JP4392228B2

JP4392228B2 - 位置検出装置

Info

Publication number: JP4392228B2
Application number: JP2003399091A
Authority: JP
Inventors: 憲之福井; 元澄由良
Original assignee: Okuma Corp
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 2003-11-28
Filing date: 2003-11-28
Publication date: 2009-12-24
Anticipated expiration: 2023-11-28
Also published as: JP2005156502A; DE102004057205A1

Description

本発明は、産業機械や工作機械等に使用される位置検出装置に関し、特に、プリント基板等の板材に検出用のコイルパターンを敷設してなる位置検出装置に関する。

特許文献にあるように、ラックのような被検出体に対して、プリント基板等の板材に検出用コイルパターンを敷設して、ラックの凹凸を検出する技術が知られている。検出用コイルパターンをより密に配置するために、検出用コイルパターンを所望の周期ずらして絶縁交差するように敷設する技術も開示されている。または、プリント基板の層を変えて検出用コイルパターンを敷設する技術も開示されている。一方では、検出信号の高調波成分を減じるために検出用コイルパターンを正弦波形状乃至は三角波形状乃至は矩形波形状等にする技術も開示されている。

図９は、従来の位置検出装置における検出用ラックの凹凸をプリント基板に敷設した検出用コイルパターンで検出するセンサ部の斜視図である。検出用ラック１０１は、磁性材より加工され、固定側に固定されている。プリント基板１０２には、正弦波形状をした検出用コイルパターン９０４ａ、９０４ｂが敷設されており、この正弦波形状の１ピッチは、検出用ラック１０１の１ピッチ長（＝π・ｍ：ｍは歯車モジュール）とほぼ等しくなっている。また、検出用コイルパターン９０４ａと９０４ｂとは、測定軸方向に１／４ピッチずれた位置に配置されており、正弦波形状の位相では９０°ずれた位置に配置されている。検出用コイルパターン９０４ａ、９０４ｂを大きく囲むように励磁用コイルパターン１０３もプリント基板１０２に敷設されており、図示しない励磁回路と接続され励磁状態となっている。プリント基板１０２は、検出用ラック１０１と空隙を介して対向し、可動側に固定されている。このプリント基板１０２と検出用ラック１０１との空隙量は、検出用コイルパターン９０４ａ、９０４ｂからの検出信号波形が正弦波形状を示すように組立段階で調整される。検出信号波形が正弦波形状を示すように空隙量を調整する意図は、互いに直交する二相の検出信号を内挿処理する段階で、高次の内挿誤差を極力減じるためである。この適正な空隙量が増減変化すると、検出信号波形が高調波成分を含む三角波乃至は矩形波に近い形状を示す問題が生じていた。

図１０は、図９で示したセンサからの検出信号を処理する回路の概略構成図であり、図９と同一構成要素には同一符号を付す。励磁用コイルパターン１０３には、励磁回路１１１によって１００ｋＨｚの交流電流が流されている。よって、励磁用コイルパターン１０３からは、１００ｋＨｚで変化する磁束が、検出用ラック１０１へ発せられる。検出用コイルパターン９０４ａ、９０４ｂは、励磁用コイルパターン１０３から発せられた交流磁束が、検出用ラック１０１の凹凸による磁気抵抗変化量に応じて変調された磁束に比例した電圧ＶＳＯ、ＶＣＯとして出力する。このとき、検出用ラック１０１のモジュールをｍ、可動側の１ピッチ内の移動量をｘ、励磁電流をsinωｔとすると、検出用コイルパターン９０４ａ、９０４ｂを鎖交する磁束変化によって、それぞれの検出用コイルパターン９０４ａ、９０４ｂに発生する誘起電圧は、式（１）、（２）で表すことができる。

このように表される電圧信号ＶＳＯ、ＶＣＯは、差動増幅器１１２ａ、１１２ｂにて増幅され、信号ＶＳ、ＶＣとなる。信号ＶＳ、ＶＣは、アナログ／ディジタル変換器１１３ａ、１１３ｂにて、タイミング発生器１１４が発生する励磁電流が零（即ち、cosωt=1）となるタイミングにてアナログ／ディジタル変換され、ディジタル信号ＤＳ、ＤＣとなる。このときディジタル信号ＤＳ、ＤＣは、式（３）、（４）で表すことができる。

ディジタル信号ＤＳ、ＤＣは、内挿演算器１１５にて逆正接演算され、検出用ラック１０１の移動量を示す２・ｘ／ｍが算出される。

プリント基板のパターン層及び絶縁層の薄厚化の技術は、近年めざましい進歩を遂げており、コイルパターンを敷設する場合にも、複数層にわたってコイルパターンを敷設することも一般的に行われるようになってきた。コイルのターン数を増加すると出力電圧も増加するので、検出用コイルに使用する場合には、検出信号振幅を高めるため、できるだけ多層にわたってコイルパターンを形成することが好ましい。このようなことから、図９に示したようなプリント基板１０２を複数層に形成し、必要なパターン同士をスルーホール等によって電気的に接続することがあった。しかしながら、如何にプリント基板のパターン層及び絶縁層の薄膜化が進んだとはいえ、深層のコイルパターンから見れば、検出用ラックとの（プリント基板の厚みを含んだ）空隙量は増加方向となり、この結果出力信号の正弦波形状を損なうことがあった。

特開平８−３１３２９５号公報

従来のプリント基板等の板材に検出用コイルパターンを形成してなる位置検出装置にあっては、検出信号振幅の増加を意図して複数層に検出用コイルパターンを形成した場合、いずれかの層の検出用コイルパターンが、検出対象との空隙量が不適正となっていた。検出用コイルパターンと検出対象との空隙量が適性でないと、検出信号に高調波成分が混じり、内挿処理等を行う際に位置検出装置として検出誤差を発生させる問題を生じていた。

本発明は上述のような事情に鑑みなされたものであり、本発明の目的は、プリント基板等の板材に検出用コイルパターンを複数層形成し、検出信号振幅を高めた上で、検出信号に高調波成分が混じらない高精度な位置検出装置を提供することにある。

上述の課題を解決するために、本発明に係る位置検出装置は、磁気抵抗の異なる繰返しパターンが形成された磁性材よりなる被検出体と、前記被検出体と空隙を介して対向し、且つ前記被検出体と相対移動可能なセンサとを含み、前記センサは、検出用コイルパターンを形成してなるプリント基板等の板材と、高周波変化磁束を発生する励磁用コイルとを具備し、前記被検出体と前記センサとの相対移動量を検出する位置検出装置において、前記プリント基板等の板材には複数層の検出用コイルパターンが敷設され、前記各検出用コイルパターンは前記被検出体に近い層から遠い層に向け、ほぼ正弦波状から矩形波状に近づくパターン形状とするものである。

また本発明に係る他の位置検出装置は、導電抵抗の異なる繰返しパターンが形成された導電材よりなる被検出体と、前記被検出体と空隙を介して対向し、且つ前記被検出体と相対移動可能なセンサとを含み、前記センサは、検出用コイルパターンを形成してなるプリント基板等の板材と、高周波変化磁束を発生する励磁用コイルとを具備し、前記被検出体と前記センサとの相対移動量を検出する位置検出装置において、前記プリント基板等の板材には複数層の検出用コイルパターンが敷設され、前記各検出用コイルパターンは前記被検出体に近い層から遠い層に向け、ほぼ正弦波状から矩形波状に近づくパターン形状とするものである。

本発明の位置検出装置によれば、検出用コイルパターンをプリント基板等の板材に複数層敷設し、検出信号振幅を高めつつも、検出信号波形に高調波成分が混じらないので、高精度な位置検出を可能としている。

図１は、本発明の位置検出装置の被検出体及びセンサの一例を示す斜視図であり、図２はプリント基板の表面層の検出用及び励磁用コイルパターン図であり、図３はプリント基板の第二層の検出用及び励磁用コイルパターン図であり、図４はプリント基板の第三層の検出用及び励磁用コイルパターン図であり、図５はプリント基板の第四層の検出用及び励磁用コイルパターン図である。尚、図１〜図５における同一構成要素には同一符号を付す。図１の検出用ラック１０１は、磁気抵抗の異なる繰返しパターンが形成された磁性材よりなる被検出体であり、固定側に固定されている。プリント基板１０２ａ〜１０２ｄは、検出用ラック１０１に対して、プリント基板１０２ａの検出用コイルパターン１０４ａ、１０４ｂがほぼ正弦波状の検出信号を出力できる空隙量を介して、可動側に設置されている。図２に示すプリント基板１０２ａの検出用コイルパターン１０４ａ、１０４ｂは、ほぼ正弦波状の形状であり、正弦波形状の１ピッチ長は、検出用ラック１０１の１ピッチ長（＝π・ｍ：ｍはラックモジュール）とほぼ同じ長さにしてある。また、検出用コイルパターン１０４ａと１０４ｂは、正弦波形状における１／４ピッチ分測定軸方向にずれて配置されている。図２〜図５に示すスルーホール２０１ａ〜２０１ｏは、プリント基板１０２ａ〜１０２ｄの４層すべてにわたって貫通されており、電気的に接続された状態となっている。図１０のような処理回路構成と本発明のセンサ部とを接続する場合であれば、スルーホール２０１ａは、差動増幅器１１２ａの片側に接続され、スルーホール２０１ｄは、差動増幅器１１２ｂの片側に接続される。

図３に示すプリント基板１０２ｂの検出用コイルパターン１０４ｃは、スルーホール２０１ｇを介して検出用コイルパターン１０４ａと電気的に接続されており、検出用コイルパターン１０４ｄは、スルーホール２０１ｈを介して検出用コイルパターン１０４ｂと電気的に接続されている。プリント基板１０２ｂに敷設された検出用コイルパターン１０４ｃ、１０４ｄは、正弦波形状をやや膨らませた形状、すなわち正弦波形状よりやや矩形波形状に近い形状をしており、基本となるピッチ長は検出用ラック１０１の１ピッチ長とほぼ同じ長さにしてある。また、検出用コイルパターン１０４ｃと１０４ｄは、この形状における１／４ピッチ分測定軸方向にずれて配置されている。検出用コイルパターン１０４ｃ、１０４ｄは、検出用コイルパターン１０４ａ、１０４ｂと若干形状は異なるものの、測定軸方向の位相が１／２ピッチずつずれているので、検出用コイルパターン１０４ａと１０４ｃ、更に検出用コイルパターン１０４ｂと１０４ｄは電磁気的に同位相となっている。検出用コイルパターン１０４ｃは、スルーホール２０１ｂにて、図４に示す検出用コイルパターン１０４ｅと電気的に接続されており、検出用コイルパターン１０４ｄは、スルーホール２０１ｅにて、図４に示す検出用コイルパターン１０４ｆと電気的に接続されている。

プリント基板１０２ｃに敷設された検出用コイルパターン１０４ｅ、１０４ｆは、検出用コイルパターン１０４ｃ、１０４ｄをやや膨らませた形状、すなわち正弦波形状より更に矩形波形状に近い形状をしており、基本となるピッチ長は検出用ラック１０１の１ピッチ長とほぼ同じ長さにしてある。また、検出用コイルパターン１０４ｅと１０４ｆは、この形状における１／４ピッチ分測定軸方向にずれて配置されている。検出用コイルパターン１０４ｅ、１０４ｆは、検出用コイルパターン１０４ｃ、１０４ｄと若干形状は異なるものの、測定軸方向の位相が１／２ピッチずつずれているので、検出用コイルパターン１０４ｃと１０４ｅ、更に検出用コイルパターン１０４ｄと１０４ｆは電磁気的に同位相となっている。検出用コイルパターン１０４ｅは、スルーホール２０１ｈにて、図５に示す検出用コイルパターン１０４ｇと電気的に接続されており、検出用コイルパターン１０４ｆは、スルーホール２０１ｏにて、図５に示す検出用コイルパターン１０４ｈと電気的に接続されている。

プリント基板１０２ｄに敷設された検出用コイルパターン１０４ｇ、１０４ｈは、検出用コイルパターン１０４ｅ、１０４ｆをやや膨らませた形状、即ちほとんど矩形波形状に近い形状をしており、基本となるピッチ長は検出用ラック１０１の１ピッチ長とほぼ同じ長さにしてある。また、検出用コイルパターン１０４ｇと１０４ｈは、この形状における１／４ピッチ分測定軸方向にずれて配置されている。検出用コイルパターン１０４ｇ、１０４ｈは、検出用コイルパターン１０４ｅ、１０４ｆと若干形状は異なるものの、測定軸方向の位相が１／２ピッチずつずれているので、検出用コイルパターン１０４ｅと１０４ｇ、更に検出用コイルパターン１０４ｆと１０４ｈは電磁気的に同位相となっている。スルーホール２０１ｃを差動増幅器１１２ａのスルーホール２０１ａとは接続されていない側に接続することで、検出用コイルパターン１０４ａ、１０４ｃ、１０４ｅ、１０４ｇは電磁気的に同位相でつながる。同様に、スルーホール２０１ｆを差動増幅器１１２ｂのスルーホール２０１ｄとは接続されていない側に接続することで、検出用コイルパターン１０４ｂ、１０４ｄ、１０４ｆ、１０４ｈは電磁気的に同位相でつながる。

プリント基板１０２ａに敷設された励磁用コイルパターン１０３ａは、スルーホール２０１ｊを介してプリント基板１０２ｂに敷設された励磁用コイルパターン１０３ｂと電気的に接続されている。励磁用コイルパターン１０３ｂは、スルーホール２０１ｋを介してプリント基板１０２ｃに敷設された励磁用コイルパターン１０３ｃと電気的に接続されている。励磁用コイルパターン１０３ｃは、スルーホール２０１ｌを介してプリント基板１０２ｄに敷設された励磁用コイルパターン１０３ｄと電気的に接続されている。スルーホール２０１ｉとスルーホール２０１ｍを図１０に示すような処理回路構成の励磁回路１１１の両端に接続することによって、励磁用コイルパターン１０３ａ〜１０３ｄは、４ターン分の励磁用コイルとして励磁状態となる。この後の検出信号の処理に関しては、図１０の例で示したものと大差がないので、説明を省略する。

図６は、図１とは異なる本発明の位置検出装置のセンサ部の一例を示す斜視図であり、図７は、図６のプリント基板の表面層のパターンを実線、裏面層のパターンを破線で示すパターン図であり、図６と図７の同一構成要素には同一符号を付す。磁性材よりなる検出用歯車６０１は被検出体を形成し、図示しない回転軸に回転振れのないように固定されており、回転軸は軸受により軸支され回転自在となっている。センサのプリント基板６０２は、図示しないケースに固定されている。図７に示したプリント基板６０２の表面層に敷設された検出用コイルパターン６０４ａ、６０４ｂは、検出用歯車６０１ともっとも近接する測定軸方向の中央部付近がほぼ正弦波状の形状をしており、中央部から遠ざかるにつれて正弦波形状を膨らませた形状、すなわち正弦波形状よりやや矩形波形状に近い形状となっている。プリント基板６０２の裏面層に敷設された検出用コイルパターン６０４ｃ、６０４ｄは、表面層の検出用コイルパターン６０４ａ、６０４ｂを若干膨らませた形状、すなわち正弦波形状よりやや矩形波形状に近い形状となっている。検出用コイルパターン６０４ａ〜６０４ｄの１ピッチ長は、検出用歯車６０１の１ピッチ（＝π・ｍｍ：歯車モジュール）と同じ寸法としてある。検出用コイルパターン６０４ａと６０４ｂとは、測定軸方向に１／４ピッチずれた位置に敷設されている。検出用コイルパターン６０４ａと６０４ｃとは、測定軸方向に１／２ピッチずれた位置に敷設され、スルーホール７０１ｇで電気的に接続されている。同様に、検出用コイルパターン６０４ｂと６０４ｄとは、測定軸方向に１／２ピッチずれた位置に敷設され、スルーホール７０１ｈで電気的に接続されている。図１０に示すような処理回路と接続する場合には、スルーホール７０１ａ、７０１ｂを差動増幅器１１２ａの両端へ、スルーホール７０１ｅ、７０１ｆを差動増幅器１１２ｂの両端へそれぞれ接続する。励磁用コイルパターン６０３は、検出用コイルパターン６０４ａ〜６０４ｄを囲むように敷設され、スルーホール７０１ｃ、７０１ｄを図１０に示すような処理回路と接続する場合は励磁回路１１１と接続する。これ以降の処理については、図１０で述べた例と同様につき、説明を省略する。

図８は、図６に示した位置検出装置のプリント基板６０２の表面層と裏面層の磁束分布レベルを示すグラフである。表面層の磁束分布レベル８０１は、グラフ中央部の波形が矩形波に近い形状をしており、中央部から遠ざかるにつれて全体のレベルが下がり、角が取れたような形状に変わっていく。裏面層の磁束分布レベル８０２は、グラフの中央部の波形に若干矩形波が混じったような形状をしているものの、中央部から遠ざかると殆ど正弦波に近い形状となっている。また、裏面層の磁束分布レベル８０２は、表面層の磁束分布レベル８０１より全体としてレベルが低く、波形変化の振幅も小さい。このような磁束分布のレベル８０１、８０２に対して、検出用コイルパターンから得られる電圧出力の変化を正弦波状にしようとすれば、磁束分布レベル８０１、８０２が矩形波状の変化をする領域では、検出用コイルパターンを正弦波状にし、磁束分布レベル８０１、８０２が正弦波状の変化をする領域では、検出用コイルパターンを矩形波状にするとよい。

以上説明した実施例では、磁気抵抗変化による変化磁束の変動を検出するものについて説明したが、渦電流損失を検出するものでも本発明の位置検出装置とすることができる。この場合には、被検出体は導電抵抗の異なる繰り返しパターンが形成された導電材から形成される。また、被検出体が歯車やラックのような一般的なインボリュート歯形形状でない場合でも、空隙を介した磁束分布レベルに合わせて、検出用コイルパターンを層や中央部や端部ごとに最適化した形状とするものであれば、本発明の位置検出装置とすることができる。

更に、前述した実施例においては、被検出体として表面に凹凸を有した検出用ラックあるいは検出用歯車の形状として説明したが、この被検出体はエッチング等の加工により格子形状を持った導電性の非磁性材から形成することができる。

また、前述した実施例においては、検出用コイルパターンをプリント基板に敷設するものについてのみ説明したが、半導体製造技術を応用してコイルパターンを膜状に形成しても、本発明の位置検出装置を実現することができる。

本発明の位置検出装置のセンサ部の一例を示す斜視図である。図１で示したセンサ部のプリント基板第一層（表面層）の検出用及び励磁用コイルパターン図である。図１で示したセンサ部のプリント基板第二層の検出用及び励磁用コイルパターン図である。図１で示したセンサ部のプリント基板第三層の検出用及び励磁用コイルパターン図である。図１で示したセンサ部のプリント基板第四層の検出用及び励磁用コイルパターン図である。図１とは異なる本発明の位置検出装置の被検出体及びセンサ部の一例を示す斜視図である。図６のプリント基板の表面層の検出用コイルパターンを実線、裏面層の検出用コイルパターンを破線で示すパターン図である。図６に示した位置検出装置のプリント基板の表面層と裏面層の磁束分布レベルを示すグラフである。従来の位置検出装置における検出用ラックの凹凸をプリント基板に敷設した検出用コイルパターンで検出するセンサ部の斜視図である。図９で示したセンサからの検出信号を処理する回路の概略構成図である。

符号の説明

１０１検出用ラック（被検出体）、１０２，１０２ａ〜１０２ｄプリント基板（センサ）、１０３，１０３ａ〜１０３ｄ励磁用コイルパターン、１０４ａ〜１０４ｈ検出用コイルパターン、１１１励磁回路、１１２ａ，１１２ｂ差動増幅器、１１３ａ，１１３ｂＡ／Ｄ変換器、２０１ａ〜２０１ｏスルーホール、６０１検出用歯車（被検出体）、６０２プリント基板（センサ）、６０３励磁用コイルパターン、６０４ａ〜６０４ｄ検出用コイルパターン、７０１ａ〜７０１ｈスルーホール、８０１表面層の磁束分布レベル、８０２裏面層の磁束分布レベル。

Claims

磁気抵抗の異なる繰返しパターンが形成された磁性材よりなる被検出体と、前記被検出体と空隙を介して対向し、且つ前記被検出体と相対移動可能なセンサとを含み、
前記センサは、検出用コイルパターンを形成してなる板材と、高周波変化磁束を発生する励磁用コイルとを具備し、
前記被検出体と前記センサとの相対移動量を検出する位置検出装置において、
前記板材には複数層の検出用コイルパターンが敷設され、
前記各検出用コイルパターンは前記被検出体に近い層から遠い層に向け、ほぼ正弦波状から矩形波状に近づくパターン形状としたことを特徴とする位置検出装置。
導電抵抗の異なる繰返しパターンが形成された導電材よりなる被検出体と、前記被検出体と空隙を介して対向し、且つ前記被検出体と相対移動可能なセンサとを含み、
前記センサは、検出用コイルパターンを形成してなる板材と、高周波変化磁束を発生する励磁用コイルとを具備し、
前記被検出体と前記センサとの相対移動量を検出する位置検出装置において、
前記板材には複数層の検出用コイルパターンが敷設され、
前記各検出用コイルパターンは前記被検出体に近い層から遠い層に向け、ほぼ正弦波状から矩形波状に近づくパターン形状としたことを特徴とする位置検出装置。
請求項１又は２に記載の位置検出装置において、
前記被検出体は回転体からなり、
前記各検出用コイルパターンは前記被検出体に近い部分から遠い部分に向かって矩形波状に近づくパターン形状を有することを特徴とする位置検出装置。