JP4247822B2 - シリンダ位置検出装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流体圧シリンダ等のピストンストローク位置を検出するシリンダ位置検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
流体圧シリンダ等のストローク位置を検出する位置検出装置には、従来より種々の方式のものが知られている。そのうち、コイルを使用した誘導型のシリンダ位置検出装置としては、例えば、特開平１１−３３６７１３号公報には、ピストンロッドの表面に、軸線方向に対して所定角度だけスキューさせて長手状に延びた磁気応答部を形成し、ロッド本体側に設けられたコイルセンサにおいて、ロッドの直線的ストローク位置の変化に対応する磁気応答部の相対的な変位を検出するものが開示されている。また、特開２００１−１７４２０６号公報には、ピストンロッドの表面において、磁気応答部が該ロッドの直線変位方向に沿って面積が漸増又は漸減する区間を有するパターンで配置され、ロッドの直線的ストローク位置の変化に応じてコイルに対する磁気応答部の対応面積が変化し、この対応面積の漸増又は漸減変化に応じて、ピストンロッドの直線変位を検出するものが開示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来から知られるシリンダ位置検出装置においては、ピストンロッドが回転すると直線位置の検出データが不正確になってしまうので、ピストンロッドの不所望な回転によって生じる検出誤差の対策が重要な課題である。この点について、例えば、上記特開平１１−３３６７１３号公報に開示されたものには、互いに逆向きのスキュー角度で形成した２つの磁気応答部を具備することで、ピストンロッドの回転による誤差を相殺できるようにした例が示されている。しかし、そのような従来の技術では、依然として、検出誤差対策として不十分であった。
【０００４】
本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、ピストンロッドが回転したとしても誤差のないストローク位置検出を行うことができるシリンダ位置検出装置を提供しようとするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この発明は、ピストンロッドの表面において軸線方向に対して所定角度だけスキューさせて長手状に延びて形成された直線位置検出用の磁気応答部と、シリンダ本体の側に固定され、該ピストンロッドの直線的ストローク位置に対応する該磁気応答部の相対的な円周方向の位置に応じた出力信号を生じる直線位置検出用のコイル部から構成される直線位置検出手段と、前記ピストンロッドの表面において軸線方向に沿って直線的に長手状に延びて形成された回転角度検出用の磁気応答部と、前記シリンダ本体の側に固定され、該ピストンロッドの回転角度に対応する該磁気応答部の相対的な回転角度位置に応じた出力信号を生じる回転角度検出用のコイル部から構成される回転角度検出手段とを具備するシリンダ位置検出装置である。
【０００６】
直線位置検出手段において、直線位置検出用の磁気応答部がピストンロッドの軸線方向に対して所定角度だけスキューさせて長手状に延びて形成されているので、シリンダ本体に固定されたコイル部に対する前記磁気応答部の対応位置は、ピストンロッドの直線的ストローク位置の変化に応じて、該コイル部からの見かけ上、円周方向に変位してゆく。従って、直線位置検出用のコイル部において、それに対応する磁気応答部の相対的な円周方向の位置に応じた出力信号を生じることにより、ピストンロッドの直線ストローク位置を等価的にアブソリュートで検出できる。また、回転角度検出手段において、回転角度検出用の磁気応答部がピストンロッドの軸線方向に沿って直線的に延びて形成されているので、シリンダ本体に固定された回転角度検出用のコイル部に対する前記磁気応答部の対応位置は、ピストンロッドの回転角度の変化に応じて変位する。従って、回転角度検出用のコイル部において、対応する磁気応答部の相対的な位置に応じた出力信号を生じることにより、ピストンロッドの回転角度をアブソリュートで検出することができる。
上記のような構成の直線位置検出手段にあっては、ピストンロッドが回転によって、直線位置検出用のコイル部に対する磁気応答部の相対的な円周方向の位置が変位してしまうと、コイル部に生じる出力信号は、ピストンロッドの直線ストローク位置を正確に反映しないものとなってしまい、検出誤差を生じる恐れがあるが、この発明に従えば、回転角度検出手段により検出したピストンロッドの回転角度に基づき前記ロッドの回転により生じ得るピストンロッドの直線ストローク位置の誤差を補正することができる。従って、この発明によれば、比較的簡単な構成によって、ピストンロッドに不所望な回転が生じた場合にも検出誤差のない直線ストローク位置を検出できるようになる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照してこの発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１はこの発明の一実施例に係るシリンダ位置検出装置を適用したシリンダ装置１の外観を略示する斜視図である。シリンダ装置１は、油圧または空気圧シリンダなど、どのようなタイプのシリンダであってもよい。このシリンダ装置１は、通常知られるように、シリンダ本体２と、このシリンダ本体２内に収納されて該シリンダ本体２に対して相対的に直線変位するピストン３と、このピストン３に一端が連結され、他端がシリンダ本体２の端部開口から外部に突出していて、ピストン３の直線変位に伴って軸方向（図示の矢印ｘ）に直線変位するピストンロッド４とを含んでいる。なお、シリンダ本体２に関連する油圧または空気圧回路等の図示は省略してある。
【０００９】
図２（ａ）は図１に示すシリンダ装置１をシリンダ本体２の端部開口側から見た概念的断面図であり、図２（ｂ）はピストンロッド４の表面展開図である。シリンダ装置１は、ピストンロッド４のシリンダ本体２に対する相対的な直線ストローク位置を検出するための直線変位検出手段（図２（ａ）において符号１０ａ，１０ｂで示す）と、ピストンロッド４のシリンダ本体２に対する相対的な回転角度を検出するための回転角度検出手段（図２（ａ）において符号２０ａ，２０ｂで示す）を具える。直線変位検出手段１０ａに対して、円周方向に略々１８０度ずれた位置に（つまり中心軸ｏに関して対称に）直線変位検出手段１０ｂが配置されており、また、回転角度検出手段２０ａに対して、円周方向に略々１８０度ずれた位置に（つまり中心軸ｏに関して対称に）回転角度検出手段１０ｂが配置されている。
【００１０】
先ず、直線位置検出手段（１０ａ，１０ｂ）の一例について、直線位置検出手段１０ａを一例に詳細な構成を説明すると、直線位置検出手段１０ａは、ピストンロッド４の表面に配置された直線位置検出用の磁気応答部１１ａと、シリンダ本体２に対して固定的に設置された複数（図示の例では４つ）のコイルＬ１ａ〜Ｌ４ａ（コイル部）を具える。
（ａ）に示すように、コイルＬ１ａ〜Ｌ４ａは、所定の配置範囲内において、ピストンロッド４の軸周方向に配列され、且つ、各コイルＬ１ａ〜Ｌ４ａから発生した磁束が該ロッド４表面に対して略直交するよう配置される。磁気応答部１１ａは、（ｂ）に示すように、ピストンロッド４の表面において、軸線方向（図において矢印Ｘで示す）に対して所定角度φだけスキューさせて長手状に延びた帯状に形成される。磁気応答部１１ａは、例えば銅等の非磁性良導電体の金属素材からなり、ピストンロッド４表面の他の部分と磁気応答特性を異ならせた部分であり、例えば、全体が鉄等の磁性体からなるピストンロッド４の表面にて、帯状に銅メッキを施すことで非磁性良導電体からなる磁気応答部１１ａを形成できる。また、反対に、鉄製ピストンロッド４の表面全体に磁気応答部１１ａの設置個所のみ帯状に抜いて銅メッキを施すことで、磁気応答部の部分が磁性体の特性を示すようにしてもよい。以下では、磁気応答部は銅のような非磁性良導電体からなるものとする。なお、磁気応答部１１ａの幅員は、対応するコイルのサイズ、コイル配列等の相関関係に応じて適宜に設定する。図示の例では、１つのコイル幅をＷとすると、各コイルＬ１ａ〜Ｌ４ａの相互間隔がコイル幅Ｗに略々等しく設定されており、磁気応答部１１ａは、コイル幅Ｗに対して略々２倍の幅員２Ｗを有する。このため、図示のように磁気応答部１１ａが何れか１つのコイル（例えばＬ１ａ）対向面全面に位置する状態では、磁気応答部１１ａは他のコイル（Ｌ２ａ等）の対向面に侵入しない。
【００１１】
磁気応答部１１ａがピストンロッド４の軸線方向に対して所定角度φだけスキューしていることにより、ピストンロッド４の直線的ストローク位置の変化（図２（ｂ）においてｘ軸方向の変化）に伴い、シリンダ本体２側に固定的に設けられたコイルＬ１ａ〜Ｌ４ａに対する磁気応答部１１ａの対応位置は、コイルＬ１ａ〜Ｌ４ａからの見かけ上、円周方向（図２（ｂ）においてｙ軸方向）の変位する。磁気応答部１１ａのスキュー角度φは、ロッド４の直線的ストローク変位を、磁気応答部１１ａの相対的な円周方向の変位に変換すべく、検出するストローク変位の範囲に応じて適宜に設定され、典型的には、ストローク変位の範囲全長にわたるロッド４の変位が、各コイルＬ１ａ〜Ｌ４ａ配置範囲全長に対する磁気応答部１１ａの円周方向の移動に相当するように設定する。図２（ａ）において、直線ストローク変位に伴い移動した磁気応答部１１ａを点線で示す。
例えば、図２（ｂ）において、ｘ０〜ｘ３で示す範囲がピストンロッド４の１ストローク範囲に相当するとすると、磁気応答部１１ａは、該ロッド４の直線ストローク変位に伴いストローク開始位置ｘ０からｘ３まで移動したとき、各コイルＬ１ａ〜Ｌ４ａ上を順次Ｙ方向に移動する。なお、図２（ｂ）では、各地点ｘ１，ｘ２，ｘ３における磁気応答部１１ａを一点鎖線で示す。このように、磁気応答部１１ａのコイルＬ１ａ〜Ｌ４ａに対する円周方向（Ｙ方向）への移動量を検出することで、ピストンロッド４の比較的長い直線ストロー範囲をアブソリュートで検出することができる。
【００１２】
所定の相互間隔（この例では幅Ｗ）で配列された個別のコイルＬ１ａ〜Ｌ４ａに対して、所定の幅員（この例では２Ｗ）を有する磁気応答部１１ａが相対的に円周方向へ変位すると、磁気応答部１１ａに対応するコイル（Ｌ１ａ〜Ｌ４ａ）が、コイルＬ１ａ〜Ｌ４ａの円周方向の配列順に順次遷移する。すなわち、磁気応答部１１ａの個別のコイルＬ１ａ〜Ｌ４ａに対する相対的な近接位置関係（磁気応答部１１ａの個別のコイルＬ１ａ〜Ｌ４ａに対する対応面積）は、磁気応答部１１ａの該相対的変位に伴って変化する。
この磁気応答部１１ａの個別のコイルＬ１ａ〜Ｌ４ａに対する相対的な近接位置関係の変化に伴い、個別のコイルＬ１ａ〜Ｌ４ａにおける磁気応答部１１ａとの磁気的結合が変化し、これに応じて、各コイルＬ１ａ〜Ｌ４ａの自己インダクタンスが変化する、つまり、各コイルＬ１ａ〜Ｌ４ａの電気的インピーダンスが変化する。この実施例では、磁気応答部１１ａが非磁性良導電体であるため、個々のコイルＬ１ａ〜Ｌ４ａに対する磁気応答部１１ａの近接量（対応面積）が大きいほど、渦電流損によって該個々のコイルＬ１ａ〜Ｌ４ａの自己インダクタンスが減少し、該コイルＬａ〜Ｌ４ａの電気的インピーダンスは小さくなる。反対に、個々のコイルＬ１ａ〜Ｌ４ａに対する磁気応答部１１ａの近接量（対応面積）が小さいほど、個々のコイルＬ１〜Ｌ６におけるインダクタンスが増加し、該コイルＬ１〜Ｌ６の電気的インピーダンスは増加する。
【００１３】
例えば、（ｂ）に示すように、磁気応答部１１ａがストローク開始位置ｘ０（＝位置ｙ０）に在るとき、コイルＬ１ａでは磁気応答部１１ａの近接量が最大（対応面積が最大）になるため、インピーダンスが最小値になる。そして、ロッド４のストローク変位に伴い磁気応答部１１ａがコイルＬ１ａから遠ざかれば、コイルＬ１ａのインピーダンスが増大する。他のコイルＬ２ａ，Ｌ３ａ，Ｌ４ａも同様に磁気応答部１１ａの近接量に応じてコイルＬ２ａに対する近接量インピーダンスが増減変化する。ロッド４が略々１／３ストローク変位した状態（地点ｘ１）では、コイルＬ２ａに生じるインピーダンスは最小値になり、ロッド４が略々２／３ストローク変位した状態（地点ｘ２）では、コイルＬ３ａに生じるインピーダンスは最小値であり、ロッド４が１ストローク完了した状態（地点ｘ３）では、コイルＬ４ａに生じるインピーダンスは最小値である。これらコイルＬ１ａ〜Ｌ４ａのインピーダンス変化の特性は、後述するようにコイルＬ１ａ〜Ｌ４ａは１相の交流信号で共通に励磁されるため電気的位相が同相であり、ピストンロッド４の１ストロークに相当する変位量（ストローク位置）θを１サイクル（例えば位相角２７０度の範囲）とする振幅関数になぞらえることができる。
【００１４】
コイルＬ１のインピーダンスが最小値の地点ｘ０から１／３ストローク変位した地点ｘ１にてコイルＬ２ａのインピーダンスが最小値になるので、コイルＬ２ａのインピーダンス変化は、コイルＬ１ａに生じるインピーダンス変化に対して１／３サイクル（位相角で９０度）ずれた特性を示すことになる。
コイルＬ１ａに生じるインピーダンス変化がサイン関数（後述の図４（ａ）でＳを付記する）に相当するとすると、コイルＬ２ａに生じるインピーダンス変化はコサイン関数（同図でＣ）に相当する。また、コイルＬ３ａのインピーダンス変化は、コイルＬ１ａのインピーダンス変化に対して２／３サイクル（位相角で１８０度）ずれた特性を示すので、コイルＬ１ａのインピーダンス変化に対して差動的なマイナスサイン関数（同図で／Ｓ（Ｓバー））に相当する。また、コイルＬ４ａのインピーダンス変化は、コイルＬ１ａのインピーダンス変化に対して１サイクル（位相角にして２７０度）ずれた（つまりコイルＬ３ａのインピーダンス変化に対して差動的な）特性を示すので、これは、マイナスコサイン関数（同図で／Ｃ（Ｃバー））に相当することになる。なお、明細書中では、表記の都合上、反転を示すバー記号は「／（スラッシュ）」で表記するが、これは図中のバー記号に対応する。
【００１５】
一方、直線位置検出手段１０ｂは、直線位置検出手段１０ａと同様に、所定角度φスキューした磁気応答部１１ｂと、これに対応するコイルＬ１ｂ〜Ｌ４ｂを具え、ロッド４の直線位置に関して各コイルＬ１ｂ〜Ｌ４ｂにて生じるインピーダンス値が、直線位置検出手段１０ｂのそれと等しくなるよう設計される。ピストンロッド４の直線ストローク変位に応じて各コイルＬ１ｂ〜Ｌ４ｂに生じるインピーダンス変化は、コイルＬ１ｂがサイン関数特性（Ｓ）、コイルＬ２ｂがコサイン関数特性（Ｃ）、コイルＬ３ｂがマイナスサイン関数特性（／Ｓ）、コイルＬ４ｂがマイナスコサイン関数特性（／Ｃ）に夫々相当する。
【００１６】
ここで、シリンダ本体２に対するピストンロッド４の直線ストローク位置を、変数θを用いて示し、コイルＬ１ａ（及びコイルＬ１ｂ）に生じる理想的なサイン関数特性のインピーダンス変化Ａ（θ）を示すと、
Ａ（θ）＝Ｐ0＋Ｐｓｉｎθ
のような式で等価的に表せる。インピーダンス変化は負の領域に入らないため、上記式においてオフセット値Ｐ0は振幅関数Ｐよりも大きく（Ｐ0≧Ｐ）、「Ｐ0＋Ｐｓｉｎθ」は負の値を取らない。これに対して、コイルＬ１ａ（Ｌ１ｂ）に生じるインピーダンス変化Ａ（θ）に対して差動的変化を示すコイルＬ３ａ（及びコイルＬ３ｂ）に生じる生じる理想的なマイナスサイン関数特性のインピーダンス変化Ｃ（θ）を示すと、
Ｃ（θ）＝Ｐ0−Ｐｓｉｎθ
のような式で等価的に表せる。
一方、コイルＬ２ａ（及びコイルＬ２ｂ）に生じる理想的なコサイン関数特性のインピーダンス変化Ｂ（θ）を示すと、
Ｂ（θ）＝Ｐ0＋Ｐｃｏｓθ
のような式で等価的に表せる。これに対して、このコイルＬ２ａ（及びＬ２ｂ）に生じるインピーダンス変化Ｂ（θ）に対して差動的変化を示すコイルＬ４ａ（及びコイルＬ４ｂ）に生じる理想的なマイナスコサイン関数特性のインピーダンス変化Ｄ（θ）を示すと、
Ｄ（θ）＝Ｐ0−Ｐｃｏｓθ
のような式で等価的に表せる。
なお、上記「Ｐ」は１と見なして省略しても説明上不都合はないので、以下の説明ではこれを省略することにする。
【００１７】
図３は、コイルＬ１ａ〜Ｌ４ａ及びコイルＬ１ｂ〜Ｌ４ｂの電気回路の一実施例を示す。なお、図３ではコイルＬ１ａ〜Ｌ４ａのみを示し、コイルＬ１ｂ〜Ｌ４ｂについては図示及び説明を省略する。図３に示すように、各コイルＬ１ａ〜Ｌ４ａ（及びコイルＬ１ｂ〜Ｌ４ｂ）は、可変インダクタンス要素として等価的に示されており、電源３０から与えられる所定の交流信号（便宜上ｓｉｎωｔで示す）によって１相で定電圧励磁される。各コイルＬ１ａ〜Ｌ４ａに生じる電圧をＶＡ，ＶＢ，ＶＣ，ＶＤで表すとすると、取り出される電圧ＶＡ〜ＶＤは、下記のように、シリンダ本体２に対するピストンロッド４のストローク位置（すなわち、各コイルＬ１ａ〜Ｌ４ａに対する磁気応答部１１ａの相対位置）に対応する変数θに応じた各コイルＬ１ａ〜Ｌ４ａ毎のインピーダンス値に応じた大きさを示す。
ＶＡ＝Ａ（θ）ｓｉｎωｔ＝（Ｐ0＋ｓｉｎθ）ｓｉｎωｔ
ＶＢ＝Ｂ（θ）ｓｉｎωｔ＝（Ｐ0＋ｃｏｓθ）ｓｉｎωｔ
ＶＣ＝Ｃ（θ）ｓｉｎωｔ＝（Ｐ0−ｓｉｎθ）ｓｉｎωｔ
ＶＤ＝Ｄ（θ）ｓｉｎωｔ＝（Ｐ0−ｃｏｓθ）ｓｉｎωｔ
図４（ａ）は、各コイルＬ１ａ〜Ｌ４ａに生じる電圧ＶＡ，ＶＢ，ＶＣ，ＶＤをθ成分についてのみ模式的に示すグラフである（時間ｔの成分は示していない）。なお、（ａ）において、磁気応答部１１ａの相対的ストローク位置（Ｘ０〜Ｘ３）を明確に示す。
【００１８】
コイルＬ１ａ〜Ｌ４ａで生じた出力電圧ＶＡ〜ＶＤは、演算器３１，３２に入力される。演算器３１には、コイルＬ１ａに生じた出力電圧ＶＡと、これに対して差動変化するコイルＬ３ａに生じた出力電圧ＶＣが入力され、演算器３２には、コイルＬ２ａに生じた出力電圧ＶＢと、これに対して差動変化するコイルＬ４ａに生じた出力電圧ＶＤが入力される。
演算器３１では、下記のように、出力電圧ＶＡと出力電圧ＶＣの差を求め、変数θのサイン関数特性の振幅係数を持つ交流出力信号を生成する。
ＶＡ−ＶＣ＝（Ｐ0＋ｓｉｎθ）ｓｉｎωｔ−（Ｐ0−ｓｉｎθ）ｓｉｎωｔ
＝２ｓｉｎθｓｉｎωｔ
一方、演算器３２では、下記のように、出力電圧ＶＢと出力電圧ＶＤの差を求め、変数θのコサイン関数特性の振幅係数を持つ交流出力信号を生成する。
【００１９】
こうして、ピストンロッド４のストローク位置に対応する変数θを含む２つの周期的振幅関数（ｓｉｎθ及びｃｏｓθ）によってそれぞれ振幅変調された、２相の交流出力信号「２ｓｉｎθｓｉｎωｔ」と「２ｃｏｓθｓｉｎωｔ」が得られる（以下係数「２」は省略する）。これは、従来からレゾルバとして知られた検出器のサイン相出力信号ｓｉｎθｓｉｎωｔ及びコサイン相出力信号ｃｏｓθｓｉｎωｔと同等のものである。図４（ｂ）は、演算器３１及び３２から出力されるサイン相出力信号ｓｉｎθｓｉｎωｔ及びコサイン相出力信号ｃｏｓθｓｉｎωｔを、θ成分についてのみ模式的に示すグラフである（時間ｔの成分は示していない）。各交流出力信号の振幅成分であるサイン及びコサイン関数における位相角θは、ピストンロッド４の直線ストローク位置に対応しているので、位相角θの値を検出することでロッド４の直線ストローク位置をアブソリュートで検出できる。なお、サイン相及びコサイン相という呼称、及び２つの交流出力信号の振幅関数のサイン、コサインの表し方は便宜的なものであり、一方がサインで他方がコサインでありさえすれば、どちらをサインまたはコサインと称してもよい。すなわち、ＶＡ−ＶＣ＝ｃｏｓθｓｉｎωｔ、ＶＢ−ＶＤ＝ｓｉｎθｓｉｎωｔである、と表現してもよい。
【００２０】
本実施例では、演算器３１，３２から出力される２つの交流出力信号ｓｉｎθｓｉｎωｔ及びｃｏｓθｓｉｎωｔに基づき、位相検出方式で位置検出を行えるうようになっている。この場合の位相検出方式としては例えば本出願人に係る特開平９−１２６８０９号公報に示された技術を用いて構成するとよい。例えば、一方の交流出力信号ｓｉｎθｓｉｎωｔをシフト回路３３で電気的に９０度シフトすることで、交流信号ｓｉｎθｃｏｓωｔを生成し、これと他方の交流出力信号ｃｏｓθｓｉｎωｔを加算器３４及び減算器３５で加算合成及び減算合成することで、ｓｉｎ（ωｔ＋θ）及びｓｉｎ（ωｔ−θ）なる、θに応じて進相及び遅相方向に位相シフトされた２つの交流信号（位相成分θを交流位相ズレに変換した信号）を生成する。そして、位相シフトされた交流信号ｓｉｎ（ωｔ＋θ）及びｓｉｎ（ωｔ−θ）のゼロクロスをコンパレータ３６，３７で検出し、進相の検出交流信号ｓｉｎ（ωｔ＋θ）のゼロクロス検出パルスＬｐと、遅相の検出交流信号ｓｉｎ（ωｔ−θ）のゼロクロス検出パルスＬｍとを生成して、ディジタル処理装置３８に入力する。ディジタル処理装置３８では、上記ゼロクロス検出パルスＬｐ及びＬｍに基づき、基準信号ｓｉｎωｔのゼロ位相時点から進相のゼロクロス検出パルスＬｐの発生時点までの時間差を計測することで、進相の位相ズレ量＋θをディジタル検出し、基準信号ｓｉｎωｔのゼロ位相時点から遅相のゼロクロス検出パルスＬｍの発生時点までの時間差を計測することで、遅相の位相ズレ量−θをディジタル検出する。ディジタル処理装置３８において、進相及び遅相の位相検出値＋θ，−θ同士を加算又は減算することを含む所定の演算を行うことで、位相検出データθを得ることができる。こうして、ディジタル処理装置３８にて生成した位相検出データθは、直線位置検出信号θとして出力される。
【００２１】
なお、ディジタル処理装置３８は、専用回路（例えば集積回路装置）で構成してもよいし、プロセッサまたはコンピュータを使用して所定のソフトウェアを実行することにより位相検出処理を行うようにしてもよい。また、上述実施例において、コイル出力を差動演算したことで、コイルの温度ドリフト誤差が完全に補償され、温度ドリフトによるコイルインピーダンス変化の影響を受けないものとなり、更に、進相及び遅相の位相検出値＋θ，−θを演算したことで、前記コイル出力を差動演算することで除去しきれなかった温度ドリフト誤差成分を完全に除去することができるので、温度ドリフト特性が補償されることになる。
【００２２】
こうして、直線位置検出手段１０ａ及び１０ｂでは、ピストンロッド４のシリンダ本体２に対する相対的な直線ストローク位置を検出できる。
【００２３】
当該シリンダ装置１において、直線位置検出手段１０ａと直線位置検出手段１０ｂは、中心軸ｏに関して対称に設置されているので、結合部における機械的ガタ等によりロッド４の軸芯ずれ（径方向へのたわみ）が生じた場合、一方の直線位置検出手段にてコイルと磁気応答部（ロッド４表面）の空隙が狭まるならば、他方では該空隙が広がる。このため、直線位置検出手段１０ａ及び１０ｂの各コイルに生じるインダクタンス値は、互いに逆向きの（一方で増加、他方で減少する）誤差が生じてしまい、直線位置検出手段１０ａ及び１０ｂから夫々出力される出力信号θは不正確なものとなってしまう。然るに、この検出誤差は直線位置検出手段１０ａ，１０ｂにて夫々正負逆向きに生じるため、直線位置検出手段１０ａ及び１０ｂから夫々出力される出力信号θ同士を、平均化若しくは加算合成し、その平均値若しくは加算合成値を直線位置検出信号とすることで、ピストンロッド４の軸芯ズレによって生じる検出誤差を相殺した直線ストローク位置を得ることができる。よって、ロッド４の軸芯ズレの影響を受けない位置検出が行える。なお、こうした平均化若しくは加算合成処理は、例えば、ディジタル処理装置３８で行うよう構成することができる。
【００２４】
ところで、上述の図３の例では、コイルＬ１ａ〜Ｌ４ａ（及びコイルＬ１ｂ〜Ｌ４ｂ）を１相で励磁する電気回路の構成例を示したが、これに限らず、コイルＬ１ａ〜Ｌ４ａ（及びコイルＬ１ｂ〜Ｌ４ｂ）が２相で励磁されるよう構成することも可能であり、この場合の電気回路は例えば図５のようである。図５において、振幅特性がサイン関数に相当するコイルＬ１ａとマイナスサイン関数に相当するコイルＬ３ａとが逆相直列接続（差動接続）され、コイルＬ１ａ，Ｌ３ａを電源４０から与えられる所定の交流信号（便宜上ｓｉｎωｔで示す）によって励磁する。他方、振幅特性がコサイン関数に相当するコイルＬ２ａとマイナスコサイン関数に相当するコイルＬ４ａとが逆相直列接続（差動接続）され、コイルＬ２ａ，Ｌ４ａを電源４１から与えられる所定の交流信号（便宜上ｓｉｎωｔで示す）によって励磁する。ピストンロッド４の直線ストローク位置をθとすると、コイルＬ１ａ，Ｌ３ａが差動接続された回路から取り出される電圧は、「ｓｉｎθｃｏｓωｔ」となり、コイルＬ２ａ，Ｌ４ａが差動接続された回路から取り出される電圧は、「ｓｉｎθｃｏｓωｔ」となる。これら２つの交流信号「ｓｉｎθｃｏｓωｔ」と「ｓｉｎθｃｏｓωｔ」に対して前述の位相検出方式を適用することで変数θに基づく位置検出が可能である。すなわち、加算器４２、減算器４３及びコンパレータ４４，４５で処理され、ストローク位置θに応じた進相のゼロクロス検出パルスＬｐと遅相のゼロクロス検出パルスＬｍとが生成される。ディジタル処理装置４６では、ゼロクロス検出パルスＬｐ及びＬｍに基づき、前述と同様に、進相の位相ズレ量＋θ及び遅相の位相ズレ量−θをディジタル検出し、これに基づき直線位置検出データθ、つまり直線位置検出信号θを得ることができる。
【００２５】
上述した通り、直線位置検出手段１０ａ（１０ｂ）は、ピストンロッド４の軸方向の直線的ストローク位置を、磁気応答部１１ａ（１１ｂ）のコイルＬ１ａ〜Ｌ４ａ（Ｌ１ｂ〜Ｌ４ｂ）に対する円周方向への相対的な変位として検出する。ところで、ピストンロッド４ができるだけ回動しないよう設置、若しくは、そのような環境で当該シリンダ装置１を使用したとしても、例えばロッド４がストローク変位する際等には、取り付け部における機械的遊び等によって多少の回転（回動）が生じ得る。ピストンロッド４が回動した場合、その回動に応じて磁気応答部１１ａ（１１ｂ）がコイルＬ１ａ〜Ｌ４ａ（Ｌ１ｂ〜Ｌ４ｂ）に対して相対的に円周方向に変位してしまう。このロッド４の回動による磁気応答部１１ａ（１１ｂ）の変位は、直線位置検出手段１０ａ（１０ｂ）にてロッド４の直線ストローク位置の変位として検出されてしまい、その回動分だけ直線位置検出信号に検出誤差が生じ得る。
この点、当該シリンダ装置１によれば、次に説明するように、回転角度検出手段（２０ａ，２０ｂ）により、ピストンロッド４の回転角度を検出し、検出した回転角度（回転量）に基づき直線位置検出信号を修正することで、ロッド４の回転により生じる誤差を補正することができる。
【００２６】
回転角度検出手段（２０ａ，２０ｂ）の構成について回転角度検出手段２０ａを例に説明すると、図２（ａ）に示すように、回転角度検出手段２０ａは、ピストンロッド４表面に配置された回転角度検出用の磁気応答部２１ａ（非磁性良導電体部分）と、シリンダ本体２において円周方向に沿って所定角度範囲内（配置範囲Ｐ）に配列されたコイルＣ１ａ〜Ｃ４ａとを具える。図２（ｂ）に示すように、回転角度検出用の磁気応答部２１ａは、ピストンロッド４の表面において軸線方向（矢印Ｘ方向）に沿って直線的に長手状に延びた帯状に形成される。各コイルＣ１ａ〜Ｃ４ａの配置範囲Ｐは、検出したいロッド４の機械的回転角度の範囲に応じて設定される。ここで、図２（ａ）においてピストンロッド４の回転基準位置（つまり機械的回転角度０°の位置）をＨで表すと、図示の例では、コイルＣ１ａ〜Ｃ４ａの配置範囲Ｐは該基準位置Ｈを中心にして概ね機械的角度±１０°の範囲に設定されており、個々のコイルＣ１ａ〜Ｃ４ａが該範囲Ｐを４分割するよう配置される。ロッド４の回動はロッド４の結合部における機械的ガタや機械的遊び等によって生じ得るものであるため、コイルＣ１ａ〜Ｃ４ａの配置範囲Ｐは、比較的狭い機械的角度範囲（例えば±１０°程度）に設定してよい。また、磁気応答部２１ａの長さは、ピストンロッド４の直線ストローク変位の全長に相当することが望ましい。
【００２７】
磁気応答部２１ａがピストンロッド４の軸線方向に沿って直線的に延びているので、該ロッド４が中心軸ｏを軸にして回動（図２（ａ）に示す矢印ｚ方向）すると、該回動の回転角度に応じて磁気応答部２１ａの個別のコイルＣ１ａ〜Ｃ４ａに対する対応位置が変化し、磁気応答部２１ａの個別のコイルＣ１ａ〜Ｃ４ａに対する近接位置関係（対応面積）が変化する。これに応じて、個別のコイルＣ１ａ〜Ｃ４ａにおける磁気的結合が変化するため、各コイルＣ１ａ〜Ｃ４ａの電気的インピーダンスが変化する。この例では、磁気応答部２１ａが非磁性良導電体からなるため、コイルＣ１ａ〜Ｃ４ａに対する磁気応答部２１ａの近接量が大きいほど、該コイルＣ１ａ〜Ｃ４ａの電気的インピーダンスは小さくなる。反対に、個々のコイルＣ１ａ〜Ｃ４ａに対する磁気応答部１１ａの近接量が小さいほど、該コイルＣ１〜Ｃ６の電気的インピーダンスは増加する。
【００２８】
例えば、（ｂ）に示すように、磁気応答部２１ａの回転位置がｙ０の時、コイルＣ１ａに対する磁気応答部２１ａの近接量が最大になり、コイルＣ１ａのインピーダンスは最小値になる。同様に、磁気応答部２１ａが回転位置ｙ０から、１／３Ｐ回転した位置ｙ１の時コイルＣ２ａのインピーダンスが最小値になり、２／３Ｐ回転した位置ｙ２（回転基準位置Ｈ）の時コイルＣ３ａのインピーダンスが最小値になり、Ｐ回転した位置ｙ３の時コイルＣ４ａのインピーダンスが最小値になる。これらコイルＣ１ａ〜Ｃ４ａのインピーダンス変化の特性は、ピストンロッド４のシリンダ本体２に対する回転範囲Ｐに相当する変位量（回動角）θを１サイクル（位相角２７０度の範囲）とする振幅関数になぞらえることができる。
【００２９】
例えば、コイルＣ１ａに生じるインピーダンス変化がサイン関数（Ｓ）に相当するよう設定すると、これに対して、コイルＣ２ａに生じるインピーダンス変化は１／３サイクル（位相角９０度）ずれたコサイン関数（Ｃ）、コイルＣ３ａのインピーダンス変化は２／３サイクル（位相角１８０度）ずれたマイナスサイン関数（／Ｓ）、コイルＬ４ａのインピーダンス変化は１サイクル（位相角２７０度）ずれたマイナスコサイン関数（／Ｃ）に、夫々相当する。
【００３０】
コイルＣ１ａ〜Ｃ４ａを前記図３のように１相の交流信号（ｓｉｎωｔ）で励磁すると、各コイルＣ１ａ〜Ｃ４ａから取り出される電圧Ｖ１〜Ｖ４は、下記のように、シリンダ本体２に対するピストンロッド４の回転角度（すなわち、各コイルＬ１ａ〜Ｌ４ａに対する磁気応答部１１ａの相対位置）に対応する角度変数θに応じた各コイルＣ１ａ〜Ｃ４ａ毎のインピーダンス値に応じた大きさを示す。なお、下記式においてＰ0はオフセット値を示す。
Ｖ１＝（Ｐ0＋ｓｉｎθ）ｓｉｎωｔ
Ｖ２＝（Ｐ0＋ｃｏｓθ）ｓｉｎωｔ
Ｖ３＝（Ｐ0−ｓｉｎθ）ｓｉｎωｔ
Ｖ４＝（Ｐ0−ｃｏｓθ）ｓｉｎωｔ
但し、角度変数（θ）は、便宜上、上述の直線位置も回転角度も同じθを用いて示すが、実際は夫々異なる。
【００３１】
各コイルＣ１ａ〜Ｃ４ａに生じる出力電圧Ｖ１〜Ｖ４は、前記図４（ａ）に示すコイルＬ１ａ〜Ｌ４ａに生じる出力電圧ＶＡ〜ＶＤと概ね同様な変化特性のカーブを示す。サイン相出力電圧Ｖ１とマイナスサイン相出力電圧Ｖ３とを差動的に合成することでサイン関数の振幅関数を持つ出力交流信号（２ｓｉｎθｓｉｎωｔ）が得られ、また、コサイン相出力電圧Ｖ２とマイナスコサイン相出力電圧Ｖ４とを差動的に合成することでコサイン関数の振幅関数を持つ出力交流信号（２ｃｏｓθｓｉｎωｔ）が得られる。こうして、回転角度検出手段２０ａでは、ピストンロッド４の回動角θに対応する２相の交流出力信号「ｓｉｎθｓｉｎωｔ」と「ｃｏｓθｓｉｎωｔ」が得られる。この２相の交流出力信号を、前述の直線位置検出手段１０ａでの説明と同様に、図３に示したシフト回路３３、加算器３４、減算器３５及びコンパレータ３６，３７と同様の回路で処理して、回転角θに応じた進相のゼロクロス検出パルスＬｐと遅相のゼロクロス検出パルスＬｍとを生成し、これをディジタル処理装置３８にて、上記ゼロクロス検出パルスＬｐ及びＬｍに基づき、前述と同様に、回転角の進相の位相ズレ量＋θ及び遅相の位相ズレ量−θをディジタル検出し、これに基づき回転角度用の位相検出データθを生成し、これが回転角度検出信号θとして出力される。
なお、この回転角度検出の場合も、上述の図４に示した２相励磁タイプの電気回路を適用してよい。
【００３２】
回転角度検出手段１０ｂにおいても回転角度検出手段１０ａと同様な構成によりピストンロッド４の回転角度を検出でき、前記直線位置検出手段１０ａ，１０ｂにおいて説明したのと同様に、回転角度検出手段２０ａ及び２０ｂからの出力信号を平均化若しくは加算合成し、その平均値若しくは加算合成値を回転角度検出信号とすることで、ロッド４の軸芯ズレによって生じ得る検出誤差の影響を受けない回転角度を得ることができる。
【００３３】
当該シリンダ位置検出装置１によれば、直線位置検出手段１０ａ及び１０ｂと共に、回転角度検出手段２０ａ及び２０ｂを具えることで、該回転角度検出手段２０ａ及び２０ｂによって検出するピストンロッド４の回転角度検出データに基づき、ピストンロッド４の不所望な回転による検出誤差を修正することができる。図６（ａ）は誤差修正処理を機能的に示すブロック図である。直線位置検出手段１０ａ及び１０ｂからの直線位置検出出力Ｘと回転角度検出手段２０ａ及び２０ｂからの回転角度検出出力θが修正部５０に供給される。修正部５０では、回転角度検出出力θに応じた回転誤差ΔＸ（θ）に基づき、直線位置検出出力Ｘを修正する演算処理を行う。回転誤差ΔＸ（θ）は、回転角度検出出力θを変数とし、θ＝０（ピストンロッド４の回転角度０°）のときに所定の基準値０となる値である。修正部５０から出力される出力データが誤差修正したピストンロッド４のストローク位置Ｓの位置データを示している。例えば、図６（ｂ）において、直線位置検出出力ＸがＸａであって、回転角度検出出力θ＝０のとき、ストローク位置ＳはＸａであるとする。直線位置検出手段１０ａ及び１０ｂからの直線位置検出出力ＸがＸｂであったとき、回転角度検出手段２０ａ及び２０ｂからの回転角度検出出力θ≠０（ロッド４が回転した）であれば、そのピストンロッド４の回転量に応じた誤差ΔＸ（θ）に基づく演算処理（加算又は減算処理）を行うことで検出出力Ｘ＝Ｘｂを補正する（例えばＸｂ−ΔＸ（θ））。これにより回転誤差を修正したストローク位置データＳ＝Ｘａを得る。なお、上記回転誤差修正処理は、ディジタル処理装置３８にてソフトウェアプログラムを実行することで実施可能である。また、必要に応じて、修正部５０からの出力データをロッド４のストローク位置に変換するためのメモリ又はテーブルを更に具備してもよい。なお、修正部５０は前述のような演算処理による構成に限らず、誤差修正のための所定のメモリ又はテーブルで構成しても差し支えない。
【００３４】
なお、上記実施例に係るシリンダ位置検出装置１において、回転角度検出手段と直線位置検出手段との構成は上述の例に限定されず、少なくとも、ピストンロッド４の回転角度を検出して該検出した回転角度に基づき直線位置検出手段からの出力信号を修正部５０にて回転誤差を補正できるような構成であればよい。
【００３５】
次に、この発明に係るシリンダ位置検出装置の別の実施形態について説明する。前述の実施例では、磁気応答部として、直線位置検出用として所定角度スキューしたものと回転角度検出用として軸線方向に直線的なものとの２つの帯状の磁気応答部が設けられる例を示したが、当該別の実施形態においては、磁気応答部として、ピストンロッド４の表面において該ロッド４のストローク変位方向ｘ（図１参照）に沿って面積が漸増又は漸減する区間を有する所定のパターンで配置された複数の磁気応答部を具える。図７（ａ）は、この別の実施形態に係るシリンダ装置１の一例を示す概念的断面図である。ピストンロッド４の表面には夫々異なる４つのパターン１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄからなる磁気応答部１００が配置されており、シリンダ本体２には、磁気応答部の４つのパターン１００ａ〜１００ｄの各々に対応して４つのコイルＬ１０，Ｌ１１，Ｌ１２，Ｌ１３が設けられている。各コイルＬ１０〜Ｌ１３は、シリンダ本体２を円周方向に４分割した９０度範囲内に対応して配置され、また、各コイルＬ１０〜Ｌ１３にて発生する磁束がロッド４表面に対して略垂直に通るよう配置される。なお、磁気応答部１００の各パターン１００ａ〜１００ｄは、例えば銅メッキ加工することで非磁性良導電体により形成できる。
【００３６】
図７（ｂ）は、（ａ）に示すピストンロッド４表面における磁気応答部１００のパターンの配置例を示す展開図である。（ｂ）に示すようにパターン１００ａ〜１００ｄは、ロッド４の側面を円周方向に４分割した範囲に対応して配置される。説明の便宜上、（ｂ）において、ロッド４をストローク変位方向Ｘ（長さ方向）において４分割し、４分の１の区間をそれぞれＰ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４と称する。なお、図において、導電体部分（すなわち磁気応答部の配置部分）を斜線で示している。パターン１００ａは、区間Ｐ１及び区間Ｐ２において導電体部分（すなわち磁気応答部パターン）が最小面積から最大面積へ漸増し、区間Ｐ３及び区間Ｐ４において導電体部分が最大面積から最小面積へ漸減するような、ロッド４軸線方向に底辺をとる２等辺三角形状のパターンを有する。これに対してパターン１００ｃは、区間Ｐ１及び区間Ｐ２において導電体部分が最大面積から最小面積へ漸増するパターンと、区間Ｐ３及び区間Ｐ４において導電体部分が最小面積から最大面積へ漸増するパターンとからなり、パターン１００ａとパターン１００ｃとでは、導電体部分の面積の漸増及び漸減の関係が反転している。また、パターン１００ｂは、区間Ｐ１において導電体部分が、パターン最大面積の半分の面積（以下単に「半分の面積」という）から最小面積に漸減するパターンと、区間Ｐ２及びＰ３において、導電体部分が最小面積から最大面積へ漸増するパターンと、区間Ｐ４において導電体部分が最大面積から半分の面積に漸減するパターンとからなる。これに対して、パターン１００ｄは、区間Ｐ１において導電体部分が、半分の面積から最大面積に漸増するパターンと、区間Ｐ２及びＰ３において、導電体部分が最大面積から最小面積へ漸減するパターンと、区間Ｐ４において導電体部分が最小面積から半分の面積に漸増するパターンとからなり、パターン１００ｂとパターン１００ｄとでは、導電体部分の面積の漸増及び漸減の関係が反転している。
【００３７】
ロッド４が１ストローク変位するとき、パターン１００ａ〜１００ｄの各コイルＬ１０〜Ｌ１３に対するの対応面積が漸増及び漸減変化するので、これに応じて、各コイルＬ１０〜Ｌ１３と各々が対応するパターン１００ａ〜１００ｄとの磁気結合の度合いが変化し、各コイルＬ１０〜Ｌ１３の自己インダクタンスが変化する、つまり、電気的インピーダンスが変化する。図７（ｂ）において、ロッド４の１ストローク変位（０〜１ストローク）を４分割して、各ストローク位置におけるコイルＬ１０〜Ｌ１３に対するパターン１００ａ〜１００ｄの対応位置関係を明確に示す。ロッド４が１ストローク変位する際の、各コイルＬ１０〜Ｌ１３に生じるインピーダンス変化は、各パターン１００ａ〜１００ｄの面積漸増及び漸減変化に応じて、最大値から最小値の間で周期的な変化特性を示す。この例では、磁気応答部１００は銅メッキ（非磁性良導電体）により形成されているので、各パターン１００ａ〜１００ｄの最大面積に対して、各パターンに対向するコイルＬ１０〜Ｌ１３毎に生じるインピーダンス値は最小値となり、反対に各パターン１００ａ〜１００ｄの最小面積に対して、各パターンに対向するコイルＬ１０〜Ｌ１３毎に生じるインピーダンス値は最大値となる。こうしたコイルＬ１０〜Ｌ１３のインピーダンス変化の特性は、ロッド４の１ストロークに相当する変位量θを１サイクル（位相角３６０度の範囲）とする振幅関数になぞらえることができる。
【００３８】
各パターン１００ａ〜１００ｄの面積漸増及び漸減態様からも明らかなように、コイルＬ１０のインピーダンス変化に対して、コイルＬ１２のインピーダンス変化は、逆相（位相角にして１８０度）の、つまり差動的な特性を示す。また、コイルＬ１１のインピーダンス変化に対して、コイルＬ１３のインピーダンス変化は、逆相つまり差動的である。そして、コイルＬ１０のインピーダンス変化に対して、コイルＬ１１のインピーダンス変化は、１／４サイクル（位相角にして９０度）ズレた特性を示す。例えば、コイルＬ１０に生じるインピーダンス変化がサイン関数（Ｓ）に相当するものとすると、これに対して差動的なコイルＬ１２に生じるインピーダンス変化は、マイナスサイン関数（／Ｓ）、コイルＬ１１に生じるインピーダンス変化はコサイン関数（Ｃ）、コイルＬ１３に生じるインピーダンス変化はマイナスコサイン関数（／Ｃ）に、夫々相当する。
【００３９】
コイルＬ１０〜Ｌ１３に生じる電圧をＶ１０〜Ｖ１３は、各コイルＬ１０〜Ｌ１３毎のインピーダンス値に応じて概ね下記のように表せる。
Ｖ１０＝（Ｐ0＋ｓｉｎθ）ｓｉｎωｔ
Ｖ１１＝（Ｐ0＋ｃｏｓθ）ｓｉｎωｔ
Ｖ１２＝（Ｐ0−ｓｉｎθ）ｓｉｎωｔ
Ｖ１３＝（Ｐ0−ｃｏｓθ）ｓｉｎωｔ
図８（ａ）は、各電圧Ｖ１０〜Ｖ１３をθ成分についてのみ模式的に示す（時間ｔの成分は示していない）。なお、（ａ）においてピストンロッド４のストローク位置を明確に示す。
各コイルＬ１０〜Ｌ１３に生じる出力電圧Ｖ１０〜Ｖ１３は、サイン相出力電圧Ｖ１０とマイナスサイン相出力電圧Ｖ１２とを差動的に合成することでサイン関数の振幅関数を持つ出力交流信号（２ｓｉｎθｓｉｎωｔ）が得られ、また、コサイン相出力電圧Ｖ１１とマイナスコサイン相出力電圧Ｖ１３とを差動的に合成することでコサイン関数の振幅関数を持つ出力交流信号（２ｃｏｓθｓｉｎωｔ）が得られる。この２相の交流出力信号（ｓｉｎθｓｉｎωｔ及びｃｏｓθｓｉｎωｔ）は、図８（ｂ）に示すような位相角３６０度範囲でのサイン関数及びコサイン関数特性の変化カーブを示す。交流出力信号ｓｉｎθｓｉｎωｔ及びｃｏｓθｓｉｎωｔは、例えば、図３に示したシフト回路３３、加算器３４、減算器３５及びコンパレータ３６，３７と同様の回路で処理して、回転角θに応じた進相のゼロクロス検出パルスＬｐと遅相のゼロクロス検出パルスＬｍとを生成し、これをディジタル処理装置３８にて、上記ゼロクロス検出パルスＬｐ及びＬｍに基づき、変位量の進相の位相ズレ量＋θ及び遅相の位相ズレ量−θをディジタル検出し、これに基づき位相検出データθを生成し、これが直線位置検出信号θとして出力される。
なお、コイルＬ１０〜Ｌ１３に関連する電気回路は、図３に示す１相励磁タイプ、或いは、図５に示す２相励磁タイプの何れも適用可能である。
【００４０】
図７（ａ）に示すように、磁気応答部１００（つまりロッド４の表面）に対向する各コイルＬ１０〜Ｌ１２の端部は、磁気応答部１００のパターン最大幅（円周方向）よりも、幅広になるように構成されている。例えば、図６（ａ）において、ピストンロッド４が図７（ｂ）に示す０ストローク位置に位置しているとすると、コイルＬ１２に対するパターン１００ｃの対応面積は最大である。（ａ）に示すように、コイルＬ１２の端部の幅員は、パターン１００ｃがピストンロッド４の回転によって円周方向に変位した場合にもコイルＬ１２のインピーダンス値に影響（誤差）を与えないよう、円周方向について両側に概ね機械角度１５°程度（図において符号Ｒ及びＲ’）づつ、パターン１００ｃの最大幅よりも幅広に設定される。コイルが磁気応答部１００の最大幅個所に対して概ね１５°程度の幅（範囲Ｒ，Ｒ’内）であれば、例えばロッド４の伸縮ストローク時に生じる多少の回転については十分にその変位を許容できる。これにより、ロッド４が多少回転した場合にも、パターン１００ｃがコイルＬ１２の対向面からはみ出さない（つまりコイルＬ１２に対するパターン１００ｃの対応面積に変化が生じない）ので、コイルＬ１２では、ロッド４の直線位置を反映した適切なインピーダンス値が生じる。従って、ピストンロッド４が回転の影響を受けないロッド４の直線位置検出が可能となる。
また、磁気応答部１００のパターンと、これに対応する複数のコイルＬ１０〜Ｌ１３とは、ピストンロッド４の全周を覆っているため、ロッド４の軸芯ずれによる検出誤差が生じないようにすることができる。従って、ロッド４の軸芯ずれによる検出誤差のない直線位置検出が可能である。
【００４１】
なお、図７の例において、なお、磁気応答部１００の配置パターンは、図示の例に限らず、対応するコイルに生じるインピーダンス変化が、所望の周期的な変化特性を示し得るものであればよく、ピストンロッド４の１ストローク範囲を、例えば、２７０度の範囲，１８０度の範囲或いは９０度の範囲等、適宜の位相角範囲に換算して位置検出できるよう構成でき、その場合も、図７の例と同様に、各コイルの端部の幅員を適宜の範囲で幅広に設定することで、ロッド４の回転による影響を受けない直線位置検出ができる。また、磁気応答部１００のパターンは、磁性体からなるものであってもよく、その場合は、例えば鉄製ロッド４において、磁気応答部パターンの個所を除いてロッド４全体に銅メッキを施す等して構成してよい。
【００４２】
更に、この発明の別の実施形態として、ピストンロッド４の表面に設置される磁気応答部を、ロッド４の１ストローク全長範囲で該ロッド４の周面を１周する帯状に形成し、他方、シリンダ本体２の端部開口に配置される複数（例えば１０個）のコイルの夫々を、ロッド４の円周方向について等間隔に分割した範囲（例えばロッド４の全周を１０分割した範囲）に対応して、ロッド４の全周囲に配列することで、複数のコイルを交流励磁し、個別のコイルにおいてロッド４に設けた磁気応答部帯の近接に応じたインピーダンス変化に応じた検出出力を得るようにすることで、個別のコイルに対する磁気応答部の近接量を検知するようにしてよい。この場合、ロッド４の全周（機械角３６０度の範囲）に複数のコイルが配置されているので、個々のコイルの周方向における配置位置が夫々固有の角度範囲（コイル設置数が１０個の場合は各々３６度の範囲）に対応しており、どのコイルに磁気応答部が最も近接したかを検出することで、ロッド４の直線ストローク位置を等価的に検出できる。
更に別の実施形態として、帯状の磁気応答部がロッド４表面で螺旋を描くよう配置されてなるものも可能である。この場合、検出用コイルとしては、コイルの中心空間内にピストンロッド４が侵入する構成の（コイルの内部磁束の向きがロッド４の軸線方向を指向している）ものを採用し、これをロッド４の長さ方向（軸線方向）に沿って４つ配列して、この４つのコイルを１組のコイルセンサ部とする。このようなコイルセンサ部が、検出すべきストローク範囲に応じて複数並列配置される。螺旋状の磁気応答部は、１つのコイルセンサ部の長さ（ロッド４の軸線方向についての長さ）に対応する範囲に設置され、また、螺旋のピッチは、コイルセンサ部における個々のコイルの幅、配置間隔等に応じて適切に設定される。このような構成にあって、コイルセンサ部の個々のコイルに生じるインピーダンス変化が４相（サイン、コサイン、マイナスサイン、マイナスコサイン）の関数特性に相当するようにすることで、検出対象位置に応じてサイン及びコサイン関数特性に従う振幅を示す２つの交流信号を生成することができ、ロッド４の直線ストローク位置を等価的に検出できる。磁気応答部が螺旋状になっていること、及び、ロッド４の全周を覆っていることから、ロッド４の回転及び軸芯ずれによる検出誤差を生じないようにすることができる。
【００４３】
【発明の効果】
以上のとおり、この発明によれば、ピストンロッドの直線位置の変化を検出する直線位置検出手段と共に、ピストンロッドの回転角度を検出する回転角度検出手段を具備することで、ピストンロッドの回転によって生じ得る直線位置の検出誤差を該回転角度位置に基づき補正でき、簡単な構成によりピストンロッドの回転誤差を除去した、信頼性の高い直線位置検出が行えるという優れた効果を奏する。また、この発明の別の観点によれば、コイルの一端部を対応する磁気応答部パターンの最大幅よりも所定角度範囲だけ幅広に形成することで、前記ピストンロッドが回転した場合にもピストンロッドの直線位置を反映した直線位置検出出力を得ることができ、極めてシンプルな構成でありながらピストンロッドの回転の影響を受けない信頼性の高い直線位置検出が行えるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の一実施例に係るシリンダ装置を示す概略斜視図。
【図２】 （ａ）は同実施例に係るシリンダ装置をシリンダ本体の端部開口から見た概略断面図、（ｂ）は同実施例に係るピストンロッド表面展開図。
【図３】 同実施例に係るコイルに関連する電気回路図。
【図４】 （ａ）は図２に示す直線位置検出手段の各コイルに生じる電圧をθ成分についてのみ模式的に示すグラフ、（ｂ）はサイン相に対応する合成出力例及びコサイン相に対応する合成出力例を示すグラフ。
【図５】 同実施例に係るコイルに関連する電気回路の変更例を示す図。
【図６】 （ａ）同実施例に係る誤差補正処理の機能ブロック図、（ｂ）同実施例に係る誤差補正の一例を示すグラフ。
【図７】 （ａ）本発明の別の実施例に係るシリンダ装置をシリンダ本体の端部開口から見た概略断面図、（ｂ）は同実施例に係る磁気応答部パターンの一例を示すピストンロッド表面展開図。
【図８】 （ａ）は図７に示す各コイルに生じる電圧をθ成分についてのみ模式的に示すグラフ、（ｂ）はサイン相に対応する合成出力例及びコサイン相に対応する合成出力例を示すグラフ。
【符号の説明】
１ シリンダ装置、２ シリンダ本体、３ ピストン、４ ピストンロッド、１０ａ，１０ｂ 直線位置検出手段、２０ａ，２０ｂ 回転角度検出手段、１１ａ，１１ｂ 直線位置検出用の磁気応答部、２１ａ，２１ｂ 回転角度検出用の磁気応答部、Ｌ１ａ〜Ｌ４ａ，Ｌ１ｂ〜Ｌ４ｂ 直線位置検出用のコイル、Ｃ１ａ〜Ｃ４ａ，Ｃ１ｂ〜Ｃ４ｂ 回転角度検出用のコイル、３０ 交流電源、３１，３２ 演算器、３３ シフト回路、３４ 加算器、３５ 減算器、３６，３７ コンパレータ、３８ ディジタル処理装置、５０ 修正部
【発明の属する技術分野】
本発明は、流体圧シリンダ等のピストンストローク位置を検出するシリンダ位置検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
流体圧シリンダ等のストローク位置を検出する位置検出装置には、従来より種々の方式のものが知られている。そのうち、コイルを使用した誘導型のシリンダ位置検出装置としては、例えば、特開平１１−３３６７１３号公報には、ピストンロッドの表面に、軸線方向に対して所定角度だけスキューさせて長手状に延びた磁気応答部を形成し、ロッド本体側に設けられたコイルセンサにおいて、ロッドの直線的ストローク位置の変化に対応する磁気応答部の相対的な変位を検出するものが開示されている。また、特開２００１−１７４２０６号公報には、ピストンロッドの表面において、磁気応答部が該ロッドの直線変位方向に沿って面積が漸増又は漸減する区間を有するパターンで配置され、ロッドの直線的ストローク位置の変化に応じてコイルに対する磁気応答部の対応面積が変化し、この対応面積の漸増又は漸減変化に応じて、ピストンロッドの直線変位を検出するものが開示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来から知られるシリンダ位置検出装置においては、ピストンロッドが回転すると直線位置の検出データが不正確になってしまうので、ピストンロッドの不所望な回転によって生じる検出誤差の対策が重要な課題である。この点について、例えば、上記特開平１１−３３６７１３号公報に開示されたものには、互いに逆向きのスキュー角度で形成した２つの磁気応答部を具備することで、ピストンロッドの回転による誤差を相殺できるようにした例が示されている。しかし、そのような従来の技術では、依然として、検出誤差対策として不十分であった。
【０００４】
本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、ピストンロッドが回転したとしても誤差のないストローク位置検出を行うことができるシリンダ位置検出装置を提供しようとするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この発明は、ピストンロッドの表面において軸線方向に対して所定角度だけスキューさせて長手状に延びて形成された直線位置検出用の磁気応答部と、シリンダ本体の側に固定され、該ピストンロッドの直線的ストローク位置に対応する該磁気応答部の相対的な円周方向の位置に応じた出力信号を生じる直線位置検出用のコイル部から構成される直線位置検出手段と、前記ピストンロッドの表面において軸線方向に沿って直線的に長手状に延びて形成された回転角度検出用の磁気応答部と、前記シリンダ本体の側に固定され、該ピストンロッドの回転角度に対応する該磁気応答部の相対的な回転角度位置に応じた出力信号を生じる回転角度検出用のコイル部から構成される回転角度検出手段とを具備するシリンダ位置検出装置である。
【０００６】
直線位置検出手段において、直線位置検出用の磁気応答部がピストンロッドの軸線方向に対して所定角度だけスキューさせて長手状に延びて形成されているので、シリンダ本体に固定されたコイル部に対する前記磁気応答部の対応位置は、ピストンロッドの直線的ストローク位置の変化に応じて、該コイル部からの見かけ上、円周方向に変位してゆく。従って、直線位置検出用のコイル部において、それに対応する磁気応答部の相対的な円周方向の位置に応じた出力信号を生じることにより、ピストンロッドの直線ストローク位置を等価的にアブソリュートで検出できる。また、回転角度検出手段において、回転角度検出用の磁気応答部がピストンロッドの軸線方向に沿って直線的に延びて形成されているので、シリンダ本体に固定された回転角度検出用のコイル部に対する前記磁気応答部の対応位置は、ピストンロッドの回転角度の変化に応じて変位する。従って、回転角度検出用のコイル部において、対応する磁気応答部の相対的な位置に応じた出力信号を生じることにより、ピストンロッドの回転角度をアブソリュートで検出することができる。
上記のような構成の直線位置検出手段にあっては、ピストンロッドが回転によって、直線位置検出用のコイル部に対する磁気応答部の相対的な円周方向の位置が変位してしまうと、コイル部に生じる出力信号は、ピストンロッドの直線ストローク位置を正確に反映しないものとなってしまい、検出誤差を生じる恐れがあるが、この発明に従えば、回転角度検出手段により検出したピストンロッドの回転角度に基づき前記ロッドの回転により生じ得るピストンロッドの直線ストローク位置の誤差を補正することができる。従って、この発明によれば、比較的簡単な構成によって、ピストンロッドに不所望な回転が生じた場合にも検出誤差のない直線ストローク位置を検出できるようになる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照してこの発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１はこの発明の一実施例に係るシリンダ位置検出装置を適用したシリンダ装置１の外観を略示する斜視図である。シリンダ装置１は、油圧または空気圧シリンダなど、どのようなタイプのシリンダであってもよい。このシリンダ装置１は、通常知られるように、シリンダ本体２と、このシリンダ本体２内に収納されて該シリンダ本体２に対して相対的に直線変位するピストン３と、このピストン３に一端が連結され、他端がシリンダ本体２の端部開口から外部に突出していて、ピストン３の直線変位に伴って軸方向（図示の矢印ｘ）に直線変位するピストンロッド４とを含んでいる。なお、シリンダ本体２に関連する油圧または空気圧回路等の図示は省略してある。
【０００９】
図２（ａ）は図１に示すシリンダ装置１をシリンダ本体２の端部開口側から見た概念的断面図であり、図２（ｂ）はピストンロッド４の表面展開図である。シリンダ装置１は、ピストンロッド４のシリンダ本体２に対する相対的な直線ストローク位置を検出するための直線変位検出手段（図２（ａ）において符号１０ａ，１０ｂで示す）と、ピストンロッド４のシリンダ本体２に対する相対的な回転角度を検出するための回転角度検出手段（図２（ａ）において符号２０ａ，２０ｂで示す）を具える。直線変位検出手段１０ａに対して、円周方向に略々１８０度ずれた位置に（つまり中心軸ｏに関して対称に）直線変位検出手段１０ｂが配置されており、また、回転角度検出手段２０ａに対して、円周方向に略々１８０度ずれた位置に（つまり中心軸ｏに関して対称に）回転角度検出手段１０ｂが配置されている。
【００１０】
先ず、直線位置検出手段（１０ａ，１０ｂ）の一例について、直線位置検出手段１０ａを一例に詳細な構成を説明すると、直線位置検出手段１０ａは、ピストンロッド４の表面に配置された直線位置検出用の磁気応答部１１ａと、シリンダ本体２に対して固定的に設置された複数（図示の例では４つ）のコイルＬ１ａ〜Ｌ４ａ（コイル部）を具える。
（ａ）に示すように、コイルＬ１ａ〜Ｌ４ａは、所定の配置範囲内において、ピストンロッド４の軸周方向に配列され、且つ、各コイルＬ１ａ〜Ｌ４ａから発生した磁束が該ロッド４表面に対して略直交するよう配置される。磁気応答部１１ａは、（ｂ）に示すように、ピストンロッド４の表面において、軸線方向（図において矢印Ｘで示す）に対して所定角度φだけスキューさせて長手状に延びた帯状に形成される。磁気応答部１１ａは、例えば銅等の非磁性良導電体の金属素材からなり、ピストンロッド４表面の他の部分と磁気応答特性を異ならせた部分であり、例えば、全体が鉄等の磁性体からなるピストンロッド４の表面にて、帯状に銅メッキを施すことで非磁性良導電体からなる磁気応答部１１ａを形成できる。また、反対に、鉄製ピストンロッド４の表面全体に磁気応答部１１ａの設置個所のみ帯状に抜いて銅メッキを施すことで、磁気応答部の部分が磁性体の特性を示すようにしてもよい。以下では、磁気応答部は銅のような非磁性良導電体からなるものとする。なお、磁気応答部１１ａの幅員は、対応するコイルのサイズ、コイル配列等の相関関係に応じて適宜に設定する。図示の例では、１つのコイル幅をＷとすると、各コイルＬ１ａ〜Ｌ４ａの相互間隔がコイル幅Ｗに略々等しく設定されており、磁気応答部１１ａは、コイル幅Ｗに対して略々２倍の幅員２Ｗを有する。このため、図示のように磁気応答部１１ａが何れか１つのコイル（例えばＬ１ａ）対向面全面に位置する状態では、磁気応答部１１ａは他のコイル（Ｌ２ａ等）の対向面に侵入しない。
【００１１】
磁気応答部１１ａがピストンロッド４の軸線方向に対して所定角度φだけスキューしていることにより、ピストンロッド４の直線的ストローク位置の変化（図２（ｂ）においてｘ軸方向の変化）に伴い、シリンダ本体２側に固定的に設けられたコイルＬ１ａ〜Ｌ４ａに対する磁気応答部１１ａの対応位置は、コイルＬ１ａ〜Ｌ４ａからの見かけ上、円周方向（図２（ｂ）においてｙ軸方向）の変位する。磁気応答部１１ａのスキュー角度φは、ロッド４の直線的ストローク変位を、磁気応答部１１ａの相対的な円周方向の変位に変換すべく、検出するストローク変位の範囲に応じて適宜に設定され、典型的には、ストローク変位の範囲全長にわたるロッド４の変位が、各コイルＬ１ａ〜Ｌ４ａ配置範囲全長に対する磁気応答部１１ａの円周方向の移動に相当するように設定する。図２（ａ）において、直線ストローク変位に伴い移動した磁気応答部１１ａを点線で示す。
例えば、図２（ｂ）において、ｘ０〜ｘ３で示す範囲がピストンロッド４の１ストローク範囲に相当するとすると、磁気応答部１１ａは、該ロッド４の直線ストローク変位に伴いストローク開始位置ｘ０からｘ３まで移動したとき、各コイルＬ１ａ〜Ｌ４ａ上を順次Ｙ方向に移動する。なお、図２（ｂ）では、各地点ｘ１，ｘ２，ｘ３における磁気応答部１１ａを一点鎖線で示す。このように、磁気応答部１１ａのコイルＬ１ａ〜Ｌ４ａに対する円周方向（Ｙ方向）への移動量を検出することで、ピストンロッド４の比較的長い直線ストロー範囲をアブソリュートで検出することができる。
【００１２】
所定の相互間隔（この例では幅Ｗ）で配列された個別のコイルＬ１ａ〜Ｌ４ａに対して、所定の幅員（この例では２Ｗ）を有する磁気応答部１１ａが相対的に円周方向へ変位すると、磁気応答部１１ａに対応するコイル（Ｌ１ａ〜Ｌ４ａ）が、コイルＬ１ａ〜Ｌ４ａの円周方向の配列順に順次遷移する。すなわち、磁気応答部１１ａの個別のコイルＬ１ａ〜Ｌ４ａに対する相対的な近接位置関係（磁気応答部１１ａの個別のコイルＬ１ａ〜Ｌ４ａに対する対応面積）は、磁気応答部１１ａの該相対的変位に伴って変化する。
この磁気応答部１１ａの個別のコイルＬ１ａ〜Ｌ４ａに対する相対的な近接位置関係の変化に伴い、個別のコイルＬ１ａ〜Ｌ４ａにおける磁気応答部１１ａとの磁気的結合が変化し、これに応じて、各コイルＬ１ａ〜Ｌ４ａの自己インダクタンスが変化する、つまり、各コイルＬ１ａ〜Ｌ４ａの電気的インピーダンスが変化する。この実施例では、磁気応答部１１ａが非磁性良導電体であるため、個々のコイルＬ１ａ〜Ｌ４ａに対する磁気応答部１１ａの近接量（対応面積）が大きいほど、渦電流損によって該個々のコイルＬ１ａ〜Ｌ４ａの自己インダクタンスが減少し、該コイルＬａ〜Ｌ４ａの電気的インピーダンスは小さくなる。反対に、個々のコイルＬ１ａ〜Ｌ４ａに対する磁気応答部１１ａの近接量（対応面積）が小さいほど、個々のコイルＬ１〜Ｌ６におけるインダクタンスが増加し、該コイルＬ１〜Ｌ６の電気的インピーダンスは増加する。
【００１３】
例えば、（ｂ）に示すように、磁気応答部１１ａがストローク開始位置ｘ０（＝位置ｙ０）に在るとき、コイルＬ１ａでは磁気応答部１１ａの近接量が最大（対応面積が最大）になるため、インピーダンスが最小値になる。そして、ロッド４のストローク変位に伴い磁気応答部１１ａがコイルＬ１ａから遠ざかれば、コイルＬ１ａのインピーダンスが増大する。他のコイルＬ２ａ，Ｌ３ａ，Ｌ４ａも同様に磁気応答部１１ａの近接量に応じてコイルＬ２ａに対する近接量インピーダンスが増減変化する。ロッド４が略々１／３ストローク変位した状態（地点ｘ１）では、コイルＬ２ａに生じるインピーダンスは最小値になり、ロッド４が略々２／３ストローク変位した状態（地点ｘ２）では、コイルＬ３ａに生じるインピーダンスは最小値であり、ロッド４が１ストローク完了した状態（地点ｘ３）では、コイルＬ４ａに生じるインピーダンスは最小値である。これらコイルＬ１ａ〜Ｌ４ａのインピーダンス変化の特性は、後述するようにコイルＬ１ａ〜Ｌ４ａは１相の交流信号で共通に励磁されるため電気的位相が同相であり、ピストンロッド４の１ストロークに相当する変位量（ストローク位置）θを１サイクル（例えば位相角２７０度の範囲）とする振幅関数になぞらえることができる。
【００１４】
コイルＬ１のインピーダンスが最小値の地点ｘ０から１／３ストローク変位した地点ｘ１にてコイルＬ２ａのインピーダンスが最小値になるので、コイルＬ２ａのインピーダンス変化は、コイルＬ１ａに生じるインピーダンス変化に対して１／３サイクル（位相角で９０度）ずれた特性を示すことになる。
コイルＬ１ａに生じるインピーダンス変化がサイン関数（後述の図４（ａ）でＳを付記する）に相当するとすると、コイルＬ２ａに生じるインピーダンス変化はコサイン関数（同図でＣ）に相当する。また、コイルＬ３ａのインピーダンス変化は、コイルＬ１ａのインピーダンス変化に対して２／３サイクル（位相角で１８０度）ずれた特性を示すので、コイルＬ１ａのインピーダンス変化に対して差動的なマイナスサイン関数（同図で／Ｓ（Ｓバー））に相当する。また、コイルＬ４ａのインピーダンス変化は、コイルＬ１ａのインピーダンス変化に対して１サイクル（位相角にして２７０度）ずれた（つまりコイルＬ３ａのインピーダンス変化に対して差動的な）特性を示すので、これは、マイナスコサイン関数（同図で／Ｃ（Ｃバー））に相当することになる。なお、明細書中では、表記の都合上、反転を示すバー記号は「／（スラッシュ）」で表記するが、これは図中のバー記号に対応する。
【００１５】
一方、直線位置検出手段１０ｂは、直線位置検出手段１０ａと同様に、所定角度φスキューした磁気応答部１１ｂと、これに対応するコイルＬ１ｂ〜Ｌ４ｂを具え、ロッド４の直線位置に関して各コイルＬ１ｂ〜Ｌ４ｂにて生じるインピーダンス値が、直線位置検出手段１０ｂのそれと等しくなるよう設計される。ピストンロッド４の直線ストローク変位に応じて各コイルＬ１ｂ〜Ｌ４ｂに生じるインピーダンス変化は、コイルＬ１ｂがサイン関数特性（Ｓ）、コイルＬ２ｂがコサイン関数特性（Ｃ）、コイルＬ３ｂがマイナスサイン関数特性（／Ｓ）、コイルＬ４ｂがマイナスコサイン関数特性（／Ｃ）に夫々相当する。
【００１６】
ここで、シリンダ本体２に対するピストンロッド４の直線ストローク位置を、変数θを用いて示し、コイルＬ１ａ（及びコイルＬ１ｂ）に生じる理想的なサイン関数特性のインピーダンス変化Ａ（θ）を示すと、
Ａ（θ）＝Ｐ0＋Ｐｓｉｎθ
のような式で等価的に表せる。インピーダンス変化は負の領域に入らないため、上記式においてオフセット値Ｐ0は振幅関数Ｐよりも大きく（Ｐ0≧Ｐ）、「Ｐ0＋Ｐｓｉｎθ」は負の値を取らない。これに対して、コイルＬ１ａ（Ｌ１ｂ）に生じるインピーダンス変化Ａ（θ）に対して差動的変化を示すコイルＬ３ａ（及びコイルＬ３ｂ）に生じる生じる理想的なマイナスサイン関数特性のインピーダンス変化Ｃ（θ）を示すと、
Ｃ（θ）＝Ｐ0−Ｐｓｉｎθ
のような式で等価的に表せる。
一方、コイルＬ２ａ（及びコイルＬ２ｂ）に生じる理想的なコサイン関数特性のインピーダンス変化Ｂ（θ）を示すと、
Ｂ（θ）＝Ｐ0＋Ｐｃｏｓθ
のような式で等価的に表せる。これに対して、このコイルＬ２ａ（及びＬ２ｂ）に生じるインピーダンス変化Ｂ（θ）に対して差動的変化を示すコイルＬ４ａ（及びコイルＬ４ｂ）に生じる理想的なマイナスコサイン関数特性のインピーダンス変化Ｄ（θ）を示すと、
Ｄ（θ）＝Ｐ0−Ｐｃｏｓθ
のような式で等価的に表せる。
なお、上記「Ｐ」は１と見なして省略しても説明上不都合はないので、以下の説明ではこれを省略することにする。
【００１７】
図３は、コイルＬ１ａ〜Ｌ４ａ及びコイルＬ１ｂ〜Ｌ４ｂの電気回路の一実施例を示す。なお、図３ではコイルＬ１ａ〜Ｌ４ａのみを示し、コイルＬ１ｂ〜Ｌ４ｂについては図示及び説明を省略する。図３に示すように、各コイルＬ１ａ〜Ｌ４ａ（及びコイルＬ１ｂ〜Ｌ４ｂ）は、可変インダクタンス要素として等価的に示されており、電源３０から与えられる所定の交流信号（便宜上ｓｉｎωｔで示す）によって１相で定電圧励磁される。各コイルＬ１ａ〜Ｌ４ａに生じる電圧をＶＡ，ＶＢ，ＶＣ，ＶＤで表すとすると、取り出される電圧ＶＡ〜ＶＤは、下記のように、シリンダ本体２に対するピストンロッド４のストローク位置（すなわち、各コイルＬ１ａ〜Ｌ４ａに対する磁気応答部１１ａの相対位置）に対応する変数θに応じた各コイルＬ１ａ〜Ｌ４ａ毎のインピーダンス値に応じた大きさを示す。
ＶＡ＝Ａ（θ）ｓｉｎωｔ＝（Ｐ0＋ｓｉｎθ）ｓｉｎωｔ
ＶＢ＝Ｂ（θ）ｓｉｎωｔ＝（Ｐ0＋ｃｏｓθ）ｓｉｎωｔ
ＶＣ＝Ｃ（θ）ｓｉｎωｔ＝（Ｐ0−ｓｉｎθ）ｓｉｎωｔ
ＶＤ＝Ｄ（θ）ｓｉｎωｔ＝（Ｐ0−ｃｏｓθ）ｓｉｎωｔ
図４（ａ）は、各コイルＬ１ａ〜Ｌ４ａに生じる電圧ＶＡ，ＶＢ，ＶＣ，ＶＤをθ成分についてのみ模式的に示すグラフである（時間ｔの成分は示していない）。なお、（ａ）において、磁気応答部１１ａの相対的ストローク位置（Ｘ０〜Ｘ３）を明確に示す。
【００１８】
コイルＬ１ａ〜Ｌ４ａで生じた出力電圧ＶＡ〜ＶＤは、演算器３１，３２に入力される。演算器３１には、コイルＬ１ａに生じた出力電圧ＶＡと、これに対して差動変化するコイルＬ３ａに生じた出力電圧ＶＣが入力され、演算器３２には、コイルＬ２ａに生じた出力電圧ＶＢと、これに対して差動変化するコイルＬ４ａに生じた出力電圧ＶＤが入力される。
演算器３１では、下記のように、出力電圧ＶＡと出力電圧ＶＣの差を求め、変数θのサイン関数特性の振幅係数を持つ交流出力信号を生成する。
ＶＡ−ＶＣ＝（Ｐ0＋ｓｉｎθ）ｓｉｎωｔ−（Ｐ0−ｓｉｎθ）ｓｉｎωｔ
＝２ｓｉｎθｓｉｎωｔ
一方、演算器３２では、下記のように、出力電圧ＶＢと出力電圧ＶＤの差を求め、変数θのコサイン関数特性の振幅係数を持つ交流出力信号を生成する。
こうして、ピストンロッド４のストローク位置に対応する変数θを含む２つの周期的振幅関数（ｓｉｎθ及びｃｏｓθ）によってそれぞれ振幅変調された、２相の交流出力信号「２ｓｉｎθｓｉｎωｔ」と「２ｃｏｓθｓｉｎωｔ」が得られる（以下係数「２」は省略する）。これは、従来からレゾルバとして知られた検出器のサイン相出力信号ｓｉｎθｓｉｎωｔ及びコサイン相出力信号ｃｏｓθｓｉｎωｔと同等のものである。図４（ｂ）は、演算器３１及び３２から出力されるサイン相出力信号ｓｉｎθｓｉｎωｔ及びコサイン相出力信号ｃｏｓθｓｉｎωｔを、θ成分についてのみ模式的に示すグラフである（時間ｔの成分は示していない）。各交流出力信号の振幅成分であるサイン及びコサイン関数における位相角θは、ピストンロッド４の直線ストローク位置に対応しているので、位相角θの値を検出することでロッド４の直線ストローク位置をアブソリュートで検出できる。なお、サイン相及びコサイン相という呼称、及び２つの交流出力信号の振幅関数のサイン、コサインの表し方は便宜的なものであり、一方がサインで他方がコサインでありさえすれば、どちらをサインまたはコサインと称してもよい。すなわち、ＶＡ−ＶＣ＝ｃｏｓθｓｉｎωｔ、ＶＢ−ＶＤ＝ｓｉｎθｓｉｎωｔである、と表現してもよい。
【００２０】
本実施例では、演算器３１，３２から出力される２つの交流出力信号ｓｉｎθｓｉｎωｔ及びｃｏｓθｓｉｎωｔに基づき、位相検出方式で位置検出を行えるうようになっている。この場合の位相検出方式としては例えば本出願人に係る特開平９−１２６８０９号公報に示された技術を用いて構成するとよい。例えば、一方の交流出力信号ｓｉｎθｓｉｎωｔをシフト回路３３で電気的に９０度シフトすることで、交流信号ｓｉｎθｃｏｓωｔを生成し、これと他方の交流出力信号ｃｏｓθｓｉｎωｔを加算器３４及び減算器３５で加算合成及び減算合成することで、ｓｉｎ（ωｔ＋θ）及びｓｉｎ（ωｔ−θ）なる、θに応じて進相及び遅相方向に位相シフトされた２つの交流信号（位相成分θを交流位相ズレに変換した信号）を生成する。そして、位相シフトされた交流信号ｓｉｎ（ωｔ＋θ）及びｓｉｎ（ωｔ−θ）のゼロクロスをコンパレータ３６，３７で検出し、進相の検出交流信号ｓｉｎ（ωｔ＋θ）のゼロクロス検出パルスＬｐと、遅相の検出交流信号ｓｉｎ（ωｔ−θ）のゼロクロス検出パルスＬｍとを生成して、ディジタル処理装置３８に入力する。ディジタル処理装置３８では、上記ゼロクロス検出パルスＬｐ及びＬｍに基づき、基準信号ｓｉｎωｔのゼロ位相時点から進相のゼロクロス検出パルスＬｐの発生時点までの時間差を計測することで、進相の位相ズレ量＋θをディジタル検出し、基準信号ｓｉｎωｔのゼロ位相時点から遅相のゼロクロス検出パルスＬｍの発生時点までの時間差を計測することで、遅相の位相ズレ量−θをディジタル検出する。ディジタル処理装置３８において、進相及び遅相の位相検出値＋θ，−θ同士を加算又は減算することを含む所定の演算を行うことで、位相検出データθを得ることができる。こうして、ディジタル処理装置３８にて生成した位相検出データθは、直線位置検出信号θとして出力される。
【００２１】
なお、ディジタル処理装置３８は、専用回路（例えば集積回路装置）で構成してもよいし、プロセッサまたはコンピュータを使用して所定のソフトウェアを実行することにより位相検出処理を行うようにしてもよい。また、上述実施例において、コイル出力を差動演算したことで、コイルの温度ドリフト誤差が完全に補償され、温度ドリフトによるコイルインピーダンス変化の影響を受けないものとなり、更に、進相及び遅相の位相検出値＋θ，−θを演算したことで、前記コイル出力を差動演算することで除去しきれなかった温度ドリフト誤差成分を完全に除去することができるので、温度ドリフト特性が補償されることになる。
【００２２】
こうして、直線位置検出手段１０ａ及び１０ｂでは、ピストンロッド４のシリンダ本体２に対する相対的な直線ストローク位置を検出できる。
【００２３】
当該シリンダ装置１において、直線位置検出手段１０ａと直線位置検出手段１０ｂは、中心軸ｏに関して対称に設置されているので、結合部における機械的ガタ等によりロッド４の軸芯ずれ（径方向へのたわみ）が生じた場合、一方の直線位置検出手段にてコイルと磁気応答部（ロッド４表面）の空隙が狭まるならば、他方では該空隙が広がる。このため、直線位置検出手段１０ａ及び１０ｂの各コイルに生じるインダクタンス値は、互いに逆向きの（一方で増加、他方で減少する）誤差が生じてしまい、直線位置検出手段１０ａ及び１０ｂから夫々出力される出力信号θは不正確なものとなってしまう。然るに、この検出誤差は直線位置検出手段１０ａ，１０ｂにて夫々正負逆向きに生じるため、直線位置検出手段１０ａ及び１０ｂから夫々出力される出力信号θ同士を、平均化若しくは加算合成し、その平均値若しくは加算合成値を直線位置検出信号とすることで、ピストンロッド４の軸芯ズレによって生じる検出誤差を相殺した直線ストローク位置を得ることができる。よって、ロッド４の軸芯ズレの影響を受けない位置検出が行える。なお、こうした平均化若しくは加算合成処理は、例えば、ディジタル処理装置３８で行うよう構成することができる。
【００２４】
ところで、上述の図３の例では、コイルＬ１ａ〜Ｌ４ａ（及びコイルＬ１ｂ〜Ｌ４ｂ）を１相で励磁する電気回路の構成例を示したが、これに限らず、コイルＬ１ａ〜Ｌ４ａ（及びコイルＬ１ｂ〜Ｌ４ｂ）が２相で励磁されるよう構成することも可能であり、この場合の電気回路は例えば図５のようである。図５において、振幅特性がサイン関数に相当するコイルＬ１ａとマイナスサイン関数に相当するコイルＬ３ａとが逆相直列接続（差動接続）され、コイルＬ１ａ，Ｌ３ａを電源４０から与えられる所定の交流信号（便宜上ｓｉｎωｔで示す）によって励磁する。他方、振幅特性がコサイン関数に相当するコイルＬ２ａとマイナスコサイン関数に相当するコイルＬ４ａとが逆相直列接続（差動接続）され、コイルＬ２ａ，Ｌ４ａを電源４１から与えられる所定の交流信号（便宜上ｓｉｎωｔで示す）によって励磁する。ピストンロッド４の直線ストローク位置をθとすると、コイルＬ１ａ，Ｌ３ａが差動接続された回路から取り出される電圧は、「ｓｉｎθｃｏｓωｔ」となり、コイルＬ２ａ，Ｌ４ａが差動接続された回路から取り出される電圧は、「ｓｉｎθｃｏｓωｔ」となる。これら２つの交流信号「ｓｉｎθｃｏｓωｔ」と「ｓｉｎθｃｏｓωｔ」に対して前述の位相検出方式を適用することで変数θに基づく位置検出が可能である。すなわち、加算器４２、減算器４３及びコンパレータ４４，４５で処理され、ストローク位置θに応じた進相のゼロクロス検出パルスＬｐと遅相のゼロクロス検出パルスＬｍとが生成される。ディジタル処理装置４６では、ゼロクロス検出パルスＬｐ及びＬｍに基づき、前述と同様に、進相の位相ズレ量＋θ及び遅相の位相ズレ量−θをディジタル検出し、これに基づき直線位置検出データθ、つまり直線位置検出信号θを得ることができる。
【００２５】
上述した通り、直線位置検出手段１０ａ（１０ｂ）は、ピストンロッド４の軸方向の直線的ストローク位置を、磁気応答部１１ａ（１１ｂ）のコイルＬ１ａ〜Ｌ４ａ（Ｌ１ｂ〜Ｌ４ｂ）に対する円周方向への相対的な変位として検出する。ところで、ピストンロッド４ができるだけ回動しないよう設置、若しくは、そのような環境で当該シリンダ装置１を使用したとしても、例えばロッド４がストローク変位する際等には、取り付け部における機械的遊び等によって多少の回転（回動）が生じ得る。ピストンロッド４が回動した場合、その回動に応じて磁気応答部１１ａ（１１ｂ）がコイルＬ１ａ〜Ｌ４ａ（Ｌ１ｂ〜Ｌ４ｂ）に対して相対的に円周方向に変位してしまう。このロッド４の回動による磁気応答部１１ａ（１１ｂ）の変位は、直線位置検出手段１０ａ（１０ｂ）にてロッド４の直線ストローク位置の変位として検出されてしまい、その回動分だけ直線位置検出信号に検出誤差が生じ得る。
この点、当該シリンダ装置１によれば、次に説明するように、回転角度検出手段（２０ａ，２０ｂ）により、ピストンロッド４の回転角度を検出し、検出した回転角度（回転量）に基づき直線位置検出信号を修正することで、ロッド４の回転により生じる誤差を補正することができる。
【００２６】
回転角度検出手段（２０ａ，２０ｂ）の構成について回転角度検出手段２０ａを例に説明すると、図２（ａ）に示すように、回転角度検出手段２０ａは、ピストンロッド４表面に配置された回転角度検出用の磁気応答部２１ａ（非磁性良導電体部分）と、シリンダ本体２において円周方向に沿って所定角度範囲内（配置範囲Ｐ）に配列されたコイルＣ１ａ〜Ｃ４ａとを具える。図２（ｂ）に示すように、回転角度検出用の磁気応答部２１ａは、ピストンロッド４の表面において軸線方向（矢印Ｘ方向）に沿って直線的に長手状に延びた帯状に形成される。各コイルＣ１ａ〜Ｃ４ａの配置範囲Ｐは、検出したいロッド４の機械的回転角度の範囲に応じて設定される。ここで、図２（ａ）においてピストンロッド４の回転基準位置（つまり機械的回転角度０°の位置）をＨで表すと、図示の例では、コイルＣ１ａ〜Ｃ４ａの配置範囲Ｐは該基準位置Ｈを中心にして概ね機械的角度±１０°の範囲に設定されており、個々のコイルＣ１ａ〜Ｃ４ａが該範囲Ｐを４分割するよう配置される。ロッド４の回動はロッド４の結合部における機械的ガタや機械的遊び等によって生じ得るものであるため、コイルＣ１ａ〜Ｃ４ａの配置範囲Ｐは、比較的狭い機械的角度範囲（例えば±１０°程度）に設定してよい。また、磁気応答部２１ａの長さは、ピストンロッド４の直線ストローク変位の全長に相当することが望ましい。
【００２７】
磁気応答部２１ａがピストンロッド４の軸線方向に沿って直線的に延びているので、該ロッド４が中心軸ｏを軸にして回動（図２（ａ）に示す矢印ｚ方向）すると、該回動の回転角度に応じて磁気応答部２１ａの個別のコイルＣ１ａ〜Ｃ４ａに対する対応位置が変化し、磁気応答部２１ａの個別のコイルＣ１ａ〜Ｃ４ａに対する近接位置関係（対応面積）が変化する。これに応じて、個別のコイルＣ１ａ〜Ｃ４ａにおける磁気的結合が変化するため、各コイルＣ１ａ〜Ｃ４ａの電気的インピーダンスが変化する。この例では、磁気応答部２１ａが非磁性良導電体からなるため、コイルＣ１ａ〜Ｃ４ａに対する磁気応答部２１ａの近接量が大きいほど、該コイルＣ１ａ〜Ｃ４ａの電気的インピーダンスは小さくなる。反対に、個々のコイルＣ１ａ〜Ｃ４ａに対する磁気応答部１１ａの近接量が小さいほど、該コイルＣ１〜Ｃ６の電気的インピーダンスは増加する。
【００２８】
例えば、（ｂ）に示すように、磁気応答部２１ａの回転位置がｙ０の時、コイルＣ１ａに対する磁気応答部２１ａの近接量が最大になり、コイルＣ１ａのインピーダンスは最小値になる。同様に、磁気応答部２１ａが回転位置ｙ０から、１／３Ｐ回転した位置ｙ１の時コイルＣ２ａのインピーダンスが最小値になり、２／３Ｐ回転した位置ｙ２（回転基準位置Ｈ）の時コイルＣ３ａのインピーダンスが最小値になり、Ｐ回転した位置ｙ３の時コイルＣ４ａのインピーダンスが最小値になる。これらコイルＣ１ａ〜Ｃ４ａのインピーダンス変化の特性は、ピストンロッド４のシリンダ本体２に対する回転範囲Ｐに相当する変位量（回動角）θを１サイクル（位相角２７０度の範囲）とする振幅関数になぞらえることができる。
【００２９】
例えば、コイルＣ１ａに生じるインピーダンス変化がサイン関数（Ｓ）に相当するよう設定すると、これに対して、コイルＣ２ａに生じるインピーダンス変化は１／３サイクル（位相角９０度）ずれたコサイン関数（Ｃ）、コイルＣ３ａのインピーダンス変化は２／３サイクル（位相角１８０度）ずれたマイナスサイン関数（／Ｓ）、コイルＬ４ａのインピーダンス変化は１サイクル（位相角２７０度）ずれたマイナスコサイン関数（／Ｃ）に、夫々相当する。
【００３０】
コイルＣ１ａ〜Ｃ４ａを前記図３のように１相の交流信号（ｓｉｎωｔ）で励磁すると、各コイルＣ１ａ〜Ｃ４ａから取り出される電圧Ｖ１〜Ｖ４は、下記のように、シリンダ本体２に対するピストンロッド４の回転角度（すなわち、各コイルＬ１ａ〜Ｌ４ａに対する磁気応答部１１ａの相対位置）に対応する角度変数θに応じた各コイルＣ１ａ〜Ｃ４ａ毎のインピーダンス値に応じた大きさを示す。なお、下記式においてＰ0はオフセット値を示す。
Ｖ１＝（Ｐ0＋ｓｉｎθ）ｓｉｎωｔ
Ｖ２＝（Ｐ0＋ｃｏｓθ）ｓｉｎωｔ
Ｖ３＝（Ｐ0−ｓｉｎθ）ｓｉｎωｔ
Ｖ４＝（Ｐ0−ｃｏｓθ）ｓｉｎωｔ
但し、角度変数（θ）は、便宜上、上述の直線位置も回転角度も同じθを用いて示すが、実際は夫々異なる。
【００３１】
各コイルＣ１ａ〜Ｃ４ａに生じる出力電圧Ｖ１〜Ｖ４は、前記図４（ａ）に示すコイルＬ１ａ〜Ｌ４ａに生じる出力電圧ＶＡ〜ＶＤと概ね同様な変化特性のカーブを示す。サイン相出力電圧Ｖ１とマイナスサイン相出力電圧Ｖ３とを差動的に合成することでサイン関数の振幅関数を持つ出力交流信号（２ｓｉｎθｓｉｎωｔ）が得られ、また、コサイン相出力電圧Ｖ２とマイナスコサイン相出力電圧Ｖ４とを差動的に合成することでコサイン関数の振幅関数を持つ出力交流信号（２ｃｏｓθｓｉｎωｔ）が得られる。こうして、回転角度検出手段２０ａでは、ピストンロッド４の回動角θに対応する２相の交流出力信号「ｓｉｎθｓｉｎωｔ」と「ｃｏｓθｓｉｎωｔ」が得られる。この２相の交流出力信号を、前述の直線位置検出手段１０ａでの説明と同様に、図３に示したシフト回路３３、加算器３４、減算器３５及びコンパレータ３６，３７と同様の回路で処理して、回転角θに応じた進相のゼロクロス検出パルスＬｐと遅相のゼロクロス検出パルスＬｍとを生成し、これをディジタル処理装置３８にて、上記ゼロクロス検出パルスＬｐ及びＬｍに基づき、前述と同様に、回転角の進相の位相ズレ量＋θ及び遅相の位相ズレ量−θをディジタル検出し、これに基づき回転角度用の位相検出データθを生成し、これが回転角度検出信号θとして出力される。
なお、この回転角度検出の場合も、上述の図４に示した２相励磁タイプの電気回路を適用してよい。
【００３２】
回転角度検出手段１０ｂにおいても回転角度検出手段１０ａと同様な構成によりピストンロッド４の回転角度を検出でき、前記直線位置検出手段１０ａ，１０ｂにおいて説明したのと同様に、回転角度検出手段２０ａ及び２０ｂからの出力信号を平均化若しくは加算合成し、その平均値若しくは加算合成値を回転角度検出信号とすることで、ロッド４の軸芯ズレによって生じ得る検出誤差の影響を受けない回転角度を得ることができる。
【００３３】
当該シリンダ位置検出装置１によれば、直線位置検出手段１０ａ及び１０ｂと共に、回転角度検出手段２０ａ及び２０ｂを具えることで、該回転角度検出手段２０ａ及び２０ｂによって検出するピストンロッド４の回転角度検出データに基づき、ピストンロッド４の不所望な回転による検出誤差を修正することができる。図６（ａ）は誤差修正処理を機能的に示すブロック図である。直線位置検出手段１０ａ及び１０ｂからの直線位置検出出力Ｘと回転角度検出手段２０ａ及び２０ｂからの回転角度検出出力θが修正部５０に供給される。修正部５０では、回転角度検出出力θに応じた回転誤差ΔＸ（θ）に基づき、直線位置検出出力Ｘを修正する演算処理を行う。回転誤差ΔＸ（θ）は、回転角度検出出力θを変数とし、θ＝０（ピストンロッド４の回転角度０°）のときに所定の基準値０となる値である。修正部５０から出力される出力データが誤差修正したピストンロッド４のストローク位置Ｓの位置データを示している。例えば、図６（ｂ）において、直線位置検出出力ＸがＸａであって、回転角度検出出力θ＝０のとき、ストローク位置ＳはＸａであるとする。直線位置検出手段１０ａ及び１０ｂからの直線位置検出出力ＸがＸｂであったとき、回転角度検出手段２０ａ及び２０ｂからの回転角度検出出力θ≠０（ロッド４が回転した）であれば、そのピストンロッド４の回転量に応じた誤差ΔＸ（θ）に基づく演算処理（加算又は減算処理）を行うことで検出出力Ｘ＝Ｘｂを補正する（例えばＸｂ−ΔＸ（θ））。これにより回転誤差を修正したストローク位置データＳ＝Ｘａを得る。なお、上記回転誤差修正処理は、ディジタル処理装置３８にてソフトウェアプログラムを実行することで実施可能である。また、必要に応じて、修正部５０からの出力データをロッド４のストローク位置に変換するためのメモリ又はテーブルを更に具備してもよい。なお、修正部５０は前述のような演算処理による構成に限らず、誤差修正のための所定のメモリ又はテーブルで構成しても差し支えない。
【００３４】
なお、上記実施例に係るシリンダ位置検出装置１において、回転角度検出手段と直線位置検出手段との構成は上述の例に限定されず、少なくとも、ピストンロッド４の回転角度を検出して該検出した回転角度に基づき直線位置検出手段からの出力信号を修正部５０にて回転誤差を補正できるような構成であればよい。
【００３５】
次に、この発明に係るシリンダ位置検出装置の別の実施形態について説明する。前述の実施例では、磁気応答部として、直線位置検出用として所定角度スキューしたものと回転角度検出用として軸線方向に直線的なものとの２つの帯状の磁気応答部が設けられる例を示したが、当該別の実施形態においては、磁気応答部として、ピストンロッド４の表面において該ロッド４のストローク変位方向ｘ（図１参照）に沿って面積が漸増又は漸減する区間を有する所定のパターンで配置された複数の磁気応答部を具える。図７（ａ）は、この別の実施形態に係るシリンダ装置１の一例を示す概念的断面図である。ピストンロッド４の表面には夫々異なる４つのパターン１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄからなる磁気応答部１００が配置されており、シリンダ本体２には、磁気応答部の４つのパターン１００ａ〜１００ｄの各々に対応して４つのコイルＬ１０，Ｌ１１，Ｌ１２，Ｌ１３が設けられている。各コイルＬ１０〜Ｌ１３は、シリンダ本体２を円周方向に４分割した９０度範囲内に対応して配置され、また、各コイルＬ１０〜Ｌ１３にて発生する磁束がロッド４表面に対して略垂直に通るよう配置される。なお、磁気応答部１００の各パターン１００ａ〜１００ｄは、例えば銅メッキ加工することで非磁性良導電体により形成できる。
【００３６】
図７（ｂ）は、（ａ）に示すピストンロッド４表面における磁気応答部１００のパターンの配置例を示す展開図である。（ｂ）に示すようにパターン１００ａ〜１００ｄは、ロッド４の側面を円周方向に４分割した範囲に対応して配置される。説明の便宜上、（ｂ）において、ロッド４をストローク変位方向Ｘ（長さ方向）において４分割し、４分の１の区間をそれぞれＰ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４と称する。なお、図において、導電体部分（すなわち磁気応答部の配置部分）を斜線で示している。パターン１００ａは、区間Ｐ１及び区間Ｐ２において導電体部分（すなわち磁気応答部パターン）が最小面積から最大面積へ漸増し、区間Ｐ３及び区間Ｐ４において導電体部分が最大面積から最小面積へ漸減するような、ロッド４軸線方向に底辺をとる２等辺三角形状のパターンを有する。これに対してパターン１００ｃは、区間Ｐ１及び区間Ｐ２において導電体部分が最大面積から最小面積へ漸増するパターンと、区間Ｐ３及び区間Ｐ４において導電体部分が最小面積から最大面積へ漸増するパターンとからなり、パターン１００ａとパターン１００ｃとでは、導電体部分の面積の漸増及び漸減の関係が反転している。また、パターン１００ｂは、区間Ｐ１において導電体部分が、パターン最大面積の半分の面積（以下単に「半分の面積」という）から最小面積に漸減するパターンと、区間Ｐ２及びＰ３において、導電体部分が最小面積から最大面積へ漸増するパターンと、区間Ｐ４において導電体部分が最大面積から半分の面積に漸減するパターンとからなる。これに対して、パターン１００ｄは、区間Ｐ１において導電体部分が、半分の面積から最大面積に漸増するパターンと、区間Ｐ２及びＰ３において、導電体部分が最大面積から最小面積へ漸減するパターンと、区間Ｐ４において導電体部分が最小面積から半分の面積に漸増するパターンとからなり、パターン１００ｂとパターン１００ｄとでは、導電体部分の面積の漸増及び漸減の関係が反転している。
【００３７】
ロッド４が１ストローク変位するとき、パターン１００ａ〜１００ｄの各コイルＬ１０〜Ｌ１３に対するの対応面積が漸増及び漸減変化するので、これに応じて、各コイルＬ１０〜Ｌ１３と各々が対応するパターン１００ａ〜１００ｄとの磁気結合の度合いが変化し、各コイルＬ１０〜Ｌ１３の自己インダクタンスが変化する、つまり、電気的インピーダンスが変化する。図７（ｂ）において、ロッド４の１ストローク変位（０〜１ストローク）を４分割して、各ストローク位置におけるコイルＬ１０〜Ｌ１３に対するパターン１００ａ〜１００ｄの対応位置関係を明確に示す。ロッド４が１ストローク変位する際の、各コイルＬ１０〜Ｌ１３に生じるインピーダンス変化は、各パターン１００ａ〜１００ｄの面積漸増及び漸減変化に応じて、最大値から最小値の間で周期的な変化特性を示す。この例では、磁気応答部１００は銅メッキ（非磁性良導電体）により形成されているので、各パターン１００ａ〜１００ｄの最大面積に対して、各パターンに対向するコイルＬ１０〜Ｌ１３毎に生じるインピーダンス値は最小値となり、反対に各パターン１００ａ〜１００ｄの最小面積に対して、各パターンに対向するコイルＬ１０〜Ｌ１３毎に生じるインピーダンス値は最大値となる。こうしたコイルＬ１０〜Ｌ１３のインピーダンス変化の特性は、ロッド４の１ストロークに相当する変位量θを１サイクル（位相角３６０度の範囲）とする振幅関数になぞらえることができる。
【００３８】
各パターン１００ａ〜１００ｄの面積漸増及び漸減態様からも明らかなように、コイルＬ１０のインピーダンス変化に対して、コイルＬ１２のインピーダンス変化は、逆相（位相角にして１８０度）の、つまり差動的な特性を示す。また、コイルＬ１１のインピーダンス変化に対して、コイルＬ１３のインピーダンス変化は、逆相つまり差動的である。そして、コイルＬ１０のインピーダンス変化に対して、コイルＬ１１のインピーダンス変化は、１／４サイクル（位相角にして９０度）ズレた特性を示す。例えば、コイルＬ１０に生じるインピーダンス変化がサイン関数（Ｓ）に相当するものとすると、これに対して差動的なコイルＬ１２に生じるインピーダンス変化は、マイナスサイン関数（／Ｓ）、コイルＬ１１に生じるインピーダンス変化はコサイン関数（Ｃ）、コイルＬ１３に生じるインピーダンス変化はマイナスコサイン関数（／Ｃ）に、夫々相当する。
【００３９】
コイルＬ１０〜Ｌ１３に生じる電圧をＶ１０〜Ｖ１３は、各コイルＬ１０〜Ｌ１３毎のインピーダンス値に応じて概ね下記のように表せる。
Ｖ１０＝（Ｐ0＋ｓｉｎθ）ｓｉｎωｔ
Ｖ１１＝（Ｐ0＋ｃｏｓθ）ｓｉｎωｔ
Ｖ１２＝（Ｐ0−ｓｉｎθ）ｓｉｎωｔ
Ｖ１３＝（Ｐ0−ｃｏｓθ）ｓｉｎωｔ
図８（ａ）は、各電圧Ｖ１０〜Ｖ１３をθ成分についてのみ模式的に示す（時間ｔの成分は示していない）。なお、（ａ）においてピストンロッド４のストローク位置を明確に示す。
各コイルＬ１０〜Ｌ１３に生じる出力電圧Ｖ１０〜Ｖ１３は、サイン相出力電圧Ｖ１０とマイナスサイン相出力電圧Ｖ１２とを差動的に合成することでサイン関数の振幅関数を持つ出力交流信号（２ｓｉｎθｓｉｎωｔ）が得られ、また、コサイン相出力電圧Ｖ１１とマイナスコサイン相出力電圧Ｖ１３とを差動的に合成することでコサイン関数の振幅関数を持つ出力交流信号（２ｃｏｓθｓｉｎωｔ）が得られる。この２相の交流出力信号（ｓｉｎθｓｉｎωｔ及びｃｏｓθｓｉｎωｔ）は、図８（ｂ）に示すような位相角３６０度範囲でのサイン関数及びコサイン関数特性の変化カーブを示す。交流出力信号ｓｉｎθｓｉｎωｔ及びｃｏｓθｓｉｎωｔは、例えば、図３に示したシフト回路３３、加算器３４、減算器３５及びコンパレータ３６，３７と同様の回路で処理して、回転角θに応じた進相のゼロクロス検出パルスＬｐと遅相のゼロクロス検出パルスＬｍとを生成し、これをディジタル処理装置３８にて、上記ゼロクロス検出パルスＬｐ及びＬｍに基づき、変位量の進相の位相ズレ量＋θ及び遅相の位相ズレ量−θをディジタル検出し、これに基づき位相検出データθを生成し、これが直線位置検出信号θとして出力される。
なお、コイルＬ１０〜Ｌ１３に関連する電気回路は、図３に示す１相励磁タイプ、或いは、図５に示す２相励磁タイプの何れも適用可能である。
【００４０】
図７（ａ）に示すように、磁気応答部１００（つまりロッド４の表面）に対向する各コイルＬ１０〜Ｌ１２の端部は、磁気応答部１００のパターン最大幅（円周方向）よりも、幅広になるように構成されている。例えば、図６（ａ）において、ピストンロッド４が図７（ｂ）に示す０ストローク位置に位置しているとすると、コイルＬ１２に対するパターン１００ｃの対応面積は最大である。（ａ）に示すように、コイルＬ１２の端部の幅員は、パターン１００ｃがピストンロッド４の回転によって円周方向に変位した場合にもコイルＬ１２のインピーダンス値に影響（誤差）を与えないよう、円周方向について両側に概ね機械角度１５°程度（図において符号Ｒ及びＲ’）づつ、パターン１００ｃの最大幅よりも幅広に設定される。コイルが磁気応答部１００の最大幅個所に対して概ね１５°程度の幅（範囲Ｒ，Ｒ’内）であれば、例えばロッド４の伸縮ストローク時に生じる多少の回転については十分にその変位を許容できる。これにより、ロッド４が多少回転した場合にも、パターン１００ｃがコイルＬ１２の対向面からはみ出さない（つまりコイルＬ１２に対するパターン１００ｃの対応面積に変化が生じない）ので、コイルＬ１２では、ロッド４の直線位置を反映した適切なインピーダンス値が生じる。従って、ピストンロッド４が回転の影響を受けないロッド４の直線位置検出が可能となる。
また、磁気応答部１００のパターンと、これに対応する複数のコイルＬ１０〜Ｌ１３とは、ピストンロッド４の全周を覆っているため、ロッド４の軸芯ずれによる検出誤差が生じないようにすることができる。従って、ロッド４の軸芯ずれによる検出誤差のない直線位置検出が可能である。
【００４１】
なお、図７の例において、なお、磁気応答部１００の配置パターンは、図示の例に限らず、対応するコイルに生じるインピーダンス変化が、所望の周期的な変化特性を示し得るものであればよく、ピストンロッド４の１ストローク範囲を、例えば、２７０度の範囲，１８０度の範囲或いは９０度の範囲等、適宜の位相角範囲に換算して位置検出できるよう構成でき、その場合も、図７の例と同様に、各コイルの端部の幅員を適宜の範囲で幅広に設定することで、ロッド４の回転による影響を受けない直線位置検出ができる。また、磁気応答部１００のパターンは、磁性体からなるものであってもよく、その場合は、例えば鉄製ロッド４において、磁気応答部パターンの個所を除いてロッド４全体に銅メッキを施す等して構成してよい。
【００４２】
更に、この発明の別の実施形態として、ピストンロッド４の表面に設置される磁気応答部を、ロッド４の１ストローク全長範囲で該ロッド４の周面を１周する帯状に形成し、他方、シリンダ本体２の端部開口に配置される複数（例えば１０個）のコイルの夫々を、ロッド４の円周方向について等間隔に分割した範囲（例えばロッド４の全周を１０分割した範囲）に対応して、ロッド４の全周囲に配列することで、複数のコイルを交流励磁し、個別のコイルにおいてロッド４に設けた磁気応答部帯の近接に応じたインピーダンス変化に応じた検出出力を得るようにすることで、個別のコイルに対する磁気応答部の近接量を検知するようにしてよい。この場合、ロッド４の全周（機械角３６０度の範囲）に複数のコイルが配置されているので、個々のコイルの周方向における配置位置が夫々固有の角度範囲（コイル設置数が１０個の場合は各々３６度の範囲）に対応しており、どのコイルに磁気応答部が最も近接したかを検出することで、ロッド４の直線ストローク位置を等価的に検出できる。
更に別の実施形態として、帯状の磁気応答部がロッド４表面で螺旋を描くよう配置されてなるものも可能である。この場合、検出用コイルとしては、コイルの中心空間内にピストンロッド４が侵入する構成の（コイルの内部磁束の向きがロッド４の軸線方向を指向している）ものを採用し、これをロッド４の長さ方向（軸線方向）に沿って４つ配列して、この４つのコイルを１組のコイルセンサ部とする。このようなコイルセンサ部が、検出すべきストローク範囲に応じて複数並列配置される。螺旋状の磁気応答部は、１つのコイルセンサ部の長さ（ロッド４の軸線方向についての長さ）に対応する範囲に設置され、また、螺旋のピッチは、コイルセンサ部における個々のコイルの幅、配置間隔等に応じて適切に設定される。このような構成にあって、コイルセンサ部の個々のコイルに生じるインピーダンス変化が４相（サイン、コサイン、マイナスサイン、マイナスコサイン）の関数特性に相当するようにすることで、検出対象位置に応じてサイン及びコサイン関数特性に従う振幅を示す２つの交流信号を生成することができ、ロッド４の直線ストローク位置を等価的に検出できる。磁気応答部が螺旋状になっていること、及び、ロッド４の全周を覆っていることから、ロッド４の回転及び軸芯ずれによる検出誤差を生じないようにすることができる。
【００４３】
【発明の効果】
以上のとおり、この発明によれば、ピストンロッドの直線位置の変化を検出する直線位置検出手段と共に、ピストンロッドの回転角度を検出する回転角度検出手段を具備することで、ピストンロッドの回転によって生じ得る直線位置の検出誤差を該回転角度位置に基づき補正でき、簡単な構成によりピストンロッドの回転誤差を除去した、信頼性の高い直線位置検出が行えるという優れた効果を奏する。また、この発明の別の観点によれば、コイルの一端部を対応する磁気応答部パターンの最大幅よりも所定角度範囲だけ幅広に形成することで、前記ピストンロッドが回転した場合にもピストンロッドの直線位置を反映した直線位置検出出力を得ることができ、極めてシンプルな構成でありながらピストンロッドの回転の影響を受けない信頼性の高い直線位置検出が行えるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の一実施例に係るシリンダ装置を示す概略斜視図。
【図２】 （ａ）は同実施例に係るシリンダ装置をシリンダ本体の端部開口から見た概略断面図、（ｂ）は同実施例に係るピストンロッド表面展開図。
【図３】 同実施例に係るコイルに関連する電気回路図。
【図４】 （ａ）は図２に示す直線位置検出手段の各コイルに生じる電圧をθ成分についてのみ模式的に示すグラフ、（ｂ）はサイン相に対応する合成出力例及びコサイン相に対応する合成出力例を示すグラフ。
【図５】 同実施例に係るコイルに関連する電気回路の変更例を示す図。
【図６】 （ａ）同実施例に係る誤差補正処理の機能ブロック図、（ｂ）同実施例に係る誤差補正の一例を示すグラフ。
【図７】 （ａ）本発明の別の実施例に係るシリンダ装置をシリンダ本体の端部開口から見た概略断面図、（ｂ）は同実施例に係る磁気応答部パターンの一例を示すピストンロッド表面展開図。
【図８】 （ａ）は図７に示す各コイルに生じる電圧をθ成分についてのみ模式的に示すグラフ、（ｂ）はサイン相に対応する合成出力例及びコサイン相に対応する合成出力例を示すグラフ。
【符号の説明】
１ シリンダ装置、２ シリンダ本体、３ ピストン、４ ピストンロッド、１０ａ，１０ｂ 直線位置検出手段、２０ａ，２０ｂ 回転角度検出手段、１１ａ，１１ｂ 直線位置検出用の磁気応答部、２１ａ，２１ｂ 回転角度検出用の磁気応答部、Ｌ１ａ〜Ｌ４ａ，Ｌ１ｂ〜Ｌ４ｂ 直線位置検出用のコイル、Ｃ１ａ〜Ｃ４ａ，Ｃ１ｂ〜Ｃ４ｂ 回転角度検出用のコイル、３０ 交流電源、３１，３２ 演算器、３３ シフト回路、３４ 加算器、３５ 減算器、３６，３７ コンパレータ、３８ ディジタル処理装置、５０ 修正部
Claims (4)
- ピストンロッドの表面において軸線方向に対して所定角度だけスキューさせて長手状に延びて形成された直線位置検出用の磁気応答部と、シリンダ本体の側に固定され、該ピストンロッドの直線的ストローク位置に対応する該磁気応答部の相対的な円周方向の位置に応じた出力信号を生じる直線位置検出用のコイル部から構成される直線位置検出手段と、
前記ピストンロッドの表面において軸線方向に沿って直線的に長手状に延びて形成された回転角度検出用の磁気応答部と、前記シリンダ本体の側に固定され、該ピストンロッドの回転角度に対応する該磁気応答部の相対的な回転角度位置に応じた出力信号を生じる回転角度検出用のコイル部から構成される回転角度検出手段と
を具備するシリンダ位置検出装置。 - 前記回転角度検出手段からの出力信号に基づき前記直線位置検出手段からの出力信号を修正することでピストンロッドの回転による誤差を補正した直線位置を算出する修正手段を更に具える請求項１に記載のシリンダ位置検出装置。
- 前記直線位置検出手段と前記回転角度検出手段とを、それぞれ複数具備することを特徴とする請求項１又は２に記載のシリンダ位置検出装置。
- 前記直線位置検出用のコイル部は、前記ピストンロッドの軸線方向に対して略々直交する向きに配列され、前記直線位置検出用の磁気応答部のスキュー角度に応じた所定範囲内に配置された複数のコイルからなり、また、前記回転角度検出用のコイル部は、前記回転角度検出用の磁気応答部の長手方向に対して略々直交する向きに配列され、検出すべき回転角度範囲に応じる所定の角度範囲内に配置された複数のコイルからなる請求項１乃至３に記載のシリンダ位置検出装置。
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