KR100820262B1 - 포지션 센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 코일 임피던스의 직선성이 우수한 포지션 센서를 제공한다. 상기 포지션 센서는, 통형의 검출 코일과, 검출 코일 내를 이동할 수 있는 코어와, 검출 코일의 구동 회로와, 검출 코일의 임피던스 변화를 전기 신호로 변환하는 신호 처리 회로와, 검출 코일의 주위에 배치되는 차폐부재를 구비한다. 차폐부재는, 검출 코일의 축 방향의 특정 공간의 주위를 둘러싸는 제1 내표면과, 검출 코일의 축 방향의 다른 구간의 주위를 둘러싸는 제2 내표면을 가지는 통형 부재로서, 제2 내표면과 검출 코일 사이의 거리가 제1 내표면과 검출 코일 사이의 거리보다 작아지도록 형성된다.

코일, 임피던스, 직선성, 포지션, 검출, 전기 신호, 차폐, 실드

Description

포지션 센서{POSITION SENSOR}

본 발명은 자성체 코어의 변위에 의해 생기는 검출 코일의 임피던스 변화를 이용한 포지션 센서에 관한 것이다.

통형의 검출 코일 내에서의 자성체 코어의 물리적 변위에 의해 생기는 검출 코일의 임피던스 변화에 근거해, 그 물리적 변위에 대응하는 전기 신호를 출력하는 포지션 센서는, 내연 기관이나 발전 설비와 같이 많은 분야에서 계측 제어에 이용되어 있다. 이러한 종류의 포지션 센서는, 검출 정밀도의 신뢰성 향상의 관점에서 자성체 코어의 변위에 대해서 검출 코일의 임피던스가 직선적으로 변화하는 것을 원하지만, 실제로는, 도 15에 나타낸 바와 같이, 자성체 코어의 변위량의 증대와 더불어, 이상적인 특성으로부터 어긋남이 생긴다. 임피던스 변화가 직선성(linearity)을 나타내는 자성체 코어의 이동 범위만을 사용하여 안정된 검출 정밀도를 얻는 일도 고려되지만, 포지션 센서의 소형화가 중시되는 경우, 이상적인 특성으로부터의 어긋남이 생기는 자성체 코어의 이동 범위를 무시할 수 없다.

예를 들면, 국제 공개 WO2004/099727호 팜플렛은, 상기 종류의 포지션 센서에 있어서의 코일 임피던스의 직선성의 개선에 대하여 개시하고 있다. 즉, 자성체 코어의 선단부를 굵게 형성하고, 코어의 선단부를 투자율이 높은 재료로 표면 처리 하거나, 또는 검출 코일의 권층수를 단부에서 늘리는 것이 임피던스 직선성의 향상에 유효한 것으로 하고 있다. 그러나, 코어의 선단을 굵게 형성하면, 코어가 삽입되는 검출 코일의 직경 방향에서의 치수 증가를 피할 수 없다. 또, 선단부의 질량이 증가되므로 기계적 공진 주파수가 낮아지고, 내진동성이 저하되는 우려가 있다. 한편, 봉형의 코어의 일부분에만 자성 도금을 행하는 경우에는, 가공성 및 품질 관리의 면에서 제조 비용의 상승을 초래하기 쉽다. 또한, 검출 코일의 권층수를 변화시키는 경우에는, 권붕괴를 방지하기 위한 코일보빈(coil bobbin)의 구조가 복잡화되거나, 코일보빈에의 코일 작업에 걸리는 시간이 길어져 결과적으로 제조 비용의 상승을 초래할 우려가 있다.

따라서, 본 발명은 상기 문제점을 감안하여 이루어진 것으로서, 자성체 코어나 검출 코일의 구조에 설계 변경을 가하지 않아도, 코일 임피던스의 직선성을 개선시킬 수 있는 포지션 센서를 제공하는 것에 있다.

즉, 본 발명의 포지션 센서는, 통형의 검출 코일과, 검출 코일 내를 이동할 수 있는 자성체 코어와, 검출 코일에 일정 교류 전류 또는 일정 교류 전압을 제공하는 구동 회로와, 검출 코일 내에서의 자성체 코어의 이동에 의해 생기는 검출 코일의 임피던스 변화를 소정의 전기 신호로 변환하는 신호 처리 회로와, 검출 코일의 주위에 배치되는 차폐부재를 포함하고, 상기 차폐부재는, 검출 코일의 임피던스 직선성을 향상시키기 위해 이하의 (a)~(c)의 특징:

(a) 상기 차폐부재는, 축 방향에서의 특정 구간이 그 원주 방향에 대해서 전기적으로 불연속으로 형성되는 통형 부재이다;

(b) 상기 차폐부재는, 상기 검출 코일의 축 방향의 특정 공간의 주위를 둘러싸는 제1 차폐부와, 상기 검출 코일의 축 방향의 다른 구간의 주위를 둘러싸고, 상기 제1 차폐부와 도전율 또는 투자율이 상이한 재료로 형성되는 제2 차폐부를 가지는 통형 부재이다;

(c) 상기 차폐부재는, 상기 검출 코일의 축 방향의 특정 공간의 주위를 둘러싸는 제1 내표면과, 상기 검출 코일의 축 방향의 다른 구간의 주위를 둘러싸는 제2 내표면을 가지는 통형 부재로서, 제2 내표면과 검출 코일의 사이의 거리는 제1 내표면과 검출 코일의 사이의 거리 보다 작다;

중 적어도 1개를 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 본 발명의 특징 (a)를 구비한 차폐부재에 의하면, 통형의 차폐부재의 원주 방향에서 전기적으로 불연속으로 형성되어 있지 않은 부위에서는 와전류(渦電流)가 흐르므로, 검출 코일에서 발생되는 자속의 일부가 소멸된다. 그러나, 차폐부재의 원주 방향에서 전기적으로 불연속으로 형성되어 있는 부위에서는 와전류가 흐르지 않기 때문에, 검출 코일에서 발생되는 자속은 소멸되지 않는다. 따라서, 차폐부재의 적절한 구간을 그 원주 방향에서 전기적으로 불연속으로 형성함으로써, 자성체 코어의 변위에 대한 코일 임피던스의 국소적인 증가량을 의도적으로 변화시켜 코일 임피던스의 이상적인 특성으로부터의 어긋남을 수정하는 것이 가능하게 된다.

또, 상기 특징 (b)를 구비한 차폐부재에 의하면, 도전율 또는 투자율이 큰 재료로 형성된 차폐부에서는 자속밀도가 높아지고, 인덕턴스가 커지므로, 자성체 코어의 변위에 대한 코일 임피던스의 국소적인 증가량을 의도적으로 크게 할 수 있다. 따라서, 제1 차폐부와 제2 차폐부의 형성 범위 및 그것들을 구성하는 재료의 선택을 적절히 행함으로써, 코일 임피던스의 이상적인 특성으로부터의 어긋남을 수정하는 것이 가능하게 된다.

또한, 상기 특징 (c)를 구비한 차폐부재에 의하면, 검출 코일과의 거리가 짧은 제2 내표면을 가지는 영역에서는 차폐부재에 와전류가 많이 흐르지만, 검출 코일과의 거리가 긴 제1 내표면을 가지는 영역에서는 반대로 와전류가 적어진다. 따라서, 제1 내표면과 제2 내표면의 형성 범위 및 그것들과 검출 코일과의 사이의 거리를 적절히 설정함으로써, 자성체 코어의 변위에 대한 코일 임피던스의 국소적인 증가량을 의도적으로 변화시켜 코일 임피던스의 이상적인 특성으로부터의 어긋남을 수정하는 것이 가능하게 된다.

이들 이유에 의해, 상기 특징 (a, b) 또는 (c)를 구비한 차폐부재를 사용하여 포지션 센서의 코일 임피던스의 직선성을 개선할 수 있다. 그리고, 상기 특징 (a)~(c)를 각각 단독으로 구비하는 차폐부재 외에, 이들 특징을 임의로 조합시켜 차폐부재를 제작함으로써, 코일 임피던스의 직선성의 향상을 도모하는 것도 본 발명의 기술 사상의 범주이다.

상기 특징 (a)를 구비한 차폐부재의 바람직한 실시예로서, 차폐부재는 그 축 방향에서의 소정 구간에서 단면이 대략 C자형 모양을 가지는 것이 바람직하다. 이 경우에는, 통형 부재의 측벽에 슬릿(slit)을 형성한다고 하는 비교적 간단한 구성에 의해, 차폐부재의 원주 방향으로 확실하게 전기적 불연속을 제공하는 것이 가능하다. 그리고, 슬릿의 폭, 길이 및 형상은, 포지션 센서의 검출 코일과 차폐부재 사이의 거리, 검출 코일과 자성체 코어 사이의 거리, 자성체 코어나 차폐부재의 도전율 등의 요인에 따라 적당히 결정된다.

상기 특징 (c)를 구비한 차폐부재의 바람직한 실시예로서, 차폐부재는, 외통과, 상기 외통보다 짧은 축 방향 길이를 가지는 동시에 외통의 내측에 배치되는 내통으로 구성되는 것이 바람직하다. 특히, 내통은, 외통과 도전율 또는 투자율이 상이한 재료로 형성되는 것이 바람직하다. 이 경우에는, 상기 (b) 및 (c)의 양쪽 특징을 구비한 차폐부재에 의해 코일 임피던스의 직선성을 개선하게 된다. 또, 도전율이 작고, 와전류가 대부분 흐르지 않는 페라이트(ferrite)로 내통을 형성하는 것이 바람직하다. 또한, 외통 또는 내통을 그 축 방향의 소정 구간의 단면이 대략 C자형 모양을 가지도록 형성하는 것도 바람직하다. 이 경우에는, 상기한 (a) 및 (c)의 양쪽 특징을 구비한 차폐부재에 의해 코일 임피던스의 직선성을 개선하게 된다. 그리고, 내통의 외표면이 외통의 내표면에 직접 접촉하도록 내통을 설치해도 되고, 또는 내통과 외통 사이에 전기 절연층(공기를 포함함)을 설치해도 된다.

또, 본 발명의 포지션 센서에 있어서는, 차폐부재를 구성하는 재료에 강자성체 재료를 사용하고, 적어도 검출 코일과 대략 동일한 축 방향 길이를 가지도록, 보다 바람직하게는 검출 코일의 전체 길이 및 자성체 코어의 이동 범위를 포함하는 축 방향 길이를 가지도록 형성함으로써, 검출 코일을 자기 차폐하고, 사용 환경에 의한 유도 기전력이나 임피던스 변화 등의 영향을 저감할 수 있다. 또, 차폐부재는, 그 외표면에 고도전율을 가지는 금속 재료의 도금층을 가지는 것이 바람직하다.

또, 본 발명의 차폐부재는, 구동 회로 및 신호 처리 회로의 한쪽의 안정 전위점에 전기적으로 접속되는 것이 바람직하다. 이 경우에는, 복사 노이즈(radiation noise)에 대해서 더욱 큰 차폐 효과를 얻을 수 있다.

본 발명의 새로운 특징 및 그 효과는, 이하의 발명을 실시하기 위한 최선의 실시예로부터 보다 명확하게 이해될 것이다.

도 1(A) 및 도 1(B)는 본 발명의 제1 실시예에 관한 포지션 센서의 분해 사시도 및 단면도이다.

도 2는 제1 실시예에 관한 포지션 센서의 구동 회로 및 신호 처리 회로의 일례를 나타낸 블록도이다.

도 3(A)는 제1 실시예에 관한 포지션 센서의 주요부 단면도이며, 도 3(B)는 도 3(A)의 D-D선 수평 단면도이다.

도 4(A)는 제1 실시예의 변경예에 관한 포지션 센서의 주요부 단면도이고, 도 4(B)는 도 4(A)의 E-E선 수평 단면도이다.

도 5는 본 발명의 제2 실시예에 관한 포지션 센서의 주요부 단면도이다.

도 6은 본 발명의 제3 실시예에 관한 포지션 센서의 주요부 단면도이다.

도 7(A)는 제3 실시예의 제1 변경예에 관한 포지션 센서의 주요부 단면도이고, 도 7(B)는 도 7(A)의 F-F선 수평 단면도이며, 도 7(C)는 도 7(A)의 G-G선 수평 단면도이다.

도 8(A)는 제3 실시예의 제2 변경예에 관한 포지션 센서의 주요부 단면도이고, 도 8(B)는 도 7(A)의 H-H선 수평 단면도이며, 도 8(C)는 도 8(A)의 J-J선 수평 단면도이다.

도 9(A)는 제3 실시예의 제3 변경예에 관한 포지션 센서의 주요부 단면도이고, 도 9(B)는 도 9(A)의 K-K선 수평 단면도이며, 도 9(C)는 도 9(A)의 L-L선 수평 단면도이다.

도 10(A)는 제3 실시예의 제4 변경예에 관한 포지션 센서의 주요부 단면도이고, 도 10(B)는 도 10(A)의 M-M선 수평 단면도이며, 도 10(C)는 도 10(A)의 N-N선 수평 단면도이다.

도 11(A)는 제3 실시예의 제5 변경예에 관한 포지션 센서의 주요부 단면도이고, 도 11(B)는 도 11(A)의 P-P선 수평 단면도이다.

도 12(A)~(C)는 차폐부재의 차폐 효과를 평가하기 위한 시험 조건을 나타낸 개략도이다.

도 13은 코어의 전동작 범위에서 차폐 성능을 가지는 본 발명의 바람직한 실시예에 관한 포지션 센서의 단면도이다.

도 14(A)는 본 발명의 차폐부재의 일례의 단면도이고, 도 14(B)는 종래의 차폐부재의 단면도이며, 도 14(C)는 이들 차폐부재를 사용한 경우에 있어서의 변위-코일 임피던스의 관계를 나타내는 그래프이고, 도 14(D)는 이들 차폐부재를 사용한 경우에 있어서의 변위-코일 임피던스의 직선성 오차의 관계를 나타내는 그래프이 다.

도 15는 코어의 변위량에 대한 검출 코일의 임피던스 변화를 나타낸 그래프이다.

이하에, 본 발명에 관한 포지션 센서를 바람직한 실시예에 따라서 상세하게 설명한다.

(기본 구성)

먼저, 포지션 센서의 기본 구성에 대하여 설명한다. 도 1(A), 도 1(B) 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 상기 포지션 센서는, 통형의 검출 코일(1)과, 검출 코일(1) 내를 이동할 수 있는 자성체 코어(2)와, 검출 코일(1)에 일정 교류 전류 또는 일정 교류 전압을 제공하는 구동 회로(3)와, 검출 코일(1) 내에서의 자성체 코어(2)의 변위에 의해 생기는 검출 코일(1)의 임피던스 변화를 소정의 전기 신호로 변환하는 신호 처리 회로(4)와, 검출 코일(1)의 주위에 배치되는 차폐부재(5)와, 차폐부재(5)가 내부에 수용되는 케이스(6)로 주로 구성된다.

검출 코일(1)은, 대략 원통형상의 코일보빈(10)의 외주에 도선(12)을 감아서 형성한다. 코일보빈(10)은, 예를 들어 열강화성 수지 등으로 형성되고, 도 1(B)에 나타낸 바와 같이, 양단이 개구된 기다란 원통형의 권취 보디부(winding body)(11)와, 권취 보디부(11)의 상단 측에 형성되는 원환형의 제1 플랜지부(13)와, 권취 보디부의 하단 측에 하단 개구를 폐색(閉塞)하도록 형성되는 원반형의 제2 플랜지부(14)와, 제2 플랜지부의 하단 측에 형성되는 원반형의 받침대(pedestal)(15)를 일체로 구비한다.

한편, 자성체 코어(2)는, 페라이트 등의 자성 재료를 사용하여 기다란 둥근 막대형으로 형성된다. 여기서, 권취 보디부(11)는, 축 방향(상하 방향)의 길이 치수가 자성체 코어(2)의 축 방향(상하 방향)의 길이 치수보다 크게 형성되는 동시에, 내경이 자성체 코어(2)의 외경보다 크게 형성되어, 자성체 코어(2)가 코일보빈(10) 내에서 그 축방향으로 이동(변위)가능하게 되어 있다. 또, 받침대(15)는, 제2 플랜지부(14) 보다도 큰 외경을 가지고 있고, 상기 받침대(14) 상에 차폐부재(5)가 탑재된다.

차폐부재(5)는, 상면이 개구된 바닥을 가지는 기다란 원통형의 케이스(6) 내에 수용된다. 케이스는 절연성 수지로 형성되고, 내경이 차폐부재의 외경보다 조금 크게 형성되는 동시에, 축 방향(상하 방향)의 길이가 검출 코일(1)의 축 방향(상하 방향)의 길이 치수보다 크게 형성되어 있다.

구동 회로(3)는, 종래와 마찬가지의 것을 사용할 수 있고, 한정되지 않는다. 예를 들면, 도 2에 나타낸 바와 같이, 구동 회로(3)는, 검출 코일에 소정의 주파수 및 진폭의 정전류를 출력하는 정전류 회로이며, 소정의 진폭의 직류 전압에 소정의 주파수 및 진폭의 교류 전압을 중첩한 정전압을 발생하는 발진 회로(oscillation circuit)(31)와, 발진 회로가 출력하는 정전압을 정전류로 변환하는 V-I 회로(전압-전류 변환 회로)(32)로 구성된다.

또, 신호 처리 회로(4)에 대하여도, 종래와 마찬가지의 것을 사용할 수 있고, 특별히 한정되지 않는다. 예를 들면, 도 2에 나타낸 바와 같이, 신호 처리 회 로(4)는, 구동 회로(3)가 출력하는 정전류 및 검출 코일의 임피던스에 의해 결정되는 검출 코일의 양단 전압(검출 신호)의 피크값(V1)에 따라, 코어와 검출 코일의 위치 정보를 나타낸 출력 신호(Vout)를 출력한다. 이 경우, 신호 처리 회로(4)는 피크 홀드 회로(peak hold circuit)(41), AD변환 회로(42), 레벨 시프트부(level shift portion)(43), 온도 보상부(44) 및 증폭부(45)를 가지는 디지털 연산 블록으로 형성된다. 피크 홀드 회로(41)에서는 검출 코일의 양단 전압의 피크값(V1)을 추출하고, AD변환 회로(42)에서는 피크값을 디지털 신호(DV1)로 변환한다. 디지털 연산 블록에서는, 디지털 신호 연산으로서 레벨 시프트부(43)에서 소정의 디지털 양을 가산하여 레벨 시프트를 행한 디지털 신호(DV2)를 출력하고, 온도 보상부(44)에서는 온도 보상을 실행하는 연산을 디지털 신호(DV2)에 대해서 행하고, 증폭부(45)에서는 온도 보상부(44)가 출력하는 디지털 신호를 증폭하여 출력 신호(Vout)를 출력한다.

(제1 실시예)

본 실시예는, 상기 기본 구성으로 이루어지는 포지션 센서에 있어서, 이하의 구성을 구비한 차폐부재(shield member)(5)를 사용하는 점에 특징이 있다. 즉, 본 실시예의 차폐부재(5)는, 내부에 검출 코일(1)을 수용할 수 있는 통형 구조를 가지고, 축 방향에서의 소정 구간이 그 원주 방향에 관해서 전기적으로 불연속으로 형성된다.

이와 같은 차폐부재(5)로서는, 도 3(A) 및 도 3(B)에 나타낸 바와 같이, 내표면에 코일보빈(10)의 제1 플랜지부(13) 및 제2 플랜지부(14)가 접촉하도록 형성 되고, 축 방향에서의 소정 구간에 슬릿(51)을 형성하여 원주 방향에서 전기적으로 불연속으로 한 통형 부재를 예시할 수 있다. 요컨대, 도 3(B)에 나타낸 바와 같이, 소정 구간에서 단면이 대략 C자형 모양을 가지는 통형 부재를 차폐부재(5)로서 사용할 수 있다. 본 실시예에서는, 슬릿(51)을 코일보빈의 하단으로부터 소정 길이에 걸쳐서 축방향으로 형성하고 있다. 그리고, 이와 같은 차폐부재(5)는, 금속 박판의 롤 가공(rolling)이나, 레이저 가공 등에 의해 파이프재에 슬릿(51)을 형성함으로써 용이하게 제조할 수 있다는 장점도 있다.

또는, 도 4(A) 및 도 4(B)에 나타낸 바와 같이, 축 방향에 있어서의 소정 구간에 걸쳐서 차폐부재(5)의 측벽 내에 중공부(52)를 형성한 통형 부재를 차폐부재(5)로서 사용해도 된다. 본 실시예에 있어서는, 중공부(52)를 코일보빈의 제2 플랜지부(14)의 상면에 대응하는 위치로부터 소정 길이에 걸쳐서 축방향으로 형성하고 있다. 차폐부재(5)는 그 제조 용이성 및 요구되는 자기 차폐 성능을 고려하여, 금속 재료, 특히 강자성체의 금속 재료로 제작하는 것이 바람직하다.

이들 차폐부재(5)를 사용하는 경우에는, 자성체 코어(2)의 변위에 대한 코일 임피던스의 국소적인 증가량을 의도적으로 변경하는 것이 가능하게 되어, 결과적으로 전체적으로 임피던스 직선성을 개선하는 것이 가능하게 된다. 그리고, 차폐부재(5)에 형성하는 슬릿(51)이나 중공부(52)의 치수나 형상은, 검출 코일(1)과 차폐부재(5) 사이의 거리, 검출 코일(1)과 자성체 코어(2) 사이의 거리, 자성체 코어(2)나 차폐부재(5)의 도전율 등의 다른 요인을 가미하여, 포지션 센서의 코일 임피던스의 직선성이 향상되도록 적당히 결정된다.

(제2 실시예)

본 실시예는, 상기 기본 구성으로 이루어지는 포지션 센서에 있어서, 이하의 구성을 구비한 차폐부재(5)를 사용하는 점에 특징이 있다. 즉, 본 실시예의 차폐부재(5)는, 내부에 검출 코일(1)을 수용할 수 있는 통형 구조를 가지고, 축 방향(자성체 코어의 스트로크 방향)에서 재질이 균일하지 않은 금속성의 통형 부재로 된다. 구체적으로는, 도 5에 나타낸 바와 같이, 내표면에 코일보빈(10)의 제1 플랜지부(13) 및 제2 플랜지부(14)가 접촉하도록 형성되는 동시에, 제1 플랜지부(13)와의 접촉부로부터 검출 코일(1)의 축 방향의 소정 구간의 주위를 둘러싸는 제1 차폐부(53)와, 제1 차폐부(53)의 하단으로부터 제2 플랜지부(14)와의 접촉부에 도달하는 구간의 검출 코일(1)의 주위를 둘러싸는 제2 차폐부(54)를 가지는 통형 부재를 차폐부재(5)로서 사용할 수 있다. 제1 차폐부(53)는, 제2 차폐부(54)와 도전율 또는 투자율이 상이한 재료로 형성된다. 제1 차폐부(53)를 구성하는 재료로서는, 철계 금속 재료를 예시할 수 있고, 후술하는 이유 때문에, 페라이트의 사용이 특히 바람직하다. 또, 제2 차폐부(54)를 구성하는 재료로서는, 구리, 구리-니켈 합금, 금, 은을 예시할 수 있고, 비용면에서 구리 또는 구리합금의 사용이 바람직하다. 그리고, 본 실시예에서는, 제1 차폐부(53)와 검출 코일(1) 사이의 거리가, 제2 차폐부(54)와 검출 코일(1) 사이의 거리와 대략 동등하게 되도록 차폐부재(5)가 형성되어 있다.

본 실시예의 차폐부재를 사용하는 경우에는, 제1 차폐부(53)와 제2 차폐부(54)의 형성 범위 및 그것들을 구성하는 재료의 선택을 적절히 행함으로써, 자성 체 코어(2)의 변위에 대한 코일 임피던스의 국소적인 증가량을 의도적으로 변화시켜, 결과적으로 전체적으로 임피던스 직선성을 개선하는 것이 가능하게 된다. 그리고, 본 실시예에서는, 축방향으로 2종류의 재질로 이루어지는 차폐부를 설치하고 있지만, 필요에 따라 재질이 상이한 3종 이상의 차폐부를 축방향으로 설치하여 통형 부재를 구성하고, 코일 임피던스의 이상적인 특성으로부터의 어긋남을 보다 세밀하게 수정하도록 해도 된다.

(제3 실시예)

본 실시예는, 상기 기본 구성으로 이루어지는 포지션 센서에 있어서, 이하의 구성을 구비한 차폐부재(5)를 사용하는 점에 특징이 있다. 즉, 본 실시예의 차폐부재(5)는, 내부에 검출 코일(1)을 수용할 수 있는 통형 구조를 가지는 동시에, 검출 코일(1)의 축 방향의 특정 공간의 주위를 둘러싸는 제1 내표면과, 검출 코일의 축 방향의 다른 구간의 주위를 둘러싸는 제2 내표면을 가지고, 제2 내표면과 검출 코일 사이의 거리가 제1 내표면과 검출 코일 사이의 거리보다 작게 형성된다.

이와 같은 차폐부재(5)로서는, 예를 들면, 도 6에 나타낸 바와 같이, 내표면에 코일보빈(10)의 제1 플랜지부(13) 및 제2 플랜지부(14)가 접촉하도록 형성되는 동시에, 일단측의 내경 치수가 타단측의 내경 치수보다 작게 형성되는 테이퍼형(선단부가 가늘게 되는 형상)의 내표면(55)을 가지는 통형 부재를 사용할 수 있다. 본 실시예에 있어서, 차폐부재(5)의 외형 치수는, 그 축방향에서 대략 일정하다. 또, 차폐부재(5)는, 제1 플랜지부(13)측의 내경이 제2 플랜지부(14)측의 내경보다 작게되도록 검출 코일(1)의 주위에 배치되어 있다. 테이퍼형 내표면(55)의 경사 각도는, 검출 코일(1)과 차폐부재(5) 사이의 거리, 검출 코일(1)과 자성체 코어(2) 사이의 거리, 자성체 코어(2)나 차폐부재(5)의 도전율 등의 다른 요인을 가미하여, 포지션 센서의 코일 임피던스의 직선성이 향상되도록 적당히 결정된다.

또, 도 7(A)~도 7(C)에 나타낸 바와 같이, 축 방향의 소정 영역에 걸쳐서 일정한 두께를 가지는 제1 통형부(56)와, 축 방향의 나머지 영역에 걸쳐서 제1 통형부 보다 얇은 일정한 두께를 가지는 제2 통형부(57)로 이루어지는 통형 부재를 차폐부재(5)로서 사용할 수 있다. 이 경우에는, 두께가 두꺼운 제1 통형부(56)가 제2 통형부(57)보다도 검출 코일에 근접하여 위치하게 되며, 이로써 자성체 코어(2)의 변위에 대한 코일 임피던스의 국소적인 증가량을 의도적으로 변화시킬 수 있다. 그리고, 본 실시예에 있어서는, 차폐부재(5)의 외형 치수는, 그 축방향에서 대략 일정하다. 또, 두께가 상이한 2개의 통형부를 축방향으로 설치한 차폐부재(5)에 대하여 설명하였으나, 필요에 따라 두께가 상이한 3개 이상의 통형부를 가지는 차폐부재(5)를 사용하여 코일 임피던스의 직선성을 개선해도 된다.

또는, 도 8(A)~도 8(C)에 나타낸 바와 같이, 축 방향의 소정 영역에 있어서 일정한 외경을 가지는 제1 통형부(70)과, 축 방향의 다른 영역에서 제1 통형부와 두께가 일정하지만 외경이 제1 통형부(70)보다 큰 제2 통형부(71)를 가지는 통형 부재를 차폐부재(5)로서 사용할 수 있다. 이와 같은 구조의 차폐부재는, 금속 재료의 교축 가공에 의해 용이하게 제조할 수 있는 점에서도 바람직하다. 그리고, 본 실시예에 있어서는, 외경이 상이한 2개의 통형부를 축방향으로 설치한 차폐부재(5)에 대하여 설명하였지만, 필요에 따라 외경의 상이한 3개 이상의 통형부가 연 결되어 이루어지는 차폐부재(5)를 사용하여 코일 임피던스의 직선성을 개선해도 된다.

또, 도 9(A)~도 9(C)에 나타낸 바와 같이, 외통(73)과, 외통(73)보다도 짧은 축 방향 길이를 가지는 동시에 외통의 내측에 배치되는 내통(74)으로 이루어지는 2중 통형 구조를 가지는 차폐부재(5)를 사용하는 것도 바람직하다. 본 실시예에 있어서는, 제1 플랜지부(13)가 내통의 내표면에 접촉되고, 제2 플랜지부(14)가 외통의 내표면에 접촉하도록 차폐부재(5)가 배치되어 있다. 내통(74)과 외통(73)은 동일한 재료로 형성해도 되고, 제2 실시예에서 설명한 바와 같이, 도전율 또는 투자율이 상이한 재료로 형성해도 된다. 그리고, 도전율 또는 투자율이 상이한 재료로 외통(73)과 내통(74)을 형성하는 경우에는, 차폐부재(5)와 검출 코일(1) 사이의 거리가 축방향에서 상이할 뿐만 아니라, 재질도 축방향에서 상이한 차폐부재로 간주할 수 있으므로, 제2 실시예와 본 실시예의 양쪽 특징을 겸비하게 된다. 또, 도 9(A)에 나타낸 차폐부재는 2중 통형 구조를 가지지만, 필요에 따라 3중 또는 그 이상의 통형 구조를 가지는 차폐부재를 사용해도 된다. 이 경우에는, 검출 코일과 차폐부재 사이의 거리가 축방향에서 적어도 3개소에서 상이한 것으로 된다.

또, 도 10(A)~도 10(C)에 나타낸 바와 같이, 상기 2중 통형 구조를 가지는 차폐부재(5)에 있어서, 내통(74)과 외통(73)의 사이에 절연층(75)을 설치해도 된다. 본 실시예에서는, 내통(74)을 검출 코일(1)의 제1 플랜지부(13)로 지지하고, 외통(73)을 검출 코일(1)의 제2 플랜지부(14)로 지지하는 것으로, 내통(74)과 외통(73) 사이에 공기로 이루어지는 절연층(75)을 설치하고 있다. 그리고, 절연층은 공기에 한정되지 않고, 다른 전기 절연 재료로 구성해도 된다. 또, 도 11(A) 및 도 11(B)에 나타낸 바와 같이, 도 10(A)의 차폐부재(5)에 있어서, 내통(74)의 전체 길이에 걸쳐서 슬릿(51)을 형성해도 된다. 이 경우에는, 차폐부재의 전체 길이를 규정하는 외통(73)의 길이보다 짧은 내통(74)에 슬릿(51)을 형성했으므로, 차폐부재(5)의 축 방향에서의 소정 구간이 그 주위 방향에 관해서 전기적으로 불연속으로 형성되므로, 제1 실시예에서의 차폐부재의 특징과 등가인 것으로 간주할 수 있다. 따라서, 이 경우의 차폐부재(5)는, 제1~제3 실시예의 특징 모두를 겸비하게 된다. 그리고, 슬릿(51) 대신에, 제1 실시예에서 설명한 중공부를 내통에 형성해도 된다. 또, 슬릿이나 중공부를 내통(74)이 아니고, 외통(73)의 축방향의 소정 구간에 걸쳐서 형성해도 된다.

차폐부재(5)에 있어서의 와전류(eddy current)가 흐르는 방법은, 차폐부재의 단면 형상, 단면 치수에 따라 변화된다. 한편, 자성체 코어(2)가 단위 길이 변위함으로써 생기는 코일 임피던스의 변화량은 와전류의 흐르는 방법에 의해 영향을 받는다. 따라서, 본 실시예에서 예시한 각 차폐부재의 단면 형상, 단면 치수를 그 축방향에 적절히 설정함으로써, 자성체 코어(2)의 변위에 대한 코일 임피던스의 국소적인 증가량을 의도적으로 변화시켜, 결과적으로 전체적으로 임피던스 직선성을 개선하는 것이 가능하게 된다.

또, 2중 통형 구조의 차폐부재(5)를 사용하는 경우에는, 자기 차폐 효과를 얻기 위해, 강자성체인 철계 금속으로 내통(74)을 형성하는 것이 바람직하고, 특히 이하의 이유 때문에 페라이트를 사용하는 것이 바람직하다. 즉, 일반적인 포지션 센서는, 수백kHz~수십MHz의 주파수대에 자기 공진 주파수를 가지고 있으므로, 수백kHz~수십MHz의 주파수대의 복사 노이즈의 영향을 받기 쉬우나, 페라이트는 수백kHz~수십 MHz의 주파수대에 대해서 큰 차폐 효과를 가지고 있다. 따라서, 페라이트를 사용함으로써 상기의 수백kHz~수십MHz의 주파수대의 복사 노이즈의 영향을 저감하는 것이 가능하게 된다. 또, 페라이트는 다양한 가공이 가능하다는 점도 유익한 점의 하나이다. 그리고, 페라이트는 녹을 발생하기 쉽기 때문에, 필요에 따라 방수 처리를 행하는 것이 바람직하다. 그리고, 외통(73)은, 내통에 사용되는 자성 금속 재료보다 높은 도전성을 가지는 도전성 재료(예를 들면, 구리, 구리-니켈 합금, 금, 은 등)로 형성하는 것이 바람직하다.

다음에, 차폐부재를 배치하는 것에 의한 임피던스의 변동량의 저감 효과를 이하의 시험 결과에 기초하여 설명한다.

즉, 시험 조건(1)으로서, 도 12(A)에 나타낸 바와 같이, 검출 코일로부터 소정 거리(d2)만큼 떨어진 위치에 금속판(M1)을 배치한 경우의 검출 코일(L)의 임피던스와 금속판(M1)을 배치하지 않는 경우에 검출 코일의 임피던스 변화를 측정하고, 그 변동량을 구하였다. 다음에, 시험 조건(2)으로서, 도 12(B)에 나타낸 바와 같이, 검출 코일(1)과 금속판(M1) 사이에서, 검출 코일(1)로부터 소정 거리(d1)만큼 떨어진 위치에 철제의 차폐부재(S1)을 배치한 경우에 대하여 임피던스를 측정하고, 시험 조건(1)과 마찬가지로 그 변동량을 구하였다. 또한, 시험 조건(3)으로서, 도 12(C)에 나타낸 바와 같이, 검출 코일(1)과 금속판(M1) 사이에서, 검출 코일로부터 소정 거리(d1)만큼 떨어진 위치에 철제 차폐부재(S1)와 그 외측에 설치한 구리 도금층으로 이루어지는 차폐부재(S2)를 설치한 2층 구조의 차폐부재를 배치한 경우에 대하여 임피던스를 측정하고, 시험 조건(12)과 마찬가지로 그 변동량을 구하였다. 금속판(M1)으로서는, 판두께가 같은 철, 알루미늄, 황동(brass)제의 3 종류의 금속판을 사용하여, 각각 같은 조건에서 시험을 반복하였다. 코어의 삽입량, 임피던스의 측정 주파수 등의 다른 조건은 고정하고 있다. 결과를 표 1에 나타낸다.

[표 1]

상기 결과로부터 명백한 바와 같이, 차폐부재(S1)를 배치함으로써, 특히 2층 구조의 차폐부재(S1, S2)를 배치함으로써 코일 임피던스의 변화를 가장 저감할 수 있는 것을 알 수 있다.

상기 실시예의 각 포지션 센서에 있어서는, 예를 들면, 도 13에 나타낸 바와 같이, 차폐부재(5)의 축 방향 길이를, 자성체 코어(2)의 가동 범위의 길이 이상으로 되도록 형성하는 것이 바람직하다. 이와 같이 함으로써, 항상 자성체 코어(2)가 차폐되고, 차폐부재의 근방에 외부 전선(S) 등이 배치되어 있다고 해도, 외부 전선(S)으로부터 발생되는 외부 자계(E)의 자속은 대부분이 차폐부재 중간을 통과하게 된다. 그러므로, 외부 자계(E)의 자속은 검출 코일(1)과 쇄교(interlinkage) 되지 못하고, 외부 자계(E)에 의해 검출 코일(1)에 유도 기전력이 생기는 것을 방지할 수 있다. 또, 차폐부재의 외표면에는 고도전율을 가지는 금속 재료의 도금층을 설치하는 것이 새로운 차폐 효과의 향상을 도모하는 관점에서 바람직하다.

다음에, 본 발명의 차폐부재의 사용에 의한 임피던스 직선성의 개선 효과를 구체예에 기초하여 설명한다. 임피던스 평가 시험에서 사용한 본 발명의 차폐부재(5A)는, 도 14(A)에 나타낸 바와 같이, 상기 제3 실시예 중 하나인 도 8(A)의 차폐부재(5)와 동일한 형이다. 상기 차폐부재(5A)는, 스테인레스 강(SUS304)으로 형성되고, 직경이 작은 제1 통형부(70)와 직경이 큰 제2 통형부(71)로 구성된다. 제1 통형부(70)의 외경(ø1)은 12mm이며, 제2 통형부(71)의 외경(ø2)은 16mm이다. 차폐부재의 두께(T)는 제1 통형부(70) 및 제2 통형부(71) 모두 0.5mm로 일정하다. 또, 제2 통형부(71)의 축 방향 길이(S)는 5mm이다. 한편, 비교예로서 사용한 차폐부재(5B)는 스테인레스 강(SUS304)으로 형성되고, 도 14(B)에 나타낸 바와 같이, 직경이 일정(ø1= 12mm)한 원통형상을 가지고, 축 방향 길이 및 두께(T)는 도 14(A)의 차폐부재(5A)와 동일하다. 그리고, 도 14(A) 및 도 14(B)에 있어서, 각 차폐부재의 우측단이 변위(X)=10Omm의 위치에 대응하고, 좌측단은 변위(X)=O보다 조금 길게 형성되어 있다.

이들 차폐부재(5A, 5B)의 내부에 검출 코일(1)을 배치하고, 자성체 코어(2)의 변위에 대한 검출 코일(1)의 임피던스 변화를 측정한 결과를 도 14(C)에 나타낸다. 차폐부재(5B)를 사용한 경우에는, 변위가 90mm를 넘으면, 임피던스의 증가량이 서서히 감소하고, 도 15에 나타낸 이상적인 특성으로부터의 어긋남이 생겨 있는 것을 알 수 있다. 한편, 본 발명의 차폐부재(5A)를 사용한 경우에는, 변위가 95mm를 넘어도 임피던스의 직선성이 유지되어 있고, 이상적인 특성으로부터의 어긋남이 제2 통형부(71)의 형성에 의해 수정되어 있는 것을 알 수 있다. 그리고, 도 14(D)는 본 평가 시험의 결과에 대하여 변위-코일 임피던스의 직선성 오차의 관계를 나타낸 것이다.

상기 실시예에 있어서는, 차폐부재가 원통형상을 가지고 있는 경우에 대하여 주로 설명하였지만, 각통(角筒) 형상이라도 동등한 코일 임피던스의 직선성의 개선 효과를 얻을 수 있다. 또, 상기한 실시예의 포지션 센서는, 자성체 코어가 직선축상을 이동하는 직선형(직선 운동 타입)이지만, 본 발명의 차폐부재는, 이와 같은 직선형 이외의 타입, 예를 들면, 자성체 코어가 곡선축상을 이동하는 회전형(곡선 운동 타입)의 포지션 센서에도 동등하게 적용할 수 있다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 단면 형상, 재질, 치수 중 적어도 1개가 검출 코일의 축 방향(자성체 코어의 스트로크 방향)에서 균일하지 않은 차폐부재 내에, 자성체 코어와 검출 코일로 이루어지는 검출부를 배치함으로써, 코일 임피던스의 직선성을 개선할 수 있고, 결과적으로 자성체 코어의 스트로크 범위에서 안정된 검출 정밀도를 가지는 소형 포지션 센서를 제공하는 것이 가능하다. 따라서, 본 발명의 포지션 센서는, 내연 기관이나 발전 설비 등 광범위한 기술 분야에의 응용이 기대된다.

Claims (12)

1. 통형의 검출 코일과, 상기 검출 코일 내를 이동할 수 있는 자성체 코어와, 상기 검출 코일에 일정 교류 전류 또는 일정 교류 전압을 제공하는 구동 회로와, 상기 검출 코일 내에서의 자성체 코어의 이동에 의해 생기는 검출 코일의 임피던스 변화를 소정의 전기 신호로 변환하는 신호 처리 회로와, 상기 검출 코일의 주위에 배치되는 차폐부재를 포함하고, 상기 차폐부재는, 검출 코일의 임피던스 직선성을 향상시키기 위하여 이하의 (a)~(c)의 특징,

   (a) 상기 차폐부재는, 축방향에 있어서의 특정 구간이 그 주위 방향에 관해서 전기적으로 불연속으로 형성되는 통형 부재임;

   (b) 상기 차폐부재는, 상기 검출 코일의 축 방향의 특정 공간의 주위를 둘러싸는 제1 차폐부와, 상기 검출 코일의 축 방향의 다른 구간의 주위를 둘러싸고, 상기 제1 차폐부와 도전율 또는 투자율이 상이한 재료로 형성되는 제2 차폐부를 가지는 통형 부재임;

   (c) 상기 차폐부재는, 상기 검출 코일의 축 방향의 특정 공간의 주위를 둘러싸는 제1 내표면과, 상기 검출 코일의 축 방향의 다른 구간의 주위를 둘러싸는 제2 내표면을 가지는 통형 부재로서, 제2 내표면과 검출 코일의 사이의 거리는 제1 내표면과 검출 코일의 사이의 거리 보다 작음;

   중 적어도 1개를 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 포지션 센서.
2. 제1항에 있어서,

   상기 차폐부재의 축 방향에서의 상기 구간은 단면이 대략 C자형 모양을 가지는 것을 특징으로 하는 포지션 센서.
3. 제1항에 있어서,

   상기 차폐부재는 외통과, 상기 외통보다 짧은 축 방향 길이를 가지고 상기 외통의 내측에 배치되는 내통을 포함하는 것을 특징으로 하는 포지션 센서.
4. 제3항에 있어서,

   상기 내통은 상기 외통과 도전율 또는 투자율이 상이한 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 포지션 센서.
5. 제3항에 있어서,

   상기 차폐부재는 상기 내통과 상기 외통 사이에 설치되는 전기 절연층을 구비한 것을 특징으로 하는 포지션 센서.
6. 제3항에 있어서,

   상기 내통은 페라이트(ferrite)로 형성되는 것을 특징으로 하는 포지션 센서.
7. 제3항에 있어서,

   상기 외통의 축 방향의 특정 구간은, 단면이 대략 C자형 모양을 가지는 것을 특징으로 하는 포지션 센서.
8. 제3항에 있어서,

   상기 내통의 축 방향의 특정 공간은, 단면이 대략 C자형 모양을 구비한 것을 특징으로 하는 포지션 센서.
9. 제1항에 있어서,

   상기 차폐부재는 강자성체 재료로 형성되고, 적어도 검출 코일과 실질적으로 동일한 축 방향 길이를 가지는 것을 특징으로 하는 포지션 센서.
10. 제9항에 있어서,

    상기 차폐부재는 상기 검출 코일의 전체 길이 및 자성체 코어의 이동 범위를 포함하는 축 방향 길이를 가지는 것을 특징으로 하는 포지션 센서.
11. 제1항에 있어서,

    상기 차폐부재는 그 외표면에 고도전율을 가지는 금속 재료의 도금층을 구비한 것을 특징으로 하는 포지션 센서.
12. 제1항에 있어서,

    상기 차폐부재는 상기 구동 회로 및 신호 처리 회로 중 한쪽의 안정 전위점에 전기적으로 접속되는 것을 특징으로 하는 포지션 센서.

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