JP4885670B2

JP4885670B2 - アブソリュート型リニアエンコーダ

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Publication number: JP4885670B2
Application number: JP2006259621A
Authority: JP
Inventors: 征司坂上; 幹也寺口
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2005-09-29
Filing date: 2006-09-25
Publication date: 2012-02-29
Anticipated expiration: 2026-09-25
Also published as: JP2007121277A

Description

本発明は、絶対位置を検出するためのアブソリュート型リニアエンコーダに係る。特に、測長範囲が長く、しかも、取扱いが容易なアブソリュート型リニアエンコーダに関する。

リニアスケールにより長い測長範囲の測定を可能とするためには、長いスケールを製作する必要がある。しかし、例えば光電式スケールの場合、スケール上に目盛を形成するための露光装置の長さに制限があるため、長尺の１本物のスケールを製作することは困難である。

そこで、相対変位を検出するための目盛パターンに繰返し連続性があるインクリメンタルスケールでは、特許文献１〜５に記載されているように、複数のインクリメンタルスケールを検出方向に一列に配置し、スケール接続部において、不連続な目盛にも拘らず、連続した正弦波（Ａ、Ｂ相のアナログ信号）を出力できるようにすることが提案されている。

又、前記のインクリメンタルスケールに対して、絶対位置を検出可能なアブソリュートスケールも実用化されている。このアブソリュートスケールは、インクリメンタルスケールのような電源立ち上げ時の原点位置または参照位置を取得するための初期動作が不要であり、特に、１本のスケールに多数の検出ヘッドを取付けたマルチヘッドに有利である。又、磁極位置を知るための別体のモータ側ホールセンサの替わりにアブソリュートスケールを利用することも可能であり、リニアモータのフィードバック制御に用いるにも有利である。

特開２００４−２３３３４６号公報特開平１０−１８７９１号公報特開平６−１３７８９９号公報特開平６−１９４１８６号公報特開２０００−５５６４７号公報

しかしながら、絶対位置を検出するためのアブソリュートスケールの場合、例えば３ｍを超える長い１本物のアブソリュートスケールを製作することは、例えば複数の定ピッチ連続パターンを並列に組み合わせた目盛での各位置における、それぞれの位相関係が異なるため、目盛パターンに繰返し連続性が無く、容易ではない。又、例え長いスケールが製作できたとしても、１本物であると、輸送や取付作業が容易ではないという問題点を有していた。

本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、長い測長範囲を実現可能で、しかも、輸送や取付作業が容易な、安価で使い易い長尺のアブソリュート型リニアエンコーダを提供することを課題とする。

本発明は、絶対位置を検出するためのアブソリュート型リニアエンコーダにおいて、検出方向に一列に配置された、絶対位置を検出するためのアブソリュート目盛を持つ複数のアブソリュートスケールと、該アブソリュートスケール上の目盛を検出するための、スケール接続部では隣り合う２つのアブソリュートスケールの目盛を同時に検出できる間隔で連結固定された複数の検出器と、各検出器毎に絶対位置データを生成するスケール毎の絶対位置データ生成部と、前記各検出器毎の絶対位置データ及び検出器間のオフセット値に基づいて、接続された全アブソリュートスケールの全長における絶対位置を出力する演算器とを備え、前記複数のアブソリュートスケールが、互いに異なる絶対位置データからなるアブソリュート目盛を持つことにより、前記課題を解決したものである。

前記複数の検出器を切替るための、該切替時にヒステリシス処理を行う判定器を更に備えることができる。

前記複数の検出器による絶対位置データを用いて、出力する絶対位置を判定することことができる。

本発明は、又、絶対位置を検出するためのアブソリュート型リニアエンコーダにおいて、検出方向に一列に配置された、絶対位置を検出するためのアブソリュート目盛を持つ複数のアブソリュートスケールと、該アブソリュートスケール上の目盛を検出するための、スケール接続部では隣り合う２つのアブソリュートスケールの目盛を同時に検出できる間隔で連結固定された複数の検出器と、各検出器毎に絶対位置データを生成するスケール毎の絶対位置データ生成部と、前記各検出器毎の絶対位置データ及び検出器間のオフセット値に基づいて、接続された全アブソリュートスケールの全長における絶対位置を出力する演算器と、を備え、前記複数のアブソリュートスケールは、同じアブソリュート目盛を持ち、互いに上下逆向きに配置することにより、前記課題を解決したものである。

本発明によれば、最終的なアブソリュートエンコーダの測長範囲に対して、スケールを複数に分割することで、一本当たりのスケールの長さを小さく（例えば６ｍの側長範囲に対して３ｍのスケール２本で構成）できるため、長尺用の製造設備が不要となり、スケール製造が容易であり、製作コストも安くできる。又、輸送コストや保管コストも有利である。

更に、１本物の場合、輸送や保管だけでなく取付作業における取扱いも容易でないが、分割されたスケールであれば、短いスケール毎に取付けることができ、取付けも容易である。

以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。

２本のアブソリュートスケールを接続した本発明の第１実施形態は、図１（要部斜視図）及び図２（信号処理回路のブロック図）に示す如く、検出方向（図の左右方向）に一列に配置された、絶対位置を検出するための異なるアブソリュート目盛（以下、単に目盛とも称する）１２Ａ、１２Ｂを持つ２本のアブソリュートスケール（以下、単にスケールとも称する）１０Ａ、１０Ｂと、該アブソリュートスケール１０Ａ、１０Ｂ上の目盛１２Ａ、１２Ｂを検出するための、スケール接続部１４では隣り合う２つのスケール１０Ａ、１０Ｂの目盛１２Ａ、１２Ｂを同時に検出できる任意の中心間隔Ｄで連結板（ユーザのブラケットでも可）２４により固定され、連結ケーブル２６で電気的に接続された検出器２２Ａ、２２Ｂを有する検出ヘッド２０と、図２に示す如く、各検出器２２Ａ、２２Ｂ毎の絶対位置データを生成する絶対位置データ生成部３２Ａ、３２Ｂ、各検出器２２Ａ、２２Ｂの絶対位置データ生成部３２Ａ、３２Ｂの出力値を切替えるための位置設定値、及び、異なるスケール１０Ａ、１０Ｂ間の絶対位置データのオフセット値（検出器２２Ａ、２２Ｂ間の絶対位置データ）を保存するメモリ３４、前記絶対位置データ生成部３２Ａ、３２Ｂの出力及びメモリ３４に保存された位置設定値に応じて、絶対位置データ生成部３２Ａ、３２Ｂを切替える判定器３６、該判定器３６の出力により、必要に応じてメモリ３４に記憶されたオフセット値を加算して出力する演算器３８を有する信号処理回路３０とを備えている。

図１において、１６は、スケール１０Ａ、１０Ｂを測定対象の一方に固定するためのスケール固定ねじ、２８は、検出ヘッド２０と信号処理回路３０を電気的に接続するケーブルである。

前記スケール１０Ａ、１０Ｂは、検出方向に一列に配置された全アブソリュートスケールの全測定長さにおいて、一意の絶対位置を検出するアブソリュート目盛１２Ａ、１２Ｂを持っている。従って、アブソリュート目盛１２Ａと１２Ｂで同じ絶対位置を示す絶対位置データは存在しない。

以下動作を説明する。

まず測定対象にスケール１０Ａ、１０Ｂをスケール固定ねじ１６で固定する際には、従来のインクリメンタルスケールを検出器１つで検出する場合に必要であった目盛周期の厳密な連続性は必要ない。従って、厳密に位置合わせを行なう必要は無く、相対位置が変化しない程度に強固に固定し、検出器２２Ａと２２Ｂ間の位置検出データの差、即ち距離は、オフセット値としてメモリ３４に記憶する。

そして、図３に示す如く、例えば検出器２２Ａが、基準とすべきスケール１０Ａの目盛１２Ａを正常に検出している、出力切替え点より左側の範囲では、検出器２２Ａの出力ＹAをそのまま、スケールシステムとして出力される絶対位置データの出力値Ｙとする。

一方、検出器２２Ａが、該検出器２２Ａの絶対位置データ生成部３２Ａから、もう一方の検出器２２Ｂの絶対値データ生成部３２Ｂへの出力切替え点よりも右側にあると判断されるときには、右側の検出器２２Ｂの出力値ＹBから、両検出器間のオフセット値（負の値）ｂを加えた値Ｙ＝ＹB＋ｂを出力値Ｙとする。

このようにして、複数のスケールの接続部分において不連続な目盛であっても、２つの検出器２２Ａ、２２Ｂの絶対検出位置を判断して、連続した位置検出が可能である。

なお、検出器２２Ａと２２Ｂの絶対位置データを切替える際には、判定器６８における処理にヒステリシスを設けて、計数方向で出力切替え点の位置を変え、頻繁な切替えを避けることもできる。

本実施形態においては、２つの検出器２２Ａ、２２Ｂによる絶対位置データを用いて、出力する絶対位置データを判定できるため、判定器３６による判定及び切替えが容易である。これに対して、インクリメンタルスケールでは、電源起動直後に検出器２２Ａ、２２Ｂがどのインクリメンタルスケール上に位置しているか検出することができない。従って、検出器がどのインクリメンタルスケール上に位置しているかを検出するセンサが別途必要になる。また、このセンサが検出するパターンをインクリメンタルスケールに別途備える必要もある。そのため、検出ユニット、スケール目盛の構成が複雑となる。

又、スケールの取付けでは、目盛の位置合わせが不要であり、２つの検出器２２Ａ、２２Ｂの一方が検出可能であれば、スケール接続部１４でスケール目盛１２Ａ、１２Ｂ間に欠落部があっても、連続出力が可能である。

更に、スケール間のオフセット値ｂは、スケール取付後、スケール接続部１４を挟んで２つの検出器２２Ａ、２２Ｂをそれぞれに対向させた状態で求めることができる。

又、検出器２２Ａ、２２Ｂの絶対位置データの差Ｄ（または２つの検出器の中心間隔Ｄ）は、各検出器が同一スケールに対向している状態で求めることができる。

又、スケール間の距離が経時的に変化した場合は、その変化量を検出して再補正のアラームを出力したり、自動的にオフセット値の修正を行なうことができる。例えば周期的にチェックし、オフセット値を修正したり、２つの検出器２２Ａ、２２ＢがＹA、ＹBを検出するチェック位置を予め設定し、それをトリガとして、自動的にチェックし、オフセット値を修正することもできる。

又、２つの検出器２２Ａ、２２Ｂは、同一筐体に内蔵しても良い。

スケールがｎ本の第２実施形態の要部構成及び動作を図４に示す。ｎ＝３の例を示す図において、１０Ｃは３本目のスケール、１４Ａは、スケール１０Ａと１０Ｂ間の繋ぎ部１、１４Ｂは、スケール１０Ｂと１０Ｃ間の繋ぎ部２である。

本実施形態では、スケールＡ、スケールＢ、スケールＣは、それぞれ一意の位置検出値（つまり同じ位置検出値は存在しない、それぞれがユニークな位置検出値を出力するスケールの組み合わせになっている）を持ったスケールである。

また、スケールＡ、Ｂ、Ｃが接続された全体のスケールのアブソリュート値であるＹは、検出器Ａの中心位置のアブソリュート値と定義している。

繋ぎ部１、繋ぎ部２における切換えポイントでは、検出器Ａ及び検出器ＢによりスケールＡとスケールＢ、またはスケールＢとスケールＣに対する絶対位置データを同時に検出する。

各オフセット値ｂ_１、ｂ_２、ｂ_３、ｂ_４は、マスタースケールにより実測されて決定することができる。その際、検出器間距離Ｄは、このオフセット値ｂ_１、ｂ_２、ｂ_３、ｂ_４に含められることになる。

なお、前記第１、第２実施形態では、各スケールが一意に絶対位値を確定できる必要があるため、全長にわたる一意のアブソリュート目盛が必要である。

次に、同じ目盛を持つアブソリュートスケールを用いることが可能で、コスト的に有利であり、最大測定長さにも限界が無い、参考形態を詳細に説明する。

第１の参考形態は、図５（要部斜視図）及び図６（信号処理回路のブロック図）に示す如く、検出方向に一列に配置された、同じアブソリュート目盛を主目盛４２Ａ、４２Ｂとして持つアブソリュートスケール４０Ａ、４０Ｂと、一方のスケール（図では右側のスケール４０Ｂ）の側面に配設された、識別コードとしてのスチールテープ４６と、前記アブソリュートスケール４０Ａ、４０Ｂ上の主目盛４２Ａ、４２Ｂを検出するための、スケール接続部４４では隣り合う２つのアブソリュートスケール４０Ａ、４０Ｂの主目盛４２Ａ、４２Ｂを同時に検出できる中心間隔Ｄで固定された２つの主位置検出器５２Ａ、５２Ｂ、及び、前記スチールテープ４６の有無を検出するための、コード識別センサとしての磁気センサ５４を有する検出ヘッド５０と、図６に示す如く、各主位置検出器５２Ａ、５２Ｂ毎に設けられた絶対位置データ生成部６２Ａ、６２Ｂ、前記磁気センサ５４の出力に基づいてスケールを識別するためのスケール識別判定器６４、各絶対位置データ生成部６２Ａ、６２Ｂの出力値を切替える位置設定値、及び、異なるスケール間の絶対位置データのオフセット値を保存するメモリ６６、前記スケール識別判定器６４の出力から絶対位置データ生成部６２Ａ、６２Ｂの出力のいずれを用いるか判定する判定器６８、該判定器６８の出力により、必要に応じてメモリ６６に記憶されたオフセット値を加算して出力する演算器７０を有する信号処理回路６０とを備えたものである。

前記スケール４０Ａ、４０Ｂは、１本内で一意である絶対位置検出用の主目盛４２Ａ、４２Ｂを持っている。

本参考形態の動作は、後出図１０に示す第２の参考形態と同様であるので、説明は省略する。

スケールが２本の本参考形態においては、１ビットの識別コードとしてスチールテープ４６を右側のスケール４０Ｂの側面に配設しているので、これを検出するための識別コードセンサも１つの磁気センサ５４で良い。なお、スチールテープ以外の磁性金属テープを貼り付けたり、あるいは、磁性体のスケールベースに段差を設けても良い。又、スケールの一方の側面だけでなく、他方の側面にも設けて、２以上のｎビットとしても良い。

又、図７（要部斜視図）及び図８（スケールの横断面図）に示す３本のスケール４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃを接続した第２の参考形態の如く、スケール主目盛面以外で厚さ方向に配置した面に、スケールを識別するコードを設けても良い。

本参考形態においては、図８に示す如く、銅箔パターンでなる電磁誘導式の主目盛４２上の保護膜４３上に、光学式検出用のｎビットの明暗パターン４８を印刷し、これを検出ヘッド５０に搭載した、コード識別センサとしてのフォトリフレクタ等の光電式センサ７２Ａ、７２Ｂで検出するようにしている。図８において、４０は、例えばステンレス製のスケールベース、４１は絶縁板である。

本参考形態における信号処理回路を図９に示す。図６と同じ物には同じ符号を付け、説明は省略する。

この第２の参考形態においては、主位置用のアブソリュート目盛（主目盛）４２Ａ、４２Ｂ、４２Ｃを持つｎ（図ではｎ＝３）本のスケール４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃに対向し、当該主目盛を２つの検出器５２Ａ、５２Ｂで検出し、２つのスケール識別センサ７２Ａ、７２Ｂをもって、スケール上の位置に応じて、どちらの検出器の絶対位置データを出力すべきかを判定し、所定のオフセット値を加算して出力する。この場合、スケール取付時は、スケール間の位置合わせは厳密でなくても良く、スケール間の絶対位置データの差はオフセット値として記憶する。

そして、図１０に示す如く、ｎ本のスケールのうち、基準とすべきスケール（例えば４０Ａ）に対し、他のスケール（例えば４０Ｂ、４０Ｃ）の検出位置に当該オフセット値を加えて、出力絶対位置データを決定する。

本参考形態では、スケールＡ、スケールＢ、スケールＣは同じ絶対位置検出値を持ったスケールである。また、スケールＡ、Ｂ、Ｃが接続された全体のスケールのアブソリュート値であるＹは、検出器Ａの中心位置のアブソリュート値と定義している。

繋ぎ部１、繋ぎ部２における切り替えポイントでは、検出器Ａ及び検出器ＢによりスケールＡとスケールＢ、またはスケールＢとスケールＣに対する絶対位置データを同時に検出する。

各オフセット値ｂ_５、ｂ_６、ｂ_７、ｂ_８は、マスタースケールにより実測されて決定することができる。その際、検出器間距離Ｄは、このオフセット値ｂ_５、ｂ_６、ｂ_７、ｂ_８に含められることになる。

電源起動立上げ時に、検出器Ａ、Ｂがどのスケール上にいるのか識別するために、別途スケール識別センサが必要である。このセンサは、例えば各スケール上に識別パターンを備えておいて、そのパターンを検出するセンサを検出器Ａ、Ｂのどちらか又は両方に備えておくようにして構成することができる。

即ち、本参考形態において、電源立ち上げ時は、センサ７２Ａ、７２Ｂの信号レベルで境界領域を判定し、採用する検出器、必要なオフセット値を選択し、絶対位値を演算する。電源立ち上げ後は、検出器の切替え点、対応するオフセット値を、絶対位値をもって判断する。

参考形態によれば、スケール識別コードにより、限定されたアブソリュート範囲のスケールを複数本使用し、長尺の絶対位置検出が可能となる。又、２つの検出器によるアブソリュート値及び粗い精度で十分なスケール識別コードを用いて、出力する絶対位値を判定できるため、切替えが容易である。

更に、アブソリュート位置目盛とスケール識別パターンが同一面にないため、目盛の配置が容易である。これに対して、同一面であると、目盛幅が広がったり、検出器が複雑になる。

次に、本発明の第３実施形態を図１１に示す。

本実施形態は、同じアブソリュートスケール４０を、一方（図では左側の４０Ａ）を正配置し、他方（図では右側の４０Ｂ）を１８０°回転させて上下逆向きに配置（回転配置と称する）したものである。これに対応して、左側の検出器５２Ａは正配置し、右側の検出器５２Ｂは回転配置する。

本実施形態では、スケールと検出器が両方とも正配置、または、スケールと検出器が両方とも回転配置の組み合わせのときのみＡＢＳ検出信号が出力され、それ以外の組合せではエラー信号が出力される。つまり、ヘッド５０が左側のスケール４０Ａ上にいる時は検出器５２ＡがＡＢＳ検出信号を出力して、検出器５２Ｂはエラーを出力する。逆に、ヘッド５０が右側のスケール４０Ｂ上にいる時は、検出器５２ＢがＡＢＳ検出信号を出力して、検出器５２Ａはエラーを出力する。

従って、全測定範囲におけるＡＢＳ位置Ｙは、
検出器５２Ａ→Ｙ_Ａで検出器５２Ｂ→エラー出力のとき、Ｙ＝Ｙ_Ａ、
検出器５２Ａ→Ｙ_Ａで検出器５２Ｂ→Ｙ_Ｂのとき、Ｙ＝Ｙ_Ａ、
検出器５２Ａ→エラー出力で検出器５２Ｂ→Ｙ_Ｂのとき、Ｙ＝Ｙ_Ｂ＋ｂとなる。
本実施形態によれば、（１）ヘッド５０の位置を検出するセンサが不要で、（２）同じＡＢＳスケールが２本、同じ検出器が２個あれば簡単に構成できるという利点がある。

上記のエラー出力を利用する方法に替えて、検出器Ａと検出器Ｂの検出信号のどちらを採用するかを切り替える位置を、検出器Ａと検出器Ｂの両方ともエラーではなく検出信号を出力する範囲内の所定位置に設定することもできる。更にこの切り替える位置には、ヒステリシスを設けることもできる。

なお、前記実施形態においては、アブソリュート目盛が電磁誘導式とされていたが、主アブソリュート目盛の構成はこれに限定されず、例えば光電式あるいは静電容量式とすることもできる。

本発明の第１実施形態の要部構成を示す斜視図同じく信号処理回路を示すブロック図同じく動作を示す図本発明の第２実施形態の要部構成及び動作を示す図第１の参考形態の要部構成を示す斜視図同じく信号処理回路を示すブロック図第２の参考形態の要部構成を示す斜視図同じく横断面図同じく信号処理回路を示すブロック図参考形態の動作を示す図本発明の第３実施形態の構成を示す正面図

符号の説明

１０Ａ、１０Ｂ、４０Ａ、４０Ｂ…アブソリュートスケール
１２Ａ、１２Ｂ、４２Ａ、４２Ｂ…アブソリュート目盛
１４、１４Ａ、１４Ｂ、４４…スケール接続部
２０、５０…検出ヘッド
２２Ａ、２２Ｂ、５２Ａ、５２Ｂ…検出器
２４…連結板
３０、６０…信号処理回路
３２Ａ、３２Ｂ、６２Ａ、６２Ｂ…絶対位置データ生成部
３４、６６…メモリ
３６、６８…判定器
３８、７０…演算器
５４…磁気センサ（コード識別センサ）
６４…スケール識別判定器
７２Ａ、７２Ｂ…光電式センサ（コード識別センサ）

Claims

絶対位置を検出するためのアブソリュート型リニアエンコーダにおいて、
検出方向に一列に配置された、絶対位置を検出するためのアブソリュート目盛を持つ複数のアブソリュートスケールと、
該アブソリュートスケール上の目盛を検出するための、スケール接続部では隣り合う２つのアブソリュートスケールの目盛を同時に検出できる間隔で連結固定された複数の検出器と、
各検出器毎に絶対位置データを生成するスケール毎の絶対位置データ生成部と、
前記各検出器毎の絶対位置データ及び検出器間のオフセット値に基づいて、接続された全アブソリュートスケールの全長における絶対位置を出力する演算器と、
を備え、
前記複数のアブソリュートスケールが、互いに異なる絶対位置データからなるアブソリュート目盛を持つことを特徴とするアブソリュート型リニアエンコーダ。
前記複数の検出器を切替るための、該切替時にヒステリシス処理を行う判定器を更に備えたことを特徴とする請求項１に記載のアブソリュート型リニアエンコーダ。
前記複数の検出器による絶対位置データを用いて、出力する絶対位置を判定することを特徴とする請求項１に記載のアブソリュート型リニアエンコーダ。
絶対位置を検出するためのアブソリュート型リニアエンコーダにおいて、
検出方向に一列に配置された、絶対位置を検出するためのアブソリュート目盛を持つ複数のアブソリュートスケールと、
該アブソリュートスケール上の目盛を検出するための、スケール接続部では隣り合う２つのアブソリュートスケールの目盛を同時に検出できる間隔で連結固定された複数の検出器と、
各検出器毎に絶対位置データを生成するスケール毎の絶対位置データ生成部と、
前記各検出器毎の絶対位置データ及び検出器間のオフセット値に基づいて、接続された全アブソリュートスケールの全長における絶対位置を出力する演算器と、
を備え、
前記複数のアブソリュートスケールが、同じアブソリュート目盛を持ち、互いに上下逆向きに配置されていることを特徴とするアブソリュート型リニアエンコーダ。