JP6475072B2 - 電磁誘導式エンコーダおよびスケール - Google Patents

Description

本発明は電磁誘導式エンコーダおよびスケールに関する。

検出ヘッドとスケールとの間の電磁結合を利用した電磁誘導式エンコーダが知られている（例えば、特許文献１、２、３）。例えば、図８は、特開２００１−２５５１０６号公報に開示された電磁誘導式エンコーダの構成図である。電磁誘導式エンコーダは、所定ギャップを介して対向配置され、測定軸方向に相対移動する検出ヘッド１とスケール２とを有する。ここでは、２トラックあり、下半分が第１トラックＴｒ１を構成し、上半分が第２トラックＴｒ２を構成している。

検出ヘッド１の第１トラックＴｒ１の部分は、ヘッド基板１０上に形成された一対の駆動コイル１１ａ，１１ｂと、これら駆動コイル１１ａ，１１ｂの間に配置された受信コイル１２とからなる。

駆動コイル１１ａ，１１ｂは、Ｘ軸方向に延びる矩形パターンからなり、例えば駆動コイル１１ａが反時計回り、駆動コイル１１ｂが時計回りというように、互いに反対回りに電流を流すように相互に結線されている。受信コイル１２は、ヘッド基板１０の両面に形成されたパターン１３ａ，１３ｂと、これらパターン１３ａ，１３ｂを接続する貫通配線１４と、からなる基本周期λ１の正負の正弦波形パターンによって、ヘッド基板１０のＸ軸方向に周期λ１で繰り返される検出ループを形成している。この例では、受信コイル１２は、Ｘ軸方向に空間位相をずらした３相の受信コイル１２ａ，１２ｂ，１２ｃからなる。これら受信コイル１２ａ〜１２ｃは、例えばスター結線されている。

一方、スケール２の第１トラックＴｒ１の部分は、板状の樹脂基板３０上に磁気変調手段としての結合コイル３１ａ，３１ｂをＸ軸方向に交互に配置してなる。結合コイル３１ａは、基本周期λ１で配列された閉ループコイルであり、検出ヘッド１の駆動コイル１１ａと磁気結合される第１ループ部３２ａと、検出ヘッド１の受信コイル１２と磁気結合される第２ループ部３３ａとを有する。結合コイル３１ｂは、結合コイル３１ａと位相を１８０゜異ならせて配列された閉ループコイルからなり、検出ヘッド１の駆動コイル１１ｂと磁気結合される第１ループ部３２ｂと、検出ヘッド１の受信コイル１２と磁気結合される第２ループ部３３ｂと、を有する。

第２トラックＴｒ２は、第１トラックＴｒ１に比べて僅かに周期が短くなっている点を除いて、第１トラックＴｒ１と同じである。

検出ヘッド１の駆動コイル１１ａ，１１ｂ，２１ａ，２１ｂには、送信信号発生器からの単相交流の送信信号が供給される。すると、駆動コイル１１ａ，１１ｂ，２１ａ，２１ｂ、結合コイル３１ａ、３１ｂ、４１ａ、４２ｂ（第１ループ部、第２ループ部）、受信コイル１２ａ〜ｃ、２２ａ〜ｃ、の順に電磁誘導で誘導電流が生じる。受信コイル１２ａ〜ｃ、２２ａ〜ｃに生じる電気信号の位相は、検出ヘッド１とスケール２との相対位置に応じて変化する。
したがって、信号の位相から検出ヘッド１とスケール２との相対変位を知ることができる。ここでは、周期が異なる二つのトラックＴｒ１、Ｔｒ２を用い、アブソリュート式エンコーダとしている。

上記に例示したように、従来、スケールパターンである結合コイル３１ａ、３１ｂ、４１ａ、４１ｂは、第１ループ部３２ａ、３２ｂ、４２ａ、４２ｂと第２ループ部３３ａ、３３ｂ、４３ａ、４３ｂとが繋がったような８の字状であった。このように８の字状のコイルにすると信号強度を確保できるという利点があった（特許文献１、２、３）。受信コイル１２ａ〜ｃ、２２ａ〜ｃに生じる信号の強度がもともと十分に高ければ、増幅率を上げるなどの信号処理の無理が必要なくなる。このことは、ノイズに強くなるなどの精度向上に繋がる。

さて、近年では測定器にも当然に小型化が求められる。しかし、８の字状のコイルを多段に並べると、どうしてもスケールの幅が大きくなってしまう。そこで、図９のように、検出ヘッド１側においては駆動コイル１１の内側に受信コイル１２を配し、結合コイル３１は単純な矩形コイルにすることも行われている。このような形式を内包型と称することもある。
図９では、３トラックのアブソリュート式エンコーダを例示している。
以後は、トラックのうち、ピッチが最も短いものを第１トラックとし、ピッチが長くなる順に第２トラック、第３トラックとする。また、スケールパターンを構成する各コイルをピッチが短いものから順に３１、３２、３３の符号を付した。

特許４１７２９１８号 特許４２４９５２９号 特開２００１−２５５１０６号公報

さて、さらなる小型化を図るべく発明者らは鋭意研究した。単純に考えてみると、スケールパターン、即ち、結合コイル３１、３２、３３をもっと精細化していくことでスケール２はどんどん小型化し、すなわち、より小型の電磁誘導式エンコーダを実現できるはずである。しかして、単純に結合コイル３１、３２、３３を小さく精細化していくと問題があることがわかった。
スケールパターンを製作するにあたってはリソグラフィを用いる。すなわち、ガラス製または樹脂製のスケール基板の上に導電膜（例えば銅）を成膜し、これをエッチングしてコイルを残すわけである。しかし、やはり欠損やパターン切れは生じるのであり、パターンを精細化すれば、それに伴って歩留まりも落ちる。ちなみに、特開２００１−２５５１０６号公報（特許文献３）においては、受信信号の振幅バランスからパターン切れなどの異常を検出し、これをユーザに報知することが記載されている。

なお、電磁誘導で誘導起電力を生じさせるだけであれば、スケール側の導電パターンは、コイルにしなくても例えば図１０のように、アイランド状の孤立した導電膜で構成されてもよい。
アイランド状の導電膜は、コイルのように中をくり抜いておらず、ただのソリッド、つまりベタ塗りのように見えるので、一つ一つのアイランドをベタ膜と称し、ベタ膜が所定ピッチで配列されたものをベタパターンと称することにする。
ベタパターンを構成する各ベタ膜をピッチが短いものから順に４１、４２、４３の符号を付した。
ベタパターンであれば多少の欠損があっても断線に至ることはないので、致命的問題には繋がりにくい。したがって、ベタパターンであればパターンの精細化に適しているとも考えられる。
しかしながら、本発明者らは鋭意研究の結果、ベタパターンはコイルパターンに比べて精度がでにくいという課題に気付いた。

本発明の目的は、小型化に適した電磁誘導式エンコーダを提供することにあり、具体的には、小型化した場合でも量産性と精度とを両立できる電磁誘導式エンコーダおよびそのスケールを提供することにある。

本発明の電磁誘導式エンコーダは、
所定ギャップを介して対向配置され、測定軸方向に相対移動する検出ヘッドとスケールとを有し、
前記検出ヘッドには、一次変動磁束を発生させる駆動コイルが配設され、
前記スケールには、前記一次変動磁束と電磁結合し、前記測定軸方向に所定の空間周期で変化する磁気パターンを発生させるスケールパターンが配設され、
前記検出ヘッドには、前記スケールパターンによって形成された磁気パターンと電磁結合し、この磁気パターンの位相を検出する受信コイルが配置され、
前記検出した位相に基づいて前記検出ヘッドと前記スケールとの相対変位を検出する電磁誘導式エンコーダであって、
前記スケールパターンは、ピッチが相対的に短い第１ピッチである第１トラックと、ピッチが前記第１トラックよりも長い第２ピッチである第２トラックと、を有し、
前記第１トラックは、前記第１ピッチで並んだコイルで構成されたコイルパターンであり、
前記第２トラックは、一つ一つはアイランド状のベタ膜であって、このベタ膜が前記第２ピッチで並んだベタパターンである
ことを特徴とする。

本発明では、
前記ベタパターンの角部は、面取り形状又はＲ形状とされている
ことが好ましい。

本発明の電磁誘導式エンコーダのスケールは、
測定軸方向に所定の空間周期で変化する磁気パターンを発生させるスケールパターンが配設されたスケールであって、
前記スケールパターンは、ピッチが相対的に短い第１ピッチである第１トラックと、ピッチが前記第１トラックよりも長い第２ピッチである第２トラックと、を有し、
前記第１トラックは、前記第１ピッチで並んだコイルで構成されたコイルパターンであり、
前記第２トラックは、一つ一つはアイランド状のベタ膜であって、このベタ膜が前記第２ピッチで並んだベタパターンである
ことを特徴とする。

第１実施形態に係る電磁誘導式エンコーダを示す図。 トラックを３本にした場合の構成例を示す図。 トラックを３本にした場合の構成例を示す図。 実験例を示す図。 実験例を示す図。 実験例を示す図。 変形例を説明するための図。 従来の電磁誘導式エンコーダの構成図。 内包型の電磁誘導式エンコーダを示す図。 内包型の電磁誘導式エンコーダにおいて、スケールパターンのすべてのトラックをベタパターンとした構成例を示す図。

本発明の実施形態を図示するとともに図中の各要素に付した符号を参照して説明する。
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る電磁誘導式エンコーダを示す図である。
電磁誘導式エンコーダ１００は、アブソリュート式であり、スケールには互いにピッチが異なる二つのトラックが配設されている。ここでは、ピッチが短い方を第１トラックＴｒ１とし、ピッチが長い方を第２トラックＴｒ２とする。そして、ピッチが短い第１トラックＴｒ１はコイルパターンとし、ピッチが長い第２トラックＴｒ２はベタパターンとする。

アブソリュート式エンコーダにおいてはピッチが短いトラックＴｒ１とピッチが長いトラックＴｒ２とがある。
このうち、ピッチが短いトラックＴｒ１の方が最小分解能を決める。このこと自体はよく知られたものであるが、簡単に繰り返しておく。
第１トラックＴｒ１の検出位相をθ１とし、第２トラックＴｒ２の検出位相をθ２とする。ここで、全測定範囲で第１トラックＴｒ１と第２トラックＴｒ２とがちょうど波数１だけ異なるようにしておけば、全測定範囲のなかで位相差（Δθ＝θ１−θ２）は一意に決まる。この位相差から逆算して、原点からみて第１トラックＴｒ１の波が何番目（波数Ｎ）であるかわかる。さらに、θ１を内挿し、θ１のより精密な値を得る。
これにより、
（絶対位置）＝（Ｎ＋θ１／２π）×λ１
という測定値を得る。

このように、ピッチが短い第１トラックＴｒ１が最小分解能および精度を担っていると言える。したがって、ピッチが短い第１トラックＴｒ１については、精度を重視して、コイルパターンとする。一方、波数を算出できる範囲であればある程度の粗さが許容できる第２トラックＴｒ２の方についてはベタパターンとする。

トラックを３本にした場合の例を図２、図３に示す。図２、図３においても、ピッチが短い第１トラックＴｒ１はコイルパターンである。また、ピッチが一番長い第３トラックＴｒ３はベタパターンである。第２トラックＴｒ２については、図２のようにベタパターンにする場合と、図３のようにコイルパターンにする場合とがあり得る。

このような構成によれば、ピッチが短い第１トラックＴｒ１についてはコイルパターンとすることで高分解能を保つ。その一方、ピッチが長い第２、第３トラックについてはベタパターンとすることで、高精細化したような場合でもパターン切れのような心配が無くなる。これにより、精度と量産性を併せ持つ小型の電磁誘導式エンコーダとすることができる。

（実験例）
本発明者らによる実験例を示す。
本発明者らは、すべてのトラックをコイルパターンにした場合と、すべてのトラックをベタパターンにした場合と、で性能を比較してみた。すなわち図９に示すパターンと図１０に示すパターンとを試作し、性能試験をした。信号強度については、図４に示すように、コイルパターンでもベタパターンでも十分な信号強度が得られている。これであればコイルパターンに代えてベタパターンを採用できるようにも思える。

しかしながら内挿精度を比べてみると（図５）、すべてのピッチにおいてベタパターンの内挿精度は粗いことがわかる。精度が低い（誤差が大きい）としても、補正可能なものも有り得る。例えば、誤差が一次高調波（基本波長）や二次高調波（半波長）に起因したものであれば、信号処理や演算等で補正できる可能性がある。それであれば、第１トラックを含めてすべてベタパターンにできる可能性がある。

そこで誤差が生じる理由を調べてみた。
具体的には、フーリエ解析によって誤差成分を分離して取り出してみた。その結果を図６に示す。（ここでは、第１トラックからの信号をフーリエ解析した結果である。）左からＭ１は一次高調波（基本波長）による誤差、Ｍ２は二次高調波（半波長）による誤差、Ｍ３は三次高調波による誤差、である。ベタパターンの場合の誤差要因を見ると、三次高調波（Ｍ３）が原因として大きいことがわかる。しかしながら、三次高調波（Ｍ３）由来の誤差となっては、信号処理や演算等で補正するのは簡単ではない。

このように考えてみたとき、上記本実施形態のごとく、ピッチが短い第１トラックＴｒ１をコイルパターンとしておき、ピッチが長い第２トラックＴｒ２はベタパターンとする組み合わせが合理的であり、小型化、量産性および精度をバランスよく両立できる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
上記実施例では直線型のエンコーダを例示したが、ロータリーエンコーダでもよいことはもちろんである。

ベタパターンを構成するベタ膜としては、文字通り、穴が無いベタ塗りでよいのであるが、権利範囲を不当に狭く解釈されることは本意ではない。
ベタパターンのベタ膜がもつ利点は、リソグラフィのエッチングや経年変化で欠損、断線が生じないことにある。したがって、エッチングや経年変化で欠損、断線が生じにくいような範囲であれば、ベタ膜に穴が開いていてもよい。例えば、図７にあるようにベタ膜に穴が開いていてもよい。ベタ膜全体の面積をＳｔ、穴の面積をＳｈとするとき、（Ｓｈ／Ｓｔ）＜０．５であれば、穴は全体の半分に満たないわけであるから、これはベタ膜に含む。

あるいは、最も線幅Ｄが狭いところが２５０μｍ以上であれば、これはベタ膜に含む（なお、通常のコイルパターンの場合、１８０μｍ〜２００μｍ程度の線幅に設計される）。コイルの線幅Ｄが２５０μｍ以上になると三次高調波（Ｍ３）由来の誤差が増加してくる虞が高いが、断線の可能性は十分に低くなる。

なお、発明者らの実験によれば、ベタ膜に穴を設けた方が信号強度が強くなる。また、角が直角の矩形よりは、面取りして角を丸めた方が信号強度が強くなることが確認できた。おそらく、渦電流が強くなるためと考えられる。

１００…電磁誘導式エンコーダ、１…検出ヘッド、２…スケール、１１…駆動コイル、１２…受信コイル、３１、３２、３３…コイル、４１、４２、４３…ベタ膜。

Claims (3)

1. 所定ギャップを介して対向配置され、測定軸方向に相対移動する検出ヘッドとスケールとを有し、
   前記検出ヘッドには、一次変動磁束を発生させる駆動コイルが配設され、
   前記スケールには、前記一次変動磁束と電磁結合し、前記測定軸方向に所定の空間周期で変化する磁気パターンを発生させるスケールパターンが配設され、
   前記検出ヘッドには、前記スケールパターンによって形成された磁気パターンと電磁結合し、この磁気パターンの位相を検出する受信コイルが配置され、
   前記検出した位相に基づいて前記検出ヘッドと前記スケールとの相対変位を検出する電磁誘導式エンコーダであって、
   前記スケールパターンは、ピッチが相対的に短い第１ピッチである第１トラックと、ピッチが前記第１トラックよりも長い第２ピッチである第２トラックと、を有し、
   前記第１トラックは、前記第１ピッチで並んだコイルで構成されたコイルパターンであり、
   前記第２トラックは、一つ一つはアイランド状のベタ膜であって、このベタ膜が前記第２ピッチで並んだベタパターンである
   ことを特徴とする電磁誘導式エンコーダ。
2. 請求項１に記載の電磁誘導式エンコーダにおいて、
   前記ベタパターンの角部は、面取り形状又はＲ形状とされている
   ことを特徴とする電磁誘導式エンコーダ。
3. 測定軸方向に所定の空間周期で変化する磁気パターンを発生させるスケールパターンが配設されたスケールであって、
   前記スケールパターンは、ピッチが相対的に短い第１ピッチである第１トラックと、ピッチが前記第１トラックよりも長い第２ピッチである第２トラックと、を有し、
   前記第１トラックは、前記第１ピッチで並んだコイルで構成されたコイルパターンであり、
   前記第２トラックは、一つ一つはアイランド状のベタ膜であって、このベタ膜が前記第２ピッチで並んだベタパターンである
   ことを特徴とする電磁誘導式エンコーダのスケール。