JP4538240B2 - 互いに対して動きうる二個の機械部品の相対的な動きを検出するための装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、互いに対して動きうる二個の機械部品の相対的な動きを検出するための装置及び方法に関する。ここで、機械部品の一つは、機械部品の相対的な動きの方向に連続して配された複数の目盛り定規を有する。

特許文献１と特許文献２では、複数の目盛り定規が、機械部品の相対的な動きの方向に機械部品の一個に連続して配され、利用できる方法及び装置が示される。二個のセンサーが、目盛り定規を感知するためにそれぞれ他の機械部品に備えられている。目盛り定規は、均一の間隔を置いて配され、センサーで感知される増分目盛りを有する。それにより、機械部品の相対的な動きの検知の際に得られる位置分解能が、増分目盛りの所定の間隔によって得られる。第一目盛り定規から第二目盛り定規への移行部が、両方のセンサーのセンサー信号の比較により検知される。ある目盛り定規から次の目盛り定規への秩序立った検知を保証するために、両方の目盛り定規は、目盛り定規の分解能を超過しない精度で、言い換えれば増分目盛りの所定の間隔を超過しない精度で、互いに結合されなければならない。

非特許文献１が、一つの目盛り定規を有する装置を開示する。ここでは、センサーのセンサー信号の位相長さに基づいた評価ユニットが、二個の連続する増分目盛りの間のそれぞれのセンサーの絶対位置を決定する。１ｍｍ程度の増分目盛りの間隔があれば、１μｍ未満の分解能が得られる。

評価を完成させるために、特許文献３と特許文献４についても触れる。これら文献で開示された装置では、目盛り定規は、ある機械部品の他の機械部品に対する絶対位置の検知を可能にする追加の基準目盛りを有する。
DE-OS1773460 DE19621015A1 DE-OS2416212 EP0350158A1 レックスロートスターGmbHの"STAR-Kugel-und Rollenschienenfuehrungen mit integriertem Messsystem"の内容説明書

本発明により次の事が確認された。つまり、目盛り定規が両方の機械部品の相対的な動きの方向に連続して配される際の精度は、増分目盛りの所定の間隔によっては決定されず、また得られる分解能によっても決して決定されない。その代わりに、二個の連続する目盛り定規の間隔、もっと正確には、ある目盛り定規の端を決定する目盛り（例えば、ある目盛り定規の最後の増分目盛り）と、他の目盛り定規の初めを決定する目盛り（例えば、第二目盛り定規の第一増分目盛り）との間隔が、両方のセンサーの所定の間隔よりも小さい時のみ、装置の秩序だった機能が保証される。

この場合、運動方向の前のセンサーが、ある目盛り定規の別な目盛り定規への移行部を検知すると、ある目盛り定規の領域に位置する次のセンサーのセンサー信号と、他の目盛り定規の領域に位置する前のセンサーのセンサー信号の間の位相偏移が決定される。また、両方の機械部品の相対的な動きを検知する際に、この位相偏移に基づいた位相補正が考慮される。それは、少なくとも一個のセンサーが、常に目盛りの「乱れていない部分」に完全に存在するかどうかに依存する。

例えば、ある目盛り定規の別な目盛り定規への移行の間に、二個の機械部品の相対的な運動を重複して検知するのを可能にするために、又はセンサーの一個が壊れた時に装置の機能をさらに保証するために、二個以上のセンサーも備えられ得る。
両方の機械部品の絶対的な相対位置の検知を可能にするために、所定の基準点（例えば、装置の全ての初めに複数の目盛り定規によって形成された全定規の端）に達する事無く、両方の機械部品の絶対的な相対位置を検知するための基準目盛りを有する目盛り定規がさらに備えられる。

さらに、目盛り定規は、前のセンサーによってそれぞれの目盛り定規に組み込まれた目盛り端を検知する働きをする少なくとも一つの定規端目盛りを有する。この場合、隣接する目盛り定規の両方の隣り合う定規端目盛りの間隔が、両方のセンサーの所定の間隔よりも小さくなければならない。

本発明の好ましい実施形態によれば、機械部品はガイドレールか、リニアガイド装置のガイドレールに固定して接続された部品である。一方、他の機械部品は、ガイドレール上を長手方向に移動可能に案内されたガイドユニットか、リニアガイド装置のガイドユニットに固定して接続された部品（例えばガイドカー）である。

この構成の別な実施形態によれば、複数のガイドカーを有するガイドユニットの場合、両方のセンサーが異なるガイドカーに配される。少なくともガイドカーの二個はセンサーを備えており、言い換えれば少なくともセンサーの内の一個は他のセンサー以外のガイドカーに配される。

もちろんそれに加えて、ある目盛り定規の別な目盛り定規への移行の際に検知される位相補正の考慮に関しては、両方の機械部品の相対的な運動方向も考慮される。例えば、ある方向の運動の際に検知された位相補正は加えられる一方、反対方向の運動の際に検知された位相補正は引かれる。

センサーと他の機械部品の間の接続は実際は理想的にかたいわけではなく、若干の遊びを有するので、センサーの間隔は変化する。例えば、ある方向の相対的な運動の場合、反対方向の相対的な運動の場合よりも、センサーは互いにより近くに位置する。センサー領域の異なる摩擦条件から生じるこの機械的なヒステリシスを考慮し、補償するために、本発明の別な実施形態に従えば、次の事が提示される。すなわち、ある方向の相対的な運動の際に決定された位相補正が、反対方向の相対的な運動の際に決定された位相補正からずれる場合、このずれは基準目盛り定規の領域で遅くとも徐々に、言い換えれば連続的に中断せずに、別な相対的な運動中にゼロに戻される。

目盛り定規が機械部品の一個に配される際の比較的大きな自由度のため、目盛り定規の基準目盛りの実際の位置は、基準目盛り定規に関する基準目盛りの基準位置からずれる。このようなずれは、初期化ステージで検知され、両方の機械部品の相対的な運動の検知及び位置信号の出力の際に考慮される。言い換えれば、実際には、基準目盛りに関連する基準パルスは、基準目盛りが実際にある場所では正確に出力されない。さらには、まるで一個だけの目盛り定規に関連するように、又は多数の目盛り定規が理想的に連続する事に関連するように、仮想の基準パルスが創出され出力される。

付属の図を用いて、本発明の好ましい実施形態の例を記述する。
二個の機械部品の間の相対的な運動を検知するための装置は、図１において全体が参照番号１０を用いて表される。図示した例では、装置はリニアガイド装置１２として形成される。装置は、従来の静的に配されたガイドレールとして形成された第一機械部品と、ガイドカー１８を有するガイドユニット１６として形成され、ガイドレール上をガイドレール１４の長手方向Ｌに動きうる第二機械部品とを含む。

ガイドレール１４は、ガイドレール１４に沿ってガイドカー１８の動く距離を検知するために用いられる複数の目盛り定規２０ａ、２０ｂ、…を有する。増分目盛り２２を検知するために、二個のセンサー２４と２６がガイドカー１８に配されている。それらは、信号導体２８と３０を通って評価ユニット３２に接続されている。以下で説明するようにして、評価ユニット３２は、センサー２４と２６のセンサー信号に基づいて、ガイドレール１４上のそれぞれのガイド部品１８の位置を決定する。

目盛り定規２０ａ、２０ｂ、…はさらに、ペア目盛りで形成される基準目盛り３４_１、３４_２、…３４_i、…３４_ｎを有する。これらペア目盛りの左の目盛りはそれぞれ、互いに所定の間隔Ｐをおいて目盛り定規２０ａ、２０ｂ、…に配される。一方、ペア目盛りの右の目盛りはそれぞれ、同じペア目盛りに関連する左の目盛りからある間隔を有する。それは基準目盛り３４_１の場合は値ｘ_１を有し、図１において左から右へあるペア目盛りから別のペア目盛りへ量ｄだけ増加する。このようにして、ペア目盛り３４_１、３４_２、…は、それぞれの基準目盛りのペア目盛りの両方の目盛りの間隔にわたって、目盛り定規２０ａ、２０ｂ、…上の絶対位置をコード化する。

最後に、向き合った目盛り端２０ａ１、２０ｂ１の付近の目盛り定規２０ａ、２０ｂ、…は、やはりペア目盛りにより形成される定規端目盛り３６を有する。定規端目盛り３６のペア目盛りの目盛りは、第一基準目盛り３４_１のペア目盛りの目盛りよりも小さい間隔を有する。

また、基準目盛り３４_１、３４_２、…と定規端目盛り３６はセンサー２４と２６により検知される。
例えば図１において、ガイドカー１８がガイドレール１４に沿って左から右に動く時、増分目盛り２２はセンサー２４と２６の両方によって感知される。評価ユニット３２に供給されたセンサー２４と２６のセンサー信号は、特にガイドカー１８上のセンサー２４と２６の所定の間隔Ｙに依存する互いの位相偏移を有する。ガイドカー１８が目盛り定規２０ａと２０ｂの合流点４０の領域に達すると、この状態は、前のセンサー２６により目盛り定規２０ａの定規端目盛り３６を感知する事によって検知される。その時、評価ユニット３２は、後のセンサー２４のセンサー信号だけにより、ガイドレール１４に沿うガイドカー１８の動きの検知を支援する。図１においてガイドカー１８がさらに右へ動く途中で、前のセンサー２６が目盛り定規２０ｂの定規端目盛り３６を感知すると、評価ユニット３２は、得られたセンサー２４と２６のセンサー信号間の位相偏移と、ガイドカー１８が目盛り定規２０ａと完全に重なって位置する時点のこれらの両方の信号の位相偏移を比較する。この比較によって決定された位相補正は、信号導体３８を介した位置信号の更なる出力を通じて評価ユニットにより考慮される。複数の合流点４０を交差する際はもちろん、複数のこのような位相補正が考慮されなければならない。

本発明に従えば、両方のセンサー２４と２６の間隔Ｙが、目盛り定規２０ａの定規端目盛り３６と、目盛り定規２０ｂの定規端目盛り３６の間隔ｙ_２よりも大きい事が要求されるだけである。それで、常にセンサー２４と２６の内の一個が、増分目盛り２２の乱れていない部分に位置する。定規端目盛り３６を用いる事により、前のセンサー２６により左の目盛り定規２０ａの定規端目盛りを感知する際、このセンサー２６が目盛り定規２０ａの増分目盛り２２の領域に完全に位置する事が保証されるという利点がある。従って、交差点４０のために歪められたセンサー２６のセンサー信号が、センサーユニット３２に供給され、このユニットによって位置信号３８の決定の際に用いられる恐れがない。しかしながら、基本的に、増分目盛り２２の中断のために、言い換えれば増分目盛り２２の中断による前のセンサー２６のセンサー信号の「障害」に基づいて、交差点４０を検知する事も可能である。しかしながらこの場合、センサー２４と２６の間隔Ｙは合流点４０の幅ｙ_１よりも大きくなければならない。

さらに、例えば非特許文献１に開示されるように形成される評価ユニット３２が形成され、それでセンサー２４と２６のセンサー信号の補間によって、二個の連続する増分目盛り２２の間の絶対位置を決定する事もできる。１ｍｍ程の増分目盛りの間隔があれば、このようにして１μｍ程の位置の精度が得られる。

さらに、図１において理想的に、後の目盛り定規２０ｂの基準目盛り３４_ｎは必ずしも、第一目盛り定規２０ａの第一基準目盛り３４_１から、理想的な間隔（ｎ−１）Ｐを有する必要はない。実際には、ガイドカー１８の初期化ステージの途中でこれら基準目盛り３４_ｎの正確な位置を検知し、理想的な位置からのずれを決定し、評価ユニット３２に蓄える事が可能である。従って、実際の操作において、ガイドレール１４に対するガイドカー１８の絶対位置を決定する際に、ずれが評価ユニット３２によって考慮される。

この初期化ステージにおいて、両方のセンサー２４と２６の間隔Ｙも、例えば同じ基準目盛りの検知によって決定される。この間隔の決定は、ガイドカー１８の運動方向に依存して行われる。

本発明に従う二個の機械部品の相対的な運動を検知するための装置を示す概略図である。

符号の説明

１０ 装置
１４、１８ 機械部品
２０ａ、２０ｂ 目盛り定規
２２ 増分目盛り
２４、２６ センサー
３２ 評価ユニット

Claims (8)

1. 互いに対して動きうる二個の機械部品（１４、１８）の相対的な動きを検知するための装置（１０）において、
   上記二個の機械部品（１４、１８）の相対的な動きの方向（Ｌ）に、上記二個の機械部品の一方（１４）に連続して配された複数の目盛り定規（２０ａ、２０ｂ、…）であって、上記二個の機械部品（１４、１８）両方の相対的な動きの間隔距離を検知するために増分目盛り（２２）を有する目盛り定規（２０ａ、２０ｂ、…）と、
   該目盛り定規（２０ａ、２０ｂ、…）を読み取るために、上記二個の機械部品の相対的な動きの方向（Ｌ）に所定の間隔（Ｙ）をおいて上記二個の機械部品の他方（１８）に配された二個のセンサー（２４、２６）であって、上記増分目盛り（２２）を読み取ってセンサー信号をそれぞれ提供する二個のセンサー（２４、２６）と、
   該センサー（２４、２６）のセンサー信号の位相位置に基づいて、二個の連続する増分目盛り（２２）の間の上記センサー（２４、２６）のそれぞれの絶対位置を決定するために作動する評価ユニット（３２）と
   を備えて成り、
   上記目盛り定規（２０ａ、２０ｂ、…）は、上記目盛り定規（２０ａ、２０ｂ、…）の内の隣接する二個の目盛り定規の間隔（ｙ１又はｙ２）が上記センサー（２４、２６）の上記所定の間隔（Ｙ）よりも小さくなるように備えられ、
   上記評価ユニット（３２）は、運動方向における先行のセンサー（２６）がある目盛り定規（２０ａ）から他の目盛り定規（２０ｂ）への移行部（４０）を検知する場合に、上記ある目盛り定規（２０ａ）の領域にある後行のセンサー（２４）のセンサー信号と、上記他の目盛り定規（２０ｂ）の領域にある上記先行のセンサー（２６）のセンサー信号の間の位相偏移を決定するために作動し、且つ上記二個の機械部品（１４、１８）両方の相対的な動きを検知する間に上記後行のセンサー（２４）が上記他の目盛り定規（２０ｂ）の領域に位置する場合に、上記位相偏移に基づいて位相補正を考慮するために作動する事を特徴とする装置。
2. 請求項１に記載の装置において、上記目盛り定規（２０ａ、２０ｂ…）がさらに、上記二個の機械部品（１４、１８）両方の絶対的な相対位置を検知するために、基準目盛り（３４１、３４２、…）を有する事を特徴とする装置。
3. 請求項１又は２に記載の装置において、上記目盛り定規（２０ａ、２０ｂ…）がそれぞれ、それぞれの上記目盛り定規（２０ａ、２０ｂ…）に組み込まれた目盛り端（２０ａ１、２０ｂ１、…）を検知するために、少なくとも一つの定規端目盛り（３６）を有する事を特徴とする装置。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の装置において、上記二個の機械部品の一方（１４）が、ガイドレールか、リニアガイド装置のガイドレールにしっかり接続された部品であり、上記二個の機械部品の他方（１６、１８）が、上記ガイドレール上を長手方向（Ｌ）に移動可能に案内されたガイドユニットか、上記リニアガイド装置の上記ガイドユニットにしっかり接続された部品である事を特徴とする装置。
5. 請求項４に記載の装置において、上記ガイドユニットが複数のガイドカー（１８）から構成される場合、上記センサー（２４、２６）の両方が異なるガイドカー上に配される事を特徴とする装置。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の装置を用いて、二個の機械部品（１４、１８）の相対的な動きを検知する方法において、
   運動方向における先行のセンサー（２６）が、ある目盛り定規（２０ａ）から他の目盛り定規（２０ｂ）への移行部（４０）を検知する場合、上記ある目盛り定規（２０ａ）の領域にある後行のセンサー（２４）のセンサー信号と、上記他の目盛り定規（２０ｂ）の領域にある上記先行のセンサー（２６）のセンサー信号の間の位相偏移が決定されるステップと、
   上記二個の機械部品（１４、１８）両方の相対的な動きを検知する間に、上記後行のセンサー（２４）が上記他の目盛り定規（２０ｂ）の領域にある場合、上記位相偏移に基づいて位相補正が考慮されるステップと
   を特徴とする方法。
7. 請求項６に記載の方法において、初期化ステージが、基準目盛り定規（２０ａ）に対する全目盛り定規（２０ａ、２０ｂ、…）の基準目盛り（３４１、３４２）の絶対位置を決定するために実行される事を特徴とする方法。
8. 請求項６又は７に記載の方法において、上記二個の機械部品（１４、１８）がある方向へ相対的に動く間に決定される位相補正が、それと反対方向へ相対的に動く間に決定される位相補正からずれる場合、このずれが更なる相対的な動きのうちに徐々にゼロに戻されるステップを更に有する事を特徴とする方法。

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