JP2006322927A - アブソリュートロータリエンコーダ及びマイクロメータ - Google Patents

Abstract

【課題】小型化しても高精度測定が可能なアブソリュートロータリエンコーダを提供する。
【解決手段】ロータ３には、トラック４１、４３が同心円状に配置されている。トラック４１は外側に配置され、受信巻線１７及び送信巻線群Ｇ２と磁束結合可能にされている。これに対して、トラック４３は内側に配置され、受信巻線１９及び送信巻線群Ｇ２と磁束結合可能にされている。トラック４１、４３は、それぞれ、軸９を中心とする連続した一つのリング状の磁束結合巻線５１、５３である。磁束結合巻線５１、５３を構成するブロック６１の数は、トラック４１が１０個で、トラック４３が９個である。
【選択図】図２

Description

本発明は、磁束結合を利用して変位を測定するアブソリュートロータリエンコーダ及びこれを搭載したマイクロメータに関する。

ロータリエンコーダは、送信巻線及び受信巻線が配置されたステータと、これらと磁束結合可能なトラックが配置されたロータと、を備える。このエンコーダのうちアブソリュートタイプは、例えば、特許文献１、２に開示されている。特に、特許文献２には、内燃機関の制御に応用される比較的大きなロータリエンコーダが開示されている。
特開平１０-２１３４０７号公報（図２、図３） 米国特許第３８１２４８１号明細書（第５欄第６８行〜第６欄第３行、第７欄第３１行〜第３５行、図１、図２）

アブソリュートロータリエンコーダは、複数のトラックがロータ上に配置されているので、各トラックに割り当てられる面積は小さい。このため、アブソリュートロータリエンコーダを小型化すると、送信巻線との磁束結合によってトラックに生じる誘導電流が小さくなる。よって、十分な強度の受信信号を受信巻線から得ることができず、測定精度が低下する。

また、ステータとロータを筐体に組み込んだ際に、ステータやロータの位置ずれが発生した場合、アブソリュートロータリエンコーダのサイズを問わず、位置ずれの大きさは同じ程度である。したがって、アブソリュートロータリエンコーダを小型化すると位置ずれの影響が大きく、測定精度が低下する原因となる。

本発明は、小型化しても高精度測定が可能なアブソリュートロータリエンコーダ及びこれを搭載したマイクロメータを提供することを目的とする。

本発明に係るアブソリュートロータリエンコーダは、軸と、ステータと、その中心に前記軸が通る貫通穴を有すると共に前記軸を中心として回転可能に前記ステータと対向して配置されたロータと、トラックが前記ロータ上で同心円状に配置されたトラック群と、前記トラック群と磁束結合可能に前記ステータに配置された送信巻線群と、前記トラック群と磁束結合可能に前記ステータに配置された受信巻線群と、を備え、前記トラック群の各トラックは、前記ロータ上で交互に配置された第１及び第２の半径の線状円弧部を含むと共に前記軸を中心とする連続した一つのリング状の磁束結合巻線であり、前記トラック群の少なくとも二つのトラックは、前記線状円弧部の数が互いに異なることを特徴とする。

本発明に係るアブソリュートロータリエンコーダに備えられる各トラックは、ロータ上で交互に配置された第１及び第２の半径の線状円弧部を含むと共に軸を中心とする連続した一つのリング状の磁束結合巻線である。したがって、アブソリュートロータリエンコーダを小型化しても、受信信号の強度の低下を防ぐことができ、また、ステータやロータの位置すれの影響を小さくすることができる。

本発明において、前記送信巻線群は、前記受信巻線群を構成する複数の受信巻線の中で一番内側のものより外側に配置されている、ようにすることができる。これによれば、一番内側に配置された受信巻線の内側に配置する送信巻線を省略しているので、アブソリュートロータリエンコーダの小型化を図ることができる。

本発明において、前記送信巻線群は、送信巻線が一筆書状につながった構成を有する、ようにすることができる。これによれば、各送信巻線を駆動する送信巻線駆動回路を共用化できるので、アブソリュートロータリエンコーダを小型化できる。

上記アブソリュートロータリエンコーダは、マイクロメータに搭載することができる。

本発明によれば、アブソリュートロータリエンコーダを小型化しても、受信巻線から得られる信号強度の低下を防ぐことができると共にステータやロータの位置ずれの影響を小さくすることができる。したがって、高精度な小型のアブソリュートロータリエンコーダを実現することができる。

以下、図面を参照して、本実施形態に係るアブソリュートロータリエンコーダ（以下、「アブソリュートロータリエンコーダ」を「エンコーダ」と記載する場合もある。）について説明する。なお、図において、既に説明した図中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。

図１は、本実施形態に係るアブソリュートロータリエンコーダの構成要素であるステータ１の平面図であり、図２はロータ３の平面図である。ステータ１の中心には貫通穴５が形成されており、貫通穴５に軸９が通されている。ロータ３もその中心に軸９が通る貫通穴１１を有している。貫通穴１１に嵌め込まれた図示しないロータブッシュを介して、ロータ３は軸９を中心として矢印Ａ方向に回転可能にステータ１と対向して配置されている。ステータ１やロータ３は、プリント回路基板、ガラス基板、シリコン基板等により構成される。

図１に示すステータ１は絶縁基板１５を備え、この上にリング状の受信巻線１７、１９が軸９を中心にして同心円状に形成されている。受信巻線１７が外側に位置し、受信巻線１９が内側に位置している。受信巻線１７は端子Ｔ１、Ｔ２を有し、受信巻線１９は端子Ｔ３、Ｔ４を有する。受信巻線１７、１９で受信巻線群Ｇ１が構成される。受信巻線１７を例として受信巻線の構成を説明する。

図３は受信巻線１７の平面図である。受信巻線１７は、上層導体２１と、これに立体交差する下層導体２３とのセットＵを複数備え、これらをリング状に配置した構成を有する。上層導体２１と下層導体２３との間に図示しない絶縁層が配置されている。この絶縁層に設けられたスルーホール又はビアホールに埋め込まれた埋込導体２５を介して、上層導体２１の端部と下層導体２３の端部とが接続されている。したがって、受信巻線１７は、略ひし形の受信ループ２７を複数備え、これらをリング状に配置した構成を有する、と言うこともできる。

なお、受信ループ２７は略正弦波形状など、様々な閉ループ形状とすることができる。図４は略正弦波形状の受信ループ２７で構成される受信巻線の平面図である。これを受信巻線１７、１９として図１のステータ１に配置してもよい。

図５は、受信巻線１７の受信折返し部２９付近の平面図である。受信折返し部２９は、受信巻線１７の先端側３１及び末端側３３の両方の二箇所に形成されている。詳しくは、先端側３１では、下層導体２３が受信折返し部２９で折り返されており、末端側３３では、上層導体２１が受信折返し部２９で折り返されている。先端側３１の受信折返し部２９は下層導体２３であり、末端側３３の受信折返し部２９は上層導体２１である。したがって、先端側３１の受信折返し部２９と末端側３３の受信折返し部２９とは接続されていない。

図１の受信巻線１９は、受信巻線１７と同様の構成を有している。但し、受信巻線１９の波長λ２に対応する回転角度は、受信巻線１７の波長λ１に対応する回転角度とは異なっている。

図１に示すように、ステータ１は、受信巻線１７の外側、受信巻線１７と受信巻線１９との間に、それぞれ、配置された送信巻線３５、３７を備える。送信巻線３５、３７は、曲率一定の線状導体がリング状に絶縁基板１５上に形成された構成を有する。送信巻線３５と送信巻線３７は、一筆書状につながり、送信巻線群Ｇ２を構成している。これにより、送信巻線駆動回路を共用化して送信巻線３５、３７を同時に駆動することができるため、エンコーダの小型化を図ることができる。Ｔ５、Ｔ６は送信巻線群Ｇ２の端子である。

また、送信巻線群Ｇ２は、受信巻線１９の外側に配置、つまり、受信巻線群Ｇ１を構成する受信巻線１７、１９の中で一番内側のものより外側に配置されている。このように、受信巻線１９の内側に配置する送信巻線を省略することによりエンコーダの小型化を図っている。

次に、図２を参照して、ロータ３の構成を説明する。ロータ３は、円盤状の絶縁基板３９を有する。トラック４１、４３が同心円状に絶縁基板３９上に形成されている。トラック４１は外側に配置され、受信巻線１７及び送信巻線群Ｇ２と磁束結合可能にされている。これに対して、トラック４３は内側に配置され、受信巻線１９及び送信巻線群Ｇ２と磁束結合可能にされている。トラック４１、４３によりトラック群Ｇ３が構成される。

トラックの構成についてトラック４１を例にして説明する。半径ｒ１（第１の半径の一例）の線状円弧部４５と、これより小さい半径ｒ２（第２の半径の一例）の線状円弧部４７と、が交互に１０個ずつ配置されている。線状円弧部４５、４７どうしは、ロータ３の半径方向に延びる線状部４９によりつながれている。これらにより、軸９を中心とする連続した一つのリング状の磁束結合巻線５１が構成される。この磁束結合巻線５１がトラック４１となる。磁束結合巻線５１の波長λ１は受信巻線１７の波長λ１と等しい。

トラック４３となる磁束結合巻線５３は、半径ｒ２より小さい半径ｒ３（第１の半径の一例）の線状円弧部５５と、これより小さい半径ｒ４（第２の半径の一例）の線状円弧部５７と、が交互に９個ずつ配置された構成を有する。線状円弧部５５、５７は線状部５９によりつながれている。磁束結合巻線５３の波長λ２は、受信巻線１９の波長λ２と等しい。以上のように、磁束結合巻線５１、５３は、歯車形状のパターンを有する。

線状円弧部４５とその両側の線状部４９でブロック６１が構成され、線状円弧部５５とその両側の線状部５９でブロック６１が構成される。ブロック６１の数は、外側のトラック４１が１０個、内側のトラック４３が９個となる。

図１のステータ１と図２のロータ３で構成される本実施形態に係るエンコーダによれば、トラック４１とトラック４３でブロック６１の数が異なるので、受信巻線１７、１９から得られる信号の差分をもとにして、ロータ３の一回転における絶対位置の検出をすることができる。

次に、本実施形態の主な効果を比較形態と比較して説明する。図６は、比較形態に係るロータ７１の平面図であり、図２と対応する。ロータ７１がロータ３と相違するのは、トラックの構成である。ロータ７１のトラック４１は、１０個の磁束結合巻線７３を所定のピッチで配置することにより構成される。これに対して、トラック４３は、９個の磁束結合巻線７３を所定のピッチで配置することにより構成される。磁束結合巻線７３は、略矩形の枠状を有する。

ロータ３を備えた本実施形態に係るエンコーダ、ロータ７１を備えた比較形態に係るエンコーダを用いて、所定の測定対象物の寸法を測定した。条件は以下の通りであった。トラック４１、４３の半径はそれぞれ７．４ｍｍ、６．３ｍｍであり、ステータに対するロータの回転中心のずれ量は１００μｍ程度、傾きのずれはトラック４１部分で２５μｍ程度にした。

上記測定の際に受信巻線から得られる信号の強度及び寸法の測定誤差を求めた。図７は信号強度の測定結果を示すグラフであり、図８は寸法の測定誤差の結果を示すグラフである。まず、信号強度について説明する。図７のグラフは、比較形態の場合の信号強度を１として、本実施形態の場合の信号強度を比で表している。

本実施形態によれば、比較形態の約１．２倍の信号強度が得られる。発明が解決しようとする課題の欄で説明したように、アブソリュートロータリエンコーダは小型化すると、送信巻線との磁束結合によってトラックに生じる誘導電流が小さくなり、十分な強度の受信信号を受信巻線から得ることができない。

本実施形態は、図２に示すような連続した一つのリング状（歯車形状）の磁束結合巻線５１、５３でそれぞれ構成されるトラック４１、４３を備えるので、送信巻線群Ｇ２からトラック群Ｇ３に効率的に信号を伝達できる。よって、受信信号の強度を大きくできるため、エンコーダが小型化しても、十分な強度の受信信号を受信巻線から得ることが可能となる。

次に、寸法の測定誤差について説明する。図８は、比較形態の測定誤差を１とした場合の本実施形態の測定誤差比を示している。本実施形態によれば、比較形態に比べて測定精度を５０％程度向上させることができた。

本実施形態によれば、ステータやロータの位置ずれに起因する測定誤差を低減できるのは、以下の理由からだと思われる。図９に示すように、ステータに対するロータの取り付け位置がずれると、ステータとロータ間の距離がトラックの位置に応じて異なる。この場合のトラックに流れる電流を考える。

図１０に示すように、比較形態のロータ７１は、トラックを構成する複数の磁束結合巻線７３が互いに分離されているので、それぞれに異なる大きさ誘導電流が発生する。例えば、磁束結合巻線７３ａに流れる誘導電流ｉａと磁束結合巻線７３ｂに流れる誘導電流ｉｂは、大きさが異なる。したがって、トラックの位置に応じて誘導電流の大きさが異なることになり、測定精度が低下する原因となる。例えば、同じ０．１ｍｍの位置ずれでも、エンコーダが小型化するとその影響は大きくなる。

これに対して本実施形態のロータ３は、図１１に示すように、一つのトラックの磁束結合巻線５１、５３が連続した一つのリング状なので、トラックを流れる誘導電流はトラックの位置に応じて異なることはなく、均一にすることができる。よって、本実施形態によれば、ステータやロータの位置ずれに起因する測定誤差を低減できる。

以上説明したように、本実施形態によれば、エンコーダを小型化しても、受信信号の強度の低下を防ぐことができ、かつステータやロータの位置ずれの影響を小さくできるので、高精度測定が可能な小型のアブソリュートロータリエンコーダを実現することができる。

なお、図１に示すように、各トラックに対応する受信巻線１７、１９が一つの場合（１相受信巻線の場合）で説明したが、各トラックに対応する受信巻線が三つの場合（３相受信巻線の場合）でもよい。これを図１２に示す。互いに位相をずらして配置された三つの受信巻線１７ａ、１７ｂ、１７ｃが一方のトラックと対応し、互いに位相をずらして配置された三つの受信巻線１９ａ、１９ｂ、１９ｃが他方のトラックと対応している。さらに図示はしていないが、各トラックに対応する受信巻線が二つや四つの場合（２相や４相受信巻線の場合）でもよい。

また、ロータ３も図２に示す構成に限らず、図１３に示す構成でもよい。ロータ８１において、外側のトラック４１は１６個のブロック６１で構成され、内側のトラック４３は５個のブロック６１で構成される。

また、トラック群Ｇ３を構成するトラックの数が二つの場合で説明したが、三つ以上でもよい。この場合、トラック群Ｇ３の少なくとも二つのトラックにおいて、ブロック６１（つまり線状円弧部）の数が互いに異なればよい。

図１４は、本実施形態に係るアブソリュートロータリエンコーダを搭載したマイクロメータ９１の正面図である。フレーム９３に図１のステータ１が固定され、シンブル９５に図２のロータ３が固定されている。本実施形態によれば、ロータ３の直径が例えば２０ｍｍ以下の小型のマイクロメータ９１であっても高精度測定を実現することができる。

本実施形態に係るアブソリュートロータリエンコーダの構成要素であるステータの平面図である。 本実施形態に係るアブソリュートロータリエンコーダの構成要素であるロータの平面図である。 図１に示すステータに配置された受信巻線の一例の平面図である。 図１に示すステータに配置された受信巻線の他の例の平面図である。 図３に示す受信巻線の受信折返し部付近の平面図である。 比較形態に係るアブソリュートロータリエンコーダの構成要素であるロータの平面図である。 信号強度の測定結果を示すグラフである。 寸法の測定誤差の結果を示すグラフである。 ステータに対するロータの位置ずれを示す図である。 比較形態のロータに位置ずれが発生している場合のトラックに流れる電流を示す図である。 本実施形態のロータに位置ずれが発生している場合のトラックに流れる電流を示す図である。 本実施形態に適用できる３相受信巻線の平面図である。 本実施形態に適用できるロータの他の例の平面図である。 本実施形態に係るアブソリュートロータリエンコーダが組み込まれているマイクロメータの正面図である。

符号の説明

１・・・ステータ、３・・・ロータ、５・・・貫通穴、９・・・軸、１１・・・貫通穴、１５・・・絶縁基板、１７、１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１９、１９ａ、１９ｂ、１９ｃ・・・受信巻線、２１・・・上層導体、２３・・・下層導体、２５・・・埋込導体、２７・・・受信ループ、２９・・・受信折返し部、３１・・・先端側、３３・・・末端側、３５、３７・・・送信巻線、３９・・・絶縁基板、４１、４３・・・トラック、４５、４７・・・線状円弧部、４９・・・線状部、５１、５３・・・磁束結合巻線、５５、５７・・・線状円弧部、５９・・・線状部、６１・・・ブロック、７１・・・ロータ、７３・・・磁束結合巻線、８１・・・ロータ、９１・・・マイクロメータ、９３・・・フレーム、９５・・・シンブル、Ａ・・・回転方向、Ｇ１・・・受信巻線群、Ｕ・・・セット、Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４、Ｔ５、Ｔ６・・・端子、λ１、λ２・・・波長、Ｇ２・・・送信巻線群、Ｇ３・・・トラック群、ｒ１、ｒ２、ｒ３、ｒ４・・・半径。

Claims (7)

1. 軸と、
   ステータと、
   その中心に前記軸が通る貫通穴を有すると共に前記軸を中心として回転可能に前記ステータと対向して配置されたロータと、
   トラックが前記ロータ上で同心円状に配置されたトラック群と、
   前記トラック群と磁束結合可能に前記ステータに配置された送信巻線群と、
   前記トラック群と磁束結合可能に前記ステータに配置された受信巻線群と、を備え、
   前記トラック群の各トラックは、前記ロータ上で交互に配置された第１及び第２の半径の線状円弧部を含むと共に前記軸を中心とする連続した一つのリング状の磁束結合巻線であり、
   前記トラック群の少なくとも二つのトラックは、前記線状円弧部の数が互いに異なる
   ことを特徴とするアブソリュートロータリエンコーダ。
2. 前記送信巻線群は、前記受信巻線群を構成する複数の受信巻線の中で一番内側のものより外側に配置されている
   ことを特徴とする請求項１に記載のアブソリュートロータリエンコーダ。
3. 前記送信巻線群は、送信巻線が一筆書状につながった構成を有する
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のアブソリュートロータリエンコーダ。
4. 前記受信巻線を構成する受信巻線のうち、外側の受信巻線の波長に対応する回転角度は内側の受信巻線の波長に対応する回転角度とは異なることを特徴とする請求項１記載のアブソリュートロータリエンコーダ。
5. 前記受信巻線群を構成する受信巻線の各々は、閉ループ形状を有する受信ループを複数個リング状に配置した構成を有することを特徴とする請求項１記載のアブソリュートロータリエンコーダ。
6. 前記各トラックに対応して複数の受信巻線が位相をずらして配置されることを特徴とする請求項1記載のアブソリュートロータリエンコーダ。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載のアブソリュートロータリエンコーダを搭載したことを特徴とするマイクロメータ。
   

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