JP6931487B2 - 変位検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、位置検出用のコイルを自励発振回路のインダクタンス要素として組み込んだ構成からなる変位検出装置に関し、微小変位センサ、直線位置センサ、回転位置センサ、傾斜センサ、圧力センサ、歪みセンサ、荷重センサ、２次元位置センサ、トルクセンサなど任意のタイプの位置の変位検出に応用可能なものである。

コイル（インダクタンス要素）を検出要素として使用する位置検出装置は従来から様々なタイプのものが知られている。その種の多くの位置検出装置においては、コイル励磁のための交流信号源を専用に具備し、該交流信号源から発生された交流信号をコイルに印加することで該コイルを交流励磁する。従来公知の誘導型位置検出装置には、例えば下記特許文献１及び２に示されたようなものがあり、１次コイルと２次コイルを備え、交流信号で１次コイルを励磁し、これに応じた２次出力信号を２次コイルに誘導するように構成され、検出対象位置に応じて変位する磁気応答部材（例えば鉄あるいは銅等）のコイルに対する相対的変位に応じて２次コイルのインダクタンスを変化させ、位置に応じた出力信号を生じる。この場合、１次コイルを励磁するための交流信号を発振するための発振回路が、コイルとは別に設けられる。

これに対して、ＬＣ発振回路の原理を利用して、検出要素としてのコイルを自励発振回路のインダクタンス要素として組み込むことにより、専用の励磁用交流信号源を不要にした近接センサも知られている（例えば特許文献３）。この種の自励発振型の近接センサは、専用の励磁用交流信号源を設ける必要がないため、装置構成を小型化することができるので有利である。しかし、自励発振回路におけるインダクタンス変化量が少ない場合には、正確な検出を行うことが困難であった。例えば、鉄等の磁気応答素材を変位部材として具備して自励発振型の位置検出装置を構成する場合、従来技術にあっては、装置の小型化更には微小化を実現することが困難であった。

特開平９−５３９０９号公報 特開平１０−１５３４０２公報 特開平１０−１７３４３７号公報

本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、精度の良い変位検出装置を提供しようとするものであり、更には、小型化を促進することができる構成からなる変位検出装置を提供しようとするものである。

本発明に係る変位検出装置は、コイルと、検出対象位置に応じて前記コイルに対して変位するように配置された磁気応答部材と、前記コイルを発振要素として組み込み、該コイルに対する前記磁気応答部材の変位に応じた該コイルのインダクタンス変化に応じて発振周波数が変化する自励発振回路と、前記自励発振回路の発振出力信号に基づき該自励発振回路の発振周波数に対応する計測値をデジタルの原初的位置検出データとして生成し、前記原初的位置検出データの時間的差分値をデジタル的に演算することにより速度データを生成し、該速度データを積分することにより変位データを求めるように構成された、演算部とを備える。

本発明によれば、コイルのインダクタンス変化に応じた自励発振回路の発振周波数に対応する計測値をデジタルの原初的位置検出データとして生成し、前記原初的位置検出データの時間的差分値をデジタル的に演算することにより速度データを生成し、該速度データを積分することにより位置データを算出する構成であるから、速度データを求める際の差分演算によって、温度あるいは位置検出装置の機械的取り付け位置などに起因するオフセット成分を自動的にキャンセル若しくは軽減することができる。従って、精度の良い位置検出装置を提供することができる。また、速度データを求める際の差分演算の時間差を適宜に設定することにより、速度データの値を拡大することができ、該速度データの積分演算によって得られる位置データのダイナミックレンジ若しくはスケールを適宜に拡大するように調整することができる。従って、検出対象が微小変位であっても、大きな値からなる位置データを得ることができ、微小変位の検出に適した位置検出装置を提供することができる。また、位置検出要素であるコイルを自励発振回路のインダクタンス要素として組み込むことにより、全体としての装置規模を小型化することができ、その意味でも微小変位の検出に適した小型の変位検出装置を提供することができる。

本発明の一実施例に係る位置検出装置の構成を示すブロック図。 図１における自励発振回路の構成例を示す回路図。 図１における演算部の動作例を説明する図。 本発明の変位検出装置の別の実施例を示すブロック図。 （ａ）は本発明の変位検出装置を振動センサに適用した実施例におけるコイルと磁気応答部材の組み合わせの一例を示す斜視図、（ｂ）は振動センサに適用した実施例におけるコイルと磁気応答部材の組み合わせの別の一例を示す側面図。 本発明に係る変位検出装置を傾斜センサに応用した一例を示す正面略図。 本発明に係る変位検出装置を２次元センサに応用した一例を示す平面略図。 本発明に係る変位検出装置を適用した別の２次元センサの略図。 本発明に係る変位検出装置を圧力センサに応用した一例を示す側面略図。 本発明に係る変位検出装置をリニアセンサに応用した一例を示す略図。 本発明に係る変位検出装置をトルクセンサに応用した一例を示し、（ａ）はトルクセンサの側断面図、（ｂ）は磁気応答部材の分解斜視図、（ｃ）はコイルの配置を示す正面図。

図１は、本発明の一実施例に係る位置検出装置の構成を示すブロック図である。図において、変位検出装置は、１つのコイル１１と、検出対象位置（機械的変位）に応じて該コイル１１に対して相対的に変位するように非接触的に近接配置された磁気応答部材１２と、該コイル１１を発振要素として組み込み、該コイル１１に対する該磁気応答部材１２の変位に応じた該コイル１１のインダクタンス変化に応じて発振周波数が変化する自励発振回路１３と、前記自励発振回路１３の発振出力信号に基づき前記検出対象位置に応じた位置データを求めるための演算部１４とを備える。演算部１４は、前記自励発振回路１３の発振出力信号に基づき発振周波数に応じた計測値をデジタルで生成し、該計測値の時間的差分値を速度データとしてデジタル的に求め、該速度データをデジタル的に積分することにより変位データ（位置データ）を求めるように構成されている。

図２は、コイル１１を自励発振用インダクタンス要素として組み込んだ自励発振回路１３の一例を示す。自励発振回路１３は、並列ＬＣ回路２１と増幅器２２とで構成されたコルピッツ型発振回路である。並列ＬＣ回路２１は、自励コイルとして機能する前記コイル１１と、コンデンサ２３，２４とからなる。増幅器２２は、増幅素子としてのトランジスタ２５と、電源−コレクタ間の抵抗２６、エミッタ−接地間の抵抗２７、ベース電圧設定用の抵抗２８，２９を含む。なお、増幅素子は、トランジスタに限らず、ＦＥＴあるいはオペアンプ等任意の反転増幅素子を用いてよい。増幅器２２の入力端子ＩＮ（ベース入力）に並列ＬＣ回路２１の一方のコンデンサ２３とコイル１１の接続点の信号が入力し、増幅器２２の出力端子ＯＵＴ（コレクタ出力）が並列ＬＣ回路２１の他方のコンデンサ２４とコイル１１の接続点に入力する。この例では、発振出力信号は、増幅器２２の入力端子ＩＮ（ベース入力）から取り出されることができる。なお、自励発振回路２０の基本構成は、図示のようなコルピッツ型発振回路に限らず、ハートレイ型発振回路、その他ＲＬＣによる発振回路であってもよい。

図１に戻り、演算部１４は、前記自励発振回路１３の発振出力信号に基づき発振周波数に応じた計測値を生成するための手段として、発振周期計測ステップ３０を含む。この場合、例えば、発振周波数の周期をカウントし易いように、前記発振出力信号を適宜分周することにより、拡張した周期を持つ矩形波信号を生成し、該矩形波信号が持つ拡張した周期をカウントすることにより、前記発振周波数に応じた計測値を生成するとよい。検出対象位置に応じた前記コイル１１の変位に応じて自励発振回路１３のインダクタンスが変化し、その発振周波数が変化するので、ステップ３０で求められる計測値は、検出対象変位を原初的に表現するものである。

次のステップ３１では、前記ステップ３０で求めた前記計測値の時間的差分値をデジタル的に求めることにより速度データＶｄを算出する。次に、ステップ３２では、前記ステップ３１で求めた速度データＶｄを積分することにより位置データ（すなわち変位データ）Ｌｄを算出する。ステップ３２で求められた位置データ（変位データ）Ｌｄが、位置検出信号（変位検出信号）として出力される。

このように、ステップ３１で速度データＶｄを一旦求め、ステップ３２で該速度データＶｄを積分することにより位置データＬｄを算出する構成であるから、温度あるいは位置検出装置の機械的取り付け位置などに起因するオフセット成分を自動的にキャンセル若しくは軽減することができる。例えば、ステップ３０で求めた前記計測値にそのようなオフセット成分が含まれていても、検出対象が静止しているときは、ステップ３１において得られる速度データＶｄの値は０であるから、オフセット成分が自動的にキャンセルされる。また、検出対象軸等に位置検出装置を機械的に取り付ける時の取り付け原点設定も容易に行える。すなわち、取り付け時は検出対象が静止しているので、速度データＶｄの値は０であるから、任意の取り付け位置をそのまま原点として定めてよい。更に、検出対象が動いているときも、誤差又はオフセット成分が自動的にキャンセルされる。例えば、誤差又はオフセット成分をσで表し、前記ステップ３０で求めた前記計測値の時点ｔ０における値をＸ０、時点ｔ１における値をＸ１で示し、それぞれの時点ｔ０，ｔ１における検出対象位置に対応する正しい計測値成分をａ０，ａ１で示すと、前記ステップ３１で求められる、時点ｔ０，ｔ１間の前記計測値Ｘ０，Ｘ１の差分値（速度データＶｄ）は、
Ｖｄ＝Ｘ１−Ｘ０＝（ａ１＋σ）−（ａ０＋σ）＝ａ１−ａ０
となり、時点ｔ０，ｔ１間における検出対象位置の正しい差分（速度データＶｄ）を示す。このような差分値（速度データＶｄ）を前記ステップ３２で積分することにより、誤差成分σを除去した精度の良い位置データＬｄを得ることができる。従って、本発明によれば、誤差又はオフセット成分σを自動的に除去した精度の良い位置検出を行うことができる。

また、本発明によれば、前記ステップ３１で行う差分演算の時間差を適宜に設定することが可能である。これにより、検出対象の変位に応じたインダクタンス変動に対して微小な発振周波数変化しか示さないような自励発振回路１３を使用する位置検出装置においても、大きなダイナミックレンジで（若しくは拡大された数値スケールで）速度データＶｄ及び位置データＬｄを生成することができ、自励発振回路１３を使用して装置構成を小型化した位置検出装置において、精度の良い位置検出を行うことができる。また、検出対象位置の変化範囲が微小であっても、大きなダイナミックレンジで（若しくは拡大された数値スケールで）速度データＶｄ及び位置データＬｄを生成することができるので、微小変位の検出に適した位置検出装置を提供することができる。以下、図３を参照して、この点について詳しく説明する。

図３（ａ）において、時間的に変化する検出対象位置に応じて前記ステップ３０で求められる前記計測値（つまり、原初的位置検出データ）の一例を実線Ｆ１で示し、この実線Ｆ１で示される前記計測値（原初的位置検出データ）を３種の異なる時間差で差分演算（微分）することによって得られる速度データＶｄの一例をそれぞれ破線Ｆ２、一点鎖線Ｆ３、二点鎖線Ｆ４で示す。この例では、破線Ｆ２で示される速度データＶｄは時間差「１」で前記計測値（原初的位置検出データ）を差分演算することによって得られ、一点鎖線Ｆ３で示される速度データＶｄはその５倍の時間差「５」で前記計測値（原初的位置検出データ）を差分演算することによって得られ、二点鎖線Ｆ４で示される速度データＶｄはその１０倍の時間差「１０」で前記計測値（原初的位置検出データ）を差分演算することによって得られる。図示例において、時刻ｔ０とｔ１の差をα（秒）とすると、時間差「１」の差分演算とは、或る時点の前記計測値（原初的位置検出データ）Ｘ（０）に対する、それよりα（秒）前の時点の前記計測値（原初的位置検出データ）Ｘ（−１）を求めることからなり、時間差「５」の差分演算とは、或る時点の前記計測値（原初的位置検出データ）Ｘ（０）に対する、それより５α（秒）前の時点の前記計測値（原初的位置検出データ）Ｘ（−５）を求めることからなり、また、時間差「１０」の差分演算とは、或る時点の前記計測値（原初的位置検出データ）Ｘ（０）に対する、それより１０α（秒）前の時点の前記計測値（原初的位置検出データ）Ｘ（−１０）を求めることからなる。

図３（ａ）において、実線Ｆ１で示される前記計測値（原初的位置検出データ）は、時刻ｔ０からｔ１０までの間で勾配「１」で直線的に変化し、ｔ１０以降は一定値（１０）を維持する。破線Ｆ２で示される速度データＶｄは、時刻ｔ０からｔ１までの間で勾配「１」で直線的に変化し、時刻ｔ１からｔ１０までの間で値「１」を維持し、以後は「０」である。一点鎖線Ｆ３で示される速度データＶｄは、時刻ｔ０からｔ５までの間で勾配「１」で直線的に変化し、時刻ｔ５からｔ１０までの間で値「５」を維持し、時刻ｔ１０からｔ１５までの間で勾配「−１」で直線的に変化し、以後は「０」である。二点鎖線４で示される速度データＶｄは、時刻ｔ０からｔ１０までの間で勾配「１」で直線的に変化し、時刻ｔ１０からｔ２０までの間で勾配「−１」で直線的に変化し、以後は「０」である。このように、前記ステップ３１で行う差分演算の時間差が長くなると、差分演算によって得られる速度データＶｄのダイナミックレンジ（若しくは数値スケール）が広がり、速度データＶｄが大きな値で得られる。

図３（ａ）で破線Ｆ２、一点鎖線Ｆ３、二点鎖線Ｆ４で示した各速度データＶｄの積分値（位置データＬｄ）は、それぞれ図３（ｂ）で破線Ｆ２ｉ、一点鎖線Ｆ３ｉ、二点鎖線Ｆ４ｉで示すような特性を示すものとなる。なお、図３（ｂ）の縦軸は、図３（ａ）の縦軸の１／１０のスケールで、縮小して示してある。図３（ａ）において実線Ｆ１で示された、同じ検出対象位置に応じた計測値（原初的位置検出データ）に対して、図３（ｂ）において破線Ｆ２ｉ、一点鎖線Ｆ３ｉ、二点鎖線Ｆ４ｉで示すように、異なるダイナミックレンジ（若しくはスケール）特性を示す位置データＬｄが得られることになる。例えば、実線Ｆ１で示された検出対象位置に応じた計測値（原初的位置検出データ）の値が略「１０」で安定したとき、破線Ｆ２ｉで示された位置データＬｄの値は略「１０」、一点鎖線Ｆ３ｉで示された位置データＬｄの値は略「５０」、二点鎖線Ｆ４ｉで示された位置データＬｄの値は略「１００」となる。つまり、ステップ３０で求めた発振周波数に基づく計測値（原初的位置検出データ）に対して、破線Ｆ２ｉで示された位置データＬｄは同程度のスケールで、一点鎖線Ｆ３ｉで示された位置データＬｄは略５０倍のスケールで、二点鎖線Ｆ４ｉで示された位置データＬｄは略１００倍のスケールで、表される。これは、積分に際しての増分値（Ｖｄの値）がそれぞれ異なるからである。検出対象の動きが微小変位である場合、ステップ３０で求められる計測値（原初的位置検出データ）の変化幅（ダイナミックレンジ）が小さいが、二点鎖線Ｆ４ｉで示されたもののように大きなスケール（ダイナミックレンジ）で拡大された位置データＬｄが得られるように、前記ステップ３１で行う差分演算の時間差を適切に設定することにより、精度の良い位置検出を行うことができる。

このように、前記ステップ３１で行う差分演算の時間差を適宜に設定することにより、前記ステップ３２で行う積分演算によって得られる位置データＬｄのダイナミックレンジを適宜に拡大するように調整することができる。従って、検出対象の微小変位（あるいはステップ３０の計測値（原初的位置検出データ）が示す微小変位）を大きなダイナミックレンジの位置データＬｄとして検出することができ、かつ、検出装置の構造そのものが小型化に適している（１つのコイル１１を自励発振回路１３に組み込んだ簡素な構造）ので、微小変位検出に適したあるいは小型化に適した変位検出装置を提供することができる。なお、前記ステップ３１で行う差分演算の時間差の設定を、ユーザが可変調整できるように構成してもよいし、あるいは、変位検出装置の応用目的に応じてファクトリーセットで予め調整するようにしてもよい。

図４は、演算部１４において更に加速度データを求めることができるようにした実施例を示す。ステップ３３では、前記ステップ３１で求めた速度データＶｄを更に微分（差分演算）することにより加速度データＡｄを算出する。ステップ３３で行う差分演算の時間差は、前記ステップ３１で行う差分演算の時間差と同様に設定してよい。図３（ｃ）は、図３（ａ）に示す速度データＶｄに対応してステップ３３で得られる加速度データＡｄの一例を示す。図３（ａ）で破線Ｆ２、一点鎖線Ｆ３、二点鎖線Ｆ４で示した各速度データＶｄの微分値（加速度データＡｄ）は、それぞれ図３（ｃ）で破線Ｆ２ａ、一点鎖線Ｆ３ａ、二点鎖線Ｆ４ａで示すような特性を示すものとなる。図３（ｃ）の縦軸は、図３（ａ）の縦軸のスケールよりも幾分縮小して示してある。図３（ｃ）において、破線Ｆ２ａで示される加速度データＡｄは時間差「１」で破線Ｆ２の速度データＶｄを差分演算することによって得られ、一点鎖線Ｆ３ａで示される加速度データＡｄはその５倍の時間差「５」で一点鎖線Ｆ３の速度データＶｄを差分演算することによって得られ、二点鎖線Ｆ４ａで示される加速度データＡｄはその１０倍の時間差「１０」で二点鎖線Ｆ４の速度データＶｄを差分演算することによって得られる。

このように、前記ステップ３１で行う差分演算の時間差に合わせて前記ステップ３３で行う差分演算の時間差を適宜に設定することにより、前記ステップ３３で得られる加速度データＡｄのダイナミックレンジを更に拡大するように調整することができる。従って、検出対象の微小変位（あるいはステップ３０の計測値（原初的位置検出データ）が示す微小変位）を大きなダイナミックレンジの加速度データＡｄとして検出することができ、かつ、検出装置の構造そのものが小型化に適している（１つのコイル１１を自励発振回路１３に組み込んだ簡素な構造）ので、微小変位に基づく加速度検出に適したあるいは小型化に適した位置（加速度）検出装置を提供することができる。

図４に示されるように、更にステップ３４を設け、前記ステップ３３で求めた加速度データＡｄを積分することにより速度データＶｄ’を算出するようにしてもよい。これにより、前記ステップ３１で求めた速度データＶｄよりもダイナミックレンジ（スケール）の大きな速度データＶｄ’をステップ３４で算出することができる。一例として、図３（ｄ）に示す二点鎖線Ｆ４ａｉは、図３（ｂ）に示す二点鎖線Ｆ４ａの加速度データＡｄを積分することにより得られる速度データＶｄ’を示す。図３（ｄ）の縦軸は、図３（ｃ）の縦軸のスケールよりも更に縮小して示してある。

以上のような基本原理からなる本発明に係る位置検出装置は、位置検出、速度検出、加速度検出は勿論のこと、その他の種々の用途に応用することができる。

図５は、本発明に係る位置検出装置を振動センサ（又は衝撃センサ）に応用した一例を示し、（ａ）は、振動センサ（又は衝撃センサ）としての前記コイル１１と磁気応答部材１２の組み合わせの一例を示す斜視図である。図５（ａ）の例においては、フラットコイルからなるコイル１１が固定部１５に固定され、磁性材質又は非磁性かつ導電材質からなる板バネ状の可動部１６が磁気応答部材１２として機能する。検出対象である機械的振動（変位）に応じて板バネ状の可動部１６が振動（変位）し、コイル１１と該可動部１６とのギャップが変化することにより、該機械的振動（変位）に応じたインダクタンス変化がコイル１１に生じる。この場合、例えば、前記演算部１４で得た位置データＬｄを振動検出信号として適宜の振動判定回路（図示せず）に供給し、該振動判定回路において該振動検出信号が所定閾値より大きいと判定したとき、該所定閾値以上の振動又は衝撃が生じことを検出するように構成するとよい。あるいは、前記演算部１４で得た速度データＶｄ、加速度データＡｄ又は速度データＶｄ’を適宜の判定回路（図示せず）に供給し、該判定回路において該データが所定閾値より大きいと判定したとき、該所定閾値以上の振動又は衝撃が生じことを検出するように構成してもよい。

図５（ｂ）は、振動センサ（又は衝撃センサ）としての前記コイル１１と磁気応答部材１２の組み合わせの別の一例を示す側面図である。図５（ｂ）の例においては、フラットコイルからなるコイル１１が固定部１５に固定され、フラットコイルの一面に対向して磁性材質からなる板バネ状の第１可動部１７が配置され、該フラットコイルの他面に対向して非磁性かつ導電材質からなる板バネ状の第２可動部１８が配置され、両可動部１７及び１８が磁気応答部材１２として機能する。この場合も、検出対象である機械的振動（変位）に応じて板バネ状の第１及び第２可動部１７、１８が振動（変位）し、コイル１１と該第１及び第２可動部１７、１８とのギャップが変化することにより、該機械的振動（変位）に応じたインダクタンス変化がコイル１１に生じる。なお、この構成においては、検出対象である機械的振動（変位）に応じて一方の磁性可動部１７がコイル１１に近づくとき他方の非磁性可動部１８がコイル１１から遠ざかる、というようにプッシュプルで変位することにより、コイル１１に生じるインダクタンスが相加的に変化し、検出精度が向上する。振動又は衝撃の判定の仕方は、上述と同様に行うようにしてよい。

図６は、本発明に係る位置検出装置を傾斜センサに応用した一例を示す正面略図である。この例においては、フラットコイルからなるコイル１１が固定部２１に固定され、磁性材質又は非磁性かつ導電材質からなる揺動部２０が前記磁気応答部材１２として機能する。揺動部２０は、枢動軸２０ａの回りで揺動可能に取り付けられている。検出対象の傾きに応じて揺動部２０がコイル１１に対して変位し、これに応じた位置データＬｄが前記演算部１４から得られる。この場合、得られた位置データＬｄに基づき検出対象の傾斜量を示す情報を生成するようにしてもよいし、あるいは得られた位置データＬｄを適宜の判定回路（図示せず）に供給し、該判定回路において該位置データＬｄが所定閾値より大きいと判定したとき、該所定閾値以上の傾斜が生じことを検出するように構成してもよい。

図７は、本発明に係る位置検出装置を２次元センサに応用した一例を示す平面略図である。この例においては、フラットコイルからなる複数のコイル１１−１，１１−２．１１−３，・・・が固定面２２上に２次元的に配置され、磁性材質又は非磁性かつ導電材質からなる磁気応答部材１２が固定面２２上に配置されたコイル１１−１，１１−２．１１−３，・・・に対して非接触的に近接配置され、磁気応答部材１２が該コイル１１−１，１１−２．１１−３，・・・に対して２次元的に変位する。各コイル１１−１，１１−２．１１−３，・・・毎に前記自励発振回路１３と前記演算部１４が設けられ、各コイル１１−１，１１−２．１１−３，・・・のインダクタンスに応じた位置データＬｄがそれぞれに対応する前記演算部１４から得られる。これら各演算部１４から得られるコイル毎の位置データＬｄの組合せによって、検出対象の２次元位置が特定される。なお、各コイル１１−１，１１−２．１１−３，・・・毎に前記自励発振回路１３と前記演算部１４を設けることなく、１つの自励発振回路１３内に複数のコイル１１−１，１１−２．１１−３，・・・を組み込み、かつコイル切り替え回路を付加して設け、該コイル切り替え回路によって該自励発振回路１３において使用するコイルをいずれか１つに時分割的に選択接続するように構成してもよい。その場合、演算部１４も、自励発振回路１３におけるコイルの時分割的選択に同期して複数チャンネル（各コイル１１−１，１１−２．１１−３，・・・毎のチャンネル）で時分割動作するように構成すればよい。

図８は、本発明に係る位置検出装置を適用した別の２次元センサの略図である。この場合、磁気応答部材１２は円筒状の可動部材として構成され、その周囲において複数のコイル１１−１，１１−２．１１−３，・・・が固定的に配置される。円筒状の磁気応答部材１２の軸線に垂直な面に沿う２次元的変位に応じて、各コイル１１−１，１１−２．１１−３，・・・のインダクタンスが変化する。上述と同様に、各コイル１１−１，１１−２．１１−３，・・・毎に前記自励発振回路１３と前記演算部１４が設けられ（又はコイル切り替え回路を付加して１つの自励発振回路１３と前記演算部１４を複数チャンネルで時分割的に使用し）、各コイル１１−１，１１−２．１１−３，・・・のインダクタンスに応じた位置データＬｄがそれぞれに対応する前記演算部１４から得られる。これら各演算部１４から得られるコイル毎の位置データＬｄの組合せによって、検出対象の２次元位置が特定される。

図９は、本発明に係る位置検出装置を圧力センサに応用した一例を示す側面略図である。この例においては、フラットコイルからなるコイル１１に対して、ダイヤフラム状の磁気応答部材１２が非接触的に近接配置され、コイル１１に対する磁気応答部材１２の距離が検出対象圧力に応じて変化するように構成される。従って、検出対象圧力に応じてコイル１１のインダクタンスが変化し、演算部１４から得られる位置データＬｄによって、検出対象圧力が特定される。なお、図９において、破線は磁気応答部材１２の変位を例示している。同様の構造により、歪みセンサあるいは荷重センサを構成することもできる。

図１０は、本発明に係る位置検出装置をリニアセンサに応用した一例を示す略図である。円筒状のコイル１１の内部空間でロッド状の磁気応答部材１２が直線変位し得るように構成され、該磁気応答部材１２の直線位置に応じてコイル１１のインダクタンスが変化する。従って、演算部１４から得られる位置データＬｄによって、検出対象の直線位置が特定される。リニアセンサに限らず、本発明に係る位置検出装置を回転センサに適用することができるのは勿論である。

図１１は、本発明に係る位置検出装置をトルクセンサに応用した一例を示し、（ａ）はトルクセンサの側断面図であり、図示の便宜上、センサ部１０の半分は省略して示している。この実施形態に係るトルクセンサは、自動車のステアリングシャフトのトーションバーＴに負荷されるねじれトルクを検出する。公知のように、ステアリングシャフトにおいては入力軸１と出力軸２の各磁性シャフト（例えば鉄などの磁性部材からなる）がトーションバーＴを介して同軸的に連結されており、これら入力軸１及び出力軸２はトーションバーＴによるねじれ変形の許す限りの限られた角度範囲で相対的に回転しうるようになっている。入力軸１に連結された第１の磁気応答部材３及び出力軸２に連結された第２の磁気応答部材４が前記磁気応答部材１２として機能する。この実施例では、一方の磁気応答部材３が磁性体（例えば鉄）からなり、他方の磁気応答部材４が反磁性材質（例えばアルミニウム）からなる。

図１１（ｂ）は、各磁気応答部材３，４の分解斜視図である。各磁気応答部材３，４はそれぞれ円周方向に複数の窓パターンを備えた面板の形状（円板状、詳しくはリング円板状）をなしており、ぞれぞれの面板が密接に近接して前記窓パターンが対向するように配置されている。トルクセンサでは公知のように、窓パターンとは、パターン化された窓を意味し、窓とは、各磁気応答部材３，４の持つ前記所定の磁気応答性能が失われる（若しくは変化する）部分である。本実施例では、この窓パターンは、内周寄りの開口窓３ａ，４ａのパターンと、外周寄りの開口窓３ｂ，４ｂのパターンの、２系列のパターンからなっている。公知のように、２つの磁気応答部材３，４の窓の重なりの変化が磁性的なシャッターの役割を果たす。

図１１（ａ）において、センサ基板部２０は、面板状の第１及び第２の磁気応答部材３、４と同様に、全体的に円板状（詳しくはリング状）を成しており、入力軸１及び出力軸２からなる軸部分に嵌挿され、第１及び第２の磁気応答部材３、４に近接した配置で、ベース部５に固定されている。出力軸２は軸受６を介して回転自在にベース部５に固定されている。センサ基板部２０においては、図１１（ｃ）に示すように、内周寄りのフラットコイル１１ａと外周寄りのフラットコイル１１ｂの２つのコイルが設けられる。これらのフラットコイル１１ａ，１１ｂが前記コイル１１としてそれぞれ機能する。内周寄りのフラットコイル１１ａは内周寄りの開口窓３ａ，４ａのパターンに対応し、外周寄りのフラットコイル１１ｂは、外周寄りの開口窓３ｂ，４ｂのパターンに対応するように設けられる。

公知のように、各系列における開口窓３ａ，４ａ，３ｂ，４ｂの重なり具合の変化は互いに逆特性となるように、開口窓の配置を適切にずらして設定している。例えば、第２の磁気応答部材４においては、開口窓４ａの系列（第１の系列）と、開口窓４ｂの系列（第２の系列）とは、開口窓の繰り返しサイクルに関して、丁度の１／２サイクルの位相ずれを持つように開口窓を形成（配置）する。その場合、第１の磁気応答部材３においては、開口窓３ａの系列（第１の系列）と、開口窓３ｂの系列（第２の系列）とは、開口窓の繰り返しサイクルに関して、丁度、同相となるように開口窓列を形成（配置）する。また、トーションバーＴのねじれ角が０の状態において、第１の列における開口窓３ａ，４ａの重なり具合は丁度半分となり、第２の系列における開口窓３ｂ，４ｂの重なり具合も丁度半分となるように、各開口窓列を形成（配置）する。ねじれ角が０の状態から、時計方向にねじれ角が生じると、例えば、第１の系列における開口窓３ａ，４ａの重なり具合が減少してそれに対応する第１のコイル１１ａのインダクタンスが増加するのに対して、第２の系列における開口窓３ｂ，４ｂの重なり具合が増加してそれに対応する第２のコイル１１ｂのインダクタンスが減少する。また、ねじれ角が０の状態から、反時計方向にねじれ角が生じると、第１の系列における開口窓３ａ，４ａの重なり具合が増加してそれに対応する第１のコイル１１ａのインダクタンスが減少するのに対して、第２の系列における開口窓３ｂ，４ｂの重なり具合が減少してそれに対応する第２のコイル１１ｂのインダクタンスが増加する。

このように、トルクセンサのセンサ部１０においては、入出力軸（第１及び第２の回転軸）１，２の相対的回転位置（ねじれ角）に応答して互いに逆特性のインダクタンス変化を該第１及び第２のコイル１１ａ，１１ｂに生じさせるように、第１及び第２の磁気応答部材３，４を構成しかつ該第１及び第２のコイル１１ａ，１１ｂを配置している。そして、本発明の適用にあたっては、第１の系列をなす開口窓３ａ，４ａに関連する磁気応答部材３，４の部分と第１のコイル１１ａとの組合せが、図１に示す磁気応答部材１２とコイル１１からなる１つの組合せに相当し、この１つの組合せに対応して、前記自励発振回路１３と演算部１４が設けられる。また、第２の系列をなす開口窓３ｂ，４ｂに関連する磁気応答部材３，４の部分と第２のコイル１１ｂとの組合せが、図１に示す磁気応答部材１２とコイル１１からなるもう１つの組合せに相当し、このもう１つの組合せに対応して、前記自励発振回路１３と演算部１４が設けられる。各系列の演算部１４から得られる位置データＬｄが、それぞれの系列のトルク検出データである。すなわち、トルクセンサに対する応用にあたっては、図１に示すコイル１１、磁気応答部材１２、自励発振回路１３、演算部１４からなる位置検出装置が２系列設けられることとなり、互いに逆特性の２つの位置データＬｄが両系列から得られ、２系列のトルク検出データとして出力される。

なお、図１１の例では、入力軸１に設けた磁気応答部材３と出力軸２に設けた磁気応答部材４とがスラスト方向に対向する（開口窓がスラスト方向に重なる）ように配置されているが、これに限らず、入力軸１及び出力軸２に設ける磁気応答部材をそれぞれ円筒形に形成して、両者の開口窓がラジアル方向に重なるように配置したトルクセンサにおいても本発明の位置検出装置を適用することができるのは勿論である。

なお、演算部１４の機能は、マイクロコンピュータと各ステップの処理を実現するためのソフトウェアプログラムを記憶したメモリとの組み合わせで実現することができるが、それに限らず、カスタムＩＣなど専用のデジタル回路で実現してもよい。

Claims (4)

1. コイルと、
   検出対象位置に応じて前記コイルに対して変位するように配置された磁気応答部材と、
   前記コイルを発振要素として組み込み、該コイルに対する前記磁気応答部材の変位に応じた該コイルのインダクタンス変化に応じて発振周波数が変化する自励発振回路と、
   前記自励発振回路の発振出力信号に基づき該自励発振回路の発振周波数に対応する計測値をデジタルの原初的位置検出データとして生成し、前記原初的位置検出データの時間的差分値をデジタル的に演算することにより速度データを生成し、該速度データを積分することにより変位データを求めるように構成された、演算部と
   を備える変位検出装置。
2. 前記演算部は、前記原初的位置検出データの時間的差分値をデジタル的に演算するための時間差を可変設定するように構成されている、請求項１の位置検出装置。
3. 前記演算部は、さらに、前記速度データの時間的差分値をデジタル的に演算することにより加速度データを生成する、請求項１又は２の位置検出装置。
4. 前記演算部は、さらに、前記生成した加速度データを積分することにより第２の速度データを求める、請求項３の位置検出装置。

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