JP6114638B2

JP6114638B2 - エンコーダ

Info

Publication number: JP6114638B2
Application number: JP2013121291A
Authority: JP
Inventors: 慶顕加藤
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2013-06-07
Filing date: 2013-06-07
Publication date: 2017-04-12
Anticipated expiration: 2033-06-07
Also published as: CN104236494B; JP2014238342A; EP2811263A2; EP2811263B1; EP2811263A3; CN104236494A; US9036285B2; US20140362464A1

Description

本発明は、エンコーダに係り、特に、スケールに対して検出ヘッドが相対的に移動している際にも、複数のトラックの間の位置検出時刻の一致をさせることで、複数のトラックの間で生じる測定軸方向における位置誤差の抑制が可能なエンコーダに関する。

特許文献１には、２つのトラック（ＡＢＳパターンとＩＮＣパターン）が設けられたスケールとスケールに対して相対移動する検出ヘッドとを備え、２つのトラックそれぞれの位置情報の出力が可能な位置検出回路を有するエンコーダが開示されている。このようなエンコーダでは、信頼性の向上のため複数のトラックの同じ測定軸方向位置を位置検出回路が検出し互いに照合することができるようにされている。即ち、このようなエンコーダでは、スケールに対して検出ヘッドが測定軸方向で相対的に移動していても、２つのトラックにおける位置検出時刻が一致している際には、各トラックで同じ測定軸方向位置が検出可能とされている。

特開２００９−２５７８９１号公報

しかし、特許文献１のようなエンコーダでは、２つのトラックに対するそれぞれの位置検出回路の構成が互いに異なることもあり、実質的に２つのトラックにおける位置検出時刻を同一にすることが困難であった。しかも、スケールに対して検出ヘッドが測定軸方向で相対的に移動している際には、位置検出時刻が同一でなければその移動速度に従い２つのトラックの間の位置誤差が顕著に出てしまうおそれがあった。

本発明は、前記の問題点を解決するべくなされたもので、スケールに対して検出ヘッドが移動している際にも、複数のトラックの間の位置検出時刻の一致をさせることで、複数のトラックの間で生じる測定軸方向における位置誤差の抑制が可能なエンコーダを提供することを課題とする。

本願の請求項１に係る発明は、複数のトラックが設けられたスケールと該スケールに対して相対移動する検出ヘッドとを備え、該複数のトラックそれぞれの位置情報の出力が可能な位置検出回路を有するエンコーダにおいて、前記検出ヘッドに設けられるとともに前記スケールに対する相対速度を検出する速度検出手段と、前記相対速度と前記複数のトラックそれぞれの位置情報とに基づく微調整時間で、前記位置検出回路に対して前記複数のトラックの位置情報の出力を促す複数の出力要求信号の間に時間差を設ける遅延手段と、を備えたことにより、前記課題を解決したものである。

本願の請求項２に係る発明は、前記複数の出力要求信号で出力された前記複数のトラックそれぞれの位置情報の時間微分値を求め、互いの該時間微分値の間の差分値を演算し、前記相対速度の時間微分値で該差分値を除算して除算値を求める演算手段を備え、前記微調整時間を、該除算値がゼロに収束するように定めたものである。

本願の請求項３に係る発明は、前記微調整時間を定める際の除算値を、前記スケールの複数の位置それぞれで求められた除算値の移動平均としたものである。

本願の請求項４に係る発明は、前記複数の出力要求信号で出力された前記複数のトラックそれぞれの位置情報の間の差分値を演算し、前記相対速度で該差分値を除算して除算値を求める演算手段を備え、前記微調整時間を、該除算値がゼロに収束するように定めたものである。

本願の請求項５に係る発明は、前記微調整時間を定める際の除算値を、前記スケールの複数の位置それぞれで求められた除算値の移動平均としたものである。

本発明によれば、スケールに対して検出ヘッドが移動している際にも、複数のトラックの間の位置検出時刻の一致をさせることで、複数のトラックの間で生じる測定軸方向における位置誤差の抑制が可能となる。

本発明の第１実施形態に係るエンコーダの概略ブロック図同じくスケールと検出ヘッドとを示す概略図本発明の第２実施形態に係るエンコーダの概略ブロック図

以下、図面を参照して、本発明の実施形態の一例を詳細に説明する。

本発明に係る第１実施形態について、図１、図２を用いて説明する。

エンコーダ１００は、図１、図２に示す如く、スケール１０２とスケール１０２に対して相対移動する検出ヘッド１１０とを備えている。

前記スケール１０２には、図２に示す如く、平行に測定軸方向Ｘに延びる２つのトラック（第１トラック１０４と第２トラック１０６）が設けられている。具体的には、第１トラック１０４はＡＢＳトラックとされ、第２トラック１０６はＩＮＣトラックとされているが、第１、第２トラックともにＡＢＳトラックでもよいしＩＮＣトラックでもよい。

前記検出ヘッド１１０には、図１に示す如く、第１位置検出回路１１２と、第２位置検出回路１１４と、微分回路１１６、１１８、１２４と、差分回路１２０と、速度検出回路（速度検出手段）１２２と、除算回路１２６と、更新回路１２８と、遅延生成回路（遅延手段）１３０と、が設けられている。なお、少なくとも微分回路１１６、１１８、１２４と、差分回路１２０と、除算回路１２６と、で演算手段が構成されている。

第１位置検出回路１１２、第２位置検出回路１１４では、後述する出力要求信号Ｓｔ１、Ｓｔ２により、検出ヘッド１１０に対するスケール１０２の第１トラック１０４、第２トラック１０６それぞれの位置情報Ｘｆ、Ｘｓの出力が可能とされている。第１位置検出回路１１２は、第１トラック１０４、即ち、ＡＢＳトラックのパターン信号を処理して位置情報Ｘｆ（Ｘｆ（ｔ）とも称する）を求め出力する。それに対して、第２位置検出回路１１４は、第２トラック１０６、即ちＩＮＣトラックの一定周期のパターン信号を処理（カウント）して位置情報Ｘｓ（Ｘｓ（ｔ）とも称する）を求め出力する。第１位置検出回路１１２、第２位置検出回路１１４はそれぞれ、各トラック１０４、１０６のパターン信号の検出時点から位置情報Ｘｆ、Ｘｓの出力時点までに遅延時間Ｔｆ、Ｔｓを持っている。即ち、この遅延時間Ｔｆ、Ｔｓは、各トラック１０４、１０６のパターン信号を演算処理する時間とされている。ここで、検出ヘッド１１０がスケール１０２に対して相対速度ｖ（ｔ）（単に符号ｖとも称する）で移動しているとき、時刻ｔ０における検出ヘッド１１０の位置Ｘ（ｔ０）は式（１）で表せる。

しかしながら、時刻ｔｆに第１位置検出回路１１２から出力される第１トラック１０４の位置情報Ｘｆ（ｔｆ）は、図２に示す如く、第１位置検出回路１１２の遅延時間Ｔｆを考慮すると、時刻ｔｆ−Ｔｆに検出ヘッド１１０（図２の破線）が検出した位置情報である。従って、時刻ｔｆに第１位置検出回路１１２で得られる検出ヘッド１１０の位置情報Ｘｆ（ｔｆ）は、式（２）で表すことができる。

同様に、時刻ｔｆから微調整時間ｔａｄｊだけ遅れた時刻ｔｓ（＝ｔｆ＋ｔａｄｊ）に第２位置検出回路１１４から出力される第２トラック１０６の位置情報Ｘｓ（ｔｓ）は、第２位置検出回路１１４の遅延時間Ｔｓを考慮すると、時刻（ｔｆ＋ｔａｄｊ）−Ｔｓに検出ヘッド１１０が検出した位置情報である。従って、時刻ｔｓに第２位置検出回路１１４で得られる検出ヘッド１１０の位置情報Ｘｓ（ｔｓ）は、式（３）で表すことができる。

なお、定数Ｃｙａｗは、スケール１０２に対する検出ヘッド１１０のｙａｗ方向のミスアライメント等により第１トラック１０４に対する第２トラック１０６の測定軸方向Ｘの調整誤差を示している。

微分回路１１６、１１８はそれぞれ、図１に示す如く、第１、第２位置検出回路１１２、１１４に接続され、第１、第２位置検出回路１１２、１１４から出力される位置情報Ｘｆ、Ｘｓの時間微分を行う。即ち、微分回路１１６、１１８は、２つの出力要求信号Ｓｔ１、Ｓｔ２で出力された２つのトラック１０４、１０６それぞれの位置情報Ｘｆ、Ｘｓの時間微分値ｄＸｆ／ｄｔ、ｄＸｓ／ｄｔを求めている。つまり、微分回路１１６、１１８において、式（２）、式（３）から、それぞれ式（４）、式（５）の値が求められる。その時間微分値ｄＸｆ／ｄｔ、ｄＸｓ／ｄｔは、差分回路１２０に入力する。

差分回路１２０は、図１に示す如く、互いの時間微分値ｄＸｆ／ｄｔ、ｄＸｓ／ｄｔの間の差分値（位置誤差Ｅｒ（＝Ｘｓ（ｔｓ）−Ｘｆ（ｔｆ））の時間微分値）ｄＥｒ／ｄｔを演算し、除算回路１２６に対して出力する。即ち、差分回路１２０において、式（４）、式（５）から式（６）の値が求められる。

ここで、第１トラック１０４の位置検出時刻ｔｆ−Ｔｆから第２トラック１０６の位置検出時刻（ｔｆ＋ｔａｄｊ）−Ｔｓまでの時間が十分短く、この間に相対速度ｖの変動がないと仮定すると、差分回路１２０において、式（６）から式（７）の値が求められる。なお、式（７）では、遅延時間の差Ｔｓ−Ｔｆを回路遅延時間Ｔｄと定義している（Ｔｄ＝Ｔｓ−Ｔｆ）。

一方、速度検出回路１２２は、図１に示す如く、検出ヘッド１１０のスケール１０２に対する相対速度ｖを検出し、微分回路１２４に対して出力する。微分回路１２４は、相対速度ｖの時間微分値ｄｖ／ｄｔを求め、除算回路１２６に対して出力する。

除算回路１２６は、図１に示す如く、相対速度ｖの時間微分値ｄｖ／ｄｔで差分値ｄＥｒ／ｄｔを除算して除算値ｄＥｒ／ｄｖを求め、更新回路１２８に対して出力する。即ち、除算回路１２６において、式（７）から式（８）の値が求められる。

更新回路１２８は、図１に示す如く、遅延生成回路１３０に接続されており、遅延生成回路１３０に設定する微調整時間ｔａｄｊを更新する。微調整時間ｔａｄｊは、除算値ｄＥｒ／ｄｖがゼロとなれば変化しないように定められる。即ち、前回求めた微調整時間ｔａｄｊｏに対して、今回の微調整時間ｔａｄｊは式（９）、又は式（１０）の如く求めることができる。つまり、更新回路１２８において、前回の微調整時間ｔａｄｊｏに基づいて今回の微調整時間ｔａｄｊを式（９）又は式（１０）に示す如く求める。なお、図１に示す符号βは、除算値ｄＥｒ／ｄｖの係数、又は除算値ｄＥｒ／ｄｖを引数とする関数を用いることを象徴的に示したものである。

言い換えれば、微調整時間ｔａｄｊは、除算値ｄＥｒ／ｄｖがゼロに収束するように定められている。なお、式（９）の係数ｋは、正の実数であり、処理する時間間隔や微調整時間ｔａｄｊの収束精度・速度に応じて適宜定めることができる（式（１５）も同様）。また、式（１０）の関数ｓｇｎ（引数）は、符号関数であり、引数Ｂ（＝ｄＥｒ／ｄｖ）の符号によって式（１１）に示す如く、引数Ｂが正の場合は１、０の場合は０、負の場合は−１を出力する（式（１６）も同様）。なお、関数ｓｇｎ（引数）には、適宜係数を乗ずることができる。式（９）は前回の微調整時間ｔａｄｊｏに対して今回の微調整時間ｔａｄｊを連続的（漸近的）に近づけることを意図したのに対して、式（１０）は前回の微調整時間ｔａｄｊｏに対して今回の微調整時間ｔａｄｊを階段状に近づけることを意図したものである。更新回路１２８では、今回の微調整時間ｔａｄｊで前回の微調整時間ｔａｄｊｏを更新し、図示せぬ記憶部に格納しておく。

遅延生成回路１３０は、図１に示す如く、第１位置検出回路１１２に出力を促す第１出力要求信号Ｓｔ１に対して、更新回路１２８で設定される微調整時間ｔａｄｊの分、第２位置検出回路１１４に出力を促す第２出力要求信号Ｓｔ２を遅延させる回路である。即ち、遅延生成回路１３０は、相対速度ｖに基づく微調整時間ｔａｄｊと２つのトラック１０４、１０６それぞれの位置情報Ｘｆ，Ｘｓとで、第１、第２位置検出回路１１２、１１４に対して２つのトラック１０４、１０６の位置情報Ｘｆ、Ｘｓの出力を促す２つの出力要求信号Ｓｔ１、Ｓｔ２の間に時間差を設けている。この微調整時間ｔａｄｊは、更新回路１２８で随時更新するようにされている。つまり、検出ヘッド１１０では、差分値ｄＥｒ／ｄｔと検出ヘッド１１０の相対速度ｖの時間微分値ｄｖ／ｄｔとを監視し、除算値ｄＥｒ／ｄｖがゼロとなるよう微調整時間ｔａｄｊをフィードバック制御している。それにより、第１トラック１０４、第２トラック１０６の位置検出時間が一致するように制御している。

なお、第１、第２出力要求信号Ｓｔ１、Ｓｔ２は、出力要求信号Ｓｔを分岐した信号であり、エンコーダ１００の外部からエンコーダ１００に位置情報Ｘｆ、Ｘｓの出力を要求する出力要求回路（図示せず）から出力される。

このように、本実施形態においては、除算値ｄＥｒ／ｄｖがゼロになるように微調整時間ｔａｄｊをフィードバック制御するので、２つのトラック１０４、１０６の位置検出時刻が一致するように微調整時間ｔａｄｊが定められる。つまり、第１、第２位置検出回路１１２、１１４に使用されている抵抗値、コンデンサー値のばらつき等により、個々の検出回路１１２、１１４の遅延時間Ｔｆ、Ｔｓにばらつきがあっても、個々に調整作業を行う手間が必要とならない。同時に、フィードバック制御することで、単に計算による推定で微調整時間ｔａｄｊを求めるよりも、位置検出時刻を高精度に同一とすることが可能である。従って、相対速度ｖが変動することで２つのトラック１０４、１０６の間で生じる測定軸方向Ｘにおける位置誤差Ｅｒの変動を防止することができる。

しかも、本実施形態においては、検出ヘッド１１０のｙａｗ方向のミスアライメント等により第１トラック１０４に対する第２トラック１０６の測定軸方向Ｘの調整誤差Ｃｙａｗが生じている状況下においても、その調整誤差Ｃｙａｗを排除することができる。即ち、ｙａｗ方向のミスアライメントのような相対速度ｖによらない要因で２つのトラック１０４、１０６の間で生じる調整誤差Ｃｙａｗの影響も排除することができる。

従って、本実施形態においては、スケール１０２に対して検出ヘッド１１０が移動している際にも、２つのトラック１０４、１０６の間の位置検出時刻の一致をさせることで、２つのトラック１０４、１０６の間で生じる測定軸方向Ｘにおける位置誤差Ｅｒの抑制が可能となる。

本発明について上記実施形態を挙げて説明したが、本発明は第１実施形態に限定されるものではない。即ち本発明の要旨を逸脱しない範囲においての改良並びに設計の変更が可能なことは言うまでもない。

例えば、第１実施形態においては、３つの微分回路１１６、１１８、１２４が設けられ、除算回路１２６で除算値ｄＥｒ／ｄｖが演算されていたが、本発明はこれに限定されず、例えば図３に示す第２実施形態の如くであってもよい。

第２実施形態においては、第１、第２位置検出回路２１２、２１４、速度検出回路２２の出力に対して時間微分は行わずに微調整時間ｔａｄｊを演算するようにされている。以下に説明する。なお、少なくとも差分回路２２０と、除算回路２２６と、で演算手段が構成されている。以下、第１実施形態と重複する要素については、符号の下２桁を同一にして重複した説明を省略する。

差分回路２２０は、２つの出力要求信号Ｓｔ１、Ｓｔ２で出力された２つのトラック２０４、２０６それぞれの位置情報Ｘｆ、Ｘｓの間の差分値（位置誤差）Ｅｒを演算し、除算回路２２６に対して出力する。即ち、差分回路２２０において、式（４）、式（５）から式（１２）の値が求められる。

ここで、第１トラック２０４の位置検出時刻ｔｆ−Ｔｆから第２トラック２０６の位置検出時刻（ｔｆ＋ｔａｄｊ）−Ｔｓまでの時間が十分短く、この間に相対速度ｖの変動がないと仮定すると、差分回路２２０において、式（１２）から式（１３）の値が求められる。

一方、速度検出回路２２２は、図３に示す如く、検出ヘッド２１０のスケール２０２に対する相対速度ｖを検出し、除算回路２２６に対して出力する。

除算回路２２６は、図３に示す如く、相対速度ｖで差分値Ｅｒを除算して除算値Ｅｒ／ｖを求め、更新回路２２８に対して出力する。即ち、除算回路２２６において、式（１３）から式（１４）の値が求められる。なお、このとき、調整誤差Ｃｙａｗは相対速度ｖに対して極めて小さいとしている（Ｃｙａｗ＜＜ｖ）。

更新回路２２８は、図３に示す如く、遅延生成回路２３０に接続されており、遅延生成回路２３０に設定する微調整時間ｔａｄｊを更新する。微調整時間ｔａｄｊは、除算値Ｅｒ／ｖがゼロとなれば変化しないように定められる。即ち、前回求めた微調整時間をｔａｄｊｏとするならば、今回の微調整時間ｔａｄｊは式（１５）、又は式（１６）の如く求めることができる。つまり、更新回路２２８において、前回の微調整時間ｔａｄｊｏに基づいて今回の微調整時間ｔａｄｊを式（１５）又は式（１６）に示す如く求める。

言い換えれば、微調整時間ｔａｄｊは、除算値Ｅｒ／ｖがゼロに収束するように定められている。

遅延生成回路２３０は、図３に示す如く、第１位置検出回路２１２に出力を促す第１出力要求信号Ｓｔ１に対して、更新回路２２８で設定される微調整時間ｔａｄｊの分、第２位置検出回路２１４に出力を促す第２出力要求信号Ｓｔ２を遅延させる回路である。即ち、相対速度ｖに基づく微調整時間ｔａｄｊと２つのトラック２０４、２０６それぞれの位置情報Ｘｆ、Ｘｓとで、第１、第２位置検出回路２１２、２１４に対して２つのトラック２０４、２０６の位置情報Ｘｆ、Ｘｓの出力を促す２つの出力要求信号Ｓｔ１、Ｓｔ２の間に時間差を設けている。この微調整時間ｔａｄｊは、更新回路２２８で随時更新するようにされている。つまり、検出ヘッド２１０では、差分値Ｅｒと検出ヘッド２１０の相対速度ｖとを監視し、除算値Ｅｒ／ｖがゼロとなるよう微調整時間ｔａｄｊをフィードバック制御している。それにより、第１トラック２０４、第２トラック２０６の位置検出時間が一致するように制御している。

従って、第２実施形態においても、除算値Ｅｒ／ｖがゼロになるように微調整時間ｔａｄｊをフィードバック制御するので、２つのトラック２０４、２０６の位置検出時刻が一致するように微調整時間ｔａｄｊが定められる。つまり、第１、第２位置検出回路２１２、２１４に使用されている抵抗値、コンデンサー値のばらつき等により、各位置検出回路２１２、２１４の遅延時間Ｔｆ、Ｔｓにばらつきがあっても、個々に調整作業を行う手間が必要とならない。同時に、フィードバック制御することで、単に計算による推定で微調整時間ｔａｄｊを求めるよりも、位置検出時刻を高精度に同一とすることが可能である。従って、相対速度ｖが変動することで２つのトラック２０４、２０６の間で生じる測定軸方向Ｘにおける位置誤差Ｅｒの変動を防止することができる。

また、本実施形態においては、第１実施形態よりも演算量を少なくできるので、より高速に演算処理が可能になる、あるいはエンコーダ２００を低コスト化することが可能である。

また、上記実施形態においては、更新回路から出力される微調整時間ｔａｄｊは、除算回路で演算された１つの除算値を用いて求められていたが、本発明はこれに限定されない。例えば、微調整時間ｔａｄｊを定める際の除算値が、スケールの複数の位置それぞれで求められた除算値の移動平均とされていてもよい。

即ち、第１実施形態においては、更新回路が、式（９）、式（１０）の代わりに、式（１７）、式（１８）で示す微調整時間ｔａｄｊを出力することができる。また、第２実施形態においては、更新回路が、式（１５）、式（１６）の代わりに、式（１９）、式（２０）で示す微調整時間ｔａｄｊを出力することができる。なお、符号ｍは２以上の整数とされている。

このように、微調整時間ｔａｄｊを定める際の除算値が、例えば除算回路で演算されることで、スケールの複数の位置それぞれで求められた除算値の移動平均とされている場合には、何らかの誤検出による微調整時間ｔａｄｊの変動を低減でき、かつ一時的なちらつきを抑制することが可能となる。

また、上記実施形態においては、エンコーダは反射型の光電式リニアエンコーダとしていたが、本発明はこれに限定されない。例えば透過型の光電式リニアエンコーダであってもよい。或いは、光電式エンコーダではなく、周期的に形成された電極パターンを備える磁気式エンコーダや静電容量式エンコーダ、周期的に形成されたコイルパターンを備える電磁誘導式エンコーダ等、他の検出方式のエンコーダであってもよい。

また、上記実施形態においては、トラックが２つとされ、位置検出回路も対応して２つとされていたが、本発明はこれに限定されない。例えばエンコーダに３つ以上のトラックが設けられていてもよい。

本発明は、複数のトラックが設けられたスケールと該スケールに対して相対移動する検出ヘッドとを備え、該複数のトラックそれぞれの位置情報の出力が可能な位置検出回路を有するエンコーダであって、光電式エンコーダ、磁気式エンコーダ、静電容量式エンコーダ、電磁誘導式エンコーダ等に広く適用することができる。

１００、２００…エンコーダ
１０２、２０２…スケール
１０４、２０４…第１トラック
１０６、２０６…第２トラック
１１０、２１０…検出ヘッド
１１２、２１２…第１位置検出回路
１１４、２１４…第２位置検出回路
１１６、１１８、１２４…微分回路
１２０、２２０…差分回路
１２２、２２２…速度検出回路
１２６、２２６…除算回路
１２８、２２８…更新回路
１３０、２３０…遅延生成回路

Claims

複数のトラックが設けられたスケールと該スケールに対して相対移動する検出ヘッドとを備え、該複数のトラックそれぞれの位置情報の出力が可能な位置検出回路を有するエンコーダにおいて、
前記検出ヘッドに設けられるとともに前記スケールに対する相対速度を検出する速度検出手段と、
前記相対速度と前記複数のトラックそれぞれの位置情報とに基づく微調整時間で、前記位置検出回路に対して前記複数のトラックの位置情報の出力を促す複数の出力要求信号の間に時間差を設ける遅延手段と、
を備えることを特徴とするエンコーダ。
前記複数の出力要求信号で出力された前記複数のトラックそれぞれの位置情報の時間微分値を求め、互いの該時間微分値の間の差分値を演算し、前記相対速度の時間微分値で該差分値を除算して除算値を求める演算手段を備え、
前記微調整時間は、該除算値がゼロに収束するように定められることを特徴とする請求項１に記載のエンコーダ。
前記微調整時間を定める際の除算値は、前記スケールの複数の位置それぞれで求められた除算値の移動平均とされていることを特徴とする請求項２に記載のエンコーダ。
前記複数の出力要求信号で出力された前記複数のトラックそれぞれの位置情報の間の差分値を演算し、前記相対速度で該差分値を除算して除算値を求める演算手段を備え、
前記微調整時間は、該除算値がゼロに収束するように定められることを特徴とする請求項１に記載のエンコーダ。
前記微調整時間を定める際の除算値は、前記スケールの複数の位置それぞれで求められた除算値の移動平均とされていることを特徴とする請求項４に記載のエンコーダ。