部３２から出力される電気信号がＡＮＤゲート３３を透過する。つまりＡＮＤゲート３３から出力される方形波の数は、波形整形部３１から出力される方形波がハイレベルを維持する時間を表し、ひいては第１低域通過フィルタ２３から出力される正弦波の周波数│ｆ１−ｆｒ│の逆数である周期を表す。ＡＮＤゲート３３から出力される電気信号は、計数部３４に与えられる。ここで波形整形部３１からハイレベルの信号が出力されている間に、ＡＮＤゲート３３から出力される方形波の数をＮ１とし、基準クロック生成部３２から出力されるクロック信号の時間周期をＴ（Ｔ＝１／Ｆ）とすると、第１低域通過フィルタ２３から出力される正弦波の周波数│ｆ１−ｆｒ│は、次式（１０）で表される。
│ｆ１−ｆｒ│＝１／（２×Ｔ×Ｎ１） …（10）

同様にして第２周波数計測部２７の波形整形部３１からハイレベルの信号が出力されている間に、第２周波数計測部２７のＡＮＤゲート３３から出力される方形波の数をＮ２とすると、第２低域通過フィルタ２４から出力される正弦波の周波数│ｆ２−ｆｒ│は、次式（１１）で表される。
│ｆ２−ｆｒ│＝１／（２×Ｔ×Ｎ２） …（11）

計数部３４は、ＡＮＤゲート３３から与えられえる方形波の数を計数し、計数値を表す電気信号をＰＷＭ波発生部２８に与える。計数部３４は、たとえばカウンタ回路によって実現される。本実施の形態では、計数部３４は、計数値を表すディジタル信号をＰＷＭ波発生部２８に与える。この計数部３４からＰＷＭ波発生部２８に与えられるディジタル信号は、第１低域通過フィルタ２３から出力される正弦波の周波数│ｆ１−ｆｒ│の逆数である周期を表す。

図７は、ＰＷＭ波発生部２８から出力される電気信号の波形を表す。ＰＷＭ波発生部２８には、第１周波数計測部２６から周波数│ｆ１−ｆｒ│の逆数である周期を表す電気信号が入力されるとともに、前述したように第１周波数計測部２６と同様の構成を有する第２周波数計測部２７から周波数│ｆ２−ｆｒ│の逆数である周期を表す電気信号が入力される。

ＰＷＭ波発生部２８は、第１および第２周波数計測部２６，２７から与えられるディジタル信号に基づいて、検出対象物４の配列方向Ｙへの変位量に相当する電気信号、すなわち式（７）に相当する電気信号を、ＰＷＭ波を用いて出力する。式（１０）と式（１１）とを用いて式（７）を整理すると、次式（１２）で表される。

ＰＷＭ波発生部２８は、式（１２）で表されるデューティー比のＰＷＭ波を出力する。具体的には、ＰＷＭ波発生部２８は、Ｎ１時間継続するハイ（Ｈ）レベルと、（Ｎ２−２×Ｎ１）時間継続するロー（Ｌ）レベルとが交互に切換わるＰＷＭ波を出力する。

このようにして信号処理部３から出力されるＰＷＭ波は、電線などの伝送媒体を介して他の装置に伝送される。他の装置は、伝送媒体を介して伝送されたＰＷＭ波をたとえば平滑化すると、式（１２）で表される変位量ｙを表す電気信号が得ることができる。

以上説明した本実施の形態の変位量検出装置１によれば、信号処理部３は、環境因子に依存する係数｛ａ０，ａ１｝を消去することによって得られる各発振回路２の発振周波数と、検出対象物４の変位量ｙとの関係、すなわち式（７）に基づいて、検出対象物４の変位量に相当する電気信号を出力する。したがって、環境因子に起因する測定誤差を含むことのない検出対象物４の変位量ｙの測定結果を得ることができる。

また本実施の形態の変位量検出装置１によれば、発振回路２の数は、多項式の予め定める次数ｎに２を加算した数なので、前記多項式の数も、多項式の予め定める次数ｎに２を加算した数となる。本実施の形態では、予め定める次数ｎを１としたので、発振回路２の数および多項式の数は、３となる。未知数である係数｛ａ０，ａ１｝の数は、予め定める次数に１を加算した数、すなわち２であり求める変位量が一つなので未知数と多項式の数が同じになる。したがって未知数の係数の数と同じ数の多項式から成る連立方程式を解くことによって、未知数である全ての係数｛ａ０，ａ１｝を消去して変位量を求めることができる。このように環境因子に依存する全ての係数を消去することによって得られる各発振回路２の発振周波数と、検出対象物４の変位量ｙとの関係に基づいて、信号処理部３は、環境因子に起因する測定誤差を含むことのない検出対象物４の変位量ｙに相当する電気信号を出力することができる。したがって、環境因子に起因する測定誤差を含むことのない検出対象物４の変位量ｙの測定結果を得ることができる。

また本実施の形態の変位量検出装置１によれば、信号処理部３は、パルス幅変調を用いて検出対象物４の変位量ｙに相当する電気信号を出力する。すなわち検出対象物４の変位量ｙに相当するデューティー比のＰＷＭ波を出力する。信号処理部３から出力されるＰＷＭ波は、高電圧のハイレベルの電気信号と低電圧のローレベルの電気信号とが交互に切換わる単純な２値の電気信号なので、電気信号が伝搬する伝送媒体を伝送するときに、アナログ信号に比べてノイズの影響を受け難い。信号処理部３は、ノイズの影響を受け難い電気信号を出力することができるので、電気信号の伝送距離が長いようなシステムであっても、変位量検出装置１を好適に用いることができ、検出した変位量ｙを正確に他の装置に伝えることができる。

図８は、本発明の他の実施の形態の変位量検出装置４１の構成を示す図である。図９は、検出対象物４２の平面図である。本実施の形態の変位量検出装置４１は、前述の実施の形態の変位量検出装置１と異なり、検出対象物４２の角変位量を測定する。本実施の形態の変位量検出装置４１は、前述の実施の形態の変位量検出装置１と、各コイル４３の配置関係が異なるとともに、変位量演算部４４の出力するＰＷＭ波が異なる。本実施の形態の変位量検出装置４１の各構成のうちの各コイル４３および変位量演算部４４を除く各構成については、前述の実施の形態の変位量検出装置１と同様の構成であるので、同一の参照符号を付して重複する説明を省略する。図８では、変位量検出装置４１に加えて検出対象物４２を示している。また参照用コイル４３ｒと、第２検出用コイル４３ｂとは、図８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。

第１検出用コイル４３ａと第２検出用コイル４３ｂとは、各コイル４３が配置されるプリント配線基板の一表面上において、参照用コイル４３ｒ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。

検出対象物４２は、本実施の形態では円板形状を有する。検出対象物４２は、厚み方向の一表面４２ａが各コイル４３に臨んで設けられ、一表面に対して傾斜して交わる軸線（以下、回転軸線という）Ｌまわりに角変位可能に配置される。検出対象物４２は、回転軸線Ｌが参照用コイル４３ｒの磁気軸の延びる直線上に配置され、厚み方向の一表面４２ａが回転軸線Ｌに対して垂直な状態から角度φ傾けた状態で配置される。また検出対象物４２の中心は、したがって参照用コイル４３ｒと検出対象物４２との相対距離ｘｒは、検出対象物４２が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４３ａと検出対象物４２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４２の基準位置という。基準位置からの検出対象物４２の回転軸線Ｌまわりの角変位量をθとすると、参照用コイル４３ｒと検出対象物４２との相対距離ｘｒ、第１検出用コイル４３ａと検出対象物４２との相対距離ｘ１、および第２検出用コイル４３ｂと検出対象物４２との相対距離ｘ２は、それぞれ次式（１３）で表される。

前述の実施の形態と同様に、参照用の発振回路２ｒの発振周波数をｆｒとし、第１発振回路２ａの発振周波数をｆ１とし、第２発振回路２ｂの発振周波数をｆ２として、式（１３）の各相対距離ｘｒ，ｘ１，ｘ２をそれぞれ式（２）のｘに代入すると、各発振回路２の発振周波数は、次式（１４）で表される。

式（１４）においてａ１（−Ｒ×ｔａｎφ）を不変な定数としてＡとおいた。式（１４）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。このａ０およびＡを消去するために、まずｆ１−ｆｒおよびｆ２−ｆｒを計算すると、ａ０が相殺して次式（１５）となる。

次にＡを消去するために、（ｆ２−ｆｒ）／（ｆ１−ｆｒ）を計算すると、次式（１６）となる。

式（１０）と式（１１）とを用いて式（１６）を整理すると、式（１６）は次式（１７）で表される。

図１０は、変位量演算部４４から出力される電気信号の波形を表す。変位量演算部４４のＰＷＭ波発生部２８は、検出対象物４２の角変位量θに相当する電気信号、すなわち式（１７）に相当する電気信号を、ＰＷＭ波を用いて出力する。具体的には、たとえばＰＷＭ波発生部２８は、Ｎ１時間継続するハイ（Ｈ）レベルと、Ｎ２時間継続するロー（Ｌ）レベルとが交互に切換わるＰＷＭ波を出力する。このＰＷＭ波を平滑化すると、次式（１８）で表す電気信号が得られる。この電気信号から、角変位量θを算出することができる。

以上説明した本実施の形態の変位量検出装置４１によれば、検出対象物４２が、プリント配線基板の一表面に垂直な軸線に対して、検出対象物４２の回転軸線Ｌが角度φ傾けた状態で回転軸線Ｌまわりに角変位するときに、各コイル４３は、３つのコイル４３のうちの参照用コイル４３ｒを除く残余の第１および第２検出用コイル４３ａ，４３ｂの検出対象物４２への相対距離ｘ１，ｘ２が変化するように配置される。このようなコイル４３の配置において検出対象物４が回転軸線Ｌまわりに変位したとき、独立変数に相当する相対距離ｘｒ，ｘ１，ｘ２の変化量は、それぞれ異なる。したがって、未知数を多項式の係数としたときに、複数の多項式は、それぞれ互いに一次独立の関係になる。このような互いにそれぞれ一次独立の多項式から成る連立方程式を解くことによって、多項式の係数を消去することができる。このように環境因子に依存する全ての係数｛ａ０，ａ１｝を消去することによって得られる各発振回路２の発振周波数と、検出対象物４２の角変位量θとの関係に基づいて、信号処理部３は、検出対象物４２の回転軸線Ｌまわりの角変位量θに相当する電気信号を出力することができる。これによって環境因子に起因する測定誤差を含むことのない検出対象物４２の角変位量θの測定結果を得ることができる。

前述の各実施の形態の変位量検出装置１，４１では、発振回路２から出力される正弦波の周波数の差分（│ｆ１−ｆｒ│，│ｆ２−ｆｒ│）を検出するように構成されるけれども、各発振回路２からそれぞれ出力される正弦波の周波数（ｆｒ，ｆ１，ｆ２）をそれぞれ独立に検出する構成であってもよい。このような構成であっても、検出した周波数（ｆｒ，ｆ１，ｆ２）を式（７）または式（１６）に代入することによって、配列方向Ｙへの変位量ｙまたは回転軸線Ｌまわりの角変位量θを得ることができる。

また前述の各実施の形態の変位量検出装置１，４１では、式（１）に示す多項式の予め定める次数ｎを１とし、３つの発振回路２を備える構成としたが、予め定める次数ｎを２以上の整数とし、予め定める次数ｎに２を加算した数の発振回路２を備える構成にしてもよい。このような構成であっても、多項式の数が予め定める次数ｎに２を加算した数なので、これらの多項式を用いて未知数であるｎ＋１個の係数｛ａ０，ａ１，ａ２，…，ａｎ｝を消去して残り一つの変数である変位量を求めることができる。これによって、前述の各実施の形態の変位量検出装置１，４１と同様に、環境因子に起因する測定誤差を含まない配列方向Ｙへの変位量ｙまたは回転軸線Ｌまわりの角変位量θの測定結果を得ることができる。さらに、予め定める次数ｎを２以上の整数とすることによって、図３に実線６の曲線で示す相対距離と発振周波数との関係を、曲線で近似するので、前述の各実施の形態の変位量検出装置１，４１のように直線で近似する場合に比べて、相対距離と発振周波数との関係をより正確に近似することができる。このように、相対距離と発振周波数との関係をより正確に近似した多項式を用いて検出対象物４の配列方向Ｙへの変位量ｙまたは検出対象物４２の回転軸線Ｌまわりの角変位量θを算出するので、より正確に前記変位量ｙまたは角変位量θを測定することができる。

また前述の各実施の形態の変位量検出装置１，４１は、予め定める次数ｎに２を加算した数の発振回路２を含んで構成されるとしたけれども、発振回路２の数を予め定める次数ｎに無関係に２以上の整数とする構成にしてもよい。このような構成であっても、発振回路２の数と同数の多項式から成る連立方程式が構成されるので、未知数である係数のうちの、発振回路２の数と同数の係数を消去することができる。たとえば予め定める次数ｎを１とし、発振回路２の数を２とする構成の場合には、２つの係数｛ａ０，ａ１｝のうちのいずれか一方を消去することができる。このような構成によって、少なくとも１つの発振回路２を用いて変位量ｙまたは角変位量θを測定する場合に比べて、環境因子に起因する測定誤差の少ない変位量ｙまたは角変位量θの測定結果を得ることができる。

また前述の各実施の形態の変位量検出装置１，４１における参照用コイル５ｒ，４３ｒは、検出対象物４，４２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４，４２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。さらに、第１検出用コイル４３ａと、第２検出用コイル４３ｂとは、参照用コイル４３ｒ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。各コイル５，４３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１，４１と同様に、検出対象物４の配列方向Ｙへの変位量ｙまたは検出対象物４２の回転軸線Ｌまわりの角変位量θを得ることができる。

１，４１変位量検出装置
２発振回路
３信号処理部
４，４２検出対象物
５，４３コイル
１１タンク回路
２１第１の乗算部
２２第２の乗算部
２３第１低域通過フィルタ
２４第２低域通過フィルタ
２５，４４変位量演算部
２６第１周波数計測部
２７第２周波数計測部
２８ＰＷＭ波発生部
３１波形整形部
３２基準クロック生成部
３３ＡＮＤゲート
３４計数部

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コイルを備え、発振周波数が前記コイルのインダクタンスに依存する複数の発振回路と、
各コイルと検出対象物との相対距離をそれぞれ独立変数として、前記各発振回路の発振周波数を予め定める次数の多項式でそれぞれ近似し、この近似した複数の多項式を用いて前記多項式の係数を消去することによって求められる各発振回路の発振周波数と検出対象物の変位量との関係に基づいて、検出対象物の変位量に相当する電気信号を出力する信号処理部とを含み、
前記複数の発振回路の数は、前記予め定める次数に数値２を加算した数に選ばれ、
前記各発振回路は、検出対象物の予め定める方向への変位に対して、複数の発振回路のうちのいずれか１つを除く残余の発振回路の各コイルと検出対象物との相対距離が変化するように配置され、前記１つの発振回路のコイルは、検出対象物との相対距離が変化しないように配置されることをむことを特徴とする変位量検出装置。
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コイルを備え、発振周波数が前記コイルのインダクタンスに依存する複数の発振回路と、
各コイルと検出対象物との相対距離をそれぞれ独立変数として、前記各発振回路の発振周波数を予め定める次数の多項式でそれぞれ近似し、この近似した複数の多項式を用いて前記多項式の係数を消去することによって求められる各発振回路の発振周波数と検出対象物の変位量との関係に基づいて、検出対象物の変位量に相当する電気信号を出力する信号処理部とを含み、
前記複数の発振回路の数は、前記予め定める次数に数値２を加算した数に選ばれ、
前記検出対象物は、厚み方向の一表面が前記各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軸線まわりに角変位し、
前記各発振回路は、検出対象物の予め定める方向への変位に対して、複数の発振回路のうちのいずれか１つを除く残余の発振回路の各コイルが前記軸線まわりに予め定める間隔をあけ、かつ検出対象物との相対距離が変化するように配置され、前記１つの発振回路のコイルは、検出対象物との相対距離が変化しないように配置されることを特徴とする変位量検出装置。
前記信号処理部は、パルス幅変調を用いて検出対象物の変位量に相当する電気信号を出力することを特徴とする請求項１または２に記載の変位量検出装置。