JPH04212018A - アブソリュート直線位置検出装置 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明はアブソリュートで検出
し得る範囲を拡大したアブソリュート直線位置検出装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】検出対象の機械的直線位置を電気信号に
変換する直線位置検出器としては、差動トランスが公知
あり、また、実開昭５７−１３５９１７号公報に示され
た位相型の検出器も知られている。これらの欠点として
は、測定可能範囲が比較的狭い範囲に制限されてしまう
という点にある。そこで、実開昭５８−１３６７１８号
公報においては１次コイル及び２次コイルから成るピッ
クアップ部分に対して相対的に動くコア部分において複
数個のコアを所定間隔で設け、測定可能範囲を拡大する
ようにすることが提案されている。しかし、同公報に示
されたものにおいては、測定可能範囲は拡大されるが、
個々のコア１周期内での直線位置しか検出できず、アブ
ソリュートで検出しる範囲が拡大されたわけではなかっ
た。

【０００３】また、特公昭５０−２３６１８号公報にお
いては、逆方向の磁化が交互になされた磁気格子（いわ
ば永久磁石の格子）を多数設けた磁気トラックからなる
磁気スケールを使用したリニア位置検出装置が示されて
おり、磁気格子の波長が異なる２個の磁気トラックを設
け、各磁気トラックの位相変調出力信号を位相比較する
ことにより、アブソリュート位置検出範囲を拡大した出
力信号を得ることが示されている。また、２個以上の磁
気トラックを設けてもよいことがそこには示されている
が、３個以上の磁気トラックを設けた場合に具体的にど
のような構成で検出範囲を拡大した出力信号を得るのか
、という点については何も示されていない。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記特公昭５０−２３
６１８号公報に示されたものは、磁気トラックとして、
逆方向の磁化が交互になされた磁気格子いわば永久磁石
の格子を設けねばならないため、製造・加工が面倒であ
り、コスト高になるという問題点があった。また、使用
環境も自ずと限定されるものであった。また、２個以上
例えば３個の磁気トラックを設けた場合に具体的にどの
ような構成で検出範囲を拡大した出力信号を得るのか、
不明であるため、効率的に検出範囲を拡大することがで
きなかった。

【０００５】この発明は上述の点に鑑みてなされたもの
で、検出対象の機械的変位に応じてそれぞれ異なる周期
からなる周期的な位置検出信号をそれぞれ発生する複数
のリニアセンサを使用し、その出力信号を演算すること
により、アブソリュート直線位置検出範囲を拡大した位
置検出信号を得ることができるようにしたアブソリュー
ト直線位置検出装置において、リニアセンサにおけるリ
ニアスケール部材の構成を簡単化し、コストがかからな
いようにすると共に、３個のリニアセンサを設けて検出
範囲を拡大する場合の具体的に実現策を提供することを
目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】第１の発明に係るアブソ
リュート直線位置検出装置は、（ａ）透磁率の異なる２
つの物質を直線変位方向に沿って所定のピッチで交互に
繰返し配したリニアスケール部材と、このリニアスケー
ル部材に対して相対的に変位可能に配され、この変位に
応じた前記２つの物質の相対的位置関係に応じて、該リ
ニアスケール部材の１ピッチの変位を１周期とする周期
的な位置検出信号を発生する電磁的検出ヘッド部とを具
備するリニアセンサを２個設け、各リニアセンサにおけ
る前記リニアスケール部材の１ピッチはそれぞれ異なっ
ており、各リニアセンサにおける前記リニアスケール部
材又は検出ヘッド部の一方を一体的に結合して検出対象
の機械的変位に応じて一体的に直線変位させるようにし
て成り、これにより、前記検出対象の機械的直線変位に
関して夫々異なる周期で各リニアセンサから前記位置検
出信号をそれぞれ発生するようにしたこと、及び（ｂ）
前記２つのリニアセンサに関し、第１のリニアセンサか
ら発生される第１の位置検出信号と第２のリニアセンサ
から発生される第２の位置検出信号との差を演算し、こ
の差に基づき、前記第１のリニアセンサに関する前記検
出対象の原点からの周期数を決定する演算を行ない、決
定した周期数を示す周期数信号を出力する演算手段を設
けたことからなるものである。

【０００７】第２の発明に係るアブソリュート直線位置
検出装置は、更に第３のリニアセンサを設け、第１のリ
ニアセンサと第３のリニアセンサの１ピッチの差は第１
及び第２のリニアセンサの１ピッチの差よりも小とし、
各リニアセンサにおける前記リニアスケール部材又は検
出ヘッド部の一方を一体的に結合して検出対象の機械的
変位に応じて一体的に直線変位させるようにして成り、
これにより、前記検出対象の機械的直線変位に関して夫
々異なる周期で各リニアセンサから前記位置検出信号を
それぞれ発生するようにしたものである。そして、第１
のリニアセンサから発生される第１の位置検出信号と第
２のリニアセンサから発生される第２の位置検出信号と
の差を第１の差として演算し、この第１の差に基づき、
前記第１のリニアセンサに関する前記検出対象の原点か
らの周期数を決定する演算を行ない、決定した周期数を
示す第１の周期数信号を出力する第１の演算手段と、第
１のリニアセンサから発生される第１の位置検出信号と
第３のリニアセンサから発生される第３の位置検出信号
との差を第２の差として演算し、この第２の差に基づき
、前記第１の周期数信号の周期数を決定する演算を行な
い、決定した周期数を示す第２の周期数信号を出力する
第２の演算手段を設けたものである。

【０００８】

【作用】上記のように、各リニアセンサは、リニアスケ
ール部材と電磁的検出ヘッド部とを具備しており、各リ
ニアセンサにおけるリニアスケール部材の１ピッチはそ
れぞれ異なっている。そして、各リニアセンサにおける
リニアスケール部材又は検出部の一方を一体的に結合し
て検出対象の機械的変位に応じて一体的に直線変位され
るようになっている。電磁的検出部は、リニアスケール
部材に対して相対的に変位可能であり、この変位に応じ
た前記２つの物質の相対的位置関係に応じて、該リニア
スケール部材の１ピッチの変位を１周期とする周期的な
位置検出信号を発生する。これにより、特段の運動変速
機構を設けることなく、各リニアセンサにおけるリニア
スケール部材又は検出部の一方を一体的に結合するだけ
の極めて簡単な構成により、検出対象の機械的直線変位
に関して夫々異なる周期で各リニアセンサから位置検出
信号を発生させることができる。

【０００９】例えば、検出対象の原点からの変位に対し
て、第１のリニアセンサの位置検出信号が丁度１周期分
変化したとき、別のリニアセンサの位置検出信号は丁度
１周期分の変化を示していず、各位置検出信号の間には
差が生じている。この差は検出対象の原点からの変位が
増すに従って次第に広がっていくものであり、第１のリ
ニアセンサに関する検出対象の原点からの周期数に比例
して増大する。従って、この差がどれだけあるかによっ
て、第１のリニアセンサの位置検出信号が原点から何周
期目のものであるかが判明する。従って、演算手段によ
って、第１のリニアセンサの第１の位置検出信号と第２
のリニアセンサの第２の位置検出信号との差を演算すれ
ば、この差に基づき、該第１のリニアセンサに関する検
出対象の原点からの周期数を決定することができる。こ
うして、求められた第１の周期数信号は、第１のリニア
センサの出力信号に基づく第１の位置検出信号の周期数
を示しているが故に、これら第１の位置検出信号と第１
の周期数信号との組合せは、検出対象の原点からの絶対
位置を広範囲にわたって特定するものである。

【００１０】このように、本発明では、アブソリュート
直線位置検出範囲を拡大することができ、また、特段の
運動変速機構を設けることなく、各リニアセンサにおけ
るリニアスケール部材又は検出ヘッド部の一方を一体的
に結合するだけの極めて簡単な構成であればよいので、
構成も簡素であり、かつ全体の検出分解能は１つのリニ
アセンサの１周期分の出力信号の分解能に依存するので
極めて高分解能であり、精度がよいものとなる。また、
リニアスケール部材は、透磁率の異なる２つの物質を直
線変位方向に沿って所定のピッチで交互に繰返し配して
成るものであるから、従来のもののように、所定のパタ
ーンで交互に磁化する（永久磁石化する）処理は全く不
要であり、単に透磁率の異なる２つの物質を交互に配置
するだけでよい。従って、製造・加工が簡単であり、か
つ低コストでもある。また、使用環境の制限も受けない
。

【００１１】なお、以下で説明する実施例において、第
１及び第２のリニアセンサに対応するものは符号Ｓ１，
Ｓ２で示されており、リニアスケール部材に対応するも
のは、ロッド状のコア部２−１，２−２であり、電磁的
検出部に対応するものは、ケーシング４−１内に収納さ
れた１次コイルと２次コイルの部分とそれに関連するデ
ィジタル位相差検出回路３７−１，３７−２の部分であ
る。また、演算手段に対応するものは演算装置ＣＯＭで
ある。

【００１２】第２の発明においては、更に、第３のリニ
アセンサを具備する。第１のリニアセンサと第３のリニ
アセンサの１ピッチの差は第１及び第２のリニアセンサ
の１ピッチの差よりも小であるから、第１のリニアセン
サから発生される第１の位置検出信号と第３のリニアセ
ンサから発生される第３の位置検出信号との差である第
２の差は、第１のリニアセンサから発生される第１の位
置検出信号と第２のリニアセンサから発生される第２の
位置検出信号との差である第１の差よりも小である。ま
た、これらの差は検出対象の原点からの変位が増すに従
って次第に広がっていくものであり、これらの差がどれ
だけあるかによって、第１のリニアセンサから発生され
る第１の位置検出信号が原点から何周期目の値であるか
が判明する。しかも、これらの差はいずれも周期性を示
す。つまり、差は検出対象の原点からの変位が増すに従
って次第に広がっていくが、位置検出信号それ自体が周
期性を持つが故に、これらの差も周期性を持つ。第１の
差の方が第２の差よりも変化率が大であるが故に、デー
タとしての精度は良好であり、第１の位置検出信号が原
点から何周期目であるかを検出するのに適している。し
かし、第１の差の周期は第２の差の周期よりも早く到来
するが故に、検出可能範囲を拡大するには、より遅い周
期を持つ第２の差を利用することが望ましい。

【００１３】そこで、第２の演算手段により、第２の差
を求める。ここで、この第２の差に基づき、第１の位置
検出信号に関する検出対象の原点からの周期数を直接求
めたのでは、その変化率が小さいが故に、第１の差に基
づきこれを求めた場合に比べてはるかに精度が悪くなっ
てしまう。そこで、精度良く、しかも検出可能範囲を拡
大するために、どうするかと言うと、この第２の演算手
段では、この第２の差に基づき、第１の周期数信号の周
期数を決定する演算を行うのである。もとより、各検出
部の出力信号の周期に相関性があり、第１の差と第２の
差との間にも相関性があるので、第２の差に基づき、第
１の周期数信号の周期数つまりは第１の差の周期数を決
定することができるのである。こうして決定した第１の
周期数信号の周期数を示す信号を第２の周期数信号とし
て出力する。つまり、第１の周期数信号の周期自体が第
１の位置検出信号の周期に比べてはるかに長いものであ
るので、変化率の小さな第２の差に基づく第１の周期数
信号の周期数の決定は、この第２の差に基づき第１の検
出部に関する検出対象の原点からの周期数を直接求める
場合に比べて、はるかに精度良く行なえるのである。

【００１４】こうして、求められた第１の周期数信号は
、第１の位置検出信号の周期数を示しており、また、第
２の周期数信号は、第１の周期数信号の周期数を示して
いるが故に、これら第１の位置検出信号、第１の周期数
信号及び第２の周期数信号の３者の組合せは、検出対象
の原点からの絶対位置を広範囲にわたって且つ精密に特
定するものである。これにより、更に拡大した範囲でア
ブソリュート直線位置の検出が可能である。

【００１５】実施例との対応を示すと、第３のリニアセ
ンサに対応するものがセンサＳ３であり、第２の周期数
信号を求めるための演算を行う手段に対応するものが上
述と同様に演算装置ＣＯＭである。

【００１６】以下添付図面を参照してこの発明の実施例
を詳細に説明しよう。最も単純な例として２個のリニア
センサを用いる例につき図１を参照して原理的に説明す
る。機械的直線変位に対して所定の周期で電気的出力信
号を発生するリニアセンサＳ１，Ｓ２としては、例えば
実開昭５８−１３６７１８号公報に示されたような複数
のコアを所定間隔で設けたものを利用する。一方のセン
サＳ１の出力信号の１周期に相当する検出対象の機械的
変位量をＰ１とし、他方のセンサＳ２の出力信号の１周
期に相当する検出対象の機械的変位量をＰ２とする。こ
の発明では、各センサの出力信号の１周期に相当する検
出対象の機械的変位量を夫々異ならせることを特徴とし
ているため、Ｐ１≠Ｐ２である。各センサＳ１，Ｓ２は
各周期毎の機械的直線変位量Ｐ１，Ｐ２の範囲内ではア
ブソリュート位置（１周期内での相対的なアブソリュー
ト位置）検出が可能である。各センサでは１周期分の出
力信号とし、Ｓ１がＮ１，Ｓ２がＮ２なる値を発生する
ものとする。すなわち、ディジタル型の場合、センサＳ
１が１周期をＮ１分割した精度でアブソリュート出力信
号を発生し、Ｓ２が１周期をＮ２分割した精度でアブソ
リュート出力信号を発生する。

【００１７】つまり、検出対象の機械的変位量がＰ１の
ときセンサＳ１はその１周期分の出力信号つまり最大出
力Ｎ１を出力し、Ｐ２のときセンサＳ２はその１周期分
の出力信号つまり最大出力Ｎ２を出力する。検出対象の
原点からの機械的変位量がＰ１もしくはＰ２以上となっ
たとき、センサＳ１，Ｓ２単独では、それらの出力信号
が原点から何周期目なのかが判らず、アブソリュート位
置は検出できない。しかし、下記のようにセンサＳ１，
Ｓ２の出力信号を組合せて利用すればアブソリュート位
置が判明する。

【００１８】単位変位量当りのセンサＳ１の検出値はＮ
１／Ｐ１なる定数で表わすことができ、同じくセンサＳ
２の検出値はＮ２／Ｐ２なる定数で表わすことができる
。そこで、検出対象が原点（原点ではセンサＳ１，Ｓ２
の出力が共に０である）からＰ１移動したときについて
考えると、センサＳ１の出力はＮ１であり丁度１周期分
である。また、センサＳ２の出力は（Ｎ２・Ｐ１）／Ｐ
２である。従って、検出対象の現位置に対してセンサＳ
１，Ｓ２から得られる出力信号の値をＤ１，Ｄ２で表わ
すと、アブソリュート位置Ｐ１のときはＤ１，Ｄ２は次
のようになる。 Ｄ１＝Ｎ１ Ｄ２＝（Ｎ２・Ｐ１）／Ｐ２　　　　　　　　　　　　
　　…（１）

【００１９】このことより、センサＳ１の
１周期分の直線変位Ｐ１につき、両センサＳ１，Ｓ２間
の出力信号の値は下記の変化分（定数）に従って順次ず
れていくことが明らかである。ここでＤ１２＝Ｄ１−Ｄ
２とする。 　　Ｐ１当りのＤ１２の変化分＝（Ｎ１・Ｐ２−Ｎ２・
Ｐ１）／Ｐ２　　　　　　　　　　　　…（２）

【００
２０】従って、演算装置ＣＯＭにおいて、検出対象の現
位置に対応する各セ，Ｓ２の出力の差「Ｄ１２＝Ｄ１−
Ｄ２」を求め、これを上記（２）式の定数によって下記
のように割算すれば、センサＳ１の現出力信号Ｄ１が原
点から数えて何周期目（Ｃｘ）のものであるのかという
ことが判明する。 　　Ｃｘ＝Ｄ１２÷（Ｎ１・Ｐ２−Ｎ２・Ｐ１）／Ｐ２
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　…（３）

【
００２１】上記（３）式によって求めた周期数Ｃｘの整
数部とセンサＳ１の出力信号Ｄ１とを組合せることによ
り（すなわち（３）式によって求めたＣｘの少数部また
は余りを切捨て、Ｄ１を少数部として用いる）、検出対
象の直線位置をアブソリュートで特定することができる
。 尚、Ｓ１とＳ２の周期のずれによりＤ１がＤ２よりも小
さくなることがあるが、その場合はＤ１の値にＮ１を加
算してＤ１２を求めるものとする。

【００２２】位相シフト型直線位置検出器によってセン
サＳ１，Ｓ２を構成した一例を図２に示す。まず、セン
サＳ１について説明すると、センサＳ１は、ケーシング
４−１内に所定の配置で収納された１次コイル及び２次
コイルと、これらのコイル内に直線移動可能に挿入され
た長尺のコア部２−１とを含んでいる。コア部２−１は
、軸方向に所定間隔で配された複数個のコア３−１と、
各コア３−１の間に設けられたスペーサ５−１と、これ
らコア３−１及びスペーサ５−１の周囲を蓋つたスリー
ブ６−１とを含んでいる。コア３−１は磁性体、スペー
サ５−１は空気その他の非磁性体である。このコア部２
−１は、検出対象として外部から与えられる直線運動に
応じて直線変位する。一例として、各コア３−１は所定
長さ「Ｐ１／２」（Ｐ１は任意の数）の円筒形状であり
、スペーサ５−１の長さはコア３−１の長さにほぼ等し
い。従って、コア３−１の配列における１ピッチ分の距
離は「Ｐ１」である。この実施例において、コイルは４
つの相で動作するように設けられている。これらの相を
便宜上Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄなる符号を用いて区別する。コア
３−１の位置に応じて各相Ａ〜Ｄに生じるリラクタンス
が９０度づつずれるようになっており、例えばＡ相をコ
サイン相とすると、Ｂ相はサイン相、Ｃ相はマイナスコ
サイン相、Ｄ相はマイナスサイン相、となるようになっ
ている。

【００２３】図２においては、各相Ａ〜Ｄ毎に個別に１
次コイル７，８，９，１０および２次コイル１１，１２
，１３，１４が設けられている。各相Ａ〜Ｄの２次コイ
ル１１〜１４は各々に対応する１次コイル７〜１０の外
側に夫々巻かれている。各コイルの長さはコア３−１の
長さにほぼ等しく、「Ｐ１／２」である。図２の例では
、Ａ相のコイル７，１１とＣ相のコイル９，１３とが隣
合って設けられており、Ｂ相のコイル８，１２とＤ相の
コイル１０，１４も隣合って設けられている。また、Ａ
相とＢ相またはＣ相とＤ相のコイルの間隔は「Ｐ１｛ｎ
±（１／４）｝」（ｎは任意の自然数）である。これに
より、Ａ，Ｃ相における磁気回路のリラクタンス変化に
対してＢ，Ｄ相における磁気回路のリラクタンス変化の
位相を９０度（１ピッチＰ１の１／４）ずらすことがで
きる。

【００２４】また、センサ１における各相Ａ〜Ｄのコイ
ルの配置は図１に示すものに限定されない。すなわち、
コア部２−１の直線変位に応じて各相Ａ〜Ｄにおける磁
気回路のリラクタンスが変化し、しかもそのリラクタン
ス変化の位相は各相毎に９０度づつずれる（従ってＡ相
とＣ相とでは１８０度ずれ、Ｂ相とＤ相とでも１８０度
ずれる）ようになっているため、そのようなリラクタン
ス変化をもたらすものでありさえすればよい。

【００２５】図２における１次コイル７〜１０及び２次
コイル１１〜１４の結線形式は例えば図３のようにする
。図３は、Ａ相とＣ相の１次コイル７及び９を正弦信号
ｓｉｎωｔによって互いに逆相で励磁し、２次コイル１
１及び１３の出力を同相で加算するようにした結線形式
を示すものである。Ｂ相とＤ相も上述と同様に、１次コ
イル８，１０を余弦信号ｃｏｓωｔで逆相励磁し、２次
コイル１２，１４の出力を同相加算する。

【００２６】図３の結線形式は要するに次のように表現
できる。すなわち、リラクタンス変化が１８０度ずれた
２つの相（ＡとＣあるいがＢとＤ）を互いに逆相で動作
させ、かつ、リラクタンス変化が９０度ずれた２つの対
（ＡとＣの対とＢとＤの対）の一方を正弦信号ｓｉｎω
ｔによって励磁し、他方を余弦信号ｃｏｓωｔによって
励磁する。換言すれば、２つの対（ＡとＣの対及びＢと
Ｄの対）は、そのリラクタンス変化の位相が９０度ずれ
た２つの作動トランスと同じものであり、そのリラクタ
ンス変化の位相ずれに応じた電気的位相ずれを有する２
種類の交流信号（ｓｉｎωｔ，ｃｏｓωｔ）によって各
々を個別に励磁するのである。Ａ，Ｃ相の対とＢ，Ｄ相
の対の２次コイル出力を加算したものがセンサＳ１の２
次側出力信号Ｙ１となる。この出力信号Ｙ１は、コア部
２−１の直線位置に応じた位相角φ１だけ基準交流信号
（ｓｉｎωｔまたはｃｏｓωｔ）を位相シフトしたもの
となる。その理由は、各相Ａ〜Ｄのリラクタンスが９０
度づつずれており、かつ一方の対（Ａ，Ｃ）と他方の対
（Ｂ，Ｄ）の励磁信号の電気的位相が９０度ずれている
ためである。この点を略式で示すと次の通りである。

【００２７】すなわち、コア部２−１の直線位置に対応
する位相をφ１とすると、直線位置に応じたリラクタン
ス変化の関数は、Ａ相がｃｏｓφ１、Ｂ相がｓｉｎφ１
、Ｃ相が−ｃｏｓφ１、Ｄ相が−ｓｉｎφ１なる略式で
示すことができる。Ａ相とＣ相を正弦信号ｓｉｎωｔに
よって互いに逆相で動作させ、かつＢ相とＤ相を余弦信
号ｃｏｓωｔによって互いに逆相で動作させ、その結果
生じた２次コイル出力を加算的に合成するので、出力信
号Ｙ１は次のような略式で実質的に表現することができ
る。 Ｙ１＝ｓｉｎωｔｃｏｓφ１−（−ｓｉｎωｔｃｏｓφ
１）＋ｃｏｓωｔｓｉｎφ１−（−ｃｏｓωｔｓｉｎφ
１）　　　＝２ｓｉｎωｔｃｏｓφ１＋２ｃｏｓωｔｓ
ｉｎφ１　　　＝２ｓｉｎ（ωｔ＋φ１）

【００２８】上記式で便宜的に「２」と示された係数を
緒種の条件に応じて定まる定数Ｋで置換えると、Ｙ１＝
Ｋｓｉｎ（ωｔ＋φ１） と表現できる。ここで、リラクタンス変化の位相φ１は
コア部２−１の直線位置ｘに所定の比例係数（または関
数）に従って比例しているので、出力信号Ｙ１における
基準信号ｓｉｎωｔ（またはｃｏｓωｔ）からの位相ず
れφ１を測定することにより直線位置ｘを検出すること
ができる。ただし、位相ずれ量φ１が全角２πのとき、
直線位置ｘは前述の距離Ｐ１（コア３−１の１ピッチ長
）に相当する。すなわち、信号Ｙ１における電気的位相
ずれ量φ１によれば、距離Ｐ１の範囲内での相対的な直
線位置が検出できるのである。

【００２９】センサＳ２はＳ１と同一構成であるが、コ
ア部２−２におけるコア３−２及びスペーサ４−２の間
隔Ｐ２がＰ１とは異なっている。センサＳ１とＳ２のコ
ア部２−１，２−２は連結部材５０で連結され、検出対
象の直線変位ｘに応じて一緒に直線移動する。そして、
コア部２−２の直線位置ｘに応じた電気的位相ずれφ２
を含む交流信号Ｙ２＝Ｋｓｉｎ（ωｔ＋φ２）がセンサ
Ｓ２の２次側から得られる。ただし、この位相ずれ量φ
２が２πのときの直線変位ｘはコア３−２の１ピッチ長
Ｐ２に相当する。

【００３０】両センサＳ１，Ｓ２の２次側出力信号Ｙ１
，Ｙ２を図４に示すような位相差検出回路３７−１，３
７−２に与えることにより、各ピッチ長Ｐ１，Ｐ２に対
応する機械的直線変位を１周期とする周期的な電気的出
力信号Ｄ１，Ｄ２を得ることができる。

【００３１】図４において、発振部３２は基準の正弦信
号ｓｉｎωｔと余弦信号ｃｏｓωｔを発生する回路、位
相差検出回路３７−１は上記位相ずれφ１を、３７−２
はφ２を夫々測定するための回路である。クロック発振
器３３から発信されたクロックパルスＣＰがカウンタ３
０でカウントされる。カウンタ３０は例えばモジュロＭ
であり、そのカウント値がレジスタ３１に与えられる。 カウンタ３０の４／Ｍ分周出力からは、クロックパルス
ＣＰを４／Ｍ分周したパルスＰｃが取り出され、１／２
分周用のフリップフロップ３４のＣ入力に与えられる。 このフリップフロップ３４のＱ出力から出たパルスＰｂ
がフリップフロップ３５に加わり、／Ｑ出力から出たパ
ルスＰａがフリップフロップ３６に加わり、これら３５
及び３６の出力がローパスフィルタ２１，２２及び増幅
器２３，２４を経由して、余弦信号ｃｏｓωｔと正弦信
号ｓｉｎωｔが得られ、センサＳ１，Ｓ２に入力される
。カウンタ３０におけるＭカウントがこれら基準信号ｃ
ｏｓωｔ，ｓｉｎωｔの２πラジアン分の位相角に相当
する。すなわち、カウンタ３０の１カウント値は２π／
Ｍラジアンの位相角を示している。

【００３２】回路３７−１において、センサＳ１の出力
信号Ｙ１は増幅器２５を介してコンパレータ２６に加わ
り、該信号Ｙの正・負極性に応じた方形波信号が該コン
パレータ２６から出力される。このコンパレータ２６の
出力信号の立上りに応答して立上り検出回路２８からパ
ルスＴｓが出力され、このパルスＴｓに応じてカウンタ
３０のカウント値をレジスタ３１にロードする。その結
果、位相ずれφ１に応じたディジタル値Ｄ１がレジスタ
３１に取り込まれる。

【００３３】もう一方の回路３７−２も回路３７−１と
同一構成であり、センサＳ２の２次出力信号Ｙ２を増幅
器３８を介してコンパレータ３９に入力し、立上り検出
回路４０を介してレジスタ４１を制御し、位相ずれφ２
に応じたディジタル値Ｄ２をカウンタ３０からレジスタ
４１に取り込む。尚、位相差検出回路３７−１を１個だ
けとし、レジスタ３１，４１のみ各センサＳ１，Ｓ２に
対応して設け、位相差検出回路を時分割的に利用するよ
うにしてもよい。

【００３４】以上のようにして求めた両センサＳ１，Ｓ
２の出力信号Ｄ１，Ｄ２を前述の通り演算ＣＯＭ（図１
）に供給し、前記第（３）式にしたがって演算を行なう
。但し、図４のように位相差検出回路３７−１，３７−
２を構成した場合、Ｎ１＝Ｎ２となり、これをＮで表わ
すと、第（３）式は 　　Ｃｘ＝Ｄ１２÷｛Ｎ（Ｐ２−Ｐ１）／Ｐ２｝　　　
　　　　　　　　　　　　　…（４）となる。勿論、Ｎ
１≠Ｎ２であっても差しつかえない。

【００３５】尚、図２の例において、 φ１＝（ｘ・２π）／Ｐ１，またφ２＝（ｘ・２π）／
Ｐ２であり、 Ｐ２−Ｐ１＝ａとすると、φ１−φ２＝２πｘ｛ａ／（
Ｐ１＋ａ）｝／Ｐ１であり、 これがＤ１２＝Ｄ１−Ｄ２に対応している。ここで、φ
１−φ２（つまりＤ１２に対応する位相差）の最大値２
π（つまりＤ１−Ｄ２の１周期）は ２π＝２πｘ｛ａ／（Ｐ１＋ａ）｝／Ｐ１であり、これ
を満たすｘの値ＸＭＡＸは ＸＭＡＸ＝Ｐ１｛（Ｐ１＋ａ）／ａ｝　　　　　　　　
　　　　　　　　…（５）である。この（５）式が２個
のセンサＳ１，Ｓ２を用いたときの最大アブソリュート
検出可能範囲を示している。 例えばＰ１＝１０ｍｍ，ａ＝１ｍｍのとき、ＸＭＡＸは
「１１０」となり、センサＳ１単独のアブソリュート検
出可能範囲Ｐ１（１０ｍｍ）の１１倍（１１０ｍｍ）の
範囲までアブソリュート検出範囲が拡大されることがわ
かる。

【００３６】このアブソリュート検出可能範囲を更に拡
大するには、センサの数を更に増加すればよい。例えば
第３のセンサＳ３を更に設け、機械的変位量Ｐ３（但し
、Ｐ３≠Ｐ１≠Ｐ２）を１周期とする出力信号Ｄ３を直
線変位ｘに応じて出力するようにする。好ましくはＰ１
＜Ｐ３＜Ｐ２とし、「Ｄ１−Ｄ３」の周期が「Ｄ１−Ｄ
２」の周期よりも長くなるようにし、「Ｄ１−Ｄ３」に
もとづき「Ｄ１−Ｄ２」の周期数を求めるようにすれば
よい。

【００３７】つまり、第３のリニアセンサＳ３を第１及
び第２のリニアセンサＳ１，Ｓ２と同様に一体的に直線
変位するように設けるのである。この第３のリニアセン
サＳ３のピッチＰ３は上記のような関係であるから、第
１のリニアセンサＳ１と第３のリニアセンサＳ３の１ピ
ッチの差は、第１のリニアセンサＳ１と第２のリニアセ
ンサＳ２の１ピッチの差よりも小である。従って、第１
のリニアセンサＳ１の位置検出信号Ｄ１と第３のリニア
センサＳ３の位置検出信号Ｄ３との差Ｄ１−Ｄ３の周期
はは、上述のように、Ｄ１−Ｄ２の周期よりも長い。Ｄ
１−Ｄ２の１周期当りのＤ１−Ｄ３の値は一定であり、
Ｄ１−Ｄ３の値はＤ１−Ｄ２の周期数に相関している。 従って、上述と同様に、差Ｄ１−Ｄ３を演算すれば、こ
の差Ｄ１−Ｄ３に基づき、Ｄ１−Ｄ２の周期数を求める
ことができる。従って、第１のリニアセンサＳ１の位置
検出信号Ｄ１と前記周期数Ｃｘとの組合せに加えて、こ
こで求めたＤ１−Ｄ２の周期数（第２の周期数信号とい
う）を更に組合せれば、アブソリュート直線位置を更に
拡大した範囲で特定することができる。

【００３８】３つのリニアセンサＳ１〜Ｓ３を設けた例
を図５に示す。この場合、第３のセンサＳ３の具体的構
成は図２と同様であってよいのは勿論であり、各センサ
Ｓ１〜Ｓ３のコア部が連結部材５０によって一体的に連
結されて、各々に対応するコイル部に対して一体的に相
対変位するようにすることは図２の説明から容易に理解
できるであろう。

【００３９】第３のセンサＳ３の１周期分の出力信号つ
まり最大出力をＮ３として、前記（１）式と同様にアブ
ソリュート位置Ｐ１に対応するＤ３を考えると、Ｄ３＝
（Ｎ３・Ｐ１）／Ｐ３　　　　　　　　　　　　　　　
　…（６）であり、Ｄ１−Ｄ３＝Ｄ１３として、Ｐ１当
りのＤ１３の変化分を前記（２）式と同様に示すと、 （Ｎ１・Ｐ３−Ｎ３・Ｐ１）／Ｐ３　　　　　　　　　
　　…（７）となる。ここで、説明の簡単化のために、
前述と同様に、Ｎ１＝Ｎ２＝Ｎ３＝Ｎとおくと、上記（
７）式つまりＰ１当りのＤ１３の変化分は、 ｛Ｎ（Ｐ３−Ｐ１）｝／Ｐ３　　　　　　　　　　　　
　　　…（８）である。

【００４０】前記差Ｄ１２に基づき前記（４）式により
求められる第１の周期数信号Ｃｘは、前記（５）式より
最大値が （Ｐ１＋ａ）／ａ＝Ｐ２／（Ｐ２−Ｐ１）　　　　…（
９）であり、これが第１の周期数信号Ｃｘの１周期に対
応する第１のセンサＳ１の出力信号の周期数である。こ
のときのＤ１３の値は前記（８）式の値に（９）式の周
期数を掛けたものであるから、 ｛Ｎ（Ｐ３−Ｐ１）Ｐ２｝／｛Ｐ３（Ｐ２−Ｐ１）｝…
（１０）である。従って、Ｄ１３の値を（１０）式の定
数によって次式のように割れば、第１の周期数信号Ｃｘ
の周期数を示す第２の周期数信号Ｃｙを得ることができ
る。 Ｃｙ＝Ｄ１３÷｛Ｎ（Ｐ３−Ｐ１）Ｐ２｝／｛Ｐ３（Ｐ
２−Ｐ１）｝…（１１）

【００４１】演算装置ＣＯＭで
は、３つのセンサＳ１，Ｓ２，Ｓ３の出力に基づき、前
記第１の差Ｄ１２＝Ｄ１−Ｄ２と第１の差Ｄ１３＝Ｄ１
−Ｄ３を求める演算、及び前記（４）式，（１１）式に
従い第１の周期数信号Ｃｘと第２の周期数信号Ｃｙを求
める演算を行うようにすればよい。これにより、第１の
センサＳ１の出力信号Ｄ１と第１の周期数信号Ｃｘ及び
第２の周期数信号Ｃｙの組合せにより、拡大されたアブ
ソリュート直線位置の検出がなされる。 つまり、Ｄ１は距離Ｐ１の範囲のアブソリュート直線位
置を示し、ＣｘはＤ１の繰返し周期数を原点からのアブ
ソリュート値で示し（ただし、前記（９）式で示すＰ２
／（Ｐ２−Ｐ１）が最大値）、ＣｙはＣｘの繰返し周期
数を原点からのアブソリュート値で示し、この３者の組
合せによりアブソリュート直線位置が特定される。

【００４２】更に、Ｐ１＜…＜Ｐ４＜Ｐ３＜Ｐ２なる関
係で複数のセンサを用いることが可能である。つまり、
第１のリニアセンサＳ１との１ピッチの差が更に小さな
第４のリニアセンサＳ４（この１ピッチをＰ４で示す）
を同様に設ければ、同様の理由により、Ｄ１−Ｄ３の周
期数を更に求めることができることは明らかである。こ
の考えを更に推し進めることも可能であることは上記不
等式に示されるように明らかであろう。

【００４３】ところで、単純に前記（３）式または（４
）式だけで周期数Ｃｘを求めると、センサＳ１，Ｓ２の
検出分解能に起因する誤差が生じることがある。これは
、理論上「Ｄ１−Ｄ２」はＤ１，Ｄ２の変化に伴って連
続的に変化する数ではあるが、実際は「Ｄ１−Ｄ２」の
変化はステップ状であり、かつＤ１とＤ２の変化ステッ
プも非同期であることによる。これを図により説明する
と図６のようであり、例えば、Ｎ１＝Ｎ２＝Ｎ＝１０２
４とし、Ｐ１当りのＤ１２の変化分｛Ｎ（Ｐ２−Ｐ１）
｝／Ｐ２＝３２としたときに、第１のセンサＳ１の出力
信号Ｄ１の周期が１周期目から２周期目に切り換わると
きの各センサＳ１，Ｓ２の出力Ｄ１，Ｄ２の状態を例示
している。同図（ａ）は各センサ出力Ｄ１，Ｄ２に誤差
が生じていない場合を示し、同図（ｂ）はセンサ出力Ｄ
２に進み方向に誤差が生じている場合を示し、同図（ｃ
）はセンサ出力Ｄ２に遅れ方向に誤差が生じている場合
を示す。（ａ）に示すように、正常な場合でも回転数の
切換わり直前の或る範囲では「Ｄ１−Ｄ２」が「３２」
となる部分が一部に生じ、この部分では前記（４）式に
よって求めた周期数Ｃｘが「１」となってしまう。これ
は、理論上「Ｄ１−Ｄ２」はＤ１，Ｄ２の変化に伴って
連続的に変化する数ではあるが、「Ｄ１−Ｄ２」の変化
ステップはＤ１の３２ステップにつき１ステップであり
、かつＤ１とＤ２の変化ステップは一致しているわけで
はなく徐々にずれてゆくため、「Ｄ１−Ｄ２」の理論上
の１変化ステップ（つまりＤ１の３２ステップ）の間、
実際の「Ｄ１−Ｄ２」は一定値を維持するわけでなく、
理論上の値とその値に１プラスした値とを交互に繰返し
、次第に１プラスした値の方が現われる比率が高くなり
、やがて理論上の変化ステップが切換わるとき実際の「
Ｄ１−Ｄ２」も理論値（前ステップの理論値に１プラス
した値）に切換わる、ということに起因する。従って、
Ｄ１２の理論値が３１から３２に切換わる範囲つまり「
９９２≦Ｄ１≦１０２３」の範囲では、図６（ａ）のよ
うにＤ１２＝３２となることもある。そのため、例えば
、Ｄ１＝１０２３，Ｄ２＝９９１の位置は本当は１周期
目（Ｃｘ＝０）の１０２３番地目であるが、単純に前記
（４）式を適用すると、Ｄ１２＝３２によってＲｘ＝１
となり、２回転目の１０２３番地目となってしまう。ま
た、同図（ｂ）に示すような誤差が生じている場合は、
Ｄ１＝０，Ｄ２＝９９２の位置では単純に前記（４）式
を適用してもＣｘ＝１となり、２周期目の０番地目とい
う正しい絶対位置が求まるが、Ｄ１＝０，Ｄ２＝９９３
の位置では単純に（４）式を適用するとＣｘ＝０となり
、１周期目の０番地目つまり原点という誤った位置が求
められてしまう。また、同図（ｃ）に示すような誤差が
生じている場合は、Ｄ１＝１０２３，Ｄ２＝９９０の位
置では１回転目の１０２３番地目であるにもかかわらず
、単純に（４）式を適用するとＣｘ＝１となり、２周期
目の１０２３番地目になってしまう。

【００４４】これによる誤差をなくすためには、センサ
Ｓ１の出力Ｄ１の周期が切換わる前後の所定の範囲にお
いて「Ｄ１−Ｄ２」の値に適宜の誤差修正のための修正
値を加算もしくは減算してやればよい。すなわち、第１
のセンサＳ１の出力信号Ｄ１の周期が切り換わる前の所
定の範囲では、Ｄ１−Ｄ２が理論値よりも大きくなるこ
とがあるため、その範囲においてその誤差分の補償を行
えばよい。そこで、第１のセンサＳ１の出力信号Ｄ１の
値がその周期が切り換わる直前の所定の第１の範囲に属
しているかを判定し、この範囲ではＤ１−Ｄ２に対して
所定の修正値を減算してやるようにすれば上記補償を行
うことができる。また、第１のセンサＳ１の出力信号Ｄ
１の周期が切り換わった後の所定の範囲では、Ｄ１−Ｄ
２が理論値よりも小さくなることがあるため、その誤差
分の補償を行えばよい。そこで、第１のセンサＳ１の出
力信号Ｄ１の値がその周期切り換わり直後の所定の第２
の範囲に属しているかを判定し、この範囲ではＤ１−Ｄ
２に対して所定の修正値を加算してやるようにすれば上
記補償を行うことができる。Ｄ１が所定の第１又は第２
の範囲にあるかどうかの判定と、修正値による修正用の
加減算は演算装置ＣＯＭで行えばよい。この修正値は適
宜の値に定めることができる。例えば「１」とすれば、
Ｄ１−Ｄ２が±１修正されるので、Ｄ１，Ｄ２の変化ス
テップずれが１ステップ以内の場合に有効である。「２
」とすれば、Ｄ１−Ｄ２が±２修正されるので、Ｄ１，
Ｄ２の変化ステップずれが２ステップ以内の場合に有効
である。このように、この補償数値は、Ｄ１とＤ２の変
化ステップのずれを何ステップまで許容するか（何ステ
ップまで補償するか）に応じて設計上適宜に設定してよ
い。

【００４５】算術上明らかなように、実際に求めた差Ｄ
１−Ｄ２に対して加算又は減算することに限らず、Ｄ１
にに対して加算又は減算しても、あるいはＤ２に対して
加算又は減算してもよく、またＤ１とＤ２の両方に適当
な値を加算又は減算するようにしてもよい。なお、Ｄ１
−Ｄ２に関する誤差と同様の性格の誤差はＤ１−Ｄ３に
関しても生じることがある。これに対しても上記と同様
に対処することにより補償を行うことが可能である。

【００４６】尚、上述ではコア部２−１，２−２を動か
し、コイルを静止しておくように説明したが、その逆で
もよい。

【００４７】リニア型センサは、図２のような位相シフ
ト型のものに限らず、同図と同様に複数のコアを設けて
直線位置に応じて周期的なアナログ直流電圧を得るよう
にした差動トランス型のセンサ、などその他の任意のリ
ニアセンサを用いてよい。尚、各センサの出力にもとづ
き所定のセンサの出力の周期数（各コア３−１）に対応
する絶対番地）を求めるための演算式は上述のものに限
らず、数学的解析にもとづき任意に設定し得る。

【００４８】

【発明の効果】以上の通り、この発明によれば、アブソ
リュート直線位置検出範囲を拡大することができ、また
、特段の運動変速機構を設けることなく、各リニアセン
サにおけるリニアスケール部材又は検出ヘッド部の一方
を一体的に結合するだけの極めて簡単な構成であればよ
いので、構成も簡素であり、かつ全体の検出分解能は１
つのリニアセンサの１周期分の出力信号の分解能に依存
するので極めて高分解能であり、精度がよいものとなる
。

【００４９】また、この発明によれば、リニアスケール
部材は、透磁率の異なる２つの物質を直線変位方向に沿
って所定のピッチで交互に繰返し配して成るものである
から、従来のもののように、所定のパターンで交互に磁
化する（永久磁石化する）処理は全く不要であり、単に
透磁率の異なる２つの物質を交互に配置するだけでよい
。従って、製造・加工が簡単であり、かつ低コストでも
ある。また、使用環境の制限も受けない、という利点が
ある。

【００５０】また、３個のリニアセンサを設けた場合、
第１のリニアセンサと第３のリニアセンサの１ピッチの
差は第１及び第２のリニアセンサの１ピッチの差よりも
小とし、第１のリニアセンサから発生される第１の位置
検出信号と第２のリニアセンサから発生される第２の位
置検出信号との差である第１の差に基づき、第１の位置
検出信号の周期数を示す第１の周期数信号を求める一方
で、第１のリニアセンサから発生される第１の位置検出
信号と第３のリニアセンサから発生される第３の位置検
出信号との差である第２の差に基づき、第１の周期数信
号の周期数を示す第２の周期数信号を求めるようにした
ため、第１の位置検出信号、第１の周期数信号及び第２
の周期数信号の３者の組合せにより、検出対象の原点か
らの絶対位置を広範囲にわたって且つ精密に特定するこ
とができ、これにより、更に拡大した範囲でアブソリュ
ート直線位置の検出が可能となるという優れた効果を奏
する。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例を示すブロック図。

【図２】この発明で使用するセンサ部分の一例を示す断
面図。

【図３】図２の１次及び２次コイルの結線例を示す回路
図。

【図４】図２の各センサから出力される交流信号に含ま
れる直線変位量に応じた位相ずれを検出するための回路
の一例を示すブロック図。

【図５】３つのセンサを用いた場合のこの発明の一実施
例を示すブロック図。

【図６】周期切り換わり点前後の誤差の可能性を説明す
るためにセンサ出力例を示す図。

【符号の説明】

Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３…リニアセンサ、ＣＯＭ…演算装置、
２−１，２−２…コア部、３−１，３−２…コア、５−
１，５−２…スペーサ、４−１…ケーシング、７，８，
９，１０…１次コイル、１１，１２，１３，１４…２次
コイル、３７−１，３７−２…位相差検出回路，５０…
連結部材。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　（ａ）透磁率の異なる２つの物質を直
   線変位方向に沿って所定のピッチで交互に繰返し配した
   リニアスケール部材と、このリニアスケール部材に対し
   て相対的に変位可能に配され、この変位に応じた前記２
   つの物質の相対的位置関係に応じて、該リニアスケール
   部材の１ピッチの変位を１周期とする周期的な位置検出
   信号を発生する電磁的検出ヘッド部とを具備するリニア
   センサを２個設け、各リニアセンサにおける前記リニア
   スケール部材の１ピッチはそれぞれ異なっており、各リ
   ニアセンサにおける前記リニアスケール部材又は検出ヘ
   ッド部の一方を一体的に結合して検出対象の機械的変位
   に応じて一体的に直線変位させるようにして成り、これ
   により、前記検出対象の機械的直線変位に関して夫々異
   なる周期で各リニアセンサから前記位置検出信号をそれ
   ぞれ発生するようにしたこと、及び（ｂ）前記２つのリ
   ニアセンサに関し、第１のリニアセンサから発生される
   第１の位置検出信号と第２のリニアセンサから発生され
   る第２の位置検出信号との差を演算し、この差に基づき
   、前記第１のリニアセンサに関する前記検出対象の原点
   からの周期数を決定する演算を行ない、決定した周期数
   を示す周期数信号を出力する演算手段を設けたことから
   なるアブソリュート直線位置検出装置。
2. 【請求項２】　　前記検出ヘッド部は、直線変位方向に
   所定間隔でずれて配置された複数の１次コイルと、この
   １次コイルに対応して設けられた２次コイルと、前記１
   次コイルの各々を位相のずれた複数の基準交流信号によ
   って個別に励磁し、これにより前記基準交流信号を前記
   コイルに対する前記リニアスケール部材の相対的直線位
   置に応じて位相シフトした出力交流信号を前記２次コイ
   ルに生ぜしめる回路と、この出力交流信号と前記基準交
   流信号との位相ずれを測定することにより位置検出信号
   を得る回路とを有するものである特許請求の範囲第１項
   記載のアブソリュート直線位置検出装置。
3. 【請求項３】　　（ａ）透磁率の異なる２つの物質を直
   線変位方向に沿って所定のピッチで交互に繰返し配した
   リニアスケール部材と、このリニアスケール部材に対し
   て相対的に変位可能に配され、この変位に応じた前記２
   つの物質の相対的位置関係に応じて、該リニアスケール
   部材の１ピッチの変位を１周期とする周期的な位置検出
   信号を発生する電磁的検出ヘッド部とを具備するリニア
   センサを３個設け、各リニアセンサにおける前記リニア
   スケール部材の１ピッチはそれぞれ異なっており、第１
   のリニアセンサと第３のリニアセンサの１ピッチの差は
   第１及び第２のリニアセンサの１ピッチの差よりも小で
   あり、各リニアセンサにおける前記リニアスケール部材
   又は検出ヘッド部の一方を一体的に結合して検出対象の
   機械的変位に応じて一体的に直線変位させるようにして
   成り、これにより、前記検出対象の機械的直線変位に関
   して夫々異なる周期で各リニアセンサから前記位置検出
   信号をそれぞれ発生するようにしたこと、及び（ｂ）第
   １のリニアセンサから発生される第１の位置検出信号と
   第２のリニアセンサから発生される第２の位置検出信号
   との差を第１の差として演算し、この第１の差に基づき
   、前記第１のリニアセンサに関する前記検出対象の原点
   からの周期数を決定する演算を行ない、決定した周期数
   を示す第１の周期数信号を出力する第１の演算手段を設
   けたこと（ｃ）第１のリニアセンサから発生される第１
   の位置検出信号と第３のリニアセンサから発生される第
   ３の位置検出信号との差を第２の差として演算し、この
   第２の差に基づき、前記第１の周期数信号の周期数を決
   定する演算を行ない、決定した周期数を示す第２の周期
   数信号を出力する第２の演算手段を設けたことからなる
   アブソリュート直線位置検出装置。