(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-07-02
(45)【発行日】2024-07-10
(54)【発明の名称】変位検出装置
(51)【国際特許分類】
G01D 5/244 20060101AFI20240703BHJP
G01D 5/245 20060101ALI20240703BHJP
【ＦＩ】
G01D5/244 J
G01D5/245 E
【請求項の数】
5
(21)【出願番号】P 2023503649
(86)(22)【出願日】2022-02-02
(86)【国際出願番号】 JP2022004142
(87)【国際公開番号】W WO2022185825
(87)【国際公開日】2022-09-09
【審査請求日】2023-08-04
(31)【優先権主張番号】P 2021031408
(32)【優先日】2021-03-01
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(73)【特許権者】
【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
【審査官】榮永 雅夫
(56)【参考文献】
【文献】特開平９－３１１７６２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平２－２５１７２０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１３－２００１４１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１３－２０５１００（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００８－３０９７３６（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｄ ５／００ － ５／２５２
Ｇ０１Ｄ ５／３９ － ５／６２
(57)【特許請求の範囲】
【請求項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、
励磁信号が印加される励磁素子と、出力信号のそれぞれがサイン関数、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ある少なくとも４つの磁気検出素子と、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情報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、
少なくとも当該変位検出装置の使用開始時に、前記励磁信号と前記第１交流信号及び前記第２交流信号との位相ズレ量を実質的に示す値を決定し、測定対象物の変位の検出時に、決定された前記値に基づくタイミングで前記第１交流信号の値及び前記第２交流信号の値を取得し、得られた前記第１交流信号の値及び前記第２交流信号の値を用いてａｒｃｔａｎ演算を行って、前記相対変位情報を出力する演算処理部と、
を含み、
少なくとも当該変位検出装置の使用開始時に、前記励磁信号から互いに異なる位相シフト量だけ位相をシフトさせて生成された複数の同定用励磁信号が前記励磁素子に印加され、
それぞれの前記同定用励磁信号が前記励磁素子に印加されるのに伴って、前記演算処理部は、元の励磁信号に対して一定となるタイミングで前記第１交流信号の値及び前記第２交流信号の値を取得して、前記第１交流信号の値及び前記第２交流信号の値がゼロから乖離している度合いの合計を取得し、
前記演算処理部は、複数の前記同定用励磁信号の中で、前記合計が最大であった前記同定用励磁信号の位相シフト量を求め、この位相シフト量に基づいて、前記位相ズレ量を実質的に示す値を求める
ことを特徴とする変位検出装置。
【請求項2】
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、
励磁信号が印加される励磁素子と、出力信号のそれぞれがサイン関数、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ある少なくとも４つの磁気検出素子と、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情報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、
少なくとも当該変位検出装置の使用開始時に、前記励磁信号と前記第１交流信号及び前記第２交流信号との位相ズレ量を実質的に示す値を決定し、測定対象物の変位の検出時に、決定された前記値に基づくタイミングで前記第１交流信号の値及び前記第２交流信号の値を取得し、得られた前記第１交流信号の値及び前記第２交流信号の値を用いてａｒｃｔａｎ演算を行って、前記相対変位情報を出力する演算処理部と、
を含み、
少なくとも当該変位検出装置の使用開始時に、前記演算処理部は、前記第１交流信号の値及び前記第２交流信号の値を、信号周期よりも短いサンプリング周期で反復して取得し、複数のサンプリングタイミングのそれぞれについて、前記第１交流信号の値及び前記第２交流信号の値がゼロから乖離している度合いの合計を取得し、
前記演算処理部は、前記合計が取得された複数のサンプリングタイミングの中で、当該合計が最大であったサンプリングタイミングを求め、このサンプリングタイミングに基づいて、前記位相ズレ量を実質的に示す値を求めることを特徴とする変位検出装置。
【請求項3】
請求項１又は２に記載の変位検出装置であって、前記第１差動増幅器が出力する前記第１交流信号の振幅、及び、前記第２差動増幅器が出力する前記第２交流信号の振幅を調整する振幅調整部を備えることを特徴とする変位検出装置。
【請求項4】
請求項３に記載の変位検出装置であって、前記振幅調整部は、前記励磁素子に流れる交流電流の振幅を調整することを特徴とする変位検出装置。
【請求項5】
請求項３に記載の変位検出装置であって、前記振幅調整部は、前記第１差動増幅器及び前記第２差動増幅器の増幅ゲインを調整する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、測定対象物の変位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回転レゾルバを開示する。
【0003】
特許文献１の回転レゾルバは、モータの回転角度を得るために使用される。この回転レゾルバは、ＡＤ変換部と、補正部と、を備える。ＡＤ変換部は、位相が異なる複数相の信号波をアナログ／デジタル変換する。ＡＤ変換された信号波の位相は、励磁信号の位相に対して遅れる。補正部には、基準位相位置を励磁周期内に有する励磁信号が入力されるとともに、ＡＤ変換部からの複数相の信号波が入力される。補正部は、複数相の信号波の２乗和平均信号のゼロクロス位相を検出し、励磁周期の等分割による位相区間における、ゼロクロス位相の位置及び位相ズレの補正方向に基づいて、励磁信号の位相を遅延させるように補正する。励磁信号の位相の遅延は、この位相及び前記信号波の位相間の位相差分である、前記基準位相位置からのズレ量だけ行われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】日本国特許第５８０２５８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
上記特許文献１の構成では、ＡＤ変換部からの複数相の信号波が、最終的には、モータの回転角度に応じて位相が変化する信号に変換される。この信号の位相を求めることで、モータの回転角度を得ることができる。
【0006】
特許文献１の構成でモータの回転角度を正確に検出するためには、信号の位相を正確に求める必要がある。信号の位相の検出は、通常、励磁信号における基準のタイミングから、信号波形に特徴的な点（例えば、ゼロクロス点）が現れたタイミングまで、カウンタを用いて反復的にカウントすることで行われる。信号の位相を高精度で検出するには、カウンタの時間分解能を上げる必要がある。しかし、電子回路の動作クロックを高くするのも限界があるため、カウンタの時間分解能を高めることが難しい場合がある。
【0007】
モータの回転角度を検出する分解能は、励磁周期を長くすることによっても向上できる。しかし、励磁周期が長くなると、モータの回転角度が高速で変化した場合の検出追従性が低下してしまう。このように、特許文献１の構成は、高速応答性と高分解能の両方を同時に実現することが難しく、改善の余地があった。
【0008】
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、温度等の外部要因で変化する誤差を計算によりその場で解消可能な、高速応答性と高分解能を実現できる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】
【0009】
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。
【0010】
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。前記変位検出装置は、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る。前記センサヘッドは、励磁素子と、少なくとも４つの磁気検出素子と、を有する。前記励磁素子には、励磁信号が印加される。４つの前記磁気検出素子の出力信号は、それぞれ、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ある。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情報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、演算処理部と、を含む。前記第１差動増幅器は、前記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。前記演算処理部は、少なくとも当該変位検出装置の使用開始時に、前記励磁信号と前記第１交流信号及び前記第２交流信号との位相ズレ量を実質的に示す値を決定する。測定対象物の変位の検出時に、前記演算処理部は、決定された前記値に基づくタイミングで前記第１交流信号の値及び前記第２交流信号の値を取得し、得られた前記第１交流信号の値及び前記第２交流信号の値を用いてａｒｃｔａｎ演算を行って、前記相対変位情報を出力する。少なくとも当該変位検出装置の使用開始時に、前記励磁信号から互いに異なる位相シフト量だけ位相をシフトさせて生成された複数の同定用励磁信号が前記励磁素子に印加される。それぞれの前記同定用励磁信号が前記励磁素子に印加されるのに伴って、前記演算処理部は、元の励磁信号に対して一定となるタイミングで前記第１交流信号の値及び前記第２交流信号の値を取得して、前記第１交流信号の値及び前記第２交流信号の値がゼロから乖離している度合いの合計を取得する。前記演算処理部は、複数の前記同定用励磁信号の中で、前記合計が最大であった前記同定用励磁信号の位相シフト量を求め、この位相シフト量に基づいて、前記位相ズレ量を実質的に示す値を求める。
【0011】
これにより、第１交流信号及び第２交流信号がゼロから十分に乖離したタイミングで、各信号の値を取得することができる。従って、信号の値の除算によって、精度の高いｔａｎの値を得ることができる。このｔａｎの値に対してａｒｃｔａｎ演算を行うことで、正確な変位を取得することができる。また、ａｒｃｔａｎ演算で変位を求めているので、励磁信号の１周期あたりに複数回、変位を求めることも可能である。従って、高分解能に加えて、検出の高速応答性も容易に実現することができる。位相の異なる同定用励磁信号で励磁素子を励磁して調べることで、第１交流信号及び第２交流信号がゼロから十分に乖離しているタイミングを得ることができる。
本発明の別の観点によれば、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。前記変位検出装置は、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る。前記センサヘッドは、励磁素子と、少なくとも４つの磁気検出素子と、を有する。前記励磁素子には、励磁信号が印加される。４つの前記磁気検出素子の出力信号は、それぞれ、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ある。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情報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、演算処理部と、を含む。前記第１差動増幅器は、前記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。前記演算処理部は、少なくとも当該変位検出装置の使用開始時に、前記励磁信号と前記第１交流信号及び前記第２交流信号との位相ズレ量を実質的に示す値を決定する。測定対象物の変位の検出時に、前記演算処理部は、決定された前記値に基づくタイミングで前記第１交流信号の値及び前記第２交流信号の値を取得し、得られた前記第１交流信号の値及び前記第２交流信号の値を用いてａｒｃｔａｎ演算を行って、前記相対変位情報を出力する。少なくとも当該変位検出装置の使用開始時に、前記演算処理部は、前記第１交流信号の値及び前記第２交流信号の値を、信号周期よりも短いサンプリング周期で反復して取得する。前記演算処理部は、複数のサンプリングタイミングのそれぞれについて、前記第１交流信号の値及び前記第２交流信号の値がゼロから乖離している度合いの合計を取得する。前記演算処理部は、前記合計が取得された複数のサンプリングタイミングの中で、当該合計が最大であったサンプリングタイミングを求め、このサンプリングタイミングに基づいて、前記位相ズレ量を実質的に示す値を求める。
これにより、第１交流信号及び第２交流信号がゼロから十分に乖離しているタイミングを、短時間で得ることができる。
本発明の別の観点によれば、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。前記変位検出装置は、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る。前記センサヘッドは、励磁素子と、少なくとも４つの磁気検出素子と、を有する。前記励磁素子には、励磁信号が印加される。４つの前記磁気検出素子の出力信号は、それぞれ、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ある。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情報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、演算処理部と、を含む。前記第１差動増幅器は、前記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。前記演算処理部は、少なくとも当該変位検出装置の使用開始時に、前記励磁信号と前記第１交流信号及び前記第２交流信号との位相ズレ量を実質的に示す値を決定する。測定対象物の変位の検出時に、前記演算処理部は、決定された前記値に基づくタイミングで前記第１交流信号の値及び前記第２交流信号の値を取得し、得られた前記第１交流信号の値及び前記第２交流信号の値を用いてａｒｃｔａｎ演算を行って、前記相対変位情報を出力する。少なくとも当該変位検出装置の使用開始時に、前記演算処理部は、前記第１交流信号の値及び前記第２交流信号の値を、信号周期よりも短いサンプリング周期で反復して取得する。前記演算処理部は、複数のサンプリングタイミングのそれぞれについて、前記第１交流信号の値及び前記第２交流信号の値がゼロから乖離している度合いの合計を取得する。前記演算処理部は、前記合計が取得された複数のサンプリングタイミングの中で、当該合計が最大であったサンプリングタイミングを求め、このサンプリングタイミングに基づいて、前記位相ズレ量を実質的に示す値を求める。
これにより、第１交流信号及び第２交流信号がゼロから十分に乖離しているタイミングを、短時間で得ることができる。
【0012】
前記の変位検出装置は、前記第１差動増幅器が出力する前記第１交流信号の振幅、及び、前記第２差動増幅器が出力する前記第２交流信号の振幅を調整する振幅調整部を備えることが好ましい。
【0013】
これにより、例えば、磁気検出ヘッドのトランス比が変化するのに対応して振幅を変更することができる。この結果、変位の検出のために好適な波形を安定して得ることができる。
【0014】
前記の変位検出装置においては、前記振幅調整部は、前記励磁素子に流れる交流電流の振幅を調整することが好ましい。
【0015】
これにより、第１差動増幅器及び第２差動増幅器のゲイン設定処理を省略することができる。従って、簡素な処理を実現できる。
【0016】
前記の変位検出装置においては、前記振幅調整部は、前記第１差動増幅器及び前記第２差動増幅器の増幅ゲインを調整することが好ましい。
【0021】
これにより、第１交流信号及び第２交流信号がゼロから十分に乖離しているタイミングを、短時間で得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【0022】
【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】励磁信号、第１交流信号及び第２交流信号の波形を示す図。
【図3】第１実施形態において、元の励磁信号と位相が同じ同定用励磁信号を説明する図。
【図4】元の励磁信号から位相を４０°遅らせて生成した同定用励磁信号を説明する図。
【図5】元の励磁信号から位相を３４０°遅らせて生成した同定用励磁信号を説明する図。
【図6】第２実施形態において、第１交流信号及び第２交流信号の値の取得を説明する図。
【図7】第３実施形態において、第１交流信号及び第２交流信号の値の取得を説明する図。
【図8】第４実施形態において、振幅調整処理の第１例を示すフローチャート。
【図9】第４実施形態において、振幅調整処理の第２例を示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【0023】
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、励磁信号、第１交流信号ｙ１及び第２交流信号ｙ２の波形を示す図である。
【0024】
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。
【0025】
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。
【0026】
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。
【0027】
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。
【0028】
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。
【0029】
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。
【0030】
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。
【0031】
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。
【0032】
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（励磁素子）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。
【0033】
１次コイル２１は、交流磁界を発生するために用いられる。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。
【0034】
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。本実施形態においては、図１に示すように、後述の検出信号処理装置３に含まれるＦＰＧＡ等の装置により生成された励磁波をＤＡ変換して得られた励磁信号（Ａ・ｓｉｎωｔ）が、当該１次コイル２１に印加されている。ＦＰＧＡは、Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙの略称である。
【0035】
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。
【0036】
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。
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。
【0037】
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。
【0038】
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。
【0039】
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。
【0040】
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。
【0041】
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。
【0042】
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。
【0043】
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。
【0044】
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、演算処理部３５と、を備える。
【0045】
本実施形態において、第１差動増幅器３１及び第２差動増幅器３２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は、検出信号処理装置３に備えられた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。
【0046】
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。
【0047】
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
ｙ１＝ａｃｏｓθ・ｓｉｎωｔ
【0048】
当該第１交流信号ｙ１は、フィルタにより処理された後、ＡＤ変換器によりアナログ信号からデジタル信号に変換され、演算処理部３５に入力される。
【0049】
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。
【0050】
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
ｙ２＝ａｓｉｎθ・ｓｉｎωｔ
【0051】
当該第２交流信号ｙ２は、上記第１交流信号ｙ１と同じように、フィルタにより処理された後、ＡＤ変換器によりアナログ信号からデジタル信号に変換され、演算処理部３５に入力される。
【0052】
演算処理部３５は、デジタル信号の第１交流信号ｙ１及び第２交流信号ｙ２に対して、ａｒｃｔａｎ演算を行う。具体的には、演算処理部３５は、デジタル信号の第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、スケール１の相対変位情報として得ることができる。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。
【0053】
演算処理部３５により求められた変位θは、高周波成分を除くためにフィルタに入力される。これにより、ノイズ等を除去することができる。フィルタ処理後の値は、直線性較正等の後処理を経た後、位置情報として検出信号処理装置３から出力される。
【0054】
次に、１次コイル２１と２次コイル２２の間に生じる位相ズレについて詳細に説明する。
【0055】
知られているように、１次コイル２１に印加された励磁信号と、２次コイル２２の出力（第１交流信号ｙ１及び第２交流信号ｙ２）の間には、図２に示すように、位相ズレ量ｄが発生する。具体的には、第１交流信号ｙ１及び第２交流信号ｙ２の位相が、励磁信号に対して、位相ズレ量ｄだけ遅れる。この位相ズレ量ｄは、コイル設計の違い、配線部の抵抗要因（配線の種類、長さ、引き回し）等に基づいて生じるものである。位相ズレ量ｄの大きさは、温度等の周辺環境によって様々に変化する。
【0056】
本実施形態の演算処理部３５においては、磁気検出ヘッド２に対するスケール１の変位を検出するために第１交流信号ｙ１の値及び第２交流信号ｙ２の値を取得するタイミングを、上記の位相ズレ量ｄを考慮しつつ、それぞれの信号がゼロから十分に乖離した値となるように予め定めている。このタイミングは、励磁信号のタイミングとの間で相対的に定まるものである。
【0057】
上述のように、第２交流信号ｙ２を第１交流信号ｙ１で除算することにより、ｔａｎθが計算される。従って、２つの信号の値がゼロ付近であると、ｔａｎθの精度が低下する。これを考慮すれば、第１交流信号ｙ１の値及び第２交流信号ｙ２の値が取得されるタイミングは、２つの信号の値が正又は負のピークとなるタイミングと一致することが最も好ましい。ただし、２つの信号の値がゼロからある程度乖離していればｔａｎθの精度を十分に確保できるので、信号の値が厳密にピークとなるタイミングで取得される必要はない。
【0058】
励磁信号をＡ・ｓｉｎωｔと表す場合、第１交流信号ｙ１及び第２交流信号ｙ２は、下記の式で表される。
ｙ１＝ａ・ｃｏｓθ・ｓｉｎ（ωｔ＋ｄ）
ｙ２＝ａ・ｓｉｎθ・ｓｉｎ（ωｔ＋ｄ）
この式におけるｄが、上記の位相ズレを表す。
ｙ１＝ａ・ｃｏｓθ・ｓｉｎ（ωｔ＋ｄ）
ｙ２＝ａ・ｓｉｎθ・ｓｉｎ（ωｔ＋ｄ）
この式におけるｄが、上記の位相ズレを表す。
【0059】
第１交流信号ｙ１の値及び第２交流信号ｙ２の値が正又は負のピークを示すタイミングとは、ωｔ＋ｄの位相が９０°又は２７０°となるタイミングを意味する。一方、ωｔ＋ｄの位相が０°又は１８０°となるタイミングでは、第１交流信号ｙ１の値及び第２交流信号ｙ２の値が何れもゼロ付近となってしまう。
【0060】
従って、本実施形態では、変位θの測定にあたって、第１交流信号ｙ１の値及び第２交流信号ｙ２は、例えば、ωｔ＋ｄが０°又は１８０°となるタイミングに対して十分に異なるタイミングで取得される。位相ズレ量ｄをある程度の精度で求めることができれば、ａｒｃｔａｎ演算で用いられる第１交流信号ｙ１及び第２交流信号ｙ２の値の取出しタイミングを適切に生成することができる。
【0061】
【0062】
以下、具体的に説明する。演算処理部３５は、前述の励磁信号に基づいて複数の同定用励磁信号を生成し、順次、同定用励磁信号を１次コイル２１に印加する。複数の同定用励磁信号は、元の励磁信号に対して互いに異なるシフト量だけ位相をシフトすることにより生成される。同定用励磁信号の例が、図３から図５までに示されている。
【0063】
同定用励磁信号に関し、図３は位相シフト量Ｄが０°の場合、図４は４０°の場合、図５は３４０°の場合を示している。このように、複数の同定用励磁信号の中に、位相シフトなし、即ち、元の励磁信号に対して位相が同一であるものが含まれていても良い。
【0064】
逐次位相シフト手法を詳細に説明する。元の励磁信号をＡ・ｓｉｎωｔとしたときに、同定用励磁信号は、遅れ方向の位相シフト量をＤとして、Ａ・ｓｉｎ（ωｔ＋Ｄ）と表すことができる。Ｄの値を、０°，１０°，２０°，・・・，というように逐次変化させることで、複数の同定用励磁信号を生成することができる。
【0065】
演算処理部３５は、同定用励磁信号を生成する毎に、同定用励磁信号を実際に１次コイル２１に印加する。それぞれの同定用励磁信号は、十分な時間、例えば励磁信号の１周期分以上にわたって、１次コイル２１に印加される。
【0066】
演算処理部３５は、それぞれの同定用励磁信号が１次コイル２１に印加される毎に、元の励磁信号Ａ・ｓｉｎωｔが振幅ピーク位置となるタイミングで、第１交流信号ｙ１及び第２交流信号ｙ２の値を取得する。振幅ピーク位置に関して、ωｔの位相は９０°及び２７０°の何れでも良いが、図３から図５の例では、９０°のタイミングで取得する例を示している。
【0067】
このように、どの同定用励磁信号が印加される場合でも、第１交流信号ｙ１及び第２交流信号ｙ２の値が取得されるタイミングは一定である。しかし、同定用励磁信号の位相が１０°間隔で変化するので、それに応じて、第１交流信号ｙ１及び第２交流信号ｙ２の値の位相も、１０°間隔で変化する。従って、図３から図５までに示すように、同定用励磁信号が異なれば、取得される第１交流信号ｙ１及び第２交流信号ｙ２の値も異なることになる。
【0068】
演算処理部３５は、それぞれの同定用励磁信号が１次コイル２１に印加される毎に、上記のタイミングで取得した第１交流信号ｙ１及び第２交流信号ｙ２の値がゼロから乖離している度合いの合計を実質的に示す値を算出する。以下、この値を信号乖離合計値と呼ぶことがある。本実施形態では、信号乖離合計値として、以下の式のように、第１交流信号ｙ１及び第２交流信号ｙ２の２乗和の平方根を求めている。
信号乖離合計値＝√（（第１交流信号ｙ１）＾２＋（第２交流信号ｙ２）＾２）
信号乖離合計値＝√（（第１交流信号ｙ１）＾２＋（第２交流信号ｙ２）＾２）
【0069】
ただし、以下の式のように、信号乖離合計値として、第１交流信号ｙ１及び第２交流信号ｙ２の値の絶対値の和が求められても良い。
信号乖離合計値＝｜第１交流信号ｙ１｜＋｜第２交流信号ｙ２｜
この場合、前記の２乗和の平方根よりも演算の負担を軽減することができる。
信号乖離合計値＝｜第１交流信号ｙ１｜＋｜第２交流信号ｙ２｜
この場合、前記の２乗和の平方根よりも演算の負担を軽減することができる。
【0070】
演算処理部３５は、それぞれの同定用励磁信号について信号乖離合計値を算出した後、信号乖離合計値同士を比較する。これにより、信号乖離合計値が最大値となった同定用励磁信号に対応する位相シフト量Ｄを求めることができる。今回の例では、位相シフト量Ｄを３４０°とした図５の同定用励磁信号に対して、信号乖離合計値が最大となる。演算処理部３５は、この位相シフト量Ｄである３４０°を３６０°から減算して、位相ズレ推定量ｄeを求める。今回の例では、位相ズレ推定量ｄeは２０°となる（ｄe＝３６０°－３４０°＝２０°）。
【0071】
今回の例で、同定用励磁信号の位相シフト量Ｄは１０°刻みで変化するので、位相ズレ推定量ｄeの精度は高くない。しかし、位相ズレ推定量ｄeは、位相ズレ量ｄの近傍の値となる。従って、位相ズレ推定量ｄeは、位相ズレ量ｄを実質的に示す値ということができる。決定された位相ズレ推定量ｄeが適宜の記憶部に記憶されると、初期処理が完了する。
【0072】
その後の変位θの測定では、得られた位相ズレ推定量ｄeに基づいて、第１交流信号ｙ１の値及び第２交流信号ｙ２の値を取得するタイミングが定められる。具体的には、第１交流信号ｙ１の値及び第２交流信号ｙ２の値は、ωｔ＋ｄeが０°又は１８０°となるタイミングとは十分に異なるタイミングで取得される。取得タイミングは、ωｔ＋ｄeが９０°又は２７０°となるタイミングとすることが好ましい。以上により、ｔａｎθ（ひいては、変位θ）を良好な精度で取得することができる。
【0073】
本実施形態では、第２交流信号ｙ２を第１交流信号ｙ１で除算した値に対してａｒｃｔａｎを求めることで、変位θを得る。従って、１周期分の第１交流信号ｙ１及び第２交流信号ｙ２に関して、信号の値がゼロ付近となるタイミングを避けるようにすれば、任意のタイミングで変位θを得ることができる。変位θを取得する頻度は、励磁信号の１周期分あたり１回であっても良いし、２回以上であっても良い。励磁信号の１周期あたり複数回にわたって変位θを取得すれば、磁気検出ヘッド２に対してスケール１が高速で移動する場合であっても、高速で追従して変位を検出することができる。
【0074】
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、励磁信号が印加される１次コイル２１と、出力信号のそれぞれがサイン関数、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ある少なくとも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る。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の相対変位情報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、演算処理部３５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。演算処理部３５は、少なくとも当該変位検出装置１００の使用開始時に、励磁信号と第１交流信号ｙ１及び第２交流信号ｙ２との位相ズレ量ｄを実質的に示す値（位相ズレ推定量ｄe）を決定する。磁気検出ヘッド２に対するスケール１の変位を検出する場合、演算処理部３５は、決定された位相ズレ推定量ｄeに基づくタイミングで、第１交流信号ｙ１の値及び第２交流信号ｙ２の値を取得する。演算処理部３５は、求められた第１交流信号ｙ１の値及び第２交流信号ｙ２の値を用いてａｒｃｔａｎ演算を行い、相対変位情報を出力する。
【0075】
これにより、第１交流信号ｙ１及び第２交流信号ｙ２がゼロから十分に乖離したタイミングで、各信号の値を取得することができる。従って、信号の値の除算によって、精度の高いｔａｎθの値を得ることができる。このｔａｎθの値に対してａｒｃｔａｎ演算を行うことで、正確な変位θを取得することができる。また、ａｒｃｔａｎ演算で変位を求めているので、各信号の値がゼロに近くなるタイミングを避けるようにして、励磁信号の１周期当たりに複数回、変位を求めることが可能である。従って、高分解能に加えて、検出の高速応答性も容易に実現することができる。
【0076】
また、本実施形態の変位検出装置１００においては、励磁信号に基づく複数の同定用励磁信号が１次コイル２１に印加される。複数の同定用励磁信号は、元の励磁信号から互いに異なる位相シフト量Ｄだけ位相をシフトさせて生成される。それぞれの同定用励磁信号が１次コイル２１に印加されるのに伴って、演算処理部３５は、元の励磁信号に対して一定となるタイミングで第１交流信号ｙ１の値及び第２交流信号ｙ２の値を取得して、２つの信号の値がゼロから乖離している度合いの合計（信号乖離合計値）を取得する。演算処理部３５は、複数の同定用励磁信号の中で、前記合計が最大であった同定用励磁信号の位相シフト量Ｄを求める。演算処理部３５は、この位相シフト量Ｄに基づいて位相ズレ推定量ｄeを求める。
【0077】
これにより、位相が様々に異なる同定用励磁信号で１次コイル２１を励磁して調べることで、第１交流信号ｙ１の値及び第２交流信号ｙ２の値がゼロから十分に乖離しているタイミングを得ることができる。
【0078】
次に、第２実施形態を説明する。なお、本実施形態の説明においては、前述の実施形態と同一又は類似の部材には図面に同一の符号を付し、説明を省略する場合がある。
【0079】
本実施形態において、演算処理部３５は、励磁信号の逐次位相シフト手法の代わりに、２次コイル２２からの出力信号（即ち、第１交流信号ｙ１及び第２交流信号ｙ２）の波形トレース手法を用いて、上記位相ズレ量決定処理を行って、同定処理に用いられる位相ズレ量を決定している。
【0080】
具体的に説明する。演算処理部３５は、初期処理において、第１交流信号ｙ１及び第２交流信号ｙ２の波形を写し取るように、第１交流信号ｙ１及び第２交流信号ｙ２の値を、信号周期よりも十分に短いサンプリング周期で取得する。このとき、１次コイル２１には、前述の同定用励磁信号ではなく、通常の励磁信号Ａ・ｓｉｎωｔが印加される。サンプリング周期を短くするために、ＡＤ変換器によるＡＤ変換が高速に行われることが好ましい。
【0081】
演算処理部３５は、各サンプリングタイミングにおける第１交流信号ｙ１及び第２交流信号ｙ２の組について、前述の信号乖離合計値を算出する。信号乖離合計値は、前述と同様に、２つの信号値の２乗和の平方根としても良いし、絶対値の和としても良い。演算処理部３５は、それぞれのサンプリングタイミングについて信号乖離合計値を算出した後、信号乖離合計値同士を比較する。これにより、信号乖離合計値が最大値となったサンプリングタイミングを求めることができる。図６に示すように、位相ズレ推定量ｄeは、信号乖離合計値が最大値となったサンプリングタイミングに基づいて容易に得ることができる。その後に測定対象物の変位θを求める処理は、第１実施形態と実質的に同様であるので、説明を省略する。
【0082】
以上に説明したように、本実施形態の変位検出装置１００において、演算処理部３５は、第１交流信号ｙ１の値及び第２交流信号ｙ２の値を、信号周期よりも短いサンプリング周期で反復して取得する。演算処理部３５は、複数のサンプリングタイミングのそれぞれについて、信号の値がゼロから乖離している度合いの合計を取得する。演算処理部３５は、前記合計が取得された複数のサンプリングタイミングの中で、当該合計が最大であったサンプリングタイミングを求める。演算処理部３５は、当該合計が最大であったサンプリングタイミングに基づいて、位相ズレ推定量ｄeを求める。
【0083】
これにより、第１交流信号ｙ１の値及び第２交流信号ｙ２の値がゼロから十分に乖離しているタイミングを、例えば励磁信号の１周期分等、短時間の波形を調べることで得ることができる。
【0084】
次に、第３実施形態を説明する。なお、本実施形態の説明においては、前述の実施形態と同一又は類似の部材には図面に同一の符号を付し、説明を省略する場合がある。
【0085】
本実施形態は、ＡＤ変換器の処理能力等の関係で、波形をサンプリングする際に１周期あたりのサンプリング回数を第２実施形態のように多くできない場合に適している。サンプリング対象の波形は、２次コイル２２からの出力信号、即ち、第１交流信号ｙ１及び第２交流信号ｙ２を意味する。
【0086】
以下、励磁信号の１周期あたりでサンプリングできる回数が３回である場合を例として、具体的に説明する。演算処理部３５は、初期処理において、１周期分ではなく２周期分のサンプリング波形を用いて、交流信号の値を取得する。第１周期目（第１回目）の測定では、図７の上側に示すように、励磁信号の波形に対して位相が０°、１２０°、２４０°となるタイミングで、第１交流信号ｙ１及び第２交流信号ｙ２の値が取得される。第２周期目（第２回目）の測定では、図７の下側に示すように、励磁信号の波形に対して位相が６０°、１８０°、３００°となるタイミングで、第１交流信号ｙ１及び第２交流信号ｙ２の値が取得される。
【0087】
その後は、第２実施形態と同様に、それぞれのサンプリングタイミングにおける信号乖離合計値が求められる。演算処理部３５は、２周期分（計６回）のサンプリングタイミングの中で、信号乖離合計値が最大値となったサンプリングタイミングを求める。
【0088】
このように、それぞれの周期でサンプリングタイミングの位相を異ならせることで、第１交流信号ｙ１及び第２交流信号ｙ２を実際よりも短い周期でサンプリングして位相ズレ推定量ｄeを決定するのと同じことになる。図７の例では、１周期あたりに６回サンプリングして位相ズレ推定量ｄeを求めるのと同等の効果が得られる。
【0089】
本実施形態では２周期分の波形がサンプリングされているが、１周期ごとに少しずつ位相をズラしながら、３周期分以上の波形をサンプリングしても良い。
【0090】
次に、第４実施形態について説明する。なお、本実施形態の説明においては、前述の実施形態と同一又は類似の部材には図面に同一の符号を付し、説明を省略する場合がある。
【0091】
本実施形態の検出信号処理装置３は、第１差動増幅器３１からＡＤコンバータへ入力される波形（ａ・ｃｏｓθ・ｓｉｎωｔ）の振幅ａ、及び、第２差動増幅器３２からＡＤコンバータへ入力される波形（ａ・ｓｉｎθ・ｓｉｎωｔ）の振幅ａを、調整可能である。本実施形態は、上述の第１実施形態から第３実施形態までの何れに対しても組み合わせることができる。
【0092】
上述のように、第１実施形態から第３実施形態までの構成では、第１交流信号ｙ１及び第２交流信号ｙ２がゼロから十分に乖離したタイミングで各信号の値を取得し、ａｒｃｔａｎ演算を行う。しかし、第１差動増幅器３１及び第２差動増幅器３２が出力する波形の振幅が、ＡＤコンバータの入力電圧範囲に対して適切でない場合も考えられる。
【0093】
以下、波形の振幅が大き過ぎたり小さ過ぎたりする具体的な例について説明する。磁気検出ヘッド２として許容される物理的な大きさは、測定対象物、周囲のスペースの大きさ等に応じて変化する。このような事情等を考慮して、変位検出装置１００の汎用性を高めるために、大きさが異なる複数種類の磁気検出ヘッド２から、状況に応じて１つのヘッドを選択して用いることが可能に構成される場合がある。１次コイル２１と２次コイル２２のトランス比は、ヘッドの種類に応じて異なる。磁気検出ヘッド２のトランス比が、検出信号処理装置３で想定しているトランス比と異なっていると、第１差動増幅器３１及び第２差動増幅器３２から出力される波形の振幅が過大又は過小となってしまう。
【0094】
信号が流れる方向において第１差動増幅器３１及び第２差動増幅器３２よりも下流側には、ＡＤ変換器が配置されている。ＡＤ変換器の信号入力範囲に対して、第１差動増幅器３１及び第２差動増幅器３２の出力信号の振幅が大き過ぎると、ＡＤ変換器において波形が飽和し、変位θの誤検出が生じてしまう。一方、第１差動増幅器３１及び第２差動増幅器３２の出力信号の振幅が小さ過ぎると、ＳＮ比が悪化し、変位θの検出精度の低下を招く。
【0095】
そこで、本実施形態においては、演算処理部３５が出力する励磁信号（Ａ・ｓｉｎωｔ）の振幅Ａを変更可能に構成されている。前述の実施形態で説明した位相ズレの推定を行った後、演算処理部３５は、第１交流信号ｙ１及び第２交流信号ｙ２波形のピークが、予め定められた範囲に入っているか否かを調べる。第１交流信号ｙ１及び第２交流信号ｙ２の値（ピークを含む）は、２つのＡＤコンバータのそれぞれから取得することができる。
【0096】
第１実施形態の逐次位相シフト手法を用いる場合、決定された位相ズレ推定量ｄeに基づくタイミングで取得した第１交流信号ｙ１の値及び第２交流信号ｙ２の値を、それぞれの波形のピークであるとみなすことができる。第２実施形態の波形トレース手法を用いる場合、第１交流信号ｙ１及び第２交流信号ｙ２のピークは容易に求めることができる。
【0097】
本実施形態では、このように実質的に波形のピークのタイミングで取得された第１交流信号ｙ１の値及び第２交流信号ｙ２の値から、前述のように、２乗和の平方根として定義された信号乖離合計値が計算される。この信号乖離合計値は、第１交流信号ｙ１及び第２交流信号ｙ２の振幅ａの大きさを実質的に示す。信号乖離合計値は、前述のように絶対値の和として定義されても良い。この場合も、信号乖離合計値は、第１交流信号ｙ１及び第２交流信号ｙ２の振幅ａの大きさを概略的に示している。
【0098】
計算された信号乖離合計値が所定範囲よりも大きい場合、演算処理部３５は、励磁波出力の振幅（前述の振幅Ａ）を、例えば１／２倍となるように変更する。これにより、第１差動増幅器３１が出力する波形（ａ・ｃｏｓθ・ｓｉｎωｔ）の振幅ａが１／２倍となり、第２差動増幅器３２が出力する波形（ａ・ｓｉｎθ・ｓｉｎωｔ）の振幅ａが１／２倍となる。
【0099】
計算された信号乖離合計値が所定範囲よりも小さい場合、演算処理部３５は、励磁波出力の振幅（前述の振幅Ａ）を、例えば２倍となるように変更する。これにより、第１差動増幅器３１が出力する波形（ａ・ｃｏｓθ・ｓｉｎωｔ）の振幅ａが２倍となり、第２差動増幅器３２が出力する波形（ａ・ｓｉｎθ・ｓｉｎωｔ）の振幅ａが２倍となる。
【0100】
以上の調整により、ＡＤ変換器に対して適度な振幅の信号が入力されるので、変位θを高い精度で検出することができる。
【0101】
以下、具体的な処理の例について、図８のフローチャートを参照して説明する。
【0102】
図８に示す振幅の自動調整処理が開始されると、最初に、検出信号処理装置３は、励磁信号の振幅Ａの値を最大値で初期化する（ステップＳ１０１）。
【0103】
次に、検出信号処理装置３は、例えば逐次位相シフト手法によって、位相ズレ量を求める（ステップＳ１０２）。
【0104】
続いて、検出信号処理装置３は、ステップＳ１０２で求めた位相ズレ推定量ｄeに基づくタイミングで第１交流信号ｙ１及び第２交流信号ｙ２の値を取得する。検出信号処理装置３は、前述の信号乖離合計値を２つの値から計算し、その信号乖離合計値が所定の閾値以下であるか否かを調べる（ステップＳ１０３）。
【0105】
ステップＳ１０３の判断で、上述の信号乖離合計値が所定の閾値以下であった場合、調整処理は終了し、現在設定されている励磁信号の振幅Ａが以降の処理で使われる。
【0106】
ステップＳ１０３の判断で、上述の信号乖離合計値が所定の閾値を上回っていた場合、検出信号処理装置３は、励磁信号の振幅Ａを、例えば現在の設定値の１／２となるように変更する（ステップＳ１０４）。その後、処理はステップＳ１０２に戻る。
【0107】
以上の処理により、第１交流信号ｙ１及び第２交流信号ｙ２の振幅ａが、閾値の１／２よりも大きくかつ閾値以下となるように、励磁信号の振幅Ａを調整することができる。
【0108】
励磁信号の振幅Ａを変更することに代えて、又はそれに加えて、第１差動増幅器３１及び第２差動増幅器３２の増幅ゲインを変更することもできる。この方法によっても、第１差動増幅器３１からＡＤコンバータへ入力される波形（ａ・ｃｏｓθ・ｓｉｎωｔ）の振幅ａ、及び、第２差動増幅器３２からＡＤコンバータへ入力される波形（ａ・ｓｉｎθ・ｓｉｎωｔ）の振幅ａを、変更することができる。
【0109】
位相ズレ量を実質的に示す値を決定する処理と、振幅を調整する処理と、の順序は逆であっても良い。以下、振幅を調整する処理を先行して行う処理の例について、図９のフローチャートを参照して説明する。
【0110】
図９に示す振幅の自動調整処理が開始されると、最初に、検出信号処理装置３は、位相ズレを示す位相ズレ推定量ｄeとして、適当な値を設定する（ステップＳ２０１）。ステップＳ２０１で設定される値は任意であり、例えばランダムとすることができる。この位相ズレ推定量ｄeの設定は暫定的なものであって、後に、実際に推定した値に変更される。
【0111】
次に、検出信号処理装置３は、励磁信号の振幅Ａを最大値で初期化する（ステップＳ２０２）。
【0112】
その後、検出信号処理装置３は、ステップＳ２０１で暫定的に設定された位相ズレ推定量ｄeに基づくタイミングで第１交流信号ｙ１及び第２交流信号ｙ２の値を取得する。検出信号処理装置３は、２つの値から信号乖離合計値（言い換えれば、第１交流信号ｙ１及び第２交流信号ｙ２の振幅ａ）を計算し、その信号乖離合計値が所定の閾値以下であるか否かを調べる（ステップＳ２０３）。
【0113】
ステップＳ２０３の判断で、上述の信号乖離合計値が所定の閾値以下であった場合、処理は後述のステップＳ２０５に進む。
【0114】
ステップＳ２０３の判断で、上述の信号乖離合計値が所定の閾値を上回っていた場合、検出信号処理装置３は、励磁信号の振幅Ａを、例えば現在の設定値の１／２となるように変更する（ステップＳ２０４）。その後、処理はステップＳ２０３に戻る。
【0115】
ステップＳ２０２～ステップＳ２０４の処理により、ステップＳ２０１で設定された位相ズレ推定量ｄeに基づくタイミングで取得された第１交流信号ｙ１及び第２交流信号ｙ２の値を基準として、第１交流信号ｙ１及び第２交流信号ｙ２の値が所定範囲となるように、励磁信号の振幅Ａが変更される。
【0116】
次に、検出信号処理装置３は、ステップＳ２０２～ステップＳ２０４の処理により決定された振幅Ａで励磁信号を発生させ、例えば逐次位相シフト手法によって、位相ズレ推定量ｄeを求める（ステップＳ２０５）。
【0117】
続いて、検出信号処理装置３は、ステップＳ２０５で求めた位相ズレ推定量ｄeに基づくタイミングで第１交流信号ｙ１及び第２交流信号ｙ２の値を取得する。検出信号処理装置３は、２つの信号値から信号乖離合計値を計算し、その信号乖離合計値が所定の範囲内であるか否かを調べる（ステップＳ２０６）。所定の範囲とは、ステップＳ２０３の閾値の１／２よりも大きく、閾値以下である範囲に相当する。
【0118】
ステップＳ２０６の判断で、上述の信号乖離合計値が所定の範囲内であった場合、調整処理は終了し、現在設定されている励磁信号の振幅Ａ及び位相ズレ推定量ｄeが以降の処理で使われる。
【0119】
ステップＳ２０６の判断で、上述の信号乖離合計値が所定の範囲を外れていた場合、ステップＳ２０１で仮設定された位相ズレ推定量ｄeが適切でなかったと考えられる。従って、処理はステップＳ２０２に戻り、励磁信号の振幅Ａの調整がやり直される。振幅Ａの再調整の過程で、ステップＳ２０３では、ステップＳ２０５で取得された位相ズレ推定量ｄe（言い換えれば、最も直近に取得された位相ズレ推定量ｄe）に基づくタイミングで、第１交流信号ｙ１及び第２交流信号ｙ２の値が取得される。この結果、ステップＳ２０２～ステップＳ２０４の処理で、より適切な振幅Ａの値が得られる。
【0120】
ステップＳ２０２～ステップＳ２０６のループを反復すると、やがて、ステップＳ２０６の条件を満たす、励磁信号の振幅Ａと位相ズレ推定量ｄeの組合せが得られる。その時点で、図９に示す一連の処理が終了する。
【0121】
以上に説明したように、本実施形態の変位検出装置１００は、第１差動増幅器３１が出力する第１交流信号ｙ１の振幅、及び、第２差動増幅器３２が出力する第２交流信号ｙ２の振幅ａを調整する振幅調整部を備える。
【0122】
これにより、例えば、磁気検出ヘッド２のトランス比が変化するのに対応して、第１交流信号ｙ１及び第２交流信号ｙ２の振幅ａを自動的に変更することができる。この結果、変位の検出のために好適な波形を安定して得ることができる。
【0123】
上述の振幅ａの調整は、検出信号処理装置３の「励磁波出力」のブロックが、１次コイル２１に流れる交流電流の振幅Ａを調整することで行うことができる。この構成では、「励磁波出力」を実現する部分が、振幅調整部に相当する。
【0124】
この場合、第１差動増幅器３１及び第２差動増幅器３２のゲイン設定処理を省略することができる。従って、簡素な処理を実現できる。
【0125】
上述の振幅ａの調整は、第１差動増幅器３１及び第２差動増幅器３２の増幅ゲインを調整することで行うこともできる。この構成では、検出信号処理装置３が備える、図示しない「ゲイン変更」のブロックが、振幅調整部に相当する。
【0126】
この場合、波形の振幅ａを、より直接的に調整することができる。
【0127】
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。
【0128】
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。
【0129】
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。
【0130】
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。
【0131】
演算処理部３５における位相ズレ推定量ｄeの決定は、変位検出装置１００の使用開始時に加えて、変位検出装置１００の使用に影響しない他の適宜のタイミングで行われても良い。
【0132】
第１実施形態において、同定用励磁信号の位相シフト量Ｄを異ならせる間隔は、１０°に限定されず、例えば２０°、４５°等としても良い。
【0133】
第１実施形態において、同定用励磁信号の位相シフト量Ｄを増加させていくに従って、算出された信号乖離合計値が増大した後減少する傾向となり、信号乖離合計値の最大値を更新する見込みが薄いと判断した場合、処理を打ち切っても良い。同様に、第２実施形態において、サンプリングを反復して行うのに従って、算出された信号乖離合計値が増大した後減少する傾向となった場合は、処理を打ち切っても良い。
【0134】
図１に示す直線性較正、高速予測演算は、使用される条件に応じて適宜省略されても良い。
【0135】
第４実施形態において、励磁信号の振幅Ａの変更は１／２を乗じることで行われているが、１より小さい別の任意の数が乗じられても良い。振幅は、等比的に変更することに代えて、等差的に変更されても良い。図８及び図９に示すように振幅の変更が複数回行われても良いが、１回だけ行われても良い。差動増幅器３１，３２の増幅ゲインの変更も、上記と同様に、様々な方法で行うことができる。
【0136】
図８及び図９の例では、励磁信号の振幅Ａの初期値として最大値が設定され、必要に応じて減少するように変更されている。これに代えて、励磁信号の振幅Ａの初期値として最小値が設定され、必要に応じて増大するように変更されても良い。この場合、励磁信号の振幅の変更は、例えば、１より大きい任意の数（例えば、２）を乗じることで行うことができる。差動増幅器３１，３２の増幅ゲインの変更も、上記と同様に、様々な方法で行うことができる。
【符号の説明】
【0137】
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
１００ 変位検出装置
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
１００ 変位検出装置
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】