JP4420652B2 - 位置検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、工作機械や精密測定機器などにおいて相対移動する２部材の相対位置を検出する位置検出装置に関する。

一般に、工作機械や精密測定機器などには、直線移動及び回転移動などによって相対移動する２部材の相対位置を検出するための位置検出装置が用いられている（例えば、特許文献１）。

図１２に示すように、上述した位置検出装置１００は、一定の周期で変化する信号が記録されたインクリメンタルトラック（以下、ＩＮＣトラックという。）１０１と、ＩＮＣトラック１０１に対向しているＩＮＣ信号検出部１０２と、ＩＮＣトラック１０１に並設されている原点トラック１０３と、ＩＮＣ信号検出部１０２の移動に伴って移動し、原点トラック１０３に対向している原点信号検出部１０４とを備える。

位置検出装置１００では、ＩＮＣトラック１０１とＩＮＣ信号検出部１０２とを相対移動する２部材のそれぞれに搭載し、ＩＮＣトラック１０１に対するＩＮＣ信号検出部１０２の相対位置を検出することによって、２部材間の相対位置を検出する。

ＩＮＣトラック１０１は、長手方向に沿った長さがｚ（但し、ｚ＞０）変化する毎に、Ｓ極とＮ極とが交互に位置する磁気パターンからなる。位置検出装置１００では、ＩＮＣトラック１０１に記録されている信号一周期分の長さはｚとなる。

ＩＮＣ信号検出部１０２は、ＩＮＣトラック１０１に対向して設けられている。また、ＩＮＣトラック１０１の長手方向に沿って移動可能とされている。ＩＮＣ信号検出部１０２は、ＩＮＣトラック１０１に記録された信号（以下、ＩＮＣ信号ともいう。）を検出して出力する。

原点トラック１０３は、ＩＮＣトラック１０１に対するＩＮＣ信号検出部１０２の相対位置を検出するときに原点となる位置に、原点を示す信号が記録された原点信号部１０３ａを備える。具体的には、位置検出装置１００が磁気を利用しているときには、原点信号部１０３ａが着磁され、他の領域が未着磁とされる。図中矢印Ｃで示すような原点トラック１０３の長手方向に沿った原点信号部１０３ａの長さは、ＩＮＣトラック１０１に記録された信号一周期程度の長さとされる。すなわち、位置検出装置１００ではｚとされる。なお、原点トラック１０３には、原点信号部１０３ａが複数備えられていても良い。

原点信号検出部１０４は、原点トラック１０３に対向して設けられている。原点信号検出部１０４は、原点信号部１０３ａと対向したときに信号を検出して出力する。位置検出装置１００は、原点信号検出部１０４が出力した信号に基づいて、ＩＮＣ信号検出部１０２が原点に位置することを検出する。

詳述すると、原点信号検出部１０４は、直列に接続されている２つの検出素子１０４ａ，１０４ｂと、直列に接続された検出素子１０４ａ及び検出素子１０４ｂの中間から信号を出力する信号出力端子１０４ｃとを備えている。

まず、原点信号検出部１０４が原点信号部１０３ａを通過すると、検出素子１０４ｂと検出素子１０４ａとは、順次原点信号部１０３ａを通過し、図１３（Ａ）に示すように、抵抗値が順次ずれて低下する。また、信号出力端子１０４ｃから出力される信号の電圧は、図１３（Ｂ）に示すように、検出素子１０４ｂが原点信号部１０３ａを通過したときに極大値となり、続いて検出素子１０４ａが原点信号部１０３ａを通過したときには極小値となる。

次に、位置検出装置１００は、信号出力端子１０４ｃから出力された信号を、例えば図中Ｋで示す所定のレベルでコンパレートして成形することによって、図１３（Ｃ）に示すような所定の幅を有するパルス状の矩形波である定点信号を生成する。そして、定点信号がｈｉｇｈであり且つＩＮＣ信号が所定の位相であるときに原点信号を出力して、ＩＮＣ信号検出部１０２が原点に位置することを検出する。

したがって、位置検出装置１００では、ＩＮＣ信号検出部１０２が原点から移動した距離を検出して、相対移動する２部材の変位量を検出することができる。

ところで、位置検出装置１００が磁気を利用しているときには、原点信号部１０３ａは着磁されることによって形成されており、原点信号部１０３ａの近傍には磁界が形成されている。このため、原点信号部１０３ａと対向したときに信号出力端子１０４ｃから出力される信号の波形は、原点信号部１０３ａの磁気特性や、原点信号部１０３ａに対する原点信号検出部１０４の当たり具合、検出素子１０４ａ，１０４ｂと原点信号部１０３ａとの間隔などの要因で変化する。したがって、位置検出装置１００では、定点信号の幅を一定に保つことが困難となる。

また、位置検出装置１００に原点を複数配置するときには、位置検出装置１００に対して原点信号部１０３ａを複数設けることとなるが、原点信号部１０３ａを設ける位置に応じて、原点信号部１０３ａに対する原点信号検出部１０４の当たり具合、検出素子１０４ａ，１０４ｂと原点信号部１０３ａとの間隔などを調整する必要が生じ、安定した定点信号を得ることが困難となる。

さらに、原点信号部１０３ａの近傍に磁界が形成されるため、検出素子１０４ａ，１０４ｂによって磁界が検出される領域は、実際には原点信号部１０３ａよりも広い領域となる。したがって、位置検出装置１００の精度を上げるためにｚを小さくすると、検出素子１０４ａ，１０４ｂによって磁界が検出される領域の矢印Ｃ方向に沿った長さが２ｚ以上となるために、定点信号の幅が広くなり、定点信号がｈｉｇｈであり且つＩＮＣ信号が所定の位相である状態が周期ｚで２回以上連続して検出されてしまう。すなわち、位置検出装置１００では、原点を正確に検出することが困難となる。具体的には、ｚ＝４０μｍとしたときには原点を検出することが可能であるが、ｚ＝２０μｍとしたときには原点を正確に検出することが困難となる。

さらにまた、原点トラック１０３を設けることにより、位置検出装置１００は、ＩＮＣトラック１０１に加えて原点トラック１０３を設けるスペースが必要となる。したがって、小型化が困難となり、例えば細い形状のゲージなどに組み込むことが不可能となる。

特許第２７００９４４号

本発明は、以上説明した従来の実情を鑑みて提案されたものであり、原点を精度良く検出することにより、相対移動する２つの部材の変位量を正確に検出す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。

本発明に係る位置検出装置は、一定の周期で変化する信号が記録されており、且つ上記信号が記録されていない無記録領域が設けられたインクリメンタルトラックと、上記インクリメンタルトラックに対向して配置された検出素子を有し、上記インクリメンタルトラックに沿って相対移動し、上記インクリメンタルトラックに記録された信号を検出する第１の信号検出手段と、上記インクリメンタルトラックに対向して配置された検出素子を有し、上記第１の信号検出手段の相対移動に伴って上記インクリメンタルトラックに沿って相対移動し、上記インクリメンタルトラックに記録された信号を検出する第２の信号検出手段と、上記第２の信号検出手段によって検出された信号に基づいて、上記第２の信号検出手段の検出素子が上記インクリメンタルトラックに設けられた上記無記録領域と対向していることを検出する対向検出手段とを備え、上記無記録領域は、上記第１の信号検出手段の相対移動範囲外に設けられ、上記第２の信号検出手段の移動方向に沿った上記無記録領域の長さは、一周期分の信号が記録されている長さをλとしたときに、２λ未満とされ、上記第２の信号検出手段は、該第２の信号検出手段の移動方向に沿った方向の間隔がｎλ（但し、ｎは正の整数。）となるように配置され直列に接続された２つの検出素子を有しており、電圧値が上記２つの検出素子の抵抗値の比で分配された値である信号を出力することを特徴とする。

本発明に係る位置検出装置では、第２の信号検出手段が無記録領域と対向したときに出力するパルス信号の幅が安定化する。すなわち、２つの部材の相対位置を検出するときに基準となる原点を精度良く検出することが可能となる。

したがって、本発明に係る位置検出装置によれば、インクリメンタルトラックに記録する信号の周期を短くしたときにも、２つの部材の相対位置を検出するときに基準となる原点を精度良く検出することが可能となるために、２つの部材の相対位置を正確に検出することが可能となる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

第１の実施の形態
まず、本発明の第１の実施の形態について説明する。

図１に示すように、本発明に係る位置検出装置１は、インクリメンタルトラック（以下、ＩＮＣトラックという。）２と原点トラック３とが並設されたトラック部４と、トラック部４に対向して設けられた信号検出部５と、信号検出部５から出力された信号に基づいて、トラック部４に対する信号検出部５の相対位置を検出する信号処理回路６とを備える。

位置検出装置１は、例えば工作機械を構成する２部材に、それぞれトラック部４と信号検出部５とを装着し、信号検出部５を図中矢印Ａで示すトラック部４の長手方向に沿って移動させ、トラック部４に対する信号検出部５の相対位置を、磁気を使用して検出することで、２部材間の変位量を測定する。

ＩＮＣトラック２は、一定の周期で変化する信号が記録されている。本実施の形態では、ＩＮＣトラック２は、矢印Ａ方向の長さがｘ（但し、ｘ＞０）である複数の微小領域が形成されており、各微小領域は、磁化方向が交互になるように着磁されている。すなわち、ＩＮＣトラック２は、矢印Ａ方向の長さがｘ変化する毎に、Ｓ極とＮ極とが交互に現れる交番磁気で構成された磁気パターンを備えている。

原点トラック３は、ＩＮＣトラック２と同一の周期で変化し、且つ位相が同一な信号が記録されている。すなわち、本実施の形態では、矢印Ａ方向の長さがｘ変化する毎に、Ｓ極とＮ極とが交互に現れる交番磁気で構成された磁気パターンを備えている。また、原点トラック３には、信号が記録されていない無記録領域３ａが設けられている。無記録領域３ａは、信号検出部５が原点に位置するときに、後述する原点検出部に備えられた第２のＭＲ素子が対向する領域に形成されている。原点は、トラック部４に対する信号検出部５の相対位置を検出するときの基準点である。本実施の形態では、微小領域１つが無記録領域３ａとされている。

無記録領域３ａは、ＩＮＣトラック２及び原点トラック３に記録されている信号一周期分の長さをλとしたときに、矢印Ａ方向の長さが２λ未満となるように形成される必要があり、λ±λ／８となるように形成されることが好ましく、λとなるように形成されることが最も好ましい。矢印Ａ方向の長さが２λ以上であるときには、後述するように、定点信号がＨｉｇｈであり且つ内挿信号が所定の値である状態が、周期ｘで２回以上連続して生じてしまうために、原点を正確に検出することが困難となる。なお、本実施の形態では、無記録領域３ａにおける矢印Ａ方向の長さはｘとされている。

なお、ＩＮＣトラック２及び原点トラック３は、例えば、磁性粉とバインダからなる塗布材、ＣｕＮｉＦｅやＦｅＣｒＣｏやＭｎＡｌなどの磁性合金材料、ＣｏＰやＣｏＭｎＷＰなどの磁性めっきなどによって作製されるが、ＩＮＣトラック２及び原点トラック３を作製する材料は上述した材料に限定されることはなく、磁性材料であれば良い。

信号検出部５は、トラック部４と対向しており、矢印Ａ方向に沿って移動して、ＩＮＣトラック２に記録されている信号と、原点トラック３に記録されている信号とを検出する。位置検出装置１では、信号検出部５から出力された信号に基づいて、トラック部４に対する信号検出部５の相対位置を検出する。

信号検出部５は、図２に示すように、ＩＮＣトラック２に記録されている信号を検出するインクリメンタル信号検出部（以下、ＩＮＣ信号検出部という。）７と、原点トラック３に記録されている信号を検出する原点信号検出部８とを備える。また、信号検出部５は、ＩＮＣ信号検出部７及び原点信号検出部８の電源９を備える。

ＩＮＣ信号検出部７は、第１の検出素子１１と、第２の検出素子１２と、第３の検出素子１３と、第４の検出素子１４とを備える。第１〜第４の検出素子１１〜１４は、電源９に対して並列に接続されている。第１の検出素子１１は、それぞれ２つの磁気抵抗効果素子（以下、ＭＲ素子という。）１１ａ，１１ｂが直列に接続されており、２つのＭＲ素子の中間に信号を出力するための出力端子１１ｃが備えられている。

出力端子１１ｃは、２つのＭＲ素子１１ａ，１１ｂの抵抗値の比に応じて分配された電圧を出力する。各ＭＲ素子は、Ｓ極又はＮ極と対向したときに抵抗値が最大となり、Ｓ極とＮ極との中心で抵抗値が最小となる。また、第２〜第４の検出素子１２〜１４の構成は、第１の検出素子１１と同一である。したがって、第１〜第４の検出素子１１〜１４は、ｘ移動する毎に一周期変化する信号を出力する。すなわち、本実施の形態では、λ＝ｘとなる。

なお、各ＭＲ素子にバイアス磁界を印加することにより、各ＭＲ素子の抵抗値は、Ｓ極又はＮ極の一方で最大となり、他方で最小となる。この場合には、第１〜第４の検出素子１１〜１４からは、２ｘ移動する毎に一周期変化する信号が出力され、λ＝２ｘとなる。しかし、本実施の形態では、各ＭＲ素子にはバイアス磁界を印加せずに位置検出装置１を使用する。したがって、本実施の形態では、λ＝ｘとなる。

また、本実施の形態では、第１〜第４の検出素子１１〜１４はそれぞれ５ｘ／４の間隔で配置されるため、第１及び第３の検出素子１１，１３から出力される信号の電圧値の変化はそれぞれ互いに反転した正弦曲線となり、第２及び第４の検出素子１２，１４から出力される信号の電圧変化はそれぞれ互いに反転した余弦曲線となる。なお、以下では、電圧値の変化が正弦曲線となる信号を正弦信号ともいう。また、電圧値の変化が余弦曲線となる信号を余弦信号ともいう。

なお、本実施の形態では、ＩＮＣ信号検出部７に備えられる検出素子の数を４つとしたが、ＩＮＣ信号検出部７に備えられる検出素子の数は特に限定されない。また、本実施の形態では、第１〜第４の検出素子１１〜１４はそれぞれ５ｘ／４の間隔で配置されるが、第１〜第４の検出素子１４の間隔についても特に限定されるものではなく、例えば各ＭＲ素子にバイアス磁界を印加するか否かなどに応じて適宜変更することができる。

原点信号検出部８は、互いに直列に接続している第１のＭＲ素子２１と第２のＭＲ素子２２とを備える。また、直列に接続された第１のＭＲ素子２１と第２のＭＲ素子２２との中間に設けられた出力端子２３を備える。

第１のＭＲ素子２１はＩＮＣトラック２に対向しており、第２のＭＲ素子２２は原点トラック３に対向している。また、第１のＭＲ素子２１と第２のＭＲ素子２２とは、矢印Ａ方向に対して垂直な直線上に、並んで配置されている。なお、本実施の形態では、第１のＭＲ素子２１が第１の検出素子１１に隣接した位置に配置される。すなわち、本実施の形態では、原点信号検出部８は、ＩＮＣ信号検出部７の片側に設けられる。また、第１のＭＲ素子２１と第２のＭＲ素子２２との間隔は、ｍλ（但し、ｍは整数。）とされる。

また、ＩＮＣトラック２と原点トラック３とは、同一の周期で変化し且つ位相が同一な信号が記録されている。したがって、第１のＭＲ素子２１から出力される信号と第２のＭＲ素子２２から出力される信号とは、周期及び位相が同一となる。さらに、第１のＭＲ素子２１は電源９と接続しており、第２のＭＲ素子２２は接地している。

したがって、信号出力端子２３から出力される信号の電圧Ｖは、第１のＭＲ素子２１の抵抗値をＲ１とし、第２のＭＲ素子２２の抵抗値をＲ２とし、電源９の電圧をＶｃｃとしたときに、以下の式１に示す値となる。

Ｖ＝Ｒ２・Ｖｃｃ／（Ｒ１＋Ｒ２）…式１

第１のＭＲ素子２１の抵抗変化は、図３（Ａ）に示す通りとなり、信号検出部５の位置がｘ変化する毎に一周期変化する正弦曲線となる。また、第２のＭＲ素子２２の抵抗変化は、図３（Ｂ）に示す通りとなり、信号検出部５の位置がｘ変化する毎に一周期変化する正弦曲線となるが、無記録領域３ａと対向したときには抵抗値の周期的な変化が消失し、本実施の形態では、抵抗値が高い状態が維持される。なお、図３（Ａ），（Ｂ）では、横軸がトラック部４に対する信号検出部５の相対移動量を示しており、縦軸が抵抗値を示している。

したがって、信号出力端子２３から出力される信号は、図３（Ｃ）に示すように、第２のＭＲ素子２２が無記録領域３ａ以外の領域と対向しているときにはＶｃｃ／２となり、第２のＭＲ素子２２が無記録領域３ａと対向しているときにはＶｃｃ／２よりも高い値となり、信号出力端子２３からは、第２のＭＲ素子２２が無記録領域３ａと対向しているときにのみパルス信号が出力される。すなわち、位置検出装置１は、信号出力端子２３から出力されるパルス信号に基づいて、信号検出部５が原点と対向していることを検出することができる。なお、図３（Ｃ）では、横軸がトラック部４に対する信号検出部５の相対移動量を示しており、縦軸が電圧値を示している。

また、信号出力端子２３から出力される信号は、上述した式１に示すように、Ｒ２・Ｖｃｃ／（Ｒ１＋Ｒ２）で表され、第２のＭＲ素子２２が無記録領域３ａと対向しているか否かに拘わらず、Ｒ１の値は一定の周期毎に正確に変化する。一方、Ｒ２の値は、第２のＭＲ素子２２が無記録領域３ａと対向している間は高い値が維持され、第２のＭＲ素子２２が無記録領域３ａ以外の領域と対向しているときには、一定の周期毎に正確に変化する。

したがって、Ｒ２・Ｖｃｃ／（Ｒ１＋Ｒ２）がＶｃｃ／２より高い値となるのは、第２のＭＲ素子２２が無記録領域３ａと対向している間となり、また、出力されたパルス信号の幅は、第２のＭＲ素子２２が無記録領域３ａと対向している状態を精度良く反映したものとなる。すなわち、信号出力端子２３から出力されるパルス信号の幅は正確に一周期分となり、安定化する。

以上説明した理由により、位置検出装置１は、信号出力端子２３から出力されるパルス信号に基づいて原点を検出することで、原点を精度良く検出することが可能となる。

なお、原点信号検出部８は、第１のＭＲ素子２１と第２のＭＲ素子２２との両方を、原点トラック３に対向させた構成とされても良い。この構成とするときには、第１のＭＲ素子２１と第２のＭＲ素子２２との距離は、ｋｘ（但し、ｋは正の整数。）とされることが好ましい。

なお、本実施の形態では、ＩＮＣ信号検出部７及び原点信号検出部８にＭＲ素子を使用したが、ＭＲ素子以外を使用することも可能であり、例えば、人工格子構造、スピンバルブタイプのＧＭＲ素子、又はＴＭＲ素子、又は薄膜構造のＭＩ素子など、磁気を検出可能な素子であればどのようなものでも使用することができる。

信号処理回路６は、図４に示すように、第１〜第４の検出素子１１〜１４から出力された信号が供給されるインクリメンタル信号生成部（以下、ＩＮＣ信号生成部）３１と、ＩＮＣ信号生成部３１によって生成された信号が供給される内挿部３２と、信号出力端子２３から出力された信号が供給される定点信号生成部３３と、定点信号生成部３３によって生成された信号及び内挿部３２によって生成された信号が供給される原点信号生成部３４と、原点信号生成部３４によって生成された信号と内挿部３２によって生成された信号とが供給される相対位置検出部３５とを備える。

ＩＮＣ信号生成部３１は、第１〜第４の検出素子１１〜１４から出力された信号に演算を施して、増幅された正弦信号と増幅された余弦信号とを１種類ずつ生成して出力する。ＩＮＣ信号生成部３１は、図５に示すように、正弦信号処理回路４０と、余弦信号処理回路５０とを備える。

正弦信号処理回路４０は、−端子が抵抗４１を介して第１の検出素子１１に接続されており＋端子が抵抗４２を介して第３の検出素子１３に接続されているアンプ４３と、アンプ４３から出力された信号を内挿部３２へ出力する出力端子４４と、一方の端部が抵抗４１とアンプ４３との間に接続されており一方の端部がアンプ４３と出力端子４４との間に接続されている抵抗４５と、一方の端部が抵抗４２とアンプ４３との間に接続されており他方の端部が接地されている抵抗４６とを備える。

また、余弦信号処理回路５０は、−端子が抵抗５１を介して第２の検出素子１２に接続されており＋端子が抵抗５２を介して第４の検出素子１４に接続されているアンプ５３と、アンプ５３から出力された信号を内挿部３２へ出力する出力端子５４と、一方の端部が抵抗５１とアンプ５３との間に接続されており他方の端部がアンプ５３と出力端子５４との間に接続されている抵抗５５と、一方の端部が抵抗５２とアンプ５３との間に接続されており他方の端部が接地されている抵抗５６とを備える。

正弦信号処理回路４０は、第３の検出素子１３による出力信号から第１の検出素子１１による出力信号を減算することによって、増幅され且つノイズが低減された正弦信号を生成し、内挿部３２に出力する。

また、余弦信号処理回路５０は、第４の検出素子１４による出力信号から第２の検出素子１２による出力信号を減算することによって、増幅され且つノイズが低減された余弦信号を生成し、内挿部３２に出力する。

以上説明した信号処理を行うことにより、ＩＮＣ信号生成部３１は、ノイズが低減され且つ増幅された正弦信号及び余弦信号が出力し、内挿部３２に対して供給する。

内挿部３２は、ＩＮＣ信号生成部３１から供給された正弦信号及び余弦信号から、ＩＮＣトラック２の微小領域内におけるＩＮＣ信号検出部７の位置を検出する。ＩＮＣトラック２の微小領域内におけるＩＮＣ信号検出部７の位置の検出は、例えば、ＩＮＣ信号生成部３１から出力される信号の１周期をＶ等分して、微小領域内におけるＩＮＣ信号検出部７の位置を、１〜Ｖの数値、又は相対移動した量に比例したパルス信号（例えば、Ａ／Ｂ相信号、アップダウン信号など）など（以下、内挿信号という。）で示すことによって行う。

内挿部３２は、ＩＮＣ信号生成部３１から供給された正弦信号の値及び余弦信号の値と、内挿信号とを対応付けたメモリを備える。内挿部３２は、例えばＩＮＣ信号生成部３１から供給された正弦信号及び余弦信号をＡ／Ｄコンバータでデジタル化することなどによって、ＩＮＣ信号生成部３１から供給された正弦信号の値及び余弦信号の値を検出し、メモリを参照して対応する内挿信号に変化する。そして、得られた内挿信号を、原点信号生成部３４と、相対位置検出部３５とに出力する。

定点信号生成部３３は、図３（Ｃ）に示す信号出力端子２３から出力されたパルス信号を、例えば、所定のレベルＭでコンパレートして成形することによって、図６に示すような、所定の幅を有するパルス状の矩形波である定点信号を生成する。

信号出力端子２３から出力されたパルス信号の幅は一周期分であるため、定点信号生成部３３によって生成される定点信号も一周期分となる。すなわち、定点信号生成部３３は、第２のＭＲ素子２２が無記録領域３ａと対向している間のみＨｉｇｈとなる信号を出力する。

原点信号生成部３４は、定点信号生成部３３から定点信号が供給され、内挿部３２から内挿信号が供給される。原点信号生成部３４は、定点信号がＨｉｇｈであり且つ内挿信号が所定の値であるタイミングを検出して、原点信号を生成して相対位置検出部３５に出力し、相対位置検出部３５で検出されている相対位置をリセットする。

原点信号生成部３４は、定点信号生成部３３によって生成される定点信号の幅がほぼ一周期分であるために、信号検出部５が原点にあることを、正確に示した原点信号を出力することができる。具体的に説明すると、供給される定点信号の幅が広く２周期分以上となると、原点信号生成部３４は、ｘの周期で２回以上連続した原点信号を生成してしまう。かかる場合には、原点を精度良く検出することが困難となり、トラック部４に対する信号検出部５の相対位置を正確に検出できなくなる。

相対位置検出部３５は、内挿部３２で生成された内挿信号をカウントすることなどによって、トラック部４に対する信号検出部５の相対位置を検出する。また、相対位置検出部３５は、原点信号生成部３４から原点信号が供給されると、検出した相対位置をリセットし、新たに相対位置の検出を行う。例えば内挿信号をカウントすることによって相対位置を検出している場合には、原点信号が供給されたことを検出してカウントを０に戻し、再度カウントを開始する。

以上説明した位置検出装置１で、トラック部４に対する信号検出部５の相対位置を検出するときには、先ず、トラック部４に対して信号検出部５を相対移動させる。信号検出部５が相対移動することにより、ＩＮＣ信号検出部７に備えられた第１〜第４の検出素子１１〜１４、及び原点信号検出部８に備えられた第１のＭＲ素子２１は、ＩＮＣトラック２に記録されている信号を検出する。また、原点信号検出部８に備えられた第２のＭＲ素子２２は原点トラック３に記録されている信号を検出する。

ＩＮＣ信号検出部７から出力された信号はＩＮＣ信号生成部３１に供給された後、内挿部３２に供給される。そして、内挿部３２が内挿信号を生成し、相対位置検出部３５に供給する。相対位置検出部３５は、内挿信号に基づいて、トラック部４に対する信号検出部５の相対位置を検出する。

また、信号検出部５が移動することによって、原点信号検出部８が無記録領域３ａと対向すると、原点信号検出部８は、パルス信号を出力して定点信号生成部３３に対して供給する。定点信号生成部３３は、定点信号を生成して原点信号生成部３４に対して供給する。原点信号生成部３４は、定点信号がＨｉｇｈであり且つ内挿信号が所定の値であるときに原点信号を生成して相対位置検出部３５に出力する。相対位置検出部３５は、原点信号が供給されると、検出していた相対位置をリセットして再度相対位置の検出を開始する。

したがって、位置検出装置１では、原点を基準として、トラック部４に対する信号検出部５の相対位置を検出することが可能となる。

以上説明した位置検出装置１では、信号出力端子２３から出力される信号が、上述した式１に示すように、Ｒ２・Ｖｃｃ／（Ｒ１＋Ｒ２）で表され、第２のＭＲ素子２２が無記録領域３ａと対向しているか否かに拘わらず、Ｒ１の値は一定の周期毎に正確に変化する。一方、Ｒ２の値は、第２のＭＲ素子２２が無記録領域３ａと対向している間は高い値が維持され、第２のＭＲ素子２２が無記録領域３ａ以外の領域と対向しているときには、一定の周期毎に正確に変化する。

したがって、Ｒ２・Ｖｃｃ／（Ｒ１＋Ｒ２）がＶｃｃ／２より高い値となるのは、第２のＭＲ素子２２が無記録領域３ａと対向している間となり、また、出力されたパルス信号の幅は、第２のＭＲ素子２２が無記録領域３ａと対向している状態を精度良く反映したものとなる。すなわち、信号出力端子２３から出力されるパルス信号の幅は正確に一周期分となり、安定化する。

また、定点信号生成部３３が、信号出力端子２３から出力されるパルス信号を成形して矩形波である定点信号を出力するために、定点信号の幅もほぼ一周期分となる。そして、原点信号生成部３４が、定点信号生成部３３から供給された定点信号がＨｉｇｈであり、且つ内挿部３２から供給された内挿信号が所定の値であることを検出して、原点信号を生成する。定点信号の幅がほぼ一周期分となるために、原点信号生成部３４は、周期ｘで連続して原点信号を出力することなく、信号検出部５が原点に位置することを精度良く検出して原点信号を生成することが可能となる。

したがって、本発明を適用した位置検出装置１によれば、ＩＮＣトラック２に記録されている信号の周期を短くしたときにも、２つの部材の相対位置を検出するときに基準となる原点を精度良く検出することが可能となるために、２つの部材の相対位置を正確に検出することが可能となる。

なお、位置検出部５は、トラック部４に対して相対移動すれば良いので、位置検出装置１は、位置検出部５が固定され、トラック部４が移動可能とされた構成とされても良い。

なお、本実施の形態では、原点信号検出部８は、ＩＮＣ信号検出部７の片側に設けられているが、図７に示すように、ＩＮＣ信号検出部７の中心部に設けられても良い。すなわち、原点信号検出部８は、第１のＭＲ素子２１が第２の検出素子１２と第３の検出素子１３との間となる位置に、設けられても良い。この配置とすることにより、信号検出部５がトラック部４の微小なうねりや歪みなどに沿って動いたときにも、原点信号検出部８はトラック部４の微小なうねりや歪みなどの影響を受けにくくなり、無記録領域３ａの位置をさらに精度良く検出することが可能となる。

なお、本発明は、直線型の位置検出装置以外に、回転型のロータリーエンコーダなどに適用することも可能である。また、内挿部３２、原点信号生成部３４、相対位置検出部３５は、例えば、表示装置や数値制御装置など、位置検出装置とは別の機器に設けられることが多い。

さらに、本実施の形態では、ＩＮＣトラック２に記録されている信号の位相と原点トラック３に記録されている信号の位相とは同位相として説明したが、ＩＮＣ信号検出部７から出力される信号と原点信号検出部８から出力される信号との位相が同位相であれば良い。ＩＮＣトラック２に記録されている信号の位相と原点トラック３に記録されている信号の位相とが異なった場合でも、ＩＮＣ信号検出部７や原点信号検出部８の位置を図中矢印Ａ方向に調整することにより、ＩＮＣ信号検出部７から出力される信号と原点信号検出部８から出力される信号との位相を同位相とすることができる。

なお、本発明は、発光素子やフォトダイオードなどを使用することにより光学的に相対位置を検出する位置検出装置にも適用可能である。

第２の実施の形態
つぎに、本発明の第２の実施の形態について、詳細に説明する。なお、以下の説明では、第１の実施の形態で説明した位置検出装置１と同等な構成、部位、機能については、説明を省略するとともに図面において同じ符号を付するものとする。

図８に示すように、本発明を適用した位置検出装置６０は、ＩＮＣトラック６１と、ＩＮＣトラック６１と対向して設けられた信号検出部６２と、信号検出部６２から検出される信号に演算を施す信号処理回路６とを備える。

位置検出装置６０は、例えば、図９に示すようなゲージ７０に装着される。ゲージ７０は、筐体７１を備えており、筐体７１の一端には開口部７１ａが形成されている。開口部７１ａにはスピンドル７２が挿通され、軸方向に摺動可能とされている。スピンドル７２の一端７２ａは筐体７１の内部に位置しており、他端７２ｂは筐体７１の外部に位置している。

スピンドル７２の一端７２ａは、ＩＮＣトラック６１の一端６１ａと接続している。すなわち、ＩＮＣトラック６１は、スピンドル７２の軸方向への動きに伴って長手方向に移動する。また、筐体７１内部のＩＮＣトラック６１に対向した位置に、信号検出部６２が備えられている。信号検出部６２は、スピンドル７２が最も挿入されたときにＩＮＣトラック６１の一端６１ａと対向し、スピンドル７２が最も引き出されたときにＩＮＣトラック６１の他端６１ｂと対向する位置に固定されている。信号検出部６２は、ＩＮＣトラック６１が移動することにより、ＩＮＣトラック６１に対して相対移動する。

ゲージ７０では、スピンドル７２の軸方向への移動に伴ってＩＮＣトラック６１が長軸方向に沿って移動する。すなわち、信号検出部６２は、スピンドル７２の軸方向への移動に伴って、ＩＮＣトラック６１の長軸方向に相対移動する。したがって、ＩＮＣトラック６１に対する信号検出部６２の相対位置を検出することによって、スピンドル７２の移動量を検出することが可能となる。

図８に戻り、ＩＮＣトラック６１は、一定の周期で変化する信号が記録されている。本実施の形態では、ＩＮＣトラック６１は、図８中矢印Ｂ方向の長さがｙである複数の微小領域に分割されており、各微小領域は、磁化方向が交互になるように着磁されている。すなわち、ＩＮＣトラック６１は、矢印Ｂ方向の長さがｙ変化する毎に、Ｓ極とＮ極とが交互に現れる交番磁気で構成された磁気パターンを備える。ＩＮＣトラック６１は、矢印Ｂ方向の長さが、後述するＩＮＣ信号検出部の相対移動範囲Ｗより長く形成されている。

また、ＩＮＣトラック６１は、信号が記録されていない無記録領域６１ｃが設けられる。無記録領域６１ｃは、後述するＩＮＣ信号検出部の相対移動範囲よりもＬ（但し、Ｌ＞０。）外側に設けられる。

なお、本実施の形態では、無記録領域６１ｃは、ＩＮＣトラック６１の一方の端部側にのみ設けられているが、両方の端部の近傍にそれぞれ１つずつ設けられても良い。

信号検出部６２は、ＩＮＣトラック６１に記録されている信号を検出する。信号検出部６２は、ＩＮＣ信号検出部８１と、原点信号検出部８２と、ＩＮＣ信号検出部８１及び原点信号検出部８２の電源８３とを備える。

ＩＮＣ信号検出部８１は、図１０に示すように、第１の検出素子９１と、第２の検出素子９２と、第３の検出素子９３と、第４の検出素子９４とを備える。第１〜第４の検出素子９１〜９４は、電源８３に対して並列に接続されている。第１の検出素子９１は、直列に接続された２つのＭＲ素子９１ａ，９１ｂと、２つのＭＲ素子９１ａ，９１ｂの中間に信号を出力するための出力端子９１ｃとが備えられている。また、第２〜第４の検出素子９２〜９４の構成は、第１の検出素子９１と同一である。

なお、ＭＲ素子９１ａ，９１ｂ、出力端子９１ｃは、第１の実施の形態で説明したＭＲ素子１１ａ，１１ｂ、出力端子１１ｃと同じである。また、第２〜第４の検出素子１２〜１４の構成は、第１の検出素子９１と同一である。したがって、バイアス磁界を印加しないときには、第１〜第４の検出素子９１〜９４から出力される信号は、第１〜第４の検出素子９１〜９４がｙ移動する毎に一周期変化する信号となる。また、バイアス磁界を印加したときには、第１〜第４の検出素子９１〜９４から出力される信号は、第１〜第４の検出素子９１〜９４が２ｙ移動する毎に一周期変化する信号となる。本実施の形態ではバイアス磁界を印加せずに使用している。

また、本実施の形態では、第１〜第４の検出素子９１〜９４はそれぞれ５ｙ／４の間隔で配置される。したがって、第１及び第３の検出素子９１，９３はそれぞれ互いに反転した正弦信号を出力し、第２及び第４の検出素子９２，９４はそれぞれ互いに反転した余弦信号を出力する。

なお、本実施の形態では、ＩＮＣ信号検出部８１に備えられる検出素子の数を４つとしたが、ＩＮＣ信号検出部８１に備えられる検出素子の数は特に限定されない。また、本実施の形態では、第１〜第４の検出素子９１〜９４はそれぞれ５ｙ／４の間隔で配置されるが、第１〜第４の検出素子９１〜９４の間隔についても特に限定されない。

原点信号検出部８２は、互いに直列に接続している第１のＭＲ素子９５及び第２のＭＲ素子９６と、第１のＭＲ素子９５及び第２のＭＲ素子９６の中間に設けられた信号出力端子９７とを備える。信号出力端子９７から出力された信号は、信号処理回路６の定点信号生成部３３に供給される。

第１のＭＲ素子９５及び第２のＭＲ素子９６は、ともに、ＩＮＣトラック６１に対向している。また、第１のＭＲ素子９５と第２のＭＲ素子９６との間隔は、ｎｙ（但し、ｎは正の整数。）とされている。したがって、第１のＭＲ素子９５から出力される信号の位相と第２のＭＲ素子９６から出力される信号の位相とは、同一となる。

また、第１のＭＲ素子９５と第２のＭＲ素子９６とはＩＮＣ信号検出部８１の両側に配置される。第１のＭＲ素子９５と第２のＭＲ素子９６とをＩＮＣ信号検出部８１の両側に配置することにより、信号検出部６２がＩＮＣトラック６１の微小なうねりや歪みなどに沿って動いたときにも、原点信号検出部８２はＩＮＣトラック６１の微小なうねりや歪みなどの影響を受けにくくなり、無記録領域６１ｃの位置をさらに精度良く検出することが可能となる。なお、本実施の形態では、第２のＭＲ素子９６が無記録領域６１ｃ側に設けられる。

第１のＭＲ素子９５と第２のＭＲ素子９６とを以上説明した位置関係で配置することにより、第１のＭＲ素子９５の抵抗変化は、第１の実施例で説明した第１のＭＲ素子２１と同様に図３（Ａ）に示す通りとなり、信号検出部６２の位置がｙ変化する毎に一周期変化する正弦信号となる。また、第２のＭＲ素子９６の抵抗変化は、第１の実施例で説明した第１のＭＲ素子２２と同様に図３（Ｂ）に示す通りとなり、信号検出部６２の位置がｙ変化する毎に一周期変化する正弦信号となるが、第２のＭＲ素子９６が無記録領域６１ｃと対向したときには、抵抗値の周期的な変化が消失し、本実施の形態では、抵抗値が高い状態が維持される。

また、信号出力端子９７から出力される信号の電圧Ｖは、第１のＭＲ素子９６の抵抗値をＲ１とし、第２のＭＲ素子９６の抵抗値をＲ２とし、電源８３の電圧をＶｃｃとしたときに、第１の実施の形態で説明した式１に示す値となる。

したがって、信号出力端子９７から出力される信号は、第１の実施例で説明した信号出力端子２３と同様に図３（Ｃ）に示す通りとなり、第２のＭＲ素子９６が無記録領域６１ｃ以外の領域と対向しているときにはＶｃｃ／２となり、第２のＭＲ素子９６が無記録領域６１ｃと対向しているときにはＶｃｃ／２よりも高い値となるため、第２のＭＲ素子９６が無記録領域６１ｃと対向しているときにのみパルス信号となる。パルス信号は、定点生成回路３３に供給される。

したがって、位置検出装置６０では、第２のＭＲ素子９６が無記録領域６１ｃと対向しているときの信号検出部６２の位置が原点となり、ＩＮＣトラック６１に対する信号検出部６２の相対位置を測定することができる。

本実施の形態では、第１のＭＲ素子９５が例えば第１の検出素子９１からＬ＋α（但し、α＞０。）離れた位置に設けられ、第２のＭＲ素子９６が第２の検出素子９２からＬ＋α離れた位置に設けられる。したがって、第２のＭＲ素子９６が無記録領域６１ｃと対向しているときに、ＩＮＣ信号検出部８１は無記録領域６１ｃよりもＬ＋α離れて位置する。また、無記録領域６１ｃは、ＩＮＣ信号検出部８１の相対移動範囲外に設けられる。したがって、ＩＮＣ信号検出部８１がＩＮＣトラック６１に記録されている信号を読み取るときに、無記録領域６１ｃの影響を受けることを回避できる。

また、信号出力端子８３から出力される信号は、上述した式１に示すように、Ｒ２・Ｖｃｃ／（Ｒ１＋Ｒ２）で表され、第２のＭＲ素子９６が無記録領域６１ｃと対向しているか否かに拘わらず、Ｒ１の値は一定の周期毎に正確に変化する。一方、Ｒ２は、第２のＭＲ素子９６が無記録領域３ａと対向している間高い値が維持され、第２のＭＲ素子９６が無記録領域６１ｃ以外の領域と対向しているときには、一定の周期毎に正確変化する。

したがって、Ｒ２・Ｖｃｃ／（Ｒ１＋Ｒ２）がＶｃｃ／２より高い値となるのは、第２のＭＲ素子９６が無記録領域６１ｃと対向している間となり、また、出力されたパルス信号の幅は、第２のＭＲ素子９６が無記録領域６１ｃと対向している状態を精度良く反映したものとなる。すなわち、信号出力端子９７から出力されるパルス信号の幅は正確に一周期分となり、安定化する。

したがって、以上説明した位置検出装置６０は、信号出力端子９７から出力されるパルス信号に基づいて原点を検出することにより、原点を精度良く検出することが可能となる。

また、位置検出装置６０は、ＩＮＣトラック６１以外のトラックを備えることなく、原点を精度良く検出することが可能となる。したがって、位置検出装置６０は、小型化を図ることが容易となり、ゲージ７０など、位置検出装置を装着するためのスペースを充分にとることができない機器にも装着することが容易となる。

なお、本実施の形態では、第１のＭＲ素子９５と第２のＭＲ素子９６とをＩＮＣ信号検出部８１の両側に配置したが、図１１に示すように片側に配置しても良い。第１のＭＲ素子９５と第２のＭＲ素子９６とを共にＩＮＣ信号検出部８１の片側に配置したときには、第１のＭＲ素子９５と第２のＭＲ素子９６との間隔をＬ＋αとする。第１のＭＲ素子９５と第２のＭＲ素子９６との間隔をＬ＋αとすることにより、ＩＮＣ信号検出部８１がＩＮＣトラック６１に記録されている信号を読み取るときに、無記録領域６１ｃの影響を受けることを回避できる。

本発明の第１の実施の形態の位置検出装置を示す模式図である。 同位置検出装置に備えられた信号検出部を示す模式図である。 （Ａ）は本発明を適用した位置検出装置の原点信号検出部に備えられた第１のＭＲ素子の抵抗値変化を示す図であり、（Ｂ）は同原点信号検出部に備えられた第２のＭＲ素子の抵抗値変化を示す図であり、（Ｃ）が同原点信号検出部に備えられた信号出力端子から出力される信号の電圧値を示す図である。 本発明の第１の実施の形態の位置検出装置に備えられた信号処理回路を示すブロック図である。 同位置検出装置に備えられたＩＮＣ信号生成部内の回路を示す回路図である。 同位置検出装置の原点信号検出部に備えられた信号出力端子から出力された信号を成形した矩形波を示す図である。 同位置検出装置に備えられる他の信号検出部の模式図である。 本発明の第２の実施の形態の位置検出装置を示す模式図である。 同位置検出装置が搭載されるゲージを示す断面図である。 同位置検出装置に備えられる信号検出部の模式図である。 同位置検出装置に備えられる他の信号検出部の模式図である。 従来の位置検出装置を示す模式図である。 （Ａ）は従来の位置検出装置の原点信号検出部に備えられた第１のＭＲ素子及び第２のＭＲ素子の抵抗値変化を示す図であり、（Ｂ）は同原点信号検出部に備えられた信号出力端子から出力される信号の電圧値を示す図であり、（Ｃ）は同原点信号検出部に備えられた信号出力端子から出力された信号を成形した矩形波を示す図である。

符号の説明

１ 位置検出装置、２ ＩＮＣトラック、３ 原点トラック、４ トラック部、５ 信号検出部、６ 信号処理回路、７ ＩＮＣ信号検出部、８ 原点信号検出部、９ 電源、１１ 第１の検出素子、１２ 第２の検出素子、１３ 第３の検出素子、１４ 第４の検出素子、２１ 第１のＭＲ素子、２２ 第２のＭＲ素子

Claims (2)

1. 一定の周期で変化する信号が記録されており、且つ上記信号が記録されていない無記録領域が設けられたインクリメンタルトラックと、
   上記インクリメンタルトラックに対向して配置された検出素子を有し、上記インクリメンタルトラックに沿って相対移動し、上記インクリメンタルトラックに記録された信号を検出する第１の信号検出手段と、
   上記インクリメンタルトラックに対向して配置された検出素子を有し、上記第１の信号検出手段の相対移動に伴って上記インクリメンタルトラックに沿って相対移動し、上記インクリメンタルトラックに記録された信号を検出する第２の信号検出手段と、
   上記第２の信号検出手段によって検出された信号に基づいて、上記第２の信号検出手段の検出素子が上記インクリメンタルトラックに設けられた上記無記録領域と対向していることを検出する対向検出手段とを備え、
   上記無記録領域は、上記第１の信号検出手段の相対移動範囲外に設けられ、上記第２の信号検出手段の移動方向に沿った上記無記録領域の長さは、一周期分の信号が記録されている長さをλとしたときに、２λ未満とされ、
   上記第２の信号検出手段は、該第２の信号検出手段の移動方向に沿った方向の間隔がｎλ（但し、ｎは正の整数。）となるように配置され直列に接続された２つの検出素子を有しており、電圧値が上記２つの検出素子の抵抗値の比で分配された値である信号を出力する位置検出装置。
2. 上記第２の信号検出手段に備えられた２つの検出素子は、上記第１の信号検出手段に設けられた検出素子の両側に配置されることを特徴とする請求項１記載の位置検出装置。

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