JP3754083B2 - 位置エンコーダ - Google Patents
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Description
本発明は一般に位置エンコーダに関するものである。本発明は、これに限られるものではないが、特に非接触型リニア位置エンコーダに関する。
背景技術
数々のタイプの非接触型リニア位置センサが提案されている。特に、EP0182085には、付勢ワインディングと、固定エレメント上に設けられた1つもしくはそれ以上のピックアップワインディングを採用した非接触型位置センサ、及び、動体エレメントに設けられた導電性スクリーンを開示している。一般的な平面的な付勢ワインディングに電流を流すことでピックアップワインディングの近場で同質のAC磁界が生成される。ピックアップワインディングは、通常、1往復になっていて、固定エレメントの一端から始まって他方端に届くまでは正弦パス(path)となって続いており、そこから今度は開始端まで正弦パスとなって戻ってくるようになっている。ピックアップワインディングを形成する往路と復路の正弦パスは、実質的に180°の位相差を有する。それ故、ピックアップワインディングは、同様な領域を包含する、互い違いの直列の検出ループを構成する。
ここで、ピックアップワインディングの各々のループによって包含されるエリアが全く等しく、且つ、導電性スクリーンがなく、ピックアップワインディングの長さに渡って同質の付勢駆動磁界が存在するのであれば、ピックアップワインディングからはなんの出力も得ることはできない。しかしながら、導電性スクリーンをピックアップワインディングの隣に載置すれば、付勢ワインディングに電流を流すことで生成される単磁界(homogenous field)が導電性スクリーンに渦電流を誘導する。この渦電流は、順単磁界(forward homogenous field)に対して対向する逆磁界(counter-field)を生成する。この対向する磁界は、付勢ワインディングとピックアップワインディング間とバランスと、ピックアップワインディングの正味の出力EMF(起電力)を変えることになる。この起電力の振幅は、ピックアップワインディングの周期内における導電性スクリーンの位置に依存する。特に、ピックアップワインディングからの出力信号のピークの振幅は、ピックアップワインディングにそった導電性スクリーンの位置に従い正弦波の如く変化する。
ピックアップワインディングの1周期全体に渡る導電性スクリーンの位置を決定するため、第2のピックアップワインディングを設ける。この第2のピックアップワインディングは第1のピックアップワインディングに対して空間的に1/4位相だけずれるようにする。このようにすることで、ピックアップワインディングの1周期内における導電性スクリーンの位置が決定できる2つの1/4位相差信号がそれぞれの振幅が独立して生成される。更に、導電性スクリーンの絶対位置を決定しようする場合には、規準点からいくつの周期分が通過したかを計数するためのカウンタ、もしくは、更なる粗位置エンコーダを設けるなどすれば良い。
本願出願人は、同様の位置センサを国際出願公開WO95/01095号で提案した。これには、導電性スクリーンに替えて共振回路を採用している。共振回路を使用することで、出力信号レベルは増幅し、システムはパルスエコーモードで動作させることができる。つまり、付勢ワインディングに短いバースト付勢電流を印加する。そして、その付勢電流のバースト印加を終了した後、ピックアップワインディングに誘導された信号を検出し、処理するものである。付勢電流を除去した後でも共振回路は短い期間だけ“リング”状態を維持しつづけるので、パルスエコーオペレーションが実現できる。この付勢ワインディング及びピックアップワインディング間の不要なクロスカップリングが発生し得ないことを保証できるという利点を提供する。
位置センサに共振回路を用いることはパルスエコーモードオペレーションを見込めるが、これは本質的なものではない。共振回路が共振しているとき、そのインピーダンスは純粋な抵抗となる。結果的に、駆動電圧についての出力信号の電気的位相は良く規定され、適切な位相にあるときピックアップワインディング上の信号を同期的に検出することで、所望とする出力信号が不要なクロスカップリング信号から隔離できる。これに対し、導電性スクリーンを用いた場合、その導電性スクリーンに誘導した渦電流は、異なった境界となる抵抗成分と誘導成分を有することになる。
EP0182085及びWO95/01095に記述された位置センサの問題は、大きい距離を測定する、及び、位置測定を高い解像度での測定が要求される場合、大きな付勢ループを付勢しなければならないことである。例えば、測定範囲が50メートルであれば、システムが正常に動作するためには付勢ワインディングによって囲む領域は50メートル分必要となる。このような領域を付勢すると、大きな輻射衝突を生むことになる。加えて、そのような大きな付勢ワインディングは不要な磁界干渉に敏感になってしまう。
US4820961は、固定エレメント上に、間隔をおいて導電性シールドの受動的ストリップ、センサヘッドを用いることで上記の問題を解決した。これには移動体上に付勢ワインディングとピックアップワインディングを有するものである。特に、US4820961は、固定のトラックに沿って移動可能な媒体の位置決めする非接触型リニア位置センサを開示している。トラックに沿って、導電性シールドを等間隔に複数設け、駆動及びピックアップワインディングをその移動媒体上に設けている。移動媒体が隣接のトラックに沿って移動するにつれて、移動媒体の位置によって決定されるピックアップワインディングに出力信号が誘導されるものである。
しかしながら、US4820961に開示されたシステムは、より精度の高い位置センサシステム、例えば、位置センス精度として20μmよりも高い精度が要求されるようなマシンツールの位置決め用の位置センスシステムとしては満足できるものではない。というのは、そのようなシステムはトラックに対するセンサヘッドのピッチ及びロールに対して相対的に敏感だからである。
発明の開示
1つには、本発明は、固定部材に相対的に移動可能な部材の位置を示す装置に使用するセンサヘッドを提供しようとするものである。このセンサヘッドは、そのセンサヘッドに設けられる少なくとも2つのセンサワインディングを有し、各ワインディングは導体の交互に替わるループが直列に接続される少なくとも1周期を有し、各センサワインディングは測定方向に空間的に隔てられており、センサワインディングを構成する複数巻きそれぞれの中央部が実質的に同じにするものである。このようなセンサヘッドの条件は、センサヘッドの他の部材に対する長手方向の傾きに対して鈍感にさせるという利点を有する。
各センサワインディングはプリント基板の複数の層の導電体によって設定できる。これは製造コストを削減するという利点も備える。好ましくは、センサワインディングは、プリント基板の両サイドに設けた2つの相補性の導電体の繰り返しパターンによって規定され、プリント基板の各サイドには各繰り返しパターンの部分を形成する。この構成で、センサヘッドの固定トラックについてのロールについて、その感応性を鈍感にさせる。
本発明の実施形態は、固定部材に対する移動可能部材の位置を示す装置を提供するが、これは以下の構成を備える。つまり、固定部材に沿って等しい間隔で設けられた複数の磁界感応エレメントと、移動可能部材に設けられた上記のセンサヘッドと、磁界感応エレメントが付勢されたとき、固定部材に対する移動可能部材の位置に依存した、センサワインディングへの誘導起電力が生じるような構成である。好ましくは、磁界感応エレメントはパルスエコーモード動作となる共振回路であることである。
【図面の簡単な説明】
図1は従来技術で示したリニア位置センサの構成を示す図である。
図2aは図1に示された位置エンコーダに用いられるトラックとセンサヘッドの一部の構成を示す図である。
図2bはセンサヘッドに搭載されたピックアップワインディングからの復調出力信号が、センサヘッドのトラックに対する相対位置の機能として変化する様を示す図である。
図3は、その左側では、トラックとそのトラックの面に対して並行な面の理想的な面にあるセンサヘッドを示し、右側では、トラックに対してチルト(傾いて)しているセンサヘッドを示す図である。
図4aは本発明の実施形態における、交互に入れ代わる検出六角形形状のループが直列状に接続された、2つの1/4位相差を有するピックアップワインディングでのセンサヘッドを示す図である。
図4bは図4aに示されるセンサヘッドの一部を構成するプリントされた導電体の第1層を示す図である。
図4cは図4aに示されるセンサヘッドの一部を構成するプリントされた導電体の第2層を示す図である。
図5aは図4aに示されるセンサヘッドの一部を構成する第1のワインディングの形状を示す図である。
図5bは図4aに示されるワインディングに1/4位相差となっている、図4aに示されたセンサヘッド一部を構成する第2のワインディングの形状を示す図である。
図6は図4aに示されるセンサヘッド上の一方のワインディングの導電体のいくつかにおける表面電流密度のプロットを示す図である。
図7aは、図4aに示されるセンサヘッドの第1部分を構成する導電パターンを示す図である。
図7bは、図4aに示されるセンサヘッドの第2部分を構成する導電パターンを示す図である。
図7cは、図4aに示されるセンサヘッドの第3部分を構成する導電パターンを示す図である。
図7dは、図4aに示されるセンサヘッドの最後の部分を構成する導電パターンを示す図である。
図8aは異なる中央点を有する2つのセンサワインディングを示す図である。
図8bは、図8aに示されたセンサワインディングの一方を改良して、互いのワインディングの中央点を同じにさせた例を示す図である。
図8cは図8bに示される両ワインディングが均衡を保ち、且つ、同じエリアを包含するようにする改良した例を示す図である。
図9aは第2の実施形態におけるセンサヘッドの一部を構成するプリント導電体の第1層を示す図である。
図9bは第2の実施形態におけるセンサヘッドの一部を構成するプリント導電体の第2層を示す図であり、図9に示される層の上もしくは下に重ね合わせたとき、図4aに示されるセンサヘッドと同様のセンサヘッドの好ましい形状を示している。
図10はトラックに対するセンサヘッドの相対位置を決定するための実施形態における処理回路の構成要素を示す図である。
図11は中央に矩形スリットを有する導電性スクリーンを有する、代替え実施形態の位置エンコーダに用いられるトラックの端部を示す図である。
図12a図11に示される2つのスクリーンの垂直リムに流れる表面電流密度を示す図である。
図12bは図12aに示される導電性スクリーンの表面において生成される磁界のプロットを示す図である。
図13aは導電性スクリーンを共振回路で置き換えた、好ましい実施形態における位置エンコーダに用いられるトラックの一端を示す図である。
図13b及び13cは図13aに示される共振回路のコイルを構成するプリント導電体の層を示し図である。
図14は導電性スクリーンを短絡コイルで置き換えた、代替え実施形態における位置エンコーダに用いられるトラックの一端を示す図である。
発明を実施するための形態
図1は、従来技術で述べたリニア位置センサの構造を示す。図1に示す如く、トラック101には、等間隔に設けられた例えば銅製の複数の導電性スクリーンが設けられる。図1は一対のピックアップワインディング105および109が位相差1/4で設けられている点およびセンサヘッド111に搭載された付勢ワインディング109を示してもいる。もっとも好ましい結果となるためには、導電性スクリーン103の高さHはピックアップワインディング105、107のピーク幅W1よりも大きくすることである。矢印113によって示されるように、センサヘッド111はトラック101の長手方向、つまり、図1におけるx軸に平行な方向に沿って移動自在となっている。トラック101はセンサヘッド111が移動する平面に対して並行な平面内に載置されて、ピックアップワインディング105、107と導電性スクリーン103との間で最大の磁界結合をなすようになっている。
ピックアップワインディング105、107はプリント回路基板上に導電体パターンのようにして形成され、プリント基板の両サイドおよび経由孔を使用することで互いに導通しないようになっている。ピックアップワインディング105は、センサヘッド111の一端111aにあるポイントAから、他方端111bのポイントBに到達するまで正弦パスとなって伸びており、ここから開始点Aに正弦パスとなってセンサヘッド111に沿って戻ってくる。ピックアップ107も同様で、センサヘッド111の端111aのポイントCから始まってセンサヘッドに沿って正弦パスとなってポイントDに到達し、そこからセンサヘッド111に沿って開始点Cに正弦パスとなって戻ってくる。各ピックアップワインディング105、107を構成する正弦パスの往路と復路は実質的に180°の位相差を有する。センサヘッド111に沿って全てを周期TSで各ワインディング105、107を設けることで、各ワインディング105、107は相対的にバックグラウンド磁界干渉に対して鈍感になる。これは、各ワインディング105、107は等しい数の交互のセールスループ、つまり、時計回りおよび反時計回りの等しい数のループを構成するからである。それ故、バックグラウンド磁界干渉から時計回りのループ内に生成される如何なるEMFも、反時計回りのループ内に生成されるEMFでもって相殺される。したがって、ワインディング105、107の均衡が保たれるのである。
ピックアップワインディング105、107の空間的周期および導電性スクリーン103の繰り返し周期は、実質的に同じであることが必要である。これで、1つのピックアップワインディングの周期内における各スクリーンの位置は実質的に同じとなる。結果的に、ピックアップワインディング101、107内における各導電体スクリーンはすべて同じ位置になるので、ワインディングに誘導される信号は足し込まれて強い出力信号となる。
付勢ワインディング109の動作環境は、zおよびy平面における固定センサヘッド位置における付勢に応じてx軸に沿った単磁界を生成するようになる。付勢ワインディング109はセンサヘッド111の端111aから始まりセンサヘッド111の周回してその端111aに戻ってくる。ピックアップワインディング105、107の端部115、117、119及び121は付勢および処理ユニット(図示せず)に接続されている。このユニットは付勢信号を供給すると共に、トラック101に対するセンサヘッド111の位置を決定するためのピックアップワインディングの信号を処理する。
図1に示されるセンサシステムの動作を図2a、2bを参照にして詳細に説明する。図2aはトラック101上に設けられた3つの導電性スクリーンとピックアップワインディング107の一部を示している。図2bは、付勢ワインディング(図1における109)に付勢電流を印加した際のセンサヘッド111のトラック101に沿った位置(x)に対する、ピックアップワインディング107上の復調信号が変化していく様を示している。復調信号が最大になるのは、ワインディング107の往路および復路の導電パス間の最大間隔に、導電性スクリーン103の中央が一致したときであり、最小となるのはワインディング107の往路および復路の交差点に導電性スクリーン103の中央が一致したときである。
トラック101のx軸に沿うセンサヘッド103の位置が決まったとき、付勢電流を付勢ループ(図1に示される109)に印加する。この付勢電流は、付勢ワインディングに隣接する導電性スクリーン103内に渦電流を誘導する。誘導渦電流は付勢磁界とは反対の逆磁界を生じさせる。この逆磁界はピックアップワインディング105、107で検出され、トラック101のx軸に沿ってセンサヘッド111が移動するにしたがい、正弦形状におけるピーク振幅が変化(図2bに示すと様)する1/4の位相差の信号を生成する。それ故、ピックアップワインディング105、107に誘導した信号の率のarc-tanをとることで、導電性スクリーンの繰り返し周期内でのセンサヘッド111の位置を決定することができる。トラック101の全長に沿ったセンサヘッド111の絶対位置を決定するためには、付勢・処理回路(図示せず)内にカウンタを設け、これで導電性スクリーンの通過数を計数すればよい。図1に示されるものと同等のシステムでの動作における、より詳しい説明はEP0182085及びUS4820961に見ることができるが、これらの開示内容をここに使用することとする。
本発明者等は、20μmより好ましい精度を要求する装置ツールへの適用する場合では、図1に示される非接触型位置センサでは高精度にはならないという問題点を見いだした。特に、発明者等はセンサヘッド111が図1におけるX−Y平面内でチルトする(傾く)場合では、その出力信号に位置誤差が発生することに着目した。この誤差の理由を図1および3を参照して説明する。
図3では、その左側では、トラック103の平板に並行な面にセンサヘッド111が位置している典型的な例を、及び、右側には、トラック101に相対的にチルトしたセンサヘッド111’を示している。センサヘッド111がトラック101の面と並行な面上にあるとき、センサヘッド111に搭載されたピックアップワインディングとトラック101に設けられた導電性スクリーン関の間隔Sはセンサヘッド111の沿うすべての箇所で同じである。しかしながら、センサヘッド111’がトラック101に相対的にチルトしてしまったときには、図示の如く、センサヘッド111’の端部111’aにおけるトラック101との間の間隔S1は、センサヘッド111’の端部111’bにおけるトラック10との間の間隔S2よりも小さくなる。この結果、トラック101に近いピックアップワインディング105、107のこの部分は、トラック101から離れている場合のピックアップワインディング105、107におけるその部分より、より大きい信号となる。
図1に戻って、ピックアップワインディング105、107は周期TSの1/4だけ空間的に隔てているので、その中央点は1/4周期だけずれていることになる。この結果、センサヘッド111’が、たとえばピックアップワインディング105の中央点についてチルトしている(傾いている)とき、ワインディング105の半分はトラックにより近くなり、半分は離れることになる。実際は、ワインディング107の半分以下がトラックに近く、半分以上が離れることになるであろう。それ故、各ワインディング105、107からの出力信号はわずかに異なったものとなる。この結果、処理回路がトラック101に対する相対的なセンサヘッド111の位置を決定するための率計測計算を実行する処理回路で誤差を生む。
本実施形態の目的は、それぞれの中央点を効果的に一致させたピックアップワインディングに用いることで、トラック101に対する相対的なセンサヘッド111のチルトにより生じる誤差を減少させるものである。好適には、各ワインディングは中央点に対して対称とさせるものである。例えば、中央点の左側の長手方向のワインディングが、中央点の右側における長手方向のワインディングと実質的に鏡面像のようにするものである。
図4aは、ピックアップワインディング133、135を有するセンサヘッド111を示している。各ワインディングは直列に接続された交互の六角形の導電体ループの5周期分で構成されている。この実施形態では、周期TSは6mmに等しく、ワインディング135はワインディング133の位相の1/4位相ずれている。しかしながら、以下の説明から明らかな如く、ワインディング133、135はセンサヘッド上に同じ中央点(ワインディングの中央の交差線によって示されている)を有している。ピックアップワインディング133、135はプリント基板の両サイドに導電性パターンとして形成される。最上部層の導電体は実線で示され、下層の導電体は破線で示した。プリント基板の両サイドの導電体は孔1−46、1’−40’、20a、及び22aで接続されている。この実施形態では、付勢・処理回路にピックアップワインディング133、135を接続するための接続点がピックアップワインディング133の経由孔20、21の間、及び、ピックアップワインディング135の経由孔22と23の間に設けた。
図4aの如く、この実施形態では、付勢ワインディング137は、時計回りで4回その空間を狭めながら、接続点123から孔Xに到達するまでプリント基板の周囲に沿って回周して伸びている。そして、孔Xから今度は他サイド上を、その空間を広げながら時計回りに4回だけ回りながら接続点125に伸びている。接続点123、125を、付勢・処理回路(図示せず)に付勢ワインディング137を接続するためである。
図4bは、導電パターン及びプリント基板の上部の経由孔を示している。図4cは図4aのセンサヘッドを形成するプリント基板(上部から見た場合の)の底面における導線パターン及び経由孔を示している。
図5a及び5bは、ピックアップワインディング133、135の2つのそれぞれの形状を示している。図5aに示す如く、ワインディング133は導電体に接続された多数の六角形の連続したループで構成され隣り合うループは反対方向を検出になるように巻かれる。この実施形態では、ループの繰り返し周期は導電性スクリーンの周期にマッチするようにしており、ワインディング133のピックアップ周期内の各スクリーンの位置が実質的に同じになるようにしている。
図5bに示す如く、ピックアップワインディング133と同様に、ピックアップワインディング135も導電体に接続された多数の六角形の連続したループを有し、隣り合うループは反対方向を検出するように巻かれている。図示の如く、ピックアップワインディング135は1巻きに対して導電体を2回転しており、ピックアップワインディング133とはその総数が同じ総六角形ループを有している。図5a及び5bの如く、ピックアップワインディング133の中央点(交差線で示されている)は、ピックアップワインディング135の中央点と実質的に同じである。それ故、センサヘッド111がトラック101に対して傾いた場合に、各ワインディングは同じ比率でトラックに近づくことになり、同じ比率でトラックから遠ざかることになる。結果的に、各ピックアップワインディング133、135による出力信号は同様な振幅変化となり、この変化は付勢・処理回路(図示せず)で実行される率計測計算によって打ち消される。
図5a、5bからもわかるように、ピックアップワインディング133はピックアップワインディング135よりも広く伸びている。これを補正するため、ピックアップワインディング133の各端部における六角形ループを、ピックアップワインディング133の他のループより磁界に対して鈍感にさせる。本実施形態では、これはループ端部に接続する導電体を単一巻きにすることで解決した。
この実施形態では、間隔d1は間隔d2の略半分にした。これによって、ピックアップワインディング133、135が、付勢された導電性スクリーンによって反対磁界の高調成分のいくつかに鈍感にさせることができる。これは反対磁界によってピックアップワインディングに誘導される電流密度からの結果である。
図6は、図5に示されるピックアップワインディングの1つの1周期を垂直方向に流れる電流密度(J)のプロットして示したものである。電流密度のフーリエ解析から、この電流密度は周期TSを有する基本振動数及びその奇数高調波(偶数高調波は対称なのでゼロになる)によって発生するのが理解できる。また、d2=2d1であるので、電流密度の内容の第3高調波はほぼゼロであることもわかる。この結果から、ピックアップワインディング133、135は周期TSでセンサヘッドの長手方向に沿う周期的に変化する磁界に対して感応するが、周期TS/3でセンサヘッドに沿った周期的変化に対しては非感応となる。この点の優位性については後述する。
図7a〜7dは、複数巻きピックアップワインディング133、135が単独導電体から形成される場合の様を示している。プリント基板の上部層のワインディング部分は実線で示され、下部層のそれは破線で示した。図7aに示す如く、ピックアップワインディング133は経由孔1からはじまって、センサヘッドの他端にある経由孔44に、一般的な正弦波のように伸びている。図示の如く、ワインディング133、135それぞれの周期はTSであり、ワインディング135はワインディング133に対して周期の1/4、つまり、TS/4の周期だけ空間的にシフトしている。
図7bに示すように、ピックアップワインディング133は、センサヘッドの逆戻り方向に、経由孔44からはじまって経由孔21にまで同様の正弦波のようにして伸びている。この経由孔21は、付勢・処理回路(図示せず)にワインディング133を接続するための接続点となる。ピックアップワインディング133は経由孔20の他の接続点からセンサヘッドに沿って経由孔43に到達するまで正弦波のようにして続いていく。同様に、ピックアップワインディング135は経由孔44からセンサヘッドの逆戻り方向に、同じように正弦波パターンとなって経由孔23の接続点まで続くことになる。ピックアップワインディング135は経由孔22の他の接続点からセンサヘッドに沿って経由孔41まで同じ正弦波となって続くことになる。
図7cに示すように、ピックアップワインディング133は経由孔43からセンサヘッドの長手方向の逆戻り方向に、経由孔40’まで同様の正弦波形状となって伸びていく。同様にピックアップワインディング135は経由孔41からセンサヘッドに沿って経由孔45まで、同じ正弦波形状のようにして伸びていく。図7dに示すように、ピックアップワインディング133、135は経由孔40’45’からセンサヘッドの長手方向の逆戻り方向に伸びていき、経由孔1、42の開始点まで伸びていく。
本質的に、発明者はワインディングの端部に特別なループを追加することで、ワインディングどうしの中央点を一致させた。発明者はまたいくつかのループを追加し、センサヘッドがバックグランド電磁に対して免疫を持つようにし、且つ、各ワインディングがほぼ同じ領域を包含するようにした。更に説明すると、図8aは2つのセンサワインディング133’、135’を模式的に示しているが、互いの中央点は異なっていることを示している。つまり、ワインディング133’は中央点134を有し、ワインディング135’は中央点136を有する。図8bは更なるループ138(見せかけ的に示した)をワインディング133’の一端に追加したことにより、ワインディング133’の中央点が点136、つまり、ワインディング135’の中央点と同じ点にすることができる。それ故、図8bに示されるワインディングはトラックに対して垂直向の傾きに対して鈍感にさせることができる。しかしながら、ワインディング133’の端部に更なるループ138を追加することによって、バックグランド電磁界について感応的になってしまう。これは、各感応に対して巻かれた同数のループではなくなっているからである。
この不均衡を解消するため、ワインディング133’、135’のいくつかのループに導電体の第2ターンを設けた。特に、図8cに示す如く、ワインディング133’は、破線ループ140で示される導電体の第2ターンを中央のループに有するようにし、且つ、感応ワインディング135’は破線ループ142で示される両ループに導電体の第2ターンを設けた。追加された更なるループでもって、各検出ついて巻かれるループは同数となる。たとえば、時計回り及び反時計回りに巻かれた同数のループである。図8cにおけるワインディング133’、135’と、図5a及び5bに示されるものとの単純な差は、図8cではほぼ1周期だけ伸びているのに対し、図5a,5bではワインディング133、135はほぼ5周期伸びている点である。複数周期にしたことにより、検出強度を高めることができ、多周期に渡って信号の平均化できる点であって、ワインディング及びトラックの製造時のばらつきに起因する誤差を軽減できる。
トラック101に対する図1に示されるセンサヘッド111の傾き及びピッチに起因する出力信号による位置エラーに加えて、センサヘッド111が長手方向に対するロールした場合にはピックアップワインディング103、105のそれぞれからの出力信号に、他の位置エラーが発生することになる。これは、ピックアップワインディングを形成する導電体が有限な厚みのあるプリント基板の両サイドに設けられているためである。それ故、センサヘッド111がその軸についてロールしている場合、往路と復路の伝導路間の交差点が変化する。これは、トラック101に対するセンサヘッド11のx軸に沿った所定位置変化となってあらわれる。
発明者は、このような位置エラーが、たとえば、センサヘッド111に沿ったほぼ半分のプリント基板の各両サイド上の導電性ワインディングの位相を変えることで減少させ得ることを見いだした。これは、ピックアップワインディングの左側に現れる位置変化が、右側に現れる位置変化とは検出方向が逆になるからである。それ故、2つの位置変化は互いに打ち消しあうことになる。この位置エラーはプリント基板の厚みを薄くすることによっても小さくできる。
図9a、9bは、図4aに示されたピックアップワインディング133、135のこの位相シフトを行なわせたプリント基板の上部及び下部層の導電性パターン及び経由孔を示している。図9aに示すように、図4に示されるプリント基板の下層のセンサヘッド左側の導電性パターンは、上部層となっている。同様に、図9bに示す如く、図4bではプリント基板の上部層にあったセンサヘッドの左側の導電性パターンがここでは下層になっている。同様の補正としては、例えば、ワインディングを1/4ずつの4つに分割すること、及び、毎1/4位相変化させることで可能である。
不完全な製造プロセス、及び、同一平面に交差したり、互いに絶線を保ったワイヤを有するデバイスを構築するのが不能の場合、トラックに対するセンサヘッド111のチルト及びロールに起因して、出力信号に位置エラーが多くなる。これら位置エラーのいくつかは、処理回路によって是正できる。図10は本実施形態で用いられる処理回路のブロック図である。特に、処理開路151はピックアップワインディング133、135からの信号153を入力として受信し、復調器155に送られ、復調信号157を出力する。復調信号157は補償ユニット159によって処理され、システム内で本質的ないくつかのエラーについて補正する。補償ユニット159からの補正された出力信号161は次に位置算出ユニット163によって処理され、センサヘッド111のトラック101に対する位置を示す信号を出力する。補償ユニット159が行なういくつかの補正についてより詳しく説明する。
ピックアップワインディング内に誘導した信号のエラーを形成する1つは、ピックアップワインディング133、135と付勢ワインディング137間の不必要なクロスカップリングによるものである。このエラーは復調部155から出力される調信号157に電圧オフセット(図2bに示した)として現れる。この実施形態では、このオフセットは適切なキャリブレーションによって決定され、補償ユニット159により、出力復調信号から差し引くことで得る。
エラーを生む他の要因は、ピックアップワインディング133、135が導電性スクリーン103によって発生する反対の磁界にわずかに異なる感応を示す場合である。異なる感応は2つワインディング133、135によって包含する領域間の違いによって起こるものである。このエラーを計算(清算)するため、補償ユニットは測定された出力復調信号157の1つに重み付けを施した。典型的には、各ピックアップワインディングが同じ数のループを有するのであれば、重み付けはほぼ1±0.5%とした。加えて、2つのピックアップワインディング133、135がTS/4だけ正確に離れていないのであれば、復調出力信号の位相オフセットを用いてもよい。このオフセット及び重み付けは適切なキャリブレーションを通しても決定できる。
出力信号に現れるエラーを構成する他の要因は、センサヘッド111とトラック101間の間隔の変化によるものである。復調出力信号のピーク振幅はその間隔が広くなると小さくなり、その間隔が狭くなると大きくなる。それ故、適切な近似補正値を出力復調信号157のピーク振幅の逆数の重み付け値を採用することで決定できる。付勢及びピックアップワインディング間のクロスカップリングによる変化を補正するために用いられる重み付けは間隔の変化に応じて変化することになる。ピックアップワインディング133、135上の復調信号はそれぞれAsinθ、Acosθ(ここでAはピークの振幅で、θは位置に依存する)での形になるから、ピーク振幅(A)は各ピックアップワインディングを二乗し、その二乗値を合算し、その結果の二乗根を取ることで求められる。この実施形態では、補償ユニット159は適切な補正値を決定し、これを復調信号157から減じるものである。
発明者は、上記の補正値を用いることなく、ヘッドギャップ、つまり、センサヘッドとトラック間の間隔が1mm〜2mmの範囲にあるとき、周期TSの2%以内の精度の出力位置する技術を確立した。ここでは、上記の補正値、1mm〜2mmの間のセンサヘッドギャップ、6mmに等しいTSとした場合、TSの約0.1%の精度が得られた。加えて、これら補正部を有する位置エンコーダの空間的な解像度はTSの0.001%オーダとなるのが確かめられた。
上記実施形態に対してはさまざまな改良が可能であるが、それを図11〜14を参照して説明する。図11はトラック101を代替えの構成で、その中央に矩形スリット171を有した導電性スクリーン103を示している。好ましくは、図11に示される長さW2は、図4に示されるセンサヘッド上の経由孔1−40及び1’−40’間の距離よりも大きくすべきである。これにより、センサヘッド111のワインディング133、135による各スクリーン103の水平リムの電流密度を少なくできる。スリット171の幅d3は好ましくは隣り合う導電性スクリーン22間の距離d4とサイズ的に等しく、スクリーン103の水平リム幅の半分に等しいことが望ましい。これで、空間高調波のゆがみを少なくすることはできる。また、特に、センサヘッドに対向する導電性スクリーンが付勢ワインディングの電流によって付勢したとき、その表面電流密度は反対磁界を形成するスクリーン上に発生する。その反対磁界はトラックに沿った周期的な位置変化となる。
図12aは2つの隣り合った導電性スクリーン103の垂直リム内に流れる合成電流表面密度を示している。ここでは、水平リムにおける電流密度については無視した。いくつかの隣り合った導電性スクリーン103が一緒に付勢するので、導電性スクリーン103によって生じる対向電磁界(Hy)は、周期的であって、スクリーン103の表面では図12bに示されるようになる。図12bに示される信号のフーリエ解析から、この信号は空間周期TSの基本周波数を含んでいて、d3、d4を周期TSの1/6に一致させることで、第2、第3高調波が含まれなくなることがわかる。この点の有意性について以下に説明する。
導電性スクリーンによって生成される磁界はスクリーンの表面からの距離に指数関数的に減衰する。より高い成分の高調波はスクリーンの表面では振幅がより小さいので、これらの成分は、例えば、基本周波数成分よりも早く消滅する。それ故、センサヘッドがトラックの表面からほぼ1mmもしくは2mmの距離で動作するのであれば、ピックアップワインディング133、135に結合する反磁界のほとんどは低周波の高調波となる。しかしながら、導電性スクリーンに上記の寸法の矩形スリット24を設けることで、反磁界の基本周波数成分のみがセンサヘッドの表面を支配することになる。
この実施形態は、プリント基板を構築技術を用いるならば、第1の実施形態と等しいコストとなる。加えて、出力電位に対する入力電流の位相関係は第1の実施形態と同様となる。
図13aは、導電性スクリーンに替わって共振回路181としたトラック101の好ましい形態を示している。第1の実施形態と同様、共振回路181の繰り返し置かれる間隔はピックアップワインディングの空間周期TSと同じである。共振回路181を用いることで、パルスエコーモードによる動作を使用できることになる。これにより、共振回路181の共振周波数の短い期間バースト付勢電流を供給すれば良いことになる。処理回路は付勢電流が除去された後にピックアップワインディングに誘導した信号を処理すれば良くなる。動作モードは、バースト付勢電流が除去された後でも、共振回路181が短い期間“鳴動(ring)”しつづけることにより動作する。この動作モードは、付勢ワインディングとピックアップワインディング間のクロスカップリングの可能性を無くすものである。
図13aに示す如く、この実施形態の各共振回路181はコイル183とキャパシタを有する。コイル183の一方端はキャパシタ185の一方端に接続され、そのキャパシタから経由孔187に到達するまで反時計回りに次第に狭められながら伸びている。経由孔187では、コイル183はトラック101の他の面に通り、経由孔189に到達するまで次第に広がりながら伸びつづける。この経由孔189でボードの裏側を通り、キャパシタ185の他方端に接続されることになる。この実施形態では、キャパシタは表面搭載型キャパシタであり、厚み約0.4mmのプリント基板の一方の面上に搭載される。図13aにおける長さW2は、図4に示した対向する経由孔1−40及び1’−40’の間隔よりも大きくしなければならない。本実施形態では、対向する経由孔の間隔は6mmであり、長さW2は8mmである。本実施形態におけるコイル183の高さHは13mmである。図11に示される実施形態と同様、幅d3及びd4は望ましくは周期TSの約1/6に等しくすることである。これで共振回路181で生成される磁界の不必要な第2、第3高調波を減少させるものである。
図13b、上部銅層の、コイル183の反時計回りに小さくなるワインディングを示している。図13cは、下部銅層(上部銅層から見た場合)の、反時計回りに大きくなるコイル183のワインディングを示している。
当業者には良く知られているように、共振回路のQ値は、与えられた銅ホイルの厚みに対しては、コイルを形成する銅の面積に依存する。トラック101の両面に複数巻きコイルを用いることは、高いQ値及び共振インピーダンスレベルを維持することになる。望ましくは、高安定のキャパシタを共振回路設計における複数ターンコイル183に用いることである。1回もしくは2回のターンで実施することが考えられるが、要求された値及び安定性を有するキャパシタは現在は製造されていない。
共振を利用する場合では、1MHzの周波数で典型的な駆動電流は約100mA、センサヘッド111とトラック間の間隔は約1mmとしたとき、ピックアップワインディングに誘導される電圧は約100mV rmsである。しかしながら、その間隔を広げるにつれて、出力電圧は指数的に減衰する。例えば、その間隔が2mmでは、ピックアップワインディングから出力電圧は約30mV rmsとなる。
上述の通り、トラック101の受動的エレメントとして共振回路を用いることの利点は、システムにパルスエコーモード動作させることができる点である。しかしながら、共振回路181の共振時にインピーダンスは純粋な抵抗となるので、付勢電流とピックアップワインディングに誘導される電圧間の位相関係を良好に規定する。それ故、付勢電流が付勢ワインディングに継続して印加されているとしても、処理回路(図示せず)は、共振回路によってピックアップワインディングに誘導される信号間と、付勢ワインディングによってピックアップワインディングに誘導される信号とを区別することができる。特に、共振回路を用いる場合においては、同期検出部の位相はクロスオフセットエラーを最小になるように設定する。
図14は代替え実施形態を示し、導電性スクリーン103にあった位置に複数のショートコイル回路を設けた例を示している。繰り返すが、ショート回路コイル183の繰り返し周期は、ピックアップワインディングの周期TSと等しく設定されている。この実施形態では、図11で用いて説明した上記の実施形態と同様に動作する。この実施形態は、キャパシタがない分だけ共振回路の実施形態よりも実現するためのにコストを減少させることができる。この実施形態におけるコイル183の寸法は、図13aに示されるコイルのそれらと同じである。
図示に示された正弦波及び六角形形状のピックアップワインディングとしたが、導電体は交互変化する幾何学形状もしくはパターンを採用しても構わない。例えば、矩形波形状もしくは三角波形状のワインディング、及び、他の如何なる3区分線形近似でもよい。
また、上述の実施形態では、センサヘッド111には2つの1/4位相差のピックアップワインディングを採用したが、センサヘッドは3もしくは4、更にはいくつもの適切にシフトさせたピックアップワインディングが使用できる。例えば、3つのピックアップワインディングをセンサヘッドに設ける場合には、それぞれが周期TS/6ずつ隔てればよい。
エンコーダの動作周波数は主として物理的サイズ及び要求される回路インピーダンスによって決定される。典型的には、6ミリメータピッチのピックアップワインディング及び導電性スクリーンでは、動作周波数の範囲は10KHzから10MHzが最適である。共振回路を用いる場合における最適な動作周波数は、共振回路のQ値に依存するものの、約1MHzである。共振回路を用いる場合では、要求される回路インピーダンスは、もし必要とするのであれば、直列或いは並列に接続された共振するキャパシタを用いれば得ることができる。また、逆に、ガルバニック絶縁効果、同相成分信号の衝突の抑制、及び、センサのパワー効率向上のため、インピーダンス変成器を用いることができる。
発明者は、これらの補正技術を用いることによって、ピックアップワインディング周期TSの非常に大きな範囲をカバーするデバイスにまで拡張できると考えている。例えば、センサヘッドはシリコンに設けることができるであろう。この場合、処理回路を含むセンサヘッド全体が単一の集積回路チップ内に納めることができるであろう。
更に、回りの電磁気干渉から、位置エンコーダシステムをシールドすることも可能である。これにより、非電磁気が要求される環境でも使用することが可能となる。加えて、トラック101の背面にスチールパックプレートを設ける、及び/又は、薄手のステンレススチール(非磁性)層をトラック上に置く場合には、システムは逆に作用しなくなる。しかしながら、そのようなトラックを覆うスチールを用いるような場合には、動作周波数は十分に高くして、ステンレススチールが磁界に対して透過的にさせることである。それ故、システムは、マシンツールの位置検出等の高精度の工業利用を含む、広くさまざまな適用に供することができる。
また、トラック101は円形リングに形成することもできるのでロータリー位置センサーとして機能しよう。
本発明は、上記の各実施形態によって限定されるものではなく、当業者であれば上記以外のさまざまな改良及び実施を行なうことができよう。
Claims (48)
- 測定方向に相対に移動する第1、第2の部材を備え、
前記第1の部材は、前記測定方向に連続的な複数の導電体ループを有している第1、第2の検出手段を持つセンサを備え、
i)各検出手段のループは測定方向に沿って伸び、互いに直列に連続され、共通のバックグラウンド交番磁界を与えた場合、隣り合うループには互いに反対の起電力を誘導し、
ii)前記第1、第2の検出手段のループは測定方向について互いに相対的な位置のずれを有し、
iii)前記ループの前記測定方向における各々の幅は同じであり、
iv)前記第1、第2の検出手段の前記測定方向における中央点が互い一致するように、前記第1、第2の検出手段が配置され、
前記第2の部材は、前記測定方向に沿って等間隔に設けられた複数の磁界発生部材を備え、
i)測定方向における磁界発生部材の繰り返し周期は、前記測定方向における導電体ループの幅の2倍に等しく、
ii)各磁界発生部材は、或る付勢信号に感応して磁界を発生するように動作するものであり、付勢したとき、磁界発生部材で発生した磁界によって、前記第1、第2の検出手段のそれぞれに、前記測定方向における磁界発生部材に対する相対的な前記センサの位置によって変動する振幅を有する信号を誘導させる、
ここで、前記第1の検出手段に誘導した信号の振幅と前記第2の検出手段に誘導した信号の振幅は、前記第1、第2の検出手段の測定方向におけるループの相対的な位置ずれに起因して、前記磁界発生部材と前記センサ間の相対的な位置に依存して、互いに異なって変動する
ことを特徴とする位置検出器。 - 各検出手段の導電体の複数のループは、前記中央点を通って横切る線対称面について概略対称となっていることを特徴とする請求項第1項に記載の位置検出器。
- 各検出手段の導電体の複数のループのそれぞれは、同じサイズであることを特徴とする請求項第1項又は第2項に記載の位置検出器。
- 各検出手段は、導電体の直列に接続された同数のループを有し、導電体の一方の複数のループは他方よりも測定方向に広がって伸びていることを特徴とする請求項第1項乃至第3項のいずれか1つに記載の位置検出器。
- 長い方の複数のループの各端部におけるループは、他のループの磁界に対する感度よりも磁界に対する感度を低くなるように配置されていることを特徴とする請求項第4項に記載の位置検出器。
- 前記端部のループを規定する導電性の巻き数よりも他のループを規定するための導電性の巻き数を多くし、これで端部のループの磁界に対する感度を他のループの磁界に対する感度よりも低くすることを特徴とする請求項第5項に記載の位置検出器。
- 前記他のループを規定する導電体は2回巻きであって、前記端部を規定する導電体は1回巻きであることを特徴とする請求項第6項に記載の位置検出器。
- 前記各導電体の巻き間の間隔は、測定方向における前記ループの幅の2/3の周期で測定方向に変化する磁界に対し、各検出手段の感度を減少させるようになっていることを特徴とする請求項第6項又は第7項に記載の位置検出器。
- 前記導電体の複数のループの各々へのコネクタが前記中央点の近傍に設けられていることを特徴とする請求項第1項乃至第8項のいずれか1つに記載の位置検出器。
- 前記第1、第2の検出手段のループは概略六角形形状であることを特徴とする請求項第1項乃至第9項のいずれか1つに記載の位置検出器。
- 前記第1、第2の検出手段のループは概略矩形形状であることを特徴とする請求項1項乃至第9項のいずれか1つに記載の位置検出器。
- 前記第1、第2の検出手段のループは、対向する正弦波巻きの導体で構成されることを特徴とする請求項第1項乃至第9項のいずれか1つに記載の位置検出器。
- 各検出手段のループは実質的に平滑平面上に設けられることを特徴とする請求項第1項乃至第12項のいずれか1つに記載の位置検出器。
- 前記第1、第2の検出手段のループは、互いに電気的に隔てられており、他方の上部に一方が形成されることを特徴とする請求項第13項に記載の位置検出器。
- 第1、第2の検出手段のループは測定方向に対して前記ループの幅の半分だけ、互いに相対的に位置がずれていることを特徴とする請求項第1項乃至第14項のいずれか1つに記載の位置検出器。
- 各検出手段は前記測定方向に連続して伸びる2つ以上のループを備えることを特徴とする請求項第1項乃至第15項のいずれか1つに記載の位置検出器。
- 各検出手段は、前記測定方向に前記ループを略10個有することを特徴とする請求項第16項に記載の位置検出器。
- 前記ループの各々の前記幅は約3mmであることを特徴とする請求項第1項乃至第17項のいずれか1つに記載の位置検出器。
- 各検出手段のループは、複数層のプリント基板上に連結された複数の導電体で構成されることを特徴とする請求項第1項乃至第18項のいずれか1つに記載の位置検出器。
- 各検出手段のループは2つの繰り返される相補的な導電性パターンで規定され、繰り返しパターンはプリント基板の各サイドに形成されることを特徴とする請求項第19項に記載の位置検出器。
- 各検出手段のループは、プリント基板の2サイド上の2つの繰り返される相補的な導電性パターンで規定され、プリント基板の各サイドは各繰り返しパターンの一部が形成されることを特徴とする請求項第19項に記載の位置検出器。
- プリント基板の各サイドには各繰り返しパターンの半分ずつが形成されることを特徴とする請求項第21項に記載の位置検出器。
- 前記磁界発生部材に対してセンサと共に移動するためにセンサ上に付勢回路を有し、この付勢回路でもってセンサの近傍の前記付勢信号を生成することを特徴とする請求項第1項乃至第22項のいずれか1つに記載の位置検出器。
- 前記付勢回路は、前記第1、第2の検出手段の導電体ループの周囲を回る複数の導電体で構成されることを特徴とする請求項第23項に記載の位置検出器。
- 前記第1、第2の検出手段のそれぞれは、測定方向に沿った一様な強さの交番磁界による誘導信号に対して鈍感となっていることを特徴とする請求項第1項乃至第24項のいずれか1つに記載の位置検出器。
- 各磁界発生部材は導電体スクリーンを備えることを特徴とする請求項第1項乃至第25項のいずれか1つに記載の位置検出器。
- 各磁界発生部材は共振回路を備えることを特徴とする請求項第1項乃至第25項のいずれか1つに記載の位置検出器。
- 各共振回路はコイルとキャパシタを備えることを特徴とする請求項第27項に記載の位置検出器。
- 各磁界発生部材は短絡コイルを備えることを特徴とする請求項第1項乃至第25項のいずれか1つに記載の位置検出器。
- 前記短絡コイルは一回りの導電体で構成されることを特徴とする請求項第29項に記載の位置検出器。
- 磁界発生部材は、付勢したとき、それによって生成された合成磁界には、導電体ループの前記幅の2/3の期間における測定方向の周期的変動の磁界をほとんど含まないように設けられていることを特徴とする請求項第1項乃至第30項のいずれか1つに記載の位置検出器。
- 前記第1、第2の検出手段に誘導した信号を処理することが可能な処理回路を備え、センサと磁界発生部材の相対位置を示す出力を提供することを特徴とする請求項第1項乃至第31項のいずれか1つに記載の位置検出器。
- 前記処理回路は、前記第1、第2の検出手段に誘導した信号を復調する同期検出器を有することを特徴とする請求項第32項に記載の位置検出器。
- 前記同期検出器は付勢信号によって生じる干渉を最小限にすることを特徴とする請求項第33項に記載の位置検出器。
- 前記同期検出器は出力信号レベルを最大にすることを特徴とする請求項第33項に記載の位置検出器。
- 前記処理回路は復調された信号からオフセットを減算して、付勢信号による干渉を補償することを特徴とする請求項第33項乃至第35項のいずれか1つに記載の位置検出器。
- 前記処理回路は、各第1、第2の検出手段からの復調された出力信号に重み付けを行なって、各前記第1、第2の検出手段の磁界に対する異なった感度を補償することを特徴とする請求項第33項乃至第36項のいずれか1つに記載の装置。
- 前記処理回路は、前記第1、第2の検出手段からの復調出力信号の位相オフセットを供給し、測定方向における第1、第2の検出手段の導電体ループが要求量のオフセットがないことで発生するエラーを補償することを特徴とする請求項第33項乃至第36項のいずれか1つに記載の位置検出器。
- 前記処理回路は、前記第1、第2の検出手段からの復調出力信号から、第2のオフセットを減算し、センサと複数の磁界発生部材間の距離の変動を補償することを特徴とする請求項第33項乃至第36項のいずれか1つに記載の位置検出器。
- 前記第2のオフセットの値は、第1、第2の検出手段からの測定されちた復調出力信号のピーク振幅の逆数に依存することを特徴とする請求項第39項のいずれか1つに記載の位置検出器。
- 前記処理回路は、前記第1、第2の検出手段からの復調信号の率を決定し、センサと磁界発生部材の相対位置を示す出力を供給することを特徴とする請求項第33項乃至第40項のいずれか1つに記載の位置検出器。
- 請求項第1項乃至第41項のいずれか1つに記載の位置検出器に用いられるセンサであって、
測定方向に伸びる複数の導電体ループを有する第1、第2の検出手段において、
i)各検出手段のループは互いに直列に接続され、一様な強度の交番磁界によって各ループの1つに誘導された起電力(EMF)と、同じ磁界によって隣に接続されたループに誘導されたEMFとは逆になっており、
ii)前記第1、第2の検出手段のループは、測定方向に対して互いに相対的な位置ずれを有し、
iii)前記ループの、前記測定方向の各々の幅は同じであり、
iv)前記第1、第2の検出手段の前記測定方向における中央点が互いに一致するように、前記第1、第2の検出手段が配置される
ことを特徴とするセンサ。 - 請求項第1項乃至第25項のいずれかに記載の特徴のすべてを有することを特徴とするセンサ。
- 第1、第2の相対的に移動可能部材の位置を示す装置において請求項第42項又は第43項のセンサの使用方法。
- 請求項第1項乃至第41項のいずれか1つに記載の検出器を用いることで第1、第2の相対的に移動可能な部材の相対位置を決定する方法であって、
前記第1の部材に前記センサを設け、前記第2の部材上に複数の磁界発生部材を設け、
前記センサの近傍の磁界発生部材を付勢し、
当該付勢に応じて前記センサに誘導した出力信号を検出し、前記第1、第2の相対的に移動可能な部材の相対位置を提供する
ことを特徴とする方法。 - 前記第2の部位材は固定であることを特徴とする請求項第45項に記載の方法。
- 前記付勢信号は10KHz乃至10MHzの間の周波数を有する交番磁界であることを特徴とする請求項第45項又第46項に記載の方法。
- 前記磁界発生部材は第1の時間間隔内で付勢され、前記出力信号は前記第1の時間間隔を経過した後の次なる第2の時間間隔内で検出することを特徴とする請求項第45項乃至第47項のいずれか1つに記載の方法。
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