JP6258880B2 - ロータリスケール - Google Patents

Description

本発明は、電磁誘導による電磁結合を用いて、回転位置を検出するロータリスケールに関する。

ロータリスケールは、所定のパターンピッチの櫛形の平面コイルのパターンが配置されたステータと、同じく、所定のパターンピッチの櫛形の平面コイルのパターンが配置されたロータとを有する。このステータのパターンに交流信号を流すと、電磁誘導作用によりロータのパターンに電圧が発生する。ロータリスケールでは、ステータとロータとの相対位置（相対角度）が変化すると、発生する電圧が変化するので、この電圧の変化をとらえて、回転位置（回転角度）を検出している。

上述したロータリスケールにおいて、一回転に１回の原点信号（一回転信号）を出力するものがある。具体的には、図６に示すように、固定側のステータ１０にＭＲ素子（磁気抵抗効果素子）５３を設置し、回転側のロータ２０に磁石５４を設置し、ＭＲ素子５３と磁石５４が対向したときの信号変化によるＭＲ信号と、ロータリスケールの２°毎に出力されるＺ相信号とに基づいて、一回転信号を生成するようにしている。

特開２００１−１６５６０３号公報

上述した一回転信号を出力するロータリスケールにおいて、ＭＲ素子５３、磁石５４は、ステータ１０及びロータ２０に配置したパターンとは別に設置される。そのため、ＭＲ信号とＺ相信号との位置関係が固定されておらず、両者の位置を合わせるため、ロータ２０の平面上における磁石５４の設置位置を調整する必要があった。実際には、例えば、ロータ２０のパターンのパターンピッチを２°とすると、図７に示すように、Ｚ相信号（パターンピッチ）との位置関係を、各々、０°、２°×１／４、２°×２／４、２°×３／４ずらした４箇所に磁石５４を設置し、この中からＺ相信号に最適な位置の磁石５４を選定していた。

又、ロータリスケールの構造上、ステータ１０とロータ２０とのギャップが狭いため、ＭＲ素子５３は、ステータ１０の鉄製のブランク部の中に設置せざるを得なかった。そのため、ＭＲ素子５３が磁石５４から受ける磁力が弱く、環境による磁石５４の磁力変化に対して脆弱であった。この脆弱性をカバーするためには、ＭＲ信号の幅を大きくとる必要があるが、この信号幅の調整は、磁力の強さでしか調整できず、この磁力の強さの調整は、ＭＲ素子５３に対する磁石５４の距離ｄで位置調整しており（図６参照）、この距離ｄの位置調整は現実的には難しかった。

ここで、上述した問題について、図８（ａ）、図８（ｂ）及び図８（ｃ）を参照して説明する。なお、図８（ａ）、図８（ｂ）及び図８（ｃ）は、各々、磁石５４の位置及び磁力が適切な場合、磁石５４の位置がずれた場合、磁石５４からの磁力が弱い場合を示している。

ロータ２０が一回転するとき、ＭＲ素子５３からの電圧（ＭＲ素子電圧）は、磁石５４の通過に伴い、図８（ａ）に示すように、互いに対向した位置をピークとする山状に変化する。予め、ＯＮ閾値とＯＦＦ閾値が設定してあり、ＭＲ素子電圧の変化に応じ、ＯＮ閾値で信号をオンとし、ＯＦＦ閾値で信号をオフとすることで、ＭＲ信号が生成される。つまり、一回転中、ＭＲ素子５３と磁石５４が対向した位置で、ＭＲ信号が出力されることになる。そして、前述したように、Ｚ相信号は２°毎に出力されており、このＺ相信号とＭＲ信号との「ａｎｄ」をとって、一回転信号を生成している。

前述したように、磁石５４は、位置関係をずらした４箇所に設置されており、この中からＺ相信号に最適な位置の磁石５４を選定しているが、磁石５４を設置した位置が更にずれていたり、磁石５４の選定が適切でなかったりすると、図８（ｂ）に示すように、ＭＲ信号の信号幅の中にＺ相信号が２つあることがある。これは、ＭＲ信号の信号幅が広くなったときにも起こり得る。このような場合には、Ｚ相信号との「ａｎｄ」が取れたり、取れなかったりして、一回転信号の位置が不安定になる。

又、ステータ１０とロータ２０とのギャップが広がったり（ＭＲ素子５３に対する磁石５４の距離ｄが広がったり）、磁石５４自身の磁力が低下したりすると、図８（ｃ）に示すように、ＭＲ素子電圧の出力が小さくなり、ＭＲ信号の信号幅も狭くなり、ＭＲ信号の信号幅の中にＺ相信号がないことがある。このような場合には、Ｚ相信号との「ａｎｄ」が取れなくなり、一回転信号が出力できなくなる。

以上のことに加えて、ロータリスケールは、電磁誘導による電磁結合を検出原理としており、上述したＭＲ素子５３及び磁石５４を用いた一回転信号の検出原理とは異なる。そのため、使用環境に対する耐性が同等ではなく、環境変化に対して差異が生じていた。

本発明は上記課題に鑑みなされたもので、位置調整を行うことなく、安定して正確な一回転信号を出力するロータリスケールを提供することを目的とする。

上記課題を解決する第１の発明に係るロータリスケールは、
交流信号の印加により第１の磁束を発生させる平面コイル状の一次側パターンを全周に有するステータと、
前記一次側パターンに対向して配置されると共に、前記第１の磁束による電磁誘導により電圧が誘起される平面コイル状の二次側パターンを全周に有するロータとを備え、
前記ロータの回転に伴う前記電圧の変化に基づいて、前記ステータと前記ロータとの相対角度を検出するロータリスケールにおいて、
前記一次側パターンと同時に同一平面上に形成され、前記交流信号の周波数より高い高周波信号の印加により第２の磁束を発生させる渦巻状の渦巻パターンと、
一回転に一度前記渦巻パターンと対向するように、前記二次側パターンと同時に同一平面上に形成され、前記第２の磁束により渦電流が生成される渦電流パターンと、
前記渦電流パターンにおける前記渦電流の生成に伴う前記渦巻パターンのインダクタンスの変化を検出して、一回転信号を出力する出力装置とを設けた
ことを特徴とする。

上記課題を解決する第２の発明に係るロータリスケールは、
上記第１の発明に記載のロータリスケールにおいて、
前記一次側パターン及び前記二次側パターンのパターンピッチをｐとするとき、前記渦巻パターン及び前記渦電流パターンの周方向の幅Ｗを、ｐ＜Ｗ＜２×ｐとした
ことを特徴とする。

上記課題を解決する第３の発明に係るロータリスケールは、
上記第２の発明に記載のロータリスケールにおいて、
前記出力装置は、前記一次側パターン及び前記二次側パターンに基づいて生成されるパターンピッチｐ毎のパルス信号と、前記インダクタンスの変化に伴う電圧の変化を閾値でオン又はオフすることにより生成した矩形波の信号との論理積を取ることにより、一回転信号を出力する
ことを特徴とする。

本発明によれば、渦巻パターンを一次側パターンと同時に同一平面上に形成し、渦電流パターンを二次側パターンと同時に同一平面上に形成し、これらの渦巻パターン及び渦電流パターンを用いて、一回転信号を出力するので、位置調整を行うことなく、安定して正確な一回転信号を出力するロータリスケールを提供することができる。

又、本発明によれば、一次側パターン及び二次側パターンを用いた相対角度の検出と、渦巻パターン及び渦電流パターンを用いた一回転信号の出力で、同じ電磁誘導を用いているので、一次側パターン及び二次側パターンと渦巻パターン及び渦電流パターンの使用環境に対する耐性を同等とすることができる。

本発明に係るロータリスケールの実施形態の一例として、当該ロータリスケールを構成するステータを示す図であり、（ａ）は、当該ステータの一部を示す平面図、（ｂ）は、当該ステータに形成した渦巻パターンを示す平面図である。 本発明に係るロータリスケールの実施形態の一例として、当該ロータリスケールを構成するロータを示す図であって、当該ロータの一部を示す平面図である。 本発明に係るロータリスケールの実施形態の一例として、当該ロータリスケールの一回転信号を出力する出力装置を説明するブロック図である。 図３に示した出力装置における信号を説明する図であり、（ａ）は、共振回路における共振状態から非共振状態への変化を示す信号であり、（ｂ）は、検波回路における検波後の信号であり、（ｃ）は、整流比較回路において検出する電圧及び信号であり、（ｄ）は、Ｚ相信号であり、（ｅ）は、一回転信号である。 図３に示した出力装置における一回転信号の生成を説明する図である。 従来のロータリスケールにおける一回転信号を生成するための構造を説明する断面図である。 従来のロータリスケールを構成するロータにおける磁石の配置を説明する平面図である。 従来のロータリスケールにおける一回転信号の生成の問題点を説明する図であり、（ａ）は、問題がない場合を説明する図、（ｂ）は、磁石の位置がずれた場合を説明する図、（ｃ）は、磁石からの磁力が弱い場合を説明する図である。

以下、図１〜図５を参照して、本発明に係るロータリスケールの実施形態の一例を説明する。

（実施例１）
最初に、本実施例のロータリスケールを構成するステータ及びロータの構成を説明する。ここで、図１（ａ）は、本実施例のロータリスケールを構成するステータの一部を示す平面図であり、図１（ｂ）は、当該ステータに形成した渦巻パターンを示す平面図である。又、図２は、本実施例のロータリスケールを構成するロータの一部を示す平面図である。

本実施例のロータリスケールは、平板リング形状のステータ１０と、同じく、平板リング形状のロータ２０とを有している。なお、図１（ａ）及び図２においては、ステータ１０及びロータ２０の一部を図示している。

ステータ１０は、鉄等からなるブランク部１１と、ブランク部１１の表面に形成された銅箔等からなる平面コイル状のステータパターン１２（一次側パターン）とを有している。又、ロータ２０も、鉄等からなるブランク部２１と、ブランク部２１の表面に形成された銅箔等からなる平面コイル状のロータパターン２２（二次側パターン）とを有している。

ステータパターン１２は、所定のパターンピッチｐの櫛形状（つづら折り形状）の平面コイルパターンがステータ１０の周方向に沿って全周に形成されたものである。ロータパターン２２も、同じく、所定のパターンピッチｐの櫛形状（つづら折り形状）の平面コイルパターンがロータ２０の周方向に沿って全周に形成されたものである。ロータパターン２２はステータパターン１２に対向して配置されている。

このステータパターン１２は、例えば、ブランク部１１の表面に絶縁層（図示省略）を介して、銅箔を全面に形成し、この銅箔をフォトエッチングすることにより形成している。同様に、ロータパターン２２も、ブランク部２１の表面に絶縁層（図示省略）を介して、銅箔を全面に形成し、この銅箔をフォトエッチングすることにより形成している。

本実施例のロータリスケールにおいて、ステータパターン１２に交流信号を印加すると、ステータパターン１２に磁束（第１の磁束）が発生し、この磁束による電磁誘導により、ロータパターン２２に電圧が誘起される。そして、本実施例では、インダクトシン方式を用いており、誘起電圧がステータパターン１２とロータパターン２２の相対位置によって変化するので、この誘起電圧の変化によって、ロータ２０の角度位置の検出が可能である。

なお、ステータパターン１２は、１／４ピッチずれた２つのステータパターンから構成してもよく、その場合、ロータ２０の角度位置に対して、ＳＩＮの電磁結合（ＳＩＮ結合）とＣＯＳの電磁結合（ＣＯＳ結合）をすることになる。

そして、ステータ１０の外周部分であって、ステータパターン１２の外周側には、ブランク部１１の表面に形成された銅箔等からなる渦巻パターン１３が１つ形成されている。この渦巻パターン１３は、所定の大きさの方形の渦巻状の平面コイルパターンから形成されており、ブランク部１１の表面全面に形成した銅箔をフォトエッチングすることにより、上述したステータパターン１２と同じ表面に、ステータパターン１２と同時に形成している。

なお、この渦巻パターン１３は、ステータパターン１２と同一の表面に１つ形成すればよいが、後述する出力装置との結線のし易さを考慮すると、スルーホール（図中の２重丸で示す部分）を介して、当該渦巻パターン１３の裏側にも形成して良い。この場合には、表側の渦巻パターン１３に電流が流れる方向と、裏側の渦巻パターンに電流が流れる方向が同じなるように、所定の大きさの方形の渦巻状の平面コイルパターンから形成すれば良い。

又、ロータ２０の外周部分であって、ロータパターン２２の外周側には、ブランク部２１の表面に形成された銅箔等からなる方形パターン（渦電流パターン）２３が１つ形成されている。この方形パターン２３は、所定の大きさの方形の平面パターン（ベタパターン）から形成されており、ブランク部２１の表面全面に形成した銅箔をフォトエッチングすることにより、上述したロータパターン２２と同じ表面に、ロータパターン２２と同時に形成している。

この方形パターン２３は、一回転に一度渦巻パターン１３と対向するように、配置されると共に、パターンピッチｐ毎に生成されるＺ相信号の１つが、方形パターン２３により生成される後述の検出信号の信号幅の中に入るように、配置されている。なお、Ｚ相信号は、ステータパターン１２及びロータパターン２２を用いた回路により、パターンピッチｐ毎に生成されたパルス信号である。

上述した渦巻パターン１３及び方形パターン２３の大きさ、特に、周方向の幅Ｗは、パターンピッチｐ（Ｚ相信号の間隔ｐ）に応じ、「ｐ＜Ｗ＜２×ｐ」となるように形成する必要がある。例えば、パターンピッチｐを２°とすると、２°＜Ｗ＜４°となるように形成すればよい。

このように、ステータ１０に１つの渦巻パターン１３を設け、そして、ロータ２０に１つの方形パターン２３を設け、これらの渦巻パターン１３及び方形パターン２３を用いることにより、上述したステータパターン１２及びロータパターン２２と同じ電磁誘導の原理を用いることができる。

次に、電磁誘導の原理を用いて一回転信号を出力する本実施例の出力装置の構成を説明する。ここで、図３は、本実施例のロータリスケールの一回転信号を出力する出力装置を説明するブロック図である。又、図４は、図３に示した出力装置における信号を説明する図であり、図４（ａ）は、共振回路における共振状態から非共振状態への変化を示す信号であり、図４（ｂ）は、検波回路における検波後の信号であり、図４（ｃ）は、整流比較回路において検出する電圧及び信号であり、図４（ｄ）は、Ｚ相信号であり、図４（ｅ）は、一回転信号である。又、図５は、図３に示した出力装置における一回転信号の生成を説明する図である。

本実施例の出力装置は、上述した渦巻パターン１３及び方形パターン２３と、高周波励磁回路３１と、共振回路３２と、検波回路３３と、整流比較回路３４と、Ｚ相信号ａｎｄ回路３５とを有する。

高周波励磁回路３１は、渦巻パターン１３に高周波信号を供給して、渦巻パターン１３を励磁し、磁束（第２の磁束）を発生させている。上述したステータパターン１２に印加する交流信号の周波数が、ｋＨｚオーダー、例えば、１５０ｋＨｚであるのに対して、この高周波励磁回路３１で供給する高周波信号の励磁周波数は、ＭＨｚオーダー、例えば、４ＭＨｚであり、上記交流信号より高い周波数としており、互いに干渉がないようにしている。

共振回路３２は、方形パターン２３が渦巻パターン１３に近接していない非近接状態において、上記励磁周波数で共振ピークとなるＬＣ回路から構成されている。つまり、非近接状態になると、共振回路３２は渦巻パターン１３と共振して、共振電圧が最大となる（図４（ａ）の左図を参照）。一方、ロータ２０が回転して、方形パターン２３が渦巻パターン１３に近接する近接状態（対向状態）になると、渦巻パターン１３を流れる高周波信号による磁束（第２の磁束）により、方形パターン２３に渦電流が生じ、渦巻パターン１３のインピーダンスが変化し、この共振周波数が変化する。このような近接状態になると、共振回路３２は渦巻パターン１３との共振から外れて、共振電圧が小さくなる（図４（ａ）の右図を参照）。

検波回路３３は、共振回路３２から得られる信号波形を、振幅レベルを測定可能な信号波形に変換している。例えば、図４（ｂ）に示すように、図４（ａ）に示した波形を全波整流したような波形に変換している。

整流比較回路３４は、検波回路３３から得られる信号波形を整流して、振幅レベルに応じた直流電圧に変換すると共に、予め規定した共振ピーク電圧と比較し、その差分の電圧となる検出電圧を検出しており、更に、検出した検出電圧の変化を、予め規定した閾値でオン又はオフすることにより、検出信号を生成している。例えば、図４（ｃ）に示すように、ロータ２０の回転位置（方形パターン２３の位置）に伴って、検出電圧は最接近時（対向時）をピークとする山状に変化し、その閾値でオン又はオフすることにより、所定の信号幅を持った矩形波の検出信号が生成されることになる。又、図４（ｃ）の例では、整流後の信号を反転増幅した信号としているため、渦巻パターン１３と方形パターン２３とが近接状態になると、検出電圧が高くなる回路としている。

検出信号の信号幅Ｗは、渦巻パターン１３及び方形パターン２３の周方向の幅Ｗで設定できるものであり、それ以外の調整は不要である。そして、渦巻パターン１３及び方形パターン２３の周方向の幅Ｗと同様に、Ｚ相信号の間隔ｐ（パターンピッチｐ）に応じて、「ｐ＜Ｗ＜２×ｐ」となる。例えば、Ｚ相信号の間隔ｐを２°とすると、２°＜Ｗ＜４°となる。このようにして、検出信号の信号幅Ｗが設定されるので、検出信号の信号幅Ｗの中に必ず１つのＺ相信号が存在することになる。

Ｚ相信号ａｎｄ回路３５は、ステータパターン１２及びロータパターン２２を用いた他の回路から入力されるＺ相信号（図４（ｄ）参照）と、整流比較回路３４で生成された検出信号の論理積（アンド）を取ることにより、図４（ｅ）に示す一回転信号を出力している。

上述した出力装置による一回転信号の出力のタイミングを、図５を参照して説明する。ロータ２０が回転して、渦巻パターン１３に方形パターン２３が近づくと、電磁誘導作用により、渦巻パターン１３のインピーダンスが変化するので、整流比較回路３４での検出電圧が、渦巻パターン１３と方形パターン２３が最接近したとき（対向位置のとき）をピークとする山状に変化し、この変化を閾値でオン又はオフすることにより、所定の信号幅Ｗを持った検出信号が生成される。そして、検出信号の信号幅Ｗの中に必ず１つのＺ相信号が存在するので、このＺ相信号との論理積（アンド）を取ることにより、一回転信号が出力されることになる。

なお、本実施例の出力装置は、渦巻パターン１３のインピーダンスの変化を検出して、一回転信号を生成しているが、渦巻パターン１３のインピーダンスの変化を検出できれば、上述した装置構成に限らず、他の構成の出力装置を用いても良い。

以上説明したように、ステータパターン１２と同じ表面に渦巻パターン１３を同時に形成し、ロータパターン２２と同じ表面に方形パターン２３を同時に形成しているので、ステータパターン１２及びロータパターン２２によるＺ相信号と、渦巻パターン１３及び方形パターン２３による一回転信号との位置関係が固定され、従来のように、磁石を複数設けたり、磁石の位置を調整したりするようなことが不要となる。

又、ステータパターン１２及び渦巻パターン１３はブランク部１１の表面上に形成され、ロータパターン２２及び方形パターン２３もブランク部２１の表面上に形成されているので、生成するＺ相信号や一回転信号が鉄製のブランク部１１及びブランク部２１の影響で変化することはなく、安定した信号となる。

又、ステータパターン１２及びロータパターン２２と同じ電磁誘導の原理を用いて、一回転信号を生成しているので、ステータパターン１２及びロータパターン２２と渦巻パターン１３及び方形パターン２３との環境耐性が同等となる。

本発明は、電磁誘導を用いたロータリスケールに好適なものである。

１０ ステータ
１１ ブランク部
１２ ステータパターン
１３ 渦巻パターン
２０ ロータ
２１ ブランク部
２２ ロータパターン
２３ 方形パターン
３１ 高周波励磁回路
３２ 共振回路
３３ 検波回路
３４ 整流比較回路
３５ Ｚ相信号ａｎｄ回路

Claims (3)

1. 交流信号の印加により第１の磁束を発生させる平面コイル状の一次側パターンを全周に有するステータと、
   前記一次側パターンに対向して配置されると共に、前記第１の磁束による電磁誘導により電圧が誘起される平面コイル状の二次側パターンを全周に有するロータとを備え、
   前記ロータの回転に伴う前記電圧の変化に基づいて、前記ステータと前記ロータとの相対角度を検出するロータリスケールにおいて、
   前記一次側パターンと同時に同一平面上に形成され、前記交流信号の周波数より高い高周波信号の印加により第２の磁束を発生させる渦巻状の渦巻パターンと、
   一回転に一度前記渦巻パターンと対向するように、前記二次側パターンと同時に同一平面上に形成され、前記第２の磁束により渦電流が生成される渦電流パターンと、
   前記渦電流パターンにおける前記渦電流の生成に伴う前記渦巻パターンのインダクタンスの変化を検出して、一回転信号を出力する出力装置とを設けた
   ことを特徴とするロータリスケール。
2. 請求項１に記載のロータリスケールにおいて、
   前記一次側パターン及び前記二次側パターンのパターンピッチをｐとするとき、前記渦巻パターン及び前記渦電流パターンの周方向の幅Ｗを、ｐ＜Ｗ＜２×ｐとした
   ことを特徴とするロータリスケール。
3. 請求項２に記載のロータリスケールにおいて、
   前記出力装置は、前記一次側パターン及び前記二次側パターンに基づいて生成されるパターンピッチｐ毎のパルス信号と、前記インダクタンスの変化に伴う電圧の変化を閾値でオン又はオフすることにより生成した矩形波の信号との論理積を取ることにより、一回転信号を出力する
   ことを特徴とするロータリスケール。

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