JP2017142202A - 位置検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】位置検出の精度を確保することができる位置検出装置を提供する。
【解決手段】位置検出装置１は、定電圧によって励磁される励磁コイル４と、励磁コイル４と電磁結合される検出コイル５と、励磁コイル４に印加される電圧を減衰するアッテネータ６と、被検出部２の動きに応じて検出コイル５に発生する磁界を変化させる検出対象３とを備える。検出コイル５は、複数のコイル群（第１コイル部５ａ及び第２コイル部５ｂ）からなる。第１コイル部５ａ及び第２コイル部５ｂは、互いに異なる巻数に形成されるとともに、流れる電流の方向が互いに逆となるように巻き方向が逆となっている。位置演算部１１は、検出コイル５の誘導起電力Ｖ_DE1とアッテネータ６のリファレンス電圧Ｖ_DE2とを基に、検出対象３の位置を演算する。
【選択図】図１

Description

本発明は、検出対象の位置を検出する位置検出装置に関する。

従来、励磁コイルから検出コイルに磁界をかけておき、例えば検出対象としての金属部の接近又は離間に応じて検出コイルにかかる磁界の変化を検出することにより、検出対象の位置（距離）を演算する位置検出装置が周知である（特許文献１，２等参照）。この種の位置検出装置は、励磁コイル及び検出コイルが電磁結合していて、検出対象の接近又は離間に応じて変化する検出コイルの誘導起電力を基に、検出対象との距離を演算する。

特開２００８−３７１８０号公報 特開２００６−２６２４２２号公報

この種の位置検出装置においては、検出対象の位置を精度よく行いたいニーズがあった。
本発明の目的は、位置検出の精度を確保することができる位置検出装置を提供することにある。

前記問題点を解決する位置検出装置は、定電圧によって励磁コイルを励磁して当該励磁コイルとの電磁結合により検出コイルに誘導起電力を発生させ、前記検出コイルに接近又は離隔する検出対象により前記誘導起電力を変化させて、前記誘導起電力を基に位置演算部により被検出部の位置を演算する構成において、前記検出コイルの要素であり、重なるように配置されるとともに巻線が逆方向に巻かれた第１コイル部及び第２コイル部と、前記励磁コイルに印加される電圧を減衰して出力するアッテネータとを備え、前記位置演算部は、前記検出コイル及びアッテネータの各出力を基に、前記検出対象の位置を演算する。

本構成によれば、検出コイルの出力と、その基準とを基に、演算により検出対象（被検出部）の位置を求めるにあたり、アッテネータによって励磁コイルの電圧を減衰し、減衰後の電圧を演算の基準として用いる。このため、アッテネータであれば、演算の基準の値を適宜設定することが可能となるので、演算の基準の最適化が可能となる。よって、位置演算の精度を確保することが可能となる。

前記位置検出装置において、前記励磁コイルは、前記第１コイル部を励磁する第１励磁コイルと、前記第２コイル部を励磁する第２励磁コイルとを備えることが好ましい。この構成によれば、励磁コイルを複数コイルとしたので、第１励磁コイルで第１コイル部を励磁し、第２励磁コイルで第２コイル部を励磁することが可能となる。よって、これらコイル群をより確実に励磁することが可能となる。

前記位置検出装置において、前記検出コイル及びアッテネータは、前記検出対象の位置検出範囲において前記検出コイルの出力の最大値と前記アッテネータの出力の最大値とが同じとなるように設定されていることが好ましい。この構成によれば、検出コイルの出力の最大値とアッテネータの出力の最大値とが等しくなるように設定されるので、検出コイル及びアッテネータの出力を検出する検出回路のダイナミックレンジを低くすることが可能となる。よって、検出コイル及びアッテネータの出力を検出回路で検出するにあたり、検出する値の誤差を低く抑えることが可能となるので、位置検出の精度を向上することが可能となる。

前記位置検出装置において、前記検出コイルが発生する誘導起電力は、正負両方の値をとり、かつ最大値及び最大値の絶対値が等しく設定されていることが好ましい。この構成によれば、検出コイルやアッテネータの出力を検出する検出回路で発生する誤差を低く抑えるのに一層有利となるので、位置検出装置の位置検出精度を向上するのに一層有利となる。

前記位置検出装置において、前記第１コイル部、第２コイル部及び励磁コイルは、同一軸心上に規定間隔を空けて並び配置されていることが好ましい。この構成によれば、これらコイル群をバランスよく配置することが可能となるので、検出コイルから所望の誘導起電力の変化を得るのに有利となる。

前記位置検出装置において、前記アッテネータは、位置検出装置のＩＣに内蔵されていることが好ましい。この構成によれば、アッテネータがＩＣに内蔵されていれば、仮にコイル群の形成パターン（コイルパターン）が異なる場合であっても、これらの間で同一のＩＣを共用することが可能となる。

本発明によれば、位置検出装置において、位置検出の精度を確保することができる。

一実施形態の位置検出装置の構成図。 検出対象の距離変化に対するコイル出力の特性図。 従来位置付けの位置検出装置の構成図。 位置検出装置のＩＣを示す概略構成図。

以下、位置検出装置の一実施形態を図１〜図４に従って説明する。
図１に示すように、位置検出装置１は、被検出部２の位置（被検出部２との間の距離）を検出する渦電流センサの一種である。渦電流センサは、金属（本例は検出対象３）に発生する渦電流の変化を基に被検出部２の位置を検出するセンサである。本例の位置検出装置１は、定電圧によって励磁される励磁コイル４と、励磁コイル４と電磁結合される検出コイル５と、被検出部２の動きに応じて検出コイル５に発生する磁界を変化させる検出対象３とを備える。

励磁コイル４は、複数のコイル群（第１励磁コイル４ａ及び第２励磁コイル４ｂ）からなる。本例の第１励磁コイル４ａ及び第２励磁コイル４ｂは、基板（図示略）において異なる層に形成されるとともに、コイル軸Ｌａの方向（コイル軸方向）に並んで配置（重ね配置）されている。本例の場合、第１励磁コイル４ａが基板の２層目に配置され、第２励磁コイル４ｂが基板の３層目に配置されている。第１励磁コイル４ａ及び第２励磁コイル４ｂは、巻線径が同一のｒ１に形成されるとともに、流れる電流の方向が同一とされている。第１励磁コイル４ａ及び第２励磁コイル４ｂは、電源９に直列接続されるとともに、電源９から入力する定電圧振幅の交流電圧Ｖａｃによって励磁される。

検出コイル５は、複数のコイル群（第１コイル部５ａ及び第２コイル部５ｂ）からなる。第１コイル部５ａ及び第２コイル部５ｂは、直列接続されるとともに、コイル軸Ｌａの軸方向（コイル軸方向）に並んで配置（重ね配置）されている。第２コイル部５ｂは、基板（図示略）において第１コイル部５ａと異なる層に形成されている。本例の場合、第１コイル部５ａが基板の１層目に配置され、第２コイル部５ｂが基板の４層目に配置されている。第１励磁コイル４ａは、第１コイル部５ａに対向配置されて第１コイル部５ａを励磁する。第２励磁コイル４ｂは、第２コイル部５ｂに対向配置されて第２コイル部５ｂを励磁する。

また、第１コイル部５ａ及び第２コイル部５ｂは、流れる電流の方向が互いに逆となるように、巻き方向が逆となっている。すなわち、第１コイル部５ａ及び第２コイル部５ｂは、巻き方向が互いに逆向きとされることにより、互いに逆方向の磁界が生成されるようになっている。第２コイル部５ｂは、巻線径ｒｂが第１コイル部５ａの巻線径ｒａよりも小さく形成されている。第１コイル部５ａ及び第２コイル部５ｂの間には、第１励磁コイル４ａ及び第２励磁コイル４ｂが配置されている。本例の場合、第１コイル部５ａが検出対象３に対し近い側に配置され、第２コイル部５ｂが検出対象３に対し遠い側に配置されている。

検出コイル５は、検出対象３との距離に応じた誘導起電力Ｖ_DE1を発生する。検出コイル５の誘導起電力Ｖ_DE1は、第１コイル部５ａに発生する誘導起電力Ｖａと第２コイル部５ｂに発生する誘導起電力Ｖｂとに基づく値をとる。なお、第２コイル部５ｂは、検出対象３から遠い場所に位置しているので、誘導起電力Ｖｂが変化し難い。このため、検出対象３が検出コイル５に接近又は離隔したとき、誘導起電力Ｖ_DE1の変化量を大きくとることが可能である。

第１励磁コイル４ａ、第２励磁コイル４ｂ、第１コイル部５ａ及び第２コイル部５ｂは、コイル軸Ｌａに沿って同一軸心上に規定間隔を空けて並び配置（重ね配置）されている。また、これらコイル群は、同一基板上に形成されることが好ましい。検出対象３は、コイル群の配列方向、すなわちコイル軸方向（図１の矢印Ｚ方向）方向に直線往復動する。本例のコイル群は、検出対象３側から順に、第１コイル部５ａ、第１励磁コイル４ａ、第２励磁コイル４ｂ、第２コイル部５ｂの順番に配置されている。

位置検出装置１は、リファレンスコイルの代替として設けられたアッテネータ（減衰器）６を備える。アッテネータ６は、励磁コイル４に電圧を印加する電源９の入出力端に接続されている。アッテネータ６は、励磁コイル４へ印加される交流波形の電圧（交流電圧Ｖａｃ）を減衰し、これをリファレンス電圧Ｖ_DE2として変換出力する。

検出コイル５及びアッテネータ６には、検出コイル５及びアッテネータ６の出力を検出する検出回路１０が接続されている。本例の検出回路１０は、検出コイル５の出力（誘導起電力Ｖ_DE1）を検出する電圧検出部１０ａと、アッテネータ６の出力（リファレンス電圧Ｖ_DE2）を検出する電圧検出部１０ｂとを備える。電圧検出部１０ａは、検出コイル５の入出力端の間に接続され、電圧検出部１０ｂは、アッテネータ６の入出力端の間に接続されている。

検出対象３は、例えば平板状の金属板（金属部）により形成され、検出コイル５の第１コイル部５ａを覆うことが可能な形状に形成されている。検出対象３は、検出コイル５（励磁コイル３）のコイル軸方向（図１の矢印Ｚ方向）に沿って往復動する動きをとり、被検出部２の動きに合わせて、検出コイル５（第１コイル部５ａ）に接近又は離隔するように直線往復動する。検出対象３は、導電体（例えば銅など）から形成されることが好ましい。

位置検出装置１は、検出コイル５及びアッテネータ６の出力（誘導起電力Ｖ_DE1、リファレンス電圧Ｖ_DE2）を基に検出対象３の位置を演算する位置演算部１１を備える。位置演算部１１は、電圧検出部１０ａで検出される誘導起電力Ｖ_DE1と、電圧検出部１０ｂで検出されるリファレンス電圧Ｖ_DE2とを基に、検出対象３（被検出部２）の位置を演算する。具体的にいうと、位置演算部１１は、電圧検出部１０ａの出力を、電圧検出部１０ｂの出力で除算した値（Ｖ_DE1／Ｖ_DE2）を求め、この値から検出コイル５と検出対象３の位置、すなわち被検出部２の位置を演算する。

次に、図１〜図４を用いて、位置検出装置１の作用及び効果を説明する。
図１に示すように、電源９から励磁コイル４に定電圧振幅の交流電圧Ｖａｃが印加されると、検出コイル５には、検出対象３との距離に応じた誘導起電力Ｖ_DE1が発生する。誘導起電力Ｖ_DE1は、同図に示される式（α）から求まる。図１の式（α）からも分かるように、検出コイル５の誘導起電力Ｖ_DE1の演算には、主に、励磁コイル４及び検出コイル５の相互インダクタンスＭ、検出対象３を流れる励磁電流Ｉ_EX、励磁コイル４の自己インダクタンスＬ_EXの各パラメータが関係する。

また、アッテネータ６は、励磁コイル４への印加電圧（交流電圧Ｖａｃ）を入力し、これを減衰して、リファレンス電圧Ｖ_DE2として電圧検出部１０ｂに出力する。励磁コイル４に印加される交流電圧Ｖａｃは一定振幅波形の電圧であるので、これをリファレンス電圧Ｖ_DE2として用いても何ら問題はない。

図２に示すように、位置検出装置１の位置検出範囲Ｋにおいて、検出対象３が検出コイル５に最も近づいた地点Ｐ１から、検出コイル５から最も離れた地点Ｐ２に直線移動したとする。このとき、検出対象３が離れていくに従い、検出コイル５の出力（誘導起電力Ｖ_DE1）は、大きく右肩上がりの曲線に沿い増加していく波形変化をとる。本例の場合、検出対象３に近い検出コイル５の誘導起電力Ｖ_DE1は、低い値（図中の−Ａ）から大きく増加し、高い値（図中のＡ）に変位する。また、アッテネータ６の出力（リファレンス電圧Ｖ_DE2）は、検出対象３が離れていくに従い、僅かながら増加する波形変化をとる。

このように、検出コイル５の誘導起電力Ｖ_DE1とアッテネータ６のリファレンス電圧Ｖ_DE2とは、検出対象３の位置に応じて異なる値をとる。そして、位置演算部１１は、Ｖ_DE1／Ｖ_DE2を演算し、この値から検出対象３の位置、すなわち被検出部２の位置を求める。

図３に、従来位置付けの位置検出装置３１の構成を示す。同図の従来位置付けの位置検出装置３１の場合、リファレンス電圧Ｖ_DE2をアッテネータ６ではなくリファレンスコイル３２で検出する構成をとっている。リファレンスコイル３２は、例えば第２コイル部５ｂと同一層（基板の同じ層）に設けられるとともに、第２コイル部５ｂの周囲に配置されている。リファレンスコイル３２は、励磁コイル４の変動をキャンセルするためのものである。位置検出装置３１は、検出コイル５の誘導起電力Ｖ_DE1と、リファレンスコイル３２のリファレンス電圧Ｖ_DE2とを基にＶ_DE1／Ｖ_DE2を演算し、この除算値から検出対象３の位置を求める。

ところで、リファレンスコイル３２は、配置の関係上、巻数が１巻きに限定される。このため、リファレンス電圧Ｖ_DE2の最適化が困難な現状があった。これは、位置検出装置３１の検出精度の向上に支障を来す。また、従来の構成の場合、リファレンスコイル３２が必要となるので、４層目の第２コイル部５ｂの大きさの自由度が低くなり、このこともリファレンス電圧Ｖ_DE2の最適化の支障となる。

一方、本例の位置検出装置１の場合、リファレンスコイル３２の代わりにアッテネータ６を設け、励磁コイル４への印加電圧（交流電圧Ｖａｃ）をアッテネータ６で減衰させ、減衰後の電圧をリファレンス電圧Ｖ_DE2として用いる構成とした。このように、アッテネータ６からリファレンス電圧Ｖ_DE2を得るようにすれば、アッテネータ６の特性値を適宜設定することにより、リファレンス電圧Ｖ_DE2を所望値に設定することが可能となる。よって、リファレンス電圧Ｖ_DE2の最適化が可能となるので、位置検出装置１の位置検出精度の確保に有利となる。ひいては、位置検出装置１（渦電流センサ）の設計自由度も向上することができ、さらには回路の設計工数の低減にも繋がる。

また、本例の位置検出装置１の場合、相互インダクタンスＭの絶対値は、検出対象３との距離が近くなるほど大きくなる。一方、検出対象３の接近に伴い励磁コイル４の自己インダクタンスＬ_EXは低下するので、励磁電流Ｉ_EXは検出対象３との距離が近くなるほど増加する。このため、本例の位置検出装置１の場合、誘導起電力Ｖ_DE1の要素である相互インダクタンスＭ及び励磁電流Ｉ_EXが、検出対象３の移動時において同じ方向に変化（増減）するので、大きな誘導起電力Ｖ_DE1の変化を得ることが可能となる。よって、位置検出装置１の位置検出の分解能向上に寄与する。

ところで、検出回路１０には、入力電圧範囲（検出電圧のダイナミックレンジ）が決まっており、検出コイル５及びアッテネータ６の出力の最大値に設定される。一般的に、検出回路１０には検出誤差が生じ、誤差は検出回路１０のダイナミックレンジに対し、その何％の値で発生する。よって、検出回路１０のダイナミックレンジが高いと、その分だけ位置検出の誤差が大きくなってしまうことになる。

これを踏まえ、本例の場合、検出コイル５の出力（誘導起電力Ｖ_DE1）の最大値と、アッテネータ６の出力（リファレンス電圧Ｖ_DE2）の最大値とを同一とすることが好ましい。こうすれば、検出回路１０のダイナミックレンジが低く済むので、その分、検出回路１０において発生する誤差が少なく済む。よって、位置検出装置１の位置検出精度を確保するのに有利となる。

また、検出コイル５で発生する誘導起電力Ｖ_DE1（誘導電圧の振幅Ａ）は、正負両方の値をとり、かつ最大値と最小値との絶対値が等しいことが好ましい。本例の場合、図３に示すように、例えば誘導起電力Ｖ_DE1を、−Ａ［Ｖ］〜＋Ａ［Ｖ］の範囲で変化させる。例えば、Ａが２Ｖの場合には、検出コイル５にＤＣオフセット電圧を２Ｖ加えると、「誘導電圧＋ＤＣオフセット電圧」は０〜４Ｖの範囲となる。このため、検出回路１０のダイナミックレンジは０〜４Ｖで済む。そして、Ａが−２Ｖの場合でも、「誘導電圧＋ＤＣオフセット電圧」は同じく０〜４Ｖの範囲に収まるので、同一のダイナミックレンジで検出することが可能となる。以上から、検出回路１０で発生する誤差を低く抑えるのに一層有利となるので、位置検出装置１の位置検出精度を向上するのに一層有利となる。

励磁コイル４、第１コイル部５ａ及び第２コイル部５ｂは、コイル軸Ｌａに沿い同一軸心上に規定間隔を空けて配置されている。よって、これらコイル群をバランスよく配置することが可能となるので、検出コイル５から所望の誘導起電力Ｖ_DE1の変化を得るのに有利となる。

図４に示すように、アッテネータ６は、位置検出装置１のＩＣ（Integrated Circuit）３５に内蔵されていることが好ましい。ＩＣ３５は、位置検出装置１においてコイル出力を基に位置演算を行うコントローラである。また、ＩＣ３５には、検出系、印加電圧系、位置演算部１１も内蔵されることが好ましい。アッテネータ６がＩＣ３５に内蔵されていれば、仮にコイル群の形成パターン（コイルパターン）が異なる場合であっても、これらの間で同一のＩＣ３５を共用することができる。

なお、実施形態はこれまでに述べた構成に限らず、以下の態様に変更してもよい。
・アッテネータ６は、励磁コイル４の電流経路上であれば、どこに接続されてもよい。
・励磁コイル４及び第１コイル部５ａは、同じ巻線径で形成されることに限らず、異なる巻線径で形成されてもよい。

・励磁コイル４は、第１コイル部５ａよりも巻線径が大きく形成されてもよい。
・励磁コイル４は、複数コイルからなることに限定されず、１つとしてもよい。
・第１コイル部５ａ及び第２コイル部５ｂは、異なる巻線径に形成されることに限らず、同じとしてもよい。

・コイル群（励磁コイル４、第１コイル部５ａ、第２コイル部５ｂ）は、同一軸心上に配置されない配置パターンでもよい。
・励磁コイル４、第１コイル部５ａ及び第２コイル部５ｂのコイル形状（巻線形状）は、四角形状に限定されず、例えば円形状などの他の形状に変更可能である。

・検出コイル５及びアッテネータ６と電圧検出部（本例でいう電圧検出部１０ａ，１０ｂ）との接続を、スイッチにより時分割制御して、検出コイル５及びアッテネータ６の出力を、１つの電圧検出部によって選択的に検出する構成でもよい。こうすれば、位置検出装置１に必要となる電圧検出部が少なく済むので、装置サイズの小型化に有利となる。

・検出対象３は、導体板（金属板）に限らず、例えばコイルなどの他の部材に変更可能である。すなわち、渦電流を発生できる部材であればよい。
・コイル群が設けられる基板は、多層基板でもよく、多層基板の所定層に検出コイル５が配置されてもよい。

・検出コイル５は、基板の複数層に横断して形成されてもよい。
・コイル群は、同一基板上に形成されることに限らず、異なる基板に設けられてもよい。

・検出コイル５及びアッテネータ６の間の電圧を検出するとともに、アッテネータ６の電圧を検出し、これらを除算した結果から検出対象３の位置を求めてもよい。
・被検出部２の位置検出時に行う演算は、除算に限定されず、他の計算方法に変更してもよい。

・位置検出の演算に用いるコイル出力は、電圧値に限らず、例えば電流値などの他のパラメータとしてもよい。
・位置検出装置１は、種々の機器や装置に適用可能である。

１…位置検出装置、２…被検出部、３…検出対象、４…励磁コイル、４ａ…第１励磁コイル、４ｂ…第２励磁コイル、５…検出コイル、５ａ…第１コイル部、５ｂ…第２コイル部、６…アッテネータ、１１…位置演算部、３５…ＩＣ、Ｖ_DE1…誘導起電力、Ｖ_DE2…リファレンス電圧、Ｋ…位置検出範囲。

Claims (6)

1. 定電圧によって励磁コイルを励磁して当該励磁コイルとの電磁結合により検出コイルに誘導起電力を発生させ、前記検出コイルに接近又は離隔する検出対象により前記誘導起電力を変化させて、前記誘導起電力を基に位置演算部により被検出部の位置を演算する位置検出装置において、
   前記検出コイルの要素であり、重なるように配置されるとともに巻線が逆方向に巻かれた第１コイル部及び第２コイル部と、
   前記励磁コイルに印加される電圧を減衰して出力するアッテネータとを備え、
   前記位置演算部は、前記検出コイル及びアッテネータの各出力を基に、前記検出対象の位置を演算する
   ことを特徴とする位置検出装置。
2. 前記励磁コイルは、前記第１コイル部を励磁する第１励磁コイルと、前記第２コイル部を励磁する第２励磁コイルとを備える
   請求項１に記載の位置検出装置。
3. 前記検出コイル及びアッテネータは、前記検出対象の位置検出範囲において前記検出コイルの出力の最大値と前記アッテネータの出力の最大値とが同じとなるように設定されている
   請求項１又は２に記載の位置検出装置。
4. 前記検出コイルが発生する誘導起電力は、正負両方の値をとり、かつ最大値及び最大値の絶対値が等しく設定されている
   請求項１〜３のうちいずれか一項に記載の位置検出装置。
5. 前記第１コイル部、第２コイル部及び励磁コイルは、同一軸心上に規定間隔を空けて並び配置されている
   請求項１〜４のうちいずれか一項に記載の位置検出装置。
6. 前記アッテネータは、位置検出装置のＩＣに内蔵されている
   請求項１〜５のうちいずれか一項に記載の位置検出装置。

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