JP4769324B2 - 直線変位センサ - Google Patents

Description

本発明は、磁場を使用して直線運動を検知するのに使用される位置測定装置に関する。

２つの部材の互いに対する位置または変位量を測定することが必要になることが少なくない。特に有用な測定値は、可動ステージが静止したベースに沿って走行する際の可動ステージの直線変位量である。この変位量は、精度が広範囲にわたり、様々な複雑度を有し、コストが広範囲に及ぶ、多くの異なる検知技術によって測定することができる。

直線変位量を測定するいくつかの一般的な装置は、リニアエンコーダ、容量センサ、渦電流センサ、差動変圧器、光電センサまたは光ファイバセンサ、あるいは磁場センサを使用する。リニアエンコーダは、温度の変化が測定精度に影響を与えないように高安定性材料で作られたガラス製または金属製定規を使用する。石英、鋼、インバー、ガラス、またはセラミックスのようなこれらの材料は一般に、製造に特別な機械加工技術を必要とし、したがって、よりコストがかかる。

容量センサは、導電性ターゲットと非導電性ターゲットの両方と一緒に使用されるが、センサとターゲットとの間の媒体、通常は空気の誘電率を変化させる環境変数の影響を受けやすい。渦電流センサは、２つのコイル、すなわち、導電性ターゲットの存在を示す能動コイルと、ブリッジ回路を完成する二次コイルとを含む。作動変圧器（ＬＶＤＴ）センサは、中空の円筒軸内の一続きのインダクタと、中実の円柱状コアとを有する。ＬＶＤＴは、軸に沿ったコアの変位量に比例する電気出力を生成する。これらのコイルまたはコアのサイズおよび取り付けと、測定感度とは、渦電流センサまたはＬＶＤＴセンサを使用するうえで互いに競合しあう設計要因である。

光電センサおよび光ファイバセンサは、光のビームを使用して距離または変位量を測定する。光電センサは、光の自由空間伝搬を使用し、一方、光ファイバセンサは、互いに隣接する一対のファイバを使用してターゲットに光を伝達し、対象から反射した光を受ける。光路を維持するのに必要なファイバの位置合わせと光学系の複雑度が、この技術を使用する際の難点である。

ホール効果センサ、ＧＭＲセンサ、またはＡＭＲセンサなどの磁場強度センサを歯または交番磁極の線形配列と一緒に使用して、センサの直線運動を示す正弦波出力を生成することができるが、初期位置を確定しなければならず、最高の精度を得るために各歯または磁極を数えると共に位相データを分析しなければならない。線形位置に直接比例する電圧を出力するセンサは利点を有する。そのような１つのセンサは、同じ磁極の互いに向かい合う凸面を有する一対の磁石を使用する。この種のセンサは、磁石の各面上に非線形曲線を形成する必要があり、これにはコストがかかる。

位置と磁場強度を直接対応させ、簡素な磁石形状を有するように構成することができる直線変位センサが必要である。この問題は、本明細書で開示される本発明による直線変位センサによって解決される。

本発明の４つの磁石の配列および直線変位センサの側面図である。 図１の４つの磁石の配列および直線変位センサの端面図である。 ３つの異なる段高さにおける、図１に示されている種類の４つの磁石の配列の軸に沿った磁場強度のグラフである。 ２つの磁石の配列と図１の４つの磁石の配列とについての、軸外磁場強度の変動を示すグラフである。

直線変位センサ２０が図１に示されている。直線変位センサ２０は、磁場強度および極性を検知し、対称的に配置された４つの磁石２８、３０、３２、および３４の配列２６の対称軸２４に沿って移動させられる磁場強度センサ２２で構成されている。各磁石は、矩形３６の４つの象限のうちの１つに配置されている。各磁石２８、３０、３２、および３４は、少なくとも２つの段、すなわち、対称軸２４に最も近い極面４０を有する近位段３８と、対称軸から間隔を置いて配置され、かつ極面４３を有する遠位段４２とを有する階段形状を有している。各磁石の段同士の間の軸方向間隔が段側面４５を定めている。４つの段側面４５はともに、対称線２４上に位置するより大きい矩形３６の中心点４７に一致する中心を有するより小さい矩形４９を定めている。磁石の配列２６の各磁石は、図１に示されているように単一のＮ−Ｓ極またはＳ−Ｎ極を備えている。矩形３６の第１の対角線４４に沿って位置する磁石２８、３４は、対称軸２４に面するＮ極を備えている。矩形３６の第２の対角線４６に沿って位置する磁石３２、３０は、対称軸２４に面するＳ極を備えている。対角線４４、４６は矩形３６の中心４７で交差しており、対称軸２４は、対角線同士の間に形成される角度を二分する中心４７を通過している。対称軸２４に対する鏡像として配置された磁石２８、３２は、互いに向かい合う互いに異なる極を備えている。さらに、やはり対称軸２４に対する鏡像として配置された磁石３０、３４も、互いに向かい合う互いに異なる極を備えているが、極Ｎ−Ｓの配置は、磁石２８、３２の極配置Ｓ−Ｎに対して逆転している。

図１に示されているように、磁場強度センサ２２は、センサまたは磁石の配列２６の動きによって対称線２４に沿って移動させられる。磁場強度センサ２２は、内蔵プログラムに従ってホール効果素子の出力に適合するようにプログラムすることのできる内蔵論理（ｏｎｂｏａｒｄ ｌｏｇｉｃ）を有するホール効果センサであることが好ましい。適切な素子は、たとえばドイツ、フレイバーグのＭｉｃｒｏｎａｓ ＧｍｂＨから市販されているＨＡＬ ８５５である。

図３は、ホール効果センサが磁石の配列２６の矩形３６の一方の側から他方の側まで対称軸２４に沿って移動させられるときのホール効果センサの出力のシミュレーションのグラフ４８を示している。図３には、各磁石の間隔は図１に示されているのと同じであるが、各磁石の低い方の段４２が完全に無くされた構成における、対称軸に沿ってホール効果センサが移動する際のホール効果センサの出力のシミュレーションのグラフ５０が示されている。グラフ５０は、磁場強度センサ２２が互いに向かい合う磁石２８、３２の間の最大磁場強度の点５２に接近するにつれて磁場強度がどのように増大し、センサが矩形３６の中心４７に接近するにつれて磁場強度がどのように低減するかを示している。磁場強度センサ２２が引き続き、互いに向かい合う磁石３０、３４の間の最大磁場強度の＋ａ点５５の方へ移動するにつれて、第２対の磁石３０、３４の互いに向かい合った極が逆転しているため磁場は引き続き低減する。グラフ５０に示されている段の無い磁石の構成は、磁場強度が中心４７の各側でかなりの距離にわたって基本的に一定のままであり、したがって、対称軸２４に沿った位置を正確に決めるのに磁場強度を使用できないため、このような構成が線形変換器に適していないことを示している。

図１に示されている磁石の配列２６では、各磁石２８、３０、３２、３４は、各磁石の背面５８から測定したときに４ｍｍの段高さを有している。上部磁石２８、３０上のこれらの遠位段４２は互いに向かって延びており、かつ遠位段４２は、対称軸２４の上方の磁石２８、３０同士の間に、矩形３６の中心４７の上方に心合わせされた上部隙間５４を定めている。下部磁石３２、３４の遠位段４２は、互いに向かって延びており、かつ遠位段４２は、下部磁石３２、３４の間に、矩形３６の中心４７の下方に位置する下部隙間５６を定めている。図３に示されているように、グラフ４８は、図１の磁石２８、３２の近位段３８同士の間の点６０と磁石３０、３４の近位段３８同士の間の点６２との間ではほぼ直線状である。特に、磁場強度の勾配は、磁場強度センサ２２が中心４７と交差し、かつ上部隙間５４と下部隙間５６との間に位置するときにほぼ一定のままである。図１の磁石の配列２６は、点６０と点６２との間で約１５ｍｍの範囲にわたる磁場強度の比較的急勾配の線形変化をもたらす。図１に示されている配列２６と同様の磁石の配列内で磁場強度の最も直線的な変化を探すために段サイズをどのように変化させればよいかを示す図３には、２ｍｍの段６４および５ｍｍの段６６の磁場強度のグラフも示されている。磁場強度勾配の残りの非直線性は、プログラム可能なホール効果センサ２２の一部を形成する非揮発性メモリをプログラムすることによって補正することができる。したがって、ホール効果センサ２２の出力は線形位置として直接読み取ることができる。もちろん、任意の点での磁場強度の勾配が零に近づいた場合、固有の精度は失われる。

４つの磁石の配列２６はまた、対称軸２４からの小さな逸脱に対してほぼ一定の磁場強度を生じさせる。図４は、磁場強度が約８００ガウスである、グラフ４８上の点についての軸外磁場強度のシミュレーションを示している。グラフ６８は、対称軸２４のすぐ近くで勾配が零であり、その勾配が対称軸２４の各側の約０．５ｍｍにわたって小さいままであることを示している。これは、２つの磁石の配列、例えば図１の下部磁石３２、３４を有する場合、すなわち軸外での磁場の変化のグラフ７０が、対称軸２４と同じ相対位置で線７２の各側に一定で比較的急な正の勾配を有する場合とは対照的である。

図１に示されている個々の磁石２８、３０、３２、３４は、磁石によって生成される磁場の強度を増大させる極部材７８を使用することができる。高強度磁石は比較的希少な部材で作られることが少なくないので、透磁材料、通常は低コストの軟合金鉄で構成された極部材７８を使用することによって磁場強度を維持しつつ磁石のサイズを小さくすることによって、磁石のコストを低減させることができる。極部材は、配列２６の磁石２８、３０、３２、２４のそれぞれの背面５８に添えられたプレートであってよい。極部材を付加すると、選択された磁場強度の磁石の配列を形成する必要のある磁石材料の量が少なくなる。

他の実施形態では、図１に想像線で示されているように配列の各磁石が３つまたは４つ以上の段を有する直線変位センサ７４を構成することができる。この実施形態では、対称軸２４から離れた中間位置に、近位段３８と遠位段４２との間に空間を有する第３の段７６が配置されている。比較的長い検知距離を有する直線変位センサが求められるときに第３の段７６を使用すると有利である。たとえば、３０ｍｍの距離にわたって磁場強度がほぼ直線的に変化するセンサを、４つの３段磁石の配列を使用して構成すると有利である。

直線変位センサ２０の構成では、以下の構成変数、すなわち、各磁石の位置を定める矩形３６のサイズの変更、各磁石に形成される段の数および対称軸から各段までの距離の変更、対称軸に沿った段の幅の変更、磁石同士の間に形成される隙間５４、５６の、対称軸に沿った幅の変更、磁石のサイズに使用される磁気材料の種類の変更、および極部材の使用によって、磁場強度と線形位置についての所望の形状のグラフを実現することができる。

一般に、一様な位置検知解像度を得るには、磁場強度と距離についてほとんどが直線的なグラフが望ましく、磁場強度グラフは、直線的なグラフから著しく変動することができ、それにもかかわらずセンサにおけるプログラム可能な論理によって線形出力を生成することができる。この構成では、線形位置に対する磁場強度のグラフの勾配が一定ではなく、勾配の変化が固有の精度に影響を及ぼし、この変化を使用して、勾配がより小さく精度がいくらか低くなるという犠牲を払って線形位置のより高い分解能が望まれる場合に、より大きい勾配を有するように磁石を最適化することによって、特定の範囲にわたって精度を向上させることができる。

変位センサ２０を使用する実際の用途では、４つの磁石２８、３０、３２、３４が、直線運動のために取り付けられたハウジング内に取り付けられており、ホール効果センサ２２が回路基板に固定して取り付けられている。通常、４つの磁石を含むハウジングが、レール上、または対称軸２４をホール効果センサ２２の上方を移動するように制限する何らかの同様の構成上を走行するように取り付けられる。

プログラム可能な磁場強度センサ２２は、センサパッケージ内にホール効果素子またはセンサ部材８０を含んでいる。ホール効果素子またはセンサ部材８０は、配列２６の磁石同士の間の磁場線がホール効果素子に垂直になるように対称軸に平行でかつ磁極面４０に平行に配置されている。ホール効果素子またはセンサ部材８０の検知方向は、そのセンサ部材に垂直であり、したがって、対称軸２４に垂直な方向の磁場強度を検知することができる。

ホール効果素子８０からの信号の処理は、ホール効果素子を収納するパッケージの外側で行うことができる。さらに、たとえば、オンチッププログラム可能性を有する場合も有さない場合もある巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）センサや異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）センサのような他の種類の磁場センサを使用できることを理解されたい。検知システム２０に対する外部磁場の効果を最小限に抑えるには、センサによって使用される磁場を最大にすべきである。というのは、磁気センサの測定範囲全体を利用することによって、外部磁気ノイズによるセンサの出力の変動が最小限に抑えられるからである。パッケージサイズを最小限に抑えるために、アルニコ（アルミニウム−ニッケル−コバルト合金）または、サマリウム−コバルト（ＳｍＣｏ）、そして、ネオジム−鉄−ホウ素（ＮｄＦｅＢ）のような高磁場強度の磁石を使用することができる。各磁石２８、３０、３２、３４は、単一の部材として形成するか、またはたとえば１つの矩形の磁石を他の矩形磁石の上に結合することにより、より簡単な形状の磁石同士を組み合わせることによって形成することができる。極面４０、４３は、概ね平面状で互いに平行であると共に対称軸２４に平行であるが、前述の利点にほぼ影響を与えないようなわずかな変更を組み込んでよい。

請求項内で、「ほぼ平行」、「ほぼ揃えられた」などの語は、依然として装置の機能性を維持する、平行な状態、揃えられた状態などからのとてもわずかな変動を包含するものであることを理解されたい。

直線変位センサ２０は、センサの出力に実質的なエラーを取り込まずにセンサ内の磁石のわずかなずれを許容するように構成されている。さらに、内蔵理論を使用することで、形状のずれまたは磁石の磁場の変動による直線性からの測定値の逸脱を考慮して磁場強度センサ２２の出力を線形化するように内蔵論理をプログラムすることを伴う制御された作動によって各直線変位センサを較正することが可能である。

矩形の角部に４つの同様または同一の磁石を配置する構成であって、対称線に沿って互いに向かい合うように位置する磁石が互いに逆の極を有し、対角線によって結ばれる磁石が対称軸に面する同じ極を有する構成を、対称線に面する階段形状を有する磁石に制限する必要はない。磁石の外形は、２つまたは３つ以上の段の階段形状を有するのではなく、対称軸に沿った磁場強度の所望の基準に従って最適化される完全に自由な変数であってよい。

本発明は、変位軸に沿って一様な直線的な勾配の磁場を有し、簡素な形状の磁石を利用し、かつ検知軸からそれた磁気センサの変位の影響を受けにくい直線変位センサを提供する。

Claims (7)

1. 直線変位センサ（２０；７４）において、
   中心点を定めるように交わる２本の対角線と、前記中心点を通過し、前記対角線によって定められる角度を二分する対称軸（２４）とを形成する矩形の４つの角部を形成するように対称的に位置させられ、各磁石（２８、３０、３２、３４）が対称軸（２４）に面する部分を有する、間隔を置いて配置された４つの磁石（２８、３０、３２、３４）であって、
   各磁石（２８、３０、３２、３４）が、対称軸（２４）に面する極を有し、同じ対角線上に位置する磁石が、前記対称軸（２４）に面する同一の極を有し、前記対称軸（２４）に対して対称的に位置する磁石が互いに逆の極を有する、磁石（２８、３０、３２、３４）と、
   前記４つの磁石（２８、３０、３２、３４）に対してほぼ前記対称軸（２４）に沿って相対移動できるように配置された磁場強度センサとを有する直線変位センサ（２０；７４）。
2. 第１の磁石、第２の磁石、第３の磁石、および第４の磁石（２８、３０、３２、３４）はそれぞれ、前記対称軸（２４）に面する部分であって、少なくとも２つの段、すなわち、前記対称軸（２４）から間隔を置いて配置された第１の段（３８）と、前記対称軸（２４）から前記第１の段（３８）より大きい間隔を置いて配置された第２の段（４２）とを有する階段の形状を形成する部分を有している、請求項１に記載の直線変位センサ（２０；７４）。
3. 前記磁場強度センサ（２２）は、プログラム可能なホール効果センサ（８０）を有する、請求項１に記載の直線変位センサ（２０；７４）。
4. 前記第１の磁石、前記第２の磁石、前記第３の磁石、および前記第４の磁石（２８、３０、３２、３４）はそれぞれ、２つの段（３８、４２）のみを有する、請求項２に記載の直線変位センサ（２０）。
5. 前記第１の磁石、前記第２の磁石、前記第３の磁石、および前記第４の磁石（２８、３０、３２、３４）はそれぞれ、３つの段（３８、４２、７６）を有する、請求項２に記載の直線変位センサ（７４）。
6. 第１の磁石、第２の磁石、第３の磁石、および第４の磁石（２８、３０、３２、３４）は、前記磁場強度センサ（２２）に対して移動できるように取り付けられる、請求項１から５のいずれか１項に記載の直線変位センサ（２０；７４）。
7. 第１の磁石、第２の磁石、第３の磁石、および第４の磁石（２８、３０、３２、３４）は、前記対称軸（２４）に沿った距離に対する、前記対称軸の選択された部分にわたる磁場強度の変化率を最大にするように配置される、請求項１から５のいずれか１項に記載の直線変位センサ（２０；７４）。

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