JP3366855B2 - 誘導型位置検出装置 - Google Patents

誘導型位置検出装置

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JP3366855B2 JP10128698A JP10128698A JP3366855B2 JP 3366855 B2 JP3366855 B2 JP 3366855B2 JP 10128698 A JP10128698 A JP 10128698A JP 10128698 A JP10128698 A JP 10128698A JP 3366855 B2 JP3366855 B2 JP 3366855B2
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    • G01D5/2086—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying inductance, e.g. by a movable armature by influencing the mutual induction between two or more coils by movement of two or more coils with respect to two or more other coils

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  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、誘導電流型の位
置検出装置に係り、特に改良された巻線構成をもって有
効出力信号成分の比率、即ち測定位置に無関係な信号成
分（オフセット成分）に対する位置信号成分の比率を増
大させたリニア型及びロータリ型の位置トランスジュー
サに関する。
【０００２】
【従来の技術】１９９６年５月１６日に出願され、その
全てがこの出願に組み込まれる米国特許出願第０８／４
４１，７６９号は、インクリメンタル型の誘導電流型位
置トランスジューサを開示している。１９９６年５月１
３日に出願され、その全てがこの出願に組み込まれる米
国特許出願第０８／６４５，４８３号は、誘導電流型位
置トランスジューサを用いた電子ノギスを開示してい
る。これらはいずれも、誘導電流型位置トランスジュー
サのための信号処理技術を開示している。
【０００３】これらの関連出願の誘導電流型位置トラン
スジューサは一般的に、図１及び図２に示される。図１
に示すように、誘導電流型位置トランスジューサ１００
は、スケール１１０に対して相対移動可能な読み出しヘ
ッド１２０を有する。スケール１１０及び読み出しヘッ
ド１２０は好ましくは、標準的なプリント回路技術を用
いたプリント回路基板に形成される。複数の磁束変調器
１１２が、以下に詳細に説明するように、トランスジュ
ーサ１００の測定軸に沿って波長λに等しいピッチで分
散配置される。磁束変調器１１２は、測定軸に沿ってλ
／２の幅を有し、測定軸に直交する方向に幅ｄを有す
る。
【０００４】読み出しヘッド１２０は、励振信号発生器
１５０に接続された一般に矩形の送信巻線１２２を有す
る。励振信号発生器１５０は、送信巻線１２２に時間的
に可変の励振信号を与える。時間的に可変の励振信号は
好ましくは、高周波の正弦波信号，パルス信号或いは指
数関数的に減衰する正弦波信号とする。時間的に可変の
励振信号が送信巻線に与えられると、送信巻線１２２に
流れる時間的に可変の電流がこれに対応して時間的に可
変の或いは変化する磁束を発生する。送信巻線１２２は
一般的に矩形に作られるから、発生する磁束は送信巻線
の中心部の磁束領域内で実質的に一定となる。
【０００５】読み出しヘッド１２０はまた、送信巻線１
２２の内側の磁束領域内に位置する第１の受信巻線１２
４と第２の受信巻線１２６を有する。第１の受信巻線１
２４と第２の受信巻線１２６はそれぞれ、複数の第１の
ループセグメント１２８と第２のループセグメント１２
９により作られている。第１のループセグメント１２８
はプリント回路基板の一方の面に形成され、第２のルー
プセグメント１２９はプリント回路基板の他方の面に形
成されている。プリント回路基板の層は、第１のループ
セグメント１２８と第２のループセグメント１２９の間
の電気的絶縁の作用をする。各第１のループセグメント
１２８の各端子は、プリント回路基板に形成された貫通
配線１３０を介して第２のループセグメント１２９の一
つの一方の端子に接続されている。
【０００６】第１及び第２のループセグメント１２８及
び１２９は好ましくは、正弦波状に形成されている。従
って、図１に示すように、それぞれ受信巻線１２４及び
１２６を形成する第１及び第２のループセグメント１２
８及び１２９は、波長λの正弦波状周期パターンを形成
する。この様に、受信巻線１２４及び１２６はそれぞれ
複数のループ１３２及び１３４をもって形成される。第
１及び第２の受信巻線１２４及び１２６のそれぞれのル
ープ１３２及び１３４は、測定軸に沿ってλ／２の幅を
有する。従って、隣接するループ１３２と１３４の各対
は、λの幅を有する。更に、第１及び第２のループセグ
メント１２８及び１２９は、隣接するループ１３２と１
３４の各対で正弦波一周期を構成する。即ち、λは、第
１及び第２の受信巻線１２４及び１２６の正弦波波長に
対応する。第２の受信巻線１２６は、第１の受信巻線１
２４から測定軸に沿ってλ／４だけオフセットしてい
る。即ち第１及び第２の受信巻線１２４及び１２６は矩
象（位相が９０°ずれた状態）にある。
【０００７】励振信号源１５０から発生される変化する
励振信号は、電流が第１の端子１２２Ａから送信巻線１
２２を通って第２の端子１２２Ｂに出るように、送信巻
線１２２に与えられる。これにより、送信巻線１２２に
より発生される磁界は、送信巻線１２２内で図１の面に
上から降りて、送信巻線１２２の外側で下から図１の面
に出るように立ち上がる。従って、送信巻線１２２の内
側の変化する磁界は、受信巻線１２４及び１２６の各ル
ープ１３２及び１３４のそれぞれに誘導電磁力（ＥＭ
Ｆ）を発生する。ループ１３２と１３４は逆巻きであ
る。従ってループ１３２に誘起されるＥＭＦは、ループ
１３４に誘起されるＥＭＦと逆極性となる。ループ１３
２と１３４は同じ面積を有し、名目上同じ磁束量が通
る。そのため、各ループ１３２と１３４で発生されるＥ
ＭＦの絶対値は名目上同じである。
【０００８】第１及び第２の受信巻線１２４及び１２６
には好ましくは同数ずつのループ１３２及び１３４があ
る。理想的には、ループ１３２に誘導される正極性のＥ
ＭＦが正確に、ループ１３４に誘導される負極性のＥＭ
Ｆによるオフセットとなるようにする。従って、第１及
び第２の受信巻線１２４及び１２６上の正味のＥＭＦは
ゼロであり、これは単に送信巻線１２２から受信巻線１
２４及び１２６に直接結合する結果としては第１及び第
２の受信巻線１２４及び１２６には出力信号が出ないこ
とを意味する。
【０００９】読み出しヘッド１２０がスケール１１０に
近接して配置されると、送信巻線１２２により発生され
る変化する磁束は磁束変調器１１２をも貫通する。磁束
変調器１１２は、変化する磁束を変調し、磁束拡大器
（flux enhancer）又は磁束減衰器（flux disrupter）
のいずれかになり得る。磁束変調器１１２を磁束減衰器
とする場合は、磁束変調器１１２は導電板或いはスケー
ル１１０上の導電薄膜として作られる。導電板或いは導
電薄膜を変化する磁束が通ると、導電板或いは導電薄膜
には渦電流が流れる。この渦電流は、送信巻線１２２に
より発生される磁界とは逆方向の磁界を発生する。従っ
て、磁束減衰器型の磁束変調器１１２に近い領域では、
正味の磁束が、磁束変調器１１２から離れた領域でのそ
れより小さくなる。
【００１０】スケール１１０が、磁束減衰器１１２が受
信巻線１２４の正極性ループ１３２と一致するように読
み出しヘッド１２０に相対する位置に来ると、正極性ル
ープ１３２に発生する正味のＥＭＦは、負極性ループ１
３４に発生する正味のＥＭＦに比べて低下する。これに
より、受信巻線１２４はアンバランスになり、正味負の
信号を端子１２４Ａと１２４Ｂの間に出力する。同様
に、磁束減衰器１１２が受信巻線１２４の負極性ループ
１３４と一致する位置に来ると、負極性ループ１３４を
通る正味の磁束は遮断又は減衰される。これにより、負
極性ループ１３４に発生する正味のＥＭＦは、正極性ル
ープ１３２に発生する正味のＥＭＦに比べて低下する。
これにより、第１の受信巻線１２４は、正味正の信号を
端子１２４Ａと１２４Ｂの間に出力する。
【００１１】磁束変調器１１２が磁束拡大器として供さ
れた場合は、以上の結果は逆になる。磁束拡大型の磁束
変調器１１２は、スケール１１０上又は内部の強磁性材
部分により作られる。送信巻線１２２により発生される
磁束は、その強磁性材の磁束拡大器型磁束変調器１１２
を優先的に通る。即ち、磁束拡大器１１２内の磁束密度
が増大する一方、磁束拡大器１１２の外側の磁束密度が
低下する。従って、磁束拡大器１１２が第２の受信巻線
１２６の正極性ループ１３２に一致する位置に来ると、
正極性ループ１３２を通る磁束密度は負極性ループ１３
４を通るそれに比べて大きくなる。これにより、正極性
ループ１３２に発生される正味のＥＭＦは増大し、負極
性ループ１３４に発生される正味のＥＭＦは減少する。
これは、第２の受信巻線１２６の端子１２６Ａ，１２６
Ｂ間に正極性信号として現れる。
【００１２】磁束拡大器１１２が負極性ループ１３４と
一致する位置に来ると、負極性ループ１３４は、正極性
ループ１３２に誘導されるＥＭＦより相対的に拡大され
たＥＭＦを発生する。これにより、第２の受信巻線１２
６の端子１２６Ａ，１２６Ｂ間に負信号が現れる。前述
の関連米国出願に概略を述べたように、磁束拡大及び磁
束減衰の効果は、磁束拡大器と磁束減衰器がスケール長
手方向に交互に配置されるようにして、一つのスケール
内に組み込むこともできる。これにより、二つの磁束変
調器の効果が加法的に組み合わされるため、誘導される
ＥＭＦの変調を拡大する作用が得られる。
【００１３】上述のように、磁束変調器１１２の幅と高
さはそれぞれ、λ／２とｄであり、一方磁束変調器１１
２のピッチはλである。同様に、第１及び第２の受信巻
線１２２及び１２４の周期パターンの波長はλであり、
ループ１３２と１３４の高さはｄである。更に各ループ
１３２，１３４は、一定の面積を有する。
【００１４】図２（ａ）は、磁束変調器１１２が正極性
ループ１３２に対して相対的に移動したときの正極性ル
ープ１３２から得られる位置依存出力信号を示してい
る。磁束変調器１１２が磁束減衰器であると仮定する
と、振号振幅の極小値は磁束減衰器１１２が丁度正極性
ループ１３２に一致する位置に対応し、振号振幅の極大
値は磁束減衰器１１２が丁度負極性ループ１３４に一致
する位置に対応する。図２（ｂ）は、負極性ループ１３
４の出力信号を示している。図２（ａ）に示す信号と同
様に、振号振幅の極小値は磁束減衰器１１２が丁度正極
性ループ１３２に一致する位置に対応し、振号振幅の極
大値は磁束減衰器１１２が丁度負極性ループ１３４に一
致する位置に対応する。磁束減衰器に代わって磁束拡大
器が用いられた場合は、図２（ａ）（ｂ）における信号
振幅の極小値は磁束拡大器が負極性ループ１３４に一致
する位置に対応し、信号振幅の極大値は磁束拡大器が正
極性ループ１３２に一致する位置に対応することにな
る。
【００１５】図２（ｃ）は、第１及び第２の受信巻線１
２４及び１２６のいずれか一方から得られる正味の出力
信号を示している。この正味の信号は、正負極性のルー
プ１３２及び１３４から得られる信号の合計、即ち図２
（ａ）及び（ｂ）に示す信号の合計に等しい。図２
（ｃ）の正味の信号は理想的には、ゼロに対して対称
的、即ち正負極性ループ１３２及び１３４が丁度バラン
スしてゼロオフセットの対称的出力を生成するはずであ
る。しかし、実際のデバイスにおいては、“ＤＣ”オフ
セット（位置依存性がない）成分がしばしば正味の出力
信号に現れる。このＤＣ成分がオフセット信号Ｖ０であ
る。このオフセットＶ０は、信号処理を複雑にし、望ま
しくない位置測定誤差を生じさせる無駄な信号成分であ
る。このオフセットは二つの大きな発生源をもつ。
【００１６】第１は、送信磁界の全振幅が第１及び第２
の受信巻線１２４及び１２６を通ることである。上述の
ように、この送信磁界はループ１３２及び１３４にそれ
ぞれ電圧を誘導する。この誘導電圧は、ループ１３２と
１３４が逆方向に巻かれているため、名目上は相殺され
る。しかし、受信巻線での誘導電圧が完全に相殺される
ためには、正，負ループ１３２，１３４が完全な位置と
形状をとり、完全にバランスすることが必要である。完
全なバランスをとることは、送信巻線１２２により直接
受信巻線ループに誘導される電圧が磁束変調器１２２に
よる変調分に比べて大きいため、難しい。実際に、製造
上の誤差が常に完全なバランスをとることを妨げる。
【００１７】第２に、磁束変調器１１２により形成され
る空間的変調磁界もまた、平均的な位置依存性のないオ
フセット成分の原因となる。即ち、送信巻線１２２によ
り発生される磁界内にある磁束変調器１１２は全て磁界
内で同じ極性の空間変調を生じさせる。例えば、磁束減
衰器を用いた場合、磁束変調器からの誘導渦電流磁界
は、送信磁界内の磁束減衰器が全て同じ極性の二次磁界
を発生するため、オフセットをもつ。このとき、磁束減
衰器の間のスペースは二次磁界を発生しない。これによ
り、受信巻線１２４及び１２６の各正極性ループ１３２
及び負極性ループ１３４は、同じ極性をもつ極大値と極
小値の間で変化する正味の磁界に出逢うことになる。こ
の作用の平均値はゼロのまわりでバランスせず、大きな
名目上のオフセットをもつ。同様に、磁束拡大器を用い
た場合、磁束拡大器による磁界変調は、送信巻線１２２
内の磁束拡大器が全て同じ磁界変調を生じ、一方変調器
の間のスペースは変調を生じないから、バイアスをも
つ。従って、受信巻線１２４及び１２６の各正極性ルー
プ１３２及び負極性ループ１３４は、同じ極性をもつ極
大値と極小値の間で変化する、空間的に変調された磁界
に出逢うことになる。この作用の平均値もまた、大きな
名目上のオフセットを持つ。
【００１８】受信巻線は同数の正，負極性ループ１３
２，１３４を持ち、これはオフセット成分を除去する助
けとなる。しかし、正，負極性ループ１３２，１３４の
間のバランスの不完全が前述の残留オフセットの原因と
なる。これらのオフセット成分は、第１及び第２の受信
巻線１２４及び１２６における正，負極性ループ１３
２，１３４の間の対称性によってのみ相殺されることが
期待される。これは、受信巻線１２４，１２６の製造精
度に対して厳しい要求となる。トランスジューサ１００
の製造実験は、誘導型位置トランスジューサ１００から
この誤差源を除去することが実際上不可能であることを
示している。前述のオフセット成分のようなトランスジ
ューサ位置に依存しない信号成分は、トランスジューサ
動作にとって無駄な信号と認められる。この様な無駄な
信号は、望ましい信号処理回路を複雑にし、さもなけれ
ば変換精度を低下させる誤差の原因となる。
【００１９】他の関連技術として、受信巻線を送信巻線
が作る磁界から離れた位置に配置することにより、簡単
に送受巻線間の無駄な結合を低減する単純な巻線構成が
開示されている。しかしこの技術の有効性は、送受信巻
線間の分離の度合いのみに依存し、そのためこの技術は
コンパクトなサイズの高精度位置センサという要求を満
たすことができない。或いは、送信磁界を強磁性材を用
いることで制限することができ、そうすれば所定の分離
度合いの有効性が増す。しかしこの技術は、実際のデバ
イスにおいて、付加的な複雑性とコスト高をもたらし、
また外部磁界の影響を受けやすくなる。これらの技術に
関連して開示された単純な巻線構成は、送受信巻線のス
パンを大きく越えた測定レンジを持つデバイスの作り方
を含まない。加えてこの単純な巻線構成は、所定の測定
レンジに対して単位変位当たりの出力信号変化の度合い
を十分に拡大する手段を提供していない。
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】無駄な信号成分がな
く、外部磁界の影響も受けず、コンパクトで簡単な構成
を有し、且つ格別の製造や回路精度を要せず拡張された
測定レンジで高分解能測定を可能とする高精度の誘導型
測定デバイスは、従来知られていない。この発明は、改
良された巻線構成を有する誘導型位置トランスジューサ
を提供するものである。改良された巻線構成は、格別の
製造精度を要せず、出力信号の無駄な成分（オフセッ
ト）に対する有効信号成分の比率を増大させる。更にそ
の巻線構成は、所定の測定レンジに対して単位変位当た
りの出力信号変化の度合いを拡大する手段を提供する。
この発明はまた、測定軸に沿って相対移動するスケール
と読み出しヘッドを有する、“オフセット低減”のイン
クリメンタル型誘導電流位置トランスジューサを提供す
る。読み出しヘッドは、測定軸に沿って延びる一対の受
信巻線を有する。読み出しヘッドはまた、測定軸に沿っ
て延び、測定軸に直交する方向について受信巻線の外側
に配置された送信巻線を含む。
【００２１】
【課題を解決するための手段】この発明は、送受信巻線
間の位置に依存する結合を、複数の空間変調器巻線と相
互作用するスケール上の複数の結合巻線を介することに
より増大させながら、送受信巻線間の無駄な結合を極小
化しゼロにする巻線構成を用いることにより完成され
る。即ちこの発明に係る誘導型位置検出装置は、第１の
部材と、この第１の部材が測定軸に沿って移動可能であ
るような測定軸を有する第２の部材と、励振信号に応答
して第１の磁束領域内に第１の可変磁束を発生する少な
くとも一つの磁界発生器と、前記第１の磁束領域内に配
置された第１の部分及び前記第１の磁束領域から物理的
に離れた第２の磁束領域内に配置された第２の部分を有
し、前記第１の部分に前記第１の可変磁束に応答して誘
導電流が発生され、その誘導電流により前記第２の部分
に第２の可変磁束が発生される少なくとも一つの磁束結
合ループと、少なくとも一つの磁束センサとを備え、
ａ）少なくとも一つの磁束センサと、ｂ）少なくとも一
つの磁界発生器の少なくとも一方は、前記測定軸に沿っ
て延び且つ交番する幅の増減を含むパターンで空間的に
変調された誘導性領域を含み、各磁束センサは、前記第
１の磁束領域の外側に配置されて少なくとも一つの前記
磁束結合ループの前記第２の磁束領域の前記第２の可変
磁束を検出すると共に、検出された磁束に基づいて当該
磁束センサと少なくとも一つの前記磁束結合ループとの
間の相対位置の関数である出力信号を発生するものであ
り、且つ前記磁界発生器、磁束結合ループ及び磁束セン
サのいずれか一つが前記第１、第２の部材の一方に、残
りの二つが他方に配置されていることを特徴とする。
【００２２】この発明による誘導電流位置トランスジュ
ーサの第１の好ましい実施態様においては、送信巻線は
第１の送信巻線と第２の送信巻線に分けられ、これらが
受信巻線の両サイドに配置される。これら第１及び第２
の送信巻線により形成される磁界は受信巻線の領域で互
いに相殺するように構成される。これが、送信巻線から
受信巻線への直接結合による無駄な成分を極小化する。
スケール部材には、測定軸に沿って延びる複数の第１の
磁束結合ループが、同じく測定軸に沿って延びる複数の
第２の磁束結合ループの間にインタリーブされて配列さ
れる。第１の結合ループは第１の送信巻線と並ぶ第１の
部分と、受信巻線と並ぶ第２の部分とを有する。同様
に、第２の結合ループは、第２の送信巻線と並ぶ第１の
部分と、受信巻線と並ぶ第２の部分とを有する。
【００２３】この発明による誘導電流位置トランスジュ
ーサの第２の好ましい実施態様においては、磁界発生器
を構成する送信巻線は、読み出しヘッド上の磁束センサ
を構成する受信巻線の傍らに沿って配置された一つのル
ープのみを持つ。この場合スケール部材では、測定軸に
沿って配列された複数の第１の結合ループが、同じく測
定軸に沿って配列された複数の第２の結合ループとイン
ターリーブされる。第１及び第２の結合ループは共に、
送信巻線と並ぶ第１の部分と受信巻線と並ぶ第２の部分
を有する。第１の結合ループのそれぞれ第１の部分と第
２の部分は、交差せずに直列に接続された状態、即ち
“捩れのない状態”（untwisted）とされる。これによ
り、第１の結合ループの第１及び第２の部分に誘導され
る磁界は同極性となる。これに対して第２の結合ループ
のそれぞれ第１の部分と第２の部分は、交差して直列に
接続した状態、即ち“捻れた状態”（twisted）とされ
る。これにより、送信巻線の励振に応答して、受信巻線
直下の領域に測定軸に沿って変化する誘導磁界が生成さ
れる。この様な巻線構成は、実質的に無駄な信号成分を
除去し、従って経済的な設計で、簡単化な信号処理と優
れた変換精度及び高信頼性を可能とする。この発明によ
る、これらの及び他の特徴及び利点は、以下の好ましい
実施例の詳細な説明により明らかにされる。
【００２４】
【発明の実施の形態】図３及び図４は、通常“インクリ
メンタル”と称される出力を出す、オフセット低減の誘
導電流位置トランスジューサ２００の第１の好ましい実
施例を示す。“インクリメンタル”型トランスジューサ
とは、設計されたトランスジューサ変位の増分に従って
繰り返される周期的信号を出すものを言う。特に図３
は、第１の実施例に係るトランスジューサ２００のオフ
セット低減スケール２１０を示している。図３に示すよ
うに、オフセット低減スケール２１０は、インターリー
ブ配列された、第１極性の閉ループからなる複数の第１
の結合ループ２１２と、第２極性の閉ループからなる複
数の第２の結合ループ２１６を有する。結合ループ２１
２と２１６は互いに電気的に分離されている。
【００２５】第１の結合ループ２１２は、一対の接続導
体２１５により接続された第１のループ部分２１３と第
２のループ部分２１４を有する。同様に、第２の結合ル
ープ２１６は、一対の接続導体２１９により接続された
第１のループ部分２１７と第２のループ部分２１８を有
する。複数の第１の結合ループ２１２では、第１のルー
プ部分２１３がスケール２１０の第１の側方エッジに測
定軸１１４に沿って配列されている。第２のループ部分
２１４は、スケール２１０の中心に測定軸１１４に沿っ
て配列されている。接続導体２１５は測定軸１１４に直
交して延びて第１のループ２１３と第２のループ２１４
を接続している。同様に、複数の第２の結合ループ２１
６では、第１のループ部分２１７がスケール２１０の第
２の側方エッジに測定軸１１４に沿って配列されてい
る。第２のループ部分２１８は、スケール２１０の中心
に測定軸１１４に沿って、結合ループ２１２の第２のル
ープ２１４とインターリーブされて配列されている。接
続導体２１９は測定軸１１４に直交して延びて第１のル
ープ２１７と第２のループ２１８を接続している。
【００２６】図４に示すように、トランスジューサ２０
０の読み出しヘッド２２０は、第１の送信巻線部分２２
３Ａと第２の送信巻線部分２２３Ｂを有する送信巻線２
２２を持つ。図４に示すように、第１の送信巻線部分２
２３Ａは読み出しヘッド２２０の第１の側方エッジに配
置され、第２の送信巻線部分２２３Ｂは読み出しヘッド
２２０の第２の側方エッジに配置されている。第１及び
第２の送信巻線部分２３Ａ，２２３Ｂは測定軸１１４に
沿って延びる同じ長さの長辺を有する矩形パターンであ
る。また第１及び第２の送信巻線部分２２３Ａ，２２３
Ｂは測定軸１１４に直交する方向に延びるｄ１なる長さ
の短辺を有する。
【００２７】送信巻線２２２の端子２２２Ａ，２２２Ｂ
は、送信の励振信号発生器１５０に接続されている。励
振信号発生器１５０は、送信巻線端子２２２ａに時間的
に変化する励振信号を供給する。これにより、図４に示
すように、端子２２２Ａから送信巻線２２２を通って端
子２２２Ｂに時間的に変化する電流が流れる。これに応
じて、第１の送信巻線部分２２３Ａは、その送信巻線部
分２２３Ａの内側で図４の面から立ち上がって、送信巻
線部分２２３Ａが作るループの外側で図４の面に降りる
一次磁界を発生する。これに対して、第２の送信巻線部
分２２３Ｂは、その送信巻線部分２２３Ｂが作るループ
の外側で図４の面から立ち上がって、送信巻線部分２２
３Ｂが作るループの内側で図４の面に降りる一次磁界を
発生する。これによって、結合ループ２１２及び２１６
には磁界変化を打ち消すように電流が誘導される。
【００２８】即ち、結合ループの第１ループ部分２１
３，２１７に流れる誘導電流は、それぞれ送信巻線部分
２２３Ａ，２２３Ｂの対応する近接部分に流れる電流と
逆方向となる。図４に示すように、スケールの中心にあ
る第２ループ部分２１４と２１８の隣接するものには、
逆極性のループ電流が流れる。これにより、スケールの
中心に沿って逆極性の磁界部分が周期的に分布するよう
に二次磁界が発生される。周期的な二次磁界の波長λ
は、連続する第２ループ部分２１４（又は２１８）の間
の間隔に等しい。
【００２９】読み出しヘッド２２０は、磁束センサとし
て、第１及び第２の受信巻線２２４及び２２６を有す
る。これらの受信巻線２２４及び２２６は図１に示す受
信巻線１２４及び１２６と同じである。図１に示す第１
及び第２の受信巻線１２４及び１２６と同様に、第１及
び第２の受信巻線２２４及び２２６はそれぞれ、読み出
しヘッド２２０を構成するプリント回路基板の絶縁層の
両側に形成された複数の正弦波形の一部をなす導体セグ
メント２２８及び２２９により形成される。セグメント
２２８と２２９は貫通配線２３０を介して連結されて、
第１及び第２の受信巻線２２２及び２２６のそれぞれに
おいて交互に正極性ループ２３２と負極性ループ２３４
を形成する。即ち、隣接する正極性ループ２３２と負極
性ループ２３４の対で測定軸方向に一波長λとなり、且
つ第１の受信巻線２２２と第２の受信巻線２２６の間に
λ／４の位相ズレを持つように、空間的に幅が変調され
た周期的パターンの誘導性領域が配列形成されたことに
なる。第１及び第２の受信巻線２２２及び２２６は読み
出しヘッド２２０の中心に第１，第２の送信巻線部分２
２３Ａ，２２３Ｂに挟まれて、測定軸に直交する方向に
幅ｄ２を持って配置されている。
【００３０】送信巻線ループから受信巻線ループへの無
駄な結合（位置及びスケールに依存しない）はこの様な
構成によって避けられる。即ち、第１及び第２の送信巻
線部分２２３Ａおよび２２３Ｂにより発生される一次磁
界は、第１及び第２の受信巻線２２４及び２２６の近く
で逆方向を向く。従って、一次磁界は、第１及び第２の
受信巻線２２４及び２２６の占有領域内で互いに打ち消
し合う。理想的には、一次磁界はこの領域で完全に打ち
消されるようにする。
【００３１】第１及び第２の受信巻線２２４及び２２６
は、第１及び第２の送信巻線部分２２３Ａ及び２２３Ｂ
の内側部分との間に等しく間隔ｄ３のスペースが設けら
れている。従って第１及び第２の送信巻線部分２２３Ａ
および２２３Ｂにより、読み出しヘッド２２０の第１及
び第２の受信巻線２２４及び２２６に占有される領域に
それぞれ発生される磁界は、対称的で逆になる。直接の
誘導作用はこれにより効果的に相殺される。即ち、第１
及び第２の受信巻線２２４及び２２６に、第１及び第２
の送信巻線部分２２３Ａおよび２２３Ｂとの無駄な直接
結合により誘導される電圧は、第１に、送信巻線を受信
巻線から離れた位置に配置することによってある限度ま
で低減される。第２には、対称的設計により、無駄な結
合がゼロまで低減される。
【００３２】複数の第１の結合ループ２１２は、第１及
び第２の受信巻線２２４及び２２６の波長λと同じピッ
チで配列される。また、第１ループ部分２１３は、隣接
するもの同士の絶縁スペース２０１を確保しながら、測
定軸１１４方向に可能な限り波長λに近い長さを持たせ
る。更に第１ループ部分２１３は、測定軸１１４と直交
する方向に幅ｄ１を与える。同様に、複数の第２の結合
ループ２１６も波長λと等しいピッチで配列される。第
１ループ部分２１７は、隣接するもの同士の絶縁スペー
ス２０１を確保しながら、測定軸１１４方向に可能な限
り波長λに近い長さを持たせ、また測定軸１１４と直交
する方向に幅ｄ１を与える。
【００３３】第１及び第２の結合ループ２１２及び２１
６の第２ループ部分２１４及び２１８もまた、波長λと
等しいピッチで配列される。ただし、第２ループ部分２
１４及び２１８の測定軸１１４方向の長さは、波長λの
１／２にできるだけ近い値に設定される。第２ループ部
分２１２及び２１６の隣接対の間には図示のように絶縁
スペース２０２が設けられる。こうして、第１及び第２
の結合ループ２１２及び２１６の第２ループ部分２１４
及び２１８は、スケール２１０の長手方向にインターリ
ーブされる。また第２ループ部分２１４及び２１８は、
測定軸１１４と直交する方向に幅ｄ２を持つ。
【００３４】図４に示すように、第２ループ部分２１４
及び２１８は、それぞれ対応する第１ループ部分２１３
及び２１７との間にｄ３なる間隔が設けられている。従
って、読み出しヘッド２２０がスケール２１０に近接配
置された時、図４に示すように、第１の送信巻線部分２
２３Ａは第１の結合ループ２１２の第１ループ部分２１
３と並ぶ。第２の送信巻線部分２２３Ｂは、第２の結合
ループ２１６の第１ループ部分２１７と並ぶ。第１及び
第２の受信巻線２２４及び２２６は、第１及び第２の結
合ループ２１２及び２１６の第２ループ部分２１４及び
２１８と並ぶ。実施例では、スケール２１０及び読み出
しヘッドにプリント回路基板を用いて、送受信巻線及び
磁束結合ループをプリント回路基板プロセスで形成して
いるが、ガラス基板等の他の絶縁基板、或いは半導体基
板を用いて、集積回路プロセスで同様の送受信巻線や磁
束結合ループを形成することができる。
【００３５】測定動作においては、励振信号発生器１５
０から時間的に変化する励振信号が送信巻線端子２２２
Ａに与えられる。これにより、第１の送信巻線部分２２
３Ａは、第１の方向の第１の変動磁界を発生し、第２の
送信巻線部分２２３Ｂは第１の方向と反対の第２の方向
の第２の変動磁界を発生する。第２の変動磁界は、第１
の送信巻線部分２２３Ａにより発生される第１の変動磁
界と等しい磁界強度を持つ。
【００３６】複数の第１の結合ループ２１２は、第１の
送信巻線部分２２３Ａにより発生される第１の磁界によ
って第１の送信巻線部分２２３Ａと誘導的に結合され
る。これにより、第１の結合ループ２１２のそれぞれに
誘導電流が時計回りに流れる。同時に、複数の第２の結
合ループ２１６は第２の送信巻線部分２２３Ｂにより発
生される第２の磁界により第２の送信巻線部分２２３Ｂ
に誘導的に結合される。これは第２の結合ループ２１６
のそれぞれに反時計回りの電流を誘導する。即ち、結合
ループ２１２及び２１６の第２ループ部分２１４及び２
１８を通って反対方向に電流が流れる。
【００３７】第１の結合ループ２１２の第２ループ部分
２１４に流れる時計回りの電流は、第２ループ部分２１
４内で図４の面に降りる方向に第３の磁界を発生させ
る。第２の結合ループ２１６の第２ループ部分２１８に
流れる反時計回りの電流は第２ループ部分２１８内で図
４の面から立ち上がる方向に第４の磁界を発生させる。
これにより、測定軸１１４に沿って正味の変動磁界が形
成される。この変動磁界は第１及び第２の受信巻線２２
４及び２２６の波長λと等しい波長を持つ。
【００３８】従って、第１の受信巻線２２４の正極性ル
ープ２３２が第２ループ部分２１４，２１８の一方と合
致した時、第１の受信巻線２２４の負極性ループ２３４
は第２ループ部分２１４，２１８の他方に合致する。こ
れは、第２の受信巻線２２６の正極性ループ２３２と負
極性ループ２３４が第２ループ部分２１４，２１８と合
致する場合も同様である。第２ループ部分２１４及び２
１８により発生される変動磁界は、第１及び第２の受信
巻線２１４及び２１６の空間変調と同じ波長で空間的に
変調されるから、正及び負極性のループ２３２及び２３
４に第２ループ部分２１４と合致した時に発生されるＥ
ＭＦは等しく、且つこれらが第２ループ部分２１８と合
致したときに発生されるＥＭＦとは逆となる。
【００３９】こうして、正極性ループ２３２の正味の出
力は、読み出しヘッド２２０がスケール２１０に対して
相対移動することにより、読み出しヘッドのスケールに
沿った位置“ｘ”の正弦波状関数となり、無駄に結合に
よる出力信号のオフセット成分は名目上ゼロとなる。同
様に、負極性ループ２３４の正味の出力も、読み出しヘ
ッド２２０がスケール２１０に対して相対移動すること
により、読み出しヘッドのスケールに沿った位置“ｘ”
の正弦波状関数となり、無駄に結合による出力信号のオ
フセット成分は名目上ゼロとなる。正極性ループ２３２
及び負極性ループ２３４からのＥＭＦ寄与は同相であ
る。従ってこれらは、図２（ｃ）に対応する位置依存性
出力信号を生成するが、無駄な結合に起因するＤＣバイ
アスＶ０はこの実施例では無視できる程度まで低減され
る。
【００４０】第１及び第２の受信巻線２２４及び２２６
は、図１の第１及び第２の受信巻線１２４及び１２６と
同様に矩象である。従って、第１の受信巻線２２４によ
り位置ｘの関数として得られて受信信号処理回路１４０
に送られる出力信号は、第２の受信巻線２２６により位
置ｘの関数として得られて受信信号処理回路１４０に送
られる出力信号に対して、９０°位相がずれる。受信信
号処理回路１４０は第１及び第２の受信巻線２２４及び
２２６からの出力信号を取り込んでサンプリングし、こ
れをディジタル値に変換してコントロールユニット１６
０に送る。コントロールユニット１６０は、ディジタル
化された出力信号を処理して読み出しヘッド２２０とス
ケール２１０の間の相対位置ｘを波長λの範囲内で決定
する。
【００４１】貫通配線の配置を適当に変えて、正極性ル
ープ２３２または負極性ループ２３４の一方を、測定軸
と直交する方向に幅ゼロとする（効果的には隣接ループ
間の単純な導体要素となる）ことができることも認識す
べきである。この場合、第１及び第２の受信巻線２２４
及び２２６は単極性の磁束受信部となり、外部磁界に対
する感度が増大し、出力信号振幅は（ループ領域の削減
の結果）先の実施例の場合の１／２になる。しかしこの
設計変更は、いくつかの利益をもたらす。ループを介し
ての無駄な磁束は、対称的な送信巻線構成の結果とし
て、名目上ゼロに保たれる。受信巻線２２４及び２２６
からの出力信号はやはり、ゼロオフセットで正の極大値
と負の極小値の間でスイングする。与えられた測定レン
ジについて、単位変位当たりの出力信号変化の度合い
は、スケール要素と受信巻線の相補的な周期構造の故
に、非常に高い。
【００４２】第１及び第２の受信巻線２２及び２２６の
矩象出力の性質に基づいて、コントロールユニット１６
０は、読み出しヘッド２２０とスケール２１０の間の相
対移動の方向を決定することができる。コントロールユ
ニット１６０は、当業者によく知られ、ここ及び先に引
用した関連米国出願に開示された信号処理法によって、
通過する波長λの一部又は全“インクリメント”をカウ
ントする。コントロールユニット１６０はその数及び波
長λ内の相対位置を用いて、読み出しヘッド２２０とス
ケール２１０の間のある原点からの相対位置を出力す
る。
【００４３】コントロールユニット１６０はまた、送信
用励振信号発生器１５０に制御信号を送って時間的に変
化する励振信号を発生させる。前述の関連米国出願に示
された信号発生及び信号処理回路は、受信信号処理回路
１４０，送信用励振信号発生器１５０及びコントロール
ユニット１６０に適用できる。従ってこれらの回路につ
いてはこれ以上詳細な説明をしない。
【００４４】図５は、図３のスケールと共に用いること
ができる読み出しヘッドの第２の好ましい実施例を示し
ている。この実施例の読み出しヘッドにおける磁束セン
サは、３つの受信巻線３２４，３２６及び３２７を備え
ている。これらの受信巻線は測定軸に沿って互いに波長
λの１／３ずつずれている。図６は、これらの受信巻線
からの測定軸に沿った位置ｘの関数としての出力信号を
示している。なお好ましい第２の実施例として、ここで
は３つの受信巻線３２４，３２６及び３２７を備えた場
合を示しているが、より一般的には、Ｍ個（Ｍ≧）の受
信巻線を測定軸に沿ってλ／Ｍの位相ずれをもって配置
することができる。
【００４５】完全な正弦波出力を実際に実現することは
難しく、完全な正弦波出力からのズレがトランスジュー
サの基本波長の高調波となる。オフセット低減型の誘導
電流型位置トランスジューサの第２の実施例における３
相構造は、位置測定の誤差源となる分離された受信巻線
の３次高調波成分が大きく除去されるという点で、第１
の実施例に対して優れた効果を有する。３次高調波の除
去は、図７に示すように各受信巻線の出力を組み合わせ
ることにより達成される。図７に示すように、受信巻線
はスター結線され、位置決定に用いられる信号はスター
のコーナーの間でとられる。これは、受信巻線３２４，
３２６及び３２７から独立に得られる出力をそれぞれ測
定し、それらをディジタル信号処理回路内で同様の手法
でディジタル的に組み合わせることによっても、可能で
ある。下記数１は、ＵR，ＵS，ＵTで示される原３相信
号を適当に組み合わせることによりどの様に３次高調波
が除去されるかの概略を示している。なお未処理の各相
信号は、３相とも等しい振幅Ａ0，Ａ3を持つ基本正弦波
と３次高調波信号を含むものと仮定している。
【００４６】
【数１】
【００４７】上の各信号を互いに減算することにより、
下記数２に示すように、３次高調波を除去することがで
きる。
【００４８】
【数２】
【００４９】同様の手法で位置計算のために矩象信号Ｖ
Qを得るには、ＶSとＶTを次のように組み合わせる。
【００５０】
【数３】 ＶQ＝ＶS−ＶT ＝Ａ0√３［cos｛（２πｘ／λ）−２π／６｝− cos｛（２πｘ／λ）＋２π／６｝］ ＝Ａ0√３・２sin（２πｘ／λ）sin（−２π／６） ＝３Ａ0sin（２πｘ／λ）
【００５１】インクリメンタル波長内で１／４波長象限
を特定した後、その１／４波長内での内挿位置は次の数
４のように計算される。
【００５２】
【数４】−ＶQ／ＶR＝√３tan（２πｘ／λ）
【００５３】数４をｘについて解くと、次式数５のよう
に位置ｘが求められる。
【００５４】
【数５】 ｘ＝（λ／２π）tan-1｛−ＶQ／（ＶR・√３）｝
【００５５】この様に３相受信巻線からの信号を用いて
計算される位置は、実際のデバイスにおいて通常そうで
あるように、３受信巻線の全ての出力が同じ３次高調波
特性を持つ限り、受信出力信号に含まれる３次高調波成
分による誤差を含まないようになる。また、受信信号を
電子ユニット内のプリアンプで増幅する場合も、プリア
ンプでの歪誤差に起因する測定誤差は、上述の３相構造
での信号処理により相殺することができる。
【００５６】図８〜図１０は、この発明に係るオフセッ
ト低減型の誘導電流型位置トランスジューサ用の読み出
しヘッドとスケールの第３の好ましい実施例を示してい
る。この実施例では、読み出しヘッド４２０上の受信巻
線４２４，４２６の一方の側部に配置されたただ一つの
送信巻線４２３を持つ。スケール４１０は２層のプリン
ト回路基板（ＰＣＢ）である。第１及び第２の結合ルー
プ４１２及び４１６を形成するパターンは、スケール４
１０上に測定軸に沿って配列される。
【００５７】各結合ループ４１２は、第１ループ部分４
１３とこれが接続配線４１５を介して接続される第２ル
ープ部分４１４とを有する。第１ループ部分４１３と第
２のループ部分４１４は、誘導電流が第１ループ部分４
１３と第２ループ部分４１４において同じ極性の磁界を
生成するように、第１ループ部分４１３と第２ループ部
分４１４の間を交差させず接続している。各結合ループ
４１６は、第１ループ部分４１７とこれが交差配線４１
９により接続された第２ループ部分４１８とを有する。
即ち、第１ループ部分４１７と第２ループ部分４１８
は、誘導電流が第１ループ部分４１７と第２ループ部分
４１８において逆極性の磁界を生成するように接続され
ている。
【００５８】結合ループ４１２及び４１６の具体的な構
成は、図９（ａ），（ｂ）に示している。図９（ａ）
は、スケール４１０を形成するＰＣＢの第１の層に形成
された第１の導体パターンである。図９（ｂ）は、スケ
ール４１０を形成するＰＣＢの第２の層に形成された第
２の導体パターンである。これら第１及び第２の層に形
成された第１及び第２のパターンの各個別部分は、ＰＣ
Ｂの貫通配線４０７により接続されて、結合ループ４１
２及び４１６を構成する。
【００５９】読み出しヘッド４２０は、第２のＰＣＢに
より作られて、送信巻線４２４と第１及び第２の受信巻
線４２４及び４２６が形成されている。第１及び第２の
受信巻線４２４及び４２６はこの実施例では２相構造で
あるが、前述の３相構造に適用することもできる。送信
巻線４２３は、読み出しヘッドの長さを越えて第１及び
第２ループ部分４１３及び４１７をカバーする領域を覆
う。送信巻線４２３は、図４との関係で先に説明したと
同様にして励振される。
【００６０】送信巻線４２３の下にある結合ループ４１
２及び４１６の第１ループ部分４１３及び４１７は、送
信巻線４２３により発生される一次磁界に応答して、こ
の一次磁界を弱めるような電流及び磁界を生じる誘導Ｅ
ＭＦを発生する。送信巻線電流が図１０に示すように反
時計回りに流れるとき、結合ループ４１２及び４１６の
第１ループ部分４１３及び４１７の誘導電流は、時計回
りに流れる。結合ループ４１２の第２ループ部分４１４
の電流は同様に時計回りであるが、結合ループ４１６の
第２ループ部分４１８の電流は、上述の交差配線４１９
のため反時計回りとなる。
【００６１】従って、第２ループ部分４１４及び４１８
は、読み出しヘッド４２０の受信巻線４２４及び４２６
の下でスケールに沿って周期的に逆極性領域が繰り返し
現れる二次磁界を形成する。この二次磁界は、第２ルー
プ部分４１４の周期に等しい波長λ（これは、第２ルー
プ部分４１８の周期にも等しい）を有する。第１及び第
２の受信巻線４２４及び２６の受信ループは、スケール
パターンと同じ波長λを持ち、且つλ／４だけずれた状
態に形成される。以上により、第１及び第２の受信巻線
４２４及び４２６の受信ループは、読み出しヘッド４２
０がスケール４１０に沿って移動したときに波長λの周
期関数となる振幅を持つ信号電圧を生成するような誘導
ＥＭＦを発生することになる。一つの送信ループしか持
たないという相違点を除き、この実施例によっても図３
及び図４の実施例で説明したと同様の作用が得られる。
【００６２】図１１は、図４に示したこの発明の第１の
実施例による誘導型読み出しヘッドの断面図であり、受
信ループ２２４及び２２６の一方側にリングをなして形
成された送信巻線２２３ａの電流による一次磁界と、受
信巻線２２４及び２２６の他方側に形成された送信巻線
２２３ｂの電流による一次磁界とが反対極性をもって形
成される様子を示している。これにより、第１及び第２
の受信巻線２２４及び２２６を通る正味の磁界はほぼゼ
ロとなり、送信巻線２２３ａ，２２３ｂから第１及び第
２の受信巻線２２４及び２２６への無駄な直接結合はゼ
ロになる。実験及び理論計算の結果によれば、有効信号
成分の無駄な信号成分に対する比は、図１に示す従来例
に対して、１００倍以上に改善される。
【００６３】図１２は、図１０に示したこの発明の第３
の実施例による誘導型読み出しヘッドの断面図であり、
受信巻線４２４及び４２６の一方側にリングをなして形
成された送信巻線４２３の電流により一次磁界が形成さ
れる様子を示している。この場合、第１の実施例のよう
には無駄な直接結合をゼロにできないが、送信巻線４２
３と第１及び第２の受信巻線４２４及び４２６との分離
を強くすることにより、直接結合を低減することができ
る。更に、変動する極性を持つ二次磁界は、第１及び第
２の受信巻線４２４及び４２６の近くに与えられる。こ
のことは、オフセットの他の原因を除去することにな
る。実験及び理論計算によれば、第３の実施例によっ
て、有効信号成分の無駄な信号成分に対する比は、図１
に示す従来例に対して、約１０倍となる。
【００６４】先の実施例は更に、発明の利点を保持しな
がら、いくつかの観点から変形することができる。例え
ば、図１０の結合ループ４１６（又は４１２）は、他の
部分をそのまま残して、除くことができる。この場合、
第１及び第２の受信巻線４２４及び４２６の近くに与え
られる二次磁界は、第３の実施例のような変動極性パタ
ーンを持たなくなる。しかし、この設計でも、送信巻線
４２３と第１及び第２の受信巻線４２４及び４２６との
間の分離を強くすることにより、送受信巻線間の直接結
合を低減することができる。更に、多重結合ループを用
いることは、誤差を平均化により小さくするという利点
を有し、製造プロセスの不備による巻線セグメント内の
ランダム偏差を低減する上で意味がある。結合ループ４
１６（又は４１２）を除いたとしても、トランスジュー
サの基本動作は、第１及び第２の受信巻線４２４及び４
２６のための一次励起を与える結合ループ４１２（又は
４１６）により決まる変動磁界に基づいて可能である。
これに対して、図１に示す例においては、スタティック
な均一磁界が第１及び第２の受信巻線１２４及び１２６
を一次励起する。受信巻線の出力信号は、この均一磁界
が、可動要素によって第１及び第２の受信巻線１２４及
び１２６の近くで乱されることにより受ける影響に基づ
いて得られる。この発明による変動磁界による励起とい
う手法によれば、結合ループ４１６（又は４１２）を除
いたとしても、生得的に優れた信号を得ることが可能で
ある。
【００６５】図１３は、図５の３相読み出しヘッド３２
０を用いたオフセット低減型の誘導電流型位置トランス
ジューサの第２の好ましい実施例のブロックダイヤグラ
ムである。図１３には、読み出しヘッド３２０のスケー
ル３１０に対する相対位置を決定するに必要な信号処理
回路の主要部のみを示している。図示のように、送信巻
線３２２は、送信用励振信号発生器３５０の励振回路３
５２に接続される。この励振回路３５２は、供給電力を
出力するエネルギー供給源として電源３５１からの電源
電圧ＶDDと接地間に直列接続された第１のスイッチ３５
３と第２のスイッチ３５４を有する。キャパシタ３５５
の一方の端子はスイッチ３５３と３５４の接続ノードＮ
１に接続され、他方の端子は送信巻線３２２の端子３２
２ａに接続されている。送信巻線３２２のもう一つの端
子３２２ｂは接地されている。これにより、送信巻線３
２２は、キャパシタ３５５と共にＬＣ共振回路を構成す
るインダクタとなる。励振回路３５２は、ディジタルコ
ントロールユニット３６０からのパルス信号３６１，３
６２により制御されるスイッチ３５３，３５４のオンオ
フによって、送信巻線３２２を断続的に励振する。
【００６６】送信巻線３２２は、スケール３１０上の結
合ループ３１２及び３１６を介して、間接的、誘導的に
３つの受信巻線３２４，３２６及び３２７に結合され
る。受信巻線３２４，３２６及び３２７は、サンプルホ
ールド回路３７１に接続されている。具体的に、第１の
受信巻線３２４の出力端は、サンプルホールドサブ回路
３７１に接続され、第２の受信巻線３２６の出力端は、
サンプルホールドサブ回路３７２に接続され、第３の受
信巻線３２７の出力端は、サンプルホールドサブ回路３
７３に接続される。
【００６７】３つのサンプルホールドサブ回路３７１〜
３７３はそれぞれ、対応する受信巻線３２４，３２６及
び３２７の出力を受信するスイッチ３７５を有し、励振
回路３５２を制御するパルス信号と同期してサンプリン
グ動作を行う。スイッチ３７５の出力端はバッファアン
プ３７７の正側入力端子に接続されている。サンプルホ
ールドキャパシタ３７６の一端はスイッチ３７５とバッ
ファアンプ３７７との接続ノードＮ３に接続され、他端
は接地されている。バッファアンプ３７７の出力はスイ
ッチ３７８に接続されている。バッファアンプ３７７の
負側入力端子はバッファアンプ３７７の出力ノードＮ４
に接続されている。
【００６８】３つのサンプルホールドサブ回路３７１〜
３７３のスイッチ３７８の出力は、共通に一つの出力線
３７９に接続され、この出力線３７９はＡ／Ｄコンバー
タ３８０の入力端子に接続されている。Ａ／Ｄコンバー
タ３８０はサンプルホールド回路３７０の出力をアナロ
グ値からディジタル値に変換するものである。変換され
たディジタル値は、読み出しヘッド３２０とスケール３
１０の相対位置を決定するマイクロプロセッサ３９０に
送られる。なおサンプルホールドサブ回路３７１〜３７
３でのサンプリングタイミングは、パルス信号により制
御駆動される励振回路３５２、この励振回路３５２によ
り駆動される送信巻線、及びこの送信巻線からの可変磁
束に応答する受信巻線における予測される遅延特性を考
慮して設定される。
【００６９】１波長内の各位置は、先に述べたよく知ら
れた技術と式に従って、マイクロプロセッサにより一義
的に特定される。マイクロプロセッサ３９０はまた、移
動方向トラックと通過した波長の数を保持するよく知ら
れた技術を利用して、トランスジューサのある原点に対
する全相対位置を決定する。即ち実施例の場合、λ／４
だけ位相がずれた第１及び第２の受信巻線により得られ
る出力を処理することにより、内挿数４が得られるが、
更に適当な内挿回路を設けることにより、より高分解能
の位置測定を行うことができる。マイクロプロセッサ３
９０はまた、信号線３９１上にディジタルコントローラ
ユニット３６０に対する制御信号を出力して、信号抽出
のシーケンスを制御する。ディジタルコントロールユニ
ット３６０は、送信用励振信号発生器３５０及びサンプ
ルホールド回路３７０に送られる信号線３６１〜３６６
への出力制御信号により、送信，信号抽出及びＡ／Ｄ変
換シーケンスを制御する。特に、図１３に示すように、
ディジタルコントロールユニット３６０は、送信器励起
のために、信号線３６１及び３６２にそれぞれ第１及び
第２のスイッチ３５３及び３５４に対するスイッチ制御
信号を出力する。
【００７０】ディジタルコントロールユニット３６０は
信号線３６３〜３６６にサンプルホールド回路３７０へ
のスイッチ制御信号を出力する。特に制御信号３６３
は、第１〜第３のサンプルホールドサブ回路３７１〜３
７３のスイッチ３７５を開閉して、受信巻線をサンプル
ホールドキャパシタ３７６に接続する制御を行うサンプ
リングパルスである。制御信号３６３がスイッチ３７５
を開にした時、受信巻線からの受信信号はサンプルホー
ルドキャパシタ３７６にストアされる。信号線３６４〜
３６６上のスイッチ制御信号は、第１〜第３のサンプル
ホールドサブ回路３７１〜３７３の一つのバッファアン
プ３７７の出力を、Ａ／Ｄコンバータ３８０への信号線
３７９に接続するために用いられる。
【００７１】図１４は、位置測定に用いられるスイッチ
制御信号３６１〜３６６のタイミング図である。先ず、
信号線３６１上のスイッチ制御信号が高レベルになりス
イッチ３５３を閉じる。これにより、キャパシタ３５５
は電源電圧ＶDDまでチャージアップされる。その後、信
号線３６１上のスイッチ制御信号が低レベルになって、
スイッチ３５３を開にする。次いで、信号線３６２上の
スイッチ制御信号が低レベルから高レベルになり、スイ
ッチ３５４を閉じる。これにより、キャパシタ３５５は
対応する送信巻線３２２を介して放電される。キャパシ
タ３５５は送信巻線３２２と共に、数ＭＨｚオーダーの
共振周波数を持つ共振回路を形成している。この共振
は、図１４に示すような信号Ｓｘに対応した波長を持つ
減衰振動である。
【００７２】信号Ｓｘは同時に各受信巻線３２４，３２
６及び３２７上にも現れる。しかし各受信巻線３２４，
３２６及び３２７上に現れる信号Ｓｘの振幅及び極性
は、図５に示すように、読み出しヘッド３２０のスケー
ル３１０に対する相対位置に依存する。信号Ｓｘが受信
巻線上でピークに達する前に、信号線３６３上のスイッ
チ制御信号は低レベルから高レベルに変化して、サンプ
ルホールド回路３７０のサンプルホールドキャパシタ３
７６の充電を開始する。信号Ｓｘがピークを越えた直
後、ほぼピーク位置で、信号線３６３上のスイッチ制御
信号は低レベルに戻り、スイッチ３７５を開にする。こ
れにより、３受信巻線のそれぞれの信号Ｓｘの振幅が、
第１〜第３のサンプルホールドサブ回路３７１〜３７３
の対応するサンプルホールドキャパシタ３７６に保持さ
れる。その後信号線３６２上のスイッチ制御信号は低レ
ベルに戻ってスイッチ３５４を開にする。
【００７３】次に、信号線３６３上のスイッチ制御信号
が低レベルに戻った後、信号線３６４上のスイッチ制御
信号が低レベルから高レベルに変化し、サンプルホール
ドサブ回路３７１のスイッチ３７８を閉じる。これによ
り、対応するサンプルホールドキャパシタ３７６に保持
されていたサンプル値が信号線３７９を介してＡ／Ｄコ
ンバータ３８０に送られる。Ａ／Ｄコンバータ３８０
は、信号線３７９上のアナログ値をディジタル値に変換
してこれをマイクロプロセッサ３９０に送る。信号線３
６４上のスイッチ制御信号は低レベルに戻って対応する
スイッチ３７８を開にする。同様のシーケンスが信号線
３６５及び３６６上のスイッチ制御信号について繰り返
され、サンプルホールドサブ回路３７２及び３７３のサ
ンプル値が順次信号線３７９を介してＡ／Ｄコンバータ
３８０に送られる。
【００７４】以上の信号処理は、マイクロプロセッサユ
ニット内のプログラムに従って繰り返される。プログラ
ムは、システムのサンプリングレートをトランスジュー
サの移動速度に適合させ、もって電流消費を最小化する
ように作られる。この様な機能は、当業者にとってよく
知られていることであり、ここではこれ以上詳細な説明
はしない。
【００７５】上述した信号処理システムは、開示された
誘導型位置トランスジューサ、必要なら他の同様の誘導
型位置トランスジューサに適用して、低消費電力動作を
可能とする。例えば、信号処理システムのサンプリング
周波数を１ｋＨｚ程度に維持するように励振信号発生器
３５２を間欠的に活性化することにより、多くの応用に
対して、十分な精度を与え、移動トラッキングを可能と
する。電力消費を低減するために、比較的パルス幅の小
さいパルスを作ることにより励振信号発生器のデューテ
ィサイクルを低く保つことができる。例えば、上述のよ
うに１ｋＨｚのサンプリング周波数とするためには、好
ましいパルス幅は、０．１〜１．０μsである。即ち、
１msのサンプリング周期をもつパルスのデューティサイ
クルは、０．０１％〜０．１％である。
【００７６】キャパシタ３５５と巻線３２２の共振周波
数は、好ましくは、キャパシタ３５５の電圧ピークが
１．０μs或いはそれ以下のパルスの終端より前に来る
ように選択される。従って前述のように、共振周波数
は、数ＭＨｚのオーダーとされる。これにより、対応す
る磁束は、１ＭＨｚ以上、通常数ＭＨｚの周波数で変調
される。これは、従来の誘導型位置トランスジューサの
周波数より高い。
【００７７】本発明者等は、これらの周波数で、結合ル
ープ３１２及び３１６と共にスケール３１０に生じる電
流が第１〜第３の受信巻線３２４，３２６及び３２７に
強い誘導結合を生じるように設定した。第１〜第３の受
信巻線３２４，３２６及び３２７に発生されるＥＭＦ、
及びその結果の出力信号は従って、結合ループ位置に強
く応答する。これは、パルス化励振信号を用いた低デュ
ーティサイクル及び低電力に拘らず、可能である。この
応答の強さは、低デューティサイクルと低電力消費の組
み合わせにより、図１３に示す信号処理回路の励振信号
発生器３５０及び他の回路の平均電流を２００μA以
下、更に好ましくは７５μA以下まで下げた低電力用途
についても、誘導型位置トランスジューサの測定を可能
とする。ここで、“平均電流”とは、誘導型位置トラン
スジューサが正常使用状態にある間の１又はそれ以上の
測定サイクルでの全消費電荷をその測定サイクルで除し
たものを言う。
【００７８】従って、ここに開示されたタイプの誘導型
位置トランスジューサは、３個或いはそれより少ない商
用小型バッテリー或いは１個のソーラーバッテリーを用
いて十分動作可能である。低電力信号処理の詳細は、前
述の関連出願に述べられている。上述の実施例は測定軸
が直線であるリニアトランスジューサとして説明した
が、その設計は、関連米国特許出願第０８／４４１，７
６９号の応用技術に従って、容易に測定軸が円形である
ロータリ応用に変換することができる。また上記実施例
では、送信巻線として空間的に均一な巻線、受信巻線と
して空間的に変調された巻線を用いたが、これらのトラ
ンスジューサ巻線は、適当な信号処理との関係で送信巻
線と受信巻線の役割を“逆”にしても、発明の利益を損
なわない。その様な適当な信号処理技術は、関連米国特
許第０８／４４１，７６９号において図２１を用いて説
明されている。他の応用可能な信号処理技術も当業者に
とっては明らかである。
【００７９】磁界発生器、磁束結合ループ及び磁束セン
サの３要素を対向する二つの部材に載置する場合の組み
合わせは、大きく分けて３通りある。図１５はここまで
の実施例で説明したものであり、送信巻線と受信巻線を
読み出しヘッド２２０に、磁束結合ループをスケール２
１０に形成している。これに対して、図１６は、磁束結
合ループと受信巻線を読み出しヘッド２２０上に形成
し、送信巻線をスケール２１０上に形成する構成であ
る。この場合、受信巻線と送信巻線の形は図１５と逆に
なり、送信巻線はスケール２１０に沿って所定周期で可
変磁束を発生するものとする。図１７は、結合ループと
送信巻線を読み出しヘッド２２０に、受信巻線２１０を
スケール２１０に載せた例である。この場合受信巻線
は、スケール２１０に沿って磁束検出用閉路が所定周期
で配列される。これは、図１６における受信巻線を送信
巻線とし、送信巻線を受信巻線としたものということが
できる。図１５の構成において、送受信巻線を逆に用い
ることも可能である。この発明は更に種々の変形が可能
であることは当業者にとって明らかである。即ちこの発
明は上述した実施例に限られず、請求の範囲に示されて
いるように、発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形す
ることができる。
【００８０】
【発明の効果】以上述べたようにこの発明によれば、改
良されたコンパクトな巻線構成を用いて、無駄なオフセ
ット成分がなく、外部磁界の影響も受けず、且つ格別の
製造や回路精度を要せず高分解能の位置測定を可能とす
る高精度の誘導型位置トランスジューサを得ることがで
きる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来の誘導型位置トランスジューサを示す。
【図２】 図１のトランスジューサの位置依存性出力を
示す。
【図３】 この発明の第１の好ましい実施例の誘導型位
置トランスジューサのスケールを示す。
【図４】 同実施例の誘導型位置トランスジューサを示
す。
【図５】 この発明の第２の好ましい実施例の誘導型位
置トランスジューサの読み出しヘッドを示す。
【図６】 図５の読み出しヘッドの位置依存性出力信号
を示す。
【図７】 図５の３相巻線のベクトル位相関係を示す。
【図８】 この発明の第３の好ましい実施例の誘導型位
置トランスジューサのスケールを示す。
【図９】 同スケールの第１及び第２の部分を拡大して
示す。
【図１０】 同実施例の読み出しスケールを含むトラン
スジューサ構成を示す。
【図１１】 第１の実施例のトランスジューサの断面と
磁界分布を示す。
【図１２】 第２の実施例のトランスジューサの断面と
磁界分布を示す。
【図１３】 図５の読み出しヘッドのブロック構成と信
号処理回路を示す。
【図１４】 同信号処理回路の動作タイミングを示す。
【図１５】 実施例の送受信巻線と磁束結合ループの配
置を示す図である。
【図１６】 送受信巻線と磁束結合ループの他の配置例
を示す図である。
【図１７】 送受信巻線と磁束結合ループの他の配置例
を示す図である。
【符号の説明】
２００…トランスジューサ、２１０…スケール、２１
２，２１６…第１，第２の結合ループ、２１３，２１７
…第１ループ部分、２１５，２１８…第２ループ部分、
１１４…測定軸、２２０…読み出しヘッド、２２２…送
信巻線、２２３ａ，２２３ｂ…第１，第２の送信巻線部
分、２２４，２２６…第１，第２の受信巻線、１５０…
送信用励振信号発生器、１４０…受信信号処理回路、１
６０…制御ユニット、３２０…読み出しヘッド、３２３
ａ，３２３ｂ…第１，第２の送信巻線部分、３３２，３
３４…第１，第２の受信巻線、４１０…スケール、４１
２，４１６…第１，第２の結合ループ、４１３，４１７
…第１ループ部分、４１４，４１８…第２ループ部分、
４２０…読み出しヘッド、４２３…送信巻線、４２４，
４２６…第１，第２の受信巻線。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平６−241834（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−257015（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−242816（ＪＰ，Ａ) 米国特許5977781（ＵＳ，Ａ) 西独国特許出願公開4009977（ＤＥ, Ａ１) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01D 5/00 - 5/62 G01B 7/00 - 7/34 G01P 1/00 - 3/80

Claims (25)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 第１の部材と、 この第１の部材が測定軸に沿って移動可能であるような
    測定軸を有する第２の部材と、 励振信号に応答して第１の磁束領域内に第１の可変磁束
    を発生する磁界発生器と、 前記第１の磁束領域内に配置された第１の部分及び前記
    第１の磁束領域から物理的に離れた第２の磁束領域内に
    配置された第２の部分を有し、前記第１の部分に前記第
    １の可変磁束に応答して誘導電流を発生し、その誘導電
    流により前記第２の部分に第２の可変磁束を発生する磁
    束結合ループと、前記磁束結合ループが発生する第２の可変磁束を検出し
    て前記磁束結合ループとの間の前記測定軸方向の相対位
    置の関数である出力信号を発生する 磁束センサとを備
    え、前記磁束センサと磁界発生器の 少なくとも一方は、前記
    測定軸に沿って波長λで極性が交番する誘導性領域を含
    み、前記磁束結合ループは、第２の部分が前記測定軸に沿っ
    て波長λの１／２のずれをもって配置されて互いに逆周
    りとなる誘導電流を流すように構成された第１及び第２
    の結合ループを有し、 前記磁界発生器、磁束結合ループ及び磁束センサのいず
    れか一つが前記第１、第２の部材の一方に、残りの二つ
    が他方に配置されていることを特徴とする誘導型位置検
    出装置。
  2. 【請求項２】 第１の部材と、 この第１の部材が測定軸に沿って移動可能であるような
    測定軸を有する第２の部材と、 励振信号に応答して第１の磁束領域内に第１の可変磁束
    を発生する磁界発生器と、 前記第１の磁束領域内に配置された第１の部分及び前記
    第１の磁束領域から物理的に離れた第２の磁束領域内に
    配置された第２の部分を有し、前記第１の部分に前記第
    １の可変磁束に応答して誘導電流を発生し、その誘導電
    流により前記第２の部分に第２の可変磁束を発生する磁
    束結合ループと、前記磁束結合ループが発生する第２の可変磁束を検出し
    て前記磁束結合ループとの間の前記測定軸方向の相対位
    置の関数である出力信号を発生する 磁束センサとを備
    え、前記磁束センサと磁界発生器の 少なくとも一方は、前記
    測定軸に沿って波長λで極性が交番する誘導性領域とし
    て交差部で互いに絶縁された複数の導体セグメントによ
    り形成された正極性ループと負極性ループを有する巻線
    により構成され、 前記磁界発生器、磁束結合ループ及び磁束センサのいず
    れか一つが前記第１、第２の部材の一方に、残りの二つ
    が他方に配置されていることを特徴とする誘導型位置検
    出装置。
  3. 【請求項３】 前記磁界発生器と磁束センサは前記測定
    軸に直交する方向に並べて配置され、 前記磁束結合ループの第１の部分が前記磁界発生器に対
    向し、第２の部分が前記磁束センサに対向するように配
    置されていることを特徴とする請求項１又は２記載の誘
    導型位置検出装置。
  4. 【請求項４】 第１の部材と、 この第１の部材が測定軸に沿って移動可能であるような
    測定軸を有する第２の部材と、 前記測定軸を挟んで物理的に離れて配置された第１及び
    第２の送信部を有し、これら第１及び第２の送信部が同
    時に励振されて互いに逆極性の可変磁束を発生する磁界
    発生器と、 前記第１及び第２の送信部が発生する可変磁束にそれぞ
    れ応答するように配置された第１及び第２の結合ループ
    を有し、各結合ループは、前記第１及び第２の送信部が
    発生する可変磁束により誘導電流を発生する第１の部分
    とこの第１の部分から物理的に離れて配置されて第１の
    部分が発生する誘導電流により可変磁束を発生する第２
    の部分とを有する磁束結合ループと、 前記磁束結合ループが発生する可変磁束を検出して前記
    磁束結合ループとの間の前記測定軸方向の相対位置の関
    数である出力信号を発生する磁束センサとを備え、 前記磁束センサと磁界発生器の少なくとも一方は、前記
    測定軸に沿って波長λで極性が交番する誘導性領域を含
    み、 前記磁束結合ループは、第１及び第２の結合ループの第
    ２の部分が前記測定軸に沿って波長λの１／２のずれを
    もって配置されて互いに逆周りとなる誘導電流を流すよ
    うに構成され、 前記磁界発生器、磁束結合ループ及び磁束センサのいず
    れか一つが前記第１、第２の部材の一方に、残りの二つ
    が他方に配置されていることを特徴とする誘導型位置検
    出装置。
  5. 【請求項５】 前記磁束結合ループは、第１の結合ルー
    プの第１の部分と第２の部分がそれぞれ前記第１の送信
    部と磁束センサに対向し、第２の結合ループの第１の部
    分と第２の部分がそれぞれ前記第２の送信部と磁束セン
    サに対向するように配置されていることを特徴とする請
    求項４記載の誘導型位置検出装置。
  6. 【請求項６】 前記第１及び第２の送信部は、前記磁束
    センサの前記測定軸と直交する方向の両サイドに配置さ
    れて、前記磁束結合ループがない場合に前記磁束センサ
    に直接結合する磁束がその対称構造の結果として実質的
    にゼロとなるように構成されていることを特徴とする請
    求項４記載の誘導型位置検出装置。
  7. 【請求項７】 前記磁界発生器と磁束センサが前記第
    １，第２の部材の一方に配置され、 前記磁束結合ループが前記第１，第２の部材の他方に配
    置されていることを特徴とする請求項１，２，４のいず
    れかに記載の誘導型位置検出装置。
  8. 【請求項８】 前記磁界発生器と磁束結合ループが前記
    第１，第２の部材の一方に配置され、 前記磁束センサが、前記第１，第２の部材の他方に配置
    されていることを特徴とする請求項１，２，４のいずれ
    かに記載の誘導型位置検出装置。
  9. 【請求項９】 前記磁界結合ループと磁束センサが前記
    第１，第２の部材の一方に配置され、 前記磁界発生器が前記第１，第２の部材の他方に配置さ
    れていることを特徴とする請求項１，２，４のいずれか
    に記載の誘導型位置検出装置。
  10. 【請求項１０】 前記磁界発生器と磁束センサの少なく
    とも一方は、波長λを一周期として前記測定軸に沿って
    複数周期にわたって前記誘導性領域を形成する巻線から
    なることを特徴とする請求項１，２，４のいずれかに記
    載の誘導型位置検出装置。
  11. 【請求項１１】 前記巻線は、交差部で互いに絶縁され
    た複数の導体セグメントにより形成された正極性ループ
    と負極性ループとの一対で波長λの一周期を構成してい
    ることを特徴とする請求項１０記載の誘導型位置検出装
    置。
  12. 【請求項１２】 前記巻線として、前記測定軸に沿って
    λ／４の位相ずれを持つ２種が配置されていることを特
    徴とする請求項１０記載の誘導型位置検出装置。
  13. 【請求項１３】 前記巻線として、前記測定軸に沿って
    λ／Ｍの位相ずれを持つＭ種（但し、Ｍ≧３）が配置さ
    れていることを特徴とする請求項１０記載の誘導型位置
    検出装置。
  14. 【請求項１４】 前記磁束結合ループとして、前記波長
    λの周期で形成された複数の第１の結合ループと、第１
    の結合ループに対してλ／２の位相ずれをもって形成さ
    れた複数の第２の結合ループとが設けられていることを
    特徴とする請求項１，２，４のいずれかに記載の誘導型
    位置検出装置。
  15. 【請求項１５】 前記磁束センサと前記磁界発生器は、
    前記磁束センサが前記磁界発生器により発生される可変
    磁束に直接感応しないように配置されていることを特徴
    とする請求項１，２，４のいずれかに記載の誘導型位置
    検出装置。
  16. 【請求項１６】 前記磁界発生器、磁束結合ループ及び
    磁束センサの少なくとも一つは、プリント回路基板、集
    積回路基板のいずれかに形成されていることを特徴とす
    る請求項１，２，４のいずれかに記載の誘導型位置検出
    装置。
  17. 【請求項１７】 供給電力を出力するエネルギー供給源
    と、 前記供給電力を入力して、各測定サイクルの間前記磁界
    発生器に励振信号を与える励振回路と、 前記各磁束センサからの出力信号を入力して、前記第１
    の部材の第２の部材に対する相対位置を所定の分解能レ
    ベルで示す位置信号を出力する解析回路とを更に備えた
    ことを特徴とする請求項１，２，４のいずれかに記載の
    誘導型位置検出装置。
  18. 【請求項１８】 前記励振回路は、前記磁界発生器の送
    信巻線と共に共振回路を構成するキャパシタを有するこ
    とを特徴とする請求項１７記載の誘導型位置検出装置。
  19. 【請求項１９】 前記解析回路は、前記磁束センサの出
    力信号を内挿して高分解能位置測定を行う内挿回路を有
    することを特徴とする請求項１７記載の誘導型位置検出
    装置。
  20. 【請求項２０】 前記磁束センサとして、波長λの周期
    パターンをもってλ／Ｎずつ位相がずれた状態の誘導性
    領域を含むＮ個が配置され、 前記解析回路は、前記各磁束センサの出力を互いに減算
    することにより高調波成分を除去することを特徴とする
    請求項１７記載の誘導型位置検出装置。
  21. 【請求項２１】 前記励振回路は、パルス信号により制
    御駆動されて前記磁界発生器に対して断続的励振信号を
    出力することを特徴とする請求項１７記載の誘導型位置
    検出装置。
  22. 【請求項２２】 前記解析回路は、前記励振回路を制御
    駆動するパルス信号に同期して前記磁束センサの出力信
    号をサンプリングホールドするサンプルホールド回路を
    有することを特徴とする請求項１９記載の誘導型位置検
    出装置。
  23. 【請求項２３】 前記サンプルホールド回路は、前記パ
    ルス信号に同期して制御駆動される励振回路、この励振
    回路により駆動される磁束発生器、及びこの磁束発生器
    からの可変磁束に応答する磁束センサにおける予測され
    る遅延特性に基づいてサンプリングタイミングが設定さ
    れていることを特徴とする請求項２２記載の誘導型位置
    検出装置。
  24. 【請求項２４】 前記測定軸が直線であることを特徴と
    する請求項１，２，４のいずれかに記載の誘導型位置検
    出装置。
  25. 【請求項２５】 前記測定軸が円形であることを特徴と
    する請求項１，２，４のいずれかに記載の誘導型位置検
    出装置。
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