JPH0245712A

JPH0245712A - 位置検出装置

Info

Publication number: JPH0245712A
Application number: JP63195677A
Authority: JP
Inventors: Kozo Kyoizumi; 宏三京和泉
Original assignee: SANKYO BOEKI KK
Current assignee: SANKYO BOEKI KK
Priority date: 1988-08-05
Filing date: 1988-08-05
Publication date: 1990-02-15

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。

〔従来の技術〕

従来、空圧または油圧シリンダ等の位置検出装置として
第４図に示されるものがある。即ち、被検出体であるロ
ッド２０は磁性体で構成されており、その周面には等ピ
ッチで銅被膜などの帯状の非磁性体部２１が設けられて
いる。したがって、ロッド２０の周面にはその移動方向
に磁性体部２２と非磁性体部２１とが交互にかつ等ピッ
チで設けられることになる。検出ヘッド部２３には、２
個の環状の磁気シールドコア２４．２５が設けられ、一
方のシールドコア２４の内部には一次コイル２６．２７
と二次コイル２８、２９とがロッド２０を取り巻くよう
に配設され、他方のシールドコア２５の内部にも同様に
一次コイル３０．３１と二次コイル３２．３３とがロッ
ド２０を取り巻くように配設されている。そして、第４
図左側のコイル群に対して右側のコイル群は、磁性体部
２２又は非磁性体部２１間のピッチＰの整数倍ｎＰに対
して１／４ピッチだけずれた位置に配置されている。

左側の一次コイル２６．２７にはａ　ｃｏｓωｔの交流
電圧が入力され、右側の一次コイル３０．３１にはａｓ
ｉｎωｔの交流電圧が入力される。一方、左側の二次コ
イル２８．２９と右側の二次コイル３２．３３に誘起さ
れる電圧はロッド２０の移動につれて１ピ、ツチ毎に変
化し、これら二次コイルどうしを差動的に接続すること
により、二次コイルの出力電圧はｂｓｉｎ　（ωｔ　　
　２ＫＸ／Ｐ）　　となる。

ここで、上記位置検出装置の動作原理を、第４図左側の
コイル群２６〜２９に着目して詳述する。

第５図はロッド２０の変位ｘ＝０、つまり非磁性体部２
１がコイル群の中央に位置している状態であり、この状
態では二次コイル２８．２９には同一電圧が誘起される
ため、両コイル２８．２９を差動的に結線することによ
り、二次側電圧■１は０　（Ｖ）となる。

第６図はロッド２０の変位ｘ＝Ｐ／４の状態であり、磁
性体部２２が右側のコイル２７．２９の中央に位置する
ため、左側の二次コイル２８の誘起電圧が最小で右側の
二次コイル２９の誘起電圧が最大となる。

第７図はロッド２０の変位ｘ＝Ｐ／２の状態であり、磁
性体部２２がコイル群の中央に位置しているため、第５
図と同様に二次コイル２８．２９には同一電圧が誘起さ
れ、二次側電圧■１は０（ｖ）となる。

第８図はロッド２０の変位ｘ−３Ｐ／４の状態であり、
磁性体部２２が左側のコイル２６．２８の中央に位置す
るため、左側の二次コイル２８の誘起電圧が最大で右側
の二次コイル２９の誘起電圧が最小となる。

第９図は一次側電圧（ａｃｏｓωｔ）と、変位Ｘに応し
た二次側電圧■１とを図示したものであり、ｘ−０では
Ｖ、＝Ｏであり、ｘ−Ｐ／４では二次側電圧Ｖ、は一次
側電圧と同位相となり、ｘ＝Ｐ／２ではＶ＋−０、ｘ＝
３Ｐ／４では一次側電圧と逆位相となる。このように二
次側の誘起電圧がロッド２０の移動に伴って変化し、こ
れが１ピツチ毎に繰り返される。−次側電圧がロッド２
０の変位Ｘに伴って第９図のように変化されて二次側に
誘起されるので、二次側電圧■１はＶ、　＝ｓｉｎ（２πＸ／Ｐ）　・ｂ　ｃｏｓωｔ　　
　−（１）となる。

同様に、第４図右側のコイル群３０〜３３の二次側電圧
■２はＶｚ　＝ｃｏｓ（２πｘ／Ｐ）　・ｂ　ｓｉｎωｔ　　
　−”（２）となる。

これら二次側電圧Ｖ、、Ｖ、を第４図のように差動型に
接続すると、正弦加法定理によりＶ、　−Ｖ、　＝　ｂ
　ｓｉｎ　（（１１ｔ　−２ｔｘ／Ｐ）　　・＝（３）
となる。

第１０図は一次コイル３０．３１の入力電圧ａ　ｓｉｎ
ωｔと二次コイルの出力電圧ｂ　ｓｉｎ　（ωｔ−２π
χ／Ｐ）とを図示したものであり、出力電圧は入力電圧
に対してＴ（＝２πｘ／Ｐ）だけ位相がずれた信号とし
て取り出される。そのため、この位相のずれを測定すれ
ば１ピツチの範囲内でのロッド２０の直線変位Ｘを検出
できることになる。なお、ｌ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２０の直線変位をイ
ンクリメンタルに測定可能である。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来例は、−次コイルおよび二次コイルを有する差
動トランスの原理に基づく位置検出方法であるから、コ
イルを必然的にロッド２ｏを取り囲む形状とせざるを得
ない。したがって、ロッドの太さが変化すれば、その度
にコイルの直径を変更しなければならない。そし、て、
被検出体がロッドのような棒状体以外の場合、例えば平
板状部材の場合には、これをコイルで取り囲むことがで
きないため、位置検出は不可能となる。つまり、従来例
では位置検出が行なえる被検出体の形状に制約があった
。

また、従来例では最低８個のコイルを必要とするため、
コイル数が多く、検出ヘッド部２３の形状が大型化する
という問題がある。

さらに、二次コイルを差動型に接読して出力を得ている
ので、各コイルに感度のバラツキがあった場合に感度補
正が難しく、高い検出精度が得難いという問題もある。

したがって、本発明の第１の目的は、被検出体の形状や
大きさが変化しても全く同一のコイルを使用できる位置
検出装置を提供することにある。

また、第２の目的は、コイル数が少なく、小型の位置検
出装置を提供することにある。

さらに、第３の目的は、各コイルの感度のバラツキを容
易に補正でき、検出精度の高い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、移動方向に磁性体
部と非磁性体部とが交互にかつ等ピッチで設けられた被
検出体と、上記磁性体部および非磁性体部に対して軸線
が直角となるように近接配置された２個２組のコイルと
を備え、両コイル組の中央部どうしの被検出体移動方向
距離ｍは上記ピッチの整数倍に対して１／４ピッチずれ
ており、各組のコイルどうしは互いに直列に接続され、
各組のコイルの両端にはそれぞれ位相が９０″異なる交
流信号が入力され、かつ各組のコイルの中央より出力さ
れる信号を演算増幅器にて差動的に検出することを特徴
とするものである。

〔実施例］第１図、第２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１の周面には、従来と同様にロッドｌの移動方向
に磁性体部２と非磁性体部３とが交互にかつ等ピッチ（
Ｐ）で設けられている。また、コイル４〜７はその軸線
が磁性体部２および非磁性体部３に対して直角となるよ
うに近接配置され、かつロッド１の移動方向と平行に一
列に配列されている。これらコイルのうち、コイル４．
５が直列接続されて一方の組を構成し、コイル６．７も
直列接続されて他方の組を構成している。そして、各組
のコイル４，５および６，７の軸心間距離ｌはｚピッチ
（＋ＡＰ）に設定され、かつ両組のコイル４．５および
６，７の中央部どうしの距ｕｒｎば上記ピッチＰの整数
倍に対してスビッチだけずれている。即ち、ｍ＝ｎＰｆ／、Ｐ　　　　（ｎ：整数）となっている。

なお、第１図、第２図の例では次式のように設定されて
いる。

ｍ＝Ｐ＋％Ｐなお、第１図ではコイル４〜７をロッド１の移動方向と
平行に一列に整列させたものを示したが、これに限るも
のではなく、各コイル４〜７を千鳥状または螺旋状に配
列してもよい、この場合の距ｆｉｆｆｉ１ｍはロッドｌ
の移動方向距離として設定すればよい。

片方の組のコイル４，５の両端には余弦波状電圧（±ａ
　ｃｏｓωｔ）が入力され、他方の組のコイル６．７の
両端には正弦波状電圧（±ａ　ｓｉｎωｔ）が入力され
、各組のコイルの中央より出力電圧Ｖ、、Ｖ４が取り出
されている。

第３図は上記位置検出装置の具体的回路図を示す。図面
において、増幅回路８は２個の位相反転増幅器９．１０
を含んでおり、入力端子１１には余弦波状の電圧信号（
ａｃｏｓωｔ）が入力されている。

位相反転増幅器９は入力信号を位相反転させてコイル４
の一端に印加するとともに、この反転信号を位相反転増
幅器ｌＯでさらに反転させてコイル５の他端に印加して
いる。したがって、コイル４゜５の両端には零ボルトを
中心として正負に反転する余弦波状電圧（±ａ　ｃｏｓ
ωｔ）が与えられる。

また、同様に増幅回路１２も２個の位相反転増幅器１３
．１４を含み、入力端子１５には上記増幅回路８の入力
信号に対して９０°位相が進んだ正弦波状の電圧信号（
ａ　ｓｉｎωｔ）が入力されている。そして、位相反転
増幅器１３．１４でそれぞれ位相を反転させた後、コイ
ル６．７の両端に位相の反転した正弦波状電圧（±ａ　
ｓｉｎωｔ）を与えている。

なお、増幅回路８および１２に入力される交流電圧信号
（ａｃｏｓωｔ、　　ａ　ｓｉｎωｔ）は、公知のクワ
ドラチャ発振回路にて容易に発生させることができる。

ロッドｌの磁性体部２または非磁性体部３がコイル４．
５の中央にある場合には、コイル４，５のインダクタン
スが等しいため、コイル４．５の中央部から取り出され
る出力電圧Ｖ、はＯｖであり、ロッド１が移動して磁性
体部２または非磁性体部３がコイル４．５の中央よりず
れると、両側のコイル４，５のインダクタンスが不平衡
となり、その不平衡量に応じた電圧Ｖ、が得られる。

また、コイル６．７についても同様に、磁性体部２また
は非磁性体部３がコイル６．７の中央にある場合にはコ
イル６．７の中央部から取り出される出力電圧■４はＯ
ｖであり、磁性体部２または非磁性体部３がコイル６．
７の中央よりずれると、そのずれ量に応じた電圧■４が
得られる。

本発明のようなインダクタンスの不平衡を用いた場合、
コイル両端の入力電圧がａ　ＣＯ３ωＬの場合には出力
に得られる波形は入力電圧の積分、即ちｂ　ｓｉｎωｔ
となり、逆にコイル両端の入力端子がａ　ｓｉｎωもの
場合には出力に得られる波形はｂｃｏｓωｔとなる。こ
れら出力波形がロッド１の移動に応じて第９図のように
変化するので、出力電圧Ｖ、、Ｖ、は次式のようになる
。

Ｖｘ＝ｃｏｓ（２＋ｒｘ／Ｐ）・ｂ＋　　ｓｉｎωｔ　
　　−（４）Ｖａ　−５ｉｎ（２πｘ／Ｐ）　・ｂｚ　
　ｃｏｓωｔ　　−（５）上記電圧Ｖ、、Ｖ、を差動的
に検出するために、演算増幅器１６と抵抗Ｒ＋　、Ｒｚ
　、Ｒｓが設けられている。即ち、演算増幅器１６の負
人力には電圧Ｖ４が抵抗Ｒ１を経て入力されており、演
算増幅器１６の出力■。□が抵抗Ｒ１を経て負帰還され
ている。また、正人力には電圧■、の抵抗Ｒｔ、Ｒｘに
て分圧された電圧が印加されている。したがって、演算
増幅器１６の出力■。□は次式のようになＲ１（ＲＩ　
　＋Ｒ））　　　　　　　Ｒ３（６）式のように電圧Ｖ
、、Ｖ４にそれぞれ異なる係数を掛け、これらを互いに
減算したのは次の理由による。即ち、各コイル４５およ
び６７のインダクタンスには必然的にバラツキがあるの
で、（４）式および（５）式における係数ｂ＋、ｂｚ　
も同一であるとは限らない、そのため、電圧■、から電
圧■４を単に引き算しても、（３）式のような単純な三
角函数が得られないからである。上記抵抗Ｒ１Ｒｚ、Ｒ
ｓＯ値をＲＩ（Ｒｔ　　＋Ｒ：ｌ）　　　　　　　ＲＩのように
調整すれば、出力■。□は次式のように単純な三角函数
となる。

Ｖａｕｔ　＝　ｂ　ｓｉｎ　（＋ｕ＋　ｔ　−２πＸ／
Ｐ）この出力■。□は（３）式のＶ、　−Ｖ、　と全く
同様な式となる。したがって、第１０図と同様に、入力
電圧ａ　ｓｉｎωｔに対する出力電圧■。、の位相のず
れを検出すれば、１ピツチの範囲内でのロッド１の絶対
的変位Ｘを検出できることになる。なお、■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、上記実施例では演算増幅器１６で電圧■。

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、２πｘ／Ｐだけ位相が進むか遅れるかの違いに
過ぎない。和の場合の出力■。、は次のようになる。

Ｖ。１Ｉｔ＝ｂ　ｓｉｎ　（ωｔ＋　２πｘ／Ｐ）また
、本発明では丸棒状ロッドの直線変位を検出する場合に
限らず、角棒状または平板状の被検出体の直線変位や、
円板状の被検出体の回転変位も同様に検出することがで
きる。

〔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、コイル
のインダクタンス変化を差動的に検出するものであるか
ら、被検出体に対してコイルを外方より近接させるのみ
でよく、従来のようにコイルで被検出体を取り囲む必要
がない。したがって、被検出体の形状や大きさが変化し
ても全く同一のコイルを使用でき、製作コストを大幅に
削減できる。また、被検出体の移動方向も直線運動に限
らず回転運動にも適用でき、通用範囲が格段に広くなる
。

また、本発明で使用されるコイル数は４個で済むので、
コイル数が少なく、経済的であるとともに、検出ヘッド
部を小型化することができる。

さらに、各コイルの感度にバラツキがあっても、これを
演算増幅器のゲイン調整によって容易に補正できるため
、極めて精度のよい位置検出が可能となる。

【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
出に使用した例の斜視図、第２図は第１図の■−■線断
面図、第３図はその回路図、第４図は従来例の構造図、
第５図〜第８図はその動作を示す拡大断面図、第９図は
一次側電圧と二次側電圧の波形図、第１０は入力電圧と
出力電圧の波形図である。１・・・ロッド（被検出体）、２・・・磁性体部、３・・・非磁性体部、４〜７・・・コイル、１６・・・演算増幅器。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）移動方向に磁性体部と非磁性体部とが交互にかつ
等ピッチで設けられた被検出体と、上記磁性体部および
非磁性体部に対して軸線が直角となるように近接配置さ
れた２個２組のコイルとを備え、両コイル組の中央部ど
うしの被検出体移動方向距離ｍは上記ピッチの整数倍に
対して１／４ピッチずれており、各組のコイルどうしは
互いに直列に接続され、各組のコイルの両端にはそれぞ
れ位相が９０゜異なる交流信号が入力され、かつ各組の
コイルの中央より出力される信号を演算増幅器にて差動
的に検出することを特徴とする位置検出装置。