JPH0794962B2 - 絶対位置検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （発明の技術分野） この発明は、位置決め装置等に用いられるリニアスケー
ルにおいて、絶対位置を検出する場合の絶対位置検出装
置に関する。

（発明の技術的背景とその問題点） 工作機械などに用いられる位置決めシステムとして最も
重要な要素である位置検出部には、いろいろな手段が考
えられている。この中で従来より用いられているリニア
スケールでは、インダクトシンの原理を用いたものが一
般的となっている。

第４図はこのリニアスケールの原理的構造を示すもの
で、固定側のスケール２及び移動可能なスライダ３の２
つの波状の導体（以下、コイルという）を微小なギャッ
プを隔てて平行に対向させ、スケール２に交流電源１か
ら電流を加えると電磁誘導作用によってスライダ３に電
圧が誘起される。いま、スケール２に電流Y1が流れると
磁束FFが生ずるため、スライダ３に電流Y2が誘起される
のである。リニアスケールは、この誘起電圧の変化を抽
出して位置検出を行なうものである。この誘起電圧の大
きさは、スケール２とスライダ３との間の電磁結合度に
よって、つまり相対位置によって変化する。

第５図（Ａ）〜（Ｆ）及び第６図に、それぞれスケール
２及びスライダ３の相対位置と電磁結合度との関係を示
す。第５図（Ａ）はピッチ間隔Ｐで配置されるコイルか
ら成るスケール２を示し、同図（Ｂ）は同様にピッチ間
隔Ｐで設置されるコイルから成るスライダ３を示す。そ
して、同図（Ｂ）〜（Ｆ）はこのスライダ３が移動して
行く過程を示し、第６図は移動した位置Ｘと電磁結合度
との関係を誘起電圧IVで示すものである。ここで、誘起
電圧IVはスケール２とスライダ３のコイルが重なり合っ
た位置（同図（Ｂ））で最大となり、スライダ３を平行
移動させていくと徐々に減少し、導体ピッチＰの1/4だ
けずれた位置（同図（Ｃ））では磁束が互いに打消し合
って誘起電圧IVは０となる。さらに、平行移動させると
P/2ピッチ（同図（Ｄ））で第５図（Ｂ）の０ピッチの
場合とは逆特性の最大値となり、Ｐ・3/4ピッチ（同図
（Ｅ））で０、ピッチＰ移動した位置（同図（Ｆ））で
０ピッチのときと同じ極性で最大、つまり同一の状態と
なる。このように、誘起電圧IVの変化はコイルの１ピッ
チＰ間でスライダ３の平行移動に伴って１サイクルを描
き、第６図に示すようになり、次の１サイクルも同じパ
ターンを繰返すことになる。第６図で（Ｂ）〜（Ｆ）の
マークはそれぞれ第５図（Ｂ）〜（Ｆ）の状態に対応し
ている。

第７図はスケール２及びスライダ３のコイル配置を示す
もので、スライダ３には1/4ピッチずれたSin出力コイル
５及びCos出力コイル６の２つのコイルが設けられてお
り、スケール２のコイルに交流電源１を印加した場合、
スライダ３の互いに1/4ピッチずれたコイル５及び６に
は、スライダ３の移動に伴って電磁結合度がSin及びCos
カーブで変化する２つの誘起電圧が出力される。従っ
て、電磁結合度を示す誘起電圧の変化は、２つのコイル
５及び６間の相対位置と一義的な関係にあるので、この
誘起電圧を検出することによってスライダ３の移動位置
の測定ができる。

しかしながら、上述のような検出装置で絶対位置を測定
できるのは１ピッチの範囲内だけであり、スライダ３の
大きな移動範囲にわたって絶対検出することはできず、
インクリメンタルな位置としてしか検出できない欠点が
ある。

（発明の目的） この発明は上述のような事情からなされたものであり、
この発明の目的は、スケールに巻回されたコイルのピッ
チを所定幅ずつ異ならせると共に、複数のスライダを設
けることにより、広範囲にわたって絶対位置を検出する
ことができる絶対位置検出装置を提供することにある。

（発明の概要） この発明は波状であって、前記波の一周期のピッチ間隔
（ｌ）が所定幅（Δｌ）ずつ漸増する第１の導体を備え
た固定側スケールと、前記第１の導体に電流を出力する
出力部と、前記第１の導体の当初の一周期のピッチ間隔
（ｌ）を周期とし、かつ前記固定側スケールに近接して
長軸方向に平行となるように9l/4だけずらして配置され
た２個の波状の第２の導体を備え、前記固定側スケール
に近接して長軸方向に平行となるように4l＋６Δｌだけ
離して配設された移動可能な２個のスライダと、前記固
定側スケールに対する前記スライダの移動距離（Ｘ）に
対応して前記第１の導体により前記第２の導体から誘起
される出力電圧の位相を検出する位相検出部と、前記固
定側スケールと前記スライダとの間の絶対位置（P_n1）
を次の３つの式（a,b,c）で表わし、 ただし、ｎは前記スライダを通過したピッチ数 S1,S2は前記位相検出部からの位相検出信号の値 前記位相検出信号の値（S1,S2）がS1＞S2のときは位相
検出信号の値（S1,S2）を前記（ａ），（ｂ）式に代入
し、S1＜S2のときは位相検出信号の値（S1,S2）を前記
（ａ），（ｃ）式に代入して前記２つの式を同時に満足
するピッチ数（ｎ）を求め、このピッチ数（ｎ）を前記
（ａ）式に代入して前記絶対位置（P_n1）を求める演算
処理部とを備えるようにしたものである。

（発明の実施例） 第１図はこの発明の一実施例を示すもので、スケール2A
にはコイルが複数巻回されると共に、そのピッチ間隔を
増分Δｌとして順次変化させて、つまりピッチ間隔がl,
l＋Δl,l＋２・Δl,……,l＋ｎ・Δｌとなるように配置
されている。また、この発明では２個のスライダ3A及び
3Bをスケール2Aと平行にかつ微小ギャップを隔てて対向
させ、スライダ3AにはSin出力コイル5A及びCos出力コイ
ル6Aを、スライダ3BにはSin出力コイル5B及びCos出力コ
イル6Bをそれぞれ配設して一体的に構成されている。こ
れらSin出力コイル5A及び5BとCos出力コイル6A及び6B
は、ピッチ間隔がスケール2Aのコイルの当初のピッチ間
隔ｌであって、第７図で説明したようにスライダ3A及び
3Bの移動に従ってそれぞれSin信号とCos信号が出力され
るような配置となっている。また、スケール2Aの長さ
は、スライダ3A及び3Bの全体長よりも長くなっている。
そして、スライダ3Aは、そのsin出力コイル5Aがスケー
ル2Aのコイルうちの最小ピッチｌであるコイルの一側端
に合致するように配置され、スライダ3Bは、そのSin出
力コイル5Bがスケール2Aのコイルのうちのピッチ間隔が
（ｌ＋４・Δｌ）のスタート点に合致するような関係で
配置されている。スケール2Aのコイルに励磁電源７より
交流電流を供給すると、スライダ3A及び3Bの移動距離Ｘ
に応じて、スライダ3AのSin出力コイル5A及びCos出力コ
イル6Aの出力V_1a及びV_2aとしてSin信号及びCos信号がそ
れぞれ出力されると共に、スライダ3BのSin出力コイル5
B及びCos出力コイル6Bの出力V_1b及びV_2bとしてSin信号
及びCos信号がそれぞれ出力される。

このような構成において、先ずスライダ3A及び3Bの移動
距離Ｘに対する出力電圧V_1a,V_1b,V_2a,V_2bの関係を解析
する。スライダ3A,3Bの移動距離Ｘに対応して、Sinコイ
ル5A,5B及びCos出力コイル6A,6Bから出力される出力電
圧は、第６図において説明したようにそれぞれSin X及
びCos Xに比例した電圧となる。いま、基準位置Ｏから
のスライダ3A及び3Bの移動距離をX1及びX2とし、励磁電
源７をA sinωｔ、スケール2Aとスライダ3A及び3Bとの
間の磁気的結合係数をそれぞれK1及びK2とすると、次式
が成り立つ。

これら（１）〜（４）式を位相検出し、移動距離X1及び
X2に対応した出力電圧をDS1及びDS2とした場合、移動距
離Ｘに対する出力電圧DS1及びDS2の関係を第３図に示し
て説明するが、その前に位相検出する方法について第２
図を参照して説明する。

第２図は位相検出装置のブロック構成を示しており、励
磁電源７をスケール2Aのコイルに印加することにより、
スライダ3A及び3BのSin出力コイル5A,5B及びCos出力コ
イル6A,6Bからそれぞれ出力電圧V_1a,V_1b及びV_2a,V_2bが
誘起される。これら出力電圧のうちV_1a,V_2aはディジタ
ルコンバータ10Aに、出力電圧V_1b,V_2bはディジタルコン
バータ10B（構成内容は10Aと同一なのでここでは省略し
てある）にそれぞれ入力される。ここではディジタルコ
ンバータ10Aについて説明する。出力電圧V_1a及びV_2aは
それぞれ乗算器13A及び13Bに入力され、Cos変換手段11
及びSin変換手段12の出力電圧とそれぞれ乗算される。
そして、乗算器13A及び13Bの出力電圧V10及びV11はそれ
ぞれ加算器14に入力されて加算され、この加算器14の出
力電圧V12は位相検出部15において励磁電源７からのＡ
・Sinωｔを基準として位相検出され、位相検出電圧V13
を出力する。位相検出電圧V13は積分器16によって積分
された後、電圧制御発振器17においてパルス列化され
る。このパルス列化されたパルス列はアップダウンカウ
ンタ18に入力され、出力電圧φを出力すると共に、この
出力電圧φのディジタル信号DS1を出力する。そして、
出力電圧φはCos変換手段11及びSin変換手段12に入力さ
れ、それぞれCosφ及びSinφに変換されて乗算器13A及
び13Bに入力される。一方、出力電圧V_1b及びV_2bはディ
ジタルコンバータ10Bに入力され、上述と同様の処理を
されてディジタル信号DS2を出力する。上述のようにし
て得られたディジタル信号DS1及びDS2は、それぞれコン
ピュータ等で成る演算処理部20に入力されて所定の演算
処理が行なわれる。

このような構成において、その動作を解析する。ここ
で、前述の（１）〜（４）式における磁気的結合係数K1
及びK2は原理的に等しいので、 K1＝K2＝Ｋ ………（５） とおいて以下の解析を説明する。

スライダ3Aの出力電圧V_1a及びV_2aは、それぞれ乗算器13
A及び13BにおいてCosφ及びSinφと乗算されるので、 となる。そして、これら乗算器13A及び13Bの乗算結果を
加算する加算器14の加算出力V12は、 となる。さらに、位相検出部15において励磁電源からの
基準信号Ａ・Sinωｔにより位相検出されると、位相検
出出力V13は、 となる。ここで、乗算器ループはこの（９）式のV13が
０となるようにループ形成されている。つまり、 となるようなループ形成となている。従って、移動距離
X1の値は、φとｎの値を用いた式で求められ、同時にこ
のφの値がディジタル信号DS1となって演算処理部20に
入力されるのである。同様に、スライダ3Bの移動距離X2
に関係するディジタル信号DS2が演算処理部20に入力さ
れるのである。

なお、ここで求められたディジタル信号DS1及びDS2はあ
くまでもスケール2Aの１ピッチの範囲内での値であるか
ら、以下にこれらX1及びX2に対応するディジタル信号DS
1及びDS2の２つの信号による絶対値を求める手順につい
て第３図を参照して説明する。

移動距離PS1は、このときのディジタル信号DS1の値がS1
であったとすると、 となるから、一般式としてピッチ数をｎとすれば移動距
離Pn1は次のようになる。

同様にして、ディジタル信号DS2の値がS2であったとす
ると、このときの一般式として移動距離P_n1は次のよう
になる。

ここで、（12）式及び（13）式におけるPn1は、本来等
しいものであるから、 となる。ところで、（14）式は第３図の移動距離PS1の
ような状態での一般式から求めたものであるが、実際に
はPS2のような位置関係の状態もあり得る。このときの
ディジタル信号DS1及びDS2の値がそれぞれS3及びS4であ
るとすると、（12）式が（15）式に、（13）式が（16）
式に、（14）式が（17）式にそれぞれ対応して、次式が
得られる。

そして、（14）式または（17）式によりピッチ数ｎを求
めるのであるが、この算出方法としては例えば逐次代入
法が用いられる。すなわち、ディジタルコンバータ10A
及び10Bから得られる位相検出電圧の値（この段階ではS
1及びS2であるかS3及びS4であるか判らない）並びに既
知量であるｌ及びΔｌと、暫定的なピッチ数ｎ、例えば
最小のピッチ数０を（14）か（17）式のいずれか一方
（例えば（14）式に代入し、（14）式の等式が成立する
か否かをみる。そして、（14）式の等式が成立しなけれ
ば次の暫定的なピッチ数ｎ、例えば２番目に小さいピッ
チ数１を同様に（14）式に代入して等式成立の可否をみ
る。このように（14）式の等式が成立するまでピッチ数
ｎを順次増加して（14）式に代入する処理を続け、等式
が成立したときのピッチ数ｎを求め、このピッチ数ｎを
（12）式又は（13）式に代入することによりスケール2A
の移動量Ｘの絶対値を検出することができる。一方、ス
ケール2Aにより予め定まるピッチの数、すなわち最大の
ピッチ数ｎまでのいずれのピッチ数ｎを（14）式に代入
しても等式が成立しなければ、上述したのと同様の処理
を他方の式（この例では（17）式）の等式が成立するま
で続け、等式が成立したときのピッチ数ｎを求め、この
ピッチ数ｎを（15）式又は（16）式に代入することによ
りスケール2Aの移動量Ｘの絶対値を検出することができ
る。ここで、上記逐次代入法で求まるピッチ数ｎ（ｎは
０以上の整数）が（14）式または（17）式のいずれか一
方でしか定まらない理由を説明する。（14）式の右辺第
１項の係数は１より大であり、右辺第２項は正であるこ
とから、S1＞S2（但し、S1,S2≧０）となる。また、（1
7）式の右辺第２項は正であることからS3＜S4（但し、S
3,S4≧０）となる。すなわち、（14）式と（17）式は、
ディジタルコンバータ10A及び10Bから得られる位相検出
電圧の値S1及びS2、S3及びS4の大小によって適用が一義
的に決定されるので、逐次代入法で求まるピッチ数ｎは
（14）式または（17）式のいずれか一方でしか定まらな
い。なお、これら演算は演算処理部20において行なわれ
る。

なお、この発明の理解を容易にするため、第１図の例で
はスケール2Aとスライダ3A及び3Bのスタート位置とし
て、各コイル端を合致させるように配置したが、どのよ
うな位置にあっても以上の解析結果は適用できるもので
ある。また、ディジタル信号DS1及びDS2をここでは最大
値を999として解析したが、これは１サイクル（１ピッ
チ）の分割数（1000分割）であり、任意に選択すること
ができ、またスライダを３個以上使用することにより更
に精度を向上させることも可能である。

（発明の効果） 以上のようにこの発明によれば、一般的に用いられてい
るリニアスケールのスケールコイルピッチを変更するだ
けで、全測長範囲内において絶対位置が検出できるの
で、極めて簡易で性能のよい絶対位置検出装置を実現で
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示す図、第２図は位相検
出装置の一例を示すブロック図、第３図はこの発明の動
作解析図、第４図はこの発明の基礎となるリニアスケー
ルの原理的構造図、第５図（Ａ）〜（Ｆ）及び第６図は
リニアスケールの電磁結合度を説明するための図、第７
図はスケールとスライダのコイル配置を示す図である。 １……交流電源、2,2A……スケール、3,3A,3B……スラ
イダ、5,5A,5B……Sin出力コイル、6,6A,6B……Cos出力
コイル、７……励磁電源、10A,10B……ディジタルコン
バータ、11……Cos変換手段、12……Sin変換手段、13A,
13B……乗算器、14……加算器、15……位相検出部、16
……積分器、17……電圧制御発振器、18……アップダウ
ンカウンタ、20……演算処理部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 博田 能民 静岡県沼津市大岡2068の３ 東芝機械株式 会社沼津事業所内 (72)発明者 鈴木 公夫 静岡県沼津市大岡2068の３ 東芝機械株式 会社沼津事業所内 (56)参考文献 特開 昭61−134604（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】波状であって、前記波の一周期のピッチ間
   隔（ｌ）が所定幅（Δｌ）ずつ漸増する第１の導体を備
   えた固定側スケールと、前記第１の導体に電流を出力す
   る出力部と、前記第１の導体の当初の一周期のピッチ間
   隔（ｌ）を周期とし、かつ前記固定側スケールに近接し
   て長軸方向に平行となるように9l/4だけずらして配置さ
   れた２個の波状の第２の導体を備え、前記固定側スケー
   ルに近接して長軸方向に平行となるように4l＋６Δｌだ
   けずらして配置された移動可能な２個のスライダと、前
   記固定側スケールに対する前記スライダの移動距離
   （Ｘ）に対応して前記第１の導体により前記第２の導体
   から誘起される出力電圧の位相を検出する位相検出部
   と、前記固定側スケールと前記スライダとの間の絶対位
   置（P_n1）を次の３つの式（a,b,c）で表わし、 ただし、ｎは前記スライダを通過したピッチ数 S1,S2は前記位相検出部からの位相検出信号の値 前記位相検出信号の値（S1,S2）がS1＞S2のときは位相
   検出信号の値（S1,S2）を前記（ａ），（ｂ）式に代入
   し、S1＜S2のときは位相検出信号の値（S1,S2）を前記
   （ａ），（ｃ）式に代入して前記２つの式を同時に満足
   するピッチ数（ｎ）を求め、このピッチ数（ｎ）を前記
   （ａ）式に代入して前記絶対位置（P_n1）を求める演算
   処理部とを備えたことを特徴とする絶対位置検出装置。