JP4377417B2 - 傾きセンサ付き位置検出器 - Google Patents
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Description
本発明は、磁性体から成るスケール部と、このスケール部とは独立して設けられたセンサ部を含む磁気式の位置検出器に関する。
従来から、工作機械の主軸等の位置検出用としてスケール部とセンサ部が分離された位置検出器が使用されている。このような位置検出器では、スケール部が磁性体からできており、センサ部はスケール部外周面と近接する面に磁気式の位置センサを有している。このような位置検出器は、位置検出に磁気を利用するため、水や油等に対する耐環境性に優れている。また、機械加工により容易にサイズの異なるスケール部を製造できる。さらには、異なるサイズのスケール部に対して共通のセンサ部が使用できるというメリットがある。
上記のような従来の位置検出器を示す上視図を図４に示す。スケール部２は円筒形状をした軟磁性体である鉄材等からできており、検出対象側の回転軸１に固着されている。また、スケール部２はその外周面に歯車状のピッチλの凹凸を有している。センサ部４は、取り付けボルト７，８により、検出対象の非回転側の設置面９に固定され、スケール部２側の外周面に近接する面６には、磁気式の位置センサ５が配置されている。磁気式の位置センサ５は、回転軸１が回転すると、スケール部２の外周面の凹凸による磁気変化を検出する。センサ部４では、内蔵する信号処理回路により、位置センサ５が検出した磁気変化に基づき、回転軸１の回転位置を検出する。また、センサ部４は、ケーブル１１を介して、検出した回転位置情報をシリアル通信により、外部装置へ送信する。
図４のような位置検出器では、スケール部２の外周接面３とセンサ部４の位置センサ５が配置された面６とが、一定の間隔を空けて正確に平行設置されていないと、位置検出器の検出精度が悪化する問題がある。このため、図４の従来例では、検出対象の非回転側の設置面９上に案内面１０が設けられていた。スケール部２の固定時は、この案内面１０によって、外周接面４とセンサ部２の面６とが一定の間隔を空け平行となるように、設置面９に固定されるようになっている。また、センサ部の固定方法としては、特許文献１のように、スケール部とセンサ部の間に、一時的に固定用治具を挿入して、センサ部を固定する方法も広く知られている。
図４の従来の位置検出器では、測定対象側とセンサ部側両方に、固定用の案内面を高精度に加工する必要がある。このような高精度な案内面を設けることは、加工及び組立て上の困難さを伴う上、コストアップの原因となっていた。また、固定用治具を用いる方法では、サイズの異なるスケール部を製造する場合、サイズごとに専用の固定用治具を必要とし、センサ部故障時等の交換用に多種の固定用治具を準備する必要があった。また、固定用治具を使用した場合でも、センサ部側の固定用治具と接する箇所には、高精度な案内面が必要であった。
本発明では、スケール部とセンサ部が分離した磁気式の位置検出器に関して、センサ部の検出対象への固定をローコストかつ高精度に行うことができる位置検出器を提供する。
本発明では、磁性体から成るスケール部と、このスケール部とは独立して設けられたセンサ部と、を含み、スケール部の表面にはセンサ部との相対移動方向に沿って所定のピッチで繰り返しパターンが記録され、スケール部の表面に近接するセンサ部の面には、前記パターンを読み取る磁気式の位置センサが配置された位置検出器において、前記センサ部には、前記スケール部の表面と、前記位置センサが配置されたセンサ部の面との傾きを検出する磁気式の傾きセンサが設けられている。
そして、本発明は、前記傾きセンサは、スケール部の表面までの距離を検出する複数の磁気式の距離センサ素子を含み、前記複数の距離センサ素子は前記位置センサが配置された面上の前記スケール部との相対移動方向において離れた場所に配置され、前記複数の距離センサ素子の距離情報に基づき、前記傾きを検出することを特徴とする。
また、前記センサ部は、スケール部の表面へ交流磁束を発する交流励磁手段を有し、前記複数の距離センサ素子は、巻線からなることが好適である。
また、前記複数の距離センサ素子の巻線は直列接続されていることが好適である。
また、前記位置センサおよび前記傾きセンサは、同一のプリント基板上の導体パターンによって形成されていることが好適である。
また、前記スケール部は、円板状であって、外周面に繰り返しパターンが記録されていることが好適である。
また、前記傾きセンサが検出した傾き情報をシリアル通信により、外部装置へ出力することが好適である。
本発明によれば、スケール部の表面とセンサ部の位置センサが配置された面との傾きを検出する傾きセンサをセンサ部に備えることにより、センサ部を検出対象に固定する時に、この傾きセンサが検出した傾き情報を知ることができる。例えば、ＮＣ画面や専用表示装置又は、センサ部に搭載したＬＥＤ表示等をモニタしながら、センサ部固定時の取り付け調整を行うことが可能となる。これにより、センサ部固定時の傾きを一定にするための固定用案内面や専用の固定用治具が不要となり、コストダウンが可能となる。また、案内面を用いる方法よりも、高精度にセンサ部を検出対象へ固定することができ、位置検出器の検出精度を向上させることも可能である。その他、傾きセンサの情報を適宜チェックすることにより、センサ部及びスケール部の設置状態の異常検出を行うことも可能である。
以下、図面に基づいて本発明の実施形態を説明する。図１は実施形態に係る傾きセンサ付き位置検出器を示す上視図である。図２は図１のセンサ部２４の内部構造を示す上面透視図である。図３は図１のプリント基板１４の構造を示す図である。
図１で、センサ部２４の筐体２５は、アルミ材からできており、センサ部２４のスケール部２の外周面と近接する面には、プリント基板１４が接着固定されている。プリント基板１４は、筐体２５に埋め込まれたフェライトから成るＥ字型コア１２と接している。図２において、Ｅ字型コア１２は、上面に２つの溝がある形状となっている。Ｅ字型コア１２の溝の部分には巻線１３が巻装され、信号処理回路２１からの交流の励磁電流ＥＩによってＥ字型コア１２を交流励磁する。これにより、Ｅ字型コア１２のプリント基板１４と接する３つの面からは、スケール部２側を通る一点鎖線２６、２７で示すように、中央部から出て両端部に回るような磁束が発せられる。なお、Ｅ字型コア１２側のプリント基板１４と接する３つの面の幅は、中央部の面が２λ、両端部の面がλとなっている。このように、幅をλの整数倍とすることにより、各面を通過する平均磁束量がスケール部２の外周面の凹凸による影響で、ほとんど変化しないようになっている。
プリント基板１４中央部のＥ字型コア１２と近接する領域には、２層の導体パターンから成るピッチλの波長の正弦波形状をした２つの巻線が、λ／４異なる位相関係となるように（スケール部の移動方向において、λ／４だけずれて）配置され、位置検出センサ１５を形成している。位置検出センサ１５では、スケール部２が回転すると、その外周部の凹凸によるリラクタンス変化により、Ｅ字型コア１２の中央部が発した交流磁束が変化し、位置センサ１５を形成する２つの巻線からは、回転量の正弦値と余弦値に比例した振幅で変化する交流の起電圧ＡＳとＡＣが出力される。交流起電圧ＡＳとＡＣは、信号処理回路２１により、それぞれの振幅が２つの振幅値に数値化され、２つの振幅値は、逆正接演算が行われて、回転軸１の回転位置を示す数値ＰＯに変換される。また、信号処理回路２１では、交流起電圧ＡＳ，ＡＣの振幅値の自乗和の平方根も演算され、スケール部２とプリント基板１４との距離を示す数値ＧＡＰに変換される。
プリント基板１４の中央部から、スケール部２の正の移動方向（図３の右側）と逆の移動方向（図３の左側）の等距離離れたＥ字型コア１２と近接する２つの領域には、それぞれ四角形状からなる導体パターンから成る距離センサ素子１６，１７が配置されている。距離センサ素子１６，１７は、どちらもほぼλの幅の巻線であり、Ｅ字型コア１２と近接する領域を囲むように配置されている。また、スケール部２の外周面からの距離が変化すると、Ｅ字型コア１２の両端が発した交流磁束が変化し、巻線である距離センサ素子１６，１７からは、それぞれ対応する外周面との距離の変化に応じた交流の起電圧を発生する。また、距離センサ素子１６，１７とスケール部２の外周面との距離が同じ場合に、交流の起電圧が打ち消し合うように、プリント基板１４上で直列接続され、交流の電圧ＡＹとして出力される。これにより、交流の電圧ＡＹの振幅変化は、スケール部２の外周接面３と、プリント基板１４の面の傾きにほぼ比例した変化となる。信号処理回路２１では、交流の電圧ＡＹの振幅が数値化され、スケール部２の外周接面３と、プリント基板１４の面の傾きを示す数値ＹＡＷに変換される。このように、本実施形態においては、距離センサ１６，１７が傾きセンサを構成する。
信号処理回路２１では、距離を示す数値ＧＡＰと傾きを示す数値ＹＡＷに基づき、ＬＥＤ２２，２３の点灯を制御している。具体的には、距離を示す数値ＧＡＰが適正値と比較し、大きいとＬＥＤ２２とＬＥＤ２３を消灯させ、小さいと点滅させる。また、距離を示す数値ＧＡＰが適正値でも、傾きを示す数値ＹＡＷが適正値でなければ、距離が小さくなる側のＬＥＤを点滅させ、距離が大きくなる側のＬＥＤを消灯させる。距離を示す数値ＧＡＰと傾きを示す数値ＹＡＷが適正値の場合が、ＬＥＤ２２とＬＥＤ２３を点灯させる。これにより、ＬＥＤの表示を見ながら、センサ部２４を検出対象に固定することにより、センサ部２４の位置センサ１５が配置された面とスケール部２の外周接面３とが、一定の間隔を空け平行となるように固定することが可能である。
また、信号処理回路２１では、ケーブル１１を介して検出した回転位置情報をシリアル通信により、外部装置へ送信する。その他、信号処理回路２１では、外部からのシリアル通信による要求で、数値ＧＡＰや数値ＹＡＷも出力することができる。図１では、センサ部２４の固定時の調整をおこなう場合を示し、ケーブル１１は、信号変換器１８に一時的に接続されている。信号変換器１８は、センサ部２４からのシリアル信号をＵＳＢインターフェースの信号に変換し、ＵＳＢインターフェースを介して、センサ部２４とパソコン２０とを接続する。パソコン２０では、ＵＳＢインターフェースにより得られたセンサ部２４の数値ＧＡＰや数値ＹＡＷに基づき、センサ部２４の固定状態を画面に図形表示する。これにより、パソコンの画面を見ながら、センサ部２４を検出対象に固定することにより、センサ部２４の位置センサ１５が配置された面とスケール部２の外周接面３とが、一定の間隔を空け平行となるように、高精度に固定することが可能である。
なお、センサ部２４の取り付け調整時以外は、通常、センサ部２４は、回転軸１を駆動するモータの制御を行うモータ制御装置等と接続される。
また、距離センサ１６，１７の情報を適宜チェックすることにより、センサ部及びスケール部の設置状態の異常検出を行うことも可能である。例えば、距離センサ１６，１７の情報を常時チェックしてもよいし、また起動時チェックしたり、一定期間毎にチェックしたりすることができる。
なお、本実施形態では、外周面のパターンが記録された箇所までの距離を距離センサ素子１６、１７の信号に基づき傾きを検出していたが、スケール部２の外周面のパターンが記録されていない箇所の距離を距離センサ素子１６、１７で検出することにより、傾き検出を行うことも当然可能である。ただし、この場合、スケール部２の軸方向の厚みが増加するという問題がある。
また、本実施形態では磁気式の距離センサ素子として、センサ部側から交流磁束によって励磁された巻線をセンサ素子とした例について述べたが、距離センサ素子として、特許文献１のようなセンサ部側から永久磁石等の直流磁界によって励磁された磁気抵抗素子やホール素子等の磁気センサ素子を用いても実現できる。
また、本実施形態では、磁性体から成る一定ピッチの凹凸を外周面に有するスケール部について述べたが、スケール部外周面にＮ極とＳ極を一定ピッチで交互に着磁した特許文献２に示されるような位置検出器でも実現できる。この場合、センサ部側からの励磁は不要であり、距離センサ素子としては、磁気抵抗素子やホール素子等の磁気センサ素子が使用可能である。
その他、本実施形態では位置センサと傾きセンサを別のセンサとした例を述べたが、磁気式の位置センサの信号からスケール部までの距離を検出できることは、特許文献３にも記載されているように周知の事実であり、複数の位置センサを距離センサ素子として併用してもよい。
また、本実施形態では、位置センサを用いてスケール部と位置センサ間の距離を検出する例を示したが、傾きセンサの距離センサ素子を使用して、スケール部と位置センサ間の距離を検出させることも可能である。
その他、本実施形態では回転型の位置検出器について述べたが、直線型の位置検出器でも実現ができる。
１ 回転軸、２ スケール部、４，２４ センサ部、５，１５ 位置センサ、７，８ 取り付けボルト、９ 検出対象の非回転部、１１，１９ ケーブル、１２ Ｅ字型コア、１３ 巻線、１４ プリント基板、１６，１７ 距離センサ素子、１８ 信号変換器、２０ パソコン、２１ 信号処理回路、２５ 筐体。
Claims (6)
- 磁性体から成るスケール部と、このスケール部とは独立して設けられたセンサ部と、を含み、スケール部の表面にはセンサ部との相対移動方向に沿って所定のピッチで繰り返しパターンが記録され、スケール部の表面に近接するセンサ部の面には、前記パターンを読み取る磁気式の位置センサが配置された位置検出器において、
前記センサ部には、スケール部の表面までの距離を検出する複数の磁気式の距離センサ素子を含み、前記複数の距離センサ素子は前記位置センサが配置された面上の前記スケール部との相対移動方向において離れた場所に配置され、前記複数の距離センサ素子の距離情報に基づき、前記スケール部の表面と、前記位置センサが配置されたセンサ部の面との傾きを検出する磁気式の傾きセンサが設けられていることを特徴とする傾きセンサ付き位置検出器。 - 前記センサ部は、スケール部の表面へ交流磁束を発する交流励磁手段を有し、前記複数の距離センサ素子は、巻線からなることを特徴とする請求項１記載の傾きセンサ付き位置検出器。
- 前記複数の距離センサ素子の巻線は直列接続されていることを特徴とする請求項２記載の傾きセンサ付位置検出器。
- 前記位置センサおよび前記傾きセンサは、同一のプリント基板上の導体パターンによって形成されていることを特徴とする請求項２または３記載の傾きセンサ付位置検出器。
- 前記スケール部は、円板状であって、外周面に繰り返しパターンが記録されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の傾きセンサ付位置検出器。
- 前記傾きセンサが検出した傾き情報をシリアル通信により、外部装置へ出力することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の傾きセンサ付き位置検出器。
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