JP6970640B2 - 電磁誘導式エンコーダ - Google Patents

Description

本件は、電磁誘導式エンコーダに関する。

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１〜３参照）。検出ヘッドが備える駆動コイルに電流を流すことによって磁束が発生する。これにより、スケールに備わる結合コイルに起電流が発生する。次に、結合コイルの起電流によって発生する磁束によって、検出ヘッドの受信コイルに起電流が発生する。スケールに対する検出ヘッドの相対的な変位量に応じて各コイル間の電磁結合が変化し、スケールの結合コイルのピッチと同じ周期の正弦波信号が得られる。この正弦波信号を電気的に内挿することによって最小分解能のデジタル量として用いることができ、検出ヘッドの変位量を測定することができる。

特開平１０−３１８７８１号公報 特開２００１−２５５１０６号公報 特開２０１６−２０６０８６号公報

電磁誘導式エンコーダにおいて、信号強度を確保するために、結合コイルの線幅を広くすることが考えられる。しかしながら、結合コイルの線幅を広くしようとすると、内挿精度が低下して測定精度が低下するおそれがある。

１つの側面では、本発明は、高測定精度と信号強度の確保とを両立することができる電磁誘導式エンコーダを提供することを目的とする。

１つの態様では、本発明に係る電磁誘導式エンコーダは、それぞれが略平板形状を有して対向配置され、測定軸方向に相対移動する検出ヘッドおよびスケールを備え、前記検出ヘッドは、磁束を発生する駆動コイルを備え、前記スケールは、前記測定軸方向において基本周期λで配列され、前記駆動コイルが発生する磁束と電磁結合し、前記測定軸方向に所定の空間周期で変化する磁束を発生する複数の結合コイルを備え、前記検出ヘッドは、前記測定軸方向において前記基本周期λで配列され、前記複数の結合コイルが発生する磁束と電磁結合して当該磁束の位相を検出する受信コイルと、を備え、前記測定軸方向における前記結合コイルの線幅中心間の距離Ｌと、前記結合コイルの線幅ｄと、前記基本周期λとは、λ／２−２ｄ＜Ｌ＜λ／２の関係を有することを特徴とする。

上記電磁誘導式エンコーダにおいて、前記スケールが構成する平面において、前記測定軸方向と直交する方向における前記複数の結合コイルの幅は、前記測定軸方向と直交する方向における前記駆動コイルの幅以下としてもよい。

上記電磁誘導式エンコーダにおいて、前記スケールが構成する平面において、前記結合コイルは、前記測定軸方向と直交する軸に対して線対称な形状を有していてもよい。

上記電磁誘導式エンコーダにおいて、前記複数の結合コイルは、略矩形状を有していてもよい。

上記電磁誘導式エンコーダにおいて、前記結合コイルの線幅ｄは、２００μｍ以上としてもよい。

高測定精度と信号強度の確保とを両立することができる電磁誘導式エンコーダを提供することができる。

（ａ）は電磁誘導式エンコーダの構成を例示する図であり、（ｂ）は受信コイルの構成を例示する図である。 （ａ）は隣り合う結合コイル間の磁界を例示する図であり、（ｂ）は受信コイルの基本周期を例示する図であり、（ｃ）は受信信号の出力信号を例示する図である。 結合コイルの寸法を例示する図である。 結合コイルの線幅を広くした図である。 結合コイルにおける電流密度のシミュレーション結果を例示する図である。 コイル外周を流れる電流が生成する磁界を例示する図である。 （ａ）および（ｂ）は結合コイルの線幅とλ／２との関係を例示する図である。 （ａ）〜（ｃ）は結合コイルの線幅とλ／２との関係を例示する図である。 （ａ）および（ｂ）は、結合コイルの他の形状を例示する図である。 （ａ）および（ｂ）は結合コイルの幅と駆動コイルの幅との関係を例示する図である。 （ａ）および（ｂ）は結合コイルの幅と駆動コイルの幅との関係を例示する図である。 変形例を説明するための図である。 （ａ）および（ｂ）は結合コイルの線幅とλ／２との関係を例示する図である。

以下、図面を参照しつつ、実施形態について説明する。

図１（ａ）は、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１００の構成を例示する図である。図１（ｂ）は、後述する受信コイルの構成を例示する図である。

電磁誘導式エンコーダ１００は、測定軸方向に相対移動する検出ヘッド１０とスケール２０とを有する。検出ヘッド１０およびスケール２０は、それぞれ略平板形状を有し、所定の隙間を介して対向配置されている。また、電磁誘導式エンコーダ１００は、駆動信号生成部３０、変位量測定部４０などを備えている。図１（ａ）および図１（ｂ）において、Ｘ軸は、検出ヘッド１０の変位方向（測定軸）を表している。なお、スケール２０が構成する平面において、Ｘ軸と直交する方向をＹ軸とする。

検出ヘッド１０には、駆動コイル１１、受信コイル１２などが設けられている。駆動コイル１１は、Ｘ軸方向に長さ方向を有する矩形コイルを構成している。図１（ｂ）で例示するように、受信コイル１２は、駆動コイル１１の内側において、検出ヘッド１０の両面に形成された２つのパターン１３ａ，１３ｂと、パターン１３ａとパターン１３ｂとを接続する貫通配線１４と、からなる基本周期λの正負の正弦波形パターンによって、検出ヘッド１０のＸ軸方向に基本周期λで繰り返される検出ループを構成している。本実施形態においては、一例として、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〜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。

スケール２０においては、矩形状を有する複数の結合コイル２１が、Ｘ軸方向に沿って、基本周期λで配列されている。各結合コイル２１は、閉ループコイルである。各結合コイル２１は、駆動コイル１１と電磁結合するとともに、受信コイル１２と電磁結合している。

駆動信号生成部３０は、単相交流の駆動信号を生成し、駆動コイル１１に供給する。この場合、駆動コイル１１に磁束が発生する。それにより、複数の結合コイル２１に起電流が発生する。当該複数の結合コイル２１は、駆動コイル１１が発生する磁束と電磁結合することで、Ｘ軸方向に所定の空間周期で変化する磁束を発生する。結合コイル２１が発生する磁束は、受信コイル１２ａ〜１２ｃに起電流を生じさせる。検出ヘッド１０の変位量に応じて各コイル間の電磁結合が変化し、基本周期λと同じ周期の正弦波信号が得られる。したがって、受信コイル１２は、複数の結合コイル２１が発生する磁束の位相を検出する。変位量測定部４０は、この正弦波信号を電気的に内挿することによって最小分解能のデジタル量として用いることができ、検出ヘッド１０の変位量を測定する。

なお、互いに電磁結合する駆動コイル１１、受信コイル１２および結合コイル２１が１つのトラックを構成する。本実施形態においては、電磁誘導式エンコーダ１００は、複数のトラックＴｒ１〜Ｔｒ３を備えている。複数のトラックＴｒ１〜Ｔｒ３は、Ｙ軸方向において所定の間隔を空けて配列されている。各トラックにおいて、基本周期λが異なっている。それにより、電磁誘導式エンコーダ１００は、アブソリュート式エンコーダとして機能する。

図２（ａ）は、隣り合う結合コイル２１間の磁界を例示する図である。図２（ａ）で例示するように、結合コイル２１間において、結合コイル２１の内側の磁界と逆向きの磁界が生成される。結合コイル２１は、上述したように、基本周期λで配列されている。図２（ｂ）で例示するように、受信コイル１２ａ〜１２ｃも基本周期λで設けられている。それにより、図２（ｃ）で例示するように、受信コイル１２ａ〜１２ｃの各出力信号は、基本周期λの正弦波信号となる。なお、結合コイル２１における基本周期λとは、Ｘ軸方向において隣接する２つの結合コイル２１の中心間の距離のことである。または、基本周期λは、１つの結合コイル２１のＸ軸プラス側端から、Ｘ軸プラス側に隣接する他の結合コイル２１のＸ軸プラス側端までの距離のことと言い換えることもできる。受信コイル１２における基本周期λとは、受信コイル１２を構成する正弦波パターンの周期のことである。

例えば、図３で例示するように、結合コイル２１は、隣接する２つの結合コイル２１の線幅中心間の間隔がλ／２となるような寸法を有している。電磁誘導式エンコーダでは、構造的に得られる信号の周期が光電式に比べて粗いため、内挿精度への要求は高くなかった。しかしながら、近年において高精度化の要求が高まり、光電式に匹敵する内挿精度が要求されるようになっている。このような要求に対応する場合、検出ヘッドの移動に伴って得られる信号がひずみの無い正弦波形状であるか、信号強度の大きさが適切か、信号強度の変動は抑えられているか、といった点が重要になる。しかしながら、これまではこのような点について厳密に考慮されていなかった。

そこで、例えば、図４で例示するように、結合コイル２１の線幅を広くすることでコイルの抵抗成分を減少させ、信号強度を増加させることができる。さらに、製造時に発生する可能性があるコイルの欠損による信号強度変動を抑制することができる。しかしながら、線幅を拡大することによって補正が難しい基本周期λの１／３周期の誤差（λ／３誤差）が増加し、内挿精度が低下することが確認された。以上のことから、高測定精度と信号強度の確保とを両立することは困難であった。なお、信号強度の確保には、信号の絶対値の大きさと信号変動の抑制とが含まれる。

本発明者らは、鋭意研究の結果、結合コイル２１内の電流密度が、コイル内周側では低く外周側で高くなることを突き止めた。図５は、結合コイル２１における電流密度のシミュレーション結果を例示する図である。図５において、模様が濃くなるほど電流密度が高いことを示す。数値の単位は、Ａ／ｍ^２である。図５の結果から、結合コイル２１の内周側では電流密度が低く、結合コイル２１の外周側では電流密度が高くなっていることがわかる。このように、結合コイル２１の線幅方向において、電流密度にバラツキが生じている。

信号強度を確保するために結合コイル２１の線幅を広くすると、図６で例示するように、コイル外周を流れる電流が生成する磁界について図中＋側の領域と−側の領域とがアンバランスとなり、理想的な正弦波から逸脱することにより内挿精度が悪化する要因となる。このような電流密度分布は、線幅が細い場合は無視できていたが、線幅増加に伴い顕著になっていくことが確認された。例えば、２００μｍ以上の広い線幅を有する結合コイル２１において顕著となる。

以上のことから、図７（ａ）で例示するように、隣接する２つの結合コイル２１の線幅中心間の間隔Ｌをλ／２とすると、高い内挿精度が得られない。そこで、図７（ｂ）で例示するように、電流密度分布の影響を抑制するために、電流密度が高いコイル端部間の間隔（＞Ｌ）をλ／２とすることが好ましい。例えば、基本周期λで作成された受信コイル１２の端部が電流密度の高い結合コイル２１の端部近傍に合致するように配置することが好ましい。そこで、本実施形態においては、図８（ａ）〜図８（ｃ）で例示するように、受信コイル周期＝結合コイル間隔＝得たい信号周期（＝基本周期λ）に対して、一つの結合コイル２１における線幅中心間の距離を距離Ｌとし、結合コイルの線幅を幅ｄとした場合に、λ／２−２ｄ＜Ｌ＜λ／２とする。この構成によれば、電流密度が高いコイル端部間の間隔をλ／２またはそれに近い値とすることができる。それにより、内挿精度の低下が抑制され、高測定精度が得られる。また、結合コイル２１の線幅を広くすることができるため、信号強度を増加させることができる。以上のことから、高測定精度と信号強度の確保とを両立することができる。なお、さらに高い内挿精度を得る観点から、λ／２−３ｄ／２＜Ｌ＜λ／２―ｄ／２とすることが好ましい。

なお、本実施形態においては、結合コイル２１が略矩形状を有しているが、他の形状を有していてもよい。例えば、図９（ａ）で例示するように、結合コイル２１は、８の字状の閉ループコイルであってもよい。または、図９（ｂ）で例示するように、結合コイル２１は、略円形状の閉ループコイルであってもよい。これらのような閉ループコイルであっても、コイル内周側の電流密度よりもコイル外周側の電流密度が高くなる。そこで、結合コイル２１のうち受信コイル１２と電磁結合する部分において、Ｘ軸方向における線幅中心間の最大距離を距離Ｌとし、結合コイル２１の線幅を幅ｄとした場合に、λ／２−２ｄ＜Ｌ＜λ／２とする。この構成によれば、電流密度が高いコイル端部間の間隔をλ／２またはそれに近い値とすることができる。それにより、内挿精度の低下が抑制され、高測定精度が得られる。さらに高い内挿精度を得る観点から、λ／２−３ｄ／２＜Ｌ＜λ／２―ｄ／２とすることが好ましい。なお、結合コイル２１は、Ｙ軸に対して線対称の形状を有していることが好ましい。

続いて、検出ヘッド１０の駆動コイル１１の位置と、スケール２０の結合コイル２１の位置との関係について説明する。図１０（ａ）で例示するように、検出ヘッド１０の位置とスケール２０の位置との相対的なラテラル変動許容量（Ｙ軸方向の変動許容量）を増加させるためには、受信コイル１２の位置変動を考慮すると、図１０（ｂ）で例示するように、Ｙ軸方向における結合コイル２１の幅をできるだけ広げた方が有利となる。しかしながら、図１１（ａ）で例示するように、結合コイル２１が駆動コイル１１からはみ出してしまうと、はみ出し部分で駆動コイル１１からの磁界が打ち消し合うため、信号強度が低下する。そこで、図１１（ｂ）で例示するように、信号強度を確保するためには、Ｙ軸方向における結合コイル２１の幅は、Ｙ軸方向における駆動コイル１１の幅以下とすることが好ましい。

（変形例）
図１の例では、駆動コイル１１内に受信コイル１２が配置されていたが、それに限られない。図１２は、受信コイル１２が駆動コイル１１内に配置されていない例について説明する。例えば、図１２で例示するように、駆動コイル１１は、１対の駆動コイル１１ａおよび駆動コイル１１ｂを備える。受信コイル１２は、駆動コイル１１ａと駆動コイル１１ｂとの間に配置されている。

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、ＸＹ平面において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。

スケール２０においては、結合コイル２１ａと結合コイル２１ｂとがＸ軸方向に交互に配置されている。結合コイル２１ａは、基本周期λで配列された閉ループコイルであり、駆動コイル１１ａと電磁結合する第１ループ部２２ａと、受信コイル１２と電磁結合する第２ループ部２３ａとを有する。結合コイル２１ｂは、結合コイル２１ａ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、駆動コイル１１ｂと電磁結合する第１ループ部２２ｂと、受信コイル１２と電磁結合する第２ループ部２３ｂと、を有する。本変形例では、結合コイル２１ａと結合コイル２１ｂとが基本周期λ／２で配置されていることになる。

このような構成において、結合コイル２１ａ，２１ｂのうち受信コイル１２と電磁結合する部分において、Ｘ軸方向における線幅中心間の最大距離を距離Ｌとし、結合コイル２１ａ，２１ｂの線幅を幅ｄとした場合に、Ｌ＝λ／２とすると、結合コイル２１ａと結合コイル２１ｂとが端部で接触してしまう。そこで、本変形例では、図１３（ａ）で例示するように、結合コイル２１ａと結合コイル２１ｂとの間の間隔ｔを考慮し、Ｌ＜λ／２とする。具体的には、Ｌ＋ｄ＋ｔ＝λ／２であって、Ｌを最大限に広げた場合はｔ＝０であり、最小のＬは図１３（ｂ）で例示するようにｔ＝ｄの場合であるため、λ／２−２ｄ＜Ｌ＜λ／２−ｄとする。この構成によれば、電流密度が高いコイル端部間の間隔をλ／２またはそれに近い値とすることができる。それにより、内挿精度の低下が抑制され、高測定精度が得られる。さらに高い内挿精度を得る観点から、λ／２−３ｄ／２＜Ｌ＜λ／２―ｄとすることが好ましい。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０ 検出ヘッド
１１ 駆動コイル
１２ 受信コイル
１３ パターン
１４ 貫通配線
２０ スケール
２１ 結合コイル
２２ 第１ループ部
２３ 第２ループ部
３０ 駆動信号生成部
４０ 変位量測定部
１００ 電磁誘導式エンコーダ

Claims (5)

1. それぞれが略平板形状を有して対向配置され、測定軸方向に相対移動する検出ヘッドおよびスケールを備え、
   前記検出ヘッドは、磁束を発生する駆動コイルを備え、
   前記スケールは、前記測定軸方向において基本周期λで配列され、前記駆動コイルが発生する磁束と電磁結合し、前記測定軸方向に所定の空間周期で変化する磁束を発生する複数の結合コイルを備え、
   前記検出ヘッドは、前記測定軸方向において前記基本周期λで配列され、前記複数の結合コイルが発生する磁束と電磁結合して当該磁束の位相を検出する受信コイルと、を備え、
   前記測定軸方向における前記結合コイルの線幅中心間の距離Ｌと、前記結合コイルの線幅ｄと、前記基本周期λとは、λ／２−２ｄ＜Ｌ＜λ／２の関係を有することを特徴とする電磁誘導式エンコーダ。
2. 前記スケールが構成する平面において、前記測定軸方向と直交する方向における前記複数の結合コイルの幅は、前記測定軸方向と直交する方向における前記駆動コイルの幅以下であることを特徴とする請求項１記載の電磁誘導式エンコーダ。
3. 前記スケールが構成する平面において、前記結合コイルは、前記測定軸方向と直交する軸に対して線対称な形状を有することを特徴とする請求項１または２に記載の電磁誘導式エンコーダ。
4. 前記複数の結合コイルは、略矩形状を有することを特徴とする請求項３記載の電磁誘導式エンコーダ。
5. 前記結合コイルの線幅ｄは、２００μｍ以上であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の電磁誘導式エンコーダ。

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