JP2020122666A - 電磁誘導式エンコーダ - Google Patents

Abstract

【課題】トラック間の影響を抑制す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２０を備え、スケール２０は、測定軸方向に周期的に配置されかつ導体からなる複数の周期的要素を備え、複数の周期的要素は、導体によって接続され、検出ヘッド１０は、複数の周期的要素のそれぞれに対して、互いに逆向きの２以上の渦電流を発生させるように配線された送信コイルを備え、検出ヘッド１０は、複数の周期的要素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受信コイルと、を備えることを特徴とする電磁誘導式エンコーダ。【選択図】図３

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１参照）。

特開２０００−１８０２０９号公報

スケールに複数のトラックを有する電磁誘導式エンコーダでは、着目しているトラックに対して隣のトラックから意図しない信号が入力されるおそれがある。意図しない信号は誤検出の原因となるため、トラック間の距離を十分に離すことでトラック間の影響を低減することが考えられる。しかしながら、電磁誘導式エンコーダを小型化しようとした場合、トラック間の距離を十分に確保できないおそれがある。

１つの側面では、本発明は、トラック間の影響を抑制す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、前記スケールは、前記測定軸方向に周期的に配置されかつ導体からなる複数の周期的要素を備え、前記複数の周期的要素は、導体によって接続され、前記検出ヘッドは、前記複数の周期的要素のそれぞれに対して、互いに逆向きの２以上の渦電流を発生させるように配線された送信コイルを備え、前記検出ヘッドは、前記複数の周期的要素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受信コイルと、を備え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、前記スケールは、平板形状の導体であって、測定軸方向に複数の貫通孔が形成された構造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、前記周期的要素は、前記複数の貫通孔のうち、隣り合う２つの貫通孔の間の導体部分としてもよい。

上記電磁誘導式エンコーダにおいて、前記周期的要素は、前記複数の貫通孔のうち隣り合う２つの貫通孔を囲む導体部分としてもよい。

上記電磁誘導式エンコーダにおいて、前記受信コイルは、前記２以上の渦電流をそれぞれ検出する２以上のコイルを備えていてもよい。

上記電磁誘導式エンコーダにおいて、前記送信コイルは、前記測定軸に長さ方向を有する矩形コイルが２つ並び、各矩形コイルでの電流の向きが逆向きになるように配線されたツイスト構造を有していてもよい。

トラック間の影響を抑制す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。

（ａ）は比較形態に係る検出ヘッドを例示する図であり、（ｂ）は比較形態に係るスケールを例示する図である。 電流の流れを例示する図である。 （ａ）は第１実施形態に係る検出ヘッドを例示する図であり、（ｂ）は第１実施形態に係るスケールを例示する図である。 送信コイルに電流を流した時のスケール上の電流の流れを例示する図である。 （ａ）〜（ｃ）はスケールの構造を例示する図である。 （ａ）〜（ｄ）は第２実施形態に係る電磁誘導式エンコーダについて説明するための図である。 （ａ）〜（ｅ）は第３実施形態に係る電磁誘導式エンコーダについて説明するための図である。

（比較形態）
実施形態の説明に先立って、比較形態について説明する。図１（ａ）および図１（ｂ）は、比較形態に係る電磁誘導式エンコーダについて説明するための図である。図１（ａ）は、検出ヘッド２１０を例示する図である。図１（ｂ）は、スケール２２０を例示する図である。検出ヘッド２１０およびスケール２２０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る。

図１（ａ）で例示するように、検出ヘッド２１０には、トラックＡについて、送信コイル２１１Ａ、受信コイル２１２Ａなどが設けられている。送信コイル２１１Ａは、矩形コイルを構成している。受信コイル２１２Ａは、送信コイル２１１Ａの内側に配置されている。

図１（ｂ）で例示するように、スケール２２０においては、トラックＡについて、矩形状を有する複数の導体２２１Ａが、測定軸に沿って基本周期λＡで配列されている。各導体２２１Ａは、互いに離間しており、互いに絶縁されている。各導体２２１Ａは、送信コイル２１１Ａと電磁結合するとともに、受信コイル２１２Ａと電磁結合する。

また、検出ヘッド２１０には、トラックＢについて、送信コイル２１１Ｂ、受信コイル２１２Ｂなどが設けられている。送信コイル２１１Ｂおよび受信コイル２１２Ｂは、送信コイル２１１Ａおよび受信コイル２１２Ａと同様の構成を有している。スケール２２０において、トラックＢについて、矩形状を有する複数の導体２２１Ｂが、測定軸に沿って基本周期λＢで配列されている。

トラックＡの信号を得たい場合、送信コイル２１１Ａに電流を流し、導体２２１Ａを介して受信コイル２１２Ａに発生する起電力を測定する。理想的には、受信コイル２１２Ａは、導体２２１Ａに発生した渦電流による影響のみを検出することが好ましい。

しかしながら、図２で例示するように、送信コイル２１１Ａに電流を流すことで、導体２２１Ｂに渦電流が発生してしまう。したがって、受信コイル２１２Ａは、導体２２１Ｂの渦電流の影響も受けてしまう。これがスケール２２０の全体にわたって均一であればよいが、トラックＡとトラックＢとで、導体の形状、位置等が異なっているため、スケール位置によってはトラックＢの影響が強くなったり弱くなったりする。この影響の変化に起因して、電磁誘導式エンコーダの位置検出精度は、位置によって良くなったり悪くなったりする。位置検出精度のバラツキを抑制するために、トラックＡとトラックＢとの間隔を広げることが考えられるが、装置を小型化しようとすると、トラック間の距離を十分に確保できないおそれがある。

以下の実施形態では、トラック間の影響を抑制することができる電磁誘導式エンコーダについて説明する。

（第１実施形態）
図３（ａ）および図３（ｂ）は、第１実施形態に係る電磁誘導式エンコーダ１００について説明するための図である。図３（ａ）は、検出ヘッド１０を例示する図である。図３（ｂ）は、スケール２０を例示する図である。

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、図４のように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３（ａ）および図３（ｂ）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、トラックＡについて、送信コイル１１Ａ、受信コイル１２Ａなどが設けられている。送信コイル１１Ａは、Ｘ軸方向に長さ方向を有する矩形コイルがＹ軸方向に２つ並び、各矩形コイルでの電流の向きが逆向きになるように配線されたツイスト構造を有している。すなわち、送信コイル１１Ａは、２段のコイルを有している。受信コイル１２Ａは、２つのコイルがＹ軸方向に２つ並び、各コイルでの電流の向きが逆向きになるように配線されたツイスト構造を有している。送信コイル１１Ａの一方の矩形コイルの内側に受信コイル１２Ａの一方のコイルが配置され、送信コイル１１Ａの他方の矩形コイルの内側に受信コイル１２Ａの他方のコイルが配置されている。

スケール２０は、トラックＡについて、周期的に配置された複数の要素が互いに接続された構造を有している。図３（ｂ）の例では、スケール２０は、Ｘ軸方向に沿って、導体であって矩形状を有する複数の周期的要素２１Ａが基本周期λＡで配列され、各周期的要素２１Ａが、導体の接続部２２Ａで接続された構造を有している。各周期的要素２１Ａは、送信コイル１１Ａと電磁結合するとともに、受信コイル１２Ａと電磁結合している。Ｙ軸方向において、接続部２２Ａの幅は、周期的要素２１Ａの幅よりも小さくなっている。図３（ｂ）の例では、各周期的要素２１ＡのＹ軸方向の端部同士が、接続部２２Ａで接続されている。

また、検出ヘッド１０には、トラックＢについて、送信コイル１１Ｂ、受信コイル１２Ｂなどが設けられている。送信コイル１１Ｂおよび受信コイル１２Ｂは、送信コイル１１Ａおよび受信コイル１２Ａと同様の構成を有している。スケール２０は、トラックＢについて、周期的に配置された複数の要素が互いに接続された構造を有している。図３（ｂ）の例では、スケール２０は、Ｘ軸方向に沿って、導体であって矩形状を有する複数の周期的要素２１Ｂが基本周期λＢで配列され、各周期的要素２１Ｂが、導体の接続部２２Ｂで接続された構造を有している。各周期的要素２１Ｂは、送信コイル１１Ｂと電磁結合するとともに、受信コイル１２Ｂと電磁結合している。Ｙ軸方向において、接続部２２Ｂの幅は、周期的要素２１Ｂの幅よりも小さくなっている。トラックＡとトラックＢとは、Ｙ軸方向に所定の間隔を空けて配置されている。基本周期λＡと基本周期λＢとは、互いに異なっていてもよい。基本周期λＡと基本周期λＢとが同一である場合には、周期的要素２１Ａおよび周期的要素２１ＢのＸ軸方向における位置が、異なっていてもよい。

トラックＡについて信号を得たい場合、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１１Ａに供給する。この場合、送信コイル１１Ａに磁束が発生する。それにより、複数の周期的要素２１Ａに起電流が発生する。当該複数の周期的要素２１Ａは、送信コイル１１Ａ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。周期的要素２１Ａが発生する磁束は、受信コイル１２Ａ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λＡ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１２Ａは、複数の周期的要素２１Ａ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。

トラックＢについても、送信信号生成部３０は、トラックＡに対して供給する送信信号を送信コイル１１Ｂに供給する。周期的要素２１Ａの基本周期λＡと周期的要素２１Ｂの基本周期λＢとが異なっていれば、電磁誘導式エンコーダ１００は、アブソリュート式エンコーダとして機能する。

図４は、送信コイル１１Ａに電流を流した時のスケール２０上の電流の流れを例示する図である。スケール２０の各周期的要素２１Ｂでは、送信コイル１１ＡのうちトラックＢに最も近い部分の電流の流れと逆向きに、点線で示すような渦電流が流れようとする。しかしながら、本実施形態においては、各周期的要素２１Ｂが接続部２２Ｂによって互いに接続されていることから、スケール２０のトラックＢの領域の広範囲に、破線矢印で示すような略均一な電流が流れることになる。したがって、スケール位置によってトラックＢからの影響が強くなったり弱くなったりする状態が緩和される。すなわち、トラック間の影響が抑制される。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。

また、周期的要素２１Ａでは、Ｙ軸方向の異なる２箇所で反対の電流が発生する。具体的には、各周期的要素２１Ａにおいて、送信コイル１１Ａの各矩形コイルに対応する位置で、互いに逆向きの渦電流が発生する。これを受信コイル１２Ａの各コイルで受信することで、信号を検出することができる。このように、Ｙ軸方向につながった領域（導通した領域）において、Ｙ軸方向にずれた各箇所で互いに逆向きの渦電流を発生させることで、各周期的要素２１Ａが互いに接続されていても、各渦電流が受信コイル１２Ａの各コイルと電磁結合することで、信号を検出することができる。

図５（ａ）は、スケール２０の構造を例示する図である。図５（ａ）で例示するように、スケール２０は、平板状の導体２３に、複数の矩形の貫通孔２４がＸ軸方向に沿って互いに離間するように形成された構造を有していてもよい。貫通孔２４がＸ軸方向に沿って形成されることで、トラックＡが構成される。トラックＡにおいて、２つの貫通孔２４の間が、周期的要素２１Ａとして機能する。複数の貫通孔２４がＸ軸方向に沿って形成される列が、Ｙ軸方向にずれて形成されることで、トラックＢが構成される。また、図５（ａ）の例では、周期的要素２１Ａと周期的要素２１Ｂとが、異なる基本周期で配列されている。

図５（ｃ）で例示するように、基材２６上に複数の導体２７を張り付ける構成では、接着剤等による接着工程が必要となるうえに、位置精度が問題となり得る。これに対して、図５（ａ）の例では、一体成型された導体２３に貫通孔２４が形成された構造を有している。この場合、複数の部材を貼り合わせる必要がなくなる。それにより、製造コストが簡略され、低コスト化を図ることができる。また、貼り合わせの位置精度の影響を受けずに済むため、信頼性が向上する。また、隣り合う格子同士がつながっているため、強度が向上する。

図５（ｂ）で例示するように、スケール２０は、図５（ａ）の導体２３が基材２５に張り付けられた構造を有していてもよい。この場合、強度がより向上する。

（第２実施形態）
図６（ａ）〜図６（ｄ）は、第２実施形態に係る電磁誘導式エンコーダ１００ａについて説明するための図である。図６（ａ）は、送信コイルの形状を例示する図である。図６（ｂ）は、受信コイルの形状を例示する図である。図６（ｃ）は、スケールの形状を例示する図である。図６（ｄ）は、電流の向きを例示する図である。

図６（ａ）で例示するように、第２実施形態においても、送信コイル１１Ａａ，１１Ｂａの形状は第１実施形態と同様である。電磁誘導式エンコーダ１００ａが第１実施形態に係る電磁誘導式エンコーダ１００と異なる点は、スケールおよび受信コイルの形状が異なる点である。

図６（ｂ）で例示するように、受信コイル１２Ａａ，１２Ｂａは、２つのコイルがＸ軸方向に２つ並び、各コイルでの電流の向きが逆向きになるように配線されたツイスト構造を有している。受信コイル１２Ａａのコイルの両方とも、送信コイル１１Ａａの両方の矩形コイルにまたがっている。受信コイル１２Ｂａのコイルの両方とも、送信コイル１１Ｂａの両方の矩形コイルにまたがっている。

図６（ｃ）で例示するように、周期的要素２１Ａａは、図３（ｂ）のような矩形状ではなく、Ｙ軸方向に異なる位置に配置された２つの矩形をＸ軸方向にずらしつつ接続した形状を有する。２つの矩形の中心同士のＸ軸方向における距離は、受信コイル１２Ａａの２つのコイルの中心同士のＸ軸方向における距離と略同一である。周期的要素２１Ａａがこのような形状を有することで、受信コイル１２Ａａの一方のコイルが周期的要素２１Ａａの一方の矩形に位置する場合に、受信コイル１２Ａａの他方のコイルが周期的要素２１Ａａの他方の矩形に位置する。各周期的要素２１Ａａは、導体の接続部２２Ａａで接続されている。Ｙ軸方向において、接続部２２Ａａの幅は、周期的要素２１Ａａの幅よりも小さくなっている。図６（ｃ）の例では、各周期的要素２１ＡａのＹ軸方向の端部同士が、接続部２２Ａａで接続されている。

トラックＢについて、周期的要素２１Ｂａおよび接続部２２Ｂａが、周期的要素２１Ａａおよび接続部２２Ａａと同様の構造を有している。周期的要素２１Ａａの基本周期と周期的要素２１Ｂａの基本周期とは、第１実施形態と同様に、同一であってもよく異なっていてもよい。

送信信号生成部３０から送信コイル１１Ａａに単相交流の送信信号が供給されると、送信コイル１１Ａａに磁束が発生する。それにより、複数の周期的要素２１Ａａに起電流が発生する。図６（ｄ）で例示するように、スケール２０ａの各周期的要素２１Ｂａでは、送信コイル１１ＡａのうちトラックＢに最も近い部分の電流の流れと逆向きに、渦電流が流れようとする。しかしながら、本実施形態においては、各周期的要素２１Ｂａが接続部２２Ｂａによって互いに接続されていることから、スケール２０ａのトラックＢの領域の広範囲に、略均一な電流が流れることになる。したがって、スケール位置によってトラックＢからの影響が強くなったり弱くなったりする状態が緩和される。すなわち、トラック間の影響が抑制される。その結果、電磁誘導式エンコーダ１００ａの測定精度が向上する。

また、周期的要素２１Ａａでは、各矩形領域で反対の電流が発生する。具体的には、各周期的要素２１Ａａにおいて、送信コイル１１Ａａの各矩形コイルに対応する位置で、互いに逆向きの渦電流が発生する。これを受信コイル１２Ａａの各コイルで受信することで、信号を検出することができる。このように、Ｙ軸方向につながった領域において、Ｙ軸方向にずれた各箇所で互いに逆向きの渦電流を発生させることで、各周期的要素２１Ａａが互いに接続されていても、各渦電流が受信コイル１２Ａａの各コイルと電磁結合することで、信号を検出することができる。

（第３実施形態）
図７（ａ）〜図７（ｅ）は、第３実施形態に係る電磁誘導式エンコーダ１００ｂについて説明するための図である。図７（ａ）は、スケールの形状を例示する図である。図７（ｂ）は、各周期的要素の形状を例示する図である。図７（ｃ）は、送信コイルの形状を例示する図である。図７（ｄ）は、受信コイルの形状を例示する図である。図７（ｅ）は、電流の向きを例示する図である。

図７（ａ）で例示するように、スケール２０ｂは、平板状の導体２７に、複数の矩形の貫通孔２８がＸ軸方向に沿って互いに離間するように形成された構造を有している。この構成においては、図７（ｂ）で例示するように、トラックＡについて、周期的要素２１Ａｂは、２つの貫通孔２８と、当該２つの貫通孔を囲む導体部分とからなる。各周期的要素２１Ａｂが互いに接続されることで、図７（ａ）の構造が得られている。トラックＢについて、周期的要素２１Ｂｂが、周期的要素２１Ａｂと同様の構造を有している。周期的要素２１Ａｂの基本周期と周期的要素２１Ｂｂの基本周期とは、第１実施形態と同様に、同一であってもよく異なっていてもよい。

図７（ｃ）で例示するように、送信コイル１１Ａｂは貫通孔２８の２倍のピッチでコイルが配置され、各コイルの電流の向きが同じになるように各コイルが接続されるような配線構造を有している。

図７（ｄ）で例示するように、受信コイル１２Ａｂ，１２Ｂｂは、２つのコイルがＸ軸方向に２つ並び、各コイルでの電流の向きが逆向きになるように配線されたツイスト構造を有している。受信コイル１２Ａｂ，１２Ｂｂの各コイルのピッチは、スケールの各貫通孔２８のピッチと同等に設定されている。受信コイル１２Ａｂの一方のコイルが周期的要素２１Ａｂの一方の矩形に位置する場合に、受信コイル１２Ａｂの他方のコイルが周期的要素２１Ａｂの他方の矩形に位置する。

送信信号生成部３０から送信コイル１１Ａｂに単相交流の送信信号が供給されると、送信コイル１１Ａｂに磁束が発生する。それにより、複数の周期的要素２１Ａｂに起電流が発生する。図７（ｅ）で例示するように、スケール２０ｂの各周期的要素２１Ｂｂでは、送信コイル１１ＡｂのうちトラックＢに最も近い部分の電流の流れと逆向きに、渦電流が流れようとする。しかしながら、本実施形態においては、各周期的要素２１Ｂｂが互いに接続されていることから、スケール２０ｂのトラックＢの領域の広範囲に、略均一な電流が流れることになる。したがって、スケール位置によってトラックＢからの影響が強くなったり弱くなったりする状態が緩和される。すなわち、トラック間の影響が抑制される。その結果、電磁誘導式エンコーダ１００ｂの測定精度が向上する。

また、周期的要素２１Ａｂでは、各矩形領域で反対の電流が発生する。具体的には、各周期的要素２１Ａｂにおいて、送信コイル１１Ａｂの各矩形コイルに対応する位置で、互いに逆向きの渦電流が発生する。これを受信コイル１２Ａｂの各コイルで受信することで、信号を検出することができる。このように、Ｘ軸方向につながった領域において、Ｘ軸方向にずれた各箇所で互いに逆向きの渦電流を発生させることで、各周期的要素２１Ａｂが互いに接続されていても、各渦電流が受信コイル１２Ａｂの各コイルと電磁結合することで、信号を検出することができる。

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
１１ 送信コイル
１２ 受信コイル
２０ スケール
２１ 周期的要素
２２ 接続部
２３ 導体
２４ 貫通孔
２５ 基材
２６ 基材
２７ 導体
３０ 送信信号生成部
４０ 変位量測定部
１００ 電磁誘導式エンコーダ

Claims (6)

1. それぞれ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、
   前記スケールは、前記測定軸方向に周期的に配置されかつ導体からなる複数の周期的要素を備え、
   前記複数の周期的要素は、導体によって接続され、
   前記検出ヘッドは、前記複数の周期的要素のそれぞれに対して、互いに逆向きの２以上の渦電流を発生させるように配線された送信コイルを備え、
   前記検出ヘッドは、前記複数の周期的要素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受信コイルと、を備えることを特徴とする電磁誘導式エンコーダ。
2. 前記スケールは、平板形状の導体であって、測定軸方向に複数の貫通孔が形成された構造を有してい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. 前記周期的要素は、前記複数の貫通孔のうち、隣り合う２つの貫通孔の間の導体部分であることを特徴とする請求項２記載の電磁誘導式エンコーダ。
4. 前記周期的要素は、前記複数の貫通孔のうち隣り合う２つの貫通孔を囲む導体部分であることを特徴とする請求項２記載の電磁誘導式エンコーダ。
5. 前記受信コイルは、前記２以上の渦電流をそれぞれ検出する２以上のコイルを備え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電磁誘導式エンコーダ。
6. 前記送信コイルは、前記測定軸に長さ方向を有する矩形コイルが２つ並び、各矩形コイルでの電流の向きが逆向きになるように配線されたツイスト構造を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の電磁誘導式エンコーダ。

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