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WO2014109190A1 - 変位センサ及び変位の検出方法 - Google Patents

変位センサ及び変位の検出方法 Download PDF

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WO2014109190A1
WO2014109190A1 PCT/JP2013/083884 JP2013083884W WO2014109190A1 WO 2014109190 A1 WO2014109190 A1 WO 2014109190A1 JP 2013083884 W JP2013083884 W JP 2013083884W WO 2014109190 A1 WO2014109190 A1 WO 2014109190A1
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WO
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pitch
sensor
magnetic scale
magnetic
displacement
Prior art date
Application number
PCT/JP2013/083884
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English (en)
French (fr)
Inventor
清水　哲也
秀樹 久保
敏 花香
龍男 太田
将吾 寺田
Original Assignee
村田機械株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 村田機械株式会社 filed Critical 村田機械株式会社
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Priority to JP2014556354A priority patent/JP6015776B2/ja
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    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • G—PHYSICS
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    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R17/00—Measuring arrangements involving comparison with a reference value, e.g. bridge
    • G—PHYSICS
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    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R25/00—Arrangements for measuring phase angle between a voltage and a current or between voltages or currents
    • G01R25/005—Circuits for comparing several input signals and for indicating the result of this comparison, e.g. equal, different, greater, smaller, or for passing one of the input signals as output signal

Definitions

  • This invention relates to a displacement sensor, and more particularly to error reduction.
  • the inventor has developed a displacement sensor that combines a magnetic scale and a magnetic element such as a coil (for example, Patent Document 1: JP4919177). Such a displacement sensor has an error, and it is desired to reduce the error. *
  • An object of the present invention is to reduce the error of the displacement sensor.
  • the present invention relates to a displacement sensor for detecting a position based on a magnetic scale by a magnetic element.
  • a magnetic scale having two magnets with different polarities, or one pair of each of a magnetic body and a non-magnetic body as one pitch, Kn sensor units (k is a natural number of 2 or more, n is a natural number of 1 or more) that outputs a plurality of signals having one pitch as one period and different phases with respect to the pitch, And an averaging unit that outputs an average of phases from the kn sensor units.
  • the kn sensor units may be arranged in series along the magnetic scale in the one pitch section.
  • the present invention also provides a method for detecting a displacement by detecting a position relative to a magnetic scale by a magnetic element.
  • a magnetic scale having two magnets with different polarities, or one pair of each of a magnetic body and a non-magnetic body as one pitch, Kn sensor units (k is a natural number of 2 or more and n is a natural number of 1 or more) that outputs a plurality of signals having one pitch as one period and different phases with respect to the pitch, And an averaging unit that outputs an average of phases from the kn sensor units.
  • the kn sensor units use displacement sensors arranged in series along the magnetic scale in a 1-pitch section of the magnetic scale,
  • the sensor unit has a periodic error in which the one pitch is n periods, By averaging the phases from the kn sensor units, one pitch cancels a cyclic error of n periods.
  • kn sensor units are provided for one pitch of the magnetic scale, kn outputs whose phase with respect to the error is shifted by 360 / kn ° are obtained. If these are averaged, the influence of the error is reduced.
  • the description regarding the displacement sensor also applies to the displacement detection method as it is, and the description regarding the displacement detection method also applies to the displacement sensor as it is.
  • the sensor unit has a periodic error in which the one pitch is n periods, and the signals from the kn sensor units are averaged to cancel the periodic error.
  • kn outputs whose phase with respect to the error is shifted by 360 / kn ° are obtained, and when these are averaged, the displacement can be detected accurately.
  • the magnetic scale is linearly arranged, and the displacement sensor is a linear displacement sensor that detects a linear position along the magnetic scale.
  • the magnetic scale is a magnet array of a linear motor, and a linear position along the magnetic scale is obtained for driving the linear motor.
  • the linear displacement sensor of the present invention detects a linear position with a magnetic scale as a reference by a magnetic element
  • a magnetic scale in which a pair of two magnets having different polarities and adjacent to each other in a magnet row of a linear motor is set to one pitch and linear, 4n sensor units (n) arranged within the length of one pitch so that the position along the magnetic scale changes by p / (4n) when the length of the one pitch is p.
  • An averaging unit that outputs an average of outputs from the 4n sensor units,
  • Each of the 4n sensor units includes a plurality of magnetic elements.
  • the linear motor can be accurately driven using the magnet row.
  • the position can be accurately detected in a situation where a magnetic field from the coil of the linear motor causes an error. Since there are 4n sensor units, the phase of each of these signals is shifted by 90 ° with respect to an error of one pitch of n cycles, and the error can be easily removed by averaging.
  • the averaging unit has an average value of in-pitch coordinates ai (i is a natural number from 1 to 4n) from the 4n sensor units, and an origin of a pitch detected by the 4n sensor units.
  • the average value of the coordinates bi may be added, and the 4n sensor units may detect two adjacent pitches. If 4n sensor units are arranged over a length within one pitch length p, two adjacent pitches can be detected as a whole.
  • the in-pitch coordinates ai from the 4n sensor units constantly change, and the origin coordinates bi of the pitch detected by the 4n sensor units are constant in a short time range. Therefore, if these average values are obtained separately, the calculation is facilitated.
  • Block diagram of the displacement sensor of the embodiment Main block diagram of sensor head
  • the flowchart which shows the displacement detection method of an Example Diagram showing error from sensor unit
  • the figure which shows the error when changing the mounting position of the sensor unit to the scale The figure which shows the output which averaged the data of Figure 5
  • the figure which shows the error when changing the mounting position of the sensor unit from the linear motor The figure which shows the output which averaged the data of Figure 7
  • FIG. 1 shows a configuration of a displacement sensor.
  • a magnetic scale 2 is a scale in which magnets 4 and 6 are arranged, and is arranged linearly.
  • the magnet 4 has an S pole on the surface and the magnet 6 has an N pole on the surface.
  • a pair of magnets 4 and 6 is one pitch, and a plurality of pitches are arranged in series.
  • the magnets 4 and 6 may be a scale dedicated to the displacement sensor or may be a magnet array as a part of the linear motor.
  • the magnets 4 and 6 are assumed to be part of the linear motor.
  • the magnetic scale 2 can be realized by a combination of a magnetic material and a nonmagnetic material.
  • the sensor head 8 includes, for example, one drive 10 and, for example, eight sensor units u1 to u8, and the number of sensor units is 4n that is a multiple of four (n is a natural number). The meaning of n is, for example, the number of cycles in which an error repeats within one pitch.
  • the drive 10 supplies an alternating current to the eight sensor units u1 to u8, and the output signal of the i-th sensor unit ui is xi.
  • the output signals x1 to x8 of the eight sensor units u1 to u8 are averaged by the averaging unit 12, and a position signal x is output.
  • the displacement sensor of the embodiment is a linear displacement sensor that detects a position along the magnetic scale 2, and preferably detects a linear position along the magnetic scale 2 for driving a linear motor.
  • the magnetic scale 2 may be fixed to the ground side and the sensor head 8 may be movable, or conversely, the magnetic scale 2 may be movable and the sensor head 8 may be fixed to the ground side. Further, in the case where, for example, magnets are installed in units of 8 on the magnetic scale, one unit is regarded as 4 pitches. Similarly, when four pairs of magnetic thin films and non-magnetic thin films are provided alternately, it is considered that there are four pitches.
  • Eight sensor units u1 to u8 are linearly arranged along the longitudinal direction (direction in which displacement is measured) of the magnetic scale 2 in one pitch section composed of one magnet 4 and 6 each. .
  • One sensor array is constituted by eight sensor units u1 to u8. Further, the position within one pitch interval is represented by a phase ⁇ (0 ⁇ ⁇ ⁇ 2 ⁇ ), and the sensor units u1 to u8 are arranged so that the phase ⁇ is different by 45 °.
  • the phase difference between the sensor units is a value obtained by dividing 2 ⁇ by the number of sensor units 4n.
  • 4 nm sensor units may be arranged in series in an interval of m pitch (m is a natural number of 2 or more), and the signals may be averaged.
  • 4n is the number of sensor units arranged in one pitch section.
  • FIG. 2 shows the configuration of the drive 10 and one sensor unit u1, and the other sensor units are the same.
  • the counter 14 outputs an AC phase ⁇ t, and converts ⁇ t into a digital signal corresponding to sin ⁇ t in the table 16, and the D / A converter 18 converts this signal into an AC voltage sin ⁇ t and supplies it to the sensor units u1 to u8. To do.
  • the sensor unit u1 for example, four coils C1 to C4 are linearly arranged along the longitudinal direction of the scale in the order of numbers from C1 to C4.
  • the AC voltage sin ⁇ t is applied to the bridge as shown in FIG. .
  • outputs corresponding to cos ⁇ ⁇ cos ⁇ t and sin ⁇ ⁇ sin ⁇ t are taken out.
  • the phase detection unit 20 converts it to an analog signal corresponding to cos ( ⁇ + ⁇ t), and the value of ⁇ t when cos ( ⁇ + ⁇ t) becomes zero To obtain the phase ⁇ in units of one pitch.
  • Various other methods for calculating the phase ⁇ are known, and any method using sin ( ⁇ + ⁇ t) can be used.
  • the number and connection of coils in one sensor unit are known and arbitrary.
  • the coils C1 to C4 are examples of magnetic elements including Hall elements, magnetoresistive elements, and the like.
  • the averaging unit 12 obtains an averaged output signal x by adding eight output signals x1 to x8 and truncating the lower 3 bits or shifting the added value to the 3-bit minimum digit side. It is a simple average of signals from a plurality of sensor units. If the coordinates ai in the pitch are averaged, a signal having a period of 45 ° in the phase ⁇ is obtained, and a signal x representing the displacement is obtained by adding the average of the origin coordinates bi of the pitch to this signal.
  • the averaging calculation method is arbitrary.
  • FIG. 3 shows the arrangement of sensor units (step 1), the detection of displacement in each sensor unit (step 2), and the simple average of displacements for each sensor unit (step 3).
  • FIG. 4 schematically shows a signal from the sensor unit within one pitch, and various error factors are added to the linear displacement signal from the magnetic scale 2 to obtain a signal xi of the sensor unit.
  • FIG. 4 shows an example in which there is an error for two periods in one pitch, and the error is larger in the first half of the pitch than in the second half.
  • the signal xi of the sensor unit becomes a periodic signal repeated in units of one pitch, and the error ei is also 1 It becomes a periodic signal that repeats in pitch units.
  • the error is a periodic signal that repeats n cycles within one pitch, and n is 1, 2, or 4 within the range experienced by the inventors. Whether the error period is 1, 2, or 4 depends on the structure of the displacement sensor and the usage environment, and can be determined by experiment. If 4n sensor units are provided and the output signals are simply averaged, a displacement sensor with a very small error can be obtained. Furthermore, when the magnetic scale is moved by one pitch with respect to changes in temperature, etc., the environment is the same, and errors due to changes in temperature can be canceled out.
  • Figs. 5 and 6 there is one sensor unit, the vertical axis represents the error, the horizontal axis represents the position obtained from the output of the reference sensor with high linearity and little error, and the distance between the sensor unit and the scale is changed.
  • the error is shown.
  • the data in FIG. 5 is before averaging, and the data in FIG. 6 is after averaging.
  • FIG. 5 there is a regular error in which one pitch of the scale is two periods, and the error is reduced by changing the phase by 45 ° for each curve in FIG. 5 and averaging as shown in FIG. 6. *

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  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Transmission And Conversion Of Sensor Element Output (AREA)
  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)

Abstract

変位センサの誤差を小さくする。磁気スケールは極性の異なる２個のマグネットを１ピッチとする。１ピッチを１周期としかつピッチに対する位相が異なる複数の信号を出力するセンサユニットをｋｎ個（ｋは２以上の自然数で、ｎは１以上の自然数）、１ピッチの区間に磁気スケールに沿って配列する。ｋｎ個のセンサユニットからの位相を平均し、センサユニットが有する１ピッチがｎ周期の周期的誤差を打ち消す。

Description

変位センサ及び変位の検出方法
　この発明は変位センサに関し、特に誤差の軽減に関する。
　発明者は、磁気的なスケールとコイル等の磁気素子とを組み合わせた変位センサを開発している（例えば特許文献１：JP4919177）。このような変位センサには誤差があり、誤差を小さくすることが望まれる。　
特許4919177
　この発明の課題は、変位センサの誤差を小さくすることにある。
　この発明は、磁気スケールを基準とする位置を磁気素子により検出する変位センサにおいて、
　極性の異なる２個のマグネット、もしくは磁性体と非磁性体の各１個のペアを１ピッチとする磁気スケールを備えるとともに、
　前記１ピッチを１周期としかつピッチに対する位相が異なる複数の信号を出力するセンサユニットをｋｎ個（ｋは２以上の自然数で、ｎは１以上の自然数）備え、
　さらに前記ｋｎ個のセンサユニットからの位相の平均を出力する平均化部を備え、
　前記ｋｎ個のセンサユニットは、前記１ピッチの区間に磁気スケールに沿って直列に配列されていることを特徴とする。
　この発明はまた、磁気スケールを基準とする位置を磁気素子により検出することにより変位を検出する方法において、
　極性の異なる２個のマグネット、もしくは磁性体と非磁性体の各１個のペアを１ピッチとする磁気スケールを備えるとともに、
　前記１ピッチを１周期としかつピッチに対する位相が異なる複数の信号を出力するセンサユニットをｋｎ個（ｋは２以上の自然数で、ｎは１以上の自然数）備え、
　さらに前記ｋｎ個のセンサユニットからの位相の平均を出力する平均化部を備え、
　前記ｋｎ個のセンサユニットは、前記磁気スケールの１ピッチの区間に磁気スケールに沿って直列に配列されている変位センサを用い、
　前記センサユニットは前記１ピッチがｎ周期となる周期的誤差を有し、
　前記ｋｎ個のセンサユニットからの位相を平均することにより、１ピッチがｎ周期の周期的誤差を打ち消すことを特徴とする。
　発明者は、磁気スケールを基準とする位置を磁気素子により検出する変位センサでは、マグネット２個が１周期、２周期、４周期、あるいは磁性体と非磁性体の各１個のペアが１周期、２周期、４周期となる、周期的な誤差が生じることを見出した。センサユニットの側から見ると、複数のピッチが設けられた磁気スケールに対して移動する場合、１ピッチシフトすると磁気スケールから受ける磁気的環境は同じで、誤差も同じになる。従って誤差はピッチ毎に繰り返し、誤差の１周期分の長さ（誤差の波長）はピッチの整数分の１となる。そして磁気スケールの１ピッチに対し、ｋｎ個のセンサユニットを設けると、誤差に対する位相が３６０／ｋｎ°ずつシフトしたｋｎ個の出力が得られ、これらを平均すると誤差の影響が小さくなる。この発明では、磁気スケールの１ピッチをｎ周期として繰り返す周期的誤差を打ち消し、正確に変位を検出できる。なおこの明細書において、変位センサに関する記載はそのまま変位検出方法にも当てはまり、変位検出方法に関する記載はそのまま変位センサにも当てはまる。
　ｋを４とすると、誤差に対する位相が９０／ｎ°ずつシフトしたｋｎ個の信号が得られ、これらを平均すると誤差の影響を特に小さくできる。
　好ましくは、前記磁気スケールは前記ピッチを複数備え、前記センサユニットは、検出中のピッチのオフセット信号を出力するように構成され、前記平均化部は、前記位相と前記オフセット信号とを用いて、前記平均を求める。ｋｎ個のセンサユニットからの位相を平均すると、測定レンジは１ピッチの長さの１／ｋｎとなる。そこでオフセット信号を平均することにより、測定レンジを磁気スケールの全長へ拡大できる。
　特に好ましくは、前記センサユニットは前記１ピッチがｎ周期となる周期的誤差を有し、前記ｋｎ個のセンサユニットからの信号を平均することにより、周期的誤差を打ち消す。このようにすると、誤差に対する位相が３６０／ｋｎ°ずつシフトしたｋｎ個の出力が得られ、これらを平均すると、正確に変位を検出できる。　
　好ましくは、磁気スケールが直線状に配置され、変位センサは磁気スケールに沿ったリニアな位置を検出するリニア変位センサである。
　特に好ましくは、磁気スケールがリニアモータの磁石列で、リニアモータの駆動のために磁気スケールに沿ったリニアな位置を求める。
　またこの発明のリニア変位センサは、磁気スケールを基準とするリニアな位置を磁気素子により検出し、
　リニアモータのマグネット列中の、極性が異なりかつ隣接する２個のマグネットから成るペアを１ピッチとし、かつ直線状である磁気スケールと、
　前記１ピッチの長さをｐとする際に、ｐ／（４ｎ）ずつ磁気スケールに沿った位置が変化するように、１ピッチの長さ内に配置されている、４ｎ個のセンサユニット（ｎは１以上の自然数）と、
　前記４ｎ個のセンサユニットからの出力の平均を出力する平均化部、とを備え、
　前記４ｎ個のセンサユニットは各々複数個の磁気素子から成る。
　このようにすると、リニアモータをそのマグネット列を利用して、正確に駆動することができる。特にリニアモータのコイルからの磁界が誤差の原因となる状況で、正確に位置を検出できる。またセンサユニットは４ｎ個なので、これらの信号は、１ピッチがｎ周期の誤差に対して、位相が９０°ずつシフトし、平均すると簡単に誤差を除くことができる。
　好ましくは、前記平均化部は、前記４ｎ個のセンサユニットからのピッチ内座標ai（iは１から４ｎまでの自然数）の平均値に、前記４ｎ個のセンサユニットが検出しているピッチの原点座標ｂiの平均値を加算するように構成され、前記４ｎ個のセンサユニットは隣接する２個のピッチを検出していることがある。４ｎ個のセンサユニットが１ピッチの長さｐ以内の長さに渡って配置されていると、全体として隣接する２個のピッチを検出可能である。ここで、４ｎ個のセンサユニットからのピッチ内座標aiは絶えず変化し、４ｎ個のセンサユニットが検出しているピッチの原点座標ｂiは短い時間の範囲では一定である。そこでこれらの平均値を別個に求めると、演算が容易になる。
実施例の変位センサのブロック図 センサヘッドの要部ブロック図 実施例の変位検出方法を示すフローチャート センサユニットからの誤差を模式的に示す図 スケールに対するセンサユニットの取付位置を変えた際の誤差を示す図 図５のデータを平均化した出力を示す図 リニアモータからのセンサユニットの取付位置を変えた際の誤差を示す図 図７のデータを平均化した出力を示す図 ８個のセンサユニットの出力を平均した際の、基準センサからの誤差を示す図
　以下に本発明を実施するための最適実施例を示す。この発明の範囲は、特許請求の範囲の記載に基づき、明細書の記載とこの分野での周知技術とを参酌し、当業者の理解に従って定められるべきである。
　図１～図９に実施例を示す。図１に変位センサの構成を示し、磁気スケール２はマグネット４，６を配列したスケールで、直線状に配置されている。マグネット４は表面がS極、マグネット６は表面がN極で、マグネット４，６のペアを１ピッチとし、複数のピッチを直列に配列してある。マグネット４，６は変位センサ専用のスケールでも、リニアモータの一部としてのマグネット列でも良く、ここではリニアモータの一部であるものとする。なお磁気スケール２は、マグネット４，６以外にも、磁性体と非磁性体との組合わせ等でも実現でき、その場合は、１個の磁性体と１個の非磁性体とのペアが１ピッチである。センサヘッド８は、例えば１個のドライブ１０と例えば８個のセンサユニットu1～u8とから成り、センサユニットの数は４の倍数の４ｎ個（ｎは自然数）である。ｎの意味は例えば、１ピッチ内で誤差が繰り返す周期の数である。ドライブ１０はここで８個のセンサユニットu1～u8に交流電流を供給し、i番目のセンサユニットuiの出力信号をxiとする。８個のセンサユニットu1～u8の出力信号x1～x8を平均化部１２で平均し、位置信号xを出力する。実施例の変位センサは磁気スケール２に沿った位置を検出するリニア変位センサで、特にリニアモータの駆動のために、磁気スケール２に沿ったリニアな位置を検出することが好ましい。
　なお磁気スケール２が地上側に固定で、センサヘッド８が可動でも、逆に磁気スケール２が可動で、センサヘッド８が地上側に固定でも良い。また磁気スケールで例えばマグネットを８個単位で設置するような場合、１単位が４ピッチであると見なす。磁性体の薄膜と非磁性体の薄膜を交互に４ペア設ける場合も、同様に４ピッチあるものと見なす。
　各１個のマグネット４，６から成る１ピッチの区間内に、８個のセンサユニットu1～u8が、磁気スケール２の長手方向（変位を測定する方向）に沿って直線状に配列されている。８個のセンサユニットu1～u8により、１個のセンサアレイを構成する。また１ピッチの区間内での位置を位相θ（０≦θ≦２π）で表し、センサユニットu1～u8は位相θが各４５°ずつ異なるように配置されている。センサユニット間の位相の差は２πをセンサユニットの数４ｎで除した値である。なおｍピッチ（ｍは２以上の自然数）の区間に、センサユニットを４ｎｍ個直列に配列して、その信号を平均化しても良い。ここに４ｎは１ピッチの区間に配列するセンサユニットの数である。
　図２にドライブ１０と１個のセンサユニットu1の構成を示し、他のセンサユニットも同様である。カウンタ１４は交流の位相ωtを出力し、テーブル１６でωtをsinωｔに相当するデジタル信号に変換し、D/Aコンバータ１８はこの信号を交流電圧sinωｔに変換して、センサユニットu1～u8へ供給する。
　センサユニットu1では、例えば４個のコイルC1～C4がC1からC4への番号順にスケールの長手方向に沿って直線状に配列されており、図２のようにブリッジに組んで交流電圧sinωｔを加える。ブリッジの出力を増幅器A1，A2で増幅することにより、cosθ・cosωｔとsinθ・sinωｔに相当する出力を取り出す。例えば　cosθ・cosωｔ－sinθ・sinωｔ＝cos（θ＋ωｔ）であることを用い、位相検出部２０でcos（θ＋ωｔ）に相当するアナログ信号に変換し、cos（θ＋ωｔ）が０となる際のωｔの値から１ピッチ単位での位相θを求める。位相θの算出方法は、他にも種々のものが公知で、sin（θ＋ωｔ）を用いるもの等の任意のものを用い得る。また１センサユニット内でのコイルの数と結線等も、種々のものが公知で任意である。さらにコイルC１～4は、ホール素子、磁気抵抗素子等を含む磁気素子の例である。
　オフセット補正部２２は初期位置からのピッチの変化を記憶し、例えばピッチが変化する毎にピッチ番号を加減算して、現在検出中のピッチ番号を記憶する。またオフセット補正部２２は各ピッチの原点座標biを記憶し、位相θから求めたピッチ内座標aiにピッチの原点座標biを加算し、出力信号xiとする。ピッチ内座標aiは各ピッチの原点座標biを基準とする直線上の座標で、出力信号xiは適宜の原点からの座標である。なおピッチの長さをpとし、θを角度単位で表すと　ai＝ｐ×θ／360　である。ただしオフセット補正部２２はピッチの番号を出力して、ピッチの番号から原点座標biへの換算と平均とを平均化部１２で行っても良い。
　平均化部１２は８個の出力信号x1～x8を加算し下位の３ビットを切り捨てる、もしくは加算した値を３ビット最小デジット側へシフトする等により、平均化した出力信号ｘを求め、ｘは複数個のセンサユニットからの信号の単純平均である。ピッチ内座標aiを平均すると、位相θで45°を周期とする信号となり、これにピッチの原点座標biの平均を加えることにより、変位を表す信号xが得られる。なお平均化の演算手法は任意である。図３に、センサユニットの配置（ステップ１）と、各センサユニットでの変位の検出（ステップ２）、及びセンサユニット毎の変位の単純平均（ステップ３）の処理を示す。
　図４は１ピッチ内でのセンサユニットからの信号を模式的に示し、磁気スケール２からの直線的な変位信号に、様々な誤差要因が加わりセンサユニットの信号xiとなる。図４では、１ピッチ内に２周期分の誤差があり、誤差はピッチの前半で後半よりも大きい例を示している。センサユニットを１ピッチ分変位させると、コイルC1～C4が磁気スケール２から受ける磁気的環境は同じで、このためセンサユニットの信号xiは１ピッチ単位で繰り返す周期的な信号となり、誤差eiも１ピッチ単位で繰り返す周期的な信号となる。
　誤差は１ピッチ内でｎ周期分繰り返す周期的な信号であり、発明者の経験した範囲でｎは１，２または４である。誤差の周期が１，２，４のいずれになるかは変位センサの構造と使用環境とに依存し、実験で判別できる。そして４ｎ個のセンサユニットを設けて、その出力信号を単純平均すれば、誤差が極く小さい変位センサとなる。さらに気温の変化等に対しても、磁気スケールを１ピッチ分移動すると、環境は同じで、気温の変動による誤差も打ち消すことができる。
　図５～図９に特性を示す。図５，図６ではセンサユニットは１個で、縦軸は誤差、横軸は直線性が高く誤差が少ない基準センサの出力から求めた位置を表し、センサユニットとスケールとの間隔を変えた際の誤差を示している。図５のデータは平均化前で、図６のデータは平均化後である。図５ではスケールの１ピッチが２周期の規則的な誤差が有り、図５の各曲線に対し、位相を４５°ずつ変えて、図６のように平均化すると誤差が軽減されている。　
　図７，図８はリニアモータに対するセンサユニットの取付位置を変えた際の誤差を示し、図７は平均化前のデータを、図８は、図６と同様にして平均化した後のデータを示す。スケールを兼用するリニアモータからの磁界が誤差要因で、図７では位相のずれがありスケールの１ピッチが２周期となる周期的誤差がある。図８のように平均化すると、誤差が軽減されている。
　図９ではセンサユニットは８個で、１ピッチに対する位相を４５°ずつ変化させて配置した。縦軸は誤差、横軸は基準センサの出力から求めた位置である。図の太線は８個のセンサユニットの信号の平均値である。この例でも、スケールの１ピッチが２周期の規則的な誤差であった。
　実施例では、スケールの１ピッチをｎ周期とする周期的な誤差が生じることに着目する。そして例えば4ｎ個のセンサユニットを１ピッチに沿って規則的に配置し、出力を単純平均することにより、誤差を小さくする。また信号処理は単純平均で簡単である。
　実施例ではセンサユニットu1～u8に各４個のコイルC1～C4を設けたが、各センサユニットに対し、３個、６個、８個等の磁気素子を設けても良く、コイルは磁気素子の例である。例えば６個の場合、１ピッチ内での位相が異なる３個の信号が得られる。そしてセンサユニットをｋｎ個、例えば２ｎ個、４ｎ個設ける。
　実施例では、センサユニットu1～u8は全体として、隣接する２個のピッチを検出可能に構成されている。これは、センサヘッド８と磁気スケール２との間の相対移動のため、センサヘッド８が次のピッチへ移行するためである。
２　磁気スケール　　４，６　マグネット　　８　センサヘッド
１０　ドライブ　　１２　平均化部　　１４　カウンタ
１６　テーブル　　１８　D/Aコンバータ　　２０　位相検出部
２２　オフセット補正部
A1，A2　増幅器　　u1～u8　センサユニット　　C1～C4　コイル
θ　１ピッチ内での位相　　ωt　交流入力の位相
bi　ピッチ原点の座標　　xi　センサユニットの出力　　x　平均出力

Claims (11)

  1. 　磁気スケールを基準とする位置を磁気素子により検出する変位センサにおいて、
    　極性の異なる２個のマグネット、もしくは磁性体と非磁性体の各１個のペアを１ピッチとする磁気スケールを備えるとともに、
    　前記１ピッチを１周期としかつピッチに対する位相が異なる複数の信号を出力するセンサユニットをｋｎ個（ｋは２以上の自然数で、ｎは１以上の自然数）備え、
    　さらに前記ｋｎ個のセンサユニットからの位相の平均を出力する平均化部を備え、
    　前記ｋｎ個のセンサユニットは、前記１ピッチの区間に磁気スケールに沿って直列に配列されていることを特徴とする、変位センサ。
  2. 　ｋ＝４であることを特徴とする、請求項１の変位センサ。
  3. 　前記磁気スケールは前記ピッチを複数備え、
    　前記センサユニットは、検出中のピッチのオフセット信号を出力するように構成され、
    　前記平均化部は、前記位相と前記オフセット信号とを用いて、前記平均を求めることを特徴とする、請求項１または２の変位センサ。
  4. 　前記センサユニットは前記１ピッチがｎ周期となる周期的誤差を有し、
    　前記ｋｎ個のセンサユニットからの信号を平均することにより、周期的誤差を打ち消すことを特徴とする、請求項１～３のいずれかの変位センサ。
  5. 　磁気スケールが直線状に配置され、変位センサが磁気スケールに沿ったリニアな位置を検出するリニア変位センサであることを特徴とする、請求項１～４のいずれかの変位センサ。
  6. 　磁気スケールがリニアモータのマグネット列であることを特徴とする、請求項５の変位センサ。
  7. 　磁気スケールを基準とするリニアな位置を磁気素子により検出するリニア変位センサにおいて、
    　リニアモータのマグネット列中の、極性が異なりかつ隣接する２個のマグネットから成るペアを１ピッチとし、かつ直線状である磁気スケールと、
    　前記１ピッチの長さをｐとする際に、ｐ／（４ｎ）ずつ磁気スケールに沿った位置が変化するように、１ピッチの長さ内に配置されている、４ｎ個のセンサユニット（ｎは１以上の自然数）と、
    　前記４ｎ個のセンサユニットからの出力の平均を出力する平均化部、とを備え、
    　前記４ｎ個のセンサユニットは各々複数個の磁気素子から成る、リニア変位センサ。
  8. 　前記平均化部は、前記４ｎ個のセンサユニットからのピッチ内座標ai（iは１から４ｎまでの自然数）の平均値に、前記４ｎ個のセンサユニットが検出しているピッチの原点座標ｂiの平均値を加算するように構成され、前記４ｎ個のセンサユニットは隣接する２個のピッチを検出可能である、ことを特徴とする、請求項７のリニア変位センサ。
  9. 　磁気スケールを基準とする位置を磁気素子により検出することにより変位を検出する方法において、
    　極性の異なる２個のマグネット、もしくは磁性体と非磁性体の各１個のペアを１ピッチとする磁気スケールを備えるとともに、
    　前記１ピッチを１周期としかつピッチに対する位相が異なる複数の信号を出力するセンサユニットをｋｎ個（ｋは２以上の自然数で、ｎは１以上の自然数）備え、
    　さらに前記ｋｎ個のセンサユニットからの位相の平均を出力する平均化部を備え、
    　前記ｋｎ個のセンサユニットは、前記磁気スケールの１ピッチの区間に磁気スケールに沿って直列に配列されている変位センサを用い、
    　前記センサユニットは前記１ピッチがｎ周期となる周期的誤差を有し、
    　前記ｋｎ個のセンサユニットからの位相を平均することにより、１ピッチがｎ周期の周期的誤差を打ち消すことを特徴とする、変位検出方法。
  10. 　磁気スケールが直線状に配置され、変位センサにより磁気スケールに沿ったリニアな位置を検出することを特徴とする、請求項９の変位検出方法。
  11. 　磁気スケールがリニアモータのマグネット列であることを特徴とする、請求項１０の変位検出方法。
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