CN107076537B - 位置检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种位置检测装置，具有：传感器线圈部，其具有3个以上的传感器线圈，所述3个以上的传感器线圈以长度方向在同心轴上排列的方式配置，分别被相同频率的交流信号励磁；多个差动信号输出单元，其输出各传感器线圈的两端的差动信号；多个减法运算信号输出单元，其将与2个传感器线圈对应的差动信号相减而输出减法运算信号；以及位置检测单元，其将被测量体沿着所述同心轴方向移动时的所述被测量体的轴向位置作为通过对所述减法运算信号进行运算而线性变化的位置信号来输出，所述被测量体由使所述传感器线圈的阻抗变化的材料构成并位于所述传感器线圈部的外周侧或内周侧，该位置检测装置的特征在于，具有线圈确定单元，其基于对多个差动信号进行运算的结果来确定与所述被测量体的现在位置对应的传感器线圈，所述位置检测单元基于由所述线圈确定单元确定的传感器线圈，以多个减法运算信号的变化按照多个传感器线圈的排列顺序而连续的方式将位置信号进行合成并输出。

Description

位置检测装置

技术领域

本发明涉及一种检测被测量体的直线位置(轴向位置)并将位置信号输出到外部的位置检测装置。

背景技术

关于检测被测量体的直线位置并将位置信号输出到外部的位置检测装置，提出了各种方案。例如，在专利文献1中公开了以如下方式构成的传感器。在向两端施加交流电源的测量线圈1的中间部位，以将电压等分的方式配置多个电压抽头7，通过加法放大器10将各电压抽头7的电压相加并输出。在测量线圈1的外周，以在测量线圈1的中心轴方向上可移动的方式配置能够改变该线圈1的磁阻(阻抗)的材质的环6。关于环6所在的部分的测量线圈1，由于阻抗发生变化，所以电压抽头7的电压发生变化。由于整体的加权的量根据测量线圈1中的环6的位置而变化，所以作为最终输出的加法放大器10的输出电压发生变化，因此能够检测环6的位置。

此外，在专利文献2中公开了以如下方式构成的位置检测装置。在由6个线圈区间构成的圆筒状的线圈部10的中空部，由棒状的磁性体构成的磁响应构件11根据检测对象的位移而进行直线位移。与线圈部10的4个线圈区间LA、LB、LC、LD对应的长度4K的范围为有效检测范围。各线圈区间的线圈被共用的交流信号sinωt励磁，对各线圈区间的两端间电压Vα、VA、VB、VC、VD、Vβ进行检测。

磁响应构件11相对于各线圈接近或侵入的程度越大，该线圈的自感越增加，各线圈的两端间电压发生变化。如果检测出的各电压以规定的组合输入到模拟运算电路20和模拟运算电路21，则根据规定的运算式进行加法或减法运算，生成表示与检测对象位置对应的正弦和余弦函数特性的2个交流输出信号sinθsinωt、cosθsinωt。

各交流输出信号的振幅成分即正弦和余弦函数的相位角θ对应于检测对象的位置，90度范围的相位角θ对应于1个线圈的长度K。4K长度的有效检测范围对应于相位角θ从0度到360度的范围，因此如果对相位角θ进行检测，则能够在长度4K的范围内对检测对象的绝对位置进行检测。

专利文献1：日本特公平8-12082号公报

专利文献2：日本专利4464517号公报

发明内容

发明要解决的课题

然而，在专利文献1的结构中，由于受到环6的特性等的不确定因素的影响而决定了传感器整体的增益，因此需要个别地调节传感器的增益。即，在测量原理上存在难以得到环6的绝对位置精度的问题。此外，由于位置检测范围的整体的检测值是恒定的，所以越增大检测范围，分辨率就越降低。进而，温度特性也随着增大检测范围而成比例地恶化。

此外，在专利文献2的结构中，至少对于检测对象范围的长度4K以上，存在要求磁响应构件11是均匀的物体的限制。此外，由于相位角θ与上述长度4K对应地在0度到360度范围内变化，所以绝对位置的检测范围的极限实质上为长度4K。为了针对超过长度4K的范围检测绝对位置，需要组合基本结构并由它们来处理输出的位置信号的辅助结构。

本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供一种位置检测装置，对被测量体的形状的限制更少，并且在更长的范围能够容易检测绝对位置。

用于解决课题的方案

本发明的位置检测装置具有：传感器线圈部，其具有3个以上的传感器线圈，所述3个以上的传感器线圈以长度方向在同心轴上排列的方式配置，分别被相同频率的交流信号励磁；多个差动信号输出单元，其输出各传感器线圈的两端的差动信号；多个减法运算信号输出单元，其将与2个传感器线圈对应的差动信号相减而输出减法运算信号；以及位置检测单元，其将被测量体沿着所述同心轴方向移动时的所述被测量体的轴向位置作为通过对所述减法运算信号进行运算而线性变化的位置信号来输出，所述被测量体由使所述传感器线圈的阻抗变化的材料构成并位于所述传感器线圈部的外周侧或内周侧，该位置检测装置的特征在于，所述位置检测装置具有线圈确定单元，其基于对多个差动信号进行运算的结果来确定与所述被测量体的现在位置对应的传感器线圈，所述位置检测单元基于由所述线圈确定单元确定的传感器线圈，以多个减法运算信号的变化按照多个传感器线圈的排列顺序而连续的方式将位置信号合成并输出。

发明效果

根据本发明的位置检测装置，由于位置检测单元基于通过线圈确定单元确定的传感器线圈，以多个减法运算信号的变化根据多个传感器线圈的排列顺序而连续的方式对位置信号进行合成并输出，所以能够根据传感器线圈的排列数量而连续地输出被测量体的绝对位置。此外，由于被测量体的长度只要是至少1个传感器线圈的轴向长度以上即可，所以关于被测量体的形状的限制变得更少。

附图说明

图1为第1实施方式，是示出位置检测装置的整体结构的功能框图。

图2是示出运算电路的结构例的图。

图3是示出由A/D转换器和多路转换器的组合得到的变形例的图。

图4是线圈传感器部的纵剖面侧视图。

图5是工作时序图。

图6是用于确定测量区间的工作时序图(其1)。

图7是用于确定测量区间的工作时序图(其2)。

图8为第2实施方式，是示出线圈传感器部和运算电路的结构的功能框图。

图9为第3实施方式，是示出对多个线圈进行励磁的结构的变形例的图。

图10为第4实施方式，是示出在被测量体为2个的情况下的线圈传感器部和运算电路的结构的功能框图。

图11为第5实施方式，是示出线圈传感器部和运算电路的结构的功能框图。

图12是线圈传感器部的纵剖面侧视图。

图13为第6实施方式，是示出位置检测装置的整体结构的功能框图。

图14示出第7实施方式，是工作时序图。

图15为第8实施方式，是线圈传感器部的纵剖面侧视图。

图16为第9实施方式，是线圈传感器部的后端侧的纵剖面侧视图。

图17为第10实施方式，是线圈传感器部的一部分的纵剖面侧视图。

图18为第11实施方式，是示出在汽缸内部进行往复移动的连杆的内部配置有传感器线圈部的结构的纵剖面侧视图。

附图标记说明

3表示线圈(传感器线圈)，9表示检测电路，12表示传感器线圈部，13表示被测量体，16表示差动放大电路(差动信号输出单元)，17表示运算电路(减法运算信号输出单元)，19表示控制器(位置检测单元、线圈确定单元)，28表示位置检测装置。

具体实施方式

(第1实施方式)

以下，参照图1至图7对第1实施方式进行说明。图4是示出传感器部的结构例的纵剖面侧视图。在中空圆筒状的线圈保持体1的外周侧隔着绝缘材料2以在轴向连续的方式配置有多个(例如6个)线圈3A～3F。这些线圈保持体1和线圈(传感器线圈)3等被***在中空圆筒状的传感器套筒4的内部。传感器套筒4的顶端部(图中左端侧)被顶端部盖5密封。

传感器套筒4的后端部连接于传感器盒(sensor case)6的顶端部。连接于各线圈3的两端的布线7经由线圈保持体1的内部并从其后端导出到传感器盒6的内部。另外，布线7也可以在线圈3的外侧(表面)引绕。在传感器盒6的下部连接有传感器引出电缆8，在传感器引出电缆8的内部引绕有从图1所示的检测电路9引出的布线10。并且，布线7和10在传感器盒6内通过焊接而连接，传感器盒6的后端部被后端盖11覆盖。以上构成了传感器部12。

被测量体13为环状，以在轴向上在传感器套筒4的外周侧进行直线位移的方式配置。被测量体13只要是使各线圈3的阻抗(电感)变化的构件(材质)即可，因此磁性材料和非磁性材料均可。如果对被测量体13使用磁性材料，则通过被测量体13靠近从而线圈3的阻抗上升，如果使用非磁性材料，则阻抗反而下降。此外，被测量体13的轴向长度等于至少1个线圈3的轴向长度(1个区间)即可。如此，被测量体13可以是例如由非磁性材料构成的管(pipe)那样的非常简单的结构，具有极其低的成本、强度、耐环境性优异的特点。

图1是主要示出检测电路9的结构的功能框图。线圈3A～3F被串联连接，该串联电路的上端即线圈3A的一端被施加了从检测电路9具有的振荡器14振荡输出并经由励磁部15的交流信号。此外，所述串联电路的下端即线圈3F的一端接地。检测电路9具有分别与线圈3A～3F对应的6个差动放大电路16A～16F(差动信号输出单元)，各差动放大电路16A～16F的输入端子与对应的线圈3A～3F的两端连接。

差动放大电路16A～16F将对应的线圈3A～3F的两端电压作为Va～Vf而输出。在下一级配置有5个运算电路17(1)～17(5)(减法运算信号输出单元)，在运算电路17(1)的输入端子X和Y输入了电压Va和Vb。同样地，在运算电路17(2)～17(5)的输入端子X和Y分别输入了电压Vb和Vc、电压Vc和Vd、电压Vd和Ve、电压Ve和Vf。另外，也可以在差动放大电路16A～16F和运算电路17(1)～17(5)中赋予增益，通过赋予增益而使向下一级的A/D转换器18输入的信号电平增大，能够改善S/N比。

图2示出运算电路17的内部结构例。在图2(a)所示的结构中，输入端子X经由整流部17Xa和低通滤波器(LPF)17Xb连接于运算器17c的输入端子A。同样地，输入端子Y经由整流部17Ya和LPF17Yb连接于运算器17c的输入端子B。即，输入信号在整流部17a中交流信号被整流，通过LPF17b平滑后被输入到运算器17c。运算器17c输出被提供到输入端子A、B的信号的减法运算结果(A-B)。

在图2(b)所示的结构中，在第一级配置运算器17c，在其后接着配置有整流部17a和LPF17b。此外，在图2(c)所示的结构中，将(a)的运算器17c替换成运算器17d。运算器17d输出减法运算结果(A-B)除以加法运算值(A+B)而得到的值，这是去除下一级的A/D转换器18中的参照电压的变动的影响的与所谓比例计量(ratiometric)工作对应的结构。

运算电路17(1)输出作为运算结果的信号Vab(＝Va-Vb)。运算电路17(2)输出作为运算结果的信号Vbc(＝Vb-Vc)。同样地，运算电路17(3)～17(5)分别输出作为运算结果的信号Vcd、Vde、Vef。这些运算结果分别经由A/D转换器18(1)～18(5)输入到控制器19(位置检测单元、线圈确定单元)。

另外，如图3所示，也可以构成为仅使用1个A/D转换器18，在其输入侧配置多路转换器20，控制器19以时分方式切换信号Vab～Vef等而输入。

控制器19由CPU、微型计算机、门阵列、FPGA(Field Programmable Gate Array：现场可编程门阵列)等构成，经由A/D转换器18读入信号Vab～Vef来求取被测量体13的位置。在控制器19连接有例如闪存ROM等非易失性存储器21，控制器19可以基于预先存储在非易失性存储器21中的信息来实施被测量体13的绝对位置(偏移(offset)成分、增益成分)和/或直线性的校正、温度漂移特性的校正等。

控制器19将求出的被测量体13的位置经由外部接口(I/F)22向上级单元23输出。外部I/F22通过除了并行输出位置数据以外还具有网络I/F功能，从而也能够连接于网络***。

此外，在控制器19经由触点输出部24连接有外部设备25。控制器19通过经由触点输出部24向外部设备25输出通/断信号(触点的开关信号)，从而可以实现限位开关功能。限位开关功能是指将被测量体13的规定位置作为阈值而使触点输出部24的触点进行通/断的功能。

关于限位开关功能，如果将位置检测装置(传感器)视为一个设备，则与硬件工作(如果设定一次，则只要不损坏就工作)等效。即使上级单元23、与上级单元23的数据收发等由于某些故障导致工作异常，限位开关功能也作为位置检测装置单体按照规定进行工作。因此，成为作为安全装置而工作等的使***的安全性提高的要素。由于本实施方式的位置检测装置为绝对型，所以位置数据的可靠性高，也易于符合限位开关功能所需要的高可靠性的要求。

另外，限位开关功能也可以与检测范围内的多个位置对应地进行通/断。在图1中具有限位开关功能的触点输出部24仅为一个，但也可以为多个。进而，阈值可以用来自外部I/F22的输入信号指定为任意的位置，也可以通过设定开关26等进行切换设定。

此外，也可以对上述限位开关功能添加例如根据每规定时间的位置变化与规定阈值的比较结果来输出通/断信号的限速检测功能。限速检测功能是在被测量体13的移动速度变为作为基准(限制的目标)的规定阈值以上时使输出信号成为接通或者断开的功能，能够通过外部设备25进行各种设定。

此外，检测电路9接受来自外部电源27的电源供给，通过由未图示的电源电路生成例如电压5V左右的内部电源28并将该内部电源28供给到各部来进行工作。另外，传感器部12和检测电路9构成了位置检测装置29。

接着，参照图5来说明本实施方式的作用。在被测量体13沿着传感器套筒4移动时，如果1个线圈3的阻抗(电感)上升，则另一个线圈3的阻抗下降。检测电路9将这两个线圈3的信号与半桥型差动变压器相同地进行差动信号处理。

如上所述，为了使线圈3的阻抗变化，被测量体13的长度尺寸设定为图5中所示的“1个区间(1个线圈3的轴向长度)”的N倍(N为自然数)的值即可。因此，作为检测对象的线圈3未必成为彼此邻接的位置关系(例如，如果N＝2，则在线圈3A-3C之间进行差动信号处理。参照第7实施方式)。

图5示出了被测量体13发生位移时的各部分的信号变化。在该例中，将被测量体13的材质设为非磁性材料的导体。此外，被测量体13的长度设为与线圈3的1个区间相等。线圈3A位于图中的左端，接着其向图中右方向依次排列地配置线圈3B～3D。另外，关于线圈3，只要是3个以上就没有上限。各线圈3A～3D全部是相同的。

各信号Va～Vc绘制出被测量体13的中心部处于该处时的信号电平，以与线圈3的阻抗成比例的方式变化。在被测量体13与任一线圈3都不重叠的状态下，各信号Va～Vc均示出了最大值(图5中的Vmax)。

如果被测量体13向图5中的POS方向(右箭头方向)移动，与线圈3A开始重叠，则信号Va的电平逐渐下降。在被测量体13进一步移动，其中心部与线圈3A的中心重合时，信号Va的电平变为最低值(图中的Vmin)。如果被测量体13从此处进一步向POS方向移动，则信号Va的电平再次开始上升，如果线圈3A和被测量体13变得没有重叠，则信号Va返回到最大值。这样地，信号Va根据被测量体13的位置而变化的范围仅是与线圈3A重叠的范围。该范围的长度相当于线圈3的2个区间量。同样地，信号Vb、Vc的电平也随着被测量体13的经过而变化。

在此，关注图中所示的“基于线圈A、B的测量区间”(以下称为第1测量区间)。该区间是被测量体13的中心位于从线圈3A的中心到线圈3B的中心之间的范围。在被测量体13向POS方向移动的情况下，在该范围内信号Va的电平逐渐增加(单调增加)，信号Vb的电平逐渐减少(单调减少)。

该范围的运算值“Va-Vb”变为以一定的倾斜度增加的信号。如果线圈3A和3B是相同的特性，则运算值“Va-Vb”在第1测量区间的中心点处变为零。其工作原理是由线圈3A及3B和被测量体13构成的差动变压器的工作原理。即，根据该结构，在第1测量区间中，作为检测被测量体13的POS方向移动位置的传感器而工作，运算值“Va-Vb”表示在第1测量区间内被测量体13的位置。此外，工作原理与差动变压器相同意味着位置检测装置29同样具有差动变压器所具备的优点。

同样地，在“基于线圈B、C的测量区间”(以下，称为第2测量区间)，运算值“Vb-Vc”随着被测量体13向POS方向移动而变化，在“基于线圈C、D的测量区间”(以下，称为第3测量区间)，运算值“Vc-Vd”随着被测量体13向POS方向移动而变化。并且，上述各测量区间是随着被测量体13的移动按线圈3的一个区间而产生的，所以对应的各运算值能够作为彼此邻接获得的位置数据而连续地读入。

在此，在被测量体13处于第1测量区间的情况下，将运算值“Va-Vb”作为表示最末端区间(图中的被测量体13为左端)的位置的数据而输出。进而，在被测量体13处于第2测量区间的情况下，将与1个区间量的长度相当的位置数据作为“偏移”，追加在位置数据中。

同样地，如果根据被测量体13所处的测量区间，至此经过的测量区间数量为N，则将与1个区间量的长度相当的位置数据的N倍作为“偏移”而追加在位置数据中。将该状态表示为图5中的“波形合成”。由此，能够读取在多个测量区间的范围内直线地变化(连续变化)的位置数据。如图5所示，在线圈3的数量为“4”的情况下，可以测量位置的区间数为“3”。同样地，在传感器部12由N个线圈3构成的情况下，“N-1”个区间成为测量范围。另外，关于如上所述在位置数据中追加偏移的处理，如果控制器19对数据进行数字处理，则能够容易实现。

接着，对用于控制器19识别被测量体13位于哪个测量区间的方法进行说明。关注图5所示的运算值“Va+Vb”。在被测量体13位于由线圈3A和3B作为差动变压器而工作的第1测量区间内时，运算值“Va+Vb”维持最低值Vmin＿ab。如果被测量体13位于除此之外的区间，则运算值“Va+Vb”表示比最低值Vmin＿ab高的值。同样地，在被测量体13位于第2测量区间内时，运算值“Vb+Vc”维持最低值Vmin＿bc。

第1测量区间、第2测量区间虽然邻接但不重叠，因此运算值“Va+Vb”和运算值“Vb+Vc”分别维持最低值Vmin＿ab、Vmin＿bc的区域也不重叠。该运算值以“Va+Vb”、“Vb+Vc”、“Vc+Vd”、“Vd+Ve”……连续地存在，其数量在线圈3为N个时存在(N-1)个。

因此，为了判定被测量体13所处的测量区间(现在的测量区间)，只要将运算值“Va+Vb”～“Vd+Ve”……相互比较即可，示出了最低值Vmin＿ab等的区间成为现在的测量区间。另外，在任一测量区间都不示出最低值的情况下，表示被测量体13超出可测量范围，所以也能够容易检测出被测量体13的位置异常(被测量体13的脱离)。

在至此的说明中，为了方便而使用了运算值“Va+Vb”等的值。但是，在图1所示的结构中，控制器19读入的数据为减法运算值“Va-Vb”～“Vc-Vd”……。为了得到加法运算值“Va+Vb”，另外使用加法器即可，对在以下图1所示的检测电路9的结构中得到加法运算值“Va+Vb”的方法进行说明。

首先，通过下式的运算来得到与用于判定最末端(左端)的区间即第1测量区间的加法运算值“Va+Vb”相当的信号CHK_AB。

CHK_AB＝(Va-Vb)-2×(Vb-Vc)

＝(Va+Vb)-2×Vc

当对图6所示的信号CHK_AB的波形和图5的运算值“Va+Vb”进行比较时，可知在第1测量区间维持最低值Vmin_ab’等的特征一致，能够用于判定现在的测量区间。

接着，通过下式的运算来得到与用于判定同最末端(左端)的区间邻接的第2测量区间的加法运算值“Vb+Vc”相当的信号CHK_BC。

CHK_BC＝(Vc-Vd)-(Va-Vb)

＝(Vb+Vc)-Va-Vd

当比较图6所示的信号CHK_BC的波形和图5的运算值“Vb+Vc”时，在第2测量区间中维持最低值Vmin_bc’的特征仍然一致。然后，对于信号CHK_CD、CHK_DE(未图示)……，也进行与信号CHK_BC相同的处理即可。

如上述那样，仅信号CHK_AB运算不同，而除此之外使用与信号CHK_BC相同的运算来得到。另外，虽然未图示，但是右端的测量区间的判定，使用通过执行与CHK_AB信号相同的运算而得到的信号即可。因此，即使是仅将差动信号作为数据来输入的结构，通过控制器19的运算，也能够在内部生成用于判定测量区间的信号。

此外，为了得到用于判定测量区间的信号，可以使用图7所示的方法。例如，由下式的运算得到信号CHK＿BC。

CHK_BC＝(Vc-Vd)×(Va-Vb)

所得到的信号CHK＿BC仅在第2测量区间中取得负值，因此能够判定出被测量体13位于第2测量区间。

另外，由于例如各线圈3的特性存在偏差，所以有可能例如在第2、第3测量区间的判定中产生误差。其例如通过在另外说明的直线性校正等时也对偏差进行校正从而能够消除由各线圈3的偏差造成的区间判定误差。进一步而言，在极其接近于2个测量区间的边界的区域中，即使例如虽然原本为第3测量区间却错误地判定成第2测量区间，因为运算值“Vb-Vc”如图5所示那样在第3测量区间的区域中没有急剧地减少，所以最终作为位置数据算出的值中仅含有极少的误差，在实用上的问题很少。

关于本实施方式的位置检测装置29具有的位置检测的精度、分辨率，如下这样考虑。首先，1个区间内的精度(直线性)变成与差动变压器同等的高精度。此外，在多个线圈3的区间的检测精度由在轴向上排列的各线圈3的位置精度来决定。线圈3本身以简单且易于得出形状精度的状态被卷绕，线圈保持材料1也为圆筒状。如果有效利用这些构件的特征而使用位置精度优异的伺服电机、滚珠丝杠等，则易于提高线圈3的位置精度。因此，关于在多个线圈区间的检测精度(也含有绝对位置精度)，也能够以可得到高精度的方式制作传感器部12。

此外，关于分辨率，容易将线圈3的1个区间的分割数(分辨率)处理为恒定，为了扩大检测范围，在增加线圈3的区间数的情况下，与该区间数无关，分辨率(每1bit数据的距离)为恒定的状态。

至此叙述的工作原理为半桥型差动变压器(DVRT)的应用，具有符合DVRT工作原理的特征。另一方面，从将DVRT的1次线圈和2次线圈分离后的为差动变压器(LVDT)的观点出发，在位置检测装置29中，如果在N个线圈3的整个区域另外设置1次线圈(励磁线圈)，将N个线圈3作为2次线圈，就能够作为具有上述的传感器的特征的传感器来处理(参照第5实施方式)。

接着，对图4所示的各构件等进行说明。

[线圈3]

作为线圈3的材料，能够使用表面被绝缘的电磁线(magnet wire)。1个线圈3被卷绕为若干层(也可以是1层)，以按1个区间的间距而配置，因此1个线圈3的长度变为1个区间以下。此外，也能够在线圈3的外周缠绕绝缘体(绝缘纸)来实现绝缘强化。此外，对检测电路9的连接布线10可以引绕到线圈3的外周侧。

[线圈保持材料1、绝缘体2]

线圈保持材料1是保持线圈3自身的形状、以及固定多个线圈3的相对位置的构件，也可以是电导体，但作为短路线圈来发挥作用，因此具有使线圈3的阻抗降低的效果。因此，在使用导体的情况下，最好使用电阻高的不锈钢、镍合金(哈斯特洛伊合金、铬镍铁合金(Inconel)…注册商标)。此外，最好是其厚度也薄。此外，线圈保持材料1也可以是树脂等的绝缘体。

进而，也可以对线圈保持材料1使用磁性材料，在该情况下能够使线圈3的阻抗增加，进一步提高(信号变化变大)灵敏度。但是，需要注意磁性材料的温度特性等。此外，也能够在非磁性的线圈支承体1的内周配置磁性材料。由于线圈材料(电磁线)本身已被绝缘，所以线圈3和线圈保持材料1之间的绝缘体2未必是必要的，在使线圈3和传感器盒6的绝缘耐压提高等情况下是必要的。此外，如果对线圈3使用成型线圈等，将线圈3之间粘合，则能够不需要线圈支承材料1。

[传感器套筒4]

传感器套筒4对于位置检测工作来说不是必须的。对于用于实现线圈部的机械保护、密闭结构等来说是必要的。在如图4所示那样被测量体13位于外周侧的情况下，传感器套筒4需要非磁性材料。由于传感器套筒4本身还作为短路线圈来发挥作用，所以如果使用电导率低的材料，则线圈3的阻抗降低，信号变化变小，因而不优选。因此，电导率高的材料是恰当的。例如，可以使用奥氏体系不锈钢、镍合金(哈斯特洛伊合金、铬镍铁合金(Inconel)…注册商标)等。

此外，基于同样的理由，其厚度也优选为薄的，但需要考虑与机械强度的平衡，特别是在将传感器线圈部12设为例如汽缸内置的情况下(参照第11实施方式)，需要在油压下不会损坏的厚度。在不特别施加压力、或者不需要防水的用途中，传感器套筒4能够使用树脂性的构件，例如玻璃环氧树脂强化或碳纤维强化的管，有利于轻量化、低成本化。

[传感器盒6、顶端部盖5、后端盖11、被测量体支承材料]

传感器盒6、顶端部盖5、后端盖11是用于进行线圈保持材料1、传感器套筒4等的相对位置的固定、或者用于实现密闭结构的构件，磁性材料、非磁性材料、导体、绝缘体均可。

[传感器引出电缆8]

传感器引出电缆8用于将线圈3的布线7引出到传感器线圈部12的外部而连接于检测电路9。引出电缆8的末端可以进行连接器连接。

[其它]

为了提高气密性等，可以适当使用O形环(密封圈)等。这些通常其材料为绝缘体，不会对位置检测工作造成影响，因此可以任意地安装在需要的地方。此外，各构件间的接合可以采用粘结、压入、焊接、螺丝固定等方法。

如上所述，根据本实施方式，以长度方向在同心轴上排列的方式配置分别被相同频率的交流信号励磁的多个线圈3，构成传感器线圈部12。多个差动放大电路16输出各线圈3的两端的差动信号，运算器17将与2个线圈3对应的差动信号相减而将减法运算信号输出到控制器19。控制器19将被测量体13沿着同心轴方向移动时的被测量体13的轴向位置作为通过对上述减法运算信号进行运算而线性变化的位置信号来输出，所述被测量体13由使线圈3的阻抗变化的材料构成并位于传感器线圈部12的外周侧。

此时，控制器19基于对多个差动信号进行了运算的结果来确定与被测量体13的现在位置对应的线圈3。具体而言，通过对多个减法运算信号进行运算，从而求取2个差动信号的加法运算信号，基于该加法运算信号来确定与被测量体13的现在位置对应的线圈3。或者，基于将多个减法运算信号相乘的结果来确定线圈3。然后，基于所确定的线圈3，以多个减法运算信号的变化按照多个线圈3的排列顺序而连续的方式将位置信号进行合成并输出。

因此，根据线圈3的排列数能够连续地且线性地输出位置信号，所以能够极其简单地扩大被测量体13的位置检测范围。此外，被测量体13的轴向长度尺寸为至少1个线圈3的长度尺寸以上即可，因此对被测量体13的外形的限制小，能够使设计的自由度提高。进而，不会如专利文献1那样位置检测装置29的增益受到被测量体13的特性的影响，位置信号的电平与线圈3的排列数成比例，因此即使扩大检测范围，分辨率也不会降低，温度特性也不会恶化。

此外，检测电路9具有输出基于位置信号在预先设定的位置使触点输出部24进行通断的开关信号的电子限位开关功能，因此，即使上级单元23、与上级单元23的数据收发等由于某些故障导致工作异常，位置检测装置29也可以作为单体按照规定进行工作，如经由外部设备25对被测量体13的位置加以限制那样，能够使***的安全性提高。

此外，在限位开关功能中具有根据每规定时间的位置变化和规定阈值的比较结果来输出通/断信号的限速检测功能，因此通过在被测量体13的移动速度变为过快的状态时进行限速，从而能够使安全性提高。

另外，在为了确定与被测量体13的现在位置对应的线圈3而求取2个差动信号的加法运算信号时，未必需要从对多个减法运算信号进行运算的结果得到加法运算信号，也可以在差动放大电路16的后级另外配置加法器来求取加法运算信号。

(第2实施方式)

图8是示出第2实施方式的图，与第1实施方式相同的部分标记同一标号并省略说明，以下对不同的部分进行说明。如图8所示，在第2实施方式的检测电路31中追加了差动放大电路16G(差动信号输出单元、温度检测单元)、LPF32以及A/D转换器18(6)。差动放大电路16G的反相输入端子与线圈3F的一端(接地)连接，非反相输入端子与线圈3A的一端(差动放大电路16A的反相输入端子)连接。差动放大电路16G的输出信号经由LPF32和A/D转换器18(6)输入到控制器19A(温度检测单元，未图示)。

接着，对第2实施方式的作用进行说明。通过追加上述结构，控制器19A经由A/D转换器18(6)读入的数据变为施加于线圈3A～3F的串联电路的两端的直流等效电压。由此，控制器19A可以测量线圈3的温度。

作为电磁线而使用的一般的软铜线，已知其电阻值根据温度以大约－0.39％/℃进行变化。图中的信号源33相当于第1实施方式的振荡电路14和励磁电路15，但通过对信号源33进行恒流驱动，能够在线圈3中总是流动恒定值的直流电流成分。线圈3A～3F的串联电路两端的电压(直流成分)与串联电路的直流电阻成比例。因此，控制器19A能够根据经由A/D转换器18(6)读入的数据值对线圈3的温度进行逆运算。

通过这样构成，例如，即使在如传感器线圈部12和检测电路31设置在分开的场所的情况下，也能够正确地对线圈3的温度进行测量。测量出的温度可以用于消除由线圈3产生的温度漂移。此外，也可以向上级单元23传输温度信息，还能够当传感器线圈部12或者具有传感器线圈部12的***变成异常温度而放置时对达到故障的状态进行警告。

如上所述，根据第2实施方式，具有输出传感器线圈部12的两端的差动信号的差动放大电路16G，控制器19A基于上述差动信号对传感器线圈部12的温度进行检测。因此，能够进行用于防止传感器线圈部12变成过热状态的处理。

(第3实施方式)

图9所示的第3实施方式表示传感器线圈部12的驱动方式的变形例。在图9(a)中，使用2个信号源33(1)和33(2)，将信号源33(1)连接于线圈3A～3C的串联电路的两端，将信号源33(2)连接于线圈3D～3F的串联电路的两端。在该情况下，不需要将线圈3A～3C和线圈3D～3F电连接。此外，即使信号源33(1)与信号源33(2)的频率、相位关系不同也可以进行工作。这样，用2个信号源33(1)和33(2)来驱动传感器线圈部12的优点为，由1个信号源33驱动的线圈3的数量减少，因此在线圈3中能够更多地流动电流，能够实现抗噪性的提高、外部磁场的影响的减少。

同样地，如图9(b)所示，也能够以1对1的方式连接线圈3和信号源33而单独地驱动，如图9(c)所示，在将信号源33(1)连接于线圈3A～3C的串联电路时，也能够共同(公共)地连接各线圈3A～3C的一端侧来驱动。

(第4实施方式)

图10所示的第4实施方式是在传感器线圈部12配置有2个被测量体13(1)和13(2)的结构。在位置检测装置29中，如上述那样被测量体13使线圈3的特性受到变化的范围是从被测量体13所处的位置起收敛于有限的范围内。因此，2个被测量体13(1)、13(2)只要不接近对分别成为位置检测对象的线圈3的阻抗的变化开始互相造成影响的位置，那么2个被测量体13(1)、13(2)的位移就能够分别作为独立的现象而被检测。另外，也能够将被测量体13增加到3个以上。进而，在多个被测量体13在上述限制范围内互相接近的情况下，还可以作为测量异常而检测出来，并向上级单元23发出警告等。

(第5实施方式)

图11和图12所示的第5实施方式是如在第1实施方式中叙述的那样设置有1次线圈的结构。在传感器线圈部41，将线圈3A～3F作为2次线圈，使1次线圈(励磁线圈)42相对配置，在1次线圈42的两端连接信号源33来供给交流信号。在该情况下，如与图4相当的图12所示，1次线圈42配置在传感器套筒4的内部。通过如此构成传感器线圈部41，能够将位置检测装置43设置为具有与半桥型差动变压器相同的特征的位置传感器。

(第6实施方式)

图13所示的第6实施方式的位置检测装置51具有第2实施方式的检测电路38的结构(也可以是第1实施方式的检测电路9)。在第6实施方式中，在非易失性存储器21(存储单元)中预先储存用于对位置检测装置51的直线性进行校正的数据，在检测出被测量体13的位置时，控制器19B使用上述数据对检测位置的直线性进行校正。以下，对其校正所使用的数据的取得进行说明。

首先，准备绝对值精度、直线性优异的直线位移检测传感器。在此，设为光学式的线性标尺(linear scale)52。将该线性标尺52的检测头53和被测量体13连结而固定在直线移动的台(未图示)上。该移动台能够从外部在任意的位置移动。

以伴随检测头53的移动来读入该传感器输出数据(位置数据)的方式设置光学式线性标尺52的标尺54。如果从检测头53输出位置数据，则位置检测装置51的控制器19B经由校正用I/F54读入该位置数据。通常光学式传感器的位置输出为A/B相输出，但校正用I/F54被输入这样的2相输出而读入正确的绝对位置。

在上述的设置状态下，使移动台从传感器线圈部12的一端向另一端方向逐渐地移动。此时，控制器19B取得由光学式线性标尺52得到的正确的绝对位置与由传感器线圈部12自身检测出的位置之间的偏差，按上述位置的每一定距离，将该偏差存储在非易失性存储器21中。例如在以16bit数据输出整个测量范围的情况下，该数据值表示0～65535。例如，如果以数据值1024为单位存储偏差，则将全部64点的偏差数据作为表值记录在非易失性存储器21。

在工厂制造出位置检测装置51时，进行这样地记录偏差数据的处理。因此，通过向控制器19B写入校正专用程序，或从外部进行指示(通过设定开关25进行的输入等)来启动预先写入的校正程序，从而实施校正数据记录处理。

在记录处理完成后，在位置检测装置51实际上对被测量体13的位置进行检测时，在其位置处于例如上述64处的校正点之间的情况下，算出根据其前后的校正点进行了直线插值的校正数据。然后，通过从校正前的数据减去校正数据来算出直线性被校正了的位置数据。

如以上所述，根据第6实施方式，具有预先存储有用于对位置信号的线性进行校正的校正数据的非易失性存储器21，控制器19B在求取位置信号时使用上述校正数据来校正线性。因此，能够使位置检测精度提高。

(第7实施方式)

图14所示的第7实施方式表示将被测量体13A的长度设为线圈3的1个区间量的2倍时的检测状态。在该情况下，作为差动变压器的线圈3由隔1个的2个线圈3构成，差动信号变为(Va-Vc)、(Vb-Vd)、(Vc-Ve)。如图中所示，最初为“基于线圈A、C的测量区间”，接着为“基于线圈B、D的测量区间”。在这样的情况下，关于可测量的区间范围，只要线圈3的数量为N个，则测量范围数量变为“N-2”。

此外，关于加法运算信号(Va+Vc)、(Vb+Vd)、(Va+Vc)，示出最低值(L＝Vmin)的区间分别偏离1个区间。因此，通过参照这些加法运算信号的变化，能够确定与被测量体13A的现在位置对应的线圈3(测量区间)。即，如果将加法运算信号不表示最低值(L)的状态设为“×”，则变成：

例如，在线圈3B和3D成为测量区间的情况下，加法运算信号(Va+Vc)、(Vb+Vd)、(Va+Vc)全部示出最低值(L)。由此，能够确定测量区间。

另外，例如加法运算信号(Va+Vc)可以通过以下的运算来得到。

(Va-Vc)+2(Vc-Ve)

＝Va-Vc+2Vc-2Ve＝(Va+Vc)-2Ve

由于在加法运算信号(Va+Vc)表示最低值的区间信号Ve为零电平，所以不存在第2项的影响。

(第8实施方式)

图15所示的第8实施方式是将圆柱状的被测量体55固定在直径比其小的棒状的支承体56的前端，在线圈保持材料1的内部使被测量体55位移的结构。在该情况下，为了检测信号的变化，线圈保持材料1的材质需要是非磁性材料或树脂等绝缘体。此外，支承体56的材质使用磁性材料、非磁性材料、导体、绝缘体均可，但在使用磁性材料的情况下，与由被测量体13造成的线圈3的阻抗变化相比，如果不使用影响充分少的材质，则误差等会增加。

在该情况下，顶端部盖5A具有用于使被测量体55导入到线圈保持材料1的内部的贯穿孔。此外，传感器盒6A也是具有与线圈保持材料1的中空部连通的连通部6B的形状，进而后端盖11A也成为在中心部具有直径与连通部6B相同的孔的形状。

(第9实施方式)

图16所示的第9实施方式是在传感器盒6的内部空间配置有检测电路9的结构。在该情况下，经由引出电缆8导出到外部的布线57成为与外部电源27连接的电源线、与上级单元23及外部设备25的连接线。如果如此构成，就能够更紧凑(compact)地构成位置检测装置29。但是，位置检测装置29的耐热温度存在被限制在安装于检测电路9的半导体元件等的可工作温度范围内的情况。

(第10实施方式)

图17所示的第10实施方式示出将线圈3设为单层绕组的情况。在单层绕组的情况下，关于缠绕线圈3的操作，只要将电线总是向一个方向持续缠绕，在中途将各线圈A～D的抽头露出即可。因此，操作性极好，能够简化制造工序。

(第11实施方式)

图18所示的第10实施方式示出在汽缸61的内部进行往复运动的连杆(rod)62的内部配置有传感器线圈部12的结构。在连杆62的内部以不接触传感器套筒4的直径开孔，将被测量体13固定在连杆62的内壁端部。向传感器套筒4、被测量体13施加汽缸的压力，但由于传感器线圈部12如上所述为坚固的结构，所以能够应用。与活动的连杆62相结合的只是金属性的环(被测量体13)，对于施加给连杆62的振动、冲击具有极强的抗性。另外，未图示作为汽缸61所需要的O形环(衬垫)类、油的喷口(port)等。

本发明不只限于上述或附图所记载的实施方式，可以进行如以下这样的变形或者扩展。

可以将线圈3直接缠绕在由绝缘体构成的线圈支承体1。

在图4中，如果不需要经由线圈支承体1的内部进行各线圈3的布线，则线圈支承体1不需要为中空(管形状)。

电子限位开关功能、限速检测功能根据需要来设置即可。

温度检测单元也可以使用热敏电阻等。

产业上的可利用性

如上所述，本发明涉及的位置检测装置对检测被测量体的直线移动位置的用途是有用的。

Claims (9)

1.一种位置检测装置，具有：

传感器线圈部(12、41)，其具有3个以上的传感器线圈(3)，所述3个以上的传感器线圈(3)以长度方向在同心轴上排列的方式配置，分别被相同频率的交流信号励磁；

多个差动信号输出单元(16)，其输出各传感器线圈(3)的两端的差动信号；

多个减法运算信号输出单元(17)，其将与2个传感器线圈(3)对应的差动信号相减而输出减法运算信号；以及

位置检测单元(19、19A、19B)，其将被测量体(13、55)沿着所述同心轴方向移动时的所述被测量体(13)的轴向位置作为通过对所述减法运算信号进行运算而线性变化的位置信号来输出，所述被测量体(13、55)由使所述传感器线圈(3)的阻抗变化的材料构成并位于所述传感器线圈部(12、41)的外周侧或者内周侧，所述位置检测装置的特征在于，

所述被测量体(13、55)的长度为至少一个传感器线圈(3)的长度以上，

所述减法运算信号是根据所述轴向位置而进行非周期性变化的信号，

所述位置检测装置具有线圈确定单元(19、19A、19B)，其基于对多个差动信号进行运算的结果来确定与所述被测量体(13、55)的现在位置对应的传感器线圈(3)，

所述位置检测单元(19、19A、19B)基于由所述线圈确定单元(19、19A、19B)确定的传感器线圈(3)，以多个减法运算信号的变化按照多个传感器线圈(3)的排列顺序而连续的方式将位置信号合成并输出。

2.如权利要求1所述的位置检测装置，其特征在于，

所述线圈确定单元(19、19A、19B)基于2个差动信号的加法运算信号来确定与所述被测量体(13、55)的现在位置对应的传感器线圈(3)。

3.如权利要求2所述的位置检测装置，其特征在于，

所述线圈确定单元(19、19A、19B)通过对多个所述减法运算信号进行运算来求取2个差动信号的加法运算信号。

4.如权利要求1所述的位置检测装置，其特征在于，

所述线圈确定单元(19、19A、19B)基于将多个所述减法运算信号相乘后的结果来确定与所述被测量体(13、55)的现在位置对应的传感器线圈(3)。

5.如权利要求1至4中任一项所述的位置检测装置，其特征在于，

所述传感器线圈(3)由单层绕组构成。

6.如权利要求1至4中任一项所述的位置检测装置，其特征在于，

具有输出所述传感器线圈部(12)的两端的差动信号的差动信号输出单元(16G)，具有基于所述差动信号来检测所述传感器线圈部的温度的温度检测单元(19A)。

7.如权利要求1至4中任一项所述的位置检测装置，其特征在于，

所述位置检测单元(19B)将所述位置信号作为线性变化的信号而输出，

所述位置检测装置具有存储单元(21)，其预先存储有用于对所述位置信号的线性进行校正的校正数据，

所述位置检测单元(19B)构成为在对所述减法运算信号进行运算来求取所述位置信号时，使用所述校正数据对线性进行校正。

8.如权利要求1至4中任一项所述的位置检测装置，其特征在于，

具有输出基于所述位置信号在预先设定的位置进行通断的开关信号的电子限位开关功能(19、23)。

9.如权利要求8所述的位置检测装置，其特征在于，

所述电子限位开关功能还具有输出在相对于所设定的规定时间的所述位置信号的变化量超过所设定的变化量时进行通断的开关信号的限速检测功能(19、23)。