JPH09325002A - 電子スケール - Google Patents

電子スケール

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JPH09325002A
JPH09325002A JP9048688A JP4868897A JPH09325002A JP H09325002 A JPH09325002 A JP H09325002A JP 9048688 A JP9048688 A JP 9048688A JP 4868897 A JP4868897 A JP 4868897A JP H09325002 A JPH09325002 A JP H09325002A
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JP
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magnetic flux
electronic scale
signal
magnetic field
magnetic
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JP9048688A
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English (en)
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Jii Masureriizu Kaaru
ジー マスレリーズ カール
Ingubaaru Andaamo Nirusu
イングバール アンダーモ ニルス
Uezurei Asaaton Kimu
ウェズレイ アサートン キム
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Mitutoyo Corp
Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Original Assignee
Mitutoyo Corp
Mitsutoyo Kiko Co Ltd
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Publication date
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01DMEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • G01D5/14Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage
    • G01D5/20Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying inductance, e.g. by a movable armature
    • G01D5/204Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying inductance, e.g. by a movable armature by influencing the mutual induction between two or more coils
    • G01D5/2053Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying inductance, e.g. by a movable armature by influencing the mutual induction between two or more coils by a movable non-ferromagnetic conductive element

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  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
  • Transmission And Conversion Of Sensor Element Output (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電子スケールにおいて、過酷な状態でも高精
度の測定を行えるようにする。 【解決手段】 スライダ・アセンブリ120内の読み取
りヘッドとビーム102に形成された磁束変調器(ディ
スラプタ、エンハンサ)170とが両者の位置関係に応
じて誘導結合する。よって、スライダ・アセンブリ12
0が移動すると、移動距離に応じたサイクル数の交番信
号を取得でき、それによって移動距離又は位置が測定さ
れる。磁束変調器には電力を供給する必要はない。読み
取りヘッドには、変動磁場を発生するトランスミッタ巻
線(送信巻線)及び変調を受けた磁束を検出する第一、
第二のレシーバ巻線が含まれる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、電子スケールに関
し、より詳しくは、誘導型位置トランスデューサ素子を
用いた電子スケールに関する。
【0002】
【従来の技術】電子リニアスケールは、製造業におい
て、高い測定精度が求められる場合に広く用いられてい
る。リニアスケールは、ボール盤、旋盤、のこ盤、NC
機械、自動機械などの機器に取り付けて用いられること
が多い。リニアスケールを用いることによって、これら
の機械で高い精度の製品を製造することができる。
【0003】この種のスケールでは、従来、光学系、磁
気スケール、誘導変換、容量素子等をベースにしたトラ
ンスデューサが用いられてきた。
【0004】従来のリニアスケールでは、増分測定系お
よび絶対測定系とともに、光学技術が用いられる。この
種のシステムでは、電力消費量が比較的大きいこと、高
精度の機械的公差が求められるために製造コストが高い
こと、汚染物質に反応すること、などの問題が生じる。
光学系では、測定を行なうために内蔵ランプが用いら
れ、ランプから出た光は光学スケールに向けられ、それ
を通過して(またはそれによって反射されて)光学レシ
ーバへ向かう。この種のシステムに用いられるランプ
は、通常、普通の電池から実際に得られるより多くの電
力を消費する。そのため、リニアスケールは、移動自在
性および設置の容易さの点で制約を受ける。
【0005】この種のリニアスケールでは、測定中にラ
ンプと光学レシーバがスケールを横切るため、光学部品
を案内し支持するための精密な案内軌道が必要である。
この軌道は公差を少なくして形成され、また光学レシー
バを正確に位置合わせする必要があるため、光学スケー
ルの外で反射された像も光学レシーバ上に集束すること
になる。少ない組立公差、装置に用いられるベアリング
・システム、光学的に精密な部品のコストなどのため
に、この種の光学システムは、製造コストが高い。さら
に、磨耗あるいは位置合わせの精度の悪さなどがある
と、性能が低下する。
【0006】容量トランスデューサは、ほとんど電流を
通さない。したがって、この種のトランスデューサを測
定装置に用いれば、移動自在性および設置の容易さが得
られる。容量トランスデューサは、平行板コンデンサ・
モデルの下で作動する。容量トランスデューサの内部で
は、トランス電極とレシーバ電極がスライドの上または
中に取り付けられる。トランス電極は、適当な信号発生
回路に接続される。レシーバ電極は、適当な読み取り回
路に接続される。
【0007】スライドは、スケールに沿って移動する。
スケールは、互いに隔てられつつスケールの長手方向に
沿って伸びる複数の信号電極を含む。スライドがスケー
ルに対して移動すると、スライド上のトランスおよびレ
シーバ電極がスケール上の信号電極と結合する。読み取
り回路は、スケールに対するスライドの移動または位置
を判別する。読み取り回路は、レシーバ電極に結合され
た少なくとも1つの信号の位相をトランス電極に結合さ
れた少なくとも1つの信号の位相と比較する。
【0008】容量位置トランスデューサは、増分式トラ
ンスデューサであってもあるいは絶対位置式トランスデ
ューサであってもよい。増分式容量位置トランスデュー
サでは、読み取り回路は既知の点からの相対移動を示す
だけである。絶対位置式容量位置トランスデューサで
は、読み取り回路は最初の位置がわかっているか否かに
かかわらず、スライドとスケールの間の絶対位置を示
す。増分式および絶対位置式位置トランスデューサは、
アメリカ合衆国特許第4420754号および第487
9508号に開示されている。
【0009】これらの容量位置トランスデューサは、検
査室あるいは設計事務所などの乾燥した比較的清浄な環
境で使用されているが、機械工場や他の比較的汚染度の
高い環境での寸法の測定のための電子リニアスケールに
適用することが望まれる。このような環境では、容量位
置トランスデューサは、金属粒子、研磨塵粉、冷却用ま
たは切断用流体など粒子状物質や流体で汚染されるおそ
れがある。液体または粒子状汚染物質は、スケール上の
信号電極とスライド上のトランスおよび/またはレシー
バ電極の間に入り込む。そして、入り込んだ汚染物質
は、スケールに対するスライドの位置に関係なく、信号
電極とトランスおよび/またはレシーバ電極の間のキャ
パシタンスを変える。一般的に、容量位置トランスデュ
ーサの信号電極とトランス電極および/またはレシーバ
電極の間の汚染物質は、三つの異なるメカニズムで測定
誤差を生じさせる。
【0010】第1に、粒子または液体が空気の誘電率と
異なる誘電率を有する場合がある。その場合、汚染物質
を間に挟んだ信号電極とレシーバ/レシーバ電極の間の
キャパシタンスは、間に汚染物質のない同じ形状の信号
電極とレシーバ/レシーバ電極の間のキャパシタンスよ
り大きくなる。その結果、容量リニアスケールが該スケ
ールに対するスライドの位置を正確に示さなくなる。
【0011】第2には、汚染物質が比較的高い導電率を
もつ場合がある。通常、信号電極とトランス/レシーバ
電極は開回路を形成し、両者の間には電流が流れない。
信号電極とトランス電極またはレシーバ電極の間の導電
性汚染物質は、この回路を閉じる。とくに、汚染物質
は、RC回路の抵抗素子を形成する。RC回路の時定数
は、汚染物質の導電率および信号電極とトランスおよび
/またはレシーバ電極の間のキャパシタンスの両者の関
数である。時定数が比較的短い場合には、信号の振幅が
きわめて速く減衰するので容量位置トランスデューサに
用いられている従来の回路では信号を正しく検出するこ
とができない。
【0012】第3に、信号電極とトランスおよび/また
はレシーバ電極の間の導電性粒子は、該信号電極とトラ
ンスおよび/またはレシーバ電極の間に伸びる場を変え
るおそれがある。その結果、信号電極とトランスおよび
/またはレシーバ電極の間のキャパシタンスが変化す
る。電場に歪みが生じると、信号電極とトランスおよび
/またはレシーバ電極の間の信号にも歪みが生じる場合
がある。その結果、容量リニアスケールが該スケールに
対するスライドの位置を正確に示さなくなる。
【0013】ガーハード等のアメリカ合衆国特許第51
72485号は、容量位置トランスデューサ内の汚染物
質の悪影響を最小限に抑えるための一つのアプローチを
記載している。このアプローチは、電極を薄い絶縁材料
の層でコーティングすることを含む。次に、スライドを
スケール上に取り付けてスライド(トランスおよびレシ
ーバ)電極上の絶縁コーティングがスケール(信号)電
極上の絶縁コーティングに隣接して配置されるようにす
る。すなわち、信号電極とトランスおよびレシーバ電極
の間に絶縁コーティングを配置することによってこのよ
うな悪影響が最小限に抑えられる。さらに、スライド上
の絶縁コーティングが滑動してスケール上の絶縁コーテ
ィングに接触する。絶縁コーティングの間のこの滑動接
触によって、スライドとスケールの間の汚染物質が侵入
する隙間が小さくなる。
【0014】この滑動接触式のアプローチでは、電極同
士が互いに相手方に向かって復元可能に付勢されること
が必要である。この復元力のある付勢によって電極が互
いに相手方から離れることができるため、正確な表面の
平坦さおよび位置合わせからずれた場合でもそれに適応
が可能となる。すなわち、絶縁層同士を互いに相手方か
ら離すことができる。すなわち、汚染度のきわめて高い
環境でこのような容量位置トランスデューサを用いる
と、汚染物質がスライドをスケールから離し、自らがス
ライドとスケールの間に集まることになる。換言すれ
ば、このアプローチは状況によっては不適当である。
【0015】しかし、カーハード等の開示した薄いコー
ティングではなく厚い絶縁コーティングを用いれば、ス
ライドとスケールの間に集まる汚染物質によるマイナス
の影響をある程度少なくすることができる。厚い絶縁コ
ーティングは、汚染物質によって生成されるキャパシタ
ンスで直列に接続された一対のコンデンサを生成する。
絶縁コーティングによって生成されるキャパシタンス
は、スライドがスケールに添って移動しても変化しな
い。したがって、汚染物質の厚さまたは組成の変化によ
って生じる信号電極とトランスおよび/またはレシーバ
電極の間のキャパシタンスの変化は、主として厚い絶縁
コーティングによって生成される固定キャパシタンスに
よるものとなる。厚い絶縁コーティングを用いれば絶縁
性汚染物質によって生じる問題を軽減することはできる
が、このアプローチによって問題を完全に解消すること
はできない。
【0016】他に、液体および粒子状汚染物質から電極
を隔離するアプローチもある。例えば、容量位置トラン
スデューサのリニアスケールを密閉することもできる。
しかし、リニアスケールを密閉すると、製造および組立
コストが上昇し、しかも製品の信頼性が低下する場合が
多い。また、この種の密閉法をあらゆる大きさおよび用
途の電子リニアスケールに適用することは実際上不可能
である。
【0017】他の種類の位置測定式トランスデューサと
しては磁気トランスデューサを挙げることができる。磁
気トランスデューサは、油、水、および他の流体によっ
て生じる汚染では比較的影響されない。例えばソニー・
マグネスケール・エンコーダのような磁気トランスデュ
ーサは、磁場を検出する読み取りヘッドおよび一以上の
周期的磁気パターンで選択的に磁化された強磁性スケー
ルを使用する。読み取りヘッドは、スケール上の磁気ス
ケール・パターンに対して相対移動して磁場の変化を検
出する。しかし、磁気トランスデューサ自身は、磁化さ
れたスケールに引きつけられた小さい粒子とくに強磁性
粒子によって影響される。その結果、磁気トランスデュ
ーサも、その正確さに対する汚染物質の影響を排除する
ために、密閉したり、カプセルに入れたり、あるいはそ
の他の方法で保護することが必要となる。磁気トランス
デューサは、また、電子リニアスケールのある種の用途
で求められるきわめて低い消費電力を実現することがで
きない。
【0018】誘導トランスデューサは、容量トランスデ
ューサや磁気トランスデューサとは異なり、切断用の
油、水、その他の流体ならびに塵埃、強磁性粒子、その
他の汚染物質にほとんど影響されない。インダクトシン
(商標)タイプなどの誘導トランスデューサでは、一方
の部材に多数の巻線を用いて変化する磁場を伝送し、そ
れを他方の部材の同様な巻線によって受け取る方法が用
いられる。第一の部材の巻き線を流れる交流が変動磁場
を生成する。第二の部材が受信する信号は、それら二つ
の部材の間の相対位置に基づいて周期的に変化する。第
二の部材からの変動信号に接続された位置判別回路は、
第一および第二の部材の間の相対位置を判別する。ただ
し、いずれの部材も能動型である。したがって、各部材
は、適当な駆動回路に電気的に接続される必要がある。
この接続は、通常、有線接続によって行なわれる。移動
式の有線接続を行なって自由に移動できるように経路を
設定する必要があるような場合には、一般的に、装置の
信頼性が低下し、しかも装置の保守コストおよび生産コ
ストが増大する。スケール素子への有線接続の代わり
に、変圧器を用いた電気結合のアプローチが用いられる
場合もある。しかし、このアプローチは、信号の質およ
び精度を低下させるおそれがあり、また結合素子をスケ
ールおよび読み取りヘッドに取り付けるための付加的寸
法およびコストが必要となる場合もある。さらに、この
種のシステムは、通常、従来の電池で実用的に得られる
より多くの電力を消費し、移動自在性および設置の容易
さが低下する。
【0019】ハウブルックのアメリカ合衆国特許第46
97144号、ドレオニのアメリカ合衆国特許第523
3294号、イチカワ等のアメリカ合衆国特許第474
3786号、およびサッチャーの英国特許出願第206
4125号には、汚染物質に影響されない移動または位
置トランスデューサが開示されている。これらの参考文
献に記載されているのは、活性化された部材と受動的な
あるいは活性化されない部材の間で位置を検出する位置
検出装置である。これらの参考文献に記載されている変
換システムは、誘導トランスデューサの一つの欠点であ
る二つの移動する部材の間の電気的相互結合を除外した
ものである。しかし、これらのシステムでは、一般的
に、誘導または容量トランスデューサの高い精度が確保
されていない。
【0020】さらに、これらの変換システムの中には、
十分に強い磁場を生成するために受動部材が強磁性であ
ることが好ましいとされるものもある。強磁性部材は、
製造上の選択性が限定されるものであり、磁気チャック
が存在すると磁化され、それによって磁性粒子を引きつ
けるおそれがある。あるいは、能動部材内または上に形
成された複雑な構造によって画定され集束される磁場の
中で受動部材を移動させるものもある。これらの参考文
献に開示された変換システムは、また、不連続であるか
または単純な位置の関数であらわされない出力信号を生
成するものである。このような信号を用いると、相対位
置の判別が不正確になる。一般的にいって、これらのシ
ステムは、すべて、市販のリニアスケールに求められる
十分な精度と広い測定範囲をともに実現することができ
ない。
【0021】したがって、本発明の目的は、苛酷な工場
および現場環境で使用することのできる電子スケールを
提供することである。
【0022】
【課題を解決するための手段】本発明の電子スケール
は、粒子状および流体汚染物質にほぼ影響されない変換
素子を含む。本発明の電子スケールは、従来の電子スケ
ールの通常の形態および操作方法を保持しながら低電力
消費を特徴とするものである。
【0023】本発明の電子スケールは、プリント回路技
術などの公知の製造方法を用いて容易にまた少ない費用
で製造することができる。さらに、本発明のトランスデ
ューサは、強磁性粒子を含む粒子、あるいは油、水、そ
の他の流体による汚染に影響されない。そのため、該ト
ランスデューサは、環境から守るための費用のかかる密
閉具を使用せず、しかもたいていの工場および現場環境
で使用することができる。本発明の電子スケールのパル
ス駆動回路によって、誘導トランスデューサの消費電力
は低く抑えられる。したがって、リニアスケールは、小
さい電池または太陽電池などを用いて長い使用寿命を示
し、しかも移動自在性と設置の容易さが得られることを
特徴とする。さらに、リニアスケールが壁の電源ソケッ
トなど従来の別個の電源を主たる電源としまた小型電池
または太陽電池などをバックアップ電源として用いられ
る場合には、その主電源が故障した場合でも再校正の必
要がない。
【0024】本発明において、リニアスケールは、細長
い主ビーム(部材)に隣接して取り付けられるスライダ
を含む。主ビームは細長いスケールに機械的に結合され
る。そのスケールは、その長手方向に沿ってパターン状
に伸びる一群の磁場または磁束の変調器を含む。上記ス
ライダ(アセンブリ)は、ピックオフ・アセンブリを含
む。このリニアスケール電子システムでは、変調器では
なく読み取りヘッドにのみ電気接続が行なわれる。主ビ
ームとスライダは、それぞれ一組の変調器と読み取りヘ
ッドに対応し、前者間の相対移動は、後者間の相対移動
に相当する。
【0025】読み取りヘッドには、信号処理電子回路が
接続されている。その信号処理電子回路は、読み取りヘ
ッドによって生成されまた受け取られる信号に対する変
調器の作用の関数として、読み取りヘッドと変調器のセ
ットとの相対位置を表す。本発明の電子スケールでは、
好ましくは、一組の磁場または磁束変調器に対して相対
移動する読み取りヘッドをもつ低電力誘導トランスデュ
ーサが使用される。ただし、上記同様に、汚染物質の影
響を受けない十分に正確で十分に低電力な他の種類の誘
導トランスデューサを使用することもできる。
【0026】本発明の誘導トランスデューサは、好まし
くは、導電性材料の第一の経路を有する磁場源を含む。
その磁場源は、変動磁場または変動磁束を生成できる。
一群の磁場または磁束変調器の少なくとも1つが、変動
磁場または変動磁束の内部に配置される。変調器は、一
群の変調器の近傍の磁場または磁束を変化させる。この
領域内に設けられる検出導線は、磁束受け取り域の周期
的パターンを形成する。この周期的パターンは、測定軸
に沿って伸び、変動磁場または変動磁束内部に配置され
る。したがって、変動磁場または変動磁束は、それに応
答して検出導線の少なくとも1つの出力と交差する起電
力(EMF)を受動的に生成する。
【0027】少なくとも1つの磁場または磁束変調器と
検出導線の周期的パターンは、第一の位置から第二の位
置へ互いに相対的に移動する。第一の位置では、周期的
パターンの第一の部分が、少なくとも1つの磁場または
磁束変調器と重なり合う。第二の位置では、周期的パタ
ーンの第二の部分が、少なくとも1つの磁場または磁束
変調器と重なり合う。すなわち、少なくとも1つの磁場
または磁束変調器は、EMFを第一の位置から第二の位
置へ変化させる。
【0028】少なくとも1つの磁場またはレシーバ変調
器は、検出導線の周期的パターンと共働して検出導線の
出力と交差するEMFの振幅を生成する。この振幅は、
少なくとも1つの磁場または磁束変調器の相対位置と検
出導線の周期的パターンの連続的に変化する周期関数と
して変化する。一つの実施形態にあっては、一組の磁場
または磁束変調器は、各々が、導電板によって形成され
る磁束ディスラプタ(disrupter)(磁束崩壊
手段)である。他の一実施形態にあっては、一組の磁場
または磁束変調器は、各々が、高い透磁性をもつ材料か
ら形成される磁束エンハンサ(enhancer)(磁
束増進手段)である。さらに他の一実施形態にあって
は、一組の磁場または磁束変調器は、少なくとも1つの
磁束ディスラプタと少なくとも1つの磁束エンハンサを
含む。
【0029】検出導線は、好ましくは、複数の第一のル
ープおよびそれと交わる複数の第二のループによって形
成される。第一および第二のループは、変化する磁場内
に配置される。第一のループは、各々が、変動磁場に応
答して変化する第一の信号成分を生成する。同様に、第
二のループは、各々が、変動磁場に応答して変化する第
二の信号成分を生成する。
【0030】複数の第一および第二のループと一組の磁
場または磁束変調器は、互いに相対移動自在である。第
一の位置では、第一のループの一以上が一組の磁場また
は磁束変調器の対応するものに近接し、したがって第一
のループによって生成された第一の信号成分を変更す
る。第二の位置では、第二のループの一以上が一組の磁
場または磁束変調器の対応するものに近接し、したがっ
て第二のループによって生成された第二の信号成分を変
更する。第一および第二の信号成分は、一組の磁場また
は磁束変調器に対する第一および第二のループの各々の
位置を示す。
【0031】したがって、本発明は、誘導センサを含む
ものであり、その物理的および電気的諸特性、正確さ、
範囲、および電力消費における効果を実用的なリニアス
ケールに組み込んだものとなっている。このリニアスケ
ールは、粒子および液体汚染物質のいずれにも影響され
ず、したがって広範な用途に適したものとなっている。
その用途としては、移動自在で低消費電力の用途が含ま
れる。さらに、本発明のリニアスケールは、正確で、従
来のリニアスケールと比較して製造、組立、および設置
の費用が比較的少ない。
【0032】本発明の好適な態様では、固定体とその固
定体に対して移動可能な可動体とを含む電子スケールに
おいて、前記固定体及び前記可動体の一方には、磁場発
生手段および磁束検出手段が設けられ、前記固定体及び
前記可動体の他方には、前記磁場発生手段によって発生
される磁場を変調するための磁束変調手段が設けられ、
前記磁束検出手段は、前記可動体の移動に従って前記磁
束変調手段によって変調された磁束を検出し、前記磁束
検出手段の検出結果から、前記固定体に対する前記可動
体の運動を分析する分析手段が設けられたことを特徴と
する。
【0033】上記運動の分析の概念には、移動距離の分
析、移動後位置の分析、移動速度の分析、移動加速度の
分析、などが含まれる。また、本発明は直線運動の分析
のみならず、カーブした経路などの任意経路上での運動
の分析を行える。すなわち、本発明は電子リニアスケー
ルに適用されるのが望ましいが、リニアスケール以外の
他のスケールに適用することもできる。また、本発明の
スケールを円状に形成すれば当該スケールによって角度
検出を行わせることもでき、そのような応用も本発明の
範囲に含まれる。
【0034】
【発明の実施の形態】図1に示すように、誘導リニアス
ケール100は、細長いビーム(細長ビーム部材)10
2およびスライダ・アセンブリ120を含む。ビーム1
02は、ほぼ長方形の断面を有する剛性または半剛性の
棒または板である。
【0035】使用時には、スライダ・アセンブリ120
は、ビーム102の構成部品またはそのビーム102自
身に接触することなく、スケール104に近接させつつ
設置される。ビーム102およびスライダ・アセンブリ
120は、それぞれ様々な構成にして他の物体に取り付
けることができる。このようにして、リニアスケール1
00は、ビーム102に対するスライダ・アセンブリ1
20の位置を測定し、それによって、また、これら二つ
の部品が取り付けられた任意の機械的固定物の間の距離
を測定する。
【0036】変調器170を載せたスケール104は、
可橈性または剛性を有しかつ寸法安定性を有する材料で
つくることもできる。スケール104をクランプまたは
接着材を用いて機械的固定物に直接付着させ、これによ
ってビーム102をなくすこともできる。スケール10
4およびビーム102は、好ましくは非導電性である
が、必ずしも非導電性とする必要はない。スライダ・ア
センブリ120は、スケール104に対するそれ自身の
位置を誘導的にモニタする。
【0037】スケール104は、細長いプリント回路板
168である。図1に示すように、一組のディスラプタ
170が周期的パターンの中でプリント回路板168に
沿って互いに隔てられつつ配置されている。ディスラプ
タ170は、好ましくは銅で形成される。ディスラプタ
170は、好ましくは公知のプリント回路基板製造技術
を用いて形成するが、他の製造方法を用いてもよい。図
1には、また、表示装置のケーブル116も示されてい
る。
【0038】図2には、スライダアセンブリ120の構
造が示されている。図2に示すように、リニアスケール
によって行なわれる測定結果は、デジタル表示装置13
9上に取り付けられた公知のデジタル表示部に表示され
る。デジタル表示装置の上には、また、一対のプッシュ
ボタン134および136が取り付け等れている。スイ
ッチ134は、信号処理電子回路166およびデジタル
表示装置139のオン/オフを行なう。スイッチ136
は、表示部138をゼロにリセットする。スライダ・ア
センブリからの位置情報が他の種類の電子制御システム
または表示装置へ送られる構成とすることもできる。ス
ライダ・アセンブリ120は、スライダ・ハウジング1
40を含み、スライダ・ハウジング140は、読み取り
ヘッド164を保持し、読み取りヘッド164の巻線1
78、179、および180(図3など参照)が接触す
ることなく、ビーム102上の変調器170に近接配置
されている。
【0039】スライダ・アセンブリ120は、また、図
2に示すように、公知のプリント回路板などの基板16
2を含む。信号処理電子回路166は、好ましくは基板
162の上面に取り付けられるが、あるいは(図示しな
い)信号処理電子回路の一部分を読み取りヘッド164
の内側に配置することもできる。スライダ・ハウジング
の中の部材は、カバー114によって保護される。リボ
ン状の読み取りヘッド・コネクタ150は、読み取りヘ
ッド164を信号処理電子回路166へ電気的に接続す
る。表示装置のケーブル116は、公知の手段によって
ハウジング内部の信号処理電子回路166に取り付けら
れる。
【0040】図3に示すように、読み取りヘッド164
の巻線178、179、180は、薄い耐久性の絶縁コ
ーティング167で覆われている。絶縁コーティング1
67は、好ましくは約50μmの厚さを有する。あるい
は、絶縁コーティングの代わりにスライダ・ハウジング
140のスケールに面した全面を密閉する膜を用いても
よい。スライダ・アセンブリ120の外部ジョイント
は、すべて(図示しない)接着材または他の公知の手段
で密閉され、汚染物質が電子回路に接触するのが防止さ
れている。
【0041】スライダ・アセンブリ120は、読み取り
ヘッド164を載せており、そのため絶縁コーティング
167および172(図22参照)の間に形成される空
気の隙間174によってビーム102からわずかに離さ
れている。この空気の隙間174は、好ましくは0.4
mm程度である。読み取りヘッド164とディスラプタ
170が組み合わせられて誘導トランスデューサが形成
されている。誘導トランスデューサは、特に好ましく
は、以下に説明する種類のものとする。ただし、リニア
スケール100には、必要な機械的組立性をもち、十分
に正確で、電力消費が少なく、また同様に汚染物質に影
響されないものであれば、他の種類の誘導トランスデュ
ーサを使用することができる。電力は、公知の手段(図
示せず)によって、表示装置のケーブル116を介して
スライダ・アセンブリ120またはデジタル表示装置1
38の間の経路を通って、これらのいずれかに供給され
る。電池の電力、太陽電池の電力、あるいは通常の外部
電力のいずれでも使用することができる。
【0042】図4は、読み取りヘッド164の一部分を
より詳細に示す図である。読み取りヘッド164は、好
ましくは、ほぼ同一平面上の5本の導線180−184
を含む。二本の導線181および182は、第一のレシ
ーバ巻線178を形成する。他の二本の導線183およ
び184は、第二のレシーバ巻線179を形成する。第
一および第二のレシーバ巻線178および179は、重
ね合わされた状態で読み取りヘッド164の基板上の中
央に配置され、また基板に沿って伸びる。
【0043】第一および第二のレシーバ巻線178およ
び179は、各々が正弦状パターンに配置され、同じ波
長を有する。導線181は、端末185から相互接続1
89aまで伸び、そこで導線182に接続している。導
線182は、逆方向に端末187まで伸びている。第一
のレシーバ巻線178を形成する導線181および18
2は、複数の正弦状ループ191を構成する。
【0044】上記同様に、導線183は、端末188か
ら相互接続189bまで伸び、そこで導線184に接続
している。導線184は、逆方向に端末186まで伸び
ている。第二のレシーバ巻線179を構成する導線18
3および184は、複数の正弦状ループ192を構成す
る。ループ192は、第一のレシーバ巻線178によっ
て形成されるループ191からループの四分の一または
二分の一波長だけずらされている。
【0045】図4において、導線181−184は、読
み取りヘッド164の基板の同一平面上に示されてい
る。しかし、各導線181−184の交番の二分の一波
長部分は、実際には基板の別々の層上にある。すなわ
ち、巻線178および179は物理的に互いに接触しな
い。同様に、巻線178および179は、各々、パター
ンの中央部の「交差」点では物理的に互いに接触してい
ない。各導線181−184の二分の一波長部分は、基
板を通って伸びるフィードスルー190によって同じ導
線の他の二分の一波長部分と結合されている。導線18
1−184は、基板の同一表面上にはないが、薄い同一
域内に置かれている。すなわち、基板上の巻線178お
よび179の最上層と基板の最下層との間の距離はきわ
めて小さい。したがって、導線181−184は、ほぼ
同一平面上にある。
【0046】第二のレシーバ巻線179は、空間的に位
相がずらされていることを除いて第一のレシーバ巻線1
78とほぼ同じである。そのため、以下の説明は主とし
て第一のレシーバ巻線178について行なう。以下の説
明は第二のレシーバ巻線179にも同様に適応される。
【0047】第五の巻線(周囲巻線)180は、トラン
スミッタ巻線で、やはり薄い域内にあり、第一および第
二のレシーバ巻線178および179をほぼ取り囲んで
いる。トランスミッタ巻線180も、また、公知のプリ
ント回路製造技術を用いて読み取りヘッド164の基板
の一つの層または表面上の導線によって形成される。ト
ランスミッタ巻線180は、第一および第二のレシーバ
巻線178および179を取り囲むのに十分な長さ19
4と幅195を有する。図4は、トランスミッタ巻線1
80の端末197および198を示す。
【0048】読み取りヘッド164とディスラプタ17
0によって形成される誘導トランスデューサは、図1−
4に示す第一の好ましい実施形態にあっては、変動磁場
を生成することによって作動する。変動磁場は、変動磁
場内に配置されたディスラプタ170の中に渦電流とし
て知られる循環電流を誘導する。
【0049】例えば、ディスラプタ170の一つは、電
磁石の磁極面の間に配置される。磁極面の間の磁場は、
電磁石が交番電流によって駆動されるときなどには時間
とともに変化する。つぎに、ディスラプタ170内の任
意の閉ループを通る磁束が変化する。その結果、閉ルー
プの周囲に起電力(「EMF」)が誘導される。ディス
ラプタ170は導線であるため、渦電流が生成され、そ
の大きさはEMFを該ディスラプタ170が形成された
材料のループに沿った抵抗で割った値に等しい。
【0050】このような渦電流は、変圧器の磁心に発生
することが多い。変圧器では、このような渦電流は、電
力損につながりまた熱を発生してその熱を発散させる必
要があるため望ましくない。しかし、本実施形態にあっ
ては、渦電流の存在を利用して好ましい結果が得られて
いる。
【0051】他に特に断わらない限り、図4および図5
における測定は、測定軸300との関係で定義される。
「長さ」は、通常、測定軸300に平行に伸びる寸法を
さし、「幅」は、通常、読み取りヘッド164の基板の
面内で測定軸300に対して垂直に伸びる寸法をさす。
第一のレシーバ巻線178によって形成される二つの隣
接するループ191または第二のレシーバ巻線179に
よって形成される二つの隣接するループ192が占める
距離は、読み取りヘッド164のピッチまたは波長19
3として定義される。一つのループ191または192
が占める距離は、波長193の二分の一に等しい。各デ
ィスラプタ170が占める距離302も、好ましくは波
長193の二分の一に等しい。第一のレシーバ巻線17
8と第二のレシーバ巻線179の間が四分の一波長だけ
ずらされていることによって、直交位相で信号が生成さ
れる。したがって、スケール104に対する読み取りヘ
ッド164の移動の方向を観察することができる。さら
に、ディスラプタ170の一つの縁から隣接するディス
ラプタ170の対応する縁までの距離は、好ましくは波
長193に等しい。ディスラプタがすべてほぼ同じであ
る場合には、縁から縁までの距離304が波長193の
整数「K」倍であることは理解されよう。この場合に
は、各レシーバ巻線の長さが波長193の「N*K」倍
であることがのぞましい。ただし、Nはやはり整数であ
る。図5に示すように、第一のレシーバ巻線178は、
ループ191の正弦状パターンを有する。第一のレシー
バ巻線178は、一方向に正弦状またはジグザグのパタ
ーンに配置され、さらに逆方向に配置された導線181
および182によって形成される。すなわち、導線18
1および182は、(電気的にではなく)物理的に互い
に交差してループ191を形成している。あるいは、ル
ープ191は、ループ状の絶縁線をループに沿って角度
を規則的に増やしながら時計回りまたは半時計回りに捩
じることで形成することが可能である。第二のレシーバ
巻線179の構成も、この第一のレシーバ巻線178と
同じである。
【0052】ループ191が交差する構成のため、隣接
するループ191は、実効的な巻きの方向が互いに異な
ることになる。トランスミッタ巻線180を通って流れ
る交番電流によって、第一のレシーバ巻線178を通っ
て伸びる均一で時間によって変化する磁場が生成され
る。この時間によって変化する磁場は、第一のレシーバ
巻線178の中にEMFあるいは時間によって変化する
電流を生成する。すなわち、レシーバ巻線178は、特
別の磁束センサとして機能する。隣接するループ191
が互いに異なる方向に巻かれているため、隣接するルー
プ191に生成されるEMFおよび電流は、第5図に
「+」と「−」の記号で示すように交番の極性をもつこ
とになる。
【0053】ループ191は、各々がほぼ同じ面積を内
包する。したがって、「+」のループ191aの数が
「−」のループ191bの数と等しくまたループ191
が均一な磁束を受ける場合には、磁場が第一のレシーバ
巻線178の端末185および187を通る正味ゼロの
EMFを誘導することになる。このことは、第二のレシ
ーバ巻線179にもあてはまる。
【0054】スケール104上のディスラプタ170ま
たは他の任意の導体が読み取りヘッド164の近くへ動
かされると、トランスミッタ巻線180によって生成さ
れた磁場がディスラプタ170または他の導体内に渦電
流を誘導する。その結果、ディスラプタの近くに磁場が
生成され、トランスミッタ巻線180によって生成され
た磁場を消そうとする。すなわち、渦電流は、ディスラ
プタ170に近いトランスの磁場を減衰する逆磁場を生
成する。
【0055】その結果、第一のレシーバ巻線178は、
空間的に変えられたまたは変成された磁場を受けること
になる。「+」ループ191aと「−」ループ191b
の作用が等しくないかぎり、レシーバ巻線178は、ゼ
ロでないEMF信号を出力する。その結果、出力端末1
85と187の間のEMFは、導電性ディスラプタ17
0が「+」ループ191aの近くから「−」ループ19
1bの近くまで移動するとその極性が変化することにな
る。
【0056】ディスラプタ170の大きさは、波長19
3に等しくないことが好ましい。仮に、ディスラプタ1
70の長さ302が波長193に等しくまたディスラプ
タ170の幅が幅195に等しいとすると、ディスラプ
タ170がループ191に対して測定軸300に沿った
どの位置にいるかにかかわりなく、隣接の「+」ループ
191aと「−」ループ191bの等しい面積にわたっ
てトランスミッタ磁場を破壊することになる。その結
果、レシーバ巻線178からのEMF信号出力の振幅
は、見かけ上ゼロになる。
【0057】さらに、レシーバ巻線178からの出力
は、ループ191に対する物体の位置に影響されない。
すなわち、出力は、測定軸に沿ったディスラプタ170
の位置にかかわりなくゼロである。この配列からは有用
な信号が得られないため、ディスラプタ170の大きさ
は、波長193に等しくないことが好ましい。ディスラ
プタ170の長さ302は、一波長193より大きくし
てもよい。しかし、ディスラプタの一波長193に等し
い部分は有用な信号強度に貢献しないため、ディスラプ
タ170の長さ302は、一波長193より小さいこと
が好ましい。
【0058】ディスラプタ170の長さ302が一波長
193(または波長193の整数倍)に等しくなけれ
ば、大部分の位置で、ループ191の等しくない「+」
と「−」の部分が破壊されることになる。すなわち、信
号出力は、ループ191に対するディスラプタ170の
位置に影響される。ディスラプタ170の長さ302が
波長193の二分の一に等しい場合、信号出力は、位置
の関数として大きい振幅の変化を示す。ディスラプタ1
70の長さが波長193の二分の一の場合、ディスラプ
タ170は、全「+」ループ191aまたは全「−」ル
ープ191bのいずれかを周期的にカバーするが、隣接
する「−」ループ191bまたは「+」ループ191a
のいかなる部分もカバーしない。すなわち、二分の一波
長の長さのディスラプタ170が最も強い信号を生成す
ることができる。
【0059】図4に示すように、ディスラプタ170
は、一波長193のピッチ(一つの縁から対応する隣接
の縁間での距離)でスケール104上に配置される。す
なわち、連続するディスラプタは、二分の一波長193
で隔てられている。好ましくは、ディスラプタ170
は、きわめて導電性が高いが強磁性ではない。すなわ
ち、ディスラプタ170は、磁化されずまた強磁性粒子
を引きつけない。第1図に示すように、第一の好ましい
実施形態にあっては、スケール104の長さが読み取り
ヘッド164の長さより大きい。すなわち、スケール1
04の長さがリニアスケール100の測定範囲を確定す
る。
【0060】図6は、第二の好ましい実施形態を示す
が、この実施形態にあっては、読み取りヘッド164と
変調器170の位置が逆転している。レシーバ巻線17
8および179(読み取りヘッド164上の斜線で示す
部分)とトランスミッタ巻線180(図示せず)は、キ
ャリア・ビーム102によって支持されている。ディス
ラプタ170は、簡素化されたスライダ・アセンブリ1
21の一部である。スライダ・アセンブリ121は、デ
ィスラプタ170が見えるように図示するために通常の
位置から回転した位置にあることに留意されたい。この
第二の実施形態にあっては、読み取りヘッド164と巻
線は、キャリア・ビーム102のほぼ全長に亘って伸び
ている。さらに、信号処理装置169が、キャリア・ビ
ーム102上の読み取りヘッド164と遠隔のデジタル
表示装置138に電子的に接続されている。信号処理装
置169は、基板162上に取り付けられた信号処理電
子回路166を含む。この第二の実施形態にあっては、
変調器ではなく読み取りヘッドの巻線が、長い範囲での
位置の基準として効果的に機能する。用途によっては、
この逆転した構成が小型でより好便に用いることができ
よう。ただし、多くの場合、遮蔽されない外部の電場お
よび磁場に関連してマイナスの影響が生じるため、能動
巻線を広範に用いることは避けるべきである。
【0061】リニアスケール100の第一の実施形態に
おいてもまた第二の実施形態においても、第一のレシー
バ巻線178のループ191は、好ましくはトランスミ
ッタ巻線180の内部の所定の域内に配置される。本発
明の発明者等が行なった実験の結果、トランスミッタ巻
線180が生成する磁場の強度は、トランスミッタ巻線
180の導線からの距離の関数として急速に低減するこ
とが明らかになった。しかし、発明者等の実験の結果で
は、また、トランスミッタ巻線180の内部の該域内の
トランスミッタ巻線180の導線から一定距離以上離れ
たところでは、磁場が均一の値に近づくことも明らかに
なった。
【0062】したがって、この一定の距離が比較的均一
の磁場を構成することになる。磁場が均一になる距離
は、巻線の形状の関数である。したがって、本発明の誘
導トランスデューサの精度を高めるためには、ループ1
91および192は、好ましくはトランスミッタ巻線1
80から一定距離だけ離される。第一および第二のレシ
ーバ巻線178および179のループ191および19
2は、さらに好ましくは完全に比較的均一な磁場の領域
内に配置される。
【0063】一つの実施形態にあっては、ディスラプタ
170、レシーバ巻線178および179、およびトラ
ンスミッタ巻線180は、下記の寸法とされる。
【0064】レシーバ巻線の波長=0.200インチ ディスラプタの長さ=0.100インチ ディスラプタの幅=0.490インチ トランスミッタ巻線の幅=0.400インチ レシーバ巻線の幅=0.340インチ レシーバの四分の一波長=0.050インチ トランスミッタ巻線の長さ=1.950インチ 「+」ループ191aと「−」ループ191bを正確に
釣り合わせまた交互に配置することによって、第一のレ
シーバ巻線178は、ディスラプタ170がない場合に
は見かけ上、ゼロ出力を示す。同時に、「+」ループ1
91aと「−」ループ191bを互いに隣接させて交互
に配置することによって、ディスラプタ170が測定軸
300に沿って移動するのに応じて、各レシーバ巻線の
出力で連続する信号が得られる。これらの設計上の諸要
因によって、リニアスケール100では高い信号/ノイ
ズ比が得られる。すなわち、これらの諸特徴によって、
高精度の測定が可能となる。
【0065】上述した読み取りヘッド164およびスケ
ール104の第一の好ましい実施形態の形状は、リニア
スケール100が高精度であることを保証するものであ
る。さらに、上に説明したリニアスケール100の第一
の好ましい実施形態の形状は、測定軸300に垂直な読
み取りヘッド164の幅方向に沿った非均等なトランス
ミッタ巻線の磁場の影響を大幅に除去するものである。
上述した形状は、また、本発明の誘導トランスデューサ
の均衡のとれた「差動検出」によって、外部から加えら
れる磁場を「コモン・モード・エラー」として排除する
ものである。誘導トランスデューサリニアスケール10
0の第一の好ましい実施形態の精度は、主として読み取
りヘッド164とスケール104の構成および構造に対
する配慮によるものである。
【0066】図7(A)−(C)は、誘導リニアスケー
ル100の動作の例を示す。スケール104とそのディ
スラプタ170(斜線で示す)がトランス180および
第一のレシーバ巻線178に対して移動すると、ディス
ラプタ170は、第一のレシーバ巻線178のすべての
「−」ループ191bをカバーするが、「+」ループ1
91aはなにもカバーしない。トランスミッタ巻線18
0は、誘導的にディスラプタ170に結合してその中に
渦電流を誘導する。その結果、ディスラプタ170は、
「−」ループ191bを通過するトランスの磁場を消そ
うとする。すなわち、「−」ループ191bを通過する
正味の磁束は、「+」ループ191aを通過する正味の
磁束より少なくなる。したがって、「−」ループ191
bは、「+」ループ191aより誘導EMFの生成が少
なくなる。その結果、第一のレシーバ巻線178は、そ
の出力端末185および187を通る正味で「正」の極
性の電流と電圧を生成する。
【0067】図7(A)は、第一のレシーバ巻線191
の「−」ループ191bをすべてを覆うが「+」ループ
191aはまったく覆わない場合のディスラプタ170
を示す。トランスミッタ巻線180は、ディスラプタ1
70と誘導結合してディスラプタ170内に渦電流を誘
導する。その結果、ディスラプタ170は、「−」ルー
プ191bを通るトランスミッタ磁束の作用を消そうと
する。すなわち、「−」ループ191bを通る正味の磁
束は、「+」ループ191aを通る正味の磁束より少な
い。このため、「−」ループ191bが生成する誘導E
MFは、「+」ループ191のそれより小さい。その結
果、第一のレシーバ巻線178は、その出力端末185
および187を通る正味で「正」の極性の電流および電
圧を生成する。
【0068】トランスミッタ巻線180が時間によって
変化する磁場を生成するため、出力信号は、時間ととも
に変化する。この入力信号に対して時間によって変化す
る出力信号の振幅および極性が、読み取りヘッド164
とスケール104の間の相対位置を示す。図7(C)
は、読み取りヘッド164に対するスケール104の位
置の変化に応じて出力信号の振幅と極性がどのように変
化するかを示す。
【0069】図7(C)に示す波形の最初のピークは、
第一のレシーバ巻線178の端末185および187を
通る正の極性の振幅をもつ出力の例である。極性は、入
力信号に対する時間によって変化する出力信号の時間位
相を示す。出力信号の極性は、入力信号に対して同位相
かまたは逆位相(180°の位相ずれ)である。
【0070】図7(B)は、ディスラプタ170がすべ
ての「+」ループ191aには重なるが「−」ループ1
91bには何も重ならないようにスケール104を動か
す場合を示す。この相対位置では、ディスラプタ170
内に生成される誘導電流は、「−」ループ191bを通
過するトランス磁場の磁束を消すように作用する。すな
わち、「−」ループ191bは、「+」ループ191a
より多くの誘導EMFを生成する。その結果、第一のレ
シーバ巻線178は、その出力端末185および187
で正味で負の極性の極性の電流および電圧を生成する。
図7(C)に示す波形の最初の谷は、第一のレシーバ巻
線178の端末185および187を通る負の極性の振
幅をもつ出力の例である。
【0071】図7(A)に示すように、ディスラプタ1
70が完全に「−」ループ191bに重なると、その結
果得られる出力信号は、図7(C)の波形のピークで示
すように最大の正の振幅をもつようになる。逆に、図7
(B)に示すように、ディスラプタ170が完全に
「+」ループ191aに重なると、その結果得られる出
力信号は、第7C図の谷で示すように最大の負の振幅を
もつようになる。
【0072】ディスラプタ170が図7(A)に示す位
置と図7(B)に示す位置の間を測定軸300に添って
移動すると、図7(C)の波形の振幅が連続的に変化す
る。とくに、ディスラプタ170が正確に「+」ループ
191aおよび「−」ループ191bの各半分に重なる
ときには、図7(C)の波形の振幅がゼロとなる。ディ
スラプタ170がこの位置から図7(A)および(B)
に示す位置に近づくように移動すると、レシーバ出力信
号の振幅は、それぞれ正および負に増大する。
【0073】図4に示す読み取りヘッド164の第一の
好ましい実施形態は、互いにスケール波長193の四分
の一だけ隔てられた二つのレシーバ巻線178および1
79を有する。すなわち、第二のレシーバ巻線179
は、第一のレシーバ巻線178に重なるが、スケール波
長193の四分の一だけずらされている。したがって、
第二のレシーバ巻線179の各「+」ループ192a
は、第一のレシーバ巻線178の「+」ループ191a
の一部分と「−」ループ191bの一部分に重なる。同
様に、第二のレシーバ巻線179の各「−」ループ19
2bも、第一のレシーバ巻線178の「+」ループ19
1aの一部分と「−」ループ191bの一部分に重な
る。
【0074】第一のレシーバ巻線178を第二のレシー
バ巻線179から電気的に隔離するために、絶縁および
交差路が基板162の上または中に適当に配置される。
第一および第二のレシーバ巻線178および179をス
ケール波長の四分の一だけ離すことによって、第一およ
び第二のレシーバ巻線178および179からの信号が
空間的に直交位相を示す。すなわち、レシーバ巻線17
8および179からの信号振幅の出力は、位置の関数と
して正弦状パターンを構成する。とくに、第二のレシー
バ巻線179の正弦状パターンは、第一のレシーバ巻線
178の正弦状パターンに対して空間的に90°ずらさ
れる。その結果、信号処理および表示電子回路166
は、各レシーバ巻線178および179からの信号の間
の遷移を検出する。この関係を分析することによって、
信号処理および表示電子回路166は、読み取りヘッド
164がスケール104に対して移動する方向を判別す
る。上に説明したように、巻線178による信号出力の
振幅は、スケール104に対する読み取りヘッド164
の位置にもとづいて正弦状に変化する。このため、信号
処理および表示電子回路166は、下記の式によってス
ケール104に対する読み取りヘッド164の位置を判
別する。
【0075】
【数1】 ただし、pは、位置、λは、スケール波長193、n
は、移動した全波長193の数を示す整数、S1および
S2は、それぞれレシーバ巻線178および179から
受け取った出力信号の振幅および符号、「tan-1
は、S1とS2の比の関数としてゼロと2πの間の角度
を定義する逆正接関数である。S1およびS2の符号
が、表1にもとづいて角度がどの象限にあるかを画定す
る。
【0076】
【表1】 リニアスケール100の精度を高め、および/または、
レシーバ出力信号のためのアナログ信号処理回路に対す
る要求を減らすために、読み取りヘッド164は、三以
上の重なり合うレシーバ巻線を含むものとすることがで
きる。三以上の重なり合うレシーバ巻線を有する読み取
りヘッド164は、製造が困難であるが、一定の信号処
理法と組み合わせると、二つの重なり合うレシーバ巻線
のみを有する読み取りヘッド164より正確に位置の読
み取りを行なうことができる。このような多重巻線読み
取りヘッドは、等しい位相のずれを示すことが好まし
い。例えば、巻線の数がmの場合、位相nのずれは、1
80°/mとなる。
【0077】図8は、信号処理および表示電子回路(出
力処理表示回路)166をより詳細に示す図である。こ
の信号処理および表示電子回路166は、上記式1を解
いてリニアスケール100の電子回路の作動を制御す
る。図1および図2に示すように、信号処理および表示
電子回路166は、スライダ・アセンブリ120の一部
として基板162上に取り付けられている。また、第2
図には、スイッチ134および136と公知のデジタル
表示部138を含むデジタル表示装置139も示されて
いる。位置測定の初期設定を行なうため、信号処理およ
び表示電子回路166は、電気励起信号を読み取りヘッ
ド164のトランスミッタ巻線180へ供給する(図8
参照)。
【0078】図8に示すように、信号処理および表示電
子回路166は、プログラムされたマイクロプロセッサ
またはマイクロコントローラおよび周辺集積回路素子を
使用する。ただし、信号処理および表示電子回路166
は、ASICまたは他の集積回路、離散素子回路などの
配線式電子または論理回路、PLD、PLA、またはP
ALなどのプログラマブルな論理素子などの上に実装す
ることもできる。一般的に、本明細書に記載の信号処理
および表示機能を実施することのできる装置をサポート
する任意の素子を使用すれば、信号処理および表示電子
回路166を実装することができる。
【0079】信号処理および表示電子回路166は、好
ましくはマイクロプロセッサ226を含む。マイクロプ
ロセッサ226は、A/Dコンバータ224からの信号
を入力する。マイクロプロセッサ226は、制御信号を
生成して表示部138、A/Dコンバータ224、スイ
ッチ225、信号発生器200、および遅延回路219
へ出力する。遅延回路219の出力は、第一のサンプル
−ホールド回路217および第二のサンプル−ホールド
回路218の制御入力へ入力される。
【0080】第一および第二のサンプル−ホールド回路
217および218の各出力は、スイッチ225の入力
端の一つに接続される。スイッチ225の出力は、A/
Dコンバータ224の入力に接続される。第一および第
二のサンプル−ホールド回路217および218への入
力端は、それぞれ、第一および第二のレシーバ巻線17
8および179の出力端185および188へ接続され
る。
【0081】第一および第二のレシーバ巻線178およ
び179のそれぞれの他の出力端187および186は
接地される。信号発生器200の出力端は、トランスミ
ッタ巻線180の端197へ接続される。トランスミッ
タ巻線180の他の端198もまた接地される。
【0082】位置の測定を行なうために、信号処理およ
び表示電子回路166は、読み取りヘッド164のトラ
ンスミッタ巻線180へ電気励起信号を供給する。
【0083】図8に示すように、第一のサンプル−ホー
ルド回路217は、スイッチ225の端の一つに接続さ
れたバッファ増幅器216を有する。第一のレシーバ巻
線178の出力端185は、スイッチ221を介してバ
ッファ増幅器216の入力に接続される。スイッチ22
1の制御端は、表示回路219に接続されてサンプル−
ホールド制御信号を入力する。コンデンサ230は、バ
ッファ増幅器216の入力端末に接続される。
【0084】第二のサンプル−ホールド回路218のバ
ッファ増幅器222、スイッチ223、およびコンデン
サ232は、それぞれ、表示回路219、スイッチ22
5の他の端末、第二のレシーバ巻線179の出力端末1
88、に接続される。
【0085】図8に示すように、マイクロプロセッサ2
26は、信号発生器200のトランジスタ210のゲー
トに接続される。電源電圧V+は、バイアス抵抗212
を介してトランジスタ210のドレインに接続される。
トランジスタ210のソースは接地される。
【0086】コンデンサ214とトランスミッタ巻線1
80によってLC直列回路が形成される。LC直列回路
は、トランジスタ210のドレインに接続される。トラ
ンジスタ210がオフのとき、コンデンサ214は、抵
抗212を介して電源電圧V+に接続されて電源電圧V
+に充電される。電源電圧は、好ましくは電池などの適
当な電源(図示せず)によって供給される。電源V+、
トランジスタ210、抵抗212、およびコンデンサ2
14は、全体で、信号処理および表示電子回路166の
信号発生回路200の第一の好ましい実施形態を形成す
る。
【0087】トランジスタ210をオンするため、マイ
クロプロセッサ226は、トランジスタ210のゲート
に短いパルスを供給する。トランジスタ210がオンす
ると、コンデンサ214は、トランジスタ210を介し
て接地される。コンデンサの電圧は瞬間的に変化するこ
とができないので、コンデンサ214とトランスミッタ
巻線180の間のノードAの電圧は、負の値に変わる。
【0088】つぎに、コンデンサ214とトランスミッ
タ巻線180がコンデンサ214のキャパシタンスとト
ランスミッタ巻線180のインダクタンスによってきま
る周波数で互いに共振する。
【0089】レシーバ出力信号の各サンプリング周期
中、コンデンサ214の放電とそれに続く再充電が行な
われる。リニアスケール100の第一および第二の好ま
しい実施形態では低電力の誘導電流トランスデューサが
用いられるため、サンプリング周波数としては約1kH
zが好ましい。コンデンサ214は、好ましくは1nF
の値をもち、電源電圧V+は、好ましくは3Vとする。
【0090】電源電圧V+によって得られる電荷(クー
ロン)は、コンデンサのキャパシタンスとコンデンサの
前後の電圧の積に等しい(クーロン=ファラッド*ボル
ト)。したがって、コンデンサ214が蓄える電荷は、
コンデンサ214のキャパシタンス1nFとコンデンサ
の前後の電圧3Vの積、すなわち3nCに等しい。
【0091】コンデンサは、各サンプリング周期ごとに
放電および再充電を行なう。この周期は、1kHzのサ
ンプリング率で1m秒である。さらに、電流は、電荷割
る時間(アンペア=電荷/秒)である。したがって、一
サンプリング間隔中に電源から引き出される平均の電流
は、3nC/1m秒=3μAである。3マイクロアンペ
アは、電池から電力を得るトランスデューサであっても
きわめて小さい電流である。
【0092】実際には、サンプリング周波数を好ましく
は十分に高くし、トランスデューサが測定の間に四分の
一波長以上移動しないようにする。波長が0.2インチ
(5.08mm)、移動中の最大許容誤差が四分の一波
長(1.27mm)の場合、最大許容速度は1.27m
/秒である。これより高い速度を得るため、あるいはこ
の速度での最大誤差を低減するため、サンプリング率を
高めることもできる。あるいは、サンプリング率を高め
るよりは、分析回路に公知の二次位置追従子を含めるこ
ともできる。
【0093】このようにして選ばれた回路構成のため、
信号発生器200は、レシーバ巻線178および179
の端185−188を通る強い出力信号(最大約60m
V)を断続的に供給することができる。ただし、本発明
の回路およびトランスデューサの構成のためまた駆動信
号が短いパルスであり低いデューティサイクルで作動す
るため、1kHzというのぞましい大きさのサンプリン
グ率でも、平均電流はきわめて小さくなる。電池または
太陽電池で電力を得る電子スケールが商品として実用性
をもつためには、平均電流が小さいことが求められる。
【0094】電力消費を低く抑えるためには、トランジ
スタ210に加えられる入力パルスをできるだけ短くし
て、バイアス抵抗212を介して失われる電荷を最小限
に抑える必要がある。上に説明した例では、パルス長が
1μ秒で、抵抗が10kΩの値をもつ場合、抵抗212
を通る平均電流は、わずかに0.3μAである。一般的
に、本発明では、コンデンサ214を充電するために用
いられる平均電流は、好ましくは75μA以下、より好
ましくは10μA以下である。図8に示すように、コン
デンサ230および232は、それぞれレシーバ巻線1
78および179に電気的に並列に接続される。コンデ
ンサ230および232のキャパシタンスは、レシーバ
巻線178および179のインダクタンスと共振回路を
形成する。これらの共振回路の共振周波数がトランス共
振回路の共振周波数と同じ場合には、レシーバ巻線から
の信号出力の強度が高められ、信号から不要なノイズが
濾過される。
【0095】誘導子としてのトランスミッタ巻線180
とコンデンサ214が共振LC回路を形成するため、ノ
ードAで測定される過渡電圧は、第9図に示すように崩
壊的共振変化を示す。過渡電圧信号は、トランスミッタ
巻線180内に対応する電流を生じる。この電流が、つ
ぎに、レシーバ巻線178および179のループ191
および192に対して垂直な変動磁束を生成する。
【0096】レシーバ巻線178および179は、各々
が二つの導線部分を有する。図8に示すように、これら
の部分は、第一のレシーバ巻線178に関しては0°と
180°に対応し、また第二の巻線179に関しては9
0°と270°に対応する空間位相位置に配置される。
すでに述べたように、スケール104とディスラプタ1
70を配置することによって、ディスラプタ170内に
電流が誘導される。この誘導電流からの場が、レシーバ
巻線178および179内に正味のEMFを生じる。
【0097】図8の角度の表示(0°、90°、180
°、270°)は、公称位置に対する巻線178および
179の異なる部分の位置に対応する。例えば第一のレ
シーバ巻線178の二つの半分を直列に接続すると、デ
ィスラプタ170が0°の位置にあるときに第一のレシ
ーバ巻線178の出力の電圧が一つの極性をもつように
なる。ディスラプタ170が180°の位置にあるとき
には、第一のレシーバ巻線178の出力の電圧は、反対
の極性をもつようになる。
【0098】レシーバ巻線178および179からの信
号は、信号処理および表示電子回路166へ送られる。
信号処理および表示電子回路166は、これらの信号を
分析して、リニアスケール100によって測定される距
離を判別する。つぎに、信号処理および表示電子回路1
66は、公知の接続方法によって表示装置138へ接続
されて駆動信号を供給し、さらに測定された距離のデジ
タルな読み出しを供給する。
【0099】図10(A)−(C)は、図9に示すトラ
ンスミッタ巻線の過渡電圧励起に応答して第一のレシー
バ巻線178の出力を通って誘導される電圧を示す。と
くに、図10(A)−(C)は、第一のレシーバ巻線1
78のループ191に対するディスラプタの三つの異な
る位置に関する誘導電圧を示すものである。レシーバ信
号の振幅および位相は、レシーバ巻線178または17
9に対するスケール114の位置に依存する。
【0100】図10(A)に示すレシーバ信号は、点B
でピーク振幅を示す。このピーク振幅は、スケールとレ
シーバ巻線178または179の間の相対位置が最大振
幅の信号を生じることを示している。本発明の発明者等
は、トランスミッタ巻線180のインダクタンスが0.
5μH、コンデンサ214のキャパシタンスが1nF、
隙間174が約0.5mm、電源電圧V+が3Vの場
合、点Bでの最大レシーバ出力信号が約60mVとなる
ことを実験で確かめた。コンデンサ214とトランスミ
ッタ巻線で形成されるLC直列回路は、約7MHzの共
振周波数を有する。
【0101】図10(B)は、スケール104が図10
(A)に示すレシーバ信号を生成する相対位置から波長
193の四分の一動かされたときのレシーバ信号を示
す。図10(B)に示すように、第一のレシーバ巻線1
78とディスラプタ170の間の相対位置は、点Bで振
幅がゼロのレシーバ出力信号を生成する。この信号は、
各ディスラプタ170がレシーバ巻線178のために隣
接する「+」ループ191aと「−」ループ191bの
等しい面積に重なる位置に対応している。
【0102】図10(C)は、スケールがさらに波長の
四分の一だけ同じ方向に移動し、ず図10(A)に示す
レシーバ信号を生成する相対位置から全部で波長193
の二分の一移動した場合を示す。この相対位置では、デ
ィスラプタ170は、(A)に対応するループ191と
は反対の極性のループ191に重なる。したがって、第
一のレシーバ巻線178は、点Bで最大の負の振幅を示
すレシーバ信号を生成する。
【0103】図11(A)−(G)は、信号処理および
表示電子回路166のさまざまな点に存在する信号を示
す。(D)および(E)に示すように、ディスラプタ1
70は、ループ191および192に対して、レシーバ
巻線178および179が出力するレシーバ信号が等し
くまた反対になるような位置に配置される。レシーバ巻
線178および179が出力するこれらの等しく反対の
レシーバ信号出力は、それぞれ信号処理および表示電子
回路166のサンプル−ホールド回路217および21
8に入力される。
【0104】図11(A)は、マイクロプロセッサ22
6がトランジスタ210のゲートに出力する送信制御信
号を示す。この(A)に示すように、送信制御信号は、
tの持続時間を有する。図11(B)は、その結果、ト
ランスミッタ巻線180に与えられる振動トランス信号
を示す。
【0105】図11(C)は、遅延回路219が出力す
るサンプル−ホールド制御信号を示す。遅延回路219
は、(A)に示すマイクロプロセッサ226からの送信
制御信号を入力して同時にサンプル−ホールド制御信号
の生成を開始する。サンプル−ホールド信号の持続時間
は、分析または実験により、回路およびトランスデュー
サ設計パラメーターにもとづいて選定される。とくに、
この持続時間は、(A)および(C)に示すように、サ
ンプル−ホールド制御信号の立ち下がりエッジが、点B
に達するレシーバ信号の振幅と時間的にできるだけ近く
で一致するように選定される。遅延回路219から出力
されるサンプル−ホールド制御信号に応答して、第一お
よび第二のサンプル−ホールド回路217および218
は、それぞれ第一および第二のレシーバ巻線178およ
び179からの信号をサンプリングする。
【0106】サンプル−ホールド制御信号は、トランス
ミッタ巻線180に与えられる送信信号の開始とほぼ同
時にスイッチ221および223を閉じる。第一および
第二のレシーバ巻線178および179が出力する信号
は、図11(F)および(G)に示すようにそれぞれコ
ンデンサ230および232に現れる。
【0107】サンプル−ホールド制御信号は、見かけ
上、時間Bと一致するように選ばれた時間にゼロに戻
り、スイッチ221および223が開く。この瞬間のコ
ンデンサ230および232の前後での電圧が保持され
る。通常、サンプリングされた電圧は、ゼロの交点を除
いて(D)および(E)に示すレシーバ信号が持続する
任意の時点で保持することができる。時間Bは、好まし
いホールド時間で、レシーバ信号の最大強度が得られる
ときに発生する。
【0108】図11(B)および(C)に示すように、
これは、共振応答のピークに対応する。時間Bは遅延回
路219によって設定される。この遅延回路は、例え
ば、送信制御信号によって起動する単安定フリップフロ
ップである。
【0109】サンプリングされた電圧は、高入力インピ
ーダンス・バッファ増幅器216および222への入力
である。バッファ増幅器216および222は、利得を
与えまたコンデンサ221および223を隔離してコン
デンサ221および223がその電荷を失うのを防ぐ。
バッファ増幅器216および222は、それぞれ、レシ
ーバ巻線178が出力するレバー信号に対応する信号S
1およびレシーバ巻線179が出力するレシーバ信号に
対応する信号S2を出力する。セレクタ・スイッチ22
5は、バッファ増幅器216または222の出力を交互
にA/Dコンバータ224に結合する。A/Dコンバー
タ224は、アナログ信号S1およびS2をデジタル信
号に変換する。
【0110】マイクロプロセッサ226は、A/Dコン
バータ224からのデジタル信号を入力し、測定位置を
計算し、表示装置138に適当な信号を出力する。マイ
クロプロセッサ226は、上記式(1)で定義された方
法を含めてさまざまな方法のいずれかを用いてスケール
104の位置を評価することができる。
【0111】表示ボタン論理、システム制御論理、一波
長を越える移動の分析、および他の通常の電子スケール
機能は、ミツトヨ、ブラウン&シャープ、シルヴァッ
ク、スタレットなどが製造しているような公知の誘導電
子スケールの場合と同様にして提供されることが好まし
い。計算された測定位置は、市販の誘導リニアスケール
の場合と同様な適当な接続(図示せず)によって他のシ
ステムに出力することもできる。例えば、計算された測
定データは、統計的処理制御システムあるいは遠隔測定
表示装置に出力することもできる。
【0112】信号処理および表示電子回路166は、該
信号処理および表示電子回路166の素子を基板162
に実装して容易にリニアスケールに組み込むことができ
る。場合によっては、公知の多層印刷回路基板を採用
し、基板の内部層を用いて信号処理および表示電子回路
166のノイズを生成する敏感な部品の間に公知の地板
シールディング(図示せず)を配設することもできる。
このようにすれば、これらの素子の間の電子信号の不要
な相互作用をなくすことができる。
【0113】図11(A)−(G)に示すように、送信
制御信号は、共振応答の数ピークの間、高いレベルにと
どまっている。しかし、図12(A)−(G)に示すよ
うに、十分な期間の後にトランジスタ210をオフにし
て、コンデンサ電圧のサンプリングができるようにする
こともできる。トランジスタ210は、サンプリング期
間を越えてオンにとどまっている必要はない。
【0114】すなわち、共振回路がその蓄えたエネルギ
ーを発散させる前にトランジスタ210をオフにして、
電力を保存することができる。好ましくは、図12
(A)に示すように、トランジスタ210は、コンデン
サ214の前後の電圧がその最初の値のできるだけ近く
に戻ったときの時間Cにオフにされる。上に述べた好ま
しい実施形態にあっては、最初の値は、電池の電圧V+
である。
【0115】連続する送信制御パルスの間には、コンデ
ンサ214を完全に再充電できるための十分な時間を用
意する必要があることを理解しなければならない。通
常、コンデンサ214と抵抗212を含む回路が時定数
Tc を有する場合、連続する送信制御パルスの間に許さ
れる時間すなわち駆動信号のパルス間隔は、時定数Tc
の少なくとも4倍なければならない。
【0116】図13は、信号発生器200の第二の好ま
しい低電力実施形態を示す。信号発生器200の第一の
実施形態にあっては、トランジスタ210がオンされる
ときにバイアス抵抗212を通ってエネルギーが失われ
る。信号発生器200の第二の好ましい実施形態は、ト
ランジスタ210にバイアスをかけるためにバイアス抵
抗212に代わって能動プルアップ・スイッチ240を
用いてこのエネルギーの損失のかなりの部分をなくすも
のである。プルアップ・スイッチ240が開くと、その
抵抗がバイアス抵抗212の抵抗よりはるかに大きくな
るため、このエネルギー損が最小限に抑えられる。
【0117】能動プルアップ・スイッチ240は、ま
た、コンデンサ214の迅速な充電を可能にする。すな
わち、スイッチ240のオン抵抗が低いため、第8図に
示す信号発生器の第一の好ましい実施形態と比較してサ
ンプリング率を大きくすることができる。信号発生器2
00の第二の好ましい実施形態にあっては、スイッチ2
40とトランジスタ210は一対の同期制御信号によっ
て制御される。
【0118】マイクロプロセッサ226は、制御スイッ
チ240およびトランジスタ210へのスイッチ制御信
号入力を生成する。スイッチ240へのスイッチ制御信
号は、トランジスタ210への送信制御信号が低レベル
のときには高レベルである。この状態では、スイッチ2
40が閉じられ、コンデンサ214がトランスミッタ巻
線180を介してV+へ充電される。トランジスタ21
0への送信制御信号が低レベルとなり、トランジスタ2
10がオフにされる。
【0119】この構成は、スイッチ240とトランジス
タ210が同時の導通状態になるのを防ぐ。これによっ
て、電池から大量の電流が引き出されるのが防がれ、電
池の寿命が保たれる。
【0120】コンデンサ214が充電されると、制御ス
イッチ信号がスイッチ240を開く。その後、トランジ
スタ210への送信制御信号によってトランジスタ21
0がオンとなる。スイッチ240とトランジスタ210
が同時に導通状態にならないように、スイッチ240が
オフになった後までトランジスタ210はオフのままに
される。
【0121】トランジスタ210がオンにされると、コ
ンデンサ214が接地される。充電されたコンデンサ2
14とトランスミッタ巻線180が共振回路を形成す
る。コンデンサ214が充電されるため、トランスミッ
タ巻線180の前後の電圧は、図9に示すように共振す
る。
【0122】トランスミッタ巻線を通る対応する電流
も、レシーバ巻線178および179を通る変動磁場を
生成する。つぎに、ディスラプタ170が、正味信号を
レシーバ巻線178および179の中に誘導する。遅延
回路219は、すでに述べたようにトランジスタ210
への送信信号に関連してサンプル−ホールド回路を制御
する。正味信号の振幅および符号は、レシーバ巻線17
8および179に対するディスラプタ170の位置に依
存する。
【0123】高いQ値は、共振回路内の低いエネルギー
損に対応する。高いQ値が望ましいのは、コンデンサ2
14の前後の電圧が電池電圧V+の近くまで戻るためで
ある。したがって、図12(A)および図14に示すよ
うに送信制御信号が時間Cでオフにされると、コンデン
サ214の前後の電圧Vpeakは、電池電圧V+よりわず
かに低いだけとなる。すなわち、電池は、つぎの送信/
受信サイクルの準備のためのコンデンサ214の再充電
には、わずかな電荷のみを供給すればよいことになる。
【0124】図12(F)および(G)に示すように、
時間Cで送信制御信号をオフにしても、トランジスタ2
10がサンプリング時間Bの後までオンされているた
め、コンデンサ230および232上のサンプリング信
号は影響を受けない。
【0125】リニアスケールトランスデューサを逆向き
に使用する、すなわち巻線178および179を介して
送信し、巻線180を介して受信あるいは磁束の検出を
行なうことも可能である。図15は、この使用モードの
ためのエンコーダ電子回路を示す。図16は、制御信号
のタイミングを示す信号タイミング図である。
【0126】以下に説明しまた図16に示すように、ま
ず巻線178および179の一つから信号を送信し、送
信された信号を巻線180を介して受信し、つぎに巻線
178および179の他の一つから巻線180へ第二の
信号を送信し、リニアスケール上のトランスデューサの
位置を判別するために必要な情報を得ることができる。
【0127】二つの信号発生器(図示しない)を備える
ことは可能であるが、実際には、発生器内の個別の電子
部品の相違のために、十分によくマッチした信号発生器
を製造することは困難である。さらに、二つのトランス
(例、巻線178および179)から同時に信号を送信
して巻線180を介して受信することは可能であるが、
そのような情報を用いてリニアスケール上のトランスデ
ューサの位置を判別するためには、位相分析を含む信号
処理が必要となり、本用途の範囲を越えてしまう。した
がって、以下に説明する方法は、第一の信号を巻線17
8および179の一つから送信させ、その後に巻線17
8および179の他の一つから第二の信号を送信させる
信号発生器200に関するものである。
【0128】図15において、マイクロプロセッサ22
6は、セレクタ制御信号で三つのセレクタ・スイッチ3
24、326、および328を制御する。セレクタ制御
信号が高レベルになると、スイッチ326および328
は図15に示す位置へ動かされる。これらの位置では、
巻線178は信号発生器へ接続され、巻線180はサン
プル−ホールド回路217へ接続される。サンプル−ホ
ールド制御信号も、同じくサンプル−ホールド回路21
7へ送られる。つぎに、マイクロプロセッサ226が、
信号発生器200および遅延回路219へ送信制御パル
スを出力する。したがって、信号S1 がサンプリングさ
れてスイッチ221およびコンデンサ230によって保
持される。
【0129】マイクロプロセッサ226は、つぎに、セ
レクタ制御信号を低レベルへ変える。これによって、ス
イッチ326および328がそれぞれの他の位置へ動か
される。したがって、巻線179は信号発生器200へ
接続され、巻線180はサンプル−ホールド回路218
へ接続される。サンプル−ホールド制御信号は、また、
サンプル−ホールド回路218へも送られる。マイクロ
プロセッサ226は、新しい送信制御信号を信号発生器
200および遅延回路219へ出力する。したがって、
信号S2 がサンプリングされてスイッチ223およびコ
ンデンサ232によって保持される。信号処理のその他
の部分は、図8に関連して説明したのと同様である。
【0130】図15に示すエンコーダ電子回路では、単
一の信号発生器が用いられ、トランスミッタ巻線178
および179へ交互に接続される。各々がトランスミッ
タ巻線178および179の一つに接続された二つの信
号発生器を使用することもできる。
【0131】マイクロプロセッサ226は、公知の補間
ルーチンと一つのレシーバ巻線のみを用いて二分の一波
長193内での絶対位置測定の判別を行なうことができ
る。例えば、図17に示すように、マイクロプロセッサ
226は、点387および388でのレシバー信号の振
幅と極性を比較して、第一の位置d1と第二の位置d2
の間を識別することができる。
【0132】点387は、V1の電圧値をもち、点38
8は、V2の電圧値をもつ。位置d3は、図17に示す
レシーバ信号内の点389に対応する。点389は、点
387と同じ電圧値V1をもつ。したがって、マイクロ
プロセッサ226は、補間法を用いて第一の位置d1と
第三の位置d3の間の相対位置の差を判別することがで
きない。
【0133】上に述べた好ましい実施形態では、マイク
ロプロセッサ226が、式1に示す公知の直交位相信号
分析法にもとづいて、第二のレシーバ巻線279からの
信号を用いてこのようなあいまいさを解消する。一波長
以上の移動では、マイクロプロセッサ226が、公知の
方法にもとづいて既知の始動位置から通った波長の数を
検出して累積し、それによって読み取りヘッド164と
スケール104の相対位置を判別する。
【0134】マイクロプロセッサ226は、約1kHz
のサンプリング周波数でパルスを供給し、十分な精度と
移動記録能力を確保する。電力消費を低減するため、マ
イクロプロセッサ226は、また、パルスを比較的短く
してデューティサイクルを低く保つ。例えば、上に述べ
た1kHzのサンプリング周波数では、通常のパルス幅
は約0.1−1.0μ秒である。すなわち、サンプリン
グ周期が1m秒のパルスのデューティサイクルは0.0
1%−0.1%である。
【0135】コンデンサ214および巻線180の共振
周波数は、好ましくはコンデンサ214の前後の電圧の
ピークが遅くとも1.0μ秒のパルスの終わる前にあら
われるように選定される。すなわち、共振周波数は、数
メガヘルツ程度である。したがって、対応する磁束は、
1MHz以上の周波数、通常は、数メガヘルツの周波数
で変調される。これは、公知の誘導トランスデューサの
周波数よりはかなり高い。
【0136】本発明の発明者等は、これらの周波数で
は、ディスラプタ170内に発生する渦電流が磁束に強
い破壊作用を及ぼすことを明らかにした。レシーバ巻線
178および179の出力EMFは、したがって、ディ
スラプタの位置の変化に強く反応する。このような反応
は、パルス信号の低いデューティサイクルおよび低い消
費電力にもかかわらず生じる。反応の強さは、低いデュ
ーティサイクルおよび低い消費電力と組み合わされて、
信号発生器200および信号処理および表示電子回路1
66の他の部分が平均電流を消費している間でもリニア
スケール100が測定を行なうことを可能にする。平均
電流は、好ましくは200μA以下、より好ましくは7
5μA以下である。ここで使用する「平均電流」とは、
キャリパーが普通に使用されているときに、一以上の測
定サイクルで消費される合計電荷を該一以上の測定サイ
クルの持続時間で割った値を意味する。
【0137】したがって、リニアスケール100は、市
販の小型電池または太陽電池3個以下を使用して、適当
な電池の寿命を保ちながら使用することができる。
【0138】増分式トランスデューサの場合には、トラ
ンスデューサ信号がサンプリングされる率は、毎秒約1
000サンプルである。このように大きいサンプリング
率が求められるのは、スライダ・アセンブリ120が迅
速に移動するとき通過する波長の数を記録するためであ
る。しかし、マイクロプロセッサ226は、表示装置1
38の測定値を毎秒約10回程度更新すればよい。した
がって、マイクロプロセッサ226およびA/Dコンバ
ータ224が、毎秒1000サンプルの中の大部分に対
する高解像度での位置測定の任務から解放されれば、リ
ニアスケールの電力消費は、さらに低減することができ
る。これは、高解像度位置測定を行なうことなく通過し
たスケール波長の数を記録することによって行なうこと
ができる。
【0139】図18は、波長トラッカ320が波長数を
記録するエンコーダ電子回路の例を示す。波長トラッカ
は、きわめてわずかな電力しか消費しない。波長トラッ
カを用いれば、マイクロプロセッサ226は、高解像度
位置測定を行なわないときにはスリープ・モードに入る
ことができ、したがって表示装置138の更新を行なわ
ず、そのため電力消費を節減することができる。送信/
受信シーケンサー322は、公知の回路手段によって信
号発生器200およびサンプル−ホールド回路217お
よび218のために制御信号を生成する。送信/受信シ
ーケンサ322は、また、波長トラッカ320のために
ストローブ・パルスを生成し、マイクロプロセッサ22
6へ表示更新制御信号を出力する。
【0140】波長トラッカ320は、二つのアナログ比
較器310および312、直交位相カウンタ318、お
よび制御論理装置314を含む。比較器310および3
12は、信号S1 およびS2 のゼロ交点を検出する。比
較310および312の各々には、基準電圧VREF が入
力される。比較器の出力状態は、該比較器の出力が安定
したときに波長トラッカー・ストローブからの指令にも
とづいて直交位相カウンター318に読み込まれる。直
交位相カウンター318は、通過した全波長の数をカウ
ントする。直交位相カウンター318は、アップ/ダウ
ン・カウンタである。直交位相カウンタ318は、信号
S1 およびS2 が同じ直交位相にあるため、スライダ・
アセンブリ120の移動の方向を検出する。すなわち、
これらの信号は、互いに90°位相がずらされている。
直交位相カウンター318は、当業者には公知の回路で
ある。直交位相カウンターは、例えば、光学ロータリー
・エンコーダおよびリニアスケールの位置を検出するた
めに広く用いられている。
【0141】波長トラッカ320の整数の波長カウント
がマイクロプロセッサ226のそれと異なる場合には、
電子スケールは、マイクロプロセッサ226のカウント
ではなく波長トラッカ320のカウントを使用する。た
だし、一波長以下の増分の測定には、マイクロプロセッ
サが優先する。
【0142】制御論理装置314は、適当なとき、例え
ば上に述べたようにスライダ・アセンブリ120が迅速
に移動しているときに、マイクロプロセッサ226をス
リープ・モードと能動モードの間で遷移させる。制御論
理装置314は、また、スライダ120が指定された時
間移動しなかったとき、マイクロプロセッサ226を能
動モードからスリープ・モードへシフトさせるためにも
用いることができる。その後、スライダ120が移動を
開始したとき、制御論理装置314を用いて、再びマイ
クロプロセッサ226をスリープ・モードから能動モー
ドへシフトさせることもできる。当業者は、電力消費を
低減するために、制御論理装置314を用いて、マイク
ロプロセッサ226を能動モードからスリープ・モード
へ適当にシフトさせるための他の方法があることも理解
されよう。
【0143】波長トラッカには、スライダ120が波長
または直交位相の遷移に近いときにエッジ・ジッタによ
る測定の誤りを防ぐためにデバウンス・トラッカ(図示
せず)も含まれている。デバウンス論理は、公知であ
り、また当業者には明らかであろう。
【0144】図19は、送信/受信シーケンサ322か
らの信号出力および関連する信号の信号タイミング図で
ある。図20は、送信制御信号および表示更新制御信号
を示す。
【0145】マイクロプロセッサ226は、表示装置1
38を更新すると(例えば、毎秒10回)、「ゼロ」位
置から通過した波長の数を計算する。また、直交位相カ
ウンタ318から、通過した全波長の数を読み出す。つ
ぎに、マイクロプロセッサ226が、信号S1 およびS
2 に基づいて通過した部分の波長を計算する。(信号S
1 およびS2 は、その前にA/Dコンバータ224によ
ってデジタル信号に変換されている)。端数の波長が完
全な波長の数に加えられ、その結果に波長を掛けて表示
装置へ送られる位置の値が得られる。
【0146】送信/受信シーケンサ322は、トランス
デューサ信号のサンプリングを制御し、波長トラッカ
は、A/Dコンバータ224またはマイクロプロセッサ
226からの援助なしに通過した波の数をカウントす
る。この実施形態にあっては、リニアスケールは、リニ
アスケールがオフになったとき、マイクロプロセッサ2
26、A/Dコンバータ224、および表示装置138
をオフにするだけで、したがってサンプリング回路と波
長トラッカ318は能動状態にしたままで、「疑似絶
対」型にすることができる。リニアスケールがオフの
間、波長トラッカは、能動状態にとどまる。すなわち、
波長トラッカは、リニアスケールがオフにされる間にそ
の位置が動かされた場合でも、リニアスケールが配置さ
れる波長の位置に関する情報を提供する。したがって、
リニアスケールが再びオンにされると、該リニアスケー
ルの高解像度測定および表示機能がオフにされたにもか
かわらず、最初の「ゼロ」の位置を基準にしてリニアス
ケールの位置が計算されて表示される。
【0147】図21および図22は、本発明の電子リニ
アスケール100の第三の好ましい実施形態を示す。
【0148】この第三の実施形態にあっては、第22図
に示すように、ディスラプタ170は、導体ビーム10
2’内に一体形成される。導体ビーム102’の上面が
エッチングされまたは機械加工されて等間隔に配置され
た溝220が形成され、導体ビーム102’の立ち上が
った部分が生じる。導体ビーム102’の上方に突出す
る立ち上がった部分が、ディスラプタ170を形成す
る。導体ビーム102’の上面の上方に絶縁層172が
形成され、ディスラプタ170および溝220を覆う。
読み取りヘッド164の絶縁コーティング167と絶縁
層172の間には空気の隙間174が配設される。この
空気の隙間174の大きさは、第一の実施形態と同じす
なわち0.5mm程度である。
【0149】図21に示すように、リニアスケール10
0を使用するための電力は、カバー114内に取り付け
られた通常の太陽電池227から引き出され、公知の手
段(図示せず)によって信号処理電子回路166へ送ら
れる。太陽電池(図示せず)のためには、透明は保護カ
バーを使用することが好ましい。公知の太陽電池は、市
販されている部品であり、低電力誘導トランスデューサ
リニアスケール100を使用するための適当な電力を供
給してくれる。あるいは、太陽電池をデジタル表示装置
139上に取り付けることもできる。このようにすれ
ば、スライダ・アセンブリ120近辺の高い汚染濃度を
避けることができる。
【0150】上に説明したリニアスケール100の第
一、第二、および第三の実施形態は、読み取りヘッド1
64と相互に作用して測定信号を供給する磁束ディスラ
プタ170を含むものである。
【0151】図23および図24に示す第四の実施形態
にあっては、磁束ディスラプタ170の代わりに磁束エ
ンハンサ170’が用いられる。磁束エンハンサ17
0’は、レシーバ巻線178および179の隣接する部
分を通る磁束を「高める」あるいは増大させるものであ
る。
【0152】以下に説明することを除いて、図23およ
び図24に示すリニアスケール100の第四の好ましい
実施形態は、第一、第二、または第三の好ましい実施形
態の読み取りヘッドの形状、回路、および機械的構成の
いずれをも使用することができる。いずれの場合でも、
磁束ディスラプタ170の代わりに磁束エンハンサ17
0’が用いられる場合には、磁束が破壊されるのではな
く高められる。
【0153】すなわち、磁束ディスラプタ170が用い
られる場合に生じる効果に対して、磁束エンハンサ17
0’が使用される場合には、磁束密度が増大して得られ
る信号の極性が逆転する。いずれの場合でも、磁束エン
ハンサ170’または磁束ディスラプタ170は、磁束
を空間的に変調する。
【0154】図23および図24に示すエンハンサ型リ
ニアスケール100は、フェライトなどの透磁率の高い
物体を読み取りヘッド164の近くで移動させて磁束を
高めるものである。磁束エンハンサ170’は、トラン
スミッタ巻線180によって生成される変化する磁場の
ために磁気抵抗率の低い通路を供給する。その結果、レ
シーバ巻線178および179が受ける磁束は、磁束エ
ンハンサ170’の近辺で変えられあるいは高められ
る。これによって、レシーバ巻線178および179
は、非ゼロEMF信号を出力する。
【0155】その結果、磁束エンハンサ170’が、各
々、波長193の二分の一に等しい長さをもつ場合に
は、レシーバ巻線178および179の出力端末185
−188で測定した信号は、磁束エンハンサ170’が
レシーバ巻線178の「+」および「−」ループ191
aおよび191bおよびレシーバ巻線179の「+」お
よび「−」ループ192aおよび192bの間を移動す
るのに応じて、その極性および振幅が変化する。すなわ
ち、第四の好ましい実施形態のエンハンサ型リニアスケ
ール100は、上に述べたリニアスケール100の第
一、第二、および第三の好ましい実施形態で用いるディ
スラプタ170で得られる信号の行動と完全に類似した
形で作動する。
【0156】エンハンサ170’のような透磁性の高い
物体が読み取りヘッド164に対して動かされると、レ
シーバ巻線178および179を通る高い磁束密度の領
域は、ループ191および192の連続するものと相互
に作用し合う。レシーバ巻線178および179からの
信号出力の信号のAC振幅は、「+」ループ191aお
よび192aの磁束エンハンサ170’が重なる面積と
「−」ループ191bおよび192bの磁束エンハンサ
170’が重なる面積の差に依存する。
【0157】磁束エンハンサ170’が測定軸300に
添って移動すると、「+」ループ191aおよび192
aの重なる面積と「−」ループ191bおよび192b
の重なる面積の間の連続的な関係のために、レシーバ巻
線178および179からの信号出力のAC振幅も連続
的に変化する。図4に示すように、レシーバ巻線178
の「+」および「−」ループ191aおよび191bと
レシーバ巻線179の「+」および「−」ループ192
aおよび192bの周期的交番と磁束エンハンサ17
0’の寸法および配置のために、信号も波長193とと
もに周期的に変化する。
【0158】レシーバ巻線178および179からの信
号出力は、レシーバ巻線178および179に対する磁
束エンハンサ170’の移動にもとづいた滑らかで、連
続的で、正弦状の形状を有する。連続する信号は、リニ
アスケール100が長い距離にわたって正確な位置の読
み取りを行なうことを可能にする。
【0159】図23および図24に示すリニアスケール
100の第四の好ましい実施形態にあっては、スケール
104は、基板168’に沿って間隔を置いて配置され
る複数の磁束エンハンサ170’を含む。磁束エンハン
サ170’は、高い透磁性を有する直方形の部材であ
る。磁束エンハンサ170’は、例えばフェライトなど
の非導電性で抵抗の大きい材料から形成される。磁束エ
ンハンサ170’は、また、磁化されておらず、したが
って強磁性粒子を引きつけない。
【0160】基板168’は、好ましくは、磁束エンハ
ンサ170’の材料より透磁率のかなり低い材料から形
成される。磁束ディスラプタ170と同様、磁束エンハ
ンサ170’は、好ましくは、波長193の二分の一に
等しい長さを持ち、一波長193に等しいピッチで配置
される。磁束エンハンサ170’の厚さは、好ましくは
1.5mm程度である。得られる信号強度は、ディスラ
プタ型リニアスケール100に匹敵する。
【0161】磁束エンハンサ170’は、1.5mmよ
り厚くすることもあるいは薄くすることもできるが、厚
い磁束エンハンサ170’では信号強度が大きくなる。
磁束エンハンサ170’の実際の厚さは、望ましい信号
強度と材料および製造コストのかね合いで決定される。
【0162】基板168’は、好ましくは、第一および
第二の好ましい実施形態と同様に非導電性である。ただ
し、基板168’は、製造にあたっての事情から多少と
も導電性のものであってもよい。図20、図23、およ
び図24に示す磁束エンハンサ170’は、ビーム10
2および基板168’とは異なる材料から形成される。
ただし、リニアスケール100の第三の好ましい実施形
態の場合と同様に、磁束エンハンサ170’をビーム1
02’と一体に形成することも可能である。この場合に
は、磁束エンハンサ170’は、該磁束エンハンサ17
0’を形成するビーム102’の材料部分の透磁率を変
える工程によって形成される。
【0163】図25に示すように、リニアスケール10
0の第五の好ましい実施形態にあっては、磁束エンハン
サ170’は、ビーム102’の立ち上がったあるいは
突出した部分として形成される。好ましくは、突出した
部分を形成するためには表面ならい法が用いられる。す
なわち、第22図に示すリニアスケール100の第三の
実施形態と同様に、ビーム102’と同じ材料から磁束
変調器が一体に形成される。ただし、この場合には、そ
れらは磁束エンハンサ170’である。
【0164】磁束エンハンサ170’が読み取りヘッド
164にきわめて近接しているため、磁束エンハンサ1
70’の近傍での磁束に対する磁気通路の磁気抵抗は減
少する。この作用は、図23および図24に示す第四の
好ましい実施形態の基板168’、磁束エンハンサ17
0’、および空間の間の透磁率の変化に匹敵する。した
がって、リニアスケール100の第五の好ましい実施形
態は、図23および図24に示すリニアスケール100
の第四の好ましい実施形態とほぼ同様に作動する。
【0165】図26に示すリニアスケール100の第六
の好ましい実施形態にあっては、ビーム102’(また
は基板168’)は、アルミナなどの透磁性の低い複数
のセグメント233およびそれと交番するフェライトな
どの透磁率が高く抵抗の大きい複数のセグメント234
を含む。これによって、ビーム102’または基板16
8’は、接着された一連の交番するセグメント233お
よび234によって形成され、その結果、材料の交番ス
タックが形成される。比較的透磁率が高くまた非導電性
のセグメント234が、磁束エンハンサ170’を画定
し、透磁の低いセグメント233より磁気抵抗の低い通
路を供給する。
【0166】透磁率の低いセグメント233が、例えば
銅または真鍮などの導電性材料から形成することができ
ることは、理解されよう。この場合には、透磁率の低い
セグメントは、ディスラプタ170でもある。したがっ
て、ビーム102’または基板168’は、磁束ディス
ラプタ233’と磁束エンハンサ234の二種類の磁束
変調器を含むものとなる。
【0167】すなわち、図27に示すように、磁束エン
ハンサ170’(234)と磁束ディスラプタ170
(233’)をビーム102’または基板168’の表
面に添って交互に配置することができる。リニアスケー
ル100のこの第七の好ましい実施形態にあっては、デ
ィスラプタ170(233’)およびエンハンサ17
0’(234)がレシーバ信号にあたえる作用は、大ま
かにいって加算的であって、いずれかの型の磁束変調器
を単独で用いる場合より強い信号が生成される。
【0168】図28は、基部102’または基板16
8’上に磁束ディスラプタ170(233’)および磁
束エンハンサ170’(234)を配設することができ
ることを示す。さらに、第三または第五の実施形態と同
様、磁束ディスラプタ170(233’)または磁束エ
ンハンサ170’(234)には、図29および図30
に示すように基部102’または基板168’を一体に
配設することもできる。この場合には、磁束ディスラプ
タ170(233’)および磁束エンハンサ170’
(234)の他方のものは、溝220内に挿入される。
【0169】第一、第二、および第三の好ましい実施形
態の磁束ディスラプタ型リニアスケールに関して上に述
べたすべての形状設計原理および回路は、もちろん、第
四ないし第七の実施形態の磁束エンハンサ型リニアスケ
ールに使用して、リニアスケールの該第一ないし第三の
好ましい実施形態の高い精度や他の効果を得ることがで
きる。磁束エンハンサ170’を磁束ディスラプタ17
0の代わりに使用する場合には、上記した読み取りヘッ
ドの各種の形状ならびに上記に開示した回路および機械
的構成をすべて用いて、先行技術の「エンハンサ型エン
コーダ」の精度を大きく改善することができる。上に説
明した低電力回路技術は、その低電力消費効果を保持し
ながら磁束エンハンサ170’に使用することができ
る。
【0170】以上、本発明の具体的な実施形態および例
を図示して説明したが、本発明の精神および範囲を逸脱
することなく各種の等価な変更をおこなうことができ
る。例えば、レシーバ巻線178および179に関して
正弦状ループ191および192を図示して説明した
が、あたえられた読み取りヘッド内での異なる位相のた
めの異なる形状を含めて他のさまざまな形状を使用して
効果を挙げるすることができる。
【0171】同様に、二種類の空間的磁束変調器として
ほぼ直方体の導電性棒と直方体の透磁性棒を図示して説
明したが、他の形状を使用することもできる。これらの
形状が移動の関数として正弦状でない出力信号を生じる
場合でも、ルックアップ表を用いるかまたは当業者には
公知の他の手段によって実際の関数を設定することがで
きる。同様に、本明細書で説明した位置計算式も、公知
の信号処理法にもとづいて修正または置換することがで
きる。
【0172】当業者は、また、サンプリング周波数も、
のぞましい精度と測定される距離の最大予想変化率に応
じて上に述べたより高くまたは低く設定できることを理
解されよう。
【0173】また、上で説明した空間処理および表示電
子回路166は、分析回路の例を示すものであって、当
業者は、トランスミッタ巻線180を駆動しレシーバ巻
線178および179からの信号を検出するために他の
回路を使用できることを理解されよう。また、当業者
は、上に述べた対称性および電磁性の原理によって、す
でに述べたようにトランスミッタ巻線180およびレシ
ーバ巻線178および179の機能的役割を反転できる
ことも理解されよう。
【0174】当業者は、さらに、高周波信号を取り扱う
電子部品はトランスデューサにできるだけ近く配置する
ことが好ましく、低周波信号を取り扱う電子回路はトラ
ンスデューサから離して配置できることも理解されよ
う。高周波電子回路としては、例えば、トランスミッタ
巻線の駆動およびレシーバ巻線からの信号の検出に用い
る回路が挙げられる。低周波電子回路の例としては、サ
ンプル−ホールド回路より後段の回路を挙げることがで
きる。とくに、トランスデューサ励起周波数が1MHz
以上の場合には、少なくとも信号発生回路および復調回
路は、読み取りヘッド164のきわめて近くに(あるい
は必要ならばその上に)配置する必要がある。同様に、
サンプル−ホールド回路も読み取りヘッド164の上に
配置することがのぞましい場合がある。
【0175】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
苛酷な工場および現場環境で使用することのできる電子
スケールを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係る低電力誘導位置トランスデュー
サを含む電子リニアスケールを示す図である。
【図2】 リニアスケールのスライダと関連するデジタ
ル表示装置の展開図である。
【図3】 図1のa−a線に添って切ったリニアスケー
ルのスライダおよびビームの断面図である。
【図4】 誘導位置トランスデューサ用読み取りヘッド
のトランス巻線およびレシーバ巻線と対応するディスラ
プタ・スケール素子のレイアウトを示す平面図である。
【図5】 図1のレシーバの巻線の一つの交番ループを
示す平面図である。
【図6】 キャリア・ビーム上にレシーバおよびトラン
スの巻線を有する本発明の第二の好ましい実施形態の展
開図である。
【図7】 スケールの上におかれたレシーバ巻線におい
て、スケールがレシーバ巻線の第一の部分に結合された
状態と、スケールがレシーバ巻線の第二の部分に結合さ
れた状態と、レシーバ巻線がスケールの位置に対して移
動するときのレシーバからの出力信号の振幅および極性
と、を示す図である。
【図8】 電子リニアスケールの第一および第二の実施
形態に用いられるエンコーダ電子回路のブロック図であ
る。
【図9】 電圧と信号発生器からの共振信号出力に要す
る時間の関係を示す特性図である。
【図10】 電圧とレシーバ巻線からの信号出力に要す
る時間の関係と、電圧とスケールと主ビームの間の相対
位置が四分の一波長移動した時の時間の関係と、電圧と
スケールと主ビームの間の相対位置が二分の一波長移動
した時の時間の関係と、を示す図である。
【図11】 エンコーダ電子回路内の選ばれた位置での
電圧を示す信号タイミング図である。
【図12】 エネルギー損を減らすために制御信号の先
端を切り取った場合の第8図のエンコーダ電子回路内の
選ばれた位置での電圧を示す信号タイミング図である。
【図13】 信号発生器の第二の好ましい実施形態の回
路図である。
【図14】 電圧と図13の信号発生器内のコンデンサ
を横切って得られる信号に要する時間の関係を示す特性
図である。
【図15】 図8のエンコーダ電子回路と比較して逆に
機能する電子リニアスケールのエンコーダ電子回路のブ
ロック線図である。
【図16】 サンプリング中の図15のエンコーダ電子
回路内の選ばれた位置での電圧を示す信号タイミング図
である。
【図17】 レシーバ巻線からくる電圧の振幅とスケー
ルの位置の関係を示す波形図である。
【図18】 波長トラッカを組み込んだ電子リニアスケ
ールのエンコーダ電子回路のブロック図である。
【図19】 サンプリング中の図18のエンコーダ電子
回路内の選ばれた位置での電圧を示す信号タイミング図
である。
【図20】 図18のエンコーダ電子回路内の選ばれた
位置での信号のタイミングを示す信号図である。
【図21】 本発明の電子リニアスケールの第三の好ま
しい実施形態を示す図である。
【図22】 リニアスケールの他の実施形態のトポグラ
フ的に形成されたディスラプタを示す図1のa−a線に
垂直な線に沿って切った側断面図である。
【図23】 エンハンサ型変調器を用いた本発明のリニ
アスケールの第四の好ましい実施形態のスケールを示す
図である。
【図24】 基部に支持されているエンハンサを示す図
23の24−24線に添って切った側断面図である。
【図25】 本発明のリニアスケールの第五の好ましい
実施形態のスケールの断面図である。
【図26】 本発明のリニアスケールの第六の好ましい
実施形態のスケールの平面図である。
【図27】 本発明のリニアスケールの第七の好ましい
実施形態のスケールの側断面図である。
【図28】 本発明のリニアスケールの第八の好ましい
実施形態のスケールの側断面図である。
【図29】 本発明のリニアスケールの第八の好ましい
実施形態のスケールの第一の変形例を示す側断面図であ
る。
【図30】 本発明のリニアスケールの第八の好ましい
実施形態のスケールの第二の変形例を示す側断面図であ
る。
【符号の説明】
100 誘導リニアスケール、102 細長いビーム、
104 スケール、120 スライダ・アセンブリ、1
39 デジタル表示装置、164 読み取りヘッド、1
68 プリント回路、170 磁束変調器(ディスラプ
タ、エンハンサ)、178 第一のレシーバ巻線(第一
の受信巻線)、179 第二のレシーバ巻線(第二の受
信巻線)、180 トランスミッタ巻線(送信巻線)。
フロントページの続き (72)発明者 キム ウェズレイ アサートン アメリカ合衆国 ワシントン州 カークラ ンド ワンハンドレッドトゥェンティファ ースト ストリート ノースイースト 7437

Claims (41)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 第一部材と、 前記第一部材が移動可能な測定軸を有する細長いビーム
    部材と、 駆動信号に応答し、磁束域内で変動磁束を発生する少な
    くとも1つの磁場発生器と、 前記磁束域内に配置でき、その近傍の変調域内で前記変
    動磁束を変更可能な少なくとも1つの磁束変調器と、 前記磁束域内に配置され、前記磁束域内の変動磁束を検
    出し、その検出された磁束に基づいて、それと前記少な
    くとも1つの磁束変調器との間の相対位置を示す出力信
    号を生成する少なくとも1つの磁束センサと、 を含み、 前記各磁場発生器および前記各磁束センサは、連続的な
    空間的に変調された誘導結合を形成することを特徴とす
    る電子スケール。
  2. 【請求項2】 請求項1記載の電子スケールにおいて、 a)各磁束センサおよびb)各磁場発生器の内の少なく
    とも1つは、極性域の交番パターンの中に設けられるこ
    とを特徴とする電子スケール。
  3. 【請求項3】 請求項2記載の電子スケールにおいて、 前記極性域の交番パターンは、導電性素子によって区分
    けされた正弦状区域を有することを特徴とする電子スケ
    ール。
  4. 【請求項4】 請求項記2載の電子スケールにおいて、 前記極性域の交番パターンの中に設けられる各磁場発生
    器および各磁束センサの一方は、前記第一部材および前
    記細長いビーム部材の一方の上に配置され、 少なくとも1つの磁束変調器は、前記第一部材および前
    記細長いビーム部材の他方の上に配置されることを特徴
    とする電子スケール。
  5. 【請求項5】 請求項4記載の電子スケールにおいて、 前記極性域の交番パターンの中に設けられない各磁場発
    生器および各磁束センサの他方は、前記第一部材および
    前記細長いビーム部材のいずれかの上に配置されること
    を特徴とする電子スケール。
  6. 【請求項6】 請求項1記載の電子スケールにおいて、 前記少なくとも1つの磁束変調器が存在しない状態で
    は、前記各磁束センサによって生成される出力信号が、
    各磁場発生器によって生成される変動磁束に影響されな
    いことを特徴とする電子スケール。
  7. 【請求項7】 請求項1記載の電子スケールにおいて、 前記少なくとも1つの磁束変調器は、a)磁束ディスラ
    プタおよびb)磁束エンハンサの内の1つを含むことを
    特徴とする電子スケール。
  8. 【請求項8】 請求項1記載の電子スケールにおいて、 前記各磁場発生器は磁場発生導体を含み、 前記各磁束センサは検出導体を含み、 前記各磁場発生器の磁場発生導体および前記各磁束セン
    サの検出導体は、薄い帯域内に配置されることを特徴と
    する電子スケール。
  9. 【請求項9】 請求項1記載の電子スケールにおいて、
    更に、 電力供給を行う低電力電源と、 前記電力を入力し、各測定サイクルの間において、前記
    磁場発生器の少なくとも1つに、断続的駆動信号を出力
    する駆動回路と、 前記各磁束センサからの出力信号を入力し、第一解像度
    レベルで、前記細長いビーム部材上の前記第一部材の位
    置を示す位置信号を出力する分析回路と、 を含むことを特徴とする電子スケール。
  10. 【請求項10】 請求項9記載の電子スケールにおい
    て、 前記駆動回路は、前記磁場発生器の少なくとも1つを介
    して放電されるコンデンサを含むことを特徴とする電子
    スケール。
  11. 【請求項11】 請求項10記載の電子スケールにおい
    て、 前記コンデンサおよび前記磁場発生器の少なくとも1つ
    が共振回路を形成することを特徴とする電子スケール。
  12. 【請求項12】 請求項9記載の電子スケールにおい
    て、 前記断続的駆動信号が少なくとも1つのパルス信号を含
    むことを特徴とする電子スケール。
  13. 【請求項13】 請求項9記載の電子スケールにおい
    て、 前記分析回路はカウンタを含み、 前記カウンタは、前記測定軸に沿う前記第一部材の動き
    に応答し、前記第一解像度レベルより粗い第二解像度レ
    ベルの解像度で、前記磁場センサから出力される少なく
    とも1つの出力信号のサイクルの部分をカウントするこ
    とを特徴とする電子スケール。
  14. 【請求項14】 請求項1記載の電子スケールにおい
    て、 前記少なくとも1つの磁場発生器によって生成される変
    動磁束が、少なくとも1MHzの振動周波数に等しいレ
    ートで変化することを特徴とする電子スケール。
  15. 【請求項15】 第一部材と、 前記第一部材が移動可能な測定軸を有する細長いビーム
    部材と、 電力供給を行なう低電力電源と、 前記供給される電力を入力し、断続的駆動信号を出力す
    る駆動回路と、 前記細長いビーム部材および前記第一部材に設けられ、
    前記駆動信号を入力し、前記細長いビーム部材上の前記
    第一部材の相対位置に応じて、少なくとも1つの検出信
    号を出力する誘導トランスデューサと、 前記少なくとも1つの検出信号を入力し、第一解像度レ
    ベルで前記細長いビーム上の前記第一部材の位置を示す
    出力信号を出力する分析回路と、 を有することを特徴とする電子スケール。
  16. 【請求項16】 請求項15記載の電子スケールにおい
    て、 前記駆動回路が前記誘導トランスデューサを介して放電
    されるコンデンサを含むことを特徴とする電子スケー
    ル。
  17. 【請求項17】 請求項16記載の電子スケールにおい
    て、 前記コンデンサおよび前記誘導トランスデューサが共振
    回路を形成することを特徴とする電子スケール。
  18. 【請求項18】 請求項15記載の電子スケールにおい
    て、 前記誘導トランスデューサの磁場が、前記断続的駆動信
    号に応答し、少なくとも1MHzの振動周波数に等しい
    レートで変化することを特徴とする電子スケール。
  19. 【請求項19】 請求項15記載の電子スケールにおい
    て、 前記断続的駆動信号が少なくとも1つのパルス信号を含
    むことを特徴とする電子スケール。
  20. 【請求項20】 請求項15記載の電子スケールにおい
    て、 前記分析回路はカウンタを含み、 前記カウンタは、前記第一解像度レベルより粗い第二解
    像度レベルで、前記細長いビームに沿った前記第一部材
    の動きに応答して誘導トランスデューサから出力される
    少なくとも1つの検出信号のサイクルの部分をカウント
    し、 前記カウンタは、前記細長いビーム上の前記第一部材の
    相対位置を提供することを特徴とする電子スケール。
  21. 【請求項21】 請求項記20載の電子スケールにおい
    て、 前記カウンタが大きくとも1/4サイクルの空間間隔で
    応答することを特徴とする電子スケール。
  22. 【請求項22】 請求項15記載の電子スケールにおい
    て、 前記誘導トランスデューサは、 前記続的駆動断信号に応答し、磁束域内で変動磁束を発
    生する少なくとも1つの磁場発生器と、 前記磁束域内に配置可能で、その近傍の変調域内で磁束
    を変更可能な少なくとも1つの磁束変調器と、 前記磁束域内に配置され、前記磁束域の磁束を検出し、
    少なくとも1つの検出信号を生成するセンサであって、
    前記検出した磁束に基づく各検出信号がそれと前記少な
    くとも1つの磁束変調器との間の相対位置を示す、少な
    くとも1つの磁束センサと、 を含み、 前記各磁場発生器および前記各磁束センサは、連続的な
    空間的に変調された誘導結合を形成することを特徴とす
    る電子スケール。
  23. 【請求項23】 請求項22記載の電子スケールにおい
    て、 a)各磁束センサおよびb)各磁場発生器の少なくとも
    1つは、極性域の交番パターンの中に設けられることを
    特徴とする電子スケール。
  24. 【請求項24】 請求項23記載の電子スケールにおい
    て、 前記極性域の交番パターンは、導電性素子に区分けされ
    た正弦状領域を有することを特徴とする電子スケール。
  25. 【請求項25】 請求項22記載の電子スケールにおい
    て、 前記少なくとも1つの磁束変調器が存在しない状態で
    は、前記各磁束センサによって生成される出力信号は、
    前記各磁場発生器によって生成される変動磁束に影響さ
    れないことを特徴とする電子スケール。
  26. 【請求項26】 請求項22記載の電子スケールにおい
    て、 前記少なくとも1つの磁場変調器は、a)磁束ディスラ
    プタおよびb)磁束エンハンサの少なくとも1つを含む
    ことを特徴とする電子スケール。
  27. 【請求項27】 請求項22記載の電子スケールにおい
    て、 前記各磁場発生器は、磁場発生導体を含み、 前記各磁束センサは、検出導体を含み、 前記各磁場発生器の磁場発生導体および前記各磁束セン
    サの検出導体は、薄い帯域内に配置されることを特徴と
    する電子スケール。
  28. 【請求項28】 請求項15記載の電子スケールにおい
    て、 前記分析回路が、各パルス間隔において粗い解像度レベ
    ルで相対位置の変化を判別し、また、複数のパルス間隔
    において一度だけ、より細かい解像度レベルで相対位置
    を判別することを特徴とする電子スケール。
  29. 【請求項29】 請求項15記載の電子スケールにおい
    て、 当該電子スケールが大きくとも200μAの平均電力を
    引き出すことを特徴とする電子スケール。
  30. 【請求項30】 リニアスケールを操作するための方法
    において、 前記リニアスケールは、 第一取り付け部材上に取り付けられ、測定軸を有するス
    ケール部材と、 前記スケール部材に隣接するように第二取り付け部材上
    に取り付けられ、前記第一取り付け部材と前記第二取り
    付け部材とが前記測定軸に沿って互いに相対移動可能で
    ある第一部材と、 前記第一部材および前記スケール部材の一方の上に配設
    される磁束センサと、 前記第一部材および前記スケール部材の他方の上に配設
    される磁束変調器と、 前記第一部材および前記スケール部材の一方の上に配設
    される磁束発生器と、 を含み、 前記各磁場発生器および前記各磁束センサは、連続的な
    空間的に変調された誘導結合を形成し、 当該方法は、 前記磁束域内で前記磁束発生器が変動磁束を生成する工
    程と、 前記第二取り付け部材に対する前記第一取り付け部材
    を、設定された基準位置に対する測定位置へ移動させ、
    前記磁束変調器が前記第一取り付け部材と前記第二取り
    付け部材との間の相対位置に対応して連続的な空間的に
    変調された誘導結合を更に変調する工程と、 前記磁束センサで前記更に変調された磁束を検出し、測
    定位置に対応する検出信号を生成する工程と、 前記磁束センサによって生成された検出信号をモニタす
    る工程と、 前記モニタした検出信号に応答して、前記設定された基
    準位置と前記測定位置の間の距離を判別する工程と、 を含むことを特徴とする方法。
  31. 【請求項31】 請求項30記載の方法において、 前記磁束センサがトランスミッタ巻線であり、 前記変動磁束を生成する工程が前記トランスミッタ巻線
    に駆動信号を供給する工程を含み、 前記駆動信号は前記トランスミッタ巻線を流れる変動電
    流を生じさせて、前記変動磁束を誘導することを特徴と
    する方法。
  32. 【請求項32】 請求項31記載の方法において、 前記トランスミッタ巻線に駆動信号を供給する工程が、 パルス状信号を生成するパルス発生器によって選ばれた
    パルス間隔で一連のパルスを生成する工程と、 前記パルス状信号を前記トランスミッタ巻線の入力端へ
    供給する工程と、 を含むことを特徴とする方法。
  33. 【請求項33】 請求項32記載の方法において、 前記磁束センサによって生成された検出信号をモニタす
    る工程が、前記検出信号を前記パルス状信号と同期して
    サンプリングする工程を含むことを特徴とする方法。
  34. 【請求項34】 請求項33記載の方法において、 前記検出信号を前記パルス状信号と同期してサンプリン
    グする工程が、 前記パルス状信号と、前記パルス発生器及び前記トラン
    スミッタ巻線によって形成される共振回路の応答のピー
    クと、の間の予想される遅延時間に基づいて、前記検出
    信号をサンプリングする工程を含むことを特徴とする方
    法。
  35. 【請求項35】 請求項32記載の方法において、 前記判別する工程が、 各パルス間隔において粗い解像度レベルで相対位置の変
    化を判別する工程と、 複数のパルス間隔に一度だけ、より細かい解像度レベル
    で、前記設定された基準位置と測定位置との間の距離を
    判別する工程と、 を含むことを特徴とする方法。
  36. 【請求項36】 請求項30記載の方法において、 更に、大きくとも200μAの平均電流で前記電子スケ
    ールを操作する工程を含むことを特徴とする方法。
  37. 【請求項37】 請求項30記載の方法において、 前記磁束発生器で変動磁束を生成する工程が、大きくと
    も75μAの平均電流を磁束発生器へ供給する工程を含
    むことを特徴とする方法。
  38. 【請求項38】 第一部材と、 前記第一部材が移動する測定軸を有するスケール部材
    と、 駆動信号に応答して磁束域内で変動磁束を発生する少な
    くとも1つの磁場発生器と、 前記磁束域内に配置可能で、それに近接する変調域内で
    変動磁束を変更可能な少なくとも1つの磁束変調器と、 前記磁束域内に配置され、前記磁束域内の変動磁束を検
    出し、検出した磁束に基づいて、それと前記少なくとも
    1つの磁束変調器との間の相対位置を示す出力信号を生
    成する少なくとも1つの磁束センサと、 を含み、 前記各磁場発生器および前記各磁束センサは、極性域の
    交番パターンを含む連続的な空間的に変調された誘導結
    合を形成し、 前記各出力信号は、実質的にトータルの重合領域のリニ
    ア関数として変化し、 前記重合領域は、空間的な変調された誘導結合を構成す
    る各磁場発生器及び各磁束センサの領域に対する、少な
    くとも1つの磁束センサの有効面に対し垂直に投影され
    た前記磁束域内の少なくとも1つの磁束変調器の最大断
    面積によって定義され、 対向する誘導結合極性の領域は反対の符号の領域として
    定義されることを特徴とする電子スケール。
  39. 【請求項39】 請求項38記載の電子スケールにおい
    て、 a)各磁束センサおよびb)各磁場発生器の少なくとも
    1つの領域は、選ばれた空間周波数で変調されて連続的
    な空間的に変調された誘導結合を構成することを特徴と
    する電子スケール。
  40. 【請求項40】 請求項38記載の電子スケールにおい
    て、 前記重合領域は、相対位置の関数として選ばれた空間周
    波数で、正弦関数として変化することを特徴とする電子
    スケール。
  41. 【請求項41】 固定体とその固定体に対して移動可能
    な可動体とを含む電子スケールにおいて、 前記固定体及び前記可動体の一方には、磁場発生手段お
    よび磁束検出手段が設けられ、 前記固定体及び前記可動体の他方には、前記磁場発生手
    段によって発生される磁場を変調するための磁束変調手
    段が設けられ、 前記磁束検出手段は、前記可動体の移動に従って前記磁
    束変調手段によって変調された磁束を検出し、 前記磁束検出手段の検出結果から、前記固定体に対する
    前記可動体の運動を分析する分析手段が設けられたこと
    を特徴とする電子スケール。
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