JP2005172615A - 座標変位の測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡素な構成で座標変位を測定可能な座標変位の測定装置を提供することを課題とする。
【解決手段】 所望の被測定物の表面上に載置され、マトリクス状にそれぞれＸ軸方向及びＹ軸方向に交互に配列される磁性体パネルＣと非磁性体パネルＳと、磁性体パネル及び非磁性体パネルに相対して配置され、これらと相対的に非接触のまま変位する、複数個のインピーダンス素子によるＸ軸検出部とＹ軸検出部を包含する検出ヘッドＨとからなり、被測定物の磁性体パネル及び非磁性体パネルの配列面に対する検出ヘッドＨの相対的位置に応じたＸ軸成分検出信号とＹ軸成分検出信号とを、Ｘ軸検出部及びＹ軸検出部から夫々出力することを特徴とする座標変位の測定装置１０とする。
【選択図】 図７

Description

本発明は、座標変位の測定装置に関する。

特開平１０−１７６９２６号公報 特開平１０−８２６０７号公報 特開平１０−８２６０８号公報

近年、コイル等のインピーダンス素子と磁性体等よりなる磁気応答部材との相対的位置に応じた検出信号を各インピーダンス素子から得ることにより被検体の位置変位を検出する位置変位センサ（例えば特許文献１等）が開発され、この基本検出原理の応用範囲が広いことから、種々多様な用途への展開が試みられている。

上記の位置変位センサは、インピーダンス素子と磁性体等よりなる磁気応答部材との相対的位置に応じて交流信号中に現れる電気位相差より、位置変位を検出するものである。その基本検出原理の大略は次の通りである。
まず、この位置変位センサは、その駆動原理から２つに大別される。以下ではこれらをそれぞれ、誘導型、インピーダンス型と称する。いずれの型においても複数のインピーダンス素子が直線状に配列された直線変位検出方式と、円周方向に配列された回転角度検出方式とがあり、誘導型においては、トランスの二次コイルがインピーダンス素子となってこれらの配列が形成される（特許文献１等参照）。

そこで本発明の対象である、インピーダンス素子と磁性体等よりなる磁気応答部材との相対的位置に応じて交流信号中に現れる電気位相差より位置変位を検出する上記の位置変位センサを容易に理解出来る様、その誘導型位置変位センサについて、まず直線方式の動作原理を図１を用いて説明する。図１の（Ａ）はその外観斜視図、（Ｂ）はインピーダンス素子（Ｌ１〜Ｌ４）と磁性体配列棒（３）の様子を示す図である。図１において、１はソレノイド型一次コイル、２はその内側に同軸配置された二次コイル列であり、ここでは同一規格の４個のコイルＬ１〜Ｌ４が等間隔で配列されている。この二次コイル列はインピーダンス素子として機能するものである。このコイル配列に対しては、各コイル中心軸と同軸、かつ、軸方向に移動自在の関係で、被検体と物理的に結合された磁性体配列棒３が挿入される。磁性体配列棒３には、その直線変位方向に沿って所定のピッチで複数の円筒状強磁性体（磁気応答部材）４が繰り返し設けられている。図１に示す例では、強磁性体４は、コイル配列間隔（隣接コイル中心間距離）の４倍を１ピッチとして繰返し設けられている。磁性体配列棒３の棒軸は顕著な磁性を示さない金属又はプラスチック物質からなる。隣接する強磁性体４同士の間には、空隙或いは非磁性体８が存在する。

各二次コイルＬ１〜Ｌ４には、図の如く正弦波電圧ＡＳｉｎωｔが印加された一次コイル１からの相互誘導作用により正弦波電圧が誘起される。ところが、上記磁性体配列棒３と各二次コイルＬ１〜Ｌ４との相対的位置の変化により、一次コイルと各二次コイル間の磁気結合の変化及びそれに伴うインダクタンス変化が生ずることによって、各二次コイルには、上記磁性体配列棒３の直線位置に応じて振幅変調された誘導出力交流信号が、これら各二次コイルの配置のずれに応じて異なる振幅特性で誘起される。図１における磁性体配列棒３の軸方向位置（Ｌ１，Ｌ３の位置：実質上、それぞれのコイルの軸方向中央部分が強磁性体４と空隙或いは非磁性体８との境界部分に対応する位置， Ｌ２，Ｌ４の位置：実質上、Ｌ２が強磁性体４の軸方向中央部分に対応し、Ｌ４が非磁性体８の軸方向中央部分に対応する位置）をｄ＝０とし、且つ同棒の、図の右方への移動を正方向とすれば、Ｌ１−Ｌ３差動出力は、誘起される正弦波Ｓｉｎωｔに、変動する係数すなわち位置変位に対応した振幅関数ａＳｉｎｄ（ａは適宜定数、以下同じ）を掛けた値
ａＳｉｎｄＳｉｎωｔ
となり、Ｌ２−Ｌ４差動出力は、誘起される正弦波Ｓｉｎωｔに、変動する係数すなわち位置変位に対応した振幅関数ａＣｏｓｄを掛けた値
ａＣｏｓｄＳｉｎωｔ
となる。ここで、振幅関数ａＳｉｎｄ，ａＣｏｓｄは、磁性体配列棒３上における強磁性体４の繰返し単位（＝１ピッチ変位）を１サイクルとしてそれぞれ変化する。すなわち、上記振幅関数は、１ピッチを２π［ｒａｄ］として処理し得るものであって、電気位相差３６０度分に対する機械的変位量が１ピッチに相当する。

次に、回転方式の動作原理に付き、図２を用いて説明する。図２に於て二次コイル２’を構成する各コイルＬ１〜Ｌ４は、一次コイル１’の中心軸と平行な中心軸を有しており、一次コイル１’に内接する形で環状・等間隔に配列される。各二次コイルＬ１〜Ｌ４は、それぞれの中心軸と同軸に配置された極鉄心５を有している。これら極鉄心の端面はいずれも、実質的に同一の軸横断面上に揃えられている。又、一次コイルの中心軸（＝二次コイル配列の中心軸）と同軸に配置されたシャフトスリーブには、二次コイルの極鉄心５を回転位置に応じて覆うための磁性体偏心板６が支持されている。磁性体偏心板６は、被検体の動きに応じて回転可能な様、被検体と物理的に結合されたものである。磁性体偏心板６は、上記一次コイルの中心軸を回転軸として回転し、それに応じて、実質的に回転軸から最も離れた磁性体偏心板６の一部分９が、順次各二次コイルＬ１〜Ｌ４の極鉄心５上を通過して行く様になっている。

各二次コイルＬ１〜Ｌ４には、一次コイル１’との相互誘導により、一次側に印加された正弦波電圧ＡＳｉｎωｔに基づく正弦波電圧が誘起されるが、前述した磁性体偏心板６の回転位置に応じた一次コイルと各二次コイル間の磁気結合の変化及びそれに伴うインダクタンス変化が生ずることによって、各二次コイルには、磁性体偏心板６の回転角度変位に応じて振幅変調された誘導出力交流信号が、これら各二次コイルの配置のずれに応じて異なる振幅特性で誘起される。これら各二次コイルに誘起されたコイル端間電圧は、配置関係が１８０度（逆位相）であるＬ１−Ｌ３の組，及びＬ２−Ｌ４の組において差動的に取出せば、倍化して検出できるということが明らかである。

磁性体偏心板６が図２（Ｂ）に示される角度位置にあるとき（＝実質的に回転軸から最も離れた磁性体偏心板６の一部分９が、中心軸７から見て水平方向右側にあるとき）における１２時方向の角度位置（＝Ｌ１に対応する位置）をθ＝０と定め、かつ、この偏心板６の、図の時計回りの回転を正方向とすれば、二次コイルＬ１−Ｌ３差動出力は、誘起される正弦波Ｓｉｎωｔに、係数すなわち角度変位に対応した振幅関数ａＳｉｎθを掛けた値、即ち、
ａＳｉｎθＳｉｎωｔ
となる。一方、Ｌ２−Ｌ４差動出力は、誘起される正弦波Ｓｉｎωｔに、係数すなわち角度変位に対応した振幅関数ａＣｏｓθを掛けた値、即ち、
ａＣｏｓθＳｉｎωｔ
となる。ここで、振幅関数ａＳｉｎθ，ａＣｏｓθは、磁性体偏心板６の１回転を１サイクルとしてそれぞれ変化する。したがって、上記振幅関数は、θの３６０度変位を１ピッチとして、直線方式の場合と同様に処理し得るものである。

これらの関係を、直線及び回転角度変位について一括し、回路的に示したものが図３の結線図である。

また、同様の関係はＬ１〜Ｌ４を実質上自己インダクタンスのみからなるインピーダンス素子として，これらに正弦波電圧ＡＳｉｎωｔを直接加えた場合にも成立する（以下、インピーダンス型と称する）。このことを示したのが図４の回路図である。尚本発明は、直接にはインピーダンス型において、インピーダンス素子と磁性体等よりなる磁気応答部材（磁性体パネル）との相対的位置に応じて出力交流信号中に現れる電気位相差より、座標変位を測定する新規のセンサ構造に関するものである。

そこで、インピーダンス型においても上記と同様にして得られるインピーダンス素子（コイルＬ１〜Ｌ４）の各端子電圧を、正弦係数の式をα、余弦係数の式をβとすれば、回転角度変位の場合、直線変位の場合ともに、次の様に表すことができる。ａは適宜定数である。
α＝ａＳｉｎ（θ，ｄ）・Ｓｉｎωｔ・・・・・・・・・・・・・・・・式１
β＝ａＣｏｓ（θ，ｄ）・Ｓｉｎωｔ・・・・・・・・・・・・・・・・式２

これらの式から、実際の被検体の回転角度変位θ或いは直線変位ｄ（電気位相角をθとすれば、これが各軸方向の機械的変位に相当するため、以下ではθの表記で説明する）を求める演算回路としては、まず式１及び式２にそれぞれ、０から順次増加するデジタル位相値φの余弦関数Ｃｏｓφ、及び正弦関数Ｓｉｎφを乗じていき、
Ｓｉｎφ・Ｃｏｓθ−Ｃｏｓφ・Ｓｉｎθ＝０・・・・・・・・・・・・式３
の時点において、θ＝φとしてθを特定する、公知のＲ−Ｄ変換方式が挙げられる（特許文献１等参照）。尚、この方式ではφを追従カウントするときのクロック遅れが生じ、応答性の面で改良の余地がある。

また、以下の様な方式も従来知られたものである。すなわち、式１におけるＳｉｎωｔを回路上でＣｏｓωｔに変換してａＳｉｎ（θ，ｄ）・Ｃｏｓωｔを得たのち、三角関数の加法定理を適用することによって、位置変位を位相差として含む正弦波信号ａＳｉｎ（ωｔ±θ，ｄ）を得、これより被検体の位置変位（θ，ｄ）を求める方式である。下式４に、その様子を示す。以下、この方式を位相差変換（Ｐ−Ｄ変換）方式と称する。なお、ａＳｉｎ（ωｔ＋θ，ｄ）を進み位相波Ｐ、ａＳｉｎ（ωｔ−θ，ｄ）を遅れ位相波Mとする。
ａＳｉｎ（θ，ｄ）・Ｃｏｓωｔ±ａＣｏｓ（θ，ｄ）・Ｓｉｎωｔ＝
ａＳｉｎ（ωｔ±θ，ｄ）・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・式４

この位相差変換方式に関し、図５に、動作波形及び解析手順を示す。同図（Ａ）は印加電圧ＡＳｉｎωｔと、振幅変調された式１、式２の各右辺の信号の波形図、（Ｂ）はＡＳｉｎωｔのグラフと特定の位相差（θ，ｄ）を含む図５（Ｃ）右辺の正弦波、この場合は遅れ位相波Ｍ＝ａＳｉｎ（ωｔ−θ，ｄ）のグラフとの時間関係を示す波形図である。図５（Ｃ）は、図５（Ｂ）に表された波形図を導き出す根拠となる数式的推移を示すものである。又図６に、図５（Ｃ）の操作を回路上で具体的に実現する演算回路のブロック図を示す。式１、式２で表わされる信号α、βはそれぞれ、位相検出部１８に入力される前に、増幅（増幅度ｂ／ａ）並びに位相シフト及び加算の各処理が施される。尚図５（Ｂ）において、進み位相波Ｐ＝ａＳｉｎ（ωｔ＋θ，ｄ）の場合、そのグラフは破線で示した遅れ位相波Ｍ＝ａＳｉｎ（ωｔ−θ，ｄ）のグラフと対称的に、実線で示したＡＳｉｎωｔのグラフよりも（θ，ｄ）だけ時間的に先行した正弦波となる。

図５（Ｂ）のグラフから明らかな通り、θ又はｄを求めるにはＡＳｉｎωｔグラフのゼロクロス点から、遅れ位相波Ｍ＝ａＳｉｎ（ωｔ−θ，ｄ）又は進み位相波Ｐ＝ａＳｉｎ（ωｔ＋θ，ｄ）グラフのゼロクロス点までの時間をカウントすれば良い。

ところで、上記誘導型或いはインピーダンス型の位置変位センサは、すべて直線位置や回転位置のような１次元位置を測定するものであり、２次元位置を測定するものは存在していなかった。上記誘導型或いはインピーダンス型の位置変位センサは、構造的に非接触であり、また、インピーダンス素子と磁性体等よりなる磁気応答部材の簡単な構成により、容易かつ安価に製造することができるので、これを２次元位置検出装置に適用できれば、広い応用・用途が見込まれる。その様な観点から、特許文献２或いは３に記載される発明が提案されているが、いずれも誘導型に係るものである他、測定対象物中にコイルを予め埋め込んだり、又これらを結線して検出回路、更には演算回路等を構成する必要があり、各部品を測定対象物中に実装することが面倒である上実装スペースを改めて確保する必要があると言う問題があった。更に、測定範囲が測定対象物中に埋設されたコイル近傍に限定されるため、広範な座標変位の測定を行なうことが難しいという問題があった。

本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、簡素な構成で座標変位を測定可能な座標変位の測定装置を提供することを課題とする。
また本発明は、広い範囲で正確に座標変位を測定可能な座標変位の測定装置を提供することを課題とする。

本発明者は、上記課題を解決すべく種々検討を行った結果、従来知られた上記誘導型或いはインピーダンス型の位置変位センサの測長原理を平面的その他多次元的に展開、即ち被測定物表面に磁性体パネルと非磁性体パネルをマトリクス状にそれぞれ各座標軸の方向に交互に配置する一方、検出ヘッドを各軸毎の位置変位測定用のインピーダンス素子の組からなるものとすることにより、簡素な構成で座標変位が測定できることを見出し、本発明を完成した。

上記課題を解決可能な本発明の座標変位の測定装置は、所望の被測定物の表面上に載置され、マトリクス状にそれぞれＸ軸方向及びＹ軸方向に交互に配列される磁性体パネルと非磁性体パネルと、前記磁性体パネル及び非磁性体パネルに相対して配置され、これらと相対的に非接触のまま変位する、複数個のインピーダンス素子によるＸ軸検出部とＹ軸検出部を包含する検出ヘッドと、からなり、前記被測定物の前記磁性体パネル及び非磁性体パネルの配列面に対する前記検出ヘッドの相対的位置に応じたＸ軸成分検出信号とＹ軸成分検出信号とを、前記Ｘ軸検出部及びＹ軸検出部から夫々出力することを特徴とするものである。
尚、本発明に言うＸ軸、Ｙ軸とは、２次元面上で交差して延びる一方側と他方側の軸の呼び名の一例であって、互いに直交するもののみに限定されないものとする。又被測定物表面に磁性体パネルと非磁性体パネルをマトリクス状にそれぞれ各座標軸の方向に交互に配置するとは、被測定物表面上において磁性体パネル同士或いは非磁性体パネル同士が互いに隣接しない様、磁性体パネルと非磁性体パネルを打違えに配置することを言う。

従って本発明によれば、現在はシリンダやダイキャスト機等に採用され、使用されている直線変位の位置変位の検出原理を、任意の座標位置を指定するポインタ装置や、表面実装機、その他平面座標変位の測定が必要な機器等にまで拡大適用することができる。又本発明によれば、被測定物と非接触の儘座標変位の測定が可能である他、検出ヘッドが１個で済むとともにその中に検出回路等を組み込んでおけば良いため、構成を簡素なものとすることが出来る。
更に、本発明の座標変位の測定装置は、磁気を利用した検出装置であるため、従来知られた光学式の検出原理を採用するものに比べ、ゴミや粉塵等の付着しやすい劣悪な環境下でも変わらぬ性能を発揮出来、設置環境に関わらず安定した検出出力を提供することが出来る点で、耐環境性が高いと言える。

本発明の磁性体パネル及び非磁性体パネルは、剛直なものからなる必要はなく、シート状のものから構成することも出来、従って測定対象物が曲面の場合であっても、曲面上にこれらのシートを適宜貼付けておくことで、その座標変位を検出することが出来る。
このほか、被測定物の磁性体パネル及び非磁性体パネルが備えられた面或いは検出ヘッドは、必ずしも水平面上にある必要はなく、本発明の座標位置の測定装置によれば、水平面に限らず傾斜面における座標位置の測定を行なうこともできる。又本発明の座標変位の測定装置によれば、後記の通り適宜補正演算等を併用することで、広い範囲で正確に座標変位を測定することもできる。以下、本発明をより詳細に説明する。

発明を実施するための形態

以下、本発明の一実施形態を、添付の図７〜１２に基づき説明する。
図７は本発明の座標変位の検出装置の一構成例を表わす図であり、（Ａ）がその平面を、（Ｂ）がその正面を示す図である。図８は検出ヘッドの各軸検出部毎のインピーダンス素子の配置を表わす、図７（Ａ）の一部拡大図であり、（Ａ）がＸ軸方向検出部、（Ｂ）がＹ軸方向検出部の配置を表わす図である。図９はインピーダンス素子からの出力電圧の変化を表わす図であり、（Ａ）が各コイルＬ２，Ｌ４の出力電圧の変化を、（Ｂ）がＬ２−Ｌ４差動出力の特性を表わす図である。図１０は検出ヘッドの各軸検出部毎の構成を回路的に表わした図であり、図１１は変換器内における処理の様子を示す図、図１２は検出ヘッドにおけるインピーダンス素子の別の配置例を示す図である。尚図７〜１２においては、先に示した図１〜６と同一のものには同一符号を付して説明するものとする。
また、図７（Ａ）における検出ヘッドＨのＸ軸方向、及びＹ軸方向位置をｄ_ｘ＝ｄ_ｙ＝０とし、同図に矢印で示す通り、検出ヘッドＨの、図の右方、そして上方への移動をそれぞれＸ軸方向、及びＹ軸方向の正方向とする。本実施形態では、Ｘ軸とＹ軸とは実質上直交している。

［構成］
まず、本発明の座標変位の測定装置の一構成例につき、図７に基づき説明する。
図７に示す様に、座標を検出すべき被測定物の表面には、磁性材料からなるパネル（コアパネル）Ｃと非磁性材料からなるパネル（スペーサパネル）Ｓが、マトリクス状にそれぞれＸ軸方向及びＹ軸方向に交互に配列されている。図７に示す一例では、被測定物の表面に磁性体パネルＣと非磁性体パネルＳが各８枚、計１６枚配置されている。この例では非磁性体パネルＳは顕著な磁性を示さない金属又はプラスチック物質からなる。
この図７に示す例では、後記する検出ヘッドＨの各軸検出部の構成が１相励磁４コイル方式とされており、それ故検出ヘッドＨを構成する各コイル配列間隔（隣接コイル中心間距離）の４倍の距離が、磁性体パネルＣと非磁性体パネルＳが連続して配置される間隔即ち検出ピッチ（電気位相差３６０度分に対する機械的変位量）の基本単位となっている。従ってコイル径或いはコイル配置間隔を適宜調整することで、所望の検出ピッチが実現されるかたちになっている。図７の例でも、各インピーダンス素子は上記１ピッチの範囲内に配置されている。

図７において、Ｈは検出ヘッドであり、平面座標変位を測定する本実施形態の装置では、検出ヘッドはＸ軸用検出部とＹ軸用検出部の２組が組み合わされてなるものである。Ｘ軸用検出部はＸ座標の値を表示、Ｙ軸用検出部はＹ座標の値を表示させるためのものである。本実施形態ではＸ軸検出部、Ｙ軸検出部は共に、同一規格の４個のインピーダンス素子（コイルＬ１〜Ｌ４、Ｒ１〜Ｒ４）からなり、それぞれ、後記するＹ軸成分検出信号α，β或いはＸ軸成分検出信号γ，δを出力するものである。なお、図１他に示した誘導型の場合と異なり、本節にて説明する座標変位の測定装置はインピーダンス型であるので一次コイルは不要である。

図７或いは図１２に示す様に本実施形態では、検出ヘッドＨの構成例として３行３列或いは４行５列（５行４列）の枠内にインピーダンス素子たるコイルが８個配置されたものが挙げられている。図７に示す例では、検出ヘッドＨの一方側のＸ軸検出部は、Ｘ軸方向に延びる第１行及び第３行目に夫々２個配列されたインピーダンス素子Ｒ１〜Ｒ４から、また他方側のＹ軸検出部は、Ｘ軸方向に延びる第１行及び第３行目に夫々１個、並びに第２行目に２個配列されたインピーダンス素子Ｌ１〜Ｌ４からなっており、それぞれ、Ｌ１とＲ１が非磁性体パネルＳ中央部分、Ｌ３とＲ３が磁性体パネルＣ中央部分、その他が磁性体パネルＣと非磁性体パネルＳ２枚の境界部分に来る様に配置されている。又図７（Ｂ）に示す様に、検出ヘッドＨは、磁性体パネルＣと非磁性体パネルＳの備えられた被測定物の上面において、非接触の儘配置されている。

［検出動作］
図８（Ａ）及び（Ｂ）に示す様に、図７に示す構成の検出ヘッドＨでは、コイルＲ１〜Ｒ４がＸ軸検出部、コイルＬ１〜Ｌ４がＹ軸検出部となっており、それぞれ、Ｘ軸方向の変位、Ｙ軸方向の変位を検出している。図８（Ａ）で各インピーダンス素子Ｒ１〜Ｒ４を示す円内、又図８（Ｂ）で各インピーダンス素子Ｌ１〜Ｌ４を示す円内にはそれぞれ、検出ヘッドＨがＸ軸、或いはＹ軸方向に移動することに伴って各素子の自己インダクタンスが変化することにより生じる出力信号の電圧特性を示す振幅関数が書き表わされている。図中、マイナス・サイン関数或いはマイナス・コサイン関数には、Ｓｉｎ又はＣｏｓの上に「−」（バー）が付してある。

各軸毎の検出原理は次の通りであり、上述した直線変位検出方式の位置変位センサと実質同様である。又この例では、インピーダンス型の検出方法を用いており、各コイルに直接、交流電源Ｓｉｎωｔが接続されている。図１０に、検出ヘッドの各軸検出部毎の構成を回路的に表わしたものを示す。尚各軸検出部毎のインピーダンス素子の接続及び座標変位の演算については、図８〜１１が参照される。以下では、Ｙ軸方向に移動する場合に注目してその変位の検出方法につき説明した後、座標変位の演算について説明する。

はじめに、コイルＬ２に注目すると、コイルＬ２がＹ軸方向に移動することでコイルのインピーダンスが変化し、図９（Ａ）に実線で示される様な出力電圧が表われる。同様に、コイルＬ４にも図９（Ａ）に破線で示される様な出力電圧が表われる。これらの差動出力をとれば、図９（Ｂ）に示される様にａＳｉｎθの信号が得られる。同様にコイルＬ１，Ｌ３についても差動出力が得られる様接続することによって、ａＣｏｓθの信号が得られる。これらａＳｉｎθ或いはａＣｏｓθは、基準信号成分（Ｓｉｎωｔ）の係数部分となるものである（式１，式２）。

Ｘ軸検出部を構成する各インピーダンス素子の配列は図８（Ａ）に示される通りであり、検出方法その他は上記Ｙ軸の場合と同様である。

図８〜１０に示す通り、各軸検出部を構成するインピーダンス素子（コイルＬ１〜Ｌ４，Ｒ１〜Ｒ４）に基準信号ＡＳｉｎωｔを励磁しておくと、検出ヘッドＨの移動に伴い、その真下に来る磁性体パネルＣ或いは非磁性体パネルＳの位置に応じて各コイルのインピーダンス（自己インダクタンス）が変化する。
例えばコイルＬ１〜Ｌ４からなるＹ軸のみに注目し、コイルＬ２−Ｌ４差動出力α，Ｌ１−Ｌ３差動出力βを図１０に示す構成の検出回路から取り出すと、
α＝ａＳｉｎθＳｉｎωｔ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・式１
β＝ａＣｏｓθＳｉｎωｔ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・式２
となる。ａは適宜定数である。これら検出回路からの信号（Ｙ軸検出信号）α，βは、演算回路１５の入力部１９で増幅（増幅率ｂ／ａ）された後、信号αについては位相シフト回路１６を通してＳｉｎωｔ部を電気位相π／２遅らせる処理が施される。
α’＝ａＳｉｎθＳｉｎ（ωｔ−π／２）
＝ａＳｉｎθＣｏｓωｔ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・式１’
これと式２に示すβとを、式４に示す様に加法定理を適用して演算することにより、進み位相波Ｐ＝ａＳｉｎ（ωｔ＋θ）或いは遅れ位相波Ｍ＝ａＳｉｎ（ωｔ−θ）が求まるので、これらと基準励磁信号ＡＳｉｎωｔとの位相差から機械的変位の検出を行なう（位相差検知方式）。Ｘ軸の場合についても同様である。

尚、機械変位の検出は、１ピッチ（＝磁性体パネルＣと非磁性体パネルＳ一組の長さ或いは磁性体パネルＣの配列間隔）を電気角３６０°（１周期）とすることで、検出ヘッドＨが移動してθの変位が得られた場合、ｄ＝（θ／３６０）×ｐとすることにより求めることが出来る。ここで、ｐは１ピッチの長さ、ｄは機械的変位であり、各軸成分毎に、ｄ_ｘ：Ｘ軸成分位置，ｄ_ｙ：Ｙ軸成分位置とする。

［変換器内での検出信号の演算処理］
次に、各インピーダンス素子から得られる出力信号（Ｙ軸成分検出信号α，β或いはＸ軸成分検出信号γ，δ）よりＸ軸或いはＹ軸方向の位置変位を導き出すための変換器内における処理につき、図１０及び図１１を参照しながら説明する。変換器３５は、各軸検出部毎に備えられ、それぞれ増幅部１９，位相シフト部１６，加算部１７，位相検出部１８を含む演算回路１５を有するものである。図中のマイクロコンピュータ３６及びルックアップテーブル３７については後段で説明する。各軸検出部からの差動出力α〜δは、演算回路１５の増幅部１９に接続される。
図１１（Ａ）に示す通り、本実施形態では、直線変位や回転角度を検出する誘導型やインピーダンス型の位置変位センサにおいて従来知られた位相差変換（Ｐ−Ｄ変換）方式を用いることによって、Ｘ軸或いはＹ軸方向の位置変位を導き出している。Ｐ−Ｄ変換については上述した通りであり、図１０及び図１１から明らかな様に、各軸検出部では４つのコイルの出力より、これらがＬ２−Ｌ４又はＲ２−Ｒ４（α，γ），そしてＬ１−Ｌ３又はＲ１−Ｒ３（β，δ）の二種類の差動出力に変換されたのち、変換器３５内の演算回路１５に入力され、増幅、位相シフト、加算の処理が施された後に位相検出処理が行われてＹ軸或いはＸ軸方向の位置変位が導き出される。導き出されたＹ軸或いはＸ軸方向の位置変位を座標変位として適宜（Ｘ座標：Ｙ座標＝ｄ_ｘ：ｄ_ｙ）の形で表わせば、本発明の装置が座標変位の測定装置として機能することが明らかとなろう。

この様に、図７、或いは図１２の様なコイル配置或いは検出ヘッドを持つ本発明の座標変位の測定装置によれば、従来知られた直線変位の位置変位センサと同様、例えば４つのコイルから夫々得られる、夫々の自己インダクタンス等に応じた出力レベル乃至振幅関数を有する正弦波信号（Ｙ軸成分検出信号α，β或いはＸ軸成分検出信号γ，δ）の値から、Ｘ軸或いはＹ軸方向の位置変位、ひいては２次元平面上の座標変位を導き出すことが出来る。

検出距離、或いは検出ヘッドからの座標変位の出力値に関しては、図７（Ａ）に示された３行３列の枠内に置かれたコイル配列の場合、磁性体パネルＣと非磁性体パネルＳの組合せを１ピッチとし、図７（Ａ）における検出ヘッドＨの位置を基準にすると、同図中で検出ヘッドＨが当初相対している磁性体パネルＣと非磁性体パネルＳの範囲内即ちＸ，Ｙ軸方向それぞれに±１／４ピッチ、特に±１／８ピッチの範囲内では（図９（Ｂ）参照）、検出ヘッドＨからの出力は、特に補正の必要が無い座標変位の値を表示する。図１２の様なコイル配置からなる検出ヘッドの場合も同様である。

本発明の一実施例となる座標変位の測定装置の構成、および動作等については、図７〜図１２をはじめとする添付図面、及び上記［発明を実施するための形態］で説明した通りである。
かくして、Ｘ軸検出部或いはＹ軸検出部に繋がる各演算回路１５の位相検出部１８より出力された位相差θは、Ｘ軸検出部或いはＹ軸検出部におけるＸ軸成分の変位或いはＹ軸成分の変位（ｄ_ｘ、ｄ_ｙ）に相当する。このとき、１ピッチ即ち磁性体パネルＣの繰り返しピッチを例えば２^１６＝６５５３６分割する１６ビット処理を行えば、１ピッチ＝１０ｍｍの場合なら、Ｘ軸検出部或いはＹ軸検出部のそれぞれで１００００／６５５３６≒０．１５［μｍ］の分解能を得ることができる。

ここで、本実施例では、検出範囲を広げるため、ルックアップテーブルと言われる変換テーブルを用い、上記±１／４ピッチの範囲外に検出ヘッドが移動した際に生じ得る、一部に誤差を含んだ波形或いは出力値の補正が出来る様になっている。
図７或いは図１２に示されたコイル配列の場合、Ｐ−Ｄ変換を適用した出力値から求められる座標変位の値と実際の座標変位の値の間の誤差の補正を行うに当たり、検出ヘッド出力値（誤差を含んだ値）と真の値（実際の正しい各軸毎の位置変位又は座標変位）との対照変換表等の様なルックアップテーブルを、本発明の装置製造時の検査等で実際に測定された出力値を基にして予め作っておき、これを図１１に例示する通り、補正用ロムのような記憶媒体（メモリ３７）を介して変換器３５内に備えておけば良く、各コイルから実際に得られた信号を順次このルックアップテーブルに対照する処理をＣＰＵ（マイクロコンピュータ）３６で行うことにより、各コイルから実際に得られた（誤差を含む）出力信号（Ｙ軸成分検出信号α，β或いはＸ軸成分検出信号γ，δ）から真の値を容易に求めることができる。図１１に示す通り、演算回路１５から出たＸ軸或いはＹ軸方向の位置変位の値は、同じ変換器３５内にあるＣＰＵ３６に入力される。ＣＰＵ３６には、ルックアップテーブルが格納されたメモリ３７が内蔵或いは電気的に接続されていて、演算回路１５から入力された値は、当該ＣＰＵ３６内において順次ルックアップテーブルと対照処理される。対照処理の後、ＣＰＵ３６からは補正演算後の正しいＸ軸或いはＹ軸方向の位置変位の値が得られる。
本実施例の座標変位の測定装置によれば、上記の通り適宜補正演算等を併用することで、検出範囲が別段限定される事無く、広い範囲で正確に検出ヘッドＨの座標変位を測定することができる。

各インピーダンス素子から得られる出力信号よりＹ軸或いはＸ軸方向の位置変位を導き出すための変換器３５内における処理につき、この実施例では図１１（Ｂ）に示す様に、Ｙ軸或いはＸ軸方向の位置変位を、変換器３５内に直接入力される個別の各コイルＬ１〜Ｌ４或いはＲ１〜Ｒ４の出力レベルに基づき検出している。又この実施例では、このとき同時に適宜補正演算を施している。上記実施例１と同様、補正演算にはルックアップテーブルと言われる変換テーブル等が用いられる。このとき、４つのコイルから夫々得られる出力信号は、ＣＰＵ３６に入力され、その内部又は外部に設置されたメモリ３７に格納されているルックアップテーブルと対照する処理が行われる。
尚ルックアップテーブルとして記憶される情報としては、例えば４つのコイルから得られる出力信号（Ｙ軸成分検出信号α，β或いはＸ軸成分検出信号γ，δ）から求まる各軸毎の位置変位又は座標変位の値と、実際の正しい各軸毎の位置変位又は座標変位との間の誤差の情報（誤差情報）が挙げられる。或いは、各軸の４つのコイルから得られる出力信号或いはこれらから求まる各軸毎の位置変位又は座標変位の値（誤差を含む）より、これをアドレスとして、直接実際の正しい各軸毎の位置変位又は座標変位の値（真の値）に辿り着けるようにし、その上で、この真の値に関する情報を、本発明の装置製造時等に補正演算用のロムに予め書き込んでおく手法が採られる。

以上、本発明の一実施形態として２次元の座標変位の測定を行なうための構成を中心に説明したが、本発明は上記実施例記載のものに限られず、種々の設計変更が可能である。
例えば、２次元面上で交差して延びる一方側と他方側の軸の交差角度は、上でＸ軸、Ｙ軸と表記した様な直角に限定されるものではない。
座標変位の測定についても、本発明の座標変位の測定装置の他に大まかな座標変位の測定手段を別途組み合わせ、大まかな座標変位を予め確定した後本発明の装置により座標変位を精密に測定する様にしても構わない。
また、各インピーダンス素子に加える信号（＝励磁信号）を例えば正弦波交流電圧からなるアナログ信号ではなく、所謂パルス状の矩形波からなるディジタル信号としても良い。この様な構成とすれば煩雑なアナログ回路素子の精度管理が不要となる。又この様な構成としても、アナログ正弦波交流信号を各インピーダンス素子に入力した場合と変わらぬ性能を得ることが出来る。このとき、励磁信号として用いるデジタル信号は、位相差検出その他本発明の座標変位の測定装置の制御用に使用されているマイクロコンピュータより直接出力させることが可能であるほか、マイクロコンピュータからの出力信号を適宜ディジタル信号処理してから各インピーダンス素子に印加することもできる。

各インピーダンス素子の数及び配置についても、上記実施例記載のものに限定されることなく様々な値等を採用し得る。その様な構成とした場合であっても、位相検出部での演算方法を変更したり、或いは位相検出に際してルックアップテーブルによる補正を併用したりすることにより、正しい座標変位を測定出来る。

更に、上記各例では一相のみで行っていた各インピーダンス素子への正弦波電圧の印加（＝コイルの励磁）に代えて、各インピーダンス素子の第１端に、それぞれ位相のずれた交流電圧を供給する交流電源を接続し、上記各インピーダンス素子の第２端をそれぞれ一括接続することにより、多相交流の中性点電圧同様、この一括接続された第２端から、上記各インピーダンス素子と上記磁性体パネルＣ及び非磁性体パネルＳの配列面との相対的位置の変化に伴うインピーダンス変化に対応した位相差をもつ交流信号を取り出し、これを用いて被測定物の座標変位の測定を行なうことも出来る。このとき、インピーダンス素子となる各コイルの第１端にはそれぞれ、ωｔ＝２π／ｎ（ｎは、Ｘ軸或いはＹ軸検出部を構成するインピーダンス素子数）づつずれた励磁信号を入力し得る。

又インピーダンス素子は、コイルに限らず例えば磁気抵抗素子（ＭＲ）等であっても良い。但し、各インピーダンス素子として磁気抵抗素子を使用する場合は、特開２０００−２９２１１３号公報等にも記載されている様に、各磁気抵抗素子にバイアス磁界（フィールド磁界）を別途加えることが必要である。磁気抵抗素子は、インピーダンス素子の一例であるコイルよりも大幅に小型化出来るので、検出ヘッドを小型化出来る上、検出ピッチを詰めることが出来、装置の検出精度の向上に寄与する。
上記各例では、非磁性体パネルＳは顕著な磁性を示さない金属又はプラスチック物質からなっているが、その他、磁性体パネルＣのみを残し非磁性体パネルＳが配置されていた部分を空隙としても良い他、空隙に代えて各磁性体パネルＣの間に反磁性体を設置しても良い。

上記各例では、磁性体パネルＣ及び非磁性体パネルＳが被測定物上に配列されている例につき説明したが、本発明の座標変位の測定装置は各インピーダンス素子と磁性体パネルＣ及び非磁性体パネルＳの相対的位置から被測定物の座標変位を測定するものであるので、検出ヘッドＨ側に被測定物が物理的に結合されていても別に構わない。

その他、本発明の座標変位の測定装置は、上に列挙した適用対象に限らず、種々の対象にも適用可能であることは言うまでもない。

更に本発明は、２次元の座標変位の測定に限定されず、例えばＮＣ（数値制御）工作機械やラピッドプロト作成機その他の３次元の座標変位の測定を行なう機器等に対しても適用可能なものである。

冒頭で示した通り、１次元の位置変位に関しては直線変位のほか回転角度の検出も可能であるところ、これらを組合せることにより、２次元の座標変位の検出に際しても、平面座標系やＸＹＺ軸からなる座標系に限らず極座標系とすることもできる。

このように本発明は、インピーダンス素子と磁性体等よりなる磁気応答部材との相対的位置に応じて交流信号中に現れる電気位相差より位置変位を検出する位置変位センサの基本原理を活かした、廉価で簡素、かつ対環境性能に優れた小型の座標変位の測定装置を提供できるものであることが明らかである。

従来の誘導方式による直線変位検出センサの構成を、模式的に示す図である。 従来の誘導方式による回転変位検出センサの構成を、模式的に示す図である。 図１又は図２の構成を用いて直線変位又は回転角度変位の検出を行う様子を、一括して回路的に示したものである。 図３の誘導方式におけるトランス構造に代えて、実質上自己インダクタンスＬ１〜Ｌ４のみからなるインピーダンス素子を用いて、同様に直線変位又は回転角度変位の検出を行える様にしたインピーダンス型位置変位センサの回路図である。 直線変位及び回転変位検出センサの動作波形及び解析手順を示す図であり、（Ａ）は印加電圧ＡＳｉｎωｔと、振幅変調された印加電圧信号とを示す電圧波形図、（Ｂ）はＡＳｉｎωｔのグラフと、特定の位相差（θ，ｄ）を含む正弦波ａＳｉｎ（ωｔ−θ，ｄ）のグラフとの時間関係を示す波形図、（Ｃ）はこれらの波形図の根拠となる数式的推移を示した図である。 図５（Ｃ）にあらわされた操作を具体的に実現する回路のブロック図である。 図７は本発明の座標変位の測定装置の一構成例を表わす図である。 検出ヘッドの各軸検出部毎のインピーダンス素子の配置を表わす、図７（Ａ）の一部拡大図である。 インピーダンス素子からの出力電圧の変化を表わす図である。 検出ヘッドの各軸検出部毎の構成を回路的に表わした図である。 変換器内における処理の様子を示す図である。 検出ヘッドにおけるインピーダンス素子の別の配置例を示す図である。

符号の説明

Ｃ 磁性体パネル
Ｈ 検出ヘッド
Ｌ１〜Ｌ４ コイル
Ｒ１〜Ｒ４ コイル
Ｓ 非磁性体パネル
１ 一次コイル
１’ 一次コイル
２ 二次コイル
２’ 二次コイル
３ 磁性体配列棒
４ 強磁性体
５ 極鉄心
６ 磁性体偏心板
７ 中心軸
８ 非磁性体
９ 磁性体偏心板の一部
１０ 座標変位の測定装置
１５ 演算回路
１６ 位相シフト部
１７ 加法定理による加算回路
１８ 位相検出部
１９ 増幅部
３５ 変換器
３６ マイクロコンピュータ
３７ メモリ

Claims (3)

1. 所望の被測定物の表面上に載置され、マトリクス状にそれぞれＸ軸方向及びＹ軸方向に交互に配列される磁性体パネルと非磁性体パネルと、
   前記磁性体パネル及び非磁性体パネルに相対して配置され、これらと相対的に非接触のまま変位する、複数個のインピーダンス素子によるＸ軸検出部とＹ軸検出部を包含する検出ヘッドと、
   からなり、前記被測定物の前記磁性体パネル及び非磁性体パネルの配列面に対する前記検出ヘッドの相対的位置に応じたＸ軸成分検出信号とＹ軸成分検出信号とを、前記Ｘ軸検出部及びＹ軸検出部から夫々出力することを特徴とする座標変位の測定装置。
2. 前記検出ヘッドは、それぞれＸ軸、Ｙ軸方向に沿って３行３列の枠内に配列された８個のインピーダンス素子からなり、一方側の検出部は、Ｘ軸方向に延びる第１行及び第３行目に夫々２個配列されたインピーダンス素子から、また他方側の検出部は、Ｘ軸方向に延びる第１行及び第３行目に夫々１個、並びに第２行目に２個配列されたインピーダンス素子からなることを特徴とする請求項１に記載の座標変位の測定装置。
3. 前記Ｘ軸成分検出信号及び前記Ｙ軸成分検出信号に基づくほか、さらにルックアップテーブルを用いた補正演算によって前記検出ヘッド或いは前記被測定物の座標変位を検出することを特徴とする請求項１又は２に記載の座標変位の測定装置。

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