JP2005003540A

JP2005003540A - 光電式リニアエンコーダの検査方法

Info

Publication number: JP2005003540A
Application number: JP2003167972A
Authority: JP
Inventors: Keitaro Yamashita; 惠太郎山下; Koji Hisakawa; 浩司久川; Kazuo Nishida; 一男西田; Kazumi Yashiki; 和美屋敷
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2003-06-12
Filing date: 2003-06-12
Publication date: 2005-01-06

Abstract

【課題】測定を速やかに行なうことができ、かつ測定誤差を低減させることが可能な光電式リニアエンコーダの検査方法を提供する。
【解決手段】円筒型スケール１２の回転に伴い、円筒型スケール１２の側壁１２ａのスリット１２ｂが発光素子２１と各受光素子２２ａ、２２ｂ間を通過する度に、発光素子２１からの光が各受光素子２２ａ、２２ｂに入射して、Ａ相信号がパルス状に１回変化する。同様に、円筒型スケール１２の側壁１２ａの各スリット１２ｂが発光素子２１と各受光素子２２ｃ、２２ｄ間を通過する度に、発光素子２１からの光が各受光素子２２ｃ、２２ｃに入射して、Ｂ相信号がパルス状に１回変化する。円筒型スケール１２の円筒中心から見た単位角度当たりの各スリット１２ｂの個数が予め分かっているので、Ａ相信号及びＢ相信号のパルス数を検出すれば、円筒型スケール１２の回転位置を求めることができる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光電式リニアエンコーダの検査方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の光電式リニアエンコーダは、相互に対向配置された発光素子及び受光素子を備えており、発光素子と受光素子間に、複数のスリットを有するスケールを挿入して移動させ、受光素子の受光出力に基づいて、スケールの位置を測定するというものである。
【０００３】
通常、光電式リニアエンコーダは、高い測定精度を要求されるため、その電気特性を検査される。例えば、図６に示す様に光電式リニアエンコーダ１０１の発光素子と受光素子間にリニアスケール１０２を挿入した状態で、リニアスケール１０２を往復移動させつつ、受光素子の受光出力を検出し、光電式リニアエンコーダの電気特性を検査していた。
【０００４】
また、図７に示す様に光電式リニアエンコーダ１０１の発光素子と受光素子間にエンドレスのベルトスケール１０３を挿入した状態で、ベルトスケール１０３を回転移動させつつ、受光素子の受光出力を検出し、光電式リニアエンコーダの電気特性を検査していた。
【０００５】
尚、スケールの検査方法は、例えば特許文献１や特許文献２等に開示されている。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００２−３２３３４９号公報
【特許文献２】
特開２００３−７５１９８号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図６の検査方法では、リニアスケール１０２を往復移動させるため、リニアスケール１０２の移動方向を切り替えねばならず、この切り替えに際しては、リニアスケール１０２が加減速されて、受光素子の受光出力の周期や位相が乱れることから、測定を中断する必要があり、これが測定の妨げとなった。
【０００８】
また、図７の検査方法では、発光素子と受光素子間の光軸方向にベルトスケール１０３が振動するため、受光素子の受光出力に誤差が生じてしまい、測定誤差が大きくなった。
【０００９】
更に、図６及び図７の検査方法のいずれにおいても、スケールそのものの誤差を考慮しておらず、スケールの誤差による測定への影響を低減するまでには至らなかった。
【００１０】
そこで、本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなされたものであり、測定を速やかに行なうことができ、かつ測定誤差を低減させることが可能な光電式リニアエンコーダの検査方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、相互に対向配置された発光素子及び受光素子を備える光電式リニアエンコーダの検査方法において、複数のスリットを円筒型スケールの側壁周りに配列して設け、円筒型スケールの側壁を発光素子と受光素子間に挿入した状態で、円筒型スケールを回転させて、受光素子の受光出力を検出している。
【００１２】
この様な構成の本発明によれば、円筒型スケールの側壁を発光素子と受光素子間に挿入した状態で、円筒型スケールを回転させて、受光素子の受光出力を検出している。これにより、光電式リニアエンコーダが検査される。ここで、円筒型スケールを一方向に回転させ続ければ、検査を継続することができる。このため、従来のリニアスケールの様に、移動方向を切り替える必要がなく、測定が中断することもない。また、円筒型スケールに十分な剛性を持たせれば、従来のベルトスケールの様に円筒型スケールが振動することはなく、測定誤差が大きくなることもない。
【００１３】
また、本発明においては、円筒型スケールをモータにより回転させている。そして、円筒型スケールの円筒中心を該円筒型スケールの回転軸からずらした状態で、円筒型スケールを回転させて、受光素子の受光出力を検出している。
【００１４】
この様に円筒型スケールの円筒中心を該円筒型スケールの回転軸からずらした状態で、円筒型スケールを回転させると、円筒型スケールがぶれて、発光素子と受光素子間で円筒型スケールが変位する。このため、意図的に、発光素子と受光素子間で円筒型スケールを変位させて、その影響を測定することができる。
【００１５】
更に、本発明においては、円筒型スケールの円筒中心を該円筒型スケールの回転軸に一致させた状態で、円筒型スケールの回転軸を発光素子並びに受光素子側又は反対側に移動させてずらしつつ、円筒型スケールを回転させて、受光素子の受光出力を検出している。
【００１６】
この様に円筒型スケールの回転軸そのものを移動させてずらしても、発光素子と受光素子間で円筒型スケールが変位するので、その影響を測定することができる。
【００１７】
また、本発明においては、円筒型スケールの原点に位置するスリットの幅を他の各スリットの幅とは異ならせ、全てのスリットの幅の誤差及びピッチの誤差を予め測定しておき、全てのスリットの幅の誤差及びピッチの誤差に基づいて、受光素子の出力を補正している。
【００１８】
この様に円筒型スケールの原点に位置するスリットの幅を他の各スリットの幅とは異ならせておけば、受光素子の受光出力に基づいて、各スリットのうちから原点に位置するスリットを特定することができ、各スリットに対応する受光素子のそれぞれの受光出力と予め測定された全てのスリットの幅の誤差及びピッチの誤差とを対応付けることができる。そして、各スリットに対応する受光素子のそれぞれの受光出力を全てのスリットの幅の誤差及びピッチの誤差により補正することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を添付図面を参照して詳細に説明する。
【００２０】
図１（ａ）及び（ｂ）は、本発明の検査方法の一実施形態を適用した装置を示す正面図及び側面図である。本実施形態の装置では、光学式リニアエンコーダ１１と、円筒型スケール１２と、円筒型スケール１２を回転させるモータ１３と、ロータリーエンコーダ１４と、モータ１３の回転軸とロータリーエンコーダ１４の回転軸１４ａ間を接続するカップリング１５とを備えている。
【００２１】
光学式リニアエンコーダ１１は、例えば図２に示す様に発光素子２１と４つの受光素子２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄを対向配置したものであり、発光素子２１からの光を受光した各受光素子２２ａ、２２ｂの出力差をＡ相信号として出力し、発光素子２１からの光を受光した各受光素子２２ｃ、２２ｄの出力差をＢ相信号として出力している。
【００２２】
円筒型スケール１２は、高剛性の材質から形成されており、その側壁１２ａ周りに複数のスリット１２ｂを並設したものである。円筒型スケール１２の曲率は、光学式リニアエンコーダ１１の検出精度から見て、円筒型スケール１２を平面とみなせる程度に抑えられている。各スリット１２ｂのピッチは、円筒型スケール１２により検出される回転位置の分解能に対応している。モータ１３は、その回転軸を円筒形スケール１２の底板１２ｃに接続され、円筒型スケール１２を回転させる。
【００２３】
ロータリーエンコーダ１４は、モータ１３の回転軸並びに円筒型スケール１２と共に回転し、モータ１３の回転軸並びに円筒型スケール１２の回転位置、回転速度、及び回転方向を検出する。ロータリーエンコーダ１４により検出される回転位置の分解能は、円筒型スケール１２により検出される回転位置の分解能よりも十分に高精度に設定されている。
【００２４】
さて、円筒型スケール１２の側壁１２ａは、光学式リニアエンコーダ１１の発光素子２１と各受光素子２２ａ〜２２ｄ間に挿入される。そして、発光素子２１を発光させた状態で、円筒型スケール１２をモータ１３により回転させつつ、各受光素子２２ａ、２２ｂの出力差であるＡ相信号、及び各受光素子２２ｃ、２２ｄの出力差であるＢ相信号を取り出す。
【００２５】
円筒型スケール１２の回転に伴い、円筒型スケール１２の側壁１２ａのスリット１２ｂが発光素子２１と各受光素子２２ａ、２２ｂ間を通過する度に、発光素子２１からの光が各受光素子２２ａ、２２ｂに入射して、Ａ相信号がパルス状に１回変化する。同様に、円筒型スケール１２の側壁１２ａの各スリット１２ｂが発光素子２１と各受光素子２２ｃ、２２ｄ間を通過する度に、発光素子２１からの光が各受光素子２２ｃ、２２ｃに入射して、Ｂ相信号がパルス状に１回変化する。そして、各受光素子２２ａ、２２ｂと各受光素子２２ｃ、２２ｃ間の位置が異なることから、Ａ相信号とＢ相信号間に位相ずれが発生する。
【００２６】
円筒型スケール１２の円筒中心から見た単位角度当たりの各スリット１２ｂの個数が予め分かっており、スリット１２ｂが発光素子２１と各受光素子２２ａ、２２ｂ間を通過する度に、Ａ相信号及びＢ相信号がパルス状に１回変化するので、Ａ相信号及びＢ相信号のパルス数を検出すれば、円筒型スケール１２の回転位置を求めることができる。また、Ａ相信号とＢ相信号の周波数を検出すれば、円筒型スケール１２の回転速度を求めることができる。更に、Ａ相信号とＢ相信号のいずれの位相が進んでいるかにより、円筒型スケール１２の回転方向を求めることができる。
【００２７】
こうして光学式リニアエンコーダ１１のＡ相信号及びＢ相信号に基づいて求めた円筒型スケール１２の回転位置、回転速度、及び回転方向と、より高精度のロータリーエンコーダ１４により検出された円筒型スケール１２の回転位置、回転速度、及び回転方向とを比較して、光学式リニアエンコーダ１１による回転位置、回転速度、及び回転方向の検出精度を検査する。
【００２８】
また、次の様な手順で光学式リニアエンコーダ１１の検出精度を検査することも可能である。
【００２９】
例えば、図３（ａ）に示す様に円筒型スケール１２の円筒中心１２ｏをモータ１３の回転軸中心１３ｏから光学式リニアエンコーダ１１側へと僅かな距離ｄだけずらし、光学式リニアエンコーダ１１の各受光素子２２ａ〜２２ｄと円筒型スケール１２の側壁１２ｂ間の離間距離が最大値ｈ１になったときの光学式リニアエンコーダ１１による検出結果とロータリーエンコーダ１４による検出結果とを求め、これらの検出結果を比較する。引き続いて、図３（ｂ）に示す様に円筒型スケール１２の円筒中心１２ｏを反時計周りに９０度だけ回転させ、各受光素子２２ａ〜２２ｄと円筒型スケール１２の側壁１２ｂ間の離間距離が平均値ｈ２になったときの光学式リニアエンコーダ１１による検出結果とロータリーエンコーダ１４による検出結果とを求め、これらの検出結果を比較する。更に、図３（ｃ）に示す様に円筒型スケール１２の円筒中心１２ｏを反時計周りに９０度だけ回転させ、各受光素子２２ａ〜２２ｄと円筒型スケール１２の側壁１２ｂ間の離間距離が最小値ｈ３になったときの光学式リニアエンコーダ１１による検出結果とロータリーエンコーダ１４による検出結果とを求め、これらの検出結果を比較する。
【００３０】
そして、図３（ａ）、（ｂ）、及び（ｃ）の状態でのそれぞれの比較に基づいて、各受光素子２２ａ〜２２ｄと円筒型スケール１２の側壁１２ｂ間の離間距離に対する光学式リニアエンコーダ１１の検出精度の変化を検査する。
【００３１】
あるいは、図４（ａ）に示す様に円筒型スケール１２の円筒中心１２ｏをモータ１３の回転軸中心１３ｏに一致させた状態で、図４（ｂ）に示す様に円筒型スケール１２の円筒中心１２ｏを光学式リニアエンコーダ１１側へと段階的にずらして行き、各受光素子２２ａ〜２２ｄと円筒型スケール１２の側壁１２ｂ間の離間距離が最大値ｈ１になったときの光学式リニアエンコーダ１１による検出結果とロータリーエンコーダ１４による検出結果を比較し、該離間距離が平均値ｈ２になったときの光学式リニアエンコーダ１１による検出結果とロータリーエンコーダ１４による検出結果を比較し、該離間距離が最小値ｈ３になったときの光学式リニアエンコーダ１１による検出結果とロータリーエンコーダ１４による検出結果を比較し、これらの比較に基づいて、光学式リニアエンコーダ１１の検出精度の変化を検査する。
【００３２】
次に、円筒型スケール１２の各スリット１２ｂの寸法誤差を原因とするＡ相信号及びＢ相信号の誤差を補正するための手順を述べる。
【００３３】
まず、図５（ａ）に示す様に円筒型スケール１２の各スリットを１２ｂ０、１２ｂ１、１２ｂ２、…、１２ｂｎ、…、１２ｂｍとし、該各スリット１２ｂ０〜１２ｂｍの実際の幅をＰＨ０、ＰＨ１、ＰＨ２、…、ＰＨｎ、…、ＰＨｍとし、該各スリット１２ｂ０〜１２ｂｍの実際のピッチをＰ０、Ｐ１、Ｐ２、…、Ｐｎ、…、Ｐｍとする。
【００３４】
スリット１２ｂ０は、円筒型スケール１２の原点の位置を示しており、その幅及びピッチが他の各スリット１２ｂ１〜１２ｂｍの幅及びピッチよりも広く設定される。また、他の各スリット１２ｂ１〜１２ｂｍの幅及びピッチは、それぞれの一定値ＰＨ及びＰに設定される。
【００３５】
ところが、各スリット１２ｂ０〜１２ｂｍは、エッチング等により形成されているため、エッチングむら等を原因とする寸法誤差を含む。
【００３６】
そこで、工具顕微鏡等を用いて、各スリット１２ｂ０〜１２ｂｍの幅ＰＨ０〜ＰＨｍの誤差ΔＰＨ０〜ΔＰＨｍ及びピッチＰ０〜Ｐｍの誤差ΔＰ０〜ΔＰｍを測定して、各誤差ΔＰＨ０〜ΔＰＨｍ及び各誤差ΔＰ０〜ΔＰｍをメモリ等に記憶させる。
【００３７】
スリット１２ｂｎの実際の幅ＰＨｎは、設計上の一定幅ＰＨと、誤差ΔＰＨｎとの和で表される（ＰＨｎ＝ＰＨ＋ΔＰＨｎ）。また、各スリット１２ｂｎ、１２ｂ（ｎ＋１）間の実際のピッチＰｎは、設計上の一定ピッチＰと、誤差ΔＰｎとの和で表される（Ｐｎ＝Ｐ＋ΔＰｎ）。
【００３８】
一方、各スリット１２ｂ０〜１２ｂｍの実際の幅及び実際のピッチは、光学式リニアエンコーダ１１からのＡ相信号及びＢ相信号のパルス幅及び周期に反映される。
【００３９】
図５（ｂ）に示すＡ相信号においては、各スリット１２ｂ０〜１２ｂｍの実際の幅ＰＨ０〜ＰＨｍに対応するそれぞれのパルス幅をＴＡＨ０〜ＴＡＨｍで表し、また各スリット１２ｂ０〜１２ｂｍの実際のピッチＰ０〜Ｐｍに対応するそれぞれの周期をＴＡ０〜ＴＡｍで表している。
【００４０】
また、図５（ｃ）に示すＢ相信号においては、各スリット１２ｂ０〜１２ｂｍの実際の幅ＰＨ０〜ＰＨｍに対応するそれぞれのパルス幅をＴＢＨ０〜ＴＢＨｍで表し、また各スリット１２ｂ０〜１２ｂｍの実際のピッチＰ０〜Ｐｍに対応するそれぞれの周期をＴＢ０〜ＴＢｍで表している。
【００４１】
更に、光学式リニアエンコーダ１１によりスリット１２ｂｎを検出したときのＡ相信号とＢ相信号の位相差をθ１ｎ、θ２ｎ、θ３ｎ、θ４ｎで表している。
【００４２】
尚、光学式リニアエンコーダ１１からのＡ相信号及びＢ相信号のパルス幅及び周期は、ロータリーエンコーダ１４から出力されるパルスの計数値に対応している。従って、ロータリーエンコーダ１４から出力されるパルスの幅は、光学式リニアエンコーダ１１からのＡ相信号及びＢ相信号のパルス幅及び周期よりも十分に短くなければならない。
【００４３】
また、Ａ相信号及びＢ相信号のパルス幅及び周期をロータリーエンコーダ１４から出力されるパルスの計数値として求め、これにより円筒型スケール１２の回転むら等の影響を排除している。
【００４４】
ここで、先に述べた様にスリット１２ｂｎの実際の幅ＰＨｎは、設計上の一定幅ＰＨと、誤差ΔＰＨｎとの和で表される（ＰＨｎ＝ＰＨ＋ΔＰＨｎ）。また、各スリット１２ｂｎ、１２ｂ（ｎ＋１）間の実際のピッチＰｎは、設計上の一定ピッチＰと、誤差ΔＰｎとの和で表される（Ｐｎ＝Ｐ＋ΔＰｎ）。
【００４５】
従って、Ａ相信号において、スリット１２ｂｎの設計上の一定幅ＰＨに対応するパルス幅をｔＨＡｎとすると、ｔＨＡｎは次式（１）で表される。
【００４６】
ｔＨＡｎ＝ＴＡＨｎ×（ＰＨ／（ＰＨ＋ΔＰＨｎ） …（１）
また、Ａ相信号において、各スリット１２ｂｎ、１２ｂ（ｎ＋１）間の設計上の一定ピッチＰに対応するパルス幅をｔＡｎとすると、ｔＡｎは次式（２）で表される。
ｔＡｎ＝ＴＡｎ×（Ｐ／（Ｐ＋ΔＰｎ） …（２）
すなわち、上記各式（１）及び（２）により、各スリット１２ｂの寸法誤差を原因とするＡ相信号の誤差が補正される。
【００４７】
同様に、Ｂ相信号において、スリット１２ｂｎの設計上の一定幅ＰＨに対応するパルス幅をｔＨＢｎとすると、ｔＨＢｎは次式（３）で表される。
【００４８】
ｔＨＢｎ＝ＴＢＨｎ×（ＰＨ／（ＰＨ＋ΔＰＨｎ） …（３）
また、Ｂ相信号において、各スリット１２ｂｎ、１２ｂ（ｎ＋１）間の設計上の一定ピッチＰに対応するパルス幅をｔＢｎとすると、ｔＢｎは次式（４）で表される。
ｔＢｎ＝ＴＢｎ×（Ｐ／（Ｐ＋ΔＰｎ） …（４）
すなわち、上記各式（３）及び（４）により、各スリット１２ｂの寸法誤差を原因とするＢ相信号の誤差が補正される。
【００４９】
尚、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、多様に変形することができる。例えば、光学式リニアエンコーダ１１として、発光素子及び受光素子の個数や配置が異なる他の構成のものを適用しても良い。また、円筒型スケール１２の側壁に形成される各スリットを複数列設けたり、各スリットの構成を変更したりしても良い。更に、ロータリーエンコーダの代わりに、他の種類の回転位置検出装置を適用しても構わない。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明した様に本発明によれば、円筒型スケールの側壁を発光素子と受光素子間に挿入した状態で、円筒型スケールを回転させて、受光素子の受光出力を検出している。これにより、光電式リニアエンコーダが検査される。ここで、円筒型スケールを一方向に回転させ続ければ、検査を継続することができる。このため、従来のリニアスケールの様に、移動方向を切り替える必要がなく、測定が中断することもない。また、円筒型スケールに十分な剛性を持たせれば、従来のベルトスケールの様に円筒型スケールが振動することはなく、測定誤差が大きくなることもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）及び（ｂ）は、本発明の検査方法の一実施形態を適用した装置を示す正面図及び側面図である。
【図２】図１の装置における光学式リニアエンコーダを示すブロック図である。
【図３】（ａ）は図１の装置における円筒型スケールの円筒中心を回転軸中心からずらした状態を示す図であり、（ｂ）は該円筒型スケールを９０度回転だけ回転させた状態を示す図であり、（ｃ）は該円筒型スケールを９０度回転だけ更に回転させた状態を示す図である。
【図４】（ａ）は図１の装置における円筒型スケールの円筒中心を回転軸中心に一致させた状態を示す図であり、（ｂ）は円筒型スケールの円筒中心を光学式リニアエンコーダ側にずらした状態を示す図である。
【図５】（ａ）は図１の装置における円筒型スケールを展開して示す図であり、（ｂ）及び（ｃ）は図１の装置における光学式リニアエンコーダからのＡ相信号及びＢ相信号を示すタイミンチャートである。
【図６】従来の検査方法の一例を示す斜視図である。
【図７】従来の検査方法の他の例を示す斜視図である。
【符号の説明】
１１光学式リニアエンコーダ
１２円筒型スケール
１３モータ
１４ロータリーエンコーダ
１５カップリング
２１発光素子
２２ａ〜２２ｄ受光素子

Claims

相互に対向配置された発光素子及び受光素子を備える光電式リニアエンコーダの検査方法において、
複数のスリットを円筒型スケールの側壁周りに配列して設け、円筒型スケールの側壁を発光素子と受光素子間に挿入した状態で、円筒型スケールを回転させて、受光素子の受光出力を検出することを特徴とする光電式リニアエンコーダの検査方法。
円筒型スケールをモータにより回転させることを特徴とする請求項１に記載の光電式リニアエンコーダの検査方法。
円筒型スケールの円筒中心を該円筒型スケールの回転軸からずらした状態で、円筒型スケールを回転させて、受光素子の受光出力を検出することを特徴とする請求項１に記載の光電式リニアエンコーダの検査方法。
円筒型スケールの円筒中心を該円筒型スケールの回転軸に一致させた状態で、円筒型スケールの回転軸を発光素子並びに受光素子側又は反対側に移動させてずらしつつ、円筒型スケールを回転させて、受光素子の受光出力を検出することを特徴とする請求項１に記載の光電式リニアエンコーダの検査方法。
円筒型スケールの原点に位置するスリットの幅を他の各スリットの幅とは異ならせ、全てのスリットの幅の誤差及びピッチの誤差を予め測定しておき、全てのスリットの幅の誤差及びピッチの誤差に基づいて、受光素子の出力を補正することを特徴とする請求項１に記載の光電式リニアエンコーダの検査方法。