JPS6215413A

JPS6215413A - 超音波リニア・エンコ−ダ

Info

Publication number: JPS6215413A
Application number: JP15407285A
Authority: JP
Inventors: Arata Nakamura; 新中村
Original assignee: Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 1985-07-15
Filing date: 1985-07-15
Publication date: 1987-01-23

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】発明の要約磁歪効果をもつ線状体、とくにアモルファス合金線を移
動量測定方向に張り、この線状体の所定位置に送波用磁
気ヘッドにより超音波を発生させ、線状体を伝播する超
音波を、線状体にそって移動する受波用磁気ヘッドによ
り受波し、送波信号と受波信号との位相差により受波用
磁気ヘッドの位置に関するデータを得ることを特徴とす
る超音波リニアやエンコーダ。

［技術分野］この発明は、移動物体の直線的な移動量を測定するリニ
ア・エンコーダに関し、さらに詳しくは、線状体を伝播
する超音波を利用したリニア・エンコーダに関する。

［従来技術］従来のリニア・エンコーダには光学式のものと磁気式の
ものとがある。

光学式のものは、移動物体がその」二を移動するテーブ
ルに、移動物体の移動直線方向にそって所定間隔で多数
のスリットを形成し、移動物体に取付けられた同一間隔
のスリットをこれに重ね、これらのスリットによりスリ
ット１ピッチ分の移動量ごとに遮光を繰返すことによっ
て、透過光量の変化を表わすパルス信号を得る構成とな
っている。このような構成では、移動物体の移動距離の
長さにわたってテーブルにあらかじめ多数のスリットを
形成しておく必要がある。移動距離が１ｍ、２ｍという
ように長くなると、このような長さにわたってきわめて
細かい間隔でスリットを精密に形成することは不可能に
近い。

磁気式のものは、多数のスリットの形べに代えて、所定
間隔で帯磁方向を反転させた磁性材料を移動方向に配置
し、移動物体に取付けられた磁気ヘッドによってこれを
読取ることにより、移動量に関するデータを得るもので
ある。このような磁気式の構成のものでも、磁性材料に
あらかじめ所定間隔で正確に帯磁させるには限界があり
、精度も不十分であった。

［発明の目的］この発明は、比較的簡単な構成で長い移動距離であって
も正確に移動量に関するデータを得ることのできる超音
波リニア・エンコーダを提供することを目的とする。

［発明の構成と効果］この発明による超音波リニア・エンコーダは、移動量測
定方向に張られた磁歪効果をもつ線状体、測定原点に配
置され、送波電気信号から線状体を伝播する超音波を発
生させる送波用磁気ヘッド、線状体にそって移動自在に
配置され、線状体を伝播している超音波を受波電気信号
に変換する受波用磁気ヘッド、および送波用磁気ヘッド
に入力する送波電気信号と受波用磁気ヘッドから出力す
る受波電気信号との位相を比較し、その比較結たは複数
のレベルで弁別することにより、受波用磁気ヘッドの移
動量を表わすパルスないしは方形波信号が得られる。受
波用磁気ヘッドが移動物体に取付けられるかまたは移動
物体と一緒に動くように構成されよう。

アモルファス合金材料は高い磁歪効果をもつとともに超
音波の伝播損失が小さいので、線状体の材料として好適
である。線状体材料としては、通常の磁性材料、たとえ
ば帯磁したピアノ線などを使用することも゛できる。

送波電気信号および受波電気信号のいずれか一方の位相
を所定角度シフトさせる位相回路、ならびに送波電気信
号および受波電気信号のいずれか他方と位相回路の出力
との位相を比較し、その比較結果を表わす第２の電気信
号を出力する第２の位相比較回路を設けると、受波用磁
気ヘッドの移動量のみならず、移動方向も知ることが可
能となる。

この発明によると、移動量測定方向にそって線状体を張
っておけばよく、精密なスリットや精密に帯磁された磁
性材料を形成しておく必要がなく構成が簡素となる。

超音波が大きく減衰して測定不可能とならない距離であ
れば、単に線状体の長さを変えるだけで任意の長さのリ
ニア・エンコーダを構成することもできるし、測定範囲
も比較的長い距＃（たとえば４〜５ｍ程度）にすること
ができる。超音波の周波数、すなわち送波電気信号の発
振周波数を安定にすることによって検出精度を非常に高
くすることができる。塵埃や外乱光によっても検出精度
は低下しない。

超音波を反射しない、またはほとんど反射しない２つの
支持体５ａが設けられ、これらの支持体５ａ間に線状体
３が緊張した状態で張られている。線状体３としてはア
モルファス合金相料が好ましい。すなわち、線状体３は
アモルファス合金線、アモルファス合金リボン等がよい
。

線状体３の、！１１（準位置に送波用磁気ヘンド２が線
状体３と非接触状体で配置されかつ固定されている。受
波用磁気ヘッド４は、線状体３にそってその長さ方向に
かつ線状体３に非接触状態で移動自在に設けられている
。受波用磁気ヘッド４それ自体が移動物体である場合も
あるが、この磁気ヘッド４は移動物体に固定されもしく
は一緒に動くように構成されている。

発振器１からは超音波帯域の送波交番電気信号が発生し
、適当な駆動回路（図示略）を介してこの送波（ｉ号が
送波用磁気ヘッド２に加えられる。

線状体３の歪（疎密）の変化に変換され、超音波が発生
する。この超音波は線状体３を伝播していく。

一方、受波用磁気ヘッド４においては、そのコイルに一
定電流が流され、一定の磁界が発生している。伝播して
きた超音波は線状体３の歪の変化にして現われているか
ら、これが線状体３を貫いているヘッド４の磁束の変化
に変換され、コイルの電愉の変化として現われる。超音
波に応じたコイル電流変化（受波信号）は増幅器６で増
幅されたのち位相比較器７に入力する。

位相比較器７には発振器１の送波信号も入力している。

この比較器７で送波信号の位相と受波信号の位相とが比
較され、比較結果を表わす信号が出力される。比較器７
の出力は、次に波形整形回路８でパルス状ないしは方形
波状（移動距離を横＠ｌ＋とじて）の信号に変換ネれる
。位相比較器７および波形整形回路８の出力信号の一例
が第２図に示されている。

送波用磁気ヘッド３の位置にバイアス用の微小永久磁石
を設け、磁歪効果を強調するようにすることが好ましい
。また、位相比較器７の出力の給性反転を防止するため
に、必要ならば受波用磁気ヘッド４の位置にもバイアス
用微小永久磁力を設けておくとよい。

いま、送波用磁気ヘッド２と受波用磁気へラド４との間
隔文が、線状体３を伝播する超音波の波長入の整数倍で
あるとすると、発振器１から出力される送波信号と増幅
器６から出力される受波信号の位相は同位相となり、位
相比較器７の出力は最大値を示す。この状態から入／２
だけ受波用磁気ヘッド４がいずれかの方向に動いたとす
ると、両信号の位相差は１８０°となり（逆位相）、位
相比較器７の出力は最小値（零）となる。受波用磁気ヘ
ッド４が線状体３にそって連続的に移動すると、位相比
較器７からは第２図（Ａ）に示されているように、−波
長入の周期で正は的に変化するアナログ信号が得られる
。このアナログ信号を波形整形回路８で波形整形すると
、第２図（Ｂ）に示されているように、受波用磁気ヘッ
ド４の一波長入の移動ごとに１個のパルスが出力される
。

したがって、このパルス出力をカウントすることによっ
て、移動距離が超音波の一波長入のカウント数倍として
検出される。

たとえば、線状体３を伝播すると超音波の速度が５００
０　ｍ　／　ｓの場合、発振器ｌの発振周波数を５０Ｍ
Ｈｚとすると、波長入＝０．１ｍｍとなり、０．１ｍｍ
の移動ごとに１パルスが出力されるリニア會エンコーダ
となる。

この発明では、送波信号と受波信号の位相差に基づいて
移動距離が測定されており、発振器１や増幅器６の出力
の振幅に影響されない。したがって、発振器１の発振周
波数を安定させることのみで正確な距＃測定が可能とな
る。

移動距離分解能（検出精度）は、位相比較器７の出力の
弁別レベルにより任意に定めることができる。第２図に
おいては、１つのスレシホールド・レベルで弁別してい
るので、−波長入（たとえば、０．１ｍｍ）当り１個の
パルス出力が発生するようになっているが、１００のス
レシホールド・レベルで分割すると、実にＩｇｍの分解
能を得ることができるようになる。

−４−記の実施例は移動距離が測定できるにすぎないが
、Ａ相、Ｂ相とよばれる２つのパルス出力を取出すこと
により移動方向の判別も可能となる。

第３図は、移動方向の判別が可能な超音波リニア・エン
コーダの実施例を示しており、第１図に示すものと同一
物には同一符合が取付けられている。

発振器１の出力信号の位相を９０°遅らせる位相器９が
設けられ、この位相器９の出力と増幅器６の出力の位相
差がもう１つの位相比較器１０により検出される。位相
比較器１０の出力は波形整形回路１１に送られる。波形
整形回路８の出力がＡ相の、同回路１１の出力がＢ相の
パルスとなる。

両ヘッド２．４間の距＃、ｆＬがｕ＝ｎ入（ｎは整数）
のとき、第１の位相比較器７の出力は、位相差φ＝０°
であるから最大値を示し、第２の位相比較器１１の出力
は位相差小＝９０°であるから最大値の坏となる。この
状態で受波用磁気ヘッド４がλ／１０だけ送波用磁気ヘ
ッドから遠ざかると、すなわち両ヘッド２．４間の距離
が上述文を用いて文＋λ／１０となると、第１の位相比
較器７の出力（Ａ相）は、φ＝３６°となるため、最大
値より少し小さくなり、第２の位相比較器１１の出力（
Ｂ相）は、φ＝１２６°となるため、さらに小さくなる
。すなわち、Ａ相はＢ相よりも９０°進み位相となる。

この様子が第４図（Ａ）に示されている。

他方、受波用磁気ヘッド４が送波用磁気ヘッド２に入／
１０だけ近づくと、すなわち両ヘッド２．４間の距離が
文−人／１０となると、Ａ相は、位相差φ＝−３６°と
なるため少し小さくなるが、Ｂ相は、φ＝５４°となる
ため、増大する。この場合には、Ｂ相の方がＡ相よりも
９０’進み位相となる。この様子が第４図（Ｂ）に示さ
れている。

以上のようにして、Ａ相のパルスとＢ相のパルスの位相
進み、遅れの関係が、受波用磁気ヘッド４の移動方向の
正負によって逆転するので、この移動方向を判別するこ
とが可能となる。

位相器９は入力信号の位相を９０°遅らせるものである
が、９０’進ませるものであってもよい。この位相シフ
ト量は９０’に限らず任意の角度とすることができる。

また、増幅器６の出力の位相をシフトさせるようにして
もよい。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例を示す構成およびブロック図
、第２図は第１図のブロックの出力信号波形を示す波形
図である。第３図はこの発明の他の実施例を示す構成およびブロッ
ク図、第４図はヘッドの移動方向に対するＡ相およびＢ
相の進み、遅れの関係を示す波形図である。１・・・発振器、２・・・送波用磁気ヘッド、３・・・
線状体、４・・・受波用磁気ヘッド、７．１０・・・位
相比較器、８．１１・・・波形整形回路、９・・・位相
器。以　　上゛特許出願人立石電機株式会社

Claims

【特許請求の範囲】

（１）移動量測定方向に張られた磁歪効果をもつ線状体
、測定原点に配置され、送波電気信号から線状体を伝播す
る超音波を発生させる送波用磁気ヘッド、線状体にそって移動自在に配置され、線状体を伝播して
いる超音波を受波電気信号に変換する受波用磁気ヘッド
、および送波用磁気ヘッドに入力する送波電気信号と受波用磁気
ヘッドから出力する受波電気信号との位相を比較し、そ
の比較結果を表わす電気信号を出力する位相比較回路、を備えた超音波リニア・エンコーダ。
（２）線状体がアモルファス合金からなる、特許請求の
範囲第（１）項に記載の超音波リニア・エンコーダ。
（３）送波電気信号および受波電気信号のいずれか一方
の位相を所定角度シフトさせる位相回路、ならびに送波
電気信号および受波電気信号のいずれか他方と位相回路
の出力との位相を比較し、その比較結果を表わす第２の
電気信号を出力する第２の位相比較回路を備えている、
特許請求の範囲第（１）項に記載の超音波リニア・エン
コーダ。