(57)【要約】【課題】リラクタンス型の検出方式をとる位置検出装置の中でも特に、プリント基板に検出用のコイルパターンを敷設したタイプでありながらも、検出信号レベルを高める。【解決手段】表面上に凹凸を有した磁性材よりなる歯車１１０と、この歯車１１０と空隙を介して対向して相対移動可能なプリント基板１０１（第二部材）とからなり、相対移動量を第一部材の凹凸の変化に基づき検出する位置検出装置であって、第二部材は、検出用コイルパターン１０２ａ、１０２ｂを形成してなるプリント基板１０１と、変化磁束を発生する励磁用コイル１２１を巻装した鉄芯１２０とを具備し、歯車１１０の凹凸部と検出用コイルパターン１０２ａ、１０２ｂとの間の磁気抵抗変化によって変動する鉄芯１２０が発した変化磁束を検出用のコイルパターンの誘導電圧により検出する。【選択図】図２
2005156348.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気抵抗の異なる繰返しパターンが形成された磁性材よりなる第一部材と、前記第一部材と空隙を介して対向し、且つ前記第一部材と相対移動可能な第二部材とを含み、
前記第二部材は、検出用コイルパターンを形成してなる板材と、変化磁束を発生する励磁コイルとを具備し、
前記第一部材の繰返しパターンと前記第二部材の前記検出用コイルパターンとの間の磁気抵抗変化によって変動する前記励磁コイルが発した変化磁束を前記検出用コイルパターンの誘導電圧として検出し、前記第一部材と前記第二部材との相対移動量を検出する位置検出装置において、
前記励磁コイルは、前記板材の背面に固定された鉄芯に巻装されていることを特徴とする位置検出装置。
【請求項２】
前記第一部材と前記第二部材の相対移動方向における前記鉄芯の幅は、前記第一部材の繰返しパターンのピッチのほぼ整数倍であることを特徴とする請求項１に記載の位置検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、産業機械や工作機械等に使用される位置検出装置に関し、特に、検出原理をリラクタンス変化検出タイプとする位置検出装置の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、産業機械や工作機械等に使用される位置検出装置は、劣悪な使用環境から、汚れ・高温・衝撃等に対して頑強な位置検出装置が望まれている。この分野で使用される位置検出装置は、大別して光学式と磁気式の２種類に分類される。格子が設けられたガラススケールを用いた光学式検出器は、結露・飛散油等によるガラススケールの汚れ（くもり）による精度悪化や、ガラススケールがガラス材を基材とすることによる機械的強度面の脆弱さ等のデメリットを持っている。特に、飛散油等によるガラススケールの汚れを防止するために、ガラススケールをシールドケース内に収納しなければならない場合が多い。更に、結露を防止するために、エアを送り込む装置の付加を必要とすることも多い。エア供給装置には、エアフィルタ回路も当然含むので、保守・点検を怠らないようにする必要もある。この様に、光学式検出器は、汚れに対する弱さを補うために、検出装置そのもの以外にも付帯装置が必要となるのが一般的であった。
【０００３】
このようなことから、汚れに強く、堅牢性も高い磁気式の位置検出装置が注目されてきている。磁気式の位置検出装置も検出方式などからいくつかの種類に分類される。磁気抵抗素子をセンサに内蔵したものや、コイルで検出対象（非磁性材）の渦電流損失を検出するタイプや、コイルで検出対象（磁性材）との間のリラクタンス変化を変出するタイプがある。特に、リラクタンス変化を検出するタイプは、検出対象を鋼材（磁性材）とすることができ、温度特性も良好なことから、劣悪な使用環境に好適なセンサとして知られている。リラクタンス変化を検出するタイプの位置検出装置は、しばしば検出対象を鋼材よりなる歯車あるいはラック歯とし、センサ側は、珪素鋼板よりなるステータコアの極歯に巻線を巻装した形態をとっている。しかしながら、ステータコアが歯車全体を囲うことで大径化することと、ステータコアの極歯の巻線の巻き位置のずれなどによる誤差などが、この形態のデメリットとしてあった。そこで、センサ側をプリント基板にコイルを敷設した構成とし、ステータコアの極歯に巻線を巻装したものの代替をさせるタイプがある（特許文献１）。
【０００４】
図４は、プリント基板に検出用コイルパターンを敷設した従来の位置検出装置のセンサ部と検出対象の一例を示す斜視図である。鋼材（磁性材）よりなる検出対象の歯車２０３は、図示しない回転軸の回転中心に対して、回転振れのないように接着固定されており、回転軸は図示しない軸受にて軸支され回転自在となっている。プリント基板４０１は、検出対象の歯車２０３の外周面の凹凸部と空隙を介した位置に固定されていて非回転である。プリント基板４０１には、検出用コイルパターン４０２ａ、４０２ｂとこれらを囲う励磁用コイルパターン４０３が敷設されており、励磁用コイルパターン４０３は図示しない励磁回路と接続され変化磁束を発している。検出用コイルパターン４０２ａ、４０２ｂは、正弦波状の形状をしており、その波長は検出対象の歯車２０３の１ピッチ長（＝π・ｍ  ｍ：歯車モジュール）と同寸法となっている。検出用コイルパターン４０２ａと４０２ｂとは、１／４波長分だけ測定軸方向にずれて敷設されている。検出用コイルパターン４０２ａ、４０２ｂは、励磁用コイルパターン４０３が発した変化磁束が検出対象の歯車２０３の凹凸による磁気抵抗変化によって変動する磁束を誘起電圧として出力する。検出用コイルパターン４０２ａ、４０２ｂが１／４波長ずれているので、互いに直交する二相信号を出力することとなる。
【０００５】
図４に示した例にあっては、ステータコアを使用していないので、薄型化が容易であり、検出用コイルパターン４０２ａ、４０２ｂの敷設される位置精度も良好となる。しかしながら、鉄芯（極歯）に磁路を形成していないこと、励磁用コイルパターン４０３のターン数が限定されることなどから、変化磁束そのものが弱く、検出される誘起電圧値も弱いという問題があった。また、プリント基板４０１を固定するためのケースは、銅材（磁性材）の場合もあれば、アルミ材（非磁性材）の場合もあるが、励磁用コイルパターン４０３から発せられる変化磁束の磁路は、周囲のケースの材質によって影響を受けることがあった。このようなことが起きると、検出用コイルパターン４０２ａ、４０２ｂを鎖交する磁束にバラツキが発生し、誤差要因となっていた。
【０００６】
【特許文献１】特開平８−３１３２９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来の位置検出装置においては、光学式の検出方式を選択すると、汚れに対する防止策を考慮する必要があったり、強度そのものに問題があったりした。磁気式検出方式の中でも、渦電流損失を検出する方式にあっては、検出対象に導電性の優れた非磁性材料を選択せねばならず、鋼材を部材とすることが多い周辺の機構部との線膨張係数の違いが問題になったりしていた。検出対象を鋼材とする磁気式検出方式の中でも、磁気抵抗素子をセンサに使用した場合は、検出信号のコントラストの低さや、温度変化に対する特性の悪さが問題になった。また、検出対象を鋼材とする磁気式検出方式の中でも、リラクタンス型レゾルバのような磁気抵抗変化量を検出するタイプにあっては、ステータコアの極歯にボビン等の絶縁材を被せた後に巻線を巻装していることから、小型化・微細化に限界があった。また、巻線時の整列巻きや巻装位置等製造段階での誤差が、位置検出装置としての誤差になっていた。リラクタンス型の検出方式の中でも、プリント基板等の板材に励磁用及び検出用のコイルパターンを敷設したタイプにあっては、鉄芯（極歯）に磁路を形成できないことや励磁用コイルパターンのターン数が限定されることなどから、検出される誘起電圧のレベルが弱いという問題があった。更に、周囲の筐体の影響で、励磁用コイルパターンからの磁路が、所望の位置に形成されず、誤差要因となることがあった。
【０００８】
本発明は上述のような事情に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、磁気式検出方式の中でも特に、プリント基板に検出用のコイルパターンを敷設した磁気抵抗変化量を検出するタイプでありながらも、検出信号レベルを高め且つ高精度な位置検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る位置検出装置は、磁気抵抗の異なる繰返しパターンが形成された磁性材よりなる第一部材と、前記第一部材と空隙を介して対向し、且つ第一部材と相対移動可能な第二部材とを含み、前記第二部材は、検出用コイルパターンを形成してなる板材と、変化磁束を発生する励磁コイルとを具備し、前記第一部材の繰返しパターンと前記第二部材の前記検出用コイルパターンとの間の磁気抵抗変化によって変動する前記励磁コイルが発した変化磁束を前記検出用コイルパターンの誘導電圧として検出し、前記第一部材と前記第二部材との相対移動量を検出する位置検出装置において、前記励磁コイルは、前記板材の背面に固定された鉄芯に巻装されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
励磁用のコイルを鉄芯に巻くことで、プリント基板等の板材に励磁コイルを敷設するものに比べ、比較的低い周波数でも、大きな検出信号を得ることができる。また、励磁のための磁路に、空気に比べ透磁率の大きな鉄芯を介することにより、検出用コイルパターンへ一様な磁束を発することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１は、本発明の位置検出装置のセンサ部となる第二部材の検出用コイルパターンを形成したプリント基板の一例を示す正面図である。プリント基板１０１の表面層に正弦波状にパターンを敷設した検出用コイルパターン１０２ａは、第二層に正弦波状にパターンを敷設した検出用コイルパターン１０２ｃとスルーホール１０３ｅにて電気的に接続されている。検出用コイルパターン１０２ａと検出用コイルパターン１０２ｃは、正弦波状の波形位相が逆位相となっているが、電気的な位相も逆位相となっているため、結果として同相を検出している。この検出用コイルパターン１０２ａから、正弦波状の波形位相を測定軸方向に９０°（１ピッチの１／４）ずらした位置に、検出用コイルパターン１０２ｂがパターン成形されており、同様に、第二層にパターン成形された検出用コイルパターン１０２ｃから正弦波状の波形位相を、測定軸方向に９０°ずらした位置に、検出用コイルパターン１０２ｄがパターン成形されている。検出用コイルパターン１０２ｂと検出用コイルパターン１０２ｄは、スルーホール１０３ｆにて電気的に接続されている。
【００１２】
図２は、本発明の位置検出装置の第二部材（センサ部）と検出対象の第一部材との関係の一例を示す斜視図である。第一部材を形成する検出対象の歯車１１０は、磁性材よりなる鋼材を加工してできており、プリント基板１０１と対向する側が凹凸の磁気抵抗との異なる繰返しパターンとなるように歯切り加工がされている。本発明において、プリント基板を含む第二部材は検出対象となる歯車１１０すなわち第一部材と空隙を介して対向しており、両部材１０１，１１０の相対移動量が検出される。
【００１３】
検出対象となる歯車１１０の回転をリラクタンス変化として磁気的に検出するために、変化磁束を発生する励磁コイルが必要となるが、本発明においては、この励磁コイルをプリント基板１０１の背面に固定された鉄芯に巻装することによって、充分に大きな変化磁束を得ている。図２において、ソフトフェライトを基材とする鉄芯１２０には、励磁用のコイル１２１が巻装されており、図示しない励磁回路に接続され、励磁状態となっている。更に、鉄芯１２０の第一部材と第二部材すなわち検出対象の歯車１１０をプリント基板１０１との相対移動方向における幅は、検出対象の歯車１１０の５ピッチ分の幅としてある。プリント基板１０１の背面と鉄芯２０１は、接着剤により固定されている。プリント基板１０１の表面と適当な空隙を介した位置に、検出対象の歯車１１０が位置している。また、検出対象の歯車１２０の１ピッチ（=π・ｍ）と、図１の検出用コイルパターン１０２ａ〜ｄの１波長とは、ほぼ同寸法となっている。
【００１４】
図３は、図１及び図２で示されるセンサ部からの検出信号を処理する回路の一例を示す概略構成図である。励磁コイル１２１には、励磁回路１２２にて１００ｋHzの交流電流が供給されており、鉄芯１２０からは１００ｋHzで変化する磁束が検出対象の歯車１１０へ発せられる。鉄芯１２０から発せられた交流磁束は、検出対象の歯車１１０の表面の凹凸繰返しパターンによる磁気抵抗変化量に応じて変調される。検出用コイル１０２ａ、１０２ｃと１０２ｂ、１０２ｄとは、変調された磁束に比例した電圧ＶＳＯ、ＶＣＯを出力する。このとき、検出対象の歯車１１０の歯数をｎ、回転角度をθ、励磁電流をsinωｔとすると、コイル１０２ａ、１０２ｃと１０２ｂ、１０２ｄとを鎖交する磁束変化によって、それぞれのコイル１０２ａ、１０２ｃと１０２ｂ、１０２ｄとに発生する誘起電圧は、式（１）、（２）で表すことができる。
【００１５】
【数１】
2005156348.tif 000003
【００１６】
このように表される電圧信号ＶＳＯ、ＶＣＯは、差動増幅器１３０ａ、１３０ｂにて増幅され、信号ＶＳ、ＶＣとなる。信号ＶＳ、ＶＣは、アナログ／ディジタル変換器１３１ａ、１３１ｂにて、タイミング発生器１３２が発生する励磁電流が零（即ち、cosωt=1）となるタイミングにてアナログ／ディジタル変換され、ディジタル信号ＤＳ、ＤＣとなる。このときディジタル信号ＤＳ、ＤＣは、式（３）、（４）で表すことができる。
【００１７】
【数２】
2005156348.tif 000004
【００１８】
ディジタル信号ＤＳ、ＤＣは、内挿演算器１３３にて逆正接演算され、検出対象の歯車１１０の回転位置を示すｎ・θが算出される。
【００１９】
尚、鋼材からできた歯車の凹凸部の磁気抵抗変化を交流磁束によって検出する場合、鋼材の鉄損により、あまり高い周波数を用いることができない。従って、渦電流損失を検出するタイプのように、プリント基板に敷設した励磁コイル及び検出コイルでは巻数（ターン数）が少ないため、検出電圧が非常に微弱となる。このため、検出電圧を高い増幅率の増幅回路で増幅する必要があり、コスト的・ノイズ的に不利である。本発明では、励磁コイルを巻装した鉄芯により、強く一様に磁束を歯車等の検出対象側へ集中させて発することができるため、比較的低い励磁周波数でも、検出巻線から大きな誘起電圧を出力することが可能である。また、本発明では鉄芯の幅を歯車等の表面の凹凸ピッチの整数倍に合わせることにより、鉄芯から歯車等の検出対象側へ発する総磁束量が一定となり、高精度な位置検出が可能である。通常、鉄芯の幅を凹凸ピッチの整数倍に対して、±１／８ピッチ以上変えると、凹凸部の回転（乃至は移動）に際して、鉄芯から凹凸部側へ発せられる総磁束量が変動し、その変動分が図３のような例においては電圧信号ＶＳＯ、ＶＣＯの両者に加わるため、検出誤差が増加する問題が発生する。
【００２０】
以上の実施例では、本発明を特定の実施形態について説明したが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、検出対象たる表面に凹凸を有した鋼材よりなる磁性体は、ラック形状とすることができ、両部材の相対変位量を検出するものであれば、本発明の位置検出装置とすることができる。また、検出用コイルパターンを形成する板は、本実施例で示したプリント基板に限られるものではなく、例えば半導体製造技術を応用してコイルパターンを膜状に形成したものに置き換えても本発明の位置検出装置とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の位置検出装置の第二部材（センサ部）の一例を示す正面図である。
【図２】本発明の位置検出装置の第二部材（センサ部）と検出対象となる歯車からなる第一部材の関係の一例を示す斜視図である。
【図３】図１及び図２で示されるセンサ部からの検出信号を処理する回路の一例を示す概略構成図である。
【図４】従来の位置検出装置のセンサ部と検出対象の関係を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００２２】
１０１  プリント基板、１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，１０２ｄ  検出用コイルパターン、１０３ａ，１０３ｂ，１０３ｃ，１０３ｄ，１０３ｅ，１０３ｆ  スルーホール、１１０  検出対象の歯車（第一部材）、１２０  鉄芯、１２１  励磁コイル、１２２  励磁回路。
【図１】
2005156348.tif 000005
【図２】
2005156348.tif 000006
【図３】
2005156348.tif 000007
【図４】
2005156348.tif 000008