JP4960140B2 - 誘導検出型ロータリエンコーダ - Google Patents

Description

本発明は、ロータとステータとに設けられた配線間の磁束結合を利用して物体の回転角を測定する誘導検出型ロータリエンコーダに関する。

ロータリエンコーダは、送信巻線及び受信巻線が配置されたステータと、これらと磁束結合可能な磁束結合巻線が配置されたロータとを備える（例えば、特許文献１参照）。このようなロータリエンコーダでは、それが搭載されるマイクロメータ等の小型化の要請、また高精度化の要請により、受信巻線の配線ピッチを一層微細化することが求められる。また、変位の絶対量を計測可能なアブソリュートエンコーダを形成する場合、複数のトラックをロータ上に形成する必要があり、より一層の微細化が要求される。

しかし、受信巻線の配線ピッチの微細化を行う場合、配線ショート等を回避させるため、配線の形状を、理想的な形状（例えば正弦波形状）から歪んだ形状にすることが避けられない。このような配線の歪みは、検出信号に誤差の原因となる高調波信号を生じさせる。
特開平１０-２１３４０７号公報

本発明は、配線ピッチが微細化された場合であっても、高調波信号に基づく誤差を生じさせない、高精度な誘導検出型ロータリエンコーダを提供することを目的とする。

本発明に係る誘導検出型ロータリエンコーダは、ステータと、回転軸を中心として回転可能で且つ前記ステータと対向して配置されたロータと、前記ステータに配置された送信巻線と、前記ロータ上に前記回転軸からの距離が略正弦波状に変化するように形成され前記送信巻線と磁束結合可能とされた磁束結合巻線と、前記ステータ上に前記回転軸からの距離が略正弦波状に変化するように形成され前記磁束結合巻線により生じた磁束を検出する受信巻線とを備え、前記受信巻線は、層間絶縁膜の上層に配置された第１導体と、前記層間絶縁膜の下層に配置された第２導体と、前記第１導体と前記第２導体とを接続するため前記層間絶縁膜に形成されたコンタクトとを少なくとも含み、前記ステータの半径方向において前記複数のコンタクトに挟まれた領域の前記第１導体又は前記第２導体は、前記コンタクトからの距離が大きくなる方向に前記略正弦波状から歪んだ形状を有するように形成されていることを特徴とする。

この発明によれば、配線ピッチが微細化された場合であっても、高調波信号に基づく誤差を生じさせない、高精度な誘導検出型ロータリエンコーダを提供することができる。

次に、本発明の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る誘導検出型ロータリエンコーダを搭載したデジタル式マイクロメータ１の正面図である。マイクロメータ１のフレーム３には、シンブル５が回転可能に取り付けられている。測定子であるスピンドル７は、フレーム３の内部で回転可能に支持されている。

スピンドル７の一端側は外部に出ており、この一端が測定対象物に当接する。一方、スピンドル７の他端側には送りネジ（図１では図示せず）が切られている。この送りネジがシンブル５内のナットに嵌めこまれている。

この構成において、シンブル５を正方向に回転させるとスピンドル７の軸方向に沿ってスピンドル７が前進し、シンブル５を逆方向に回転させるとスピンドル７の軸方向に沿ってスピンドル７が後退する。フレーム３にはマイクロメータ１の測定値を表示可能な液晶表示部９が設けられている。

図２は、図１のマイクロメータ１に組み込まれた本発明の実施形態に係る誘導検出型ロータリエンコーダ１１の断面図である。
ロータリエンコーダ１１は、ロータ１３と、ロータ１３の一方の面側にロータ１３と対向するように配置されたステータ１５とを備える。ロータ１３は円筒状のロータブッシュ１９の端面に固定されている。ロータブッシュ１９にはスピンドル７が挿入されている。ステータブッシュ２１は、フレーム３に固定されている。

スピンドル７の表面には、図１のシンブル５の内部に配置されたナットに嵌められる送りネジ２３が形成されている。また、スピンドル７の表面には、スピンドル７の長手方向（つまりスピンドル７の進退方向）に沿ってキー溝２５が掘られている。キー溝２５には、ロータブッシュ１９に固定されたピン２７の先端部が嵌っている。スピンドル７が回転すると、その回転力がピン２７を介してロータブッシュ１９に伝わり、ロータ１３が回転する。言い換えれば、スピンドル７の回転に連動してロータ１３が回転する。ピン２７はキー溝２５に固定されていないので、ロータ１３をスピンドル７と共に移動させずにロータ１３を回転させることができる。

図３を用いて誘導型変位検出装置１１の構成の詳細を説明する。図３は図２で説明したロータ１３、及びステータ１５の拡大断面図である。ロータブッシュ１９、ステータブッシュ２１等は図３では図示を省略している。

ステータ１５は送信巻線３１と、受信巻線３２とを備えている。送信巻線３１は、電流方向が周期的に変化する送信電流を流し、これにより発生する磁界をロータ１３に形成された磁束結合巻線４１（詳しくは後述）に与えるためのものである。受信巻線３２は、送信巻線３１と磁束結合巻線４１との磁束結合により磁束結合巻線４１に誘導電流が生じた場合に、これに基づく磁束結合により生じた誘導電流を流すためのものである。

ステータ１５は、絶縁基板３３を備えている。そして、この絶縁基板３３上に３層の層間絶縁膜３４〜３６がその順に堆積されている。送信巻線３１は層間絶縁膜３４上に形成されて層間絶縁膜３５により覆われている。受信巻線３２は、それぞれ絶縁基板３３、層間絶縁膜３４、及び層間絶縁膜３５上に形成された第１導電膜３２Ａ、第２導電膜３２Ｂ、第３導電膜３２Ｃとを、コンタクトＣ１、Ｃ２（Ｃ２は図３では図示せず）により接続することにより形成されている。このでは、各導電膜３２Ａ〜３２Ｃの３層構造が採用されているが、２層構造でも形成は可能であり、また、４層以上とすることも可能である。なお、ステータ１５の中央にはスピンドル７を通すための貫通穴３５が設けられている。

一方、ロータ１３は、前述したように磁束結合巻線４１を有する。磁束結合巻線４１は、送信巻線３１に流れる送信電流により生じた磁界に基づく誘導電流を発生させる。ロータ１３は、絶縁基板４２を備えている。磁束結合巻線４１はこの絶縁基板４２上に形成され、絶縁膜４３により覆われている。なお、ロータ１３の中央にはスピンドル７を通すための貫通穴４７が設けられている。

図４Ａは、ステータ１５の平面図である。図４Ａに示すように、送信巻線３１は、回転軸（スピンドル７の中心）を中心として円弧状に形成されている。なお、送信巻線３１の形状は、図４Ａに示す円弧状以外にも、たとえば多数の矩形コイルを複数個並べた形状としてもよい。

一方、受信巻線３２は、その外周において、３組の互いに位相の異なる略正弦波状の配線３２−１、３２−２、３２−３からなる。一例として、１つの配線３２−１の形状を図４Ｂに示す。図４Ｂに示すように、配線３２−１は、円周に沿って回転軸の中心からの距離が略正弦波状に変化する配線を略一周に亘って形成し、更にこの配線を折り返して更に略一周に亘って形成することにより形成される。このため、配線３２−１は、複数の閉ループＵ１を有する。この閉ループＵ１に、磁束結合巻線４１の誘導電流により生じた磁界に基づく誘導電流が流れ、これを検出することにより、ロータ１３の回転量を計算することができる。配線３２−２、３２−３も同様の形状を有するが、配線３２−１を回転軸を中心として所定角度θだけ回転させた位置に形成されている。この角度θは、上記の閉ループ２個分の回転角、すなわち一周期をλとした場合、θ＝λ／３となる。

また、上述したように、受信巻線３２は、層間絶縁膜３４〜３６により絶縁分離された３層の第１導電膜３２Ａ、第２導電膜３２Ｂ、第３導電膜３２Ｃとをコンタクトにより接続することにより形成されている。

第１導電膜３２Ａは、図５に示すように、略正弦波状の配線の一周期のうちの左半分の部分に相当する導電膜である。一方、第２導電膜３２Ｂは、略正弦波状の配線の一周期のうちの右半分の部分に相当する導電膜である。また、第３導電膜３２Ｃは、図７に示すように、配線３２−１、３２−２、３２−３の端部に相当する導電膜である。これら半周期分の配線、および端部の配線が、コンタクトＣ１、Ｃ２により接続されることにより、配線３２−１、３２−２、３２−３が形成される。なお、各導電膜３２Ａ〜３２Ｃは、略正弦波形状に形成されているが、コンタクトＣ１又はＣ２付近においては、短絡を避けるためにこの正弦波形状と比べ歪んだ形状を与えられている。この点については後述する。

図８Ａは、ロータ１３の平面図である。図８に示すように、ロータ１３に形成される磁束結合巻線４１は、回転軸からの距離が略正弦波状に変化する閉ループ形状を備えている。図８に示すような単純な一巻きの閉ループであるため対称性が確保されている。この図８では、９０°間隔で４周期の正弦波ループが磁束結合巻線４１に与えられている。この周期は４周期に限定される必要はなく、３周期以下（１周期でもよい）、或いは５周期以上でも構わない。このような略正弦波形状が磁束結合巻線４１に与えられることにより、上述した導電膜３２Ａ〜３２Ｃのコンタクト付近での歪みの影響を抑制することができる。

比較例として、別の形状の磁束結合巻線４１´が形成されたロータ１３´を図８Ｂに示す。このロータ１３´の磁束結合巻線４１´は、図８Ａのものとは異なり、矩形波形状（歯車形状）を有している。図８Ｂでは、９０°間隔で４周期のループが磁束結合巻線４１´に与えられている。

図９Ａは、図４に示すステータ１５（受信巻線３２が、正弦波形状に対し歪んだ形状を有する）に対し、図８Ａに示すロータ１３が相対的に回転可能に形成され、ロータ１３が一回転（０〜３６０°）した場合における、各角度での測定値の誤差［ｄｅｇ］を示している。一方、図９Ｂは、図４に示すステータ１５に対し、図８Ｂに示すロータ１３が相対的に回転可能に形成され、ロータ１３が一回転（０〜３６０°）した場合における、各角度での測定値の誤差［ｄｅｇ］を示している。図９Ａ、９Ｂから明らかなように、図８Ａの略正弦波状の磁束結合巻線４１によれば、図８Ｂの歯車形状の磁束結合巻線４１´に比べ、受信巻線４２が歪みを有する場合において、測定誤差を小さくすることができる。

受信巻線３２の歪みに関し、図１０及び図１１を参照して説明する。受信巻線３２を構成する第１導電膜３２Ａ、第２導電膜３２Ｂ、第３導電膜３２Ｃは、基本的には正弦波形状を有する。しかし、第１導電膜３２Ａ、第２導電膜３２Ｂ、第３導電膜３２Ｃは、コンタクトＣ１、Ｃ２の近傍においては、この正弦波形状から外れた、歪んだ形状を有している。これにより、各導電膜３２Ａ〜ＣとコンタクトＣ１、Ｃ２との短絡不良を回避している。具体的には、図１０中の拡大図に示すように、正弦波の軌跡（破線）とは外れ、コンタクトＣ１から遠い位置を各導電膜３２Ａ〜３２Ｃが通るようにしている（図１０では、導電膜３２Ａについてのみ図示しているが、他の導電膜３２Ｂ、２３Ｃも同様である）。

この歪みに関し、更に図１１を参照して説明する。図１１は、ステータ１５の半径方向、すなわち受信巻線３２が形成されるトラックの幅Ｌの方向に並ぶ２つのコンタクトＣ１付近の拡大図である。２つのコンタクトＣ１の間には、２本の第１導電膜３２Ａが走っている。第２導電膜３２Ｂも同様であるので、ここでは第１導電膜３２Ａの場合を例にとって説明する。

ここで、受信巻線３２が形成されるトラックの半径方向の幅をＬ、コンタクトＣ１の半径をＲ１、第１導電膜３２Ａの幅をＷとする。また、コンタクトＣ１と第１導電膜３２Ａとの間の間隔をＳとする。

この場合、配線３２−１、３２−２、３２−３がθ＝λ／３の位相差を与えられ且つ略正弦波形状を与えられるのであれば、第１導電膜３２Ａは、図１１に示すように、各トラックの上端又は下端から約Ｌ／４の位置を通る。このため、間隔Ｓに関し、次式が成り立つ。

［数１］
Ｓ＝Ｌ／４−Ｒ１−Ｗ／２
コンタクトＣ１と第１導電膜３２Ａとの短絡不良を回避して高歩留まりを得るには、間隔Ｓは０．１ｍｍ以上とすることが必要がある。しかし、誘導検出型ロータリエンコーダの小型化、高分解能化の要請により、Ｌ＝０．８ｍｍ程度が要求されており、また、Ｗ、Ｒ１に関しては、Ｗ＝０．１ｍｍ、Ｒ１＝０．１２５ｍｍが現状では最小値である。

このため、［数１］によれば間隔ＳがＳ＝０．０２５ｍｍ未満となってしまい、製造が困難である。

そこで、本実施の形態では、図１０に示すように、コンタクトＣ１付近で、第１導電膜３２Ａを正弦波形状から歪んだ形状にする。すなわち、Ｓ＜Ｌ／４−Ｒ１−Ｗ／２が、上記のＬ，Ｒ１、Ｗの条件においても成立するようにする。

以上、発明の実施の形態を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、追加等が可能である。

本発明の実施形態に係る誘導検出型ロータリエンコーダを搭載したデジタル式マイクロメータ１の正面図である。 図１のマイクロメータ１に組み込まれた本発明の実施形態に係る誘導検出型ロータリエンコーダ１１の断面図である。 図２で説明したロータ１３、及びステータ１５の拡大断面図である。 ステータ１５の平面図である。 受信巻線３２を構成する位相の異なる配線のうちの１つ３２−１の構造を示す。 受信巻線３２を構成する第１層目の第１導電膜３２Ａの構造を示す。 受信巻線３２を構成する第２層目の第２導電膜３２Ｂの構造を示す。 受信巻線３２を構成する第３層目の第１導電膜３２Ｃの構造を示す。 ロータ１３の平面図である。 比較例にかかるロータ１３´の平面図である。 図８Ａに示すロータ１３が用いられた場合の測定誤差を示す。 図８Ｂに示すロータ１３´が用いられた場合の測定誤差を示す。 受信巻線３２に与えられる正弦波形状からの歪みを説明する。 受信巻線３２に与えられる正弦波形状からの歪みを説明する。

符号の説明

１・・・マイクロメータ、 ３・・・フレーム、 ５・・・シンブル、 ７・・・スピンドル、 ９・・・液晶表示部、 １１・・・ロータリエンコーダ、 １３・・・ロータ、 １５・・・ステータ、 １９・・・ロータブッシュ、 ２１・・・ステータブッシュ、 ２５・・・キー溝、 ２７・・・ピン、 ３１・・・送信配線、 ３２・・・受信巻線、 ３２Ａ・・・第１導電膜、 ３２Ｂ・・・第２導電膜、 ３２Ｃ・・・第３導電膜、 Ｃ１、Ｃ２・・・コンタクト、 ３３、４４・・・絶縁基板、 ３４、３５、３６・・・層間絶縁膜、 ３７・・・貫通穴、 ４３・・・絶縁膜。

Claims (2)

1. ステータと、
   回転軸を中心として回転可能で且つ前記ステータと対向して配置されたロータと、
   前記ステータに配置された送信巻線と、
   前記ロータ上に前記回転軸からの距離が略正弦波状に変化するように形成され前記送信巻線と磁束結合可能とされた磁束結合巻線と、
   前記ステータ上に前記回転軸からの距離が略正弦波状に変化するように形成され前記磁束結合巻線により生じた磁束を検出する受信巻線と
   を備え、
   前記受信巻線は、層間絶縁膜の上層に配置された第１導体と、前記層間絶縁膜の下層に配置された第２導体と、前記第１導体と前記第２導体とを接続するため前記層間絶縁膜に形成されたコンタクトとを少なくとも含み、
   前記ステータの半径方向において前記複数のコンタクトに挟まれた領域の前記第１導体又は前記第２導体は、前記コンタクトからの距離が大きくなる方向に前記略正弦波状から歪んだ形状を有するように形成されている
   ことを特徴とする誘導検出型ロータリエンコーダ。
2. 前記受信巻線の形状を、少なくとも前記コンタクト付近において正弦波と比べて歪ませたことを特徴とする請求項１記載の誘導検出型ロータリエンコーダ。

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