JP4700845B2 - 誘導形測長システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、周期的に変化する磁気抵抗の目盛りと、直線に配置されたコイルシステムとを備えたスケールを走査することによって、位置に関する情報またはスケールと相対的なコイルシステムの移動を検出することができる、誘導形測長システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
このような測長システムはドイツ連邦共和国特許第１９８０３２４９号公報によって知られている。
公知の測定システムのおおまかな対比は次の通りである。
光電式測定システムの主たる特徴：
【０００３】
微細な目盛り周期の精度が高い、汚染物質の影響を非常に受けやすい、ショックや振動による応力が小さい。
磁気測定システムの主たる特徴：
【０００４】
目盛り周期内の補間エラーと目盛りの精度により、精度は中間である（他方の周期に対する一方の周期の信号偏差と高調波成分）；極性を与えられたスケールは磁性粒子を引き寄せ、外部の外乱磁場によって消去または損傷し得る。
誘導形測定システムの主たる特徴：
【０００５】
多くの種類の構造が知られている。一般的には非常に頑丈で、トランスの原理に基づき、温度による影響がきわめて小さい。この場合、一次コイルと二次コイルの間の伝送は、コイルと相対的に動く部材によって影響を受ける。
誘導形測定システムの若干の構造的例：
【０００６】
ＩＮＤＵＣＴＯＳＹＮ（登録商標）のタイプのトランスデューサは２つの要素、すなわちスケールとキャリッジからなっている。この両要素は測定面内に、能動的な一次と二次の偏平巻線を備えている。機器は高い精度を有するがしかし、走査原理によって２つの要素の間に大きな結合面を必要とする。低い搬送周波数で機能する。これは横送り速度を制限し、構造が非常に複雑である。
【０００７】
誘導形ノギスは円筒状の差動トランスである。この差動トランスは、逆に切換えられる同心的に巻回された二次コイルに巻回された一次コイルと、異なる磁気抵抗のマークを有するコアとからなっている。機器は所定の測定範囲において、プランジャコアコイルの相対位置を、ほぼ線形の出力信号に変換する。小さな測定ストロークの場合には高い精度が得られる。しかし、機器は大きな測定ストロークや動的な用途には適していない。
【０００８】
ヨーロッパ特許第０５５７６０８号公報には、渦巻きコイル構造体が記載されている。この渦巻きコイル構造体は軟質磁性または硬質磁性の担体上に厚層技術で多層金属絶縁層の形に被覆形成される。測定機器は原理的には次のような周波数範囲でのみ機能する。すなわち、非線形の磁気範囲にコイル基板を移動させず、後続の共振回路での位相のずれの検出によって高い精度に適していない周波数範囲でのみ機能する。
【０００９】
同じ出願人のドイツ連邦共和国特許出願公開第１９８１３４９７号公報に、“誘導形ポションショメータ”に適用される測定原理が記載されている。この場合、得られる比較的に大まかな精度がコイル平面に対するコアの傾動によって大きな影響を受ける。
【００１０】
ヨーロッパ特許出願公開第０８０５３３９号公報には、上記の例に類似する機能原理で機能する測定機器が記載されている。この測定機器は、歯付き測定ホイールを走査するために、偏平な多層のトランスコイル装置を使用する。このトランスコイル装置は一平面内の１個の一次コイルと、測定方向に互いにずらされた２個の二次コイルとからなっている。個々の二次コイルは、振幅を変調した信号の局部的な位相のずれによって方向の検出を可能にする２個の測定チャンネルを形成するかまたは１個の測定チャンネルを形成する。この場合、コイルは差動的に接続されている。第１の構造的な実施形（差動でない配置を示す）では、発生する信号は、変調度の低下につれて、温度、測定ホイールに対するコイルの幾何学的な傾動等のような寄生作用によって大きな影響を受ける。第１の実施形では、運動方向の検出が高速についてのみ可能である（個所毎のゆっくりした位置決めについては、速度によって誘導される位相のずれがゼロ方向を示す）。この文献は、同一の構造の複数のコイルの、場合によって生じる誘導交替作用について述べていない。この文献は、簡単なデジタル化電子評価装置の例で示されるような、大まかな運動検出のためにのみ適した機器について説明している。
【００１１】
ドイツ連邦共和国特許出願公開第１９８０３２４９号公報（会社ミツトヨ）には、絶対的に作用する誘導形位置トランスデューサが記載されている。この機器は主としてスライドゲージのためのものである。絶対的な変位検出のために、互いに平行に配置された複数の測定コイルが走査される。測定装置は、スライドゲージの本体に埋め込まれた金属構造体のスケールと、原理的に差動式に作動するコイル構造体とからなっている。このスケール内には、それに対して正確に案内されるキャリッジが収納されている。増分式トラック（微細な測定トラック）を考慮するときにのみ、周期的な金属目盛りがコイルサブシステムによって走査される。この偏平なシステムは主として、励磁コイルと、２個のレシーバコイルチャンネルからなっている。このレシーバコイルチャンネルは励磁コイルに誘導的に結合され、相対運動時に測定目盛りを介して位置を検出することができる。２つのレシーバコイルチャンネルは移動方向を認識するために、互いに位相をずらして配置されている（幾何学的に互いにずれている）。
【００１２】
励磁コイルの巻線は構造体平面内でレシーバコイルを取り囲んでいる。このレシーバコイルは各々のチャンネルのために、差動接続された複数の個々の巻線からなっている。励磁コイルによって発生した磁場は、内側のコイル範囲全体にわたって均一に分配されず、巻線の近くにおいて非常に強く、コイル中心の方に向かって弱まる。この作用により、同じ磁場形状と磁場強さの差動式のずらされた２つのコイルをエミッタ枠内に配置することは幾何学的に不可能である。これは、２つの測定エッジの少なくとも一方について、互いに接続された２個よりも多い差動式レシーバコイル（簡略化されて示してある）が接続され、エミッタ枠に対して対称に配置されておらず、異なる強さの磁場が流通することを意味する。それによって、測定装置がスケールと相対的に移動する場合に、誘導電圧の差を求めた後で、変調された有効信号が“零”だけ振動しないで、３つのレシーバ面内の静的な磁場の強さの差に比例する値だけ変動する。信号オフセットと呼ばれるこの値は、後続の電子評価装置において完全に調整することはほとんど不可能である。なぜなら、その振幅の一部がコイルとスケールの間隔または相対的な傾動のような運動の二次作用によって影響を受け、それによって測定過程全体で一定でないからである。
【００１３】
この特許の明細書の作成者は、問題を認識しており（第１０頁、２５段落）、構造的な提案は有効ではない。なぜなら、非対称の対のレシーバ巻線をエミッタ巻線から離してエミッタコイルの中央に配置し、しかも励磁場とその勾配が弱まる範囲に、エミッタコイルを配置しなければならないからである。励起磁場とその勾配が弱まることにより、誘導された有効信号も弱まるので、信号オフセットに対する有効信号の比は不所望のままである。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、精度が高く、１μｍ以上の範囲の高い分解能が得られる光電式長さ測定装置の利点と、丈夫で、環境の影響に対して安定性を有する誘導形装置の利点が同時に得られるようにすることである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
この課題は、コイル構造体と、可変の磁気抵抗または導電性の少なくとも１つの目盛りを有する標準器とからなる、位置検出のための誘導形測定装置において、コイル構造体が、ほとんど閉じた巻線の形の輪郭を有する、コイルの組み合わせとしての多層構造であり、コイル構造体が複数の対のレシーバを備え、各々の対が差動接続された２個のレシーバ要素を備え、このレシーバ要素が少なくとも２つの測定チャンネルの各々のための信号発生のために相互接続可能であり、少なくとも１個のエミッタ要素が設けられ、このエミッタ要素が測定方向における標準器と相対的な位置に依存してレシーバ要素に誘導結合され、オフセットおよびまたは正弦形状およびまたは振幅を補償した少なくとも１つの出力信号を発生すること、及び、エミッタが複数のコイルからなり、少なくとも１つの付加的な補償エミッタが設けられ、この補償エミッタが測定方向にまたはエミッタに対して平行な平面内に配置され、レシーバ平面内に補償された均一な励磁場分布を生じること、によって解決される。
【００１６】
後述する測定装置は特に、μｍの範囲の高い精度と、達成可能な高いシステムダイナミクスによって、機械要素を正確に位置決めしなければならないプロセス制御のために特に適している。
【００１７】
前述の利点に加えて特に、高い小型化率と、走査センサ装置や標準器のための製作技術の所望なコストについて述べる。
【発明の実施の形態】
【００１８】
以下において、添字を半角または全角で示すことがある。この添字は実際には図に従う。
本発明では、機器は基本的には３つの要素（図１）からなっている。すなわち、標準器（１）、つまり縦方向に周期的な目盛りを有する能動的でないスケールと、誘導的に連結されたエミッタコイル（送信コイル）とレシーバコイル（受信コイル）を含む補償コイル構造体（２）と、このコイル構造体に接続された電子評価装置（３）とからなっている。この電子評価装置は一方ではエミッタコイルに給電し、他方ではコイル構造体によって発生した測定信号を評価する。
【００１９】
標準器は第１の機械部分に固定連結され、コイル構造体は電子評価装置（走査ユニットと呼ばれる）と共に第２の機械部分に固定連結されている。
２つの機械部分が縦方向（Ｘ）に相対運動すると、レシーバ平面内のエミッタ磁場が標準器の測定ピッチの交互に異なる範囲によって変調され、レシーバコイルによって検出され、測定情報として電子評価装置に供給される。
【００２０】
測定システムは基本的には２つの機能原理に基づいて動作可能である。この機能原理は、幾何学的な状態、構造的な細部および励起周波数が異なっている。第１の機能原理は、周期的に変化する異なる導電性の範囲を有するスケールの走査に基づいている（図２ａ，２ｂ）。システムの採寸によって、エミッタコイルからスケールの導電性範囲内に誘導される渦電流と、それによって自己発生する電磁場が、エミッタ磁場と反対に作用するので、レシーバコイル平面内においてこの範囲内で磁場全体の弱体化が生じる。位置に依存するこの周期的な磁場構造はレシーバコイルによって検出され、後続の電子装置で処理される。
【００２１】
第２の機能原理は、軟磁性物質からなるスケールの走査に基づいている。この場合、標準器の周期的な構造により、異なる磁気抵抗の範囲が生じる（図２ｃ）。磁気抵抗の小さな範囲（材料ウェブ、歯）は、エミッタコイルによって発生する磁場に関して、コンセントレータとして作用し、標準器が走査ユニットに対して縦方向に相対移動する際に、この周期的な界磁極がレシーバコイルによって検出される。
【００２２】
機能原理および製作方法に応じて、標準器（図１と図２）は次の方法によって実現可能である。
薄層技術または厚層技術：絶縁基板上の金属層における目盛りの構造化（図２ａ，２ｂ）；エッチングまたは打ち抜きによる金属フィルムの構造化（図２ｃ）；構造化されたフィルム（図２ｃ）を帯状金属担体上に組み立てる（図２ｄ）；構造化されたフィルムを中実の担体または機械部品に取付ける；エッチングまたは機械加工による、中実の担体または金属フィルムへの目盛りの直接製作。
【００２３】
センサ構造体（図１と図３）は、基板（３４）上に被覆形成される多層の（相互接続された端子を有する金属絶縁層組み合わせ体）渦巻きコイル構造体からなっている。エミッタコイル（３１）は交流電圧が供給される。
【数１】

この励起電圧は必ずしも正弦状でなくてもよく、構造的なデータに応じて長方形、三角形等でもよい。これは他の考察に影響を与えない。
【００２４】
図３に簡単化して示したレシーバコイルシステムは、幾何学的に位相（ψ）をずらした２対のレシーバコイル（３２，３３）を備えている。この場合、２対のレシーバコイルの各々は、形状と巻線数（３３１，３３２，３２１，３２２）が同じである、差動的に接続された逆位相（λ／２）の２個のコイル要素からなっている。
【００２５】
センサ構造体と標準器との間の測定方向Ｘの相対位置に依存して、レシーバコイル内には次の理想電圧が誘導される（図５のグラフ参照）。
【数２】

【数３】

および
【数４】

【数５】

ここで、λは電気的な角度２πに等しいピッチ周期、Ｋ10，Ｋ11，Ｋ20，Ｋ21は変圧器に似た伝達係数、ψは場所的な位相のずれである。
【００２６】
簡単化した仮定Ｋ10＝Ｋ20およびＫ11＝Ｋ21では、両対のレシーバコイルの電圧は
【数６】

となり、そして
【数７】

大抵の場合ψ＝２Ｋπ＋π／２（幾何学的なずれｎλ＋λ／４に対応する）で、そして慣例によって
【００２７】
２πｘ／λ＝α
２Ｋ11Ｕ0 ＝Ｋ
であるので、理想的な２つの出力電圧は次の形で表される（図６ａに示すように）。
【数８】

【数９】

【００２８】
この２つの信号から、電子評価装置（図３）によって、調整、復調（図６ｂ）および場合によっては微細化された分解能（補間）を有する比率的な方法での方形波変換の後で、正確な位置情報が出力される。この理由から、センサ構造体は、測定方向においてずらして配置された２つのレシーバグループによって位相をずらされた２つの信号を発生しなければならない。
【００２９】
このようなコイル構造体は、標準器と関連して、“レシーバコイル”に給電し、“エミッタコイル”内で発生した信号を評価することにより、逆の類似方法でも運転可能である。この運転方式では更に、２つの変形がある。第１の変形では、位相と振幅が同じである１つの信号が“正弦レシーバと余弦レシーバ”に供給され、“エミッタコイルシステム”において、位置に依存して振幅を変調した信号が発生する。あるいは第２の変形では、振幅が同じで位相が９０度ずれた２つの信号が“正弦レシーバと余弦レシーバ”に供給され、“エミッタコイルシステム”において、位置に依存して振幅を変調した信号が発生する。
【００３０】
他のすべての規定はすべての運転方法および機能原理に当てはまり、機器の採寸においてのみ異なる実施形に左右される。これにより、先ず最初に述べた実施形についてのみ更に説明する。
【００３１】
評価方法は原理的には専門家の判断に委ねられ、本発明を知ることによって専門家によって容易に適応可能であり、かつその都度存在する状態に適合可能である。この理由から、評価方法を詳細に説明しないで、電子評価装置の付加的な特殊機能を説明する。
【００３２】
本発明の主たる課題は、理想的な信号（式１．８，１．９）に対するきわめて小さな偏差でもって測定情報を供給し、環境の影響をほとんど受けず、間隔の変動（ｄ）が技術的に受け入れられる許容誤差範囲内にある、センサ構造体を提供することである。
【００３３】
次に、センサ構造体内の若干のコイル構造体を分析する。これから明らかなように、所定の手段によって自己補償された構造体だけが、高い測定精度を達成することができる。この補償の変形について次に説明する。
【００３４】
簡単化して図示するために、次の呼称が用いられる。
Ｅ，Ｅｉ エミッタコイル
Ｂ，Ｂｉ 誘導
Ｓ＋ 電気的な正弦コイル要素０°
Ｓ− 電気的な正弦コイル要素１８０°
【００３５】

【００３６】
一般的に、他の考察のために、多層の平らな構造体としてのコイルシステムが１個のエミッタコイル（単一エミッタシステム）または複数のエミッタコイル（マルチエミッタシステム）と２個のレシーバチャンネルからなっていると仮定する。この場合、π／２（幾何学的にはλ／４）だけずらした電気信号を供給するために、レシーバチャンネルはエミッタコイルに誘導結合されている。
【００３７】
レシーバチャンネルは２個のコイル要素の少なくとも１つのグループからなっている。このコイル要素はπだけ電気的に（λ／２だけ幾何学的に）ずらされ、差動式に接続されている。しかし、複数のスケース周期を同時に走査するので、、平均値を求めることによって個々の目盛り偏差を抑制するためおよび高い振動獲得のために、レシーバチャンネルは一般的に、整数の周期“ｎλ”の周りに配置され直列に接続された複数のグループからなっている。更に、簡単化して説明するために、１つだけのコイルグループを備えたレシーバチャンネルが図示してある。
【００３８】
図４に基づいて、単一エミッタ基本構造を説明する。この場合、コイルの全体巻線は単一条導体として示してある。エミッタコイルに一次交流電圧（式１．１）を供給するために、電磁場が発生する。レシーバ平面（Ｓ＋，Ｓ−，Ｃ＋，Ｃ−）内のこの電磁場の強さの変化はグラフで示してある。磁場の勾配によって、一定の強さが実現不可能であり、磁場がエミッタ条導体範囲の近くで強く、エミッタコイル要素の方向にはっきりと低下していることが判る。
【００３９】
正弦フループまたは余弦グループのレシーバが図４に示すように位置決めされ、すべてのレシーバコイル要素が同じ巻線数を有すると仮定すると、レシーバコイル要素の幾何学的なずれによって、エミッタ磁場内で各々の個々のコイル要素軸線に沿って、異なる“二次電圧”を生じることになる誘導
【００４０】
Ｂｓ＋≠Ｂｓ−， Ｂｃ＋≠Ｂｃ−
が生じる。コイル構造体の測定方向における、標準器と相対的な運動時に、この信号が変調される。コイル要素Ｓ＋，Ｓ−およびＣ＋，Ｃ−における誘導電圧の差を求める際に、式１．６，１．７のような変調されていない信号成分（式１．２，１．３）を完全に除去すべきである。
【００４１】
しかし、機能に従って、レシーバ平面内でコイルを互いにずらさなければならない場合には、このようなコイル装置は、図７に示すようなオフセットを含む信号を供給する。なぜなら、Ｋ10＃Ｋ20であるからである。この図において、正弦チャンネルのオフセットはΔＯｓで示され、余弦チャンネルのオフセットはΔＯｃで示され、そして理想的な信号に対する偏差が示してある。このようなシステムの運転中或る程度の許容誤差内で考慮すべきである、走査ユニットと標準器の間の間隔変化（図３の寸法“ｄ”）によって、一次磁場分布が影響を受けるので、誘導の差（Ｂｓ＋−Ｂｓ−）と（Ｂｃ＋−Ｂｃ−）は一定のままではない。それによって、値ΔＯｓとΔＯｃは変化し得る。
【００４２】
この間隔に基づくオフセット変化は、このオフセット変化を電子評価装置において調整することを不可能にする。それによって、測定システムが比較的に不正確になる。
【００４３】
図８には、単一エミッタ基本構造体が示してある。この場合、エミッタコイルの巻線はセンサ走査面全体を覆い（図８ａ）、レシーバがこの平面に対して平行に設けられている。この実施の形態でも、磁場の分布はレシーバ平面（図８ｃのグラフ）内で均一ではない。例えばエミッタ形状（図８ｂの寸法“ｍ”）に対する正弦要素Ｓ＋，Ｓ−の対称配置により、平面Ｂｓ＋＝Ｂｓ−内で誘導が同じになり、オフセットがΔＯｓ＝０になる。
【００４４】
しかし、それでは問題は解決されない。というのは、余弦コイルが機能に従って正弦コイルに対してずらして位置決めされなければならず、それによってもはやエミッタＢｃ＋≠Ｂｃ−に対して対称ではないからである。これにより、オフセットはΔＯｃ≠０となる。
【００４５】
他の例では、マルチエミッタ構造体が図９に象徴的に示すように考慮される。この実施の形態では、各々のレシーバチャンネルがエミッタコイルによって励磁される。全体の原理については、エミッタチャンネルが複数のコイルグループからなり、各々のグループがその２つの差動コイル要素と共に固有のエミッタによって励磁されるかまたは更に拡張されて各々の単一要素がその固有のエミッタに結合されているときと全く同じことが当てはまる。
【００４６】
この構造の場合、２個のエミッタＥ１，Ｅ２の一方だけに給電するときには、対応するレシーバチャンネルが、対称および同じ巻線数によって、オフセットのない信号を生じる。しかし、機能に従って両誘導方向（図９ｃの同じ方向、図９ｄの反対方向）に交互に作用することによって両エミッタが働くと、要素コイル平面Ｂｓ＋≠Ｂｓ−，Ｂｃ＋≠Ｂｃ−内に異なる誘導が発生し、それによってオフセット含む信号が発生する。更に、２つのチャンネルから１つのエミッタへの混合コイル要素についても、他の各々の組み合わせが解決策をもたらさないことが明らかである。
【００４７】
４エミッタ形式の拡張されたマルチエミッタ構造体が図１０に示してある。この場合にも、同じ誘導方向（図１０ａ）と反対の誘導方向（図１０ｂ）について、センサ構造体全体の両端エミッタの影響が不均一な磁場強さ分布を生じる。これは多数のエミッタを備えたマルチエミッタ構造体についても当てはまる。
【００４８】
分析した上記のすべての実施の形態から、構造的な手段によって補償されるセンサ構造体だけが標準器および電子評価装置と関連して補正された出力信号を生じることができる（図５）という結論に達する。補償の重要性を強調するために述べると、コイル要素の変調された有効信号（式１．２）は〜１０乃至１００の係数の範囲内で搬送信号よりも小さく（Ｋ11≪Ｋ10）、対をなした要素によって差を求めるためには搬送信号を零オフセットに非常に正確に押さなければならない。
【００４９】
この補償手段は幾何学形状、巻線数および構造体内でのエミッタコイルとレシーバコイルの相対位置および形状に関する。それによって、個々のコイル要素が異なる磁場強さによって励起されるにもかかわらず、全体信号の差と合計を求めた後で、測定チャンネルあたりの接続された要素によって、オフセットのない信号が発生させられる。
【００５０】
更に、補償方法の若干の例について説明する。２つの測定チャンネルＳＩＮＵＳとＣＯＳＩＮＵＳを形成するための複数のレシーバ要素と共に、単一エミッタ構造体が図１１に示してある。個々のコイル要素を接続することにより、２つの測定信号が次のように得られる。
【数１０】

【数１１】

【００５１】
既に説明したように、レシーバ平面内の励磁場は同じ強さではない。この不均一性に対処するために、図１２に示すように、個々のコイル要素（Ｓｉ＋およびＳｉ−の場合）は異なる巻線数（ｎｉ＋≠ｎｉ−）を備えることができる。比ｎｉ＋／ｎｉ−は、このコイル要素の誘導比Ｂｉ＋／Ｂｉ−に対して逆比例するので、この両コイルについて、位置に依存してこの電流に影響を与える標準器が設けられていないと、同じ電圧（量で）が誘導される。
【００５２】
コイル構造体では任意の精度まで、この方法は、対のコイル要素Ｓ１＋，Ｓ１−およびＳ１＋，Ｓ１−乃至Ｃｎ＋，Ｓｎ−およびＣｎ＋，Ｃｎ−のために、計算によって使用可能である。この場合、対称によって、最初と最後の対についてｎ１＋／ｎ１−＝ｎｎ＋／ｎｎ−が生じ、これはエミッタ対称軸線まで同様に進行する。差Δ１＞Δｉであることは明らかである。ここで、Δ１は｜ｎ１＋−ｎ１−｜、Δｉ＝｜ｎｉ−−ｎｉ＋｜である。そして、構造体軸線の方向は両側から連続的に低下する。
【００５３】
図１１に示した個々のエミッタ構造体のための同等の補償方法は、励磁場の強さに逆比例してレシーバコイル面（図１３ａ）を適合させるので、異なるＢｉ＋≠Ｂｉ−の場合、異なる受信面Ａｉ＋≠Ａｉ−によって、対のコイルの２つの差動要素について、同じ磁場の流れが達成される。測定方向に対して垂直方向のコイル寸法“ｌ”の変化は、このコイルに誘導される信号に対して量的にのみ影響与え、上述の適合を可能にする。微細な磁束適合は、コイルの１個または若干の巻線の幾何学的な変更によってのみ達成可能である（図１３ｂ参照）。
【００５４】
単一エミッタ構造体の第３の補償方法は図１４に示してある。これは、測定方向においてエミッタ面の外側（図１４ａ）または内側（図１４ｂ）内に配置されたｋｓｉｎおよびｋｃｏｓのような付加的なレシーバ要素である。このレシーバ要素はそれに誘導された信号によって、内側のレシーバ要素と反対に作用するので、チャンネル当たりの相互接続が、補正されオフセットのない信号を生じることになる。その際、巻線数とレシーバ面の適合のような上記のすべての補償方法を使用することができる。
【００５５】
図１４ａから判るように、補償コイルｋｓｉｎ，ｋｃｏｓは１８０°だけ電気的にずれている。なぜなら、誘導方向がエミッタコイルの外側でベクトルとして反作用するからである。
【００５６】
図１５にはマルチエミッタ構造体が示してある。個々のエミッタ磁場を連鎖することにより、既に述べたように、等しくない全体磁場分布が生じる。ここで説明する第１の補償方式は、補償レシーバ（Ｃｋ＋，Ｃｋ−およびＳｋ＋，Ｓｋ−）に結合された付加的な補償エミッタＥＫ１，ＥＫ２を備えている。この補償エミッタと補償レシーバは他の類似のエミッタおよびレシーバとその面積および（または）巻線数、場合によって巻線方向が異なっている。この違いにより、相互接続された要素を有する全体構造体内で、この補償信号の反作用によって、その偏差が抑制される。
【００５７】
簡単化した形を示す、この構造体の２つの変形では、付加的なエミッタ（図１６）または付加的なレシーバ（１７）が補償要素として使用される。上記と類似の方法では、この補償要素を備えていないときに存在する信号オフセット値が補償される。
【００５８】
図１８（軸測投象法の図）と図１９（構造体横断面と誘導観察）には、他の補償方法が示してある。この補償方法は単一エミッタ構造体とマルチエミッタ構造体の両方のために使用可能である。この実施の形態では、構造体は、他のコイル要素に対して平行なコイル要素内に、この他のコイル要素の平面に対して平行に配置された補償コイルＫＳ，ＫＣを備えている。この補償コイルの適当な給電、形状および位置によって、付加的な誘導
【数１２】

がレシーバ平面内で発生可能である。この付加的な誘導は標準エミッタの偏差
【数１３】

に逆らって作用し、その作用を重ねた後で、均一な全体の励磁場を生じる。
【数１４】

その際、
【数１５】

と
【数１６】

が当てはまる（ベクトルのグラフ１９ａ，１９ｂ参照）。
【００５９】
図１９ａには、同じ誘導方向の２つのエミッタの実施形が示してあり、図１９ｂには、反対の誘導方向の２つのエミッタの実施形が示してある。両者の場合、先ず最初に、標準エミッタ誘導Ｂがその位置偏差と共に示してあり、そして補償誘導Ｂｋと全体補償の誘導ＢＴが示してある。
【００６０】
上記のすべての構造体について、信号オフセット抑制のための解決策が提示された。
発生した信号は高分解能の測定システムのための良好な“正弦形状”を有していなければならない。これは、位置に依存する高調波（ひずみ率とも呼ばれる）を最小に抑えなければならないことを意味する。理論的には、今までの理想構造体については、誘導信号が運転方法や形状に応じて、いろいろな成分の局部的な主正弦振動に重ねて、偶数または奇数の高調波を有することを計算することができる。
【００６１】
この高調波は、主波に対して一定の比である場合には、コストのかかる電子的な評価によって抑制可能である（例えば逐一的な“参照用テーブル”補正のように）。しかし、この比が間隔“ｄ”（図３）に依存するので、高調波は機能範囲全体にわたって除去することはできない。この除去は高い精度のためには必須である。そのことから、補償された構造体だけが高調波的に、所望な要求を生じることが判る。
【００６２】
測定システム伝送機能が所定の幾何学的手段によって影響を受け得ることが予想される。この手段は理論的に理想的な構造体のための補正として説明される。このように補正された構造体について、次に詳しく説明する手段によって、妨害するすべてのオーダーの高調波を適切に抑制することができる。基本的には、作用を重ねることによって複数のオーダーの高調波を抑制するために、同じ構造体のために複数の補正手段が使用される。
【００６３】
提示された第１の補正方法は、エミッタコイル形状に関する。図２０ａに示すように、測定方向でエミッタ幅の加算値または減算値“ｋ”によって理想の寸法を有するエミッタによって、所定のオーダーの高調波を抑制するために、レシーバＳ＋，Ｓ−において誘導される信号形状に影響を与えることができる。同様に、エミッタ平面内の個々の巻線を分配することにより、規則的な分配（図２１ａ）と異なり、図２１ｂ，２２ｃに示すように、信号の影響が達成可能である。
【００６４】
第２の補正方法は、測定方向におけるレシーバ形状とレシーバ位置に関する。図２２ａには、複数のレシーバグループからなる個々の測定チャンネル（正弦）のための簡略化された理想レシーバ平面が寸法を記入して示してある。補正“ｋ”によって変更されたコイル要素幅（図２２ｂ）またはレシーバ差動グループ内のコイル要素間隔（図２２ｃ）またはレシーバ列のレシーバグループの間隔（図２２ｄ）およびレシーバコイル要素の個々の巻線分布（図２１ｂ）によって、
いろいろな高調波を抑制することができる。
【００６５】
第３の補正方法は標準器に関する。目盛り周期λの範囲内の、高い導電性または小さな磁気抵抗を有する範囲（図３の寸法“ａ”）と、低い導電性または高い磁気抵抗を有する範囲（図３の寸法“ｂ”）との比は、信号の形にも影響を与える。所定の補正値“ｋ”（図２３ｂ）のために、所定のオーダーの高調波がスケールによって除去可能である。或るオーダーの高調波の抑制は、上述の限界範囲が目盛り周期の範囲内で測定方向に対して所定の角度α≠９０°を有することにより（図２３ｃ）、標準器で行うことができる。
【００６６】
機能の種類、理想的な形状、コイル構造、スケールおよび精度要求を決定した後で、所定の伝送機能を有する所定の測定システムのためのこのすべての高調波補正値を検出することは、本発明の知った上で専門家に委ねられる。
【００６７】
測定システムの考察の付加的な観点は、コイル構造体の間隔“ｄ”を有する信号振幅の、スケール（図３）に対する依存性である。既に述べたように、電子評価装置が電気的な角度αを決定するために比率法が使用され、それによって２つの測定チャンネルの信号の振幅が充分に結果から直接得られないで、その比だけが得られる場合には、後述の方法によって機能範囲を拡張するために、この振幅をほぼ一定に保つことができる。
【００６８】
図２４には、可変増幅係数を有する電子評価装置の入力段の動作増幅器によって、測定信号Ｖｏｓ，Ｖｏｃを処理するブロック図が示してある。増幅係数は調整の後のＵｋｏｍｐ信号によって決定され、標準器とコイル構造体の間隔に比例する。Ｕｋｏｍｐ信号は付加的なコイルＡｋｏｍｐ（図２５，２６）によって得られる。このコイルはエミッタコイルに対して平行な平面内で全体のコイル構造体内にあり、その形状によって間隔に依存した信号を供給する（エミッタＥとＡｋｏｍｐの間の磁気的な結合の程度）。この信号は間隔“ｄ”によって指数的に影響を受ける。コイルＡｋｏｍｐは、その誘導信号Ｕｋｏｍｐが測定方向における運動によって変調されないように形成されている（例えば図２５におけるような〜ｎλの幅）。Ｕｋｏｍｐ信号とＶｏｓ，Ｖｏｃが間隔“ｄ”の増大につれて弱まり、増幅係数を大きくしなればならないので、この信号はＶＧＡ│ｓに接続する前に適当に調整される。
【００６９】
上述のすべての補償方法および補正方法は、簡単化する理由から、１つのコイル平面についてのみ図示され、統一的に“コイル”と呼ばれている。これは同様に、コイルが上下に配置されて相互接続された複数のコイル層からなっているときにも当てはまる。
【００７０】
多層コイル構造体を製作するための構造的な実施において、個々のコイル平面を重ねて配置することにより、運転周波数およびインピーダンスに応じて、磁気的な結合に加えて、不所望な容量結合が生じる。これを回避し、全体の構造体を外部の影響から遮蔽するために、能動的なコイル平面の間およびまたは外側に、大きな面積の金属製薄層平面（図２７／Ｓ１，Ｓ２）を設けることができる。一定の電位にこの薄層平面を接続することにより、構造体は容量的に結合解除される。
【００７１】
次に、構造的な例について説明する。
図２８に示すような基本的なコイルに基づいて、次に、図２９に示すようなコイル構造体全体の例の構造的な実施について説明する。この場合、上述の補償方法の若干だけが使用される。システム採寸と要求に応じて、各々の信号パラメータのために記載された補正原理と異なる任意の補正原理を、一緒に形成されたコンセプトで適用可能である。
【００７２】
他の考察のために、コイル構造体は交互に設けられた金属（ＭＥＴ）と絶縁層（ＩＳＯ）からなっていると仮定する。絶縁層はメッキされたスルーホール（Ｖｉａｓ）を備えている。このスルーホールは電気的な中間層端子を実現する。この多層装置全体は、技術的な観点から決定される基板上に形成され、適当な接点を介して給電ユニットおよび電子評価装置に接続されている。このような多層装置は公知の技術によって、印刷回路の場合に類似してあるいはフォトリソグラフィ薄層技術で実現可能である。
【００７３】
図２８のコイル要素は、機能的に必要であれば、類似の方法で２つよりも多い金属平面内に形成可能である。標準器は鉄または鉄合金製、磁性または軟磁性の金属フィルム、エッチングされた周期的な構造（目盛り）を有する非鉄合金（これは高い目盛り精度を達成可能であるので有利である）、あるいは金属または非金属の下地上に被覆形成された、両側を同時にフォトリソグラフィエッチングしたフィルムからなっている。
【００７４】
図２９に示した、上記の幾何学的な状態を有するマルチエミッタコイル構造体は具体的には（実際にはこれに制限されない）、それぞれ３つの“Sinus ”および“Cosinus ”レシーバグループ(S1,S2,S3,C1,C2,C3) 上に重ねた６個のエミッタ（E1〜E6）からなっている。それによってエミッタはこのレシーバグループに誘導結合されている。エミッタ E1,E6には間隔補償コイルKOMPが誘導結合されている。
【００７５】
コイル平面の間には、容量結合解除のために、遮蔽面が設けられている。
エミッタはすべて直列にまたは並列に相互接続され、交流電圧が供給される。このエミッタの一部だけを上述のように相互接続することもできる。この場合、残りのエミッタは、他のエミッタを有する位相内で分離して給電される。それによって、このエミッタは励磁場の所望な均一性を達成するために、異なる電圧（または電流）で給電可能である。
【００７６】
このエミッタ（例えばE1,E6)は補償エミッタと見なされる。エミッタの巻線数はすべてのエミッタにとって同一でもよいし、異なっていてもよく、エミッタ単一磁場交互作用を等しくするために測定方向で構造体軸線に対して対称であってもよい。
【００７７】
レシーバグループ（例えばS1) は差動接続された２つのレシーバ要素（S1＋, S1−) からなっている。両測定チャンネル“Sinus ”と“Cosinus ”の各々は適合なグループの直列接続によって形成される。
【００７８】
エミッタ性質によって補償されないときには、この第１の手段に加えて、上述のようにオフセットを低減した全体の信号を達成するために、異なる巻線数またはエミッタ磁場勾配を等しくするための幾何学形状を有するレシーバ要素が形成される。
【００７９】
チャンネル（図２９参照）のレシーバコイルグループの間の理想的な間隔は、計算された伝送機能から生じる補正値（K2,K3)によって、所定の高調波を抑制するために適合させられる。
【００８０】
KOMP1 とKOMP2 のコイル( 直列に接続された) 内で誘導される間隔補償信号は、標準器のコイル構造体の間隔に逆比例する振幅を有する。この振幅は測定方向におけるコイルの相対運動に影響を受けないかあるいは少しだけしか受けない（リップル現象）。これは、理想値（周期整数）によって補正して補償コイル幅を適合させることによって達成される。
【００８１】
他の擾乱出力信号高調波は標準器内で補正係数K1によって抑制可能である。
システムを簡単化するため、および精度要求に応じてコイル構造体を実現するために、少ない金属層を使用することができる。
【００８２】
完全を期すために、回転形の実施の形態について説明する。
長さ測定システムの全体の規定は、角度測定のために同じように使用可能である。唯一の違いは、標準器が円筒状の部分であり（図３０の１）、コイル構造体が円弧状に形成されるかまたは標準器と同心的に多角形面で形成される（図３０の２）。
【００８３】
このような測定システムは技術水準においてコンピュータプログラムによって開発および設計されているので、専門家が本発明を知ることにより、その都度使用されるコンピュータプログラムに、本発明の補正を行うモジュールまたはルーチンを備え付けることができる。その際、反復方法を選択することができる。この方法の場合、例えば本発明の補正は所定の規模で行われる。この補正は達成される改善を検査し、更に必要な（補正の）補正を行う。これは得られた結果がよようとする結果の範囲に達するまで行われる。勿論、本発明を知った上で、最初のステップで所望な結果を達成するために、必要な補正の分析を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による測定装置の概略図である。
【図２】 図２ａ〜図２ｆは、図１に図示した標準器の種々の実施形態を示す図である。
【図３】 レシーバコイルシステムの斜視図である。
【図４】 単一エミッタ基本構造を示す。
【図５】 図３のレシーバコイル内に誘導される理想電圧を示すグラフである。
【図６】 図６ａは、理想的な２つの出力電圧のうちの一方の出力電圧を示すグラフである。図６ｂは、理想的な２つの出力電圧のうちの他方の出力電圧を示すグラフである。
【図７】 オフセットを含む信号を示すグラフである。
【図８】 図８ａは、エミッタコイルの巻線がセンサ走査面全体を覆っている単一エミッタ基本構造体を示す。図８ｂは、図８ａの単一エミッタ基本構造体に対する正弦要素Ｓ＋，Ｓ−の可能な配置を示す図である。図８ｃは、レシーバ平面内で非均一な磁場分布を示す図である。
【図９】 図９ａは、マルチエミッタ構造体を象徴的に示す。図９ｂは、マルチエミッタ構造体のコイルグループを示す図である。図９ｃは、要素コイル平面内の誘導を示す図である。図９ｄは、要素コイル平面内の誘導を示す図である。
【図１０】 図１０ａは、マルチエミッタ構造体の他の実施形態と、同じ誘導方向における磁場強さ分布とを示す図である。図１０ｂは、図１０ａのマルチエミッタ構造体の実施形態と、反対の誘導方向における磁場強さ分布とを示す図である。
【図１１】 複数のレシーバ要素と共に、単一エミッタ構造体を示す。
【図１２】 異なる巻線数を有する個々のコイル要素を示す図である。
【図１３】 図１３ａは、励磁場の強さに逆比例してレシーバコイル面を適合させたコイル要素を示す図である。図１３ｂは、レシーバコイル面を適合させた他のコイル要素を示す図である。
【図１４】 図１４ａは、単一エミッタ構造体の他の補償方法を示す。図１４ｂは、単一エミッタ構造体の他の補償方法を示す。
【図１５】 マルチエミッタ構造体を示す。
【図１６】 図１５のマルチエミッタ構造体の他の実施形態を示す。
【図１７】 図１５のマルチエミッタ構造体の他の実施形態を示す。
【図１８】 エミッタ構造体の軸測投象法の図である。
【図１９】 誘導方向が同じである場合と、誘導方向が逆の場合とにおける、２つのエミッターの構造横断面図と誘導観察とを示す図である。
【図２０】 図２０ａは、エミッタコイル形状を示す。図２０ｂは、他のエミッタコイル形状を示す。図２０ｃは、他のエミッタコイル形状を示す。
【図２１】 図２１ａは、エミッタ平面内での巻線の分布を示す図である。図２１ｂは、エミッタ平面内での巻線の他の分布を示す図である。
【図２２】 図２２ａは、測定方向におけるレシーバの形状と位置の実施形態を示す。図２２ｂは、測定方向におけるレシーバの形状と位置の他の実施形態を示す。図２２ｃは、測定方向におけるレシーバの形状と位置の他の実施形態を示す。図２２ｄは、測定方向におけるレシーバの形状と位置の他の実施形態を示す。
【図２３】 図２３ａは、標準器の実施形態を示す。図２３ｂは、標準器の他の実施形態を示す。図２３ｃは、標準器の他の実施形態を示す。
【図２４】 可変増幅係数を有する電子評価装置の入力段の動作増幅器によって、測定信号を処理するブロック図である。
【図２５】 付加的なコイルＡｋｏｍｐを示す。
【図２６】 他の付加的なコイルＡｋｏｍｐを示す。
【図２７】 個々のコイル平面の積層配置を示すもので、能動的なコイル平面の間および／または外側に設けられた大きな面積の金属製薄層平面を示す。
【図２８】 コイル要素を示す。
【図２９】 マルチエミッタコイル構造体を示す。
【図３０】 本発明による長さ測定システムの回転形の実施形態を示す。

Claims (17)

1. コイル構造体と、可変の磁気抵抗または導電性の少なくとも１つの目盛りを有する標準器とからなる、位置検出のための誘導形測定装置において、
   コイル構造体が、ほとんど閉じた巻線の形の輪郭を有する、コイルの組み合わせとしての多層構造であり、コイル構造体が複数の対のレシーバを備え、各々の対が差動接続された２個のレシーバ要素を備え、このレシーバ要素が少なくとも２つの測定チャンネルの各々のための信号発生のために相互接続可能であり、少なくとも１個のエミッタ要素が設けられ、このエミッタ要素が測定方向における標準器と相対的な位置に依存してレシーバ要素に誘導結合され、オフセットおよびまたは正弦形状およびまたは振幅を補償した少なくとも１つの出力信号を発生すること、及び、
   エミッタが複数のコイルからなり、少なくとも１つの付加的な補償エミッタが設けられ、この補償エミッタが測定方向にまたはエミッタに対して平行な平面内に配置され、レシーバ平面内に補償された均一な励磁場分布を生じること、
   を特徴とする測定装置。
2. レシーバコイルが、オフセットを補償した出力信号を発生するために、測定方向におけるエミッタ磁場分布に相応して、異なる巻線数を備えていることを特徴とする請求項１記載の測定装置。
3. レシーバコイルが、オフセットを補償した出力信号を発生するために、少なくともその巻線の一部について、測定方向に対して横方向において異なる長さを有することを特徴とする請求項１または２記載の測定装置。
4. レシーバコイルシステムが少なくとも１つの付加的な補償レシーバ要素を備え、この補償レシーバ要素が標準レシーバコイルと相互接続することにより、エミッタ磁場不均一性を均一にすることによってオフセットを補償した出力信号を発生することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の測定装置。
5. エミッタが複数のコイルからなり、このコイルが測定方向に配置されて、異なる巻線数、異なる巻線分布、異なる巻線形状、測定方向における異なるコイル全体幅、測定方向と垂直な方向における異なるコイル全体長さ、または、異なる供給電流を有するように形成され、それによって測定方向における個々の磁場の作用を重ねることによって、均一な励磁場がレシーバ平面内に発生することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の測定装置。
6. エミッタが複数のコイルからなり、少なくとも１つの付加的な補償エミッタが設けられ、この補償エミッタが測定方向においてエミッタに対して平行な平面内に配置され、レシーバ平面内に均一な全体の励磁場分布を達成しおよびまたはレシーバコイル内にオフセットのない信号を発生するために、エミッタと関係なく給電可能であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の測定装置。
7. 出力信号の高調波を抑制するために、エミッタ幅がｎλ＋／−ｋであり、ここでｎは自然数、λは目盛り周期そしてｋは補正値であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の測定装置。
8. 出力信号の高調波を抑制するために、エミッタ幅内でエミッタの巻線分布が周期的に均一ではないことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の測定装置。
9. 出力信号の高調波を抑制するために、レシーバ要素がλ／２±ｋの幅を有し、ここでλは目盛り周期そしてｋは補正値であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一つに記載の測定装置。
10. 出力信号の高調波を抑制するために、レシーバ要素がレシーバ差動対の範囲内で測定方向において互いにλ／２＋／−ｋの間隔を有し、ここでλは目盛り周期そしてｋは補正値であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一つに記載の測定装置。
11. 出力信号の高調波を抑制するために、レシーバ差動対が測定チャンネルの範囲内で、測定方向において互いにｎλ±ｋｉ（ｉ∈｛ｏ，ｎ｝）を有し、ここでｎは自然数、λは目盛り周期そしてｋは補正値、ｉは零または自然数であることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一つに記載の測定装置。
12. 出力信号の高調波を抑制するために、低い磁気抵抗を有する範囲と高い磁気抵抗を有する範囲の間における、標準器の目盛り周期の範囲内の部分範囲の比が、（λ／２−ｋ）／（λ／２＋ｋ）であり、ここでλは目盛り周期そしてｋは補正値であることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一つに記載の測定装置。
13. 出力信号の高調波を抑制するために、標準器と測定装置の境界の角度βが９０°でないことを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一つに記載の測定装置。
14. レシーバ構造体内に少なくとも１個の間隔補償コイルが配置され、この間隔補償コイルが間隔に依存するはっきりした信号を供給し、この信号によって電子評価装置内で測定信号振幅が調整可能であることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか一つに記載の測定装置。
15. コイル構造体平面の間およびまたは外側に、遮蔽のためおよびまたは容量結合のために、大きな面積の金属層が設けられ、この金属層が一定の電位に接続されていることを特徴とする請求項１〜１４のいずれか一つに記載の測定装置。
16. 標準器が円筒の形を有し、この円筒の形が内側または外側に周期的な目盛りを有し、コイル構造体がそれに嵌まる形に配置されていることを特徴とする請求項１〜１５のいずれか一つに記載の測定装置。
17. 標準器が円筒部材の端面に配置され、コイル構造体がそれと平行な端面に配置されていることを特徴とする請求項１〜１６のいずれか一つに記載の測定装置。

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