JP4810021B2

JP4810021B2 - 位置検出装置

Info

Publication number: JP4810021B2
Application number: JP2001263941A
Authority: JP
Inventors: 忠敏後藤; 明男山本
Original assignee: Amiteq Co Ltd
Current assignee: Amiteq Co Ltd
Priority date: 2001-08-31
Filing date: 2001-08-31
Publication date: 2011-11-09
Anticipated expiration: 2021-08-31
Also published as: JP2003075106A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、交流信号で励磁される検出コイルのインピーダンス変化を利用して位置検出を行う位置検出装置に関し、特に、温度特性の補償性能に優れていて、比較的長い直線位置検出可能範囲に対して検出コイルの配置・サイズをかなり小さくできる、コンパクトな構成の直線位置検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より知られた誘導型直線位置検出装置としては差動トランスがある。差動トランスは、１つの１次巻線を１相で励磁し、差動接続された２つの２次巻線の各配置位置において検出対象位置に連動する鉄心コアの直線位置に応じて差動的に変化するリラクタンスを生ぜしめ、その結果として得られる１相の誘導出力交流信号の電圧振幅レベルが鉄心コアの直線位置を示すようにしたものである。この差動トランスにおいては、誘導電圧が差動的に変化するように設けられた２つの２次巻線が設けられた範囲において、該誘導電圧値が対直線位置に関して直線性を示す範囲でしか、直線位置を検出することができないものであり、検出可能範囲の長さは、通常、配置されたコイルの全長よりも短い。従って、長尺の長さ検出には全く適していない。すなわち、検出可能範囲を拡張するには巻線長とコア長を長くするしかなく、自ずと限度があると共に、装置の大型化をもたらす。また、誘導出力信号の電圧振幅レベルは、鉄心コアの直線位置のみならず、温度変化等の周辺環境の影響を受けやすいので、精度に難点がある。特に、可動鉄心コアの鉄損更にはコイル巻心コアの鉄損など検出装置に存在する鉄等の金属の磁気的特性の温度特性が考慮されておらず、これらの鉄損が未補償であることによる検出精度低下を来していた。
【０００３】
これに対して、検出対象直線位置に相関する電気的位相角を持つ交流信号を出力するようにした位相シフトタイプの誘導型直線位置検出装置も知られている。例えば、特開昭４９−１０７７５８号、特開昭５３−１０６０６５号、特開昭５５−１３８９１号、実公平１−２５２８６号などに示されたものがある。この種の従来知られた位相タイプの誘導型直線位置検出装置においては、検出対象位置に連動する可動鉄心コアの直線変位方向に関して互いにずらして配置された例えば２つの１次巻線を互いに電気的位相のずれた２相の交流信号（例えばsin ωｔとcos ωｔ）でそれぞれ励磁し、各１次巻線による２次側誘導信号を合成して１つの２次出力信号を生成するようにしている。励磁用の交流信号に対するこの２次出力信号における電気的位相ずれが、検出対象位置に連動する鉄心コアの直線位置を示している。また、実公平１−２５２８６号に示されたものにおいては、複数の鉄心コアを所定ピッチで断続的に繰り返し設け、１次及び２次巻線が設けられた範囲よりも広い範囲にわたる直線位置検出を可能にしている。しかし、これらのタイプのものも、所定の検出範囲の１サイクルの長さに対応して、複数のコイルを分散配置しなければならないため、コイルの配置長さつまりサイズは、検出範囲の１サイクルの長さと同等としなければならず、コンパクトな構成とすることはできない。また、この場合も、可動鉄心コアの鉄損更にはコイル巻心コアの鉄損など検出装置に存在する鉄等の金属の磁気的特性の温度特性が考慮されておらず、これらの鉄損が未補償であることによる検出精度低下を来していた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、温度特性の補償性能に優れた、精度のよい位置検出装置を提供しようとするものであり、また、小型かつシンプルな構造を持つと共に、広い範囲にわたって直線位置検出が可能な、温度特性の補償性能に優れた、精度のよい直線位置検出装置を提供しようとするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る位置検出装置は、交流信号で励磁される第１及び第２の検出コイルと、検出対象たる直線位置に応じて前記各検出コイルに対して異なるインピーダンス変化をもたらすように配置された磁気応答部材と、前記第１の検出コイルに対して差動接続された第１の補助コイルと、前記第２の検出コイルに対して差動接続された第２の補助コイルとを含み、前第１の検出コイルのインピーダンスと前記第１の補助コイルのインピーダンスの差動値に対応する第１の検出信号を出力し、前記第２の検出コイルのインピーダンスと前記第２の補助コイルのインピーダンスの差動値に対応する第２の検出信号を出力する検出部であって、前記磁気応答部材は、第１及び第２の検出コイルに対向する面積又はギャップが検出対象たる位置に応じて変化するものであり、所定の検出範囲の１サイクルの長さに対応して該面積又はギャップが暫時変化する形状からなり、前記第１及び第２の検出コイルの配置のずれは、前記１サイクルの長さよりも短いものと、前記第１の検出信号と第２の検出信号のレベルの比を演算することで、前記検出対象たる位置に応じた位置検出信号を生成する演算手段とを備えることを特徴とする。
【０００６】
検出コイルのインピーダンスにおいて、可動鉄心コアの鉄損更にはコイル巻心コアの鉄損など検出装置に存在する鉄等の金属の磁気的特性の温度特性に基づく誤差は、係数としての成分を持つ。そこで、検出対象たる位置ｘに応じた第１の検出コイルの出力レベルをＡ（ｘ）、第２の検出コイルの出力レベルをＢ（ｘ）とし、可動鉄心コアの鉄損更にはコイル巻心コアの鉄損など検出装置に存在する鉄等の金属の磁気的特性の温度特性に基づく誤差係数をγとすると、実際の第１の検出コイルの出力レベルはγＡ（ｘ）、第２の検出コイルの出力レベルはγＢ（ｘ）と表すことができる。各検出コイルのインピーダンスに応じた検出信号レベルの比は、「γＡ（ｘ）／γＢ（ｘ）」又は「γＢ（ｘ）／γＡ（ｘ）」であり、比をとることによって誤差係数ｅが相殺され、「Ａ（ｘ）／Ｂ（ｘ）」又は「Ｂ（ｘ）／Ａ（ｘ）」という位置検出信号が生成される。Ａ（ｘ）≠Ｂ（ｘ）であるから、「Ａ（ｘ）／Ｂ（ｘ）」又は「Ｂ（ｘ）／Ａ（ｘ）」は、検出対象たる直線位置ｘに応じた値を示す。検出対象範囲の全長に対して、第１の検出コイルと第２の検出コイルの配置は、特定の配置に制限されないので、第１の検出コイルと第２の検出コイルを比較的近付けて配置しても差し支えない。よって、検出対象範囲の長さに比べて第１及び第２の検出コイルからなるコイルアセンブリをコンパクトに配置することができ、小型かつシンプルな構造でありながら長い範囲にわたる直線位置検出が可能である。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照してこの発明の実施の形態を詳細に説明しよう。
図１は本発明の一実施例に係る直線位置検出装置の軸方向断面図である。検出ヘッド１０は、第１の検出コイルＡと第２の検出コイルＢを含み、必須ではないが好ましい実施例として補助コイルＣ及びＤを更に含む。検出ヘッド１０において各コイルの円筒空間内を貫通してロッド１１が設けられる。ロッド１１に対して検出ヘッド１０が相対的に直線変位する。例えば、図示しない座席シートのスライド量を検出する目的で使用されるような場合、ロッド１１が所定配置で固定され、検出ヘッド１０が座席シートのスライドに伴って所定の範囲で直線変位する。
【０００８】
ロッド１１においては、検出対象たる直線位置に応じて各検出コイルＡ，Ｂに対して異なるインピーダンス変化をもたらすように配置された磁気応答部材１２が設けられている。磁気応答部材１２は、鉄のような磁性体又は銅のような反磁性体からなり、例えば径方向断面積が長さ方向つまり軸方向に沿って漸次に変化する細長の円錐のような形状（軸方向断面が図示のような三角形のもの）からなる。ロッド１１の外周はプラスチックのような磁気非応答性（非磁性及び非反磁性）のパイプ１１ａで構成され、該パイプ１１ａ内に細長の円錐形状の磁気応答部材１２が挿入され適宜手段を介して固定されている。
【０００９】
磁気応答部材１２が鉄のような磁性体からなるものとすると、径方向断面積が最大の箇所が検出コイルＡ，Ｂに対応している場合、該検出コイルＡ，Ｂのインピーダンスが最大となり、径方向断面積が最小の箇所が検出コイルＡ，Ｂに対応している場合、該検出コイルＡ，Ｂのインピーダンスが最小となる。図示のように、検出コイルＡとＢの配置は、軸方向つまり直線変位方向に関して幾分ずらされているので、各検出コイルＡ，Ｂと磁気応答部材１２との対応関係は検出対象直線位置ｘに応じて幾分異なるインピーダンス変化をもたらすようになっている。図２は、検出対象直線位置ｘに応じた各検出コイルＡ，Ｂのインピーダンス変化の一例を示したものである。本実施例では各検出コイルＡ，Ｂの物理的及び電気的特性（巻数その他）は等しいものとするが、本発明の実施にあたってはそれに限定されるものではなく、磁気応答部材１２の構成に応じて適宜設計変更してもよい。
【００１０】
補助コイルＣ，Ｄは、検出コイルＡ，Ｂの温度ドリフト特性（純抵抗分の温度ドリフト特性）を補償するものであり、検出対象直線位置ｘつまり磁気応答部材１２の変位には応答しないように、磁性体又は反磁性体からなるシールド材１３によって磁気的にシールドされている。これによって、図２に示すように、補助コイルＣ，Ｄのインピーダンスは、検出対象直線位置ｘつまり磁気応答部材１２の変位に応じて変化せず、一定に保たれる。本実施例では各補助コイルＣ，Ｄの物理的及び電気的特性（巻数その他）は各検出コイルＡ，Ｂのそれと同等とするが、本発明の実施にあたってはそれに限らない。
【００１１】
図３（ａ）は、検出コイルＡ，Ｂと補助コイルＣ，Ｄの結線例を示す図である。検出コイルＡに対して補助コイルＣが逆相直列接続（差動接続）され、検出コイルＢに対して補助コイルＤが逆相直列接続（差動接続）され、適宜の交流源１４が印加される。温度ドリフトによるコイルのインピーダンス変化は、検出コイルＡ，Ｂと補助コイルＣ，Ｄとでは同じように顕れるので、この差動接続によって、温度ドリフトによって検出コイルＡ，Ｂに生じる不所望のインピーダンス変化（純抵抗分のインピーダンス変化）が打ち消される若しくは減少される。
【００１２】
検出対象直線位置ｘに応じて検出コイルＡから得られる出力電圧をＶａ（ｘ）で表わし、検出コイルＢから得られる出力電圧をＶｂ（ｘ）で表わす。図３（ｂ）は、検出コイルＡ，Ｂの出力電圧Ｖａ（ｘ），Ｖｂ（ｘ）を処理する回路の構成例を示す。検出コイルＡ，Ｂの出力電圧Ｖａ（ｘ），Ｖｂ（ｘ）は整流回路１５で直流電圧に変換され、更にアナログ／デジタル変換器１６でデジタル値に変換される。検出コイルＡ，Ｂの出力電圧Ｖａ（ｘ），Ｖｂ（ｘ）に対応するデジタル値ａ（ｘ），ｂ（ｘ）の比が演算手段１７で演算される。
【００１３】
検出コイルＡ，Ｂの磁気回路には、主に、磁気応答部材１２と検出ヘッド１０の鉄心コア１０ａなどが存在し、これらの磁気応答性金属の磁気的特性が温度ドリフト特性（鉄損若しくは銅損）を有し、温度変化に応じて不所望のインピーダンス変化をもたらす。これらの鉄損若しくは銅損によるインピーダンス変化は、検出コイルＡ，Ｂの出力電圧Ｖａ（ｘ），Ｖｂ（ｘ）において、係数成分γとして現われる。すなわち、検出コイルＡ，Ｂの出力電圧Ｖａ（ｘ），Ｖｂ（ｘ）に対応するデジタル値ａ（ｘ），ｂ（ｘ）は、鉄損若しくは銅損によるインピーダンス変化の係数成分γを考慮すると下記のように表わせる。なお、Ａ（ｘ）とＢ（ｘ）は、鉄損若しくは銅損によるインピーダンス変化を除去した、検出対象位置ｘに対応するインピーダンスに応じた値である。
ａ（ｘ）＝γＡ（ｘ）
ｂ（ｘ）＝γＢ（ｘ）
【００１４】
従って、演算手段１７で両検出値ａ（ｘ），ｂ（ｘ）の比を演算することにより、
ａ（ｘ）／ｂ（ｘ）＝γＡ（ｘ）／γＢ（ｘ）＝Ａ（ｘ）／Ｂ（ｘ）
となり、鉄損若しくは銅損によるインピーダンス変化成分γを除去することができる。比の演算における分子・分母は次のように上記とは反対であってもよい。
ｂ（ｘ）／ａ（ｘ）＝γＢ（ｘ）／γＡ（ｘ）＝Ｂ（ｘ）／Ａ（ｘ）
比の演算結果「Ａ（ｘ）／Ｂ（ｘ）」（又はＢ（ｘ）／Ａ（ｘ））は、検出対象位置ｘに相関するため、これをそのまま位置検出データとして使用してよい。すなわち、検出対象直線位置ｘに応じて各検出コイルＡ，Ｂに対して異なるインピーダンス変化をもたらすように磁気応答部材１２が配置されるが故に、Ａ（ｘ）≠Ｂ（ｘ）であり、比の演算結果は、位置ｘを示すデータとして使用できる。
このようにして、検出コイルＡ，Ｂの磁気回路に存在する磁気応答性金属の温度ドリフト特性（鉄損若しくは銅損）を補償することができ、検出精度を向上させることができる。
【００１５】
検出ヘッド１０の構成及び磁気応答部材１２の構成は、上記実施例に限定されることなく、種々に変形してよい。図４はその一例を示し、（ａ）に概略側面図にて示すように、検出ヘッド１０における各コイルＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄの一端が、所定間隔のギャップをあけてロッド１１の側面に対向している。図４の（ｂ）に概略平面図にて示すように、ロッド１１の側面には、検出ヘッド１０の各コイルの一端に対向する面積が長さ方向つまり軸方向に沿って漸次に変化する細長の三角形のような形状からなる磁気応答部材１２が配置されている。ロッド１１は、少なくとも磁気応答部材１２を配置した面がフラットであることが好ましいが、それに限らず円柱形状等であってもよい。図４の場合、各検出コイルＡ，Ｂの一端に対向する、ロッド１１の表面の磁気応答部材１２の面積が検出対象位置ｘに応じて変化し、検出対象位置ｘに応じたインピーダンス変化が各検出コイルＡ，Ｂに生じる。
【００１６】
図５は、別の例を示し、検出ヘッド１０における各コイルＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄの一端が、ギャップをあけてロッド１１の側面に対向しており、このギャップの距離が検出対象位置ｘに応じて変化する。例えば、ロッド１１の表面において、検出ヘッド１０の各検出コイルＡ，Ｂの一端に対向して配置される磁気応答部材１２の高さが、検出対象位置ｘに応じて変化するように構成されている。これにより、各検出コイルＡ，Ｂの一端とそれに対向するロッド１１の表面の磁気応答部材１２との間のギャップ距離が検出対象位置ｘに応じて変化し、検出対象位置ｘに応じたインピーダンス変化が各検出コイルＡ，Ｂに生じる。
【００１７】
検出コイルＡ，Ｂの磁気回路に存在する磁気応答性金属の温度ドリフト特性（鉄損若しくは銅損）を補償するという観点のみに立てば、上記の各実施例において、補助コイルＣ，Ｄを省略してもよい。
また、上記実施例では、検出対象たる直線位置ｘに応じて前記各検出コイルＡ，Ｂに対して異なるインピーダンス変化をもたらすように配置された磁気応答部材１２は、１個のみであるが、これに限らず、各検出コイルＡ，Ｂ毎に個別に磁気応答部材１２を設けてもよい。例えば、２本のロッド１１の夫々に磁気応答部材１２を設け、各ロッドに対応して夫々検出コイルＡ，Ｂ及び必要に応じて補助コイルＣ，Ｄを設ければよい。
また、上記実施例では、デジタル値ａ（ｘ），ｂ（ｘ）に関して比の演算を行うようにしているが、これに限らず、アナログ値に関する比の演算をアナログ演算手段で行うようにしてもよい。また、演算手段１７は、単体の演算回路に限らず、ＣＰＵ等マイクロコンピュータの演算機能を利用したものであってもよい。
更に、本発明は、直線位置検出装置に限らず、回転位置検出装置にも適用可能である。
【００１８】
【発明の効果】
以上の通り、本発明によれば、検出コイルの磁気回路に存在する磁気応答性金属の温度ドリフト特性（鉄損若しくは銅損）を補償することができ、検出精度を向上させた位置検出装置を提供することができる。また、検出コイルの配置・構成が小型かつシンプルでありながら、広い（長い）範囲にわたって直線位置検出が可能であり、温度特性の補償性能に優れた精度のよい直線位置検出装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係る直線位置検出装置の軸方向断面図。
【図２】同実施例における各コイルのインピーダンス変化の一例を示すグラフ。
【図３】同実施例における各コイルの結線例を示す図、及びコイル出力を処理する回路例を示すブロック図。
【図４】本発明に係る直線位置検出装置の別の実施例を示す概略側面図及び平面図。
【図５】本発明に係る直線位置検出装置の更に別の実施例を示す概略側面図。
【符号の説明】
１０検出ヘッド
１１ロッド
１２磁気応答部材
Ａ，Ｂ検出コイル
Ｃ，Ｄ補助コイル
１７演算手段

Claims

交流信号で励磁される第１及び第２の検出コイルと、検出対象たる直線位置に応じて前記各検出コイルに対して異なるインピーダンス変化をもたらすように配置された磁気応答部材と、前記第１の検出コイルに対して差動接続された第１の補助コイルと、前記第２の検出コイルに対して差動接続された第２の補助コイルとを含み、前第１の検出コイルのインピーダンスと前記第１の補助コイルのインピーダンスの差動値に対応する第１の検出信号を出力し、前記第２の検出コイルのインピーダンスと前記第２の補助コイルのインピーダンスの差動値に対応する第２の検出信号を出力する検出部であって、前記磁気応答部材は、第１及び第２の検出コイルに対向する面積又はギャップが検出対象たる位置に応じて変化するものであり、所定の検出範囲の１サイクルの長さに対応して該面積又はギャップが暫時変化する形状からなり、前記第１及び第２の検出コイルの配置のずれは、前記１サイクルの長さよりも短いものと、
前記第１の検出信号と第２の検出信号のレベルの比を演算することで、前記検出対象たる位置に応じた位置検出信号を生成する演算手段と
を備える位置検出装置。