JP2018119917A - 誘導検出型ロータリエンコーダ - Google Patents

Abstract

【課題】クロストークの発生を抑制して精度の高い位置検出を行うことができる誘導検出型ロータリエンコーダを提供する。【解決手段】誘導検出型ロータリエンコーダは、ステータに設けられた第１、第２送信巻線、第１、第２受信巻線と、ロータに設けられた第１磁束結合体４１ａ及び第２磁束結合体４１ｂとを備える。第１磁束結合体４１ａは、第１ピッチを有する歯車状の連続なパターンで形成され、第２磁束結合体４１ｂは、第１ピッチと異なる第２ピッチを有する島状の孤立したパターンで形成される。回転軸を中心とするロータの１周に含まれる第１ピッチの周期の数をＣ１、第２ピッチの周期数をＣ２とすると、Ｃ１とＣ２は１以外の公約数を持たない整数（すなわち、互いに素）であり、且つ、２ｎ−０．５＜Ｃ１／Ｃ２＜２ｎ＋０．５（ただし、ｎは１以上の整数）の関係を満たす。【選択図】図１１

Description

本発明は、ロータとステータとに設けられた配線の間で生じる磁束結合を利用して回転角を測定する誘導検出型ロータリエンコーダに関する。

誘導検出型ロータリエンコーダは、送信巻線及び受信巻線が設けられたステータと、磁束結合体が設けられたロータとを備える。この誘導検出型ロータリエンコーダにおいて、送信巻線には周期的に電流方向が変化する送信電流が流される。磁束結合体は、送信巻線に流される送信電流によって発生した磁界に基づく誘導電流を発生させる。受信巻線は、磁束結合体を流れる誘導電流によって発生した磁界に基づく誘導電圧を検出する。

例えば、特許文献１に開示される誘導検出型ロータリエンコーダにおいては、ステータに、複数の送信巻線及び複数の受信巻線が絶縁層を介して積層されている。また、ロータには、複数の磁束結合体が絶縁層を介して積層されている。

特許文献１に記載の誘導検出型ロータリエンコーダでは、複数の送信巻線、複数の受信巻線及び複数の磁束結合体を積層構造にすることで、誘導検出型ロータリエンコーダの小型化を達成している。

特開２０１３−１５２１６３号公報

図１４は、誘導検出型ロータリエンコーダの第１磁束結合体４１ａの構成を例示する平面図であり、図１５は、第２磁束結合体４１ｂの構成を例示する平面図である。図１４に表したように、第１磁束結合体４１ａは、ロータ１５の１周（３６０度）の内に１０周期となるピッチλ１（１周期あたり３６度）をもってロータ１５の回転方向に周期的に変化する連続した歯車状の形状を有する。また、図１５に表したように、第２磁束結合体４１ｂは、ロータ１５の１周（３６０度）の内に９周期となる一定ピッチλ２（１周期あたり４０度）でロータ１５の回転方向に配置された複数の孤立した矩形ループのような島状パターンが断続的に形成されている。第１磁束結合体４１ａは、当該第１磁束結合体４１ａに対向してステータに設けられる第１受信巻線とともに第１トラックを形成する。第２磁束結合体４１ｂは、当該第１磁束結合体４１ｂに対向してステータに設けられる第２受信巻線とともに第２トラックを形成する。

図１６は、第１磁束結合体４１ａ、及び第２磁束結合体４１ｂを直線に展開して位相関係を示す模式図である。なお、第２磁束結合体４１ｂは、島状パターン４１ｂ−１〜４１ｂ−９で構成されているものとして説明する。図１７（ａ）及び（ｂ）は、第１送信巻線３１ａに流れる送信電流に伴い、第１磁束結合体４１ａ、及び第２磁束結合体４１ｂに生じる誘導電流を説明するための図である。図１７（ａ）及び（ｂ）に表した例では、第１トラックを測定するときに第１送信巻線３１ａの第１内周側巻線部３１１ａ及び第１外周側巻線部３１２ａに時計回りの電流Ｉｄ１が流れる。この電流Ｉｄ１によって、第１、第２磁束結合体４１ａ、４１ｂの外周側及び内周側の電流経路においては、それぞれ反時計回りに誘導電流Ｉｄ２１及びＩｄ２２が流れる。この場合、ループ状ではない第１磁束結合体４１ａの電流経路では誘導電流Ｉｄ２１及びＩｄ２２の打ち消し合いは発生しない。一方、ループ状の第２磁束結合体４１ｂでは誘導電流Ｉｄ２１及びＩｄ２２の打ち消し合いが発生する。この打ち消し合いが不十分であると、第１トラックを測定するときに、第１送信巻線３１ａに流れる電流によって生じた磁界に基づく磁束結合により第２磁束結合体４１ｂの島状パターン４１ｂ−１〜４１ｂ−９に流れる電流がクロストーク成分として第１受信巻線に作用し、第１トラックの検出精度悪化の要因となる。このため、第２磁束結合体４１ｂにおいて誘導電流が完全に打ち消されることが望ましい。

しかしながら、以下で説明するように、第２磁束結合体４１ｂの島状パターン４１ｂ−１〜４１ｂ−９は、第１磁束結合体４１ａの歯車状のパターンとの測長（回転）方向における位置関係が異なっているため、島状パターン４１ｂ−１〜４１ｂ−９の各々に流れる誘導電流の方向と大きさにばらつきがある。

図１７（ａ）に示したように、第１送信巻線３１ａの外周側に流れる電流Ｉｄ１によって、第２磁束結合体４１ｂの島状パターン４１ｂ−４に発生する誘導電流Ｉｄ２１は、島状パターン４１ｂ−４が第１磁束結合体４１ａと重なっていない部分（Ｂ部）で発生する。すなわち、Ｂ部では、第１送信巻線３１ａの外周側の近傍に第１磁束結合体４１ａの歯車状のパターンが存在しないため、第１送信巻線３１ａの外周側に流れる電流Ｉｄ１は、第１磁束結合体４１ａに誘導電流を発生させず、第２磁束結合体４１ｂの島状パターン４１ｂ−４に誘導電流Ｉｄ２１を発生させる。

第１送信巻線３１ａの内周側に流れる電流Ｉｄ１によって、第２磁束結合体４１ｂの島状パターン４１ｂ−４に発生する誘導電流Ｉｄ２２は、島状パターン４１ｂ−４が第１磁束結合体４１ａと重なっていない部分（Ａ部）で発生する。すなわち、Ａ部では、第１送信巻線３１ａの内周側の近傍に第１磁束結合体４１ａの歯車状のパターンが存在しないため、第１送信巻線３１ａの内周側に流れる電流Ｉｄ１は、第１磁束結合体４１ａに誘導電流を発生させず、第２磁束結合体４１ｂの島状パターン４１ｂ−４に誘導電流Ｉｄ２２を発生させる。

一方、第１磁束結合体４１ａと重なっている部分（Ｘ部）では、第１送信巻線３１ａの外周側又は内周側に流れる電流Ｉｄ１は、第１磁束結合体４１ａの歯車状のパターンに流れる合成誘導電流Ｉｄを発生させることにほぼ全てのエネルギーを費やすため、第２磁束結合体４１ｂのＸ部においては第１送信巻線３１ａの外周側及び内周側に流れる電流Ｉｄ１によって誘導される電流量はほぼ０となる。

図１７（ａ）に示したように、Ｂ部の長さはＡ部の長さの約３倍であるため、Ｉｄ２１＝３×Ｉｄ２２となり、島状パターン４１ｂ−４に流れる合成電流Ｉｎ４は、Ｉｎ４＝Ｉｄ２１−Ｉｄ２２＝Ｉｄ２１−０．３３×Ｉｄ２１＝０．６７×Ｉｄ２１となる。Ｉｄ２１＞Ｉｄ２２であることから、合成電流Ｉｎ４は反時計方向に流れる。

図１７（ｂ）は、島状パターン４１ｂ−９の周辺において、第１送信巻線３１ａを流れる電流Ｉｄ１によって第１、第２磁束結合体４１ａ、４１ｂに生じる誘導電流を概略的に示している。島状パターン４１ｂ−９においても、島状パターン４１ｂ−４と同様に、第１送信巻線３１ａに流れる電流に伴う誘導電流Ｉｄ２１及びＩｄ２２は、第１磁束結合体４１ａと重なっていない部分（Ｃ部及びＤ部）で発生し、第１磁束結合体４１ａと重なっている部分ではほぼ０となる。

図１７（ｂ）に示したように、Ｃ部の長さはＤ部の長さの約４倍であるため、Ｉｄ２２＝４×Ｉｄ２１となり、島状パターン４１ｂ−９に流れる合成電流Ｉｎ９は、Ｉｎ９＝Ｉｄ２２−Ｉｄ２１＝Ｉｄ２１−０．２５×Ｉｄ２２＝０．７５×Ｉｄ２２となる。Ｉｄ２２＞Ｉｄ２１であることから、合成電流Ｉｎ９は時計方向に流れる。

以上では図１７（ａ）及び（ｂ）を参照しつつ、島状パターン４１ｂ−４及び島状パターン４１ｂ−９を例に説明したが、図１６に示したように、第２磁束結合体４１ｂの島状パターン４１ｂ−１〜４１ｂ−９は、第１磁束結合体４１ａの歯車状のパターンとの測長（回転）方向における位置関係がそれぞれ異なっているため、島状パターン４１ｂ−１〜４１ｂ−９の各々に流れる誘導電流の方向と大きさにばらつきが生じ、このばらつきが第１トラックのクロストーク成分となり、検出精度に悪影響を及ぼす。

本発明の目的は、磁束結合体において誘導電流の打ち消しが行われる際のクロストークの発生を抑制して精度の高い位置検出を行うことができる誘導検出型ロータリエンコーダを提供することである。

上記課題を解決するために、本発明の誘導検出型ロータリエンコーダは、ステータと、ステータと対向し、回転軸を中心に回転可能に設けられたロータと、ステータに設けられ、回転軸を中心に互いに同じ回転方向に電流を流す第１内周側巻線部及び第１外周側巻線部を有する第１送信巻線と、ステータに設けられ、回転軸を中心として環状に形成された第１受信巻線と、ステータに設けられ、回転軸に沿った方向に第１受信巻線と重なるように環状に形成され、第１受信巻線との間に第１絶縁層を介して形成された第２受信巻線と、ロータに回転軸を中心として環状に形成され、第１受信巻線と磁束結合する第１磁束結合体と、ロータに回転軸に沿った方向に第１磁束結合体と重なるように環状に形成され、第１磁束結合体との間に第２絶縁層を介して形成され、第１受信巻線と磁束結合する第２磁束結合体と、を備える。第１磁束結合体は、第１ピッチをもってロータの回転方向に周期的に変化する歯車状の連続なパターンで形成され、第２磁束結合体は、第１ピッチと異なる第２ピッチをもってロータの回転方向に周期的に変化する島状の孤立したパターンで形成される。回転軸を中心とするロータの１周に含まれる第１ピッチの周期の数をＣ１、回転軸を中心とするロータの１周に含まれる第２ピッチの周期数をＣ２とすると、Ｃ１とＣ２は１以外の公約数を持たない整数（すなわち、互いに素）であり、且つ、２ｎ−０．５＜Ｃ１／Ｃ２＜２ｎ＋０．５（ただし、ｎは１以上の整数）の関係を満たす。

このような構成によれば、第２磁束結合体の外周側と内周側とにおける第１送信巻線に流れる電流による誘導電流の差が抑制され、島状パターンに生じるクロストーク成分を抑制することができる。したがって、クロストーク成分が第１受信巻線に影響することを抑制することができ、第１磁束結合体及び第１受信巻線を利用した位置検出精度が悪化することを抑制することができる。

本発明の誘導検出型ロータリエンコーダにおいて、Ｃ１とＣ２は、２ｎ−０．３＜Ｃ１／Ｃ２＜２ｎ＋０．３の関係を満たすと特によい。このようにすれば、第２磁束結合体の外周側と内周側とにおける第１送信巻線に流れる電流による誘導電流の差をより効果的に抑制することができる。

本発明の誘導検出型ロータリエンコーダにおいて、ロータの回転方向における第２磁束結合体の個々の島状パターンの幅は、第１ピッチと等しいことを特徴とするとよい。このようにすれば、第２磁束結合体の外周側で誘導電流が発生する部分の長さと内周側で誘導電流が発生する部分の長さが等しくなり、内周側と外周側とで誘導電流が打ち消し合う。その結果、島状パターンに生じるクロストーク成分をほぼゼロにすることができ、第１磁束結合体及び第１受信巻線を利用した位置検出精度が悪化することを抑制することができる。

デジタル式マイクロメータを例示する正面図である。 第１実施形態に係る誘導検出型ロータリエンコーダの構成を例示する断面図である。 ステータ及びロータの構成を例示する模式的断面図である。 第１送信巻線及び第１受信巻線を例示する平面図である。 第１受信巻線の一つの受信巻線部を例示する平面図である。 第２送信巻線及び第２受信巻線を例示する平面図である。 第２受信巻線の一つの受信巻線部を例示する平面図である。 第１磁束結合体を例示する平面図である。 第２磁束結合体を例示する平面図である。 第１実施形態の誘導検出型ロータリエンコーダにおける第１磁束結合体、及び第２磁束結合体を直線に展開して位相関係を示す模式図である。 第１送信巻線に流れる送信電流に伴い、第１磁束結合体、及び第２磁束結合体に生じる誘導電流を説明するための図である。 第２実施形態における第２磁束結合体４１ｂを例示する平面図である。 第３実施形態に係る送信巻線３１ｃを示す概略図である。 従来の誘導検出型ロータリエンコーダにおける第１磁束結合体の構成を例示する平面図である。 従来の誘導検出型ロータリエンコーダにおける第２磁束結合体の構成を例示する平面図である。 従来の誘導検出型ロータリエンコーダにおける第１磁束結合体、及び第２磁束結合体を直線に展開して位相関係を示す模式図である。 図１７（ａ）及び（ｂ）は、第１送信巻線３１ａに流れる送信電流に伴い、第１磁束結合体４１ａ、及び第２磁束結合体４１ｂに生じる誘導電流を説明するための図である。

〔第１実施形態〕
以下、本発明の第１実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の説明では、同一の部材には同一の符号を付し、一度説明した部材については適宜その説明を省略する。
図１は、第１実施形態に係る誘導検出型ロータリエンコーダを適用したデジタル式マイクロメータを例示する正面図である。図１に表したように、デジタル式マイクロメータ１は、フレーム３と、シンブル５と、スピンドル７と、表示部９と、を備える。フレーム３は、シンブル５及びスピンドル７を支持する本体部３ａと、本体部３ａから間隔を開けて設けられるアンビル部３ｂとを有する。シンブル５は、フレーム３の本体部３ａに回転可能に取り付けられる。測定子であるスピンドル７は、フレーム３の本体部３ａで回転可能に支持される。

スピンドル７の一端７ａ側はフレーム３の本体部３ａからアンビル部３ｂに向けて突出している。アンビル部３ｂには、スピンドル７の一端７ａと対向するようにアンビル３ｃが取り付けられる。スピンドル７の他端側はフレーム３の本体部３ａに入り込む。スピンドル７の他端側には送りねじ（図１には示されない）が設けられる。この送りねじがシンブル５内に設けられたナット（図１には示されない）に嵌め込まれている。

フレーム３の本体部３ａの外装面には表示部９が設けられる。表示部９は、例えばセグメント方式で数値等を表示する液晶表示パネルである。このような構成において、シンブル５を正方向に回転させると、スピンドル７は、スピンドル７の軸（回転軸ＡＸ）に沿ってアンビル３ｃ側へ移動する。これにより、スピンドル７とアンビル３ｃとの間隔が狭くなる。一方、シンブル５を逆方向に回転させるとスピンドル７は回転軸ＡＸに沿ってアンビル３ｃとは反対側へ移動する。これにより、スピンドル７とアンビル３ｃとの間隔が広くなる。

対象物の大きさを測定する場合には、アンビル３ｃとスピンドル７の一端７ａとの間に対象物を配置し、シンブル５を正方向に回転させてアンビル３ｃとスピンドル７の一端７ａとの間で対象物を挟むようにする。この際のアンビル３ｃとスピンドル７の一端７ａとの間隔が測定結果として表示部９に表示される。

次に、本実施形態に係る誘導検出型ロータリエンコーダの構成について説明する。
図２は、本実施形態に係る誘導検出型ロータリエンコーダの構成を例示する断面図である。
図２に表したように、誘導検出型ロータリエンコーダ１１は、フレーム３の本体部３ａに設けられる。

誘導検出型ロータリエンコーダ１１は、ステータ１３と、ロータ１５とを備える。ステータ１３はステータブッシュ２１を介してフレーム３の本体部３ａに固定される。ロータ１５は、ステータ１３と対向し、回転軸ＡＸを中心に回転可能に設けられる。ロータ１５は、円筒状のロータブッシュ１９の端面に固定される。ロータブッシュ１９及びステータブッシュ２１にはスピンドル７が挿入される。

スピンドル７の表面には、シンブル５の内部に配置されたナットに嵌め込まれる送りねじ２３が形成される。また、スピンドル７の表面には、スピンドル７の長手方向（スピンドル７の進退方向）にキー溝２５が設けられる。キー溝２５には、ロータブッシュ１９に固定されたピン２７の先端部が嵌まっている。これにより、スピンドル７が回転すると、その回転力がピン２７を介してロータブッシュ１９に伝わり、ロータ１５が回転する。すなわち、スピンドル７の回転に連動してロータ１５が回転することになる。ピン２７はキー溝２５に固定されていないので、ロータ１５をスピンドル７とともに移動させずにロータ１５を回転させることができる。一方、ステータブッシュ２１はスピンドル７を回転させても回転しない。つまり、ステータ１３はスピンドル７を回転させても固定されたままである。

次に、ステータ１３及びロータ１５の構成について説明する。
図３は、ステータ１３及びロータ１５の構成を例示する模式的断面図である。
図３に表したように、ステータ１３は、積層された絶縁層３３Ａ、３３Ｂ、３３Ｃ及び３３Ｄを有する。絶縁層３３Ａ、３３Ｂ、３３Ｃ及び３３Ｄは、ロータ１５から離れる方向にこの順で積層される。絶縁層３３Ａ、３３Ｂ、３３Ｃ及び３３Ｄには、スピンドル７を通すための貫通孔３４が設けられる。

ロータ１５は、積層された絶縁層４２Ａ及び４２Ｂを有する。絶縁層４２Ａ及び４２Ｂは、ステータ１３から離れる方向にこの順で積層される。絶縁層４２Ａ及び４２Ｂには、スピンドル７を通すための貫通孔４３が設けられる。

ステータ１３には、第１受信巻線３２ａ及び第２受信巻線３２ｂが設けられる。第１受信巻線３２ａは、回転軸ＡＸを中心として環状に形成される。第１受信巻線３２ａの一部（第１層配線）は絶縁層３３Ａのロータ１５側に形成され、他部（第２層配線）は絶縁層３３Ａと絶縁層３３Ｂとの間に形成される。これらは絶縁層３３Ａを貫通するスルーホール又はビアを介して接続される。

第２受信巻線３２ｂは、回転軸ＡＸに沿った方向において第１受信巻線３２ａと重なる環状の領域に形成される。第２受信巻線３２ｂは、絶縁層３３Ｂを介して第１受信巻線３２ａと積層される。第２受信巻線３２ｂの一部（第３層配線）は絶縁層３３Ｂと絶縁層３３Ｃとの間に形成され、他部（第４層配線）は絶縁層３３Ｃと絶縁層３３Ｄとの間に形成される。これらは絶縁層３３Ｃを貫通するスルーホール又はビアを介して接続される。

さらに、ステータ１３には、第１送信巻線３１ａと、第２送信巻線３１ｂとが設けられる。第１送信巻線３１ａは、ステータ１３の内周側に設けられる第１内周側巻線部３１１ａと、ステータ１３の外周側に設けられる第１外周側巻線部３１２ａとを有する。第１内周側巻線部３１１ａ及び第１外周側巻線部３１２ａは回転軸ＡＸを中心として環状に設けられ、回転軸ＡＸを中心に互いに同じ回転方向に電流を流すよう構成される。第１送信巻線３１ａに流される電流の方向は周期的に変化する。この電流により発生する磁界をロータ１５に形成された第１磁束結合体４１ａに与える。

第２送信巻線３１ｂは、ステータ１３の内周側に設けられる第２内周側巻線部３１１ｂと、ステータ１３の外周側に設けられる第２外周側巻線部３１２ｂとを有する。第２内周側巻線部３１１ｂ及び第２外周側巻線部３１２ｂは回転軸ＡＸを中心として環状に設けられ、回転軸ＡＸを中心に互いに異なる回転方向に電流を流すよう構成される。第２送信巻線３１ｂに流される電流の方向は周期的に変化する。この電流により発生する磁界をロータ１５に形成された第２磁束結合体４１ｂに与える。

ロータ１５には、第１磁束結合体４１ａと、第２磁束結合体４１ｂとが設けられる。第１磁束結合体４１ａは、回転軸ＡＸを中心として環状に形成される。第１磁束結合体４１ａは、絶縁層４２Ａのステータ１３側に設けられる。第１磁束結合体４１ａは、当該第１磁束結合体４１ａに対向してステータに設けられる第１受信巻線３２ａとともに第１トラックを形成する。

第２磁束結合体４１ｂは、回転軸ＡＸに沿った方向において第１磁束結合体４１ａと環状の領域に形成される。第２磁束結合体４１ｂは、絶縁層４２Ａと絶縁層４２Ｂとの間に形成される。すなわち、第２磁束結合体４１ｂは、絶縁層４２Ａを介して第１磁束結合体４１ａと積層される。第２磁束結合体４１ｂは、当該第１磁束結合体４１ｂに対向してステータに設けられる第２受信巻線３２ｂとともに第２トラックを形成する。

本実施形態では、回転軸ＡＸに沿った方向において、第１受信巻線３２ａが第２受信巻線３２ｂと第１磁束結合体４１ａとの間に設けられ、第１磁束結合体４１ａが第１受信巻線３２ａと第２磁束結合体４１ｂとの間に設けられる。これにより、第１受信巻線３２ａは、第１磁束結合体４１ａと対向する。また、第２受信巻線３２ｂと第２磁束結合体４１ｂとの間には、第１受信巻線３２ａ及び第１磁束結合体４１ａが配置される。この配置によって、第１受信巻線３２ａで受信する信号強度を高くすることができる。第１受信巻線３２ａの受信信号が測定精度に影響を与える場合、この配置は好ましい。

次に、第１送信巻線３１ａ、第２送信巻線３１ｂ、第１受信巻線３２ａ、第２受信巻線３２ｂ、第１磁束結合体４１ａ及び第２磁束結合体４１ｂの平面的形状について説明する。

図４は、第１送信巻線及び第１受信巻線を例示する平面図である。
図４に表したように、第１送信巻線３１ａは、スピンドル７の回転軸ＡＸに対して同軸的に形成された第１内周側巻線部３１１ａ及び第１外周側巻線部３１２ａを有する。第１内周側巻線部３１１ａ及び第１外周側巻線部３１２ａは、絶縁層３３Ａのロータ１５側に設けられる。第１内周側巻線部３１１ａ及び第１外周側巻線部３１２ａは、それぞれ略円形の電流経路を持つ。第１内周側巻線部３１１ａ及び第１外周側巻線部３１２ａの電流経路を流れる電流の向きは、互いに同じ方向になるように構成される（図４の矢印参照）。

第１受信巻線３２ａは、第１送信巻線３１ａの第１内周側巻線部３１１ａと第１外周側巻線部３１２ａとの間に位置するように環状に形成される。第１受信巻線３２ａは、回転方向に位相を異ならせた３つの受信巻線部３２１ａ〜３２３ａにて構成される。受信巻線部３２１ａ〜３２３ａにおける互いに交差する部分は、絶縁層３３Ａを介して上下に配列され、相互にスルーホール又はビアを介して接続される。これにより、各々絶縁分離されて配置される。

図５は、第１受信巻線の一つの受信巻線部を例示する平面図である。
図５に表したように、受信巻線部３２１ａは、ロータ１５の回転方向にピッチλ１をもって周期的に変化するループ状（菱型状）の形状を有する。受信巻線部３２１ａにおいて、菱型状のパターン対ＰＡ１は１６個設けられる。なお、受信巻線部３２２ａ、３２３ａも受信巻線部３２１ａと同様の形状を有する。

図６は、第２送信巻線及び第２受信巻線を例示する平面図である。
図６に表したように、第２送信巻線３１ｂは、スピンドル７の回転軸ＡＸに対して同軸的に形成された第２内周側巻線部３１１ｂ及び第２外周側巻線部３１２ｂを有する。第２内周側巻線部３１１ｂ及び第２外周側巻線部３１２ｂは、絶縁層３３Ｃのロータ１５側に設けられる。

第２内周側巻線部３１１ｂ及び第２外周側巻線部３１２ｂは、それぞれ略円形の電流経路を持つ。第２内周側巻線部３１１ｂ及び第２外周側巻線部３１２ｂの電流経路を流れる電流の向きは、互いに異なる方向になるように構成される（図６の矢印参照）。

第２受信巻線３２ｂは、第１受信巻線３２ａと同様な形状を有し、回転方向に位相を異ならせた３つの受信巻線部３２１ｂ〜３２３ｂにて構成される。しかし、第２受信巻線３２ｂの回転方向のピッチは、第１受信巻線３２ａの回転方向のピッチと相違する。

図７は、第２受信巻線の一つの受信巻線部を例示する平面図である。
図７に表したように、受信巻線部３２１ｂは、ロータ１５の回転方向にピッチλ１とは異なるピッチλ２をもって周期的に変化するループ状（菱型状）の形状を有する。受信巻線部３２１ｂにおいて、菱型状のパターン対ＰＡ２は９個設けられる。なお、受信巻線部３２２ｂ、３２３ｂも受信巻線部３２１ｂと同様の形状を有する。

図８は、第１磁束結合体を例示する平面図である。
図８に表したように、第１磁束結合体４１ａは、スピンドル７に対して同軸的に形成され、第１受信巻線３２ａと空隙を介して重なるように形成される。第１磁束結合体４１ａは、第１受信巻線３２ａと同じピッチλ１をもってロータ１５の回転方向に周期的に変化する連続した歯車状の形状を有する。

第１磁束結合体４１ａは、スピンドル７に近づく方向に窪む凹部４１１ａと、スピンドル７から離れる方向に突出する凸部４１２ａとを交互に構成する。ピッチλ１における、凸部４１２ａが形成されている部分の比率（デューティ比）は５０％とされる。図８に表した例では、凹部４１１ａと凸部４１２ａとのパターン対ＰＡ３は１６個設けられる。したがって、本実施形態におけるピッチλ１は２２．５度となり、凹部４１１ａと凸部４１２ａは、それぞれピッチλ１において１１．２５度を占めるように形成される。

図９は、第２磁束結合体を例示する平面図である。
図９に表したように、第２磁束結合体４１ｂは、スピンドル７に対して同軸的に形成され、ロータ１５の回転方向に一定ピッチλ２で配置された複数の孤立した矩形ループのような島状パターンが断続的に形成されている。ピッチλ２における、島状パターンが形成されている部分の比率（デューティ比）は５０％とされる。図９に表した例では、第２磁束結合体４１ｂは９個設けられる。したがって、本実施形態におけるピッチλ２は４０度となり、島状パターンはその５０％の２０度を占めるように形成される。

上記のように構成される誘導検出型ロータリエンコーダ１１において、第１トラックを形成する第１磁束結合体４１ａ及び第１受信巻線３２ａはピッチλ１で周期的に変化するよう形成され、第２トラックを形成する第２磁束結合体４１ｂ及び第２受信巻線３２ｂはピッチλ２で周期的に変化するよう形成されている。ここで、回転軸ＡＸを中心とするロータ１５の１周（３６０度）に含まれるピッチλ１の周期の数をＣ１（本実施形態ではＣ１＝１６）、回転軸ＡＸを中心とするロータ１５の１周（３６０度）のに含まれるピッチλ２の周期数をＣ２（本実施形態ではＣ２＝９）として、周期数Ｃ１と周期数Ｃ２は、１以外の公約数を持たない整数（すなわち、互いに素）であり、且つ、次の式（１）の関係を満たし、
２ｎ−０．５＜Ｃ１／Ｃ２＜２ｎ＋０．５ ・・・（１）
ただし、ｎは１以上の整数である。
より好ましくは式（２）の関係を満たす。
２ｎ−０．３＜Ｃ１／Ｃ２＜２ｎ＋０．３ ・・・（２）

周期数Ｃ１と周期数Ｃ２の関係を定性的に説明すれば、周期数Ｃ１と周期数Ｃ２は、１以外の公約数を持たない整数（すなわち、互いに素）であり、且つ、Ｃ１はＣ２の約２ｎ倍となる。ピッチλ１とピッチλ２の関係においては、ピッチλ２はピッチλ１の約２ｎ倍となる。

本実施形態の例では、Ｃ１＝１６、Ｃ２＝９であり、Ｃ１／Ｃ２≒１．７８となって、ｎ＝１のとき上記式（１）及び（２）の関係を満たす。

続いて、以上のように構成される誘導検出型ロータリエンコーダ１１の動作について説明する。

誘導検出型ロータリエンコーダ１１においては、第１送信巻線３１ａに流す送信電流の方向を周期的に変化させ、この送信電流により発生する磁界をロータ１５に形成された第１磁束結合体４１ａに与える。第１磁束結合体４１ａには、磁束結合による誘導電流が流れる。第１受信巻線３２ａは、第１磁束結合体４１ａに流れる誘導電流によって発生した磁界に基づく誘導電圧を検出する。

また、誘導検出型ロータリエンコーダ１１においては、第２送信巻線３１ｂに流す送信電流の方向を周期的に変化させ、この送信電流により発生する磁界をロータ１５に形成された第２磁束結合体４１ｂに与える。第２磁束結合体４１ｂには、磁束結合による誘導電流が流れる。第２受信巻線３２ｂは、第２磁束結合体４１ｂに流れる誘導電流によって発生した磁界に基づく誘導電圧を検出する。

以下、第１送信巻線３１ａに流す送信電流に伴う誘導電流について詳述する。
図１０は、本実施形態の第１磁束結合体４１ａ、及び第２磁束結合体４１ｂを直線に展開して位相関係を示す模式図である。なお、第２磁束結合体４１ｂは、島状パターン４１ｂ−１〜４１ｂ−９で構成されているものとして説明する。周期数Ｃ１と周期数Ｃ２が１以外の公約数を持たない整数であることにより、１回転する間に同じ位相関係となる角度が存在しない。したがって、第１トラック及び第２トラックで検出される誘導電圧に基づいて、ロータ１５のステータ１３に対する位置（角度）を一意に特定することが可能となる。

図１１は、第１送信巻線３１ａに流れる送信電流に伴い、第１磁束結合体４１ａ、及び第２磁束結合体４１ｂに生じる誘導電流を説明するための図である。図１１に表した例では、第１トラックを測定するときに第１送信巻線３１ａの第１内周側巻線部３１１ａ及び第１外周側巻線部３１２ａに時計回りの電流Ｉｄ１が流れる。この電流Ｉｄ１によって、第１、第２磁束結合体４１ａ、４１ｂの外周側及び内周側の電流経路においては、それぞれ反時計回りに誘導電流Ｉｄ２１及びＩｄ２２が流れる。この場合、ループ状ではない第１磁束結合体４１ａの電流経路では誘導電流Ｉｄ２１及びＩｄ２２の打ち消し合いは発生しない。一方、ループ状の第２磁束結合体４１ｂでは誘導電流Ｉｄ２１及びＩｄ２２の打ち消し合いが発生する。

図１０に示されるように、第２磁束結合体４１ｂの島状パターン４１ｂ−１〜４１ｂ−９は、第１磁束結合体４１ａの歯車状のパターンとの測長（回転）方向における位置関係が異なっている。このため、従来の誘導検出型ロータリエンコーダと同様、島状パターン４１ｂ−１〜４１ｂ−９の各々に流れる誘導電流の方向と大きさにばらつきがある。しかし、第１磁束結合体４１ａと第２磁束結合体４１ｂは、その周期数Ｃ１と周期数Ｃ２が上述の式（１）の関係を満たし、ピッチλ２がピッチλ１の約２倍（具体的には約１．７８倍）となっていることにより、以下で説明するように、従来例と比較してクロストーク成分を抑制することができる。

図１１は、島状パターン４１ｂ−４の周辺において、第１送信巻線３１ａを流れる電流Ｉｄ１によって第１、第２磁束結合体４１ａ、４１ｂに生じる誘導電流を概略的に示している。

第１送信巻線３１ａの外周側に流れる電流Ｉｄ１によって、第２磁束結合体４１ｂの島状パターン４１ｂ−４に発生する誘導電流Ｉｄ２１は、島状パターン４１ｂ−４が第１磁束結合体４１ａと重なっていない部分（Ｂ部）で発生する。すなわち、Ｂ部では、第１送信巻線３１ａの外周側の近傍に第１磁束結合体４１ａの歯車状のパターンが存在しないため、第１送信巻線３１ａの外周側に流れる電流Ｉｄ１は、第１磁束結合体４１ａに誘導電流を発生させず、第２磁束結合体４１ｂの島状パターン４１ｂ−４に誘導電流Ｉｄ２１を発生させる。

第１送信巻線３１ａの内周側に流れる電流Ｉｄ１によって、第２磁束結合体４１ｂの島状パターン４１ｂ−４に発生する誘導電流Ｉｄ２２は、島状パターン４１ｂ−４が第１磁束結合体４１ａと重なっていない部分（Ａ部及びＣ部）で発生する。すなわち、Ａ部及びＣ部では、第１送信巻線３１ａの内周側の近傍に第１磁束結合体４１ａの歯車状のパターンが存在しないため、第１送信巻線３１ａの内周側に流れる電流Ｉｄ１は、第１磁束結合体４１ａに誘導電流を発生させず、第２磁束結合体４１ｂの島状パターン４１ｂ−４に誘導電流Ｉｄ２２を発生させる。

一方、第１磁束結合体４１ａと重なっている部分（Ａ部〜Ｃ部以外の部分）では、第１送信巻線３１ａの外周側及び内周側に流れる電流Ｉｄ１によって誘導される電流量はほぼ０となる。

図１１に示したように、Ｂ部の長さはＡ部とＣ部の長さの合計の約１．２８倍であるため、Ｉｄ２１＝１．２８×Ｉｄ２２となり、島状パターン４１ｂ−４に流れる合成電流Ｉｎ４は、Ｉｎ４＝Ｉｄ２１−Ｉｄ２２＝Ｉｄ２１−０．７８×Ｉｄ２１＝０．２２×Ｉｄ２１となる。Ｉｄ２１＞Ｉｄ２２であることから、合成電流Ｉｎ４は反時計方向に流れる。本実施形態の島状パターン４１ｂ−４では、ピッチλ２がピッチλ１の約２倍（具体的には約１．７８倍）となすることにより、外周側で誘導電流が発生する部分（Ｂ部）の長さと内周側で誘導電流が発生する部分（Ａ部とＣ部）の長さとの差を、従来（図１７（ａ）を参照）と比べ小さくすることができる。その結果、第１送信巻線３１ａに流れる電流に伴って島状パターン４１ｂ−４に生じるクロストーク成分を抑制することができる。

島状パターン４１ｂ−４以外の島状パターンでも同様に、ピッチλ２がピッチλ１の約２倍（具体的には約１．７８倍）となっていることにより、外周側で誘導電流が発生する部分（Ｂ部）の長さと内周側で誘導電流が発生する部分（Ａ部とＣ部）の長さとの差が、従来と比べ小さくなる。その結果、第２磁束結合体４１ｂの外周側と内周側とにおける第１送信巻線３１ａに流れる電流による誘導電流の差が抑制され、各島状パターン４１ｂ−１〜４１ｂ−９に生じるクロストーク成分を抑制することができる。したがって、第１トラックの検出精度が悪化することを抑制することができる。

〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態を図面に基づいて説明する。
本実施形態の誘導検出型ロータリエンコーダ１１ａは、第２磁束結合体４１ｂのパターンが第１実施形態の誘導検出型ロータリエンコーダ１１と異なっている。他の構成については誘導検出型ロータリエンコーダ１１と同様である。なお、以下の説明では、誘導検出型ロータリエンコーダ１１との共通部分については、同一符号を付してその説明を省略する。

図１２は、本実施形態における第２磁束結合体４１ｂを例示する平面図である。本実施形態において、第２磁束結合体４１ｂは、第１実施形態と同様に３６０度の回転につき９周期となる一定ピッチλ２（４０度）でロータ１５の回転方向に配置された複数の孤立した矩形ループのような島状パターンに形成されている。第１実施形態では、島状パターンを、ピッチλ２の５０％を占めるように形成したが、本実施形態では、図１２に示したように、ロータ１５の回転方向における島状パターンの幅をピッチλ１の整数倍（図１２の例では１倍）となるように形成する。本実施形態の第１トラックは第１実施形態と同様であり、ピッチλ１は２２．５度なので、第２磁束結合体４１ｂの島状パターンは、ピッチλ２のうち２２．５度を占めるように形成される。このような構成により、本実施形態では、クロストーク成分をさらに効果的に抑制することができる。

第２磁束結合体４１ｂを構成する島状パターン４１ｂ−１〜４１ｂ−９のうち、島状パターン４１ｂ−４の周辺において、第１送信巻線３１ａを流れる電流Ｉｄ１によって第１、第２磁束結合体４１ａ、４１ｂに生じる誘導電流は、図１１に示した第１実施形態と同様の原理にて生じるが、下記のとおり、島状パターン４１ｂ−４に生じるクロストーク成分は完全に打ち消されることとなる。

すなわち、第１送信巻線３１ａの外周側に流れる電流Ｉｄ１によって、第２磁束結合体４１ｂの島状パターン４１ｂ−４に発生する誘導電流Ｉｄ２１は、島状パターン４１ｂ−４が第１磁束結合体４１ａと重なっていない部分（Ｂ部）で発生する。すなわち、Ｂ部では、第１送信巻線３１ａの外周側の近傍に第１磁束結合体４１ａの歯車状のパターンが存在しないため、第１送信巻線３１ａの外周側に流れる電流Ｉｄ１は、第１磁束結合体４１ａに誘導電流を発生させず、第２磁束結合体４１ｂの島状パターン４１ｂ−４に誘導電流Ｉｄ２１を発生させる。

第１送信巻線３１ａの内周側に流れる電流Ｉｄ１によって、第２磁束結合体４１ｂの島状パターン４１ｂ−４に発生する誘導電流Ｉｄ２２は、島状パターン４１ｂ−４が第１磁束結合体４１ａと重なっていない部分（Ａ部及びＣ部）で発生する。すなわち、Ａ部及びＣ部では、第１送信巻線３１ａの内周側の近傍に第１磁束結合体４１ａの歯車状のパターンが存在しないため、第１送信巻線３１ａの内周側に流れる電流Ｉｄ１は、第１磁束結合体４１ａに誘導電流を発生させず、第２磁束結合体４１ｂの島状パターン４１ｂ−４に誘導電流Ｉｄ２２を発生させる。

一方、第１磁束結合体４１ａと重なっている部分（Ａ部〜Ｃ部以外の部分）では、第１送信巻線３１ａの外周側に流れる電流Ｉｄ１によって誘導される電流量はほぼ０となる。

島状パターン４１ｂ−４の幅がピッチλ１と等しいため、Ｂ部の長さはＡ部とＣ部の長さの合計と等しく、Ｉｄ２１＝Ｉｄ２２となる。その結果、島状パターン４１ｂ−４に流れる合成電流Ｉｎ４は、Ｉｎ４＝Ｉｄ２１−Ｉｄ２２＝０となり、クロストーク成分は完全に打ち消される。

島状パターン４１ｂ−４以外の島状パターンでも同様に、島状パターンの幅がピッチλ１と等しいことにより、外周側で誘導電流が発生する部分の長さと内周側で誘導電流が発生する部分の長さが等しくなり、内周側と外周側とで誘導電流が打ち消し合う。その結果、各島状パターン４１ｂ−１〜４１ｂ−９に生じるクロストーク成分をほぼゼロにすることができ、第１トラックの検出精度が悪化することを抑制することができる。

第２実施形態の第２磁束結合体４１ｂは、デューティ比が５０％ではないため、第２トラックで検出される誘導電圧の波形にひずみが生じ、第２トラック単体としての狭範囲精度はデューティ比５０％の場合と比較して若干悪化する可能性がある。しかし、第２トラックでの検出結果は、第１トラックでの検出結果と照らして両者の位相関係からロータ１５の絶対位置を特定するためのものであり、第２トラックの自体の検出精度は重要でない。このため、上記の構成により第１トラックの検出精度が向上することにより、誘導検出型ロータリエンコーダ１２の総合的な位置検出精度が向上する。

〔第３実施形態〕
次に、第３実施形態に係る誘導検出型ロータリエンコーダ１１ｂについて説明する。第３実施形態は、第１実施形態又は第２実施形態の第１、第２送信巻線３１ａ、３１ｂを一つの送信巻線３１ｃに置き換え、電流の流す向きを切り替えるようにしたものである。送信巻線３１ｃは、電流方向が周期的に変化する送信電流を流し、これにより発生する磁界を第１、第２磁束結合体４１ａ、４１ｂに与える。送信巻線３１ｃの内周側及び外周側の電流経路は、より高い信号強度を得るため絶縁層３３Ａのロータ１５側の表面だけに設けるとよい。この他、第３実施形態は、第１実施形態又は第２実施形態と同様の構成を有する。よって、以下、図１３を参照して第３実施形態に係る送信巻線３１ｃ及びその周辺回路のみを説明する。

本実施形態のロータリエンコーダ１１ｂは、図１３（ａ）に示すように、送信巻線３１ｃの内周側の電流経路に流れる電流の向きを反転させるためのスイッチＳ１、Ｓ２を有する。このスイッチＳ１、Ｓ２の切り替えにより、送信巻線３１ｃは、図１３（ｂ）に示す状態Ａ、図１３（ｃ）に示す状態Ｂに設定可能とされる。図１３（ｂ）に示す状態Ａにおいては、送信巻線３１ｃの外周側の経路に流れる電流の向きが送信巻線３１ｃの内周側の経路に流れる電流の向きと同じとなる（矢印参照）。図１３（ｃ）に示す状態Ｂにおいては、送信巻線３１ｃの外周側の経路に流れる電流の向きが送信巻線３１ｃの内周側の経路に流れる電流の向きと逆となる（矢印参照）。

以上により、第３実施形態は、第１実施形態又は第２実施形態と同様の効果を奏する。また、第３実施形態は、１つの送信巻線３１ｃしか有さないため、２つの送信巻線３１ａ、３１ｂを有する第１実施形態及び第２実施形態と比較して、巻線周りの構成を簡略化することができる。

以上説明したように、実施形態によれば、磁束結合体において誘導電流の打ち消しが行われる際のクロストークの発生を抑制して精度の高い位置検出を行うことができる誘導検出型ロータリエンコーダを提供することが可能になる。

〔実施形態の変形〕
なお、上記に本発明の実施形態を説明したが、本発明はこれらの例に限定されるものではない。例えば、上記各実施形態では、周期数Ｃ１と周期数Ｃ２を、Ｃ１＝１６、Ｃ２＝９とした場合を例に説明したが、周期数Ｃ１と周期数Ｃ２は、１以外の公約数を持たない整数（すなわち、互いに素）であり、式（１）（より好ましくは式（２））の関係を満たせば、いかなる値の組み合わせとしてもよい。

また、第２実施形態では、ロータ１５の回転方向における島状パターンの幅がピッチλ１と等しい（つまりλ１の１倍である）場合を例に説明したが、ロータ１５の回転方向における島状パターンの幅はピッチλ１の整数倍であれば、２倍以上であってもよい。また、前述の各実施形態に対して、当業者が適宜、構成要素の追加、削除、設計変更を行ったものや、各実施形態の特徴を適宜組み合わせたものも、本発明の要旨を備えている限り、本発明の範囲に含有される。

以上のように、本発明は、デジタルマイクロメータのほか、デジタルインジケータなど回転量を検出して測定値を求める各種測定器に好適に利用できる。

１…デジタル式マイクロメータ
３…フレーム
５…シンブル
７…スピンドル
９…表示部
１１，１２…誘導検出型ロータリエンコーダ
１３…ステータ
１５…ロータ
３１ａ…第１送信巻線
３１ｂ…第２送信巻線
３２ａ…第１受信巻線
３２ｂ…第２受信巻線
３３Ａ，３３Ｂ，３３Ｃ，３３Ｄ…絶縁層
４１ａ…第１磁束結合体
４１ｂ…第２磁束結合体
４２Ａ，４２Ｂ…絶縁層
３１１ａ…第１内周側巻線部
３１１ｂ…第２内周側巻線部
３１２ａ…第１外周側巻線部
３１２ｂ…第２外周側巻線部

Claims (3)

1. ステータと、
   前記ステータと対向し、回転軸を中心に回転可能に設けられたロータと、
   前記ステータに設けられ、前記回転軸を中心に互いに同じ回転方向に電流を流す第１内周側巻線部及び第１外周側巻線部を有する第１送信巻線と、
   前記ステータに設けられ、前記回転軸を中心として環状に形成された第１受信巻線と、
   前記ステータに設けられ、前記回転軸に沿った方向に前記第１受信巻線と重なるように環状に形成され、前記第１受信巻線との間に第１絶縁層を介して形成された第２受信巻線と、
   前記ロータに前記回転軸を中心として環状に形成され、前記第１受信巻線と磁束結合する第１磁束結合体と、
   前記ロータに前記回転軸に沿った方向に第１磁束結合体と重なるように環状に形成され、前記第１磁束結合体との間に第２絶縁層を介して形成され、前記第１受信巻線と磁束結合する第２磁束結合体と、
   を備え、
   前記第１磁束結合体は、第１ピッチをもって前記ロータの回転方向に周期的に変化する歯車状の連続なパターンで形成され、
   前記第２磁束結合体は、前記第１ピッチと異なる第２ピッチをもって前記ロータの回転方向に周期的に変化する島状の孤立したパターンで形成され、
   前記回転軸を中心とするロータの１周に含まれる前記第１ピッチの周期の数をＣ１、前記回転軸を中心とする前記ロータの１周に含まれる前記第２ピッチの周期数をＣ２として、Ｃ１とＣ２は１以外の公約数を持たない整数（すなわち、互いに素）であり、且つ、２ｎ−０．５＜Ｃ１／Ｃ２＜２ｎ＋０．５（ただし、ｎは１以上の整数）の関係を満たすことを特徴とする誘導検出型ロータリエンコーダ。
2. Ｃ１とＣ２は、２ｎ−０．３＜Ｃ１／Ｃ２＜２ｎ＋０．３の関係を満たすことを特徴とする請求項１に記載の誘導検出型ロータリエンコーダ。
3. 前記ロータの回転方向における前記第２磁束結合体の個々の島状パターンの幅は、前記第１ピッチと等しいことを特徴とする、請求項１または２に記載の誘導検出型ロータリエンコーダ。

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