JP4662539B2 - 多方向距離無接触測定器 - Google Patents

Description

発明の詳細な説明

本発明は多方向における距離を無接触で測定する装置に関する。具体的には多軸位置センサーに関する。

無接触位置測定に対しては誘導センサーを使用することが出来る。このようなセンサーの動作原理はセンサーコイルのインダクタンス、つまりセンサーと対象物の距離に依存する減衰の測定に基づいている。対象材料（強磁性、あるいは電気的導体、またはその両方）と測定周波数によっては、センサーコイルのインダクタンス、つまり減衰は主要な特性となる。

低価格で高い再現性を得るために、平面センサーコイルを回路基板に集積することが出来る。平面コイルを使った従来技術によるセンサーは、センサーコイル平面の垂直方向に対して高い位置感度を示す。センサーコイル平面内の横方向Ｘ−、及びＹ−の位置の測定は難しいことが知られている。単一の回路基板上に多方向の距離を測定する多軸誘導センサーを集積するため、コイルの巻き線は充分に大きな感度を得ることが出来るよう対象物が位置している回路基板の端近くに集中しなければならない。しかしながら、回路基板を使うときは充分な巻き線数を得るために、巻き線は表面上に広がってしまうのが常である。従って、この様な配置のインダクタンス、あるいは感度は共に低くなり、センサーの単一回路基板上への集積は不満足なものとなってしまう。

米国特許第４６４２５９５号明細書は対象物の周りに、コアにフェライトを使い、主コイルの脇にいくつもの補助コイルがある集中コイルを備えたジョイステックを開示している。

米国特許第４８２５１５７号明細書はホールセンサーとして機能する磁気コアを使ったもう一つのジョイステックを開示している。従来技術文献は、共に非導電性磁気コアの使用を開示している。

これらの従来技術から、本発明の目的はここに述べられた欠陥を克服することにある。

本発明においてはこれらの問題の解決法が見出され、多軸誘導センサーを単一回路基板上へ集積することが可能となる。

サブクレームによる多くの実施例には、これらのセンサーの応用における更なる利点が含まれている。

いくつかのインダクタンスは、典型的にはコイルであるが、対象物の位置が測定できるように配置されている。ここでの位置測定は、対象物が空間で行うことができる全ての回転と移動の測定を意味する。配置によって、一、二、あるいは六軸全てに亘って同時に測定することが出来る。回転対称物の場合は、対称軸での回転は測定できない（５次元自由度（ＤＯＦ）測定）。この分野における他の知られた装置の多くとは対照的に、対称軸での回転は重要でないと考えられている。

米国特許第４６４２５９５号明細書にあるように、従来技術の方法では磁場は磁性体の中に導かれている。もし、物体が一方向へ動いている場合（例えば左へ）、そちら側の検出器はフェライトコアにより近く、より大きい磁場に出会うことになる。

本発明では、ローターは完全導体のシリンダー、即ち、スチールまたはアルミで出来ている。渦電流はこのような物質内に磁場が存在することを回避する。従って、もし、物体が一方向に動いている場合（例えば左へ）、磁場はそちら側では部分的に対象物の渦電流によって抑制される。全体的な磁場は反対方向に動く（つまり右へ）。反対側の検出器はより大きな磁場を受ける。集中コイルと対象物の間のギャップが直径よりも小さい場合は、磁場の全体的な動きは対象物の動きに比べてずっと大きい。これによって高感度になる。

本発明を図面に示された典型的な実施例によって説明する。

図１は本発明による装置の第一形態における概念的斜視図を示す。コイル１は電気的導体である移動可能な対象物２の周りに巻かれ、線３及び発振器１３を通して高周波電流によって励起される。対象物２は電気的導体であるが強磁性材料ではない。対象物の周りに小さな独立コイルを設置しただけの従来の配置とは異なって、コイルは巻き線が物体を完全に取り囲むように配置されている。従って、コイル１のコンダクタンスは従来の配置に比べて高い。コイル１のような場は導体２の中に誘起される渦電流によって拒絶される。これによって、移動可能な対象物２とコイル１の間のギャップに場が集中する。場はギャップサイズ１０に大きく依存する。このようにして、物体２の位置は場の全体的分布に対して大きな影響を持つ。

この効果は、コイル１の電気的パラメータを変化させることはない。と言うのは、物体の片側の増加したギャップ１１は、その反対側の減少したギャップ１２によって相殺されるからである。場の合計はほぼ一定である。しかしながら、場の分布は物体の位置によって変化する。磁場センサー４は、場の分布の非対象性を測定するためにコイル１の巻き線に沿って物体２の周りに使われている。センサー４は中空のシリンダー状装置の同一平面１４上に、より多くあるいはより少なく配置されている。その配置の結果は、対象物の横方向（Ｘ，Ｙ方向）の微小な動きに対して良好な感度を持ち、製作するのが簡単で、コイル１の大きなコンダクタンスのために比較的低周波で動作することが出来る。

出願人は本発明によって直径２０ｍｍの物体２を有する装置を作製した。物体２の周りの平面を構成する基板１４の内端は２１ｍｍの直径を有する。従って、本発明の一実施例に拠れば、ギャップサイズ１０は０．５ｍｍである。

実施例は物体２の直径とギャップ１０の幅が４０：１の関係になるように選択され、配置されている。もし、物体２が例えば０．３ｍｍ右側に動くとギャップ１２は０．２ｍｍに減少し、反対側のギャップは０．８ｍｍに増加する。従って、磁場は約１２ｍｍ程左側に動くことになる。

装置の動作は以下の通りである。静止コイル１はリング状基板１４上で基板１４の内周に出来るだけ近く、移動可能な対象物２を取り囲む。その距離は０．２ｍｍまで減少する。高周波電流３は、典型的には１００ＫＨｚから１０ＭＨｚであるが、発振器１３で生成され、コイル１を貫通する。この配置の利点はコンパクトなこと−微小な空間を使って大きなコイルインダクタンスが実現出来る−である。磁場センサー４はコイルである。これらの追加コイル４は対象物２の周りに配置されているが、コイル１によって作られる高周波場によって発生する電圧を測定することに使われる。これらの電圧は対象物の位置に依存し、従ってＸ−方向、Ｙ−方向には依存しない位置信号を生ずる。

ケーブル３は装置の規模に比べて長く、例えば１００：１になり、比較的低周波だけが許容される。

高周波電流の可能な周波数範囲は装置の規模による。その周波数は、生成した磁場の大部分が導電体２の中に侵入出来ないように充分高くなければならない。言い換えると、導電体２の中に発生した渦電流は移動し、コイル１の磁場を撥ね付ける。

図２は図１による装置の概念的平面図を示す。各図に亘って同じ物には同じ参照番号がつけられている。図１と図２の実施例では４つのコイルが使われている。

このような位置信号を生ずる同様の配置は、また、図３及び図４の例のように、より多くの、あるいはより少ない検出コイルを備えることによって実現できる。図３では、本発明による第二の形態の装置は三つのコイル４を使用し、一方、図４では六つのコイル４を使っている。

本発明によるコイルの配置によれば、コイル当たりの巻き数が低い場合（例えば、５ターン）でも、またコイルのサイズが小さくとも（例えば、直径１０ｍｍのコイル）、充分大きなインダクタンスが得られる。その結果、この測定原理は回路基板（ＰＣＢ）への集積に適している。また、回路基板の使用によって、図１に示されているように、一つの生産工程によって同一平面１４上に全てのコイル１と４を配備することが確実にできるようになる。このことによって、コイルの最適配置のみならず、再現性のある低コストの生産工程が可能となる。コイル１とコイル４は、更に分解能の改善をもたらす対象物２に極めて接近した多層配置とすることが出来る。図７を参照。上述の全ての実施例では、導電体２の中に誘起された渦電流はコイル１の場を排除する。導電体２は、従って、ほとんど磁力線はない。このことによって移動可能な物体２と固定コイル１の間のギャップ１０に前述の場が集中することになる。

追加的なコイルを加えることによって、従来のセンサー原理と組み合わせると垂直なＺ方向の距離が測定できる。

前述のインダクタンスの配置を依然として使えるようにするため、渦電流効果が支配的である限りは強磁性対象物を使用することが可能である。

コイル１とコイル４は結合したインダクタンスの系を構成する。得られる信号はコイルのインピーダンス測定に基づいて評価することが出来る。これは様々な方法によって実現できる。高周波電流３をコイル１に接続する代わりに、またそのような電流をコイル４に加えることが出来、その結果コイル１の中に測定可能な信号が生ずる。コイル４に加えられる電流は、互いに相を違えたり周波数を変えたりすることが出来る。

典型的には数百ピコファラッドのコンデンサーを、コイルの誘導無効電流を相殺するためにコイル４、コイル１と並列に接続することが出来る。従って、それはケーブル中の電流を減少させる。これによって、対象物２の位置に強く依存する共鳴回路が生ずる。ここに提示された配置では、その共鳴周波数はインダクタンスの結合による単一の独立コイルに比べて著しく低いものとなる。低電流と低周波は共に、配置物に接続されたケーブルによる信号発信に対して好都合である。

図４は信号処理を有する本発明による装置の第三形態の概念的平面図を示したものである。図４の５による信号の処理はセンサードリフトを除去するために微分で行われる。更に、良く知られた同期復調６を使うことが出来る。しかしながら、複数の異なった処理手段と信号の取り扱い方法は、従来の技術によっても得られる事に注意する必要がある。信号処理５は、望ましくはコイル１、コイル４と一緒に基板に集積される。しかしながら、供給ライン３の低い感度と測定ラインは、センサーとその信号処理の分離を可能にすることに注意しなければならない。

コイル４の代わりに、また他の磁場センサー、例えばホールセンサーのようなものを使うことが出来る。図５は、コイルの代わりにホールセンサー４を使った三つのセンサーを有する本発明による装置の第四形態の概念的平面図を示したものである。

図６は本発明による装置の第五形態の概念的平面図を示したものであり、図７は図６におけるＶＩＩ−ＶＩＩ線による図６の装置の概念的側断面図を示したものである。図６の実施例において、Ｚ方向における対象物の軸方向位置は、対象物２上のステップ、即ちノッチ２２までの距離（つまりギャップ）２０を測ることによって追加的に決定することが出来る。この配置では、距離測定はコイル４の信号の合計を評価することによって、あるいはコイル１のインピーダンスを評価することによって達成される。図７は、実際には一つの図の中の異なった二つの実施例を示している。図７の左側には、コイル１が基板の上下の最も内周に用意されており、そしてコイル４がＺ軸からより離れた距離におけるコイル１と同平面上に設置されている。図７の右側には多層配置が示されている。そこではコイル４はコイル１の二つの部分によって挟まれて設置されている。

図８は本発明による装置の第六形態の概念的平面図を示し、図９は図８の装置の概念的側断面図を示す。追加的なコイル７によって、測定配置の自由度（ＤＯＦ）は追加された次元にまで拡張される。図８は、それぞれコイル１とコイル４の同径方向外側に配置されたこのような追加コイル７を有する配置図を表す。図８の実施例おいて、Ｚ方向における対象物の軸方向位置は対象物２のより大きいシリンダー部分２２までのギャップ２０を測定することによって追加的に決定することが出来る。このようなコイル７は、Ｘ−方向，Ｙ−方向，及びＺ−方向の変異のみならず、Ｘ−軸，Ｙ−軸に関する回転角（傾斜角）を評価することが出来る。図９からは、コイル４及びコイル７がより大きいシリンダー部分２２に面した基板１４の下面上に設置されていることが解る。一方、そこには円筒状に取り囲むコイル１が基板１４の他の基板面上の内周に設置されている。

図１０は本発明による装置の第七形態の概念的平面図を示し、図１１は図１０の装置の巻き線回路レイアウトを示す。コイル１は四つの分離された巻き線からなる。それぞれのコイル４はコイル１の対応する巻き線に直列に接続されている。これによって接続線はより少なくなる。図１０は、見えやすくするため、ただの一回巻き線を示している。励起信号１３は全てのコイル４に供給され、そのインピーダンスが測定される。図１１は二層巻き線板を示している。実線は上層の線を、点線は下層の線を、そして点は二層間の相互接続点である。

本発明による装置の第一形態における概念的斜視図を示す。 図１の装置の概念的平面図を示す。 本発明による装置の第二形態における概念的平面図を示す。 信号処理を備えた本発明による装置の第三形態の概念的平面図を示す。 本発明による装置の第四形態における概念的平面図を示す。 本発明による装置の第五形態における概念的平面図を示す。 図６の装置の概念的断面横図を示す。 本発明による装置の第六形態における概念的平面図を示す。 図８の装置の概念的断面横図を示す。 本発明による装置の第七形態における概念的平面図を示す。 図１０による装置の配線回路配置を示す。

Claims (13)

1. 電気的導体（２、２２）の多方向における距離（１０、２０）を無接触で測定する装置であり、この装置は本質的に前記電気的導体（２、２２）の周りに設置される少なくとも一つの第１誘導素子（１）と、前記一つの第１誘導素子（１）の近傍に配置される複数の第２誘導素子（４、７）すなわち他の磁場センサと、高周波電流を前記第２誘導素子（４、７）に供給して高周波磁場を発生させ、前記高周波電流は前記高周波磁場の大部分が前記電気的導体（２、２２）に生成される渦電流により前記電気的導体（２、２２）に侵入できない程度に充分高い周波数を有する高周波発生器（１３）と、出力信号を前記第２誘導素子（４、７）すなわち他の磁場センサから検出する信号処理装置（５）とからなり、前記信号処理装置は第１方向における前記電気的導体（２、２２）の動きに応答して渦電流効果により前記第１方向と反対の第２方向における前記高周波磁場の動きを検出することからなる無接触距離測定装置。
2. 第１および第２誘導素子（１、４、７）はコイルである請求項１に記載の装置。
3. 第２誘導素子（４、７）は、電気的導体（２）の周りに異なる角度位置で設置された単体コイルであり、前記第１誘導素子（１）は電気的導体（２）の周りに巻設されたコイルであることからなる請求項２に記載の装置。
4. 第２誘導素子（４、７）は偶数個配置され、信号処理装置を設けて対極第２誘導素子からの信号を特異的に処理することにより差信号を形成することからなる請求項１乃至３のいずれか一項に記載の装置。
5. 第２誘導素子（４、７）に電気容量を並列に配置して共鳴回路を形成することからなる請求項１乃至４のいずれか一項に記載の装置。
6. 電気的導体（２）はフランジ部分（２２）を有し、更なる単体コイル（７）が前記フランジ部分（２２）の表面近傍の前記電気的導体（２）の周りに異なった角度位置にされることからなる請求項１乃至５のいずれか一項に記載の装置。
7. ジョイスティック、操縦装置、モータのロータ、或いはコンピュータ入力手段の角度検出を行う請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の無接触距離測定器の使用方法。
8. 磁気ベアリングの位置制御を行う請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の無接触距離測定装置の使用方法。
9. コイルは印刷コイルである請求項２に記載の装置。
10. 電気的導体（２）と第１誘導素子（１）との間に間隙部を形成し、前記間隙部は間隙部における電気的導体の直径より小さく形成される請求項１記載の装置。
11. 電気的導体（２）の多方向における距離を無接触で測定する方法であって、この方法は本質的に電気的導体（２）の周りに少なくとも一つの第１誘導素子（１）を設置し、第１誘導素子（１）の近傍に複数の第２誘導素子（４、７）すなわち他の磁場センサを配置し、高周波電流を前記第２誘導素子（４、７）に供給して高周波磁場を発生させ、前記高周波電流は前記高周波磁場の大部分が前記電気的導体（２、２２）に生成される渦電流により前記電気的導体（２、２２）に侵入できない程度に充分高い周波数を有し、出力信号を前記第２誘導素子（４、７）すなわち他の磁場センサから検出し、前記出力信号は第１方向における前記誘導体の動きに応答して渦電流効果により前記第１方向と反対の第２方向における前記高周波磁場の動きに反映することからなる無接触距離測定方法。
12. ジョイスティック、操縦ギア、モータのロータ並びにコンピュータ入力手段から選択される装置の角度を検出する請求項１１に記載の方法。
13. 磁気ベアリングの位置制御を前記第２誘導素子からの出力信号により行なう請求項１１に記載の方法。

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