JPH10206104A

JPH10206104A - 位置検出装置

Info

Publication number: JPH10206104A
Application number: JP9007820A
Authority: JP
Inventors: Eisaku Arai; 栄作新井
Original assignee: Macome Corp
Current assignee: Macome Corp
Priority date: 1997-01-20
Filing date: 1997-01-20
Publication date: 1998-08-07
Anticipated expiration: 2017-01-20
Also published as: JP3047099B2

Abstract

(57)【要約】【課題】高分解能でＸ軸方向とＹ軸方向を個別に弁別
でき、充分な応答速度を有する位置検出装置の提供を目
的とする。【解決手段】この位置検出装置は、プラテンと検出コ
イルとを有して、プラテンとの間に所定の空隙を有する
移動側の移動子と、移動子のプラテン上の２次元平面上
の位置を検出する検出回路とを有し、プラテン上の２次
元平面の移動子の移動による移動体の位置を検出する位
置検出装置において、検出コイルＬ１，Ｌ２に高周波電
圧ＯＳＣ１を供給し、検出回路は検出コイルＬ１，Ｌ２
のインダクタンス変化を検波することにより電圧Ｖ_Oの
変化として取り出すようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば、移動体を
平面上で移動させる２次元リニアパルスモータ（以下、
「２次元ＬＰＭ」という。）の位置を検出する位置検出
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＬＰＭ（リニアパルスモータ）は、入力
パルス信号によってコイルの励磁条件が変わる度に正確
に一定ピッチ（ステップ量）ずつ直線方向に歩進運動す
るリニアモータである。回転型パルスモータが入力信号
に応じて一定回転角ずつ回転するのと動作原理は同一で
あるため、両者の特性には相似性があり、回転型パルス
モータと同様にして移動体を移動させる際に使用するこ
とができる。ＬＰＭは、直線的に移動体の直線運動が得
られるため、ベルト、チェーン等の運動変換機構のない
ダイレクトドライブ方式で、しかもオープン制御が可能
となるので、保守、機構上の利点がある。

【０００３】このようなＬＰＭを用いてＸ軸およびＹ軸
の直交座標系で２次元ＬＰＭを構成し、２次元平面上で
例えば半導体加工装置の精密位置決め機構に用いるよう
にしていた。２次元ＬＰＭは、Ｘ軸およびＹ軸による２
次元平面上の任意の方向に移動体を移動可能にするもの
である。この２次元ＬＰＭは、固定側のヨーク（以下、
「プラテン」という。）と、移動側の移動子とを有して
構成される。図２０に平面および断面をそれぞれ示すよ
うに、一方の固定側のヨークは格子状に溝を切るように
した純鉄の板により構成されている。このような固定側
のヨークの溝および溝と溝の間隔、溝の深さは例えば
０．５ｍｍで構成される。

【０００４】他方の移動側の移動子は、永久磁石とコイ
ルを巻いたヨークとを有して構成されている。そして、
移動子がプラテンに密着しないように移動子とプラテン
との間に圧縮空気が送り込まれることにより、移動子は
プラテンから約２０μｍの空隙を有して浮上して構成さ
れている。また、移動子は、図２１に示すように、永久
磁石ＰＭと、２個のコアＥＭＡおよびコアＥＭＢとを有
し、各コアに２個ずつ合計４個の磁極を有し、各コアに
対してもそれぞれの２個の磁極に対しても巻き方向が逆
でそれぞれの２個の磁極に対して直列に接続されたコイ
ルａおよびｂを有して構成される。

【０００５】このように構成された２次元ＬＰＭは、以
下のように動作する。なお、Ｘ軸およびＹ軸の動作は同
様であるので、ここではＸ軸またはＹ軸の一方のＬＰＭ
の動作についてのみ説明する。図２１Ａの状態において
は、コイルａに矢印の一方の方向に励磁電流が印加され
たとき、磁極１には永久磁石ＰＭによる磁束とコイルａ
による磁束とを加算した磁束が発生する。磁極２には永
久磁石ＰＭによる磁束からコイルａによる磁束が減算さ
れて磁束は零になる。磁極３および磁極４による磁束は
バランスする。これにより図２１Ａの状態では磁極１の
位置が安定位置となる。この状態をモード１とする。

【０００６】次に、図２１Ｂの状態においては、コイル
ｂに矢印の一方の方向に励磁電流が印加されたとき、磁
極１および磁極２による磁束はバランスする。磁極３に
は永久磁石ＰＭによる磁束からコイルｂによる磁束が減
算されて磁束は零になる。磁極４には永久磁石ＰＭによ
る磁束とコイルｂによる磁束とを加算した磁束が発生す
る。これにより図２１Ｂの状態では磁極４の位置が安定
位置となる。この状態をモード２とする。

【０００７】また、図２１Ｃの状態においては、コイル
ａに矢印の他方の方向に励磁電流が印加されたとき、磁
極１には永久磁石ＰＭによる磁束からコイルａによる磁
束が減算されて磁束は零になる。磁極２には永久磁石Ｐ
Ｍによる磁束とコイルａによる磁束とを加算した磁束が
発生する。磁極３および磁極４による磁束はバランスす
る。これにより図２１Ｃの状態では磁極２の位置が安定
位置となる。この状態をモード３とする。

【０００８】次に、図２１Ｄの状態においては、コイル
ｂに矢印の他方の方向に励磁電流が印加されたとき、磁
極１および磁極２による磁束はバランスする。磁極３に
は永久磁石ＰＭによる磁束とコイルｂによる磁束とを加
算した磁束が発生する。磁極４には永久磁石ＰＭによる
磁束からコイルｂによる磁束が減算されて磁束は零にな
る。これにより図２１Ｄの状態では磁極３の位置が安定
位置となる。この状態をモード４とする。

【０００９】このようにして、図２１Ａ〜図２１Ｄのモ
ード１〜４の状態の繰り返しにより磁極１〜４の磁束が
永久磁石の磁束と加減され、移動子と固定子の安定位置
が変化する。すなわち、４モード（４ステップ）で一周
期が完了して固定子のピッチＰだけ移動子が移動して元
の位置関係に戻る。従って、１モード当たりの移動量
（ステップ量）は、Ｐ／４となる。ここでは、常時いず
れか一つのコイルに励磁電流が流れるようにする１相励
磁による動作のみを示しが、２相励磁により動作するよ
うにしても同様である。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の２次元
ＬＰＭでは、制御信号による送り量と実際の移動子の移
動量にズレが生じる、いわゆる移動子の脱調を検出し、
システムの信頼性を高めるため、１ｍｍピッチの高精密
な位置フィードバックの要求が高まった。また、反射型
光センサにより移動子の位置検出を行う場合には、プラ
テンの汚れや錆等で誤動作するという不都合があった。
また、高周波型近接スイッチでは、分解能が数ｍｍ以上
であるため１ｍｍピッチのプラテンの凹凸を弁別するこ
とはできないという不都合があった。また、歯車センサ
と呼ばれる歯車の凹凸を検出するセンサでは、モジュー
ル１のピッチ３．１４ｍｍが限界であり、１ｍｍピッチ
は検出することはできない。また、例え高分解能のセン
サが開発されてもＸ軸方向とＹ軸方向とを区別すること
はできないという不都合があった。

【００１１】本発明は、かかる点を考慮してなされたも
のであり、高分解能でＸ軸方向とＹ軸方向を個別に弁別
でき、充分な応答速度を有する位置検出装置の提供を目
的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の位置検出装置
は、Ｘ軸および上記Ｘ軸に直交するＹ軸による２次元平
面上の任意の方向に移動体を移動可能にするものであっ
て、固定側のヨークであり格子状の溝を有するプラテン
と、永久磁石とコイルを巻いたヨークとを設けた検出コ
イルとを有して上記プラテンとの間に所定の空隙を有す
る移動側の移動子と、上記移動子の上記プラテン上の２
次元平面上の位置を検出する検出回路とを有し、上記プ
ラテン上の２次元平面の上記移動子の移動による移動体
の位置を検出する位置検出装置において、上記検出コイ
ルに高周波電圧を供給し、上記検出回路は上記検出コイ
ルのインダクタンス変化を検波することにより電圧の変
化として取り出すようにしたものである。

【００１３】また、本発明の位置検出装置によれば、以
下の作用をする。検出コイルはプラテンの溝を検出する
と、その磁気抵抗の変化により、インダクタンスが変化
する。インダクタンスの変化は、検出回路により電圧の
変化に変換される。この検出回路は、高周波発振器より
直列抵抗器を介して検出コイルに高周波電圧を供給し、
検出コイルのインダクタンスの変化を検波回路により検
出電圧の変化に変換するようにしている。

【００１４】検出コイルがプラテン上を検出方向に移動
したときの検出回路における各部の信号波形は以下のよ
うになる。高周波電圧は検出コイルに供給される電圧で
あり、検出電圧は高周波電圧のプラス方向の電圧を検波
した電圧である。ここで、しきい値を電圧振幅の中心に
設定して、このしきい値と比較出力することにより、２
値化されたパルス信号が得られる。このパルス信号をさ
らにカウンタで計数することにより、検出コイルの移動
距離を求めることができる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本実施の形態について説明
する。本実施の形態は、上述した２次元ＬＰＭの移動子
上に検出素子を設け、高周波近接型スイッチの技術を応
用して検出素子の形状に特徴を持たせることにより、１
ｍｍピッチのプラテンの凹凸を弁別することができる高
分解能と、Ｘ軸方向とＹ軸方向とを個別に弁別して検出
方向に指向性を持たせて直角方向の凹凸は検出しないよ
うにして検出方向の指向性を得るようにしたものであ
る。

【００１６】まず、本実施の形態の位置検出装置の基本
的構成及び動作原理を説明する。まず、図１〜図３を用
いて検出素子の形状とプラテンに対する配置を示す。図
１に検出素子とプラテンの正面図を示し、図２に検出素
子とプラテンの側面図を示し、図３に検出素子とプラテ
ンの平面図を示す。検出素子１は、高さｈ、幅ｄ、厚さ
ｔの略エ字状の板状の高透磁率の磁性体のコア２を有
し、中央のくびれ部分にコイル３が巻回されている。こ
のコイル３には端子４、５を介して後述する高周波電流
が印加される。また、プラテン６はピッチＰで格子状に
溝が形成されていて、検出素子１の検出側端部とプラテ
ン６上面とが所定のギャップＧを有するように検出素子
１が２次元ＬＰＭを用いて検出方向に移動可能に構成さ
れている。また、図１〜図３に図示した検出方向と直交
する方向の位置を検出する場合には、検出素子１の配置
を高さｈ方向を回転軸として検出素子１を９０度回転さ
せて配置すればよい。この場合、例えば、検出素子１の
高さｈ＝５ｍｍ、幅ｄ＝４ｍｍ、厚さｔ＝０．０５ｍｍ
で、プラテン６のピッチＰ＝１、検出素子１とプラテン
６とのギャップＧ＝０．１である。

【００１７】このように構成された検出素子１（以下
「検出コイル」という。）に高周波電流を印加してプラ
テン６に所定のギャップＧを経て近接させると、検出コ
イル１とプラテン６との間に次の２つの物理現象が作用
する。第１の物理現象は、検出コイル１から発生する磁
束によってプラテン６の表面に発生する渦電流である。
この渦電流は検出コイル１から発生する磁束を打ち消す
方向に流れるため、磁気抵抗が増加してコイルのインダ
クタンスは減少する。第２の物理現象は、この検出コイ
ル１を用いた位置センサの主な動作原理であり、検出コ
イル１のコア２のヨークとプラテン６との間で形成され
る磁気回路に関する作用である。検出コイル１の周囲に
何もない場合、磁束はヨークの一方の端から出て他方の
端に戻る。この磁束の経路を磁気回路で表すと、以下の
図４のようになり、コイルの磁束は数１式のようにな
る。ここで、Фはコイル中を通る磁束、Ｎはコイルの巻
数、Ｉはコイルに流れる電流、Ｒｒはヨークの磁気抵
抗、Ｒ_Aは空気中の経路の磁気抵抗であり、ＮＩは電気
回路の電圧に対して起磁力と呼ばれる。

【００１８】

【数１】Ф＝ＮＩ／（Ｒｒ＋Ｒ_A）

【００１９】この場合、空気中の経路の磁気抵抗Ｒ_Aは
大きく、ヨークの磁気抵抗Ｒｒはヨークの透磁率が大き
いため、Ｒｒは小さな値となる。（Ｒ_A》Ｒｒ）ここ
で、検出コイル１をプラテン６に近づけると、磁気回路
は以下の図５のように表すことができ、コイル１の磁束
は数２式のようになる。ここで、Ф’はプラテン６近接
時のコイル１中を通る磁束、Ｒ_A’はプラテン６近接時
の空気中の経路の磁気抵抗、Ｒ_Gは検出コイル１のヨー
クとプラテン６間の空隙の磁気抵抗、Ｒ_Pはプラテン６
の磁気抵抗である。

【００２０】

【数２】Ф’＝ＮＩ／（Ｒｒ＋Ｒ_A’＋Ｒ_G＋Ｒ_P）

【００２１】この場合、図５に示す検出コイル１のヨー
クとプラテン６間の空隙Ｇが充分小さければ、数１式と
数２式の関係は次のようになる。つまり、プラテン６の
磁気抵抗Ｒ_Pはプラテン６の材質が純鉄であるため、上
述したヨークの磁気抵抗Ｒｒと同様に小さい。また、磁
束の経路にプラテン６が介在するので、空気中の経路が
短くなるため以下の数３式、数４式のようになる。

【００２２】

【数３】Ｒ_A＞Ｒ_A’＋Ｒ_G＋Ｒ_P

【００２３】

【数４】Ф＜Ф’

【００２４】また、コイルのインダクタンスＬとコイル
中を通る磁束Фとコイルの電流ｉとの関係は以下の数５
式のようになる。

【００２５】

【数５】Ｌ＝Ｎ（ｄФ／ｄｉ）

【００２６】つまり、検出コイル１がプラテン６に近づ
くと、コイルの磁束Фが増加し、コイルのインダクタン
スＬが増加する。検出コイル１とプラテン６との間で作
用する２つの効果、つまり渦電流によるインダクタンス
の減少と磁気抵抗の低下によるインダクタンスの増加
は、相反する関係にある。そこで、本実施の形態の位置
検出装置の位置センサでは、渦電流の効果を少なくする
ため発振周波数を適切（例えば低め）に設定している。

【００２７】さて、上述したように、プラテン６の細か
な溝を読み取り、検出方向に指向性を持たせるには、検
出コイル１のヨークの形状が重要な要素となる。上述し
た図１〜図３に示した検出コイル１の形状で板厚ｔと幅
ｄの値が重要となる。まずプラテン６の溝を弁別するた
めに検出コイル１の板厚ｔは溝幅（０．５ｍｍ）より充
分小さい必要がある。本実施の形態の位置検出装置の位
置センサでは、溝幅の１／１０である０．０５ｍｍとし
た。図２の側面図において検出コイル１を矢印の検出方
向に移動させると、溝の山と谷で磁気抵抗が変化し、こ
の磁気抵抗の変化により移動量を読み取ることができ
る。

【００２８】次に、検出コイル１が検出方向に対して直
角の方向に移動する場合を考える。図１の正面図におい
て、検出コイル１のヨークとプラテン６間の磁気抵抗
は、ヨークの幅ｄの範囲内におけるそれぞれの山と谷の
磁気抵抗を総合（並列接続）したものとなる。同図で検
出コイル１が左右に移動したとき、磁気抵抗が変化しな
いようにするには、以下の数６式に示すように、ヨーク
の幅ｄをプラテン６の山と谷の周期（ピッチＰ）の整数
倍にすれば良い。ここで、ｎ＝０、１、２、・・・の整
数、ｄはヨークの幅、Ｐはプラテンの幅ピッチである。

【００２９】

【数６】ｄ＝（１＋ｎ）Ｐ

【００３０】また、ｎの値は大きいほどピッチ誤差によ
る変動を小さくすることができる。本実施の形態の位置
検出装置の位置センサでは、ヨークの幅ｄは溝ピッチの
４倍（ｎ＝３）とした。またここで、上述したように、
図５に示した磁気回路で空気中の経路の磁気抵抗Ｒ_A’
はヨークとプラテン６間のＲ_Gに対してかなり大きな値
となり、このためＲ_Gの変化を効率的にとらえることが
できない。そこで、図６に示すように、効率のよいヨー
ク形状にすることにより、ヨークとプラテン６の磁気結
合を密にすることで検出感度をより一層向上させること
ができる。この場合、図６において示すように、検出コ
イル７の略コ字状のコア８のプラテン６に対向する検出
端部を検出方向に複数箇所設けて、検出端部の間の幅ｄ
２のくびれ部分にコイル９を巻回し、ｎ＝０、１、２・
・・、Ｐ＝プラテン６の溝ピッチに対して、それぞれの
検出端部の幅ｄ１＝（１＋ｎ）Ｐ、ｄ２＝任意、とする
ようにしてもよい。

【００３１】次に、検出回路の構成及び動作の基本原理
について説明する。この検出回路は、図７に示すよう
に、高周波電流を発生する高周波発振器ＯＳＣ１と、検
出コイルＬ１と、高周波電圧Ｖ_R1を検出するための直列
抵抗器Ｒ１と、検波回路１０を構成するダイオードＤ
１、コンデンサＣ１、検出電圧Ｖ_R2を検出するための抵
抗器Ｒ２とを有する。

【００３２】このように構成された検出回路１０は、以
下のような動作をする。上述したように、検出コイルＬ
１はプラテン６の溝を検出すると、その磁気抵抗の変化
により、インダクタンスが変化する。インダクタンスの
変化は、図７の検出回路により電圧の変化に変換され
る。この検出回路は、高周波発振器ＯＳＣ１より直列抵
抗器Ｒ１を介して検出コイルＬ１に高周波電圧Ｖ_R1を供
給し、検出コイルＬ１のインダクタンスの変化を検波回
路により検出電圧Ｖ_R2の変化に変換するようにしてい
る。

【００３３】図８、図９は検出コイルＬ１がプラテン６
上を検出方向に移動したときの図７の検出回路における
各部の信号波形である。図８において、高周波電圧Ｖ_R1
は検出コイルＬ１に供給される電圧であり、図９におい
て、検出電圧Ｖ_R2は高周波電圧Ｖ_R1のプラス方向の電圧
を検波した電圧である。ここで、しきい値Ｖ_THを電圧振
幅の中心に設定して、例えば図示しないコンパレータ回
路に入力することにより、２値化されたパルス信号が得
られる。このパルス信号をさらに図示しないカウンタで
計数することにより、検出コイルＬ１の移動距離を求め
ることができる。

【００３４】以上、検出回路の動作原理を説明したが、
以下に実用的な検出回路について構成及び動作を説明す
る。図９に示した検出電圧Ｖ_R2は、検出コイルとプラテ
ン間の空隙や、高周波発振器ＯＳＣ１の周波数、振幅変
化によって変動する。このため、コンパレータのしきい
値Ｖ_THが固定値の場合、動作環境の制約が多くなり、よ
り実用的な検出回路が要求される。そこで、このような
要求を満足するため、検出コイルと図７に示した検出回
路を２組設けて、それらの出力を差動的に合成する検出
回路を開発した。

【００３５】まず、図１０を用いて検出コイルの配置に
ついて説明する。２つの検出コイル１１（Ｌ１，Ｌ２）
はそれぞれのインダクタンス変化が逆相（１８０度位
相）になるように配置する。検出コイル１１の配列ピッ
チＱは、Ｐをプラテン６の溝ピッチとし、ｎ＝０、１、
２、・・・とすると以下の数式のようになる。

【００３６】

【数７】Ｑ＝（１／２）（１＋２ｎ）Ｐ

【００３７】本実施の形態の位置検出装置の位置センサ
では、ｎ＝１として、Ｑ＝（３／２）Ｐとして、２つの
検出コイルが逆位相になるように配置するようにした。

【００３８】次に図１１を用いて差動検出回路について
説明する。この差動検出回路は、図１１に示すように、
高周波電流を発生する高周波発振器ＯＳＣ１と、検出コ
イルＬ１と、直列抵抗器Ｒ１と、検出コイルＬ２と、直
列抵抗器Ｒ１と、検出コイルＬ１の電圧を検出する第１
の検波回路１２と、検出コイルＬ２の電圧を検出する第
２の検波回路１３と、第１の検波回路１２の検波出力Ｖ
_D1と第２の検波回路１３の検波出力Ｖ_D2との差を出力す
る差動回路１４と、差動回路１４の差動出力Ｖ _DEFを増
幅するアンプ１５と、アンプ１５の増幅出力Ｖ_Aとしき
い値Ｖ_THとを比較して検出出力Ｖ_Oを出力するコンパレ
ータ１６とを有する。なお、第１の検波回路１２および
第２の検波回路１３の構成は、図７に示したものと同様
であるのでその説明を省略する。

【００３９】このように構成された実用的な検出回路の
動作を以下に説明する。検出コイルＬ１による検波出力
Ｖ_D1は図１２Ａに示すように所定のプラス電位を中心と
した振幅電圧波形となる。検出コイルＬ２による検波出
力Ｖ_D2は図１２Ｂに示すように検波出力Ｖ_D1と同じ所定
のプラス電位を中心とし、検波出力Ｖ_D1と逆相の振幅電
圧波形となる。この検波出力Ｖ_D1と検波出力Ｖ_D2との差
の電圧が図１２Ｃに示す差動出力Ｖ_DEFとなる。この差
動出力は増幅出力Ｖ_Aに増幅されて、しきい値Ｖ_THと比
較されて検出出力Ｖ_Oとなる。

【００４０】ここで、検波出力Ｖ_D1と検波出力Ｖ_D2の振
幅の中心電圧（オフセット電圧）は、次の動作条件によ
って変化する。第１に検出コイルＬ１，Ｌ２とプラテン
間の空隙、第２にプラテンの磁気特性、第３に発振回路
の周波数、第４に発振回路の出力振幅である。

【００４１】これらの条件変化によって表せる検波出力
電圧Ｖ_D1とＶ_D2の変化はそれぞれ同じ絶対値と逆の向き
になるため、差動出力電圧Ｖ_DEFの中心電圧は常にゼロ
に保たれる。ここで、コンパレータ１６のしきい値Ｖ_TH
をゼロに設定することにより、上述した動作条件の変化
の影響を受けることなく、安定した検出出力パルスＶ _O
を得ることができる。

【００４２】この場合の、アンプ１５の出力である増幅
出力Ｖ_Aの実測波形を図１３に示す。ここでは、アンプ
１５のゲインを１０倍とし、検出コイルＬ１，Ｌ２とプ
ラテン６との空隙を０．０５ｍｍとし、発振器振幅を５
Ｖ_P-P（ピークツウピーク）としたとき、検出コイルＬ
１，Ｌ２（ヘッド）を手で持ってプラテン６上を検出方
向に滑らせたときの波形を示す。

【００４３】以上述べたような検出コイルと検出回路を
前提として、実際に２次元ＬＰＭにより駆動されるヘッ
ドに搭載される位置検出装置としてのリニアエンコーダ
（リニアスケール）に用いる際の構成および動作につい
て説明する。上述した図１０に示した検出コイルおよび
図１１に示した差動検出回路では、移動体の移動距離は
計測することができるが、移動方向を計測することがで
きない。そこで、図１４に示すように、検出コイル１７
（Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４）は、移動方向を弁別するた
めに、図１０に示した検出コイルを２組設けて、それぞ
れの位相差を９０度（１／４・Ｐ）に配置するようにす
る。ここで、ｎ＝０、１、２、・・・、Ｐをプラテン６
の溝のピッチとしたとき、それぞれの検出コイル１７の
間隔ｄは以下の数８式で表すことができる。

【００４４】

【数８】ｄ＝（１／４）（１＋２ｎ）Ｐ

【００４５】次に、図１５に示すように、エンコーダ出
力回路は、検出コイルＬ１およびＬ２の１ペアの電圧変
化を差動検出回路Ａ１８で合成し、検出コイルＬ３およ
びＬ４の１ペアの電圧変化を差動検出回路Ｂ１９で合成
するように構成する。ここで、差動検出回路Ａ１８およ
び差動検出回路Ｂ１９の構成および動作は図１１に示し
たものに対応する。このように構成されたエンコーダ出
力回路は、差動検出回路Ａ１８および差動検出回路Ｂ１
９からそれぞれＡ相出力およびＢ相出力が得られる。図
１６に差動検出回路Ａ１８および差動検出回路Ｂ１９か
ら得られるＡ相出力およびＢ相出力の波形を示す。図１
６において、Ａ相出力およびＢ相出力はそれぞれプラテ
ン６の溝のピッチＰを１周期として、（１／４）・Ｐ位
相が異なる（Ａ相出力がＢ相出力に対して進み位相）波
形となる。そして、一点鎖線の位置で移動体の移動方向
が反転すると、Ａ相出力およびＢ相出力の位相が反転し
て、Ａ相出力がＢ相出力に対して遅れ位相の波形とな
る。このようにして、移動方向弁別可能なエンコーダ出
力を得ることができる。

【００４６】上述した図１４〜図１６の説明は２次元平
面の一方の軸について説明したが、２次元平面上の移動
体の移動距離をＸ軸成分とＹ軸成分とに分けて個別に計
測できるように、図１７に検出コイルの平面を示すよう
に、図１４に示した検出コイル２０、２１を２次元平面
上でそれぞれ９０度の角度を有するように配置するよう
にすればよい。

【００４７】また、より一層高分解能のエンコーダ出力
を得るために、以下のように構成しても良い。上述した
図１４〜図１６に示したエンコーダ回路の分解能は（１
／４）・Ｐ（＝０．２５ｍｍ）である。ここで、ＬＰＭ
のステップピッチはマイクロステップ駆動を行うことに
よりかなり高い分解能を得ることができる。そこで、本
実施の形態の位置検出装置としてのリニアエンコーダに
おける高分解能の可能性を検討してみる。

【００４８】図１８に示すように、図１５に示した差動
検出回路Ａ１８およびＢ１９のうち図１１に示した最終
段のコンパレータ１６を除き、Ａ相およびＢ相のアンプ
２５、２９の出力を内挿回路３０に供給して、より高分
解能にするようにしてもよい。ここで、Ａ相およびＢ相
のアンプ２５、２９の出力は、図１２Ｃに示すように、
サイン関数またはコサイン関数の三角関数であるので、
内挿回路３０による内挿（高分解能化）を行うことがで
きる。この内挿回路３０は、例えば、図１９に示すよう
に構成することができる。この内挿回路３０は、特願昭
６４−４９９１４号特許出願の明細書に記載されている
ものである。この内挿回路３０は、信号源から信号Ａお
よび位相の異なる信号Ｂを増幅回路３１、３３で増幅し
た後に、この信号をＡ／Ｄ変換回路３２、３４に供給す
る。Ａ／Ｄ変換回路３２、３４は供給されたアナログ信
号をディジタル信号に変換して、ＲＯＭ３５等の記憶手
段に供給する。ＲＯＭ３５等の記憶手段は内挿した角度
データを記憶していて、Ａ／Ｄ変換回路３２、３４から
のディジタル信号をアドレスとし、このアドレスに対応
する角度データを出力する。ＲＯＭ３５等の記憶手段か
ら出力された角度データは処理回路３６に供給され、処
理回路３６により信号処理される。

【００４９】ここで、このＡ／Ｄ変換回路３２、３４と
ＲＯＭ３５等の記憶手段のアドレスと記憶内容との関係
を説明する。横軸をＸ方向のアドレス、縦軸をＹ方向の
アドレスとし、各アドレスはＡ／Ｄ変換回路３２、３４
によってディジタル信号に変換された正弦波および余弦
波の値に対応している。例えば、各アドレスを８ビット
で表した場合には、各軸の値は０から２５５までの２５
６個のアドレスによって構成される各格子に対応する位
置に記憶内容が格納されている。このような記憶内容
は、以下のようにして予め求めておく。ここでは、検出
信号の１周期を複数に分割したときのアドレスに対応す
る角度データを信号の位相に対応する内挿データとして
求めるようにする。また、他の方法として、例えば、Ａ
／Ｄ変換回路３２，３４とＲＯＭ３５を用いなくても、
Ａ相正弦波信号と、Ｂ相余弦波信号とから、Ａ相正弦波
信号と位相角１８０度の逆Ａ相信号を求める。そして、
位相角がそれぞれ０度、９０度、１８０度であるＡ相、
Ｂ相、逆Ａ相の３相信号を重み付け加算することによっ
て、中間の位相角信号を作り出す。このようにして作ら
れた正弦波のゼロクロスを検出して、パルス信号を生成
するようにしてもよい。また、他の方法として、抵抗分
割による重み付け加算方式を用いてもよい。このように
多分解することにより、原理的にはいくらでも分割数を
上げることができ、これにより高分解能の出力を得るこ
とができる。

【００５０】ここで、内挿による分解能と位置精度は三
角関数の関数精度による限界があるが、検出コイルとプ
ラテン間の空隙をかなり狭くすると波形の歪が大きくな
ることが実験により確認されているので、空隙の有効範
囲に制約を設けることにより、波形歪のない検出信号を
得ることができる。

【００５１】以上述べたように、本実施の形態の位置検
出装置は、以下のような特徴点を有する。まず、検出コ
イルに関しては、以下の３点である。第１に分解能を上
げるために検出コイルのヨークの板厚は、プラテンの溝
幅に対して充分薄くすること。第２に検出方向に指向性
を持たせるために、検出コイルのヨークの板幅は、プラ
テンの溝ピッチの整数倍にすること。第３にプラテンの
溝の山と谷は、検出コイルのヨークとプラテン間の磁気
抵抗の変化として捕らえ、検出コイルのインダクタンス
の変化に変換すること。

【００５２】次に、検出回路については、以下の３点で
ある。第１に検出コイルに高周波発振回路より直列抵抗
器を介して電圧を供給し、検出コイルのインダクタンス
変化を検波回路により電圧の変化として取り出すこと。
第２に検出コイル２つをプラテンの山と谷の位置（１８
０度の位相差）に配置して、２つの検波出力電圧の差を
検出信号とすることにより、検出コイルとプラテン間の
空隙や発振周波数等の変化の影響を受けなくしたこと。
第３に検出信号を内挿することにより高分解能化するこ
と。

【００５３】

【発明の効果】この発明の位置検出装置は、Ｘ軸および
上記Ｘ軸に直交するＹ軸による２次元平面上の任意の方
向に移動体を移動可能にするものであって、固定側のヨ
ークであり格子状の溝を有するプラテンと、永久磁石と
コイルを巻いたヨークとを設けた検出コイルとを有して
上記プラテンとの間に所定の空隙を有する移動側の移動
子と、上記移動子の上記プラテン上の２次元平面上の位
置を検出する検出回路とを有し、上記プラテン上の２次
元平面の上記移動子の移動による移動体の位置を検出す
る位置検出装置において、上記検出コイルに高周波電圧
を供給し、上記検出回路は上記検出コイルのインダクタ
ンス変化を検波することにより電圧の変化として取り出
すようにしたので、従来の高周波近接型スイッチの検出
回路を応用した簡易な構成で高分解能の位置検出をする
ことができ、Ｘ方向およびＹ方向を個別に弁別すること
ができ、充分な応答速度で位置検出できるという効果を
奏する。

【００５４】また、この発明の位置検出装置は、上述に
おいて、少なくとも２つの上記検出コイルを上記プラテ
ンの溝の山と谷の位置に配置して、上記検出回路は、少
なくとも２つの上記検出コイルの検波出力電圧の差を検
出信号とするようにしたので、検出コイルとプラテン間
の空隙や発振周波数等の変化の影響を受けることなく、
位置検出することができるという効果を奏する。

【００５５】また、この発明の位置検出装置は、上述に
おいて、上記検出回路の互いに９０度位相がずれた２つ
の正弦波からなる検出信号を内挿することにより高分解
能化するようにしたので、１ｍｍピッチのプラテンの凹
凸を弁別することができるという効果を奏する。

【００５６】また、この発明の位置検出装置は、上述に
おいて、上記検出コイルの検出方向の上記ヨークの板厚
は、上記プラテンの溝幅に対して薄くするようにしたの
で、検出方向の検出コイルの板厚が検出の邪魔になら
ず、高分解能の位置検出をすることができるという効果
を奏する。

【００５７】また、この発明の位置検出装置は、上述に
おいて、上記検出コイルの検出方向と直交する上記ヨー
クの板幅は、上記プラテンの溝ピッチの整数倍にするよ
うにしたので、検出方向に指向性を持たせることができ
るという効果を奏する。

【００５８】また、この発明の位置検出装置は、上述に
おいて、上記プラテンの溝の山と谷は、上記検出コイル
のヨークとプラテン間の磁気抵抗の変化として上記検出
回路において検出し、上記検出コイルのインダクタンス
の変化に変換するようにしたので、プラテンの溝の山と
谷とを磁気抵抗の変化として検出することができるとい
う効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の検出コイルの基本的形状
と配置を示す正面図である。

【図２】本発明の実施の形態の検出コイルの基本的形状
と配置を示す側面図である。

【図３】本発明の実施の形態の検出コイルの基本的形状
と配置を示す平面図である。

【図４】本発明の実施の形態の検出コイルの動作原理の
磁気回路を示す図である。

【図５】本発明の実施の形態の検出コイルの動作原理の
空気中の経路を考慮した磁気回路を示す図である。

【図６】本発明の実施の形態の効率の良い検出コイルの
ヨーク形状を示す図である。

【図７】本発明の実施の形態の検出回路を示す図であ
る。

【図８】本発明の実施の形態の検出回路の信号波形を示
す図である。

【図９】本発明の実施の形態の検出回路の信号波形を示
す図である。

【図１０】本発明の実施の形態の実用的な検出コイルの
配置を示す図である。

【図１１】本発明の実施の形態の差動検出回路を示す図
である。

【図１２】本発明の実施の形態の差動検出回路の信号波
形を示す図であり、図１２ＡはＶ _D1、図１２ＢはＶ_D2、
図１２ＣはＶ_DEFを示す。

【図１３】本発明の実施の形態の差動検出回路のアンプ
出力電圧の検出信号波形を示す図である。

【図１４】本発明の実施の形態の２相出力のための検出
コイルの配置を示す図である。

【図１５】本発明の実施の形態の２相出力のためのエン
コーダ出力回路を示す図である。

【図１６】本発明の実施の形態の２相出力信号波形を示
す図である。

【図１７】本発明の実施の形態の２次元センサとしての
検出コイルの配置を示す図である。

【図１８】本発明の実施の形態の高分解能エンコーダ出
力回路を示す図である。

【図１９】本発明の実施の形態の内挿回路の構成を示す
図である。

【図２０】従来の２次元ＬＰＭの固定側ヨーク（プラテ
ン）の構造を示す図である。

【図２１】従来の２次元ＬＰＭの動作原理を示す図であ
り、図２１Ａはモード１、図２１Ｂはモード２、図２１
Ｃはモード３、図２１Ｄはモード４を示す。

【符号の説明】

１検出素子、２コア、３コイル、４，５端子、
６プラテン、ｄ幅、ｈ高さ、Ｐピッチ、Ｇギ
ャップ、ｔ厚さ、７検出コイル、８コア、９コ
イル、ｄ１幅、１０検波回路、ＯＳＣ１高周波発
振器、Ｌ１検出コイル、Ｒ１直列抵抗器、１１（Ｌ
１，Ｌ２）検出コイル、１２，１３検波回路、１４
差動回路、１５アンプ、１６コンパレータ、１７
（Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４）検出コイル、１８差動
検出回路Ａ、１９差動検出回路Ｂ、２０，２１検出
コイル、２２，２３，２４，２６，２７検波回路、２
４，２８差動回路、２５，２９アンプ、３０内挿
回路、３１，３３増幅回路、３２，３４Ａ／Ｄ変換
回路、３５ＲＯＭ、３６処理回路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｘ軸および上記Ｘ軸に直交するＹ軸によ
る２次元平面上の任意の方向に移動体を移動可能にする
ものであって、固定側のヨークであり格子状の溝を有するプラテンと、
永久磁石とコイルを巻いたヨークとを設けた検出コイル
とを有して上記プラテンとの間に所定の空隙を有する移
動側の移動子と、上記移動子の上記プラテン上の２次元
平面上の位置を検出する検出回路とを有し、上記プラテン上の２次元平面の上記移動子の移動による
移動体の位置を検出する位置検出装置において、上記検出コイルに高周波電圧を供給し、上記検出回路は
上記検出コイルのインダクタンス変化を検波することに
より電圧の変化として取り出すようにしたことを特徴と
する位置検出装置。
【請求項２】請求項１記載の位置検出装置において、少なくとも２つの上記検出コイルを上記プラテンの溝の
山と谷の位置に配置して、上記検出回路は、少なくとも
２つの上記検出コイルの検波出力電圧の差を検出信号と
するようにしたことを特徴とする位置検出装置。
【請求項３】請求項１記載の位置検出装置において、上記検出回路の互いに９０度位相がずれた２つの正弦波
からなる検出信号を内挿することにより高分解能化する
ようにしたことを特徴とする位置検出装置。
【請求項４】請求項１記載の位置検出装置において、上記検出コイルの検出方向の上記ヨークの板厚は、上記
プラテンの溝幅に対して薄くするようにしたことを特徴
とする位置検出装置。
【請求項５】請求項１記載の位置検出装置において、上記検出コイルの検出方向と直交する上記ヨークの板幅
は、上記プラテンの溝ピッチの整数倍にするようにした
ことを特徴とする位置検出装置。
【請求項６】請求項１記載の位置検出装置において、上記プラテンの溝の山と谷は、上記検出コイルのヨーク
とプラテン間の磁気抵抗の変化として上記検出回路にお
いて検出し、上記検出コイルのインダクタンスの変化に
変換するようにしたことを特徴とする位置検出装置。