JP5014197B2 - 変位量検出装置及びそれを利用した装置、変位量検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、変位量検出装置であるインクリメンタルエンコーダ及びそれを利用した装置に関する。

従来から、測定対象の変位量（角度や位置）を検出するインクリメンタルエンコーダ（変位量検出装置）は知られており、測定精度の向上が益々要求されている。インクリメンタルエンコーダは、一般に、スケールとヘッドを有し、ヘッドから得られるパルス列をカウントすることによって測定対象の変位を検出する。ヘッドによる検出方式は光学式、磁気式、静電式、電磁誘導式がある。

特許文献１では、インクリメンタルエンコーダのＺ相でカウンタをゼロにしてミスカウントが累積することを防止している。また、特許文献２は、２つのヘッドを配置して、両ヘッドが同一の角度を出力しない場合に異常と判定している。
特開平１０−０３８６１３号公報 特開２００２−３４０６２５号公報

しかし、特許文献１では、Ｚ相の再現性が良くないと、カウントミスを精度よく防止することができないことがある。また、特許文献２は、両ヘッドの角度が同期して変化する必要があるため、両ヘッドをほぼ同じ位置に配置する、もしくは、スケールの回転偏芯量を十分に小さくする必要がある。しかし、両ヘッドをほぼ同じ位置に配置することは困難であり、スケールの回転偏芯量を十分に小さくするにはスケールの加工精度を上げる必要があり、コストアップを招く。

本発明は、簡単にパルスのカウントミスを検出するインクリメンタルエンコーダを提供することを例示的な目的とする。

本発明の一側面としての変位量検出装置は、測定対象に接続されるスケールと、前記スケールを同時に検出してパルス信号をそれぞれ出力する第１及び第２のヘッドと、前記第１のヘッドの出力からのパルス信号のパルス数を計数する第１のカウンタと、前記第１のカウンタが計数したパルス数から前記測定対象の変位量を算出する第１の算出部と、前記第２のヘッドの出力からのパルス信号のパルス数を計数する第２のカウンタと、前記第２のカウンタが計数したパルス数から前記測定対象の変位量を算出する第２の算出部と、を有し、前記第１の算出部が算出した変位量と前記第２の算出部が算出した変位量とに基づいて前記測定対象の変位量を検出する変位量検出装置において、前記測定対象をある量変位させたときに前記第１の算出部が算出した第１の変位量と前記第２の算出部が算出した第２の変位量とを格納するメモリと、前記メモリに前記第１及び第２の変位量を格納した後、前記第１の算出部が前記第１の変位量と一致する又は近傍の変位量を算出したときに前記第２の算出部が算出した変位量と前記メモリに格納された前記第２の変位量との差が許容範囲外であると判断した場合に異常である旨を出力する異常判定部と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、簡単にパルスのカウントミスを検出するインクリメンタルエンコーダを提供することができる。

以下、添付図面を参照して本発明の実施例について説明する。

図１は、実施例１のインクリメンタルエンコーダ１０（変位量検出装置）のブロック図である。エンコーダ１０は、測定対象Ｍに接続され、測定対象Ｍの変位量を検出する。エンコーダ１０は、第１及び第２のヘッド１ａ、１ｂ、スケール２、第１及び第２のカウンタ３ａ、３ｂ、第１及び第２の算出部４ａ、４ｂ、メモリ５、異常判定部６、出力部７、演算部８を有する。測定対象Ｍは本実施例ではスケール２に接続され、スケール２は測定対象Ｍと共に回転する。図１１は、スケール２の概略平面図である。スケール２は円板形状を有し、周方向に配置された複数のスリット２ａのパターンを有する。各スリット２ａは径方向に延びる。ＲＣはスケール２の回転中心である。通常は、回転中心ＲＣはスケール２の中心Ｃと一致する。

第１のヘッド１ａと第２のヘッド１ｂは、本実施例では、光学的にスケール２に形成されたスリット２ａを同時に検出してパルス信号（Ａ相、Ｂ相からなる二相信号）を出力する。本実施例は、スケール２の中心Ｃに関して１８０°の間隔で２個のヘッド１ａ、１ｂを配置している。なお、ｎ個のヘッドが設けられる場合には、これらのヘッドは（３６０／ｎ）°間隔で配置されることが好ましい。各ヘッドは、発光ダイオードと、その光を固定スリットとスケール２のスリット２ａを介して受光するフォトダイオードと、を有する。Ａ相とＢ相のパルス列には９０°の位相差が形成されている。

第１のカウンタ３ａは、第１のヘッド１ａの出力からパルス信号の第１のパルス数を計数する。第１の算出部４ａは、第１のパルス数から測定対象Ｍの第１の変位量θ１を算出する。第２のカウンタ３ｂは、第２のヘッド３ｂの出力からパルス信号の第２のパルス数を計数する。第２の算出部４ｂは、第２のパルス数から測定対象Ｍの第２の変位量θ２を算出する。メモリ５は、第１の変位量θ１及び第２の変位量θ２を格納する。

異常判定部６は、第１のヘッド１ａが第１の変位量θ１を次に検出した時に第２のヘッド１ｂが検出したスケール２の変位量と第２の変位量θ２との差が許容範囲外であると判断した場合に異常である旨を出力する。出力部７は、ディスプレイ、スピーカなどからなり、異常判定部６の異常である旨を出力する。出力は、例えば、メッセージやアラームである。演算部８は、測定対象Ｍの変位量を第１の変位量θ１と第２の変位量θ２の平均（＝（θ１＋θ２）／２）として算出する。

ここで、図２に示すように、スケール２の回転中心ＲＣがスケール２の中心点ＣからΔｘずれている場合を考える。スケール２を時計方向に回転すると第１のヘッド１ａはずれ量Δｘの影響を受けて次式で規定される角度を検出する。

また、第２のヘッド１ｂはずれ量Δｘの影響を受けて次式で規定される角度を検出する。

ここで、θは、回転中心からのスケール２の回転角度（測定対象Ｍの回転角度）であり、θは（θ１＋θ２）／２である。θ１は、第１のヘッド１ａが検出したスケール２の回転角度（第１の変位量）である。θ２は、第２のヘッド１ｂが検出したスケール２の回転角度（第２の変位量）である。

図３は、θとθ１の関係を示す図であり、図４は、θとθ２の関係を示す図である。図５は、Δｘをスケール２の半径の０．１％とした際の横軸にθ、縦軸にθ−θ１，θ−θ２を表示したグラフである。横軸は回転角度で−３．１４［ｒａｄ］から３．１４［ｒａｄ］までで１回転分を示している。縦軸は真の回転角度からの誤差を示している。図６は、Δｘをスケール２の半径の０．２％倍とした際の横軸にθ、縦軸にθ−θ１、θ−θ２を表示したグラフである。横軸は回転角度で−３．１４［ｒａｄ］から３．１４［ｒａｄ］までで１回転分を示している。縦軸は真の回転角度からの誤差を示している。

図８は、異常検出手順を示すフローチャートである。まず、前提として、初期化を行う。初期化ステップ（図８では「Ｓ」と示す）１０はスケール２を回転させ、角度θ１、θ２をメモリ２に格納する。即ち、図５及び図６に示すように、スケール２の回転偏芯により第１のヘッド１ａ及び第２のヘッド１ｂは、回転角度θに対してそれぞれθ１及びθ２と異なった回転角度を検出する。θ１及びθ２はカウントミスによらず異なった角度を示す。そこで、予めスケール２を回転させ、検出角度θ１とθ２を同時に測定し、θ１とθ２の情報をまとめてメモリ５に記憶する。

次に、異常判定部６は、通常使用時において第１の変位量θ１が予め記憶している値と一致もしくは近傍の値となったかどうか判断する（ステップ２０）。異常判定部６は、第１の変位量θ１が予め記憶している値と一致もしくは近傍の値となったと判断した場合に（ステップ２０）、第２の変位量θ２が予め記憶している値からある許容差以上の値となったかどうかを判断する（ステップ３０）。異常判定部６はステップ３０において第２の変位量θ２が予め記憶している値からある許容差以上と判断した場合に異常と判定する（ステップ４０）。

これにより、エンコーダのカウントミス発生時に異常を検出することができる。例えば、第２のヘッド１ｂにおいてカウントミスが発生しθ２の大きさを通常より１ｅ−３［ｒａｄ］大きく検出した場合、図７に示すように、θ１とθ２の関係は変化する。図７に、Δｘをスケール２の半径の０．１％とした際の横軸にθ、縦軸にθ−θ１、θ−θ２、 θ−θ２−１ｅ−３［ｒａｄ］を表示する。横軸は回転角度で−３．１４［ｒａｄ］から３．１４［ｒａｄ］までで１回転分を示している。縦軸は真の回転角度からの誤差を示している。

第１及び第２のヘッド１ａ及び１ｂをスケール２の中心に対して１８０°間隔で配置されていることにより、図５及び図６のように回転角度θに対してθ１及びθ２は各々逆位相の誤差成分を持っていることが理解される。従って、演算部８は、θ１及びθ２を平均化することによりスケール２の中心Ｃと回転中心ＲＣのずれ、即ち、偏心の影響をキャンセルする効果がある。

以上、本実施例のエンコーダ１０は、Ｚ相を利用せずに、即ち、Ｚ相の再現性によらずに異常を検出することができる。また、第１及び第２のヘッド１ａ、１ｂから出力される二相信号が複数のヘッド間で同期して変化しなくてもよいため、複数のエンコーダヘッドをほぼ同じ位置に配置する必要がない。このため、回転偏心を十分に小さくする必要がない。

また、回転部に用いられている軸受けが損傷すると軸ぶれが大きくなり、回転中心位置が変動する。図５及び図６に示すように、回転中心位置が変動することにより、回転角度θに対する検出角度θ１とθ２の関係は変化する。よって予め記憶しているθ１とθ２の関係が当初から変化していることを確認することにより回転部の軸受けの損傷異常を検出することができる。

実施例１においては、エンコーダ１０は２個のヘッド１ａ及び１ｂを１８０°間隔で配置している。実施例２は、３つのヘッド１ａ、１ｂ、１ｃを（３６０／３）＝１２０°間隔で配置している。図７は、３つのヘッド１ａ、１ｂ、１ｃとそれらが検出する第１乃至第３の変位量θ１乃至θ３の関係を示す図である。各ヘッドは、スケール２の回転角度を検出する。スケール２の回転中心ＲＣをスケール２の中心ＣからΔｘずれた点とすると、スケール２を時計方向に回転した際に３つのヘッド１ａ、１ｂ、１ｃは、それぞれずれ量Δｘの影響を受けて次式で定義される角度を検出する。

ここで、
ここで、θは、回転中心からのスケール２の回転角度（測定対象Ｍの回転角度）であり、θは（θ１＋θ２＋θ３）／３である。θ１は、第１のヘッド１ａが検出したスケール２の回転角度（第１の変位量）である。θ２は、第２のヘッド１ｂが検出したスケール２の回転角度（第２の変位量）である。θ２は、第３のヘッド１ｃが検出したスケール２の回転角度（第３の変位量）である。

図１０は、Δｘをスケール２の半径の０．１％とした際の横軸にθ、縦軸にθ−θ１、θ−θ２、θ−θ３を表示したグラフである。θ１、θ２及びθ３はカウントミスによらず異なった角度を示す。従って、実施例１で述べたのと同様にカウントミス発生時に異常検出することができる。

ヘッド１ａ、１ｂ及び１ｃをスケール２に対して等間隔に１２０度ずつ３個配置したことにより図８のように回転角度θに対してθ１、θ２及びθ３は１２０度ずつ位相のずれた誤差成分を持っている。従って、演算部８は、θ１、θ２及びθ３を平均化することによりスケール２の中心Ｃと回転中心ＲＣのずれ、即ち、偏心の影響をキャンセルする効果がある。

Δｘの変化によりθ１、θ２及びθ３は変化することから、実施例１と同様に、回転部の軸受けの損傷異常を検出することができる。また、実施例１及び２と同様に、４個以上のヘッドを設けてもよい。

図１２は、インクリメンタルエンコーダ１０を有するレーザー加工装置２０のブロック図である。図１３は、図２におけるモータ位置決め部（モータ位置決め装置）を取り出したブロック図である。

レーザー加工装置２０は、測定対象Ｍとしてのモータ軸２３を有する（ガルバノ）モータ２２と、モータ軸２３の回転量を検出するインクリメンタルエンコーダ１０と、を有する。また、レーザー加工装置２０は、モータ２２のモータ軸２３に接続され、図示しないレーザーからのレーザー光Ｌを案内するミラー（光学部材）２４を更に有する。なお、図１２は、一対のモータ２２と一対のミラー２４を設けているが、その数は例示的である。また、レーザー加工装置２０は、インクリメンタルエンコーダ１０の検出結果に基づいてモータ２２の駆動を制御するモータ制御部２６を更に有する。

モータ制御部２６は、モータ２２への電流の供給及び停止を制御する。モータ制御部２６は、インクリメンタルエンコーダ１０の検出結果に基づいて各ミラー２４の回転位置を制御し、それにより、レーザー光Ｌの加工面ＰＳにおける照射位置を制御する。レーザー光Ｌは加工面ＰＳにおいて二次元的に走査されてもよい。

この際、インクリメンタルエンコーダ１０の異常判定部６が異常を判定すると、モータ制御部２６はレーザー加工を中止してオペレータにその旨を警告する。これに応答して、オペレータはインクリメンタルエンコーダ１０を交換したり修理したりする。この結果、レーザー加工装置２０は、インクリメンタルエンコーダ１０の検出精度を維持して高精度なレーザー加工を行って歩留まりを向上することができる。

実施例１及び２のインクリメンタルエンコーダによれば、ミスカウントや回転部の軸受け劣化などの異常を検出できるため、歩留まりの向上と生産設備のメンテナンス計画の立案を容易にすることが可能となる。

以上、本発明について、具体的な実施例に基づいて説明した。ただし、本発明は上記実施例の内容に限定されるものではなく、本発明の技術思想の範囲内で適宜変更が可能である。例えば、本実施例では、光学式のインクリメンタルエンコーダについて説明したが、本発明は検出方法を限定されない。そして、本実施例では、スケールが可動でヘッドが固定であったが、検出方法に応じてこの関係は逆であってもよい。

実施例１のインクリメンタルエンコーダのブロック図である。 図１に示すインクリメンタルエンコーダのスケールに回転偏芯がある場合の平面図である。 図１に示すスケールの回転角度と第１のヘッドの検出角度との関係を示す図である。 図１に示すスケールの回転角度と第２のヘッドの検出角度との関係を示す図である。 図１に示すスケールの回転偏芯がスケールの半径の０．１％においてスケールの回転角度、第１及び第２のヘッドの検出角度の関係を示すグラフである。 図１に示すスケールの回転偏芯がスケールの半径の０．２％においてスケールの回転角度、第１及び第２のヘッドの検出角度の関係を示すグラフである。 図１に示すスケールの回転偏芯がスケールの半径の０．１％においてスケールの回転角度、第１及び第２のヘッドの検出角度、カウントミス時の検出角度の関係を示すグラフである。 本実施例の異常検出方法を説明するためのフローチャートである。 実施例２のインクリメンタルエンコーダのスケールに回転偏芯がある場合の平面図である。 図９に示すスケールの回転偏芯がスケールの半径の０．１％においてスケールの回転角度、第１乃至第３のヘッドの検出角度の関係を示すグラフである。 スケールの概略平面図である。 本実施例のインクリメンタルエンコーダを有するレーザー加工装置のブロック図である。 本実施例のインクリメンタルエンコーダを有するモータ位置決め装置のブロック図である。

符号の説明

１ａ、１ｂ ヘッド
２ スケール
３ａ、３ｂ カウンタ
４ａ、４ｂ 算出部
５ メモリ
６ 異常判定部
８ 演算部
１０ インクリメンタルエンコーダ

Claims (5)

1. 測定対象に接続されるスケールと、
   前記スケールを同時に検出してパルス信号をそれぞれ出力する第１及び第２のヘッドと、
   前記第１のヘッドの出力からのパルス信号のパルス数を計数する第１のカウンタと、
   前記第１のカウンタが計数したパルス数から前記測定対象の変位量を算出する第１の算出部と、
   前記第２のヘッドの出力からのパルス信号のパルス数を計数する第２のカウンタと、
   前記第２のカウンタが計数したパルス数から前記測定対象の変位量を算出する第２の算出部と、を有し、
   前記第１の算出部が算出した変位量と前記第２の算出部が算出した変位量とに基づいて前記測定対象の変位量を検出する変位量検出装置において、
   前記測定対象をある量変位させたときに前記第１の算出部が算出した第１の変位量と前記第２の算出部が算出した第２の変位量とを格納するメモリと、
   前記メモリに前記第１及び第２の変位量を格納した後、前記第１の算出部が前記第１の変位量と一致する又は近傍の変位量を算出したときに前記第２の算出部が算出した変位量と前記メモリに格納された前記第２の変位量との差が許容範囲外であると判断した場合に異常である旨を出力する異常判定部と、
   を有することを特徴とする変位量検出装置。
2. 前記スケールは前記測定対象とともに回転するスケールであり、
   前記スケールの中心に関して（３６０／ｎ）°間隔で配置されたｎ個のヘッドと、
   前記ｎ個のヘッドを用いて得られた前記スケールのｎ個の回転量を平均することによって前記測定対象の回転量を算出する演算部と、
   を有し、前記ｎ個のヘッドが前記第１及び第２のヘッドを備えることを特徴とする請求項１に記載の変位量検出装置。
3. 前記測定対象としてのモータ軸を有するモータと、
   前記モータ軸の回転量を検出する請求項１又は２に記載の変位量検出装置と、
   前記変位量検出装置の検出結果に基づいて前記モータの駆動を制御するモータ制御部と、
   を有することを特徴とするモータ位置決め装置。
4. 前記測定対象としてのモータ軸を有するモータと、
   前記モータ軸の回転量を検出する請求項１又は２に記載の変位量検出装置と、
   前記モータの前記モータ軸に接続され、レーザーからのレーザー光を案内する光学部材と、
   前記変位量検出装置の検出結果に基づいて前記モータの駆動を制御するモータ制御部と、
   を有することを特徴とするレーザー加工装置。
5. 測定対象に接続されるスケールを同時に検出する第１及び第２のヘッドを用いて得られる各変位量に基づいて前記測定対象の変位量を検出する変位量検出方法において、
   前記測定対象をある量変位させたときに得られる第１の変位量と第２の変位量とを予め記憶するステップと、
   その後、前記第１のヘッドを用いて得られる変位量が前記第１の変位量と一致する又は近傍の変位量を算出したときに前記第２のヘッドを用いて得られる変位量と前記第２の変位量との差が許容範囲外である場合に異常と判定するステップと、
   を有することを特徴とする変位量検出方法。