JPH02150714A - 位置検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は非接触で被検出体の位置を高精度に検出できる
位置検出装置に関するものである。

〔従来技術とその問題点〕

従来、磁気抵抗素子を用いた位置検出装置として第７図
〜第１Ｏ図に示されるものがある。Ｉ２Ｕち、被検出体
であるロッド２０は強磁性体で構成されており、その周
面には等ピッチ（Ｐ）で溝２１が形成されている。した
がって、ロッド２０の周面にはその移動方向に高透磁率
部２２と低透磁率部２１とが交互にかつ等ピッチで設け
られることになる。ロッド２０の周面近傍には検出セン
サ２３が配置されており、この検出センサ２３には２個
の磁気抵抗素子２４　、２５がロッド２０の移動方向に
並んだ杖態に配置されている０両磁気抵抗素子２４　、
２５は差動型に接続されており、その両端には一定電圧
士■、が印加され、中間部が出力端子として取り出され
ている。磁気抵抗素子２４　、２５の上部には永久磁石
２６が配置されており、その磁束が磁気抵抗素子２４　
、２５を貫いてロッド２０に対してほぼ直角方向に作用
するように磁極の向きが設定されている。

ここで、上記位置検出装置の動作を説明する。

まず、第７図においては磁気抵抗素子２４の真下に高透
磁率部２２が位置し、磁気抵抗素子２５の真下には低透
磁率部２１が位置しているので、永久磁石２６の磁束は
磁気抵抗素子２４に多く流れ、磁気抵抗素子２５には相
対的に少ない磁束しか流れない、磁気抵抗素子２４　、
２５は周知のとおり、それを通過する磁束の量が多くな
ると、それに比例して抵抗値が増大する特徴を持つので
、第７図の状態では出力電圧■。、ｔは一■、に近づき
、第１１図のＡ点のようになる。

次に、ロッド２０（または検出センサ２３）が１７４ピ
ッチ移動して第８図の状態になると、磁気抵抗素子２４
　、２５に流れる磁束が平衡する。そのため、再磁気抵
抗素子２４　、２５の抵抗値が同じになるから、出力電
圧Ｖ、、、は士■、の中間点Ｂ、即ちＱｖとなる。

このようにして第９図、第１０回へと１７４ピッチずつ
移動すると、出力電圧ｖ０工、はそれぞれ０点。

Ｄ点へと変化する。つまり、ロッド２０の１ピッチ内で
出力電圧■。、は第１１図のように正弦波状に変化する
ことになる。

上記の位置検出装置の場合には、ロッド２０の移動に伴
って変化する出力電圧Ｖ、、、の大きさを検出すること
によって、ロッド２０の変位を測定しているため、磁気
抵抗素子２４．２５とロッド２０との接近距離が変化す
ると、出力電圧Ｖ　ｏ　ａ　Ｌの大きさも変化し、正確
な位置検出が出来ないという欠点がある。また、出力電
圧■。ｕｌＬが正弦波状に変化するので、その電圧変化
だけをとると、移動距離に比例した信号が得られないと
いう欠点もある。

上記欠点を解決するものとして、第１２図に示されるも
のがある。この位置検出装置は、第７図と同様の検出セ
ンサを２個使用し、一方の検出センサ３０を他方の検出
センサ３１に対して１／４ピッチだけずらして配置しで
ある。それぞれの検出センサ３０．３１は第１１図で示
したように、被検出体２０の移動に伴い正弦波状に変化
する出力電圧を得るので、それぞれの出力電圧Ｖ＋、Ｖ
＊をＯｖを基準にして波形成形すると、第１３図のよう
な矩形波を得ることができる。

この方法によれば、それぞれの矩形波の立ち上がりおよ
び立ち下がりの信号を用いて１／４ピッチまでの移動距
離を検出することが可能であり、検出センサ３０．３１
　とロッド２０との接近距離が変化しても検出精度は影
響を受けない、しかしながら、分解能が１／４ピッチで
しかなく、高精度の位置検出は不可能であった。

〔発明の目的〕

そこで、本発明の目的は、磁気抵抗素子と被検出体との
接近距離が変化しても影響を受けず、しかも分解能を無
限小となし得る高精度の位置検出装置を提供することに
ある。

〔発明の構成〕

上記目的を達成するため、本発明は、透磁率の異なる部
分が交互にかつ等ピッチで設けられた被検出体と、被検
出体に対してピッチ方向に相対移動可能に近接配置され
た２個２＆［ｌの磁気抵抗素子と、磁束が磁気抵抗素子
を貫いて被検出体に対してほぼ直角方向に作用するよう
に配置された永久磁石とを備え、上記磁気抵抗素子の両
組の相対移動方向距離は上記ピッチの整数倍に対して１
／４ピッチだけずれており、各組の磁気抵抗素子どうし
は互いに直列接続され、各組の磁気抵抗素子の両端に信
号を入力し、各組の磁気抵抗素子の中央より信号を出力
するようにした位置検出装置において、各組の磁気抵抗
素子の両端には時間位相が９０度異なる交流信号がそれ
ぞれ入力され、かつ各組の磁気抵抗素子の中央より出力
される信号を互いに加算または減算する演算手段を備え
たことを特徴とするものである。

〔実施例〕

第１図は本発明にかかる位置検出装置をロッド１の変位
検出に適用した一例を示す。

ロッドｌは従来と同様に強磁性体で構成されており、そ
の周面には移動方向に高透磁率部２と低透磁率部３とが
交互にかつ等ピッチ（Ｐ）で設けられている、ロッド１
の周面近傍には２個の検出センサ４．５が近接配置され
ており、これら検出センサ４，５の内部にはそれぞれ２
個の磁気抵抗素子６，７および８，９がロッド１の移動
方向に並んだ状態に配置されている。上記磁気抵抗素子
６゜７および８．９はそれぞれ直列接続されており、磁
気抵抗素子６．７問および８．９間の距離Ｐは１／２ピ
ッチに設定され、かつ検出センサ４．５間の距離ｍは上
記ピッチＰの整数倍に対して１／４ピッチだけずれてい
る。即ち、 ｍ＝ＮＰ±１／４Ｐ　　　ＣＮ：正の整数）となってい
る。なお、第１図の例では次式のように設定されている
。

ｍ＝２Ｐ−１／４Ｐ なお、磁気抵抗素子６〜９は感度係数αが同一のものを
使用している。

上記磁気抵抗素子６，７および８，９の両端にはそれぞ
れ正弦波状電圧（±ａ　ｓｉｎωＬ）と余弦波状電圧（
±ａｃｏｓωｔ）が印加され、中間部より出力電圧Ｖ、
、Ｖ４が取り出されている。磁気抵抗素子６〜９の上部
には永久磁石ｉｏ、　ｔｔが配置されており、その磁束
が磁気抵抗素子６〜９を貫いてロッド１に対してほぼ直
角方向に作用するように磁極の向きが設定されている。

なお、磁気抵抗素子６，７および８，９の両端に入力さ
れる交流電圧信号（ａ　ｓｉｎωＬ＋　　ａ　ｃｏｓω
ｔ）は・公知のクワドラチャ発振回路等にて容易に発生
させることができる。

上記出力電圧Ｖｔ、Ｖ４は演算手段の一例である差動増
幅器１２　（ゲインＫ）の正入力と負入力とにそれぞれ
入力されており、この差動増幅器１２にて出力電圧Ｖｓ
、Ｖａの差を演算し、最終的な出力電圧Ｖ　６１１　Ｌ
を得ている。

ここで、上記構成からなる位置検出装置の動作を説明す
る。

ロッドｌの高透磁率部２または低透磁率部３が磁気抵抗
素子６．７の中央にある場合には、再磁気抵抗素子６．
７の抵抗値が等しいため、磁気抵抗素子６．７の中央部
から取り出される出力電圧■、はＯｖであり、ロッド１
が移動して高透磁率部２または低透磁率部３が磁気抵抗
素子６．７の中央よりずれると、再磁気抵抗素子６．７
の抵抗値が不平衡となり、出力電圧■、は第７図〜第１
０図に説明したとおりロッド１の変位量Ｘに応じて正弦
波状に変化する。即ち、電圧■３は次式のようになる。

Ｖ、　＝ａ　ａ　ｓｉｎωｔ　　−ｃｏｓ（２πｘ／Ｐ
）また、磁気抵抗素子８．９についても同様に、高透磁
率部２または低ｉ３磁率部３のずれ量に応した電圧■４
が得られるが、磁気抵抗素子８．９は磁気抵抗素子６．
７に対して１／４ピッチだけずれているので、電圧■４
は次式のようにＶ、に対して１／２πだけ変位位相がず
れることになる。

Ｖ４　＝　ａ　ａ　ｃｏｓωｔ　　１ｓｉｎ（２πＸ／
Ｐ）これら電圧Ｖｓ、Ｖａが差動増幅器１２に入力され
るので、その出力■。□は次式のように単純な三角函数
となる。

Ｖ。、、　−Ｋａ　α（ｓｉｎωｔ　　−ｃｏｓ（２π
Ｘ／Ｐ）ｃｏｓωｔ　　−５ｉｎ（２πｘ／Ｐ）１＝Ｋ
　ａ　ａ　　ｓｉｎ　　（（Ｌ）ｔ　−２πｘ／Ｐ）第
２図は入力電圧ａ　ｓｉｎωｔと出力電圧■。。

とを示しており、これら電圧の時間位相のずれＴ（＝２
πｘ／Ｐ）を検出すれば、１ピッチの範囲内でのロッド
ｌの絶対的変位Ｘを検出できることになる。つまり、分
解能は無限小となる。なお、１ピッチを越えれば、ピッ
チ数をカウントすることによりロッド１の直線変位をイ
ンクリメンタルに測定可能であることは勿論である。

なお、上記実施例では差動増幅器１２で電圧■３と■４
の差を求めたが、これら電圧の和を求めても同様であり
、２πＩＴ／Ｐだけ位相が進むか遅れるかの違いに過ぎ
ない。また、磁気抵抗素子６．７の両端に±ａｃｏｓω
ｔを、磁気抵抗素子８，９の両端に±ａ　ｓｉｎωｔを
それぞれ入力してもよく、この場合には差動増幅器１２
の出力は余弦函数となる。

本発明で使用される被検出体としては、周面に溝を設け
たロッドに限らず、例えば第３図、第４図に示すように
高透磁率材料からなるロッド１３の周面に溝１４を設け
、この溝１４に銅箔などの低透磁率材料１５を埋設して
もよい、この場合にはロッド１３の周面を平滑にできる
ので、空圧または液圧シリンダ用ロッドとして好適であ
り、しかも透磁率差を大きく取れるので、感度が向上す
るという利点がある。

また、第５図、第６図は被検出体として円板１６を使用
したものであり、高透磁率材料からなる円板１６の外周
部上面に低透磁率材料からなる薄膜１７を５定ピッチで
固着し、円板１６の回転変位を検出するものである。こ
の場合には、第６図のように円板１６の上部に磁気抵抗
素子１８を配置するとともに、その上部に永久磁石１９
を配置すればよい。

さらに、透磁率の異なる材料を用いて高透磁率部と低透
磁率部とを形成する場合に限らず、金属材料の表面をレ
ーザー等で局部的に処理することにより、同一材料上に
高透磁率部と低透磁率部とを形成してもよい。

〔発明の効果〕

以上の説明で明らかなように、本発明によれば、差動型
に接続された２個２組の磁気抵抗素子の両端に時間位相
が９０度異なる交流信号を入力し、各組の磁気抵抗素子
の中央より出力される信号を演算手段で加算または減算
するようにしたので、演算手段で得られる出力は入力信
号である交流信号と同様な単純な交流信号となる。した
がって、これら人、出力信号の位相差を検出すれば、被
検出体の相対変位を無限小の分解能で検出でき、高精度
な位置検出装置を実現できる。

また、磁気抵抗素子と被検出体゛との接近距離がバラつ
いても、両組の磁気抵抗素子でその誤差を相殺できるの
で、接近距離が変化しても検出精度に全く影響を受けな
い。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明にかかる位置検出装置をロッドの変位検
出に使用した例の構成図、第２図は入力端子と出力電圧
の波形図、第３図は被検出体の他の例の斜視図、第４図
はその一部断面図、第５図は被検出体のさらに他の例の
斜視図、第６図は検出方法を示す断面図、第７図以下は
従来例を示し、第７図〜第１０図は従来の位置検出装置
の動作を示す断面図、第１１図はその出力信号波形図、
第１２図は従来の他の例の断面図、第１３図はその出力
信号波形図である。 １・・・ロッド（被検出体）、２・・・高透磁率部、３
・・・低透磁率部、４．５・・・検出センサ、６〜９・
・・磁気抵抗素子、１０．１１・・・永久磁石、１２・
・・差動増幅器。 第１図 特許出願人　　三京貿易株式会社 代　理　人　　弁理士　筒井　秀隆 第３図 第７図 第４図 第６図 第８図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　透磁率の異なる部分が交互にかつ等ピッチで設けられ
   た被検出体と、被検出体に対してピッチ方向に相対移動
   可能に近接配置された２個２組の磁気抵抗素子と、磁束
   が磁気抵抗素子を貫いて被検出体に対してほぼ直角方向
   に作用するように配置された永久磁石とを備え、上記磁
   気抵抗素子の両組の相対移動方向距離は上記ピッチの整
   数倍に対して１／４ピッチだけずれており、各組の磁気
   抵抗素子どうしは互いに直列接続され、各組の磁気抵抗
   素子の両端に信号を入力し、各組の磁気抵抗素子の中央
   より信号を出力するようにした位置検出装置において、 各組の磁気抵抗素子の両端には時間位相が９０度異なる
   交流信号がそれぞれ入力され、かつ各組の磁気抵抗素子
   の中央より出力される信号を互いに加算または減算する
   演算手段を備えたことを特徴とする位置検出装置。