JP2013195327A

JP2013195327A - 位置検出器

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Publication number: JP2013195327A
Application number: JP2012065023A
Authority: JP
Inventors: Noriyuki Fukui; 憲之福井
Original assignee: Okuma Corp; Okuma Machinery Works Ltd
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 2012-03-22
Filing date: 2012-03-22
Publication date: 2013-09-30
Anticipated expiration: 2032-03-22
Also published as: JP6039206B2

Abstract

【課題】被検出体の異なるサイズに対し、被検出体とセンサ部との空隙量、或いはセンサ部の検出する電圧レベルが最適、乃至はより好ましい状態とすることができる位置検出器を提供することを目的とする。
【解決手段】可変利得増幅回路１０１ａ，１０１ｂは、初期化時に制御装置１０９が送信する被検出体の繰り返しパターンの個数（サイズ）に関する情報に基づいて抽出された利得の値Ｇａｉｎ（２５６）が、記憶器１０３から入力したら、利得の値を設定する。そして、検出素子３０１ａ〜３０１ｐの検出する信号レベルを増幅する。
【選択図】図１

Description

本発明は、産業機械や工作機械等の分野で使用される位置検出器に関し、特に、被検出体の複数のサイズに対応可能なセンサ部を有する位置検出器に関する。

工作機械の主軸等の回転軸の位置検出器には、歯車のように外周部に繰り返しパターンが付加された被検出体と、この被検出体を磁気的に検出するセンサ部と、からなる構成のものが、しばしば利用されてきた。こうした構成の利点として、被検出体の複数のサイズにセンサ部の流用が容易という点があった。これは、歯車のモジュールを変えずに、歯数を変えて被検出体のサイズを変更しても、被検出体とセンサ部との相対移動方向の基本となるピッチ長は変わらなくすることができることによるものである。

図２は、従来の位置検出器を示す斜視図である。磁性材料よりなる検出用の歯車２０１は、磁性材料よりなるマーカー円板２０２と同心上に固着され、図示しない回転軸に固定され回転自在となっている。なお、検出用の歯車２０１の歯数は２５６である。マーカー円板２０２は、外周部に一箇所だけ切り欠きが設けてある。他方、検出用の歯車２０１と空隙を隔てて対向する磁気センサ２０３は、図示しない固定側に固定されている。

図３は、図２の磁気センサ２０３に内包された検出素子の配列を示す正面図である。検出用の歯車２０１を検出する検出素子（磁気抵抗素子）３０１ａ〜３０１ｐは、検出用の歯車２０１の凹凸の基本ピッチ長に対して、相対移動方向へ各々３／４ピッチずつずらして配置されている。すなわち、検出素子３０１ａと検出素子３０１ｂとの相対移動方向の距離は３／４ピッチであり、検出素子３０１ａと検出素子３０１ｃとの相対移動方向の距離は６／４ピッチである。よって、検出素子３０１ａ，ｅ，ｉ，ｍは、検出用の歯車２０１の繰り返しのパターンの基本ピッチにおける同一位相に配置されていることになる。なお、検出素子３０１ｑはマーカー円板２０２の検出用である。図示はしないが、これら検出素子３０１ａ〜３０１ｑの背面側（検出用の歯車２０１とは反対側）には、バイアス磁石が配置されている。

図４は、図２の磁気センサ２０３の信号処理の概略構成図であり、図２乃至図３と同一構成要素には、同一符号を付す。検出用の歯車２０１の歯車部の凹凸によって変化する磁束密度を検出する検出素子３０１ａ，３０１ｃ，３０１ｅ，３０１ｇ，３０１ｉ，３０１ｋ，３０１ｍ，３０１ｏが発する信号レベル（電圧レベル）は、極性の違いで強めあうよう正弦の正相は差動増幅器１０１ｄの＋側端子へ、同負相は差動増幅器１０１ｄの−側端子へ送られる。同様に、検出素子３０１ｂ，３０１ｄ，３０１ｆ，３０１ｈ，３０１ｊ，３０１ｌ，３０１ｎ，３０１ｐも、極性の違いで強めあうよう余弦の正相は差動増幅器１０１ｅの＋側端子へ、同負相は差動増幅器１０１ｅの−側端子へ送られる。差動増幅器１０１ｄ，１０１ｅにて信号増幅された二相信号Ｓａ，Ｃａは、検出用の歯車２０１の回転に応じて、図５に示すような信号変化を示す。この二相信号Ｓａ，Ｃａの信号振幅をＶ、夫々の直流成分をＶｓｏｆｓ，Ｖｃｏｆｓとすると、二相信号Ｓａ，Ｃａは、次の式１，２で表される。
Ｓａ＝Ｖ・ｓｉｎ（θｐ）＋Ｖｓｏｆｓ式１
Ｃａ＝Ｖ・ｃｏｓ（θｐ）＋Ｖｃｏｆｓ式２

ここで、θｐは二相信号Ｓａ，Ｃａの電気角内の位相であり、検出用の歯車２０１の回転角度をθとすると、θｐとθとの間には、次の式３の関係が成り立っている。
θｐ＝２５６×θ 式３

この二相信号Ｓａ，Ｃａは、アナログ／ディジタル変換器１０２ａ，１０２ｂにてディジタル化される。ディジタル化された二相信号Ｓｄｏ，Ｃｄｏは、予め記憶器１０３に格納されたオフセット補正値Ｓｏｆｓ，Ｃｏｆｓを減算器１０４ａ，１０４ｂにて除去される。オフセット成分を除去された二相信号Ｓｄ，Ｃｄは、除算器１０５にて、式４に示す演算により、正接信号化される。
Ｓｄ／Ｃｄ＝Ｖ・ｓｉｎ（θｐ）／Ｖ・ｃｏｓ（θｐ）＝ｔａｎ（θｐ）式４

更に、演算器１０６にて逆正接演算され、検出用の歯車２０１の基本ピッチ内の絶対位置θｐを得る。

一方、マーカー円板２０２の切り欠き部の有無によって変化する磁束密度を検出する検出素子３０１ｑが発する信号レベル（電圧レベル）は、信号増幅後、カウンター回路１０７へ送られる。また、検出素子３０１ａ〜ｐの増幅後の信号Ｓａ，Ｃａは、コンパレータ１０８ａ，１０８ｂによってパルス信号化され、パルス信号Ｓａｐ，Ｃａｐとしてカウンター回路１０７へ送られる。更に、カウンター回路１０７には、この位置検出器の初期化時に制御装置１０９から、検出用の歯車２０１の歯数２５６という数値が送られ、セットされている。カウンター回路１０７では、検出素子３０１ｉの信号Ｚａに、マーカー円板２０２の切り欠き部での磁界の変動に応じた信号変化があった位置を一回転内の基準位置として、パルス信号Ｓａｐ，Ｃａｐをカウントすることによって、検出用の歯車２０１の２５６個の凹凸のどの位置かという情報θｕを得る。θｐとθｕとは、加算器１１０によって加算され、一回転内の絶対位置θを制御装置１０９へ送出する。類似の構成の位置検出器は、特許文献１（特開２００１−４４０１）にて周知となっている。また、上述の位置検出器は、検出素子に磁気抵抗素子を利用したタイプであるが、検出用の歯車の異なる歯数に対応可能な位置検出器として、特許文献２（特開２００６−１７５３３）の図１の例のように電磁誘導型の検出原理を用いたものもある。

図２の例では、検出用の歯車２０１の歯数が２５６として示したが、位置検出器が取り付けられる回転軸の設計要件によって、異なるサイズを求められることがしばしばあった。しかし、検出用の歯車２０１と同一のモジュールで異なる歯数の歯車を加工すれば、初期化時に制御装置１０９からその異なった歯数情報を得ておく必要があるものの、磁気センサ２０３は異なる歯数の歯車にも検出可能となる。それは、モジュールが同一であれば、検出素子３０１ａ〜３０１ｐの３／４ピッチずつずらした配置が、そのまま有効だからである。

ここで、検出用の歯車２０１と磁気センサ２０３との空隙量の調整について説明する。従来は、マーカー円板２０２と一体となった検出用の歯車２０１は、回転軸等に芯振れを調整されて取り付けた後、磁気センサ２０３の取付調整を行う。ラフな取付調整が許される用途では、磁気センサ２０３の検出面と検出用の歯車２０１との間に、スキミゲージのような所定の厚みの板材を挟んで磁気センサ２０３を固定し、その後にスキミゲージを引き抜く。しかし、磁気センサ２０３のセンサ表面部や検出用の歯車２０１の歯先部に傷等をつけたくない場合や、より精密に空隙量を管理して取り付けを行う場合は、オシロスコープ等の測定器にて、図５に示すの二相信号Ｓａ，Ｃａの波形を観測しながら、所定の信号レベルを得られるよう磁気センサ２０３の空隙量を調節して取り付けていた。

以上のような磁気センサ２０３の取付方法は、検出用の歯車２０１のサイズが異なる歯数のものになっても、変えることなく行われてきた。図３の例で、比較的中心寄りに配置された検出素子３０１ｇ〜３０１ｊは、検出用の歯車２０１のサイズが変化しても信号レベルへの影響を受けづらいが、比較的外側に配置された検出素子３０１ａ〜３０１ｆ，３０１ｋ〜３０１ｐは、検出用の歯車２０１のサイズが変化すると、その曲率の違いにより空隙量が変化するため、信号レベルに大きな影響を受けていた。つまり、電圧レベルＳａ，Ｃａをオシロスコープ等で観測しながら、所望の信号レベルを得られるように空隙量を取り付けする方法において、検出用の歯車２０１の歯数が大きいほど、即ち歯車外周円の曲率が小さいほど、検出用の歯車２０１と磁気センサ２０３との空隙量は大きく取り付けられ、逆に歯数が小さいほど、同空隙量は狭く取り付けられる。

特開２００１−４４０１号公報特開２００６−１７５３３号公報

従来例で示した位置検出器では、検出用の歯車の異なるサイズに対し、増幅後の検出信号の電圧レベルを観測しながら、所定の電圧レベルになるよう磁気センサ２０３と被検出体との空隙量を調整していた。しかし、この方式によれば、所定の電圧レベルになるよう調整されるため、検出用の歯車２０１のサイズが比較的大きい場合は、磁気センサ２０３と被検出体との空隙量が大きくなってしまっていた。磁気センサ２０３と被検出体との空隙量が大きくなると、図２の例では、バイアス磁石から発せられる磁束について、検出用の歯車２０１以外へ向かってしまう磁束量（リーク磁束量）が相対的に多くなってしまう。特許文献２の図１の例では、コイル４からの交流励磁磁束のリーク磁束が多くなる。また、検出用の歯車２０１のサイズが比較的小さい場合は、磁気センサ２０３と被検出体との空隙量が小さくなってしまい、回転軸の不測の芯振れ等の場合に、磁気センサ２０３と検出用の歯車２０１とが接触する危険があった。

以上のような事情を鑑み、本発明は、被検出体の異なるサイズに対し、被検出体とセンサ部との空隙量、或いは電圧レベルが最適、乃至はより好ましい状態とすることができる位置検出器を提供することを目的とする。

本発明の位置検出器は、磁性体よりなる円盤状の被検出体と、前記被検出体と独立して設けられたセンサ部と、を備えた位置検出器であって、前記被検出体は、その外周に規則的な繰り返しパターンを有しており、前記センサ部は、前記被検出体の相対移動方向に配設される複数の検出要素或いは検出パターンと、前記複数の検出要素或いは検出パターンからの信号を増幅する可変利得増幅回路と、前記被検出体の形状に関するパラメータの値と利得との相関を記憶するとともに、前記位置検出器が接続される制御装置から指示されたパラメータの値に対応する利得の値を前記可変利得増幅回路に設定する記憶器と、を備えることを特徴とする。

好適な態様では、前記可変利得増幅回路によって増幅された信号に基づいて、前記被検出体に対する前記センサ部の取り付け調整が行われる。

他の好適な態様では、前記被検出体は、前記繰り返しパターンの個数ｎに応じてサイズが定まり、前記被検出体の形状に関するパラメータは、前記繰り返しパターンの個数ｎである。別の好適な態様では、前記被検出体の形状に関するパラメータは、前記被検出体の半径または曲率である。

本発明の位置検出器によれば、センサ部に対する異なるサイズの被検出体との組合せであっても、互いの空隙量を予め格納してあった利得によって決定することができるため、最適、乃至はより好ましい空隙量とすることができる。具体的には、大きなサイズの被検出体に対しては、対応する可変利得増幅器の利得を小さくすることになるが、その場合に、信号対雑音比（ＳＮ比）が従来より有利に働く効果を奏する。大きなサイズの被検出体であっても、従来の増幅器の増幅後の信号レベルで取付調整された不必要に広い空隙量より、本発明の可変利得増幅器の増幅後の信号レベルで取り付け調整された適正な空隙量とすることができるため、バイアス磁石からの励磁磁界、或いはコイルからの交流励磁磁界によって構成された励磁磁束のリーク磁束を減ずることができる。

本発明の実施形態である位置検出器の処理回路部の一例を示す概略構成図である。位置検出器の全体の構成を示す斜視図である。図２の磁気センサに内包された検出素子の配列を示す正面図である。従来の位置検出器の処理回路部の概略構成図である。位置検出器の二相信号の波形を示すグラフである。

［第一実施形態］
図１は、本発明の位置検出器の処理回路部の一例を示す概略構成図である。図１の処理回路部は、図２及び図３で示す構成の位置検出器を処理するものとする。また、図２乃至図４との同一構成要素には同一符号を付して説明する。検出用の歯車２０１の歯車部の凹凸によって変化する磁束密度を検出する検出素子３０１ａ，３０１ｃ，３０１ｅ，３０１ｇ，３０１ｉ，３０１ｋ，３０１ｍ，３０１ｏが発する信号レベル（電圧レベル）は、極性の違いで強めあうよう正弦の正相は可変利得増幅回路１０１ａの＋側端子へ、同負相は可変利得増幅回路１０１ａの−側端子へ送られる。同様に、検出素子３０１ｂ，３０１ｄ，３０１ｆ，３０１ｈ，３０１ｊ，３０１ｌ，３０１ｎ，３０１ｐも、極性の違いで強めあうように余弦の正相は可変利得増幅回路１０１ｂの＋側端子へ、同負相は可変利得増幅回路１０１ｂの−側端子へ送られる。他方、図４の例と同様に、カウンター回路１０７には、この位置検出器の初期化時に制御装置１０９から、検出用の歯車２０１の歯数２５６という数値が送られ、セットされている。カウンター回路１０７は、歯数に関する情報を記憶器１０３へ伝達する。記憶器１０３では、検出用の歯車２０１の歯数に関する情報を入力したら、これに対応する利得の値を選択し、利得情報Ｇａｉｎ（２５６）として可変利得増幅回路１０１ａ，１０１ｂへ送出する。可変利得増幅回路１０１ａ，１０１ｂは、利得情報Ｇａｉｎ（２５６）に基づいて利得を設定する。信号増幅後の二相信号Ｓａ，Ｃａの処理方法については、従来と同様のため、説明を省略する。

さて、記憶器１０３に予め格納された検出用の歯車２０１の歯数（繰り返しパターンのサイズ、前記被検出部の形状に関するパラメータ）に対応する利得の値については、使用される検出用の歯車２０１のラインアップについて、事前に磁気センサ２０３との組合せにおいて、最適な空隙量に厳密に取付調整した後、二相信号Ｓａ，Ｃａの信号振幅を計測しながら決定する。これらの利得の値は、検出用の歯車２０１の歯数と利得の値とが対応するように、記憶器１０３にはテーブル状に格納されている。或いは、ある任意の基準となる検出用の歯車２０１の歯数（繰り返しパターンのサイズ）に対する利得の値を決定しておき、異なる歯数の検出用の歯車２０１に対しては、ＦＥＭ磁場解析ツール等のシミュレーターにて所定の空隙量での信号振幅を算出させ、必要となる利得の値を決定しても良い。

また、前述のＦＥＭ磁場解析において、検出用の歯車２０１の歯数（繰り返しパターンのサイズ）と利得の値との間に、相関性が発見でき、その関係性を数式（近似式含む）にて求めることができることもある。その場合には、その関係式を記憶器１０３に格納しておき、カウンター回路１０７から歯数に関する情報を入力したら、格納してあった関係式にて最適な利得の値を導出しても良い。つまり、検出用の歯車２０１の歯数（繰り返しパターンのサイズ）に応じて、検出素子３０１ａ〜３０１ｐからの信号を増幅する際に、最適、或いはより好ましい利得にて増幅させる手がかりとなる情報を、記憶器１０３に予め格納してあり、その情報に基づいて増幅率が設定されれば、本発明の位置検出器としての特徴を備える。或いは、以上の意味合いにおいては、検出用の歯車２０１の歯数（繰り返しパターンのサイズ）ではなく、検出用の歯車２０１の歯先円の半径や、曲率に応じた利得の値を記憶器１０３に格納するようにしてもよい。カウンター回路１０７から検出用の歯車２０１の歯先円半径、或いは曲率に関する情報を入力したら、記憶器１０３からそれに応じた利得の値をセットすればよい。カウンター回路１０７から歯数に関する情報を入力した場合でも、歯数と歯先円内径は簡単な数式により展開することが可能である。

可変利得増幅回路１０１ａ，１０１ｂについては、可変利得増幅器（ＶＧＡ）を中心とする回路構成であるが、その他、プリアンプや抵抗器等々の電子部品の回路構成については、設計者が自由に選定、設計されるべき要件であり、本発明ではその自由度に制限を与えるものではない。

以上のような処理回路構成を有した本発明の位置検出器について、検出用の歯車２０１と磁気センサ２０３との空隙量の調整方法を説明する。先に、マーカー円板２０２と一体となった検出用の歯車２０１を、回転軸へ芯振れを調整して取り付ける。次に、磁気センサ２０３と制御装置１０９との送受信における初期化時の通信に相当する機能を有した通信手段によって、カウンター回路１０７へ検出用の歯車２０１の歯数をセットする。この歯数に関する情報は、記憶器１０３へも送出され、記憶器１０３から可変利得増幅回路１０１ａ，１０１ｂの利得を設定する。更に、オシロスコープ等の測定器にて、二相信号Ｓａ，Ｃａの波形を観測しながら、所定の信号レベルを得られるよう磁気センサ２０３の空隙量を調節して取り付ける。

或いは、磁気センサ２０３の取付調整時に、カウンター回路１０７に検出用の歯車２０１の歯数を設定する手法については、セットされた歯数に関する情報を次に初期化処理して設定しなおさない限り、新たな歯数に関する情報を更新しないような構成にしておいたうえで、一旦、制御装置１０９に接続して歯数に関する情報をセットしておき、制御装置１０９との接続を切断して、空隙量の取付調整を行ってもよい。

なお、上述した構成は、一例であり、適宜、変更してもよい。例えば、磁気センサ部の検出原理として、検出素子に磁気抵抗素子を利用したものについて述べたが、検出部にコイルパターンを利用した電磁誘導型の検出原理であっても本発明の位置検出器とすることができる。また、上述の例では、被検出体に歯車を使用したものについて述べたが、これ以外の形態でも本発明の位置検出器とすることができる。一例としては、凹凸形状を有しないリング状の磁性材の外周面に、規則的なパターンでＮ極とＳ極が繰り返すように着磁したものを被検出体とする場合が挙げられる。この形態の被検出体も、繰り返しの着磁パターンの基本ピッチ長をそのままに、サイズを変更したい場合に、本発明の位置検出器の技術を有効に活用できる。

また、本発明の属する技術分野として、産業機械や工作機械等の分野における回転軸の制御用の位置検出器に特化して説明したが、その他の分野への利用可能性として、本発明の位置検出器を歯車検査装置や歯車試験機等に搭載し、歯車のピッチ誤差や歯先真円度等の工作精度を測定する測定器とする場合も考えられる。

１０１ａ，１０１ｂ可変利得増幅回路、１０１ｃ〜１０１ｅ差動増幅器、１０２ａ，１０２ｂアナログ／ディジタル変換器、１０４ａ，１０４ｂ減算器、１０５除算器、１０６（逆正接）演算器、１０７カウンター回路、１０８ａ，１０８ｂコンパレータ、１０９制御装置、１１０加算器、２０１検出用の歯車、２０２マーカー円板、２０３磁気センサ、３０１ａ〜３０１ｑ検出素子（磁気抵抗素子）

Claims

磁性体よりなる円盤状の被検出体と、前記被検出体と独立して設けられたセンサ部と、を備えた位置検出器であって、
前記被検出体は、その外周に規則的な繰り返しパターンを有しており、
前記センサ部は、
前記被検出体の相対移動方向に配設される複数の検出要素或いは検出パターンと、
前記複数の検出要素或いは検出パターンからの信号を増幅する可変利得増幅回路と、
前記被検出体の形状に関するパラメータの値と利得との相関を記憶するとともに、前記位置検出器が接続される制御装置から指示されたパラメータの値に対応する利得の値を前記可変利得増幅回路に設定する記憶器と、
を備えることを特徴とする位置検出器。
請求項１に記載の位置検出器であって、
前記可変利得増幅回路によって増幅された信号に基づいて、前記被検出体に対する前記センサ部の取り付け調整が行われる、ことを特徴とする位置検出器。
請求項１または２に記載の位置検出器であって、
前記被検出体は、前記繰り返しパターンの個数ｎに応じてサイズが定まり、
前記被検出体の形状に関するパラメータは、前記繰り返しパターンの個数ｎである、
ことを特徴とする位置検出器。
請求項１または２に記載の位置検出器であって、
前記被検出体の形状に関するパラメータは、前記被検出体の半径または曲率であることを特徴とする位置検出器。