JP2008224301A - 回転体変位測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高速で回転する軸のブレ等によるＸ軸方向及びＹ軸方向の変位を同時に且つ高精度に測定することを課題とする。
【解決手段】回転体１２を挟むように近接してＸ軸方向に平行に２組の第１磁石５１、５２と２つの第１磁気抵抗素子４１、４２、４３、４４を対向して配置し、第１磁気抵抗素子４１、４２、４３、４４で第１ブリッジ回路を形成する。また、回転体１２を挟むように近接してＹ軸方向に平行に２組の第２磁石５３、５４と２つの第２磁気抵抗素子４５、４６、４７、４８を対向して配置し、第２磁気抵抗素子４５、４６、４７、４８で第２ブリッジ回路を形成する。第１ブリッジ回路でＸ軸方向の回転体１２の変位を測定し、同時に第２ブリッジ回路でＹ軸方向の回転体１２の変位を測定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転体を挟むようにＸ軸方向及びＹ軸方向に対し、平行に磁気抵抗素子をそれぞれ対向して配置し、回転体のＸ軸方向及びＹ軸方向の変位を同時に測定する回転体変位測定装置に関する。

切削加工では加工時間の短縮化の目的から、切削スピードがより高速になるように技術開発が進んでいる。特に、工具直径が１ｍｍ以下のドリルやエンドミルでは、工具回転数が１０万ｒｐｍに達するほどである。工具は駆動源であるモーターに直結された主軸端に取り付けられて加工に寄与するが、主軸の回転精度が十分でないと、工具の切れ刃が正しい円を描いて回転することができず、動的不釣り合いが生じて振動が発生する他、切削作業が精度良く行えなくなる。そこで、工具は慎重な取り付け作業によって主軸の中心に把持させることは当然であるが、主軸系自体の回転精度を適時に測定し確認しておくことが重要である。このため、接触式変位計、静電容量型変位計、レーザ変位計等、各種測定装置によって主軸系のブレ等を測定、検査してきた。

しかし、近年において、これらの装置の小型化及び高速回転に伴って、主軸系と永久磁石との間に生じる磁束の変化を検知して主軸系の回転誤差を測定する装置が注目されてきている（例えば、特許文献１、非特許文献１）。

特許文献１に記載の発明は、主軸に凹凸状の歯を設けた磁性体からなるロータを設置し、磁気抵抗素子４個から構成した磁気センサを、ロータの歯に対向させて設置している。また、磁気センサは２組用意し、各々のセンサは主軸を中心に対向させて設けている。

１対の磁気センサが対向する方向へ主軸が移動した場合、それぞれの磁束の強弱により、当該方向への変位を検知するとともに、主軸が当該方向と直角方向に移動した場合には、ロータの歯の回転の変動を検知することで、この直角方向への変位を検知している。

また、非特許文献１に記載の発明は、二つの磁気抵抗素子を直列に接続した磁気センサを備え、二つの磁気抵抗素子の間に設置した主軸の変位を測定する方法である。

直列に接続した磁気抵抗素子と平行に主軸が移動すると、一方の磁気抵抗素子の電気抵抗が大きくなり、他方の磁気抵抗素子の電気抵抗が小さくなることを利用し、磁気センサの検知面に対して平行方向へ移動する主軸の変位を測定している。
特開平５−８７５１２号公報 ２００５年度精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集ｐ．２７〜２８「磁気抵抗素子を利用した主軸回転誤差の測定法」

特許文献１に記載の発明は、機械加工装置等、大径の回転体の変位を測定することを対象としており、小径の回転体には適用できないという課題を有する。

また、歯車の通常の回転を検知し、磁気センサが対向する方向と直角方向に主軸が移動した場合、歯車の進み具合によって主軸の変位を検知しているため、主軸に歯車を設けないと検知できないという課題を有する。

更に、歯車を主軸に取り付けなければならず、小径の軸に用いようとしても、非常に微小な歯車を作成、設置する必要があり、小径の主軸に適用することが難しいという問題がある。

非特許文献１に記載の発明では、磁気センサの検知面に対して主軸が直角方向に移動した場合、検知面から遠ざかる方向には感度が鈍いため、主軸が検知面に対して直角に移動する際の変位を正確に計測できないという課題を有する。

また、同じ磁気センサを２つ用い、これらをＬ字状に配置してＸ軸方向及びＹ軸方向の変位を計測しようとしても、隣接する磁気センサに設置された磁石からの磁力が互いに干渉してしまい、主軸の位置変位を正確に捉えることができないという課題を有する。

更に、２つの磁気抵抗素子と２つの固定抵抗でブリッジ回路を形成し、回転体の１軸方向の変位を測定しているため、感度が鈍く精度が低いという課題を有する。

本発明は、小径且つ高速で回転する回転体のブレ等によるＸ軸方向及びＹ軸方向の変位を同時に且つ高精度に測定することを課題とする。

本発明は、回転体の変位を測定する回転体変位測定装置において、
前記回転体を挟むように近接してＸ軸方向に平行に２組の第１磁石と２つの第１磁気抵抗素子を対向して配置し、前記第１磁気抵抗素子で第１ブリッジ回路を形成し、
前記回転体を挟むように近接してＹ軸方向に平行に２組の第２磁石と２つの第２磁気抵抗素子を対向して配置し、前記第２磁気抵抗素子で第２ブリッジ回路を形成し、
前記第１ブリッジ回路でＸ軸方向の前記回転体の変位を測定し、同時に前記第２ブリッジ回路でＹ軸方向の前記回転体の変位を測定することを特徴とする。

また、本発明は、前記第１ブリッジ回路及び前記第２ブリッジ回路に接続する演算装置を設け、前記第１ブリッジ回路及び前記第２ブリッジ回路からの出力電圧を、前記演算装置で正弦波に変換してリサージュ図形を作成することを特徴とする。

更に、本発明は、前記第１ブリッジ回路及び前記第２ブリッジ回路に補正手段を設け、
前記第１ブリッジ回路及び前記第２ブリッジ回路からの出力電圧を初期補正することを特徴とする。

更に、本発明は、前記第１磁石と前記第１磁気抵抗素子及び前記第２磁石と前記第２磁気抵抗素子をそれぞれ１の函体に収容したことを特徴とする。

本発明によれば、回転体を挟むように近接してＸ軸方向に平行に２組の第１磁石と２つの第１磁気抵抗素子を対向して配置して第１ブリッジ回路を形成し、また、同様にＹ軸方向に平行に２組の第２磁石と２つの第２磁気抵抗素子を対向して配置して第２ブリッジ回路を形成して、回転体のＸ軸方向の変位及びＹ軸方向の変位を、それぞれ第１ブリッジ回路および第２ブリッジ回路からの出力電圧にて測定している。回転体がＸ軸方向にのみ移動した場合、第２磁気抵抗素子に隣接する２つの第１磁石からの磁力の干渉が対称となるため、１組の第２磁気抵抗素子対のそれぞれを通過する磁力線は等しくなり、Ｙ軸方向の変位を測定する第２ブリッジ回路は平衡状態を維持する。このためＹ軸方向への変位がないことを測定できるので、回転体のＸ軸方向及びＹ軸方向の変位を同時に測定できる。

また、本発明によれば、回転体を挟むように近接してＸ軸方向に平行に２組の第１磁気抵抗素子を対向して配置し、また、同様にＹ軸方向に平行に２組の第１磁気抵抗素子を対向して配置しているため、回転体の変位に伴う微小な磁力線の向きの変化を検知でき、高速回転する小径の回転体であっても、サブミクロンレベルの微小な変位を正確に測定することができる。

更に、本発明によれば、第１ブリッジ回路及び第２ブリッジ回路をそれぞれ４つの磁気抵抗素子で構成して１軸方向の変位を測定しているため、２つの磁気抵抗素子と２つの固定抵抗でブリッジ回路を構成したものに比べ、ブリッジ回路からの出力電圧が２倍になる。このため、２倍の高感度で、より高精度に回転体の変位測定が可能である。

更に、本発明によれば、リサージュ図形を作成して回転体の変位を測定しているため、一見して回転体の変位がわかる利点を有する。

更に、第１ブリッジ回路及び第２ブリッジ回路には補正手段を設けているため、事前に初期補正を行うことができ、回転体の初期位置にズレがあった場合でもゼロ調整が可能であり、高倍率で正確な測定ができる利点がある。

更に、磁石と磁気抵抗素子を１の函体に収容しているため、誘導ノイズを防止でき、回転体の変位を高精度に測定することが可能である。

図１を参照して、本発明の回転体変位測定装置について説明する。図１は、本装置の内部構造を示す断面図である。

回転体変位測定装置は、主に本体部１１と、回転体１２と、４つの磁気センサ２１、２２、２３、２４と、演算装置１３（図３参照）から構成される。

本体部１１は、円柱状に形成しており、回転体１２を貫通させて配置できるよう、中心部分を空洞にしている。磁気センサを挿入する磁気センサ配置孔１４は、本体部１１外周から内部の空洞まで貫通させて配置している。２つの磁気センサ配置孔１４は回転体を中心としてＸ軸方向に平行に対向させて設け、他の２つの磁気センサ配置孔１４を同様にＹ軸方向に平行に対向させて設けている。磁気センサ配置孔１４にはそれぞれ磁気センサを１つずつ挿入している。

磁気センサ２１、２２、２３、２４は磁気センサ配置孔１４にそれぞれ挿入されており、全ての磁気センサ２１の検知面と回転体１２は２００μｍ程度の間隔で配置される。それぞれの磁気センサ２１、２２、２３、２４は、それぞれ接続コード３１、３２、３３、３４を介して演算装置１３に接続している。

磁気センサ２１及び２２は回転体１２を挟むように近接してＸ軸方向に平行に対向して配置されている。同様に、回転体１２を挟むように近接してＹ軸方向に平行に磁気センサ２３及び２４が対向して配置されている。これらの磁気センサ２１、２２、２３、２４の検知面と回転体１２は全て均一な間隔となるように配置している。回転体１２と磁気センサの検知面が近ければ近いほど、回転体１２の変位に伴う磁界の変化を磁気センサ２１、２２、２３、２４が捉え、より高精度の測定が可能となるため、できるだけ近づけると良い。また、小さな磁気センサ２１、２２、２３、２４を用いると、より小径の回転体１２であっても磁気センサ２１、２２、２３、２４の検知面を回転体１２に近づけることができ、高精度の変位測定ができる。

磁気センサ２１内部には、第１磁石５１と２つの第１磁気抵抗素子４１、４２が設けられ、また、磁気センサ２２内部には、第１磁石５２と２つの第１磁気抵抗素子４３、４４が設けられ、これらが回転体を挟むように対向して配置している。第１の磁気抵抗素子４１、４２、４３、４４が、接続コード３１、３２、３３、３４を介して第１ブリッジ回路を形成している。

磁気センサ２３内部には、第２磁石５３と２つの第２磁気抵抗素子４５、４６が設けられ、また、磁気センサ２４内部には、第２磁石５４と２つの第１磁気抵抗素子４７、４８が設けられ、これらが回転体１２を挟むように対向して配置している。第２の磁気抵抗素子４５、４６、４７、４８は、接続コード３５、３６、３７、３８を介して第２ブリッジ回路を形成している。

磁気抵抗素子は磁界の変化によって抵抗値が変化する性質があり、微小な磁界の変化を高感度に検知する。回転体１２がＸ軸方向あるいはＹ軸方向に移動すると、第１の磁気抵抗素子４１、４２、４３、４４によって回転体１２のＸ軸方向の変位を検知するとともに、第２の磁気抵抗素子４５、４６、４７、４８によって回転体１２のＹ方向の変位を検知している。

磁気センサ２１には、磁気抵抗素子４１、４２が電気的に直列接続して配置されている。そして、磁気抵抗素子４１、４２の背後に磁石５１が配置されており、この２つの磁気抵抗素子４１、４２及び永久磁石５１は１つの函体に収容されている。函体は主に導電性のある金属ケースを使用し、誘導ノイズを防ぐ役割がある。他の磁気センサ２２、２３、２４も同様の構造としている。

回転体１２は鋼、ＳＵＪ等の磁性材料から構成しており、回転体１２の変位によって、磁気センサ２１、２２、２３、２４に収容された磁石からの磁力線の向きが変化するようにしている。回転体１２は、基準ピンゲージやモーターの軸等の円柱体や円筒体のほか、基準球等の球体であっても測定することができる。なお、これら円柱体、円筒体、球体は真円度、円筒度、真球度が優れた物を用いた方が、より正確に偏芯の測定を行うことができる。

図２は、磁気センサ２１の内部構造を示す断面図である。図２は検知面から見たものであり、磁気抵抗素子４１、４２が並んで配置されている。また、磁気抵抗素子４１、４２の背後には第１磁石５１が配置してある。測定の初期状態では、磁気抵抗素子４１、４２の中心に回転体１２がくるように配置する。磁気抵抗素子４１、４２は電気的に直列接続しており、回転体１２の変位にともなって生じる磁気抵抗素子４１、４２の抵抗値の変化を電圧の変化として、磁気抵抗素子４１と４２の接続間から出力する。磁気抵抗素子４１、４２は、ＩｎＳｂ等、化合物半導体からなり、磁気抵抗素子を流れる電流に対し、主に垂直に磁界が与えられると、磁気抵抗素子４１、４２の抵抗値が変化する。この変化を電圧の変化として取り出している。

磁気抵抗素子４１、４２は、回転体１２が移動した際に変化する磁力線の向きに伴う磁界の変化を検知しているため、回転体１２の径によらず、種々の径を有する回転体１２の変位を測定できる。磁気抵抗素子４１、４２は、そして、微小な磁力線の向きを高感度に検知できるため、サブミクロンレベルでの回転体１２の変位をも測定できるとともに、回転体１２が高速で回転していても測定可能である。

磁気抵抗素子４１、４２は特性が同じものを用いるとともに、他の磁気センサ２２、２３、２４内の磁気抵抗素子も同様の特性のものを用いる必要がある。

図３は本発明の回転体変位測定装置の概略的構成を示す斜視図である。

回転体１２にはモーター１４が接続し、回転体１２はモーター１５と連結して回転する。モーター１４の回転に伴って回転体１２に偏心が生じ、この偏心による磁力線の向きの変化を磁気抵抗素子が捉え、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の変位を測定している。

図４に第１ブリッジ回路及び第２ブリッジ回路の構成を示す。図４（Ａ）は、回転体のＸ軸方向の変位を検出する第１ブリッジ回路図であり、図４（Ｂ）は、回転体のＹ軸方向の変位を検出する第２ブリッジ回路図である。

図４（Ａ）では、第１磁気抵抗素子４１、４２、４３、４４で第１ブリッジ回路を形成している。第１ブリッジ回路に電源装置６４から電源供給し、第１ブリッジ回路からの出力電圧が増幅器６２ｘにより増幅されて出力される。

電源装置６４と磁気抵抗素子４１、４４は可変抵抗６１ｘを介して接続している。可変抵抗６１ｘは補正手段として、第１ブリッジ回路からの出力を初期補正している。回転体１２を配置した際に、第１ブリッジ回路のブリッジ部に流れる電流が０になるよう可変抵抗６１ｘを所定の抵抗値にして初期補正をし、回転体の変位測定を行う。これにより、回転体１２の初期位置がずれていても、ゼロ調節補正を行い、変位を高倍率で正確に測定することができる。

図４（Ｂ）では、第２磁気抵抗素子４５、４６、４７、４８で第２ブリッジ回路を形成している以外は、図４（Ａ）の回路図と同様である。

次に、図５を参照して、回転体の変位の測定方法について説明する。図５は、回転体の変位を測定する工程を示すブロック図である。

回転体が変位することによって、磁気センサ内の磁石と回転体との磁力線の向きが変化し、磁気センサ内の磁気抵抗素子の抵抗値が変化する。この抵抗値の変化により、ブリッジ回路の平衡が崩れ、ブリッジ回路に電流が流れる。ブリッジ回路から出力された電圧がオペアンプにて増幅された後、記録計にて計測され、出力電圧が正弦波形として得られる。

また、Ｘ軸方向の変位を示す正弦波形、及びＹ軸方向の変位を示す正弦波形から、リサージュ図形を作成し、回転体の変位を測定している。

本発明では、上述のように２組の第１磁気抵抗素子を、Ｘ軸方向に平行に対向させて配置し、Ｘ軸方向の変位を測定しているため、磁気センサを１つ配置したものよりも出力感度を２倍に向上させることが可能である。

図６（Ａ）は、本発明の装置に適用する２つの磁気抵抗素子を回転体中心に２組対向して配置し、磁気抵抗素子でブリッジ回路を形成した回路図である。一方、図６（Ｂ）は、比較例として２つの磁気抵抗素子と、２つの固定抵抗を回転体中心に対向して配置し、磁気抵抗素子及び固定抵抗でブリッジ回路を形成した回路図である。

図６（Ａ）及び（Ｂ）いずれにおいても、出力電圧として測定される端子ａ、ｂ間の電位差Δｅは、

である。

図６（Ａ）の本発明において、Δｅ＝０の時の抵抗値をＲ１＝Ｒ２＝Ｒ３＝Ｒ４＝Ｒとすると、回転体が移動した場合、各抵抗値の変化は、Ｒ１：Ｒ２＝（Ｒ＋ΔＲ）：（Ｒ−ΔＲ）、Ｒ３：Ｒ４＝（Ｒ−ΔＲ）：（Ｒ＋ΔＲ）となる。
これらを数１に当てはめると、

となり、Ｅが一定であれば、端子ａ、ｂ間の電圧の変化Δｅは、ΔＲ／Ｒに比例する。

一方、図６（Ｂ）の比較例では、前述同様に回転体が中心にある場合において、Δｅ＝０の時の抵抗値をＲ１＝Ｒ２＝Ｒ３＝Ｒ４＝Ｒとすると、回転体が移動した場合、各抵抗値の変化は、Ｒ１：Ｒ２＝（Ｒ＋ΔＲ）：（Ｒ−ΔＲ）、Ｒ３＝Ｒ４＝Ｒとなる。
これらを数１に当てはめると、

となり、Ｅが一定であれば、端子ａ、ｂ間の電圧の変化Δｅは、ΔＲ／２Ｒに比例する。

したがって、本発明に用いる図６（Ａ）のように回転体の１方向への移動を、２つの磁気抵抗素子を２組配置して測定すれば、図６（Ｂ）の比較例である２つの磁気抵抗素子を１組配置して測定する場合と比較して２倍の出力値を得ることができる。このため、本発明による装置では２倍の高感度を得られ、高精度の測定が可能である。

また、４つの磁気センサを用いているため、Ｘ軸方向及びＹ軸方向は独立して計測可能である。図７（Ａ）は、すべての磁気センサ２１、２２、２３、２４の中心に円柱状の回転体１２が配置された状態であり、矢印は磁力線の向きを示している。

それぞれの磁気センサに配置されている磁石は回転体１２に対し、全て同じ極性（Ｓ極又はＮ極）を向けて設置してある。このため、それぞれの磁石からの磁力が反発することになる。しかし、それぞれの磁石から回転体１２に向かう磁力線の向きは磁気センサの中心を基点に対称になるため、磁気抵抗素子４１、４２を通過する磁力の向きは等しいので、磁気抵抗素子４１、４２の抵抗値は等しくなる。他の磁気センサ２２、２３、２４も同様である。したがって、第１ブリッジ回路及び第２ブリッジ回路は平衡状態を保ち、出力電圧は０となる。

図７（Ｂ）は、回転体１２がＸ軸方向に移動した場合の磁力線の向きを示している。回転体１２が磁気センサ２４に近づくため、磁気抵抗素子４１及び４３を垂直に通過する磁力線が減少し、第１ブリッジ回路の平衡状態が崩れ出力電圧が発生する。これにより、回転体１２のＸ軸方向の変位を測定できる。

また、回転体１２が磁気センサ２４に近づくため、磁気センサ２２の第１磁石５２と、磁気センサ２４の第２磁石５４との磁力の反発が強まり、それぞれの磁力が干渉を起こすことになる。しかし、磁気センサ２１の第１磁石４２と磁気センサ２４の第２磁石５４においても、同様の反発が起こるため、第２磁石５４からの磁力線の向きは、磁気センサ２４と回転体１２を結ぶ線を中心に対称となる。このため、磁気抵抗素子４７、４８を通過する磁力線は等しくなり、それぞれの磁気抵抗素子４７及び４８の抵抗値は等しいままである。

一方、磁気センサ２３と回転体１２が離れていくため、磁気センサ２３の第２磁石２３と磁気センサ２２の第１磁石５２との磁力の反発が弱まっていくが、第２磁石５３と磁気センサ２１の第１磁石５１でも同様に反発が弱まっていく。このため、第２磁石５３からの磁力線は、磁気センサ２３と回転体１２を結んだ線を中心として対称となる。したがって、磁気抵抗素子４５、４６を通過する磁力線が等しくなるため、それぞれの磁気抵抗素子４５、４６の抵抗値は等しくなる。

このように、回転体１２がＸ軸方向に移動しても、磁気抵抗素子４５及び４６の抵抗値、また、磁気抵抗素子４７及び４８の抵抗値はそれぞれ等しく、Ｙ軸方向の変位を測定する第２ブリッジ回路は平衡状態を保つため、回転体１２のＸ軸方向の変位を独立して計測可能となる。

図７（Ｃ）は、回転体１２をＹ軸方向に移動させた場合を示している。回転体１２が磁気センサ２１に近づくため、磁気抵抗素子４６及び４８を直角に通過する磁力線が減少し、第２ブリッジ回路の平衡状態が崩れ、出力電圧が発生する。これにより、回転体１２のＹ軸方向の変位を測定できる。

一方で、前述のように、回転体１２がＹ軸方向に移動しても、磁気抵抗素子４１及び４２の抵抗値、また、磁気抵抗素子４３及び４４の抵抗値はそれぞれ等しく、Ｘ軸方向の変位を測定する第１ブリッジ回路は平衡状態を保つため、回転体１２のＹ軸方向の変位を独立して計測可能である。

次に、回転体をＸ軸方向及びＹ軸方向に一方向ずつ移動させ、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の変位を独立して計測し、検証を行った。図８は、回転体を回転させずにＸ軸方向及びＹ軸方向に移動させた場合のブリッジ回路からの出力を示す測定図である。

図８（Ａ）では、回転体をＸ軸方向に１０μｍのステップで移動させた場合の、第１ブリッジ回路からの出力電圧（ａ）、及び第２ブリッジ回路からの出力電圧（ｂ）を示している。

図８（Ａ）に示すように、Ｘ軸方向に回転体を１０μｍ移動すると、第１ブリッジ回路の出力電圧が約０．９１Ｖ変化するのに対し、第２ブリッジ回路の出力電圧の変化は０．０７５Ｖであり、Ｙ軸方向の変位誤差は約０．８μｍと微小である。このため、回転体のＸ軸方向の変位の測定をＹ軸方向の変位と独立して測定し得る。

また、図８（Ｂ）では、回転体をＹ軸方向に１０μｍのステップで移動させた場合の、第２ブリッジ回路からの出力電圧（ｃ）、及び第１ブリッジ回路からの出力電圧（ｄ）を示している。

Ｙ軸方向に回転体を１０μｍ移動すると、第２ブリッジ回路の出力電圧が約０．９１Ｖ変化するのに対し、第１ブリッジ回路の出力電圧の変化は０．０７５Ｖであり、前述同様、Ｘ軸方向の変位誤差は約０．８μｍと小さい。このため、回転体のＹ軸方向の変位の測定をＸ軸方向の変位と独立して測定し得る。

なお、４つの磁気センサは特性が同じものを用いているが、磁気センサを構成する磁気抵抗素子及び磁石の製造上、これらの特性には若干の相異が生じてしまう。このため、測定値に誤差が生じたものと考えられる。

また、前述の誤差には直線的な関係があることがわかる。このため、補正手段を設け、それぞれの誤差を初期設定にて補正をかけることで、完全に独立させることも可能である。

図９は、比較例として、磁気センサを二つ用いて回転体１２の変位を測定したものである。図９（Ａ）は、回転体１２をＸ軸方向に移動させた場合を示す図であり、図９（Ｂ）はその測定図である。

磁気抵抗素子７１、７２と固定抵抗（図示を省略）からブリッジ回路を構成して、回転体１２のＸ軸方向の変位を測定している。また、磁気抵抗素子７３、７４と固定抵抗からブリッジ回路を構成して、回転体１２のＹ軸方向の変位を測定している。

図９（Ａ）では、回転体１２のＸ軸方向（磁気センサ２６方向）への移動にともない、磁気抵抗素子５５を垂直に通過する磁力線が減少し、Ｘ軸方向の変位を測定するブリッジ回路の平衡状態が崩れる。これにより、回転体１２の変位を測定している。

しかし、回転体１２が磁気センサ２６へ近づくため、磁石５５及び５６からの磁力の反発が強まり、結果として磁気抵抗素子７４を垂直に通過する磁力線が減少する。このため、回転体１２をＹ軸方向に移動させていないにもかかわらず、Ｙ軸方向を測定するブリッジ回路の平衡状態が崩れ、出力電圧が発生してしまうと考えられる。

図９（Ｂ）に示す測定図では、回転体１２をＸ軸方向に１０μｍのステップで移動させた場合の、Ｘ軸方向を測定するブリッジ回路からの出力電圧（ａ）、及びＹ軸方向を測定するブリッジ回路からの出力電圧（ｂ）を示している。回転体１２を移動させただけにも関わらず、（ｂ）のように、Ｙ軸方向への変位を示す出力電圧が発生していることがわかる。このように、磁気センサを２つ用いただけでは、回転体１２の移動に伴う磁力の干渉を打ち消すことができないため、回転体１２のＸ軸方向及びＹ軸方向の変位を測定できないことがわかる。

図１０に、本発明の回転体変位測定装置を用いて、第１ブリッジ回路からの出力電圧及び第２ブリッジ回路からの出力電圧をそれぞれ正弦波形に変換した測定図を示す。また、図１１に、前述の第１ブリッジ回路及び第２ブリッジ回路からの正弦波から作成したリサージュ図形を示す。なお、比較として、電気マイクロメーターによる測定図を掲載する。

実験条件は、以下の通りである。
回転体のサイズ：φ１０ｍｍ、長さ４０ｍｍ、真円度０．３μｍ、材質ＳＵＪ
磁気センサへの供給電圧：３Ｖ
増幅器への供給電圧：±１２Ｖ
回転体回転数：１０ｒｐｍ
図１０（Ａ）は、本発明の第１ブリッジ回路からのＸ軸方向の変位を示す正弦波形、（Ｂ）は、第２ブリッジ回路からのＹ軸方向の変位を示す正弦波形である。一方、図１０（Ｃ）は、電気マイクロメーターによるＸ軸方向の変位を示す正弦波形、（Ｄ）は、電気マイクロメーターによるＹ軸方向の変位を示す正弦波形である。

回転体にブレ等がなく、変位が変わらなければ、電圧が一定となるが、いずれも波形に振幅が現れており、回転体が偏心していることがわかる。図１０（Ａ）及び（Ｃ）、また、図１０（Ｂ）及び（Ｄ）では、同様の傾向を示しており、本発明の装置が、回転体の変位を測定し得ることがわかる。

次に、図１０（Ａ）及び（Ｂ）の波形、また、図１０（Ｃ）及び（Ｄ）の波形から、リサージュ図形を作成した。リサージュ図形はＸ軸方向の波形を９０度変換し、Ｙ軸方向の波形と合成したものである。

図１１（Ａ）が、本発明の装置によって測定したリサージュ図形であり、（Ｂ）が電気マイクロメーターによるリサージュ図形である。非同期回転誤差は１μｍ程度となっており、また、いずれの図形も前述同様、同じ傾向を示しており、本発明による装置は、回転体の変位を正確に測定し得ることがわかる。

次に、回転体の回転数を６０００ｒｐｍに上げ、高速に回転する回転体の変位が測定できるか検証を行った。その結果を図１２に示す。図１２（Ａ）が、回転体のＸ軸方向及びＹ軸方向の変位を示す、第１ブリッジ回路及び第２ブリッジ回路からの出力電圧を変換した正弦波形である。図１２（Ｂ）は、上述の正弦波形から作成したリサージュ図形である。

図１２（Ｂ）をみると、回転体のブレはＸ軸方向では約１７μｍ、Ｙ軸方向では２０μｍである。また、非同期回転誤差は大きいところで３μｍである。このように、リサージュ図形を作成しているため、回転体のブレが一見して判断することが可能である。また、回転体が小径（φ１０ｍｍ）であり、かつ、６０００ｒｐｍという高速回転であっても、本測定装置では回転体の変位を高精度に測定できることがわかる。

本発明の回転体変位測定装置では、微弱な磁力の変化を検知し得る磁気センサを利用し、高速回転する小径の回転体であっても変位の測定が可能である。このため、超精密加工に用いられる小径の工具、回転円筒または球体の回転精度、非同期回転精度の測定が可能である。

本発明の回転体変位測定装置の断面図である。 本発明の磁気センサの内部構造を示す断面図である。 本発明の回転体変位測定装置の概略を示す斜視図である。 本発明のブリッジ回路を示す回路図である。 本発明の測定方法を示すブロック図である。 本発明の検出感度を説明する回路図である。 本発明の装置で回転体を移動させた場合の磁力線の様子を示す概要図である。 本発明の装置にて回転体の変位を測定した測定図である。 本発明の装置の対比となる磁気センサを２つ用いて回転体の変位を測定した測定図である。 本発明の装置にて回転体の変位を測定した測定図である。 本発明の装置にて回転体の変位を測定した測定図である。 本発明の装置にて回転体の変位を測定した測定図である。

符号の説明

１１ 本体部
１２ 回転体
１３ 演算装置
１４ 磁気センサ配置孔
１５ モーター
２１、２２、２３、２４、２５、２６ 磁気センサ
３１、３２、３３、３４ 接続コード
４１、４２、４３、４４ 第１磁気抵抗素子
４５、４６、４７、４８ 第２磁気抵抗素子
５１、５２ 第１磁石
５３、５４ 第２磁石
５５、５６ 磁石
６１ｘ、６１ｙ 可変抵抗
６２ｘ、６２ｙ オペアンプ
６３ｘ、６３ｙ 可変抵抗
６４、６５ 電源装置
７１、７２、７３、７４ 磁気抵抗素子

Claims (4)

1. 回転体の変位を測定する回転体変位測定装置において、
   前記回転体を挟むように近接してＸ軸方向に平行に２組の第１磁石と２つの第１磁気抵抗素子を対向して配置し、前記第１磁気抵抗素子で第１ブリッジ回路を形成し、
   前記回転体を挟むように近接してＹ軸方向に平行に２組の第２磁石と２つの第２磁気抵抗素子を対向して配置し、前記第２磁気抵抗素子で第２ブリッジ回路を形成し、
   前記第１ブリッジ回路でＸ軸方向の前記回転体の変位を測定し、同時に前記第２ブリッジ回路でＹ軸方向の前記回転体の変位を測定することを特徴とする回転体変位測定装置。
2. 前記第１ブリッジ回路及び前記第２ブリッジ回路に接続する演算装置を設け、
   前記第１ブリッジ回路及び前記第２ブリッジ回路からの出力電圧を、前記演算装置で正弦波に変換してリサージュ図形を作成することを特徴とする請求項１に記載の回転体変位測定装置。
3. 前記第１ブリッジ回路及び前記第２ブリッジ回路に補正手段を設け、
   前記第１ブリッジ回路及び前記第２ブリッジ回路からの出力電圧を初期補正することを特徴とする請求項１に記載の回転体変位測定装置。
4. 前記第１磁石と前記第１磁気抵抗素子及び前記第２磁石と前記第２磁気抵抗素子をそれぞれ１の函体に収容したことを特徴とする請求項１に記載の回転体変位測定装置。

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