JP2005207746A - 位置・傾斜計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
被測定面の位置及び傾き角を高精度かつ高速に計測することができ、大きな設置スペースが必要ない位置・傾斜計測装置を提供する。
【解決手段】
永久磁石１１を、被測定面である回転軸の端部に設置し、基準面ＲＰ側に磁気センサアレイ１２を設置する。永久磁石１１が発生させる磁束の磁気センサアレイ１２上での磁束分布を、磁気センサアレイ１２で計測する。特徴抽出部２２は、この磁束分布の重心位置及び歪みを抽出し、演算部２３はこの重心位置及び歪みに基づいて永久磁石１１の位置及び傾き角を演算する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、被測定面の基準面に対する位置及び傾き角を計測する位置・傾斜計測装置に関する。

被測定面の位置及び傾き角を計測する位置・傾斜計測装置としては、光学式、磁気式等、様々な方式のものが知られている。
光学式の位置・傾斜計測装置としては、例えば、被測定面にＬＥＤ等から光を照射し、その反射光をＣＣＤ等で受光し、その受光状態に基づいて位置及び傾き角を計測するものなどが知られている。しかし、こうした光学式のものは、一般的に計測可能な傾斜の範囲が狭く、また、発光素子から常に光を照射し続ける必要があるため消費電力が大きくなる傾向がある。
また、磁気式の位置・傾斜計測装置としては、被測定面に磁石を設置し、基準面にはホール素子などの磁気計測素子を配置して、その出力電圧に基づいて被測定面の位置、傾斜を計測するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開平５−１９１３号公報（［００１３］〜［００１４］欄、図１等）

しかし、このような磁気式の位置・傾斜計測装置において、単一の磁気計測素子のみで傾き角の計測をしても計測精度が十分でなく、傾斜の微小変化を連続的にモニターすることは困難であった。また、複数個（２個〜５個程度）の磁気計測素子を配置することにより、傾き角等の計測値の精度を上げることもできるが、設置スペース等の関係で、このような複数個の磁気計測素子を配置することは困難な場合が多い。
本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、被測定面の傾き角を高精度かつ高速に計測することができると共に、大きな設置スペースの必要が無い位置・傾斜計測装置を提供することを目的とする。

上記目的達成のため、この発明に係る位置・傾斜計測装置は、被測定面の基準面に対する位置及び傾き角を計測する位置・傾斜計測装置において、前記被測定面及び前記基準面のうちの一方に設置され所定の磁束を発生する磁束発生部と、前記被測定面及び前記基準面のうちの他方に前記磁束発生部と対向するように配置され複数の磁気センサをアレイ状に配列して構成され前記磁束の磁束分布を計測する磁気センサアレイと、前記磁束分布の特定位置を抽出するとともに、前記磁束分布の歪みの度合を袖出する特徴抽出部と、前記特定位置と前記歪みの度合とに基づいて前記被測定面の前記基準面に対する位置及び傾き角を計測する計測部とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、磁束発生部で発生する磁束の磁束分布が磁気センサアレイにより計測され、計測された磁束分布の特定位置及び歪みの度合が、特徴抽出部により抽出され、この抽出された磁束分布の特定位置と歪みの度合とに基づいて、前記被測定面の基準面に対する位置及び傾き角が計測部により計測される。このため、被測定面の位置及び傾き角を、高精度且つ高速に計測することができる。

次に、本発明の実施の形態に係る傾斜計測装置を、図面を参照して詳細に説明する。
本実施の形態の傾斜計測装置は、モータ等の回転軸１の端面１ａを被測定面とする。回転軸１は、軸受２及びボールベアリング３により保持され、軸Ｏを中心として回転可能にされている。またこの軸受２は、シャーシ４により保護されている。この回転軸１が、軸Ｏから外れることなく回転しているか否かを、本実施の形態の傾斜計測装置で計測するものである。なお、回転軸１は、磁気軸受、動圧軸受など、他の種類の軸受で支持されるようにしてもよい。

本実施の形態の傾斜計測装置は、永久磁石１１と、磁気センサアレイ１２と、走査制御回路１３と、読出し回路１４と、Ａ／Ｄ変換器１５と、コンピュータ２０とから構成される。永久磁石１１は、回転軸１の端部１ａに固定されるものであり、ここでは、永久磁石１１は円形であるとする。磁気センサアレイ１２は、この永久磁石１１と対向するようにシャーシ４上の基準面ＲＰ上に配置され、永久磁石１１の基準面ＲＰに対する位置及び傾き角を測定するためのものである。磁気センサアレイ１２は、図２に示すように多数（例えば１２８×１２８個）の磁気センサ１２１をワード線ＷＬ及びビッド線ＢＬの交差部に碁盤目状に配列したものである。この磁気センサ１２１の出力は増幅器１２２により増幅されて出力される。この多数の磁気センサ１２１は、例えばホール素子、磁気抵抗素子（ＭＲ素子）等であり、周知の半導体製造工程により形成することができる。また、各磁気センサ１２１には、スイッチ素子１２３がそれぞれ接続されている。

走査制御回路１３は、ワード線ＷＬを介してスイッチ素子１２３を導通させるための走査信号を出力するものである。あるワード線ＷＬ上に走査信号が出力されると、そのワード線ＷＬ上に配列された磁気センサ１２１の出力が、増幅器１２２で増幅された後各ビット線ＢＬに出力される。
また、読み出し回路１４は、この走査信号により各磁気センサ１２１からビット線ＢＬ上に読み出された出力信号を順次コンピュータ２０へ読み出すためのものである。Ａ／Ｄ変換器１５は、この読み出し回路１４からの出力信号をディジタル値に変換するためのものである。コンピュータ２０は、このディジタル値に基づいて所定の信号処理を行なって、回転軸１の位置及び傾き角を演算し、その演算結果を出力するものであり、また、走査制御回路１３を制御する制御信号を出力するものである。

このコンピュータ２０の機能を、図３に示す機能ブロック図に基づいて説明する。コンピュータ２０は、図３に示すように、補間部２１、特徴抽出部２２、演算部２３、表示制御部２４、及びＣＲＴ２５等を備えている。
補間部２１は、Ａ／Ｄ変換器１５より出力されたディジタル値をディジタル的に補間して、画素数を増加させた補間ディジタルデータを出力するものである。補間の方法としては、最近傍法、線形補間、ラグランジェ補間、ｓｉｎｃ関数による高次の補間、フラクタルによる補間等が考えられる。

特徴抽出部２２は、補間部２１から出力された補間ディジタルデータの画像的な特徴（重心位置、歪み等）を抽出するものである。演算部２３は、この特徴抽出部２２で抽出された特徴データに基づき永久磁石１１の位置及び傾きを演算するものである。表示制御部２４は、補間ディジタルデータや演算部２３による演算値等を適宜ＣＲＴ２５に表示させるためのものである。

次に、この図１に示す傾斜計測装置の動作を説明する。磁気センサアレイ１２は、図４に示すように永久磁石１１から発せられる磁気を多数の磁気センサ１２１ごとに検出し、その検出信号を読み出し回路１４を介してＡ／Ｄ変換器１５に出力する。Ａ／Ｄ変換器１５は、この出力信号を、各磁気センサ１２１の位置データと関連付けたディジタル値として出力する。図４右側に示す画像４１は、このＡ／Ｄ変換されたディジタル値を画素の濃度に置き換えて表現した画像である。各画素の色が濃い程検出された磁気が弱く、薄い程検出された磁気が強いことを示している。

補間部２１は、画像４１で表現されるディジタル値にディジタル的に補間を施し、図５右側に示す画像４２により表現されるような、画素数を増加させた補間ディジタルデータに変換する。そして、特徴抽出部２２は、この補間ディジタルデータに基づき、永久磁石１１による磁場の分布の重心位置を抽出するとともに、磁場の分布の歪みを抽出する。

重心位置は次のようにして抽出する。すなわち、図６に示すように、補間ディジタルデータを示す画像４２を所定のしきい値で２値化し、図６右側に示すような２値化画像４３を得る。この２値化画像４３の中心位置を、磁場の分布の重心位置として抽出する（図７参照）。２値化処理の代わりに、エッジ検出、領域法による画像分割等の方法により、重心位置を求めることも可能である。

一方、磁場の分布の歪みは、次のようにして抽出する。図８に示すように、永久磁石１１が磁気センサアレイ１２に対し平行である場合、磁場の分布は、図９に示すような同心円状の分布となる。一方、永久磁石１１が図１０に示すように基準面（磁気センサアレイ１２の面）に対し例えばＹ軸方向に３０°傾いている場合、磁場の分布は、図１１に示すように、Ｙ軸方向において重心位置が偏っているとともに、全体の形も楕円形状の分布となる。

この図１１の分布を、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向についてグラフ化すると図１２のようになる。この場合、Ｘ軸方向では、座標中心付近で磁束密度が最大となる一方、Ｙ軸方向では、中心から離れた位置（この例では０．０００５［ｍ］付近）において磁束密度が最大となる。また、Ｘ軸方向とＹ軸方向とでは、分布の広がり具合（偏差）が異なる。ある磁束密度Ｂの領域の、Ｘ軸方向の分布の広がり具合と、Ｙ軸方向の分布の広がり具合との比（ｙ／ｘ）を、以下では「縦横比」と称する。この縦横比は、磁場の分布の歪みの大きさを表現したものである。この縦横比の、磁束密度Ｂとの関係をグラフに示すと、図１３のようになる。縦横比と磁束密度Ｂとの関係は、永久磁石１１の傾き角θによって異なる。図１３では、傾き角θが１５°、４５°、及び６０°の場合について、磁束密度Ｂと縦横比との関係を示している。このようなグラフは、予め実験により、または永久磁石１１の特性等に基づくシミュレーションにより得ることができる。

そして、この図１３のようなグラフから、図１４に示すように、傾き角θと、所定の磁束密度における縦横比との関係を示すグラフが得られる。この図１４は、一例として、最大磁束密度の９０％の磁束密度の領域の縦横比と傾き角θとの関係を示している。本実施の形態では、この図１４に示すようなグラフを予め実験やシミュレーション等により取得して図示しないテーブルに記憶させておく一方、演算部２３において、最大磁束密度の９０％の磁束密度の領域の縦横比を補間ディジタルデータに基いて演算し、この演算された縦横比に対応する傾き角θをテーブルから読み出すことにより、永久磁石１１の傾き角θを特定する。

以上、発明の実施の形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、追加、置換等が可能である。例えば、上記実施の形態では、モータ等の回転軸の端部を被測定面としているが、これは一例であり、傾斜し得るあらゆる被測定面に本発明は適用可能である。また、上記実施の形態では、被測定面側に永久磁石を設置し、基準面側に磁気センサアレイを設置したが、逆に被測定面側に磁気センサアレイを設置し、基準面側に永久磁石を設置するようにしてもよい。
また、上記実施の形態では、最大磁束密度の９０％の磁束密度の領域の縦横比と傾き角θとの関係をテーブル（図示せず）に記憶させているが、９０％である必然性はなく、例えば最大磁束密度の８０％や９５％の磁束密度のデータを予め取得するものであってもよい。また、上記実施の形態では、磁束分布の重心位置を抽出したが、重心位置でなくとも、磁束分布の何らかの特性に基づく特定の位置を抽出するようにしてもよい。

本発明の実施の形態に係る位置・傾斜計測装置の構成を示す。 図１に示す磁気センサアレイ１２の構成を示す。 図１に示すコンピュータ２０の機能を示す機能ブロック図である。 図１に示す位置・傾斜計測装置の動作を示す。 図１に示す位置・傾斜計測装置の動作を示す。 図１に示す位置・傾斜計測装置の動作を示す。 図１に示す位置・傾斜計測装置の動作を示す。 永久磁石１１が基準面（ＲＰ）に対し水平な場合の磁束の状態を示す。 永久磁石１１が基準面（ＲＰ）に対し水平な場合の磁束分布を示す。 永久磁石１１が基準面（ＲＰ）に対し傾いている場合の磁束の状態を示す。 永久磁石１１が基準面（ＲＰ）に対し傾いている場合の磁束分布を示す。 図１１に示す磁束分布において、それぞれＸ軸、Ｙ軸に沿った磁束分布を取り出したグラフである。 ある磁束密度Ｂの領域の、Ｘ軸方向の分布の広がり具合とＹ軸方向の分布の広がり具合との比（縦横比）の、磁束密度Ｂとの関係を示すグラフである。 最大磁束密度の９０％の磁束密度の領域における縦横比と、傾き角θとの関係を示すグラフである。

符号の説明

１・・・回転軸、 ２・・・軸受、 ３・・・ボールベアリング、 １１・・・永久磁石、 １２・・・磁気センサアレイ、 １３・・・走査制御回路、 １４・・・読出し回路、 １５・・・Ａ／Ｄ変換器、 ２０・・・コンピュータ、 ２１・・・補間部、 ２２・・・特徴抽出部、 ２３・・・演算部、 ２４・・・表示制御部、 ２５・・・ＣＲＴ、 １２１・・・磁気センサ、 １２２・・・増幅器、 １２３・・・スイッチ素子。

Claims (3)

1. 被測定面の基準面に対する位置及び傾き角を計測する位置・傾斜計測装置において、
   前記被測定面及び前記基準面のうちの一方に設置され所定の磁束を発生する磁束発生部と、
   前記被測定面及び前記基準面のうちの他方に前記磁束発生部と対向するように配置され複数の磁気センサをアレイ状に配列して構成され前記磁束の磁束分布を計測する磁気センサアレイと、
   前記磁束分布の特定位置を抽出するとともに、前記磁束分布の歪みの度合を袖出する特徴抽出部と、
   前記特定位置と前記歪みの度合とに基づいて前記被測定面の前記基準面に対する位置及び傾き角を計測する計測部と
   を備えたことを特徴とする位置・傾斜計測装置。
2. 前記計測部は、前記歪みの度合と前記傾き角との関係を示すテーブルを備え、前記特徴抽出部から抽出された前記歪みの度合に対応する前記傾き角を前記テーブルから読み出すことにより前記傾き角を特定する
   ことを特徴とする、請求項１記載の位置・傾斜計測装置。
3. 前記特徴抽出部は、前記磁気センサアレイの出力信号をＡ／Ｄ変換したディジタルデータにディジタル的に補間を加えてなる補間ディジタルデータに基いて前記特定位置及び前記歪みの度合を抽出する
   ことを特徴とする、請求項１記載の位置・傾斜計測装置。