KR101949054B1 - 위치 검출 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 길이방향이 동심축상에 늘어서도록 배치되고, 각각이 동일 주파수의 교류 신호에 의해 여자되는 3개 이상의 센서 코일을 가져서 이루어지는 센서 코일부와, 각 센서 코일의 양단의 차동 신호를 출력하는 복수의 차동 신호 출력 수단과, 2개의 센서 코일에 대응하는 차동 신호를 감산하여, 감산 신호를 출력하는 복수의 감산 신호 출력 수단과, 상기 센서 코일부의 외주측 또는 내주측에 위치하고, 상기 센서 코일의 임피던스를 변화시키는 재료를 포함하는 측정체가 상기 동심축방향을 따라서 이동하였을 때의 상기 측정체의 축방향 위치를, 상기 감산 신호를 연산하는 것으로 선형으로 변화하는 위치 신호로서 출력하는 위치 검출 수단을 포함하는 위치 검출 장치에 있어서, 복수의 차동 신호를 연산한 결과를 기본으로 하고, 상기 측정체의 현재 위치에 대응하는 센서 코일을 특정하는 코일 특정 수단을 포함하고, 상기 위치 검출 수단은, 상기 코일 특정 수단에 의해 특정되는 센서 코일을 기본으로 하고, 복수의 감산 신호의 변화가, 복수의 센서 코일의 배열 순에 따라서 연속하도록 위치 신호를 합성하여 출력하는 것을 특징으로 한다.

Description

위치 검출 장치{POSITION DETECTION DEVICE}

본 발명은, 측정체의 직선 위치(축방향 위치)를 검출하여, 위치 신호를 외부로 출력하는 위치 검출 장치에 관한 것이다.

측정체의 직선 위치를 검출하여, 위치 신호를 외부로 출력하는 위치 검출 장치에 관해서는, 다양한 구성이 제안되어 있다. 예컨대, 특허문헌 1에는, 이하와 같이 구성되는 센서가 개시되어 있다. 양단에 교류 전원이 인가되는 측정 코일(1)의 도중 부위에, 전압을 등분하도록 복수의 전압 탭(7)을 배치하고, 각 전압 탭(7)에서의 전압을 가산증폭기(10)에 의해 가산하여 출력한다. 측정 코일(1)의 외주에, 당해 코일(1)의 자기 저항(임피던스)을 변경할 수 있는 재질의 링(6)을, 측정 코일(1)의 중심축 방향으로 이동 가능하게 배치한다. 링(6)이 위치하는 부분의 측정 코일(1)은 임피던스가 변화하기 때문에, 전압 탭(7)의 전압이 변화한다. 측정 코일(1)에서의 링(6)의 위치에 따라서 전체의 무게부여량이 변하기 때문에, 최종 출력인 가산증폭기(10)의 출력 전압이 변화하기 때문에, 링(6)의 위치를 검출할 수 있다.

또, 특허문헌 2에는, 이하와 같은 구성되는 위치 검출 장치가 개시되어 있다. 6개의 코일 구간으로 이루어진 원통상의 코일부(10)의 중공부를, 봉상의 자성체로 이루어진 자기 응답 부재(11)가, 검출 대상의 변위에 따라서 직선 변위한다. 코일부(10)의 4개의 코일 구간 LA，LB，LC，LD에 대응하는 길이 4K의 범위가 유효 검출 범위이다. 각 코일 구간의 코일은 공통의 교류 신호 sinωt에 의해 여자되며, 각 코일 구간의 양단간 전압 Vα，VA，VB，VC，VD，Vβ을 검출한다.

자기 응답 부재(11)가, 각 코일에 대하여 근접 또는 침입하는 정도가 증가할 수록, 당해 코일의 자기 인덕턴스가 증가하여 각 코일의 양단간 전압이 변화한다. 검출된 각 전압은, 아날로그 연산회로(20 및 21)에 소정의 조합으로 입력되면, 소정의 연산식에 따라서 가산 또는 감산되어, 검출 대상 위치에 따른 사인 및 코사인 함수 특성을 나타내는 2개의 교류 출력 신호 sinθsinωt, cosθsinωt가 생성된다.

각 교류 출력 신호의 진폭 성분인 사인 및 코사인 함수의 위상각 θ은 검출 대상의 위치에 대응하고 있고, 90도 범위의 위상각 θ이 1개의 코일의 길이 K에 대응하고 있다. 4K의 길이의 유효 검출 범위는 위상각 θ의 0도 내지 360도까지의 범위에 대응하므로, 위상각 θ을 검출하면, 길이 4K의 범위에서 검출 대상의 절대 위치를 검출할 수 있다.

특허문헌 1: 일본국 특공평8-12082호 공보 특허문헌 2: 일본국 특허 4464517호 공보

그러나, 특허문헌 1의 구성에서는, 링(6)의 특성 등의 불확정 요소의 영향에 의해 센서 전체의 게인(gain)이 정해져 버리기 때문에, 센서의 게인을 개별적으로 조절할 필요가 있다. 즉, 측정 원리상, 링(6)의 절대 위치 정밀도를 얻기 어려운 문제가 있다. 또, 위치 검출 범위의 전체에 관한 검출치가 일정하기 때문에, 검출 범위를 길게 할수록 분해능이 저하한다. 또한, 온도 특성도, 검출 범위를 길게 하는 것에 비례하여 악화된다.

또, 특허문헌 2의 구성에서는, 자기 응답 부재(11)는, 적어도 검출 대상 범위의 길이 4K 이상에 관하여, 똑같은 물체인 것이 요구된다는 제약이 있다. 또, 위상각 θ은, 상기 길이 4K에 대응하여 0도 내지 360도까지 변화하기 때문에, 절대 위치의 검출 범위는 실질 길이 4K가 한계이다. 절대 위치를, 길이 4K를 초과하는 범위에 관하여 검출하기 위해서는, 기본 구성을 조합하여, 그들이 출력하는 위치 신호를 처리하는 보조적인 구성이 필요하게 된다.

본 발명은 상기 사정을 감안하여 된 것이고, 그 목적은, 측정체의 형상에 대한 제약이 보다 적고, 또 절대 위치의 검출을 보다 긴 범위에 걸쳐 용이하게 검출가능하게 되는 위치 검출 장치를 제공하는 것에 있다.

본 발명의 위치 검출 장치는,

길이방향이 동심축 상에 늘어서도록 배치되고, 각각이 동일 주파수의 교류 신호에 의해 여자되는 3개 이상의 센서 코일을 가져서 되는 센서 코일부와,

각 센서 코일의 양단의 차동 신호를 출력하는 복수의 차동 신호 출력 수단과,

2개의 센서 코일에 대응하는 차동 신호를 감산하여, 감산 신호를 출력하는 복수의 감산 신호 출력 수단과,

상기 센서 코일부의 외주측 또는 내주측에 위치하고, 상기 센서 코일의 임피던스를 변화시키는 재료를 포함하는 측정체가 상기 동심축 방향을 따라서 이동하였을 때의 상기 측정체의 축방향 위치를, 상기 감산 신호를 연산하는 것으로 선형으로 변화하는 위치 신호로서 출력하는 위치 검출 수단을 포함하는 것에 있어서,

복수의 차동 신호를 연산한 결과를 기본으로 하고, 상기 측정체의 현재 위치에 대응하는 센서 코일을 특정하는 코일 특정 수단을 포함하고,

상기 위치 검출 수단은, 상기 코일 특정 수단에 의해 특정되는 센서 코일을 기본으로 하고, 복수의 감산 신호의 변화가, 복수의 센서 코일의 배열 순에 따라서 연속하도록 위치 신호를 합성하여 출력하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 위치 검출 장치에 의하면, 위치 검출 수단이, 코일 특정 수단에 의해 특정되는 센서 코일을 기본으로 하고, 복수의 감산 신호의 변화가, 복수의 센서 코일의 배열 순에 따라서 연속하도록 위치 신호를 합성하여 출력하기 때문에, 측정체의 절대 위치를, 센서 코일의 배열 수에 따라서 연속적으로 출력할 수 있다. 또, 측정체의 길이는, 적어도 1개의 센서 코일의 축방향 길이 이상이면 좋기 때문에, 측정체의 형상에 관한 제약이 보다 적게 된다.

도 1은 제1 실시형태이고, 위치 검출 장치의 전체 구성을 도시하는 기능 블록도이다.
도 2는 연산회로의 구성 예를 도시하는 도이다.
도 3은 A/D 컨버터와 멀티플랙서와의 조합에 의한 변형 예를 도시하는 도이다.
도 4는 코일 센서부의 종단측면도이다.
도 5는 동작 타이밍 차트이다.
도 6은 측정 구간을 특정하기 위한 동작 타이밍 차트(그의 1)이다.
도 7은 측정 구간을 특정하기 위한 동작 타이밍 차트(그의 2)이다.
도 8은 제2 실시형태이고, 코일 센서부 및 연산회로의 구성을 도시하는 기능 블록도이다.
도 9는 제3 실시형태이고, 복수의 코일을 여자하는 구성의 변형 예를 도시하는 도이다.
도 10은 제4 실시형태이고, 측정체가 2개 있는 경우의 코일 센서부 및 연산회로의 구성을 도시하는 기능 블록도이다.
도 11은 제5 실시형태이고, 코일 센서부 및 연산회로의 구성을 도시하는 기능 블록도이다.
도 12는 코일 센서부의 종단측면도이다.
도 13은 제6 실시형태이고, 위치 검출 장치의 전체 구성을 도시하는 기능 블록도이다.
도 14는 제7 실시형태를 도시하는, 동작 타이밍 차트이다.
도 15는 제8 실시형태이고, 코일 센서부의 종단측면도이다.
도 16은 제9 실시형태이고, 코일 센서부의 후단측의 종단측면도이다.
도 17은 제10 실시형태이고, 코일 센서부의 일부의 종단측면도이다.
도 18은 제11 실시형태이고, 센서 코일부를, 실린더부를 왕복 이동하는 로드의 내부에 배치한 구성을 도시하는 종단측면도이다.

발명을 실시하기 위한 형태

(제1 실시형태)

이하, 제1 실시형태에 관하여 도 1 내지 도 7을 참조하여 설명한다. 도 4는, 센서부의 구성예를 도시하는 종단측면도이다. 중공 원통상의 코일 지지체(1)의 외주측에는, 사이에 절연재(2)를 통하여, 복수(예컨대 6개)의 코일(3A~3F)이 축방향으로 연속하도록 배치되어 있다. 이들 코일 지지체(1) 및 코일(센서 코일)(3) 등은, 중공 원통상의 센서 슬리브(4)의 내부에 삽입되어 있다. 센서 슬리브(4)의 선단부(도면 중 좌단측)는, 선단부 커버(5)에 의해 밀봉되어 있다.

센서 슬리브(4)의 후단부는, 센서 케이스(6)의 선단부에 접속되어 있다. 각 코일(3)의 양단에 접속되는 배선(7)은, 코일 지지체(1)의 내부를 경유하여 그의 후단으로부터 센서 케이스(6)의 내부로 도출되어 있다. 또한, 배선(7)은, 코일(3)의 외측(표면)에 둘러져도 좋다. 센서 케이스(6)의 하부에는, 센서 인출 케이블(8)이 접속되어 있고, 센서 인출 케이블(8)의 내부에는, 도 1에 도시하는 검출회로(9)로부터 인출된 배선(10)이 둘러져 있다. 그리고, 배선(7 및 10)은, 센서 케이스(6) 내에서 납땜에 의해 접속되어 있고, 센서 케이스(6)의 후단부는, 후단 커버(11)에 의해 덮여져 있다. 이상이 센서부(12)를 구성하고 있다.

측정체(13)는 링상이고, 센서 슬리브(4)의 외주측을 축방향으로 직선 변위하도록 배치되어 있다. 측정체(13)는, 각 코일(3)의 임피던스(인덕턴스)를 변화시키는 부재(재질)라면 좋기 때문에, 자성재，비자성재의 어느 것이어도 좋다. 측정체(13)에 자성재를 사용하면, 측정체(13)가 근접하는 것으로 코일(3)의 임피던스는상승하고, 비자성재를 사용하면 임피던스는 역으로 하강한다. 또, 측정체(13)의 축방향 길이는, 적어도 1개의 코일(3)의 축방향 길이(1 구간)와 같다면 좋다. 이와 같이 측정체(13)는, 예컨대 비자성재로 이루어지는 파이프와 같은 매우 심플한 것이면 좋고, 극히 저비용이며, 강도, 내환경성이 우수하다는 장점을 갖는다.

도 1은, 주로 검출 회로(9)의 구성을 도시하는 기능 블록도이다. 코일(3A~3F)은 직렬로 접속되어 있고, 그의 직렬 회로의 상단인 코일(3A)의 일단은, 검출 회로(9)가 포함하는 발진기(14)로부터 발진 출력되며, 여자부(15)를 통한 교류 신호가 인가되어 있다. 또, 상기 직렬 회로의 하단인 코일(3F)의 일단은 그라운드에 접속되어 있다. 검출 회로(9)는, 각각이 코일(3A~3F)에 대응하는 6개의 차동 증폭 회로(16A~16F)(차동 신호 출력 수단)를 포함하고 있고, 각 차동 증폭 회로(16A~16F)의 입력 단자는, 대응하는 코일(3A~3F)의 양단에 접속되어 있다.

차동 증폭 회로(16A~16F)는, 대응하는 코일(3A~3F)의 양단 전압을 Va~Vf로서 출력한다. 다음 단에는, 5개의 연산회로 17(1)~17(5)(감산 신호 출력 수단)가 배치되어 있고, 연산회로 17(1)의 입력 단자(X 및 Y)에는 전압 Va 및 Vb이 입력되어 있다. 동일하게, 연산회로 17(2)~17(5)의 입력 단자(X 및 Y)에는, 각각 전압 Vb 및 Vc, 전압 Vc 및 Vd, 전압 Vd 및 Ve, 전압 Ve 및 Vf이 입력되어 있다. 또한, 차동 증폭 회로(16A~16F) 및 연산회로 17(1)~17(5)에는 게인을 부여하여도 좋고, 게인을 부여하는 것으로, 다음 단의 A/D 컨버터(18)에 입력하는 신호 레벨을 증대시켜서 Ｓ/Ｎ비를 개선할 수 있다.

도 2는, 연산회로(17)의 내부 구성 예를 도시한다. 도 2a에 도시하는 구성에서는, 입력 단자(X)는, 정류부(17Xa) 및 로패스 필터(LPF)(17Xb)를 통하여 연산기(17c)의 입력 단자(A)에 접속되어 있다. 동일하게, 입력 단자(Y)는, 정류부(17Ya) 및 LPF(17Yb)를 통하여 연산기(17c)의 입력 단자(B)에 접속되어 있다. 즉 입력신호는, 정류부(17a)에서 교류 신호가 정류되며, LPF(17b)에 의해 평활되고 나서 연산기(17c)에 입력된다. 연산기(17c)는, 입력 단자(A，B)에 부여된 신호의 감산 결과(A-B)를 출력한다.

도 2b에 도시하는 구성에서는, 초단에 연산기(17c)가 배치되고, 그에 이어서 정류부(17a) 및 LPF(17b)가 배치되어 있다. 또, 도 2c에 도시하는 구성에서는, (a)의 연산기(17c)를 연산기(17d)로 치환하고 있다. 연산기(17d)는, 감산결과(A-B)를 가산치(A＋B)로 나눈 것을 출력하지만, 이것은 다음 단의 A/D 컨버터(18)에서의 참조 전압의 변동의 영향을 제거하는, 소위 레시오메트릭 동작에 대응한 구성이다.

연산회로 17(1)는, 연산 결과로서 신호 Vab(＝Va-Vb)를 출력한다. 연산회로17(2)는, 연산 결과로서 신호 Vbc(＝Vb-Vc)를 출력한다. 동일하게, 연산회로17(3)~17(5)는, 연산 결과로서 신호 Vcd，Vde，Vef를 각각 출력한다. 이들 연산 결과는, 각각 A/D 컨버터 18(1)~18(5)를 통하여 컨트롤러(19)(위치 검출 수단, 코일 특정 수단)에 입력된다.

또한, 도 3에 도시하는 바와 같이, A/D 컨버터(18)를 1만 사용하고, 그의 입력측에 멀티플랙서(20)를 배치하여, 컨트롤러(19)가 신호 Vab~Vef 등을 시분할로 절환하여 입력하도록 구성하여도 좋다.

컨트롤러(19)는, CPU나 마이크로컴퓨터, 게이트 어레이나 FPGA(Field Programmable Gate Array) 등으로 구성되며, A/D 컨버터(18)를 통하여 신호 Vab~Vef를 읽어들여 측정체(13)의 위치를 구한다. 컨트롤러(19)에는, 예컨대 플래쉬 ROM 등의 비휘발성 메모리(21)가 접속되어 있고, 컨트롤러(19)는, 비휘발성 메모리(21)에 미리 기억시킨 정보를 기초로 하고 있고, 측정체(13)의 절대적인 위치(옵셋 성분, 게인 성분)나 직선성의 보정, 온도 드리프트 특성의 보정 등을 실시 가능하다.

컨트롤러(19)는, 구한 측정체(13)의 위치를, 외부 인터페이스(I/F)(22)를 통하여 상위 유닛(23)에 출력한다. 외부(I/F)(22)는, 위치 데이터를 패럴랠(parallel) 출력하는 이외에도 네트워크 I/F 기능을 포함하는 것으로, 네트워크 시스템에 접속하는 것도 가능하게 된다.

또, 컨트롤러(19)에는, 접점 출력부(24)를 통하여 외부 기기(25)가 접속되어 있다. 컨트롤러(19)는, 접점 출력부(24)를 통하여 외부 기기(25)에 ON/OFF 신호 (접점의 개폐 신호)를 출력하는 것으로, 리미트 스위치 기능이 실현 가능하다. 리미트 스위치 기능이라는 것은, 측정체(13)의 소정 위치를 문턱치로 하여, 접점 출력부(24)의 접점을 ON/OFF 하는 기능이다.

리미트 스위치 기능은, 위치 검출 장치(센서)를 1개의 디바이스로서 보면, 하드웨어 동작(한번 설정되고 나면 파손되지 않는 한 동작한다)과 등가이다. 예컨대 상위 유닛(23)이나 상위 유닛(23)과의 데이터의 송수신 등이 어떤 부적절함에 의해 동작 이상에 빠져 있어도, 리미트 스위치 기능은, 위치 검출 장치 단체로서 규정 대로의 동작을 한다. 따라서, 안전 장치로서 동작시키는 등, 시스템의 안전성을 향상시키는 요소로 된다. 본 실시형태의 위치 검출 장치는 앱솔루트형이기 때문에, 위치 데이터의 신호성은 높고, 리미트 스위치 기능에 요구되는 고신호성이라는 요구에도 적합하기 쉽다.

또한, 리미트 스위치 기능은, 검출 범위 내의 복수의 위치에 대응하여 ON/OFF시키는 것도 가능하다. 도 1에서 리미트 스위치 기능을 지닌 접점 출력부(24)는 1개이지만 복수이어도 좋다. 또한 문턱치는, 외부 I/F22로부터의 입력신호로 임의의 위치에 지정하여도 좋고, 설정 스위치(26) 등에 의해 절환하여 설정하여도 좋다.

또, 상술한 리미트 스위치 기능에, 예컨대 소정 시간당의 위치의 변화와 소정 문턱치와의 비교결과에 따라서 ON/OFF 신호를 출력하는 제한속도 검출 기능을 가하여도 좋다. 제한속도 검출 기능은, 측정체(13)의 이동 속도가 기준(제한의 기준)으로 되는 소정 문턱치 이상으로 되었을 때에, 출력 신호를 ＯＮ 또는 ＯFF로 하는 기능이고, 외부 기기(25)에 의해 각종 설정을 행할 수 있다.

또, 검출 회로(9)는 외부 전원(27)으로부터의 전원 공급을 받아서, 도시하지 않은 전원 회로에 의해 예컨대 전압 5V 정도의 내부전원(28)을 생성하고, 그의 내부전원(28)이 각 부에 공급되는 것으로 동작한다. 또한, 센서부(12) 및 검출 회로(9)가 위치 검출 장치(29)를 구성하고 있다.

이어, 본 실시형태의 작용에 관하여 도 5를 참조하여 설명한다. 측정체(13)가 센서 슬리브(4)를 따라서 이동하였을 때에, 1개의 코일(3)의 임피던스(인덕턴스)가 상승하면, 별도의 코일(3)에서는 임피던스가 하강한다. 검출 회로(9)는, 그들 2개의 코일(3)의 신호를, 하프 브릿지형 차동 트랜스와 동일하게 차동 신호 처리한다.

상기와 같이 코일(3)의 임피던스를 변화시키기 위해서는, 측정체(13)의 길이 치수는, 도 5 중에 도시하는 「1 구간(1개의 코일(3)의 축방향 길이)」의 Ｎ배(Ｎ은 자연수)의 값으로 설정하면 좋다. 따라서, 검출 대상으로 되는 코일(3)은, 반드시 서로 인접하는 위치 관계로 된다고는 할 수 없다(예컨대, Ｎ＝2이면, 코일(3A-3C) 사이에서 차동 신호 처리한다. 제7 실시형태 참조).

도 5는, 측정체(13)가 변위되었을 때의 각 부의 신호 변화를 나타내고 있다. 이 예에서는, 측정체(13)의 재질을 비자성재의 도체로 하고 있다. 또, 측정체(13)의 길이는, 코일(3)의 1 구간분과 같은 것으로 한다. 코일(3A)이 도 중의 좌단에 위치하고 있고, 그에 이어서 코일(3B~3D)이 도 중 우방향으로 순차로 나란히 배치된다. 또한, 코일(3)은 3개 이상이면 상한은 없다. 각 코일(3A~3D)은, 모두 동일한 것이다.

각 신호 Va~Vc는, 측정체(13)의 중심부가 위치하였을 때의 신호 레벨을 플로트한 것이고, 코일(3)의 임피던스에 비례하도록 변화하고 있다. 측정체(13)가 어떤 코일(3)에도 오버랩하고 있지 않은 상태에서는, 각 신호 Va~Vc는 모두 최대치(도 5 중의 Vmax)를 나타내고 있다.

측정체(13)가 도 5 중의 POS 방향(우측 화살표 방향)으로 이동하고, 코일(3A)에 오버랩하기 시작하면, 신호 Va의 레벨은 서서히 저하한다. 측정체(13)가 또한 이동하여, 그의 중심부가 코일(3A)의 중심에 중첩되었을 때, 신호 Va의 레벨은 최저치(도 중의 Vmin)로 된다. 그로부터, 측정체(13)가 또한 POS 방향으로 이동하면 신호 Va의 레벨은 다시 상승을 개시하며, 코일(3A)과 측정체(13)의 오버랩이 없어지게 되면, 신호 Va는 최대치로 되돌아간다. 이와 같이, 측정체(13)의 위치에 의해 신호 Va가 변화하는 범위는, 코일(3A)과 오버랩하는 범위뿐이다. 그의 범위의 길이는, 코일(3)의 2 구간분에 상당한다. 동일하게, 신호 Vb, Vc도, 측정체(13)의 통과에 수반하는 레벨이 변화한다.

여기서, 도면에 도시하는 「코일 A, B에 의한 측정 구간」(이하, 제1 측정구간이라 칭함)에 착안한다. 이 구간은, 코일(3A)의 중심으로부터 코일(3B)의 중심 사이에, 측정체(13)의 중심이 위치하는 범위이다. 측정체(13)가 POS 방향으로 이동한 경우, 이 범위 내에서 신호 Va의 레벨은 서서히 증가(단조 증가)하고, 신호 Vb의 레벨은 서서히 감소(단조 감소)한다.

이 범위에서의 연산치「Va-Vb」는, 일정의 기울기로 증가하는 신호로 된다. 코일(3A 및 3B)이 동일 특성이면, 연산치「Va-Vb」는 제1 측정 구간의 중심점에서 제로로 된다. 이 동작 원리는, 코일(3A 및 3B) 및 측정체(13)로 구성된 차동 트랜스의 동작 원리이다. 즉 이 구성에 의하면, 제1 측정 구간에 있어서, 측정체(13)의 POS 방향 이동 위치를 검출하는 센서로서 동작하고, 연산치「Va-Vb」는 제1 측정 구간 내에서 측정체(13)의 위치를 나타내는 것으로 된다. 또, 동작 원리가 차동 트랜스와 동일하다는 것은, 위치검출 장치(29)는, 차동 트랜스가 갖고 있는 메리트를 동일하게 갖고 있는 것으로 된다.

동일하게,「코일 B, C에 의한 측정 구간」(이하, 제2 측정 구간이라 칭함)에서는 연산치「Vb-Vc」가, 「코일 C, D에 의한 측정 구간」(이하, 제3 측정 구간이라 칭함)에서는 연산치「Vc-Vd」가, 측정체(13)의 POS 방향으로의 이동에 수반하여 변화한다. 그리고, 상기의 각 측정 구간은, 측정체(13)의 이동에 수반하여 코일(3)의 1 구간 마다에 발생하기 때문에, 대응하는 각 연산치는, 서로 인접하여 얻을 수 있는 위치 데이터로서 연속적으로 읽어들일 수 있다.

여기서, 측정체(13)가 제1 측정 구간에 있는 경우는, 연산치「Va-Vb」를 1번 말단 구간(도 중의 측정체(13)가 좌단)의 위치를 나타내는 데이터로서 출력한다. 또한, 측정체(13)가 제2 측정 구간에 있는 경우는, 연산치「Vb-Vc」를, 1 구간 분의 길이에 상당하는 위치 데이터를「옵셋」으로서, 위치 데이터에 추가한다.

동일하게, 측정체(13)가 위치하는 측정 구간에 따라서, 그때까지 통과한 측정 구간수가 Ｎ이면, 1 구간분의 길이 상당의 위치 데이터의 Ｎ배를 「옵셋」으로서 위치 데이터에 추가한다. 이 상태를, 도 5 중의「파형 합성」에 도시한다. 이에 의해, 복수의 측정 구간에 걸쳐 직선적으로 변화한다(연속적으로 변화하는) 위치 데이터를 독출(讀取)할 수 있다. 도 5에 도시하는 바와 같이, 코일(3)의 수가「4」인 경우, 위치가 측정가능한 구간수는「3」이다. 동일하게, 센서부(12)가 Ｎ개의 코일(3)으로 구성되어 있는 경우는「Ｎ-1」의 구간이 측정 범위로 된다. 또한, 상기와 같이 위치 데이터에 옵셋을 추가하는 처리는, 컨트롤러(19)가 데이터를 디지털 처리하면 용이하게 실현될 수 있다.

다음에, 컨트롤러(19)가, 측정체(13)가 어느 측정 구간에 위치하고 있는 지를 인식하기 위한 수법에 관하여 설명한다. 도 5에 도시하는 연산치「Va＋Vb」에 착안한다. 코일(3A 및 3B)에 의해 차동 트랜스로서 동작하는 제1 측정 구간 내에 측정체(13)가 위치할 때, 연산치「Va＋Vb」는 최저치 Vmin＿ab를 유지한다. 측정체(13)가 이 이외의 구간에 위치하면, 연산치「Va＋Vb」는 최저치 Vmin＿ab 보다도 높은 값을 나타낸다. 동일하게, 제2 측정 구간 내에 측정체(13)가 위치할 때, 연산치「Vb＋Vc」는 최저치 Vmin＿bc를 유지한다.

제1, 제2 측정 구간은 인접하고 있지만 오버랩은 하지 않기 때문에, 연산치「Va＋Vb」와 연산치「Vb＋Vc」가 각각 최저치 Vmin＿ab，Vmin＿bc를 유지하는 영역도 오버랩하지 않는다. 이 연산치는「Va＋Vb」, 「Vb＋Vc」, 「Vc＋Vd」, 「Vd＋Ve」…와 연속하여 존재하고, 그 수는, 코일(3)이 Ｎ개 있을 때는 (Ｎ-1)개 존재한다.

따라서, 측정체(13)가 위치하고 있는 측정 구간(현재의 측정 구간)을 판별하기 위해서는, 연산치「Va＋Vb」~「Vd＋Ve」…를 상호 비교하면 좋고, 최저치 Vmin＿ab 등을 나타내고 있는 구간이 현재의 측정 구간으로 된다. 또한, 어떤 측정 구간도 최저치를 나타내지 않은 경우는, 측정체(13)가 측정 가능 범위로부터 일탈하고 있는 것을 나타내기 때문에, 측정체(13)의 위치 이상(측정체(13)의 탈락)의 검출도 용이하게 할 수 있다.

여기까지의 설명에서는, 편의상, 연산치「Va＋Vb」등의 값을 사용하였다. 그러나, 도 1에 도시하는 구성에서, 컨트롤러(19)가 읽어들이는 데이터는, 감산치「Va-Vb」~「Vc-Vd」…이다. 가산치「Va＋Vb」를 얻기 위해서는, 가산기를 별도 사용하면 좋지만, 이하에 도 1에 도시하는 검출회로(9)의 구성에서 가산치「Va＋Vb」를 얻는 수법을 설명한다.

먼저, 1번 말단(좌단)의 구간, 즉 제1 측정 구간을 판별하기 위한 가산치「Va＋Vb」에 상당하는 신호 CHK＿AB를, 다음 식의 연산에 의해 얻는다.

CHK＿AB ＝(Va-Vb)-2×(Vb-Vc)

＝(Va＋Vb)-2×Vc

도 6에 도시하는 신호 CHK＿AB의 파형과 도 5의 연산치「Va＋Vb」를 비교하면, 제1 측정 구간에서 최저치 Vmin＿ab’등을 유지하는 특징이 일치하고 있어, 현재의 측정 구간을 판별하기 위하여 사용될 수 있음을 안다.

다음에, 1번 말단(좌단)의 구간에 인접하는 제2 측정 구간을 판별하기 위한 가산치「Vb＋Vc」에 상당하는 신호 CHK＿BC를, 다음 식의 연산에 의해 얻는다.

CHK＿BC＝(Vc-Vd)-(Va-Vb)

　　　 ＝(Vb＋Vc)-Va-Vd

도 6에 도시하는 신호 CHK＿BC의 파형과 도 5의 연산치「Vb＋Vc」를 비교하면, 역시 제2 측정 구간에서 최저치 Vmin＿bc’를 유지하는 특징이 일치하고 있다. 그리고, 신호 CHK＿CD, CHK＿DＥ(도시하지 않음)…에 관하여도, 신호 CHK＿BC와 동일한 처리를 하면 좋다.

이상과 같이, 신호 CHK＿AB만 연산이 상이하지만, 그 이외에 관해서는 신호 CHK＿BC와 동일한 연산으로 얻을 수 있다. 또한, 도시하지 않지만 우단의 측정 구간의 판별은, CHK＿AB 신호와 동일한 연산을 행하여 얻은 신호를 사용하면 좋다. 따라서, 차동 신호 만이 데이터로서 입력되는 구성이어도, 컨트롤러(19)의 연산에 의해, 측정 구간 판별용의 신호를 내부에서 생성할 수 있다.

또, 측정 구간을 판별하기 위한 신호를 얻기 위해서는, 도 7에 도시하는 수법을 사용하여도 좋다. 예컨대, 신호 CHK＿BC를, 다음 식의 연산으로부터 얻는다.

CHK＿BC ＝(Vc-Vd)×(Va-Vb)

얻어진 신호 CHK＿BC는, 제2 측정 구간에서만 음의 값을 얻기 때문에, 측정체(13)가 제2 측정 구간에 위치하고 있다는 것을 판별할 수 있다.

또한, 예컨대 각 코일(3)의 특성에 불균일이 있는 것에 의해, 예컨대 제2, 제3 측정 구간의 판별에 오차가 생길 가능성이 있다. 이것은 예컨대, 별도 설명하는 직선성 보정 등의 경우에 불균일도 보정하는 것이고, 각 코일(3)의 불균일에 의한 구간 판정 오차를 없앨 수 있다. 다시 말하면, 2개의 측정 구간의 환경에 극히 가까운 영역에서, 예컨대 본래는 제3 측정 구간인데 제2 측정 구간과 잘못하여 판정하여도, 연산치「Vb-Vc」는 도 5에 도시하는 바와 같이 제3 측정 구간의 영역에서는 급격하게 감소되지 않기 때문에, 최종적으로 위치 데이터로서 산출되는 값은 극히 경미한 오차밖에 포함하지 않고, 실용상의 문제는 적다.

본 실시형태의 위치 검출 장치(29)가 갖는 위치 검출의 정밀도·분해능에 관해서는, 이하와 같이 생각할 수 있다. 먼저, 1 구간 내의 정밀도(직선성)는, 차동 트랜스와 동등의 높은 정밀도로 된다. 또, 복수의 코일(3)의 구간에 걸쳐 검출 정밀도는, 축방향으로 나란히 각 코일(3)의 위치 정밀도로 정해진다. 코일(3) 자체는 심플하고 형상 정밀도를 내기 쉬운 상태에서 감기며, 코일 보호재(1)도 원통상이다. 이들 부재의 특징을 살려서 위치 정밀도가 우수한 서보모터나 볼 나사 등을 사용하면, 코일(3)의 위치 정밀도를 향상하는 것은 용이하다. 따라서, 복수의 코일의구간에 걸친 검출 정밀도(절대위치 정밀도도 포함)에 관해서도, 높은 정밀도를 얻을 수 있도록 센서부(12)를 제작할 수 있다.

또, 분해능에 관해서는, 코일(3)의 1 구간의 분할수(분해능)를 일정하게 취급하는 것은 용이하고, 검출 범위를 넓히기 위해서, 코일(3)의 구간수를 늘리는 경우는, 그 구간수에 상관없이, 분해능(데이터 1bit 당의 거리)은 일정하다.

지금까지 서술한 동작 원리는 하프 브릿지형 차동 트랜스(DVRT)의 응용이고, DVRT의 동작 원리에 따른 특징을 갖고 있다. 한편, DVRT의 1차 코일과 2차 코일을 분리한 것이 차동 트랜스(LVDＴ)라고 보는 방법으로 하면, 위치 검출 장치(29)에서도, Ｎ개의 코일(3)의 전역에 걸쳐 1차 코일(여자 코일)을 별도 설계하고, Ｎ개의 코일(3)을 2차 코일로 하면, 상술한 센서의 특징을 포함하는 센서로서 취급할 수 있다(제 5실시형태 참조).

다음에, 도 4에 도시한 각 부재 등에 관하여 설명한다.

＜코일 3＞

코일(3)의 재료로서는, 표면이 절연된 마그넷 와이어가 사용될 수 있다. 1개의 코일(3)은 어떤 층(1층이어도 가능)으로 감기고, 1 구간 마다의 피치로 배치되기 때문에, 1개의 코일(3)의 길이는 1 구간 이하로 된다. 또, 코일(3)의 외주에 절연체(절연지)를 감아서 절연강화를 도모할 수 있다. 또, 검출 회로(9)으로의 접속 배선(10)은 코일(3)의 외주측에 돌아감아도 좋다.

＜코일 지지재(1), 절연체(2)＞

코일 지지재(1)는, 코일(3)의 자기 형상 유지, 및 복수의 코일(3)의 상대 위치를 고정하는 것으로, 전압적 도체이어도 좋지만, 쇼트 코일로서 기능하기 때문에 코일(3)의 임피던스를 저하시키는 효과가 있다. 따라서, 도체를 사용하는 경우는, 전압 저항이 높은 스테인레스강이나 니켈 합금(하스텔로이, 인코넬…등록상표)을 사용하는 편이 좋다. 또 그 두께도 얇은 편이 좋다. 또, 코일 지지재(1)는, 수지 등의 절연체이어도 좋다.

또한, 코일 지지재(1)에 자성재를 사용하여도 좋다. 이 경우 코일(3)의 임피던스를 증가시켜, 보다 감도를 높일(신호 변화가 크게 되는) 수가 있다. 단, 자성재의 온도 특성 등에 주의가 필요하게 된다. 또, 비자성의 코일 지지재(1)의 내주에 자성재를 배치할 수도 있다. 코일재(마그넷 와이어) 자신이 절연되어 있기 때문에, 코일(3)과 코일 지지재(1) 사이의 절연체(2)는 반드시 필요한 것은 아니지만, 코일(3)과 케이스(6)의 절연 내압을 향상시키는 경우 등은 필요하게 된다. 또, 코일(3)에 성형 코일 등을 사용하고, 코일(3) 간을 접착하면, 코일 지지재(1)를 불필요로 하게 할 수 있다.

＜센서 슬리브(4)＞

센서 슬리브(4)는, 위치 검출 동작에는 필수인 것은 아니다. 코일부의 기계적인 보호나, 밀폐 구조를 실현하기 위하여 등에 필요하게 된다. 도 4에 도시하는 바와 같이 측정체(13)가 외주측에 위치하는 경우, 센서 슬리브(4)는 비자성재의 필요가 있다. 센서 슬리브(4) 자체는, 역시 쇼트 코일로서 기능하기 때문에, 전기전도도가 낮은 것을 사용하면 코일(3)의 임피던스가 저하하여 신호 변화가 작아지게 되어 바람직하지 않다. 따라서, 전기전도도가 높은 것이 적절하다. 예컨대, 오스테나이트계 스테인레스나, 니켈 합금(하스텔로이, 인코넬…등록상표) 등이 사용 가능하다.

또한 동일한 이유에서, 그의 두께도 얇은 편이 바람직하지만, 기계적 강도와의 밸런스를 고려할 필요가 있고, 특히 센서 코일부(12)를 예컨대 실린더 내장으로 한 경우는 (제11 실시형태 참조), 유압으로 파손되지 않는 두께가 필요하게 된다. 압력이 특별히 걸리지 않는, 혹은 방수의 필요가 없는 것과 같은 용도에서는 센서 슬리브(4)는 수지성의 부재, 예컨대 글래스 에폭시 수지 강화 또는 카본 파이버 강화의 파이프를 사용할 수 있고, 경량화, 저 비용화에 유리하다.

＜센서 케이스(6), 선단부 커버(5), 후단 커버(11), 측정체 지지재＞

센서 케이스(6), 선단부 커버(5), 후단 커버(11)는, 코일 지지재(1), 센서 슬리브(4) 등의 상대 위치의 고정을 하기 위하여, 혹은 밀폐 구조를 실현하기 위한 부재이고, 자성재, 비자성재, 도전체, 절연체 어떤 것이어도 좋다.

＜센서 인출 케이블(8)＞

센서 인출 케이블(8)은, 코일(3)의 배선(7)을 센서 코일부(12)의 외부로 인출하여, 검출 회로(9)에 접속하기 위하여 사용한다. 인출 케이블(8)의 말단은, 커넥터 접속되어 있어도 좋다.

＜그 외＞

기밀성 등을 높이기 위하여, 적절한 Ｏ링(팩킹) 등이 사용 가능하다. 이들은 일반적으로, 그의 재질은 절연체이고 위치 검출 동작에 영향을 주지 않기 때문에, 필요한 개소에 임의로 장착 가능하다. 또, 각 부재 간의 접합은, 접착·압입·용접·나사 고정 등의 방법을 취할 수 있다.

이상과 같은 본 실시형태에 의하면, 각각이 동일 주파수의 교류 신호에서 여자되는 복수의 코일(3)을, 길이방향이 동심축 상에 늘어서도록 배치하여 센서 코일부(12)를 구성한다. 복수의 차동 증폭 회로(16)는, 각 코일(3)의 양단의 차동 신호를 출력하고, 연산기(17)는, 2개의 코일(3)에 대응하는 차동 신호를 감산하여 감산 신호를 컨트롤러(19)에 출력한다. 컨트롤러(19)는, 센서 코일부(12)의 외주측에 위치하고, 코일(3)의 임피던스를 변화시키는 재료를 포함하는 측정체(13)가 동심축 방향을 따라서 이동하였을 때의 측정체(13)의 축방향 위치를, 상기 감산 신호를 연산하는 것으로 선형으로 변화하는 위치 신호로서 출력한다.

그때에, 컨트롤러(19)는, 복수의 차동 신호를 연산한 결과를 기본으로 하고측정체(13)의 현재 위치에 대응하는 코일(3)을 특정한다. 구체적으로는, 복수의 감산 신호를 연산하는 것으로 2개의 차동 신호의 가산 신호를 구하고, 그의 가산 신호를 기본으로 하여 측정체(13)의 현재 위치에 대응하는 코일(3)을 특정한다. 또는, 복수의 감산 신호를 곱셈한 결과를 기본으로 하여 코일(3)을 특정한다. 그리고, 특정된 코일(3)을 기본으로 하여, 복수의 감산 신호의 변화가 복수의 코일(3)의 배열 순에 따라서 연속하도록 위치 신호를 합성하여 출력한다.

따라서, 코일(3)의 배열수에 따라서 위치 신호를 연속적으로 또 선형으로 출력할 수 있기 때문에, 측정체(13)의 위치 검출 범위를 극히 간단하게 확장할 수 있다. 또, 측정체(13)의 축방향 길이 치수는, 적어도 1개의 코일(3)의 길이 치수 이상이면 좋기 때문에, 측정체(13)의 외형에 대한 제약이 작고, 설계의 자유도를 향상시킬 수 있다. 또한, 특허문헌 1과 같이, 위치 검출 장치(29)의 게인이 측정체(13)의 특성에 의해 영향을 받는 일이 없고, 위치 신호의 레벨은, 코일(3)의 배열 수에 비례하기 때문에, 검출 범위를 확장하여도 분해능은 저하하는 일이 없고, 온도 특성이 악화되는 일도 없다.

또, 검출 회로(9)는, 위치 신호를 기본으로 하여, 미리 설정된 위치에서 접점 출력부(24)를 온·오프시키는 스위치 신호를 출력하는 전자 리미트 스위치 기능을 포함하기 때문에, 상위 유닛(23)이나 상위 유닛(23)과의 데이터의 송수신 등이 어떤 결함에 의해 동작 이상에 빠지더라도, 위치 검출 장치(29)는 단체로서 규정 대로의 동작이 가능하고, 외부 기기(25)를 통하여 측정체(13)의 위치에 제약을 가하는 것과 같이, 시스템의 안전성을 향상시킬 수 있다.

또, 리미트 스위치 기능에, 소정 시간 당 위치의 변화와 소정 문턱치와의 비교 결과에 따라서 ON/OFF 신호를 출력하는 제한 속도 검출 기능을 포함하기 때문에, 측정체(13)의 이동 속도가 너무 빠른 상태로 되었을 때에 속도 제한을 행하는 것으로, 안전성을 향상시킬 수 있다.

또한, 측정체(13)의 현재 위치에 대응하는 코일(3)을 특정하기 위하여, 2개의 차동 신호의 가산 신호를 구할 때에, 반드시 복수의 감산 신호를 연산한 결과로부터 가산 신호를 얻을 필요는 없고, 차동 증폭 회로(16)의 후단에 별도 가산기를 배치하여 가산 신호를 구하여도 좋다.

(제2 실시형태)

도 8은 제2 실시형태를 도시하는 것으로, 제1 실시형태와 동일한 부분에는 동일 부호를 붙여서 설명을 생략하며, 이하 상이한 부분에 관하여 설명한다. 도 8에 도시하는 바와 같이, 제2 실시형태의 검출 회로(31)에서는, 차동 증폭 회로(16G) (차동 신호 출력 수단, 온도검출 수단), LPF(32) 및 A/D 컨버터 18(6)이 추가되어 있다. 차동 증폭 회로(16G)의 반복 입력 단자는 코일(3F)의 일단(그라운드)에 접속되어 있고, 비반복 입력 단자는 코일(3A)의 일단(차동 증폭 회로(16A)의 반복 입력 단자)에 접속되어 있다. 차동 증폭 회로(16G)의 출력 신호는, LPF(32) 및 A/D 컨버터 18(6)를 통하여 컨트롤러(19A)(온도 검출 수단，도시되지 않음)에 입력되어 있다.

다음에, 제2 실시형태의 작용에 관하여 설명한다. 상기의 구성을 추가한 것으로, 컨트롤러(19A)가 A/D 컨버터 18(6)를 통하여 읽어들이는 데이터는, 코일(3A~3F)의 직렬 회로의 양단에 인가되는 직류상당 전압으로 된다. 이에 의해 컨트롤러(19A)는, 코일(3)의 온도를 측정측정 가능하게 되어 있다.

마그넷 와이어로서 사용되는 일반적인 연동선은, 그의 저항치가, 온도에 따라서 약 -0.39%/℃에서 변화하는 것이 알려져 있다. 도면의 신호원(33)은 제1 실시형태의 발진회로(14) 및 여자회로(15)에 상당하지만, 신호원(33)을 정전류 구동하는 것으로, 코일(3)에 직류전류 성분을 항상 일정치 흐르게 하는 것이 가능하다. 코일(3A~3F)의 직렬 회로 양단의 전압(직류 성분)은, 직렬 회로의 직류저항에 비례한다. 따라서 컨트롤러(19A)는, A/D 컨버터 18(6)를 통하여 읽어들인 데이터 값으로부터, 코일(3)의 온도를 역산할 수 있다.

이와 같이 구성하는 것으로, 예컨대, 센서 코일부(12)와 검출회로(31)가 떨어진 장소에 설치되게 하는 경우에서도, 코일(3)의 온도를 정확하게 측정할 수 있다. 측정된 온도는, 코일(3)에 의한 온도 드리프트를 캔슬하기 위하여 사용하여도 좋다. 또, 상위 유닛(23)에 온도 정보를 전달하는 것도 가능하고, 센서 코일부(12), 혹은, 센서 코일부(12)를 포함하는 시스템이 이상한 온도로 되어, 방치하면 고장에 이르는 상태를 경고할 수도 있다.

이상과 같이 제2 실시형태에 의하면, 센서 코일부(12)의 양단의 차동 신호를 출력하는 차동 증폭 회로(16G)를 갖고, 컨트롤러(19A)는, 상기 차동 신호를 기본으로 하여 센서 코일부(12)의 온도를 검출하도록 하였다. 따라서, 센서 코일부(12)가 과열상태로 되는 것을 방지하기 위한 처리가 가능하게 된다.

(제3 실시형태)

도 9에 도시하는 제3 실시형태는, 센서 코일부(12)의 구동 형식의 변형 예를 도시한다. 도 9a에서는, 2개의 신호원 33(1) 및 33(2)을 사용하여, 신호원 33(1)을 코일(3A~3C)의 직렬 회로의 양단에 접속하며, 신호원 33(2)을 코일(3D~3F)의 직렬 회로의 양단에 접속한다. 이 경우, 코일(3A~3C)과 코일(3D~3F)을 전기적으로 접속할 필요는 없다. 또, 신호원 33(1)과 신호원 33(2)과의 주파수나 위상 관계가 잘못되어 있어도 동작은 가능하다. 이와 같이 2개의 신호원 33(1) 및 33(2)에서 센서 코일부(12)를 구동하는 메리트는, 1개의 신호원(33)에서 구동하는 코일(3)의 수가 감소하기 때문에, 코일(3)에 전류를 보다 많이 흐르게 하는 것이 가능하게 되며, 내노이즈성의 향상이나, 외부 자계의 영향이 저하될 수 있다.

동일하게, 도 9b에 도시하는 바와 같이, 코일(3)과 신호원(33)을 1대 1로 접속하여 개별적으로 구동할 수 있고, 도 9c에 도시하는 바와 같이, 코일(3A~3C)의 직렬 회로에 신호원 33(1)을 접속할 때에, 각 코일(3A~3C)의 일단 측을 공통(common)으로 접속하여 구동하는 것도 가능하다.

(제4 실시형태)

도 10에 도시하는 제4 실시형태는, 센서 코일부(12)에 2개의 측정체 13(1) 및 13(2)를 배치한 구성이다. 위치 검출 장치(29)에서는, 전술한 바와 같이 측정체(13)가 코일(3)의 특성에 변화를 미치는 범위가, 측정체(13)가 위치하는 지점으로부터 유한의 범위 내에 들어가고 있다. 따라서, 2개의 측정체 13(1), 13(2)가, 각각 위치 검출의 대상으로 되는 코일(3)의 임피던스 변화에 상호 영향을 미치기 시작하는 위치에 가까워지지 않는 한, 2개의 측정체 13(1), 13(2)의 변위는, 각각 독립한 현상으로서 검지할 수 있다. 또한, 측정체(13)를 3개 이상으로 증가하는 것도 가능하다. 또한, 복수의 측정체(13)가, 상술한 제한 범위 내에 서로 가까워진 경우는 측정 이상으로서 검출되고, 상위 유닛(23)으로 경고를 발하는 등도 가능하다.

(제5 실시형태)

도 11 및 도 12에 도시하는 제5 실시형태는, 제1 실시형태에서 서술한 바와 같이 1차 코일을 설계한 구성이다. 센서 코일부(41)에, 코일(3A~3F)을 2차 코일로서 1차 코일(여자 코일)(42)을 대향 배치하고, 1차 코일(42)의 양단에 신호원(33)을 접속하여 교류 신호를 공급한다. 이 경우, 도 4의 상당도인 도 12에 도시하는 바와 같이, 1차 코일(42)은, 센서 슬리브(4)의 내부에 배치된다. 센서 코일부(41)를 이와 같이 구성하는 것으로, 위치 검출 장치(43)를, 하프 브릿지형 차동 트랜스와 동일한 특징을 포함하는 위치 센서로 할 수 있다.

(제6 실시형태)

도 13에 도시하는 제6 실시형태의 위치 검출 장치(51)는, 제2 실시형태의 검출 회로(38)의 구성을 포함하고 있다(제1 실시형태의 검출 회로(9)이어도 좋다). 제6 실시형태에서는, 비휘발성 메모리(21)(기억수단)에 위치 검출 장치(51)의 직선성을 보정하기 위한 데이터를 미리 기억시켜 놓고, 측정체(13)의 위치를 검출하였을 때에, 컨트롤러(19B)가 상기 데이터를 사용하여 검출 위치의 직선성을 보정한다. 이하, 그의 보정에 사용하는 데이터의 취득에 관하여 설명한다.

먼저, 절대치 정밀도, 직선성이 우수한 직선 변위 검출 센서를 준비한다. 여기서는, 광학식의 리니어스케일(52)로 한다. 이 리니어스케일(52)의 검출 헤드(53)와 측정체(13)를 연결하여 직선 이동하는 대(도시하지 않음)에 고정한다. 이 이동대는, 외부로부터 임의의 위치에서 이동할 수 있도록 한다.

광학식 리니어스케일(52)의 스케일(54)을, 검출헤드(53)의 이동에 수반하여 그의 센서 출력 데이터 (위치 데이터)를 읽어들이도록 설치한다. 검출헤드(53)로부터 위치 데이터가 출력되면, 위치 검출 장치(51)의 컨트롤러(19B)가, 그의 위치 데이터를 보정용 I/F54를 통하여 읽어들인다. 일반적으로 광학식 센서의 위치 출력은 A/B상 출력으로 되어 있지만, 보정용 I/F54은, 그와 같은 2상 출력이 입력되어, 정확한 절대 위치를 읽어들이도록 되어 있다.

상기의 설치 상태에서, 이동대를 센서 코일부(12)의 일단으로부터 타단 방향으로 서서히 이동시킨다. 이때, 컨트롤러(19B)는, 광학식 리니어 스케일(52)에 의해 얻어지는 정확한 절대 위치와, 센서 코일부(12)에 의해 자신이 검출한 위치의 편차를 취득하고, 상기 위치의 일정 거리 마다에, 그의 편차를 비휘발성 메모리(21)에 기억한다. 예컨대 전측정 범위를 16 bｉｔ 데이터로 출력하는 경우, 그의 데이터 값은 0~65535를 나타낸다. 예컨대, 데이터값 1024씩 편차를 기억하면, 전 64 포인트의 편차 데이터를 테이블치로하여, 비휘발성 메모리(21)에 기억하게 된다.

이와 같이 편차 데이터를 기억하는 처리는, 공장에서 위치 검출 장치(51)를 제조하였을 때에 행해진다. 그 때문에, 컨트롤러(19B)에 보정 전용 프로그램을 서입하든가, 미리 써 넣은(서입된) 보정 프로그램을 외부로부터 지시(설정 스위치(25)에 의한 입력 등)하여 기동하는 것으로 보정 데이터 기억 처리를 실시한다.

기억처리가 완료된 후, 위치 검출 장치(51)가 실제로 측정체(13)의 위치를 검출할 때에, 그의 위치가 예컨대 상기 64개소의 보정 포인트의 사이에 있는 경우는, 그의 전후의 보정 포인트로부터 직선 보간한 보정 데이터를 산출한다. 그리고, 보정 전의 데이터로부터 보정 데이터를 감산하는 것으로 직선성이 보정된 위치 데이터가 산출된다.

이상과 같이 제6 실시형태에 의하면, 위치 신호의 선형성을 보정하기 위한 보정 데이터가 미리 기억되어 있는 비휘발성 메모리(21)를 포함하고, 컨트롤러(19B)는, 위치 신호를 구할 때에, 상기 보정 데이터를 사용하여 선형성을 보정한다. 따라서, 위치 검출 정밀도를 향상시킬 수 있다.

(제7 실시형태)

도 14에 도시하는 제7 실시형태는, 측정체(13A)의 길이를 코일(3)의 1 구간분의 2배로 하였을 때의 검출 상태를 나타낸다. 이 경우, 차동 트랜스로서의 코일(3)은, 1개 건너 2개의 코일(3)에 의해 구성되며, 차동 신호는 (Va-Vc)，(Vb-Vd)，(Vc-Ve)으로 된다. 도 중에 도시하는 바와 같이 최초는 「코일 A, C에 의한 측정 구간」, 이어서 「코일 B, D에 의한 측정 구간」으로 된다. 이와 같은 경우는, 측정 가능한 구간 범위는, 코일(3)의 수가 Ｎ개이면, 측정범위 수는 「Ｎ-2」으로 된다.

또, 가산 신호 (Va＋Vc)，(Vb＋Vd)，(Va＋Vc)는, 최저치(L＝Vmin)를 도시하는 구간이 각각 1 구간씩 어긋나고 있다. 따라서, 이들 가산 신호의 변화를 참조하는 것으로, 측정체(13A)의 현재 위치에 대응하는 코일(3)(측정 구간)을 특정할 수 있다. 즉, 가산 신호가 최저치(L)를 나타내지 않는 상태를 「×」로 하면,

가산신호/측정구간　 3A 및 3C　 3B 및 3D　 3C 및 3Ｅ

Va＋Vc　　　　　 L　　　　　 L　　　　 ×

Vb＋Vd　　　　　　 L　　 L　　　　　 L

Va＋Vc　　 ×　　 L　　 　　　L

로 되어 있다. 예컨대, 코일(3B 및 3D)이 측정 구간으로 되는 경우는, 가산 신호 (Va＋Vc)，(Vb＋Vd)，(Va＋Vc)가 모두 최저치(L)를 나타내고 있다. 이에 의해, 측정 구간의 특정이 가능하다.

또한, 예컨대 가산 신호 (Va＋Vc)는, 이하의 연산에 의해 얻을 수 있다.

(Va-Vc)＋2(Vc-Ve)

＝ Va-Vc＋2Vc-2Ve＝(Va＋Vc)-2Ve

가산 신호 (Va＋Vc)가 최저치를 나타내는 구간에서 신호 Ve는 제로 레벨이기 때문에, 제2항의 영향은 없다.

(제8 실시형태)

도 15에 도시하는 제8 실시형태는, 원주상의 측정체(55)를, 그보다 직경이 작게 되는 봉상의 지지체(56)의 선단에 고정되고, 코일 지지재(1)의 내부에서 변위시키도록 한 구성이다. 이 경우, 코일 지지재(1)의 재질은, 신호의 변화를 검출하기 위한 비자성재나 수지 등의 절연체의 필요가 있다. 또, 지지체(56)의 재질은, 자성재, 비자성재, 도전체, 절연체 모두 사용가능하지만, 자성재를 사용하는 경우, 측정체(13)에 의한 코일(3)의 임피던스 변화보다도, 충분히 영향이 적은 것을 사용하지 않으면 오차 등이 증가한다.

이 경우, 선단부 커버(5A)는, 측정체(55)를 코일 지지재(1)의 내부에 도입시키기 위한 관통공을 갖고 있다. 또한, 센서 케이스(6A)도, 코일 지지재(1)의 중공부에 연통하는 연통부(6B)를 가진 형상이고, 또한 후단 커버(11A)도, 중심부에 연통부(6B)와 동일 직경의 공을 갖는 형상으로 되어 있다.

(제9 실시형태)

도 16에 도시하는 제9 실시형태는, 센서 케이스(6)의 내부 공간에 검출 회로(9)를 배치한 구성이다. 이 경우, 인출 케이블(8)을 통하여 외부로 도출되는 배선(57)은, 외부 전원(27)에 접속되는 전원선이나, 상위 유닛(23) 및 외부 기기(25) 와의 접속선으로 된다. 이와 같이 구성하면, 위치 검출 장치(29)를 보다 컴팩트하게 구성할 수 있다. 단, 위치 검출 장치(29)의 내열온도는, 검출 회로(9)에 실장되어 있는 반도체 소자 등의 동작 가능한 온도 범위에서 제한되는 경우가 있다.

(제10 실시형태)

도 17에 도시하는 제10 실시형태는, 코일(3)을 1층 권취한 경우를 도시한다. 1층 권취한 경우, 코일(3)을 권취하는 작업은, 와이어를 항상 1방향으로 계속 감고, 도중에서 각 코일(A~D)의 탭을 내는 것만으로도 좋다. 따라서, 극히 작업성이 좋고, 제조 공정을 간략화할 수 있다.

(제11 실시형태)

도 18에 도시하는 제10 실시형태는, 센서 코일부(12)를, 실린더(61)의 내부를 왕복 이동하는 로드(62)의 내부에 배치한 구성을 나타낸다. 로드(62)의 내부에 센서 슬리브(4)가 접속하지 않는 직경으로 구멍을 열고, 측정체(13)를 로드(62)의 내벽 단부에 고정한다. 센서의 슬리브(4)나 측정체(13)에는 실린더의 압력이 걸리지만, 센서 코일부(12)는 전술한 바와 같이 강고한 구조이기 때문에, 적용이 가능하다. 가동하는 로드(62)에 결합되는 것은 금속성의 링(측정체(13)) 뿐이고, 로드(62)에 더해지는 진동·충격에 대하여 극히 강한 내성을 지닌다. 또한, 실린더(61)로서 필요한 O 링(팩킹)류나 오일의 포트 등은 도시되어 있지 않다.

본 발명은, 상기한 또는 도면에 기재한 실시형태에만 한정되는 것은 아니고, 이하와 같은 변형 또는 확장이 가능하다.

코일(3)을, 절연체로 이루어지는 코일 지지체(1)에 직접 둘러 감아도 좋다.

도 4에서, 각 코일(3)의 배선을 코일 지지체(1)의 내부를 통하여 행할 필요가 없으면, 코일 지지체(1)는 중공(파이프 형상)일 필요는 없다.

전자 리미트 스위치 기능이나, 제한속도 검출 기능은, 필요에 따라서 설치하면 좋다.

온도 검출 수단은, 서미스터 등을 사용하여도 좋다.

산업상의 이용 가능성

이상과 같이, 본 발명에 걸리는 위치검출 장치는 측정체의 직선 이동 위치를 검출하는 용도에 유용하다.

3은 코일(센서코일), 9는 검출회로, 12는 센서 코일부, 13은 측정체, 16은 차동 증폭 회로(차동 신호 출력 수단), 17은 연산회로(감산 신호 출력 수단), 19는 콘트롤러(위치 검출 수단, 코일 특정 수단), 28은 위치 검출 장치를 나타낸다.

Claims (9)

1. 길이 방향이 동심축 상에 늘어서도록 배치되고, 각각이 동일 주파수의 교류 신호에 의해 여자되는 3개 이상의 센서 코일(3)을 가져서 이루어지는 센서 코일부(12，41)와,
   각 센서 코일(3)의 양단의 차동 신호를 출력하는 복수의 차동 신호 출력 수단(16)과,
   2개의 센서 코일(3)에 대응하는 차동 신호를 감산하여, 감산 신호를 출력하는 복수의 감산 신호 출력 수단(17)과,
   상기 센서 코일부(12，41)의 외주측 또는 내주측에 위치하고, 상기 센서 코일(3)의 임피던스를 변화시키는 재료를 포함하는 측정체(13，55)가 상기 동심축 방향을 따라서 이동하였을 때의 상기 측정체(13)의 축방향 위치를, 상기 감산 신호를 연산하는 것으로 선형으로 변화하는 위치 신호로서 출력하는 위치 검출 수단(19，19A，19B)을 포함하는 위치 검출 장치에 있어서,
   측정체(13)의 축방향 길이 치수는, 적어도 1개의 센서 코일(3)의 길이 치수 이상이고,
   상기 차동 신호는, 상기 측정체의 위치 변화에 대응하여, 신호 레벨이 하강한 후에 상승으로 바뀌도록 변화하는 것으로서,
   복수의 차동 신호를 연산한 결과를 기본으로 하고, 상기 측정체(13，55)의 현재 위치에 대응하는 센서 코일(3)을 특정하는 코일 특정 수단(19，19A，19B)을 포함하며,
   상기 위치 검출 수단(19，19A，19B)은, 상기 코일 특정 수단(19，19A，19B)에 의해 특정되는 센서 코일(3)을 기본으로 하여, 복수의 감산 신호의 변화가, 복수의 센서 코일(3)의 배열 순에 따라서 연속하도록 위치 신호를 합성하여 출력하는 것을 특징으로 하는 위치 검출 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 코일 특정 수단(19，19A，19B)은, 2개의 차동 신호의 가산 신호를 기본으로 하여, 상기 측정체(13，55)의 현재 위치에 대응하는 센서 코일(3)을 특정하는, 위치 검출 장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 코일 특정 수단(19，19A，19B)은, 복수의 상기 감산 신호를 연산하는 것으로 2개의 차동 신호의 가산 신호를 구하는, 위치 검출 장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 코일 특정 수단(19，19A，19B)은, 복수의 상기 감산 신호를 승산한 결과를 기본으로 하고, 상기 측정체(13，55)의 현재 위치에 대응하는 센서 코일(3)을 특정하는, 위치 검출 장치.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 센서 코일(3)은, 1층 감기로 구성되어 있는, 위치 검출 장치.
6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 센서 코일부(12)의 양단의 차동 신호를 출력하는 차동 신호 출력 수단(16G)을 갖고, 상기 차동 신호를 기본으로 하여 상기 센서 코일부의 온도를 검출하는 온도 검출 수단(19A)을 포함하는, 위치 검출 장치.
7. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 위치 검출 수단(19B)은, 상기 위치 신호를 선형으로 변화하는 신호로서 출력하고,
   상기 위치 신호의 선형성을 보정하기 위한 보정 데이터가 미리 기억되어 있는 기억수단(21)을 포함하고,
   상기 위치 검출 수단(19B)은, 상기 감산 신호를 연산하여 상기 위치 신호를 구할 때에, 상기 보정 데이터를 사용하여 선형성을 보정하도록 구성되어 있는, 위치 검출 장치.
8. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 위치 신호를 기본으로 하여, 미리 설정된 위치에서 온·오프하는 스위치 신호를 출력하는 전자 리미트 스위치 기능(19，23)을 포함하는, 위치 검출 장치.
9. 제8항에 있어서, 상기 전자 리미트 스위치 기능은, 설정된 소정 시간에 대한 상기 위치 신호의 변화량이, 설정된 변화량을 초과하였을 때에 온·오프하는 스위치 신호를 출력하는 제한속도 검출 기능(19，23)도 포함하는, 위치 검출 장치.
   

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