JP2846814B2 - 位置測定装置 - Google Patents
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Description
信号を形成する磁気抵抗素子を用いて走査ユニットによ
り目盛板の測定目盛を走査し、目盛板に沿って相対運動
する二つの物体の相対位置を測定する位置測定装置に関
する。
で加工すべき加工品に対する工具の相対位置を測定する
ために使用される。欧州特許第 0 151 002 B1 号明細書
には、相対的に移動する物体の相対位置を測定する磁気
位置測定装置が開示されている。この装置では、走査装
置の周期的な測定目盛がそれぞれ4つの磁気抵抗素子か
ら成る二つのグループにより原点対称な出力信号を発生
させるために走査される。位相角 0°と 180°の出力信
号を有する二つのグループの4つの磁気抵抗素子は直列
回路にして第一分割ブリッジ回路に、また位相角 90°
と 270°の出力信号を有する二つのグループの磁気抵抗
素子は直列回路にして第二分割ブリッジ回路に結線され
ている。両方の分割ブリッジ回路の中間タップには、後
続する評価装置で位置測定値を得るため 90°相対位相
差を有する二つの原点対称な出力信号が出力する。
幅が測定目盛と走査ユニットの間の距離に強く依存す
る。振幅が変化すると、後で行われる出力信号の補間を
困難にする。
頭に述べた種類の位置測定装置にあって、出力信号の振
幅を再調整できる距離に依存する制御量を簡単な手段で
発生させることにある。
により、走査ユニット2が走査ユニット2と目盛板との
間の間隔dを検出する少なくとも一つの磁気抵抗素子4
1を備えたセンサ3を有し、測定目盛1によりあまり強
く変調されない測定信号Sd が前記センサ3の出力端に
出力し、この測定信号の振幅が走査ユニット2と目盛板
との間の間隔dに依存し、間隔に依存する走査信号Sd
を用いて走査信位置に依存す走査信号S1,S2 の振幅を
調整し、位置に依存する走査信号S1,S2 を形成する磁
気抵抗素子21〜24,411〜418を用いて走査ユ
ニット2により目盛板の測定目盛1を走査し、目盛板に
沿って相対運動する二つの物体の相対位置を測定する位
置測定装置において、更にセンサ3の少なくとも一つの
磁気抵抗素子41が測定目盛1に対向して配置され、間
隔dを検出するため、測定目盛1を走査し、その場合、
センサ3の出力端に余り大きく変調されない変調測定信
号Sd が出力するように、少なくとも一つの磁気材料素
子41が測定目盛1に対向して配置され、電気結線され
ているによって解決されている。
求の範囲の従属請求項に記載されている。
の発明をより詳しく説明する。図1には測長装置が模式
的に示してある。この装置では磁性材料の目盛板の測定
目盛1が多数の磁気抵抗素子21,22,23,24を
有する走査ユニット2で走査される。測定目盛1は測定
方向Xに連続する逆極の磁気領域NとSで構成されてい
る。この磁気領域の境界には二つのN極NNあるいはS
極SSが隣接する。測定目盛1はN極とS極の間の極間
隔で規定される目盛周期tを有する。
ため、測定目盛1はパーマロイで構成される磁気抵抗素
子21,22,23,24でX方向に走査される。これ
等の磁気抵抗素子21,22,23,24の電気抵抗は
測定目盛1の磁場強度に依存する。抵抗の変化は約 2%
である。比較的小さい抵抗変化と温度による抵抗変化に
よる信号のドリフトを補償するため、多くの素子21,
22,23,24がホィーストン・ブリッジにして接続
されている。対向する素子21,24あるいは22,2
3はそれぞれ半目盛周期tあるいは 180°の位相差を有
する。この回路を図2に示す。
るいは案内部に固定されているか、またはそこに直接取
り付けてある。走査ユニット2は測定目盛1に対してX
方向に移動する移動台の上にある。これ等の両方の物体
が相対移動する時、走査ユニット2は測定目盛1あるい
は測定目盛1のホルダー上を摺動する。それにもかかわ
らず、これ等の摺動部材の磨耗や、他の影響により、実
際には測定目盛1と走査ユニット2の間の間隔dは変わ
る。Z方向の間隔の変化は、測定目盛1をX方向に走査
する場合、磁気抵抗素子21,22,23,24の抵抗
変化の減少あるいは増大の原因にもなる。この間隔変化
は、位置に依存する出力信号S1 の信号振幅の変化の原
因ともなる。信号振幅のこの変化を図3に示す。図3a
の走査信号S1 の信号変化は最適な一定間隔dで生じ
る。この間隔dが大きくなると、信号振幅が減少する。
これは図3bから読み取れる。
償された擾乱場に無関係なアナログ調整量が必要であ
る。これには、この発明により、出力端に測定目盛1に
よりできる限り変調されていない測定信号Sd を発生さ
せるセンサ3が提唱されている。そして、この測定信号
の信号振幅が走査ユニット2と測定目盛1の間の間隔d
に依存している。
る。この場合、センサ3は分圧回路で構成されている。
分圧回路の有効分岐路4には磁気抵抗素子41が配設さ
れている。この素子の抵抗は間隔dに依存して変わる。
分圧回路の補償分離路5は、抵抗値が間隔dに無関係な
抵抗51を有する。間隔に依存する測定信号Sd として
は有効分岐路4の電圧を使用する。
信号Sd を求めると、特に有利である。図5と図6に
は、これに対する実施例が示してある。有効分岐路4の
磁気抵抗素子411〜418が測定目盛1に対して配置
され、この測定目盛1を走査する。この装置は測定目盛
1によって得られた測定信号Sd ができる限り変調され
ないように選択される。これに対する回路を図6に示
す。補償分岐路5の抵抗も同じように磁気抵抗素子51
1,512である。これ等の素子は素子411〜418
のようにその感度軸をY軸方向に配置している。素子5
11,512は抵抗が間隔dに無関係であるように設計
される。これは、素子511,512を特に広く形成す
ることによって達成される。この実施例では、測定目盛
の目盛周期tは 200μm で、素子411〜418の諸元
は下記のようになる。つまり、 厚さ= 100 nm, 幅= 25 μm, 長さ= 1.5 mm 素子511,512の諸元は下記のようになる。つま
り、 厚さ= 100 nm, 幅= 200μm, 長さ= 3 mm この設計では、素子511,512が素子411〜41
8に比べてより高い感度を有するので、磁気飽和の動作
範囲にある。走査時に生じる間隔dを動作範囲と定義す
る。説明する実施例では、有効分岐路4の全抵抗が補償
分岐路5の全抵抗に等しい。素子411〜418および
511,512が同じ材料のパーマロイで作製されてい
るので、温度変化は測定信号Sd に影響を与えない。
ある。有効分岐路4の磁気抵抗素子411,412,4
13,414は測定目盛1のそれぞれ1目盛を走査する
ように配設されている。全ての素子411〜414は互
いに並列に接続されている。それ故、測定信号Sd は測
定目盛1で殆ど変調されない。補償分岐路5では、測定
目盛1を走査する場合、磁場が変化しても磁気抵抗素子
513,514,515の抵抗が変化しないように、素
子513,514,515が配設されている。磁気抵抗
素子513,514,515の長手軸は測定方向Xに、
つまり磁気に敏感でない方向に向けてある。
じないように、磁気抵抗素子を測定目盛から空間的に離
して配設する。例えば、有効分岐路の素子のホルダーの
裏側に配設する。増分位置測定系では、補償分岐路の磁
気抵抗素子を増分トラックと基準マークトラックの間に
配設する。多数のトラックを有する絶対位置測定系でも
同じように二つのトラックの間に配置することができ
る。補償分岐路の磁気抵抗素子は磁気的にも隔離されて
いるので、磁場が作用しない。
16が測定目盛1に対してでなく、基準マーク6に対し
て配設されていて、この基準マーク6を走査する有利な
実施例が示してある。補償分岐路5には、多数の磁気抵
抗素子516が測定方向Xに間隔を開けて隣合わせに配
設され、互いに並列に接続されている。基準マーク61
を通過する場合、基準マーク61の磁場強度が少数の素
子516にのみ作用し、そこで抵抗の変化を与える。4
つの素子516を並列接続することにより、この抵抗変
化が補償分岐路5の全抵抗に影響を与えない。見通しを
良くするため、図8に補償分岐路5の一つの素子516
しか示しいない。
に対して図7の補償分岐路5の素子513,514,5
15の装置が配設されていて、この基準マークトラック
6を走査する。図示する補償分岐路5の素子511〜5
16の代わりに、他の抵抗素子も採用できる。これ等の
素子は有効分岐路4の素子411〜418と同じ温度特
性であるが、磁気に感じない。材料としては、例えば銅
が適している。図9には、補償分離路5が高抵抗の導入
導線517,518で構成されているこの種の実施例が
示してある。これ等の導入導線517,518は素子4
11〜414と同じホルダーに装着されている。同じ温
度特性とは、温度変化がある場合、抵抗が同じように変
化することを意味する。
路4で一つまたはそれ以上の磁気抵抗素子411〜41
8を必要とする。それ等の素子411〜418は、磁気
抵抗素子21〜24に加えて、位置に依存する走査信号
を形成するために必要となる。この発明の他の構成によ
れば、センサ3の有効分岐路4に加えて、位置測定装置
の既存の磁気抵抗素子21〜24を使用できる。
が示してある。磁気抵抗素子411〜414が測定目盛
1を走査する。これ等の素子は全ブリッジに接続され、
出力端に正弦波状の走査信号S1 が出力する。この走査
信号の振幅は測定方向Xで測定目盛1に対する走査ユニ
ット2の位置を規定する。この種の装置は、既に図1と
図2に説明した。増分位置測定装置では、方向識別のた
め、90°位相のずれた走査信号S2 を使用する必要があ
る。これには、磁気抵抗素子415〜418の他の全ブ
リッジが使用される。この発明によれば、両方の全ブリ
ッジを電圧側で並列に接続し、センサが先の実施例で既
に説明した補償分岐路5と共に完成する。間隔に依存す
る測定信号Sd は両方の全ブリッジの並列回路から取り
出せる。特に良好で高調波を含まない測定信号Sd を得
るため、多数の全ブリッジを並列接続してもよい。その
場合、個々の全ブリッジは互いに位相のずれた、測定方
向Xに対して位置に依存する走査信号S1,S2 を発生す
る。
の可能性が図12に示してある。位置測定装置で生じた
位置に依存する正弦波状の走査信号S1 とS2 がセンサ
3の整流回路7に導入される。ここでも、測定信号Sd
は多数の走査信号S1,S2 を整流すると、特に高調波を
含まない。説明した分圧回路には、温度変化が測定信号
Sd に変化を与えないと言う大きな利点がある。温度変
化による測定信号Sd の変化を甘受するなら、説明した
装置の場合、補償分岐路を省き、有効分岐路に一定電流
を供給することができる。有効分岐路の電圧は間隔に依
存する測定信号Sd である。
3が走査ユニット2で位置測定装置の磁気抵抗素子2
1,22に対して配置されているかを示す。簡単に図示
するため、素子の二つ21,22のみを示す。センサ3
が位置P1 にあると、走査ユニット2が傾いた場合で
も、平均間隔dを与える正しい測定信号Sd が得られ
る。センサ3の有効分岐路の個々の磁気抵抗素子が一方
で位置P2 とP3 あるいはP2,P3 とP4,P5 に配置し
ても、同じように正しい測定信号Sd が得られる。有効
分岐路4の素子41の面重心が磁気抵抗素子21〜24
の面重心に一致すると、平均間隔dを規定する正しい測
定信号Sd が得られる。
置の走査信号S1,S2 の調整に特に有利に採用される。
これは、例えば(測定方向Xに関する)走査信号S1,S
2 の信号振幅を測定信号Sd に応じて増幅する増幅器を
介して行われるか、あるいは磁気抵抗素子21〜24の
給電電圧を可変して行われる。調整の他の有利な可能性
は、走査ユニット2と測定目盛1との間の間隔dを測定
信号Sd に応じて可変することにある。これは、走査ユ
ニットを駆動ユニットに連結し、この駆動ユニットをZ
方向に追従させて行われる。駆動ユニットは、欧州特許
第 0 242 492 A号明細書で周知のように、コイル装置な
いしは圧電素子である。
測定目盛1の間の間隔を示す。このセンサを用いると、
X方向とZ方向の同時測定が可能となる二次元座標系も
提供できる。この発明は増分式および絶対式測長装置や
測角装置に採用できる。
置測定装置で得られる利点は、特に簡単なセンサ装置に
より測定目盛で変調されない測定信号を発生させ、この
信号の信号振幅が走査ユニットと測定目盛の間の間隔に
依存する点にある。そして、この測定信号により、位置
測定装置の位置に依存する出力信号の信号振幅を簡単に
調節できる。
(a)と (b)を示すグラフ、
図、
置図、
ンサの配置図、
面図、
面図。
1〜515磁気抵抗素子 51 抵抗 61 基準マーク t 目盛周期 d 測定目盛と走査ユニットの間の間隔 P1 〜P5 センサの位置 S1,S2 位置に依存する走査信号 Sd 測定信号
Claims (14)
- 【請求項1】 走査ユニット(2)が走査ユニット
(2)と目盛板との間の間隔(d)を検出する少なくと
も一つの磁気抵抗素子(41)を備えたセンサ(3)を
有し、測定目盛(1)によりあまり強く変調されない測
定信号(Sd )が前記センサ(3)の出力端に出力し、
この測定信号の振幅が走査ユニット(2)と目盛板との
間の間隔(d)に依存し、間隔に依存する走査信号(S
d )を用いて位置に依存する走査信号(S1,S2 )の振
幅を調整し、位置に依存する走査信号(S1,S2 )を形
成する磁気抵抗素子(21〜24,411〜418)を
用いて走査ユニット(2)により目盛板の測定目盛
(1)を走査し、目盛板に沿って相対運動する二つの物
体の相対位置を測定する位置測定装置において、更にセ
ンサ(3)の少なくとも一つの磁気抵抗素子(41)が
測定目盛(1)に対向して配置され、間隔(d)を検出
するため、測定目盛(1)を走査し、その場合、センサ
(3)の出力端に余り大きく変調されない変調測定信号
(Sd )が出力するように、少なくとも一つの磁気材料
素子(41)が測定目盛(1)に対向して配置され、電
気結線されていることを特徴とする位置測定装置。 - 【請求項2】 測定目盛(1)で変調される磁気抵抗素
子(41)の走査信号(S1,S2 )の少なくとも一つを
整流回路(7)に導入し、間隔に依存する測定信号(S
d )が前記整流回路(7)の出力端に出力することを特
徴とする請求項1に記載の位置測定装置。 - 【請求項3】 センサ(3)の磁気抵抗素子(43)は
測定装置の磁気抵抗素子(21〜24)であり、これ等
の磁気抵抗素子は同時に目盛板に沿った位置を測定する
ために使用されることを特徴とする請求項1または2に
記載の位置測定装置。 - 【請求項4】 センサ(3)は分圧回路で構成され、抵
抗が走査ユニット(2)と測定目盛(1)の間の間隔
(d)に応じて変わる少なくとも一つの磁気抵抗素子
(41)を有効分岐路(4)に接続し、走査ユニット
(2)と測定目盛(1)の間の間隔(d)に無関係であ
る抵抗素子(51)を他の補償分岐路(5)の分圧回路
に設け、間隔に依存する測定信号として有効分岐路
(4)の電圧(Sd )が使用されることを特徴とする請
求項1〜3のいずれか1項に記載の位置測定装置。 - 【請求項5】 補償分岐路(5)の磁気抵抗素子は磁気
抵抗素子(511〜516)であることを特徴とする請
求項4に記載の位置測定装置。 - 【請求項6】 補償分岐路(5)の磁気抵抗素子(51
1〜515)は測定目盛(1)に対向させて配設してあ
り、この測定目盛(1)を走査し、その場合、磁気抵抗
素子(511〜515)は測定目盛(1)に対する間隔
(d)に応じて抵抗が変化しないように、設計され配置
されていることを特徴とする請求項5に記載の位置測定
装置。 - 【請求項7】 補償分岐路(5)の磁気抵抗素子(51
3〜515)の長手軸は測定方向Xに向けて延びるよう
に配設されていることを特徴とする請求項6に記載の位
置測定装置。 - 【請求項8】 補償分岐路(5)の磁気抵抗素子(51
1,512)は大きな磁気感度を有し、磁気飽和の動作
範囲内にあることを特徴とする請求項6に記載の位置測
定装置。 - 【請求項9】 補償分岐路(5)の磁気抵抗素子(51
6)は測定目盛(1)とは空間的に離して配設されてい
るので、測定目盛(1)の磁場は磁気抵抗素子(51
6)に作用しないことを特徴とする請求項6に記載の位
置測定装置。 - 【請求項10】 補償分岐路(5)の多数の磁気抵抗素
子(516)は基準マーク(6)に対向させて配置して
あり、これ等の基準マークを走査することを特徴とする
請求項9に記載の位置測定装置。 - 【請求項11】 補償分岐路(5)の少なくとも一つの
抵抗素子(517,518)は有効分岐路(4)の少な
くとも一つの磁気抵抗素子(411〜414)と同じ温
度特性を有するが、磁場に感じない材料で構成されてい
ることを特徴とする請求項4に記載の位置測定装置。 - 【請求項12】 抵抗素子は電気接続導線(517,5
18)で形成されていることを特徴とする請求項11に
記載の位置測定装置。 - 【請求項13】 間隔(d)を検出するセンサ(3)は
目盛板に沿った位置を測定するために使用される磁気抵
抗素子(21〜24)の配置の面重心にあることを特徴
とする請求項1〜12のいずれか1項に記載の位置測定
装置。 - 【請求項14】 センサ(3)の間隔に依存する出力信
号(Sd )は、走査ユニット(2)と測定目盛(1)の
間の間隔(d)を可変する駆動ユニットに導入されるこ
とを特徴とする請求項1〜13のいずれか1項に記載の
位置測定装置。
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