JP6210358B2 - 変位センサ - Google Patents

Description

本発明は、コイルと導電性部材との相対位置を測定する変位センサに関する。

例えば、加工や組み立てを行う自動機のアクチュエータには、該アクチュエータによって移動されるツールやワークの位置を測定するための変位センサが使用されている。

変位センサには、光学式エンコーダに代表される相対位置（インクリメンタル）を測定するセンサと、絶対位置（アブソリュート）を測定するセンサとがある。

絶対位置を測定するセンサとしては、特許文献１〜４に開示されているように、金属板等の導電性部材とコイルとを使用して、該コイルに対する導電性部材の相対的な移動に起因したコイルのインピーダンス変化に基づき、コイルに対する導電性部材の相対位置（導電性部材が取り付けられたアクチュエータによって移動されるツール又はワークの絶対位置）を測定する。

特表昭６２−５０１８０１号公報 特開２００２−２２４０２号公報 特開２００７−３２７９４０号公報 再公表ＷＯ２００９／０６６５７４号

ところで、絶対位置を測定する変位センサは、使用開始時に原点を設定する必要がないという長所を有する一方で、測定範囲内で出力を均一に変化させなければならない。そのため、従来の変位センサでは、出力を線形的に変化させるべく測定範囲を広く設定するため、当該変位センサのサイズが大きくなってしまうという問題があった。

本発明は、上記の問題を解消するためになされたものであり、測定範囲に対する出力の直線性を向上させつつ、小型化及び薄型化を図ることができる変位センサを提供することを目的とする。

本発明に係る変位センサにおいて、コイル及び導電性部材は、前記コイル又は前記導電性部材の変位方向と略平行に配置されている。この場合、前記コイル及び前記導電性部材のうち、一方の部材の前記変位方向に交差する交差方向に沿った幅は、前記変位方向に沿って変化し、且つ、他方の部材の前記交差方向に沿った幅は、前記変位方向に沿って略一定である。また、前記導電性部材は、前記コイルに対して相対的に傾斜していると共に、前記変位方向に沿って前記コイルに対し相対的に移動する。さらに、前記コイルと前記導電性部材との対向面積は、前記コイルに対する前記導電性部材の相対的な移動に伴って変化する。

前記変位センサでは、前記コイルに交流電圧を印加すると、電磁誘導の法則によって前記導電性部材に渦電流が発生し、前記コイルのインピーダンスが低下する。この場合、前記導電性部材が前記変位方向に沿って前記コイルに対し相対的に移動すれば、前記コイルと前記導電性部材との対向面積（前記コイルと前記導電性部材とが重なり合う面積）が変化し、前記インピーダンスが変化する。

そこで、本発明では、前記コイル及び前記導電性部材のうち、前記一方の部材の前記交差方向に沿った幅を、前記変位方向に沿って変化させ、前記他方の部材の前記交差方向に沿った幅を、前記変位方向に沿って略一定としている。また、前記コイルに対して前記導電性部材を相対的に傾斜させている。

このように、前記コイルに対して前記導電性部材を相対的に傾斜させた状態で、該導電性部材を前記変位方向に沿って前記コイルに対し相対的に移動させることにより、前記導電性部材の相対的な変位に対して前記対向面積を線形に変化させることが可能となる。これにより、前記変位センサの測定範囲（前記導電性部材の最大測長範囲）内における出力（前記変位センサから出力される出力信号の大きさ及び位相）の直線性を確保することができる。

また、前記コイルに対して相対的に傾斜した状態で前記導電性部材が前記変位方向に沿って相対的に移動するため、前記変位方向に沿った前記導電性部材の最大測長範囲を、該変位方向に沿った前記コイルの全長よりも長くすることができる。すなわち、前記導電性部材の最大測長範囲を一定とした場合、前記変位方向に沿った前記コイルの全長を短くすることができる。この結果、前記コイルのサイズを小さくすることができ、前記変位センサの小型化及び薄型化を実現することができる。

従って、本発明によれば、測定範囲における前記変位センサの出力の直線性を向上させつつ、該変位センサの小型化及び薄型化を実現することができる。

ここで、前記変位センサでは、前記コイルが前記一方の部材としての平面状、円弧状又は円筒状のコイルであり、前記導電性部材が前記他方の部材としての平面状、円弧状又は円筒状の導電性部材であって、前記変位方向に対して斜めに配置され、前記変位方向に沿って移動することが好ましい。これにより、前記コイルに対して前記導電性部材を変位させることにより、上記の各効果が容易に得られる。また、円弧状又は円筒状にすることで、センサ感度を大きくすることができ、測長範囲を長くすることができる。

このようなコイルを実現するためには、プリント基板上に所定の導体パターンを形成することで、平面状のコイルを構成すればよい。特に、フレキシブルプリント基板上に所定の導体パターンを形成して平面状のコイルを形成すると好適である。フレキシブルプリント基板を湾曲させれば、円弧状のコイルが形成され、フレキシブルプリント基板を円筒状に曲げれば、円筒状のコイルが形成されるので、上記の効果が得られやすいからである。

導電性部材についても、板状の導電性部材を形成するか、又は、プリント基板上に所定の導体パターンを形成することで、平面状の導電性部材を構成すればよい。特に、フレキシブルプリント基板上に所定の導体パターンを形成して平面状の導電性部材を形成すると好適である。フレキシブルプリント基板を湾曲させれば、円弧状の導電性部材が形成され、フレキシブルプリント基板を円筒状に曲げれば、円筒状の導電性部材が形成される。

このように、プリント基板（フレキシブルプリント基板）に導体パターンを形成してコイル又は導電性部材を構成すれば、前記コイル又は前記導電性部材を含めた前記変位センサ全体の薄型化を実現することができ、効果的である。

なお、本発明に係る変位センサは、上記の構成に限定されることはなく、（１）前記コイルが前記一方の部材であり且つ前記導電性部材が前記他方の部材であって、前記コイルが前記導電性部材に対して変位する変位センサ、（２）前記コイルが前記他方の部材であり且つ前記導電性部材が前記一方の部材であって、前記導電性部材が前記コイルに対して変位する変位センサ、又は、（３）前記コイルが前記他方の部材であり且つ前記導電性部材が前記一方の部材であって、前記コイルが前記導電性部材に対して変位する変位センサ、であっても、上記の各効果が得られることは勿論である。

また、前記変位センサでは、２つの前記コイルを点対称に配置すると好適である。これにより、前記導電性部材の相対的な移動に対するセンサ感度の飽和が抑制され、出力の直線性の範囲を拡大することができる。この結果、出力の直線性とセンサ感度とが共に向上する。

さらに、前記変位センサでは、前記コイルにコンデンサを並列に接続すると好適である。これにより、前記コイル及び前記コンデンサの共振周波数の近傍で前記コイルを励振させると、前記コイル及び前記コンデンサの合成インピーダンスの変化が大きくなって、センサ感度を向上させることができる。また、測定範囲に対する出力の線形性も向上させることができる。

ここで、前記コイル及び前記コンデンサの共振周波数よりも１０％〜１５％高い周波数で前記コイルを励振させると好適である。これにより、前記コイル及び前記コンデンサの共振曲線の非線形性を利用して、測定範囲の境界付近での出力変化を増大させることができるので、出力の線形性を一層向上させることが可能となる。

また、前記コンデンサは、負の温度係数を有することが好ましい。前記コイルが正の温度係数を有する場合に、前記コンデンサが負の温度係数を有すれば、前記変位センサの出力に対する前記コイルの温度の影響を抑制することができる。すなわち、前記コイルの温度による前記共振周波数の変化を抑制し、出力に対する温度の影響を改善することができる。このようなコンデンサとしては、例えば、温度補償用セラミックコンデンサやスチロールコンデンサがある。

また、前記変位センサは、２つの前記コイル及び２つの固定抵抗器で構成されるブリッジ回路をさらに有することが好ましい。これにより、２つの前記コイルの温度上昇が発生しても、出力に対する温度の影響を抑制することができる。

そして、前記ブリッジ回路は、２つの前記コイルの直列回路と２つの前記固定抵抗器の直列回路とを並列接続することにより構成され、２つの前記コイルの直列回路の中点における電圧と、２つの前記固定抵抗器の直列回路の中点における電圧との不平衡電圧を出力することが好ましい。この場合、前記変位センサは、前記各中点と差動接続することにより、前記各中点の電圧の差分に応じた検出電圧を出力する電圧検出部をさらに有することが好ましい。

また、前記変位センサは、２つの前記コイルを励振する交流電圧と前記ブリッジ回路の不平衡電圧との位相差に基づいて、前記導電性部材の変位に応じた出力電圧を得る位相検波回路をさらに有することが好ましい。これにより、全波整流による検波方式と比較して、測定範囲の拡大と出力の線形性の範囲の拡大とを共に実現することができる。

なお、前記交流電圧に対する位相のずれ（前記位相差）は、２つの前記コイルに対する前記導電性部材の相対位置に対応するため、当該ずれに応じた前記出力電圧を検出することにより、前記導電性部材の相対位置、すなわち、前記導電性部材又は２つの前記コイルが取り付けられたアクチュエータによって移動されるツール又はワークの絶対位置を特定することができる。

本発明によれば、測定範囲における変位センサの出力の直線性を向上させつつ、該変位センサの小型化及び薄型化を実現することが可能となる。

図１Ａは、本実施形態に係る変位センサを概略的に図示した平面図であり、図１Ｂは、図１ＡのＩＢ−ＩＢ線に沿った断面図である。 変位センサを構成する検出回路の回路図である。 図１Ａ〜図２の変位センサの具体例（第１実施例）を示す平面図である。 図３のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図である。 図５Ａは、第１層目（最上層）の配線パターンを図示した平面図であり、図５Ｂは、第２層目の配線パターンを図示した平面図である。 図６Ａは、第３層目の配線パターンを図示した平面図であり、図６Ｂは、第４層目の配線パターンを図示した平面図である。 図７Ａは、第５層目の配線パターンを図示した平面図であり、図７Ｂは、第６層目（最下層）の配線パターンを図示した平面図である。 図５Ａ〜図７Ｂの配線パターンを有する変位センサの分解斜視図である。 図９Ａは、第２実施例の変位センサにおける第１層目を図示した平面図であり、図９Ｂは、第２層目を図示した平面図である。 図１０Ａは、第２実施例の変位センサにおける第３層目を図示した平面図であり、図１０Ｂは、第４層目を図示した平面図である。 図１１Ａは、第２実施例の変位センサにおける第５層目を図示した平面図であり、図１１Ｂは、第６層目を図示した平面図である。 図１２Ａは、第３実施例の変位センサにおける第１層目を図示した平面図であり、図１２Ｂは、第４実施例の変位センサにおける第１層目を図示した平面図である。 第５実施例の変位センサにおける第１層目を図示した平面図である。 第６実施例の変位センサにおける第１層目を図示した平面図である。 図１５Ａは、図１Ａの変位センサの斜視図であり、図１５Ｂは、第７実施例の変位センサの斜視図である。 第８実施例の変位センサの斜視図である。 第９実施例の変位センサのうち、コイルの部分を展開した平面図である。

本発明に係る変位センサの好適な実施形態について、図面を参照しながら以下詳細に説明する。ここでは、図１Ａ〜図２に示す基本構成の変位センサ１０について最初に説明した後に、当該変位センサ１０の具体例（第１〜第９実施例）について図３〜図１７を参照しながら説明する。

［本実施形態の説明］
本実施形態に係る変位センサ１０は、図１Ａの平面視で示すように、２つのコイル１２、１４と、該２つのコイル１２、１４に重なり合う導電性部材１６とを有する。２つのコイル１２、１４は、図１Ｂに示すように、例えば、エポキシ基板等の樹脂製の基板１８上に形成された平面コイルであり、コイル１２、１４及び基板１８の上方に導電性部材１６が設けられている。なお、図１Ａでは、説明の容易化のために、１ターンのコイル１２、１４を図示しているが、コイル１２、１４のターン数（巻数）は、任意である。

変位センサ１０では、導電性部材１６又は基板１８のいずれか一方を、図示しない自動機のアクチュエータに取り付け、所定周波数の交流電圧によりコイル１２、１４を励振した状態で該アクチュエータが移動したときのコイル１２、１４のインピーダンスの変化に基づき、コイル１２、１４と導電性部材１６との相対位置を測定する。

この場合、導電性部材１６又は基板１８のいずれか一方がアクチュエータに取り付けられているため、コイル１２、１４と導電性部材１６との相対位置を測定することにより、アクチュエータによって移動されるツール又はワークの絶対位置を測定することができる。従って、本実施形態では、コイル１２、１４に対して導電性部材１６が移動する場合、又は、導電性部材１６に対してコイル１２、１４が移動する場合、のいずれの場合であっても、ツール又はワークの絶対位置を測定することが可能である。

２つのコイル１２、１４は、導体箔又はワイヤ等の導体を基板１８に所定のターン数だけ巻回することにより形成された略同一形状の平面コイルであり、点対称に配置されている。図１Ａでは、直角三角形状の２つのコイル１２、１４について、斜辺部分が向かい合うように配置されている場合を図示している。すなわち、２つのコイル１２、１４のｙ方向（ｘ方向の交差方向）に沿った幅は、ｘ方向に沿って変化している。

導電性部材１６は、略矩形状の導体板であり、平面視で、コイル１２、１４と重なり合った状態で、ｘ方向（移動方向、変位方向）に沿って移動可能である。この場合、導電性部材１６は、ｘ方向に対して角度θだけ傾斜している。従って、導電性部材１６は、角度θだけ傾斜した状態でｘ方向に沿って移動する。また、コイル１２、１４と導電性部材１６とが重なり合う面積（対向面積）Ｓｐは、導電性部材１６のｘ方向への移動によって変化する。

なお、図１Ａ及び図１Ｂでは、導電性部材１６の移動方向（ｘ方向）に対して、コイル１２、１４のｙ方向に沿った幅が変化すると共に、導電性部材１６のｙ方向に沿った幅が一定である場合を図示している。本実施形態では、図１Ａ及び図１Ｂの例に限定されることはなく、コイル１２、１４及び導電性部材１６のうち、一方の部材のｙ方向に沿った幅がｘ方向に沿って変化すると共に、他方の部材のｙ方向に沿った幅がｘ方向に沿って一定であればよい。

すなわち、本実施形態では、導電性部材１６のｘ方向への移動によって対向面積Ｓｐが変化できるのであれば、例えば、コイル１２、１４が矩形状であると共に、導電性部材１６が三角形状であってもよい。

ここで、コイル１２、１４及び導電性部材１６の好適なサイズについて説明する。

コイル１２、１４のｙ方向に沿った最大幅（縦幅）をｌ、導電性部材１６の長辺の長さをｂとした場合、導電性部材１６の短辺の長さｃが、ｃ≒０であれば、縦幅ｌは、下記（１）式で表わされる。
ｌ＝ｂ×ｓｉｎθ （１）

すなわち、コイル１２、１４の縦幅ｌは、導電性部材１６の長辺の長さｂと角度θとによって決まる。これにより、角度θを小さくすれば、コイル１２、１４の縦幅ｌを小さくすることが可能となる。

前述のように、コイル１２、１４を励振させた状態で、コイル１２、１４に対して導電性部材１６をｘ方向に相対的に移動させることにより、コイル１２、１４のインピーダンスが変化し、ツール又はワークの絶対位置を測定することが可能となる。導電性部材１６のｘ方向への移動によって対向面積Ｓｐも変化するので、コイル１２、１４のインピーダンスの変化と、対向面積Ｓｐの変化とは、対応関係にある。

ここで、コイル１２、１４のｘ方向に沿った最大幅（横幅）をｓとすれば、変位センサ１０において、ツール又はワークの絶対位置を測定可能な最大の範囲（最大測長範囲）ｈは、下記の（２）式で表わされる。
ｈ＝ｂ×ｃｏｓθ−ｓ （２）

導電性部材１６がｘ方向に沿って移動する場合に、最大の移動幅（フルストローク幅）をΔｘ_F.S.とすれば、導電性部材１６のｘ方向への変位に対して対向面積Ｓｐを線形的に変化させるためには、下記の（３）式を満たす必要がある。
ｂ×ｃｏｓθ＞ｓ＋Δｘ_F.S. （３）

なお、（３）式において、横幅ｓが一定の場合、角度θを小さくすれば、フルストローク幅Δｘ_F.S.を大きくすることが可能である。

従って、コイル１２、１４に対して導電性部材１６を斜めに配置することで、導電性部材１６のｘ方向への変位に対して対向面積Ｓｐを線形的に変化させることが可能になると共に、コイル１２、１４のサイズの最小化と最大測長範囲ｈの拡大とを図ることが可能となる。

なお、コイル１２、１４のサイズを最小化する場合、縦幅ｌ及び横幅ｓは、最大測長範囲ｈと、ｘ方向に対する変位センサ１０の変位検出分解能との関係で、下記（４）式及び（５）式を満足することが好ましい。
ｌ＝ｈ×ｔａｎθ （４）
ｈ／４＜ｓ＜ｈ／２ （５）

次に、変位センサ１０において、コイル１２、１４のインピーダンスの変化に基づいて、導電性部材１６の変位（ツール又はワークの絶対位置）に応じた出力電圧Ｖｏを得るための検出回路２０の構成について、図２を参照しながら説明する。

検出回路２０は、交流電源２２、コイル１２、１４を含むブリッジ回路２４、差動アンプ２６（電圧検出部）及び位相検波回路２８を有する。この場合、交流電源２２に対してブリッジ回路２４及び位相検波回路２８が並列に接続されている。

交流電源２２は、例えば、クワドラチャ発振回路を含む高周波電源であり、ブリッジ回路２４及び位相検波回路２８に所定周波数の交流電圧Ｖｉを供給する。この場合、交流電源２２は、後述するコイル１２、１４及びコンデンサ３０、３２の並列回路での共振周波数（並列共振の周波数）よりも僅かに高い周波数の交流電圧Ｖｉをブリッジ回路２４及び位相検波回路２８に印加し、コイル１２、１４を励振させることが好ましい。より好ましくは、当該共振周波数よりも１０％〜１５％高い周波数の交流電圧Ｖｉをブリッジ回路２４及び位相検波回路２８に供給し、コイル１２、１４を励振させる。

ブリッジ回路２４は、インダクタンスＬ１、Ｌ２のコイル１２、１４と、静電容量Ｃ１、Ｃ２のコンデンサ３０、３２と、抵抗値Ｒ１、Ｒ２の固定抵抗器３４、３６とを有する。この場合、ブリッジ回路２４では、交流電源２２に対して、コイル１２、１４の直列回路と固定抵抗器３４、３６の直列回路とが並列に接続されている。また、コイル１２にコンデンサ３０が並列に接続される共に、コイル１４にコンデンサ３２が並列に接続されている。

コイル１２、１４は、正の温度係数を有している場合があるため、コンデンサ３０、３２は、温度補償用セラミックコンデンサ又はスチロールコンデンサ等の負の温度係数を有するコンデンサを用いることが好ましい。

コイル１２及びコンデンサ３０の並列回路とコイル１４及びコンデンサ３２の並列回路との間の中点３７ｌは、差動アンプ２６の反転入力端子（図２中、「−」の符号が付けられた入力端子）に接続され、固定抵抗器３４、３６の間の中点３７ｒは、差動アンプ２６の正転入力端子（図２中、「＋」の符号が付けられた入力端子）に接続されている。

差動アンプ２６は、オペアンプを用いた差動増幅回路、又は、コンパレータからなる差動増幅回路であり、交流電圧Ｖｉによるコイル１２、１４の励振に起因した電圧（不平衡電圧）がブリッジ回路２４の２つの中点３７ｌ、３７ｒの間に発生した場合に、各中点３７ｌ、３７ｒから反転入力端子及び正転入力端子に入力される電圧の差分に基づく検出電圧Ｖｏｐを位相検波回路２８に出力する。

位相検波回路２８は、交流電圧Ｖｉと検出電圧Ｖｏｐとの位相差に基づく出力電圧Ｖｏを、導電性部材１６の変位に応じた電圧として出力する。

このように変位センサ１０を構成することにより、本実施形態では、交流電源２２からコイル１２、１４に交流電圧Ｖｉを印加すると、電磁誘導の法則によって導電性部材１６に渦電流が発生し、コイル１２、１４のインピーダンスが低下する。この場合、導電性部材１６がｘ方向に沿ってコイル１２、１４に対し相対的に移動すれば、コイル１２、１４と導電性部材１６との対向面積Ｓｐが変化し、コイル１２、１４のインピーダンスが変化する。

そこで、本実施形態では、コイル１２、１４及び導電性部材１６のうち、一方の部材のｙ方向に沿った幅を、ｘ方向に沿って変化させ、他方の部材のｙ方向に沿った幅を、ｘ方向に沿って略一定としている。また、平面視で、コイル１２、１４に対して導電性部材１６を相対的に傾斜させている。

このように、コイル１２、１４に対して導電性部材１６を相対的に傾斜させた状態で、該導電性部材１６をｘ方向に沿ってコイル１２、１４に対し相対的に移動させることにより、導電性部材１６の相対的な変位に対して対向面積Ｓｐを線形に変化させることが可能となる。これにより、変位センサ１０の測定範囲（導電性部材１６の最大測長範囲）内における出力としての出力電圧Ｖｏの大きさ及び位相の直線性を確保することができる。

また、コイル１２、１４に対して相対的に傾斜した状態で導電性部材１６がｘ方向に沿って相対的に移動するため、ｘ方向に沿った導電性部材１６の最大測長範囲を、ｘ方向に沿ったコイル１２、１４の全長（横幅ｓ）よりも長くすることができる。すなわち、導電性部材１６の最大測長範囲を一定とした場合、ｘ方向に沿ったコイル１２、１４の横幅ｓを短くすることができる。この結果、コイル１２、１４のサイズ（縦幅ｌ及び横幅ｓの寸法）を小さくすることができ、変位センサ１０の小型化及び薄型化を実現することができる。

従って、本実施形態によれば、測定範囲における変位センサ１０の出力の直線性を向上させつつ、該変位センサ１０の小型化及び薄型化を実現することができる。

また、図１Ａ及び図１Ｂのように、コイル１２、１４を前記一方の部材としての平面状のコイルとし、導電性部材１６を前記他方の部材としての板状の導電性部材とした上で、平面視で、ｘ方向に対して導電性部材１６を斜めに配置し、ｘ方向に沿って導電性部材１６を移動させれば、コイル１２、１４に対して導電性部材１６を変位させることができるので、上記の各効果が容易に得られる。

なお、本実施形態に係る変位センサ１０は、図１Ａ〜図２に示す構成に限定されることはない。すなわち、本実施形態では、（１）コイル１２、１４が前記一方の部材であり且つ導電性部材１６が前記他方の部材であって、コイル１２、１４が導電性部材１６に対して変位する変位センサ１０、（２）コイル１２、１４が前記他方の部材であり且つ導電性部材１６が前記一方の部材であって、導電性部材１６がコイル１２、１４に対して変位する変位センサ１０、又は、（３）コイル１２、１４が前記他方の部材であり且つ導電性部材１６が前記一方の部材であって、コイル１２、１４が導電性部材１６に対して変位する変位センサ１０であっても、上記の各効果が得られることは勿論である。

また、変位センサ１０では、平面視で、２つのコイル１２、１４を点対称に配置することにより、導電性部材１６の相対的な移動に対するセンサ感度の飽和を抑制し、出力の直線性の範囲を拡大することができる。この結果、出力の直線性とセンサ感度とを共に向上させることができる。

さらに、変位センサ１０では、コイル１２、１４にコンデンサ３０、３２が並列に接続されている。そのため、コイル１２、１４及びコンデンサ３０、３２の共振周波数の近傍でコイル１２、１４を励振させると、コイル１２及びコンデンサ３０の合成インピーダンスの変化と、コイル１４及びコンデンサ３２の合成インピーダンスの変化とがそれぞれ大きくなって、センサ感度を向上させることができる。また、測定範囲に対する出力の線形性も向上させることができる。

特に、コイル１２、１４及びコンデンサ３０、３２の共振周波数よりも１０％〜１５％高い周波数でコイル１２、１４を励振させた場合、コイル１２、１４及びコンデンサ３０、３２の共振曲線の非線形性を利用して、測定範囲の境界付近での出力変化を増大させることができるので、出力の線形性を一層向上させることが可能となる。

また、コイル１２、１４が正の温度係数を有する場合に、コンデンサ３０、３２が負の温度係数を有すれば、変位センサ１０の出力電圧Ｖｏに対するコイル１２、１４の温度の影響を抑制することができる。すなわち、コイル１２、１４の温度による共振周波数の変化を抑制し、出力電圧Ｖｏに対する温度の影響を改善することができる。

さらに、コイル１２、１４、コンデンサ３０、３２及び固定抵抗器３４、３６でブリッジ回路２４を構成することにより、コイル１２、１４の温度上昇が発生しても、出力電圧Ｖｏに対する温度の影響を抑制することができる。

この場合、ブリッジ回路２４の各中点３７ｌ、３７ｒと差動アンプ２６とを差動接続し、差動アンプ２６において、各中点３７ｌ、３７ｒの電圧の差分（不平衡電圧）に応じた検出電圧Ｖｏｐを出力することにより、センサ感度の飽和を解消し、出力電圧Ｖｏの線形性の範囲を容易に広げることができる。

また、位相検波回路２８では、コイル１２、１４を励振する交流電圧Ｖｉと、ブリッジ回路２４の不平衡電圧に基づく検出電圧Ｖｏｐとの位相差から、導電性部材１６の変位に応じた出力電圧Ｖｏを得る。これにより、全波整流による検波方式と比較して、測定範囲の拡大と出力電圧Ｖｏの線形性の範囲の拡大とを共に実現することができる。

なお、交流電圧Ｖｉに対する検出電圧Ｖｏｐの位相のずれ（位相差）は、２つのコイル１２、１４に対する導電性部材１６の相対位置に対応する。そのため、当該ずれに応じた出力電圧Ｖｏを検出することにより、導電性部材１６の相対位置、すなわち、導電性部材１６又は基板１８が取り付けられたアクチュエータによって移動されるツール又はワークの絶対位置を特定することができる。

また、上記の説明では、導電性部材１６が板状である場合について説明した。本実施形態では、コイル１２、１４と導電性部材１６とが重なり合うのであれば、コイル１２、１４と導電性部材１６とは、どのような形態でも採用可能である。例えば、導電性部材１６は、ロッドであってもよいし、又は、プリント基板上に形成された導体パターンであって、当該プリント基板が湾曲している場合であってもよい。

すなわち、コイル１２、１４が平面状、円弧状又は円筒状のコイルであり、導電性部材１６が平面状、円弧状又は円筒状の導電性部材であればよい。

具体的に、プリント基板上に所定の導体パターンを形成することで、平面状のコイル１２、１４を構成してもよい。特に、フレキシブルプリント基板（以下、ＦＰＣ（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ）ともいう。）上に所定の導体パターンを形成して平面状のコイル１２、１４を形成すると好適である。この場合、ＦＰＣを湾曲させることにより、円弧状のコイル１２、１４が形成され、ＦＰＣを円筒状に曲げることにより、円筒状のコイル１２、１４が形成される。

導電性部材１６についても、板状の導電性部材１６を形成するか、又は、プリント基板上に所定の導体パターンを形成することで、平面状の導電性部材１６を構成してもよい。特に、ＦＰＣ上に所定の導体パターンを形成して平面状の導電性部材１６を形成すると好適である。この場合、ＦＰＣを湾曲させることにより、円弧状の導電性部材１６が形成され、ＦＰＣを円筒状に曲げることにより、円筒状の導電性部材１６が形成される。

このように、プリント基板又はＦＰＣに導体パターンを形成してコイル１２、１４や導電性部材１６を構成すれば、コイル１２、１４や導電性部材１６を含めた変位センサ１０全体の薄型化を実現することができ、効果的である。

なお、このような変位センサ１０の具体的な構成例については、後述する。

また、本実施形態では、交流電圧Ｖｉと検出電圧Ｖｏｐとを用いて、ツール又はワークの絶対位置に応じた出力電圧Ｖｏを取得できるのであれば、位相検波回路２８を用いなくてもよい。

［本実施形態の具体例］
次に、本実施形態に係る変位センサ１０の具体例（第１〜第９実施例に係る変位センサ１０Ａ〜１０Ｉ）について、図３〜図１７を参照しながら説明する。

第１実施例に係る変位センサ１０Ａは、図３及び図４に示すように、基板１８が複数の絶縁層１８ａ〜１８ｆを積層した積層体であり、各絶縁層１８ａ〜１８ｆに複数のターン数の配線パターンがそれぞれ形成され、これらの配線パターンが接続されることにより、コイル１２、１４が構成される点で、図１Ａ〜図２に示す変位センサ１０とは異なる。

図３は、変位センサ１０Ａについて、導電性部材１６と対向する第１層目（最上層）を図示した平面図である。

第１層目の絶縁層１８ａ上には、導体箔又はワイヤ等の導体を複数のターン数で巻回してなる２つの配線パターン３８、４０が点対称に形成されている。配線パターン３８は、コイル１２の一部であり、配線パターン４０は、コイル１４の一部である。

配線パターン３８の近傍には、少なくとも１つの絶縁層１８ａ〜１８ｆを貫通する複数のビヤ４２が設けられている。また、絶縁層１８ａ上には、配線パターン３８の一端からの引き出し線４４に接続されるパッド等の端子４６と、１つのビヤ４２からの引き出し線４８に接続される端子５０とが形成されている。

一方、配線パターン４０の近傍にも、少なくとも１つの絶縁層１８ａ〜１８ｆを貫通する複数のビヤ５２が設けられている。また、絶縁層１８ａ上には、１つのビヤ５２からの引き出し線５４に接続される端子５６と、配線パターン４０の一端からの引き出し線５８に接続されるパッド等の端子６０とが形成されている。

なお、基板１８には、図示しないネジ部材を挿通させてアクチュエータに基板１８を固定するための複数のネジ孔６２を設けてもよい。

図４は、変位センサ１０Ａの断面図であり、最上層の第１層目の絶縁層１８ａから下方に向かって、第２〜第６層目の絶縁層１８ｂ〜１８ｆが順に積層されている。また、図５Ａ〜図７Ｂは、各絶縁層１８ａ〜１８ｆに形成される配線パターンを図示した平面図であり、図８は、変位センサ１０Ａの分解斜視図である。

なお、図５Ａ〜図８では、説明の便宜上、図３及び図４と比較して、配線パターンの引き回しやターン数を一部変更して図示している。また、図４以降の説明では、各絶縁層１８ａ〜１８ｆ上に形成される構成要素、又は、各絶縁層１８ａ〜１８ｆ内に設けられる構成要素について、必要に応じて、参照数字に続けてａ〜ｆの符号を付けて説明する。さらに、図４では、説明の容易化のために、基板１８のｚ方向に沿った厚みを誇張して図示しているが、実際の基板１８としては、薄厚のプリント基板又はＦＰＣが用いられる。

絶縁層１８ａ上には、前述のように、コイル１２を構成する配線パターン３８ａが形成されると共に、コイル１４を構成する配線パターン４０ａが形成されている。同様にして、絶縁層１８ｂ〜１８ｆ上には、それぞれ、コイル１２を構成する配線パターン３８ｂ〜３８ｆと、コイル１４を構成する配線パターン４０ｂ〜４０ｆとが形成されている。従って、各絶縁層１８ａ〜１８ｆ上には、導体箔又はワイヤ等の導体を複数のターン数で巻回してなる２つの配線パターン３８ａ〜３８ｆ、４０ａ〜４０ｆがそれぞれ形成されている。

この場合、図５Ａ〜図７Ｂに示すように、各配線パターン３８ａ〜３８ｆ、４０ａ〜４０ｆは、２つのコイル１２、１４を合わせた正方形状の領域（縦幅ｌ＝横幅ｓ）の中心点６４に対して、点対称に形成されている。なお、図５Ａ〜図７Ｂでは、図５Ａについてのみ、中心点６４を図示している。

ここで、２つの配線パターン３８ａ、３８ｂは、絶縁層１８ａを貫通するビヤ４２ａで接続されると共に、２つの配線パターン４０ａ、４０ｂは、絶縁層１８ａを貫通するビヤ５２ａで接続されている。また、２つの配線パターン３８ｂ、３８ｃは、絶縁層１８ｂを貫通するビヤ４２ｂで接続されると共に、２つの配線パターン４０ｂ、４０ｃは、絶縁層１８ｂを貫通するビヤ５２ｂで接続されている。さらに、２つの配線パターン３８ｃ、３８ｄは、絶縁層１８ｃを貫通するビヤ４２ｃで接続されると共に、２つの配線パターン４０ｃ、４０ｄは、絶縁層１８ｃを貫通するビヤ５２ｃで接続されている。

また、２つの配線パターン３８ｄ、３８ｅは、絶縁層１８ｄを貫通するビヤ４２ｄで接続されると共に、２つの配線パターン４０ｄ、４０ｅは、絶縁層１８ｄを貫通するビヤ５２ｄで接続されている。さらに、２つの配線パターン３８ｅ、３８ｆは、絶縁層１８ｅを貫通するビヤ４２ｅで接続されると共に、２つの配線パターン４０ｅ、４０ｆは、絶縁層１８ｅを貫通するビヤ５２ｅで接続されている。

そして、配線パターン３８ｆは、絶縁層１８ａ〜１８ｅを貫通するビヤ４２ｆと接続されると共に、配線パターン４０ｆは、絶縁層１８ａ〜１８ｅを貫通するビヤ５２ｆと接続されている。なお、ビヤ４２ｆは、図３で引き出し線４８を介して端子５０に接続されるビヤであり、ビヤ５２ｆは、図３で引き出し線５４を介して端子５６に接続されるビヤである。

なお、変位センサ１０Ａの製造上の観点から、各ビヤ４２ａ〜４２ｆ、５２ａ〜５２ｆは、各絶縁層１８ａ〜１８ｆを貫通して形成されていることが好ましい。このような場合には、例えば、図３に示すように、平面視で、各ビヤ４２（４２ａ〜４２ｆ）、５２（５２ａ〜５２ｆ）は、互いに位置をずらして形成されていればよい。

以上のように構成される第１実施例に係る変位センサ１０Ａにおいても、コイル１２、１４及び基板１８の構成以外は、前述の変位センサ１０（図１Ａ〜図２参照）と同様であるため、変位センサ１０による各効果を容易に奏することができる。

また、第１実施例に係る変位センサ１０Ａでは、各絶縁層１８ａ〜１８ｆ上に導体を複数のターン数だけ巻回して配線パターン３８ａ〜３８ｆ、４０ａ〜４０ｆを形成し、これらの配線パターン３８ａ〜３８ｆ、４０ａ〜４０ｆをビヤ４２ａ〜４２ｆ、５２ａ〜５２ｆで接続してコイル１２、１４を構成するため、より小さなサイズの変位センサ１０Ａを構成することが可能となる。

第２〜第６実施例に係る変位センサ１０Ｂ〜１０Ｆは、図９Ａ〜図１４に示すように、第１実施例に係る変位センサ１０Ａ（図３〜図８参照）を一部改変し、絶縁層１８ａ〜１８ｆ上における配線パターン３８ａ〜３８ｆ、４０ａ〜４０ｆ等の配置位置を工夫したものである。

第２実施例に係る変位センサ１０Ｂでは、図９Ａ〜図１１Ｂに示すように、絶縁層１８ａ〜１８ｆ上における配線パターン３８ａ〜３８ｆ、４０ａ〜４０ｆ等の配置位置を、各絶縁層１８ａ〜１８ｆの中心から図９Ａ〜図１１Ｂの右側、及び、引き出し線４４、４８側にシフトさせ、このシフトに伴って、２本の引き出し線４４、４８及び２本の引き出し線５４、５８の引き回しのパターンが、互いに異なるパターンとなっている。

第３実施例に係る変位センサ１０Ｃは、図１２Ａに示すように、変位センサ１０Ｂ（図９Ａ〜図１１Ｂ参照）と比較して、コイル１２、１４の位置が引き出し線５４、５８側にシフトすると共に、このシフトに伴って、各引き出し線４４、４８、５４、５８の引き回しのパターンを変更している点で異なる。

第４実施例に係る変位センサ１０Ｄは、図１２Ｂに示すように、変位センサ１０Ｃ（図１２Ａ参照）と比較して、コイル１２、１４の位置が引き出し線５４、５８側にさらにシフトすると共に、このシフトに伴って、各引き出し線４４、４８、５４、５８の引き回しのパターンを変更している点で異なる。

第５実施例に係る変位センサ１０Ｅは、図１３に示すように、変位センサ１０Ａ〜１０Ｄ（図３〜図１２Ｂ参照）と比較して、長方形状の基板１８の中心位置にコイル１２、１４が配置されると共に、絶縁層１８ａの左側に形成された端子４６、５０に対して配線パターン３８ａから左側に延在する引き出し線４４、４８が接続され、且つ、絶縁層１８ａの右側に形成された端子５６、６０に対して配線パターン４０ａから右側に延在する引き出し線５４、５８が接続されている点で異なる。

第６実施例に係る変位センサ１０Ｆは、図１４に示すように、変位センサ１０Ｃ（図１２Ａ参照）と比較して、コイル１２、１４近傍での各引き出し線５４、５８の引き回しが異なる。

これらの変位センサ１０Ｂ〜１０Ｆにおいても、上述した変位センサ１０、１０Ａと同様の効果が得られる。また、変位センサ１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ｆでは、各端子４６、５０、５６、６０が絶縁層１８ａの左側にまとめて形成されているため、変位センサ１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ｆのサイズを小さくすることができる。

上述した各変位センサ１０Ｃ〜１０Ｆ（図１２Ａ〜図１４参照）では、各絶縁層１８ｂ〜１８ｆ上での配線パターン３８ｂ〜３８ｆ、４０ｂ〜４０ｆの配置位置が配線パターン３８ａ、４０ａの直下であると共に、各配線パターン３８ｂ〜３８ｆ、４０ｂ〜４０ｆの形状が、変位センサ１０Ｂの配線パターン３８ｂ〜３８ｆ、４０ｂ〜４０ｆ（図９Ａ〜図１１Ｂ参照）と略同一形状である。そのため、変位センサ１０Ｃ〜１０Ｆについては、各絶縁層１８ｂ〜１８ｆ及び各配線パターン３８ｂ〜３８ｆ、４０ｂ〜４０ｆの図示を省略する。

第７実施例に係る変位センサ１０Ｇは、図１５Ａに示す平面状に構成された変位センサ１０について、ＦＰＣからなる基板１８を図１５Ｂのように円弧状に丸めて構成したものである。

第８実施例に係る変位センサ１０Ｈは、図１５Ａの変位センサ１０について、ＦＰＣからなる基板１８を図１６のように円筒状に丸めると共に、ＦＰＣからなり、所定の導体パターンの導電性部材１６が形成された基板６８を円筒状に丸めて構成したものである。

この場合、円筒状の基板１８の内方にコイル１２、１４が形成され、円筒状の基板６８の外周に導電性部材１６が形成されている。また、基板１８により形成される円筒の内部空間７０の直径（円筒の内径）は、基板６８により形成される円筒の外径よりも大きい。そのため、内部空間７０に対して円筒状の基板６８をｘ方向に出し入れすることができる。

第７実施例のように基板１８を円弧状とし、又は、第８実施例のように基板１８、６８を円筒状とすることで、センサ感度を大きくすることができ、最大測長範囲ｈを拡大することができる。なお、図１５Ａに示す平面状の基板１８のｙ方向に沿った幅を広げ、幅広の基板１８を図１５Ｂの円弧状又は図１６の円筒状に丸めることで、センサ感度を一層大きくすることができる。

第９実施例に係る変位センサ１０Ｉでは、図１７に示すように、例えば、４つのコイル部１２ａ〜１２ｄからなる櫛歯状のコイル１２と、４つのコイル部１４ａ〜１４ｄからなる櫛歯状のコイル１４とが、ＦＰＣからなる基板１８に形成されている。この場合、互いに向かう合う櫛歯状の導体パターンを基板１８上に２つ形成することにより、コイル部１２ａ〜１２ｄを含むコイル１２と、コイル部１４ａ〜１４ｄを含むコイル１４とを構成することができる。従って、コイル部１２ａ〜１２ｄとコイル部１４ａ〜１４ｄとは、中心線７２ａ〜７２ｄに沿って、それぞれ、線対称に配置されている。

そして、第９実施例では、基板１８をｙ方向に沿って４周分丸めて、円筒状とすることにより、丸めた基板１８を挟んで各コイル部１２ａ〜１２ｄ、１４ａ〜１４ｄが４層積層された多層構造の変位センサ１０Ｉを実現することができる。このように、第９実施例の変位センサ１０Ｉでも、基板１８を円筒状に丸めるので、第８実施例の変位センサ１０Ｈと同様の効果が得られる。

また、第９実施例において、コイル部１２ａ〜１２ｄ、１４ａ〜１４ｄの個数は、図１７に示す４つに限定されることはなく、２つ以上であればよい。従って、コイル１２、１４のコイル部がｎ個ある場合、基板１８をｎ周丸めることにより、基板１８を挟んでコイル部がｎ層積層された積層構造の変位センサ１０Ｉを実現することができる。

なお、本発明は、上述の実施形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることは勿論である。

１０、１０Ａ〜１０Ｉ…変位センサ １２、１４…コイル
１２ａ〜１２ｄ、１４ａ〜１４ｄ…コイル部
１６…導電性部材 １８、６８…基板
２０…検出回路 ２２…交流電源
２４…ブリッジ回路 ２６…差動アンプ
２８…位相検波回路 ３０、３２…コンデンサ
３４、３６…固定抵抗器 ３７ｌ、３７ｒ…中点
３８、３８ａ〜３８ｆ、４０、４０ａ〜４０ｆ…配線パターン
４２、４２ａ〜４２ｆ、５２、５２ａ〜５２ｆ…ビヤ
４４、４８、５４、５８…引き出し線 ４６、５０、５６、６０…端子
６４…中心点 ７０…内部空間
７２ａ〜７２ｄ…中心線

Claims (9)

1. コイルと導電性部材との相対位置を測定する変位センサにおいて、
   前記コイル及び前記導電性部材は、前記コイル又は前記導電性部材の変位方向と略平行に配置され、
   前記コイル及び前記導電性部材のうち、一方の部材の前記変位方向に交差する交差方向に沿った幅は、前記変位方向に沿って変化し、且つ、他方の部材の前記交差方向に沿った幅は、前記変位方向に沿って略一定であり、
   前記導電性部材は、前記コイルに対して相対的に傾斜していると共に、前記変位方向に沿って前記コイルに対し相対的に移動し、
   前記コイルと前記導電性部材との対向面積は、前記コイルに対する前記導電性部材の相対的な移動に伴って変化し、
   前記変位センサは、２つの前記コイル及び２つの固定抵抗器で構成されるブリッジ回路をさらに有することを特徴とする変位センサ。
2. 請求項１記載の変位センサにおいて、
   前記コイルは、前記一方の部材としての平面状、円弧状又は円筒状のコイルであり、
   前記導電性部材は、前記他方の部材としての平面状、円弧状又は円筒状の導電性部材であって、前記変位方向に対して斜めに配置され、前記変位方向に沿って移動することを特徴とする変位センサ。
3. 請求項１又は２記載の変位センサにおいて、
   ２つの前記コイルが点対称に配置されていることを特徴とする変位センサ。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の変位センサにおいて、
   前記コイルにコンデンサが並列に接続されていることを特徴とする変位センサ。
5. 請求項４記載の変位センサにおいて、
   前記コイル及び前記コンデンサの共振周波数よりも１０％〜１５％高い周波数で前記コイルを励振させることを特徴とする変位センサ。
6. 請求項４又は５記載の変位センサにおいて、
   前記コンデンサは、負の温度係数を有することを特徴とする変位センサ。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の変位センサにおいて、
   前記ブリッジ回路は、２つの前記コイルの直列回路と２つの前記固定抵抗器の直列回路とを並列接続することにより構成され、２つの前記コイルの直列回路の中点における電圧と、２つの前記固定抵抗器の直列回路の中点における電圧との不平衡電圧を出力することを特徴とする変位センサ。
8. 請求項７記載の変位センサにおいて、
   前記各中点と差動接続することにより、前記各中点の電圧の差分に応じた検出電圧を出力する電圧検出部をさらに有することを特徴とする変位センサ。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の変位センサにおいて、
   ２つの前記コイルを励振する交流電圧と前記ブリッジ回路の不平衡電圧との位相差に基づいて、前記導電性部材の変位に応じた出力電圧を得る位相検波回路をさらに有することを特徴とする変位センサ。

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