JP2013511701A - 長さおよび角度測定のための誘導測定デバイス - Google Patents

Abstract

本発明は、平面コイル構造体としてのセンサユニット（Ｎ、Ｍ）と、測定ラインに沿って可変磁気抵抗または導電率の交互するエリアを有するスケールとを備える、絶対位置を検出するための測定デバイスに関する。本発明は、本測定デバイスが測定長さ内で絶対位置を決定するための少なくとも２つの目盛り（Ｔ１、Ｔ２）を有し、少なくとも２つの目盛りは非周期的かつビット毎にコード化され、かつ互いに対して並行に延び、かつ各ビット形成毎に、全体的なセンサ構造体の一部としてのコイルエレメント（Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４）に対して正反対の効果を有することを特徴とする。好ましくは、固有のエミッタ巻線およびレシーバ巻線（Ｅ、Ｒ）を備える各コイルエレメント（Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４）はオフセットして平衡状態にあり、かつ全体的なセンサ構造体は、補償巻線によって、コード化スケールの任意の位置で絶対値の個々のビット毎に略同一の信号振幅を与える。

Description

本発明は、誘導的に動作する絶対長さおよび角度測定システムに関し、請求項１の前提部分および後述する特許文献１に記載されているコイル構造体および対応する評価電子機器が、測定経路に沿って絶対符号化（ｅｎｃｏｄｅｄ）スケールと相対的に走査ヘッド内で移動し、かつ位置を測定するシステムに関する。

概して、このような位置測定デバイスには２つのタイプが知られている。すなわち、インクリメンタル測定装置では、周期的目盛りが走査され、かつ測定インクリメントを加算または減算することによって、相対位置スケール／走査ユニットが基準位置に対して計算され、また、絶対測定装置は、全測定範囲について一意である走査ユニット内で発生される信号の組合せの任意の相対位置について、スケール／走査ユニット内で達成される。

絶対測定デバイスは、プラントの移動軸がスイッチオンにされると、既知の位置への基準トリップを実行するまでもなくその位置を直接決定し、かつさらに、効果的には、停止の場合でもプラントのさらなる安全な操業を促進することが明らかである。

概して、技術的移行がより単純であるという理由で、インクリメンタル測定系はより広範に使用され、かつより高い分解能および精度を提供する。双方の測定方法について、光学的、磁気的、容量型または誘導型の物理的原理に基づいて動作する測定デバイスが知られている。

本発明は、光学系よりも外部環境要素に対する感受性が著しく低く、かつ磁気系または容量系よりも高い精度を達成することが可能な、誘導的に動作する測定系に関する。こうした理由で、最新技術に関しては、下記の変形例についてのみ考察する。

特許文献２は、周期的目盛りが補償コイル構造体内で走査され、かつ＜１μｍの範囲内の分解能が達成され得る高精度誘導型インクリメンタル測定系について記述している。この測定系はインクリメンタルベースで動作し、よって、駆動系を初期化するためには基準トリップが必要とされ、かつ運転が中断された場合、最後に想定されたその位置を運転再開後に認識することができず、したがって、望ましくない軸の移動により機械および／または人員を損傷させるに至る場合がある。

本発明が扱うデバイス群の場合、基本的には、絶対位置測定として２つの方法が使用される。いわゆるＮｏｎｉｕｓ法は、測定経路に沿って延びる異なる目盛り周期の少なくとも２つの周期的な増分目盛り間の位相差の決定を基礎とする。位置測定の分解能および達成可能な最大測定範囲に関する限定的な条件下では、明確な位相差は一度しか発生せず、よって、電子評価回路内で、各位相差は特定の或る絶対位置へ割り当てられることが可能である。

さらなる異なった周期またはより長く設計された周期の追加的な増分目盛りは、より高い分解能とより広い絶対測定範囲との間の折衷を容易にすることができる。

特許文献３は、異なる周期の３つの増分目盛りを有するＮｏｎｉｕｓ原理に従った絶対測定デバイスを示していて、目盛り周期／測定範囲の達成可能な割合は、段落［０４８］の実施形態では約２．５ｍｍ／３２５ｍｍであり、段落［０１３５］の実施形態では約５ｍｍ／２６７７ｍｍである。目盛り周期が長いことから、これは、僅か２．６２７ｍｍの最大測定範囲で分解能１０μｍを達成可能であることを意味し、よってこれは極めて限定的である。

絶対位置を決定するための第２の既知の方法は、いわゆる「擬似ランダムコード」目盛り（図１）であり、この場合、測定方向に異なる長さの交互的な範囲を有する目盛り（Ｔ１）は、隣接する「Ｎ」個の目盛り周期を走査することにより、「Ｎ」ビットの長さを有しかつその測定範囲全体で一度発生し、かつ「ルックアップテーブル」（ＬＵＴ）に記録することによって特定の絶対位置Ｘｉへ割り当てられることが可能なコードワードが生成されるように、複数の目盛り周期「λ」として構築される。

図１は、４つのセンサセル（フォトエレメント）がＬＥＤの符号化された目盛りをパッシングライト内で走査し、これにより、明らかにされた相対位置に関する４ビットワードを生成する、最新技術からの一例を示す。４ビットワードには、ルックアップテーブル（ＬＵＴ）における記録の後に、長さ位置Ｘｉが割り当てられる。この測定装置において、振幅「Ａ」を有する信号はオフセット「Ｏ」を有し、また、論理信号を形成するために、信号はレベル「Ｐ」において評価されなければならない。

光学的原理に基づいて動作するこのようなデバイスは広く使用され、かつ例えば、Ｈｅｉｄｅｎｈａｉｎ社により第５７１ ４７０−１４．−３０−０６−２００７号パンフレットに図解されている。

概して、光電子デバイスが汚染、凝結、水または光線走査を損なう可能性がある他の異物に影響されやすいことは知られている。

特許文献１は、Ｎｏｎｉｕｓ法に従って動作する変形例に加えて、絶対符号化デバイスも示す、絶対位置測定を用いる誘導測定デバイスについて記述している。この事例では、図２１における第４の実施形態の説明にあるように、個々のビットに関連されるレシーバコイルの符号化された目盛りが走査される。これらのレシーバコイルは、信号発生用に個々のレシーバを全て包囲する（４５２）１つのエミッタコイルによって励起される。このセンサ装置では、誘導はエミッタコイルの表面内に高い勾配を有し、その結果、発生される信号の振幅は、エミッタ表面内のエミッタコイルまでの距離に依存して、個々のビット関連のレシーバコイル（４５７）内のビット毎に、著しく変化する。

この引例では、これらの態様が認められる。しかしながら、エミッタコイルがレシーバコイルからさらに遠くへ配置されるようにエミッタコイルの表面を高めるという上述の提案によるソリューションは、個々のレシーバコイルによる誘導の均一性の欠如を極く僅かしか低減せず、しかもエミッタコイル表面の励起電界の合計強度、延ては信号ゲインを決定的に低減する。よって、信号の電気的評価は、特に産業用途では実質的に不可避であるセンサとスケールとの間の空隙が変化する場合には、さらに困難となる。

独国特許出願公開第１９８０３２４９Ａ１号明細書 欧州特許第１１６４３５８Ｂ１号明細書 独国特許出願第６９９２５３５３Ｔ２号明細書

本発明の目的は、おおまかな環境条件に関する位置情報を高信頼的に生成し、かつ広い測定エリアに対して高精度を有する誘導型の絶対演算測定デバイスについて記述することにある。

本発明によれば、測定装置は、基本的には符号化された目盛りを有するスケールと、異なる長さを有する可変磁気抵抗または導電率の交互エリアと、平面コイル構造体およびその評価電子機器を備えるセンサユニットとから構成され、評価電子機器は、請求項１の特徴部分に記載されているように、測定方向へスケールに対して相対移動する走査ヘッド内の絶対位置を測定している。

以下、図面を参照して、本発明をさらに詳しく説明する。

最新技術による一実施形態を示す。 符号化された目盛りを含む、本発明によるセンサエレメントを示す。 センサエレメントのさらなる展開を示す。 センサエレメントのさらなる展開を示す。 符号化された目盛りを有する補償センサエレメントを示す。 センサエレメントのさらなる展開を示す。 センサエレメントのさらなる展開を示す。 符号化された目盛りの一例を示す。 信号のパターンを示す。 ある測定装置を示す。 ある測定装置を示す。

「Ｎ」ビットの長さにわたって走査されると再現不可能な絶対値を与える符号化であるスケール符号化の全体的な測定範囲を画定するバイナリシーケンスの決定は、従来技術であり、よって本明細書では詳述しない。このような符号化の一例は、図１において、および以後の図面においてＴ１の表示で示される。

好ましくはフォトリソグラフィックまたは電食または類似方法によってくぼみが作られた金属ストリップで構成されるスケールの目盛りは、より高度な精度または目盛りを保証する。選択される誘導のワークパラメータに依存して、この金属スケール基材は、基本的には、比較的低い磁気抵抗、または高い導電率の何れかによって特徴づけられる。

デバイスのさらなる構築の基礎として、固有の平衡状態にあるレシーバコイルおよびエミッタコイルを有する、個々のスケールビットを走査するためのコイルエレメントが、２つの符号化された目盛り（図２、Ｔ１およびＴ２）を有するスケールを走査することによって示され、これにより、結果的に走査用のセンサエレメント上で逆転される効果が生じ、よってほぼオフセットのない信号が生成される。

センサエレメント（図２、Ｓ２）は、符号化された目盛りのビットエリアの幅「λ」と略同一の幅を有しかつエミッタコイル「Ｅ」から成り、エミッタコイル「Ｅ」は、センサエレメント表面を囲み、かつ電界方向に２つの対向するセクション「ＲＴ１」および「ＲＴ２」を有するレシーバコイル「Ｒ」へ誘導結合され、各セクションは２つの符号化された目盛りＴ１およびＴ２のうちの一方を走査する。

この配置において、エミッタコイル「Ｅ」が例えば過渡信号を用いて励起されると、正弦波が、レシーバコイル内で、各セクションＲＴ１およびＲＴ２と、符号化された目盛りＴ１およびＴ２の走査されたばかりの部分的エリアとの結合に依存して、一方のセクションにおける各ビットの誘導信号を強化させ、かつもう一方のセクションではこの信号を弱める。

この原理に従えば、スケールＭ２に沿ったセンサエレメントＳ２の変位に起因して、図２に示されているように、復調（ｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）後に信号が発生される。信号処理は概して当業者の技能の範囲内であり、よってここでは説明しない。

記述されている配置に起因して、この信号は、図１に示されているような単一走査の場合の２倍である振幅約２Ａを有し、かつオフセットはほぼ「ゼロ」であるが、これはその後の電気処理にとって極めて重要である。

センサエレメントは、可能な限り高い伝達比を有するべきであり、かつセンサＳ２とスケールＭ２との間の空隙が大きくなるように十分な信号強度を生成すべきである。こうした理由で、可動コアを有する変圧器と同様に、動作の点および周期「λ」に依存して、励起周波数、励起（一次）コイルおよびレシーバ（二次）コイルにおける巻数は、コイルおよびスケールの材料特性ならびにスケールの寸法に従った規模にされる。

センサエレメントは、交互する金属層および絶縁層が導体プレート構造化によってかつ接触を介して渦巻形の平面コイルを形成する、多層技術に従って製造される。

本発明によれば、符号化スケールの走査によって生成されるＮビットの絶対値を形成するために、図３に示されているように、Ｎ個の等しいセンサエレメントがスペーシングλを有して組み立てられる。説明を簡単にするために、図３およびこれ以降の図面には４ビットのセンサ構造のみを示す。

センサエレメントＲ０、Ｒ１、Ｒ２およびＲ３のアッセンブリによって、個々のビット関連エミッタの発生される電磁場は、その隣接するエミッタとの相互関係において弱められ、または強化され、よってこれにより、個々のビット関連レシーバ巻線における誘導「Ｂ」が相応に影響を受ける。図３の線図において象徴的に示されているように、内側のセンサエレメントＢＲ１およびＢＲ２における誘導は、外側のセンサエレメントＢＲ０およびＢＲ３の場合の誘導とは異なって高く、よって、発生される測定信号は異なる振幅を有する。

効果的には、各ビットの出力信号は同一であることが電気的評価にとって有益である。本発明によれば、励磁機磁界のこの均一性は、電磁場の不均一なロケーションに補償励磁機コイルが追加配置されるセンサエレメントの列内で達成されることが可能である。

図４は、補償コイルを備えるセンサ構造体の一構成例を示し、個々のセンサエレメントのエミッタとして略形成されかつ略等しい電磁場を生成する２つの補償コイル「Ｋ」が、センサエレメント列の外縁に配置されている。この配置では、図３における線図と同様に図４の線図において象徴的に示されているように、レシーバにおいてユーザ信号を生成する誘導ＢＲ０、ＢＲ１、ＢＲ２、ＢＲ３は全て同じ強度を有し、その結果、レシーバＲ０、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３において類似する信号振幅が達成される。

全体的センサ構造体の概念に依存して、これらの補償コイルまたは恐らくは同じく単に個々の補償導体プレートの個々の誘導方向を、個々のセンサエレメントにおける誘導が略同一の大きさを有するように構成することは、当業者の知識の範囲内である。

図５には、本発明によると、補償されたセンサ構造体Ｓ４がスケール「Ｍ２」と組み合わせて示されている。

４つの（この数字は一例である）センサエレメントは、スケール走査を介して同時に４ビットの絶対値を発生する。センサ構造体をスケールに沿って周期「λ」だけ変位することにより、測定範囲全体に関して新たな絶対値が次々に生成されるが、図中には、その一部のみが表示されている。電気的評価において、各絶対値に、スペーシングλにおける互いに対する個々の指定された位置Ｘｉ、Ｘｉ＋Ｘ、Ｘｉ＋２Ｘ、等々を割り当てるのは、非瞬間的に格納されるルックアップテーブル（ＬＵＴ）である。

図２から分かるように、センサエレメントがスケールに沿って連続的に移動すると、出力信号は、エリア「ａ」内に固定された論理値「０」または「１」を想定するか、スケールの符号化が論理状態を変えるロケーションであるエリア「ｂ」において、過渡的な挙動を有する。タイプ「ｂ」のエリアでは、固定的な論理レベル「０」または「１」で発生されるアナログ信号の変換が不確定性をもたらし、よってこれは回避されるべきものである。

本発明によれば、図６に示されているように、相対位置スケール／センサ構造体の過渡エリア内の論理値決定におけるこの不確定性は、第１のセンサ構造体「Ｎ」に加えて第２の構造体「Ｍ」を用いることにより解消されることが可能である。第２の構造体「Ｍ」は、好ましくは第１の構造体と同一に構成され、測定方向にｐλ＋λ／２だけオフセットされかつ第１の構造体へ剛体的に接続される。

この第２のセンサ構造体「Ｍ」は、第１のセンサ構造体「Ｎ」が過渡的エリア「ｂ」となるロケーションに正確に、タイプ「ａ」の固定値エリアを有し、よって、２つのセンサ構造体を有するセンサユニット間の各相対位置は、何れか一方のセンサ構造体のスケール内かつ、絶対値形成のために固定的に画定される走査範囲「ａ」内に位置決めされる。

センサ構造体間のオフセットは、評価のメモリに格納され、値テーブルＬＵＴにおける割当は、結果的に位置の値を形成したセンサ構造体に応じて形成される。

２つのセンサ構造体ＮまたはＭのうちのどちらかが、所定の時刻に特定の絶対エリア内に存在し、かつさらに絶対値の形成に使用されるかを弁別するために、図７に示されているように、周期λを有する周期的増分目盛り（図８におけるＴ３）がセンサユニットＳ６上において追加的に走査される。

２つの略正弦波信号を形成するための、２つのコイル装置ＲＡおよびＲＢの増分目盛りの誘導走査（図９）は本発明の目的ではなく、特許文献２に詳述されている。図７には、一例として、センサユニットＳ６の増分センサ構造体「Ｉ」がその第１のセンサＲＡを伴って、第１の絶対センサ構造体「Ｎ」と同位相で示されている。

これらの条件下において、図９に示されているように、エリア「ａ」および「ｂ」の増分センサ構造体「Ｉ」から取得される電気角θの周期エリアθｉ１＝０゜÷１８０゜およびθｉ２＝１８０゜−３６０゜が絶対走査へ割り当てられる。論理電子回路内の弁別機能は、θ値に応じて、２つの絶対センサ構造体ＮまたはＭのどちらが絶対位置の値を測定しなければならないかを決定する。

さらに、電子回路が、例えば逆正接法によって電気角θを約１４ビットまでの範囲内で補間し得ることは最新技術である。

また、電子回路は、位相差を有する２つの正弦信号を用いて、周期「Ｘ」内でθ角の評価が達成されるまで、符号化された目盛りから得られる絶対値を絶対センサ構造体を介して、かつ増分目盛りから得られる増分位置の値を増分センサを介して加算することも知られている。この完全な位置の値は、シリアルインタフェースを介して略リアルタイムで発行されることが可能である。

補償コイルエレメントおよびさらなる補償センサ構造体が、一例として後述するスケールタイプＭ３（図８）に接続されているこのセンサユニット装置Ｓ６においては、高精度を達成し、かつ信号安定性および走査距離の変動および環境による影響に対する低い依存性に起因して、実際の産業的条件下において高い信頼性で動作することが可能な本発明による絶対位置測定デバイスが実現され得る。

例えば、測定デバイスに目盛り周期λ＝１ｍｍが選択されると、角度データの補間係数が１４ビットにおいて実現され、かつ絶対センサ構造体ＮおよびＭのセンサエレメントＳ２の数が１６に設定され、最大測定範囲ＭＬ＝２^１６ｍｍ＝６５５３６ｍｍに対して、測定系の分解能Ａ＝１ｍｍ／２^１４＝０．００００６＝６０ナノメートルが達成される。

図１０には、この測定デバイスが線形装置における絶対位置「Ｘ」を測定するための可能な構成が示されている。その絶対目盛りＴ１およびＴ２および増分目盛りＴ３を備えるスケールは、構造化された薄いストリップとして実現されている。スケール上で定義された空隙を隔てて測定方向「Ｘ」に移動できる測定ヘッドは、センサユニットＳ６と、出力において位置を出す電子評価回路Ｅとを含む。

スケールＭおよびセンサユニットＳ６が可撓性材料から実現されていれば、これらは指定される等しい半径まで曲げられることが可能である。

この実施形態では、図１１に示されているように、位置Ｘはアーク長として測定されることが可能であり、かつ測定デバイスは、本発明によれば、絶対位置を出力する角度測定デバイスとして利用されることが可能である。

本発明は、図示されかつ説明された実施形態に限定されず、むしろ、具体的には、センサユニットの形、その支持構造体、その誘導装置、等々の詳細に関して様々に変更されることが可能である。使用される材料は、測定技術において従来的なものであり、本発明および本測定装置が意図される適用分野を考慮して当業者が選択できるものである。

Claims (8)

1. 平面コイル構造体としてのセンサユニットと、測定経路に沿って可変磁気抵抗または導電性のエリアを有するスケールとから構成される絶対位置測定のための測定デバイスであって、測定長さ内の前記絶対位置を測定するために、ビット毎に非周期的に符号化される、各ビット形成毎に全体的な測定デバイス（Ｎ）の一部としてのコイルエレメント（Ｓ２）に異なる影響を与える、少なくとも２つの並行目盛り（Ｔ１、Ｔ２）が供給されることを特徴とする測定デバイス。
2. 各コイルエレメントはオフセット配置されて平衡状態にあり、かつビット走査毎にエミッタコイル（Ｅ）およびレシーバコイル（Ｒ）用の擬似密閉巻線を有し、前記コイル（Ｅ、Ｒ）自体が指定された個々のビット形成にしか機能しないことと、コイルエレメントは、好ましくは１つまたは複数の巻線実施形態において多層技術で製造されることを特徴とする、請求項１に記載の測定デバイス。
3. センサ構造体は、個々のビットの形成に必要である前記コイルエレメントのエミッタ巻線（Ｅ）に加えて、オフセット状態の出力信号または振幅を補償するために単独で電磁場を補償すべく機能する追加的なエミッタ巻線または導体トラックを有することを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の測定デバイス。
4. ２つの反転された絶対符号化測定目盛りを走査することによって位置値を測定する前記第１のセンサ構造体（Ｎ）に加えて、測定方向にオフセット位相で配置されるように第２のセンサ構造体（Ｍ）が設けられ、前記第２のセンサ構造体（Ｍ）は、測定方向に見て、前記第１のコイル構造体が目盛り（Ｔ１およびＴ２）の符号化の移行エリアにおいて相対位置に形成される走査エリアにおいて絶対位置値を測定することが可能であることを特徴とする、請求項１から請求項３のうちの一項に記載の測定デバイス。
5. スケール上に、測定経路に沿って絶対符号化目盛りに並行する第３の周期的な増分目盛りが貼付され、かつ、この目盛りから得られる信号の位相位置を測定することにより、前記第１または第２のコイル構造体における前記絶対位置値の測定を介して、前記第２のコイル構造体の弁別が実行されることを特徴とする、請求項４に記載の測定デバイス。
6. 前記スケール（Ｍ）および前記センサ構造体（Ｎ、Ｍ）は可撓性基材へ装着され、かつ互いに整合する円筒形に構成されることにより、絶対角度測定が、スケールとセンサ構造体との間の回転性相対動作によって可能になることを特徴とする、請求項１から請求項５のうちの一項に記載の測定デバイス。
7. 各々が固有のエミッタコイルおよびレシーバコイル（Ｅ、Ｒ）から構成される各コイル（Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４）がオフセットして平衡状態にあり、かつ全体的なセンサ構造体が、補償コイルを介して、符号化スケールの任意の選択された位置において絶対値の個々のビット毎に略同一の信号振幅を与えることを特徴とする、請求項１から請求項６のうちの一項に記載の測定デバイス。
8. 請求項１から請求項７のうちの一項に記載の測定デバイスにおいて使用するための絶対符号化スケールであって、スケール目盛り（Ｔ１、Ｔ２）がフォトリソグラフィック法または電食によって生成されることを特徴とする絶対符号化スケール。

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