単列多層構造に基づく電界式タイムグレーティング直線変位センサ
专利汇可以提供単列多層構造に基づく電界式タイムグレーティング直線変位センサ专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且，下面是単列多層構造に基づく電界式タイムグレーティング直線変位センサ专利的具体信息内容。
プローブベース(1)とスケールベース(2)の両部分を備え、単列多層構造に基づく電界式タイムグレーティング直線変位センサであって、 前記プローブベース上には1列のプローブ電極(1−1)を有し、 前記スケールベース上には1列のスケール電極(2−1)を有し、スケール電極の第4n+1電極は1組に繋がってA励磁相を構成し、スケール電極の第4n+2電極は1組に繋がってB励磁相を構成し、スケール電極の第4n+3電極は1組に繋がってC励磁相を構成し、スケール電極の第4n+4電極は1組に繋がってD励磁相を構成し、nは0以上の整数であり、 前記プローブベースと前記スケールベースは上下並行に相対して設置され、前記プローブベースの前記プローブ電極と前記スケールベースの前記スケール電極は正対し、一定間隔δだけ離間して結合コンデンサを形成し、 前記プローブベースと前記スケールベースは相対的に移動し、 前記スケール電極のA、B、C、D4つの励磁相は、それぞれ順に位相差90°の等振幅、等周波数の正弦曲線励磁電圧Ua、Ub、Uc、Udに連結しており、前記プローブ電極上で1経路の進行波信号Uoが生じ、前記進行波信号と1経路の位相に固定した同周波数基準信号Urは、整形回路により整形された後、位相比較回路によって位相を比較し、 両経路の信号の位相差は内挿された高周波のクロックパルスの個数により表示され、スケール変換により前記プローブベースの前記スケールベースに対する直線変位値を得る、 ことを特徴とする単列多層構造に基づく電界式タイムグレーティング直線変位センサ。前記スケールベース上は、4層の誘電体膜に覆われ、第1層は金属膜であり、4本の励磁信号導線(2−2)を構成し、A、B、C、Dの各励磁相に対応する電極を1組に繋げており、 第2層は絶縁膜であり、 第3層は金属膜であって1列のスケール電極(2−1)を構成し、 第4層は絶縁保護膜である、 ことを特徴とする請求項1に記載の単列多層構造に基づく電界式タイムグレーティング直線変位センサ。前記スケール電極(2−1)の形状は、矩形で且つ大きさが同一であり、隣り合う2つの電極の間には、一定の絶縁間隔が保持されている、 ことを特徴とする請求項1に記載の単列多層構造に基づく電界式タイムグレーティング直線変位センサ。前記プローブ電極(1−1)の形状は、2つの上下対称な正弦曲線で形成される双正弦形であり、隣り合う前記プローブ電極の間は矩形導線により連結され、前記プローブ電極の長さは前記スケール電極の長さよりやや短く、その幅は1つの前記スケール電極の幅と1つの前記絶縁間隔との和であり、隣り合う2つの前記プローブ電極の間隔は前記プローブ電極の幅の3倍である、 ことを特徴とする請求項1に記載の単列多層構造に基づく電界式タイムグレーティング直線変位センサ。前記プローブ電極(1−1)の形状は、[0,π]区間における正弦曲線とx軸で囲まれた領域及び[π,2π]区間における正弦曲線とx軸で囲まれた領域を合わせて構成され、隣り合う前記プローブ電極(1−1)の間は矩形導線により連結され、前記プローブ電極の長さは前記スケール電極の長さよりやや短く、その幅は1つの前記スケール電極の幅と1つの絶縁間隔との和であり、隣り合う2つの前記プローブ電極の間隔は前記プローブ電極の幅の3倍である、 ことを特徴とする請求項1に記載の単列多層構造に基づく電界式タイムグレーティング直線変位センサ。前記スケール電極(2−1)の前記A励磁相電極と前記プローブ電極(1−1)は結合コンデンサC1を形成し、前記B励磁相電極と前記プローブ電極(1−1)は結合コンデンサC2を形成し、前記C励磁相電極と前記プローブ電極(1−1)は結合コンデンサC3を形成し、前記D励磁相電極と前記プローブ電極(1−1)は結合コンデンサC4を形成し、 交替で循環し変化する前記コンデンサC1、C2、C3、C4は2つずつ交互に動作して交番電界の結合路を構成し、前記プローブ電極は進行波信号Uoを出力する、 ことを特徴とする請求項1に記載の単列多層構造に基づく電界式タイムグレーティング直線変位センサ。前記進行波信号Uo及び前記同周波数基準信号Urは、整形回路により矩形波に整形した後、位相を比較する、 ことを特徴とする請求項1に記載の単列多層構造に基づく電界式タイムグレーティング直線変位センサ。
本発明は精密直線変位測定センサに関する。
近年、精密直線変位測定センサ分野において、クロックパルスを変位測定の基準とするタイムグレーティングセンサが開発され、これを基礎として、交番電界に基づくタイムグレーティング直線変位センサも開発されている。この種のセンサに関する特許としては、2011年12月21日に公開された、発明の名称「交番電界に基づくタイムグレーティング直線変位センサ」とする中国特許番号201110145967.5がある。
交番電界に基づく従来のタイムグレーティング直線変位センサは差動静電容量式構造を用いており、2列の電極によって2経路の定常波信号を形成し、加算回路により1経路の進行波信号に合成している。しかし2列の電極信号の間で相互干渉が起こり得るため、測定誤差を増大させ、精度向上の妨げとなっている。また製造過程において、2列の電極を一致させることは難しく、取付時においても2列の電極の電界結合強度を一致させることは難しいため、2経路の定常波信号の振幅の不一致を引き起こし、測定誤差をもたらし、産業分野への適応性は低いものであった。
本発明は、上記した従来技術が有する問題に対し、単列多層構造に基づく電界式タイムグレーティング直線変位センサを提供することを目的とする。本発明によれば、単列多層構造の電極を用いることにより、2列の電極間の信号が相互に干渉するという問題を解決するとともに、製造過程及び取付時において2列の電極が不一致を引き起こす問題を回避できる。また、電界結合原理を利用し直接進行波信号を得るため、加算回路を有する必要がない。従って、測定誤差を減少させ、要求される取付け精度を低減し、システム構造を簡素化することができる。
本発明は、プローブベースとスケールベースの両部分を備える単列多層構造に基づく電界式タイムグレーティング直線変位センサに関する。 前記プローブベース上には1列のプローブ電極を有し、前記スケールベース上には、1列のスケール電極を有し、スケール電極の第4n+1電極は1組に繋がってA励磁相を構成し、スケール電極の第4n+2電極は1組に繋がってB励磁相を構成し、スケール電極の第4n+3電極は1組に繋がってC励磁相を構成し、スケール電極の第4n+4電極は1組に繋がってD励磁相を構成し、nは0以上の整数であり、プローブベースとスケールベースは上下並行に相対して設置され、プローブベースのプローブ電極とスケールベースのスケール電極は正対し、一定間隔δだけ離間して結合コンデンサを形成する。
プローブベースとスケールベースは相対的に移動し、プローブベースとA、B、C、D4つの励磁相の相対的な被覆面積は、無から小、小から大、大から小、小から無まで周期的に変化し、静電容量もこれに対応して周期的に変化し、スケールのA、B、C、D4つの励磁相は、それぞれ順に位相差90°の等振幅、等周波数の正弦曲線励磁電圧Ua、Ub、Uc、Udに連結し、プローブ電極上で1経路の進行波信号Uoが生じ、該進行波信号と1経路の位相に固定した同周波数基準信号Urは、整形回路により整形後、位相比較回路により位相が比較され、両経路の信号の位相差は内挿された高周波のクロックパルスの個数により表示され、スケール変換によりプローブベースのスケールベースに対する直線変位値が得られる。
前記スケールベース上は、4層の誘電体膜に覆われ、第1層は金属膜であり、4本の励磁信号導線を構成し、A、B、C、Dの各励磁相に対応する電極を1組に繋げており、第2層は絶縁膜であり、第3層は金属膜であって1列のスケール電極を構成し、第4層は絶縁保護膜である。
更に、前記スケール電極の形状は、矩形で且つ大きさが同一であり、隣り合う2つの電極の間には、一定の絶縁間隔が保持されている。
前記プローブ電極の形状は、2つの上下対称な正弦曲線で形成される双正弦形であり、隣り合うプローブ電極の間は矩形導線により連結され、プローブ電極の長さはスケール電極の長さよりやや短く、その幅は1つのスケール電極の幅と1つの絶縁間隔との和であり、隣り合う2つのプローブ電極の間隔はプローブ電極の幅の3倍である。
具体的には、プローブ電極(1−1)の形状は、[0,π]区間における正弦曲線とx軸で囲まれた領域及び[π,2π]区間における正弦曲線とx軸で囲まれた領域を合わせて構成され、従って、面積に対する正弦規則により変化する結合コンデンサを得ることができ、更に変位変調信号を得られる。
前記スケールのA励磁相電極とプローブ電極は結合コンデンサC1を形成し、B励磁相電極とプローブ電極は結合コンデンサC2を形成し、C励磁相電極とプローブ電極は結合コンデンサC3を形成し、D励磁相電極とプローブ電極は結合コンデンサC4を形成し、結合コンデンサC1、C2、C3、C4は2つずつ交互に動作し、そのうち2つのコンデンサが動作している場合、他の2つの静電容量は0であり、プローブ電極上で進行波信号Uoを出力する。進行波信号Uoと同周波数基準信号Urは、整形回路により矩形波に整形された後、位相比較される。
本発明の技術案は、単列多層構造に基づく電界結合を用い、直接電気進行波を形成する新たな方式であり、従来の多種グレーティング式変位センサの利点を融合したものである。
本発明は、単列平行コンデンサ極板を用いて構築した交番電界を測定し、交流結合コンデンサ構造のセンサプローブを利用し、直接電気進行波を誘導し、高周波のクロックパルスを変位計算の基準とする。従って、本センサは、消費電力が低く、精度が高く、ナノメートル精度の変位測定を実現でき、構造が簡単で、要求される機械の取付け精度が低く、産業現場という環境への適応性が高いという有益な効果を有する。
図1(a)は、スケールベース及びプローブベース上の電極の略図である。
図1(b)は、スケールベース上の電極とプローブベース上の電極の位置関係図である。
図2は、スケール電極の信号連結関係図である。
図3は、プローブ電極とスケール電極が形成する結合コンデンサの略図である。
図4は、本発明の電気回路モデル原理図である。
図5は、本発明の信号処理原理ブロック図である。
以下、図を用いて本発明を更に説明する。
図1(a)、図1(b)、図2、図3、図4に示すように、本発明に記載のセンサは、プローブベース1及びスケールベース2の両部分を備える。基板材料としてセラミック材料を用い、セラミック表面に一層の鉄ニッケル合金をめっきすることにより、電極としている。
プローブベース1上には、12個のプローブ電極1−1を有しており、各電極の大きさは、18mm×1.1mm、形状は[0,π]区間における正弦曲線とx軸で囲まれた領域及び[π,2π]区間における正弦曲線とx軸で囲まれた領域を合わせて構成され、幅1.8mmの矩形導線が各プローブ電極を繋げている。
スケールベース上は、4層の誘電体膜に覆われており、第1層は金属膜、第2層は絶縁膜、第3層は金属膜、第4層は絶縁保護膜である。第1層の金属膜は4本のフラットな帯状の導線である励磁信号導線2−2を構成しており、それぞれA、B、C、Dの各励磁相の対応電極を1組に繋げ、第3層の金属膜は1列の大きさが同一の矩形電極であるスケール電極2−1を構成し、各電極の大きさは20mm×1mm、隣り合う電極間の絶縁間隔は0.1mmである。
スケール電極の第1,5,9,…,41,…電極は1組に繋がってA励磁相を構成し、A励磁相にUa=Umsinωtの励磁信号を加える。スケール電極の第2,6,10,…,42,…電極は1組に繋がってB励磁相を構成し、B励磁相にUb=Umcosωtの励磁信号を加える。スケール電極の第3,7,11,…,43,…電極は1組に繋がってC励磁相を構成し、C励磁相にUc=−Umsinωtの励磁信号を加える。スケール電極の第4,8,12,…,44,…電極は1組に繋がってD励磁相を構成し、D励磁相にUd=−Umcosωtの励磁信号を加える。そのうち、励磁信号のピーク値はUm=5V、周波数はf=40KHz、角周波数はω=2πf=8×104πである。
プローブベース1とスケールベース2は上下平行に相対して設置され、プローブ電極1−1とスケール電極2−1は正対し、間隔δ=0.5mmだけ離間している。プローブ電極1−1とスケールベースのA励磁相の電極は結合コンデンサC1を形成する。プローブ電極1−1とスケールベースのB励磁相の電極は結合コンデンサC2を形成する。プローブ電極1−1とスケールベースのC励磁相の電極は結合コンデンサC3を形成する。プローブ電極1−1とスケールベースのD励磁相の電極は結合コンデンサC4を形成する。
図3及び図4に示すように、プローブベース1が右に移動する場合、C1コンデンサの相対的な面積は大から小に変化し、C2コンデンサの相対的な面積は小から大に変化する。一つの電極の幅だけ移動した後、C1コンデンサの相対的な面積は零となり、C2コンデンサの相対的な面積は大から小に変わり始める。更に一つの電極の幅だけ移動した後、C2コンデンサの相対的な面積は零となり、C3コンデンサの相対的な面積は大から小に変わり始め、C4コンデンサの相対的な面積は小から大に変化する。再び一つの電極の幅だけ移動した後、C3コンデンサの相対的な面積は零となり、C4コンデンサの相対的な面積は大から小に変わり始め、C1コンデンサの相対的な面積は小から大に変化する。このように一つの機械周期分の移動が完了すると、C1、C2、C3、C4の静電容量もこれに対応して周期的変化を呈する。プローブ電極は進行波Uoを出力し、基本波の式は、以下で表される。 Uo=KeUmsin(ω+πx/W) (1) ここで、Keは電界結合係数、xはプローブとスケールの間の相対変位、Wはプローブ電極幅の4倍である。
図5に示すように、誘導された正弦進行波信号Uoと1経路の位相に固定された同周波数参考正弦信号Urは、整形回路に入り処理され、同周波数の2つの矩形波信号に変換された後、位相比較回路に送られ処理される。高周波数クロック内挿技術を利用し2経路の信号の位相差を得て、計算処理した後、センサのプローブベースとスケールベースとの間の直線変位値を得られる。
以上、上記は本発明の好ましい実施例に過ぎず、本発明を制限するものではない。本発明の精神及び原則内の如何なる修正、均等な置換、改善等は、いずれも本発明の保護範囲に含まれるものである。
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