(57)【要約】【課題】プリント基板技術等を用いた導体パターンにより複数のコイルを形成し、これらのコイルを用いてリラクタンスの変化を交流磁束の振幅変化として検出する電磁誘導作用を利用した位置センサにおいて、より歪みの少ない変位信号を出力できるアブソリュートエンコーダを提供することにある。【解決手段】電磁誘導型位置センサは、位置検出対象物の相対移動方向にほぼ波長λで強弱を繰り返す交流磁束を受信して、前記位置検出対象物の相対移動に伴って変化する電磁誘導電圧を出力するコイル６を備える。コイル６は、同一形状で波長λの偶数個の導体パターン１１,１２,１３，１４，２１，２２，２３，２４を直列接続して構成される。また、この偶数個の導体パターンは、２組に等分割したときに、１組目の導体パターン１１，１２，２１，２２と２組目の導体パターン１３，１４，２３，２４との位相差がλ／６となる位置に配置される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
位置検出対象物の相対移動方向にほぼ波長λで強弱を繰り返す交流磁束を受信して、前記位置検出対象物の相対移動に伴って変化する電磁誘導電圧を出力するコイルを備えた電磁誘導型位置センサであって、
前記コイルは、同一形状で波長λの偶数個の導体パターンを直列接続して構成され、
前記偶数個の導体パターンは、当該偶数個の導体パターンを２組に等分割したとき、１組目と２組目の導体パターンの位相差がλ／６となる位置に配置されていることを特徴とする電磁誘導型位置センサ。
【請求項２】
位置検出対象物の相対移動方向にほぼ波長λで強弱を繰り返す交流磁束を受信して、前記位置検出対象物の相対移動に伴って変化する電磁誘導電圧を出力するコイルを備えた電磁誘導型位置センサであって、
前記コイルは、同一形状で波長λの偶数個の導体パターンを直列接続して構成され、
前記偶数個の導体パターンは、当該偶数個の導体パターンを２組に等分割したとき、１組目と２組目の導体パターンの位相差がλ／１０となる位置に配置されていることを特徴とする電磁誘導型位置センサ。
【請求項３】
位置検出対象物の相対移動方向にほぼ波長λで強弱を繰り返す交流磁束を受信して、前記位置検出対象物の相対移動に伴って変化する電磁誘導電圧を出力するコイルを備えた電磁誘導型位置センサであって、
前記コイルは、同一形状で波長λの偶数個の導体パターンを直列接続して構成され、
前記偶数個の導体パターンは、当該偶数個の導体パターンを２組に等分割したとき、１組目と２組目の導体パターンの位相差がλ／１４となる位置に配置されていることを特徴とする電磁誘導型位置センサ。
【請求項４】
位置検出対象物の相対移動方向にほぼ波長λで強弱を繰り返す交流磁束を受信して、前記位置検出対象物の相対移動に伴って変化する電磁誘導電圧を出力するコイルを備えた電磁誘導型位置センサであって、
前記コイルは、同一形状かつ波長λの４の倍数個の導体パターンを直列接続して構成され、
前記４の倍数個の導体パターンは、当該４の倍数個の導体パターンを４組に等分割したとき、１組目と２組目の導体パターンの位相差および３組目と４組目の導体パターンの位相差がλ／１０となり、１組目と３組目の位相差および２組目と４組目の導体パターンの位相差がλ／６となる位置に配置されることを特徴とする電磁誘導型位置センサ。
【請求項５】
請求項４に記載の電磁誘導型位置センサであって、
前記１組目から４組目までの４組の導体パターンは、相対移動方向に直交する方向に並べて配置されることを特徴とする電磁誘導型位置センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転又は直線的に相対移動する部材の、位置を電磁誘導作用により検出する電磁誘導型位置センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、工作機械の主軸等では軟磁性体から成る円筒形状の外周部にホブ加工等により歯車状の凹凸を付けたスケールを回転軸に固定し、スケール外周部のリラクタンス変化を電気信号に変換する位置センサが使用されている。このような位置センサは、位置検出に磁気を利用するため、水や油等に対する耐環境性に優れている。また、このような位置センサは、機械加工により多種の径サイズのスケールを容易に製造できるため、たとえば、工作機械の主軸のように多種類の外形サイズを必要とするため、同一外形サイズで多種類の貫通穴を必要とする用途に適している。
【０００３】
上記のような位置センサとしては、下記特許文献１に記載されている、プリント基板技術等を用いた導体パターンにより複数のコイルを形成し、これらのコイルを用いてリラクタンスの変化を交流磁束の振幅変化として検出する電磁誘導作用を利用した位置センサがある。
【０００４】
特許文献１に記載の技術について、図４を用いて説明する。導体パターンが形成されたプリント基板であるセンサ基板６０の１層目と２層目には、８対のλの波長をした正弦波状導体パターン４１と５１、４２と５２、４３と５３、４４と５４、４５と５５、４６と５６、４７と５７、４８と５８とが、図示しないスケールの移動方向に直交する方向に一定の間隔をおいて、またスケールの移動方向に一定の位相差π／４（λ／８）ずつ、ずれて順番に配置されている。
【０００５】
各パターンの接続を説明する。センサ基板６０の１層目と２層目の対となる正弦波状導体パターンを１組とし、上から下に順番に１組目から８組目とすると、１組目と６組目のパターン（４１，４６，５６，５１）の接続は、１組目の正弦波状導体パターン４１は、６組目の正弦波状導体パターン４６に基板左側で接続されており、６組目の正弦波状導体パターン４６は、基板右側の１層目と２層目の層間接続によりに２層目の正弦波状導体パターン５６に接続される。また、２層目の正弦波状導体パターン５６は図４では見えない２層目の基板左側パターンにより、正弦波状導体パターン５1に接続されている。
【０００６】
２組目と５組目のパターン（４２，４５，５５，５２）の接続は、１組目と６組目のパターン（４１，４６，５６，５１）とほぼ同じ接続構成である。また、１組目の正弦波状導体パターン５１は、基板右側の層間接続により２組目の正弦波状導体パターン４２に接続されることにより、１組目、６組目、２組目、５組目がすべて直列接続され、コイル６５を形成している。
【０００７】
また電磁誘導される信号は、正弦波状導体パターンの１組目と、６組目とは、正弦波形状の上下形状を逆とすることにより、導体パターンに流れる電流の向きは逆となり、かつ図４に示す直列接続を行うため、各パターンに発生する信号が加算される。ほぼ同様にして、３組目と４組目と、７組目と８組目の正弦波状導体パターンも直列接続されて、おりコイル６６を形成している。
【０００８】
以上の構成により、コイル６５と６６からは、スケールの回転位置に応じた出力信号を得ることができる。
【０００９】
【特許文献１】特開２００６−１７５３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上述した図４のセンサ基板６０の様に複数のコイルを用いた位置センサは、スケールの移動方向に位相差をもつ正弦波状導体パターンを連続して並べたため、それぞれの導体パターンが発生する電磁誘導電圧を合成した信号が得られる。このため、その平均化効果により位置変化に対する振幅変化の歪みを小さくすることができ、高精度な位置検出を行うことができる。この従来技術による位置検出方法でも、十分な精度が得られており、信号周期λの信号をおおよそ１００００分割する場合、位置検出誤差に換算すると、この誤差は、１０程度の誤差として現れるのみである。
【００１１】
しかしながら、さらに高精度な位置検出を行いたい場合は、実際の電磁誘導電圧を合成した信号には、３次、５次、７次の高調波成分が含まれているため、これ以上の高精度化が難しかった。
【００１２】
本発明は、上述のような事情から成されたものであり、本発明の目的は、電磁誘導電圧を合成した信号に３次、５次および７次の高調波成分を含まない、より高精度な電磁誘導型位置センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の電磁誘導型位置センサは、位置検出対象物の相対移動方向にほぼ波長λで強弱を繰り返す交流磁束を受信して、前記位置検出対象物の相対移動に伴って変化する電磁誘導電圧を出力するコイルを備えた電磁誘導型位置センサであって、前記コイルは、同一形状で波長λの偶数個の導体パターンを直列接続して構成され、前記偶数個の導体パターンは、当該偶数個の導体パターンを２組に等分割したとき、１組目と２組目の導体パターンの位相差がλ／６、または、λ／１０、または、λ／１４となる位置に配置されていることを特徴とする。
【００１４】
他の本発明である電磁誘導型位置センサは、位置検出対象物の相対移動方向にほぼ波長λで強弱を繰り返す交流磁束を受信して、前記位置検出対象物の相対移動に伴って変化する電磁誘導電圧を出力するコイルを備えた電磁誘導型位置センサであって、前記コイルは、同一形状かつ波長λの４の倍数個の導体パターンを直列接続して構成され、前記４の倍数個の導体パターンは、当該４の倍数個の導体パターンを４組に等分割したとき、１組目と２組目の導体パターンの位相差および３組目と４組目の導体パターンの位相差がλ／１０となり、１組目と３組目の位相差および２組目と４組目の導体パターンの位相差がλ／６となる位置に配置されることを特徴とする。この場合、前記１組目から４組目までの４組の導体パターンは、相対移動方向に直交する方向に並べて配置されることが望ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の電磁誘導型位置センサは、正弦波形状の導体パターンの位相をλ/６あるいはλ/１０あるいはλ/１４ずらした配置とし、また直列接続することにより、信号の３次５次７次の高調波成分をキャンセルする事ができるため、位置の変位に対して高い精度でほぼ正弦波の信号振幅変化を得ることが可能である。この結果、分割演算によりもとめた位置に含まれる誤差を削減でき、高精度な位置センサを実現できる。また、移動方向にたいして、垂直方向に位置をずらして配置することにより、単位面積あたりの正弦波状導体パターンを、高密度に配置可能であり、電磁誘導電圧による起電圧を大きくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面に基づいて本発明の実施形態を説明する。図１は、電磁誘導型位置センサの実施形態を示す斜視図である。図２は、図１のセンサ基板８のコイル形状を示す図である。図３は、図１の電磁誘導型位置センサからの信号を処理する信号処理回路の一例を示すブロック図である。
【００１７】
スケール２は円筒形状をした軟磁性体である鉄材等からできており、回転軸１に固着されている。また、スケール２はその外周部に歯車状のほぼλピッチの３６個の凹凸を有している。コイル４が巻かれた電磁石５は、フェライト等の高周波特性の良い軟磁性体などからできている。コイル４は、図３に示すタイマー３８が発生した励磁パルス信号ＥＸを元に波形整形回路３６を介して正弦波励磁信号ＶＥＸに波形整形される。さらに、正弦波励磁信号ＶＥＸは電流増幅器３２に入力される。電流増幅器３２は、正弦波励磁信号ＶＥＸを増幅して、コイル４へ正弦波の交流励磁電流Ｉ・ＳＩＮ（ωｔ）を流す。これにより、電磁石５は、スケール２の凹凸面に向けて、交流の磁束を発生する。この時、スケール２の表面付近では、その表面の凹凸によるリラクタンス変化に応じて、スケール２の回転方向に、ほぼ波長λのピッチで強弱を繰り返す交流磁束を発生する。すなわち、この電磁石５とスケール２が、位置検出対象物（回転軸１）の移動方向にほぼ波長λの強弱を繰り返す交流磁束を発生する交流磁束発生手段として機能する。
【００１８】
センサ基板８は、電磁石５とスケール２の外周面に挟まれるように配置され、スケール２とは一定のギャップをおいて電磁石５側に固定されている。センサ基板８は、２層構造のプリント基板からできており、表面層である１層目の導体パターンと２層目の導体パターン（図２において破線で図示）がシート状の絶縁材を介して固定され、これらの導体パターンを層間接続することによって、２種類のコイル、すなわち、コイル６とコイル７が形成されている。
【００１９】
コイル６は図２において上半分に図示された８個の導体パターン（１１，１２，１３，１４，２１，２２，２３，２４，）から構成され、またコイル７は図２において下半分に図示された８個の導体パターン（１５，１６，１７，１８，２５，２６，２７，２８）から構成される。
【００２０】
各導体パターンは、正弦波形状となっている。また、１層目と２層目の同位置に形成された正弦波状導体パターンは、互いに逆位相の形状となっている。つまり、センサ基板８の１層目と２層目には、互いに逆位相をした対となる正弦波状導体パターン（１１と２１、１２と２２、１３と２３、１４と２４、１５と２５、１６と２６、１７と２７、１８と２８）が、配置されている。
【００２１】
センサ基板８に形成された８組の導体パターンは、互いに、スケール２の移動方向に直交する方向に所定の間隔をおいて配置されている。また互いに逆位相をした対となる正弦波状導体パターンは、コイル６の場合は基板左側で、コイル７の場合は基板右側で、正弦波形状以外の導体パターンおよび層間接続により接続され１組の導体パターンを形成している。
【００２２】
次に一つのコイルを構成する４組の導体パターンの接続について説明する。コイル６はセンサ基板８の上半分に形成された４組の導体パターン（１１と２１、１２と２２、１３と２３、１４と２４）を接続することで構成される。すなわち、導体パターン１１と２１により構成される１組目の導体パターンは、基板右側にて、導体パターン２１と導体パターン１２に接続され、２組目の導体パターンに直列接続される。さらに、２組目の導体パターンは、導体パターン２２と導体パターン１３に接続され、３組目の導体パターンに直列接続される。さらに、３組目の導体パターンは、導体パターン２３と導体パターン１４に接続され、４組目の導体パターンに接続されている。以上のとおり、センサ基板８の上半分に形成された４組の正弦波状導体パターンが直列接続され、コイル６が構成される。
【００２３】
コイル７は、センサ基板８の下半分に形成された４組の導体パターン（１５と２５、１６と２６、１７と２７、１８と２８）を接続することで構成される。すなわち、コイル６の場合と同様に、導体パターン１５と２５、１６と２６、１７と２７、１８と２８の４組の正弦波状導体パターンを、基板左側にて、直列接続することでコイル７が構成される。
【００２４】
ここで、正弦波状導体パターン１１と１２、１３と１４、１５と１６、１７と１８は、位相がそれぞれ、λ/１０異なる正弦波状導体パターンである。また、正弦波状導体パターン１１と１３、１２と１４、１５と１７、１６と１８は、位相がそれぞれ、λ/６異なる正弦波状導体パターンである。換言すれば、いずれの正弦波状導体パターンも、λ／１０の位相差を有する他の正弦波状導体パターン、および、λ／６の位相差を有する他の正弦波状導体パターンが一つずつ存在する。例えば、正弦波状導体パターン１１の場合、λ／１０の位相差を有する他の正弦波状導体パターンとして正弦波状導体パターン１２が、λ／６の位相差を有する他の正弦波状導体パターンとして正弦波状導体パターン１３が、それぞれ存在する。また、正弦波状導体パターン１２の場合、λ／１０の位相差を有する他の正弦波状導体パターンとして正弦波状導体パターン１１が、λ／６の位相差を有する他の正弦波状導体パターンとして正弦波状導体パターン１４が、それぞれ存在する。
【００２５】
コイル６の１層目の４個の正弦波状導体パターン１１，１２，１３，１４に流れる電流の向きは、すべて同方向に流れ、２層目の４個の正弦波状導体パターン２１，２２，２３，２４に流れる電流の向きは、すべて同方向に、かつ対になる正弦波状導体パターン（１１，１２，１３，１４）とは逆となる電流が流れる。また、コイル７についても同様な電流の方向に設定されている。これにより、コイル６５と６６からは、スケールの回転位置に応じた出力信号を得ることができる。
【００２６】
次に、正弦波状導体パターンの位相を、λ/６ずらすことにより、３次高調波を取り除く原理について説明する。３次高調波は電磁誘導される信号λ内に３周期を持つ信号成分、換言すれば、λ／３を一周期とする信号成分であり、導体パターンによりその位相は決定される。このため基準となる導体パターンに電磁誘導により発生する３次高調波信号と、その導体パターンの位相をλ/６ずらした導体パターンに発生する３次高調波は位相がλ/６ずれた信号となる。ここで、３次高調波の一周期はλ／３であるため、この３次高調波の位相がλ／６ずれるということは、逆位相になるということを意味する。つまり、基準となる導体パターンに発生する３次高調波信号と、位相をλ/６ずらした導体パターンに発生する３次高調波信号は、同じ振幅で、逆位相の信号成分となる。また基準となる導体パターンと、位相をλ/６ずらした導体パターンを直列接続することにより、電磁誘導される信号は加算されるため、３次高調波の信号成分がキャンセルされる。
【００２７】
同様にして、５次高調波はλ／５を一周期とする信号成分である。このため基準となる導体パターンに電磁誘導により発生する５次高調波信号と、その導体パターンの位相をλ/１０ずらした導体パターンに発生する５次高調波は位相がλ/１０ずれた逆位相の信号となる。基準となる導体パターンと、位相をλ/１０ずらした導体パターンは直列接続されており、電磁誘導される信号は加算されるため、５次高調波の信号成分がキャンセルされる。
【００２８】
以上述べたように、本実施形態の誘導型位置センサによれば、３次、５次の高調波を取り除くことにより、より理想に近い正弦波が得られ、この信号を分割して演算した位置の、内挿誤差は、１００００分割する場合３程度まで改善することができ、高精度な電磁誘導型位置センサを実現できる。また、各正弦波状導体パターンは、本実施例に示す位相をずらすことにより、スケール移動方向に直交する方向に、より高密度に配置可能であり、単位面積あたりの電磁誘導電圧による起電圧を大きくすることができる。
【００２９】
なお、上記実施形態では、３次高調波、５次高調波をキャンセルさせる導体パターンの配置態様について記述したが、必ずしも、３次および５次の両方の高調波成分をキャンセルする必要はなく、いずれか一方の高調波成分のみをキャンセルするパターン配置としてもよい。また、逆に、３次、５次高調波に加えて、さらに、７次高調波をキャンセルさせるようなパターン配置としてもよい。７次高調波をキャンセルさせる場合には、各正弦波状導体パターンにとって、位相差λ／１４の他の正弦波状導体パターンが存在するようにパターン配置をすればよい。
【００３０】
具体的には、８組の正弦波状導体パターンで一つのコイルを形成し、１組目と２組目、３組目と４組目、５組目と６組目、７組目と８組目は、互いに位相をλ/１４ずらして配置する。また、１組目と３組目、２組目と４組目、５組目と７組目、６組目と８組目は、互いに位相をλ/１０ずらして配置する。さらに、１組目と５組目、２組目と６組目、３組目と７組目、４組目と８組目を、互いに位相をλ/６ずらして配置する。これにより、３次、５次、７次の高調波を取り除くことができる。ただし、７次の高調波成分そのものは、信号レベルが３次５次に比較し数分の１程度であり、誤差に与える影響は小さいため、必ずしも７次高調波をキャンセルするようなパターン配置としなくてもよい。
【００３１】
なお、以上の説明では、位相をλ/１０、λ/６ずらすと限定したが、わずかにこの位相を変えた配置としても、やや性能が劣る程度でほぼ同様な効果が得られる。したがって、λ/１０やλ/６といった数値は、数学的に厳密な値を示すのではなく、高調波成分を大幅にキャンセルできる程度の誤差を含んでもよい。
【００３２】
また、上記した実施形態では、この１組目〜４組目の位相差を、１組目と２組目および３組目と４組目をλ/１０とし、１組目と３組目および２組目と４組目をλ/６としているが、１組目と２組目および３組目と４組目をλ/６とし、１組目と３組目および２組目と４組目をλ/１０としても同様の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】電磁誘導型位置センサの実施形態を示す斜視図である。
【図２】図１の電磁誘導型位置センサのコイル形状を示す図である。
【図３】図１の電磁誘導型位置センサ信号処理回路の一例を示すブロック図である。
【図４】従来の電磁誘導型位置センサのコイルを示す図である。
【符号の説明】
【００３４】
１  回転軸、２  スケール、４，６，７，６５，６６  コイル、５  電磁石、８，６０  センサ基板、３０，３１  差動増幅器、３２  電流増幅器、３４，３５  ＡＤ変換器、３６  波形整形回路、３７  マイクロプロセッサ、３８  タイマー。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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