(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
経路（ｘ）に沿って互いに相対的に移動自在である２つの素子（１，２；３１，３２）であり、前記経路に沿って配置される複数の巻線（１Ａないし１Ｄ；３１Ａないし３１Ｃ）が設けられ、且つそれらの相互インダクタンスが前記２つの素子両者の相対変位の周期性関数として変化する２つの素子（１，２；３１，３２）と、前記巻線の相互インダクタンスの量から前記変位の値を測定する電子的手段（１０）とを有する誘導性変位センサであって、
前記巻線（１Ａないし１Ｄ；３１Ａないし３１Ｃ）は、前記２つの素子のうちの第１の素子（１；３１）上に構成され、
第２の素子（２；３２）には、前記巻線の相互インダクタンスを変更するように前記経路に沿って空間周期Ｔの空間的周期形状を有する導体パターン（２１，２２；３２１，３２２）が形成され、
前記電子的手段（１０）は、前記巻線のうち少なくとも一つの巻線に電流を生ずるように、かつ、前記第２の素子の空間的周期形状を有する導体パターンの位置により、前記第１の素子の少なくとも別の巻線に生ずるインダクタンスの影響を測定するように前記第１の素子上の前記巻線に接続され、
前記第１の素子（１；３１）には、前記経路（ｘ）に沿って空間周期２Ｔの空間周期性で前記巻線が設けられていることを特徴とする誘導性変位センサ。
【請求項２】
前記電子的手段（１０）は、一時的にインダクタとなる少なくとも１つの巻線に電流を生ぜしめ、かつ、前記巻線と別の巻線に一時的に誘導される信号を測定することを特徴とする請求項１に記載の誘導性変位センサ。
【請求項３】
前記別の巻線は、前記電流が生ずる巻線とＴ／２だけｘ軸に沿って互いにシフトされた状態に構成されていることを特徴とする請求項２記載の誘導性変位センサ。
【請求項４】
前記第１の素子（３１；４１）は、同一表面上に織り込まれかつ前記通路（ｘ）に沿って距離Ｔ／Ｎの所定の整数倍だけ相互にシフトされたＮ個の巻線（３１Ａないし３１Ｃ；４１Ａないし４１Ｅ）を有することを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の誘導性変位センサ。
【請求項５】
前記巻線（４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃ）は、一端部において共に結合され他端部において前記電子的手段と接続された、直線状部分が重複する２つのくねり線路によりそれぞれ作られていることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の誘導性変位センサ。
【請求項６】
前記巻線（４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃ）は、前記第１の素子の両端に向かって先細にされていることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載の誘導性変位センサ。
【請求項７】
前記第１の素子の巻線間の誘導的な相互結合は、前記第２の素子における誘導された電流または多数の電流ループを介して実現されることを特徴とする請求項６記載の誘導性変位センサ。
【請求項８】
前記第２の素子は、絶縁基板上の一連の電導環部（５Ｂ）若しくは電導領域（５Ｃ）、または梯子（２，３２）若しくは打ち抜きテープとしての形状または周期性の浮き彫り模様（５Ｄ，５Ｅ）を持つ形状を呈する電導体を有することを特徴とする請求項６記載の誘導性変位センサ。
【請求項９】
前記電子的手段（１０）は、自己インダクタンスＬ及び抵抗Ｒの少なくとも２つ巻線（Ａ，Ｂ，Ｃ）または巻線のグループの間の相互インダクタンスの測定を、時定数Ｌ／Ｒよりも短い電圧パルスを少なくとも一方の巻線または巻線のグループの端子に供給し少なくとも１つの他方の巻線または巻線のグループの端子に誘導されたパルスを測定することによって行うよう設計されていることを特徴とする請求項１乃至８の何れか一項に記載の誘導性変位センサ。
【請求項１０】
前記第１の素子（３１）では、前記経路（ｘ）に沿って距離Ｔ／３の整数倍だけ互いにシフトされた３つのくねり路巻線（３１Ａないし３１Ｃ）がＹ接続しており、前記電子的手段（１０）は、一方の巻線の端子に電圧パルスを供給し、２つの他方の巻線に誘導されたパルスを混合して、誘導巻線から距離Ｔ／２だけｘ軸に沿ってシフトされた架空の中間巻線からの信号に等価な標本化信号を得るよう構成されていることを特徴とする請求項１乃至９の何れか一項に記載の誘導性変位センサ。
【請求項１１】
前記電子的手段（１０）は、空間周期Ｔに亘って６つのサンプルを得るように周期的な順で、誘導巻線及び被誘導巻線をシフトさせ、
前記サンプルから成る信号をフィルタリングすることにより、当該変位に比例し、基本成分が空間周期Ｔにつき１回反転変化する位相シフトを呈する周期性信号を生ずることを特徴とする請求項１０に記載の誘導性変位センサ。
【請求項１２】
前記電子的手段（１０）は、シフトレジスタ（５１）に接続されるパルス発生器（５０）を有し、前記シフトレジスタの出力は、一方においては各巻線を順次誘導性にせしめるよう駆動デバイス（ＴＡ，ＴＢ，ＴＣ）を制御し、かつ他方においては他方の巻線の双方において誘導された電圧信号を計測デバイス（Ｃ１，Ｃ２，８０，９０）へ伝送するよう伝送ゲート（ＴＧ）を制御することを特徴とする請求項１１記載の誘導性変位センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明の対象は、経路に沿って互いに相対的に移動自在であり、前記経路に沿って構成された巻線が設けられ、かつ、それらのインダクタンスが両者の相対的変位の周期性関数にて変化する２つの素子と、前記巻線のインダクタンスの量から前記変位の値を測定する電子的手段と、を有する誘導性変位センサである。
【０００２】
【従来の技術】
レゾルバ及びシンクロは、上述した誘導性変位センサに係る２つの公知な回転機械の実施形態である。これらは、主たる巻線及び固定された素子またはステータを伴う回転素子またはロータを具備し、また、当該ロータの巻線との結合部がロータ角変位に伴って正弦曲線にて変化する２つまたは３つの副次的巻線とを具備するものである。例えばシンクロ−ディジタル変換器の如き電子的手段は、かかる主巻線における周期性の参照信号によりステータの巻線に結合された信号の振幅及び位相から当該ロータの角変位を測定する。このようなセンサの精度は、数分の角度を満たすことが可能である。
【０００３】
同じ原理で作用するロータリまたはリニアセンサの他の公知な実施の形態は、インダクトシン・オブ・ファーランド・コントロールズ社，バルハラ，Ｎ．Ｙ．（the Inductosyn of Farrand Controls Inc., Valhalla, N.Y.）による。これによると、０．２５ｍｍの平均ギャップをもって対向し合う両素子の表面が、平坦なヘアピンカーブすなわちくねり路状の巻線を２ｍｍの平均くねり周期をもって担持するものである。リニア型の場合、精度は１マイクロメートルが可能であり、ロータリ型の場合は１秒の角度が可能である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
これらのセンサは、頑強であり、水や油のような汚れによっても計測精度が影響を受けにくいので、主に航空電子光学や工作機械において用いられる。しかしながら、損失や歪みを制限するために、その測定周波数の範囲は４００Ｈｚから１０ｋＨｚまでと低い。この低周波数による低い能率と、インダクトシンの場合における小なる巻線インダクタンスは、高い電流消費を意味し、さらに、相対的に移動自在な素子の双方間において、可撓性を有する接続部または滑走する接触部の必要性は、規模及び価格全体を増大させるものである。これらの短所は、その応用を制限する。よって、これらは、例えば、水に感応させないようにするために、カリパスやバッテリにて動作するその他の小なる測定器具において用いられている容量性センサに取って代わることができない。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的は、こうした短所を補償することであり、このために、巻線が前記２つの素子のうちの第１の素子上に配設される点と、第２の素子が、前記巻線のインダクタンスを変化させる前記経路に沿った空間周期Ｔの空間的周期形状を有する点と、前記電子的手段が、前記巻線の少なくとも一つに電流が生ずるように、かつ、前記第２の素子の空間的周期形状の位置により、前記第１の素子の少なくとも別の巻線に生ずるインダクタンスの影響を測定するように第１の素子上の前記巻線と接続されている点とに特徴づけられている。
【０００６】
これによって、両素子間において、可撓性を有する相互接続部または滑走する接触部が排除されるので、本センサは、簡単、安価かつ小型となる。多くの場合とても長くなる第２の素子またはスケール上の巻線及び接続部が無いことにより、高い周波数の測定信号を用いることができる。ここで巻線のインピーダンスは、該巻線のオーム抵抗よりも高く、
これによりセンサの効率を改善する。
【０００７】
第１の素子は、前記経路に沿う空間周期２Ｔの空間的周期形状を有する巻線または巻線のグループが設けられると都合が良い。多くの空間周期Ｔの長さに亘り延在するこれらの巻線に対する第２の素子の作用は増強され、前記作用の局部的変動による誤差は低減される。前記電子的手段は、少なくとも一時的にはインダクタとなる巻線に電流を生じさせ、インダクタと成る巻線とは別の巻線に少なくとも一時的に誘導された信号を計測すると有利である。これにより相互インダクタンスが計測されるので、自己インダクタンスにおける変動による誤差は、それが排除されていないとしても低減されることとなる。
【０００８】
信号が誘導される前記別の巻線は、インダクタと成る前記巻線と直交するように、すなわち空間的な巻線の周期が２ＴのときにＴ／２だけ空間的にシフトされて構成されるのが好ましく、これにより第２の素子を介した相互結合のための直接的相互結合を除去する。極めて有利な構成は、第１の素子が、同一表面上に織り込まれかつ前記経路に沿った距離Ｔ／Ｎの所定整数倍だけ相互にシフトされたＮ個の巻線を有することを特徴としている。これにより、極めて小型の第１の素子及び最適な結合状態が得られ、そして何よりも幾何学的な欠陥に対しての感応性の低下をもたらすこととなる。形状や案内の誤調整による両素子間のギャップの変動は、きわめて小なる距離を越える程度での弱いままであり、ほんの少しだけ１組の織り込み巻線に影響を及ぼし、局部的誤差ほどのものは全て巻線の領域に亘って平均化される。
【０００９】
好ましい設計においては、巻線の各々は、一端が共に接続され他端において電子的手段と接続されかつ往復して部分的重畳をなす２つのくねり線路からなる。この設計は、相互接続長だけでなく、寄生インダクタンスや電磁気的放射を最小化し、与えられた領域につきインダクタンスを４倍にする。巻線は、直線移動型の実施例の相互インダクタンスを等化し、有限の長さでセンサの検出感度の不均衡を削減するために、第１の素子の双方の端部へ向かって先細となる形とすると有利である。
【００１０】
第１の素子の巻線間の誘導的な相互結合は、前記軌道に沿った空間周期Ｔに関しての、空間的周期性の電導構造が適宜形成される第２の素子における誘導電流または渦電流を介して実現することができる。多くの実施形態が実現可能であり、例を挙げると、絶縁基板上の電導環部または領域の列、梯子若しくは打ち抜きテープのような形状または周期的浮き彫り模様を有する電導体である。このようなスケールは、広い適用範囲の材料において製造するのには簡単である。
【００１１】
好ましくは、前記電子的手段は、自己インダクタンスＬ及び抵抗Ｒの少なくとも２の巻線または巻線のグループの間における相互インダクタンスを計測するように設計され、かかる計測は、少なくとも一方の巻線または巻線のグループの端子に時定数Ｌ／Ｒよりも短い電圧パルスを供給し、少なくとも１つの他方の巻線または巻線のグループの端子において誘導されたパルスを計測することによって行われる。これにより非常に短い測定信号が得られ、その反復レートは、極めて低い平均電流消費をもたらすのに十分なほど遅いものとされ得る。このような短いパルスはまた、抵抗の損失が低いままなので良好なセンサ効率を果たすこととなる。
【００１２】
好適な実施例は、前記経路に沿って距離Ｔ／３の整数倍だけ相互にシフトされた３つのくねり路巻線がＹ接続しており、誘導巻線から距離Ｔ／２だけシフトされている、すなわち該巻線と直交する状態にある架空の中間巻線からの信号と等価な標本化信号を得るため、一方の巻線の端子に電圧パルスを印加し、他方の２つの巻線に誘導されたパルスを混合するように構成された電子的手段とを有している。
【００１３】
電子的手段は、フィルタリングにより得られる基本成分が、空間周期Ｔにつき１回反転変化する割合で当該変位に比例した位相シフトを呈する周期性信号が生じるように、空間周期Ｔに亘って６つのサンプルを得るように周期的な順で、誘導巻線及び被誘導巻線をシフトするように構成されている。したがって、くねり路巻線と電子的計測手段との間には、接続部が４つだけ必要とされる。これら３つのくねり線路は、印刷回路に形成された場合でも１ミリメートル未満で空間周期Ｔを持つことができ、簡単な電子的手段で高精度を実現できる。このようなセンサは、簡素な構成を持ち、頑強でかつ精度が良好であり、しかも小型化するのが容易である。電流消費が低下することで、水及びその他の汚れに影響を受けないことを必要とするカリパスのような小型バッテリ動作器具においてこのようなセンサを使用することが可能となる。
【００１４】
その他の利点は、以下、本発明の実施例及び幾つかの変形例を一例として模式的に表示する図面の助けを借りて、本発明を詳細に説明するので、請求の範囲で表現された特徴からも、以降の詳細な説明からも明瞭である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明に係るセンサの素子の双方は、図１に示すように、経路すなわち軸ｘに沿って互いに相対的に移動自在である。第１の素子１は、例えば滑子（カーソル）であり、第１の素子を隠すことのないように右側部分だけが表示されている第２の素子と対向する表面上に、くねり路の或いは交互に鋭角Ｕ字形曲折路の形状である４つの電導性の巻線１Ａないし１Ｄを有する。第２の素子２、例えば定規または物差し（スケール）は、ｘ軸に沿う窓部２１の横列を特徴とする電導性の帯体（テープ）であり、計測スケールを構成する。前記窓部の空間的周期すなわちピッチは、Ｔとして定義される。第１の素子１上のくねり線路１Ａないし１Ｄは、ｘ軸に沿って２Ｔのピッチを有しており、同じ空間周期２Ｔを有する電磁界を誘導し、または検出することが可能となっている。電磁誘導をするうねり路巻線から誘導されるうねり路巻線までの結合は、窓部２１の周りの電導領域が当該結合部を中継する多数の電流ループを形成するときに、計測スケール２の空間的に周期性を持って形成されている部分で誘導される。これら電流の循環方向は、１つの窓部から隣の窓部へと互い違いになっており、電導部分すなわち窓部２１の間の仕切部２２において互いに増強し合うようになる。この電磁界は、くねり路巻線近傍に閉じこめられた状態を留めているので、当該センサがバッテリ動作器具の一部である場合、例えば高速制御ループのセンサとして、短い計測時間で高周波数で使用することが可能となり、或いは、平均電流消費を低減するのに十分低い繰り返しレートで、きわめて短いパルスで使用することが可能となる。
【００１６】
結合は、直交状態の、つまり当該ピッチの４分の１すなわちＴ／２だけｘに沿って互いにシフトされているくねり路巻線間において測定されるのが好ましく、これはその相互インダクタンスを最小化することとなる。図１において、Ｔ／２だけｘに沿って互いにシフトされているくねり路巻線の対は、１Ａ，１Ｃと１Ｂ，１Ｄであり、各対は、同じスケール２の窓部２１に対向し当該窓部を介して結合できるよう明確に配置されている。
【００１７】
一定速度で変位する仮想的なスケールについての、一方のくねり路巻線から他方のくねり路巻線への結合が、Ｔ／４だけ連続的にシフトされた４つの瞬間的位置について、この変位の際に誘導する信号及び誘導される信号の波形とともに、図２において極端に模式化されて示されている。駆動電圧Ｖ１は、矩形波パルス列にて形成され、巻線１Ａの端子へ供給され、巻線１Ａを通じて勾配形状の電流パルスＩ１がその自己インダクタンスにより発生する。これらパルスＩ１は、巻線１Ａ，１Ｂに対向するスケール２の窓部２１の周りに電流Ｉ２を誘導し、これに応答して電流Ｉ２は、巻線１Ｃ，１Ｄの端子に電圧パルスＶｍを誘導する。図２の左にある初期形態０（ゼロ）では、巻線１Ａとスケールとの間の結合すなわち相互誘導が最も大きくなるので、スケール２における電流Ｉ２は最大振幅を呈することとなる。一方、巻線１Ｃの端子間電圧Ｖｍは、当該巻線がスケールと直交している（Ｔ／２だけｘに沿って互いにシフトしている）のでゼロである。スケールのＴ／４シフトは、巻線１Ａとスケールとの間の結合性を低減するが、スケールと巻線１Ｃとの間の結合性を増大させ、両結合性の積は、巻線１Ｃの端子間電圧Ｖｍとともに最大となる。Ｔ／２のシフトでは、巻線１Ａ及びスケールは直交し（Ｔ／２だけｘに沿って互いにシフトし）、電圧Ｖｍをゼロとする。最後の３Ｔ／４シフトでは、電圧Ｖｍが再び最大値となるが、相対的な結合巻線の極性は変わっており、電圧Ｖ１とは逆の極性を持つ。中間のパルスも図２に示され、空間周期Ｔの、変位に伴う電圧Ｖｍの周期的な変化が明解である。
【００１８】
したがって、図１の１．２５Ｔだけ相互にシフトされた直交巻線対１Ａ，１Ｃと１Ｂ，１Ｄとの双方から得られる電圧Ｖｍは、ｘ軸に沿う当該変位に関し、空間周期Ｔに関しかつＴ／４だけ相互シフトされた周期性関数であり、これによりｘ軸に沿った変位の量及び方向の明確な測定を可能としている。なお、誘導巻線の自己インダクタンスも第２の素子の接近によって影響を受けるので、誘導巻線そのものにおいてスケールの結合効果を測定することもできるが、自己インダクタンスによる変動は、約１０％と少ない。したがって、他の原因、例えば幾何学的な欠陥または接続線を原因とするインダクタンスの小さな変動と区別することができず、大きな測定誤差を招く可能性がある。
【００１９】
図１における巻線パターン１Ａないし１Ｄは、１つの金属層を必要とするだけである。一方、第２の素子すなわちスケール２の実施形態は、少なくとも２つの分離した巻線間の結合を生じさせる必要がある点で、制約を受け、コンパクトではない。これに加えて、各巻線が窓部の周囲の半分だけしか及ばないので結合度が減る。その上、ｘ方向に沿って分配された巻線例えば図１における１Ａ及び１Ｂの間で結合することは不可能である。
【００２０】
この点、本発明によるセンサにおいて、図３において例示される織り込まれたくねり路巻線を採用することは、非常に有利である。上述した全ての欠点は、１つ電導層の追加することで排除される。かかる層のコストは、削減されるサブストレート領域によりいずれにしても相殺されるのである。任意の数Ｎの織り込み巻線を伴う実施の形態は、この趣旨で実施される。
【００２１】
図３において、第１の素子すなわちカーソル３１は、ピッチ２Ｔで２Ｔ／３だけ連続してシフトされたＮ＝３のくねり路巻線３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃを備えており、第２の素子すなわちスケール３２と対向する。ここで、スケール３２すなわち電導性テープは、窓部３２１の横列とピッチＴの仕切部３２２とを特徴としている。これによれば、第１の素子３１の巻線３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃが互いに交差するように２つの金属層上に形成される。一方のくねり線路層から他方のくねり線路層への通路または抵抗の接触は、接触点（コンタクト）３１０を介してなされる。その他の箇所では、電導体は、図３では分からないが薄い層によって絶縁されている。この層は、薄膜の被いまたは集積回路基板のようなものであるが、基板の同一側にこれらの層がある図３とは異なり、例えば多層印刷回路基板の絶縁層またはその回路基板自体のように十分に厚いものとすることができる。
【００２２】
これらコンタクトバイアスまたはスルーホール３１０は、２Ｔ／３のピッチを有するので、図３のくねり巻線３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃは、１ミリメートル程のピッチＴで印刷回路上に簡単に実現される。但し、図４におけるが如くこれらコンタクト間のピッチをＴ／３に縮めることができるならば、もっと小型の巻線を構成することができる。図４において、巻線４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃの各々は、ｘ軸と交差して延びるその直線状部分が重なる２つのくねり線路にて形成され、同じ領域で４倍のインダクタンスを生ずる。これは、誘導する電流或いは誘導される電流が、図４において強調された巻線４１Ｂの矢印によって示されるように、前記重なる直線状部分において同じ方向を有する場合である。各巻線のくねり路は、行きつつ戻り走り、つまり同じ端部で始まりかつ終わるので、全ての接続は１つの端部でなされ、浮遊のインダクタンス及び放射を最小化する。図４における巻線は、その相互インダクタンスを等化すべく、有限長構成であるリニアセンサにおいて、端部に向かって先細となる形とされる。ロータリ型では、全周囲に亘って巻線を分配することにより、同様に達成することができる。
【００２３】
この出願によれば、これら解決方法または他の幾つかの形態のうちの１つが採用され得る。これら織り込み巻線は、大なる空間を要せず、幾何学的欠陥に対して感応が鈍く、しかも色々なスケールで作用するものであり、上記の例におけるが如く電導し或いは磁気的に浸透することが可能であるので、その結合部の磁界がスケール３２の仕切部３２２の接近によって変調される。
【００２４】
スケールは、図１の場合と同種のものが採用可能であり、或いは基板上に設置されうる。図１の窓部２１のような幾何学的なものの代わりとして、電導性における局部的な変更、例えば半導体のドーピングにより、若しくは、透磁性における局部的な変更、例えば磁気テープによって、電磁界に対して誘導作用を生じさせることができる。さらに電導性の金属スケールは、摩滅や汚れ及び高温への耐性，低温度係数，安定性，並びに堅さついて特に有利である。絶縁基板上の電導体を有するスケールは、安価な印刷回路基板により、或いは低い膨張係数を有する軽量かつ高安定なセラミックキャリア上の電導フィルムにより構成することができるので、これもまた注目するところである。
【００２５】
本発明による第２の素子たるスケールの例の幾つかは、図５（Ａ）ないし（Ｅ）に示されている。スケール５Ａは、ロータリエンコーダ用に、放射状窓部を特徴とする電導ディスクに形成されている。スケール５Ｂには、絶縁基板上の電導ループが構成されている。両スケールは、織り込みまたは非織り込み巻線により読み取ることができる。スケール５Ｃは、渦電流が誘導される電導性の島部を有する。電導スケール５Ｄは、第１の素子に最も近接する表面下における渦電流により作用する浮き彫りパターンを有する。高能率とするのには浮き彫りの高さを０．２Ｔとすることで足りる。電導の、若しくは磁気的な浸透性のスケール５Ｅは、２つの直交配列された第１の素子による両座標軸に沿った計測を可能とする２次元浮き彫りパターンを有する。これらスケール５Ｃないし５Ｅは、織り込み巻線により読まれる必要がある。本発明によってはこれとは別のスケールも実現可能であり、最適なスケールの選択は、その応用分野によりなされることとなる。
【００２６】
以下、図３及び図４に示されたような、第１の素子上に３つの巻線を有するセンサを例にとり、本発明による電子的手段を説明する。図６は、３つの織り込み巻線Ａ，Ｂ，Ｃを伴うこれら電子的手段または回路を、明瞭とするために分けて概略的に示している。ここではＹ接続、すなわち共通のコンタクトに各々１つの端子があり、当該回路の電源電圧にすることのできる正電圧Ｖ＋への接続が採られている。残る端子ＬＡ，ＬＢ，ＬＣは、駆動トランジスタＴＡ，ＴＢ，ＴＣ、サージ吸収ダイオードＤＡ，ＤＢ，ＤＣ及び同様に名付けられたトランスミッションゲートまたはスイッチングゲートＴＧの端子ＬＡ，ＬＢ，ＬＣにそれぞれ接続される。駆動トランジスタは、ＮチャンネルのＭＯＳ増強タイプである。
【００２７】
計測原理は、次の如くである。スケールを介する結合は、巻線Ａに電圧パルスを発生し、同時に他の巻線Ｂ及びＣに誘導された電圧間の差をサンプリングすることにより計測され、後述によりさらに明らかとなるように、誘導及び被誘導の巻線が直交状態（Ｔ／２だけｘに沿って互いにシフトした状態）となる。この結合は、図２を参照して説明されるような空間周期Ｔに伴い、空間的周期性の態様で変化するものであり、周期性の標本化（サンプル）電圧シーケンスは、巻線Ｂに次のパルスを発生させて、その次の巻線Ｃ，Ａ，等々の間の電圧差をサンプリングすることにより簡単に得られる。このシーケンスは、周期当たり３つのサンプルをもたらし、サンプル信号の位相を検出するのに十分である。
【００２８】
この位相は、結合特性による空間的高調波が無視できる限り、当該変位に対して直線的に変化する。これは大抵、偶数次高調波が弱く、かつ、３次高調波がサンプルされず、５次以上の高調波が、巻線とスケールとの表面間における０．２Ｔという十分なギャップのために大幅に減衰される場合である。実際、くねり路巻線の電磁界の空間高調波は、ギャップに対して指数関数的に減少し、ｍ次の高調波であれば０．２２Ｔ／ｍのギャップに対して半分だけ減ずることとなる。そしてその信号の位相は、前記３つのサンプル電圧の振幅及び極性に関する関数として計算される。
【００２９】
例を挙げて説明され、かつ、図６に示される電子的手段は、１周期あたり６回サンプルされた信号をフィルタリングすることにより、直接的に当該位相を測定するものである。１周期あたりそれより多くのサンプルについて低域通過フィルタリングすることは、比較的簡単である。ここで空間的３次高調波は、サンプルされるが、フィルタ処理される。これに対して５次高調波は、サンプリングにより基本的に除去されるが、それ以前に例えば上述したように、当該くねり線路及びスケールの形状によって或いは十分なギャップによって簡単に減衰されなければならない。
【００３０】
図７（ａ）ないし（ｆ）は、図３に示されたようなＹ接続された３つの巻線で、誘導及び被誘導巻線間の直交状態に関し、周期Ｔにつき一連の６つの結合形態の発生態様の一例を示している。Ｙ接続された織り込みくねり路巻線Ａ，Ｂ，Ｃは、右手に共通端子が表されている。図４に示される巻線は、各々が部分的に重複している２つのくねり路（部分的重複くねり路）からなり、全ての端子は、はっきりと同じ側に置かれる。黒い矢印は誘導する巻線と誘導する電流の方向を示し、白い矢印は誘導される巻線と測定極性とを示している。図７（ａ）においては、巻線Ａが誘導する一方で巻線Ｂ，Ｃが誘導される。かかる後者の隣合う線部分（巻線Ｂ、Ｃ）は同じ測定極性を持つので、これらはかかる誘導巻線（巻線Ａ）と直交する、すなわちＴ／２だけｘ軸に沿って互いにシフトする架空の中間巻線と等価であり、スケールの無い場合における実質の相互結合はゼロとなる。示された巻線の形態は、端子において常に逆の測定極性を示すものである。すなわち図７（ａ）においては、巻線Ｂの極性を示す白い矢印は端子ＬＢから離れる方向に向くが、巻線Ｃの矢印は端子ＬＣに向かい、これにより電圧差が計測されるのである。図７（ａ）の形勢からＴ／６だけシフトすると、誘導巻線が２つの巻線間に存することとなり、従って双方が誘導し、電流及び回路の複雑さが増す。他方、架空の被誘導巻線は、実在の巻線上に存在することになる。しかしながら、結合が計測されるので、誘導及び被誘導巻線が交換されるか否かは問題にはならず、巻線Ａ，Ｂが誘導され、Ｃが誘導する図７（ｂ）の形態となる。同様に、他の形態も、どれも１つの巻線が誘導し２つの巻線が誘導されるものであり、それぞれＴ／６シフト後に誘導及び被誘導巻線を変えることによって得られる。最後に、かかる矢印は、図７（ｃ），（ｄ）において反転されており、駆動回路を簡単化するために常に巻線への同じ電流方向を達成し、さらに測定極性を反転することによって、結合された信号の極性は正確性が保たれる。
【００３１】
これら６つの形態は、図６における回路１０によりつくられる。このために、発生器５０は、その出力ＣＰでパルス列を発生し、３段シフトレジスタ５１及び制御ロジック「アンド」ゲート６Ａないし６Ｃ並びに７ａないし７ｆにクロックとして供給する。シフトレジスタ５１のデータ入力は、該レジスタの２つの第１出力Ｑ１，Ｑ２の送出がなされるロジック「ノア」ゲート５２により制御され、かかる構成により各出力Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３のうち２つが論理値０でありつつも順次論理値１に切り替わるモジュロ３カウンタが形成される。ある論理値から次の論理値への変更は、ＣＰの信号の立ち下がりエッジで行われる。出力Ｑ３の立ち下がりエッジは、出力ＲＰが論理値０と１とで交互に変わるフリップフロップ５３を切り換える。図８は、ＣＰ，Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，ＲＰにおける信号のロジック波形を示している。初期時においては、出力Ｑ１は論理値１であり、出力ＲＰ及びＣＰは論理値０である。
【００３２】
ＣＰの立ち上がりまたはリーディングエッジでは、図６のゲート６ＡがトランジスタＴＡに対して動作の許容をなしてかつオン駆動させ、かかるトランジスタは、巻線Ａの端子ＬＡを接地（ゼロボルト）させる。これにより巻線Ａは、誘導することになる。同時に、ゲート７ａは、インバータ５４を介して反転信号ＲＰを一入力端に受け、その３つの入力が論理値１となって２つのトランスミッションゲートまたはスイッチングトランジスタＴＧをオンとする。かかるトランジスタＴＧの一方は、巻線Ｃの端子ＬＣを容量Ｃ１及び差動増幅器８０の「＋」入力に切り換え、その他方は、巻線Ｂの端子ＬＢを容量Ｃ２及び差動増幅器８０の「−」入力に切り換える。これによって一方は、図７（ａ）の形態をつくり、図７（ｂ）ないし（ｆ）の形態も図６における回路によりつくられることを容易に確認することができる。
【００３３】
出力ＣＰのパルスの端部では、トランスミッションゲートＴＧがオフとされ、キャパシタＣ１及びＣ２は巻線Ｃ及びＢに誘導された電圧が蓄積され、駆動トランジスタＴＡはオフに切り換えられる。図８はまた、端子ＬＡ，ＬＢ，ＬＣの波形の他にも、増幅器８０の出力のサンプルされかつ増幅された差信号ＡＳ、及びフィルタ９０の出力のフィルタ処理された信号ＡＦを表している。信号ＡＦと参照信号ＲＰとの位相シフトを計測することによって、スケールの空間周期Ｔ当たり３６０度の割合で当該変位に比例した位相シフトが得られる。所定数周期に亘る位相シフトの計測は、公知である。例を挙げれば、信号ＡＦと基準位相ＲＰの同じ極性の遷移間の時間差が縮められうる。但し、整数個のピッチＴに対応する位相シフトは、前記遷移間において時間差ゼロを導くので、変位の周期の数を考慮に入れることによって初めて除去することのできる計測の不明確さがある。すなわち数ピッチに亘る変位は、同じ数の変わり目若しくは周期に亘る位相シフトと対応することとなるのである。このため、サンプリングレートは、確実に、１以上のピッチＴを誤ることなく最大速度での変位を追従するのに十分に高いものにすべきである。
【００３４】
このようなセンサの実現においては、同じ自己インダクタンスの巻線を採用するよう、そしてその直結の相互インダクタンスを最小化及び／または等化するよう配慮する必要がある。また、巻線端子を接続する線は、これらインダクタンスが可及的に小さくするのに寄与するよう短縮しまたは広げて形成されるべきである。良好な解決方法は、巻線の隣の半導体のダイ（ＩＣチップ）に当該回路を一体化すること、若しくは当該ダイ上に巻線を含ませることである。残存する非線形性は、必要であれば電子的手段により若しくは相互及び自己インダクタンスを調整することによって、或いは、例えば図４のような巻線の形状によるか若しくは巻線に隣接する透磁性または導電性スクリーンの作用によるかどちらかによって、補正される。
【００３５】
このようなくねり路巻線の小なる自己インダクタンスは、平均値が１マイクロヘンリ以下であり、毎マイクロ秒につき数アンペアの極めて急峻な電流上昇を伴い、電流消費の制限のためには、パルスの持続期間を１００ｎｓ未満とするべきである。上限はまた、時定数Ｌ／Ｒによって与えられる。ここでＬは巻線の自己インダクタンスであり、Ｒは、駆動トランジスタの出力抵抗を加えた該巻線の抵抗である。それは数ナノ秒（集積回路巻線）から約１００ｎｓ（印刷回路巻線）まで変化する。現代のＣＭＯＳトランジスタのスイッチングパラメータは、このようなパルス持続期間に適している。さらに、これらパラメータは、良好な測定精度のため、短い時間に亘るパルスの均一性を守るのに十分な程度に緩やかにドリフトする。電流上昇はこれらパルスの間急峻となるので、信号対雑音比は高く、誘導電圧が電源電圧３Ｖにつき大略０．１Ｖであるためなおさら、その計測は電磁気の放射に対して感応しない。低電流消費を維持するためには、パルス間に十分な時間をとるべきである。スケールピッチＴが０．７５ｍｍで０．１２５ｍｍ（Ｔ／６）の変位に対応する５０マイクロ秒の時間は、２．５ｍ／ｓ以下の速度で変位に追従することを可能とする。パルス持続期間が５０ｎｓであり、３Ｖの電源電圧及び１マイクロヘンリの自己インダクタンスの場合、平均電流消費は、約７５マイクロアンペアであり、カリパスのような計測機器に適している。この小さなスケールピッチと簡単な補間は、概ね１マイクロメートルの測定精度を実現する。
【００３６】
本発明の実施例は、上述の例に限定されないことは勿論であり、請求項の範囲内で適宜改変することは可能である。特に、前記電子的手段１０は、第１の素子の巻線の少なくとも１つにおいて電流を生ぜしめ、同一の巻線の自己インダクタンスに対する第２の素子の空間的周期性の電磁特性の位置による作用を測ることができる。
【００３７】
織り込み形成されるかまたはされない巻線の数は、任意である。巻線の形状も全く違うものでも良く、例えば、１つ、２つ若しくはそれ以上の層において１以上のスパイラル線により構成されても良い。透磁性の素子は、これら巻線の性能を向上させるのに用いることができる。第２の素子またはスケールは、これまでとは違った態様に実現することができる。例えば短いスケールでは、閉じられたくねり路巻線すなわちその端子が短絡しているものは、空間的に区別された（すなわち織り込まれていない）巻線として有用であり、それらは前記同一のスケールの巻線に全てが結合されるので、第１の素子またはカーソルにおいて用いることができる。このような構成は、全周囲のまわりに閉成されたスケールくねり路巻線を有する小型のロータリエンコーダにおいて特に有用である。
【００３８】
センサの２つの素子は、直線状、曲線状、螺旋状またはその他形状の経路ｘに沿って相対的に移動自在にしても良い。電子的手段１０は、誘導及び被誘導巻線の選択だけでなく、他の部品によって行われる変位の関数として誘導される信号の評価など、全く異なる手法によって構成することもできる。
【００３９】
最後に、異なるスケールピッチをもって同一の軌道に沿って位置をあわせて本発明による２つ以上のセンサを組み合わせれば、単一スケールのピッチよりも遥かに大なる範囲に亘る明確な位置の読取、すなわち前記範囲内の絶対的な位置の読取が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】その第１の素子が４つの平坦なうねり路の巻線を有し第２の素子が窓部を持つ電導テープからなる、本発明によるセンサの相対的移動自在な素子の双方を例示する図である。
【図２】第２の素子またはスケールの変位の関数として２つのうねり路巻線における信号を示す図である。
【図３】第１の素子が３つの織り込み巻線を有する、本発明によるセンサの素子の双方を部分的に示す図である。
【図４】変形例として、他の実施可能な３つの織り込み巻線の形態を示す図である。
【図５】本発明による第２の素子の幾つかの例及び変形例を示す図である。
【図６】Ｙ接続された３つの巻線を有する本発明によるセンサの電子的手段を模式的に示す図である。
【図７】これら３つのうねり路巻線における一連の６つの結合信号の形態を示す図である。
【図８】図６に示された電子的手段からのロジック及びアナログ信号の波形を表す図である。
【符号の説明】
１，４１ カーソル
１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃ，３１Ｄ，４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃ，４１Ｄ くねり路巻線
２，３２，５Ａ，５Ｂ，５Ｃ，５Ｄ，５Ｅ スケール
２１，３２１ 窓部
２２，３２２ 仕切部
３１ カーソル
３１０ コンタクト
５０ パルス発生器
５１ ３段レジスタ
５２ ＮＯＲゲート
５３ フリップフロップ
５４ インバータ
１０ 電子回路
７ａ〜７ｆ，６Ａ〜６Ｃ ＡＮＤゲート
ＴＡ，ＴＢ，ＴＣ 駆動トランジスタ
ＤＡ，ＤＢ，ＤＣ ダイオード
ＴＧ トランスミッションゲート
Ｃ１，Ｃ２ コンデンサ
８０ 差動増幅器
９０ フィルタ
【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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【図８】
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