(57)【要約】【課題】複数個を位相差をもって配置した磁気式エンコーダの受信コイルにおいて、受信コイルがスケールコイルに対して測定方向に傾斜して設置された場合に、これによる誤差の発生を抑制する。【解決手段】右側にずれた受信コイル３０Ｒにおいて、中心から等距離にあるｎ番と−ｎ番のコイル要素の対の面積を調整して、この二つのコイル要素のコイル断面の重心を、中央の受信コイル３０Ｃの中心位置に一致させる。また、±ｎ番のコイル要素の対のコイル断面積の和を、３個の受信コイル３０Ｃ，３０Ｌ，３０Ｒで等しくする。【選択図】        図８
2004354303.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定方向に所定のパタンで配列されたスケールコイルと、
前記スケールコイルを励磁する励磁コイルと、
前記スケールコイルに対して測定方向に移動可能に配置され、前記励磁されたスケールコイルの磁束を検出する受信コイルと、
前記検出された磁束の変化から、前記スケールコイルと検出コイルの相対移動量を算出する演算部と、
を有する磁気式エンコーダにおいて、
前記受信コイルは、測定方向に互いに位相差をもって複数個配置され、
前記複数の受信コイルの、個々の受信コイルのコイル断面の重心位置が、測定方向において略一致し、
前記複数の受信コイル同士のコイル断面積が等しい、
磁気式エンコーダ。
【請求項２】
請求項１に記載の磁気式エンコーダであって、
前記受信コイルは３個設けられ、
個々の受信コイルは複数のコイル要素を測定方向に連ねて構成され、
３個の受信コイルのうち、両側の受信コイルは、測定方向にずれた側のコイル要素の少なくとも一つが他のものよりもコイル断面が小さく、反対側のコイル要素の少なくとも一つが他のものよりコイル断面が大きくされている、
磁気式エンコーダ。
【請求項３】
測定方向に所定のパタンで配列されたスケールコイルと、
前記スケールコイルを励磁する励磁コイルと、
前記スケールコイルに対して測定方向に移動可能に配置され、前記励磁されたスケールコイルの磁束を検出する受信コイルと、
前記検出された磁束の変化から、前記スケールコイルと検出コイルの相対移動量を算出する演算部と、
を有する磁気式エンコーダにおいて、
前記受信コイルは、測定方向に互いに位相差をもって複数個配置され、
個々の前記受信コイルは複数個のコイル要素を連ねて構成され、一つの受信コイルにおいて、その受信コイルの中心から等距離にある前記コイル要素の複数の対のそれぞれの重心位置が測定方向において略一致し、
さらに、複数の受信コイルにわたって前記コイル要素の対の重心位置が測定方向において略一致し、
前記各コイル要素の対のぞれぞれのコイル断面積の和が略等しい、
磁気式エンコーダ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スケールコイルにより形成された、測定方向に周期変化する磁束を、スケールコイルと測定方向に相対移動する受信コイルで検出し、その増減に基づき相対移動量を算出する磁気式エンコーダに関する。
【０００２】
【従来の技術】
磁気式エンコーダは、測定方向に周期的に変化する磁束を、測定方向に移動する受信コイルで検出し、その増減に基づき相対移動量を算出するエンコーダである。すなわち、受信コイルが測定方向に磁束変化の１周期移動すると、受信コイルにより検出される受信信号も１周期の変化を生じ、この周期の計数と信号の強度により、相対移動量を算出することができる。
【０００３】
受信コイルが、測定方向に位相差をもって複数個配置されたエンコーダが知られている。複数個の受信コイルを備えることにより、個々の受信コイルの出力信号の強度から、磁束変化の１周期内の位置も知ることができる。複数の受信コイルは、例えば３個を１２０°の位相差をもって配置される。また、個々の受信コイルは、測定方向に複数のコイル要素を連ねて構成されており、このコイル要素に誘起される電力の総和が、その受信コイルの受信信号となる。磁気式エンコーダは、例えば特許文献１に記載されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−２１４０１７号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前述のように、複数個の受信コイルを測定方向に位相差をもって配置する場合、受信コイルがその測定方向全長にわたってスケールコイルと等距離となっていることが要求される。もし、受信コイルが測定方向に等距離となっていない、すなわち傾いて配置された場合、距離が近い側のコイル要素に誘起される電力は大きく、反対側のコイル要素に誘起される電力は小さくなる。傾いて配置されたとしても、一つの受信コイルについてみれば、出力信号のレベルがシフトするだけで、信号の変動成分には、ほとんど影響が出ない。特に、受信コイルの中心におけるスケールコイルとの間隔が変化しなければ、各コイル要素の出力の増減が相互に相殺して、全体の出力は変化しない。
【０００６】
しかし、複数の受信コイル相互の信号強度の関係は変化してしまう。すなわち、３個の受信コイルを用いた場合、傾斜配置されることにより、外側に配置された二つの受信コイルの信号強度は、中央の受信コイルの強度に比べ、一方が大きく、他方は小さくなる。前述のように、複数の受信コイルを備えることにより測定方向における磁束変化の１周期以下の分解能を得ているが、各受信コイルのレベルが変化してしまうと、１周期以下の測定精度が低下する。
【０００７】
本発明は、受信コイルが測定方向に対して傾く、いわゆるミスアライメントが生じた場合に、測定精度を確保することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の磁気式エンコーダは、測定方向に互いに位相差をもって複数個配置された受信コイルの個々のコイル断面の重心位置が、測定方向に略一致している。これにより、受信コイルが測定方向に対して傾いて配置されても、各受信コイルの出力は相対的に変化しない。すなわち、出力信号のレベルが変化しても、その変化は各受信コイルで等しい。これによりミスアライメントによる測定精度の低下を防止することができる。なお、コイル断面の重心とは、コイルを形成する導線で囲まれた図形と同じ形の均質で均一の厚さの板材の重心のことである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態（以下実施形態という）を、図面に従って説明する。図１は、磁気式エンコーダのコイルの構成を示す概略図である。スケールコイル１０は、測定方向である図中左右の方向に多数が所定のピッチで配列されている。個々のスケールコイル１０は、測定方向に対して直交する方向（以下、横方向と記す）に並ぶ二つの長方形のコイル１２，１４をつないで形成されている。励磁コイル１６と受信コイル１８は、スケールコイルに対して測定方向に移動可能となっている。励磁コイル１６は測定方向に長い長方形であり、スケールコイル１０の一方のコイル１２の数個にわたる長さを有している。受信コイル１８は、略ひし形形状のコイル要素２０を測定方向に複数連ねて構成されている。図において、各ひし形部分を接続している部分は、導線が交差して見えるが、実際には紙面の奥行き方向に離隔されており、接触していない。受信コイル１８の各コイル要素２０は、スケールコイル１０の配列ピッチの半分でのピッチで配列されている。そして、受信コイル１８は、スケールコイルのもう一方のコイル１４に対向する位置に配置されている。励磁コイル１６には送信制御部２２が、受信コイル１８には受信制御部２４が接続されている。図においては、受信コイル１８は１個のみ示しているが、実際には、複数個が測定方向に位相差をもって配置されている。各受信コイル１８の位相差を検出することにより、スケールコイル１０の配列ピッチより短い移動量を検出可能としている。
【００１０】
送信制御部２２により励磁コイル１６に所定の周波数の電流が流されると、励磁コイル１６により図１の紙面を貫く方向に磁界が発生する。この磁界がスケールコイルのコイル１２の断面を貫き、コイル１２内に誘導起電力が生じ、スケールコイル１０に誘導電流が流れる。この誘導電流はコイル１４にも流れ、これによりコイル１４が磁界を発生させる。この磁界は、コイル１４に囲まれた部分と、コイル１４の間の部分で逆向きに形成され、測定方向においてスケールコイルの配列ピッチに等しい周期で変化する。これらの磁界により受信コイル１８内に誘導起電力が生じる。なお、前述のように、送信側スケールコイル１４の内側と、隣り合うコイル１４の間の部分とでは、磁界の向きが逆となるが、隣り合うコイル要素２０もこれに対応して逆回りに電流が流れるようにひねった状態に構成されている。これにより、各コイル要素２０の誘導起電力が足し合わされる。
【００１１】
前述のように、スケールコイル１０の送信側のコイル１４の部分で形成される磁界は、測定方向に所定の周期を持ったものであり、受信コイル１８が測定方向に移動すると、その移動に伴って受信コイル１８に流れる電流も周期的に変動する。この変化を受信制御部２４で検出して、スケールコイル１０に対する受信コイル１８の移動量を算出することが可能となる。
【００１２】
図２は、磁気式エンコーダを側方より視た図である。スケールコイル１０が設けられたスケール２６に、受信コイル１８が設けられるグリッド２８が所定の間隔ｄで、平行に配置されている。グリッド２８は、スケール２６に対して図中矢印Ａの方向に、間隔ｄを維持したまま移動可能となっている。
【００１３】
図３は、受信コイル１８の一つを模式的に示した図である。受信コイル１８は２Ｎ個のコイル要素２０を連ねて構成されている。以降、受信コイルの中央を原点とし、コイル要素の配列方向、すなわち測定方向右にｘ軸をとり、必要に応じて各コイル要素に対し原点から正方向に１，２，・・・，Ｎ、負方向に−１，−２，・・・，−Ｎと番号を付して説明する。また、以降、図においては、簡単のためにコイル要素が８個の受信コイル１８を示す。図３に示されるように、各コイル要素２０は、スケールコイル１０の配列ピッチの半分（λ／２）と寸法Ｈの対角線を有する菱形である。
【００１４】
図２に示すように、スケールコイル１０と受信コイル１８が平行に配置された場合、各コイル要素２０における起電力はそれぞれ等しく、各コイル要素２０が担う信号強度Ｓも等しい（図４参照）。これに対して、図５のようにグリッド２８を設置するときに、測定方向Ａに対して傾いてしまった場合、各コイル要素２０の信号強度は異なる。すなわち、図６のように、スケールコイル１０と受信コイル１８の距離が縮まった側では、信号強度Ｓは大きくなり、反対側で小さくなる。グリッド２８が斜めに配置されることによって、コイル間の間隔はｘ軸方向に線形に変化し、傾斜が大きくない場合、信号強度Ｓの変化も線形になると近似することができる。したがって、各コイル要素２０の信号強度Ｓ（ｘ）は、そのコイル要素の中心位置のｘ座標の１次関数となり、次式で表すことができる。
【００１５】
【数１】
Ｓ（ｘ）＝±ｋｘ＋Ｂ  ・・・（１）
【００１６】
ここで、ｋはグリッド２８の傾きを表す係数、Ｂは定数である。Ｂは受信コイル１８の中心における信号強度であり、この中心位置におけるコイル間の間隔が図２に示す間隔ｄと同じであれば、定数Ｂの値はグリッド２８が平行に配置された場合の各コイル要素２０の信号強度となる。また、複号（±）は、グリッド２８の傾きの向きを示し、「−」は図５のように、グリッド２８が右上がりとなった場合、「＋」は逆に右下がりとなった場合を意味する。以下においては、受信コイル１８の中心におけるコイルの間隔が平行に配置された場合の間隔に等しい場合について説明する。
【００１７】
また、±ｎ番目のコイル要素２０の中心座標Ｘｃ（±ｎ）は、スケールコイルの配列ピッチλを用いて次式で表される。
【００１８】
【数２】
2004354303.tif 000003
【００１９】
式（２）を式（１）に代入して次式（３）を得る。
【００２０】
【数３】
2004354303.tif 000004
【００２１】
式（３）の右辺第１項の一つ目の複号は、グリッド２８の傾きの方向を示し、二つ目の複号はコイル要素の番号に係るものである。なお、後述するように、信号強度Ｓｃは、３つの受信コイル１８のうち、中央に配置された受信コイル１８Ｃにおける信号強度分布を表している。
【００２２】
次に、１２０°の位相差をもって配置された、同一形状の３個の受信コイル１８の信号強度を求める。３個のうち中央に配置された受信コイルを符号１８Ｃ、右側に配置されたものを符号１８Ｒ、左側に配置されたものを符号１８Ｌであらわし、それらの受信コイルそれぞれの出力する信号強度の分布をＳｃ，Ｓｒ，Ｓｌで表す。受信コイル１８Ｃは、その中心におけるスケールコイルとの間隔が変化していない（前述の仮定による）ので、式（３）から分かるように、＋ｎ番目の信号強度Ｓｃ（＋ｎ）と、−ｎ番目の信号強度Ｓｃ（−ｎ）の和は常に２Ｂであり、受信コイル１８Ｃの全体が検出する信号強度は、傾きの影響を受けない。
【００２３】
右側の受信コイル１８Ｒの各コイル要素は、中央の受信コイル１８Ｃのものに対して位相差Δ（スケールコイル１０の配列ピッチλの１／３）の分だけずれている。よって、右側の受信コイル１８Ｒの各コイル要素の中心位置Ｘｒは式（４）で、信号強度分布Ｓｒは、式（５）で表される。
【００２４】
【数４】
2004354303.tif 000005
【００２５】
複号については、式（３）と同様である。式（３）と式（５）を比較すると、右側の受信コイル１８Ｒの各コイル要素の信号強度は、グリッド２８が右下がりのときには、中央のコイル１８Ｃのものに対して、それそれｋΔだけ大きいことが分かる。したがって、各受信コイルにおいてコイル要素２０は２Ｎ個であるので、右側の受信コイル１８Ｒの全体の信号強度は２ＮｋΔだけ大きいことになる。図７は、受信コイル１８Ｃ，１８Ｒの配置と、グリッド２８が右下がりのときの、その出力強度Ｓｃ，Ｓｒを示す図である。グリッド２８が右上がりの場合には、前述の場合と逆になり、右側受信コイル１８Ｒの各コイル要素の信号強度は、中央コイル１８Ｃのものに対して、それぞれｋΔだけ小さく、全体として２ＮｋΔだけ小さいことになる。
【００２６】
左側の受信コイル１８Ｌの各コイル要素の信号強度Ｓｌは、式（５）の右辺のΔの項の符号が負とした式により表される。左側の受信コイル１８Ｌの全体の信号強度は、中央のコイル１８Ｃに対して、２ＮｋΔだけ小さいことが分かる。以上の受信コイル１８Ｒ、１８Ｌの信号強度変化が、グリッド２８が傾いて配置されたときの測定誤差の原因となる。
【００２７】
この誤差をなくすために、本実施形態においては、３個の受信コイルの形状を以下に説明する形状としている。３個の受信コイルを改めて受信コイル３０とする。中央に配置された受信コイル３０Ｃの形状は、前述の受信コイル１８Ｃと同様のものである。左右の受信コイル３０Ｌ，３０Ｒは、１番からＮ番までのコイル要素が出力する信号強度の和と、−１番から−Ｎ番までの信号強度の和が、等しくなるような形状となっている。右側にずれている受信コイル３０Ｒにおいて、グリッド２８の傾きの影響がより大きくでる右側のコイル要素の面積の和を小さく、反対側のコイル要素の面積の和を大きくする。これとは逆に、左側の受信コイル３０Ｌにおいては、右側のコイル要素の面積の和を大きくし、左側を小さくする。すなわち、グリッド２８の傾きに対して感度が高くなる側のコイル要素の面積を小さくすることによって感度を下げ、逆に傾きに対して感度が低くなる側の面積を大きくすることによって感度を回復させる。また、３つの受信コイルのそれぞれの信号強度の振幅は、常に等しくなくてはならないので、各受信コイルの総コイル断面積は等しくする必要がある。この形状は、言い換えれば、受信コイル３０Ｌ，３０Ｒのそれぞれのコイル断面の重心位置が、中央の受信コイル３０Ｃの重心位置（原点）に一致するような形状である。
【００２８】
上記の形状の具体例を以下に説明する。受信コイル３０Ｌ，３０Ｒの配列ピッチは、スケールコイル１０の配列ピッチにより規制されるので、菱形の各コイル要素のｘ軸方向の長さは、λ／２のままとし、これに直交する方向の幅Ｈを変更して、面積の変更を行う。そして、ｎ番と−ｎ番のコイル要素の対において、断面積の和を変えずに、感度の増減の調整を行う。各コイル要素の対において、前述の条件が満たされれば、受信コイル３０Ｌ，３０Ｒ全体としても条件を満たすことになる。この条件は、
（１）受信コイル３０Ｌ，３０Ｒの±ｎ番のコイル要素の信号強度の和が、受信コイル３０Ｃの±ｎ番のコイル要素の信号強度の和に等しい。
（２）受信コイル３０Ｌ，３０Ｒの±ｎ番のコイル要素の幅Ｈを、一方を（１＋ａ）倍したとき、他方を（１−ａ）倍する。
となる。条件（１）により、受信コイル３０Ｌ，３０Ｒの信号の振幅を、中央の受信コイル３０Ｃに一致させることができる。また、条件（２）により、グリッド２８の傾きの影響をなくすことができる。
【００２９】
グリッド２８が右下がりに傾いた場合、受信コイル３０Ｒのｎ番と、−ｎ番のコイル要素の信号強度Ｓｒ（＋ｎ），Ｓｒ（−Ｎ）は、式（５）の右辺第１項の一つ目の複号は＋であり、よって次式となる。
【００３０】
【数５】
2004354303.tif 000006
【００３１】
条件（２）より、幅Ｈを（１＋ａ）倍と（１−ａ）倍とすることにより、菱形の面積も同倍となり、信号強度も同様に増減する。右側にずれた受信コイル３０Ｒにおいては、ｎ番のコイル要素の信号強度を（１−ａ）倍、−ｎ番を（１＋ａ）倍として、左右の感度の調整を行う。±ｎ番目のコイル要素の対の信号強度の和は、式（６）のＳｒ（＋ｎ），Ｓｒ（−Ｎ）に（１＋ａ），（１−ａ）を掛けて和をとればよく、さらに、この和は中央の受信コイル３０Ｃの±ｎ番のコイル要素の信号強度の和２Ｂに等しく、なる必要がある。
【００３２】
【数６】
2004354303.tif 000007
【００３３】
式（８）により、ａの値が定まる。また、グリッド２８が右上がりに傾いた場合も、同様にして求めると、信号強度は、次式となり、ａの値が式（１０）で定まる。
【００３４】
【数７】
2004354303.tif 000008
【００３５】
式（１０）は、式（８）と同じものであり、このように作成された受信コイル３０Ｒはグリッド２８の傾きに対して左右対称性が維持されていることが分かる。従って、受信コイル３０Ｌについても同様に製作することが可能である。また、ａは傾きを表す係数ｋに依存しない。したがって、エンコーダの作成時にグリッドの傾きがどのような値となったとしても、同様に対応するできることが分かる。なお、３個の受信コイル３０を１２０°位相をもって配置する場合は、Δ＝λ／３であるので、式（８）または式（１０）は、次式となる。
【００３６】
【数８】
2004354303.tif 000009
【００３７】
例えば、±４番のコイル要素の対においては、式（１１）にｎ＝４を代入して、ａ＝０．１９を得る。図８に、この場合の±４番のコイル要素の構成例を示す。図８（ａ）に示す、受信コイル３０Ｒの４番のコイル要素は、中央の受信コイル３０Ｃ（図８（ｂ）参照）のコイル要素に対してその幅を約０．８１（＝１−０．１９）倍とし、−４番のコイル要素については約１．１９（＝１＋０．１９）倍とすれば、±ｎ番の対において、グリッド２８に傾きが生じても、信号に影響がでない。受信コイル３０Ｒの、各コイル要素の対に対して、同様にその幅を決定すれば、全体としてグリッド２８の傾きによる誤差を排除することができる。図８（ｃ）に示すように、左側の受信コイル３０Ｌに対しても同じようにして、各コイル要素の寸法を決定する。
【００３８】
以上の実施の形態は、±ｎ番のコイル要素の対同士ごとにグリッドの傾きによる信号強度の変化を打ち消すようにして、全体としても同様の効果を得るように構成したものである。これに対し、受信コイル全体でグリッド２８の傾きを打ち消すようにすることができる。すなわち、１からＮ番のコイル要素のコイル断面積（菱形の面積）と、中央の受信コイルの中心点からコイル要素の中心までの距離の積の総和が、−１から−Ｎ番のコイル要素のものと等しくなるように、コイル断面積を定めることにより、前記の効果を得ることができる。図９は、この一例を示したものであり、受信コイル３２Ｃ，３２Ｌ，３２Ｒは、それぞれ１２個のコイル要素により構成されている。図９（ｃ）に示す中央の受信コイル３２Ｃの各コイル要素の断面積は等しい。中央の受信コイル３２Ｃより左側に配置される受信コイル３２Ｌ（図９（ｂ）参照）は、右端の３個のコイル要素の断面積が大きく、左端の３個が小さくなっている。中央の６個については、受信コイル３２Ｃのものと変わらない。左右のコイル要素のコイル断面積の増減でコイル断面の重心が中央の受信コイル３２Ｃのそれと一致するように調整されている。図９（ｄ）に示す右側の受信コイル３２Ｒは、逆に左端の３個のコイル要素の断面積を大きく、右端の３個を小さくすることによってコイル断面の重心が中央の受信コイル３２Ｃの重心と一致するように調整されている。これら３個の受信コイル３２Ｃ、３２Ｌ、３２Ｒを重ねて配置して図９（ａ）に示すような受信コイルを得る。
【００３９】
以上の実施形態においては、受信コイルのコイル要素は菱形の場合を示したが、他の形状とすることもできる。
【００４０】
本実施形態によれば、グリッド２８が測定方向に対して傾斜して設置されたことによる誤差の発生を抑制することができる。なお、グリッド２８とスケール２６の距離が設定の距離とならずに設置される場合については、各受信コイルの信号強度が同じようにシフトするだけなので、誤差は発生しない。
【図面の簡単な説明】
【図１】磁気式エンコーダの概略構成を示す図である。
【図２】磁気式エンコーダのスケールとグリッドを側方より視た図である。
【図３】受信コイルの構成例を示す図である。
【図４】図３の受信コイルの各コイル要素が発生する信号強度を示す図である
【図５】グリッドが傾斜して配置された状態を示す図である。
【図６】図５の状態で受信コイルの各コイル要素が発生する受信強度を示す図である。
【図７】複数の受信コイルを位相差をもって配置する場合の二つの受信コイルそれぞれのコイル要素が発生する信号強度を示す図である。
【図８】受信コイルのコイル要素の構成例を示す図である。
【図９】受信コイルの他の構成例を示す図である。
【符号の説明】
１０  スケールコイル、１８，３０，３２  受信コイル、２０  コイル要素、２６  スケール、２８  グリッド。
【図１】
2004354303.tif 000010
【図２】
2004354303.tif 000011
【図３】
2004354303.tif 000012
【図４】
2004354303.tif 000013
【図５】
2004354303.tif 000014
【図６】
2004354303.tif 000015
【図７】
2004354303.tif 000016
【図８】
2004354303.tif 000017
【図９】
2004354303.tif 000018