JP3217895B2 - 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、油圧シリンダのピスト
ンロッドなどアクチュエータのストローク位置を高精度
で検出する装置の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】油圧シリンダのピストンロッドなどのス
トローク位置を検出するために、ピストンロッド表面の
軸方向に一定のピッチ間隔で弱磁性部を配設した磁気ス
ケールを構成し、シリンダ側に取り付けた磁気センサの
検出信号がピストンロッドの変位によって正弦波形で変
化することを利用して、変位の増分値から分解能の高い
位置検出を行う相対位置検出型のものが知られており、
本願出願人も特開平４−１３６７１３号公報に高精度の
測定が行えるものを提案している。

【０００３】この装置は、ピストンロッドの移動により
磁気スケールの１ピッチについて一周期となる正弦波で
変化する一対の磁気センサを、互いに９０度の位相差を
もって出力するようにピストンロッドの軸方向にセット
するのであるが、２つのセンサ信号は、絶えず一定の振
幅レベル又は振央レベル（振幅レベルの中心値）をもつ
とは限らず、これらは磁気センサを構成する磁気抵抗素
子の特性のばらつき、ピストンロッドの弱磁性部深さの
ばらつき、又は温度変化などによって、振幅レベルや振
央レベルがピッチ毎に変化することがあり、これらを正
確に補正しない限り、ストローク位置の精度を向上させ
ることができない。

【０００４】このため、磁気センサ信号の各ピッチごと
のピーク値（振幅レベルの最大又は最小値）をピストン
ロッドの全ストロークにわたって格納・更新し、これら
のデータに基づいてセンサ信号の振幅レベルを同一化す
る補正及び振央レベルの調整を行うことで、磁気スケー
ルの加工精度等によってピッチ毎にセンサ信号が変動し
たり、磁気スケールに経時的な変化や温度変化による変
動が生じても、常に精度の高い位置検出を安定して行っ
ている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記の装置
では、位置検出のために絶対位置（例えば原点）の設定
を行う必要があり、ピストンロッドの端部にリミットス
イッチ等のセンサを取り付けておき、このリミットスイ
ッチがＯＮになるまでピストンロッドをストロークさせ
ることで原点リセットのための信号を発生させたり、ピ
ストンロッドを最収縮位置（最も縮んだ位置）や最伸長
位置（最も伸びた位置）までストロークさせて原点設定
（絶対位置の設定）を行っている。

【０００６】しかしながら、上記従来の装置では使用開
始時（電源再度立ち上げ時）にピストンロッドをリミッ
トスイッチがＯＮになる位置までストロークさせたり、
最収縮位置又は最伸長位置までストロークさせることは
装置の起動時間を増大させる原因となり、特にストロー
クの長いピストンロッドの場合（例えば、ストロークが
数メートルに及ぶ場合）には原点設定までの時間が煩わ
しいことがある。

【０００７】また、この原点設定のためにピストンロッ
ドを最収縮位置又は最伸長位置へストロークさせること
は、ピストンロッドに連結された機構に大きな変位を与
えることになり、連結された機構によっては使用開始の
たびに大幅な変位を与えると不都合が生じる場合があっ
た。

【０００８】そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなさ
れたもので、極めて少ないストロークで絶対位置の設定
が可能な位置検出装置を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、図１におい
て、移動方向に所定のピッチで深さＭ2の弱磁性部を配
設した磁気スケール２１と、磁気スケール２１のピッチ
に対応して９０度の位相差をもった２相の正弦波を出力
する一対の磁気センサ２２と、前記磁気スケール２１の
ピッチ毎の各センサ出力のピーク値をそれぞれ更新・格
納する手段２３と、各ピーク値から各ピッチ毎の振央レ
ベルを演算する手段２４と、前記振央レベルとセンサ出
力の比較結果に基づいて粗位置を演算する手段２５と、
前記ピーク値と振央レベルからセンサ出力の正規化係数
を演算する手段２６と、この正規化係数に基づいてセン
サ出力を補正する手段２７と、２相の補正された正規化
信号を用いて三角関数逆演算により精位置を演算する手
段２８と、粗位置と精位置とを合算した値を位置データ
として演算する手段２９とを備えた位置検出装置におい
て、前記弱磁性部のうち磁気スケール２１の所定の基準
位置に対応する弱磁性部を所定の間隔かつ所定の深さＭ
1で形成した基準点と、前記振央レベルと前記磁気セン
サ２２の一方の相のセンサ出力とから振幅レベルを演算
する手段３０と、この振幅レベルと前記振央レベルから
基準点を検出する手段３１と、これら基準点の検出時に
前記位置データ演算手段２９で演算された位置データを
メモリ３３にそれぞれ格納する手段３２と、このメモリ
３３に格納された値から前記隣接する任意の基準点間隔
を演算する手段３４と、この基準点間隔の符号で区分け
された領域で前記基準点間隔の絶対値に基づいてアドレ
スを演算する手段３５と、このアドレスが指し示すメモ
リ３７に格納される絶対位置データで、前記２つ目の基
準点の検出時に前記位置データ演算手段２９で演算され
た位置データを置き換える手段３６とを備える。

【００１０】

【作用】電源遮断中にストローク位置が変化した場合、
電源の再立ち上げ時に位置データ演算手段２９で演算さ
れる位置と実際のストローク位置に差が生じてしまう。
この場合に、隣接する２つの基準点が検出された時点
で、その基準点間隔が演算され、演算された基準点間隔
の符号と基準点間隔の絶対値に基づいてアドレスＡＤが
演算され、このアドレスＡＤが指し示すメモリ３７に格
納されている絶対位置データで、位置データ演算手段２
９で演算される２つ目の基準点の位置データを置き換え
ることで実際のストローク位置と位置データ演算手段２
９で演算される位置データのずれが解消され、絶対位置
の設定が隣接する２つの基準点を通過させるだけで行う
ことができ、基準点検出までのストローク量を低減する
ことができる。

【００１１】

【実施例】図２は本発明を油圧シリンダのピストンロッ
ドのストローク位置を検出するために適用したときのス
トローク検出部の一実施例を示す。

【００１２】図示しない油圧シリンダを構成する磁性材
料（強磁性部）で形成されたピストンロッド１の表面に
は軸方向に所定のピッチＰで、所定の深さＭ₁又はＭ₂の
弱磁性部２を配設し、これにより磁気スケール３を構成
する。これら弱磁性部２の幅はそれぞれ約Ｐ／２に形成
される。

【００１３】磁気スケール３の弱磁性部２のうち、磁気
スケール３の所定の位置に予め設定した基準点ｈ₁、
ｈ₂、ｈ₃、ｈ₄、ｈ₅、ｈ₆、ｈ₇、（ｈは基準点の識別番
号）の弱磁性部２を深さＭ₁で形成する一方、他の弱磁
性部２を深さＭ₂にて形成し、本実施例では、Ｍ₁＜Ｍ₂
としている。

【００１４】これら基準点ｈ₁〜ｈ₇の間隔は、ピストン
ロッド１の全ストロークのほぼ中央位置に配設された基
準点ｈ₄、ｈ₅の間隔をピッチＰに等しいＬ₁とし、これ
ら基準点ｈ₄、ｈ₅から両端に向けて順次基準点間隔Ｌを
増大させており、各基準点間隔Ｌはそれぞれ異なる値に
設定され、かつＬ₁＜Ｌ₂＜Ｌ₃＜Ｌ₄＜Ｌ₅＜Ｌ₆の関係を
満たしている。

【００１５】図示しない油圧シリンダの一端にはピスト
ンロッド１の変位に伴って磁気スケール３の１ピッチを
１周期とし、互いに９０゜の位相差を備えた２相の正弦
波信号を出力する一対の磁気センサ４が備えられる。

【００１６】図３はマイクロプロセッサなどにより構成
されるコントローラのブロック図で、磁気センサ４から
出力される２相（Ａ相、Ｂ相とする）の信号ｓｉｇ
［Ａ］、ｓｉｇ［Ｂ］は、サンプルホールド回路１１、
１２、アナログ−デジタルコンバータ１３を介してＣＰ
Ｕ１４に入力される。

【００１７】各相ごとに設けられたデジタル−アナログ
コンバータ１５、１６では、後述するｓｌｏｔ＿ｔａｂ
ｌｅ上のピーク値から求めれた振央レベルｃｅｎ
［Ａ］、ｃｅｎ［Ｂ］（デジタル値）をアナログ電圧に
変換してコンパレータ１７、１８に入力する。

【００１８】コンパレータ１７、１８では上記の振央レ
ベルｃｅｎ［Ａ］、ｃｅｎ［Ｂ］とセンサ信号ｓｉｇ
［Ａ］、ｓｉｇ［Ｂ］とをそれぞれ比較し、図４に示す
ように振央レベル（ｓｉｇ［Ａ］についてｃｅｎ
［Ａ］、ｓｉｇ［Ｂ］についてｃｅｎ［Ｂ］）よりもセ
ンサ信号のほうが大きい場合には”Ｈ”レベルの、小さ
いときには”Ｌ”レベルを出力する。

【００１９】このコンパレータ出力ｓｇｎ［Ａ］、ｓｇ
ｎ［Ｂ］は、後述する割り込み処理を指示する信号とし
て利用され、Ｐ／２ごとにコンパレータ出力ｓｇｎ
［Ａ］、ｓｇｎ［Ｂ］が変化する（すなわち、各相のセ
ンサ信号が振央レベルをクロスする）とき、粗位置がカ
ウントされるとともに、反対相のピーク値の測定、更新
が行われる。

【００２０】ＣＰＵ１４では、 １）センサ信号ピーク値のメモリ格納、更新処理、 ２）振央レベルの調整処理、 ３）粗位置のカウント処理、 ４）センサ信号の正規化処理、 ５）精位置の演算処理、 ６）粗位置と精位置の合算処理、 ７）センサ異常検出処理、 等を行うのであるが、これらの詳細は特開平４−１３６
７１３号公報に譲るとして、ここでは、本発明にかかわ
る部分についてのみ以下に概略を説明する。

【００２１】（１）センサ信号のピーク値のメモリ格納 図３のＲＡＭ１９にはセンサ信号ｓｉｇ［Ａ］、ｓｉｇ
［Ｂ］のピーク値を各ピッチごとに格納するスロットテ
ーブルが、図５に示すようにＡ相とＢ相に分けて設けら
れる。各ｓｌｏｔ＿ｔａｂｌｅ［Ａ］、［Ｂ］に格納さ
れるのは、ピーク値（最大値又は最小値）ｐｅａｋと、
ピーク値の内容を示すｃｌａｓｓである。

【００２２】ピーク値は最大値がスロット番号（後述す
る粗位置カウンタと同一である。）の偶数、最小値が奇
数の位置にくるように予め定められており、この規則に
従って測定値が格納されて行くが、初期セット時にはす
べて期待値が格納される。

【００２３】一方、ｃｌａｓｓはピーク値の内容により
３種類の異なる値ＭＥＡＳＵＲＥ，ＥＳＴＩＭＡＴＥ，
ＧＵＥＳＳがあり、初期セット時にはすべての位置に推
測値であるＧＵＥＳＳが、実測時にはスロット番号の位
置に実測値ＭＥＡＳＵＲＥが、そして実測値の結果を周
辺のスロットテーブルび反映させるときには概略値ＥＳ
ＴＩＭＡＴＥがそれぞれ設定される。なお、このクラス
は後述するようにピーク値の更新時に更新値を決定する
ための重みづけ係数（ＭＥＡＳＵＲＥ，ＥＳＴＩＭＡＴ
Ｅ，ＧＵＥＳＳ）を表すものである。

【００２４】（２）粗位置カウント、正規化係数とセン
サ信号の振央レベルの演算処理 これは、各相のセンサ信号ｓｉｇ［Ａ］、ｓｉｇ［Ｂ］
が、その振央レベルをクロスしたときに実行する。図６
にＡ相信号の振央クロス時の処理を、図７にＢ相信号の
振央クロス時の処理を示し、いずれのセンサ信号もほぼ
同様であるため、Ａ相信号の振央クロス時で説明する。

【００２５】Ａ相センサ信号ｓｉｇ［Ａ］の振央クロス
時は、反対相であるＢ相がピーク値をとるため、Ｂ相セ
ンサ信号ｓｉｇ［Ｂ］をサンプルホールドし、その値を
Ｂ相ピーク値として変数ｐｅａｋ［Ｂ］に入れておく
（図６のステップ１）。

【００２６】両相のコンパレー出力ｓｇｎ［Ａ］，ｓｇ
ｎ［Ｂ］の一致、不一致の判定結果でＡ相粗位置カウン
タｃｏｕｎｔ［Ａ］をカウントアップ又はカウントダウ
ンする（ステップ２、３、４）。

【００２７】Ａ相センサ信号とＢ相センサ信号とは９０
度の位相差をもつため、ピストンロッド１のストローク
方向によって位相が進んだり遅れたりするので、仮にＡ
相の位相がＢ相よりも９０度だけ進んでいる方向を正方
向（図２において左方向）とすると、図４にも示したよ
うに、Ａ相センサ信号ｓｉｇ［Ａ］は常に反対相のコン
パレータ出力ｓｇｎ［Ｂ］のレベルと一致する。したが
って、正方向にピストンロッド１がストロークしている
ときには、Ａ相粗位置カウンタをカウントアップし、そ
うでないときにはカウントダウンする（図６のステップ
２、３又はステップ２、４）。ここまでの処理はＣＰＵ
１４の割り込み処理で行う。

【００２８】なお、Ａ相粗位置カウンタ値ｃｏｕｎｔ
［Ａ］と後述するＢ相粗位置カウンタ値ｃｏｕｎｔ
［Ｂ］は、両カウンタ値の差が０又は１となるように予
め設定されているため、両カウンタの値を引算すること
により、その引算結果が０又は１でない場合には磁気セ
ンサの断線などの不具合があると診断することができ
る。

【００２９】Ａ相センサ信号ｓｉｇ［Ａ］はこの振央ク
ロス時から次のスロット番号（粗位置カウンタ値）に入
ったことになり、Ａ相スロットテーブルｓｌｏｔ＿ｔａ
ｂｌｅ［Ａ］に格納してあるＡ相ピーク値とＡ相振央レ
ベルｃｅｎ［Ａ］（この振央レベルは、反対相の振央ク
ロス時に数ピッチの最大値と最小値の平均値として求め
られる）とから、Ａ相センサ信号の正規化係数ｓｃａｌ
ｅ［Ａ］を ｓｃａｌｅ［Ａ］＝１／｜Ａ相ピーク値−ｃｅｎ［Ａ］｜ …（１） として求める（図６のステップ６）。

【００３０】この正規化係数ｓｃａｌｅ［Ａ］は磁気ス
ケール３のピッチごとの振幅の違いを補正して同一レベ
ルに調整するためのもので、後述する精位置を演算する
ときの正規化処理で使用される。仮に｜Ａ相ピーク値−
ｃｅｎ［Ａ］｜の正規な値を１として、実測値がその２
倍の大きさとなった場合、正規化係数は１／２となり、
後述するように正規化係数をＡ相センサ信号の振幅に乗
じる（すなわち２倍の振幅値に正規化係数の１／２を乗
じる）ことによって振幅値＝１と補正して振幅レベルを
同一に置換するものである。

【００３１】Ｂ相センサ信号のピーク値が最大値である
かどうかを判定して、最大値であればＢ相センサ信号の
振央レベルｃｅｎ［Ｂ］を演算する。（図６のステップ
８、９）。この振央レベルの演算は、数ピッチ間の最大
値と最小値との平均値として算出する。この演算結果
は、Ｂ相振央レベルｃｅｎ［Ｂ］として図３のデジタル
−アナログコンバータ１６へ出力する（ステップ１
０）。

【００３２】（３）センサ信号ピーク値の更新処理 図８は両相のピーク値の更新処理を示すものであるが、
この更新処理は振央クロス処理時に反対相に対して行う
ため、ここではＢ相について述べる（図６のステップ
７）。

【００３３】図８において、まずＡ相信号の振央クロス
時にピークホールドをかけたＢ相センサ信号のピーク値
をＡ／Ｄ変換し、Ｂ相ピーク値ｐｅａｋ［Ｂ］として取
り込む（図８のステップ２１）。このＢ相ピーク値が仮
に６番目に相当するとき、６番目のクラスにある値（Ｍ
ＥＡＳＵＲＥ，ＥＳＴＩＭＡＴＥ，ＧＵＥＳＳのいずれ
か）に対して重みづけ係数（ＭＥＡＳＵＲＥ＿ＷＥＩＧ
ＨＴ，ＥＳＴＩＭＡＴＥ＿ＷＥＩＧＨＴ，ＧＵＥＳＳ＿
ＷＥＩＧＨＴのいずれか）を選択して変数ｗｅｉｇｈｔ
に代入する（図８のステップ２２〜２５）。

【００３４】この変数値ともう１つの重みづけ係数Ｔ＿
ＷＥＩＧＨＴに基づいて６番目のピーク値を 最新値＝（従来値×Ｔ＿ＷＥＩＧＨＴ＋ｐｅａｋ［Ｂ］×ｗｅｉｇｈｔ） ／（Ｔ＿ＷＥＩＧＨＴ＋ｗｅｉｇｈｔ） …（２） により更新する（図８のステップ２６）。６番目のクラ
スｃｌａｓｓは実測値ＭＥＡＳＵＲＥで置き換える（ス
テップ２７）。

【００３５】上記重みづけ係数Ｔ＿ＷＥＩＧＨＴ、ＭＥ
ＡＳＵＲＥ＿ＷＥＩＧＨＴは通常１で、その他に関して
は、ＭＥＡＳＵＲＥ＿ＷＥＩＧＨＴ＜ＥＳＴＩＭＡＴＥ
＿ＷＥＩＧＨＴ＜ＧＵＥＳＳ＿ＷＥＩＧＨＴの関係を満
足する値を選択する。

【００３６】また、現在のスロット番号（粗位置に相
当）の２個先と２個前のピーク値に対するクラスがＧＵ
ＥＳＳであれば、格納済みのピーク値に代えて現在の更
新ピーク値（すなわち、更新したばかりの６番目のピー
ク値）を格納し、かつ、クラスをＥＳＴＩＭＡＴＥに変
更することで、スロットテーブル内のピーク値を早い段
階で真の値に近付ける（図８のステップ２８〜３３）。

【００３７】（４）精位置の演算及び粗位置との合算処
理 この処理は一定の時間毎に行われ、その処理内容を図９
に示す。

【００３８】図９において、両相のセンサ信号を同時に
サンプルホールドした後、順次Ａ／Ｄ変換処理を行っ
て、各相のセンサ信号ｓｉｇ［Ａ］、ｓｉｇ［Ｂ］を共
に取り込む（図９のステップ４１）。

【００３９】センサ信号と振央レベル及び上記の正規化
係数を用いて各相の正規化信号（正規化振幅の信号）ｃ
ｏｒｒｅｃｔ［Ａ］、ｃｏｒｒｅｃｔ［Ｂ］を ｃｏｒｒｅｃｔ［Ａ］ ＝ｓｃａｌｅ［Ａ］×（ｓｉｇ［Ａ］−ｃｅｎ［Ａ］） …（３） ｃｏｒｒｅｃｔ［Ｂ］ ＝ｓｃａｌｅ［Ｂ］×（ｓｉｇ［Ｂ］−ｃｅｎ［Ｂ］） …（４） の式でそれぞれ計算する（図９のステップ４２、４
３）。

【００４０】なお、正規化信号ｃｏｒｒｅｃｔ［Ａ］、
ｃｏｒｒｅｃｔ［Ｂ］から合成振幅を求め、これが許容
範囲に入っているかを判定して、入っていなければ不具
合（例えば、磁気センサ４の断線や短絡など）があると
診断することができる（図９のステップ４４）。この範
囲はノイズの許容レベル、２相のセンサ信号の位相差の
許容範囲などに基づいて決めればよい。

【００４１】正規化信号ｃｏｒｒｅｃｔ［Ａ］、ｃｏｒ
ｒｅｃｔ［Ｂ］からは図１０のグラフを用いて精位置の
演算を行う。これは、例えば磁気スケール３のピッチを
２ｍｍ（粗位置は１ｍｍ単位）とし、精位置は粗位置を
１００分割（０．０１ｍｍ）としたとき、現在点が図１
０においてＣ１点にあると仮定したときの精位置ｆｉｎ
ｅ＿ｄｉｐｌ［１０^-2ｍｍ］を求めることを考える。こ
のとき、θ：π＝ｆｉｎｅ＿ｄｉｐｌ：１００の関係が
成立するので、 ｆｉｎｅ＿ｄｉｐｌ＝（１００／π）×θ …（５） の式が得られる。一方、ｔａｎθ＝｜ｃｏｒｒｅｃｔ
［Ｂ］｜／｜ｃｏｒｒｅｃｔ［Ａ］｜の関係を用いて、 θ ＝ tan^-1｜ｃｏｒｒｅｃｔ［Ｂ］｜／｜ｃｏｒｒｅｃｔ［Ａ］｜ …（６） によりθを求めることができるため、これを（５）式に
代入すれば、 ｆｉｎｅ＿ｄｉｐｌ＝（１００／π） ×tan^-1｜ｃｏｒｒｅｃｔ［Ｂ］｜／｜ｃｏｒｒｅｃｔ［Ａ］｜ …（７） の式を得る。

【００４２】こうして得られた（７）式より、正規化信
号ｃｏｒｒｅｃｔ［Ａ］、ｃｏｒｒｅｃｔ［Ｂ］を用い
れば、Ｃ１点の精位置を求めることができるわけであ
る。従って、ストローク位置は、三角関数の逆演算で求
めた（７）式の精位置ｆｉｎｅ＿ｄｉｐｌに粗位置を合
算すればよく、 ストローク位置＝粗位置＋ｆｉｎｅ＿ｄｉｐｌ／１００ …（８） によって求めることができる（図９のステップ５６）。

【００４３】実際の精位置は図１０のグラフ上におい
て、縦・横軸線及び±４５度線で分けられた８つの領域
のいずれかに現在点が存在するかで異なり、Ｃ２、Ｃ
３、Ｃ４の各点ではそれぞれ、 Ｃ２点の精位置＝−ｆｉｎｅ＿ｄｉｐｌ …（９） Ｃ３点の精位置＝５０−ｆｉｎｅ＿ｄｉｐｌ …（１０） Ｃ４点の精位置＝５０＋ｆｉｎｅ＿ｄｉｐｌ …（１１） により計算することができる。

【００４４】このため、精位置の算出は、図１０のグラ
フにおいて、現在点が縦・横軸線及び±４５度線で分け
られた８つの領域のいずれに存在するかの判定を行い、
最終的には正規化信号の絶対値の大小及び正規化信号の
符号の一致、不一致で判断するため４つの領域に分類さ
れる。その結果によって上記（８）式〜（１１）式から
選択している（図９のステップ４８〜５０又はステップ
５３〜５５）。

【００４５】粗位置については、２つの正規化信号の絶
対値の比較によりカウンタ値が変化しない側の粗位置カ
ウンタ値を選択している（図９のステップ４５、４６、
５１）。｜ｃｏｒｒｅｃｔ［Ｂ］｜≦｜ｃｏｒｒｅｃｔ
［Ａ］｜の領域ではＡ相粗位置カウンタ値が変化しない
ためＡ相側を、また｜ｃｏｒｒｅｃｔ［Ｂ］｜＞｜ｃｏ
ｒｒｅｃｔ［Ａ］｜の領域になると、Ｂ相側を選択して
それぞれ粗位置を表すｃｏａｒｓｅ＿ｄｉｓｐｌに入れ
るのである（図９のステップ４５、４６、ステップ４
５、５１）。

【００４６】このようにして、２相のセンサ信号のピー
ク値情報をピストンロッド１の全ストロークにわたり、
磁気スケール３のピッチごとにスロットテーブル（メモ
リ）に格納して更新し、これらの情報に基づいて振央レ
ベルの調整、センサ信号の正規化調整を適時実施するの
で、磁気センサ４の信号が変動しても常時高精度な位置
検出を行うことができる。

【００４７】以上で概説を終える。

【００４８】さて、位置検出のための原点などの絶対値
の設定のため、ピストンロッドの端部にリミットスイッ
チを設け、このリミットスイッチがＯＮになるまでピス
トンロッドをストロークさせて原点リセットのための信
号を発生や、最収縮位置又は最伸長位置までストローク
させてから原点の設定を行うのでは起動時間を増大させ
てしまうだけでなく、特にストロークの長いピストンロ
ッドにおいては、連結された機構に過度の変位を与えて
しまうことがある。

【００４９】これに対処するため、本実施例では磁気ス
ケール３に図２にも示したように、粗位置及び精位置を
検出するための弱磁性部２の深さをＭ₁、Ｍ₂の２つに異
ならせ、深さＭ₁の弱磁性部２を所定の基準位置に対応
する基準点として配設し、これら基準点に基づいて磁気
スケール３の絶対位置の設定を行う。

【００５０】磁気スケール３の磁気センサ４の２相の出
力はそれぞれ、図１１に示すように、磁気センサ４のＡ
相信号ｓｉｇ［Ａ］がその振央レベルｃｅｎ［Ａ］をク
ロスする点（●印で示す）を基準点（すなわち、深さＭ
₁の弱磁性部２の中心位置に相当）とするため、これと
反対相のＢ相信号ｓｉｇ［Ｂ］がマイナスのピーク値近
傍であるとともに所定の判定レベルｂａｓＺ以上である
ことを条件として、基準点以外のＡ相信号の振央クロス
点（図中斜線部）と識別する。

【００５１】この基準点の判定は、図３においてＡ相側
のコンパレータ１７からの出力ｓｇｎ［Ａ］（Ａ相信号
ｓｉｇ［Ａ］がその振央レベルｃｅｎ［Ａ］より大きい
とき”Ｈ”レベルの出力を、ｃｅｎ［Ａ］より小さいと
きは”Ｌ”レベルを出力する。）が変化したときが振央
クロス点と判断し、このとき、Ｂ相がマイナスのピーク
値近傍であることを条件に、その振幅レベルが弱磁性部
２の深さがＭ₁とＭ₂のいずれに対応する振幅レベルであ
るのかを判定することにより行われる。

【００５２】すなわち、弱磁性部２の深さがＭ₁のとき
の振幅レベルの所定値をｌｅｖ１、同じくＭ₂のときの
振幅レベルの所定値をｌｅｖ２とすると、例えば、Ｂ相
の振幅レベルが（ｌｅｖ１＋ｌｅｖ２）／２以上であれ
ばｌｅｖ２、これ未満であればｌｅｖ１と判断すること
によって基準点を判別する。

【００５３】このＢ相の振幅レベルがどちらの振幅レベ
ルであるかの判断は次のようにして行うこともでき、図
１１のように、所定の振幅判定レベルｂａｓＺを、 ｂａｓＺ＝ｃｅｎ［Ｂ］−（ｌｅｖ１＋ｌｅｖ２）／２ …（１２） の式より計算すると、この振幅判定レベルｂａｓＺとＢ
相信号ｓｉｇ［Ｂ］の大小によりｂａｓＺ＞ｓｉｇ
［Ｂ］のときｌｅｖ２、それ以外でｌｅｖ１と判定する
ことができる。

【００５４】また、この判定を図３に示すハードウェア
の構成により行うことも可能で、ｂａｓＺをアナログ出
力するためのデジタル−アナログコンバータ２０と、こ
のコンバータ出力とＢ相信号とを比較するコンパレータ
２１の出力によって判定してもよい。ただし、ソフトウ
ェア又はハードウェアのいずれの場合も、振幅レベルの
判定はＡ相信号の振央クロス時（つまり基準点の検出時
で、Ｂ相がマイナスのピーク値近傍を示す条件のとき）
に行わなければならいことは勿論である。

【００５５】図３のＲＡＭ１９には、各相ともセンサ信
号ｓｉｇ［Ａ］、ｓｉｇ［Ｂ］のピーク値の情報と、後
述する各基準点における絶対位置データとが格納され、
ＲＡＭ１９はＣＰＵ１４の電源が遮断されてもその内容
が保持されるように図示しないバッテリによりバックア
ップされる。

【００５６】コントローラでは、使用のためにＣＰＵ１
４の電源が再度立ち上げられると、図１２に示す処理を
開始する（図１２のステップ６１）。

【００５７】まず、ピストンロッド１をいずれかの方向
にストロークさせることにより１つ目の基準点を検出し
た際に、磁気センサ４のセンサ信号ｓｉｇ［Ａ］、ｓｉ
ｇ［Ｂ］に基づいて演算される、上記ストローク位置デ
ータの最新値（図９のステップ５６で演算されるｄｉｓ
ｐｌ）を変数Ｘ₁に格納する（図１２のステップ６２、
６３）。

【００５８】こうして、Ｘ₁にストローク位置データを
入れた後、２つ目の基準点の検出時にもストローク位置
データの最新値を変数Ｘ₂に入れ（図１２のステップ６
４〜６５）、２つの変数Ｘ₁、Ｘ₂の値から基準点間隔Ｌ
（＝Ｘ₂−Ｘ₁）を演算する（図１２のステップ６６）。
なお、基準点の検出は前述のように、Ａ相信号ｓｉｇ
［Ａ］がその振央レベルｃｅｎ［Ａ］に等しく、かつＢ
相信号ｓｉｇ［Ｂ］がマイナスのピーク値近傍でその値
が基準点判定レベルｂａｓＺ以上のときである。

【００５９】この２つの基準点の検出後に、基準点間隔
Ｌの符号がいずれの符号であるかの判定結果によって区
分けされる２つの領域のいずれの場合であるかを判定す
る（図１２のステップ６９、７０、７１）。これは、図
２においてピストンロッド１がどちらに動くかにより、 ａ．Ｌ＞０の領域 ｂ．Ｌ＜０の領域 の２つの領域に分けることを意味する。

【００６０】例えば、電源再立ち上げ時にピストンロッ
ド１が任意の位置にあって、これより伸長側（図２の左
方向）へ動くときがａの領域、この反対に収縮側へ動く
ときがｂの領域となるわけである。

【００６１】なお、｜Ｌ｜＜Ｌ₀のときは、同一の基準
点を連続して２度通過した場合であり、Ｘ₂の値をＸ₁に
移してからステップ６４に戻ることで再度基準点の検出
を行う（図１２のステップ６７、６８、６４）。

【００６２】こうして検出した基準点が上記２つの領域
のいずれかにあるかがわかると、その判定された各領域
ごとに演算された基準点間隔絶対値｜Ｌ｜から 領域ａ→ＡＤ＝｜Ｌ｜×ｍ＋ｂａｓｅ１ …（１３） 領域ｂ→ＡＤ＝｜Ｌ｜×ｍ＋ｂａｓｅ２ …（１４） ただし、ｂａｓｅ１、２；任意のアドレス（整数値）の
式からアドレスＡＤを演算する（図１２のステップ６
９，７０，ステップ６９，７１）。

【００６３】前述のように２つの基準点を検出したが、
（１３）、（１４）式のアドレスＡＤは２つ目の基準点
に対する絶対位置データの入っているＲＡＭ１９上の格
納場所を指し示すものである。

【００６４】この絶対位置データの格納されたＲＡＭ１
９の内容を図１３に示す。例えば、上記ａの領域（Ｌ＞
０の領域）について説明すると、２つ目の基準点を検出
するのは、図２よりｈ2〜ｈ7を通過したときであり、こ
れと同数の格納場所に絶対位置データが格納されてい
る。仮に、２つ目の基準点としてｈ7の基準点を通過し
た場合、このときの基準点間隔はＬ5よりアドレスＡＤ
（＝Ｌ5×ｍ＋ｂａｓｅ１）で指し示される格納場所に
はｈ7に対応する絶対位置データが格納されているわけ
である。

【００６５】このように、絶対位置データ格納用のＲＡ
Ｍでは、上記ａ、ｂの領域（ストローク方向の違いで分
けられる）で２つ目の基準点を検出する場合の数と同数
の格納場所を用意しており、各場合に対応する絶対位置
データを予め格納しておくのである。

【００６６】上記の（１３）、（１４）式のアドレスＡ
Ｄが指し示す格納場所に設定された絶対位置データを読
み出し、２つ目の基準点の検出時に上記磁気スケール３
側のセンサ信号に基づいて演算されたストローク位置デ
ータ（例えば、ｄｉｓｐｌあるいはＡ相及びＢ相の各カ
ウンタ値）を書き換えることで正確な絶対位置をセット
する（図１２のステップ７２）。なお、このストローク
位置データの書き換えは、電源の再立ち上げ時に一度だ
け行えばよい。

【００６７】電源を遮断した後にピストンロッド１が作
動油の漏れ等で変位したときは、変位後のピストンロッ
ド１の実際のストローク位置と、磁気スケール３側のセ
ンサ信号に基づいて演算される上記ストローク位置が一
致しなくなるが、２つ目の基準点検出時に上記絶対位置
データを用いて置き換えることで、電源遮断後に生じた
ピストンロッド１の変位が修正され、電源を立ち上げる
たびに基準点に対応した絶対位置が設定されるわけであ
る。

【００６８】上記（１３）、（１４）式のｍは、基準点
間隔Ｌを整数値に変換するための定数で、基準点の間隔
を識別できるように選択され、かつ、絶対位置データ格
納のために必要なワード数に応じて適宜設定すればよ
い。

【００６９】なお、絶対位置データの書き換えが完了し
た時点で、ＣＰＵ１４から外部に絶対位置データの書き
換え完了の情報を出力することで、電源の再立ち上げか
ら絶対位置データの書き換えまでの位置検出とそれ以降
の位置検出とを識別することが可能となる。

【００７０】ところで、上記のアドレスＡＤが指し示す
ＲＡＭ１９の格納場所の絶対位置データを利用するに
は、その前提として、アドレスＡＤが指し示す場所に絶
対位置データを予め設定する初期設定が必要となる。

【００７１】このため、コントローラでは、図１４に示
すフローチャートにしたがって初期設定の処理を行う。
なお、この初期設定処理は図１２の処理とほぼ同様であ
り、読み出し処理を書き込み処理に置き換えたものであ
る。

【００７２】図１２の処理と異なる点は、工場からの出
荷時などにピストンロッド１をその全ストローク範囲で
１往復させながら、隣接する２つの基準点を検出させた
後に、その基準点間隔Ｌの正負の符号で区分けした領域
ごとに演算されるアドレスＡＤが指し示す格納場所に、
２つ目の基準点検出時に磁気センサ４のセンサ信号に基
づいて演算されるストローク位置データを絶対位置デー
タとして順次格納していく点（図１４のステップ８２〜
９２）と、これら格納した絶対位置データをＣＰＵ１４
の電源遮断後も図示しないバッテリによりＲＡＭ１９に
通電してバッテリバックアップしておく点である。

【００７３】例えば、ピストンロッド１を最縮位置（絶
対位置の原点）から最伸位置までストロークさせ、その
後に最縮位置へ戻すとすれば、ピストンロッド１を最縮
位置へ変位させてストローク位置データ（つまりＡ相、
Ｂ相信号に基づく粗位置カウンタ値及び精位置）をゼロ
にセットすることから始める（図１４のステップ８
１）。

【００７４】ピストンロッド１が最縮位置から全ストロ
ークの最伸位置まで伸長するときはＬ＞０であるから、
上記（１３）式よりアドレスＡＤを演算し、このアドレ
スＡＤが指し示す格納場所に変数Ｘ₂の内容を書き込み
（図１４のステップ８９、９１、９２）、Ｘ₂の値をＸ₁
に移し（図１４のステップ９３）、さらに２つ目の基準
点検出時からの処理を繰り返して行うと（図１４のステ
ップ８４〜９３）、ピストンロッド１が全ストローク伸
びるまでの間に、図１３における任意のアドレスｂａｓ
ｅ１を基準にして６つの格納場所へ、図２に示したｈ₂
〜ｈ₇の各基準点で演算されたストローク位置データが
絶対位置としてそれぞれ格納される。

【００７５】同様にして、ピストンロッド１が最伸位置
から最縮位置まで収縮する間は、Ｌ＜０となることから
上記（１４）式で（図１４のステップ８９、９０、９
２）、それぞれアドレスＡＤを演算し、このアドレスＡ
Ｄが指し示す格納場所に変数Ｘ₂を書き込むことによ
り、図１３において、任意のアドレスｂａｓｅ２を基準
にして６つの基準点ｈ₆〜ｈ₁に対応するストローク位置
データがそれぞれ書き込まれる。

【００７６】なお、図１３に示したように、同一の基準
点に対して２つの絶対位置データを異なるアドレスに格
納したのは、図１１に示した基準点の検出が、ピストン
ロッド１の移動方向（伸長又は収縮方向）の違いで微妙
なズレを生じるためで、上記のように同一の基準点の絶
対位置データを移動方向別に異なるアドレスへ格納する
ことによりピストンロッド１の移動方向の違いによるズ
レを修正することが可能となる。したがって、ピストン
ロッド１の移動方向の違いでズレを生じない場合には、
上記絶対位置データの初期設定の際にピストンロッド１
を１往復させることなく１方向（収縮又は伸長方向）で
行えばよい。

【００７７】このようにして、この例では、図２に示し
たように複数の弱磁性部２を全ストロークにわたって配
設した磁気スケール３と、これら弱磁性部２のうち所定
の間隔で深さＭ₁に形成した基準点と、この磁気スケー
ル３のピッチに対応して９０度の位相差をもって出力す
る磁気センサ４とを設け、電源の再立ち上げ時にピスト
ンロッド１を変位させて隣接する２つの基準点を検出
し、この２つの基準点間隔の符号から検出した２つ目の
基準点がいずれの領域にあるのかを判定し、この判定し
た領域で基準点間隔の絶対値に基づいてアドレスＡＤを
演算し、このアドレスＡＤが指し示す場所に格納された
絶対位置データで２つ目の基準点のストローク位置デー
タを置き換え、かつ、各基準点に対応する絶対位置デー
タを、隣接する２つの基準点間隔の符号で区分けされた
領域ごとに前記アドレスが指し示すメモリに絶対位置デ
ータを初期設定し、この初期設定された絶対位置データ
を電源が遮断された後もバックアップしておくわけであ
る。

【００７８】これによって、ＣＰＵ１４の電源が切れて
いる間にピストンロッド１が変位しても、電源の再立ち
上げ時に隣接する２つの基準点を検出することで磁気ス
ケール３側のセンサ信号に基づくストローク位置データ
が絶対位置データに置き換えられ、それ以降は置き換え
られた絶対位置データと弱磁性部２を通過する際の磁気
センサ４のセンサ信号により精度の高い位置検出を行う
ことができるのである。

【００７９】また、電源を遮断した後のバッテリバック
アップは、絶対位置データ格納用のＲＡＭ１９について
行えばよいので、バックアップバッテリの容量が大型化
することはない。

【００８０】上記実施例では、電源の再立ち上げ後、任
意の隣接する２つの基準点を検出した時点で２つ目に検
出した基準点に対して磁気スケール３側のセンサ信号に
基づくストローク位置データを予め格納された絶対位置
データで置き換える処理を一度だけ行ったが、この置き
換え処理は必要に応じて行うことが可能である。例え
ば、２つ目の基準点を検出した以降も隣接する基準点間
隔を適宜演算し、２つ目の基準点に対応するストローク
位置データと読み出された絶対位置データとを比較し
て、不一致の場合にはそのストローク位置データを絶対
位置データで置き換えてもよい。

【００８１】また、図２において、弱磁性部２をピスト
ンロッド１の一部に形成したが、弱磁性部２をピストン
ロッド１の全周にわたって形成することで、ピストンロ
ッド１のが回動する場合においても高精度の位置検出を
行うことが可能となる。

【００８２】また、ピストンロッド１が最縮位置又は最
伸位置まで移動することを防止するため、最伸位置また
は最縮位置に最も近い基準点（図２におけるｈ₁、ｈ₇）
を検出したときに警報を発生するようにしてもよい。

【００８３】また、図１１に示したように、Ａ相振央ク
ロス点を基準点とし、Ｂ相信号を基準点検出のために使
用したが、この逆にＢ相信号の振央クロス時を基準点と
し、Ａ相信号を基準点検出のために使用してもよい。

【００８４】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、複数の弱
磁性部を全ストロークにわたって配設した磁気スケール
と、これら弱磁性部のうち所定の間隔で所定の深さに形
成した基準点と、この磁気スケールのピッチに対応して
９０度の位相差をもって出力する磁気センサとを設け、
電源の再立ち上げ時に隣接する２つの基準点を検出し、
この２つの基準点間隔の符号から検出した２つ目の基準
点がいずれの領域にあるのかを判定し、この判定した領
域で基準点間隔の絶対値に基づいてアドレスを演算し、
このアドレスが指し示す場所に格納された絶対位置デー
タで２つ目の基準点のストローク位置データを置き換え
るよう構成したため、位置検出のための絶対位置の設定
を電源の再立ち上げ時に隣接する２つの基準点を通過さ
せるだけで行うことができ、絶対位置の設定に要するス
トローク量を低減させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を示す構成図である。

【図２】本発明の実施例を示す磁気スケールの概略図で
ある。

【図３】コントローラのブロック図である。

【図４】コンパレータ出力ｓｇｎ［Ａ］、ｓｇｎ［Ｂ］
の波形図である。

【図５】２相のセンサ信号とピーク値の格納の様子を示
す説明図である。

【図６】Ａ相信号の振央クロス時の正規化係数及びＢ相
信号の振央レベルの演算を説明するためのフローチャー
トである。

【図７】Ｂ相信号の振央クロス時の正規化係数及びＡ相
信号の振央レベルの演算を説明するためのフローチャー
トである。

【図８】ピーク値の更新動作を示すフローチャートであ
る。

【図９】ストローク位置データの演算を説明するための
フローチャートである。

【図１０】正規化信号ｃｏｒｒｅｃｔ［Ａ］、ｃｏｒｒ
ｅｃｔ［Ｂ］から精位置を演算するための説明図であ
る。

【図１１】基準点を説明する各信号の波形図である。

【図１２】電源再立ち上げ時のコントローラの処理を説
明するためのフローチャートである。

【図１３】基準点間隔Ｌの符号で区分けされる領域ごと
に演算されるアドレスとそのアドレスが指し示す場所の
絶対位置データとの関係を示す図である。

【図１４】各基準点に対する絶対位置データの格納を説
明するためのフローチャートである。

【符号の説明】

１ ピストンロッド ２ 弱磁性部 ３ 磁気スケール ４ 磁気センサ １４ ＣＰＵ １９ ＲＡＭ ２１ 磁気スケール ２２ 磁気センサ ２３ ピーク値格納・更新手段 ２４ 振央レベル演算手段 ２５ 粗位置演算手段 ２６ 正規化係数演算手段 ２７ センサ出力補正手段 ２８ 精位置演算手段 ２９ 位置データ演算手段 ３０ 振幅レベル演算手段 ３１ 基準点検出手段 ３２ 位置データ格納手段 ３３ メモリ ３４ 基準点間隔演算手段 ３５ アドレス演算手段 ３６ 置き換え手段 ３７ メモリ ３８ 初期設定手段 ３９ 保持手段 ４０ 電源再立ち上げ判定手段 ４１ 通過駆動手段

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平４−136713（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−203656（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−173716（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01D 5/00 - 5/64

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 移動方向に所定のピッチで弱磁性部を配
   設した磁気スケールと、磁気スケールのピッチに対応し
   て９０度の位相差をもった２相の正弦波を出力する一対
   の磁気センサと、前記磁気スケールのピッチ毎の各セン
   サ出力のピーク値をそれぞれ更新・格納する手段と、各
   ピーク値から各ピッチ毎の振央レベルを演算する手段
   と、前記振央レベルとセンサ出力の比較結果に基づいて
   粗位置を演算する手段と、前記ピーク値と振央レベルか
   らセンサ出力の正規化係数を演算する手段と、この正規
   化係数に基づいてセンサ出力を補正する手段と、２相の
   補正された正規化信号を用いて三角関数逆演算により精
   位置を演算する手段と、粗位置と精位置とを合算した値
   を位置データとして演算する手段とを備えた位置検出装
   置において、 前記弱磁性部のうち磁気スケールの所定の基準位置に対
   応する弱磁性部を所定の間隔かつ所定の深さで形成した
   基準点と、 前記振央レベルと前記磁気センサの一方の相のセンサ出
   力とから振幅レベルを演算する手段と、 この振幅レベルと振央レベルから基準点を検出する手段
   と、 こ れら基準点の検出時に前記位置データ演算手段で演算
   された位置データをメモリにそれぞれ格納する手段と、 このメモリに格納された値から前記隣接する任意の基準
   点間隔を演算する手段と、 こ の基準点間隔の符号で区分けされた領域で前記基準点
   間隔の絶対値に基づいてアドレスを演算する手段と、 このアドレスが指し示すメモリに格納される絶対位置デ
   ータで、前記２つ目の基準点の検出時に前記位置データ
   演算手段で演算された位置データを置き換える手段とを
   備えたことを特徴とする位置検出装置。