(57)【要約】【課題】  受信巻線で受信された信号の波形以外の要素で位置の測定が可能な誘導型位置検出装置を提供する。【解決手段】  センサヘッド５の移動方向（測定軸ｘ）は、スケール３に並列に形成されたトラックＴａ，Ｔｂの延びる方向に対して斜めにされている。このため、センサヘッド５の移動に従って受信巻線１９で受信される信号の強度が変化する。信号強度とセンサヘッド５の位置とを対応付けることにより、位置を測定する。【選択図】  図１
2005077150.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の磁束結合巻線が並べられた構造を有するトラックが形成されたスケールと、
前記トラックと電磁結合が可能な送信巻線及び受信巻線が形成されると共に前記トラックが延びる方向に対して斜め方向に相対移動可能に前記スケールと対向して配置されたセンサヘッドと、
を備えることを特徴とする誘導型位置検出装置。
【請求項２】
前記トラックは、同じ形状の前記複数の磁束結合巻線からなるインクリメンタル型パターンである、
ことを特徴とする請求項１に記載の誘導型位置検出装置。
【請求項３】
前記トラックは、互いに異なる形状の前記複数の磁束結合巻線からなるアブソリュート型パターンが、直列に繰り返し前記スケールに配置された構造を有する、
ことを特徴とする請求項１に記載の誘導型位置検出装置。
【請求項４】
前記受信巻線の信号強度がピークとなる位置がトラック毎に異なるように、複数の前記トラックが前記スケールに並列に形成されている、
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の誘導型位置検出装置。
【請求項５】
前記トラックの延びる方向は、前記スケールの長手方向に対して斜めである、
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の誘導型位置検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ノギスやマイクロメータに代表される小型の測定工具、リニアスケール、ＣＤやＭＤ等のドライブ装置及びセンサ機器等に応用される、電磁結合を利用して位置検出を行う誘導型位置検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から直線変位や角度変位などの精密な測定に誘導型位置検出装置（以下、「エンコーダ」という場合もある）が利用されている。エンコーダは、磁束結合巻線を所定ピッチで配列したスケールと、このスケールに対して相対移動可能に対向配置されると共に磁束結合巻線と電磁結合する送信巻線及び受信巻線が配置されたセンサヘッドと、により構成される。
【０００３】
エンコーダには、インクリメンタルタイプ（例えば特許文献１）とアブソリュートタイプ（例えば特許文献２）がある。インクリメンタルタイプは、原点を基準にして受信巻線で受信された信号をカウントすることにより、センサヘッドの位置（つまり原点からのセンサヘッドの変位量）を求める。これに対して、アブソリュートタイプは、原点からの変位量を二進信号で表すことにより、原点を基準としたセンサヘッドの絶対位置を求める。アブソリュートタイプは、インクリメンタルタイプに比べて複雑な構造となるが、測定位置で受信される信号により測定位置を特定できるので、原点から測定位置までセンサヘッドを動かす必要がない。
【特許文献１】特開平１０-３１８７８１号公報（図１、図２）
【特許文献２】特開２００１−１０８４８４号公報（図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
エンコーダは、一般に、受信巻線で受信された信号（正弦波状変位信号）の波形とセンサヘッドの位置との相関関係を利用して、センサヘッドの位置を演算する。位置を演算するのに波形以外の要素があれば、エンコーダの性能を向上させることが可能となる。
【０００５】
本発明は、受信巻線で受信された信号の波形以外の要素で位置の測定が可能な誘導型位置検出装置を提供することを目的としている。  
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る誘導型位置検出装置は、複数の磁束結合巻線が並べられた構造を有するトラックが形成されたスケールと、トラックと電磁結合が可能な送信巻線及び受信巻線が形成されると共にトラックが延びる方向に対して斜め方向に相対移動可能にスケールと対向して配置されたセンサヘッドと、を備えることを特徴とする。
【０００７】
本発明に係る誘導型位置検出装置によれば、センサヘッドの相対移動方向がトラックの延びる方向に対して斜めにされている。したがって、センサヘッドの相対移動により、送信巻線及び受信巻線のうち少なくとも一方とトラックとが電磁結合する力が変化し、これに伴い受信巻線で受信される信号の強度が変化する。よって、信号強度とセンサヘッドの位置とが相関関係を有するので、信号強度を位置の測定に利用することができる。例えば以下のような効果が生じる。
（ａ）トラックがインクリメンタル型パターンの場合、アブソリュートタイプと同様の測定が可能となる。（ｂ）トラックがアブソリュート型パターンの場合、測定範囲を広げることができる。（ｃ）信号強度の変化を、スケールの長手方向に対して直交する方向（ラテラル方向）と対応付けることにより、上記直交方向の測定が可能となる。
【０００８】
本発明に係る誘導型位置検出装置において、トラックは、同じ形状の複数の磁束結合巻線からなるインクリメンタル型パターンである、ようにすることができる。これによれば、トラックはインクリメンタル型パターンであるが、位置の測定の際にセンサヘッドを原点から測定位置まで動かす必要がなくなる。よって、アブソリュートタイプと同様の測定が可能となる。
【０００９】
本発明に係る誘導型位置検出装置において、トラックは、互いに異なる形状の複数の磁束結合巻線からなるアブソリュート型パターンが、直列に繰り返しスケールに配置された構造を有する、ようにすることができる。
【００１０】
上記の通り本発明によれば、センサヘッドの相対移動に応じて受信巻線の信号強度が変わる。このため、スケールの異なる位置で同じ二進信号が発生しても、センサヘッドの位置を特定することができる。したがって、トラックがアブソリュート型パターンの場合、アブソリュート型パターンを直列に繰り返し配置した構造のトラックにできるので、測定範囲を広げることができる。
【００１１】
本発明に係る誘導型位置検出装置において、受信巻線の信号強度がピークとなる位置がトラック毎に異なるように、複数のトラックがスケールに並列に形成されている、ようにすることができる。
【００１２】
これによれば、受信巻線で受信される信号の強度がピークとなる位置がトラック毎に異なる。したがって、各トラックに対応して受信された信号の強度の組み合わせ（例えばトラックが二つの場合、一方のトラックから受信した信号の強度と他方のトラックから受信した信号の強度との比）を、センサヘッドの相対位置と対応させることにより、位置を特定することができる。よって、各トラックにおいて信号強度が同じとなる位置が複数存在しても位置を特定できる。また、スケールとセンサヘッドのギャップに違いが生じても、位置の特定に影響が生じない。  
【００１３】
本発明に係る誘導型位置検出装置において、トラックの延びる方向は、スケールの長手方向に対して斜めである、ようにすることができる。これによれば、センサヘッドの相対移動方向がトラックの延びる方向に対して斜めにしながら、上記相対移動方向をスケールの長手方向に一致させることができる。したがって、上記相対移動方向とスケールの長手方向との不一致が原因で、誘導型位置検出装置を組み込む機器の設計変更が生じるのを防止できる。
【発明の効果】
【００１４】
以上述べたように、本発明によれば、受信巻線で受信された信号の強度を位置の測定に利用することができるため、誘導型位置検出装置の性能を向上させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図面を参照して、本発明に係る誘導型位置検出装置の第１〜第３実施形態を説明する。なお、第２および第３実施形態を説明する図において、既に説明した実施形態の符号で示すものと同一のものについては、同一符号を付すことにより説明を省略する。
【００１６】
第１実施形態では、インクリメンタル型パターンである二つのトラックから、各受信巻線が受信した信号の強度比を利用して、測定軸方向のセンサヘッドの位置を検出する。これにより、トラックがインクリメンタル型パターンでありながら、アブソリュートタイプと同様の測定ができる。まず、第１実施形態に係る誘導型位置検出装置１の構成から説明する。図１は、この装置１の概略構成を示す平面図である。
【００１７】
誘導型位置検出装置１は、スケール３とこれに対向して配置されたセンサヘッド（グリッドとも言う）５とから構成される。スケール３は、その長手方向の一部が表れている。スケール３はヨー方向Ｄで傾けられている。つまり、スケール３の長手方向は測定軸ｘに対して傾いている。センサヘッド５は、スケール３に対して所定ギャップをもって測定軸ｘに沿って移動可能に配置される。なお、センサヘッドが固定でスケールが移動する構成でもよい。すなわち、センサヘッドとスケールとは、互いに相対移動可能に配置されていればよい。
【００１８】
スケール３は、ガラスやシリコン等の絶縁基板７を備え、この基板７のセンサヘッド５に対向する面側には、スケールピッチλでスケール３の長手方向に沿って同じ形状をした複数の磁束結合巻線９が並べられている。磁束結合巻線９は、矩形の第１結合ループ１１と、これに接続した矩形の第２結合ループ１３とにより構成される。スケール３の長手方向に並列にトラックＴａ，Ｔｂが形成されている。トラックＴａは、スケール３の長手方向に並ぶ複数の第１結合ループ１１により構成され、一方、トラックＴｂは、スケール３の長手方向に並ぶ複数の第２結合ループ１３により構成される。トラックＴａ，Ｔｂはインクリメンタル型パターンである。トラックＴａ，Ｔｂが延びる方向に対して、センサヘッド５の移動方向である測定軸ｘは斜めにされている。
【００１９】
センサヘッド５はガラスやシリコン等の絶縁基板１５を有している。絶縁基板１５のスケール３と対向する面側には、二つの送信巻線１７（１７ａ，１７ｂ）が測定軸ｘに沿って並列に形成されている。送信巻線１７の形は、長手方向が測定軸ｘに沿った矩形状である。送信巻線１７ａはトラックＴａと電磁結合が可能であり、送信巻線１７ｂはトラックＴｂと電磁結合が可能である。  
【００２０】
絶縁基板１５のスケール３と対向する面側であって、各送信巻線１７の内側には、受信巻線１９（１９ａ，１９ｂ）が配置されている。この巻線１９は共に、複数回巻かれた構造の二つのコイル部２１，２３が互いに絶縁されかつ重なるように配置されて構成される。コイル部２１，２３は互いにスケールピッチλの四分の一だけ位相をずらして配置されている。
【００２１】
受信巻線１９ａがトラックＴａと電磁結合が可能であり、受信巻線１９ｂがトラックＴｂと電磁結合が可能である。受信巻線１９ａで受信された信号の強度がピークとなる位置と受信巻線１９ｂのそれの位置とが異なるように、つまりオフセットが生じるように、センサヘッド５はスケール３にアライメントされている（これについては装置１の動作でさらに説明する）。なお、受信巻線は、コイル部が一つであるタイプや、コイル部を三つにし、１／３ずつ位相がずれたいわゆる３相タイプや、またはそれ以上の多相タイプも可能である。
【００２２】
送信巻線１７や受信巻線１９の端子は、配線を介して、変位を測定するための演算や制御などをするＩＣ回路（図示せず）と接続されている。送信巻線１７、受信巻線１９、磁束結合巻線９は、アルミニウム、銅、金などの電気抵抗が低い材料から構成される。  
【００２３】
次に、誘導型位置検出装置１の動作について説明する。図２は、装置１の受信巻線１９ａ，１９ｂで受信した信号の強度を示すグラフである。スケール３とセンサヘッド５とのギャップがＧ１の場合及びＧ１より大きいＧ２の場合が示されている。巻線１９ａ，１９ｂの信号強度のピークは、センサヘッド５の位置がそれぞれｘａ，ｘｂの場合である。位置ｘａと位置ｘｂとの間に、信号強度が巻線１９ａと巻線１９ｂとで一致する位置ｘｃがある。位置ｘｃはスケール３の中央である。
【００２４】
図３は、信号強度がピークとなるセンサヘッドの位置を示す平面図であり、図１と対応している。図４は、受信信号がピークとなる位置におけるトラックと送信巻線・受信巻線との位置関係を示す平面図である。位置ｘａでは、送信巻線１７ａとトラックＴａ（磁束結合巻線）との電磁結合力が最大となるので、受信巻線１９ａで受信される信号の強度がピークとなる。これに対して、位置ｘｂでは、送信巻線１７ｂとトラックＴｂとの電磁結合力が最大となるので、受信巻線１９ｂで受信される信号の強度がピークとなる。なお、受信巻線とトラックとの電磁結合力が変化するように受信巻線を配置すれば、受信巻線とトラックとの電磁結合力が最大となる位置で信号強度がピークとなる。
【００２５】
誘導型位置検出装置１によれば、センサヘッド５の移動方向がトラックＴａ，Ｔｂの延びる方向に対して斜めにされている。したがって、センサヘッド５の移動により、送信巻線１７ａとトラックＴａとの電磁結合力及び送信巻線１７ｂとトラックＴｂとの電磁結合力が変化し、これに伴い受信巻線１９ａ，１９ｂで受信される信号の強度が変化する。よって、信号強度とセンサヘッド５の位置とが相関関係を有するので、信号強度を位置の測定に利用することが可能となる。
【００２６】
但し、第１実施形態では、図２に示すように、受信巻線１９ａ，１９ｂのうち一方の受信巻線のみであると、同じ信号強度となる位置が二箇所生じるため、信号強度ではセンサヘッド５の位置を特定できない。そこで、受信巻線１９ａ，１９ｂの信号強度のピークをずらし（言い換えれば、受信巻線で受信される信号の強度がピークとなる位置がトラック毎に異なる）、これらの信号の強度比とセンサヘッドの位置とを対応させて位置を特定する。これにより、トラックがインクリメンタル型パターンでありながらも、アブソリュートタイプと同様の測定が可能となる。つまり、測定の際にセンサヘッド５を原点から測定位置まで動かす必要がない。
【００２７】
さて、位置の特定に信号強度を用いると、スケール３とセンサヘッド５のギャップの違いにより生じる影響を少なくできる。以下、これについて説明する。図５は、受信巻線１９ａ，１９ｂの信号強度比を示すグラフである。ギャップＧ１，Ｇ２のいずれの場合も、信号強度比は同様の傾向を示し、徐徐に上昇する。したがって、誘導型位置検出装置１の組み立ての際に、センサヘッド５とスケール３との間でアライメント誤差が生じることにより、ギャップが変化しても、測定位置を特定することができる。なお、信号強度比は直線で示されているが、これは上記同様の傾向を示すために便宜上用いただけである。
【００２８】
次に、第２実施形態に係る誘導型位置検出装置について第１実施形態との相違を中心に説明する。図６は、この装置３１の概略構成を示す平面図であり、図１と対応する。
【００２９】
第２実施形態は、トラックＴａ，Ｔｂの延びる方向が、スケール３の長手方向に対して斜めにされている点で第１実施形態と相違する。これにより、センサヘッド５の移動方向（測定軸ｘ）がトラックＴａ，Ｔｂの延びる方向に対して斜めにしながら、センサヘッド５の移動方向をスケール３の長手方向に一致させることができる。よって、第２実施形態によれば、センサヘッド５の移動方向とスケール３の長手方向との不一致が原因で、誘導型位置検出装置３１を組み込む機器の設計変更が生じるのを防止できる。
【００３０】
次に、第３実施形態を説明する。図７は、第３実施形態に係る誘導型位置検出装置４１の概略構成を示す平面図である。第３実施形態は、スケール３のトラックＴａ，Ｔｂがアブソリュート型パターンである点がこれまでの実施形態と相違する。
【００３１】
スケール３にはアブソリュート型パターン４３，４５が直列に配置されている。アブソリュート型パターン４３のパターンを構成する複数の磁束結合巻線９は、互いに異なる形状であり、複数の磁束結合巻線９で一周期が構成される。パターン４５はパターン４３と同じパターンである。このため、パターン４３とパターン４５とで同じ周期が繰り返される。センサヘッド５の構成は第１及び第２実施形態のそれと同じである。
【００３２】
アブソリュート型パターン４３のみの場合、通常のアブソリュートタイプのエンコーダと同様に、装置４１のセンサヘッド５の受信巻線（図１の受信巻線１９ａ，１９ｂと対応する）を基に生成される二進信号で、センサヘッド５の位置が特定できる。アブソリュート型パターン４５のみの場合も同様である。しかし、パターン４３，４５が直列に配置されている場合、二進信号のみでは、いずれのパターン上にセンサヘッド５が位置するか判断できない。そこで、第３実施形態は、二進信号に加えて信号強度比を用いる。以下、詳細に説明する。  
【００３３】
図８は、装置４１のセンサヘッド５の受信巻線（図１の受信巻線１９ａ，１９ｂと対応する）で受信した信号の強度を示すグラフである。これまでの実施形態と同様に、信号強度のピークが、受信巻線１９ａと受信巻線１９ｂとでずらされている。信号強度比（受信巻線１９ｂの信号強度／受信巻線１９ａの信号強度）が１より小さい場合、その二進信号はパターン４３によるものと特定でき、大きい場合、パターン４５によるものと特定できる。
【００３４】
以上のように、第３実施形態によれば、アブソリュート型パターンを直列に繰り返し配置した構造のトラックＴａ，Ｔｂなので、測定範囲を広げることができる。例えば、一つのアブソリュート型パターンの長さが１５０mmとすると、３００mmまで測定できる。
【００３５】
なお、第３実施形態では、アブソリュート型パターンが二つの場合であるが、三つ以上でもよい。また、第３実施形態のスケールに第２実施形態のスケールを適用することもできる。  
【００３６】
第１〜第３実施形態において、例えば図１に示すように、センサヘッド５を測定軸ｘに沿って移動させると、これに従って、スケール３の長手方向に対して直交するｙ方向（スケール３のラテラル方向）におけるセンサヘッド５の位置も変位する。図９はこのラテラル方向の変位量と信号強度との関係を示すグラフである。図９のグラフは図２のグラフと同様の傾向を示すことが分かる。よって、ラテラル方向の変位量と信号強度とを対応付けることにより、ラテラル方向の測定も可能となる。ラテラル方向の位置は、センサヘッド５の測定軸ｘ上の位置と相関関係を有するので、ラテラル方向の位置を基にしてセンサヘッド５の測定軸ｘ上の絶対位置を特定してもよい。
【００３７】
なお、第１〜第３実施形態では、トラックが二つの場合で説明したが三つ以上でもよい。また、トラックは一つでもよい。トラックが一つの場合、スケール３の一端を信号強度のピークとし、他端に向かうに従い信号強度が小さくなるようにすればよい。
【００３８】
最後に、本実施形態に係る誘導型位置検出装置を搭載したノギス５１について説明する。図１０はノギス５１の分解斜視図であり、図１１は、ノギスに備えられる本尺５３とスケール３を示す平面図である。ノギス５１は図６に示す第２実施形態を搭載しているが、第１や第３実施形態でもよい。
【００３９】
図１０及び図１１に示すように、ノギス５１は本尺５３を備える。スケール３が本尺５３に取り付けられる。ノギス５１は、本尺５３に配設され、本尺５３の測定軸ｘに沿って可動するスライダアセンブリ５５を備える。
【００４０】
スライダアセンブリ５５はベース５７を含む。スライダアセンブリ５５はまた、本尺５３の上にベース５７に取り付けられたセンサヘッド５を有する。従って、ベース５７およびセンサヘッド５は本尺５３に沿ってユニットとして移動する。測定された距離はディジタル表示装置５９に表示され、これはスライダアセンブリ５５のカバー６１に取り付けられている。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】第１実施形態に係る誘導型位置検出装置の概略構成を示す平面図である。
【図２】図１に示す誘導型位置検出装置の受信巻線で受信した信号の強度を示すグラフである。
【図３】第１実施形態において、信号強度がピークとなるセンサヘッドの位置を示す平面図である。
【図４】第１実施形態において、信号強度がピークとなる位置におけるトラックと送信巻線・受信巻線との位置関係を示す平面図である。
【図５】第１実施形態において、二つの受信巻線の信号強度比を示すグラフである。
【図６】第２実施形態に係る誘導型位置検出装置の概略構成を示す平面図である。
【図７】第３実施形態に係る誘導型位置検出装置の概略構成を示す平面図である。
【図８】第３実施形態において、受信巻線で受信した信号の強度を示すグラフである。
【図９】第１〜第３実施形態において、ラテラル方向の変位量と信号強度との関係を示すグラフである。
【図１０】第２実施形態に係る誘導型位置検出装置を搭載したノギスの分解斜視図である。
【図１１】図１０に示すノギスの本尺とスケールの平面図である。
【符号の説明】
【００４２】
１・・・誘導型位置検出装置、３・・・スケール、５・・・センサヘッド、７・・・絶縁基板、９・・・磁束結合巻線、１１・・・第１結合ループ、１３・・・第２結合ループ、１５・・・絶縁基板、１７，１７ａ，１７ｂ・・・送信巻線、１９，１９ａ，１９ｂ・・・受信巻線、２１，２３・・・コイル部、３１，４１・・・誘導型位置検出装置、４３，４５・・・アブソリュート型パターン、５１・・・ノギス、５３・・・本尺、５５・・・スライダアセンブリ、５７・・・ベース、５９・・・ディジタル表示装置、６１・・・カバー、Ｔａ，Ｔｂ・・・トラック、Ｄ・・・ヨー方向
【図１】
2005077150.tif 000003
【図２】
2005077150.tif 000004
【図３】
2005077150.tif 000005
【図４】
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【図５】
2005077150.tif 000007
【図６】
2005077150.tif 000008
【図７】
2005077150.tif 000009
【図８】
2005077150.tif 000010
【図９】
2005077150.tif 000011
【図１０】
2005077150.tif 000012
【図１１】
2005077150.tif 000013