DE60100915T2

DE60100915T2 - Magnetfeldsensor und Positionsdetektor

Info

Publication number: DE60100915T2
Application number: DE60100915T
Authority: DE
Inventors: Yasuo Nekado
Original assignee: Sony Precision Technology Inc
Current assignee: DMG Mori Co Ltd
Priority date: 2000-03-29
Filing date: 2001-03-23
Publication date: 2004-07-22
Anticipated expiration: 2021-03-24
Also published as: EP1139069A1; US6541960B2; US20010026154A1; DE60100915D1; JP2001281308A; EP1139069B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Magnetsensor, der ein externes Magnetfeld erfasst, und einen Positionsaufnehmer, der den Magnetsensor verwendet.
2. Beschreibung des Stands der Technik
Als ein Magnetsensor, der ein externes Magnetfeld erfasst, ist einer bekannt, der Sensor vom Fluxgate-Typ genannt wird. Der Sensor vom Fluxgate-Typ umfasst einen Magnetdetektor, der aus einem Material mit hoher Permeabilität, wie beispielsweise einer Ni-Fe-Legierung hergestellt ist, einer Kern- und einer Erregerspule und einer um den Kern gewickelten Sensorspule besteht. Bei dem Sensor vom Fluxgate-Typ wird, wenn die Erregerspule in dem Magnetdetektor mit einer sinusförmigen oder rechteckigen Welle von mehreren zehn kHz angetrieben wird, die Induktivität des Kerns in dem Magnetdetektor entsprechend der Stärke eines externen Magnetfelds geändert, das auf die Erfassungsspule in der Richtung der Mittelachse der Spulenwicklung einfällt. Bei dem Sensor vom Fluxgate-Typ wird die Stärke des externen Magnetfelds durch Umwandeln einer Änderung der Kerninduktivität in eine Spannungsänderung erfasst.
Es ist bekannt, dass mit einem an den Magnetdetektor angelegten optimalem Bias-Magnetfeld der Sensor vom Fluxgate-Typ imstande sein wird, sogar ein schwaches Magnetfeld zu erfassen, das schwächer als beispielsweise 1/10-tel des Geomagnetismus ist, und ebenfalls eine Ausgabe mit einer erhöhten Linearität bereitstellt und somit einen breiteren dynamischen Ausgangsbereich aufweist. Daher sollte, wenn der Sensor vom Fluxgate-Typ verwendet wird, um ein externes Magnetfeld zu erfassen, sollte an den Magnetdetektor wünschenswerterweise ein optimales Bias-Magnetfeld angelegt werden.
Als ein dem Sensor vom Fluxgate-Typ ähnlicher Magnetsensor ist auch ein Sensor vom Magnetimpedanzeffekt-Typ bekannt, der den so genannten Magnetimpedanzeffekt (hier nachstehend MI-Effekt) verwendet. Der Sensor vom MI-Effekt-Typ umfasst keine Spule, die der Erregerspule bei dem Sensor vom Fluxgate-Typ entspricht, da die Erfassungsspule in dem Magnetdetektor direkt angetrieben wird.
Bei dem Sensor vom MI-Effekt-Typ wird, wenn die Erfassungsspule mit einem Hochfrequenzimpuls, dessen Rate einige wenige MHz bis zu mehreren zehn MHz und dessen Breite einige wenige Nanosekunden bis einigen zehn Nanosekunden beträgt, oder einer sinusförmige Welle, deren Impulsrate derjenigen des Hochfrequenzimpuls ähnlich ist, angetrieben wird, die Induktivitätskomponente so wie auch die tatsächliche Widerstandskomponente der Erfassungsspule aufgrund des Skin-Effekts des Magnetmaterials, das aus der Hochfrequenzanregung entsteht, entsprechend der Stärke eines externen Magnetfelds geändert, das auf die Erfassungsspule in der Richtung der Mittelachse der Spulenwicklung einfällt. Bei dem Sensor vom MI-Effekt-Typ wird die Stärke des externen Magnetfelds durch Umwandeln der Änderung in der Impedanz der Erfassungsspule, die eine Summe der Änderungen in der Induktivitätskomponente und der tatsächlichen Widerstandskomponente ist, in eine Spannungsänderung und Erfassen der Spannungsänderung erfasst.
Da die Stärke des externen Magnetfelds basierend auf der Impedanzänderung der Erfassungsspule erfasst wird, weist der Sensor vom MI-Effekt-Typ eine höhere Erfassungsempfindlichkeit als der oben erwähnte Sensor vom Fluxgate-Typ auf. Es ist ebenfalls bekannt, dass mit einem an den Magnetdetektor angelegten optimalen Bias-Magnetfeld der Sensor vom MI-Effekt-Typ eine höhere Erfassungsempfindlichkeit aufweisen und eine Ausgabe mit einer höheren Linearität bereitstellen wird, wobei er somit einen breiteren dynamischen Ausgangsbereich aufweist. Somit sollte, wenn der Sensor vom MI-Effekt-Typ ebenfalls verwendet wird, um ein externes Magnetfeld zu erfassen, vorzugsweise ein optimales Bias-Magnetfeld an den Magnetsensor angelegt werden.
Zum Anlegen eines Bias-Magnetfelds an den Magnetsensor des Magnetsensors ist bekannt, an den Magnetdetektor ein Magnetfeld von einem Dauermagneten anzulegen, das nahe dem Magnetdetektor angeordnet ist, und an den Magnetdetektor ein Magnetfeld anzulegen, das durch Ansteuern eines um den Magnetdetektor gewickelten Bias-Spule entwickelt wird.
In dem Fall, wenn ein Dauermagnet verwendet wird, um ein Bias-Magnetfeld an den Magnetdetektor anzulegen, wird das Magnetfeld ohne weiteres aufgrund einer Ungleichförmigkeit in der Form und dem Material des Dauermagneten geändert, was es schwierig macht, einen Dauermagneten zur Anlegung eines geeigneten Bias-Magnetfelds auszuwählen und zu positionieren. Somit ist dieses Verfahren nachteilig, weil es die Herstellungskosten erhöht und der Magnetsensor nicht stabil arbeiten kann.
Andererseits kann in dem Fall, wenn eine Bias-Spule verwendet wird, um ein Bias-Magnetfeld an den Magnetdetektor anzulegen, da die Stärke eines durch die Bias-Spule entwickelten Magnetfelds durch den Wert einer an die Bias-Spule gelieferten Stroms bestimmt wird, ein optimales Bias-Magnetfeld ohne weiteres an den Magnetdetektor des Magnetsensors angelegt werden, indem der Wert des an die Bias-Spule angelegten Stroms auf einen geeigneten Wert eingestellt wird.
Daher kann gesagt werden, dass dieses Verfahren zum Anlegen eines Bias-Magnetfeldes an den Magnetdetektor mittels einer Bias-Spule sehr wirksam sein kann.
Es sei bemerkt, dass die Ausgangskennlinie des Magnetsensors von einer Umgebung, in der der Magnetsensor verwendet wird, beispielsweise von der Umgebungstemperatur oder dergleichen um den Magnetdetektor, abhängt und sie sich verschieben wird, wenn sich die Umgebungstemperatur ändert. Bei dem Sensor vom MI-Effekt-Typ wird beispielsweise, wenn sich die Umgebungstemperatur um den Magnetdetektor ändert, die Impedanz der Erfassungsspule entsprechend der Temperaturänderung geändert, und somit wird sich die Ausgangskennlinie des Sensors verschieben. Wenn sich die Ausgangskennlinie somit verschiebt, wird sich der optimale Bias-Punkt, um die Ausgangslinearität des Magnetsensors zu verbessern, verschieben.
Wenn die Bias-Spule immer mit einem konstanten Strom angetrieben wird, wenn eine Bias-Spule verwendet wird, um ein Bias-Magnetfeld an den Magnetsensor anzulegen, ist es nicht möglich, eine Verschiebung eines optimalen Bias-Punktes aufgrund einer Änderung der Umgebungstemperatur oder dergleichen um den Magnetdetektor zu verfolgen und ein optimales Bias-Magnetfeld an den Detektor anzulegen, was möglicherweise zu einer verringerten Ausgangslinearität des Magnetsensors führt.
Ein Magnetsensor, wie er in dem Präambelteil von Anspruch 1 definiert ist, wird in der JP-A-2000055930 offenbart. Dieses Dokument zeigt einen Beschleunigungssensor, der ein Paar von Magnetsensoren umfasst, die an unterschiedlichen Abständen von einem Dauermagneten angeordnet sind. Jeder der Magnetsensoren wird mit einer Bias-Spule versehen, bei der ein Strom derart geleitet wird, dass Bias-Magnetfelder in der gleichen Richtung mit der gleichen Intensität auf die Magnetsensoren ausgeübt werden können. Dieser bekannte Beschleunigungssensor kann nicht durch ein turbulentes Magnetfeld etc. beeinflusst werden, wobei jedoch keine Mittel zum Ausgleich von Einflüssen bereitgestellt werden, die aus der Änderung der Umgebungstemperatur resultieren.
Die US-A-5952825 offenbart eine Magnetfeldabtastvorrichtung mit einer Mehrzahl von integrierten Magnetfeldsensoren, die auf einem einzigen Halbleiterchip ausgebildet sind. Eine Mehrzahl spiralförmiger Spulen ist angeordnet, um einen gemeinsamen Strom zu führen und Magnetfelder zu erzeugen, die für den Test, die Kompensation, die Kalibrierung und Rückkopplungsanwendungen nützlich sind. Insbesondere kann diese bekannte Abfühlvorrichtung für extrem kleine Magnetfeldsensorvorrichtungen und Wandler verwendet werden.
Die US-A-5970026 offenbart eine temperaturinvariante, magnetooptische Modulationsspulensteuerschaltung mit einem temperaturkompensierten Magnetfeld-Entwicklungsmittel. Diese bekannte Schaltung ist zum Liefern eines Stroms an einen Magnetkopf zum Anlegen eines Magnetfelds an eine magnetooptische Platte beim Aufzeichnen von Daten in der magnetooptischen Platte bestimmt. Es wird keine Anwendung für einen Magnetsensor oder Positionsaufnehmer offenbart.
AUFGABE UND ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die oben erwähnten Nachteile des Stands der Technik durch Bereitstellen eines Magnetsensors, der ein externes Magnetfeld gut erfassen kann, sogar wenn sich die Umgebungstemperatur oder dergleichen um einen Magnetdetektor des Magnetsensors ändert, indem immer ein optimales Bias-Magnetfeld an den Magnetdetektor angelegt wird, und eines den Magnetdetektor verwendenden Positionsaufnehmers zu überwinden.
Die obige Aufgabe kann durch Bereitstellen eines Magnetsensors mit einer Mehrzahl von Sensoreinheiten erreicht werden. Jede der Mehrzahl von Sensoreinheiten umfasst einen Magnetsensor und ein Magnetfeld-Entwicklungsmittel zum Anlegen eines Bias-Magnetfelds an den Magnetdetektor. Der Magnetsensor umfasst ferner Mittel zum Antreiben und Steuern des Bias-Magnetfeld-Entwicklungsmittel in der Mehrzahl von Sensoreinheiten.
Gemäß der vorliegenden Erfindung überwacht bei dem Magnetsensor das Treiber/Steuermittel eine Ausgabe von dem Magnetdetektor in einer der Mehrzahl von Sensoreinheiten und treibt und steuert das Bias-Magnetfeld-Entwicklungsmittel in der Mehrzahl von Sensoreinheiten für den überwachten Magnetdetektor, um eine konstante Ausgabe zu liefern.
Bei dem obigen Magnetsensor erfassen die Magnetdetektoren der Sensoreinheiten ein externes Magnetfeld. Zu diesem Zeitpunkt werden an die Magnetdetektoren jeweils Bias-Magnetfelder angelegt, die von dem Bias-Magnetfeld-Entwicklungsmittel entwickelt und von dem Treiber/Steuermittel getrieben und gesteuert werden. Das Treiber/Steuermittel überwacht die Ausgabe von dem Magnetdetektor in einer der Mehrzahl von Sensoreinheiten und treibt und steuert das Bias-Magnetfeld-Entwicklungsmittel der Mehrzahl von Sensoreinheiten für den überwachten Magnetdetektor, um eine konstante Ausgabe zu liefern.
Daher kann, sogar wenn sich die Umgebungstemperatur oder dergleichen um die Magnetdetektoren ändert, das Bias-Magnetfeld-Entwicklungsmittel immer ein optimales Bias-Magnetfeld an die Magnetdetektoren anlegen, um die Ausgangslinearität zu verbessern.
Die obige Aufgabe kann ebenfalls durch Bereitstellen eines Positionsaufnehmers unter Verwendung des oben erwähnten Magnetsensors erreicht werden. Der Positionsaufnehmer umfasst ein Magnetfeld-Entwicklungsmittel zum Entwickeln eines Magnetfelds, dessen Stärke und Richtung entsprechend einer Position des Magnetfeld-Entwicklungsmittels geändert werden, und eine Mehrzahl von Sensoreinheiten, die bezüglich des Magnetfeld-Entwicklungsmittels bewegbar sind.
Jede der Mehrzahl von Sensoreinheiten umfasst einen Magnetdetektor und ein Bias-Magnetfeld-Entwicklungsmittel zum Anlegen eines Bias-Magnetfelds an den Magnetdetektor. Der Positionsaufnehmer umfasst ferner ebenfalls Mittel zum Treiben und Steuern des Bias-Magnetfeld-Entwicklungsmittels in jeder der Sensoreinheiten und Mittel zum Erfassen einer bewegten Position jeder der Mehrzahl von Sensoreinheiten bezüglich dem Magnetfeld-Entwicklungsmittel auf der Grundlage einer Ausgabe von dem Magnetdetektor in jeder der Mehrzahl von Sensoreinheiten. Bei diesem Positionsaufnehmer überwacht das Treiber/Steuermittel die Ausgabe von dem Magnetdetektor in einer der Mehrzahl von Sensoreinheiten und treibt und steuert das Bias-Magnetfeld-Entwicklungsmittel in jeder der Mehrzahl von Sensoreinheiten für den überwachten Magnetdetektor, um eine konstante Ausgabe zu liefern.
Bei dem obigen Positionsaufnehmer wird, wenn sich die Mehrzahl von Sensoreinheiten mit Bezug auf das Magnetfeld-Entwicklungsmittel bewegt, ein der Position des Magnetfeld-Entwicklungsmittels entsprechendes Magnetfeld auf die Mehrzahl von Sensoreinheiten einfallen. Das Magnetfeld von dem Magnetfeld-Entwicklungsmittel, das auf die Mehrzahl von Sensoreinheiten einfällt, wird von den Magnetdetektoren in den Sensoreinheiten erfasst. Zu diesem Zeitpunkt werden an die Magnetdetektoren jeweils Bias-Magnetfeldern angelegt, die von dem Bias-Magnetfeld-Entwicklungsmittel entwickelt und von dem Treiber-Steuermittel getrieben und gesteuert werden. Das Treiber-Steuermittel überwacht die Ausgabe einer der Magnetdetektoren in der Mehrzahl von Sensoreinheiten und treibt und steuert das Bias-Magnetfeld-Entwicklungsmittel in der Mehrzahl von Sensoreinheiten für den überwachten Magnetdetektor, um eine konstante Ausgabe zu liefern. Daher kann, sogar wenn sich die Umgebungstemperatur oder dergleichen um die Magnetdetektoren ändert, das Bias-Magnetfeld-Entwicklungsmittel immer optimale Bias-Magnetfelder an die Magnetdetektoren anlegen. Die Ausgaben der Magnetdetektoren in der Mehrzahl von Sensoreinheiten werden an die Erfassungsmittel geliefert. Die Erfassungsmittel erfassen relative Positionen der Mehrzahl von Sensoreinheiten zu dem Magnetfeld-Entwicklungsmittel auf der Grundlage der Ausgaben von den Magnetdetektoren.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann, sogar wenn sich die Umgebungstemperatur oder dergleichen um die Magnetdetektoren zum Erfassen eines Magnetfelds ändert, ein optimales Bias-Magnetfeld immer an die Magnetdetektoren angelegt werden, um das externe Magnetfeld mit einer höheren Genauigkeit zu erfassen.
Diese Aufgaben und weitere Aufgaben; Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen offensichtlich.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform des Positionsaufnehmers gemäß der vorliegenden Erfindung, die schematisch dessen Aufbau zeigt;
2 ist eine Draufsicht der Magnetfeld-Entwicklungselemente der Skale;
3 ist eine Draufsicht der aus einer Kombination der Magnetfeld-Entwicklungselemente gebildeten Skale;
4 ist eine perspektivische Ansicht des Magnetsensors, die dessen Aufbau schematisch darstellt;
5 ist eine Draufsicht jeder der Sensoreinheiten des Magnetsensors von deren Endfläche;
6 ist eine Schnittansicht, die entlang der Linie A-A in 5 genommen ist;
7 ist eine Schnittansicht, die entlang der Linie B-B in 5 genommen ist;
8 ist eine auseinander gezogene Schnittansicht einer in der Sensoreinheit vorgesehenen Kerneinheit;
9 ist eine Draufsicht der Kerneinheit, auf der eine Sensorspule gewickelt ist;
10 ist ein Schaltbild einer in dem Positionsaufnehmer bereitgestellten Treiber/Erfassungsschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung;
11 zeigt die Ausgangskennlinie des Positionsaufnehmers gemäß der vorliegenden Erfindung;
12 zeigt Beziehungen zwischen der Ausgabe des Positionsaufnehmers gemäß der vorliegenden Erfindung und dem Geomagnetismus und zwischen der Ausgabe eines vergleichbaren Positionsaufnehmers und dem Geomagnetismus;
13 zeigt Änderungen in der Ausgabe des Positionsaufnehmers gemäß der vorliegenden Erfindung, wenn sich die Umgebungstemperatur um den Magnetsensor ändert;
14 zeigt Änderungen in der Ausgabe des vergleichbaren Positionsaufnehmers, wenn sich die Umgebungstemperatur um den Magnetsensor ändert;
15 ist eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform des Positionsaufnehmers gemäß der vorliegenden Erfindung; und
16 ist eine perspektivische Ansicht einer noch weiteren Ausführungsform des Positionsaufnehmers gemäß der vorliegenden Erfindung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Mit Bezug nun auf 1 ist dort in der Form einer perspektivischen Ansicht der Aufbau einer Ausführungsform des Positionsaufnehmers gemäß der vorliegenden Erfindung schematisch dargestellt. Der Positionsaufnehmer wird allgemein mit einer Bezugsziffer 1 angegeben. Wie es gezeigt ist, umfasst der Positionsaufnehmer 1 eine Skale 10, die ein Magnetfeld entwickelt, dessen Stärke und Richtung sich linear abhängig von der Skale 10 und einem Magnetfeldsensor 20 ändert, der ein von der Skale 10 entwickeltes Magnetfeld erfasst. Entweder die Skale 10 oder der Magnetfeldsensor 20 ist an einem beweglichen Teil befestigt, das ein linear bewegliches Teil einer Werkzeugmaschine, industriellen Roboters oder dergleichen ist, während das andere an einem stationären Teil der Werkzeugmaschine, industriellen Roboters oder dergleichen befestigt ist. Wenn sich das bewegliche Teil der Werkzeugmaschine, industriellen Roboters oder dergleichen linear bewegt, wird der Magnetfeldsensor 20 mit Bezug auf die Skale 10 entlang der Mittellinie A der Skale 10 bewegt, erfasst ein von der Skale 10 entwickeltes Magnetfeld an jeder bewegten Position derselben und liefert ein dem erfassten Magnetfeld entsprechendes elektrisches Signal.
Bei dem Positionsaufnehmer 1 wird ein elektrisches Signal, das von dem Magnetfeldsensor 20 gelieferte Positionsdaten angibt, an eine Treiber/Erfassungsschaltung (in 1 nicht gezeigt) geliefert. Dann erfasst die Treiber/Erfassungsschaltung einen Betrag der Bewegung und eine bewegte Position des Magnetfeldsensors 20 bezüglich der Skale 10 auf der Grundlage des von dem Magnetfeldsensor 20 gelieferten elektrischen Signals, um dadurch einen Betrag der Bewegung und die zurückgelegte Entfernung des beweglichen Teils der Werkzeugmaschine, industriellen Roboters oder dergleichen zu erfassen. Es sei bemerkt, dass die vorliegende Erfindung hier nachstehend ausführlicher hinsichtlich des Positionsaufnehmers 1 beschrieben wird, bei dem die wirksame Länge für die Erfassung auf 40 mm eingestellt ist, so dass er einen Betrag der Bewegung und die zurückgelegte Position eines beweglichen Teils geeignet erfassen kann, das sich linear in einem Bereich von maximal 40 mm bewegt.
Die Skale 10 besteht aus ersten bis vierten Magnetfeld-Entwicklungselementen 11, 12, 13 und 14, die jeweils beispielsweise aus einer trapezförmigen Platte eines Ferritkunststoffmagneten gebildet werden. Diese ersten bis vierten Magnetfeld-Entwicklungselemente 11, 12, 13 und 14 sind zueinander von identischer Form und in einer Richtung senkrecht zu den Hauptseiten derselben magnetisiert. Es sei bemerkt, dass das Material der ersten bis vierten Magnetfeld-Entwicklungselemente 11, 12, 13 und 14 nicht auf den oben beschriebenen Ferritkunststoffmagneten begrenzt ist, sondern aus einem SmCo-Magneten, NdFeB-Magneten, gesinterten Magnet, FeMn- und AlNiCo-Legierungsmagneten, etc. ausgewählt werden kann.
Wie es in 2 gezeigt ist, umfasst jedes der oben erwähnten Magnetfeld-Entwicklungselemente 11, 12, 13 und 14 erste und zweite Seiten 15 und 16, die parallel zueinander sind, eine dritte Seite, die senkrecht zu den ersten und zweiten Seiten 15 und 16 ist, und eine vierte Seite 18, die einen spitzen Winkel mit der ersten Seite 15 bildet. Die erste Seite 15 weist beispielsweise eine Länge L1 von ungefähr 1,8 mm, die zweite Seite 16 eine Länge L2 von ungefähr 0,35 mm und die dritte Seite 17 eine Länge L3 von ungefähr 23 mm auf.
Wie es in 3 gezeigt ist, werden die Magnetfeld-Entwicklungselemente 11, 12, 13 und 14 zusammengebaut, um die Skale 10 zu bilden. Genauer gesagt werden die ersten und zweiten Magnetfeld-Entwicklungselemente 11 und 12 angeordnet, um gegenseitig an ihren dritten Seiten 17 aneinander zu stoßen, so dass ihre Magnetisierungsrichtungen entgegengesetzt zueinander sind, während die dritten und vierten Magnetfeld-Entwicklungselemente 13 und 14 angeordnet sind, um gegenseitig an ihren dritten Seiten 17 aneinander zu stoßen, so dass ihre Magnetisierungsrichtungen entgegengesetzt zueinander sind. Die ersten und dritten Magnetfeld-Entwicklungselemente 11 und 13 sind angeordnet, um einen vorbestimmten Luftspalt an ihren zweiten Seiten 16 zu bilden, so dass ihre Magnetisierungsrichtungen entgegengesetzt zueinander sind, während die zweiten und vierten Magnetfeld-Entwicklungselemente 12 und 14 angeordnet sind, um einen vorbestimmten Luftspalt zwischen ihren zweiten Seiten 16 zu bilden, so dass ihre Magnetisierungsrichtungen entgegengesetzt zueinander sind.
Die somit aus dem Zusammenbau der ersten bis vierten Magnetfeld-Entwicklungselemente 11, 12, 13 und 14 gebildete Skale 10 weist wie obenstehend beispielsweise eine Gesamtlänge L10 von ungefähr 52 mm in ihrer Längsrichtung, eine Breite B1 von ungefähr 3,6 mm beispielsweise an jedem ihrer longitudinalen äußeren Ende und eine Breite B2 von ungefähr 0,7 mm beispielsweise an ihren inneren Enden entgegengesetzt zueinander mit den vorbestimmten Luftspalten zwischen den Seiten 16 auf.
Die somit aufgebaute Skale 10 entwickelt ein Magnetfeld, dessen Stärke und Richtung sich linear an jeder longitudinalen Position entlang einer Mittellinie A in 1 ändert. Genauer gesagt zeigt eine Komponente des von der Skale 10 entwickelten Magnetfelds, die an der Mittellinie A erfasst und parallel zu den Hauptseiten jeder der Magnetfeld-Entwicklungselemente 11, 12, 13 und 14 ist, eine Stärke, die allmählich kleiner wird, wenn man von den longitudinalen äußeren Enden der Skale 10 zu einem Mittelabschnitt der Skale 10 geht, wo die Luftspalten wie obenstehend definiert sind.
Die Magnetisierungsrichtung wird an der longitudinalen Mitte der Skale 10 invertiert. Daher wird eine an der Mittellinie A der Skale 10 existierende Magnetfeldkomponente, die parallel zu den Hauptseiten der Magnetfeld-Entwicklungselementen 11, 12, 13 und 14 ist, Positionsdaten in der Längsrichtung der Skale 10 angeben, und somit kann eine Längsposition der Skale 10 durch Erfassen der Magnetfeldkomponente erfasst werden. Insbesondere ist es mit der Skale 10 möglich, eine Magnetfeldänderung zu erhalten, die eine hohe Linearität in einem Bereich von ungefähr 40 mm mit Ausnahme eines Teils an jedem longitudinalen äußeren Ende der Skale 10 aufweist, und eine bewegten Position des Magnetfeldsensors 20 bezüglich der Skale 10 kann mit hoher Genauigkeit durch Bewegen des Magnetfeldsensors 20 bezüglich der Skale 10 innerhalb des obigen Bereichs (dieser Bereich wird als eine wirksame Länge für die Erfassung genommen) erfasst werden.
Wie es ebenfalls in 4 gezeigt ist, umfasst der Magnetfeldsensor 20 ein Substrat 21, das wie eine rechtwinklige Platte ausgebildet ist und einen darin ausgebildeten Schnitt 21A aufweist, der die Hauptseiten derselben in zwei Bereiche teilt. Auf der Hauptseite des Substrats 21 sind erste und zweite Sensoreinheiten 22 und 23 in den beiden, durch den Schnitt 21a geteilten Bereichen installiert. In dem Schnitt 21a in dem Substrat 21 ist ebenfalls eine magnetische Abschirmplatte 24 eingepasst, die aus einem Magnetmaterial, wie beispielsweise Fe, hergestellt ist und eine Dicke von ungefähr 1 mm aufweist. Die magnetische Abschirmplatte 24 wird bereitgestellt, um es den ersten und zweiten Sensoreinheiten 22 und 23 zu ermöglichen, ein lokales externes Magnetfeld, wie beispielsweise ein Magnetfeld von der Skale 10, mit einer Differenz in der magnetischen Empfindlichkeit zwischen ihnen zu erfassen. Bei dem Magnetfeldsensor 20 wird eine der Hauptseiten des Substrats 21, an der die ersten und zweiten Sensoreinheiten 22 und 23 installiert sind, und die andere Seite des Substrats 21, mit der eine Signalleitung (nicht gezeigt) verbunden ist, mit einem aus einem Harz oder dergleichen gebildeten Schutzmaterial 25 abgedeckt.
Wie es in den 5 bis 7 gezeigt ist, umfasst jede der ersten und zweiten Sensoreinheiten 22 und 23 einen aus einem Harz oder dergleichen gebildeten zylindrischen Spulenkörper 26, eine um den Spulenkörper 26 gewickelte Bias-Spule 27, eine in ein Mittelloch 26a in dem Spulenkörper 26 eingefügte Kerneinheit 28 und eine um die Kerneinheit 25 gewickelte Sensorspule 29. Es sei bemerkt, dass 5 eine Draufsicht der ersten und zweiten Sensoreinheiten 22 und 23 von der Endfläche des Spulenkörpers 26, 6 eine entlang der Linie A-A in 5 genommene Schnittansicht und 7 eine entlang der Linie B-B in 5 genommene Schnittansicht ist.
Der Spulenkörper 26 weist beispielsweise eine longitudinale Länge L20 von ungefähr 5 mm und einen Durchmesser L21 von ungefähr 1,4 mm an dessen äußeren Oberfläche auf, auf der die Bias-Spule 27 gewickelt ist. Das Mittelloch 26a, in das die Kerneinheit 28 des Spulenkörpers 26 eingefügt ist, weist beispielsweise einen Durchmesser L22 von ungefähr 0,8 mm auf.
Die Bias-Spule 27 wird bereitgestellt, um die Ausgangslinearität der ersten und zweiten Sensoreinheiten 22 und 23 mit Bezug auf ein externes Magnetfeld zu verbessern. Sie wird aus einem Cu-Draht mit einem Durchmesser von 30 μm gebildet, der im Wesentlichen über eine ganze äußere Oberfläche des Spulenkörpers 26 gewickelt wird. Genauer gesagt wird die Bias-Spule 27 beispielsweise aus 740 Windungen des um die äußere Oberfläche des Spulenkörpers 26 gewickelten Cu-Drahts gebildet, und die Spulenlänge beträgt ungefähr 4 mm.
Die Bias-Spulen 27 der ersten bzw. zweiten Sensoreinheiten 22 und 23 sind parallel zueinander verbunden und in einer Treiber/Erfassungsschaltung eingebaut, die später beschrieben wird. Die Bias-Spulen 27 der ersten und zweiten Sensoreinheiten 22 und 23 werden ebenfalls mit einem Gleichstrom von der Treiber/Erfassungsschaltung getrieben, um Bias-Magnetfelder zu entwickeln, die die Ausgangslinearität der ersten und zweiten Sensorschaltungen 22 und 23 verbessern.
Wie es in 8 gezeigt ist, umfasst die Kerneinheit 28 eine aus einer nichtmagnetischen Metallplatte oder dergleichen hergestellte Kernbasis 30, die nahe in ihrer Mitte ausgebildete Schnitte 30a aufweist, und einen Kern 31, der aus einem Material hoher Permeabilität, wie beispielsweise einer Ni-Fe-Legierung, hergestellt ist. Der Kern 31 ist an der Kernbasis 30 befestigt, um die Kerneinheit 28 zu bilden. Die Sensorspule 29 ist um die Kernbasis 30 und dem an der Kernbasis 30 befestigten Kern 31 und in den in der Kernbasis 30 ausgebildeten Schnitten 30a gewickelt.
Wie es in 9 gezeigt ist, wird die Sensorspule 29 aus einem Cu-Draht von ungefähr 30 μm Durchmesser gebildet, der beispielsweise gewickelt ist, um eine Einfachschicht auf der Kernbasis 30 und dem Kern 31 und in den Schnitten 30a in der Kernbasis 30 zu bilden. Genauer gesagt wird die Sensorspule 29 aus 50 Windungen des Cu-Drahts koaxial mit den Bias-Spulen 27 auf der Kernbasis 30 und dem Kern und in den Schnitten 30a gebildet. Die Länge der Sensorspule 29 beträgt ungefähr 1 mm.
Die Sensorspulen 29 der ersten Sensoreinheiten 22 und 23 sind parallel zueinander verbunden, um eine Brückenschaltung zu bilden, und in der Treiber/Erfassungsschaltung eingebaut, die später weiter beschrieben wird. Die Sensorspulen 29 der ersten und zweiten Sensoreinheiten 22 und 23 werden von der Treiber/Erfassungschaltung gleichphasig miteinander mit einer hohen Frequenz angetrieben. Dadurch werden die ersten und zweiten Sensoreinheiten 22 und 23 Magnetfelder in den gleichen Richtungen entwickeln, wie es mit einem Pfeil B in 9 angegeben ist.
Der wie obenstehend aufgebaute Magnetfeldsensor 20 kann mit einer hohen Empfindlichkeit ein externes Magnetfeld erfassen, das auf die ersten und zweiten Sensoreinheiten 22 und 23 entlang deren longitudinalen Richtung einfällt, d. h. ein externes Magnetfeld parallel zu der Richtung eines von der Sensorspule 29 entwickelten Magnetfelds. Der Magnetfeldsensor 20 ist über der Skale 10 bewegbar mit Bezug auf die letztere auf eine solche Art und Weise angeordnet, dass die Richtung, in der er das externe Magnetfeld mit der hohen Empfindlichkeit (magnetische Erfassungsrichtung) erfassen kann, mit der Breitenrichtung der Skale 10 koinzidieren wird, die mit dem Pfeil Y in 1 angegeben wird, und die ersten und zweiten Sensoreinheiten 22 und 23 unterschiedliche Positionen in der Z-Richtung, die mit dem Pfeil Z in 1 angegeben sind, senkrecht zu der X-Richtung, die die Längsrichtung (relative Bewegungsrichtung des Magnetfeldssensors 20) der Skale 10 ist, sowie auch zu der Y-Richtung, die die Breitenrichtung der Skale 10 ist, annehmen werden.
Bei dem obigen Positionsaufnehmer 1 wird, wenn sich das bewegliche Teil der Werkzeugmaschine, des industriellen Roboters oder dergleichen linear bewegt, der Magnetfeldsensor 22 linear über die Skale 10 entlang der Mittellinie A der letzteren bewegt. Mit dieser linearen Bewegung des Magnetfeldsensors 20 über die Skale 10 entlang der Mittellinie A wird die Stärke und Richtung eines auf den Magnetfeldsensor 20 von der Skale 10 einfallenden Magnetfelds linear geändert. Somit wird sich die Impedanz der Sensorspule 20, die mit einer hohen Frequenz von der Treiber/Erfassungsschaltung angetrieben wird, linear entsprechend einer bewegten Position des Magnetfeldsensors 20 mit Bezug auf die Skale 10 ändern. Bei dem Positionsaufnehmer 1 wird die Änderung der Impedanz der Sensorspule 29, die somit entsprechend der bewegten Position des Magnetfeldsensors 20 bezüglich der Lage 10 geändert wurde, in eine Spannungsänderung umgewandelt, und diese Spannungsänderung wird erfasst, um dadurch einen Betrag der Bewegung des Magnetfeldsensors 20 bezüglich der Skale 10 zu erfassen, d. h. einen Betrag der Bewegung und die bewegte Position des beweglichen Teils der Werkzeugmaschine, industriellen Roboters oder dergleichen, an dem der Magnetfeldsensor 20 oder die Skale 10 befestigt ist.
In dem Positionsaufnehmer 1 wird, da die Sensoreinheiten 22 und 23 des Magnetfeldsensors 20 in unterschiedlichen Positionen in der Z-Richtung angeordnet sind, wie es in 1 gezeigt ist, ebenfalls eine Differenz zwischen den auf die ersten und zweiten Sensoreinheiten 22 bzw. 23 von der Skale 10 einfallenden Magnetfeldern auftreten. Insbesondere wird in dem Fall, wenn die magnetische Abschirmplatte 24 zwischen den ersten und zweiten Sensoreinheiten 22 und 23 angeordnet ist, das Magnetfeld von der Skale 10 von der magnetischen Abschirmplatte 24 blockiert, so dass das Magnetfeld von der Skale 10 nur auf die erste Sensoreinheit 22 und kaum auf die zweite Sensoreinheit 23 einfallen wird. Das heißt, dass die Differenz zwischen den einfallenden Magnetfeldern, die auf die ersten und zweiten Sensoreinheiten 22 bzw. 23 einfallen, sehr groß sein wird.
Bei dem Positionsaufnehmer 1 wird, da eine Differenz zwischen den auf die ersten und zweiten Sensoreinheiten 22 und 23 von der Skale 10 einfallenden Magnetfeldern wie obenstehend auftritt, eine Differenz in der Ausgabe zwischen den ersten und zweiten Sensoreinheiten erfasst, um einen Betrag der Bewegung und eine bewegte Position des Magnetfeldsensors 20 bezüglich der Skale 10 zu erfassen, d. h. einen Betrag der Bewegung und eine bewegte Position des beweglichen Teils der Werkzeugmaschine, industriellen Roboters oder dergleichen. Somit kann der Positionsaufnehmer 1 mit einer hohen Genauigkeit den Betrag der Bewegung und die bewegte Position des beweglichen Teils erfassen, während eine Ausgabeänderung aufgrund elektrischen Rauschens und eine Temperaturänderung, die den Magnetfeldsensor 20 beeinflussen, aufgehoben wird.
Bei dem Positionsaufnehmer 1 ermöglicht ferner, da die ersten und zweiten Sensoreinheiten 22 und 23 gleichphasig miteinander getrieben werden, die Bestimmung der Ausgangsdifferenz einen Einfluss eines externen Magnetfelds, wie beispielsweise des Geomagnetismus, das gleichphasig und gleichförmig auf die ersten und zweiten Sensoreinheiten 22 und 23 einfällt, aufzuheben, was es möglich machen wird, mit einer höheren Genauigkeit den Betrag der Bewegung und die bewegte Position des beweglichen Teils zu erfassen.
Die in dem Positionsaufnehmer 1 bereitgestellte Treiber/Erfassungsschaltung wird hier nachstehend beschrieben. Die in dem Positionsaufnehmer 1 bereitgestellte Treiber/Erfassungsschaltung wird allgemein mit einer Bezugsziffer 40 in 10 angegeben. Wie es gezeigt ist, umfasst sie einen Schwingkreis 41, eine Verknüpfungsschaltung 42, die einen Treiberstrom an die Sensorspule 29 (hier nachstehend als "erste Sensorspule 29a" bezeichnet) der ersten Sensoreinheit 22 und die Sensorspule 29 (hier nachstehend als "zweite Sensorspule 29b" bezeichnet) der zweiten Sensoreinheit 23 auf der Grundlage eines Impulssignals von dem Schwingkreis 41 schaltet, eine erste Glättungsschaltung 43, die eine Ausgangsspannung der ersten Sensorspule 29a erfasst und glättet, eine zweite Glättungsschaltung 44, die eine Ausgangsspannung der zweiten Sensorspule 29b erfasst und glättet, eine Differenzverstärkungsschaltung 45, die eine Differenz zwischen den Ausgangsspannungen von den ersten und zweiten Glättungsschaltungen 43 und 44 erfasst und ein Differenzsignal liefert, und eine Bias-Schaltung 46, die die Bias-Spule 27 (hier nachstehend als "erste Bias-Spule 27a" bezeichnet) der ersten Sensoreinheit 22 und die Bias-Spule 27 (hier nachstehend als "zweite Bias-Spule 27" bezeichnet) der zweiten Sensoreinheit 23 treibt und steuert.
Der obige Schwingkreis 41 erzeugt ein Hochfrequenzimpulssignal, dessen Frequenz 1 MHz und Impulsbreite 100 ns beträgt. Da der in 10 gezeigte Schwingkreis 41 von einem Multivibratortyp ist, umfasst er eine kleinere Anzahl von Teilen und kann somit kostengünstig erzeugt werden. Der Schwingkreis 41 führt ebenfalls eine RC-Schwingung aus, so dass er nicht die Charakteristika der Sensorspulen 29a und 29b beeinflussen wird. Es sei bemerkt, dass der Schwingkreis 41 einer sein kann, der einen Colpitts-Oszillator oder Kristalloszillator verwendet.
Die Verknüpfungsschaltung 42 schaltet einen Treiberstrom durch die ersten und zweiten Sensorspulen 29a und 29b entsprechend dem Hochfrequenzimpulssignal von dem Schwingkreis 41.
Es sei bemerkt, dass die Sensorspulen 29a und 29b mit einer sinusförmigen Welle angetrieben werden können. Das Impulssignal ist jedoch vorteilhaft, weil es eine Hochfrequenzkomponente enthält und so die Sensorspulen 29a und 29b wirksam antreiben kann, sein Tastverhältnis eingestellt werden und somit zu einem verringerten Leistungsverbrauch beitragen kann, und weil es eine Gleichstromkomponente enthält und somit der Punkt der Impedanzänderung mit Bezug auf ein externes Magnetfeld frei geändert werden kann. Daher sollten die Sensorspulen 29a und 29b wünschenswerterweise mit einer gepulsten Welle angetrieben werden.
Wie es oben erwähnt ist, sind die ersten und zweiten Sensorspulen 29a und 29b parallel zueinander verbunden, um eine Brückenschaltung zu bilden, und in der Treiber/Erfassungsschaltung 40 eingebaut. Genauer gesagt ist die erste Sensorspule 29a mit einem Ende derselben mit einer Leistungsquelle 47 über einen Brückenwiderstand 48 und das andere Ende mit der Verknüpfungsschaltung 42 verbunden. Die zweite Sensorspule 29b ist mit einem Ende derselben mit der Leistungsquelle 47 über einen Brückenwiderstand 49 und an dem anderen Ende mit der Verknüpfungsschaltung 42 verbunden. Die Sensorspulen 29a und 29b, die somit parallel zueinander verbunden und in der Treiber/Erfassungsschaltung 40 eingebaut sind, werden von der Verknüpfungsschaltung 42 geschaltet und somit gleichphasig miteinander getrieben und gleichphasig miteinander mit einer hohen Frequenz angeregt.
Die erste Glättungsschaltung 43 umfasst eine Diode 50, deren eine Kathode mit einer Verbindungsstelle der ersten Sensorspule 29a und eines Brückenwiderstands 48 verbunden ist, einen Widerstand 51, der an dessen einem Ende mit der Leistungsquelle 47 und an dem anderen Ende mit einer Anode der Diode verbunden ist, und einen Kondensator 52, der an dessen einem Ende mit dem Massepotential und an dem anderen Ende mit der Anode der Diode 50 verbunden ist. Die erste Glättungsschaltung 43 wird bereitgestellt, um eine an der mit einer hohen Frequenz angeregten ersten Sensorspule 29a erzeugte Spannung zu glätten.
Auf ähnliche Weise umfasst die zweite Glättungsschaltung 44 eine Diode 53, deren eine Kathode mit einer Verbindungsstelle der zweiten Sensorspule 29b und eines Brückenwiderstands 49 verbunden ist, einen Widerstand 54, der an dessen einem Ende mit der Leistungsquelle 47 und an dem anderen Ende mit einer Anode der Diode 53 verbunden ist, und einen Kondensator 55, der an dessen einem Ende mit dem Massepotential und an dem anderen Ende mit der Anode der Diode 53 verbunden ist. Die zweite Glättungsschaltung 44 wird bereitgestellt, um eine Spannung zu glätten, die an der mit einer hohen Frequenz angeregten zweiten Sensorspule 29b erzeugt wird.
Die obige Differenzverstärkungsschaltung 45 ist an ihrem negativen Eingangsanschluss mit der Anode der Diode 50 in der ersten Glättungsschaltung 43 über einen Widerstand 56 und an einem positiven Eingangsanschluss mit der Anode der Diode 53 in der zweiten Glättungsschaltung 44 über einen Widerstand 57 verbunden. Die Differenzverstärkungsschaltung 45 wird bereitgestellt, um eine Differenz zwischen einer von der ersten Sensorspule 29a erzeugten und von der ersten Glättungsschaltung 43 geglätteten Spannung und eine von der zweiten Sensorspule 29b erzeugten und von der zweiten Glättungsschaltung 44 geglätteten Spannung zu verstärken.
Die Bias-Schaltung 46 wird bereitgestellt, um die ersten und zweiten Bias-Spulen 27a und 27b zu treiben und zu steuern, um die Impedanzänderung der ersten und zweiten Sensorspulen 29a und 29b aufgrund eines Magnetfelds zu verbessern, und ein geeignetes Bias-Magnetfeld an die ersten und zweiten Sensoreinheiten 22 und 23 anzulegen.
Die Bias-Schaltung 46 umfasst einen Operationsverstärker 58, der an seinem negativen Eingangsanschluss mit einer von der ersten Sensorspule 29a gelieferten und von der ersten Glättungsschaltung 43 geglätteten Spannung und an einem positiven Eingangsanschluss mit einer gewünschten Spannung versorgt wird. Der Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers 56 ist mit den ersten und zweiten Bias-Spulen 27a und 27b verbunden.
Die somit aufgebaute Bias-Schaltung 46 kann die ersten und zweiten Bias-Spulen 27a und 27b, die mit dem Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers 58 verbunden sind, gemäß einer an den positiven Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 58 gelieferten, gewünschten Spannung treiben und steuern und somit immer die in der ersten Sensorspule 29a erzeugte und von der ersten Glättungsspannung 43 geglättete Spannung auf die gewünschte Spannung abgleichen, die an den positiven Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 58 geliefert wird. Somit kann, sogar wenn eine Änderung der Umgebungstemperatur um den Magnetfeldsensor 20 eine Änderung in der Impedanz der ersten und zweiten Sensorspule 29a und 29b verursacht hat, immer ein optimales Bias-Magnetfeld an die ersten und zweiten Sensoreinheiten 22 und 23 angelegt werden, wodurch die Ausgangslinearität verbessert werden kann.
Da die ersten und zweiten Sensorspulen 29a und 29b mit einem Hochfrequenzimpulssignal getrieben werden, ist eine Gleichstromkomponente bereits an die Sensorspulen 29a und 29b angelegt. Daher wird sich der optimale Bias-Magnetisierungsbetrag für eine beste Änderung in der Impedanz der ersten und zweiten Sensorspulen 29a und 29b aufgrund eines externen Magnetfelds von der Anlegung eines Bias-Magnetfelds in der gleichen Richtung wie die angeregte und getriebene Richtung der Sensorspulen 29a und 29b von der Anlegung eines Bias-Magnetfelds in einer zu der angeregten und angetriebenen Richtung der Sensorspulen 29a und 29b entgegengesetzten Richtung unterscheiden. Somit muss in einem Fall, wenn ein Bias-Magnetfeld in einer entgegengesetzten Richtung zu der angeregten und von den Sensorspulen 29a und 29b getriebenen Richtung angelegt wird, größer und stärker als ein Bias-Magnetfeld sein, das in der gleichen Richtung wie die angeregte und getriebene Richtung der Sensorspule 29a und 29b angelegt wird.
In dem Fall, dass ein Bias-Magnetfeld in einer entgegengesetzten Richtung zu der angeregten und getriebenen Richtung der Sensorspulen 29a und 29b angelegt wird, muss ein relativ starkes Magnetfeld wie obenstehend angelegt werden. In diesem Fall kann jedoch die Empfindlichkeit des Magnetfeldsensors 20 gegen ein externes Magnetfeld relativ niedrig sein, wobei eine Impedanzänderung nahezu die gleiche wie diejenige sein würde, wenn ein Bias-Magnetfeld in der gleichen Richtung wie die angeregte und getriebene Richtung der Sensorspulen 29a und 29b angelegt wird. Daher sollte in dem Fall, wenn verlangt wird, dass der Magnetfeldsensor 20 stabil mit einem externen Magnetfeld arbeitet, ein Bias-Magnetfeld wünschenswerterweise in einer zu der angeregten und getriebenen Richtung der Sensorspulen 29a und 29b entgegengesetzten Richtung angelegt werden. Andererseits sollte, wenn verlangt wird, dass der Magnetfeldsensor 20 eine verbesserte Empfindlichkeit und keinen derartigen stabilen Betrieb mit einem externen Magnetfeld aufweist, ein Bias-Magnetfeld in der gleichen Richtung wie die angeregte und getriebene Richtung der Sensorspulen 29a und 29b angelegt werden.
Bei der wie obenstehend aufgebauten Treiber/Erfassungsschaltung 40 werden, wenn die Verknüpfungsschaltung 42 mit einem Hochfrequenzimpulssignal von dem Schwingkreis 41 geschaltet wird, die ersten und zweiten Sensorspulen 29a und 29b gleichphasig miteinander angetrieben und gleichphasig miteinander mit einer hohen Frequenz angeregt. Zu diesem Zeitpunkt werden die Impedanzen der ersten und zweiten Sensorspulen 29a und 29b durch die Stärke eines auf die Sensorspulen 29a und 29b in einer Richtung parallel zu der angeregten Richtung der Sensorspulen 29a und 29b einfallenden externen Magnetfelds bestimmt.
Da die ersten und zweiten Sensoreinheiten 22 und 23 in Positionen angeordnet sind, wo sie ein Magnetfeld von der Skale 10 mit jeweils unterschiedlichen Empfindlichkeiten wie bei dem obenstehenden erfassen werden, wird eine Differenz zwischen den Impedanzen der Sensorspulen 29a und 29b auftreten. Die Differenz in der Impedanz zwischen den Sensorspulen 29a und 29b wird sich entsprechend einer relativen Position des Magnetfeldsensors 20 zu der Skale 10 verändern.
Bei der Treiber/Erfassungsschaltung 40 wird eine der Impedanz der ersten Sensorspule 29a entsprechende Spannung von der ersten Glättungschaltung 43 geglättet und an die Differenzverstärkungsschaltung 45 geliefert, während eine der Impedanz der zweiten Sensorspule 29b der zweiten Sensoreinheit 23 entsprechende Spannung von der zweiten Glättungsschaltung 44 geglättet und an die Differenzverstärkungsschaltung 45 geliefert wird. Die Differenzverstärkungsschaltung 45 wird eine Differenz zwischen den Ausgangsspannungen (Differenzausgabe) von den ersten und zweiten Sensorspulen 29a und 29b bestimmen, um einen Betrag der Bewegung und eine bewegte Position des Magnetfeldsensors 20 bezüglich der Skale 10 zu erfassen.
Es sei bemerkt, dass die in dem Positionsaufnehmer 1 bereitgestellte Treiber/Erfassungsschaltung 40 gemäß der vorliegenden Erfindung nicht auf das in 10 gezeigte Beispiel begrenzt ist, sondern jede sein kann, die angepasst ist, um die ersten und zweiten Sensorspulen 29a und 29b zu treiben und als eine Differenzausgabe eine Spannungsänderung entsprechend einer Änderung in der Impedanz der ersten und zweiten Sensorspulen 29a und 29b zu erfassen und die Bias-Spulen 27a und 27b geeignet zu treiben und zu steuern, um ein optimales Bias-Magnetfeld an die ersten und zweiten Sensoreinheiten 22 und 23 anzulegen.
11 zeigt die Ausgangskennlinie des obenstehend aufgebauten Positionsaufnehmers 1. Wie es bei dem Positionsaufnehmer 1 ersichtlich ist, wird er, wenn sieh der Magnetfeldsensor 20 bezüglich der Skale 10 in einem Bereich der wirksamen Erfassungslänge von 40 mm bewegt, eine Ausgabe liefern, die sich in einem Bereich von 2 bis 3 Volt linear ändert. Daher wird es durch Befestigen entweder der Skale 10 oder des Magnetfeldsensors 20 des Positionsaufnehmers 1 an einem beweglichen Teil einer Werkzeugmaschine, eines industriellen Roboters oder dergleichen, während der andere an einem stationären Teil der Werkzeugmaschine etc. ist, so dass, wenn sich der bewegliche Teil bewegt, der Magnetfeldsensor 20 bezüglich der Skale 10 bewegt wird, möglich, mit einer hohen Genauigkeit einen Betrag der Bewegung und eine bewegte Position des beweglichen Teils der Werkzeugmaschine in einem Bereich von 40 mm zu erfassen.
Bei dem Positionsaufnehmer 1 kann, da Änderungen in der Impedanz der Sensorspulen 29a und 29b aufgrund der relativen Bewegung des Magnetfeldsensors 20 zu der Skale 10 ebenfalls in Spannungsänderungen umgewandelt werden können und eine Differenz zwischen den Ausgangsspannungen bestimmt wird, um eine bewegte Position des Magnetfeldsensors 20 bezüglich der Skale 10 zu erfassen, wie es in dem vorangehenden beschrieben wurde, ein Betrag der Bewegung und eine bewegte Position des Magnetfeldsensors 20 bezüglich der Skale 10, d. h. ein Betrag der Bewegung und eine bewegte Position des beweglichen Teils der Werkzeugmaschine, die an dem Magnetfeldsensor 20 oder der Skale 10 befestigt ist, mit einer sehr hohen Genauigkeit erfasst werden, während die Ausgangskennlinienänderung der Sensorspulen 29a und 29b aufgrund von elektrischen Geräusche und einer Änderung in der Umgebungstemperatur um die Sensorspulen 29a und 29b aufgehoben werden kann.
Bei dem Positionsaufnehmer 1 gemäß der vorliegenden Erfindung kann, da eine bewegte Position des Magnetfeldsensors 20 bezüglich der Skale 10 durch Bestimmen einer Differenz in der Ausgabe zwischen den ersten und zweiten Sensoreinheiten 22 und 23 bestimmt wird, die gleichphasig miteinander betrieben werden, wie es oben beschrieben wurde, ein Betrag der Bewegung und eine bewegte Position des beweglichen Teils der Werkzeugmaschine mit einer hohen Genauigkeit erfasst werden, während der Einfluss eines störenden Magnetfelds, wie beispielsweise des Geomagnetismus, das gleichphasig und gleichförmig auf die ersten und zweiten Sensoreinheiten 22 und 23 einfällt, aufgehoben wird.
12 zeigt eine Beziehung zwischen der Ausgabe des Positionsaufnehmers 1 gemäß der vorliegenden Erfindung und einem störenden Magnetfeld, wie beispielsweise dem Geomagnetismus, und ferner eine Beziehung zwischen der Ausgabe eines vergleichbaren Positionsaufnehmers, bei dem eine relative Position eines Magnetsensors zu einer Skale durch Bestimmen einer Differenz zwischen den Ausgaben von zwei Magnetsensoren, die jeweils in entgegengesetzten Phasen miteinander angetrieben werden, und einem störenden Magnetfeld, wie beispielsweise dem Geomagnetismus, erfasst wird. Die Beziehungen zwischen den Ausgaben dieser Positionsaufnehmer und dem störenden Magnetfeld, wie beispielsweise dem Geomagnetismus, werden durch Erfassen einer Ausgabe des Positionsaufnehmers, der um eine Z-Achse (mit einem Pfeil Z in 1 angegebene Richtung) gedreht und wobei der Magnetsensor als eine Mitte genommen wird, bestimmt.
Wie es aus 12 ersichtlich ist, ändert sich die Ausgabe, wenn der vergleichbare Positionsaufnehmer um die X-Achse gedreht wird, wobei der Magnetsensor als eine Mitte genommen wird. Da die relative Position des Magnetsensors zu der Skale nicht geändert wird, wenn der Positionsaufnehmer so gedreht wird, wird die Ausgabe aufgrund eines störenden Magnetfelds, wie beispielsweise dem Geomagnetismus, geändert. Wenn somit die Ausgabe aufgrund des störenden Magnetfelds, wie beispielsweise dem Geomagnetismus, geändert wird, kann ein Betrag der Bewegung und eine bewegte Position des Magnetsensors bezüglich der Skale nicht genau erfasst werden.
Andererseits wird bei dem Positionsaufnehmer 1 gemäß der vorliegenden Erfindung, sogar wenn er um die Z-Achse gedreht wird, wobei der Magnetfeldsensor 20 als eine Mitte genommen wird, keine Ausgabeänderung aus dem folgenden Grund auftreten. Das heißt, dass es bei dem Positionsaufnehmer 1 gemäß der vorliegenden Erfindung möglich ist, da eine bewegte Position des Magnetfeldsensors 20 bezüglich der Skale 10 durch Bestimmen einer Differenz zwischen den Ausgaben der ersten und zweiten Sensoreinheiten 22 und 23 erfasst wird, den Einfluss eines störenden Magnetfelds, wie beispielsweise dem Geomagnetismus, der gleichphasig und gleichförmig auf die ersten und zweiten Sensoreinheiten 22 und 23 einfällt, aufzuheben. Es sei bemerkt, dass 12 die Beziehung zwischen der Ausgabe des Positionsaufnehmers 1 und dem störenden Magnetfeld zeigt, wenn der Positionsaufnehmer 1 um die Z-Achse gedreht wird, wobei jedoch herausgefunden wurde, dass sich die Ausgabe wenig ändern wird, sogar wenn der Positionsaufnehmer 1 um die X-Achse (mit dem Pfeil X in 1 angegebene Richtung) und ebenfalls um die X-Achse (mit dem Pfeil Y in 1 angegebene Richtung) gedreht wird.
Da es mit dem Positionsaufnehmer 1 gemäß der vorliegenden Erfindung möglich ist, den Einfluss eines störenden Magnetfelds, wie beispielsweise des Geomagnetismus, wirksam aufzuheben, kann ein Betrag der Bewegung und eine bewegte Position des Magnetfeldsensors 20 bezüglich der Skale 10, d. h. ein Betrag der Bewegung und eine bewegte Position des an dem Magnetfeldsensors 20 oder der Skale 10 befestigten beweglichen Teils, mit einer extrem hohen Genauigkeit erfasst werden.
Bei dem Positionsaufnehmer 1 gemäß der vorliegenden Erfindung werden die erste Sensoreinheit 22 mit der ersten Bias-Spule 27a und die zweite Sensoreinheit 23 mit der zweiten Bias-Spule 27b gleichphasig miteinander getrieben, um auf ein externes Magnetfeld mit der gleichen Richtung wie die ersten und zweiten Sensoreinheiten 22 und 23 empfindlich zu reagieren, und die Bias-Spulen 27a und 27b werden von der Bias-Schaltung 46 getrieben, so dass die Ausgabe der zweiten Sensoreinheit 23, die als ein Bezugsausgabe genommen wird, konstant sein wird. Somit kann, sogar wenn die Impedanzen der ersten und zweiten Sensorspulen 29a und 29b aufgrund einer Änderung der Umgebungstemperatur um den Magnetfeldsensor 20 geändert werden, immer ein optimales Bias-Magnetfeld an die ersten und zweiten Sensoreinheiten 22 und 23 angelegt werden, um die Ausgangslinearität zu verbessern, womit ein Betrag der Bewegung und eine bewegte Position des Magnetfeldsensors 20 bezüglich der Skale 10, d. h. ein Betrag der Bewegung und eine bewegte Position des an dem Magnetfeldsensors 20 oder der Skale 10 befestigten beweglichen Teils mit einer höheren Genauigkeit erfasst werden.
13 zeigt Änderungen in der Ausgabe des Positionsaufnehmers 1, der wie obenstehend aufgebaut ist, wenn sich die Umgebungstemperatur um den Magnetfeldsensor 20 ändert, und 14 zeigt Änderungen in der Ausgabe des vergleichbaren Positionsaufnehmers, der derart aufgebaut ist, dass immer ein konstantes Bias-Magnetfeld an die ersten und zweiten Sensoreinheiten angelegt wird, wenn sich die Umgebungstemperatur um den Magnetsensor ändert.
Wie es aus 14 ersichtlich ist, ändert sich bei dem vergleichbaren Positionsaufnehmer, wenn sich die Umgebungstemperatur um den Magnetsensor ändert, die Ausgabe aus dem folgenden Grund sehr stark. Das heißt, dass bei dem vergleichbaren Positionsaufnehmer, da ein konstantes Bias-Magnetfeld immer an die ersten und zweiten Sensoreinheiten ungeachtet der Umgebungstemperatur um den Magnetsensor angelegt wird, kein optimales Bias-Magnetfeld an die ersten und zweiten Sensoreinheiten angelegt werden kann, wenn die Impedanzen der Sensorspulen aufgrund einer Änderung der Umgebungstemperatur um den Magnetsensor geändert werden und somit der optimale Bias-Punkt verschoben wird. Somit wird es eine Änderung der Magnetsensorausgabe aufgrund einer Änderung der Umgebungstemperatur um den Magnetsensor unmöglich machen, einen Betrag der Bewegung und eine bewegte Position des Magnetsensors bezüglich der Skale geeignet zu erfassen.
Andererseits ist es mit dem Positionsaufnehmer 1 gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, die Variation der Magnetsensorausgabe erheblich zu unterdrücken, sogar wenn sich die Umgebungstemperatur um den Magnetfeldsensor 20 ändert, wie es in 13 gezeigt ist. Dies ist so, da bei dem Positionsaufnehmer 1 gemäß der vorliegenden Erfindung die Ausgabe einer der ersten und zweiten Sensoreinheiten 22 und 23, die gleichphasig miteinander betrieben werden, d. h. die Ausgabe der zweiten Sensoreinheit 23 in diesem Fall, als eine Bezugsausgabe genommen wird, und die Bias-Spulen 27a und 27b von der Bias-Schaltung 46 für den Bezugsausgabe betrieben und gesteuert werden, um eine konstante Spannung zu sein, und somit kann immer ein optimales Bias-Magnetfeld an die ersten und zweiten Sensoreinheiten 22 und 23 angelegt werden, sogar wenn die Impedanzen der ersten und zweiten Sensorspulen 29a und 29b aufgrund einer Änderung der Umgebungstemperatur um den Magnetfeldsensor 20 geändert werden.
Wie es in dem vorangehenden beschrieben wurde, kann bei dem Positionsaufnehmer 1 gemäß der vorliegenden Erfindung, da die Ausgabeänderung aufgrund einer Änderung der Umgebungstemperatur um den Magnetfeldsensor 20 erheblich unterdrückt werden kann, ein Betrag der Bewegung und eine bewegte Position des Magnetfeldsensors 20 bezüglich der Skale 10, d. h. ein Betrag der Bewegung und eine bewegte Position des beweglichen Teils der Werkzeugmaschine oder dergleichen, das an dem Magnetfeldsensor 20 oder der Skale 10 befestigt ist, erfasst werden.
Es sei bemerkt, dass der oben erwähnte Positionsaufnehmer 1 als ein Beispiel beschrieben wurde, das bestimmt ist, den Aufbau des Positionsaufnehmers 1 gemäß der vorliegenden Erfindung bereitzustellen und zu beschreiben, und verschiedenen Modifikationen unterworfen werden kann, ohne von der Formulierung der Ansprüche abzuweichen.
Bei dem oben erwähnten Positionsaufnehmer 1 ist das Magnetfeld-Entwicklungsmittel zum Entwickeln eines Magnetfelds, dessen Stärke und Richtung entsprechend einer Position des Magnetfeld-Entwicklungsmittels veränderbar ist, die Skale 10, die eine Kombination der ersten bis vierten Magnetfeld-Entwicklungselemente 11, 12, 13 und 14 ist, die in einer Richtung senkrecht zu den Hauptseiten der Skale derselben polarisiert sind. Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann jedoch die Skale 10 mit einer Skale 70 als ein Magnetfeld-Entwicklungsmittel ausgetauscht werden, die in einer Y-Richtung senkrecht zu der sich relativ bewegenden Richtung des Magnetfeldsensors 20 (X-Richtung) und parallel zu dem Hauptseiten desselben polarisiert ist und Magnetfelder entwickelt, die in der Richtung zueinander mit regelmäßigen Richtungen entlang der X-Richtung entgegengesetzt sind, wie es beispielsweise in 15 gezeigt ist.
Bei dem oben erwähnten Positionsaufnehmer 1 wird, um ein Magnetfeld von der Skale 10 zu erfassen, der Magnetfeldsensor 20 verwendet, der als ein Sensor vom MI-Effekt-Typ aufgebaut ist, der den so genannten MI-Effekt ((Magnetimpedanz-Effekt) verwendet. Der Magnetfeldsensor 20 kann jeder sein, der ein Bias-Magnetfeld anlegt, wie beispielsweise ein Magnetfeldsensor vom Fluxgate-Typ, ein MR-Sensor, der den MR-Effekt (Magnetwiderstand-Effekt) verwendet, oder dergleichen.
Bei dem oben erwähnten Positionsaufnehmer 1 werden die ersten und zweiten Sensoreinheiten 22 und 23 des Magnetfeldsensors 20 ebenfalls auf einer der Hauptseiten der Skale 10 angeordnet. Die erste Sensoreinheit 22 ist nahe der Skale 10 angeordnet, während die zweite Sensoreinheit 23 an einer von der Skale 10 getrennten Position angeordnet ist, so dass eine Differenz zwischen einem auf die erste Sensoreinheit 22 von der Skale 10 einfallenden Magnetfeld und einem auf die zweite Sensoreinheit 23 von der Skale 10 einfallenden Magnetfeld auftreten wird. Gemäß einem noch weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann jedoch die erste Sensoreinheit 22 an einer der Hauptseiten der Skale 10 angeordnet sein, während die zweite Sensoreinheit 23 an der anderen Hauptseite angeordnet ist, wie es in 16 gezeigt ist, so dass eine Differenz zwischen einem auf die erste Sensoreinheit 22 von der Skale 10 einfallenden Magnetfeld und einem auf die zweite Sensoreinheit 23 von der Skale 10 einfallenden Magnetfeld auftreten wird.
In diesem Fall ist die Richtung des auf die erste Sensoreinheit 22 von der Skale 10 einfallenden Magnetfelds entgegengesetzt derjenigen des auf die zweite Sensoreinheit 23 von der Skale 10 einfallenden Magnetfeldes. Somit ist es durch Bestimmen einer Differenz zwischen den Ausgaben der ersten und zweiten Sensoreinheiten 22 und 23 möglich, eine größere Ausgabe als bei den oben erwähnten zwei anderen Ausführungsformen zu liefern, während der Einfluss eines störenden Magnetfelds, wie beispielsweise des Geomagnetismus, das gleichphasig und gleichförmig auf die ersten und zweiten Sensoreinheiten 22 und 23 einfällt, aufgehoben wird.

Claims

Magnetsensor (20) mit: einer Mehrzahl von Sensoreinheiten (22, 23), die jeweils einen Magnetdetektor (29a; 29b) und ein Magnetfeld-Entwicklungsmittel (27a; 27b) zum Anlegen eines Bias-Magnetfeldes an den Magnetdetektor (29a; 29b) aufweisen; und Mittel zum Treiben (41, 42) und Steuern (46) des Bias-Magnetfeld-Entwicklungsmittels (27a; 27b) in der Mehrzahl von Sensoreinheiten (22, 23); dadurch gekennzeichnet, dass das Treiber/Steuermittel eine Ausgabe (50) von dem Magnetdetektor (29a) in einer (22) der Mehrzahl von Sensoreinheiten überwacht, und das Bias-Magnetfeld-Entwicklungsmittel (27a; 27b) in der Mehrzahl von Sensoreinheit (22, 23) für den überwachten Magnetdetektor (22) treibt und steuert, um eine konstante Ausgabe zu liefern.
Magnetsensor (20) gemäß Anspruch 1, bei dem das Bias-Magnetfeld-Entwicklungsmittel (27a; 27b) eine Bias-Spule (27) aufweist, die an dem Magnetdetektor gewickelt ist; und das Treiber/Steuermittel (41, 42, 46) das Bias-Magnetfeld-Entwicklungsmittel (27a; 27b) durch Einstellen eines an die Bias-Spule (27) gelieferten Stroms treibt und steuert.
Magnetsensor (20) gemäß Anspruch 1, bei dem der Magnetdetektor (29a; 29b) eine Kerneinheit (28), die aus einem Material mit hoher Permeabilität hergestellt ist, und eine Sensorspule (29), die an der Kerneinheit gewickelt ist und mit einer hohen Frequenz getrieben wird, aufweist, um ein externes Magnetfeld auf der Grundlage einer Änderung der Impedanz der Sensorspule (29) zu erfassen, die auf Grund des externen Magnetfelds geändert wird.
Positionsaufnehmer (1) mit: einem Magnetfeld-Entwicklungsmittel (10) zum Entwickeln eines Magnetfeldes, dessen Stärke und Richtung entsprechend einer Position des Magnetfeld-Entwicklungsmittels (10) geändert werden; einer Mehrzahl von Sensoreinheiten (22, 23), die jeweils einen Magnetdetektor (29a; 29b) und ein Bias-Magnetfeld-Entwicklungsmittel (27a; 27b) zum Anlegen eines Bias-Magnetfelds an die Magnetdetektoren (29a; 29b) aufweisen und die bezüglich des Magnetfeld-Entwicklungsmittels (10) bewegbar sind; Mittel zum Treiben (41, 42) und Steuern (46) des Bias-Magnetfeld-Entwicklungsmittels (27a; 27b) in jeder der Sensoreinheiten (22, 23); und Mittel zum Erfassen (45) einer bewegten Position jeder der Mehrzahl von Sensoreinheiten (22, 23) bezüglich dem Magnetfeld-Entwicklungsmittel (10) auf der Grundlage einer Ausgabe (50; 53) von dem Magnetdetektor (29a; 29b) in jeder der Mehrzahl von Sensoreinheiten (22, 23); wobei das Treiber/Steuermittel (41, 42, 46) die Ausgabe (50) von dem Magnetdetektor (29a) in einer (22) der Mehrzahl von Sensoreinheiten überwacht, und das Bias-Magnetfeld-Entwicklungsmittel (27a, 27b) in jeder der Mehrzahl von Sensoreinheiten (22, 23) für den überwachten Magnetdetektor (29) treibt und steuert, um eine konstante Ausgabe (50) zu liefern.