JPH0635933B2 - アブソリュート直線位置検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明はアブソリュートで検出
し得る範囲を拡大したアブソリュート直線位置検出装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】検出対象の機械的直線位置を電気信号に
変換する直線位置検出器としては、差動トランスが公知
であり、また、実開昭５７−１３５９１７号公報に示さ
れた位相型の検出器も知られている。これらの欠点とし
ては、測定可能範囲が比較的狭い範囲に制限されてしま
うという点にある。そこで、実開昭５８−１３６７１８
号公報においては１次コイル及び２次コイルから成るピ
ックアップ部分に対して相対的に動くコア部分において
複数個のコアを所定間隔で設け、測定可能範囲を拡大す
るようにすることが提案されている。しかし、同公報に
示されたものにおいては、測定可能範囲は拡大される
が、個々のコア１周期内での直線位置しか検出できず、
アブソリュートで検出しうる範囲が拡大されたわけでは
なかった。

【０００３】また、特公昭５０−２３６１８号公報にお
いては、逆方向の磁化が交互になされた磁気格子（いわ
ば永久磁石の格子）を多数設けた磁気トラックからなる
磁気スケールを使用したリニア位置検出装置が示されて
おり、磁気格子の波長が異なる２個の磁気トラックを設
け、各磁気トラックの位相変調出力信号を位相比較する
ことにより、アブソリュート位置検出範囲を拡大した出
力信号を得ることが示されている。また、２個以上の磁
気トラックを設けてもよいことがそこには示されている
が、３個以上の磁気トラックを設けた場合に具体的にど
のような構成で検出範囲を拡大した出力信号を得るの
か、という点については何も示されていない。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記特公昭５０−２３
６１８号公報に示されたものは、磁気トラックとして、
逆方向の磁化が交互になされた磁気格子いわば永久磁石
の格子を設けねばならないため、製造・加工が面倒であ
り、コスト高になるという問題点があった。また、使用
環境も自ずと限定されるものであった。また、２個以上
例えば３個の磁気トラックを設けた場合に具体的にどの
ような構成で検出範囲を拡大した出力信号を得るのか、
不明であるため、効率的に検出範囲を拡大することがで
きなかった。

【０００５】 この発明は上述の点に鑑みてなされたも
ので、検出対象の機械的変位に応じてそれぞれ異なる周
期からなる周期的な位置検出信号をそれぞれ発生する複
数のリニアセンサを使用し、その出力信号を演算するこ
とにより、アブソリュート直線位置検出範囲を拡大した
位置検出信号を得ることができるようにしたアブソリュ
ート直線位置検出装置において、リニアセンサにおける
リニアスケール部材の構成を簡単化し、コストがかから
ないようにすると共に、３個のリニアセンサを設けて検
出範囲を拡大する場合の具体的な実現策を提供すること
を目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】第１の発明に係るアブソ
リュート直線位置検出装置は、(a）透磁率の異なる２つ
の物質を直線変位方向に沿って所定のピッチで交互に繰
返し配したリニアスケール部材と、このリニアスケール
部材に対して相対的に変位可能に配され、この変位に応
じた前記２つの物質の相対的位置関係に応じて、該リニ
アスケール部材の１ピッチの変位を１周期とする周期的
な位置検出信号を発生する電磁的検出ヘッド部とを具備
するリニアセンサを２個設け、各リニアセンサにおける
前記リニアスケール部材の１ピッチはそれぞれ異なって
おり、各リニアセンサにおける前記リニアスケール部材
又は検出ヘッド部の一方を一体的に結合して検出対象の
機械的変位に応じて一体的に直線変位させるようにして
成り、これにより、前記検出対象の機械的直線変位に関
して夫々異なる周期で各リニアセンサから前記位置検出
信号をそれぞれ発生するようにしたこと、(b）前記各リ
ニアセンサにおける前記検出ヘッド部は、直線変位方向
に所定間隔でそれぞれずれて配置され且つ前記２つの物
質の繰返しピッチに対して互いに逆相関係で対応するよ
う配置された１対の相を少なくとも２対含んでなる複数
相のコイル手段と、前記各相のコイル手段を位相のずれ
た複数の基準交流信号によって個別に励磁する共に前記
対をなす２相間では同相又は逆相励磁によって差動加算
出力が得られるようにしてなり、かつ各対の差動加算出
力を合成することにより前記基準交流信号を前記リニア
スケール部材の相対的直線位置に応じて位相シフトした
出力交流信号を前記コイル手段に生ぜしめる回路と、こ
の出力交流信号と前記基準交流信号との位相ずれを測定
することにより位置検出信号を得る回路とそれぞれを有
するものであること、及び(c）前記２つのリニアセンサ
に関し、第１のリニアセンサから発生される第１の位置
検出信号と第２のリニアセンサから発生される第２の位
置検出信号との差を演算し、この差に基づき、前記第１
のリニアセンサに関する前記検出対象の原点からの周期
数を決定する演算を行ない、決定した周期数を示す周期
数信号を出力する演算手段を設けたことからなるもので
ある。

【０００７】第２の発明に係るアブソリュート直線位置
検出装置は、更に第３のリニアセンサを設け、第１のリ
ニアセンサと第３のリニアセンサの１ピッチの差は第１
及び第２のリニアセンサの１ピッチの差よりも小とし、
各リニアセンサにおける前記リニアスケール部材又は検
出ヘッド部の一方を一体的に結合して検出対象の機械的
変位に応じて一体的に直線変位させるようにして成り、
これにより、前記検出対象の機械的直線変位に関して夫
々異なる周期で各リニアセンサから前記位置検出信号を
それぞれ発生するようにしたものである。そして、第１
のリニアセンサから発生される第１の位置検出信号と第
２のリニアセンサから発生される第２の位置検出信号と
の差を第１の差として演算し、この第１の差に基づき、
前記第１のリニアセンサに関する前記検出対象の原点か
らの周期数を決定する演算を行ない、決定した周期数を
示す第１の周期数信号を出力する第１の演算手段と、第
１のリニアセンサから発生される第１の位置検出信号と
第３のリニアセンサから発生される第３の位置検出信号
との差を第２の差として演算し、この第２の差に基づ
き、前記第１の周期数信号の周期数を決定する演算を行
ない、決定した周期数を示す第２の周期数信号を出力す
る第２の演算手段を設けたものである。

【０００８】

【作用】上記のように、各リニアセンサは、リニアスケ
ール部材と電磁的検出ヘッド部とを具備しており、各リ
ニアセンサにおけるリニアスケール部材の１ピッチはそ
れぞれ異なっている。そして、各リニアセンサにおける
リニアスケール部材又は検出部の一方を一体的に結合し
て検出対象の機械的変位に応じて一体的に直線変位され
るようになっている。電磁的検出部は、リニアスケール
部材に対して相対的に変位可能であり、この変位に応じ
た前記２つの物質の相対的位置関係に応じて、該リニア
スケール部材の１ピッチの変位を１周期とする周期的な
位置検出信号を発生する。これにより、特段の運動変速
機構を設けることなく、各リニアセンサにおけるリニア
スケール部材又は検出部の一方を一体的に結合するだけ
の極めて簡単な構成により、検出対象の機械的直線変位
に関して夫々異なる周期で各リニアセンサから位置検出
信号を発生させることができる。

【０００９】例えば、検出対象の原点からの変位に対し
て、第１のリニアセンサの位置検出信号が丁度１周期分
変化したとき、別のリニアセンサの位置検出信号は丁度
１周期分の変化を示していず、各位置検出信号の間には
差が生じている。この差は検出対象の原点からの変位が
増すに従って次第に広がっていくものであり、第１のリ
ニアセンサに関する検出対象の原点からの周期数に比例
して増大する。従って、この差がどれだけあるかによっ
て、第１のリニアセンサの位置検出信号が原点から何周
期目のものであるかが判明する。従って、演算手段によ
って、第１のリニアセンサの第１の位置検出信号と第２
のリニアセンサの第２の位置検出信号との差を演算すれ
ば、この差に基づき、該第１のリニアセンサに関する検
出対象の原点からの周期数を決定することができる。こ
うして、求められた第１の周期数信号は、第１のリニア
センサの出力信号に基づく第１の位置検出信号の周期数
を示しているが故に、これら第１の位置検出信号と第１
の周期数信号との組合せは、検出対象の原点からの絶対
位置を広範囲にわたって特定するものである。

【００１０】このように、本発明では、アブソリュート
直線位置検出範囲を拡大することができ、また、特段の
運動変速機構を設けることなく、各リニアセンサにおけ
るリニアスケール部材又は検出ヘッド部の一方を一体的
に結合するだけの極めて簡単な構成であればよいので、
構成も簡素であり、かつ全体の検出分解能は１つのリニ
アセンサの１周期分の出力信号の分解能に依存するので
極めて高分解能であり、精度がよいものとなる。また、
リニアスケール部材は、透磁率の異なる２つの物質を直
線変位方向に沿って所定のピッチで交互に繰返し配して
成るものであるから、従来のもののように、所定のパタ
ーンで交互に磁化する（永久磁石化する）処理は全く不
要であり、単に透磁率の異なる２つの物質を交互に配置
するだけでよい。従って、製造・加工が簡単であり、か
つ低コストでもある。また、使用環境の制限も受けな
い。更に、本発明では、各リニアセンサにおける検出ヘッド
部は、直線変位方向に所定間隔でそれぞれずれて配置さ
れ且つ前記２つの物質の繰返しピッチに対して互いに逆
相関係で対応するよう配置された１対の相を少なくとも
２対含んでなる複数相のコイル手段と、前記各相のコイ
ル手段を位相のずれた複数の基準交流信号によって個別
に励磁する共に前記対をなす２相間では同相又は逆相励
磁によって差動加算出力が得られるようにしてなり、か
つ各対の差動加算出力を合成することにより前記基準交
流信号を前記リニアスケール部材の相対的直線位置に応
じて位相シフトした出力交流信号を前記コイル手段に生
ぜしめる回路と、この出力交流信号と前記基準交流信号
との位相ずれを測定することにより位置検出信号を得る
回路とそれぞれを有するものであるから、位相測定方式
によって精度の良い位置検出信号を得ることができる。
特に、前記２つの物質の繰返しピッチに対して互いに逆
相関係で対応するよう配置された１対の相を少なくとも
２対含んでなる複数相のコイル手段を設けたことによ
り、繰返しピッチの１周期全体にわたって３６０度の位
相変化を生じさせることができるようになり、極めて有
効である。

【００１１】なお、以下で説明する実施例において、第
１及び第２のリニアセンサに対応するものは符号Ｓ１，
Ｓ２で示されており、リニアスケール部材に対応するも
のは、ロッド状のコア部２−１，２−２であり、電磁的
検出部に対応するものは、ケーシング４−１内に収納さ
れた１次コイルと２次コイルの部分とそれに関連するデ
ィジタル位相差検出回路３７−１，３７−２の部分であ
る。また、演算手段に対応するものは演算装置ＣＯＭで
ある。

【００１２】第２の発明においては、更に、第３のリニ
アセンサを具備する。第１のリニアセンサと第３のリニ
アセンサの１ピッチの差は第１及び第２のリニアセンサ
の１ピッチの差よりも小であるから、第１のリニアセン
サから発生される第１の位置検出信号と第３のリニアセ
ンサから発生される第３の位置検出信号との差である第
２の差は、第１のリニアセンサから発生される第１の位
置検出信号と第２のリニアセンサから発生される第２の
位置検出信号との差である第１の差よりも小である。ま
た、これらの差は検出対象の原点からの変位が増すに従
って次第に広がっていくものであり、これらの差がどれ
だけあるかによって、第１のリニアセンサから発生され
る第１の位置検出信号が原点から何周期目の値であるか
が判明する。しかも、これらの差はいずれも周期性を示
す。つまり、差は検出対象の原点からの変位が増すに従
って次第に広がっていくが、位置検出信号それ自体が周
期性を持つが故に、これらの差も周期性を持つ。第１の
差の方が第２の差よりも変化率が大であるが故に、デー
タとしての精度は良好であり、第１の位置検出信号が原
点から何周期目であるかを検出するのに適している。し
かし、第１の差の周期は第２の差の周期よりも早く到来
するが故に、検出可能範囲を拡大するには、より遅い周
期を持つ第２の差を利用することが望ましい。

【００１３】そこで、第２の演算手段により、第２の差
を求める。ここで、この第２の差に基づき、第１の位置
検出信号に関する検出対象の原点からの周期数を直接求
めたのでは、その変化率が小さいが故に、第１の差に基
づきこれを求めた場合に比べてはるかに精度が悪くなっ
てしまう。そこで、精度良く、しかも検出可能範囲を拡
大するために、どうするかと言うと、この第２の演算手
段では、この第２の差に基づき、第１の周期数信号の周
期数を決定する演算を行うのである。もとより、各検出
部の出力信号の周期に相関性があり、第１の差と第２の
差との間にも相関性があるので、第２の差に基づき、第
１の周期数信号の周期数つまりは第１の差の周期数を決
定することができるのである。こうして決定した第１の
周期数信号の周期数を示す信号を第２の周期数信号とし
て出力する。つまり、第１の周期数信号の周期自体が第
１の位置検出信号の周期に比べてはるかに長いものであ
るので、変化率の小さな第２の差に基づく第１の周期数
信号の周期数の決定は、この第２の差に基づき第１の検
出部に関する検出対象の原点からの周期数を直接求める
場合に比べて、はるかに精度良く行なえるのである。

【００１４】こうして、求められた第１の周期数信号
は、第１の位置検出信号の周期数を示しており、また、
第２の周期数信号は、第１の周期数信号の周期数を示し
ているが故に、これら第１の位置検出信号、第１の周期
数信号及び第２の周期数信号の３者の組合せは、検出対
象の原点からの絶対位置を広範囲にわたって且つ精密に
特定するものである。これにより、更に拡大した範囲で
アブソリュート直線位置の検出が可能である。

【００１５】実施例との対応を示すと、第３のリニアセ
ンサに対応するものがセンサＳ３であり、第２の周期数
信号を求めるための演算を行う手段に対応するものが上
述と同様に演算装置ＣＯＭである。

【００１６】以下添付図面を参照してこの発明の実施例
を詳細に説明しよう。最も単純な例として２個のリニア
センサを用いる例につき図１を参照して原理的に説明す
る。機械的直線変位に対して所定の周期で電気的出力信
号を発生するリニアセンサＳ１，Ｓ２としては、例えば
実開昭５８−１３６７１８号公報に示されたような複数
のコアを所定間隔で設けたものを利用する。一方のセン
サＳ１の出力信号の１周期に相当する検出対象の機械的
変位量をＰ1とし、他方のセンサＳ2の出力信号の１周期
に相当する検出対象の機械的変位量をＰ2とする。この
発明では、各センサの出力信号の１周期に相当する検出
対象の機械的変位量を夫々異ならせることを特徴として
いるため、Ｐ1≠Ｐ2である。各センサＳ１，Ｓ２は各周
期毎の機械的直線変位量Ｐ1，Ｐ2の範囲内ではアブソリ
ュート位置（１周期内での相対的なアブソリュート位
置）検出が可能である。各センサでは１周期分の出力信
号とし、Ｓ１がＮ1，Ｓ２がＮ2なる値を発生するものと
する。すなわち、ディジタル型の場合、センサＳ１が１
周期をＮ1分割した精度でアブソリュート出力信号を発
生し、Ｓ2が１周期をＮ2分割した精度でアブソリュート
出力信号を発生する。

【００１７】つまり、検出対象の機械的変位量がＰ1の
ときセンサＳ１はその１周期分の出力信号つまり最大出
力Ｎ1を出力し、Ｐ2のときセンサＳ２はその１周期分の
出力信号つまり最大出力Ｎ2を出力する。検出対象の原
点からの機械的変位量がＰ1もしくはＰ2以上となったと
き、センサＳ１，Ｓ２単独では、それらの出力信号が原
点から何周期目なのかが判らず、アブソリュート位置は
検出できない。しかし、下記のようにセンサＳ１，Ｓ２
の出力信号を組合せて利用すればアブソリュート位置が
判明する。

【００１８】単位変位量当りのセンサＳ１の検出値はＮ
1／Ｐ1なる定数で表わすことができ、同じくセンサＳ２
の検出値はＮ2／Ｐ2なる定数で表わすことができる。そ
こで、検出対象が原点（原点ではセンサＳ１，Ｓ２の出
力が共に０である）からＰ1移動したときについて考え
ると、センサＳ1の出力はＮ1であり丁度１周期分であ
る。また、センサＳ2の出力は（Ｎ2・Ｐ1）／Ｐ2であ
る。従って、検出対象の現位置に対してセンサＳ１，Ｓ
２から得られる出力信号の値をＤ1，Ｄ2で表わすと、ア
ブソリュート位置Ｐ1のときはＤ1，Ｄ2は次のようにな
る。 Ｄ1＝Ｎ1 Ｄ2＝（Ｎ2・Ｐ1）／Ｐ2 …(1)

【００１９】このことより、センサＳ１の１周期分の直
線変位Ｐ1につき、両センサＳ１，Ｓ２間の出力信号の
値は下記の変化分（定数）に従って順次ずれていくこと
が明らかである。ここでＤ12＝Ｄ1−Ｄ2とする。 Ｐ1当りのＤ12の変化分＝（Ｎ1・Ｐ2−Ｎ2・Ｐ1）／Ｐ2 …(2)

【００２０】 従って、演算装置ＣＯＭにおいて、検出
対象の現位置に対応する各センサＳ１，Ｓ２の出力の差
「Ｄ12＝Ｄ1−Ｄ2」を求め、これを上記(2)式の定数に
よって下記のように割算すれば、センサＳ１の現出力信
号Ｄ1が原点から数えて何周期目（Ｃｘ）のものである
のかということが判明する。 Ｃｘ＝Ｄ12÷（Ｎ1・Ｐ2−Ｎ2・Ｐ1）／Ｐ2
…(3)

【００２１】上記(3)式によって求めた周期数Ｃｘの整
数部とセンサＳ１の出力信号Ｄ1とを組合せることによ
り（すなわち(3)式によって求めたＣｘの少数部または
余りを切捨て、Ｄ1を少数部として用いる）、検出対象
の直線位置をアブソリュートで特定することができる。
尚、Ｓ１とＳ２の周期のずれによりＤ1がＤ2よりも小さ
くなることがあるが、その場合はＤ1の値にＮ1を加算し
てＤ12を求めるものとする。

【００２２】位相シフト型直線位置検出器によってセン
サＳ１，Ｓ２を構成した一例を図２に示す。まず、セン
サＳ１について説明すると、センサＳ１は、ケーシング
４−１内に所定の配置で収納された１次コイル及び２次
コイルと、これらのコイル内に直線移動可能に挿入され
た長尺のコア部２−１とを含んでいる。コア部２−１
は、軸方向に所定間隔で配された複数個のコア３−１
と、各コア３−１の間に設けられたスペーサ５−１と、
これらコア３−１及びスペーサ５−１の周囲を蓋つたス
リーブ６−１とを含んでいる。コア３−１は磁性体、ス
ペーサ５−１は空気その他の非磁性体である。このコア
部２−１は、検出対象として外部から与えられる直線運
動に応じて直線変位する。一例として、各コア３−１は
所定長さ「Ｐ1／２」（Ｐ1は任意の数）の円筒形状であ
り、スペーサ５−１の長さはコア３−１の長さにほぼ等
しい。従って、コア３−１の配列における１ピッチ分の
距離は「Ｐ1」である。この実施例において、コイルは
４つの相で動作するように設けられている。これらの相
を便宜上Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄなる符号を用いて区別する。コ
ア３−１の位置に応じて各相Ａ〜Ｄに生じるリラクタン
スが９０度づつずれるようになっており、例えばＡ相を
コサイン相とすると、Ｂ相はサイン相、Ｃ相はマイナス
コサイン相、Ｄ相はマイナスサイン相、となるようにな
っている。

【００２３】図２においては、各相Ａ〜Ｄ毎に個別に１
次コイル７，８，９，１０および２次コイル１１，１
２，１３，１４が設けられている。各相Ａ〜Ｄの２次コ
イル１１〜１４は各々に対応する１次コイル７〜１０の
外側に夫々巻かれている。各コイルの長さはコア３−１
の長さにほぼ等しく、「Ｐ1／２」である。図２の例で
は、Ａ相のコイル７，１１とＣ相のコイル９，１３とが
隣合って設けられており、Ｂ相のコイル８，１２とＤ相
のコイル１０，１４も隣合って設けられている。また、
Ａ相とＢ相またはＣ相とＤ相のコイルの間隔は「Ｐ1
｛ｎ±（１／４）｝」（ｎは任意の自然数）である。こ
れにより、Ａ，Ｃ相における磁気回路のリラクタンス変
化に対してＢ，Ｄ相における磁気回路のリラクタンス変
化の位相を９０度（１ピッチＰ1の１／４）ずらすこと
ができる。

【００２４】また、センサ１における各相Ａ〜Ｄのコイ
ルの配置は図１に示すものに限定されない。すなわち、
コア部２−１の直線変位に応じて各相Ａ〜Ｄにおける磁
気回路のリラクタンスが変化し、しかもそのリラクタン
ス変化の位相は各相毎に９０度づつずれる（従ってＡ相
とＣ相とでは１８０度ずれ、Ｂ相とＤ相とでも１８０度
ずれる）ようになっているため、そのようなリラクタン
ス変化をもたらすものでありさえすればよい。

【００２５】図２における１次コイル７〜１０及び２次
コイル１１〜１４の結線形式は例えば図３のようにす
る。図３は、Ａ相とＣ相の１次コイル７及び９を正弦信
号sinωｔによって互いに逆相で励磁し、２次コイル１
１及び１３の出力を同相で加算するようにした結線形式
を示すものである。Ｂ相とＤ相も上述と同様に、１次コ
イル８，１０を余弦信号cosωｔで逆相励磁し、２次コ
イル１２，１４の出力を同相加算する。

【００２６】図３の結線形式は要するに次のように表現
できる。すなわち、リラクタンス変化が１８０度ずれた
２つの相（ＡとＣあるいがＢとＤ）を互いに逆相で動作
させ、かつ、リラクタンス変化が９０度ずれた２つの対
（ＡとＣの対とＢとＤの対）の一方を正弦信号sinωｔ
によって励磁し、他方を余弦信号cosωｔによって励磁
する。換言すれば、２つの対（ＡとＣの対及びＢとＤの
対）は、そのリラクタンス変化の位相が９０度ずれた２
つの作動トランスと同じものであり、そのリラクタンス
変化の位相ずれに応じた電気的位相ずれを有する２種類
の交流信号（sinωｔ，cosωｔ）によって各々を個別に
励磁するのである。Ａ，Ｃ相の対とＢ，Ｄ相の対の２次
コイル出力を加算したものがセンサＳ１の２次側出力信
号Ｙ1となる。この出力信号Ｙ1は、コア部２−１の直線
位置に応じた位相角φ1だけ基準交流信号（sinωｔまた
はcosωｔ）を位相シフトしたものとなる。その理由
は、各相Ａ〜Ｄのリラクタンスが９０度づつずれてお
り、かつ一方の対（Ａ，Ｃ）と他方の対（Ｂ，Ｄ）の励
磁信号の電気的位相が９０度ずれているためである。こ
の点を略式で示すと次の通りである。

【００２７】すなわち、コア部２−１の直線位置に対応
する位相をφ1とすると、直線位置に応じたリラクタン
ス変化の関数は、Ａ相がcosφ1、Ｂ相がsinφ1、Ｃ相が
−cosφ1、Ｄ相が−sinφ1なる略式で示すことができ
る。Ａ相とＣ相を正弦信号sinωｔによって互いに逆相
で動作させ、かつＢ相とＤ相を余弦信号cosωｔによっ
て互いに逆相で動作させ、その結果生じた２次コイル出
力を加算的に合成するので、出力信号Ｙ1は次のような
略式で実質的に表現することができる。 Ｙ1＝sinωｔcosφ1−(−sinωｔcosφ1)＋cosωｔsinφ1−(−cosωｔsinφ1) ＝２sinωｔcosφ1＋２cosωｔsinφ1 ＝２sin（ωｔ＋φ1）

【００２８】上記式で便宜的に「２」と示された係数を
緒種の条件に応じて定まる定数Ｋで置換えると、 Ｙ1＝Ｋsin（ωｔ＋φ1） と表現できる。ここで、リラクタンス変化の位相φ1は
コア部２−１の直線位置ｘに所定の比例係数（または関
数）に従って比例しているので、出力信号Ｙ1における
基準信号sinωｔ（またはcosωｔ）からの位相ずれφ1
を測定することにより直線位置ｘを検出することができ
る。ただし、位相ずれ量φ1が全角２πのとき、直線位
置ｘは前述の距離Ｐ1（コア３−１の１ピッチ長）に相
当する。すなわち、信号Ｙ1における電気的位相ずれ量
φ1によれば、距離Ｐ1の範囲内での相対的な直線位置が
検出できるのである。

【００２９】センサＳ２はＳ１と同一構成であるが、コ
ア部２−２におけるコア３−２及びスペーサ４−２の間
隔Ｐ2がＰ1とは異なっている。センサＳ１とＳ２のコア
部２−１，２−２は連結部材５０で連結され、検出対象
の直線変位ｘに応じて一緒に直線移動する。そして、コ
ア部２−２の直線位置ｘに応じた電気的位相ずれφ2を
含む交流信号Ｙ2＝Ｋsin（ωｔ＋φ2）がセンサＳ２の
２次側から得られる。ただし、この位相ずれ量φ2が２
πのときの直線変位ｘはコア３−２の１ピッチ長Ｐ2に
相当する。

【００３０】両センサＳ１，Ｓ２の２次側出力信号Ｙ
1，Ｙ2を図４に示すような位相差検出回路３７−１，３
７−２に与えることにより、各ピッチ長Ｐ1，Ｐ2に対応
する機械的直線変位を１周期とする周期的な電気的出力
信号Ｄ1，Ｄ2を得ることができる。

【００３１】図４において、発振部３２は基準の正弦信
号sinωｔと余弦信号cosωｔを発生する回路、位相差検
出回路３７−１は上記位相ずれφ1を、３７−２はφ2を
夫々測定するための回路である。クロック発振器３３か
ら発信されたクロックパルスＣＰがカウンタ３０でカウ
ントされる。カウンタ３０は例えばモジュロＭであり、
そのカウント値がレジスタ３１に与えられる。カウンタ
３０の４／Ｍ分周出力からは、クロックパルスＣＰを４
／Ｍ分周したパルスＰｃが取り出され、１／２分周用の
フリップフロップ３４のＣ入力に与えられる。このフリ
ップフロップ３４のＱ出力から出たパルスＰｂがフリッ
プフロップ３５に加わり、／Ｑ出力から出たパルスＰａ
がフリップフロップ３６に加わり、これら３５及び３６
の出力がローパスフィルタ２１，２２及び増幅器２３，
２４を経由して、余弦信号cosωｔと正弦信号sinωｔが
得られ、センサＳ１，Ｓ２に入力される。カウンタ３０
におけるＭカウントがこれら基準信号cosωｔ，sinωｔ
の２πラジアン分の位相角に相当する。すなわち、カウ
ンタ３０の１カウント値は２π／Ｍラジアンの位相角を
示している。

【００３２】回路３７−１において、センサＳ１の出力
信号Ｙ1は増幅器２５を介してコンパレータ２６に加わ
り、該信号Ｙの正・負極性に応じた方形波信号が該コン
パレータ２６から出力される。このコンパレータ２６の
出力信号の立上りに応答して立上り検出回路２８からパ
ルスＴｓが出力され、このパルスＴｓに応じてカウンタ
３０のカウント値をレジスタ３１にロードする。その結
果、位相ずれφ1に応じたディジタル値Ｄ1がレジスタ３
１に取り込まれる。

【００３３】もう一方の回路３７−２も回路３７−１と
同一構成であり、センサＳ２の２次出力信号Ｙ2を増幅
器３８を介してコンパレータ３９に入力し、立上り検出
回路４０を介してレジスタ４１を制御し、位相ずれφ2
に応じたディジタル値Ｄ2をカウンタ３０からレジスタ
４１に取り込む。尚、位相差検出回路３７−１を１個だ
けとし、レジスタ３１，４１のみ各センサＳ１，Ｓ２に
対応して設け、位相差検出回路を時分割的に利用するよ
うにしてもよい。

【００３４】以上のようにして求めた両センサＳ１，Ｓ
２の出力信号Ｄ1，Ｄ2を前述の通り演算ＣＯＭ（図１）
に供給し、前記第(3)式にしたがって演算を行なう。但
し、図４のように位相差検出回路３７−１，３７−２を
構成した場合、Ｎ1＝Ｎ2となり、これをＮで表わすと、
第(3)式は Ｃｘ＝Ｄ12÷｛Ｎ（Ｐ2−Ｐ1）／Ｐ2｝ …(4) となる。勿論、Ｎ1≠Ｎ2であっても差しつかえない。

【００３５】尚、図２の例において、 φ1＝（ｘ・２π）／Ｐ1，またφ2＝（ｘ・２π）／Ｐ2
であり、 Ｐ2−Ｐ1＝ａとすると、φ1−φ2＝２πｘ｛ａ／（Ｐ1
＋ａ）｝／Ｐ1であり、 これがＤ12＝Ｄ1−Ｄ2に対応している。ここで、φ1−
φ2（つまりＤ12に対応する位相差）の最大値２π（つ
まりＤ1−Ｄ2の１周期）は ２π＝２πｘ｛ａ／（Ｐ1＋ａ）｝／Ｐ1であり、これを
満たすｘの値ＸMAXは ＸMAX＝Ｐ1｛（Ｐ1＋ａ）／ａ｝ …(5) である。この(5)式が２個のセンサＳ１，Ｓ２を用いた
ときの最大アブソリュート検出可能範囲を示している。
例えばＰ1＝１０mm，ａ＝１mmのとき、ＸMAXは「１１
０」となり、センサＳ１単独のアブソリュート検出可能
範囲Ｐ1（１０mm）の１１倍（１１０mm）の範囲までア
ブソリュート検出範囲が拡大されることがわかる。

【００３６】このアブソリュート検出可能範囲を更に拡
大するには、センサの数を更に増加すればよい。例えば
第３のセンサＳ３を更に設け、機械的変位量Ｐ3（但
し、Ｐ3≠Ｐ1≠Ｐ2）を１周期とする出力信号Ｄ3を直線
変位ｘに応じて出力するようにする。好ましくはＰ1＜
Ｐ3＜Ｐ2とし、「Ｄ1−Ｄ3」の周期が「Ｄ1−Ｄ2」の周
期よりも長くなるようにし、「Ｄ1−Ｄ3」にもとづき
「Ｄ1−Ｄ2」の周期数を求めるようにすればよい。

【００３７】つまり、第３のリニアセンサＳ３を第１及
び第２のリニアセンサＳ１，Ｓ２と同様に一体的に直線
変位するように設けるのである。この第３のリニアセン
サＳ３のピッチＰ3は上記のような関係であるから、第
１のリニアセンサＳ１と第３のリニアセンサＳ３の１ピ
ッチの差は、第１のリニアセンサＳ１と第２のリニアセ
ンサＳ２の１ピッチの差よりも小である。従って、第１
のリニアセンサＳ１の位置検出信号Ｄ1と第３のリニア
センサＳ３の位置検出信号Ｄ3との差Ｄ1−Ｄ3の周期は
は、上述のように、Ｄ1−Ｄ2の周期よりも長い。Ｄ1−
Ｄ2の１周期当りのＤ1−Ｄ3の値は一定であり、Ｄ1−Ｄ
3の値はＤ1−Ｄ2の周期数に相関している。従って、上
述と同様に、差Ｄ1−Ｄ3を演算すれば、この差Ｄ1−Ｄ3
に基づき、Ｄ1−Ｄ2の周期数を求めることができる。従
って、第１のリニアセンサＳ１の位置検出信号Ｄ1と前
記周期数Ｃxとの組合せに加えて、ここで求めたＤ1−Ｄ
2の周期数（第２の周期数信号という）を更に組合せれ
ば、アブソリュート直線位置を更に拡大した範囲で特定
することができる。

【００３８】３つのリニアセンサＳ１〜Ｓ３を設けた例
を図５に示す。この場合、第３のセンサＳ３の具体的構
成は図２と同様であってよいのは勿論であり、各センサ
Ｓ１〜Ｓ３のコア部が連結部材５０によって一体的に連
結されて、各々に対応するコイル部に対して一体的に相
対変位するようにすることは図２の説明から容易に理解
できるであろう。

【００３９】第３のセンサＳ３の１周期分の出力信号つ
まり最大出力をＮ3として、前記(1)式と同様にアブソリ
ュート位置Ｐ1に対応するＤ3を考えると、 Ｄ3＝（Ｎ3・Ｐ1）／Ｐ3 …(6) であり、Ｄ1−Ｄ3＝Ｄ13として、Ｐ1当りのＤ13の変化
分を前記(2)式と同様に示すと、 （Ｎ1・Ｐ3−Ｎ3・Ｐ1）／Ｐ3 …(7) となる。ここで、説明の簡単化のために、前述と同様
に、Ｎ1＝Ｎ2＝Ｎ3＝Ｎとおくと、上記(7)式つまりＰ1
当りのＤ13の変化分は、 ｛Ｎ（Ｐ3−Ｐ1）｝／Ｐ3 …(8) である。

【００４０】前記差Ｄ12に基づき前記(4）式により求め
られる第１の周期数信号Ｃｘは、前記(5）式より最大値
が （Ｐ1＋ａ）／ａ＝Ｐ2／（Ｐ2−Ｐ1） …(9) であり、これが第１の周期数信号Ｃｘの１周期に対応す
る第１のセンサＳ１の出力信号の周期数である。このと
きのＤ13の値は前記(8）式の値に(9)式の周期数を掛け
たものであるから、 {Ｎ（Ｐ3−Ｐ1）Ｐ2}／{Ｐ3（Ｐ2−Ｐ1）}…(10) である。従って、Ｄ13の値を(10)式の定数によって次式
のように割れば、第１の周期数信号Ｃｘの周期数を示す
第２の周期数信号Ｃｙを得ることができる。 Ｃｙ＝Ｄ13÷｛Ｎ(Ｐ3−Ｐ1)Ｐ2｝／｛Ｐ3(Ｐ2−Ｐ1）｝…(11)

【００４１】演算装置ＣＯＭでは、３つのセンサＳ１，
Ｓ２，Ｓ３の出力に基づき、前記第１の差Ｄ12＝Ｄ1−
Ｄ2と第１の差Ｄ13＝Ｄ1−Ｄ3を求める演算、及び前記
(4)式,(11)式に従い第１の周期数信号Ｃｘと第２の周期
数信号Ｃｙを求める演算を行うようにすればよい。これ
により、第１のセンサＳ１の出力信号Ｄ1と第１の周期
数信号Ｃｘ及び第２の周期数信号Ｃｙの組合せにより、
拡大されたアブソリュート直線位置の検出がなされる。
つまり、Ｄ1は距離Ｐ1の範囲のアブソリュート直線位置
を示し、ＣｘはＤ1の繰返し周期数を原点からのアブソ
リュート値で示し（ただし、前記(9)式で示すＰ2／（Ｐ
2−Ｐ1）が最大値）、ＣｙはＣｘの繰返し周期数を原点
からのアブソリュート値で示し、この３者の組合せによ
りアブソリュート直線位置が特定される。

【００４２】更に、Ｐ1＜…＜Ｐ4＜Ｐ3＜Ｐ2なる関係で
複数のセンサを用いることが可能である。つまり、第１
のリニアセンサＳ１との１ピッチの差が更に小さな第４
のリニアセンサＳ４（この１ピッチをＰ4で示す）を同
様に設ければ、同様の理由により、Ｄ1−Ｄ3の周期数を
更に求めることができることは明らかである。この考え
を更に推し進めることも可能であることは上記不等式に
示されるように明らかであろう。

【００４３】ところで、単純に前記(3)式または(4)式だ
けで周期数Ｃｘを求めると、センサＳ１，Ｓ２の検出分
解能に起因する誤差が生じることがある。これは、理論
上「Ｄ1−Ｄ2」はＤ1，Ｄ2の変化に伴って連続的に変化
する数ではあるが、実際は「Ｄ1−Ｄ2」の変化はステッ
プ状であり、かつＤ1とＤ2の変化ステップも非同期であ
ることによる。

【００４４】これによる誤差をなくすためには、センサ
Ｓ１の出力Ｄ１の周期が切換わる前後の所定の範囲にお
いて「Ｄ1−Ｄ2」の値に適宜の誤差修正のための修正値
を加算もしくは減算してやればよい。この点についての
詳細説明は省略する。

【００４５】

【００４６】尚、上述ではコア部２−１，２−２を動か
し、コイルを静止しておくように説明したが、その逆で
もよい。

【００４７】リニア型センサは、図２のような位相シフ
ト型のものに限らず、同図と同様に複数のコアを設けて
直線位置に応じて周期的なアナログ直流電圧を得るよう
にした差動トランス型のセンサ、などその他の任意のリ
ニアセンサを用いてよい。尚、各センサの出力にもとづ
き所定のセンサの出力の周期数（各コア３−１）に対応
する絶対番地）を求めるための演算式は上述のものに限
らず、数学的解析にもとづき任意に設定し得る。

【００４８】

【発明の効果】以上の通り、この発明によれば、アブソ
リュート直線位置検出範囲を拡大することができ、ま
た、特段の運動変速機構を設けることなく、各リニアセ
ンサにおけるリニアスケール部材又は検出ヘッド部の一
方を一体的に結合するだけの極めて簡単な構成であれば
よいので、構成も簡素であり、かつ全体の検出分解能は
１つのリニアセンサの１周期分の出力信号の分解能に依
存するので極めて高分解能であり、精度がよいものとな
る。

【００４９】また、この発明によれば、リニアスケール
部材は、透磁率の異なる２つの物質を直線変位方向に沿
って所定のピッチで交互に繰返し配して成るものである
から、従来のもののように、所定のパターンで交互に磁
化する（永久磁石化する）処理は全く不要であり、単に
透磁率の異なる２つの物質を交互に配置するだけでよ
い。従って、製造・加工が簡単であり、かつ低コストで
もある。また、使用環境の制限も受けない、という利点
がある。更に、この発明によれば、検出ヘッド部では、リニアス
ケール部材における２つの物質の繰返しピッチに対して
互いに逆相関係で対応するよう配置された１対の相を少
なくとも２対含んでなる複数相のコイル手段を設けたこ
とにより、繰返しピッチの１周期全体にわたって３６０
度の位相変化を生じさせることができるようになり、こ
れにより位相測定方式によって精度の良い直線位置検出
信号を得ることを実現することができるので、極めて有
効である。

【００５０】また、３個のリニアセンサを設けた場合、
第１のリニアセンサと第３のリニアセンサの１ピッチの
差は第１及び第２のリニアセンサの１ピッチの差よりも
小とし、第１のリニアセンサから発生される第１の位置
検出信号と第２のリニアセンサから発生される第２の位
置検出信号との差である第１の差に基づき、第１の位置
検出信号の周期数を示す第１の周期数信号を求める一方
で、第１のリニアセンサから発生される第１の位置検出
信号と第３のリニアセンサから発生される第３の位置検
出信号との差である第２の差に基づき、第１の周期数信
号の周期数を示す第２の周期数信号を求めるようにした
ため、第１の位置検出信号、第１の周期数信号及び第２
の周期数信号の３者の組合せにより、検出対象の原点か
らの絶対位置を広範囲にわたって且つ精密に特定するこ
とができ、これにより、更に拡大した範囲でアブソリュ
ート直線位置の検出が可能とな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を示すブロック図。

【図２】この発明で使用するセンサ部分の一例を示す断
面図。

【図３】図２の１次及び２次コイルの結線例を示す回路
図。

【図４】図２の各センサから出力される交流信号に含ま
れる直線変位量に応じた位相ずれを検出するための回路
の一例を示すブロック図。

【図５】３つのセンサを用いた場合のこの発明の一実施
例を示すブロック図。

【図６】

【符号の説明】

Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３…リニアセンサ、ＣＯＭ…演算装置、
２−１，２−２…コア部、３−１，３−２…コア、５−
１，５−２…スペーサ、４−１…ケーシング、７，８，
９，１０…１次コイル、１１，１２，１３，１４…２次
コイル、３７−１，３７−２…位相差検出回路，５０…
連結部材。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 (a）透磁率の異なる２つの物質を直線変
   位方向に沿って所定のピッチで交互に繰返し配したリニ
   アスケール部材と、このリニアスケール部材に対して相
   対的に変位可能に配され、この変位に応じた前記２つの
   物質の相対的位置関係に応じて、該リニアスケール部材
   の１ピッチの変位を１周期とする周期的な位置検出信号
   を発生する電磁的検出ヘッド部とを具備するリニアセン
   サを２個設け、各リニアセンサにおける前記リニアスケ
   ール部材の１ピッチはそれぞれ異なっており、各リニア
   センサにおける前記リニアスケール部材又は検出ヘッド
   部の一方を一体的に結合して検出対象の機械的変位に応
   じて一体的に直線変位させるようにして成り、これによ
   り、前記検出対象の機械的直線変位に関して夫々異なる
   周期で各リニアセンサから前記位置検出信号をそれぞれ
   発生するようにしたこと、(b）前記各リニアセンサにおける前記検出ヘッド部は、
   直線変位方向に所定間隔でそれぞれずれて配置され且つ
   前記２つの物質の繰返しピッチに対して互いに逆相関係
   で対応するよう配置された１対の相を少なくとも２対含
   んでなる複数相のコイル手段と、前記各相のコイル手段
   を位相のずれた複数の基準交流信号によって個別に励磁
   する共に前記対をなす２相間では同相又は逆相励磁によ
   って差動加算出力が得られるようにしてなり、かつ各対
   の差動加算出力を合成することにより前記基準交流信号
   を前記リニアスケール部材の相対的直線位置に応じて位
   相シフトした出力交流信号を前記コイル手段に生ぜしめ
   る回路と、この出力交流信号と前記基準交流信号との位
   相ずれを測定することにより位置検出信号を得る回路と
   それぞれを有するものであること、及び (c） 前記２つのリニアセンサに関し、第１のリニアセン
   サから発生される第１の位置検出信号と第２のリニアセ
   ンサから発生される第２の位置検出信号との差を演算
   し、この差に基づき、前記第１のリニアセンサに関する
   前記検出対象の原点からの周期数を決定する演算を行な
   い、決定した周期数を示す周期数信号を出力する演算手
   段を設けたこと からなるアブソリュート直線位置検出装置。
2. 【請求項２】 (a）透磁率の異なる２つの物質を直線変
   位方向に沿って所定のピッチで交互に繰返し配したリニ
   アスケール部材と、このリニアスケール部材に対して相
   対的に変位可能に配され、この変位に応じた前記２つの
   物質の相対的位置関係に応じて、該リニアスケール部材
   の１ピッチの変位を１周期とする周期的な位置検出信号
   を発生する電磁的検出ヘッド部とを具備するリニアセン
   サを３個設け、各リニアセンサにおける前記リニアスケ
   ール部材の１ピッチはそれぞれ異なっており、第１のリ
   ニアセンサと第３のリニアセンサの１ピッチの差は第１
   及び第２のリニアセンサの１ピッチの差よりも小であ
   り、各リニアセンサにおける前記リニアスケール部材又
   は検出ヘッド部の一方を一体的に結合して検出対象の機
   械的変位に応じて一体的に直線変位させるようにして成
   り、これにより、前記検出対象の機械的直線変位に関し
   て夫々異なる周期で各リニアセンサから前記位置検出信
   号をそれぞれ発生するようにしたこと、(b）前記各リニアセンサにおける前記検出ヘッド部は、
   直線変位方向に所定間隔でそれぞれずれて配置され且つ
   前記２つの物質の繰返しピッチに対して互いに逆相関係
   で対応するよう配置された１対の相を少なくとも２対含
   んでなる複数相のコイル手段と、前記各相のコイル手段
   を位相のずれた複数の基準交流信号によって個別に励磁
   する共に前記対をなす２相間では同相又は逆相励磁によ
   って差動加算出力が得られるようにしてなり、かつ各対
   の差動加算出力を合成することにより前記基準交流信号
   を前記リニアスケール部材の相対的直線位置に応じて位
   相シフトした出力交流信号を前記コイル手段に生ぜしめ
   る回路と、この出力交流信号と前記基準交流信号との位
   相ずれを測定することにより位置検出信号を得る回路と
   それぞれを有するものであること、 (c） 第１のリニアセンサから発生される第１の位置検出
   信号と第２のリニアセンサから発生される第２の位置検
   出信号との差を第１の差として演算し、この第１の差に
   基づき、前記第１のリニアセンサに関する前記検出対象
   の原点からの周期数を決定する演算を行ない、決定した
   周期数を示す第１の周期数信号を出力する第１の演算手
   段を設けたこと、及び(d） 第１のリニアセンサから発生される第１の位置検出
   信号と第３のリニアセンサから発生される第３の位置検
   出信号との差を第２の差として演算し、この第２の差に
   基づき、前記第１の周期数信号の周期数を決定する演算
   を行ない、決定した周期数を示す第２の周期数信号を出
   力する第２の演算手段を設けたことからなるアブソリュ
   ート直線位置検出装置。