JP2016050886A

JP2016050886A - 光学式リニアエンコーダ

Info

Publication number: JP2016050886A
Application number: JP2014177283A
Authority: JP
Inventors: 林　康一; Koichi Hayashi; 康一林; 松井　圭司; Keiji Matsui; 圭司松井
Original assignee: Okuma Corp; Okuma Machinery Works Ltd
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 2014-09-01
Filing date: 2014-09-01
Publication date: 2016-04-11

Abstract

【課題】メインスケールと検出ヘッド間のギャップを正確に検出できる光学式のリニアエンコーダを提供する。【解決手段】検出ヘッドのメインスケールに対する位置に応じた、互いに９０度間隔の位相をもった信号ＡＰ，ＢＰ，ＡＮ，ＢＮを取得する。信号ＡＰと信号ＡＮの差ＡＳと和ＡＡの比ＡＤを算出する。また、信号ＢＰと信号ＢＮの差ＢＳと和ＢＡの比ＢＤを算出する。比ＡＤと比ＢＤの自乗和ＣＮＴを算出する。あらかじめ取得されたテーブルを参照して、算出された自乗和ＣＮＴからギャップを求める。【選択図】図１

Description

本発明は、工作機械や半導体製造装置等に組み込まれ、可動軸の位置を検出する光学式リニアエンコーダに関する。

一般的な光学式のリニアエンコーダは、メインスケールを内部に備えたスケールユニットと検出ヘッドを搭載するスライダユニットから構成される。通常、スライダユニットは、ばね機構によって検出ヘッドが可動方向以外に柔軟に変位できるようにスライダ筺体に固定されている。そして、メインスケールとメインスケールに隣接して長手方向に移動する検出ヘッドとの間には、ガイド機構が備えられている。このような光学式リニアエンコーダでは、ガイド機構により、検出ヘッドとメインスケール間のギャップを一定に保つことができるため、エンコーダの機械への設置を比較的容易に行うことができる。しかし、検出ヘッドがばね機構により固定されるため、スライダユニットが反転するときに、移動方向と逆の方向にばね機構のたわみが発生し、移動方向の違いによって検出位置にズレが生じる問題があった。また、ばね機構やガイド機構も必要であった。

その他の光学式リニアエンコーダとしては、図３の示すような光学式リニアエンコーダがある。また、図３のＡ−Ａ'断面図を図４に示す。図３の光学式リニアエンコーダは、図４に示すように、左下付近の一部が空いた構造のスケール筐体２からできており、スケール筐体２は通常、機械のベッド等に固定される。また、スケール筐体２の内部には、メインスケール３が接着固定されている。メインスケール３は、ガラスからできており、その表面には、長手方向に一定間隔のピッチで格子状の金属薄膜の目盛１３（以下、格子部と記す）が刻まれている。また、リニアエンコーダのスライダユニット４は、スライダ保持部５と検出ヘッド保持部７とその両者をつなぐ支柱６から成るスライダ筐体を有する。また、スライダユニット４は、発光部９とミラー８と受光部２０から成る検出ヘッドを有し、この検出ヘッドは検出ヘッド保持部７に固定されている。さらに、スライダユニット４は、メインスケール３に関して検出ヘッドの反対側に配置される受光部２０を含む。検出ヘッドでは、発光部９が発した光がミラー８で直角に反射されて、隣接するメインスケール３の格子部１３に照射され、格子部１３を透過した光を受光部２０で電気信号に変換する。また、スライダ保持部５は、機械のテーブル等にボルト固定される。また、スライダ保持部５は、その内部に受光部２０からの電気信号を位置データ信号に変換する回路基板１２が組み込まれている。回路基板１２が検出した位置データ信号は、スライダ保持部５に設置された防水コネクタ１４を介して外部へ出力される。また、スライダ保持部５には蓋１０が固定され、回路基板１２を水や油等から保護する構造となっている。

図５に図３の受光部の構造と回路基板１２上の回路の信号処理に関するブロック図を示す。同図で受光部２０の基板には、ガラスからできているインデックススケール１５が接着固定されている。インデックススケール１５の表面には、メインスケールの格子部１３に対して、それぞれ９０度ずつ位相のずれた格子１６，１７，１８，１９が形成されている。格子１６，１７，１８，１９は、インデックススケール１５の表面に蒸着された金属薄膜を除去して形成される。受光部２０の基板と格子１６，１７，１８，１９の間には、それぞれ受光素子２１，２２，２３，２４が配置されている。受光素子２１，２２，２３，２４が出力する光電流Ｉａｐ，Ｉｂｐ，Ｉａｎ，Ｉｂｎは、プリアンプ２５，２６，２７，２８で増幅され、電圧信号Ｖａｐ，Ｖｂｐ，Ｖａｎ，Ｖｂｎに変換される。電圧信号ＶａｐとＶａｎは、演算増幅器４７で演算され、これらの差（Ｖａｐ−Ｖａｎ）に相当する電圧信号Ａｓが出力される。また、電圧信号ＶｂｐとＶｂｎは、演算増幅器４８で演算され、これらの差（Ｖｂｐ−Ｖｂｎ）に相当する電圧信号Ｂｓが出力される。電圧信号ＡｓとＢｓは、それぞれＡＤ変換器４９，５０でデジタル信号ＡＳとＢＳに変換される。

メインスケールの格子ピッチをＰ、スライダユニットとスケールユニットの長手方向の相対位置をＸとした場合、電圧信号Ｖａｐ，Ｖａｎ，Ｖｂｐ，Ｖｂｎは、それぞれ下記の式（１）のように表すことができる。
Ｖａｐ＝ＩＮａｐ＋ＡＭａｐ＊ＣＯＳ（２π＊Ｘ／Ｐ）・・・（１）
Ｖａｎ＝ＩＮａｎ−ＡＭａｎ＊ＣＯＳ（２π＊Ｘ／Ｐ）・・・（１）
Ｖｂｐ＝ＩＮｂｐ＋ＡＭｂｐ＊ＳＩＮ（２π＊Ｘ／Ｐ）・・・（１）
Ｖｂｎ＝ＩＮｂｎ―ＡＭｂｎ＊ＳＩＮ（２π＊Ｘ／Ｐ）・・・（１）

上記の式（１）では、発光部９からの光の強度にムラがなく、受光素子特性のバラツキもなければ、ＩＮａｐ＝ＩＮａｎ＝ＩＮｂｐ＝ＩＮｂｎ＝ＩＮＴ，ＡＭａｐ＝ＡＭａｎ＝ＡＭｂｐ＝ＡＭｂｎ＝ＡＭと表すことができる。ＩＮＴは発光部９の光量に正比例する値である。また、ＡＭは発光部９の光量に正比例し、メインスケール３と検出ヘッドの受光部２０とのギャップに逆比例する値である。また、電圧信号ＡＳとＢＳは、下記の式（２）で表すことができる。
ＡＳ＝２ＡＭ＊ＣＯＳ（２π＊Ｘ／Ｐ）・・・（２）
ＢＳ＝２ＡＭ＊ＳＩＮ（２π＊Ｘ／Ｐ）・・・（２）

デジタル信号ＡＳとＢＳは、内挿演算器３７によって、２入力の逆正接演算が行われ、スライダユニットとスケールユニットの相対位置のピッチＰ内の位置の変化を高い分解能で示す内挿データ信号ＰＬに変換される。

コンパレータ３８，３９は、それぞれ電圧信号ＶａｐとＶａｎの差、電圧信号ＶｂｐとＶｂｎの差の極性が正の時１、負の時０を出力する。これにより、スライダユニットとスケールユニットの相対位置の変化に応じて、Ｐ／４だけ位相がずれた２相パルス信号ＡＰ，ＢＰを出力する。２相パルス信号ＡＰ，ＢＰは、アップダウンカウンタ４０で、相対位置ＸがＰ／４変化するごとに、カウント値がアップ又はダウンするカウント値ＰＨを出力する。合成器４１は、内挿データ信号ＰＬとカウント値ＰＨを合成して、スライダユニットとスケールユニットの相対位置を高分解能に示す位置データＰＯＳを出力する。

また、デジタル信号ＡＳとＢＳは、自乗和演算器５１により、信号ＡＳの自乗と信号ＢＳの自乗の和となる信号ＡＭＰを出力する。このときＡＭＰは、
ＡＭＰ＝ＡＳ²＋ＢＳ²＝４ＡＭ²
となり、デジタル信号ＡＳとＢＳの振幅に相当する値の自乗を示す数値となる。判定器５２では、信号ＡＭＰの値が予め設定した下限値と上限値を超えた場合に、メインスケール３と検出ヘッドの受光部２０とのギャップが異常であることを示す信号ＧＥＲを出力する。

特開平７−３２４９４８号公報

図３に示した光学式リニアエンコーダは、検出ヘッドがスライダ筺体に強固に固定されており、スケールユニットやスライダユニットを固定した機械側のガイド機構を利用して、メインスケールとそれに隣接する検出ヘッドがギャップを開けて、長手方向に移動できるようになっている。このため、ばね機構やガイド機構が無く、シンプルな構造をしており、ガイド機構付の光学式リニアエンコーダに比べ、コストを安く製造できる。また、ばね機構がないため、移動方向の違いによって検出位置のずれが発生しにくく、高精度な位置検出が可能である。しかし、スライダユニットとスケールユニットの取り付けによっては、検出ヘッドとメインスケール間のギャップが狭すぎたり、広すぎたりすることがあり、検出精度がギャップの影響を受けるため、ガイド機能付きの光学リニアエンコーダと比較し、機械への設置精度が厳しくなる傾向があった。また、スライダユニットを間違って設置許容範囲を超えて機械に設置したために、スライダ筐体の一部とスケール筐体の一部が干渉し、リニアエンコーダが壊れるような問題が発生することがあった。これらの問題に対しては、デジタル信号ＡＳとＢＳの自乗和から求めた信号振幅の自乗に相当する値ＡＭＰが、メインスケール３と検出ヘッドの受光部２０とのギャップ変化に反比例して変化するため、判定器５２により、干渉が発生するかもしれないような取り付け状態に対しては、異常を検知できるようになっていた。しかし、周囲温度の変化や発光部の経年劣化等による光量変動によっても信号ＡＳとＢＳの信号振幅が変化するため、図５の方法では、ギャップの検出精度があまり良くなかった。このため、このギャップ異常検出方法でも、干渉を防止できない場合もあった。また、適正なギャップでスライダユニットとスケールユニットが固定されているかを判定することも難しかった。そのため、メインスケールと検出ヘッド間のギャップを正確に検出できるガイド機構の無い光学式リニアエンコーダが望まれていた。

本発明は、上述のような事情から成されたものであり本発明の目的はメインスケールと検出ヘッド間のギャップを正確に検出できる光学式のリニアエンコーダを提供することにある。

本発明に係る光学式リニアエンコーダは、メインスケールに隣接し、メインスケール長手方向に沿って相対的に移動する検出ヘッドを備え、メインスケールに対する検出ヘッドの位置に応じた、９０度間隔の位相を持つ４つの周期信号ＡＰ，ＢＰ，ＡＮ，ＢＮから検出ヘッドの位置を検出する。４つの周期信号のうち互いに１８０度の位相差を持つ２つの信号ＡＰと信号ＡＮの和と差の比ＡＤと、信号ＢＰと信号ＢＮの和と差の比ＢＤの少なくとも一方に基づき、メインスケールと検出ヘッド間のギャップを検出する。

また、比ＡＤと比ＢＤの自乗和に基づき、スケールと検出ヘッドとのギャップを検出することができる。

さらには、予め設定した変換テーブルを参照して自乗和をギャップ量に変換するようにできる。

本発明によれば、信号ＡＰと信号ＡＮの和は、信号ＡＰと信号ＡＮ側に照射される光量に正比例する一定の値となる。信号ＡＰと信号ＡＮの差は、照射される光量に正比例し、メインスケールと検出ヘッド間のギャップ量に逆比例した振幅で変化する周期信号である。このため、信号ＡＰと信号ＡＮの和に対する差の比は、照射される光量の大きさに関係なく、ギャップ量に逆比例した振幅の周期信号となる。同様に、信号ＢＰと信号ＢＮの和に対する差の比は、照射される光量の大きさに関係なく、ギャップ量に逆比例した振幅の周期信号となる。これにより、信号ＡＰと信号ＡＮ、又は、信号ＢＰと信号ＢＮの和に対する差の比の周期信号の振幅から、ギャップ量を検出することができる。

また、信号ＡＰと信号ＡＮの和に対する差の比と信号ＢＰと信号ＢＮの和に対する差の比は、それぞれメインスケールと検出ヘッドの相対位置の余弦値と正弦値に正比例した周期信号のため、それぞれの自乗の和は、位置に関係なく一定となる。また、この自乗和は、照射される光量の大きさの影響を受けないため、メインスケールと検出ヘッドの相対位置が変化しない静止状態でも、この値に基づき、ギャップ量を検出することができる。

また、この自乗和とギャップ量の関係を予め測定して設定した変換テーブルを参照することにより、この自乗の和から正確にギャップ量を求めることができる。これにより、構造が簡単で、高精度な位置検出のできるガイド機構の無い光学式リニアエンコーダの問題点である取り付け時の問題を解決できる。

その他、本発明によれば、エンコーダを設置した機械の移動方向の位置の検出以外に、ギャップ方向の変化も検出できるため、機械側のガイドの異常診断も行うことが可能である。また、ギャップ方向の制御軸を持つ機械であれば、その軸を検出したギャップ変化を打ち消すように制御することにより、さらに高精度な機械制御が可能となる。

本発明の光学式リニアエンコーダの受光部からの信号の処理を示すブロック図である。信号ＣＮＴに対すギャップ量の関係を示すグラフである。光学式リニアエンコーダの構造を示す図である。図３の光学式リニアエンコーダのＡ−Ａ’断面を示す図である。従来の光学式リニアエンコーダの受光部からの信号の処理を示すブロック図である。

図１は、図３、４の光学式リニアエンコーダの回路基板１２を別の回路基板に変えて実現した場合の受光部からの信号の処理を示すブロック図である。図１で、図３，４，５と同じ機能のものは同じ符号とし、その説明を省略する。同図でプリアンプ２５，２６，２７，２８から出力された電圧信号Ｖａｐ，Ｖｂｐ，Ｖａｎ，Ｖｂｎは、ＡＤ変換器２９，３０，３１，３２で、デジタル信号ＡＰ，ＢＰ，ＡＮ，ＢＮに変換される。位相差１８０度の信号ＡＰと信号ＡＮは、減算器３３により減算（ＡＰ−ＡＮ）され、減算器３３は減算結果の信号ＡＳを出力する。また、信号ＡＰと信号ＡＮは、加算器３５により加算（ＡＰ＋ＡＮ）され、加算器３５は加算結果の信号ＡＡを出力する。位相差１８０度の信号ＢＰと信号ＢＮは、減算器３４により減算（ＢＰ−ＢＮ）され、減算器３４は減算結果の信号ＢＳを出力する。また、信号ＢＰと信号ＢＮは、加算器３６により加算（ＢＰ＋ＢＮ）され、加算器３６は加算結果の信号ＢＡを出力する。除算器４２では、信号ＡＳを信号ＡＡで割る演算が行われ信号ＡＤが出力される。除算器４３では、信号ＢＳを信号ＢＡで割る演算が行われ信号ＢＤを出力する。数値ＡＤと数値ＢＤは、下記の式（３）で表すことができる。
ＡＤ＝ＡＭ＊ＣＯＳ（２π＊Ｘ／Ｐ）／ＩＮＴ・・・（３）
ＢＤ＝ＡＭ＊ＳＩＮ（２π＊Ｘ／Ｐ）／ＩＮＴ・・・（３）

ＩＮＴ，ＡＭは、図５に関連して説明したものと同一のものである。自乗和演算器４４では、信号ＡＤの自乗と信号ＢＤの自乗の和となる信号ＣＮＴを出力する。信号ＣＮＴは、下記の式（４）で表すことができる。
ＣＮＴ＝（ＡＭ／ＩＮＴ）² ・・・（４）

ここで、ＡＭとＩＮＴは、共に発光部９の光量に正比例する値のため、光量成分が打ち消され、信号ＣＮＴは、メインスケール３と検出ヘッドの受光部２０とのギャップに逆比例する特性となる。ＣＮＴとギャップの関係を予め測定すると、図２に示すグラフのようになる。変換器４５は、信号ＣＮＴとギャップの対応関係を示すデータとして、図２のグラフの関係を示す変換テーブルを内蔵しており、信号ＣＮＴに対応するギャップ量をそのテーブルを参照して信号ＧＡＰとして出力する。また、判定器４６では、信号ＧＡＰが予め設定した取り付け許容ギャップの上限と下限を超えていないかを判定し、超えていた場合はギャップの警告信号であるＧＷＲを出力する。また、ギャップがスケール筐体とスライダ筐体が干渉する手前となる量の最小値又は最大値を超えた場合には、ギャップエラーを示す信号ＧＥＲを出力する。

なお、図１では、発光部９からの光の強度にムラがなく、受光素子特性のバラツキがないことを前提に、信号ＡＰ，ＢＰ，ＡＮ，ＢＮをそのまま使用して、ギャップを求めた。しかし、予め測定したゲインばらつきや信号のオフセット誤差等の調整値を使用して、信号ＡＰ，ＢＰ，ＡＮ，ＢＮを乗算器や減算器等で修正してからギャップを求めた方がより高精度なギャップ検出を行うことが可能である。また、信号ＣＮＴは、メインスケールと検出ヘッド間のギャップ方向を軸とする回転の影響も多少受けるため、特開平７−３２４９４８号公報に示されるような位置測定装置である光学式リニアエンコーダであれば、回転量が検出できるため、検出した回転量に応じてギャップ量も補正すれば、より高精度なギャップ検出を行うことが可能である。

１スケールユニット、２スケール筐体、３メインスケール、４スライダユニット、５スライダ保持部、６支柱、７検出ヘッド保持部、８ミラー、９発光部、１０蓋、１１ケーブル、１２回路基板、１４防水コネクタ、１５インデックススケール、２０受光部、２１，２２，２３，２４受光素子、２５，２６，２７，２８プリアンプ、３３，３４減算器、３５，３６加算器、３７内挿演算器、３８，３９コンパレータ、４０アップダウンカウンタ、４１合成器、４２，４３除算器、４４，５１自乗和演算器、４５変換器、４６，５２判定器、４７，４８演算増幅器、４９，５０ＡＤ変換器。

Claims

メインスケールに隣接し、メインスケール長手方向に沿って相対的に移動する検出ヘッドを備え、メインスケールに対する検出ヘッドの位置に応じた、９０度間隔の位相を持つ４つの周期信号（ＡＰ，ＢＰ，ＡＮ，ＢＮ）から検出ヘッドの位置を検出する光学式リニアエンコーダにおいて、前記４つの周期信号のうち互いに１８０度の位相差を持つ２つの信号（ＡＰ）と信号（ＡＮ）の和と差の比（ＡＤ）と、１８０度の位相差を持つ２つの信号（ＢＰ）と信号（ＢＮ）の和と差の比（ＢＤ）の少なくとも一方に基づき、メインスケールと検出ヘッド間のギャップを検出することを特徴とする光学式リニアエンコーダ。
前記比（ＡＤ）と前記比（ＢＤ）の自乗和（ＣＮＴ）に基づき、スケールと検出ヘッドとのギャップを検出することを特徴とする請求項１記載の光学式リニアエンコーダ。
予め設定した変換テーブルを参照して、前記自乗和（ＣＮＴ）をギャップ量に変換することを特徴とする請求項２に記載の光学式リニアエンコーダ。