JP7537438B2

JP7537438B2 - 位置検出装置

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Publication number: JP7537438B2
Application number: JP2021553482A
Authority: JP
Inventors: 政稔市村
Original assignee: Nippon Seiki Co Ltd
Current assignee: Nippon Seiki Co Ltd
Priority date: 2019-10-24
Filing date: 2020-10-21
Publication date: 2024-08-21
Anticipated expiration: 2040-10-21
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Description

本発明は、位置検出装置に関する。

対象物の位置を検出する位置検出装置として、例えば特許文献１には、渦電流を利用したものが開示されている。特許文献１に開示された位置検出装置は、磁場を形成する励振巻線と、励振巻線が形成した磁場により誘導起電力が発生する感知巻線と、感知巻線に対して相対的に回転移動し、感知巻線を遮蔽する程度を変える電導性のスクリーン（非磁性金属部）と、を備える（同文献のＦＩＧ．５３等参照）。特許文献１に開示された位置検出装置は、スクリーンの回転移動に応じて変化する誘導起電力に基づいて対象物の位置を検出する。

特開昭６１－１５９１０１号公報

上記のような位置検出装置では、対象物の位置の変動に伴い回転する非磁性金属部の回転位置（例えば、一回転する直前や直後の位置）によっては、発生した誘導起電力に応じて検出コイル（感知巻線）から出力される電圧に基づいて算出される対象物の位置を示す値が不安定になる場合があった。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、良好な精度で対象物の位置を検出することができる位置検出装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る位置検出装置は、
対象物の位置を検出する位置検出装置であって、
基板に形成され、電圧の印加により励磁される励磁部と、
前記基板における軸線を中心とした環状の領域に形成された複数の検出コイルを有し、前記励磁部によって誘導起電力が発生する検出部と、
前記位置の変動に伴い前記軸線を中心に回転し、前記検出部に発生する誘導起電力を前記位置に応じて変化させる非磁性金属部と、
前記検出部に発生した誘導起電力に基づいて前記位置を算出する制御部と、を備え、
前記検出部は、複数あり、前記軸線を中心とした径方向において互いに異なる箇所に設けられた第１検出部及び第２検出部を含み、
前記第１検出部は、２つの第１検出コイルを含み、
前記第２検出部は、２つの第２検出コイルを含み、
前記制御部は、
前記励磁部が励磁されて誘導起電力が生じた前記２つの第１検出コイルの一方から、前記位置に応じて正弦波状又は余弦波状に変化する第１出力電圧を取得するとともに、前記２つの第１検出コイルの他方から前記位置に応じて正弦波状又は余弦波状に変化する電圧であって前記第１出力電圧と所定の位相差がある第２出力電圧を取得し、
前記励磁部が励磁されて誘導起電力が生じた前記２つの第２検出コイルの一方から、前記位置に応じて正弦波状又は余弦波状に変化する電圧であって、前記第１出力電圧と特定の位相差がある第３出力電圧を取得するとともに、前記２つの第２検出コイルの他方から前記位置に応じて正弦波状又は余弦波状に変化する電圧であって、前記第３出力電圧と前記所定の位相差があり、且つ、前記第２出力電圧と前記特定の位相差がある第４出力電圧を取得し、
前記第１出力電圧及び前記第２出力電圧と、前記第３出力電圧及び前記第４出力電圧との少なくともいずれかに基づいて前記位置を算出する。

本発明によれば、良好な精度で対象物の位置を検出することができる。

上図は、本発明の一実施形態に係る位置検出装置の概略側面図であり、下図は、回路基板の概略平面図であって、回路基板における各環状領域を説明するための図である。回路基板の機能ブロック図である。回路基板の第１環状領域を平面視で表した図であり、第１環状領域に形成される第１励磁部及び第１検出部のパターンを説明するための図である。上図及び下図は、互いに等価関係にある配線パターン等を説明するための模式図である。第１励磁部、第１検出部、第２励磁部、及び第２検出部の配置を平面視で表した模式図である。連動部の底面図であり、非磁性金属部の一形成例を示す図である。連動部の底面図であり、非磁性金属部の他の形成例を示す図である。第１検出部からの出力電圧と対象物の回転位置との関係を示す図である。第２検出部からの出力電圧と対象物の回転位置との関係を示す図である。回転位置の演算手法の一例を説明するための図である。回転位置の演算手法の一例を説明するための図である。上図は、変形例に係る回路基板を備える位置検出装置の概略側面図であり、下図は、変形例に係る回路基板の概略平面図である。

本発明の一実施形態に係る表示装置について図面を参照して説明する。

本実施形態に係る位置検出装置１は、図１上図に示すように、軸線ＡＸを中心に回転する対象物２の回転位置を検出するものであり、回路基板１００と、対象物２と共に軸線ＡＸを中心に回転する連動部２００と、を備える。

回路基板１００は、例えばプリント回路板（printed circuit board）からなり、絶縁性を有する板状の基材（基板）３に、各種の回路や電子部品が設けられて構成されている。基材３には、対象物２と連結されるシャフト４を通す貫通孔Ｈ１が形成されている。シャフト４は、図示しない軸受によって軸線ＡＸを中心に回転可能に支持されている。回路基板１００は、図１上図及び下図に示すように、軸線ＡＸを中心に形成された円環状の領域として、第１環状領域Ｒ１と、第２環状領域Ｒ２と、他の環状領域Ｒｏと、を有する。また、回路基板１００は、他の環状領域Ｒｏの外周側に外周領域Ｒｘを有する。図１下図に示すように、回路基板１００には、軸線ＡＸの中心側から順に、貫通孔Ｈ１、第１環状領域Ｒ１、第２環状領域Ｒ２、他の環状領域Ｒｏの各々が、軸線ＡＸを中心とした同心円状に形成されている。なお、図１上図及び下図では、図面の見やすさを考慮して、回路基板１００に設けられた各種の回路や電子部品を省略している。

図２に示すように、回路基板１００は、第１励磁部１０と、第１検出部２０と、第２励磁部３０と、第２検出部４０と、制御部５０と、を備える。

第１励磁部１０は、制御部５０の制御により電圧が印加され、励磁されるものであり、図３に示すように、第１環状領域Ｒ１内に形成された２つの励磁コイル１１，１２を有する。

励磁コイル１１は、第１環状領域Ｒ１の中心側に円状に形成され、励磁コイル１２は、第１環状領域Ｒ１の外周側端部に円状に形成されている。励磁コイル１１，１２の各々は、複数の巻線数のコイルであり、例えば、基材３の上面（図１上図における連動部２００側の面）に、アルミニウム（Ａｌ）、銀パラジウム（Ａｇ／Ｐｄ）、金（Ａｕ）等の導電体を印刷することによって形成されている。励磁コイル１１，１２の各々には、図示しない端子から電圧が印加される。

なお、第１励磁部１０は、励磁コイル１１，１２の一方から構成されてもよい。また、回路基板１００を構成する基材３は、積層基板であってもよく、積層基板の各々が有する面に励磁コイル１１，１２を構成する導電パターンを設けることで、強い磁場を形成すべく巻線数を稼いでもよい。

第１検出部２０は、励磁された第１励磁部１０が形成する磁場によって誘導起電力が発生する部分であり、図３に示すように、第１環状領域Ｒ１内に形成された２つの検出コイル２１，２２を有する。

検出コイル２１，２２の各々の主要部分は、基材３の上面に、アルミニウム（Ａｌ）、銀パラジウム（Ａｇ／Ｐｄ）、金（Ａｕ）等の導電体を印刷することによって形成されている。

検出コイル２１は、図３に示すように、制御部５０と電気的に接続される一対の端部Ｔ１ｓ，Ｔ１ｅを有するとともに、一方の端部Ｔ１ｓから他方の端部Ｔ１ｅまでを電気的に接続する部分として、第１部分２１ａと、第２部分２１ｂと、第３部分２１ｃとを有する。第１部分２１ａは、その一端が端部Ｔ１ｓと接続されるとともに、端部Ｔ１ｓ側から時計回りに、励磁コイル１１の外周側を通って延びる円弧状に形成され、その他端が第２部分２１ｂと接続されている。第２部分２１ｂは、第１部分２１ａの他端から折り返されて形成される部分である。第２部分２１ｂは、その一端が第１部分２１ａと接続されるとともに、当該一端側から反時計回りに、励磁コイル１１の外周側を通って延びる円弧状に形成され、その他端が第３部分２１ｃと接続されている。第３部分２１ｃは、第２部分２１ｂの他端から折り返されて形成される部分である。第３部分２１ｃは、その一端が第２部分２１ｂと接続されるとともに、当該一端側から時計回りに延びる円弧状に形成され、その他端が端部Ｔ１ｅと接続されている。これにより、検出コイル２１は、図３に示すように略８の字状をなしている。

検出コイル２２は、図３に示すように、制御部５０と電気的に接続される一対の端部Ｔ２ｓ，Ｔ２ｅを有するとともに、一方の端部Ｔ２ｓから他方の端部Ｔ２ｅまでを電気的に接続する部分として、第１部分２２ａと、第２部分２２ｂと、第３部分２２ｃとを有する。第１部分２２ａは、その一端が端部Ｔ２ｓと接続されるとともに、端部Ｔ２ｓ側から時計回りに、励磁コイル１１の外周側を通って延びる円弧状に形成され、その他端が第２部分２２ｂと接続されている。第２部分２２ｂは、第１部分２２ａの他端から折り返されて形成される部分である。第２部分２２ｂは、その一端が第１部分２２ａと接続されるとともに、当該一端側から反時計回りに、励磁コイル１１の外周側を通って延びる円弧状に形成され、その他端が第３部分２２ｃと接続されている。第３部分２２ｃは、第２部分２２ｂの他端から折り返されて形成される部分である。第３部分２２ｃは、その一端が第２部分２２ｂと接続されるとともに、当該一端側から時計回りに延びる円弧状に形成され、その他端が端部Ｔ２ｅと接続されている。これにより、検出コイル２２は、図３に示すように略８の字状をなしている。

検出コイル２１における一部と他の一部とが交差する箇所、検出コイル２２における一部と他の一部とが交差する箇所、検出コイル２１と検出コイル２２とが交差する箇所においては、交差する一方の配線と他方の配線とが、図示しない絶縁層、スルーホール、ビア（ＶＩＡ）ホール等を利用して絶縁されている。絶縁層としては、例えば、基材３の材質である二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）や五酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）等を用いることができる。このように一方の配線と他方の配線とが交差する箇所は、具体的に、（Ａ）検出コイル２１のうちの第１部分２１ａと第２部分２１ｂとが交差する箇所、（Ｂ）検出コイル２２のうちの第１部分２２ａと第２部分２２ｂとが交差する箇所、（Ｃ）検出コイル２１の第１部分２１ａと、検出コイル２２の第２部分２２ｂ及び第１部分２２ａの各々とが交差する箇所、（Ｄ）検出コイル２１の第２部分２１ｂと、検出コイル２２の第３部分２２ｃ、第２部分２２ｂ及び第１部分２２ａの各々とが交差する箇所、（Ｅ）検出コイル２１の第３部分２１ｃと、検出コイル２２の第１部分２２ａとが交差する箇所、である。図３においては、このように交差する箇所における一方の配線を点線で表している。

検出コイル２１と検出コイル２２とは、軸線ＡＸを中心とした角度を考えた場合、互いに９０°の位相差を有するように、回路基板１００に形成されている。ここで、以上に説明した第１励磁部１０及び第１検出部２０の円環状の態様（図４下図では模式的に示した。）は、軸線ＡＸを中心とした円周方向を直線方向に置換して帯状に展開した、図４上図に示す態様と等価と見做すことができる。つまり、図４上図と図４下図に示す態様は等価関係にある。図４上図に示す態様は、矩形の第１励磁部１０（この実施形態では励磁コイル１２）の内側に、互いに９０°の位相差を有する正弦波又は余弦波状の検出コイル２１及び検出コイル２２を配置した態様である。ここで、検出コイル２１をｓｉｎ曲線に基づく形状と考えれば、検出コイル２２は、ｃｏｓ曲線に基づく形状となる。上記の等価関係を考えると、円環状の第１検出部２０においても、検出コイル２１は、ｓｉｎ曲線に基づく形状を有し、検出コイル２２は、ｃｏｓ曲線に基づく形状を有することになる。

第２励磁部３０及び第２検出部４０は、図５に示すように、第２環状領域Ｒ２内に形成される。第２励磁部３０及び第２検出部４０の具体的形状や組成については、図３を参照して説明した第１励磁部１０及び第１検出部２０と同様であるため、説明を省略する。

第２励磁部３０は、制御部５０の制御により電圧が印加され、励磁されるものであり、図５に示すように、第２環状領域Ｒ２内に形成された２つの励磁コイル３１，３２を有する。励磁コイル３１は、第２環状領域Ｒ２の中心側に円状に形成され、励磁コイル３２は、第２環状領域Ｒ２の外周側端部に円状に形成されている。励磁コイル３１，３２の各々には、図示しない端子から電圧が印加される。なお、第２励磁部３０は、励磁コイル３１，３２の一方から構成されてもよい。また、回路基板１００を構成する基材３は、積層基板であってもよく、積層基板の各々が有する面に励磁コイル３１，３２を構成する導電パターンを設けることで、強い磁場を形成すべく巻線数を稼いでもよい。

第２検出部４０は、励磁された第２励磁部３０が形成する磁場によって誘導起電力が発生する部分であり、図５に示すように、第２環状領域Ｒ２内に形成された２つの検出コイル４１，４２を有する。検出コイル４１と検出コイル４２とは、軸線ＡＸを中心とした角度を考えた場合、互いに９０°の位相差を有するように、回路基板１００に形成されている。第２検出部４０の検出コイル４１，４２は、第１検出部２０の検出コイル２１，２２と同様に、互いに９０°の位相差を有する正弦波又は余弦波に基づく形状を有する。

続いて、制御部５０の説明の前に、連動部２００について説明する。連動部２００は、図１上図に示すように、シャフト４に取り付けられた板状部２１０と、板状部２１０の下面（回路基板１００側に向く面）に設けられた非磁性金属部２２０と、を有する。板状部２１０は、例えば樹脂からなり、図６Ａに示すように円形に形成されている。板状部２１０の中心には、シャフト４を固定するための貫通孔Ｈ２が設けられている。非磁性金属部２２０は、板状部２１０の下面に設けられ、図６Ａに示すように半円状に形成されている。非磁性金属部２２０は、第１検出部２０及び第２検出部４０（第１環状領域Ｒ１及び第２環状領域Ｒ２）を覆う位置に設けられ、例えばアルミニウム（Ａｌ）や銅（Ｃｕ）等の第１励磁部１０及び第２励磁部３０が形成する磁場によって磁化しない非磁性金属材料から形成されている。

以上のように構成される連動部２００は、回路基板１００に形成された第１検出部２０及び第２検出部４０に対して、軸線ＡＸを中心に対象物２と共に回転移動する。第１励磁部１０及び第２励磁部３０の励磁により非磁性金属部２２０内には渦電流が発生し、発生した渦電流は、第１励磁部１０及び第１検出部２０の間と、第２励磁部３０及び第２検出部４０の間との電磁カップリング作用を減少させるように作用する。対象物２の回転に伴い、第１検出部２０及び第２検出部４０における非磁性金属部２２０によって覆われる部分が変化すると、第１検出部２０に誘起される電圧（誘導起電力）及び第２検出部４０に誘起される電圧（誘導起電力）の各々が変化する。このように生じる誘導起電力の変化に基づき、制御部５０は対象物２の回転位置を算出する。

なお、非磁性金属部２２０を、シャフト４と共に回転移動できる態様で構成することができれば、連動部２００から板状部２１０を省略してもよい。また、非磁性金属部２２０は、半円状以外の扇形であってもよく、任意の中心角（例えば７０°～９０°程度）を有する扇形に形成されていてもよい。

また、非磁性金属部２２０は、図６Ｂに示すように、軸線ＡＸを中心として円弧状に形成された第１円弧部２２１及び第２円弧部２２２を有していてもよい。図６Ｂに示す第１円弧部２２１と第２円弧部２２２とは、軸線ＡＸを中心とした径方向において互いに間隔を空けて設けられている。第１円弧部２２１は、第１検出部２０と軸線ＡＸに沿う方向（図１上図での上下方向）において対向する位置に設けられている。また、第２円弧部２２２は、第２検出部４０と軸線ＡＸに沿う方向（図１上図での上下方向）において対向する位置に設けられている。このように非磁性金属部２２０を分割して、第１励磁部１０及び第１検出部２０に対応した第１円弧部２２１と、第２励磁部３０及び第２検出部４０に対応した第２円弧部２２２とを設けることで、第１励磁部１０及び第１検出部２０による渦電流作用が第２円弧部２２２に生じることを抑制することができ、第２励磁部３０及び第２検出部４０による渦電流作用が第１円弧部２２１に生じることを抑制することができる。結果として、第１励磁部１０及び第１検出部２０の電磁作用と、第２励磁部３０及び第２検出部４０の電磁作用とが相互に干渉して検出精度が低下することを抑制することができる。

制御部５０は、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）と、ＤＳＰの制御により図示しない電源からの直流電圧を交流電圧に変換して、第１励磁部１０及び第２励磁部３０の各々に印加する発振器（Oscillator）と、第１検出部２０の検出コイル２１，２２の各々に誘導起電力が生じることで出力される電圧（アナログ信号）をデジタル信号に変換してＤＳＰに供給するＡＤＣ（Analog to Digital Converter）と、を有する。なお、検出コイル２１，２２とＡＤＣとの間に増幅器を設けてもよい。

制御部５０のＤＳＰは、発振器を介して第１励磁部１０を構成する励磁コイル１１，１２に交流電圧を印加し、第１励磁部１０を励磁する。励磁した第１励磁部１０により形成された磁場により、第１検出部２０を構成する検出コイル２１，２２の各々に誘導起電力が生じる。ＤＳＰは、検出コイル２１，２２の各々に生じた誘導起電力を、ＡＤＣを介してデジタル信号とされた出力電圧Ｖ１ａ，Ｖ１ｂとして取得する。ここで、対象物２と共に軸線ＡＸを中心に回転する非磁性金属部２２０によって変化する誘導起電力に応じた出力電圧Ｖ１ａ，Ｖ１ｂは、図７Ａに示すようになる。

図７Ａは、対象物２が任意の初期位置にあるとともに、検出コイル２１に基づく出力電圧Ｖ１ａの値が０となる際の角度θを０°とした場合の、角度θに対する出力電圧Ｖ１ａ，Ｖ１ｂの変化を示している。この場合、検出コイル２１に基づく出力電圧Ｖ１ａの角度θに対する変化は、Ｖ１ａ＝αｓｉｎ（θ）（αは定数）で表すことができる。一方、検出コイル２２に基づく出力電圧Ｖ１ｂの角度θに対する変化は、Ｖ１ｂ＝αｃｏｓ（θ）で表すことができる。制御部５０のＤＳＰは、出力電圧Ｖ１ａの値と出力電圧Ｖ１ｂの値とに基づき、角度θ、つまり、対象物２の回転位置を算出する。

制御部５０のＤＳＰは、取得した出力電圧Ｖ１ａ，Ｖ１ｂに基づき、例えば以下のように角度θを算出する。ＤＳＰは、まず、Ｖ１ａ／Ｖ１ｂ＝Ｖ１ｃを演算し、検出コイル２１及び検出コイル２２の双方からの出力電圧と角度θの関係を算出する。Ｖ１ｃ＝Ｖ１ａ／Ｖ１ｂ＝αｓｉｎ（θ）／αｃｏｓ（θ）＝ｔａｎ（θ）により、Ｖ１ｃは角度θに依存することが分かる。

ここで、ＤＳＰのメモリ（ＲＯＭ（Read Only Memory））には、Ｖ１ｃ＝ｔａｎ（θ）の逆関数Ｆｉ（図８Ａ参照）である、θ＝ａｒｃｔａｎ（Ｖ１ｃ）に基づいて作成された関数Ｆ１（図８Ｂ参照）として、Ｖ１＝Ｆ１（θ）のデータが予め記憶されている。図８Ｂに示す関数Ｆ１は、図８Ａに示す逆関数Ｆｉにおいて角度θが９０°、２７０°の際に生じる不連続の箇所を連続化したものであり、逆関数Ｆｉの９０°～２７０°の範囲を＋ｖだけ平行移動するとともに、逆関数Ｆｉの２７０°～３６０°の範囲を＋２ｖだけ平行移動することで得られる。なお、ｖは、逆関数Ｆｉに基づき予め算出することができる定数である。また、ＤＳＰのメモリに記憶される関数Ｆ１のデータは、当該関数Ｆ１を規定する数式のデータであることが好ましいが、出力電圧Ｖ１と角度θとが対応付けられて構成されたテーブルのデータであってもよい。

ＤＳＰは、上記のように演算したＶ１ｃと、メモリ内に予め格納された関数Ｆ１のデータとに基づき、対象物２の回転位置を示す角度θを演算する。具体的には、図７Ａに示すように、Ｖ１ａ（＝αｓｉｎ（θ））が正、Ｖ１ｂ（＝αｃｏｓ（θ））が正の場合は、角度θが０°～９０°であるため、ＤＳＰは、算出したＶ１ｃをそのまま出力電圧Ｖ１とし、このＶ１を関数Ｆ１に代入して角度θ（対象物２の回転位置）を算出可能である。また、Ｖ１ｂ（＝αｃｏｓ（θ））が負の場合は、角度θが９０°～２７０°であるため、ＤＳＰは、算出したＶ１ｃにｖを加算した値を出力電圧Ｖ１とし、このＶ１を関数Ｆ１に代入して角度θ（対象物２の回転位置）を算出可能である。また、Ｖ１ａ（＝αｓｉｎ（θ））が負、Ｖ１ｂ（＝αｃｏｓ（θ））が正の場合は、角度θが２７０°～３６０°であるため、ＤＳＰは、算出したＶ１ｃに２ｖを加算した値を出力電圧Ｖ１とし、このＶ１を関数Ｆ１に代入して角度θ（対象物２の回転位置）を算出可能である。

ここで、以上のように説明した関数Ｆ１は、図８Ｂに示すように、角度θが３６０°の箇所においてはＶ１が不連続となっている。このため、対象物２が角度θ＝３６０°の位置を跨いで移動した場合、ＤＳＰが第１検出部２０から取得した出力電圧Ｖ１ａ，Ｖ１ｂに基づいて算出したＶ１のみから角度θを求めようとすると（つまり、関数Ｆ１のみから角度θを求めようとすると）、正確に対象物２の回転位置を算出できない虞がある。この問題を解決すべく、制御部５０は下記のように制御を行う。

制御部５０のＤＳＰは、発振器を介して第２励磁部３０を構成する励磁コイル３１，３２に交流電圧を印加し、第２励磁部３０を励磁する。励磁した第２励磁部３０により形成された磁場により、第２検出部４０を構成する検出コイル４１，４２の各々に誘導起電力が生じる。ＤＳＰは、検出コイル４１，４２の各々に生じた誘導起電力を、ＡＤＣを介してデジタル信号とされた出力電圧Ｖ２ａ，Ｖ２ｂとして取得する。ここで、ＤＳＰは、第２励磁部３０に電圧を印加するタイミングと、出力電圧Ｖ２ａ，Ｖ２ｂの取得タイミングとの少なくともいずれかを制御することにより、図７Ｂに示すように角度θに対して変化する出力電圧Ｖ２ａ，Ｖ２ｂを取得する。図７Ａと図７Ｂとを比較して分かるように、検出コイル４１に基づく出力電圧Ｖ２ａは、検出コイル２１に基づく出力電圧Ｖ１ａに対し、９０°の位相差（特定の位相差の一例）を有している。また、図７Ａと図７Ｂとを比較して分かるように、検出コイル４２に基づく出力電圧Ｖ２ｂは、検出コイル２２に基づく出力電圧Ｖ１ｂに対し、９０°の位相差（特定の位相差の一例）を有している。つまり、前述のように、Ｖ１ａ＝αｓｉｎ（θ）、Ｖ１ｂ＝αｃｏｓ（θ）と表した場合、第２検出部４０に発生した誘導起電力に基づく出力電圧Ｖ２ａ，Ｖ２ｂは、Ｖ２ａ＝αｓｉｎ（θ－９０°）、Ｖ１ｂ＝αｃｏｓ（θ－９０°）と表すことができる。

制御部５０のＤＳＰは、取得した出力電圧Ｖ２ａ，Ｖ２ｂに基づき、まず、Ｖ２ａ／Ｖ２ｂ＝Ｖ２ｃ（なお、Ｖ２ｃは不図示。）を演算し、検出コイル４１及び検出コイル４２の双方からの出力電圧と角度θの関係を算出する。Ｖ２ｃ＝Ｖ２ａ／Ｖ２ｂ＝ｔａｎ（θ－９０°）となる。

ＤＳＰのメモリ（ＲＯＭ）には、Ｖ２ｃ＝ｔａｎ（θ－９０°）の逆関数である、θ－９０°＝ａｒｃｔａｎ（Ｖ２ｃ）に基づいて作成された関数Ｆ２（図８Ｂ参照）として、θ＝Ｆ２（Ｖ２）のデータが予め記憶されている。図８Ｂに示す関数Ｆ２は、図示しない逆関数「θ－９０°＝ａｒｃｔａｎ（Ｖ２ｃ）」における任意の不連続の箇所を連続化したものであって、関数Ｆ１の位相を９０°ずらしたものである。ＤＳＰのメモリに記憶される関数Ｆ２のデータは、当該関数Ｆ２を規定する数式のデータであることが好ましいが、Ｖ２とθとが対応付けられて構成されたテーブルのデータであってもよい。

ＤＳＰは、上記のように演算したＶ２ｃと、メモリ内に予め格納された関数Ｆ２のデータとに基づき、対象物２の回転位置を示すθを演算する。具体的には、関数Ｆ２が関数Ｆ１の位相を９０°ずらしたものであることを考慮すると、下記のようにθを演算する。図７Ｂに示すように、Ｖ２ａ（＝αｓｉｎ（θ－９０°））が負、Ｖ２ｂ（＝αｃｏｓ（θ－９０°））が正の場合は、角度θが０°～９０°であるため、ＤＳＰは、算出したＶ２ｃに２ｖを加算した値をＶ２とし、このＶ２を関数Ｆ２に代入して角度θ（対象物２の回転位置）を算出可能である。また、Ｖ２ａとＶ２ｂが共に正の場合は、角度θが９０°～１８０°であるため、ＤＳＰは、算出したＶ２ｃをそのまま出力電圧Ｖ２とし、このＶ２を関数Ｆ２に代入して角度θ（対象物２の回転位置）を算出可能である。また、Ｖ２ｂが負の場合は、角度θが１８０°～３６０°であるため、ＤＳＰは、算出したＶ２ｃにｖを加算した値を出力電圧Ｖ２とし、このＶ２を関数Ｆ２に代入して角度θ（対象物２の回転位置）を算出可能である。

図８Ｂの関数Ｆ１と関数Ｆ２とを参照すると分かるように、関数Ｆ１における出力電圧Ｖ１の不連続箇所（θ＝３６０°）においては関数Ｆ２が線形を保っている一方、関数Ｆ２における出力電圧Ｖ２の不連続箇所（θ＝９０°）において関数Ｆ１が線形を保っている。これを考慮して、制御部５０のＤＳＰは、図７Ａ，図７Ｂを参照して分かるように、出力電圧Ｖ１ａ，Ｖ１ｂ及び出力電圧Ｖ２ａ，Ｖ２ｂの各々の正負に基づいて特定される角度範囲に応じて、出力電圧Ｖ１ａ，Ｖ１ｂと出力電圧Ｖ２ａ，Ｖ２ｂとのいずれを用いて角度θを算出するかを切り替える。例えば、ＤＳＰは、θが３６０°を跨ぐ任意の角度範囲以外であると特定した場合は、出力電圧Ｖ１ａ，Ｖ１ｂに基づいて角度θを算出し、θが３６０°を跨ぐ任意の角度範囲であると特定した場合は、出力電圧Ｖ２ａ，Ｖ２ｂに基づいて角度θを算出する。当該任意の角度範囲は、例えば、角度θが３１５°～４０５°（なお、４０５°は、１回転した後の４５°に相当する。）の範囲である。ＤＳＰは、各出力電圧の正負と、Ｖ２ａとＶ２ｂの値が負の値で等しくなった場合はθが３１５°であり、Ｖ１ａとＶ１ｂの値が正の値で等しくなった場合は角度θが４０５°であることに基づき、この角度範囲を特定することが可能である。

なお、出力電圧Ｖ１ａ，Ｖ１ｂと出力電圧Ｖ２ａ，Ｖ２ｂとのいずれを用いて角度θを算出するかを切り替える角度範囲の設定は、線形を保っている関数Ｆ１又はＦ２を用いて、安定して角度θを算出することができれば任意である。また、制御部５０のＤＳＰは、あらゆる角度範囲において関数Ｆ１及び関数Ｆ２を用いて角度θを算出し、エラー値を示さなかった方を対象物２の回転位置として決定することも可能である。例えば、ＤＳＰは、今回算出した角度θと、過去に算出した角度θ（例えば、算出した角度θの前回値）との差が予めメモリに記憶した値よりも大きくなった場合に、角度θがエラー値であると判別することができる。また、制御部５０のＤＳＰは、関数Ｆ１や関数Ｆ２に基づいて角度θを算出する前段階の値（各出力電圧の値や、Ｖ１ｃ＝Ｖ１ａ／Ｖ１ｂ等の出力電圧の比）に異常が生じているか否かを判別してもよい。また、制御部５０のＤＳＰは、算出した角度θに異常がないと判別した場合は、出力電圧Ｖ１ａ，Ｖ１ｂに基づいて算出した角度θと、出力電圧Ｖ２ａ，Ｖ２ｂに基づいて算出した角度θとの平均値を算出し、算出した平均値を対象物２の回転位置としてもよい

以上のように対象物２の回転位置（角度θ）を算出したＤＳＰは、算出した角度θのデジタルデータをそのまま、あるいは、ＡＤＣ（Analog to Digital Converter）を介してアナログ信号に変換した後に外部装置に出力する。

制御部５０が有するＤＳＰのＩＣ等の各種構成や、セラミックコンデンサやグランドパターン等の図示しないＥＭＣ（Electro Magnetic Compatibility）対策部品は、回路基板１００における他の環状領域Ｒｏの上面及び下面の少なくともいずれかに実装される。なお、制御部５０やＥＭＣ対策部品の少なくとも一部の構成は、回路基板１００における他の環状領域Ｒｏの外周側に位置する外周領域Ｒｘや、回路基板１００と電気的に接続された他の回路基板に実装されていてもよい。

以上に説明した各部を備える位置検出装置１は、例えば、図示しない筐体内に収容される。そして、当該筐体によって、連動部２００の非磁性金属部２２０と、回路基板１００の上面との間隔が所望の値に設定される。非磁性金属部２２０と回路基板１００との間隔は、小さい方が誘起される電圧が大きくなり好ましく、例えば、１．０～１．５ｍｍ程度に設定される。

なお、本発明は以上の実施形態及び図面によって限定されるものではない。本発明の要旨を変更しない範囲で、適宜、変更（構成要素の削除も含む）を加えることが可能である。

（変形例）
回路基板１００において、他の環状領域Ｒｏと外周領域Ｒｘとが区別なく一体に形成されていてもよい。また、回路基板１００は、他の環状領域Ｒｏの外縁に沿った形状で、円盤状に形成されていてもよい。また、外周領域Ｒｘは、他の環状領域Ｒｏの外側の全周に亘ってではなく、他の環状領域Ｒｏの外側の一部に形成されていてもよい。例えば、図９上図及び下図に示すように、位置検出装置１は、変形例に係る回路基板１００Ｍを備えていてもよい。変形例に係る回路基板１００Ｍは、図９下図に示すように、半円形状と四角形状を合わせた形状の基材３Ｍに、前述の各種回路や電子部品が設けられて構成される。変形例に係る回路基板１００Ｍにおいては、貫通孔Ｈ１、第１環状領域Ｒ１、第２環状領域Ｒ２、他の環状領域Ｒｏの各々が、軸線ＡＸを中心とした同心円状に形成されている。そして、外周領域Ｒｘは、他の環状領域Ｒｏの外周側の一部、具体的には、図９下図における外周右側に形成されている。

また、以上の説明では、複数の検出部に対し制御部５０が１つの場合を例示したが、各検出部に対しそれぞれ制御部を設ける構造であってもよい。また、以上では、基材３の上面にコイルを形成する場合を例示したが、基材３の下面や上下面に形成することも可能である。また、以上では、制御部５０にＤＳＰを用いる場合を例示したが、ＤＳＰの代わりにマイコンと周辺ＩＣ等を用いることも可能である。

以上では、位置検出装置１が軸線ＡＸを中心に回転する対象物２の回転位置を検出する例を示したが、これに限られない。位置検出装置１は、対象物２の位置の変動に伴い非磁性金属部２２０が軸線ＡＸを中心に回転する構成であればよく、回転移動以外の移動（直線移動や曲線移動など）を行う対象物２の位置を検出するものであってもよい。例えば、位置検出装置１を対象物２の直線移動に応じて非磁性金属部２２０が軸線ＡＸを中心に回転する構成とすれば、制御部５０は、前記のように算出可能な角度θに応じて、直線移動する対象物２の位置を検出することができる。

図においては、回路基板１００において互いに隣り合う環状領域（例えば、第１環状領域Ｒ１と第２環状領域Ｒ２）の間に間隔を設けた例を示したが、一方の環状領域内に形成される回路と他方の環状領域内に形成される回路とが干渉しない限りにおいては、双方の環状領域は隣接していてもよい。

第１検出部２０に基づく出力電圧Ｖ１ａと出力電圧Ｖ１ｂとは、互いに所定の位相差を有していればよい。例えば、所定の位相差は、４５°や１３５°等であってもよい。但し、ｔａｎ（θ）に応じたＶ１ａ／Ｖ１ｂを求める観点においては、当該所定の位相差は、前記の実施形態で述べたように９０°であることが好ましい。処理の複雑化を抑制することができるためである。これは、第２検出部４０に基づく出力電圧Ｖ２ａ，Ｖ２ｂについても同様である。

以上では、関数Ｆ１と関数Ｆ２との間の特定の位相差が９０°である例、つまり、出力電圧Ｖ１ａ及び出力電圧Ｖ２ａの間と、出力電圧Ｖ１ｂ及び出力電圧Ｖ２ｂの間との特定の位相差が９０°である例を示したが、これに限られない。関数Ｆ１と関数Ｆ２との間に少しでも位相差が生じれば、関数Ｆ１及び関数Ｆ２のいずれかは任意の角度θにおいて線形を保つことができるため、特定の位相差は任意である。ただし、関数Ｆ１及び関数Ｆ２の各々における不連続箇所の近傍で、対象物２の検出精度の低下を抑制するに当たっては、特定の位相差は、９０°以上２７０°以下であることが好ましい。また、制御部５０のＤＳＰは、前述した逆関数である、θ＝ａｒｃｔａｎ（Ｖ１ｃ）や、θ－９０°＝ａｒｃｔａｎ（Ｖ２ｃ）をそのまま用いて角度θを算出してもよい。

励磁部は、対応する検出部に誘導起電力を生じさせる磁場を形成することができれば、その形状や配置は以上の例に限られず任意である。

以上では、回路基板１００の基材３にシャフト４を挿入可能な貫通孔Ｈ１を設けた例を示したが、非磁性金属部２２０が対象物２と共に軸線ＡＸを中心に回転可能であり、且つ、非磁性金属部２２０と回路基板１００との間隔を適切に保つことができれば、基材３に貫通孔Ｈ１を設けなくともよい。

また、位置検出装置１の検出対象である対象物２は、変動するものであれば任意であり、目的に応じて選択することができる。例えば、対象物２は、車両に搭載された種々の回転体（回転移動するアクセルペダル、ブレーキペダル、回転灯など）や、シフトレバーなどの直線移動体であってもよい。以上の位置検出装置１によれば、あらゆる回転範囲における非磁性金属部２２０の角度θを精度よく算出することができ、算出した角度θに応じた対象物２の位置（回転位置であっても直線位置であってもよい。）を算出することができる。例えば、対象物２の回転位置を検出する場合、あらゆる回転範囲における対象物２の回転位置を精度よく検出することができるため、複数回転する（３６０°以上回転する）対象物２に好適である。

（１）以上に説明した位置検出装置１は、対象物２の位置を検出するものであり、励磁部（例えば、第１励磁部１０、第２励磁部３０）と、検出部（例えば、第１検出部２０、第２検出部４０）と、非磁性金属部２２０と、制御部５０と、を備える。励磁部は、基板（例えば回路基板１００）に形成され、電圧の印加により励磁される。検出部は、基板における軸線ＡＸを中心とした環状の領域に形成された複数の検出コイル（例えば、第１環状領域Ｒ１、第２環状領域Ｒ２）を有し、励磁部によって誘導起電力が発生する。非磁性金属部２２０は、対象物２の位置の変動に伴い軸線ＡＸを中心に回転し、検出部に発生する誘導起電力を対象物２の位置に応じて変化させる。制御部５０は、検出部に発生した誘導起電力に基づいて対象物２の位置を算出する。検出部は、複数あり、軸線ＡＸを中心とした径方向において互いに異なる箇所に設けられた第１検出部２０及び第２検出部４０を含む。第１検出部２０は、２つの第１検出コイル（検出コイル２１，２２）を含み、第２検出部４０は、２つの第２検出コイル（検出コイル４１，４２）を含む。
制御部５０は、励磁部が励磁されて誘導起電力が生じた２つの第１検出コイルの一方から、前記位置に応じて正弦波状又は余弦波状に変化する第１出力電圧（例えば、出力電圧Ｖ１ａ）を取得するとともに、２つの第１検出コイルの他方から前記位置に応じて正弦波状又は余弦波状に変化する電圧であって第１出力電圧と所定の位相差がある第２出力電圧（例えば、出力電圧Ｖ１ｂ）を取得する。また、制御部５０は、励磁部が励磁されて誘導起電力が生じた２つの第２検出コイルの一方から、前記位置に応じて正弦波状又は余弦波状に変化する電圧であって、第１出力電圧と特定の位相差がある第３出力電圧（例えば、出力電圧Ｖ２ａ）を取得するとともに、２つの第２検出コイルの他方から前記位置に応じて正弦波状又は余弦波状に変化する電圧であって、第３出力電圧と所定の位相差があり、且つ、第２出力電圧と特定の位相差がある第４出力電圧（例えば、出力電圧Ｖ２ｂ）を取得する。そして、制御部５０は、第１出力電圧及び第２出力電圧と、第３出力電圧及び第４出力電圧との少なくともいずれかに基づいて前記位置を算出する。
この構成によれば、対象物２の位置の変動に伴い回転する非磁性金属部２２０がいずれの位置であっても良好に角度θを算出することができ、算出した角度θに応じて対象物２の位置を検出することができる。したがって、良好な精度で対象物２の位置を検出することができる。

（２）具体的に、制御部５０は、特定の範囲内（例えば、関数Ｆ１が不連続となる３６０°を跨ぐ任意の角度範囲や、関数Ｆ２が不連続となる９０°を跨ぐ任意の角度範囲に対応した対象物２の変動範囲）における前記位置を求める際には、第１出力電圧及び第２出力電圧と、第３出力電圧及び第４出力電圧との一方に基づいて前記位置を算出する。

（３）前記所定の位相差は、９０°であることが好ましい。

（４）前記特定の位相差は、９０°以上２７０°以下であることが好ましい。

（５）非磁性金属部２２０は、軸線ＡＸを中心として円弧状に形成された円弧部を有し、円弧部は、軸線ＡＸを中心とした径方向において間隔を空けて複数設けられ、複数の円弧部（例えば、第１円弧部２２１、第２円弧部２２２）は、複数の検出部（例えば、第１検出部２０、第２検出部４０）の各々と対向する。
この構成によれば、前述の通り、所定の検出部の電磁作用と他の検出部とが相互に干渉して検出精度が低下することを抑制することができる。

（６）具体的に、励磁部は、環状の領域に形成された励磁コイルを含むとともに、複数の検出部の各々に対応して複数設けられている（例えば、第１検出部２０に対応して設けられた第１励磁部１０や、第２検出部４０に対応して設けられた第２励磁部３０）。

以上の説明では、本発明の理解を容易にするために、公知の技術的事項の説明を適宜省略した。

１…位置検出装置
２…対象物、ＡＸ…軸線
１００…回路基板、３…基材
Ｒ１～Ｒ３…第１～第３環状領域、Ｒｏ…他の環状領域、Ｒｘ…外周領域
１０…第１励磁部（１１，１２…励磁コイル）
２０…第１検出部（２１，２２…検出コイル）
３０…第２励磁部（３１，３２…励磁コイル）
４０…第２検出部（４１，４２…検出コイル）
５０…制御部
２００…連動部、２１０…板状部
２２０…非磁性金属部、２２１…第１円弧部、２２２…第２円弧部
Ｆｉ…逆関数、Ｆ１，Ｆ２…関数

Claims

対象物の位置を検出する位置検出装置であって、
基板に形成され、電圧の印加により励磁される励磁部と、
前記基板における軸線を中心とした環状の領域に形成された複数の検出コイルを有し、前記励磁部によって誘導起電力が発生する検出部と、
前記位置の変動に伴い前記軸線を中心に回転し、前記検出部に発生する誘導起電力を前記位置に応じて変化させる非磁性金属部と、
前記検出部に発生した誘導起電力に基づいて前記位置を算出する制御部と、を備え、
前記検出部は、複数あり、前記軸線を中心とした径方向において互いに異なる箇所に設けられた第１検出部及び第２検出部を含み、
前記第１検出部は、２つの第１検出コイルを含み、
前記第２検出部は、２つの第２検出コイルを含み、
前記制御部は、
前記励磁部が励磁されて誘導起電力が生じた前記２つの第１検出コイルの一方から、前記位置に応じて正弦波状又は余弦波状に変化する第１出力電圧を取得するとともに、前記２つの第１検出コイルの他方から前記位置に応じて正弦波状又は余弦波状に変化する電圧であって前記第１出力電圧と所定の位相差がある第２出力電圧を取得し、
前記励磁部が励磁されて誘導起電力が生じた前記２つの第２検出コイルの一方から、前記位置に応じて正弦波状又は余弦波状に変化する電圧であって、前記第１出力電圧と特定の位相差がある第３出力電圧を取得するとともに、前記２つの第２検出コイルの他方から前記位置に応じて正弦波状又は余弦波状に変化する電圧であって、前記第３出力電圧と前記所定の位相差があり、且つ、前記第２出力電圧と前記特定の位相差がある第４出力電圧を取得し、
前記第１出力電圧及び前記第２出力電圧と、前記第３出力電圧及び前記第４出力電圧との少なくともいずれかに基づいて前記位置を算出し、
前記特定の位相差は、９０°以上２７０°以下である、
位置検出装置。
対象物の位置を検出する位置検出装置であって、
基板に形成され、電圧の印加により励磁される励磁部と、
前記基板における軸線を中心とした環状の領域に形成された複数の検出コイルを有し、前記励磁部によって誘導起電力が発生する検出部と、
前記位置の変動に伴い前記軸線を中心に回転し、前記検出部に発生する誘導起電力を前記位置に応じて変化させる非磁性金属部と、
前記検出部に発生した誘導起電力に基づいて前記位置を算出する制御部と、を備え、
前記検出部は、複数あり、前記軸線を中心とした径方向において互いに異なる箇所に設けられた第１検出部及び第２検出部を含み、
前記第１検出部は、２つの第１検出コイルを含み、
前記第２検出部は、２つの第２検出コイルを含み、
前記制御部は、
前記励磁部が励磁されて誘導起電力が生じた前記２つの第１検出コイルの一方から、前記位置に応じて正弦波状又は余弦波状に変化する第１出力電圧を取得するとともに、前記２つの第１検出コイルの他方から前記位置に応じて正弦波状又は余弦波状に変化する電圧であって前記第１出力電圧と所定の位相差がある第２出力電圧を取得し、
前記励磁部が励磁されて誘導起電力が生じた前記２つの第２検出コイルの一方から、前記位置に応じて正弦波状又は余弦波状に変化する電圧であって、前記第１出力電圧と特定の位相差がある第３出力電圧を取得するとともに、前記２つの第２検出コイルの他方から前記位置に応じて正弦波状又は余弦波状に変化する電圧であって、前記第３出力電圧と前記所定の位相差があり、且つ、前記第２出力電圧と前記特定の位相差がある第４出力電圧を取得し、
前記第１出力電圧及び前記第２出力電圧と、前記第３出力電圧及び前記第４出力電圧との少なくともいずれかに基づいて前記位置を算出し、
前記励磁部は、前記環状の領域に形成された励磁コイルを含むとともに、複数の前記検出部の各々に対応して複数設けられている、
位置検出装置。
前記制御部は、特定の範囲内における前記位置を求める際には、前記第１出力電圧及び前記第２出力電圧と、前記第３出力電圧及び前記第４出力電圧との一方に基づいて前記位置を算出する、
請求項１又は２に記載の位置検出装置。
前記所定の位相差は、９０°である、
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の位置検出装置。
前記非磁性金属部は、前記軸線を中心として円弧状に形成された円弧部を有し、
前記円弧部は、前記径方向において間隔を空けて複数設けられ、
複数の前記円弧部は、複数の前記検出部の各々と対向する、
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の位置検出装置。