JP4027345B2 - 光学式エンコーダ - Google Patents
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そして、この重複検出範囲において、検出出力に採用するピックアップデータの切り替えを行なうとともに、検出出力の連続性を担保する補正を行なうことで、検出スケールの接続に伴う誤差に影響されずに計測長を延ばすことができる。また、重複検出範囲以外における同様のデータ切替と補正を組み合わせれば、検出スケールが3個以上使用されてもピックアップ数を2個にとどめることが可能である。
ここで、前記第1種の補正における補正量及び前記第2種の補正における補正量は、キャリブレーションにより予め求めて記憶しておくことができる(請求項2)。
図3は参考例における検出ヘッド上のピックアップ配列と検出用スケール配置とを最上段に側面図(絶対位置検出用パターン(例えば濃淡繰り返しパターン)とIDコードパターンを描いた面を正面方向に見る図;以下、同様)で示し、その下に順に検出ヘッド(ピックアップ配列)が取り得る状態を5つに分けて底面図(各検出用スケールの側縁を正面から見る図;以下、同様)で示したものである。最上段に示したように、本参考例では、3個(N=3)の検出用スケールに対して3個のピックアップ1〜3が1つの検出ヘッド4上に設けられている。
また、ピックアップ1は基本的に検出用スケール1専用のもので、検出用スケール1の絶対位置検出用パターン(例えば図2中の51a参照)を読みとって位置信号S1 を出力する。同様に、ピックアップ2は基本的に検出用スケール2に専用のもので、検出用スケール2の絶対位置検出用パターン(例えば図2中の52a参照)を読みとって位置信号S2 を出力し、ピックアップ3は基本的に検出用スケール3に専用のもので、検出用スケール3の絶対位置検出用パターン(例えば図2中の53a参照)を読みとって位置信号S3 を出力する。
(1)ピックアップ1が丁度原点O1 を検出した時の信号S1 は、S1 =0である。
(2)ピックアップ2が丁度原点O2 を検出した時の信号S2 は、S2 =0である。
(3)ピックアップ3が丁度原点O3 を検出した時の信号S3 は、S3 =0である。
●状態1=ピックアップ1による検出用スケール1の読み取り(絶対位置検出用パターンの読み取り;以下、同様)が可能な状態(“ON”で表記;以下、同様)であり、且つ、ピックアップ2による検出用スケール2の読み取りは可能であるが無効化された状態である。即ち、信号S2 は絶対位置信号の出力には使用されず、図中では“OFF”で表記されている(以下、同様)。なお、状態1では当然ピックアップ3による検出用スケール3の読み取りは不可能である。
切替の向きは、+方向移動ではS1 →S2 、あるいはS2 →S3 であり、−方向移動ではS2 →S1 、あるいはS3 →S2 である。実際に切替を行なう位置は、例えば次のように定めておく。
(2)状態4の左右の限界の中点付近にピックアップ2とピックアップ3の中点が来た時にピックアップ2が出力する信号S2 の値をS2fとして予め記憶しておき、S2 =S2fとなる位置を信号S2 S3 間の切替位置とする。S2 ≦S2fでは信号S2 が採用され、S2 >S2fでは信号S3 が採用される。
この読み取り結果に基づいて、現在の状態(検出ヘッド4の位置;以下、同じ)が状態1、2A、2B、3、4A、4B、5のいずれであるか判別される。ここで、状態1、3、5の定義は既述の通りである(図3参照)。また、状態2A、2B、4A、4Bは次のように定義される。
状態2A;状態2であって、且つ、S1 ≦前述したS1f(状態2の前半)
状態2B;状態2であって、且つ、S1 >前述したS1f(状態2の後半)
状態4A;状態4であって、且つ、S2 ≦前述したS2f(状態4の前半)
状態4B;状態4であって、且つ、S2 >前述したS2f(状態4の後半)
この定義に基づいて、ステップT2以下を実行する。
ステップT3;ピックアップ1で得られる信号S1 をCNC3へ出力し、ステップT1へ戻る。なお、本例では、検出用スケール1が基準検出用スケールなので信号S1 は補正を要しない。
ステップT5;ピックアップ2で得られる信号S2 を補正する。補正の内容については後述する。
ステップT6;補正後の信号S2 をCNC3へ出力し、ステップT1へ戻る。
ステップT8;補正後の信号S3 をCNC3へ出力し、ステップT1へ戻る。
ステップU2;検出用パターンをピックアップ1、2で読み取る。状態2では、ピックアップ1は検出用スケール1の検出用パターンを読み取る一方、ピックアップ2は検出用スケール2の検出用パターンを読み取ることになる。
ステップU3;ステップU2で得られた信号S1 (ピックアップ1の出力)、S2 (ピックアップ2の出力)の差分S1 −S2 をΔ2 として記憶する。
ステップU4;状態4の任意位置に検出ヘッド4(テーブル1)を移動させる。この移動のさせ方も任意で、例えば操作盤8を使って手動で行なうことができる。
ステップU5;検出用パターンをピックアップ2、3で読み取る。状態4では、ピックアップ2は検出用スケール2の検出用パターンを読み取る一方、ピックアップ3は検出用スケール3の検出用パターンを読み取ることになる。
ステップU6;ステップU5で得られた信号S2 (ピックアップ2の出力)、S3 (ピックアップ3の出力)の差分S2 −S3 +Δ2 をΔ3 として記憶して処理を終了する。
Δ3 =do12 +do23 −dp12 −do23 ・・・[2]
以上が、参考例の概要である。次に、本発明の実施例について説明する。なお、以降の説明では、既述の事項の繰り返し説明は適宜省略する。
図6は本発明の1つの実施例における検出ヘッド上のピックアップ配列と検出用スケール配置とを最上段に側面図(絶対位置検出用パターン(例えば濃淡繰り返しパターン)とIDコードパターンを描いた面を正面方向に見る図;以下、同様)で示し、その下に順に検出ヘッド(ピックアップ配列)が取り得る状態を6つに分けて底面図(各検出用スケールの側縁を正面から見る図;以下、同様)で示したものである。最上段に示したように、本実施例は上記した第2の類型に属し、3個(N=3)の検出用スケールに対して2個のピックアップ1〜2が1つの検出ヘッド4上に設けられている。
また、ピックアップ1〜2は各検出用スケールで共用可能なのもので、検出用スケール1〜3のいずれかの絶対位置検出用パターンを読みとって位置信号S1 を出力する。同様に、ピックアップ2は検出用スケール1〜3のいずれかの絶対位置検出用パターンを読みとって位置信号S2 を出力する。各検出用スケール1〜3の配列は前述した参考例と同様で良い。原点O1 〜O3 は各検出用スケール1〜3の左端付近にある。また、検出用スケール1の原点O1 は検出用スケール1〜3の全体の原点ともなる「基準検出用スケール」である。原点O1 と原点O2 の間隔はdo12 、原点O2 と原点O3 の間の距離はdo23 である。
これらdo12 、do23 も、後述する補正量Δ2 、Δ3 、δ2(1-2)に関係すパラメータであり、補正量Δ2 、Δ3 、δ2(1-2)のデータがキャリブレーション(後述)により求められ、信号処理部7のメモリに予め書き込まれていれば未知であっても構わない。但し、補正量Δ2 、Δ3 、δ2(1-2)を位置計測時に計算する場合(後述)には、これらdo12 、do23 の値は適当な計測機器により予め計測され、信号処理部7のメモリに予め書き込まれる。原点O1 〜O3 の検出時に出力される信号S1 あるいはS2 については、いくつかの設定方式があり得るが、ここでは次のような設定がなされているものとする。
(1)ピックアップ1が丁度原点O1 を検出した時の信号S1 は、S1 =0である。 (2)ピックアップ2が丁度原点O2 を検出した時の信号S2 は、S2 =0である。 (3)ピックアップ2が丁度原点O3 を検出した時の信号S2 は、S2 =0である。
●状態1=ピックアップ1による検出用スケール1の読み取りが可能な状態であり、且つ、ピックアップ2による検出用スケール2の読み取りは可能であるが無効な状態である。
●状態2=ピックアップ1による検出用スケール1の読み取りが可能であり、且つ、ピックアップ2による検出用スケール2の読み取りも可能な状態である。
●状態3A/3B=ピックアップ1、2いずれによる検出用スケール2の読み取りも可能であるが、状態3AではS1 が無効化され、状態3BではS2 が無効化される。また、ピックアップ1による検出用スケール1の読み取り及びピックアップ2による検出用スケール3の読み取りはいずれも不可能な状態である。
(2)状態3の左右の限界の中点付近にピックアップ1とピックアップ2の中点が来た時にピックアップ2が出力する信号S2 の値をS2hとして予め記憶しておき、S2 =S2hとなる位置を信号S1 S2 間の切替位置とする。S2 ≦S2hでは信号S2 が採用され(状態3A)、S2 >S2gでは信号S1 が採用される(状態3B)。
(3)状態4の左右の限界の中点付近にピックアップ1とピックアップ2の中点が来た時にピックアップ2が出力する信号S1 の値をS1kとして予め記憶しておき、S1 =S1kとなる位置を信号S1 S2 間の切替位置とする。S1 ≦S1kでは信号S1 が採用され、S1 >S1hでは信号S2 が採用される。
但し、位置信号の切り替えに際して連続した絶対位置を表わす信号を得るためには、前述した事例と類似した信号補正が必要になる。逆に言えば、位置信号の切り替えに際して連続した絶対位置を表わす信号が得られるような補正を必要に応じて行えば、複数検出用スケールの使用に伴う誤差が除去できることになる。必要な補正量は、メモリに記憶されたピックアップ間の既知の間隔のデータを用いて算出可能である。
この読み取り結果に基づいて、現在の状態が状態1、2A、2B、3A、3B、4A、4B、5のいずれであるか判別される。ここで、状態1、3A、3B、5の定義は既述の通りである。また、状態2A、2B、4A、4Bは次のように定義される。
状態2A;状態2であって、且つ、S1 ≦前述したS1g(状態2の前半)
状態2B;状態2であって、且つ、S1 >前述したS1g(状態2の後半)
状態4A;状態4であって、且つ、S1 ≦前述したS1h(状態4の前半)
状態4B;状態4であって、且つ、S1 >前述したS1h(状態4の後半)
この定義に基づいて、ステップT12以下を実行する。
ステップT13;ピックアップ1で得られる信号S1 をCNC3へ出力し、ステップT11へ戻る。なお、本例では、検出用スケース1が基準検出用スケールなので信号S1 は補正を要しない。
ステップT15;ピックアップ2で得られる信号S2 を補正する。補正の内容については後述する。
ステップT16;補正後の信号S2 をCNC3へ出力し、ステップT11へ戻る。
ステップT18;ピックアップ1で得られる信号S1 を補正する。補正の内容については後述する。
ステップT19;補正後の信号S1 をCNC3へ出力し、ステップT11へ戻る。
ステップT21;補正後の信号S2 をCNC3へ出力し、ステップT11へ戻る。
キャリブレーションによる方式では、図8に示した処理(キャリブレーション処理2)を予め(例えば製品出荷時)実行し、Δ2 、δ2(1-2)、Δ3 を信号処理部7のメモリ(不揮発性メモリ領域)に書き込んでおく。キャリブレーション処理2の各ステップの要点を記せば次のようになる。
ステップU12;検出用パターンをピックアップ1、2で読み取る。状態2では、ピックアップ1は検出用スケール1の検出用パターンを読み取る一方、ピックアップ2は検出用スケール2の検出用パターンを読み取ることになる。
ステップU13;ステップU2で得られた信号S1 (ピックアップ1の出力)、S2 (ピックアップ2の出力)の差分S1 −S2 をΔ2 として記憶する。
ステップU14;状態3の任意位置に検出ヘッド4(テーブル1)を移動させる。この移動のさせ方も任意で、例えば操作盤8を使って手動で行なうことができる。
ステップU15;検出用パターンをピックアップ1、2で読み取る。状態3では、ピックアップ1、2共に検出用スケール2の検出用パターンを読み取ることになる。
ステップU16;ステップU15で得られた信号S1 (ピックアップ1の出力)、S2 (ピックアップ2の出力)の差分S2 −S1 をベースに、S2 が元々必要としている補正量Δ2 を加えて、δ2(1-2)=S2 +Δ2 −S1 を計算して記憶する。
ステップU18;検出用パターンをピックアップ1、2で読み取る。状態4では、ピックアップ1は検出用スケール2の検出用パターンを読み取る一方、ピックアップ2は検出用スケール3の検出用パターンを読み取ることになる。
ステップU19;状態4B及び状態5で必要な信号S2 の補正量Δ3 を計算して記憶し、処理を終了する。Δ3 の算出式は、Δ3 =S1 −(S2 +Δ2 )となる。ここで、S1 はステップU18で得られたピックアップ1の出力、S2 はステップU18で得られたピックアップ2の出力である。
(ステップT15);S2 +Δ2 の計算
(ステップT18);S1 +δ2(1-2)の計算
(ステップT20);S2 +Δ3 の計算
このような補正計算を行なうことで、状態2、3あるいは状態4の中で、信号切替(S1 →S2 あるいはS2 →S1)が行なわれても、エンコーダが出力する絶対位置の検出値の連続性が保証される。
δ2(1-2)=do12 ・・・[4]
Δ3 =do12 +do23 −dp12 ・・・[5]
以上説明した参考例及び実施例では、各検出用スケールの長手方向の軸線は一直線上に整列し、複数のピックアップもそれに沿って配置されているが、複数の検出用スケールを平行関係を保ちながら互い違いに配置し、ピックアップ配置をそれに応じて変形することも可能である。また、検出用スケール数も3個に限る必要はなく、変形が可能である。以下、図9〜図12を参照して、これらの変形を行なった例について簡単に説明する。なお、各図における描示方式は図3、図6と同様なので詳しい説明は省略する。また、絶対位置検出の処理、キャリブレーション、あるいは、それに代わる補正量計算については、上述した実施例と同様の手法によって実行できるので説明は省略する。
この変形例は参考例に変形を施したものに相当する。図9に示されているように、4個の検出用スケール1〜4が平行関係を保ちながら互い違いに配置されている。これに対して4個のピックアップ1〜4が、それぞれ担当する検出用スケール1〜4の読み取りが可能な位置関係をもって検出ヘッド4上に固定されている。
●状態2=ピックアップ1による検出用スケール1の読み取りとピックアップ2による検出用スケール2の読み取りが可能な状態であり、他のピックアップによる検出用スケールの読み取りは不可能である。
●状態3=ピックアップ3による検出用スケール1の読み取りが可能な状態であり、他のピックアップによる検出用スケールの読み取りは不可能である。
この変形例は前述した実施例に変形を施したものに相当する。図10に示されているように、4個の検出用スケール1〜4が平行関係を保ちながら互い違いに配置されている。これに対して、ピックアップ1〜2がそれぞれ一方側の検出用スケール1〜2の読み取りが可能な位置をもって検出ヘッド4上に固定されている。
●状態2=ピックアップ1による検出用スケール1の読み取りとピックアップ2による検出用スケール2の読み取りが可能な状態である。
●状態3=ピックアップ2による検出用スケール2の読み取りが可能な状態であり、ピックアップ1による検出用スケールの読み取りは不可能である。
この変形例は上記の変形例1と類似した、実施例のもう1つの変形例である。変形例1との相違は、ピックアップ1〜2が検出を行なう向きにある。この相違は次のような状態1〜3の内容から容易に理解される。
●状態2=ピックアップ1による検出用スケール1の読み取りが図中上向きで読み取り可能であり、且つ、ピックアップ2による検出用スケール2の読み取りが図中下向きで可能な状態である。
この変形例も上記の変形例1と類似したもので、実施例の更にもう1つの変形例である。変形例1との相違は、検出用スケール1、3と検出用スケール2、4が反対側を向き、背中合わせの関係で順次結合されていることと、ピックアップ1〜2がそれに合わせた検出方向と配置位置をとっている点にある。この相違は次のような状態1〜3の内容から容易に理解される。
●状態2=ピックアップ1による検出用スケール1の読み取りが図中下向きで読み取り可能であり、且つ、ピックアップ2による検出用スケール2の読み取りが図中上向きで可能な状態である。
2 駆動部
3 CNC(数値制御装置)
4 検出ヘッド
5 検出用スケール部
6 AD変換器
7 信号処理部
51〜53 検出用スケール
51a〜53a 絶対位置検出用パターン
51b〜53b IDコードパターン
Claims (4)
- N個(但し、Nは2以上の正整数)の検出用スケールと第一及び第二のピックアップを有するアブソリュートリニアエンコーダであって、
前記N個の検出用スケールは、各検出用スケールの長手方向が平行関係になるように結合されており、
前記第一のピックアップと前記第二のピックアップは前記長手方向について相互位置関係を保って一つの検出ヘッドに設けられ、前記N個の検出用スケールと前記検出ヘッドとは前記長手方向に相対的に可動であり、
n番目(但し、n=1、2・・・N−1)の検出用スケールと前記第一のピックアップにより検出範囲Rn の絶対位置が検出可能であり、(n+1)番目の検出用スケールと前記第二のピックアップにより検出範囲Rn+1 の絶対位置を検出可能であり、
検出範囲Rn と検出範囲Rn+1 は重複検出範囲Qn を持ち、
前記N個の検出用スケールと前記検出ヘッドの相対位置関係が重複検出範囲Qn にある所定位置Gn で、前記第一のピックアップにより検出される絶対位置データS1 と前記第二のピックアップにより検出される絶対位置データS2 との間での切り替えを行なうとともに、
該切り替え後のデータS2 またはS1 について、該切り替え前後で出力される絶対位置の連続性を保証するために必要な第1種の補正を、該必要に応じて行う一方、
前記N個の検出用スケールと前記検出ヘッドの相対位置関係が前記重複検出範囲Qn を除く検出範囲Rm (但し、m=2・・・N−1)にある所定位置Hm において、前記第二のピックアップにより検出される絶対位置データS2 と前記第一のピックアップにより検出される絶対位置データS1 との間での切り替えを行なうとともに、
該切り替え後のデータS2 またはS1 について、該切り替え前後で出力される絶対位置の連続性を保証するために必要な第2種の補正を該必要に応じて行うことを特徴とする、アブソリュートリニアエンコーダ。 - 前記第1種の補正における補正量及び前記第2種の補正における補正量は、キャリブレーションにより予め求められ、記憶されることを特徴とする、請求項1に記載のアブソリュートリニアエンコーダ。
- 前記第1種の補正における補正量は、予め与えられた複数のパラメータに基づいて、前記N個の検出用スケールと前記検出ヘッドの相対位置関係が重複検出範囲Qn 内にある所定位置Gn において計算され、
前記第2種の補正における補正量は、予め与えられた前記複数のパラメータに基づいて、前記N個の検出用スケールと前記検出ヘッドの相対位置関係が前記重複検出範囲Qn を除く検出範囲Rm (但し、m=2・・・N−1)にある所定位置Hm において計算され、 前記複数のパラメータには、前記第一のピックアップと前記第二のピックアップの前記長手方向に関する相互位置関係を表わすパラメータと、前記N個の検出スケールの前記長手方向に関する相互位置関係を表わすパラメータが含まれていることを特徴とする、請求項2に記載のアブソリュートリニアエンコーダ。 - 前記N個の検出用スケールは、n番目の検出用スケールとn+1番目の検出用スケールとが、前記長手方向と垂直な方向に互いにずらせて配置され、且つ、前記長手方向の位置について一部同士が重なり合って配置されていることを特徴とする、請求項1〜請求項3の内、いずれか1項に記載のアブソリュートリニアエンコーダ。
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