JP4340133B2 - 誘導型変位検出装置及びマイクロメータ - Google Patents

Description

本発明は、ノギスやマイクロメータに代表される小型の測定工具、ロータリエンコーダ、リニアエンコーダおよびセンサ機器等に応用される、磁束結合を利用して変位検出を行う誘導型変位検出装置に関する。

従来から直線変位や角度変位などの精密な測定に誘導型変位検出装置が利用されている。この検出装置にはリニア型とロータリ型がある。リニア型の誘導型変位検出装置は、磁束結合巻線を所定ピッチで配列したスケールと、このスケールに対して相対移動可能に対向配置されると共に磁束結合巻線と磁束結合する送信巻線及び受信巻線が配置されたセンサヘッドと、により構成される（例えば特許文献１）。一方、ロータリ型の誘導型変位検出装置は、送信巻線及び受信巻線がステータに配置され、磁束結合巻線と同様の機能を果たす導電プレートがロータに配置されている（例えば特許文献２）。
特開平１０-３１８７８１号公報（図１） 特開平８-３１３２９５号公報（図１６）

誘導型変位検出装置は精密な測定に利用されるが、クロストークが発生すると、つまり磁束結合してほしくない箇所で磁束結合がされると、分解能が低下し、変位検出の精度が低下する。特に、送信巻線が、一端から延びて送信折返し部に至り、ここから折り返して他端に至る構造の場合、送信折返し部でのクロストークが問題となる。また、送信巻線を流れる送信電流が小さいこと、センサヘッドとスケールのミスアライメントの影響を受けやすいこと等によっても変位検出の精度が低下する。

本発明は、かかる問題を解決するためになされたものであり、高精度な誘導型変位検出装置を提供することを目的とする。

本発明に係る第１の誘導型変位検出装置は、互いに対向するように配置されたステータ及びロータと、波状に延びて受信折返し部で折り返し再び波状に延びることにより構成される複数の受信ループを含むと共にステータに配置された受信巻線と、一端からリング状に延びて送信折返し部に至る第１のリング部及び送信折返し部から第１のリング部と異なる半径でリング状に延びて他端に至る第２のリング部を含むと共にステータに配置された送信巻線と、受信巻線及び送信巻線に磁束結合可能にロータに配置された磁束結合巻線と、を備えることを特徴とする。

本発明に係る第１の誘導型変位検出装置によれば、送信巻線を一端からリング状に延びて送信折返し部に至る第１のリング部及び送信折返し部から第１のリング部と異なる半径でリング状に延びて他端に至る第２のリング部を含む構成にしている。このため、送信折返し部の位置と、送信巻線の一端・他端の位置とを近くにするこができる。

本発明に係る第１の誘導型変位検出装置において、（１）送信折返し部と受信折返し部とは、受信ループ１個分以上離れている、（２）送信折返し部は、受信巻線と重なる位置にある、（３）受信折返し部は、磁束結合巻線により規定される領域と重なることが可能な位置にある、ようにすることができる。（１）〜（３）によればノイズの影響を小さくすることができる。また、（２）によれば、受信巻線と送信折返し部が重なっているため、常にクロストークを受けることにより、クロストークの変動量を小さくできる。本発明に係る第１の誘導型変位検出装置において、受信巻線は円周状を有していてもよいし、円弧状を有していてもよい。

本発明に係る第２の誘導型変位検出装置は、互いに対向するように配置されたステータ及びロータと、複数の受信ループを円弧状にステータに配置して構成された受信巻線と、一端から受信巻線に追着き追越すようにリング状に延びて送信折返し部に至る第１のリング部及び送信折返し部から受信巻線に追着き追越すように第１のリング部と異なる半径でリング状に延びて他端に至る第２のリング部を含むと共にステータに配置された送信巻線と、受信巻線及び送信巻線に磁束結合可能にロータに配置された磁束結合巻線と、を備えることを特徴とする。

本発明に係る第２の誘導型変位検出装置によれば、受信巻線を円弧状にすると共に受信巻線を追越した箇所に送信巻線の送信折返し部が位置するようにしているので、受信巻線の位置を送信折返し部から離すことができる。よって、送信折返し部と受信巻線との磁束結合を防止又は弱くできるため、高精度な誘導型変位検出装置を実現することができる。本発明に係る第２の誘導型変位検出装置において、送信折返し部と受信巻線との間のスペースは、受信ループ１個分以上である、ようにすることができる。

本発明に係る第１及び第２の誘導型変位検出装置において、送信巻線は第２のリング部から他端に至る引出部を含み、ステータはコア層となる基板を含み、第１のリング部、第２のリング部及び受信巻線は、基板の一方の面側に配置され、送信折返し部及び引出部は、基板の他方の面側の同じ層に互いに略平行に配置され、送信折返し部及び引出部が配置されている層と基板の他方の面との間に送信折返し部及び引出部と電気的に分離されたシールド層が配置されている、ようにすることができる。

これによれば、送信折返し部で発生する磁場と引出部で発生する磁場とが受信巻線側を向いても、シールド層があるので、これらの磁場は減衰される。したがって、１信号周期で発生するクロストークが原因となる測定誤差を低減すること、又はなくすことができる。

本発明に係る第１及び第２の誘導型変位検出装置において、送信巻線は第２のリング部から他端に至る引出部を含み、ステータはコア層となる基板を含み、第１のリング部、第２のリング部及び受信巻線は、基板の一方の面側に配置され、送信折返し部及び引出部は、基板の他方の面側の異なる層に重なるように配置されている、ようにすることができる。

これによれば、送信折返し部と引出部は互いに重なるように配置されているため、受信巻線側の方向では、送信折返し部で発生する磁場と引出部で発生する磁場とが打ち消し合うことになり、磁場は減衰される。よって、１信号周期で発生するクロストークが原因となる測定誤差を低減すること、又はなくすことができる。

本発明に係る第３の誘導型変位検出装置は、互いに対向するように配置された一方及び他方の巻線保持部材と、上下方向に互いに間隔が設けられた上層導体と下層導体とを含むと共に一方の巻線保持部材に配置された送信巻線と、送信巻線に沿って複数の受信ループを一方の巻線保持部材に配置して構成された受信巻線と、送信巻線及び受信巻線に磁束結合可能に他方の巻線保持部材に配置されると共に送信巻線及び受信巻線に対して相対移動可能な磁束結合巻線と、を備えることを特徴とする。

本発明に係る第３の誘導型変位検出装置によれば、送信巻線を、二層の導体（上層導体、下層導体）で構成している。したがって、上下の送信巻線は並列接続になっている。よって、送信巻線の抵抗を下げることができので、送信信号の強度を大きくすることができる。この結果、Ｓ／Ｎ比が向上するので、高精度の誘導型変位検出装置を実現することができる。また、本発明によれば、送信巻線を上層導体と下層導体で構成するので、送信巻線の平面的な面積が増加することはない。したがって、ミスアライメントの影響を受けにくくすることができるので、誘導型変位検出装置の高精度化を図ることができる。

本発明に係る第３の誘導型変位検出装置において、一方の巻線保持部材はステータであり、他方の巻線保持部材はロータであり、送信巻線は、一端からリング状に延びて送信折返し部に至る第１のリング部及び送信折返し部から第１のリング部と異なる半径でリング状に延びて他端に至る第２のリング部を含む、ようにすることができる。これは、本発明に係る第３の誘導型変位検出装置をロータリ型に適用したものである。

本発明に係る第３の誘導型変位検出装置において、一方の巻線保持部材はセンサヘッドであり、他方の巻線保持部材は、センサヘッドに対してリニア方向に相対移動可能なスケールであり、送信巻線は、一端からリニア状に延びて送信折返し部に至る第１のリニア部及び送信折返し部からリニア状に延びて他端に至る第２のリニア部を含む、ようにすることができる。これは、本発明に係る第３の誘導型変位検出装置をリニア型に適用したものである。

本発明に係る第１〜第３の誘導型変位検出装置において、第１のリング部と第２のリング部との間に受信巻線が位置する、ようにすることができる。これによれば、受信巻線が配置される領域の半径を大きくできるため、受信巻線の面積を大きくできる。したがって、受信信号の強度を大きくすることができるので、Ｓ／Ｎ比が向上し、誘導型変位検出装置の高精度化を図ることができる。

本発明に係る第１〜第３の誘導型変位検出装置は、マイクロメータに搭載することができる。

本発明に係る第１の誘導型変位検出装置によれば、送信折返し部の位置と、送信巻線の一端・他端の位置とを近くにするこができる。したがって、送信巻線のノイズ考慮箇所を一箇所と見なすことができる。よって、設計の自由度が向上するため、誘導型変位検出装置の高精度化を図ることができる。本発明に係る第２の誘導型変位検出装置によれば、受信巻線の位置を送信巻線の送信折返し部から離すことができるため、高精度な誘導型変位検出装置を実現することができる。本発明に係る第３の誘導型変位検出装置によれば、送信巻線に流れる送信信号の強度を大きくできると共にミスアライメントの影響を受けにくいようにすることができるので、誘導型変位検出装置の高精度化を図ることができる。

以下、図面を参照して、本発明に係る誘導型変位検出装置（以下、「誘導型変位検出装置」を「エンコーダ」と記載する場合もある。）について説明する。なお、図において、既に説明した図中の符号で示すものと同一のものについては、同一符号を付すことにより説明を省略する。

［第１実施形態］
第１実施形態に係る誘導型変位検出装置は、ロータリ型エンコーダである。このエンコーダの受信巻線を円弧状にすることにより、送信巻線の送信折返し部から受信巻線を離している。これにより、送信折返し部と受信巻線とのクロストークを防止している。

図１は、第１実施形態に係るエンコーダの構成要素であるステータ１の平面図であり、図２はロータ３の平面図である。ステータ（一方の巻線保持部材の一例）１とロータ（他方の巻線保持部材の一例）３とが互いに対向するように配置されている。ロータ３は円周方向Ａに回転自在に支持されている。ステータ１やロータ３はプリント回路基板等により構成される。

まず、図１のステータ１から説明する。ステータ１は、中央に貫通穴５が形成された樹脂等からなる絶縁基板７を備える。絶縁基板７の上に、円弧状の三つの受信巻線９，１１，１３が貫通穴５を囲むように配置されている。これらの巻線は同じ構造を有しており、巻線９を例として受信巻線の構造を説明する。

図３は受信巻線９の平面図である。受信巻線９は、上層導体１５と、これに立体交差する下層導体１７とのセットＵが複数あり、これらのセットＵが円弧状に配置されている。上層導体１５と下層導体１７との間に図示しない絶縁層が配置されている。この絶縁層に設けられたスルーホール又はビアホールに埋め込まれた埋込導体１９を介して、上層導体１５の端部と下層導体１７の端部とが接続されている。したがって、受信巻線９は、略ひし形の複数の受信ループ２１を貫通穴５（図１）に沿って配置した構成を有する。言い換えれば、受信巻線９は、波状（この例ではジグザグ状であるが、sin状でもよい）に延びて受信折返し部２２で折り返し再び波状に延びることにより構成される複数の受信ループ２１を含む。図４は一つの受信ループ２１の平面図である。

なお、上層導体１５と下層導体１７が絶縁基板７（図１）の一方の面に形成されている場合で説明している。しかしながら、絶縁基板７の一方の面に上層導体１５を配置し、他方の面に下層導体１７を配置し、絶縁基板７に設けられたスルーホールに埋め込まれた埋込導体１９により、上層導体１５の端部と下層導体１７の端部を接続した構成でもよい。

図１の説明に戻る。受信巻線９、１１、１３は、λ／６だけ位相をずらして配置されている。λとは、図３に示すように、二つ分の受信ループ２１の円周方向Ａ（図２）に沿う寸法のことである。

絶縁基板７の上に、送信巻線２３が受信巻線９，１１，１３を囲むように配置されている。詳しくは、送信巻線２３は、端子Ｔ１となる一端から受信巻線９，１１，１３に追着き追越すようにリング状（円状）延びて送信折返し部２５に至るリング部２７（第１のリング部の一例）と、送信折返し部２５と、送信折返し部２５から受信巻線９，１１，１３に追着き追越すようにリング部２７と異なる半径でリング状（円状）延びたリング部２９（第２のリング部の一例）と、リング部２９から端子Ｔ２となる他端に至る引出部３１と、で構成される。

リング部２７の内側にリング部２９が位置しており、リング部２７とリング部２９との間に受信巻線９，１１，１３が位置する。引出部３１は、リング部２７、リング部２９及び送信折返し部２５と異なる層に位置している。これを図５で説明する。図５は、送信巻線２３の平面図である。リング部２７、リング部２９及び送信折返し部２５は、上層導体１５（図３）と同じ層に位置し、引出部３１は下層導体１７（図３）と同じ層に位置する。

次に、図２でロータ３の構成を説明する。ロータ３は中央に貫通穴３３が形成されている樹脂等からなる円盤状の絶縁基板３５を有する。絶縁基板３５の上に貫通穴３３を囲むように複数の磁束結合巻線３７が配置されている。図示しない回転軸が図１のステータ１の貫通穴５に通されており、この回転軸がロータ３の貫通穴３３の箇所に固定されている。これにより、ロータ３が円周方向Ａに回転自在に支持される。この状態において、磁束結合巻線３７は、図１の送信巻線２３及び受信巻線９，１１，１３と対向している。図６は磁束結合巻線３７の平面図である。磁束結合巻線３７は、受信巻線（受信ループ２１）及び送信巻線２３に磁束結合可能にロータ３（図２）に配置されている。したがって、磁束結合巻線３７は、送信巻線２３及び受信巻線９，１１，１３に磁束結合可能に配置されると共に送信巻線２３及び受信巻線９，１１，１３に対して相対移動可能ということができる。

図２に示すように、磁束結合巻線３７どうしの間には磁束結合巻線３７一個分のスペースが設けられる（受信ループ２１一個分のスペースと言うこともできる）。このスペースを設けた理由について図７を用いて説明する。図７は、上記スペースが設けられていない場合における隣り合う磁束結合巻線３７と受信ループ２１の平面図である。

ある時刻における磁束結合巻線３７に流れる電流の向きを矢印ｉ１で示している。この時、磁束結合巻線３７−１と磁束結合する受信ループ２１−１、磁束結合巻線３７−２と磁束結合する受信ループ２１−２に流れる電流の向きは、矢印ｉ２のようになる。したがって、受信ループ２１−１を流れる電流と受信ループ２１−２を流れる電流とは打ち消しあうので、受信巻線に受信信号を流すことができない。

そこで、第１実施形態では、隣り合う磁束結合巻線３７の間に上記スペースを設けている。つまり、図７の隣り合う磁束結合巻線３７のうち一方しか設けていない。これにより、隣り合う受信ループ２１のうち片方しか磁束結合巻線３７と磁束結合できないようにして、電流の打ち消しあいを防止している。しかし、図２に示すように絶縁基板３５に配置できる磁束結合巻線３７の数が少なくなるので、受信巻線で受信する信号の強度を大きくできない。なお、磁束結合巻線３７、送信巻線２３及び受信巻線９，１１，１３は、アルミニウム、銅、金などの電気抵抗が低い材料で構成される。

受信巻線９の端子Ｔ３，Ｔ４、受信巻線１１の端子Ｔ５，Ｔ６、受信巻線１３の端子Ｔ７，Ｔ８及び送信巻線２３の端子Ｔ１，Ｔ２は、図示しない配線を介して、変位を測定するための演算や制御などをするＩＣ回路３９と接続されている。ＩＣ回路３９はステータ１に配置されていてもよいし、これとは別の部品に取り付けられていてもよい。

なお、第１実施形態は、互いに位相をずらして配置された三つの受信巻線９，１１，１３、すなわち３相の受信巻線の場合である。しかしながら、本発明は、受信巻線が一つの場合（１相の受信巻線）、互いに位相をずらして配置された二つの受信巻線の場合（２相の受信巻線）、互いに位相をずらして配置された四つ以上の受信巻線の場合（４相以上の受信巻線）でもよい。

次に、第１実施形態に係るエンコーダの動作について、マイクロメータを例にして図１、図２及び図８を参照して簡単に説明する。図８は、上記変位検出装置を搭載したマイクロメータ５１の正面図である。フレーム５３にステータ１が固定され、シンブル５５にロータ３が固定されている。

例えば、製造現場で使用中に工作機械のクーラントやオイルがスピンドル６５周辺から内部に侵入した場合、従来の静電容量式ロータリエンコーダを使用したデジタル式のマイクロメータでは誤動作を起していたが、本発明による誘導型変位検出装置を使用したデジタル式のマイクロメータであれば検出原理が電磁誘導であるため、誤動作することなく変位を検出することができる。従って、従来よりも耐環境性に優れたデジタル式のマイクロメータを提供することが可能である。

第１実施形態の主な効果として次の二つがある。まず、一つ目の効果を説明する。図１に示すように、送信巻線２３のうち、リング部２７及びリング部２９の形状はリング状であり、送信折返し部２５及び引出部３１の形状はリングの半径方向に延びた直線状である。このように、送信巻線２３は送信折返し部２５や引出部３１の箇所で延びる方向が急激に変化し、不規則な形状となっている。このため、送信巻線２３により形成される磁場は、送信折返し部２５や引出部３１付近で分布や強度が変化し、歪みが生じる。したがって、受信巻線９，１１，１３が送信折返し部２５や引出部３１と磁束結合（つまりクロストーク）すると、受信巻線９，１１，１３が上記歪んだ磁場の影響を受けるため、変位検出の精度が低下する。

第１実施形態によれば、受信巻線９，１１，１３を円弧状にすると共にこれらの巻線を追越した箇所に送信折返し部２５や引出部３１が位置するようにしているので、これらの巻線を送信折返し部２５や引出部３１から所定距離（例えば受信ループ２１の略１．５個分）だけ離すことができる。したがって、受信巻線９，１１，１３が送信折返し部２５や引出部３１と磁束結合するのを防止、又は磁束結合したとしても弱くできる。よって、第１実施形態によれば、高精度な誘導型変位検出装置を実現することができる。

第１実施形態の二つ目の効果を、この実施形態の変形例と比較して説明する。図９は、この変形例に係るステータ７１の平面図である。図１のステータ１と相違するのは、送信巻線２３のリング部２７及びリング部２９の内側に受信巻線９，１１，１３が配置されている点である。この変形例も本発明の一つの実施形態である。

図１や図９の受信巻線９，１１，１３の形状は円弧状なので、リング状の受信巻線と比べて受信巻線の面積が小さくなる。これは受信信号の強度が落ちることを意味する。図１に示す第１実施形態では、リング部２７（第１のリング部の一例）とリング部２９（第２のリング部の一例）との間に受信巻線９，１１，１３が位置している。このため、図９に示す変形例よりも、受信巻線９，１１，１３が配置される領域の半径が大きくなる。したがって、第１実施形態によれば変形例よりも受信巻線９，１１，１３の面積を大きくできるため、受信信号の強度を大きくすることができる。この結果、Ｓ／Ｎ比が向上し、誘導型変位検出装置の高精度化を図ることができる。

本発明者の実験によれば、図１に示す第１実施形態のステータ１は図９のステータ７１に比べて、受信信号の強度が５〜８倍程度増加することが分かった。これから以下のことが言える。（１）ステータ１とロータ３のギャップを変形例よりも数倍（例えば５００〜６００μｍ）広くできるため、その分だけギャップ変動に対して強くなり、変位検出の精度が向上する。（２）受信巻線９，１１，１３の形状の設計の自由度が高くなるため、ミスアライメント特性を向上させる形状の設計が可能となる。（３）誘導型変位検出装置の組み立て工程数を少なくしたり、誘導型変位検出装置の部品精度を下げたり、できるため誘導型変位検出装置のコストを下げることができる。

［第２実施形態］
第２実施形態は、送信折返し部や引出部からの磁場をシールドするシールド層を設けることにより、１信号周期で発生するクロストークが原因となる測定誤差を低減している。まず、このクロストークから説明する。

図１０は、図１の送信巻線２３や受信巻線９と、図２の磁束結合巻線３７との位置関係を示す平面図である。送信巻線２３の送信折返し部２５や引出部３１で発生した歪んだ磁場が、矢印Ｂで示すように、磁束結合巻線３７を介して受信巻線９に伝わるクロストークが発生している。受信巻線９と送信折返し部２５（引出部３１）との間に磁束結合巻線３７が位置する関係は、磁束結合巻線３７がλ移動するたびに発生する。この移動に要する時間を１信号周期とするとクロストークが１信号周期で発生することになる。

第２実施形態によれば、上記クロストークの影響を受けにくくすることができる。第２実施形態の構造について、第１実施形態の構造と異なる点を中心に、図１１〜図１３を用いて説明する。図１１は、第２実施形態に係るエンコーダに備えられるステータ７３の送信折返し部２５や引出部３１が設けられている箇所の断面の模式図である。図１２は、図１１に表れている導電部（送信折返し部２５、引出部３１、シールド層７５等）の斜視図である。図１３は、第２実施形態に係るエンコーダの送信巻線７７の平面図である。

図１１に示すステータ７３は、コア層となる絶縁基板７を含む。リング部２７、リング部２９及び受信巻線（図示せず）は、絶縁基板７の表面７９（一方の面の一例）側に配置されている。詳しくは、絶縁基板７に設けられたスルーホール８１に埋込導体１９が埋め込まれている。表面７９には埋込導体１９と接続するパッド電極８３が形成されている。パッド電極８３を覆うように、絶縁基板７の表面７９上に絶縁層８５が形成されている。絶縁層８５の上には第１のリング部（図示せず）やリング部２９が形成されている。リング部２９の端部８７，８９は、それぞれ、絶縁層８５に形成されたビアホールを介してパッド電極８３−１，８３−２と接続されている。リング部２９を覆うように保護層９１が形成されている。

絶縁基板７の裏面９３（他方の面の一例）側に、送信折返し部２５や引出部３１が配置されている。詳しくは、裏面９３の上に埋込導体１９と接続されたパッド電極９５が形成されている。パッド電極９５を囲むように、パッド電極９５と電気的に分離されたシールド層７５が設けられている。シールド層７５は、送信折返し部２５や引出部３１とも電気的に分離されている。パッド電極９５やシールド層７５を覆うように絶縁層９７が形成されている。

絶縁層９７の上に、送信折返し部２５や引出部３１が形成されている。送信折返し部２５及び引出部３１は、絶縁基板７の裏面９３側の同じ層に、リング部２７，２９の半径方向に互いに略平行に配置されている。送信折返し部２５及び引出部３１は、シールド層７５で覆われている。送信折返し部２５、引出部３１は、それぞれ、絶縁層９７に設けられたビアホールを介してパッド電極９５−１，９５−２と接続されている。送信折返し部２５や引出部３１を覆うように保護層９９が形成されている。

送信折返し部２５、引出部３１、シールド層７５、埋込導体１９、パッド電極８３，９５は、アルミニウム、銅、金などの電気抵抗が低い材料で構成される。また、絶縁層８５，９７や保護層９１，９９の材料は、例えばシリコン酸化膜である。なお、絶縁基板７の替りにプリント基板を用いる場合、これらの材料はプリント基板を構成する樹脂である。

第２実施形態の効果を説明する。図１３に示すように、ある時刻において、送信巻線７７に矢印ｉの向きの電流が流れているとする。送信折返し部２５と引出部３１とでは逆方向の電流が流れる。図１２に示すように、この時刻における送信折返し部２５を流れる電流により磁場Ｈ１が発生し、引出部３１を流れる電流により磁場Ｈ２が発生する。送信折返し部２５と引出部３１との間の領域では、送信折返し部２５による磁場Ｈ１と引出部３１による磁場Ｈ２は、共に上方向（受信巻線が配置されている方向）である。

送信折返し部２５及び引出部３１が配置されている層と絶縁基板７の裏面９３との間に、シールド層７５が配置されているので、磁場Ｈ１と磁場Ｈ２を足し合わせた磁場は減衰され、上記１信号周期で発生するクロストークを小さく（又はなくす）できる。したがって、１信号周期で発生するクロストークが原因となる測定誤差を低減（又はなくす）できるため、誘導型変位検出装置の高精度化を図ることができる。本発明者のシミュレーションによれば、第１実施形態に比べて、１信号周期で発生するクロストークが原因となる測定誤差を約半分に低減できた。

ここで、シールド層７５、送信折返し部２５及び引出部３１の形成方法について図１１、図１４及び図１５を用いて簡単に説明する。図１４及び図１５は図１１と同じ断面を示している。図１４に示すように、裏面９３上に例えばスパッタリングにより導電膜を堆積し、この導電膜をリソグラフィとエッチングによりパターニングして、シールド層７５及びパッド電極９５を形成する。

図１５に示すように、シールド層７５及びパッド電極９５を覆うように、例えばＣＶＤにより絶縁層９７を形成し、リソグラフィとエッチングを用いて、パッド電極９５を露出するビアホール１０１を形成する。そして、図１１に示すように、スパッタリング等により導電膜を絶縁層９７上に堆積し、この導電膜をリソグラフィとエッチングを用いてパターニングし、送信折返し部２５や引出部３１を形成する。これ以外にもプリント基板の製法にて形成することも可能である。

［第３実施形態］
第３実施形態では、送信折返し部と引出部を、基板の裏面側の異なる層に重なるように配置することにより、第２実施形態と同様の効果を達成している。つまり、１信号周期で発生するクロストークが原因となる測定誤差を低減している（又はなくしている）。

第３実施形態については、第１及び第２実施形態と異なる点を中心に図１６及び図１７を用いて説明する。図１６は、第３実施形態に係るエンコーダに備えられるステータ１０３の送信折返し部２５や引出部３１が設けられている箇所の断面の模式図であり、図１１と対応する。図１７は、図１６に表れている導電部（送信折返し部２５、引出部３１等）の斜視図であり、図１２と対応する。

保護層９９側から見て、下層部に送信折返し部２５が形成され、上層部に送信折返し部２５と重なるように引出部３１が形成されている。送信折返し部２５と引出部３１との間には、絶縁層９７が形成されている。

送信折返し部２５と引出部３１は重なるように配置されているため、送信折返し部２５に流れる電流で発生する磁場Ｈ１と、引出部３１に流れる電流で発生する磁場Ｈ２とは、上下方向で打ち消し合う。よって、第３実施形態によれば、シールド層を設けなくても、第２実施形態と同様の効果（１信号周期で発生するクロストークを小さく又はなくすことができる。）を得ることができる。本発明者のシミュレーションによれば、第１実施形態に比べて、１信号周期で発生するクロストークが原因となる測定誤差を約五分の一に低減できた。

なお、送信折返し部２５や引出部３１の左右方向では、磁場Ｈ１の方向と磁場Ｈ２の方向が同じなので、強い磁場となる。したがって、送信折返し部２５と同じ層、引出部３１と同じ層にそれぞれシールド層を配置すれば、この左右方向の磁場をシールドすることができる。

［第４実施形態］
図１８は、第４実施形態に係るエンコーダのステータ１３３の平面図である。図１に示す第１実施形態との主な相違点を説明する。受信巻線９，１１，１３は円周状を有する。送信巻線２３の送信折返し部２５及び引出部３１と、受信巻線９，１１，１３の受信折返し部２２とは、受信ループ２１（図４）１個分以上離れている。送信折返し部２５及び引出部３１は、受信巻線９，１１，１３と重なる位置にある。送信折返し部２５及び引出部３１は、図１１及び図１２に示す構造と同様であり、絶縁基板７の裏面９３に配置されている。

ここで、第４実施形態に係る受信折返し部２２について、受信巻線９を例にして説明する。図１９は、受信巻線９の受信折返し部２２付近の平面図である。受信折返し部２２は、受信巻線９の先端側１３５及び末端側１３７の両方の二箇所に形成されている。詳しくは、先端側１３５では、上層導体１５が受信折返し部２２で折り返されており、末端側１３７では、下層導体１７が受信折返し部２２で折り返されている。

第４実施形態について、シミュレーションを実施した。図２０はこのシミュレーションで用いた送信巻線１３９と受信巻線１４１のモデル１〜３を示す図である。モデル１〜３のいずれも、送信折返し部２５と受信折返し部２２とは、受信ループ（図４）１個分だけ離されている。

モデル１の送信折返し部２５及び引出部３１は、受信巻線１４１と重なっておらず、かつ送信折返し部２５と引出部３１は並行に配置されている（図１１及び図１２参照）。引出部３１は、（送信折返し部２５と引出部３１の距離）＋（受信ループ１個分）だけ、受信折返し部２２から離れている。これに対して、モデル２の送信折返し部２５及び引出部３１は、受信巻線１４１と重なっており、かつ送信折返し部２５と引出部３１の配置はモデル１と同様である。また、モデル３の送信折返し部２５及び引出部３１は、モデル２と同様に受信巻線１４１と重なっており、かつ送信折返し部２５と引出部３１は重なるように配置されている（図１６及び図１７参照）。

図２１は、シミュレーションの結果を示すグラフである。縦軸は、受信巻線を流れる信号に対する受信巻線で発生するノイズの比であり、信号の強度を１００％とした場合、ノイズが何％になるかを示している。モデル１〜３のいずれも信号強度比が小さく、このことから、送信折返し部２５（引出部３１）と受信折返し部２２とを、受信ループ１個分よりさらに離すと、信号強度比をさらに小さくできることが推測される。したがって、送信折返し部２５及び引出部３１を受信折返し部２２から受信ループ１個分以上離すと誘導型変位検出装置の精度を高めることがでる。

また、図２１から分かるように、信号強度比はモデル３が一番小さく、モデル２がその次に小さく、モデル１がその次に小さい。したがって、信号強度比の観点からは、モデル３，２，１の順で好ましい。

さて、端子Ｔ１〜Ｔ８もノイズの原因となるので、先程のシミュレーションを参考にすると、受信巻線のノイズ考慮箇所と送信巻線のノイズ考慮箇所とは、受信ループ１個分以上離すことでノイズの影響を小さくできる。受信巻線のノイズ考慮箇所は二箇所であり、一つが受信折返し部２２、もう一つが端子Ｔ３〜Ｔ８である。送信巻線のノイズ考慮箇所も二箇所であり、一つが送信折返し部２５及び引出部３１、もう一つが端子Ｔ１，Ｔ２である。

ここで、受信ループ１個分以上離して設計する場合を考える。受信巻線９，１１，１３は円周状なので、受信折返し部２２と端子Ｔ３〜Ｔ８は、近い位置に配置できる。よって、受信巻線のノイズ考慮箇所は一箇所と見なすことができる。

送信折返し部２５が端子Ｔ１，Ｔ２から比較的離れて配置されている場合（比較例１）、送信巻線のノイズ考慮箇所を二箇所と見なさなければならない。したがって、この二箇所（送信折返し部２５と端子Ｔ１，Ｔ２）の両方を考慮して、受信巻線のノイズ考慮箇所を配置しなければならない。よって、設計の自由度が小さくなる。特に、受信巻線が図１のように円弧状の場合（比較例２）、受信折返し部２２が端子Ｔ３〜Ｔ８から比較的離れて配置されるので、受信巻線のノイズ考慮箇所を二箇所と見なさなければならない。したがって、設計の自由度はさらに小さくなる。

比較例１に対して、図１８に示す第４実施形態の送信巻線２３は、端子Ｔ１（一端）からリング状に延びて送信折返し部２５に至るリング部２７及び送信折返し部２５からリング部２７より小さい半径でリング状に延びて端子Ｔ２（他端）に至るリング部２９を含む。このため、送信折返し部２５の位置と端子Ｔ１，Ｔ２の位置を近くにすることができる。このため、送信巻線２３のノイズ考慮箇所を一箇所と見なすことができるので、設計の自由度を向上させることができる。第４実施形態の変形例として、受信巻線９，１１，１３が図１に示すような円弧状の場合（比較例２）でも、送信巻線２３のノイズ考慮箇所を一箇所と見なすことができることにより、設計の自由度を向上させることができるが、図１８に示す第４の実施形態のように、受信巻線９，１１，１３のノイズ考慮箇所も一箇所と見なすことができることにより、比較例２に比べると、更に設計の自由度を向上させることができる。以上のように、第４実施形態によれば、設計の自由度が向上するので、高精度な誘導型変位検出装置を実現することができる。

また、第４実施形態の受信折返し部２２は、図１９に示すように磁束結合巻線３７により規定される領域（信号検出領域）と重なることが可能な位置にある。受信折返し部２２が上記信号検出領域外にあると新たなノイズ源になるが、第４実施形態によれば、このノイズ源の発生を防止できる。

［第５実施形態］
第５実施形態は、上下方向に互いに間隔が設けられた上層導体と下層導体とで送信巻線を構成することにより、送信巻線の信号強度を大きくしている。第５実施形態は、送信巻線の構成以外、第１実施形態と同じなので、送信巻線について主に説明する。

図２２は、第５実施形態に係るエンコーダの送信巻線１０５の斜視図である。送信巻線１０５は図１に示すステータ１に配置されている。送信巻線１０５は、端子Ｔ１である一端からリング状に延びて送信折返し部２５に至るリング部２７及び送信折返し部２５からリング部２７と異なる半径でリング状に延びて端子Ｔ２である他端に至るリング部２９を含む。

第１実施形態の図３に示す受信巻線９と同様に、送信巻線１０５は、上下方向に互いに間隔が設けられた上層導体１５と下層導体１７を備える。つまり、端子Ｔ１から延びてリング部２７の始まりとなる箇所で、埋込導体１９により上層導体１５と下層導体１７に枝分かれし、リング部２９の終わりとなる箇所で埋込導体１９により上層導体１５と下層導体１７とが合流している。以上から分かるように、リング部２７、送信折返し部２５及びリング部２９は、上層導体１５と下層導体１７とで構成され、引出部３１は下層導体１７のみで構成されている。上層導体１５の真下に下層導体１７が位置している。

第５実施形態の受信巻線は、図１の第１実施形態の受信巻線９，１１，１３と同様である。但し、第５実施形態の受信巻線は円弧状でなく、リング状でもよい。また、第５実施形態の磁束結合巻線は、図２の第１実施形態と同様に、ロータに配置されている。第５実施形態の効果については、後の［シミュレーション］欄で説明する。

［第６実施形態］
第６実施形態に係るエンコーダは、リニア型エンコーダであり、送信巻線の構成を第５実施形態と同様に上層導体と下層導体の二層構造にしている。第６実施形態に係る誘導型変位検出装置を搭載したものとして、例えばノギスがある。第６実施形態について、図２３〜図２５を用いて説明する。図２３は、第６実施形態に係るエンコーダのセンサヘッド１０７の平面図であり、図２４はスケール１０９の平面図であり、図２５は送信巻線１１１の斜視図である。

第６実施形態に係るエンコーダは、スケール１０９（他方の巻線保持部材の一例）とこれに対向して配置されたセンサヘッド１０７（一方の巻線保持部材の一例）とから構成される。スケール１０９は、その長手方向の一部が表れている。センサヘッド１０７は、スケール１０９に対して所定ギャップをもって測定軸ｘに沿って移動可能に配置される。なお、センサヘッドが固定でスケールが移動する構成でもよい。すなわち、センサヘッドとスケールとは、互いにリニア方向に相対移動可能に配置されていればよい。

図２３に示すセンサヘッド１０７は、ガラスやシリコン等の絶縁基板１１３を有している。絶縁基板１１３のスケール１０９と対向する面側には、矩形状の送信巻線１１１が配置されている。詳しくは、送信巻線１１１は、一端からリニア状（直線状）に延びて送信折返し部２５に至るリニア部１１５（第１のリニア部の一例）と、送信折返し部２５と、ここから折り返してリニア状に延びて他端に至るリニア部１１７（第２のリニア部の一例）と、で構成される。送信巻線１１１は、図２５に示すように、端子Ｔ１から延びてリニア部１１５の始まりとなる箇所で、埋込導体１９により上層導体１５と下層導体１７に枝分かれし、リニア部１１７の終わりとなる箇所で埋込導体１９により上層導体１５と下層導体１７とが合流している。

絶縁基板１１３のスケール１０９と対向する面側であって、送信巻線１１１の隣に受信巻線１１９，１２１，１２３が配置されている。これらの受信巻線は、図１に示す受信巻線９，１１，１３をリニア状にしたものである。

スケール１０９は、ガラスやシリコン等の絶縁基板１２５を備え（絶縁基板１２５の替りにプリント基板でもよい。）、この基板１２５のセンサヘッド１０７に対向する面側には、スケール１０９の長手方向に沿って磁束結合巻線１２７がリニア状に配置されている。磁束結合巻線１２７は、送信巻線１１１に磁束結合可能な受信導体１２９及び受信巻線１１９，１２１，１２３に磁束結合可能な送信導体１３１を含む閉じた線状導体で構成される。第６実施形態の効果については、次の［シミュレーション］欄で説明する。

［シミュレーション］
第５及び第６実施形態によれば、送信巻線に流れる送信信号の強度を増加できると共にミスアライメントの影響を受けにくくすることができる。この効果についてシミュレーションを基にして説明する。図２６はこのシミュレーションで用いた送信巻線のモデルを示す図である。（Ａ）はモデル１〜４の平面図であり、（Ｂ）はモデル５の斜視図であり、（Ｃ）はモデル６の平面図である。

モデル１〜６の形状はいずれも矩形である。（Ａ）に示すように、モデル１〜４は上層導体１５のみで構成され、モデル１の線幅ｗは１００μｍであり、モデル２のそれは２００μｍであり、モデル３のそれは３００μｍであり、モデル４のそれは４００μｍである。（Ｂ）に示すように、モデル５は、線幅ｗが１００μｍで上層導体１５と下層導体１７で構成されている。これは、並列に設けられた二層の導電層で送信巻線が構成されており、第５及び第６実施形態の送信巻線である。モデル６は（Ｃ）に示すように、線幅ｗが１００μｍであり、リニア部１１５の始まりで二本の上層導体１５に分かれ、リニア部１１７の終わりでこの二本の上層導体１５が合流する。これは、送信巻線を同一平面で並列化している。

まず、モデル１〜６について、送信電流（つまり送信信号）の大きさに関するシミュレーションをした。モデル１〜６に振幅、波長及び周波数が同じ送信用励振信号を与えた場合に、モデル１〜６に流れる送信電流の値を図２７のグラフに示す。モデル１に流れる送信電流の値を１００％にしている。モデル１〜４を見れば分かるように、線幅と送信電流値は相関関係にあり、線幅を大きくすれば、送信電流値が大きくなる。

モデル５（第５及び第６実施形態）やモデル６は、送信巻線を並列構成しているので、送信巻線の断面積をモデル１のそれよりも大きくできる。よって、モデル５，６はモデル１よりも、送信巻線の抵抗が小さくなるため、送信電流を大きくできる。

次に、モデル１〜６について、ミスアライメントに関するシミュレーションをした。ミスアライメントとは、誘導型変位検出装置を組み立てる際に生じるステータとロータ（センサヘッドとスケール）との位置合わせのずれである。このずれが大きいと、高精度の測定に支障が生じる。

図２８は、このシミュレーションを説明するための磁束結合巻線１２７と送信巻線１１１の平面図である。送信巻線１１１に流した電流により、磁束結合巻線１２７の送信導体１３１に生じる誘起電圧を計算した。誘起電圧率と送信巻線１１１のラテラル方向のずれとの関係を示すのが図２９である。ミスアライメントとして、送信巻線１１１のラテラル方向のずれを例にした。横軸がラテラル方向のずれを示し、縦軸が誘起電圧率を示している。誘起電圧率は各モデルについて、送信巻線１１１のラテラル方向のずれが０の場合を１００％としている。

各モデルについて言えることは、ラテラル方向のずれが大きくなるに従って誘起電圧率が小さくなっている。また、モデル１〜４を、例えばラテラル方向のずれが３００μｍで比較すると、線幅が小さくなるにつれて誘起電圧率が大きくなっている。これは、線幅が小さくなると、ラテラル方向のミスアライメントの影響を受けにくいことを示している。

送信巻線の線幅が大きくなるにつれて、誘起電圧率が低くなる（ミスアライメントの影響を受けやすくなる）のは、以下の理由からである。図２８を参照して、リニア部１１５とリニア部１１７の間の空間が大きいと、ミスアライメントにより送信巻線１１１が多少ラテラル方向にずれても、送信巻線１１１と受信導体１２９との磁束結合に影響しないため、誘起電圧率が低下しにくい。送信巻線１１１の線幅が大きくなると、リニア部１１５とリニア部１１７の間の空間が小さくなるので、ミスアライメントの影響を受けやすくなるのである。

別の言い方をすれば、総パターン（つまり受信巻線＋送信巻線）面積に対する送信巻線の面積が占める割合が大きくなると、ミスアライメントの影響を受けやすくなる。モデル２，３，４で、総パターンの面積を変更せずに、ミスアライメント特性をモデル１と同様にするには、受信巻線のサイズを小さくしなければならず、受信信号の強度が小さくなってしまう。

モデル６は線幅が１００μｍであり、モデル１と同じであるが、モデル６は同一平面に並列に延びているので、リニア部１１５とリニア部１１７の間の空間はモデル１よりも小さくなる。このため、モデル６はモデル１よりも誘起電圧率が小さい。

同じ並列でもモデル５（第５及び第６実施形態）は、上下層での並列化なので、リニア部１１５とリニア部１１７の間の空間は、モデル１と同じである。このため、モデル５はモデル１と同じ誘起電圧率になっており、他のモデルと比べて、ミスアライメントの影響を受けにくい。そして、上述の通りモデル５はモデル１よりも送信電流を大きくすることができる。

以上の説明から分かるように、モデル５（第５及び第６実施形態）によれば、送信信号の強度を大きくしつつ、ミスアライメントの影響を受けにくくすることができる。したがって、第５及び第６実施形態によれば、高精度の誘導型変位検出装置を実現することができる。

第１実施形態に係るエンコーダのステータの平面図である。 第１実施形態に係るエンコーダのロータの平面図である。 図１のステータに配置された受信巻線の平面図である。 受信巻線を構成する受信ループの平面図である。 図１のステータに配置された送信巻線の平面図である。 図２のロータに配置された磁束結合巻線の平面図である。 受信ループ一個分のスペースが設けられていない場合における隣り合う磁束結合巻線と受信ループの平面図である。 第１実施形態に係るエンコーダが組み込まれているマイクロメータの正面図である。 第１実施形態の変形例に係るステータの平面図である。 図１の送信巻線や受信巻線と図２の磁束結合巻線の位置関係を示す平面図である。 第２実施形態に係るエンコーダに備えられるステータの送信折返し部や引出部が設けられている箇所の断面の模式図である。 図１１に表れている導電部（送信折返し部、引出部、シールド層等）の斜視図である。 第２実施形態に係るエンコーダに備えられる送信巻線の平面図である。 第２実施形態に係るエンコーダに備えられるシールド層、送信折返し部及び引出部の形成方法を説明するための第１工程図である。 同第２工程図である。 第３実施形態に係るエンコーダに備えられるステータの送信折返し部や引出部が設けられている箇所の断面の模式図である。 図１６に表れている導電部（送信折返し部、引出部等）の斜視図である。 第４実施形態に係るエンコーダのステータの平面図である。 第４実施形態のステータに配置された受信巻線の受信折返し部付近の平面図である。 第４実施形態の効果を説明するためのシミュレーションで用いた送信巻線及び受信巻線のモデルを示す図である。 図２０のモデル１〜３の受信巻線の信号強度比を示すグラフである。 第５実施形態に係るエンコーダの送信巻線の斜視図である。 第６実施形態に係るエンコーダのセンサヘッドの平面図である。 第６実施形態に係るエンコーダのスケールの平面図である。 第６実施形態に係るエンコーダの送信巻線の斜視図である。 第５及び第６実施形態の効果を説明するためのシミュレーションで用いた送信巻線のモデルを示す図である。 図２６のモデル１〜６に流すことが可能な送信電流の値を示すグラフである。 図２６のモデル１〜６についてのアライメント変動に対するシミュレーションを説明するための磁束結合巻線と送信巻線の平面図である。 図２６のモデル１〜６についてのアライメント変動に対するシミュレーションの結果を示すグラフである。

符号の説明

１・・・ステータ、３・・・ロータ、５・・・貫通穴、７・・・絶縁基板、９，１１，１３・・・受信巻線、１５・・・上層導体、１７・・・下層導体、１９・・・埋込導体、２１・・・受信ループ、２２・・・受信折返し部、２３・・・送信巻線、２５・・・送信折返し部、２７・・・リング部（第１のリング部の一例）、２９・・・リング部（第２のリング部の一例）、３１・・・引出部、３３・・・貫通穴、３５・・・絶縁基板、３７・・・磁束結合巻線、３９・・・ＩＣ回路、５１・・・マイクロメータ、５３・・・フレーム、５５・・・シンブル、５９・・・送信用励振信号発生回路、６１・・・受信信号処理回路、６３・・・演算制御回路、６５・・・スピンドル、７１，７３・・・ステータ、７５・・・シールド層、７７・・・送信巻線、７９・・・表面、８１・・・スルーホール、８３・・・パッド電極、８５・・・絶縁層、８７，８９・・・端部、９１・・・保護層、９３・・・裏面、９５・・・パッド電極、９７・・・絶縁層、９９・・・保護層、１０１・・・ビアホール、１０３・・・ステータ、１０５・・・送信巻線、１０７・・・センサヘッド、１０９・・・スケール、１１１・・・送信巻線、１１３・・・絶縁基板、１１５・・・リニア部（第１のリニア部）、１１７・・・リニア部（第２のリニア部）、１１９，１２１，１２３・・・受信巻線、１２５・・・絶縁基板、１２７・・・磁束結合巻線、１２９・・・受信導体、１３１・・・送信導体、１３３・・・ステータ、１３５・・・先端側、１３７・・・末端側、１３９・・・送信巻線、１４１・・・受信巻線、Ｔ１〜Ｔ８・・・端子、Ｕ・・・上層導体と下層導体のセット、Ａ・・・円周方向、ｉ，ｉ１，ｉ２・・・電流の向き、ｘ・・・測定軸

Claims (9)

1. 互いに対向するように配置されたステータ及びロータと、
   波状に延びて受信折り返し部で折り返し再び波状に延びることにより構成される複数の受信ループを含むと共に前記ステータに配置された受信巻線と、
   一端からリング状に延びて送信折返し部に至る第１のリング部及び前記送信折返し部から前記第１のリング部と異なる半径でリング状に延びて他端に至る第２のリング部を含むと共に前記ステータに配置された送信巻線と、
   前記受信巻線及び前記送信巻線に磁束結合可能に前記ロータに配置された磁束結合巻線と、
   を備え、
   前記磁束結合巻線は、1つ分の前記受信ループと磁束結合可能な寸法であり、
   前記磁束結合巻線同士の間には、磁束結合巻線１個分のスペースが設けられており、
   前記送信折返し部と前記受信折返し部とは、前記受信ループ１個分以上離れていることを特徴とする誘導型変位検出装置。
2. 前記送信折返し部は、前記受信巻線と重なる位置にある、
   ことを特徴とする請求項１に記載の誘導型変位検出装置。
3. 前記受信折返し部は、前記磁束結合巻線により規定される領域と重なることが可能な位置にある、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の誘導型変位検出装置。
4. 前記受信巻線は円周状を有する、
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の誘導型変位検出装置。
5. 前記受信巻線は円弧状を有する、
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の誘導型変位検出装置。
6. 互いに対向するように配置されたステータ及びロータと、
   複数の受信ループを円弧状に前記ステータに配置して構成された受信巻線と、
   一端から前記受信巻線に追着き追越すようにリング状に延びて送信折返し部に至る第１のリング部及び前記送信折返し部から前記受信巻線に追着き追越すように前記第１のリング部と異なる半径でリング状に延びて他端に至る第２のリング部を含むと共に前記ステータに配置された送信巻線と、
   前記受信巻線及び前記送信巻線に磁束結合可能に前記ロータに配置された磁束結合巻線と、
   を備え、
   前記磁束結合巻線は、1つ分の前記受信ループと磁束結合可能な寸法であり、
   前記磁束結合巻線同士の間には、磁束結合巻線１個分のスペースが設けられており、
   前記送信折返し部と前記受信巻線との間のスペースは、前記受信ループ１個分以上であることを特徴とする誘導型変位検出装置。
7. 前記送信巻線は前記第２のリング部から前記他端に至る引出部を含み、
   前記ステータはコア層となる基板を含み、
   前記第１のリング部、前記第２のリング部及び前記受信巻線は、前記基板の一方の面側に配置され、
   前記送信折返し部及び引出部は、前記基板の他方の面側の同じ層に互いに略平行に配置され、
   前記送信折返し部及び前記引出部が配置されている層と前記基板の他方の面との間に前記送信折返し部及び前記引出部と電気的に分離されたシールド層が配置されている、
   ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の誘導型変位検出装置。
8. 前記送信巻線は前記第２のリング部から前記他端に至る引出部を含み、
   前記ステータはコア層となる基板を含み、
   前記第１のリング部、前記第２のリング部及び前記受信巻線は、前記基板の一方の面側に配置され、
   前記送信折返し部及び前記引出部は、前記基板の他方の面側の異なる層に重なるように配置されている、
   ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の誘導型変位検出装置。
9. 請求項１〜８のいずれか一項に記載の誘導型変位検出装置が搭載されたマイクロメータ。

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