JP5619607B2 - 局所的な測定範囲におけるコイル配置構造 - Google Patents

Description

本発明は、局所的な測定範囲における２つのコイル（コイル対）の配置構造に関するものである。リニア位置ｓを測定する場合には、局所的な測定範囲とは位置範囲をいい、角度αを測定する場合には、局所的な測定範囲とは角度範囲をいう。コイルの配置についての基本的な事項は、制振要素との間に名目上の間隔ｘが存在することである。この制振要素とは渦電流式制振要素であり、該制振要素は、測定すべき位置ｓ又は測定すべき角度に応じてコイルを所定の規模まで覆うものである。そして、インダクタンスについては、覆われたコイル面に依存する。

解析回路においては、コイルがコンデンサと共に発振要素に接続されていることが多く、発振装置のインダクタンス及び静電容量によって共振周波数ｆが決定される。また、制振要素の位置変化が生じると、フラットコイルを覆う部分も変化する。また、コイルのインダクタンスは渦電流による作用によって変化し、これに伴い共振周波数ｆも変化する。結局のところ、測定システムは、例えば位置ｓの関数である発振周波数ｆの特性線を有している。

ところで、フラットコイルを長方形状のコイルとすること、及びこれにより比較的広い測定範囲Ｍにおいて特性線を線形に得ることが知られている。また、特許文献１及び該特許文献１において説明している従来技術から、長方形状のコイルをその端部において台形状に拡張することで線形に使用可能な測定範囲Ｍを拡大しコイル長さＬと同じとすることが知られている。本発明は、このような前提に基づくものであって、誘導型センサにおいて、抵抗式、容量型、磁気抵抗式等の測定方式とは異なるものを構築するものである。

また、従来、上記のような長方形状のコイルは、測定方向に並べて配置されて使用されていた。さらに、公知である互いに内方へ延在しつつ互いに重なり合う２つの三角形状のフラットコイルは、線形の特性線ｆ（ｓ）を有さないため、本発明によるものとは全く相違するものである。

一方、特許文献２の図７並びに特許文献３の図２及び図１３にはコイル対が開示されており、これらは、長方形状に形成されつつ測定範囲内において重なり合っている。ただし、これらにおいては、発振周波数の代わりにインダクタンスのみが測定されるか、又は（特許文献２において発振周波数が測定される場合でも）測定範囲における線形の特性線が考慮されていない。

さらに、冒頭に記載したようなコイル配置構造について、測定に対する外乱が生じることも知られている。特に、線形の特性線は、フラットコイルにおける測定面と渦電流式制振要素の間の間隔の変化についての影響を受けやすい。また、測定方向への傾斜、すなわち、１つのコイルに対する間隔の相違及びもう一方のコイルに対する間隔の相違によっても測定誤差が生じる。さらには、温度によっても測定結果が左右される。

欧州特許出願公開第１８８７３２２号明細書 国際公開第９７／３９３１２号 米国特許出願公開第２００２／０１８６００７号明細書

本発明は上記問題にかんがみてなされたもので、その目的とするところは、外乱の影響を受けないコイル配置構造を提供することにある。

上記課題は、請求項１の上位概念に記載したコイル配置構造において、
ａ）コイル対をフラットコイルとして形成するとともに前記測定範囲内で互いに重ね合わせ、
ｂ）前記測定範囲の各端部において前記コイル対にその長さについての余剰部を形成し、
ｃ）前記コイル対におけるコイルそれぞれが、局所（位置ｓ又は角度α）の関数としての発振器周波数の線形特性線を測定発振器の一部として有しており、
ｄ）前記各線形特性線（特性線群）が、外乱にかかわらず一定の回転中心を前記測定範囲の外方に有している
ことによって達成される。なお、各実施形態の特質については、各従属請求項に記載されている。

本発明は、困難な測定条件下での適用について利点を有している。例えばトランスミッションにおける測定のような所定の測定に適用する場合には、制振要素の長さ及び行程を正確に設定する必要がなく、この制振要素の長さ及び行程は、誘導型センサを最終的な組付位置にまず組み付けることによってトランスミッションにおける最終的な位置へ至ることになる。このような場合には、間隔ｘ及び制振要素の傾斜βが変化してもよく、さらに、トランスミッションの温度が変動してもよい。

このような場合、本発明の第１の利点は、制振要素の長さをコイルの長さに合わせる必要がないことにある。本発明によるコイル配置構造によれば、一般に、制振要素のエッジ部のうち１つは機能しない。むしろ、制振要素は、測定範囲における１つのエッジ部及びこれにつづく渦電流範囲によって平面的に正確に位置決めされている。

また、本発明の第２の利点は、コイル対の重なり合った範囲が測定範囲を形成するため、この測定範囲内においてコイルの被覆部を非常に正確に測定することができることにある。本発明において重要なのは、測定範囲外の余剰部であり、コイル長さＬの１５％が正確な線形性を有する測定範囲の外部にあれば十分である。

さらに、本発明の第３の利点であり決定的な利点は、上記のように形成されたコイル配置構造において、関連するすべての外乱量が仮想の回転中心の原則に従うことにある。測定範囲の外には特性線群の回転中心があり、この回転中心は、間隔ｘ、傾斜β及び／又は温度Ｔにかかわらず一定である。このようなことから、はっきりとした外乱が生じる場合の正確な測定については知られていない。仮に、間隔の変化及び温度の変化の影響が生じる場合には、測定構成を変位に依存しない仮想の回転中心に変更し、場合によっては、更なる基準コイルを用いて温度補償を行うのが望ましい。

２つのコイルＡ，Ｂの平面図、及び制振要素とコイルＡ，Ｂの間の通常の間隔ｘ_０と異常な間隔ｘ_１の場合の特性線を示すグラフである。 図１におけるコイルＡ，Ｂの配置関係を詳細に示す図である。 図１及び図２における制振要素が測定方向に例えばβだけ傾斜した場合を示す図である。 図２のものと異なり、角度を測定するために、フラットコイルＡ，Ｂ及び制振要素を弓状に湾曲させて構成した場合を示す図である。 図４に対応した特性線群を示すグラフである。 測定範囲の更なる線形性のために、図１におけるフラットコイルＡ，Ｂの端部を台形状に拡張した場合のこれらフラットコイルＡ，Ｂ及び制振要素並びにこれに対応する特性線を示す図である。 測定範囲の更なる線形性のために、図１及び図６におけるフラットコイルＡ，Ｂの一端をトランペット状に形成し、他端をフック状に形成した場合のこれらフラットコイルＡ，Ｂ及び制振要素並びにこれに対応する特性線を示す図である。 線形性を有する測定範囲を拡大するために、複数のコイルを互いに重ねた構成を示す図である。

以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

図１の下部には同様な構成を有する２つのリニアフラットコイルＡ，Ｂが示されており、これらコイルＡ，Ｂは、図示の実施形態においては長方形状のフラットコイルとして形成されている。本発明の基本的な事項は、コイルＡ，Ｂが測定方向に互いに重なり合っていることである。この測定方向は、同様に長方形状の制振要素がコイルＡ，Ｂに対して位置座標軸ｓの方向に摺動可能な方向として定義されている。

通常、コイルＡ，Ｂの長さＬは共に同じであり、これらコイルＡ，Ｂは、例えばその８５％が互いに重なり合っている。０．８５Ｌであるこの重なり合っている範囲は、測定範囲Ｍとして定義される。また、長さＬの例えば１５％に相当する残りの部分は、コイルＡ，Ｂの機能にとって必要な余剰部を形成している。

図１に示し、図２で強調するように、コイルＡ，Ｂの重合部は、互いに隣り合う両コイルＡ，Ｂを幅方向に覆う制振要素か、又は上下に重なり合い、コイル支持部材の上側及び下側に分けられた両コイルＡ，Ｂを覆う幅の狭い制振要素によって形成されている。そして、これらいずれの形態によっても、図１の上部に示す特性線が得られる。

この図１の上部に示す特性線は、発振装置の一部を構成する両コイルＡ，Ｂの共振周波数ｆを制振要素の位置ｓの関数で示したものである。図１に示すように、長方形状のコイルに対する共振周波数ｆ_Ａ（ｓ）及びｆ_Ｂ（ｓ）と位置ｓの間の関係は線形となっている。ここで、コイルＢはコイルＡに対して所定の長さ（例えば全体の１５％）だけ測定方向にずらされているため、コイルＢに対応する破線（一番粗い破線）で示す特性線は、コイルＡに対応する直線で示す特性線よりも図中右方へずれることとなる。また、測定範囲Ｍにおいては、コイルＡがコイルＢよりも大きな測定範囲を覆っていることから、これに応じて、コイルＡについての共振周波数ｆ_ＡはコイルＢについての共振周波数ｆ_Ｂよりも大きくなっている。

ところで、本発明においては、特性線ｆ_Ａ（ｓ）及びｆ_Ｂ（ｓ）が特別な特性を有しており、これら特性線群は、測定範囲Ｍにおいて正確に線形であるのみではなく、外乱について特別な形状を有するものでもある。これについては、図１において、間隔に関する依存性に基づいて説明されている。また、特性線ｆ（ｓ）が制振要素とコイルの間の間隔ｘの変化に影響されやすいことは知られているが、特性線群が測定範囲Ｍの外部に仮想の回転中心（回動中心）を有することはこれまで知られていなかった。

すなわち、上述の特性線群ｆ_Ａ（ｓ），ｆ_Ｂ（ｓ）は制振要素とコイルＡ，Ｂの間の名目上の間隔ｘ_０に対応するものであり、測定時における何らかの影響（外乱）により間隔ｘ_０がｘ_１へ変化すると、図１に示すように、特性線群がｆ_Ａ’（ｓ），ｆ_Ｂ’（ｓ）に変化する。このように、コイルＡについての特性線群の座標（ｓ_Ａ０，ｆ_Ａ０）にある回転中心Ａ_０は、間隔の変化によらず一定である。なお、このことは、コイルＢについての特性線群の回転中心Ｂ_０についても同様である。そして、これら両特性線群によれば、間隔ｘの影響にかかわらず測定範囲Ｍにおける測定結果ｓを得ることができるという特に有効な信号解析が可能である。

また、このような仮想の回転中心の特性は、間隔についての依存性だけではなく、制振要素の測定方向への傾斜β（図３参照）に起因する影響についても有効である。すなわち、傾斜した制振要素が測定方向へ変位又は上昇することによる測定誤差を回避することができる。

さらに、共振周波数ｆは、上記間隔及び傾斜のほか、温度の影響も受ける。しかし、温度変化による影響は、図１に示す規則に従う。仮に、複数の外乱による影響が生じる場合には、まず、間隔による影響を除去するためにコイルＡ，Ｂの信号を測定し、次いで、温度による影響を除去するために、公知のように基準コイルを設けることが望ましい。

以上の説明は、例えば図４に示す弓状のものとしたような他の実施形態の場合にも当てはまる。図４に示すような弓状のものは、上記の説明で位置ｓを測定したのと同様に角度αを測定するものである。なお、図５には、これに対応する特性線が示されている。このような図４及び図５に示すような構成は、線形特性の高解像度により角度センサに適しており、一方、解像度が低い場合には回転数検出に使用することが可能である。

図４に示すものにおいては、２つの半円状のコイルＡ，Ｂが１８０°弱の範囲で互いに重なり合っているため、測定範囲Ｍは１８０°弱となっている。また、制振要素は、１８０°の半円状に形成されている。なお、測定範囲Ｍが１８０°より小さい場合又はこれより大きい場合でも、制振要素を半円状に形成することは、後述の理由から好ましい。

図４及び図５に示す角度センサにおいても本発明の基本思想は同じであり、常に、制振要素の１つのエッジのみがコイルＡ，Ｂの重合部に位置するようになっている。また、各コイル面は、互いに所定の範囲（例えば８５％）まで重なり合っている。なお、この範囲は、線形性の重合範囲に対して重要なものである。さらに、余剰部である残りの範囲（１５％）を被覆するようにしてもよい。このように被覆されたコイル面を設定した場合には、制振要素のもう一方のエッジは基本的に関与しない。

一方、図５に基づき前端部が両コイルＡ，Ｂ全体にわたって延びており、余剰部が設定されていない場合には、鏡像状の測定過程が得られる。そして、測定範囲の端部が到達するか（すなわち制振要素がコイルＡ，Ｂよりも長い場合）、又は制振要素が鏡像状の測定範囲を接続している（すなわち図５に従い、制振要素がいずれかのコイルの長さと同じ長さを有している場合）。図４及び図５に示す実施形態においては、このような効果により測定範囲Ｍが１８０°から３６０°の２倍となっている。

また、直線状の位置測定範囲Ｍを２倍とするために、制振要素の長さをコイルＡ，Ｂに対して十分に長くし、図５におけるものと同様の効果を図１においても得ることが可能である。そして、前端部の測定効果が後端部により鏡像状に繰り返される。

図６及び図７には長方形状のフラットコイルのエッジ効果をいかにして除去するかが示されており、図６に示すようにコイルの端部領域に台形状の拡大部を設けることは、測定範囲のエッジ部においても線形な特性線ｆ（ｓ）を得るのに有効な手段である。この台形状の拡大部ついて、これを図６に示すように測定方向に見て片側だけに設けてもよいし、トランペット状に測定軸ｓに対して両側に設けてもよい。

他のバリエーションが図７に示されており、ここでは、コイルＡの一端がフック状に形成されているとともにコイルＢにおける台形状の拡大部側の端部全体にわたって延在している。同様に、コイルＡの他端にも台形状の拡大部が形成されているとともに、コイルＢの一端もフック状に形成されている。そして、このような構成によれば、好ましい線形性を得られるとともに、設置空間を削減することが可能である。

図８には、コイルＡがコイルＢと重なり合うだけでなく、更にコイルＣがコイルＢと重なり合う場合の図１に基づくリニアセンサのような形態が示されている。これにより、これまでの測定範囲１だけでなく測定範囲２も得られることになる。同様に、コイルＣを更なるコイルＤと重ね合わせれば測定範囲３が得られ、コイルＤを更なるコイルＥと重ね合わせれば測定範囲４が得られ、同様に更に重ね合わせることもできる。

このような形態においては、コイル対を図１に従い次々に重ね合わせることで、測定範囲の拡張を図ることが可能である。ただし、このような場合には、重合部がコイル長さＬの５０％を超えないようにする必要がある。なお、図８の上部には、５つのコイルに対応する特性線が、測定範囲の外方に位置する５つの仮想上の回転中心と共に示されている。

Ａ〜Ｅ コイル
ｆ 共振周波数
ｓ 位置

Claims (13)

1. 渦電流式制振要素との間に名目上の間隔（ｘ）を有しつつ局所的な測定範囲内にあるコイル対（Ａ，Ｂ）の配置構造において、
   ａ）前記コイル対（Ａ，Ｂ）を、フラットコイルとして形成するとともに前記測定範囲（Ｍ）内で互いに重ね合わせ、このとき、この重ね合わされた範囲が測定範囲（Ｍ）を形成し、
   ｂ）前記測定範囲（Ｍ）の各端部において前記コイル対（Ａ，Ｂ）にその長さ（Ｌ）についての余剰部を形成し、
   ｃ）前記渦電流式制振要素を、前記コイル対（Ａ，Ｂ）に対して変位可能に形成するとともに該コイル対（Ａ，Ｂ）における両コイルの少なくとも一部を覆うように形成し、
   ｄ）測定発振器を有する前記コイル対（Ａ，Ｂ）におけるコイルそれぞれが、局所（位置ｓ又は角度α）の関数としての発振器周波数（ｆ）の線形特性線を有しており、
   ｅ）前記各線形特性線が、外乱、すなわち前記間隔のばらつき、測定方向への傾斜及び温度変化にかかわらず一定の回転中心（Ａ0，Ｂ0）を前記測定範囲（Ｍ）の外方に有している
   ことを特徴とする配置構造。
2. 前記コイル対（Ａ、Ｂ）を、位置（ｓ）の測定のために直線状に形成したことを特徴とする請求項１記載の配置構造。
3. 前記コイル対（Ａ，Ｂ）を、角度（α）又は回転数の測定のために弓状に湾曲した形状としたことを特徴とする請求項１記載の配置構造。
4. 半円部の測定のために、前記コイル対（Ａ，Ｂ）を前記測定範囲（Ｍ）において互いに略１８０°重ね合わせたことを特徴とする請求項３記載の配置構造。
5. 第１の半円部の測定の際に前記制振要素によって前記測定範囲（Ｍ）を包囲する包囲領域が増大することを検出するとともに、第２の半円部の測定の際に前記制振要素によって前記測定範囲（Ｍ）を包囲する包囲領域が減少することを検出して、全円（測定範囲Ｍ＝３６０°）について測定可能に構成したことを特徴とする請求項４記載の配置構造。
6. 線形な前記測定範囲（Ｍ）を拡張するために、前記コイル対（Ａ、Ｂ）の少なくとも一端に台形状の拡大部を形成したことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の配置構造。
7. 前記コイル対（Ａ，Ｂ）における前記拡大部を、測定方向に見て片側のみに形成したことを特徴とする請求項６記載の配置構造。
8. 前記コイル対（Ａ，Ｂ）の各コイルについて、その一端を前記拡大部として形成し、他端をフック状に形成したことを特徴とする請求項６又は７記載の配置構造。
9. 前記測定範囲（Ｍ）を規定する前記コイル対（Ａ，Ｂ）の重合部を、該コイル対（Ａ、Ｂ）を測定面上において隣り合うように配置することで形成するとともに、これに合わせて前記制振要素を幅広に形成したことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の配置構造。
10. 前記制振要素の測定方向に直角な方向への傾斜を阻止するために、前記測定範囲（Ｍ）を規定する前記コイル対（Ａ，Ｂ）の重合部を、前記コイル対（Ａ，Ｂ）をコイル支持部材の両側で対向配置することにより形成したことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の配置構造。
11. 位置依存性を除去するために、前記コイル対（Ａ，Ｂ）を測定方向に対して直角に調整したこと、及び温度依存性を除去するために、更に基準コイルを設けたことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の配置構造。
12. 互いに隣り合う複数のコイル（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ）によって複数の重合部を形成することにより、前記測定範囲（Ｍ）を複数（測定範囲１，２，３，４）に分割するとともに、前記制振要素のエッジ部を、動作している前記コイル対（例えばコイル対Ｂ，Ｃ）の現在の測定範囲（例えば測定範囲２）に設定したことを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の配置構造。
13. 動作している前記各コイル対（例えばコイルＢ，Ｃ）の信号（発振周波数ｆ）を対で解析するよう構成したことを特徴とする請求項１２記載の配置構造。

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