JP2016050886A - 光学式リニアエンコーダ - Google Patents
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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)
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)
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。
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。
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。
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)
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)
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、49,50 AD変換器。
Claims (3)
- 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。
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