本發(fā)明涉及一種檢測被測量體的直線位置(軸向位置)并將位置信號輸出到外部的位置檢測裝置。

背景技術(shù)：

關(guān)于檢測被測量體的直線位置并將位置信號輸出到外部的位置檢測裝置，提出了各種方案。例如，在專利文獻1中公開了以如下方式構(gòu)成的傳感器。在向兩端施加交流電源的測量線圈1的中間部位，以將電壓等分的方式配置多個電壓抽頭7，通過加法放大器10將各電壓抽頭7的電壓相加并輸出。在測量線圈1的外周，以在測量線圈1的中心軸方向上可移動的方式配置能夠改變該線圈1的磁阻(阻抗)的材質(zhì)的環(huán)6。關(guān)于環(huán)6所在的部分的測量線圈1，由于阻抗發(fā)生變化，所以電壓抽頭7的電壓發(fā)生變化。由于整體的加權(quán)的量根據(jù)測量線圈1中的環(huán)6的位置而變化，所以作為最終輸出的加法放大器10的輸出電壓發(fā)生變化，因此能夠檢測環(huán)6的位置。

此外，在專利文獻2中公開了以如下方式構(gòu)成的位置檢測裝置。在由6個線圈區(qū)間構(gòu)成的圓筒狀的線圈部10的中空部，由棒狀的磁性體構(gòu)成的磁響應(yīng)構(gòu)件11根據(jù)檢測對象的位移而進行直線位移。與線圈部10的4個線圈區(qū)間la、lb、lc、ld對應(yīng)的長度4k的范圍為有效檢測范圍。各線圈區(qū)間的線圈被共用的交流信號sinωt勵磁，對各線圈區(qū)間的兩端間電壓vα、va、vb、vc、vd、vβ進行檢測。

磁響應(yīng)構(gòu)件11相對于各線圈接近或侵入的程度越大，該線圈的自感越增加，各線圈的兩端間電壓發(fā)生變化。如果檢測出的各電壓以規(guī)定的組合輸入到模擬運算電路20和模擬運算電路21，則根據(jù)規(guī)定的運算式進行加法或減法運算，生成表示與檢測對象位置對應(yīng)的正弦和余弦函數(shù)特性的2個交流輸出信號sinθsinωt、cosθsinωt。

各交流輸出信號的振幅成分即正弦和余弦函數(shù)的相位角θ對應(yīng)于檢測對象的位置，90度范圍的相位角θ對應(yīng)于1個線圈的長度k。4k長度的有效檢測范圍對應(yīng)于相位角θ從0度到360度的范圍，因此如果對相位角θ進行檢測，則能夠在長度4k的范圍內(nèi)對檢測對象的絕對位置進行檢測。

專利文獻1：日本特公平8-12082號公報

專利文獻2：日本專利4464517號公報

技術(shù)實現(xiàn)要素：

發(fā)明要解決的課題

然而，在專利文獻1的結(jié)構(gòu)中，由于受到環(huán)6的特性等的不確定因素的影響而決定了傳感器整體的增益，因此需要個別地調(diào)節(jié)傳感器的增益。即，在測量原理上存在難以得到環(huán)6的絕對位置精度的問題。此外，由于位置檢測范圍的整體的檢測值是恒定的，所以越增大檢測范圍，分辨率就越降低。進而，溫度特性也隨著增大檢測范圍而成比例地惡化。

此外，在專利文獻2的結(jié)構(gòu)中，至少對于檢測對象范圍的長度4k以上，存在要求磁響應(yīng)構(gòu)件11是均勻的物體的限制。此外，由于相位角θ與上述長度4k對應(yīng)地在0度到360度范圍內(nèi)變化，所以絕對位置的檢測范圍的極限實質(zhì)上為長度4k。為了針對超過長度4k的范圍檢測絕對位置，需要組合基本結(jié)構(gòu)并由它們來處理輸出的位置信號的輔助結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明是鑒于上述情況而完成的，其目的在于提供一種位置檢測裝置，對被測量體的形狀的限制更少，并且在更長的范圍能夠容易檢測絕對位置。

用于解決課題的方案

本發(fā)明的位置檢測裝置具有：傳感器線圈部，其具有3個以上的傳感器線圈，所述3個以上的傳感器線圈以長度方向在同心軸上排列的方式配置，分別被相同頻率的交流信號勵磁；多個差動信號輸出單元，其輸出各傳感器線圈的兩端的差動信號；多個減法運算信號輸出單元，其將與2個傳感器線圈對應(yīng)的差動信號相減而輸出減法運算信號；以及位置檢測單元，其將被測量體沿著所述同心軸方向移動時的所述被測量體的軸向位置作為通過對所述減法運算信號進行運算而線性變化的位置信號來輸出，所述被測量體由使所述傳感器線圈的阻抗變化的材料構(gòu)成并位于所述傳感器線圈部的外周側(cè)或內(nèi)周側(cè)，該位置檢測裝置的特征在于，所述位置檢測裝置具有線圈確定單元，其基于對多個差動信號進行運算的結(jié)果來確定與所述被測量體的現(xiàn)在位置對應(yīng)的傳感器線圈，所述位置檢測單元基于由所述線圈確定單元確定的傳感器線圈，以多個減法運算信號的變化按照多個傳感器線圈的排列順序而連續(xù)的方式將位置信號合成并輸出。

發(fā)明效果

根據(jù)本發(fā)明的位置檢測裝置，由于位置檢測單元基于通過線圈確定單元確定的傳感器線圈，以多個減法運算信號的變化根據(jù)多個傳感器線圈的排列順序而連續(xù)的方式對位置信號進行合成并輸出，所以能夠根據(jù)傳感器線圈的排列數(shù)量而連續(xù)地輸出被測量體的絕對位置。此外，由于被測量體的長度只要是至少1個傳感器線圈的軸向長度以上即可，所以關(guān)于被測量體的形狀的限制變得更少。

附圖說明

圖1為第1實施方式，是示出位置檢測裝置的整體結(jié)構(gòu)的功能框圖。

圖2是示出運算電路的結(jié)構(gòu)例的圖。

圖3是示出由a/d轉(zhuǎn)換器和多路轉(zhuǎn)換器的組合得到的變形例的圖。

圖4是線圈傳感器部的縱剖面?zhèn)纫晥D。

圖5是工作時序圖。

圖6是用于確定測量區(qū)間的工作時序圖(其1)。

圖7是用于確定測量區(qū)間的工作時序圖(其2)。

圖8為第2實施方式，是示出線圈傳感器部和運算電路的結(jié)構(gòu)的功能框圖。

圖9為第3實施方式，是示出對多個線圈進行勵磁的結(jié)構(gòu)的變形例的圖。

圖10為第4實施方式，是示出在被測量體為2個的情況下的線圈傳感器部和運算電路的結(jié)構(gòu)的功能框圖。

圖11為第5實施方式，是示出線圈傳感器部和運算電路的結(jié)構(gòu)的功能框圖。

圖12是線圈傳感器部的縱剖面?zhèn)纫晥D。

圖13為第6實施方式，是示出位置檢測裝置的整體結(jié)構(gòu)的功能框圖。

圖14示出第7實施方式，是工作時序圖。

圖15為第8實施方式，是線圈傳感器部的縱剖面?zhèn)纫晥D。

圖16為第9實施方式，是線圈傳感器部的后端側(cè)的縱剖面?zhèn)纫晥D。

圖17為第10實施方式，是線圈傳感器部的一部分的縱剖面?zhèn)纫晥D。

圖18為第11實施方式，是示出在汽缸內(nèi)部進行往復(fù)移動的連桿的內(nèi)部配置有傳感器線圈部的結(jié)構(gòu)的縱剖面?zhèn)纫晥D。

附圖標(biāo)記說明

3表示線圈(傳感器線圈)，9表示檢測電路，12表示傳感器線圈部，13表示被測量體，16表示差動放大電路(差動信號輸出單元)，17表示運算電路(減法運算信號輸出單元)，19表示控制器(位置檢測單元、線圈確定單元)，28表示位置檢測裝置。

具體實施方式

(第1實施方式)

以下，參照圖1至圖7對第1實施方式進行說明。圖4是示出傳感器部的結(jié)構(gòu)例的縱剖面?zhèn)纫晥D。在中空圓筒狀的線圈保持體1的外周側(cè)隔著絕緣材料2以在軸向連續(xù)的方式配置有多個(例如6個)線圈3a～3f。這些線圈保持體1和線圈(傳感器線圈)3等被插入在中空圓筒狀的傳感器套筒4的內(nèi)部。傳感器套筒4的頂端部(圖中左端側(cè))被頂端部蓋5密封。

傳感器套筒4的后端部連接于傳感器盒(sensorcase)6的頂端部。連接于各線圈3的兩端的布線7經(jīng)由線圈保持體1的內(nèi)部并從其后端導(dǎo)出到傳感器盒6的內(nèi)部。另外，布線7也可以在線圈3的外側(cè)(表面)引繞。在傳感器盒6的下部連接有傳感器引出電纜8，在傳感器引出電纜8的內(nèi)部引繞有從圖1所示的檢測電路9引出的布線10。并且，布線7和10在傳感器盒6內(nèi)通過焊接而連接，傳感器盒6的后端部被后端蓋11覆蓋。以上構(gòu)成了傳感器部12。

被測量體13為環(huán)狀，以在軸向上在傳感器套筒4的外周側(cè)進行直線位移的方式配置。被測量體13只要是使各線圈3的阻抗(電感)變化的構(gòu)件(材質(zhì))即可，因此磁性材料和非磁性材料均可。如果對被測量體13使用磁性材料，則通過被測量體13靠近從而線圈3的阻抗上升，如果使用非磁性材料，則阻抗反而下降。此外，被測量體13的軸向長度等于至少1個線圈3的軸向長度(1個區(qū)間)即可。如此，被測量體13可以是例如由非磁性材料構(gòu)成的管(pipe)那樣的非常簡單的結(jié)構(gòu)，具有極其低的成本、強度、耐環(huán)境性優(yōu)異的特點。

圖1是主要示出檢測電路9的結(jié)構(gòu)的功能框圖。線圈3a～3f被串聯(lián)連接，該串聯(lián)電路的上端即線圈3a的一端被施加了從檢測電路9具有的振蕩器14振蕩輸出并經(jīng)由勵磁部15的交流信號。此外，所述串聯(lián)電路的下端即線圈3f的一端接地。檢測電路9具有分別與線圈3a～3f對應(yīng)的6個差動放大電路16a～16f(差動信號輸出單元)，各差動放大電路16a～16f的輸入端子與對應(yīng)的線圈3a～3f的兩端連接。

差動放大電路16a～16f將對應(yīng)的線圈3a～3f的兩端電壓作為va～vf而輸出。在下一級配置有5個運算電路17(1)～17(5)(減法運算信號輸出單元)，在運算電路17(1)的輸入端子x和y輸入了電壓va和vb。同樣地，在運算電路17(2)～17(5)的輸入端子x和y分別輸入了電壓vb和vc、電壓vc和vd、電壓vd和ve、電壓ve和vf。另外，也可以在差動放大電路16a～16f和運算電路17(1)～17(5)中賦予增益，通過賦予增益而使向下一級的a/d轉(zhuǎn)換器18輸入的信號電平增大，能夠改善s/n比。

圖2示出運算電路17的內(nèi)部結(jié)構(gòu)例。在圖2(a)所示的結(jié)構(gòu)中，輸入端子x經(jīng)由整流部17xa和低通濾波器(lpf)17xb連接于運算器17c的輸入端子a。同樣地，輸入端子y經(jīng)由整流部17ya和lpf17yb連接于運算器17c的輸入端子b。即，輸入信號在整流部17a中交流信號被整流，通過lpf17b平滑后被輸入到運算器17c。運算器17c輸出被提供到輸入端子a、b的信號的減法運算結(jié)果(a-b)。

在圖2(b)所示的結(jié)構(gòu)中，在第一級配置運算器17c，在其后接著配置有整流部17a和lpf17b。此外，在圖2(c)所示的結(jié)構(gòu)中，將(a)的運算器17c替換成運算器17d。運算器17d輸出減法運算結(jié)果(a-b)除以加法運算值(a+b)而得到的值，這是去除下一級的a/d轉(zhuǎn)換器18中的參照電壓的變動的影響的與所謂比例計量(ratiometric)工作對應(yīng)的結(jié)構(gòu)。

運算電路17(1)輸出作為運算結(jié)果的信號vab(＝va-vb)。運算電路17(2)輸出作為運算結(jié)果的信號vbc(＝vb-vc)。同樣地，運算電路17(3)～17(5)分別輸出作為運算結(jié)果的信號vcd、vde、vef。這些運算結(jié)果分別經(jīng)由a/d轉(zhuǎn)換器18(1)～18(5)輸入到控制器19(位置檢測單元、線圈確定單元)。

另外，如圖3所示，也可以構(gòu)成為僅使用1個a/d轉(zhuǎn)換器18，在其輸入側(cè)配置多路轉(zhuǎn)換器20，控制器19以時分方式切換信號vab～vef等而輸入。

控制器19由cpu、微型計算機、門陣列、fpga(fieldprogrammablegatearray：現(xiàn)場可編程門陣列)等構(gòu)成，經(jīng)由a/d轉(zhuǎn)換器18讀入信號vab～vef來求取被測量體13的位置。在控制器19連接有例如閃存rom等非易失性存儲器21，控制器19可以基于預(yù)先存儲在非易失性存儲器21中的信息來實施被測量體13的絕對位置(偏移(offset)成分、增益成分)和/或直線性的校正、溫度漂移特性的校正等。

控制器19將求出的被測量體13的位置經(jīng)由外部接口(i/f)22向上級單元23輸出。外部i/f22通過除了并行輸出位置數(shù)據(jù)以外還具有網(wǎng)絡(luò)i/f功能，從而也能夠連接于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

此外，在控制器19經(jīng)由觸點輸出部24連接有外部設(shè)備25。控制器19通過經(jīng)由觸點輸出部24向外部設(shè)備25輸出通/斷信號(觸點的開關(guān)信號)，從而可以實現(xiàn)限位開關(guān)功能。限位開關(guān)功能是指將被測量體13的規(guī)定位置作為閾值而使觸點輸出部24的觸點進行通/斷的功能。

關(guān)于限位開關(guān)功能，如果將位置檢測裝置(傳感器)視為一個設(shè)備，則與硬件工作(如果設(shè)定一次，則只要不損壞就工作)等效。即使上級單元23、與上級單元23的數(shù)據(jù)收發(fā)等由于某些故障導(dǎo)致工作異常，限位開關(guān)功能也作為位置檢測裝置單體按照規(guī)定進行工作。因此，成為作為安全裝置而工作等的使系統(tǒng)的安全性提高的要素。由于本實施方式的位置檢測裝置為絕對型，所以位置數(shù)據(jù)的可靠性高，也易于符合限位開關(guān)功能所需要的高可靠性的要求。

另外，限位開關(guān)功能也可以與檢測范圍內(nèi)的多個位置對應(yīng)地進行通/斷。在圖1中具有限位開關(guān)功能的觸點輸出部24僅為一個，但也可以為多個。進而，閾值可以用來自外部i/f22的輸入信號指定為任意的位置，也可以通過設(shè)定開關(guān)26等進行切換設(shè)定。

此外，也可以對上述限位開關(guān)功能添加例如根據(jù)每規(guī)定時間的位置變化與規(guī)定閾值的比較結(jié)果來輸出通/斷信號的限速檢測功能。限速檢測功能是在被測量體13的移動速度變?yōu)樽鳛榛鶞?zhǔn)(限制的目標(biāo))的規(guī)定閾值以上時使輸出信號成為接通或者斷開的功能，能夠通過外部設(shè)備25進行各種設(shè)定。

此外，檢測電路9接受來自外部電源27的電源供給，通過由未圖示的電源電路生成例如電壓5v左右的內(nèi)部電源28并將該內(nèi)部電源28供給到各部來進行工作。另外，傳感器部12和檢測電路9構(gòu)成了位置檢測裝置29。

接著，參照圖5來說明本實施方式的作用。在被測量體13沿著傳感器套筒4移動時，如果1個線圈3的阻抗(電感)上升，則另一個線圈3的阻抗下降。檢測電路9將這兩個線圈3的信號與半橋型差動變壓器相同地進行差動信號處理。

如上所述，為了使線圈3的阻抗變化，被測量體13的長度尺寸設(shè)定為圖5中所示的“1個區(qū)間(1個線圈3的軸向長度)”的n倍(n為自然數(shù))的值即可。因此，作為檢測對象的線圈3未必成為彼此鄰接的位置關(guān)系(例如，如果n＝2，則在線圈3a-3c之間進行差動信號處理。參照第7實施方式)。

圖5示出了被測量體13發(fā)生位移時的各部分的信號變化。在該例中，將被測量體13的材質(zhì)設(shè)為非磁性材料的導(dǎo)體。此外，被測量體13的長度設(shè)為與線圈3的1個區(qū)間相等。線圈3a位于圖中的左端，接著其向圖中右方向依次排列地配置線圈3b～3d。另外，關(guān)于線圈3，只要是3個以上就沒有上限。各線圈3a～3d全部是相同的。

各信號va～vc繪制出被測量體13的中心部處于該處時的信號電平，以與線圈3的阻抗成比例的方式變化。在被測量體13與任一線圈3都不重疊的狀態(tài)下，各信號va～vc均示出了最大值(圖5中的vmax)。

如果被測量體13向圖5中的pos方向(右箭頭方向)移動，與線圈3a開始重疊，則信號va的電平逐漸下降。在被測量體13進一步移動，其中心部與線圈3a的中心重合時，信號va的電平變?yōu)樽畹椭?圖中的vmin)。如果被測量體13從此處進一步向pos方向移動，則信號va的電平再次開始上升，如果線圈3a和被測量體13變得沒有重疊，則信號va返回到最大值。這樣地，信號va根據(jù)被測量體13的位置而變化的范圍僅是與線圈3a重疊的范圍。該范圍的長度相當(dāng)于線圈3的2個區(qū)間量。同樣地，信號vb、vc的電平也隨著被測量體13的經(jīng)過而變化。

在此，關(guān)注圖中所示的“基于線圈a、b的測量區(qū)間”(以下稱為第1測量區(qū)間)。該區(qū)間是被測量體13的中心位于從線圈3a的中心到線圈3b的中心之間的范圍。在被測量體13向pos方向移動的情況下，在該范圍內(nèi)信號va的電平逐漸增加(單調(diào)增加)，信號vb的電平逐漸減少(單調(diào)減少)。

該范圍的運算值“va-vb”變?yōu)橐砸欢ǖ膬A斜度增加的信號。如果線圈3a和3b是相同的特性，則運算值“va-vb”在第1測量區(qū)間的中心點處變?yōu)榱恪Ｆ涔ぷ髟硎怯删€圈3a及3b和被測量體13構(gòu)成的差動變壓器的工作原理。即，根據(jù)該結(jié)構(gòu)，在第1測量區(qū)間中，作為檢測被測量體13的pos方向移動位置的傳感器而工作，運算值“va-vb”表示在第1測量區(qū)間內(nèi)被測量體13的位置。此外，工作原理與差動變壓器相同意味著位置檢測裝置29同樣具有差動變壓器所具備的優(yōu)點。

同樣地，在“基于線圈b、c的測量區(qū)間”(以下，稱為第2測量區(qū)間)，運算值“vb-vc”隨著被測量體13向pos方向移動而變化，在“基于線圈c、d的測量區(qū)間”(以下，稱為第3測量區(qū)間)，運算值“vc-vd”隨著被測量體13向pos方向移動而變化。并且，上述各測量區(qū)間是隨著被測量體13的移動按線圈3的一個區(qū)間而產(chǎn)生的，所以對應(yīng)的各運算值能夠作為彼此鄰接獲得的位置數(shù)據(jù)而連續(xù)地讀入。

在此，在被測量體13處于第1測量區(qū)間的情況下，將運算值“va-vb”作為表示最末端區(qū)間(圖中的被測量體13為左端)的位置的數(shù)據(jù)而輸出。進而，在被測量體13處于第2測量區(qū)間的情況下，將與1個區(qū)間量的長度相當(dāng)?shù)奈恢脭?shù)據(jù)作為“偏移”，追加在位置數(shù)據(jù)中。

同樣地，如果根據(jù)被測量體13所處的測量區(qū)間，至此經(jīng)過的測量區(qū)間數(shù)量為n，則將與1個區(qū)間量的長度相當(dāng)?shù)奈恢脭?shù)據(jù)的n倍作為“偏移”而追加在位置數(shù)據(jù)中。將該狀態(tài)表示為圖5中的“波形合成”。由此，能夠讀取在多個測量區(qū)間的范圍內(nèi)直線地變化(連續(xù)變化)的位置數(shù)據(jù)。如圖5所示，在線圈3的數(shù)量為“4”的情況下，可以測量位置的區(qū)間數(shù)為“3”。同樣地，在傳感器部12由n個線圈3構(gòu)成的情況下，“n-1”個區(qū)間成為測量范圍。另外，關(guān)于如上所述在位置數(shù)據(jù)中追加偏移的處理，如果控制器19對數(shù)據(jù)進行數(shù)字處理，則能夠容易實現(xiàn)。

接著，對用于控制器19識別被測量體13位于哪個測量區(qū)間的方法進行說明。關(guān)注圖5所示的運算值“va+vb”。在被測量體13位于由線圈3a和3b作為差動變壓器而工作的第1測量區(qū)間內(nèi)時，運算值“va+vb”維持最低值vmin＿ab。如果被測量體13位于除此之外的區(qū)間，則運算值“va+vb”表示比最低值vmin＿ab高的值。同樣地，在被測量體13位于第2測量區(qū)間內(nèi)時，運算值“vb+vc”維持最低值vmin＿bc。

第1測量區(qū)間、第2測量區(qū)間雖然鄰接但不重疊，因此運算值“va+vb”和運算值“vb+vc”分別維持最低值vmin＿ab、vmin＿bc的區(qū)域也不重疊。該運算值以“va+vb”、“vb+vc”、“vc+vd”、“vd+ve”……連續(xù)地存在，其數(shù)量在線圈3為n個時存在(n-1)個。

因此，為了判定被測量體13所處的測量區(qū)間(現(xiàn)在的測量區(qū)間)，只要將運算值“va+vb”～“vd+ve”……相互比較即可，示出了最低值vmin＿ab等的區(qū)間成為現(xiàn)在的測量區(qū)間。另外，在任一測量區(qū)間都不示出最低值的情況下，表示被測量體13超出可測量范圍，所以也能夠容易檢測出被測量體13的位置異常(被測量體13的脫離)。

在至此的說明中，為了方便而使用了運算值“va+vb”等的值。但是，在圖1所示的結(jié)構(gòu)中，控制器19讀入的數(shù)據(jù)為減法運算值“va-vb”～“vc-vd”……。為了得到加法運算值“va+vb”，另外使用加法器即可，對在以下圖1所示的檢測電路9的結(jié)構(gòu)中得到加法運算值“va+vb”的方法進行說明。

首先，通過下式的運算來得到與用于判定最末端(左端)的區(qū)間即第1測量區(qū)間的加法運算值“va+vb”相當(dāng)?shù)男盘朿hk_ab。

chk_ab＝(va-vb)-2×(vb-vc)

＝(va+vb)-2×vc

當(dāng)對圖6所示的信號chk_ab的波形和圖5的運算值“va+vb”進行比較時，可知在第1測量區(qū)間維持最低值vmin_ab’等的特征一致，能夠用于判定現(xiàn)在的測量區(qū)間。

接著，通過下式的運算來得到與用于判定同最末端(左端)的區(qū)間鄰接的第2測量區(qū)間的加法運算值“vb+vc”相當(dāng)?shù)男盘朿hk_bc。

chk_bc＝(vc-vd)-(va-vb)

＝(vb+vc)-va-vd

當(dāng)比較圖6所示的信號chk_bc的波形和圖5的運算值“vb+vc”時，在第2測量區(qū)間中維持最低值vmin_bc’的特征仍然一致。然后，對于信號chk_cd、chk_de(未圖示)……，也進行與信號chk_bc相同的處理即可。

如上述那樣，僅信號chk_ab運算不同，而除此之外使用與信號chk_bc相同的運算來得到。另外，雖然未圖示，但是右端的測量區(qū)間的判定，使用通過執(zhí)行與chk_ab信號相同的運算而得到的信號即可。因此，即使是僅將差動信號作為數(shù)據(jù)來輸入的結(jié)構(gòu)，通過控制器19的運算，也能夠在內(nèi)部生成用于判定測量區(qū)間的信號。

此外，為了得到用于判定測量區(qū)間的信號，可以使用圖7所示的方法。例如，由下式的運算得到信號chk＿bc。

chk_bc＝(vc-vd)×(va-vb)

所得到的信號chk＿bc僅在第2測量區(qū)間中取得負(fù)值，因此能夠判定出被測量體13位于第2測量區(qū)間。

另外，由于例如各線圈3的特性存在偏差，所以有可能例如在第2、第3測量區(qū)間的判定中產(chǎn)生誤差。其例如通過在另外說明的直線性校正等時也對偏差進行校正從而能夠消除由各線圈3的偏差造成的區(qū)間判定誤差。進一步而言，在極其接近于2個測量區(qū)間的邊界的區(qū)域中，即使例如雖然原本為第3測量區(qū)間卻錯誤地判定成第2測量區(qū)間，因為運算值“vb-vc”如圖5所示那樣在第3測量區(qū)間的區(qū)域中沒有急劇地減少，所以最終作為位置數(shù)據(jù)算出的值中僅含有極少的誤差，在實用上的問題很少。

關(guān)于本實施方式的位置檢測裝置29具有的位置檢測的精度、分辨率，如下這樣考慮。首先，1個區(qū)間內(nèi)的精度(直線性)變成與差動變壓器同等的高精度。此外，在多個線圈3的區(qū)間的檢測精度由在軸向上排列的各線圈3的位置精度來決定。線圈3本身以簡單且易于得出形狀精度的狀態(tài)被卷繞，線圈保持材料1也為圓筒狀。如果有效利用這些構(gòu)件的特征而使用位置精度優(yōu)異的伺服電機、滾珠絲杠等，則易于提高線圈3的位置精度。因此，關(guān)于在多個線圈區(qū)間的檢測精度(也含有絕對位置精度)，也能夠以可得到高精度的方式制作傳感器部12。

此外，關(guān)于分辨率，容易將線圈3的1個區(qū)間的分割數(shù)(分辨率)處理為恒定，為了擴大檢測范圍，在增加線圈3的區(qū)間數(shù)的情況下，與該區(qū)間數(shù)無關(guān)，分辨率(每1bit數(shù)據(jù)的距離)為恒定的狀態(tài)。

至此敘述的工作原理為半橋型差動變壓器(dvrt)的應(yīng)用，具有符合dvrt工作原理的特征。另一方面，從將dvrt的1次線圈和2次線圈分離后的為差動變壓器(lvdt)的觀點出發(fā)，在位置檢測裝置29中，如果在n個線圈3的整個區(qū)域另外設(shè)置1次線圈(勵磁線圈)，將n個線圈3作為2次線圈，就能夠作為具有上述的傳感器的特征的傳感器來處理(參照第5實施方式)。

接著，對圖4所示的各構(gòu)件等進行說明。

[線圈3]

作為線圈3的材料，能夠使用表面被絕緣的電磁線(magnetwire)。1個線圈3被卷繞為若干層(也可以是1層)，以按1個區(qū)間的間距而配置，因此1個線圈3的長度變?yōu)?個區(qū)間以下。此外，也能夠在線圈3的外周纏繞絕緣體(絕緣紙)來實現(xiàn)絕緣強化。此外，對檢測電路9的連接布線10可以引繞到線圈3的外周側(cè)。

[線圈保持材料1、絕緣體2]

線圈保持材料1是保持線圈3自身的形狀、以及固定多個線圈3的相對位置的構(gòu)件，也可以是電導(dǎo)體，但作為短路線圈來發(fā)揮作用，因此具有使線圈3的阻抗降低的效果。因此，在使用導(dǎo)體的情況下，最好使用電阻高的不銹鋼、鎳合金(哈斯特洛伊合金、鉻鎳鐵合金(inconel)…注冊商標(biāo))。此外，最好是其厚度也薄。此外，線圈保持材料1也可以是樹脂等的絕緣體。

進而，也可以對線圈保持材料1使用磁性材料，在該情況下能夠使線圈3的阻抗增加，進一步提高(信號變化變大)靈敏度。但是，需要注意磁性材料的溫度特性等。此外，也能夠在非磁性的線圈支承體1的內(nèi)周配置磁性材料。由于線圈材料(電磁線)本身已被絕緣，所以線圈3和線圈保持材料1之間的絕緣體2未必是必要的，在使線圈3和傳感器盒6的絕緣耐壓提高等情況下是必要的。此外，如果對線圈3使用成型線圈等，將線圈3之間粘合，則能夠不需要線圈支承材料1。

[傳感器套筒4]

傳感器套筒4對于位置檢測工作來說不是必須的。對于用于實現(xiàn)線圈部的機械保護、密閉結(jié)構(gòu)等來說是必要的。在如圖4所示那樣被測量體13位于外周側(cè)的情況下，傳感器套筒4需要非磁性材料。由于傳感器套筒4本身還作為短路線圈來發(fā)揮作用，所以如果使用電導(dǎo)率低的材料，則線圈3的阻抗降低，信號變化變小，因而不優(yōu)選。因此，電導(dǎo)率高的材料是恰當(dāng)?shù)?。例如，可以使用奧氏體系不銹鋼、鎳合金(哈斯特洛伊合金、鉻鎳鐵合金(inconel)…注冊商標(biāo))等。

此外，基于同樣的理由，其厚度也優(yōu)選為薄的，但需要考慮與機械強度的平衡，特別是在將傳感器線圈部12設(shè)為例如汽缸內(nèi)置的情況下(參照第11實施方式)，需要在油壓下不會損壞的厚度。在不特別施加壓力、或者不需要防水的用途中，傳感器套筒4能夠使用樹脂性的構(gòu)件，例如玻璃環(huán)氧樹脂強化或碳纖維強化的管，有利于輕量化、低成本化。

[傳感器盒6、頂端部蓋5、后端蓋11、被測量體支承材料]

傳感器盒6、頂端部蓋5、后端蓋11是用于進行線圈保持材料1、傳感器套筒4等的相對位置的固定、或者用于實現(xiàn)密閉結(jié)構(gòu)的構(gòu)件，磁性材料、非磁性材料、導(dǎo)體、絕緣體均可。

[傳感器引出電纜8]

傳感器引出電纜8用于將線圈3的布線7引出到傳感器線圈部12的外部而連接于檢測電路9。引出電纜8的末端可以進行連接器連接。

[其它]

為了提高氣密性等，可以適當(dāng)使用o形環(huán)(密封圈)等。這些通常其材料為絕緣體，不會對位置檢測工作造成影響，因此可以任意地安裝在需要的地方。此外，各構(gòu)件間的接合可以采用粘結(jié)、壓入、焊接、螺絲固定等方法。

如上所述，根據(jù)本實施方式，以長度方向在同心軸上排列的方式配置分別被相同頻率的交流信號勵磁的多個線圈3，構(gòu)成傳感器線圈部12。多個差動放大電路16輸出各線圈3的兩端的差動信號，運算器17將與2個線圈3對應(yīng)的差動信號相減而將減法運算信號輸出到控制器19?？刂破?9將被測量體13沿著同心軸方向移動時的被測量體13的軸向位置作為通過對上述減法運算信號進行運算而線性變化的位置信號來輸出，所述被測量體13由使線圈3的阻抗變化的材料構(gòu)成并位于傳感器線圈部12的外周側(cè)。

此時，控制器19基于對多個差動信號進行了運算的結(jié)果來確定與被測量體13的現(xiàn)在位置對應(yīng)的線圈3。具體而言，通過對多個減法運算信號進行運算，從而求取2個差動信號的加法運算信號，基于該加法運算信號來確定與被測量體13的現(xiàn)在位置對應(yīng)的線圈3。或者，基于將多個減法運算信號相乘的結(jié)果來確定線圈3。然后，基于所確定的線圈3，以多個減法運算信號的變化按照多個線圈3的排列順序而連續(xù)的方式將位置信號進行合成并輸出。

因此，根據(jù)線圈3的排列數(shù)能夠連續(xù)地且線性地輸出位置信號，所以能夠極其簡單地擴大被測量體13的位置檢測范圍。此外，被測量體13的軸向長度尺寸為至少1個線圈3的長度尺寸以上即可，因此對被測量體13的外形的限制小，能夠使設(shè)計的自由度提高。進而，不會如專利文獻1那樣位置檢測裝置29的增益受到被測量體13的特性的影響，位置信號的電平與線圈3的排列數(shù)成比例，因此即使擴大檢測范圍，分辨率也不會降低，溫度特性也不會惡化。

此外，檢測電路9具有輸出基于位置信號在預(yù)先設(shè)定的位置使觸點輸出部24進行通斷的開關(guān)信號的電子限位開關(guān)功能，因此，即使上級單元23、與上級單元23的數(shù)據(jù)收發(fā)等由于某些故障導(dǎo)致工作異常，位置檢測裝置29也可以作為單體按照規(guī)定進行工作，如經(jīng)由外部設(shè)備25對被測量體13的位置加以限制那樣，能夠使系統(tǒng)的安全性提高。

此外，在限位開關(guān)功能中具有根據(jù)每規(guī)定時間的位置變化和規(guī)定閾值的比較結(jié)果來輸出通/斷信號的限速檢測功能，因此通過在被測量體13的移動速度變?yōu)檫^快的狀態(tài)時進行限速，從而能夠使安全性提高。

另外，在為了確定與被測量體13的現(xiàn)在位置對應(yīng)的線圈3而求取2個差動信號的加法運算信號時，未必需要從對多個減法運算信號進行運算的結(jié)果得到加法運算信號，也可以在差動放大電路16的后級另外配置加法器來求取加法運算信號。

(第2實施方式)

圖8是示出第2實施方式的圖，與第1實施方式相同的部分標(biāo)記同一標(biāo)號并省略說明，以下對不同的部分進行說明。如圖8所示，在第2實施方式的檢測電路31中追加了差動放大電路16g(差動信號輸出單元、溫度檢測單元)、lpf32以及a/d轉(zhuǎn)換器18(6)。差動放大電路16g的反相輸入端子與線圈3f的一端(接地)連接，非反相輸入端子與線圈3a的一端(差動放大電路16a的反相輸入端子)連接。差動放大電路16g的輸出信號經(jīng)由lpf32和a/d轉(zhuǎn)換器18(6)輸入到控制器19a(溫度檢測單元，未圖示)。

接著，對第2實施方式的作用進行說明。通過追加上述結(jié)構(gòu)，控制器19a經(jīng)由a/d轉(zhuǎn)換器18(6)讀入的數(shù)據(jù)變?yōu)槭┘佑诰€圈3a～3f的串聯(lián)電路的兩端的直流等效電壓。由此，控制器19a可以測量線圈3的溫度。

作為電磁線而使用的一般的軟銅線，已知其電阻值根據(jù)溫度以大約－0.39％/℃進行變化。圖中的信號源33相當(dāng)于第1實施方式的振蕩電路14和勵磁電路15，但通過對信號源33進行恒流驅(qū)動，能夠在線圈3中總是流動恒定值的直流電流成分。線圈3a～3f的串聯(lián)電路兩端的電壓(直流成分)與串聯(lián)電路的直流電阻成比例。因此，控制器19a能夠根據(jù)經(jīng)由a/d轉(zhuǎn)換器18(6)讀入的數(shù)據(jù)值對線圈3的溫度進行逆運算。

通過這樣構(gòu)成，例如，即使在如傳感器線圈部12和檢測電路31設(shè)置在分開的場所的情況下，也能夠正確地對線圈3的溫度進行測量。測量出的溫度可以用于消除由線圈3產(chǎn)生的溫度漂移。此外，也可以向上級單元23傳輸溫度信息，還能夠當(dāng)傳感器線圈部12或者具有傳感器線圈部12的系統(tǒng)變成異常溫度而放置時對達到故障的狀態(tài)進行警告。

如上所述，根據(jù)第2實施方式，具有輸出傳感器線圈部12的兩端的差動信號的差動放大電路16g，控制器19a基于上述差動信號對傳感器線圈部12的溫度進行檢測。因此，能夠進行用于防止傳感器線圈部12變成過熱狀態(tài)的處理。

(第3實施方式)

圖9所示的第3實施方式表示傳感器線圈部12的驅(qū)動方式的變形例。在圖9(a)中，使用2個信號源33(1)和33(2)，將信號源33(1)連接于線圈3a～3c的串聯(lián)電路的兩端，將信號源33(2)連接于線圈3d～3f的串聯(lián)電路的兩端。在該情況下，不需要將線圈3a～3c和線圈3d～3f電連接。此外，即使信號源33(1)與信號源33(2)的頻率、相位關(guān)系不同也可以進行工作。這樣，用2個信號源33(1)和33(2)來驅(qū)動傳感器線圈部12的優(yōu)點為，由1個信號源33驅(qū)動的線圈3的數(shù)量減少，因此在線圈3中能夠更多地流動電流，能夠?qū)崿F(xiàn)抗噪性的提高、外部磁場的影響的減少。

同樣地，如圖9(b)所示，也能夠以1對1的方式連接線圈3和信號源33而單獨地驅(qū)動，如圖9(c)所示，在將信號源33(1)連接于線圈3a～3c的串聯(lián)電路時，也能夠共同(公共)地連接各線圈3a～3c的一端側(cè)來驅(qū)動。

(第4實施方式)

圖10所示的第4實施方式是在傳感器線圈部12配置有2個被測量體13(1)和13(2)的結(jié)構(gòu)。在位置檢測裝置29中，如上述那樣被測量體13使線圈3的特性受到變化的范圍是從被測量體13所處的位置起收斂于有限的范圍內(nèi)。因此，2個被測量體13(1)、13(2)只要不接近對分別成為位置檢測對象的線圈3的阻抗的變化開始互相造成影響的位置，那么2個被測量體13(1)、13(2)的位移就能夠分別作為獨立的現(xiàn)象而被檢測。另外，也能夠?qū)⒈粶y量體13增加到3個以上。進而，在多個被測量體13在上述限制范圍內(nèi)互相接近的情況下，還可以作為測量異常而檢測出來，并向上級單元23發(fā)出警告等。

(第5實施方式)

圖11和圖12所示的第5實施方式是如在第1實施方式中敘述的那樣設(shè)置有1次線圈的結(jié)構(gòu)。在傳感器線圈部41，將線圈3a～3f作為2次線圈，使1次線圈(勵磁線圈)42相對配置，在1次線圈42的兩端連接信號源33來供給交流信號。在該情況下，如與圖4相當(dāng)?shù)膱D12所示，1次線圈42配置在傳感器套筒4的內(nèi)部。通過如此構(gòu)成傳感器線圈部41，能夠?qū)⑽恢脵z測裝置43設(shè)置為具有與半橋型差動變壓器相同的特征的位置傳感器。

(第6實施方式)

圖13所示的第6實施方式的位置檢測裝置51具有第2實施方式的檢測電路38的結(jié)構(gòu)(也可以是第1實施方式的檢測電路9)。在第6實施方式中，在非易失性存儲器21(存儲單元)中預(yù)先儲存用于對位置檢測裝置51的直線性進行校正的數(shù)據(jù)，在檢測出被測量體13的位置時，控制器19b使用上述數(shù)據(jù)對檢測位置的直線性進行校正。以下，對其校正所使用的數(shù)據(jù)的取得進行說明。

首先，準(zhǔn)備絕對值精度、直線性優(yōu)異的直線位移檢測傳感器。在此，設(shè)為光學(xué)式的線性標(biāo)尺(linearscale)52。將該線性標(biāo)尺52的檢測頭53和被測量體13連結(jié)而固定在直線移動的臺(未圖示)上。該移動臺能夠從外部在任意的位置移動。

以伴隨檢測頭53的移動來讀入該傳感器輸出數(shù)據(jù)(位置數(shù)據(jù))的方式設(shè)置光學(xué)式線性標(biāo)尺52的標(biāo)尺54。如果從檢測頭53輸出位置數(shù)據(jù)，則位置檢測裝置51的控制器19b經(jīng)由校正用i/f54讀入該位置數(shù)據(jù)。通常光學(xué)式傳感器的位置輸出為a/b相輸出，但校正用i/f54被輸入這樣的2相輸出而讀入正確的絕對位置。

在上述的設(shè)置狀態(tài)下，使移動臺從傳感器線圈部12的一端向另一端方向逐漸地移動。此時，控制器19b取得由光學(xué)式線性標(biāo)尺52得到的正確的絕對位置與由傳感器線圈部12自身檢測出的位置之間的偏差，按上述位置的每一定距離，將該偏差存儲在非易失性存儲器21中。例如在以16bit數(shù)據(jù)輸出整個測量范圍的情況下，該數(shù)據(jù)值表示0～65535。例如，如果以數(shù)據(jù)值1024為單位存儲偏差，則將全部64點的偏差數(shù)據(jù)作為表值記錄在非易失性存儲器21。

在工廠制造出位置檢測裝置51時，進行這樣地記錄偏差數(shù)據(jù)的處理。因此，通過向控制器19b寫入校正專用程序，或從外部進行指示(通過設(shè)定開關(guān)25進行的輸入等)來啟動預(yù)先寫入的校正程序，從而實施校正數(shù)據(jù)記錄處理。

在記錄處理完成后，在位置檢測裝置51實際上對被測量體13的位置進行檢測時，在其位置處于例如上述64處的校正點之間的情況下，算出根據(jù)其前后的校正點進行了直線插值的校正數(shù)據(jù)。然后，通過從校正前的數(shù)據(jù)減去校正數(shù)據(jù)來算出直線性被校正了的位置數(shù)據(jù)。

如以上所述，根據(jù)第6實施方式，具有預(yù)先存儲有用于對位置信號的線性進行校正的校正數(shù)據(jù)的非易失性存儲器21，控制器19b在求取位置信號時使用上述校正數(shù)據(jù)來校正線性。因此，能夠使位置檢測精度提高。

(第7實施方式)

圖14所示的第7實施方式表示將被測量體13a的長度設(shè)為線圈3的1個區(qū)間量的2倍時的檢測狀態(tài)。在該情況下，作為差動變壓器的線圈3由隔1個的2個線圈3構(gòu)成，差動信號變?yōu)?va-vc)、(vb-vd)、(vc-ve)。如圖中所示，最初為“基于線圈a、c的測量區(qū)間”，接著為“基于線圈b、d的測量區(qū)間”。在這樣的情況下，關(guān)于可測量的區(qū)間范圍，只要線圈3的數(shù)量為n個，則測量范圍數(shù)量變?yōu)椤皀-2”。

此外，關(guān)于加法運算信號(va+vc)、(vb+vd)、(va+vc)，示出最低值(l＝vmin)的區(qū)間分別偏離1個區(qū)間。因此，通過參照這些加法運算信號的變化，能夠確定與被測量體13a的現(xiàn)在位置對應(yīng)的線圈3(測量區(qū)間)。即，如果將加法運算信號不表示最低值(l)的狀態(tài)設(shè)為“×”，則變成：

例如，在線圈3b和3d成為測量區(qū)間的情況下，加法運算信號(va+vc)、(vb+vd)、(va+vc)全部示出最低值(l)。由此，能夠確定測量區(qū)間。

另外，例如加法運算信號(va+vc)可以通過以下的運算來得到。

(va-vc)+2(vc-ve)

＝va-vc+2vc-2ve＝(va+vc)-2ve

由于在加法運算信號(va+vc)表示最低值的區(qū)間信號ve為零電平，所以不存在第2項的影響。

(第8實施方式)

圖15所示的第8實施方式是將圓柱狀的被測量體55固定在直徑比其小的棒狀的支承體56的前端，在線圈保持材料1的內(nèi)部使被測量體55位移的結(jié)構(gòu)。在該情況下，為了檢測信號的變化，線圈保持材料1的材質(zhì)需要是非磁性材料或樹脂等絕緣體。此外，支承體56的材質(zhì)使用磁性材料、非磁性材料、導(dǎo)體、絕緣體均可，但在使用磁性材料的情況下，與由被測量體13造成的線圈3的阻抗變化相比，如果不使用影響充分少的材質(zhì)，則誤差等會增加。

在該情況下，頂端部蓋5a具有用于使被測量體55導(dǎo)入到線圈保持材料1的內(nèi)部的貫穿孔。此外，傳感器盒6a也是具有與線圈保持材料1的中空部連通的連通部6b的形狀，進而后端蓋11a也成為在中心部具有直徑與連通部6b相同的孔的形狀。

(第9實施方式)

圖16所示的第9實施方式是在傳感器盒6的內(nèi)部空間配置有檢測電路9的結(jié)構(gòu)。在該情況下，經(jīng)由引出電纜8導(dǎo)出到外部的布線57成為與外部電源27連接的電源線、與上級單元23及外部設(shè)備25的連接線。如果如此構(gòu)成，就能夠更緊湊(compact)地構(gòu)成位置檢測裝置29。但是，位置檢測裝置29的耐熱溫度存在被限制在安裝于檢測電路9的半導(dǎo)體元件等的可工作溫度范圍內(nèi)的情況。

(第10實施方式)

圖17所示的第10實施方式示出將線圈3設(shè)為單層繞組的情況。在單層繞組的情況下，關(guān)于纏繞線圈3的操作，只要將電線總是向一個方向持續(xù)纏繞，在中途將各線圈a～d的抽頭露出即可。因此，操作性極好，能夠簡化制造工序。

(第11實施方式)

圖18所示的第10實施方式示出在汽缸61的內(nèi)部進行往復(fù)運動的連桿(rod)62的內(nèi)部配置有傳感器線圈部12的結(jié)構(gòu)。在連桿62的內(nèi)部以不接觸傳感器套筒4的直徑開孔，將被測量體13固定在連桿62的內(nèi)壁端部。向傳感器套筒4、被測量體13施加汽缸的壓力，但由于傳感器線圈部12如上所述為堅固的結(jié)構(gòu)，所以能夠應(yīng)用。與活動的連桿62相結(jié)合的只是金屬性的環(huán)(被測量體13)，對于施加給連桿62的振動、沖擊具有極強的抗性。另外，未圖示作為汽缸61所需要的o形環(huán)(襯墊)類、油的噴口(port)等。

本發(fā)明不只限于上述或附圖所記載的實施方式，可以進行如以下這樣的變形或者擴展。

可以將線圈3直接纏繞在由絕緣體構(gòu)成的線圈支承體1。

在圖4中，如果不需要經(jīng)由線圈支承體1的內(nèi)部進行各線圈3的布線，則線圈支承體1不需要為中空(管形狀)。

電子限位開關(guān)功能、限速檢測功能根據(jù)需要來設(shè)置即可。

溫度檢測單元也可以使用熱敏電阻等。

產(chǎn)業(yè)上的可利用性

如上所述，本發(fā)明涉及的位置檢測裝置對檢測被測量體的直線移動位置的用途是有用的。