JP5567451B2 - バーニア式位置検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、２つの検出手段から出力される検出信号の信号組合せにより、被測定物の位置を検出するバーニア式位置検出装置に関する。

従来、被測定物の位置を精度よく検出する位置検出装置として、図８に示すようなバーニア式位置検出装置８１（例えば特許文献１等）が知られている。バーニア式位置検出装置８１には、円板状の回転板８２が軸８３回りに回転可能に形成されている。回転板８２には、Ｎ極及びＳ極の磁極対が軸８３回りに沿って複数配列された磁極パターン８４，８５が、回転板８２の径方向の内外に一対形成されている。本例の場合、径方向内側に位置する内側磁極パターン８４には、磁極対が４組形成され、径方向外側に位置する外側磁極パターン８５には、磁極対が３組形成されている。

図９及び図１０に示すように、内側磁極パターン８４に対向する位置には、内側磁極パターン８４から放射される磁界を検出する一対の内側磁気センサ部８６，８７が設けられている。内側磁気センサ部８６，８７は、内側磁極パターン８４の横において磁極の配列方向に並び配置されている。具体的に言うと、一方の内側磁気センサ部８６は、内側磁極パターン８４の紙面左端のＮ極において磁極配列方向の真ん中に配置され、他方の内側磁気センサ部８７は、そのＮ極と隣のＳ極との境目に配置されている。内側磁気センサ部８６は、内側磁極パターン８４から検出した磁界を、図１１（ａ）に示すsin波に準じた検出信号Ｓa1でコントローラ８８に出力する。また、内側磁気センサ部８７は、内側磁極パターン８４から検出した磁界を、図１１（ａ）に示すcos波に準じた検出信号Ｓa2でコントローラ８８に出力する。

外側磁極パターン８５に対向する位置には、外側磁極パターン８５から放射される磁界を検出する一対の外側磁気センサ部８９，９０が設けられている。外側磁気センサ部８９，９０は、内側磁気センサ部８６，８７と同様の位置条件にて配置されるとともに、外側磁気センサ部８９から図１１（ｂ）に示すsin波に準じた検出信号Ｓb1がコントローラ８８に出力され、外側磁気センサ部９０から図１１（ｂ）に示すcos波に準じた検出信号Ｓb2がコントローラ８８に出力される。

コントローラ８８は、内側磁気センサ部８６，８７から取得したsinθ及びcosθを基にarctanθを求め、sinθ及びcosθと、求めたarctanθとを基に、内側磁極パターン８４に準じた回転出力を演算する。コントローラ８８は、外側磁気センサ部８９，９０から取得したsinθ及びcosθを基にarctanθを求め、sinθ及びcosθと、これらから求まるarctanθとを基に、外側磁極パターン８５に準じた回転出力を演算する。角度検出においてarctanθを算出するのは、１つのsinθ及びcosθの組合せに対し、角度が２通り存在することから、arctanθを算出して、これら２つの値を仕分けるためである。

コントローラ８８は、内側磁気センサ部８６，８７から求まる回転出力と、外側磁気センサ部８９，９０から求まる回転出力との信号組合せを基に、回転板８２の回転角度（回転位置）を算出する。コントローラ８８は、例えば分解能「７２」で回転板８２の回転角度を検出する。

特開２００８−２６７８６７号公報

しかし、背景技術で述べた角度演算では、内側に２つのセンサ部８６，８７を配置し、外側に２つのセンサ部８９，９０を配置するというように、内外で合計４つのセンサ部品が必要となっていた。このため、センサ部品の個数を減らしたいニーズがあった。また、背景技術の角度演算は、センサ部８６，８７（８９，９０）から得たsinθ及びcosθからarctanθを演算し、これら３つのパラメータを使用する計算となっている。このため、演算処理が複雑で、時間を要するという問題もあった。

本発明の目的は、装置の構造を簡素化することができ、かつ簡単な処理にて位置を検出することができるバーニア式位置検出装置を提供することにある。

前記問題点を解決するために、本発明では、被測定物及びその支持物の間に、これら一方に配置された検出部と他方に配置された被検出部との組からなる位置検出部が複数設けられ、第１位置検出部が出力する第１検出信号と、第２位置検出部が出力する第２検出信号との信号組合せにより、前記被測定物の位置を検出するバーニア式位置検出装置において、位置検出の分解能の単位のときに前記第１位置検出部及び前記第２位置検出部が各々出力する検出信号を単位検出値とすると、それぞれの当該単位検出値は、交流波をとる前記検出信号の１波長内において異なる２位置を持つように設定されていることを要旨とする。

この構成によれば、第１位置検出部から出力される第１検出信号と、第２位置検出部から出力される第２検出信号との信号組合せが、被測定物を分解能の単位で位置検出するときの各位置において一義的に決まる。よって、被測定物の位置を２つの位置検出部により検出することが可能となるので、装置の構造を簡素化することが可能となり、さらに簡素な処理にて位置を検出することも可能となる。

本発明では、前記第１位置検出部及び第２位置検出部は、前記検出部及び前記被検出部の位置関係が各々異なるように形成されていることを要旨とする。

この構成によれば、部品の位置を調整することにより、信号組合せと角度とを、一義的な関係を満足するような値に設定することが可能となる。

本発明では、前記第１位置検出部及び前記第２位置検出部は、（ａ）前記検出信号の１波長を等分割するときの数を分割数とすると、前記第１位置検出部の分割数と、前記第２位置検出部の分割数とが、ともに偶数であること、（ｂ）前記分割数が４以上の数値で割り切れること、（ｃ）位置検出の分解能が、前記第１位置検出部の分割数と前記第２位置検出部の分割数との最小公倍数により設定されること、（ｄ）交流波の前記検出信号が、１波長内において前記単位検出値が異なる２位置を持つように設定されることの以上の（ａ）〜（ｄ）の条件が設定されていることを要旨とする。
この構成によれば、所望の信号組合せを、より確実に得ることが可能となる。

本発明では、前記第１位置検出部及び前記第２位置検出部の一方が検出信号として正弦波を出力し、他方が検出信号として余弦波を出力するときに、前記第１位置検出部及び前記第２位置検出部がとる位置を基準位置とすると、前記第１位置検出部及び前記第２位置検出部の一方において、前記検出部及び前記被検出部の一方を他方に対して移動方向にずらし配置されていることを要旨とする。

この構成によれば、例えば被検出部を従来から位置や形状等を変更することなく、そのまま使用することが可能となる。

本発明によれば、装置の構造を簡素化することができ、かつ簡単な処理にて位置を検出することができる。

一実施形態のバーニア式位置検出装置の斜視図。 回転板の平面図。 回転板に形成された磁極パターンの構成図。 位置検出センサから出力される検出信号の波形図。 信号組合せと角度との関係を示す割り付け表。 バーニア式位置検出装置のブロック図。 本願の発明の思想を説明する例示図。 従来のバーニア式位置検出装置の構成図。 回転板に形成された磁極パターンの構成図。 バーニア式位置検出装置のブロック図。 （ａ），（ｂ）は内外の各センサ部が出力する検出信号の波形図。

以下、本発明を具体化したバーニア式位置検出装置の一実施形態を図１〜図７に従って説明する。
図１に示すように、バーニア式位置検出装置１のケース２には、略円板状の回転板３が中心の軸４回りに回転可能に枢支されている。回転板３は、位置検出する物品の動きに同期して軸４回りに回転する。なお、ケース２が支持物に相当し、回転板３が被測定物に相当する。

ケース２と回転板３との間には、回転板３の回転角度（回転位置）を検出する位置検出センサ５が複数（本例は２つ）設けられている。２つの位置検出センサ５は、回転板３の径方向に並び配置されるとともに、例えば磁気センサが使用される。本例の場合、図１の径方向内側を第１位置検出センサ６とし、図１の径方向外側を第２位置検出センサ７とする。なお、位置検出センサ５〜７が位置検出部を構成し、第１位置検出センサ６が第１位置検出部に相当し、第２位置検出センサ７が第２位置検出部に相当する。

ケース２の内壁面８において径方向内側寄りの位置には、第１位置検出センサ６のセンシング部品として第１センサ部６ａが設けられている。また、ケース２の内壁面８において径方向外側寄りの位置には、第２位置検出センサ７のセンシング部品として第２センサ部７ａが設けられている。第１センサ部６ａ及び第２センサ部７ａは、例えばＭＲＥ（磁気抵抗素子）やホール素子等が使用されている。第１センサ部６ａ及び第２センサ部７ａは、検出した磁界に応じた検出信号を出力する。なお、第１センサ部６ａ及び第２センサ部７ａが検出部を構成する。

図２に示すように、回転板３には、径方向内側寄りの位置に、軸４回りにＮ極及びＳ極の磁極対が円環状に複数並んだ内側磁極パターン６ｂが形成されている。内側磁極パターン６ｂは、４つの磁極対からなる。また、回転板３には、径方向外側寄りの位置に、軸４回りにＮ極及びＳ極の磁極対が円環状に複数並んだ外側磁極パターン７ｂが形成されている。外側磁極パターン７ｂは、３つの磁極対からなる。なお、内側磁極パターン６ｂ及び外側磁極パターン７ｂが被検出部を構成する。

本例の第１位置検出センサ６及び第２位置検出センサ７は、以下の４つの条件を満たすように設定されている。なお、本例の場合は、第１位置検出センサ６及び第２位置検出センサ７の交流波の各出力において、その１波長（１つの磁極対）を等分割するときの数を分割数と言うことにする。

［条件］
・第１位置検出センサ６の分割数をｎ１とし、第２位置検出センサ７の分割数をｎ２とすると、分割数ｎ１，ｎ２がともに偶数に設定されること。
・分割数ｎ１，ｎ２が、ともに４以上の数値で割り切れること。
・位置検出の分解能が、分割数ｎ１，ｎ２の最小公倍数により設定されること。
・分解能の単位で第１位置検出センサ６及び第２位置検出センサ７が各々出力するセンサ出力が、１つの磁極対内（センサ出力の１波長内）において２つの同じ角度をとること。

これら条件を満たすことで第１位置検出センサ６及び第２位置検出センサ７がとる構造を以下に説明する。本例の場合、第１位置検出センサ６の分割数ｎ１が「１８」、第２位置検出センサ７の分割数ｎ２が「２４」であることから、本例のバーニア式位置検出装置１の分解能は、「１８」と「２４」の最小公倍数である「７２」となっている。よって、本例のバーニア式位置検出装置１は、回転板３の回転角度を５度間隔で検出することが可能である。

図３に示すように、第１センサ部６ａは、内側磁極パターン６ｂの紙面左端に位置するＮ極において、磁極配列方向の真ん中に配置されている。第１センサ部６ａは、図４に示すような検出磁界とセンサ出力との関係がsin波（正弦波）をとる第１検出信号Ｓａを出力する。また、第１検出信号Ｓａは、内側磁極パターン６ｂが第１センサ部６ａに対して１磁極対移動するときに、１波長をとる波形となっている。

図３に示すように、第２センサ部７ａは、外側磁極パターン７ｂの紙面左端に位置するＮ極において、磁極配列方向の真ん中から磁極配列方向に所定量ずれた位置に配置されている。即ち、仮に第１位置検出センサ６が角度に応じた信号波形として正弦波を出力し、第２位置検出センサ７が角度に応じた信号波形として余弦波を出力するときの第１位置検出センサ６及び第２位置検出センサ７がとる位置を基準位置とすると、本例の第２センサ部７ａは、この基準位置から磁極配列方向（回転板３の回転方向）に所定量ずらして配置されている。よって、第２センサ部７ａは、図４に示すような横軸方向にオフセットした第２検出信号Ｓｂを出力する。また、第２検出信号Ｓｂは、外側磁極パターン７ｂが第２センサ部７ａに対して１磁極移動するときに、１波長をとる波形となっている。

本例の第１位置検出センサ６及び第２位置検出センサ７では、角度検出の分解能の単位で出力する検出値をそれぞれ単位検出値Ｄ１，Ｄ２とすると、これら単位検出値Ｄ１，Ｄ２は、１つの磁極対内において各々２つの角度（分解能単位の角度）を持つように設定されている。つまり、第１位置検出センサ６が所定の単位検出値Ｄ１をとるときや、第２位置検出センサ７が所定の単位検出値Ｄ２をとるとき、各々が２つの角度（同じ値）を持つように設定されている。このため、単位検出値Ｄ１のプロット点を繋いだ波形と、単位検出値Ｄ２のプロット点を繋いだ波形とは、それぞれ見かけ上、略台形の形状をとる。

また、第１位置検出センサ６及び第２位置検出センサ７を、上記した条件に配置すると、第１位置検出センサ６の第１検出信号Ｓａと、第２位置検出センサ７の第２検出信号Ｓｂとの信号組合せは、図５の割り付け表９に示す関係をとる。つまり、第１検出信号Ｓａの出力値と、第２検出信号Ｓｂの出力値との組合せは、角度検出の各分解能でそれぞれ異なる値をとる。よって、第１検出信号Ｓａ及び第２検出信号Ｓｂの信号組合せから、回転板３の回転角度が一義的に決まる。

図６に示すように、バーニア式位置検出装置１には、回転板３の回転角度をバーニア方式により演算するコントローラ１０が設けられている。コントローラ１０には、第１位置検出センサ６及び第２位置検出センサ７が接続されている。コントローラ１０は、第１位置検出センサ６から出力される第１検出信号Ｓａと、第２位置検出センサ７から出力される第２検出信号Ｓｂとの信号組合せを基に、回転板３の回転角度を演算し、その演算回転角度を他のＥＣＵに出力する。

次に、本例のバーニア式位置検出装置１の動作を、図２〜図７を用いて説明する。
図３に示す位置状態を回転開始の初期位置（つまり、回転角度「０」）とする。このとき、図５の割り付け表９に示すように、第１位置検出センサ６の出力値は、「0.000」をとり、第２位置検出センサ７の出力値は、「−0.131」をとる。従って、コントローラ１０は、回転板３の回転角度を０度と検出する。

初期位置から回転板３が例えば図２の反時計回りに回転したとする。このとき、図５に示すように、回転板３が５度回転すると、第１位置検出センサ６の出力値は、「0.342」をとり、第２位置検出センサ７の出力値は、「0.131」をとる。従って、コントローラ１０は、回転板３の回転角度を５度と検出する。

そして、回転板３が更に反時計回り方向に回転されると、その回転に応じて第１検出信号Ｓａ及び第２検出信号Ｓｂの出力が切り換わっていく。このとき、コントローラ１０は、第１検出信号Ｓａ及び第２検出信号Ｓｂの信号組合せを逐次割り出し、この信号組合せを基に回転板３の回転角度を逐次演算し、演算回転角度をその他のＥＣＵに出力する。

ところで、図５の割り付け表９を見ても分かるように、第１検出信号Ｓａ及び第２検出信号Ｓｂの信号組合せは、分解能の各角度において１つしか存在しない。つまり、第１検出信号Ｓａ及び第２検出信号Ｓｂの信号組合せと分解能の角度とが、一義的に決まる。よって、第１位置検出センサ６からの出力と第２位置検出センサ７からの出力との組合せを単に見るだけで、回転板３の回転位置を検出できることが分かる。

ところで、場合によっては、第１検出信号Ｓａ及び第２検出信号Ｓｂの信号組合せと、求めたい角度とが、一義的に決まらないこともある。このときは、２つの磁極パターン６ｂ，７ｂのうち、例えば一方を他方に対して回転方向に所定量ずらすことによって対処する。こうすれば、信号組合せと角度とが一義的な関係をとるので、位置検出センサ６，７の出力から直に問題なく角度検出することが可能となる。

以上により、本例においては、上記条件を満足するように、第１位置検出センサ６及び第２位置検出センサ７を配置した。よって、図７に示すように、第１検出信号Ｓａ及び第２検出信号Ｓｂは、１つの磁極対内において各々単位検出値Ｄ１，Ｄ２をとるとき、２つの角度をとる波形となる。つまり、第２センサ部７ａを外側磁極パターン７ｂに対して基準位置から所定量だけずらし配置することにより、第１検出信号Ｓａ及び第２検出信号Ｓｂを、両方とも１つの磁極対内で２つの角度を持つ波形にする。

このため、図５に示すように、第１位置検出センサ６の出力と第２位置検出センサ７の出力との組合せが、角度検出の分解能のそれぞれで一義的に決まる値をとる。よって、第１位置検出センサ６及び第２位置検出センサ７の各信号の値を単に見るだけで、回転板３の角度を検出することが可能となる。従って、少ないセンサ個数で角度検出が可能となり、ひいては簡素な演算にて角度位置を検出することも可能となる。

本実施形態の構成によれば、以下に記載の効果を得ることができる。
（１）第１位置検出センサ６及び第２位置検出センサ７を、信号組合せが図５の割り付け表９をとるような配置としたので、回転板３の回転位置を第１位置検出センサ６及び第２位置検出センサ７の２つのセンサにて検出することが可能となる。このため、使用するセンサの個数が少なく済むので、バーニア式位置検出装置１の構成を簡素化することができる。また、第１検出信号Ｓａ及び第２検出信号Ｓｂの信号組合せを単に確認するだけで角度を割り出すことが可能となるので、簡素な処理にて回転板３の回転角度を検出することができる。

（２）信号組合せと角度とが一義的に決まらない場合は、一対の磁極パターン６ｂ，６ｂの一方を他方に対して所定量ずらし配置して調整する。よって、仮に信号組合せと角度とを一義的な関係を満たさない状況となっても、これに対処することができる。

（３）第１位置検出センサ６及び第２位置検出センサ７の位置を、実施形態で述べた４つの条件に設定した。よって、第１検出信号Ｓａ及び第２検出信号Ｓｂの信号組合せを、１つの角度を一義的に持つような組合せへ、より確実に設定することができる。

（４）第２センサ部７ａを外側磁極パターン７ｂに対して基準位置から回転方向に所定角度ずらし配置することで、第１検出信号Ｓａ及び第２検出信号Ｓｂの信号組合せが一義的な角度をとる組合せとなるように設定した。よって、第１位置検出センサ６（第１センサ部６ａ、内側磁極パターン６ｂ）や外側磁極パターン７ｂに変更を加える必要がないので、これらは従来のものをそのまま使用することができる。

なお、実施形態はこれまでに述べた構成に限らず、以下の態様に変更してもよい。
・第１位置検出センサ６及び第２位置検出センサ７の分割数は適宜変更可能である。
・例えば回転板３が固定側で、センサ部６ａ，７ａが回転側となっていてもよい。

・位置検出センサ５は、磁気センサに限定されず、例えば光学センサ等の他の種類を採用してもよい。
・位置検出部は、無接点式の位置検出センサ５に限定されず、例えばスイッチ等の有接点式でもよい。

・回転板３は、円板に限定されず、他の形状を用いてもよい。
・位置検出センサ５は、回転板３の径方向に並び配置されることに限定されず、例えば回転板３の厚さ方向に並び配置されてもよい。

・第１検出信号Ｓａ及び第２検出信号Ｓｂの信号組合せが一義的な角度を有するように設定する場合、第２センサ部７ａの位置を外側磁極パターン７ｂに対してずらし配置することに限定されない。例えば、第２センサ部７ａの位置は従来と同じとし、外側磁極パターン７ｂを回転方向にずらし配置してもよい。

・第１位置検出センサ６及び第２位置検出センサ７は、実施形態で述べた４つの条件を満たすことに限定されない。例えば、１つの磁極対内でセンサ出力が異なる２つの角度を有するだけの条件を持つものでもよい。

・位置検出センサ５のパターン分割数は、２で割り切れない数値を採用してもよい。
・第１検出信号Ｓａ及び第２検出信号Ｓｂの信号組合せと、求めたい角度とが、一義的に決まらないときの調整は、磁極パターン側をずらすことに限定されず、例えばセンサ部側をずらし配置してもよい。

・位置検出センサ５の個数は、２つに限らず、３つ以上設けてもよい。
・バーニア式位置検出装置１は、回転角度を検出する回転型に限定されず、直線移動する被測定物を検出するリニア型としてもよい。

次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想について、それらの効果とともに以下に追記する。
（イ）請求項１〜４のいずれかにおいて、前記バーニア式位置検出装置は、回転動作する前記被測定物の回転角度を検出する。この構成によれば、回転する被測定物の回転角度を精度よく検出することが可能となる。

（ロ）請求項１〜４、前記技術的思想（イ）のいずれかにおいて、前記位置検出部は、無接点式である。この構成によれば、接点部において部品接触等による劣化がないので、装置の耐久性を確保することが可能となる。

１…バーニア式位置検出装置、２…支持物としてのケース、３…被測定物としての回転板、５…位置検出部を構成する位置検出センサ、６…位置検出部（第１位置検出部）を構成する第１位置検出センサ、６ａ…検出部を構成する第１センサ部、６ｂ…被検出部を構成する内側磁極パターン、７…位置検出部（第２位置検出部）を構成する第２位置検出センサ、７ａ…検出部を構成する第２センサ部、７ｂ…被検出部を構成する外側磁極パターン、Ｓａ…検出信号を構成する第１検出信号、Ｓｂ…検出信号を構成する第２検出信号、Ｄ１，Ｄ２…単位検出値、ｎ１，ｎ２…分割数。

Claims (4)

1. 被測定物及びその支持物の間に、これら一方に配置された検出部と他方に配置された被検出部との組からなる位置検出部が複数設けられ、第１位置検出部が出力する第１検出信号と、第２位置検出部が出力する第２検出信号との信号組合せにより、前記被測定物の位置を検出するバーニア式位置検出装置において、
   位置検出の分解能の単位のときに前記第１位置検出部及び前記第２位置検出部が各々出力する検出信号を単位検出値とすると、それぞれの当該単位検出値は、交流波をとる前記検出信号の１波長内において異なる２位置を持つように設定されている
   ことを特徴とするバーニア式位置検出装置。
2. 前記第１位置検出部及び第２位置検出部は、前記検出部及び前記被検出部の位置関係が各々異なるように形成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載のバーニア式位置検出装置。
3. 前記第１位置検出部及び前記第２位置検出部は、
   （ａ）前記検出信号の１波長を等分割するときの数を分割数とすると、前記第１位置検出部の分割数と、前記第２位置検出部の分割数とが、ともに偶数であること
   （ｂ）前記分割数が４以上の数値で割り切れること
   （ｃ）位置検出の分解能が、前記第１位置検出部の分割数と前記第２位置検出部の分割数との最小公倍数により設定されること
   （ｄ）交流波の前記検出信号が、１波長内において前記単位検出値が異なる２位置を持つように設定されること
   という以上の（ａ）〜（ｄ）の条件が設定されている
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のバーニア式位置検出装置。
4. 前記第１位置検出部及び前記第２位置検出部の一方が検出信号として正弦波を出力し、他方が検出信号として余弦波を出力するときに、前記第１位置検出部及び前記第２位置検出部がとる位置を基準位置とすると、
   前記第１位置検出部及び前記第２位置検出部の一方において、前記検出部及び前記被検出部の一方を他方に対して移動方向にずらし配置されている
   ことを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか一項に記載のバーニア式位置検出装置。

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