JPS5979114A - アブソリユ−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】 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。

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（もしくはトランスジューサ）には、公知のも
のとして差動ｌ・ランスがあり、捷だ本出願人による現
在出願中のものとして実願昭５６−２２０７５号に開示
されたものがある。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、実願昭５７−３２　］、　２７号明１％Ｉｊ
ｌ書においては１次コイル及び２次コイルから成るピッ
クアン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Ｊ−
るようにすることが提案されている。しかし、同先行出
願に開示きれたものにおいては、測定可能範囲は拡大さ
れるか、個々のコア１周朋内での直線位置しか検出でき
ず、アブソリュ−１・で検出し得る範囲が拡大をれたわ
けではなかった。

この発明は上述の点に鑑みて′ｆｒ、−ｇれたもので、
広範囲にわたってアフソリュ−１・直線位置を検出１〜
得る装置を提供しようとするものである。この発明によ
れば、機械的直線位置の変ｆヒに対して所定の周期で出
力信号を発生する複数の検出部が設けられ、これらの各
検出部の１周期か夫々異なる機械的変位量に対応するよ
うにをれる。その結果、検出対象たる直線位置に関ゆて
各検出部の出力信号の値に所定のずれが生じ、このずれ
を演碧することにより検出対象の原点にズ」する前記検
出部の中の所定の１つの出力信号の周期数が求捷り、こ
の周１ｔＪ］数の整数部と該検出部の現出力信号（１周
＋０１内の値）との、阻合せにより、検出対象のアブソ
リュート位置が特定てれる。

以下添イ」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
き第１図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８１．Ｓ２としては、例えば実願
昭５７−３２１２７号明細書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Ｓ
１の出力信号の１周期（こ相当する検出対象の機械的変
位量をＰｌ　とし、他方のセ／す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全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、ＰＩ＼Ｐ２　でめる。各センサＳ１、Ｓ２
は各周期毎の機械的直線変位Ｐ１　、Ｐ２の範囲内では
アブソリュート位置（１周期内での（目対的なアブソリ
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て、ＳｌがＮ、、
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Ｓ１が１周期を
Ｎ１分割した精度でアフソリュート出力信号を発生し、
Ｓ２が１周ル１をＮ２分割した精度でアブソリュート出
力信号全発生ずる。

つまり、検出対象の・凌械的変位量がＰ、のときセンサ
Ｓ１はその１周期分の出力侶−号つ寸りｌ襄大出力Ｎ、
を出力し、Ｐ２のときセンサＳ２はその１周期分の出カ
イ苫号つ捷り最大出力Ｎ２を出力する。検出対象の原点
からの機械的変位量かＪ）Ｉ　　もしくは２２以上とな
ったとき、センサＳｌ、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からす、アブソリュー
ト位置は検出てきない。しかし、下８己のよう（こセン
サ８１．Ｓ２の出力信号を組合せて利用すれはアブソリ
ュート位置が判明する。

る定数で表わすことができ、同じくセンサＳ２のこて、
検出対象か原点（原点ではセッサＳｌ、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Ｓ、の出力ばＮ１であり丁度１周１υ１分である
。また、セッサ８２の出力は対してセンサＳｌ、Ｓ２か
ら得られる出力信号の値をり、、１つ、で表わすと、ア
ブソリュ−１・位置ＰｌのときはＤ　＋　　、　Ｄ　２
は次のようになる。

Ｄ、＝Ｎ。

このことより、センサＳ１の１周期分の直線変位Ｐ１に
つき、圃センサＳ１，８２間の出カイ言号の値は下目己
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Ｄ１□＝０．−」つ。

とする。

従って１．演算装置ＣＯＭ　；とおいて、検出対象の現
位置に対応する各セッサＳｌ　、Ｓ２の出力の差［Ｄ１
□二り、−Ｄ２Ｊを求め、これを上記（２）式の定数に
よって丁記のように割算ずれば、センサＳ１の現出力信
号Ｄ１が原点から数えて何周ｕ目（Ｃｘ）のものである
のかということか判明する。

Ｃｘ　−Ｄ　１２÷１’Ｊ　＋　”　Ｐ　２　”　２　
”　”’　ｌ　　　　、、、　（：３）２ 上記（３）式によって求めた周期、孜Ｃｚの整故部とセ
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の小数−ｆｔｌｓまた
は余りを切捨て、Ｄｌを小数部として用いる）、位相シ
フト型直線位置検出器によってセンサ８１、Ｓ２を構成
した一例を第２図に示す。まず、セッサＳ１について説
明すると、セッサ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、軸方間に所定間
隔で配された複数個のコア３−１と、各コア６−１の間
に設けられたスペーサ５−１と、これらコア６−１及び
スペーサ５−１の周囲を蓋ったスリーブ６−１とを含ん
でいる。コア６−１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はの敢
）の円筒形状であり、スペーサ５−１の長きはコア６−
１の長さにほぼ等しい。従って、コア６−１の配列にお
ける１ピッチ分の距離は「Ｐｌ」である。この実施列に
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６−１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相はサイン化、Ｃ相はマイナ
スコサイン相、Ｃ相はマイナスサイン化、となるように
なっている。

第２図においては、各相Ａ−Ｄ毎に個別に１次コイル７
．８，９，１０及び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
ニーｊ：各々に対応する１次コである。第２図の？ｌＪ
では、Ａ相のコイル７．１１とＣ相のコイル９，１６と
が１隣合って設けられており、Ｂ相のコイル８，１２と
Ｃ相のコイル１０．１４も隣合って設けられている。捷
た、Ａ相と「　　＋去 Ｂ相またはＣ相とＣ相のコイルの間隔はＰ、　（ｎ　　
、４　」（１〕は任意の自然数）である。

また、セッサ１における各相Ａ−Ｄのコイルの配置は第
１図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ｍに９０度づつずれる（従って人相とＣ
相とでは１８０度ずれ、Ｂ相とＣ相とでもｊｓｏ＋ｉ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。

第２図における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第３図のようにする。第３図
は、Ａ相とＣ相の１次コイル７及び９を正弦信号比ωｔ
によって互いに逆相で励磁し、２次コイル１１及び１６
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を余弦信号部ωｔで逆相励磁し、２次コイル１２　
、１４の出力を同相加算する。

第、３図の結線形式は要するに次のように表現できる。

ずなわち、リラクタンス変化が１８０度ずれた２つの相
（ＡとＣあるいは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ｓＩｎωｔによっ
て励磁し、他方を余弦信号部ωｔ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つの差動
ｌ・ランスと同じものであり、そのリラクタンス変化の
（立札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）・：こよって各々を
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￥１となる。この出力信号￥１は、コ
ア部２−１の直、線位置）と応じた位相角φ、たけ基準
゛交流信号’Ｃｓｉｎωｔまたは邸ωｔ）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。

すなわち、コア部２−１の直線位置に対応する位相をφ
１とすると、直線位・置に応じたりラフタンス変化の関
数は、Ａ相がωＳφ１、Ｂ相がｓｉｎφ１、Ｃ相が一匪
φＩ、Ｄ相が−ｓｉｎφ、なる略式で示すことができる
。人相と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相を余弦信号部ωｔ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Ｙ、は次のような略
式で実質的に表現することができる。

Ｙ　１＝　ｓｉｎωｔｃｏｓφ１−（ｓｉｎωｔｃｏｓ
φ、）＋邸ωし翁φ、−（−旬ωｔ　ｓｉｎφ１　）”
＝　２　ｓｉｎωｔｃｏｓφ１＋２ｃｏｓωｔ　ｓｉｎ
φ。

＝　２　ｓｉｎ　（ωｔ＋φ、） 上記式で便宜的に「２」と示された係数を諸種の条件に
応じて定まる定数にで置換えると、Ｙ、＝　Ｋｓ＋ｎ（
ωｔ＋φ１　） と表現できる。ここで、リラクタンス変化の位相φ、は
コア部２−１゛の直線位置Ｘに所定の比例係数（捷たは
関数）に従って比例しているので、出力信号￥１におけ
る基準信号ｓｉｎωｔ（または邸ωｔ）からの［立札ず
れφ、を測定することにより直線位＃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、
直線位置又は前述の距離Ｐ（（コア６−１の１ピンチ長
）に相当する。

すなわち、信号Ｙ、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。

センサＳ２はＳｌと同一構成であるが、コア部２−２に
おけるコア６−２及びスペーサ４−２の間隔Ｐ２がＰｌ
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１２で連結され、検出対象の直線変
位Ｘにｊ芯じて一緒（・こ直線移動する。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
含む又原信号Ｙ２＝　Ｋ　ｓｉｎ　（ωｔ＋φ２　）が
センサＳ２の２次イ則から得られる。ただし、この位相
ずれ量φ２が２πのときの直線変位Ｘはコア６−２の１
ピンチ長Ｐ２に相当する。

両センサＳ１．Ｓ２の２次側出力信号Ｙ、、Ｙ２を第４
図に示す」：つな位相差検出回路３７−１゜６７−２に
与えることにより、各ピンチ長ＰｌｙＰ２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Ｄ
１　、Ｄ２を得ることができる。

第４図において、発振部６２は基準の正弦信号５石ωｔ
と余弦信号部ωｔを発生する回路、位相差検出回路６７
−１は上記位相ずれφ、を、６７−２はφ２を夫々測定
するための回路である。クロノり発振器６６から発振さ
れたクロフクパルスＣＰがカウンタ６０でカウントされ
る。カウンタ６０Ｕ　ｆｌｌえばモジュロＭであり、そ
のカウント値がレルスＰｃが敗り出きれ、７分周用のフ
リップフロップ３４０）Ｃ入力に与えられる。このフリ
ップフロップ６４のＱ出力から出たパルスＰｂがフリッ
プフロンプロ５に加わり、Ｑ出力から出たパルスＰａが
フリップフロンプロ６に加わり、こねら６５及び６６の
出力がローパスフィルタ２１，２２及び増幅器２３．２
４を経由して、余弦信号前ωｔ　と正弦信号ｓｉｎωｔ
が得られ、センサＳｌ、Ｓ２に入力される。カウンタ６
０におけるＭカウントがこれら基準信号部ωｔ、ｓｉｎ
ωｔの２πラジアン分の位相角に相当する。すなわち、
カウンタ６０の１力２π− ラント値はハ「フジアンの位相角を示している。

回路ろ７−１において、センサＳ１の出力信号Ｙ、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ク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、　このパルスでＳに応じてカウンタ６０のカウ
ント値をレジスタ６１にロードする。その結果、位相ず
れφ、に応じたディジタＪし値Ｄ１がレジスタ６１に取
り込捷れる。

もう一方の回路６７−２も回路６７−１と同一構成であ
り、センサＳ２の２次出力信号￥２を増幅器６８を介し
てコンパレーク６９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
ジクル値Ｄ１をカウンタ６０からレジスタ４１に取り込
む。尚、位相差検出回路ろ７−１を１個だけとし、レジ
スタ６１．４１のみ各センサＳｌ　、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。

以上のようにして求めた両センサＳ１．Ｓ２の出力信号
り１．Ｄ２を前述の通り演算ＣＯＭ（第１図）に供給し
、前記第（３）式に従って演算を行なう。但し、第４図
のように位相差検出回路６７−１．６７−２を構成した
場合、Ｎ、＝Ｎ２となり、これをＮで表わすと、第（３
）式は となる。勿論、Ｎ１＼Ｎ２であっても差しつがえない。

尚、第２図の例において、 １〕２−Ｐにａとすると、 カＤ、２　＝１Ｊ、−０２に対応している。ここで、φ
Ｉ−φ２．（つまりＬ）＋２に対応する位相値）の最大
１直２π（つまりＩＪ、−Ｄ２の１周期）はすＸの１直
ｘＭＡＸは Ｘ慧、＝　Ｐ、　、！　Ｐ→工）　　・・・（５）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＝］ｍｒｎのとき、ＸＴＶＩ
ＡＸはｒｌｌｏＪとなり、センサ８１単独のアブソリュ
ート検出苛能範囲Ｐ、　（１０ｍｍ　）Ｏ）　１１倍（
１１０皿）の範囲までアブンリュート検出範囲が拡大さ
れることがわかる。

このアブソリュ−１・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。１夕１えば第３の
センサＳ３を更に設け、（幾械的変位附Ｐ３（イ旦し、
Ｐ３＼Ｐ１＼Ｐ２）を１周ル］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。

の周期がｒＤ＋　　Ｄ２Ｊの周期よりも長くなるように
し、ｒＤｌ−Ｄ３Ｊにもとづき「Ｄ、−Ｄ２Ｊの同州い
る・ことが可能である。

ところで、単純に前記（３）式または（４）式だけで周
ｊυＬｎＣｘｋ求めると、セッサＳ１．Ｓ２−の検出分
解１ｊ比に起因する誤差が生じることがある。これは、
理論上ｒ　、Ｄ　、　−Ｄ　２　Ｊはり、、Ｉ）２の変
化に伴って連続的に変化する数ではあるが、実際はｒＤ
ｌ−Ｉ〕２」の変化はステップ状であり、かつＤｌとＤ
２の変化ステップも非同期であることによる。これによ
る誤差をなくすためには、セッサｓ１の出力Ｄ　１の周
ｊυ」が切換わる前後の所定の範囲においてｒＤ、−Ｄ
２Ｊの値に所定数値を加算もしくは減算してやればよい
。

尚、上述ではコア部２−１．２−２を勅がし、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。

捷だ、第２図では第１のセッサｓ１に与えられる機械的
変位と第２のセンサｓ２に与えられる機械的変位は同一
であるが、ギア、ランク、ピニオン等の機械的変速手段
を用いて検出対象の直線変位がセンサＳ１と８２に異な
る伝達比で与えられるようにしてもよい。その場合、例
えばセンサｓ１とｓ２のコア３−１，３−２のピンチを
同一とし、検出対象直線変位のセンサＳ１に対する伝達
比を」上 １とし、センサＳ２に対する伝達比を　　　とすれ２ ばよい。捷た、一方のセンサＳ１に検出対象の変位を直
接−りえ、他方のセッサＳ２には検出対象の１ 変位に同期して所定の比（例えばＴ７）で変位する動力
源（これはリニア動力源に限らず回転動力源でもよい）
の変位を与えてもよい。また、複数のセンサのずべてか
リニア型センサである必要はなく、回転型センサを用い
てもよい。捷た、リニア型センサも、第２図のような位
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一ヒンサ、あるいはイン
クリメンタルパルスをカウンタで計数するとと′により
直線位置に応じた周期的な出力を得るようにしたもの、
などその他の任意のリニアセッサを用いてよい。尚、各
センサの出力にもとつき所定のセンサの出力の周期数（
各コア６−１）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。

以上説明したようにこの発明によれば、夫々異なる。機
械的直線変位量を１周期とする出力・信号を検出対象の
直線変位に応じて発生する複数の検出；・ηＩＳを設け
たので、こ九、らの検出部の１周期分の変位量の相違を
利用した演算によって所定の検出部の出力信号を複数周
期にわたって番地づけすることができ、この周期の番地
と該検出部の出力信号（１周期内の饋）との組合せによ
シ広範囲にわたるアブソリュート直線位置を特定するこ
とができるようになる。しかも、全体の検出分解能は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
能とすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示すブロック図、第２図
はこの発明で使用するセンサ部分の一例を具体的に示す
断面図、第３図は第２図の１次及び２次コイルの結線例
を示す回路図、第４図は第２図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、である。 Ｓｌ、Ｓ２・・・リニアセッサ、ＣＯＭ・・・演算装置
、２−１，２−２・・・コア部、３−１．３−２・・・
コア、５−１．５−２・・・スペーザ、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。 特許出願人　　株式会社　ニスジー 代理人　飯塚義仁

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 Ｊ　検出対象の機械的直線変位に関して夫々異なる機械
   的変位量に対応する所定の周期で電気的出力信号を発生
   する複数の検出部と、各検出部間の前記同期の相違並び
   に各検出部の前記出力・信号を利用して、前記検出部の
   所定の１つに関して前記検出対象の原点から現位置まで
   の周期数を求める演算手段とを具え、求めた周期数の整
   数部と前記所定の検出部の出力信号との組合せにより前
   記検出対象のアブソリュート位置を特定するようにした
   アブソリュート直線位置検出装置。 ２　前記検出部は、検出対象の直線位置に応じて基準交
   流信号を位相シフトした出力を生じる位相シフト型セン
   サと、このセンサの出力信号と前記基準交流信号との位
   相ずれを測定する回路とを含む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、前記位相シフト型センサは、直線変位方向に所定間
   隔でずれて配置烙れた複数の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
   ル及び２次コイルに関して相対的に直線変位方向に設け
   られ、かつ直線変位方向に所定間隔で設けられた複数個
   のコアを含むコア部とを具備し、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
   前記コア部の直線位置に応じて位相シフトした出力信号
   を前記２次コイルに生せしめるようにしたものである特
   許請求の範囲第２項記載のアブソリュート直線位置検出
   装置。 ４　前記複数の検出部の各々は、夫々異なる機械的変位
   量を１周期として周期的な電気的出力信号を生じるもの
   であり、これら各々の検出部に検１−１」対象の直線運
   動が共通の伝達比で伝達されるようになっている特許請
   求の範囲第１項記載のアブソリュ−１・直線位置検出装
   置。 ５　前記複数の検出部の各々は、夫々同一の機械的ｆ’
   Ｍ　かを１周ｊυ］として周期的な電気的出力信号を生
   じるものであり、これら各々の検出部に検出対象のｉび
   線運動が異なる伝達比で伝達てれるようにし、その結果
   として検出対象の直線変位に関して夫々異なる機械的変
   位量全１周期とする出力信吋が各検出部から得られるよ
   うにした特許請求の範囲第１項記載のアブソリュ−１・
   直線位置検出装置。