JP2002013906A - 誘導型位置検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 磁束の有害な拡散を防止して漏れ磁束の発生
による損失を低減させ、磁界発生器と磁束センサとの間
に効率的な閉磁路を形成することで、信号強度を向上さ
せ、且つギャップ変動に強い測定を可能とする誘導型位
置検出装置を提供する。 【解決手段】 磁界発生器１１と、もう一つの磁界発生
器１２を用意し、この二つの磁界発生器の間に結合ルー
プ１３を挟み込むように配置することで、両磁界発生器
により成り立つヘルムホルツコイルの原理を用いて磁界
発生器１１から発生する第一の可変磁束１５の有害な拡
散を抑制し、これにより結合ループ１３から磁束センサ
１４へ向けて発生する第二の可変磁束１８の信号強度を
向上させると同時に、信号強度のギャップ変化を低減さ
せる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、誘導電流型の位置
検出装置に係り、特に改良された構造、部材の配置をも
って、装置内部から外部への磁束の拡散を低減し、信号
強度を向上させた誘導型位置検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、無駄な信号成分がなく、外部磁界
の影響も受けず、コンパクトで簡単な構成を有し、且つ
格別の構造や回路精度を要せず拡張された測定レンジで
高分解能測定を可能とする高精度の誘導型測定デバイス
は、開発が困難とされていた。このような要請から、誘
導型位置検出装置を用いた電子ノギスが開発され、開示
されている。これらはいずれも、誘導型位置検出装置の
ための信号処理技術を開示している。同技術は、生成し
た一次磁界によって二つのループ部分をもつ結合ループ
の第一のループ部分に誘導電流を発生させ、この誘導電
流に対応して第二のループ部分に生成される二次磁界が
磁束センサに誘導結合し、前記結合ループと磁束センサ
との相対位置に応じた位置依存性出力を出すというもの
である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前記信号処理
技術を適用した測定デバイスはその特性上、種々の制約
から、構造材に金属を使用する場合が多い。このような
条件下で同技術による精密測定を行おうとすると、信号
としての役割をもつ磁束の強度をできるだけ損失のない
状態で維持する必要があるにも拘わらず、前記一次磁界
及び二次磁界が測定デバイスの構成部材に沿って拡散し
てしまうため、磁気的な結合強度を維持できず、充分な
信号強度を得ることができなかった。

【０００４】本発明は、かかる問題点に鑑みなされたも
ので、磁束の有害な拡散を防止し、結合ループと磁界発
生器及び磁束センサの間の距離（ギャップ）変動に伴う
信号強度の変動をも低減することで、ギャップ変動に対
する安定性を向上させると共に、結合ループと磁界発生
器及び磁束センサの間に効率的な閉磁路を形成し、信号
強度を向上させることで、より高精度で安定した測定技
術を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明に係る誘導型位置
検出装置は、測定軸に沿って延び、前記測定軸と直交す
る方向に第一及び第二の磁束領域が形成される第一の部
材と、この第一の部材を介して対向配置され、前記第一
の部材に対して前記測定軸に沿って相対移動可能に設け
られ、それぞれに前記測定軸と直交する方向に第一及び
第二の磁束領域が形成される第二及び第三の部材と、こ
れら第二及び第三の部材に互いに対向するようにそれぞ
れ配置され、励振信号に応答して前記第一の磁束領域内
に第一の可変磁束を発生させる第一及び第二の磁界発生
器と、前記第一の部材に配置され、前記第一及び第二の
磁界発生器の間の前記第一の磁束領域内に配置された第
一の部分及び前記第二の磁束領域内に配置された第二の
部分を有し、前記第一の部分に前記第一の可変磁束に応
答して誘導電流が発生され、その誘導電流により前記第
二の部分に第二の可変磁束が発生される第一の結合ルー
プと、前記第一、第二及び第三の部材の少なくとも一つ
の前記第二の磁束領域に配置されて前記第二の可変磁束
を検出する磁束センサとを備えてなることを特徴とす
る。

【０００６】本発明によれば、結合ループの第一の部分
に第一の可変磁束を供給する磁界発生器が、結合ループ
を挟んで結合ループの両側に配置されているので、第一
の可変磁束が結合ループ付近で収束し、高密度で結合ル
ープと交差する。このため、ギャップ変動に対する安定
性を向上させると共に、信号強度を向上させることがで
きる。

【０００７】なお、前記第二及び第三の部材の前記第一
の部材と対向しない側同士を接続して前記第一及び第二
の磁束領域の少なくとも一方の領域内の磁束を通過させ
るリターン経路を形成する高透磁率部材を更に設けるよ
うにすると、第一及び第二の磁束領域の少なくとも一方
を含む磁気回路の磁気抵抗を低減させることができるの
で、磁束密度を更に高くすることができると共に、磁束
の発散を抑制することができる。

【０００８】本発明の更に好ましい態様においては、前
述した構成に加え、前記第三の部材を介して前記第一の
部材と対向配置され、前記第一の部材と共に測定軸に沿
って延び、前記測定軸と直交する方向に前記第一及び第
二の磁束領域が形成される第四の部材と、この第四の部
材を介して前記第三の部材と対向配置され、前記第二及
び第三の部材と共に前記第一及び第四の部材に対して前
記測定軸に沿って移動可能に設けられ、前記測定軸と直
交する方向に前記第一及び第二の磁束領域が形成される
第五の部材と、前記第五の部材に配置され、前記第一及
び第二の磁界発生器と共に前記励振信号に応答して前記
第一の磁束領域内に前記第一の可変磁束を発生させる第
三の磁界発生器と、前記第四の部材に配置され、前記第
二及び第三の磁界発生器の間の前記第一の磁束領域内に
配置された第一の部分及び前記第二の磁束領域内に配置
された第二の部分を有し、前記第一の部分に前記第一の
可変磁束に応答して誘導電流が発生され、その誘導電流
により前記第二の部分に第二の可変磁束が発生される第
二の結合ループとを更に備える。そして、前記磁束セン
サは、前記第二、第三及び第五の部材のいずれか一つに
配置される。

【０００９】このような構成によると、磁束センサは、
第一の結合ループと第二の結合ループとに挟まれる形に
なるので、第二の可変磁束についても高密度で磁束セン
サに検出されることになる。従って、更にギャップ変動
依存性を抑えて、信号強度を向上させることができる。

【００１０】なお、この場合にも、前記第二及び第五の
部材の前記第一及び第四の部材と対向しない側同士を接
続して前記第一の磁束領域内の磁束を通過させるリター
ン経路を形成する第一の高透磁率部材を更に設けること
により、磁気回路の効率を向上させて信号強度を更に高
めることができる。また、前記第一及び第四の部材の前
記第三の部材と対向しない側同士を接続して前記第二の
磁束領域の磁束を通過させるリターン経路を形成する第
二の高透磁率部材を更に設けるようにしても良い。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、添付の図面を参照してこの
発明の好ましい実施の形態について説明する。図１は、
この発明の一実施例に係るインクリメンタル型の誘導型
位置検出装置の要部を示す図である。この位置検出装置
は、図中Ｘ軸（測定軸）方向に延びる第一の部材である
スケール１と、このスケール１を介して対向配置された
第二の部材であるグリッド２及び第三の部材であるグリ
ッド３を備えて構成されている。グリッド２，３は、相
互に固定されてスケール１に対して図中Ｘ軸に沿って移
動可能に配置されている。スケール１には、結合ループ
１３が、Ｘ軸に沿って所定のピッチで複数配設されてい
る。これらスケール１及びグリッド２，３の各面上の領
域は、Ｘ軸と直交する方向に二分されており、一方が第
一の磁束領域Ａ、他方が第二の磁束領域Ｂを形成する。
スケール１上に形成された各結合ループ１３は、第一の
磁束領域Ａに配置された第一ループ部分１６と、第二の
磁束領域Ｂに配置された第二ループ部分１７と、これら
を接続する接続部１９とから構成されている。グリッド
３の第一の磁束領域Ａには、矩形状の送信巻線からなる
第一の磁界発生器１１が配置され、第二の磁束領域Ｂに
は、前記結合ループ１３の配列ピッチと等しいピッチで
交差する受信巻線からなる磁束センサ１４が配置されて
いる。また、グリッド２の第一の磁束領域Ａには、第一
の磁界発生器１１と対向するように、第一の磁界発生器
１１と同形状の送信巻線からなる第二の磁界発生器１２
が配置されている。

【００１２】次に、このように構成された本実施例に係
る誘導型位置検出装置の動作を説明する。前記磁界発生
器１１が発生する第一の可変磁束１５が結合ループ１３
の第一ループ部分１６に結合すると、第一ループ部分１
６には第一の可変磁束に応答した誘導電流が発生し、結
合ループ１３の第二ループ部分１７はこの誘導電流に対
応した第二の可変磁束１８を発生し、この可変磁束１８
は磁束センサ１４に誘導結合する。そして、磁束センサ
１４は結合ループ１３の配列と対応する周期パターンに
形成されているので、前記結合ループ１３と磁束センサ
１４との相対位置に応じた位置依存性出力を出す。

【００１３】このような反射式の信号検出方式では、結
合ループから直接磁束センサへ向けて信号を送信するイ
ンダクトシン型の信号検出方式に比べ、スケール１とグ
リッド３間の距離（ギャップ）変化による信号変化が複
雑で、インダクトシン型のギャップ変化に伴う信号変化
の度合いをＡとすると、本装置で用いている反射式の信
号検出方式では、そのギャップ変化に伴う信号変化の度
合いはＡ²となってしまい、高精度な測定を行う上での
支障となる。このため、如何にしてこのギャップ変化を
抑えるかが課題となる。

【００１４】図２（ａ）に図１において示した本発明の
第一の実施例に係る誘導型位置検出装置のｘ軸直交断面
概念図を示す。同図（ａ）から分かるように、本実施例
では、磁界発生器１１と更にもう一つの磁界発生器１２
を用意し、この二つの磁界発生器の間に結合ループ１３
を挟み込むように配置することにより、両磁界発生器が
ヘルムホルツコイルを形成している。このヘルムホルツ
コイルの効果によって、磁界発生器１１から発生する第
一の可変磁束１５の拡散が抑制され、これにより結合ル
ープ１３から磁束センサ１４へ向けて発生する第二の可
変磁束１８の信号強度を向上させると同時に、信号強度
のギャップ変化依存性を低減させることができる。

【００１５】これに対して、同図（ｂ）に示す従来の信
号検出方式では、磁界発生器１１から発生する第一の可
変磁束１５は、磁束の流れを制約する手段を講じていな
い場合、装置自体の材質に磁性金属を使うことも影響し
て、同図（ｂ）に示すように拡散した経路をたどる。こ
のように拡散した磁束を用いて信号検出を行おうとする
と、結合ループ１３に前記第一の可変磁束１５は拡散し
た状態で到達するために、結合ループ１３を経由して磁
束センサ１４に到達する第二の可変磁束１８による信号
強度を充分に高くすることができないのみならず、スケ
ール１とグリッド３間のギャップ変動によって、結合ル
ープ１３で受信する磁束密度が変動して、その結果、第
二の可変磁束１８の磁束密度も変化して、磁束センサ１
４の出力信号強度が変化する。

【００１６】なお、前記ヘルムホルツコイルの原理適用
の効果を充分なものとするには、前記第一の磁界発生器
１１及び第二の磁界発生器１２の間に挟みこむ結合ルー
プ１３を配置する部材の材料には磁束が吸収されないよ
うに非磁性体を使用する必要がある。

【００１７】次に、本実施例に基づいて前記磁界発生器
１１と磁界発生器１２の間の磁場の強度分布を図３の概
念図を基に求めると、前記磁場の強度を求める計算式は
以下のように表すことができる。

【００１８】

【数１】

【００１９】ここで、Ｏ点は磁界発生器１１と磁界発生
器１２の中点位置を示し、磁界発生器１１，１２からこ
の中点Ｏまでの距離はｂである。又、中点Ｏからｘだけ
離れた位置Ｓには、スケールの結合ループ１３が位置す
ることを想定している。ここでｘの値が変化した場合
（つまり、スケール１とグリッド３のギャップが変化し
た場合）を考えるとカッコ内の値は一方が増加した場
合、他方が減少するという相殺関係があるため、ｘの値
が変動しても、結合ループ１３における磁場強度の変化
を極めて低減できることとなる。図４に上式での計算に
より求めた結果をグラフ化したものを示す。同図中にお
いて、縦軸は磁場の強度（G）、横軸は前記二つの磁界
発生器の中点Ｏからの距離ｘ(cm)を示す。ここでは前記
二つの磁界発生器の中点Ｏからの距離ｘの位置における
磁場の強度を求める計算条件として、電流Iは１A、コイ
ル半径ａは５ｍｍ、前記磁界発生器１１と磁界発生器１
２の間隔２ｂは５ｍｍとしている。ただし、ここでは計
算の簡単のため、各磁界発生器のコイル形状は円形で近
似している。同図に示す曲線から磁界発生器からの距離
に依存しない安定な磁場が生成可能であることがわか
る。上記の結果より、このヘルムホルツコイルの原理を
誘導型位置検出装置に適用することが信号強度のギャッ
プ変化依存性の低減につながることが確認できる。

【００２０】次に本発明に係る第二の実施例について説
明する。前記第一の実施例における誘導型位置検出装置
では、第一の磁界発生器１１と第二の磁界発生器１２と
の間でのヘルムホルツコイルを形成しているが、第二の
実施例に係る誘導型位置検出装置においては、図５にｘ
軸直交断面の概念図を示すように新たにスケール４及び
グリッド５を追加した構成にすることで、磁界発生器、
結合ループ、磁束センサ全系でヘルムホルツコイルの形
成を実現している。具体的には、同図に示すように第一
の実施例に係る誘導型位置検出装置における第三の部材
であるグリッド３を介して第一の部材であるスケール１
と対向する第四の部材であるスケール４が配置され、こ
のスケール４を介してグリッド３と対向する第五の部材
であるグリッド５が配置されている。スケール４はスケ
ール１と共に測定軸に沿って延び、スケール１と同様に
測定軸と直交する方向に第一及び第二の磁束領域を有す
る。グリッド５は、グリッド２及びグリッド３と共にス
ケール１及びスケール４に対して前記測定軸に沿って移
動可能に設けられ、前記測定軸と直交する方向に第一及
び第二の磁束領域を有する。

【００２１】なお、スケール４には第二の結合ループ１
３'が、又グリッド５には第三の磁界発生器１２'がそれ
ぞれ配置されている。第二の結合ループ１３'は、第一
の結合ループ１３と対応する形状、大きさ及び位置にて
形成され、磁界発生器１２及び磁界発生器１２'の間の
前記第一の磁束領域内に配置された第一の部分及び前記
第二の磁束領域内に配置された第二の部分を有し、前記
第一の部分に前記第一の可変磁束に応答して誘導電流が
発生され、その誘導電流により前記第二の部分に第二の
可変磁束１８が発生される。また、第三の磁界発生器１
２'は第一の磁界発生器１１及び第二の磁界発生器１２
と対応する形状、大きさ及び位置にて形成され、これら
磁界発生器１１、１２と共に前記第一の磁束領域内に第
一の可変磁束１５を発生させる。

【００２２】このように磁界発生器だけでなく、結合ル
ープ１３、１３'についてもヘルムホルツコイルを形成
することで、第一の実施例における装置よりも更に信号
のギャップ変化依存性が少なく、信号強度の強い信号を
得ることができる。

【００２３】次に本発明に係る第三の実施例について説
明する。本実施例は図６に示すように、前記第一の実施
例における構成に更に高透磁率部材６１を付加したもの
である。具体的には、高透磁率部材６１は、グリッド２
及びグリッド３のスケール１と対向しない側同士を接続
して、磁界発生器１１及び磁界発生器１２から発生する
第一の磁束領域内を通過する第一の可変磁束１５の磁路
を形成する。これにより、高透磁率部材６１が磁束のリ
ターン経路の役割を果たし、磁束の拡散や、外部への漏
れ磁束、誘導を防止することができる。なお、高透磁率
部材６１の配置位置は、可変磁束１５が通過するのに理
想的と思われる経路上に配置することが望ましい。もち
ろん、高透磁率部材６１を配置する位置は上記の例に限
らず、第二の磁束領域内であってもよいし、図７に示す
第四の実施例のように高透磁率部材７１を第一及び第二
の磁束領域の双方に配置してもよい。

【００２４】また、図７のように全体を覆うように高透
磁率部材７１を配置した場合、高透磁率部材７１は磁気
シールドの役割を果たし、装置が受ける外部からの磁束
の影響を低減することができ、有害な誘導も低減でき
る。また、本実施例のように第一の可変磁束１５及び第
二の可変磁束１８の流れに沿った位置に高透磁率部材７
１を配置することによって、より損失の少ない磁束のリ
ターン経路を形成することができる。このように本実施
例によれば、第一の可変磁束の損失を低減すると共に、
第二の可変磁束の信号強度を更に高めることが可能とな
る。

【００２５】続いて図８に本発明に係る第五の実施例を
示す。本実施例は、前記第二の実施例に高透磁率部材８
１及び８２を配置することで磁束のリターン経路を追加
したものとなっている。同図に示すように、本実施例で
は、前記第二の実施例におけるリターン経路を形成する
第一の高透磁率部材８１に加えて、スケール１及びスケ
ール４のグリッド３と対向しない側同士を接続して前記
第二の磁束領域内の第二の可変磁束１８を通過させるリ
ターン経路を形成する第二の高透磁率部材８２を更に設
けている。このように、第一の可変磁束のみならず第二
の可変磁束についても磁束のリターン経路を設けること
で、無駄のない閉磁路を形成し、漏れ磁束による損失を
低減させることができる。その結果として信号強度が強
く、信号のギャップ変化も少ない誘導型位置検出装置に
おいて望ましい信号出力を得ることができる。

【００２６】なお、本発明に係る第三から第五の実施例
においては、成型、及び配置の容易さ等を考慮して、前
記高透磁率部材には磁性金属を使用している。

【００２７】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、結
合ループの第一の部分に第一の可変磁束を供給する磁界
発生器が、結合ループを挟んで結合ループの両側に配置
されているので、第一の可変磁束が結合ループ付近で収
束し、高密度で結合ループと交差する。このため、ギャ
ップ変動に対する安定性を向上させると共に、信号強度
を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施例に係る誘導型位置検出装
置の要部を示す斜視図である。

【図２】同装置の原理を従来例と比較して説明するため
の図である。

【図３】本発明の原理を説明するための図である。

【図４】磁界発生器間の磁界強度を示すグラフである。

【図５】本発明に係る第二の実施例を説明するための図
である。

【図６】本発明に係る第三の実施例を説明するための図
である。

【図７】本発明に係る第四の実施例を説明するための図
である。

【図８】本発明に係る第五の実施例を説明するための図
である。

【符号の説明】

１,４・・・スケール、２,３,５・・・グリッド、１１，１
２，１２'…磁界発生器、１３'…結合ループ、１４…磁
束センサ、１５，１８…磁束、１６・・・第一のループ部
分、１７・・・第二のループ部分、６１，７１，８１，８
２…高透磁率部材

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 測定軸に沿って延び、前記測定軸と直交
   する方向に第一及び第二の磁束領域が形成される第一の
   部材と、 この第一の部材を介して対向配置され、前記第一の部材
   に対して前記測定軸に沿って相対移動可能に設けられ、
   それぞれに前記測定軸と直交する方向に第一及び第二の
   磁束領域が形成される第二及び第三の部材と、 これら第二及び第三の部材に互いに対向するようにそれ
   ぞれ配置され、励振信号に応答して前記第一の磁束領域
   内に第一の可変磁束を発生させる第一及び第二の磁界発
   生器と、 前記第一の部材に配置され、前記第一及び第二の磁界発
   生器の間の前記第一の磁束領域内に配置された第一の部
   分及び前記第二の磁束領域内に配置された第二の部分を
   有し、前記第一の部分に前記第一の可変磁束に応答して
   誘導電流が発生され、その誘導電流により前記第二の部
   分に第二の可変磁束が発生される第一の結合ループと、 前記第一、第二及び第三の部材の少なくとも一つの前記
   第二の磁束領域に配置されて前記第二の可変磁束を検出
   する磁束センサとを備えてなることを特徴とする誘導型
   位置検出装置。
2. 【請求項２】 前記第二及び第三の部材の前記第一の部
   材と対向しない側同士を接続して前記第一及び第二の磁
   束領域の少なくとも一方の領域内の磁束を通過させるリ
   ターン経路を形成する高透磁率部材を更に設けてなるこ
   とを特徴とする請求項１記載の誘導型位置検出装置。
3. 【請求項３】 前記第三の部材を介して前記第一の部材
   と対向配置され、前記第一の部材と共に測定軸に沿って
   延び、前記測定軸と直交する方向に前記第一及び第二の
   磁束領域が形成される第四の部材と、 この第四の部材を介して前記第三の部材と対向配置さ
   れ、前記第二及び第三の部材と共に前記第一及び第四の
   部材に対して前記測定軸に沿って移動可能に設けられ、
   前記測定軸と直交する方向に前記第一及び第二の磁束領
   域が形成される第五の部材と、 前記第五の部材に配置され、前記第一及び第二の磁界発
   生器と共に前記励振信号に応答して前記第一の磁束領域
   内に前記第一の可変磁束を発生させる第三の磁界発生器
   と、 前記第四の部材に配置され、前記第二及び第三の磁界発
   生器の間の前記第一の磁束領域内に配置された第一の部
   分及び前記第二の磁束領域内に配置された第二の部分を
   有し、前記第一の部分に前記第一の可変磁束に応答して
   誘導電流が発生され、その誘導電流により前記第二の部
   分に第二の可変磁束が発生される第二の結合ループとを
   更に備え、 前記磁束センサは、前記第二、第三及び第五の部材のい
   ずれか一つに配置されていることを特徴とする請求項１
   記載の誘導型位置検出装置。
4. 【請求項４】 前記第二及び第五の部材の前記第一及び
   第四の部材と対向しない側同士を接続して前記第一の磁
   束領域内の磁束を通過させるリターン経路を形成する第
   一の高透磁率部材を更に設けてなることを特徴とする請
   求項３記載の誘導型位置検出装置。
5. 【請求項５】 前記第一及び第四の部材の前記第三の部
   材と対向しない側同士を接続して前記第二の磁束領域の
   磁束を通過させるリターン経路を形成する第二の高透磁
   率部材を更に設けてなることを特徴とする請求項３又は
   ４記載の誘導型位置検出装置。