JP6642915B2 - Electromagnetic induction type position detector - Google Patents
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Description
本発明は、電磁誘導式位置検出器に関する。 The present invention relates to an electromagnetic induction type position detector.
電磁誘導式位置検出器であるインダクトシン方式のスケールは、工作機械、自動車、ロボットなどの各種機械における位置検出に適用される。インダクトシン方式のスケールにはリニア形スケールとロータリ形スケールがある。 2. Description of the Related Art Inductosin type scales, which are electromagnetic induction type position detectors, are applied to position detection in various machines such as machine tools, automobiles, and robots. There are a linear scale and a rotary scale in the scale of the inductosin system.
リニア形スケールは工作機械のテーブルなどの移動体に設置されて当該移動体の直線的な移動位置を検出するものであり、ロータリ形スケールは工作機械の回転テーブルなどの移動体(回転体)に設置されて該移動体(回転体)の回転位置(回転角度)を検出するものである。 The linear scale is installed on a moving body such as a table of a machine tool and detects the linear moving position of the moving body. The rotary scale is mounted on a moving body (a rotating body) such as a rotary table of a machine tool. It is installed and detects the rotational position (rotation angle) of the moving body (rotating body).
リニア形スケールとロータリ形スケールはいずれも、互いに平行に向かい合わせになるように配置されたコイルパターンの電磁誘導により位置を検出するものである。この検出原理を図6の原理図に基づいて説明する。 Both the linear scale and the rotary scale detect positions by electromagnetic induction of coil patterns arranged so as to face each other in parallel. This detection principle will be described with reference to the principle diagram of FIG.
図6(a)はリニア形スケールのスライダとスケールを互いに平行に向かい合わせになるように配置した状態を示す斜視図、図6(b)はスライダとスケールを並べて示す模式図、図6(c)はスライダとスケールの電磁結合度を示すグラフである。 FIG. 6A is a perspective view showing a state in which a linear scale slider and a scale are arranged so as to face each other in parallel, FIG. 6B is a schematic view showing the slider and the scale side by side, and FIG. ) Is a graph showing the degree of electromagnetic coupling between the slider and the scale.
なお、ロータリ形スケールの検出原理もリニア形スケールと同様であり、ロータリ形スケールのステータとロータが、リニア形スケールのスライダとスケールに対応している。リニア形スケールとロータリ形スケールはいずれも、検出部と検出制御装置とを有している。 The detection principle of the rotary scale is the same as that of the linear scale, and the stator and rotor of the rotary scale correspond to the slider and scale of the linear scale. Each of the linear scale and the rotary scale has a detection unit and a detection control device.
図6(a)(b)に示すように、リニア形スケールの検出部100は、一次側部材であるスライダ101と、二次側部材であるスケール102とを有している。
As shown in FIGS. 6A and 6B, the linear
スライダ101は可動部であり、第1の一次側コイルである第1スライダコイル103と、第2の一次側コイルである第2スライダコイル104とを有している。スケール102は固定部であり、二次側コイルであるスケールコイル105を有している。コイル103,104,105はジグザグ状に折り返され(櫛形パターンとなっており)、全体が直線状に延伸して形成されている。
The
スライダ101は工作機械のテーブルなどの移動体に取り付けられて当該移動体とともに直線的に移動する。スケール102は工作機械のベッドなどの固定部に固定される。
The
図6(a)に示すように、スライダ101(第1スライダコイル103及び第2スライダコイル104)と、スケール102(スケールコイル105)とは、これらの間に所定のギャップgを保持した状態で相対向して配置されている。また、図6(a)及び図6(b)に示すように、第1スライダコイル103と第2スライダコイル104は1/4ピッチずれている。
As shown in FIG. 6A, the slider 101 (the
上記構成のリニア形スケールでは、第1スライダコイル103と第2スライダコイル104に励磁電流(交流電流)を印加すると、第1スライダコイル103及び第2スライダコイル104と、スケールコイル105との、スライダ101の移動に伴う相対的な位置関係の変化に応じて、図6(c)に示すように、第1スライダコイル103及び第2スライダコイル104と、スケールコイル105との電磁結合度が、周期的に変化する。このため、スケールコイル105には周期的に変化する誘起電圧が発生する。
In the linear scale having the above configuration, when an exciting current (AC current) is applied to the
具体的には、リニア形スケールの検出制御装置では、第1スライダコイル103に下記(1)式に示す電流Icを印加し、第2スライダコイル104に下記(2)式に示す電流Isを印加する。
Ic=−Icos(kα)sin(ωct) …(1)
Is=Isin(kα)sin(ωct) …(2)
(ただし、I:電流の大きさ、k:2π/P、P:スケールコイルの1ピッチの長さ(ロータリ形スケールでは角度)、ωc:交流電流の角周波数、t:時刻、α:パラメータ)
Specifically, in the detection control device of the linear scale, a current Ic shown in the following equation (1) is applied to the
Ic = -Icos (kα) sin ( ω c t) ... (1)
Is = Isin (kα) sin ( ω c t) ... (2)
(However, I: magnitude of current, k: 2π / P, P: length of one pitch of the scale coil (angle in a rotary type scale), ω c : angular frequency of AC current, t: time, α: parameter )
その結果、第1スライダコイル103及び第2スライダコイル104と、スケールコイル105との間の電磁誘導作用により、スケールコイル105には下記(3)式に示す誘起電圧Vが発生する。
V=ωcK(g)Isin(k(X−α)) sin(ωct) …(3)
(ただし、K:スライダコイルとスケールコイルとのギャップgに依存する係数、X:スケールの位置変位(検出位置))
As a result, due to the electromagnetic induction between the
V = ω c K (g) Isin (k (X-α)) sin (ω c t) ... (3)
(However, K: coefficient depending on the gap g between the slider coil and the scale coil, X: displacement of the scale (detection position))
検出制御装置では、スケールコイル105の誘起電圧Vを入力して、該誘起電圧Vが0となるパラメータα(すなわちX=αとなるα)の値を計算し、このパラメータαを、移動体(スライダ101)の検出位置Xとして出力し、かつ、パラメータαに基づいて電流Ic及び電流Isを調整する。すなわち、X=αとなるように移動体の位置Xに対してパラメータαを追従させて、誘起電圧V=0となるように制御することにより、移動体の位置Xを検出して出力する。
The detection control device inputs the induced voltage V of the
なお、下記特許文献1には、レゾルバの角度を検出する角度検出装置において、常に安定かつ高精度な角度検出を行うための技術が開示されている。 Patent Document 1 below discloses a technique for always performing stable and highly accurate angle detection in an angle detection device that detects the angle of a resolver.
上述した従来の電磁誘導式位置検出器では、下記[1]〜[3]の問題点がある。 The conventional electromagnetic induction type position detector described above has the following problems [1] to [3].
[1]第1スライダコイル103、第2スライダコイル104及びスケールコイル105が小さくなると、結合度ωcK(g)は低下し、SN比が悪化する。その為、コンパクト化が容易でない。
[1] When the
[2]ギャップgを広くすると、結合度ωcK(g)は低下し、SN比が悪化する。その為、大きなギャップが取れない。 [2] When the gap g is widened, the degree of coupling ω c K (g) decreases and the SN ratio deteriorates. Therefore, a large gap cannot be obtained.
[3]ωcを高周波にすると、ωcK(g)が大きくなり信号は強くできるが、第1スライダコイル103及び第2スライダコイル104に印加する電流波形を、DAコンバータで生成する場合、図7のグラフに示すように、DAコンバータのサンプリング周波数(周期Δt)は、ωcの数十倍必要である(図中の矩形の線)ため、周波数ωcが高くなると
DAコンバータが高価になる、もしくは実現できない。なお、図7中のTは、T=2π/ωである。
[3] When ω c is set to a high frequency, ω c K (g) increases and the signal can be increased. However, when a current waveform applied to the
そこで、本発明では、一次側コイルと二次側コイルとの電磁結合度を向上させることができる電磁誘導式位置検出器を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide an electromagnetic induction type position detector that can improve the degree of electromagnetic coupling between a primary coil and a secondary coil.
上記課題を解決する第1の発明に係る電磁誘導式位置検出器は、
第1の一次側コイル及び第2の一次側コイルを備えた一次側部材と、二次側コイルを備えた二次側部材と、前記第1の一次側コイル及び前記第2の一次側コイルに信号を印加する信号発生器とを有し、前記一次側部材又は前記二次側部材が移動体に取り付けられて該移動体とともに移動し、前記第1の一次側コイル及び前記第2の一次側コイルと前記二次側コイルとがギャップを有し相対向して配置された、電磁誘導式位置検出器であって、
前記信号発生器は、下記(A)式に示す電流Icに対し、ωc<ωとしたとき周期2π/ωで極性を反転させたものを、前記信号として前記第1の一次側部材に印加し、下記(B)式に示す電流Isに対し、ωc<ωとしたとき周期2π/ωで極性を反転させたものを、前記信号として前記第2の一次側部材に印加し、
さらに、
前記二次側コイルに発生する誘起電圧を0とするようにαを調整することにより、位置検出を行う、制御部を備える
ことを特徴とする。
Ic=−Icos(kα)sin(ωct) …(A)
Is=Isin(kα)sin(ωct) …(B)
ただし、Iは電流の大きさ、kは2π/P、Pは前記二次側コイルの1ピッチの長さ又は角度、ωcは角周波数、tは時刻、αはパラメータ
An electromagnetic induction type position detector according to a first invention for solving the above-mentioned problems,
A primary member having a first primary coil and a second primary coil, a secondary member having a secondary coil, and the first primary coil and the second primary coil. A signal generator for applying a signal, wherein the primary side member or the secondary side member is attached to a moving body and moves together with the moving body, and the first primary side coil and the second primary side An electromagnetic induction type position detector, wherein the coil and the secondary coil are arranged to face each other with a gap,
The signal generator applies, to the first primary member, a signal obtained by inverting the polarity at a period of 2π / ω when ω c <ω with respect to a current Ic shown in the following equation (A). Then, for the current Is shown in the following equation (B), when ω c <ω and the polarity is inverted at a period of 2π / ω, the signal is applied to the second primary member as the signal,
further,
A control unit that performs position detection by adjusting α so that the induced voltage generated in the secondary coil is set to 0 is provided.
Ic = -Icos (kα) sin ( ω c t) ... (A)
Is = Isin (kα) sin ( ω c t) ... (B)
However, the magnitude of I is current, k is 2 [pi / P, P is the length or angle of one pitch of the secondary side coil, omega c is the angular frequency, t is time, alpha is the parameter
上記課題を解決する第2の発明に係る電磁誘導式位置検出器は、
上記第1の発明に係る電磁誘導式位置検出器において、
前記信号発生器は、前記電流Ic及び前記電流Isに対し、下記式に示すZ(t)を積算することにより、周期2π/ωで極性を反転させる
ことを特徴とする。
In the electromagnetic induction type position detector according to the first aspect,
The signal generator inverts the polarity at a period of 2π / ω by multiplying the current Ic and the current Is by Z (t) shown in the following equation.
上記課題を解決する第3の発明に係る電磁誘導式位置検出器は、
上記第1又は2の発明に係る電磁誘導式位置検出器において、
さらに、
前記誘起電圧からn>1の項を除去するローパスフィルタを備え、
前記制御部は、前記ローパスフィルタからの出力を0とするように前記パラメータαを調整することにより、位置検出を行う
ことを特徴とする。
An electromagnetic induction position detector according to a third invention for solving the above-mentioned problems,
In the electromagnetic induction type position detector according to the first or second aspect,
further,
A low-pass filter for removing a term of n> 1 from the induced voltage;
The control unit performs position detection by adjusting the parameter α so that the output from the low-pass filter is set to 0.
本発明に係る電磁誘導式位置検出器によれば、一次側コイルと二次側コイルとの電磁結合度を向上させることができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to the electromagnetic induction type position detector which concerns on this invention, the electromagnetic coupling of a primary side coil and a secondary side coil can be improved.
以下、本発明に係る電磁誘導式位置検出器を実施例にて図面を用いて説明する。なお、以下ではリニア形スケールを例として説明しているが、ロータリ形スケールも同様である。 Hereinafter, an electromagnetic induction type position detector according to the present invention will be described with reference to the drawings using embodiments. In the following, a linear scale is described as an example, but the same applies to a rotary scale.
[実施例1]
図1は、本実施例に係る電磁誘導式位置検出器を説明するブロック図である。本実施例に係る電磁誘導式位置検出器は、主に、検出部10、及び、検出制御装置としての信号発生器16、ローパスフィルタ17、制御部18を備えている。なお、検出部10については従来の検出部100と同様であり、図1中では、スライダ及びスケールは省略し、コイル(第1スライダコイル13、第2スライダコイル14、スケールコイル15)のみを示している。
[Example 1]
FIG. 1 is a block diagram illustrating an electromagnetic induction type position detector according to the present embodiment. The electromagnetic induction type position detector according to the present embodiment mainly includes a
信号発生器16は、第1スライダコイル13に下記(4)式に示す電流Ic´を、第2スライダコイル14に下記(5)式に示す電流Is´を、それぞれ印加する。
Ic´=−Icos(kα)sin(ωct)Z(t) …(4)
Is´=Isin(kα) sin(ωct)Z(t) …(5)
The
Ic' = -Icos (kα) sin ( ω c t) Z (t) ... (4)
Is' = Isin (kα) sin ( ω c t) Z (t) ... (5)
Z(t)は矩形波(矩形のパルス波形)であり、フーリエ展開すると下記(6)式で表され、図2のグラフに示す波形となる。
よって、電流Ic´は下記(7´)式(下記(7)式から変換)で表され、図3のグラフに示す波形となる。すなわち、電流Ic´は、上記(1)式に示す電流Icに対し、周期2π/ωで極性を反転させたものとなる。なお、図3中のTは、T=2π/ωcである。
また、電流Is´も同様にして、下記(8)式で表される。すなわち、電流Is´は、上記(2)式で表される電流Isに対し、周期2π/ωで極性を反転させたものとなる。
第1スライダコイル13及び第2スライダコイル14に、それぞれ電流Ic´,Is´を印加することにより、スケールコイル15に下記(9)式に示す誘起電圧V´が発生する。
電磁誘導式位置検出器は、V´が0になるようなパラメータαが検出位置Xとなる。ただし、本実施例では、ローパスフィルタ17を設けている。ローパスフィルタ17は、スケールコイル15に発生する上記誘起電圧V´のうち、n>1の項を除去した電圧Vfを出力する。電圧Vfは下記(10´)式(下記(10)式から変換)のようになる。
制御部18では、上記電圧Vfを0とするように、電流Is´,Ic´のパラメータαを調整し、位置X=αとして位置検出を行う。
The
本実施例による電磁結合度の増加を図4に表す。図4は、従来の電磁誘導式位置検出器による誘起電圧Vと本実施例による誘起電圧Vfとを比較したグラフである。図4では、一例として、ωc=2π×100kHz,ω=2π×4MHzの場合を示している。 FIG. 4 shows an increase in the degree of electromagnetic coupling according to this embodiment. FIG. 4 is a graph comparing the induced voltage V of the conventional electromagnetic induction type position detector with the induced voltage Vf of the present embodiment. FIG. 4 shows a case where ω c = 2π × 100 kHz and ω = 2π × 4 MHz as an example.
図4に示すように、従来の誘起電圧Vに比べ、本実施例の誘起電圧Vfは、その振幅が大きく増大している。すなわち、本実施例では電磁結合度が向上していることがわかる。これにより、本実施例ではSN比の悪化を防止することができる。特に、周波数ωcを、ωc<<ωと、高周波にすると、より結合度が向上する。また、DAコンバータを用いて電流Ic,Isを生成する場合に、DAコンバータのサンプリング周波数ωを大きく上げる必要もなくなる。 As shown in FIG. 4, the amplitude of the induced voltage Vf of the present embodiment is greatly increased as compared with the conventional induced voltage V. That is, it can be seen that in the present embodiment, the degree of electromagnetic coupling is improved. Thus, in the present embodiment, it is possible to prevent the SN ratio from deteriorating. In particular, when the frequency ω c is set to a high frequency of ω c << ω, the degree of coupling is further improved. Further, when the currents Ic and Is are generated using the DA converter, it is not necessary to greatly increase the sampling frequency ω of the DA converter.
[実施例2]
図5は、本実施例に係る電磁誘導式位置検出器を説明するブロック図である。図5に示すように、本実施例に係る電磁誘導式位置検出器は、主に、検出部10、及び、検出制御装置としての信号発生器21、第1反転回路22、第2反転回路23、ローパスフィルタ17、制御部18を備えている。
[Example 2]
FIG. 5 is a block diagram illustrating an electromagnetic induction type position detector according to the present embodiment. As shown in FIG. 5, the electromagnetic induction type position detector according to the present embodiment mainly includes a
なお、検出部10については従来の検出部100と同様であり、図5中では、スライダ及びスケールは省略し、コイル(第1スライダコイル13、第2スライダコイル14、スケールコイル15)のみを示している。また、ローパスフィルタ17及び制御部18については、実施例1と同様のため、説明を省略する。
The
信号発生器21は、上記(1)式に示す電流Ic及び上記(2)式に示す電流Isをそれぞれ出力する信号発生部21aと、後述の第1反転回路22及び第2反転回路23とを有している。
The
第1反転回路22は、電流Icに対し、周期2π/ωで極性を反転させ、これを電流Ic´として第1スライダコイル13に印加する。なお、この電流Ic´は、実施例1において図3を用いて説明した電流Ic´と同様の波形となる。
The
第2反転回路23は、電流Isに対し、周期2π/ωで極性を反転させ、これを電流Is´として第1スライダコイル13に印加する。なお、この電流Is´は、実施例1において説明した電流Is´と同様の波形となる。
The second inverting circuit 23 inverts the polarity of the current Is at a period of 2π / ω and applies this to the
このようにして、本実施例では、第1スライダコイル13及び第2スライダコイル14に印加する電流の波形を実施例1と同様のものとし、実施例1と同様の作用効果を得ることができる。
As described above, in the present embodiment, the waveforms of the currents applied to the
本発明は、電磁誘導式位置検出器として好適である。 The present invention is suitable as an electromagnetic induction type position detector.
10,100 検出部
13,103 第1スライダコイル(第1の一次側コイル)
14,104 第2スライダコイル(第2の一次側コイル)
15,105 スケールコイル(二次側コイル)
16,21 信号発生器
21a 信号発生部
17 ローパスフィルタ
18 制御部
22 第1反転回路
23 第2反転回路
101 スライダ
102 スケール
10, 100
14, 104 Second slider coil (second primary coil)
15,105 Scale coil (secondary coil)
16, 21
Claims (3)
前記信号発生器は、下記(A)式に示す電流Icに対し、ωc<ωとしたとき周期2π/ωで極性を反転させたものを、前記信号として前記第1の一次側コイルに印加し、下記(B)式に示す電流Isに対し、ωc<ωとしたとき周期2π/ωで極性を反転させたものを、前記信号として前記第2の一次側コイルに印加し、
さらに、
前記二次側コイルに発生する誘起電圧を0とするようにαを調整することにより、位置検出を行う、制御部を備える
ことを特徴とする電磁誘導式位置検出器。
Ic=−Icos(kα)sin(ωct) …(A)
Is=Isin(kα)sin(ωct) …(B)
ただし、Iは電流の大きさ、kは2π/P、Pは前記二次側コイルの1ピッチの長さ又は角度、ωcは角周波数、tは時刻、αはパラメータ A primary member having a first primary coil and a second primary coil, a secondary member having a secondary coil, and the first primary coil and the second primary coil. A signal generator for applying a signal, wherein the primary side member or the secondary side member is attached to a moving body and moves together with the moving body, and the first primary side coil and the second primary side An electromagnetic induction type position detector, wherein the coil and the secondary coil are arranged to face each other with a gap,
The signal generator applies the current Ic shown in the following formula (A), whose polarity is inverted at a period of 2π / ω when ωc <ω, to the first primary coil as the signal. A current Is shown in the following equation (B), the polarity of which is inverted at a period of 2π / ω when ωc <ω is applied to the second primary coil as the signal,
further,
An electromagnetic induction type position detector, comprising: a control unit that performs position detection by adjusting α so that an induced voltage generated in the secondary coil is set to 0.
Ic = −Icos (kα) sin (ωct) (A)
Is = Isin (kα) sin (ωct) (B)
Here, I is the magnitude of current, k is 2π / P, P is the length or angle of one pitch of the secondary coil, ωc is angular frequency, t is time, α is a parameter
ことを特徴とする請求項1に記載の電磁誘導式位置検出器。
前記誘起電圧からn>1の項を除去するローパスフィルタを備え、
前記制御部は、前記ローパスフィルタからの出力を0とするように前記パラメータαを調整することにより、位置検出を行う
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の電磁誘導式位置検出器。 further,
A low-pass filter for removing a term of n> 1 from the induced voltage;
3. The electromagnetic induction type position detector according to claim 1, wherein the control unit performs position detection by adjusting the parameter α such that an output from the low-pass filter is set to 0. 4.
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