JPH02292607A - 磁歪トランスデューサの移動制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、微小移動量を精密に制御する装置に関し、特
に、磁歪ロッドの伸長を精密に制御するための磁歪トラ
ンスデューサの移動制御装置に関する。

（従来の技術および発明か解決しようとする課題）磁歪
材料は、その材料を取り囲むコイル中に電流を流すこと
によって発生した磁場を応じて力学的な歪みを生ずる。

米国特許第２，　９１２，　６４２号並びに第３，　１
８４，　９６３号特許明細書中には、磁気歪み材料中の
力学的な応力を測定するための手段が開示されている。

そこで開示されたシステムにおいては、磁気歪み材料に
作用する力学的な力によって磁場の乱れが生じている。

そして、ビックアップコイルに誘起された電圧を利用し
て磁場の歪みを検出するだめの手段が設けられ、結果と
して検出されたピックアップ電流は、磁気歪み材料に印
加された力学的な力に比例している。

さらに、磁気歪み材料を取り囲むコイルを流れる電流に
より誘導された歪みを変化させ、磁歪材料の寸法を微小
変化させることも既知である。従って、コイル中に流入
される電流の変化に対する磁歪材料のご《微小な変位と
の関係を校正し微細位置決め装置として使用できること
が、従来から提案されてきた。しかしながら、この様な
装置においては、ヒステリシスの影響や温度変動等の原
因により、校正をすることが非常に難しいことも見い出
されている。磁歪材料を使用する精密位置決め装置、即
ち微細位置決め装置においては、０．　０００００１〜
０．　０１０インチ（０．０００００２５〜０．０２５
　ｃｍ）の範囲の変位が問題とされ、ヒステリシスの影
響は無視できないことになる。同様に、入力されたコイ
ル電流に応じた磁気歪み材料の変位量に対する温度変動
の影響も考慮に入れる必要がある。

従って、磁気歪みトランスデューサの動きを測定し、お
よび／または制御し、トランスデューサが、部材の精密
な移動を必要とする用途に用いられる微細位置決め装置
として用いることができる装置および方法の開発が望ま
れている。

（発明の概要） 本発明によれば、磁歪材料からなる伸長条ロッドを有す
る磁歪トランスデューサの移動を制御するための装置並
びに方法を提供する。ロッドの周囲を取り囲んだ磁気コ
イルおよびコイル駆動電流を供給する電流駆動器を含み
、駆動電流に対するセットポイント入力の変化に応じて
ロッドを伸長させる磁場をロッド中に誘導する手段を設
ける。

駆動電流に応じて変化するロッド移動量を検出し、任意
の温度変化に対して補償され得る出力信号を供給する歪
み検出手段も設ける。

更に、歪み検出手段と電流駆動器との間に接続され、歪
み検出手段の出力に応じて歪み検出手段の出力が基準値
であるセット値に整合するまでコイル駆動電流を変化さ
せるフィードバック制御手段も設ける。

歪み検出手段は、両端が磁気歪みロッドに取り付けられ
た第１水晶共振型歪みセンサを有する。

又、第２水晶共振型歪みセンサをも有し、この第２セン
サは第１センサに対向したロッド上において一端のみで
取り付けられている。コイルに電流を流すとロッド中に
歪みが発生し、ロッドを一方向に伸長させる。このロッ
ド伸長により第１センサ中に歪みを生じ、この歪みに比
例して第１センサの共振周波数を増加する。第２センサ
は一端のみでロッドに取り付けられているから、その供
給周波数は変化せず、温度補償等の基準として使用可能
である。

ロッド伸長の精密測定および／または制御は、歪みセン
サ周波数Ｆ．の代数的線型化と温度センサ周波数Ｆ，か
らの代数的な温度補償により発生する。結果として得ら
れた補償された共振周波数Ｆｃは、フィードバック直流
電圧■，に変換および増幅されて、対応するフィードバ
ックコイル電流を生じる。このフィードバック電流は、
フィードパック電圧■、が所望のロッド伸長量に対応し
て電流駆動器に入力される制御電圧セット値に整合する
まで、ロッドを伸長させ続ける。フィードバック制御手
段に加えて、２個の歪みゲージゼンサを各々ロッド上に
取り付けることによって温度変動を補償しヒステリシス
の影響を除却することができ、磁歪ロッドが伸長する際
の微細位置決め精密制御を可能とすることとなる。

（実施例） 以下図面を参照しながら、本発明の好適な実施例につい
て説明する。

第１図で、磁気歪み材料から形成されて伸長するロッド
１２を有する微細位置決め装置ｌＯが設けてある。この
磁気歪み材料は既知であり、通常は希土類元素と鉄との
合金から成る。現在入手し得る希土類磁気歪み材料は、
周囲を取り囲むコイルに電流を流すことにより生ずる磁
場により約２，　０００ｐｐｍ　　（百万分率）程度伸
長する。

特に、ロッド１２は現在アイオワ州アメスのエッジ　テ
クノロジー会社から゛’ＴＥＲＦＥＮＯＬ−Ｄ”の商標
名で販売されている磁気歪み材料で形成されたものか好
ましい。

コイル枠１４はロッド１２の周囲を取り囲み、磁気ワイ
アコイル１６を支持する。コイル１６は駆動電源に接続
するための端子５，６を有する。ロッド端１７は、固定
された基台ｌ８に剛結され、一方で反対側のロッド端１
８は自由に移動できる様に固定してはいない。従って、
既知の方法で、コイルの端子５，６へ駆動電流を供給す
ることにより磁場を発生させる。この磁場によりロッド
１２中に大きな歪みを生じさせ、ロッド端２０を第１図
中に矢印３２で示された基台１８から離れる方向に移動
させる。

ロッド１２は、その中に形成した第１の空胴２２を含み
、この空胴の両端に線形歪みゲージセンサ２８を支持す
る肩部２４，　２６を形成する。歪みセンサ２８の対抗
する端部を各々肩部２４．　２６に取り付け、歪みセン
サ２８が空胴２２に渡って延在する様に装着する。この
歪みセンサ２８は水晶共振型センサとするのが好適であ
り、このセンサをライン３０を経てセンサ出力端子１，
２へと結合する。

従って、駆動電流を端子５，６に供給して磁気コイル１
６中に流せば、歪みか磁気ロッドｌ２中に発生し、ロッ
ドｌ２は矢印３２の方向に伸長する。このロッドの伸長
は水晶歪みセンサ２８中に対応する歪みを生じさせ、そ
の歪みに比例してセンサ共振周波数を増加する。また、
このセンサ共振周波数の増加を、センサ出力ライン１，
２へ発生させる。

ロッド１２の第１の空胴２２のすぐ反対側に、一端のみ
に肩部３６を有する第２の空胴３４を形成する。

第２水晶歪みゲージセンサ３８は、その一端のみか肩部
３６に剛結して取り付けてあり、センサ３８の他端につ
いてはロッド１２に取り付けてはいない。これ故、第１
図を参照すれば、第２センサ３８は肩部３６に固定され
た端部から第２の空胴３４を経て延在し、この空胴の底
部から離れて存在する自由端４ｏを有していることが理
解できる。

第２センサ３８は、その一端のみかロッドｌ２に取り付
けてあるから、その共振周波数は変化せず温度補償等の
ための基準として使用することかできる。また、第２セ
ンサ３８の共振周波数は、ライン４２を経てセンサ出力
端子３，４へ供給する。

次に第２図においては、本発明の原理に基づき磁気歪み
ロッド１２の位置を精密に制御するための微細位置決め
装置１０を示す。

第２図に示すように、電流駆動器７０に入力する制御電
圧ｖｓｐの変化に対応して、電流Ｉが端子５，６を経て
磁気コイル１６に供給され、ロッドｌ２が伸長する。第
１歪みセンサ２８は、ライン５０上に共振周波数に変化
を生じさせ、この変化は制御電圧ＶＩＩＰによりロッド
１２中に生ずる伸長歪みに比例する。

第２歪みセンサ３８は、変化しない共振周波数Ｆ．をラ
イン５２に発生させ、この結果周波数一温度補償回路７
１の出力は、ライン５４上の周波数Ｆｃとなる。この周
波数一温度補償回路７ｌは、歪みセンサである第１歪み
センサの共振周波数Ｆ，の代数的線型化と、温度センサ
である第２歪みセンサの共振周波数ＰＲに基づく代数的
な温度補償とによって出力周波数Ｆｃを発生する。この
ときであり、このＡＩ，ＢＪは数式中の係数である。

ライン５４を周波数一電圧変換器７２に接続する。

この周波数一電圧変換器７２のライン５６の出力は歪み
に比例したフィードバック制御信号である出力電圧■，
となる。周波数一電圧変換器７２は、出力電圧ｖＦを周
波数Ｆ。の一次関数として発生する。

この結果、 ＶＦ　　＝　　ＫｔＦｃ　　十　ｋ。

となる。ここで、ｋ１およびｋ。は数式中の係数である
。この電圧■，を電流駆動器に印加する。この電流駆動
器７０は制御電圧源からライン５８を経て入力する入力
信号も受信し、電流駆動器のセットポイントを変化させ
てロッド１２を選択的に伸長させる。

ライン５６上のフィードバック制御信号電圧■，は、ラ
イン５６．　５８の出力レベルが整合し、電流駆動器７
０の出力変動か終了するまでコイルｌ６への駆動電流量
を変化し続ける。従って、ロッド１２の自出端は、制御
電圧Ｖｓｐのセットポイントの変化に応じて極めて精密
に位置決めされると共にフィードバック制御系４８によ
り所望の位置に維持される。

周波数一温度補償回路７０および周波数一電圧変換器７
２は、既知のアナログ回路により構成することができる
。或いはデジタル集積回路で構成される通常のマイクロ
プロセッサも使用可能である。

微細位置決め装置１０は、精密な動きと位置決めか要求
される種々の用途に使用が可能であり、例えば機械加工
時やレーザビームの位置決め等に使用され得る。レーザ
ミラーの様なロッド１２に装着される物体の微小位置決
めを、０．　０００００１インチ（０．　０００００２
５　　ｃｍ　）の範囲内でセットすることが可能であり
、ロッド１２の全移動量は０．　０００００１〜０．０
０１インチ（０．　ＯＯＯＯ０２５〜０．　００２５ｃ
ｍ　）程度の範囲内である。本発明は他の用途にも適用
でき、センサ２８の歪みがロッド１２の位置に直接的に
比例する場合にも適用することができる。ある状況では
、ロッドｌ２をより良く伸長させるために約１，０００
　ｐｓｉ（７０．３　ｋｇｓ／ｃｎｆ）の初期圧縮荷重
を以て基台に対してロッド１２を装着することが好まし
い。歪みセンサ２８，　３８としては、通常市販されて
いる水晶結晶発振歪みセンサが利用できる。さもなくば
、米国特許第４．　６５１．　５７１号又は第４，　５
９４，　８９８号特許明細書に記載された水晶センサが
利用できる。

以上説明してきた実施例は、本発明を明確に理解するた
めにのみ用いられるものであり、本発明を限定するもの
ではない。又、当業者にとって自明である変更は可能で
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、磁気歪みトランスデューサを用いた本発明の
微細位置決め装置の構成を示す線図、第２図は、本発明
の原理に基づき磁気歪みトランスデューサの移動を制御
するための装置および方法を図示するブロック図である
。

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. １．一端を固定し他端を伸長移動可能な自由端とする手
   段を含む磁歪ロッドと、 前記ロッドを取り囲む磁気コイルおよび可 変駆動入力セットポイントを有し、この可変駆動入力セ
   ットポイントに応じて磁気コイルに駆動電流を供給する
   電流駆動器を含み、ロッドを伸長させると共にロッドの
   自由端を移動させる磁場をロッド中に誘導する手段と、
   前記ロッドに装着され、伸長したロッドの 移動量を検出すると共に移動量に比例するフィードバッ
   ク出力信号を発生する歪み検出手段と、 前記歪み検出手段と電流駆動器との間に結 合され、前記フィードバック出力信号に応答し、この出
   力信号が前記可変駆動入力セットポイントと整合するま
   で駆動電流を変化させ、前記自由端を精密に位置決めす
   るフィードバック制御手段とを具えることを特徴とする
   磁歪トランスデューサの移動制御装置。
2. ２．前記歪み検出手段が、磁歪ロッド上に対向して取り
   付けられた１対の歪みセンサを含むことを特徴とする請
   求項１に記載の磁歪トランスデューサの移動制御装置。
3. ３．前記歪みセンサが、各々水晶結晶体を有することを
   特徴とする請求項２に記載の磁歪トランスデューサの移
   動制御装置。
4. ４．前記磁気歪みロッドが１対の歪みセンサのうちの第
   １の歪みセンサを第１の空胴内に装着し第２の歪みセン
   サを第２の空胴内に装着する手段を有することを特徴と
   する請求項２に記載の磁歪トランスデューサの移動制御
   装置。
5. ５．前記第１歪みセンサを、第１の空胴を横切るように
   装着し、ロッド中に誘導された歪みに応答するように構
   成したことを特徴とする請求項２に記載の磁歪トランス
   デューサの移動制御装置。
6. ６．前記第２歪みセンサを、前記第２の空胴の一端にだ
   け装着して、温度変化には応答し、ロッド中に誘起され
   た歪みにのみ応答しないように構成したことを特徴とす
   る請求項５に記載の磁歪トランスデューサの移動制御装
   置。
7. ７．前記歪みセンサが各々水晶結晶体を有し、前記第１
   歪みセンサが、前記磁歪ロッド中に誘起された歪みに比
   例した第２のセンサ共振周波数を発生することを特徴と
   する請求項６に記載の磁歪トランスデューサの移動制御
   装置。
8. ８．前記第２歪みセンサが、温度変化に応答するが、前
   記ロッド中に誘起された歪みによっては変化をしない第
   ２のセンサ共振周波数を発生することを特徴とする請求
   項７に記載の磁歪トランスデューサの移動制御装置。
9. ９．前記フィードバック制御手段が、前記第１のセンサ
   共振周波数および第２のセンサ共振周波数に応答し、前
   記磁歪ロッド中に誘導された歪みに比例すると共にいか
   なる温度変化に対しても補償された出力周波数を発生す
   る周波数−温度補償手段を含むことを特徴とする請求項
   ８に記載の磁歪トランスデューサの移動制御装置。