JPH03118418A - 位置検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野］ 本発明は、建設機械や産業機械のシリンダロッドの位置
、自動車のピストンの位置、あるいは磁気スケールのス
ケーラの位置等を磁気的に検出する位置検出装置に関す
る。

（従来の技術〕 建設機械や産業機械のシリンダロッドの位置を検出する
場合、シリンダロッドやシリンダロッドに接続した検出
ロッドの長手方向に、透磁率の異なった部分や磁石を所
定間隔で設けてロッドの磁気的特性を異ならせ、この磁
気的特性の相違を検出して変位量等を求める位置検出装
置がしばしば用いられる。そして、このような位置検出
装置の中に、磁気的特性の相違を検出する手段としてマ
クスウェルブリッジ回路を利用したものがある。

マクスウェルブリッジは、第２図に示したように、ブリ
ッジ回路を構成する４辺の一辺に標準となるインダクタ
ンスＬ１を有するコイル１２を挿入し、他の一辺に未知
のインダクタンスＬ３のコイル１４を挿入して、出力端
子ａ、ｂ間の出力電圧を零とすることにより、インダク
タンスし３を求めることができるようになっている。

一方、マクスウェルブリッジを用いた位置検出装置は、
第３図に示したように、磁束を透過させる金属からなる
検出ロッド２０の軸方向に、所定の間隔で検出ロッド２
０より透磁率が大きい部分、または透磁率が小さい部分
（透磁率変化部）２２を複数設け、この検出ロッド２０
をマクスウェルブリッジのインクリタンスし３のコイル
１４に挿通しである。そして、検出ロッド２０が軸方向
に移動して透磁率変化部２２がコイル１４を通過すると
、コイルの自己インダクタンスし、が変化してインクリ
ンスＬｔ側の電圧と位相が異なり、この位相差に基づく
交流電圧を出力端子ａ、ｂから取り出して、交流電圧の
ゼロクロスを求めて検出ロッド２０の移動量、すなわち
位置を検出するようになっている。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところが、検出ロッド２０の変位がないときには、マク
スウェルブリッジの出力端子ａ、ｂ間電圧電圧であるべ
きなのに、センサの感度や検出ロッド２０の取り付は状
態、検出ロッド２０の透磁率のバラツキ、回路素子のバ
ラツキ、そして使用中における温度変化等の各種の原因
により、出力端子ａ、ｂ間に電圧が発生し、零点がずれ
る。このため、検出ロッド２０が軸方向に移動したとき
にマクスウェルブリッジの出力電圧は、透磁率変化部２
２がコイルを通過することによって生ずる交流電圧と、
センサの感度や素子のバラツキ等に基づく零点ズレによ
る直流電圧（オフセット電圧）とが重畳したものになる
。従って、マクスウェルブリッジの交流出力電圧のゼロ
クロスを検出して検出ロッド２０の位置検出や変位量を
求める場合、マクスウェルブリッジの出力電圧からオフ
セット電圧を除去する必要がある。

従来、上記のオフセット電圧を除去する方法としては、
コンデンサを用いたＡＣカンブリング法とトリマ抵抗を
用いた電圧調整法とがある。

ＡＣカップリング法は、マクスウェルブリッジの出力電
圧をコンデンサを介して取り出し、コンデンサによって
オフセット電圧である直流分を除去する方法である。し
かし、ＡＣカップリング法は、コンデンサにおける充放
電を利用するため、位相遅れが発生することと、周波数
に対する追従性が悪いため、交流電圧のゼロクロスが遅
れたり、マクスウェルブリッジの出力する電圧が、例え
ば数Ｈｚ以下の場合、交流分を取り出すことができない
欠点がある。

一方、トリマ抵抗による電圧調整力は、マクスウェルブ
リッジの出力電圧のせん頭値を計測してその中心値を求
め、ブリッジ回路または比較器の電圧調整用のトリマ抵
抗によって電圧レベルの調整を行うことにより、オフセ
ット電圧の影響を取り除くようにしている。しかし、こ
の方法は、マクスウェルブリッジの出力電圧の周波数が
変化したり、オフセット電圧が変動して振幅中心が変化
する場合、電圧調整が煩雑となる。特に、検出ロッド２
０がシリンダロッドであるような場合、使用中における
検出ロッド２０の温度変動につれてオフセット電圧も変
動し、電圧の調整をするのが容易でない。

本発明は、上記従来技術の欠点を解消するためになされ
たもので、検出回路の出力電圧の中心値を自動的に求め
比較回路の基準電圧とすることにより、電圧調整の煩雑
さをなくすことができる位置検出装置を提供することを
目的としている。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、本発明に係る位置検出装置
は、ロッドの軸方向に沿って周期的に変化させた磁気的
特性を検出し、磁気的特性に応じた電圧を出力する検出
回路と、この検出回路の出力電圧を基準電圧と比較する
比較回路とを有する位置検出装置において、前記検出回
路の出力電圧の平均値を求める平均値演算回路と、この
平均値演算回路の出力電圧を一時的に保持するとともに
、前記比較回路に前記基＄電圧として入力する電圧保持
回路と、前記検出回路の出力電圧と前記平均値演算回路
の出力電圧とを比較し、両出力電圧の一致時に、前記電
圧保持回路に保持更新信号を与える電圧保持タイミング
発生回路とを設けたことを特徴としている。

〔作用〕

上記の如く構成した本発明は、ロッドが軸方向に移動す
ると、検出回路がロッドに設けた周期的な磁気的特性の
変化に応じた電圧を出力する。この検出回路が出力する
電圧は、一般に回路素子や温度の変化等に伴う直流分（
オフセット電圧）を含んだ交流となっており、平均値演
算回路によってこの交流の平均電圧、すなわち直流分が
求められる。そして、平均値演算回路が出力する平均電
圧と検出回路が出力する検出電圧とは、電圧保持タイミ
ング発生回路において比較される。

電圧保持タイミング発生回路は、両電圧を比較して、両
電圧が一致する、いわゆるゼロクロス（交流成分のせん
頭値の中心値）において保持更新信号を電圧保持回路に
送出する。この電圧保持回路には、平均値演算回路が出
力した平均電圧が入力しており、電圧保持タイミング発
生回路から保持更新信号が入力してくると、この時の平
均電圧を次の保持更新信号が入力するまで記憶し、保持
する。また、電圧保持回路は、保持している平均電圧を
比較回路に基準電圧として入力する。そして、比較回路
は、電圧保持回路からの平均電圧と検出回路の出力電圧
とを比較し、例えば出力電圧の交流分のゼロクロス時に
１つのパルスを出力する。すなわち、比較回路は、ロッ
ドに設けた磁気的特性の変化に対応してパルスを出力す
る。従って、比較回路が出力するパルスの数を計数する
ことにより、検出回路が検出したロッドに周期的に設け
た磁気的特性の数を知ることができ、ロッドの移動量を
検出することができる。

このように、本発明においては、回路素子や温度変化等
による検出回路の出力電圧の直流分（オフセット電圧）
を自動的に求め、この直流分を比較回路の基準電圧とし
ているため、トリマ抵抗による電圧調整をする必要がな
く、位置検出を迅速かつ正確に行うことができる。そし
て、本発明においては、平均値演算回路が出力した直流
分を電圧保持回路に保持させ、この保持させた電圧を比
較回路の基準電圧としているため、ロッドが一定位置に
停止して検出回路が一定の電圧を出力する場合であって
も、比較回路の出力にチャタリングが生じて、位置検出
が不能になったりすることがない。

〔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。

第１図は、本発明の実施例に係る位置検出装置の回路ブ
ロック図であって、検出ロッドが前進したことを検出す
るＡ相の回路ブロック図である。

第１図において、交流電源である発信器３０の出力側に
は、検出回路３２が接続しである。検出回路３２は、マ
クスウェルブリッジ３４と位相検波器３６とを有してい
る。そして、発信器３０は、例えば６０ｋＨｚの高周波
電圧を出力し、この電圧をマクスウェルブリッジ３４に
印加するとともに、位相検波器３６に入力している。

マクスウェルブリッジ３４は、例えば自己インダクタン
スＬが１−００μＨ１直流抵抗値が５０Ωからなるコイ
ル１２．１４と５０Ωの固定抵抗Ｒ１、Ｒ４とから構成
しである。また、コイル１４は、前記した透磁率変化部
２２を軸方向に一定の間隔で設けた検出ロッド２０が挿
通しており、自己インダクタンスＬ、が検出ロッド２０
の軸方向移動に伴って変化するようになっている。なお
、検出ロッド２０に設けた透磁率変化部２２は、検出ロ
ッド２０の部分的な焼入れや焼なまし、または永久磁石
を装着することなどにより形成しである。そして、イン
ダクタンスし、の変化に基づいて生じた出力端子ａ、ｂ
間の電圧は、差動増幅器３８によって増幅され、発信器
３０の出力電圧とともに位相検波器３６に入力するよう
になっている。

位相検波器３６は、発信器３０の出力電圧と差動増幅器
３８の出力電圧との位相差を求め、そのズレ量に応じて
電圧に置き換える復調器（図示せず）を有している。そ
して、位相検波器３６の出力電圧は、図示しないバッフ
ァ回路を介して２分され、出力電圧のノイズを除去する
ノイズフィルタ４０と平均値演算回路としての詳細を後
述するローパスフィルタ平滑回路４２に入力するように
なっている。

ノイズフィルタ４０を透過した位相検波器３６の出力電
圧は、電圧保持タイミング発生回路４４と比較回路４６
とに入力される。電圧保持タイミング発生回路４４は、
ノイズフィルタ４０の出力とローパスフィルタ平滑回路
４２の出力とが入力する差動増幅器４８と、この差動増
幅器４日の出力電圧をトリマ抵抗５０によって調整した
基準電圧と比較し、パルスを発生する比較器５２、およ
び比較器５２からのパルスが入力することによりワンシ
ョットパルスを発生するワンショット回路（単安定マル
チバイブレータ）５４とからなっている。

ワンショット回路５４が出力するワンショットパルスは
、ローパスフィルタ平滑回路４２の出力側に接続した電
圧保持回路５６に入力するようになっている。電圧保持
回路５６は、アナログメモリからなり、ワンショット回
路５４からパルスを受けると、その時にローパスフィル
タ平滑回路４２が出力する平均電圧を記憶し、次のワン
ショット回路５４からのパルスが人力するまでその値を
保持するとともに、保持している平均電圧を比較回路４
６に基準電圧として与える。そして、比較回路４６は、
電圧保持回路５６から入力してくる平均電圧とノイズフ
ィルタ４０を透過した検出回路３２の検出電圧とを比較
し、例えば検出電圧が平均電圧より大きくなったときに
パルスを発生し、アップダウンカウンタ５８に入力する
。アップダウンカウンタ５８は、比較回路４６からパル
スを受けるごとに計数値をカウントアツプする。

なお、ア・シブダウンカウンタ５日には、検出ロッド２
０が後退したときにカウントダウン用のパルスをアンプ
ダウンカウンタ５８に入力する、第１図と同様の検出回
路、パルス発生回路からなるＢ相が接続しである（図示
せず）。

上記の如く構成した実施例の作用は、次のとおりである
。

発信器３０は、例えば振幅がせん頭値でＩＯＶ、周波数
が６０ｋＨｚ程度の正弦波電圧を出力し、検出回路３２
のマクスウェルブリッジ３４に供給するとともに、位相
検波器３６に入力している。

マクスウェルブリッジ３４は、第１図に図示しない検出
ロッド２０が基準位置、すなわち零点にある場合、出力
端子ａ、ｂの電圧は本来等しく、出力端子ａ、ｂ間の出
力電圧が零となる。しかし、前記したように回路素子の
バラツキ、周囲温度の変化によるコイル１２．１４の抵
抗値の変化等に伴い、出力端子ａ、ｂ間に電位差が生じ
て零とならなす、オフセット電圧が生ずる。

一方、検出ロッド２０が軸方向に移動すると、検出ロッ
ド２０に設けた透磁率変化部２２がコイル１４を通過す
るごとにコイル１４の自己インダクタンスし、が変化し
、マクスウェルブリッジ３４の出力端子すに現れる電圧
の位相が出力端子ａに現れる電圧の位相と異なる。この
ため、出力端子ａ、ｂ間には、先のオフセット電圧（直
流電圧）と、コイル１２．１４の両端の電圧の位相差に
基づく電圧（交流電圧）とが重畳して出力される。この
直流成分を含んだ交流電圧は、差動増幅器３８によって
増幅された後、位相検波器３６に人力される。位相検波
器３６は、図示しない復調器が差動増幅器３日の出力電
圧と発信器３ｏの出力電圧との位相を比較し、両者の位
相差を検波して位相差に応じた電圧を検出電圧として出
力する。

位相検波器３６が出力する直流成分を含んだ交流電圧は
、±ＩＶ〜±ＩＯＶに変化するように増幅された後、バ
ッファ（図示せず）を介してノイズフィルタ４０とロー
パスフィルタ平滑回路４２とに出力される。

ローパスフィルタ平滑回路４２は、例えば平均化フィル
タと演算増幅器とからなり、位相検波器３６の出力した
電圧の平均値、すなわち位相検波器３６が出力した電圧
の直流分を平均電圧として出力し、電圧保持タイミング
発生回路４４の差動増幅器４８の非反転入力端子と電圧
保持回路５６とに入力する。

差動増幅器４８は、反転入力端子にノイズフィルタ４０
を透過した位相検波器３６の出力電圧（検出電圧）が入
力しており、検出電圧と平均電圧との差に比例した電圧
、すなわち位相検波Ｈ３６が出力する検出電圧から直流
分を除去した交流電圧を増幅して比較器５２に入力する
。比較器５２は、トリマ抵抗５０によって非反転入力端
子に入力する基準電圧を変え、パルスの発生タイミング
を調整できるようになっており、差動増幅器４８の出力
が負から正に変わったときに（検出回路３２の検出電圧
の交流成分のゼロクロス時）、ワンショット回路５４に
パルスを送出する。ワンショット回路５４は、比較器５
２からパルスが入力してくると、そのパルスの立ち上が
りまたは立ち下がりにおいて、例えばパルス幅が１００
ｍｓ　ｅｃ前後のワンショットパルスを電圧保持回路５
６に出力する。

電圧保持回路５６は、ワンショット回路５４からパルス
が入力してくると、この時にローパスフィルタ平滑回路
４２が出力している平均電圧を記憶し、次のワンショッ
トパルスが入力するまで保持する。また、電圧保持回路
５６は、保持している平均電圧を比較回路４６の一方の
入力端子に基準電圧として入力する。そして、比較回路
４６山他方の入力端子に入力しているノイズフィルタ４
０を透過した位相検波器３６の出力電圧を平均電圧と比
較し、位相検波器３６の出力電圧が平均電圧より大きく
なった時に１つのパルスを発生し、アップダウンカウン
タ５８に入力する。アップダウンカウンタ５８は、比較
回路４６からパルスが入力するたびに計数値をカウント
アツプする。

検出ロッド２０が後退したときは、上記と同様にしてＢ
相からアップダウンカウンタ５８にカウントダウン用の
パルスが入力し、アップダウンカウンタ５８がパルスの
入力があるごとに計数値をカウントダウンする。

上記のように、実施例においては、ローパスフィルタ平
滑回路４２が位相検波器３６の出力電圧を平均して直流
成分の値を平均電圧として出力し、この平均電圧を比較
回路４６の基準電圧としているため、回路素子のバラツ
キやセンサの感度、検出ロッド２０の取り付は方法の相
違などによってオフセット電圧が発生しても、トリマ抵
抗等による電圧調整が不要となり、検出ロッド２０の位
置検出、変位量を容易、迅速に求めることができる。

しかも、位相検波器３６の出力電圧の直流分は、ローパ
スフィルタ平滑回路４２が自動的に求めるため、使用中
における周囲温度や検出ロッド２０の温度が変化してオ
フセット電圧が変動しても、オフセット電圧分を自動的
に除去することができ、電圧調整が不要となって正確な
位置検出が可能となる。

また、透磁率変化部２２を焼入れや焼なましによって形
成する場合、透磁率変化部２２やその周囲の透磁率にバ
ラツキを生ずることが多く、これによる出力電圧の変動
も自動的に補正することができる。そして、コンデンサ
を用いて直流分を除去するのと異なり、出力電圧の位相
遅れがなく、位置検出の精度が向上する。さらに、検出
ロッド２０が一定位置に停止して、位相検波器３６が一
定の電圧を出力し続ける場合であっても、比較回路４６
に入力する基準電圧は、電圧保持回路５６が保持してい
る交流成分のゼロクロス時のオフセット電圧値であるた
め、比較回路４６の出力がチャタリングするなどの不安
定な状態を避けることができ、アップダウンカウンタ５
８から正確な位置信号を出力することができる。

なお、前記実施例においては、検出ロッド２０の磁気的
特性の変化を検出するのに、マクスウェルブリッジ３４
を用いた場合について説明したが、磁気抵抗素子やホー
ル素子等の感磁性素子を用いた検出回路のオフセット電
圧の除去にも適用することができることは勿論である。

そして、前記実施例においては、電圧保持回路５６とし
てアナログメモリを用いた場合について説明したが、電
圧保持回路５６としてディジタルメモリを用い、アナロ
グメモリーディジタル変換器を介してディジタル値で記
憶し、ディジタル−アナログメモリ変換器を介してアナ
ログ値で出力するようにしてもよい、また、前記実施例
においては、検出ロッド２０を用いた場合について説明
したが、シリンダロッド等を検出ロッドとしてよいこと
は勿論である。さらに、前記実施例は、被測定物に所定
の間隔で着磁し、この着磁位置を検出する着磁式長さ計
にも適用することができる。

〔発明の効果］ 以上に説明したように、本発明によれば、検出回路が出
力する、ロッドに設けた周期的な磁気的特性の変化に応
じた電圧を、平均値演算回路によって平均して直流分が
求め、この直流分を検出回路の出力電圧と比較する比較
回路の基準電圧としたことにより、オフセット電圧の除
去を自動的に行え、電圧調整が不要となって正確、かつ
迅速な位置検出が可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に係る位置検出装置の回路ブロ
ック図、第２図はマクスウェルブリッジの説明図、第３
図は検出ロッドの一例を示す図である。 ３０−・−＝−・・発信器、３２−−−−一検出回路、
３４　・−・マクスウェルブリッジ、４２　−−−一平
均値演算回路（ローパスフィルタ平滑回路）　、４４−
−−一電圧保持タイミング発生回路、５６−−一電圧保
持回路、４６−・・・比較回路、５　Ｂ　　−−−−−
−アップダウンカウンタ。 第 図 第 図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）ロッドの軸方向に沿って周期的に変化させた磁気
   的特性を検出し、磁気的特性に応じた電圧を出力する検
   出回路と、この検出回路の出力電圧を基準電圧と比較す
   る比較回路とを有する位置検出装置において、前記検出
   回路の出力電圧の平均値を求める平均値演算回路と、こ
   の平均値演算回路の出力電圧を一時的に保持するととも
   に、前記比較回路に前記基準電圧として入力する電圧保
   持回路と、前記検出回路の出力電圧と前記平均値演算回
   路の出力電圧とを比較し、両出力電圧の一致時に、前記
   電圧保持回路に保持更新信号を与える電圧保持タイミン
   グ発生回路とを設けたことを特徴とする位置検出装置。