JP2021096160A

JP2021096160A - スケールおよびエンコーダ

Info

Publication number: JP2021096160A
Application number: JP2019227425A
Authority: JP
Inventors: 紘士久保園; Koji Kubozono
Original assignee: Mitutoyo Corp; Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Current assignee: Mitutoyo Corp; Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Priority date: 2019-12-17
Filing date: 2019-12-17
Publication date: 2021-06-24
Also published as: CN112985466A; US20210180991A1; DE102020006842A1; US11460324B2

Abstract

【課題】小型のエンコーダでも高調波を抑制することができるスケールおよびエンコーダを提供する。【解決手段】スケール２０は、測定軸方向に沿って所定の間隔で配列された複数の導体２１を備え、複数の導体２１は、測定軸方向の両側に突出する突出部を備え、突出部は、少なくとも一部に、測定軸方向に凸状に湾曲していることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本件は、スケールおよび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２００９−１６８７０１号公報

このような電磁誘導式エンコーダのセンサ信号に意図せず含まれる高い周期の信号（高調波）は、測定精度を悪化させる原因となる。そのため、高調波を低減する設計が望まれている。例えば、高調波を低減する方法として、受信コイルを正弦波状に曲げることが考えられる。しかしながら、受信コイルはプリント基板上に２層以上の配線をもって構成されることが多いため、設計においての制約が多く、微細センサパターンを持つ小型エンコーダには適用が困難な場合もある。

１つの側面では、本発明は、小型のエンコーダでも高調波を抑制することができるスケールおよび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、本発明に係るスケールは、測定軸方向に沿って所定の間隔で配列された複数の導体を備え、前記複数の導体は、前記測定軸方向の両側に突出する突出部を備え、前記突出部は、少なくとも一部に、前記測定軸方向に凸状に湾曲していることを特徴とする。

上記スケールにおいて、前記複数の導体は、閉じられた閉ループコイルまたは孔が無い板状の導体としてもよい。

上記スケールにおいて、前記複数の導体の外縁の形状は、正弦波状としてもよい。

本発明に係る電磁誘導式エンコーダは、上記いずれかのスケールと、前記スケールに対して、前記測定軸方向に相対移動可能な検出ヘッドと、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、前記スケールの複数の導体は、前記送信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し、前記検出ヘッドは、前記複数の導体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、前記受信コイルは、前記測定軸方向と直交する方向に２辺を有する多角形状を有していてもよい。

小型のエンコーダでも高調波を抑制することができるスケールおよびエンコーダを提供することができる。

（ａ）は電磁誘導式エンコーダの構成を例示する図であり、（ｂ）は受信コイルが出力する信号を例示する図である。（ａ）は受信コイルを例示する図であり、（ｂ）は受信コイルにおける電流の流れを例示する図であり、（ｃ）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）〜（ｃ）は結合導体の形状の詳細を例示する図である。（ａ）〜（ｃ）は比較例に係る結合導体を例示する図である。（ａ）〜（ｃ）は結合導体と受信コイルとの関係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（ａ）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（ａ）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（ａ）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（ａ）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、複数の結合導体２１が、Ｘ軸方向に沿って、基本周期λで配列されている。基本周期は、Ｘ軸方向において、２つの隣接する結合導体２１の中心同士の間隔に相当する。各結合導体２１は、閉じられた閉ループコイルまたは孔が無い板状の導体である。各結合導体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、複数の結合導体２１に起電流が発生する。当該複数の結合導体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。結合導体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の変位量に応じて結合導体２１と受信コイル６０との間の電磁結合が変化する。それにより、図１（ｂ）で例示するように基本周期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、複数の結合導体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。なお、図１（ｂ）において、横軸は検出ヘッド１０の変位量を表し、縦軸は受信コイル６０の出力電圧を表す。

図２（ａ）は、受信コイル６０を例示する図である。受信コイル６０は、略矩形状のコイル形状をなす送信コイル５０よりも内側に設けられている。受信コイル６０における電流の流れは、図２（ｂ）で例示するように、「８」の字を横にした形状となる。図２（ａ）で例示するように、受信コイル６０は、２つの多角形状（例えば六角形状）のコイルを隣接させた形状を有している。すなわち、受信コイル６０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つの六角形のコイルを隣接させて接続したツイストペア構造が、Ｘ軸方向に沿って複数設けられた構造を有している。受信コイル６０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。受信コイル６０の形状である多角形状は、Ｙ軸方向と平行な２辺を有している。

なお、受信コイル６０を構成するコイルは、多角形状に限らない。例えば、図２（ｃ）で例示するように、受信コイル６０を構成するコイルは、円形状を有していてもよい。また、受信コイル６０は、１つのツイストペア構造で構成される必要はなく、図２（ｃ）で例示するように、受信コイル６０は、Ｘ軸方向に向かって正弦波状に進み、折り返し、Ｘ軸の反対方向に向かって正弦波状に進む形状等を有していてもよい。

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、例えば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６１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６２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６１の端子と第２配線パターン６２の端子とを貫通配線などで接続することで、受信コイル６０を構成することができる。

受信コイル６０によって検出される正弦波信号には、意図しない高い周期の信号（高調波）が含まれることがある。この高調波は、電磁誘導式エンコーダ１００の測定精度を悪化させる要因となる。したがって、高調波を抑制することが望まれている。そこで、受信コイル６０の形状を正弦波形状とすることが考えられる。しかしながら、受信コイル６０は、図３（ａ）および図３（ｂ）のように、プリント基板上に２層以上の配線をもって構成されることが多いため、設計においての制約が多く、微細センサパターンを持つ小型エンコーダには適用が困難な場合もある。そこで、本実施形態に係る電磁誘導式エンコーダ１００は、小型化されても高調波を抑制することができる構造を有している。

図４（ａ）は、結合導体２１の形状の詳細を例示する図である。図４（ａ）で例示するように、結合導体２１は、Ｘ軸方向の両側に突出する突出部２１ａを備える。図４（ａ）の例では、突出部２１ａは、結合導体２１のＹ軸方向の中央においてＸ軸方向の両側に突出している。突出部２１ａは、少なくとも一部に、Ｘ軸方向に凸状に湾曲するような曲率を有する外縁を有している。また、矢印で示すように、突出部２１ａは、凸状に湾曲している。

測定軸方向の両側において、突出部２１ａの数は限定されない。たとえば、図４（ｂ）で例示するように、突出部２１ａは、Ｙ軸方向に２以上設けられていてもよい。

図４（ｃ）で例示するように、各結合導体２１の外縁の形状は、正弦波に一致または正弦波に近い形状になっていることが好ましい。図４（ｃ）の上図では、周期λの正弦波と、当該正弦波を上下反転させたものが重ねて描かれている。図４（ｃ）の下図は、基本周期λで配置された複数の結合導体２１が例示されている。これらの複数の結合導体２１は、上図の周期的形状から１つおきに抽出した形状を有している。図４（ｃ）の下図で例示するように、結合導体２１の突出部２１ａは、湾曲せずに尖った箇所があってもよい。

図５（ａ）〜図５（ｃ）は、比較例に係る結合導体２００を例示する図である。図５（ａ）で例示するように、結合導体２００は、Ｘ軸およびＹ軸に平行な辺を有する矩形状を有している。図５（ｂ）は、Ｘ軸方向に結合導体２００と受信コイル６０とが近づいた場合を例示する図である。図５（ｃ）のように受信コイル６０と結合導体２００とが重なるようになれば、大きい信号強度が得られる。このように、受信コイル６０と結合導体２００とが重なり始めると急激に大きな信号強度が得られる。一方、受信コイル６０と結合導体２００との重なりが無くなると急激に信号強度が低下する。製造誤差などに起因して、結合導体２００のＸ軸方向の幅にバラツキが生じるか、結合導体２００のＸ軸方向の位置にバラツキが生じると、検出される信号に誤差が生じることになる。それにより、高調波が生じるおそれがある。

図６（ａ）は、受信コイル６０と結合導体２１とがまだ重なっていない場合を例示する図である。図６（ｂ）および図６（ｃ）で例示するように、受信コイル６０と結合導体２１とが重なり始めると、徐々に信号強度が大きくなる。受信コイル６０と結合導体２１との重なりが無くなりそうになると、徐々に信号強度が小さくなる。この構成では、製造誤差などに起因して、結合導体２１のＸ軸方向の幅にバラツキが生じても、結合導体２００のＸ軸方向の位置にバラツキが生じても、検出される信号の誤差が抑制される。さらに、突出部２１ａの測定軸方向の先端が湾曲していることから、結合導体２１の外縁の形状が、受信コイル６０で検出される正弦波信号の形状に近くなる。その結果、高調波の発生が抑制される。図４（ｃ）のように、結合導体２１の外縁の形状が正弦波に近い形状になっている場合には、高調波を抑制することができるようになる。

本実施形態によれば、結合導体２１が、Ｘ軸方向の両側に突出する突出部２１ａを備え、突出部２１ａが、少なくとも一部にＸ軸方向に凸状に湾曲するような曲率を有していることで、高調波を抑制することができる。結合導体２１は、受信コイル６０のように２層構造を有していないため、設計においての制約が少なく、微細センサパターンを持つ小型エンコーダにも適用が可能である。以上のことから、本実施形態に係る電磁誘導式エンコーダ１００は、小型化されても高調波を抑制することができる。

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
２０スケール
２１結合導体
２１ａ突出部
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
１００電磁誘導式エンコーダ

Claims

測定軸方向に沿って所定の間隔で配列された複数の導体を備え、
前記複数の導体は、前記測定軸方向の両側に突出する突出部を備え、
前記突出部は、少なくとも一部に、前記測定軸方向に凸状に湾曲していることを特徴とするスケール。
前記複数の導体は、閉じられた閉ループコイルまたは孔が無い板状の導体であることを特徴とする請求項１記載のスケール。
前記複数の導体の外縁の形状は、正弦波状であることを特徴とする請求項１または２に記載のスケール。
請求項１〜３のいずれか一項に記載のスケールと、
前記スケールに対して、前記測定軸方向に相対移動可能な検出ヘッドと、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、
前記スケールの複数の導体は、前記送信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し、
前記検出ヘッドは、前記複数の導体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を備えることを特徴とする電磁誘導式エンコーダ。
前記受信コイルは、前記測定軸方向と直交する方向に２辺を有する多角形状を有していることを特徴とする請求項４記載の電磁誘導式エンコーダ。