JP4504553B2 - 相対位置を検出するためのエンコーダ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、相対位置を検出するためのエンコーダに関し、特に直線上の位置を検出するためのアブソリュート形リニアエンコーダに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、直線運動機構を備えた測定機器や工作機械などにおいて、それらの可動部の位置の同定は、目盛線を有するスケールとその目盛を読み取る検出手段（直線位置検出器）を用いて行う場合が多い。こうした中で、近年、直線位置検出器の高精度・高分解能化、長尺化、高応答化、アブソリュート化などの要求が高まっている。
【０００３】
このような要求に応じたものとして直線上の位置を検出するエンコーダがある。このエンコーダの１つにアブソリュート形リニアエンコーダ（ａｂｓｏｌｕｔｅ ｌｉｎｅａｒ ｅｎｃｏｄｅｒ）がある。このアブソリュート形リニアエンコーダ（以下、ＡＢＳリニアエンコーダ）は、例えば、マシニングセンタ、旋盤、フライス盤、ボール盤などのＮＣ工作機械に組み込まれている。また、他にも三次元測定機などにＡＢＳリニアエンコーダが組み込まれている。
【０００４】
図６は、従来のアブソリュート形リニアエンコーダの概略を示す概略平面図である。
【０００５】
アブソリュート形リニアエンコーダ（以下、ＡＢＳリニアエンコーダ）１は、スケールを内部に有するスケールホルダ１０、及びスケールを透過する光を検出する検出ヘッドやその検出ヘッドから出力された信号を処理する手段などが内蔵されたスライダ２０などから構成されている。
【０００６】
スライダ２０は摺動機構（図示せず）により、スケールホルダ１０に対して矢印Ａ方向及びこれとは反対の方向（矢印Ｂ方向）に移動できる。また、スライダ２０には信号処理手段によって処理された信号を情報処理装置など（図示せず）に伝送するためのケーブル３０が取り付けられている。
【０００７】
図７は、図６のＡＢＳリニアエンコーダ１の主要部の概略構成を示す概略図である。
【０００８】
図７において、スケールホルダ１０（図７に図示せず）のスケール４０は測定機器や工作機械などのベース６０に固定されている。一方、スライダ２０（図７では図示せず）の検出器５０は測定機器や工作機械などの可動部７０に対して固定されている。
【０００９】
スケールホルダ１０は、スケール４０を片側から照射する光源（図示せず）を内蔵している。スケール４０はガラス板であり、一方の面には金属蒸着膜（黒く示した部分）によってスケールパターンが形成されている。スケールパターンは、スケール４０の長手方向に直列に形成されたアブソリュートコード（ａｂｓｏｌｕｔｅ ｃｏｄｅ）４１とインクリメンタルコード（ｉｎｃｒｅｍｅｎｔａｌ
ｃｏｄｅ）４２とからなる。
【００１０】
アブソリュートコード（以下、ＡＢＳコード）４１は、スケール４０の長手方向に直列に並べた直列コードによって位置情報を提供している。ＡＢＳコード４１の語長は、例えば、４ビットである。ＡＢＳコード４１は金属蒸着部分４１ａと非蒸着部分４１ｂとから形成されている。
【００１１】
インクリメンタルコード４２は、金属蒸着部分４２ａと非蒸着部分４２ｂとが交互に連続するトラックである。このインクリメンタルコード４２は、スライダ２０の移動を検出するためのものである。
【００１２】
一方、スライダ２０の検出器５０は、光源から発射されてＡＢＳコード４１の非蒸着部分４１ｂを透過した光を検出するＡＢＳコード検出ヘッド（図示せず）とインクリメンタルコード４２の非蒸着部分４２ｂを透過した光を検出するマーカ検出ヘッド（図示せず）とを備えている。尚、これら検出ヘッドからの信号を処理する各種の回路（図示せず）がスライダ２０に内蔵されている。
【００１３】
検出器５０は、ＡＢＳコード４１及びインクリメンタルコード４２に面する位置に配置されている。この検出器５０は可動部７０と共に移動しながらＡＢＳコード４１及びインクリメンタルコード４２から情報を取得する。検出器５０がＡＢＳコード４１から取得した位置情報はスライダ２０に内蔵されている各種の回路によって処理され、アブソリュート信号として出力される。一方、検出器５０がインクリメンタルコード４２から取得した情報は、スライダ２０に内蔵されている各種の回路によって処理され、インクリメンタル信号として出力される。
【００１４】
これらアブソリュート信号とインクリメンタル信号とはケーブル３０を介して情報処理装置（図示せず）に伝送される。情報処理装置は受信した信号から、スライダ２０の位置を算出する。
【００１５】
以上のような構成のＡＢＳエンコーダ１では、通常、可動部７０の可動ストロークに対応した長さのスケール４０が用いられている。可動部７０の可動ストロークが特別に長いために、対応する長さのスケール４０がない場合は、スケール信号の位相が合うように複数のスケールを繋いで対応することもある。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、複数のスケールを繋いだ場合、温度などの使用環境の状態などによっては、スケールの繋ぎ部分でスケール信号の位相がずれることがある。従って、エンコーダの精度が低下したり、場合によっては信号検出ができなくなったりすることもあり得るという問題が生じる。
【００１７】
また、高精度のスケールの素材物性には低い熱膨張率や高い経時安定性などが要求される。スケールの目盛面には高精度な平面加工や目盛加工が要求される。この平面加工や目盛加工を評価するための装置も高精度のものが必要になる。このため、高精度のスケールは製造コストがかかり高価である。このような高精度のスケールが長尺になると上述の素材物性への要求を満たす素材の入手が困難である。さらに、スケール長に応じた製造設備への投資が膨大になる。このように、長尺の高精度なスケールを用いるＡＢＳエンコーダには種々の問題がある。
【００１８】
さらに、通常のＡＢＳエンコーダのスケールには、直線位置検出方向（スケールの長手方向）に平行な複数の目盛トラックから成るパラレルアブソリュートコードが形成されている。このパラレルアブソリュートコードを検出する検出手段は目盛トラックの数と同数の検出ヘッドを備えているので高価である。
【００１９】
本発明の目的は、位置情報が記録された範囲であるスケールの有効長よりも長い距離に亘ってスケールの相対位置を高精度に検出できるエンコーダを提供することにある。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１の相対位置を検出するためのエンコーダは、位置情報を記録した位置情報パターンが長手方向に連続して形成された該長手方向に相対移動するスケールから、該スケールが位置する前記位置情報を検出して前記スケールの相対位置を検出するためのエンコーダにおいて、前記位置情報が記録された範囲であるスケールの有効長よりも短く、該有効長の１／２よりも長い間隔を開けて前記相対移動の方向に配置された、前記位置情報を検出する少なくとも２つの検出器と、前記少なくとも２つの検出器のうち、前記位置情報の検出が長く続いている方の検出器を選択すると共に該選択した検出器からの位置情報に基づいて前記スケールの位置を算出するための信号処理部とを備え、前記信号処理部は、連続する２つの前記検出器を前記スケールが相対的に通過したときに該２つの検出器の距離を記憶すると共に前記スケールの相対移動の方向に応じて前記距離を前記スケールの位置の算出の際に加減演算するものであることを特徴とする。
【００２１】
請求項２記載の相対位置を検出するためのエンコーダは、請求項１に記載の相対位置を検出するためのエンコーダにおいて、前記スケールは、前記位置情報を検出可能な位置にある検出器か否かを前記検出器毎に判別するための検出器判別パターンが前記長手方向に連続して形成されたものであり、前記信号処理部は、前記検出器判別パターンを検出している前記検出器の中から前記選択を実行するものであることを特徴とする。
【００２３】
請求項３記載の相対位置を検出するためのエンコーダは、請求項１又は２に記載の相対位置を検出するためのエンコーダにおいて、前記位置情報は、前記長手方向に向かって形成された直列のアブソリュートコードであることを特徴とする。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態に係る位置を検出するためのエンコーダを図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２５】
図１は、本発明の実施の形態における直線上の位置を検出するためのエンコーダの主要部の概略構成を示すブロック図である。なお、図７と同一の構成要素には同一の符号を付してある。
【００２６】
本発明の実施の形態における位置を検出するためのエンコーダは、アブソリュート形リニアエンコーダ（ａｂｓｏｌｕｔｅ ｌｉｎｅａｒ ｅｎｃｏｄｅｒ）であり、直線運動機構を備えたＮＣ工作機械や三次元測定機などに組み込まれるものである。
【００２７】
図１において、アブソリュート形リニアエンコーダ（以下、ＡＢＳリニアエンコーダ）は、スケール１４０を内部に有するスケールホルダ（図示せず）、及びスケール１４０を透過する光を検出する第１の検出器１５１、第２の検出器１５２やそれらから出力された信号を処理するための信号処理部２００などが内蔵されたスライダ（図示せず）などから構成されている。
【００２８】
以下、三次元測定機などを構成するユニットのうち固定された不動のベース６０にスライダが固定され、移動可能な可動部７０には、スケール１４０を備えたスケールホルダ（図示せず）が固定されているものとして説明する。なお、ベース６０、可動部７０、スケール１４０、第１の検出器１５１、及び第２の検出器１５２の位置関係を明瞭に示すため、ベース６０には第１の検出器１５１及び第２の検出器１５２のみが固定されているように図示してある。また、可動部７０にはスケール１４０のみが固定されているように図示してある。
【００２９】
スケールホルダは、スケール１４０を境にしてスライダの配置された側とは反対側に光源（図示せず）を内蔵している。この光源は例えば発光ダイオードであり、スケール１４０に光を照射するものである。
【００３０】
スケール１４０は可動部７０のストローク長よりも短いガラス板である。スケール１４０の一方の面には金属蒸着膜（黒く示した部分）などによってスケールパターンが形成されている。スケールパターンは、位置情報を記録したアブソリュートコードトラック（ａｂｓｏｌｕｔｅ ｃｏｄｅ ｔｒａｃｋ）１４１（位置情報パターン）、スケール１４０の移動の向きを検出するためのマーカトラック１４２、及び第１の検出器１５１と第２の検出器１５２とがアブソリュートコードトラック（以下、ＡＢＳコードトラック）１４１から情報を取得できる状態にあるか否かを判別するための検出器判別トラック１４３（検出器判別パターン）である。
【００３１】
アブソリュートコードトラック１４１は、位置情報を提供するＡＢＳコード（ａｂｓｏｌｕｔｅ ｃｏｄｅ）がスケール１４０の長手方向に連続する１本のトラックである。ＡＢＳコードは所定の語長（例えば、４ビット）の直列コードである。このＡＢＳコードは光源からの光を遮る遮光部分１４１ａ（金属蒸着部分）と光を透過させる光透過部分１４１ｂ（非蒸着部分）とによって形成されている。
【００３２】
マーカトラック（ｍａｒｋｅｒ ｔｒａｃｋ）１４２は、遮光部分１４２ａ（金属蒸着部分）と光透過部分１４２ｂ（非蒸着部分）とがスケール１４０の長手方向に交互に短冊状に連続して形成されたインクリメンタルコードのトラックである。遮光部分１４２ａと光透過部分１４２ｂとは同一サイズである。隣り合う１つの遮光部分１４２ａと１つの光透過部分１４２ｂとを１組としたものの幅はＡＢＳコードトラック１４１における１ビット分の長さと同じである。
【００３３】
このマーカトラック１４２は、スケール１４０の移動方向などを検出するためのものである。後述するようにスケール１４０が移動すると、検出器１５１，１５２がＡＢＳコードから位置情報を取得（検出）すると共にマーカトラック１４２からはスケール１４０の移動方向を検出する。
【００３４】
検出器判別トラック１４３は、アブソリュートコードトラック１４１やマーカトラック１４２に平行に形成された帯状の遮光部分（金属蒸着部分）である。第１の検出器１５１や第２の検出器１５２が検出器判別トラック１４３を検出するか否かによって、第１の検出器１５１や第２の検出器１５２が位置情報の検出可能な位置に位置するか否かを判別できる。上記３種類のトラックの全長は等しく、それらの直線方向の両端の位置は同じである。
【００３５】
一方、スライダは摺動機構（図示せず）を備えている。このためスライダに組み合わされたスケール１４０は、矢印Ｃ方向及びこれとは反対の方向いずれにも移動できる可動部７０と共に移動する。第１の検出器１５１と第２の検出器１５２とは、スケール１４０の有効長よりも短く、有効長の１／２よりも長い間隔を開けて配置されている。ここで、スケール１４０の有効長とは、アブソリュートコードトラック１４１の全長のうち、第１の検出器１５１若しくは第２の検出器１５２がスケール１４０の位置情報を取得（検出）できる範囲の長さである。
【００３６】
第１の検出器１５１と第２の検出器１５２とは、いずれも光源から発射されてＡＢＳコードトラック１４１の光透過部分１４１ｂを透過した光を検出するＡＢＳコード検出ヘッド（図示せず）と、光源から発射されてマーカトラック１４２の光透過部分１４２ｂを透過した光を検出するマーカ検出ヘッド（図示せず）とを備えている。これら検出ヘッドから出力された信号は、各種の回路などから成る信号処理部２００で処理される。信号処理部２００もスライダに内臓されている。ＡＢＳコード検出ヘッド及びマーカ検出ヘッドは、例えば、ホトダイオードやホトトランジスタなどの受光素子を備えている。
【００３７】
ＡＢＳコード検出ヘッドはＡＢＳコードトラック１４１に面する位置に配置されており、光透過部分１４１ｂに面すると光透過部分１４１ｂを透過した光を検出する。一方、マーカ検出ヘッドはマーカトラック１４２に面する位置に配置されており、光透過部分１４２ｂに面すると光透過部分１４２ｂを透過した光を検出する。
【００３８】
図２は、図１におけるマーカトラック１４２などを示す模式図である。
【００３９】
図２において、マーカ検出ヘッドは図示したように配置された２つの受光素子１５３ａ，１５３ｂを備えている。この受光素子１５３ａ，１５３ｂは、ホトダイオード（又はホトトランジスタ）である。ホトダイオード１５３ａ，１５３ｂはスケール１４０が移動するに従って信号を出力する。
【００４０】
図３は、図２におけるホトダイオード１５３ａ，１５３ｂが出力する信号を示す図である。
【００４１】
図３において、信号３００ａは、ホトダイオード１５３ａが出力する信号であり、一方、信号３００ｂは、ホトダイオード１５３ｂが出力する信号である。ホトダイオード１５３ａ，１５３ｂはこのような位相差が９０°でオン／オフ比率５０％の２相の信号（増減マーカ信号）３００ａ，３００ｂを出力するように配置されている。これによって、スケール１４０の移動方向が矢印Ｃ方向であるのか矢印Ｃ方向とは反対の方向（矢印Ｄ方向）であるのかを検出できる。
【００４２】
次に、スケール１４０が３つの異なる位置に位置する場合（ポジション１，２，３）の作用について説明する。
【００４３】
図１に示すポジション１の状態では、第１の検出器１５１のみがＡＢＳコードトラック１４１、マーカトラック１４２、及び検出器判別トラック１４３に面する位置にある。第１の検出器１５１はＡＢＳコードトラック１４１からスケール１４０の位置情報Ｔ１を取得し、位置情報Ｔ１に基づく信号を信号処理部２００に出力する。また、第１の検出器１５１はマーカトラック１４２を検出して増減マーカ信号を信号処理部２００に出力する。信号処理部２００はこれらの信号を処理してポジション１のスケール１４０の位置を算出する。
【００４４】
図４は、図１における可動部７０が矢印Ｃ方向に移動したときのエンコーダの主要部の概略構成を示すブロック図である。
【００４５】
図４に示すポジション２の状態では、第１の検出器１５１及び第２の検出器１５２双方がＡＢＳコードトラック１４１、マーカトラック１４２、及び検出器判別トラック１４３に面する位置にある。第１の検出器１５１はＡＢＳコードトラック１４１からスケール１４０の位置情報Ｔ２を取得し、位置情報Ｔ２に基づく信号を信号処理部２００に出力する。第２の検出器１５２はＡＢＳコードトラック１４１からスケール１４０の位置情報Ｔ３を取得し、位置情報Ｔ３に基づく信号を信号処理部２００に出力する。この後、上記のようにスケール１４０の位置が算出される。この際、ポジション１の場合から引き続いてスケール１４０の位置情報を取得している第１の検出器１５１の検出した位置情報Ｔ２がスケール１４０の位置の算出に採用される。即ち、位置情報の検出が長く続いている方の検出器（第１の検出器１５１）の位置情報が採用される。
【００４６】
また、第１の検出器１５１と第２の検出器１５２とは共に検出器判別トラック１４３を検出している。この場合、検出によって出力される信号に基づいて信号処理部２００はＴ２−Ｔ３の差情報を演算してそのデータを記憶する。このデータは、第１の検出器１５１と第２の検出器１５２との間隔の大きさを示すものである。
【００４７】
図５は、図４における可動部７０が矢印Ｃ方向に移動したときのエンコーダの主要部の概略構成を示すブロック図である。
【００４８】
図５に示すポジション３の状態では、第２の検出器１５２のみがＡＢＳコードトラック１４１、マーカトラック１４２、及び検出器判別トラック１４３に面する位置にある。第２の検出器１５２はＡＢＳコードトラック１４１からスケール１４０の位置情報Ｔ４を取得し、位置情報Ｔ４に基づく信号を信号処理部２００に出力する。また、第２の検出器１５２はマーカトラック１４２を検出して増減マーカ信号を信号処理部に出力する。信号処理部はこれらの信号を処理してポジション１のスケール１４０の位置を算出する。
【００４９】
尚、検出器を２つだけ図示して説明したが、３つ以上の検出器を配置してもよい。この場合、検出器どうしの間隔はスケール１４０の有効長よりも短く、有効長の１／２よりも長いので、同時に３つ以上の検出器がスケール１４０の位置情報を検出することはない。従って、検出器の数を増やしさえすればスケール１４０の相対移動の距離を必要なだけ長くできる。
【００５０】
また、三次元測定機などを構成するユニットのうち固定された不動のベース６０にスケール１４０を固定し、スケール１４０の有効長よりも短い間隔を開けて検出器が配置されたスライダを移動可能な可動部７０に固定してもよい。
【００５１】
また、信号処理部２００の各種機能のうち２つの検出器の間の距離を記憶する機能やスケール１４０の位置を算出する機能は、信号処理部２００とは異なる情報処理装置が代わって実行するようにしてもよい。
【００５２】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明に係る相対位置を検出するためのエンコーダによれば、スケールが相対移動して１つの検出器を通過する以前に隣の検出器が位置情報を検出し始める。２つの検出器が位置情報を検出しているときは、位置情報の検出が最も長く続いている検出器を信号処理部が選択し、選択した検出器からの位置情報に基づいてスケールの位置を算出する。スケールの相対移動が続いて隣の検出器のみが位置情報を検出するときは、隣の検出器が検出した位置情報によってスケールの位置が算出される。したがって、スケールの有効長よりも長い距離に亘ってスケールの相対位置を高精度に検出できる。このとき、スケールが相対的に通過した２つ以上の検出器どうしの距離が記憶され、スケールの位置を算出する際にスケールの相対移動の方向に応じて記憶した距離を加減演算するので、スケールの相対位置を検出する距離が長くてもスケールの相対位置を高精度に検出することができる。
【００５３】
また、本発明に係る相対位置を検出するためのエンコーダによれば、信号処理部が検出器判別パターンを検出している検出器の中から位置情報を検出可能な位置にある検出器を判別して選択し、選択した検出器が検出した位置情報に基づいてスケールの位置を算出できる。したがって、より的確にスケールの相対位置を検出できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態における直線上の位置を検出するためのエンコーダの主要部の概略構成を示すブロック図である。
【図２】図１におけるマーカトラック１４２などを示す模式図である。
【図３】図２におけるホトダイオード１５３ａ，１５３ｂが出力する信号を示す図である。
【図４】図１における可動部７０が矢印Ｃ方向に移動したときのエンコーダの主要部の概略構成を示すブロック図である。
【図５】図４における可動部７０が矢印Ｃ方向に移動したときのエンコーダの主要部の概略構成を示すブロック図である。
【図６】従来のアブソリュート形リニアエンコーダの概略を示す概略平面図である。
【図７】図６のＡＢＳリニアエンコーダ１の主要部の概略構成を示す概略図である。
【符号の説明】
１４１ ＡＢＳコードトラック（位置情報パターン）
１４０ スケール
１４１ａ 遮光部分
１４１ｂ 光透過部分
１４２ マーカトラック
１４２ａ 遮光部分
１４２ｂ 光透過部分
１４３ 検出器判別トラック（検出器判別パターン）
１５１ 第１の検出器
１５２ 第２の検出器
２００ 信号処理部

Claims (3)

1. 位置情報を記録した位置情報パターンが長手方向に連続して形成された該長手方向に相対移動するスケールから、該スケールが位置する前記位置情報を検出して前記スケールの相対位置を検出するためのエンコーダにおいて、
   前記位置情報が記録された範囲であるスケールの有効長よりも短く、該有効長の１／２よりも長い間隔を開けて前記相対移動の方向に配置された、前記位置情報を検出する少なくとも２つの検出器と、
   前記少なくとも２つの検出器のうち、前記位置情報の検出が長く続いている方の検出器を選択すると共に該選択した検出器からの位置情報に基づいて前記スケールの位置を算出するための信号処理部とを備え、
   前記信号処理部は、連続する２つの前記検出器を前記スケールが相対的に通過したときに該２つの検出器の距離を記憶すると共に前記スケールの相対移動の方向に応じて前記距離を前記スケールの位置の算出の際に加減演算するものであることを特徴とする相対位置を検出するためのエンコーダ。
2. 前記スケールは、前記位置情報を検出可能な位置にある検出器か否かを前記検出器毎に判別するための検出器判別パターンが前記長手方向に連続して形成されたものであり、前記信号処理部は、前記検出器判別パターンを検出している前記検出器の中から前記選択を実行するものであることを特徴とする請求項１に記載の相対位置を検出するためのエンコーダ。
3. 前記位置情報は、前記長手方向に向かって形成された直列のアブソリュートコードであることを特徴とする請求項１又は２に記載の相対位置を検出するためのエンコーダ。

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