JP2883393B2 - 磁歪トランスデューサの移動制御装置 - Google Patents
磁歪トランスデューサの移動制御装置Info
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- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N35/00—Magnetostrictive devices
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- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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- H10N35/00—Magnetostrictive devices
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- Length Measuring Devices Characterised By Use Of Acoustic Means (AREA)
- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、微小移動量を精密に制御する装置に関し、
特に、磁歪ロッドの伸長を精密に制御するための磁歪ト
ランスデューサの移動制御装置に関する。
特に、磁歪ロッドの伸長を精密に制御するための磁歪ト
ランスデューサの移動制御装置に関する。
（従来の技術および発明が解決しようとする課題） 磁歪材料は、その材料を取り囲むコイル中に電流を流
すことによって発生した磁場に応じて力学的な歪みを生
ずる。米国特許第2,912,642号並びに第3,184,963号特許
明細書中には、磁気歪み材料中の力学的な応力を測定す
るための手段が開示されている。そこで開示されたシス
テムにおいては、磁気歪み材料に作用する力学的な力に
よって磁場の乱れが生じている。そして、ピックアップ
コイルに誘起された電圧を利用して磁場の歪みを検出す
るための手段が設けられ、結果として検出されたピック
アップ電流は、磁気歪み材料に印加された力学的な力に
比例している。
すことによって発生した磁場に応じて力学的な歪みを生
ずる。米国特許第2,912,642号並びに第3,184,963号特許
明細書中には、磁気歪み材料中の力学的な応力を測定す
るための手段が開示されている。そこで開示されたシス
テムにおいては、磁気歪み材料に作用する力学的な力に
よって磁場の乱れが生じている。そして、ピックアップ
コイルに誘起された電圧を利用して磁場の歪みを検出す
るための手段が設けられ、結果として検出されたピック
アップ電流は、磁気歪み材料に印加された力学的な力に
比例している。
さらに、磁気歪み材料を取り囲むコイルを流れる電流
により誘導された歪みを変化させ、磁歪材料の寸法を微
小変化させることも既知である。従って、コイル中に流
入される電流の変化に対する磁歪材料のごく微小な変位
との関係を校正し微細位置決め装置として使用できるこ
とが、従来から提案されてきた。しかしながら、この様
な装置においては、ヒステリシスの影響や温度変動等の
原因により、校正をすることが非常に難しいことも見い
出されている。磁歪材料を使用する精密位置決め装置、
即ち微細位置決め装置においては、0.000001〜0.010イ
ンチ（0.0000025〜0.025cm）の範囲の変位が問題とさ
れ、ヒステリシスの影響は無視できないことになる。同
様に、入力されたコイル電流に応じた磁気歪み材料の変
位量に対する温度変動の影響も考慮に入れる必要があ
る。
により誘導された歪みを変化させ、磁歪材料の寸法を微
小変化させることも既知である。従って、コイル中に流
入される電流の変化に対する磁歪材料のごく微小な変位
との関係を校正し微細位置決め装置として使用できるこ
とが、従来から提案されてきた。しかしながら、この様
な装置においては、ヒステリシスの影響や温度変動等の
原因により、校正をすることが非常に難しいことも見い
出されている。磁歪材料を使用する精密位置決め装置、
即ち微細位置決め装置においては、0.000001〜0.010イ
ンチ（0.0000025〜0.025cm）の範囲の変位が問題とさ
れ、ヒステリシスの影響は無視できないことになる。同
様に、入力されたコイル電流に応じた磁気歪み材料の変
位量に対する温度変動の影響も考慮に入れる必要があ
る。
従って、磁気歪みトランスデューサの動きを測定し、
および／または制御し、トランスデューサが、部材の精
密な移動を必要とする用途に用いられる微細位置決め装
置として用いることができる装置および方法の開発が望
まれている。
および／または制御し、トランスデューサが、部材の精
密な移動を必要とする用途に用いられる微細位置決め装
置として用いることができる装置および方法の開発が望
まれている。
（発明の概要） 本発明によれば、磁歪材料からなる伸長状ロッドを有
する磁歪トランスデューサの移動を制御するための装置
並びに方法を提供する。ロッドの周囲を取り囲んだ磁気
コイルおよびコイル駆動電流を供給する電流駆動器を含
み、駆動電流に対するセットポイント入力の変化に応じ
てロッドを伸長させる磁場をロッド中に誘導する手段を
設ける。駆動電流に応じて変化するロッド移動量を検出
し、任意の温度変化に対して補償され得る出力信号を供
給する歪み検出手段も設ける。
する磁歪トランスデューサの移動を制御するための装置
並びに方法を提供する。ロッドの周囲を取り囲んだ磁気
コイルおよびコイル駆動電流を供給する電流駆動器を含
み、駆動電流に対するセットポイント入力の変化に応じ
てロッドを伸長させる磁場をロッド中に誘導する手段を
設ける。駆動電流に応じて変化するロッド移動量を検出
し、任意の温度変化に対して補償され得る出力信号を供
給する歪み検出手段も設ける。
更に、歪み検出手段と電流駆動器との間に接続され、
歪み検出手段の出力に応じて歪み検出手段の出力が基準
値であるセット値に整合するまでコイル駆動電流を変化
させるフィードバック制御手段も設ける。
歪み検出手段の出力に応じて歪み検出手段の出力が基準
値であるセット値に整合するまでコイル駆動電流を変化
させるフィードバック制御手段も設ける。
歪み検出手段は、両端が磁気歪みロッドに取り付けら
れた第１水晶共振型歪みセンサを有する。又、第２水晶
共振型歪みセンサをも有し、この第２センサは第１セン
サに対向したロッド上において一端のみで取り付けられ
ている。コイルに電流を流すとロッド中に歪みが発生
し、ロッドを一方向に伸長させる。このロッド伸長によ
り第１センサ中に歪みを生じ、この歪みに比例して第１
センサの共振周波数を増加する。第２センサは一端のみ
でロッドに取り付けられているから、その供給周波数は
変化せず、温度補償等の基準として使用可能である。
れた第１水晶共振型歪みセンサを有する。又、第２水晶
共振型歪みセンサをも有し、この第２センサは第１セン
サに対向したロッド上において一端のみで取り付けられ
ている。コイルに電流を流すとロッド中に歪みが発生
し、ロッドを一方向に伸長させる。このロッド伸長によ
り第１センサ中に歪みを生じ、この歪みに比例して第１
センサの共振周波数を増加する。第２センサは一端のみ
でロッドに取り付けられているから、その供給周波数は
変化せず、温度補償等の基準として使用可能である。
ロッド伸長の精密測定および／または制御は、歪みセ
ンサ周波数Fsの代数的線型化と温度センサ周波数FRから
の代数的な温度補償により発生する。結果として得られ
た補償された共振周波数FCは、フィードバック直流電圧
VFに変換および増幅されて、対応するフィードバックコ
イル電流を生じる。このフィードバック電流は、フィー
ドバック電圧VFが所望のロッド伸長量に対応して電流駆
動器に入力される制御電圧セット値に整合するまで、ロ
ッドを伸長させ続ける。フィードバック制御手段に加え
て、２個の歪みゲージゼンサを各々ロッド上に取り付け
ることによって温度変動を補償しヒステリシツスの影響
を除却することができ、磁歪ロッドが伸長する際の微細
位置決め精密制御を可能とすることとなる。
ンサ周波数Fsの代数的線型化と温度センサ周波数FRから
の代数的な温度補償により発生する。結果として得られ
た補償された共振周波数FCは、フィードバック直流電圧
VFに変換および増幅されて、対応するフィードバックコ
イル電流を生じる。このフィードバック電流は、フィー
ドバック電圧VFが所望のロッド伸長量に対応して電流駆
動器に入力される制御電圧セット値に整合するまで、ロ
ッドを伸長させ続ける。フィードバック制御手段に加え
て、２個の歪みゲージゼンサを各々ロッド上に取り付け
ることによって温度変動を補償しヒステリシツスの影響
を除却することができ、磁歪ロッドが伸長する際の微細
位置決め精密制御を可能とすることとなる。
（実施例） 以下図面を参照しながら、本発明の好適な実施例につ
いて説明する。
いて説明する。
第１図で、磁気歪み材料から形成されて伸長するロッ
ド12を有する微細位置決め装置10が設けてある。この磁
気歪み材料は既知であり、通常は希土類元素と鉄との合
金から成る。現在入手し得る希土類磁気歪み材料は、周
囲を取り囲むコイルに電流を流すことにより生ずる磁場
により約2,000ppm（百万分率）程度伸長する。
ド12を有する微細位置決め装置10が設けてある。この磁
気歪み材料は既知であり、通常は希土類元素と鉄との合
金から成る。現在入手し得る希土類磁気歪み材料は、周
囲を取り囲むコイルに電流を流すことにより生ずる磁場
により約2,000ppm（百万分率）程度伸長する。
特に、ロッド12は現在アイオワ州アメスのエッジ テ
クノロジー会社から“TERFENOL−D"の商標名で販売され
ている磁気歪み材料で形成されたものが好ましい。
クノロジー会社から“TERFENOL−D"の商標名で販売され
ている磁気歪み材料で形成されたものが好ましい。
コイル枠14はロッド12の周囲を取り囲み、磁気ワイア
コイル16を支持する。コイル16は駆動電源に接続するた
めの端子5,6を有する。ロッド端17は、固定された基台1
8に剛結され、一方で反対側のロッド端18は自由に移動
できる様に固定してはいない。従って、既知の方法で、
コイルの端子5,6へ駆動電流を供給することにより磁場
を発生させる。この磁場によりロッド12中に大きな歪み
を生じさせ、ロッド端20を第１図中に矢印32で示された
基台18から離れる方向に移動させる。
コイル16を支持する。コイル16は駆動電源に接続するた
めの端子5,6を有する。ロッド端17は、固定された基台1
8に剛結され、一方で反対側のロッド端18は自由に移動
できる様に固定してはいない。従って、既知の方法で、
コイルの端子5,6へ駆動電流を供給することにより磁場
を発生させる。この磁場によりロッド12中に大きな歪み
を生じさせ、ロッド端20を第１図中に矢印32で示された
基台18から離れる方向に移動させる。
ロッド12は、その中に形成した第１の空胴22を含み、
この空胴の両端に線形歪みゲージセンサ28を支持する肩
部24,26を形成する。歪みセンサ28の対抗する端部を各
々肩部24,26に取り付け、歪みセンサ28が空胴22に渡っ
て延在する様に装着する。この歪みセンサ28は水晶共振
型センサとするのが好適であり、このセンサをライン30
を経てセンサ出力端子1,2へと結合する。
この空胴の両端に線形歪みゲージセンサ28を支持する肩
部24,26を形成する。歪みセンサ28の対抗する端部を各
々肩部24,26に取り付け、歪みセンサ28が空胴22に渡っ
て延在する様に装着する。この歪みセンサ28は水晶共振
型センサとするのが好適であり、このセンサをライン30
を経てセンサ出力端子1,2へと結合する。
従って、駆動電流を端子5,6に供給して磁気コイル16
中に流せば、歪みが磁気ロッド12中に発生し、ロッド12
は矢印32の方向に伸長する。このロッドの伸長は水晶歪
みセンサ28中に対応する歪みを生じさせ、その歪みに比
例してセンサ共振周波数を増加する。また、このセンサ
共振周波数の増加を、センサ出力ライン1,2へ発生させ
る。
中に流せば、歪みが磁気ロッド12中に発生し、ロッド12
は矢印32の方向に伸長する。このロッドの伸長は水晶歪
みセンサ28中に対応する歪みを生じさせ、その歪みに比
例してセンサ共振周波数を増加する。また、このセンサ
共振周波数の増加を、センサ出力ライン1,2へ発生させ
る。
ロッド12の第１の空胴22のすぐ反対側に、一端のみに
肩部36を有する第２の空胴34を形成する。第２水晶歪み
ゲージセンサ38は、その一端のみが肩部36に剛結して取
り付けてあり、センサ38の他端についてはロッド12に取
り付けてはいない。これ故、第１図を参照すれば、第２
センサ38は肩部36に固定された端部から第２の空胴34を
経て延在し、この空胴の底部から離れて存在する自由端
40を有していることが理解できる。
肩部36を有する第２の空胴34を形成する。第２水晶歪み
ゲージセンサ38は、その一端のみが肩部36に剛結して取
り付けてあり、センサ38の他端についてはロッド12に取
り付けてはいない。これ故、第１図を参照すれば、第２
センサ38は肩部36に固定された端部から第２の空胴34を
経て延在し、この空胴の底部から離れて存在する自由端
40を有していることが理解できる。
第２センサ38は、その一端のみがロッド12に取り付け
てあるから、その共振周波数は変化せず温度補償等のた
めの基準として使用することができる。また、第２セン
サ38の共振周波数は、ライン42を経てセンサ出力端子3,
4へ供給する。
てあるから、その共振周波数は変化せず温度補償等のた
めの基準として使用することができる。また、第２セン
サ38の共振周波数は、ライン42を経てセンサ出力端子3,
4へ供給する。
次に第２図においては、本発明の原理に基づき磁気歪
みロッド12の位置を精密に制御するための微細位置決め
装置10を示す。
みロッド12の位置を精密に制御するための微細位置決め
装置10を示す。
第２図に示すように、電流駆動器70に入力する制御電
圧VSPの変化に対応して、電流Ｉが端子5,6を経て磁気コ
イル16に供給され、ロッド12が伸長する。第１歪みセン
サ28は、ライン50上に共振周波数に変化を生じさせ、こ
の変化は制御電圧VSPによりロッド12中に生ずる伸長歪
みに比例する。
圧VSPの変化に対応して、電流Ｉが端子5,6を経て磁気コ
イル16に供給され、ロッド12が伸長する。第１歪みセン
サ28は、ライン50上に共振周波数に変化を生じさせ、こ
の変化は制御電圧VSPによりロッド12中に生ずる伸長歪
みに比例する。
第２歪みセンサ38は、変化しない共振周波数FRをライ
ン52に発生させ、この結果周波数−温度補償回路71の出
力は、ライン54上の周波数Fcとなる。この周波数−温度
補償回路71は、歪みセンサである第１歪みセンサの共振
周波数FSの代数的線型化と、温度センサである第２歪み
センサの共振周波数FRに基づく代数的な温度補償とによ
って出力周波数Fcを発生する。このとき であり、このA1,BJは数式中の係数である。
ン52に発生させ、この結果周波数−温度補償回路71の出
力は、ライン54上の周波数Fcとなる。この周波数−温度
補償回路71は、歪みセンサである第１歪みセンサの共振
周波数FSの代数的線型化と、温度センサである第２歪み
センサの共振周波数FRに基づく代数的な温度補償とによ
って出力周波数Fcを発生する。このとき であり、このA1,BJは数式中の係数である。
ライン54を周波数−電圧変換器72に接続する。この周
波数−電圧変換器72のライン56の出力は歪みに比例した
フィードバック制御信号である出力電圧VFとなる。周波
数−電圧変換器72は、出力電圧VFを周波数FCの一次関数
として発生する。この結果、 VF＝K1FC＋k0 となる。ここで、k1およびk0は数式中の係数である。こ
の電圧VFを電流駆動器に印加する。この電流駆動器70は
制御電圧源からライン58を経て入力する入力信号も受信
し、電流駆動器のセットポイントを変化させてロッド12
を選択的に伸長させる。
波数−電圧変換器72のライン56の出力は歪みに比例した
フィードバック制御信号である出力電圧VFとなる。周波
数−電圧変換器72は、出力電圧VFを周波数FCの一次関数
として発生する。この結果、 VF＝K1FC＋k0 となる。ここで、k1およびk0は数式中の係数である。こ
の電圧VFを電流駆動器に印加する。この電流駆動器70は
制御電圧源からライン58を経て入力する入力信号も受信
し、電流駆動器のセットポイントを変化させてロッド12
を選択的に伸長させる。
ライン56上のフィードバック制御信号電圧VFは、ライ
ン56,58の出力レベルが整合し、電流駆動器70の出力変
動が終了するまでコイル16への駆動電流量を変化し続け
る。従って、ロッド12の自由端は、制御電圧VSPのセッ
トポイントの変化に応じて極めて精密に位置決めされる
と共にフィードバック制御系48により所望の位置に維持
される。
ン56,58の出力レベルが整合し、電流駆動器70の出力変
動が終了するまでコイル16への駆動電流量を変化し続け
る。従って、ロッド12の自由端は、制御電圧VSPのセッ
トポイントの変化に応じて極めて精密に位置決めされる
と共にフィードバック制御系48により所望の位置に維持
される。
周波数−温度補償回路70および周波数−電圧変換器72
は、既知のアナログ回路により構成することができる。
或いはデジタル集積回路で構成される通常のマイクロプ
ロセッサも使用可能である。
は、既知のアナログ回路により構成することができる。
或いはデジタル集積回路で構成される通常のマイクロプ
ロセッサも使用可能である。
微細位置決め装置10は、精密な動きと位置決めが要求
される種々の用途に使用が可能であり、例えば機械加工
時やレーザビームの位置決め等に使用され得る。レーザ
ミラーの様なロッド12に装着される物体の微小位置決め
を、0.000001インチ（0.0000025cm）の範囲内でセット
することが可能であり、ロッド12の全移動量は0.000001
〜0.001インチ（0.0000025〜0.0025cm）程度の範囲内で
ある。本発明は他の用途にも適用でき、センサ28の歪み
がロッド12の位置に直接的に比例する場合にも適用する
ことができる。ある状況では、ロッド12をより良く伸長
させるために約1,000psi（70.3kgs/cm2）の初期圧縮荷
重を以て基台に対してロッド12を装着することが好まし
い。歪みセンサ28,38としては、通常市販されている水
晶結晶発振歪みセンサが利用できる。さもなくば、米国
特許第4,651,571号又は第4,594,898号特許明細書に記載
された水晶センサが利用できる。
される種々の用途に使用が可能であり、例えば機械加工
時やレーザビームの位置決め等に使用され得る。レーザ
ミラーの様なロッド12に装着される物体の微小位置決め
を、0.000001インチ（0.0000025cm）の範囲内でセット
することが可能であり、ロッド12の全移動量は0.000001
〜0.001インチ（0.0000025〜0.0025cm）程度の範囲内で
ある。本発明は他の用途にも適用でき、センサ28の歪み
がロッド12の位置に直接的に比例する場合にも適用する
ことができる。ある状況では、ロッド12をより良く伸長
させるために約1,000psi（70.3kgs/cm2）の初期圧縮荷
重を以て基台に対してロッド12を装着することが好まし
い。歪みセンサ28,38としては、通常市販されている水
晶結晶発振歪みセンサが利用できる。さもなくば、米国
特許第4,651,571号又は第4,594,898号特許明細書に記載
された水晶センサが利用できる。
以上説明してきた実施例は、本発明を明確に理解する
ためにのみ用いられるものであり、本発明を限定するも
のではない。又、当業者にとって自明である変更は可能
である。
ためにのみ用いられるものであり、本発明を限定するも
のではない。又、当業者にとって自明である変更は可能
である。
第１図は、磁気歪みトランスデューサを用いた本発明の
微細位置決め装置の構成を示す線図、 第２図は、本発明の原理に基づき磁気歪みトランスデュ
ーサの移動を制御するための装置および方法を図示する
ブロック図である。 10……微小位置決め装置、12……ロッド 14……コイル枠、16……コイル 28,38……歪みセンサ、70……電流駆動器 71……周波数温度補償器、72……周波数−電圧変換器
微細位置決め装置の構成を示す線図、 第２図は、本発明の原理に基づき磁気歪みトランスデュ
ーサの移動を制御するための装置および方法を図示する
ブロック図である。 10……微小位置決め装置、12……ロッド 14……コイル枠、16……コイル 28,38……歪みセンサ、70……電流駆動器 71……周波数温度補償器、72……周波数−電圧変換器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−79385（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−34631（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−5371（ＪＰ，Ａ) 実開 昭60−48259（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) G05D 3/00 - 3/12 H01L 41/12
Claims (8)
- 【請求項１】一端を固定し他端を伸長移動可能な自由端
とする手段を含む磁歪ロッドと、 前記ロッドを取り囲む磁気コイル、および可変駆動入力
セットポイントを有し、この可変駆動入力セットポイン
トに応じて磁気コイルに駆動電流を供給する電流駆動器
を含み、ロッドを伸長させロッドの自由端を移動させる
磁場をロッド中に誘導する手段と、 前記ロッドに装着され、伸長したロッドの移動量を検出
すると共に移動量に比例するフィードバック出力信号を
発生する第１の歪みセンサと、 前記ロッドの移動による歪みに応答せず、周囲の温度変
化に応答して前記第１の歪みセンサに対する温度補償信
号を発生する第２の歪みセンサと、 前記第１及び第２歪みセンサと前記電流駆動器との間に
結合され、前記第１の歪みセンサからのフィードバック
出力信号及び第２の歪みセンサからの温度補償信号に応
答し、制御出力信号が前記可変駆動入力セットポイント
と整合するまで駆動電流を変化させ、前記自由端を精密
に位置決めするフィードバック制御手段とを具えること
を特徴とする磁歪トランスデューサの移動制御装置。 - 【請求項２】前記第１及び第２の歪みセンサが、水晶結
晶体をそれぞれ有することを特徴とする請求項１に記載
の磁歪トランスデューサの移動制御装置。 - 【請求項３】前記磁気歪みロッドが、互いに対向する第
１及び第２の空胴を有し、前記第１及び第２の歪みセン
サを第１及び第２の空胴に装着したことを特徴とする請
求項１に記載の磁歪トランスジューサの移動制御装置。 - 【請求項４】前記第１の歪みセンサを、第１の空胴を横
切るように装着し、ロッドに誘導された歪みに応答する
ように構成したことを特徴とする請求項３に記載の磁歪
トランスデューサの移動制御装置。 - 【請求項５】前記第２歪みセンサを、前記第２の空胴の
一端にだけ装着して、温変化には応答し、ロッド中に誘
起された歪みには応答しないように構成したことを特徴
とする請求項５に記載の磁歪トランスデューサの移動御
装置。 - 【請求項６】前記歪みセンサが各々水晶結晶体を有し、
前記第１歪みセンサが、前記磁歪ロッド中に誘起された
歪みに比例した第１のセンサ共振周波数を発生すること
を特徴とする請求項５に記載の磁歪トランスデューサの
移動制御装置。 - 【請求項７】前記第２の歪みセンサが、温度変化に応答
するが、前記ロッド中に誘起された歪みによっては変化
をしない第２のセンサ共振周波数を発生することを特徴
とする請求項６に記載の磁歪トランスデューサの移動制
御装置。 - 【請求項８】前記フィードバック制御手段が、前記第１
のセンサ共振周波数および第２のセンサ共振周波数に応
答し、前記磁歪ロッド中に誘導された歪みに比例すると
共に温度変化に対しても補償された出力周波数を発生す
る周波数−温度補償手段を含むことを特徴とする請求項
７に記載の磁歪トランスデューサの移動制御装置。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US07/333,538 US4975643A (en) | 1989-04-05 | 1989-04-05 | Measurement and control of magnetostrictive transducer motion using strain sensors |
| US333,538 | 1994-11-02 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02292607A JPH02292607A (ja) | 1990-12-04 |
| JP2883393B2 true JP2883393B2 (ja) | 1999-04-19 |
Family
ID=23303219
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
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