JPH0835854A - 移動部材の変位検出方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】電磁気センサによって、被検出体のきわめて小
さい変位からきわめて大きい変位までリニアに、且つ全
く連続的に検出することにより移動部材の絶対位置や移
動速度を正確に検知すること。 【構成】移動部材と一体化された被検出体（８）上の移
動の方向に、透磁率等の電磁気的特性が、母材（２）と
の面積比或いは体積比の関係から漸次連続的な変化を呈
するように連続した異種領域（６）を形成し、それに対
向して設置した電磁気センサ（９）が読み取る被検出体
（８）の各部分の電磁気的特性の値を検出回路（１０）
に入力し、移動部材の絶対位置をアナログ的に検出す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、移動部材の絶対位置、
変位、又は移動速度を検出するための変位検出方法に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】例えば、制御用の流体圧シリンダにおけ
るピストンロッドのような移動部材が設定位置に来た時
にそれを停止させたり、関連する機器に次の制御作動を
起こさせたりするために、移動部材の位置を自動的に正
確に検出することは極めて重要なことであるが、従来、
そのための変位検出装置として、移動部材の一部又はそ
れと一体化される被検出体である鋼材の表面の所定位置
に、レーザビーム或いは電子線のような高エネルギ密度
のビームを照射し、その部分に母材である鋼材とは異な
る磁気特性を与えて、磁気変質部による目盛を有する基
準尺を被検出体の表面に形成し、この基準尺に対向して
磁気特性を検出する磁気検出器を設け、移動部材の変位
に伴って磁気検出器の前を通過する基準尺の目盛の数を
カウントすることによって、移動部材の相対的移動量
（変位量）や、単位時間あたりの変位量である移動速度
を検出する技術が知られている。

【０００３】この従来技術においては、被検出体の表面
に形成された基準尺の目盛の数をカウントしているの
で、移動部材の相対的な移動量を知り得るだけであり、
２つの目盛の中間のように目盛のない部分では変位を検
知することができないから、目盛の数を増やしてその間
隔を小さくする必要がある反面、あまり目盛を密に設け
ると、磁気検出器の検出範囲に２個以上の目盛が入って
カウントができなくなることと、磁気検出器の検出範囲
を小さくすることが非常に困難であるという理由等か
ら、分解能を高めることを阻害する多くの制約があり、
高精度のものは製作することができないという問題があ
った。

【０００４】そこで本出願人は、先に出願した特願平２
−３０１３３２号において、移動部材の一部の表面に、
透磁率又は導電率が面積比又は体積比において変位方向
に断続的に、且つ単調に目盛の間隔が増加又は減少する
ように変化する基準尺を形成し、それに対向して設けた
電磁気センサによって基準尺の２つ以上の目盛から同時
に透磁率又は導電率を読み取り、得られた信号強度の値
から移動部材の位置を特定することによって、移動部材
の絶対変位をアナログ的に検出する移動部材の変位検出
方法を提案した。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】後者の従来の技術にお
いては、１つの電磁気センサが基準尺において断続して
形成された２つ以上の目盛から同時に電磁気的特性を読
み取る必要があるので、基準尺の目盛の間隔が非常に大
きくなっている部分では、安定した検出出力を得るのが
難しいという問題があり、その対策として、移動方向に
おける電磁気センサの検出幅を拡げることが考えられる
が、その場合は、当然のこととして分解能が低下して、
微細な変位や小さい移動速度を検出することができなく
なるという別の問題が生じる。

【０００６】本発明は、これらの従来技術が有する諸問
題に対処して、唯１つの電磁気センサによって、被検出
体のきわめて小さい変位からきわめて大きい変位までリ
ニアに、且つ、全く連続的に検出することにより絶対位
置を正確に検知することがができ、また、その検出値に
基ずいて移動速度を大から小まで広い範囲にわたって自
由に検知することができるような、移動部材の変位又は
移動速度の検出方法を開発することを、発明の目的とす
るものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、前記の課題を
解決するために、移動部材と一体化された被検出体上の
前記移動部材の移動の方向に、前記被検出体の部分的な
電磁気的特性が、母材との面積比或いは体積比の関係に
よって漸次連続的な変化を呈するように、連続した異種
領域を形成すると共に、前記被検出体に対向して前記被
検出体の各部分の電磁気的特性を読み取ることができる
電磁気センサを設置し、前記電磁気センサが読み取った
被検出体の各部分の電磁気的特性の値を検出回路に入力
し、それによって前記被検出体、従って前記移動部材の
絶対位置をアナログ的に検出することを特徴とする移動
部材の変位検出方法を提供する。

【０００８】

【作用】電磁気センサは平面的に或いは立体的にそれが
対面している被検出体の部分における一定の大きさの検
出範囲を持っており、順次その範囲に入る被検出体の各
部分の平均的な電磁気的特性を検出することになるが、
移動部材と一体化されている被検出体上には、移動部材
の移動の方向に、被検出体の部分的な電磁気的特性が、
母材との面積比或いは体積比の関係によって漸次連続的
な変化を呈するように、連続した異種領域が形成されて
いるので、被検出体の各単位部分はそれぞれ違った電磁
気的特性を持っている。

【０００９】つまり、被検出体の検出対象部分は異種領
域に属する部分と属しない部分（母材部分）とからなっ
ていて、その割合が各単位部分毎に異なっているため
に、移動部材の移動の結果、その時に電磁気センサの検
出範囲に入っている被検出体の特定部分の検出値は他の
部分のそれとは異なっており、一つ一つの検出値がそれ
ぞれ被検出体の特定部分に対応していて、その検出値は
被検出体の特定の位置を表示することになる。そこで電
磁気センサの検出値を検出回路によって処理し、その出
力を予め測定して設定してある出力と位置、或いは変位
との対照表と照合することにより、移動部材の正確な絶
対位置を検知することができる。

【００１０】

【実施例】図２及び図３（ａ）に本発明の第１実施例を
示す。特に図２はこの方法の実施のために使用する装置
の要部を製造する方法を示すものであって、１はＸ及び
Ｙの２軸ＮＣ制御が可能な加工テーブル、２は、変位を
検出すべき図示されない移動部材に対し、加工後に一体
的に取りつけられて被検出体の母材となる板状の鋼材で
あって、加工テーブル１の上に適当な手段によって取り
つけられる。この場合の母材となる鋼材２は、金属組織
としてフェライトとオーステナイトの２相混合組織を有
し、加工によっては磁性又は電気的特性が変化するステ
ンレス鋼（ＳＵＳ３２９Ｊ１）を使用する。なお母材２
の寸法は、幅２５ｍｍ、長さ１７０ｍｍ、厚さ１０ｍｍ
である。

【００１１】３は図示しないＹＡＧレーザ装置やＣＯ₂
レーザ装置等から発生するレーザビームや電子ビーム等
の高エネルギビームであって、集光レンズ４等によって
焦点５に収束され、母材２上の焦点５に相当する狭い部
分を所定のパルス幅に応じた短時間だけ加熱する。焦点
５の直径は例えば０．２ｍｍ、放電電圧は４４０Ｖ、パ
ルス幅は０．５ｍｓ、パルスレートは１００ｐｐｓであ
る。焦点５の大きさとレーザビーム３のエネルギーレベ
ル、照射時間等によって決まる大きさ（表面積）及び深
さにわたって、母材２の表層の焦点５の部分が溶融し、
次いで照射が止むと共に熱が急速に母体２中に拡散し冷
却することによって、フェライトとオーステナイトの２
相混合の状態にあったものがフェライト組織に転化し、
その点５の部分だけが強磁性体となる。

【００１２】ＮＣ制御によって加工テーブル１を所定の
パターンにしたがいＸ及びＹ方向に移動させてこの処理
を繰り返すと、例えば図３（ａ）に示す細長い三角形状
の帯（始端の幅が８ｍｍ、長さが１５０ｍｍ）のよう
な、一様に変化する平面形状と所定の厚さを有するフェ
ライトからなる異種領域６が、磁性又は電気的特性の異
なる鋼材からなる母材２の表層に、母材２とは異なる強
磁性を有する部分として形成される。この場合、フェラ
イトに変化して磁性体となった異種領域６は多数の点５
からなっているが、点５を均等に且つ密に分布させるこ
とによって、実質的に連続した帯域と同様の働きをする
ものができる。

【００１３】前述の場合は、平面上で直線運動をする移
動部材の変位及び移動速度を検出するために、移動部材
と一体の被検出体である平板状の鋼材からなる母材２に
レーザビーム３によって加工を施こすものであるが、移
動部材が回転体であって、その回転角度（角変位）及び
回転速度（角速度）を検出しようとするときは、移動部
材と共に回転する被検出体として、例えば図４（ａ）に
示すように、フェライトとオーステナイトの２相混合の
鋼材を丸棒の形に成形した母材２を用い、それを図示し
ない回転制御機によって回転を与えながら、やはり図示
しないレーザ装置を軸方向に移動させることによって、
母材の外周面に細長い三角形状と一定の厚さを有する異
種領域６を形成することができる。

【００１４】さらに、図４（ｂ）に例示するように、図
示しない移動部材と一体化される被検出体の母材２が曲
面状のものであって、その表面に異種領域６を形成する
のであれば、図示しない３軸ＮＣ装置を簡単なプログラ
ム制御によって作動させることにより、図示しないレー
ザ装置又は母材２を移動させて任意のパターンの異種領
域６を、母材の表層に所定の厚さで形成させればよい。

【００１５】以上述べたものは、母材２の表層に幅の変
化する帯状の表面形状を有する強磁性の異種領域６を一
定の厚さに形成させた場合であるが、例えばその表面形
状を一定の幅を有する連続的な帯状パターンとし、その
代わりに、レーザの照射時間（パルス幅）又は照射強度
（放電電圧）を漸次変化させることによって、鋼材の溶
融深さが次第に変化するようにし、それによって形成さ
れる強磁性の異種領域６の厚さ（深さ）を連続的に変化
させ、各部分がそれぞれ単位体積において異なる透磁率
等の電磁気的特性を有するように設定してもよい。言う
までもなく、この場合に帯状の表面形状の幅を同時に変
化させることもできる。

【００１６】図３（ｂ）は本発明の第２実施例において
使用する被検出体を示すもので、レーザビーム３の照射
によって母材２の表層部分を電磁気的特性の異なる異種
領域６に転化させる第１実施例と違って、この場合は異
種領域６に相当するものを、母材２に対して始から電磁
気的特性の異なる別の材料によって製作し、これを母材
２に貼りつけることによって被検出体を構成するもので
ある。すなわち、市販のアモルファスリボン（ＭＥＴＧ
ＬＡＳ−２６０５ＳＣ）７を、始端の幅が８ｍｍで長さ
が１５０ｍｍの細長い三角形の帯状になるように裁断
し、幅２５ｍｍ、長さ１７０ｍｍの板状の非磁性鋼材か
らなる母材２の表面に金属接着剤によって貼付してい
る。このアモルファスリボン７は母材２に比べて軟磁気
特性に優れており、母材２の１０００倍以上の比透磁率
を有する。

【００１７】このようにして製作した異質組織６を有す
る母材２からなる被検出体８を、変位又は移動速度を検
出すべき対象である図示しない移動部材に取りつけ、検
出コイル、磁気抵抗素子、ホール素子等の電磁気センサ
によって被検出体８の各部分の電磁気的特性を計測し
て、その位置を特定することになるが、このシステムの
一例が概略的に図１及び図５に示されている。

【００１８】これらの図において、９は電磁気センサの
一例としての検出コイルであって、被検出体８を構成す
る非磁性の鋼材２上に形成された強磁性の異種領域６の
最大幅よりも大きく９ｍｍの直径を有し、被検出体８の
透磁率を連続的に検知することができる。１０は検出回
路であって、例えば図５に示すように発振回路１１、平
滑回路１２、増幅回路等からなっている。なお、図５に
おける１４は検出コイル９と共に発振周波数ｆ₀ を決定
するためのコンデンサを示している。

【００１９】次に計測の手順の例を説明する。まず発振
回路によってｆ₀ ＝２MH_Z の励磁電流をコイル９に供給
する。それによって検出コイル９の周りに磁束が発生
し、検出コイル９の対向位置にある被検出体８の部分的
な透磁率に応じた磁束密度分布を持つ磁界が形成され
る。前述のように被検出体８において異種領域６の表面
形状が細長い三角形状の帯になっているか、或いはその
深さが漸次変化していることによって、部分的な透磁率
は、面積比又は体積比において部分ごとに異なっている
から、磁界の磁束密度分布も被検出体の各部分によって
異なることになる。

【００２０】そこで、励磁電流が零となる瞬間に磁束密
度に応じて発生する逆起電力（出力電圧）の大きさも、
その部分の透磁率の大きさに対応したものとなるから、
出力電圧の値は被検出体８上の位置を示すことになる。
したがって、コイル９に励起される脈流電圧を平滑回路
１２によって平均化し、増幅回路１３によって必要な強
さに増幅して出力信号電圧を得る。そして、予め測定し
て設定してある図６のような出力−変位の対照表から、
移動部材の絶対位置、及び基準となる位置からの変位量
を知ることができる。

【００２１】言うまでもなく、移動部材即ち被検出体８
の移動速度は、単位時間内の変位量から直ちに算出する
ことができる。なお、図６において、（ａ）はレーザビ
ーム３によって母材２の表層を転化して形成された異種
領域６を有する被検出体８から検出された出力電圧特性
を示し、同じく（ｂ）は、図３（ｂ）に示すようにアモ
ルファスリボン７からなる異種領域６を有する被検出体
８から検出された出力電圧特性を示している。母材２と
異種領域６との透磁率の際立った違いという点では、後
者のものが前者のものよりもすぐれているために、両者
間に出力電圧において多少の差が生じている。

【００２２】被検出体８の各部分における透磁率や導電
性等の電磁気的特性の違いから移動部材の位置を検知す
るには、前記のような検出コイル９によるシステム以外
のものも使用することができることは言うまでもない。
また、被検出体８の母材２を磁性材によって構成し、そ
れに対して異種領域６を非磁性のものとしても本発明は
実施することができる。

【００２３】

【発明の効果】本発明の変位検出方法によれば、移動部
材と一体の被検出体に、母材との面積比或いは体積比の
関係によって、電磁気的特性の異なる異種領域が連続的
に形成されるので、電磁気センサにより非接触で全く連
続的に検出出力を得ることができる。したがって、どの
位置に対しても、その位置に特有の電磁気的特性の値を
読み取ることによって、正確に絶対位置を検知すること
ができ、確実に変位と速度を算出することができる。

【００２４】本発明による被検出体は透磁率や導電率等
の電磁気的特性の連続的変化を有しており、電磁気セン
サがそれをアナログ的に読み取るものであって、被検出
体に目盛に相当するものを着磁するような必要がない。
被検出体に着磁を行う場合は、小さな磁石がＮＳ−ＳＮ
−ＮＳ−ＳＮ……というように配列したのと同じような
磁化を行う必要があり、そのピッチが分解能を支配する
が、本発明の方法では、異種領域が全く連続的に形成さ
れるので、検出幅を狭くすれば分解能をいくらでも高め
ることができる。

【００２５】また、本発明を実施する検出装置を製造す
る場合、その要部である異種領域を有する被検出体は簡
単に製作することができるし、視覚的に信号特性の大小
が判るので、製作時のミスを発見し易い利点があり、工
業的に生産性が高い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による変位検出方法を実施する装置の概
略を示す斜視図である。

【図２】本発明を実施する装置の要部である被検出体を
製造するために用いられる加工装置の一例を示す斜視図
である。

【図３】本発明の実施に使用される平板状の被検出体に
おける異種領域を例示する平面図であって、（ａ）はレ
ーザビームの照射によって形成されるもの、（ｂ）はア
モルファスリボンの貼り付けによって形成されるものを
示している。

【図４】本発明の実施に使用される平板状以外の被検出
体における異種領域を例示する斜視図であって、（ａ）
は円柱形の被検出体にレーザビームの照射によって形成
されるもの、（ｂ）は曲面状の被検出体にレーザビーム
の照射によって形成されるものを示している。

【図５】本発明による変位検出方法を実施する装置にお
ける検出回路の概略を示す回路構成図である。

【図６】本発明の変位検出方法において検出される出力
と移動部材の変位との関係を示す線図であって、（ａ）
はレーザビームによって加工した被検出体によるもの、
（ｂ）はアモルファスリボンを貼付した被検出体による
ものを示す。

【符号の説明】

２…母材（鋼材） ３…レーザビーム ６…異種領域 ７…アモルファスリボン ８…被検出体 ９…検出コイル（電磁気センサ） １０…検出回路

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 移動部材と一体化された被検出体上の前
   記移動部材の移動の方向に、前記被検出体の部分的な電
   磁気的特性が、母材との面積比或いは体積比の関係によ
   って漸次連続的な変化を呈するように、連続した異種領
   域を形成すると共に、前記被検出体に対向して前記被検
   出体の各部分の電磁気的特性を読み取ることができる電
   磁気センサを設置し、前記電磁気センサが読み取った被
   検出体の各部分の電磁気的特性の値を検出回路に入力
   し、それによって前記被検出体、従って前記移動部材の
   絶対位置をアナログ的に検出することを特徴とする移動
   部材の変位検出方法。