JPH09133550A - 磁気位置測定装置およびその使用方法 - Google Patents

磁気位置測定装置およびその使用方法

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JPH09133550A
JPH09133550A JP8237936A JP23793696A JPH09133550A JP H09133550 A JPH09133550 A JP H09133550A JP 8237936 A JP8237936 A JP 8237936A JP 23793696 A JP23793696 A JP 23793696A JP H09133550 A JPH09133550 A JP H09133550A
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magnetic
power supply
measuring device
unit
supply voltage
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Alfons Spies
アルフオンス・シユピース
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Dr Johannes Heidenhain GmbH
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Dr Johannes Heidenhain GmbH
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 それぞれ少なくとも一つの電源電圧接続端子
と測定電圧接続端子を有する少なくとも2つのホール素
子で磁気測定目盛を走査して位置に依存する出力信号を
発生する、相対運動する二つの物体の相対位置を測定す
るための磁気位置測定装置であって、オフセット変動が
除去された、磁場に敏感なセンサであるホール素子を備
えた磁気位置測定装置およびこの装置を使用する方法を
提供する。 【解決手段】 各ホール素子13の電源電圧接続端子と
測定電圧接続端子1,2,3,4を互いに周期的に入れ
換える少なくとも一つのスイッチングユニット26およ
び異なったホール素子13の電源電圧接続端子と測定電
圧接続端子1,2,3,4を互いに周期的に入れ換える
ことを同期させる少なくとも一つの同期ユニットを備え
ている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、それぞれ少なく
とも一つの電源電圧接続端子と測定電圧接続端子を有す
る少なくとも2つのホール素子で磁気測定目盛を走査し
て位置に依存する出力信号を発生する、相対運動する二
つの物体の相対位置を測定するための磁気位置測定装置
に関する。更に、この発明はこの磁気位置測定装置を使
用する方法にも関する。
【0002】
【従来の技術】光原理による周知の位置測定装置の外
に、磁気測定原理に基づく位置測定装置が目に見えて重
要になっている。特に、この種の位置測定装置は汚れに
強いので、工作機械の領域に採用するのに魅力的になっ
ている。この場合、周知の磁気位置測定装置に共通する
ことは、適当な磁石センサを有する走査ユニットで磁気
測定目盛を走査する点にある。ここでは、磁石センサの
出力信号を発生させて、周知の評価・内挿装置に導入さ
れる。使用する磁気測定目盛は、光測定系と同じよう
に、一定の目盛周期を有する目盛として形成されている
か、あるいは一定の符号パターンを有する。
【0003】磁場に敏感なセンサ素子として走査ユニッ
ト内にホール素子を使用する位置測定装置は、例えば欧
州特許第 0 093 232号明細書により周知である。基本的
に何時も存在する問題は、センサとしてホール素子を使
用する場合、ホール素子のゼロ電圧のドリフトあるいは
オフセット変動である。ホール素子でのこの種のオフセ
ット変動は、ホール素子の材料の不均一性、機械的な負
荷、および正確に維持されていない作製公差により生じ
る。従って、既存のオフセット変動は、磁気位置測定装
置の磁場に敏感なセンサとしてホール素子を使用すると
望ましくない誤差を与える。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】それ故、この発明の課
題は、オフセット変動が除去された、磁場に敏感なセン
サであるホール素子を備えた磁気位置測定装置を提供す
ることにある。さらに、この発明の課題は、この磁気位
置測定装置を使用する方法を提供することにもある。
【0005】
【課題を解決するための手段】上記の課題は、この発明
により、冒頭に述べた種類の磁気位置測定装置にあっ
て、各ホール素子3.1,3.2,3.3,3.4;13;1
4;53.1,53.2;63.1,63.2,63.3,63.4
の電源電圧接続端子と測定電圧接続端子1,2,3,4
を互いに周期的に入れ換える少なくとも一つのスイッチ
ングユニット26;46;56.1,56.2;66.1,6
6.2,および異なったホール素子3.1,3.2,3.3,
3.4;13;14;53.1,53.2;63.1,63.2,
63.3,63.4の電源電圧接続端子と測定電圧接続端子
1,2,3,4を互いに周期的に入れ換えることを同期
させる少なくとも一つの同期ユニット55;56を備え
ていることにより解決されている。
【0006】さらに、上記の課題は、この発明により、
冒頭に述べた種類の磁気位置測定装置を使用する方法に
あって、少なくとも一つのスイッチングユニット26;
46;56.1,56.2;66.1,66.2によりホール素
子3.1,3.2,3.3,3.4;13;14;53.1,5
3.2;63.1,63.2,63.3,63.4の電源電圧と測
定電圧を周期的に互いに入れ換え、同期ユニット55;
65が異なったホール素子3.1,3.2,3.3,3.4;1
3;14;53.1,53.2;63.1,63.2,63.3,
63.4の電源電圧と測定電圧を周期的に互いに入れ換え
ることを同期させることにより解決されている。
【0007】この発明による他の有利な構成は、特許請
求の範囲の従属請求項に記載されている。
【0008】
【発明の実施の形態】この発明による方法あるいはこの
発明による磁気位置測定装置は、誤った信号を与えるオ
フセット変動の望ましい除去を保証する。これは、例え
ばドイツ特許第 43 02 342号明細書、あるいは刊行物、
P. J. A. Munter 著 "A low-offset spinning-current
Hall-plate", "Sensor and Actuators A (Physical)" 3
月 1990,第 A22巻、第 1〜 3号、第 743〜 746頁に提案
されているような、所謂「スピンニング電流原理」 "Sp
inning-Current-Prinzip" に従って動作するホール素子
を使用することによって達成される。
【0009】望ましい測定精度に応じて、何時でも、一
定の相対配置にして磁気測定装置内に必要な少なくとも
二つ以上のホール素子を採用することも可能である。更
に、この発明により動作するホール素子に関連して、周
知の評価装置および内挿装置を、例えば通常のレゾルバ
に関連して知られているように、本来の位置測定のため
に使用できる。
【0010】同様に、ホール素子と必要なスイッチユニ
ットや同期ユニットを組み合わせる一連の可能性があ
る。望ましい回路経費や望ましい測定精度に応じて、こ
の発明による装置を測定の要請に柔軟に合わせることが
できる。更に、全てのセンサ部品をただ一つのセンサチ
ップに集積すると有利であることが分かる。従って、磁
気位置測定装置にコンパクトなセンサを使用できる。
【0011】
【実施例】以下、添付図面に示す実施例に基づき、この
発明をより詳しく説明する。図1には、この発明の磁気
位置測定装置が模式的な形で示してある。磁気位置測定
装置は、一方で一定の磁化パターンを付けた磁気測定目
盛10を有する。他方、図示する実施例の場合、磁場に
敏感なセンサとして4つのホール素子3.1,3.2,3.
3,3.4を有する走査ユニット20が設けてある。この
素子の機能は以下の図面に基づきもっと詳細に説明す
る。ホール素子3.1,3.2,3.3,3.4あるいは走査ユ
ニット20には、電気接続導体4.1,4.2を介して後置
される内挿・評価ユニット50が接続している。この内
挿・評価ユニット50は走査ユニット20の出力信号を
計数パルスに変換する。
【0012】磁気測定目盛10は、図1に示す実施例の
場合、片側に多極の形に磁化され、交互にN極とS極が
互いに突き合わさっている。この場合、磁気目盛周期T
は、測定方向Xの二つのN極あるいはS極の間の距離で
与えられる長さとする。図示する磁化の代わりに、所謂
軸方向に片側の磁化あるいは不規則な符号磁化パターン
のような他の磁化パターンも使用してもよい。更に、走
査される各磁気目盛を原理的に電磁石装置等でも実現で
きる。
【0013】更に、測長装置のみこの発明で実現できる
のでなく、磁気測定目盛を半径方向に構成するとそれに
応じて測角装置も実現する。磁気目盛10は、可能な応
用では、図示していない工作機械の固定台に連結し、ホ
ール素子3.1,3.2,3.3,3.4を備えた走査ユニット
20が工作機械の直線運動する移動台(これも図1に示
していない)の一部に配置されている。
【0014】この発明で使用されるホール素子の原理的
な機能を図2に基づき説明する。正方形の図示するホー
ル素子13には、二つの電源電圧接続端子1,3とこれ
に対して 90 °ずれた二つの測定電圧接続端子2,4が
ある。検出すべき測定目盛の磁場BM あるいは対応する
磁場成分は、ホール素子13に対して垂直に向けてあ
る。二つの接続端子1と3に電源電圧VS を印加する
と、周知のように、磁場B M が存在すると不多雨の測定
電圧接続端子2と4によりホール電圧UH を取り出せ
る。この電圧は磁気測定目盛の外部磁場BM に対する尺
度となる。
【0015】この発明によれば、磁気位置測定装置内
に、所謂「スピニング電流原理」で動作する少なくとも
2つのホール素子を使用する。このため、少なくとも一
つのスイッチユニット26が設けてあり、このスイッチ
ユニットが時間的に周期的な順序で電源電圧接続端子
1,3および測定電圧接続端子2,4を互いに入れ換え
たり導通させる。これは、主に 10 kHz 〜 200 kHzの間
にある比較的高い周波数で行われる。図2いは、スイッ
チユニット26内で電源電圧接続端子1,3と測定電圧
接続端子2,4のこの種の入れ換えが一つの個別ホール
素子13に対して二つのスイッチング期間に付いて示し
てある。
【0016】図3A 〜3D は、図2のホール素子13に
対する可能な4つのスイッチング期間を示す。図3A で
電圧源17から供給される電源電圧VS が二つの接続端
子1と3に印加する間(これは電源電流iで示す),測
定電圧UM を二つの接続端子2と4から取り出せる。こ
れに続く測定あるいはスイッチング期間では、接続端子
1,3と2,4が互いに入れ換わる。即ち、電源電圧V
S は図示する方向の二つの接続端子2と4に印加する
が、測定電圧UM は接続端子1と3から取り出せる。同
様に、図3C に示すスイッチング期間では、電源電圧V
S が接続端子3と1に印加するが、今度は図3A のスイ
ッチング期間とは逆の方向に印加する。測定電圧UM
再び二つの接続端子4と2から取り出せるが、図3A と
は逆の方向で取り出せる。最後に図3D に示す第4スイ
ッチング期間では、電源電圧VS が接続端子4と2に印
加し、測定電圧UM が接続端子1と3を介して検出され
る。この場合、電源電圧と測定電圧は、図3B のスイッ
チング期間とは逆に向いている。
【0017】スイッチング期間毎に、この装置では、使
用しているホール素子13の電源電圧接続端子と測定電
圧接続端子は時計の針の方向に同じ向きにそれぞれ 90
°ほど切り換わる。出力側では、得られた測定電圧が差
動増幅器18の入力端に達し、ここで信号処理が行われ
る。差動増幅器18の出力端には、図示する動作モード
でオフセットのない磁場に比例する信号VH が出力す
る。この信号にはオフセット交番電圧成分が重畳してい
るが、これは周知のフィルターで簡単に注目する信号成
分から除去できる。従って、磁気測定目盛とホール素子
1の間に相対運動があると、対応する振幅変調された測
定信号VH が差動増幅器の出力端に生じる。この測定信
号は周知の方法で更に処理される。
【0018】電源電圧接続端子と測定電圧接続端子を 3
60°にわたり周期的に接続し、適当に加算あるいは引算
して、磁場信号のゼロ電圧成分を除去できる。磁気位置
測定装置内には、この発明によれば、通常望ましい回転
弁別を可能にするため、そのように動作する少なくとも
二つのホール素子が必要である。この発明による磁気位
置測定装置の可能な一実施例の対応する模式図が図5に
示してある。
【0019】しかし、このように動作する図4のホール
素子の他の実施例も予め指摘しておこう。そこに示すホ
ール素子43は八角形の形状を有し、対向配置されてい
る4対の電源電圧および測定電圧接続端子1〜8が配置
されている。この場合、種々の接続端子1〜8はホール
素子43の中心点48の周りにサイクリックに配分され
ている。
【0020】ホール素子のこの種の実施例では、電源電
圧と測定電圧は時間的に周期的な順番でスイッチング期
間毎にそれぞれ 45 °サイクリックに切り換わる。これ
により、ドリフトのない磁場信号を求める場合、精度を
向上させることができる。これは一般的に、n個の接続
端子を設けた場合、 360°/nの角度間隔でこれ等の接続
端子を配置し、それに合わせて 360°/nのステップで周
期的に切換を行うことを意味する。
【0021】ホール素子43の外に、図4に同じように
模式的な形でマルチプレクスユニット46が示してあ
る。このユニットは時間的に周期的に順番で電源電圧お
よび測定電圧接続端子1〜8を接続あるいは入れ換える
ことを保証する。つまり、上に説明したようなスイッチ
ングユニットとして機能する。更に、電源電圧および測
定電圧を同じ向きに回転させる外に、適当に切換を行
い、種々の接続端子の逆向きの切換も実現できる。この
場合には、測定すべき磁場に比例する交番電圧信号およ
びゼロ電圧の直流信号が生じる。磁場に比例する交番電
圧信号を更に処理することは、所謂レゾルバに関連して
知られているように、例えば搬送周波数信号の周知の振
幅評価により行われる。これには、A. Ernst著 "Digita
le Laengen-und Winkelmesstechnik" (デジタル測長お
よび測角技術),moderne industrie 社出版、 Landsbe
rg, 第3版,1993年、第 27 〜 28頁の "Abtastung mit
Traegerfrequenz"(搬送周波数での走査)の章を参照
されたい。
【0022】更に、磁気位置測定装置内にこの種のよう
に動作するホール素子の種々の組み合わせを使用するこ
とは可能である。既に先に説明したように、図5は正方
形の二つのホール素子53.1,53.2を有する磁気位置
測定装置のブロック回路図を示す。両方のホール素子5
3.1,53.2を図示していない測定目盛に対して移動さ
せることは、図面の矢印の方向に行われる。更に、二つ
のホール素子53.1,53.2は磁気測定目盛の目盛周期
の4分の1ほど互いにずらして走査ユニット内に配置さ
れているので、それぞれの出力信号の位相は 90 °ずれ
る。
【0023】二つのホール素子53.1,53.2の各々に
は、図示する実施例の場合、一つのスイッチングユニッ
ト56.1,56.2が付属している。このユニットは一定
のタイミング周波数で電源電圧および測定電圧接続端子
を周期的に入れ換えるか、あるいは 360°にわたり 90
°のステップで切り換える。周期的な入れ換えあるいは
切換は、図3のように、スイッチングユニット56.1,
56.2に付けた矩形波信号により模式的に示してある。
電源電圧および測定電圧接続端子は同じ向きに切り換わ
る。
【0024】更に、二つのホール素子53.1,53.2の
各々には一つの電源電圧源57.1,57.2が設けてあ
る。この電源電圧源も対応するスイッチングユニット5
6.1,56.2に接続している。この代わりに、適当なマ
ルチプレクサ動作するだた一つのスイッチングユニット
あるいはただ一つの電源電圧源を設けることもできる。
【0025】得られた信号は再び適当な差動増幅器5
8.1,58.2に導入され、この増幅器はオフセット直流
成分を分離し、内挿ユニット59に切り換える。このユ
ニットは更に評価するために必要な二つの 0°および 9
0 °の計数信号(U0,90)を出力する。使用される内
挿ユニット59は、走査ユニットと磁気測定目盛の相対
運動で生じる振幅変調された信号を再び周知の方法で処
理する。
【0026】この外、同期ユニット55がこの発明によ
る磁気位置測定装置内に設けてある。このユニットは二
つのホール素子53.1,53.2で電源電圧および測定電
圧を同期させて互いにサイクリックに切り換え。これに
は、適当な同期信号(sync)をスイッチングユニット5
6.1,56.2に出力する。更に、同期ユニット55は他
の基準信号(ref )により内挿ユニット59もタイミン
グ駆動する。このため、同期ユニット55は対応する周
期クロック信号を発生する適当な発振ユニットを有す
る。
【0027】この発明による磁気位置測定装置の他の実
施例が図6a と図6b に模式的に示してある。この場
合、今度は走査ユニット内には、上に説明したように同
期して相互に駆動される4つのホール素子63.1,6
3.2,63.3,63.4が設けてある。4つのホール素子
63.1,63.2,63.3,63.4はそれぞれ磁気測定目
盛の4分の1目盛周期の間隔で互いに配置され、測定目
盛と走査ユニットが測定方向Xに相対運動すると、互い
に 90 °位相のずれた4つの出力信号を出力する。こう
して、分解能を更に改善するか、最適な信号を得ること
を保証する。
【0028】図示する実施例は、原理的に上で説明した
ように使用される2つのスイッチングユニット66.1,
66.2,2つの電圧源67.1,67.2,2つの差動増幅
器68.1,68.2,および1つの内挿ユニット69と一
つの同期ユニット65を有する。ホール素子の出力端
1,2,3,4は、図示のように互いに結線され、全体
で8つの出力端(A〜H)となる。これ等の出力端は、
図示する形でスイッチングユニット66.1,66.2の入
力端に達し、それに相当する方法で周期的に切り換わ
る。
【0029】従って、図6A と図6B の実施例の中に
は、それぞれ二つのホール素子63.1,63.2,63.
3,63.4の同じ出力端がグループにして一緒に結線さ
れているので、二つのグループに対してそれぞれ一つの
共通なスイッチングユニット66.1,66.2のみ必要で
ある。従って、第一グループは左から第一および第三ホ
ール素子63.1,63.3を有し、第二グループには第二
および第四ホール素子63.2,63.4がある。
【0030】可能性のある他の実施例では、この発明に
より動作するホール素子と後置された処理ユニットが支
持基板あるいはチップの上に集積した形で設けてあり、
走査ユニットのコンパクトな形成を保証する。この場
合、センサ、駆動電子回路や評価電子回路のような種々
の部品が CMOS 技術で作製される。
【0031】
【発明の効果】以上、説明したように、この発明による
磁気位置測定装置、およびその使用方法を用いることに
より、磁気位置測定装置の中で組にして使用されている
ホール素子の出力信号のオフセット変動が除去され、正
確で再現性のある位置測定が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明による磁気位置測定装置の模式図、
【図2】 使用するホール素子の機能を示す原理図、
【図3】 図2のホール素子の種々のスイッチング期間
A,B.C.Dを示す模式図、
【図4】 使用すべきホール素子の可能な他の実施例を
示す模式図、
【図5】 使用するホール素子が2つである磁気位置測
定装置のブロック回路図、
【図6】 全体で4個のホール素子を使用するこの発明
の位置測定装置の他の実施例を示すブロック回路図、
A:ホール素子結線部、B:後続する回路の配線図。
【符号の説明】
1,3,5,7 電源電圧接続端子 2,4,6,8 測定電圧接続端子 10 磁気測定目盛 13,3.1〜3.4;13;43;53.1〜53.2;6
3.1〜63.4ホール素子 18 差動増幅器 20 走査ユニット 26;46;56.1,56.2;66.1,66.2スイッチ
ングユニット 46 マルチプレクス・ユニット 50 内挿・評価ユニット 55;65 同期ユニット 59;69 内挿ユニット
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 アルフオンス・シユピース ドイツ連邦共和国、83358 ゼーブルック、 ヴオプフナーストラーセ、2

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 それぞれ少なくとも一つの電源電圧接続
    端子と測定電圧接続端子を有する少なくとも2つのホー
    ル素子で磁気測定目盛を走査して位置に依存する出力信
    号を発生する、相対運動する二つの物体の相対位置を測
    定するための磁気位置測定装置において、 各ホール素子(3.1,3.2,3.3,3.4;13;14;
    53.1,53.2;63.1,63.2,63.3,63.4)の
    電源電圧接続端子と測定電圧接続端子(1,2,3,
    4)を互いに周期的に入れ換える少なくとも一つのスイ
    ッチングユニット(26;46;56.1,56.2;6
    6.1,66.2),および異なったホール素子(3.1,
    3.2,3.3,3.4;13;14;53.1,53.2;6
    3.1,63.2,63.3,63.4)の電源電圧接続端子と
    測定電圧接続端子(1,2,3,4)を互いに周期的に
    入れ換えることを同期させる少なくとも一つの同期ユニ
    ット(55;56),を備えていることを特徴とする磁
    気位置測定装置。
  2. 【請求項2】 多数のホール素子(63.1,63.2,6
    3.3,63.4)を設け、これ等の電源電圧と測定電圧の
    接続端子(1,2,3,4)をグループ毎に互いに接続
    し、各ブループに対して共通のスイッチングユニット
    (66.1,66.2)を用意していることを特徴とする請
    求項1に記載の磁気位置測定装置。
  3. 【請求項3】 使用しているホール素子(3.1,3.2,
    3.3,3.4;13;14;53.1,53.2;63.1,6
    3.2,63.3,63.4)はそれぞれホール素子の中心点
    (48)の周りにサイクリックに配置されたn個の電源
    電圧および/または測定電圧の接続端子(1〜4;1〜
    8)を有し、これ等の接続端子は互いに 360°/ nの角
    度間隔に配置されていることを特徴とする請求項1に記
    載の磁気位置測定装置。
  4. 【請求項4】 磁気測定目盛(10)には一定の目盛周
    期(T)があり、少なくとも二つのホール素子(3.1,
    3.2,3.3,3.4;13;14;53.1,53.2;6
    3.1,63.2,63.3,63.4)は磁気測定目盛(1
    0)の目盛周期(T)の4分の1の間隔ほど互いにずら
    して配置され、少なくとも二つのホール素子(3.1,
    3.2,3.3,3.4;13;14;53.1,53.2;6
    3.1,63.2,63.3,63.4)の得られた電気出力信
    号は互いに 90 °の位相のずれを有することを特徴とす
    る請求項1に記載の磁気位置測定装置。
  5. 【請求項5】 ホール素子(3.1,3.2,3.3,3.4;
    13;14;53.1,53.2;63.1,63.2,63.
    3,63.4)には、計数パルスを発生する内挿ユニット
    (59;69)が後置されていることを特徴とする請求
    項1に記載の磁気位置測定装置。
  6. 【請求項6】 同期ユニット(55;65)には、周期
    的なタイミング信号を出力する発振器ユニットが付属し
    ていて、このタイミング信号はスイッチング周波数を与
    えることを特徴とする請求項1に記載の磁気位置測定装
    置。
  7. 【請求項7】 使用しているホール素子はスイッチング
    ユニットおよび同期ユニットと共にただ一つのチップに
    集積されていることを特徴とする請求項1に記載の磁気
    位置測定装置。
  8. 【請求項8】 少なくとも二つのホール素子を用いて磁
    気測定目盛を走査して位置に依存する出力信号を発生さ
    せ、相対運動する二つの物体の相対位置を測定する磁気
    位置測定装置を使用する方法において、 少なくとも一つのスイッチングユニット(26;46;
    56.1,56.2;66.1,66.2)によりホール素子
    (3.1,3.2,3.3,3.4;13;14;53.1,5
    3.2;63.1,63.2,63.3,63.4)の電源電圧と
    測定電圧を周期的に互いに入れ換え、同期ユニット(5
    5;65)が異なったホール素子(3.1,3.2,3.3,
    3.4;13;14;53.1,53.2;63.1,63.2,
    63.3,63.4)の電源電圧と測定電圧を周期的に互い
    に入れ換えることを同期させることを特徴とする方法。
  9. 【請求項9】 ホール素子(3.1,3.2,3.3,3.4;
    13;14;53.1,53.2;63.1,63.2,63.
    3,63.4)の得られた出力信号は計数パルスを発生さ
    せるため内挿ユニット(59;69)に導入されること
    を特徴とする請求項8に記載の方法。
  10. 【請求項10】 ホール素子(3.1,3.2,3.3,3.
    4;13;14;53.1,53.2;63.1,63.2,6
    3.3,63.4)の電源電圧と測定電圧は同じ向きに切り
    換えされることを特徴とする請求項8に記載の方法。
  11. 【請求項11】 ホール素子(3.1,3.2,3.3,3.
    4;13;14;53.1,53.2;63.1,63.2,6
    3.3,63.4)の電源電圧と測定電圧は逆向きに切り換
    えされることを特徴とする請求項8に記載の方法。
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