JPS61175504A - 位置決め感知器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は相対的位置を検出するための高分解能感知器、
より具体的には電気的、磁気的原理を結合した高分解能
の位置決め感知器に係る。

〔開示の概要〕

本明細書は磁界発生器と、磁界発生器に接続され、磁界
発生器によって発生された磁束の磁力線を集中するため
の磁束集中体と、磁束集中体に接続された磁気抵抗器と
を有する高分解能の位置決め感知器を開示する。磁気抵
抗器は磁束の強度の関数として抵抗性を変化するのに適
している。多数の突起を持つ変換グリッドを有する基準
位置のスケールが与えられる。２個の磁束カプラが磁気
抵抗器に接続され、且つ変換グリッドの突起に対して、
相互に位相をずらせて配列されている。これ等の磁束カ
プラは磁束集中体及び変換グリッドの間の磁束配分を変
調する。

〔従来技術〕

電気的な抵抗特性が、差し向けられた磁束の強度の関数
として変化する磁気抵抗素子は公知である。米国特許第
３，１７２，０３２号は、原始的な磁気抵抗素子を教示
しており、磁界の強度を制御するため、磁界発生器と結
合して動作するサーボ機構が示されている。そのサーボ
機構は励起電流、そして終局的には導電路の抵抗を制御
する。

米国特許第３，５５４，１６９号は内燃機関のための燃
料噴射を開示しており、磁気的に感性を有する抵抗器が
強度の変化する磁界に曝されている。

磁界の変化を通じて、磁気的に感性を有する抵抗器の抵
抗値によって、電子的タイミング回路網が選択された動
作特性の機能を与える。磁気的に感性を有する抵抗器が
通常、カップリングと言われている上記の特許中の機能
を与える。

米国特許第３，８４６，６９７号は歯車の歯をカウント
するためのデジタル・ピックアップを開示している。永
久磁石に装着された１対の磁気抵抗器が歯車の歯を感知
する。磁気抵抗器はブリッジ回路に接続されており、そ
の出力はデジタル出力信号を発生するため工Ｃスイッチ
をトリガする。磁気抵抗器は永久磁石の一方の極に直接
に装着されている。この配列は相対的に強い磁界を発生
するが、然し粗い磁界を生ずるので、相互に干渉する磁
界の傾向に基因して、他−の磁気抵抗器と共に使うのに
は不適当である。加うるに、磁気抵抗器はお互に対して
差異がなく、全体として粗い感度である。

米国特許第４，１１９，９１１号は変移変換器を開示し
ており、それは２つの歯形を付されたメンバが交代的順
序で配列された磁極を持っている。歯形メンバは、メン
バの１つにある磁極が複数個の他のメンバの対向した磁
極から間隔を開けられるように配列されている。磁気抵
抗素子は磁束の線をさえぎるよう磁極の間の空隙内に保
たれている。

磁気抵抗素子は永久磁石の間を移動する薄膜材の形にさ
れている。磁気抵抗素子は素子に対して磁束の線の角度
方向及び大きさに従属する電気抵抗を持つ。ブリッジ回
路が磁気抵抗器の両端に接続されている。磁気抵抗器の
電気抵抗を測ることによって、磁束の線の角度方向と歯
形メンバの相対的な変位とを得ることが出来る。上記の
装置の機能は歪み計のそれに類似している。このシステ
ムにおける分解能の限界は機械的、物理的限界に基づく
。換言すれば、歯形の寸法、即ち磁極間のギャップの長
さは現在の技術レベルでは約０．２ミリに限定される。

米国特許第３，９４９，３４５号は異なる方向に整置さ
れた２つの条帯片のグループを有する磁気抵抗素子を開
示しているが、それは条帯片のグループ間に精密なアラ
イメントと、得られた電気情報を処理するため相対的に
複雑な回路を必要とする。

〔発明が解決しようとする問題点〕

精密な機械的移動及び機械の位置付けの分野において、
相対的な位置を正確に且つ迅速に決定することはより重
要になって来た。相互に対して、２個又はそれ以上のメ
ンバ又は部品の相対的位置は、材料処理、医学及び製造
の分野で特に微妙である。後者の場合、ロボットが曽て
ない程重要な役割りを演じている。

例えば、電子素子、印刷回路板のような高度の複雑な微
小装置の製造はしばしばＯ，ｇ　５　ミＩＪ又はそれ以
下の範囲内で正確な相対的位置付けを必要とする。現在
、そのような高い分解能で信頼性ある測定の出来るシス
テムは殆どない。

高い信頼性と高い精度を以て、２個又はそれ以上の機械
メンバの相対的位置を相互に対して検出し且つ測定する
高分解能の位置感知器を提供するのは利益がある。

更に、磁気的、電気的原理を使って、高分解能の位置決
め感知器を提供するのは利益がある。

更に、集中化された磁界を使って、２個又はそれ以上の
メンバについてお互いに対する相対的な位置を測定する
ことは利益がある。

また、磁気抵抗素子が磁界を検出し、且つ磁界の強さに
応答して電気信号を発生するのに使われている測定シス
テムを提供するのは利益がある。

また、直線状スケール又は曲線状スケール上のメンバの
相対的な位置を測定するシステムを提供するのは利益が
ある。

高度の分解能の位置決め感知器に基づいて高度の信頼性
と正確性で、お互に対して一方のメンバを位置付けるシ
ステムを提供するのは利益がある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明に従って、磁界発生器と、磁界発生器によって発
生された磁束の磁力線を集中するため、磁界発生器に接
続された装置と、磁力線集中体に接続された磁気抵抗器
とを有する高分解能の位置決め感知器が与えられる。磁
気抵抗器は磁束の強度の関数として抵抗性を変化するの
に適している。

多数の突起の変換グリッドを有する基準位置のスケール
が与えられる。２個の磁束カプラが磁気抵抗器に接続さ
れ、且つ変換グリッドの突起に対して、相互に位相をず
らせて配列されている。これ等の磁束カプラは磁力線集
中体及び変換グリッドの間の磁束配分を変調する。

〔実施例〕

第１図を参照すると、Ｎ極が下方に向けられた永久磁石
１０が示されている。この永久磁石１０は変換器全体の
寸法に従った材料から製造することが出来る。相対的に
小さい寸法に対してはサマリウム・コバルト又はネオジ
ウム・コバルトのような希土類物質から作られた永久磁
石を使うことが出来る。大きな寸法の変換器にはアルニ
コ磁石を使う。

磁気的に軟磁性体の材料から作られた磁束集中体１２が
永久磁石１０に装着されている。磁束集中体１２は永久
磁石に装着するか、又は通常の接着技術又は機械的な装
着技術を使って、永久磁石に非常に近づけて装着するこ
とが出来る。磁束集中体１２に高い残留磁界を生じさせ
ないことが重要である。磁束集中体１２は、参照数字１
４で示されている如く、磁束集中体の形状のポルテック
ス（ｖｏｒｔｅｘ）位置を介して永久磁石中の磁束の線
を集中させるように磁気的に軟性である。これによって
、永久磁石１０中の相対的に広い領域からの磁束の線は
良好な実施例の第１図でＡ、Ｂ及びＣで表わされた３個
のポルテックス位置における磁束集中体１２によって集
中される。磁束集中体は任意の数のポルテックス位置を
持つことが出来る。磁束集中体のポルテックス位置の数
が大きいほど感知器の分解能は大きくなることは理解す
る必要がある。

各ポルテックス位置１４の端部にインジウムのアンチモ
ン化合物のような磁気抵抗材１６のバーがある。この材
料は特別の電気モビリティを持っている。このような材
料は例えば米国特許第３９３４１６０号や、１９７３年
のシーメンス電気材料ブレティンＶエエエ（Ｓｉｅｍｅ
ｎｓ　　ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｍｐｏｎｅｎｔｓ　
　Ｂｕｌｌｅｔｉｎ　　Ｖエエエ）、／ａ２の５３頁乃
至５６頁に電磁抵抗差動センサＩＰＦ２１０（Ｍａｇｎ
ｅｔｏｒｅｓｉｓｔｏｒ　ＤｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌＳ
ｅｎｓｏｒ　　Ｆ　Ｐ　２１０）　　と題する７オン・
ボルナ（Ｖａｎ　Ｂｏｒｃｋｅ）の論文に記載されてい
る。磁気抵抗素子１６の性質は磁界の増加をパラボラ関
数に基づく抵抗の増加にする。良好な実施例において、
磁気抵抗素子１６付近の領域の磁束密度は約０．２４テ
ラスである。

抵抗対磁界カーブの成る部分において、磁界と抵抗の間
の関係は直線形に近づく。然し乍ら、この直線形の領域
内でのみ動作する必要はない。何故ならば、パラボラ方
程式は良く知られており、高い精度でこの非直線性の補
正を得るため、後続する信号処理の後のステップでパラ
ボラ方程式を使うことが出来るからである。

磁気抵抗素子１６は部分された２つの分割体１８及び２
０を有する。磁気抵抗素子１６の第１の分割体１８は磁
束カプラ２２に接続されている。磁束カプラ２２は、以
下に説明される変換グリッドと対面するのに最も適した
態様で不規則に形成される。磁束カプラ２２は磁気的に
軟性材料で作られる。同様に、磁気抵抗素子１６の他の
分割体２０は第２の磁束カプラ２４へ接続されている。

磁束カプラ２２及び２４は夫々２個の平担脚２６．２６
ａ及び２８．２８ａで終端し、以下に説明されるように
、各脚は相互に距離”Ｘ“たけ離隔している。

磁束カプラ２２及び２４は互に“２ｘ“だけ離隔されて
いる。ポルテックス位置１４と、磁気抵抗素子１６の２
個の分割体１８及び２０と、２個の磁束カプラ２２及び
２４とは合体して変換素子又は感知ユニットと呼ばれる
。３個の変換素子と対向して変換グリッド３０が配置さ
れている。良好な実施例において、変換グリッド３０は
、均一な寸法で且つ均等に間隔を明けられた複数個の突
起即ち歯３２を有し、それ等は頂部が平担にされ且つ磁
束カプラ脚２６．２６ａ、２８．２８ａと相互作用を起
すよう方向づけられている。グリッド間隔と言われる変
換グリッド歯３２の間の距離は“Ｘ“である。

変換グリッド歯６２は、お互いに関して、２つの特定し
た機械要素の相対的な位置を測るのに最も適当であるよ
うに、直線状に配置されてもよく、弧状に配置されても
よく、他の任意の幾何学的パターンに配置されてもよい
。変換グリッド歯′５２に対して、磁束カプラ２２及び
２４は電気的位相から外されており、相互に電気的に１
８０°だけオフセットされていることは注意を要する。

換言すれば、磁束カブラ脚２６は変換グリッド歯３６と
直接に対向しているのに反して、磁束カブラ脚２８は２
つの変換グリッド歯５６ａ及び３６ｂとの間に正確に配
置されている。この位相関係の理由は、磁気抵抗素子１
６の分割体１８及び２０の両方が磁束配分を変調させる
ことである。磁気抵抗素子１６の一方の分割体１８は磁
気抵抗体１６の他方の分割体２０により配分される磁束
の磁力線と全く正反対の磁力線を配分する。

２つの分割体１８及び２０に分割された磁気抵抗素子１
６は図示されていない電線が接続される電気接続点３８
ａを持つ。この接続点３８ａは電気センタータップと言
われる。接続点３８ａで発生された電気信号は以下に説
明するようなその後の信号処理のために用いられる。本
発明の良好な実施例において、３個の感知ユニットが位
置感知情報のより高い感度及びより高い分解能を得るた
めに、変換グリッド３０と対向して配置される。

第１感知ユニツトの電気センタータップ３８ａと対応し
て、第２感知ユニツトの電気センタータップ３８ｂ及び
第３感知ユニツトの電気センタータップ３８ｃがあり、
それ等もまた電線に接続される。

位置付は感知ユニットの動作は第２ａ図を参照して説明
する。夫々、３個のセンタータップ３８ａ１３８ｂ及び
３８ｃ（第１図）からの電気信号を表示するグラフが示
されている。３つのグラフのＸ軸は変位、即ち距離を表
わし、Ｙ軸は出力電圧を表わす。第２ａ図の最上部のグ
ラフは感知ユニット６８ａの出力を表わしている。第２
ａ図の最下部ノブラフは感知ユニツ）３８ｃの出力を表
わしている。

第１感知ユニツト（第１図）が変換グリッド６０と相対
的に移動されると、永久磁石１０により発生された磁束
の磁気線は磁束集中体１２により受は取られ、且つポル
テックス部１４へ差し向けられて集中される。磁気抵抗
素子１６の２個の分割体１８及び２０の磁束密度は磁束
カプラ２２及び２４中の磁路に沿ったパーミアンスによ
って決められる。磁束カプラ２２及び２４中の２つの磁
路のパーミアンスは変換グリッド歯６２に対する脚２６
．２６ａ及び２８．２８ａの相対的な位置によって決め
られる。

第１図に示された位置において、感知ユニット及び変換
グリッド３０の間の磁界は脚２８及び対向して配置され
た歯と同様に磁束カプラ脚２６及び変換グリッド歯３乙
の間が最強である。パーミアンスは、脚２６及び歯６．
６の間のギャップ、即ち距離と、平行面の表面の領域（
即ち、歯６６の上にある脚２６の突起面）との関数であ
ることは注意を要する。この瞬間においては、１対の磁
束カプラ２８．２８ａ及び変換グリッド歯３６ｂの間の
磁界が最も弱い。従って、電気センタータップ３８ａで
磁気抵抗素子１６により発生された電気信号は、２つの
磁束カプラ２２及び２４によって発生された磁気抵抗分
割体１８及び２０の抵抗の差に基因して、この時、相対
的に正である。

第２磁気抵抗素子１６によって発生された電気センター
タップ３８ｂにおける電気信号は第２ａ図の中央のグラ
フに示されている。任意所望の時間において、電気セン
タータップ３８ｂにおいて発生される電気信号の値は電
気センタータップ３８ａで発生された電気信号の値とは
全体として異なっていることが理解出来る。これは、変
換グリッド歯３２に対して、磁束カプラ２２及び２４の
第１の対が磁束カプラの第２の対と相対的に位相をずら
せて配置されていることに基づいている。

同様に、電気センタータップ３８ｃで第３磁気抵抗素子
により発生された電気信号は、第２ａ図の最下部に示さ
れているように、任意の瞬間に電気センタータップ３８
ａ及び３８ｂで発生された電気信号は全体として異なっ
ている。

３個の感知ユニットが変換グリッド３０と相対的に移動
すると、電気センタータップにより発生された電気信号
は変化するが、然し相互に対するオフセット関係は維持
される。

３つの信号は処理（例えば比較され、加算される）する
ことが出来、第２ｂ図に示されたようなデジタル矩形波
を生ずる。第２ｂ図の上部の３つの矩形波は、第１図に
は示されていないが第２ａ図のＸ軸により表示されてい
る基準電圧と比較された時、夫々センタータップ３８ａ
、３８ｂ及び３８ｃからの信号の比較出力を表わしてい
ることは注意を要する。反転して、信号Ａは基準電圧に
比較された時、信号Ａ′になる。同様に・信号Ｂは基準
電圧と比較されて、信号Ｂ′になり信号Ｃは同様に信号
Ｃ′になる。

第３図を参照すると、３−人力ＯＲゲート６９が示され
ており、その入力は、第２ａ図に示された出力信号を論
理的に組み合せた３個の２人カーＡＮＤ回路により発生
される。これ等の３つの信号の総和はＡＢ十ＢＣ＋ＯＡ
を表わす出力信号を生ずる。第２ｂ図の最下部の矩形波
のグラフは第３図に示された回路の出力である。

第４図を参照するに、第２ｂ図に示された矩形波を発生
するために使われる比較器の電気的模式図を示す。この
比較ブリッジ回路は全体として、参照数字４０で示され
る。可変抵抗器Ｒ工及びＲ２は磁気抵抗素子１６の分割
体１８及び２０（第１図）を表わす。同様に、可変抵抗
器対Ｒ３、Ｒ４及びＲ５、Ｒ６は良好な実施例において
、第２及び第３磁気抵抗素子の夫々の分割体を表わして
いる。基準電圧４２はこれ等３つの感知ユニットすべて
に共通である。良好な実施例において、基準電圧源４２
は抵抗分圧器であるが、ゼナーダイオードや電池もまた
供給電圧として使うことが出来るのは注意を要する。

基準電圧４２及び電気センタータップ出力３８ａが等し
い時、比較値Ａ′はゼロである。同様に、若しＲ工がＲ
２よりも大きい時、比較器出力Ａ′は負の方向へ移動す
るであろう。電気センタータップ電圧３８ａが基準電圧
４２よりも小さい時、比較器出力Ａ′はゼロである。他
のすべての場合、比較出力は比例的に正の値である。５
ボルトの電源は約０．８ボルトのピークからピークの電
圧の信号出力Ａ′、Ｂ′又はＣ′を発生する。

第５図を参照すると、本発明の高出力高分解能変換器を
組み込んだシステムのブロック図が示されている。良好
な実施例において、電気的アナログ信号５０はサインカ
ーブである。これは感知ユニット（第１図）のうちの１
つの電気センタータップからの出力である信号である。

信号５０は増幅器５２への入力であり、増幅器５２は翻
ってアナログ−デジタル（Ａ／Ｄ　）コンバータへ出力
信号を供給する。Ａ　／　Ｄコンバータは静止メンバに
対する移動メンバを位置付けるために使われるサーボ機
構５６へデジタル信号を供給する。

第５図に示されたシステムは最小限の回路素子、及び複
雑なＡ　／　Ｄコンバータ装置を必要とせずに高い分解
能を与える。第１図の良好な実施例に示されたように、
複数個の感知ユニットを使用するシステムは、その信号
を更に処理する前に、信号Ａ、Ｂ及びＣを合計すること
の出来る論理システムを必要とする。そのような論理シ
ステムはデジタル又はアナログ信号処理の分野で広く知
られている。

〔発明の効果〕

以上、説明してきたように、本発明は電磁気的な原理を
利用して、簡単なメカニズムのサーボ機構によって高い
分解能を有する位置決め感知ユニットを実現した工業上
の効果は極めて高い。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に従った感知器の断面と、感知器が協働
する変換グリッドとを示す図、第２ａ図は相対的位置の
関数として変換信号出力のグラフを示す図、第２ｂ図は
第２ａ図に示された変換信号出力の矩形波表示と、本発
明に従った論理回路により発生された比較信号出力の矩
形波表示とを示す図、第３図は３人力ＡＮＤ−ＯＲゲー
トの模式図、第４図は磁気抵抗素子及び基準電圧源とを
比較する比較器の模式図、第５図は本発明に従った高分
解能位置付はシステム及びサーボ機構のブロック図であ
る。 １０・・・・永久磁石、１２・・・・磁束集中体、１６
・・・・磁気抵抗素子、１８．２０・・・・磁気抵抗素
子の分割体、２２・・・・磁束カプラ、３０・・０．変
換グリッド、３２・・・・変換グリッドの突起。 出願人　　　インターテショナル・ビジネス・マシーン
ズ・コーポレーション復代理人　弁理士　　篠　　　１
）　　文　　　雄算２ｂ図 第５図 ３人力ＡＮＤ−ＯＲゲ°−ト 第４図 高分解能位置付はシステム 笛５図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 磁界を発生する手段と、 上記磁界発生手段に接続され、該発生手段により発生さ
   れた磁束の線を集中するための手段と、上記集中手段に
   作動的に接続され、磁束の強度の関数として電気抵抗を
   変化するのに適した磁気抵抗素子と、 複数個の突起を有する変換グリッドを含む基準位置スケ
   ールと、 上記磁気抵抗素子に作動的に接続され、且つ上記集中手
   段及び上記変換グリッドの間で磁束配分を変調するため
   に、上記複数個の変換グリッドに対して、相互に位相外
   れで配置されている２個の磁束カプラから成る高分解能
   位置決め感知器。