JP6015776B2

JP6015776B2 - 変位センサ及び変位の検出方法

Info

Publication number: JP6015776B2
Application number: JP2014556354A
Authority: JP
Inventors: 清水　哲也; 哲也清水; 秀樹久保; 敏花香; 龍男太田; 将吾寺田
Original assignee: Murata Machinery Ltd
Current assignee: Murata Machinery Ltd
Priority date: 2013-01-10
Filing date: 2013-12-18
Publication date: 2016-11-02
Anticipated expiration: 2033-12-18
Also published as: JPWO2014109190A1; WO2014109190A1; TW201435303A; US9772198B2; TWI611163B; US20150345992A1

Description

この発明は変位センサに関し、特に誤差の軽減に関する。

発明者は、磁気的なスケールとコイル等の磁気素子とを組み合わせた変位センサを開発している（例えば特許文献１：ＪＰ４９１９１７７）。このような変位センサには誤差があり、誤差を小さくすることが望まれる。

特許４９１９１７７

この発明の課題は、変位センサの誤差を小さくすることにある。

この発明は、磁気スケールを基準とする位置を磁気素子により検出する変位センサにおいて、
極性の異なる２個のマグネット、もしくは磁性体と非磁性体の各１個のペアを１ピッチとし、かつ直線状に複数ピッチに渡り配置されている磁気スケールを備えるとともに、
前記１ピッチを１周期とし、ピッチに対する位相θが（９０／ｎ）°ずつシフトする４ｎ個の信号を出力するように、４ｎ個（ｎは２または４）のセンサユニットが前記１ピッチの区間に磁気スケールに沿って直列に配列され、
前記４ｎ個のセンサユニットにｓｉｎωｔの波形の交流信号を加えるドライブ回路を備え、
前記４ｎ個のセンサユニットは各々、４個の磁気素子から成るブリッジと、前記ブリッジからｓｉｎθｓｉｎωｔ及びｃｏｓθｓｉｎωｔに対応する信号を取り出し、加法定理によりピッチに対する位相θを表す信号を出力する位相検出部とを備え、かつ前記４ｎ個の信号は磁気スケールの１ピッチがｎ周期となる周期的誤差を有し、
さらに前記４ｎ個の信号の平均を出力する平均化部を備えていることを特徴とする。

この発明はまた、磁気スケールを基準とする位置を磁気素子により検出することにより変位を検出する方法において、
極性の異なる２個のマグネット、もしくは磁性体と非磁性体の各１個のペアを１ピッチとし、かつ直線状に複数ピッチに渡り配置されている磁気スケールが設けられると共に、
前記１ピッチを１周期とし、ピッチに対する位相θが（９０／ｎ）°ずつシフトする４ｎ個の信号を出力するように、４ｎ個（ｎは２または４）のセンサユニットが前記１ピッチの区間に磁気スケールに沿って直列に配列され、
前記４ｎ個のセンサユニットにｓｉｎωｔの波形の交流信号を加えるドライブ回路を備え、
前記４ｎ個のセンサユニットは各々、４個の磁気素子から成るブリッジと、前記ブリッジからｓｉｎθｓｉｎωｔ及びｃｏｓθｓｉｎωｔに対応する信号を取り出し、加法定理によりピッチに対する位相θを表す信号を出力する位相検出部とを備え、かつ前記４ｎ個の信号は磁気スケールの１ピッチがｎ周期となる周期的誤差を有し、
さらに平均化部により、前記４ｎ個の信号の平均を出力することにより、前記周期的誤差を打ち消すことを特徴とする。

発明者は、磁気スケールを基準とする位置を磁気素子により検出する変位センサでは、マグネット２個が１周期、２周期、４周期、あるいは磁性体と非磁性体の各１個のペアが１周期、２周期、４周期となる、周期的な誤差が生じることを見出した。センサユニットの側から見ると、複数のピッチが設けられた磁気スケールに対して移動する場合、１ピッチシフトすると磁気スケールから受ける磁気的環境は同じで、誤差も同じになる。従って誤差はピッチ毎に繰り返し、誤差の１周期分の長さ（誤差の波長）はピッチの整数分の１となる。そして磁気スケールの１ピッチに対し、４ｎ個のセンサユニットを設けると、位相が９０／ｎ°ずつシフトした４ｎ個の信号が得られ、これらを平均すると誤差の影響が小さくなる。この発明では、磁気スケールの１ピッチをｎ周期として繰り返す周期的誤差を打ち消し、正確に変位を検出できる。なおこの明細書において、変位センサに関する記載はそのまま変位検出方法にも当てはまり、変位検出方法に関する記載はそのまま変位センサにも当てはまる。

位相が９０／ｎ°ずつシフトした４ｎ個の信号が得られるようにし、これらを平均すると誤差の影響を特に小さくできる。

好ましくは、前記磁気スケールは前記ピッチを複数備え、前記センサユニットは、検出中のピッチのオフセット信号を出力するように構成され、前記平均化部は、前記位相と前記オフセット信号とを用いて、前記平均を求める。４ｎ個のセンサユニットからの位相を平均すると、測定レンジは１ピッチの長さの１／４ｎとなる。そこでオフセット信号を平均することにより、測定レンジを磁気スケールの全長へ拡大できる。

特に好ましくは、前記センサユニットは前記１ピッチがｎ周期となる周期的誤差を有し、前記４ｎ個のセンサユニットからの信号を平均することにより、周期的誤差を打ち消す。このようにすると、位相が９０／ｎ°ずつシフトした４ｎ個の出力が得られ、これらを平均すると、正確に変位を検出できる。
好ましくは、磁気スケールが直線状に配置され、変位センサは磁気スケールに沿ったリニアな位置を検出するリニア変位センサである。
特に好ましくは、磁気スケールがリニアモータの磁石列で、リニアモータの駆動のために磁気スケールに沿ったリニアな位置を求める。

またこの発明のリニア変位センサは、磁気スケールを基準とするリニアな位置を磁気素子により検出するリニア変位センサにおいて、
リニアモータのマグネット列中の、極性が異なりかつ隣接する２個のマグネットから成るペアを１ピッチとし、かつ直線状に複数ピッチに渡り配置されている磁気スケールと、
前記１ピッチの長さをｐとする際に、ｐ／（４ｎ）ずつ磁気スケールに沿った位置が変化するように、１ピッチの長さ内に配置されている、４ｎ個のセンサユニット（ｎは２または４）と、
前記４ｎ個のセンサユニットからの信号の平均を出力する平均化部と、
前記４ｎ個のセンサユニットにｓｉｎωｔの波形の交流信号を加えるドライブ回路と、を備え、
前記４ｎ個のセンサユニットは各々、４個の磁気素子から成るブリッジと、前記ブリッジからｓｉｎθｓｉｎωｔ及びｃｏｓθｓｉｎωｔに対応する信号を取り出し、加法定理によりピッチに対する位相θを表す信号を出力する位相検出部とを備え、かつ前記４ｎ個の信号は磁気スケールの１ピッチがｎ周期となる周期的誤差を有している。

このようにすると、リニアモータをそのマグネット列を利用して、正確に駆動することができる。特にリニアモータのコイルからの磁界が誤差の原因となる状況で、正確に位置を検出できる。またセンサユニットは４ｎ個なので、これらの信号は、１ピッチがｎ周期の誤差に対して、位相が９０°／ｎずつシフトし、平均すると簡単に誤差を除くことができる。

好ましくは、前記平均化部は、前記４ｎ個のセンサユニットからのピッチ内座標ａｉ（ｉは１から４ｎまでの自然数）の平均値に、前記４ｎ個のセンサユニットが検出しているピッチの原点座標ｂｉの平均値を加算するように構成され、前記４ｎ個のセンサユニットは隣接する２個のピッチを検出していることがある。４ｎ個のセンサユニットが１ピッチの長さｐ以内の長さに渡って配置されていると、全体として隣接する２個のピッチを検出可能である。ここで、４ｎ個のセンサユニットからのピッチ内座標ａｉは絶えず変化し、４ｎ個のセンサユニットが検出しているピッチの原点座標ｂｉは短い時間の範囲では一定である。そこでこれらの平均値を別個に求めると、演算が容易になる。

実施例の変位センサのブロック図センサヘッドの要部ブロック図実施例の変位検出方法を示すフローチャートセンサユニットからの誤差を模式的に示す図スケールに対するセンサユニットの取付位置を変えた際の誤差を示す図図５のデータを平均化した出力を示す図リニアモータからのセンサユニットの取付位置を変えた際の誤差を示す図図７のデータを平均化した出力を示す図８個のセンサユニットの出力を平均した際の、基準センサからの誤差を示す図

以下に本発明を実施するための最適実施例を示す。この発明の範囲は、特許請求の範囲の記載に基づき、明細書の記載とこの分野での周知技術とを参酌し、当業者の理解に従って定められるべきである。

図１〜図９に実施例を示す。図１に変位センサの構成を示し、磁気スケール２はマグネット４，６を配列したスケールで、直線状に配置されている。マグネット４は表面がＳ極、マグネット６は表面がＮ極で、マグネット４，６のペアを１ピッチとし、複数のピッチを直列に配列してある。マグネット４，６は変位センサ専用のスケールでも、リニアモータの一部としてのマグネット列でも良く、ここではリニアモータの一部であるものとする。なお磁気スケール２は、マグネット４，６以外にも、磁性体と非磁性体との組合わせ等でも実現でき、その場合は、１個の磁性体と１個の非磁性体とのペアが１ピッチである。センサヘッド８は、例えば１個のドライブ１０と例えば８個のセンサユニットｕ１〜ｕ８とから成り、センサユニットの数は４の倍数の４ｎ個（ｎは自然数で、２または４）である。ｎの意味は例えば、１ピッチ内で誤差が繰り返す周期の数である。ドライブ１０はここで８個のセンサユニットｕ１〜ｕ８に交流電流を供給し、ｉ番目のセンサユニットｕｉの出力信号をｘｉとする。８個のセンサユニットｕ１〜ｕ８の出力信号ｘ１〜ｘ８を平均化部１２で平均し、位置信号ｘを出力する。実施例の変位センサは磁気スケール２に沿った位置を検出するリニア変位センサで、特にリニアモータの駆動のために、磁気スケール２に沿ったリニアな位置を検出することが好ましい。

なお磁気スケール２が地上側に固定で、センサヘッド８が可動でも、逆に磁気スケール２が可動で、センサヘッド８が地上側に固定でも良い。また磁気スケールで例えばマグネットを８個単位で設置するような場合、１単位が４ピッチであると見なす。磁性体の薄膜と非磁性体の薄膜を交互に４ペア設ける場合も、同様に４ピッチあるものと見なす。

各１個のマグネット４，６から成る１ピッチの区間内に、８個のセンサユニットｕ１〜ｕ８が、磁気スケール２の長手方向（変位を測定する方向）に沿って直線状に配列されている。８個のセンサユニットｕ１〜ｕ８により、１個のセンサアレイを構成する。また１ピッチの区間内での位置を位相θ（０≦θ≦２π）で表し、センサユニットu1〜u8は位相θが各４５°ずつ異なるように配置されている。センサユニット間の位相の差は２πをセンサユニットの数４ｎで除した値である。なおｍピッチ（ｍは２以上の自然数）の区間に、センサユニットを４ｎｍ個直列に配列して、その信号を平均化しても良い。ここに４ｎは１ピッチの区間に配列するセンサユニットの数である。

図２にドライブ１０と１個のセンサユニットu1の構成を示し、他のセンサユニットも同様である。カウンタ１４は交流の位相ωtを出力し、テーブル１６でωtをsinωｔに相当するデジタル信号に変換し、D/Aコンバータ１８はこの信号を交流電圧sinωｔに変換して、センサユニットu1〜u8へ供給する。

センサユニットu1では、例えば４個のコイルC1〜C4がC1からC4への番号順にスケールの長手方向に沿って直線状に配列されており、図２のようにブリッジに組んで交流電圧sinωｔを加える。ブリッジの出力を増幅器A1，A2で増幅することにより、cosθ・cosωｔとsinθ・sinωｔに相当する出力を取り出す。例えば cosθ・cosωｔ−sinθ・sinωｔ＝cos（θ＋ωｔ）であることを用い、位相検出部２０でcos（θ＋ωｔ）に相当するアナログ信号に変換し、cos（θ＋ωｔ）が０となる際のωｔの値から１ピッチ単位での位相θを求める。位相θの算出方法は、他にも種々のものが公知で、sin（θ＋ωｔ）を用いるもの等の任意のものを用い得る。また１センサユニット内でのコイルの数と結線等も、種々のものが公知で任意である。さらにコイルC１〜4は、ホール素子、磁気抵抗素子等を含む磁気素子の例である。

オフセット補正部２２は初期位置からのピッチの変化を記憶し、例えばピッチが変化する毎にピッチ番号を加減算して、現在検出中のピッチ番号を記憶する。またオフセット補正部２２は各ピッチの原点座標biを記憶し、位相θから求めたピッチ内座標aiにピッチの原点座標biを加算し、出力信号xiとする。ピッチ内座標aiは各ピッチの原点座標biを基準とする直線上の座標で、出力信号xiは適宜の原点からの座標である。なおピッチの長さをpとし、θを角度単位で表すと ai＝ｐ×θ／360 である。ただしオフセット補正部２２はピッチの番号を出力して、ピッチの番号から原点座標biへの換算と平均とを平均化部１２で行っても良い。

平均化部１２は８個の出力信号x1〜x8を加算し下位の３ビットを切り捨てる、もしくは加算した値を３ビット最小デジット側へシフトする等により、平均化した出力信号ｘを求め、ｘは複数個のセンサユニットからの信号の単純平均である。ピッチ内座標aiを平均すると、位相θで45°を周期とする信号となり、これにピッチの原点座標biの平均を加えることにより、変位を表す信号xが得られる。なお平均化の演算手法は任意である。図３に、センサユニットの配置（ステップ１）と、各センサユニットでの変位の検出（ステップ２）、及びセンサユニット毎の変位の単純平均（ステップ３）の処理を示す。

図４は１ピッチ内でのセンサユニットからの信号を模式的に示し、磁気スケール２からの直線的な変位信号に、様々な誤差要因が加わりセンサユニットの信号xiとなる。図４では、１ピッチ内に２周期分の誤差があり、誤差はピッチの前半で後半よりも大きい例を示している。センサユニットを１ピッチ分変位させると、コイルC1〜C4が磁気スケール２から受ける磁気的環境は同じで、このためセンサユニットの信号xiは１ピッチ単位で繰り返す周期的な信号となり、誤差eiも１ピッチ単位で繰り返す周期的な信号となる。

誤差は１ピッチ内でｎ周期分繰り返す周期的な信号であり、発明者の経験した範囲でｎは１，２または４である。誤差の周期が１，２，４のいずれになるかは変位センサの構造と使用環境とに依存し、実験で判別できる。そして４ｎ個のセンサユニットを設けて、その出力信号を単純平均すれば、誤差が極く小さい変位センサとなる。さらに気温の変化等に対しても、磁気スケールを１ピッチ分移動すると、環境は同じで、気温の変動による誤差も打ち消すことができる。

図５〜図９に特性を示す。図５，図６ではセンサユニットは１個で、縦軸は誤差、横軸は直線性が高く誤差が少ない基準センサの出力から求めた位置を表し、センサユニットとスケールとの間隔を変えた際の誤差を示している。図５のデータは平均化前で、図６のデータは平均化後である。図５ではスケールの１ピッチが２周期の規則的な誤差が有り、図５の各曲線に対し、位相を４５°ずつ変えて、図６のように平均化すると誤差が軽減されている。

図７，図８はリニアモータに対するセンサユニットの取付位置を変えた際の誤差を示し、図７は平均化前のデータを、図８は、図６と同様にして平均化した後のデータを示す。スケールを兼用するリニアモータからの磁界が誤差要因で、図７では位相のずれがありスケールの１ピッチが２周期となる周期的誤差がある。図８のように平均化すると、誤差が軽減されている。

図９ではセンサユニットは８個で、１ピッチに対する位相を４５°ずつ変化させて配置した。縦軸は誤差、横軸は基準センサの出力から求めた位置である。図の太線は８個のセンサユニットの信号の平均値である。この例でも、スケールの１ピッチが２周期の規則的な誤差であった。

実施例では、スケールの１ピッチをｎ周期とする周期的な誤差が生じることに着目する。そして例えば４ｎ個のセンサユニットを１ピッチに沿って規則的に配置し、出力を単純平均することにより、誤差を小さくする。また信号処理は単純平均で簡単である。

実施例ではセンサユニットｕ１〜ｕ８に各４個のコイルＣ１〜Ｃ４を設ける。各センサユニットに対し、３個、６個、８個等の磁気素子を設けても良いが、このようなものは本発明には含まれない。コイルは磁気素子の例である。例えば６個の場合、１ピッチ内での位相が異なる３個の信号が得られる。そしてセンサユニットを４ｎ個設ける。

実施例では、センサユニットｕ１〜ｕ８は全体として、隣接する２個のピッチを検出可能に構成されている。これは、センサヘッド８と磁気スケール２との間の相対移動のため、センサヘッド８が次のピッチへ移行するためである。

２磁気スケール４，６マグネット８センサヘッド
１０ドライブ１２平均化部１４カウンタ
１６テーブル１８ D/Aコンバータ２０位相検出部
２２オフセット補正部
A1，A2 増幅器 u1〜u8 センサユニット C1〜C4 コイル
θ １ピッチ内での位相 ωt 交流入力の位相
bi ピッチ原点の座標 xi センサユニットの出力 x 平均出力

Claims

磁気スケールを基準とする位置を磁気素子により検出する変位センサにおいて、
極性の異なる２個のマグネット、もしくは磁性体と非磁性体の各１個のペアを１ピッチとし、かつ直線状に複数ピッチに渡り配置されている磁気スケールを備えるとともに、
前記１ピッチを１周期とし、ピッチに対する位相θが（９０／ｎ）°ずつシフトする４ｎ個の信号を出力するように、４ｎ個（ｎは２または４）のセンサユニットが前記１ピッチの区間に前記磁気スケールに沿って直列に配列され、
前記４ｎ個のセンサユニットにsinωtの波形の交流信号を加えるドライブ回路を備え、
前記４ｎ個のセンサユニットは各々、４個の磁気素子から成るブリッジと、前記ブリッジからsinθsinωt及びcosθsinωtに対応する信号を取り出し、加法定理によりピッチに対する位相θを表す信号を出力する位相検出部とを備え、かつ前記４ｎ個の信号は前記１ピッチがｎ周期となる周期的誤差を有し、
さらに前記４ｎ個の信号の平均を出力する平均化部を備えていることを特徴とする、変位センサ。
前記センサユニットは、検出中のピッチのオフセット信号を出力するように構成され、
前記平均化部は、前記位相θを表す信号と前記オフセット信号とを用いて、前記平均を求めることを特徴とする、請求項１の変位センサ。
前記磁気スケールがリニアモータのマグネット列であることを特徴とする、請求項１または２の変位センサ。
磁気スケールを基準とするリニアな位置を磁気素子により検出するリニア変位センサにおいて、
リニアモータのマグネット列中の、極性が異なりかつ隣接する２個のマグネットから成るペアを１ピッチとし、かつ直線状に複数ピッチに渡り配置されている磁気スケールと、
前記１ピッチの長さをｐとする際に、ｐ／（４ｎ）ずつ前記磁気スケールに沿った位置が変化するように、前記１ピッチの長さ内に配置されている、４ｎ個のセンサユニット（ｎは２または４）と、
前記４ｎ個のセンサユニットからの信号の平均を出力する平均化部と、
前記４ｎ個のセンサユニットにsinωtの波形の交流信号を加えるドライブ回路と、を備え、
前記４ｎ個のセンサユニットは各々、４個の磁気素子から成るブリッジと、前記ブリッジからsinθsinωt及びcosθsinωtに対応する信号を取り出し、加法定理によりピッチに対する位相θを表す信号を出力する位相検出部とを備え、かつ前記位相θを表す信号は前記１ピッチがｎ周期となる周期的誤差を有している、リニア変位センサ。
前記平均化部は、前記４ｎ個のセンサユニットからのピッチ内座標ai（iは１から４ｎまでの自然数）の平均値に、前記４ｎ個のセンサユニットが検出しているピッチの原点座標ｂiの平均値を加算するように構成され、前記４ｎ個のセンサユニットは隣接する２個のピッチを検出可能である、ことを特徴とする、請求項４のリニア変位センサ。
磁気スケールを基準とする位置を磁気素子により検出することにより変位を検出する方法において、
極性の異なる２個のマグネット、もしくは磁性体と非磁性体の各１個のペアを１ピッチとし、かつ直線状に複数ピッチに渡り配置されている磁気スケールが設けられると共に、
前記１ピッチを１周期とし、ピッチに対する位相θが（９０／ｎ）°ずつシフトする４ｎ個の信号を出力するように、４ｎ個（ｎは２または４）のセンサユニットが前記１ピッチの区間に前記磁気スケールに沿って直列に配列され、
前記４ｎ個のセンサユニットにsinωtの波形の交流信号を加えるドライブ回路を備え、
前記４ｎ個のセンサユニットは各々、４個の磁気素子から成るブリッジと、前記ブリッジからsinθsinωt及びcosθsinωtに対応する信号を取り出し、加法定理によりピッチに対する位相θを表す信号を出力する位相検出部とを備え、かつ前記４ｎ個の信号は前記１ピッチがｎ周期となる周期的誤差を有し、
さらに平均化部により、前記４ｎ個の信号の平均を出力することにより、前記周期的誤差を打ち消すことを特徴とする、変位検出方法。
前記磁気スケールがリニアモータのマグネット列であることを特徴とする、請求項６の変位検出方法。