JPH07503066A - 位置及び角度を測定する方法 - Google Patents

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】 位置及び角度を測定する方法 精度を可変にして位置及び角度を測定する方法及び装置。

測定体の位置又は基準軸に関連して測定体の角度アライメントを測定するとき、 もし測定体が測定容積内で、すなわち測定経路等に支持することなしに、自由に 移動することができるならば、有利である。もし測定体の検出は接触なしに行う ことができれば有利であろう。

本発明の１つの目的はこのような測定を可能にする方法及び装置を実現すること である。さらに、本発明のさらなる発展によれば動的に調整可能な測定精度を一 定の測定容積内で可能にする手順が実現された。

本発明に係る測定手順は物質のバンド、細い線又はストリップ形状における要素 の磁気的及び機械的特性に基づき、この物質は要素が磁界、いわゆるバイアス磁 界にさらされるときアモルファス的に変化する。例えば、要素の位置／方向はア モルファス要素の長手又は軸方向における磁界に関連し、これにより要素の機械 的共振周波数を要素の位置／方向の大きさにする。同一の手順は電気的共鳴周波 数の一部に順になる誘導的要素に磁気的に接続されるアモルファス要素を具備す る測定部材に適合できる。磁界が変化するとき、アモルファス要素の磁気特性は 誘導要素のインダクタンスが変化するように変化する。これにより電気的共鳴回 路の共鳴周波数も変化する。

アモルファス物質以外の他の物質は本発明により適用できる。物質の決定的特性 はその特徴、例えば磁界により影響を与えられる磁気又は弾性特性である。その 影響は特性変化が遠隔検出により測定可能であるような程度であるべきである。

例は磁気的抵抗性である物質であり、導電率が印加磁界に依存して変化する物質 であり、そして磁気光学的な物質であり、光電動特性が印加磁界に依存して変化 する物質である。ファラデー効果と呼ばれる現象が使用され得る後者の種類の物 質について、すなわち、偏光に対する発振平面は回転し、屈折角は磁界強さに比 例し、又はケラ−効果と呼ばれる現象について、これによりある物質の類偏の効 果が電界の影響により実現される。

比較的大きな磁気機械結合を示すアモルファス要素の共鳴周波数は磁気流れの強 度がデルタＥ効果と呼ばれるものよって要素の主方向に沿うように変化する。か くしてもし磁気流れの強度がアモルファス要素の位ｌｉｔ／方向の関数として変 化するならばアモルファス要素の共鳴周波数は位ｌｆ／方向の関数であろう。周 波数値が雑音に非常に影響されないから、このような値を形成し測定情報を与え ることは非常に有利である。さらに、いくつかの測定送信器からの混合情報は、 異なる周波数バンドに影響を及ぼし、１つの情報チャンネルに一体として送信さ れ得る。

エンハンスされた測定位置を達成するために手順はいくつかのアモルファス要素 が測定体内に置かれるところで使用され得る。これらの例では差及び和周波数を 登録することが適当である。この差動測定手順を利用することにより誤差源は、 例えば物質の温度、特性により生じるシステムの歪み、磁界等の変化のようなも のが削減され得る。アモルファス要素の軸方向に沿った効果的な磁界はアモルフ ァス要素に沿った全磁界ベクトルの投影に必ずしも等しくはないということは注 目されるべきである。アモルファス要素のフラックス伝導特性及び幾何学により この関係は純粋な投影から離れる。しかしながら、その関係の地図が常に作られ そしてこれにより位置／角度測定の基礎を可能にする。

本発明は添付図面に示される実施例を参照しさらに説明されるであろう。ここに 、 図１は本発明に係る測定手順を実行する間に磁界の磁力線を概略的に示し、 図２は本発明に係る他の測定手順を実行する間に磁界の磁力線を概略的に示し、 図３は本発明に係る別の他の測定手順を実行する間に磁界の磁力線を概略的に示 し、 図４は測定体の位置を検出するための本発明に係る測定装置の実際の実施例を示 し、 図５は測定体の位置を測定するための本発明に係る測定装置の他の実際の実施例 を概略的に示し、 図６は測定体の角度アライメントを測定するための本発明に係る測定装置の実際 の実施例を概略的に示し、 図７は測定体の角度アライメントを測定するための本発明に係る測定装置の他の 実際の実施例を概略的に示し、図８は測定体の位置を測定するための本発明に係 る測定装置のさらなる展開を概略的に示し、そして 図９は測定体の位置及び方向を３次元で決定するための本発明の実施例を示す図 である。

図１は本発明の１の実施例に係る位置を測定する間に機能を概略的に示す。アモ ルファス物質の要素１０は、その長手方向が測定容積に発生する磁界Φの磁力線 に平行になるようにして、置かれる。図１における磁力線密度の増加は磁界勾配 が磁界内に存在することを示す。磁界勾配は磁界方向に垂直に合わせられる。磁 界勾配の方向に移動可能である測定体内に要素ｌＯを置くことにより、要素１ｏ はその位置に依存して異なる大きさの磁化強さＨに従属する。記載の始めに既に 記載されたように、要素ｌＯの長手方向に働く磁界の強さ変化は要素の磁気特性 変化に帰着する。この磁気特性は、要素の機械的共振周波数の変化及び要素周囲 の磁界変化により、又は要素１０の磁気的特性が変化するとき共振周波数が変化 する電気的共鳴回路の一部である誘導的要素にその要素が結合されることのいず れかにより、検出可能である。

図２に係る実施例において、磁界方向が図の左方向に向けられて磁界が発生した 。これは図の左部分の強さの比較的長い線から明らかである。ここで、要素ＩＯ は矢への方向の磁界勾配に平行に移動可能である。

磁界バイアスを有する別の実施例が図３に示される。この実施例では磁界は測定 距離に沿って一定強度を有するが、磁界方向が変化し、このためその位置に依存 して異なる大きさの磁界の長手方向に要素１ｏをさらす。この実施例では、図３ によれば、要素は矢への方向に水平に移動する。

図４は図１による磁界がどのように達成され得るかを簡単な構成で示す。磁石１ １は、永久磁石又は電磁石であることも可能であり、磁石の北極から南極への曲 線磁力線により示される磁界を発生する。もし要素１０の移動方向に沿った磁化 力が完全に知られるなら、要素ｌＯの磁気特性は、あらゆる点で、要素の位置に 直接関連する移動の方向に沿っている。あらゆる点で磁気特性の表示を得ること は較正手順により可能であり、これによってこの表示は、後で要素の位置の決定 に逆に使用され得る。

図５は図４による測定を得るための簡単化された実施例を示す。変化するピッチ 比を有するコイル１２はその長さが要素１０の移動方向に伸長するように配置さ れている。要素ｌＯはコイルの内側に又はコイルの中心軸に平行な方向の外側の いずれかに移動可能である。その他の点について、図５による測定手順は図４に 記載される手順と対応する。

図６は本発明に係る角度測定のための実施例を概略的に示す。磁界Φは永久磁石 又は電磁石である磁石１１により発生する。磁界からの磁力線は１つの平面で実 質的に平行であり、要素はこの平面で回転可能に配置される。要素ｌＯの必要で かつ検出可能な磁気特性は、これによって、基準方向（ＲＥＦ）と比較して要素 １０の角度アライメントに直接関係する。この実施例に係る測定は間隔０−９０ ″′内の角度アライメントに帰着する。

ある角度移動で相互に関連して固定される異なる長さの２つの要素を配置するこ とにより、間隔０−１８０°以内の測定が可能になる。

磁界が全く平行であることは必要ではない。もし要素が移動するその平面で磁界 図が知られているならば、又はもし上述された較正手順が使用されるならば、角 度測定はそれにも拘わらず行われ得る。

他に、磁界は異なる知られた方向間にわたって回転されることができ、／向けら れることができ１、これによって、方向の曖昧さを削減する角度測定のさらなる 実施例は３つの直交する、既知の磁界を利用する。これにより、３次元のアモル ファス要素の方向（方位角、高さ）を決定することができる。

アモルファス要素の方向及びその共鳴周波数間の関係を決定することが較正手順 により可能になる。もしこれが回転角／復数角とともに変化する任意の磁界で達 成されるならば、全角度決定が可能になる。

さらなる他の実施例は下記の通りである。励起信号周波数を有するアモルファス 要素の共鳴周波数を通過するとき、マーク付き位相シフトが励起されそして検出 される（アモルファス）信号間に起きる。

位置／角度を測定するための他の手順は、固定された周波数で励起することであ り、そして代わって選択され、固定された励起周波数に等しい周波数を与える選 択されたバイアスにおいてその位置／方向の周囲でアモルファス要素の位置が変 化するとき、固定された周波数でかつ励起及び検出間の位相レベルを測定するこ とある。再度、測定間隔に沿った任意の選択（バイアスされかつ固定された周波 数の組み合わせで）点の周囲の高性能測定に関し可能性が見られる。

角度測定のためのさらなる実施例は図７から明らかである。コイルｌｌは磁界を 発生し、この磁界はすね１３として形成される二つの流れのコンジットを通じて 向かっており、二つのコンジット間で磁界はこのようにして向かっている。すね １３は平らで、実質的に平行なプレートであって１つの平面で曲がっているもの である。すねはその自由端に向けて多少先細になっている。要素ＩＯは半径の中 心点の領域に枢軸のように配置されその領域後にすねが曲線にされる。要素ＩＯ はすね間で伸長する。測定コイル１４はすね１３間に位置する要素のその領域で 要素の周囲に配置される。第２の測定コイル１５は、しかしながら反位相に巻回 され、コイル１４と直列に配置され、測定コイルは要素ＩＯの全回転運動中に磁 界の外側ですね１３間に位置する。この実施例により磁界を発生する外部源から の異なる種類の擾乱は、別の方法なら角度測定に影響を与えるであろうが、消極 的には除去される。

図８において本発明に係る測定の実施例が示され、本発明によれば、測定精度は 測定領域又は測定容積にわたって動的に調整され得る。アモルファス要素は最大 限の動作領域を有し、この領域以内でその磁気特性は既知のように磁化強さＨに 関連して変化する。適切な測定領域は磁化強さＨの最大及び最小値（Ｈｗａｘ及 びＨｍｉｘ、それぞれに）によって制隔される。測定の第１の段階ではＨｎ＋ａ ｘ及びＨｍｉｘ間の距離は全測定領域にわたって利用され、図８におけるライン ■によりマークされる。磁化強さ■］は連続的に強さが増加する電流をコイルシ ステム１５に導くことにより達成されることが可能になりコイルシステム１５は 測定距離に配置される。図８に示される実施例では電流１１は電流■２よりも大 きい。要素ｌＯを矢Ａの方向に移動するとき要素の位置は要素の実際の磁気特性 、例えばその共鳴周波数の関数として検出される。測定の精度を測定距離の比較 的短い間隔で増すために電流はコイルシステム１５にあるいくつかのコイルを通 して増加されて曲線■による磁化強さＨを達成する。所望分布を有する磁化強さ Ｈは他の方法で達成され得る。異なる幾何学で一体に配置されるいくつかのコイ ルは例えば磁界強さを異なる大きさの駆動電流により異なるコイルを介して発生 するように作製される。

多くの場合に上述された実施例は１次元又は２次元測定に関するが、いくつかの コイルシステムを結合することにより３次元での測定を達成することが全く可能 になる。もし測定対象に磁気特性が異なる、例えば長さが異なる２つの要素が設 けられ、その要素がお互いから角度的に移動され又は横方向に平行に移動される ならば、対象の位置はその方向と同様に決定され得る。これは３つの直交配置コ イルシステムを示す図９から明らかである。測定体１６はその容積に配置され、 ３つの側のその容積はコイルシステムにより範囲を定められる。二つの素子１０ 及びｌＯｏは測定体に配置され、素子は相互に関連して中心角度について回転さ れる。各コイルシステムは磁界バイアスを発生するためのコイル１７と、励起信 号を発生するためのコイル１８と、要素１０．ｔｏ’　からの信号の検出のため のコイル１９とを具備する。他の実施例において、これによればアモルファス要 素が電気的共鳴回路の一部であり、コイル１９はアンテナにより置換される。

長さの小さな間隔以内で分解能を増加させる１つの他の手順は励起信号に関し急 激な位相シフトを受ける要素１０の共鳴周波数に基づく。この手順において掃引 周波数を構成する信号は要素ｌＯを励起するために発生する。掃引周波数が要素 の共鳴周波数を通過するとき、後者は自助発振になる。これは通常の測定手順に 対応する。次に励起信号は共鳴周波数にロックされさらに励起信号と要素から発 生する応答信号との間の位相差は代わりに検出される。位相差が共鳴点の周囲に 非常に強く変化するから検出分解能は非常に高くなる。

励起コイルで発生するある信号形態及び／又は周波数の磁界はアモルファスバン ドに自励発振をもたらす。この信号形態は適当には短い、（ルスであるがより持 続的な性質の信号が使用され得る。励起コイルはバンドからある距離に配置され ることができ全測定容積を覆う動作領域を有する。バンドに直接隣接してさらに 励起コイルが測定容積のバンド移動に同伴するように励起コイルを配置すること ができる。

外部磁界バイアス、バイアス−磁界と呼ばれる、に依存してアモルファスバンド の変化特性、例えばバンドの共鳴周波数を検出しさらに登録するために、検出コ イル又はピックアップコイルを配置することが適当である。励起コイルに関し、 検出コイルはバンドからある距離に配置され、全測定容積を覆う動作領域を有す る。バンドに隣接するようにそして励起コイルが測定容積のバンド移動に同伴す るように検出コイルを直接配置することが可能になる。もちろん、前述のバンド コイルの実施例の結合は可能である。

本発明に係る測定手順が外部磁界に関連してアモルファス要素の位置に基づくか ら、要素を固定して配置させることが可能であり、そして磁界は移動可能であり 、回転可能であり、置換可能となる。

Φ く＝ ＦＩＧ、　６ × 補正書の翻訳文提出書 （特許法第１８４条の８） 平成６年Ｚ月／ｙ日

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. １．磁気特性が磁界により影響を与えられ、測定容積内に配置されるアモルファ ス物質の１つ又はいくつかの細長要素を有する測定容積内に磁界が発生する位置 測定方法において、 測定容積はいつくかの補助容積からなること、補助容積の所望測定方向への伸長 は測定方向の所望測定分解能に対応するように選択されること、 要素の長手方向の各補助容積内の磁束強度により生じる要素の磁気的又は機械的 特性の変化は検出され、要素の位置測定であることを特徴とする位置測定方法。
2. ２．磁界は各補助容積内でバンドの長手方向に既知の強さ及び方向を与えられる ことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. ３．要素は機械的に自励発振させられること、要素の共鳴周波数は位置決定測定 信号として検出されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
4. ４．要素は電気共鳴回路の誘導要素に磁気的に接続されることを特徴とする、請 求項１に記載の方法。
5. ５．磁界は測定容積内で勾配を与えられることを特徴とする、請求項１に記載の 方法。
6. ６．勾配は測定方向の既知の値を採用するように導かれることを特徴とする、請 求項５に記載の方法。
7. ７．磁界は測定容積の選択部分に勾配又は回帰係数に関するより大きな急峻性を 採用するように導かれることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
8. ８．磁界は測定容積の均質磁界方向にかつ磁界方向に垂直な磁界勾配で発生する こと、 アモルファス要素は長手方向が磁界方向に平行になるように配置され、測定方向 は磁界勾配に平行であることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
9. ９．磁界は均質磁界方向と共にかっ磁界勾配が磁界方向に平行になるように発生 すること、 アモルファス要素は長手方向が磁界方向に平行になるように配置され、測定方向 は磁界勾配に平行であることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
10. １０．位置測定は２つのステップで実現され、第１のステップは勾配が全測定領 域及び要素の磁気的動作領域の全長に適するように実現され、さらに第２のステ ップは勾配が測定領域及び要素の磁気的動作領域の全長の補助距離に適するよう に実現されることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
11. １１．可変周波数の励起信号はアモルファス要素を自励発振させ、そしてある位 相シフトは励起信号とアモルファス要素により送信される信号間に生じること、 励起信号は共鳴周波数にロックされること、励起信号とアモルファス要素により 送信される信号との間の位相シフトはアモルファス要素の位置に依存する信号と して検出されることを特徴とする、請求項３に記載の方法。
12. １２．測定容積及びこれに配置されるアモルファス物質の少なくとも１つの細長 要素を具備する測定体内に磁界が発生する位置測定方法において、 磁界は１つの平面内に既知磁界図を与えられること、要素は長手方向が前記平面 で回転するように回転することを特徴とする位置測定方法。
13. １３．２つの要素はお互いに関連して角度的に移動され配置されること要素は前 記面に一体的に回転することを特徴とする、請求項１２に記載の方法。