JP4468128B2 - アブソリュートエンコーダ、及び、その信号処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、検出位置をアブソリュートデータとして出力するアブソリュートエンコーダ、及び、その信号処理方法に係り、特に、アブソリュートスケールとインクリメンタルスケールを連結することによって、測定可能範囲（有効長）を拡大することが可能なアブソリュートエンコーダに関する。

工作機械の工具やテーブル等の機械可動部の位置を検出するためのエンコーダとしては、インクリメンタルタイプとアブソリュートタイプがある。

インクリメンタルタイプは、モータや機械可動部が所定量移動又は所定角度回転する毎に１個のパルスを発生するパルス発生器を設け、該パルス発生器から発生するパルスを移動方向に応じて現在位置カウンタにカウントアップあるいはダウンせしめ、該現在位置カウンタの計数値を機械可動部の現在位置とする方式である。

一方、アブソリュートタイプは、アブソリュートコードパターンを用いて、機械可動部の位置を一義的な符号により表示する方式である。

ところが、前者のインクリメンタルタイプにおいては、電源を切断すると機械可動部の現在位置が消失する。このため、電源投入後、機械可動部を原点等の基準位置に復帰させると共に、現在位置カウンタの内容をゼロにクリアして、該機械可動部の現在位置と現在位置カウンタの内容を一致させ、しかる後、位置制御を行なう必要がある。しかしながら、このように電源投入後、その都度原点復帰させる方式は、操作が煩雑になり、好ましくない。

これに対して後者のアブソリュートタイプは、スケールのパターンそのものに絶対位置情報が記録されており、電源投入後直ちに絶対位置を検出できるため、原点復帰動作が不要であるので、近年では、工作機械や産業機械等で広く使用されている。

即ち、アブソリュートタイプのエンコーダ（例えばリニアエンコーダ）は、複数のトラックから構成されており、図１に３トラックの場合の各トラックＣoarse、Ｍedium、Ｆineの出力信号を例示する如く、各トラックの位置（位相）から、絶対位置を検出している。

又、出願人は、特許文献１において、静電容量式アブソリュートスケールの最下位トラックより分解能の高い光電式インクリメンタルスケールを、静電容量式アブソリュートスケールに並設して、最下位桁信号とすることを提案している。

特開平５−８０８４９号公報

しかしながら、複数トラックから構成されるアブソリュートタイプのスケールパターンは、固有の位置を認識するために、有効範囲内では同じパターンが無い様なパターンとなっている。

このため、従来のアブソリュートスケールでは、絶対位置が検出可能な範囲（有効長）が決められており、この有効長を越える長さの検出を行なうことはできなかった。逆に、有効長を長くするには、スケールパターンや検出器センサそのものの設計を変更する必要があった。これは、特許文献１で提案したアブソリュートエンコーダにおいても同様である。

本発明は、前記従来の問題点を解消するべくなされたもので、アブソリュートスケールのトラック数を増やすことなく、有効長の長いスケールを実現することを課題とする。

本発明は、アブソリュートエンコーダにおいて、測定範囲の全長に亘って設けられたインクリメンタルスケールと、その一部に設けられた、前記インクリメンタルスケールを最下位トラックとするアブソリュートスケールとを備えることにより、前記課題を解決したものである。

又、前記アブソリュートスケールが、長さの異なる複数の上位トラックを含むようにしたものである。

又、前記上位トラックの内、最上位トラックの長さを、他の上位トラックでは信号強度が得られない長さまで延長したものである。

又、前記アブソリュートスケールを、機械の原点付近に配設したものである。

本発明は、又、前記のアブソリュートエンコーダの信号処理に際して、全トラックの信号強度が設定値以上である時は、アブソリュートスケールによる絶対位置測定を行ない、少なくとも一つのトラックの信号強度が設定値未満である時は、インクリメンタルスケールによる変位量測定を行なうようにして、前記課題を解決したものである。

又、前記絶対位置の測定範囲を、最上位トラックの位相範囲や絶対位置の測定結果も考慮して定めるようにしたものである。

又、前記アブソリュートスケールによる絶対位置測定が行なわれた後は、該絶対位置の測定結果を基準として、前記インクリメンタルスケールによる絶対位置測定を行なうようにしたものである。

本発明によれば、有効長の短いアブソリュートスケールの最下位トラックにインクリメンタルスケールを連続性を持たせて連結したので、アブソリュートスケールのトラック数を増やすことなく、アブソリュートスケール部分の有効長を越える長さの検出が可能になり、有効長の長いスケールを実現することができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。

図１に、３トラックのアブソリュートスケールの検出信号例を示す。この例では、波長の異なる３つのトラックが配列されており、上位トラックをＣoarse、中位トラックをＭedium、下位トラックをＦineとして図示している。

Ｃoarse−Ｍedium、Ｍedium−Ｆine間のトラック波長比は、例えば１：８になっており、上位トラックの位相角が４５°で、下位トラック１周期の関係になっている。

従って、各トラックの位相（Ｐhase）を検出し、上位トラックの位相から下位トラックの波数ｎを求めていき、最終的には最下位トラックの波数と、最下位トラックの位相から一義的に決まる絶対位置を求めることができる。

Ｍediumの波数ｎＭは、Ｃoarseの位相Ｃoarse Ｐhaseから、次式で求めることができる。

ｎＭ＝Ｆloor（Ｃoarse Ｐhase／８）…（１）

ここで、Ｆloorは、除算後の商である。

同様に、Ｆineの波数ｎＦは、Ｍediumの位相Ｍedium Ｐhaseから、次式で求めることができる。

ｎＦ＝Ｆloor（Ｍedium Ｐhase／８）…（２）

従って、絶対位置位相は、Ｆineトラックの波数ｎＦとＦineトラック内の位相Ｆine Ｐhaseから、次式で求めることができる。

ｎＭ（８×８）×ｎＦ×８＋Ｆine Ｐhase…（３）

ここで、第１項は、Ｆineトラックの波数である。

以上の絶対位置検出処理を、電源投入時、あるいはリセット解除後に行い、検出した絶対位置をプリセットカウンタにプリセットすれば、その後は最下位のＦineトラックでカウンタをインクリメンタルに計数することで、絶対位置を計数できる。

このようなアブソリュートスケールのＦineトラックは、インクリメンタルスケールと同一のスケールパターンで構成できる。

以上のようなスケール構造を背景とし、本発明によりアブソリュートタイプとインクリメンタルタイプを連結したスケールの連結方法及び検出方法について、以下説明する。

スケール全長に亘り、絶対位置を検出できればよいが、スケールのパターンや製造設備等の問題で、有効長を長くするのはコストがかかる。一方、このような位置検出スケールが使用される制御装置においては、機械的な原点が決まっており、装置の起動、停止位置は大体決まっている場合が多い。

このような状況下で、本発明においては、図２及び図３に第1実施形態の構成及び出力信号を示す如く、装置の機械原点付近に、Ｃoarseトラック１２Ｃ、Ｍediumトラック１２Ｍ及びＦineトラック１２Ｆで構成されるアブソリュートスケール１２を配置し、他の場所を、アブソリュートスケール１２の最下位トラックであるＦineトラック１２Ｆと同じ構成のインクリメンタルスケール１４として、アブソリュートスケール１２の最下位トラック（１２Ｆ）と、インクリメンタルスケール１４を連続性を持たせて連結したものである。

ここで、スケール１０上のアブソリュート範囲とインクリメンタル範囲の切換は、例えば、検出器２０のＣoarse、Ｍedium、Ｆineの信号強度が全て設定値以上であればアブソリュート測定を行い、Ｃoarse又はＭediumのいずれか一方又は両方が設定値未満となった時にインクリメンタル測定を行う用にすることができる。

これにより、電源投入時（リセット解除時）に検出器２０をスケール１０上のアブソリュート範囲に移動して原点復帰が可能となり、アブソリュートスケール１２の有効長以上の長い範囲の検出が可能となる。

しかしながら、単純にアブソリュートスケール１２とインクリメンタルスケール１４を連結した場合、検出器２０がアブソリュートスケール１２の上位トラック１２Ｃ、１２Ｍの境界（スケールパターンが有る場所と無い場所）にかかると、アブソリュート測定では検出ミスが発生する。即ち、図２に示す検出器位置Ａでは通常の検出が可能であるが、検出器位置Ｂのようにスケールパターンの連結部に検出器２０がかかった場合は、正常な絶対位置検出ができない。

そこで、本発明の第２実施形態では、図４に示す如く、アブソリュートスケール１２の最上位トラックであるＣoarseトラック１２Ｃの長さを、他の上位トラック（ここでは中位のＭediumトラック１２Ｍ）では信号強度が得られない長さまで延長している。

この第２実施形態の信号処理回路の構成を図５に示す。

前記信号処理回路は、スケール１０と、アブソリュートスケール１２のＣoarse（ＣＯＡと略する）トラック１２Ｃ、Ｍedium（ＭＥＤと略する）トラック１２Ｍ、Ｆine（ＦＩＮと略する）トラック１２Ｆにそれぞれ対応する検出器２０Ｃ、２０Ｍ、２０Ｆと、各検出器２０Ｃ、２０Ｍ、２０Ｆの信号強度をそれぞれ検出する信号強度検出回路２２Ｃ、２２Ｍ、２２Ｆと、各トラックの信号強度が予めメモリに設定した基準値以上か判定する信号強度判定回路２４と、各トラックの位相（位置）をそれぞれ検出する位相検出回路２６Ｃ、２６Ｍ、２６Ｆと、Ｃoarseトラックの位相が予めメモリに設定した規定範囲（ＣＯＡ位相範囲と称する）内か判定するＣoarse（ＣＯＡ）位相判定回路２８と、Ｃoarseトラックの位相が前記ＣＯＡ位相範囲内であれば、Ｃoarse、Ｍedium、Ｆineの全トラックの位相データから絶対位置を合成する絶対位置合成回路３０と、合成された絶対位置が、予めメモリに設定した絶対位置測定範囲（ＡＢＳ範囲と称する）内か判定し、ＡＢＳ範囲内であればアブソリュートフラグをセットする絶対位置範囲判定回路３２と、前記信号強度判定回路２４、ＣＯＡ位相判定回路２８及び絶対位置範囲判定回路３２の出力により、インクリメンタル範囲であることを示すインクリメンタルフラグをセットするインクリメンタルフラグセット回路３４と、前記絶対位置範囲判定回路３２により、ＡＢＳ範囲内であることを示すアブソリュートフラグがセットされている時には、前記絶対位置合成回路３０の出力により位置がプリセットされ、一方、インクリメンタルフラグがセットされている時には、Ｆineトラック１２Ｆの出力により変位量に応じて位置が更新されるプリセットカウンタ３６とを備えたものである。

この信号処理回路におけるアブソリュート（ＡＢＳ）範囲とインクリメンタル（ＩＮＣ）範囲の識別は、図６に示すような手順で行なわれる。

まず、予め不揮発性メモリに、上位トラック１２Ｃ、１２Ｍの信号強度の基準値、最上位トラック１２Ｃの規定値によるＣＯＡ位相範囲の上限、下限の位相データ（位置データ）、及び、合成された絶対位置によるＡＢＳ範囲の上限、下限の絶対位置データを保存しておく。

そして、電源投入あるいはリセットで、ステップ１００に進み、Ｃoarse、Ｍediumの各トラック１２Ｃ、１２Ｍの検出器２０Ｃ、２０Ｍの信号強度を測定する。

次いでステップ１１０で、メモリに設定した信号強度の設定値に対し、測定された信号強度が設定値を越えているか否かを判定し、Ｃoarse、ＭediumのいずれもＯＫの場合には、ステップ１２０で、Ｃoarseトラック１２Ｃの位相（位置）を測定する。

次いでステップ１３０で、Ｃoarseトラックの位相が、メモリ内に設定されたＣＯＡ位相範囲であるか否かを判定し、ＣＯＡ位相範囲内であればステップ１４０に進み、全トラックの位相データから絶対位値を合成する。

次いでステップ１５０に進み、合成した絶対位置が、メモリ内に設定されたＡＢＳ範囲であるか否かを判定する。判定結果が正である場合には、ステップ１６０に進み、アブソリュートフラグをセットし、プリセットカウンタ３６の絶対位置データをプリセットして処理を終了する。

一方、前出ステップ１１０、１３０又は１５０のいずれかの判定結果が否であり、インクリメンタル範囲であると判定された時には、ステップ１７０に進み、インクリメンタルフラグセット回路３４でインクリメンタルフラグをセットすると共に、現在位置を、所定値、例えばゼロにセットして、アブソリュート範囲になるように検出器２０を移動する。

図４の各検出器位置とアブソリュート（ＡＢＳ）範囲／インクリメンタル（ＩＮＣ）範囲の識別結果を図７に示す。

このようにして、確実にアブソリュート範囲かインクリメンタル範囲にあるかを識別できる。従って、電源投入時にアブソリュート範囲にある場合は、通常のアブソリュートスケールと同様に絶対位置を検出することが可能となる。一方、インクリメンタル範囲で電源投入された場合には、インクリメンタルフラグを上位装置に通知し、通常のインクリメンタルスケールと同様、機械原点方向に移動し、アブソリュート範囲に移動後、電源再投入あるいはリセット動作することで、絶対位置を検出可能となる。

本実施形態においては、最上位トラック１２Ｃを他の上位トラック（中位トラック）１２Ｍで信号強度が得られない長さ以上に長くしておいたので、検出器２０がアブソリュートスケール１２とインクリメンタルスケール１４をつないだ箇所にかかっても、ＣＯＡ位相による正確な判定が可能となる。

なお、他のトラックよりも長くするトラックは最上位トラックに限定されず、例えばＭediumトラック１２Ｍを最上位トラック１２Ｃよりも長くしておいて、Ｍedium位相により判定してもよい。

本実施形態においては、信号強度だけでなく、Ｃoarse位相と絶対位置もチェックしているので、ＡＢＳとＩＮＣの切換を的確に行うことができる。なお、例えばＣoarse位相や絶対位置によるチェックを省略することもできる。

又、前記実施形態においては、３トラックの例で説明したが、トラック数はこれに限定されない。

前記実施形態では、アブソリュートスケールとインクリメンタルスケールを１箇所で連結する例を示していたが、図８に示す第２実施形態の如く、アブソリュートスケール１２の両側にインクリメンタルスケール１４Ａ、１４Ｂを連結して、1つの検出器２０を全範囲にわたって移動させることも可能である。

又、図９に示す第３実施形態のように、２つのアブソリュートスケール１２Ａ、１２Ｂをインクリメンタルスケール１４で連結した、２つの検出器２０Ａ、２０Ｂを有する２ヘッド構成とすることも可能である。この場合の計数範囲は、それぞれ隣り合うアブソリュートスケールとインクリメンタルスケールの範囲となる。

前記実施形態においては、本発明がリニアエンコーダに適用されていたが、本発明の適用対象はこれに限定されず、ロータリエンコーダにも同様に適用可能である。

本発明の原理を説明するための、３トラックのアブソリュートスケールの出力信号の例を示す図 本発明の第１実施形態の構成を示す平面図 同じく出力信号を示す図 本発明の第２実施形態の構成を示す平面図 同じく信号処理回路の構成を示すブロック図 同じく信号処理手順を示す流れ図 同じく検出器位置と判定結果を示す図 本発明の第３実施形態の構成を示す平面図 同じく第４実施形態の構成を示す平面図

符号の説明

１０…スケール
１２、１２Ａ、１２Ｂ…アブソリュートスケール
１２Ｃ…Ｃoarseトラック
１２Ｍ…Ｍediumトラック
１２Ｆ…Ｆineトラック
１４、１４Ａ、１４Ｂ…インクリメンタルスケール
２０、２０Ｃ、２０Ｍ、２０Ｆ…検出器
２２Ｃ、２２Ｍ、２２Ｆ…信号強度検出回路
２４…信号強度判定回路
２６Ｃ、２６Ｍ、２６Ｆ…位相検出回路
２８…Ｃoarse（ＣＯＡ）位相判定回路
３０…絶対位置合成回路
３２…絶対位置範囲判定回路
３４…インクリメンタルフラグセット回路
３６…プリセットカウンタ

Claims (7)

1. 測定範囲の全長に亘って設けられたインクリメンタルスケールと、その一部に設けられた、前記インクリメンタルスケールを最下位トラックとするアブソリュートスケールとを備えたことを特徴とするアブソリュートエンコーダ。
2. 前記アブソリュートスケールが、長さの異なる複数の上位トラックを含むことを特徴とする請求項１に記載のアブソリュートエンコーダ。
3. 前記上位トラックの内、最上位トラックの長さが、他の上位トラックでは信号強度が得られない長さまで延長さ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エンコーダ。
4. 前記アブソリュートスケールが、機械の原点付近に配設されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のアブソリュートエンコーダ。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載のアブソリュートエンコーダの信号処理に際して、
   全トラックの信号強度が設定値以上である時は、アブソリュートスケールによる絶対位置測定を行ない、
   少なくとも一つのトラックの信号強度が設定値未満である時は、インクリメンタルスケールによる変位量測定を行なうことを特徴とするアブソリュートエンコーダの信号処理方法。
6. 前記絶対位置の測定範囲を、最上位トラックの位相範囲や絶対位置の測定結果も考慮して定めることを特徴とする請求項５に記載のアブソリュートエンコーダの信号処理方法。
7. 前記アブソリュートスケールによる絶対位置測定が行なわれた後は、該絶対位置の測定結果を基準として、前記インクリメンタルスケールによる絶対位置測定を行なうことを特徴とする請求項５又は６に記載のアブソリュートエンコーダの信号処理方法。

Images