TW201435303A - 位移感測器及位移之檢測方法 - Google Patents

位移感測器及位移之檢測方法 Download PDF

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Abstract

本發明之目的在於減小位移感測器之誤差。磁度計係以極性不同之2個磁鐵為1節距。將kn個(k為2以上之自然數，且n為1以上之自然數)感測器單元於1節距之區間沿著磁度計加以排列，而該等感測器單元係輸出以1節距為1週期且相對於節距之相位為不同之複數個信號。將來自kn個感測器單元之相位加以平均，而消除感測器單元所具有1節距為n週期之週期性誤差。

Description

位移感測器及位移之檢測方法
本發明係有關一種位移感測器，尤其係關於誤差之減少。
發明者已開發組合有磁度計與線圈等磁性元件之位移感測器(例如專利文獻1：JP4919177)。此種位移感測器存在有誤差，故期望可減小誤差。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本專利4919177
本發明之課題在於減小位移感測器之誤差。
本發明係一種位移感測器，其利用磁性元件檢測以磁度計為基準之位置，其特徵在於，其具備有：磁度計，其係以極性不同之2個磁鐵、或者磁性體及非磁性體各1個之配對為1節距；並且具備有：kn個(k為2以上之自然數，且n為1以上之自然數)感測器單元，其等輸出以上述1節距為1週期且相對於節距之相位 為不同之複數個信號；並進一步具備有：平均化部，其輸出來自上述kn個感測器單元之相位之平均值；且上述kn個感測器單元係於上述1節距之區間沿著磁度計以串聯之方式加以排列。
又，本發明係一種利用磁性元件檢測以磁度計為基準之位置而藉此檢測位移之方法，其特徵在於使用位移感測器，而該位移感測器具備有：磁度計，其係以極性不同之2個磁鐵、或者磁性體及非磁性體各1個之配對為1節距；並且具備有：kn個(k為2以上之自然數，且n為1以上之自然數)感測器單元，其等輸出以上述1節距為1週期且相對於節距之相位為不同之複數個信號；並進一步具備有：平均化部，其輸出來自上述kn個感測器單元之相位之平均值；且上述kn個感測器單元係於上述磁度計之1節距之區間沿著磁度計以串聯之方式加以排列，上述感測器單元係具有上述1節距成為n週期之週期性誤差，藉由將來自上述kn個感測器單元之相位加以平均，而消除1節距為n週期之週期性誤差。
發明者發現：於利用磁性元件檢測以磁度計為基準之位置之位移感測器中，會產生2個磁鐵成為1週期、2週期、4週期、或者磁性體及非磁性體各1個之配對成為1週期、2週期、4週期的週期性誤差。若自感測器單元側觀察，於相對於設置有複數個節距之磁度計而移動之情況下，當移動1節距時自磁度計受到之磁性環境相同，誤差亦相同。因此，誤差會於每一節距重複，1週期之誤差之長度(誤差之波長)係成為節距之整數分之一。而且，若相對於磁度計之1節距設置kn個感測器單元，則會得到相對於誤差之相位每移動360/kn°之kn個輸出值，若對其等取平均值，則誤差之影響會變小。本發明可消除以磁度計之1節距為n週期而重複 之週期性誤差，從而正確地檢測位移。再者，於本說明書中，與位移感測器相關之記載亦直接適用於位移檢測方法，而與位移檢測方法相關之記載亦直接適用於位移感測器。
若將k設為4，可得到相對於誤差之相位每移動90/n°時之kn個信號，若對其等取平均值，則可大幅減小誤差之影響。
較佳為上述磁度計具備有複數個上述節距，上述感測器單元係構成為輸出檢測中之節距之偏移信號，且上述平均化部係利用上述相位及上述偏移信號，求出上述平均值。若對來自kn個感測器單元之相位取平均值，則測定範圍會成為1節距之長度之1/kn。因此，藉由對偏移信號取平均值，可將測定範圍擴大至磁度計之全長。
更佳為上述感測器單元係具有上述1節距成為n週期之週期性誤差，且藉由將來自上述kn個感測器單元之信號加以平均，而消除週期性誤差。如此一來，可得到相對於誤差之相位每移動360/kn°時之kn個輸出值，若對其等取平均值，可正確地檢測位移。
較佳為磁度計係呈直線狀地配置，位移感測器係為檢測沿著磁度計之線性位置之線性位移感測器。更佳為磁度計係為線性馬達之磁鐵列，且求出沿著磁度計之線性位置而用以驅動線性馬達。
又，本發明之線性位移感測器係利用磁性元件檢測以磁度計為基準之線性位置者，其具備有：磁度計，其係以在線性馬達之磁鐵列中之由極性不同且鄰接之2個磁鐵所構成之配對為1節距，並呈直線狀；4n個感測器單元(n為1以上之自然數)，其等於將上述1節距之長度設定為p時，以沿著磁度計之每隔p/(4n)的位 置而變化之方式配置於1節距之長度內；及平均化部，其輸出來自上述4n個感測器單元之輸出值之平均值；且上述4n個感測器單元係分別由複數個磁性元件所構成。
如此一來，可利用線性馬達之磁鐵列正確地對該線性馬達進行驅動。尤其在線性馬達之線圈所產生之磁場為誤差之原因之情況下，可正確地檢測位置。又，由於感測器單元為4n個，因此其等之信號之相位係相對於1節距為n週期之誤差每次移動90°，若取平均值即可簡單地消除誤差。
較佳為：上述平均化部係以將來自上述4n個感測器單元之節距內座標ai(i為1至4n之自然數)之平均值，與上述4n個感測器單元所檢測出之節距之原點座標bi之平均值相加之方式而加以構成，且上述4n個感測器單元係可檢測出鄰接之2個節距。若4n個感測器單元遍及1節距之長度p以內之長度而配置，則整體上可檢測出鄰接之2個節距。此處，來自4n個感測器單元之節距內座標ai不斷地變化，4n個感測器單元所檢測出節距之原點座標bi係於較短之時間範圍內為固定。因此，若個別地求出其等之平均值，則運算上較容易。
2‧‧‧磁度計
4、6‧‧‧磁鐵
8‧‧‧感測頭
10‧‧‧驅動器
12‧‧‧平均化部
14‧‧‧計數器
16‧‧‧表
18‧‧‧D/A轉換器
20‧‧‧相位檢測部
22‧‧‧偏移修正部
A1、A2‧‧‧放大器
ai‧‧‧節距內座標
bi‧‧‧節距原點之座標
C1~C4‧‧‧線圈
u1~u8‧‧‧感測器單元
x‧‧‧平均輸出值
xi‧‧‧感測器單元之輸出值
x1~x8‧‧‧感測器單元之輸出值
θ‧‧‧1節距內之相位
ωt‧‧‧交流輸入之相位
圖1係實施例之位移感測器之方塊圖。
圖2係感測頭之主要部分方塊圖。
圖3係表示實施例之位移檢測方法之流程圖。
圖4係示意性地表示感測器單元所導致之誤差之圖。
圖5係表示改變感測器單元相對於標度之安裝位置時之誤差之 圖。
圖6係表示將圖5之資料平均化後之輸出值之圖。
圖7係表示改變感測器單元相對於線性馬達之安裝位置時之誤差之圖。
圖8係表示將圖7之資料平均化後之輸出值之圖。
圖9係表示已對8個感測器單元之輸出值取平均值時之與基準感測器之誤差之圖。
以下表示用以實施本發明之最佳實施例。本發明之範圍應基於申請專利範圍之記載，參考說明書之記載及本領域中眾所周知之技術，並根據本發明所屬技術領域中具有通常知識者之理解而規定。
[實施例]
圖1至圖9係表示實施例。圖1係表示位移感測器之構成，磁度計2係為排列有磁鐵4、6之標度，且配置成直線狀。磁鐵4之表面為S極，磁鐵6之表面為N極，將磁鐵4、6之配對設為1節距，並將複數個節距串聯地排列。磁鐵4、6既可為位移感測器專用之標度，亦可為作為線性馬達之一部分之磁鐵列，此處係作為線性馬達之一部分。再者，磁度計2除可由磁鐵4、6實現以外，亦可由磁性體與非磁性體之組合等而實現，於該情況下，1個磁性體與1個非磁性體之配對為1節距。感測頭8係由例如1個驅動器10及例如8個感測器單元u1~u8所構成，感測器單元之數量係為4之倍數即4n個(n為自然數)。n係指例如誤差於1節距內重複之週期數。此處，驅動器10對8個感測器單元u1~u8供給交 流電流，將第i個感測器單元ui之輸出信號設為xi。利用平均化部12對8個感測器單元u1~u8之輸出信號x1~x8取平均值，並輸出位置信號x。較佳為實施例之位移感測器係檢測沿著磁度計2之位置之線性位移感測器，且更佳為檢測出沿著磁度計2之線性位置而用以驅動線性馬達。
再者，既可使磁度計2固定於地面側而使感測頭8為可動，反之，亦可使磁度計2為可動而使感測頭8固定於地面側。又，於在磁度計例如以8個為1單位設置磁鐵之情況下，將1單位視為4節距。於交替地設置4對磁性體之薄膜與非磁性體之薄膜之情況下，亦同樣地視為4節距。
於由各1個磁鐵4、6所構成1節距之區間內，8個感測器單元u1~u8係沿著磁度計2之長度方向(測定位移之方向)呈直線狀地排列。由8個感測器單元u1~u8，構成1個感測器陣列。又，將1節距之區間內之位置以相位θ(0≦θ≦2π)表示，感測器單元u1~u8係以各相位θ分別相差45°之方式配置。感測器單元間之相位差係將2π除以感測器單元之數量4n所得之值。再者，亦可於m節距(m為2以上之自然數)之區間，串聯地排列4nm個感測器單元，並將其等之信號平均化。此處，4n為排列於1節距之區間之感測器單元之數量。
圖2係表示驅動器10及1個感測器單元u1之構成，而其他感測器單元亦相同。計數器14係輸出交流之相位ωt，並利用表16將ωt轉換成相當於sinωt之數位信號，D/A轉換器(digital-analog converter；數位-類比轉換器)18係將該信號轉換為交流電壓sinωt，並供給至感測器單元u1~u8。
於感測器單元u1中，例如4個線圈C1~C4係按C1至C4之編號依次沿著標度之長度方向呈直線狀地排列，且如圖2般與橋接器組合並施加交流電壓sinωt。利用放大器A1、A2放大橋接器之輸出值，藉此提取相當於cosθ．cosωt及sinθ．sinωt之輸出值。例如利用cosθ．cosωt-sinθ．sinωt=cos(θ+ωt)，而藉由相位檢測部20轉換為相當於cos(θ+ωt)之類比信號，並根據cos(θ+ωt)成為0時之ωt之值求出1節距單位之相位θ。關於相位θ之計算方法，其他亦有各種公知之方法，而可使用利用sin(θ+ωt)者等任意方法。又，關於1感測器單元內之線圈數量及接線等，亦存在眾所周知之各種情況，且可為任一情況。再者，線圈C1~4係包含霍耳元件、磁阻元件等之磁性元件之例子。
偏移修正部22係記憶與初始位置之節距之變化，例如每當節距變化時對節距編號進行加減運算，並記憶目前檢測中之節距編號。又，偏移修正部22係記憶各節距之原點座標bi，並將根據相位θ所求出之節距內座標ai與節距之原點座標bi相加，而設為輸出信號xi。節距內座標ai係以各節距之原點座標bi為基準之直線上之座標，輸出信號xi係自適當之原點起算之座標。再者，若將節距之長度設為p，並以角度單位表示θ，則ai=p×θ/360。然而，亦可為偏移修正部22輸出節距之編號，利用平均化部12將節距之編號換算為原點座標bi並進行平均。
平均化部12係將8個輸出信號x1~x8相加並捨去後3位數或將相加所得之值向最小位數側移動3位數等，藉此求出平均化後之輸出信號x，而x係來自複數個感測器單元之信號之簡單平均值。若對節距內座標ai取平均值，則成為以45°之相位θ為週 期之信號，將該信號與節距之原點座標bi之平均值相加，藉此可得到表示位移之信號x。再者，平均化之運算方法為任意。圖3係表示感測器單元之配置(步驟1)、各感測器單元之位移之檢測(步驟2)、及各感測器單元之位移之簡單平均(步驟3)之處理。
圖4係示意性地表示來自1節距內之感測器單元之信號，對來自磁度計2之直線位移信號加入各種誤差因素，而成為感測器單元之信號xi。圖4係表示於1節距內存在2週期量之誤差，且誤差係於節距之前半部分大於後半部分之例子。若使感測器單元進行1節距量之位移，則線圈C1~C4自磁度計2所受到之磁性環境相同，因此，感測器單元之信號xi係成為於1節距單位內重複之週期性信號，誤差ei亦成為於1節距單位內重複之週期性信號。
誤差為於1節距內重複n週期之週期性信號，於發明者所知之範圍內，n為1、2或4。誤差之週期會成為1、2、4中之哪一個係取決於位移感測器之構造及使用環境，可藉由實驗來判斷。而且，若設置4n個感測器單元，並對其輸出信號取簡單平均值，則成為誤差極小之位移感測器。再者，若針對氣溫之變化等，亦使磁度計移動1節距量，則環境相同，且亦可消除因氣溫之變動所導致之誤差。
圖5至圖9係表示特性。於圖5、圖6中，感測器單元為1個，縱軸係表示誤差，橫軸係表示根據直線性較高且誤差較少之基準感測器之輸出值所求出之位置，並表示改變感測器單元與標度之間隔時之誤差。圖5之資料為平均化前，圖6之資料為平均化後。圖5中存在有標度之1節距為2週期之規則性誤差，若對圖5之各曲線每次改變相位45°，而如圖6般進行平均化，則可使誤 差減少。
圖7、圖8係表示改變感測器單元相對於線性馬達之安裝位置時之誤差，圖7係表示平均化前之資料，圖8表示以與圖6同樣之方式平均化後之資料。兼用作標度之線性馬達所產生之磁場為誤差因素，於圖7中，存在有相位之偏差，且存在有標度之1節距成為2週期之週期性誤差。若如圖8般進行平均化，則可使誤差減少。
於圖9中，感測器單元為8個，且使相對於1節距之相位每次變化45°而配置。縱軸為誤差，橫軸為根據基準感測器之輸出值所求出之位置。圖中之粗線為8個感測器單元之信號之平均值。於此例中，亦為標度之1節距為2週期之規則性誤差。
實施例係著眼於產生將標度之1節距設為n週期之週期性誤差之情況。而且，藉由將例如4n個感測器單元沿著1節距規則地配置，並對輸出值取簡單平均值，而減小誤差。又，信號處理為簡單平均，故較為簡單。
於實施例中，雖然對感測器單元u1~u8分別設置4個線圈C1~C4，但亦可對各感測器單元設置3個、6個、8個等之磁性元件，線圈係磁性元件之例子。例如在設置6個之情況下，可得到1節距內之相位不同之3個信號。而且，設置kn個感測器單元，例如2n個、4n個。
再者，於實施例中，雖然感測器單元係構成為可檢測鄰接之2個節距，但其目的在於，在感測頭8與磁度計2之間進行相對移動，而使感測頭8移動至下一節距。
2‧‧‧磁度計
4、6‧‧‧磁鐵
8‧‧‧感測頭
10‧‧‧驅動器
12‧‧‧平均化部
x1~x8‧‧‧感測器單元之輸出值
x‧‧‧平均輸出值
u1~u8‧‧‧感測器單元

Claims (11)

  1. 一種位移感測器，其為利用磁性元件檢測以磁度計為基準之位置者，其特徵在於，其具備有：磁度計，其係以極性不同之2個磁鐵、或者磁性體及非磁性體各1個之配對為1節距；並且具備有：kn個(k為2以上之自然數，且n為1以上之自然數)感測器單元，其等輸出以上述1節距為1週期且相對於節距之相位為不同之複數個信號；並進一步具備有：平均化部，其輸出來自上述kn個感測器單元之相位之平均值；且上述kn個感測器單元係於上述1節距之區間沿著磁度計以串聯之方式加以排列。
  2. 如申請專利範圍第1項之位移感測器，其中，k=4。
  3. 如申請專利範圍第1項之位移感測器，其中，上述磁度計具備有複數個上述節距，上述感測器單元係構成為輸出檢測中之節距之偏移信號，上述平均化部係利用上述相位及上述偏移信號，求出上述平均值。
  4. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之位移感測器，其中，上述感測器單元係具有上述1節距成為n週期之週期性誤差，且藉由將來自上述kn個感測器單元之信號加以平均，而消除週期性誤差。
  5. 如申請專利範圍第1項之位移感測器，其中，磁度計係呈直線狀地配置，位移感測器係為檢測沿著磁度計之線性位置之線性位 移感測器。
  6. 如申請專利範圍第5項之位移感測器，其中，磁度計係為線性馬達之磁鐵列。
  7. 一種線性位移感測器，係利用磁性元件檢測以磁度計為基準之線性位置者，其具備有：磁度計，其係以在線性馬達之磁鐵列中之由極性不同且鄰接之2個磁鐵所構成之配對為1節距，並呈直線狀；4n個感測器單元(n為1以上之自然數)，其等係於將上述1節距之長度設定為p時，以沿著磁度計之每隔p/(4n)的位置而變化之方式配置於1節距之長度內；及平均化部，其輸出來自上述4n個感測器單元之輸出值之平均值；且上述4n個感測器單元係分別由複數個磁性元件所構成。
  8. 如申請專利範圍第7項之線性位移感測器，其中，上述平均化部係以將來自上述4n個感測器單元之節距內座標ai(i為1至4n之自然數)之平均值，與上述4n個感測器單元所檢測出之節距之原點座標bi之平均值相加之方式而加以構成，且上述4n個感測器單元係可檢測出鄰接之2個節距。
  9. 一種位移檢測方法，其為利用磁性元件檢測以磁度計為基準之位置而藉此檢測位移之方法，其特徵在於使用位移感測器，而該位移感測器具備有：磁度計，其係以極性不同之2個磁鐵、或者磁性體及非磁性體各1個之配對為1節距；並且具備有：kn個(k為2以上之自然數，且n為1以上之自然數)感測器單元， 其等輸出以上述1節距為1週期且相對於節距之相位為不同之複數個信號；並進一步具備有：平均化部，其輸出來自上述kn個感測器單元之相位之平均值；且上述kn個感測器單元係於上述磁度計之1節距之區間沿著磁度計以串聯之方式加以排列，上述感測器單元係具有上述1節距成為n週期之週期性誤差，藉由將來自上述kn個感測器單元之相位加以平均，而消除1節距為n週期之週期性誤差。
  10. 如申請專利範圍第9項之位移檢測方法，其中，磁度計係呈直線狀地配置，並藉由位移感測器檢測沿著磁度計之線性位置。
  11. 如申請專利範圍第10項之位移檢測方法，其中，磁度計係為線性馬達之磁鐵列。
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