JP2022132769A - 変位検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高精度及び良好な追従性を両立可能な変位検出装置を提供する。【解決手段】変位検出装置１００は、スケール１と、磁気検出ヘッド２と、検出信号処理装置３と、を備える。検出信号処理装置３は、演算処理部３５と、フィルタ処理部３６と、を備える。演算処理部３５は、デジタル値を演算処理して、スケール１の相対変位を出力する。フィルタ処理部３６は、磁気検出ヘッド２に対するスケール１の相対速度の高低に関して判別を行う。相対速度が低いと判別した場合、フィルタ処理部３６は、演算処理部３５から出力された相対変位を第１フィルタで処理して得られた第１フィルタ処理後変位を出力する。相対速度が高いと判別した場合、フィルタ処理部３６は、演算処理部３５から出力された相対変位を第２フィルタで処理して得られた第２フィルタ処理後変位を出力する。第２フィルタは、第１フィルタより次数が低い。【選択図】図１

Description

本発明は、測定対象物の変位を検出する変位検出装置に関する。

従来から、電磁誘導現象を利用して測定対象物の変位を測定する変位検出装置が知られている。特許文献１は、この種の変位検出装置である位置検出装置を開示する。

特許文献１の位置検出装置は、磁気スケールと、磁気スケールのピッチに対応して９０゜の位相差をもった２相の正弦波を出力する一対の磁気センサと、分解能切換手段と、を備える。この位置検出装置では、磁気スケールのピッチ毎の各センサ出力ピーク値から演算されたピッチ毎の振央値と、センサ出力の比較結果と、に基づいて演算することにより、粗位置が得られる。また、２相の補正された正規化信号を用いて三角関数逆演算することにより、精位置が得られる。位置検出装置は、粗位置と精位置を合算してデジタルの位置信号を出力する。デジタルの位置信号は、スイッチにより設定された分解能に応じてその位置信号の各ビットのデータを下位ビットへシフトさせることで、設定した分解能のデジタル位置信号に切り換えて出力される。

特許第３３１７４１０号公報

上記特許文献１の構成は、スイッチ等により人為的に分解能が設定される。従って、低分解能に設定されている場合は検出精度が低下する一方、高分解能に設定されている場合は、磁気スケールと磁気センサとの相対速度が速い際に検出の追従性が不足するという点で改善の余地があった。

本発明は以上の事情に鑑みてされたものであり、その目的は、高精度及び良好な追従性を両立することが可能な変位検出装置を提供することにある。

課題を解決するための手段及び効果

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段とその効果を説明する。

本発明の観点によれば、以下の構成の変位検出装置が提供される。即ち、この変位検出装置は、変位検出方向における測定対象物の変位を検出する。変位検出装置は、スケールと、センサヘッドと、信号処理演算装置と、を備える。前記スケールには、変位検出方向に所定の検出ピッチで磁気応答部と非磁気応答部とが交互に配列されている。前記センサヘッドは、サイン関数、コサイン関数、マイナスサイン関数及びマイナスコサイン関数で表現される出力信号のそれぞれを出力する少なくとも４つの磁気検出素子を有する。前記信号処理演算装置には、前記磁気検出素子の出力信号が入力される。前記信号処理演算装置は、前記センサヘッドに対する前記スケールの相対変位、及び、前記相対変位の変化速度のうち少なくとも一方を演算して出力する。前記信号処理演算装置は、第１差動増幅器と、第２差動増幅器と、ＡＤ変換器と、演算処理部と、フィルタ処理部と、を備える。前記第１差動増幅器は、前記コサイン関数及び前記マイナスコサイン関数を合成して得られた第１交流信号を出力する。前記第２差動増幅器は、前記サイン関数及び前記マイナスサイン関数を合成して得られた第２交流信号を出力する。前記ＡＤ変換器は、前記第１交流信号及び前記第２交流信号をデジタル値に変換する。前記演算処理部は、前記デジタル値を演算処理して、前記スケールの前記相対変位を出力する。前記フィルタ処理部は、前記センサヘッドに対する前記スケールの相対速度の高低に関して判別を行う。前記相対速度が低いと判別した場合、前記フィルタ処理部は、前記演算処理部から出力された前記相対変位を第１フィルタで処理して得られた第１フィルタ処理後変位を前記スケールの相対変位として出力する。前記相対速度が高いと判別した場合、前記フィルタ処理部は、前記演算処理部から出力された前記相対変位を第２フィルタで処理して得られた第２フィルタ処理後変位を前記スケールの相対変位として出力する。前記第２フィルタは、前記第１フィルタより次数が低い。

これにより、センサヘッドとスケールとの相対速度に応じて、異なる次数のフィルタで処理して得られた変位を出力することができる。従って、変位検出装置の追従性及び検出精度を両立することができる。

前記の変位検出装置において、以下の構成とすることが好ましい。即ち、当該変位検出装置の前記フィルタ処理部は、第１移動平均と、第２移動平均と、第３移動平均と、のそれぞれを求める。前記第１移動平均は、前記第１フィルタ処理後変位に相当する。前記第２移動平均は、前記第２フィルタ処理後変位に相当する。前記第３移動平均は、前記演算処理部から出力された前記相対変位を、第３フィルタで処理して得られた第３フィルタ処理後変位に相当する。前記第３フィルタは、前記第１フィルタより次数が低く、前記第２フィルタより次数が高い。前記フィルタ処理部は、前記第１移動平均と前記第３移動平均との差分、及び、前記第１移動平均と前記第２移動平均との差分のうち少なくとも一方を用いて、前記センサヘッドに対する前記スケールの相対速度の高低に関して判別を行う。

これにより、センサヘッドに対するスケールの相対速度に関する判別をより的確に行うことができる。

前記の変位検出装置においては、以下の構成とすることが好ましい。即ち、前記フィルタ処理部は、第１移動平均と、第２移動平均と、のそれぞれを求める。前記第１移動平均は、前記第１フィルタ処理後変位に相当する。前記第２移動平均は、前記第２フィルタ処理後変位に相当する。前記フィルタ処理部は、前記第１移動平均と前記第２移動平均との差分を用いて、前記センサヘッドに対する前記スケールの相対速度の高低に関して判別を行う。

これにより、センサヘッドに対するスケールの相対速度に関する判別を、簡素な処理で行うことができる。

前記の変位検出装置において、前記演算処理部は、ａｒｃｔａｎ演算により前記スケールの変位を算出することが好ましい。

これにより、簡単な演算で、変位を得ることができる。

本発明の一実施形態に係る変位検出装置の構成を示すブロック図。 移動平均の例を示すブロック図。 異なるフィルタ段数の実験結果を示す図。 図３の実験結果の一部の拡大図。 ＦＰＧＡ内の処理を示すブロック図。 速度の高低に応じた移動平均フィルタの段数の選択を概念的に説明するグラフ。

次に、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る変位検出装置１００の構成を示すブロック図である。図２は、移動平均の例を示すブロック図である。図３は、異なるフィルタ段数の実験結果を示す図である。図４は、図３の実験結果の一部の拡大図である。図５は、ＦＰＧＡ内の処理を示すブロック図である。図６は、速度の高低に応じた移動平均フィルタの段数の選択を概念的に説明するグラフである。

図１に示す変位検出装置１００は、測定対象物の所定の方向での変位を検出するために用いられる。以下の説明では、測定対象物の変位が検出される方向を変位検出方向と呼ぶことがある。

変位とは、基準位置（例えば、初期位置）と比較して、現在の位置がどれだけ変化しているかを表す値である。基準位置を適宜の方法で定義することにより、測定対象物の位置そのものを変位から計算することもできる。従って、変位検出装置１００は、位置検出装置として使用可能である。

変位検出装置１００は、主として、スケール１と、磁気検出ヘッド（センサヘッド）２と、検出信号処理装置（信号処理演算装置）３と、を備える。

スケール１及び磁気検出ヘッド２のうち何れかが、測定対象物に取り付けられる。例えば、スケール１が図略の可動部材に取り付けられ、磁気検出ヘッド２が、測定対象物である図略の固定部材に取り付けられる。可動部材は、変位検出方向と平行な経路に沿って直線的に移動可能である。

また、測定対象物である固定部材にスケール１が取り付けられ、可動部材に磁気検出ヘッド２が取り付けられても良い。更に、スケール１と磁気検出ヘッド２の両方が、互いに相対変位する可動部材にそれぞれ取り付けられても良い。この場合、変位検出装置１００は、測定対象物（即ち、スケール１及び磁気検出ヘッド２）の相対変位を検出する。

スケール１は、測定対象物が当該スケール１の長手方向における変位を検出するための目盛として用いられる。スケール１は、可動部材の移動に伴う磁気検出ヘッド２の移動ストロークを含むように、当該移動ストロークと平行な方向に細長く形成されている。スケール１は、細長いブロック状に形成されても良いし、細長い棒状に形成されても良い。

スケール１は、非磁気応答部１１と、磁気応答部１２と、を備える。非磁気応答部１１は、例えば、顕著な磁性を有しない金属、又は、磁性を有しないプラスチック等の材料から構成されている。磁気応答部１２は、例えば、強磁性を有する金属等から構成されている。非磁気応答部１１及び磁気応答部１２は、スケール１の長手方向において、交互に配列されている。

磁気応答部１２は、予め定められた検出ピッチＣ０毎に、スケール１の長手方向に並べて設けられている。磁気応答部１２は、所定の間隔を形成しながら並べて配置されているので、互いに隣接する２つの磁気応答部１２の間には、磁性がない（又は、相対的に弱い）部分である非磁気応答部が形成される。従って、磁気応答部１２においては、スケール１の長手方向で検出ピッチＣ０毎に、磁気応答性の有無又は強弱が交互に繰返し現れる。

磁気検出ヘッド２は、図１に示すように、磁気応答部１２と所定の間隔をあけて配置されている。スケール１が細長い棒状に形成されている場合、磁気検出ヘッド２は例えば筒状に形成され、その筒孔にスケール１が差し込まれる構成とすることができる。ただし、磁気検出ヘッド２の形状は限定されない。磁気検出ヘッド２は、１次コイル２１と、複数の２次コイル（磁気検出素子）２２と、を備える。２次コイル２２は、本実施形態においては４つ設けられている。なお、１次コイル２１を省略することができる。

１次コイル２１は、交流磁界を発生するために用いられる。１次コイル２１に適宜の周波数の交流電流を流すと、その周囲に、向き及び強さが周期的に変化する磁界が発生する。図１に示すように、１次コイル２１は、磁気検出ヘッド２において、２次コイル２２よりもスケール１から遠い側の部分に配置されている。

４つの２次コイル２２は、図１に示すように、スケール１の長手方向と平行な方向に並べて配置されている。２次コイル２２は、磁気検出ヘッド２において、１次コイル２１よりもスケール１に近い側の部分に配置されている。４つの２次コイル２２には、磁気応答部１２で強められた磁界によって誘起された誘導電流が流れる。磁気検出ヘッド２は、この誘導電流に基づく電気信号（例えば電圧信号）を検出して出力する。

図１に示すように、当該４つの２次コイル２２は、変位検出方向において予め定められた単位ピッチＣ１毎に並べて配置されている。当該単位ピッチＣ１は、前述の検出ピッチＣ０との間で所定の関係を有するように、検出ピッチＣ０に基づいて定められている。具体的に説明すると、以下の式で示すように、単位ピッチＣ１は、検出ピッチＣ０の整数倍と、検出ピッチＣ０の１／４と、の和となるように設定される。
Ｃ１＝（ｎ＋１／４）・Ｃ０
ただし、ｎは整数である。本実施形態においては、ｎ＝０であるが、これに限定されない。

以下の説明においては、当該４つの２次コイルのそれぞれを特定するために、図１に示す左側から順に、第１コイル２２ａ、第２コイル２２ｂ、第３コイル２２ｃ、及び第４コイル２２ｄと呼ぶことがある。

ここで、各２次コイル２２で出力する信号（例えば、電圧信号）について、簡単に説明する。１次コイル２１に適宜の周波数の交流電流を流すと、１次コイル２１には、向き及び強さが周期的に変化する磁界が発生する。一方、２次コイル２２には、コイルの磁界の変化を妨げる向きの誘導電流が発生する。１次コイル２１の近傍に強磁性体が存在すると、この強磁性体は、１次コイル２１が発生させる磁界を強めるように作用する。この作用は、強磁性体が１次コイル２１に近づく程大きくなる。

磁気応答部１２に着目すると、磁気検出ヘッド２がスケール１の長手方向一側から他側へ相対移動するにつれて、１次コイル２１及び２次コイル２２が当該磁気応答部１２に近づいていくが、最も近づいた後は離れていく。２次コイル２２に発生する誘導電流は交流電流であるが、その振幅の大きさは、当該２次コイル２２と、磁気応答部１２と、の位置関係に応じて異なる。

磁気応答部１２は実際には検出ピッチＣ０ごとに並べて配置されるので、振幅の大きさの変化は、検出ピッチＣ０ごとの繰り返しになる。即ち、横軸に磁気検出ヘッド２の位置をとり、縦軸に振幅の大きさをとると、振幅と位置との関係は、検出ピッチＣ０を周期とする周期曲線（具体的には、正弦曲線ｙ＝ｓｉｎθ）となる。このθを求めることができれば、繰返し単位である検出ピッチＣ０の中でスケール１が磁気検出ヘッド２に対してどの位置にあるかを取得することができる。

しかし、正弦曲線ｙ＝ｓｉｎθの１周期分を考えると、特別な場合を除いてｙに対応するθの値は２つ考えられ、ただ１つに定まらない。そこで、本実施形態では、２次コイル２２を、最も近い磁気応答部１２との位置関係が検出ピッチＣ０の１／４ずつ実質的にズレるように、上述の単位ピッチＣ１で定められる間隔をあけて４つ配置している。

図１に示すように、第１コイル２２ａ、第２コイル２２ｂ、第３コイル２２ｃ、第４コイル２２ｄのそれぞれは、互いに検出ピッチＣ０の１／４だけ離れているので、互いに位相が９０°ズレている電圧信号を出力する。即ち、第１コイル２２ａが出力する電圧信号をｃｏｓ＋相と表現した場合、第２コイル２２ｂはｓｉｎ＋相の電圧信号を出力し、第３コイル２２ｃはｃｏｓ－相の電圧信号を出力し、第４コイル２２ｄはｓｉｎ－相の電圧信号を出力することとなる。

検出信号処理装置３は、第１コイル２２ａ、第２コイル２２ｂ、第３コイル２２ｃ、第４コイル２２ｄから出力された電圧信号を処理し、磁気検出ヘッド２に対するスケール１の相対変位を算出して出力する。

検出信号処理装置３は、例えば、図１に示すように、第１差動増幅器３１と、第２差動増幅器３２と、第１ＡＤ変換器３３と、第２ＡＤ変換器３４と、演算処理部３５と、フィルタ処理部３６と、を備える。

本実施形態において、第１差動増幅器３１、第２差動増幅器３２、第１ＡＤ変換器３３、第２ＡＤ変換器３４は、検出信号処理装置３が備えるアナログ回路を構成する一部の回路（又は電子部品）から構成される。演算処理部３５及びフィルタ処理部３６は、検出信号処理装置３を構成するＦＰＧＡ等がプログラムを実行することにより実現されている。ＦＰＧＡは、Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙの略称である。

第１差動増幅器３１は、第１コイル２２ａ及び第３コイル２２ｃの出力の差分を増幅するために用いられる。第１差動増幅器３１は、第１コイル２２ａ及び第３コイル２２ｃから出力された電圧信号の差分を増幅して、第１交流信号ｙ１として出力する。

磁気検出ヘッド２に対するスケール１の変位を表す位相をθとしたとき、上記第１交流信号ｙ１は、以下の式で表すことができる。
ｙ１＝ａｃｏｓθ・ｓｉｎωｔ

第２差動増幅器３２は、第２コイル２２ｂ及び第４コイル２２ｄの出力の差分を増幅するために用いられる。第２差動増幅器３２は、第２コイル２２ｂ及び第４コイル２２ｄから出力された電圧信号の差分を増幅して、第２交流信号ｙ２として出力する。

磁気検出ヘッド２に対するスケール１の変位を表す位相をθとしたとき、上記第２交流信号ｙ２は、以下の式で表すことができる。
ｙ２＝ａｓｉｎθ・ｓｉｎωｔ

第１ＡＤ変換器３３及び第２ＡＤ変換器３４はそれぞれ、第１差動増幅器３１及び第２差動増幅器３２からのアナログ信号（第１交流信号ｙ１及び第２交流信号ｙ２）のそれぞれを、デジタル信号に変換するために用いられる。第１ＡＤ変換器３３及び第２ＡＤ変換器３４は、演算処理部３５に電気的に接続されており、変換したデジタル信号を演算処理部３５に出力する。

演算処理部３５は、第２交流信号ｙ２を第１交流信号ｙ１で除算する。この結果は、ｔａｎθの値に相当する。その後、演算処理部３５は、計算結果のａｒｃｔａｎの値を求める。これにより、磁気検出ヘッド２に対するスケール１の変位を表す位相θを得ることができる。θは厳密には位相であるが、実質的には、磁気検出ヘッド２に対するスケール１の相対変位を示している。従って、以下ではθを変位と呼ぶことがある。

フィルタ処理部３６は、演算処理部３５で求められた変位θ（ｔ）に対してフィルタ処理を行う。フィルタ処理部３６は、例えば移動平均フィルタとして構成される。変位θ（ｔ）に含まれる高周波成分が、フィルタ処理によって、当該変位θ（ｔ）から除かれる。これにより、ノイズ等を除去することができる。

フィルタ処理部３６は、例えば、図２に示すように、シフトレジスタを用いて構成することができる。このシフトレジスタは、複数のレジスタをカスケード接続する構成を有する。各レジスタに共通のシフトクロックが入力されるたびに、変位θ（ｔ）を示すデータが次段のレジスタに順次転送されていく。

図２に示すように、本実施形態のフィルタ処理部３６は、４０９６段分のシフトレジスタによって構成されている。従って、フィルタ処理部３６は、１段から４０９６段までの移動平均処理を行うことができる。

４０９６段の移動平均フィルタ処理後の値は、以下の式で表すことができる。ただし、ｓは、シフトレジスタのシフト周期である。
θ１（ｔ）＝（θ（ｔ）＋θ（ｔ－１・ｓ）＋θ（ｔ－２・ｓ）＋・・・＋θ（ｔ－４０９５・ｓ））／４０９６
本実施形態では、この４０９６段の移動平均フィルタ処理が、第１フィルタの処理に相当する。以下、θ１（ｔ）の値を、第１移動平均（第１フィルタ処理後変位）と呼ぶことがある。

１６段の移動平均フィルタ処理後の値は、以下の式で表すことができる。
θ２（ｔ）＝（θ（ｔ）＋θ（ｔ－１・ｓ）＋θ（ｔ－２・ｓ）＋・・・＋θ（ｔ－１５・ｓ））／１６
本実施形態では、この１６段の移動平均フィルタ処理が、第２フィルタの処理に相当する。以下、θ２（ｔ）の値を、第２移動平均（第２フィルタ処理後変位）と呼ぶことがある。

知られているように、ＡＤ変換器のＳＮ比（ＳＮＲ：ｓｉｇｎａｌ－ｔｏ－ｎｏｉｓｅ ｒａｔｉｏ）は、一般的に下記の数式モデルで表される。ただし、Ｎは分解能である。
ＳＮＲ＝６．０２・Ｎ＋１．７６［ｄＢ］
従って、理論的にいえば、４のｎ乗の移動平均処理を行うことで、分解能がｎビット分改善される。例えば、１６段（＝４の２乗）の移動平均では、フィルタ無しに比べて、有効分解能が２ビット分向上する。４０９６段（＝４の６乗）の移動平均では、フィルタ無しの値に比べて、有効分解能が６ビット分向上する。

図３及び図４には、スケール１が磁気検出ヘッド２に対して、位置Ｐ１から位置Ｐ３へ移動して静止し、更に位置Ｐ３から位置Ｐ２へ移動して静止した場合の、フィルタ処理の効果が示されている。図３のグラフは実験により得られたものであり、グラフの一部は拡大して図４に示されている。図４において、フィルタ無しでのセンサ出力には振幅の大きな振れが生じている。

図４には、フィルタ処理により振れを効果的に抑制できることが直感的に示されている。即ち、移動平均の段数が大きければ大きいほど、移動平均の値の振れが小さくなるので、ＳＮ比の良い値を得ることができる。

一方、図３の下側に示すように、スケール１が移動するときには、移動平均の段数が大きければ大きいほど、得られた移動平均の時間遅れが大きくなる。例えば、シフト周期（サンプリング周期）ｓを１６μｓとする場合、移動平均１６段の処理を行って得られた第２移動平均θ２（ｔ）には、１２８μｓの時間遅れが発生する。移動平均４０９６段の処理を行って得られた第１移動平均θ１（ｔ）には、３２．７６８ｍｓの時間遅れが発生する。

以上に示すように、フィルタの段数が大きければ大きいほど、得られた移動平均（フィルタ処理後変位）の精度が良くなるが、時間遅れが大きく発生してしまい、追従性が低下していく。時間遅れによる位置検出誤差は、スケール１が高速で変位する場合に特に大きくなる。

この点に関して、本実施形態の変位検出装置１００においては、磁気検出ヘッド２に対してスケール１が実質的に移動しているか静止しているかに応じて、出力する移動平均フィルタの段数を選択する。即ち、変位検出装置１００は、スケール１の相対移動速度に応じて、異なるフィルタ段数で処理した移動平均を出力する。

具体的には、図５に示すように、第１交流信号ｙ１及び第２交流信号ｙ２のそれぞれが、オフセット補正量加算、ゲイン補正量乗算等の処理を経た後、演算処理部３５に入力される。演算処理部３５では、第１交流信号ｙ１及び第２交流信号ｙ２を用いてａｒｃｔａｎ演算を行うことにより、変位θ（ｔ）を取得する。得られた変位θ（ｔ）は、ピッチ合成等の処理を経た後、フィルタ処理部３６に入力される。

本実施形態のフィルタ処理部３６は、上記第１フィルタ、第２フィルタ、及び後述の第３フィルタのそれぞれで移動平均処理を行って得られたフィルタ処理後変位に基づいて、磁気検出ヘッド２に対してスケール１が移動しているか否かを判定する。

第３フィルタは、移動平均が２０４８段である以外は、第１フィルタ及び第２フィルタと同様である。２０４８段は、第１フィルタと第２フィルタの中間の段数であるということができる。２０４８段の移動平均フィルタ処理後の値は、以下の式で表すことができる。
θ３（ｔ）＝（θ（ｔ）＋θ（ｔ－１・ｓ）＋θ（ｔ－２・ｓ）＋・・・＋θ（ｔ－２０４７・ｓ））／２０４８
本実施形態では、この２０４８段の移動平均フィルタ処理が、第３フィルタの処理に相当する。以下、θ３（ｔ）の値を、第３移動平均（第３フィルタ処理後変位）と呼ぶことがある。

本実施形態において、磁気検出ヘッド２に対してスケール１が移動しているか静止しているかの判定は、スケール１の相対速度が比較的高いか低いかを、フィルタ処理部３６が適宜の計算により判別した結果に基づく。従って、静止している場合とは、相対速度がゼロである完全静止状態と、完全静止状態ではないものの相対速度が僅かである微速移動中の状態と、を含む。

フィルタ処理部３６は、磁気検出ヘッド２に対してスケール１が静止していると判定した場合、第１フィルタで移動平均処理を行って得られた第１移動平均（第１フィルタ処理後変位）を選択して出力する。

一方、フィルタ処理部３６は、磁気検出ヘッド２に対してスケール１が移動していると判定した場合、第２フィルタで移動平均処理を行って得られた第２移動平均（第２フィルタ処理後変位）を選択して出力する。

磁気検出ヘッド２に対してスケール１が移動しているか否かの判定は、例えば、図５に示すように行われる。詳細には、フィルタ処理部３６は、第１移動平均と第３移動平均の差分である第１差分、及び、第１移動平均と第２移動平均との差分である第２差分、のそれぞれを所定の閾値と比較する。フィルタ処理部３６は、第１差分及び第２差分の何れも閾値より小さい場合、スケール１が静止していると判定する。一方、フィルタ処理部３６は、第１差分及び第２差分のうち少なくとも一方が閾値以上である場合、磁気検出ヘッド２が移動していると判定する。

変位θ（ｔ）が変化した場合、３つの移動平均のうち第２移動平均が最も敏感に反応して変化し、第３移動平均、第１移動平均の順に反応が鈍くなる。第１差分及び第２差分は、時間遅れが移動平均段数に応じて異なることによる移動平均の差である。スケール１の移動速度がゼロに近い場合、変位θ（ｔ）は殆ど変化しないので、第１差分も第２差分も小さくなる。一方、スケール１の移動速度が相当に大きい場合は、変位θ（ｔ）が大きく変化するので、第１差分も第２差分も大きくなる。従って、フィルタ処理部３６は、実質的に、磁気検出ヘッド２に対するスケール１の相対速度の高低に関して判別しているということができる。

磁気検出ヘッド２の相対速度の高低の判別手法は、上記に限定されない。例えば、第１差分及び第２差分のうち一方だけに基づいて判別を行っても良い。単に第１移動平均と第２移動平均との差分を所定の閾値と比較することで、判別を行っても良い。適宜の移動平均（例えば、第２移動平均）の現在値と所定時間前の値との差分を求め、この差分を所定の閾値と比較することで判別することもできる。

フィルタ処理部３６により出力されたフィルタ処理後変位は、図５等に示すように、リニアリティ較正、予測演算等の後処理を経った後、位置情報として出力される。

上記のように、本実施形態の変位検出装置１００は、図６に示すように、磁気検出ヘッド２に対するスケール１の相対速度が比較的に小さい場合、４０９６段の移動平均処理により得られた値を検出値として出力し、スケール１の相対速度が比較的に大きい場合、１６段の移動平均処理により得られた値を検出値として出力する。なお、図６では、相対速度そのものを閾値と直接比較するように示されているが、これは便宜のために概念的に説明したものであって、実際の処理とは異なっている。

このように、本実施形態の変位検出装置１００は、通常はトレードオフの関係にある良好な追従性及び精度を両立することができる。

以上に説明したように、本実施形態の変位検出装置１００は、変位検出方向における測定対象物の変位を検出する。変位検出装置１００は、スケール１と、磁気検出ヘッド２と、検出信号処理装置３と、を備える。スケール１には、変位検出方向に所定の検出ピッチで磁気応答部１２と非磁気応答部１１とが交互に配列されている。磁気検出ヘッド２は、サイン関数、コサイン関数、マイナスサイン関数及びマイナスコサイン関数で表現される出力信号のそれぞれを出力する少なくとも４つの２次コイル２２を有する。検出信号処理装置３には２次コイル２２の出力信号が入力され、検出信号処理装置３は、磁気検出ヘッド２に対するスケール１の相対変位を演算して出力する。検出信号処理装置３は、第１差動増幅器３１と、第２差動増幅器３２と、ＡＤ変換器（第１ＡＤ変換器３３及び第２ＡＤ変換器３４）と、演算処理部３５と、フィルタ処理部３６と、を備える。第１差動増幅器３１は、コサイン関数及びマイナスコサイン関数を合成して得られた第１交流信号ｙ１を出力する。第２差動増幅器３２は、サイン関数及びマイナスサイン関数を合成して得られた第２交流信号ｙ２を出力する。ＡＤ変換器は、第１交流信号ｙ１及び第２交流信号ｙ２をデジタル値に変換する。演算処理部３５は、デジタル値を演算処理して、スケール１の相対変位を出力する。フィルタ処理部３６は、磁気検出ヘッド２に対するスケール１の相対速度の高低に関して判別を行う。フィルタ処理部３６は、相対速度が低いと判別した場合、演算処理部３５から出力された相対変位を第１フィルタで処理して得られた第１フィルタ処理後変位を、スケール１の相対変位として出力する。フィルタ処理部３６は、相対速度が高いと判別した場合、演算処理部３５から出力された相対変位を第２フィルタで処理して得られた第２フィルタ処理後変位をスケール１の相対変位として出力する。第２フィルタは、第１フィルタより次数が低い。

これにより、磁気検出ヘッド２とスケール１との相対速度に応じて、異なる次数のフィルタで処理して得られた変位を出力することができる。従って、変位検出装置１００の追従性及び検出精度を両立することができる。

また、本実施形態の変位検出装置１００において、フィルタ処理部３６は、第１移動平均と、第２移動平均と、第３移動平均と、のそれぞれを求める。第１移動平均は、第１フィルタ処理後変位に相当する。第２移動平均は、第２フィルタ処理後変位に相当する。第３移動平均は、演算処理部３５から出力された相対変位を第３フィルタで処理して得られた、第３フィルタ処理後変位に相当する。第３フィルタは、第１フィルタより次数が低く、第２フィルタより次数が高い。フィルタ処理部３６は、第１移動平均と第３移動平均との差分である第１差分、及び、第１移動平均と第２移動平均との差分である第２差分を用いて、磁気検出ヘッド２に対するスケール１の相対速度の高低に関して判別を行う。

これにより、磁気検出ヘッド２に対するスケール１の相対速度に関する判別を的確に行うことができる。

ただし、本実施形態の変位検出装置１００において、フィルタ処理部３６は、第１移動平均と第２移動平均の差分に基づいて、磁気検出ヘッド２に対するスケール１の相対速度の高低に関して判別を行うように構成することもできる。

この場合、磁気検出ヘッド２に対するスケール１の相対速度に関する判別を、簡素な処理で行うことができる。

また、本実施形態の変位検出装置１００において、演算処理部３５は、ａｒｃｔａｎ演算によりスケール１の変位を算出する。

これにより、簡単な演算で、変位を得ることができる。

以上に本発明の好適な実施の形態を説明したが、上記の構成は例えば以下のように変更することができる。

スケール１は、上述の構成に限定されず、互いに異なる磁気的な性質（磁性の強弱、発生する磁界の方向等）が繰り返されるのであれば、適宜の構成とすることができる。例えば、磁気応答部１２が、強磁性体と弱磁性体／非磁性体を、当該スケール１の長手方向に交互に並べることで構成されても良い。磁石のＮ極とＳ極を並べることで、磁気的な性質の変化の繰返しを実現しても良い。

磁気検出素子は、２次コイル２２の代わりに、プリント基板の導電パターン、ホール素子等から構成されても良い。

２次コイル２２がスケール１（磁気応答部１２）からの変位に応じた変化を捉えることが可能であれば、１次コイル２１がスケール１に近い側に配置され、２次コイル２２がスケール１から遠い側に配置されても良い。

演算処理部３５は、ｔａｎθを計算する以外の方法で、θを得ることもできる。具体的には、公知のシフト回路により第２交流信号ｙ２の位相が９０°シフトされて、第１交流信号ｙ１に加算される。加算後の信号は、周知の三角関数の加法定理により、ａｓｉｎ（ωｔ＋θ）と表すことができる。演算処理部３５は、この信号と、基準交流信号ａｓｉｎωｔと、の位相差（具体的には、各信号がゼロと交差するタイミングの差）を計測することにより、θを得る。また、演算処理部３５は、ＰＤ（Ｐｈａｓｅ－Ｄｉｇｉｔａｌ）変換によってθを得ることもできる。

フィルタ処理部３６におけるスケール１の相対速度に対する判別は、リアルタイムで行われなくても良い。例えば、予め設定された一定の時間間隔で判別が行われても良いし、スケール１の相対速度に応じて変化する時間間隔で行われても良い。

上記の実施形態では、第１段目から第１６段目までのシフトレジスタは、第１フィルタ、第２フィルタ、及び第３レジスタで共有されている。第１段目から第２０４８段目までのシフトレジスタは、第１フィルタ及び第３フィルタで共有されている。しかし、シフトレジスタは、フィルタ毎に独立して設けられても良い。

第２フィルタが第１フィルタよりも次数が低い条件を満たせば、第１フィルタ及び第２フィルタとして、移動平均フィルタ以外のフィルタが用いられても良い。第３フィルタが第１フィルタより次数が低く、第２フィルタより次数が高い条件を満たせば、第３フィルタとして、移動平均フィルタ以外のフィルタが用いられても良い。

変位検出装置は、スケール１の相対変位に代えて、又はそれに加えて、相対変位の変化速度を出力することもできる。相対変位の変化速度とは、実質的に、スケール１の相対速度を意味する。相対変位の変化速度は、スケール１の現在の相対変位と、所定時間前の相対変位と、の差を計算することにより、容易に得ることができる。

図１及び図５において、符号を付していない処理（例えば、図５のオフセット補正量加算、ゲイン補正量乗算、ピッチカウント生成、ピッチ合成、リニアリティ較正、予測演算等の処理）については、使用される条件に応じて適宜省略されても良い。

１ スケール
２ 磁気検出ヘッド（センサヘッド）
３ 検出信号処理装置（信号処理演算装置）
１１ 非磁気応答部
１２ 磁気応答部
２２ ２次コイル（磁気検出素子）
３１ 第１差動増幅器
３２ 第２差動増幅器
３３ 第１ＡＤ変換器
３４ 第２ＡＤ変換器
１００ 変位検出装置

Claims (4)

1. 変位検出方向における測定対象物の変位を検出する変位検出装置であって、
   変位検出方向に所定の検出ピッチで磁気応答部と非磁気応答部とが交互に配列されたスケールと、
   サイン関数、コサイン関数、マイナスサイン関数及びマイナスコサイン関数で表現される出力信号のそれぞれを出力する少なくとも４つの磁気検出素子を有するセンサヘッドと、
   前記磁気検出素子の出力信号が入力され、前記センサヘッドに対する前記スケールの相対変位、及び、前記相対変位の変化速度のうち少なくとも一方を演算して出力する信号処理演算装置と、
   を備え、
   前記信号処理演算装置は、
   前記コサイン関数及び前記マイナスコサイン関数を合成して得られた第１交流信号を出力する第１差動増幅器と、
   前記サイン関数及び前記マイナスサイン関数を合成して得られた第２交流信号を出力する第２差動増幅器と、
   前記第１交流信号及び前記第２交流信号をデジタル値に変換するＡＤ変換器と、
   前記デジタル値を演算処理して、前記スケールの前記相対変位を出力する演算処理部と、
   前記センサヘッドに対する前記スケールの相対速度の高低に関して判別を行い、前記相対速度が低いと判別した場合、前記演算処理部から出力された前記相対変位を第１フィルタで処理して得られた第１フィルタ処理後変位を前記スケールの相対変位として出力し、前記相対速度が高いと判別した場合、前記演算処理部から出力された前記相対変位を前記第１フィルタより次数が低い第２フィルタで処理して得られた第２フィルタ処理後変位を前記スケールの相対変位として出力するフィルタ処理部と、
   を備えることを特徴とする変位検出装置。
2. 請求項１に記載の変位検出装置であって、
   前記フィルタ処理部は、
   前記第１フィルタ処理後変位に相当する第１移動平均と、
   前記第２フィルタ処理後変位に相当する第２移動平均と、
   前記演算処理部から出力された前記相対変位を、前記第１フィルタより次数が低く、前記第２フィルタより次数が高い第３フィルタで処理して得られた、第３フィルタ処理後変位に相当する第３移動平均と、
   のそれぞれを求め、
   前記第１移動平均と前記第３移動平均との差分、及び、前記第１移動平均と前記第２移動平均との差分のうち少なくとも一方を用いて、前記センサヘッドに対する前記スケールの相対速度の高低に関して判別を行うことを特徴とする変位検出装置。
3. 請求項１に記載の変位検出装置であって、
   前記フィルタ処理部は、
   前記第１フィルタ処理後変位に相当する第１移動平均と、
   前記第２フィルタ処理後変位に相当する第２移動平均と、
   のそれぞれを求め、
   前記第１移動平均と前記第２移動平均との差分を用いて、前記センサヘッドに対する前記スケールの相対速度の高低に関して判別を行うことを特徴とする変位検出装置。
4. 請求項１から３までの何れか一項に記載の変位検出装置であって、
   前記演算処理部は、ａｒｃｔａｎ演算により前記スケールの変位を算出することを特徴とする変位検出装置。

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