JP3839451B2 - 位置検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、可動部側に固定部から電源供給、あるいは信号伝達のための配線コード類を必要としない位置検出装置（以下コードレス位置検出装置と称す）に関するものである。

回転位置検出装置には、光透過式エンコーダ、光反射式エンコーダ、回転トランス型レゾルバ、バリアブルリラクタンス型レゾルバ、歯車の凹凸を磁気抵抗素子を用いて回転位置検出を行うギア検出器等、コードレス回転位置検出装置が実用化されているが、塵埃に弱い、分解能が低い、高価である等、それぞれに問題がある。

直線位置検出装置には、例えば特許第２５１３６８３号に記載されているように、座標入力装置の一部に電磁誘導式のコードレス位置検出装置が使用されているが、リアルタイムに位置検出ができないなど、機械の位置決め装置等には不向きである。

コードレス位置検出装置としては、例えば特開２０００−３１４６０４号公報に記載されているように、バリアブルリラクタンス直線型レゾルバが提案されているが、固定部側に検出長分の多数の鉄心磁極と巻線を必要とするので、量産に向かず高価である。

回転位置検出を行うタイプのものとしては、例えば特開２００１−３１４０６９号公報に記載されているような、基板型レゾルバが知られている。この文献に記載されているレゾルバは、ステータsin巻線パターン(20)とステータcos巻線パターン(21)が形成されたステータ基板(1)と、前記ステータ基板(1)に対向し前記ステータ基板(1)とは間隔を設けて回転自在に配設したロータ基板(5)と、前記ロータ基板(5)に設けられたロータ巻線パターン(30)とからなる基板形レゾルバにおいて、前記ステータ基板(1)には、前記ステータsin巻線パターン(20)及びステータcos巻線パターン(21)の外周位置に輪状に形成された励磁巻線パターン(4)が配設されている構成よりなることを特徴とする基板形レゾルバである。また、前記ロータ巻線パターン(30)は、その両端がコンデンサ(Ｃ)で接続または直接短絡されていると共に、前記ロータ巻線パターン(30)から発生する起磁力がほぼsin波状となるように形成されている。

しかし、この文献に記載されているステータ基板の励磁巻線パターン（４）は、sin巻線パターン(20)及びステータcos巻線パターン(21)の外周位置に輪状に形成されているため、励磁磁界強度が低く、しかも、ロータ巻線パターン(30)は、正逆巻の一対の巻線から構成されており、ロータ巻線パターン(30)の励磁巻線パターン（４）による誘起電力が低いことから検出精度を向上させることも困難である。

さらに、特開平８−３１３２９５号公報には、直線方向の位置検出装置として、トランスミッタ巻線１０２と、ループ１０６，１０８からなるレシーバー巻線１０４とを有するトランスデューサーの読み出しヘッド１００が記載されている。しかし、この文献に記載されているトランスデューサーの動作原理によれば、励磁用のトランスミッタ巻線が、検出用のレシーバー巻線の外周にループ状に形成されているので、この構成では励磁用の磁束密度が不十分であり、レシーバー巻線との磁気結合も不十分で、耐ノイズ性を向上させたり、検出精度を向上させることは困難である。しかも、金属片の渦電流を利用しているので、電磁誘導による誘起電力が小さく、この点においても、耐ノイズ性や、検出精度の面で不利である。
特許第２５１３６８３号公報 特開２０００−３１４６０４号公報 特開２００１−３１４０６９号公報 特開平８−３１３２９５号公報

本発明の目的は、可動部側に固定部から電源供給、あるいは信号伝達のための配線コード類を必要としない位置検出装置（以下コードレス位置検出装置と称す）であって、検出応答速度が速く、小型、薄型化が可能であり、安価で、高精度の直線位置検出、回転位置検出に有用な電磁誘導式のコードレス位置検出装置を提供することである。

すなわち上記目的は、以下の本発明の構成により達成される。
（１） 第１の平面上に、少なくとも渦巻き状に２ｔ以上巻回されて形成された励磁コイルと、
第２の平面上に、少なくとも励磁コイルと同一方向に１ピッチ単位で正巻きと逆巻きとが交互にあらわれるように形成された一対のコイルユニットを１または２ユニット以上有する検出コイルと、
第３の平面上に、少なくとも共振用のキャパシタが並列接続されている共振コイルとを有し、
少なくとも前記第１の平面の励磁コイルと第２の平面の検出コイルとが磁気結合を有し、
前記第３の平面は第１の平面および第２の平面と空間を介して離間し、かつ検出領域となる検出コイルの形成領域において特定方向に自由に移動可能で、かつその移動位置により励磁コイルおよび／または検出コイルと共振コイルとが磁気結合可能であり、
この共振コイルの位置に応じて検出コイルから位置検出電圧を得る位置検出装置。
（２） 前記第１の平面の励磁コイルと第２の平面の検出コイルは一方向に延びるように形成され、前記第３の平面はこの形成領域を摺動するように移動する上記（１）の位置検出装置。
（３） 前記第１の平面の励磁コイルと第２の平面の検出コイルは回転対称に形成され、前記第３の平面はこの形成領域を回動するように移動する上記（１）の位置検出装置。
（４） 前記励磁コイルと、検出コイルとは、非連続状の渦巻きコイルが直列状に接続されて形成されている上記（１）〜（３）のいずれかの位置検出装置。
（５） 前記共振コイルの共振用キャパシタ部分が短絡されている上記（１）〜（４）のいずれかの位置検出装置。
（６） 前記第１の平面と第２の平面とは積層基板により構成されている上記（１）〜（５）のいずれかの位置検出装置。

本発明によれば、鉄心や巻線類がないプリント板とコンデンサだけで電気磁気回路が構成できるので、安価で、小型、薄型のコードレス位置検出装置が実現できる。また、励磁コイルと検出コイルとがそれぞれ複数のループを形成し、かつ強固に磁気結合しており、簡単な構成で高出力のコードレス位置検出装置が実現できる。また、検出ループ内に外来ノイズを相殺する仕組みが備わっているので、ノイズに強いコードレス位置検出装置が実現できる。

本発明の位置検出装置は、第１の平面上に、少なくとも渦巻き状に２ｔ以上巻回されて形成された励磁コイルと、第２の平面上に、少なくとも励磁コイルと同一方向に１ピッチ単位で正巻きと逆巻きとが交互にあらわれるように形成された一対のコイルユニットを１または２ユニット以上有する検出コイルと、第３の平面上に、少なくとも共振用のキャパシタが並列接続されている共振コイルとを有し、少なくとも前記第１の平面の励磁コイルと第２の平面の検出コイルとが磁気結合を有し、前記第３の平面は第１の平面および第２の平面と空間を介して離間し、かつ検出領域となる検出コイルの形成領域において特定方向に自由に移動可能で、かつその移動位置により励磁コイルおよび／または検出コイルと共振コイルとが磁気結合可能であり、この共振コイルの位置に応じて検出コイルから位置検出電圧を得るものである。

ここで、第１の平面、第２の平面、第３の平面は、幾何学上で定義するような平面である必要はなく、それぞれの平面に形成される導体パターンを収容可能な一定の厚みを有し、必要により表裏により構成される板状の構造体を含む。より具体的には、電子回路が形成可能な、樹脂製の板状体であり、プリプレグ、プリント基板等に用いられている材料が好ましい。また、回路パターンは銅箔、アルミニウム箔等の金属箔をパターン形成することで容易に構成することができる。第１の平面、第２の平面、第３の平面は、通常、面直方向にこの順序で配置されており、第１の平面と第２の平面とは、積層されていることもあるが、第３の平面はこれらの平面から空間を空けて離間している。

励磁コイルは、共振コイルにより検出コイルから起電力が生じるための磁界を形成する。励磁コイルは、例えば２ｔ（ターン）以上巻回された渦巻き状のコイルにて形成されている。この励磁コイルは、位置検出装置の計測領域に沿って形成・配置されている。形成されるループは直線状に延びる領域を計測する場合には長く延びた四角い渦巻き状に形成され、回転位置を検出する場合には回転領域に則した形状に形成される。また、測定領域をカバーし、検出コイルに十分な励磁磁界を与えられる大きさとループ数に形成される。このため、励磁コイルが直線状に延びる場合には、両端の折り返し位置での磁束の不均衡の影響を検出コイルに与えない程度の長さ分以上、検出コイルより長く形成される。励磁コイルは、前記のように平面を形成するプリント基板等の表裏面に形成することができる。

検出コイルは、励磁コイルからの磁界と、共振コイルにより生じた磁界とのバランスから所定の検出信号を生じる。この検出信号は、通常交流電圧として出力される。検出コイルは、例えば各２ｔ（ターン）以上巻回された正巻と逆巻のコイルを直列に接続して形成され、コイルの形成方向に正巻きと逆巻き、あるいは正相と逆相が交互に生じるようになっている。この励磁コイルは、位置検出装置の計測領域に沿って形成・配置されている。形成されるループは少なくとも１つのループに相当する１ピッチ単位で正巻きと逆巻きとが交互にあらわれるように形成され、１組の正逆ループを最小単位として、測定領域をカバーしうるループの数だけ形成される。検出コイルと励磁コイルとは、通常固定され、励磁コイルと検出コイルの位置関係も固定されている。検出コイルも、前記のように平面を形成するプリント基板等の表裏面に形成することができる。また、複数の構成層が積層されたプリント基板に励磁コイルと検出コイルを形成してもよい。

共振コイルは、励磁コイルからの磁界を受け、内部に起電力を生じると共に、並列接続されている共振用のキャパシタにより共振し、この共振電流あるいは電力自体から生じた磁界を生じる。なお、共振用のキャパシタは省略することができる。この共振コイルは、例えば渦巻きコイルに共振用のキャパシタを並列接続して構成することができる。共振コイルは正巻ループあるいは逆巻ループいずれかの単独ループを基本単位としており、通常はこの基本単位のみで構成されるが、必要によりさらにループを追加することも可能である。

さらに、第１の平面と第２の平面と第３の平面とを回転体に対応した形状とし、これらの励磁コイル、検出コイル、共振コイルを回転対称に形成してもよい。このような形状とすることで、回転体の回転位置を検出することができる。

［第１の態様］
次に図を参照しつつ、本発明の位置検出装置をより具体的に説明する。図１は、本発明の位置検出装置の基本構造（第１の態様ともいう）を示す平面図である。

図において、第１の平面１には、励磁コイルとなる励磁ループパターン４が形成されている。この、励磁ループパターン４は、基体１１の表面上に形成され、この例では横長の四角い渦巻きパターンとなっている。具体的には、幅（縦）方向はｓ１、ｓ２、ｓ３の幅で折り返し、長手（横）方向は縦向きの励磁電流が、後述する検出ループに与える影響が無視できる長さｐ３以上（ｓ１以上）で折り返す長方形の渦巻き状のループパターンから形成されている。この例の励磁ループパターン４は、３回の折り返しループになっているが、励磁電源とコイルパターンの電流容量によっては、１回、あるいは数１０回の折り返しループで構成してもよい。なお、図において実線は基材表面側のパターンを表し、破線は裏面側のパターンを表し、両者はスルーホールやビアホール等の基材を貫通する導体で接続される（以下において同じ）。

前記励磁ループパターン４には、ノードｎ１，ｎ２を介して、励磁電源７が接続され、所定の周波数と電圧の交流電流が供給される。励磁電源の周波数としては、特に規制されるものではないが、１００Ｋ〜１０００ＫHzが好ましく、励磁電流は１０〜１００mA程度が好ましい。

第２の平面２には、検出コイルとなる検出ループパターン５が形成されている。この検出ループパターン５は、基体１２の表面上に形成され、同一形状のコイルパターンｃ１、ｃ２、・・・ｃn-1、ｃｎからなる。このコイルパターンｃ１、ｃ２、・・・ｃn-1、ｃｎを１ピッチ１ｐで長手（横）方向に並べて配置され、さらに点線で示すパターンにより隣り合う１組のコイルの一方ｃ２，ｃｎの巻方向が、他のコイルｃ１，ｃn-1の巻方向に対して逆向きになるように直列に接続され、この直列回路が検出端ｎ３，ｎ４に接続されている。ｃ１、ｃ２、・・・ｃn-1、ｃｎの形状は幅方向はｓ１、ｓ２の幅で折り返し、長手方向はｐ１、ｐ２で折り返す渦巻き状である。

また、この例の検出ループパターンは同一形状の通常偶数となるｎ個のコイルパターンからなっているが、検出長に応じて偶数個のコイルパターンで構成してもよい。

第１の平面１と第２の平面２は、通常固定され、第１の平面１に対する第２の平面２の位置関係も固定されている。第１の平面１，第２の平面２は、それぞれ別個に基体を用意して形成することも可能であるが、一体とすることもできる。一体とする場合には、第１の平面１と第２の平面２とを積層ないし積み重ねればよいが、これらの平面に形成されている励磁ループパターン４と検出ループパターン５との短絡を防ぐために、間に絶縁層を設けることが必要である。この絶縁層は、空気であってもよいが、第１の平面１，第２の平面２を構成する基体と同一材料を用いて積層体とするとよい。

具体的には、図２に示すように、第１の平面１を構成する第１の基板１１と、第２の平面２を構成する第２の基板１２との間に、これらの基板１１，１２と同一材料の絶縁用の基板２４を設けて積層基板とする。ここで、第１の基板１１には励磁ループパターン４を形成する導体層１４が上下に配置され、さらに第２の基板１２には検出ループパターン５を形成する導体層１５が上下に配置されている。そして、絶縁用基板２４により、これらの導体層１４，１５の短絡が防止される。基板の積層化は、例えば熱圧着など、公知の手法により容易に行うことができる。

第３の平面３には、共振コイルとなる共振ループパターン６が形成されている。この共振ループパターン６も、検出ループパターン５と同様に、実線で示される大きさＰ1 、幅（縦）方向はｓ１、ｓ２の幅で折り返し、長手方向はｐ１、ｐ２で折り返す渦巻き状に形成されている。また、共振ループパターン６の両端は、共振用キャパシタＣ１と接続されている。

共振用キャパシタの容量としては、励磁周波数や共振コイルのインダクタンスにより異なるが、例えば０．０１〜０．１μF程度が好ましい。

第３の平面３は、第１の平面１、第２の平面２のいずれか、あるいはいずれとも、これらの積層方向に空間を隔てて離間して配置されている。そして、測定領域、つまり、励磁コイル、あるいは検出コイルの形成領域で自由に、これらの平面に対して平行に摺動または移動できるようになっている。具体的には、例えば図２に示すように、第１の平面と第２の平面を有する積層体９の、積層方向に離間した位置に、基板１３の上下に導体層１６を有する第３の平面３が配置される。なお、摺動、または移動するための機構はこの明細書では省略するが、この種の分野における公知の手法により容易に達成することができる。

次に、この図示例の位置検出装置の動作について説明する。
まず、第３の平面３がないか、あるいは測定領域外に存在すると仮定する。いま、励磁電源７から励磁ループ４に励磁電流ｉが実線矢印の方向に流れると、検出ループパターン５に図の実線矢印の方向に起電力が発生するが、ループｃ１とループｃ２、ループｃn-1とループｃｎの起電力が互いに相殺しあい、検出端であるノードｎ３，ｎ４間には交流誘起検出電圧（以下検出電圧と称す）は発生しない。励磁電流ｉが点線の如く逆方向に流れても、同様にループｃ１とループｃ２、ループｃn-1とループｃｎの起電力が相殺されるので、同様にノードｎ３，ｎ４間には検出電圧は発生しない。

なお、このようような検出ループの相殺作用は、外来コモンノイズに対しても同様に作用するので、極めてノイズに強い位置検出装置が実現できる。

次に、図１および図２の断面図に示すように第３の平面３が励磁ループパターン４の始端側にあって、第１および第２の平面１，２と間隔を設けて配置され、共振ループパターン６のループエリアＣｒが、励磁ループパターン４のループエリアと重複している（ｐ３より内側にある）とする。

このとき、図１に示すように、励磁ループパターン４に励磁電流ｉが実線矢印方向に流れると、第３の平面３の共振ループパターン６のループエリアＣｒに励磁ループパターン４のループエリアの磁束が鎖交して、実線矢印方向に起電力が発生する。一方、励磁電流ｉが点線矢印方向に流れると、ループエリアＣｒの磁束の向きが逆になり、同様に電磁誘導動作により共振ループパターン６に点線矢印方向の起電力が発生する。

そして、交流が印加される励磁電流の方向は周期的に変化するので、共振ループパターン６にも交流電流が流れ、これが共振用キャパシタＣにより共振する。共振用キャパシタＣに適当な定数のコンデンサを選び、対向間隔を狭くして共振ループパターン６と励磁ループパターン４の幅ｓ１の位置を合わせて磁気結合を強くすると、大きな共振電流が流れる。共振ループパターン６は検出ループパターンとも磁気結合しているので、検出ループパターン５に検出電圧が誘起される。

図１および図２に示すような第３の平面３の原点ｏｇ位置では、共振ループパターン６のループエリアＣｒは、検出ループパターン５のループエリアＣ１とだけに磁気結合しているので、誘起される電圧はそのまま相殺されずにノードｎ３，ｎ４に検出電圧として出力される。励磁電源と同じ位相の検出電圧を正相、１８０°異なる位相の検出電圧を逆相検出電圧とすると、図３に示すように、現在の第３の平面３の位置で正相の最大検出電圧が誘起されノードｎ３，ｎ４に出力される。

次いで、第３の平面３が図面上で右方向に、幅ｓ１方向はそのままで、同じ間隔を保って平行移動すると、移動に従い共振ループパターン６のループエリアＣｒはループエリアＣ１とも、ループエリアＣ２とも磁気結合する。このため、検出ループパターンを電磁誘導する磁束が減少して、検出電圧も減少する。

さらに、第３の平面３が原点ｏｇから１／２Ｐの位置まで右に移動すると、共振ループパターン６のループエリアＣｒはループエリアＣ１、Ｃ２と等しく磁気結合するので、ループエリアＣ１およびＣ２における起電力が相殺され、検出電圧は零になる。

第３の平面３がさらに右に移動すると、移動に従い共振ループパターン６のループエリアＣｒはループエリアＣ１よりもループエリアＣ２との磁気結合が大きくなり、逆相の検出電圧が誘起され、右移動に従って大きくなってゆく。

第３の平面３が原点ｏｇから１Ｐ移動した位置では、ループエリアＣｒはループエリアＣ２とのみ磁気結合するので、逆相の最大検出電圧が出力される。

このようにして、第３の平面３が、第１の平面１および第２の平面２と所定の間隔を設け、対向して平行移動すると、図３に示すように、第３の平面の移動量に対応して、周期２Ｐで正弦波状に変化する検出電圧が出力される。つまり、励磁ループパターン４により直接は検出ループパターン５を交流励磁することはできないが、共振ループパターン６を介して間接的に検出ループパターン４を交流励磁することができる。なお、第３の平面３に巻き方向が同じ共振ループを複数個２ｐのピッチで横に並べることにより、検出電圧の振幅を大きくすることができる。

また、共振用キャパシタＣの両端を短絡すると、共振電流の代わりに渦電流が流れるので、第３の平面３である可動プリント板の移動に対応して、共振電流の場合と同様に検出ループパターン５のループエリアＣ１〜Ｃｎの磁束が変化し、図３等と同様の正弦波状に変化する検出電圧が出力される。さらに、共振ループパターン６のループエリアＣｒと同じような形状の金属導体板をピッチＰでループエリアのコイルの代わりに形成配置すると、この金属導体板に渦電流が流れ、同様に正弦波状に変化する検出電圧が出力される。

以上のように、この基本動作ループにより、固定部から可動部への配線コード類が無くても可動部の直線移動に対応して正弦波状に変化する電圧を検出することができることがわかる。

［第２の態様］
次に、本発明の第２の態様について説明する。図４は、本発明の第２の態様を示す平面図である。この態様では、励磁ループパターン４を基体１１の表裏に２重に形成し、さらに検出ループパターン５を、Ａ相検出ループパターン４ａとＢ相検出ループパターン４ｂの２系統用意して、ＡＢ相検出型としたものである。その他の構成要素は図１に示す第１の態様と同様であり、同一構成要素には同一符号を付して説明を省略する。

図に示すように、第１の平面１の励磁ループパターン４は、基体１１上に幅（縦）方向、ｓ１、ｓ２，ｓ３の幅で折り返し、長手（横）方向は、縦向きの電流が後述する検出ループパターン５ａ，５ｂに与える影響が無視できる長さｐ３以上（ｓ１以上）で折り返す長方形で渦巻き状のループパターンであり、実線で表されるループが表面に点線で表されるループが裏面に形成配置されている。この励磁ループパターン４は、ノードｎ１，ｎ２を介して励磁電源７に接続されている。

また、Ａ相用第２の平面２ａの基体１２ａ上には、Ａ相検出ループパターン５ａが形成配置され、検出端であるノードｎ３ａ，ｎ４ａに接続されている。Ａ相検出ループパターン５ａは、図に示すように同一形状のコイルパターンＣａ１、Ｃａ２、・・・Ｃａn-1、Ｃａｎからなり、これがピッチｐで配置され、この各コイルパターンＣａ１、Ｃａ２、・・・Ｃａn-1、Ｃａｎを点線で示すパターンにより隣接する１組のうち一方のＣａ１，Ｃａｎの巻方向が他方のＣａ１、Ｃａn-1の巻方向に対して逆向きなるように直列に接続され、ノードｎ３ａ，ｎ４ａに接続されている。コイルパターンＣａ１、Ｃａ２、・・・Ｃａn-1、Ｃａｎの形状は幅方向はｓ１、ｓ２で折り返し、長手方向はｐ１、ｐ２で折り返す渦巻き状の形状である。

同様に、Ｂ相用第２の平面２ｂの基体１２ｂ上には、Ｂ相検出ループパターン５ｂが形成配置され、検出端であるノードｎ３ｂ，ｎ４ｂに接続されている。Ｂ相検出ループパターン５ｂは、図に示すように同一形状のコイルパターンＣｂ１、Ｃｂ２、・・・Ｃｂn-1、Ｃｂｎからなり、Ａ相検出ループパターン５ａの形状と同一で、図のようにＡ相検出ループパターン５ａに対して右に１／２ｐシフトして形成配置されている。

第３の平面３には、共振コイルとなる共振ループパターン６が形成されている。この共振ループパターン６も、検出ループパターン５と同様に、実線で示される大きさＰ1 、幅（縦）方向はｓ１、ｓ２の幅で折り返し、長手方向はｐ１、ｐ２で折り返す渦巻き状に形成されている。また、共振ループパターン６の両端は、共振用キャパシタＣと接続されている。第３の平面３は、第１の平面１，Ａ相Ｂ相用第２の平面２ａ，２ｂと間隔を設けて対向し、この例では図面左右方向に平行移動できるように配置されている。

第１の平面１、Ａ相Ｂ相用第２の平面２ａ，２ｂおよび第３の平面は、第１の態様と同様に、積層基板を用いて構成することができる。具体的には、図５に示すように、第１の平面１を構成する第１の基板１１と、Ａ相用第２の平面２ａを構成するＡ相用第２の基板１２ａと、Ｂ相用第２の平面２ｂを構成するＢ相用第２の基板１２ｂとの間に、第１の態様と同様に、これらの基板１１，１２ａ，１２ｂと同一材料の絶縁用の基板２４を設けて積層基板とする。それぞれの基板１１，１２ａ，１２ｂには導体層１４，１５が上下に配置され、絶縁用基板２４により、これらの導体層１４，１５の短絡が防止される。なお、積層体等の厚みは、図をわかりやすくするために実際より大きく表現されている。

次に、この図示例の位置検出装置の動作について説明する。
まず、第３の平面３がないか、あるいは測定領域外に存在すると仮定する。いま、励磁電源７から励磁ループ４に励磁電流が流れても、図１で説明した第１の態様の動作原理と同様の動作をするので、Ａ相検出ループパターン５ａおよびＢ相検出ループパターン５ｂの検出端ノード３ａ，４ａおよびノード３ｂ，４ｂには検出電圧は発生しない。

次に、第３の平面３がＡ相用第２の平面２ａおよびＢ相用第２の平面２ｂと間隔を設けて配置され、励磁電源７が起動していると、図１の第１の態様と同様の動作をする。図４に示す第３の平面３の原点ｏｇ位置では、共振ループパターン６のループエリアＣｒは、Ａ相用第２の平面２のＡ相検出ループパターン５ａに対しては、ループエリアＣａ１およびループエリアＣａ２と等しく磁気結合しているので、起電力が相殺され、ノードｎ３ａ，ｎ４ａには検出電圧は現れない。

一方、Ｂ相検出ループパターン５ｂに対しては、ループエリアＣｂ１とだけ磁気結合しているので、ノードｎ３ｂ，ｎ４ｂには励磁電源７と同じ正相の最大検出電圧がＢ相検出電圧として出力される。

次に、第３の平面が図面の右方向に、幅ｓ１方向の位置を合わせて、同じ間隔を保って平行移動すると、図１の第１の態様と同様の動作をするので、移動に従い、図６の点線で示す２ｐの周期の正弦波状の検出電圧がＡ相検出端であるノードｎ３ａ，ｎ４ａにＡ相検出電圧として出力される。一方Ｂ相検出端であるノードｎ３ｂ，ｎ４ｂには実線で示すように、Ａ相検出電圧に対して１／２ｐの位相差のある２ｐの周期の正弦波状の検出電圧がＢ相検出電圧として出力される。

Ａ相検出電圧を正弦波検出電圧とすれば、Ｂ相検出電圧は余弦波検出電圧である。コイルパターンの形状を変えることにより、移動位置に対する磁気結合の変化をより正弦波に近づけることができるので、精度の高い正弦波，余弦波電圧の検出が実現可能となり、この第２の態様により、コードレス直線位置検出装置として、安価で高精度のプリント板型のコードレス直線型レゾルバを実用に供することができることがわかる。

［第３の態様］
次に、本発明の第３の態様について説明する。図７，８，９は、本発明の第３の態様を示す平面図である。図７は、第１の平面１およびＡ相用第２の平面２ａを示す平面図であり、図８はＢ相用第２の平面２ｂおよび第３の平面３を示す平面図、図９はこれらが組み合わされた状態を示す概略断面図である。この態様では、回転位置検出装置に応用した例を示している。

すなわち、すなわち、第１の平面と第２の平面と第３の平面を回転体に対応した形状、例えば円板型とし、これらの励磁コイル、検出コイル、共振コイルを回転中心を基準に回転対称に形成している。このような構成とすることで、第３の平面が第１の平面と第２の平面に対して、回転自在に回動可能となり、可動部である第３の平面の回転移動に対応して、電気角度９０°位相差があるＡ相、及びＢ相の２信号を検出して、回転位置を検出することができる。その他の構成要素は図１に示す第１の態様と同様であり、同一構成要素には同一符号を付して説明を省略する。

第１の平面１の導体励磁ループパターン４は、図に示すように、円盤状で中央に回転軸を装着するための円形の孔部１０を有する基体１１上に形成され、ｒ１〜ｒ６の多重円のコイルが、途中で折り返して巻き方向が変わるコイルループからなる。また、図の実線のループが基材１１の表面側に、点線のループが裏面側に形成配置され、励磁電源７にノードｎ１，ｎ２を介して接続されている。

この多重円の励磁ループパターン４は図１の第１の態様の長方形で渦巻き状の励磁ループパターン４を円形に形成配置したものと等価である。また、以下のＡ、Ｂ相検出ループパターン５ａ，５ｂおよび共振ループパターン６も、基本的には第１の態様の矩形のループパターンを励磁ループと同様に円形に形成配置したものであるので、動作も図１の動作原理と同様に動作する。

また、図１１に示すような円弧の渦巻き状コイルパターン２個からなるパターンも図７の励磁ループパターン４と等価であり、図７の励磁ループパターン４の代わりに使用することができる。

Ａ相用第２の平面２ａには、円盤状で中央に回転軸を装着するための円形の孔部１０を有する基体１２ａに、Ａ相検出ループパターン５ａが形成配置され、検出端であるノードｎ３ａ，ｎ４ａに接続されている。Ａ相検出ループパターン５ａは、図に示すようにピッチ１ｐで回転対称に配置された同一形状の円弧コイルパターンＣ１１ａとＣ１２ａからなっている。このコイルパターンＣ１１ａ，Ｃ１２ａを点線で示すパターンによりコイルパターンＣ１２ａの巻方向がコイルパターンＣ１１ａの巻方向に対して逆向きになるように直列に接続され、検出端となるノードｎ３ａ，ｎ４ａに接続されている。このコイルパターンＣ１１ａ，Ｃ１２ａの形状は、円弧の半径は励磁ループパターン４の多重円の半径ｒ１〜ｒ６と同一寸法で、角度θ１〜θ３で折り返す渦巻き状の形状である。

一方、図８に示すＢ相用第２の平面２ｂには、円盤状で中央に回転軸を装着するための円形の孔部１０を有する基体１２ｂに、Ｂ相検出ループパターン５ｂが形成配置され、検出端であるノードｎ３ｂ，ｎ４ｂに接続されている。Ｂ相検出ループパターン５ｂは図に示すように、Ａ相検出ループパターン５ａを１／２ｐ（９０°）右回転した円弧コイルパターンＣ１１ｂとＣ１２ｂとからなっている。

図８に示す第３の平面３は、図７，８に示す第１の平面１および第２の平面２と間隔を開けて対向して、開口部１０を有する円板状に形成され、円板のセンターを中心に時計方向または反時計方向に自由に回転できるように形成・配置されている。

第３の平面３には、円盤状で中央に回転軸を装着するための円形の孔部１０を有する基体１３上に、共振ループパターン６が形成・配置されている。共振ループパターン６は、丁度Ａ相またはＢ相検出ループパターン５ａ，５ｂの半円分、つまり正巻または逆巻のコイル部分のいずれかに相当する（この例では正巻）円弧コイルパターンであり、コイルの両端には共振用キャパシタＣが接続されている。

第１の平面１と第２の平面２ａ，２ｂは、通常固定され、第１の平面１に対する第２の平面２ａ，２ｂの位置関係も固定されている。第１の平面１，第２の平面２ａ，２ｂは、それぞれ別個に基体を用意して形成することも可能であるが、一体とすることもできる。一体とする場合には、第１の平面１と第２の平面２とを積層ないし積み重ねればよいが、これらの平面に形成されている励磁ループパターン４と検出ループパターン５との短絡を防ぐために、間に絶縁層を設けることが必要である。この絶縁層は、空気であってもよいが、第１の平面１，第２の平面２を構成する基体と同一材料を用いて積層体とするとよい。

具体的には、図９に示すように、第１の平面１を構成する第１の基板１１と、第２の平面２ａ，２ｂを構成する第２の基板１２ａ，１２ｂとの間に、これらの基板１１，１２ａ，１２ｂと同一材料の絶縁用の基板２４を設けて積層基板とする。ここで、第１の基板１１には励磁ループパターン４を形成する導体層１４が上下に配置され、さらに第２の基板１２ａ，１２ｂには検出ループパターン５を形成する導体層１５が上下に配置されている。そして、絶縁用基板２４により、これらの導体層１４，１５の短絡が防止される。なお、積層体９等の厚みは、図をわかりやすくするために実際より大きく表現されている。基板の積層化は、例えば熱圧着など、公知の手法により容易に行うことができる。

次に、この回転位置検出装置の動作について説明する。いま、仮に第３の平面３がなく、第１の平面１および第２の平面２ａ，２ｂだけの場合には励磁電源７が起動しても、Ａ相検出ループ５ａおよびＢ相検出ループ５ｂは、図１に示す第１の態様で説明した基本動作原理と同様の動作をするので、検出端ｎ３ａ，ｎ４ａと検出端ｎ３ｂ，ｎ４ｂには検出電圧は発生しない。

ここで、図７，８，９に示すように、第３の平面３が、第１の平面１および第２の平面２ａ，２ｂと間隔を設けて配置され、励磁電源７が起動していると、図示例の原点位置ｏｇでは、共振ループ６のループエリアはそれぞれ励磁ループ４のループエリアと、そしてＡ相検出ループ５ａのループエリアＣ１１ａとだけ磁気結合している。このため、Ａ相検出ループ５ａには検出電流が流れ、図１０の実線で示すように励磁電源７と同じ正相の最大検出電圧がＡ相検出電圧として検出端ｎ３ａ，ｎ４ａに出力される。

一方、共振ループパターン６はＢ相検出ループパターンのループエリアＣ１１ｂとループエリアＣ１２ｂに等しく磁気結合しているので、互いに起電力が相殺され、Ｂ相検出ループパターン５ｂの検出端ノードｎ３ｂ，ｎ４ｂの検出電圧は零となる。

次に、第３の平面３が、センターを中心に、同じ間隔を保ちながら図面に向かって時計方向に回転すると、図１に示す第１の態様と同様の基本動作原理に基づいて動作をするので、回転に従い、図１０の実線で示す周期２Ｐの正弦波状の検出電圧がＡ相検出ループパターン５ａの検出端ｎ３ａ，ｎ４ａにＡ相検出電圧として出力されていく。

一方、Ｂ相検出ループパターン５ｂの検出端ｎ３ｂ，ｎ４ｂには点線で示すように、Ａ相検出電圧に対して１／２ｐの位相差のある２ｐの周期の正弦波状の検出電圧がＢ相検出電圧として出力される。Ａ相検出電圧を正弦波の検出電圧とすれば、Ｂ相検出電圧は余弦波の検出電圧である。コイルパターンの形状（θ１〜θ３の角度等）を変えることにより、回転位置に対する磁気結合の変化をより正弦波に近づけることができるので、精度の高い正弦波，余弦波電圧の検出が実現可能であり、この実施例２により、コードレス回転位置検出装置として、安価で高精度のプリント板型のコードレスレゾルバを実用に供することができることがわかる。

この態様は機械角度３６０°の回転に対して１周期の正弦波、余弦波の検出電圧が出力される１極のレゾルバの例を示したが、正巻きと逆巻きコイルを１対として、Ａ相及びＢ相検出ループそれぞれにｎ対のコイルを形成配置することにより、ｎ極のレゾルバが実現できる。また、上記のｎ極のレゾルバに於いて１対のコイルからなるＣ相検出ループを付加配置することにより、１回転信号の検出が出来るｎ極のレゾルバが実現できる。

本発明の位置検出装置は、リニアエンコーダ等の直線位置検出装置や、ロータリーエンコーダ、レゾルバ等の回転位置検出装置に好適に適用することができる。

本発明の位置検出装置の第１の態様を示す平面図である。 本発明の位置検出装置の第１の態様を示す概略断面図である。 本発明の位置検出装置の第１の態様の検出電圧を示す波形図である。 本発明の位置検出装置の第２の態様を示す平面図である。 本発明の位置検出装置の第２の態様を示す概略断面図である。 本発明の位置検出装置の第２の態様の検出電圧を示す波形図である。 本発明の位置検出装置の第３の態様を示す平面図である。 本発明の位置検出装置の第３の態様を示す平面図である。 本発明の位置検出装置の第２の態様を示す概略断面図である。 本発明の位置検出装置の第３の態様の検出電圧を示す波形図である。 本発明の位置検出装置の第３の態様における他の励磁ループパターンの構成を示す平面図である。

符号の説明

１ 第１の平面
２ 第２の平面
３ 第３の平面
４ 励磁ループパターン
５ 検出ループパターン
６ 共振ループパターン

Claims (6)

1. 第１の平面上に、少なくとも渦巻き状に２ｔ以上巻回されて形成された励磁コイルと、
   第２の平面上に、少なくとも励磁コイルと同一方向に１ピッチ単位で正巻きと逆巻きとが交互にあらわれるように形成された一対のコイルユニットを１または２ユニット以上有する検出コイルと、
   第３の平面上に、少なくとも共振用のキャパシタが並列接続されている共振コイルとを有し、
   少なくとも前記第１の平面の励磁コイルと第２の平面の検出コイルとが磁気結合を有し、
   前記第３の平面は第１の平面および第２の平面と空間を介して離間し、かつ検出領域となる検出コイルの形成領域において特定方向に自由に移動可能で、かつその移動位置により励磁コイルおよび／または検出コイルと共振コイルとが磁気結合可能であり、
   この共振コイルの位置に応じて検出コイルから位置検出電圧を得る位置検出装置。
2. 前記第１の平面の励磁コイルと第２の平面の検出コイルは一方向に延びるように形成され、前記第３の平面はこの形成領域を摺動するように移動する請求項１の位置検出装置。
3. 前記第１の平面の励磁コイルと第２の平面の検出コイルは回転対称に形成され、前記第３の平面はこの形成領域を回動するように移動する請求項１の位置検出装置。
4. 前記励磁コイルと、検出コイルとは、非連続状の渦巻きコイルが直列状に接続されて形成されている請求項１〜３のいずれかの位置検出装置。
5. 前記共振コイルの共振用キャパシタ部分が短絡されている請求項１〜４のいずれかの位置検出装置。
6. 前記第１の平面と第２の平面とは積層基板により構成されている請求項１〜５のいずれかの位置検出装置。

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