CN116888434A - 位移检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种位移检测装置。位移检测装置(100)所具备的检测信号处理装置(3)具备第1差动放大器(31)、第2差动放大器(32)以及运算处理部(35)。第1差动放大器(31)输出将余弦函数与负余弦函数合成而得到的第1交流信号。第2差动放大器(32)输出将正弦函数以及负正弦函数合成而得到的第2交流信号。运算处理部(35)至少在位移检测装置(100)的开始使用时，决定实质上表示励磁信号与第1交流信号以及第2交流信号的相位偏移量的值。在检测位移时，运算处理部(35)使用在基于所决定的上述值的定时取得的第1交流信号的值与第2交流信号的值进行arctan运算，输出刻度尺(1)相对于磁检测头(2)的相对位移信息。

Description

位移检测装置

技术领域

本发明涉及一种检测测定对象物的位移的位移检测装置。

背景技术

一直以来，已知有利用电磁感应现象来检测测定对象物的位移的位移检测装置。专利文献1公开了作为这种位移检测装置的旋转分解器。

专利文献1的旋转分解器用于得到马达的旋转角度。该旋转分解器具备AD转换部以及校正部。AD转换部对相位不同的多相的信号波进行模拟/数字转换。AD转换后的信号波的相位相对于励磁信号的相位延迟。向校正部输入在励磁周期内具有基准相位位置的励磁信号，并且输入来自AD转换部的多相的信号波。校正部检测多相的信号波的平方和平均信号的过零相位，并基于将励磁周期均等分割而形成的相位区间中的过零相位的位置以及相位偏移的校正方向进行校正，以使励磁信号的相位延迟。励磁信号的相位延迟进行该相位与上述信号波的相位间的相位差分即从上述基准相位位置的偏移量。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第5802588号公报

发明内容

发明要解决的课题

在上述专利文献1的构成中，来自AD转换部的多相的信号波最终被转换为相位根据马达的旋转角度而变化的信号。通过求出该信号的相位，能够得到马达的旋转角度。

在专利文献1的构成中，为了准确地检测出马达的旋转角度而需要准确地求出信号的相位。通常，通过使用计数器从励磁信号的基准定时到信号波形出现特征点(例如，过零点)的定时反复进行计数，由此进行信号相位的检测。为了高精度地检测信号的相位，需要提高计数器的时间分辨率。但是，由于提高电路的动作时钟也存在极限，因此有时难以提高计数器的时间分辨率。

通过延长励磁周期，也能够提高检测马达的旋转角度的分辨率。但是，如果励磁周期变长，则马达的旋转角度高速地变化的情况下的检测追随性会降低。如此，在专利文献1的构成中，难以同时实现高速响应性与高分辨率的双方，存在改善的余地。

本发明是鉴于以上的情况事情而完成的，其目的在于提供一种位移检测装置，能够通过计算来当场消除由于温度等外部原因而发生变化的误差，能够实现高速响应性与高分辨率。

用于决绝课题的手段以及效果

本发明要解决的课题如上所述，接着对用于解决该课题的手段极其效果进行说明。

根据本发明的观点，提供以下构成的位移检测装置。即，该位移检测装置检测位移检测方向上的测定对象物的位移。上述位移检测装置具备刻度尺、传感器头以及信号处理运算装置。在上述刻度尺上，在位移检测方向上以规定的检测间距交替地排列有磁响应部与非磁响应部。上述传感器头具有励磁元件以及至少4个磁检测元件。对上述励磁元件施加励磁信号。4个上述磁检测元件的输出信号分别为正弦函数、余弦函数、负正弦函数以及负余弦函数。向上述信号处理运算装置输入上述磁检测元件的输出信号。上述信号处理运算装置运算并输出上述刻度尺相对于上述传感器头的相对位移信息。上述信号处理运算装置包括第1差动放大器、第2差动放大器以及运算处理部。上述第1差动放大器输出将上述余弦函数以及负余弦函数合成而得到的第1交流信号。上述第2差动放大器输出将上述正弦函数以及上述负正弦函数合成而得到的第2交流信号。上述运算处理部至少在该位移检测装置的开始使用时，决定实质上表示上述励磁信号与上述第1交流信号以及上述第2交流信号的相位偏移量的值。在检测测定对象物的位移时，上述运算处理部在基于所决定的上述值的定时取得上述第1交流信号的值以及上述第2交流信号的值，使用所得到的上述第1交流信号的值以及上述第2交流信号的值进行arctan运算，输出上述相对位移信息。

由此，能够在第1交流信号以及第2交流信号充分偏离零的定时取得各信号的值。因而，通过信号值的除法运算，能够得到精度交高的tan值。通过对该tan值进行arctan运算，能够取得准确的位移。此外，由于通过arctan运算来求出位移，因此在励磁信号的每个周期中还能够多次求出位移。因而，除了能够实现高分辨率之外，还能够容易地实现检测的高速响应性。

上述位移检测装置优选具备振幅调整部，该振幅调整部调整上述第1差动放大器输出的上述第1交流信号的振幅以及上述第2差动放大器输出的上述第2交流信号的振幅。

由此，例如，能够与磁检测头的变压比发生变化相对应地变更振幅。其结果，能够稳定地得到适合位移检测的波形。

在上述位移检测装置中优选为，上述振幅调整部调整在上述励磁元件中流动的交流电流的振幅。

由此，能够省略第1差动放大器以及第2差动放大器的增益设定处理。因而，能够实现简单的处理。

在上述位移检测装置中优选为，上述振幅调整部调整上述第1差动放大器以及上述第2差动放大器的放大增益。

由此，能够更直接地调整第1差动放大器以及第2差动放大器输出的波形的振幅。

在上述位移检测装置中优选为以下构成。即，至少在该位移检测装置的开始使用时，对上述励磁元件施加使相位从上述励磁信号移位互不相同的相移量而生成的多个同定用励磁信号。随着各个上述同定用励磁信号被施加于上述励磁元件，上述运算处理部在相对于原来的励磁信号成为恒定的定时取得上述第1交流信号的值以及上述第2交流信号的值，并取得上述第1交流信号的值以及上述第2交流信号的值偏离零的程度的合计值。上述运算处理部求出多个上述同定用励磁信号中、上述合计值最大的上述同定用励磁信号的相移量，并基于该相移量来求出实质上表示上述相位偏移量的值。

由此，通过利用相位不同的同定用励磁信号对励磁元件进行励磁而进行调查，由此能够得到第1交流信号以及第2交流信号充分偏离零的定时。

在上述位移检测装置中优选为以下构成。即，至少在该位移检测装置的开始使用时，上述运算处理部以比信号周期短的采样周期反复取得上述第1交流信号的值以及上述第2交流信号的值。上述运算处理部在多个采样定时分别取得上述第1交流信号的值以及上述第2交流信号的值偏离零的程度的合计值。上述运算处理部求出取得了上述合计值的多个采样定时中、该合计值最大的采样定时，并基于该采样定时来求出实质上表示上述相位偏移量的值。

由此，能够在短时间内得到第1交流信号以及第2交流信号充分偏离零的定时。

附图说明

图1是表示本发明的一个实施方式的位移检测装置的构成的框图。

图2是表示励磁信号、第1交流信号以及第2交流信号的波形的图。

图3是在第1实施方式中说明相位与原来的励磁信号相同的同定用励磁信号的图。

图4是说明使相位从原来的励磁信号延迟40°而生成的同定用励磁信号的图。

图5是说明使相位从原来的励磁信号延迟340°而生成的同定用励磁信号的图。

图6是在第2实施方式中说明第1交流信号以及第2交流信号的值的取得的图。

图7是在第3实施方式中说明第1交流信号以及第2交流信号的值的取得的图。

图8是表示第4实施方式中的振幅调整处理的第1例的流程图。

图9是表示第4实施方式中的振幅调整处理的第2例的流程图。

具体实施方式

其次，参照附图对本发明的实施方式进行说明。图1是表示本发明的一个实施方式的位移检测装置100的构成的框图。图2是表示励磁信号、第1交流信号y1以及第2交流信号y2的波形的图。

图1所示的位移检测装置100用于检测测定对象物在规定方向上的位移。在以下的说明中，有时将检测测定对象物的位移的方向称作位移检测方向。

所谓位移是表示与基准位置(例如，初始位置)相比较、当前的位置变化了何种程度的值。通过用适当的方法定义基准位置，还能够根据位移计算出测定对象物的位置本身。因而，位移检测装置100能够用作为位置检测装置。

位移检测装置100主要具备刻度尺1、磁检测头(传感器头)2以及检测信号处理装置(信号处理运算装置)3。

刻度尺1以及磁检测头2中的某一个安装于测定对象物。例如，刻度尺1安装于省略图示的可动部件，磁检测头2安装于作为测定对象物的省略图示的固定部件。可动部件能够沿着与位移检测方向平行的路径直线地移动。

此外，也可以在作为测定对象物的固定部件上安装刻度尺1，在可动部件上安装磁检测头2。进而，也可以是刻度尺1与磁检测头2的双方分别安装于彼此相对位移的可动部件。在该情况下，位移检测装置100检测测定对象物(即，刻度尺1以及磁检测头2)的相对位移。

刻度尺1被用作为用于检测测定对象物在该刻度尺1的长度方向上的位移的刻度。刻度尺1在与磁检测头2的移动行程平行的方向上细长地形成，以便包括与可动部件的移动相伴随的磁检测头2的该移动行程。刻度尺1可以形成为细长的块状，也可以形成为细长的棒状。

刻度尺1具备非磁响应部11以及磁响应部12。非磁响应部11例如由不具有显著的磁性的金属或者不具有磁性的塑料等材料构成。磁响应部12例如由具有强磁性的金属等构成。非磁响应部11以及磁响应部12在刻度尺1的长度方向上交替地排列。

磁响应部12按照预先确定的检测间距C0在刻度尺1的长度方向上排列设置。磁响应部12形成规定间隔地排列配置，因此在相互邻接的两个磁响应部12之间形成没有(或者相对较弱)磁性的部分即非磁响应部。因而，在磁响应部12中，在刻度尺1的长度方向上按照检测间距C0交替地反复出现磁响应性的有无或者强弱。

如图1所示，磁检测头2与磁响应部12隔开规定间隔地配置。在刻度尺1形成为细长的棒状的情况下，磁检测头2例如形成为筒状，且能够成为刻度尺1插入其筒孔的构成。但是，磁检测头2的形状没有限定。磁检测头2具备一次线圈(励磁元件)21以及多个二次线圈(磁检测元件)22。在本实施方式中设置有4个二次线圈22。

一次线圈21用于产生交流磁场。如图1所示，一次线圈21在磁检测头2中配置在比二次线圈22远离刻度尺1的一侧的部分。

当在一次线圈21中流动适当频率的交流电流时，在该一次线圈21的周围产生朝向以及强度周期性地变化的磁场。在本实施方式中，如图1所示，该一次线圈21被施加对由后述的检测信号处理装置3包含的FPGA等装置生成的励磁波进行DA转换而得到的励磁信号(A·sinωt)。FPGA是Field Programmable Gate Array的简称。

如图1所示，4个二次线圈22在与刻度尺1的长度方向平行的方向上排列配置。二次线圈22在磁检测头2中配置在比一次线圈21接近刻度尺1的一侧的部分。在4个二次线圈22中流动通过由磁响应部12增加后的磁场感应出的感应电流。磁检测头2检测并输出基于该感应电流的电信号(例如电压信号)。

如图1所示，这4个二次线圈22在位移检测方向上按照预先确定的单位间距C1排列配置。该单位间距C1以与上述检测间距C0之间具有规定关系的方式基于检测间距C0来确定。具体地进行说明，如以下的式所示，单位间距C1被设定为检测间距C0的整数倍与检测间距C0的1/4之和。

C1＝(n+1/4)·C0

其中，n是整数。在本实施方式中n＝0，但并不限定于此。

在以下的说明中，为了分别确定这4个二次线圈，有时从图1所示的左侧起依次称作第1线圈22a、第2线圈22b、第3线圈22c以及第4线圈22d。

此处，对由各二次线圈22输出的信号(例如，电压信号)进行简单说明。当在一次线圈21中流动适当频率的交流电流时，在一次线圈21产生朝向以及强度周期性地变化的磁场。另一方面，在二次线圈22产生阻碍线圈的磁场变化的朝向的感应电流。如果在一次线圈21附近存在强磁性体，则该强磁性体以增强一次线圈21产生的磁场的方式起作用。强磁性体越接近一次线圈21该作用越大。

着眼于磁响应部12，随着磁检测头2从刻度尺1的长度方向一侧向另一侧相对移动，一次线圈21以及二次线圈22接近该磁响应部12，但在最接近之后远离。在二次线圈22中产生的感应电流是交流电流，但其振幅大小根据该二次线圈22与磁响应部12之间的位置关系而不同。

磁响应部12实际上按照检测间距C0排列配置，因此振幅大小的变化按照检测间距C0进行反复。即，当横轴取磁检测头2的位置、纵轴取振幅大小时，振幅与位置之间的关系成为以检测间距C0为周期的周期曲线(具体而言为正弦曲线y＝sinθ)。如果能够求出该θ，则能够取得在作为反复单位的检测间距C0中刻度尺1相对于磁检测头2处于哪个位置。

但是，当考虑正弦曲线y＝sinθ的1个周期量时，除了特殊情况以外，与y对应的θ值可以考虑到两个，不只确定为1个。因此，在本实施方式中，隔开根据上述单位间距C1确定的间隔而配置有4个二次线圈22，以使二次线圈22与最接近的磁响应部12之间的位置关系实质上各偏移检测间距C0的1/4。

如图1所示，第1线圈22a、第2线圈22b、第3线圈22c、第4线圈22d分别彼此分离检测间距C0的1/4，因此输出相位彼此偏移90°的电压信号。即，在将第1线圈22a输出的电压信号表现为cos+相的情况下，第2线圈22b输出sin+相的电压信号，第3线圈22c输出cos-相的电压信号，第4线圈22d输出sin-相的电压信号。

检测信号处理装置3对从第1线圈22a、第2线圈22b、第3线圈22c、第4线圈22d输出的电压信号进行处理，计算并输出刻度尺1相对于磁检测头2的相对位移。

例如，如图1所示，检测信号处理装置3具备第1差动放大器31、第2差动放大器32以及运算处理部35。

在本实施方式中，第1差动放大器31以及第2差动放大器32由构成检测信号处理装置3所具备的模拟电路的一部分电路(或者电子部件)构成。通过检测信号处理装置3所具备的FPGA等执行程序来实现运算处理部35。

第1差动放大器31用于放大第1线圈22a以及第3线圈22c的输出的差分。第1差动放大器31放大从第1线圈22a以及第3线圈22c输出的电压信号的差分，并作为第1交流信号y1输出。

当将表示刻度尺1相对于磁检测头2的位移的相位设为θ时，上述第1交流信号y1能够由以下的式表示。

y1＝acosθ·sinωt

该第1交流信号y1在通过滤波器进行处理之后，由AD转换器从模拟信号转换为数字信号，并输入到运算处理部35。

第2差动放大器32用于放大第2线圈22b以及第4线圈22d的输出的差分。第2差动放大器32放大从第2线圈22b以及第4线圈22d输出的电压信号的差分，并作为第2交流信号y2输出。

当将表示刻度尺1相对于磁检测头2的位移的相位设为θ时，上述第2交流信号y2能够由以下的式表示。

y2＝asinθ·sinωt

与上述第1交流信号y1相同，该第2交流信号y2在通过滤波器进行处理之后，由AD转换器从模拟信号转换为数字信号，并输入到运算处理部35。

运算处理部35对数字信号的第1交流信号y1以及第2交流信号y2进行arctan运算。具体而言，运算处理部35将数字信号的第2交流信号y2除以第1交流信号y1。其结果相当于tanθ值。之后，运算处理部35求出计算结果的arctan值。由此，能够得到表示刻度尺1相对于磁检测头2的位移的相位θ，作为刻度尺1的相对位移信息。θ严格来说是相位，但实际上表示刻度尺1相对于磁检测头2的相对位移。因而，以下有时将θ称作位移。

由运算处理部35求出的位移θ为了除去高频成分而被输入滤波器。由此，能够除去噪声等。滤波处理后的值在经过线性校正等后续处理之后，作为位置信息而从检测信号处理装置3输出。

接着，对在一次线圈21与二次线圈22之间产生的相位偏移进行详细说明。

如已知的那样，如图2所示，在施加于一次线圈21的励磁信号与二次线圈22的输出(第1交流信号y1以及第2交流信号y2)之间产生相位偏移量d。具体而言，第1交流信号y1以及第2交流信号y2的相位相对于励磁信号延迟相位偏移量d。该相位偏移量d基于线圈设计的不同、布线部的电阻因素(布线的种类、长度、走线)等而产生。相位偏移量d的大小根据温度等周边环境而发生各种变化。

在本实施方式的运算处理部35中，为了检测刻度尺1相对于磁检测头2的位移，在考虑上述相位偏移量d的同时预先确定取得第1交流信号y1的值以及第2交流信号y2的值的定时，以使各个信号成为充分偏离零的值。该定时在与励磁信号的定时之间相对地确定。

如上所述，通过第2交流信号y2除以第1交流信号y1来计算tanθ。因而，如果两个信号的值在零附近，则tanθ的精度降低。考虑到该情况，取得第1交流信号y1的值以及第2交流信号y2的值的定时最优选与两个信号的值成为正或者负的峰值的定时一致。但是，只要两个信号的值从零偏离一定程度就能够充分确保tanθ的精度，因此不需要在严格地成为峰值的定时取得信号的值。

在将励磁信号表示为A·sinωt的情况下，第1交流信号y1以及第2交流信号y2由下式表示。

y1＝a·cosθ·sin(ωt+d)

y2＝a·sinθ·sin(ωt+d)

该式中的d表示上述相位偏移。

第1交流信号y1的值以及第2交流信号y2的值示出正或者负的峰值的定时，是指ωt+d的相位成为90°或者270°的定时。另一方面，在ωt+d的相位成为0°或者180°的定时，第1交流信号y1的值以及第2交流信号y2的值均成为零附近。

因而，在本实施方式中，在测定位移θ时，例如在相对于ωt+d成为0°或者180°的定时充分不同的定时取得第1交流信号y1的值以及第2交流信号y2。只要能够以一定程度的精度求出相位偏移量d，就能够适当地生成在arctan运算中使用的第1交流信号y1以及第2交流信号y2的值的取出定时。

例如，能够使用图3至图5所示那样的励磁信号的逐次相移方法来决定相位偏移量d。

以下，具体地进行说明。运算处理部35基于上述励磁信号生成多个同定用励磁信号，并将同定用励磁信号依次施加于一次线圈21。通过使相位相对于原来的励磁信号移位互不相同的移位量来生成多个同定用励磁信号。在图3至图5中示出同定用励磁信号的例子。

关于同定用励磁信号，图3示出相移量D为0°的情况，图4示出相移量D为40°的情况，图5示出相移量D为340°的情况。如此，在多个同定用励磁信号中，也可以包含没有相移、即相位相对于原来的励磁信号相同的信号。

对逐次相移方法进行详细说明。当将原来的励磁信号设为A·sinωt时，将延迟方向的相移量设为D，同定用励磁信号能够表示为A·sin(ωt+D)。通过使D的值如0°、10°、20°、……那样逐次变化，由此能够生成多个同定用励磁信号。

运算处理部35为，每当生成同定用励磁信号时就将同定用励磁信号实际施加于一次线圈21。各个同定用励磁信号遍及足够的时间、例如励磁信号的1个周期量以上被施加于一次线圈21。

运算处理部35为，每当各个同定用励磁信号被施加于一次线圈21时，就在原来的励磁信号A·sinωt成为振幅峰值位置的定时取得第1交流信号y1以及第2交流信号y2的值。关于振幅峰值位置，ωt的相位可以为90°以及270°的任一个，但在图3至图5的例子中示出了在90°的定时进行取得的例子。

如此，无论在施加哪个同定用励磁信号的情况下，取得第1交流信号y1以及第2交流信号y2的值的定时都恒定。但是，由于同定用励磁信号的相位以10°间隔变化，因此与此对应，第1交流信号y1以及第2交流信号y2的值的相位也以10°间隔变化。因而，如图3至图5所示，如果同定用励磁信号不同，则所取得的第1交流信号y1以及第2交流信号y2的值也不同。

运算处理部35为，每当各个同定用励磁信号被施加于一次线圈21时，就计算实际上表示在上述定时取得的第1交流信号y1以及第2交流信号y2的值偏离零的程度的合计值的值。以下，有时将该值称作信号偏离合计值。在本实施方式中，作为信号偏离合计值，如以下的式所示，求出第1交流信号y1以及第2交流信号y2的平方和的平方根。

信号偏离合计值＝√((第1交流信号y1)^2+(第2交流信号y2)^2)

但是，如以下的式所示，作为信号偏离合计值，也可以求出第1交流信号y1以及第2交流信号y2的值的绝对值之和。

信号偏离合计值＝|第1交流信号y1|+|第2交流信号y2|

在该情况下，与上述平方和的平方根相比，能够减轻运算的负担。

运算处理部35在对于各个同定用励磁信号计算出信号偏离合计值之后，对信号偏离合计值彼此进行比较。由此，能够求出与信号偏离合计值成为最大值的同定用励磁信号对应的相移量D。在此次的例子中，对于将相移量D设为340°的图5的同定用励磁信号，信号偏离合计值成为最大。运算处理部35从360°减去作为该相移量D的340°而求出相位偏移推定量d_e。在此次的例子中，相位偏移推定量d_e成为20°(d_e＝360°-340°＝20°)。

在此次的例子中，同定用励磁信号的相移量D按照10°刻度变化，因此相位偏移推定量d_e的精度不高。但是，相位偏移推定量d_e成为相位偏移量d附近的值。因而，相位偏移推定量d_e能够称为实质上表示相位偏移量d的值。当将所决定的相位偏移推定量d_e存储在适当的存储部中时，初始处理完成。

在之后的位移θ的测定中，基于所得到的相位偏移推定量d_e来确定取得第1交流信号y1的值以及第2交流信号y2的值的定时。具体而言，在与ωt+d_e成为0°或者180°的定时充分不同的定时取得第1交流信号y1的值以及第2交流信号y2的值，取得定时优选为ωt+d_e成为90°或者270°的定时。根据以上，能够以良好的精度取得tanθ(进而取得位移θ)。

在本实施方式中，通过对于第2交流信号y2除以第1交流信号y1而得到的值求出arctan，由此得到位移θ。因而，关于1个周期量的第1交流信号y1以及第2交流信号y2，只要避开信号的值成为零附近的定时就能够在任意定时得到位移θ。取得位移θ的频度在励磁信号的每1周期量中可以是1次，也可以是2次以上。如果在励磁信号的每1个周期中多次取得位移θ，则即使在刻度尺1相对于磁检测头2高速移动的情况下也能够高速跟踪而检测位移。

如以上说明的那样，本实施方式的位移检测装置100检测位移检测方向上的测定对象物的位移。位移检测装置100具备刻度尺1、磁检测头2以及检测信号处理装置3。在刻度尺1上，在位移检测方向上以规定的检测间距交替地排列有磁响应部12与非磁响应部11。磁检测头2具有被施加励磁信号的一次线圈21、以及输出信号分别为正弦函数、余弦函数、负正弦函数以及负余弦函数的至少4个二次线圈22。向检测信号处理装置3输入二次线圈22的输出信号。检测信号处理装置3运算并输出刻度尺1相对于磁检测头2的相对位移信息。检测信号处理装置3具备第1差动放大器31、第2差动放大器32以及运算处理部35。第1差动放大器31输出将余弦函数以及负余弦函数合成而得到的第1交流信号y1。第2差动放大器32输出将正弦函数以及负正弦函数合成而得到的第2交流信号y2。运算处理部35至少在该位移检测装置100的开始使用时，决定实质上表示励磁信号与第1交流信号y1以及第2交流信号y2的相位偏移量d的值(相位偏移推定量d_e)。在检测刻度尺1相对于磁检测头2的位移的情况下，运算处理部35在基于所决定的相位偏移推定量d_e的定时取得第1交流信号y1的值以及第2交流信号y2的值。运算处理部35使用所求出的第1交流信号y1的值以及第2交流信号y2的值来进行arctan运算，并输出相对位移信息。

由此，能够在第1交流信号y1以及第2交流信号y2充分地偏离零的定时取得各信号的值。因而，通过信号值的除法运算，能够得到精度较高的tanθ值。通过对该tanθ值进行arctan运算，能够取得准确地位移θ。此外，由于通过arctan运算来求出位移，因此能够避开各信号的值接近零的定时而在励磁信号的每1个周期中多次求出位移。因而，除了能够实现高分辨率之外，还能够容易地实现检测的高速响应性。

此外，在本实施方式的位移检测装置100中，基于励磁信号的多个同定用励磁信号被施加于一次线圈21。通过使相位相对于原来的励磁信号移位互不相同的相移量D而生成多个同定用励磁信号。随着各个同定用励磁信号被施加于一次线圈21，运算处理部35在相对于原来的励磁信号恒定的定时取得第1交流信号y1的值以及第2交流信号y2的值，并取得两个信号的值偏离零的程度的合计值(信号偏离合计值)。运算处理部35求出多个同定用励磁信号中、上述合计值最大的同定用励磁信号的相移量D。运算处理部35基于该相移量D来求出相位偏移推定量d_e。

由此，通过以相位各不相同的同定用励磁信号对一次线圈21进行励磁而进行调查，由此能够得到第1交流信号y1的值以及第2交流信号y2的值充分偏离零的定时。

接着，对第2实施方式进行说明。另外，在本实施方式的说明中，对于与上述实施方式相同或者类似的部件在附图中标注相同的符号，有时省略说明。

在本实施方式中，运算处理部35代替励磁信号的逐次相移方法而使用从二次线圈22输出的输出信号(即，第1交流信号y1以及第2交流信号y2)的波形跟踪方法，进行上述相位偏移量决定处理而决定在同定处理中使用的相位偏移量。

具体地进行说明。运算处理部35在初始处理中，以比信号周期足够短的采样周期取得第1交流信号y1以及第2交流信号y2的值，以便复制取得第1交流信号y1以及第2交流信号y2的波形。此时，向一次线圈21不施加上述同定用励磁信号而施加通常的励磁信号A·sinωt。为了缩短采样周期，优选高速地进行AD转换器的AD转换。

运算处理部35对于各采样定时的第1交流信号y1以及第2交流信号y2的组计算上述信号偏离合计值。与上述相同，信号偏离合计值可以是两个信号值的平方和的平方根，也可以是绝对值之和。运算处理部35在对于各个采样定时计算出信号偏离合计值之后，对信号偏离合计值彼此进行比较。由此，能够求出信号偏离合计值成为最大值的采样定时。如图6所示，能够基于信号偏离合计值成为最大值的采样定时而容易地得到相位偏移推定量d_e。之后求出测定对象物的位移θ的处理与第1实施方式实质上相同，因此省略说明。

如以上说明的那样，在本实施方式的位移检测装置100中，运算处理部35以比信号周期短的采样周期反复取得第1交流信号y1的值以及第2交流信号y2的值。运算处理部35对于多个采样定时分别取得信号值偏离零的程度的合计值。运算处理部35求出取得了上述合计值的多个采样定时中、该合计值最大的采样定时。运算处理部35基于该合计值最大的采样定时来求出相位偏移推定量d_e。

由此，例如通过对励磁信号的1个周期量等短时间的波形进行调查，就能够得到第1交流信号y1的值以及第2交流信号y2的值充分偏离零的定时。

接着，对第3实施方式进行说明。另外，在本实施方式的说明中，对于与上述实施方式相同或者类似的部件在附图中标注相同的符号，有时省略说明。

本实施方式适合于由于AD转换器的处理能力等的关系，在对波形进行采样时无法如第2实施方式那样增加每1周期的采样次数的情况。采样对象的波形是指从二次线圈22输出的输出信号、即第1交流信号y1以及第2交流信号y2。

以下，以在励磁信号的每1周期中能够采样的次数为3次的情况为例具体地进行说明。运算处理部35在初始处理中，不使用1个周期量的采样波形而使用2个周期量的采样波形来取得交流信号的值。在第1个周期(第1次)的测定中，如图7的上侧所示，在相位相对于励磁信号的波形成为0°、120°、240°的定时取得第1交流信号y1以及第2交流信号y2的值。在第2个周期(第2次)的测定中，如图7的下侧所示，在相位相对于励磁信号的波形成为60°、180°、300°的定时取得第1交流信号y1以及第2交流信号y2的值。

之后，与第2实施方式相同，求出各个采样定时的信号偏离合计值。运算处理部35求出2个周期量(合计6次)的采样定时中、信号偏离合计值成为最大值的采样定时。

如此，通过在各个周期中使采样定时的相位不同，由此成为与以比实际短的周期对第1交流信号y1以及第2交流信号y2进行采样并决定相位偏移推定量d_e的情况相同。在图7的例子中，能够得到与在每1个周期中进行6次采样而求出相位偏移推定量d_e的情况同等的效果。

在本实施方式中对2个周期量的波形进行采样，但也可以一边按照每1个周期每次稍微错开相位一边对3个周期以上的波形进行采样。

接着，对第4实施方式进行说明。另外，在本实施方式的说明中，对于与上述实施方式相同或者类似的部件在附图中标注相同的符号，有时省略说明。

本实施方式的检测信号处理装置3能够调整从第1差动放大器31向AD转换器输入的波形(a·cosθ·sinωt)的振幅a以及从第2差动放大器32向AD转换器输入的波形(a·sinθ·sinωt)的振幅a。本实施方式能够与上述第1实施方式至第3实施方式的任一个组合。

如上所述，在第1实施方式至第3实施方式的构成中，在第1交流信号y1以及第2交流信号y2充分偏离零的定时取得各信号的值，并进行arctan运算。但是，也可以考虑第1差动放大器31以及第2差动放大器32输出的波形的振幅相对于AD转换器的输入电压范围不合适的情况。

以下，对波形的振幅过大或过小的具体例子进行说明。作为磁检测头2所允许的物理大小根据测定对象物、周围空间的大小等而变化。考虑到这样的情况等，为了提高位移检测装置100的通用性，有时构成为能够根据状况从大小不同的多种磁检测头2中选择1个头来使用。一次线圈21与二次线圈22的变压比根据头的种类而不同。如果磁检测头2的变压比与在检测信号处理装置3中假定的变压比不同，则从第1差动放大器31以及第2差动放大器32输出的波形的振幅会变得过大或者过小。

在信号流动的方向上比第1差动放大器31以及第2差动放大器32靠下游侧的位置配置有AD转换器。如果第1差动放大器31以及第2差动放大器32的输出信号的振幅相对于AD转换器的信号输入范围过大，则在AD转换器中波形饱和，产生位移θ的误检测。另一方面，如果第1差动放大器31以及第2差动放大器32的输出信号的振幅过小，则SN比恶化，导致位移θ的检测精度降低。

因此，在本实施方式中构成为能够变更运算处理部35输出的励磁信号(A·sinωt)的振幅A。在进行了在上述实施方式中说明过的相位偏移的推定之后，运算处理部35调查第1交流信号y1以及第2交流信号y2的波形的峰值是否进入预先确定的范围内。能够从两个AD转换器分别取得第1交流信号y1以及第2交流信号y2的值(包含峰值)。

在使用第1实施方式的逐次相移方法的情况下，能够将在基于所决定的相位偏移推定量d_e的定时取得的第1交流信号y1的值以及第2交流信号y2的值视为各个波形的峰值。在使用第2实施方式的波形跟踪方法的情况下，能够容易地求出第1交流信号y1以及第2交流信号y2的峰值。

在本实施方式中，根据如此实质上在波形的峰值的定时取得的第1交流信号y1的值以及第2交流信号y2的值，如上述那样计算出被定义为平方和的平方根的信号偏离合计值。该信号偏离合计值实质上表示第1交流信号y1以及第2交流信号y2的振幅a的大小。信号偏离合计值也可以如上述那样定义为绝对值之和。在该情况下，信号偏离合计值也概要地表示第1交流信号y1以及第2交流信号y2的振幅a的大小。

在计算出的信号偏离合计值大于规定范围的情况下，运算处理部35将励磁波输出的振幅(上述振幅A)例如变更为1/2倍。由此，第1差动放大器31输出的波形(a·cosθ·sinωt)的振幅a成为1/2倍，第2差动放大器32输出的波形(a·sinθ·sinωt)的振幅a成为1/2倍。

在计算出的信号偏离合计值小于规定范围的情况下，运算处理部35将励磁波输出的振幅(上述振幅A)例如变更为2倍。由此，第1差动放大器31输出的波形(a·cosθ·sinωt)的振幅a成为2倍，第2差动放大器32输出的波形(a·sinθ·sinωt)的振幅a成为2倍。

通过以上的调整，对AD转换器输入适当振幅的信号，因此能够高精度地检测位移θ。

以下，参照图8的流程图对具体的处理例子进行说明。

当图8所示的振幅的自动调整处理开始时，首先，检测信号处理装置3将励磁信号的振幅A的值以最大值初始化(步骤S101)。

接着，检测信号处理装置3例如通过逐次相移方法求出相位偏移量(步骤S102)。

接着，检测信号处理装置3在基于在步骤S102中求出的相位偏移推定量d_e的定时取得第1交流信号y1以及第2交流信号y2的值。检测信号处理装置3根据两个值计算出上述信号偏离合计值，并调查该信号偏离合计值是否为规定的阈值以下(步骤S103)。

在步骤S103的判断中，在上述信号偏离合计值为规定的阈值以下的情况下，调整处理结束，在以后的处理中使用当前设定的励磁信号的振幅A。

在步骤S103的判断中，在上述信号偏离合计值超过规定的阈值的情况下，检测信号处理装置3将励磁信号的振幅A例如变更为当前的设定值的1/2(步骤S104)。之后，处理返回步骤S102。

通过以上的处理，能够调整励磁信号的振幅A，以使第1交流信号y1以及第2交流信号y2的振幅a成为比阈值的1/2大且为阈值以下。

代替变更励磁信号的振幅A或者在此基础上，还能够变更第1差动放大器31以及第2差动放大器32的放大增益。根据该方法，也能够变更从第1差动放大器31向AD转换器输入的波形(a·cosθ·sinωt)的振幅a以及从第2差动放大器32向AD转换器输入的波形(a·sinθ·sinωt)的振幅a。

决定实质上表示相位偏移量的值的处理与调整振幅的处理的顺序也可以相反。以下，参照图9的流程图对在先进行调整振幅的处理的处理例子进行说明。

当图9所示的振幅的自动调整处理开始时，首先，检测信号处理装置3作为表示相位偏移的相位偏移推定量d_e而设定适当的值(步骤S201)。在步骤S201中设定的值是任意的，例如能够设为随机值。该相位偏移推定量d_e的设定是暂时性的，之后变更为实际推定出的值。

接着，检测信号处理装置3将励磁信号的振幅A以最大值初始化(步骤S202)。

之后，检测信号处理装置3在基于在步骤S201中暂时设定的相位偏移推定量d_e的定时取得第1交流信号y1以及第2交流信号y2的值。检测信号处理装置3根据两个值计算出信号偏离合计值(换言之为第1交流信号y1以及第2交流信号y2的振幅a)，并调查该信号偏离合计值是否为规定的阈值以下(步骤S203)。

在步骤S203的判断中，在上述信号偏离合计值为规定的阈值以下的情况下，处理前进至后述的步骤S205。

在步骤S203的判断中，在上述信号偏离合计值超过规定的阈值的情况下，检测信号处理装置3将励磁信号的振幅A例如变更为当前的设定值的1/2(步骤S204)。之后，处理返回步骤S203。

通过步骤S202～步骤S204的处理，以在基于在步骤S201中设定的相位偏移推定量d_e的定时取得的第1交流信号y1以及第2交流信号y2的值为基准，变更励磁信号的振幅A，以使第1交流信号y1以及第2交流信号y2的值成为规定范围。

接着，检测信号处理装置3以通过步骤S202～步骤S204的处理决定的振幅A产生励磁信号，例如通过逐次相移方法求出相位偏移推定量d_e(步骤S205)。

接着，检测信号处理装置3在基于在步骤S205中求出的相位偏移推定量d_e的定时取得第1交流信号y1以及第2交流信号y2的值。检测信号处理装置3根据两个信号值计算出信号偏离合计值，并调查该信号偏离合计值是否在规定的范围内(步骤S206)。规定的范围相当于大于步骤S203的阈值的1/2且为阈值以下的范围内。

在步骤S206的判断中，在上述信号偏离合计值在规定的范围内的情况下，调整处理结束，在以后的处理中使用当前设定的励磁信号的振幅A以及相位偏移推定量d_e。

在步骤S206的判断中，在上述信号偏离合计值脱离规定的范围的情况下，可以认为在步骤S201中临时设定的相位偏移推定量d_e不适当。因而，处理返回步骤S202，重新进行励磁信号的振幅A的调整。在再次调整振幅A的过程中，在步骤S203中，在基于在步骤S205中取得的相位偏移推定量d_e(换言之为最近取得的相位偏移推定量d_e)的定时取得第1交流信号y1以及第2交流信号y2的值。其结果，通过步骤S202～步骤S204的处理，能够得到更适当的振幅A的值。

如果反复步骤S202～步骤S206的循环，则最终能够得到满足步骤S206的条件的励磁信号的振幅A与相位偏移推定量d_e的组合。在该时刻，图9所示的一系列处理结束。

如以上说明的那样，本实施方式的位移检测装置100具备振幅调整部，该振幅调整部调整第1差动放大器31输出的第1交流信号y1的振幅以及第2差动放大器32输出的第2交流信号y2的振幅a。

由此，例如，能够与磁检测头2的变压比变化的情况对应而自动地变更第1交流信号y1以及第2交流信号y2的振幅a。其结果，能够稳定地得到适合位移检测的波形。

能够通过检测信号处理装置3的“励磁波输出”的块对在一次线圈21中流动的交流电流的振幅A进行调整，来进行上述振幅a的调整。在该构成中，实现“励磁波输出”的部分相当于振幅调整部。

在该情况下，能够省略第1差动放大器31以及第2差动放大器32的增益设定处理。因而，能够实现简单的处理。

还能够通过调整第1差动放大器31以及第2差动放大器32的放大增益，来进行上述振幅a的调整。在该构成中，检测信号处理装置3所具备的未图示的“增益变更”的块相当于振幅调整部。

在该情况下，能够更直接地调整波形的振幅a。

以上对本发明的优选实施方式进行了说明，但上述构成例如能够如以下那样变更。

刻度尺1并不限定于上述构成，只要互不相同的磁性质(磁性的强弱、所产生的磁场的方向等)反复，就能够成为适当的构成。例如，也可以通过在该刻度尺1的长度方向上交替地排列强磁性体与弱磁性体/非磁性体来构成磁响应部12。也可以通过排列磁铁的N极与S极来实现磁性质的变化的反复。

只要能够掌握与二次线圈22相对于刻度尺1(磁响应部12)的位移相应的变化，则也可以将一次线圈21配置在接近刻度尺1的一侧，将二次线圈22配置在远离刻度尺1的一侧。

磁检测元件也可以代替由二次线圈22构成，而由印刷基板的导电图案、霍尔元件等构成。

运算处理部35中的相位偏移推定量d_e的决定，除了在位移检测装置100的使用开始时进行之外，也可以在不对位移检测装置100的使用造成影响的其他适当定时进行。

在第1实施方式中，使同定用励磁信号的相移量D不同的间隔并不限定于10°，例如也可以设为20°、45°等。

在第1实施方式中，随着使同定用励磁信号的相移量D增加，计算出的信号偏离合计值成为在增大之后减小的倾向，在判断为更新信号偏离合计值的最大值的可能性较小的情况下，也可以中止处理。同样，在第2实施方式中，在随着反复进行采样而计算出的信号偏离合计值成为在增大之后减小的倾向的情况下，也可以中止处理。

图1所示的线性校正、高速预测运算也可以根据所使用的条件而适当省略。

在第4实施方式中，励磁信号的振幅A的变更通过乘以1/2来进行，但也可以乘以小于1的其他任意数。也可以代替等比地变更振幅而等差地变更振幅。如图8以及图9所示，振幅的变更可以进行多次，但也可以仅进行一次。与上述同样，差动放大器31、32的放大增益的变更也能够通过各种方法进行。

在图8以及图9的例子中，作为励磁信号的振幅A的初始值而设定最大值，并根据需要以使其减小的方式变更。取而代之，也可以作为励磁信号的振幅A的初始值而设定最小值，并根据需要以使其增大的方式变更。在该情况下，励磁信号的振幅的变更例如能够通过乘以大于1的任意数(例如2)来进行。与上述同样，差动放大器31、32的放大增益的变更也能够通过各种方法进行。

符号的说明

1：刻度尺；2：磁检测头(传感器头)；3：检测信号处理装置(信号处理运算装置)；11：非磁响应部；12：磁响应部；22：二次线圈(磁检测元件)；31：第1差动放大器；32：第2差动放大器；100：位移检测装置。

Claims (6)

1.一种位移检测装置，对位移检测方向上的测定对象物的位移进行检测，其特征在于，具备：

刻度尺，在位移检测方向上以规定的检测间距交替地排列有磁响应部与非磁响应部；

传感器头，具有被施加励磁信号的励磁元件、以及输出信号分别为正弦函数、余弦函数、负正弦函数以及负余弦函数的至少4个磁检测元件；以及

信号处理运算装置，被输入上述磁检测元件的输出信号，运算并输出上述刻度尺相对于上述传感器头的相对位移信息，

上述信号处理运算装置包括：

第1差动放大器，输出将上述余弦函数以及负余弦函数合成而得到的第1交流信号；

第2差动放大器，输出将上述正弦函数以及上述负正弦函数合成而得到的第2交流信号；

运算处理部，至少在该位移检测装置的开始使用时，决定实质上表示上述励磁信号与上述第1交流信号以及上述第2交流信号的相位偏移量的值，在检测测定对象物的位移时，在基于所决定的上述值的定时取得上述第1交流信号的值以及上述第2交流信号的值，使用所得到的上述第1交流信号的值以及上述第2交流信号的值进行arctan运算，输出上述相对位移信息。

2.根据权利要求1所述的位移检测装置，其特征在于，

具备振幅调整部，该振幅调整部调整上述第1差动放大器输出的上述第1交流信号的振幅以及上述第2差动放大器输出的上述第2交流信号的振幅。

3.根据权利要求2所述的位移检测装置，其特征在于，

上述振幅调整部调整在上述励磁元件中流动的交流电流的振幅。

4.根据权利要求2所述的位移检测装置，其特征在于，

上述振幅调整部调整上述第1差动放大器以及上述第2差动放大器的放大增益。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的位移检测装置，其特征在于，

至少在该位移检测装置的开始使用时，对上述励磁元件施加使相位从上述励磁信号移位互不相同的相移量而生成的多个同定用励磁信号，

随着各个上述同定用励磁信号被施加于上述励磁元件，上述运算处理部在相对于原来的励磁信号成为恒定的定时取得上述第1交流信号的值以及上述第2交流信号的值，并取得上述第1交流信号的值以及上述第2交流信号的值偏离零的程度的合计值，

上述运算处理部求出多个上述同定用励磁信号中、上述合计值最大的上述同定用励磁信号的相移量，并基于该相移量来求出实质上表示上述相位偏移量的值。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的位移检测装置，其特征在于，

至少在该位移检测装置的开始使用时，上述运算处理部以比信号周期短的采样周期反复取得上述第1交流信号的值以及上述第2交流信号的值，在多个采样定时分别取得上述第1交流信号的值以及上述第2交流信号的值偏离零的程度的合计值，

上述运算处理部求出取得了上述合计值的多个采样定时中、该合计值最大的采样定时，并基于该采样定时来求出实质上表示上述相位偏移量的值。