JP7311500B2 - 磁気インピーダンス効果を利用した距離及び角度を測定するための電磁計測システム - Google Patents
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Description
I0 … 一定の電流振幅
i … キャリア電流
ω= 2πf、f … 一定の周波数
x … センサユニット3に対するスケール1の相対位置
λ … 磁気分割周期の半分
k … 自然数
US+、US-、UC+、UC- … 部分電圧
Uk … 一定の伝送電圧
UOS、UOC … 一定のオフセット電圧
α=(2π/λ)x … 電気的角度
なお、i=I0sinωt である。
この場合、以下の式が得られる。
測定方向xに沿って変化するように磁化され、この磁化により対応して変化する磁場Bを引き起こすスケール1と、
前記磁場Bが貫通する少なくとも1つのセンサユニット3と、
を有し、前記センサユニット2は、
磁気インピーダンス効果により、磁場Bに依存し、かつ前記測定方向xに沿って変化する局所的な電気的インピーダンスを有する、少なくとも1つの強磁性の薄片6と、
前記薄片6の領域で前記局所的な電気的インピーダンスに依存するセンサ信号(例えば、US+、US-、UC+、UC-)を生成するように構成された少なくとも1つのセンサ素子(例えば、図3、5、6、符号6、7、10参照)と、
を有する。
交流電流(i)を供給するように構成された信号源を有し、
前記少なくとも1つの強磁性の薄片6が前記信号源に接続されており、前記少なくとも1つの強磁性の薄片6には、測定方向xを横切る交流電流iが流れ、動作時に一定の周波数と一定の振幅を有しており、
前記測定方向xに沿って変化する局所電気インピーダンスにより、少なくとも1つの強磁性の薄片6における結果として生じる電流密度(交流iの分布)は異なる。
前記少なくとも1つの薄片(6)は、前記測定方向(x)に沿って互いに並んで配置された少なくとも2つの薄片を含み、
前記少なくとも1つのセンサ素子(図3、符号6参照)は、少なくとも2つのセンサ素子(S+、S-、C+、C-)を含み、前記少なくとも2つのセンサ素子(S+、S-、C+、C-)は、前記薄片自体によって形成され、前記薄片には、センサ信号(US+、US-、UC+、UC-)として、前記測定方向xを横切る方向に電圧が掛けられる。
前記少なくとも1つのセンサ素子は、磁場に感度を有する半導体センサ素子または磁場に感度を有する薄膜センサ素子であり、センサ信号として、少なくとも1つの薄片を流れる交流電流によって引き起こされる磁場強度を表す信号を生成する。
前記少なくとも1つのセンサ素子が平面コイル(図5、コイル10参照)を有する。
前記少なくとも1つのセンサ素子は、前記測定方向に沿って互いに並んで配置された第1のセンサ素子S+および第2のセンサ素子S-を含み、
前記第1のセンサ素子S+および前記第2のセンサ素子S-のセンサ信号US+、US-は、差信号を形成するように結び付けられる(図3乃至図6を参照)。
前記少なくとも1つのセンサ素子は、少なくとも1つの平面コイル10を有し、前記センサユニット3は、さらに、少なくとも1つの送信コイル11を有し、前記少なくとも1つの送信コイル11は、前記信号源41に接続され、少前記なくとも1つの平面コイル10に変圧的に結合され(図6参照)、
前記少なくとも1つの薄片6が、前記少なくとも1つの6の局所インピーダンスに依存する渦電流を誘導する鉄心として機能する。
前記スケール1は、規則的な分割2・λを有し、
前記少なくとも1つのセンサ素子は、第1のグループの少なくとも2つのセンサ素子と、第2のグループの少なくとも2つのセンサ素子とを含み、
前記第1のグループの前記センサ素子は、前記分割の半分の倍数に対応する距離λだけずれて配置されており、
前記第2のグループの前記センサ素子は、前記第1のグループの前記センサ素子に対して、前記周期の半分の倍数に前記分割の4分の1を加えた長さに対応する距離(すなたち、n・λ+λ/4)だけずれて配置されている。
前記スケール1は、互いに隣接して配置された複数のトラックを有する。
前記スケールは円筒形状を有し、前記スケールの分割は角分割である。
測定方向に沿って変化するように磁化されたスケール1によって、前記測定方向xに沿って変化する磁場Bを生成するステップと、
センサユニット3に配置された少なくとも1つの薄片6の局所的で電気的なインピーダンスに影響を与えるステップであって、局所的で電気的な前記インピーダンスは、磁気インピーダンス効果による局所磁場に依存し、したがって、前記センサユニット3に対する前記スケール1の位置に依存するステップと、
なくとも1つの薄片6のある領域における局所的で電気的な前記インピーダンスを表す信号をセンサ素子により検出するステップと、
を有する。
少なくとも1つの薄片6に高周波交流電流を供給するステップであって、前記測定方向xに沿った電流分布が前記少なくとも1つの薄片6の局所的で電気的な前記インピーダンスに依存しているスッテプと、
前記センサ素子によって検出された信号の復調を行うステップと、
を有する。
局所的で電気的な前記インピーダンスを表す前記信号を前記センサ素子により検知する前記ステップは、
少なくとも1つの薄片6に、局所的で電気的なインピーダンスに依存する電圧を掛けるステップ、又は
少なくとも1つの薄片6に局所的に流れる交流電流によって引き起こされる磁場の強さを表すセンサ信号を、平面コイルまたは磁場に感度を有する半導体素子または薄膜センサ素子によって検出するステップ、
を有する。
前記少なくとも1つの薄片(6)の局所的で電気的な前記インピーダンスは、少なくとも1つの送信コイル(11)に流れる交流電流により影響を受け、
平面コイルは、センサ素子として使用され、平面コイルは、前記送信コイル11に変圧的に結合され、強磁性の前記少なくとも1つの薄片6は、鉄心として機能する。
2 … 走査ヘッド
3 … センサユニット
4 … 評価電子回路
6 … 薄片
10 … 受信コイル
11 … 送信コイル
41 … 信号源
42、43 … 差動増幅器
44 … 復調器
45 … アナログ/デジタル変換器
B … 磁場
i … 交流電流
S+、S-、C+、C- … センサ素子
US、UC … センサ信号
US+、US-、UC+、UC- … 測定情報
x … 測定方向
Claims (14)
- 距離又は角度を測定する測定装置であって、
測定方向(x)に沿って変化するように磁化され、この磁化により対応して変化する磁場(B)を引き起こすスケール(1)と、
変化する前記磁場(B)が前記スケール(1)に対する相対的な位置に応じて前記測定方向(x)に貫通する少なくとも1つの走査ヘッド(2)と、
を有し、前記走査ヘッド(2)は、
磁気インピーダンス効果により、前記磁場(B)に依存し、かつ前記測定方向(x)に沿って変化する局所的で電気的なインピーダンスを有する少なくとも1つの強磁性の薄片(6)と、
前記測定方向(x)を横切って流れるように交流電流を前記少なくとも1つの強磁性の薄片(6)に供給するように構成された信号源と、
前記少なくとも1つの強磁性の薄片(6)の局所的で電気的な前記インピーダンスに依存する少なくとも2つの位相シフトされたセンサ信号(US、UC)を生成するように構成された少なくとも1つのセンサユニット(3)と、
を有する測定装置。 - 請求項1に記載の測定装置であって、
前記測定方向(x)に沿って互いに離間し、並んで配置された少なくとも2つの強磁性の薄片(6)を更に有し、
前記交流電流は、一定の振幅と一定の周波数を有し、
前記少なくとも2つの薄片(6)は、それ自体が前記センサユニット(3)のセンサ素子を形成し、
前記走査ヘッド(2)に対する前記スケール(1)の位置に依存して前記測定方向(x)に沿って変化する前記磁場(B)が、前記少なくとも2つの薄片(6)の前記インピーダンスに影響を与え、前記インピーダンスは、測定情報(US+、US-、UC+、UC-)として評価される測定装置。 - 請求項1又は請求項2に記載の測定装置であって、
前記磁場(B)により局所的に変化する、強磁性の前記薄片(6)内の局所的な電流強度が、センサ素子として動作する平面コイル(10)によって検出される測定装置。 - 距離又は角度を測定する測定装置であって、前記測定装置は、
測定方向(x)に沿って変化するように磁化され、この磁化により対応して変化する磁場(B)を引き起こすスケール(1)と、
変化する前記磁場(B)が前記スケール(1)に対する相対的な位置に応じて前記測定方向(x)に貫通する少なくとも1つの走査ヘッド(2)と、
を有し、前記走査ヘッド(2)は、
磁気インピーダンス効果により、前記磁場(B)に依存し、かつ前記測定方向(x)に沿って変化する局所的で電気的なインピーダンスを有する少なくとも1つの強磁性の薄片(6)と、
前記少なくとも1つの強磁性の薄片(6)の局所的で電気的な前記インピーダンスに依存する少なくとも2つの位相シフトされたセンサ信号(U S 、U C )を生成するように構成された1つのセンサユニット(3)と、
交流電流(i)を供給するように構成された信号源を有し、
前記センサユニット(3)は、前記信号源に接続され、少なくとも1つの平面受信コイル(10)に誘導的に結合された少なくとも1つの送信コイル(11)を有し、
少なくとも1つの前記薄片(6)が鉄心として機能し、前記送信コイル(11)は、前記鉄心の中で、少なくとも1つの前記薄片(6)の局所的な前記インピーダンスに依存する渦電流を誘導する測定装置。 - 請求項1乃至請求項4の何れか一項に記載の測定装置であって、
ここで、センサ信号(US及びUC)の各々の生成は、それぞれ、2つの測定情報(US+,US-;UC+,UC-)間の差をとることによって実行され、
前記2つの測定情報(US+,US-;UC+,UC-)は、それぞれ、前記測定方向(x)に沿って間隔を置いてセンサユニット(3)内に配置された、少なくとも1組の個別のセンサ素子(S+,S-;C+,C-)によって生成される測定装置。 - 請求項1乃至請求項5の何れか一項に記載の測定装置であって、
前記スケール(1)は、磁気分割周期の半分(λ)の2倍の周期(2・λ)の規則的な分割を有し、
前記センサユニット(3)は、第1のグループの少なくとも2つのセンサ素子と、第2のグループの少なくとも2つのセンサ素子とを含み、
前記第1のグループの前記センサ素子は、前記周期の半分の奇数倍にほぼ対応する距離((2n+1)・λ/2)だけ互いにずれて配置されており、
前記第2のグループの前記センサ素子は、前記第1のグループの前記センサ素子に対して、前記周期の半分の倍数に前記周期の4分の1を加えた長さに対応する距離(n・λ+λ/4)だけずれて配置されている測定装置。 - 請求項1乃至請求項6の何れか一項に記載の測定装置であって、
前記スケール(1)は、互いに隣接して配置された複数の磁気トラックを有する測定装置。 - 請求項1乃至請求項7の何れか一項に記載の測定装置であって、
前記スケールは、前記走査ヘッド(2)に対する前記スケールの位置を一意に定義する絶対コーディングを有する測定装置。 - 請求項1乃至請求項8の何れか一項記載の測定装置であって、
前記スケールは円筒形状を有し、前記スケールの分割は角分割である測定装置。 - 請求項1乃至請求項8の何れか一項に記載の測定装置であって、
強磁性の前記薄片は、線形、非線形、及び磁気飽和の状態の範囲で機能する測定装置。 - スケール(1)と前記スケール(1)から離間した走査ヘッド(2)との間の相対位置を測定する方法であって、
測定方向に沿って変化するように磁化されたスケール(1)によって、前記測定方向(x)に沿って変化する磁場(B)を生成するステップと、
センサユニット(3)に配置された少なくとも1つの薄片(6)の局所的で電気的なインピーダンスに影響を与えるステップであって、局所的で電気的な前記インピーダンスは、磁気インピーダンス効果による局所的な磁場に依存し、前記センサユニット(3)に対する前記スケール(1)の位置に依存し、少なくとも2つの位相シフトされた測定信号を生成するステップと、
前記少なくとも1つの薄片(6)の、ある領域における局所的で電気的な前記インピーダンスを表す信号をセンサ素子により検出するステップと、
前記測定方向(x)を横切って流れるように前記少なくとも1つの薄片(6)へ交流電流を供給するか、又は、少なくとも1つの送信コイル(11)を用いて渦電流を誘導するステップと、
を有し、
前記少なくとも1つの薄片(6)の電流分布が前記少なくとも1つの薄片(6)の局所的で電気的な前記インピーダンスに依存している
方法。 - 請求項11に記載の方法であって、
前記センサ素子によって検出された信号の復調を含む評価を行うステップと、
をさらに有する方法。 - 請求項11又は12に記載の方法であって、
前記信号を前記センサ素子により検知する前記ステップは、
前記少なくとも1つの薄片(6)に局所的な前記インピーダンスに依存する電圧をかけるステップ、又は
前記少なくとも1つの薄片(6)に局所的に流れる交流電流によって引き起こされる磁場の強さを表すセンサ信号を、平面コイル、又は、磁場に感度を有する半導体素子、又は薄膜センサ素子によって検出するステップ、
を有する方法。 - 請求項13に記載の方法であって、
平面受信コイル(10)が、センサ素子として使用され、前記平面受信コイル(10)は、前記送信コイル(11)に誘導的に結合され、強磁性の前記少なくとも1つの薄片(6)は、鉄心として機能する方法。
Applications Claiming Priority (5)
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