JP6427658B2 - アクチュエータ/センサ装置および当該装置で使用する方法 - Google Patents
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Description
さらに、本発明は、そのようなアクチュエータ/センサ装置で使用する方法に関する。
物体は、たとえば、光学の分野において、きわめて正確な態様で微妙に傾斜させる、ビーム変位用の鏡である。
この鏡は、ワーク等に方向付けられるレーザビームを変位させる役割も果たす。
さまざまな用途において、傾斜を作り出すために、アクチュエータとロータとの間の相対位置を測定するセンサシステムが求められる。
この場合、従来のセンサおよびセンサ装置は、力を作用させる磁場を妨害し、または少なくともそのような磁場に無視できない程度の影響を与えるという問題がある。
逆に、センサは、力を作用させるアクチュエータの磁場によって妨害されて、信号品質が損なわれる。
さらに、そのようなアクチュエータ/センサ装置で使用する方法も提示する。
すなわち、汎用型のアクチュエータ/センサ装置は、コイルとロータとの間の力伝達磁束に、Z方向(アクチュエータとロータの間隔)等の少なくとも1つの方向でロータの移動を検知するセンサが配置されていることを特徴とする。
このセンサは、ロータの移動を少なくとも1つの方向、たとえば、上述したアクチュエータとロータの間隔を定義するZ方向で、検知する。
よって、センサは、そのセンサコイルまたは電極と共に、アクチュエータの動作方向のフロー、すなわち、動作フローに直接配置される。
そのような構成では、センサが、その物理構成により、真空/減圧と大気との間の分離位置を定義し、それらの領域の間のシールを形成することが考えられる。
詳細には、センサは、アクチュエータの移動を横変位であるX/Y方向、および/またはアクチュエータとロータの間隔であるZ方向で検知する2つ以上のセンサ素子を備えている。
特に、センサは、平坦構造型の渦電流センサとして構成される。
わかりやすくするため、以下では、1つまたは複数のコイルを備えた渦電流センサを取り上げる。
コイルの代わりに、静電容量センサの形式では、対応する電極が提供される可能性がある。
コイルが設けられた渦電流センサは、本発明の説明としての役割のみを果たす。
導電性材料のターゲット、たとえば、強磁性または好ましくは非強磁性の金属が、磁石と関連付けられる。
ターゲットの材料は、アルミニウムまたはアルミニウム合金であることが好ましい。
特に、磁石は、ターゲットにより運搬または保持される。
ただし、ターゲットも、磁石により運搬または保持される。
ターゲットは、アクチュエータコイルの磁場とセンサの出力信号の間の相互作用を防ぐ導電性材料を備える。
これは、磁石に対する直接測定または強磁性材料に対する直接測定の場合、センサにより生成される渦電流の形式が、磁石の磁束に依存するからである。
乱電流の形式が(導入深さ、振幅、直径について)変化すると、センサにより生成される場へのフィードバックが変化し、結果として、センサの出力信号に影響が及ぶ。
非強磁性材料の使用は、特に有利である。
この場合、面の半径は、変位させられるターゲットの回転/旋回位置に対する半径に適応している。
よって、センサに対向するターゲットの面について最適な状況、すなわち、変位領域にわたって間隔が一定である状況が実現される。
この場合、センサをアクチュエータと関連付け、センサでアクチュエータをカバーすると良く、それによって、アクチュエータをロータまたは磁石に対して密閉すると好ましい。
よって、センサをアクチュエータの端部側キャップとして構成し、センサの表面とターゲットとの間に残る、ロータ(ターゲットおよび磁石を含む)の移動を許容する空間を可能な限り少なくすることができる。
別の態様では、センサは、アクチュエータ(該当する電子システムでは、接触に加えて、アクチュエータコイルおよびコア)を包含する筐体を終端するように、アクチュエータを閉じるかまたはカバーするプレートまたはキャップに統合される。
この多層構造の結果として、高い安定性を備えた多層コイルを、最小限の空間要件で構成することができる。
また、X方向およびY方向で力を追加的または代替的に適用して、ロータの横変位を引き起こすように、アクチュエータを構成することも考えられる。
このために、アクチュエータは、素子の二重構造および対応する十字配置を備え、原則として、アクチュエータが、力をX方向、Y方向、および、Z方向で作用させて、ロータの対応する変位を実現することが考えられる。
これには、センサの対応する構造が必要である。
センサは、変位を制御するために、移動を検知する必要がある。
センサ素子は、互いに並べて、または、互いに重ねて配置される。
コイルは、異なる搬送周波数により作動する。
これにより、磁石に対する測定でも、Z間隔の正確な検知が可能となる。
異なる搬送周波数での作動は、磁束に起因する「重大な変更(material changes)」を算術的に除去することができる、過剰連立方程式(overdetermined equation system)につながる。
標準の多周波方式は、1つのコイルを使用し、周波数を変化させる。
ここで、各コイルを、その誘導性の観点で、搬送周波数に個別に適応させると良い。
それにより、2つのコイルが提供される場合、それらのコイルを共振周波数に近づけて作動させることができる。
よって、優れた信号雑音比を実現することができる。
さらに、2つの周波数の差異は、十分な大きさとなるように選択することができる。
一方、1つのコイルを用いる従来の多周波方式では、周波数間隔は得てして、第2の周波数に関する必要情報を取得するために十分ではない。
この場合、センサコイルにより生成される磁場は、ターゲットまたは磁石の増加または減少するカバレッジにより影響を受ける。
センサの具体的な実施形態については、図面の説明で説明する。
このセンサは、ターゲットまたは磁石のX方向およびY方向の変位に加えて、すべてのコイルの出力信号の合計を計算するか、または、Z間隔を検知する独立したコイルを提供することにより、Z方向のターゲットまたは磁石に対する間隔を同時または交互に判断するように構成される。
ここで、X/Y変位を判断するコイルと、Z間隔を判断するコイルとは、異なる搬送周波数で制御されるのが好ましい。
X/Y変位を測定するコイルと、X間隔を測定するコイルとは、要件に応じて、同時または互いに独立して作動する。
これは、相反する方向で構成され実際のセンサ素子と共にセンサ本体内に配置される抵抗経路の形式をした、抵抗素子を利用して実行することができる。
この点については、請求項1に従属する請求項が参照され、図面を含む本発明の実施形態について、以下の説明が参照される。
本発明の実施形態および発展についても、説明する。
この場合、ロータ2は、磁石である。
磁石2は、鏡など、移動することを意図された物体に、ロッド装置を利用して接続される。
アクチュエータ1は、力を作用させる磁場4を生成するコイル3または電機子巻線を実質的に備える。
磁束は、一般的に低い磁気抵抗を有する、磁気的に柔らかいコア5を通じて案内される。
電機子側で、センサ6が、力伝達磁束7に配置される。
右側で、センサ6は、電極9を備える静電容量センサ6として構成されている。
いずれの場合も、ロータ2のZ方向での移動、すなわち、アクチュエータ1またはセンサ6とロータ2との間の間隔を判断することができる。
1つまたは複数のコイル8を有する渦電流センサの使用についても、同じことがいえる。
この場合も、薄型または平坦な構成は、有利である。
この場合、センサ6は、力生成磁束7が案内される空隙10に導入できるように、平坦構造型で構成される。
オプションで、渦電流センサの性能を最適化するために、ターゲット11をロータ2に嵌合させることができる。
ターゲット11は、アルミニウムである非強磁性金属を備えているのが好ましい。
これにより、アクチュエータコイル3の磁場4とセンサ6の出力信号との間の相互作用が防止される。
なぜなら、磁石2または強磁性金属に対する直接測定の場合、センサ6により生成される渦電流の形式は、磁石2の磁束7に依存するからである。
渦電流の形式(導入深さ、振幅、直径)が変化すると、センサ6により生成される場への動作が変化して、センサ6の出力信号も変化する。
この場合、センサ6は、(静電容量センサの場合は)内側または外側に電位案内面を備えるセラミック素子として構成される。
この場合、図1と同じ説明が適用されるが、図2では、センサ6が、互いに上下に配置された2つのセンサ素子、すなわち、単層または多層コイルから構成される。
これにより、磁石2に対する測定の場合でも、Z間隔のより正確な検知が可能となる。
この場合、2つのセンサコイル8は、異なる搬送周波数で制御される。
結果として、過剰連立方程式が得られ、磁束による「重大な変更」を算術的に均質化することができる。
従来の多周波方式では、1つのコイルと、変化する周波数とが使用される。
ここでは、各コイル(誘導性)8を搬送周波数に適応させることができる。
結果として、2つ以上のコイル8を、共振周波数に近づけて作動させることができる。
これにより、信号雑音比が向上する。
さらに、2つの周波数の差異を、十分な大きさとなるように選択することができる。
単一のコイルを使用する従来の多周波方式では、周波数間隔を、第2の周波数により必要な量の情報を取得するのに十分な大きさとなるように選択することは得てして不可能である。
この場合、センサ6は、両方のコイル8が埋め込まれたセラミック素子12として構成される。
Z方向でも力が動作するが、ここでは、これ以上使用または考慮しない。
この場合、磁石2または磁石2に嵌合するターゲット11のカバレッジの増加または減少により、センサコイル8により生成される磁場が影響を受ける。
この場合、センサ6を1つのコイル8のみと共に使用すると(図4a)のi))、センサ信号が間隔Zに大きく依存するため、差動構成の2つのコイル8を備えるセンサ6(図4a)のii)およびiii))が使用される。
結果として、センサ6の出力信号は、間隔Zに直接影響されない。
コイル8の差動構成により、温度および長期的効果に対する安定性も向上する。
さらに、センサ6は、磁場への直接導入を可能にするために、本実施形態では、平坦に構成される。
この場合、磁石2または磁石2に嵌合するターゲット11のカバレッジの増加または減少により、センサ電極9により生成される磁場が影響を受ける。
結果として、単一の電極または差動構成で構成された二重電極の使用について、渦電流センサと同じことが当てはまる。
これにより、磁石2またはターゲット11のX位置およびY位置を判断することが可能となる。
磁石2またはターゲット11がX方向および/またはY方向での純粋な横移動を実行せず、代わりにボール面での移動を実行する(そのために、磁石2がセンサ6から離間した概念的回転位置18で支持される)場合、非線形の出力信号が生成される。
つまり、変位の増加により、間隔が大きくなることで、信号雑音比が低下する。
また、信号ピッチも、変位の増加に伴って低下する。
これは、センサコイル8(または静電揚力センサ6のセンサ電極9)を「台形」として構成することにより相殺することができる。
つまり、コイル8またはセンサ電極9の有効断面も、変位の増加と、それによる間隔の増加に伴って、増加する。
結果として、出力信号のピッチおよび信号雑音比を一定に保つことができる。
この場合、オーム抵抗の単純な測定により、センサ素子15内の温度に関する結論を導くことができる。
抵抗経路13は、センサコイル8の影響を防ぐために、相反する方向で(バイファイラ態様で)構成される。
抵抗経路13は、勾配をより良く検知するために、センサ素子上に空間的に分散される。
この場合、X方向およびY方向での温度検知のために導入される経路は、センサコイル8の間に配置される。
また抵抗経路13は、Z方向でセンサコイル8の前方、間、または上方の独立した層に配置される。
これらの配置を組み合わせることも可能である。
Z=X1+X2+Y1+Y2
この場合、XiおよびYi(i=1,2)は、X方向およびY方向でそれぞれ対向するコイルの個別信号である。
この場合、X/Y変位を検知するコイル8と、Z変位を検知するコイル14とは、相互作用(変動)を防ぐために、典型的には異なる搬送周波数で制御される。
復調器の対応する巻線により、各コイル8、14またはコイル対8自体は、帯域通過動作を有する。
結果として、カバレッジ測定(X、Y)用のコイルと、間隔測定(Z)用のコイルとは、同時に、および、互いに独立して、作動することができる。
センサ素子15が、異なる圧力を有する2つの空間を分離する(密閉する)ために使用される場合、センサ素子15は、圧力の差異による欠損を防ぐために機械的に堅牢に構成されなければならず、アクチュエータの最大限の力と最大限の効率とを実現するために、磁気コア5と磁石2との間の磁気抵抗が可能な限り小さくしなければならない。
この場合、圧力差異に起因する曲げ応力に対して高い強度を実現するために、十字構造の厚さが比較的大きく(コイルセグメントの数倍の厚さ)とられている。
磁束を案内し、磁石2に対して可能な限り小さい磁気抵抗を持つことを意図された磁気コア5の領域では、センサ素子15の厚さが可能な限り低減されている。
異なるセンサ素子(X、Y、Z、温度)の接点接続は、一方では、極片の断面を最大化するために、他方では、センサ素子15を密封態様で導入できるように端部の自由度を維持するために、構造の支柱に配置される。
この場合、セラミックのセンサ素子15は、押圧、レーザーはんだ付け、真空はんだ付け等により、構造または筐体に導入される。
典型的には、ターゲット11は、変位が発生した場合にセンサ6とターゲット11との間の一定間隔を実現するために、球状に構成される。
この場合、球状のターゲット11の半径は、変位させられる磁石2の回転位置18に対する半径に適応している。
この発振回路に、固定周波数の交流電圧により電力が提供される。
センサ信号より、復調器(たとえば、振幅復調)で、傾斜情報がパルス幅に対してほぼ正比例するように表されたパルス幅変調信号が生成される。
復調器では、2つのコイル信号間の差分も直接生成される。
パルス幅変調信号より、信号の交流電圧部分が、低域通過フィルタにより除去される。
結果として生成された直流電圧部分は、アナログ/デジタル変換器により、デジタル傾斜値に変換することができる。
この傾斜のデジタル値は、信号処理作業により、さらに処理することもできる。
この場合、たとえば、温度補償や、2つのチャネル間での個別のセンサコイルの相互作用により生じるクロストークの補償を実現することができる。
そのような補償が可能なのは、クロストークの振幅が、コイル配置の固定形状によって決まるコイルの結合係数により画定されるからである。
2 ・・・ロータ、磁石、電機子
3 ・・・(アクチュエータの)コイル
4 ・・・力適用磁場
5 ・・・(アクチュエータの)コア
6 ・・・センサ(渦電流センサまたは静電容量センサ)
7 ・・・力伝達磁束
8 ・・・コイル、センサコイル
9 ・・・静電容量センサの電極
10 ・・・空隙
11 ・・・ターゲット
12 ・・・セラミック素子
13 ・・・抵抗経路
14 ・・・Z間隔用の独立したコイル
15 ・・・センサ素子、セラミック
16 ・・・ターゲットの面
17 ・・・ターゲットの変位
18 ・・・ターゲットの移動の回転位置
Claims (17)
- 電機子巻線である少なくとも1つのコイル(3)を有する磁気アクチュエータ(1)と、ロータとして動作する磁石(2)とを備え、前記コイル(3)が、前記磁石(2)に少なくとも1つの方向で力を作用させる磁場(4)を生成するアクチュエータ/センサ装置であって、
前記少なくとも1つの方向で前記磁石(2)の移動を検知するセンサ(6)が、前記コイル(3)と磁石(2)との間の力伝達磁束(7)に配置され、
前記センサ(6)が、前記磁気アクチュエータ(1)のX/Y方向(横変位)での移動を検知する2つ以上のセンサ素子を備えていることを特徴とする、アクチュエータ/センサ装置。 - 前記センサ(6)が、前記磁気アクチュエータ(1)のZ方向(磁気アクチュエータ(1)と磁石(2)との間の距離)での移動をさらに検知し、および/または、その目的のために、さらなるセンサ素子が設けられていることを特徴とする、請求項1に記載のアクチュエータ/センサ装置。
- 前記センサ(6)が、平坦構造型の渦電流センサであることを特徴とする、請求項1または請求項2に記載のアクチュエータ/センサ装置。
- 非強磁性である電導性のターゲット(11)が、前記磁石(2)に適用されることを特徴とする、請求項1乃至請求項3のいずれか一項に記載のアクチュエータ/センサ装置。
- 前記ターゲット(11)が、ポットのような態様で構築され、
前記磁石(2)が前記ターゲット(11)に配置されていることを特徴とする、請求項4に記載のアクチュエータ/センサ装置。 - 前記ターゲット(11)が、前記磁気アクチュエータ(1)に対向する面(16)を有する湾曲状または球状に構成され、
前記ターゲット(11)の横変位が発生した場合に、前記面(16)と前記センサ(6)または磁気アクチュエータ(1)との間に一定の間隔が生成されるようになされ、
前記面(16)の半径が、変位させられる前記ターゲット(11)の回転位置(18)に対する半径に適応していることを特徴とする、請求項4または請求項5に記載のアクチュエータ/センサ装置。 - 前記ターゲット(11)または磁石(2)の位置が、作動面の観点でコイル(8)により構造化されたセンサ(6)を利用して判断され、
前記センサコイル(8)により生成される磁場が、前記ターゲット(11)または磁石(2)の増加または減少するカバレッジにより影響を受けることを特徴とする、請求項4乃至請求項6のいずれか一項に記載のアクチュエータ/センサ装置。 - 前記センサ(6)が、前記磁気アクチュエータ(1)に関連付けられ、前記アクチュエータ(1)をカバーし、前記磁気アクチュエータ(1)を前記磁石(2)に対して密閉していることを特徴とする、請求項1乃至請求項7のいずれか一項に記載のアクチュエータ/センサ装置。
- 前記センサ(6)が、多層のセラミック素子(12)に統合されていることを特徴とする、請求項8に記載のアクチュエータ/センサ装置。
- 前記センサ(6)が、前記磁気アクチュエータ(1)を閉じるかまたはカバーするプレートまたはキャップに統合されていることを特徴とする、請求項8または請求項9に記載のアクチュエータ/センサ装置。
- 前記磁気アクチュエータ(1)が、前記Z方向で力を作用させ、または、素子の二重構造および対応する十字配置により、X方向およびY方向ならびに必要に応じて前記Z方向で力を作用させるように構成されていることを特徴とする、請求項1乃至請求項10のいずれか一項に記載のアクチュエータ/センサ装置。
- 前記センサ(6)が、異なる搬送周波数で作動するコイル(8)である2つ以上のセンサ素子を備えていることを特徴とする、請求項1乃至請求項11のいずれか一項に記載のアクチュエータ/センサ装置。
- 前記センサ(6)が、少なくとも1つのコイル対(8)を備え、
前記コイル対(8)のコイル(8)が、差動構成であることを特徴とする、請求項1乃至請求項12のいずれか一項に記載のアクチュエータ/センサ装置。 - 前記センサ(6)が、前記ターゲット(11)または磁石(2)のX方向およびY方向の変位(17)に加えて、前記ターゲット(11)または磁石(2)に対するZ方向の間隔も、すべてのコイル(8)の出力信号を合計するか、またはZ間隔を検知する独立したコイル(14)を利用することにより判断されるように構成され、
X/Y変位を判断する前記コイル(8)と、Z間隔を検知する前記コイル(14)とが、異なる搬送周波数で制御されることを特徴とする、請求項13に記載のアクチュエータ/センサ装置。 - 前記X/Y変位を測定する前記コイル(8)と、Z間隔を測定する前記コイル(14)とが、同時および互いに独立して作動可能であることを特徴とする、請求項14に記載のアクチュエータ/センサ装置。
- 前記センサ(6)が、前記センサ(6)の温度を測定するために、相反する方向で構成された抵抗経路(13)の形式をした抵抗素子により補足されることを特徴とする、請求項1乃至請求項15のいずれか一項に記載のアクチュエータ/センサ装置。
- 請求項1乃至請求項16のいずれか一項に記載のアクチュエータ/センサ装置で使用される、磁気アクチュエータ(1)を利用して変位させられるロータ(2)の移動を測定する方法であって、
前記磁気アクチュエータ(1)が、電機子巻線である少なくとも1つのコイル(3)を有し、
前記ロータ(2)が、磁石であり、
前記コイル(3)が、力適用磁場を生成して前記磁石に少なくとも1つの方向で力を作用させ、
前記磁石の前記少なくとも1つの方向での移動が、センサ(6)を利用して検知され、
前記センサ(6)が、前記コイル(3)と磁石(2)との間の前記力伝達磁束に配置されることを特徴とする方法。
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