JP2002039796A - 相対変位検出ユニット及び相対変位検出装置 - Google Patents

相対変位検出ユニット及び相対変位検出装置

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 誘導型エンコーダ等において、小型化及び高
精度化を図るとともに、検出回路の異常を確実に検出す
る。 【解決手段】 スケール12に対向してエンコーダユニ
ット10が設けられる。エンコーダユニット10は処理
回路14及び検出回路16を含んで同一半導体基板上に
一体形成され、小型化及び集積化が図られる。検出回路
16には、増幅器を含む検査回路が一体形成される。検
査用の増幅器は検出回路16からの検出信号を増幅する
増幅器14bと兼用することもできる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は相対変位検出ユニッ
ト及び装置、特にスケールとの相対変位を電気信号とし
て出力するユニットの小型化及び高精度化に関する。
【0002】
【従来の技術】従来より、相対変位を検出するためのト
ランスデューサあるいはエンコーダが知られている。容
量型エンコーダにおいては、送信電極と受信電極がグリ
ッド(ユニット)に設けられ、このユニットに対向する
スケール上に信号電極が設けられる。ユニット上の送信
電極及び受信電極はスケール上の信号電極と容量結合す
る。送信電極に駆動信号を供給し、ユニットとスケール
との相対位置に応じて受信電極に生ずる検出信号を処理
回路で処理しスケールに対するユニットの移動又は位置
を検出する。
【0003】一方、誘導型エンコーダにおいては、ユニ
ットとスケール間の電磁相互作用(電磁誘導)に基づき
相対位置を検出する。すなわち、ユニットには送信コイ
ル(励磁コイル)及び検出コイルが配置され、スケール
にはスケールコイルが形成される。ユニット上の励磁コ
イルに通電することにより、磁束が発生し、スケール上
のスケールコイルには電磁誘導により誘導電流が生じ
る。スケールコイルに生じた誘導電流により磁束が発生
しこの磁束によりユニット上の検出コイルに誘導電流
(誘起電圧)が生じる。誘起電圧は、励磁コイルとスケ
ールコイルとの相対位置に応じて変化するため、検出コ
イルに生じた誘起電圧を検出することでユニットとスケ
ールとの相対位置を検出することができる。
【0004】このようなエンコーダにおいては、高精度
化及び小型化のためにユニット及びスケール双方の小型
化が図られている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ユニッ
トの小型化のみならず、その周辺の電気回路も同時に集
積化しなければ、接続配線の浮遊LCにより性能が低下
してしまう問題がある。
【0006】また、エンコーダユニットにおいて、製造
工程において何らかの問題が生じたときにその機能検査
を行う際に、エンコーダユニットを小型化すると信号強
度も弱くなり、エンコーダユニットの有するインピーダ
ンスも小さくなることから、通常の検査装置を用いて直
接エンコーダユニットから信号を読み取る場合、検査装
置そのものの影響を受けてしまい、検査が困難となる問
題が生じる。
【0007】本発明は上記従来の技術の有する課題に鑑
みなされたものであり、その目的は、周囲の電気回路も
含めて集積化して浮遊LCを低減すること、また、製造
工程において容易に機能検査を実施することができるユ
ニットを提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、スケールに対向配置され、スケールとの
相対変位を検出し電気信号として出力する相対変位検出
ユニットであって、前記スケールとの相対変位を電磁相
互作用により検出する検出回路と、前記検出回路を駆動
するとともに、前記検出回路からの信号を処理して外部
に出力する処理回路とを有し、前記検出回路及び前記処
理回路が半導体基板上に一体形成されることを特徴とす
る。検出回路及び処理回路を半導体基板上に一体形成す
ることで、配線に伴う浮遊LCを抑制し、小型化かつ高
精度化を図ることができる。なお、一体形成とは、必ず
しも同一平面上に形成することを意味するのではなく、
同一半導体基板上の異なる層に形成する場合も含まれ
る。
【0009】本発明の1つの実施形態では、前記検出回
路の異常を検査する検査回路が前記半導体基板上に一体
形成される。検査回路を半導体基板上に一体形成するこ
とで、外部の検査装置側の負担を減らし、かつ、外部の
検査装置がユニットに与える影響を抑制することができ
る。検査回路は、前記検出回路の電圧あるいは電流を検
出するセンサと、前記センサからの信号を増幅する検査
用増幅器とを有することができる。
【0010】本発明の1つの実施形態では、前記検出回
路は、送信コイルと、前記送信コイルからの磁界により
前記スケールに生じた誘導電流により生じた誘導磁界を
複数の位相で検出する複数の受信コイルとを有し、検査
回路のセンサは前記複数の受信コイルの電圧あるいは電
流をそれぞれ検出し、前記検査用増幅器は前記センサか
らの信号をそれぞれ増幅する。これにより、増幅された
検査用信号を外部の検査装置で検出し、正常値と比較す
ることで、受信コイルの異常を容易に検出することがで
きる。受信コイルの異常検出は、例えばユニット製造後
のあるタイミングで実行することができる。
【0011】本発明の他の実施形態では、前記検査用増
幅器は前記検出回路内の増幅器を兼用する。これによ
り、構成の簡易化及び一層の小型化を図ることができ
る。本発明の他の実施形態では、前記半導体基板上に、
複数の前記センサを切り替える検査用スイッチが設けら
れる。ユーザは、この検査用スイッチを適宜切り替える
ことで、複数の受信コイルの内、所望の受信コイルの異
常を検査することができる。前記検出回路には前記複数
の受信コイルからの信号を切り替えて外部に出力するス
イッチが含まれる場合、前記検査用スイッチと前記検出
回路内のスイッチを兼用することも好適である。
【0012】また、本発明の1つの実施形態では、さら
に、前記検出回路と前記処理回路との間に設けられた磁
気シールド層とを有する。本発明では、検出回路と処理
回路が距離的に近接して形成されるため、検出回路から
の磁界が直接処理回路に影響を及ぼす(いわゆるクロス
トーク)おそれがある。そこで、検出回路と処理回路と
の間に磁気シールド層を設けることで、クロストークを
防止し検出感度を上げることができる。前記磁気シール
ド層はフェライトに代表される高透磁率材料あるいは金
属層で構成することができる。
【0013】また、本発明の1つの実施形態では、前記
処理回路はパターニングプロセスで形成され、前記検出
回路は樹脂積層型プロセスで形成される。すなわち、本
発明の相対変位検出ユニットは、半導体基板上に一体形
成されるが、必ずしも同一の基板プロセスで形成される
必要はなく、能動素子部分(処理回路部分)と受動素子
部分(検出回路部分)とを異なるプロセスで形成するこ
ともできる。
【0014】また、本発明の相対変位ユニットは半導体
基板上に一体形成されているため、このユニットを組み
込んで装置を得る場合、種々の実装方法を採用すること
が可能となる。例えば、相対変位検出ユニットをワイヤ
ボンディングで基板上に実装して相対変位検出装置を構
成することができ、また、相対変位検出ユニットをフリ
ップチップで基板上に実装して構成することもできる。
あるいは、相対変位検出ユニットを基板上に実装された
パッケージに実装して構成することも好適である。
【0015】
【発明の実施の形態】以下、図面に基づき本発明の実施
形態について、誘導型エンコーダ(磁気式エンコーダ)
を例にとり説明する。
【0016】図1には、本実施形態に係る誘導型エンコ
ーダの構成が示されている。誘導型エンコーダは、エン
コーダユニット10及びこのエンコーダユニット10に
対向するスケール12から構成される。エンコーダユニ
ット10は、処理回路14、金属膜18、高透磁率膜2
0及び検出回路16がシリコン基板上に一体形成されて
構成される。処理回路14は、検出回路の励磁コイル
(送信コイル)に駆動電流を供給するとともに、検出回
路16の検出コイルで検出した信号を処理して外部に出
力する回路を含む。具体的には、検出コイルから出力さ
れる位相の異なる検出信号を切換出力するスイッチ14
a、スイッチ14aからの検出信号を増幅する増幅器1
4b、増幅された検出信号に基づいてスケール12との
相対変位を検出する回路14d、検出された相対変位デ
ータを外部に出力する出力回路14e、及び送信コイル
に駆動電流を供給するための発振回路14f及び駆動回
路14gを含んで構成される。処理回路14は、シリコ
ン基板上にICを形成する公知の工程を用いて形成され
る。金属膜18及び高透磁率膜20は処理回路上に積層
される。これらは、検出回路16内の送信コイルから生
じる磁束が直接処理回路に影響を及ぼさないようにする
ための磁気シールドとして機能する。金属膜18として
は銅、高透磁率膜20としてはフェライトやパーマロイ
を用いることができる。
【0017】また、検出回路16は、図2に示されるよ
うに、送信コイル16e、及び互いに差動関係にある受
信コイル群16x及び16yを含んで構成される。受信
コイル群16xは、複数の受信コイル16f,16g,
16h,16iから構成され、これら複数の受信コイル
はそれぞれ図1において矢印で示した測長方向に対しス
ケールコイルの波長λの1/4だけずらして配置されて
おり、従ってそれぞれの受信コイルは0°,90°,1
80°,270°の各位相の検出信号を出力する。受信
コイル16fと16h、及び受信コイル16gと16i
はそれぞれ接続され、互いに位相の異なる2つの検出信
号(0°と90°)を出力する。受信コイル群16yも
16xと同様であり、16xに対して位相が180°ず
れた反転信号を生成し、差動信号として機能する。検出
回路16には、更に互いに90°だけずれた2つの位相
の検出信号をそれぞれ取り出すセンサ1及びセンサ2、
これらセン1とセンサ2を切り換えるスイッチ16a、
センサ1及びセンサ2からの信号をそれぞれ増幅する増
幅器16b及び16c、増幅器16b及び16cからの
増幅された信号を取り出すためのパッド16dが形成さ
れる。増幅器16b、16cは浮遊LC低減のため、セ
ンサ1,2の近傍(すなわち受信コイルの近傍)に形成
することが望ましい。
【0018】図3には、図1及び図2に示された誘導型
エンコーダの処理回路14及び検出回路16の回路構成
が示されている。上述したように、受信コイル群16x
の受信コイル16fと16hが接続されて0°の位相の
検出信号を出力し、また受信コイル16gと受信コイル
16iが接続されて90°の位相の検出信号を出力す
る。なお、受信コイル群16xの受信コイル16f及び
16iは、受信コイル群16yの16j及び16mに接
続される。また、受信コイル群16xの16g及び16
iは、受信コイル群16yの16k及び16nに接続さ
れる。センサ1は、受信コイル16fと受信コイル16
hの出力端に設けられ、センサ2は受信コイル16gと
受信コイル16iの出力端に設けられる。センサ1は増
幅器16bに接続され、センサ2は増幅器16cに接続
されてそれぞれ検出信号が増幅され、増幅された検出信
号はそれぞれの増幅器に接続されたパッド16dから外
部に取り出される。センサ1及びセンサ2、増幅器16
b及び増幅器16c、パッド16dにより検査回路が構
成される。この検査回路もシリコン基板上に一体形成さ
れる点に注意されたい。
【0019】一方、受信コイル16f、16hの検出信
号(位相0°の検出信号)及び受信コイル16g、16
iの検出信号(位相90°の検出信号)は共に処理回路
14のスイッチ14aに供給される。スイッチ14aは
これらの検出信号を交互に切り換えて増幅器14bに出
力する。増幅器14bは検出信号を増幅し、相対変位を
検出する回路14cに出力する。検出された相対位置デ
ータは出力回路14dに供給され、外部に送信される。
【0020】ここで、検査用のセンサ1とセンサ2のO
N/OFFの切り換えはスイッチ16aにて行われる。
ユーザがスイッチ16aを操作することによりセンサ1
をONとしセンサ2をOFFとすると、パッド16dか
らは0°の位相信号についての検査信号、つまり受信コ
イル16f、16hについての検査信号が出力される。
また、スイッチ16aを操作することによりセンサ1を
OFFとしセンサ2をONとすると、パッド16dから
位相90°の検出信号、つまり受信コイル16g、16
iについての検査信号が出力される。これらの検査信号
は、シリコン基板上に一体形成された増幅器16b、1
6cで増幅されてパッド16dから出力されるため、検
査装置側では増幅された検査信号を受信して基準値と比
較するだけで受信コイルの異常を検出することができ
る。具体的には、検出電圧を基準電圧と比較し、基準電
圧より検出電圧が低い場合、あるいは検査信号の位相を
基準位相と比較し、位相が進んでいるあるいは遅れてい
る場合には異常があると判定できる。
【0021】このように、本実施形態においては、処理
回路14と検出回路16を同一シリコン基板上に一体的
に形成しているため、エンコーダユニット10を小型化
することができる。そして、処理回路14と検出回路1
6間の拒理を縮小化できるので、処理回路14と検出回
路16間の配線により生じる浮遊LCも小さくでき、ノ
イズやクロストークを防止して高精度化を図ることがで
きる。
【0022】さらに、本実施形態においては、検出回路
16の異常を検出するための検査回路も一体的に形成
し、検査用信号を増幅したうえで外部に出力するため、
検査装置のプローブ自身が有する浮遊容量の影響を受け
ることもなく正確な検査が可能となる。
【0023】上述した実施形態においては、検査回路1
6としてセンサ1及びセンサ2、それぞれのセンサから
の検査信号を増幅する増幅器16b,16c、外部に出
力するためのパッド16dを設けたが、検査用信号を増
幅するための増幅器を検出信号を増幅するための増幅器
14bと兼用することで構成をより簡易化することも可
能である。
【0024】図4には、このような場合の回路構成が示
されている。位相0°の受信コイルに接続されたセンサ
1及び位相90°の受信コイルに接続されたセンサ2は
共にスイッチ14aに接続され、検出した信号をスイッ
チ14aに供給する。スイッチ14aは、位相0°の検
出信号及び位相90°の検出信号を交互に切り換えて増
幅器14bに出力するが、これら検出信号の切り換えの
他に、更にセンサ1及びセンサ2からの検査用信号の切
り換えも行って増幅器14bに出力する。スイッチ14
aから出力されたセンサ1の検査用信号及びセンサ2の
検査用信号はそれぞれ増幅器14bで増幅され、回路1
4cを介して出力回路14dに供給され外部に出力され
る。なお、スイッチ14aがセンサ1あるいはセンサ2
からの検査用信号を出力する際には、回路14cの動作
を停止して増幅器14bからの信号をそのまま出力回路
14dに出力すればよい。スイッチ14a及び回路14
cの動作はコントローラにより統一的に制御することが
できる。この構成においては、検査回路の増幅器が検出
回路の増幅器と兼用されており、またセンサ1とセンサ
2を切り換えるスイッチも検出回路のスイッチと兼用化
されている。
【0025】もちろん、図4においてセンサ1とセンサ
2を交互に切り換えるスイッチ16aを別途設けても良
い。
【0026】なお、本実施形態においては、既述したよ
うに検出回路16と処理回路14との間にフェライトに
代表される高透磁率膜20及び金属膜18が設けられて
おり、これらによって検出感度を上げているが、高透磁
率膜20あるいは金属膜18のいずれかでもよい。
【0027】図5には、スケール12に対向した検出回
路16と処理回路14との間にフェライト膜等の高透磁
率膜20を設けた場合の磁界の様子が示されている。高
透磁率膜20が存在しない場合、検出回路16内の送信
コイルからの磁界が直接処理回路14に到達し、いわゆ
るクロストークが生じてノイズの原因となるが、高透磁
率膜20により処理回路14へ到達する磁界を減らし、
クロストークを防止することができる。また、高透磁率
膜20の形状をエッチングにより変化させることで、受
信コイルの近傍に膜分布の変化をもたせ、各受信コイル
に入力する磁束を制御し、信号強度のバランスを調整す
ることも可能である。信号強度を増大させたい受信コイ
ル部に高透磁率膜20を偏在させればよい。
【0028】図6には、スケール12に対向した検出回
路16と処理回路14との間に銅などの金属膜18を設
けた場合の磁界の様子が示されている。検出回路16内
の送信コイルからの磁界が金属膜18に到達し、金属膜
18にはこの磁界により渦電流が誘導される。そして、
この渦電流は磁界を妨げる向きに生じるから、結局、処
理回路14に直接到達する磁界を抑制することができ
る。
【0029】以上、本発明の実施形態について説明した
が、本発明はこれに限定されることなく、本発明の技術
的思想の範囲内で種々の変更が可能である。例えば、本
実施形態においては、エンコーダユニット10をシリコ
ン基板上に一体化して形成しているため、エンコーダユ
ニット10を他のプリント基板やセラミック基板、ガラ
ス基板などにワイヤボンディング等で容易に実装するこ
とも可能となり、リニアエンコーダのみならず種々の相
対変位検出装置への適用が容易化される。
【0030】図7は、本実施形態に係るエンコーダユニ
ット10をワイヤボンディングで基板30上に実装した
場合の構成図である。基板30としては、プリント基板
やガラス基板、セラミック基板等を用いることができ
る。
【0031】図8は、本実施形態に係るエンコーダユニ
ット10をフリップチップで基板30上に実装した場合
の構成図である。エンコーダユニット10の片面側に端
子を集め、この端子を基板30に接続する。一体形成さ
れたエンコーダユニット10とフリップチップを組み合
わせることで、装置の一層の小型化を図ることができ
る。
【0032】図9には、フリップチップで実装する他の
例が示されている。スケール12に対向配置してガラス
基板32が設けられ、このガラス基板の裏面側(スケー
ル12とは反対側)にフリップチップでエンコーダユニ
ット10が実装される。ガラス基板32と外部の処理装
置とは、FPC(Flexible print circuit)34で接続
される。
【0033】図10には、本実施形態のエンコーダユニ
ット10をテープ状のFPC34と接続するTAB(Ta
pe Automated Bonding)により実装する例が示されてい
る。
【0034】図11に示されるように、本実施形態のエ
ンコーダユニット10を基板30上に実装されたパッケ
ージ(例えばQPFパッケージ)36に実装することも
可能である。
【0035】さらに、本実施形態において、エンコーダ
ユニット10は半導体基板上に一体形成されるが、その
全てを同一の製造プロセスで形成する必要はない。例え
ば、図12に示されるように、処理回路14の部分を公
知のIC製造プロセスで基板上に形成し、一方、送受信
コイルを含む検出回路16や金属膜18の部分は樹脂を
積層して(ビルドアップ基板として)構成することがで
きる。
【0036】以上、本発明の実施形態について、誘導型
エンコーダを例にとり説明したが、磁気抵抗阻止や容量
型エンコーダにも適用することができる。
【0037】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
エンコーダユニットを小型化、集積化でき、これにより
配線に生じる浮遊LCを抑制して高精度化を図ることが
できる。また、本発明によれば検出回路の検査を行うた
めの回路を同一基板上に一体的に形成しているため、容
易かつ確実に機能検査を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施形態の構成図である。
【図2】 図1における検査回路の構成図である。
【図3】 図1における回路構成図である。
【図4】 他の実施形態における回路構成図である。
【図5】 実施形態における高透磁率膜の説明図であ
る。
【図6】 実施形態における金属膜の説明図である。
【図7】 実施形態における実装構成図である。
【図8】 実施形態における他の実装構成図である。
【図9】 実施形態における他の実装構成図である。
【図10】 実施形態における他の実装構成図である。
【図11】 実施形態における他の実装構成図である。
【図12】 実施形態におけるエンコーダユニットの他
の構成図である。
【符号の説明】
10 エンコーダユニット、12 スケール、14 処
理回路、16 検出回路、16a スイッチ、16b,
16c 増幅器、16d パッド。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 2F063 AA02 CA08 CA16 CA34 DA01 DA05 DD02 EA02 GA27 GA30 GA33 GA65 KA01 LA01 LA09 2F077 AA00 CC02 NN05 NN16 PP10 PP30 VV01 VV10 VV33

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 スケールに対向配置され、スケールとの
    相対変位を検出し電気信号として出力する相対変位検出
    ユニットであって、 前記スケールとの相対変位を電磁相互作用により検出す
    る検出回路と、 前記検出回路を駆動するとともに、前記検出回路からの
    信号を処理して外部に出力する処理回路と、 を有し、前記検出回路及び前記処理回路が半導体基板上
    に一体形成されることを特徴とする相対変位検出ユニッ
    ト。
  2. 【請求項2】 請求項1記載のユニットにおいて、さら
    に、 前記検出回路の異常を検査する検査回路が前記半導体基
    板上に一体形成されることを特徴とする相対変位検出ユ
    ニット。
  3. 【請求項3】 請求項2記載のユニットにおいて、 前記検査回路は、前記検出回路の電圧あるいは電流を検
    出するセンサと、 前記センサからの信号を増幅する検査用増幅器と、 を有することを特徴とする相対変位検出ユニット。
  4. 【請求項4】 請求項3記載のユニットにおいて、 前記検出回路は、 送信コイルと、 前記送信コイルからの磁界により前記スケールに生じた
    誘導電流により生じた誘導磁界を複数の位相で検出する
    複数の受信コイルと、 を有し、 前記センサは前記複数の受信コイルの電圧あるいは電流
    をそれぞれ検出し、 前記検査用増幅器は前記センサからの信号をそれぞれ増
    幅することを特徴とする相対変位検出ユニット。
  5. 【請求項5】 請求項3、4のいずれかに記載のユニッ
    トにおいて、 前記検出回路には増幅器が含まれ、 前記検査用増幅器は前記検出回路内の増幅器を兼用する
    ことを特徴とする相対変位検出ユニット。
  6. 【請求項6】 請求項4記載のユニットにおいて、さら
    に、 前記半導体基板上に、複数の前記センサを切り替える検
    査用スイッチが設けられることを特徴とする相対変位検
    出ユニット。
  7. 【請求項7】 請求項6記載のユニットにおいて、 前記検出回路には前記複数の受信コイルからの信号を切
    り替えて外部に出力するスイッチが含まれ、 前記検査用スイッチは前記検出回路内のスイッチを兼用
    することを特徴とする相対変位検出ユニット。
  8. 【請求項8】 請求項1〜7のいずれかに記載のユニッ
    トにおいて、さらに、 前記検出回路と前記処理回路との間に設けられた磁気シ
    ールド層と、 を有することを特徴とする相対変位検出ユニット。
  9. 【請求項9】 請求項8記載のユニットにおいて、 前記磁気シールド層はフェライトに代表される高透磁率
    材料で構成されることを特徴とする相対変位検出ユニッ
    ト。
  10. 【請求項10】 請求項8記載のユニットにおいて、 前記磁気シールド層は金属層であることを特徴とする相
    対変位検出ユニット。
  11. 【請求項11】 請求項1〜8のいずれかに記載のユニ
    ットにおいて、 前記処理回路はパターニングプロセスで形成されてな
    り、 前記検出回路は樹脂積層型プロセスで形成されてなるこ
    とを特徴とする相対変位検出ユニット。
  12. 【請求項12】 請求項1〜11のいずれかに記載のユ
    ニットをワイヤボンディングで基板上に実装して構成さ
    れることを特徴とする相対変位検出装置。
  13. 【請求項13】 請求項1〜11のいずれかに記載のユ
    ニットをフリップチップで基板上に実装して構成される
    ことを特徴とする相対変位検出装置。
  14. 【請求項14】 請求項1〜11のいずれかに記載のユ
    ニットを基板上に実装されたパッケージに実装して構成
    されることを特徴とする相対変位検出装置。
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