CN113091778A - 电磁感应型编码器及其使用方法 - Google Patents

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Abstract

一种电磁感应型编码器包括检测头和标尺。所述检测头具有相对于第一轨道产生磁通量的第一收发器线圈以及相对于第二轨道产生磁通量的第二收发器线圈。所述标尺具有相对于第一轨道的第一多个周期性元件以及相对于第二轨道的第二多个周期性元件。所述检测头具有从第一轨道连续延伸到第二轨道的接收器线圈、与由第一多个周期性元件产生的磁通量和由第二多个周期性元件产生的磁通量电磁耦合、并且检测由第一多个周期性元件产生的磁通量的相位和由第二多个周期性元件产生的磁通量的相位。

Description

电磁感应型编码器及其使用方法
技术领域
本文描述的实施例的某些方面涉及电磁感应型编码器和该电磁感应型编码器的使用方法。
背景技术
已知使用检测头和标尺之间的电磁连接的电磁感应型编码器(例如，参见日本专利申请公开第2000-180209号)。
发明内容
在电磁感应型编码器中，在最精确的轨道中提供用于ABS(绝对)的轨道。通过使用由用于ABS的轨道提取的信号的信号处理来计算绝对位置。传感器基板的每个轨道具有用于驱动的两条或更多条信号线和用于接收器线圈的四条或更多条信号线。当增加轨道的数量以延长ABS长度时，引出布线(extraction wiring)的数量与轨道的数量成比例地增加。但是，传感器基板的面积是有限的。当接收器线圈的引出布线的数量增加时，难以减小传感器基板的尺寸。另外，信号处理IC的输入端口的数量增加。因此，难以减小IC的尺寸。为了提供尺寸小且ABS长度长的编码器，重要的是减少接收器线圈的引出布线的数量。
在本发明的一个方面，目的是提供一种能够减少接收器线圈的引出布线的数量的电磁感应型编码器以及该电磁感应型编码器的使用方法。
根据本发明的一个方面，提供了一种电磁感应型编码器，包括：检测头和标尺，所述检测头和标尺彼此面对并且相对于彼此在测量轴上相对地移动，其中，所述检测头具有：第一收发器线圈，其被配置为相对于第一轨道产生磁通量；以及第二收发器线圈，其被配置为相对于第二轨道产生磁通量，其中，所述标尺具有：第一多个周期性元件，所述第一多个周期性元件是相对于第一轨道在测量轴上周期性地排列的导体；以及第二多个周期性元件，所述第二多个周期性元件是相对于第二轨道在测量轴上周期性地排列的导体，其中，所述检测头具有从第一轨道连续延伸到第二轨道的接收器线圈、与由第一多个周期性元件产生的磁通量和由第二多个周期性元件产生的磁通量电磁耦合、并且检测由第一多个周期性元件产生的磁通量的相位和由第二多个周期性元件产生的磁通量的相位。
根据本发明的一个方面，提供了一种电磁感应型编码器的使用方法，该方法包括：将第一发送信号发送到第一轨道的第一收发器线圈，而不将第二发送信号发送到第二轨道的第二收发器线圈；以及将所述第二发送信号发送到所述第二收发器线圈，而不将所述第一发送信号发送到所述第一收发器线圈，其中，电磁感应型编码器包括彼此面对且在测量轴上相对于彼此而相对地移动的检测头和标尺，其中，所述检测头具有被配置为相对于第一轨道产生磁通量的第一收发器线圈和被配置为相对于第二轨道产生磁通量的第二收发器线圈，其中，所述标尺具有第一多个周期性元件和第二多个周期性元件，所述第一多个周期性元件是相对于第一轨道在测量轴上周期性地排列的导体，所述第二多个周期性元件是相对于第二轨道在测量轴上周期性地排列的导体，其中，所述检测头具有从第一轨道连续延伸到第二轨道的接收器线圈、与由第一多个周期性元件产生的磁通量和由第二多个周期性元件产生的磁通量电磁耦合、并且检测由第一多个周期性元件产生的磁通量的相位和由第二多个周期性元件产生的磁通量的相位。
附图说明
图1A示出了第一实施例的电磁感应型编码器的结构。
图1B示出了检测到的正弦波信号；
图2A至图2C示出了比较实施例的接收器线圈；
图3示出了比较实施例的接收器线圈；
图4A至图4C示出了第一实施例的接收器线圈的细节；
图5示出了第一实施例的接收器线圈的细节；
图6A和图6B示出了电磁感应型编码器的使用方法；
图7A至图7C示出了应用于三个轨道的接收器线圈的细节；以及
图8A至图8D示出了第二实施例。
具体实施方式
以下是参考附图的实施例的描述。
(第一实施例)图1A示出了使用检测头与标尺之间的电磁连接的电磁感应型编码器100的结构。电磁感应型编码器100具有检测头10和标尺20。检测头10相对于标尺20在测量轴方向上相对地移动。检测头10和标尺20具有平板形状并且通过预定间隙彼此面对。电磁感应型编码器100具有发送信号生成器30和位移量测量器40等。在图1A中，X轴表示检测头10的位移方向(测量轴)。Y轴在由标尺20形成的平面中垂直于X轴。
检测头10具有收发器线圈11、接收器线圈12等。收发器线圈11是矩形线圈，其长轴方向是X轴。如图1A所示，接收器线圈12在收发器线圈11的内部。稍后将描述接收器线圈12的形状。
在标尺20中，多个连接导体21沿着X轴按基本周期λ排列。基本周期λ是彼此相邻的两个连接导体21的中心之间的间隔。每个连接导体21是闭环线圈或没有孔的板状导体。连接导体21与收发器线圈11电磁耦合，并且也与接收器线圈12电磁耦合。
发送信号生成器30生成单相AC的发送信号，并将生成的发送信号提供给收发器线圈11。在这种情况下，在收发器线圈11中产生磁通量。因此，在多个连接导体21中产生电动电流。多个连接导体21与在收发器线圈11中产生的磁通量电磁耦合，并且产生在预定的空间周期内在X轴方向上波动的磁通量。由连接导体21产生的磁通量在接收器线圈12中产生电动电流。连接导体21与接收器线圈12之间的电磁耦合根据检测头10的位移量而波动。由此，如图1B所示，获得与基本周期λ相同周期的正弦波信号。因此，接收器线圈12检测由多个连接导体21产生的磁通量的相位。位移量测量器40可以通过对该正弦波信号进行电内插来将该正弦波信号用作数字量的最小分辨率。由此，位移量测量器40测量检测头10的位移量。在图1B中，横轴表示检测头10的位移量。纵轴表示接收器线圈12的输出电压。
一个轨道由彼此电磁耦合的收发器线圈11、接收器线圈12和连接导体21构成。在实施例中，电磁感应型编码器100具有第一轨道Tr_A和第二轨道Tr_B。第一轨道Tr_A和第二轨道Tr_B在Y轴方向上以预定间隔排列。在第一轨道Tr_A和第二轨道Tr_B中，基本周期λ彼此不同。因此，电磁感应型编码器100用作绝对(absolute，ABS)型编码器。
图2A至图2C以及图3示出了比较实施例的接收器线圈200。图2A示出了接收器线圈200的第一线圈201。图2B示出了接收器线圈200的第二线圈202。第一线圈201的布线沿着正弦波朝向X轴的负方向延伸，在一端返回，并且沿着另一正弦波朝向X轴的正方向延伸。朝向X轴的负方向延伸的正弦波与朝向X轴的正方向延伸的正弦波相对于Y轴是对称的。如图2B所示，第二线圈202具有与第一线圈201相同的结构。如图2C所示，第二线圈202在X轴方向上相对于第一线圈201移位正弦波的周期的1/4。
第一线圈201必须具有两条引出布线。第二线圈202必须具有两条引出布线。因此，接收器线圈200必须具有四条引出布线。收发器线圈11必须具有两条引出布线。如图3所示，必须在第一轨道Tr_A和第二轨道Tr_B中提供12条引出布线。当为了增加ABS长度而增加轨道的数量时，引出布线的数量与轨道的数量成比例地增加。当接收器线圈具有三相结构时，引出布线的数量进一步增加。但是，检测头的面积有限。当接收器线圈的引出布线的数量增加时，难以减小检测头的尺寸。信号处理IC的输入端口数量增加。因此，难以减小IC的尺寸。为了提供一种尺寸小且ABS长度长的编码器，重要的是减少接收器线圈的引出布线的数量。
因此，电磁感应型编码器100具有用于减少接收器线圈的引出布线的数量的结构。图4A至图4C和图5示出了接收器线圈12的细节。接收器线圈12具有第一线圈12a和第二线圈12b。第一线圈12a和第二线圈12b相对于第一轨道Tr_A和第二轨道Tr_B是通用的。
如图4A所示，在第一轨道Tr_1中，第一线圈12a的布线沿着正弦波朝向X轴方向的负方向延伸，在一端返回，并且沿着另一正弦波朝向X轴方向的正方向延伸。此后，布线朝向第二轨道Tr_B延伸。在第二轨道Tr_B中，布线沿着正弦波朝向X轴方向的负方向延伸，在一端返回，并且沿着另一个正弦波朝向X轴方向的正方向延伸。此后，布线朝向第一轨道Tr_A延伸。因此，在第一线圈12a中，布线在第一轨道Tr_A和第二轨道Tr_B中连续延伸。在第一线圈12a中，朝向X轴方向的负方向延伸的正弦波与朝向X轴方向的正方向延伸的正弦波相对于Y轴是对称的。如图4B所示，第二线圈12b具有与第一线圈12a相同的结构。如图4C所示，第二线圈12b相对于第一线圈12a在X轴方向上移位正弦波的周期的1/4。
在该结构中，接收器线圈12的引出布线的数量为四。每个收发器线圈11的引出布线的数量为二。因此，如图5所示，第一轨道Tr_A和第二轨道Tr_B的引出布线的总数为八。因此，本实施例的接收器线圈12的引出布线的数量小于比较示例的接收器线圈200的引出布线的数量。
如图6A所示，当提取第一轨道Tr_A的信号时，发送信号生成器30不将发送信号发送至第二轨道Tr_B的收发器线圈11，而是将发送信号发送至第一轨道Tr_A的收发器线圈11。另一方面，如图6B所示，当提取第二轨道Tr_B的信号时，发送信号生成器30不将发送信号发送至第一轨道Tr_A的收发器线圈11，而是将发送信号发送至第二轨道Tr_B的收发器线圈11。以这种方式，在不同的定时驱动轨道的每个收发器线圈11。因此可以从轨道中选择信号。
在上述实施例中，收发器线圈11是被配置为相对于第一轨道产生磁通量的第一收发器线圈和被配置为相对于第二轨道产生磁通量的第二收发器线圈的示例。连接导体21是第一多个周期性元件和第二多个周期性元件的示例，第一多个周期性元件是相对于第一轨道在测量轴上周期性地排列的导体，第二多个周期性元件是相对于第二轨道在测量轴上周期性地排列的导体。接收器线圈12是接收器线圈的示例，该接收器线圈从第一轨道连续延伸到第二轨道、与由第一多个周期性元件产生的磁通量和由第二多个周期性元件产生的磁通量电磁耦合、并且检测由第一多个周期性元件产生的磁通量的相位和由第二多个周期性元件产生的磁通量的相位。发送信号生成器30是被配置为将第一发送信号发送到第一轨道的第一收发器线圈并且将第二发送信号发送到第二轨道的第二收发器线圈的发送信号生成器的示例。位移量测量器40是被配置为基于从接收器线圈输出的信号来测量检测头与标尺之间的相对位移量的位移量测量器的示例。
(修改的实施例)在图5中，轨道的数量是二。但是，此数量不受限制。轨道的数量可以是三或更多。图7A至图7C示出了应用于三轨道结构的接收器线圈12的细节。在修改的实施例中，第一线圈12a和第二线圈12b相对于第一轨道Tr_A、第二轨道Tr_B和第三轨道Tr_C是通用的。第一轨道Tr_A至第三轨道Tr_C中的每个具有一个收发器线圈11。
如图7A所示，在第一轨道Tr_A中，第一线圈12a的布线沿着正弦波朝向X轴方向的负方向延伸，在一端返回，并且沿着另一个正弦波朝向X轴方向的正方向延伸。此后，布线朝向第二轨道Tr_B延伸。在第二轨道Tr_B中，布线沿着正弦波朝向X轴方向的负方向延伸，在一端返回，并且沿着另一个正弦波朝向X轴方向的正方向延伸。此后，布线朝向第三轨道Tr_C延伸。在第三轨道Tr_C中，布线沿着正弦波朝向X轴方向的负方向延伸，在一端返回，并且沿着另一个正弦波朝向X轴方向的正方向延伸。此后，布线朝向第一轨道Tr_A延伸。因此，在第一线圈12a中，布线在第一轨道Tr_A中连续延伸到第三轨道Tr_C。在第一线圈12a中，朝向X轴方向的负方向延伸的正弦波与朝向X轴方向的正方向延伸的正弦波相对于Y轴方向是对称的。如图7B所示，第二线圈12b具有与第一线圈12a相同的结构。如图7C所示，第二线圈12b相对于第一线圈12a在X轴方向上移位正弦波的周期的1/4。
在该结构中，接收器线圈12的引出布线的数量为四。每个收发器线圈11的引出布线的数量为二。因此，如图7C所示，第一轨道Tr_A至第三轨道Tr_C的引出布线的总数为十。因此，修改的实施例的接收器线圈12的引出布线的数量小于每个接收器线圈在每个轨道上具有两条引出布线的情况下的引出布线的数量。
当提取第一轨道Tr_A的信号时，发送信号生成器30既不将发送信号发送到第二轨道Tr_B的收发器线圈11、也不发送到第三轨道Tr_C的收发器线圈11，而是将发送信号发送到第一轨道Tr_A的收发器线圈11。另一方面，当提取第二轨道Tr_B的信号时，发送信号生成器30既不将发送信号发送到第一轨道Tr_A的收发器线圈11、也不发送到第三轨道Tr_C的收发器线圈11，而是将发送信号发送到第二轨道Tr_B的收发器线圈11。当提取第三轨道Tr_C的信号时，发送信号生成器30既不将发送信号发送到第一轨道Tr_A的收发器线圈11、也不发送到第二轨道Tr_B的收发器线圈11，而是将发送信号发送到第三轨道Tr_C的收发器线圈11。以这种方式，在不同的定时驱动轨道的每个收发器线圈11。因此可以从轨道中选择信号。
(第二实施例)图8A示出了根据第二实施例的收发器线圈11a。收发器线圈11a具有扭曲结构，其中沿X轴方向具有长轴方向的两个矩形线圈沿Y轴方向排列并连接，以使得两个矩形线圈的电流流动彼此相反。即，收发器线圈11a具有两个线圈。
在该实施例中，为了简化接收器线圈12的说明，接收器线圈12具有这样的扭曲结构：其中两个线圈沿X轴方向排列并连接，以使得两个线圈的电流流动彼此相反。接收器线圈12的两个线圈都延伸到收发器线圈11a的两个矩形线圈。
标尺20A具有其中周期性地排列的多个元件彼此连接的结构。如图8C所示，标尺20A具有这样的结构：其中，多个周期性元件21a由导体制成并且沿着X轴方向按基本周期λ排列，并且周期性元件21a通过连接部分22彼此连接。每个周期性元件21a与收发器线圈11a电磁连接并且与接收器线圈12电磁连接。如图8C所示，每个周期性元件21a具有这样的结构：其中沿Y轴方向排列的两个矩形形状沿X轴方向移位并且彼此连接。两个矩形形状的中心之间在X轴方向上的距离与接收器线圈12的两个线圈的中心之间在X轴方向上的距离基本相同。在周期性元件21a具有上述形状的情况下，当接收器线圈12之一位于周期性元件21a的矩形形状之一中时，接收器线圈12中的另一个线圈位于矩形形状的另一个中。每个周期性元件21a与连接部分22连接，连接部分22是导体。在Y轴方向上，连接部分22的宽度小于周期性元件21a的宽度。在图8C中，周期性元件21a的边缘在Y轴方向上与连接部分22连接。
第二轨道Tr_B的周期性元件21a和连接部分22中的每个具有与第一轨道Tr_A的周期性元件21a和连接部分22中的每个相同的结构。第一轨道Tr_A的周期性元件21a的基本周期与第二轨道Tr_B的周期性元件21a的基本周期不同。
当从发送信号生成器30将单相AC的发送信号提供给第一轨道Tr_A的收发器线圈11a时，第一轨道Tr_A的收发器线圈11a产生磁通量。因此，第一轨道Tr_A的多个周期性元件21a产生电动势。如图8D所示，在第二轨道Tr_B的每个周期性元件21a中，涡电流将在与在第二轨道Tr_B的收发器线圈11a的最接近第二轨道Tr_B的部分中的电流相反的方向上流动。然而，在该实施例中，每个周期性元件通过每个连接部分22连接。因此，在第二轨道Tr_B的标尺20B的大区域中流动着基本均匀的电流。因此，抑制了标尺的每个位置处的第二轨道Tr_B的不均匀的影响。即，抑制了轨道之间的影响。并且，提高了测量精度。
在第一轨道Tr_A的每个周期性元件21a中，在每个矩形区域中产生向相反方向流动的电流。具体地，在第一轨道Tr_A中，在每个周期性元件21a中，在与收发器线圈11a的矩形线圈相对应的位置处产生向相反方向流动的涡电流。当接收器线圈12的每个线圈接收涡电流时，可以检测到信号。以这种方式，当在沿Y轴方向连接的区域中在沿Y轴方向移位的每个位置处产生朝向相反方向流动的涡电流时，即使每个周期性元件21a彼此连接，也可以通过将每个涡电流与接收器线圈12的每个线圈电磁地连接在一起来检测信号。
因此，在实施例中，即使接收器线圈12从第一轨道Tr_A连续延伸到第二轨道Tr_B，也抑制了通过下一轨道的标尺的信号混合。
在上述实施例中，收发器线圈11a是被配置为相对于第一轨道产生磁通量的第一收发器线圈和被配置为相对于第二轨道产生磁通量的第二收发器线圈的示例。周期性元件21a是第一多个周期性元件和第二多个周期性元件的示例，第一多个周期性元件是相对于第一轨道在测量轴上周期性地排列的导体，第二多个周期性元件是相对于第二轨道在测量轴上周期性地排列的导体。
本发明不限于具体公开的实施例和变型，而是可以在不背离本发明的范围的情况下包括其他实施例和变型。

Claims (6)

1.一种电磁感应型编码器，包括：
检测头和标尺，所述检测头和标尺彼此面对并且相对于彼此在测量轴上相对地移动，
其中，所述检测头具有被配置为相对于第一轨道产生磁通量的第一收发器线圈以及被配置为相对于第二轨道产生磁通量的第二收发器线圈，
其中，所述标尺具有第一多个周期性元件以及第二多个周期性元件，所述第一多个周期性元件是相对于所述第一轨道在测量轴上周期性地排列的导体，所述第二多个周期性元件是相对于所述第二轨道在测量轴上周期性地排列的导体，
其中，所述检测头具有从所述第一轨道连续延伸到所述第二轨道的接收器线圈、与由所述第一多个周期性元件产生的磁通量和由所述第二多个周期性元件产生的磁通量电磁耦合、并且检测由所述第一多个周期性元件产生的磁通量的相位和由所述第二多个周期性元件产生的磁通量的相位。
2.根据权利要求1所述的电磁感应型编码器，还包括：
发送信号生成器，被配置为将第一发送信号发送到所述第一轨道的第一收发器线圈，并且将第二发送信号发送到所述第二轨道的第二收发器线圈；以及
位移量测量器，被配置为基于从所述接收器线圈输出的信号来测量所述检测头与所述标尺之间的相对位移量，
其中，所述发送信号生成器在将所述第一发送信号发送到所述第一收发器线圈时不将所述第二发送信号发送到所述第二收发器线圈，并且在将所述第二发送信号发送到所述第二收发器线圈时不将所述第一发送信号发送到所述第一收发器线圈。
3.根据权利要求1或2所述的电磁感应型编码器，其中，所述第一多个周期性元件的周期与所述第二多个周期性元件的周期沿着测量轴是不同的，或者所述第一多个周期性元件的位置与所述第二多个周期性元件的位置是不同的。
4.根据权利要求1或2所述的电磁感应型编码器，其中，所述第一多个周期性元件通过导体彼此连接，
其中，所述第二多个周期性元件通过导体彼此连接，
其中，所述第一收发器线圈和所述第二收发器线圈具有布线，使得在所述第一多个周期性元件的每个和所述第二多个周期性元件的每个中产生在相反方向流动的两个或更多个涡电流。
5.根据权利要求4所述的电磁感应型编码器，其中，所述接收器线圈具有被配置为产生所述两个或更多个涡电流的两个或更多个线圈。
6.一种电磁感应型编码器的使用方法，包括：
将第一发送信号发送到第一轨道的第一收发器线圈，而不将第二发送信号发送到第二轨道的第二收发器线圈；以及
将所述第二发送信号发送到所述第二收发器线圈，而不将所述第一发送信号发送到所述第一收发器线圈，
其中，所述电磁感应型编码器包括彼此面对且在测量轴上相对于彼此而相对地移动的检测头和标尺，
其中，所述检测头具有被配置为相对于所述第一轨道产生磁通量的所述第一收发器线圈和被配置为相对于所述第二轨道产生磁通量的所述第二收发器线圈，
其中，所述标尺具有第一多个周期性元件和第二多个周期性元件，所述第一多个周期性元件是相对于所述第一轨道在测量轴上周期性地排列的导体，所述第二多个周期性元件是相对于所述第二轨道在测量轴上周期性地排列的导体，
其中，所述检测头具有从所述第一轨道连续延伸到所述第二轨道的接收器线圈、与由所述第一多个周期性元件产生的磁通量和由所述第二多个周期性元件产生的磁通量电磁耦合、并且检测由所述第一多个周期性元件产生的磁通量的相位和由所述第二多个周期性元件产生的磁通量的相位。
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