JP7234087B2 - アブソリュートリニアエンコーダ - Google Patents

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Description

本発明は、アブソリュートリニアエンコーダに関する。
上記技術分野において、特許文献１および非特許文献１には、アブソリュートエンコーダに関する技術が開示されている。
特許第３１８４９３９号公報
精密工学会誌797頁 Vol82. No.9 2016
しかしながら、上記文献に記載の技術では、任意サイズのリニアエンコーダを高い生産性を維持しつつ提供することができなかった。
本発明の目的は、上述の課題を解決する技術を提供することにある。
上記目的を達成するため、本発明に係るアブソリュートリニアエンコーダは、
異なる生成多項式に対し同じ初期値を用いて生成された第１、第２巡回ビット列をそれぞれに配した第１、第２短尺スケールを、連続的につなげることにより形成した長尺スケールと、
前記長尺スケールに対向する位置に、前記長尺スケールの長手方向に並べて配置された、少なくとも２つのセンサと、
を備えた。
本発明によれば、任意サイズのリニアエンコーダを高い生産性を維持しつつ提供することができる。
第１実施形態に係るアブソリュートリニアエンコーダの構成を示すブロック図である。 第２実施形態に係るアブソリュートリニアエンコーダの全体構成の概要を説明するための図である。 センサから出力された信号の処理方法を説明するための図である。 巡回ビット列生成部による９ビットの巡回ビット列の生成を説明するための図である。 巡回ビット列生成部においてタップ位置を変えて生成した巡回ビット列の周期を説明するための図である。 巡回ビット列のスキップについて説明するための図である。 第３実施形態に係るアブソリュートリニアエンコーダの全体構成の概要を説明するための図である。
以下に、本発明を実施するための形態について、図面を参照して、例示的に詳しく説明記載する。ただし、以下の実施の形態に記載されている、構成、数値、処理の流れ、機能要素などは一例に過ぎず、その変形や変更は自由であって、本発明の技術範囲を以下の記載に限定する趣旨のものではない。
［第１実施形態］
本発明の第１実施形態としてのアブソリュートリニアエンコーダ１００について、図１を用いて説明する。アブソリュートリニアエンコーダ１００は、直線方向の絶対位置を検出するエンコーダである。図１に示すように、アブソリュートリニアエンコーダ１００は、長尺スケール１０１とセンサ１０２，１０３とを有する。長尺スケール１０１は、異なる生成多項式１２０，１３０に対し同じ初期値１１０を用いて生成された巡回ビット列１１１，１１２をそれぞれに配した短尺スケール１１３，１１４を、連続的につなげることにより形成した。少なくとも２つのセンサ１０２，１０３は、長尺スケール１０１に対向する位置に、長尺スケール１０１の長手方向に並べて配置されている。センサ１０２，１０３は、一定の距離をおいて配置され、一緒に移動する。
本実施形態によれば、１つの巡回ビット列によって長尺スケールを生成する場合に比べ、長尺スケールを生成する場合と同様に高い生産性を実現し、かつ、長尺スケールを任意サイズにすることができる。
［第２実施形態］
次に第２実施形態に係るアブソリュートリニアエンコーダ２００について、図２乃至図５を用いて説明する。図２は、本実施形態に係るアブソリュートリニアエンコーダ２００の全体構成の概要を説明するための図である。アブソリュートリニアエンコーダ２００は、長尺スケール２０１、センサ２０２，２０３、リニアスライダ２０４およびスライドレール２０５を有する。
長尺スケール２０１は、短尺スケール２１１，２１２，２１３，２１４，２１ｋを含む。短尺スケール２１１，２１２，２１３，２１４，２１ｋのそれぞれには、巡回ビット列２２１，２２２，２２３，２２４，２２ｋが配されている。短尺スケール２１１，２１２，２１３，２１４，２１ｋのそれぞれは、同じ長さのスケールとなっている。
巡回ビット列２２１，２２２，２２３，２２４，２２ｋは、それぞれ異なる並びのビット列となっている。すなわち、巡回ビット列２２１，２２２，２２３，２２４，２２ｋのそれぞれは、異なる生成多項式に対して同じ初期値、例えば、ｎ次の生成多項式（ｎビットＬＦＳＲ（Linear Feedback Shift Register；線形帰還シフトレジスタ））とｎビットの初期値を用いて生成された２n－１ビットの巡回ビット列となっている。したがって、巡回ビット列２２１，２２２，２２３，２２４，２２ｋは、１ユニットが２n－１ビットの巡回ビット列となる。
センサ２０２，２０３のうち少なくとも一方は、ｎビット以上のセンサである。ｎビット以上のセンサとしているのは、ビットの境目等の不安定な部分を補正するために冗長ビットを設けてｎ＋αビットなっているからである。なお、センサ２０２，２０３は、同じビット数センサであってもよい。また、センサ２０２，２０３は、互いに一定の距離を置いて配置されており、同時に移動する。また、センサの数は２つには限定されず、３つ以上であってもよい。
リニアスライダ２０４は、スライドレール２０５上を矢印２３０方向に移動する。リニアスライダ２０４の移動に伴い、センサ２０２，２０３は、スライドレール２０５上を移動し、長尺スケール２０１上の目盛を読み取る。
なお、上述の説明では、巡回ビット列２２１，２２２，２２３，２２４，２２ｋは、ｎビットＬＦＳＲによる巡回ビット列として説明をした。しかしながら、巡回ビット列２２１，２２２，２２３，２２４，２２ｋのうち、例えば、巡回ビット列２２１が２n－１ビットの巡回ビット列であり、その他の巡回ビット列２２２，２２３，２２４，２２ｋが、２n－１ビット未満の巡回ビット列であってもよい。例えば、ＬＦＳＲが９ビットならば５１１ビット以下の巡回ビット列であっても良い。
図３は、センサ２０２，２０３から出力された信号の処理方法を説明するための図である。センサ２０２は、巡回ビット列２２１からアブソリュート信号３１０を読み出す。同様に、センサ２０３は、巡回ビット列２２２からアブソリュート信号３３０を読み出す。読み出されたアブソリュート信号３１０，３３０は、信号処理部３０１へ入力される。
信号処理部３０１は、入力されたアブソリュート信号３１０，３３０のノイズ除去、冗長ビット処理をし、信号整形を行う。信号処理部３０１は、変換テーブル３１１を用いて、信号整形されたアブソリュート信号３１０，３３０を、長尺スケール上で一意に定まる絶対位置座標のバイナリデータ信号３２０に変換する。バイナリデータ信号３２０は、信号処理部３０２によって、所定の通信フォーマットに従ったパラレル信号、もしくはシリアル信号、もしくはアナログ信号に変換され外部に出力される。
通常この絶対位置座標信号はサーボドライブ３０３等制御機器に入力され、その位置情報に基づいて駆動部およびそれに固定されたリニアスライダ２０４の動作の為に使用される。
次に、図４Ａ乃至図４Ｃを用いて、任意の長さの巡回ビット列の生成について説明する。ＬＦＳＲは、入力ビットが直前の状態の線形写像になっているシフトレジスタである。ＸＯＲするための引き出し位置はタップと呼ばれ、その位置と個数とによって巡回ビットの数が変化し、最高で２n－１となる。周期が最長のものをＭ系列（Maximal Length Sequence）という。生成されるビット列を巡回させ、任意の場所の連続するレジスタビット数を検出することで場所の特定ができる。そのため、本実施系形態にかかるアブソリュートリニアエンコーダ２００では、この種のビット列を使用する。
しかし、例えば、図４Ａのように、巡回ビット列生成部４０１において、９ビットのＬＦＳＲを用いた場合、タップ位置の調整のみでは、任意の長さのリニアエンコーダを実現することはできない。例えば、図４Ｂに示すように、２５７ビット～５１０ビットまでの範囲においては、４６５ビットしかなく、長さの選択肢が少ない。
そこで、巡回性を維持しつつ、巡回ビット列の一部をスキップさせることを考える。例えば、図４Ｃでは、００００６～０００１１までスキップさせることが可能であることが分かる。ここで、スキップとは、ＬＦＳＲの値が特定の値になった時に、強制的にＬＦＳＲの新規ビットを反転することにより、Ｍ系列の途中を飛ばすことで長さを短縮することをいう。どの場所でも必ずスキップできる位置が存在するが、スキップにより短くできるビット数には重複があるため、任意の長さにすることは困難である。しかしながら、巡回ビット列に現れるビット列は、乱数として使われるほど不規則なため、スキップにより短くできるビット数は偏ることなくランダムに分散している。
そのため、複数のスキップ位置を組み合わせることで、任意の長さのビット数をスキップさせることが可能である。また、巡回ビット列は、タップ位置を変えることによって異なる並びの巡回ビット列を作ることができる。タップ位置を変える方法と、スキップ法とを組み合わせることにより、任意長さの巡回ビット列を生成できる。そして、生成した任意長さの巡回ビット列を用いて任意長さの短尺スケールを作ることができる。任意長さの巡回ビット列を有する短尺スケールを複数繋ぎ合わせることで、読み取りセンサ２０２，２０３のビット数を増やすことなく、２つのセンサの異なる出力の組み合わせで、任意の長尺のスケールを生産性高く作ることができる。また、異なる並びの巡回ビット列を作ることができるので、少なくとも２つのセンサ２０２，２０３を用いている場合には、信頼性を確保しつつ、センサ２０２，２０３を前後に動かさなくても絶対位置を特定できる。
具体的には、巡回ビット列の最上位ビットを反転させた巡回ビット列が、何個後ろに出現するかによってスキップ数が決まる。つまり、巡回ビット列の最上位ビットを強制的に反転することで、スキップ数だけ巡回周期を短くできる。例えば、図４Ｃに図示したように、「００００６」番目のビット列｛００００１００００｝について考える。そうすると、５個後ろに「０００１１」番目のビット列として、「００００６」番目のビット列の最上位ビットを反転させたビット列｛１０００１００００｝が出現する。したがって、「００００６」番目のビット列の最上位ビットを反転させて、「０００１１」番目にスキップすることにより、その間に存在するビット列を飛び越えることができ、巡回周期を５１１から５０６に短くできる。
巡回周期を短くすることのできる周期は、１９３通りあり、約７６％の周期を実現できる。さらに、ゼロの有無を加味することで実現できる周期は２３８通りとなり、約９４％の周期を網羅できる。なお、ゼロの有無を加味するとは、例えば、０００１→１０００という符号変化の間に巡回を保ったままゼロを強制的に追加することにより、０００１→００００→１０００のような符号変化とすることをいう。このように、００００を追加することにより巡回周期を１だけ長くするか否かを調整することができる（非特許文献１参照）。さらに、タップ位置も変えると、ほぼ全ての周期を作成することができる。
このように、スキップをうまく利用することにより、９ビットのビット列において、最大周期が５１１のＭ系列ビット列から、周期が５１１以下のビット列を作り出すことができるようになる。これにより、９ビットのビット列に対して、タップ位置を変えたり、スキップを利用したりすれば、所望の長さの長尺スケール２０１または短尺スケール２１１，２１２，２１３，２１４，２１ｋを生成することができる。
さらに、例えば、９ビット～１２ビットの巡回ビット列に対して、上述のような手法を用いて複数の巡回ビット列を生成する。そして、これらを組み合わせれば、小さいビット数の巡回ビット列から、長いスケール、例えば、１５ｍ位の長尺スケール２０１を形成することができる。また、同じ初期値から生成された巡回ビット列を繋ぎ合わせれば、破たんがなく、繋ぎ目もＬＦＳＲが維持された巡回ビット列が得られる。
信号出力部３０２は、２つのセンサ２０２，２０３を、一定の距離を保ったまま同時に移動させ、２つのセンサ２０２，２０３のセンサ出力をセットで扱う。このため、信号処理部３０１は、センサが静止した状態であっても絶対位置を特定できる。なお、本実施形態では、Ｍ系列の巡回ビット列を繋ぎ合わせる例で説明をしたが、本発明はこれに限定されるものではなく、巡回ビット列であればＭ系列の巡回ビット列でなくてもよい。
本実施形態によれば、長いスケール（絶対長さ１５ｍぐらい）を小さいビット数（９ビット～１２ビット）で作りつつ、従来型のセンサを使い、高精度（１メータのスケールと同レベル）に絶対位置を検出することのできるリニアエンコーダを提供することができる。また、所望の分解能をもつスケールを提供することができる。さらに、短尺スケール２１１，２１２，２１３，２１４，２１ｋのそれぞれを、２つのセンサ２０２，２０３で読み取るので、２つのセンサ２０２，２０３による２重検出が可能となり、検出データの信頼性を確保することができる。また、タップ位置を変える方法や、スキップ法を用いることにより任意の長さの巡回ビット列を生成することができる。任意の長さの巡回ビット列を配置した短尺スケールを複数組み合わせることにより、任意の長さの長尺スケールを生産性高く実現することができる。
［第３実施形態］
次に本発明の第３実施形態に係るアブソリュートリニアエンコーダ５００について、図５を用いて説明する。図５はアブソリュートリニアエンコーダ５００の全体構成の概要を説明するためのブロック図である。本実施形態に係るアブソリュートリニアエンコーダ５００は、上記第２実施形態と比べると、短尺スケールが間隔を空けて配置されている点で異なる。その他の構成および動作は、第２実施形態と同様であるため、同じ構成および動作については同じ符号を付してその詳しい説明を省略する。
アブソリュートリニアエンコーダ５００は、長尺スケール５０１を有する。長尺スケール５０１は、短尺スケール２１１，２１２，２１３，２１４，２１ｋを有する。そして、長尺スケール５０１に含まれる、短尺スケール２１１，２１２，２１３，２１４，２１ｋは、間隔５１１～５１ｋ－１を空けて配置されている。
例えば、図示したように、センサ２０３が、間隔５１２を検知している場合、センサ２０３から所定距離離れて配置されたセンサ２０２は、短尺スケール２１２上の巡回ビット列２２２を読み取る。このように、仮に、２つのセンサ２０２またはセンサ２０３のうち一方のセンサ２０３が、間隔５１１～５１ｋ－１を検知していたとしても、他方のセンサ２０２は、短尺スケール上の巡回ビット列を読み取る。センサ２０２またはセンサ２０３からの出力が得られない場合、すなわち、センサ２０２またはセンサ２０３が間隔５１１～５１ｋ－１のいずれかを検出している場合であっても、センサ２０２，２０３の出力ビットの組み合わせを考慮することで、絶対位置の検出が可能となる。なお、ここでは、センサが２つ、短尺スケールがｋ個の例で説明をした。しかしながら、センサが３つ以上、短尺スケールがｋ個の例において、３つ以上のセンサのうち少なくともいずれか１つのセンサにより間隔５１１～５１ｋ－１を検知する場合も同様に絶対位置の検出が可能となる。
本実施形態によれば、短尺スケール間に間隔があっても確実に絶対位置を検出することができるアブソリュートリニアエンコーダを提供できる。
［他の実施形態］
以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明の技術的範囲で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。また、それぞれの実施形態に含まれる別々の特徴を如何様に組み合わせたシステムまたは装置も、本発明の技術的範囲に含まれる。

Claims (6)

  1. 異なる生成多項式に対し同じ初期値を用いて生成された第１、第２巡回ビット列をそれぞれに配した第１、第２短尺スケールを、連続的につなげることにより形成した長尺スケールと、
    前記長尺スケールに対向する位置に、前記長尺スケールの長手方向に並べて配置された、少なくとも２つのセンサと、
    を備えたアブソリュートリニアエンコーダ。
  2. 前記第１、第２巡回ビット列は、ｎ次の生成多項式で生成された巡回ビット列であり、前記少なくとも２つのセンサのうち、少なくとも一方は、ｎビットのセンサである請求項１に記載のアブソリュートリニアエンコーダ。
  3. 前記第１巡回ビット列はＭ系列の巡回ビット列である請求項１または２に記載のアブソリュートリニアエンコーダ。
  4. 前記２つのセンサは、同じビット数のセンサである請求項１、２または３に記載のアブソリュートリニアエンコーダ。
  5. 前記第１、第２短尺スケールは、同じ長さである請求項１乃至４のいずれか１項に記載のアブソリュートリニアエンコーダ。
  6. 前記第１、第２短尺スケールは、間隔を空けて配置され、前記少なくとも２つのセンサに含まれる少なくともいずれか１つのセンサにより、前記間隔を検知する請求項１乃至５のいずれか１項に記載のアブソリュートリニアエンコーダ。
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