JP7083528B1

JP7083528B1 - 位置測定装置

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Publication number: JP7083528B1
Application number: JP2021000810A
Authority: JP
Inventors: 三男眞鍋
Original assignee: 三男眞鍋
Priority date: 2021-01-06
Filing date: 2021-01-06
Publication date: 2022-06-13
Anticipated expiration: 2041-01-06
Also published as: JP2022106087A

Abstract

【課題】本発明は、測定精度を向上させた位置測定装置を実現することを目的とする。【解決手段】リニアエンコーダ１００は、スライダ１０、マーカ導体１８、スケール１２および制御部３２を備えている。スライダ１０は、延伸方向を揃えてｘ軸方向に並べられた複数の電磁誘導線と、選択部４０とを含む。選択部は、複数の電磁誘導線のうちいずれかを順次選択し、選択した電磁誘導線に電流を流す。マーカ導体１８は、ｘ軸方向に交わるｙ軸方向に往路および復路を形成する。スケール１２にはマーカ導体１８が配置されている。制御部３２は、マーカ導体１８に誘導起電力が発生したときに、選択部４０によって選択されていた電磁誘導線のスライダ１０における検出位置に基づいて、スライダ１０とスケール１２との位置関係を測定する。【選択図】図２

Description

本発明は、位置測定装置に関し、特に、電磁誘導を利用した装置に関する。

各種産業分野およびサービス業分野において用いられる製造装置、測定装置等は、処理対象物やセンサを移動させる可動部を備えている。可動部の動作を制御するため、このような装置には可動部の位置を測定する位置測定装置が用いられている。例えば、工作機械には、加工対象物がテーブルの上に載せられ、加工対象物の所望の位置にドリルが接触するようにテーブルまたはドリルを移動させるものがある。可動部としてのテーブルまたはドリルの位置を測定するため、工作機械には位置測定装置としてリニアエンコーダが設けられる。

リニアエンコーダには、例えば、光学式や電磁誘導式のリニアエンコーダがある。光学式のリニアエンコーダでは、複数の目盛（マーカ）が直線状に配列されたスケールが可動部に固定され、光センサによって各マーカが検出される。リニアエンコーダは、検出されたマーカの位置に基づいてスケールの位置を測定する。電磁誘導式のリニアエンコーダでは、複数の磁石が直線状に配列されたスケール、あるいはコイルが配置されたスケールが可動部に固定され、磁気センサによって各磁石またはコイルの各ループ区間が検出される。リニアエンコーダは、検出された磁石またはループ区間の位置に基づいてスケールの位置を測定する。

以下の特許文献１には、電磁誘導式のリニアエンコーダが記載されている。特許文献３には、光学式のリニアエンコーダが記載されている。特許文献２には、電磁誘導式および光学式のいずれにも構成し得るリニアエンコーダが記載されている。

特開２０１５－１４５８５８号公報特開２０１１－２３２０７４号公報特開２０１０－１４５２０１号公報

従来のリニアエンコーダには、光センサまたは磁気センサが、時間的に連続なアナログ信号に対する処理によってスケールの位置を測定するものがある。このようなアナログ信号に対する処理では、ノイズによって測定分解能が低下することがある。また、光学式のリニアエンコーダでは、スケールに異物が付着した場合には、センサがマーカを光学的に検出することが困難となったり測定誤差が生じたりする場合がある。

本発明は、測定精度を向上させた位置測定装置を実現することを目的とする。

本発明は、延伸方向を揃えて測定軸方向に並べられた複数の電磁誘導線と、複数の前記電磁誘導線のうちいずれかを順次選択し、選択した前記電磁誘導線に電流を流す選択部とを含むスライダと、前記測定軸方向に交わる方向に往路および復路を形成するマーカ導体と、前記マーカ導体が配置されたスケールと、前記マーカ導体に誘導起電力が発生したときに、前記選択部によって選択されていた前記電磁誘導線の前記スライダにおける検出位置に基づいて、前記スライダと前記スケールとの位置関係を測定する制御部と、前記スケールに配置されたコード導体であって、前記測定軸方向に交わる方向に蛇行しながら前記測定軸方向に進み、前記マーカ導体に対応するアブソリュート位置を、電磁誘導によって示すコード導体と、を備え、前記制御部は、前記コード導体に発生した誘導起電力が示すコードに基づいて前記アブソリュート位置を求め、前記検出位置と前記アブソリュート位置とに基づいて、前記スライダと前記スケールとの位置関係を測定することを特徴とする。

また、本発明は、延伸方向を揃えて測定軸方向に並べられた複数の電磁誘導線と、複数の前記電磁誘導線のうちいずれかを順次選択し、選択した前記電磁誘導線に電流を流す選択部とを含むスライダと、前記測定軸方向に交わる方向に往路および復路を形成するマーカ導体と、前記マーカ導体が配置されたスケールと、前記マーカ導体に誘導起電力が発生したときに、前記選択部によって選択されていた前記電磁誘導線の前記スライダにおける検出位置に基づいて、前記スライダと前記スケールとの位置関係を測定する制御部と、を備え、前記マーカ導体が形成する往路と復路との間の間隔は、複数の前記電磁誘導線の配置間隔よりも大きく、前記制御部は、前記マーカ導体に発生した誘導起電力の時間波形のゼロクロスポイントに基づいて、前記検出位置を求めることを特徴とする。

望ましくは、前記制御部は、複数の前記電磁誘導線のうちいずれかに順次交流電流が流れることによって、前記マーカ導体に離散的に発生した誘導起電力の大きさを時間軸上で内挿することで、前記時間波形を求める。

また、本発明は、測定軸方向に交わる方向に往路および復路を形成するマーカ導体と、前記マーカ導体が配置されたスケールと、前記マーカ導体にマーカ交流電流を流すマーカ用電力源と、スライダであって、延伸方向を揃えて前記測定軸方向に並べられた複数の電磁誘導線と、複数の前記電磁誘導線のうち、前記マーカ交流電流によって誘導起電力が発生した電磁誘導線を検出する検出部と、を備えるスライダと、前記マーカ交流電流によって誘導起電力が発生した前記電磁誘導線の前記スライダにおける検出位置に基づいて、前記スライダと前記スケールとの位置関係を測定する制御部と、前記スケールに配置されたコード導体であって、前記測定軸方向に交わる方向に蛇行しながら前記測定軸方向に進み、前記マーカ導体に対応するアブソリュート位置を、電磁誘導によって示すコード導体と、前記コード導体にコード交流電流を流すコード用電力源と、を有し、前記制御部は、前記コード交流電流によって複数の前記電磁誘導線のそれぞれに発生した誘導起電力が示すコードに基づいて前記アブソリュート位置を求め、前記検出位置と前記アブソリュート位置とに基づいて、前記スライダと前記スケールとの位置関係を測定することを特徴とする。

また、本発明は、測定軸方向に交わる方向に往路および復路を形成するマーカ導体と、前記マーカ導体が配置されたスケールと、前記マーカ導体にマーカ交流電流を流すマーカ用電力源と、スライダであって、延伸方向を揃えて前記測定軸方向に並べられた複数の電磁誘導線と、複数の前記電磁誘導線のうち、前記マーカ交流電流によって誘導起電力が発生した電磁誘導線を検出する検出部と、を備えるスライダと、前記マーカ交流電流によって誘導起電力が発生した前記電磁誘導線の前記スライダにおける検出位置に基づいて、前記スライダと前記スケールとの位置関係を測定する制御部と、を備え、前記マーカ導体が形成する往路と復路との間の間隔は、複数の前記電磁誘導線の配置間隔よりも大きく、前記制御部は、前記マーカ交流電流によって複数の前記電磁誘導線に発生した誘導起電力に基づく空間波形のゼロクロスポイントに基づいて、前記検出位置を求めることを特徴とする。

望ましくは、前記制御部は、前記マーカ導体が形成する往路と復路との間にある複数の前記電磁誘導線に発生した誘導起電力の大きさを前記測定軸上で内挿することで、前記空間波形を求める。

望ましくは、前記測定軸方向に所定の間隔で配置された複数の前記マーカ導体を備え、前記コード導体は、複数の前記マーカ導体のうち少なくとも１つに対して設けられており、前記制御部は、前記検出位置の変化に基づいて、複数の前記マーカ導体のうち現時点で前記検出位置が求められている現時点マーカ導体が、複数の前記マーカ導体のうち前記アブソリュート位置が求められた基準マーカ導体から離れて何番目の前記マーカ導体に対応するかを判定し、その判定結果と、前記アブソリュート位置および前記検出位置に基づいて、前記スライダと前記スケールとの位置関係を測定する。

本発明によれば、測定精度を向上させた位置測定装置を実現することができる。

第１実施形態に係るリニアエンコーダの構成を示す図である。スケールの構成を示す図である。スライダの構成を示す図である。マーカ信号を示す図である。応用実施形態に係るリニアエンコーダの構成を示す図である。第２実施形態に係るリニアエンコーダの構成を示す図である。スライダの構成を示す図である。応用実施形態に係るリニアエンコーダの構成を示す図である。

各図を参照して本発明の実施形態について説明する。複数の図面に示された同一の事項については同一の符号を付してその説明を簡略化する。また、本明細書における「上」「下」「左」「右」等の方向を示す用語は、図面における方向を示す。これらの方向を示す用語は、構成を説明するための便宜上のものであり、各構成要素を配置する際の姿勢を限定するものではない。以下の説明では、本発明の実施形態に係るリニアエンコーダ（位置測定装置）が、可動テーブルを備える工作機械に用いられる例について述べる。ただし、本発明に係る位置測定装置は、工作機械の他、その他の製造装置、測定装置、ロボット等に用いられてもよい。この場合、位置測定装置は、搭載先の装置における可動部材を測定対象物とし、可動部材の位置を測定する。

図１には、本発明の実施形態に係るリニアエンコーダ１００の構成が示されている。リニアエンコーダ１００は、スライダ１０、スケール１２、マーカアンプ２８、コードアンプ３０および制御部３２を備えている。スライダ１０には、右方向をｘ軸正方向（測定軸方向）とし、上方向をｙ軸正方向とするｘｙ座標系が定義されている。スライダ１０は、工作機械における非可動な固定部材に固定されている。ｘ＝０の位置は、工作機械の固定部材における基準位置となる。

スケール１２は、移動方向であるｘ軸方向に延伸する帯状部材１４、帯状部材１４上に配置されたマーカパターン１６およびコードパターン２２を備えている。帯状部材１４は、剛性の材料や可撓性の材料によって形成されてよい。マーカパターン１６およびコードパターン２２は導体によって形成される。帯状部材１４は可動テーブルに固定されており、矢印３４で示されているように、可動テーブルと共にｘ軸方向に移動する。スケール１２には、ｙ軸方向に伸びる基準線ＬＺが定められており、スケール１２の位置は基準線ＬＺのｘ軸座標値として定義される。スケール１２が固定された可動テーブルの位置も同様に、基準線ＬＺのｘ軸座標値として定義される。なお、基準線ＬＺは仮想的な直線であり、必ずしも帯状部材１４に表記されていなくてもよい。

マーカパターン１６は、複数のマーカ導体１８と、ｘ軸方向に延びるマーカ接続線２０を備えている。複数のマーカ導体１８はマーカ接続線２０によって直列に接続され、マーカパターン１６が形成されている。各マーカ導体１８は、マーカ接続線２０からｙ軸正方向に延びる往路と、往路の先端からｘ軸正方向に延びる先端路と、先端路からｙ軸負方向に延びる復路とを含んでいる。なお、「往路」および「復路」の用語は、構造を説明するための便宜上のものであり、電圧や電流の極性を限定するものではない。後述する他の実施形態における往路および復路についても同様である。

複数のマーカ導体１８は、ｘ軸方向に等しい間隔を隔てて配置されている。マーカパターン１６の左端は接地され、マーカパターン１６の右端は、バッファアンプとしてのマーカアンプ２８の入力端子に接続されている。マーカアンプ２８の出力端子は、制御部３２に接続されている。

コードパターン２２は、複数のコード導体２４と、ｘ軸方向に延びるコード接続線２６によって構成されている。複数のコード導体２４は、複数のマーカ導体１８に対応して設けられている。すなわち、各マーカ導体１８の左右に、各マーカ導体１８に対応するコード導体２４が配置されている。各コード導体２４は、ｙ軸方向に蛇行しながらｘ軸方向に進むパターンを描く。複数のコード導体２４がコード接続線２６によって直列に接続され、コードパターン２２が形成されている。コードパターン２２の左端は接地され、コードパターン２２の右端は、バッファアンプとしてのコードアンプ３０の入力端子に接続されている。コードアンプ３０の出力端子は、制御部３２に接続されている。

スライダ１０とコード導体２４との電磁誘導によって、アブソリュートコードが制御部３２に与えられる。コード導体２４が電磁誘導によって示すアブソリュートコードは、コード導体２４の直近の右側または左側に配置されたマーカ導体１８に対応するアブソリュート位置を表す。アブソリュート位置は、例えば、マーカ導体１８が仮にｘ＝０の位置にあるとした場合における基準線ＬＺのｘ軸座標値として定義される。マーカ導体１８の位置は、例えば、マーカ導体１８の往路と復路との間の中央の位置として定義される。

スライダ１０は、交流磁界が発生する励磁面をマーカパターン１６およびコードパターン２２側に向けて、スケール１２よりも手前側に配置されている。スライダ１０の励磁面には、交流磁界を発生するための複数の電磁誘導線が配置されている。

マーカパターン１６は、スライダ１０から与えられた交流磁界に応じた誘導起電力をマーカアンプ２８に出力し、マーカアンプ２８は誘導起電力に基づくマーカ信号を制御部３２に出力する。コードパターン２２は、スライダ１０から与えられた交流磁界に応じた誘導起電力をコードアンプ３０に出力し、コードアンプ３０は誘導起電力に基づくコード信号を制御部３２に出力する。制御部３２は、プログラムに応じて演算処理を実行するプロセッサによって構成されてよい。制御部３２は、マーカ信号およびコード信号に基づいてスケール１２の位置を求める。

図２にはスケール１２の構成が示されている。この図は、リニアエンコーダ１００の動作を説明するために、２つのマーカ導体１８－１および１８－２と１つのコード導体２４を模式的に示したものである。２つのマーカ導体１８－１および１８－２は、マーカ間隔ｄを隔てて配置されている。マーカ間隔ｄは、例えば、５０ｍｍ以上１００ｍｍ以下であってよい。各マーカ導体１８は、マーカ接続線２０からｙ軸正方向に延びる往路１と、往路１の先端からｘ軸正方向に延びる先端路２と、先端路２からｙ軸負方向に延びる復路３とを含んでいる。往路１と復路３との間隔（先端路２の長さ）は、０．１ｍｍ以上２ｍｍ以下であってよい。マーカ導体１８－１の左側の端は、マーカ接続線２０－１によって接地されている。マーカ導体１８－１の右側の端と、マーカ導体１８－２の左側の端との間は、マーカ接続線２０－２によって接続されている。マーカ導体１８－２の右側の端は、マーカ接続線２０－３によってマーカアンプ２８の入力端子に接続されている。

コード導体２４の左端は、コード接続線２６－１によって接地されている。コード導体２４は、ｙ軸方向に蛇行しながらｘ軸正方向に進む。具体的には、コード接続線２６－１からｙ軸負方向に延びる往路４と、往路４の先端からｘ軸正方向に延びる先端路５と、先端路５からｙ軸正方向に延びる復路６によって形成される往復経路が、ｘ軸方向に複数個配置されている。複数個の往復経路は底辺路７によって直列接続されている。コード導体２４が示す２進数であるアブソリュートコードの１および０に応じて、往復経路の配置間隔が定められている。例えば、２進数の１に短い底辺路７が対応付けられ、２進数の０に長い底辺路７が対応付けられる。コード導体２４の右端は、コード接続線２６－２によってコードアンプ３０の入力端子に接続されている。

図３には、スライダ１０の構成が示されている。スライダ１０は、選択部４０およびｎ本の電磁誘導線Ｓ１～Ｓｎを備えている。選択部４０は、ｎ個のスイッチＷ１～Ｗｎおよび交流電力源４２を備えている。電磁誘導線Ｓ１～Ｓｎのそれぞれは、ｙ軸方向に延伸方向を揃えてｘ軸方向に所定の配置間隔δを隔てて並べられている。

配置間隔δは、マーカ導体１８が形成する往路１および復路３との間の間隔よりも小さい。すなわち、マーカ導体１８が形成する往路１と復路３との間の間隔は、配置間隔δよりも大きい。電磁誘導線Ｓ１と電磁誘導線Ｓｎとの間の距離は、マーカ間隔ｄよりも短く、例えば、５０ｍｍより長く、１００ｍｍ未満であってよい。ｎは１０００以上であってよい。電磁誘導線Ｓ１はｘ＝０の位置に配置されている。

ｉを１～ｎのうちのいずれかの整数として、電磁誘導線Ｓｉの下端は接地され、上端はスイッチＷｉの一端に接続されている。スイッチＷｉの他端は、交流電力源４２の出力端子に接続されている。交流電力源４２は、スイッチＷｉがオンとなっているときに、電磁誘導線Ｓｉに交流電流を流す。交流電力源４２は、矩形の時間波形を示す電流を電磁誘導線Ｓｉに流してもよいし、正弦波の時間波形を示す電流を電磁誘導線Ｓｉに流してもよい。

制御部３２は、時間経過と共に順次、スイッチＷ１～Ｗｎのうち１つを選択し、選択したスイッチを所定時間だけオンする。例えば、制御部３２は、スイッチＷ１、Ｗ２、・・・・・・Ｗｎ、Ｗ１、Ｗ２、・・・・・・Ｗｎ、Ｗ１、Ｗ２、・・・・・・の順序で巡回的にスイッチを選択し、選択したスイッチをオンにする。制御部３２は、１つのスイッチがオンになっているときは、他のスイッチがオンにならないように各スイッチＷｉを制御する。これによって、電磁誘導線Ｓ１、Ｓ２、・・・・・・Ｓｎ、Ｓ１、Ｓ２、・・・・・・Ｓｎ、Ｓ１、Ｓ２、・・・・・・の順序で、巡回的に交流電流が流れる。交流電流が流れている電磁誘導線の周囲には、交流磁界が発生する。

電磁誘導線Ｓ１～Ｓｎのうち交流電流が流れている電磁誘導線の近傍にマーカ導体１８が位置している場合、マーカ導体１８に誘導起電力が発生し、マーカパターン１６からマーカアンプ２８に誘導起電力が出力される（図１）。図４には、時間経過と共にスイッチＷ１～Ｗｎのうち１つが順次選択され、電磁誘導線Ｓ１～Ｓｎに順次交流電流が流れる場合に、マーカアンプ２８から出力されるマーカ信号ＶＭが示されている。横軸は時間ｔを示し縦軸はマーカ信号ＶＭのレベルを示す。また、時間軸に対応させてｘ軸が示されている。この図に示されている例では、マーカ導体１８の往路１がｘ＝Ｘαの位置にあり、マーカ導体１８の復路３がｘ＝Ｘβの位置にある。選択部４０による選択動作によって、時刻ｔ１、ｔ２、ｔ３、・・・・・ｔ２９には、それぞれ、ｘ＝ｘ１、ｘ２、ｘ３、・・・・・ｘ２９の位置にある電磁誘導線に交流電流が流れる。

マーカ信号ＭＶは、ｘ＝ｘ１、ｘ２、ｘ３、・・・・・ｘ２９の位置にある電磁誘導線に、それぞれ、時刻ｔ＝ｔ１、ｔ２、ｔ３・・・・・ｔ２９に発生した誘導起電力に基づく離散的な信号である。マーカ信号ＭＶの離散値は電磁誘導波形４４上にある。電磁誘導波形４４は、横軸を時間軸としたときは誘導起電力の時間波形と捉えられ、横軸をｘ軸としたときは、誘導起電力の空間波形として捉えられる。電磁誘導波形４４は、マーカ導体１８の往路１があるｘ＝Ｘαの位置で負の極大値を有し、マーカ導体１８の復路３があるｘ＝Ｘβの位置で正の極大値を有する。そして、マーカ導体１８の往路１と復路３との間に挟まれる位置で０となる。ここで、電磁誘導波形４４の極性は、誘導起電力の位相を示す。すなわち、電磁誘導波形４４の極性が正から負に変化すること、または負から正に変化することは、誘導起電力の位相が１８０°反転することを意味する。また、電磁誘導波形４４は、マーカパターン１６の形状や、マーカパターン１６が配置される向きに応じて正負が逆転し得る。

制御部３２は、マーカ信号ＭＶの離散値を補間（内挿）した補間マーカ信号を求め、補間マーカ信号が０となるゼロクロスポイントの位置をマーカ導体１８の位置ｘ＝ＸＭとして求める。

次に、コード導体２４について、図２および図３を参照して説明する。電磁誘導線Ｓ１～Ｓｎのうち交流電流が流れている電磁誘導線の近傍にコード導体２４が位置している場合、コード導体２４に誘導起電力が発生し、コードパターン２２からコードアンプ３０に誘導起電力が出力される。コードアンプ３０は、誘導起電力に基づいてコード信号を制御部３２に出力する。制御部３２は、コード信号からアブソリュートコードを抽出し、アブソリュートコードに基づいてアブソリュート位置ｘ＝Ｘａを求める。なお、本実施形態においては、１つのマーカ導体１８に対して１対のコード導体２４が設けられている。制御部３２は、スライダ１０およびスケール１２（マーカ導体１８およびコード導体２４）の位置関係に応じて、１対のコード導体２４のうちいずれか一方に基づくコード信号からアブソリュートコードを抽出してよい。

制御部３２は、（数１）に示されているように、アブソリュート位置ｘ＝Ｘａにマーカ位置ｘ＝ＸＭを加算することで、ｘ軸座標値で表された基準線ＬＺの位置、すなわち、可動テーブルの位置ｘ＝Ｕを求める。

（数１）Ｕ＝Ｘａ＋ＸＭ

可動テーブルがｘ軸方向に移動した場合、これと共にスケール１２もｘ軸方向に移動する。スケール１２が移動したことによって、制御部３２が検出するマーカ導体１８が、別のマーカ導体１８に入れ替わったときは、先に検出したマーカ導体１８に基づいて基準線ＬＺの位置を求める処理と同様の処理によって、新たに検出したマーカ導体１８に基づいて基準線ＬＺの位置を求める。このような処理によって、制御部３２は、可動テーブルがｘ軸方向に移動したときにおいても、順次、ｘ座標値で表された基準線ＬＺの位置、すなわち、可動テーブルの位置を求める。

このように、本発明の第１実施形態に係るリニアエンコーダ１００は、基本的な構成としてスライダ１０、マーカ導体１８、スケール１２および制御部３２を備えている。スライダ１０は、延伸方向を揃えて測定軸方向に並べられた複数の電磁誘導線Ｓ１～Ｓｎと、選択部４０とを含む。選択部４０は、複数の電磁誘導線Ｓ１～Ｓｎのうちいずれかを順次選択し、選択した電磁誘導線に電流を流す。マーカ導体１８は、ｘ軸方向（測定軸方向）に交わるｙ軸方向に往路および復路を形成する。スケール１２にはマーカ導体１８が配置されている。制御部３２は、マーカ導体１８に誘導起電力が発生したときに、選択部４０によって選択されていた電磁誘導線のスライダ１０における検出位置に基づいて、スライダ１０とスケール１２との位置関係を測定する。

また、リニアエンコーダ１００は、スケール１２に配置されたコード導体２４を備えている。コード導体２４は、ｘ軸方向に交わるｙ軸方向に蛇行しながらｘ軸方向に進み、マーカ導体１８に対応するアブソリュート位置を電磁誘導によって示す。制御部３２は、コード導体２４に発生した誘導起電力が示すコードに基づいてアブソリュート位置を求める。制御部３２は、さらに、上記の検出位置とアブソリュート位置とに基づいて、スライダ１０とスケール１２との位置関係を測定する。

本実施形態に係るリニアエンコーダ１００では、電磁誘導を用いてマーカ導体１８の位置が測定される。そのため、非磁性体の異物によって測定精度が低下する可能性が低くなる。また、本実施形態に係るリニアエンコーダ１００では、マーカ導体１８の往路の位置と、マーカ導体１８の復路の位置との間における電磁誘導波形が、マーカ信号ＶＭに対する内挿によって求められる。さらに、電磁誘導波形のゼロクロスポイントに基づいて、マーカ導体１８の位置が測定される。これによって、マーカ導体１８の往路および復路の位置を離散的に測定する場合に比べて、測定分解能が向上する。

上記では、マーカ導体１８が検出される度にアブソリュートコードを読み取り、マーカ導体１８が検出される度に、マーカ位置およびアブソリュート位置を求める処理について説明した。このような処理の他、スケールの移動によって、測定開始時に検出されたマーカ導体１８とは異なるマーカ導体１８が検出されている場合についても、測定開始時に求められたアブソリュート位置を用いる処理が実行されてもよい。

この場合、制御部３２は、測定開始時に検出されたマーカ導体１８を基準マーカ導体とし、現時点で検出されている現時点マーカ導体が、基準マーカ導体から離れて何番目のマーカ導体１８に対応するかを判定する。制御部３２は、現時点マーカ導体が基準マーカ導体からｘ軸負方向に離れてＣ番目であると判定したときは、（数２）に示されているように、測定開始時に求められたアブソリュート位置ｘ＝Ｘａに、マーカ導体１８の間隔ｄのＣ倍を加算し、さらに、現時点マーカ導体のマーカ位置ｘ＝ＸＭを加算することで基準線ＬＺの位置ｘ＝Ｕを求める。ここで、マーカカウント値Ｃは正の整数、負の整数、または０である。

（数２）Ｕ＝Ｘａ＋Ｃ・ｄ＋ＸＭ

制御部３２は、このような処理を具体的に次のように実行してよい。スライダ１０にはｘ軸方向の検出範囲ＸＬ≦ｘ≦ＸＨがあるものとする。図１～図４に示されている例ではＸＬ＝０である。制御部３２は、測定開始時に検出されたマーカ導体１８に対応するアブソリュートコードを読み込み、アブソリュート位置ｘ＝Ｘａを求めると共に、測定開始時のマーカカウント値をＣ＝０とする。

制御部３２は、マーカ導体１８を検出した後、マーカ信号のゼロクロスポイントの位置の変化に基づいてマーカ導体１８の位置を追跡する。制御部３２は、マーカ導体１８のｘ座標値が増加してＸＨに達した後に、ＸＬに戻って再び増加したときは、Ｃを１だけ増加させる。一方、制御部３２は、マーカのｘ座標値が減少してＸＬに達した後に、ＸＨに戻って再び減少したときは、Ｃを１だけ減少させる。制御部３２は、現時点でＸＬ≦ｘ≦ＸＨの範囲で検出されているマーカ導体１８のマーカ位置ｘ＝ＸＭ、測定開始時に読み込んだアブソリュート位置ｘ＝Ｘａ、現時点におけるマーカカウント値Ｃおよびマーカの間隔ｄを用いて、基準線ＬＺの位置Ｕ＝Ｘａ＋Ｃ・ｄ＋ＸＭを求める。

このように、制御部３２は、マーカ導体１８のｘ座標値で表される検出位置（マーカ位置ＸＭ）の変化に基づいて、現時点で検出位置が求められた現時点マーカ導体が、先にアブソリュート位置が求められた基準マーカ導体から離れて何番目のマーカ導体１８に対応するかを判定する。制御部３２は、現時点マーカ導体が基準マーカ導体からｘ軸負方向に離れてＣ番目であると判定したときは、判定結果（マーカカウント値Ｃ）、先に求められたアブソリュート位置Ｘａおよび検出位置ＸＭに基づいて、測定対象物としての可動テーブルの位置（基準線ＬＺの位置）Ｕ＝Ｘａ＋Ｃ・ｄ＋ＸＭを測定する。

このような処理によれば、制御部３２は、アブソリュートコードを読み込む処理を１度行うのみでよく、新たにマーカ導体１８が検出される度にアブソリュートコードを読み込まなくてもよい。これによって、基準線ＬＺの位置、すなわち、測定対象物の位置が迅速に求められる。

なお、工作機械が動作しているときに制御部３２は、現時点のマーカカウント値Ｃおよびアブソリュート位置Ｘａを記憶する。工作機械の電源がオフにされた後、再びオンにされたときは、制御部３２は、新たに検出された現時点マーカ導体について得られたマーカ位置ＸＭと、先に記憶したマーカカウント値Ｃおよびアブソリュート位置Ｘａに（数２）を適用して基準線ＬＺの位置ｘ＝Ｕを求める。また、一般に工作機械は、異常が発生した際にアラームを発生し、動作を停止する設計となっている。工作機械がアラーム発生と共に停止し、再び動作を開始したときには、工作機械の電源が一旦オフにされ、再びオンにされたときと同様の処理によって、制御部３２は基準線ＬＺの位置ｘ＝Ｕを求める。

上記では、スライダ１０によって１つのマーカ導体１８が励磁および検出されるようにマーカの間隔ｄが定められた実施形態について説明した。スライダ１０においては、２つ以上のマーカ導体１８が励磁および検出されてもよい。図５には、第１実施形態についての応用実施形態に係るリニアエンコーダ１０２が示されている。リニアエンコーダ１０２では、スライダ１０によって４個のマーカ導体１８－１～１８－４が励磁および検出される。帯状部材１４には、複数のマーカ導体１８および複数対のコード導体２４がｘ軸方向に沿って配列されている。

マーカパターン５２におけるマーカ導体１８の間隔は、図１に示されるマーカ導体１８の間隔よりも狭くてもよい。また、コードパターン５４におけるコード導体２４の間隔もまた、図１に示されるコード導体２４の間隔よりも狭くてもよい。スライダ１０の励磁面の形状および大きさは、４個のマーカ導体１８－１～１８－４および４対のコード導体２４－１～２４－４に対向する形状および大きさであってよい。スライダ１０は、４個のマーカ導体１８－１～１８－４に発生した誘導起電力をマーカアンプ２８に出力し、各コード導体２４－１～２４－４に発生した誘導起電力をコードアンプ３０に出力する。マーカアンプ２８はマーカ信号を制御部３２に出力し、コードアンプ３０はコード信号を制御部３２に出力する。

測定開始時において、制御部３２は、検出下にあるコード導体のうちいずれかからアブソリュートコードを読み込み、アブソリュート位置ｘ＝Ｘａを求める。ここでは、ｘ座標値が最も小さいマーカ導体１８－１に対応するコード導体２４－１からアブソリュートコードを読み込む例について説明する。

制御部３２は、コードアンプ３０から出力されたコード信号に基づいてアブソリュートコードを読み取り、アブソリュート位置ｘ＝Ｘａを求める。また、マーカ導体１８－１～１８－４のそれぞれのマーカ位置ｘ＝ＸＭ１、ｘ＝ＸＭ２、ｘ＝ＸＭ３、ｘ＝ＸＭ４を求める。制御部３２は、アブソリュート位置ｘ＝Ｘａ、マーカ位置ｘ＝ＸＭ１、ｘ＝ＸＭ２、ｘ＝ＸＭ３、ｘ＝ＸＭ４およびマーカ導体１８の間隔Ｄに基づいて、基準線ＬＺの仮位置Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３およびＵ４を求める。すなわち、仮位置Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３およびＵ４は、（数３）～（数６）に従って求められる。

（数３）Ｕ１＝Ｘａ＋ＸＭ１
（数４）Ｕ２＝Ｘａ＋ＸＭ２－Ｄ
（数５）Ｕ３＝Ｘａ＋ＸＭ３－２Ｄ
（数６）Ｕ４＝Ｘａ＋ＸＭ４－３Ｄ

（数４）～（数６）における「－Ｄ」、「－２Ｄ」、「－３Ｄ」は、アブソリュートコードが読み込まれたマーカ導体１８－１からのマーカ導体１８－２～１８－４の距離を負極性にしたものであり、マーカ導体１８－１に対応するアブソリュート位置ｘ＝Ｘａが求められたことに対する補正値である。制御部３２は、仮位置Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３およびＵ４の加算平均値に基づいて、基準線ＬＺの位置を求める。基準線ＬＺの位置ｘ＝Ｕは、（数７）に従って求められる。

（数７）Ｕ＝（Ｕ１＋Ｕ２＋Ｕ３＋Ｕ４）／４

このように、複数のマーカ導体１８に基づいて複数の仮位置を求め、複数の仮位置の加算平均値に基づいて、基準線ＬＺの位置、すなわち、可動テーブルの位置を求めることで、可動テーブルの位置の測定精度が向上する。

上記では、ｘ座標値が最も小さいマーカ導体１８－１に対応するアブソリュートコードを読み込む例について説明した。その他のマーカ導体１８－２～１８－４のうちいずれかに対応するアブソリュートコードを読み込む処理が実行されてもよい。この場合、各マーカ導体１８によって求められたマーカ位置に、アブソリュートコードが読み込まれたマーカ導体１８によって求められたマーカ位置からの補正値が加算または減算され、各マーカ導体１８に基づく基準線ＬＺの仮位置が求められる。

また、上記では、スライダ１０によって４個のマーカ導体１８－１～１８－４が検出されるスケール５０およびスライダ１０が示された。スライダ１０によって検出されるマーカ導体１８の個数は任意である。複数のマーカ導体１８がスライダ１０によって検出される場合には、制御部３２は、複数のマーカ導体１８のうちいずれかに対応するアブソリュートコードを読み込む。制御部３２は、各マーカ導体１８のマーカ位置に補正値を加算し、各マーカ導体１８に基づく基準線ＬＺの仮位置を求める。制御部３２は、各マーカ導体１８に基づく基準線ＬＺの仮位置の加算平均値に基づいて、基準線ＬＺの位置を求める。

なお、図２に示されたマーカ導体１８の間隔ｄ、および図５に示されたマーカ導体１８の間隔Ｄは、スライダ１０における電磁誘導線の本数で表現した場合に、１０００本以上であってよい。マーカ位置が求められる分解能は、マーカ導体１８の往路および復路の間におけるマーカ信号のゼロクロスポイントを求めるときの分解能に相当するため、基準線ＬＺの位置が高い分解能で求められる。

図６には本発明の第２実施形態に係るリニアエンコーダ１０２が示されている。リニアエンコーダ１０２は、マーカパターン１６に電流を流すマーカ用電力源６０と、コードパターン２２に電流を流すコード用電力源６２が設けられたものである。本実施形態に係るリニアエンコーダ１０２では、第１実施形態に係るリニアエンコーダ１００におけるマーカアンプ２８およびコードアンプ３０が、それぞれ、マーカ用電力源６０およびコード用電力源６２に置き換えられている。また、スライダ１０および制御部３２が、それぞれ、スライダ６４および制御部７０に置き換えられている。交流磁界を発生する励磁デバイスとしての機能をスライダ１０が有するのに対し、スライダ６４は交流磁界を検出するセンサとしての機能を有している。

制御部７０は、プログラムを実行するプロセッサによって構成されてよい。制御部７０は、マーカ用電力源６０およびコード用電力源６２を制御し、マーカパターン１６およびコードパターン２２に時分割で交流電流を流す。すなわち、制御部７０は、マーカ位置を測定するマーカ位置測定時間帯に、マーカ用電力源６０を制御してマーカパターン１６に交流電流（マーカ交流電流）を流す。また、制御部７０は、アブソリュート位置を測定するアブソリュート位置測定時間帯に、コード用電力源６２を制御してコードパターン２２に交流電流（コード交流電流）を流す。マーカ位置測定時間帯とアブソリュート位置測定時間帯は、時間軸上で重なることがない異なる時間帯である。

図７には、スライダ６４の構成が示されている。スライダ６４は、検出部６６およびｎ本の電磁誘導線Ｓ１～Ｓｎを備えている。検出部６６は、ｎ個のスイッチＷ１～Ｗｎおよびマーカ／コードアンプ６８を備えている。電磁誘導線Ｓ１～Ｓｎのそれぞれは、ｙ軸方向に延伸方向を揃えてｘ軸方向に所定の配置間隔δを隔てて並べられている。このように、スライダ６４は、図３に示される第１実施形態に係るスライダ１０における交流電力源４２を、マーカ／コードアンプ６８に置き換えた構成を有している。

制御部７０は、時間経過と共に順次、スイッチＷ１～Ｗｎのうち１つを選択し、選択したスイッチを所定時間だけオンする。例えば、制御部７０は、スイッチＷ１、Ｗ２、・・・・・・Ｗｎ、Ｗ１、Ｗ２、・・・・・・Ｗｎ、Ｗ１、Ｗ２、・・・・・・の順序で巡回的にスイッチを選択し、選択したスイッチをオンにする。制御部７０は、１つのスイッチがオンになっているときは、他のスイッチがオンにならないように各スイッチＷｉを制御する。

マーカ位置測定時間帯において、スイッチＷ１、Ｗ２、・・・・・・ＷｎのうちオンになっているスイッチＷｊに接続されている電磁誘導線Ｓｊの近傍にマーカ導体１８があるときは、電磁誘導線Ｓｊに誘導起電力が発生する。したがって、マーカ位置測定時間帯には、電磁誘導線Ｓ１、Ｓ２、・・・・・・Ｓｎに順に発生する誘導起電力に基づいて、マーカ／コードアンプ６８はマーカ信号を制御部３２に出力する。

アブソリュート位置測定時間帯において、スイッチＷ１、Ｗ２、・・・・・・ＷｎのうちオンになっているスイッチＷｊに接続されている電磁誘導線Ｓｊの近傍にコード導体２４があるときは、電磁誘導線Ｓｊに誘導起電力が発生する。したがって、アブソリュート位置測定時間帯には、電磁誘導線Ｓ１、Ｓ２、・・・・・・Ｓｎに順に発生する誘導起電力に基づいて、マーカ／コードアンプ６８はコード信号を制御部３２に出力する。

制御部７０は、第１実施形態と同様の処理によって、上記（数１）に従い、マーカ信号およびコード信号に基づいてマーカ位置およびアブソリュート位置を求め、スケール１２における基準線ＬＺの位置、すなわち、可動テーブルの位置を求める。

制御部７０は、上記（数２）に基づいて可動テーブルの位置を求めてもよい。すなわち、制御部７０は、測定開始時に検出されたマーカ導体１８を基準マーカ導体とし、現時点で検出されている現時点マーカ導体が、基準マーカ導体から離れて何番目のマーカ導体１８に対応するかを判定する。制御部７０は、現時点マーカ導体が基準マーカ導体からｘ軸負方向に離れてＣ番目であると判定したときは、（数２）に示されているように、測定開始時に求められたアブソリュート位置ｘ＝Ｘａに、マーカ導体１８の間隔ｄのＣ倍を加算し、さらに、現時点マーカ導体のマーカ位置ｘ＝ＸＭを加算することで基準線ＬＺの位置ｘ＝Ｕを求める。

このように、第２実施形態に係るリニアエンコーダ１０４は、測定軸方向に交わる方向に往路および復路を形成するマーカ導体１８と、マーカ導体１８が配置されたスケール１２と、マーカ導体１８にマーカ交流電流を流すマーカ用電力源６０と、スライダ６４と、制御部７０とを備えている。スライダ６４は、延伸方向を揃えてｘ軸方向（測定軸方向）に並べられた複数の電磁誘導線Ｓ１～Ｓｎと、複数の電磁誘導線Ｓ１～Ｓｎのうち、マーカ交流電流によって誘導起電力が発生した電磁誘導線を検出する検出部６６とを備える。制御部７０は、マーカ交流電流によって誘導起電力が発生した電磁誘導線のスライダ６４における検出位置に基づいて、スライダ６４とスケール１２との位置関係を測定する。

また、リニアエンコーダ１０４は、スケール１２に配置されたコード導体２４と、コード導体２４にコード交流電流を流すコード用電力源６２とを有する。コード導体２４は、ｘ軸方向に交わる方向に蛇行しながらｘ軸方向に進み、マーカ導体１８に対応するアブソリュート位置を電磁誘導によって示す。制御部７０は、コード交流電流によって複数の電磁誘導線Ｓ１～Ｓｎのそれぞれに発生した誘導起電力が示すコードに基づいてアブソリュート位置を求め、検出位置とアブソリュート位置とに基づいて、スライダ６４とスケール１２との位置関係を測定する。

図８には、第２実施形態についての応用実施形態に係るリニアエンコーダ１０６が示されている。本応用実施形態に係るリニアエンコーダ１０６は、図５に示されるリニアエンコーダ１０２におけるマーカアンプ２８およびコードアンプ３０が、それぞれ、交流電力源であるマーカ用電力源６０およびコード用電力源６２に置き換えられている。また、スライダ１０および制御部３２が、それぞれ、スライダ６４および制御部７０に置き換えられている。

制御部７０は、マーカ位置測定時間帯にマーカ用電力源６０を制御してマーカパターン５２に交流電流を流す。また、制御部７０は、アブソリュート位置測定時間帯に、コード用電力源６２を制御してコードパターン５４に交流電流を流す。制御部７０は、マーカ位置測定時間帯にスライダ６４から出力されるマーカ信号に基づいてマーカ位置を求め、アブソリュート位置測定時間帯にスライダ６４から出力されるコード信号に基づいてアブソリュート位置を求める。マーカ位置およびアブソリュート位置に基づいて、可動テーブルの位置を求める処理は、図５に示されたリニアエンコーダ１０２と同様である。

上記では、マーカ導体１８およびコード導体２４が帯状部材１４に設けられた実施形態について説明した。マーカ導体１８およびコード導体２４は、測定対象物に直接設けられ、測定対象物がスケールとしての機能を有してもよい。

上記では、スケールが測定対象物としての可動テーブルに固定され、スライダが固定部材に固定されたリニアエンコーダについて説明した。スケール上の基準線ＬＺの位置は、スライダ上に定義されたｘ軸における座標値によって求められる。リニアエンコーダでは、スケールが固定部材に固定され、スライダが測定対象物に固定されてもよい。マーカ導体およびコード導体は、固定部材に直接設けられ、固定部材がスケールとしての機能を有してもよい。

この場合、リニアエンコーダは、スケールの基準線ＬＺを基準としたスライダの位置を求める。図１、図５、図６および図８に示されているように、固定部材上には、ｘ軸と同一の方向に向けられたｕ軸が定義される。スライダの位置は、ｘｙ座標系の原点のｕ軸上の位置、すなわちｕ軸座標値によって表される。制御部（３２，７０）は、スケール１２が測定対象物に固定された上記の各実施形態における処理と同様の処理を実行する。制御部（３２，７０）は、上記の実施形態と同様の処理によって求められた基準線ＬＺのｘ軸座標値ｘ＝Ｕに対し、ｕ軸座標値ｕ＝－Ｕとしてスライダの位置を求める。

このように、本発明の実施形態に係る位置測定装置は、スライダとスケールとの位置関係を求めるものである。すなわち、本発明の実施形態に係る位置測定装置は、スライダの位置を基準としたスケールの位置を求めてもよいし、スケールの位置を基準としたスライダの位置を求めてもよい。

１，４往路、２，５先端路、３，６復路、１０，６４スライダ、１２，５０スケール、１４帯状部材、１６，５２マーカパターン、１８，１８－１～１８－４マーカ導体、２０，２０－１～２０－３マーカ接続線、２２，５４コードパターン、２４，２４－１～２４－４コード導体、２６，２６－１，２６－２コード接続線、２８マーカアンプ、３０コードアンプ、３２，７０制御部、３４移動方向を示す矢印、４０選択部、４２交流電力源、４４電磁誘導波形、６０マーカ用電力源、６２コード用電力源、６６検出部、６８マーカ／コードアンプ、ＬＺ基準線、Ｓ１～Ｓｎ電磁誘導線、Ｗ１～Ｗｎスイッチ。

Claims

延伸方向を揃えて測定軸方向に並べられた複数の電磁誘導線と、
複数の前記電磁誘導線のうちいずれかを順次選択し、選択した前記電磁誘導線に電流を流す選択部とを含むスライダと、
前記測定軸方向に交わる方向に往路および復路を形成するマーカ導体と、
前記マーカ導体が配置されたスケールと、
前記マーカ導体に誘導起電力が発生したときに、前記選択部によって選択されていた前記電磁誘導線の前記スライダにおける検出位置に基づいて、前記スライダと前記スケールとの位置関係を測定する制御部と、
前記スケールに配置されたコード導体であって、前記測定軸方向に交わる方向に蛇行しながら前記測定軸方向に進み、前記マーカ導体に対応するアブソリュート位置を、電磁誘導によって示すコード導体と、を備え、
前記制御部は、
前記コード導体に発生した誘導起電力が示すコードに基づいて前記アブソリュート位置を求め、
前記検出位置と前記アブソリュート位置とに基づいて、前記スライダと前記スケールとの位置関係を測定することを特徴とする位置測定装置。
延伸方向を揃えて測定軸方向に並べられた複数の電磁誘導線と、
複数の前記電磁誘導線のうちいずれかを順次選択し、選択した前記電磁誘導線に電流を流す選択部とを含むスライダと、
前記測定軸方向に交わる方向に往路および復路を形成するマーカ導体と、
前記マーカ導体が配置されたスケールと、
前記マーカ導体に誘導起電力が発生したときに、前記選択部によって選択されていた前記電磁誘導線の前記スライダにおける検出位置に基づいて、前記スライダと前記スケールとの位置関係を測定する制御部と、を備え、
前記マーカ導体が形成する往路と復路との間の間隔は、複数の前記電磁誘導線の配置間隔よりも大きく、
前記制御部は、
前記マーカ導体に発生した誘導起電力の時間波形のゼロクロスポイントに基づいて、前記検出位置を求めることを特徴とする位置測定装置。
請求項２に記載の位置測定装置において、
前記制御部は、
複数の前記電磁誘導線のうちいずれかに順次交流電流が流れることによって、前記マーカ導体に離散的に発生した誘導起電力の大きさを時間軸上で内挿することで、前記時間波形を求めることを特徴とする位置測定装置。
測定軸方向に交わる方向に往路および復路を形成するマーカ導体と、
前記マーカ導体が配置されたスケールと、
前記マーカ導体にマーカ交流電流を流すマーカ用電力源と、
スライダであって、延伸方向を揃えて前記測定軸方向に並べられた複数の電磁誘導線と、複数の前記電磁誘導線のうち、前記マーカ交流電流によって誘導起電力が発生した電磁誘導線を検出する検出部と、を備えるスライダと、
前記マーカ交流電流によって誘導起電力が発生した前記電磁誘導線の前記スライダにおける検出位置に基づいて、前記スライダと前記スケールとの位置関係を測定する制御部と、
前記スケールに配置されたコード導体であって、前記測定軸方向に交わる方向に蛇行しながら前記測定軸方向に進み、前記マーカ導体に対応するアブソリュート位置を、電磁誘導によって示すコード導体と、
前記コード導体にコード交流電流を流すコード用電力源と、を有し、
前記制御部は、
前記コード交流電流によって複数の前記電磁誘導線のそれぞれに発生した誘導起電力が示すコードに基づいて前記アブソリュート位置を求め、
前記検出位置と前記アブソリュート位置とに基づいて、前記スライダと前記スケールとの位置関係を測定することを特徴とする位置測定装置。
測定軸方向に交わる方向に往路および復路を形成するマーカ導体と、
前記マーカ導体が配置されたスケールと、
前記マーカ導体にマーカ交流電流を流すマーカ用電力源と、
スライダであって、延伸方向を揃えて前記測定軸方向に並べられた複数の電磁誘導線と、複数の前記電磁誘導線のうち、前記マーカ交流電流によって誘導起電力が発生した電磁誘導線を検出する検出部と、を備えるスライダと、
前記マーカ交流電流によって誘導起電力が発生した前記電磁誘導線の前記スライダにおける検出位置に基づいて、前記スライダと前記スケールとの位置関係を測定する制御部と、を備え、
前記マーカ導体が形成する往路と復路との間の間隔は、複数の前記電磁誘導線の配置間隔よりも大きく、
前記制御部は、
前記マーカ交流電流によって複数の前記電磁誘導線に発生した誘導起電力に基づく空間波形のゼロクロスポイントに基づいて、前記検出位置を求めることを特徴とする位置測定装置。
請求項５に記載の位置測定装置において、
前記制御部は、
前記マーカ導体が形成する往路と復路との間にある複数の前記電磁誘導線に発生した誘導起電力の大きさを前記測定軸上で内挿することで、前記空間波形を求めることを特徴とする位置測定装置。
請求項１または請求項４に記載の位置測定装置において、
前記測定軸方向に所定の間隔で配置された複数の前記マーカ導体を備え、
前記コード導体は、
複数の前記マーカ導体のうち少なくとも１つに対して設けられており、
前記制御部は、
前記検出位置の変化に基づいて、複数の前記マーカ導体のうち現時点で前記検出位置が求められている現時点マーカ導体が、複数の前記マーカ導体のうち前記アブソリュート位置が求められた基準マーカ導体から離れて何番目の前記マーカ導体に対応するかを判定し、その判定結果と、前記アブソリュート位置および前記検出位置に基づいて、前記スライダと前記スケールとの位置関係を測定することを特徴とする位置測定装置。