CN102914245A - 电磁感应式绝对位置测量用编码器 - Google Patents

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Abstract

提供一种电磁感应式绝对位置测量用编码器，具备：以互不相同的标尺间距在标尺上沿测量方向排列多个标尺线圈而成的两列以上的标尺线圈；以及在相对于标尺沿测量方向相对移动自如的格上被配置成与标尺线圈相对置向的发送线圈和接收线圈，在发送线圈励磁时，具有两个以上磁道的电磁感应式绝对位置测量用编码器能够根据经由标尺线圈而由接收线圈检测出的磁通量的变化测量格相对于标尺的绝对位置，在至少一个磁道中的标尺线圈(14-1a、14-2a)之间添加至少一个环状的标尺线圈(14-1b、14-2b)。由此，增加发送线圈励磁时的标尺线圈中的感应电流，提高接收线圈中的检测信号强度，并且减少串扰磁场所产生的感应电流，提高测量精度。

Description

电磁感应式绝对位置测量用编码器
2011年8月3日提交的日本专利申请2011-170510所包括的说明书、附图以及权利要求书的全部内容被参考纳入于此。
技术领域
本发明涉及一种电磁感应式绝对位置测量用编码器，特别是，涉及一种优选用于游尺、指示器、线性标尺、测微仪等中的、能够通过提高S/N实现测量的高精度化和/或通过缩小标尺宽度以及编码器宽度实现编码器的小型化的电磁感应式绝对位置测量用编码器。
背景技术
如日本特开平10-318781号公报(以下，专利文献1)、日本特开2003-121206号公报(以下，专利文献2)所述那样，如图1中示出专利文献2的例子那样，已知一种电磁感应式编码器，具备：在标尺10上在测量方向上排列有多个标尺线圈14、16；以及配置在格(还称为滑块)12上的发送线圈24、26和接收线圈20、22，该格12相对于上述标尺10在测量方向上相对移动自如，其中，在发送线圈励磁时，根据经由标尺线圈而由接收线圈检测出的磁通量的变化来检测标尺10与格12的相对移动量。在图中，28为发送控制部，30为接收控制部。
在这种电磁感应式编码器中，在要减少多余信号即偏移的情况下，如图2所示，使由发送线圈24产生的磁场被抵消，将接收线圈20配置在净值为零的部分(在图2的例子中，两侧的发送线圈之间的中央部分)，由此减少偏移。此外，在专利文献2中，除了由图2的第一发送线圈24和第一接收线圈20构成的结构以外，如图3所示，在第二发送线圈26的两侧还配置有第二接收线圈22。
然而，在该结构中，需要三列标尺线圈，标尺线圈的布线长，因此所产生的感应电流由于标尺线圈本身的阻抗而衰减，存在难以得到强信号这种问题。
为了解决这种问题，申请人在日本特开2009-186200号公报(以下，专利文献3)中提出了以下内容：如与该图6对应的图4所示，相对于标尺10的中心对称地配置多组发送线圈24A、24B、接收线圈20A、20B以及标尺线圈14A、14B，处于相对于标尺中心而对称的位置的标尺线圈中的一个(例如14A)相对于另一个标尺线圈(例如14B)具有偏移标尺间距λ的1/2相位的关系。
并且，如图5所示，考虑按照不同的标尺间距λ1、λ2在标尺宽度方向(格宽度方向)上配置两组(由图下侧的发送线圈24-1和图上侧的标尺线圈14-la、接收线圈20-1构成的标尺间距λ1的组以及由图上侧的发送线圈24-2和图下侧的标尺线圈14-2a、接收线圈20-2构成的标尺间距λ2的组)具有标尺线圈、发送线圈以及接收线圈的磁道，从而能够测量绝对位置。在图中，14-3为对标尺线圈14-1a与14-2a进行连接的线圈(称为连接线圈)。
然而，在图5的结构中，为了减少格12上的发送线圈24-1、24-2对接收线圈20-2、20-1的直接的串扰量，需要将接收线圈20-1(20-2)和发送线圈24-1(24-2)配置在相互分离的位置，因此存在以下问题：标尺10上的标尺线圈的长度(标尺线圈14-1a的长度+标尺线圈14-2a的长度+连接线圈14-3的长度)变长，所产生的感应电流Ia由于标尺线圈本身的阻抗而衰减，难以得到强信号。
另外，在图5的结构中，当要缩短标尺线圈14-1a和14-2a之间的间隔等来实现编码器宽度的小型化时，由于发送线圈的驱动而产生的磁场也对与接收线圈正对的标尺线圈直接造成影响，因此产生与流入原有的标尺线圈的感应电流方向相反的感应电流成分，由此标尺线圈所产生的感应电流减少，从而产生通过接收线圈检测出的信号减少这种问题。
下面，示出其说明。
图6示出通过接收线圈20-1对图5上侧的标尺间距λ1的标尺线圈14-la进行检测的动作，如图所示，原来是以下原理：根据由驱动电流ID对发送线圈24-1进行驱动而产生的磁场，在标尺线圈14-2a中产生感应电流Ia，通过接收线圈20-1对由感应电流Ia产生的磁场进行检测，该感应电流Ia经由连接线圈14-3流入标尺线圈14-1a。但是标尺线圈14-1a接近发送线圈24-1，因而根据驱动发送线圈24-1所产生的磁场，在标尺线圈14-1a中产生与感应电流Ia方向相反的感应电流成分Id，因此标尺线圈14-1a的全部感应电流为(Ia-Id)，减少了Id的量。换言之，在标尺线圈14-1a中产生经由标尺线圈14-2a的感应电流成分Ia与由从发送线圈24-1直接进入标尺线圈14-1a的磁场产生的感应电流成分Id(与Ia方向相反)之差的感应电流(Ia-Id)。
另一方面，图7示出通过接收线圈20-2对图5下侧的标尺间距λ2的标尺线圈14-2a进行检测的动作。如图所示，原来是以下原理：根据由驱动电流ID对发送线圈24-2进行驱动而产生的磁场，在标尺线圈14-1a中产生感应电流Ia，通过接收线圈20-2对由感应电流Ia产生的磁场进行检测，该感应电流Ia经由连接线圈14-3流入标尺线圈14-2a。但是标尺线圈14-2a接近发送线圈24-2，因而根据驱动发送线圈24-2所产生的磁场，在标尺线圈14-2a中产生与感应电流Ia相反方向的感应电流成分Id，因此标尺线圈14-2a的全部感应电流为(Ia-Id)，减少了Id的量。换言之，在标尺线圈14-2a中产生经由标尺线圈14-1a的感应电流成分Ia与由从发送线圈24-2直接进入标尺线圈14-2a的磁场产生的感应电流成分Id(与Ia方向相反)之差的感应电流(Ia-Id)。
并且，在图5的结构中，当要缩短标尺线圈14-1a与标尺线圈14-2a之间的间隔等来实现编码器宽度的小型化时，还产生以下那样的问题。
即，如图8所示，由流入标尺线圈14-2a的感应电流Ia-Id产生的磁场直接对接收线圈20-1造成影响，串扰电流成分Ic(在图8的左侧的标尺左端侧Ic1)流入接收线圈20-1。
如图5所示，在标尺间距不同的两个磁道结构的标尺的情况下，接收线圈20-1所产生的串扰电流成分因标尺的位置而发生变化(在图8的右侧的标尺右端侧Ic2)，因标尺的位置而发生变化的串扰电流成分叠加在原有的位置检测信号中，因此产生如下问题，即在标尺全长上对测量精度(特别是广范围精度)造成影响。
在具有图5的标尺间距λ1与标尺间距λ2的磁道的标尺(例如，λ1<λ2)中，如图8的例子所示，在通过接收线圈20-1对标尺间距λ1的标尺进行检测(测量)的情况下，由于标尺间距λ2的标尺的影响，如图9所示那样广范围精度产生正方向的误差。与其相反，在通过接收线圈20-2对标尺间距λ2的标尺进行检测(测量)的情况下，基于上述相同的原因，由于标尺间距λ1的标尺的影响，如图9所示那样广范围精度产生负方向的误差。
发明内容
发明要解决的问题
本发明是为了克服上述现有的问题而完成的，目的在于，通过使发送线圈励磁时的标尺线圈中的感应电流增加，来提高接收线圈中的检测信号强度，通过提高S/N来实现测量的高精度化和/或通过缩小标尺宽度及编码器宽度来实现编码器的小型化，并且减少由串扰磁场引起的感应电流，实现广范围精度的提高。
用于解决问题的方案
在本发明中，电磁感应式绝对位置测量用编码器具有两个以上的磁道，每个磁道具备：一列原始标尺线圈，这列原始标尺线圈是以预定的标尺间距在标尺上沿测量方向排列多个原始标尺线圈而成的；以及发送线圈和接收线圈，该发送线圈和接收线圈在格上被配置成与上述原始标尺线圈相对置，该格相对于上述标尺在测量方向上相对移动自如，其中，上述标尺间距在各个磁道间互不相同，在上述发送线圈励磁时，上述电磁感应式绝对位置测量用编码器能够根据经由上述原始标尺线圈而由上述接收线圈检测出的磁通量的变化，测量上述格相对于上述标尺的绝对位置，在至少一个磁道中的上述原始标尺线圈之间添加至少一个闭合式的附加标尺线圈，由此解决了上述问题。
在此，能够将上述原始标尺线圈的线圈长度设为上述附加标尺线圈的线圈长度的两倍以上。
另外，能够将上述接收线圈的形状设为覆盖上述原始标尺线圈和上述附加标尺线圈这两者的形状。
另外，能够将上述接收线圈的形状设成测量方向为上下的“8”字形。
另外，能够将由上述接收线圈检测出的信号强度设为没有添加附加标尺线圈的情况下的信号强度的(Ia+Id)/(Ia-Id)(Id是由从发送线圈直接进入对象磁道的原始标尺线圈的磁场产生的感应电流成分，Ia是经由其它磁道的原始标尺线圈产生的感应电流成分)倍以上。
另外，能够调整上述附加标尺线圈的布线的粗细以抵消从标尺线圈到接收线圈的串扰磁场产生的感应电流。
另外，能够根据标尺位置改变上述原始标尺线圈和/或上述附加标尺线圈的布线的粗细以抵消从标尺线圈到接收线圈的串扰磁场产生的感应电流。
另外，能够将上述磁道设为三个以上。
另外，能够设为：在标尺间距为λ1的原始标尺线圈的两侧配置有标尺间距为不同于λ1的λ2的原始标尺线圈，仅在标尺间距为λ2的原始标尺线圈之间添加附加标尺线圈，而未对标尺间距为λ1的原始标尺线圈添加附加标尺线圈。
另外，能够将上述原始标尺线圈和上述附加标尺线圈的形状设为矩形框状。
发明的效果
根据本发明，与图5的结构相比，能够利用标尺线圈之间所添加的标尺线圈的感应电流，使发送线圈励磁时的接收线圈中的信号检测强度增加并且减少由串扰磁场产生的感应电流。因而，具有以下效果等：(1)能够缩小两个以上磁道之间的间隔，从而能够缩小标尺宽度及编码器宽度使编码器小型化；(2)能够通过提高S/N来提高测量精度；(3)能够扩大格与标尺之间的间隙；(4)能够缩小标尺线圈的宽度，从而能够缩小标尺宽度及编码器宽度使编码器小型化；以及(5)减小由串扰磁场造成的影响，从而能够提高广范围精度。
通过以下针对优选实施例的详细说明，本发明的这些以及其它新特征和优点将变得明显。
附图说明
以下将参考附图来说明这些优选实施例，其中在这些附图中，以相同的附图标记来表示相同的元件，其中：
图1是表示专利文献2所述的以往的电磁感应式编码器的整体结构的立体图。
图2是表示同一格上的线圈的配置以及第一作用的俯视图。
图3是表示同一格上的线圈的配置以及第二作用的俯视图。
图4是专利文献3所述的以往的电磁感应式编码器的格和标尺的俯视图。
图5是表示发明者研究中的电磁感应式绝对位置测量用编码器的基本结构的格和标尺的俯视图。
图6是表示驱动图5的下侧的发送线圈并用上侧的接收线圈进行检测的状态的主要部分俯视图。
图7是表示驱动图5的上侧的发送线圈并用下侧的接收线圈进行检测的状态的主要部分俯视图。
图8是表示以往例中的由串扰磁场产生的感应电流的产生状况的主要部分俯视图。
图9是表示同一广范围误差的例子的图。
图10是表示本发明的第一实施方式的标尺的俯视图。
图11是表示驱动图10的下侧的发送线圈并用上侧的接收线圈进行检测的状态的主要部分俯视图。
图12是表示驱动图10的上侧的发送线圈并用下侧的接收线圈进行检测的状态的主要部分俯视图。
图13是表示第一实施方式中的由串扰磁场产生的感应电流的产生状况的主要部分俯视图。
图14是表示同一广范围误差的例子的图。
图15是同样地表示变形例的标尺的俯视图。
图16是同样地表示其它变形例的标尺的俯视图。
图17是表示本发明的第二实施方式的标尺的俯视图。
具体实施方式
下面，参照附图详细说明本发明的实施方式。
如图10所示，在本发明的第一实施方式中，在与图5同样的原有的标尺线圈主体14-1a(还称为主体线圈)之间添加图中用虚线表示的标尺线圈(还称为附加线圈)14-1b，从而构成标尺线圈14-1，并且在与该图5同样的原有的标尺线圈主体14-2a(还称为主体线圈)之间添加图中用虚线表示的标尺线圈(还称为附加线圈)14-2b作，从而构成标尺线圈14-2。
通过上述结构，即使缩短标尺线圈14-1a与14-2a之间的间隔等使编码器宽度小型化，通过接收线圈进行检测的信号强度也增加，以下对该情况进行说明。
首先，在通过接收线圈20-1对图10上侧的标尺间距λ1的标尺线圈14-1进行检测时，如图11所示，根据由驱动电流ID对发送线圈24-1进行驱动而产生的磁场，在主体线圈14-1a中产生经由主体线圈14-2a的感应电流成分Ia与由从发送线圈24-1直接进入主体线圈14-1a的磁场产生的感应电流成分Id(与Ia方向相反)之差的感应电流(Ia-Id)。另外，在附加线圈14-1b中产生由从发送线圈24-1直接进入的磁场产生的感应电流Ib(与主体线圈14-1a的感应电流(Ia-Id)方向相反)。当对感应电流Id与感应电流Ib的大小进行比较时，标尺线圈(14-1a+14-2a+14-3)的线圈长度是附加线圈14-1b的线圈长度的两倍以上，因此为(感应电流Id)<(感应电流Ib/2)。
接收线圈20-1呈覆盖主体线圈14-1a和附加线圈14-1b两者的将测量方向设为上下的“8”字形的线圈形状，因此，关于接收线圈20-1的检测信号电流，由附加线圈14-1b的电流Ib引起的接收线圈20-1的感应信号电流叠加到由主体线圈14-1a的电流(Ia-Id)引起的接收线圈20-1的感应信号电流中而成。
因而，如以下式所示，通过接收线圈20-1进行检测的信号强度A比没有添加附加线圈14-1b的情况下的信号强度B增加(Ia+Id)/(Ia-Id)倍以上。
B ∝(Ia-Id)
Figure BDA00001973506900092
另一方面，在通过接收线圈20-2对图10下侧的标尺间距λ2的标尺线圈14-2进行检测时，如图12所示，根据由驱动电流ID对发送线圈24-2进行驱动而产生的磁场，在主体线圈14-2a中产生经由主体线圈14-1a的感应电流成分Ia与由从发送线圈24-2直接进入主体线圈14-2a的磁场产生的感应电流成分Id(与Ia方向相反)之差的感应电流(Ia-Id)。另外，在附加线圈14-2b中产生由从发送线圈24-2直接进入的磁场产生的感应电流Ib(与主体线圈14-2a的感应电流(Ia-Id)方向相反)。当对感应电流Id与感应电流Ib的大小进行比较时，标尺线圈(14-2a+14-1a+14-3)的线圈长度是附加线圈14-2b的线圈长度的两倍以上，因此为(感应电流Id)<(感应电流Ib/2)。
接收线圈20-2呈覆盖主体线圈14-1a和附加线圈14-1b两者的将测量方向设为上下的“8”字形的线圈形状，因此，关于接收线圈20-2的检测信号电流，由附加线圈14-2b的电流Ib引起的接收线圈20-2的感应信号电流叠加到由主体线圈14-2a的电流(Ia-Id)引起的接收线圈20-2的感应信号电流中而成。
于是，与上述说明同样地，如以下式所示，通过接收线圈20-2进行检测的信号强度C比没有添加附加线圈14-2b的情况下的信号强度B增加(Ia+Id)/(Ia-Id)倍以上。
B ∝(Ia-Id)
并且，如图13所示，通过附加环状的标尺线圈(14-1b、14-2b)，在通过接收线圈20-1对图10上侧的标尺间距λ1的标尺线圈14-1进行检测时，从标尺线圈14-2向接收线圈20-1的串扰磁场不论在哪个标尺位置都大致为均匀，因此由串扰磁场产生的感应电流的差变小
Figure BDA00001973506900102
因此，如图14所示，还实现广范围精度的提高。在通过接收线圈20-2对图10下侧的标尺间距λ2的标尺线圈14-2进行检测时，也通过同样的作用，如图14所示那样实现广范围精度的提高。特别是在接收线圈为将测量方向设为上下的“8”字形的情况下，由串扰磁场产生的感应电流相互抵消，因此大幅减少接收线圈20-1产生的感应电流，还能够实现广范围精度的进一步提高。
并且，如图15所示，还能够通过调整所附加的标尺线圈(14-1b、14-2b)的布线的粗细，来完全抵消上述感应电流，如图16所例示那样，还能够根据标尺位置改变线圈的布线的粗细使得Icl=Ic2，从而还能够使精度更高。
本发明的应用对象并不限于具有图10示出的两列磁道的编码器，如图17示出的第二实施方式所示那样，例如还能够应用于标尺间距λ1的标尺线圈14-1的上下两侧配置有标尺间距λ2的标尺线圈14-2的具有三列磁道的编码器。
在该第二实施方式中，仅在上下两侧的标尺线圈14-2的主体线圈14-2a之间添加标尺线圈14-2b，未对中央的标尺线圈14-1中添加标尺线圈。这样还能够省略添加一部分标尺线圈。
此外，在上述实施方式中，将标尺线圈的形状均设为矩形框状，但是标尺线圈的形状并不限于此，例如还能够设为矩形内存在电极的板状或者相反矩形部分空洞的板状。
本领域的技术人员应当理解，表示本发明的原理的所应用的上述实施例仅是示例性的。本领域的技术人员在没有超出本发明的宗旨和范围的情况下可以容易地设计多种其它配置。

Claims (10)

1.一种电磁感应式绝对位置测量用编码器，具有两个以上的磁道，其特征在于，每个磁道具备：
一列原始标尺线圈，这列原始标尺线圈是以预定的标尺间距在标尺上沿测量方向排列多个原始标尺线圈而成的；以及
发送线圈和接收线圈，该发送线圈和接收线圈在格上被配置成与上述原始标尺线圈相对置，该格相对于上述标尺在测量方向上相对移动自如，
其中，上述标尺间距在各个磁道间互不相同，
在上述发送线圈励磁时，上述电磁感应式绝对位置测量用编码器能够根据经由上述原始标尺线圈而由上述接收线圈检测出的磁通量的变化，测量上述格相对于上述标尺的绝对位置，
在至少一个磁道中的上述原始标尺线圈之间添加至少一个闭合式的附加标尺线圈。
2.根据权利要求1所述的电磁感应式绝对位置测量用编码器，其特征在于，
上述原始标尺线圈的线圈长度为上述附加标尺线圈的线圈长度的两倍以上。
3.根据权利要求1所述的电磁感应式绝对位置测量用编码器，其特征在于，
上述接收线圈的形状为覆盖上述原始标尺线圈和上述附加标尺线圈这两者的形状。
4.根据权利要求3所述的电磁感应式绝对位置测量用编码器，其特征在于，
上述接收线圈的形状为将测量方向设为上下的“8”字形。
5.根据权利要求1所述的电磁感应式绝对位置测量用编码器，其特征在于，
由上述接收线圈检测出的信号强度为没有添加附加标尺线圈的情况下的信号强度的(Ia+Id)/(Ia-Id)倍以上，
其中，Id是由从发送线圈直接进入对象磁道的原始标尺线圈的磁场产生的感应电流成分，Ia是经由其它磁道的原始标尺线圈产生的感应电流成分。
6.根据权利要求1所述的电磁感应式绝对位置测量用编码器，其特征在于，
调整上述附加标尺线圈的布线的粗细以抵消从标尺线圈到接收线圈的串扰磁场产生的感应电流。
7.根据权利要求1所述的电磁感应式绝对位置测量用编码器，其特征在于，
根据标尺位置改变上述原始标尺线圈和/或上述附加标尺线圈的布线的粗细以抵消从标尺线圈到接收线圈的串扰磁场产生的感应电流。
8.根据权利要求1所述的电磁感应式绝对位置测量用编码器，其特征在于，
上述磁道为三个以上。
9.根据权利要求8所述的电磁感应式绝对位置测量用编码器，其特征在于，
在标尺间距为λ1的原始标尺线圈的两侧配置有标尺间距为不同于λ1的λ2的原始标尺线圈，仅在标尺间距为λ2的原始标尺线圈之间添加附加标尺线圈，而未对标尺间距为λ1的原始标尺线圈添加附加标尺线圈。
10.根据权利要求1所述的电磁感应式绝对位置测量用编码器，其特征在于，
上述原始标尺线圈和上述附加标尺线圈的形状为矩形框状。
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