(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023056239
(43)【公開日】2023-04-19
(54)【発明の名称】変位検出装置
(51)【国際特許分類】
G01D 5/20 20060101AFI20230412BHJP
【ＦＩ】
G01D5/20 110Q
G01D5/20 110B
【審査請求】未請求
【請求項の数】3
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021165472
(22)【出願日】2021-10-07
(71)【出願人】
【識別番号】000006297
【氏名又は名称】村田機械株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100118784
【弁理士】
【氏名又は名称】桂川 直己
(72)【発明者】
【氏名】清水 哲也
(72)【発明者】
【氏名】大友 健太郎
(72)【発明者】
【氏名】木戸 崚平
【テーマコード（参考）】
2F077
【Ｆターム（参考）】
2F077AA13
2F077NN05
2F077NN24
2F077PP06
2F077QQ03
2F077TT33
2F077TT42
2F077TT82
(57)【要約】
【課題】２つのＡＤ変換部の環境特性の違いに起因する誤差を抑制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の処理装置３は、ＡＤ変換装置３２と、スイッチング回路３１と、演算処理部３５と、を備える。ＡＤ変換装置３２は、第１ＡＤ変換部３３及び第２ＡＤ変換部３４を有する。スイッチング回路３１は、第１差動信号が第１ＡＤ変換部３３でＡＤ変換されて第２差動信号が第２ＡＤ変換部３４でＡＤ変換される第１接続態様と、第１差動信号が第２ＡＤ変換部３４でＡＤ変換されて第２差動信号が第１ＡＤ変換部３３でＡＤ変換される第２接続態様と、を周期的に切り替える。演算処理部３５は、第１ＡＤ変換部３３及び第２ＡＤ変換部３４からそれぞれ出力された第１差動信号の加算平均値と、第１ＡＤ変換部３３及び第２ＡＤ変換部３４からそれぞれ出力された第２差動信号の加算平均値と、に基づいてスケールの変位情報を出力する。
【選択図】図１
【解決手段】変位検出装置１００の処理装置３は、ＡＤ変換装置３２と、スイッチング回路３１と、演算処理部３５と、を備える。ＡＤ変換装置３２は、第１ＡＤ変換部３３及び第２ＡＤ変換部３４を有する。スイッチング回路３１は、第１差動信号が第１ＡＤ変換部３３でＡＤ変換されて第２差動信号が第２ＡＤ変換部３４でＡＤ変換される第１接続態様と、第１差動信号が第２ＡＤ変換部３４でＡＤ変換されて第２差動信号が第１ＡＤ変換部３３でＡＤ変換される第２接続態様と、を周期的に切り替える。演算処理部３５は、第１ＡＤ変換部３３及び第２ＡＤ変換部３４からそれぞれ出力された第１差動信号の加算平均値と、第１ＡＤ変換部３３及び第２ＡＤ変換部３４からそれぞれ出力された第２差動信号の加算平均値と、に基づいてスケールの変位情報を出力する。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
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である変位情報を演算して出力する処理装置と、
を備え、
前記処理装置は、
第１ＡＤ変換部及び第２ＡＤ変換部を有し、前記コサイン関数及び前記マイナスコサイン関数の差分に基づく第１差動信号、及び、前記サイン関数及び前記マイナスサイン関数の差分に基づく第２差動信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換装置と、
前記第１差動信号が前記第１ＡＤ変換部でＡＤ変換されて前記第２差動信号が前記第２ＡＤ変換部でＡＤ変換される第１接続態様と、前記第１差動信号が前記第２ＡＤ変換部でＡＤ変換されて前記第２差動信号が前記第１ＡＤ変換部でＡＤ変換される第２接続態様と、を周期的に切り替えるスイッチング回路と、
前記第１ＡＤ変換部及び前記第２ＡＤ変換部からそれぞれ出力された前記第１差動信号の加算平均値と、前記第１ＡＤ変換部及び前記第２ＡＤ変換部からそれぞれ出力された前記第２差動信号の加算平均値と、に基づいて前記スケールの前記変位情報を出力する演算処理部と、
を備えることを特徴とする変位検出装置。
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である変位情報を演算して出力する処理装置と、
を備え、
前記処理装置は、
第１ＡＤ変換部及び第２ＡＤ変換部を有し、前記コサイン関数及び前記マイナスコサイン関数の差分に基づく第１差動信号、及び、前記サイン関数及び前記マイナスサイン関数の差分に基づく第２差動信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換装置と、
前記第１差動信号が前記第１ＡＤ変換部でＡＤ変換されて前記第２差動信号が前記第２ＡＤ変換部でＡＤ変換される第１接続態様と、前記第１差動信号が前記第２ＡＤ変換部でＡＤ変換されて前記第２差動信号が前記第１ＡＤ変換部でＡＤ変換される第２接続態様と、を周期的に切り替えるスイッチング回路と、
前記第１ＡＤ変換部及び前記第２ＡＤ変換部からそれぞれ出力された前記第１差動信号の加算平均値と、前記第１ＡＤ変換部及び前記第２ＡＤ変換部からそれぞれ出力された前記第２差動信号の加算平均値と、に基づいて前記スケールの前記変位情報を出力する演算処理部と、
を備えることを特徴とする変位検出装置。
【請求項2】
請求項１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前記変位情報を算出することを特徴とする変位検出装置。
前記演算処理部は、ａｒｃｔａｎ演算により前記スケールの前記変位情報を算出することを特徴とする変位検出装置。
【請求項3】
請求項２に記載の変位検出装置であって、
前記演算処理部は、ａｒｃｔａｎ演算による前記変位情報に対して偶数段の移動平均処理を行うことを特徴とする変位検出装置。
前記演算処理部は、ａｒｃｔａｎ演算による前記変位情報に対して偶数段の移動平均処理を行うことを特徴とする変位検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、主として、測定対象物の変位情報を検出する変位検出装置に関する。
【背景技術】
【0002】
従来から、電磁誘導現象を利用して測定対象物の変位情報を測定する変位検出装置が知られている。特許文献１及び２は、この種の装置を開示する。
【0003】
特許文献１の位置検出装置は、鉄心と巻線部を備える誘導センサである。位置検出装置は、磁石で構成されるレールに対して相対移動可能である。位置検出装置は、レールに対して移動した際に発生する出力信号に基づいて、レールに対する相対位置を検出する。ここで、巻線部のインピーダンスが変化することに起因して、位相変動誤差が生じることがある。位相変動誤差に対応するため、特許文献１の位置検出装置は、出力信号のゼロクロスを検出するゼロクロス検出回路を備える。ゼロクロス検出回路の検出結果は、ラッチパルスとしてラッチ回路に出力される。ラッチ回路にラッチしたデータは、出力信号の位相ズレに対応しているため、それらのデータの平均に基づいて位相変動誤差が算出される。
【0004】
特許文献２の装置は、誘導センサを評価する評価回路である。この装置は、２つのスイッチ素子を含むアナログスイッチを備える。第１のスイッチ素子は、抵抗をアースと基準電圧に交互に接続することで、振動を発生させる。第２のスイッチ素子は、同期整流器のアナログスイッチに相当する。２つのスイッチ素子が同じチップに設けられるため、２つのスイッチ素子で発生する振動の位相位置を同じにすることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特許第３８６２０３３号公報
【特許文献2】特開平５－２４８８９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
電磁誘導現象を利用した変位検出装置では、誘導電流に基づく電気信号をアナログ信号からデジタル信号に変換する２つのＡＤ変換部が設けられることがある。ＡＤ変換部には環境特性があるため、環境の変化に応じて特性が変化する。その結果、２つのＡＤ変換部の環境特性の違いに起因して、変位情報の検出値に誤差が発生し得る。
【0007】
本発明は以上の事情に鑑みてされたものであり、その主要な目的は、２つのＡＤ変換部の環境特性の違いに起因する誤差を抑制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】
【0008】
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。
【0009】
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、変位検出装置は、スケールと、センサヘッドと、処理装置と、を備える。前記スケールは、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。前記処理装置は、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である変位情報を演算して出力する。前記処理装置は、ＡＤ変換装置と、スイッチング回路と、演算処理部と、を備える。前記ＡＤ変換装置は、第１ＡＤ変換部及び第２ＡＤ変換部を有する。ＡＤ変換装置は、前記コサイン関数及び前記マイナスコサイン関数の差分に基づく第１差動信号、及び、前記サイン関数及び前記マイナスサイン関数の差分に基づく第２差動信号をデジタル信号に変換する。前記スイッチング回路は、前記第１差動信号が前記第１ＡＤ変換部でＡＤ変換されて前記第２差動信号が前記第２ＡＤ変換部でＡＤ変換される第１接続態様と、前記第１差動信号が前記第２ＡＤ変換部でＡＤ変換されて前記第２差動信号が前記第１ＡＤ変換部でＡＤ変換される第２接続態様と、を周期的に切り替える。前記演算処理部は、前記第１ＡＤ変換部及び前記第２ＡＤ変換部からそれぞれ出力された前記第１差動信号の加算平均値と、前記第１ＡＤ変換部及び前記第２ＡＤ変換部からそれぞれ出力された前記第２差動信号の加算平均値と、に基づいて前記スケールの前記変位情報を出力する。
【0010】
これにより、第１ＡＤ変換部の環境特性と第２ＡＤ変換部の環境特性がそれぞれの差動信号に与える影響を均一化できる。そのため、環境が変化した場合の変位情報の誤差を抑制できる。
【0011】
前記の変位検出装置においては、前記演算処理部は、ａｒｃｔａｎ演算により前記スケールの前記変位情報を算出することが好ましい。
【0012】
これにより、簡単な演算で変位情報を得ることができる。
【0013】
前記の変位検出装置においては、前記演算処理部は、ａｒｃｔａｎ演算による前記変位情報に対して偶数段の移動平均処理を行うことが好ましい。
【0014】
これにより、移動平均処理を偶数段にすることで第１接続態様での検出値と第２接続態様での検出値を同数にして加算平均値を算出できるため、変位情報の誤差をより一層抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【0015】
【図1】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。
【図2】第１接続態様を示す図。
【図3】第２接続態様を示す図。
【図4】スイッチング回路なしで変位を算出する処理の説明図。
【図5】スイッチング回路ありで変位を算出する処理の説明図。
【図6】環境を変化させた場合のスイッチング回路なしの検出値の変化量とスイッチング回路ありの検出値の変化量を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【0016】
次に、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【0017】
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。以下の説明では、測定対象物の変位（変位情報）が検出される方向を変位検出方向と称する。
【0018】
変位とは、基準位置に対する現在位置の変化量である。基準位置は、例えば初期位置である。基準位置の位置情報を定義することにより、基準位置と変位とに基づいて測定対象物の位置を算出できる。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。
【0019】
変位検出装置１００は、主として、スケール１と、センサヘッド２と、処理装置３と、を備える。
【0020】
スケール１及びセンサヘッド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、センサヘッド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。
【0021】
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、可動部材にセンサヘッド２が取り付けられてもよい。更に、スケール１とセンサヘッド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よい。この場合、変位検出装置１００は、測定対象物（即ち、スケール１及びセンサヘッド２）の相対変位を検出する。
【0022】
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センサヘッド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よいし、細長い棒状に形成されてもよい。
【0023】
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。隣接する非磁気応答部１１同士の間隔、及び、隣接する磁気応答部１２同士の間隔は、予め定められた検出ピッチＣ０である。従って、スケール１は、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。
【0024】
センサヘッド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。例えば、スケール１は細長い棒状であり、センサヘッド２は筒状であり、センサヘッド２にスケール１が差し込まれる。ただし、センサヘッド２の形状は、この例に限定されない。センサヘッド２は、一次コイル２１と、複数の二次コイル２２と、を備える。二次コイル２２は、本実施形態においては４つ設けられている。なお、一次コイル２１を省略することができる。
【0025】
一次コイル２１は、交流磁界を発生させるために用いられる。一次コイル２１に交流電流を流すと、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。処理装置３により生成された励磁波をＤＡ変換して得られた周期的な励磁信号（Ａ・ｓｉｎωｔ）が、当該一次コイル２１に印加されている。励磁信号の周期を励磁周期と称する。図１に示すように、一次コイル２１は、センサヘッド２において、二次コイル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。
【0026】
４つの二次コイル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。二次コイル２２は、センサヘッド２において、一次コイル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つの二次コイル２２には、磁気応答部１２で強められた磁界によって発生した誘導電流が流れる。センサヘッド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。
【0027】
図１に示すように、当該４つの二次コイル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との間で以下の関係を有する。具体的には、以下の式にて示すように、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。
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。
【0028】
以下の説明においては、当該４つの二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。
【0029】
ここで、各二次コイル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。一次コイル２１に交流電流を流すと、一次コイル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、二次コイル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。一次コイル２１の近傍に強磁性体が存在すると、この強磁性体は、一次コイル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、強磁性体が一次コイル２１に近づく程大きくなる。
【0030】
磁気応答部１２に着目すると、センサヘッド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、一次コイル２１から磁気応答部１２までの距離、及び、二次コイル２２から磁気応答部１２までの距離が変化する。具体的には、これらの距離は、センサヘッド２の移動につれて徐々に小さくなり最小値を超えた後は徐々に大きくなる。二次コイル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、当該二次コイル２２と、磁気応答部１２と、の位置関係に応じて異なる。
【0031】
磁気応答部１２は実際には検出ピッチＣ０毎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毎に繰り返される。即ち、横軸にセンサヘッド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がセンサヘッド２に対してどの位置にあるかを取得することができる。
【0032】
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、二次コイル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。
【0033】
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。
【0034】
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、センサヘッド２に対するスケール１の相対変位を算出して出力する。
【0035】
処理装置３は、例えば、図１に示すように、スイッチング回路３１と、ＡＤ変換装置３２と、演算処理部３５と、フィルタ処理部３６と、を備える。ＡＤ変換装置３２は、第１ＡＤ変換部３３と、第２ＡＤ変換部３４と、を備える。
【0036】
本実施形態において、スイッチング回路３１及びＡＤ変換装置３２は、アナログ回路及び回路に実装された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、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。
【0037】
スイッチング回路３１は、二次コイル２２とＡＤ変換装置３２の間に配置されている。スイッチング回路３１は、複数のスイッチ素子を有しており、二次コイル２２から出力された電圧信号の出力先を切り替える。具体的には、スイッチング回路３１は、ＦＰＧＡからの指令に応じて、図２に示す第１接続態様と、図３に示す第２接続態様と、を切替可能である。
【0038】
図２に示す第１接続態様では、第１コイル２２ａが出力するｃｏｓ＋相の電圧信号と、第３コイル２２ｃが出力するｃｏｓ－相の電圧信号と、が第１ＡＤ変換部３３に入力される。更に、第１接続態様では、第２コイル２２ｂが出力するｓｉｎ＋相の電圧信号と、第４コイル２２ｄが出力するｓｉｎ－相の電圧信号と、が第２ＡＤ変換部３４に入力される。図３に示す第２接続態様では、第２コイル２２ｂが出力するｓｉｎ＋相の電圧信号と、第４コイル２２ｄが出力するｓｉｎ－相の電圧信号と、が第１ＡＤ変換部３３に入力される。更に、第２接続態様では、第１コイル２２ａが出力するｃｏｓ＋相の電圧信号と、第３コイル２２ｃが出力するｃｏｓ－相の電圧信号と、が第２ＡＤ変換部３４に入力される。ＦＰＧＡが第１接続態様と第２接続態様とを切り替えるタイミング及びその効果については後述する。
【0039】
ＡＤ変換装置３２は、２チャンネル式であり、２系統のアナログ信号をデジタル信号に変換する。以下では、アナログ信号からデジタル信号への変換をＡＤ変換と称する。第１ＡＤ変換部３３によるＡＤ変換と、第２ＡＤ変換部３４によるＡＤ変換と、を行うことができる。本実施形態では、１つのＡＤ変換装置３２が２系統のＡＤ変換を行うが、これに代えて、２つのＡＤ変換装置を備えてもよい。第１ＡＤ変換部３３及び第２ＡＤ変換部３４は、それぞれ差動増幅器を備えている。差動増幅器は、入力された２つの信号の差分を増幅して差動信号を生成する。
【0040】
第１接続態様において、第１ＡＤ変換部３３は、ｃｏｓ＋相の電圧信号とｃｏｓ－相の電圧信号に基づく第１差動信号を生成する。第１接続態様において、第２ＡＤ変換部３４は、ｓｉｎ＋相の電圧信号とｓｉｎ－相の電圧信号に基づく第２差動信号を生成する。センサヘッド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、第１差動信号ｙ１及び第２差動信号ｙ２は、以下の式で表すことができる。
ｙ１＝ａｃｏｓθ・ｓｉｎωｔ
ｙ２＝ａｓｉｎθ・ｓｉｎωｔ
第１ＡＤ変換部３３は、第１差動信号をＡＤ変換して演算処理部３５に出力する。第２ＡＤ変換部３４は、第２差動信号をＡＤ変換して演算処理部３５に出力する。
ｙ１＝ａｃｏｓθ・ｓｉｎωｔ
ｙ２＝ａｓｉｎθ・ｓｉｎωｔ
第１ＡＤ変換部３３は、第１差動信号をＡＤ変換して演算処理部３５に出力する。第２ＡＤ変換部３４は、第２差動信号をＡＤ変換して演算処理部３５に出力する。
【0041】
第２接続態様では、第１ＡＤ変換部３３は第２差動信号を生成し、第２差動信号をＡＤ変換して演算処理部３５に出力する。第２接続態様では、第２ＡＤ変換部３４は第１差動信号を生成し、第１差動信号をＡＤ変換して演算処理部３５に出力する。
【0042】
本実施形態ではＡＤ変換装置３２に差動増幅器が内蔵されている。この構成に代えて、ＡＤ変換装置３２とは個別に差動増幅器が設けられていてもよい。この場合、差動増幅器とＡＤ変換装置３２の間にスイッチング回路３１が配置されてもよい。このスイッチング回路３１には、第１差動信号と第２差動信号が入力され、第１差動信号を第１ＡＤ変換部３３に出力して第２差動信号を第２ＡＤ変換部３４に出力する第１接続態様と、第１差動信号を第２ＡＤ変換部３４に出力して第２差動信号を第１ＡＤ変換部３３に出力する第２接続態様と、を切り替える。
【0043】
演算処理部３５は、第２差動信号を第１差動信号で除算する。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、センサヘッド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、センサヘッド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。
【0044】
フィルタ処理部３６は、演算処理部３５で求められた変位θに対してフィルタ処理を行う。フィルタ処理部３６は、例えば信号値の可算平均値を算出する移動平均フィルタである。フィルタ処理部３６は変位θの可算平均値を算出する処理を行う。この処理は、ｃｏｓ相検出値の可算平均値とｓｉｎ相検出値の可算平均値とを算出して、これらの加算平均値を用いて変位θを算出する処理と実質的に同じである。つまり、フィルタ処理部３６が加算平均値を算出する対象が変位θであっても、フィルタ処理部３６は、ｃｏｓ相検出値の可算平均値とｓｉｎ相検出値の可算平均値に基づいて最終的な変位θを算出する処理を行っていることになる。
【0045】
フィルタ処理部３６は、例えば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。レジスタの段数がＮ段であれば、フィルタ処理部３６は、最大Ｎ段の移動平均処理を行うことができる（Ｎは正の整数）。Ｎ段の移動平均処理とは、時系列で並ぶＮ個の検出値に対して可算平均値を算出し、これを時刻に応じて繰り返し行う処理である。フィルタ処理部３６のフィルタ処理によって、変位θ（ｔ）に含まれる高周波成分が除去される。これにより、ノイズ等を除去することができる。なお、変位θではなく、例えば第１差動信号及び第２差動信号に対してフィルタ処理を行ってもよい。
【0046】
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１に示すように、直線性較正、高速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。
【0047】
【0048】
初めに、スイッチング回路３１を有していない変位検出装置において、環境１から環境２に変化した状況を考える。環境１と環境２は、例えば温度が異なる。ＡＤ変換装置３２は環境特性を有しており、環境が変化することにより、ゲイン変動が生じる。環境１から環境２に変化したときの第１ＡＤ変換部３３のゲイン変動をｄとし、第２ＡＤ変換部３４のゲイン変動をｅとする。環境特性は個体差があるので、一般的にはｄとｅは異なる。
【0049】
環境１で算出される変位は、上述したようにθである（図４の（１）を参照）。一方、環境１から環境２に変化した場合、第１差動信号を第１ＡＤ変換部３３が変換しているため、ｃｏｓ相検出値の係数がａからｄ・ａに変化する。第２差動信号を第２ＡＤ変換部３４が変換しているため、ｓｉｎ相検出値の係数がａからｅ・ａに変化する。その結果、算出される変位は、図４の（２）に示すように、ｔａｎ-1（ｅ／ｄ・ｔａｎθ）となる。つまり、環境２で算出される変位には、ｅとｄの比に応じた誤差が生じる。この式が示すように、誤差は、第１ＡＤ変換部３３の温度特性と、第２ＡＤ変換部３４の温度特性と、が異なることに起因する。
【0050】
次に、スイッチング回路３１を有する変位検出装置１００で行われる変位の算出について説明する。図５の（１）に示すように、スイッチング回路３１は、切替周期毎に第１接続態様と第２接続態様を切り替える。切替周期は励磁周期と一致しているが、後述するように切替周期が励磁周期と異なっていてもよい。
【0051】
ｃｏｓ相検出値は第１接続態様での検出値と第２接続態様での検出値とを含む。ｓｉｎ相検出値も同様に第１接続態様での検出値と第２接続態様での検出値とを含む。フィルタ処理部３６は、移動平均処理を行うことにより、第１接続態様での検出値と第２接続態様での検出値の両方を考慮した変位を算出する。具体的には、フィルタ処理部３６は、第１接続態様での検出値に基づく変位θと第２接続態様での検出値に基づく変位θとの可算平均に基づいて変位を算出する。本実施形態ではフィルタ処理部３６は算出した変位θに対して移動平均処理を行うが、図５の（２）では、第１接続態様と第２接続態様の検出値に取扱いを分かり易く示すために、ｃｏｓ相検出値の加算平均値とｓｉｎ相検出値の可算平均値を記載している。
【0052】
環境１では、第１ＡＤ変換部３３でＡＤ変換された差動信号の検出値の係数をａとし、第２ＡＤ変換部３４でＡＤ変換された差動信号の検出値の係数もａとしている。つまり、何れのＡＤ変換部で変換がされても検出値に差異はない。従って、環境１で変位検出装置１００が算出する変位は、スイッチング回路３１を有していない変位検出装置が算出する変位と同じくθである（図５の（３）を参照）。
【0053】
環境２では、第１ＡＤ変換部３３でＡＤ変換された差動信号の検出値の係数がｄ・ａであり、第２ＡＤ変換部３４でＡＤ変換された差動信号の検出値の係数がｅ・ａである。しかし、スイッチング回路３１により第１ＡＤ変換部３３によるＡＤ変換と第２ＡＤ変換部３４によるＡＤ変換が均等に行われるため、それぞれの検出値の係数は、ともに、ｄ・ａとｅ・ａの加算平均値である。つまり、環境が変化した場合においても、ｃｏｓ相検出値とｓｉｎ相検出値の係数は等しい状態を維持する。その結果、変位演算によって係数が打ち消し合うので、環境２においても変位検出装置１００が算出する変位はθである（図５の（４）を参照）。以上により、スイッチング回路３１を設けることにより、環境が変化した場合においてもＡＤ変換装置３２の環境特性に起因する誤差を抑制できる。
【0054】
なお、第１ＡＤ変換部３３の温度特性と第２ＡＤ変換部３４の温度特性の違いに起因する誤差をより小さくするためには、移動平均処理を偶数段にして、第１接続態様の検出値と第２接続態様の検出値とが略均等に含まれるようにすることが好ましい。
【0055】
上述した例では、スイッチング回路３１が第１接続態様と第２接続態様を切り替える切替周期は励磁周期に一致する。ただし、切替周期が励磁周期の整数倍であってもよい。具体的には、移動平均処理に用いられる検出値において、第１接続態様の検出値と第２接続態様の検出値が略均等の割合であることが好ましい。従って、Ｎ段の移動平均処理を行う場合、切替周期はＮ個の検出値が検出される時間の半分より短いことが好ましい。また、ＡＤ変換装置３２がΣΔ方式である場合、ＡＤ変換装置３２は前回の検出値に基づいて誤差を算出するため周期が長い方が直線性が高くなることがあるため、切替周期を励磁周期に一致させるよりは、切替周期を励磁周期の複数倍にすることが好ましい。
【0056】
図６には、スイッチング回路３１を有することにより、環境の変化時の検出値の変化が抑制されることを確かめた実験の結果が示されている。この実験では、センサヘッド２を常温の環境に配置し、処理装置３を第１温度の環境１に配置して、センサヘッド２を移動させたときの検出値を記録する。次に、センサヘッド２を常温に配置したままで、処理装置３を第２温度の環境２に配置して、センサヘッド２を移動させたときの検出値を記録する。図６のグラフの横軸はセンサヘッド２の位置であり、図６のグラフの縦軸は環境１での検出値に対する環境２での検出値の変化量である。
【0057】
スイッチング回路３１を有しない変位検出装置の検出値は、環境の変化に伴って検出値が大きく変化している。これに対し、スイッチング回路３１を有する変位検出装置１００の検出値は、環境の変化が生じても検出値の変化が小さい。従って、スイッチング回路３１を有することにより、環境の変化に起因する誤差が生じにくいことが確かめられた。
【0058】
以上に説明したように、変位検出装置１００は、スケール１と、センサヘッド２と、処理装置３と、を備える。スケール１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る。センサヘッド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つの磁気検出素子（第１コイル２２ａ、第２コイル２２ｂ、第３コイル２２ｃ、第４コイル２２ｄ）を有する。処理装置３は、磁気検出素子の出力信号が入力され、センサヘッド２に対するスケール１の相対変位、及び、相対変位の変化速度のうち少なくとも一方である変位情報を演算して出力する。処理装置３は、ＡＤ変換装置３２と、スイッチング回路３１と、演算処理部３５と、を備える。ＡＤ変換装置３２は、第１ＡＤ変換部３３及び第２ＡＤ変換部３４を有し、コサイン関数及びマイナスコサイン関数の差分に基づく第１差動信号、及び、サイン関数及びマイナスサイン関数の差分に基づく第２差動信号をデジタル信号に変換する。スイッチング回路３１は、第１差動信号が第１ＡＤ変換部３３でＡＤ変換されて第２差動信号が第２ＡＤ変換部３４でＡＤ変換される第１接続態様と、第１差動信号が第２ＡＤ変換部３４でＡＤ変換されて第２差動信号が第１ＡＤ変換部３３でＡＤ変換される第２接続態様と、を周期的に切り替える。演算処理部３５は、第１ＡＤ変換部３３及び第２ＡＤ変換部３４からそれぞれ出力された第１差動信号の加算平均値と、第１ＡＤ変換部３３及び第２ＡＤ変換部３４からそれぞれ出力された第２差動信号の加算平均値と、に基づいてスケールの変位情報を出力する。
【0059】
これにより、第１ＡＤ変換部３３の環境特性と第２ＡＤ変換部３４の環境特性がそれぞれの差動信号に与える影響を均一化できる。そのため、環境が変化した場合の変位情報の誤差を抑制できる。
【0060】
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の変位情報を算出する。
【0061】
これにより、簡単な演算で変位情報を得ることができる。
【0062】
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演算による変位情報に対して偶数段の移動平均処理を行う。
【0063】
これにより、移動平均処理を偶数段にすることで第１接続態様での検出値と第２接続態様での検出値を同数にして加算平均値を算出できるため、変位情報の誤差をより一層抑制できる。
【0064】
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。
【0065】
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よい。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よい。
【0066】
磁気検出素子は、二次コイル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よい。
【0067】
二次コイル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、一次コイル２１がスケール１に近い側に配置され、二次コイル２２がスケール１から遠い側に配置されてもよい。
【0068】
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差動信号ｙ２の位相が９０°シフトされて、第１差動信号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、基準差動信号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。
【0069】
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よい。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よいし、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よい。
【0070】
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（変位情報）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。
【符号の説明】
【0071】
１ スケール
２ センサヘッド
３ 処理装置
３１ スイッチング回路
３２ ＡＤ変換装置
３３ 第１ＡＤ変換部
３４ 第２ＡＤ変換部
３５ 演算処理部
３６ フィルタ処理部
２ センサヘッド
３ 処理装置
３１ スイッチング回路
３２ ＡＤ変換装置
３３ 第１ＡＤ変換部
３４ 第２ＡＤ変換部
３５ 演算処理部
３６ フィルタ処理部
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】