JP2002039793A - 誘導形測長システム - Google Patents

誘導形測長システム

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 精度が高く、１μｍ以上の範囲の高い分解
能が得られる光電式長さ測定装置の利点と、丈夫で、環
境の影響に対して安定性を有する誘導形装置の利点が同
時に得られるようにする。 【解決手段】 コイル構造体は、ほとんど閉じた巻線
の形の輪郭を有する、コイルの組み合わせとしての多層
構造であり、コイル構造体は複数の対のレシーバを備
え、各々の対は差動接続された２個のレシーバ要素を備
え、このレシーバ要素は少なくとも２つの測定チャンネ
ルの各々のための信号発生のために相互接続可能であ
り、少なくとも１個のエミッタ要素が設けられ、このエ
ミッタ要素は測定方向における標準器と相対的な位置に
依存してレシーバ要素に誘導結合され、オフセットおよ
びまたは正弦形状およびまたは振幅を補償した少なくと
も１つの出力信号を発生する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、周期的に変化する
磁気抵抗の目盛りと、直線に配置されたコイルシステム
とを備えたスケールを走査することによって、位置に関
する情報またはスケールと相対的なコイルシステムの移
動を検出することができる、誘導形測長システムに関す
る。
【０００２】
【従来の技術】このような測長システムはドイツ連邦共
和国特許第１９８０３２４９号公報によって知られてい
る。公知の測定システムのおおまかな対比は次の通りで
ある。光電式測定システムの主たる特徴：
【０００３】微細な目盛り周期の精度が高い、汚染物質
の影響を非常に受けやすい、ショックや振動による応力
が小さい。磁気測定システムの主たる特徴：
【０００４】目盛り周期内の補間エラーと目盛りの精度
により、精度は中間である（他方の周期に対する一方の
周期の信号偏差と高調波成分）；極性を与えられたスケ
ールは磁性粒子を引き寄せ、外部の外乱磁場によって消
去または損傷し得る。誘導形測定システムの主たる特
徴：
【０００５】多くの種類の構造が知られている。一般的
には非常に頑丈で、トランスの原理に基づき、温度によ
る影響がきわめて小さい。この場合、一次コイルと二次
コイルの間の伝送は、コイルと相対的に動く部材によっ
て影響を受ける。誘導形測定システムの若干の構造的
例：
【０００６】ＩＮＤＵＣＴＯＳＹＮ（登録商標）のタイ
プのトランスデューサは２つの要素、すなわちスケール
とキャリッジからなっている。この両要素は測定面内
に、能動的な一次と二次の偏平巻線を備えている。機器
は高い精度を有するがしかし、走査原理によって２つの
要素の間に大きな結合面を必要とする。低い搬送周波数
で機能する。これは横送り速度を制限し、構造が非常に
複雑である。
【０００７】誘導形ノギスは円筒状の差動トランスであ
る。この差動トランスは、逆に切換えられる同心的に巻
回された二次コイルに巻回された一次コイルと、異なる
磁気抵抗のマークを有するコアとからなっている。機器
は所定の測定範囲において、プランジャコアコイルの相
対位置を、ほぼ線形の出力信号に変換する。小さな測定
ストロークの場合には高い精度が得られる。しかし、機
器は大きな測定ストロークや動的な用途には適していな
い。
【０００８】ヨーロッパ特許第０５５７６０８号公報に
は、渦巻きコイル構造体が記載されている。この渦巻き
コイル構造体は軟質磁性または硬質磁性の担体上に厚層
技術で多層金属絶縁層の形に被覆形成される。測定機器
は原理的には次のような周波数範囲でのみ機能する。す
なわち、非線形の磁気範囲にコイル基板を移動させず、
後続の共振回路での位相のずれの検出によって高い精度
に適していない周波数範囲でのみ機能する。
【０００９】同じ出願人のドイツ連邦共和国特許出願公
開第１９８１３４９７号公報に、“誘導形ポションショ
メータ”に適用される測定原理が記載されている。この
場合、得られる比較的に大まかな精度がコイル平面に対
するコアの傾動によって大きな影響を受ける。
【００１０】ヨーロッパ特許出願公開第０８０５３３９
号公報には、上記の例に類似する機能原理で機能する測
定機器が記載されている。この測定機器は、歯付き測定
ホイールを走査するために、偏平な多層のトランスコイ
ル装置を使用する。このトランスコイル装置は一平面内
の１個の一次コイルと、測定方向に互いにずらされた２
個の二次コイルとからなっている。個々の二次コイル
は、振幅を変調した信号の局部的な位相のずれによって
方向の検出を可能にする２個の測定チャンネルを形成す
るかまたは１個の測定チャンネルを形成する。この場
合、コイルは差動的に接続されている。第１の構造的な
実施形（差動でない配置を示す）では、発生する信号
は、変調度の低下につれて、温度、測定ホイールに対す
るコイルの幾何学的な傾動等のような寄生作用によって
大きな影響を受ける。第１の実施形では、運動方向の検
出が高速についてのみ可能である（個所毎のゆっくりし
た位置決めについては、速度によって誘導される位相の
ずれがゼロ方向を示す）。この文献は、同一の構造の複
数のコイルの、場合によって生じる誘導交替作用につい
て述べていない。この文献は、簡単なデジタル化電子評
価装置の例で示されるような、大まかな運動検出のため
にのみ適した機器について説明している。
【００１１】ドイツ連邦共和国特許出願公開第１９８０
３２４９号公報（会社ミツトヨ）には、絶対的に作用す
る誘導形位置トランスデューサが記載されている。この
機器は主としてスライドゲージのためのものである。絶
対的な変位検出のために、互いに平行に配置された複数
の測定コイルが走査される。測定装置は、スライドゲー
ジの本体に埋め込まれた金属構造体のスケールと、原理
的に差動式に作動するコイル構造体とからなっている。
このスケール内には、それに対して正確に案内されるキ
ャリッジが収納されている。増分式トラック（微細な測
定トラック）を考慮するときにのみ、周期的な金属目盛
りがコイルサブシステムによって走査される。この偏平
なシステムは主として、励磁コイルと、２個のレシーバ
コイルチャンネルからなっている。このレシーバコイル
チャンネルは励磁コイルに誘導的に結合され、相対運動
時に測定目盛りを介して位置を検出することができる。
２つのレシーバコイルチャンネルは移動方向を認識する
ために、互いに位相をずらして配置されている（幾何学
的に互いにずれている）。
【００１２】励磁コイルの巻線は構造体平面内でレシー
バコイルを取り囲んでいる。このレシーバコイルは各々
のチャンネルのために、差動接続された複数の個々の巻
線からなっている。励磁コイルによって発生した磁場
は、内側のコイル範囲全体にわたって均一に分配され
ず、巻線の近くにおいて非常に強く、コイル中心の方に
向かって弱まる。この作用により、同じ磁場形状と磁場
強さの差動式のずらされた２つのコイルをエミッタ枠内
に配置することは幾何学的に不可能である。これは、２
つの測定エッジの少なくとも一方について、互いに接続
された２個よりも多い差動式レシーバコイル（簡略化さ
れて示してある）が接続され、エミッタ枠に対して対称
に配置されておらず、異なる強さの磁場が流通すること
を意味する。それによって、測定装置がスケールと相対
的に移動する場合に、誘導電圧の差を求めた後で、変調
された有効信号が“零”だけ振動しないで、３つのレシ
ーバ面内の静的な磁場の強さの差に比例する値だけ変動
する。信号オフセットと呼ばれるこの値は、後続の電子
評価装置において完全に調整することはほとんど不可能
である。なぜなら、その振幅の一部がコイルとスケール
の間隔または相対的な傾動のような運動の二次作用によ
って影響を受け、それによって測定過程全体で一定でな
いからである。
【００１３】この特許の明細書の作成者は、問題を認識
しており（第１０頁、２５段落）、構造的な提案は有効
ではない。なぜなら、非対称の対のレシーバ巻線をエミ
ッタ巻線から離してエミッタコイルの中央に配置し、し
かも励磁場とその勾配が弱まる範囲に、エミッタコイル
を配置しなければならないからである。励起磁場とその
勾配が弱まることにより、誘導された有効信号も弱まる
ので、信号オフセットに対する有効信号の比は不所望の
ままである。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、精度
が高く、１μｍ以上の範囲の高い分解能が得られる光電
式長さ測定装置の利点と、丈夫で、環境の影響に対して
安定性を有する誘導形装置の利点が同時に得られるよう
にすることである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】この課題は、コイル構造
体と、可変の磁気抵抗または導電性の少なくとも１つの
目盛りを有する標準器とからなる、位置検出のための誘
導形測定装置において、コイル構造体が、ほとんど閉じ
た巻線の形の輪郭を有する、コイルの組み合わせとして
の多層構造であり、コイル構造体が複数の対のレシーバ
を備え、各々の対が差動接続された２個のレシーバ要素
を備え、このレシーバ要素が少なくとも２つの測定チャ
ンネルの各々のための信号発生のために相互接続可能で
あり、少なくとも１個のエミッタ要素が設けられ、この
エミッタ要素が測定方向における標準器と相対的な位置
に依存してレシーバ要素に誘導結合され、オフセットお
よびまたは正弦形状およびまたは振幅を補償した少なく
とも１つの出力信号を発生することによって解決され
る。
【００１６】後述する測定装置は特に、μｍの範囲の高
い精度と、達成可能な高いシステムダイナミクスによっ
て、機械要素を正確に位置決めしなければならないプロ
セス制御のために特に適している。
【００１７】前述の利点に加えて特に、高い小型化率
と、走査センサ装置や標準器のための製作技術の所望な
コストについて述べる。
【発明の実施の形態】
【００１８】以下において、添字を半角または全角で示
すことがある。この添字は実際には図に従う。本発明で
は、機器は基本的には３つの要素（図１）からなってい
る。すなわち、標準器（１）、つまり縦方向に周期的な
目盛りを有する能動的でないスケールと、誘導的に連結
されたエミッタコイル（送信コイル）とレシーバコイル
（受信コイル）を含む補償コイル構造体（２）と、この
コイル構造体に接続された電子評価装置（３）とからな
っている。この電子評価装置は一方ではエミッタコイル
に給電し、他方ではコイル構造体によって発生した測定
信号を評価する。
【００１９】標準器は第１の機械部分に固定連結され、
コイル構造体は電子評価装置（走査ユニットと呼ばれ
る）と共に第２の機械部分に固定連結されている。２つ
の機械部分が縦方向（Ｘ）に相対運動すると、レシーバ
平面内のエミッタ磁場が標準器の測定ピッチの交互に異
なる範囲によって変調され、レシーバコイルによって検
出され、測定情報として電子評価装置に供給される。
【００２０】測定システムは基本的には２つの機能原理
に基づいて動作可能である。この機能原理は、幾何学的
な状態、構造的な細部および励起周波数が異なってい
る。第１の機能原理は、周期的に変化する異なる導電性
の範囲を有するスケールの走査に基づいている（図２
ａ，２ｂ）。システムの採寸によって、エミッタコイル
からスケールの導電性範囲内に誘導される渦電流と、そ
れによって自己発生する電磁場が、エミッタ磁場と反対
に作用するので、レシーバコイル平面内においてこの範
囲内で磁場全体の弱体化が生じる。位置に依存するこの
周期的な磁場構造はレシーバコイルによって検出され、
後続の電子装置で処理される。
【００２１】第２の機能原理は、軟磁性物質からなるス
ケールの走査に基づいている。この場合、標準器の周期
的な構造により、異なる磁気抵抗の範囲が生じる（図２
ｃ）。磁気抵抗の小さな範囲（材料ウェブ、歯）は、エ
ミッタコイルによって発生する磁場に関して、コンセン
トレータとして作用し、標準器が走査ユニットに対して
縦方向に相対移動する際に、この周期的な界磁極がレシ
ーバコイルによって検出される。
【００２２】機能原理および製作方法に応じて、標準器
（図１と図２）は次の方法によって実現可能である。薄
層技術または厚層技術：絶縁基板上の金属層における目
盛りの構造化（図２ａ，２ｂ）；エッチングまたは打ち
抜きによる金属フィルムの構造化（図２ｃ）；構造化さ
れたフィルム（図２ｃ）を帯状金属担体上に組み立てる
（図２ｄ）；構造化されたフィルムを中実の担体または
機械部品に取付ける；エッチングまたは機械加工によ
る、中実の担体または金属フィルムへの目盛りの直接製
作。
【００２３】センサ構造体（図１と図３）は、基板（３
４）上に被覆形成される多層の（相互接続された端子を
有する金属絶縁層組み合わせ体）渦巻きコイル構造体か
らなっている。エミッタコイル（３１）は交流電圧が供
給される。
【数１】 この励起電圧は必ずしも正弦状でなくてもよく、構造的
なデータに応じて長方形、三角形等でもよい。これは他
の考察に影響を与えない。
【００２４】図３に簡単化して示したレシーバコイルシ
ステムは、幾何学的に位相（ψ）をずらした２対のレシ
ーバコイル（３２，３３）を備えている。この場合、２
対のレシーバコイルの各々は、形状と巻線数（３３１，
３３２，３２１，３２２）が同じである、差動的に接続
された逆位相（λ／２）の２個のコイル要素からなって
いる。
【００２５】センサ構造体と標準器との間の測定方向Ｘ
の相対位置に依存して、レシーバコイル内には次の理想
電圧が誘導される（図５のグラフ参照）。
【数２】
【数３】 および
【数４】
【数５】 ここで、λは電気的な角度２πに等しいピッチ周期、Ｋ
10，Ｋ11，Ｋ20，Ｋ21は変圧器に似た伝達係数、ψは場
所的な位相のずれである。
【００２６】簡単化した仮定Ｋ10＝Ｋ20およびＫ11＝Ｋ
21では、両対のレシーバコイルの電圧は
【数６】 となり、そして
【数７】 大抵の場合ψ＝２Ｋπ＋π／２（幾何学的なずれｎλ＋
λ／４に対応する）で、そして慣例によって
【００２７】２πｘ／λ＝α ２Ｋ11Ｕ0 ＝Ｋ であるので、理想的な２つの出力電圧は次の形で表され
る（図６ａに示すように）。
【数８】
【数９】
【００２８】この２つの信号から、電子評価装置（図
３）によって、調整、復調（図６ｂ）および場合によっ
ては微細化された分解能（補間）を有する比率的な方法
での方形波変換の後で、正確な位置情報が出力される。
この理由から、センサ構造体は、測定方向においてずら
して配置された２つのレシーバグループによって位相を
ずらされた２つの信号を発生しなければならない。
【００２９】このようなコイル構造体は、標準器と関連
して、“レシーバコイル”に給電し、“エミッタコイ
ル”内で発生した信号を評価することにより、逆の類似
方法でも運転可能である。この運転方式では更に、２つ
の変形がある。第１の変形では、位相と振幅が同じであ
る１つの信号が“正弦レシーバと余弦レシーバ”に供給
され、“エミッタコイルシステム”において、位置に依
存して振幅を変調した信号が発生する。あるいは第２の
変形では、振幅が同じで位相が９０度ずれた２つの信号
が“正弦レシーバと余弦レシーバ”に供給され、“エミ
ッタコイルシステム”において、位置に依存して振幅を
変調した信号が発生する。
【００３０】他のすべての規定はすべての運転方法およ
び機能原理に当てはまり、機器の採寸においてのみ異な
る実施形に左右される。これにより、先ず最初に述べた
実施形についてのみ更に説明する。
【００３１】評価方法は原理的には専門家の判断に委ね
られ、本発明を知ることによって専門家によって容易に
適応可能であり、かつその都度存在する状態に適合可能
である。この理由から、評価方法を詳細に説明しない
で、電子評価装置の付加的な特殊機能を説明する。
【００３２】本発明の主たる課題は、理想的な信号（式
１．８，１．９）に対するきわめて小さな偏差でもって
測定情報を供給し、環境の影響をほとんど受けず、間隔
の変動（ｄ）が技術的に受け入れられる許容誤差範囲内
にある、センサ構造体を提供することである。
【００３３】次に、センサ構造体内の若干のコイル構造
体を分析する。これから明らかなように、所定の手段に
よって自己補償された構造体だけが、高い測定精度を達
成することができる。この補償の変形について次に説明
する。
【００３４】簡単化して図示するために、次の呼称が用
いられる。 Ｅ，Ｅｉ エミッタコイル Ｂ，Ｂｉ 誘導 Ｓ＋ 電気的な正弦コイル要素０° Ｓ− 電気的な正弦コイル要素１８０°
【００３５】（幾何学的なずれλ／２に対応する） Ｃ＋ 電気的な余弦コイル要素０° Ｃ− 電気系な余弦コイル要素１８０°
【００３６】一般的に、他の考察のために、多層の平ら
な構造体としてのコイルシステムが１個のエミッタコイ
ル（単一エミッタシステム）または複数のエミッタコイ
ル（マルチエミッタシステム）と２個のレシーバチャン
ネルからなっていると仮定する。この場合、π／２（幾
何学的にはλ／４）だけずらした電気信号を供給するた
めに、レシーバチャンネルはエミッタコイルに誘導結合
されている。
【００３７】レシーバチャンネルは２個のコイル要素の
少なくとも１つのグループからなっている。このコイル
要素はπだけ電気的に（λ／２だけ幾何学的に）ずらさ
れ、差動式に接続されている。しかし、複数のスケース
周期を同時に走査するので、、平均値を求めることによ
って個々の目盛り偏差を抑制するためおよび高い振動獲
得のために、レシーバチャンネルは一般的に、整数の周
期“ｎλ”の周りに配置され直列に接続された複数のグ
ループからなっている。更に、簡単化して説明するため
に、１つだけのコイルグループを備えたレシーバチャン
ネルが図示してある。
【００３８】図４に基づいて、単一エミッタ基本構造を
説明する。この場合、コイルの全体巻線は単一条導体と
して示してある。エミッタコイルに一次交流電圧（式
１．１）を供給するために、電磁場が発生する。レシー
バ平面（Ｓ＋，Ｓ−，Ｃ＋，Ｃ−）内のこの電磁場の強
さの変化はグラフで示してある。磁場の勾配によって、
一定の強さが実現不可能であり、磁場がエミッタ条導体
範囲の近くで強く、エミッタコイル要素の方向にはっき
りと低下していることが判る。
【００３９】正弦フループまたは余弦グループのレシー
バが図４に示すように位置決めされ、すべてのレシーバ
コイル要素が同じ巻線数を有すると仮定すると、レシー
バコイル要素の幾何学的なずれによって、エミッタ磁場
内で各々の個々のコイル要素軸線に沿って、異なる“二
次電圧”を生じることになる誘導
【００４０】Ｂｓ＋≠Ｂｓ−， Ｂｃ＋≠Ｂｃ− が生じる。コイル構造体の測定方向における、標準器と
相対的な運動時に、この信号が変調される。コイル要素
Ｓ＋，Ｓ−およびＣ＋，Ｃ−における誘導電圧の差を求
める際に、式１．６，１．７のような変調されていない
信号成分（式１．２，１．３）を完全に除去すべきであ
る。
【００４１】しかし、機能に従って、レシーバ平面内で
コイルを互いにずらさなければならない場合には、この
ようなコイル装置は、図７に示すようなオフセットを含
む信号を供給する。なぜなら、Ｋ10＃Ｋ20であるからで
ある。この図において、正弦チャンネルのオフセットは
ΔＯｓで示され、余弦チャンネルのオフセットはΔＯｃ
で示され、そして理想的な信号に対する偏差が示してあ
る。このようなシステムの運転中或る程度の許容誤差内
で考慮すべきである、走査ユニットと標準器の間の間隔
変化（図３の寸法“ｄ”）によって、一次磁場分布が影
響を受けるので、誘導の差（Ｂｓ＋−Ｂｓ−）と（Ｂｃ
＋−Ｂｃ−）は一定のままではない。それによって、値
ΔＯｓとΔＯｃは変化し得る。
【００４２】この間隔に基づくオフセット変化は、この
オフセット変化を電子評価装置において調整することを
不可能にする。それによって、測定システムが比較的に
不正確になる。
【００４３】図８には、単一エミッタ基本構造体が示し
てある。この場合、エミッタコイルの巻線はセンサ走査
面全体を覆い（図８ａ）、レシーバがこの平面に対して
平行に設けられている。この実施の形態でも、磁場の分
布はレシーバ平面（図８ｃのグラフ）内で均一ではな
い。例えばエミッタ形状（図８ｂの寸法“ｍ”）に対す
る正弦要素Ｓ＋，Ｓ−の対称配置により、平面Ｂｓ＋＝
Ｂｓ−内で誘導が同じになり、オフセットがΔＯｓ＝０
になる。
【００４４】しかし、それでは問題は解決されない。と
いうのは、余弦コイルが機能に従って正弦コイルに対し
てずらして位置決めされなければならず、それによって
もはやエミッタＢｃ＋≠Ｂｃ−に対して対称ではないか
らである。これにより、オフセットはΔＯｃ≠０とな
る。
【００４５】他の例では、マルチエミッタ構造体が図９
に象徴的に示すように考慮される。この実施の形態で
は、各々のレシーバチャンネルがエミッタコイルによっ
て励磁される。全体の原理については、エミッタチャン
ネルが複数のコイルグループからなり、各々のグループ
がその２つの差動コイル要素と共に固有のエミッタによ
って励磁されるかまたは更に拡張されて各々の単一要素
がその固有のエミッタに結合されているときと全く同じ
ことが当てはまる。
【００４６】この構造の場合、２個のエミッタＥ１，Ｅ
２の一方だけに給電するときには、対応するレシーバチ
ャンネルが、対称および同じ巻線数によって、オフセッ
トのない信号を生じる。しかし、機能に従って両誘導方
向（図９ｃの同じ方向、図９ｄの反対方向）に交互に作
用することによって両エミッタが働くと、要素コイル平
面Ｂｓ＋≠Ｂｓ−，Ｂｃ＋≠Ｂｃ−内に異なる誘導が発
生し、それによってオフセット含む信号が発生する。更
に、２つのチャンネルから１つのエミッタへの混合コイ
ル要素についても、他の各々の組み合わせが解決策をも
たらさないことが明らかである。
【００４７】４エミッタ形式の拡張されたマルチエミッ
タ構造体が図１０に示してある。この場合にも、同じ誘
導方向（図１０ａ）と反対の誘導方向（図１０ｂ）につ
いて、センサ構造体全体の両端エミッタの影響が不均一
な磁場強さ分布を生じる。これは多数のエミッタを備え
たマルチエミッタ構造体についても当てはまる。
【００４８】分析した上記のすべての実施の形態から、
構造的な手段によって補償されるセンサ構造体だけが標
準器および電子評価装置と関連して補正された出力信号
を生じることができる（図５）という結論に達する。補
償の重要性を強調するために述べると、コイル要素の変
調された有効信号（式１．２）は〜１０乃至１００の係
数の範囲内で搬送信号よりも小さく（Ｋ11≪Ｋ10）、対
をなした要素によって差を求めるためには搬送信号を零
オフセットに非常に正確に押さなければならない。
【００４９】この補償手段は幾何学形状、巻線数および
構造体内でのエミッタコイルとレシーバコイルの相対位
置および形状に関する。それによって、個々のコイル要
素が異なる磁場強さによって励起されるにもかかわら
ず、全体信号の差と合計を求めた後で、測定チャンネル
あたりの接続された要素によって、オフセットのない信
号が発生させられる。
【００５０】更に、補償方法の若干の例について説明す
る。２つの測定チャンネルＳＩＮＵＳとＣＯＳＩＮＵＳ
を形成するための複数のレシーバ要素と共に、単一エミ
ッタ構造体が図１１に示してある。個々のコイル要素を
接続することにより、２つの測定信号が次のように得ら
れる。
【数１０】
【数１１】
【００５１】既に説明したように、レシーバ平面内の励
磁場は同じ強さではない。この不均一性に対処するため
に、図１２に示すように、個々のコイル要素（Ｓｉ＋お
よびＳｉ−の場合）は異なる巻線数（ｎｉ＋≠ｎｉ−）
を備えることができる。比ｎｉ＋／ｎｉ−は、このコイ
ル要素の誘導比Ｂｉ＋／Ｂｉ−に対して逆比例するの
で、この両コイルについて、位置に依存してこの電流に
影響を与える標準器が設けられていないと、同じ電圧
（量で）が誘導される。
【００５２】コイル構造体では任意の精度まで、この方
法は、対のコイル要素Ｓ１＋，Ｓ１−およびＳ１＋，Ｓ
１−乃至Ｃｎ＋，Ｓｎ−およびＣｎ＋，Ｃｎ−のため
に、計算によって使用可能である。この場合、対称によ
って、最初と最後の対についてｎ１＋／ｎ１−＝ｎｎ＋
／ｎｎ−が生じ、これはエミッタ対称軸線まで同様に進
行する。差Δ１＞Δｉであることは明らかである。ここ
で、Δ１は｜ｎ１＋−ｎ１−｜、Δｉ＝｜ｎｉ−−ｎｉ
＋｜である。そして、構造体軸線の方向は両側から連続
的に低下する。
【００５３】図１１に示した個々のエミッタ構造体のた
めの同等の補償方法は、励磁場の強さに逆比例してレシ
ーバコイル面（図１３ａ）を適合させるので、異なるＢ
ｉ＋≠Ｂｉ−の場合、異なる受信面Ａｉ＋≠Ａｉ−によ
って、対のコイルの２つの差動要素について、同じ磁場
の流れが達成される。測定方向に対して垂直方向のコイ
ル寸法“ｌ”の変化は、このコイルに誘導される信号に
対して量的にのみ影響与え、上述の適合を可能にする。
微細な磁束適合は、コイルの１個または若干の巻線の幾
何学的な変更によってのみ達成可能である（図１３ｂ参
照）。
【００５４】単一エミッタ構造体の第３の補償方法は図
１４に示してある。これは、測定方向においてエミッタ
面の外側（図１４ａ）または内側（図１４ｂ）内に配置
されたｋｓｉｎおよびｋｃｏｓのような付加的なレシー
バ要素である。このレシーバ要素はそれに誘導された信
号によって、内側のレシーバ要素と反対に作用するの
で、チャンネル当たりの相互接続が、補正されオフセッ
トのない信号を生じることになる。その際、巻線数とレ
シーバ面の適合のような上記のすべての補償方法を使用
することができる。
【００５５】図１４ａから判るように、補償コイルｋｓ
ｉｎ，ｋｃｏｓは１８０°だけ電気的にずれている。な
ぜなら、誘導方向がエミッタコイルの外側でベクトルと
して反作用するからである。
【００５６】図１５にはマルチエミッタ構造体が示して
ある。個々のエミッタ磁場を連鎖することにより、既に
述べたように、等しくない全体磁場分布が生じる。ここ
で説明する第１の補償方式は、補償レシーバ（Ｃｋ＋，
Ｃｋ−およびＳｋ＋，Ｓｋ−）に結合された付加的な補
償エミッタＥＫ１，ＥＫ２を備えている。この補償エミ
ッタと補償レシーバは他の類似のエミッタおよびレシー
バとその面積および（または）巻線数、場合によって巻
線方向が異なっている。この違いにより、相互接続され
た要素を有する全体構造体内で、この補償信号の反作用
によって、その偏差が抑制される。
【００５７】簡単化した形を示す、この構造体の２つの
変形では、付加的なエミッタ（図１６）または付加的な
レシーバ（１７）が補償要素として使用される。上記と
類似の方法では、この補償要素を備えていないときに存
在する信号オフセット値が補償される。
【００５８】図１８（軸測投象法の図）と図１９（構造
体横断面と誘導観察）には、他の補償方法が示してあ
る。この補償方法は単一エミッタ構造体とマルチエミッ
タ構造体の両方のために使用可能である。この実施の形
態では、構造体は、他のコイル要素に対して平行なコイ
ル要素内に、この他のコイル要素の平面に対して平行に
配置された補償コイルＫＳ，ＫＣを備えている。この補
償コイルの適当な給電、形状および位置によって、付加
的な誘導
【数１２】 がレシーバ平面内で発生可能である。この付加的な誘導
は標準エミッタの偏差
【数１３】 に逆らって作用し、その作用を重ねた後で、均一な全体
の励磁場を生じる。
【数１４】 その際、
【数１５】 と
【数１６】 が当てはまる（ベクトルのグラフ１９ａ，１９ｂ参
照）。
【００５９】図１９ａには、同じ誘導方向の２つのエミ
ッタの実施形が示してあり、図１９ｂには、反対の誘導
方向の２つのエミッタの実施形が示してある。両者の場
合、先ず最初に、標準エミッタ誘導Ｂがその位置偏差と
共に示してあり、そして補償誘導Ｂｋと全体補償の誘導
ＢＴが示してある。
【００６０】上記のすべての構造体について、信号オフ
セット抑制のための解決策が提示された。発生した信号
は高分解能の測定システムのための良好な“正弦形状”
を有していなければならない。これは、位置に依存する
高調波（ひずみ率とも呼ばれる）を最小に抑えなければ
ならないことを意味する。理論的には、今までの理想構
造体については、誘導信号が運転方法や形状に応じて、
いろいろな成分の局部的な主正弦振動に重ねて、偶数ま
たは奇数の高調波を有することを計算することができ
る。
【００６１】この高調波は、主波に対して一定の比であ
る場合には、コストのかかる電子的な評価によって抑制
可能である（例えば逐一的な“参照用テーブル”補正の
ように）。しかし、この比が間隔“ｄ”（図３）に依存
するので、高調波は機能範囲全体にわたって除去するこ
とはできない。この除去は高い精度のためには必須であ
る。そのことから、補償された構造体だけが高調波的
に、所望な要求を生じることが判る。
【００６２】測定システム伝送機能が所定の幾何学的手
段によって影響を受け得ることが予想される。この手段
は理論的に理想的な構造体のための補正として説明され
る。このように補正された構造体について、次に詳しく
説明する手段によって、妨害するすべてのオーダーの高
調波を適切に抑制することができる。基本的には、作用
を重ねることによって複数のオーダーの高調波を抑制す
るために、同じ構造体のために複数の補正手段が使用さ
れる。
【００６３】提示された第１の補正方法は、エミッタコ
イル形状に関する。図２０ａに示すように、測定方向で
エミッタ幅の加算値または減算値“ｋ”によって理想の
寸法を有するエミッタによって、所定のオーダーの高調
波を抑制するために、レシーバＳ＋，Ｓ−において誘導
される信号形状に影響を与えることができる。同様に、
エミッタ平面内の個々の巻線を分配することにより、規
則的な分配（図２１ａ）と異なり、図２１ｂ，２２ｃに
示すように、信号の影響が達成可能である。
【００６４】第２の補正方法は、測定方向におけるレシ
ーバ形状とレシーバ位置に関する。図２２ａには、複数
のレシーバグループからなる個々の測定チャンネル（正
弦）のための簡略化された理想レシーバ平面が寸法を記
入して示してある。補正“ｋ”によって変更されたコイ
ル要素幅（図２２ｂ）またはレシーバ差動グループ内の
コイル要素間隔（図２２ｃ）またはレシーバ列のレシー
バグループの間隔（図２２ｄ）およびレシーバコイル要
素の個々の巻線分布（図２１ｂ）によって、いろいろな
高調波を抑制することができる。
【００６５】第３の補正方法は標準器に関する。目盛り
周期λの範囲内の、高い導電性または小さな磁気抵抗を
有する範囲（図３の寸法“ａ”）と、低い導電性または
高い磁気抵抗を有する範囲（図３の寸法“ｂ”）との比
は、信号の形にも影響を与える。所定の補正値“ｋ”
（図２３ｂ）のために、所定のオーダーの高調波がスケ
ールによって除去可能である。或るオーダーの高調波の
抑制は、上述の限界範囲が目盛り周期の範囲内で測定方
向に対して所定の角度α≠９０°を有することにより
（図２３ｃ）、標準器で行うことができる。
【００６６】機能の種類、理想的な形状、コイル構造、
スケールおよび精度要求を決定した後で、所定の伝送機
能を有する所定の測定システムのためのこのすべての高
調波補正値を検出することは、本発明の知った上で専門
家に委ねられる。
【００６７】測定システムの考察の付加的な観点は、コ
イル構造体の間隔“ｄ”を有する信号振幅の、スケール
（図３）に対する依存性である。既に述べたように、電
子評価装置が電気的な角度αを決定するために比率法が
使用され、それによって２つの測定チャンネルの信号の
振幅が充分に結果から直接得られないで、その比だけが
得られる場合には、後述の方法によって機能範囲を拡張
するために、この振幅をほぼ一定に保つことができる。
【００６８】図２４には、可変増幅係数を有する電子評
価装置の入力段の動作増幅器によって、測定信号Ｖｏ
ｓ，Ｖｏｃを処理するブロック図が示してある。増幅係
数は調整の後のＵｋｏｍｐ信号によって決定され、標準
器とコイル構造体の間隔に比例する。Ｕｋｏｍｐ信号は
付加的なコイルＡｋｏｍｐ（図２５，２６）によって得
られる。このコイルはエミッタコイルに対して平行な平
面内で全体のコイル構造体内にあり、その形状によって
間隔に依存した信号を供給する（エミッタＥとＡｋｏｍ
ｐの間の磁気的な結合の程度）。この信号は間隔“ｄ”
によって指数的に影響を受ける。コイルＡｋｏｍｐは、
その誘導信号Ｕｋｏｍｐが測定方向における運動によっ
て変調されないように形成されている（例えば図２５に
おけるような〜ｎλの幅）。Ｕｋｏｍｐ信号とＶｏｓ，
Ｖｏｃが間隔“ｄ”の増大につれて弱まり、増幅係数を
大きくしなればならないので、この信号はＶＧＡ│ｓに
接続する前に適当に調整される。
【００６９】上述のすべての補償方法および補正方法
は、簡単化する理由から、１つのコイル平面についての
み図示され、統一的に“コイル”と呼ばれている。これ
は同様に、コイルが上下に配置されて相互接続された複
数のコイル層からなっているときにも当てはまる。
【００７０】多層コイル構造体を製作するための構造的
な実施において、個々のコイル平面を重ねて配置するこ
とにより、運転周波数およびインピーダンスに応じて、
磁気的な結合に加えて、不所望な容量結合が生じる。こ
れを回避し、全体の構造体を外部の影響から遮蔽するた
めに、能動的なコイル平面の間およびまたは外側に、大
きな面積の金属製薄層平面（図２７／Ｓ１，Ｓ２）を設
けることができる。一定の電位にこの薄層平面を接続す
ることにより、構造体は容量的に結合解除される。
【００７１】次に、構造的な例について説明する。図２
８に示すような基本的なコイルに基づいて、次に、図２
９に示すようなコイル構造体全体の例の構造的な実施に
ついて説明する。この場合、上述の補償方法の若干だけ
が使用される。システム採寸と要求に応じて、各々の信
号パラメータのために記載された補正原理と異なる任意
の補正原理を、一緒に形成されたコンセプトで適用可能
である。
【００７２】他の考察のために、コイル構造体は交互に
設けられた金属（ＭＥＴ）と絶縁層（ＩＳＯ）からなっ
ていると仮定する。絶縁層はメッキされたスルーホール
（Ｖｉａｓ）を備えている。このスルーホールは電気的
な中間層端子を実現する。この多層装置全体は、技術的
な観点から決定される基板上に形成され、適当な接点を
介して給電ユニットおよび電子評価装置に接続されてい
る。このような多層装置は公知の技術によって、印刷回
路の場合に類似してあるいはフォトリソグラフィ薄層技
術で実現可能である。
【００７３】図２８のコイル要素は、機能的に必要であ
れば、類似の方法で２つよりも多い金属平面内に形成可
能である。標準器は鉄または鉄合金製、磁性または軟磁
性の金属フィルム、エッチングされた周期的な構造（目
盛り）を有する非鉄合金（これは高い目盛り精度を達成
可能であるので有利である）、あるいは金属または非金
属の下地上に被覆形成された、両側を同時にフォトリソ
グラフィエッチングしたフィルムからなっている。
【００７４】図２９に示した、上記の幾何学的な状態を
有するマルチエミッタコイル構造体は具体的には（実際
にはこれに制限されない）、それぞれ３つの“Sinus ”
および“Cosinus ”レシーバグループ(S1,S2,S3,C1,C2,
C3) 上に重ねた６個のエミッタ（E1〜E6）からなってい
る。それによってエミッタはこのレシーバグループに誘
導結合されている。エミッタ E1,E6には間隔補償コイル
KOMPが誘導結合されている。
【００７５】コイル平面の間には、容量結合解除のため
に、遮蔽面が設けられている。エミッタはすべて直列に
または並列に相互接続され、交流電圧が供給される。こ
のエミッタの一部だけを上述のように相互接続すること
もできる。この場合、残りのエミッタは、他のエミッタ
を有する位相内で分離して給電される。それによって、
このエミッタは励磁場の所望な均一性を達成するため
に、異なる電圧（または電流）で給電可能である。
【００７６】このエミッタ（例えばE1,E6)は補償エミッ
タと見なされる。エミッタの巻線数はすべてのエミッタ
にとって同一でもよいし、異なっていてもよく、エミッ
タ単一磁場交互作用を等しくするために測定方向で構造
体軸線に対して対称であってもよい。
【００７７】レシーバグループ（例えばS1) は差動接続
された２つのレシーバ要素（S1＋,S1−) からなってい
る。両測定チャンネル“Sinus ”と“Cosinus ”の各々
は適合なグループの直列接続によって形成される。
【００７８】エミッタ性質によって補償されないときに
は、この第１の手段に加えて、上述のようにオフセット
を低減した全体の信号を達成するために、異なる巻線数
またはエミッタ磁場勾配を等しくするための幾何学形状
を有するレシーバ要素が形成される。
【００７９】チャンネル（図２９参照）のレシーバコイ
ルグループの間の理想的な間隔は、計算された伝送機能
から生じる補正値（K2,K3)によって、所定の高調波を抑
制するために適合させられる。
【００８０】KOMP1 とKOMP2 のコイル( 直列に接続され
た) 内で誘導される間隔補償信号は、標準器のコイル構
造体の間隔に逆比例する振幅を有する。この振幅は測定
方向におけるコイルの相対運動に影響を受けないかある
いは少しだけしか受けない（リップル現象）。これは、
理想値（周期整数）によって補正して補償コイル幅を適
合させることによって達成される。
【００８１】他の擾乱出力信号高調波は標準器内で補正
係数K1によって抑制可能である。システムを簡単化する
ため、および精度要求に応じてコイル構造体を実現する
ために、少ない金属層を使用することができる。
【００８２】完全を期すために、回転形の実施の形態に
ついて説明する。長さ測定システムの全体の規定は、角
度測定のために同じように使用可能である。唯一の違い
は、標準器が円筒状の部分であり（図３０の１）、コイ
ル構造体が円弧状に形成されるかまたは標準器と同心的
に多角形面で形成される（図３０の２）。
【００８３】このような測定システムは技術水準におい
てコンピュータプログラムによって開発および設計され
ているので、専門家が本発明を知ることにより、その都
度使用されるコンピュータプログラムに、本発明の補正
を行うモジュールまたはルーチンを備え付けることがで
きる。その際、反復方法を選択することができる。この
方法の場合、例えば本発明の補正は所定の規模で行われ
る。この補正は達成される改善を検査し、更に必要な
（補正の）補正を行う。これは得られた結果がよようと
する結果の範囲に達するまで行われる。勿論、本発明を
知った上で、最初のステップで所望な結果を達成するた
めに、必要な補正の分析を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】３つの要素からなる機器を示す。
【図２】標準器の製作を示す図である。
【図３】センサ構造体と標準器を示す図である。
【図４】単一エミッタ基本構造を示す。
【図５】レシーバコイル内に誘導される理想電圧を示す
グラフである。
【図６】理想的な２つの出力電圧を示すグラフである。
【図７】オフセットを含む信号を示すグラフである。
【図８】他の単一エミッタ基本構造体を示す。
【図９】マルチエミッタ構造体を象徴的に示す。
【図１０】４エミッタ形式の拡張されたマルチエミッタ
構造体を示す。
【図１１】２つの測定チャンネルＳＩＮＵＳとＣＯＳＩ
ＮＵＳを形成するための複数のレシーバ要素と共に、単
一エミッタ構造体を示す。
【図１２】異なる巻線数を有する個々のコイル要素を示
す図である。
【図１３】他の補償方法を示す。
【図１４】単一エミッタ構造体の第３の補償方法を示
す。
【図１５】マルチエミッタ構造体を示す。
【図１６】補償要素としての付加的なエミッタを示す。
【図１７】補償要素としての付加的なレシーバを示す。
【図１８】他の補償方法を示す。
【図１９】他の補償方法を示す。
【図２０】エミッタコイル形状を示す。
【図２１】エミッタコイル形状を示す。
【図２２】測定チャンネルのための簡略化された理想レ
シーバ平面を示す。
【図２３】標準器に関する第３の補正方法を示す。
【図２４】電子評価装置の入力段の動作増幅器によっ
て、測定信号を処理するブロック図である。
【図２５】付加的なコイルによって得られるＵｋｏｍｐ
信号を示す。
【図２６】付加的なコイルによって得られるＵｋｏｍｐ
信号を示す。
【図２７】能動的なコイル平面の間およびまたは外側に
設けられた大きな面積の金属製薄層平面を示す。
【図２８】コイル要素を示す。
【図２９】マルチエミッタコイル構造体を示す。
【図３０】円筒状の標準器を示す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F063 AA02 CB20 DA05 EA02 GA01 GA65 GA69 KA02 2F077 AA11 CC02 NN05 NN22 PP06 QQ02 VV01

Claims (18)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 コイル構造体と、可変の磁気抵抗または
    導電性の少なくとも１つの目盛りを有する標準器とから
    なる、位置検出のための誘導形測定装置において、コイ
    ル構造体が、ほとんど閉じた巻線の形の輪郭を有する、
    コイルの組み合わせとしての多層構造であり、コイル構
    造体が複数の対のレシーバを備え、各々の対が差動接続
    された２個のレシーバ要素を備え、このレシーバ要素が
    少なくとも２つの測定チャンネルの各々のための信号発
    生のために相互接続可能であり、少なくとも１個のエミ
    ッタ要素が設けられ、このエミッタ要素が測定方向にお
    ける標準器と相対的な位置に依存してレシーバ要素に誘
    導結合され、オフセットおよびまたは正弦形状およびま
    たは振幅を補償した少なくとも１つの出力信号を発生す
    ることを特徴とする測定装置。
  2. 【請求項２】 レシーバコイルが、オフセットを補償し
    た出力信号を発生するために、測定方向におけるエミッ
    タ磁場分布に相応して、異なる巻線数を備えていること
    を特徴とする請求項１記載の測定装置。
  3. 【請求項３】 レシーバコイルが、オフセットを補償し
    た出力信号を発生するために、少なくともその巻線の一
    部について、測定方向に対して横方向において異なる長
    さを有することを特徴とする請求項１または２記載の測
    定装置。
  4. 【請求項４】 レシーバコイルシステムが少なくとも１
    つの付加的な補償レシーバ要素を備え、この補償レシー
    バ要素が標準レシーバコイルと相互接続することによ
    り、エミッタ磁場不均一性を均一にすることによってオ
    フセットを補償した出力信号を発生することを特徴とす
    る請求項１〜３のいずれか一つに記載の測定装置。
  5. 【請求項５】 エミッタが複数のコイルからなり、少な
    くとも１つの付加的な補償エミッタが設けられ、この補
    償エミッタが測定方向にまたはエミッタに対して平行な
    平面内に配置され、レシーバ平面内に補償された均一な
    励磁場分布を生じることを特徴とする請求項１〜４のい
    ずれか一つに記載の測定装置。
  6. 【請求項６】 エミッタが複数のコイルからなり、この
    コイルが測定方向に配置されて、異なる巻線数、巻線分
    布、巻線形状、幅、長さまたは供給電流を有するように
    形成され、それによって測定方向における個々の磁場の
    作用を重ねることによって、均一な励磁場がレシーバ平
    面内に発生することを特徴とする請求項１〜５のいずれ
    か一つに記載の測定装置。
  7. 【請求項７】 エミッタが複数のコイルからなり、少な
    くとも１つの付加的な補償エミッタが設けられ、この補
    償エミッタが測定方向においてエミッタに対して平行な
    平面内に配置され、レシーバ平面内に均一な全体の励磁
    場分布を達成しおよびまたはレシーバコイル内にオフセ
    ットのない信号を発生するために、エミッタと関係なく
    給電可能であることを特徴とする請求項１〜６のいずれ
    か一つに記載の測定装置。
  8. 【請求項８】 出力信号の高調波を抑制するために、エ
    ミッタ幅がｎλ＋／−ｋであり、ここでｎは自然数、λ
    は目盛り周期そしてｋは補正値であることを特徴とする
    請求項１〜７のいずれか一つに記載の測定装置。
  9. 【請求項９】 出力信号の高調波を抑制するために、エ
    ミッタ幅内でエミッタの巻線分布が周期的に均一ではな
    いことを特徴とする請求項１〜８のいずれか一つに記載
    の測定装置。
  10. 【請求項１０】 出力信号の高調波を抑制するために、
    エミッタ要素がλ／２±ｋの幅を有し、ここでλは目盛
    り周期そしてｋは補正値であることを特徴とする請求項
    １〜９のいずれか一つに記載の測定装置。
  11. 【請求項１１】 出力信号の高調波を抑制するために、
    エミッタ要素がエミッタ差動対の範囲内で測定方向にお
    いて互いにλ／２＋／−ｋの間隔を有し、ここでλは目
    盛り周期そしてｋは補正値であることを特徴とする請求
    項１〜１０のいずれか一つに記載の測定装置。
  12. 【請求項１２】 出力信号の高調波を抑制するために、
    エミッタ差動対が測定チャンネルの範囲内で、測定方向
    において互いにｎλ±ｋｉ（ｉ∈｛ｏ，ｎ｝）を有し、
    ここでｎは自然数、λは目盛り周期そしてｋは補正値、
    ｉは零または自然数であることを特徴とする請求項１〜
    １１のいずれか一つに記載の測定装置。
  13. 【請求項１３】 出力信号の高調波を抑制するために、
    低い磁気抵抗を有する範囲と高い磁気抵抗を有する範囲
    の間における、標準器の目盛り周期の範囲内の部分範囲
    の比が、（λ／２−ｋ）／（λ／２＋ｋ）であり、ここ
    でλは目盛り周期そしてｋは補正値であることを特徴と
    する請求項１〜１２のいずれか一つに記載の測定装置。
  14. 【請求項１４】 出力信号の高調波を抑制するために、
    標準器と測定装置の境界の角度βが９０°でないことを
    特徴とする請求項１〜１３のいずれか一つに記載の測定
    装置。
  15. 【請求項１５】 レシーバ構造体内に少なくとも１個の
    間隔補償コイルが配置され、この間隔補償コイルが間隔
    に依存するはっきりした信号を供給し、この信号によっ
    て電子評価装置内で測定信号振幅が調整可能であること
    を特徴とする請求項１〜１４のいずれか一つに記載の測
    定装置。
  16. 【請求項１６】 コイル構造体平面の間およびまたは外
    側に、遮蔽のためおよびまたは容量結合のために、大き
    な面積の金属層が設けられ、この金属層が一定の電位に
    接続されていることを特徴とする請求項１〜１５のいず
    れか一つに記載の測定装置。
  17. 【請求項１７】 標準器が円筒の形を有し、この円筒の
    形が内側または外側に周期的な目盛りを有し、コイル構
    造体がそれに嵌まる形に配置されていることを特徴とす
    る請求項１〜１６のいずれか一つに記載の測定装置。
  18. 【請求項１８】 標準器が円筒部材の端面に配置され、
    コイル構造体がそれと平行な端面に配置されていること
    を特徴とする請求項１〜１７のいずれか一つに記載の測
    定装置。
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