JP3173662B2 - 位置検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、建設機械のバケットの
位置、工作機械のワークの位置などを検出する位置検出
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】建設機械のバケット等を俯仰させる油圧
シリンダには、一般に磁気式の直線位置検出装置が取り
付けてある。そして、建設機械の磁気式位置検出装置
は、バケット等の被検出物（制御対象）の移動量のみを
検出するインクリメンタル方式が採用されている。尚、
インクリメンタル方式において制御対象の絶対位置を検
出する場合は、シリンダの端部にリミットスイッチを付
けたり、シリンダのロッドのトップまたはエンドに原点
を示すパターンを形成し、ロッドを伸長限または縮小限
まで伸縮させ、これによるシリンダの俯エンド又は仰エ
ンドでのリミットスイッチのバケット構成部材等との当
接に基きリミットスイッチを作動させたり、、または原
点パターンを検出してカウンタをリセットするようにし
ている。また、回転エンコーダの場合には、ロータに磁
石を付属させて原点を検出できるようにしている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、インクリメン
タル方式において、制御対象の絶対位置を求める場合
に、上記のようにロッドを伸長限または縮小限まで伸縮
させるのでは、無駄な操作を必要とし、操作に時間を要
する欠点がある。また、原点パターンを検出したり、磁
石を取り付けた原点を検出する原点検出回路の構成が、
繰り返し信号（いわゆるインクリメンタル信号）を検出
する回路の構成に対して異なる。つまり、異なる回路構
成要素を準備する必要があるため、製造上の歩留りが悪
く、また使用上の保守点検も容易でない。

【０００４】すなわち、繰り返し信号を検出するインク
リメンタルなセンサの回路においては、検出したアナロ
グ信号を矩形波にするコンパレータの閾値のレベル調整
を、矩形波のデューティ比が５０％になるように設定す
ればよい。これに対して、原点検出回路においては、単
発の信号処理をする必要があり、単発の信号を出力でき
るようにするだけでなく、検出した単一波形の最高振幅
と最低振幅とを求めて処理レベルを決定する必要があ
り、検出信号の処理が煩雑である。従って、このような
特別な信号処理をすることなく基準点を検出できること
が望まれる。

【０００５】本発明は、上記の要請に鑑みてなされたも
ので、被検出物をある程度移動させるだけで絶対位置を
知るための基準点を検出でき、また基準点検出の信号処
理を比較的容易にできる位置検出装置を提供することを
目的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明に係る位置検出装置は、スケールに所定周
期をもって形成した物理的変化部を検出して被検出物の
位置を検出する位置検出装置において、所定周期の物理
的変化部を形成してある主スケールと、主スケールの物
理的変化部を検出する主検出器と、主検出器が検出した
主スケールの物理的変化部の数を計数する主計数回路
と、主スケールの物理的変化部の所定周期と同周期の第
１物理的変化部、第１物理的変化部に引き続き配置さ
れ、かつ第１物理的変化部の所定周期に対して１８０度
ずれた周期ずれ部及び周期ずれ部に引き続き形成され、
かつ第１物理的変化部の所定周期と同周期の第２物理的
変化部を有してなる物理的変化部を形成してある副スケ
ールと、副スケールの物理的変化部を検出する副検出器
と、副検出器が検出した副スケールの物理的変化部の数
を計数する副計数回路と、主検出器と副検出器との検出
信号間に１８０度の位相ずれが有ったとき、これを検知
する周期ずれ部検知回路と、周期ずれ部検知回路が１８
０度の位相ずれを検知したとき、そのときの副計数回路
の計数値を記憶する記憶部と、 主計数回路の計数値から
副計数回路の計数値を減算し外部へ出力する減算回路と
を有することを特徴としている。

【０００７】主スケールと副スケールとの物理的変化部
は、スケールに形成した凹凸であってよい。この場合、
副スケールに設けた周期ずれ部は、凸状に形成するとよ
い。そして、スケールの凹凸を検出する主検出器と副検
出器とは、強磁性体薄膜からなる磁気抵抗素子などの磁
気センサによって構成することができる。

【０００８】なお、各スケールの物理的変化部をスリッ
トや光の透過率が異なった光学特性変化部とし、主検出
器と副検出器とを光センサから構成して、光学式の位置
検出装置とすることも可能である。

【０００９】

【作用】上記の如く構成した本発明は、物理的変化部を
周期的に形成した副スケールの一部、例えばスケールの
中央部に物理的変化部の周期ずれ部を設け、この周期ず
れ部を検出して主スケールの物理的変化部を計数してい
る主計数回路の計数値を、副スケールの周期ずれ部検出
後の計数値に修正するため、被検出物がある程度移動し
て副検出器が周期ずれ部を検出すると、周期ずれ部を絶
対位置の表示に必要な基準点とすることが可能となり、
いわば疑似アブソリュートな位置検出が可能となる。

【００１０】しかも、基準点となる周期ずれ部は、イン
クリメンタルな信号を出力するように形成した副スケー
ルの物理的変化部の一部として形成してあるため、検出
信号の処理が主スケールの検出信号と同様に行うことが
可能となり、信号処理が簡易となり、回路構成が簡素化
される。即ち上記構成によれば、被検出物をある程度移
動させるだけで絶対位置を知るための基準点を検出で
き、また基準点検出の信号処理を比較的容易にできる。

【００１１】各スケールの物理的変化部をスケールの表
面に形成した凹凸によって構成すると、スケールの加工
が容易であり、また凹凸は磁気センサによって容易に検
出することができ、コストの低減を図れる。そして、副
スケールに設けた周期ずれ部を、副スケールの表面に形
成した凸状部として形成したり、凹部として形成する。
機械加工の場合などは周期ずれ部を凸状部とすることに
より、スケール表面の疵などによる外乱の影響を小さく
することができる。

【００１２】

【実施例】本発明に係る位置検出装置の好ましい実施例
を、添付図面に従って詳説する。図１は、本発明の実施
例に係る位置検出装置のブロック図である。

【００１３】図１において、主スケール１０と副スケー
ル２０とが平行して設けてある。各スケール１０、２０
には、それぞれ所定のピッチｐ（例えば、２ｍｍ毎）を
もって形成した凹部１２、２２と凸部１４、２４とから
なる物理的変化部による目盛が形成してある。

【００１４】また、副スケール２０の一部、例えばシリ
ンダの最も良く使用される中央部には、周期ずれ部２６
が設けてある。周期ずれ部２６は、２つの凸部２４を連
続させて形成してあり、この周期ずれ部２６の図におけ
る右側の凹凸（目盛）が、主スケール１０の対応する凹
凸と半周期ずれるようにし、センサの生シグナルのベー
スラインがでない位の長さまでにしてある。すなわち、
副スケール２０は、周期ずれ部２６の左側の凹部２２と
凸部２４とが、主スケール１０の凹部１２と凸部１４と
に対応した位置に形成してあり、周期ずれ部２６の右側
の凹部２２が主スケール１０の凸部１４と対応した位置
に形成され、凸部２４が主スケール１０の凹部１２と対
応した位置に形成されている。

【００１５】一方、主スケール１０と副スケール２０と
に近接した位置には、詳細を後述する主検出器３２、３
４と副検出器５２、５４とがスケール１０、２０と相対
移動可能に配置してある。主検出器３２と副検出器５２
とは、対応する主スケール１０と副スケール２０とに形
成した凹凸の変化を検出するとともに、出力する検出信
号が、主検出器３４、副検出器５４の出力する検出信号
との間で、位相が９０度ずれるように配置してある。す
なわち、主検出器３２と副検出器５２とは、いわゆるＡ
相を構成し、主検出器３４と副検出器５４とは、いわゆ
るＢ相を構成している。

【００１６】主検出器３２、３４の出力信号は、それぞ
れ増幅器３６、３８によって増幅され、正弦波状の信号
を矩形波に変換する波形成形回路４０、４２に入力する
ようになっている。そして、波形成形回路４０、４２の
出力側には、主スケール１０と主検出器３２、３４との
相対移動の方向を判別する方向判別器４４と、方向判別
器４４の出力信号を受け、入力してくる波形成形回路４
０、４２の出力信号を介して、主検出器３２、３４が検
出した主スケール１０の凹凸（物理的変化部）を計数す
るアップダウンカウンタ４６とが接続してある。すなわ
ち、アップダウンカウンタ４６は、アップ／ダウン切替
入力ピンが方向判別器４４に接続され、カウント入力ピ
ンが波形成形回路４０、４２に接続されている。

【００１７】副検出器５２、５４の出力信号も主検出器
３２、３４の出力信号と同様に、増幅器５６、５８を介
して波形成形回路６０、６２に入力し、矩形波に変換さ
れる。そして、波形成形回路６０、６２の出力信号は、
計数値修正回路７０に入力するようになっている。

【００１８】計数値修正回路７０は、波形成形回路６
０、６２の出力信号から副スケール２０と副検出器５
２、５４との相対移動の方向を判別する方向判別器７２
と、方向判別器７２の出力信号を受け、入力してくる波
形成形回路６０、６２の信号に基づいて、副検出器５
２、５４が検出した副スケール２０の凹凸を計数するア
ップダウンカウンタ７４と、アップダウンカウンタ７４
が出力した計数値を記憶するメモリ７６と、主スケール
側（主検出系）のアップダウンカウンタ４６の計数値が
入力し、この計数値からメモリ７６に記憶した計数値を
減算する減算器７８とから構成してある。

【００１９】なお、主検出器３４の検出信号を波形成形
する波形成形回路４２の出力信号と、副検出器５２の検
出信号を波形成形する波形成形回路６０の検出信号と
は、周期ずれ部検出回路である位相反転検出回路８０に
も入力するようにしてある。この位相反転検出回路８０
は、波形成形回路４２、６０の出力信号に基づいて、後
述するように副スケール２０に設けた周期ずれ部２６を
検知し、計数値修正回路７０のメモリ７６に対し、アッ
プダウンカウンタ７４が出力した計数値を記憶させる命
令を出力する。なお、計数値修正回路７０の減算器７８
の出力信号は、図示しない被検出物（制御対象）の位置
を求める位置演算器８２に入力するようになっている。

【００２０】主検出器３２、３４と副検出器５２、５４
とは、同一の構造をなしている。すなわち、各検出器３
２、３４、５２、５４は、図２に示したように、それぞ
れがブリッジ回路を構成している４つの磁気センサ３２
ａ〜３２ｄ、３４ａ〜３４ｄ、５２ａ〜５２ｄ、５４ａ
〜５４ｄを有している。これら磁気センサは、例えば薄
膜強磁性体からなる磁気抵抗素子（いわゆる、ＭＲ素
子）によって構成してあり、背面側（スケールと反対
側）にスケール１０、２０の面に直交した磁場（磁束）
を発生するバイアス磁石（図示せず）を有し、スケール
１０、２０の凹凸を磁場（磁束）の揺らぎとして検出す
るようになっている。

【００２１】上記の如く構成した実施例の作用は、次の
とおりである。位置計測の開始時に、副検出器５２、５
４は、図１において周期ずれ部２６の右側にあったと
し、例えば主スケール１０、副スケール２０が主検出器
３２、３４と副検出器５２、５４とに対して図１の右方
向に相対移動して、各スケール１０、２０の凹部１２、
２２と凸部１４、２４とが交互に各検出器３２、３４、
５２、５４の前方を通過すると、各検出器はスケールの
凹凸に応じて正弦波状の検出信号を増幅器３６、３８、
５６、５８に入力する。ただし、主検出器３２は、主検
出器３４の検出信号より位相が９０度進んだ検出信号を
出力し、副検出器５２は、副検出器５４の検出信号より
位相が９０度進んだ検出信号を出力する。

【００２２】各増幅器３６、３８、５６、５８は、対応
する検出器から入力してきた検出信号を増幅し、波形成
形回路４０、４２、６０、６２に送出する。そして、各
波形成形回路は、増幅器の出力信号を図３に示したよう
に矩形波に波形成形して出力する。

【００２３】主検出系においては、波形成形回路４０、
４２から出力された矩形波信号が方向判別器４４とアッ
プダウンカウンタ４６とに入力する。方向判別器４４
は、波形成形回路４０の出力信号が波形成形回路４２の
出力信号より位相が進んでいると、アップダウンカウン
タ４６をカウントアップ状態する。そして、アップダウ
ンカウンタ４６は、例えば波形成形回路４０、４２の各
出力信号の立ち上がり時に計数値をカウントアップす
る。

【００２４】一方、副スケール側なる副検出系において
は、波形成形回路６０、６２の出力した矩形波の信号
が、計数値修正回路７０の方向判別器７２とアップダウ
ンカウンタ７４とに入力する。そして、アップダウンカ
ウンタ７４は、主検出系と同様に波形成形回路６０、６
２の出力信号に同期して計数値をカウントアップする。

【００２５】波形成形回路４２、６０の出力信号が入力
する位相反転検出回路８０は、例えばフリップフロップ
によって構成され、波形成形回路４２、６０から矩形波
が入力してくると、両信号間の位相関係を監視する。そ
して、スケール１０、２０が移動し、副スケール２０に
設けた周期ずれ部２６が副検出器５２、５４の前方を通
過すると、波形成形回路６０、６２からは、図３のＡ、
Ｂに示したような通常の凹凸の１周期に相当する長さの
信号が出力される。

【００２６】このため、計数値修正回路７０の方向判別
器７２に入力する波形成形回路６０、６２の出力信号の
位相関係は、周期ずれ部２６の通過の前後において不変
であるが、位相反転検出回路８０に入力する波形成形回
路４２、６０の出力信号の位相関係は逆転し、波形成形
回路６０側の信号が波形成形回路４２側の信号より位相
が進む。そこで、位相反転検出回路８０は、位相が逆転
すると、計数値修正回路７０のメモリ７６に、このとき
のアップダウンカウンタ７４の計数値を記憶させる命令
信号を出力する。メモリ７６は、位相反転検出回路８０
から命令を受けると、その命令の入力時にアップダウン
カウンタ７４が出力した計数値を記憶し、この計数値を
減算器７８に送出する。

【００２７】減算器７８には、主検出系のアップダウン
カウンタ４６から計数値が入力するようになっている。
この減算器７８は、メモリ７６からアップダウンカウン
タ７４の計数値が入力するまでアップダウンカウンタ４
６の計数値をそのまま位置演算器８２に出力する。そし
て、減算器７８は、メモリ７６から計数値が入力してく
ると、アップダウンカウンタ４６の計数値からメモリ７
６から入力した計数値を引き、演算結果を位置演算器８
２に送る。

【００２８】位置演算器８２は、減算器７８の出力信号
に基づいて被検出物の位置を算出し、求めた位置を制御
装置や表示装置に出力する。従って、位置演算器８２
は、副検出器５２、５４が周期ずれ部２６を検出するま
では、主検出器３２、３４の検出信号に基づいた位置を
演算し、副検出器５２、５４が周期ずれ部２６を検出し
たのちは、周期ずれ部２６を基準点とした位置を演算す
る。

【００２９】なお、スケールと検出器との相対移動の方
向が反対になると、各方向判別器４４、７２は、主検出
器３２、３４の各出力信号間および副検出器５２、５４
の各出力信号間の位相が逆転するため、各アップダウン
カウンタ４６、７４をカウントダウン状態にする。ま
た、位相反転検出回路８０は、先の位相反転検出状態が
維持され、リセットされるまでメモリ７６に対して新た
な記憶命令を出力しない。

【００３０】このように、シリンダがある程度移動して
副検出器５２、５４が周期ずれ部２６を検出すると、周
期ずれ部２６を基準とした絶対位置を求めることができ
る。このため、被検出物の絶対位置を求めるに、ロッド
を伸長限または縮小限まで伸縮させる必要がなく、無駄
な操作を少なくできる。しかも、副スケール２０に設け
た基準点となる周期ずれ部２６が凹凸の繰り返しの一部
として形成してあるために、副検出系の検出は主検出系
の検出と同じく 、検出したアナログ信号を矩形波にする
コンパレータの閾値のレベル調整を、矩形波のデューテ
ィ比が５０％になるように設定すればよく、これにより
従来の段落〔０００４〕で述べた「検出した単一波形の
最高振幅と最低振幅とを求めて処理レベルを決定する」
との原点検出回路での単発の信号処理なる特別の信号処
理をする必要がない。また、具体的には、図１に示す通
り、副検出系を構成する副検出器５２、５４、増幅器５
６、５８、波形整形回路６０、６２、方向判別器７２及
びアップダウンカウンタ７４が、主検出系を構成する主
検出器３２、３４、増幅器３６、３８、波形整形回路４
０、４２、方向判別器４４及びアップダウンカウンタ４
６と同じものを使えるために、製造上の歩留りが向上
し、また使用上の保守点検も容易となる。

【００３１】なお、前記実施例においては、副検出器を
２つ設けた場合について説明したが、副検出器を１つに
し、この副検出器と主検出器３２、３４のいずれか１つ
とで副スケール２０に設けた周期ずれ部２６を検出する
ようにしてもよい。この場合、周期ずれ部２６を検出し
たときに、主検出系のアップダウンカウンタ４６をリセ
ットするか、メモリ７６に記憶させる計数値をアップダ
ウンカウンタ４６の計数値にするとよい。このように構
成すると、回路構成がより簡素化され、部品点数が減少
してコストの低減が図れる。

【００３２】図４は、副スケールの他の実施例を示した
ものである。本実施例の副スケール２０は、周期ずれ部
２６が凹状に形成してある。ところで、主検出器３２、
３４と副検出器５２、５４とは、前記の通り、背面側
（スケールと反対側）にスケール１０、２０の面に直交
した磁場（磁束）を発生するバイアス磁石を有し、スケ
ール１０、２０の凹凸を磁場（磁束）の揺らぎとして検
出する強磁性体薄膜の磁気抵抗素子（いわゆる、ＭＲ素
子）からなる磁気センサによって構成してある。ここ
で、この強磁性体薄膜の磁気抵抗素子は、例えば特開昭
６０−１５５９１７号公報の第１図及び第２図並びにこ
れらの説明なる本文第１頁右下欄第７行目〜第２０行目
に詳記してある通り、その感磁面なる薄面に直交した磁
場（磁束）に対してよりも薄面に平行な磁場（磁束）に
対しての方が感度よく感ずるものであ る。従って、周期
ずれ部２６を凹部とすることによって、周期ずれ部２６
を凸部とした場合におけるこの凸部上から凸部面に向け
て真っ直ぐに生ずる垂直磁場（磁束）（感度は略ゼロ）
よりも、凹部上から前後の凸部の角に向けて曲がって生
ずる薄面に平行な磁場（磁束）成分（感度は薄面に平行
な磁場（磁束）成分の強さに線形比例する）に基く大き
な出力信号が得られ、かつ線形比例した感度への閾値の
設定の容易さから周期ずれ部２６の検出精度の向上を図
っている。

【００３３】前記実施例においては、スケール１０、２
０が直線的に形成してある直線位置検出装置について説
明したが、ロータリエンコーダや回転式位置検出装置に
ついても適用することができる。また、前記実施例にお
いては、主検出器３２、３４と副検出器５２、５４と
が、強磁性体薄膜磁気抵抗素子からなる磁気センサによ
って構成してある場合について説明したが、半導体磁気
センサやコイル等を用いてもよい。

【００３４】さらに、前記実施例においては、主スケー
ル１０と副スケール２０との物理的変化部が凹部１２、
２２と凸部１４、２４によって構成した場合について説
明したが、部分的な焼き入れ、焼きなまし、または部分
的な磁化や磁石の小片の貼り付け等によって形成しても
よい。そして、前記実施例においては、建設機械のシリ
ンダについて説明したが、工作機械等に適用できること
は勿論である。

【００３５】前記実施例においては、磁気式の位置検出
装置について説明したが、各スケール１０、２０の物理
的変化部を光の透過率を異ならせて形成し、各検出器に
光センサを用いた光学式位置検出装置にも適用すること
ができる。

【００３６】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明によれ
ば、物理的変化部を周期的に形成した副スケールの一部
に物理的変化部の周期ずれ部を設け、この周期ずれ部を
検出して主スケールの物理的変化部を計数している主計
数回路の計数値を、周期ずれ部検出後の計数値に修正す
るため、被検出物がある程度移動して副検出器が周期ず
れ部を検出すると、周期ずれ部を基準点とした絶対位置
の表示が可能となり、いわば疑似アブソリュートな位置
検出が可能となる。

【００３７】しかも、基準点となる周期ずれ部は、イン
クリメンタルな信号を出力するように形成した副スケー
ルの物理的変化部の一部として形成してあるため、検出
信号の処理が主スケールの検出信号の処理に準じて行う
ことが可能となり、信号処理が簡易となる。

【００３８】また、各スケールの物理的変化部をスケー
ルに形成した凹凸によって構成すると、スケールの加工
が容易であり、凹凸を磁気センサによって容易に検出す
ることができ、コストの低減を図れる。そして、副スケ
ールに設けた周期ずれ部を、副スケールの表面に形成し
た凸部として形成すると、スケール表面の疵などは研磨
し易いために、疵などによる外乱の影響を小さくするこ
とができる。なお、副検出器を、背面側（スケールと反
対側）にスケールの面に直交した磁場（磁束）を発生す
るバイアス磁石を有し、スケールの凹凸を磁場（磁束）
の揺らぎとして検出する強磁性体薄膜磁気抵抗素子で構
成し、かつ周期ずれ部を凹部として形成すると、周期ず
れ部を大きなシグナルで得られ、また周期ずれ部に対す
る検出精度の向上が図れる。

【００３９】なお、主計数回路が計数した主スケールの
物理的変化部の数の修正は、副スケールの周期ずれ部を
検出したときに、主計数回路にリセット信号を与えても
よい。また、副検出器を１つにすると、部品点数の減少
が図れ、回路構成がより簡素化されてコストの低減が図
れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係る位置検出装置のブロック
図である。

【図２】実施例の主検出器と副検出器との詳細説明図で
ある。

【図３】実施例の作用を説明するタイムチャートであ
る。

【図４】副スケールの他の実施例の説明図である。

【符号の説明】 １０ 主スケール １２、１４ 物理的変化部（凹部、凸部） ２０ 副スケール ２２、２４ 物理的変化部（凹部、凸部） ２６ 周期ずれ部 ３２、３４ 主検出器 ４６ 主計数回路（アップダウンカウンタ） ５２、５４ 副検出器 ７０ 計数値修正回路 ７４ 計数器（アップダウンカウンタ） ８０ 周期ずれ部検知回路（位相反転検出回
路）

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 スケールに所定周期をもって形成した物
   理的変化部を検出して被検出物の位置を検出する位置検
   出装置において、所定周期の 物理的変化部を形成してある主スケールと、 主スケールの物理的変化部を検出する主検出器と、 主検出器が検出した主スケールの物理的変化部の数を計
   数する主計数回路と、主スケールの物理的変化部の所定周期と同周期の第１物
   理的変化部、第１物理的変化部に引き続き配置され、か
   つ第１物理的変化部の所定周期に対して１８０度ずれた
   周期ずれ部及び周期ずれ部に引き続き形成され、かつ第
   １物理的変化部の所定周期と同周期の第２物理的変化部
   を有してなる 物理的変化部を形成してある副スケール
   と、副スケールの 物理的変化部を検出する副検出器と、 副検出器が検出した副スケールの物理的変化部の数を計
   数する副計数回路と、 主検出器と副検出器との検出信号間に１８０度の位相ず
   れが有ったとき、これを検知する周期ずれ部検知回路
   と、 周期ずれ部検知回路が１８０度の位相ずれを検知したと
   き、そのときの副計数回路の計数値を記憶する記憶部
   と、 主計数回路の計数値から副計数回路の計数値を減算し外
   部へ出力する減算回路と を有することを特徴とする位置
   検出装置。
2. 【請求項２】 主スケールと副スケールとの物理的変化
   部はスケールに形成した凹凸からなっているとともに、
   主検出器と副検出器とは磁気センサによって構成され、
   かつ副スケールの周期ずれ部は凸状に形成してあること
   特徴とする請求項１に記載の位置検出装置。
3. 【請求項３】 物理的変化部は光学特性変化部であり、
   主検出器と副検出器とは光センサからなることを特徴と
   する請求項１に記載の位置検出装置。