JP7545167B2 - 線形変位アブソリュート位置エンコーダ - Google Patents

Description

本開示の実施形態は、磁気センサの分野に関し、より詳細には、線形変位アブソリュート位置エンコーダに関する。

線形変位センサは、精密機器における変位測定、工作機械の作業台の位置制御、エレベータの位置モニタリング等などの位置のモニタリングおよび測定において広く使用されている。

光電センサ、容量結合センサ、および磁気グリッド・センサは、通常、長距離変位測定を測定するために使用される。その高い耐汚染特性により、磁気グリッド・センサは、エレベータ、野外のレール等などの過酷な環境における使用により適している。

しかしながら、現在、磁気グリッド変位センサの検出距離は、比較的短く、通常、１０メートル以内である。磁気グリッド変位センサが長距離変位測定に適用される場合、永久磁石磁気グリッドのコストが高いという問題がある。

本開示の実施形態の目的は、線形変位アブソリュート位置エンコーダを提供することであり、このエンコーダは、コストが安く、遠距離をモニタすることができる。

この目的を達成するために、本開示の実施形態は、
被試験装置の変位を測定するために使用される線形変位アブソリュート位置エンコーダであって、基部、磁気抵抗センサ・アレイ、符号化ストリップ、および後方磁石を備え、
符号化ストリップは、基部上に固定され、被試験装置のレールの方向に延び、符号化ストリップは、異なる位置の符号化情報を特定するための凹部および突部を有する磁性材料ブロックであり、
磁気抵抗センサ・アレイは、符号化ストリップと後方磁石との間に非接触式で配置され、
後方磁石は、符号化ストリップを磁化するように符号化ストリップの周りに不均一な磁場を発生させるために使用され、
磁気抵抗センサ・アレイは、磁気抵抗センサをＮ行およびＭ列で備え、Ｎ≧１、Ｍ≧１、ならびにＮおよびＭは、共に正の整数であり、磁気抵抗センサ・アレイは、符号化ストリップの磁場情報を検出することによって符号化ストリップの位置符号化情報を取得するために使用される、線形変位アブソリュート位置エンコーダという技術的解決策を採用する。

さらに、符号化ストリップは、被試験装置のレールの方向に配置されたＰ行の符号化チャンネルを有し、符号化チャンネルは、行ごとに、Ｍ個の符号化ビットを備え、符号化ビットは、凹部または突部によって形成され、Ｍ個の符号化ビットは、それらが位置する符号化チャンネルの位置符号化情報を構成し、それぞれの行における符号化チャンネルの位置符号化情報は異なり、ただし、１≦Ｐ≦２^Ｍであり、Ｐは正の整数である。

さらに、行方向において、各行における２つの隣接した磁気抵抗センサ間の間隔は、各行における２つの隣接した符号化ビット間の間隔に等しい。

さらに、磁気抵抗センサは、線形磁気抵抗センサであり、線形磁気抵抗センサは、ホール効果センサ、異方性センサ、巨大磁気抵抗センサ、およびトンネル磁気抵抗センサのいずれか１つを含む。

さらに、磁気抵抗センサは、傾斜磁気抵抗センサであり、傾斜磁気抵抗センサは、ホール効果センサ、異方性センサ、巨大磁気抵抗センサ、およびトンネル磁気抵抗センサのいずれか１つを含む。

さらに、符号化ストリップは、基部と一体形成される。

さらに、符号化ストリップの符号化形態は、２進コードまたはグレイ・コードである。

本開示の実施形態によれば、符号化ストリップは、異なる位置の符号化情報を特定するための凹部および突部を有する磁性材料ブロックによって形成され、符号化ストリップは、基部上に固定され、被試験装置のレールの方向に延び、磁気抵抗センサ・アレイは、符号化ストリップと後方磁石の間に非接触式で配置され、後方磁石は、符号化ストリップの周りに不均一な磁場を発生させるために使用され、磁気抵抗センサ・アレイは、符号化ストリップの磁場情報を検出することによって符号化ストリップの位置符号化情報を取得するために使用される。このスキームでは、後方磁石は、符号化ストリップを磁化するために使用され、これにより、被試験装置の変位を検出する目的を達成し、線形変位アブソリュート位置エンコーダのコストを大いに削減する。

本開示の実施形態または先行技術の技術的解決策をより明確に示すために、実施形態または先行技術の説明に使用される添付図面が、以下に簡単に導入される。明らかに、以下の説明における添付図面は、いくつかの本開示の実施形態である。当業者にとっては、他の図面は、創作的な努力なしでこれらの図面から得ることもできる。

本開示の一実施形態によって与えられる線形変位アブソリュート位置エンコーダの全体構造の概略図である。 図１の符号化ストリップおよび磁気抵抗センサ・アレイの概略構造図である。 図１の符号化ストリップおよび磁気抵抗センサ・アレイの別の概略構造図である。 図２または図３の符号化チャンネルの一行の凹部および突部の概略構造図である。 後方磁石の作用下にある図４に示された符号化チャンネルの周りの磁力線の分布の概略図である。 図５に対応する符号化チャンネルの一行における符号化ビットに対応する磁場の強さ分布の曲線グラフである。 磁気抵抗センサの特性の曲線グラフである。

本開示は、添付図面および実施形態と共に以下に詳細にさらに説明される。本明細書中に記載される特定の実施形態は、本開示を説明するために使用されるものに過ぎず、本開示を限定するものではないことが理解できる。さらに、説明の便宜のために、図面は、本開示に関連した一部の構造を示すに過ぎず、全部の構造を示すものではないことに留意されたい。

図１は、本開示の一実施形態によって与えられる線形変位アブソリュート位置エンコーダの全体構造の概略図であり。線形変位アブソリュート位置エンコーダ１０は、被試験装置の変位を測定するために使用することができ、図１を参照すると、線形変位アブソリュート位置エンコーダ１０は、基部１００、磁気抵抗センサ・アレイ３００、符号化ストリップ２００、および後方磁石（図示せず）を備え、符号化ストリップ２００は、基部１００上に固定され、被試験装置のレールの方向ＡＡ’に延び、符号化ストリップ２００は、異なる位置の符号化情報を特定するための凹部および突部を有する磁性材料ブロックであり、磁気抵抗センサ・アレイ３００は、符号化ストリップ２００と後方磁石との間に非接触式で配置され、後方磁石は、符号化ストリップ２００を磁化するように符号化ストリップ２００の周りに不均一な磁場を発生させるために使用され、磁気抵抗センサ・アレイ３００は、磁気抵抗センサをＮ行およびＭ列で備え、Ｎ≧１、Ｍ≧１、ならびにＮおよびＭは、共に正の整数であり（図１は、磁気抵抗センサのアレイ配置構造を示さず）、磁気抵抗センサ・アレイ３００は、符号化ストリップ２００の磁場情報を検出することによって符号化ストリップ２００の位置符号化情報を取得するために使用される。

位置測定の一般的原理は、以下の通り、全測定レンジ内の位置を表す符号化ディスクを配置し（符号化ディスクの位置は固定されている）、次いで、可動部上にセンサを固定し、可動部の相対変位を検出するようになされているというものである。

本実施形態では、具体的には、符号化ストリップ２００は、磁性材料で作製され、異なる凹部および突部が、符号化ストリップ２００の異なる位置に設けられ、異なる位置を特定するための位置符号化情報を形成するようになっている。例示として、図１を参照すると、符号化ストリップ２００の第１の位置２０１および第２の位置２０２に対応する位置符号化情報は、第１の位置２０１および第２の位置２０２に異なる凹部および突部を配置することによって異なるようになされ得る。符号化ストリップ２００は、基部１００上に固定され、被試験装置のレールの方向に延び、それにより、被試験装置の移動方向の異なる位置は、符号化ストリップ２００によって特定することができる。

例示として、磁気抵抗センサ・アレイ３００および後方磁石は、移動プロセス時に、被試験装置が移動するときに磁気抵抗センサ・アレイ３００および後方磁石が移動するように被試験装置上に取り付けることができ、磁場が、後方磁石を用いることによって符号化ストリップ２００の周りに形成され、符号化ストリップ２００上の磁場分布は、磁気抵抗センサ・アレイ３００中の磁気抵抗センサを用いることによって感知される。符号化ストリップ２００は、異なる凹部および突部を異なる位置に有するので、符号化ストリップ２００の異なる位置における磁場分布は、異なるとともに不均一であり、磁気抵抗センサ・アレイ３００は、符号化ストリップ２００の異なる位置で磁場分布を検出することによって対応する位置で位置符号化情報を取得し、それによって被試験装置の位置を決定することができる。

例示として、後方磁石は、永久磁石であってもよく、号化ストリップ２００は、軟磁性材料で作製されてもよく、凹部および突部を有する軟磁性材料のコストは低く、永久磁石で軟磁性材料を磁化することによって、長距離永久磁石磁気グリッドの使用を回避することができ、それによってコストを省く。さらに、永久磁石は、磁石の減磁によって影響を受けず、したがって、線形変位アブソリュート位置エンコーダ１０は、長寿命を有することができる。

図１は、符号化ストリップ２００の凹部および突部構造を示しておらず、その機能は、符号化ストリップに対して後方磁石によって印加される磁場が、異なる位置で凹部および突部構造を通過できないことにより異なる分布状態を有することを可能にすることであり、異なる位置を特定する目的を達成するようになっており、これにより、当業者によって随意に設定することができ、本開示の例によって限定されないことに留意されたい。

図１およびそれに続く各図は、後方磁石を示しておらず、実際の製品では、後方磁石は、凹部および突部構造を有する符号化ストリップ２００の表面の反対側に配置されると理解することができることも留意されたい。したがって、磁気抵抗センサ・アレイ３００は、凹部および突部構造を有する符号化ストリップ２００の表面の反対側にやはり配置され、磁気抵抗センサ・アレイ３００は、符号化ストリップ２００に接触しておらず、被試験装置の位置情報は、符号化ストリップ２００の周りの磁場分布を感知することによって取得される。

本開示の実施形態によれば、符号化ストリップは、異なる位置の符号化情報を特定するために凹部および突部を有する磁性材料ブロックによって形成され、符号化ストリップは、基部上に固定され、被試験装置のレールの方向に延び、磁気抵抗センサ・アレイは、符号化ストリップと後方磁石との間に非接触式で配置され、後方磁石は、符号化ストリップの周りに不均一な磁場を発生させるために使用され、磁気抵抗センサ・アレイは、符号化ストリップの磁場情報を検出することによって符号化ストリップの位置符号化情報を取得するために使用される。このスキームでは、後方磁石は、符号化ストリップを磁化するために使用され、これにより、被試験装置の変位を検出する目的を達成し、線形変位アブソリュート位置エンコーダのコストを大いに削減する。

図２は、図１の符号化ストリップおよび磁気抵抗センサ・アレイの概略構造図であり、符号化ストリップ２００および磁気抵抗センサ・アレイ３００の構造は、上記実施形態に基づいてさらに示される。図２を参照すると、任意選択で、符号化ストリップ２００は、被試験装置のレールの方向に配置されたＰ行の符号化チャンネル２１０を有し、行ごとの符号化チャンネル２１０は、Ｍ個の符号化ビットを備え、符号化ビットは、凹部２１１または突部２１２によって形成され、Ｍ個の符号化ビットは、それらが位置する符号化チャンネル２１０の位置符号化情報を構成し、それぞれの行における符号化チャンネル２１０の位置符号化情報は異なり、ただし、１≦Ｐ≦２^Ｍであり、Ｐは正の整数である。

例示として、図２は、方形グリッドを有する符号化ビットを示し、Ｍ＝１６、すなわち、符号化チャンネル２１０の一行が１６個の符号化ビットを備える符号化ストリップ２００の構造を示す。具体的には、符号化ビットは、凹部２１１または突部２１２によって形成され、各行における符号化チャンネル２１０の凹部２１１および突部２１２が異なり、したがって、各行における符号化チャンネル２１０の位置符号化情報は異なり、言い換えれば、各符号化チャンネル２１０上の符号化情報は一意であり、符号化ストリップ２００は、少なくとも２^Ｍ個の位置を特定することができることが図２から理解することができる。

このように設定することにより、凹部２１１および突部２１２を有する符号化チャンネル２１０は、磁気グリッドの２次元分布を実現するための磁気グリッド構造として使用することができ、それによって磁気グリッドのサイズを大いに減少させる。

図２は、磁気抵抗センサ３１０を１行および１６列で有する磁気抵抗センサ・アレイ３００の構造を概略的に示す。Ｍ個の磁気抵抗センサ３１０が符号化チャンネル２１０の一行のＭ個の符号化ビットに一対一で対応する状態で行方向に磁気抵抗センサ・アレイ３００を配置することによって、各磁気抵抗センサ３１０が、対応する符号化ビットの磁場の強さを収集することを可能にし、各符号化ビットの符号化情報を決定するようになっており、最終的に、Ｍ個の符号化ビットが位置する符号化チャンネル２１０の位置符号化情報が、Ｍ個の符号化ビットの符号化情報によって決定され、被試験装置の位置を決定するようになっていることを可能にする。

続けて図２を参照すると、任意選択で、行方向において、各行における２つの隣接した磁気抵抗センサ３１０間の間隔Ｄ１は、各行における２つの隣接した符号化ビット間の間隔Ｄ２に等しい。

行方向では、各行における２つの隣接した磁気抵抗センサ３１０間に間隔Ｄ１を各行における２つの隣接した符号化ビット間の間隔Ｄ２に等しくなるように設定することによって、磁気抵抗センサ３１０が対応する符号化ビットの磁場強度を検出するときの結果をより正確にすることができ、最終的に得られる位置符号化情報の正確さを確実にするとともに、エンコーダがより優れた性能を有するのを確実にするようになっている。

各行における符号化チャンネル２１０の符号化ビットの個数Ｍは、当業者によって随意に設定することができ、本開示の実施形態によって限定されないことに留意されたい。図２に示されるように、レールの方向ＡＡ’に、符号化チャンネル２１０の２つ隣接した行間の距離はＬであり、Ｌはエンコーダの分解能を決定し、Ｌが小さくなるにつれてエンコーダの分解能が高くなることが理解できる。各行における符号化チャンネル２１０内の符号化ビットの個数は、符号化チャンネル２１０の個数を決定し、したがって、測定レンジを広くするために、符号化ビットの個数は、できるだけ大きいものとする。

例示として、高分解能トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）センサを一例として挙げると、その最小ユニット・サイズは０．２ｍｍであり、すなわち、Ｄ１＝Ｄ２＝０．２ｍｍであり、磁気抵抗センサ・アレイ３００が横方向に配置された２０個の磁気抵抗センサ３１０で構成されると仮定すると、各行における符号化チャンネル２１０の位置符号化情報が一意であることを確実にするために、せいぜい２^２０行の符号化チャンネル２１０が配置され得、ｉｆ隣接した符号化チャンネル２１０間の間隔Ｌが１ｍｍである場合、測定長は２^２０×ｌｍｍ＝１，０４８，５７６ｍｍであり、測定分解能は１ｍｍであり、３０個の磁気抵抗センサ３１０が横方向に配置される場合、せいぜい２^３０個の行の符号化チャンネル２１０が配置され得、測定長は、１０００Ｋｍに到達し得る。エンコーダの分解能を改善することが必要である場合、間隔Ｌを減少させることが単に必要とされる。

図３は、図１の符号化ストリップおよび磁気抵抗センサ・アレイの別の概略構造図である。例示として、磁気抵抗センサ・アレイ３００は、複数（Ｎ＝３）行の磁気抵抗センサ３１０を含む。このように設定することによって、磁気抵抗センサ３１０は、隣接したＮ行の符号化チャンネル２１０の位置符号化情報を同時に取得することができ、それによって、検出結果の精度を確実にし、エンコーダの信頼性を改善する。

図４は、図２または図３の符号化チャンネルの一行の凹部および突部の概略構造図であり、図４を参照すると、任意選択で、符号化ストリップ２００の符号化形態は、２進コードまたはグレイ・コードである。

図４に示されるように、符号化チャンネル２１０における凹部２１１の符号化情報および突部２１２の符号化情報は、「０」および「１」であり、符号化チャンネル２１０の位置符号化情報は、「１０１１ ０００１ ０１０１ ０００１」によって一意に決定される。２進コードまたはグレイ・コードの符号化形態を使用することによって、複雑なカーソル計算なしで符号化形態をより簡単にさせることが可能である。当業者は、符号化ストリップを符号化するときに、自然２進コードまたはグレイ２進コードを使用するように選ぶことができる。自然２進コードの符号化形態が単純であるが、隣接した数字間の変換中の複数レベルの逆変換により誤差が容易に引き起こされ得る。グレイ２進コードでは、１０進数が変更されるごとに１レベルだけの変換があり、これにより、変換プロセスにおけるノイズを大きく削減すことができ、精度を改善する。

図５は、後方磁石の作用下にある図４に示された符号化チャンネルの周りの磁力線の分布の概略図である。図５では、太い矢印は、後方磁石が符号化ストリップ２００を磁化する磁化方向を示す。符号化チャンネル２１０が、後方磁石によって生成される磁場にさらされるとき、磁場は、凹部および突部によりその表面上の凹部および突部のすぐ近くで逸らされる。符号化チャンネル２１０の凹部における磁力線は、比較的希薄であり、一方、突部における磁力線は、比較的濃密であり、各符号化ビットの磁場強度は、磁気抵抗センサ・アレイ３００を用いて検出され、次いで、デジタル処理が各符号化ビットの符号化情報を得るために行われ、それによって対応する符号化チャンネル２１０の位置符号化情報を得ることが、図５から理解できる。

図６は、有限要素解析シミュレーションを使用することによって得られる図５に対応する符号化チャンネルの一行における各符号化ビットに対応する磁場の強さ分布の曲線グラフである。図６から理解できるように、各凹部２１１における符号化ビットに対応する磁場の強さはより小さく、各突部２１２における符号化ビットに対応する磁場の強さはより大きい。（図中の破線によって示されるように）それが１１００Ｇｓを境界とされる場合、符号化ビット１～１６の値は分類することができ、１１００Ｇｓよりも小さい値が「０」であり、１１００Ｇｓよりも高い値はが「１」であると定められ、曲線から読み取られる位置符号化情報は、図４の位置符号化情報と一致する「１０１１ ０００１ ０１０１ ０００１」であり、したがって、スキームの正しさを与える。

任意選択で、磁気抵抗センサは、線形磁気抵抗センサであり、線形磁気抵抗センサは、ホール効果センサ、異方性センサ、巨大磁気抵抗センサ、およびトンネル磁気抵抗センサのいずれか１つを含む。

図７は、磁気抵抗センサの特性の曲線グラフであり、横座標Ｈは磁場の強さを表し、縦座標Ｖｏｕｔは、磁気センサの出力電圧を表す。磁場の強さが高いときに磁気抵抗センサが飽和させられ得る、すなわち、磁気抵抗センサの出力電圧は、外部磁場が増加するにつれてもはや増加しないことが特性曲線から理解できる。したがって、エンコーダが使用されるとき、磁場は、磁気抵抗センサが直線領域Ｈ１～Ｈ２で動作するように最適化されるべきである。

さらに、任意選択で、磁気抵抗センサは、傾斜磁気抵抗センサであり、傾斜磁気抵抗センサは、ホール効果センサ、異方性センサ、巨大磁気抵抗センサ、およびトンネル磁気抵抗センサのいずれか１つを含む。

上述した線形磁気抵抗センサおよび傾斜磁気抵抗センサは共に、良好な磁気誘導能力を有し、当業者は、実際の必要に従って随意に選択を行うことができ、本開示の実施形態は、これを定めない。

任意選択で、符号化ストリップ２００は、基部１００と一体形成される。

このように設定することによって、エンコーダのコストは、さらに削減することができ、製造プロセスは、簡単化され得る。

本開示の実施形態は、高磁気伝導材料上に横方向に配置された凹部または突部によって形成されたＭ個の符号化ビットを構築することによって一つの位置の符号化チャンネルを構成し、いくつかの符号化チャンネルは、符号化ストリップを構成するために高磁気伝導材料のレールの方向に配置され、そして、符号化ストリップは、異なる位置を特定するために２進コードまたはグレイ・コードの符号化形態で符号化される。後方磁石は、符号化ストリップを磁化するために使用され、不均一な磁場は、符号化ストリップの周りに形成され、Ｍ個の磁気抵抗センサは、符号化ビットに一対一で対応するように横方向に配設および配置され、対応する符号化チャンネルの位置符号化情報を読み取るための磁気抵抗センサ・アレイを形成する。各位置の符号化チャンネルは一意の位置符号化情報を有するので、磁気センサ・アレイは、移動プロセスにおいて被試験装置の異なる位置の位置符号化情報を得るために使用され、その線形変位のアブソリュート位置の測定を実現することができる。線形変位アブソリュート位置エンコーダは、低コスト、小型サイズ、シンプルな符号化モード、長寿命、汚染耐性、耐震性などの利点を有し、とても良い実用性を有する。

上述されたものは本開示の好ましい実施形態および用いられる技術的原理に過ぎないことに留意されたい。本開示は、本明細書中に記載された特定の実施形態に限定されず、様々な明らかな変更、再配置、および置換が、本開示の保護範囲から逸脱することなく当業者によってなされてもよいことが当業者によって理解される。したがって、本開示は上記実施形態によって詳細に説明されてきたが、本開示は、上記実施形態のみに限定されるが、本開示の概念から逸脱することなく、より多くの他の均等な実施形態を含むことができ、本開示の範囲は、添付の特許請求の範囲によって決定される。

Claims (5)

1. 被試験装置の変位を測定するために使用される線形変位アブソリュート位置エンコーダであって、基部、磁気抵抗センサ・アレイ、符号化ストリップ、および後方磁石を備え、
   該符号化ストリップは、該基部上に固定され、該被試験装置のレールの方向に延び、該符号化ストリップは、異なる位置の符号化情報を特定するための凹部および突部を有する磁性材料ブロックであり、
   該磁気抵抗センサ・アレイは、該符号化ストリップと該後方磁石との間に非接触式で配置され、
   該後方磁石は、該符号化ストリップを磁化するように該符号化ストリップの周りに不均一な磁場を発生させるために使用され、
   該磁気抵抗センサ・アレイは、磁気抵抗センサをＮ行およびＭ列で備え、Ｎ≧２、Ｍ≧１、ならびにＮおよびＭは、共に正の整数であり、該磁気抵抗センサ・アレイは、該符号化ストリップの磁場情報を検出することによって該符号化ストリップの位置符号化情報を取得するために使用され、
   前記符号化ストリップは、前記被試験装置の前記レールの前記方向に配置されたＰ行の符号化チャンネルを有し、該符号化チャンネルは、行ごとに、Ｍ個の符号化ビットを備え、前記符号化ビットは、前記凹部または前記突部によって形成され、該Ｍ個の符号化ビットは、それらが位置する該符号化チャンネルの前記位置符号化情報を構成し、それぞれの行における該符号化チャンネルの該位置符号化情報は異なり、ただし、１≦Ｐ≦２^Ｍであり、Ｐは正の整数であり、
   行方向において、各行における２つの隣接した磁気抵抗センサ間の間隔は、各行における２つの隣接した符号化ビット間の間隔に等しい、線形変位アブソリュート位置エンコーダ。
2. 前記磁気抵抗センサは、線形磁気抵抗センサであり、該線形磁気抵抗センサは、ホール効果センサ、異方性センサ、巨大磁気抵抗センサ、およびトンネル磁気抵抗センサのいずれか１つを含む、請求項１記載の線形変位アブソリュート位置エンコーダ。
3. 前記磁気抵抗センサは、傾斜磁気抵抗センサであり、該傾斜磁気抵抗センサは、ホール効果センサ、異方性センサ、巨大磁気抵抗センサ、およびトンネル磁気抵抗センサのいずれか１つを含む、請求項１記載の線形変位アブソリュート位置エンコーダ。
4. 前記符号化ストリップは、前記基部と一体形成される、請求項１記載の線形変位アブソリュート位置エンコーダ。
5. 前記符号化ストリップの符号化形態は、２進コードまたはグレイ・コードである、請求項１記載の線形変位アブソリュート位置エンコーダ。