JP5809479B2 - 電磁誘導式絶対位置測定用エンコーダ - Google Patents

Description

本発明は、電磁誘導式絶対位置測定用エンコーダに係り、特に、ノギス、インジケータ、リニアスケール、マイクロメータ等に用いるのに好適な、Ｓ／Ｎ向上による測定の高精度化、及び／又は、スケール幅、ひいてはエンコーダ幅の小型化を図ることが可能な、電磁誘導式絶対位置測定用エンコーダに関する。

特許文献１や２に記載されている如く、図１に特許文献２の例を示すように、測定方向に沿ってスケール１０上に多数配列されたスケールコイル１４、１６と、前記スケール１０に対して測定方向に相対移動自在なグリッド（スライダとも称する）１２上に配設された送信コイル２４、２６及び受信コイル２０、２２とを備え、送信コイルを励磁した時に、スケールコイルを経由して受信コイルで検出される磁束の変化から、スケール１０とグリッド１２の相対移動量を検出する電磁誘導式エンコーダが知られている。図において、２８は送信制御部、３０は受信制御部である。

このような電磁誘導式エンコーダで、余分な信号であるオフセットを低減しようとした場合、図２に示す如く、送信コイル２４が発生する磁界がキャンセルされ、正味零となる部分（図２の例では、両側の送信コイルの間の中央部分）に受信コイル２０を配置することでオフセットを低減していた。なお、特許文献２では、図２の第１の送信コイル２４と第１の受信コイル２０でなる構成に加えて、図３に示す如く、第２の送信コイル２６の両側に第２の受信コイル２２も配設されている。

しかしながら、この構成は、スケールコイルが３列必要となり、スケールコイルの配線が長くなるため、発生する誘導電流が、スケールコイル自身のインピーダンスによって減衰してしまい、強い信号が得難いという問題点を有していた。

このような問題点を解決するべく、出願人は特許文献３で、その図６に対応する本願の図４に示す如く、送信コイル２４Ａ、２４Ｂ、受信コイル２０Ａ、２０Ｂとスケールコイル１４Ａ、１４Ｂを、スケール１０の中心に対して対称に複数セット配置し、スケール中心に関して対称な位置にあるスケールコイルの一方（例えば１４Ａ）を、他方のスケールコイル（例えば１４Ｂ）に対し、スケールピッチλの１／２位相がずれた関係となるようにすることを提案している。

更に、図５に示す如く、スケールコイル、送信コイル及び受信コイルを有するトラックを、異なるスケールピッチλ１、λ２でスケール幅方向（グリッド幅方向）に２組（図の下側の送信コイル２４−１と図の上側のスケールコイル１４−１ａ、受信コイル２０−１でなるスケールピッチλ１の組と、図の上側の送信コイル２４−２と図の下側のスケールコイル１４−２ａ、受信コイル２０−２でなるスケールピッチλ２の組）配置して、絶対位置測定を可能とすることが考えられる。図において、１４−３は、スケールコイル１４−１ａと１４−２ａを接続するコイル（接続コイルと称する）である。

特開平１０−３１８７８１号公報 特開２００３−１２１２０６号公報（図１、図２、図３） 特開２００９−１８６２００号公報（図６）

しかしながら図５の構成では、グリッド１２上における送信コイル２４−１、２４−２から受信コイル２０−２、２０−１への直接のクロストーク量を低減するため、受信コイル２０−１（２０−２）と送信コイル２４−１（２４−２）を離した位置に配置する必要があるので、スケール１０上のスケールコイルの長さ（スケールコイル１４−１ａの長さ＋スケールコイル１４−２ａの長さ＋接続コイル１４−３の長さ）が長くなり、発生する誘導電流Ｉａがスケールコイル自身のインピーダンスによって減衰してしまい、強い信号が得難いという問題点を有していた。

また、図５の構成で、スケールコイル１４−１ａと１４−２ａとの間隔を短くする等してエンコーダ幅の小型化を図ろうとすると、送信コイルの駆動によって発生する磁界が、直接、受信コイルに正対しているスケールコイルにも影響を与えるため、本来のスケールコイルに流れる誘導電流とは逆方向の誘導電流成分が発生する事で、スケールコイルに発生する誘導電流が減少することになり、受信コイルで検出する信号が減少してしまう不都合が起こる。

以下に、その説明を示す。

図５上側のスケールピッチλ１のスケールコイル１４−１ａを受信コイル２０−１で検出する動作を図６に示す。図に示すように、本来、駆動電流Ｉ_Dによる送信コイル２４−１の駆動によって発生する磁界により、スケールコイル１４−２ａに誘電電流Ｉａが発生し、接続コイル１４−３を介してスケールコイル１４−１ａに流れる誘導電流Ｉａによって発生する磁界を受信コイル２０−１で検出する原理であるが、送信コイル２４−１にスケールコイル１４−１ａが接近するに従って、送信コイル２４−１の駆動により発生する磁界によってスケールコイル１４−１ａには、誘導電流Ｉａと逆方向の誘導電流成分Ｉｄが発生するため、スケールコイル１４−１ａの全誘導電流は（Ｉａ−Ｉｄ）となり、Ｉｄ分だけ減少する。言い換えると、スケールコイル１４−１ａには、スケールコイル１４−２ａ経由の誘導電流成分Ｉａと、送信コイル２４−１からスケールコイル１４−１ａに直接入る磁界により発生する誘導電流成分Ｉｄ（Ｉａとは逆方向）の差分の誘導電流（Ｉａ−Ｉｄ）が発生する。

一方、図５下側のスケールピッチλ２のスケールコイル１４−２ａを受信コイル２０−２で検出する動作を図７に示す。図に示すように、本来、駆動電流Ｉ_Dによる送信コイル２４−２の駆動によって発生する磁界により、スケールコイル１４−１ａに誘導電流Ｉａが発生し、接続コイル１４−３を介してスケールコイル１４−２ａに流れる誘導電流Ｉａによって発生する磁界を受信コイル２０−２で検出する原理であるが、送信コイル２４−２にスケールコイル１４−２ａが接近するに従って、送信コイル２４−２の駆動により発生する磁界によってスケールコイル１４−２ａには、誘導電流Ｉａと逆方向の誘導電流成分Ｉｄが発生するため、スケールコイル１４−２ａの全誘導電流は（Ｉａ−Ｉｄ）となり、Ｉｄ分だけ減少する。言い換えると、スケールコイル１４−２ａには、スケールコイル１４−１ａ経由の誘導電流成分Ｉａと、送信コイル２４−２からスケールコイル１４−２ａに直接入る磁界により発生する誘導電流成分Ｉｄ（Ｉａとは逆方向）の差分の誘導電流（Ｉａ−Ｉｄ）が発生する。

更に、図５の構成で、スケールコイル１４−１ａとスケールコイル１４−２ａとの間隔を短くする等してエンコーダ幅の小型化を図ろうとすると、次のような不都合も発生する。

即ち図８に示す如く、スケールコイル１４−２ａに流れる誘導電流Ｉａ−Ｉｄにより発生する磁界が、直接、受信コイル２０−１に影響を与え、受信コイル２０−１にクロストーク電流成分Ｉｃ（図８の左のスケール左端側ではＩｃ１）が流れる。

図５のように、スケールピッチが異なる２トラック構成のスケールの場合、受信コイル２０−１に発生するクロストーク電流成分はスケールの位置で変化する（図８の右のスケール右端側ではＩｃ２）ことにより、本来の位置検出信号に、スケールの位置で変化するクロストーク電流成分が重畳するので、スケール全長に渡って測定精度（特に広範囲精度）に影響を与えてしまう不都合が起こる。

図５のスケールピッチλ１とスケールピッチλ２のトラックをもつスケール（例では、λ１＜λ２）において、図８の例のように、スケールピッチλ１のスケールを受信コイル２０−１で検出（測定）する場合、スケールピッチλ２のスケールの影響で、広範囲精度が図９に示す如くプラス方向の誤差を生じる。その反対に、スケールピッチλ２のスケールを受信コイル２０−２で検出（測定）する場合、上記と同様な原因でスケールピッチλ１のスケールの影響で、広範囲精度が図９に示す如くマイナス方向の誤差を生じる。

本発明は、前記従来の問題点を解消するべくなされたもので、送信コイルを励磁した時の、スケールコイルでの誘導電流を増加することによって、受信コイルでの検出信号強度を向上して、Ｓ／Ｎの向上による測定の高精度化、及び／又は、スケール幅、ひいてはエンコーダ幅の縮小によるエンコーダの小型化を図ると共に、クロストーク磁界による誘導電流を低減して、広範囲精度の向上を図ることを課題とする。

本発明は、スケール上に、測定方向に沿って互いに異なるスケールピッチで多数配列された本体コイルを有する２列以上のスケールコイルと、前記スケールに対して測定方向に相対移動自在なグリッド上に、前記スケールコイルと対向するように配設された送信コイル及び受信コイルとを備え、前記送信コイルを励磁した時に、前記スケールコイルを経由して前記受信コイルで検出される磁束の変化から、前記スケールに対する前記グリッドの絶対位置測定を可能とする２つ以上のトラックを有する電磁誘導式絶対位置測定用エンコーダにおいて、少なくとも１つのトラックの前記本体コイルの間に、ループ状のスケールコイルを少なくとも１つ追加し、この追加したスケールコイルの誘導電流によって、前記送信コイルを励磁した時の前記受信コイルでの信号検出強度を増加すると共に、クロストーク磁界による誘導電流を低減することにより、前記課題を解決したものである。

ここで、前記受信コイルの形状を、前記本体コイルと前記追加したスケールコイルの両方をカバーする、測定方向に長い８の字型とすることができる。

本発明によれば、図５の構成に比べ、スケールコイル間に追加したスケールコイルの誘導電流によって、送信コイルを励磁した時の受信コイルでの信号検出強度を増加すると共にクロストーク磁界による誘導電流を低減することができる。従って、（１）２つ以上のトラック間の間隔を狭めることが可能となり、スケール幅、ひいてはエンコーダ幅を縮小してエンコーダを小型化できる、（２）Ｓ／Ｎ向上により測定精度を向上できる、（３）グリッドとスケール間のギャップを拡大できる、（４）スケールコイルの幅を縮小することが可能となり、スケール幅、ひいてはエンコーダ幅を縮小してエンコーダを小型化できる、（５）クロストーク磁界による影響を低減して、広範囲精度を向上することができる、等の効果を有する。

特許文献２に記載された従来の電磁誘導式エンコーダの全体構成を示す斜視図 同じくグリッド上のコイルの配置及び第１の作用を示す平面図 同じくグリッド上のコイルの配置及び第２の作用を示す平面図 特許文献３に記載された従来の電磁誘導式エンコーダのグリッドとスケールの平面図 発明者が検討中の電磁誘導式絶対位置測定用エンコーダの基本的な構成を示すグリッドとスケールの平面図 図５の下側の送信コイルを駆動して上側の受信コイルで検出する様子を示す要部平面図 図５の上側の送信コイルを駆動して下側の受信コイルで検出する様子を示す要部平面図 従来例におけるクロストーク磁界による誘導電流の発生状況を示す要部平面図 同じく広範囲誤差の例を示す図 本発明の第１実施形態を示すスケールの平面図 図１０の下側の送信コイルを駆動して上側の受信コイルで検出する様子を示す要部平面図 図１０の上側の送信コイルを駆動して下側の受信コイルで検出する様子を示す要部平面図 第１実施形態におけるクロストーク磁界による誘導電流の発生状況を示す要部平面図 同じく広範囲誤差の例を示す図 本発明の第２実施形態を示すスケールの平面図

以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。

本発明の第１実施形態は、図１０に示す如く、図５と同様の元からあるスケールコイル本体１４−１ａ（本体コイルとも称する）の間に、図中に破線で示すスケールコイル（追加コイルとも称する）１４−１ｂを追加してスケールコイル１４−１とすると共に、同じく図５と同様の元からあるスケールコイル本体１４−２ａ（本体コイルとも称する）の間に、図中に破線で示すスケールコイル（追加コイルとも称する）１４−２ｂを追加してスケールコイル１４−２としたものである。

上記の構成により、スケールコイル１４−１ａと１４−２ａとの間隔を短くする等してエンコーダ幅を小型化しても、受信コイルで検出する信号強度が増加することを以下に説明する。

まず、図１０上側のスケールピッチλ１のスケールコイル１４−１を受信コイル２０−１で検出する時は、図１１に示す如く、駆動電流Ｉ_Dによる送信コイル２４−１の駆動によって発生する磁界により、本体コイル１４−１ａには、本体コイル１４−２ａ経由の誘導電流成分Ｉａと、送信コイル２４−１から本体コイル１４−１ａに直接入る磁界により発生する誘導電流成分Ｉｄ（Ｉａとは逆方向）の差分の誘導電流（Ｉａ−Ｉｄ）が発生する。又、追加コイル１４−１ｂには、送信コイル２４−１から直接入る磁界により発生する誘導電流Ｉｂ（本体コイル１４−１ａの誘導電流（Ｉａ−Ｉｄ）とは逆方向）が発生する。誘導電流Ｉｄと誘導電流Ｉｂの大きさを比較すると、スケールコイル（１４−１ａ＋１４−２ａ＋１４−３）のコイル長は、追加コイル１４−１ｂのコイル長の２倍以上あるため、（誘導電流Ｉｄ）＜（誘導電流Ｉｂ／２）となる。

受信コイル２０−１は、本体コイル１４−１ａと追加コイル１４−１ｂの両方をカバーする８の字型のコイル形状をしているため、受信コイル２０−１の検出信号電流は、本体コイル１４−１ａの電流（Ｉａ−Ｉｄ）による受信コイル２０−１の誘導信号電流に、追加コイル１４−１ｂの電流Ｉｂによる受信コイル２０−１の誘導信号電流が加わることになる。

よって、次式に示す如く、受信コイル２０−１で検出する信号強度Ａは、追加コイル１４−１ｂを追加しない場合の信号強度Ｂに比べ、（Ｉａ＋Ｉｄ）／（Ｉａ−Ｉｄ）倍以上増加する。

Ａ∝（Ｉａ−Ｉｄ＋Ｉｂ）≒（Ｉａ−Ｉｄ＋２Ｉｄ）＝（Ｉａ＋Ｉｄ）
Ｂ∝（Ｉａ−Ｉｄ）
∴Ａ／Ｂ≒（Ｉａ＋Ｉｄ）／（Ｉａ−Ｉｄ）

一方、図１０下側のスケールピッチλ２のスケールコイル１４−２を受信コイル２０−２で検出する時は、図１２に示す如く、駆動電流Ｉ_Dによる送信コイル２４−２の駆動によって発生する磁界により、本体コイル１４−２ａには、本体コイル１４−１ａ経由の誘導電流成分Ｉａと、送信コイル２４−２から本体コイル１４−２ａに直接入る磁界により発生する誘導電流成分Ｉｄ（Ｉａとは逆方向）の差分の誘導電流（Ｉａ−Ｉｄ）が発生する。又、追加コイル１４−２ｂには、送信コイル２４−２から直接入る磁界により発生する誘導電流Ｉｂ（本体コイル１４−２ａの誘導電流（Ｉａ−Ｉｄ）とは逆方向）が発生する。誘導電流Ｉｄと誘導電流Ｉｂの大きさを比較すると、スケールコイル（１４−２ａ＋１４−１ａ＋１４−３）のコイル長は、追加コイル１４−２ｂのコイル長の２倍以上あるため、（誘導電流Ｉｄ）＜（誘導電流Ｉｂ／２）となる。

受信コイル２０−２は、本体コイル１４−１ａと追加コイル１４−１ｂの両方をカバーする８の字型のコイル形状をしているため、受信コイル２０−２の検出信号電流は、本体コイル１４−２ａの電流（Ｉａ−Ｉｄ）による受信コイル２０−２の誘導信号電流に、追加コイル１４−２ｂの電流Ｉｂによる受信コイル２０−２の誘導信号電流が加わることになる。

よって、上記説明と同様に、次式に示す如く、受信コイル２０−２で検出する信号強度Ｃは、追加コイル１４−２ｂを追加しない場合の信号強度Ｂに比べ、（Ｉａ＋Ｉｄ）／（Ｉａ−Ｉｄ）倍以上増加する。

Ｃ∝（Ｉａ−Ｉｄ＋Ｉｂ）≒（Ｉａ−Ｉｄ＋２Ｉｄ）＝（Ｉａ＋Ｉｄ）
Ｂ∝（Ｉａ−Ｉｄ）
∴Ｃ／Ｂ≒（Ｉａ＋Ｉｄ）／（Ｉａ−Ｉｄ）

更に、ループ状のスケールコイル（１４−１ｂ、１４−２ｂ）を付加することにより、図１３に示すように、図１０上側のスケールピッチλ１のスケールコイル１４−１を受信コイル２０−１で検出する時、スケールコイル１４−２から受信コイル２０−１へのクロストーク磁界がスケール位置によらないで、ほぼ均一になるため、クロストーク磁界による誘導電流の差が小さく（Ｉｃ１≒Ｉｃ２）なるため、図１４に示すように、広範囲精度の向上も図られる。図１０下側のスケールピッチλ２のスケールコイル１４−２を受信コイル２０−２で検出する時も、同様の作用で、図１４に示すように広範囲精度の向上が図られる。特に受信コイルが８の字型では、クロストーク磁界による誘導電流が打ち消し合うため、受信コイル２０−１に発生する誘導電流が大幅に低減することになり、一層の広範囲精度の向上も図られる。

付加したスケールコイル（１４−１ｂ、１４−２ｂ）の配線の太さを調整することにより、上記の誘導電流を完全に打ち消すことも可能であるし、スケール位置によってコイルの配線の太さを変えることによりＩｃ１＝Ｉｃ２にすることも可能となり、より高精度にすることもできる。

本発明の適用対象は、図１０に示した２列のトラックを有するものに限定されず、図１５に示す第２実施形態のように、例えばスケールピッチλ２のスケールコイル１４−２の上下両側にスケールピッチλ１のスケールコイル１４−１を配置した３列のトラックを有するものにも適用することができる。

この第２実施形態においては、上下両側のスケールコイル１４−１の本体コイル１４−１ａの間のみにスケールコイル１４−１ｂが追加されており、中央のスケールコイル１４−２にはスケールコイルが追加されていない。このように一部のスケールコイルの追加を省略することもできる。

尚、前記実施形態においては、いずれも、スケールコイルの形状が矩形の枠状とされていたが、スケールコイルの形状は、これに限定されず、例えば、矩形内に電極が存在する板状、あるいは逆に矩形部分を抜いた板状とすることも可能である。

１０…スケール
１２…グリッド
１４−１、１４−２…スケールコイル
１４−１ａ、１４−２ａ…本体コイル
１４−１ｂ、１４−２ｂ…追加コイル
１４−３…接続コイル
２０−１、２０−２…受信コイル
２４−１、２４−２…送信コイル

Claims (2)

1. スケール上に、測定方向に沿って互いに異なるスケールピッチで多数配列された本体コイルを有する２列以上のスケールコイルと、
   前記スケールに対して測定方向に相対移動自在なグリッド上に、前記スケールコイルと対向するように配設された送信コイル及び受信コイルとを備え、
   前記送信コイルを励磁した時に、前記スケールコイルを経由して前記受信コイルで検出される磁束の変化から、前記スケールに対する前記グリッドの絶対位置測定を可能とする２つ以上のトラックを有する電磁誘導式絶対位置測定用エンコーダにおいて、
   少なくとも１つのトラックの前記本体コイルの間に、ループ状のスケールコイルを少なくとも１つ追加し、この追加したスケールコイルの誘導電流によって、前記送信コイルを励磁した時の前記受信コイルでの信号検出強度を増加すると共に、クロストーク磁界による誘導電流を低減したことを特徴とする電磁誘導式絶対位置測定用エンコーダ。
2. 前記受信コイルの形状が、前記本体コイルと前記追加したスケールコイルの両方をカバーする、測定方向に長い８の字型であることを特徴とする請求項１に記載の電磁誘導式絶対位置測定用エンコーダ。

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