JP2004245738A

JP2004245738A - 誘導型位置検出装置

Info

Publication number: JP2004245738A
Application number: JP2003037217A
Authority: JP
Inventors: Toshihiko Aoki; 敏彦青木; Katsusaburo Tsuji; 勝三郎辻
Original assignee: Mitutoyo Corp; Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Current assignee: Mitutoyo Corp; Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Priority date: 2003-02-14
Filing date: 2003-02-14
Publication date: 2004-09-02

Abstract

【課題】所望の形態の受信部（例えば任意のピッチ、単相の信号検出用、３相の信号検出用）を簡単に実現することができる誘導型位置検出装置を提供する。
【解決手段】誘導型位置検出装置のセンサヘッドに配置された受信部５５は、スケール３の磁束結合巻線３３と磁束結合が可能にされている。受信部５５は、スケール３が延びる方向の仮想線Ｌに沿って、一列に配置された複数のコイル５７を備えている。コイル５７の腕部５９で隣り合うコイル５７を接続することにより、受信部５５が構成される。コイル５７は仮想線Ｌを中心にエナメル線が巻かれた構造をしている。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ノギスやマイクロメータに代表される小型の測定工具、リニアエンコーダおよびセンサ機器に応用される、電磁結合を利用して位置検出を行う誘導型位置検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
誘導型位置検出装置は、直線変位や角度変位などの精密な測定に利用される。従来の誘導型位置検出装置は、磁束結合巻線（磁束変調器）を所定ピッチで配列したスケールと、このスケールに対して相対移動可能に対向配置されると共に磁束結合巻線と磁束結合が可能な送信巻線および受信巻線が配置されたセンサヘッド（読み出しヘッド）とにより構成される（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
センサヘッドの受信巻線としては、エナメル被覆銅からなるワイヤーをワイヤーボンディングで基板にボンディングしたもの（例えば、特許文献２参照）や、ビルドアップ基板の異なる層にそれぞれ形成された第１の検出コイルと第２の検出コイルとをコンタクト孔で接続したものがある（例えば、特許文献３参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１０−３１８７８１号公報（［０００３］〜［０００５］、図１）
【特許文献２】
特表２００２−５０２４９７号公報（第１９頁第１５行〜第２７行、ＦＩＧ．１、ＦＩＧ．４）
【特許文献３】
特開２００１−２５５１０８号公報（［００２８］、［００３２］、図２、図３）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
センサヘッドの受信部となる受信巻線をビルドアップ基板で作製した場合、受信部の形態（例えば受信巻線のピッチ）はビルドアップ基板のルールに制限され、所望の形態の受信部を得ることが困難なことがある。特に狭ピッチな受信巻線は、コンタクト孔の大きさやコンタクト孔のピッチなどにより制限されるため、狭ピッチ化には限界がありかつコストもかかる。
【０００６】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、所望の形態の受信部や送信部を簡単に実現できる誘導型位置検出装置を提供することを目的としている。
【０００７】
【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、磁束結合巻線が設けられたスケールと、磁束結合巻線と磁束結合が可能な送信部および受信部が設けられると共にスケールに対して相対移動可能に対向配置されたセンサヘッドと、を備えた誘導型位置検出装置であって、送信部および受信部の少なくとも一方は、スケールが延びる方向に所定ピッチで配列された互いに接続された複数のコイルを備えて構成され、複数のコイルは、スケールが延びる方向に同軸配置され、それぞれが絶縁材料で被覆された導電線を巻いたものであることを特徴とする。
【０００８】
本発明に係る誘導型位置検出装置によれば、絶縁材料で被覆された導電線からなる複数のコイルを互いに接続することにより、送信部および受信部の少なくとも一方を構成している。したがって、所望の形態の受信部（例えば任意のピッチ、単相の信号検出用、３相の信号検出用）や送信部を簡単に実現することができる。
【０００９】
本発明に係る誘導型位置検出装置において、隣り合うコイル間にスペーサが配置されているようにしてもよい。これによれば、スペーサの厚みを変えることにより、コイルのピッチを簡単に所望の値にすることができる。また、微細な受信部や送信部であっても、コイルのピッチを正確に保つことができる。
【００１０】
本発明に係る誘導型位置検出装置において、スペーサのコイルと向かい合う面には強磁性の性質を有する軟磁性体膜が形成されているようにしてもよい。これによれば、誘導型位置検出装置が小型化しても、受信部で受信される信号や送信部から送信される信号の強度を高めることができる。
【００１１】
本発明に係る誘導型位置検出装置において、コイルからこれと接続された次のコイルに電流が流れたとき、これらのコイルで発生する磁界の向きが互いに逆になるように、これらのコイルが接続されているようにしてもよい。これによれば、受信部や送信部を外部からの磁界の影響を受けにくいようにすることができる。
【００１２】
本発明に係る誘導型位置検出装置において、複数のコイルは、異なる位相の信号を検出する複数のグループに分けられているようにしてもよい。これによれば、コイルの接続関係を変えるだけで、異なる位相（例えば２相や３相）の信号を検出できる受信部にすることができる。
【００１３】
本発明に係る誘導型位置検出装置において、受信部の中央部分のコイルの巻数は、受信部の端部分のコイルの巻数よりも多いようにしてもよい。これによれば、センサヘッドがスケールに対してミスアライメントされても、誘導型位置検出装置の特性が変化しにくいので、誘導型位置検出装置の信頼性を向上させることができる。
【００１４】
本発明に係る誘導型位置検出装置において、コイルには、強磁性の性質を有する軟磁性体部材が挿入されているようにしてもよい。これによれば、誘導型位置検出装置が小型化しても、受信部で受信される信号や送信部から送信される信号の強度を高めることができる。
【００１５】
本発明に係る誘導型位置検出装置において、複数のコイルが一筆書き状に並べて配置されたシートを、山折りと谷折りが交互になるように折り曲げることによって、受信部が構成されるようにしてもよい。これによれば、各コイルの接続の手間を省くことができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。図１は、この実施形態に係る誘導型位置検出装置１の概略構成を示す斜視図である。この実施形態は受信部の構造を主な特徴としているが、この理解の前提として装置１について説明する。まず、装置１の構成を説明する。誘導型位置検出装置１は誘導型エンコーダとも言い、スケール３とこれに対向して配置されたセンサヘッド５とから構成される。スケール３の長手方向が測定軸ｘである。センサヘッド５は、スケール３に対して所定ギャップをもって測定軸ｘ方向に移動可能に配置される。なお、センサヘッドが固定でスケールが移動する構成でもよい。すなわち、センサヘッドとスケールとは、互いに相対移動可能に配置されていればよい。
【００１７】
センサヘッド５は、ガラスや樹脂のような絶縁基板５１を備え、絶縁基板５１のスケール３と対向する面５１Ａ側には、長手方向がｘ方向である矩形状の送信巻線からなる送信部５３が、その端子５３Ｔ_１，５３Ｔ_２と共に配置されている。送信部５３の隣には、受信部５５が、その端子５５Ｔ_１，５５Ｔ_２と共に配置されている。受信部５５は測定軸ｘ方向に沿って配置された複数のコイル５７により構成される。図１では、受信部５５やコイル５７をこれらの形ではなく、ブロックとして示している。
【００１８】
送信部５３や受信部５５の端子は、これらの一方の端部側に配置されている。これらの端子は図示しない配線を介して、変位を測定するための演算や制御などをするＩＣ回路７と接続されている。ＩＣ回路７はセンサヘッド５に配置されていてもよいし、これとは別の部品に取り付けられていてもよい。
【００１９】
一方、スケール３は、例えばガラスや樹脂からなる絶縁基板３１を備え、この基板３１のセンサヘッド５に対向する面３１Ａ側には、スケールピッチλでｘ方向に沿って多数の磁束結合巻線３３が配置されている。磁束結合巻線３３は、送信部５３と対向するように配置された第１結合ループ３５と、受信部５５と対向するように配置された第２結合ループ３７とにより構成される。これにより、磁束結合巻線３３は送信部５３や受信部５５と磁束結合が可能となる。送信部５３や磁束結合巻線３３は、アルミニウム、銅、金などの電気抵抗が低い材料で構成され、一方、受信部５５のコイル５７は絶縁材料で被覆された導電線（例えばエナメル線）で構成される。
【００２０】
次に、誘導型位置検出装置１の動作について図１を参照して簡単に説明する。ＩＣ回路７の発生回路９で生成された送信用励振信号（単相交流）は端子５３Ｔ_１，５３Ｔ_２を経由して送信部５３に送られる。これにより、ある時刻に着目すると、送信部５３には反時計回りに励振電流ｉ１が流れる。そして、この励振電流ｉ１により送信部５３から交番磁束が生成され、第１結合ループ３５と磁束結合する。より具体的にいえば、送信部５３の測定軸ｘ方向の部分である巻線導体部５３Ａ，５３Ｂが、第１結合ループ３５を構成する巻線導体部３５Ａ，３５Ｂと平行に相対向して電磁結合する。これにより、第１結合ループ３５には誘導電流ｉ２が流れ、そして、電流ｉ３として第２結合ループ３７に流れる。これにより第２結合ループ３７から発生される交番磁束が受信部５５に磁束結合する。そして、正弦波状（または矩形状）の信号が受信信号として端子５５Ｔ_１，５５Ｔ_２を経由してＩＣ回路７の処理回路１１に送られる。処理回路１１はこれらの受信信号をサンプリングし、ディジタル値に変換してＩＣ回路７の演算制御回路１３に送る。演算制御回路１３では、このディジタル値を基にしてスケール３に対するセンサヘッド５の位置を演算する。なお、演算制御回路１３は発生回路９を制御する機能も有する。
【００２１】
さて、本実施形態の主な特徴は受信部５５であり、受信部５５の詳細を説明する。図２は図１のスケール３のＩＩ（ａ）−ＩＩ（ｂ）断面からみた受信部５５の一部を示す模式図である。受信部５５は、複数のコイル５７をスケール３が延びる方向に同軸配置（言い換えれば、複数のコイル５７をスケール３が延びる方向の仮想線Ｌに沿って一列に配置）することにより構成されるコイルアレイである。
【００２２】
コイル５７のピッチはスケールピッチλと同じである。コイル５７は、仮想線Ｌを中心にエナメル線が円状に複数回巻かれたものである。したがって、仮想線Ｌはコイル５７と交わることなく、コイル５７の中を通っている。上記複数回巻かれた箇所から延びたものがコイル５７の腕部５９である。隣り合うコイル５７は腕部５９で互いに接続されている。コイル５７の巻数は、受信部５５に要求される性能に応じて決められ、一回でもよい。コイル５７の形状は円形に限らず、他の形状（例えば四角形）でもよい。
【００２３】
以上のように本実施形態に係る誘導型位置検出装置１の受信部５５は、エナメル線からなる複数のコイル５７を、コイル５７の腕部５９を利用して互いに接続することにより構成される。したがって、所望の形態（例えば任意のピッチ、単相の信号検出用、３相の信号検出用）の受信部５５を簡単に実現することができる。特に、細いエナメル線（例えば径１０〜２０μｍ）を用いてコイル５７を作製することにより、小型で狭ピッチな受信部５５を安価に提供することができる。
【００２４】
本実施形態に係る誘導型位置検出装置１に備えられる受信部５５の形態の具体例としては、次の第１〜第８例がある。なお、これらの例を説明する図において、既に説明した図の符号で示すものと同一のものについては、同一符号を付すことにより説明を省略する。
【００２５】
［受信部の第１例］
受信部の第１例の一部を示す模式図が図３であり、図２と対応している。第１例の受信部５５Ａでは、隣り合うコイル５７間にスペーサ６１が配置されている。スペーサ６１の材料としては非磁性の絶縁体（例えばテフロン）である。隣り合うコイル５７は腕部５９の端部６３で配線６５により接続されている。この例ではスペーサ６１の厚みＴを変えることにより、コイル５７のピッチが所望の値となる受信部５５Ａを容易に実現することができる。
【００２６】
誘導型位置検出装置の小型化を進めると、それに伴い受信部５５が微細化する。したがって、コイル５７のみでは強度が不十分となり、コイル５７のピッチを正確に保ち続けるのが困難となる。この例によれば、隣り合うコイル５７間にスペーサ６１が設けられているので、受信部５５Ａが微細化してもコイル５７のピッチを正確に保つことができる。
【００２７】
受信部５５Ａの製造方法の一例について簡単に説明する。図４〜図６は上記製造方法を示す工程図である。まず、図４に示す円形突起６７が表面に形成された板６９を用意する。図５に示すように、円形突起６７に沿ってエナメル線７１を巻くことにより、所望の巻数のコイル５７を作製する。そして、図６に示すように、複数のコイル５７を重ねて、隣り合うコイル５７の腕部５９の端部を配線６５で接続する。配線６５の長さはコイル５７のピッチ（要求される信号ピッチ）と同じにする。以上により、単相のコイルアレイである受信部５５Ａを得ることができる。
【００２８】
［受信部の第２例］
図７は受信部の第２例の一部を示す模式図であり、図２や図３と対応している。第２例の受信部５５Ｂが図３の受信部５５Ａと相違する点は、スペーサ６１のコイル５７と向かい合う面に強磁性の性質を有する軟磁性体膜７３が形成されていることである。軟磁性とは磁化や減磁が比較的容易にできる磁性体のことである。軟磁性体膜７３としては、例えばパーマロイ膜やアモルファスメタル膜がある。
【００２９】
軟磁性体膜７３を配置することによって、コイル５７の近くに磁束を集中させることができるため、受信部５５Ｂのコイル５７と磁束結合巻線３３の間の磁束結合を大きくすることができる。したがって、誘導型位置検出装置が小型化しても、受信部５５Ｂで受信される信号の強度を高めることができる。
【００３０】
［受信部の第３例］
受信部の第３例は図８に示されている。図８は図２と対応し、第３例の受信部５５Ｃの一部を示す模式図である。受信部５５Ｃが図２の受信部５５と異なる点は、以下の通りである。コイル５７のピッチはスケールピッチλの半分にされている。あるコイル５７とこれに接続された次のコイル５７（この例では隣り合うコイル）とが逆接続されている。すなわち、あるコイル５７からこれと接続された次のコイル５７に電流Ｉが流れたとき、これらのコイル５７で発生する磁界の向きが互いに逆になるように、これらのコイル５７が接続されている。
【００３１】
したがって、この例によれば、外部からの何らかの磁界により受信部５５Ｃに電流が流れた場合、各コイル５７から生じる磁界は相殺されるため、ノイズが発生しにくくなる。よって、外部からの磁界の影響を受けにくいようにすることができる。
【００３２】
［受信部の第４例］
図９は第４例の受信部５５Ｄの一部を示す模式図であり、図２と対応している。第４例が図２の受信部５５と異なる点は、複数のコイル５７が三つのグループに分けられており、これにより３相の信号を検出できることである。つまり、受信部５５Ｄが三つの受信巻線から構成されていることである。詳しくは、コイル５７のピッチはスケールピッチλの三分の一である。隣り合うコイルが接続されているのではなく、コイル５７は二つおきに互いに接続して構成されている。これにより、Ａ相、Ｂ相、Ｃ相の変位信号、すなわち１２０°ずつ位相がずれた３相の変位信号を検出することができる。この例によれば、コイル５７の接続関係を変えるだけで、３相の信号を検出する受信部にすることができる。なお、３相に限らず、２相や４相以上の多相でも可能である。例えば、２相の場合、コイル５７のピッチをスケールピッチλの半分にして、コイル５７は一つおきに互いに接続して構成するのである。
【００３３】
［受信部の第５例］
受信部の第５例を図１０で説明する。この図は第５例の受信部５５Ｅの一部を示す模式図であり、図２と対応している。第５例は、図８の第３例と図９の第４例の組み合わせである。すなわち、コイル５７は二つおきに互いに接続され、かつあるコイル５７とこれに接続された次のコイル５７とが逆接続されている。／Ａ相、／Ｂ相、／Ｃ相のコイル５７は、それぞれＡ相、Ｂ相、Ｃ相のコイル５７に逆接続されたコイル５７である。この例によれば、外部からの磁界の影響を受けにくくし、かつ１２０°ずつ位相がずれた３相の変位信号を得ることができる。
【００３４】
［受信部の第６例］
図１１は第６例の受信部５５Ｆの一部を示す模式図であり、図２と対応している。この例では、受信部５５Ｆの中央部分７５に位置するコイル５７を、端部分７７に位置するコイル５７よりも、巻数を多くしている。これにより生じる効果を説明する。
【００３５】
誘導型位置検出装置１（図１）の製作の際にセンサヘッド５（図１）がスケール３に対してミスアライメントされることにより、受信部５５Ｆのうち一方の端部分７７（例えば端部分７７Ａ）がスケール３に近づき、他方の端部分７７（例えば端部分７７Ｂ）がスケール３から遠ざかることがある。この場合でも中央部分７５とスケール３との距離の変動は小さい。中央部分７５はコイルの巻数が多いので、端部分７７よりも信号の受信に寄与する度合いが高い。したがって、ミスアライメントが発生しても受信部５５Ｆの信号強度は不安定になりにくい。また、組み立て後の実際の測定時においてミスアライメントが発生したとしても上記と同様の効果が得られる。以上説明したように、ミスアライメントが発生しても、誘導型位置検出装置１の特性は変化しにくいので、誘導型位置検出装置１の信頼性を向上させることができる。
【００３６】
［受信部の第７例］
続いて受信部の第７例を説明する。図１２は第７例の受信部５５Ｇの一部を示す模式図であり、図２と対応している。この例では、コイル５７の中に強磁性の性質を有する軟磁性体部材７９が挿入されている。この例によれば、図７の第２例と同じ理由により、誘導型位置検出装置が小型化しても、受信部で受信される信号の強度を高めることができる。
【００３７】
なお、図４の円形突起６７の材料を強磁性の性質を有する軟磁性体にし、かつ円形突起６７を板６９から取り外し可能にすることにより、軟磁性体部材７９が挿入されたコイル５７を得ることができる。
【００３８】
［受信部の第８例］
最後に受信部の第８例を説明する。図１３は第８例の受信部を構成するコイル５７が配置されたシート８１の一部を平面的に示す模式図である。シート８１は折り曲げ可能な樹脂（例えば、ポリイミド）により構成される。シート８１が折り曲げられる箇所となる仮想の折り曲げ線Ｌ１，Ｌ２の間に各コイル５７が位置するように、複数のコイル５７がシート８１上に一筆書き状に並べられている。折り曲げ線Ｌ１が山折りの箇所で、折り曲げ線Ｌ２が谷折りの箇所となる。折り曲げ線Ｌ１，Ｌ２でシート８１を、山折りと谷折りが交互になるように折り曲げることによって、図１４に示す受信部５５Ｈが構成される。
【００３９】
図１３に示すように、腕部５９同士の接続を隣り合う腕部５９同士ではなく、一つ飛ばした位置にある腕部５９にしている。これにより、図１４の受信部５５Ｈに一方向に電流を流した場合、各コイル５７に流れる電流の向きは、図８の受信部５５Ｃと同じではなく、図２の受信部５５と同じになる。
【００４０】
この例によれば、これまでの例のように、コイル５７の腕部５９の端部６３に配線６５を接続することによりコイル５７を互いに接続する、という面倒な作業が不要となる。
【００４１】
図１３に示すシート８１の作製方法の一例を簡単に説明する。図１５に示すように、円形突起６７が形成された板６９を用意する。そして、円形突起６７にエナメル線７１を複数回巻付け、続けて隣の円形突起６７にエナメル線７１を複数回巻付ける動作を繰り返す。エナメル線７１なので交差箇所で導通することはなく、したがって、一筆書きで複数のコイル５７を形成することができる。
【００４２】
その後、コイル５７が覆われるように樹脂を板６９上に塗布して固める。この硬化した樹脂を板６９から剥がし、円形突起６７の箇所にさらに樹脂を埋め込むことにより、図１３のシート８１が完成する。
【００４３】
以上、本実施形態について受信部５５で説明したが、送信部５３についても受信部５５の形態を応用することができる。
【００４４】
【発明の効果】
以上述べたように本発明に係る誘導型位置検出装置によれば、所望の形態の受信部（例えば任意のピッチ、単相の信号検出用、３相の信号検出用）や送信部を簡単に実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態に係る誘導型位置検出装置の概略構成を示す斜視図である。
【図２】図１のスケールのＩＩ（ａ）−ＩＩ（ｂ）断面からみた受信部の一部を示す模式図である。
【図３】受信部の第１例の一部を示す模式図である。
【図４】受信部の第１例を製造する方法の一例の第１工程図である。
【図５】受信部の第１例を製造する方法の一例の第２工程図である。
【図６】受信部の第１例を製造する方法の一例の第３工程図である。
【図７】受信部の第２例の一部を示す模式図である。
【図８】受信部の第３例の一部を示す模式図である。
【図９】受信部の第４例の一部を示す模式図である。
【図１０】受信部の第５例の一部を示す模式図である。
【図１１】受信部の第６例の一部を示す模式図である。
【図１２】受信部の第７例の一部を示す模式図である。
【図１３】受信部の第８例を構成するコイルが配置されたシートの一部を平面的に示す模式図である。
【図１４】受信部の第８例の一部を示す模式図である。
【図１５】受信部の第８例を作製する方法の一例を説明するための図である。
【符号の説明】
１・・・誘導型位置検出装置、３・・・スケール、５・・・センサヘッド、７・・・ＩＣ回路、９・・・発生回路、１１・・・処理回路、１３・・・演算制御回路、３１・・・絶縁基板、３１Ａ・・・面、３３・・・磁束結合巻線、３５・・・第１結合ループ、３５Ａ，３５Ｂ・・・巻線導体部、３７・・・第２結合ループ、５１・・・絶縁基板、５１Ａ・・・面、５３・・・送信部、５３Ｔ_１，５２Ｔ_２・・・端子、５５，５５Ａ〜５５Ｈ・・・受信部、５５Ｔ_１，５５Ｔ_２・・・端子、５７・・・コイル、５９・・・腕部、６１・・・スペーサ、６３・・・端部、６５・・・配線、６７・・・円形突起、６９・・・板、７１・・・エナメル線、７３・・・軟磁性体膜、７５・・・中央部分、７７，７７Ａ，７７Ｂ・・・端部分、７９・・・軟磁性体部材、８１・・・シート、Ｌ・・・仮想線、Ｌ１，Ｌ２・・・折り曲げ線

Claims

磁束結合巻線が設けられたスケールと、前記磁束結合巻線と磁束結合が可能な送信部および受信部が設けられると共に前記スケールに対して相対移動可能に対向配置されたセンサヘッドと、を備えた誘導型位置検出装置であって、
前記送信部および前記受信部の少なくとも一方は、前記スケールが延びる方向に所定ピッチで配列された互いに接続された複数のコイルを備えて構成され、
前記複数のコイルは、前記スケールが延びる方向に同軸配置され、それぞれが絶縁材料で被覆された導電線を巻いたものであることを特徴とする誘導型位置検出装置。
隣り合う前記コイル間にスペーサが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。
前記スペーサの前記コイルと向かい合う面には強磁性の性質を有する軟磁性体膜が形成されていることを特徴とする請求項２記載の誘導型位置検出装置。
前記コイルからこれと接続された次の前記コイルに電流が流れたとき、これらのコイルで発生する磁界の向きが互いに逆になるように、これらのコイルが接続されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の誘導型位置検出装置。
複数の前記コイルは、異なる位相の信号を検出する複数のグループに分けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の誘導型位置検出装置。
前記受信部の中央部分の前記コイルの巻数は、前記受信部の端部分の前記コイルの巻数よりも多いことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の誘導型位置検出装置。
前記コイルには、強磁性の性質を有する軟磁性体部材が挿入されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の誘導型位置検出装置。
複数の前記コイルが一筆書き状に並べて配置されたシートを、山折りと谷折りが交互になるように折り曲げることによって、前記受信部が構成されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の誘導型位置検出装置。