JP2016538554A - 単列多層構造に基づく電界式タイムグレーティング直線変位センサ - Google Patents

Abstract

【課題】単列多層構造に基づく電界式タイムグレーティング直線変位センサを提供する。【解決手段】プローブベース（１）とスケールベース（２）の両部分を備え、プローブベース（１）上には１列の等間隔な双正弦形電極（１−１）を有し、スケールベース（２）上には、１列の矩形電極（２−１）を有し、電極（２−１）底部にはスケール導線（２−２）を有し、電極（２−１）と導線（２−２）の間には絶縁層を有し、多層構造を形成する。プローブベース（１）とスケールベース（２）は上下並行に相対して設置され、一定間隔δだけ離間している。プローブベース（１）とスケールベース（２）は相対的に移動する。スケールベース（２）の１周期内の４つの電極は、それぞれ位相が０°、９０°、１８０°、２７０°の等振幅、等周波数の正弦曲線励磁電圧に連結し、プローブベース上で生じる進行波信号Ｕｏと１経路の位相に固定した同周波数基準信号Ｕｒの位相を比較する。両経路の信号の位相差は内挿されたクロックパルスにより表示され、変換により直線変位を得る。本変位センサは、消費電力が低く、精度が高く、構造が簡単で、要求される機械の取付け精度が低く、測定範囲が広く、ナノメートル精度の測定を実現できる。【選択図】図１（ａ）

Description

本発明は精密直線変位測定センサに関する。

近年、精密直線変位測定センサ分野において、クロックパルスを変位測定の基準とするタイムグレーティングセンサが開発され、これを基礎として、交番電界に基づくタイムグレーティング直線変位センサも開発されている。この種のセンサに関する特許としては、２０１１年１２月２１日に公開された、発明の名称「交番電界に基づくタイムグレーティング直線変位センサ」とする中国特許番号２０１１１０１４５９６７．５がある。

交番電界に基づく従来のタイムグレーティング直線変位センサは差動静電容量式構造を用いており、２列の電極によって２経路の定常波信号を形成し、加算回路により１経路の進行波信号に合成している。しかし２列の電極信号の間で相互干渉が起こり得るため、測定誤差を増大させ、精度向上の妨げとなっている。また製造過程において、２列の電極を一致させることは難しく、取付時においても２列の電極の電界結合強度を一致させることは難しいため、２経路の定常波信号の振幅の不一致を引き起こし、測定誤差をもたらし、産業分野への適応性は低いものであった。

本発明は、上記した従来技術が有する問題に対し、単列多層構造に基づく電界式タイムグレーティング直線変位センサを提供することを目的とする。本発明によれば、単列多層構造の電極を用いることにより、２列の電極間の信号が相互に干渉するという問題を解決するとともに、製造過程及び取付時において２列の電極が不一致を引き起こす問題を回避できる。また、電界結合原理を利用し直接進行波信号を得るため、加算回路を有する必要がない。従って、測定誤差を減少させ、要求される取付け精度を低減し、システム構造を簡素化することができる。

本発明は、プローブベースとスケールベースの両部分を備える単列多層構造に基づく電界式タイムグレーティング直線変位センサに関する。
前記プローブベース上には１列のプローブ電極を有し、前記スケールベース上には、１列のスケール電極を有し、スケール電極の第４ｎ＋１電極は１組に繋がってＡ励磁相を構成し、スケール電極の第４ｎ＋２電極は１組に繋がってＢ励磁相を構成し、スケール電極の第４ｎ＋３電極は１組に繋がってＣ励磁相を構成し、スケール電極の第４ｎ＋４電極は１組に繋がってＤ励磁相を構成し、プローブベースとスケールベースは上下並行に相対して設置され、プローブベースのプローブ電極とスケールベースのスケール電極は正対し、一定間隔δだけ離間して結合コンデンサを形成する。

プローブベースとスケールベースは相対的に移動し、プローブベースとＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ４つの励磁相の相対的な被覆面積は、無から小、小から大、大から小、小から無まで周期的に変化し、静電容量もこれに対応して周期的に変化し、スケールのＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ４つの励磁相は、それぞれ順に位相差９０°の等振幅、等周波数の正弦曲線励磁電圧Ｕａ、Ｕｂ、Ｕｃ、Ｕｄに連結し、プローブ電極上で１経路の進行波信号Ｕｏが生じ、該進行波信号と１経路の位相に固定した同周波数基準信号Ｕｒは、整形回路により整形後、位相比較回路により位相が比較され、両経路の信号の位相差は内挿された高周波のクロックパルスの個数により表示され、スケール変換によりプローブベースのスケールベースに対する直線変位値が得られる。

前記スケールベース上は、４層の誘電体膜に覆われ、第１層は金属膜であり、４本の励磁信号導線を構成し、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの各励磁相に対応する電極を１組に繋げており、第２層は絶縁膜であり、第３層は金属膜であって１列のスケール電極を構成し、第４層は絶縁保護膜である。

更に、前記スケール電極の形状は、矩形で且つ大きさが同一であり、隣り合う２つの電極の間には、一定の絶縁間隔が保持されている。

前記プローブ電極の形状は、２つの上下対称な正弦曲線で形成される双正弦形であり、隣り合うプローブ電極の間は矩形導線により連結され、プローブ電極の長さはスケール電極の長さよりやや短く、その幅は１つのスケール電極の幅と１つの絶縁間隔との和であり、隣り合う２つのプローブ電極の間隔はプローブ電極の幅の３倍である。

具体的には、プローブ電極（１−１）の形状は、［０，π］区間における正弦曲線とｘ軸で囲まれた領域及び［π，２π］区間における正弦曲線とｘ軸で囲まれた領域を合わせて構成され、従って、面積に対する正弦規則により変化する結合コンデンサを得ることができ、更に変位変調信号を得られる。

前記スケールのＡ励磁相電極とプローブ電極は結合コンデンサＣ１を形成し、Ｂ励磁相電極とプローブ電極は結合コンデンサＣ２を形成し、Ｃ励磁相電極とプローブ電極は結合コンデンサＣ３を形成し、Ｄ励磁相電極とプローブ電極は結合コンデンサＣ４を形成し、結合コンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４は２つずつ交互に動作し、そのうち２つのコンデンサが動作している場合、他の２つの静電容量は０であり、プローブ電極上で進行波信号Ｕｏを出力する。進行波信号Ｕｏと同周波数基準信号Ｕｒは、整形回路により矩形波に整形された後、位相比較される。

本発明の技術案は、単列多層構造に基づく電界結合を用い、直接電気進行波を形成する新たな方式であり、従来の多種グレーティング式変位センサの利点を融合したものである。

本発明は、単列平行コンデンサ極板を用いて構築した交番電界を測定し、交流結合コンデンサ構造のセンサプローブを利用し、直接電気進行波を誘導し、高周波のクロックパルスを変位計算の基準とする。従って、本センサは、消費電力が低く、精度が高く、ナノメートル精度の変位測定を実現でき、構造が簡単で、要求される機械の取付け精度が低く、産業現場という環境への適応性が高いという有益な効果を有する。

図１（ａ）は、スケールベース及びプローブベース上の電極の略図である。 図１（ｂ）は、スケールベース上の電極とプローブベース上の電極の位置関係図である。 図２は、スケール電極の信号連結関係図である。 図３は、プローブ電極とスケール電極が形成する結合コンデンサの略図である。 図４は、本発明の電気回路モデル原理図である。 図５は、本発明の信号処理原理ブロック図である。

以下、図を用いて本発明を更に説明する。

図１（ａ）、図１（ｂ）、図２、図３、図４に示すように、本発明に記載のセンサは、プローブベース１及びスケールベース２の両部分を備える。基板材料としてセラミック材料を用い、セラミック表面に一層の鉄ニッケル合金をめっきすることにより、電極としている。

プローブベース１上には、１２個のプローブ電極１−１を有しており、各電極の大きさは、１８ｍｍ×１．１ｍｍ、形状は［０，π］区間における正弦曲線とｘ軸で囲まれた領域及び［π，２π］区間における正弦曲線とｘ軸で囲まれた領域を合わせて構成され、幅１．８ｍｍの矩形導線が各プローブ電極を繋げている。

スケールベース上は、４層の誘電体膜に覆われており、第１層は金属膜、第２層は絶縁膜、第３層は金属膜、第４層は絶縁保護膜である。第１層の金属膜は４本のフラットな帯状の導線である励磁信号導線２−２を構成しており、それぞれＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄの各励磁相の対応電極を１組に繋げ、第３層の金属膜は１列の大きさが同一の矩形電極であるスケール電極２−１を構成し、各電極の大きさは２０ｍｍ×１ｍｍ、隣り合う電極間の絶縁間隔は０．１ｍｍである。

スケール電極の第１，５，９，…，４１，…電極は１組に繋がってＡ励磁相を構成し、Ａ励磁相にＵａ＝Ｕｍｓｉｎωｔの励磁信号を加える。スケール電極の第２，６，１０，…，４２，…電極は１組に繋がってＢ励磁相を構成し、Ｂ励磁相にＵｂ＝Ｕｍｃｏｓωｔの励磁信号を加える。スケール電極の第３，７，１１，…，４３，…電極は１組に繋がってＣ励磁相を構成し、Ｃ励磁相にＵｃ＝−Ｕｍｓｉｎωｔの励磁信号を加える。スケール電極の第４，８，１２，…，４４，…電極は１組に繋がってＤ励磁相を構成し、Ｄ励磁相にＵｄ＝−Ｕｍｃｏｓωｔの励磁信号を加える。そのうち、励磁信号のピーク値はＵｍ＝５Ｖ、周波数はｆ＝４０ＫＨｚ、角周波数はω＝２πｆ＝８×１０^４πである。

プローブベース１とスケールベース２は上下平行に相対して設置され、プローブ電極１−１とスケール電極２−１は正対し、間隔δ＝０．５ｍｍだけ離間している。プローブ電極１−１とスケールベースのＡ励磁相の電極は結合コンデンサＣ１を形成する。プローブ電極１−１とスケールベースのＢ励磁相の電極は結合コンデンサＣ２を形成する。プローブ電極１−１とスケールベースのＣ励磁相の電極は結合コンデンサＣ３を形成する。プローブ電極１−１とスケールベースのＤ励磁相の電極は結合コンデンサＣ４を形成する。

図３及び図４に示すように、プローブベース１が右に移動する場合、Ｃ１コンデンサの相対的な面積は大から小に変化し、Ｃ２コンデンサの相対的な面積は小から大に変化する。一つの電極の幅だけ移動した後、Ｃ１コンデンサの相対的な面積は零となり、Ｃ２コンデンサの相対的な面積は大から小に変わり始める。更に一つの電極の幅だけ移動した後、Ｃ２コンデンサの相対的な面積は零となり、Ｃ３コンデンサの相対的な面積は大から小に変わり始め、Ｃ４コンデンサの相対的な面積は小から大に変化する。再び一つの電極の幅だけ移動した後、Ｃ３コンデンサの相対的な面積は零となり、Ｃ４コンデンサの相対的な面積は大から小に変わり始め、Ｃ１コンデンサの相対的な面積は小から大に変化する。このように一つの機械周期分の移動が完了すると、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４の静電容量もこれに対応して周期的変化を呈する。プローブ電極は進行波Ｕｏを出力し、基本波の式は、以下で表される。
Ｕｏ＝ＫｅＵｍｓｉｎ（ω＋πｘ／Ｗ） （１）
ここで、Ｋｅは電界結合係数、ｘはプローブとスケールの間の相対変位、Ｗはプローブ電極幅の４倍である。

図５に示すように、誘導された正弦進行波信号Ｕｏと１経路の位相に固定された同周波数参考正弦信号Ｕｒは、整形回路に入り処理され、同周波数の２つの矩形波信号に変換された後、位相比較回路に送られ処理される。高周波数クロック内挿技術を利用し２経路の信号の位相差を得て、計算処理した後、センサのプローブベースとスケールベースとの間の直線変位値を得られる。

以上、上記は本発明の好ましい実施例に過ぎず、本発明を制限するものではない。本発明の精神及び原則内の如何なる修正、均等な置換、改善等は、いずれも本発明の保護範囲に含まれるものである。

Claims (7)

1. プローブベース（１）とスケールベース（２）の両部分を備え、単列多層構造に基づく電界式タイムグレーティング直線変位センサであって、
   前記プローブベース上には１列のプローブ電極（１−１）を有し、
   前記スケールベース上には１列のスケール電極（２−１）を有し、スケール電極の第４ｎ＋１電極は１組に繋がってＡ励磁相を構成し、スケール電極の第４ｎ＋２電極は１組に繋がってＢ励磁相を構成し、スケール電極の第４ｎ＋３電極は１組に繋がってＣ励磁相を構成し、スケール電極の第４ｎ＋４電極は１組に繋がってＤ励磁相を構成し、
   前記プローブベースと前記スケールベースは上下並行に相対して設置され、前記プローブベースの前記プローブ電極と前記スケールベースの前記スケール電極は正対し、一定間隔δだけ離間して結合コンデンサを形成し、
   前記プローブベースと前記スケールベースは相対的に移動し、
   前記スケール電極のＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ４つの励磁相は、それぞれ順に位相差９０°の等振幅、等周波数の正弦曲線励磁電圧Ｕａ、Ｕｂ、Ｕｃ、Ｕｄに連結しており、前記プローブ電極上で１経路の進行波信号Ｕｏが生じ、前記進行波信号と１経路の位相に固定した同周波数基準信号Ｕｒは、整形回路により整形された後、位相比較回路によって位相を比較し、
   両経路の信号の位相差は内挿された高周波のクロックパルスの個数により表示され、スケール変換により前記プローブベースの前記スケールベースに対する直線変位値を得る、
   ことを特徴とする単列多層構造に基づく電界式タイムグレーティング直線変位センサ。
2. 前記スケールベース上は、４層の誘電体膜に覆われ、第１層は金属膜であり、４本の励磁信号導線（２−２）を構成し、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの各励磁相に対応する電極を１組に繋げており、
   第２層は絶縁膜であり、
   第３層は金属膜であって１列のスケール電極（２−１）を構成し、
   第４層は絶縁保護膜である、
   ことを特徴とする請求項１に記載の単列多層構造に基づく電界式タイムグレーティング直線変位センサ。
3. 前記スケール電極（２−１）の形状は、矩形で且つ大きさが同一であり、隣り合う２つの電極の間には、一定の絶縁間隔が保持されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の単列多層構造に基づく電界式タイムグレーティング直線変位センサ。
4. 前記プローブ電極（１−１）の形状は、２つの上下対称な正弦曲線で形成される双正弦形であり、隣り合う前記プローブ電極の間は矩形導線により連結され、前記プローブ電極の長さは前記スケール電極の長さよりやや短く、その幅は１つの前記スケール電極の幅と１つの前記絶縁間隔との和であり、隣り合う２つの前記プローブ電極の間隔は前記プローブ電極の幅の３倍である、
   ことを特徴とする請求項１に記載の単列多層構造に基づく電界式タイムグレーティング直線変位センサ。
5. 前記プローブ電極（１−１）の形状は、［０，π］区間における正弦曲線とｘ軸で囲まれた領域及び［π，２π］区間における正弦曲線とｘ軸で囲まれた領域を合わせて構成され、隣り合う前記プローブ電極（１−１）の間は矩形導線により連結され、前記プローブ電極の長さは前記スケール電極の長さよりやや短く、その幅は１つの前記スケール電極の幅と１つの絶縁間隔との和であり、隣り合う２つの前記プローブ電極の間隔は前記プローブ電極の幅の３倍である、
   ことを特徴とする請求項１に記載の単列多層構造に基づく電界式タイムグレーティング直線変位センサ。
6. 前記スケール電極（２−１）の前記Ａ励磁相電極と前記プローブ電極（１−１）は結合コンデンサＣ１を形成し、前記Ｂ励磁相電極と前記プローブ電極（１−１）は結合コンデンサＣ２を形成し、前記Ｃ励磁相電極と前記プローブ電極（１−１）は結合コンデンサＣ３を形成し、前記Ｄ励磁相電極と前記プローブ電極（１−１）は結合コンデンサＣ４を形成し、
   交替で循環し変化する前記コンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４は２つずつ交互に動作して交番電界の結合路を構成し、前記プローブ電極は進行波信号Ｕｏを出力する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の単列多層構造に基づく電界式タイムグレーティング直線変位センサ。
7. 前記進行波信号Ｕｏ及び前記同周波数基準信号Ｕｒは、整形回路により矩形波に整形した後、位相を比較する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の単列多層構造に基づく電界式タイムグレーティング直線変位センサ。

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