JP7328121B2 - スケール - Google Patents

Description

本発明は、主に電磁誘導式エンコーダや磁気エンコーダに用いられるスケールに関する。

従来、測定方向に沿って所定のピッチで設けられる複数のパターンを有するスケールパターンを一面に備えるスケールが知られている。スケールパターンのパターンは、主に、導線を単一のループに形成したコイルパターンと、薄板状（アイランド状）のベタ膜を所定の形状に形成したベタパターンと、がある。
コイルパターンは、単一のループの導線であるため、所定の製造方法により、高分解能化を図ることができる。しかし、コイルパターンは、金属片や機器の接触により簡単に断線してスケールパターンとして機能しなくなることがある。これに対して、ベタパターンは、アイランド状のベタ膜により形成され、導線であるコイルパターンよりも起電流が生じる面積が広いため、コイルパターンよりも信号効率がよく、傷がついたとしてもスケールパターンとして機能することができる。

特開２０１６－２０６０８６号公報

図６は、従来のスケールパターンにおけるパターンを示す図である。具体的には、図６（Ａ）は、従来のベタパターンを示す図であり、図６（Ｂ）は、従来のベタパターンに傷がついた状態を示す図である。
前述のように、ベタパターンは、コイルパターンのように断線しないため、亀裂や欠損などの傷がついたとしてもスケールパターンとして機能し続けることができる。
ここで、図６に示すように、ベタパターンＢは、図示しない送信コイルにより、図中の矢印方向に渦電流が生じ、縞状の磁束密度分布が生成される。図６（Ａ）に示すように、傷がついていないベタパターンＢでは、磁束密度分布の重心Ｇ１は、ベタパターンＢの重心Ｇ０に位置している。

しかし、図６（Ｂ）に示すように、ベタパターンＢに傷がつくと、磁束密度分布の重心Ｇ１は、ベタパターンＢの重心Ｇ０からズレることがある。磁束密度分布の重心Ｇ１がベタパターンＢの重心Ｇ０からズレて、各ベタパターンＢの重心Ｇ０と磁束密度分布の重心Ｇ１とが異なる状態となると、測定結果に誤差が生じることがある。したがって、ベタパターンＢに傷がつくと、このスケール２が用いられる測定機器において測定精度を保つことが困難となるという問題がある。

本発明の目的は、スケールパターンのパターンに傷がついたとしても測定精度を保つことができるスケールを提供することである。

本発明のスケールは、測定方向に沿って所定のピッチで設けられる複数のパターンを有するスケールパターンを一面に備える。複数のパターンの少なくとも１つは、導体をループ状に形成した複数のループ部を備える。共通のパターンに含まれている複数のループ部は、ループ部の重心がスケールの一面における測定方向において同じ位置になるように離間して配置されることを特徴とする。

ここで、スケールパターンにおけるパターンが所定のピッチで設けられていたとしても、各パターンの磁束密度分布の重心が測定方向にズレると、検出される信号においてパターンは所定のピッチではなくなり、測定精度を保つことが困難となる。しかし、各パターンの磁束密度分布の重心がスケールの一面において測定方向と直交する直交方向にズレる場合は、検出される信号においてスケールパターンは所定のピッチを保った状態となる。
このため、このような本発明によれば、共通のパターンに含まれている複数のループ部は、ループ部の重心がスケールの一面における測定方向において同じ位置になるように配置されることで、複数のループ部のいずれかが傷がついたとしても、磁束密度分布の重心が測定方向にズレることを防ぐことができる。したがって、スケールは、測定精度を保つことができる。

また、本発明のループ部は、前述のコイルパターンと略同じ構成である。そして、複数のループ部を離間して配置するとは、複数のループ部が互いに接触することなく配置されることである。このため、複数のループ部において、１つのループ部の内側や外側に大きさの異なる他のループ部を配置してもよいし、複数のループ部を所定の方向に隙間を開けて並べて配置してもよい。
したがって、このような構成によれば、共通のパターンに含まれている複数のループ部は、ループ部の重心がスケールの一面における測定方向において同じ位置になるように離間して配置されることで、１つのループ部に傷がつきパターンとして機能しなくなったとしても、他のループ部により磁束密度分布の重心は測定方向にズレることなく継続してパターンとして機能することができる。

この際、共通のパターンに含まれている複数のループ部は、所定の大きさのループを有する第１ループ部と、第１ループ部よりも小さいループを有する第２ループ部と、を備える。第２ループ部は、第１ループ部の内側に配置されることが好ましい。

このような構成によれば、共通のパターンに含まれている複数のループ部における第２ループ部は、第１ループ部の内側に配置されることで、複数のループ部は入れ子状に配置される。これにより、複数のループ部は、磁束密度分布の重心の測定方向へのズレを抑制しつつ信号強度を高めることができる。

この際、共通のパターンに含まれている複数のループ部は、複数のループ部の重心が一致するように配置されることが好ましい。

このような構成によれば、共通のパターンに含まれている複数のループ部は、複数のループ部の重心が一致するように配置されることで、複数のパターンの少なくとも１つは、ベタパターンに近い状態のパターンとして形成される。したがって、複数のパターンの少なくとも１つは、コイルパターンのように高分解能を保ちつつ、ベタパターンのように信号効率を保つことができる。

この際、第１ループ部の導体と第２ループ部の導体とは、少なくともスケールの一面において測定方向と平行な方向および測定方向と直交する直交方向と平行な方向の離間距離が同じであることが好ましい。

このような構成によれば、第１ループ部の導体と第２ループ部の導体とは、少なくともスケールの一面において測定方向と平行な方向および直交方向と平行な方向の離間距離が同じであることで、複数のループ部に流れる電流の方向を同じにすることができる。したがって、複数のループ部のそれぞれの磁束密度分布の重心の測定方向へのズレを防ぎつつ、複数のループ部の重心を一致させやすくすることができ、測定精度を保つことができる。

本発明の一実施形態に係る電磁誘導式エンコーダを示す斜視図 前記電磁誘導式エンコーダにおけるパターンを示す上面図 第１変形例に係るスケールパターンにおけるパターンを示す図 第２変形例に係るスケールパターンにおけるパターンを示す図 第３変形例に係るスケールパターンにおけるパターンを示す図 従来のスケールパターンにおけるパターンを示す図

以下、本発明の一実施形態を図１と図２に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る電磁誘導式エンコーダ１を示す斜視図である。
電磁誘導式エンコーダ１は、図１に示すように、長尺状のスケール２と、スケール２と対向して測定方向に沿って相対移動するヘッド３と、を備える。電磁誘導式エンコーダ１は、図示しない測定機器であるリニアスケールに用いられるリニアエンコーダである。なお、電磁誘導式エンコーダ１は、リニアスケールに限らず、ノギスやマイクロメータ、インジケータ、リニアゲージ等の測定機器に用いられる。

電磁誘導式エンコーダ１は、リニアスケールの内部に設けられている。リニアスケールは、スケール２に対してヘッド３を測定方向であるＸ方向に沿って相対移動させ、誘導電流を用いてスケール２に対するヘッド３の位置を検出し、検出結果を図示しない表示部などに出力する。
なお、以下の説明および各図面において、スケール２の長手方向でありヘッド３の移動方向（測定方向）をＸ方向と記し、スケール２の一面においてＸ方向と直交する直交方向でありスケール２の幅方向をＹ方向と記す。

スケール２は、ガラスエポキシ樹脂からなる絶縁基板２１と、ヘッド３に対向して設けられるとともに測定方向であるＸ方向に沿って所定のピッチで設けられる複数のパターンを有するスケールパターン４を一面に備える。本実施形態では、複数のパターンはスケールパターン４を構成する単位となるパターンであるため、説明の都合上、単位パターン５と記す。スケールパターン４は、アルミニウムや、銅、金などの電気抵抗が小さい材料で形成され、線状に導体で構成されている。
なお、絶縁基板２１は、ガラスエポキシ樹脂ではなく、ガラスやシリコン等の材料から構成されていてもよい。

ヘッド３は、スケールパターン４に磁束を送信し起電流を生じさせる複数の送信コイル６１，６２を有する送信手段６と、起電流により生じたスケールパターン４からの磁束の変化を電流として受信する複数の受信コイル７０を有する受信手段７と、を備える。送信手段６および受信手段７は、ヘッド３において、多層基板でありガラスエポキシ樹脂からなる絶縁基板３１上にスケールパターン４と対向するように設けられている。なお、絶縁基板３１は、ガラスエポキシ樹脂ではなく、ガラスやシリコン等の材料から構成されていてもよい。

送信コイル６１，６２は、アルミニウムや、銅、金などの電気抵抗が小さい材料で形成され、スケールパターン４と同様にＸ方向に沿って配置されている。このため、本実施形態では、送信コイル６１，６２は、それぞれ８個の単位パターン５に対して同時に磁束を送信し起電流を生じさせる。
複数の受信コイル７０は、アルミニウムや、銅、金などの電気抵抗が小さい材料で形成され、スケールパターン４のそれぞれと対応するようにＸ方向に沿って配置されるとともに、送信コイル６１，６２が配置される面上においてＸ方向と直交する直交方向（Ｙ方向）に送信コイル６１，６２に対して並設されている。本実施形態では、複数の受信コイル７０は、Ｘ方向に沿って、送信コイル６１とともに８個、送信コイル６２とともに８個、合計１６個配置されている。１６個の受信コイル７０は、同時に１６個の単位パターン５から、磁束の変化を電流として受信する。受信コイル７０のそれぞれは、絶縁基板３１の背面に向かって延在し、受信コイル７０が単位パターン５（スケールパターン４）から読み取った信号を演算する図示しない演算手段と接続している。

演算手段は、受信コイル７０が読み取った信号の変化から、スケール２とヘッド３との相対移動量を演算する。演算された相対移動量は、図示しない出力手段により出力され、例えばディスプレイなどの表示部に測定値として表示される。なお、出力手段は、表示部ではなく、外部機器などに相対移動量を出力してもよく、相対移動量などの演算手段の演算結果の出力先は任意である。

図２は、電磁誘導式エンコーダ１におけるパターンを示す上面図である。具体的には、図２（Ａ）は、単位パターン５を示す図であり、図２（Ｂ）は、単位パターン５に亀裂や欠損などの傷がついた状態を示す図である。
複数のパターンである単位パターン５は、図２に示すように、導体をループ状に形成した複数のループ部８を備える。共通の単位パターン５に含まれている複数のループ部８は、ループ部８の重心がスケール２の一面における測定方向であるＸ方向において同じ位置になるように、かつ、複数のループ部８の重心が一致するように離間して配置される。

具体的には、図２（Ａ）に示すように、複数のループ部８は、所定の大きさのループを有する第１ループ部８１と、第１ループ部８１よりも小さいループを有する第２ループ部８２と、を備える。第２ループ部８２は、第１ループ部８１の内側に配置される。そして、第１ループ部８１の導体と第２ループ部８２の導体とは、スケール２の一面において測定方向と平行な方向であるＸ方向および直交方向と平行な方向であるＹ方向の離間距離が同じとなるように距離Ｄの離間距離を有して配置されている。単位パターン５には、図中の矢印方向に渦電流が生じ、磁束密度分布が生成される。

そして、図２（Ｂ）に示すように、複数のループ部８１～８３に傷がつき複数のループ部８１～８３が破損した場合、単位パターン５は次のように機能する。
複数のループ部８１～８３が破損すると、複数のループ部８１～８３には電流は流れなくなる。しかし、複数のループ部８４，８５には、継続して図中の矢印方向に渦電流が生じ、磁束密度分布が生成される。複数のループ部８は重心が一致するように配置されているため、複数のループ部８１～８５のいずれかが破損したとしても、残りの複数のループ部８の重心は測定方向であるＸ方向にズレることはない。これにより、複数のループ部８のいずれかに傷がつき断線したとしても、単位パターン５の磁束密度分布の重心は測定方向であるＸ方向にズレないため、電磁誘導式エンコーダ１は、測定精度を保つことができる。

なお、図２（Ａ）において、説明の都合上、単位パターン５において一番外側にあるループ部８を第１ループ部８１とし、第１ループ部８１の内側に位置するループ部８を第２ループ部８２として説明したが、第２ループ部８２を第１ループ部８２とし、第１ループ部８２の内側に位置するループ部８３を第２ループ部８３としてもよい。また、図２（Ｂ）においては、第１ループ部はループ部８４であり、第２ループ部はループ部８５である。要するに、複数のループ部において、任意のループ部を第１ループ部とすることができ、第２ループ部は、第１ループ部よりも小さいループを有し、第１ループ部の内側に配置されていればよい。

このような本実施形態によれば、以下の作用・効果を奏することができる。
（１）共通の単位パターン５に含まれている複数のループ部８は、ループ部８の重心Ｇ２がスケール２の一面における測定方向であるＸ方向において同じ位置になるように配置されることで、複数のループ部のいずれかが傷がついたとしても、磁束密度分布の重心Ｇ１が測定方向であるＸ方向にズレることを防ぐことができる。したがって、スケール２は、測定精度を保つことができる。
（２）共通の単位パターン５に含まれている複数のループ部８は、ループ部８の重心Ｇ２がスケール２の一面における測定方向であるＸ方向において同じ位置になるように離間して配置されることで、１つのループ部８に傷がつきスケールパターン４として機能しなくなったとしても、他のループ部８により磁束密度分布の重心Ｇ１が測定方向であるＸ方向にズレることなく継続してスケールパターン４として機能することができる。

（３）共通の単位パターン５に含まれている複数のループ部８における第２ループ部８２は、第１ループ部８１の内側に配置されることで、複数のループ部８は入れ子状に配置される。これにより、複数のループ部８は、磁束密度分布の重心Ｇ１の測定方向であるＸ方向へのズレを抑制しつつ信号強度を高めることができる。
（４）共通の単位パターン５に含まれている複数のループ部８は、ループ部８の重心Ｇ２が一致するように配置されることで、単位パターン５は、ベタパターンに近い状態のパターン５として形成される。したがって、複数のパターン５の少なくとも１つは、コイルパターンのように高分解能を保ちつつ、ベタパターンのように信号効率を保つことができる。

（５）第１ループ部８１の導体と第２ループ部８２の導体とは、少なくともスケール２の一面において測定方向であるＸ方向と平行な方向および直交方向であるＹ方向と平行な方向の離間距離が同じであることで、複数のループ部８に流れる電流の方向を同じにすることができる。したがって、複数のループ部８のそれぞれの磁束密度分布の重心Ｇ１の測定方向であるＸ方向へのズレを防ぎつつ、複数のループ部８の重心を一致させやすくすることができ、測定精度を保つことができる。

〔実施形態の変形〕
なお、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、前記実施形態では、電磁誘導式エンコーダ１は、測定機器としてのリニアスケールに用いられていたが、ダイヤルゲージ（テストインジケータ）やマイクロメータ等の他の測定機器に用いられていてもよい。また、電磁誘導式エンコーダは、センサ等の測定機器以外のものに用いられていてもよい。さらに、電磁誘導式エンコーダ１はリニアエンコーダであったが、ロータリーエンコーダであってもよい。前記実施形態では、スケール２は電磁誘導式エンコーダ１に用いられていたが、磁気エンコーダに用いられていてもよい。
要するに、スケールは、用いられる測定機器の形式や方式などについて特に限定されるものではなく、その他の測定機器などにおいても利用可能であり、本発明のスケールを何に実装するかについては、特に限定されるものではない。

図３は、第１変形例に係るスケールパターン４Ａにおけるパターンを示す図である。
前記実施形態では、共通の単位パターン５に含まれている複数のループ部８は、所定の大きさのループを有する第１ループ部８１と、第１ループ部８１よりも小さいループを有する第２ループ部８２と、を備え、第２ループ部８２は、第１ループ部の内側に配置されていた。
第１変形例では、図３に示すように、スケール２Ａにおける単位パターン５Ａの第２ループ部８２Ａは、第１ループ部８１Ａの内側に配置されずに、スケール２Ａの一面において測定方向と直交する直交方向であるＹ方向に沿って並設されている点で前記実施形態と異なる。このような構成によれば、複数のループ部８Ａは、スケール２Ａの一面において測定方向と直交する直交方向であるＹ方向に沿って並設されていることで、複数のループ部８Ａのいずれかが傷がついたとしても、磁束密度分布の重心が測定方向であるＸ方向にズレることを防ぐことができる。したがって、スケール２Ａは、測定精度を保つことができる。

図４は、第２変形例に係るスケールパターン４Ｂにおけるパターンを示す図である。
また、前記実施形態では、スケールパターン４における複数のパターンである単位パターン５は、全て同一のパターンにて構成されていた。
第２変形例では、図４に示すように、本発明における単位パターン５Ｂだけではなく、ベタパターンＢやコイルパターンＣなど、複数のパターンにてスケールパターン４Ｂが構成されている点で前記実施形態と異なる。このような構成によれば、全て同一の単位パターン５により構成されるよりも複数のパターンを組み合わせることで、ダブルトラック方式にてインクリメンタルパターンやアブソリュートパターンとすることができたり、原点位置を特定する等、スケール２Ｂの自由度を向上させることができる。

図５は、第３変形例に係るスケールパターンにおけるパターンを示す図である。
前記実施形態は、いわゆるインクリメンタルパターンとしてスケールパターン４が配置されていた。
ここで、スケールに対するヘッドの相対移動量の検出方式は、インクリメンタル方式（ＩＮＣ方式）と、アブソリュート方式（ＡＢＳ方式）と、が知られている。
ＩＮＣ方式は、スケールに設けられた一定ピッチのインクリメンタルパターン（ＩＮＣパターン）を連続的に検出し、通過したＩＮＣパターンの数をカウントアップまたはカウントダウンすることで、スケールと読取りヘッドとの相対位置を検出する方式である。
ＡＢＳ方式は、それぞれピッチの異なるＩＮＣパターンを有する複数のトラックから検出される複数のインクリメンタル信号（ＩＮＣ信号）を合成したり、スケールにランダムに設けられたアブソリュートパターン（ＡＢＳパターン）を検出しＡＢＳパターンを解析したり、複数の「１」と「０」からなる信号の「１」と「０」の組み合わせ（擬似ランダム符号）を解析する等により、絶対位置を算出する方式である。

ここで、擬似ランダム符号は、ランダムに設けられる「１」と「０」等の所定の符号であり、この符号を解析することで絶対位置を算出することができる。擬似ランダム符号は、解析方法および符号の種類により、Ｍ系列符号やゴールド系列符号、バーカー系列符号などがある。
このＡＢＳ方式では、例えばスケールパターンは、１つのトラックの全長に亘って擬似ランダム符号にしたがって絶対位置を表現するように配置されている。このスケールパターンから受信手段が一度に受信する複数の「１」と「０」からなる信号における「１」と「０」の組み合わせは、１つのトラックの各位置でそれぞれ異なる。このため、電磁誘導式エンコーダは、複数の「１」と「０」からなる信号における「１」と「０」の組み合わせを解析することでスケールに対するヘッドの絶対位置を算出することができる。

第３変形例では、図５に示すように、２種類の所定の形状の単位パターン５Ｃ，５Ｄを擬似ランダム符号として例えばＭ系列パターンとなる様に配置することで、アブソリュートパターンとすることができる点で前記実施形態と異なる。具体的には、単位パターン５Ｃを「１」とし、単位パターン５Ｄを「０」とする。送信コイル６Ｃにより単位パターン５Ｃ，５Ｄにて生じる渦電流は、例えば受信コイル７Ｃに正の方向（図中の実線矢印方向）の電流として受信され、受信コイル７Ｄでは負の方向（図中の破線矢印方向）の電流として受信される。図示しない演算手段は、この正負の方向を有する電流を「１」と「０」とに変換し、Ｍ系列パターンから絶対位置を演算することができる。

これにより、電磁誘導式エンコーダ１は、１つのトラックから絶対位置を算出することができるため、スケールにおけるトラックの数を減らし、スケール２の小型化を図ることができる。また、スケール２の小型化により、コスト削減を図ることができる。さらに、単位パターン５Ｃ，５Ｄにおける複数のループ部８Ｃ，８Ｄのいずれかが破損したとしても、継続して残りの複数のループ部８Ｃ，８Ｄにより単位パターン５Ｃ，５Ｄを機能させることができるため、測定精度を維持することができる。

前記各変形例に示すように、スケールパターンにおけるパターンや複数のループ部の形状は、矩形状や円状、楕円状などであってもよく、本実施形態の形状に限られない。また、複数のループ部は、共通するパターンにおいて、いくつ設けられていてもよい。要するに、複数のパターンの少なくとも１つは、導体をループ状に形成した複数のループ部を備え、共通のパターンに含まれている前記複数のループ部は、ループ部の重心がスケールの一面における測定方向において同じ位置になるように離間して配置されていれば、どのような形状に形成されていてもよいし、任意の数のループ部が設けられていてもよい。

前記実施形態では、導体は線状に形成されていたが、膜状に形成されていてもよいし、ソリッド状に形成されていてもよい。
前記実施形態では、第１ループ部８１の導体と第２ループ部８２の導体とは、少なくともスケールの一面において測定方向であるＸ方向と平行な方向および測定方向と直交する直交方向であるＹ方向と平行な方向の離間距離が同じになるように形成されていたが、第１ループ部の導体と第２ループ部の導体とは、測定方向および直交方向のそれぞれと平行な方向の離間距離が同じになるように形成されていなくてもよい。
前記実施形態では、共通のパターンに含まれている複数のループ部は、ループ部の重心が一致するように配置されていたが、共通のパターンに含まれている前記複数のループ部は、ループ部の重心がスケールの一面における測定方向において同じ位置になるように離間して配置されていればよい。

以上のように、本発明は、主に電磁誘導式エンコーダや磁気エンコーダに用いられるスケールに好適に利用できる。

１ 電磁誘導式エンコーダ
２，２Ａ～２Ｂ スケール
３ ヘッド
４，４Ａ～４Ｂ スケールパターン
５，５Ａ～５Ｄ 単位パターン
６，６Ｃ 送信手段
７，７Ｃ，７Ｄ 受信手段
８，８Ａ，８Ｃ，８Ｄ ループ部
Ｂ ベタパターン
Ｃ コイルパターン

Claims (4)

1. 測定方向に沿って所定のピッチで設けられる複数のパターンを有するスケールパターンを一面に備えるスケールであって、
   前記複数のパターンの少なくとも１つは、導体をループ状に形成した複数のループ部を備え、
   共通のパターンに含まれている前記複数のループ部は、
   前記ループ部の重心が前記スケールの一面における前記測定方向において同じ位置になるように離間して配置されることを特徴とするスケール。
2. 請求項１に記載されたスケールにおいて、
   共通のパターンに含まれている前記複数のループ部は、所定の大きさのループを有する第１ループ部と、前記第１ループ部よりも小さいループを有する第２ループ部と、を備え、
   前記第２ループ部は、前記第１ループ部の内側に配置されることを特徴とするスケール。
3. 請求項１または請求項２に記載されたスケールにおいて、
   共通のパターンに含まれている前記複数のループ部は、前記複数のループ部の重心が一致するように配置されることを特徴とするスケール。
4. 請求項２に記載されたスケールにおいて、
   前記第１ループ部の導体と前記第２ループ部の導体とは、少なくとも前記スケールの一面において測定方向と平行な方向および前記測定方向と直交する直交方向と平行な方向の離間距離が同じであることを特徴とするスケール。

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