JPH10311742A - 位置検出センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 過酷な条件下で用いられる位置検出センサに
おいて、精度よく被検出体の位置検出を行い、構成部品
の部品精度が性能に与える影響を小さくし、エンコーダ
のミスカウントを無くして耐久性のある位置検出センサ
を提供する。 【解決手段】 被検出体と一体的に変位する第１及び第
２のロータ４、５と、第１のロータ４、５の回転角度を
検出し、所定角度毎にデジタルパルスを発生する第１の
センサ６と、第２のロータ５の変位に応じたアナログ出
力を発生する第２のセンサ７とを備える。第１のロータ
４をもってエンコーダを構成し、第２のロータ５には、
センサ出力が漸次連続変化する２極着磁のパターンを形
成する。第２のセンサ７のアナログ出力によって第１の
センサ６から出力されるデジタルパルス間の変位を補間
演算する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、被検出体の位置
や変位量等を検出するために利用される位置検出センサ
に関し、特に、車両、建設機械等の過酷な環境下で使用
されるロータリエンコーダ又はリニアエンコーダを利用
した磁気式又は光学式の位置検出センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来公知の位置検出センサとしては、ポ
テンショメータや差動変圧器、エンコンー ダを利用した
デジタル出力センサ等が知られており（「センサ技術：
センサデバイスガイドブック」、Ｖｏｌ．２、Ｎｏ．
６、１９８６、情報調査会発行）、例えば、エンコンー
ダを利用したデジタル出力センサとしては、特開平６−
２６１５１８号公報に示されるものも知られている。

【０００３】この特開平６−２６１５１８号公報に示さ
れるものは、同公報の図１〜図６に示されるように、２
極４枚を貼りつけたロータのロータマグネットに対峙し
て２つのホール素子５、６を設けると共に、ロータのロ
ータ軸に固装されたエンコーダに対峙して１つのホール
素子９を設け、これらのホール素子５、６、９を互いの
角度が６０度となるような位置に配置し、ホール素子９
の出力を速度検出信号と３相信号を形成する信号として
用いることにより、図６のＤ，Ｅ，Ｆで示されるような
３相デジタル信号を形成するようにしたものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、車両や
建設機械等で用いられる位置検出センサは、過酷な環境
下で用いられ、例えば、ショベルにあっては、アームの
基端部と中間部の関節部分に回転量を制御するための位
置検出センサが、先端部の関節部分に直進量を制御する
ための位置検出センサがそれぞれ設けられており、激し
い振動、温度変化等に耐え得る耐久性のある位置検出セ
ンサが要求される。それと同時にこれら可動部分の制御
性能の高度化の要請からより高精度の位置検出センサが
要望されている。

【０００５】この点、従来のポテンショメータにあって
は、直線度（リニアリティ）が通常２〜３％であり、要
求される性能（直進度０．１〜０．３％）を出すには抵
抗体をトリミングする必要があり、その作業に非常に手
間がかかり、コストも極めて高くなる不都合がある。ま
た、差動変圧器やホール素子を用いた非接触アナログタ
イプの位置検出センサにあっても、直線度（リニアリテ
ィ）は１〜２％で、ゲインのばらつきが大きく、これら
に加えて温度ドリフトも大きく、全体として見た精度評
価は、ポテンショメータと同程度であり、高精度化の為
には、温度補償回路やその他の部品の付加が必須とな
り、構造の複雑化やコストの増大が避けられないものと
なっている。

【０００６】これに対し、エンコンー ダを利用したデジ
タル出力センサにあっては、出力誤差の累積がなく、温
度ドリフトが小さい等、精度としては良いものである。
しかしながら、分解能を高めるためには磁電変換素子を
細かく着磁することが考えられるが、激しい振動下のよ
うな過酷な環境下で用いる場合には、エンコーダのミス
カウントの恐れ等があるため磁極数を増やすのは困難で
あり、磁極ピッチをあまり小さくしたのでは部品精度や
ノイズがセンサ自体の性能に与える影響も大きくなる。
特に、ロータリエンコーダにあっては、分解能を上げる
ために径を大きくすることも考えられるが、径が小さい
ものに比べて振動やイナーシャに関する対策が重要視さ
れ、また商品性の点でも劣り、取り付けスペースが大き
くなって搭載が容易でなくなる等の不都合がある。

【０００７】また、特開平６−２６１５１８号公報にか
かる発明にあっても、ホール素子９の出力が、速度検出
信号と３相信号を形成する信号として用いられる点で新
規な構成であるが、図８〜図１１で示される従来の構
成、即ち、ロータマグネットに対峙して３つのホール素
子５５、５６、５７を配置して３相デジタル信号を形成
する構成と分解能の点では何等異ならない。同公報に
は、さらに図１２、図１３に示されるように、ロータマ
グネットに対峙して３つのホール素子５５、５６、５７
を設けると共に、ロータと一体に回転するエンコーダに
対峙して１つのホール素子６８を設け、ロータ側とエン
コーダ側とからデジタル信号を取り出す構成が示されて
いるが、これによって、分解能を上げる構成が構築され
ているものではなく、上記要請に答えた構成とはなって
いない。

【０００８】そこで、この発明においては、車両や建設
機械等の過酷な条件下で用いられる場合であっても、精
度よく被検出体の位置検出を行うことができ、温度ドリ
フトやノイズの影響が小さい位置検出センサを提供する
ことを課題としている。また、構成部品の部品精度が性
能に与える影響を小さくすると共に、エンコーダのミス
カウントを無くして耐久性、信頼性のある位置検出セン
サを提供することを課題としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を達成するため
に、この発明にかかる位置検出センサは、被検出体と一
体的に変位する第１及び第２の被検出部と、前記第１の
被検出部の変位を検出し、所定変位毎にデジタルパルス
を発生する第１のセンサと、前記第２の被検出部の変位
に応じたアナログ出力を発生する第２のセンサと、前記
第２のセンサのアナログ出力によって前記第１のセンサ
から出力されるデジタルパルス間の変位を補間演算する
信号処理部とを具備することを特徴としている（請求項
１）。

【００１０】したがって、被検出体が変位すると、第１
のセンサからは所定変位毎にデジタル信号が発生され、
第２のセンサからはアナログ出力が発生され、信号処理
部は、デジタルパルス間の変位量をアナログ出力によっ
て補間演算することとなる。第１のセンサのみの出力を
もって被検出体の位置や変位量を検出しようとすると、
デジタル信号によって分解能が決定されることとなる
が、本発明によれば、デジタル信号にアナログ信号を組
み合わせることでデジタルパルス間を補間することが可
能となり、この補間された信号を用いることで、デジタ
ルパルス間の任意の中間位置の変位量を検出することが
できる。

【００１１】このような構成の位置検出センサは、ロー
タリ型であれば、被検出体と一体的に回転する第１及び
第２のロータと、前記第１のロータの回転角度を検出
し、所定回転角度毎にデジタルパルスを発生する第１の
センサと、前記第２のロータの回転角度に応じたアナロ
グ出力を発生する第２のセンサと、前記第２のセンサの
アナログ出力によって前記第１のセンサから出力される
デジタルパルス間の回転角度を補間演算する信号処理部
とを具備するものとなり（請求項２）、リニア型であれ
ば、被検出体と一体的に直進変位する第１及び第２の直
進可動部と、前記第１の直進可動部の直進変位を検出
し、所定直進変位毎にデジタルパルスを発生する第１の
センサと、前記第２の直進可動部の直進変位に応じたア
ナログ出力を発生する第２のセンサと、前記第２のセン
サのアナログ出力によって前記第１のセンサから出力さ
れるデジタルパルス間の直進変位を補間演算する信号処
理部とを具備するものとなる（請求項３）。

【００１２】ここで、第１の被検出部には、Ｎパルス
（Ｎ＞２）発生可能な物理パターンを形成し、第２の被
検出部には、センサ出力が漸次連続変化する物理パター
ンを形成するものが予定される（請求項４）。

【００１３】第１の被検出部と第１のセンサとは、例え
ば磁気式エンコーダや光電式エンコーダとして構成さ
れ、磁気式エンコーダであれば、第１のセンサをホール
素子や磁気抵抗素子等によって構成し、第１の被検出部
に形成される物理パターンを交互に極性が変化する着磁
パターンによって形成するとよい。また、光電式エンコ
ーダであれば、第１のセンサを第１の被検出部を挟んで
光源とこれに対向する受光素子とによって構成し、第１
の被検出部に形成される物理パターンを透光量が変化す
る明暗格子縞や格子孔等を形成することによって形成す
るとよい。さらに、第２の被検出部に形成される物理パ
ターンにあっては、２極着磁又はこれと等価な光学パタ
ーンが考えられる。

【００１４】ロータリ型の位置検出センサであれば、第
１のロータの外周面に着磁パターンを形成したり、周縁
部に明暗格子縞や格子孔等を形成するロータリエンコー
ダを構築し、リニア型の位置検出センサであれば、第１
の直進可動部に直線状に着磁パターンを形成したり、直
線状にの明暗格子縞や格子孔等を形成するロータリエン
コーダを構築するとよい。

【００１５】また、第１のセンサによって発生する前記
デジタルパルスを被検出体の変位可能領域でＮパルス
（Ｎ＞２）発生可能とし、信号処理部では、第１のセン
サの（ｋ−１）番目（１＜ｋ＜Ｎ＋１）のパルスのエッ
ジ検出時における第２のセンサの出力Ｖ₁ と、第１のセ
ンサのｋ番目のパルスのエッジ検出時における第２のセ
ンサの出力Ｖ₂ とを記憶し、第１のセンサのｋ番目のパ
ルスと（ｋ＋１）番目のパルスとの間に被検出体が位置
するときの第２のセンサの出力をＶ₃ 、被検出体の変位
量をＨ、被検出体の変位可能領域をＨ_FULLとした場合
に、前記数１によって変位量Ｈを演算するようにしても
よい。（請求項５）。

【００１６】このような構成によれば、アナログ出力の
線形部分を用いて、デジタルパルス間を補間することと
なり、単純な演算によってデジタルパルス間の任意の中
間位置を検出することができ、マイクロコンピュータを
用いて被検出体の変位を検出する場合に最適な構成とな
る。したがって、ここでいう信号処理部は、パルスエッ
ジ検出時のアナログ出力を一時記憶するホールド回路
や、予め与えられたプログラムに基づいて変位量Ｈを演
算するマイクロコンピュータ等によって構成するとよ
い。

【００１７】特に、ロータリ型の位置検出センサにあっ
ては、第２のロータに２極着磁を施すと、第２のセンサ
出力はロータの１回転に対して正弦波となる。したがっ
て、使用を予定する領域がアナログ出力の一方の線形領
域だけで足りるのであれば問題はないが、使用領域が広
範になれば、正弦波の頂点部分（極値部分）を避ける必
要がある。このため、被検出体と一体的に回転する第３
の被検出部と、この第３の被検出部の変位に応じたアナ
ログ出力を発生する第３のセンサとを設け、第２のセン
サのアナログ出力と第３のセンサのアナログ出力との位
相をずらし、信号処理部において第２のセンサのアナロ
グ出力と第３のセンサのアナログ出力とを選択的に用い
て第１のセンサから出力されるデジタルパルス間の変位
を補間演算することが望ましい（請求項６）。

【００１８】このような構成は、ロータリ型の位置検出
センサであれば、被検出体と一体的に回転する第３ロー
タと、この第３のロータの回転角度に応じたアナログ出
力を発生する第３のセンサとを設け、第３のロータと第
２のロータとを相対的に９０度位相をずらしておき、信
号処理部において第２のセンサのアナログ出力と第３の
センサのアナログ出力とを選択的に用いて第１のセンサ
から出力されるデジタルパルス間の回転角度を補間演算
する構成とすればよい。また、リニア型の位置検出セン
サであれば、被検出体と一体的に直進変位する第３の直
進可動部と、この第３の直進可動部の直進変位に応じた
アナログ出力を発生する第３のセンサとを設け、第２の
センサのアナログ出力と第３のセンサのアナログ出力と
を相対的に９０度位相をずらしておき、信号処理部にお
いて第２のセンサのアナログ出力と第３のセンサのアナ
ログ出力とを選択的に用いて第１のセンサから出力され
るデジタルパルス間の直進変位を補間演算する構成とす
ればよい。

【００１９】また、被検出体は、基準位置から必ず変位
するものであれば問題はないが、任意の位置から位置検
出が開始される場合にあっては、センサ自身がいかに現
在の位置を把握するかが問題となる。これを実現する構
成としては、被検出体に基準信号を出力する基準信号出
力部を設け、アナログ出力に基づいて被検出体の位置を
仮決めし、しかる後に基準信号に基づいて被検出体の位
置を補正して確定してやればよい（請求項７）。

【００２０】このような構成によれば、第２のセンサ又
は第３のセンサから発生するアナログ出力の大きさによ
って被検出体のだいたいの位置を認識することができ、
被検出部の変位の過程で基準信号出力部からの基準信号
が検出されればその時点で出力が補正される。アナログ
出力の大きさのみによって被検出体の位置を認識する場
合には、検出された位置が正確な位置からずれる場合も
あるが、基準信号をデジタル信号の間隔よりも大きい所
定変位毎に発生するようにしておくことで、始動初期の
イニシャライズさせるスイープ動作が不要となり、変位
の途中から検出を開始しても正確な位置を認識できるよ
うになる。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態を図
面により説明する。図１において、ロータリエンコーダ
を利用した位置検出センサ１が示され、位置検出センサ
１は、円筒状のハウジング２に軸心に沿って一方の端面
２ａから突出する回転軸３を有し、この回転軸３の突出
した部分に図示しない被検出回転体が結合されるように
なっている。ハウジング２内には、回転軸３に固装され
た第１のロータ４と、このロータと径を略等しくする第
２のロータ５と、これらロータ４、５の外周面と非接触
の状態で対峙し、ハウジング２に対して固定されている
第１及び第２のセンサ６、７と、他方の端面２ｂ近傍に
おいてハウジング２に固定されている回路基盤８が収納
されている。

【００２２】第１のロータ４には、図２に示されるよう
に、外周面にＮ極とＳ極とを等ピッチの間隔で交互に多
数配列する着磁パターンが形成され、第２のロータ５に
は、外周を２等分して一方の周面にＮ極を他方の周面に
Ｓ極をそれぞれ形成した２極着磁のパターンが形成され
ている。

【００２３】第１及び第２のセンサ６、７は、磁気抵抗
素子を用いたものであってもよいが、この構成例ではホ
ール素子によって構成されており、第１のセンサ６から
の出力は、磁極の切り替わりで立ち上がり又は立ち下が
る図３の（ａ）に示されるようなデジタルパルスとなっ
ている。したがって、デジタルパルス（ａ）のパルス数
は、第１のセンサ６がよぎる磁極の数と対応している。
また、第２のセンサ７からの出力は、第２のロータ５が
１回転する毎に１周期のｓｉｎ波（その一部を図３の
（ｂ）で示す）を出力するアナログ信号となっている。

【００２４】回路基盤８には、図４に示されるように、
信号処理部を構成するホールド回路１０、Ａ／Ｄ変換回
路１１、マイクロコンピュータ１２等が設けられ、第２
のセンサ７から出力されるアナログ信号は、Ａ／Ｄ変換
回路１１へ直接入力され、ここでデジタル信号に変換さ
れてマイクロコンピュータ１２に入力されるようになっ
ている。また、第１及び第２のセンサ６、７から出力さ
れる信号は、ホールド回路１０に入力され、ここでデジ
タルパルスの例えば立ち下がりエッジを検出し、各エッ
ジ検出時点でのアナログ信号の出力を各パルスエッジと
対応させながら一時的に記憶する。そして、各パルスエ
ッジに対応するアナログ信号の出力をＡ／Ｄ変換回路１
１を介してマイクロコンピュータ１２に入力するように
なっている。

【００２５】そして、マイクロコンピュータ１２では、
与えられた所定のプログラムに基づき、現時点までに発
生したデジタルパルスのパルス数をｎとすると、第１の
センサ６から発生するｎ−１番目のパルスの立ち下がり
エッジでの第２のセンサ出力（アナログ出力）をＶ₁ 、
ｎ番目のパルスの立ち下がりエッジでの第２のセンサ出
力（アナログ出力）をＶ₂ 、現時点での第２のセンサ出
力（アナログ出力）をＶ₃ 、ロータリエンコーダの１回
転（３６０度）当たりに出力されるパルス数をＮとする
と、マイクロコンピュータ１２は、数２に基づいて現時
点での回転角度Θが演算される。つまり、デジタルパル
スとアナログ出力の直線領域とを用いることで、パルス
間隔に相応するアナログ出力の変化量と、直前のデジタ
ルパルスのエッジ検出時点から現時点までのアナログ出
力の変化量とに基づき、パルス間の任意の中間位置での
回転角度Θを補間演算する。

【００２６】マイクロコンピュータは、中央演算装置
（ＣＰＵ）、読出専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアク
セスメモリ（ＲＡＭ）、入出力ポート等を備えて構成さ
れた公知のもので、ロータリエンコーダの１回転当たり
に出力されるパルス数Ｎが予め記憶されており、上述の
補間演算を与えられたプログラムに基づいてリアルタイ
ムで処理し、その結果を出力するようになっている。図
５にマイクロコンピュータ１２による補間演算の演算処
理例がフローチャートとして示されており、以下これに
基づいて説明する。

【００２７】マイクロコンピュータ１２は、位置検出セ
ンサが検出を開始し始めると、ステップ５０において、
現時点でのアナログ出力Ｖｋを第２のセンサからＡ／Ｄ
変換回路を介して直接入力する。それと同時に、直前の
デジタルパルスの立ち下がりエッジ検出時にサンプリン
グされてホールド回路１０に一時記憶された第２のセン
サ７からのアナログ出力Ｖn と、さらにその1 つ前のデ
ジタルパルスの立ち下がりエッジ検出時にサンプリング
されてホールド回路１０に一時記憶された第２のセンサ
７からのアナログ出力Ｖn-1 とをホールド回路１０から
読み出して入力する。

【００２８】これら入力されたデータは、ステップ５２
において、演算用変数（Ｖ1 〜Ｖ3）に代入され( Ｖk
→Ｖ3 、Ｖn →Ｖ２、Ｖn-1 →Ｖ1 ）、ステップ５４に
おいて上述した数２によって現時点での回転角度Θを演
算する。そして、次のステップ（ステップ５６）で、こ
の回転角度Θを変位信号として出力し、しかる後にステ
ップ５０からの処理を繰り返すようになっている。

【００２９】したがって、デジタルパルス間の任意の中
間位置で被検出回転体の回転角度Θが第２のセンサ７に
よるアナログ出力をもって補間演算されるので、エンコ
ーダの外周面に着磁される磁極数を増やすことなく、検
出精度を大幅に高めることができる。これにより、エン
コーダの磁極ピッチを細かくしたり、エンコーダの径を
大きくする必要がなくなり、激しい振動による環境下に
あっても第１のセンサ６により磁極のミスカウントの恐
れや部品精度の影響等を小さくすることができ、センサ
自体の小型化を図ることができる。

【００３０】ところで、上述の位置検出センサによれ
ば、第２のロータ５を２極着磁とし、第２のセンサ７で
得られるｓｉｎ波出力の直線領域を使用して補間してい
る。このような構成にあっては、各極の中間部分で磁束
密度が最大となり、ｓｉｎ波の極値となることから、こ
の近傍領域は補間演算するために使用することができな
い。ショベル等のアームの関節では、可動範囲が１３０
度程度と小さいことから、この可動範囲を直線領域の範
囲内に割り当てることができるので何等支障はないが、
可動範囲が大きくなると補間できない領域が生じること
から、この場合には、図６に示すような構成として上記
不都合を補償するようにしている。

【００３１】即ち、図６に示される構成は、図２の構成
に対してさらに第３のロータ１３を設けたもので、第３
のロータ１３は、第２のロータ５と同様のものであり、
その外周面に第２のロータ５と同様の２極着磁が施され
ているが、第３のロータ１３は第２のロータ５に対して
相対的に９０度位相をずらして回転軸に固定されてい
る。そして、ハウジングには、この第３のロータ１３の
外周面と非接触の状態で対峙する第３のセンサ１４が固
定されている。この第３のセンサ１４は、第２のセンサ
７と位相をずらすことなく同様の位置に配置されてお
り、第２のセンサ７と同じホール素子が用いられてい
る。

【００３２】回路基盤８には、ホールド回路１０、Ａ／
Ｄ変換回路１１、マイクロコンピュータ１２等が設けら
る点で前記構成と同様であり、前記構成と異なる点は、
図７に示されるように、第２及び第３のセンサ７、１４
から出力されるアナログ信号は、それぞれＡ／Ｄ変換回
路１１を介してマイクロコンピュータ１２に入力される
と共に、ホールド回路１０に入力され、ここでデジタル
パルスの例えば立ち下がりエッジの検出時点でのアナロ
グ信号をそれぞれサンプリングしてこれを一時的に記憶
することにある。そして、各パルスエッジに対応するア
ナログ信号の出力は、Ａ／Ｄ変換回路１１を介してマイ
クロコンピュータ１２に入力されるようになっている。

【００３３】したがって、第１のセンサ６からの出力
は、前述と同様のデジタルパルス（図８の（ａ））であ
り、第２及び第３のセンサ７、１４の出力は、それぞれ
ロータが１回転する毎に１周期のｓｉｎ波を出力するア
ナログ信号となっており、第２のセンサ７で得られるア
ナログ信号（図８の（ｂ）の実線で示す）と第３のセン
サ１４で得られるアナログ信号（図８の（ｃ）の破線で
示す）とは相対的に９０度位相がずれたものとなってい
る。

【００３４】このように９０度位相がずれた２つのアナ
ログ信号を用意しておくことにより、アナログ信号の線
形部分として用いることが困難な極値近傍を避けるよう
に２つのアナログ信号を選択的に切り替え、常時アナロ
グ信号の線形部分を利用することで広範な回転角度の検
出に対応することができる。

【００３５】図９に第３のロータ１３を付加した位置検
出センサのマイクロコンピュータ１２による補間演算の
演算処理例がフローチャートとして示されており、以下
前記処理例と異なる点について説明する。この処理例で
は、与えられたプログラムに基づいてリアルタイムで処
理される点、前記ステップ５０〜５６の基本的な処理ス
テップを有する点において同様であるが、ステップ５０
〜５６の処理ステップを実行するのに先立ち、ステップ
６０で第２のセンサ７のアナログ出力を使用するか第３
のセンサ１４のアナログ出力を使用するかを選択するよ
うになっている。このようなアナログ出力の選択は、例
えば、アナログの出力変化からより線形に近い方を選択
するようにしても、直前に出力された回転角Θによって
使用するアナログ信号を選択するようにしてもよく、ま
た、これらに固執することなく様々な手法で実現するよ
うにしてもよい。

【００３６】そして、ステップ５０においては、ステッ
プ６０によって選択されたアナログ出力に対して、Ｖk
、Ｖn 、Ｖn-1 を入力する前述した処理がなされ、ス
テップ５６の後はステップ６０へ戻されて以下同様の処
理が繰り返される。

【００３７】図１０に、位置検出センサの他の構成例が
示され、この構成例にあっては、図４で示される基本構
成に位置決めの基準となる基準信号がマイクロコンピュ
ータに直接入力される点で異なっている。このような基
準信号は、デジタルパルスをカウントする起点を作るも
ので、図３に示されるように、この基準信号（図３の
（ｃ）で示す）が検出された次のデジタルパルスの立ち
下がりエッジをΘ₀ とし、このΘ₀ を基準に各パルスエ
ッジの位置が決定されるようになっている。

【００３８】このような基準信号は、ロータの１回転に
１パルス発生するものであってもよいが、始動時に第１
のセンサ６と対峙する第１のロータ４の位置が不明であ
る場合に、基準信号を得るためにロータの回転量をでき
るだけ小さくするには例えば、２５度や３０度の回転角
毎に基準信号を発生するようにしておくとよい。このよ
うな基準信号は、第１のロータに基準信号発生パターン
を着磁等の手法によって形成し、これを検出素子で検出
して発生させるものであっても、基準信号を得るための
ロータを回転軸３に別途固装し、これに形成される基準
信号発生パターンを検出素子で検出して発生させるもの
等であってもよく、これらの構成によって、基準信号を
出力する基準信号出力部が構成される。

【００３９】上記基準信号をもって、任意の位置からセ
ンサを始動させて回転角度Θを演算する処理が、図１１
においてフローチャートとして示されている。このフロ
ーチャートによる処理は、図２で示される基本構成に対
応させているもので、図５で示される基本的な演算処理
のループ（ステップ５０〜５６）に入る前に、ステップ
６２、６４において、センサ出力によって把握されるロ
ータ位置と実際のロータ位置とを一致させるアライメン
ト処理が行われる。

【００４０】具体的には、第２のロータ５の１回転で１
周期のｓｉｎ波が第２のセンサ７から出力されることか
ら、始動直後において第２のセンサ７の出力を入力し、
この入力されたアナログ信号の大きさから回転角度Θを
仮決めする（ステップ６２）。この回転角度Θの仮決め
は、特に１８０度よりも小さいアナログ信号の直線部分
のみを可動範囲とする位置検出センサでは実際の回転角
度とそれほど大きくずれることはない。しかし、一端Θ
が仮決めされてこれを基準にデジタルパルスとアナログ
出力とが割り当てられると、高精度の位置検出センサを
構築することができない。そこで、次のステップ６４に
おいて、基準信号によって回転角度Θのずれを補正し、
デジタルパルスの出力と実際のロータ位置との対応関係
を正確に決定する。

【００４１】したがって、このような構成においては、
始動開始から基準信号が発生するまでの期間にあって
も、センサ出力と実際のロータ位置とがおおよその精度
でアライメントされて位置検出が行われる。この仮決め
の段階では、所定の誤差を含む補間制御しか行われない
が、基準信号は２５度又は３０度毎に発生するようにな
っているので、基準信号が発せられた後は、この信号に
よって回転角のずれが補正され、デジタルパルスの出力
と実際のロータ位置との対応関係が正確に決定される。
よって、どの回転角度から位置検出センサが始動して
も、イニシャライズ時のスイープ動作のように無駄な動
きをすることなく即座に位置情報を形成することができ
る。

【００４２】尚、上記構成において、図６乃至図９で示
される位置検出センサに図１０及び図１１で示す基準信
号によるアライメント処理を付加するようにしてもよ
い。この場合にあっては、選択されたアナログ信号をも
って回転位置を仮決めするようにすればよい。

【００４３】また、以上の構成では、磁気式ロータリエ
ンコーダを利用した構成を示したが、光電式ロータリエ
ンコーダを利用するようにしてもよい。このような光電
式ロータリエンコーダを用いる構成としては、第１のロ
ータに明暗の格子縞や所定ピッチの多数の通孔を周縁に
沿って形成し、このロータ周縁を挟んで発光素子と受光
素子とを設けてデジタルパルスを形成するものが考えら
れる。また、第２又は第３のロータにあっても、その周
縁に回転するにつれて光の透過量が変化する等の手法に
より２極着磁と等価な光学パターンを形成し、このロー
タ周縁を挟んで発光素子と受光素子とを設けて光の透過
量に比例したアナログ出力を発生させるものが考えられ
る。同様に、基準信号を発生させる物理パターンを光学
パターンで形成するようにしてもよい。

【００４４】さらに、上述の構成にあっては、ロータリ
エンコーダを利用した位置検出センサを中心に説明して
きたが、リニアエンコーダを利用して直進動の動く被検
出体の位置や移動量を検出する位置検出センサを構築す
るようにてもよい。

【００４５】そのような構成例としては、図１２に示さ
れるように、被検出体に接続されて被検出体の直進動と
一体に変位する移動体２０と、この移動体表面に固定さ
れ、移動体２０の移動方向に延びる第１及び第２の直進
可動部２１、２２と、移動体２０と平行に対峙して設け
られる固定体２３と、この固定体２３の移動体２０と対
峙する面に固定された第１及び第２のセンサ２４、２５
とを有している。

【００４６】第１の直進可動部２１は、Ｎ極とＳ極とが
所定のピッチで交互に直線状に着磁されており、第２の
直進可動部２２は、第１の直進可動部２１の略半分の長
さに形成され、例えば表面がＮ極となるように垂直着磁
されている。第１のセンサ２４は、ホール素子又は磁気
抵抗素子からなり、移動体２０の全可動領域にわたって
第１の直進可動部２１と対峙するような位置に取り付け
られており、第２のセンサ２５は、磁気抵抗素子からな
り、第２の直進可動部２２と略等しい長さの素子２５
ａ、２５ｂを２つ直列に接続して構成され、第２の直進
可動部２２と対峙するように配置されている。第２のセ
ンサ２５を構成する各素子２５ａ，２５ｂの両端には端
子が形成され、両素子間に形成される共通の端子を出力
端子Ｖoutとし、残りの一方をアース端子ＧＮＤ、他方
を電圧印加端子Ｖinとしている。

【００４７】このような構成においては、移動体２０が
変位すると、第１のセンサ２４からは、第１の直進可動
部に形成された着磁パターンの磁極の切り替わりで立ち
上がり又は立ち下がる図１３の（ａ）に示されるような
デジタルパルスが出力され、第２のセンサの出力端子Ｖ
out からは、各素子２５ａ，２５ｂの抵抗値が磁束の変
化によって変わることから、出力電圧は図１３の（ｂ）
に示されるように略リニアなアナログ信号として出力さ
れる。

【００４８】このような構成においても、図示しない回
路基盤を図４のように構成し、前述した手法とほぼ同様
のやり方で被検出体の変位を補間演算すればよい。即
ち、図１４に示されるように、マイクロコンピュータ
は、始動後に現時点でのアナログ出力Ｖｋを第２のセン
サ２５からＡ／Ｄ変換回路１１を介して直接入力すると
共に、直前のデジタルパルスの立ち下がりエッジ検出時
にサンプリングされてホールド回路１０に一時記憶され
た第２のセンサ２５からのアナログ出力Ｖn と、さらに
その1 つ前のデジタルパルスの立ち下がりエッジ検出時
にサンプリングされてホールド回路１０に一時記憶され
た第２のセンサ２５からのアナログ出力Ｖn-1 とをホー
ルド回路１０から読み出して入力する。

【００４９】これら入力されたデータは、ステップ５２
において、演算用変数（Ｖ1 〜Ｖ3）に代入され( Ｖk
→Ｖ3 、Ｖn →Ｖ２、Ｖn-1 →Ｖ1 ）、ステップ５４に
おいて上述した数３によって現時点での直進変位Ｘを演
算する。そして、次のステップ（ステップ５６）で、こ
の直進変位Ｘを変位信号として出力し、しかる後にステ
ップ５０からの処理を繰り返すようになっている。尚、
Ｘfullは、移動体２０の直進可能範囲を示す。

【００５０】このような位置検出センサにあっても、デ
ジタルパルス間の任意の中間位置で被検出体の直進変位
Ｘが第２のセンサ２５によるアナログ出力をもって補間
演算されるので、第１の直進可動部２１の表面に着磁さ
れる磁極数を増やすことなく、検出精度を大幅に高める
ことができる。これにより、第１の直進可動部２１の磁
極ピッチを細かくしたり、第１及び第２の直進可動部２
１、２２の長さを長くする必要がなくなり、激しい振動
による環境下であっても、第１のセンサ２４により磁極
のミスカウントの恐れや部品精度の影響等を小さくする
ことができ、センサ自体の小型化を図ることができる。

【００５１】尚、上記リニアエンコーダを利用した位置
検出センサにおいても、ロータリエンコーダの場合と同
様に基準信号を発生させるようにしても、また着磁パタ
ーンをそれに対応する光学パターンに変更して光電式と
することも可能である。

【００５２】また、移動体２０の可動範囲が大きくなる
場合には、第１の直進可動部２１にあっては単に着磁パ
ターンを増やして延長すればよく、これに比例して第２
の直進可動部２２や第２のセンサ２５の各素子２５ａ，
２５ｂの長さも長くすればよい。第２の直進可動部２２
や各素子２５ａ，２５ｂを延ばしたためにアナログ信号
の精度が悪くなったり、形成しにくくなるのであれば、
第２の直進可動部２２及び第２のセンサ２５と同様の第
３の直進可動部及び第３のセンサを設け、第２のセンサ
出力と第３のセンサ出力を前述のように選択的に用いる
ようにしてもよい。

【００５３】

【発明の効果】以上述べたように、被検出体と一体的に
変位する第１及び第２の被検出部と、第１の被検出部の
所定変位毎にデジタルパルスを発生する第１のセンサ
と、第２の被検出部の変位に応じたアナログ出力を発生
する第２のセンサと、第２のセンサのアナログ出力によ
って第１のセンサから出力されるデジタルパルス間の変
位を補間演算する信号処理部とを設けたので、デジタル
パルス間の任意の中間位置の変位量を補間演算によって
割り出すことができ、位置検出精度を飛躍的に高めるこ
とができる。

【００５４】そして、このような構成をロータリ型とリ
ニア型に利用すれば、第１の被検出部と第１のセンサと
によって構成されるエンコーダのみの精度に頼っていた
従来の構成に比べ、同程度の精度を得るためにより小
型、軽量化が図れ、また、精度を高めるためにデジタル
パルスのパルス間隔を細かくする必要もないので、エン
コーダのミスカウントが無くなり、部品精度の性能への
影響も小さくなる。

【００５５】第１の被検出部にＮパルス（Ｎ＞２）発生
可能な物理パターンを、第２の被検出部にセンサ出力が
漸次連続変化する物理パターンをそれぞれ形成する場合
には、物理パターンを着磁パターン、又は、これと等価
な光学パターンによって形成するが、特に第２の被検出
部を２極着磁又はこれと等価な光学パターンによって構
成する場合には、より多極のものに比べて表面の磁極密
度を大きくとれ、引いてはＳ／Ｎ比を向上させることが
できる。

【００５６】アナログ出力の線形部分を用いてデジタル
パルス間の変位を補間演算する場合には、単純な演算に
よってデジタルパルス間の任意の中間位置を割り出すこ
とが可能となる。しかも、被検出体と一体的に回転する
第３の被検出部と、この第３の被検出部の変位に応じた
アナログ出力を発生する第３のセンサとを設け、第２の
センサのアナログ出力と第３のセンサのアナログ出力と
の位相をずらして選択的に用いればよく、線形部分が広
範囲にわたって形成できない場合でも、同一の位置検出
センサを用いて広範囲にわたって精度の高い検出が可能
となる。

【００５７】また、アナログ出力に基づいて被検出体の
位置を仮決めし、しかる後に基準信号に基づいて被検出
体の位置を補正して確定すれば、イニシャライズのスイ
ープ動作が不要となり、変位の途中から検出を開始して
も正確な位置を認識できるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明にかかる位置検出センサ、特に
ロータリエンコーダを利用した位置検出センサの構成例
を示す全体構成図である。

【図２】図２は、図１に示す位置検出センサの回転軸
と、これに固装される第１及び第２のロータと、各ロー
タに対峙して設けられる第１及び第２のセンサを示す斜
視図である。

【図３】図３は、各センサ素子から出力される信号とそ
の関係を示した線図である。

【図４】図４は、図１に示す位置検出センサの各センサ
素子から出力される信号を処理する制御回路構成を示す
ブロック図である。

【図５】図５は、図１乃至図４で示す位置検出センサの
マイクロコンピュータによる回転角度Θを演算するため
の処理動作例を示すフローチャートである。

【図６】図６は、ロータリエンコーダを利用した位置検
出センサの他の構成例を示し、回転軸と、これに固装さ
れる第１乃至第３のロータと、各ロータに対峙する第１
乃至第３のセンサを示す斜視図である。

【図７】図７は、図６に示す位置検出センサの各センサ
素子から出力される信号を処理する制御回路構成を示す
ブロック図である。

【図８】図８は、各センサ素子から出力される信号とそ
の関係を示した線図である。

【図９】図９は、図６乃至図８で示す位置検出センサの
マイクロコンピュータによる回転角度Θを演算するため
の処理動作例を示すフローチャートである。

【図１０】図１０は、ロータリエンコーダを利用した位
置検出センサのさらに他の構成例を示し、各センサ素子
から出力される信号を処理する制御回路構成を示すブロ
ック図である。

【図１１】図１１は、図１０で示す位置検出センサのマ
イクロコンピュータによる回転角度Θを演算するための
処理動作例を示すフローチャートである。

【図１２】図１２は、本発明にかかる位置検出センサ、
特にリニアエンコーダを利用した位置検出センサの構成
例を示す斜視図である。

【図１３】図１３は、図１２に示す位置検出センサの各
センサ素子から出力される信号とその関係を示した線図
である。

【図１４】図１４は、図１２及び図１３で示す位置検出
センサのマイクロコンピュータによる直進変位Ｘを演算
するための処理動作例を示すフローチャートである。

【符号の説明】

４ 第１のロータ ５ 第２のロータ ６、２４ 第１のセンサ ７、２５ 第２のセンサ １３ 第３のロータ １４ 第３のセンサ ２１ 第１の直進可動部 ２２ 第２の直進可動部

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被検出体と一体的に変位する第１及び第
   ２の被検出部と、前記第１の被検出部の変位を検出し、
   所定変位毎にデジタルパルスを発生する第１のセンサ
   と、前記第２の被検出部の変位に応じたアナログ出力を
   発生する第２のセンサと、前記第２のセンサのアナログ
   出力によって前記第１のセンサから出力されるデジタル
   パルス間の変位を補間演算する信号処理部とを具備する
   ことを特徴とする位置検出センサ。
2. 【請求項２】 被検出体と一体的に回転する第１及び第
   ２のロータと、前記第１のロータの回転角度を検出し、
   所定回転角度毎にデジタルパルスを発生する第１のセン
   サと、前記第２のロータの回転角度に応じたアナログ出
   力を発生する第２のセンサと、前記第２のセンサのアナ
   ログ出力によって前記第１のセンサから出力されるデジ
   タルパルス間の回転角度を補間演算する信号処理部とを
   具備することを特徴とする請求項１記載の位置検出セン
   サ。
3. 【請求項３】 被検出体と一体的に直進変位する第１及
   び第２の直進可動部と、前記第１の直進可動部の直進変
   位を検出し、所定直進変位毎にデジタルパルスを発生す
   る第１のセンサと、前記第２の直進可動部の直進変位に
   応じたアナログ出力を発生する第２のセンサと、前記第
   ２のセンサのアナログ出力によって前記第１のセンサか
   ら出力されるデジタルパルス間の直進変位を補間演算す
   る信号処理部とを具備することを特徴とする請求項１記
   載の位置検出センサ。
4. 【請求項４】 前記第１の被検出部には、前記第１のセ
   ンサによってＮパルス（Ｎ＞２）発生可能な物理パター
   ンが形成され、前記第２の被検出部には、前記第２のセ
   ンサ出力が漸次連続変化する物理パターンが形成されて
   いることを特徴とする請求項１記載の位置検出センサ。
5. 【請求項５】 前記第１のセンサによって発生する前記
   デジタルパルスは、前記被検出体の変位可能領域でＮパ
   ルス（Ｎ＞２）発生可能であり、前記信号処理部は、前
   記第１のセンサの（ｋ−１）番目（１＜ｋ＜Ｎ＋１）の
   パルスのエッジ検出時における前記第２のセンサの出力
   Ｖ₁ と、前記第１のセンサのｋ番目のパルスのエッジ検
   出時における第２のセンサの出力Ｖ₂ とを記憶し、前記
   第１のセンサのｋ番目のパルスと（ｋ＋１）番目のパル
   スとの間に前記被検出体が位置するときの前記第２のセ
   ンサの出力をＶ₃ 、前記被検出体の変位量をＨ、前記被
   検出体の変位可能領域をＨ_FULLとすると、前記変位量Ｈ
   を数１に基づいて補間演算する機能を具備することを特
   徴とする請求項１記載の位置検出センサ。
6. 【請求項６】 被検出体と一体的に回転する第３の被検
   出部と、この第３の被検出部の変位に応じたアナログ出
   力を発生する第３のセンサとを設け、前記第２のセンサ
   のアナログ出力と前記第３のセンサのアナログ出力とは
   位相をずらしてあり、前記信号処理部は、前記第２のセ
   ンサのアナログ出力と前記第３のセンサのアナログ出力
   とを選択的に用いて前記第１のセンサから出力されるデ
   ジタルパルス間の変位を補間演算することを特徴とする
   請求項１記載の位置検出センサ。
7. 【請求項７】 前記被検出体に基準信号を出力する基準
   信号出力部を設け、前記アナログ出力に基づいて前記被
   検出体の位置を仮決めし、しかる後に前記基準信号に基
   づいて前記被検出体の位置を補正して確定することを特
   徴とする請求項１又は６記載の位置検出センサ。