JP2020056754A - 電磁誘導式エンコーダ - Google Patents

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Abstract

【課題】測定精度を向上させることができる電磁誘導式エンコーダを提供する。【解決手段】電磁誘導式エンコーダは、それぞれが略平板形状を有して対向配置され、測定軸方向に相対移動する検出ヘッド１０およびスケールを備え、検出ヘッド１０は、磁束を発生する送信コイル５０を備え、スケールは、測定軸方向において配列され、送信コイル５０が発生する磁束と電磁結合し、測定軸方向に所定の空間周期で変化する磁束を発生する複数の結合コイルを備え、検出ヘッド１０は、所定面において、測定軸方向に沿って配列され複数の結合コイルが発生する磁束と電磁結合して当該磁束の位相を検出する複数のコイルを有する受信コイル６０を備え、受信コイル６０の複数のコイルは、互いに隣接する２つのコイルの電流の向きが逆になるように配線されていることを特徴とする。【選択図】図４

Description

本件は、電磁誘導式エンコーダに関する。
検出ヘッドとスケールとの間の電磁結合を利用した電磁誘導式エンコーダが知られている（例えば、特許文献１〜３参照）。電磁誘導式エンコーダでは、検出ヘッドが備える送信コイルに電流を流すことによって磁束が発生する。これにより、スケールに備わる結合コイルに起電流が発生する。次に、結合コイルの起電流によって発生する磁束によって、検出ヘッドの受信コイルに起電流が発生する。スケールに対する検出ヘッドの相対的な変位量に応じて各コイル間の電磁結合が変化し、スケールの結合コイルのピッチと同じ周期の正弦波信号が得られる。この正弦波信号を電気的に内挿することによって最小分解能のデジタル量として用いることができ、検出ヘッドの変位量を測定することができる。
特開２０００−１８０２０９号公報 特開２００１−２５５１０８号公報 特開２００８−０３２５４６号公報
これらの電磁誘導式エンコーダにおいては、外乱の影響を抑制するために、受信コイルが「８」の字を横にしたツイストペア構造を有している。このツイストペア構造は、配線を交差させる箇所があるため、プリント基板上の2層以上の配線層を使用して作成する必要がある。しかしながら、２層の位置関係にずれが生じると、意図しないコイル形状が生じる。特に、受信コイルの製造ごとに異なる位置ずれが生じると、全個体に共通の補正値を適用することも困難である。以上のことから、２層構造の受信コイルでは、十分な測定精度が得られないおそれがある
１つの側面では、本発明は、測定精度を向上させることができる電磁誘導式エンコーダを提供することを目的とする。
１つの態様では、本発明に係る電磁誘導式エンコーダは、それぞれが略平板形状を有して対向配置され、測定軸方向に相対移動する検出ヘッドおよびスケールを備え、前記検出ヘッドは、磁束を発生する送信コイルを備え、前記スケールは、前記測定軸方向において配列され、前記駆動コイルが発生する磁束と電磁結合し、前記測定軸方向に所定の空間周期で変化する磁束を発生する複数の結合コイルを備え、前記検出ヘッドは、所定面において、前記測定軸方向に沿って配列され前記複数の結合コイルが発生する磁束と電磁結合して当該磁束の位相を検出する複数のコイルを有する受信コイルを備え、前記受信コイルの複数のコイルは、互いに隣接する２つのコイルの電流の向きが逆になるように配線されていることを特徴とする。
上記電磁誘導式エンコーダにおいて、前記受信コイルは、前記検出ヘッドに備わる基板上に形成され、前記受信コイルの複数のコイルは、開ループコイルであり、前記受信コイルの前記複数のコイルは、前記基板の前記測定軸方向と平行な２側面のうち第１側面側に端子を有する第１コイルと、前記２側面のうち第２側面側に端子を有する第２コイルとが交互に配列された構成を有していてもよい。
上記電磁誘導式エンコーダにおいて、前記受信コイルおよび前記送信コイルが、それぞれ複数設けられ、複数の前記受信コイルは、互いに位相が異なるように配置され、複数の前記送信コイルは、複数の前記受信コイルのそれぞれを囲むように設けられていてもよい。
測定精度を向上させることができる電磁誘導式エンコーダを提供することができる。
検出ヘッドとスケールとの間の電磁結合を利用した電磁誘導式エンコーダの構成を例示する図である。 （ａ）および（ｂ）は２層構造の受信コイルを例示する図である。 （ａ）は上層のプリント基板に形成された第１配線パターンを例示する図であり、（ｂ）は下層のプリント基板に形成された第２配線パターンを例示する図である。 （ａ）は検出ヘッドの詳細を例示する図であり、（ｂ）はコイルの詳細を例示する図である。 ２つの受信コイルを例示する図である。 ２つの受信コイルを例示する図である。
以下、図面を参照しつつ、実施形態について説明する。
図１は、検出ヘッドとスケールとの間の電磁結合を利用した電磁誘導式エンコーダ１００の構成を例示する図である。図１で例示するように、電磁誘導式エンコーダ１００は、測定軸方向に相対移動する検出ヘッド１０とスケール２０とを有する。検出ヘッド１０およびスケール２０は、それぞれ略平板形状を有し、所定の隙間を介して対向配置されている。また、電磁誘導式エンコーダ１００は、送信信号生成部３０、変位量測定部４０などを備えている。図１において、Ｘ軸は、検出ヘッド１０の変位方向（測定軸）を表している。なお、スケール２０が構成する平面において、Ｘ軸と直交する方向をＹ軸とする。
検出ヘッド１０には、送信コイル５０、受信コイル６０などが設けられている。送信コイル５０は、Ｘ軸方向に長さ方向を有する矩形コイルを構成している。図１で例示するように、受信コイル６０は、送信コイル５０の内側に配置されている。受信コイル６０の形状については後述する。
スケール２０においては、矩形状を有する複数の結合コイル２１が、Ｘ軸方向に沿って、基本周期λで配列されている。各結合コイル２１は、閉じられた閉ループコイルである。各結合コイル２１は、送信コイル５０と電磁結合するとともに、受信コイル６０と電磁結合する。
送信信号生成部３０は、単相交流の送信信号を生成し、送信コイル５０に供給する。この場合、送信コイル５０に磁束が発生する。それにより、複数の結合コイル２１に起電流が発生する。当該複数の結合コイル２１は、送信コイル５０が発生する磁束と電磁結合することで、Ｘ軸方向に所定の空間周期で変化する磁束を発生する。結合コイル２１が発生する磁束は、受信コイル６０に起電流を生じさせる。検出ヘッド１０の変位量に応じて各コイル間の電磁結合が変化し、基本周期λと同じ周期の正弦波信号が得られる。したがって、受信コイル６０は、複数の結合コイル２１が発生する磁束の位相を検出する。変位量測定部４０は、この正弦波信号を電気的に内挿することによって最小分解能のデジタル量として用いることができ、検出ヘッド１０の変位量を測定する。
ここで、比較例として、２層構造を有する受信コイル２０１について説明する。図２（ａ）は、２層構造の受信コイル２０１を例示する図である。受信コイル２０１は、略矩形状のコイル形状をなす送信コイル２０２よりも内側に設けられている。受信コイル２０１は、図２（ｂ）で例示するように、「８」の字を横にした形状を有している。すなわち、受信コイル２０１は、電流の向きが時計回りと反時計回りのように電流の進行方向が逆になった２つのコイルを隣接させて接続したツイストペア構造を有している。受信コイル２０１がツイストペア構造を有することで、外乱の影響を抑制することができる。
このツイストペア構造は、２つのコイルを接続する箇所で交差するため、２層構造を有している。図３（ａ）は、上層のプリント基板に形成された第１配線パターン２０３を例示する図である。図３（ｂ）は下層のプリント基板に形成された第２配線パターン２０４を例示する図である。上層と下層とを貼り合わせ、第１配線パターン２０３の端子と第２配線パターン２０４の端子とを貫通配線などで接続することで、受信コイル２０１を構成することができる。
しかしながら、上層と下層とを貼り合わせる位置精度が低いと、位置ずれが生じる。この場合、意図しないコイル形状が生じる。そこで、例えば、意図しないコイル形状に合わせて補正値を適用することが考えられる。しかしながら、受信コイルの製造ごとに異なる位置ずれが生じると、全個体に共通の補正値を適用することできない。以上のことから、２層構造を有する受信コイル２０１を用いると、十分な測定精度が得られないおそれがある。
そこで、本実施形態に係る受信コイル６０は、測定精度を向上させることができる構成を有している。
図４（ａ）は、検出ヘッド１０の詳細を例示する図である。図４（ａ）で例示するように、検出ヘッド１０は、基板７０の一面に、送信コイル５０および受信コイル６０が形成された構造を有する。例えば、基板７０はプリント基板であり、送信コイル５０および受信コイル６０はプリント配線である。基板７０は、Ｘ軸方向に長さ方向を有している。基板７０において、Ｘ軸方向と平行をなす２側面を、第１側面７１および第２側面７２と称する。また、基板７０において、第１側面７１および第２側面７２以外の２側面を、第３側面７３および第４側面７４と称する。
上述したように、送信コイル５０は、Ｘ軸方向に長さ方向を有する矩形コイルを構成している。受信コイル６０は、送信コイル５０の内側に配置されている。図４（ａ）および図４（ｂ）で例示するように、受信コイル６０は、Ｘ軸方向に沿って、複数の第１コイル６１と複数の第２コイル６２とが交互に並ぶように配列されている。また、第１コイル６１において電流が周回する向きと第２コイル６２における電流が周回する向きとが逆になるように、第１コイル６１および第２コイル６２が配線されている。
図４（ｂ）で例示するように、第１コイル６１は、配線を周回させた開ループコイル６１ａと、開ループコイル６１ａから外側に引き出した２本の配線からなる端子６１ｂとを備える。同様に、第２コイル６２は、配線を周回させた開ループコイル６２ａと、開ループコイル６２ａから外側に引き出した２本の配線からなる端子６２ｂとを備える。
例えば、第１コイル６１は、第１側面７１側に端子６１ｂを備えている。各端子６１ｂは、Ｘ軸方向に延びる配線６３によって互いに接続されている。それにより、配線６３を流れる電流は、端子６１ｂの一方の配線に流れ、開ループコイル６１ａを周回し、端子６１ｂの他方の配線を通って配線６３に流れ、隣接する第１コイル６１の端子６１ｂの一方の配線に流れ、開ループコイル６１ａを周回し、端子６１ｂの他方の配線を通って配線６３に流れる。
第２コイル６２は、第２側面７２側に端子６２ｂを備えている。各端子６２ｂは、Ｘ軸方向に延びる配線６４によって互いに接続されている。それにより、配線６４を流れる電流は、端子６２ｂの一方の配線に流れ、開ループコイル６２ａを周回し、端子６２ｂの他方の配線を通って配線６４に流れ、隣接する第２コイル６２の端子６２ｂの一方の配線に流れ、開ループコイル６２ａを周回し、端子６２ｂの他方の配線を通って配線６４に流れる。
Ｘ軸方向において配線６３を流れる電流の方向と配線６４を流れる電流の方向とを逆にすることで、第１コイル６１を周回する電流の向きと第２コイル６２を周回する電流の向きとを逆にすることができる。例えば、配線６３は、最も第３側面７３側に位置する第１コイル６１から第４側面７４側に向かって延び、配線６４に接続され、当該配線６４は、最も第４側面７４側に位置する第２コイル６２から第３側面７３側に向かって延びる。
以上のように、本実施形態に係る受信コイル６０は、電流が互いに逆方向に周回する２つの隣接するコイルが、交差することなく、Ｘ軸方向に配列された構造を有している。それにより、受信コイル６０は、プリント基板７０の一面上で構成されるため、２層構造を有していない。したがって、２枚のプリント基板を貼り合わせる工程が省略され、貼り合わせの位置精度が必要なくなる。その結果、電磁誘導式エンコーダ１００の測定精度が向上することになる。
この受信コイル６０を用いて位置検出を行うためには、Ｘ軸方向において互いに位相がずれた２つ以上の受信コイル６０を用いることになる。図５は、２つの受信コイル６０を例示する図である。図５で例示するように、２つの受信コイル６０は、基板７０の一面において、Ｙ軸方向に隣接させて配置してある。また、２つの受信コイル６０は、Ｘ軸方向において互いに位相がずれている。すなわち、Ｘ軸方向において、各コイルの位置が、２つの受信コイル６０の間で互いに異なっている。
また、２つの受信コイル６０のそれぞれを囲むように、２つの送信コイル５０が設けられている。送信コイル５０および受信コイル６０のペアを、それぞれ同層に設けることで、送信コイル５０および受信コイル６０を２枚のプリント基板に分ける必要がなくなる。それにより、送信コイル５０と受信コイル６０との位置ずれが抑制される。したがって、電磁誘導式エンコーダ１００の測定精度が向上する。
これらの２つの受信コイル６０を、基板７０の厚み方向に積層することで、図６のような２相の受信コイルを構成することもできる。なお、図６の構成では、一方の受信コイル６０とスケール２０との距離と、他方の受信コイル６０とスケール２０との距離とが異なるため、一方の受信コイル６０が検出する信号の強度と、他方の受信コイル６０が検出する信号の強度とが異なっている。この強度差については、距離差に応じて補正すればよい。
上記例において、検出ヘッド１０およびスケール２０が、それぞれが略平板形状を有して対向配置され、測定軸方向に相対移動する検出ヘッドおよびスケールの一例である。結合コイル２１が、前記測定軸方向において配列され、前記駆動コイルが発生する磁束と電磁結合し、前記測定軸方向に所定の空間周期で変化する磁束を発生する複数の結合コイルの一例である。受信コイル６０が、前記検出ヘッドの所定面において、前記測定軸方向に沿って配列され前記複数の結合コイルが発生する磁束と電磁結合して当該磁束の位相を検出する複数のコイルを有する受信コイルの一例である。
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
１０ 検出ヘッド
２０ スケール
２１ 結合コイル
３０ 送信信号生成部
４０ 変位量測定部
５０ 送信コイル
６０ 受信コイル
６１ 第１コイル
６１ａ 開ループコイル
６１ｂ 端子
６２ 第２コイル
６２ａ 開ループコイル
６２ｂ 端子
６３，６４ 配線
７０ 基板
７１ 第１側面
７２ 第２側面
７３ 第３側面
７４ 第４側面
１００ 電磁誘導式エンコーダ

Claims (3)

  1. それぞれが略平板形状を有して対向配置され、測定軸方向に相対移動する検出ヘッドおよびスケールを備え、
    前記検出ヘッドは、磁束を発生する送信コイルを備え、
    前記スケールは、前記測定軸方向において配列され、前記駆動コイルが発生する磁束と電磁結合し、前記測定軸方向に所定の空間周期で変化する磁束を発生する複数の結合コイルを備え、
    前記検出ヘッドは、所定面において、前記測定軸方向に沿って配列され前記複数の結合コイルが発生する磁束と電磁結合して当該磁束の位相を検出する複数のコイルを有する受信コイルを備え、
    前記受信コイルの複数のコイルは、互いに隣接する２つのコイルの電流の向きが逆になるように配線されていることを特徴とする電磁誘導式エンコーダ。
  2. 前記受信コイルは、前記検出ヘッドに備わる基板上に形成され、
    前記受信コイルの複数のコイルは、開ループコイルであり、
    前記受信コイルの前記複数のコイルは、前記基板の前記測定軸方向と平行な２側面のうち第１側面側に端子を有する第１コイルと、前記２側面のうち第２側面側に端子を有する第２コイルとが交互に配列された構成を有することを特徴とする請求項１記載の電磁誘導式エンコーダ。
  3. 前記受信コイルおよび前記送信コイルが、それぞれ複数設けられ、
    複数の前記受信コイルは、互いに位相が異なるように配置され、
    複数の前記送信コイルは、複数の前記受信コイルのそれぞれを囲むように設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の電磁誘導式エンコーダ。
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