JP4195152B2

JP4195152B2 - 位置検出装置

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Publication number: JP4195152B2
Application number: JP21901599A
Authority: JP
Inventors: 康夫根門
Original assignee: ソニーマニュファクチュアリングシステムズ株式会社
Priority date: 1999-08-02
Filing date: 1999-08-02
Publication date: 2008-12-10
Anticipated expiration: 2019-08-02
Also published as: US6373239B1; JP2001041704A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、工作機械や産業用ロボット等の可動部分の移動量や移動位置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】
従来より工作機械や産業用ロボット等の可動部分の移動量や移動位置を検出する位置検出装置が知られている。
【０００３】
このような位置検出装置として、本出願人が特願平９−８１０１６号により提案した位置検出装置がある。
【０００４】
図１５に、特願平９−８１０１６号で提案した位置検出装置を示す。
【０００５】
図１５に示す位置検出装置１００は、発磁体からなるスケール１０１と、このスケール１０１から発生する磁界を検出する磁気センサ１０２とを有する。
【０００６】
スケール１０１は、材質が例えばフェライト系プラスチックマグネットからなり、主面１０３が長方形とされた板状の形状となっている。この主面１０３の大きさは、長手方向の長さがＬ₁₁であり、この長手方向に直交する方向（以下、幅方向とする。）の長さがＷ₁₀である。このスケール１０１は、主面１０３に対して垂直に磁化された互いに逆極性の着磁面１０３ａ、１０３ｂを有している。着磁面１０３ａと着磁面１０３ｂとの境界は、図１６に示すように、直線で区切られ、境界線ｍを形成している。この境界線ｍは、主面１０３の長手方向の中心線ｎ（以下、単に中心線ｎとする。）に対して、この主面１０３の中心ｏで交差している。中心線ｎと境界線ｍとの交差角は、θである。
【０００７】
磁気センサ１０２は、閉磁路を形成した方形の環状のコア１０４と、このコア１０４の長手方向の相対する２辺に巻かれたコイル１０５，１０６とにより構成されている。コア１０４は、材質が例えばパーマロイやアモルファス等の高透磁率材料からなる。コイル１０５，１０６は、コア１０４の長手方向の平行した２辺にφ０．０６ｍｍのＣｕ線を左右５０回ずつ巻きつけて形成されている。コア１０４に巻いたコイル１０５，１０６は、互いに逆方向に磁界が発生するように、高周波のパルス電流が流される。
【０００８】
このようなスケール１０１と磁気センサ１０２とは、互いが一定距離離された状態とされて、コイル１０５，１０６の中心軸がスケール１０１の主面１０３に対して垂直となるように配置される。また、このようなスケール１０１と磁気センサ１０２とは、コイル１０５，１０６の２つの中心軸が、スケール１０１の主面１０３の幅方向に並ぶように配置され、且つ、そのコイル１０５，１０６の２つの中心軸の中心位置（即ち、方形の環状コアの中心位置）が、スケール１０１の主面の中心線ｎの直上に位置するように配置される。
【０００９】
このように配置されたスケール１０１と磁気センサ１０２とは、それぞれ工作機械等の固定部と可動部とに取り付けられ、スケール１０１の主面１０３の中心線ｎ上を、長手方向に相対移動する。磁気センサ１０２は、スケール１０１上の長手方向の各位置において、スケール１０１から発せられる主面１０３に対して垂直方向の磁界を検出する。
【００１０】
ここで、主面１０３の長手方向をＸ方向とし、主面１０３の幅方向をＹ方向とし、主面１０３に対して垂直な方向をＺ方向として、この位置検出装置１００の動作原理について説明する。
【００１１】
スケール１０１の中心線ｎと境界線ｍとの交差点ｏ上において、このスケール１０１のＹ方向の断面をとったとき、この断面から生じるＺ方向の磁界は、図１７及び図１８に示すように、−Ｗ₁₀／４〜Ｗ₁₀／４（Ｙ方向）の範囲で直線的に変化をする。従って、この断面から生じるＺ方向の磁界は、スケール１０１のＹ方向の位置を示す。
【００１２】
スケール１０１の長手方向（Ｘ方向）の長さＬ₁₁に対して、検出有効長をＬ₁₂（Ｌ₁₂＜Ｌ₁₁）とし、交差角θを、θ＝ｔａｎ^-1（ｄ／Ｌ₁₂）（ｄは、Ｗ₁₀／２以下）だけ傾けるようにスケール１０１を構成する。そして、磁気センサ１０２をスケール１０１の検出有効長Ｌ₁₂の範囲内で中心線ｎ上をＸ方向に移動させ、互いに逆極性に着磁された着磁面１０３ａ、１０３ｂのＺ方向の磁界を、２つのコイル１０５，１０６で検出する。この２つのコイル１０５，１０６の出力の差分は、交差点ｏの位置でＹ方向に断面をとったときにＹ方向の各位置においてＺ方向の磁界が変化すると同様に、スケール１０１の長手方向の各位置において直線的に変化する。すなわち、スケール１０１と磁気センサ１０２との相対移動位置の違いに応じて、磁気センサ１０２が検出する垂直方向の磁界の大きさが変化する。従って、この位置検出装置１００では、磁気センサ１０２により検出した垂直方向の磁界の大きさから、スケール１０１と磁気センサ１０２との相対移動位置を検出することができる。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、スケール１０１から発生される磁界は、直線性の高い磁界変化が生じる領域の範囲が非常に狭い。そのため、上述した位置検出装置１００では、スケール１０１又は磁気センサ１０２が、振動等によって位置ずれをした場合、その位置ずれが検出精度に大きく影響し、高精度に位置検出をすることが困難となってしまっていた。また、スケール１０１及び磁気センサ１０２を工作機械等に取り付ける場合、スケール１０１と磁気センサ１０２との位置決めが困難である。そのため、上述した位置検出装置１００では、取付による出力のばらつきが大きくなってしまう。特に、磁気センサ１０２が直線性の高い磁界変化が生じる領域外に取り付けられてしまった場合には、精度が極端に悪化してしまう。
【００１４】
また、磁気センサ１０２は、コイルセンサであるため、感磁方向となるコイルの巻線方向の寸法が最も大きくなる。上述した位置検出装置１００では、スケール１０１の主面１０３に対して垂直方向の磁界を検出するため、巻線によってセンサ寸法が最も大きくなる感磁方向をこの主面１０３に対して垂直となるように磁気センサ１０２を配置しなければならなく、装置が大型化してしまっていた。
【００１５】
本発明は、このような実情を鑑みてされたものであり、取付誤差、振動、位置ずれ等による出力特性の影響が少なく、さらに、装置の小型化を図ることが可能な位置検出装置を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決するために、本発明にかかる位置検出装置は、磁界発生手段と、上記磁界発生手段に対して相対的に直線移動するとともに上記磁界発生手段により発生された磁界を検出する磁界検出手段とを有し、上記磁界検出手段により検出された磁界に基づき上記磁界発生手段と上記磁界検出手段との相対移動位置を検出する位置検出装置であって、上記磁界検出手段が、上記磁界発生手段との相対移動方向に対して直交するとともに上記磁界発生手段との対向方向に直交する方向（感磁方向）の磁界を検出し、上記磁界発生手段が、上記相対移動方向の所定距離（Ｌ２）に亘り単調に増加する又は単調に減少する上記感磁方向の磁界を、上記磁界検出手段に対して与える。そして、上記磁界発生手段は、互いに平行な第１の辺（長さＷＳ１）及び第２の辺（長さＷＳ２但し、ＷＳ１＞ＷＳ２）と、互いに平行な上記第１の辺及び上記第２の辺に対して直交する第３の辺（長さＬｓ但し、Ｌｓ≦Ｌ２／２）とを含む台形の主面を有する板状の第１から第４の発磁体からなり、
上記第１の発磁体は、主面が上記磁界発生手段との対向方向に直交する方向に対して平行とされ、第３の辺が上記相対移動方向に対して平行とされて配置され、該第３の辺に直交する方向の磁界を発生し、上記第２の発磁体は、主面が上記第１の発磁体の主面に対して平行とされ、第３の辺が上記第２の発磁体の第３の辺に対して平行且つ対向して配置され、上記第１の発磁体と逆極性の磁界を発生し、上記第３の発磁体は、主面が上記第１の発磁体の主面に対して平行とされ、第２の辺が上記第１の発磁体の第２の辺に対して平行且つ対向し、第３の辺が上記第１の発磁体の第３の辺の直線上に位置するように配置され、上記第１の発磁体と逆極性の磁界を発生し、上記第４の発磁体は、主面が上記第１の発磁体の主面に対して平行とされ、第２の辺が上記第２の発磁体の第２の辺に対して平行且つ対向して配置され、第３の辺が上記第２の発磁体の第３の辺の直線上に位置するように配置され、上記第２の発磁体と逆極性の磁界を発生する。
【００１７】
この位置検出装置では、磁界発生手段が、磁界検出手段との相対移動方向及び対向方向に対して直交する方向（感磁方向）の磁界であって、相対移動方向に単調に増加する又は単調に減少する磁界を発生し、磁界検出手段が上記感磁方向の磁界を検出する。このような位置検出装置は、上記磁界発生手段と上記磁界検出手段が相対移動し、相対移動に応じて変換する磁界を上記磁界検出手段が検出して、この相対移動位置を求める。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明を適用した実施の形態の位置検出装置について、図面を参照しながら説明する。
【００１９】
本発明は、図１に示すような位置検出装置に適用される。
【００２０】
図１に示す位置検出装置１は、位置信号として磁界を発生するスケール２と、このスケール２から発生される磁界を検出する磁気センサ３とを有している。この位置検出装置１は、例えば工作機械に取り付けられ、相対的に直線移動する２部材の相対移動位置を検出する装置である。
【００２１】
スケール２は、材質が例えばフェライト系プラスチックマグネットからなる主面が台形の板状の第１から第４の発磁体４〜７が組み合わされて形成されている。第１から第４の発磁体４〜７は、同一の形状を有しており、主面に対して垂直な方向に着磁されている。なお、スケール２の材質は、フェライト系プラスチックマグネットに限らず、例えば、ＳｍＣｏ系やＮｄＦｅＢ系の磁石、焼結磁石、ＦｅＭｎやＡｌＮｉＣｏ等の合金磁石を用いることもできる。
【００２２】
各発磁体４〜７は、図２に示すように、第１の辺１１と、第１の辺１１に平行な第２の辺１２と、第１の辺１１及び第２の辺１２に対して直交する第３の辺１３と、第１の辺１１と形成する角が鋭角とされた第４の辺１４とから構成される台形の主面を有している。第１の辺１１の長さはＷ_S1であり、第２の辺１２の長さはＷ_S2であり、第３の辺１３の長さはＬ_Sである。第１の辺１１の長さは第２の辺の長さより長い（Ｗ_S1＞Ｗ_S2）。
【００２３】
各発磁体４〜７は、図３に示すように組み合わされて、全体としてスケール２を構成している。
【００２４】
すなわち、第１の発磁体４と第２の発磁体５は、互いの磁化方向が逆極性となるとともに互いの主面が平行に配置され、且つ、互いの第３の辺１３が突き合わされて配置される。第３の発磁体６は、第１の発磁体４と磁化方向が逆極性となるとともに主面が第１の発磁体４の主面と平行に配置され、且つ、第１の発磁体４と互いの第２の辺１２が突き合わされて配置される。第４の発磁体７は、第１の発磁体４と磁化方向が同極性となるとともに主面が第１の発磁体４と平行に配置され、且つ、第３の発磁体６と互いの第３の辺１３が突き合わされて、つまり、第２の発磁体５と互いの第２の辺１２が突き合わされて配置される。
【００２５】
このように組み合わされたスケール２は、第３の辺１３が、第１の辺１１及び第２の辺１２よりも十分長く、全体として薄板の長尺状の形状とされる。このスケール２において、この第３の辺１３と平行な方向をスケール２の長手方向とする。
【００２６】
このように組み合わされたスケール２の長手方向に直交する方向、すなわち、第１の辺１１及び第２の辺１２に平行な方向（以下、この方向を幅方向とする。）の長さは、端部（第１の辺１１で形成される部分）においてはＷ₁（Ｗ₁＝２×Ｗ_S1）であり、中心部（第２の辺１２で形成される部分）においてはＷ₂（Ｗ₂＝２×Ｗ_S2）である。また、このように組み合わされたスケール２の長手方向の長さは、各発磁体４〜７の第３の辺１３の長さＬ_Sの２倍のＬ₁である。
【００２７】
なお、このスケール２の端部における幅方向の長さを端部長といい、中心部における幅方向の長さを中心部長という。また、各発磁体４〜７を組み合わせて形成された板状のスケール２の主面を、スケール主面２ａとする。また、このスケール主面２ａの中心軸、すなわち、各発磁体４〜７の第３の辺１３で形成される直線を、スケール中心軸２ｂとする。
【００２８】
磁気センサ３は、図４に示すように、閉磁路を形成した方形の環状のコア２１と、このコア２１の相対する２辺に巻かれた２つのコイル２２，２３とにより構成されている。コア２１は、材質が例えばパーマロイやＦｅ，Ｃｏ，Ｓｉ，Ｂ等を成分とするアモルファス金属等の高透磁率材料からなる。コイル２２，２３は、コア２１の平行する２辺に、例えばＣｕ線を円筒状に巻き付けられて形成される。コイル２２，２３は、それぞれの中心軸が平行となるように配置されている。このコイル２２，２３は、互いに逆方向に磁界が発生するように、例えば高周波のパルス電流が流される。
【００２９】
以上のような磁気センサ３は、コイル２２，２３の中心軸に平行に入射する外部磁界に対する感度が非常に高くなっている。磁気センサ３は、この中心軸に平行入射する外部磁界に対してインピーダンス変化が生じ、その変化率が非常に大きくなっている。この磁気センサ３のコイル２２，２３の中心軸に平行な方向、すなわち図４で示すｙ方向を、以下この磁気センサ３の感磁方向として説明を行う。
【００３０】
なお、逆相駆動した２つのコイル２２，２３を用いるのは、これら２つのコイル２２，２３の差動出力を得ることにより、同相磁界に対しては出力を大きく取ることができ、電気的ノイズ等の同相信号に対しては出力をキャンセルすることができるためで、このことにより、高出力且つ安定した出力を得ることができる。この磁気センサ３は、２つのコイルを用いるものに限られず、１つのコイルや、磁気インピーダンス素子等のその他の感磁手段を用いても良い。
【００３１】
磁気センサ３のコイル２２，２３は、外部に設けられた駆動検出回路に信号線を介して接続される。これらコイル２２，２３は、この駆動検出回路から励磁電流が供給されるとともに、この駆動検出回路により出力が検出される。
【００３２】
図５に、コイル２２，２３の駆動及び出力検出を行う駆動検出回路の回路例を示す。
【００３３】
駆動検出回路３０は、発振回路３１と、発振回路３１からのパルス信号に基づきコイル２２，２３の励磁電流をスイッチングするスイッチング回路３２と、コイル２２の出力電圧を検出して平滑化する第１の平滑回路３３と、コイル２３の出力電圧を検出して平滑化する第２の平滑回路３４と、第１の平滑回路３３と第２の平滑回路３４との出力電圧の差分を検出して差動信号を出力する差動増幅回路３５とを有している。
【００３４】
発振回路３１は、所定の発信周波数の高周波パルス信号を出力する。スイッチング回路３２は、この高周波パルス信号に基づき、直列接続されたコイル２２，２３に流れる電流をスイッチングする。このことにより、これらコイル２２，２３は、高周波電流で励磁される。
【００３５】
コイル２２は、一端がブリッジ抵抗３７を介して電源３６に接続され、他端がスイッチング回路３２と接続されている。コイル２３は、一端がブリッジ抵抗３８を介して電源３６に接続され、他端がスイッチング回路３２と接続されている。このようなコイル２２及びコイル２３は、スイッチング回路３２がスイッチングすることにより、互いに逆相の磁界が発生するように高周波励磁がされる。
【００３６】
第１の平滑回路３３は、カソードがコイル２２とブリッジ抵抗３７との接続点に接続されたダイオード３９と、一端が電源３６に接続され他端がダイオード３９のアノードに接続された抵抗４０と、一端がグランドに接続され他端がダイオード３９のアノードに接続されたコンデンサ４１とから構成される。この第１の平滑回路３３は、高周波励磁されたコイル２２に発生する電圧を平滑化する。
【００３７】
第２の平滑回路３４は、カソードがコイル２３とブリッジ抵抗３８との接続点に接続されたダイオード４２と、一端が電源３６に接続され他端がダイオード４２のアノードに接続された抵抗４３と、一端がグランドに接続され他端がダイオード４２のアノードに接続されたコンデンサ４４とから構成される。この第２の平滑回路３４は、高周波励磁されたコイル２３に発生する電圧を平滑化する。
【００３８】
差動増幅回路３５は、その反転側入力端子が抵抗４５を介して第１の平滑回路３３のダイオード３９のアノードに接続され、非反転入力端子が抵抗４６を介して第２の平滑回路３４のダイオード４２のアノードに接続される。この差動増幅回路３５は、平滑化されたコイル２２に発生した電圧と、平滑化されたコイル２３に発生した電圧との差分を増幅する。
【００３９】
このような構成の駆動検出回路３０は、発振回路３１から出力された高周波パルス信号によりコイル２２，２３が逆相励磁駆動される。逆相駆動励磁されたコイル２２，２３の両者に同一方向の磁界が与えられると、これらコイル２２，２３にバイアス電圧が発生する。このとき、コイル２２，２３は、逆相で駆動しているので、そのバイアス電圧の極性が異なる。従って、駆動検出回路３０は、コイル２２，２３に発生する極性が異なるバイアス電圧の差分を検出することにより、その磁界の強さを検出することができる。
【００４０】
なお、ここでは、コイル２２，２３を高周波パルス信号により駆動する駆動検出回路３０を示したが、例えば、正弦波信号によりコイル２２，２３を駆動しても良い。もっとも、パルス信号は、高調波成分を含むのでコイル２２，２３を効率よく駆動させることができ、デューティ比調整ができるので消費電力を少なくすることができ、また、ＤＣ成分を含むので外部磁界に対するインピーダンス変化点を任意に変更することができるといったメリットがある。また、発振回路３１は、水晶発振子を用いたもの、ＬＣ共振を用いたもの等、図５に示した回路構成に限らず、どのような回路構成であってもよい。第１の平滑回路３３、第２の平滑回路３４、差動増幅回路３５も、図５に示した回路構成に限らず、どのような回路構成であってもよい。
【００４１】
磁気センサ３は、その感磁方向（円筒状のコイル２２，２３の中心軸の方向）がスケール２のスケール主面２ａに平行とされ、このスケール主面２ａと一定距離離されて設けられている。また、この磁気センサ３は、その感磁方向が、スケール２の長手方向（スケール中心軸２ｂの方向）と直交する方向とされ、この感磁方向の中心位置がスケール中心軸２ｂの直上に位置するように設けられている。
【００４２】
そして、この磁気センサ３は、スケール２のスケール中心軸２ｂ上を、このスケール２との間隔を一定に保ちながら、取り付けられる工作機械等の移動にともなって直線移動する。
【００４３】
以上のような構成の位置検出装置１は、スケール２と磁気センサ３とが相対移動することにより、以下のように相対的に直線移動する２部材の相対移動位置を検出する。
【００４４】
磁気センサ３は、その感磁方向が、スケール２の長手方向に垂直且つスケール主面２ａとの対向方向（図１中のＺ方向）に垂直とされ、スケール中心軸２ｂの直上であってスケール主面２ａから一定距離離れた位置に配置される。そして、この磁気センサ３は、スケール２の長手方向の各位置における磁界を検出しながら、スケール中心軸２ｂ上を直線移動する。
【００４５】
スケール２は、上述したように、そのスケール主面２ａの幅方向の長さが、長手方向の中心部から長手方向の端部に向かうに従い、だんだんと長くなっている形状をしている。また、スケール２は、スケール主面２ａの鉛直方向に着磁がされており、さらに、そのスケール中心軸２ｂを挟んでその着磁の方向が逆極性となっている。
【００４６】
従って、スケール中心軸２ｂの直上であってスケール主面２ａから一定距離離れた磁気センサ３の磁界検出位置では、スケール主面２ａに平行であってスケール中心軸２ｂと直交する方向の磁界が、スケール２から与えられる。すなわち、上記図１において示した各方向で言えば、Ｙ方向の磁界が、スケール２から与えられる。
【００４７】
また、スケール主面２ａの幅方向の長さが、スケール２の長手方向の各位置において異なるため、上記磁界検出位置での磁界の強さがスケール２の長手方向の各位置において異なる。さらに、このスケール主面２ａの幅方向の長さは、中心部長Ｗ₂が一番狭く、中心部から端部に向かってだんだんと太くなり、端部長Ｗ₁が一番太くなっている。従って、スケール２の長手方向に沿って単純増加（或いは単純減少）する磁界が、上記磁界検出位置に与えられる。例えば、スケール２の中心部近傍においては、図６（Ａ）に示すように、Ｙ方向の磁界Ｈ_Y1が与えられているとすると、スケール２の端部近傍においては、図６（Ｂ）に示すように、上記磁界Ｈ_Y1より大きい、Ｙ方向の磁界Ｈ_Y2が与えられる。
【００４８】
また、スケール２は、幅方向の長さが一番短くなった中心位置を挟んで、左右で着磁の方向が逆極性となっている。従って、幅方向の長さが一番短くなった中心位置における上記磁界検出位置での磁界が０となり、この中心位置を挟んで長手方向に上記磁界検出位置における磁界が反転し、両端部における上記磁界検出位置での磁界の極性が反転している。
【００４９】
このような位置検出装置１では、スケール２と磁気センサ３とが相対移動することにより、磁気センサ３が各移動位置においてその大きさが異なる磁界を検出する。位置検出装置１では、その磁界を検出することにより、スケール２と磁気センサ３との相対移動位置を検出することができる。
【００５０】
また、位置検出装置１では、磁気センサ３が、スケール２の長手方向（相対移動方向）に直交し、スケール２との対向方向（図１中のＺ方向）に直交する磁界を検出する。そのため、従来例において説明した位置検出装置のように２つのコイルがスケールの対向方向に発生される互いに逆方向の磁界を検出するのではなく、２つのコイルがスケール主面２ａと平行な方向の互いに同方向の磁界を検出するので、位置検出装置１では、振動等によって位置ずれをした場合であっても、その位置ずれが検出精度に大きく影響せず、高精度な位置検出をすることができる。また、同様の理由により従来例において説明した位置検出装置では、直線性の高い磁界変化が生じる領域が非常に狭く、この領域外に磁気センサが取り付けられてしまった場合には、精度が極端に悪化してしまうが、この位置検出装置１では、直線性の高い磁界変化が生じる領域が広く、検出精度にばらつきが生じず高精度に位置検出を行うことができる。また、この位置検出装置１は、コイル２２，２３の感磁方向をスケール主面２ａと同方向にすることができるので、装置を小型化することができる。
【００５１】
また、このような位置検出装置１を設計する場合、工作機械等の移動位置を検出する際における検出有効長Ｌ₂（すなわち、位置検出を行う距離）に対して、スケール２の長手方向の長さＬ₁を十分長くすることにより、より高精度な位置検出を行うことができる。これは、スケール２の端部近傍では、スケール２から発生される磁界の直線性が悪くなるため、この直線性が悪化する部分を用いずに位置検出するためである。
【００５２】
また、このような位置検出装置１を設計する場合、スケール２の中心部の幅方向の長さである中心部長Ｗ₂に適当なボリュームを与えて、この中心部を挟んだスケール２の長手方向の磁界変化を直線的にするようにすると好適である。これは、例えば、この中心部長Ｗ₂を０とした場合（第１から第４の発磁体４〜７の主面を直角三角形とする場合）、この中心部でのスケール２の長手方向の磁界変化が他の部分と比べて緩やかとなり、磁界変化が非直線的となってしまう。逆に、端部の幅方向の長さである端部長Ｗ₁と、中心部長Ｗ₂との寸法差が少ないと、中心部でのスケール２の長手方向の磁界変化が他の部分と比べて急峻となり、磁界変化が非直線的となってしまう。従って、端部長Ｗ₁に対してこの中心部長Ｗ₂に適当なボリュームを与えてやり、全体として直線性を高くすることにより、より高精度な位置検出を行うことができる。
【００５３】
また、このような位置検出装置１で用いるスケール２は、上述したものに限らず、磁気センサ３に対して感磁方向の磁界を与えるとともに、スケール２の長手方向の所定の距離に亘り単純増加（或いは減少）する磁界を磁気センサ３に与えることができるものであれば、どのような構成であってもよい。
【００５４】
例えば、位置検出装置１は、図７に示すような、各発磁体４〜７の第２の辺１２を突き合わせずに、中心部に空隙ｃを設けた構成のスケールを用いてもよい。
【００５５】
例えば、スケール２を設計するに際して、装置全体を小型化するため、中心部長Ｗ₂を短くする必要がある場合がある。しかしながら、この場合、スケール２の強度が弱くなったり、高精度に製造できず寸法にばらつきが生じたりしてしまう。そのため、このような場合、中心部長Ｗ₂を短くせずに、中心部に空隙ｃを設けて、スケール２の磁界変化を調整しても良い。
【００５６】
また、例えば、位置検出装置１は、図８に示すような、主面が長方形の板状の磁性材料に対して、スケール２の主面と同形状且つ同極性に着磁を行ったスケールを用いても良い。この場合、スケールの組立工数や成形ばらつきを少なくすることができる。
【００５７】
また、例えば、位置検出装置１は、図９に示すような、スケール２と同一形状であって、主面と平行な方向に着磁されたスケールを用いても良い。このようなスケールであっても、スケール２と同様に磁界を磁気センサ３に対して与えることができる。
【００５８】
【実施例】
つぎに、上記位置検出装置１の実施例として、検出有効長Ｌ₁＝４０ｍｍ、出力誤差１％以下、スケール２と磁気センサ３とのｙ方向の変動許容が±０．５ｍｍとしたときの設計例について説明する。ここで、この実施例を説明するにあたり、スケール２と磁気センサ３との相対移動方向をｘ方向とし、磁気センサ３の感磁方向をｙ方向とし、スケール２と磁気センサ３とが対向した方向をｚ方向とするものとする。なお、ｘ方向、ｙ方向、ｚ方向は、互いに直交する。
【００５９】
スケール２及び磁気センサ３は、５ｍｍ離間して設け、スケール中心軸２ｂの直上に磁気センサ３を配設した。
【００６０】
スケール２は、その材質をフェライト系プラスチックマグネットとし、射出成形により成形した。フェライトとプラスチック材との配合比は、９：１で、成形中に磁場配向を主面垂直方向に行った。磁気特性は、残留磁束密度Ｂｒが０．２２Ｇ、保持力Ｈｅが２ｋＡ／ｍである。このスケール２のスケール主面２ａの各部の長さは、図１０に示すように、端部長Ｗ₁を４ｍｍ、中央部長Ｗ₂を２ｍｍ、長手方向の長さＬ₁を６０ｍｍ、厚さを０．８ｍｍとした。
【００６１】
磁気センサ３のコア２１は、その材質を０．０５ｍｍの厚さのパーマロイＰＣ材とした。コア２１は、長方形の薄板の主面に対して長方形の穴部を設けた形状の閉磁路の矩形環状コアとした。コア２１の主面の外形寸法は、図１１に示すように、長手方向を５ｍｍ、短辺方向を２ｍｍとした。また、コア２１の主面に設けられた穴部の寸法は、長手方向を２ｍｍ、短辺方向を１ｍｍとした。従って、コア２１の長手方向の２辺の幅がそれぞれ０．５ｍｍとなり、短辺方向の２辺の幅がそれぞれ１．５ｍｍとなる。このようなコア２１は、エッチングにより形成し、加工歪みによる磁気特性の劣化を緩和するため熱処理を施した。
【００６２】
コイル２２，２３は、φ６０μｍのＣｕ線を、コア２１の長手方向の２辺（幅０．５ｍｍの辺）にそれぞれ５０回巻回して、円筒状に形成した。なお、コア２１は、製造を容易にするため、開磁路型のコアを成形してコイル２２，２３を巻回し、その後に、開時磁路部にコアを張り付けて閉磁路型としてもよい。
【００６３】
本実施例では、このようなコイル２２，２３と駆動検出回路３０とを２ｍの信号線により接続し、２つのコイル２２，２３を周波数が１ＭＨｚ、デューディ比が１／１０、電圧レベルが９Ｖのパルス信号により逆相駆動した。
【００６４】
ブリッジ抵抗３７，３８の抵抗値は、印加される外部磁界が０のときのコイル２２，２３のインピーダンスをＲ０、外部磁界を印加したときのコイル２２，２３のインピーダンスの最大変化値をＲｍａｘとしたとき、このＲ０とＲｍａｘの中間値とした。
【００６５】
以上のように設計した本実施例にかかる位置検出装置１の出力特性図を図１２に示す。この図１２に示すように、本実施例にかかる位置検出装置１は、検出有効長４０ｍｍ全体に亘り、リニアな出力特性を得ることができた。
【００６６】
また、この本実施例にかかる位置検出装置１の出力誤差特性図を図１３に示す。この図１３に示すように、本実施例にかかる位置検出装置１は、検出有効長４０ｍｍに亘り、出力誤差が１％以下となり、高精度な位置検出を行うことができた。
【００６７】
また、本実施例にかかる位置検出装置１のスケール２と磁気センサ３とｙ方向に±０．５ｍｍ変動させたときの出力誤差特性を図１４に示す。この図１４に示すように、本実施例にかかる位置検出装置１は、検出有効長４０ｍｍに亘り、スケール２と磁気センサ３とがｙ方向に±５ｍｍ変動しても、出力誤差が非常に小さく、高精度な位置検出を行うことができた。
【００６８】
【発明の効果】
本発明にかかる位置検出装置では、磁界発生手段が、磁界検出手段との相対移動方向及び対向方向に対して直交する方向（感磁方向）の磁界であって、相対移動方向に単調に増加する又は単調に減少する磁界を発生し、その磁界発生手段は、互いに平行な第１の辺（長さＷＳ１）及び第２の辺（長さＷＳ２但し、ＷＳ１＞ＷＳ２）と、この互いに平行な第１の辺及び第２の辺に対して直交する第３の辺（長さＬｓ但し、Ｌｓ≦Ｌ２／２）とを含む台形の主面を有する板状の第１から第４の発磁体からなり、第１の発磁体は、主面が磁界発生手段との対向方向に直交する方向に対して平行とされ、第３の辺が相対移動方向に対して平行とされて配置され、この第３の辺に直交する方向の磁界を発生し、第２の発磁体は、主面が第１の発磁体の主面に対して平行とされ、第３の辺が２の発磁体の第３の辺に対して平行且つ対向して配置され、第１の発磁体と逆極性の磁界を発生し、第３の発磁体は、主面が第１の発磁体の主面に対して平行とされ、第２の辺が第１の発磁体の第２の辺に対して平行且つ対向し、第３の辺が第１の発磁体の第３の辺の直線上に位置するように配置され、第１の発磁体と逆極性の磁界を発生し、第４の発磁体は、主面が第１の発磁体の主面に対して平行とされ、第２の辺が第２の発磁体の第２の辺に対して平行且つ対向して配置され、第３の辺が第２の発磁体の第３の辺の直線上に位置するように配置され、第２の発磁体と逆極性の磁界を発生する。そして、磁界検出手段が上記感磁方向の磁界を検出する。このような位置検出装置は、上記磁界発生手段と上記磁界検出手段が相対移動し、相対移動に応じて変換する磁界を上記磁界検出手段が検出して、この相対移動位置を求める。
【００６９】
このことにより本発明にかかる位置検出装置では、取付誤差、振動、位置ずれ等による出力特性の影響が少なく、さらに、装置の小型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した位置検出装置の模式的な斜視図である。
【図２】上記位置検出装置のスケールを構成する発磁体を説明する図である。
【図３】上記発磁体が組み合わされた状態のスケールを説明する図である。
【図４】上記位置検出装置の磁気センサを説明する図である。
【図５】上記磁気センサの駆動検出回路の回路図である。
【図６】（Ａ）は、スケール２の中心部近傍において検出される磁界を説明する図である。（Ｂ）は、スケール２の端部近傍において検出される磁界を説明する図である。
【図７】上記位置検出装置のスケールの変形例として、中心部に空隙を設けたスケールを説明する図である。
【図８】上記位置検出装置のスケールの変形例として、主面が長方形上のスケールを説明する図である。
【図９】上記位置検出装置のスケールの変形例として、着磁方向を主面と平行としたスケールを説明する図である。
【図１０】上記位置検出装置を設計したときにおけるスケールの具体的な設計例を説明する図である。
【図１１】上記位置検出装置を設計したときにおける磁気センサの具体的な設計例を説明する図である。
【図１２】上記位置検出装置を具体的に設計したときの出力の特性を示す図である。
【図１３】上記位置検出装置を具体的に設計したときの出力誤差の特性を示す図である。
【図１４】上記位置検出装置を具体的に設計したときのスケールと磁気センサとをｙ方向に０．５ｍｍ変動させたときの出力誤差の特性を示す図である。
【図１５】従来の位置検出装置の模式的な斜視図である。
【図１６】上記従来の位置検出装置のスケールを説明する図である。
【図１７】上記スケールの中心において、このスケールからＺ方向に発せられる磁界の方向を説明する図である。
【図１８】上記スケールの中心において、このスケールからＺ方向に発せられる磁界の強さを説明する図である。
【符号の説明】
１位置検出装置、２スケール、３磁気センサ、４〜７発磁体、２１コア、２２，２３コイル、３０駆動検出回路

Claims

磁界発生手段と、上記磁界発生手段に対して相対的に直線移動するとともに上記磁界発生手段により発生された磁界を検出する磁界検出手段とを有し、上記磁界検出手段により検出された磁界に基づき上記磁界発生手段と上記磁界検出手段との相対移動位置を検出する位置検出装置において、
上記磁界検出手段は、上記磁界発生手段との相対移動方向に対して直交するとともに上記磁界発生手段との対向方向に直交する方向（感磁方向）の磁界を検出し、
上記磁界発生手段は、上記相対移動方向の所定距離（Ｌ２）に亘り単調に増加する又は単調に減少する上記感磁方向の磁界を、上記磁界検出手段に対して与え、
上記磁界発生手段は、
互いに平行な第１の辺（長さＷＳ１）及び第２の辺（長さＷＳ２但し、ＷＳ１＞ＷＳ２）と、互いに平行な上記第１の辺及び上記第２の辺に対して直交する第３の辺（長さＬｓ但し、Ｌｓ≦Ｌ２／２）とを含む台形の主面を有する板状の第１から第４の発磁体からなり、
上記第１の発磁体は、主面が上記磁界発生手段との対向方向に直交する方向に対して平行とされ、第３の辺が上記相対移動方向に対して平行とされて配置され、該第３の辺に直交する方向の磁界を発生し、
上記第２の発磁体は、主面が上記第１の発磁体の主面に対して平行とされ、第３の辺が上記第２の発磁体の第３の辺に対して平行且つ対向して配置され、上記第１の発磁体と逆極性の磁界を発生し、
上記第３の発磁体は、主面が上記第１の発磁体の主面に対して平行とされ、第２の辺が上記第１の発磁体の第２の辺に対して平行且つ対向し、第３の辺が上記第１の発磁体の第３の辺の直線上に位置するように配置され、上記第１の発磁体と逆極性の磁界を発生し、
上記第４の発磁体は、主面が上記第１の発磁体の主面に対して平行とされ、第２の辺が上記第２の発磁体の第２の辺に対して平行且つ対向して配置され、第３の辺が上記第２の発磁体の第３の辺の直線上に位置するように配置され、上記第２の発磁体と逆極性の磁界を発生する位置検出装置。
上記磁界検出手段は、高透磁率材料からなるコアと、上記コアに巻回され、高周波電流で通電されたコイルとからなり、上記コイルの励磁方向が上記感磁方向とされた請求項１記載の位置検出装置。