JP4924825B2 - 電磁誘導式リニアスケール - Google Patents

Description

本発明は、電磁誘導方式により、測定対象物の変位をアブソリュートに測定するリニアスケールに関する。

従来の電磁誘導式リニアスケールは、一般に、複数のコイル素子からなると共に検出軸方向にのびるコイルアレイ（検出ヘッド）と、磁石等からなり、コイルアレイに対して相対的に変位可能に配置された磁気部材（検出ドグ）と、から構成されている。

コイルアレイは、同軸かつ等間隔に並列配置された所定数のコイル、例えば４個のコイル、を１つのコイル組とし、その複数のコイル組を並列配置して構成されている。各コイル素子は、正弦波信号α＝Ａｓｉｎωｔによって、それぞれ励磁される。

コイルアレイにおけるコイル組上に磁気部材が位置するとき、４個の各コイル素子間で自己インダクタンスに差が生じる。その４個のコイル素子のうち、一端側から数えたときの１番目と３番目のコイル素子間の差動出力と、２番目と４番目のコイル素子間の差動出力とをとり、それらを合成、変換することで、合成信号β＝ａｓｉｎ（ωｔ±θ）が得られる。電磁誘導式リニアスケールは、この合成信号βと正弦波信号αとの位相差を検出することにより、コイルアレイに対する磁気部材の相対変位をアブソリュートに測定することができる。
特開２００１−１４１４１０号公報

上記のような電磁誘導式リニアスケールは、磁気部材が、コイルアレイの検出軸に沿った軌道上を相対変位するように構成されている。しかし、不可避的に、磁気部材がその正規の軌道上からずれて相対変位してしまう場合がある。正規の軌道からずれた相対変位によっても、コイル素子の自己インダクタンスは変化してしまうため、この場合の電磁誘導式リニアスケールの測定値には、誤差が含まれることになる。従来の電磁誘導式リニアスケールは、磁気部材が正規の軌道からずれて相対変位することに起因する測定誤差の有無について、検知することができなかった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、磁気部材が検出軸に沿った正規の軌道から許容範囲を超えてずれていないかどうかを判定することができる電磁誘導式リニアスケールを提供することにある。

上記課題を解決するために本発明は、所定数のコイル素子からなるコイル組を同軸に並列配置してなると共に、第１の交流信号で励磁されるコイルアレイと、前記コイルアレイの外方に配置され、前記コイルアレイの軸に沿って、前記コイルアレイに対して相対変位し得る磁気部材であって、前記コイル素子との位置関係に応じ、前記コイル素子の出力電圧の振幅を変化させる磁気部材と、を含み、前記コイル組におけるコイル素子間の複数の差動出力を合成して得た第２の交流信号と、前記第１の交流信号との位相差に基づき、前記相対変位を測定する電磁誘導式リニアスケールであって、前記コイルアレイの軸方向に沿って配置され、前記磁気部材との位置関係に応じた検出値を出力する少なくとも１つの磁気センサと、前記磁気センサの検出値が、予め定められた許容範囲内にあるかどうかに基づき、前記電磁誘導式リニアスケールの測定値に含まれる誤差が許容範囲内にあるかどうかを判定する判定部と、をさらに有していることを特徴とする電磁誘導式リニアスケールを提供するものである。

また本発明は、上記構成において、前記磁気部材は、少なくとも１つの磁石からなっていることを特徴とする電磁誘導式リニアスケールを提供するものである。

また本発明は、上記構成において、前記磁気センサは、前記コイルアレイの両端部近傍にそれぞれ配置されていることを特徴とする電磁誘導式リニアスケールを提供するものである。

また本発明は、上記構成において、前記磁気センサは、ホール素子であることを特徴とする電磁誘導式リニアスケールを提供するものである。

上記のように構成された本発明の電磁誘導式リニアスケールによれば、磁気センサの検出値に基づいて、磁気部材が検出軸に沿った正規の軌道から、許容範囲を超えてずれていないかどうかを判定することができる。つまり、本発明の電磁誘導式リニアスケールによれば、得られた測定値に許容範囲を超える誤差が含まれていないかどうかを監視しつつ、測定を行なうことができる。

以下、図面を参照して本発明の好ましい一実施形態につき説明する。
図１は本実施形態にかかる電磁誘導式リニアスケールの構成を示す概略図、図２は本実施形態にかかる電磁誘導式リニアスケールのピッチ内変位の検出方法を示すための図、図３は本実施形態にかかる電磁誘導式リニアスケールのスケール内変位の検出方法を示すための図、図４は磁気部材とコイルアレイとの位置関係を示す概略斜視図、図５は本実施形態にかかる磁気センサの検出特性を示す図、図６は本実施形態にかかる電磁誘導式リニアスケールの測定誤差特性を示す図、図７はコイル素子に磁気部材を近接させたときの状態を説明するための図、である。
なお、これ以降、場合によっては、１つのコイル組の軸方向長さを「１ピッチ」と表現する。

図１に示すように、本実施形態にかかる電磁誘導式リニアスケール１は、所定数のコイル素子、本実施形態では４個のコイル素子、を１つのコイル組として、コイル素子Ｌ_１１〜Ｌ_１４・・・Ｌ_ｎ１〜Ｌ_ｎ４からなるｎ組のコイル組Ｌ_１・・・Ｌ_ｎを同軸に並列配置してなるコイルアレイ３と、コイルアレイ３の外方に配置され、コイルアレイ３の軸に沿って相対変位し得る磁気部材２とを有している。

コイル組Ｌ_１を構成する４個のコイル素子（第１〜第４のコイル素子）Ｌ_１１〜Ｌ_１４は、同軸に所定間隔をあけて並列配置され、交流発生源１１による正弦波信号（第１の交流信号）α＝Ａｓｉｎωｔによってそれぞれ励磁されている。
また、第１のコイル素子Ｌ_１１からの出力信号Ｖ_ｏ１と第３のコイル素子Ｌ_１３からの出力信号Ｖ_ｏ３とが、差動アンプ４１に入力され、第２のコイル素子Ｌ_１２からの出力信号Ｖ_ｏ２と第４のコイル素子Ｌ_１４からの出力信号Ｖ_ｏ４とが、差動アンプ４２に入力される。

磁気部材２は、磁性を帯びた部材からなり、本実施形態では数個の磁石からなっている。磁気部材２は、励磁されたコイル素子に近接すると、コイルの自己インダクタンスを増加させ、コイルの端子間電圧の振幅を増大させる。反対に、磁気部材２は、コイルから遠ざかると、コイルの自己インダクタンスを減少させ、コイルの端子間電圧の振幅を減少させる（図７参照）。

磁気部材２が、コイル組Ｌ_１に対して、つまり１ピッチ内において、変位ｘ（以下、ピッチ内変位ｘと称する）だけ相対変位すると、差動アンプ４１からは、差動出力Ｃ＝ａｃｏｓθ・ｓｉｎωｔが出力され、差動アンプ４２からは、差動出力Ｓ＝ａｓｉｎθ・ｓｉｎωｔが出力される（図２Ａ参照）。
ここで、θ＝２π／Ｐ・ｘ （Ｐ：１ピッチの長さ）、である。
差動出力Ｓ，Ｃは、差動出力合成部５に入力される。

差動出力合成部５に入力された差動出力Ｓ＝ａｓｉｎθ・ｓｉｎωｔは、変換回路を介して位相が９０°シフトされ、Ｓ’＝ａｓｉｎθ・ｃｏｓωｔに変換される。差動出力合成部５は、変換後の差動出力Ｓ’と差動出力Ｃとを合成する。その合成信号βは、加法定理より、
合成信号β＝ａｓｉｎθ・ｃｏｓωｔ±ａｃｏｓθ・ｓｉｎωｔ
＝ａｓｉｎ（ωｔ±θ）
となる。差動出力合成部５は、合成信号ベータをピッチ内変位検出部６に出力する。

ピッチ内変位検出部６は、差動出力合成部５から合成信号β＝ａｓｉｎ（ωｔ±θ）の入力を受け、かつ交流発生源１１から正弦波信号α＝Ａｓｉｎωｔの入力を受ける。ピッチ内変位検出部６は、正弦波信号α＝Ａｓｉｎωｔと、合成信号β＝ａｓｉｎ（ωｔ±θ）との位相差を検出する。

位相差の検出は、図２Ｂに示されるように、Ａｓｉｎωｔのグラフのゼロクロス点から、ａｓｉｎ（ωｔ±θ）のグラフのゼロクロス点までの時間をカウントすることにより、実行される。

そして、ピッチ内変位検出部６は、次の２式、
θ＝２π／Ｐ・ｘ
θ＝２π／Ｔ×（位相差） （Ｔ：正弦波信号αの周期）
より、磁気部材２のピッチ内変位ｘを算出し、ピッチ内変位出力としてスケール内変位検出部８に出力する。

他のコイル組Ｌ_２…Ｌ_ｎも、コイル組Ｌ１と同様に構成されている。したがって、磁気部材２が、他のコイル組Ｌ_２…Ｌ_ｎに対して、つまり各ピッチ内において変位した場合も同様に、各コイル組（各ピッチ）におけるピッチ内変位ｘが検出され、ピッチ内変位出力として、スケール内変位検出部８に出力される。

電磁誘導式リニアスケール１はさらに、図１に示す如く、ピッチ検出部７を有している。ピッチ検出部７には、磁気部材２を検知し得る不図示の素子、本実施形態ではホールスイッチ１２、からの信号が入力される。ホールスイッチ１２は、コイルアレイ３における各コイル組Ｌ_１…Ｌ_ｎの近傍にそれぞれ配置されていて、磁気部材２の近接を検知するとＯＮ信号を出力し、検知しないときはＯＦＦ信号を出力する。ピッチ検出部７は、ホールスイッチ１２からのＯＮ／ＯＦＦの検知信号に基づいて、磁気部材２がいずれのピッチ上に位置するかを検出し、ピッチ出力としてスケール内変位検出部８に出力する。

スケール内変位検出部８は、ピッチ内変位検出部６からのピッチ内変位出力と、ピッチ検出部７からのピッチ出力とを受けて、スケール内変位Ｘを検出する。ここで、スケール内変位Ｘとは、磁気部材２の電磁誘導式リニアスケール１に対する総変位を意味し、磁気部材２のピッチ内変位ｘを用いて、次のように表される。
Ｘ＝（ｐ−１）×Ｐ＋ｘ （ｐ：磁気部材２が位置するピッチ、Ｐ：１ピッチの長さ）
例えば、磁気部材２が３番目のピッチ（コイル組Ｌ_３）上に位置するとき、スケール内変位検出部８は、ピッチ出力ｐ＝３とピッチ内変位出力ｘとに基づき、
Ｘ＝（３−１）×Ｐ＋ｘ
より、スケール内変位Ｘを検出する（図３参照）。

このスケール内変位Ｘが、電磁誘導式リニアスケール１の測定値となって、不図示のモニタ等に出力される。

電磁誘導式リニアスケール１はさらに、図１に示す如く、磁気部材２を検知し得る磁気センサ９を、コイルアレイ３の両端近傍に有している。磁気センサ９は、磁気部材２との位置関係に応じた検出値をリニアに出力するものであり、本実施形態ではホール素子である。磁気センサ９は、磁気部材２がその近傍を通過したとき、検出値を出力する。磁気センサ９の検出値は、判定部１０に入力される。

ここで、磁気部材２が、理想的に、検出軸に沿った正規の軌道（図４のＸ軸）上を変位する場合、磁気センサ９の検出値は常に一定となる。しかし、現実には、磁気部材２が、正規の軌道上からずれて、図４のＹ軸・Ｚ軸方向にも変位してしまう場合がある。この場合、磁気センサ９は、その磁気部材２のずれに応じた検出値を出力することになる。

判定部１０には、磁気センサ９の検出値の許容範囲に関する情報、例えば上限値と下限値、が予め入力されている。この許容範囲は、磁気センサ９の磁気部材２に対する検出特性と、磁気部材２が正規の軌道上から外れたときの、電磁誘導式リニアスケール１の測定誤差特性とに基づき、決定することができる。

磁気センサ９の磁気部材２に対する検出特性は、磁気センサ９に対して、磁気部材２を基準位置から検出軸方向以外の方向に種々ずらしたときの、磁気センサ９の検出値を予め取得しておくことによって、得ることができる。なお、ここでの基準位置とは、磁気部材２が理想的に検出軸方向にのみ変位した場合において、磁気部材２の中心が磁気センサ９の中心に対応するときの位置を意味する。

一例では、図５に示すような、磁気センサ９の磁気部材２に対する検出特性が得られる。なお、図５におけるＹ軸およびＺ軸は、図４のＹ軸およびＺ軸に対応している。また、図５の縦軸の出力差とは、各ずれ位置において得られた検出値から、基準位置において得られた検出値を減算して得られた値を意味する。

一方、電磁誘導式リニアスケール１の測定誤差特性は、磁気部材２を、基準位置から検出軸方向以外の方向に種々ずらしたときの、電磁誘導式リニアスケール１の測定値を予め取得しておくことによって、得ることができる。なお、ここでの基準位置とは、正規の軌道上の所定位置を意味する。

電磁誘導式リニアスケール１は、一例では、図６に示すような測定誤差特性を有する。なお、図６のＹ軸およびＺ軸は、図４のＹ軸およびＺ軸に対応している。

つまり、磁気センサ９の検出値の許容範囲は、次のように決定することができる。
まず、電磁誘導式リニアスケール１が適用される測定対象について、許容される測定誤差の範囲を設定する。次に、測定値がその許容される測定誤差の範囲内におさまるときの磁気部材２のずれの範囲（許容範囲）を、予め得られている電磁誘導式リニアスケール１の測定誤差特性に基づいて得る。そして、磁気部材２のずれがその許容範囲内におさまるときの磁気センサ９の検出値の範囲（許容範囲）を、予め得られている磁気センサ９の検出特性に基づいて得ることにより、磁気センサ９の検出値の許容範囲を決定することができる。

判定部１０は、入力された磁気センサ９の検出値が、上記のように決定されかつ予め入力された磁気センサ９の検出値の許容範囲内にあるかどうかを判定し、その結果を不図示のモニタ等に出力する。

上記のように構成された電磁誘導式リニアスケール１によれば、各ピッチにわたる磁気部材２のコイルアレイ３に対する相対変位を、アブソリュートに測定することができる。

さらに、電磁誘導式リニアスケール１によれば、判定部１０が、磁気センサ９の検出値に基づいて、磁気部材２が検出軸に沿った正規の軌道から許容範囲を超えてずれていないかどうかを判定することができる。したがって、電磁誘導式リニアスケール１によれば、得られた測定値に許容範囲を超える誤差が含まれていないかどうかを監視しつつ、測定を行なうことができる。

また、判定部１０が許容範囲を超えていると判定した場合には、電磁誘導式リニアスケール１による測定を中止する、または、コイルアレイ３に対する磁気部材２の相対変位の軌道を修正する等、何らかの対応をとることができる。

以上、本発明の実施の形態について具体的に説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。
上記実施形態においては、固定されたコイルアレイに対して磁気部材が相対変位するような構成に基づいて説明したが、固定された磁気部材に対してコイルアレイが相対変位する構成であってもよい。

上記実施形態においては、磁気センサをコイルアレイの両端部にそれぞれ配置したが、コイルアレイに沿って所定間隔ごとに多数個配置してもよい。

磁気センサは、磁気部材との位置関係に応じた検出値を出力するものであればよく、磁気抵抗素子（ＭＲ素子）や磁気インピーダンス素子（ＭＩ素子）等を用いてもよい。

上記実施形態では、１つのコイル組を構成するコイル素子の数を４個としたが、これに限定されるものではない。例えば、第１〜第３の３個のコイル素子を順次並列配置して１つのコイル組を構成してもよい。この場合、第１−第２コイル素子間および第２−第３コイル素子間においてそれぞれ差動出力をとることにより、上記実施形態と同様に、差動出力Ｃ＝ａ’ｃｏｓθ’・ｓｉｎωｔと、差動出力Ｓ＝ａ’ｓｉｎθ’・ｓｉｎωｔとを得て、合成信号β＝ａ’ｓｉｎ（ωｔ±θ’）を得ることができる。そして、この合成信号βと正弦波信号α＝Ａｓｉｎωｔとの位相差を検出することにより、上記実施形態と同様に、ピッチ内変位およびスケール内変位を得ることができる（詳細は、特開２００４−２３３３１１号公報を参照のこと）。つまり、コイル素子間の差動出力をとることにより、コサイン相の振幅関数特性を示す正弦波信号と、サイン相の振幅関数特性を示す正弦波信号とを得ることができる構成であれば、１つのコイル組を構成するコイル素子の数は何個でもよい。

本実施形態にかかる電磁誘導式リニアスケールの構成を示す概略図である。 本実施形態にかかる電磁誘導式リニアスケールのピッチ内変位の検出方法を示すための図である。 本実施形態にかかる電磁誘導式リニアスケールのスケール内変位の検出方法を示すための図である。 磁気部材とコイルアレイとの位置関係を示す概略斜視図である。 本実施形態にかかる磁気センサの検出特性を示す図である。 本実施形態にかかる電磁誘導式リニアスケールの測定誤差特性を示す図である。 コイルに磁気部材を近接させたときの状態を説明するための図である。

符号の説明

１ 電磁誘導式リニアスケール
２ 磁気部材
３ コイルアレイ
４１、４２ 差動アンプ
５ 差動出力合成部
６ ピッチ内変位検出部
７ ピッチ検出部
８ スケール内変位検出部
９ 磁気センサ
１０ 判定部
１１ 交流発生源
Ｌ コイル素子

Claims (4)

1. 所定数のコイル素子からなるコイル組を同軸に並列配置してなると共に、第１の交流信号で励磁されるコイルアレイと、
   前記コイルアレイの外方に配置され、前記コイルアレイの軸に沿って、前記コイルアレイに対して相対変位し得る磁気部材であって、前記コイル素子との位置関係に応じ、前記コイル素子の出力電圧の振幅を変化させる磁気部材と、を含み、
   前記コイル組におけるコイル素子間の複数の差動出力を合成して得た第２の交流信号と、前記第１の交流信号との位相差に基づき、前記相対変位を測定する電磁誘導式リニアスケールであって、
   前記コイルアレイの軸方向に沿って配置され、前記磁気部材との位置関係に応じた検出値を出力する少なくとも１つの磁気センサと、
   前記磁気センサの検出値が、予め定められた許容範囲内にあるかどうかに基づき、前記電磁誘導式リニアスケールの測定値に含まれる誤差が許容範囲内にあるかどうかを判定する判定部と、
   をさらに有していることを特徴とする電磁誘導式リニアスケール。
2. 前記磁気部材は、少なくとも１つの磁石からなっていることを特徴とする請求項１に記載の電磁誘導式リニアスケール。
3. 前記磁気センサは、前記コイルアレイの両端部近傍にそれぞれ配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の電磁誘導式リニアスケール。
4. 前記磁気センサは、ホール素子であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電磁誘導式リニアスケール。