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【発明の名称】 マルチタップ受信器捲線を有する誘導性位置トランスデューサ及び相対位置を判別するための方法
【発明者】 【氏名】ニルス イングバール アンダーモ

【氏名】カール グスタフ マスレリーズ
【要約】 【課題】信号感度を増加し、また、デジタル補間能力を提供するための改良されたマルチタップ捲線構造を備えた誘導電流位置トランスデューサを提供する。

【解決手段】誘導電流位置トランスデューサにスケール素子と送信機捲線とマルチタップ受信機捲線と信号発生および処理回路を設け、信号発生および処理回路により送信機捲線を駆動したのち、入力信号が最小となるようにマルチタップ受信機捲線のタップを選択して入力信号を信号発生および処理回路へ入力し、２つの入力信号によって補間処理により相対位置を判別する。
【特許請求の範囲】
【請求項１】測定軸に沿って配列された少なくとも一つのスケール素子を含む第１の部材と、前記測定軸に沿って前記第１の部材に対して隣接して相対移動可能に配置された第２の部材とを含んでおり、前記第２の部材は、第１の捲線と、前記測定軸に沿って伸延し、直列に接続され、規定された空間位相を有するように空間的に変調された部分を含む一つ以上の第２の捲線と、前記空間的に変調された部分に設けられた複数の選択可能な接続用のタップと、前記第１の捲線に接続され、且つ、前記複数の選択可能なタップを通して前記第２の捲線に選択的に接続可能な信号発生および処理回路とを含んでおり、前記信号発生および処理回路は、変化する磁束を発生させるために前記第１および第２の捲線の一方を駆動し、前記信号発生および処理回路は、前記第１および第２の捲線の一方により発生された変化する磁束により前記第１および第２の捲線の他方に誘導された分布誘導起電力により誘起された入力信号を入力し、前記入力信号は、前記タップの選択部位と、少なくとも一つの前記スケール素子と前記第２の捲線の間の相対位置に依存しており、少なくとも一つの前記スケール素子は、前記相対位置に基づいて前記第１および第２の捲線の有効磁束結合を空間的に変調する、ことを特徴とするマルチタップ誘導電流位置トランスデューサ。
【請求項２】空間的に変調された第１の捲線を含む第１の部材と、測定軸に沿って前記第１の部材に対して隣接して相対的に移動可能に配置された第２の部材とを含んでおり、前記第２の部材は、前記測定軸に沿って伸延し、直列に接続され、規定された空間位相を有するように空間的に変調された部分を含む複数の第２の捲線と、前記空間的に変調された部分の上の複数の選択可能な接続用のタップと、前記第１の捲線に接続され、且つ、複数の選択可能な前記タップを通して前記第２の捲線に選択的に接続可能な信号発生および処理回路とを含んでおり、前記信号発生および処理回路は、変化する磁束を発生させるために前記第１および第２の捲線の一方を駆動し、前記信号発生および処理回路は、前記第１および第２の捲線の間の空間的に変調された有効磁束結合に基づいて、前記第１および第２の捲線の一方により発生された変化する磁束により前記第１および第２の捲線の他方に誘導された分布誘導起電力により誘起された入力信号を入力し、前記入力信号は、前記タップの選択部位と、前記第１および第２の捲線の間の相対位置に依存することを特徴とするマルチタップ誘導電流位置トランスデューサ。
【請求項３】測定軸に沿って配列された少なくとも一つのスケール素子を含む第１の部材と、前記測定軸に沿って前記第１の部材に対して隣接して相対移動可能に配置された第２の部材と、前記第１および第２の部材の一方に対して相対配置された第１の捲線とを含んでおり、第２の部材は、前記測定軸に沿って伸延し、直列に接続され、規定された空間位相を有するように空間的に変調された部分を含む複数の第２の捲線と、前記空間的に変調された部分の上の複数の選択可能な接続用のタップと、前記第１の捲線に接続され、且つ、複数の選択可能な前記タップを通して前記第２の捲線に選択的に接続可能な信号発生および処理回路とを含んでおり、前記信号発生および処理回路は、変化する磁束を発生させるために前記第１および第２の捲線の一方を駆動し、前記信号発生および処理回路は、前記第１および第２の捲線の一方により発生された変化する磁束により前記第１および第２の捲線の他方に誘導された分布誘導起電力により誘起された入力信号を入力し、前記入力信号は、前記タップの選択部位と、少なくとも一つの前記スケール素子と前記第２の捲線の間の相対位置に依存しており、少なくとも一つの前記スケール素子は、前記相対位置に基づいて前記第１および第２の捲線の有効磁束結合を空間的に変調することを特徴とするマルチタップ誘導電流位置トランスデューサ。
【請求項４】前記信号発生および処理回路が、前記入力信号をサンプルする各々の信号サンプリングサイクルにおいて一対となる２つの前記タップを選択し、前記タップ対は、少なくとも二つの、直列に接続された前記空間的に変調された部分の誘起信号が入力信号を作り出すために結合されるように選択されることを特徴とする請求項１、請求項２または請求項３に記載のマルチタップ誘導電流位置トランスデューサ。
【請求項５】前記入力信号の位相、極性、および振幅の少なくとも一つが、タップの選択部位及び少なくとも一つの前記スケール素子と前記第２の捲線の間の相対位置に依存するように前記スケール素子と前記第２捲線が配置されていることを特徴とする請求項１または請求項３に記載のマルチタップ誘導電流位置トランスデューサ。
【請求項６】少なくとも一つの前記スケール素子が、ピッチλで前記測定軸に沿って分布する複数の前記スケール素子に含まれることを特徴とする請求項１または請求項３に記載のマルチタップ誘導電流位置トランスデューサ。
【請求項７】複数の前記空間的に変調された部分が、複数の前記空間的に変調された部分の数Ｎとピッチλに基づいて、所定のオフセット量だけ前記測定軸に沿って互いにオフセットされることを特徴とする請求項６に記載のマルチタップ誘導電流位置トランスデューサ。
【請求項８】前記所定のオフセット量が、λ（ｋＮ＋１）／Ｎ（ここで、ｋとＮは整数である）であることを特徴とする請求項７に記載のマルチタップ誘導電流位置トランスデューサ。
【請求項９】全ての前記空間的に変調された部分が、第１の誘起信号を与える正極性領域と、前記第１の誘起信号とバランスした第２の誘起信号を与えるように電気的に接続された負極性領域を有し、その結果、前記スケール素子がない状態での動作状態では、各々の前記空間的に変調された部分からの誘起信号がぼぼゼロとなることを特徴とする請求項１、請求項２または請求項３に記載のマルチタップ誘導電流位置トランスデューサ。
【請求項１０】各々の前記正極性部分および各々の前記負極性部分が、ピッチλの２分の１にほぼ等しい前記測定軸に沿った長さを有し、全ての前記空間的に変調された部分の各々が、幾何学的にほぼ同形状であり、ピッチλにほぼ等しい前記測定軸に沿った長さを有し、全ての前記スケール素子の各々が、幾何学的に同形状であり、ピッチλの２分の１にほぼ等しい前記測定軸に沿った長さを有することを特徴とする請求項９に記載のマルチタップ誘導電流位置トランスデューサ。
【請求項１１】少なくとも１つの前記スケール素子が、１つ以上の磁束変調器を含み、前記磁束変調器は、磁束強化器と磁束減衰器の少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１または請求項３に記載のマルチタップ誘導電流位置トランスデューサ。
【請求項１２】前記スケール素子が１つ以上の結合ループを含むことを特徴とする請求項１または請求項３に記載のマルチタップ誘導電流位置トランスデューサ。
【請求項１３】前記第２の捲線が、前記第１の捲線の中に配置されることを特徴とする請求項１に記載のマルチタップ誘導電流位置トランスデューサ。
【請求項１４】前記第１の捲線が、前記第２の捲線に隣接して配置されることを特徴とする請求項１に記載のマルチタップ誘導電流位置トランスデューサ。
【請求項１５】前記第１の捲線が、複数の捲線部分を有し、第２の捲線が、前記複数の捲線部分の少なくとも一つに隣接して配置されることを特徴とする請求項１４に記載のマルチタップ誘導電流位置トランスデューサ。
【請求項１６】前記第１の捲線が、１対の捲線部分を有し、前記第２の捲線が前記１対の捲線部分の間に配置されることを特徴とする請求項１５に記載のマルチタップ誘導電流位置トランスデューサ。
【請求項１７】前記信号発生および処理回路が、制御装置と、前記第１の捲線と前記制御装置へ接続された送信器ドライバと、前記第２の捲線の前記タップと前記制御装置へ接続されたマルチプレクサと、前記マルチプレクサへ接続された復調器と、前記復調器に接続されて、前記入力信号に基づき、前記相対位置に関連して少なくとも一つの信号を出力する分析回路とを含むことを特徴とする請求項１、請求項２または請求項３に記載のマルチタップ誘導電流位置トランスデューサ。
【請求項１８】前記信号発生および処理回路が、制御装置と、前記第２の捲線のタップと前記制御装置に接続されたマルチプレクサと、前記制御装置および前記マルチプレクサに接続された送信器ドライバと、前記第１の捲線へ接続された復調器と、前記復調器に接続され、入力信号に基づいて少なくとも一つの信号を出力する分析回路とを含むことを特徴とする請求項１、請求項２または請求項３に記載のマルチタップ誘導電流位置トランスデューサ。
【請求項１９】前記測定軸が、円形であることを特徴とする請求項１、請求項２または請求項３に記載のマルチタップ誘導電流位置トランスデューサ。
【請求項２０】測定軸に沿って伸延し、空間的に変調され、且つ時間の経過に従って変化する磁場において、周期的な空間変調に対して磁束感知捲線の相対位置を判別するための方法であって、磁束感知捲線は、前記測定軸に沿って伸延し、直列に接続され、複数の空間的に変調された部分であって、各々の前記空間的に変調された部分が規定された空間位相を有するものと、前記空間的に変調された部分の上の複数の選択可能なタップとを含み、相対位置を判別するための、複数の選択可能な前記タップを通して前記磁束感知捲線に選択的に接続可能な信号処理回路とを含んでいる場合において、当該方法は、空間的に変調され、時間の経過に従って変化する磁場に応答して前記磁束感知捲線の中に分布誘導起電力を誘導させるステップと、各々の信号サンプリングサイクルについて１組の前記タップを選択するステップであって、１組の前記タップは、多数の、直列に接続され、空間的に変調された部分の誘起信号が結合されて分布誘導起電力により誘起された入力信号を発生させるように選択されるステップと、前記入力信号を信号処理回路に入力するステップと、前記入力信号の特性を測定するステップと、選択された前記タップと対応する入力信号特性に基づいて、前記磁束感知捲線と、空間的に変調され時間の経過に従って変化する磁場の間の前記相対位置を判別するステップを含むことを特徴とする磁束感知捲線の相対位置を判別するための方法。
【請求項２１】１組の前記タップを選択する前記ステップが、多数の、直列に接続された前記空間的に変調された部分において、前記入力信号特性について理論的に可能な最大値を作り出すように一対の前記タップを選択するステップを含み、前記相対位置を判別する前記ステップが、前記入力信号特性の最小値に対応する一対の前記タップを選択するステップに従って、選択されたタップ対を識別するステップを含むことを特徴とする請求項２０に記載の磁束感知捲線の相対位置を判別するための方法。
【請求項２２】各々の前記信号サンプリングサイクルについて１組の前記タップを選択する前記ステップにおいて、空間の位相を有する複数の選択可能な第１のタップを選択するステップと、前記第１のタップの空間の位相からほぼ１８０度位相がずれている空間位相を有し、対向する第２の前記タップを選択するステップあるいは、前記対向するタップに隣接するタップの一方を第２のタップとして選択するステップと、前記第１および第２のタップに対応する入力信号特性の値を判別するステップと、前記第１および第２のタップの少なくとも一つを再選択するステップと、前記入力信号特性の最小値が識別されるまで、判別と再選択を繰り返すステップを含むことを特徴とする請求項２０に記載の磁束感知捲線の相対位置を判別するための方法。
【請求項２３】前記第１および第２のタップの少なくとも一つを再選択する前記ステップにおいて、前記第１および第２のタップに対応する入力信号特性の値を判別する前記ステップにおいて得られた入力信号の特性が変化した場合に、次回の前記タップの選択部位をそれまでの選択方向とは逆方向に戻るように選択するステップを含むことを特徴とする請求項２２に記載の磁束感知捲線の相対位置を判別するための方法。
【請求項２４】前記相対位置を判別する前記ステップが、各々の信号サンプリングサイクルについて１組の前記タップを選択する前記ステップで選択された前記タップの部位によって第１の分解能によって相対位置を決定するステップを含むことを特徴とする請求項２０に記載の磁束感知捲線の相対位置を判別するための方法。
【請求項２５】前記相対位置を判別する前記ステップが、前記入力信号の特性を測定する前記ステップでの少なくとも２回以上の入力信号特性測定結果を基にして前記第１の分解能より細かい第２の分解能によって相対位置を決定するステップを含むことを特徴とする請求項２０に記載の磁束感知捲線の相対位置を判別するための方法。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、誘導電流リニアおよびロータリ位置トランスデューサに関する。特に本発明は、信号感度を増加し、また、デジタル補間能力を提供するための改良されたマルチタップ捲線構造を備えた誘導電流位置トランスデューサに関する。
【０００２】
【背景技術】日本特許出願公開特開平８−３１３２９５号は、インクリメンタル誘導電流位置トランスデューサを開示し、日本特許出願公開特開平９−３２９４０７号は、誘導電流位置トランスデューサを使用した電子キャリパを開示している。両方の出願は、誘導電流位置トランスデューサについての関連する信号処理技術を開示している。これらの出願の誘導電流位置トランスデューサの動作は、図１および図２に概略的に示される。図１に示されるように、誘導電流位置トランスデューサ１００は、スケール１１０に対して移動可能である読取ヘッド１２０を含む。スケール１１０は、好ましくは、標準のプリント回路基板技術を使用するプリント回路基板の上に形成される。読取ヘッド１２０は、プリント回路基板の上にも同じく形成することができる。しかしながら、読取ヘッド１２０は、集積回路（ＩＣ）、好ましくは、標準のシリコンＩＣ処理技術を使用するシリコンＩＣの上にも同じく形成することができる。
【０００３】複数の磁束変調器１１２は、誘導電流位置トランスデューサ１００の測定軸１１４に沿って、以下に更に詳細に記述される波長λに等しいピッチで分布する。磁束変調器１１２は、測定軸１１４に沿ったλ／２の公称幅を有する。磁束変調器１１２は、測定軸１１４と直角を成す方向に幅ｄを有する。読取ヘッド１２０は、駆動信号発生器１５０に連結された概して長方形の送信器捲線１２２を含む。駆動信号発生器１５０は、時間経過に従って変化する駆動信号を送信器捲線１２２に与える。時間経過に従って変化する駆動信号は、好ましくは、高周波の正弦波信号、パルス信号、あるいは、指数関数的に減衰する正弦波信号である。時間経過に従って変化する駆動信号が送信器捲線１２２に印加されると、送信器捲線１２２に流れる時間経過に従って変化する電流は、対応する時間経過に従って変化する磁場を発生させる。送信器捲線１２２は、概して矩形に整形され、その寸法は、発生させられた磁場が、送信器捲線１２２の中央部分の磁束領域の中で実質的に一定となるように選ばれる。
【０００４】読取ヘッド１２０は、送信器捲線１２２の中の磁束領域の中の読取ヘッドの上に配置された第１の受信器捲線１２４および第２の受信器捲線１２６を更に含む。第１の受信器捲線１２４と第２の受信器捲線１２６の各々は、複数の第１のループセグメント１２８と第２のループセグメント１２９により形成される。第１のループセグメント１２８は、プリント回路基板あるいは集積回路の層の第１の表面の上に形成される。第２のループセグメント１２９は、プリント回路基板あるいは集積回路の層の別の表面の上に形成される。プリント回路基板あるいは集積回路の層は、第１のループセグメント１２８と第２のループセグメント１２９との間の電気絶縁層として作用する。各々の第１のループセグメント１２８の各々の端部は、第２のループセグメント１２９の一つの一方の端部にプリント回路基板あるいは集積回路の層に形成された貫通接続部１３０を通して連結される。
【０００５】第１および第２のループセグメント１２８および１２９は、適度な正弦波状に整形される。したがって、図１に示されるように、受信器捲線１２４および１２６の各々を形成する第１および第２のループセグメント１２８および１２９は、波長λを有する正弦波状に整形された周期的なパターンを形成する。受信器捲線１２４および１２６の各々は、このように複数のループ１３２および１３４を有するように形成される。第１および第２の受信器捲線１２４および１２６の各々のループ１３２および１３４は、λ／２に等しい測定軸１１４に沿った幅を有する。このように、隣接しているループ１３２および１３４の各々の組は、λに等しい幅を有する。更に、第１および第２のループセグメント１２８および１２９は、隣接しているループ１３２および１３４の各々の組において完全な正弦曲線サイクルを形成する。このように、λは、第１および第２の受信器捲線１２４および１２６の正弦曲線の波長に対応する。更に、受信器捲線１２６は、測定軸１１４に沿って第１の受信器捲線１２４からλ／４だけオフセットされる。すなわち、第１および第２の受信器捲線１２４および１２６は、９０度の位相差を有しており、これはすなわち、直交関係にある。
【０００６】電流が、第１の端子１２２ａから送信器捲線１２２を通り、第２の端子の１２２ｂから外に抜ける方向に送信器捲線１２２内を流れるように、駆動信号発生器１５０からの変化する駆動信号が送信器捲線１２２に印加される。このように、送信器捲線１２２によって発生させられた磁場は、送信器捲線１２２の内側で図１の平面の中に下降し、送信器捲線１２２の外側で図１の平面から上昇する。したがって、送信器捲線１２２の中の変化する磁場は、受信器捲線１２４および１２６に形成されたループ１３２および１３４の各々に誘導起電力（ＥＭＦ）を発生させる。ループ１３２とループ１３４は、反対の捲線方向を有する。この結果、ループ１３２で誘導されるＥＭＦは、ループ１３４で誘導されるＥＭＦの極性と反対である極性を有する。ループ１３２および１３４は、同じサイズ領域、したがって、公称で同じ量の磁束を取り囲む。それゆえに、各々のループ１３２および１３４に発生させられたＥＭＦの絶対値は公称で同一となる。
【０００７】好ましくは、第１および第２の受信器捲線１２４および１２６の各々に、等しい数のループ１３２および１３４がある。理想的には、ループ１３２で誘導される正極性ＥＭＦは、ループ１３４で誘導される負極性ＥＭＦによって正確にオフセットされる。したがって、第１および第２の受信器捲線１２４および１２６の上の各々の正味の公称ＥＭＦはゼロであり、また、送信器捲線１２２から受信器捲線１２４および１２６への単独の直接的な結合の結果として、第１および第２の受信器捲線１２４および１２６から信号が出力されないように意図されている。読取ヘッド１２０がスケール１１０に接近して置かれるとき、送信器捲線１２２によって発生させられた変化する磁束は、磁束変調器１１２を同じく通過する。磁束変調器１１２は変化する磁束を変調するものであり、磁束強化器あるいは磁束減衰器のいずれかとすることができる。
【０００８】磁束変調器１１２が磁束減衰器として提供されるとき、ギア歯のような導電性基体の隆起部分として、あるいは、好ましくは、スケール１１０上の導電性プレートあるいは薄い導電性フィルムとして形成される。変化する磁束が導電性プレート、隆起した導電性部分、あるいは、薄膜を通過するにつれて、渦電流が、導電性プレート、隆起した導電性部分、あるいは、薄膜で発生する。これらの渦電流は、送信器捲線１２２によって発生させられた磁場のものとは反対の磁場方向を有する磁場を順々に発生させる。このように、磁束減衰器タイプの磁束変調器１１２の各々に最も近い領域において、正味磁束は、磁束減衰器タイプの磁束変調器１１２から遠い領域の正味磁束よりも小さくなる。
【０００９】磁束減衰器１１２が受信器捲線１２４の正極性ループ１３２と一列に整列されるようにスケール１１０が読取ヘッド１２０に対して配置されるときには、正極性ループ１３２で発生した正味ＥＭＦは、負極性ループ１３４で発生した正味ＥＭＦに比べて減少する。この結果、受信器捲線１２４は不平衡な状態になり、その出力端子１２４ａおよび１２４ｂの間に実質的に負の信号を生じさせる。同様に、磁束減衰器１１２が負極性ループ１３４と一列に整列されるときには、負極性ループ１３４を通る正味磁束は、減衰するか、あるいは、減少する。このように、負極性ループ１３４で発生した正味ＥＭＦは、正極性ループ１３２で発生した正味ＥＭＦに対して減少する。この結果、第１の受信器捲線１２４は、その出力端子１２４ａと１２４ｂの間に実質的に正の信号を生じさせる。
【００１０】磁束変調器１１２が磁束強化器として提供されるときには、この結果は丁度逆になる。磁束強化器タイプの磁束変調器１１２は、スケール１１０内に、あるいは、スケール１１０上に設けられた高透磁率材料の一部によって形成される。送信器捲線１２２によって発生された磁束は、高透磁率磁束強化器タイプの磁束変調器１１２を優先的に通過する。すなわち、磁束強化器１１２の内側の磁束の密度は増やされる一方、磁束強化器１１２の外側の領域の磁束密度は減らされる。
【００１１】このように、磁束強化器１１２が、第２の受信器捲線１２６の正極性ループ１３２と一列に整列されるときには、正極性ループ１３２を通る磁束密度は、負極性ループ１３４を通過する磁束密度よりも大きい。このように、正極性ループ１３２で発生された正味ＥＭＦは増加する一方、負極性ループ１３４で誘導された正味ＥＭＦは減少する。この結果、第２の受信器捲線１２６の端子１２６ａおよび１２６ｂの間に正の信号を生じさせる。
【００１２】磁束強化器が負極性ループ１３４と一列に整列されるときには、負極性ループ１３４は正極性ループ１３２で誘導されたＥＭＦに対して増加されたＥＭＦを発生させる。この結果、負の信号が、第２の受信器捲線１２６の端子１２６ａおよび１２６ｂの間に生じる。一般的に、磁束強化作用と磁束減衰作用の両方を単一のスケールで組み合わせることができ、そこでは、磁束強化器と磁束減衰器はスケール１１０の長さに沿って交互配置される。これは、誘導されたＥＭＦの変調を強化するために作用することになる。なぜなら、両方のタイプの磁束変調器の効果は加算的に合成されるからである。
【００１３】前述したように、磁束変調器１１２の幅と高さは、公称でそれぞれλ／２とｄであり、一方、磁束変調器１１２のピッチは公称でλである。同様に、第１および第２の受信器捲線１２４および１２６に形成される周期的なパターンの波長は公称でλであり、ループ１３２および１３４の高さは公称でｄである。更に、ループ１３２および１３４の各々は、公称で一定の領域を取り囲む。図２Ａは、磁束変調器１１２が正極性ループ１３２に対して移動するときの、正極性ループ１３２からの位置依存性出力を示す。磁束変調器１１２が磁束減衰器であると仮定すると、信号振幅最小位置は、磁束減衰器１１２が正極性ループ１３２と正確に同列に整列した位置に対応し、一方、最大振幅位置は、磁束減衰器１１２が負極性ループ１３４と同列に整列した位置に対応する。
【００１４】図２Ｂは、各々の負極性ループ１３４からの信号出力を示す。図２Ａに示された信号のように、信号振幅最小位置は、磁束減衰器１１２が正極性ループ１３２と正確に同列に整列する位置と対応し、一方、最大信号出力は、磁束減衰器が負極性ループ１３４と正確に同列に整列する位置と対応する。磁束強化器が磁束減衰器の代わりに使用される場合には、図２Ａおよび図２Ｂにおける信号振幅最小位置は、磁束強化器１１２が負極性ループ１３４と同列に整列した位置に対応することになり、一方、信号振幅最大位置は、磁束強化器１１２が正極性ループ１３２と同列に整列した位置に対応することになる。
【００１５】図２Ｃは、第１および第２の受信器捲線ｌ２４および１２６のいずれかからの正味信号出力を示す。この正味信号は、正および負極性ループ１３２および１３４からの信号出力の和、すなわち、図２Ａおよび図２Ｂに示された信号の和に等しい。図２ｃに示された正味信号は、理想的にはゼロレベルに対して対称的であるべき、すなわち、正および負極性ループ１３２および１３４は、正確に平衡してオフセットがない対称的な出力を生じるべきである。
【００１６】しかしながら、現実の装置においては、正味信号に、位置に依存しない「ＤＣ」成分がしばしば現れる。このＤＣ成分は、オフセットされた信号Ｖｏである。このオフセットＶｏは、信号処理を複雑にする。このオフセットは、二つの主な原因によって生じる。最初に、送信器磁場の全振幅は、第１および第２の受信器捲線１２４および１２６を通過する。上に概説されたように、これは各々のループ１３２および１３４に電圧を誘導する。ループ１３２および１３４は逆の捲線方向を有するので、誘導された電圧は公称的には打ち消される。しかしながら、受信器捲線に誘導された電圧を完全に打ち消すことは、正および負のループ１３２および１３４が、完全に平衡となるように、完全に配置されて整形されることを必要とする。送信器捲線１２２によって受信器捲線ループ１３２および１３４の中へ直接誘導された電圧は、磁束変調器１１２によって生じた誘導電圧の変調より一層強いので、平衡についての誤差は極めて微妙である。実際には、製造誤差が完全な平衡を常に妨げる。
【００１７】第２に、磁束変調器１１２によって生成された空間的に変調された磁場は、平均の位置に依存しないオフセット成分も同様に呈する。すなわち、送信器捲線１２２によって発生された磁場内の磁束変調器１１２は、全て磁場内に同じ極性の空間変調を生成する。たとえば、磁束減衰器が使用されるときには、送信器磁場中の磁束減衰器は、全て同一極性の二次磁場を生成するので、磁束変調器から誘導された渦電流磁場はオフセットを有する。この時、磁束減衰器と磁束減衰器の間の空間は二次磁場を生成しない。
【００１８】このように、受信器捲線１２４および１２６の各々の正極性ループ１３２および各々の負極性ループ１３４は、同じ極性を有する最小値と最大値の間で変化する正味磁場を認識する。この作用の平均値はゼロの近傍では平衡しない、すなわち、それは大きな公称オフセットを有する。同様に、磁束強化器が使用されるときには、送信器捲線１２２の中の強化器は、全て同じ磁場変調を生成する一方、変調器と変調器の間の空間では変調されないので、磁束強化器による磁場変調はバイアスを有する。したがって、各々の受信器捲線１２４あるいは１２６の各々の正および負極性ループ１３２および１３４は、同じ極性を有する最小値と最大値の間で変化する空間的に変調された磁場を認識する。この作用の平均値も大きな公称オフセットを有する。
【００１９】等しい数の同一の正および負極性ループ１３２および１３４を有する受信器捲線は、オフセット成分を除去するのに役に立つ。しかしながら、正および負極性ループ１３２および１３４の間の平衡に関する各種の不完全さは、前述の説明によって残留オフセットを生じさせる。これらの両方のオフセット成分は、第１および第２の受信器捲線１２４および１２６の正および負極性ループ１３２および１３４の間の対称性によって単独でキャンセルされるように思われる。これは、受信器捲線１２４および１２６の製造の精密さに非常に厳しい要求を課することになる。トランスデューサ１００を製造した経験から、誘導電流位置トランスデューサ１００からこの誤差源を除去することは、実際的にはほぼ不可能である。 前述のオフセット成分のような、トランスデューサ位置に依存しないどのような信号成分も、トランスデューサの動作に対して外来信号と見なされる。そのような外来信号は、必要な信号処理回路を複雑にする。
【００２０】日本特許出願特願平１０−１０１２８６号は、オフセットを減少させた誘導電流位置トランスデューサを開示している。オフセットを減少させた誘導電流位置トランスデューサは、トランスデューサの製造精度を高くすることなく、出力信号の外来「オフセット」成分に対する有効な出力信号成分の割合を増加させる改良された捲線構造を使用する。捲線構造は、所与の測定範囲について、移動単位当たりの出力信号変化の程度を増加するための手段を提供する。オフセットを減少させた誘導電流位置トランスデューサの動作は、図３および図４に概略的に示される。図３および図４のトランスデューサは、通常「インクリメンタル」と称されるタイプの出力を生成する。「インクリメンタル」は、トランスデューサが、設計上のトランスデューサ変位増分に従って繰り返される循環的な出力を作り出すことを意味する。図３に示されるように、オフセットを減少させたスケール２１０は、第２の複数の閉じた結合ループ２１６に対して交互配置された第１の複数の閉じた結合ループ２１２を含む。各々の結合ループ２１２および２１６は、複数の第１および第２の結合ループ２１２および２１６の他方から電気的に絶縁される。
【００２１】第１の複数の結合ループ２１２の各々は、一組の連結導体２１５により連結された第１のループ部分２１３と第２のループ部分２１４を含む。同様に、第２の複数の結合ループ２１６の各々は、一組の連結導体２１９により連結された第１のループ部分２１７と第２のループ部分２１８を含む。第１の複数の結合ループ２１２においては、第１のループ部分２１３は、スケール２１０の一つの側縁に沿って配列され、測定軸１１４に沿って整列させられる。第２のループ部分２１４は、スケール２１０の中央に沿って配列され、測定軸に沿って整列させられる。連結導体２１５は、第２のループ部分２１４に第１のループ部分２１３を接続するために測定軸１１４に対してほぼ垂直に伸延する。
【００２２】同様に、第２の複数の結合ループ２１６においては、第１のループ部分２１７は、スケール２１０の第２の側縁に沿って配列され、測定軸１１４に沿って整列させられる。第２のループ部分２１８は、結合ループ２１２の第２のループ部分２１４と交互配置されて、スケール２１０の中央に沿って測定軸に沿って配列される。連結導体２１９は、第２のループ部分２１８に第１のループ部分２１７を接続するために測定軸１１４に対してほぼ垂直に伸延する。
【００２３】図４に示されるように、トランスデューサ２００の読取ヘッド２２０は、第１の送信器捲線部分２２３Ａと第２の送信器捲線部分２２３Ｂを有する送信器捲線２２２を含む。第１の送信器捲線部分２２３Ａは、読取ヘッド２２０の第１の側縁に設けられ、一方、第２の送信器捲線部分２２３Ｂは、読取ヘッド２２０の他の側縁に設けられる。第１および第２の送信器捲線２２３Ａおよび２２３Ｂの各々は、測定軸１１４に沿って伸延する実質的に同じ長さの寸法を有する。更に、第１および第２の送信器捲線２２３Ａおよび２２３Ｂの各々は、測定軸１１４と直角を成す方向に距離ｄ１だけ伸延する短い寸法を有する。送信器捲線２２２の端子２２２Ａおよび２２２Ｂは、送信器駆動信号発生器１５０に接続される。送信器駆動信号発生器１５０は、送信器捲線端子２２２Ａに時間経過に従って変化する駆動信号を出力する。この結果、図４に示されたように、時間経過に従って変化する電流は、送信器捲線端子２２２Ａから送信器端子２２２Ｂに送信器捲線２２２を通って流れる。
【００２４】これに反応して、第１の送信器捲線部分２２３Ａは、第１の送信器捲線部分２２３Ａの内側で図４の平面から上昇し、第１の送信器捲線部分２２３Ａによって形成されたループの外側で図４の平面の中に下降する一次磁場を発生させる。これとは逆に、第２の送信器捲線部分２２３Ｂは、第２の送信器捲線部分２２３Ｂによって形成されたループの外側で図４の平面から上昇し、第２の送信器捲線部分２２３Ｂによって形成されたループの内側で図４の平面の中に下降する一次磁場を発生させる。これに反応して、磁場内の変化を相殺するように電流が結合ループ２１２および２１６に誘導される。
【００２５】結合ループセクション２１３および２１７の各々の誘導電流は、送信器ループ２２３Ａおよび２２３Ｂのそれぞれが隣接している部分に流れる電流とは逆方向に流れる。図４に示されるように、スケールの中央セクションで第２のループ部分２１４および２１８の隣接しているものは、逆極性のループ電流を有する。このように、二次磁場は、スケールの中央セクションに沿って逆極性で周期的に分布する磁場部分を有して生成される。周期的な二次磁場の波長λは、連続する第２のループ部分２１４（あるいは２１８）の間の距離に等しい。
【００２６】読取ヘッド２２０は、図１に示された第１および第２の受信器捲線１２４および１２６とほぼ同一の第１および第２の受信器捲線２２４および２２６も含む。特に、図１に示された第１および第２の受信器捲線１２４および１２６と同様に、第１および第２の受信器捲線２２４および２２６は、読取ヘッド２２０を形成するプリント回路基板あるいは集積回路の絶縁層の相対する両面上に形成される複数の正弦波状に整形されたループセグメント２２８および２２９によってそれぞれ形成される。
【００２７】ループセグメント２２８および２２９は、第１および第２の受信器捲線２２４および２２６の各々において、交互に配置された正極性ループ２３２および負極性ループ２３４を形成するために貫通接続部２３０を通って連結される。受信器捲線２２４および２２６は、第１および第２の送信器部分２２３Ａと２２３Ｂの間で読取ヘッド２２０の中央部に配置される。第１および第２の受信器捲線２２４および２２６の各々は、測定軸と直角を成す方向に距離ｄ２だけ伸延する。
【００２８】送信器ループから受信器ループへの外部的な（位置に依存せず、また、スケールに依存しない）結合は、この構造で概して避けられる。すなわち、第１および第２の送信器２２３Ａおよび２２３Ｂによって発生された一次磁場は、第１および第２の受信器捲線２２４および２２６の近傍で逆の方向を向く。このように、一次磁場は、第１および第２の受信器捲線２２４および２２６によって専有された領域において互いに逆に作用する。理想的には、一次磁場は、この領域で互いに完全に逆に作用する。
【００２９】第１および第２の受信器捲線２２４および２２６は、第１および第２の送信器捲線部分２２３Ａおよび２２３Ｂの内側部分から等しい距離ｄ３だけ間隔が置かれる。このように、第１および第２の受信器捲線２２４および２２６によって専有された読取ヘッド２２０の第１および第２の送信器捲線部分２２３Ａおよび２２３Ｂの各々によって発生された磁場は、対称的な反対位置にある。関連する誘導作用は、このように効果的に互いに打ち消す。このように、第１および第２の送信器捲線部分２２３Ａおよび２２３Ｂへの外来的な直接結合により第１および第２の受信器捲線２２４および２２６で誘導された正味電圧は、送信器捲線を受信器捲線から離して配置することによって、第１の程度まで減らされる。第２に、対称的な設計は、実質的に外来的結合を効果的にゼロに減少させる。
【００３０】第１の複数の結合ループ２１２の各々は、第１および第２の受信器捲線２２４および２２６の波長λに等しいピッチに配列される。更に、第１のループ部分２１３の各々は、それぞれ隣接する第１のループ部分２１３の間に絶縁空間２０１を提供しながら、測定軸１１４に沿って波長λにできるだけ近い距離だけ伸延する。これに加えて、第１のループ部分２１３は、測定軸１１４と直角を成す方向に距離にｄ１だけ伸延する。同様に、第２の複数の結合ループ２１６の各々は、波長λに等しいピッチに同じく配列される。第１のループ部分２１７も、それぞれ隣接する第１のループ部分２１７の間に空間２０１を提供しながら、測定軸に沿って波長λにできるだけ近い距離だけ同様に伸延する。第１のループ部分２１７は、測定軸１１４と直角を成す方向に距離にｄ１だけ同じく伸延する。
【００３１】第１および第２の複数の結合ループ２１２および２１６の第２のループ部分２１４および２１８も、波長λに等しいピッチに同じく配列される。しかしながら、第２のループ部分２１４および２１８の各々は、測定軸に沿って波長（λ）の半分にできるだけ近く伸延する。絶縁空間２０２は、図４に示されるように、第１および第２の複数の結合ループ２１２および２１６の第２のループ部分２１４および２１８の各々の隣接する組の間に設けられる。このように、第１および第２の複数の結合ループ２１２および２１６の第２のループ部分２１４および２１８は、スケール２１０の長さに沿って交互配置される。最後に、第２のループ部分２１４および２１８の各々は、測定軸１１４と直角を成す方向に距離にｄ２だけ伸延する。
【００３２】第２のループ部分２１４および２１８は、対応する第１のループ部分２１３および２１７から距離ｄ３だけ間隔を置かれる。したがって、図４に示されるように、読取ヘッド２２０はスケール２１０に接近して置かれるときには、第１の送信器捲線部分２２３Ａは、第１の複数の結合ループ２１２の第１のループ部分２１３と一列に整列する。同様に、第２の送信器捲線部分２２３Ｂは、第２の複数の結合ループ２１６の第１のループ部分２１７と一列に整列する。最後に、第１および第２の受信器捲線２２４および２２６は、第１および第２の結合ループ２１２および２１６の第２のループ部分２１４および２１８と一列に整列する。
【００３３】動作中は、時間経過に従って変化する駆動信号は、送信器駆動信号発生器１５０によって送信器捲線の端子の２２２Ａに出力される。このように、第１の送信器捲線部分２２３Ａは、第１の方向を有する第１の変化する磁場を発生させ、一方、第２の送信器捲線部分２２３Ｂは、第１の方向と逆である第２の方向に第２の磁場を発生させる。この第２の磁場は、第１の送信器捲線部分２２３Ａによって発生された第１の磁場の磁場強度に等しい磁場強度を有する。
【００３４】第１の複数の結合ループ２１２の各々は、第１の送信器捲線部分２２３Ａに、第１の送信器捲線部分２２３Ａによって発生された第１の磁場によって誘導的に結合される。このように、誘導電流は、第１の複数の結合ループ２１２の各々を通って時計回りに流れる。同時に、第２の複数の結合ループ２１６は、第２の送信器捲線部分２２３Ｂに、第２の送信器捲線部分２２３Ｂによって発生された第２の磁場によって誘導的に結合される。これは、第２の複数の結合ループ２１６の各々に反時計回りに流れる電流を誘導する。すなわち、結合ループ２１２および２１６の第２の部分２１４および２１８を通る電流は逆方向に流れる。
【００３５】第１の結合ループ２１２の各々の第２の部分２１４で時計回りに流れる電流は、第２の部分２１４の内側で図４の平面の中に下降する第３の磁場を発生させる。これとは逆に、第２の結合ループ２１６の第２のループ部分２１８で反時計回りに流れる電流は、第２の結合ループ２１６の第２のループ部分２１８の内側で図４の平面から上昇する第４の磁場を発生させる。このように、実質的な互い違いの磁場が、測定軸１１４に沿って形成される。実質的な互い違いの磁場は、第１および第２の受信器捲線２２４および２２６の波長λに等しい波長を有する。
【００３６】したがって、第１の受信器捲線２２４の正極性ループ２３２が、第２のループ部分２１４あるいは２１８のいずれかと一列に整列されるときには、第１の受信器捲線２２４の負極姓ループ２３４は、第２のループ部分２１４あるいは２１８の他のものと一列に整列される。これは、第２の受信器捲線２２６の正極性ループ２３２および負極姓ループ２３４が、第２のループ部分２１４および２１８と一列に整列されるときも同じことである。第２のループ部分２１４および２１８によって発生された互い違いの磁場が、第１および第２の受信器捲線２１４および２１６の空間的な変調と同じ波長で空間的に変調されるので、第２のループ部分２１４と一列に整列されたときには、正および負の極性ループ２３２および２３４の各々で発生されたＥＭＦは、それらが第２のループ部分２１８と一列に整列されたときに発生するＥＭＦと等しいが逆極性である。
【００３７】このように、読取ヘッド２２０がスケール２１０に対して移動するときの、正極性ループ２３２の正味の出力は、スケールに沿った読取ヘッドの位置「ｘ」の正弦関数であり、外来結合に起因する出力信号のオフセット成分は、公称でゼロである。同様に、読取ヘッド２２０がスケール２１０に対して移動するときの、負極姓ループ２３４からの正味の出力も、スケールに沿った読取ヘッドの位置「ｘ」の正弦関数であり、外来結合に起因する出力信号のオフセット成分は、公称でゼロである。正極性ループ２３２および負極姓ループ２３４からのＥＭＦによる誘起信号は一致する。それらは、図２Ｃに対応する正味の位置に依存する出力信号をこのように発生させるが、外来結合に起因するＤＣバイアスＶｏは、この好適な実施態様においては、無視できる程度まで減らされる。
【００３８】最後に、第１および第２の受信器捲線１２４および１２６のように、第１および第２の受信器捲線２２４および２２６は９０度の位相差を有しており、これはすなわち、直交関係にある。このように、ｘの関数として第１の受信器捲線２２４によって発生されて、受信器信号処理回路１４０に出力された出力信号は、ｘの関数として第２の受信器捲線２２６によって受信器信号処理回路１４０に出力された信号とは、位相が９０°ずれている。受信器信号処理回路１４０は、第１および第２の受信器捲線２２４および２２６からの出力信号を入力してサンプリングし、これらの信号をデジタル値に変換し、それらを制御ユニット１６０に出力する。制御ユニット１６０は、１波長λ以内で読取ヘッド２２０とスケール２１０との間の相対的な位置ｘを決定するために、デジタル化された出力信号を処理する。
【００３９】第１および第２の受信器捲線２２４および２２６からの直交出力の性質に基づいて、制御ユニット１６０は、読取ヘッド２２０とスケール２１０との間の相対的な運動の方向を決定することができる。制御ユニット１６０は、公知であり、公知の信号処理方法により、相対移動した部分的なあるいは完全な「インクリメンタル」波長λの数をカウントする。制御ユニット１６０は、その数と１波長λ以内の相対位置を使用して、設定原点からの読取ヘッド２２０とスケール２１０との間の相対的な位置を出力する。また制御ユニット１６０は、制御信号を送信器駆動信号発生器１５０へも同じく出力し、時間経過に従って変化する送信器駆動信号を発生させる。
【００４０】
【発明が解決しようとする課題】従来技術の誘導性トランスデューサは、出力される信号感度が低かったため、良好な信号対雑音比が得にくく、誤動作の一因となり、測長信頼性の改善が困難であった。又、誘導性トランスデューサにおける磁場の変調の波長以上の細かさで測長を行うためには、補間処理が不可欠であるが、この補間処理は、信号感度の低いアナログ信号で行う必要があったため、補間誤差の一因となり、高精度測長の信頼性改善が困難であった。
【００４１】
【課題を解決するための手段】本発明は、マルチタップ捲線構造を使用した誘導電流位置トランスデューサを提供する。また本発明は、波長の端数の位置のデジタル補間を可能とするマルチタップ捲線も提供する。マルチタップ捲線は、トランスデューサ電子回路によって行なわれるアナログ補間の量を以下のように減少させる。これに加えて、本発明は、総出力信号強度を増すマルチタップ捲線を提供する。更に、本発明は、低インピーダンスを呈するマルチタップ捲線を提供する。マルチタップ捲線は、出力信号時定数を以下のように改良する。
【００４２】本発明の好適なマルチタップ受信器捲線は、測定軸に沿って互いに対してλ／Ｎ（ここで、「Ｎ」は受信器捲線ループの数）だけオフセットされた複数の受信器捲線ループを含んでおり、直列に電気的に接続されて、受信器捲線ループの各々からの信号関数の「ベクトル円」を形成する。受信器捲線ループは、好ましくは、プリント回路基板あるいは電子集積回路の二つの層の上の平面のパターンとして形成される。各々の受信器捲線ループは、少なくとも一つの電気出力タップを有する。各々の電気出力タップは、受信器捲線ループ上の異なった空間位相位置を表す。このように、１波長当たり合計（Ｎ×Ｐ）のデジタル位相位置は、Ｎ個の受信器捲線ループによって提供される。ここで、「Ｐ」は受信器捲線ループ当たりの電気出力タップの数である。
【００４３】受信器捲線ループは、受信器捲線ループの端部を接続することによって直列に連続に接続される。「ベクトル円」は、各々の受信器捲線ループからの信号関数を組み合わせることにより、下記のように構成することができる。１波長以内のトランスデューサ位置のデジタル補間は、（１）最小信号を与える空間位相位置に到達するまで、１８０度のずれを持った対向する接続を電気出力タップで切り替え、（２）残留信号の値に基づいて最後の補間を行なうことにより達成される。本発明の誘導電流位置トランスデューサは、測定軸に沿って互いに移動可能なスケール部材と読取ヘッドを含む。好適な読取ヘッドは、測定軸に沿って伸延するマルチタップ受信器捲線を含む。読取ヘッドは、時間経過に従って変化する磁場を発生させるための測定軸に沿って伸延する送信器捲線を更に含む。
【００４４】本発明の誘導電流位置トランスデューサの第１の好適な実施態様においては、送信器捲線は、概して矩形形状であり、マルチタップ受信器捲線は、矩形形状の送信器捲線の内側の読取ヘッド上の磁束領域の中に配置される。これに加えて、スケール部材は、測定軸に沿って分散された複数の磁束変調器を有する。
【００４５】本発明の誘導電流位置トランスデューサの第２の好適な実施態様においては、送信器捲線は第１の送信器ループと第２の送信器ループに分割される。第１および第２の送信器ループは、測定軸に沿って伸延し、マルチタップ受信器捲線の対向する側に配置される。第２の好適な実施態様においては、スケール部材は、測定軸に沿って伸延し、同じく測定軸に沿って伸延する複数の第２の結合ループと交互配置された複数の第１の結合ループを有する。第１の結合ループは、第１の送信器捲線ループと一列に整列された第１の部分と、マルチタップ受信器捲線と一列に整列された第２の部分を有する。同様に、第２の結合ループは、第２の送信器ループと一列に整列された第１の部分と、マルチタップ受信器捲線と一列に整列された第２の部分を有する。
【００４６】本発明の誘導電流位置トランスデューサの第３の好適な実施態様においては、送信器捲線は、測定軸に沿って伸延し、測定軸と直角を成す方向にマルチタップ受信器捲線の外側に配置される。第３の好適な実施態様においては、スケール部材は、測定軸に沿って伸延する複数の結合ループを有する。結合ループは、送信器捲線ループと一列に整列された第１の部分と、マルチタップ受信器捲線ループと一列に整列された第２の部分を有する。本発明の誘導電流位置トランスデューサの第４の好適な実施態様においては、送信器捲線は、第１の送信器ループと第２の送信器ループに分割される。第１および第２の送信器ループは、測定軸に沿って伸延し、マルチタップ受信器捲線の一方の側にそれぞれ配置される。
【００４７】第４の好適な実施態様においては、スケール部材は、測定軸に沿って伸延し、同じく測定軸に沿って伸延する複数の第２の結合ループと交互配置された複数の第１の結合ループを有する。第１の結合ループは、第１の送信器捲線ループと一列に整列された第１の部分と、マルチタップ受信器捲線と一列に整列された第２の部分を有する。同様に、第２の結合ループは、第２の送信器ループと一列に整列された第１の部分と、マルチタップ受信器捲線と一列に整列された第２の部分を有する。
【００４８】本発明の誘導電流位置トランスデューサの第５の好適な実施態様においては、単一の送信器ループが、読取ヘッド上でマルチタップ受信器捲線の側部に沿って置かれる。この実施態様のスケール部材は、測定軸に沿って整列させられて、同じく測定軸に沿って整列させられた第２の複数の結合ループと交互配置された複数の第１の結合ループを有する。第１および第２の両方の結合ループは、送信器ループと一列に整列された第１の部分と、マルチタップ受信器捲線と一列に整列された第２の部分を有する。
【００４９】各々の第１の結合ループの第１および第２の部分は、直列に接続され、「捩じられない」。従って、第１の結合ループの第１および第２の部分で誘導される磁場は、同じ極性を有する。これとは逆に、各々の第２の結合ループの第１および第２の部分は、直列に接続され、「捩じられる」。この場合は、第２の結合ループの第１および第２の部分で誘導される磁場は、逆極性を有する。これは、送信器ループの励起に応答してマルチタップ受信器捲線の下方の領域で、測定軸に沿った互い違いの誘導磁場を生成する。
【００５０】
【発明の実施の形態】図５は、マルチタップ誘導電流位置トランスデューサ１００の第１の好適な実施態様を示す。マルチタップ誘導電流位置トランスデューサ３００は、読取ヘッド３２０に対して移動可能であるスケール部材３１０を含む。スケール部材３１０は、好ましくは、標準のプリント回路基板技術を使用するプリント回路基板の上に形成され、スケール部材３１０は、好ましくは、平面ストリップ、円形ディスク、あるいはシリンダーである。磁束変調器３３０が磁束減衰器として提供されるときには、磁束変調器３３０は、導電性基板の隆起部分のように、すなわち、ギア歯のように形成され、スケール部材３１０はギアとすることができる。
【００５１】複数の磁束変調器３３０は、マルチタップトランスデューサ３００の測定軸３４０に沿って波長λに等しいピッチでスケール部材３１０に配置される。測定軸３４０は、直線あるいは円形にすることができる。磁束変調器３３０は、測定軸３４０に沿ったλ／２の公称幅を有する。磁束変調器３３０は、測定軸３４０と直角を成す方向に幅ｄを有する。感知ユニット３５０、好ましくはシリコン集積回路チップは、読取ヘッド３２０に取り付けられる。読取ヘッド３２０は、送信器ドライバ回路３８０を同じく含む。感知ユニット３５０は、送信器捲線３６０の内側の磁束領域の中で感知ユニット３５０に配置されたマルチタップ受信器捲線４００を含む。マルチタップ受信器捲線４００は、ベクトル位相「円」を実現するために、直列に電気的に接続された複数の受信器ループ４１０から形成される。
【００５２】感知ユニット３５０は、マルチタップ受信器捲線４００からの電気信号を処理する信号処理および制御回路３７０を同じく含む。電気信号は、電気出力タップ４７０およびバス５２０を介して信号処理および制御回路３７０に入力される。信号ライン５９２および５９４は、信号処理および制御回路３７０からの制御信号を送信器ドライバ回路３８０に供給するために使用される。
【００５３】図６は、マルチタップ受信器捲線４００を作るマルチタップ受信器ループ４１０の一つを示す。基本的なマルチタップ受信器ループ４１０は、二つの逆極性の半ループ４２０および４３０を含む。マルチタップ受信器ループ４１０は、開始ポイント４４０で始まり、反時計回りでループ基板の第１の層あるいは表面を巡り、貫通接続部４５０に至る。マルチタップ受信器ループ４１０は、貫通接続部４５０を通って基板の第２の層あるいは裏面に至り、貫通接続部４５０から反時計回りに巡って貫通接続部４５２に至る。次いで、マルチタップ受信器ループは、貫通接続部４５２を通過して基板の第１の層あるいは表面に戻り、貫通接続部４５４を反時計回りに巡り、そこでマルチタップ受信器ループ４１０はタップ４７０に接続する。
【００５４】次いで、マルチタップ受信器ループは貫通接続部４５４を通り、基板の第２の層あるいは裏面に戻り、それ自身と交差するまで反時計回りに巡り、次いで、時計回りに貫通接続部４５６に至る。次いで、マルチタップ受信器ループは貫通接続部４５６を通り、基板の第１の層あるいは表面に戻り、時計回りで貫通接続部４５８まで巡らされる。次いで、マルチタップ受信器ループは貫通接続部４５８を通り、基板の第２の層あるいは裏面に戻り、マルチタップ捲線の終了ポイントの貫通接続部４６０まで巡らされる。したがって、磁場によって二つの半ループ４２０および４３０で誘導された電圧は、逆極性を有することになる。この結果、送信器捲線３６０によって発生された磁場は実質的に同一であるので、ポイント４４０および４６０に結果として生じる電圧はゼロとなる。
【００５５】しかしながら、磁束変調器３３０は、測定軸３４０に沿った半ループ４２０および４３０の一方の長さにほぼ等しい測定軸３４０に沿った長さを有する。前述したように、磁束変調器は、磁束減衰器および／または磁束強化器のいずれかとすることができる。磁束変調器が磁束減衰器であるときには、磁束変調器３３０は、好ましくは、周期λを有する周期的なパターンで、スケール部材３１０に配置された銅電極を含む。
【００５６】送信器捲線３６０によって作り出された変化する磁場は、導電性磁束変調器３３０に電流を誘導する。磁束変調器３３０における誘導電流は、送信器捲線３６０によって生成された一次磁場に逆らう磁場を作り出す。マルチタップ受信器ループ４１０は、同一ではない正味磁束を前述のように受け取り、ポイント４４０および４６０上に結果として生じる電圧はゼロではなくなり、磁束変調器３３０に対するマルチタップ受信器ループ４１０の位置の関数として変化する大きさおよび極性となる。
【００５７】磁束変調器３３０が右の半ループ４３０の下方で中心に置かれるときには、全受信器ループ４１０からの電気信号は、第１の極性の最大の振幅を有する。磁束変調器３３０が左の半ループ４２０の下方で中心に置かれるときには、全受信器ループ４１０からの電気信号は、第２の逆極性の最大の振幅を有する。二つの半ループ４２０および４３０の中心の間の距離は、好ましくは、磁束変調器パターンの波長の半分に等しい。しかしながら、二つの半ループ４２０および４３０の中心の間の距離は、好適な値から僅かに異ならせることができる。たとえば、一つの好適な実施態様における二つの半ループの中心の間の距離は９９２μｍであり、この一つの好適な実施態様においては、これはこの一つの好適な実施態様における磁束変調器パターンの波長１，９２０μｍの半分よりも僅かに大きい。これについての別の理由は、マルチプルループのワイヤと貫通接続部が互いに交わるのを妨げることである。
【００５８】複数のマルチタップ受信器ループ４１０は、直列に接続される。図７は、二つのマルチタップ受信器ループ４１０がどのように直列に接続されるかを示す。第１のマルチタップ受信器ループ４１０ａは、開始ポイント４４０ａで始まり、反時計回りで貫通接続部４５０ａまで巡らされる。次いで、第１のマルチタップ受信器ループ４１０ａは、貫通接続部４５２ａおよび４５４ａを通って、第１のマルチタップ受信器ループ４１０ａのタップ４７０ａまで反時計回りで巡らされる。次いで、第１のマルチタップ受信器ループ４１０ａは、それ自身の上を、貫通接続部４５６ａおよび４５８ａを通って、終了ポイント４６０ａまで時計回りで巡らされ、また、第２のマルチタップ受信器ループ４１０ｂの開始ポイント４４０ｂに直列に接続される。
【００５９】第２のマルチタップ受信器ループ４１０ｂは、貫通接続部４５０ｂ、４５２ｂおよび４５４ｂを通って、第２のマルチタップ受信器ループ４１０ｂのタップ４７０ｂまで反時計回りで巡らされる。次いで、第２のマルチタップ受信器ループ４ｌ０ｂは、それ自身を横切って、貫通接続部４５６ｂおよび４５８ｂを通って、終了ポイント４６０ｂまで時計回りで巡らされ、そこでそれは次のマルチタップ受信器ループの開始ポイントに直列に接続される。この構造は、マルチタップ受信器ループ４１０の全てについて繰り返される。最後のマルチタップ受信器ループ４１０ｚの終了ポイントは、最初のマルチタップ受信器ループ４１０ａの開始ポイント４４０ａに接続される。
【００６０】マルチタップ受信器ループ４１０の全体の数が「Ｎ」に等しい場合には、個別のマルチタップ受信器ループ４１０、たとえば、ループピッチの間隔は、好ましくはλ／Ｎに等しい。マルチタップ受信器捲線４００は、好ましくは、３０個の個別のマルチタップ受信器ループ４１０を含む。前述した一つの好適な実施態様においては、波長λは１，９２０μｍである。このように、３０個のマルチタップ受信器捲線４１０の各々の間のループピッチすなわち間隔は、この一つの好適な実施態様では６４μｍである。この一つの好適な実施態様においては、マルチタップ受信器ループ４１０の各々は、約１ｍｍの最大幅「ｄ」を有する。
【００６１】複数の電気出力タップ４７０は、好ましくは、個別のマルチタップ受信器ループ４１０の各々の貫通接続部４５４に接続される。このように、３０個の電気出力タップ４７０の全体が、貫通接続部４５４ａに接続された２分の１のループで始まる１ループピッチ間隔で設けられる。第１の電気出力タップ４７０を０．５の任意の空間位相指定に割り当てることにより、３０個の電気出力タップ４７０は、０．５，１．５，２．５，．．．２９．５の指定された位相に対応する。
【００６２】図８は、全体のマルチタップ受信器捲線４００を示す。図８に示されるように、個別のマルチタップ受信器ループ４１０の全ては、直列に接続されており、最後の個別のマルチタップ受信器ループ４１０の終了ポイント４６０は第１の受信器ループ４１０の開始ポイント４４０ａに接続されている。このように、個別のマルチタップ受信器ループ４１０の各々は、全体のマルチタップ受信器捲線４００の規定された空間位相を有する空間的に変調された部分を構成する。
【００６３】図９は、送信器捲線３６０が時間経過に従って変化する電気信号で付勢されたときに、測定軸３４０に沿ったスケール部材３１０上の読取ヘッド３２０の位置の関数として、個別のマルチタップ受信器ループタップ４７０の隣接しているものから得られた振幅および極性信号を示す。信号振幅は、実質的に、波長λに等しい周期長を持つ正弦関数である。実験の結果は、多くの製作された装置に関して、図示されたダイヤモンド形状についてもほぼ正しいことを示している。必要な場合には、一層正弦関数に近づけるためにループの修正を行うことができる。「第ｎ番目」の空間位相位置の受信器ループに誘起する誘導電圧は、読取ヘッド３２０とスケール部材３１０との間の任意の相対位置ｘにおいて、【００６４】
【数１】

【００６５】により近似される。ここで、Ｖｎは、マルチタップ受信器ループ「ｎ」から誘導された誘起電圧であり、Ａは、正弦関数の振幅であり、Ｎは、マルチタップ受信器ループの総数であり、ｘは、スケール部材３１０に対する読取ヘッド３２０の位置である。図１０は、マルチタップ読取ヘッドとスケールの動作を分析する場合に有用であるベクトル位相図である。ベクトル輪４８０の隣接しているタップの間のベクトル回転は、読取ヘッド３２０上で隣接しているタップ４７０の間の空間位相角度を表す。それゆえに、直交Ｒ−Ｉ軸の水平のＲすなわち実数軸へのベクトル輪４８０のベクトルのどのような和の投射も、スケールがこの位置にあるときの、関連するタップポイントの間の信号振幅を表す。このように、図１０は、空間位相、すなわち、３０個の電気出力タップ４７０、すなわち、電気出力タップ０〜２９に接続された位相０．５〜２９．５からの信号ベクトルの和を示す。図１０に示されるように、電気出力タップ４７０のいずれか一つを開放しても、その開放された終了ポイント間には電流は流れないは生じない。したがって、スケール位置にかかわらず、電流を流すことなく、個別のマルチタップ受信器ループ４１０の全てをベクトル輪で直列に接続して、全体のベクトル輪を作成することができる。しかしながら、正反対の電気出力タップ４７０ｘおよび４７０（ｘ＋１５）では、電気信号は、ベクトル輪４８０のいずれか半分における全てのベクトルのベクトル和で表される。
【００６６】に対応するタップの０〜２９において、正反対に対向するタップ４７０ｘおよび４７０（ｘ＋１５）の間に出力される電圧Ｖｋが与えられる各々のマルチタップ受信器ループ４１０の生起ベクトルは、選択されたタップ４７０と磁束変調器３３０（スケール素子）の相対位置に依存している。図１０に示されたベクトル輪４８０において、磁束変調器３３０（スケール素子）に対する選択されたタップ４７０の相対位置は、Ｒ軸へのベクトル輪４８０の相対的な角回転によって示される。このように、磁束変調器３３０（スケール素子）がタップｘの中心に置かれるときには、ベクトル輪４８０は、タップｘがベクトル輪４８０の底部に直接に位置付けられるように回転される必要がある。磁束変調器３３０（スケール素子）がタップ４７０に対して移動するときには、ベクトル輪４８０は、共通の回転軸Ｏの回りを対応する量だけＲ軸に対して回転する。
【００６７】このように、図１０に示されたＲ−Ｉ軸に対するベクトル輪の相対位置は、図８に示された例に対応しており、そこでは、磁束変調器３３０（スケール素子）がタップ４７０（０）の中心に置かれる。更に、磁束変調器３３０（スケール素子）がタップ４７０（２９）に向かって移動するのに従って、ベクトル輪は、共通の軸ＯについてＲ軸の回りで時計回りに回転する。式２は、ベクトル輪４８０のこの振る舞いを数学的表現で示しており、ここで、信号処理および制御回路３７０に出力される電圧Ｖｋは、【００６８】
【数２】

【００６９】により表される。ここで、Ｖｋは、信号処理および制御回路３７０が電気出力タップ４７０ｋと電気出力タップ４７０（ｋ＋（Ｎ／２））に接続されるときに検出された電圧であり、Ｃは、１波長の中の受信器ループの数に依存する定数であり、Ａは、正弦関数の振幅であり、Ｎは、マルチタップ受信器ループの総数であり、ｘは、スケール部材３１０に対する読取ヘッド３２０の位置である。電圧Ｖｋは、スケール部材３１０に対する読取ヘッド３２０の位置の正弦関数である。示された例においては、（位置と共に）正弦的に変化する電圧Ｖｋの振幅及び定数Ｃは、個別のマルチタップ受信器ループ４１０についての誘起電圧の振幅Ａの約１０倍である。式（２）の（電圧Ｖｋの実効振幅を決定する）空間位相角度項は、ベクトル輪４８０に沿って接続された電気出力タップ４７０の位置と、ループとスケールの相対位置に対応するＲ−Ｉ軸に対する角度に直接関係している。信号処理および制御回路３７０は、電気出力タップ４７０ｋおよび電気出力タップ４７０（ｋ＋（Ｎ／２））に接続される。（ｋ＋Ｎ／２）が「Ｎ」より大きいときには、電気出力タップ４７０（ｋ＋（Ｎ／２））は、実際には電気出力タップ４７０（ｋ−（Ｎ／２））である。
【００７０】二つの電気接続４９０および５００が電気出力タップ４７０上を両者同時に移動するときには、「Ｎ」個の異なった空間位相位置が利用可能である。好適なマルチタップ受信器４００においては、３０個の個別の受信器ループ４１０が使用される。すなわち、「Ｎ」は３０に等しい。したがって、３０個の異なった位相位置を利用することができる。しかしながら、追加の位相位置を得るために追加の電気出力タップ４７０を使用することもできる。たとえば、電気出力タップ４７０を、この３０ループのマルチタップ受信器捲線４００について、半ループ間隔（すなわち、開始ポイント４４０／終了ポイント４６０）で合計６０個の電気出力タップを置くことができる。この場合には、６０個のデジタル的に選択可能な位相位置がある。個別の受信器ループ４１０のように、電気出力タップ４７０は、受信器ループ４１０との関係に対応した規定された空間位相を有する。
【００７１】別法として、デジタル位相位置の有効数を増加するために、電気接続４９０および５００を両方同時にではなく、一度に一個所づつ移動させることができる。この場合には、他方の電気接続５００あるいは４９０を一個所に固定したまま、一方の電気接続４９０および５００を独立に接続移動させることにより、６０個のデジタル的に選択可能な位相位置を利用することができるようになる。これらは、元の３０個の異なった位相位置ステップと、半ステップ離れた３０個の追加の位相位置である。半ステップは、電気接続４９０および５００の第１の一方が１ステップ移動したが、第１および第２の電気接続５００および４９０の他方が移動しなかったときに達成される。図１１は、信号処理および制御回路３７０を更に詳細に示す。信号処理および制御回路３７０は、マルチプレクサ５３０および５４０、制御装置５５０、受信器回路５６０、サンプルおよびホールド回路５７０、分析回路５８０、および、送信器制御装置５９０を含む。
【００７２】バス５２０は、各々の電気出力タップ４７０をマルチプレクサ５３０および５４０に接続する。マルチプレクサ５３０および５４０は、図１０に関連して前述した電気接続４９０および５００を実施する。マルチプレクサ５３０および５４０は、信号ライン５３２および５４２経由で受信器回路５６０に信号をそれぞれ送る。受信器回路５６０は、信号ライン５６２および５６４経由でサンプルおよびホールド回路５７０に信号を送る。サンプルおよびホールド回路５７０は、信号ライン５７２経由で分析回路５８０に信号を送る。制御装置５５０は、制御ライン５５２、５５４、５５６、および５５８経由でマルチプレクサ５３０および５４０、送信器制御装置５９０、および、サンプルおよびホールド回路５７０に制御信号をそれぞれ送る。分析回路５８０は、制御ライン５８２経由で制御装置５５０に制御信号を送る。これに加えて、送信器制御装置は、制御ライン５９２および５９４経由で送信器ドライバ回路３８０に制御信号を送る。
【００７３】わずかな修正で、信号処理および制御回路３７０は、マルチタップトランスデューサを逆に動作させるために使用することもできる。すなわち、マルチタップ受信器捲線４００はマルチタップ送信器捲線として使用することができ、送信器捲線３６０は受信器捲線として使用することができる。図１２および図１３は、送信器ドライバ回路３８０の動作を示す。送信器捲線３６０は、コンデンサ３８２に直列に接続される。スイッチ３８４は、送信器パルスの間の時間間隔でコンデンサ３８２を電圧Ｖｃに帯電させるために、電圧源３８６にコンデンサ３８２の他方の端子を接続する。スイッチ３８８が閉じられると、スイッチ３８８は、コンデンサ３８２と送信器捲線３６０を直列に接続する。
【００７４】図１３のタイミング図に示されるように、時間ｔ１で送信器制御装置５９０からの信号ライン５９２の制御信号はローになり、スイッチ３８４を開かせる。このように、コンデンサ３８２は電圧源３８６から切り離される。次に、時間ｔ２で、送信器制御装置５９０からの信号ライン５９４の制御信号はハイになり、スイッチ３８８を閉じさせて、コンデンサ３８２と送信器捲線３６０を並列構造で接続する。送信器捲線３６０とコンデンサ３８２は、共振回路を形成する。このように、送信器捲線３６０の電圧Ｖｔの振幅は、図１３に示されるように減衰振動にされる。送信器捲線３６０の減衰振動信号Ｖｔは、受信器信号ＶＲを発生させるマルチタップ受信器捲線４００に誘導結合される。
【００７５】制御装置５５０は、サンプルおよびホールド回路５７０に信号ライン５５８を介して制御信号を送る。信号ライン５５８の制御信号は、サンプルおよびホールド回路５７０をトリガーして、時間ｔ３で信号ＶＲの値を格納する。本発明に適用可能な関連する回路技術および信号処理は、ここで説明した他に、日本特許出願公開特開平８−３１３２９５号、および、日本特許出願公開特開平９−３２９４０７号にも記載されている。前述した逆の動作を行わせる場合には、信号発生および処理回路は、送信器ドライバ回路３８０が送信器制御装置５９０と第１及び第２のマルチプレクサ５３０および５４０との間に接続されるように修正される。特に、コンデンサ３８２とスイッチ３８８は、第１および第２のマルチプレクサ５３０および５４０が，マルチタップ送信器捲線４００のタップ４７０にコンデンサ３８２とスイッチ３８８を選択的に接続することができるように、信号ライン５３２および５４２へそれぞれ接続される。同時に、受信器回路５６０への入力は、受信器捲線３６０の端部へ接続される。
【００７６】図１４は、本発明のマルチタップ誘導電流位置トランスデューサの第２の好適な実施態様を示す。マルチタップ誘導電流位置トランスデューサ６００は、「オフセットを減少させた」タイプであり、前述した「オフセットを減少させた」トランスデューサと実質的に同様な方法で動作する。これに加えて、図示しないマルチタップ受信器捲線４００と送信器ドライバ回路３８０を含む感知ユニット３５０の動作は、図５に示されたマルチタップトランスデューサの実施態様で説明したものと同一である。オフセットを減少させたマルチタップ誘導電流位置トランスデューサ６００においては、送信器捲線は、第１の送信器捲線３６２および第２の送信器捲線３６４を含む。第１および第２の送信器捲線３６２および３６４は、測定軸３４０に沿って伸延し、マルチタップ受信器捲線４００をはさんで各々反対側に配置される。
【００７７】スケール部材３１０は、測定軸３４０に沿って伸延し、同様に測定軸３４０に沿って伸延する複数の第２の結合ループ６２０と交互配置された複数の第１の結合ループ６１０を有する。各々の第１の結合ループ６１０は、第１の送信器捲線３６２と一列に整列された第１の部分６１２と、マルチタップ受信器捲線４００と一列に整列された第２の部分６１４を有する。同様に、各々の第２の結合ループ６２０は、第２の送信器捲線３６４と一列に整列された第１の部分６２２と、マルチタップ受信器捲線４００と一列に整列された第２の部分６２４を有する。第１のループ部分６１２は、接続導体６１６によって第２のループ部分６１４に接続される。同様に、第１のループ部分６２２は、接続導体６２６によって第２のループ部分６２４に接続される。第２のループ部分６１４および６２４の各々は、図示しないマルチタップ受信器ループ４１０（の長さの２分の１より僅かに短い、測定軸３４０に沿った長さを有する。これに加えて、第２のループ部分６１４と第２のループ部分６２４は、各々好ましくはλのピッチで配列される。
【００７８】動作中は、電流は、送信器捲線３６２および３６４に逆方向に流れる。これにより、逆方向を有する電流が、結合ループ部分６１２および６２２で誘導される。ループ部分６１２および６２２の電流は、ループ部分６１４および６２４に接続導体６１６および６２６によってそれぞれ接続される。第２のループ部分６１４および６２４に接続される電流は逆極性の磁場を発生させ、次いでこれは、前述したように、マルチタップ受信器捲線ループ４１０に電流を誘導する。逆極性の第２のループ部分６１４および６２４により、前述したようにマルチタップ受信器捲線信号が高められる。
【００７９】図１５は、本発明のマルチタップ誘導電流位置トランスデューサの第３の好適な実施態様を示す。マルチタップ誘導電流位置トランスデューサ７００は、同じくオフセットを減少させたタイプである。そして、前述したオフセットを減少させたトランスデューサと実質的に同様の方法で動作する。これに加えて、図示しないマルチタップ受信器捲線４００と送信器ドライバ回路３８０を含んだ感知ユニット３５０の動作は、図５に示されたマルチタップトランスデューサの実施態様に関して前述したものと同じである。
【００８０】オフセットを減少させたマルチタップ誘導電流位置トランスデューサ７００においては、送信器捲線３６０は感知ユニット３５０の外部に配置される。スケール部材３１０は、測定軸３４０に沿って伸延する複数の結合ループ７１０を有する。各々の結合ループ７１０は、送信器捲線３６０と一列に整列された第１の部分７１２と、感知ユニット３５０でマルチタップ受信器捲線４００と一列に整列された第２の部分７１４を有する。第１のループ部分７１２と第２のループ部分７１４は、接続導体７１６によって接続される。第２のループ部分７１４は、好ましくは、測定軸３４０に沿って波長λに等しいピッチで間隔が空けられる。
【００８１】動作中は、送信器捲線３６０は、送信器捲線３６０の内側で図１５の平面から上昇し、送信器捲線３６０によって形成されたループの外側で図１５の平面の中に下降する一次磁場を発生させる。これに反応して、電流が、送信器捲線３６０に隣接して配置された結合ループ部分７１２に誘導される。各々のこれらの結合ループ部分７１２の誘導電流は、それらの第２のループ部分７１４に接続導体７１６によって接続される。第２のループ部分７１４の電流は磁場を発生させ、これが順に、前述したように、マルチタップ受信器捲線ループ４１０に電流を誘導する。図１５に示された実施態様に対する別法として、送信器ループ３６０が第１の結合ループ部分７１２および感知ユニット３５０に対して動作可能な位置に配置される場合には、適当な電気接続により、送信器ループ３６０および送信器ドライバ回路３８０は、感知ユニット３５０以外の異なった部材の上に配置することができる。
【００８２】図１６は、本発明のマルチタップ誘導位置トランスデューサの第４の好適な実施態様を示す。図１６に示されたマルチタップ誘導電流位置トランスデューサ８００は、同じくオフセットを減少させたタイプであり、図３および図４に関して説明されたオフセットを減少させたトランスデューサと実質的に同様の方法で動作する。これに加えて、図示しないマルチタップ受信器捲線４００と送信器ドライバ回路３８０を含む感知ユニット３５０の動作は、図５に示されたマルチタップトランスデューサの実施態様に関連して説明したものと同じである。オフセットを減少させたマルチタップ誘導電流位置トランスデューサ８００においては、同様に、送信器捲線は、第１の送信器捲線３６２および第２の送信器捲線３６４を含む。第１および第２の送信器捲線３６２および３６４は、測定軸３４０に沿って伸延し、いずれもマルチタップ受信器捲線４００の同一の側に配置される。
【００８３】スケール部材３１０は、測定軸３４０に沿って伸延し、同様に測定軸３４０に沿って伸延する複数の第２の結合ループ８２０と交互配置された複数の第１の結合ループ８１０を有する。各々の第１の結合ループ８１０は、第１の送信器捲線３６２と一列に整列された第１の部分８１２と、マルチタップ受信器捲線４００と一列に整列された第２の部分８１４を有する。同様に、各々の第２の結合ループ８２０は、第２の送信器捲線３６４と一列に整列された第１の部分８２２と、マルチタップ受信器捲線４００と一列に整列された第２の部分８２４を有する。第１のループ部分８１２は、接続導体８１６によって第２のループ部分８１４に接続される。同様に、第１のループ部分８２２は、接続導体８２６によって第２のループ部分８２４に接続される。第２のループ部分８１４および８２４の各々は、図示しないマルチタップ受信器ループ４１０の周期λの２分の１より僅かに短い測定軸３４０に沿った長さを有する。これに加えて、第２のループ部分８１４と第２のループ部分８２４は、各々好ましくは、λのピッチで配列される。
【００８４】動作中は、送信器捲線の電流は、送信器捲線３６２と３６４では逆方向に流れる。このように、逆方向を有する電流は、結合ループ部分８１２および８２２で誘導される。ループ部分８１２および８２２の電流は、ループ部分８１４および８２４に接続導体８１６および８２６によってそれぞれ接続される。第２のループ部分８１４および８２４に流れる電流は、逆極性の磁場を発生させ、次いでこれは、前述したように、マルチタップ受信器捲線ループ４１０に電流を誘導する。逆極性の第２のループ部分８１４および８２４により、マルチタップ受信器捲線信号が高められる。
【００８５】図１７は、本発明のマルチタップ誘導位置トランスデューサの第５の好適な実施態様を示す。図１７に示されたマルチタップ誘導電流位置トランスデューサ９００は、同じくオフセットを減少させたタイプであり、前述した「オフセットを減少させた」トランスデューサと実質的に同様な方法で動作する。これに加えて、図示しないマルチタップ受信器捲線４００と送信器ドライバ回路３８０を含む感知ユニット３５０の動作は、図５に示されたマルチタップトランスデューサの実施態様に関連して説明されたものと同じである。オフセットを減少させたマルチタップ誘導電流位置トランスデューサ９００においては、送信器捲線３６０は、感知ユニット３５０の外部に配置され、測定軸３４０に沿って伸延する。
【００８６】スケール部材３１０は、測定軸３４０に沿って伸延し、同様に測定軸３４０に沿って伸延する複数の第２の結合ループ９２０と交互配置された複数の第１の結合ループ９１０を有する。各々の第１の結合ループ９１０は、送信器捲線３６０と一列に整列された第１の部分９１２と、マルチタップ受信器捲線４００と一列に整列された第２の部分９１４を有する。同様に、各々の第２の結合ループ９２０は、送信器捲線３６０と一列に整列された第１の部分９２２と、マルチタップ受信器捲線４００と一列に整列された第２の部分９２４を有する。結合ループ９１０および９２０は、二つの層の間に貫通接続部９３０を備えた二層スケール部材３１０の上に形成される。実線は、第１の層の上に配置された結合ループ９１０および９２０の部分を表し、一方、破線は、第２の層の上に配置された結合ループ９１０および９２０の部分を表す。
【００８７】第１のループ部分９１２は、接続部分９１６によって第２のループ部分９１４に接続される。同様に、第１のループ部分９２２は、接続部分９２６によって、第２のループ部分９２４に接続される。このように、送信器捲線３６０によって発生された磁場により第１のループ部分９１２および９２２に誘導された電流は、第２のループ部分９１４および９２４に接続されることになる。結合ループ９２０において、接続部分９２６は捩られる。この結果、第１および第２のループ部分９２２および９２４の電流は、逆方向に流れることになる。これとは逆に、結合ループ９１０において、接続部分９１４は捩られない。この結果、第１および第２のループ部分９１２および９１４の電流は、同じ方向に流れることになる。第２のループ部分９１４および９２４の各々は、図示しないマルチタップ受信器ループ４１０の周期λの２分の１より僅かに短い測定軸３４０に沿った長さを有する。これに加えて、第２のループ部分９１４と第２のループ部分９２４は、各々好ましくは、λのピッチで配列される。
【００８８】第２のループ部分９１４および９２４に流れる電流は、逆極性の磁場を発生させ、次いでこれは、前述したように、マルチタップ受信器捲線ループ４１０に電流を誘導する。逆極性の第２のループ部分９１４および９２４により、マルチタップ受信器捲線信号が高められる。図１８は、信号処理および制御回路３７０のための好適な制御ルーチンを示す。このルーチンは、ステップＳ１０００で開始され、ステップＳ１１００に続き、そこで、制御システムは、変数「ｎ−ｓｔｅｐ」の値を８にセットする。制御は、次いでステップＳ１２００に続き、そこで、制御装置５５０は、任意の位置「ｎ」において受信器回路５６０を正反対に対向する電気出力タップ４７０に接続するようにマルチプレクサ５３０および５４０を制御する。
【００８９】次に、ステップ１３００においては、送信器制御装置５９０および送信器ドライバ回路３８０は、送信器捲線３６０を励起する。サンプルおよびホールド回路５７０は、送信器捲線３６０の減衰振動の第１のピークで受信器信号を捕捉する。制御は、次いでステップＳ１４００に続き、そこで、サンプルおよびホールド回路５７０によって捕捉された受信器信号、すなわち、「サンプリングされた」信号は、分析回路５８０に出力される。次に、ステップＳ１５００においては、制御システムは、「ｎ−ｓｔｅｐ」が１であるかどうか判別し、あるいはまた、ステップＳ１４００において分析回路５８０に送られたサンプリングされた信号が、分析回路５８０に送られた以前サンプリングされた信号に対して逆極性を有するかどうかを判別する。「ｎ−ｓｔｅｐ」が１に等しくなく、あるいはまた、サンプリングされた信号が以前のサンプル信号に対して逆極性でない場合には、制御はステップＳ１６００に続く。そうでない場合には、制御はステップＳ１８００へ跳ぶ。
【００９０】ステップＳ１７００においては、分析回路５８０は、サンプルおよびホールド回路５７０からのサンプリングされた信号の振幅に基づいて「ｎ−ｓｔｅｐ」の値を調整する。サンプリングされた信号が，分析回路５８０の図示しないＡ／Ｄコンバータを飽和させる場合には、分析回路５８０は、「ｎ−ｓｔｅｐ」の値を約１／４波長、たとえば、３０ステップのベクトル円において８個の電気出力タップステップにセットする。分析回路５８０は、サンプリングされた信号の極性に従って「ｎ−ｓｔｅｐ」の極性をセットする。正極性のサンプリングされた信号については、分析回路５８０は、第１の所定の極性に「ｎ−ｓｔｅｐ」の極性をセットする。負極性のサンプリングされた信号については、分析回路５８０は、逆方向に「ｎ−ｓｔｅｐ」の極性をセットする。
【００９１】サンプリングされた信号が最後の測定に関して極性を変えるたびに、分析回路５８０は、「ｎ−ｓｔｅｐ」の値を１／２にした上、その極性を変える。この結果、制御システムは、約４回の送信および測定サイクル以内に、１ステップサイズ、すなわち、１の「ｎ−ｓｔｅｐ」に収束することになる。「ｎ−ｓｔｅｐ」の値がステップＳ１６００で調整された後に、制御はステップＳ１７００に続く。ステップＳ１７００においては、分析回路５８０は、「ｎ」の値に「ｎ−ｓｔｅｐ」を加える。制御は次いで、ステップＳ１２００に戻り、制御ルーチンが繰り返される。
【００９２】ステップＳ１８００においては、分析回路５８０は、サンプリングされた最後の二つの信号値からトランスデューサ位置を補間する。最後の二つのサンプリングされた信号の値は、逆極性のものであり、図１０に関して前述したように、ゼロの振幅出力信号を与えることになるトランスデューサ位置から１ステップ単位以上は遠くない電気出力タップ位置から生じる。それは、スケール素子の中心位置が、接続された、タップ４７０の一つと一致するときである。スケール素子は、タップポイントの間に位置することが多いので、図１９に示された以下の処理が使用される。図１９に示されるように、信号Ｓｎは、ゼロ振幅交差ポイント「ｘ」の一方の側の信号であり、信号Ｓｎ＋１は、ゼロ振幅交差ポイント「ｘ」の他方の側の信号である。位置ｘｎは、電気出力タップ４７０ｎの信号がゼロである位置である。位置Ｘｎ＋１は、電気出力タップ４７０（ｎ＋１）の信号がゼロである位置である。分析回路５８０は、【００９３】
【数３】

【００９４】の関係を使用して、スケールの１波長以内のトランスデューサの実際の位置ｘを補間する。ここで、Ｓｎは、電気出力タップ４７０ｎでサンプリングされた信号でありＳｎ＋１は、タップ４７０（ｎ＋１）でサンプリングされた信号である。分析回路５８０がステップＳ１６００でトランスデューサ位置を補間した後に、制御は、ステップＳ１２００に戻る。
【００９５】図２０は、本発明のマルチタップ誘導電流位置トランスデューサのスケール素子、受信器および送信器を更に一般化して示す。図２０に示されるように、受信器１０２０および１０３０（あるいは、トランスデューサが逆に動作した時は、送信器１０２０および１０３０）は、空間的に配置することができて、ここで説明された原理に従って電気的に接続することができる規定された磁束感知（あるいは発生）領域を備えている任意のタイプの磁束センサ（あるいは発生器）とすることができる。ここで説明したように、正極性受信器１０２０と負極性受信器１０３０はＮ対で接続されることが、望ましくまた実際的であり、図２０において、添字は対数「ｉ」を示す。この配置は、前に説明したように、「ＤＣオフセット」を打ち消す。波長λのスケールから最良の信号を生じさせるために、受信器１０２０ｉと１０３０ｉが互いに（２Ｍ＋１）λ／２の間隔で間が空けられることが望ましい。ここで、Ｍは、ゼロ以上の整数である。図２０に示されるように、Ｍ＝０を選び、受信器１０２０ｉと１０３０ｉを直列に接続することは、通常もっとも実際的である。Ｎ個の受信器対（あるいは送信器対）１０２０ｉおよび１０３０ｉは直列に接続され、第１の受信器１０２０ｉも最後の受信器１０３０Ｎに接続され、直列回路を「ループ」に閉じる。磁束変調器３３０（スケール素子）は、λのピッチでスケール部材に沿って分布する。送信器（あるいは受信器）３６０は、受信器（あるいは送信器）１０２０ｉと１０３０ｉを囲む捲線として示され、このように、図２０は、図５に示された実施態様に対応する。しかしながら、図１４〜図１７に示される実施態様のように、受信器（あるいは送信器）１０２０ｉと１０３０ｉに隣接して、送信器（あるいは受信器）３６０を配置することもできる。更に、送信器３６０は捲線である必要はなく、どのようなタイプの磁束発生器であってもよい。
【００９６】図２０は、受信器１０２０ｉと１０３０ｉを含むＮ個の受信器対を配置するための一般的な規則を示す。すなわち、第１の受信器対（ｉ＝１）を空間基準と見なすと、「ｉ番目」の受信器対は、第１の対に対してＫλ＋（（ｉ−１）（λ／Ｎ））の距離だけ離れて配置されるべきである。一つの例として、図８において、全ての受信器対についてＫ＝０であり、これは、電気接続について、受信器ループの重なり、コンパクトなトランスデューサ、単純なレイアウトになる。しかしながら、各々の受信器対について、Ｋは独立している。このように、Ｋがゼロではないときには、電気接続のレイアウトがより複雑になり、トランスデューサの長さが増加するが、Ｋは任意の整数とすることができる。Ｋがゼロでない場合には、受信器対は重なる必要がなく、これは、或る製造方法の場合には最良の場合がある。図２０は、各々の受信器対について一つのタップ４７０のみを有する場合であるが、前述の図７〜図１０の説明から理解される通り、図１０に関して説明された動作の原理に従う限りは、各々の受信器対について複数位置に設けることができる。いずれの場合にしても、スケールは、全ての使用範囲位置において受信器ループの全ての組を跨げるだけ充分に長い。
【００９７】１波長を越した累積変位は、公知技術をこれらのトランスデューサからの位置データに適用することにより追跡することができる。このように、１波長を越えた変位およびこれに関連する位置は、容易に計算して表示することができる。マルチプレクサ５３０および５４０、制御装置５５０、受信器回路５６０、サンプルおよびホールド回路５７０、分析回路５８０、および、送信器制御装置５９０を含む信号処理および制御回路３７０は、好ましくは、プログラムされたマイクロプロセッサおよび周辺集積回路素子、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、または、他の集積回路を使用して実施される。しかしながら、信号処理および制御回路３７０を、ハードワイヤード電子回路、あるいは、個別素子回路のような論理回路、あるいは、フィールドプログラマブルゲートアレー（ＦＰＧＡ）、プログラマブル論理素子（ＰＬＤ）、プログラマブル論理アレー（ＰＬＡ）、または、プログラマブルアレー論理（ＰＡＬ）のようなプログラム可能な論理素子を使用して同様に実施することができる。一般に、有限ステートマシンは、図１８に示されたフローチャートを実施することができ、また、図５、図１１、図１４〜図１７に示された周辺装置を制御することができるどのような装置も、本発明の信号処理および制御回路３７０を実施するために使用することができる。
【００９８】測長範囲が、より短い用途向けとして、他のマルチタップトランスデューサの変形が可能である。図２１は、図１５のマルチタップ誘導電流位置トランスデューサ７００に基づいたマルチタップ誘導電流位置トランスデューサ７５０を示す。マルチタップトランスデューサ７５０においては、可撓性の電気接続７６１および７６２が、送信器ドライバ回路３８０とスケール部材３１０上の接続点との間の接続に用いられる。このように、図１５に示される第１の結合ループ部分７１２と送信器ループ３６０は、マルチタップトランスデューサ７５０においては除去される。第２の結合ループ部分７１４は、図２１に示されるように直列に接続され、可撓性がある電気接続７６１および７６２を通る空間的に変調された送信器ループとして直接に駆動される。スケール部材３１０は、電気接続７６１および７６２によって許容された移動範囲を移動することができる。それ以外は、マルチタップトランスデューサ７５０の動作は、マルチタップトランスデューサ７００の動作と同じである。
【００９９】更に、前述の実施態様は、送信器捲線として指定された空間的に均一な捲線と、受信器捲線に指定された空間的に変調された捲線で示されているが、適切な信号処理と共に送信器と受信器の捲線の役割が「逆にされる」場合であっても、開示されたトランスデューサ捲線構造は同一の効果を有することは明らかである。本発明は、上に概説された特定の実施態様と共に説明されたが、多くの代替案、修正および変形が可能であることは明白である。外部環境に対する接続を減少させるために、少なくともマルチプレクサと同じ基板に受信器捲線が一体化されるときに、このシステムの特別な利点が得られる。したがって、前述した本発明の好適な実施態様は例示を意図するものであって、限定を意図するものではなく、本発明の意図と範囲から外れることなく、種々の変形を行うことができる。
【０１００】
【発明の効果】全ての前述の誘導性トランスデューサは、信号感度が改善され、また、トランスデューサにおける磁場の変調の波長よりも短い位置増分の一層正確な補間ができるという利点が得られる。第２から第５の好適な実施態様における送信器捲線構造は、いくつかの外来信号成分を実質的に除去する。これにより、経済的な設計で、信号処理が簡単化され、トランスデューサの精度および堅牢性が改善されることになる。
【出願人】 【識別番号】０００１３７６９４
【氏名又は名称】株式会社ミツトヨ
【出願日】 平成１０年（１９９８）９月１４日
【代理人】
【公開番号】 特開平１１−１６０００８
【公開日】 平成１１年（１９９９）６月１８日
【出願番号】 特願平１０−２７９３９６