JP5244912B2 - 磁気エンコーダおよび基準マークアプリケータ - Google Patents

Description

本発明は磁気エンコーダに関する。この種のエンコーダは、サーボモーター等の回転駆動される要素の駆動軸に取り付けられたときや、直線アクチュエータ等の直線駆動される要素に取り付けられたとき、位置情報を発生するために用いられる。

エンコーダは、機械における相対移動可能な２つの部品の相対的な回転位置または直線位置を検出するための装置として機能する。これは、このような機械の正確な位置決めと、速度および加速度といった量の正確な決定とを可能にする。異なった多くの種類のエンコーダがこのような目的のために利用可能である。

増分（incremental）タイプの磁気エンコーダは、回転または直線スケールを備え、当該スケールは、機械部品の一つに取り付けられた、一連の離間された磁気マークを有する。読み取りヘッドが、スケールに沿って移動するよう他の機械要素に取り付けられ、マークを読み取り、周期的あるいはパルス状の信号を発生する。カウンタが、周期またはパルスをカウントし、位置出力を与える。これは例えば、移動を制御するサーボ機構を位置決めするための位置フィードバックとして用いられる。

しかしながら、増分タイプエンコーダは、装置から動力が除かれたとき常に初期化を必要とする。エンコーダを初期化することは、「ホーム」または基準位置を検知することを必要とし、それは後の位置測定のための基準（または起点、またはゼロ点）として用いられる。仮に初期化プロセスが誤差を含むなら、すべての後の測定は誤差を含むであろう。従って、この目的のため、スケールに基準マーカーを設けることが知られている。

スケールが機械に設置されるとき、スケールに沿った基準マーカーの位置を選択できるのがユーザにとって望ましい。従って幾つかの公知のエンコーダは、複数の基準マーカーを設け、例えば外部スイッチにより、何れが使用されるかをユーザが選択することを許容する。しかしながら、このスイッチ（および関連の電子部品）を設けることは、高価で不都合である。

他のアプローチは、スケールに隣接した、ユーザが望む位置に設置することができる、分離した基準マーカーを設けることである。しかしながら、これは追加のスペースを必要とするので利用できないかもしれない。

本発明の第１の態様は、一連の離間された周期的磁気マークを有する磁気エンコーダスケールであって、基準マークを前記スケールに沿って配置するためのアプリケータまたはテンプレートを備え、前記アプリケータまたはテンプレートが、前記周期的スケールマークに対応する一以上の磁気マークであって、これにより前記アプリケータまたはテンプレートが、スケール上に置かれたとき、前記周期的スケールマークに対して規定された位相関係を自動的に取る磁気マークと、前記基準マークを配置するかまたは形成するための要素と、を備える磁気エンコーダスケールを提供する。

本発明の第２の態様は、前記第１の態様で規定されるような磁気エンコーダと共に使用されるアプリケータ（付加器；applicator）またはテンプレートを提供する。

本発明の第３の態様は、そのようなアプリケータまたはテンプレートを用いて、磁気エンコーダスケールに基準マーカーを付加する方法を提供する。

本発明の好適実施形態が、添付図面の参照と共に、例示目的のため以下に説明される。

スケールと読み取りヘッドを備えたエンコーダを示す図である。 図１のスケールと読み取りヘッドを端部から見た図である。 読み取りヘッドの電子回路の簡略化された概略図である。 読み取りヘッドによって生成された信号を示す図である。 アプリケータテンプレートの第１実施形態を示す図である。 アプリケータテンプレートの第２実施形態とその使用方法を示す図である。 アプリケータテンプレートの第２実施形態とその使用方法を示す図である。 アプリケータテンプレートの第２実施形態とその使用方法を示す図である。 第２実施形態に使用される基準マーカーの構造を示す図である。 第２実施形態に使用される基準マーカーの構造を示す図である。 第２実施形態に使用されるアプリケータテンプレートの構造を示す図である。 第２実施形態に使用されるアプリケータテンプレートの構造を示す図である。 本発明に従う方法の第３実施形態と、この方法で使用されるアプリケータテンプレートを示す図である。 本発明に従う方法の第３実施形態と、この方法で使用されるアプリケータテンプレートを示す図である。 本発明に従う方法の第３実施形態と、この方法で使用されるアプリケータテンプレートを示す図である。 図１に示されたようなスケール１０を再び用いた、更なる実施形態を示す図である。 図１に示されたようなスケール１０を再び用いた、更なる実施形態を示す図である。 図１に示されたようなスケール１０を再び用いた、更なる実施形態を示す図である。 図１に示されたようなスケール１０を再び用いた、更なる実施形態を示す図である。

図１は、磁気増分エンコーダを示す。エンコーダは、伸長されたスケールアセンブリ１０と読み取りヘッド１２とを備える。当該技術において一般的に知られているように、スケールアセンブリ１０は周期的磁化パターンを含む。周期的磁化パターンは、例えば、スケールアセンブリの長手端縁と垂直に延びる、一連の、比較的細かく離間された、交互の磁極である。長手方向における各磁極の長さが図１にＤで示され、これは例えば２ｍｍである。スケール１０は、適切には磁気テープの形態である。テープはスチール基盤（図示せず）を有し、スチール基盤は、交互に入れ替わる磁極の磁気パターンを有するゴム被覆の磁気層によって覆われる。基盤は、機械部品への取り付けのため、その裏面に粘着層を有する。粘着層は、使用時に剥がされる裏貼り層によって保護される。このような磁気テープは商業的に利用可能である。

機械の相対移動可能部品が互いに長手方向に相対移動できるよう、スケールアセンブリ１０が相対移動可能部品の一方に取り付けられるかまたは固定され、読み取りヘッド１２が他方に取り付けられるかまたは固定される。読み取りヘッドは回路を有し、回路は、周期的磁気パターンに応答し、相対動作の指示値を与える。基準マーカー１１も図１に示され、これは軟鉄等の磁性材料から作られる。これは、後述するように、スケールの幅の一部にのみ取り付けられる。

図２は、スケール上の、読み取りヘッドアセンブリ１２の簡略化された端部から見た図を示す。図示される実施形態において、読み取りヘッドは、分離された２組の磁気検出器１６−１および１６−２と、信号調整および補間のための電子回路１８とを含む。磁気検出器１６の一方の組（例えば１６−１）は、スケールアセンブリ１０のスケールパターンと連携して作動し、比較的高精度で、増分相対運動を検出する。他方の組（例えば１６−２）はマーカー１１を検出し、マーカー１１は、絶対位置指示値のための基準または指標を確立するために使用される。磁気検出器は異なる技術で実現されることができる。例えば、磁気抵抗グラジオメーターまたはホールセンサである。以下に磁気抵抗グラジオメーターを用いた例を説明する。

図３は、読み取りヘッドの簡略化された電子回路を示す。磁気抵抗センサ１６−１および１６−２は、スケールアセンブリ１０上の磁界の勾配を検知する。信号調整補間回路１８は、磁気抵抗センサ１６−１からの直交正弦入力信号（quadrature sinusoidal input signals）を増幅し、公知の補間処理によって、測定分解（measuring resolution）を増加する。図４は、生成された正弦波信号と、基準信号との信号線図を示す。検出器１６−１は、正弦波形状の増分信号Ｓ１，Ｓ２を生成する。増分信号Ｓ１，Ｓ２は、それらの周期の１／４だけ互いにずれている。これらは、その後の補完と、カウントによる測定とに用いられる。

検出器１６−２も、正弦波形状の増分信号Ｓ３を生成する。増分信号Ｓ３は、マーカー１１上を移動したとき、位相と振幅を乱される。回路１８は、この乱れを検出することにより、基準パルスを生成する。以下に論じられるように、乱れは、信号Ｓ１，Ｓ２に対し、一定の位相の関係を有する。回路１８はさらに、正弦波信号から派生したデジタル直交出力により、基準パルスをゲート操作する。これにより、センサにより生成される正弦波信号の１周期内における、厳密に規定された一つの位相位置（これはプログラム可能な場合がある）のみで、それが可能になる。

基準マーカー１１が、スケールの幅に沿って部分的にしか延びないので、電子回路１８が、最大の位相乱れがある位置を決定するため、信号Ｓ３を信号Ｓ１，Ｓ２の一方と比較することが可能である。これは、基準パルスの位置を規定するために使用される。図５は、マーカー１１をスケールアセンブリに、一定の位相関係で位置付けるための、シンプルなアプリケータテンプレート装置を示す。このアプリケータ装置は、スケールアセンブリ１０と同様に磁化され、同じ磁極長Ｄを有する細長い磁石片（磁石ストリップ；magnetic strip）２０を備える。溝その他の凹部２２が磁石片２０に機械加工される。

マーカー１１の設置手順は次の通りである。
・ユーザは、溝２２が基準マークのための所望の位置に位置されるよう、磁石片２０をスケールアセンブリ１０上に置く。
・ユーザは、磁石片の溝２２の中に基準マーカー１１を置く。
・ユーザは、マーカー１１を残して、磁石片２０を取り除く。マーカーは、接着剤または両面テープにより、スケールアセンブリの表面上に固定される。

片２０とスケール１０の反対の磁極のため、片はスケールに対し、積極的に規定された（positively-defined）位相位置を取る。これは、溝２２そしてマーカー１１が、周期的な磁気スケールパターンに対して、所定の位相位置を有することを保証する。よって、信号Ｓ３および基準パルス出力における結果的な乱れは、信号Ｓ１，Ｓ２に対し、望ましい固定の位相関係を有する。基準パルスは双方向性である（すなわち、それは、スケール上の読み取りヘッドの前後両方の移動にとって同じ位相位置を有する）。

図６，７，８は、スケールおよび基準マーカーの第２実施形態を示す。スケール３０は、交互に磁極が変わる周期的パターンを有する磁気テープの形態である。それは、図１に示されたのと同様の商業的に利用可能な構造を有することができる。アプリケータテンプレート３２は、同一ピッチの、類似の周期的磁気パターンを有する。アプリケータテンプレート３２は、Ｌ字形状を有し、スケール３０と同じテープから切り取られることができる。アプリケータテンプレートの脚部３３は、スケール３０の全幅に延び、他方、テンプレートの残部は、スケールの幅の約半分を有する。

図６Ａは、図５に示されたのと同様の方法で、使用時、アプリケータテンプレート３２がスケール３０上に置かれ、スケールに対し積極的に規定された位相位置を自動的に取ることを示す。次に、図６Ａ，６Ｂに示されるように、接着剤付きの磁気基準マーカーが、ガイドとしてのアプリケータテンプレート３２を用いて、定位置に置かれ、テープ３０に取り付けられる。特に、マーカー３４は、スケールパターンに対するその位相関係を規定するため、脚部３３に突き合わされる。最後に、図６Ｃに示されるように、アプリケータテンプレートは、マーカーを残して取り除かれる。

図７Ａは、基準マーカーラベル３４の構造を示す。それは、二つの非磁性（例えばプラスチック）プレート３６を備え、これらの間には、例えば軟鉄製の磁石プレート３８が配置される。これらは両面テープ４０上に支持され、ラベル４２は、結果としてのアセンブリの頂面上に積層される。図７Ｂは、完成されたマーカー３４を示す。当然、他の構造が可能である。例えば、組立容易のため、マーカー３４の全長に延びる唯一のプラスチックプレート３６があってもよく、これは、より小さい軟鉄プレート３８が圧入される中央の穴を有してもよい。

図８Ａ，８Ｂは、Ｌ字形磁気アプリケータテンプレート３２の可能な構造を示す。それは、形取られた磁性材料（例えばゴム製）のＬ字形本体４４を備える。これは、例えばテフロン（ポリテトラフルオロエチレン、ＰＴＦＥ）のプラスチックテープ４６の頂面上に支持される。

以上に述べた実施形態において、マーカー１１，３４はスケールの表面に取り付けられる。これは次の場合に問題を生じさせるかもしれない。すなわち、マーカーの厚さ上にクリアランスが存在しなければならないため、例えば低い準分割エラー（sub-divisional error）を可能にすべく読み取りヘッドがスケール上の低い車高（ライドハイト；ride height）を有することを要求された場合、および／または、スケールが高い分解能を有する場合である。そこで、図９，１０，１１が代替例を説明する。

図９に示されるように、基準マーカーは別個の鉄プレートから形成されない。その代わりに、それは、凹部５２を残して、スケール５０の幅の一部の材料を除去することによって形成される。スケールが前述のテープから作られ、ゴム化磁性材料がスチール基盤テープ上に設けられる場合、凹部は、ゴム化材料にのみ除去形成され、凹部５２内でスチールテープを露出させる。図１０に示されるように、次いで凹部５２は、樹脂等の適当な非磁性材料５４で満たされる。

図１１に示されるように、凹部は、テンプレート５６を用いて切除される。これは、前記実施形態同様、磁気パターンを有し、それをスケール５０上に積極位相関係で位置させる。テンプレートは、凹部５２を切除するためのフライス６０を案内するために用いられる切欠き５８を有する。

フライス６０の使用は、基準マーカーがスケール製造業者によって形成される場合に、適当である。しかし、スケールが機械に設置される時に基準マーカーがユーザによって配置される場合には、ホールパンチを用いて凹部５２を形成する方が容易であるかもしれない。これは、凹部のゴム化磁性材料を取り除くが、スチール基盤を残す。再び、テンプレート５６がガイドとして用いられ、周期的なスケールパターンに対するマーカーの位相関係を保証する。

図１２〜１５は、図１に示されたようなスケール１０を再び用いた、更なる実施形態を示す。

スケールに付着された基準マーク１１、あるいはスケールから切除した基準マーク１１を設けるというよりはむしろ、本実施形態の基準マークは、図１２に示されるように、既存の磁極ピッチのうちの一つの領域６０におけるスケールを、さらに磁化させることによって、提供される。前述したように、これは、基準マークの位置を決定するため、乱れた位相を有する信号Ｓ３を生成する。追加の磁化部分は、スケールの幅の一部のみを横切って延び、幅の半分未満を占め、これにより、前記同様、増分信号Ｓ１，Ｓ２は乱れ無く読み取られる。

更なる磁化部分は、強磁石（好ましくは永久磁石）を、例えばスケールと接触するよう、領域６０におけるスケールとの磁化関係へと押圧することによって、作られる。図１３〜１５はこれを行うためのアプリケータを示す。

アプリケータは、磁石６４が取り付けられるハウジング６２を備える。磁石は、ばね６６によってハウジング内で付勢される。ハウジングの下側に、スケール１０と同じピッチの、短い一連の磁極が設けられる。前記同様、これは、スケールと同じ材料の片６８であるのが便利である。

図１３に示されるように、アプリケータは、スケール１０に対向して置かれ、スケールの磁極と反対の片６８の磁極の自己整列（セルフアライメント）によって、予め定められたスケールとの位相関係を取る。

次に、図１４に示されるように、ユーザは、ばね６６の付勢に逆らって磁石６４を押し下げる。これは、磁石を領域６０でスケールに接触させ、さらなる磁化部分を形成する。示されるように、磁石は、領域６０の既存の磁気に対し反対の極性が向けられ、これにより、さらなる磁気が既存の磁気を強化する。しかしながら、代替的に、それは、同じ極性を有して、既存の磁気を減じるかまたは逆転してもよい。

最後に、図１５に示されるように、ユーザは磁石６４を解放し、それはばね６６の動作の下で引っ込む。そしてアプリケータはスケールから取り外される。

直線スケールが説明されたが、本発明は回転スケールにも等しく適用可能である。

Claims (17)

1. 一連の離間された周期的磁気マークを有する磁気エンコーダスケールであって、基準マークを前記スケールに沿って配置するためのアプリケータまたはテンプレートを備え、前記アプリケータまたはテンプレートが、
   前記周期的スケールマークに対応する一以上の磁気マークであって、これにより前記アプリケータまたはテンプレートが、スケール上に置かれたとき、前記周期的スケールマークに対して規定された位相関係を自動的に取る磁気マークと、
   前記基準マークを配置するかまたは形成するための要素と、を備える
   磁気エンコーダスケール。
2. 前記要素が、前記アプリケータまたはテンプレートにおける凹部を備える請求項１に記載の磁気エンコーダスケール。
3. 前記アプリケータまたはテンプレートがＬ字形状である請求項１または２に記載の磁気エンコーダスケール。
4. 前記基準マークを画成する基準マーカーを備え、前記マーカーが前記スケールの表面に取り付けられる請求項１〜３のいずれか一項に記載の磁気エンコーダスケール。
5. 前記基準マークが、前記スケールから材料を除去することにより形成される請求項１〜３のいずれか一項に記載の磁気エンコーダスケール。
6. 前記アプリケータが、前記スケールとの磁化関係に移動可能な磁石を備え、その領域にさらなる磁化を与える請求項１〜５のいずれか一項に記載の磁気エンコーダスケール。
7. 前記基準マークが、前記スケールの一部の幅のみに沿って延びる請求項１〜６のいずれか一項に記載の磁気エンコーダスケール。
8. 一連の離間された周期的磁気マークを有する磁気エンコーダスケールと共に用いられるアプリケータまたはテンプレートであって、基準マークを前記スケールに沿って配置するためのものであり、前記アプリケータまたはテンプレートが、
   前記周期的スケールマークに対応する一以上の磁気マークであって、これにより前記アプリケータまたはテンプレートが、スケール上に置かれたとき、前記周期的スケールマークに対して規定された位相関係を自動的に取る磁気マークと、
   前記基準マークを配置するかまたは形成するための要素と、を備えるアプリケータまたはテンプレート。
9. 前記要素が、前記アプリケータまたはテンプレートにおける凹部を備える請求項８に記載のアプリケータまたはテンプレート。
10. 前記アプリケータまたはテンプレートがＬ字形状である請求項８または９に記載のアプリケータまたはテンプレート。
11. 前記基準マークを画成する基準マーカーを備え、前記マーカーが前記スケールの表面に取り付け可能である請求項８〜１０のいずれか一項に記載のアプリケータまたはテンプレート。
12. 前記スケールから材料を除去することにより前記基準マークの形成を案内するための請求項８〜１０のいずれか一項に記載のアプリケータまたはテンプレート。
13. 前記アプリケータが、前記スケールとの磁化関係に移動可能な磁石を備え、その領域にさらなる磁化を与える請求項８〜１２のいずれか一項に記載のアプリケータまたはテンプレート。
14. 一連の離間された周期的磁気マークを有する磁気エンコーダスケールに基準マークを付加する方法であって、
    前記周期的スケールマークに対応する一以上の磁気マークを有するアプリケータまたはテンプレートを設けるステップと、
    前記アプリケータまたはテンプレートを前記スケール上に置き、その前記一以上の磁気マークに、前記周期的スケールマークに対して規定された位相関係を自動的に取らせるステップと、
    前記基準マークを配置するかまたは形成するため、前記アプリケータまたはテンプレートの要素を用いるステップと、
    を備える方法。
15. 一連の離間された周期的磁気スケールマークを有する磁気エンコーダスケールであって、基準マークを前記スケールに沿って配置するためのアプリケータまたはテンプレートを備え、前記アプリケータまたはテンプレートが、
    前記一連の周期的磁気スケールマークと実質的に同じピッチを有する一連の磁気マークであって、これにより前記アプリケータまたはテンプレートが、前記周期的磁気スケールマークの磁極と反対の前記磁気マークの磁極の自己整列により、スケール上に置かれたとき、前記周期的磁気スケールマークに対して規定された位相関係を自動的に取る磁気マークと、
    前記基準マークを配置するかまたは形成するための要素と、を備える
    磁気エンコーダスケール。
16. 一連の離間された周期的磁気スケールマークを有する磁気エンコーダスケールと共に用いられるアプリケータまたはテンプレートであって、基準マークを前記スケールに沿って配置するためのものであり、前記アプリケータまたはテンプレートが、
    前記一連の周期的磁気スケールマークと実質的に同じピッチを有する一連の磁気マークであって、これにより前記アプリケータまたはテンプレートが、前記周期的磁気スケールマークの磁極と反対の前記磁気マークの磁極の自己整列により、スケール上に置かれたとき、前記周期的磁気スケールマークに対して規定された位相関係を自動的に取る磁気マークと、
    前記基準マークを配置するかまたは形成するための要素と、を備えるアプリケータまたはテンプレート。
17. 一連の離間された周期的磁気スケールマークを有する磁気エンコーダスケールに基準マークを付加する方法であって、
    前記周期的磁気スケールマークと実質的に同じピッチを有する一連の磁気マークを有するアプリケータまたはテンプレートを設けるステップと、
    前記アプリケータまたはテンプレートを前記スケール上に置き、前記周期的磁気スケールマークの磁極と反対の前記磁気マークの磁極の自己整列により、前記アプリケータまたはテンプレートに、前記周期的磁気スケールマークに対して規定された位相関係を自動的に取らせるステップと、
    前記基準マークを配置するかまたは形成するため、前記アプリケータまたはテンプレートの要素を用いるステップと、
    を備える方法。

Images