JP7257714B1 - 位置測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、測定精度を向上させると共に、リニアエンコーダの構造を単純化することを目的とする。【解決手段】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、受信コイル５０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。受信コイル５０は、電磁誘導線Ｓ１～Ｓｎに交わる方向に延びる区間を有する。スケール１２にはマーカコイル１６が配置されている。マーカコイル１６は、測定軸方向に交わる方向に延伸し、電磁誘導線Ｓ１～Ｓｎが並べられた面と対向する面で周回する。制御部３０は、受信コイル５０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３

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

従来の電磁誘導式のリニアエンコーダには、スケールに配置されたコイルに電源回路が接続されたものや、誘導起電力を検出する検出回路が接続されたものがある。このようなリニアエンコーダではスケールの構造が複雑になってしまうことがある。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ると共に、リニアエンコーダの構造を単純化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、前記電磁誘導線に交わる方向に延びる区間を有する受信コイルと、を含むスライダと、前記測定軸方向に交わる方向に延伸し、複数の前記電磁誘導線が並べられた面と対向する面で周回するマーカコイルと、前記マーカコイルが配置されたスケールと、前記受信コイル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、を備えることを特徴とする。

望ましくは、各前記マーカコイルに対応して配置されたコードパターンを備え、前記コードパターンは、前記測定軸方向に並べられた複数の情報コイルであって、それぞれの形状に応じた情報を発する複数の情報コイルを備え、対応する前記マーカコイルのアブソリュート位置を示す情報を発する。

望ましくは、複数の前記情報コイルのそれぞれは、２種類の三角形状のうちのいずれかに形成され、複数の前記情報コイルのそれぞれの三角形の形状に応じて、複数の前記情報コイルが２進数によって前記アブソリュート位置を示す。

望ましくは、前記マーカコイルの前記測定軸方向の幅は、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、前記受信コイル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。

望ましくは、前記スライダは、複数の前記電磁誘導線よりも前記測定軸の正側および負側に配置された補助センサと、複数の前記電磁誘導線よりも前記測定軸の正側または負側に配置された偏位センサと、を備え、前記位置測定装置は、前記偏位センサおよび前記補助センサによる検出値に応じて、前記スケールまたは前記スライダが固定された可動部に対する補助制御情報を生成する補助機能制御部、を備える。

望ましくは、前記偏位センサおよび前記補助センサのうち少なくとも一方は、前記測定軸に交わる面内でループを描くセンサ励磁コイルと、前記スケールに対向する面内でループを描くセンサ受信コイルと、を備える。

望ましくは、第１ストロークエンドコイルと、第２ストロークエンドコイルとを備え、前記第１ストロークエンドコイルと、前記第２ストロークエンドコイルとの間に、複数の前記マーカコイルが配置されており、前記制御部は、前記補助センサによる検出値に応じて、前記第１ストロークエンドコイルとおよび前記第２ストロークエンドコイルを検出し、前記スケールの移動可能な範囲を認識する。

望ましくは、前記スケールは、定尺としての帯状部材を含み、複数の前記スケールが、結線されることなく継ぎ足し可能となっている。

本発明によれば、測定精度を向上させると共に、リニアエンコーダの構造を単純化することができる。

本発明の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。 コードパターンを模式的に示す図である。 スライダの構成を示す図である。 受信信号を示す図である。 受信信号の時間波形の概形を示す図である。 本発明の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。 センサの構成例を示す図である。

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。方向を示すこれらの用語は、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１００（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。また、本明細書における「コイル」の用語は、ループを描くループコイルを意味する。

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および制御部３０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上に配置された複数のマーカコイル１６および複数のコードパターン１８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。帯状部材１４は可動テーブルに固定されており、矢印３２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軸方向に延びる基準線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。

各マーカコイル１６は、ｙ軸方向を長手方向とする長方形のループを描く。各マーカコイル１６のｘ軸方向の幅は、例えば、０．１ｍｍ以上２ｍｍ以下であってよい。複数のマーカコイル１６は、長手方向をｙ軸方向に揃えて、ｘ軸方向に所定の間隔を隔てて並べられている。マーカコイル１６が並べられる間隔は、例えば、５０ｍｍ以上１００ｍｍ以下であってよい。

各マーカコイル１６の右側（ｘ軸正方向側）には、コードパターン１８が配置されている。コードパターン１８は、複数の情報コイル２０によって構成されている。図２には、コードパターン１８の拡大図が模式的に示されている。情報コイル２０は、ｘ軸方向に延びる底辺を有し、ｙ軸方向を高さ方向とする三角形のループを描く。情報コイル２０には、左側の辺が底辺に対して垂直であり、右側の辺を斜辺とする第１直角三角形を描く第１情報コイル２０－１と、右側の辺が底辺に対して垂直であり、左側の辺を斜辺とする第２直角三角形を描く第２情報コイル２０－２がある。後述するように、第１情報コイル２０－１と第２情報コイル２０－２とでは、スライダ１０との間で引き起こされる電磁誘導現象に差異が生じる。そのため、第１情報コイル２０－１および第２情報コイル２０－２によってディジタル信号の「１」と「０」を表現することで、特定のコードが表現され得る。

図２に示されている例では、ｘ軸の正方向に向かって、第１情報コイル２０－１、第１情報コイル２０－１、第２情報コイル２０－２、第２情報コイル２０－２、第１情報コイル２０－１、第２情報コイル２０－２・・・・・第２情報コイル２０－２が順に配置されている。第１情報コイル２０－１にディジタル信号の「０」を対応付け、第２情報コイル２０－２にディジタル信号の「１」を対応付けた場合には、図２に示されているコードパターン１８は、２進数のコード００１１０１・・・・１を示す。

図１に戻って説明する。スライダ１０とコードパターン１８との間の電磁気的な相互作用によって、コードパターン１８が示すアブソリュートコードがスライダ１０で読み込まれ、アブソリュートコードが制御部３０に出力される。ここで、アブソリュートコードは、コードパターン１８の直近の左側（ｘ軸負方向側）に配置されたマーカコイル１６に対応するアブソリュート位置を表すコードである。アブソリュート位置は、例えば、マーカコイル１６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。マーカコイル１６の位置は、例えば、マーカコイル１６の中心のｘ軸上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スケール１２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複数の電磁誘導線が配置されている。

マーカコイル１６および情報コイル２０には、スライダ１０から交流磁界が与えられると渦電流が流れる。渦電流によって、これらのコイルは、スライダ１０から与えられた交流磁界を打ち消すような応答・交流磁界を発生する。スライダ１０には、応答・交流磁界を受信する受信コイルが設けられている。受信コイルは、応答・交流磁界を受信し、応答・交流磁界に基づく受信信号を制御部３０に出力する。

制御部３０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３０は、受信信号に基づいてスケール１２の位置を求める。

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、ｎ本の電磁誘導線Ｓ１～Ｓｎ、受信コイル５０および受信アンプ５２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は、ｘｙ座標平面に平行な平面内に配置されている。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、マーカコイル１６のｘ軸方向の幅よりも小さい。すなわち、マーカコイル１６のｘ軸方向の幅は、電磁誘導線Ｓ１～Ｓｎの配置間隔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、隣接するマーカコイル１６の間隔よりも短く、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。

受信コイル５０は、電磁誘導線Ｓ１～Ｓｎが配置された平面に平行な平面で略長方形状のループを描き、両端が受信アンプ５２に接続されている。受信コイル５０は、ｘ軸に沿って平行に延びる第１ｘ方向区間５０ｘ１および第２ｘ方向区間５０ｘ２を備えている。また、受信コイル５０は、第１ｘ方向区間５０ｘ１の左端と第２ｘ方向区間５０ｘ２の左端との間を結ぶ第１ｙ方向区間５０ｙ１を備えている。受信コイル５０は、さらに、第１ｘ方向区間５０ｘ１の右端に一端が接続され、ｙ軸負方向に延びて、他端が受信アンプ５２に接続された第２ｙ方向区間５０ｙ２と、第２ｘ方向区間５０ｘ２の右端に一端が接続され、ｙ軸正方向に延びて他端が受信アンプ５２に接続された第３ｙ方向区間５０ｙ３を備えている。

第１ｘ方向区間５０ｘ１のｙ軸上の位置は、マーカコイル１６の上端のｙ軸上の位置の近傍であってよい。また、第２ｘ方向区間５０ｘ２のｙ軸上の位置は、マーカコイル１６の下端のｙ軸上の位置の近傍であってよい。さらに、第１ｙ方向区間５０ｙ１と第２ｙ方向区間５０ｙ２との間隔、および第１ｙ方向区間５０ｙ１と第３ｙ方向区間５０ｙ３との間隔は、電磁誘導線Ｓ１と電磁誘導線Ｓｎとの間隔よりも大きい。

制御部３０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３０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３０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のそれぞれから発せられる交流磁界に基づく磁束は受信コイル５０に鎖交しないか、その磁束のうち鎖交する成分は微小である。そのため、電磁誘導線Ｓ１～Ｓｎのそれぞれから発せられる交流磁界に基づいて受信コイル５０に現れる誘導起電力は０であるか微小である。

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、マーカコイル１６が位置している場合、その電磁誘導線から発せられた交流磁界に基づく磁束がマーカコイル１６に鎖交して、マーカコイル１６に渦電流が流れる。これによって、マーカコイル１６から応答・交流磁界が発せられる。

マーカコイル１６から発せられた応答・交流磁界に基づく磁束は、受信コイル５０に鎖交し、受信コイル５０には、応答・交流磁界に基づく受信電圧（誘導起電力）が発生し、受信電圧が受信アンプ５２に入力される。受信アンプ５２は受信電圧を増幅し、受信信号として制御部３０に出力する。

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、受信アンプ５２から出力される受信信号ＶＲが示されている。横軸は時間ｔを示し縦軸は受信信号ＶＲ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、マーカコイル１６の往路１がｘ＝Ｘαの位置にあり、マーカコイル１６の復路３がｘ＝Ｘβの位置にある。ここで、往路１は、マーカコイル１６の左側でｙ軸方向に延びる区間であり、復路３は、マーカコイル１６の右側でｙ軸方向に延びる区間である。往路１と復路３の上端は上端路２で接続され、復路３と往路１の下端は下端路４によって接続されている。なお、往路、復路、上端路および下端路の用語は、マーカコイル１６の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。また、図４では、説明の便宜上、マーカコイル１６のｘ軸方向の幅が広く誇張して描かれている。選択部４０による選択動作によって、時間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。

受信信号ＶＲは、ｘ＝ｘ１、ｘ２、ｘ３、・・・・・ｘ２９の位置にある電磁誘導線によって、それぞれ、時間ｔ＝ｔ１、ｔ２、ｔ３・・・・・ｔ２９に受信コイル５０に発生した誘導起電力（受信電圧）に基づく離散的な信号である。受信信号ＶＲの離散値は電磁誘導波形５６上にある。電磁誘導波形５６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５６は、マーカコイル１６の往路１があるｘ＝Ｘαの位置で負の極大値を有し、マーカコイル１６の復路３があるｘ＝Ｘβの位置で正の極大値を有する。電磁誘導波形５６は、マーカコイル１６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５６の極性は、受信コイル５０に発生する誘導起電力の位相を示す。すなわち、電磁誘導波形５６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、受信コイル５０に発生する誘導起電力の位相が１８０°反転することを意味する。

制御部３０は、受信信号ＶＲの離散値を補間（内挿）した補間受信信号を求め、補間受信信号が０となるゼロクロスポイントの位置をマーカコイル１６の位置ｘ＝ＸＭとして求める。

次に、コードパターン１８を構成する複数の情報コイル２０とスライダ１０との間の相互作用について説明する。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情報コイル２０が位置した場合、情報コイル２０に渦電流が流れて情報コイル２０から応答・交流磁界に基づく磁束が発生し、受信コイル５０に受信電圧（誘導起電力）が発生する。これによって、受信コイル５０から受信アンプ５２に受信電圧が出力される。

図２に示されているように、第１情報コイル２０－１および第２情報コイル２０－２は、右側に斜辺があるか、左側に斜辺があるかが異なる直角三角形である。そのため、第１情報コイル２０－１または第２情報コイル２０－２によって得られる受信信号ＶＲの時間波形は正負が非対称となる。図５（ａ）には、情報コイル２０が第１情報コイル２０－１である場合の受信信号ＶＲの時間波形の概形が示されている。図５（ｂ）には、情報コイル２０が第２情報コイル２０－２である場合の受信信号ＶＲの概形が示されている。図５（ａ）に示されているように、情報コイル２０が第１情報コイル２０－１である場合には受信信号ＶＲの負方向の振れ幅が、正方向の振れ幅よりも大きくなる。一方、図５（ｂ）に示されているように、情報コイル２０が第２情報コイル２０－２である場合には受信信号ＶＲの正方向の振れ幅が、負方向の振れ幅よりも大きくなる。

制御部３０は、受信信号ＶＲの負方向の振れ幅が正方向の振れ幅よりも大きい場合には、受信信号ＶＲをディジタル信号の値「０」に変換し、受信信号ＶＲの正方向の振れ幅が負方向の振れ幅よりも大きい場合には、受信信号ＶＲをディジタル信号の値「１」に変換する。制御部３０は、コードパターン１８を構成する複数の情報コイル２０から得られた受信信号ＶＲをディジタル信号に変換してコード信号を生成する。例えば、図２に示されたコードパターン１８から、制御部３０は、アブソリュートコードを示すコード信号として２進数「００１１０１・・・・１」を生成する。

制御部３０は、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。制御部３０は、（数１）に示されているように、アブソリュート位置ｘ＝Ｘａに検出位置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３０が検出するマーカコイル１６が、別のマーカコイル１６に入れ替わったときは、先に検出したマーカコイル１６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コイル１６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３０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、マーカコイル１６、スケール１２および制御部３０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、受信コイル５０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。受信コイル５０は、電磁誘導線Ｓ１～Ｓｎに交わる方向に延びる区間を有する。スケール１２にはマーカコイル１６が配置されている。マーカコイル１６は、測定軸方向に交わる方向に延伸し、電磁誘導線Ｓ１～Ｓｎが並べられた面と対向する面で周回する。制御部３０は、受信コイル５０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に各マーカコイル１６に対応して配置されたコードパターン１８を備えている。コードパターン１８は、測定軸方向に並べられた複数の情報コイル２０を備えている。各情報コイル２０は、２種類の三角形状、すなわち、第１直角三角形および第２直角三角形のうちいずれかの形状に形成されている。複数の情報コイル２０は、それぞれの形状、すなわち第１直角三角形であるか第２直角三角形であるかに応じた情報としてアブソリュートコードを発し、コードパターン１８は、対応するマーカコイル１６のアブソリュート位置を示す情報を発する。制御部３０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コイル１６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、受信コイル５０に発生した誘導起電力の時間波形が、受信信号ＶＲに対する内挿によって求められる。さらに、電磁誘導波形の時間波形のゼロクロスポイントに基づいて、マーカコイル１６の位置が測定される。これによって、マーカコイル１６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ノイズ耐性が向上すると共に、測定分解能が向上する。

上記では、マーカコイル１６が検出される度にアブソリュートコードを読み取り、マーカコイル１６が検出される度に、検出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コイル１６とは異なるマーカコイル１６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３０は、測定開始時に検出されたマーカコイル１６を基準マーカコイルとし、現時点で検出されている現時点マーカコイルが、基準マーカコイルから離れて何番目のマーカコイル１６に対応するかを判定する。制御部３０は、現時点マーカコイルが基準マーカコイルから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、マーカコイル１６の間隔ｄのＣ倍を加算し、さらに、現時点マーカコイルの検出位置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、コイルカウント値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３０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に示されている例ではＸＬ＝０である。制御部３０は、測定開始時に検出されたマーカコイル１６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、測定開始時のコイルカウント値をＣ＝０とする。

制御部３０は、マーカコイル１６を検出した後、受信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コイル１６の位置を追跡する。制御部３０は、マーカコイル１６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３０は、マーカコイル１６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３０は、現時点でＸＬ≦ｘ≦ＸＨの範囲で検出されているマーカコイル１６の検出位置ｘ＝ＸＭ、測定開始時に読み込んだアブソリュート位置ｘ＝Ｘａ、現時点におけるコイルカウント値Ｃおよびマーカコイル１６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３０は、マーカコイル１６のｘ座標値で表される検出位置（検出位置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コイルが、先にアブソリュート位置が求められた基準マーカコイルから離れて何番目のマーカコイル１６に対応するかを判定する。制御部３０は、現時点マーカコイルが基準マーカコイルから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（コイルカウント値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３０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、新たにマーカコイル１６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３０は、現時点のコイルカウント値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３０は、新たに検出された現時点マーカコイルについて得られた検出位置ＸＭと、先に記憶したコイルカウント値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３０は基準線ＬＺの位置ｘ＝Ｕを求める。

図６には、本発明の応用実施形態に係るリニアエンコーダ１０２の構成が示されている。リニアエンコーダ１０２が備えるスケール２２は、図１に示されたリニアエンコーダ１００が備えるスケール１２に対し、第１ストロークエンドコイル６２および第２ストロークエンドコイル６４が設けられている点が異なっている。第１ストロークエンドコイル６２は、最も左側（ｘ軸負方向側）のマーカコイル１６の左側に配置され、第２ストロークエンドコイル６４は、最も右側（ｘ軸正方向側）のコードパターン１８の右側に配置されている。第１ストロークエンドコイル６２および第２ストロークエンドコイル６４は、ｘ軸方向の幅を各マーカコイル１６よりも大きくした形状を有してよい。

また、リニアエンコーダ１０２が備えるスライダ６０は、図１に示されたリニアエンコーダ１００が備えるスライダ１０に対し、第１補助センサ６６、第２補助センサ６８および偏位センサ７０を備えている点が異なっている。第１補助センサ６６は、スライダ６０における複数の電磁誘導線Ｓ１～Ｓｎよりも左側に近接して設けられており、第２補助センサ６８は、スライダ６０における複数の電磁誘導線Ｓ１～Ｓｎよりも離れて右側に設けられている。第１補助センサ６６と第２補助センサ６８との間隔は、第１ストロークエンドコイル６２と第２ストロークエンドコイル６４との間隔と等しい。偏位センサ７０は、スライダ６０が備える複数の電磁誘導線Ｓ１～Ｓｎよりも右側に近接して設けられている。

図６には、第１補助センサ６６、第２補助センサ６８および偏位センサ７０のうち、少なくとも１つを用いた処理を実行する制御部３０の構成要素として、位置制御部７２、追従偏差照合部７４、ストロークエンド検出部７６および原点照合部７８が示されている。

位置制御部７２は、目標信号を追従偏差照合部７４に出力する。目標信号は、例えば、スライダ６０を移動制御する際におけるスライダ６０の移動量の基準を示すパルス信号であってよい。偏位センサ７０は、マーカコイル１６を検出したことに応じた偏位センサ信号を追従偏差照合部７４に出力する。追従偏差照合部７４は、目標信号と偏位センサ信号との比較に基づいて追従偏差ｅを求め出力する。追従偏差ｅは、スライダ６０の移動量が制御目標値に追従している程度を示す値であってよい。

ストロークエンド検出部７６は、第１ストロークエンドコイル６２を検出したことに応じた第１ストロークエンド信号が第１補助センサ６６から出力され、第２ストロークエンドコイル６４を検出したことに応じた第２ストロークエンド信号が第２補助センサ６８から出力されたときに、スケール２２が最も右側の限界位置にあると判断しエンドリミット信号ＥＬを出力する。エンドリミット信号ＥＬは、スケールが最も右側の限界位置にあることを示す信号である。制御部３０は、エンドリミット信号ＥＬに基づいて、スケール２２が移動可能なｘ軸上の範囲を認識してよい。

原点照合部７８は、第２補助センサ６８から出力される第２ストロークエンド信号と、偏位センサ７０から出力される偏位センサ信号とに基づいて、スケール２２を原点ｘ＝０の位置に復帰させるのに必要な原点復帰信号Ｚを求め出力する。

追従偏差ｅ、エンドリミット信号ＥＬおよび原点復帰信号Ｚは、スケール２２が固定された可動部を駆動制御する駆動制御装置に出力される。駆動制御装置は、追従偏差ｅ、エンドリミット信号ＥＬおよび原点復帰信号Ｚに基づいて、スケール２２の移動範囲の制限、スケール２２の原点復帰、減速等の制御や異常検出処理を実行してよい。

このように、応用実施形態に係るリニアエンコーダ１０２におけるスライダ６０は、複数の電磁誘導線Ｓ１～Ｓｎよりもｘ軸（測定軸）の正側および負側に配置された第１補助センサ６６および第２補助センサ６８と、複数の電磁誘導線Ｓ１～Ｓｎよりもｘ軸の正側または負側に配置された偏位センサ７０とを備えている。制御部３０は、偏位センサ７０および各補助センサによる検出値に応じて、スケール２２またはスライダ６０が固定された可動部に対する補助制御情報を生成する補助機能制御部を備える。補助機能制御部は、位置制御部７２、追従偏差照合部７４、ストロークエンド検出部７６および原点照合部７８から構成される。補助制御情報は、追従偏差ｅ、エンドリミット信号ＥＬおよび原点復帰信号Ｚを含む。

図７には、第１補助センサ６６、第２補助センサ６８および偏位センサ７０（以下、センサという）のそれぞれの構成例が示されている。図７では、ｘｙ座標平面に垂直であり、上向きを正とするｚ軸が定義されている。センサは、センサ交流電力源８０、センサ励磁コイル８２、センサ受信コイル８４、センサ受信アンプ８６を備えている。センサ励磁コイル８２は、ｙｚ平面に平行な面内（測定軸に交わる面内）でｘ軸方向に延伸する略長方形のループを描き、両端がセンサ交流電力源８０に接続されている。

センサ受信コイル８４は、センサ励磁コイル８２の下方（ｚ軸負方向側）でｘｙ平面に平行な面内（スケール２２に対向する面内）で略長方形のループを描き、両端がセンサ受信アンプ８６に接続されている。センサ交流電力源８０は、センサ励磁コイル８２に交流電流を流す。これによって、センサ励磁コイル８２からは交流磁界が発生する。

センサ励磁コイル８２から発せられる交流磁界に基づく磁束はセンサ受信コイル８４に鎖交しないか、その磁束のうち鎖交する成分は微小である。そのため、センサ励磁コイル８２から発せられる交流磁界に基づいてセンサ受信コイル８４に現れる誘導起電力は０であるか微小である。

センサ励磁コイル８２の下方にスケール上コイルＣＸ（マーカコイル１６、第１ストロークエンドコイル６２および第２ストロークエンドコイル６４のうちいずれか１つ）が位置する場合には、センサ励磁コイル８２から発せられた交流磁界に基づく磁束がスケール上コイルＣＸに鎖交する。これによって、スケール上コイルＣＸには渦電流が流れ、スケール上コイルＣＸから応答・交流磁界が発せられる。

スケール上コイルＣＸから発せられた応答・交流磁界に基づく磁束は、センサ受信コイル８４に鎖交し、センサ受信コイル８４には、応答・交流磁界に基づくセンサ電圧（誘導起電力）が発生し、センサ電圧がセンサ受信アンプ８６に入力される。センサ受信アンプ８６はセンサ電圧を増幅し出力する。

図７には、スケール２２が時間経過と共に移動する場合におけるセンサ電圧ＳＶの時間波形の概形が示されている。スケール上コイルＣＸの往路の位置がセンサ励磁コイル８２の位置に一致するときと、復路の位置がセンサ励磁コイル８２の位置に一致するときに、センサ電圧ＳＶはピーク値となる。ただし、スケール上コイルＣＸの往路の位置がセンサ励磁コイル８２の位置に一致するときと、復路の位置がセンサ励磁コイル８２の位置に一致するときとでは、センサ電圧ＳＶのピーク値の極性は逆になる。スケール上コイルＣＸの往路の位置と復路の位置の中間の位置が、センサ励磁コイル８２の位置に一致するときに、センサ電圧ＳＶは０となる。スケール上コイルＣＸの往路の位置と復路の位置の中間の位置が、センサ励磁コイル８２の位置を通過するときにセンサ電圧ＳＶの極性が反転する。

以上説明したように、本発明の実施形態に係るリニアエンコーダ１００のスケール１２には、ループコイルとしてマーカコイル１６および情報コイル２０が設けられている。また、応用実施形態に係るリニアエンコーダ１０２のスケール２２には、ループコイルとして、マーカコイル１６、情報コイル２０、第１ストロークエンドコイル６２および第２ストロークエンドコイル６４が設けられている。これらのループコイルのそれぞれは、他のループコイルから独立して構成されている。したがって、帯状部材１４は定尺で構成されてよい。可動部の測定軸方向への測定範囲に合わせて、スケール１２および２２は、結線されることなく継ぎ足し構築が可能である。

１ 往路、２ 上端路、３ 復路、４ 下端路、１０，６０ スライダ、１２，２２ スケール、１４ 帯状部材、１６ マーカコイル、１８ コードパターン、２０ 情報コイル、２０－１ 第１情報コイル、２０－２ 情報コイル、４０ 選択部、４２ 交流電力源、５０ 受信コイル、５０ｘ１ 第１ｘ方向区間、５０ｘ２ 第２ｘ方向区間、５０ｙ１ 第１ｙ方向区間、５０ｙ２ 第２ｙ方向区間、５０ｙ３ 第３ｙ方向区間、５２ 受信アンプ、５６ 電磁誘導波形、６２ 第１ストロークエンドコイル、６４ 第２ストロークエンドコイル、６６ 第１補助センサ、６８ 第２補助センサ、７０ 偏位センサ、７２ 位置制御部、７４ 追従偏差照合部、７６ ストロークエンド検出部、８０ センサ交流電源、８２ センサ励磁コイル、８４ センサ受信コイル、８６ センサ受信アンプ。

Claims (8)

1. 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、
   前記電磁誘導線に交わる方向に延びる区間を有する受信コイルと、を含むスライダと、
   前記測定軸方向に交わる方向に延伸し、複数の前記電磁誘導線が並べられた面と対向する面で周回するマーカコイルと、
   前記マーカコイルが配置されたスケールと、
   前記受信コイル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、
   を備えることを特徴とする位置測定装置。
2. 請求項１に記載の位置測定装置において、
   各前記マーカコイルに対応して配置されたコードパターンを備え、
   前記コードパターンは、
   前記測定軸方向に並べられた複数の情報コイルであって、それぞれの形状に応じた情報を発する複数の情報コイルを備え、
   対応する前記マーカコイルのアブソリュート位置を示す情報を発することを特徴とする位置測定装置。
3. 請求項２に記載の位置測定装置において
   複数の前記情報コイルのそれぞれは、２種類の三角形状のうちのいずれかに形成され、
   複数の前記情報コイルのそれぞれの三角形の形状に応じて、複数の前記情報コイルが２進数によって前記アブソリュート位置を示すことを特徴とする位置測定装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の位置測定装置において、
   前記マーカコイルの前記測定軸方向の幅は、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、
   前記受信コイル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。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の位置測定装置において、
   前記スライダは、
   複数の前記電磁誘導線よりも前記測定軸の正側および負側に配置された補助センサと、
   複数の前記電磁誘導線よりも前記測定軸の正側または負側に配置された偏位センサと、を備え、
   前記位置測定装置は、
   前記偏位センサおよび前記補助センサによる検出値に応じて、前記スケールまたは前記スライダが固定された可動部に対する補助制御情報を生成する補助機能制御部、を備えることを特徴とする位置測定装置。
6. 請求項５に記載の位置測定装置において、
   前記偏位センサおよび前記補助センサのうち少なくとも一方は、
   前記測定軸に交わる面内でループを描くセンサ励磁コイルと、
   前記スケールに対向する面内でループを描くセンサ受信コイルと、
   を備えることを特徴とする位置測定装置。
7. 請求項５または請求項６に記載の位置測定装置において、
   第１ストロークエンドコイルと、第２ストロークエンドコイルとを備え、
   前記第１ストロークエンドコイルと、前記第２ストロークエンドコイルとの間に、複数の前記マーカコイルが配置されており、
   前記制御部は、
   前記補助センサによる検出値に応じて、前記第１ストロークエンドコイルとおよび前記第２ストロークエンドコイルを検出し、前記スケールの移動可能な範囲を認識することを特徴とする位置測定装置。
8. 請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の位置測定装置において、
   前記スケールは、定尺としての帯状部材を含み、
   複数の前記スケールが、結線されることなく継ぎ足し可能となっていることを特徴とする位置測定装置。
   

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