JP7431032B2 - 電磁誘導式エンコーダ - Google Patents

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    • G01D5/2497—Absolute encoders

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１参照）。
特開２０００－１８０２０９号公報
このような電磁誘導式エンコーダでは、最も精度の良いトラックに対し、ＡＢＳ（アブソリュート）用のトラックを設け、その後の信号処理によって、絶対位置を計算している。センサ基板のそれぞれのトラックには駆動用の信号線が２本以上、受信コイル用の信号線が４本以上備わっている。ＡＢＳ長を伸ばすためにトラックを増やすと、これらの引出配線もトラック数倍に増えていく。しかしながら、センサ基板の面積は限られており、受信コイルの引出配線が増えるとセンサ基板の小型化が困難になる。また、信号処理ＩＣへの入力ポート数も増えるため、ＩＣの小型化が難しくなる。小型で、かつ長いＡＢＳ長を実現するエンコーダを実現するには、受信コイルの引出配線数を少なくする技術が重要である。
１つの側面では、本発明は、受信コイルの引出配線数の低減化が可能な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、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、第１トラックおよび第２トラックのそれぞれについて、磁束を発生する送信コイルを備え、前記スケールは、前記第１トラックおよび前記第２トラックのそれぞれについて、前記測定軸方向に周期的に配置されかつ導体からなる複数の周期的要素を備え、前記検出ヘッドは、前記第１トラックおよび前記第２トラックにわたって連続して配線され、前記第１トラックおよび前記第２トラックについて前記複数の周期的要素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を備えることを特徴とする。
上記電磁誘導式エンコーダは、前記第１トラックおよび前記第２トラックの前記送信コイルに送信信号を送信する送信信号生成部と、前記受信コイルからの信号に応じて前記検出ヘッドと前記スケールとの間の相対変位量を測定する変位量測定部と、を備え、前記送信信号生成部は、前記第１トラックの前記送信コイルに前記送信信号を送信する場合には前記第２トラックの前記送信コイルには前記送信信号を送信せず、前記第２トラックの前記送信コイルに前記送信信号を送信する場合には前記第１トラックの前記送信コイルには前記送信信号を送信しなくてもよい。
上記電磁誘導式エンコーダにおいて、前記第１トラックと前記第２トラックとで、前記複数の周期的要素が前記測定軸方向に沿って配置されている周期が異なるか、前記測定軸方向に沿って配置されている位置が異なっていてもよい。
上記電磁誘導式エンコーダにおいて、前記第１トラックおよび前記第２トラックのそれぞれについて、前記複数の周期的要素は、導体によって接続され、前記第１トラックおよび前記第２トラックのそれぞれについて、前記送信コイルは、前記複数の周期的要素のそれぞれに対して、互いに逆向きの２以上の渦電流を発生させるように配線されていてもよい。
上記電磁誘導式エンコーダにおいて、前記受信コイルは、前記２以上の渦電流をそれぞれ検出する２以上のコイルを備えていてもよい。
本発明に係る電磁誘導式エンコーダの使用方法は、対向配置されて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、第１トラックおよび第２トラックのそれぞれについて、磁束を発生する送信コイルを備え、前記スケールは、前記第１トラックおよび前記第２トラックのそれぞれについて、前記測定軸方向に周期的に配置されかつ導体からなる複数の周期的要素を備え、前記検出ヘッドは、前記第１トラックおよび前記第２トラックにわたって連続して配線され、前記第１トラックおよび前記第２トラックについて前記複数の周期的要素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を備える電磁誘導式エンコーダにおいて、前記第１トラックの前記送信コイルに送信信号を送信する場合には前記第２トラックの前記送信コイルには前記送信信号を送信せず、前記第２トラックの前記送信コイルに前記送信信号を送信する場合には前記第１トラックの前記送信コイルには前記送信信号を送信しないことを特徴とする。
本発明によれば、受信コイルの配線数の低減化が可能な電磁誘導式エンコーダを提供することができる。
（ａ）は第１実施形態に係る電磁誘導式エンコーダの構成を例示する図であり、（ｂ）は検出される正弦波信号を例示する図である。 （ａ）～（ｃ）は比較例に係る受信コイルを例示する図である。 比較例に係る受信コイルを例示する図である。 （ａ）～（ｃ）は第１実施形態に係る受信コイルの詳細を例示する図である。 第１実施形態に係る受信コイルの詳細を例示する図である。 （ａ）および（ｂ）は電磁誘導式エンコーダの使用方法を例示する図である。 （ａ）～（ｃ）は３トラックに適用される受信コイルの詳細を例示する図である。 （ａ）～（ｄ）は第２実施形態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。
（第１実施形態）
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。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、送信信号生成部３０、変位量測定部４０などを備えている。図１（ａ）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、送信コイル１１、受信コイル１２などが設けられている。送信コイル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（ａ）で例示するように、受信コイル１２は、送信コイル１１の内側に配置されている。受信コイル１２の形状については後述する。
スケール２０においては、複数の結合導体２１が、Ｘ軸方向に沿って、基本周期λで配列されている。基本周期λは、Ｘ軸方向において、２つの隣接する結合導体２１の中心同士の間隔に相当する。各結合導体２１は、閉じられた閉ループコイルまたは孔が無い板状の導体である。各結合導体２１は、送信コイル１１と電磁結合するとともに、受信コイル１２と電磁結合する。
送信信号生成部３０は、単相交流の送信信号を生成し、送信コイル１１に供給する。この場合、送信コイル１１に磁束が発生する。それにより、複数の結合導体２１に起電流が発生する。当該複数の結合導体２１は、送信コイル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。結合導体２１が発生する磁束は、受信コイル１２に起電流を生じさせる。検出ヘッド１０の変位量に応じて結合導体２１と受信コイル１２との間の電磁結合が変化する。それにより、図１（ｂ）で例示するように基本周期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、複数の結合導体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、図１（ｂ）において、横軸は検出ヘッド１０の変位量を表し、縦軸は受信コイル１２の出力電圧を表す。
なお、互いに電磁結合する送信コイル１１、受信コイル１２および結合導体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、第１トラックＴｒ＿Ａおよび第２トラックＴｒ＿Ｂを備えている。第１トラックＴｒ＿Ａおよび第２トラックＴｒ＿Ｂ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。トラック間で、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（ＡＢＳ）式エンコーダとして機能する。
図２（ａ）～図２（ｃ）および図３は、比較例に係る受信コイル２００を例示する図である。図２（ａ）は、受信コイル２００に含まれる第１コイル２０１を例示する図である。図２（ｂ）は、受信コイル２００に含まれる第２コイル２０２を例示する図である。第１コイル２０１は、Ｘ軸のマイナス方向に向かって正弦波状に進み、折り返し、Ｘ軸のプラス方向に向かって正弦波状に進む形状を有している。Ｘ軸のマイナス方向に向かう正弦波と、Ｘ軸のプラス方向に向かう正弦波とは、Ｙ軸について反転させた位置関係にある。図２（ｂ）で例示するように、第２コイル２０２も、第１コイル２０１と同様の構造を有している。図２（ｃ）で例示するように、第１コイル２０１と第２コイル２０２とは、正弦波形状の周期の１／４だけＸ軸方向にずらすように重なっている。
第１コイル２０１について、２本の引出配線が必要となる。また、第２コイル２０２について、２本の引出配線が必要となる。したがって、受信コイル２００について、４本の引出配線が必要になる。送信コイル１１についても、２本の引出配線が必要となる。したがって、図３で例示するように、第１トラックＴｒ＿Ａおよび第２トラックＴｒ＿Ｂにおいて、合計で１２本の引出配線が必要となる。ＡＢＳ長を伸ばすためにトラック数を増やすと、これらの配線もトラック数倍に増えていく。受信コイルを三相構造にすると、さらに引出配線が増える。しかしながら、検出ヘッドの面積は限られており、受信コイルの配線が増えると検出ヘッドの小型化が困難になる。また、信号処理ＩＣへの入力ポート数も増えるため、ＩＣの小型化が難しくなる。小型で、かつ長いＡＢＳ長を実現するエンコーダを実現するには、受信コイルの配線数を少なくする技術が重要である。
そこで、本実施形態に係る電磁誘導式エンコーダ１００は、受信コイルの配線数の低減化が可能な構造を有している。図４（ａ）～図４（ｃ）および図５は、受信コイル１２の詳細を例示する図である。受信コイル１２は、第１コイル１２ａおよび第２コイル１２ｂを備えている。第１コイル１２ａおよび第２コイル１２ｂは、それぞれ、第１トラックＴｒ＿Ａおよび第２トラックＴｒ＿Ｂについて共通に備わっている。
図４（ａ）で例示するように、第１コイル１２ａは、第１トラックＴｒ＿Ａにおいて、Ｘ軸のマイナス方向に向かって正弦波状に進み、折り返し、Ｘ軸のプラス方向に向かって正弦波状に進み、第２トラックＴｒ＿Ｂへと延び、Ｘ軸のマイナス方向に向かって正弦波状に進み、折り返し、Ｘ軸のプラス方向に向かって正弦波状に進み、第１トラックＴｒ＿Ａへと戻る形状を有している。したがって、第１コイル１２ａは、第１トラックＴｒ＿Ａおよび第２トラックＴｒ＿Ｂにわたって連続して配線されている。第１コイル１２ａにおいて、Ｘ軸のマイナス方向に向かう正弦波と、Ｘ軸のプラス方向に向かう正弦波とは、Ｙ軸方向に反転させた位置関係にある。図４（ｂ）で例示するように、第２コイル１２ｂも、第１コイル１２ａと同様の構造を有している。図４（ｃ）で例示するように、第１コイル１２ａと第２コイル１２ｂとは、正弦波形状の周期の１／４だけＸ軸方向にずらすように重なっている。
この構成では、受信コイル１２の引出配線は４本となる。送信コイル１１については、それぞれ２本の引出配線が必要となる。したがって、図５で例示するように、第１トラックＴｒ＿Ａおよび第２トラックＴｒ＿Ｂにおいて、引出配線の合計数は８本となる。以上のことから、本実施形態に係る受信コイル１２の引出配線数は、比較例に係る受信コイル２００の引出配線数と比較して低減される。
第１トラックＴｒ＿Ａの信号を取得するときは、図６（ａ）で例示するように、送信信号生成部３０は、第２トラックＴｒ＿Ｂの送信コイル１１には送信信号を送信せずに、第１トラックＴｒ＿Ａの送信コイル１１に送信信号を送信する。一方、第２トラックＴｒ＿Ｂの信号を取得するときは、図６（ｂ）で例示するように、送信信号生成部３０は、第１トラックＴｒ＿Ａの送信コイル１１には送信信号を送信せずに、第２トラックＴｒ＿Ｂの送信コイル１１に送信信号を送信する。各トラックの送信コイル１１を異なるタイミングで駆動することで、取得するトラックの信号を選択することができる。
なお、上記例では、送信コイル１１が、第１トラックおよび第２トラックのそれぞれについて、磁束を発生する送信コイルの一例である。結合導体２１が、第１トラックおよび第２トラックのそれぞれについて、測定軸方向に周期的に配置されかつ導体からなる複数の周期的要素の一例である。受信コイル１２が、第１トラックおよび第２トラックにわたって連続して配線され、第１トラックおよび第２トラックについて複数の周期的要素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の一例である。送信信号生成部３０が、第１トラックおよび第２トラックの送信コイルに送信信号を送信する送信信号生成部の一例である、変位量測定部４０が、受信コイルからの信号に応じて検出ヘッドとスケールとの間の相対変位量を測定する変位量測定部の一例である。
（変形例）
図５の例では、トラック数を２としたが、それに限られない。トラック数は３以上であってもよい。図７（ａ）～図７（ｃ）は、３トラックに適用される受信コイル１２の詳細を例示する図である。本変形例においては、第１コイル１２ａおよび第２コイル１２ｂは、それぞれ、第１トラックＴｒ＿Ａ、第２トラックＴｒ＿Ｂおよび第３トラックＴｒ＿Ｃについて共通に備わっている。送信コイル１１も、第１トラックＴｒ＿Ａ～第３トラックＴｒ＿Ｃのそれぞれについて備わっている。
図７（ａ）で例示するように、第１コイル１２ａは、第１トラックＴｒ＿Ａにおいて、Ｘ軸のマイナス方向に向かって正弦波状に進み、折り返し、Ｘ軸のプラス方向に向かって正弦波状に進み、第２トラックＴｒ＿Ｂへと延び、Ｘ軸のマイナス方向に向かって正弦波状に進み、折り返し、Ｘ軸のプラス方向に向かって正弦波状に進み、第３トラックＴｒ＿Ｃへと延び、Ｘ軸のマイナス方向に向かって正弦波状に進み、折り返し、Ｘ軸のプラス方向に向かって正弦波状に進み、第１トラックＴｒ＿Ａへと戻る形状を有している。すなわち、第１コイル１２ａは、第１トラックＴｒ＿Ａ～第３トラックＴｒ＿Ｃにわたって連続して配線されている。第１コイル１２ａにおいて、Ｘ軸のマイナス方向に向かう正弦波と、Ｘ軸のプラス方向に向かう正弦波とは、Ｙ軸方向について反転させた位置関係にある。図７（ｂ）で例示するように、第２コイル１２ｂも、第１コイル１２ａと同様の構造を有している。図７（ｃ）で例示するように、第１コイル１２ａと第２コイル１２ｂとは、正弦波形状の周期の１／４だけＸ軸方向にずらすように重なっている。
この構成においても、受信コイル１２の引出配線は４本となる。送信コイル１１については、それぞれ２本の引出配線が必要となる。したがって、図７（ｃ）で例示するように、第１トラックＴｒ＿Ａ～第３トラックＴｒ＿Ｃにおいて、引出配線の合計数は１０本となる。以上のことから、本実施形態に係る受信コイル１２の引出配線数は、各トラックについて受信コイルに２本の引出配線を設ける場合と比較して低減される。
第１トラックＴｒ＿Ａの信号を取得するときは、送信信号生成部３０は、第２トラックＴｒ＿Ｂおよび第３トラックＴｒ＿Ｃの送信コイル１１には送信信号を送信せずに、第１トラックＴｒ＿Ａの送信コイル１１に送信信号を送信する。第２トラックＴｒ＿Ｂの信号を取得するときは、送信信号生成部３０は、第１トラックＴｒ＿Ａおよび第３トラックＴｒ＿Ｃの送信コイル１１には送信信号を送信せずに、第２トラックＴｒ＿Ｂの送信コイル１１に送信信号を送信する。第３トラックＴｒ＿Ｃの信号を取得するときは、送信信号生成部３０は、第１トラックＴｒ＿Ａおよび第２トラックＴｒ＿Ｂの送信コイル１１には送信信号を送信せずに、第３トラックＴｒ＿Ｃの送信コイル１１に送信信号を送信する。各トラックの送信コイル１１を異なるタイミングで駆動することで、取得するトラックの信号を選択することができる。
（第２実施形態）
図８（ａ）は、第２実施形態に係る送信コイル１１ａを例示する図である。送信コイル１１ａは、Ｘ軸方向に長さ方向を有する矩形コイルがＹ軸方向に２つ並び、各矩形コイルでの電流の向きが逆向きになるように配線されたツイスト構造を有している。すなわち、送信コイル１１ａは、２段のコイルを有している。
本実施形態においては、説明の簡略化のために、図８（ｂ）で例示するように、受信コイル１２を、２つのコイルがＸ軸方向に２つ並び、各コイルでの電流の向きが逆向きになるように配線されたツイスト構造として表す。受信コイル１２のコイルの両方とも、送信コイル１１ａの両方の矩形コイルにまたがっている。
スケール２０Ａは、第１トラックＴｒ＿Ａについて、周期的に配置された複数の要素が互いに接続された構造を有している。図８（ｃ）で例示するように、スケール２０Ａは、Ｘ軸方向に沿って、導体であって矩形状を有する複数の周期的要素２１ａが基本周期λで配列され、各周期的要素２１ａが、導体の接続部２２で接続された構造を有している。各周期的要素２１ａは、送信コイル１１ａ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。周期的要素２１ａは、図８（ｃ）で例示するように、Ｙ軸方向に異なる位置に配置された２つの矩形をＸ軸方向にずらしつつ接続した形状を有する。２つの矩形の中心同士のＸ軸方向における距離は、受信コイル１２の２つのコイルの中心同士のＸ軸方向における距離と略同一である。周期的要素２１ａがこのような形状を有することで、受信コイル１２の一方のコイルが周期的要素２１ａの一方の矩形に位置する場合に、受信コイル１２の他方のコイルが周期的要素２１ａの他方の矩形に位置する。各周期的要素２１ａは、導体の接続部２２で接続されている。Ｙ軸方向において、接続部２２の幅は、周期的要素２１ａの幅よりも小さくなっている。図８（ｃ）の例では、各周期的要素２１ａのＹ軸方向の端部同士が、接続部２２で接続されている。
第２トラックＴｒ＿Ｂのスケール２０Ｂに備わる周期的要素２１ａおよび接続部２２も、第１トラックＴｒ＿Ａの周期的要素２１ａおよび接続部２２と同様の構造を有している。周期的要素２１ａの基本周期は、トラック間で異なっている。トラック間で基本周期が同一であっても、トラック間で周期的要素２１ａの位置がＸ軸方向においてずれている。それにより、アブソリュート式エンコーダが実現される。
送信信号生成部３０から第１トラックＴｒ＿Ａの送信コイル１１ａに単相交流の送信信号が供給されると、第１トラックＴｒ＿Ａの送信コイル１１ａに磁束が発生する。それにより、第１トラックＴｒ＿Ａの複数の周期的要素２１ａに起電流が発生する。図８（ｄ）で例示するように、第２トラックＴｒ＿Ｂの各周期的要素２１ａでは、第２トラックＴｒ＿Ｂの送信コイル１１ａのうち第２トラックＴｒ＿Ｂに最も近い部分の電流の流れと逆向きに、渦電流が流れようとする。しかしながら、本実施形態においては、各周期的要素２１ａが接続部２２によって互いに接続されていることから、第２トラックＴｒ＿Ｂのスケール２０Ｂの広範囲に、略均一な電流が流れることになる。したがって、スケール位置によって第２トラックＴｒ＿Ｂからの影響が強くなったり弱くなったりする状態が緩和される。すなわち、トラック間の影響が抑制される。その結果、測定精度が向上する。
また、第１トラックＴｒ＿Ａの周期的要素２１ａでは、各矩形領域で反対の電流が発生する。具体的には、第１トラックＴｒ＿Ａにおいて、各周期的要素２１ａに、送信コイル１１ａの各矩形コイルに対応する位置で、互いに逆向きの渦電流が発生する。これを受信コイル１２の各コイルで受信することで、信号を検出することができる。このように、Ｙ軸方向につながった領域において、Ｙ軸方向にずれた各箇所で互いに逆向きの渦電流を発生させることで、各周期的要素２１ａが互いに接続されていても、各渦電流が受信コイル１２の各コイルと電磁結合することで、信号を検出することができる。
以上のことから、本実施形態によれば、受信コイル１２が第１トラックＴｒ＿Ａと第２トラックＴｒ＿Ｂとで繋がっていても、隣のトラックのスケールを介した信号の混入が抑制される。
上記例において、送信コイル１１ａが、第１トラックおよび第２トラックについて、磁束を発生する送信コイルの一例である。周期的要素２１ａが、第１トラックおよび第２トラックのそれぞれについて、測定軸方向に周期的に配置されかつ導体からなる複数の周期的要素の一例である。
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 送信コイル
１２ 受信コイル
１２ａ 第１コイル
１２ｂ 第２コイル
２０ スケール
２１ 結合導体
２１ａ 周期的要素
２２ 接続部
３０ 送信信号生成部
４０ 変位量測定部
１００ 電磁誘導式エンコーダ

Claims (4)

  1. 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、第１トラックおよび第２トラックのそれぞれについて、磁束を発生する送信コイルを備え、
    前記スケールは、前記第１トラックおよび前記第２トラックのそれぞれについて、前記測定軸方向に周期的に配置されかつ導体からなる複数の周期的要素を備え、
    前記検出ヘッドは、前記第１トラックおよび前記第２トラックにわたって連続して配線され、前記第１トラックおよび前記第２トラックについて前記複数の周期的要素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を備え、
    前記第１トラックおよび前記第２トラックのそれぞれについて、前記複数の周期的要素は、導体によって接続され、
    前記第１トラックおよび前記第２トラックのそれぞれについて、前記送信コイルは、前記複数の周期的要素のそれぞれに対して、互いに逆向きの２以上の渦電流を発生させるように配線されていることを特徴とする電磁誘導式エンコーダ。
  2. 前記第１トラックおよび前記第２トラックの前記送信コイルに送信信号を送信する送信信号生成部と、
    前記受信コイルからの信号に応じて前記検出ヘッドと前記スケールとの間の相対変位量を測定する変位量測定部と、を備え、
    前記送信信号生成部は、前記第１トラックの前記送信コイルに前記送信信号を送信する場合には前記第２トラックの前記送信コイルには前記送信信号を送信せず、前記第２トラックの前記送信コイルに前記送信信号を送信する場合には前記第１トラックの前記送信コイルには前記送信信号を送信しないことを特徴とする請求項１に記載の電磁誘導式エンコーダ。
  3. 前記第１トラックと前記第２トラックとで、前記複数の周期的要素が前記測定軸方向に沿って配置されている周期が異なるか、前記測定軸方向に沿って配置されている位置が異な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. 前記受信コイルは、前記２以上の渦電流をそれぞれ検出する２以上のコイルを備えることを特徴とする請求項１から３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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