JPH09210611A

JPH09210611A - 誘導性変位センサ

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Publication number: JPH09210611A
Application number: JP9002151A
Authority: JP
Inventors: Hans Ulrich Meyer; ハンス・ウルリヒ・メイヤー
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-01-24
Filing date: 1997-01-09
Publication date: 1997-08-12
Anticipated expiration: 2017-01-09
Also published as: US5804963A; JP3828972B2; DE69702077T2; EP0785415A1; HK1000838A1; CN1164639A; DE69702077D1; CN1091873C; CH690933A5; EP0785415B1

Abstract

(57)【要約】【課題】簡単、頑強かつ小型であり、小電流を博し、
しかも水に無感応な誘導性変位センサを提供する。【解決手段】この誘導性変位センサは、第１の素子す
なわちカーソル（３１）と、窓部（３２１）及び仕切部
（３２２）のような空間的周期性の電磁気特性を示す第
２の素子すなわちスケール（３２）とを有する。第１の
素子（３１）は、一連の巻線、例えば３つの織り込まれ
たくねり路巻線（３１Ａないし３１Ｃ）と、前記巻線
（３１Ａ）の少なくとも１つにおいて電流を生じさせか
つ前記第１の素子（３１）の巻線（３１Ｂ，３１Ｃ）の
少なくとも一部のインダクタンスに対する第２の素子の
空間的周期性の電磁特性の位置による作用力を計測する
ように第１の素子上の前記巻線に接続された電子的回路
とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明の対象は、経路に沿っ
て互いに相対的に移動自在であり前記経路に沿って構成
された巻線が設けられかつそれらのインダクタンスが両
者の相対的変位の周期性関数にて変化する２つの素子
と、前記巻線のインダクタンスの量から前記変位の値を
測定する電子的手段とを有する誘導性変位センサであ
る。

【０００２】

【従来の技術】その解決手段及びシンクロは、このよう
なセンサに係る２つの公知な回転機械の実施形態であ
る。これらは、主たる巻線及び固定された素子またはス
テータを伴う回転素子またはロータを、当該ロータの巻
線との結合部がロータ角変位に伴って正弦曲線にて変化
する２つまたは３つの副次的巻線と共に具備するもので
ある。例えばシンクロ−ディジタル変換器の如き電子的
手段は、かかる主巻線における周期性の参照信号により
ステータの巻線に結合された信号の振幅及び位相から当
該ロータの角変位を測定する。このようなセンサの精度
は、数分の角度を満たすことが可能である。

【０００３】同じ原理で作用するロータリまたはリニア
センサの他の公知な実施の形態は、インダクトシン・オ
ブ・ファーランド・コントロールズ社，バルハラ，Ｎ．
Ｙ．（the Inductosyn of Farrand Controls Inc., Val
halla, N.Y.）による。これによると、０．２５ｍｍの
平均ギャップをもって対向し合う両素子の表面が、平坦
なヘアピンカーブすなわちくねり路状の巻線を２ｍｍの
平均くねり周期をもって担持するものである。リニア型
の場合、精度は１マイクロメートルが可能であり、ロー
タリ型の場合は１秒の角度が可能である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】これらのセンサは、そ
の頑強さ及び水や油（−）のような汚れに対する無感応
さのために、主に航空電子光学や工作機械において用い
られる。しかしながら、損失や歪みを制限するために、
その測定周波数の範囲は４００Ｈｚから１０ｋＨｚまで
と低い。この低周波数による低い能率と、インダクトシ
ンの場合における小なる巻線インダクタンスとは、高い
電流消費を意味し、さらに相対的移動自在な素子の双方
間において可撓性を有する接続部または滑走する接触部
の必要性は、規模及び価格全体を増大させる。これらの
短所は、その応用を制限する。これらは、例えば、水に
感応させないようにするために、カリパスやバッテリに
て動作するその他の小なる測定器具において、容量性セ
ンサを代わりにすることができない。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の目的は、こうし
た短所を補償することであり、このために、巻線が前記
２つの素子のうちの第１の素子上に配設される点と、第
２の素子が、前記巻線のインダクタンスを変化させるこ
とのできる前記経路に沿う空間周期Ｔに関する空間的周
期性の電磁特性を示し、前記電子的手段が、前記巻線の
少なくとも一部において電流を生ずるようにかつ前記第
１の素子の巻線の少なくとも一部のインダクタンスに対
する第２の素子の空間的周期性の電磁特性の状態による
作用を計測するように第１の素子上の前記巻線と接続さ
れている点とに特徴づけられている。

【０００６】これによって両素子間の可撓性を有する相
互接続または滑走する接触部は排除されるので、本セン
サは、簡単、安価かつ小型となる。多くの場合とても長
い第２の素子またはスケール上の巻線及び接続部が無い
ことにより、高い周波数の測定信号を実現できる。ここ
で巻線のインピーダンスは、該巻線のオーム抵抗よりも
高く、これによりセンサの効率を改善する。

【０００７】第１の素子は、前記経路に沿う空間周期２
Ｔについての空間的周期性の形態をもって巻線または巻
線のグループが設けられると都合が良い。多くの空間周
期Ｔの長さに亘り延在するこれらの巻線に対する第２の
素子の作用は増強され、前記作用の局部的変動による誤
差は低減される。前記電子的手段は、少なくとも一時的
にはインダクタとなる巻線の第１の部分に電流を生じさ
せ、巻線の第２の部分に少なくとも一時的に誘導された
信号を計測すると有利である。これにより相互インダク
タンスが計測されるので、自己インダクタンスにおける
変動による誤差は、それが排除されていないとしても低
減されることとなる。

【０００８】巻線の前記第２の部分は、巻線の前記第１
の部分と直交するように、すなわち空間的な巻線の周期
が２ＴのときにＴ／２だけ空間的にシフトされて構成さ
れるのが好ましく、これにより第２の素子を介した相互
結合のための直接的相互結合を除去する。極めて有利な
構成は、第１の素子が、同一表面上に織り込まれかつ前
記経路に沿った距離Ｔ／Ｎの所定整数倍だけ相互にシフ
トされたＮ個の巻線を有することを特徴としている。こ
れにより、極めて小型の第１の素子及び最適な結合状態
が得られ、そして何よりも幾何学的な欠陥に対しての感
応性の低下をもたらすこととなる。形状や案内の誤調整
による両素子間のギャップの変動は、きわめて小なる距
離を越える程度での弱いままであり、ほんの少しだけ１
組の織り込み巻線に影響を及ぼし、局部的誤差ほどのも
のは全て巻線の領域に亘って平均化される。

【０００９】好ましい設計においては、巻線の各々は、
一端が共に接続され他端において電子的手段と接続され
かつ往復して空間的重畳をなす２つのくねり線路からな
る。この設計は、相互接続長だけでなく、寄生インダク
タンスや電磁気的放射を最小化し、与えられた領域につ
きインダクタンスを４倍にする。巻線は、直線移動型の
実施例の相互インダクタンスを等化し有限の長さでセン
サのミスアライメント（心合わせ誤り）の削減をするた
めに、第１の素子の双方の端部へ向かって先細となる形
とすると有利である。

【００１０】第１の素子の巻線間の誘導的な相互結合
は、前記軌道に沿った空間周期Ｔに関しての、空間的周
期性の電導構造が適宜形成される第２の素子における誘
導電流または渦電流を介して実現することができる。多
くの実施形態が実現可能であり、例を挙げると、絶縁基
板上の電導環部または領域の列、梯子若しくは打ち抜き
テープのような形状または周期的浮き彫り模様を有する
電導体である。このようなスケールは、広い適用範囲の
材料において製造するのには簡単である。

【００１１】好ましくは、前記電子的手段は、自己イン
ダクタンスＬ及び抵抗Ｒの少なくとも２の巻線または巻
線のグループの間における相互インダクタンスを計測す
るように設計され、かかる計測は、少なくとも一方の巻
線または巻線のグループの端子に時定数Ｌ／Ｒよりも短
い電圧パルスを供給し、少なくとも１つの他方の巻線ま
たは巻線のグループの端子において誘導されたパルスを
計測することによって行われる。これにより非常に短い
測定信号が得られ、その反復レートは、極めて低い平均
電流消費をもたらすのに十分なほど遅いものとされ得
る。このような短いパルスはまた、抵抗の損失が低いま
まなので良好なセンサ効率を果たすこととなる。

【００１２】好適な実施例は、前記経路に沿って距離Ｔ
／３の整数倍だけ相互にシフトされた３つのＹ接続くね
り路巻線と、誘導巻線から距離Ｔ／２だけシフトされて
いる、すなわち該巻線と直交する状態にある架空の中間
巻線からの信号と等価な標本化信号を得るべく一方の巻
線の端子に電圧パルスを印加し他方の２つの巻線に誘導
されたパルスを混合するように構成された電子的手段と
を有している。

【００１３】電子的手段は、フィルタリングによって得
られる基本成分が空間周期Ｔにつき１回の完全な折り返
しのレートで当該変位に比例した位相シフトを示す周期
性信号を生じる空間周期Ｔに亘る６つのサンプルを得る
べく、周期性の順に誘導及び被誘導の巻線をシフトする
よう適宜構成される。したがって、くねり路巻線と電子
的計測手段との間には、接続部が４つだけ必要としてい
る。これら３つのくねり線路は、印刷回路に形成された
場合でも１ミリメートル未満で空間周期Ｔを持つことが
でき、簡単な電子的手段で高精度を実現できる。このよ
うなセンサは、簡素な構成を持ち、頑強でかつ精度が良
好であり、しかも小型化するのが容易である。その低電
流消費は、カリパスのような水及びその他の汚れに影響
を受けないことを必要とする小型バッテリ動作器具にお
いてその使用を許容するものである。

【００１４】その他の利点は、以下、本発明の実施例及
び幾つかの変形例を一例として模式的に表示する図面の
助けを借りて、本発明を詳細に説明するので、請求の範
囲で表現された特徴からも、以降の詳細な説明からも明
瞭である。

【００１５】

【発明の実施の形態】本発明によるセンサの素子の双方
は、経路すなわち軸ｘに沿って互いに相対的に移動自在
であり、図１に示される。第１の素子１は、例えば滑子
（カーソル）であり、第１の素子を隠すことのないよう
右手部分だけを見せている第２の素子と対向する表面上
に、くねり路の或いは交互に鋭角Ｕ字形曲折路の形状を
呈する４つの電導性巻線１Ａないし１Ｄを有する。第２
の素子２、例えば定規または物差し（スケール）は、ｘ
軸に沿う窓部２１の並びを特徴とする電導性の帯体（テ
ープ）であり、計測スケールを構成する。前記窓部の空
間的周期すなわちピッチは、Ｔとして定義される。第１
の素子１上のくねり線路１Ａないし１Ｄは、ｘ軸に沿っ
て２Ｔのピッチを有し、同じ空間周期２Ｔを有する電磁
界を誘導または検出することが可能となっている。誘導
するうねり路巻線から誘導されるうねり路巻線までの結
合は、窓部２１の周りの電導領域が当該結合部を中継す
る多数の電流ループを形成するので、計測スケール２に
より空間的周期性の形態において誘導される。これら電
流の循環方向は、１つの窓部から隣の窓部へと互い違い
になっており、電導部分すなわち窓部２１の間の仕切部
２２において互いに増強し合うようになる。この電磁界
は、くねり路巻線近傍に閉じこめられた状態を留めてお
り、当該センサがバッテリ動作器具の一部である場合、
短い測定量獲得時間での、例えば高速制御ループのセン
サでの、高い測定周波数の使用を許容したり、或いは低
い平均電流消費をなすに十分低い繰り返しレートのきわ
めて短いパルスの使用を許容する。

【００１６】結合は、直交状態の、つまり当該ピッチの
４分の１すなわちＴ／２だけｘに沿って互いにシフトさ
れているくねり路巻線間において測定されるのが好まし
く、これはその相互インダクタンスを最小化することと
なる。図１において、直交のくねり路巻線対は、１Ａ，
１Ｃと１Ｂ，１Ｄであり、各対は、同じスケール２の窓
部２１に対向し当該窓部を介して結合できるよう明確に
広げられる。

【００１７】一定速度での仮想的なスケール変位につい
ての一方のくねり路巻線から他方のくねり路巻線への結
合は、Ｔ／４だけ連続的にシフトされた４つの瞬間的位
置について、この変位の際に誘導する信号及び誘導され
る信号の波形とともに、図２において極端に模式化され
て示されている。駆動電圧Ｖ１は、矩形波パルス列にて
形成され、巻線１Ａの端子へ供給され、巻線１Ａを通じ
て勾配形状の電流パルスＩ１にその自己インダクタンス
による上昇を与える。これらパルスＩ１は、巻線１Ａ，
１Ｂに対向するスケール２の窓部２１の周りに電流Ｉ２
を誘導し、これに応答して電流Ｉ２は、巻線１Ｃ，１Ｄ
の端子に電圧パルスＶｍを誘導する。図２の左にある初
期形態０（ゼロ）では、巻線１Ａとスケールとの間の結
合すなわち相互誘導が最も大きくなるので、スケール２
における電流Ｉ２は最大振幅を呈することとなる。一
方、巻線１Ｃの端子間電圧Ｖｍは、当該巻線がスケール
と直交しているのでゼロである。スケールのＴ／４シフ
トは、巻線１Ａとスケールとの間の結合性を低減する
が、スケールと巻線１Ｃとの間の結合性を増大させ、両
結合性の積は、巻線１Ｃの端子間電圧Ｖｍとともに最大
となる。Ｔ／２のシフトでは、巻線１Ａ及びスケールは
直交し、電圧Ｖｍをゼロとする。最後の３Ｔ／４シフト
では、電圧Ｖｍが再び最大値となるが、相対的な結合巻
線の極性は変わっており、電圧Ｖ１とは逆の極性を持
つ。中間のパルスも図２に示され、空間周期Ｔの、変位
に伴う電圧Ｖｍの周期的な変化が明解である。

【００１８】したがって、図１の１．２５Ｔだけ相互に
シフトされた直交巻線対１Ａ，１Ｃと１Ｂ，１Ｄとの双
方から得られる電圧Ｖｍは、ｘ軸に沿う当該変位に関
し、空間周期Ｔに関しかつＴ／４だけ相互シフトされた
周期性関数であり、これによりｘ軸に沿った変位の量及
び方向の明確な測定を可能としている。なお、誘導巻線
の自己インダクタクタンスも第２の素子の接近によって
影響を受けるので、誘導巻線そのものにおいてスケール
の結合効果を測定することもできるが、このようなセン
サの平均的結合度のためにスケールによる自己インダク
タンス変動は、約１０％と少ない。これは、他の原因、
例えば幾何学的な欠陥または接続線を発端にしたかかる
インダクタンスの小変動が、この場合区別することので
きないほど大なる誤差を導く可能性があることを意味し
ている。

【００１９】図１における巻線パターン１Ａないし１Ｄ
は、１つの金属層を必要とするだけである。一方、少な
くとも２つの分割した巻線間の結合を用意する必要があ
る点で、コンパクトではなく、第２の素子すなわちスケ
ール２の実施形態は、制約を受ける。これに加えて、各
巻線が窓部の周囲の半分だけしか及ばないので結合度が
減る。その上、ｘに沿って分配された巻線例えば図１に
おける１Ａ及び１Ｂの間で結合することは不可能であ
る。

【００２０】この点、本発明によるセンサにおいて、図
３において例示される織り込まれたくねり路巻線を採用
することは、非常に有利である。上述した全ての欠点
は、１つの追加される電導層の負担で排除される。かか
る層のコストは、削減されるサブストレート領域により
いずれにしても相殺されるのである。任意の数Ｎの織り
込み巻線を伴う数個の形態は、この趣旨で実施される。

【００２１】図３において、第１の素子すなわちカーソ
ル３１は、ピッチ２Ｔで２Ｔ／３だけ連続してシフトさ
れたＮ＝３のくねり路巻線３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃを備
えており、第２の素子すなわちスケール３２と対向す
る。ここでは電導性テープが窓部３２１の並びとピッチ
Ｔの仕切部３２２とを特徴としている。これによれば、
第１の素子３１の巻線３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃが互いに
交差するように２つの金属層上に形成される。一方のく
ねり線路層から他方のくねり線路層への通路または抵抗
の接触は、接触点（コンタクト）３１０を介してなされ
る。その他の箇所では、電導体は、図３では分からない
が薄い層によって絶縁されている。この層は、薄膜の被
いまたは集積回路基板のようなものであるが、基板の同
一側にこれらの層がある図３とは異なり、例えば多層印
刷回路基板の絶縁層またはその回路基板自体のように十
分に厚いものとすることができる。

【００２２】これらコンタクトバイアスまたはスルーホ
ール３１０は２Ｔ／３のピッチを有するので、図３のく
ねり巻線３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃは、１ミリメートル程
のピッチＴで印刷回路上に簡単に実現される。但し、図
４におけるが如くこれらコンタクト間のピッチをＴ／３
に縮めることができるならば、もっと小型の巻線を構成
することができる。図４において、巻線４１Ａ，４１
Ｂ，４１Ｃの各々は、ｘと交差して延びるその直線状部
分が重なる２つのくねり線路にて形成され、同じ領域で
４倍のインダクタンスを生ずる。これは、誘導する電流
或いは誘導される電流が、図４において強調された巻線
４１Ｂの矢印によって示されるように、前記重なる直線
状部分において同じ方向を有する場合である。各巻線の
くねり路は、行きつ戻りつ走り、つまり同じ端部で始ま
りかつ終わるので、全ての接続は１つの端部でなされ、
浮遊のインダクタンス及び放射を最小化する。図４にお
ける巻線は、その相互インダクタンスを等化し、リニア
センサにおける有限長構成の誤った位置合わせに対して
の感応性を低減するために、端部に向かって先細となる
形とされる。ロータリ型では、全周囲に亘って巻線を分
配することにより、同様に達成することができる。

【００２３】この出願によれば、これら解決方法または
他の幾つかの形態のうちの１つが採用され得る。これら
織り込み巻線は、大なる空間を要せず、幾何学的欠陥に
対して感応が鈍く、しかも色々なスケールで作用するも
のであり、上記の例におけるが如く電導し或いは磁気的
に浸透することが可能であるので、その結合部の磁界が
スケール３２の仕切部３２２の接近によって変調され
る。

【００２４】スケールは、図１の場合と同種のものが採
用可能であり、或いは基板上に設置されうる。図１の窓
部２１のような幾何学的なものの代わりとして、電導性
における局部的な変更例えば半導体のドーピングによ
り、若しくは浸透性における局部的な変更例えば磁気テ
ープによって、電磁界に対して誘導作用を生じさせるこ
とができる。さらに電導性の金属スケールは、摩滅や汚
れ及び高温への耐性，低温度係数，安定性，並びに堅さ
ついて特に有利である。絶縁基板上の電導体を有するス
ケールは、安価な印刷回路基板により、或いは低い膨張
係数を有する軽量かつ高安定なセラミックキャリア上の
電導フィルムにより構成することができるので、これも
また注目するところである。

【００２５】本発明による第２の素子たるスケールの例
の幾つかは、図５（Ａ）ないし（Ｅ）に示されている。
スケール５Ａは、ロータリエンコーダ用に、放射状窓部
を特徴とする電導ディスクに整形される。スケール５Ｂ
は、絶縁基板上の電導ループにより構成される。両スケ
ールは、織り込みまたは非織り込み巻線により読み取る
ことができる。スケール５Ｃは、渦電流が誘導される電
導性の島部を有する。電導スケール５Ｄは、第１の素子
に最も近接する表面下における渦電流により作用する浮
き彫りパターンを有する。高能率とするのには浮き彫り
の高さを０．２Ｔとすることで足りる。電導の、若しく
は磁気的な浸透性のスケール５Ｅは、２つの直交配列さ
れた第１の素子による両座標軸に沿った計測を可能とす
る２次元浮き彫りパターンを有する。これらスケール５
Ｃないし５Ｅは、織り込み巻線により読まれる必要があ
る。本発明によってはこれとは別のスケールも実現可能
であり、最適なスケールの選択は、その応用分野により
なされることとなる。

【００２６】以下、図３及び図４に示されたような、第
１の素子上に３つの巻線を有するセンサを例にとり、本
発明による電子的手段を説明する。図６は、３つの織り
込み巻線Ａ，Ｂ，Ｃを伴うこれら電子的手段または回路
を、明瞭とするために分けて概略的に示している。ここ
ではＹ接続、すなわち共通のコンタクトに各々１つの端
子があり、当該回路の電源電圧にすることのできる正電
圧Ｖ＋への接続が採られている。残る端子ＬＡ，ＬＢ，
ＬＣは、駆動トランジスタＴＡ，ＴＢ，ＴＣ、サージ吸
収ダイオードＤＡ，ＤＢ，ＤＣ及び同様に名付けられた
トランスミッションゲートまたはスイッチングゲートＴ
Ｇの端子ＬＡ，ＬＢ，ＬＣにそれぞれ接続される。駆動
トランジスタは、ＮチャンネルのＭＯＳ増強タイプであ
る。

【００２７】計測原理は、次の如くである。スケールを
介する結合は、巻線Ａに電圧パルスを発生し、同時に他
の巻線Ｂ及びＣに誘導された電圧間の差をサンプリング
することにより計測され、後述によりさらに明らかとな
るように、誘導及び被誘導の巻線が直交状態となる。こ
の結合は、図２を参照して説明されるような空間周期Ｔ
に伴い、空間的周期性の態様で変化するものであり、周
期性の標本化（サンプル）電圧シーケンスは、その後の
パルスを後続する巻線Ｂに発生しその次の巻線Ｃ，Ａ，
等々の間の電圧差をサンプリングすることにより簡単に
得られる。このシーケンスは、周期当たり３つのサンプ
ルをもたらし、サンプル信号の位相を検出するのには十
分である。

【００２８】この位相は、結合特性の空間的高周波が無
視できる限りは当該変位に対して直線的に変化する。こ
れは大抵、偶数次高調波が弱いものと仮定すると、３次
高調波はサンプルされず、５次以上の高調波は、巻線と
スケールとの表面間における０．２Ｔという十分なギャ
ップのために大幅に減衰される場合である。実際は、く
ねり路巻線の電磁界の空間高調波がギャップに対して指
数関数的に減ぜられ、ｍ次の高調波であれば０．２２Ｔ
／ｍのギャップに対して半分だけ減ずることとなる。そ
してその信号の位相は、前記３つのサンプル電圧の数値
的な振幅及び極性の値の関数として計算される。

【００２９】例を挙げて説明されかつ図６に示された電
子的手段は、周期当たり６回サンプルされた信号をフィ
ルタリングすることにより直接的に当該位相を測定する
ものであり、低域通過のフィルタリングは、周期当たり
それより多くのサンプルについて比較的簡単である。こ
こで空間的３次高調波は、サンプルされるが、フィルタ
処理を施すことができない。これに対して５次高調波
は、サンプリングにより基本波に基づき拒絶されるの
で、それ以前に例えば上述で指摘したように、当該くね
り線路及びスケールの形状によって或いは簡単には十分
なギャップによって減衰されなければならない。

【００３０】図７（ａ）ないし（ｆ）は、図３に示され
たような３つのＹ接続された巻線で、誘導及び被誘導巻
線間の直交に関する、周期Ｔにつき一連の６つの結合形
態の発生態様の一例を示している。Ｙ接続された織り込
みくねり路巻線Ａ，Ｂ，Ｃは、右手にその共通端子が表
されている。図４に示されているような巻線では、各々
が２つの往復する重複くねり路からなり、全ての端子
は、はっきりと同じ側に置かれる。黒い矢印は誘導する
巻線と誘導する電流の方向を示し、白い矢印は誘導され
る巻線と測定極性とを示している。図７（ａ）において
は、巻線Ａが誘導する一方で巻線Ｂ，Ｃが誘導される。
かかる後者の隣合う線部分は同じ測定極性を持つので、
これらはかかる誘導巻線と直交する架空の中間巻線と等
価であり、スケールの無い場合における実質の相互結合
はゼロとなる。示された巻線の形態は、端子において常
に逆の測定極性を示すものである。すなわち図７（ａ）
においては、巻線Ｂの極性を示す白い矢印は端子ＬＢか
ら離れる方向に向くが、巻線Ｃの矢印は端子ＬＣに向か
い、これにより電圧差が計測されるのである。図７
（ａ）の形勢をＴ／６だけシフトすると、誘導巻線が２
つの巻線間に存することとなり、従って双方が誘導し、
電流及び回路の複雑さが増す。他方、架空の被誘導巻線
は、実在の巻線と一致する。しかしながら、結合が計測
されるので、誘導及び被誘導巻線が交換されるか否かは
問題にはならず、巻線Ａ，Ｂが誘導され、Ｃが誘導する
図７（ｂ）の形態となる。同様に、他の形態も、どれも
１つの巻線が誘導し２つの巻線が誘導されるものであ
り、それぞれＴ／６シフト後に誘導及び被誘導巻線を変
えることによって得られる。最後に、かかる矢印は、図
７（ｃ），（ｄ）において反転されており、駆動回路を
簡単化するために常に巻線への同じ電流方向を達成し、
さらに測定極性を反転することによって、結合された信
号の極性は正確性が保たれる。

【００３１】これら６つの形態は、図６における回路１
０によりつくられる。このために、発生器５０は、その
出力ＣＰでパルス列を発生し、３段シフトレジスタ５１
及び制御ロジック「アンド」ゲート６Ａないし６Ｃ並び
に７ａないし７ｆにクロックとして供給する。シフトレ
ジスタ５１のデータ入力は、該レジスタの２つの第１出
力Ｑ１，Ｑ２の送出がなされるロジック「ノア」ゲート
５２により制御され、かかる構成により各出力Ｑ１，Ｑ
２，Ｑ３のうち２つが論理値０でありつつも順次論理値
１に切り替わるモジュロ３カウンタが形成される。ある
論理値から次の論理値への変更は、ＣＰの信号の立ち下
がりエッジで行われる。出力Ｑ３の立ち下がりエッジ
は、出力ＲＰが論理値０と１とで交互に変わるフリップ
フロップ５３を切り換える。図８は、ＣＰ，Ｑ１，Ｑ
２，Ｑ３，ＲＰにおける信号のロジック波形を示してい
る。初期時においては、出力Ｑ１は論理値１であり、出
力ＲＰ及びＣＰは論理値０である。

【００３２】ＣＰの立ち上がりまたはリーディングエッ
ジでは、図６のゲート６ＡがトランジスタＴＡに対して
動作の許容をなしてかつオン駆動させ、かかるトランジ
スタは、巻線Ａの端子ＬＡを接地（ゼロボルト）させ
る。これにより巻線Ａは、誘導することになる。同時
に、ゲート７ａは、インバータ５４を介して反転信号Ｒ
Ｐを一入力端に受け、その３つの入力が論理値１となっ
て２つのトランスミッションゲートまたはスイッチング
トランジスタＴＧをオンとする。かかるトランジスタＴ
Ｇの一方は、巻線Ｃの端子ＬＣを容量Ｃ１及び差動増幅
器８０の「＋」入力に切り換え、その他方は、巻線Ｂの
端子ＬＢを容量Ｃ２及び差動増幅器８０の「−」入力に
切り換える。これによって一方は、図７（ａ）の形態を
つくり、図７（ｂ）ないし（ｆ）の形態も図６における
回路によりつくられることを容易に確認することができ
る。

【００３３】出力ＣＰのパルスの端部では、トランスミ
ッションゲートＴＧがオフとされ、キャパシタＣ１及び
Ｃ２は巻線Ｃ及びＢに誘導された電圧が蓄積され、駆動
トランジスタＴＡはオフに切り換えられる。図８はま
た、端子ＬＡ，ＬＢ，ＬＣの波形の他にも、増幅器８０
の出力のサンプルされかつ増幅された差信号ＡＳ、及び
フィルタ９０の出力のフィルタ処理された信号ＡＦを表
している。信号ＡＦと参照信号ＲＰとの位相シフトを計
測することによって、スケールの空間周期Ｔ当たり３６
０度の割合で当該変位に比例した位相シフトが得られ
る。所定数周期に亘る位相シフトの計測は、公知であ
る。例を挙げれば、信号ＡＦと基準位相ＲＰの同じ極性
の遷移間の時間差が縮められうる。但し、整数個のピッ
チＴに対応する位相シフトは、前記遷移間において時間
差ゼロを導くので、変位の周期の数を考慮に入れること
によって初めて除去することのできる計測の不明確さが
ある。すなわち数ピッチに亘る変位は、同じ数の変わり
目若しくは周期に亘る位相シフトと対応することとなる
のである。このため、サンプリングレートは、確実に、
１以上のピッチＴを誤ることなく最大速度での変位を追
従するのに十分に高いものにすべきである。

【００３４】このようなセンサの実現においては、同じ
自己インダクタンスの巻線を採用するよう、そしてその
直結の相互インダクタンスを最小化及び／または等化す
るよう配慮する必要がある。また、巻線端子を接続する
線は、これらインダクタンスが可及的に小さくするのに
寄与するよう短縮しまたは広げて形成されるべきであ
る。良好な解決方法は、巻線の隣の半導体のダイ（ＩＣ
チップ）に当該回路を一体化すること、若しくは当該ダ
イ上に巻線を含ませることである。残存する非線形性
は、必要であれば電子的手段により若しくは相互及び自
己インダクタンスを調整することによって、或いは、例
えば図４のような巻線の形状によるか若しくは巻線に隣
接する透磁性または導電性スクリーンの作用によるかど
ちらかによって、補正される。

【００３５】このようなくねり路巻線の小なる自己イン
ダクタンスは、平均値が１マイクロヘンリ以下であり、
毎マイクロ秒につき数アンペアの極めて急峻な電流上昇
を伴い、電流消費の制限のためには、パルスの持続期間
を１００ｎｓ未満とするべきである。上限はまた、時定
数Ｌ／Ｒによって与えられる。ここでＬは巻線の自己イ
ンダクタンスであり、Ｒは、駆動トランジスタの出力抵
抗を加えた該巻線の抵抗である。それは数ナノ秒（集積
回路巻線）から約１００ｎｓ（印刷回路巻線）まで変化
する。現代のＣＭＯＳトランジスタのスイッチングパラ
メータは、このようなパルス持続期間に適している。さ
らに、これらパラメータは、良好な測定精度のため、短
い時間に亘るパルスの均一性を守るのに十分な程度に緩
やかにドリフトする。電流上昇はこれらパルスの間急峻
となるので、信号対雑音比は高く、誘導電圧が電源電圧
３Ｖにつき大略０．１Ｖであるためなおさら、その計測
は電磁気の放射に対して感応しない。低電流消費を維持
するためには、パルス間に十分な時間をとるべきであ
る。スケールピッチＴが０．７５ｍｍで０．１２５ｍｍ
（Ｔ／６）の変位に対応する５０マイクロ秒の時間は、
２．５ｍ／ｓ以下の速度で変位に追従することを可能と
する。パルス持続期間が５０ｎｓであり、３Ｖの電源電
圧及び１マイクロヘンリの自己インダクタンスの場合、
平均電流消費は、約７５マイクロアンペアであり、カリ
パスのような計測機器に適している。この小さなスケー
ルピッチと簡単な補間は、概ね１マイクロメートルの測
定精度を実現する。

【００３６】本発明の実施例は、上述の例に限定されな
いことは勿論であり、請求項の範囲内で適宜改変するこ
とは可能である。特に、前記電子的手段１０は、第１の
素子の巻線の少なくとも１つにおいて電流を生ぜしめ、
同一の巻線の自己インダクタンスに対する第２の素子の
空間的周期性の電磁特性の位置による作用を測ることが
できる。

【００３７】織り込み形成されるかまたはされない巻線
の数は、任意である。巻線の形状も全く違うものでも良
く、例えば、１つ、２つ若しくはそれ以上の層において
１以上のスパイラル線により構成されても良い。透磁性
の素子は、これら巻線の性能を向上させるのに用いるこ
とができる。第２の素子またはスケールは、これまでと
は違った態様に実現することができる。例えば短いスケ
ールでは、閉じられたくねり路巻線すなわちその端子が
短絡しているものは、空間的に区別された（すなわち織
り込まれていない）巻線として有用であり、それらは前
記同一のスケールの巻線に全てが結合されるので、第１
の素子またはカーソルにおいて用いることができる。こ
のような構成は、全周囲のまわりに閉成されたスケール
くねり路巻線を有する小型のロータリエンコーダにおい
て特に有用である。

【００３８】センサの２つの素子は、直線状、曲線状、
螺旋状またはその他形状の経路ｘに沿って相対的に移動
自在にしても良い。電子的手段１０は、誘導及び被誘導
巻線の選択だけでなく、他の部品によって行われる変位
の関数として誘導される信号の評価など、全く異なる手
法によって構成することもできる。

【００３９】最後に、異なるスケールピッチをもって同
一の軌道に沿って位置を合わて本発明による２つ以上の
センサを組み合わせれば、単一スケールのピッチよりも
遥かに大なる範囲に亘る明確な位置の読取、すなわち前
記範囲内の絶対的な位置の読取が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】その第１の素子が４つの平坦なうねり路の巻線
を有し第２の素子が窓部を持つ電導テープからなる、本
発明によるセンサの相対的移動自在な素子の双方を例示
する図である。

【図２】第２の素子またはスケールの変位の関数として
２つのうねり路巻線における信号を示す図である。

【図３】第１の素子が３つの織り込み巻線を有する、本
発明によるセンサの素子の双方を部分的に示す図であ
る。

【図４】変形例として、他の実施可能な３つの織り込み
巻線の形態を示す図である。

【図５】本発明による第２の素子の幾つかの例及び変形
例を示す図である。

【図６】３つのＹ接続巻線を有する本発明によるセンサ
の電子的手段を模式的に示す図である。

【図７】これら３つのうねり路巻線における一連の６つ
の結合信号の形態を示す図だある。

【図８】図６に示された電子的手段からのロジック及び
アナログ信号の波形を表す図である。

【符号の説明】

１，４１カーソル１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃ，３
１Ｄ，４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃ，４１Ｄくねり路巻線２，３２，５Ａ，５Ｂ，５Ｃ，５Ｄ，５Ｅスケール２１，３２１窓部２２，３２２仕切部３１カーソル３１０コンタクト５０パルス発生器５１３段レジスタ５２ＮＯＲゲート５３フリップフロップ５４インバータ１０電子回路７ａ〜７ｆ，６Ａ〜６ＣＡＮＤゲートＴＡ，ＴＢ，ＴＣ駆動トランジスタＤＡ，ＤＢ，ＤＣダイオードＴＧトランスミッションゲートＣ１，Ｃ２コンデンサ８０差動増幅器９０フィルタ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】経路（ｘ）に沿って互いに相対的に移動
自在であり前記経路に沿って構成された巻線（１Ａ乃至
１Ｄ；３１Ａ乃至３１Ｃ）が設けられかつそれらインダ
クタンスが両者の相対変位の周期性関数として変化する
２つの素子（１，２，３１，３２）と、前記巻線のイン
ダクタンスの量から前記変位の値を測定する電子的手段
（１０）とを有する誘導性変位センサであって、前記巻線（１Ａ乃至１Ｄ；３１Ａ乃至３１Ｃ）は、前記
２つの素子のうちの第１の素子（１，３１）上に構成さ
れ、第２の素子（２，３２）は、前記巻線のインダクタ
ンスを変更することの可能な前記経路に沿った空間周期
Ｔに関する空間的周期性の電磁気特性（２１，２２，３
２１，３２２）を示し、前記電子的手段（１０）は、前
記巻線の少なくとも一部に電流を生ずるようにかつ前記
第１の素子の巻線の少なくとも一部のインダクタンスに
対する前記第２の素子の空間的周期性の電磁気特性の位
置による作用力を測定するように前記第１の素子上の前
記巻線と接続されていることを特徴とする誘導性変位セ
ンサ。
【請求項２】前記第１の素子（１，３１）は、前記経
路（ｘ）に沿う空間周期２Ｔの空間的周期性の形態をも
って巻線または巻線のグループを具備することを特徴と
する請求項１記載の誘導性変位センサ。
【請求項３】前記電子的手段（１０）は、少なくとも
一時的にインダクタとなる巻線の第１の部分に電流を生
ぜしめ、巻線の第２の部分に少なくとも一時的に誘導さ
れた信号を測定することを特徴とする請求項１又は２記
載の誘導性変位センサ。
【請求項４】前記巻線の前記第２の部分は、前記巻線
の前記第１の部分と直交して構成されていることを特徴
とする請求項３記載の誘導性変位センサ。
【請求項５】前記第１の素子（３１；４１）は、同一
表面上に織り込まれかつ前記通路（ｘ）に沿って距離Ｔ
／Ｎの所定の整数倍だけ相互にシフトされたＮ個の巻線
（３１Ａないし３１Ｃ；４１Ａないし４１Ｅ）を有する
ことを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の
誘導性変位センサ。
【請求項６】前記巻線（４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃ）
は、一端部において共に結合され他端部において前記電
子的手段と接続された２つの往復する部分的重複くねり
路によりそれぞれ作られていることを特徴とする請求項
１乃至５の何れか１項に記載の誘導性変位センサ。
【請求項７】前記巻線（４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃ）
は、前記第１の素子の両端に向かって延在形状が先細に
されていることを特徴とする請求項１乃至６の何れか一
項に記載の誘導性変位センサ。
【請求項８】前記第２の素子（３，３２）は、前記経
路（ｘ）に沿う空間周期Ｔに関する少なくとも空間的に
電導する空間的周期性の形態を有することを特徴とする
請求項１乃至７の何れか一項に記載の誘導性変位セン
サ。
【請求項９】前記第１の素子の巻線間の誘導的な相互
結合は、前記第２の素子における誘導された電流または
渦電流を介して実現されることを特徴とする請求項８記
載の誘導性変位センサ。
【請求項１０】前記第２の素子は、絶縁基板上の一連
の電導環部（５Ｂ）若しくは領域（５Ｃ）、または梯子
（２，３２）若しくは打ち抜きテープとしての形状また
は周期性の浮き彫り模様（５Ｄ，５Ｅ）を持つ形状を呈
する電導体を有することを特徴とする請求項８記載の誘
導性変位センサ。
【請求項１１】前記電子的手段（１０）は、自己イン
ダクタンスＬ及び抵抗Ｒの少なくとも２つ巻線（Ａ，
Ｂ，Ｃ）または巻線のグループの間の相互インダクタン
スの測定を、時定数Ｌ／Ｒよりも短い電圧パルスを少な
くとも一方の巻線または巻線のグループの端子に供給し
少なくとも１つの他方の巻線または巻線のグループの端
子に誘導されたパルスを測定することによって行うよう
設計されていることを特徴とする請求項１乃至１０の何
れか一項に記載の誘導性変位センサ。
【請求項１２】前記第１の素子（３１）は、前記経路
（ｘ）に沿って距離Ｔ／３の整数倍だけ互いにシフトさ
れた３つのＹ接続型くねり路巻線（３１Ａ乃至３１Ｃ）
を有し、前記電子的手段（１０）は、一方の巻線の端子
に電圧パルスを供給し、２つの他方の巻線に誘導された
パルスを混合して、誘導巻線から距離Ｔ／２だけシフト
された、或いは当該巻線に直交した架空の中間巻線から
の信号に等価な標本化信号を得るよう構成されているこ
とを特徴とする請求項１乃至１１の何れか一項に記載の
誘導性変位センサ。
【請求項１３】前記電子的手段（１０）は、フィルタ
リングにより得られる基本成分が空間周期Ｔにつき１回
の反転変化の割合で当該変位に比例した位相シフトを呈
するところの周期性信号を導く空間周期Ｔに亘って６つ
のサンプルを得るように周期的な順で誘導及び被誘導の
巻線をシフトするのに適した構成を有することを特徴と
する請求項１２に記載の誘導性変位センサ。
【請求項１４】前記電子的手段（１０）は、シフトレ
ジスタ（５１）に接続されるパルス発生器（５０）を有
し、前記シフトレジスタの出力は、一方においては各巻
線を順次誘導性にせしめるよう駆動デバイス（ＴＡ，Ｔ
Ｂ，ＴＣ）を制御し、かつ他方においては他方の巻線の
双方において誘導された電圧信号を計測デバイス（Ｃ
１，Ｃ２，８０，９０）へ伝送するよう伝送ゲート（Ｔ
Ｇ）を制御することを特徴とする請求項１３記載の誘導
性変位センサ。
【請求項１５】前記電子的手段（１０）は、前記第１
の素子の巻線の少なくとも１つにおいて電流を生ぜし
め、巻線の同一自己インダクタンスに対する前記第２の
素子の空間的周期性の電磁気特性の位置による作用を測
ることが可能であることを特徴とする請求項１又は２記
載の誘導性変位センサ。