JP2005156348A - Device for detecting position - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、産業機械や工作機械等に使用される位置検出装置に関し、特に、検出原理をリラクタンス変化検出タイプとする位置検出装置の改良に関する。 The present invention relates to a position detection device used for industrial machines, machine tools, and the like, and more particularly to an improvement of a position detection device whose detection principle is a reluctance change detection type.
近年、産業機械や工作機械等に使用される位置検出装置は、劣悪な使用環境から、汚れ・高温・衝撃等に対して頑強な位置検出装置が望まれている。この分野で使用される位置検出装置は、大別して光学式と磁気式の2種類に分類される。格子が設けられたガラススケールを用いた光学式検出器は、結露・飛散油等によるガラススケールの汚れ(くもり)による精度悪化や、ガラススケールがガラス材を基材とすることによる機械的強度面の脆弱さ等のデメリットを持っている。特に、飛散油等によるガラススケールの汚れを防止するために、ガラススケールをシールドケース内に収納しなければならない場合が多い。更に、結露を防止するために、エアを送り込む装置の付加を必要とすることも多い。エア供給装置には、エアフィルタ回路も当然含むので、保守・点検を怠らないようにする必要もある。この様に、光学式検出器は、汚れに対する弱さを補うために、検出装置そのもの以外にも付帯装置が必要となるのが一般的であった。 In recent years, position detection devices used for industrial machines, machine tools, and the like have been desired to be robust against dirt, high temperatures, impacts, and the like from a poor usage environment. Position detection devices used in this field are roughly classified into two types, optical and magnetic. Optical detectors using a glass scale with a grid are not accurate due to condensation (cloudiness) of the glass scale due to condensation, splashing oil, etc., and mechanical strength due to the glass scale being made of glass. Have disadvantages such as vulnerability. In particular, it is often necessary to store the glass scale in a shield case in order to prevent contamination of the glass scale due to scattered oil or the like. Furthermore, in order to prevent condensation, it is often necessary to add a device for feeding air. Since the air supply device naturally includes an air filter circuit, it is necessary to neglect maintenance and inspection. As described above, the optical detector generally requires an auxiliary device in addition to the detection device itself in order to compensate for the weakness against dirt.
このようなことから、汚れに強く、堅牢性も高い磁気式の位置検出装置が注目されてきている。磁気式の位置検出装置も検出方式などからいくつかの種類に分類される。磁気抵抗素子をセンサに内蔵したものや、コイルで検出対象(非磁性材)の渦電流損失を検出するタイプや、コイルで検出対象(磁性材)との間のリラクタンス変化を変出するタイプがある。特に、リラクタンス変化を検出するタイプは、検出対象を鋼材(磁性材)とすることができ、温度特性も良好なことから、劣悪な使用環境に好適なセンサとして知られている。リラクタンス変化を検出するタイプの位置検出装置は、しばしば検出対象を鋼材よりなる歯車あるいはラック歯とし、センサ側は、珪素鋼板よりなるステータコアの極歯に巻線を巻装した形態をとっている。しかしながら、ステータコアが歯車全体を囲うことで大径化することと、ステータコアの極歯の巻線の巻き位置のずれなどによる誤差などが、この形態のデメリットとしてあった。そこで、センサ側をプリント基板にコイルを敷設した構成とし、ステータコアの極歯に巻線を巻装したものの代替をさせるタイプがある(特許文献1)。 For this reason, magnetic position detection devices that are resistant to dirt and have high robustness have attracted attention. Magnetic position detection devices are also classified into several types according to detection methods. There is a type that incorporates a magnetoresistive element in the sensor, a type that detects eddy current loss of the detection target (nonmagnetic material) with a coil, and a type that changes the reluctance change with the detection target (magnetic material) with a coil is there. In particular, a type that detects a change in reluctance is known as a sensor suitable for an inferior use environment because a detection target can be a steel material (magnetic material) and the temperature characteristics are good. A position detection device of a type that detects a change in reluctance often takes a form in which a detection target is a gear or rack tooth made of steel, and a winding is wound around pole teeth of a stator core made of a silicon steel plate. However, the diameter of the stator core is increased by enclosing the entire gear, and errors due to deviations in the winding positions of the pole teeth of the stator core are disadvantages of this configuration. In view of this, there is a type in which a coil is laid on a printed circuit board on the sensor side, and the sensor core is replaced with a winding wound around pole teeth of a stator core (Patent Document 1).
図4は、プリント基板に検出用コイルパターンを敷設した従来の位置検出装置のセンサ部と検出対象の一例を示す斜視図である。鋼材(磁性材)よりなる検出対象の歯車203は、図示しない回転軸の回転中心に対して、回転振れのないように接着固定されており、回転軸は図示しない軸受にて軸支され回転自在となっている。プリント基板401は、検出対象の歯車203の外周面の凹凸部と空隙を介した位置に固定されていて非回転である。プリント基板401には、検出用コイルパターン402a、402bとこれらを囲う励磁用コイルパターン403が敷設されており、励磁用コイルパターン403は図示しない励磁回路と接続され変化磁束を発している。検出用コイルパターン402a、402bは、正弦波状の形状をしており、その波長は検出対象の歯車203の1ピッチ長(=π・m m:歯車モジュール)と同寸法となっている。検出用コイルパターン402aと402bとは、1/4波長分だけ測定軸方向にずれて敷設されている。検出用コイルパターン402a、402bは、励磁用コイルパターン403が発した変化磁束が検出対象の歯車203の凹凸による磁気抵抗変化によって変動する磁束を誘起電圧として出力する。検出用コイルパターン402a、402bが1/4波長ずれているので、互いに直交する二相信号を出力することとなる。
FIG. 4 is a perspective view illustrating an example of a sensor unit and a detection target of a conventional position detection device in which a detection coil pattern is laid on a printed circuit board. A
図4に示した例にあっては、ステータコアを使用していないので、薄型化が容易であり、検出用コイルパターン402a、402bの敷設される位置精度も良好となる。しかしながら、鉄芯(極歯)に磁路を形成していないこと、励磁用コイルパターン403のターン数が限定されることなどから、変化磁束そのものが弱く、検出される誘起電圧値も弱いという問題があった。また、プリント基板401を固定するためのケースは、銅材(磁性材)の場合もあれば、アルミ材(非磁性材)の場合もあるが、励磁用コイルパターン403から発せられる変化磁束の磁路は、周囲のケースの材質によって影響を受けることがあった。このようなことが起きると、検出用コイルパターン402a、402bを鎖交する磁束にバラツキが発生し、誤差要因となっていた。
In the example shown in FIG. 4, since the stator core is not used, it is easy to reduce the thickness, and the position accuracy in which the
従来の位置検出装置においては、光学式の検出方式を選択すると、汚れに対する防止策を考慮する必要があったり、強度そのものに問題があったりした。磁気式検出方式の中でも、渦電流損失を検出する方式にあっては、検出対象に導電性の優れた非磁性材料を選択せねばならず、鋼材を部材とすることが多い周辺の機構部との線膨張係数の違いが問題になったりしていた。検出対象を鋼材とする磁気式検出方式の中でも、磁気抵抗素子をセンサに使用した場合は、検出信号のコントラストの低さや、温度変化に対する特性の悪さが問題になった。また、検出対象を鋼材とする磁気式検出方式の中でも、リラクタンス型レゾルバのような磁気抵抗変化量を検出するタイプにあっては、ステータコアの極歯にボビン等の絶縁材を被せた後に巻線を巻装していることから、小型化・微細化に限界があった。また、巻線時の整列巻きや巻装位置等製造段階での誤差が、位置検出装置としての誤差になっていた。リラクタンス型の検出方式の中でも、プリント基板等の板材に励磁用及び検出用のコイルパターンを敷設したタイプにあっては、鉄芯(極歯)に磁路を形成できないことや励磁用コイルパターンのターン数が限定されることなどから、検出される誘起電圧のレベルが弱いという問題があった。更に、周囲の筐体の影響で、励磁用コイルパターンからの磁路が、所望の位置に形成されず、誤差要因となることがあった。 In the conventional position detection device, when an optical detection method is selected, it is necessary to consider a measure for preventing contamination, and there is a problem in strength itself. Among the magnetic detection methods, in the method of detecting eddy current loss, a nonmagnetic material with excellent conductivity must be selected as the detection target, and the surrounding mechanical parts that are often made of steel are used. The difference in the linear expansion coefficient was problematic. Among the magnetic detection methods in which the detection target is steel, when a magnetoresistive element is used for the sensor, the low contrast of the detection signal and the poor characteristics with respect to temperature changes have become problems. Among the magnetic detection methods that use steel as the detection target, in the type that detects the amount of change in magnetoresistance, such as a reluctance resolver, winding is performed after covering the pole teeth of the stator core with an insulating material such as a bobbin. There is a limit to miniaturization and miniaturization. Further, errors in the manufacturing stage such as aligned winding and winding position at the time of winding are errors as a position detecting device. Among the reluctance type detection methods, in the type in which the coil pattern for excitation and detection is laid on a plate material such as a printed circuit board, a magnetic path cannot be formed on the iron core (pole tooth) or the coil pattern for excitation There is a problem that the level of the induced voltage detected is weak because the number of turns is limited. Further, the magnetic path from the exciting coil pattern is not formed at a desired position due to the influence of the surrounding casing, which may cause an error.
本発明は上述のような事情に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、磁気式検出方式の中でも特に、プリント基板に検出用のコイルパターンを敷設した磁気抵抗変化量を検出するタイプでありながらも、検出信号レベルを高め且つ高精度な位置検出装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of the circumstances as described above, and an object of the present invention is, among other magnetic detection methods, a type of detecting a magnetoresistive change amount in which a coil pattern for detection is laid on a printed circuit board. In spite of this, it is an object to provide a highly accurate position detection device with an increased detection signal level.
本発明に係る位置検出装置は、磁気抵抗の異なる繰返しパターンが形成された磁性材よりなる第一部材と、前記第一部材と空隙を介して対向し、且つ第一部材と相対移動可能な第二部材とを含み、前記第二部材は、検出用コイルパターンを形成してなる板材と、変化磁束を発生する励磁コイルとを具備し、前記第一部材の繰返しパターンと前記第二部材の前記検出用コイルパターンとの間の磁気抵抗変化によって変動する前記励磁コイルが発した変化磁束を前記検出用コイルパターンの誘導電圧として検出し、前記第一部材と前記第二部材との相対移動量を検出する位置検出装置において、前記励磁コイルは、前記板材の背面に固定された鉄芯に巻装されていることを特徴とする。 The position detection device according to the present invention includes a first member made of a magnetic material on which repeated patterns having different magnetic resistances are formed, a first member that faces the first member through a gap and is relatively movable with respect to the first member. The second member includes a plate formed by forming a detection coil pattern and an exciting coil that generates a change magnetic flux, and the repetitive pattern of the first member and the second member A change magnetic flux generated by the exciting coil that fluctuates due to a change in magnetoresistance with the detection coil pattern is detected as an induced voltage of the detection coil pattern, and a relative movement amount between the first member and the second member is determined. In the position detecting device for detection, the exciting coil is wound around an iron core fixed to the back surface of the plate member.
励磁用のコイルを鉄芯に巻くことで、プリント基板等の板材に励磁コイルを敷設するものに比べ、比較的低い周波数でも、大きな検出信号を得ることができる。また、励磁のための磁路に、空気に比べ透磁率の大きな鉄芯を介することにより、検出用コイルパターンへ一様な磁束を発することができる。 By winding an exciting coil around an iron core, a large detection signal can be obtained even at a relatively low frequency compared to a case where an exciting coil is laid on a plate material such as a printed circuit board. Moreover, a uniform magnetic flux can be emitted to the detection coil pattern by passing an iron core having a larger permeability than air in the magnetic path for excitation.
図1は、本発明の位置検出装置のセンサ部となる第二部材の検出用コイルパターンを形成したプリント基板の一例を示す正面図である。プリント基板101の表面層に正弦波状にパターンを敷設した検出用コイルパターン102aは、第二層に正弦波状にパターンを敷設した検出用コイルパターン102cとスルーホール103eにて電気的に接続されている。検出用コイルパターン102aと検出用コイルパターン102cは、正弦波状の波形位相が逆位相となっているが、電気的な位相も逆位相となっているため、結果として同相を検出している。この検出用コイルパターン102aから、正弦波状の波形位相を測定軸方向に90°(1ピッチの1/4)ずらした位置に、検出用コイルパターン102bがパターン成形されており、同様に、第二層にパターン成形された検出用コイルパターン102cから正弦波状の波形位相を、測定軸方向に90°ずらした位置に、検出用コイルパターン102dがパターン成形されている。検出用コイルパターン102bと検出用コイルパターン102dは、スルーホール103fにて電気的に接続されている。
FIG. 1 is a front view showing an example of a printed circuit board on which a detection coil pattern of a second member serving as a sensor unit of the position detection device of the present invention is formed. The
図2は、本発明の位置検出装置の第二部材(センサ部)と検出対象の第一部材との関係の一例を示す斜視図である。第一部材を形成する検出対象の歯車110は、磁性材よりなる鋼材を加工してできており、プリント基板101と対向する側が凹凸の磁気抵抗との異なる繰返しパターンとなるように歯切り加工がされている。本発明において、プリント基板を含む第二部材は検出対象となる歯車110すなわち第一部材と空隙を介して対向しており、両部材101,110の相対移動量が検出される。
FIG. 2 is a perspective view showing an example of the relationship between the second member (sensor unit) of the position detection device of the present invention and the first member to be detected. The
検出対象となる歯車110の回転をリラクタンス変化として磁気的に検出するために、変化磁束を発生する励磁コイルが必要となるが、本発明においては、この励磁コイルをプリント基板101の背面に固定された鉄芯に巻装することによって、充分に大きな変化磁束を得ている。図2において、ソフトフェライトを基材とする鉄芯120には、励磁用のコイル121が巻装されており、図示しない励磁回路に接続され、励磁状態となっている。更に、鉄芯120の第一部材と第二部材すなわち検出対象の歯車110をプリント基板101との相対移動方向における幅は、検出対象の歯車110の5ピッチ分の幅としてある。プリント基板101の背面と鉄芯201は、接着剤により固定されている。プリント基板101の表面と適当な空隙を介した位置に、検出対象の歯車110が位置している。また、検出対象の歯車120の1ピッチ(=π・m)と、図1の検出用コイルパターン102a〜dの1波長とは、ほぼ同寸法となっている。
In order to magnetically detect the rotation of the
図3は、図1及び図2で示されるセンサ部からの検出信号を処理する回路の一例を示す概略構成図である。励磁コイル121には、励磁回路122にて100kHzの交流電流が供給されており、鉄芯120からは100kHzで変化する磁束が検出対象の歯車110へ発せられる。鉄芯120から発せられた交流磁束は、検出対象の歯車110の表面の凹凸繰返しパターンによる磁気抵抗変化量に応じて変調される。検出用コイル102a、102cと102b、102dとは、変調された磁束に比例した電圧VSO、VCOを出力する。このとき、検出対象の歯車110の歯数をn、回転角度をθ、励磁電流をsinωtとすると、コイル102a、102cと102b、102dとを鎖交する磁束変化によって、それぞれのコイル102a、102cと102b、102dとに発生する誘起電圧は、式(1)、(2)で表すことができる。
FIG. 3 is a schematic configuration diagram illustrating an example of a circuit that processes a detection signal from the sensor unit illustrated in FIGS. 1 and 2. The
このように表される電圧信号VSO、VCOは、差動増幅器130a、130bにて増幅され、信号VS、VCとなる。信号VS、VCは、アナログ/ディジタル変換器131a、131bにて、タイミング発生器132が発生する励磁電流が零(即ち、cosωt=1)となるタイミングにてアナログ/ディジタル変換され、ディジタル信号DS、DCとなる。このときディジタル信号DS、DCは、式(3)、(4)で表すことができる。
The voltage signals VSO and VCO expressed in this way are amplified by the
ディジタル信号DS、DCは、内挿演算器133にて逆正接演算され、検出対象の歯車110の回転位置を示すn・θが算出される。
The digital signals DS and DC are subjected to arc tangent calculation by the
尚、鋼材からできた歯車の凹凸部の磁気抵抗変化を交流磁束によって検出する場合、鋼材の鉄損により、あまり高い周波数を用いることができない。従って、渦電流損失を検出するタイプのように、プリント基板に敷設した励磁コイル及び検出コイルでは巻数(ターン数)が少ないため、検出電圧が非常に微弱となる。このため、検出電圧を高い増幅率の増幅回路で増幅する必要があり、コスト的・ノイズ的に不利である。本発明では、励磁コイルを巻装した鉄芯により、強く一様に磁束を歯車等の検出対象側へ集中させて発することができるため、比較的低い励磁周波数でも、検出巻線から大きな誘起電圧を出力することが可能である。また、本発明では鉄芯の幅を歯車等の表面の凹凸ピッチの整数倍に合わせることにより、鉄芯から歯車等の検出対象側へ発する総磁束量が一定となり、高精度な位置検出が可能である。通常、鉄芯の幅を凹凸ピッチの整数倍に対して、±1/8ピッチ以上変えると、凹凸部の回転(乃至は移動)に際して、鉄芯から凹凸部側へ発せられる総磁束量が変動し、その変動分が図3のような例においては電圧信号VSO、VCOの両者に加わるため、検出誤差が増加する問題が発生する。 In addition, when detecting the magnetic resistance change of the uneven part of the gear made of steel by AC magnetic flux, a very high frequency cannot be used due to the iron loss of the steel. Therefore, since the number of turns (the number of turns) is small in the excitation coil and the detection coil laid on the printed circuit board as in the type detecting eddy current loss, the detection voltage becomes very weak. For this reason, it is necessary to amplify the detection voltage with an amplifier circuit having a high amplification factor, which is disadvantageous in terms of cost and noise. In the present invention, the iron core around which the excitation coil is wound can generate a strong and uniform magnetic flux concentrated on the detection target side such as a gear, so that a large induced voltage can be generated from the detection winding even at a relatively low excitation frequency. Can be output. In addition, in the present invention, by adjusting the width of the iron core to an integral multiple of the uneven pitch on the surface of the gear or the like, the total amount of magnetic flux emitted from the iron core to the detection target side such as the gear becomes constant, and highly accurate position detection is possible. It is. Normally, when the width of the iron core is changed by ± 1/8 pitch or more with respect to an integral multiple of the uneven pitch, the total amount of magnetic flux emitted from the iron core to the uneven portion side changes when the uneven portion rotates (or moves). However, in the example as shown in FIG. 3, the variation is added to both the voltage signals VSO and VCO, which causes a problem that the detection error increases.
以上の実施例では、本発明を特定の実施形態について説明したが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、検出対象たる表面に凹凸を有した鋼材よりなる磁性体は、ラック形状とすることができ、両部材の相対変位量を検出するものであれば、本発明の位置検出装置とすることができる。また、検出用コイルパターンを形成する板は、本実施例で示したプリント基板に限られるものではなく、例えば半導体製造技術を応用してコイルパターンを膜状に形成したものに置き換えても本発明の位置検出装置とすることができる。 Although the present invention has been described with respect to specific embodiments in the above examples, the present invention is not limited to this. For example, a magnetic body made of a steel material having irregularities on the surface to be detected can be made into a rack shape, and the position detection device of the present invention can be used as long as it detects the relative displacement amount of both members. it can. In addition, the plate on which the detection coil pattern is formed is not limited to the printed circuit board shown in the present embodiment. For example, the present invention may be applied even if the coil pattern is replaced with a film formed by applying semiconductor manufacturing technology. It can be set as a position detecting device.
101 プリント基板、102a,102b,102c,102d 検出用コイルパターン、103a,103b,103c,103d,103e,103f スルーホール、110 検出対象の歯車(第一部材)、120 鉄芯、121 励磁コイル、122 励磁回路。
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記第二部材は、検出用コイルパターンを形成してなる板材と、変化磁束を発生する励磁コイルとを具備し、
前記第一部材の繰返しパターンと前記第二部材の前記検出用コイルパターンとの間の磁気抵抗変化によって変動する前記励磁コイルが発した変化磁束を前記検出用コイルパターンの誘導電圧として検出し、前記第一部材と前記第二部材との相対移動量を検出する位置検出装置において、
前記励磁コイルは、前記板材の背面に固定された鉄芯に巻装されていることを特徴とする位置検出装置。 A first member made of a magnetic material in which a repetitive pattern having different magnetic resistance is formed, and a second member that is opposed to the first member via a gap and is relatively movable with the first member;
The second member includes a plate material formed with a detection coil pattern, and an excitation coil that generates a change magnetic flux,
Detecting a change magnetic flux generated by the exciting coil, which is fluctuated by a magnetic resistance change between the repetitive pattern of the first member and the detection coil pattern of the second member, as an induced voltage of the detection coil pattern; In the position detection device that detects the relative movement amount between the first member and the second member,
The position detecting device, wherein the exciting coil is wound around an iron core fixed to the back surface of the plate member.
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