(57)【要約】 【目的】   本発明の目的は、可動物体の位置変位をコイルのインダクタンス変化として感知して発振周波数の変化に変換し、さらに発振周期に対応する２進情報を発生し、この２進情報を２進情報補正回路により補正してディジタル出力を得ることにより、位置変位とディジタル出力との直線性を確保すると共にディジタル出力が電源電圧変動の影響を受けないようにした位置検出器を提供することである。 【構成】  コイル２のインダクタンスがコイル２と可動物体との相対位置により変化するようにしたコイル２を含む発振回路と、発振周期に比例して２進情報を発生する２進情報生成回路と、直線性補正を行なう２進情報補正回路より構成した位置検出器。【選択図】図１
2006226895.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁性体１に装着されたコイル２と可動物体に装着された磁石３の相対位置により変化するコイル２のインダクタンスにより可動物体の直線位置を検出する位置検出器。
【請求項２】
可動物体とコイル２との相対位置により変化するコイル２のインダクタンスを含む発振回路４と、発振周期又は発振周波数に比例して2進情報を発生する2進情報生成回路５と、2進情報生成回路５の出力を補正するための2進情報補正回路６よりなり、上記ディジタル補正回路６の出力が可動物体とコイル２との相対位置の変化に比例するように構成した位置検出器。
【請求項３】
前記2進情報補正回路６として使用する複数個のアドレスを有する読み取り専用メモリ又は通常のメモリに予め補正データを記憶しておき，選択されたアドレスに対応する補正データを読み出すことにより，ディジタル出力を得るようにした請求項２記載の位置検出器。
【請求項４】
２進数で重み付けされた複数個のキャパシタを複数個のスイッチと組み合わせて発振周波数を制御することにより，温度補償を行うようにした請求項２記載の位置検出器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可動物体の変位を感知してディジタル出力を発生する位置検出器に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に，可動物体の変位を検出して可動物体を含む系を制御する場合，コンピュータ制御が主流となっている今日、可動物体の変位がディジタルで出力されることが必要となる。従来の位置検出器は可動物体の変位に対応する電圧又は電流を出力するものが主流であった。従って、ディジタル出力を得る場合はアナログ出力をディジタルに変換する必要があったり、又は回路が複雑となったり，さらに、可動物体の変位とアナログ出力との間の直線性の精度を高くし難く，また，温度変化が出力に及ぼす影響を大きいため，消費電力の増大、価格の上昇、信頼性の低下は避けられなかった。
【０００３】
さらに，コイルのインダクタンス変化が可動物体の変位に対応するようにするために，固定されたコイルを貫通する磁性体が可動物体に連動させることが必要である。従って，磁性体を常に可動物体に接触させておくこと，すなわち，接触型にしなければならないので，位置検出器は可動物体からの振動の影響を受け易くなることは避けられなかった。
【０００４】
従来技術として，コイルのインダクタンスと抵抗の関係で一義的に発生する電圧の過渡応答と変位を関連づけてアナログ出力を得る方法が提案されているが，変位とアナログ出力との直線性を確保することは困難であり、また、アナログ出力の誤差を小さくするために位置検出範囲を小さくしなければならない。さらに、アナログ出力をディジタル出力に変換する回路を必要とするので，位置検出器の回路は複雑となる。
【特許文献１】特開２０００−１８０１０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
解決しようとする問題点は，可動物体の変位とアナログ出力との間の直線性に関する精度が低いことであり，さらにアナログ出力をディジタル出力に変換するためのＡＤ変換器を必要とすることであり，さらにアナログ回路は温度変化の影響を受け易いことであり，さらに可動物体に連動する磁性体とコイルの相対位置により変化するインダクタンスを用いる位置検出器は可動物体からの振動の影響を受け易いことである。従って、発明が解決しようとする課題は直線性に関する精度を高め、さらにＡＤ変換器を含むアナログ回路の使用を避けてディジタル回路によって回路構成を簡単にすると共に温度変化の影響を低減し，かつ，位置検出器が可動物体からの振動の影響を受け難くすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記問題点を解決するために，本発明の位置検出器は，コイルとキャパシタの並列共振回路の発振周期が可動物体の変位により変化することに着目し，この発振周期を２進情報に変換することにより，アナログ回路の使用を限定すると共にディジタル回路を多用して可動物体の直線変位を検出するものである。発振周期を２進情報に変換すると，この２進情報はコイルのインダクタンスの平方根に比例する結果，上記直線性の精度は低いので，直線性を確保するため２進情報についてディジタル処理を行う。ディジタル回路を多用する結果，回路の簡単化，動作の安定化，消費電力の低減が図られる。
【０００７】
位置検出器が可動物体からの振動の影響を受け難くするために，可動物体に連動してコイルと磁性体との相対位置を変化させるのではなく，コイルと磁性体との相対位置を固定した状態で可動物体に連動する磁石と磁性体との相対位置を変化させるようにすると，磁性体が受ける磁石からの磁界の強さは磁石と磁性体との相対位置に依存する。磁性体に作用する磁界が強くなると，磁性体の透磁率が小さくなるので，コイルのインダクタンスは小さくなり，発振周期は短くなる。このことから，可動物体の変位は磁石の磁界を通してコイルに作用するので，可動物体の機械的振動は直接位置検出器に伝わらない。結果として振動に強い位置検出器が実現できる。可動物体に連動する磁性体とコイルの相対位置により，コイルのインダクタンスが変化するようにした接触型位置検出器は振動に弱いので，振動を避ける必要のある用途には可動体に連動する磁石を用いる非接触型の構造にする。
【０００８】
温度補償に関しては，発振回路に温度補償用のディジタル制御型可変キャパシタを組み込んで，発振周波数を制御する方法で行なう。
【発明の効果】
【０００９】
上記のように構成された位置検出器において，可動物体とコイルとの相対位置により変化するインダクタンスにより発振周波数が決まるように発振回路を構成し，さらに発振回路に負性抵抗を使用して，電源電圧変動による影響を小さくする。また，発振周期を２進情報に変換し，さらに２進情報補正回路を通してディジタル出力を得ることにより直線性の精度を高め，また回路も簡単に構成することにより，消費電力低減、低価格化の利点が生ずる。また，発振回路に温度補償機能を組み込むことにより，動作の安定化を図ることができる。さらに非接触型の構造にすることにより，機械的振動に強くすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
電源電圧変動による影響を低減するためにはアナログ回路の使用を可能な限り避け、ディジタル回路を多用することである。アナログ回路は回路性能が電源電圧変動の影響を受け易いためである。アナログ回路を用いた発振回路においては、可動物体に連動する磁性体又は磁石とコイルとの相対位置により変化するインダクタンスによってのみ発振周波数が定まり、電源電圧、温度等の影響を受け難くすることが必要である。従って、本発明による位置検出器においては、発振回路はアナログ回路であるが、他の回路はディジタル回路によって構成する。その理由はディジタル回路が電源電圧変動，温度変化の影響を受け難いからであり，消費電力が低減できるからである。
【００１１】
本発明の実施において，課題を解決する複数手段のいくつかが組み合わされて，新規な効果を発揮する。例えば，直線性に関連する２進情報処理手法は又は接触型のいずれにも適用できるし，可動物体に磁石を直接取り付ける非接触型の原理を接触型に適用する例として，回転体の偏心を直線変位に変換するため回転体に接触させた可動物体に磁石を取り付けた位置検出器は接触型と非接触型の原理を組み合わせたものである。
【実施例１】
【００１２】
実施例について図面を参照して説明する。図１に示す本発明による位置検出器は，磁性体１に装着されたコイル２と可動物体に装着された磁石３の相対位置により変化するコイル２のインダクタンスを含む発振回路４と、発振周期又は発振周波数に依存して２進情報を発生する２進情報生成回路５と、２進情報生成回路５の出力を補正するための２進情報補正回路６よりなり、上記２進情報補正回路６のディジタル出力が磁性体１と磁石３の相対位置の変化に比例するように構成される。さらに発振回路４はコイル２とキャパシタ７よりなる共振回路、負性抵抗回路８および増幅回路９より構成される。さらに２進情報生成回路５は論理積回路１０およびカウンタ１３より構成される。
【００１３】
次に，本発明による位置検出器の動作原理を発振周期に依存して２進情報を発生する場合について述べると，コイル２およびコンデンサ７よりなる共振回路と負性抵抗回路８により発生する正弦波電圧の周波数ｆおよび半周期Tｈはそれぞれ（数１）および（数２）のようになる。
【００１４】
【数１】
2006226895.tif 000003
【００１５】
【数２】
2006226895.tif 000004
【００１６】
上式において、ＬおよびＣはそれぞれコイル２のインダクタンスおよびキャパシタ７のキャパシタンスである。
【００１７】
一般に，アナログ回路は電源電圧変動の影響を受け易いので，まず，負性抵抗回路８の電源電圧の影響について述べると，負性抵抗回路８の詳細を図２に示す。図２には４個の相互コンダクタンス増幅器２０−１，２０−２，２０−３，２０−４が用いられている。矢印２２から見た入力抵抗Ｒ0は（数３）のようになる。
【００１８】
【数３】
2006226895.tif 000005
【００１９】
上式において、Ｒは抵抗２１の抵抗値、ｇｍは相互コンダクタンス増幅器２０−１および２０−２の相互コンダクタンスである。
【００２０】
さらに、図２の矢印２３から見た抵抗をＲinとすると、Ｒinは次のようになる。
【００２１】
【数４】
2006226895.tif 000006
【００２２】
（数４）から明らかなように、図２に示す負性抵抗は抵抗Ｒにのみ依存し、電源電圧変動の影響を受けないことがわかる。このことは発振回路４の発振周波数は電源電圧の影響を受け難いことを意味する。
【００２３】
このようにして発生した周波数ｆの正弦波は増幅器５で増幅され、矩形波として出力される。この矩形波は正弦波の半周期ごとに低レベル（例えば０Ｖ）と高レベル（例えば５Ｖ）を繰り返す。低レベルを２値情報の“０”に、高レベルを２値情報の“１”に対応させると、矩形波が“１”の期間において端子１１に印加されるクロックパルスが論理積回路１０から出力される。発振周期に比して十分短い周期のクロックパルスを使用すると，半周期Ｔhに比例する数の出力パルスが得られる。これらの出力パルスをカウンタ１３でカウントすることにより，ディジタル化された２進情報が得られる。
【００２４】
一方，増幅器９もアナログ回路に属することから，電源変動の影響について述べる。一般に，増幅器に印加される電源電圧が変動すると，入力動作点および増幅度が変化する。まず，入力動作点が変動すると，発振回路４で発生する正弦波電圧に応答して増幅器９が増幅を開始し，かつ，終了する時間が変動する。従って，正弦波電圧を増幅して得られる矩形波の“１”と“０”の期間が等しくならないので，２進情報に変換誤差が生ずる。従って，デューティファクタが５０％であることが必要である。しかし，正弦波電圧を増幅して得られる矩形波の“１”と“０”の期間が等しくない場合であっても，この矩形波を１個の２進カウンタを通すことにより“１”と“０”の期間が等しくできるので，電源電圧変動による影響を無くすことができる。また，増幅器９は正弦波電圧を論理回路が動作するレベルに増幅すればよいので，増幅度を正確な値に保つ必要はない。このことは増幅度に設計上の安全係数を考慮すればよいことを意味する。
【００２５】
次に矩形波が“０”になると、カウンタ１３の動作は停止して，カウンタ１３の２進数すなわち2進情報は2進情報補正回路６において保持されると共にカウンタ１３はリセットされて，次のカウント動作に備える。リセット動作はリセットパルスを端子１２に与えることにより行われる。2進情報補正回路６に保持された2進情報は2進情報補正回路６により変換され，可動体に装着された磁石３とコイル２の相対位置に比例するディジタル出力がディジタル出力端子１４に得られる。ディジタル補正回路６の動作時間は極めて早いため矩形波が”０“状態の期間内に終了する。2進情報補正回路６に保持されている2進情報は次のカウント動作の終了と共に新しい2進情報に置き換えられる。以上の動作が繰り返されて，常に最新のディジタル出力が得られる。
【００２６】
次に2進情報補正回路６の具体例について述べると，図３に示す読み取り専用メモリ３０はカウンタ１３からの2進情報をアドレスとして，対応する記憶内容を読み出すものである。2進情報はアドレスレジスタ３１に保持されるので，対応する記憶内容は2進情報が更新されるまで保持される。
【００２７】
ここで，読み取り専用メモリ３０の機能をより具体的に述べる。2進情報をｋビットとすると，２ｋ個のアドレスから選ばれた１個のアドレスの記憶内容が読み出される。しかし，２ｋ個すべてのアドレスが有効ではない。発振回路４の発振周波数範囲は最低周波数と最高周波数により定まり，最高周波数は最低周波数の2〜３倍である。従って，最低周波数のとき，カウンタ１３のすべてのビットが“１”になるように設計すると，最高周波数のときのカウンタ１３のカウント数は最低周波数のときの１/2〜1/3となる。このことは読み取り専用メモリ３０のアドレスは２ｋ−１個以下でよいことを意味する。また，2進情報の代わりにそれぞれのビットの状態を反転して得られる“１”の補数を用いると０番地，１番地，２番地，・・・の順にアドレスを設定し，それぞれの番地に固有の補正データを記憶させることができるので，設計・テストの容易化に役立つのである。
【００２８】
以上，発振周期をクロックパルスでカウントして２進情報を得る方法について述べたが，発振周波数をカウントすることによっても２進情報を得ることができ，この場合，正弦波電圧のデューティファクタが５０％である必要がないため，増幅器９に関する要件を緩和することができる。
【００２９】
次に，温度補償について述べると，温度変化に対応して変化する発振周波数が本来あるべき値に制御しようとするものである。発振周波数を制御するために使用する可変キャパシタ４０を図４に示す。図４において，固定キャパシタ４１とキャパシタ４２，４３，４４，４５のそれぞれに直列に接続されるスイッチ４６，４７，４８，４９より構成される。キャパシタ４２，４３，４４，４５は２進数で重み付けされている。例えば，キャパシタ４２のキャパシタンスをＣとするとキャパシタ４３，４４，４５はそれぞれ２Ｃ，４Ｃ，８Ｃとする。このように構成された可変キャパシタを用いて温度補償を行う条件として磁石３とコイル２の間の距離が離れている場合について述べると，この場合の発振周波数は最も低くなり，２進情報が最大となる。従って，カウント出力が予め定めた値（例えば，すべてのビットが“１”）となるようスイッチ４６，４７，４８．４９をディジタル的に制御すればよい。一方，磁石３をコイル２に近づけたときの温度補償を考慮する必要がある場合には磁石の変位範囲全域にわたって最適のスイッチの組み合わせを選ぶことになる。さらなる補償精度を得るためには磁性体１と磁石３の温度特性の整合性をよくすることである。例えば，温度上昇と共に磁性体１の透磁率が減少する場合には，磁石３の磁界も同じ割合で減少するように磁石３と磁性体１の素材を選ぶことである。
【００３０】
以上の説明を要約すると，磁性体１に装着されたコイル２と可動物体に装着された磁石３の相対位置により変化するコイル２のインダクタンスにより可動物体の直線位置を検出する位置検出器はアナログ回路の使用を限定し，ディジタル回路を多用することが可能となるため，電源電圧変動に強く，機械的振動の影響を受け難く，かつ，消費電力を低減できる特徴を有する。
【００３１】
さらに，磁性体１に装着されたコイル２と可動物体に装着された磁石３の相対位置により変化するコイル２のインダクタンスを含む発振回路４と、発振周期又は発振周波数に関連して２進情報を発生する2進情報生成回路５と、２進情報を処理する2進情報補償回路６より構成することにより、磁性体１と磁石３の相対変位とディジタル出力との間の直線性精度を高くすることができる。さらに，２進情報補正回路６として読み取り専用メモリ又は通常のメモリを使用して予め補正データを記憶しておくことにより回路構成が単純となり，動作の安定化，設計・テストの容易化が達成できる。
【００３２】
２進数で重み付けされた複数個のキャパシタを複数個のスイッチと組み合わせて発振周波数を制御することにより，温度補償が容易となる。この方法は別の素子で温度を感知してアナログ的に温度補償を行う方法に比べて，すべてディジタル処理であるため，回路構成が単純となり，動作の安定化，低価格化，高信頼化を達成できる。
【００３３】
これまで位置検出器をハードウエアによって実現する方法について述べたが，基本的にコイル２を含むアナログ回路を除き，マイクロプロセサによるソフトウエアによりディジタル出力を得ることができることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の実施例による位置検出器のブロック図である。
【図２】本発明の実施例に使用する負性抵抗回路である。
【図３】本発明の実施例に使用する読み取り専用メモリのブロック図である。
【図４】本発明の実施例に使用する可変キャパシタである。
【符号の説明】
【００３５】
１は磁性体
２はコイル
３は磁石
４は発振回路
５は２進情報生成回路
６は２進情報補正回路
７はキャパシタ
８は負性抵抗回路
９は増幅器
10は論理積回路
11はクロックパルス印加端子
12はリセットパルス印加端子
13はカウンタ
14はディジタル出力端子
20(20-1,20-2,20-3.20-4)は相互コンダクタンス増幅器
21は抵抗
22および23は矢印
30は読み取り専用メモリ
31はアドレスレジスタ
40は可変キャパシタ
41,42,43,44,45はキャパシタ
46,47,48,49はスイッチ
【図１】
2006226895.tif 000007
【図２】
2006226895.tif 000008
【図３】
2006226895.tif 000009
【図４】
2006226895.tif 000010