JPH112543A

JPH112543A - 位置検出装置

Info

Publication number: JPH112543A
Application number: JP17299897A
Authority: JP
Inventors: Kozo Kyoizumi; 宏三京和泉
Original assignee: SAN TESUTO KK
Current assignee: SAN TESUTO KK
Priority date: 1997-06-12
Filing date: 1997-06-12
Publication date: 1999-01-06

Abstract

(57)【要約】【課題】コイル部を小型化できるとともに、外部磁界な
どの影響を受けにくい位置検出装置を提供する。【解決手段】リング状の導電体部２を軸線方向に等ピッ
チＰ間隔で複数個設けた円筒状の検出用スリーブ１と、
スリーブ１の内部に軸線方向に相対移動可能に挿入され
た２個２組のコイル部５〜８とを備え、両組のコイル部
の中央部同士の軸線方向距離はピッチＰの整数倍に対し
て１／４ピッチずれており、各組のコイル５〜８の両端
にはそれぞれ位相が９０°異なる交流信号が入力され、
各組のコイル５〜８の中央より出力される信号を差動的
に検出することにより、スリーブ１のコイル部５〜８に
対する相対変位を位相差として検出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は検出用部材の位置を
コイルで検出することにより、その相対的な直線変位を
検出する位置検出装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の位置検出装置として、特
公平５−３８２４７号公報に記載のものがある。この位
置検出装置は、互いに位相のずれた一次交流信号によっ
てそれぞれ励磁される少なくとも２つの一次コイルおよ
び二次コイルを有するコイル部と、このコイル部に対し
て相対的に直線変位可能に配されたロッド部とを備えて
おり、ロッド部には導電体部分を直線変位方向にそって
所定間隔で複数個繰り返し設けてある。この導電体部分
は弱磁性または非磁性材からなり、表面加工処理により
導電性物質をパターン形成したものである。一方、一次
コイルとロッド部の導電体部分とが一次コイル間でずれ
るように一次コイルと二次コイルとを配置することで、
一次交流信号を位相シフトした信号が二次コイルで得ら
れるようにしてある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記位置検
出装置の場合、コイル部をロッド部の外周部を取り囲む
ように配置する必要があるため、ロッド部の直径が変わ
れば、それに応じてコイル部の大きさも変えなければな
らず、コスト上昇を招く欠点があった。また、コイル部
がロッド部の外周部に位置しているため、コイル部全体
の形状が大型になるという欠点があった。また、出力信
号を得るコイル部がロッド部から外部に突出しているの
で、外部磁界などの影響を受けやすく、高い精度が得に
くいという問題がある。

【０００４】そこで、本発明の目的は、コイル部を小型
化できるとともに、外部磁界などの影響を受けにくい位
置検出装置を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、リング状の導電体部を軸線方向に等ピッ
チＰ間隔で複数個設けた円筒状の検出用スリーブと、上
記スリーブの内部に軸線方向に相対移動可能に挿入され
た少なくとも２個２組のコイル部とを備え、両組のコイ
ル部の中央部同士の軸線方向距離は上記ピッチＰの整数
倍に対して１／４ピッチずれており、各組のコイル部の
両端にはそれぞれ位相が９０°異なる交流信号が入力さ
れ、各組のコイル部の中央より出力される信号を差動的
に検出することにより、スリーブのコイル部に対する相
対変位を位相差として検出するものである。

【０００６】リング状の導電体部がコイル部の全周を取
り囲む構造となっているので、いわばショートコイルの
働きをなし、導電体部がコイルの中心に近づくと、コイ
ルのインダクタンスは小さくなる。一方、導電体部がコ
イルの中心から離れると、コイルのインダクタンスは大
きくなる。このようにコイルのインダクタンスの違いを
差動的に検出することにより、正弦波状の出力信号が得
られ、基準信号との位相差から検出用スリーブの相対変
位を検出することができる。また、コイル部はスリーブ
の内部に配置されているので、スリーブがいわばコイル
保護部材の役割を果たし、外部磁界などの影響を受けに
くく、高精度で位置検出を行なうことが可能である。

【０００７】コイル部を４個のコイルで構成し、各コイ
ルの軸線をスリーブの軸線と同軸に配置するのが最も構
成が簡単であり、コイルを小型化できる。検出用スリー
ブの導電体部の間に、導電体部より相対的に電導率が低
くかつ磁性を有するスペーサを設けると、検出装置の感
度が向上する利点がある。また、検出用スリーブを導電
体よりなる円筒部材で形成し、その円筒部材に軸線方向
に等ピッチ間隔で複数の穴を開けることにより、残され
た導電体部分で導電体部を形成してもよい。この場合に
は、空間部がスペーサとなる。空間部によってスペーサ
を構成した場合には、検出用スリーブの外周を磁性体よ
りなる外筒で覆うと、検出用スリーブが保護されるだけ
でなく、検出装置の感度が高くなるという利点がある。

【０００８】

【発明の実施の形態】図１は本発明の原理を示す基本的
構成図を示す。１は検出用スリーブであり、銅，銅合
金，アルミニウム，アルミニウム合金などの電気良導体
からなるリング状の導電体部２と、導電体部２より電導
率の低いスペーサ３とが軸方向に一定ピッチＰ間隔で交
互に配置されている。なお、導電体部２とスペーサ３の
軸方向長さは互いに同一である必要はない。スペーサ３
は導電体部２より電導率が低ければよく、例えば鉄など
の磁性体を用いてもよいし、導電性のない非磁性体でも
よい。さらに、スリーブ１が実用的に構成可能であれ
ば、スペーサ３を空間としてもよい。ただ、スペーサ３
の材質を磁性体にした場合、本発明の検出装置の感度が
高くなるので、望ましい。

【０００９】スリーブ１の中心部に２個２組のコイル５
〜８が軸方向に配置される。すなわち、スリーブ１がコ
イル５〜８を取り囲む構造となる。一方の組のコイル５
と６、他方の組のコイル７と８はそれぞれ対をなして差
動コイル状に接続される。図１では、各コイル５〜８の
軸方向厚みを導電体部２およびスペーサ３と同一とした
が、これに限るものではなく、後述する（５）式および
（６）式のような出力信号が得られる構成であればよ
い。コイル５と６の中心と、コイル７と８の中心の軸方
向距離はＮＰ±Ｐ／４に設定されている。ただし、Ｎは
１以上の整数であり、図１の例ではＮ＝１であり、離間
距離をＰ＋Ｐ／４とした場合を示す。なお、Ｎ＝１のと
きに離間距離をＰ−Ｐ／４とすると、コイル６とコイル
７とが接触する可能性があるので、Ｎ≧２のときにＰ−
Ｐ／４とするのがよい。

【００１０】なお、コイル５〜８の構成方法であるが、
図１に示した構成以外に、特公平５−３８２４７号公報
に記載のように一次コイルと二次コイルからなる構成と
してもよい。ただ、図１の場合には各コイル５〜８の構
成が最も簡単であり、コイル部分の直径を小さくできる
ので、比較的細いスリーブ１にも挿入でき、適用範囲が
広くなるという特徴がある。

【００１１】さて、一対のコイル５，６の引出し線は
ａ，ｂ，ｃで、また他の一対のコイル７，８の引出し線
はｄ，ｅ，ｆで示される。例えば、これらの引出し線
に、ａ：−ｃｏｓωｔ・・・（１）ｃ：＋ｃｏｓωｔ・・・（２）ｄ：＋ｓｉｎωｔ・・・（３）ｆ：−ｓｉｎωｔ・・・（４）のような正弦，余弦状に変化する電圧信号を与える。但
し、ωは角周波数、ｔは時間である。

【００１２】図１の場合、２組のコイル５，６とコイル
７，８は軸方向にＰ＋Ｐ／４だけ離してあるので、コイ
ル引出し線ｅの信号をＶ１とし、コイル引出し線ｂの信
号をＶ２とすれば、Ｖ１＝ｓｉｎωｔ・αｃｏｓ（２πｘ／Ｐ）・・・（５）Ｖ２＝ｃｏｓωｔ・αｓｉｎ（２πｘ／Ｐ）・・・（６）なる信号が得られる。但し、αはコイルの感度係数、ｘ
はスリーブ１のコイルに対する相対変位である。

【００１３】ここで、出力信号Ｖ１，Ｖ２について、そ
の変化を図１を参照して説明する。なお、図１の状態を
ｘ＝０とし、ｘはコイル５〜８を固定し、それに対しス
リーブ１が右方向に移動したとき、増加するものとす
る。まずコイル５，６を見ると、導電体部２がコイル
５，６の中央にあって、コイル５，６の交流インピーダ
ンスはそれぞれ同じ値を持つ。コイル５，６の引出し線
ａとｃには（１）式と（２）式の電圧信号を与えている
ので、引出し線ｂには０（Ｖ）の信号が出力される。即
ち、（６）式のｘにｘ＝０を代入すると、Ｖ２＝０となる。一方、コイル７，８を見ると、導電体部２がコ
イル７のみを取り囲む位置にある。導電体部２は電気良
導体からなるので、この導電体部２はコイル７を外周か
ら取り囲むショートコイルの働きをなし、コイル７の引
出し線からみたコイルのインダクタンスは小さくなる。
コイル８の外周にはスペーサ３が位置しており、空間あ
るいは電導率の比較的低い磁性体あるいは導電性のない
非磁性体で構成されるので、コイル８の引出し線からみ
たインダクタンスはコイル７より大きくなる。即ち、引
出し線ｅには（５）式のｘにｘ＝０を代入したＶ１＝α・ｓｉｎωｔが出力される。既に述べたように、図１はｘ＝０のとき
を示しており、ｘが変化すると、それに応じて（５）
式，（６）式で表される信号を得ることができる。

【００１４】次に、Ｖ１とＶ２の差をとると、三角関数
の加法定理から、Ｖ１−Ｖ２＝α・ｓｉｎ（ωｔ−２πｘ／Ｐ）・・・（７）となる。即ち、スリーブ１のコイル５〜８に対する相対
変位ｘがｓｉｎωｔの信号を基準とした位相差として検
出できることになる。この位相差の検出は、従来技術
（フェーズアナログ方式と呼称されている）で容易に実
現できる。詳細は、例えば特開平２−４５７１２号公
報、特開平２−１５０７１４号公報などに開示されてい
る。また、これらの資料は上述のフェーズアナログ方式
に依るものであるが、例えばアナログデバイセス社のレ
ゾルバ・デジタル・コンバータ（例えば型式名ＡＤ２Ｓ
９０など）を用いれば、一般的なトラッキング方式によ
る相対変位ｘの検出が可能である。

【００１５】

【実施例】図２は本発明にかかる位置検出装置の第１実
施例を示す。この位置検出装置では、スリーブ１は導電
体部２、スペーサ３および外筒４から構成されており、
その中に挿入されたコイル５〜８に対して相対的に軸方
向に変位できるように配置されている。上記導電体部２
およびスペーサ３の働きは既に述べた通りである。

【００１６】外筒４は導電体部２やスペーサ３をスリー
ブ状に保持する役目をなす。この外筒４は、導電体部２
やスペーサ３を筒状に配列可能であれば、省略してもよ
い。ただし、この場合でも、導電体部２とスペーサ３が
軸方向に一定ピッチＰを保持できることが前提となる。

【００１７】スリーブ１の内部には保護管１３が挿入さ
れており、その先端にはＯリング１４とともにコイル５
〜８を密閉するキャップ９が固定されている。なお、保
護管１３内には、コイル５〜８の引出し線よりなるケー
ブル１５が挿通されている。キャップ９と保護管１３の
固定方法は、例えば溶接，クランプあるいは接着などの
一般的な固定方法を用いればよい。キャップ９はその内
部にコイル５〜８を有するので、非磁性で比較的に電導
率の低い金属（オーステナイト系ステンレスなど）で製
作してもよいし、プラスチック，セラミックスなどの電
気絶縁体で製作してもよい。コイル５〜８は図１で述べ
た位置関係でキャップ９の内部に固定されている。図２
の場合、２組の対のコイル５，６とコイル７，８の位置
関係を確保するため、離間部材１１が設けられている。
この離間部材１１を磁性体としたときは、２組の対のコ
イル５，６と７，８の相互干渉を少なくできるだけでな
く、それぞれの対のコイルの有効な磁路ともなって、検
出装置としての感度が高くなる。上記のように離間部材
１１を磁性体とした場合、コイル５，６では左端、コイ
ル７，８では右端に磁性体の側板１０と１２を設けるの
が望ましい。

【００１８】図３，図４はスリーブ１の第２実施例を示
す。この実施例では、導電体部２とスペーサ３が１本の
銅，アルミニウムあるいはそれらの合金からなるパイプ
に丸穴加工することによって構成されたものであり、穴
加工された空間部分がスペーサ３に相当する。なお、図
４では丸穴（スペーサ３）の１ピッチ内の円周上の個数
が４個であるが、これに限らず何個でもよい。また、丸
穴の直径も導電体部２の軸方向長さと同一である必要は
ない。但し、スペーサ３の１つの円周上の開口面積が大
きければ大きい程、検出装置の感度は高くなる。第２実
施例の場合、導電体部２とスペーサ３が一体構造となっ
ているため、外筒４はなくてもよい。但し、本発明者に
よる実験では、外筒４の材質が磁性体のとき、検出装置
の感度が高くなる。これは、コイル５〜８の発する当該
コイルの外周磁束が外筒４によって導電体部２とスペー
サ３の存在する空間に閉じ込められるからである。ま
た、外筒４の材質を磁性体にすれば、外乱磁場のシール
ドとしての役目も期待でき、外筒４を設けることがより
良いことになる。

【００１９】図５，図６はスリーブ１の第３実施例を示
す。この実施例は、第２実施例にける丸穴加工に代え
て、エンドミルなどによるフライス加工を用いた例であ
る。この場合には、第２実施例に比べて、スペーサ３の
円周上の開口面積をさらに大きく取れ、検出感度を高め
ることができる。

【００２０】図７はスリーブ１の第４実施例を示す。こ
の実施例は、スリーブ１の内側に中筒１６を設けた例で
ある。この中筒１６の材質は非磁性体であり、金属の場
合は比較的に電導率の低い材質でかつ肉厚の薄いことが
望まれる。中筒１６の外周に導電体部２およびスペーサ
３を設ける方法として、例えば中筒１６と銅，アルミニ
ウムあるいはそれらの合金からなる２重管あるいはクラ
ッドチューブから、エッチングなどによって導電体部２
とスペーサ３に相当する部分を製作してもよい。

【００２１】図８は本発明にかかる位置検出装置の具体
的応用例を示す。この実施例は、位置検出装置を油空圧
装置で多く用いられるシリンダ２０に内蔵し、シリンダ
２０のピストン２１の変位を測定する応用例である。ス
リーブ１はピストン２１の筒部２１ａの中心部に挿入固
定されている。即ち、このスリーブ１はピストン２１の
移動とともに変位する。コイル（図示せず）を内蔵した
キャップ９は保護管１３の先端に固定され、ピストン２
１の筒部２１ａの内部、つまりスリーブ１の内部に挿入
されている。保護管１３はヘッダ１７に溶接あるいはそ
の他の方法で接続されている。ヘッダ１７はネジ部１９
を有し、Ｏリング１８と共にシリンダ２０の一端側に嵌
着された端面部材２２に組み込まれている。上記ヘッダ
１７からコイルの引出し線からなるケーブル１５が引き
出されている。シリンダ２０の他端には別の端面部材２
３が嵌着されており、この端面部材２３をピストン２１
の筒部２１ａが貫通して外部に突出している。

【００２２】以上述べたように、上記の位置検出装置は
１ピッチ内はフェーズアナログ方式あるいはトラッキン
グ方式によってアブソリュートで変位を検出できるが、
１ピッチを越える変位の場合は、越えたピッチ数、つま
り桁上げ回数をカウンタなどで記憶せねばならず、いわ
ゆるセミ・アブソリュート式の位置検出装置に属する。
ところが、予期しない電源ＯＦＦなどによってカウント
値の記憶を消失してしまったり、ノイズによって誤差が
累積してしまった場合には、全変位領域に亘ってアブソ
リュートに変位を検出できなくなる。

【００２３】図９は本発明による位置検出装置を他の方
式の変位検出装置と組み合わせて、本発明による装置の
特徴を生かしつつ、計測すべき変位領域全体でアブソリ
ュートに変位を検出できる応用例を示す。この場合、他
の方式の変位検出装置として磁歪式変位検出装置を例示
したが、これ以外の変位検出装置を組み合わせてもよい
ことは勿論である。スリーブ１の左端には永久磁石２７
が固定されている。この実施例では、半径方向に着磁さ
れたリング状の永久磁石２７を用いたが、軸方向に着磁
してもよく、その形状もＵ字形や直方体形状であっても
よい。スリーブ１内に挿入された保護管１３の先端部に
は本発明のコイル５〜８を内蔵したキャップ９が固定さ
れている。また、保護管１３の内部にはコイル５〜８に
接続されたケーブル１５の他に、磁歪式変位検出装置の
プローブ２４が配設されている。プローブ２４は磁歪信
号の検出部２５を左端に有し、この磁歪式変位検出装置
のケーブル２６が外部へ導かれている。保護管１３の左
端にはヘッダ１７が設けられ、上記検出部２５が収納さ
れている。

【００２４】磁歪式変位検出装置は、磁歪線の軸線方向
に電流パルスを流すことにより、磁歪線に沿って移動可
能な永久磁石の近接する磁歪線の部位で捩じり弾性波を
発生させ、磁歪線の特定部位に設けた受信器までの捩じ
り弾性波の伝播時間を計測することにより、永久磁石に
与えられる機械的変位を検出するものである。その動作
原理および構造は、例えば特開昭６１−１１２９２３号
公報，特開昭６３−２１７２２４号公報，特開平５−１
７２５５５号公報，特開平５−１８７８５４号公報など
によって既に公知であるため、説明を省略する。

【００２５】さて、図９のような構成にすると、本発明
の検出装置によりスリーブ１の１ピッチ以内のアブソリ
ュート変位信号を詳細に検出でき、１ピッチを越える変
位のカウント値は磁性式変位検出装置の検出値によって
補正できる。つまり、磁性式変位検出装置は、スリーブ
１とともに変位する永久磁石２７によってスリーブ１の
大まかな絶対位置を常に安定して検出できるので、予期
しない電源ＯＦＦなどによって１ピッチを越える変位の
カウント値を消失しても、カウント値を正しい値に補正
でき、常に安定でかつ高精度に位置を検出できる。これ
ら２つの信号の合成あるいは取扱いについては、特開平
６−２６８８４号公報に記載の通りである。なお、磁歪
式変位検出装置はスリーブ１の外部に配置してもよい。
ただ、図９のように１本の保護管１３の内部に２種類の
検出装置を内蔵すれば、小型で高精度のアブソリュート
式位置検出装置を実現できる。

【００２６】なお、上記実施例は本発明の一例に過ぎ
ず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。
例えば、コイルをその軸線がスリーブの軸線と同軸とな
るように配置したが、コイルの軸線とスリーブの軸線と
が直交方向に配置されていてもよい。ただ、実施例のよ
うにコイルをスリーブと同軸状に配置した場合には、コ
イルとスリーブとの距離が全周に亘って一定となるの
で、最も感度がよく、しかもコイルを小形に構成できる
ので、コンパクトな位置検出装置を実現できる利点があ
る。また、スリーブに設けられる導電体部は所定の肉厚
を有する必要はなく、薄膜状に形成されたものでもよ
い。

【００２７】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明に
よれば、コイル部を取り囲むようにして円筒状の検出用
スリーブを配置したので、コイル部を小型化でき、コン
パクトで安価な位置検出装置を得ることができる。ま
た、コイル部はスリーブの内部に配置されているので、
スリーブがコイル保護部材の役割を果たし、外部磁界な
どの影響を受けにくく、高精度で位置検出を行なうこと
が可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理を説明するための基本的構造図で
ある。

【図２】本発明にかかる位置検出装置の第１実施例の断
面図である。

【図３】検出用スリーブの第２実施例の縦断面図であ
る。

【図４】図３の検出用スリーブの横断面図である。

【図５】検出用スリーブの第３実施例の縦断面図であ
る。

【図６】図５の検出用スリーブの横断面図である。

【図７】検出用スリーブの第４実施例の縦断面図であ
る。

【図８】本発明にかかる位置検出装置を流体圧シリンダ
に適用した例の断面図である。

【図９】本発明にかかる位置検出装置と磁歪式変位検出
装置とを組み合わせた検出装置の断面図である。

【符号の説明】

１検出用スリーブ２導電体部３スペーサ４外筒５〜８コイル

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】リング状の導電体部を軸線方向に等ピッチ
Ｐ間隔で複数個設けた円筒状の検出用スリーブと、上記スリーブの内部に軸線方向に相対移動可能に挿入さ
れた少なくとも２個２組のコイル部とを備え、両組のコイル部の中央部同士の軸線方向距離は上記ピッ
チＰの整数倍に対して１／４ピッチずれており、各組の
コイル部の両端にはそれぞれ位相が９０°異なる交流信
号が入力され、各組のコイル部の中央より出力される信
号を差動的に検出することにより、スリーブのコイル部
に対する相対変位を位相差として検出することを特徴と
する位置検出装置。
【請求項２】上記コイル部は４個のコイルで構成され、
各コイルの軸線はスリーブの軸線と同軸に配置されてい
ることを特徴とする請求項１に記載の位置検出装置。
【請求項３】上記検出用スリーブの導電体部の間には、
上記導電体部より相対的に電導率が低くかつ磁性を有す
るスペーサが設けられていることを特徴とする請求項１
または２に記載の位置検出装置。
【請求項４】上記検出用スリーブは、導電体よりなる円
筒部材に軸線方向に等ピッチ間隔で複数の穴を開けるこ
とにより、残された導電体部分で上記導電体部を形成し
たことを特徴とする請求項１または２に記載の位置検出
装置。
【請求項５】上記検出用スリーブの外周は、磁性体より
なる外筒で覆われていることを特徴とする請求項４に記
載の位置検出装置。
【請求項６】流体圧シリンダのピストンの内部に上記検
出用スリーブが装着され、シリンダ本体の一端部に上記
コイル部を備えた保護管が固定され、この保護管が上記
検出用スリーブの内部に軸方向に相対移動可能に挿入さ
れていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか
に記載の位置検出装置。
【請求項７】上記検出用スリーブの一端部には永久磁石
が固定され、スリーブ内には上記コイル部を備えた保護
管が軸方向に移動可能に挿入され、かつこの保護管の内
部には磁性式変位検出装置のプローブが挿入配置され、
このプローブに内蔵された磁歪線の軸線方向に電流パル
スを流すことにより、上記永久磁石の近接する磁歪線の
部位で捩じり弾性波を発生させ、磁歪線の特定部位に設
けた受信器までの捩じり弾性波の伝播時間を計測するこ
とにより、スリーブの絶対位置を全変位領域に亘ってア
ブソリュートで検出するものであり、上記コイル部で検出された検出値のうち、導電体部のピ
ッチＰを越える範囲のカウント値を磁性式変位検出装置
で求められた検出値で補正することを特徴とする請求項
１ないし６のいずれかに記載の位置検出装置。