(57)【要約】【課題】誤差補正機能付きセンサを提供しようとする。【解決手段】物理量の変位を検出するセンサ１であって、その検出信号を所定の計量単位又は数値として処理可能な電気信号に変換するための、前記センサとは空間的に独立した変換器２に接続５するようにしたものにおいて、そのセンサに固有の誤差情報に基づく記憶内容を有するメモリチップ４を装備し、前記記憶内容を前記変換器に伝達可能としたものである。センサが、それ自体又は変換器を介して電源に接続される場合は、メモリチップ内の誤差情報に基づく記憶内容を電源オンの直後において、変換器に読み出し・供給することができる。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
物理量の変位を検出するセンサであって、その検出信号を所定の計量単位又は数値として処理可能な電気信号に変換するための、前記センサとは空間的に独立した変換器に接続するようにしたものにおいて、そのセンサに固有の誤差情報に基づく記憶内容を有するメモリチップを装備し、前記記憶内容を前記変換器に伝達可能としたことを特徴とする誤差補正機能付きセンサ。
【請求項２】
前記センサが、それ自体又は変換器を介して電源に接続される場合において、前記メモリチップ内の誤差情報に基づく記憶内容を電源オンの直後において、前記変換器に読み出し・供給するようにしたことを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
【請求項３】
前記メモリチップ内の記憶内容が前記誤差情報に基づく検出信号の補正値からなることを特徴とする請求項１又は２に記載のセンサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は誤差補正機能付きセンサ、特にその検出信号のための変換器と一対で取り扱われるセンサの精度向上機能に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に物理量の変位を検出するセンサは、素子固有の誤差や素子配列等、製造過程による機差を含むことで精度が悪くなっている。このようなセンサの精度を上げるには、校正操作を施し絶対精度と比較して誤差補正を行うものであり、この補正処理は物理的にセンサの構成要素を修正するか、電気的なデータ処理によって実施されている。
【０００３】
この誤差補正において、構成要素を修正する操作は困難で過大な手間がかかるため、主として電気的なデータ処理によって行われる。この電気的な処理は、通常は前述したセンサと対をなす信号処理用の変換器において実行される（例えば、特許文献１参照）。したがって、センサを交換するときはこのセンサの誤差にのみ関する補正機能を有した変換器も共に取り替えなければ成らず、逆に変換器を取り替えようとするときも同様のことがいえるため、結局、小型センサの場合にはメンテナンスや故障交換時、常にセンサと変換器が一対のセットとして取り扱われ、利便性に欠け、不経済でもあった。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１０−２２９４７８号公報（［００３４］−［００４２］段参照）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、位置変位その他の物理量の変位を検出するセンサと、その検出信号を所定の計量単位又は数値として処理可能な電気信号に変換するための、前記センサとは空間的に独立した変換器とを、そのセンサ固有の誤差処理が可能な状態において、個々に切り離して交換可能としたセンサシステムを提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明は物理量の変位を検出するセンサであって、その検出信号を所定の計量単位又は数値として処理可能な電気信号に変換するための、前記センサとは空間的に独立した変換器に接続するようにしたものにおいて、そのセンサに固有の誤差情報に基づく記憶内容を有するメモリチップを装備し、前記記憶内容を前記変換器に伝達可能としたものである。
【０００７】
上述した本発明の構成によれば、センサが故障したときは、変換器はそのままにしてセンサのみを取出して修理もしくは新品と交換し、同時にこのセンサに装備したメモリチップの記憶内容も必要に応じてその誤差情報に書き換えておくことにより、センサシステムを簡単に再構築することができる。逆に、変換器が故障したときは、センサはそのままで変換器のみを取出して修理するか、同一仕様の新品と交換すればよい。
【０００８】
本発明は第２に、前記センサが、それ自体又は変換器を介して電源に接続される場合において、前記メモリチップ内の誤差情報に基づく記憶内容を電源オンの直後において、前記変換器に読み出し・供給するようにしたものである。すなわち、電源オンの直後変換器に読み出し・供給された誤差情報は、変換器におけるその後のセンサ検出信号の補正に一貫して用いられる。
【０００９】
本発明は第３に、前記メモリチップ内の記憶内容が前記誤差情報に基づく検出信号の補正値からなるようにしたものである。すなわち、センサの検出値に応じた誤差を予め確認し、その誤差に対応する補正演算を適当に実行して得られた補正値を、直接メモリチップに記憶しておけば、センサの実測検出信号を受信して変位量を算出した変換器は、その算出変位量をアドレスとして、記憶された真の（最も確からしい）値を表す信号を出力することができ、この場合も、センサと変換器は、規格品同士をそれぞれ互換性を持って使用することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について説明するにあたり、まず図１において従来のセンサ／変換器の関係を模式的に示す。この場合のセンサ１は、プローブ部１ａ  の先端部より、このプローブ部の長さ方向において相対的に可動とした細い棒状の磁気応答ロッド（ここでは図示せず）を挿入した直線位置変位検出器であり、この出力線は変換器２に電気的に固定接続され、このセンサ１と変換器２とが一対で校正その他、互いに拘束される関係を半括弧３で示したものである。
【００１１】
これに対し、本発明の実施の形態においては、図２に示すとおり、センサ１の本体内に、基本的にはセンサ１の実出力に対する誤差情報を記憶したメモリチップ４が内蔵され、これらの誤差情報は、好ましくは直接又は変換器２を介したセンサ１への電源オン時において、ケーブル５を通じ、シリアルデータとして変換器２に供給されるようになっている。したがって、センサ１と変換器２とは相互に互換性を有することが明らかである。
【００１２】
図３は、図２に示した実施形態におけるセンサ１の具体的な外観形状を示す斜視図である。センサ１の本体鞘部１ｂ  から突出したプローブ部１ａ  内には先端１ｃ  から開口した筒状空洞（図示せず）が形成され、その筒状空洞内には、例えば４個のソレノイドコイル（その機能に付いては後に詳述する）が配列・保持される。更に、筒状空洞内には、それらのコイルを可動的に貫通するようにした磁性体配列針６が挿入され、その付け根部６ａ  を何らかの被検物体に固定支持された状態で、プローブ部１ａ  に対し相対移動可能にされる。メモリチップ４（図２）は、本体鞘部１ｂ  内（図示せず）において、センサ機能に影響しないように装備される。
【００１３】
プローブ部１ａ  には適当な位置に外周ネジ７，８が形成され、本体鞘部１ｂ  の後部突起１ｄ  からは、前述した変換器等につながる信号線、給電線等を収容したケーブル９が延び出している。かくしてプローブ部１ａ  の外周ネジ７，８が、被検体を可動的に収納又は装備したなんらかの外装体、もしくは取り付け用アタッチメント（図示せず）に取り付け固定されると、好ましくは、その取り付け後の（被検体と一体になった）センサの誤差を種々の方法で検証し、これによって確認された誤差情報をメモリチップ４内に書きこむ。このメモリチップはＲＯＭにより構成しておくことにより、その都度の読み出しで内部情報が消えないようにする。
【００１４】
図４は、図２及び図３に示した実施形態におけるセンサ１が、直線変位検出型であったのに対し、回転変位検出型のセンサ１０の具体的な外観形状を示すための斜視図である。センサ１０の本体１０ａ  はカップ状であって、その内周面に沿って例えば４個のソレノイドコイル（その機能に付いては後に詳述する）を環状に配列し、フランジ部１０ｂ  の開口から円形断面を有する偏心磁性体１１が回転自在に挿入され、回転変位を検出すべき被検体に連結された中心シャフト１２により、適当な角度位置を占めるようになっている。なお、１３は偏心磁性体１１の外周に固定され、フランジ部１０ｂ  に嵌合するスペーサ、１４は電気ケーブルである。
【００１５】
この回転変位検出型のセンサ１０の場合も、メモリチップは、好ましくは本体１０ａ  内部（図示せず）において、センサ機能に影響しないように装備される。かくしてフランジ部１０ｂ  が、被検体を回転可能に収納又は装備したなんらかの外装体、もしくは取り付け用アタッチメント（図示せず）に取り付け固定されると、直線変位センサの場合と同様に、その取り付け後のセンサの誤差が検証され、その誤差情報がメモリチップ内に書きこまれる。
【００１６】
【実施例】
図５及び図６は、物理量の変位の一つである位置変位について、本発明のセンサが採用する好ましい検出原理を示すものであり、ここでは理解容易な順で、まず図５を参照し回転変位検出原理から説明する。図５Ａは回転変位検出用センサ１０の原理を示す模式的な断面略図であり、センサ本体（ヨーク）内において環状に等間隔で配列されたコイルＬ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４は、いずれも中心軸を向いた極鉄心１５を有し、それらの極端面と偏心磁性体１１周面との間隔が、その磁性体１１の角度位置に応じて異なるようになっている。
【００１７】
コイルＬ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４は、図示しないが一次コイルと相互誘導するように配置された４個の二次コイル（誘導型）として、又は適当な抵抗を介して並列接続されて交流電源に接続される独立コイル（インピーダンス型）としたことにより、正弦波電圧をコイル配置順に交互反転位相で誘起されるか、もしくは同相で印加され、前述した偏心磁性体１１周面との間隔に応じてコイルに通過する磁束またはインダクタンスの変化によって異なるコイル端間電圧を具現するようになっている。図５Ｂはこのような各コイル端間電圧をＬ１−  Ｌ３の組，及びＬ２−  Ｌ４の組においてセンサ出力として、変換器Ｃ側にそれぞれ差動的に取出す回路を示している。
【００１８】
図５Ａにおける偏心磁性体１１の角度位置（最下位偏心位置）をθ＝０とし、且つ図の時計回りの回転を正方向とすれば、図５Ｂ及びＣでは、Ｌ１−  Ｌ３用演算増幅器ＯＡ（１−  ３）の出力Ｙが、励磁信号としての正弦波Ｓｉｎωｔに、係数すなわち振幅の変位ａＣｏｓθを掛けた値となり、Ｌ２−  Ｌ４用演算増幅器ＯＡ（２−  ４）の出力Ｘが、励磁信号としての正弦波Ｓｉｎωｔに、係数すなわち振幅の変位ａＳｉｎθを掛けた値となるように差動回路を構成したことを示している。したがって、偏心磁性体１１の１回転は、θの３６０度変位に対応することが理解されるであろう。
【００１９】
図６Ａは直線変位検出用センサ１の原理を示す模式的な断面略図であり、センサプローブ部内において直線的に順次隣接して図示しない一次コイルと相互誘導するように配列されたコイルＬ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４は、磁性体配列棒１６を同軸的且つ相対的な軸方向変位可能に包囲している。磁性体配列棒１６は強磁性体１６ａ  と、反磁性体１６ｂ  とをコイルＬ１〜Ｌ４の配列の全長（正式にはコイル間ピッチの４倍）を１ピッチとして交互に配列したものであり、１個のコイル（例えば、Ｌ３）が強磁性体１６ａ  の中央部に対応するときは、それと対をなす１個飛んだ位置のコイル（例えば、Ｌ１）が反磁性体１６ｂ  の中央部に対応するようになっている。
【００２０】
この場合のコイルＬ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４も、回転変位センサの場合と同様、所定の正弦波電圧を誘起もしくは印加され、前述した磁性体配列棒１６との関係位置に応じてコイルに通過する磁束またはインダクタンスの変化によって異なるコイル端間電圧を具現するものであり、図６Ｂはこのような各コイル端間電圧をＬ１−  Ｌ３の組，及びＬ２−  Ｌ４の組におけるセンサ出力として、変換器Ｃ側に差動的に取出す回路を示している。
【００２１】
図６Ａにおける磁性体配列棒１６の軸方向位置（Ｌ３−  強磁性体１６ａ  対応、Ｌ１−  反磁性体１６ｂ  対応位置）をｘ＝０とし、且つ同棒の、例えば図の左方への移動を正方向として、図６Ｂ及びＣでは、Ｌ１−  Ｌ３用演算増幅器ＯＡ（１−  ３）の出力Ｙが、励磁信号としての正弦波Ｓｉｎωｔに、変動する係数すなわち振幅の変位ａＣｏｓｘを掛けた値となり、Ｌ２−  Ｌ４用演算増幅器ＯＡ（２−  ４）の出力Ｘが、励磁信号としての正弦波Ｓｉｎωｔに、変動する係数すなわち振幅の変位ａＳｉｎｘを掛けた値となるように差動回路を構成したことを示している。したがって、ここでは磁性体配列棒１６の１ピッチ変位（実寸）をｘ（ｐ）＝２π［ｒａｄ］  （３６０度）として処理しうることが理解されるであろう。
【００２２】
上記のようにして得られたＹ及びＸの式
・    Ｙ＝ａＣｏｓ（θ，ｘ）・Ｓｉｎωｔ・・・・・・（１）
・    Ｘ＝ａＳｉｎ（θ，ｘ）・Ｓｉｎωｔ・・・・・・（２）
（これらの式において、係数すなわち振幅の変位を表すＣｏｓ又はＳｉｎ関数の括弧内が（θ，ｘ）となっているのは、角度変位の場合にはθを、また直線変位の場合にはｘを用いることを意味している。）から、角度変位θを求める演算回路としては、（１）式及び（２）式にそれぞれ、０から順次増加するデジタル位相値φの正弦関数Ｓｉｎφ、及び余弦関数Ｃｏｓφを乗じていき、
・    Ｓｉｎφ・Ｃｏｓθ−Ｃｏｓφ・Ｓｉｎθ＝０・・（３）
の時点において、θ＝φとしてθを特定する公知のＲ−Ｄ変換方式があるが、この方式ではφを追従カウントするときのクロック遅れが生じ，応答性が悪いという問題がある。したがって、この実施例では（２）式におけるＳｉｎωｔを回路上でＣｏｓωｔに変換することによって、ａＳｉｎ（θ，ｘ）・Ｃｏｓωｔを得、直接に三角関数の加法定理を適用する。すなわち
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【００２３】
この方式を位相差変換と呼び、図７において、分図（Ａ）は励磁電圧ＡＳｉｎωｔと、それを搬送波とするθ変位に対応した（１）、（２）式の各右辺の電圧波形図、同（Ｂ）はＡＳｉｎωｔのグラフと特定の位相（θ，ｘ）を含む右辺の正弦波、この場合は、ａＳｉｎ（ωｔ−θ，ｘ）のグラフとの時間関係を示す波形図であり、更に同（Ｃ）はこれらの波形図の根拠となる数式的推移を示したものである。なお、進み位相波ａＳｉｎ（ωｔ＋θ，ｘ）の場合、そのグラフは破線で示した遅れ位相波ａＳｉｎ（ωｔ−θ，ｘ）のグラフと対称的に、実線で示したＡＳｉｎωｔのグラフよりも（θ，ｘ）だけ時間的に先行した正弦波として想起できるであろう。
【００２４】
図７Ｂのグラフから明らかなとおり、θ又はｘを求めるにはＡＳｉｎωｔグラフのゼロクロス点から、ａＳｉｎ（ωｔ−θ，ｘ）又はａＳｉｎ（ωｔ＋θ，ｘ）グラフのゼロクロス点までの時間をカウントすればよいことが理解されるであろう。このカウントは進相、遅相いずれの位相で求めてもよいが、コイルＬ１〜Ｌ４等に温度変化によるインピーダンス変化が生じている場合，それによる位相変動誤差±ｄはωｔに付随するため、ここでは詳述しないが上記の進相、遅相の両正弦波グラフの双方を用いて処理することにより、この±ｄを容易に消去することができる。
【００２５】
以上のようにして、コイルＬ１〜Ｌ４に対する偏心磁性体１１又は磁性体配列棒１６の位置変位を、計算上きわめて精密に（例えば、３６０度又は１ピッチ間隔内を２１６＝６５５３６分割し、角度の場合なら、約１８２分の１度の分解能により）算出し得たとしても、コイルＬ１〜Ｌ４自体の製造誤差、偏心磁性体１１又は磁性体配列棒１６における製造誤差等によるセンサ本来の誤差要因と，被検体へのセンサ取り付け状態に伴う誤差要因等が重なり、測定値には特有の誤差を含むことになる。
【００２６】
これらの誤差は従来、センサ製造時又は被検体へのセンサ取り付け時において検証され、それらの記憶値を変換器中において保持していたものであるが、本実施例においては次のようなルックアップテーブルとしてメモリチップに記憶させ、それをセンサ本体内に装備することにより、センサと変換器とを互いに独立した互換品として扱えるようにしたことは前述した通りである。
【００２７】
図８は、センサから出力された検出値を用い、変換器で３６０度を２１６＝６５５３６分割して算出された角度θ（ｘｘｘｘｘ）をアドレスとして、これに対する誤差Δθ（ｘｘｘｘｘ）の値を一覧表化したものである。図２を参照して、これら６５５３６個の誤差Δθ値はアドレスθと共に、電源オン時において、メモリチップ４からシリアルデータとして読み出され、変換器２に供給されて保持される。以後変換器２はセンサ１から検出値が送出されるたびにθ演算を行い、ルックアップテーブルそのものとして記憶した対応する誤差データを、そのθ値（アドレス）から読み出し、補正演算することができる。
【００２８】
図９は、同じく変換器で３６０度を２１６＝６５５３６分割して算出された角度θ（ｘｘｘｘｘ）をアドレスとして、これに対する既知の誤差Δθ（ｘｘｘｘｘ）の値を加えることにより算出された真の値（最も確からしい値）Θ（ｘｘｘｘｘ）を一覧表化したものである。図２を参照して、これら６５５３６個の真の値Θまたは離散データは、電源オン時において、メモリチップ４からシリアルデータとして読み出され、変換器２に供給されて保持される。以後変換器２はセンサ１から検出値が送出されるたびにθ演算を行い、ルックアップテーブルそのものとして記憶した対応する真の値Θを、そのθ値（アドレス）から読み出すことができる。
【００２９】
上記のようなメモリ構成は、センサの測定ピッチが角度θでなく直線変位ｘである場合も、１ピッチ＝Ｐ［ｍｍ］とし、そのＰを上述のように６５５３６分割した分解能における計測において用い得ることは明らかである。
【００３０】
【発明の効果】
以上述べたとおり、本発明は物理量の変位を検出するセンサにおいて、固有の誤差情報に基づく記憶内容を有するメモリチップを装備し、空間的に分離した変換器に対しては、まずその記憶内容を送出してから検出値を出力する。変換器は記憶内容が誤差情報そのものであれば、以後センサから受信する検出値に基づいて算出した値（θ，ｘ）をその誤差情報に基づいて補正し、記憶内容が真の値であれば、それと読み替えるようにしたものであるため、センサと電気信号処理用の変換器とを、センサ単独又は設置条件も含めたセンサ固有の誤差処理が可能な状態において、個々に切り離して交換可能としたセンサシステムを構成することができる。
【００３１】
換言すれば、変換器に対してセンサは互換性をもつことになり、複数のセンサについての信号受信又は誤差校正を一つの変換器により行えることになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のセンサ／変換器の関係を模式的に示す接続図である。
【図２】本発明の実施形態におけるセンサ／変換器の関係を、模式的に示す接続図である。
【図３】図２に示した実施形態におけるセンサの具体的な外観形状の一例を示す斜視図である。
【図４】回転変位検出型のセンサの具体的な外観形状の一例を示す斜視図である。
【図５】本発明のセンサに適用される好ましい回転変位検出原理を説明するために、その構造の模式的な断面略図（Ａ）、及びコイルＬ１−  Ｌ３、Ｌ２−  Ｌ４の差動接続（Ｂ）と、演算増幅器より構成されるそれらの差動回路（Ｃ）を示したものである。
【図６】本発明のセンサに適用される好ましい直線変位検出原理を説明するために、その構造の模式的な断面略図（Ａ）、及びコイルＬ１−  Ｌ３、Ｌ２−  Ｌ４の差動接続（Ｂ）と、演算増幅器より構成されるそれらの差動回路（Ｃ）を示したものである。
【図７】コイルＬ１〜Ｌ４への励磁電圧ＡＳｉｎωｔと、それを搬送波とするθ変位に対応したＬ１−  Ｌ３差動電圧及びＬ２−  Ｌ４差動電圧の波形図（Ａ）、励磁電圧ＡＳｉｎωｔのグラフと特定の位相（θ，ｘ）を含む加法定理（正弦の法則）から得られたａＳｉｎ（ωｔ−θ，ｘ）のグラフとの時間関係を示す波形図（Ｂ）、及びこれらの波形図の根拠となる数式的推移（Ｃ）を示したものである。
【図８】３６０度を２１６＝６５５３６分割し、センサから出力された検出値に基づき変換器により算出された角度値θ（ｘｘｘｘｘ）をアドレスとして、これに対する誤差Δθ（ｘｘｘｘｘ）の値を一覧表化したものである。
【図９】図８と同じく３６０度を２１６＝６５５３６分割し、センサから出力された検出値に基づき変換器により算出された角度検出値θ（ｘｘｘｘｘ）をアドレスとして、これに対する既知の誤差Δθ（ｘｘｘｘｘ）の値を加えることにより算出された真の値（最も確からしい値）Θ（ｘｘｘｘｘ）を一覧表化したものである。
【符号の説明】
１  センサ（直線変位検出型）
１ａ    プローブ部
２  変換器
４  メモリチップ
５  ケーブル
６  磁性体配列針６
７，８  外周ネジ
９  ケーブル
１０  回転変位検出型センサ
１０ａ    センサ１０本体
１０ｂ    フランジ部
１１  偏心磁性体
１２  中心シャフト
１３  スペーサ
１４  電気ケーブル
１５  極鉄心
１６  磁性体配列棒
１６ａ    強磁性体
１６ｂ    反磁性体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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