(57)【要約】【課題】コンパクトで組み付けを容易に行うことが可能な変位センサを提供する。【解決手段】変位センサ１００は、交流電圧が印加される励磁コイル１１と、非磁性金属材料からなり、励磁コイル１１と対向しつつ励磁コイル１１に対して相対移動する可動体１２と、励磁コイル１１と可動体１２との間において励磁コイル１１と可動体１２とが対向する方向に沿って積層配置され、励磁コイル１１と磁気結合する少なくとも３つの検出コイル３１，３２，３３を有する検出部１３と、検出コイル３１，３２，３３の出力と可動体１２の変位量との関係が規定された変位量特性が予め記憶されてある特性記憶部１４と、可動体１２の変位に応じて取得された少なくとも３つの検出コイル３１，３２，３３の出力と、変位量特性とに基づいて検出部１３に対する可動体１２の変位量を特定する変位量特定部１５と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電圧が印加される励磁コイルと、
非磁性金属材料からなり、前記励磁コイルと対向しつつ前記励磁コイルに対して相対移動する可動体と、
前記励磁コイルと前記可動体との間において前記励磁コイルと前記可動体とが対向する方向に沿って積層配置され、前記励磁コイルと磁気結合する少なくとも３つの検出コイルを有する検出部と、
前記検出コイルの出力と前記可動体の変位量との関係が規定された変位量特性が予め記憶されてある特性記憶部と、
前記可動体の変位に応じて取得された前記少なくとも３つの検出コイルの出力と、前記変位量特性とに基づいて前記検出部に対する前記可動体の変位量を特定する変位量特定部と、
を備える変位センサ。
【請求項２】
前記励磁コイルと前記少なくとも３つの検出コイルとが、前記少なくとも３つの検出コイルの積層方向に見て同じ形状で形成されてある請求項１に記載の変位センサ。
【請求項３】
前記励磁コイルと前記少なくとも３つの検出コイルとが、１枚の多層プリント基板で構成されてある請求項１又は２に記載の変位センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、検出対象である可動体の変位量を検出する変位センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、移動体の変位量を検出する技術として例えば特許文献１−３に記載のものがある。特許文献１には、シリンダの位置を検出するシリンダ位置検出装置が記載されている。このシリンダ位置検出装置は、ピストンロッドの表面にストローク方向に沿って面積が漸増又は漸減するようなパターンで形成された磁気応答部と、シリンダ本体の側に固定され、磁気応答部に対向して配置されるコイルとを備えて構成される。シリンダ位置は、ピストンロッドのストローク位置に応じたコイルの端子間電圧に基づき検出される。
【０００３】
特許文献２には、直線長手形状の可動子と、当該可動子の一方の面に形成される波形部と、励磁巻線及び出力巻線を有し、波形部に対向配置される固定子と、を備えた直線位置検出装置について記載されている。可動子の直線移動に伴い可動子と固定子との間のギャップが変化し、出力巻線から信号が出力される。直線位置検出装置は、この出力巻線からの信号に基づいて可動子の位置を検出する。
【０００４】
特許文献３には、励磁コイルと、当該励磁コイルの近傍に配置された受信コイルとを備えた位置センサについて記載されている。受信コイルは、２つの区画を形成するように同一平面上に形成され、巻方向が互いに逆向きになるように配置される。これにより、受信コイルの２つの区画からは、互いに異なる方向の磁束が生じる。この位置センサは、このような２つの区画から生じる磁束に基づいて磁性体の位置を検出する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−１４５４２３号公報
【特許文献２】特開２０００−３１４６０６号公報
【特許文献３】特表２００８−５４４２９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述の特許文献１−３に記載の技術では、コイルと検出対象物との距離が一定であることが前提であり、この距離が変動すると検出結果に影響が出る。このため、正確に検出対象物の変位量を検出することができない。したがって、コイルと検出対象物との組み付けを精度良く行う必要があり組付交差や傾き等に制約があった。また、コイル又は検出対象物の形状をストローク方向に変化させる構造としているので、センサのサイズ又は検出対象物のサイズが大きくなってしまうといった問題があった。
【０００７】
本発明の目的は、上記問題に鑑み、コンパクトで組み付けを容易に行うことが可能な変位センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するための本発明に係る変位センサの特徴構成は、交流電圧が印加される励磁コイルと、非磁性金属材料からなり、前記励磁コイルと対向しつつ前記励磁コイルに対して相対移動する可動体と、前記励磁コイルと前記可動体との間において前記励磁コイルと前記可動体とが対向する方向に沿って積層配置され、前記励磁コイルと磁気結合する少なくとも３つの検出コイルを有する検出部と、前記検出コイルの出力と前記可動体の変位量との関係が規定された変位量特性が予め記憶されてある特性記憶部と、前記可動体の変位に応じて取得された前記少なくとも３つの検出コイルの出力と、前記変位量特性とに基づいて前記検出部に対する前記可動体の変位量を特定する変位量特定部と、を備えている点にある。
【０００９】
このような特徴構成とすれば、検出コイルからの出力を特性記憶部に予め記憶されてある変位量特性に当て嵌めることにより、可動体の変位量を容易に特定することができる。また、少なくとも３つの検出コイルが、励磁コイルと可動体とが対向する方向に沿って積層されているので、可動体の位置が３次元的に変わった場合でも、高さ方向の変位（すなわち、検出コイルの積層方向に沿った変位）及び面内変位（すなわち、検出コイルの積層方向に直交する方向の変位）を適切に検出することが可能となる。また、それらを組み合わせた方向の変位であっても、適切に検出することが可能となる。このように本構成であれば、少なくとも３つの検出コイルと励磁コイルとを積層するだけで良いので、コンパクトで組み付けを容易に行うことが可能な変位センサを実現できる。
また、各検出コイルからの出力は、励磁コイルを電磁石化した際の相互誘導によるものであるので永久磁石を必要としない。このため、鉄粉等の異物の影響を受け難く、またレアアース等の高騰によるコストアップをすることもない。
【００１０】
また、前記励磁コイルと前記少なくとも３つの検出コイルとが、前記少なくとも３つの検出コイルの積層方向に見て同じ形状で形成されてあると好適である。
【００１１】
このような構成とすれば、励磁コイルと検出コイルとの磁気結合がし易くなる。したがって、夫々の検出コイルからの出力を適切に得ることにより、精度良く可動体の変位量を検出することが可能となる。
【００１２】
また、前記励磁コイルと前記少なくとも３つの検出コイルとが、１枚の多層プリント基板で構成されてあると好適である。
【００１３】
このような構成とすれば、励磁コイルと検出コイルとを容易に形成することが可能となる。したがって、夫々の積層方向に対する位置精度を高めることができるので、検出精度を高めることが可能となる。また、同サイズのものを簡単に作ることができるので、製造コストも低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】変位センサの構成を模式的に示す図である。
【図２】励磁コイル及び検出コイルを展開した図である。
【図３】検出コイルのストローク特性を示す図である。
【図４】検出コイルのギャップ特性を示す図である。
【図５】検出コイルのギャップと出力との関係を示す図である。
【図６】変位量特性の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明に係る変位センサは、可動体の変位量を検出する機能を備えて構成される。以下、本実施形態の変位センサ１００について詳細に説明する。本変位センサ１００は、励磁コイル１１、可動体１２、検出部１３、特性記憶部１４、変位量特定部１５、通電制御部２１の各機能部を備えて構成される。特に特性記憶部１４、変位量特定部１５、通電制御部２１はＣＰＵを中核部材として、可動体１２の変位量を検出する種々の処理を行うための機能部がハードウェア又はソフトウェア或いはその両方で構築されている。ここで、本実施形態では、このような機能部が一つのＥＣＵ（Electronic Control Unit）で構成されている例を挙げて説明する。
【００１６】
励磁コイル１１は、交流電圧が印加される。本実施形態に係る励磁コイル１１は、例えばガラスエポキシ基板等のプリント基板１上にパターンニングして形成される。このような励磁コイル１１が図２に示される。本実施形態では、プリント基板１の絶縁層１Ａ上の銅をエッチングして渦巻き状のコイルパターン３が形成される。したがって、励磁コイル１１は平面状に形成される。また、コイルパターン３の両端（始点及び終端）には、プリント基板１を貫通するスルーホール４が形成される。このスルーホール４を介してコイルパターン３にプリント基板１の裏面から交流電圧が印加される。これによりプリント基板１に直交する方向の磁束が生じる。本実施形態では、図１に示されるように、交流電圧の印加は通電制御部２１により制御される。
【００１７】
図１に戻り、可動体１２は、励磁コイル１１と対向しつつ励磁コイル１１に対して相対移動するよう構成される。上述のように本実施形態では、励磁コイル１１はプリント基板１上に平面状で形成される。ここで、可動体１２は、非磁性金属材料で形成される。本実施形態では、例えば銅やアルミニウムの平板により構成される。このような平板の可動体１２は、平面状の励磁コイル１１に対して対向するように配置される。
【００１８】
可動体１２は、本変位センサ１００による変位量の検出対象物に相当する。可動体１２は、励磁コイル１１が形成されるプリント基板１に対して直交する方向であるギャップ方向、及びプリント基板１の表面に平行な方向であるストローク方向に移動することが可能である。本変位センサ１００は、このようなギャップ方向及びストローク方向の変位を検出することが可能である。
【００１９】
検出部１３は、励磁コイル１１と磁気結合する少なくとも３つの検出コイルを有して構成される。本実施形態では、３つの検出コイルが、検出コイル３１，３２，３３であるとして説明する。磁気結合するとは、上述のように交流電圧が印加された励磁コイル１１から生じる磁束に基づく磁界により、電磁誘導により検出コイル３１，３２，３３にも電流が生じる状態をいう。すなわち、励磁コイル１１と検出コイル３１，３２，３３とにおいて、相互誘導が生じている状態をいう。
【００２０】
本実施形態に係る検出コイル３１，３２，３３も、上述の励磁コイル１１と同様に、例えばガラスエポキシ基板等のプリント基板７上にパターンニングされて形成される。図２には、このような検出コイル３１，３２，３３が示される。プリント基板７の絶縁層７Ａ上の銅をエッチングして渦巻き状のコイルパターン８が形成される。したがって、検出コイル３１，３２，３３も、励磁コイル１１と同様に平面状に形成される。また、夫々のコイルパターン８の両端には、プリント基板７を貫通するスルーホール９が形成される。このスルーホール９を介して検出コイル３１，３２，３３の夫々に生じる電圧を測定する。図２においては、検出コイル３１の電圧を「Ｖ１」、検出コイル３２の電圧を「Ｖ２」、検出コイル３３の電圧を「Ｖ３」としている。
【００２１】
図１に示されるように、検出コイル３１，３２，３３は、励磁コイル１１と可動体１２との間において励磁コイル１１と可動体１２とが対向する方向に沿って積層配置される。上述のように励磁コイル１１と可動体１２とは互いに対向するように配置される。対向する方向とは、図１におけるギャップ方向に相当する。検出コイル３１，３２，３３は、互いに絶縁された状態で積層され、この積層された方向がギャップ方向に沿って配置される。したがって、検出コイル３１，３２，３３は、夫々のプリント基板１，７の面がギャップ方向に直交するように積層して配置される。
【００２２】
本実施形態では、励磁コイル１１と検出コイル３１，３２，３３とが、当該検出コイル３１，３２，３３の積層方向に見て同じ形状で形成される。「検出コイル３１，３２，３３の積層方向に見て」とは、変位センサ１００を鉛直方向に見ることを意味する。すなわち、変位センサ１００をギャップ方向に見ることを意味する。また、同じ形状とは、プリント基板１，７上に形成されたコイルパターン３，８が互いに重複するように形成されていることをいう。ただし、夫々のコイルパターン３，８の両端には上述のようにスルーホール４，９が形成されるので、その部分は除く。このような構成により、本実施形態では、変位センサ１００をギャップ方向に見た場合に、励磁コイル１１と検出コイル３１，３２，３３とのコイルパターン３，８が互いに重複するように全く同じ形状で形成される。
【００２３】
このような励磁コイル１１と検出コイル３１，３２，３３とは、１枚の多層プリント基板で構成することができる。すなわち、励磁コイル１１と検出コイル３１，３２，３３とを４層基板で構成すると好適である。これにより、少なくとも励磁コイル１１と検出コイル３１，３２，３３の夫々との間には絶縁層を配置しつつ、互いに近接させることができる。したがって、励磁コイル１１から生じる磁界により、検出コイル３１，３２，３３の夫々に相互誘導を作用させることが可能となる。また、公知のパターンニング技術により、励磁コイル１１と検出コイル３１，３２，３３との夫々のコイルパターン３，８を同じ形状で形成することが可能となる。
【００２４】
特性記憶部１４は、検出コイル３１，３２，３３の出力と可動体１２の変位量との関係が規定された変位量特性が予め記憶されている。ここで、可動体１２が、検出コイル３１，３２，３３に対してストローク方向に移動した場合の特性が図３に示される。図３は横軸が可動体１２のストローク方向への移動量（ストローク量）であり、縦軸が検出コイル３１，３２，３３のインピーダンスである。図３に示されるように、可動体１２がストローク方向に移動した場合、検出コイル３１，３２，３３のインピーダンスは線形に変化する。なお、図３の縦軸は検出コイル３１，３２，３３のインピーダンスで示しているが、検出コイル３１，３２，３３の出力電圧で示しても同様である。
【００２５】
一方、可動体１２が、検出コイル３１，３２，３３に対してギャップ方向に移動した場合の特性が図４に示される。図４は横軸が可動体１２のギャップ方向への移動量（ギャップ量）であり、縦軸が検出コイル３１，３２，３３のインピーダンスである。図４に示されるように、可動体１２がギャップ方向に移動した場合、検出コイル３１，３２，３３のインピーダンスは非線形に変化する。なお、図３及び図４の特性は一例であり、コイルパターン３，８の断面積を変更することによりインピーダンスの値は変化する。また、図４の縦軸は検出コイル３１，３２，３３のインピーダンスで示しているが、検出コイル３１，３２，３３の出力電圧で示しても同様である。
【００２６】
上記のように可動体１２がストローク方向へ移動した場合とギャップ方向へ移動した場合とで特性が異なる。一方、上述のように検出コイル３１，３２，３３は積層して配置される。このため、３つの検出コイル３１，３２，３３のギャップは図５のように一定である（例えば０．５ｍｍ）が、３つの検出コイル３１，３２，３３の出力はストローク方向への移動量及びギャップ方向への移動量に応じて異なるものとなる。したがって、３つの検出コイル３１，３２，３３の出力と、３つの検出コイル３１，３２，３３のギャップとにより、可動体１２の変位量が一義的に定まる。特性記憶部１４には、このような変位量特性が予め記憶されている（図６参照）。
【００２７】
変位量特定部１５は、可動体１２の変位に応じて取得された３つの検出コイル３１，３２，３３の出力と、変位量特性とに基づいて検出部１３に対する可動体１２の変位量を特定する。３つの検出コイル３１，３２，３３の出力は、図１に示されるように夫々のコイルパターン３，８の両端に形成されたスルーホール４，９を介して変位量特定部１５に伝達され、測定される。また、変位量特定部１５は、これら３つの検出コイル３１，３２，３３のギャップも予め記憶されている。変位量特定部１５は、このような予め記憶されている検出コイル３１，３２，３３のギャップと、伝達された出力とを図６に示されるような変位量特性に当て嵌めて、可動体１２の変位量を特定する。
【００２８】
具体的には、変位量特性上に、測定された検出コイル３１，３２，３３の夫々の出力電圧に応じたインピーダンスを示す３本の仮想線を設定する。次に、この３本の仮想線を同一のストローク量を規定する平面上で順次、カットしていく。このようにカットされたカット面において、既知の検出コイル３１，３２，３３のギャップ（例えば「０．５ｍｍ」）の関係を具備するか否かを判定していき、具備した場合のカット面に対応したストローク量が可動体１２の実際の変位量となる。すなわち、このように検出された座標における「ストローク量」及び「ギャップ量」が可動体１２の変位量にあたる。このように本変位センサ１００によれば、可動体１２のストローク方向への変位量、及びギャップ方向への変位量を容易に検出することが可能となる。なお、可動体１２のギャップ方向への変位量は、検出コイル３１，３２，３３のいずれかを基準とし、変位量特性から当該基準とした検出コイルからのギャップ量を読み取ることで特定することができる。
【００２９】
〔その他の実施形態〕
上記実施形態では、検出部１３が有する検出コイルが３つであるとして説明した。しかしながら、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではない。検出部１３が４つ以上の検出コイルを有して構成することも当然に可能である。係る場合であっても変位量特性から該当する変位量を特定することにより可動体１２の変位量を適切に検出することが可能である。また、３つの場合に比べて、検出コイルの数を増やすことにより検出精度を高めることが可能である。
【００３０】
上記実施形態では、励磁コイル１１と検出コイル３１，３２，３３とが、検出コイル３１，３２，３３の積層方向に見て同じ形状で形成されているとして説明した。しかしながら、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではない。すなわち、励磁コイル１１と検出コイル３１，３２，３３とを、積層方向に見て異なる形状で構成することも当然に可能である。
【００３１】
上記実施形態では、励磁コイル１１と検出コイル３１，３２，３３とが、１枚の多層プリント基板で構成されているとして説明した。しかしながら、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではない。すなわち、夫々を別のプリント基板で構成した後、積層することも可能であるし、プリント基板１を用いずに構成することも可能である。すなわち、例えば励磁コイル１１と検出コイル３１，３２，３３とを、所謂「チップ積層インダクタ」で構成することも当然に可能である。
【００３２】
本発明は、検出対象である可動体の変位量を検出する変位センサに用いることが可能である。
【符号の説明】
【００３３】
１：プリント基板（多層プリント基板）
１１：励磁コイル
１２：可動体
１３：検出部
１４：特性記憶部
１５：変位量特定部
３１：検出コイル
３２：検出コイル
３３：検出コイル
１００：変位センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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