(57)【要約】【課題】外部に向けて磁気ノイズを生じさせず、かつ、自身も外部からの磁気ノイズの影響を受けず、種々の用途に適用することが出来ると共に、外部環境からの影響に左右されることなく正確に位置変位を検出し得る、構造簡潔で有用な位置変位センサを提供する。【解決手段】位置変位センサ１であって、所定の間隔を置いて配列された第１及び第２の発光源２と、発光源の配列方向に沿って発光源と相対的に変位可能な検出ヘッド４であって、発光源の配列間隔内に所定の間隔を置いて配列された、発光源から出射する光を受光し得る双対の受光素子３からなるものと、並びに、受光素子３からの出力を演算し、発光源に対する検出ヘッドの相対位置を算出する変位検出装置１０とからなるものとする。【選択図】図１
2007171066.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
位置変位センサであって、
所定の間隔を置いて配列された第１及び第２の発光源と、
前記発光源の配列方向に沿って前記発光源と相対的に変位可能な検出ヘッドであって、前記発光源の配列間隔内に所定の間隔を置いて配列された、前記発光源から出射する光を受光し得る双対の受光素子からなるものと、並びに、
前記受光素子からの出力を演算し、前記発光源に対する前記検出ヘッドの相対位置を算出する変位検出装置と、
からなることを特徴とする位置変位センサ。
【請求項２】
位置変位センサであって、
少なくとも１つの発光源と、
前記発光源の配列方向に沿って前記発光源と相対的に変位可能な検出ヘッドであって、所定の間隔を置いて配列された、前記発光源から出射する光を受光し得る複数の受光素子からなり、電気的に前記発光源から出射する光を受光し得る双対の受光素子からなるものと同等に取り扱い得る様構成されたものと、並びに、
前記受光素子からの出力を演算し、前記発光源に対する前記検出ヘッドの相対位置を算出する変位検出装置と、
からなることを特徴とする位置変位センサ。
【請求項３】
前記検出ヘッドは、前記発光源と相対的に変位可能な検出ヘッドであって、受光素子Ａ’，Ｂ’，Ｃ’，Ｄ’の組からなる受光素子列がＡ’，Ｂ’，Ｃ’，Ｄ’，Ａ’，Ｂ’，Ｃ’，Ｄ’・・・の順に所定間隔で複数組列設され、前記各受光素子Ａ’の出力の総和、Ｂ’の出力の総和、Ｃ’の出力の総和、及びＤ’の出力の総和がそれぞれ出力Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄであるとして、電気的に前記発光源から出射する光を受光し得る双対の受光素子からなるものと同等に取り扱い得る様構成されたものからなることを特徴とする請求項２に記載の位置変位センサ。
【請求項４】
位置変位センサであって、
略同じ大きさの遮光部と反射部が所定間隔で交互に列設されて構成されたスケールと、
前記スケールの配列方向に沿って前記スケールと相対的に変位可能な検出ヘッドであって、
前記スケールの配列方向に沿って、前記遮光部又は反射部の配列間隔１ピッチ全長にわたって形成された細帯状の一様光源である発光源と、
前記スケールの配列方向に沿って前記発光源と並んで設けられ、前記遮光部又は反射部の配列間隔１ピッチ内に所定の間隔を置いて配列された、前記発光源から出射された前記スケールからの反射光を受光し得る双対の受光素子からなるものと、並びに、
前記受光素子からの出力を演算し、前記スケールに対する前記検出ヘッドの相対位置を算出する変位検出装置と、
からなることを特徴とする位置変位センサ。
【請求項５】
位置変位センサであって、
所定方向に沿って変位可能な検出ヘッドであって、
変位方向に沿って、受光素子Ａ’，Ｂ’，Ｃ’，Ｄ’の組からなる受光素子列がＡ’，Ｂ’，Ｃ’，Ｄ’，Ａ’，Ｂ’，Ｃ’，Ｄ’・・・の順に所定間隔で複数組列設され、前記各受光素子Ａ’の出力の総和、Ｂ’の出力の総和、Ｃ’の出力の総和、及びＤ’の出力の総和がそれぞれ出力Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄであるとして、電気的に双対の受光素子からなるものと同等に取り扱い得る様構成された受光列と、
前記変位方向に沿って前記受光列と並んで設けられ、前記受光列の全長にわたって形成された細帯状の一様光源である発光源からなるものと、
前記検出ヘッドと対向する反射片であって、前記変位方向に少なくとも前記受光素子の配列間隔１ピッチ以上の全長を備えたものと、並びに、
前記発光源から出射された前記反射片からの反射光を受光し得る前記受光素子からの出力を演算し、前記反射片に対する前記検出ヘッドの相対位置を算出する変位検出装置と、
からなることを特徴とする位置変位センサ。
【請求項６】
位置変位センサであって、
略同じ大きさの遮光部と反射部が所定間隔で交互に列設されて構成されたスケールと、
前記スケールの配列方向に沿って前記スケールと相対的に変位可能な検出ヘッドであって、
前記スケールの配列方向に沿って所定の間隔を置いて順に配列された、夫々発光色の異なる第１、第２及び第３の発光源であって、前記各発光源から出射した光の前記スケールにおける反射位置が、前記遮光部又は反射部の配列間隔１ピッチの略１／４ずつ前記スケールの配列方向に沿ってずれる様構成されたものと、
前記検出ヘッド上に設けられ、前記各発光源から出射された前記スケールからの反射光を受光し得る、複数色の光を受光可能な、少なくとも１個の受光素子からなる受光部からなるものと、並びに、
前記受光部からの出力を演算し、前記スケールに対する前記検出ヘッドの相対位置を算出する変位検出装置と、
からなることを特徴とする位置変位センサ。
【請求項７】
位置変位センサであって、
略同じ大きさの遮光部と反射部が所定間隔で交互に列設されて構成されたスケールと、
前記スケールの配列方向に沿って前記スケールと相対的に変位可能な検出ヘッドであって、前記検出ヘッド上における受光素子の配置位置が前記遮光部又は反射部の配列間隔１ピッチの略１／４前記スケールの配列方向に沿って互いにずれる様構成された第１及び第２のブロックからなり、前記第１及び第２のブロックが夫々、
前記スケールの配列方向に沿って所定の間隔を置いて配列された、発光色の異なる第１及び第２の発光源であって、前記各発光源から出射した光の前記スケールにおける反射位置が、前記遮光部又は反射部の配列間隔１ピッチの略１／２前記スケールの配列方向に沿ってずれる様構成されたものと、
前記検出ヘッド上に設けられ、前記各ブロックにおける第１及び第２の発光源から出射された前記スケールからの反射光を受光し得る、複数色の光を受光可能な、少なくとも１個の受光素子からなる受光部からなるものと、並びに、
前記検出ヘッドからの出力を演算し、前記スケールに対する前記検出ヘッドの相対位置を算出する変位検出装置と、
からなることを特徴とする位置変位センサ。
【請求項８】
前記変位検出装置は、
前記検出ヘッドにおける複数の受光出力を組み合わせて一対の差動出力を得る差動出力部と、
前記検出ヘッドにおける複数の受光出力又は前記一対の差動出力に略正弦波の交流波形を乗じて正弦波電圧を得る正弦波重畳部と、
前記略正弦波の交流波形が乗じられた前記一対の差動出力の一方を略９０°移相して余弦波電圧を得る移相部と、
前記一対の差動出力の一方と他方とからなる前記余弦波電圧と正弦波電圧の和又は差であって位置変位を位相差として含む正弦波信号を得る加算又は減算部と、並びに、
前記加算又は減算部からの前記正弦波信号より前記検出ヘッドの相対位置を算出する変位検出部と、
からなることを特徴とする請求項１〜７に記載の位置変位センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被検体の動きに応じた位置変位を検出するための位置変位センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、コイル等のインピーダンス素子と磁気応答部材との相対的位置に応じた検出信号を各インピーダンス素子から得ることにより被検体の位置変位を検出する位置変位センサ（例えば、特許文献１参照）が開発され、この基本検出原理の応用範囲が広いことから、様々な用途への展開が試みられている。
【０００３】
上記の位置変位センサは、インピーダンス素子と磁気応答部材との相対的位置に応じて交流信号中に流れる電気位相差より、位置変位を検出するものである（いわゆる位相差変換（Ｐ−Ｄ変換）方式）。
はじめに、この従来知られた位置変位センサの基本検出原理の大略を、添付図面（図７〜図１３）を用いて説明する。図７は従来の誘導方式による直線変位検出型センサの構造原理を模式的に示す斜視図、図８は図７の構造が対象とする直線変位検出の態様を回路的に示す図、図９は図８の誘導方式におけるトランス構造に代えて、実質上自己インダクタンスＬ１〜Ｌ４のみからなるインピーダンス素子を用い、同様の関係が得られるようにした位置変位センサの回路図である。図１０は図７〜図９に係る従来の位置変位センサの動作波形及び解析手順を示す図であり、（Ａ）は印加電圧ＡＳｉｎωｔと、Ｓｉｎωｔを搬送波とするｘ変位を含む電圧波形図、（Ｂ）はＡＳｉｎωｔのグラフと特定の変位ｘ（１回転の角度０〜３６０度で等価的に表示したもの）を含む正弦波ａＳｉｎ（ωｔ−ｘ）のグラフとの時間関係を示す波形図、（Ｃ）はこれらの波形図の根拠となる数式的推移を示した図である。図１１は図１０（Ｃ）にあらわされた操作を具体的に実現する回路のブロック図、図１２はインピーダンス素子節減型位置変位センサの一例を示す図、図１３は図１２に示すインピーダンス素子節減型位置変位センサの変位検出装置の構成を示すブロック図である。
【０００４】
Ｐ−Ｄ変換を用いる位置変位センサは、その駆動原理から誘導型とインピーダンス型の二つに分けられる。直線変位を検出する場合、誘導型ではトランスの二次コイルが検出方向に直線状に配列される。
以下では、本発明の対象である位置変位センサの基礎的理解のため、直線変位の検出を行う誘導型位置変位センサの動作原理を図７以降の各図を用いて説明する。図７において各インピーダンス素子はコイルとする。
【０００５】
図７において、５１はソレノイド型一次コイル、５２はその内側に同軸配置された二次コイル列であり、ここでは同一規格の４個のインピーダンス素子Ａ〜Ｄ（コイルＬ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４）が等間隔で配列されている。このコイル配列に対しては、コイル軸と同軸且つ軸方向動自在の関係で磁性体配列棒（可動磁性体）５３が挿入される。磁性体配列棒５３にはコイル配列間隔（隣接コイル中心間距離）の４倍を１ピッチとして、複数の円筒状強磁性体５４が配列されている。磁性体配列棒５３の棒軸は顕著な磁性を示さない金属又はプラスチック物質からなっている。
【０００６】
インピーダンス素子Ａ〜Ｄ（二次コイルＬ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４）は、図７のごとく正弦波電圧ＡＳｉｎωｔが印加された一次コイル５１からの相互誘導作用により、正弦波電圧を誘起されるが、前述した磁性体配列棒５３との関係位置に応じたインダクタンスの変化によって二次回路の構成時、異なった振幅のコイル端間電圧を具現するものであり、図７における磁性体配列棒５３の軸方向位置（Ｌ１−Ｌ３の位置：両コイルともＬ２を挟んで対向する端部のみが強磁性体５４の端部に対応するか、僅かに被る程度の平衡位置，  Ｌ２−Ｌ４の位置：Ｌ２が強磁性体５４に対応し、Ｌ４が強磁性体５４間の大空隙を介して配列棒５３の棒軸に対応する位置）をｘ＝０とし、且つ同棒の、例えば図の左方への移動を正方向とすれば、Ｌ１−Ｌ３差動出力は、誘起される正弦波Ｓｉｎωｔに、変動する係数すなわち振幅の変位ａＳｉｎｘを掛けた値
ａＳｉｎｘＳｉｎωｔ・・・・・・（１）
［ただし、ａは任意の定数］
となり、Ｌ２−Ｌ４差動出力は、誘起される正弦波Ｓｉｎωｔに、変動する係数すなわち振幅の変位ａＣｏｓｘを掛けた値
ａＣｏｓｘＳｉｎωｔ・・・・・・（２）
［ただし、ａは任意の定数］
となり、従って、磁性体配列棒５３の１ピッチ変位を１ｐ（＝ピッチ）＝２π（３６０度）とすれば、磁性体配列棒５３の変位（実寸）を正弦又は余弦関数において、ｘ（ｐ）＝２π±θ［ｒａｄ］として処理しうることが理解されるであろう。
【０００７】
上記の説明を、今度は回路的に示したものが図８であり、同様の関係はＬ１〜Ｌ４を実質上自己インダクタンスのみからなるインピーダンス素子Ａ〜Ｄとして，正弦波電圧ＡＳｉｎωｔを直接加えた場合にも生ずることを示したのが図９の回路図である。
【０００８】
この、インピーダンス型においても、上記と同様にして得られるインピーダンス素子Ａ〜Ｄ（コイルＬ１〜Ｌ４）の各端子電圧を、正弦係数の式をα、余弦係数の式をβとすれば、やはり次の様に表すことができる。
α＝ａＳｉｎｘ・Ｓｉｎωｔ・・・・・・（１）
β＝ａＣｏｓｘ・Ｓｉｎωｔ・・・・・・（２）
［ただし、ａは任意の定数］
これらの式から、直線変位ｘを求める演算回路としては、まず（１）式及び（２）式にそれぞれ、０から順次増加するデジタル位相値φの余弦関数Ｃｏｓφ、及び正弦関数Ｓｉｎφを乗じていき、
Ｓｉｎφ・Ｃｏｓθ−Ｃｏｓφ・Ｓｉｎθ＝０・・（３）
の時点において、θ＝φとしてθを特定するＲ−Ｄ変換方式も公知であるが、この方式ではφを追従カウントするときのクロック遅れが生じ，応答性が悪いという問題がある。
【０００９】
本発明の各実施形態においても適用することとなるＰ−Ｄ変換では、（１）式におけるＳｉｎωｔを回路上でＣｏｓωｔに変換することによって、ａＳｉｎｘＣｏｓωｔを得、直接に三角関数の加法定理を適用する。すなわち
ａＳｉｎｘ・Ｃｏｓωｔ±ａＣｏｓｘ・Ｓｉｎωｔ＝
ａＳｉｎ（ωｔ±ｘ）・・・・・・（４）
［ただし、ａは任意の定数］
【００１０】
上記のような流れで位置変位を検出する手順を位相差変換（Ｐ−Ｄ変換）方式と呼び、図１０に動作波形及び解析手順を示す。図１０の分図（Ａ）は印加電圧ＡＳｉｎωｔと、Ｓｉｎωｔを搬送波とするｘ変位（ｘ（ｐ）＝２π±θ［ｒａｄ］として表記）に対応した（１）、（２）式の各右辺の電圧波形図、同（Ｂ）はＡＳｉｎωｔのグラフと特定の位相（ｘ）を含む（４）式の右辺の正弦波、この場合は、ａＳｉｎ（ωｔ−ｘ）のグラフとの時間関係を示す波形図であり、更に同（Ｃ）はこれらの波形図の根拠となる数式的推移を示したものである。また、図１０Ｃの操作を具体的に実現する回路のブロック図を図１１に示す。各インピーダンス素子はそれぞれＡ〜Ｄで表わされる。ここでは、（１）、（２）式で表わされる信号α、βはそれぞれ、変位検出回路４０に入力された後、増幅処理（増幅度ｂ／ａ）を経てから、位相シフト及び加算等の処理が施される。なお、図１０Ｂにおいて、進み位相波ａＳｉｎ（ωｔ＋ｘ）の場合、そのグラフは破線で示した遅れ位相波ａＳｉｎ（ωｔ−ｘ）のグラフと対称的に、実線で示したＡＳｉｎωｔのグラフよりもｘだけ時間的に先行した正弦波として想起できるであろう。
【００１１】
図１０Ｂのグラフから明らかなとおり、ｘを求めるにはＡＳｉｎωｔグラフのゼロクロス点から、ａＳｉｎ（ωｔ−ｘ）又はａＳｉｎ（ωｔ＋ｘ）グラフのゼロクロス点までの時間をカウントすればよいことが理解されるであろう。このカウントは進相、遅相いずれの位相で求めてもよいが、各インピーダンス素子Ａ〜Ｄ（コイルＬ１〜Ｌ４）等に温度変化によるインピーダンス変化が生じている場合，それによる変動誤差±ｄはωｔに付随するため、ここでは詳述しないが上記の進相、遅相の両正弦波グラフの双方を用いて処理することにより、この±ｄを容易に消去することもできる。
【００１２】
要するに、上記した位置変位センサにおいては、コイル端間電圧の差動出力を求めることによりサイン相の振幅関数特性を示す出力交流信号と、コサイン相の振幅関数特性を示す出力交流信号との２種類の異なる出力交流信号を得ることができれば、先に説明した位相差変換方式より位置変位を交流振幅の正弦／余弦変位として検出することが可能であろう。
【００１３】
またさらに、特許文献１にも詳述されるとおり、インピーダンス素子をより節減してこのような位置変位センサを実現することも可能である。これは、１）各インピーダンス素子の配置位置を変えることなくただこれらコイルの内の少なくとも１個を除去しても、残りのコイルに生じる、各コイル対磁性体配列棒の関係位置に応じたインダクタンスの変化によって生じる交流振幅を有するコイル端間電圧に影響がないこと、および、２）このとき、連続した少なくとも３個のコイルの各々の端子間電圧が得られれば、これらの差動出力を求めることによりサイン相の振幅関数特性を示す出力交流信号と、コサイン相の振幅関数特性を示す出力交流信号との２種類の異なる出力交流信号を得ることができ、これを用いることによって通常の場合と同様、位相差変換により位置変位を検出することが可能であることによるものである。図１２はインピーダンス素子節減型位置変位センサの一例を示す図、図１３は、その変位検出回路の構成を示すブロック図である。
【００１４】
隣接した３個のインピーダンス素子は図１２に示される様な態様で結線される。基本正弦波交流電圧ＡＳｉｎωｔは、各インピーダンス素子（Ａ〜Ｃ）の一端を介してこれらに印加される。又インピーダンス素子Ａ又はＣの他端はそれぞれ、２種類の異なる出力交流信号を得るために設けられた各差動増幅器ＯＡ（Ｂ−Ａ），ＯＡ（Ｂ−Ｃ）の−側に接続され、インピーダンス素子Ｂの他端はそれぞれ、上記各差動増幅器の＋側に接続される。
【００１５】
ここで、Ｂ−Ａ間、Ｂ−Ｃ間の差動出力を得る際、三角関数の公式
【数１】
2007171066.tif 000003
を適用すれば、Ｂ−Ａ間、Ｂ−Ｃ間の差動出力より、コサイン相の振幅関数特性を示す出力正弦波交流電圧α’と、サイン相の振幅関数特性を示す出力正弦波交流信号β’との２種類の異なる出力交流信号（（６），（７）式）が得られる。
【数２】
2007171066.tif 000004
α’＝ａ’Ｃｏｓｘ’Ｓｉｎωｔ
β’＝ａ’Ｓｉｎｘ’Ｓｉｎωｔ・・・・・・（７）
ただし、ａ’＝（（√２）／２）ａ＝定数，  ｘ’＝ｘ＋π／４
以降、得られた２種類の異なる出力交流信号を用いて最終的に位置変位を位相差として含む正弦波信号を得、これより位置変位を検出する流れについては、先の２対、４極のインピーダンス素子からなる位置変位センサの場合と同様である（図１１，１３参照）。
【００１６】
ところで、上記した位置変位センサは、直線変位につき、１ピッチの直線変位を３６０°フル回転の位相変化に換算することによって検出するため、原理上、微小変位を高分解能で検出できる特長を有するが、その一方で、次の点で問題があった。
【００１７】
すなわち、近年は電子機器等より発せられる電磁ノイズや磁気ノイズが他の機器に及ぼす影響について検討、配慮されているところ、上記した位置変位センサはコイルを用いた所謂磁気検出方式を採る関係上、必然的に磁気を発するものである。そうすると、外部から受ける磁気ノイズの影響を受け易い機器等、用途によってはこの従来例に係る位置変位センサを適用することが困難な場合があった。機器の電子化はこれからも益々進展して行くことから、かかる問題への対応は、上記した位置変位センサの将来性とも関連して急務となっている。
【００１８】
他方、上記した位置変位センサから発生する磁気の問題とは反対に、このセンサが外部環境から何らかの磁力を受けた場合には、センサの出力と実際の変位（直線変位）との間に誤差が生じ得る。この外部環境からの磁力が一定の強さをもつ場合のほか、何らかの予測可能性があるものであれば、上記誤差に適当な補正係数を計算上乗じる事でこの問題を解決することは一応可能である。しかしながら、外部環境からの磁力が外乱的或いは突発的にこのセンサに作用し得る様な状況の下では、センサの出力と実際の変位（直線変位）との間に生じる誤差の問題を完全に解消し得ないという問題があった。
【００１９】
ここで、磁気ではなく光学的な検出原理を用いた位置変位センサも、例えば特許文献２、３をはじめとして種々のものが開発され、様々な用途への展開が試みられているところである。しかしながら、それらは何れも、精密な平行光を準備する必要があるものや、偏光フィルタを利用して偏向角の回転を光量の増減に変換することを要するもの等、構成が複雑なものばかりであると言う問題があった。
【特許文献１】特開２００４−２３３３１１号公報
【特許文献２】特開平９−１９６７０５号公報
【特許文献３】特開平１０−２３９１０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
従って本発明は、適用対象となる機器等の外部に向けて磁気ノイズを生じさせることなく、かつ、自身も外部からの磁気ノイズの影響を受けることがなく、種々の用途に適用することが出来ると共に、外部環境からの影響に左右されることなく正確に位置変位を検出することが出来る、簡素な位置変位センサを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
上記課題を解決すべく種々検討を重ねた結果、本願発明者は、従来の磁気検出方式に代えて投光素子と受光素子との組み合わせを用いた光量検出方式を採用する一方、受光素子から出力される信号を処理して実際の位置変位（直線変位）を算出するに当たっては、従来の位置変位センサの信号処理系でも採用されていたＰ−Ｄ変換がそのまま適用できる検出ヘッドの構成とすることにより上記課題を解決可能なことを見い出し、本発明を完成した。
【００２２】
上記課題を解決可能な本発明の位置変位センサは、先ず第１実施形態の第１例として、（１）主として直線変位を検出可能な位置変位センサであって、
所定の間隔を置いて配列された第１及び第２の発光源と、
前記発光源の配列方向に沿って前記発光源と相対的に変位可能な検出ヘッドであって、前記発光源の配列間隔内に所定の間隔を置いて配列された、前記発光源から出射する光を受光し得る双対の受光素子からなるものと、並びに、
前記受光素子からの出力を演算し、前記発光源に対する前記検出ヘッドの相対位置を算出する変位検出装置と、
からなることを特徴とするものである。
【００２３】
又本発明の位置変位センサは、第１実施形態の第２例として、（２）位置変位センサであって、
少なくとも１つの発光源と、
前記発光源の配列方向に沿って前記発光源と相対的に変位可能な検出ヘッドであって、所定の間隔を置いて配列された、前記発光源から出射する光を受光し得る複数の受光素子からなり、電気的に前記発光源から出射する光を受光し得る双対の受光素子からなるものと同等に取り扱い得る様構成されたものと、並びに、
前記受光素子からの出力を演算し、前記発光源に対する前記検出ヘッドの相対位置を算出する変位検出装置と、
からなることを特徴とするものである。
ここで、（３）前記検出ヘッドは、前記発光源と相対的に変位可能な検出ヘッドであって、受光素子Ａ’，Ｂ’，Ｃ’，Ｄ’の組からなる受光素子列がＡ’，Ｂ’，Ｃ’，Ｄ’，Ａ’，Ｂ’，Ｃ’，Ｄ’・・・の順に所定間隔で複数組列設され、前記各受光素子Ａ’の出力の総和、Ｂ’の出力の総和、Ｃ’の出力の総和、及びＤ’の出力の総和がそれぞれ出力Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄであるとして、電気的に前記発光源から出射する光を受光し得る双対の受光素子からなるものと同等に取り扱い得る様構成されたものからなることが好ましい。
【００２４】
又本発明の位置変位センサは、第１実施形態の第３例として、（４）位置変位センサであって、
略同じ大きさの遮光部と反射部が所定間隔で交互に列設されて構成されたスケールと、
前記スケールの配列方向に沿って前記スケールと相対的に変位可能な検出ヘッドであって、
前記スケールの配列方向に沿って、前記遮光部又は反射部の配列間隔１ピッチ全長にわたって形成された細帯状の一様光源である発光源と、
前記スケールの配列方向に沿って前記発光源と並んで設けられ、前記遮光部又は反射部の配列間隔１ピッチ内に所定の間隔を置いて配列された、前記発光源から出射された前記スケールからの反射光を受光し得る双対の受光素子からなるものと、並びに、
前記受光素子からの出力を演算し、前記スケールに対する前記検出ヘッドの相対位置を算出する変位検出装置と、
からなることを特徴とするものである。
【００２５】
又本発明の位置変位センサは、第１実施形態の第４例として、（５）位置変位センサであって、
所定方向に沿って変位可能な検出ヘッドであって、
変位方向に沿って、受光素子Ａ’，Ｂ’，Ｃ’，Ｄ’の組からなる受光素子列がＡ’，Ｂ’，Ｃ’，Ｄ’，Ａ’，Ｂ’，Ｃ’，Ｄ’・・・の順に所定間隔で複数組列設され、前記各受光素子Ａ’の出力の総和、Ｂ’の出力の総和、Ｃ’の出力の総和、及びＤ’の出力の総和がそれぞれ出力Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄであるとして、電気的に双対の受光素子からなるものと同等に取り扱い得る様構成された受光列と、
前記変位方向に沿って前記受光列と並んで設けられ、前記受光列の全長にわたって形成された細帯状の一様光源である発光源からなるものと、
前記検出ヘッドと対向する反射片であって、前記変位方向に少なくとも前記受光素子の配列間隔１ピッチ以上の全長を備えたものと、並びに、
前記発光源から出射された前記反射片からの反射光を受光し得る前記受光素子からの出力を演算し、前記反射片に対する前記検出ヘッドの相対位置を算出する変位検出装置と、
からなることを特徴とするものである。
【００２６】
さらに、本発明の位置変位センサは、第２実施形態として、（６）位置変位センサであって、
略同じ大きさの遮光部と反射部が所定間隔で交互に列設されて構成されたスケールと、
前記スケールの配列方向に沿って前記スケールと相対的に変位可能な検出ヘッドであって、
前記スケールの配列方向に沿って所定の間隔を置いて順に配列された、夫々発光色の異なる第１、第２及び第３の発光源であって、前記各発光源から出射した光の前記スケールにおける反射位置が、前記遮光部又は反射部の配列間隔１ピッチの略１／４ずつ前記スケールの配列方向に沿ってずれる様構成されたものと、
前記検出ヘッド上に設けられ、前記各発光源から出射された前記スケールからの反射光を受光し得る、複数色の光を受光可能な、少なくとも１個の受光素子からなる受光部からなるものと、並びに、
前記受光部からの出力を演算し、前記スケールに対する前記検出ヘッドの相対位置を算出する変位検出装置と、
からなることを特徴とするものである。
【００２７】
その他、本発明の位置変位センサは、第３実施形態として、（７）位置変位センサであって、
略同じ大きさの遮光部と反射部が所定間隔で交互に列設されて構成されたスケールと、
前記スケールの配列方向に沿って前記スケールと相対的に変位可能な検出ヘッドであって、前記検出ヘッド上における受光素子の配置位置が前記遮光部又は反射部の配列間隔１ピッチの略１／４前記スケールの配列方向に沿って互いにずれる様構成された第１及び第２のブロックからなり、前記第１及び第２のブロックが夫々、
前記スケールの配列方向に沿って所定の間隔を置いて配列された、発光色の異なる第１及び第２の発光源であって、前記各発光源から出射した光の前記スケールにおける反射位置が、前記遮光部又は反射部の配列間隔１ピッチの略１／２前記スケールの配列方向に沿ってずれる様構成されたものと、
前記検出ヘッド上に設けられ、前記各ブロックにおける第１及び第２の発光源から出射された前記スケールからの反射光を受光し得る、複数色の光を受光可能な、少なくとも１個の受光素子からなる受光部からなるものと、並びに、
前記検出ヘッドからの出力を演算し、前記スケールに対する前記検出ヘッドの相対位置を算出する変位検出装置と、
からなることを特徴とするものである。
【００２８】
なお、上記（１）〜（７）に係る位置変位センサにおいては、（８）前記変位検出装置は、
前記検出ヘッドにおける複数の受光出力を組み合わせて一対の差動出力を得る差動出力部と、
前記検出ヘッドにおける複数の受光出力又は前記一対の差動出力に略正弦波の交流波形を乗じて正弦波電圧を得る正弦波重畳部と、
前記略正弦波の交流波形が乗じられた前記一対の差動出力の一方を略９０°移相して余弦波電圧を得る移相部と、
前記一対の差動出力の一方と他方とからなる前記余弦波電圧と正弦波電圧の和又は差であって位置変位を位相差として含む正弦波信号を得る加算又は減算部と、並びに、
前記加算又は減算部からの前記正弦波信号より前記検出ヘッドの相対位置を算出する変位検出部と、
からなることが好ましい。
また、互いに相対移動し得る上記発光源、検出ヘッド、スケール、又は反射片については、どちら側が移動するものであっても良い。
【発明の効果】
【００２９】
本発明の位置変位センサでは、磁気検出方式とは全く異なる検出方式を採ることから、適用対象となる機器等の外部に向けて磁気ノイズを生じさせることもなく、かつ、自身も外部からの磁気ノイズの影響を受けることもない。さらに、構成が簡素である。それゆえ、本発明によれば、種々の用途に適用することが出来ると共に、外部環境からの影響に左右されることなく正確に位置変位を検出することが出来る、構造簡潔で有用な位置変位センサを提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、添付図面に基づき、本発明の一実施形態につき説明する。図１は本発明の位置変位センサの第１実施形態（１）を示す図、図２は本発明の位置変位センサの第１実施形態（２）を示す図、図３は本発明の位置変位センサの第１実施形態（３）を示す図、図４は本発明の位置変位センサの第１実施形態（４）を示す図、図５は本発明の位置変位センサの第２実施形態を示す図、図６は本発明の位置変位センサの第３実施形態を示す図である。
【００３１】
［第１実施形態］
はじめに、本発明の第１実施形態に付き説明する。本実施形態に係る位置変位センサは、１種の発光源を用いた態様であって、１）検出ヘッドが透過型であるか反射型であるか、或いは２）検出ヘッドの受光素子列の構成が１ピッチ型であるか多ピッチ型であるかに応じて、次の４タイプに大別されるものである。
すなわち、透過型１ピッチヘッドを持つタイプ（第１例）、透過型多ピッチヘッドを持つタイプ（第２例）、反射型１ピッチヘッドを持つタイプ（第３例）、及び反射型多ピッチヘッドを持つタイプ（第４例）である。以下、順を追って説明する。
【００３２】
（第１例）
まず、透過型１ピッチヘッドを持つ第１例に付き説明する。図１に、本例に係る位置変位センサの概略構成を示す。
図１に示すとおり、本例に係る位置変位センサ１は、所定の間隔を置いて配列された第１及び第２の発光源２と、上記発光源の配列方向に沿って発光源２と相対的に変位可能な検出ヘッド４と、並びに、検出ヘッド４の受光素子３からの出力を演算し、発光源２に対する検出ヘッド４の相対位置を算出する変位検出装置１０とからなるものである。第１及び第２の発光源２は、同一種のものを用いている。
【００３３】
検出ヘッド４は、第１及び第２の発光源２の配列間隔内に所定の間隔を置いて配列された、発光源２から出射する光を受光し得る双対（計４個）の受光素子３からなっている。本例では、第１及び第２の発光源２の配列間隔が１ピッチとされる。このとき、検出ヘッド４の受光素子３は、１ピッチの寸法内に４素子が等間隔で配置されている。
【００３４】
変位検出装置１０は、検出ヘッド４における複数の受光出力Ａ〜Ｄを組み合わせて一対の差動出力（ＯＡ（Ａ−Ｃ），ＯＡ（Ｂ−Ｄ））を得る差動出力部１２と、検出ヘッド４における複数の受光出力又は上記一対の差動出力に略正弦波の交流波形を乗じて正弦波電圧を得る正弦波重畳部１１，１１’と、略正弦波の交流波形が乗じられた上記一対の差動出力（α，β）の一方を略９０°移相して余弦波電圧を得る移相部１４と、上記一対の差動出力（α，β）の一方αと他方βとからなる余弦波電圧と正弦波電圧の和又は差であって位置変位ｘを位相差として含む正弦波信号を得る加算又は減算部１５と、並びに、この加算又は減算部１５からの正弦波信号より検出ヘッド４の相対位置を算出する変位検出部１６とからなっている。
【００３５】
具体的には、本例の変位検出装置１０は、図１に示すとおり、受光素子３からの各出力Ａ〜Ｄ又は各対の受光素子（ＡＣの組とＢＤの組）の差動出力（ＯＡ（Ａ−Ｃ），ＯＡ（Ｂ−Ｄ））に略正弦波の交流波形を乗じて正弦波電圧を得る正弦波重畳部１１，１１’と、この略正弦波の交流波形が乗じられた各対の受光素子の差動出力（α，β）の一方αを略９０°移相して余弦波電圧（ｂＳｉｎｘＣｏｓωｔ）を得る移相部１４と、上記双対の受光素子（ＡＣ，ＢＤ）より得られる差動出力（ＯＡ（Ａ−Ｃ），ＯＡ（Ｂ−Ｄ））の一方と他方とからなる余弦波電圧（ｂＳｉｎｘＣｏｓωｔ）と正弦波電圧（ｂＣｏｓｘＳｉｎωｔ）との和又は差であって位置変位ｘを位相差として含む正弦波信号ｂＳｉｎ（ωｔ±ｘ）［本例では、増幅されている関係で係数は定数ｂとなる。以下の各例でも同様］を得る加算又は減算部１５と、並びに、上記した変位検出部１６とから構成されている。
【００３６】
図１に示す例において、差動出力（ＯＡ（Ａ−Ｃ），ＯＡ（Ｂ−Ｄ））は、オペアンプからなる差動出力部１２から得る様構成されている。又図１において、正弦波重畳部は、差動出力部１２の前段（１１）に備えても、後段（１１’）に備えても構わないことを意味している。その他、略正弦波の交流波形が乗じられた差動出力α，βは、増幅部１３で増幅（ｂ／ａ）された後、移相部１４及び加算又は減算部１５に入力される様になっている。
尚これらについては、以下の各例でも同様である。
【００３７】
本例の構成によれば、双対の受光素子の各素子を、発光源２の配列方向に沿って、上記１ピッチの寸法内に交互に等間隔（１／４ピッチ間隔）で配置することで、検出ヘッド４を変位させた時に各対の受光素子ＡＣ，ＢＤが受ける受光量の差分が、差動出力Ａ−Ｃ又はＢ−Ｄ（ａＳｉｎｘ又はａＣｏｓｘ［ａは定数］）として表れるかたちとなる。
従ってこの構成を利用すれば、先の背景技術の項で種々説明したインピーダンス素子を用いた位置変位センサの場合と同様の検出原理（Ｐ−Ｄ変換）を適用して直線変位の検出を行うことが可能となる。
【００３８】
この検出ヘッドからの出力（差動出力とする前であっても後であっても良い）に、さらに計算機上（本例では正弦波重畳部１１，１１’を用いる）で適宜Ｓｉｎωｔの交流波形を乗じて、正弦係数の式（α）、余弦係数の式（β）
α＝ａＳｉｎｘ・Ｓｉｎωｔ・・・・・・（１）
β＝ａＣｏｓｘ・Ｓｉｎωｔ・・・・・・（２）
［ただし、ａは任意の定数］
をそれぞれ求め、それらの結果を特許文献１、或いは本明細書の背景技術の欄で説明した図１１及び対応する記載に示すとおり、移相部１４及び加算又は減算部１５に入力すれば、位相差変換（Ｐ−Ｄ変換）方式の基礎となる式
ａＳｉｎｘ・Ｃｏｓωｔ±ａＣｏｓｘ・Ｓｉｎωｔ＝
ａＳｉｎ（ωｔ±ｘ）・・・・・・（４）
［ここで、ａは定数。  ただし、図１，１１に示す例では増幅されている関係で係数はｂとなる］
を利用して位置変位ｘを位相差として含む正弦波信号（４）を加算又は減算部１５より得ることが出来る。こののち、加算又は減算部１５からの出力を変位検出部１６に入力することにより、最終的に位置変位ｘの値を算出することが出来る。
このように、本例の構成によっても（Ｐ−Ｄ変換を用いて）直線変位の検出を行うことが可能となる。
【００３９】
（第２例）
次に、透過型多ピッチヘッドを持つ第２例に付き説明する。図２に、本例に係る位置変位センサの概略構成を示す。
図２に示すとおり、本例に係る位置変位センサ１は、少なくとも１つの発光源２と、上記発光源の配列方向に沿って発光源２と相対的に変位可能な検出ヘッド４と、並びに、検出ヘッド４の受光素子３からの出力を演算し、発光源２に対する検出ヘッド４の相対位置を算出する変位検出装置１０とからなるものである。図２の例では、発光源２は１個の発光素子のみからなっている。
【００４０】
検出ヘッド４は、所定の間隔を置いて配列された、発光源２から出射する光を受光し得る複数の受光素子３からなっている。このとき、上記複数の受光素子は、第１例に示す様な、発光源２から出射する光を受光し得る双対の受光素子（ＡＣ，ＢＤ）からなるものと電気的に同等に取り扱い得る様構成されている。
図２に示す例では、検出ヘッド４は、受光素子Ａ’，Ｂ’，Ｃ’，Ｄ’の組からなる受光素子列がＡ’，Ｂ’，Ｃ’，Ｄ’Ａ’，Ｂ’，Ｃ’，Ｄ’・・・の順に所定間隔で複数組列設され、各受光素子Ａ’の出力の総和、Ｂ’の出力の総和、Ｃ’の出力の総和、及びＤ’の出力の総和がそれぞれ出力Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄとなる様電気的に結線されている。
【００４１】
第１例と同様、本例の変位検出装置１０は、図２に示すとおり、出力Ａ〜Ｄに集約されることとなる検出ヘッド４からの各出力又は各対（ＡＣの組とＢＤの組）の差動出力（ＯＡ（Ａ−Ｃ），ＯＡ（Ｂ−Ｄ））に略正弦波の交流波形を乗じて正弦波電圧を得る正弦波重畳部１１，１１’と、この略正弦波の交流波形が乗じられた各対の差動出力（α，β）の一方αを略９０°移相して余弦波電圧（ｂＳｉｎｘＣｏｓωｔ）を得る移相部１４と、検出ヘッド４より得られる各対の差動出力（ＯＡ（Ａ−Ｃ），ＯＡ（Ｂ−Ｄ））の一方と他方とからなる余弦波電圧（ｂＳｉｎｘＣｏｓωｔ）と正弦波電圧（ｂＣｏｓｘＳｉｎωｔ）との和又は差であって位置変位ｘを位相差として含む正弦波信号ｂＳｉｎ（ωｔ±ｘ）を得る加算又は減算部１５と、並びに、この加算又は減算部１５からの正弦波信号より発光源２に対する検出ヘッド４の相対位置ｘを算出する変位検出部１６とからなっている。
【００４２】
本例の構成によれば、受光素子Ａ’，Ｂ’，Ｃ’，Ｄ’の組からなる受光素子列をＡ’，Ｂ’，Ｃ’，Ｄ’Ａ’，Ｂ’，Ｃ’，Ｄ’・・・の順に所定間隔で複数組列設し、各受光素子Ａ’の出力の総和、Ｂ’の出力の総和、Ｃ’の出力の総和、及びＤ’の出力の総和がそれぞれ出力Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄとなる様電気的に結線しておくことで、検出ヘッド４を変位させた時に、（出力Ａ〜Ｄに集約されることとなる）検出ヘッド４から得られる各対（ＡＣの組とＢＤの組）の出力の差分が、差動出力Ａ−Ｃ又はＢ−Ｄ（ａＳｉｎｘ又はａＣｏｓｘ［ａは定数］）として表れるかたちとなる。
従ってこの構成を利用すれば、第１例と同様に直線変位の検出を行うことが可能である。
【００４３】
この検出ヘッドからの出力に、さらに計算機上で適宜Ｓｉｎωｔの交流波形を乗じて正弦係数の式（α）、余弦係数の式（β）を求め、これらに基づいて位相差変換（Ｐ−Ｄ変換）方式から位置変位ｘの値を算出し得る点については、第１例の場合と同様である。
このように、本例の構成によっても（Ｐ−Ｄ変換を用いて）直線変位の検出を行うことが可能となる。
【００４４】
（第３例）
また、反射型１ピッチヘッドを持つ第３例に付き説明する。図３に、本例に係る位置変位センサの概略構成を示す。
図３に示すとおり、本例に係る位置変位センサ１は、略同じ大きさの遮光部７と反射部６が所定間隔で交互に列設されて構成されたスケール５と、上記スケールの配列方向に沿ってスケール５と相対的に変位可能な検出ヘッド４と、並びに、検出ヘッド４の各受光素子３からの出力を演算し、スケール５に対する検出ヘッド４の相対位置を算出する変位検出装置１０とからなるものである。
【００４５】
検出ヘッド４は、スケール５の配列方向に沿って、遮光部７又は反射部６の配列間隔１ピッチ全長にわたって形成された細帯状の一様光源である発光源２’と、スケール５の配列方向に沿って発光源２’と並んで設けられ、遮光部７又は反射部６の配列間隔１ピッチ内に所定の間隔を置いて配列された、発光源２’から出射されたスケール５からの反射光を受光し得る双対（計４個）の受光素子３からなっている。
【００４６】
上記各例と同様、本例の変位検出装置１０は、図３に示すとおり、受光素子３からの各出力（Ａ〜Ｄ）又は各対（ＡＣの組とＢＤの組）の受光素子３の差動出力（ＯＡ（Ａ−Ｃ），ＯＡ（Ｂ−Ｄ））に略正弦波の交流波形を乗じて正弦波電圧を得る正弦波重畳部１１，１１’と、この略正弦波の交流波形が乗じられた各対の受光素子の差動出力（α，β）の一方αを略９０°移相して余弦波電圧（ｂＳｉｎｘＣｏｓωｔ）を得る移相部１４と、双対の受光素子より得られる差動出力（ＯＡ（Ａ−Ｃ），ＯＡ（Ｂ−Ｄ））の一方と他方とからなる余弦波電圧（ｂＳｉｎｘＣｏｓωｔ）と正弦波電圧（ｂＣｏｓｘＳｉｎωｔ）との和又は差であって位置変位ｘを位相差として含む正弦波信号ｂＳｉｎ（ωｔ±ｘ）を得る加算又は減算部１５と、並びに、この加算又は減算部１５からの正弦波信号よりスケール５に対する検出ヘッド４の相対位置を算出する変位検出部１６とからなっている。
【００４７】
本例の構成によれば、双対の受光素子の各素子を、スケール５の配列方向に沿って、上記１ピッチの寸法内に交互に等間隔（１／４ピッチ間隔）で配置することで、検出ヘッド４を変位させた時に各対の受光素子ＡＣ，ＢＤが受ける、発光源２’から出射されたスケール５からの反射光の受光量の差分が、差動出力Ａ−Ｃ又はＢ−Ｄ（ａＳｉｎｘ又はａＣｏｓｘ［ａは定数］）として表れるかたちとなる。
従ってこの構成を利用すれば、上記各例と同様に直線変位の検出を行うことが可能である。
【００４８】
この検出ヘッドからの出力に、さらに計算機上で適宜Ｓｉｎωｔの交流波形を乗じて正弦係数の式（α）、余弦係数の式（β）を求め、これらに基づいて位相差変換（Ｐ−Ｄ変換）方式から位置変位ｘの値を算出し得る点については、上記各例の場合と同様である。
このように、本例の構成によっても（Ｐ−Ｄ変換を用いて）直線変位の検出を行うことが可能となる。
【００４９】
（第４例）
さらに、反射型多ピッチヘッドを持つ第４例に付き説明する。図４に、本例に係る位置変位センサの概略構成を示す。
図４に示すとおり、本例に係る位置変位センサ１は、第３例と同様、所定方向に沿って変位可能な、発光源２’と受光素子３とからなる検出ヘッド４と、検出ヘッド４と対向する反射片６’であって、上記変位方向に少なくとも受光素子３の配列間隔１ピッチ以上の全長を備えたものと、並びに、受光素子３からの出力を演算し、反射片６’に対する検出ヘッド４の相対位置を算出する変位検出装置１０とからなるものである。受光素子３は、発光源２’から出射された反射片６’からの反射光を受光し得る様構成されている。
【００５０】
検出ヘッド４は、その変位方向に沿って、受光素子Ａ’，Ｂ’，Ｃ’，Ｄ’の組からなる受光素子列がＡ’，Ｂ’，Ｃ’，Ｄ’，Ａ’，Ｂ’，Ｃ’，Ｄ’・・・の順に所定間隔で複数組列設されている。このとき、上記複数の受光素子は、第３例に示す様な、発光源２’から出射されたスケール５からの反射光を受光し得る双対の受光素子（ＡＣ，ＢＤ）からなるものと電気的に同等に取り扱い得る様構成されている。
図４に示す例では、各受光素子Ａ’の出力の総和、Ｂ’の出力の総和、Ｃ’の出力の総和、及びＤ’の出力の総和がそれぞれ出力Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄとなる様電気的に結線されている。
また検出ヘッド４は、上記変位方向に沿って受光素子列３と並んで設けられ、上記受光素子列の全長にわたって形成された細帯状の一様光源である発光源２’を備えている。
【００５１】
上記各例と同様、本例の変位検出装置１０は、図４に示すとおり、出力Ａ〜Ｄに集約されることとなる検出ヘッド４からの各出力又は各対（ＡＣの組とＢＤの組）の差動出力に略正弦波の交流波形を乗じて正弦波電圧を得る正弦波重畳部１１，１１’と、この略正弦波の交流波形が乗じられた各対の差動出力（α，β）の一方αを略９０°移相して余弦波電圧（ｂＳｉｎｘＣｏｓωｔ）を得る移相部１４と、検出ヘッド４より得られる各対の差動出力（ＯＡ（Ａ−Ｃ），ＯＡ（Ｂ−Ｄ））の一方と他方とからなる余弦波電圧（ｂＳｉｎｘＣｏｓωｔ）と正弦波電圧（ｂＣｏｓｘＳｉｎωｔ）との和又は差であって位置変位ｘを位相差として含む正弦波信号ｂＳｉｎ（ωｔ±ｘ）を得る加算又は減算部１５と、並びに、この加算又は減算部１５からの正弦波信号より反射片６’に対する検出ヘッド４の相対位置を算出する変位検出部１６とからなっている。
【００５２】
本例の構成によれば、受光素子Ａ’，Ｂ’，Ｃ’，Ｄ’の組からなる受光素子列をＡ’，Ｂ’，Ｃ’，Ｄ’，Ａ’，Ｂ’，Ｃ’，Ｄ’・・・の順に所定間隔で複数組列設し、各受光素子Ａ’の出力の総和、Ｂ’の出力の総和、Ｃ’の出力の総和、及びＤ’の出力の総和がそれぞれ出力Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄとなる様電気的に結線しておくことで、検出ヘッド４を変位させた時に、（出力Ａ〜Ｄに集約されることとなる）検出ヘッド４から得られる各対（ＡＣの組とＢＤの組）の出力の差分が、差動出力Ａ−Ｃ又はＢ−Ｄ（ａＳｉｎｘ又はａＣｏｓｘ［ａは定数］）として表れるかたちとなる。
従ってこの構成を利用すれば、上記各例と同様に直線変位の検出を行うことが可能である。
【００５３】
この検出ヘッドからの出力に、さらに計算機上で適宜Ｓｉｎωｔの交流波形を乗じて正弦係数の式（α）、余弦係数の式（β）を求め、これらに基づいて位相差変換（Ｐ−Ｄ変換）方式から位置変位ｘの値を算出し得る点については、上記各例の場合と同様である。
このように、本例の構成によっても（Ｐ−Ｄ変換を用いて）直線変位の検出を行うことが可能となる。
【００５４】
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態に付き説明する。図５に、本発明の第２実施形態に係る位置変位センサの（ａ）概略構成及び（ｂ）変位検出装置のブロック図を示す。以下に説明する例は、検出ヘッドからの出力を信号処理して位置変位を算出する手法に、従来のインピーダンス素子節減型位置変位センサ（特許文献１、或いは本明細書の背景技術の欄で説明した図１２，１３及び対応する記載参照）の考え方を応用するものである。
図５に示すとおり、本実施形態に係る位置変位センサ１は、略同じ大きさの遮光部７と反射部６が所定間隔で交互に列設されて構成されたスケール５と、スケールの配列方向に沿って上記スケールと相対的に変位可能な検出ヘッド４と、並びに、検出ヘッド４からの出力を演算し、スケール５に対する検出ヘッド４の相対位置を算出する変位検出装置１０とからなるものである。
【００５５】
検出ヘッド４は、スケール５の配列方向に沿って所定の間隔を置いて順に配列された、夫々発光色がＲ，Ｇ，Ｂと異なる第１、第２及び第３の発光源２１〜２３であって、各発光源２１〜２３から出射した光のスケール５における反射位置が、遮光部７又は反射部６の配列間隔１ピッチの略１／４ずつ上記スケールの配列方向に沿ってずれる様構成されたものと、検出ヘッド４上に設けられ、各発光源２１〜２３から出射されたスケール５からの反射光を受光し得る、複数色の光を受光可能な、少なくとも１個の受光素子からなる受光部２０からなっている。
図５に示す例では、受光部２０は、複数色の光を受光可能な１個の受光素子から構成されている。
【００５６】
また変位検出装置１０は、第１実施形態とは差動出力の取り出し方が相違するが、検出ヘッド４における複数（Ｒ，Ｇ，Ｂ）の受光出力を組み合わせて一対の差動出力を得る差動出力部１２と、検出ヘッド４における複数の受光出力又は上記一対の差動出力に略正弦波の交流波形を乗じて正弦波電圧を得る正弦波重畳部１１，１１’と、略正弦波の交流波形が乗じられた上記一対の差動出力（α’，β’）の何れか一方（図５ではβ’）を略９０°移相して余弦波電圧を得る移相部１４と、上記一対の差動出力（α’，β’）の一方β’と他方α’とからなる余弦波電圧と正弦波電圧の和又は差であって位置変位ｘ’を位相差として含む正弦波信号を得る加算又は減算部１５と、並びに、この加算又は減算部１５からの正弦波信号より検出ヘッド４の相対位置（ｘ’，ｘ）を算出する変位検出部１６とからなっている。
【００５７】
具体的には、本実施形態の変位検出装置１０は、図５に示すとおり、受光部２０からの各色Ｒ，Ｇ，Ｂ毎の出力Ａ〜Ｃ、又は入射した光の内の第１及び第２の発光源２１，２２からの成分の差動出力ＯＡ（Ｂ−Ａ）と、第２及び第３の発光源２２，２３からの成分の差動出力ＯＡ（Ｂ−Ｃ）に略正弦波の交流波形を乗じて正弦波電圧を得る正弦波重畳部１１，１１’と、この略正弦波の交流波形が乗じられた第１及び第２の発光源２１，２２からの成分の差動出力（α’）と、第２及び第３の発光源２２，２３からの成分の差動出力（β’）の一方（ここではβ’）を略９０°移相して余弦波電圧（ｂＳｉｎｘ’Ｃｏｓωｔ）を得る移相部１４と、第１及び第２の発光源２１，２２からの成分の差動出力ＯＡ（Ｂ−Ａ）と、第２及び第３の発光源２２，２３からの成分の差動出力ＯＡ（Ｂ−Ｃ）からなる正弦波電圧（ｂＣｏｓｘ’Ｓｉｎωｔ）と余弦波電圧（ｂＳｉｎｘ’Ｃｏｓωｔ）との和又は差であって位置変位ｘ’を位相差として含む正弦波信号ｂＳｉｎ（ωｔ±ｘ’）［本例では、増幅されている関係で係数は定数ｂとなる］を得る加算又は減算部１５と、並びに、上記した変位検出部１６とから構成されている。
【００５８】
本実施形態では、１つのＲＧＢ受光素子と、Ｒ，Ｇ，Ｂの各色の発光素子を組み合わせて検出ヘッドを構成している。ここで、ＲＧＢ受光素子は、Ｒ，Ｇ，Ｂの各色別の光量を検出するものである。一例によれば、受光素子は、自身が受けた受光量に応じて各色別の電圧信号（Ｒ，Ｇ，Ｂ）を外部に出力する。
【００５９】
このとき、本実施形態では、検出ヘッド４におけるＲ，Ｇ，Ｂ複数の受光出力を組み合わせて一対の差動出力を得る構成としている。この、検出ヘッド４におけるＲ，Ｇ，Ｂ複数の受光出力は、特許文献１及び本明細書の背景技術の項で説明したインピーダンス素子節減型位置変位センサの変位検出装置におけるＡ〜Ｃの出力に相当する。本実施形態では、上記差動出力はＯＡ（Ｂ−Ｃ）及びＯＡ（Ｂ−Ａ）の形でオペアンプからなる差動出力部１２より取り出される。
【００６０】
また図５に示すように、本実施形態では、ＲＧＢ受光素子が捕らえるスケール上のＲ，Ｇ，Ｂ各色の反射位置関係が１／４ピッチ間隔となる様に発光源と受光素子を配置している。かかる構成とする場合、検出ヘッドからの出力を信号処理して位置変位を算出する手法に、従来のインピーダンス素子節減型位置変位センサの考え方におけるＬ１，Ｌ２，Ｌ３の各素子の配置位置へ、Ｒ，Ｇ，Ｂの各色の発光素子を同義的に当てはめることが出来る。
なお、複数色の発光素子及び複数色に対して感度をもつ受光素子を用いて検出ヘッドを構成する例においては、予め各色の発光に対する受光感度を較正しておくことが好ましい。以下の各例でも同様である。
【００６１】
その他、図５において、正弦波重畳部は、先の各実施形態と同様、差動出力部１２の前段（１１）に備えても、後段（１１’）に備えても構わないことを意味している。また、略正弦波の交流波形が乗じられた差動出力α’，β’は、増幅部１３で増幅（ｂ／ａ’）された後、移相部１４及び加算又は減算部１５に入力される様になっている。
【００６２】
本実施形態の構成によれば、ＲＧＢ受光素子２０が捕らえるスケール５上のＲ，Ｇ，Ｂ各色の光の反射位置関係が１／４ピッチ間隔となる様に第１〜第３の発光源２１〜２３と受光素子２０を配置することで、スケール５を変位させた時に受光素子２０が受ける第１〜第３の発光源２１〜２３からの反射光量の差分が、例えばＢ−Ａ又はＢ−Ｃの形で差動出力を取ったときには（ａ／２）（Ｃｏｓｘ−Ｓｉｎｘ）又は（ａ／２）（Ｃｏｓｘ＋Ｓｉｎｘ）［ここで、ａ／２は定数］として表れるかたちとなる。
このとき、三角関数の公式
【数３】
2007171066.tif 000005
を適用することにより、上記各出力に、さらに計算機上で適宜Ｓｉｎωｔの交流波形を乗じて、コサイン相の振幅関数特性を示す出力正弦波交流電圧α’と、サイン相の振幅関数特性を示す出力正弦波交流信号β’との２種類の異なる出力交流信号（（６），（７）式）を得ることが出来る。
【数４】
2007171066.tif 000006
α’＝ａ’Ｃｏｓｘ’Ｓｉｎωｔ
β’＝ａ’Ｓｉｎｘ’Ｓｉｎωｔ・・・・・・（７）
ただし、ａ’＝（（√２）／２）ａ＝定数，  ｘ’＝ｘ＋π／４
以降、得られた２種類の異なる出力交流信号α’，β’、並びに位相差変換（Ｐ−Ｄ変換）方式の基礎となる式
ａ’Ｓｉｎｘ’Ｃｏｓωｔ±ａ’Ｃｏｓｘ’Ｓｉｎωｔ＝
ａ’Ｓｉｎ（ωｔ±ｘ’）・・・・・・（４）’
［ここで、ａ’は定数。  ただし、図５に示す例では増幅されている関係で係数はｂとなる］
を利用して位置変位を位相差として含む正弦波信号（４）’を得、これより位置変位ｘ’、そして最終的な位置変位の値ｘを検出する流れについては、第１実施形態として数例を挙げて説明した位置変位センサの場合と同様である。
従って、本実施形態の構成によっても、第１実施形態同様、Ｐ−Ｄ変換を用いて直線変位の検出を行うことが可能となる。
【００６３】
［第３実施形態］
又以下では、本発明の第３実施形態に付き説明する。図６に、本発明の第３実施形態に係る位置変位センサの（ａ）概略構成及び（ｂ）変位検出装置のブロック図を示す。
第２実施形態同様、本実施形態に係る位置変位センサ１は、図６に示すとおり、略同じ大きさの遮光部７と反射部６が所定間隔で交互に列設されて構成されたスケール５と、スケールの配列方向に沿って上記スケールと相対的に変位可能な検出ヘッド４と、並びに、検出ヘッド４からの出力を演算し、スケール５に対する検出ヘッド４の相対位置を算出する変位検出装置１０とからなるものである。
【００６４】
検出ヘッド４は、検出ヘッド上における受光素子の配置位置が上記遮光部７又は反射部６の配列間隔１ピッチの略１／４前記スケールの配列方向に沿って互いにずれる様構成された第１及び第２のブロック４１，４２からなっている。この第１及び第２のブロックは夫々、スケール５の配列方向に沿って所定の間隔を置いて配列された、発光色の異なる第１及び第２の発光源ｐ，ｑであって、各発光源から出射した光のスケール５における反射位置が、遮光部７又は反射部６の配列間隔１ピッチの略１／２上記スケールの配列方向に沿ってずれる様構成されたものと、検出ヘッド４上に設けられ、上記第１及び第２の各ブロックにおける第１及び第２の発光源ｐ，ｑから出射されたスケール５からの反射光を受光し得る、複数色の光を受光可能な、少なくとも１個の受光素子からなる受光部３１，３２からなっている。
【００６５】
また変位検出装置１０は、第１実施形態の各例と同様、検出ヘッド４における複数の受光出力を組み合わせて一対の差動出力（ＯＡ（Ａ−Ｃ），ＯＡ（Ｂ−Ｄ））を得る差動出力部１２と、検出ヘッド４における複数の受光出力又は上記一対の差動出力に略正弦波の交流波形を乗じて正弦波電圧を得る正弦波重畳部１１，１１’と、略正弦波の交流波形が乗じられた上記一対の差動出力（α，β）の一方αを略９０°移相して余弦波電圧を得る移相部１４と、上記一対の差動出力（α，β）の一方αと他方βとからなる余弦波電圧と正弦波電圧の和又は差であって位置変位ｘを位相差として含む正弦波信号を得る加算又は減算部１５と、並びに、この加算又は減算部１５からの正弦波信号より検出ヘッド４の相対位置ｘを算出する変位検出部１６とからなっている。
【００６６】
具体的には、本実施形態の変位検出装置１０は、図６に示すとおり、第１及び第２のブロック４１，４２の受光部３１，３２からの各色ｐ，ｑ毎の出力（Ａ〜Ｄ）、又は第１及び第２のブロックの各受光部３１，３２に入射した光の第１及び第２の発光源からの成分の差動出力（ＯＡ（Ａ−Ｃ），ＯＡ（Ｂ−Ｄ））に略正弦波の交流波形を乗じて正弦波電圧を得る正弦波重畳部１１，１１’と、この略正弦波の交流波形が乗じられた、第１及び第２のブロックの各受光部３１，３２より得られる上記各差動出力（α，β）の一方αを略９０°移相して余弦波電圧（ｂＳｉｎｘＣｏｓωｔ）を得る移相部１４と、第１及び第２のブロックの各受光部３１，３２より得られる各差動出力（ＯＡ（Ａ−Ｃ），ＯＡ（Ｂ−Ｄ））の一方と他方とからなる余弦波電圧（ｂＳｉｎｘＣｏｓωｔ）と正弦波電圧（ｂＣｏｓｘＳｉｎωｔ）との和又は差であって位置変位ｘを位相差として含む正弦波信号ｂＳｉｎ（ωｔ±ｘ）［本例では、増幅されている関係で係数は定数ｂとなる］を得る加算又は減算部１５と、並びに、上記した変位検出部１６とから構成されている。
【００６７】
第１実施形態の考え方によれば、出力Ａ〜Ｄに集約されることとなる４個又は４ｎ（ｎ：整数）個からなる受光素子からＡ−ＣとＢ−Ｄの２系統の差動出力を求め、上記発光源、検出ヘッド、スケール又は反射片の位置関係の相対変化に応じた検出量ａＳｉｎｘ：（Ａ−Ｃ）及びａＣｏｓｘ：（Ｂ−Ｄ）を抽出していた。
本実施形態では、図６のように１つの受光素子と２つの光源（互いに発光色の異なるｐ、ｑの光源）とから構成される組を２組（第１及び第２のブロック４１，４２）用意し、それらを夫々の受光素子３１，３２が移動方向に上記１／４ピッチずれる様に配置することによって検出ヘッドを形成している。受光素子３１，３２は、双方とも、複数色（図６に示す例では、少なくとも光源ｐ、ｑからの発光色）検出可能なものとしている。一方、各組の光源（２ｐ１及び２ｑ１、又は２ｐ２及び２ｑ２）は、スケール５上における互いの反射位置が上記移動方向において丁度１／２ピッチ離間する様に配置されている。
【００６８】
本実施形態の構成によれば、受光素子３１，３２を移動方向に１／４ピッチずらして配置することで、スケールを変位させた時に各受光素子３１，３２が受ける２色光源（２ｐ１及び２ｑ１、又は２ｐ２及び２ｑ２）からの反射光量の差分が、先の第１実施形態の考え方におけるＡ−Ｃ（又はＢ−Ｄ）差動出力の様にａＳｉｎｘ（又はａＣｏｓｘ）として表れるかたちとなる。
従ってこの構成を利用すれば、先の第１実施形態の考え方と同様の検出原理を適用して直線変位の検出を行うことが可能となる。
【００６９】
この出力に、さらに計算機上で適宜Ｓｉｎωｔの交流波形を乗じて、正弦係数の式（α）、余弦係数の式（β）
α＝ａＳｉｎｘ・Ｓｉｎωｔ・・・・・・（１）
β＝ａＣｏｓｘ・Ｓｉｎωｔ・・・・・・（２）
［ただし、ａは任意の定数］
をそれぞれ求め、それらの結果を特許文献１、或いは本明細書の背景技術の欄で説明した図１１及び対応する記載に示すとおり、移相部１４及び加算又は減算部１５に入力すれば、位相差変換（Ｐ−Ｄ変換）方式の基礎となる式
ａＳｉｎｘ・Ｃｏｓωｔ±ａＣｏｓｘ・Ｓｉｎωｔ＝
ａＳｉｎ（ωｔ±ｘ）・・・・・・（４）
［ここで、ａは定数。  ただし、図６，１１に示す例では増幅されている関係で係数はｂとなる］
を利用して位置変位ｘを位相差として含む正弦波信号（４）を加算又は減算部１５より得ることが出来る。こののち、加算又は減算部１５からの出力を変位検出部１６に入力することにより、最終的に位置変位ｘの値を算出することが出来る。
このように、本実施形態の構成によっても（Ｐ−Ｄ変換を用いて）直線変位の検出を行うことが可能となる。
【００７０】
［変形例］
以上、本発明に付き数例を用いて具体的に説明したが、本発明は上記各構成に何ら限定されず、種々の変形が可能である。
【００７１】
例えば、上記各例では、変位検出装置１０中に増幅回路１３を備えるものとして説明したが、これを省略しても構わない。
また、上記したとおり図１〜６各図に示す変位検出装置１０中における正弦波重畳部の配置位置は、差動出力部１２の前段（１１）に備えても後段（１１’）に備えても構わない。
そのほか、差動出力は上記各例ではＯＡ（Ａ−Ｃ）及びＯＡ（Ｂ−Ｄ）、或いはＯＡ（Ｂ−Ｃ）及びＯＡ（Ｂ−Ａ）の形でオペアンプからなる差動出力部１２より取り出されるが、これに限らず単純な結線構成から差動出力を得る構成であっても構わない。
【００７２】
さらに、図１〜４各図（第１例〜第４例）に示す第１実施形態については、変位検出装置１０の構成は同図に記載の構成に限られず、第２実施形態の変位検出装置として説明した、３素子の出力から位置変位の検出を行う所謂インピーダンス素子節減型（特許文献１参照）の変位検出装置と同等の構成を採用しても構わない。
この他、特許文献１同様に、直線変位の検出以外にも、回転変位や傾斜角の検出等に本発明原理を応用し得ることは言うまでもない。
【００７３】
このように、本発明は上記実施形態等に記載の構成に限定されるものではなく、当業者であれば、以上に開示された基本的技術思想及び教示に基づき、種々の変形例を想到出来る事は自明である。
【００７４】
以上に説明したとおり、本願発明は、適用対象となる機器等の外部に向けて磁気ノイズを生じさせることなく、かつ、自身も外部からの磁気ノイズの影響を受けることがなく、種々の用途に適用することが出来ると共に、外部環境からの影響に左右されることなく正確に位置変位を検出することが出来る、構造簡潔で有用な位置変位センサを提供する新規かつ有用なるものであることが明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】本発明の位置変位センサの第１実施形態（１）を示す図である。
【図２】本発明の位置変位センサの第１実施形態（２）を示す図である。
【図３】本発明の位置変位センサの第１実施形態（３）を示す図である。
【図４】本発明の位置変位センサの第１実施形態（４）を示す図である。
【図５】本発明の位置変位センサの第２実施形態を示す図である。
【図６】本発明の位置変位センサの第３実施形態を示す図である。
【図７】従来の誘導方式による直線変位検出型センサの構造原理を模式的に示す斜視図である。
【図８】図７の構造が対象とする直線変位検出の態様を回路的に示す図である。
【図９】図８の誘導方式におけるトランス構造に代えて、実質上自己インダクタンスＬ１〜Ｌ４のみからなるインピーダンス素子を用い、同様の関係が得られるようにした位置変位センサの回路図である。
【図１０】図７〜図９に係る従来の位置変位センサの動作波形及び解析手順を示す図であり、（Ａ）は印加電圧ＡＳｉｎωｔと、Ｓｉｎωｔを搬送波とするｘ変位を含む電圧波形図、（Ｂ）はＡＳｉｎωｔのグラフと特定の変位ｘ（１回転の角度０〜３６０度で等価的に表したもの）を含む正弦波ａＳｉｎ（ωｔ−ｘ）のグラフとの時間関係を示す波形図、（Ｃ）はこれらの波形図の根拠となる数式的推移を示した図である。
【図１１】図１０（Ｃ）にあらわされた操作を具体的に実現する回路のブロック図である。
【図１２】インピーダンス素子節減型位置変位センサの一例を示す図である。
【図１３】図１２に示すインピーダンス素子節減型位置変位センサの変位検出装置の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００７６】
１  位置変位センサ
２，２’  発光源
２ｐ１，２ｑ１  第１の発光源（ｐ，ｑ）
２ｐ２，２ｑ２  第２の発光源（ｐ，ｑ）
３  受光素子
４  検出ヘッド
５  スケール
６，６’  反射部、反射片
７  遮光部
１０  変位検出装置
１１，１１’  正弦波重畳部
１２  差動出力部
１３  増幅部
１４  移相部
１５  加算又は減算部
１６  変位検出部
２０  受光部
２１〜２３  第１〜第３の発光源（Ｒ，Ｇ，Ｂ）
３１，３２  受光部
【図１】
2007171066.tif 000007
【図２】
2007171066.tif 000008
【図３】
2007171066.tif 000009
【図４】
2007171066.tif 000010
【図５】
2007171066.tif 000011
【図６】
2007171066.tif 000012
【図７】
2007171066.tif 000013
【図８】
2007171066.tif 000014
【図９】
2007171066.tif 000015
【図１０】
2007171066.tif 000016
【図１１】
2007171066.tif 000017
【図１２】
2007171066.tif 000018
【図１３】
2007171066.tif 000019