(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定方向に所定のパター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検出コイルと、
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、
を有し、
前記スケールコイルは、
測定方向に第１の周期で配列された第１スケールコイルと、
測定方向に、前記第１の周期の整数倍以外の周期である第２の周期で配列された第２のスケールコイルと、
前記第１と第２スケールコイルを１対１で結合し、これらのスケールコイルと共に一つのループを形成し、２本の導線が近接して並んで配置される結合配線と、
を有し、
前記結合配線は、各々の長さが等しく、測定方向に一定の周期で配置されている、
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、前記結合配線の延びる方向は、測定方向にほぼ直交する方向である、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検出コイルで検出し、その増減に基づき前記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】
所定の物理量の周期的変化を利用して二つの物体の相対移動量を検出するエンコーダが知られている。相対移動する物体の一方に固定されたスケールにより、所定物理量の移動方向に関する周期的変化を形成し、他方の物体に固定されたセンサによりこの周期変化を検出して、周期数を計数することにより、相対移動量が算出される。
【０００３】
前記のエンコーダは、二つの物体の相対的移動量を検出することができるが、相対位置を直接検出することはできない。すなわち、基準の位置からの移動量としてそのときの相対位置が検出されるのみである。これに対して、異なる周期を有する複数のスケールを設け、この複数の周期の最小公倍数にあたる周期内では、絶対的な位置を検出することができる絶対値エンコーダが知られている。
【０００４】
磁気式エンコーダにおいては、異なる周期で配列された第１および第２のスケールコイルを結合配線により１対１に結合する構成を採っている。第１のスケールコイルは第２のスケールコイルで受信した信号により第１の周期の磁束配列を形成し、逆に第２のスケールコイルは第１のスケールコイルで受信した信号により第２の周期の磁束配列を形成する。このように、第１および第２のスケールコイル間には、結合配線に電流が流れる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前述のような、異なる周期で配列された第１および第２のスケールコイルを結合配線で結んだ構成のスケールを有する磁気式エンコーダにおいては、結合配線を構成する２本の導線に流れる電流が逆向きとなり、互いに弱め合い、検出される信号レベルが低下する。一方、第１および第２のスケールコイルは、異なる周期で配列されているため、結合配線を両スケールコイルの最短経路で配置した場合など、スケール上の位置によって、これの長さが変化する。この結合配線の長さが異なると、信号レベルの低下の程度が異なり、よって検出コイルのスケール上の位置によって信号の受信レベルが変化するという問題があった。
【０００６】
本発明は、前述の課題を解決するために、検査コイルのスケール上の位置に依存する信号受信レベルの変化を小さくすることができる磁気式エンコーダを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前述の課題を解決するために、本発明にかかる磁気式エンコーダは、第１の周期で配列された第１のスケールコイルと前記第１の周期の整数倍以外の第２の周期で配列された第２のスケールコイルとを結合する結合配線を、全て等しい長さとしている。これにより、各結合配線での信号の低下レベルが均一化され、検出コイルのスケール上の位置による信号レベルの変化を減らすことができる。
【０００８】
また、結合配線の延びる方向を測定方向に直交する方向とすれば、配線の長さを小さくすることができ、信号レベルの低下を小さくすることできる。
【０００９】
また、結合配線の配列周期も一定とすることにより、結合配線により形成される磁束の影響を見いだすことが容易となる。
【００１０】
【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には、本実施形態の概略構成が示されている。図中矢印で示す測定方向に延びるスケール１０と、測定対象物と一体、または所定の関係をもって、測定方向に移動可能なスライダ１２が配置されている。スケール１０とスライダ１２の相対移動量または相対位置を検出することにより、測定対象物の移動量または位置が検出される。スケール１０には、測定方向に所定の規則をもって繰り返す配線パターンが形成される。配線パターンは、測定方向に１列に周期λ1／２で配置される第１スケールコイル１４と、第１スケールコイル１４の両側にそれぞれ周期λ2で配列される第２スケールコイル１６と、第１および第２スケールコイル１４，１６を結合する結合配線１８を含む。一方、スライダ１２にも配線パターンが形成され、第１スケールコイル１４に対応する位置に第１検出コイル２０が、第２スケールコイル１６に対応する位置に第２検出コイル２２が配置されている。スライダ１２には、さらに第２スケールコイル１６に対応する位置に第１励磁コイル２４、第１スケールコイル１４に対応する位置に第２励磁コイル２６が配置されている。
【００１１】
第１および第２励磁コイル２４，２６には、送信制御部２８よりそれぞれ所定周波数の電流が流される。この電流によって、スケールコイル１４，１６内に誘導電流が発生し、さらにこの誘導電流による磁界を検出コイル２０，２２で受信する。受信制御部３０では、検出コイル２０，２２で受信された強度に基づいてスライダ１２の移動量、位置の算出を行う。
【００１２】
図２には、配線パターンの詳細が示されている。前述のように、第１スケールコイル１４は、周期λ1／２で測定方向に一列に配列される。第２スケールコイル１６は、第１スケールコイル１４の配列の軸線３２に対して両側に、２列に配置されている。以下の説明において、２列の第２スケールコイル１６を区別する必要がある場合は、図２中上方を１６ａ、下方を１６ｂの符号を付して説明する。第２スケールコイル１６は、それぞれの列において、周期λ2で配列されている。また、両側に配置される第２スケールコイル１６ａ，１６ｂは、周期λ2／２ずらして配置されている。
【００１３】
第１スケールコイル１４と第２スケールコイル１６は、結合配線１８により１対１に結合されている。一方の側の第２スケールコイル１６に結合される第１スケールコイル１４は、図示するように一つ飛びである。以下の説明において、結合される相手により第１スケールコイル１４を区別する必要がある場合は、第２スケールコイル１６ａに接続されるものを符号１４ａを用いて、また第２スケールコイル１６ｂに接続されるものを符号１４ｂを用いて説明する。図２においては、左から奇数番目の第１スケールコイル１４ｂが第２スケールコイル１６ｂに結合され、左から偶数番目の第１スケールコイル１４ａが第２スケールコイル１６ａに結合される。また、第１スケールコイル１４ａ，１４ｂは、それぞれ周期λ1で配置されることになる。また、周期λ1，λ2は近接する値ではあるが、等しくはない値である。
【００１４】
結合配線１８は、第１スケールコイル１４ａと第２スケールコイル１６ａを結合する配線１８ａ、第１スケールコイル１４ｂと第２スケールコイル１６ｂを結合する配線１８ｂを含む。結合配線１８ａ，１８ｂのそれぞれは所定の周期で配置され、互いに半周期だけずらして配置されている。
【００１５】
スライダ１２の第１および第２励磁コイル２４，２６は、略長方形の形状を有する。第１励磁コイル２４は、第２スケールコイル１６ａ，１６ｂのそれぞれに対向して配置され、そのコイル形状である長方形は、測定方向にほぼ２λ2の長さを有する。第２励磁コイル２６は、第１スケールコイル１４に対向して配置され、そのコイル形状である長方形は、測定方向にほぼ２λ1の長さとなっている。第１および第２励磁コイル２４，２６には、別個に送信制御部２８から電力が供給され、これにより第１および第２スケールコイル１４，１６に電流が誘起される。
【００１６】
スライダ１２の第１および第２検出コイル２０，２２は、第２および第１励磁コイル２６，２４と重なる位置に配置される。しかし、電気的な絶縁は保たれている。第１検出コイル２０は、４個の菱形または正方形を連ねた形状であり、図中配線が交差して見える部分は、紙面に直交する方向に離れており、絶縁が確保されている。前記４個の菱形の部分は、測定方向にλ1／２の周期で配列されている。第２検出コイル２２は、第１励磁コイル２４に対応して２個配置されている。また、第１検出コイル２０と同様、４個の菱形または正方形を連ねた形状であり、図中交差して見える部分についても同様に絶縁されている。第１２検出コイル２２の菱形の配列周期は、λ2／２である。第１および第２検出コイル２０，２２は、前述のように第１および第２スケールコイル１４，１６に流れる電流により発生した磁界によって、電流が流れる。この電流を受信制御部３０で検出してその強度および強度変化を測定することにより、スライダ１２の位置、移動量の測定が行われる。なお、第１および第２検出コイル２０，２２は、前記の菱形、正方形を連ねた形状に限らず、これに類似する形状として、位相の反転している二つの正弦波を重ねた形状、円を連ねた形状などとすることができる。製作の容易さの点で菱形等を連ねた形状の方が優位となるが、当該コイルにより検出される波形については、正弦波を重ねた形状の方が好ましく、より高い精度を実現できる。
【００１７】
図３および図４には、本実施形態の磁気式エンコーダの測定原理が示されている。図３は、第１励磁コイル２４および第１検出コイル２０にかかる測定について説明するための図である。図示するように、２個の第１励磁コイル２４に逆位相の電流を流す。これにより第２スケールコイル１６ａ，１６ｂにも逆向きの電流が流れる。この電流は、結合配線１８ａ，１８ｂで結合されている第１スケールコイル１４ａ，１４ｂにも流れ、測定方向に交互に配列された逆向きの磁界を形成する。この磁界によって、第１検出コイル２０の４個の菱形の部分には、交互に、図において逆回りの電流が誘起されるが、これらの電流は、前述のような菱形の部分の構成により合算される。この電流の強度は、第１スケールコイル１４と第１検出コイル２０の測定方向の相対位置によって変化する。すなわち、第１検出コイル２０の菱形の中心が、第１スケールコイル１４の中心に一致する場合、最大値または最小値をとり、その間は、これらのコイルの位相に応じた値となる。この電流値は、ほぼ波長λ1の正弦波となる。
【００１８】
図４は、第２励磁コイル２６および第２検出コイル２２にかかる測定について説明するための図である。図示するように、第２励磁コイル２６に電流を流す。これにより第１スケールコイル１４ａ，１４ｂに同一の向きの電流が流れる。この電流は、結合配線１８ａ，１８ｂで結合されている第２スケールコイル１６ａ，１６ｂにも流れ、全て同一の向きの磁界を形成する。測定方向に隣り合う第２スケールコイル１６ａ，１６ｂの間の部分には、コイル１６ａ，１６ｂ内に形成された磁界と逆向きの磁界が形成される。これらの磁界によって、第２検出コイル２２の４個の菱形の部分には、交互に、図において逆回りの電流が誘起されるが、これらの電流は、前述のような菱形の部分の構成により合算される。この電流の強度は、第２スケールコイル１６と第２検出コイル２２の測定方向の相対位置によって変化する。すなわち、第２検出コイル２２の菱形の中心が、第２スケールコイル１６の中心に一致する場合、最大値または最小値をとり、その間は、これらのコイルの位相に応じた値となる。この電流値は、ほぼ波長λ2の正弦波となる。
【００１９】
このように、スケール１２の相対移動に応じて、近接するが異なる波長λ1，λ2を有する二つの正弦波信号を得ることができる。二つの正弦波信号の位相関係は、λ1，λ2の最小公倍数Λを１波長とする周期関数となる。言い換えれば、波長Λの範囲では、λ1，λ2の位相関係から、スケール１２の絶対位置が一意に決定できる。波長Λ以上の測定については、１波長Λ移動するごとにそれを記憶し、１波長に達しない移動量について前述のように二つの正弦波信号の位相関係から算出し、これらを加算することにより、スケール１２の全移動量が算出される。
【００２０】
各図に示されるように結合配線１８は、これが結合している第１および第２スケールコイル１４，１６と共に一つのループを形成しており、結合配線１８は２本の導線が近接して並んで配置されている。この２本の導線には、逆向きの電流が流れ、それぞれが発生する磁場が、他方の導線に、ここを流れる電流と逆向きの電流を誘起する。これによって、検出コイル２０，２２により検出される信号レベルが低下する。第１および第２のスケールコイル１４，１６は、異なる周期λ1／２，λ2／２で配置されている（図２参照）ため、単純に二つのコイル１４，１６の中心を結ぶように結合配線を配置すると、図５に示す結合配線１８’となる。図示されるように、スケールの端部において結合配線１８’は斜めになり、測定方向に直交する向きとなっている中心部分とは、その長さが異なってくる。結合配線１８’の長さが長くなると、前述した受信信号レベルの低下が大きくなる。すなわち、図５に示すような場合、検出コイルがスケールの端部に行くほど、受信信号レベルが低下することになる。この低下により、受信された正弦波形の位相が正確に算出できなくなり、当該エンコーダの測定精度の低下を招く。
【００２１】
図６は、長さを揃えた結合配線１８を示す図である。スケールのどこであっても結合配線１８の長さが一定であるので、結合配線による受信信号レベルの低下が検出コイルのスケールに対する位置に依存しない。よって、エンコーダの測定精度を高めることができる。
【００２２】
さらに、結合配線１８は、測定方向、すなわち第１および第２スケールコイル１４，１６の配列方向に直交する向きに配置されており、これにより結合配線１８の長さを短くすることができる。また、結合配線１８自身も一定の周期で配置されている。このように配置しておくことにより、ある周期を持ったノイズが検出されたとき、この周期と結合配線の周期を比較することにより、原因が結合配線にあるのか否かの判断を容易に行うようにすることができる。
【００２３】
図７は、スケールの端部付近において、第１および第２スケールコイル１４，１６が大きくずれ、図６に示すような直線の結合配線１８では対応できなくなったような場合の結合配線の形状の例を示す図である。結合配線３４は、図示するようにクランク状になっており、それぞれの長さは全て等しくなっている。よって、受信信号レベルの低下が、検出コイルのスケール上の位置に影響を受けることがない。
【００２４】
以上のように、結合配線の長さを等しくすることにより、受信信号レベルがセンサのスケール上の位置により変化することを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本実施形態の磁気式エンコーダの概略構成を示す図である。
【図２】  コイルの形状等の説明図である。
【図３】  波長λ1に関する測定の説明図である。
【図４】  波長λ2に関する測定の説明図である。
【図５】  結合配線の長さがスケール上の位置によって変わっている例を示す図である。
【図６】  本実施形態の要部を示す図であり、結合配線の長さが等しい例を示す図である。
【図７】  本実施形態の要部を示す図であり、結合配線の長さが等しい他の例を示す図である。
【符号の説明】
１０  スケール、１２  スライダ、１４（１４ａ，１４ｂ）  第１スケールコイル、１６（１６ａ，１６ｂ）  第２スケールコイル、１８（１８ａ，１８ｂ），３４  結合配線、２０  第１検出コイル、２２  第２検出コイル、２４  第１励磁コイル、２６  第２励磁コイル、２８  送信制御部、３０  受信制御部、３２  第１スケールコイルの配列の軸。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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