JP2005172615A - Measuring device for coordinate displacement - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、座標変位の測定装置に関する。 The present invention relates to a coordinate displacement measuring apparatus.
近年、コイル等のインピーダンス素子と磁性体等よりなる磁気応答部材との相対的位置に応じた検出信号を各インピーダンス素子から得ることにより被検体の位置変位を検出する位置変位センサ(例えば特許文献1等)が開発され、この基本検出原理の応用範囲が広いことから、種々多様な用途への展開が試みられている。 2. Description of the Related Art In recent years, a position displacement sensor that detects a position displacement of an object by obtaining a detection signal from each impedance element according to the relative position between an impedance element such as a coil and a magnetic response member made of a magnetic material (for example, Patent Document 1). Etc.) and the application range of this basic detection principle is wide, and therefore, it has been attempted to be applied to various uses.
上記の位置変位センサは、インピーダンス素子と磁性体等よりなる磁気応答部材との相対的位置に応じて交流信号中に現れる電気位相差より、位置変位を検出するものである。その基本検出原理の大略は次の通りである。
まず、この位置変位センサは、その駆動原理から2つに大別される。以下ではこれらをそれぞれ、誘導型、インピーダンス型と称する。いずれの型においても複数のインピーダンス素子が直線状に配列された直線変位検出方式と、円周方向に配列された回転角度検出方式とがあり、誘導型においては、トランスの二次コイルがインピーダンス素子となってこれらの配列が形成される(特許文献1等参照)。
The position displacement sensor detects a position displacement from an electrical phase difference that appears in an AC signal according to the relative position between an impedance element and a magnetic response member made of a magnetic material or the like. The basic detection principle is roughly as follows.
First, this position displacement sensor is roughly divided into two according to its driving principle. Hereinafter, these are referred to as an inductive type and an impedance type, respectively. In any type, there are a linear displacement detection method in which a plurality of impedance elements are linearly arranged and a rotation angle detection method in which the impedance elements are arranged in the circumferential direction. In the induction type, the secondary coil of the transformer is an impedance element. Thus, these arrays are formed (see Patent Document 1).
そこで本発明の対象である、インピーダンス素子と磁性体等よりなる磁気応答部材との相対的位置に応じて交流信号中に現れる電気位相差より位置変位を検出する上記の位置変位センサを容易に理解出来る様、その誘導型位置変位センサについて、まず直線方式の動作原理を図1を用いて説明する。図1の(A)はその外観斜視図、(B)はインピーダンス素子(L1〜L4)と磁性体配列棒(3)の様子を示す図である。図1において、1はソレノイド型一次コイル、2はその内側に同軸配置された二次コイル列であり、ここでは同一規格の4個のコイルL1〜L4が等間隔で配列されている。この二次コイル列はインピーダンス素子として機能するものである。このコイル配列に対しては、各コイル中心軸と同軸、かつ、軸方向に移動自在の関係で、被検体と物理的に結合された磁性体配列棒3が挿入される。磁性体配列棒3には、その直線変位方向に沿って所定のピッチで複数の円筒状強磁性体(磁気応答部材)4が繰り返し設けられている。図1に示す例では、強磁性体4は、コイル配列間隔(隣接コイル中心間距離)の4倍を1ピッチとして繰返し設けられている。磁性体配列棒3の棒軸は顕著な磁性を示さない金属又はプラスチック物質からなる。隣接する強磁性体4同士の間には、空隙或いは非磁性体8が存在する。
Therefore, it is easy to understand the above-described position displacement sensor that detects the position displacement from the electrical phase difference that appears in the AC signal according to the relative position between the impedance element and the magnetic response member made of a magnetic material or the like, which is the subject of the present invention. First, the principle of operation of the linear type displacement sensor will be described with reference to FIG. FIG. 1A is an external perspective view, and FIG. 1B is a diagram showing the state of the impedance elements (L1 to L4) and the magnetic material array rod (3). In FIG. 1, 1 is a solenoid type primary coil, 2 is a secondary coil array coaxially arranged inside, and here, four coils L1 to L4 of the same standard are arranged at equal intervals. This secondary coil array functions as an impedance element. A magnetic
各二次コイルL1〜L4には、図の如く正弦波電圧ASinωtが印加された一次コイル1からの相互誘導作用により正弦波電圧が誘起される。ところが、上記磁性体配列棒3と各二次コイルL1〜L4との相対的位置の変化により、一次コイルと各二次コイル間の磁気結合の変化及びそれに伴うインダクタンス変化が生ずることによって、各二次コイルには、上記磁性体配列棒3の直線位置に応じて振幅変調された誘導出力交流信号が、これら各二次コイルの配置のずれに応じて異なる振幅特性で誘起される。図1における磁性体配列棒3の軸方向位置(L1,L3の位置:実質上、それぞれのコイルの軸方向中央部分が強磁性体4と空隙或いは非磁性体8との境界部分に対応する位置, L2,L4の位置:実質上、L2が強磁性体4の軸方向中央部分に対応し、L4が非磁性体8の軸方向中央部分に対応する位置)をd=0とし、且つ同棒の、図の右方への移動を正方向とすれば、L1−L3差動出力は、誘起される正弦波Sinωtに、変動する係数すなわち位置変位に対応した振幅関数aSind(aは適宜定数、以下同じ)を掛けた値
aSindSinωt
となり、L2−L4差動出力は、誘起される正弦波Sinωtに、変動する係数すなわち位置変位に対応した振幅関数aCosdを掛けた値
aCosdSinωt
となる。ここで、振幅関数aSind,aCosdは、磁性体配列棒3上における強磁性体4の繰返し単位(=1ピッチ変位)を1サイクルとしてそれぞれ変化する。すなわち、上記振幅関数は、1ピッチを2π[rad]として処理し得るものであって、電気位相差360度分に対する機械的変位量が1ピッチに相当する。
In each of the secondary coils L1 to L4, a sine wave voltage is induced by the mutual induction action from the
The L2-L4 differential output is a value obtained by multiplying the induced sine wave Sinωt by an amplitude function aCosd corresponding to a coefficient that fluctuates, that is, a position displacement, aCosdSinωt
It becomes. Here, the amplitude functions aSind and aCosd change with the repetition unit (= 1 pitch displacement) of the
次に、回転方式の動作原理に付き、図2を用いて説明する。図2に於て二次コイル2’を構成する各コイルL1〜L4は、一次コイル1’の中心軸と平行な中心軸を有しており、一次コイル1’に内接する形で環状・等間隔に配列される。各二次コイルL1〜L4は、それぞれの中心軸と同軸に配置された極鉄心5を有している。これら極鉄心の端面はいずれも、実質的に同一の軸横断面上に揃えられている。又、一次コイルの中心軸(=二次コイル配列の中心軸)と同軸に配置されたシャフトスリーブには、二次コイルの極鉄心5を回転位置に応じて覆うための磁性体偏心板6が支持されている。磁性体偏心板6は、被検体の動きに応じて回転可能な様、被検体と物理的に結合されたものである。磁性体偏心板6は、上記一次コイルの中心軸を回転軸として回転し、それに応じて、実質的に回転軸から最も離れた磁性体偏心板6の一部分9が、順次各二次コイルL1〜L4の極鉄心5上を通過して行く様になっている。
Next, the operation principle of the rotation method will be described with reference to FIG. In FIG. 2, each of the coils L1 to L4 constituting the
各二次コイルL1〜L4には、一次コイル1’との相互誘導により、一次側に印加された正弦波電圧ASinωtに基づく正弦波電圧が誘起されるが、前述した磁性体偏心板6の回転位置に応じた一次コイルと各二次コイル間の磁気結合の変化及びそれに伴うインダクタンス変化が生ずることによって、各二次コイルには、磁性体偏心板6の回転角度変位に応じて振幅変調された誘導出力交流信号が、これら各二次コイルの配置のずれに応じて異なる振幅特性で誘起される。これら各二次コイルに誘起されたコイル端間電圧は、配置関係が180度(逆位相)であるL1−L3の組,及びL2−L4の組において差動的に取出せば、倍化して検出できるということが明らかである。
A sinusoidal voltage based on the sinusoidal voltage ASinωt applied to the primary side is induced in each of the secondary coils L1 to L4 by mutual induction with the
磁性体偏心板6が図2(B)に示される角度位置にあるとき(=実質的に回転軸から最も離れた磁性体偏心板6の一部分9が、中心軸7から見て水平方向右側にあるとき)における12時方向の角度位置(=L1に対応する位置)をθ=0と定め、かつ、この偏心板6の、図の時計回りの回転を正方向とすれば、二次コイルL1−L3差動出力は、誘起される正弦波Sinωtに、係数すなわち角度変位に対応した振幅関数aSinθを掛けた値、即ち、
aSinθSinωt
となる。一方、L2−L4差動出力は、誘起される正弦波Sinωtに、係数すなわち角度変位に対応した振幅関数aCosθを掛けた値、即ち、
aCosθSinωt
となる。ここで、振幅関数aSinθ,aCosθは、磁性体偏心板6の1回転を1サイクルとしてそれぞれ変化する。したがって、上記振幅関数は、θの360度変位を1ピッチとして、直線方式の場合と同様に処理し得るものである。
When the magnetic body
aSinθSinωt
It becomes. On the other hand, the L2-L4 differential output is a value obtained by multiplying the induced sine wave Sinωt by an amplitude function aCosθ corresponding to a coefficient, that is, an angular displacement, that is,
aCosθSinωt
It becomes. Here, the amplitude functions aSinθ and aCosθ change with one rotation of the magnetic material
これらの関係を、直線及び回転角度変位について一括し、回路的に示したものが図3の結線図である。 The connection diagram of FIG. 3 shows these relationships collectively for a straight line and a rotational angular displacement in a circuit form.
また、同様の関係はL1〜L4を実質上自己インダクタンスのみからなるインピーダンス素子として,これらに正弦波電圧ASinωtを直接加えた場合にも成立する(以下、インピーダンス型と称する)。このことを示したのが図4の回路図である。尚本発明は、直接にはインピーダンス型において、インピーダンス素子と磁性体等よりなる磁気応答部材(磁性体パネル)との相対的位置に応じて出力交流信号中に現れる電気位相差より、座標変位を測定する新規のセンサ構造に関するものである。 A similar relationship is also established when L1 to L4 are impedance elements that are substantially composed only of self-inductances and a sinusoidal voltage ASinωt is directly applied to them (hereinafter referred to as an impedance type). This is shown in the circuit diagram of FIG. In the present invention, in the direct impedance type, the coordinate displacement is determined by the electrical phase difference that appears in the output AC signal according to the relative position between the impedance element and the magnetic response member (magnetic panel) made of a magnetic material or the like. The present invention relates to a novel sensor structure to be measured.
そこで、インピーダンス型においても上記と同様にして得られるインピーダンス素子(コイルL1〜L4)の各端子電圧を、正弦係数の式をα、余弦係数の式をβとすれば、回転角度変位の場合、直線変位の場合ともに、次の様に表すことができる。aは適宜定数である。
α=aSin(θ,d)・Sinωt・・・・・・・・・・・・・・・・式1
β=aCos(θ,d)・Sinωt・・・・・・・・・・・・・・・・式2
Therefore, in the impedance type, if the terminal voltages of the impedance elements (coils L1 to L4) obtained in the same manner as described above are represented by α as the sine coefficient formula and β as the cosine coefficient formula, In the case of linear displacement, it can be expressed as follows. a is a constant as appropriate.
α = aSin (θ, d) · Sinωt
β = aCos (θ, d) · Sinωt
これらの式から、実際の被検体の回転角度変位θ或いは直線変位d(電気位相角をθとすれば、これが各軸方向の機械的変位に相当するため、以下ではθの表記で説明する)を求める演算回路としては、まず式1及び式2にそれぞれ、0から順次増加するデジタル位相値φの余弦関数Cosφ、及び正弦関数Sinφを乗じていき、
Sinφ・Cosθ−Cosφ・Sinθ=0・・・・・・・・・・・・式3
の時点において、θ=φとしてθを特定する、公知のR−D変換方式が挙げられる(特許文献1等参照)。尚、この方式ではφを追従カウントするときのクロック遅れが生じ、応答性の面で改良の余地がある。
From these equations, the actual rotational angle displacement θ or linear displacement d of the subject (if the electrical phase angle is θ, this corresponds to the mechanical displacement in each axial direction, and will be described below by the notation of θ). As an arithmetic circuit for obtaining the above, first, the
Sinφ · Cosθ-Cosφ · Sinθ = 0 ··········
At this point, a known RD conversion method in which θ is specified as θ = φ can be cited (see Patent Document 1). In this method, a clock delay occurs when φ is followed and counted, and there is room for improvement in terms of responsiveness.
また、以下の様な方式も従来知られたものである。すなわち、式1におけるSinωtを回路上でCosωtに変換してaSin(θ,d)・Cosωtを得たのち、三角関数の加法定理を適用することによって、位置変位を位相差として含む正弦波信号aSin(ωt±θ,d)を得、これより被検体の位置変位(θ,d)を求める方式である。下式4に、その様子を示す。以下、この方式を位相差変換(P−D変換)方式と称する。なお、aSin(ωt+θ,d)を進み位相波P、aSin(ωt−θ,d)を遅れ位相波Mとする。
aSin(θ,d)・Cosωt±aCos(θ,d)・Sinωt=
aSin(ωt±θ,d)・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・式4
The following methods are also known in the past. That is, Sinωt in
aSin (θ, d) · Cosωt ± aCos (θ, d) · Sinωt =
aSin (ωt ± θ, d) ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 4
この位相差変換方式に関し、図5に、動作波形及び解析手順を示す。同図(A)は印加電圧ASinωtと、振幅変調された式1、式2の各右辺の信号の波形図、(B)はASinωtのグラフと特定の位相差(θ,d)を含む図5(C)右辺の正弦波、この場合は遅れ位相波M=aSin(ωt−θ,d)のグラフとの時間関係を示す波形図である。図5(C)は、図5(B)に表された波形図を導き出す根拠となる数式的推移を示すものである。又図6に、図5(C)の操作を回路上で具体的に実現する演算回路のブロック図を示す。式1、式2で表わされる信号α、βはそれぞれ、位相検出部18に入力される前に、増幅(増幅度b/a)並びに位相シフト及び加算の各処理が施される。尚図5(B)において、進み位相波P=aSin(ωt+θ,d)の場合、そのグラフは破線で示した遅れ位相波M=aSin(ωt−θ,d)のグラフと対称的に、実線で示したASinωtのグラフよりも(θ,d)だけ時間的に先行した正弦波となる。
Regarding this phase difference conversion method, FIG. 5 shows operation waveforms and analysis procedures. FIG. 5A is a waveform diagram of the applied voltage ASinωt and the amplitude-modulated signals on the right side of
図5(B)のグラフから明らかな通り、θ又はdを求めるにはASinωtグラフのゼロクロス点から、遅れ位相波M=aSin(ωt−θ,d)又は進み位相波P=aSin(ωt+θ,d)グラフのゼロクロス点までの時間をカウントすれば良い。 As is apparent from the graph of FIG. 5B, to obtain θ or d, the delayed phase wave M = aSin (ωt−θ, d) or the leading phase wave P = aSin (ωt + θ, d) from the zero cross point of the ASinωt graph. ) Count the time to the zero cross point of the graph.
ところで、上記誘導型或いはインピーダンス型の位置変位センサは、すべて直線位置や回転位置のような1次元位置を測定するものであり、2次元位置を測定するものは存在していなかった。上記誘導型或いはインピーダンス型の位置変位センサは、構造的に非接触であり、また、インピーダンス素子と磁性体等よりなる磁気応答部材の簡単な構成により、容易かつ安価に製造することができるので、これを2次元位置検出装置に適用できれば、広い応用・用途が見込まれる。その様な観点から、特許文献2或いは3に記載される発明が提案されているが、いずれも誘導型に係るものである他、測定対象物中にコイルを予め埋め込んだり、又これらを結線して検出回路、更には演算回路等を構成する必要があり、各部品を測定対象物中に実装することが面倒である上実装スペースを改めて確保する必要があると言う問題があった。更に、測定範囲が測定対象物中に埋設されたコイル近傍に限定されるため、広範な座標変位の測定を行なうことが難しいという問題があった。
By the way, all of the inductive or impedance type position displacement sensors measure a one-dimensional position such as a linear position or a rotational position, and none of them measure a two-dimensional position. The inductive or impedance-type position displacement sensor is structurally non-contact, and can be easily and inexpensively manufactured with a simple configuration of a magnetic response member made of an impedance element and a magnetic body. If this can be applied to a two-dimensional position detection device, a wide range of applications and uses can be expected. From such a viewpoint, the inventions described in
本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、簡素な構成で座標変位を測定可能な座標変位の測定装置を提供することを課題とする。
また本発明は、広い範囲で正確に座標変位を測定可能な座標変位の測定装置を提供することを課題とする。
The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide a coordinate displacement measuring apparatus capable of measuring coordinate displacement with a simple configuration.
Another object of the present invention is to provide a coordinate displacement measuring apparatus capable of accurately measuring coordinate displacement in a wide range.
本発明者は、上記課題を解決すべく種々検討を行った結果、従来知られた上記誘導型或いはインピーダンス型の位置変位センサの測長原理を平面的その他多次元的に展開、即ち被測定物表面に磁性体パネルと非磁性体パネルをマトリクス状にそれぞれ各座標軸の方向に交互に配置する一方、検出ヘッドを各軸毎の位置変位測定用のインピーダンス素子の組からなるものとすることにより、簡素な構成で座標変位が測定できることを見出し、本発明を完成した。 As a result of various studies to solve the above-mentioned problems, the inventor has developed the length measurement principle of the above-described inductive or impedance-type position displacement sensor in a planar or other multi-dimensional manner, that is, an object to be measured. By alternately arranging a magnetic panel and a non-magnetic panel in the direction of each coordinate axis in a matrix on the surface, the detection head is composed of a set of impedance elements for measuring the position displacement for each axis, The present inventors have found that coordinate displacement can be measured with a simple configuration and completed the present invention.
上記課題を解決可能な本発明の座標変位の測定装置は、所望の被測定物の表面上に載置され、マトリクス状にそれぞれX軸方向及びY軸方向に交互に配列される磁性体パネルと非磁性体パネルと、前記磁性体パネル及び非磁性体パネルに相対して配置され、これらと相対的に非接触のまま変位する、複数個のインピーダンス素子によるX軸検出部とY軸検出部を包含する検出ヘッドと、からなり、前記被測定物の前記磁性体パネル及び非磁性体パネルの配列面に対する前記検出ヘッドの相対的位置に応じたX軸成分検出信号とY軸成分検出信号とを、前記X軸検出部及びY軸検出部から夫々出力することを特徴とするものである。
尚、本発明に言うX軸、Y軸とは、2次元面上で交差して延びる一方側と他方側の軸の呼び名の一例であって、互いに直交するもののみに限定されないものとする。又被測定物表面に磁性体パネルと非磁性体パネルをマトリクス状にそれぞれ各座標軸の方向に交互に配置するとは、被測定物表面上において磁性体パネル同士或いは非磁性体パネル同士が互いに隣接しない様、磁性体パネルと非磁性体パネルを打違えに配置することを言う。
The coordinate displacement measuring apparatus of the present invention capable of solving the above-described problems is a magnetic panel placed on the surface of a desired object to be measured and arranged alternately in the X-axis direction and the Y-axis direction in a matrix form, respectively. A non-magnetic body panel, and an X-axis detection unit and a Y-axis detection unit that are arranged relative to the magnetic body panel and the non-magnetic body panel and are displaced in a non-contact manner relative to the non-magnetic body panel. An X-axis component detection signal and a Y-axis component detection signal corresponding to the relative position of the detection head with respect to the arrangement surface of the magnetic panel and the non-magnetic panel of the object to be measured. The X-axis detection unit and the Y-axis detection unit respectively output the data.
The X-axis and Y-axis referred to in the present invention are examples of names of axes on one side and the other side that intersect and extend on a two-dimensional plane, and are not limited to those orthogonal to each other. Also, when magnetic and non-magnetic panels are alternately arranged in the direction of each coordinate axis in a matrix on the surface of the object to be measured, the magnetic panels or non-magnetic panels are not adjacent to each other on the surface of the object to be measured. In the same way, it means that the magnetic panel and the non-magnetic panel are arranged by mistake.
従って本発明によれば、現在はシリンダやダイキャスト機等に採用され、使用されている直線変位の位置変位の検出原理を、任意の座標位置を指定するポインタ装置や、表面実装機、その他平面座標変位の測定が必要な機器等にまで拡大適用することができる。又本発明によれば、被測定物と非接触の儘座標変位の測定が可能である他、検出ヘッドが1個で済むとともにその中に検出回路等を組み込んでおけば良いため、構成を簡素なものとすることが出来る。
更に、本発明の座標変位の測定装置は、磁気を利用した検出装置であるため、従来知られた光学式の検出原理を採用するものに比べ、ゴミや粉塵等の付着しやすい劣悪な環境下でも変わらぬ性能を発揮出来、設置環境に関わらず安定した検出出力を提供することが出来る点で、耐環境性が高いと言える。
Therefore, according to the present invention, the detection principle of the position displacement of the linear displacement that is currently used and used in cylinders, die cast machines, etc., pointer devices that designate arbitrary coordinate positions, surface mounters, and other planes The present invention can be extended to devices that require measurement of coordinate displacement. In addition, according to the present invention, it is possible to measure the coordinate displacement without contact with the object to be measured, and only one detection head is required, and a detection circuit or the like may be incorporated therein, thereby simplifying the configuration. Can be
Furthermore, since the coordinate displacement measuring device of the present invention is a detection device using magnetism, it is less susceptible to adhesion of dust, dust, and the like than those employing a conventionally known optical detection principle. However, it can be said that the environment resistance is high in that it can exhibit the same performance and can provide a stable detection output regardless of the installation environment.
本発明の磁性体パネル及び非磁性体パネルは、剛直なものからなる必要はなく、シート状のものから構成することも出来、従って測定対象物が曲面の場合であっても、曲面上にこれらのシートを適宜貼付けておくことで、その座標変位を検出することが出来る。
このほか、被測定物の磁性体パネル及び非磁性体パネルが備えられた面或いは検出ヘッドは、必ずしも水平面上にある必要はなく、本発明の座標位置の測定装置によれば、水平面に限らず傾斜面における座標位置の測定を行なうこともできる。又本発明の座標変位の測定装置によれば、後記の通り適宜補正演算等を併用することで、広い範囲で正確に座標変位を測定することもできる。以下、本発明をより詳細に説明する。
The magnetic panel and the non-magnetic panel of the present invention do not need to be rigid, and can be composed of sheet-like ones. Therefore, even when the object to be measured is a curved surface, these are arranged on the curved surface. By appropriately pasting the sheet, the coordinate displacement can be detected.
In addition, the surface or the detection head provided with the magnetic panel and the non-magnetic panel of the object to be measured does not necessarily have to be on a horizontal plane. According to the coordinate position measuring apparatus of the present invention, the plane is not limited to the horizontal plane. The coordinate position on the inclined surface can also be measured. Further, according to the coordinate displacement measuring apparatus of the present invention, the coordinate displacement can be accurately measured in a wide range by appropriately using a correction calculation as described later. Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
以下、本発明の一実施形態を、添付の図7〜12に基づき説明する。
図7は本発明の座標変位の検出装置の一構成例を表わす図であり、(A)がその平面を、(B)がその正面を示す図である。図8は検出ヘッドの各軸検出部毎のインピーダンス素子の配置を表わす、図7(A)の一部拡大図であり、(A)がX軸方向検出部、(B)がY軸方向検出部の配置を表わす図である。図9はインピーダンス素子からの出力電圧の変化を表わす図であり、(A)が各コイルL2,L4の出力電圧の変化を、(B)がL2−L4差動出力の特性を表わす図である。図10は検出ヘッドの各軸検出部毎の構成を回路的に表わした図であり、図11は変換器内における処理の様子を示す図、図12は検出ヘッドにおけるインピーダンス素子の別の配置例を示す図である。尚図7〜12においては、先に示した図1〜6と同一のものには同一符号を付して説明するものとする。
また、図7(A)における検出ヘッドHのX軸方向、及びY軸方向位置をdx=dy=0とし、同図に矢印で示す通り、検出ヘッドHの、図の右方、そして上方への移動をそれぞれX軸方向、及びY軸方向の正方向とする。本実施形態では、X軸とY軸とは実質上直交している。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
7A and 7B are diagrams showing an example of the configuration of the coordinate displacement detection apparatus of the present invention, in which FIG. 7A is a plan view and FIG. 7B is a front view thereof. 8A and 8B are partially enlarged views of FIG. 7A showing the arrangement of impedance elements for each axis detection unit of the detection head, where FIG. 8A is an X-axis direction detection unit and FIG. 8B is a Y-axis direction detection. It is a figure showing arrangement | positioning of a part. 9A and 9B are diagrams showing changes in the output voltage from the impedance element, where FIG. 9A shows changes in the output voltages of the coils L2 and L4, and FIG. 9B shows characteristics of the L2-L4 differential output. . FIG. 10 is a circuit diagram showing the configuration of each axis detection unit of the detection head, FIG. 11 is a diagram showing the state of processing in the converter, and FIG. 12 is another arrangement example of impedance elements in the detection head. FIG. 7 to 12, the same components as those shown in FIGS. 1 to 6 are denoted by the same reference numerals.
Further, the position of the detection head H in FIG. 7A in the X-axis direction and the Y-axis direction is d x = d y = 0, and as shown by the arrows in FIG. The upward movement is defined as the positive direction in the X-axis direction and the Y-axis direction, respectively. In the present embodiment, the X axis and the Y axis are substantially orthogonal.
[構成]
まず、本発明の座標変位の測定装置の一構成例につき、図7に基づき説明する。
図7に示す様に、座標を検出すべき被測定物の表面には、磁性材料からなるパネル(コアパネル)Cと非磁性材料からなるパネル(スペーサパネル)Sが、マトリクス状にそれぞれX軸方向及びY軸方向に交互に配列されている。図7に示す一例では、被測定物の表面に磁性体パネルCと非磁性体パネルSが各8枚、計16枚配置されている。この例では非磁性体パネルSは顕著な磁性を示さない金属又はプラスチック物質からなる。
この図7に示す例では、後記する検出ヘッドHの各軸検出部の構成が1相励磁4コイル方式とされており、それ故検出ヘッドHを構成する各コイル配列間隔(隣接コイル中心間距離)の4倍の距離が、磁性体パネルCと非磁性体パネルSが連続して配置される間隔即ち検出ピッチ(電気位相差360度分に対する機械的変位量)の基本単位となっている。従ってコイル径或いはコイル配置間隔を適宜調整することで、所望の検出ピッチが実現されるかたちになっている。図7の例でも、各インピーダンス素子は上記1ピッチの範囲内に配置されている。
[Constitution]
First, a configuration example of the coordinate displacement measuring apparatus of the present invention will be described with reference to FIG.
As shown in FIG. 7, a panel (core panel) C made of a magnetic material and a panel (spacer panel) S made of a non-magnetic material are arranged in a matrix on the surface of the object whose coordinates are to be detected. And are alternately arranged in the Y-axis direction. In the example shown in FIG. 7, a total of 16 magnetic panels C and 8 nonmagnetic panels S are arranged on the surface of the object to be measured. In this example, the nonmagnetic panel S is made of a metal or plastic material that does not exhibit significant magnetism.
In the example shown in FIG. 7, the configuration of each axis detection unit of the detection head H described later is a one-phase excitation four-coil system, and therefore each coil arrangement interval constituting the detection head H (distance between adjacent coil centers). 4) is a basic unit of the interval at which the magnetic panel C and the non-magnetic panel S are continuously arranged, that is, the detection pitch (mechanical displacement with respect to an electrical phase difference of 360 degrees). Therefore, a desired detection pitch is realized by appropriately adjusting the coil diameter or the coil arrangement interval. Also in the example of FIG. 7, each impedance element is arranged within the range of the one pitch.
図7において、Hは検出ヘッドであり、平面座標変位を測定する本実施形態の装置では、検出ヘッドはX軸用検出部とY軸用検出部の2組が組み合わされてなるものである。X軸用検出部はX座標の値を表示、Y軸用検出部はY座標の値を表示させるためのものである。本実施形態ではX軸検出部、Y軸検出部は共に、同一規格の4個のインピーダンス素子(コイルL1〜L4、R1〜R4)からなり、それぞれ、後記するY軸成分検出信号α,β或いはX軸成分検出信号γ,δを出力するものである。なお、図1他に示した誘導型の場合と異なり、本節にて説明する座標変位の測定装置はインピーダンス型であるので一次コイルは不要である。 In FIG. 7, H is a detection head, and in the apparatus of this embodiment for measuring a plane coordinate displacement, the detection head is a combination of two sets of an X-axis detection unit and a Y-axis detection unit. The X-axis detection unit displays an X-coordinate value, and the Y-axis detection unit displays a Y-coordinate value. In the present embodiment, both the X-axis detection unit and the Y-axis detection unit are composed of four impedance elements (coils L1 to L4, R1 to R4) of the same standard, and Y-axis component detection signals α and β described later or X-axis component detection signals γ and δ are output. Unlike the inductive type shown in FIG. 1 and others, the coordinate displacement measuring device described in this section is an impedance type, and therefore a primary coil is unnecessary.
図7或いは図12に示す様に本実施形態では、検出ヘッドHの構成例として3行3列或いは4行5列(5行4列)の枠内にインピーダンス素子たるコイルが8個配置されたものが挙げられている。図7に示す例では、検出ヘッドHの一方側のX軸検出部は、X軸方向に延びる第1行及び第3行目に夫々2個配列されたインピーダンス素子R1〜R4から、また他方側のY軸検出部は、X軸方向に延びる第1行及び第3行目に夫々1個、並びに第2行目に2個配列されたインピーダンス素子L1〜L4からなっており、それぞれ、L1とR1が非磁性体パネルS中央部分、L3とR3が磁性体パネルC中央部分、その他が磁性体パネルCと非磁性体パネルS2枚の境界部分に来る様に配置されている。又図7(B)に示す様に、検出ヘッドHは、磁性体パネルCと非磁性体パネルSの備えられた被測定物の上面において、非接触の儘配置されている。
As shown in FIG. 7 or FIG. 12, in this embodiment, as a configuration example of the detection head H, eight coils as impedance elements are arranged in a frame of 3
[検出動作]
図8(A)及び(B)に示す様に、図7に示す構成の検出ヘッドHでは、コイルR1〜R4がX軸検出部、コイルL1〜L4がY軸検出部となっており、それぞれ、X軸方向の変位、Y軸方向の変位を検出している。図8(A)で各インピーダンス素子R1〜R4を示す円内、又図8(B)で各インピーダンス素子L1〜L4を示す円内にはそれぞれ、検出ヘッドHがX軸、或いはY軸方向に移動することに伴って各素子の自己インダクタンスが変化することにより生じる出力信号の電圧特性を示す振幅関数が書き表わされている。図中、マイナス・サイン関数或いはマイナス・コサイン関数には、Sin又はCosの上に「−」(バー)が付してある。
[Detection operation]
As shown in FIGS. 8A and 8B, in the detection head H configured as shown in FIG. 7, the coils R1 to R4 are X-axis detection units, and the coils L1 to L4 are Y-axis detection units. The displacement in the X-axis direction and the displacement in the Y-axis direction are detected. The detection head H is in the X-axis or Y-axis direction in the circle showing the impedance elements R1 to R4 in FIG. 8A and in the circle showing the impedance elements L1 to L4 in FIG. An amplitude function indicating a voltage characteristic of an output signal generated by a change in self-inductance of each element as it moves is written. In the figure, the minus sine function or the minus cosine function has “-” (bar) on Sin or Cos.
各軸毎の検出原理は次の通りであり、上述した直線変位検出方式の位置変位センサと実質同様である。又この例では、インピーダンス型の検出方法を用いており、各コイルに直接、交流電源Sinωtが接続されている。図10に、検出ヘッドの各軸検出部毎の構成を回路的に表わしたものを示す。尚各軸検出部毎のインピーダンス素子の接続及び座標変位の演算については、図8〜11が参照される。以下では、Y軸方向に移動する場合に注目してその変位の検出方法につき説明した後、座標変位の演算について説明する。 The detection principle for each axis is as follows and is substantially the same as the position displacement sensor of the linear displacement detection method described above. In this example, an impedance type detection method is used, and an AC power source Sinωt is directly connected to each coil. FIG. 10 shows a circuit representation of the configuration of each axis detection unit of the detection head. Note that FIGS. 8 to 11 are referred to for connection of impedance elements and calculation of coordinate displacement for each axis detection unit. In the following, attention will be paid to the case of movement in the Y-axis direction, the displacement detection method will be described, and then the coordinate displacement calculation will be described.
はじめに、コイルL2に注目すると、コイルL2がY軸方向に移動することでコイルのインピーダンスが変化し、図9(A)に実線で示される様な出力電圧が表われる。同様に、コイルL4にも図9(A)に破線で示される様な出力電圧が表われる。これらの差動出力をとれば、図9(B)に示される様にaSinθの信号が得られる。同様にコイルL1,L3についても差動出力が得られる様接続することによって、aCosθの信号が得られる。これらaSinθ或いはaCosθは、基準信号成分(Sinωt)の係数部分となるものである(式1,式2)。
First, paying attention to the coil L2, when the coil L2 moves in the Y-axis direction, the impedance of the coil changes, and an output voltage as shown by a solid line in FIG. 9A appears. Similarly, an output voltage as indicated by a broken line in FIG. 9A also appears in the coil L4. If these differential outputs are taken, a signal of aSinθ can be obtained as shown in FIG. 9B. Similarly, by connecting the coils L1 and L3 so as to obtain a differential output, a signal of aCosθ can be obtained. The aSinθ or aCosθ is a coefficient part of the reference signal component (Sinωt) (
X軸検出部を構成する各インピーダンス素子の配列は図8(A)に示される通りであり、検出方法その他は上記Y軸の場合と同様である。 The arrangement of the impedance elements constituting the X-axis detection unit is as shown in FIG. 8A, and the detection method and others are the same as in the case of the Y-axis.
図8〜10に示す通り、各軸検出部を構成するインピーダンス素子(コイルL1〜L4,R1〜R4)に基準信号ASinωtを励磁しておくと、検出ヘッドHの移動に伴い、その真下に来る磁性体パネルC或いは非磁性体パネルSの位置に応じて各コイルのインピーダンス(自己インダクタンス)が変化する。
例えばコイルL1〜L4からなるY軸のみに注目し、コイルL2−L4差動出力α,L1−L3差動出力βを図10に示す構成の検出回路から取り出すと、
α=aSinθSinωt・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・式1
β=aCosθSinωt・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・式2
となる。aは適宜定数である。これら検出回路からの信号(Y軸検出信号)α,βは、演算回路15の入力部19で増幅(増幅率b/a)された後、信号αについては位相シフト回路16を通してSinωt部を電気位相π/2遅らせる処理が施される。
α’=aSinθSin(ωt−π/2)
=aSinθCosωt・・・・・・・・・・・・・・・・・・・式1’
これと式2に示すβとを、式4に示す様に加法定理を適用して演算することにより、進み位相波P=aSin(ωt+θ)或いは遅れ位相波M=aSin(ωt−θ)が求まるので、これらと基準励磁信号ASinωtとの位相差から機械的変位の検出を行なう(位相差検知方式)。X軸の場合についても同様である。
As shown in FIGS. 8 to 10, when the reference signal ASinωt is excited in the impedance elements (coils L <b> 1 to L <b> 4, R <b> 1 to R <b> 4) constituting each axis detection unit, the detection head H comes directly under the movement. Depending on the position of the magnetic panel C or the non-magnetic panel S, the impedance (self-inductance) of each coil changes.
For example, paying attention only to the Y axis composed of the coils L1 to L4, when the coils L2 to L4 differential output α and L1 to L3 differential output β are taken out from the detection circuit having the configuration shown in FIG.
α = aSinθSinωt ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・
β = aCosθSinωt ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 2
It becomes. a is a constant as appropriate. The signals (Y-axis detection signals) α and β from these detection circuits are amplified (amplification factor b / a) at the
α ′ = aSinθSin (ωt−π / 2)
= ASinθCosωt ......... Equation 1 '
By calculating this and β shown in
尚、機械変位の検出は、1ピッチ(=磁性体パネルCと非磁性体パネルS一組の長さ或いは磁性体パネルCの配列間隔)を電気角360°(1周期)とすることで、検出ヘッドHが移動してθの変位が得られた場合、d=(θ/360)×pとすることにより求めることが出来る。ここで、pは1ピッチの長さ、dは機械的変位であり、各軸成分毎に、dx:X軸成分位置,dy:Y軸成分位置とする。 The mechanical displacement is detected by setting one pitch (= the length of one set of the magnetic panel C and the non-magnetic panel S or the arrangement interval of the magnetic panels C) to an electrical angle of 360 ° (one cycle). When the detection head H moves and a displacement of θ is obtained, it can be obtained by setting d = (θ / 360) × p. Here, p is the length of one pitch, d is a mechanical displacement, and for each axis component, d x is the X-axis component position and d y is the Y-axis component position.
[変換器内での検出信号の演算処理]
次に、各インピーダンス素子から得られる出力信号(Y軸成分検出信号α,β或いはX軸成分検出信号γ,δ)よりX軸或いはY軸方向の位置変位を導き出すための変換器内における処理につき、図10及び図11を参照しながら説明する。変換器35は、各軸検出部毎に備えられ、それぞれ増幅部19,位相シフト部16,加算部17,位相検出部18を含む演算回路15を有するものである。図中のマイクロコンピュータ36及びルックアップテーブル37については後段で説明する。各軸検出部からの差動出力α〜δは、演算回路15の増幅部19に接続される。
図11(A)に示す通り、本実施形態では、直線変位や回転角度を検出する誘導型やインピーダンス型の位置変位センサにおいて従来知られた位相差変換(P−D変換)方式を用いることによって、X軸或いはY軸方向の位置変位を導き出している。P−D変換については上述した通りであり、図10及び図11から明らかな様に、各軸検出部では4つのコイルの出力より、これらがL2−L4又はR2−R4(α,γ),そしてL1−L3又はR1−R3(β,δ)の二種類の差動出力に変換されたのち、変換器35内の演算回路15に入力され、増幅、位相シフト、加算の処理が施された後に位相検出処理が行われてY軸或いはX軸方向の位置変位が導き出される。導き出されたY軸或いはX軸方向の位置変位を座標変位として適宜(X座標:Y座標=dx:dy)の形で表わせば、本発明の装置が座標変位の測定装置として機能することが明らかとなろう。
[Calculation of detection signal in converter]
Next, the processing in the converter for deriving the position displacement in the X-axis or Y-axis direction from the output signals (Y-axis component detection signals α, β or X-axis component detection signals γ, δ) obtained from each impedance element. This will be described with reference to FIGS. 10 and 11. The
As shown in FIG. 11A, in the present embodiment, a phase difference conversion (PD conversion) method conventionally known in an inductive or impedance type position displacement sensor that detects a linear displacement or a rotation angle is used. The position displacement in the X-axis or Y-axis direction is derived. The P-D conversion is as described above. As is apparent from FIGS. 10 and 11, each axis detection unit determines that these are L2-L4 or R2-R4 (α, γ), Then, after being converted into two kinds of differential outputs of L1-L3 or R1-R3 (β, δ), it is inputted to the
この様に、図7、或いは図12の様なコイル配置或いは検出ヘッドを持つ本発明の座標変位の測定装置によれば、従来知られた直線変位の位置変位センサと同様、例えば4つのコイルから夫々得られる、夫々の自己インダクタンス等に応じた出力レベル乃至振幅関数を有する正弦波信号(Y軸成分検出信号α,β或いはX軸成分検出信号γ,δ)の値から、X軸或いはY軸方向の位置変位、ひいては2次元平面上の座標変位を導き出すことが出来る。 As described above, according to the coordinate displacement measuring apparatus of the present invention having the coil arrangement or the detection head as shown in FIG. 7 or FIG. From the value of a sine wave signal (Y-axis component detection signal α, β or X-axis component detection signal γ, δ) having an output level or an amplitude function corresponding to each self-inductance or the like obtained, the X-axis or Y-axis It is possible to derive the positional displacement in the direction, and thus the coordinate displacement on the two-dimensional plane.
検出距離、或いは検出ヘッドからの座標変位の出力値に関しては、図7(A)に示された3行3列の枠内に置かれたコイル配列の場合、磁性体パネルCと非磁性体パネルSの組合せを1ピッチとし、図7(A)における検出ヘッドHの位置を基準にすると、同図中で検出ヘッドHが当初相対している磁性体パネルCと非磁性体パネルSの範囲内即ちX,Y軸方向それぞれに±1/4ピッチ、特に±1/8ピッチの範囲内では(図9(B)参照)、検出ヘッドHからの出力は、特に補正の必要が無い座標変位の値を表示する。図12の様なコイル配置からなる検出ヘッドの場合も同様である。 Regarding the output value of the detection distance or the coordinate displacement from the detection head, in the case of the coil arrangement placed in the 3 × 3 frame shown in FIG. 7A, the magnetic panel C and the non-magnetic panel When the combination of S is one pitch and the position of the detection head H in FIG. 7A is used as a reference, the detection head H is within the range of the magnetic panel C and the non-magnetic panel S that are initially opposed to each other in FIG. That is, within the range of ± 1/4 pitch, especially ± 1/8 pitch in the X and Y axis directions (see FIG. 9B), the output from the detection head H is a coordinate displacement that does not require any correction. Display the value. The same applies to a detection head having a coil arrangement as shown in FIG.
本発明の一実施例となる座標変位の測定装置の構成、および動作等については、図7〜図12をはじめとする添付図面、及び上記[発明を実施するための形態]で説明した通りである。
かくして、X軸検出部或いはY軸検出部に繋がる各演算回路15の位相検出部18より出力された位相差θは、X軸検出部或いはY軸検出部におけるX軸成分の変位或いはY軸成分の変位(dx、dy)に相当する。このとき、1ピッチ即ち磁性体パネルCの繰り返しピッチを例えば216=65536分割する16ビット処理を行えば、1ピッチ=10mmの場合なら、X軸検出部或いはY軸検出部のそれぞれで10000/65536≒0.15[μm]の分解能を得ることができる。
The configuration, operation, and the like of the coordinate displacement measuring apparatus according to one embodiment of the present invention are as described in the accompanying drawings including FIGS. 7 to 12 and the above-mentioned [Mode for Carrying Out the Invention]. is there.
Thus, the phase difference θ output from the
ここで、本実施例では、検出範囲を広げるため、ルックアップテーブルと言われる変換テーブルを用い、上記±1/4ピッチの範囲外に検出ヘッドが移動した際に生じ得る、一部に誤差を含んだ波形或いは出力値の補正が出来る様になっている。
図7或いは図12に示されたコイル配列の場合、P−D変換を適用した出力値から求められる座標変位の値と実際の座標変位の値の間の誤差の補正を行うに当たり、検出ヘッド出力値(誤差を含んだ値)と真の値(実際の正しい各軸毎の位置変位又は座標変位)との対照変換表等の様なルックアップテーブルを、本発明の装置製造時の検査等で実際に測定された出力値を基にして予め作っておき、これを図11に例示する通り、補正用ロムのような記憶媒体(メモリ37)を介して変換器35内に備えておけば良く、各コイルから実際に得られた信号を順次このルックアップテーブルに対照する処理をCPU(マイクロコンピュータ)36で行うことにより、各コイルから実際に得られた(誤差を含む)出力信号(Y軸成分検出信号α,β或いはX軸成分検出信号γ,δ)から真の値を容易に求めることができる。図11に示す通り、演算回路15から出たX軸或いはY軸方向の位置変位の値は、同じ変換器35内にあるCPU36に入力される。CPU36には、ルックアップテーブルが格納されたメモリ37が内蔵或いは電気的に接続されていて、演算回路15から入力された値は、当該CPU36内において順次ルックアップテーブルと対照処理される。対照処理の後、CPU36からは補正演算後の正しいX軸或いはY軸方向の位置変位の値が得られる。
本実施例の座標変位の測定装置によれば、上記の通り適宜補正演算等を併用することで、検出範囲が別段限定される事無く、広い範囲で正確に検出ヘッドHの座標変位を測定することができる。
In this embodiment, in order to widen the detection range, a conversion table called a look-up table is used, and some errors that may occur when the detection head moves out of the ± 1/4 pitch range. The included waveform or output value can be corrected.
In the case of the coil arrangement shown in FIG. 7 or FIG. 12, the detection head output is used to correct the error between the coordinate displacement value obtained from the output value to which the PD conversion is applied and the actual coordinate displacement value. Lookup tables such as a contrast conversion table between values (values including errors) and true values (actual correct position displacements or coordinate displacements for each axis) can be used for inspections when manufacturing the device of the present invention. It may be prepared in advance based on the actually measured output value and provided in the
According to the coordinate displacement measuring apparatus of the present embodiment, the coordinate displacement of the detection head H is accurately measured in a wide range without any particular limitation on the detection range by appropriately using correction calculation or the like as described above. be able to.
各インピーダンス素子から得られる出力信号よりY軸或いはX軸方向の位置変位を導き出すための変換器35内における処理につき、この実施例では図11(B)に示す様に、Y軸或いはX軸方向の位置変位を、変換器35内に直接入力される個別の各コイルL1〜L4或いはR1〜R4の出力レベルに基づき検出している。又この実施例では、このとき同時に適宜補正演算を施している。上記実施例1と同様、補正演算にはルックアップテーブルと言われる変換テーブル等が用いられる。このとき、4つのコイルから夫々得られる出力信号は、CPU36に入力され、その内部又は外部に設置されたメモリ37に格納されているルックアップテーブルと対照する処理が行われる。
尚ルックアップテーブルとして記憶される情報としては、例えば4つのコイルから得られる出力信号(Y軸成分検出信号α,β或いはX軸成分検出信号γ,δ)から求まる各軸毎の位置変位又は座標変位の値と、実際の正しい各軸毎の位置変位又は座標変位との間の誤差の情報(誤差情報)が挙げられる。或いは、各軸の4つのコイルから得られる出力信号或いはこれらから求まる各軸毎の位置変位又は座標変位の値(誤差を含む)より、これをアドレスとして、直接実際の正しい各軸毎の位置変位又は座標変位の値(真の値)に辿り着けるようにし、その上で、この真の値に関する情報を、本発明の装置製造時等に補正演算用のロムに予め書き込んでおく手法が採られる。
In this embodiment, as shown in FIG. 11B, the processing in the
The information stored as the look-up table includes, for example, position displacements or coordinates for each axis obtained from output signals (Y-axis component detection signals α, β or X-axis component detection signals γ, δ) obtained from four coils. Information on the error (error information) between the displacement value and the actual correct position displacement or coordinate displacement for each axis can be mentioned. Alternatively, from the output signals obtained from the four coils of each axis or the position displacement or coordinate displacement values (including errors) for each axis obtained from these, this is used as an address to directly correct the actual position displacement for each axis. Alternatively, it is possible to reach the value (true value) of the coordinate displacement, and then, a method is adopted in which information about the true value is written in advance in the ROM for correction calculation when the apparatus of the present invention is manufactured. .
以上、本発明の一実施形態として2次元の座標変位の測定を行なうための構成を中心に説明したが、本発明は上記実施例記載のものに限られず、種々の設計変更が可能である。
例えば、2次元面上で交差して延びる一方側と他方側の軸の交差角度は、上でX軸、Y軸と表記した様な直角に限定されるものではない。
座標変位の測定についても、本発明の座標変位の測定装置の他に大まかな座標変位の測定手段を別途組み合わせ、大まかな座標変位を予め確定した後本発明の装置により座標変位を精密に測定する様にしても構わない。
また、各インピーダンス素子に加える信号(=励磁信号)を例えば正弦波交流電圧からなるアナログ信号ではなく、所謂パルス状の矩形波からなるディジタル信号としても良い。この様な構成とすれば煩雑なアナログ回路素子の精度管理が不要となる。又この様な構成としても、アナログ正弦波交流信号を各インピーダンス素子に入力した場合と変わらぬ性能を得ることが出来る。このとき、励磁信号として用いるデジタル信号は、位相差検出その他本発明の座標変位の測定装置の制御用に使用されているマイクロコンピュータより直接出力させることが可能であるほか、マイクロコンピュータからの出力信号を適宜ディジタル信号処理してから各インピーダンス素子に印加することもできる。
As described above, the configuration for measuring the two-dimensional coordinate displacement has been mainly described as an embodiment of the present invention. However, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various design changes can be made.
For example, the crossing angle between the axes on one side and the other side extending in a crossing manner on the two-dimensional plane is not limited to the right angle as described above as the X axis and the Y axis.
As for the coordinate displacement measurement, the coordinate displacement measuring device of the present invention is combined with a rough coordinate displacement measuring means separately, and the rough coordinate displacement is determined in advance, and then the coordinate displacement is accurately measured by the device of the present invention. It doesn't matter if you do.
Further, a signal (= excitation signal) applied to each impedance element may be a digital signal made up of a so-called pulsed rectangular wave instead of an analog signal made up of a sinusoidal AC voltage, for example. Such a configuration eliminates complicated analog circuit element precision control. Also with such a configuration, the same performance as when an analog sine wave AC signal is input to each impedance element can be obtained. At this time, the digital signal used as the excitation signal can be directly output from a microcomputer used for phase difference detection or other control of the coordinate displacement measuring device of the present invention, and an output signal from the microcomputer. Can be applied to each impedance element after appropriate digital signal processing.
各インピーダンス素子の数及び配置についても、上記実施例記載のものに限定されることなく様々な値等を採用し得る。その様な構成とした場合であっても、位相検出部での演算方法を変更したり、或いは位相検出に際してルックアップテーブルによる補正を併用したりすることにより、正しい座標変位を測定出来る。 The number and arrangement of the impedance elements are not limited to those described in the above embodiments, and various values can be adopted. Even in the case of such a configuration, the correct coordinate displacement can be measured by changing the calculation method in the phase detection unit or by using correction by a lookup table at the time of phase detection.
更に、上記各例では一相のみで行っていた各インピーダンス素子への正弦波電圧の印加(=コイルの励磁)に代えて、各インピーダンス素子の第1端に、それぞれ位相のずれた交流電圧を供給する交流電源を接続し、上記各インピーダンス素子の第2端をそれぞれ一括接続することにより、多相交流の中性点電圧同様、この一括接続された第2端から、上記各インピーダンス素子と上記磁性体パネルC及び非磁性体パネルSの配列面との相対的位置の変化に伴うインピーダンス変化に対応した位相差をもつ交流信号を取り出し、これを用いて被測定物の座標変位の測定を行なうことも出来る。このとき、インピーダンス素子となる各コイルの第1端にはそれぞれ、ωt=2π/n(nは、X軸或いはY軸検出部を構成するインピーダンス素子数)づつずれた励磁信号を入力し得る。 Furthermore, instead of applying a sinusoidal voltage to each impedance element (= excitation of the coil) that has been performed in only one phase in each of the above examples, an AC voltage having a phase shift is applied to the first end of each impedance element. By connecting an AC power supply to be supplied and collectively connecting the second ends of the impedance elements, the impedance elements and the An AC signal having a phase difference corresponding to a change in impedance associated with a change in relative position between the magnetic panel C and the non-magnetic panel S is taken out and used to measure the coordinate displacement of the object to be measured. You can also At this time, excitation signals shifted by ωt = 2π / n (where n is the number of impedance elements constituting the X-axis or Y-axis detection unit) can be input to the first ends of the coils serving as impedance elements.
又インピーダンス素子は、コイルに限らず例えば磁気抵抗素子(MR)等であっても良い。但し、各インピーダンス素子として磁気抵抗素子を使用する場合は、特開2000−292113号公報等にも記載されている様に、各磁気抵抗素子にバイアス磁界(フィールド磁界)を別途加えることが必要である。磁気抵抗素子は、インピーダンス素子の一例であるコイルよりも大幅に小型化出来るので、検出ヘッドを小型化出来る上、検出ピッチを詰めることが出来、装置の検出精度の向上に寄与する。
上記各例では、非磁性体パネルSは顕著な磁性を示さない金属又はプラスチック物質からなっているが、その他、磁性体パネルCのみを残し非磁性体パネルSが配置されていた部分を空隙としても良い他、空隙に代えて各磁性体パネルCの間に反磁性体を設置しても良い。
The impedance element is not limited to a coil, and may be a magnetoresistive element (MR), for example. However, when a magnetoresistive element is used as each impedance element, it is necessary to separately apply a bias magnetic field (field magnetic field) to each magnetoresistive element as described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-292113. is there. Since the magnetoresistive element can be significantly reduced in size as compared with a coil that is an example of an impedance element, the detection head can be reduced in size and the detection pitch can be reduced, which contributes to improvement in detection accuracy of the apparatus.
In each of the above examples, the nonmagnetic panel S is made of a metal or plastic material that does not exhibit significant magnetism, but in addition, only the magnetic panel C is left and the portion where the nonmagnetic panel S is disposed is used as a gap. In addition, a diamagnetic material may be provided between the magnetic panels C instead of the gaps.
上記各例では、磁性体パネルC及び非磁性体パネルSが被測定物上に配列されている例につき説明したが、本発明の座標変位の測定装置は各インピーダンス素子と磁性体パネルC及び非磁性体パネルSの相対的位置から被測定物の座標変位を測定するものであるので、検出ヘッドH側に被測定物が物理的に結合されていても別に構わない。 In each of the above examples, the magnetic panel C and the non-magnetic panel S have been described as being arranged on the object to be measured. However, the coordinate displacement measuring apparatus of the present invention has the impedance elements, the magnetic panel C, and the non-magnetic panel C. Since the coordinate displacement of the object to be measured is measured from the relative position of the magnetic panel S, the object to be measured may be physically coupled to the detection head H side.
その他、本発明の座標変位の測定装置は、上に列挙した適用対象に限らず、種々の対象にも適用可能であることは言うまでもない。 In addition, it goes without saying that the coordinate displacement measuring device of the present invention is not limited to the above-mentioned application targets but can also be applied to various objects.
更に本発明は、2次元の座標変位の測定に限定されず、例えばNC(数値制御)工作機械やラピッドプロト作成機その他の3次元の座標変位の測定を行なう機器等に対しても適用可能なものである。 Furthermore, the present invention is not limited to the measurement of two-dimensional coordinate displacement, but can be applied to, for example, NC (numerical control) machine tools, rapid prototyping machines, and other devices that measure three-dimensional coordinate displacement. Is.
冒頭で示した通り、1次元の位置変位に関しては直線変位のほか回転角度の検出も可能であるところ、これらを組合せることにより、2次元の座標変位の検出に際しても、平面座標系やXYZ軸からなる座標系に限らず極座標系とすることもできる。 As shown at the beginning, in addition to linear displacement, it is possible to detect a rotation angle in addition to linear displacement. By combining these, even when detecting two-dimensional coordinate displacement, a planar coordinate system or XYZ axes The coordinate system is not limited to the above, and a polar coordinate system can also be used.
このように本発明は、インピーダンス素子と磁性体等よりなる磁気応答部材との相対的位置に応じて交流信号中に現れる電気位相差より位置変位を検出する位置変位センサの基本原理を活かした、廉価で簡素、かつ対環境性能に優れた小型の座標変位の測定装置を提供できるものであることが明らかである。 Thus, the present invention makes use of the basic principle of the position displacement sensor that detects the position displacement from the electrical phase difference that appears in the AC signal according to the relative position of the impedance element and the magnetic response member made of a magnetic material, etc. It is clear that a small coordinate displacement measuring apparatus that is inexpensive, simple and excellent in environmental performance can be provided.
C 磁性体パネル
H 検出ヘッド
L1〜L4 コイル
R1〜R4 コイル
S 非磁性体パネル
1 一次コイル
1’ 一次コイル
2 二次コイル
2’ 二次コイル
3 磁性体配列棒
4 強磁性体
5 極鉄心
6 磁性体偏心板
7 中心軸
8 非磁性体
9 磁性体偏心板の一部
10 座標変位の測定装置
15 演算回路
16 位相シフト部
17 加法定理による加算回路
18 位相検出部
19 増幅部
35 変換器
36 マイクロコンピュータ
37 メモリ
C Magnetic panel H Detection head L1 to L4 Coil R1 to R4 Coil
Claims (3)
前記磁性体パネル及び非磁性体パネルに相対して配置され、これらと相対的に非接触のまま変位する、複数個のインピーダンス素子によるX軸検出部とY軸検出部を包含する検出ヘッドと、
からなり、前記被測定物の前記磁性体パネル及び非磁性体パネルの配列面に対する前記検出ヘッドの相対的位置に応じたX軸成分検出信号とY軸成分検出信号とを、前記X軸検出部及びY軸検出部から夫々出力することを特徴とする座標変位の測定装置。 A magnetic panel and a non-magnetic panel placed on the surface of a desired object to be measured and arranged alternately in a matrix in the X-axis direction and the Y-axis direction,
A detection head including an X-axis detection unit and a Y-axis detection unit by a plurality of impedance elements, which is disposed relative to the magnetic panel and the non-magnetic panel, and is displaced without contact with the magnetic panel;
An X-axis component detection signal and a Y-axis component detection signal corresponding to the relative position of the detection head with respect to the arrangement surface of the magnetic panel and the non-magnetic panel of the object to be measured. And a coordinate displacement measuring device, respectively, outputting from the Y-axis detecting unit.
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JP2003412964A JP2005172615A (en) | 2003-12-11 | 2003-12-11 | Measuring device for coordinate displacement |
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Cited By (2)
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KR20140109379A (en) * | 2011-12-13 | 2014-09-15 | 젯트에프 프리드리히스하펜 아게 | Sensor device, method for position detection, and magnetic element for a sensor device |
CN113303818A (en) * | 2020-02-26 | 2021-08-27 | 通用电气精准医疗有限责任公司 | Controlling device sensor rotation |
-
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- 2003-12-11 JP JP2003412964A patent/JP2005172615A/en active Pending
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