JP5892844B2

JP5892844B2 - 位置検出装置

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Publication number: JP5892844B2
Application number: JP2012099855A
Authority: JP
Inventors: 誠一福薗
Original assignee: DMG Mori Co Ltd
Current assignee: DMG Mori Co Ltd
Priority date: 2012-04-25
Filing date: 2012-04-25
Publication date: 2016-03-23
Anticipated expiration: 2032-04-25
Also published as: JP2013228253A

Description

本発明は、産業機械や工作機械などに装備される位置検出装置に関し、特に機能安全化を図った位置検出装置に関する。

近年、計算機内蔵の数値制御装置（ＣＮＣ）を用いた工作機械（数値制御工作機械）が普及し、加工分野における自動化、省力化が推進されている。

数値制御工作機械は、対象物を移動させる駆動機構と、その対象物の現在位置を測定するポジションセンサと、その位置情報により駆動機構を制御するＣＮＣコントローラで構成されている。

ポジションセンサには、直線位置や移動距離を検出するリニアエンコーダと回転角度を検出するロータリーエンコーダがある。

磁気式スケールを例にすると、スケール材の磁気パターン上に磁界強度で抵抗値が変化するＭＲ素子を設けた検出ヘッドを配置し移動させる。検出ヘッドには、移動方向判別のため１／４波長離して２つのＭＲ素子が設けられる。この二つの信号出力は正弦波と余弦波の関係を持ち、ＸＹ軸にプロットすると磁気パターン一目盛分の移動距離で一周する円を描く。この円の回転方向で移動方向を検出し、累積回転数で移動距離を検出することができる。

また更に円周上の現在角度をデジタル信号処理による内挿処理で求めることで、目盛間の更に詳細な位置検出が可能となり、分解能をあげている。この内挿処理の分割数によって、最少分解能＝磁気パターン１目盛／分割数が決定される。

近年の重大危険事故回避／機能安全／信頼性向上の要求により、特に位置決め制御の基本情報となるポジションセンサ（位置検出装置）には、検出動作とその位置情報に対する機能安全／信頼性確保が必要となっている。

電気機器の異常動作は重大な事故につながる場合があるので、各メーカは安全機能の充実が求められている。また、製品の開発，設計，生産，保守，廃棄の各段階において人体への危険性を許容範囲内に抑えるために厳しい安全規格が設けられている。例えば、ＩＥＣ（International Electrotechnical Commission：国際電気標準会議）により制定された機能安全規格（ＩＥＣ６１５０８）などが策定されている。

そこで、産業機械や工作機械などに装備される位置決め機構では、機能安全／信頼性を確保するために、ポジションセンサの内部処理を２重化し、それぞれの位置検出結果を比較して異常検出を行うようにしている（例えば、特許文献１参照）。

ＷＯ２０１０／０２３８９６号公報

ところで、産業機械や工作機械などに装備される位置決め機構において、機能安全／信頼性を確保するために、ポジションセンサの内部処理を２重化する場合、ヘッドから内挿処理回路、カウンタ、通信制御部まですべてを２重化するのが理想的だが内挿処理回路から通信制御部は規模が大きくコストも高いので、２重化はポジションセンサの大きさと価格に大きく影響する。

また、機能安全の見地からはマイクロメートルオーダの誤差が人体に危険を及ぼすことは無く、ミリメートルオーダの異常検知で十分である。

そこで、本発明は、上述の如き従来の実情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、機能安全性を確保し、しかも、異常検出を行うための回路構成を簡略化した位置検出装置を提供することにある。

本発明の他の目的、本発明によって得られる具体的な利点は、以下に説明される実施の形態の説明から一層明らかにされる。

本発明では、第１のスケールから第１の検出ヘッドにより第１の測長目盛を読み取ることにより得られる第１の波長の検出信号から、上記第１の波長の１波長を内挿した最小分解能単位の第１の位置信号を生成し、第２のスケールから第２の検出ヘッドにより第２の測長目盛を読み取ることにより得られる第２の波長の検出信号から第２の位置信号を生成するとともに、上記第１の検出ヘッドにより得られる第１の波長の検出信号から第３の位置信号を生成して上記第２の位置信号と上記第３の位置信号とを比較することにより異常検出を行う。

すなわち、本発明に係る位置検出装置は、第１のスケールから第１の検出ヘッドにより第１の測長目盛を読み取ることにより得られる第１の波長の検出信号から、上記第１の波長の１波長を内挿した最小分解能単位の第１の位置信号を生成して出力する第１の信号処理部と、第２のスケールから第２の検出ヘッドにより第２の測長目盛を読み取ることにより得られる第２の波長の検出信号から第２の位置信号を生成して出力する第２の信号処理部と、上記第１の検出ヘッドにより得られる上記第１の波長の検出信号から第３の位置信号を生成して出力する第３の信号処理部と、上記第２の信号処理部より得られる第２の位置信号と上記第３の信号処理部より得られる第３の位置信号とを比較する第１の比較処理部とを備え、上記第１の比較処理部による比較結果に基づいて異常を検出することを特徴とする。

本発明に係る位置検出装置は、例えば、上記第１の信号処理部より得られる第１の位置信号と上記第３の信号処理部より得られる第３の位置信号とを比較する第２の比較処理部を備え、上記第１の信号処理部により得られる第１の位置信号と上記第２の信号処理部により得られる第２の位置信号を出力するとともに、上記第１の比較処理部及び第２の比較処理部による両比較結果に基づいて異常を検出するものとすることができる。

また、本発明に係る位置検出装置において、上記第２の信号処理部では、上記第２の検出ヘッドにより得られる上記第２の波長の検出信号について、自然数で上記第２の波長を除した単位長さ毎に第１のカウント値を累積加算することにより上記第２の位置信号を生成し、上記第３の信号処理部では、上記第１の検出ヘッドにより得られる上記第１の波長の検出信号について、自然数で上記第１の波長を除した単位長さ毎に第２のカウント値を累積加算することにより上記第３の位置信号を生成し、上記第１のカウント値に対応する単位長さを該第１のカウント値で除した結果得られた長さと、上記第２のカウント値に対応する単位長さを該第２のカウント値で除した結果得られた長さとが同一となるものとすることができる。

また、本発明に係る位置検出装置において、上記第３の信号処理部では、上記第１の検出ヘッドにより得られる上記第１の波長の検出信号について、上記最小分解能単位の倍数となるように上記第１の波長を自然数で除した波長毎に当該第１の波長を除した該自然数を累積加算することにより上記第３の位置信号を生成し、上記第２の比較処理部では、上記第１の信号処理部による上記第１の位置信号の最小分解能単位毎のカウント結果と上記第３の信号処理部より得られる第３の位置信号の累積加算結果とを比較するものとすることができる。
上記第３の信号処理部では、上記第１の検出ヘッドにより得られる上記第１の波長の検出信号について、上記第１の波長を自然数で除した長さ毎に第２のカウント値を累積加算することにより上記第３の位置信号を生成し、上記第２の比較処理部では、上記第１の信号処理部による上記第１の位置信号の最小分解能単位毎のカウント結果と上記第３の信号処理部より得られる第３の位置信号の累積加算結果とを比較し、上記第２のカウント値に対応する単位長さを該第２のカウント値で除した結果得られた長さが上記最小分解能の整数倍と同一となるものとすることができる。

さらに、本発明に係る位置検出装置において、各信号処理部は、２進数の位置情報として表現した位置信号を出力し、上記比較部は、上記２進数の位置情報として表現した位置信号の最上位から所定の桁数のみを抽出した数値に位置信号の比較を行うものとすることができる。

本発明では、第１のスケールから第１の検出ヘッドにより第１の測長目盛を読み取ることにより得られる第１の波長の検出信号から、第１の信号処理部により上記第１の波長の１波長を内挿した最小分解能単位の第１の位置信号を生成し、第２のスケールから第２の検出ヘッドにより第２の測長目盛を読み取ることにより得られる第２の波長の検出信号から第２の信号処理部により第２の位置信号を生成するとともに、上記第１の検出ヘッドにより得られる第１の波長の検出信号から第３の信号処理部により第３の位置信号を生成して上記第２の位置信号と上記第３の位置信号とを第１の比較部で比較することにより異常検出を行うので、異常検出を行うための回路構成を簡略化することができる。さらに、上記第１の信号処理部より得られる第１の位置信号と上記第３の信号処理部より得られる第３の位置信号とを比較する第２の比較処理部を備え、上記第１の比較処理部及び第２の比較処理部による両比較結果に基づいて異常を検出することができ、簡単な構成で機能安全性を高めることができる。

本発明を適用した位置検出装置の構成例を示すブロック図である。上記位置検出装置における信号処理部の具体的な構成例を示すブロック図である。上記位置検出装置における信号処理部の他の構成例を示すブロック図である。内挿処理の最小分解能からくる第１の位置信号ＰＯＳ１のバイナリカウント表現と、測長目盛のカウント値である第２の位置信号ＰＯＳ２の表現単位が異なる状態を模式的に示す図である。上記位置検出装置における信号処理部の他の構成例を示すブロック図である。上記信号処理部における具体的な処理内容を付して示したブロック図である。内挿処理の最小分解能からくる第１の位置信号ＰＯＳ１のバイナリカウント表現と、測長目盛のカウント値である第２の位置信号ＰＯＳ２の表現単位を一致させた状態を模式的に示す図である。

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
本発明は、例えば図１のブロック図に示すような構成の位置検出装置１００に適用される。

この位置検出装置１００は、スケール部１０の第１のスケール１０Ａに記録されている第１の測長目盛をヘッド部２０の第１の検出ヘッド２０Ａにより読み取って信号処理部３０により第１の位置信号ＰＯＳ１を生成し、生成した第１の位置信号ＰＯＳ１を位置情報として外部のＣＮＣコントローラ２００に送るもので、上記第１のスケール１０Ａから第１の測長目盛を第１の検出ヘッド２０Ａにより読み取ることにより得られる第１の波長λ１の検出信号Ｓ１から、上記第１の波長λ１の１波長をＮ分割内挿して最小分解能単位λ１／Ｎの第１の位置信号ＰＯＳ１を生成する第１の信号処理部３１Ａを上記信号処理部３０に備える。

そして、この位置検出装置１００は、２重化により機能安全性を確保するようにしたもので、上記スケール部１０には、第２の測長目盛が記録された第２のスケール１０Ｂが上記第１のスケール１０Ａと併設されており、また、上記ヘッド部２０には、上記第２のスケール１０Ａに記録されている測長目盛を読み取る第２の検出ヘッド２０Ｂが設けられている。さらに、上記信号処理部３０には、上記第２の検出ヘッド２０Ｂにより上記第２のスケール１０Ｂから上記第２の測長目盛を読み取ることにより得られる第２の波長λ２の検出信号Ｓ２から第２の位置信号ＰＯＳ２を生成して出力する第２の信号処理部３１Ｂと、上記第１の検出ヘッド２０Ａにより得られる上記第１の波長λ１の検出信号Ｓ１から第３の位置信号ＰＯＳ３を生成して出力する第３の信号処理部３１Ｃと、上記第１の信号処理部３１Ａにより得られる第１の位置信号ＰＯＳ１、第２の信号処理部３１Ｂにより得られる第２の位置信号ＰＯＳ２、第３の信号処理部３１Ｃにより得られる第３の位置信号ＰＯＳ３が供給される位置情報比較部３２と、生成した第１の位置信号ＰＯＳ１と第２の位置信号ＰＯＳ２を外部のＣＮＣコントローラ２００に送る通信制御部３３を備える。

この位置検出装置１００における信号処理部３０では、上記第１の信号処理部３１Ａにより、上記第１の検出ヘッド２０Ａにより得られる上記第１の波長λ１の検出信号Ｓ１からＮ分割内挿処理を施して最少分解能λ１/Ｎの精密位置情報である第１の位置信号ＰＯＳ１を生成し、また、上記第２の信号処理部３１Ｂにより、上記第２の検出ヘッド２０Ｂにより得られる上記第２の波長λ２の検出信号Ｓ２からラフなリダンダント位置情報である第２の位置信号ＰＯＳ２を生成するととともに、第３の信号処理部３１Ｃにより、上記第１の検出ヘッド２０Ａにより得られる上記第１の波長λ１の検出信号Ｓ１からラフなリダンダント位置情報である第３の位置信号ＰＯＳ３を生成する。

そして、生成した第１の位置信号ＰＯＳ１、第２の位置信号ＰＯＳ２、第３の位置信号ＰＯＳ３に基づいて、位置情報比較部３２において、機能安全に求められる誤差範囲であることを検証して、精密位置情報である第１の位置信号ＰＯＳ１とリダンダント位置情報である第２の位置信号ＰＯＳ２を通信制御部３３を経由してシリアル通信により外部のＣＮＣコントローラ２００に送る。

外部のＣＮＣコントローラ２００では、精密位置情報である第１の位置信号ＰＯＳ１とリダンダント位置情報である第２の位置信号ＰＯＳ２で異常判定を行うことができる。

この位置検出装置１００における信号処理部３０には、例えば、図２のブロック図に示すような構成の信号処理部３０Ａを用いることができる。

この信号処理部３０Ａにおいて、上記第１の信号処理部３１Ａは、上記第１の検出ヘッド２０Ａにより得られる上記第１の波長λ１の検出信号Ｓ１から、上記第１の波長λ１の１波長をＮ分割内挿して最小分解能単位λ１／Ｎの第１の位置信号ＰＯＳ１を生成して出力する内挿処理回路３１１Ａからなる。

また、上記第２の信号処理部３１Ｂは、上記第２の検出ヘッド２０Ｂにより得られる上記第２の波長λ２の検出信号Ｓ２から上記第２の波長λ２の１波長当たり１回の第１のトリガ信号ＴＧ１を生成して出力する第１のトリガ信号生成部３１１Ｂと、この第１のトリガ信号生成部３１１Ｂから出力される第１のトリガ信号ＴＧ１をカウントすることにより上記第２の波長λ２を分解能単位とする第２の位置信号ＰＯＳ２を生成して出力する第１のカウンタ３１２Ｂからなる。

さらに、上記第３の信号処理部３１Ｃは、上記第１の検出ヘッド２０Ａにより得られる上記第１の波長λ１の検出信号Ｓ１から上記第１の波長λ１の１波長当たり１回の第２のトリガ信号ＴＧ２を生成して出力する第２のトリガ信号生成部３１１Ｃと、この第２のトリガ信号生成部３１１Ｃから出力される第２のトリガ信号ＴＧ２をカウントすることにより上記第１の波長λ１を分解能単位とする第３の位置信号ＰＯＳ３を生成して出力する第２のカウンタ３２Ｃからなる。

また、この信号処理部３０Ａにおいて、上記位置情報比較部３２は、上記第２の信号処理部３１Ｂにより得られる第２の位置信号ＰＯＳ２と上記第３の信号処理部３１Ｃにより得られる第３の位置信号ＰＯＳ３が供給される第１の比較処理部３２１Ａと、上記第１の信号処理部３１Ａにより得られる第１の位置信号ＰＯＳ１が供給される第１の位置信号出力部３２２Ａと、上記第２の信号処理部３１Ｂにより得られる第２の位置信号ＰＯＳ２が供給される第２の位置信号出力部３２２Ｂとを備え、上記第２の信号処理部３１Ｂにより得られる第２の位置信号ＰＯＳ２と上記第３の信号処理部３１Ｃにより得られる第３の位置信号ＰＯＳ３が一致している場合に上記第１の信号処理部３１Ａにより得られる第１の位置信号ＰＯＳ１を第１の位置信号出力部３２２Ａから出力する。

上記第１の比較処理部３２１Ａは、上記第２の信号処理部３１Ｂにより得られる第２の位置信号ＰＯＳ２と上記第３の信号処理部３１Ｃにより得られる第３の位置信号ＰＯＳ３が不一致の場合に異常状態と判断して、異常状態を示す異常検出信号を上記第１の位置信号出力部３２２Ａに出力して、上記第１の位置信号出力部３２２Ａから上記第１の位置信号ＰＯＳ１が出力されるのを防止する。

上記第１の位置信号出力部３２２Ａは、上記第１の比較処理部３２１Ａにより得られる異常検出信号が異常状態を示していない場合に、上記第１の信号処理部３１Ａより得られる第１の位置信号ＰＯＳ１を上記通信制御部３３に出力する。また、上記第２の位置信号出力部３２２Ｂは、上記第２の信号処理部３１Ｂより得られる第２の位置信号ＰＯＳ２を上記通信制御部３３に出力する。

ここで、λ１＝λ２、すなわち、上記第１のスケール１０Ａと第２のスケール１０Ｂに記録されている各測長目盛の波長が等しい場合には、上記第２のスケール１０Ｂから第１のカウンタ３１２Ｂまでの系及び上記第１のスケール１０Ａから第２のカウンタ３１２Ｃまで系に異常がなければ、上記第１のカウンタ３１２Ｂと第２のカウンタ３１２Ｃの各カウント結果は一致するので、上記第１の比較処理部３２１Ａは、上記第２の信号処理部３１Ｂより得られる第２の位置信号ＰＯＳ２と上記第３の信号処理部３１Ｃより得られる第３の位置信号ＰＯＳ３とを直接比較して、不一致の場合に異常検出信号を出力することができる。

また、λ１≠λ２、すなわち、上記第１のスケール１０Ａと第２のスケール１０Ｂに記録されている各測長目盛の波長が等しくない場合には、例えば、α＝λ２／λ１として、第２のカウンタ３１２Ｃによるカウント結果に乗算器３１３により係数α乗じた結果を上記第１のカウンタ３１２Ｂによるカウント結果と比較することにより、不一致の場合に異常検出信号を出力することができる。

また、図３に示す信号処理部３０Ｂのように、上記第２の信号処理部３１Ｂでは、上記第２の検出ヘッド２０Ｂにより得られる上記第２の波長λ２の検出信号Ｓ２について、第１のトリガ信号生成部３１１Ｂにおいて、上記第２の波長λ２を自然数ｍで除した単位長さλ２／ｍ毎に第１のトリガ信号ＴＧ１を生成し、第１のトリガ信号ＴＧ１毎に第１のカウント値（例えば自然数ｍ）を累積加算して上記第２の位置信号ＰＯＳ２を生成し、第３の信号処理部３１Ｃでは、上記第１の検出ヘッド２０Ａにより得られる上記第１の波長λ１の検出信号Ｓ１について、第２のトリガ信号生成部３１１Ｃにおいて、上記第１の波長λ１を自然数ｎで除した単位長さλ１／ｎ毎に第２のトリガ信号ＴＧ２を生成し、第２のトリガ信号ＴＧ２毎に第２のカウント値（例えば自然数ｎ）を累積加算して上記第３の位置信号ＰＯＳ３を生成することにより、第１の比較処理部３２１Ａにおいて、上記第２の信号処理部３１Ｂより得られる第２の位置信号ＰＯＳ２と上記第３の信号処理部３１Ｃより得られる第３の位置信号ＰＯＳ３とを比較して、不一致の場合に異常検出信号を出力することができる。

上記信号処理部３０Ａ，３０Ｂでは、上記第１の信号処理部３１Ａにより生成される最小分解能単位λ１／Ｎの第１の位置信号ＰＯＳ１よりも粗い上記第２の波長λ２及びその自然数分の１を分解能単位とする第２の位置信号ＰＯＳ２と上記第１の波長λ１及びその自然数分の１を分解能単位とする第３の位置信号ＰＯＳ３を上記第１の比較処理部３２１Ａで比較することにより、異常検出を行うことができ、機能安全性を確保し、しかも、異常検出のための構成を簡略化することができる。

ここで、信号処理部３０Ａにおける乗算器３１３による乗算処理には膨大な乗算器を必要とするが、この信号処理部３０Ｂでは、膨大な乗算器を必要とすることなく、異常検出を行うことができ、異常検出のための構成をさらに簡略化することができる。

なお、機能安全の見地からはマイクロメートルオーダの誤差が人体に危険を及ぼすことは無く、ミリメートルオーダの異常検知で十分である。したがって、上記信号処理部３０Ａ，３０Ｂのように、内挿回路を省いた測長目盛の変化点をカウントすることにより得られる第２の位置信号ＰＯＳ２と第３の位置信号ＰＯＳ３の比較で機能安全を満たせばよい。この場合、危険側故障率低減を目的とする機能安全では、第２の位置信号ＰＯＳ２と第３の位置信号ＰＯＳ３の生成と比較の単純化と簡単化を求めるので、測長目盛の波長の選択範囲は大きくなく、殆どの場合、同一波長を採用することになる。

しかしながら、一般にポジションセンサの最少分解能は１、２、５、１０といった切りの良い数字が求められ、精密位置情報である第１の位置信号ＰＯＳ１の数値表現は、最少分解能単位のバイナリカウントとなる一方で、測長目盛の波長は、そのポジションセンサの方式、信頼性、使用環境、製造都合など別の要因で決定されるため、測長目盛のカウント値である第２の位置信号ＰＯＳ２の最少分解能は第１の位置信号ＰＯＳ１２のべき乗の関係となるとは限らない。

したがって、図４に示すように、内挿処理の最小分解能からくる第１の位置信号ＰＯＳ１のバイナリカウント表現と、測長目盛のカウント値である第２の位置信号ＰＯＳ２の表現単位が異なることになり、その数値比較には、数値単位の統一が必要となりポジションセンサまたはＣＮＣコントローラでの乗算または除算の数学的処理が必要になる。

この位置検出装置１００では、上記信号処理部３０として、例えば図５のブロック図に示すような構成の信号処理部３０Ｃを用いることにより、第１の位置信号ＰＯＳ１のバイナリカウント表現と、測長目盛のカウント値である第２の位置信号ＰＯＳ２の表現単位を統一することができる。

この信号処理部３０Ｃにおいて、第１の信号処理部３１Ａは、上記第１の検出ヘッド２０Ａにより得られる第１の波長λ１の検出信号Ｓ１から、上記第１の波長λ１の１波長をＮ分割内挿して最小分解能単位λ１／Ｎの第１の位置信号ＰＯＳ１を生成して出力する内挿処理回路３１１Ａからなる。

また、第２の信号処理部３１Ｂは、上記第２の検出ヘッド２０Ｂにより得られる上記第２の波長λ２の検出信号Ｓ２から上記第２の波長λ２の１波長当たり１回の第１のトリガ信号ＴＧ１を生成して出力する第１のトリガ信号生成部３１１Ｂと、この第１のトリガ信号生成部３１１Ｂから出力される第１のトリガ信号ＴＧ１毎に、上記第２の波長λ２を上記最小分解能単位λ１／Ｎの波長で除した数Ｋを加算値として累積加算することにより上記第２の位置信号ＰＯＳ２を生成して出力する第１のカウンタ３１２Ｂからなる。

この第２の信号処理部３１Ｂでは、上記第１のトリガ信号ＴＧ１毎に、上記加算値Ｋを累積加算することにより、上記第２の検出ヘッド２０Ｂにより得られる上記第２の波長λ２の検出信号Ｓ２から、上記第２の波長λ２を上記最小分解能単位λ１／Ｎの波長で除した数Ｋの倍数で位置情報を表現した第２の位置信号ＰＯＳ２を生成する。

また、第３の信号処理部３１Ｃは、上記第１の検出ヘッド２０Ａにより得られる上記第１の波長λ１の検出信号Ｓ１から上記第１の波長λ１の１波長当たり１回の第２のトリガ信号ＴＧ３を生成して出力する第２のトリガ信号生成部３１１Ｃと、この第２のトリガ信号生成部３１１Ｃから出力される第２のトリガ信号ＴＧ２毎に、加算値Ｎを累積加算することにより上記第３の位置信号ＰＯＳ３を生成して出力する第２のカウンタ３１２Ｃからなる。

この第３の信号処理部３１Ｃでは、上記第２のトリガ信号生成部３１１Ｃから出力される第２のトリガ信号ＴＧ２毎に、上記第２のカウンタ３１２Ｃにより、上記第１のカウンタ３１２Ａにおける上記第１の波長λ１の１波長当たりのカウント値Ｎ、すなわち、上記第１の信号処理部３１Ａにおける上記第１の波長λ１の１波長の分割内挿数Ｎを累積加算して上記第３の位置信号ＰＯＳ３を生成する。

すなわち、上記第３の信号処理部３１Ｃでは、上記第１の検出ヘッド２０Ａにより得られる上記第１の波長λ１の検出信号Ｓ１から、上記第１の波長λ１を上記最小分解能単位λ１／Ｎの波長で除した数Ｎの倍数で位置情報を表現した第３の位置信号ＰＯＳ３を生成する。

さらに、この信号処理部３０Ａにおいて、上記位置情報比較部３２は、上記第２の信号処理部３１Ｂにより得られる第２の位置信号ＰＯＳ２と上記第３の信号処理部３１Ｃにより得られる第３の位置信号ＰＯＳ３が供給される第１の比較処理部３２１Ａと、上記第１の信号処理部３１Ａにより得られる第１の位置信号ＰＯＳ１と上記第３の信号処理部３１Ｃにより得られる第３の位置信号ＰＯＳ３が供給される第２の比較処理部３２１Ｂと、上記第１の信号処理部３１Ａにより得られる第１の位置信号ＰＯＳ１が供給される第１の位置信号出力部３２２Ａと、上記第２の信号処理部３１Ｂにより得られる第２の位置信号ＰＯＳ２が供給される第２の位置信号出力部３２２Ｂとを備え、上記第２の信号処理部３１Ｂにより得られる第２の位置信号ＰＯＳ２と上記第３の信号処理部３１Ｃにより得られる第３の位置信号ＰＯＳ３が一致している場合に上記第１の信号処理部３１Ａにより得られる第１の位置信号ＰＯＳ１を第１の位置信号出力部３２２Ａから出力する。

なお、この位置検出装置１００において、第１、第２のスケール１０Ａ，１０Ｂの測長目盛は、完全に正しく作成することは不可能で極微小な誤差を持って作成されている。さらに、検出ヘッド２０Ａ，２０Ｂの側にも測定時の姿勢の変化などから完全な測定を行うことはできないという誤差要因がある。この位置検出装置１００における異常検出では、これらの製造上、測定機構の構成の変化要因等を加味した想定の範囲内で一致するかどうかを比較する。また、波長λ１，λ２の異なる例の場合、２つの波長λ１，λ２は比較する時点でのトリガ位置が異なることになるため、測定の場所によっては値がずれるのが正常であり、この方法の場合はその範囲も設定しての異常検出になる。しかしながら、冒頭に説明したように機能安全上必要なレベルからは十分に小さい範囲での設定となる。

上記第２の比較処理部３２１Ｂは、上記第１の信号処理部３１Ａにより得られる第１の位置信号ＰＯＳ１と上記第３の信号処理部３１Ｃにより得られる第３の位置信号ＰＯＳ３が不一致の場合に異常状態と判断して、異常状態を示す異常検出信号を上記第１の位置信号出力部３２２Ａに出力して、上記第１の位置信号出力部３２２Ａから上記第１の位置信号ＰＯＳ１が出力されるのを防止する。

上記第１の位置信号出力部３２２Ａは、上記第１の比較処理部３２１Ａ及び第２の比較処理部３２１Ｂにより得られる各異常検出信号がともに異常状態を示していない場合に、上記第１の信号処理部３１Ａより得られる第１の位置信号ＰＯＳ１を上記通信制御部３３に出力する。また、上記第２の位置信号出力部３２２Ｂは、上記第２の信号処理部３１Ｂより得られる第２の位置信号ＰＯＳ２を上記通信制御部３３に出力する。

この信号処理部３０Ｃにおいて、上記第１の信号処理部３１Ａにより得られる第１の位置信号ＰＯＳ１の位置情報のバイナリ表現と、上記第２の信号処理部３１Ｂにより得られる第２の位置信号ＰＯＳ２の位置情報のバイナリ表現は統一されたものとなっている。また、上記第１の信号処理部３１Ａにより得られる第１の位置信号ＰＯＳ１の位置情報のバイナリ表現と、上記第３の信号処理部３１Ｃにより得られる第３の位置信号ＰＯＳ３の位置情報のバイナリ表現は統一されたものとなっている。そして、上記位置情報比較部３２は、上記第１の信号処理部３１Ａにより生成した第１の位置信号ＰＯＳ１、上記第２の信号処理部３１Ｂにより生成した第２の位置信号ＰＯＳ２、上記第３の信号処理部３１Ｃにより生成した第３の位置信号ＰＯＳ３に基づいて、機能安全に求められる誤差範囲であることを検証する。そして、精密位置情報である第１の位置信号ＰＯＳ１とリダンダント位置情報である第２の位置信号ＰＯＳ２を上記通信制御部３３を経由してシリアル通信により外部のＣＮＣコントローラ２００に送る。

ここで、上記信号処理部３０Ｃにおける具体的な処理内容を付して図６のブロック図に示すように、この位置検出装置１００において、第１のスケール１０Ａと第２のスケール１０Ｂに異なる波長λ１，λ２の測長目盛が記録されており、例えば、第１の波長λ１が１６０μｍで第２の波長λ２が８０μｍであるとし、第１の信号処理部３０Ａにおける分割内挿数Ｎを１６０００として１６０００分割内挿処理を施して、第１の検出ヘッド２０Ａにより得られる上記第１の波長λ１の検出信号Ｓ１から、最小分解能λ１／Ｎ＝１６０μｍ／１６０００＝１０ｎｍの第１の位置信号ＰＯＳ１を生成するものとした場合、
上記信号処理部３０Ｃでは、上記各加算値Ｎ，Ｋを
Ｎ＝１６０００
Ｋ＝８０００
として、上記第２の信号処理部３０Ｂにより第２の位置信号ＰＯＳ２を生成し、上記第３の信号処理部３０Ｃにより第３の位置信号ＰＯＳ３を生成する。

すなわち、上記第３の信号処理部３０Ｃにおいて、例えば、上記第２のトリガ信号生成部３１１Ｃから上記第１の波長λ１の１波長毎に第２のトリガ信号ＴＧ２を１回出力し、上記第１の波長λ１の１波長毎に加算値Ｎ＝１６０００を第２のカウンタ３１２Ｃにより累積加算して上記第３の位置信号ＰＯＳ３を生成することにより、上記第３の信号処理部３０Ｃにより生成される上記第３の位置信号ＰＯＳ３と上記第１の信号処理部３０Ｃにより生成される上記最小分解能単位の第１の位置信号ＰＯＳ１の単位表現を一致させることができ、上記第２の比較処理部４０Ｂでは、上記第１の信号処理部３０Ａによる最小分解能単位のカウント結果として得られる上記第１の位置信号ＰＯＳの最小分解能単位毎のカウント結果と上記第３の信号処理部３０Ｃよる累積加算結果と得られる第３の位置信号ＰＯＳ３を比較することにより、異常検出信号を生成して出力することができる。

また、上記第２の信号処理部３０Ｂでは、上記第１のトリガ信号生成部３１１Ｂから上記第２の波長λ２の１波長毎に第１のトリガ信号ＴＧ１を１回出力し、上記第２の波長λ２の１波長毎に加算値Ｋ＝８０００を第１のカウンタ３１２Ｂにより累積加算して上記第２の位置信号ＰＯＳ２を生成することにより、上記第３の信号処理部３０Ｃにより生成される上記第３の位置信号ＰＯＳ３と単位表現を一致させることができ、上記第１の比較処理部４０Ｂにおいて、上記第２の信号処理部３０Ｂにより得られる上記第２の位置信号ＰＯＳ２と上記第３の信号処理部３０Ｃより得られる第３の位置信号ＰＯＳ３を比較することにより、異常検出信号を生成して出力することができる。

ここで、上記第３の信号処理部３０Ｃでは、倍数を２として、上記第２の信号生成部３１１Ｃから上記第１の波長λ１の１波長毎に第２のトリガ信号を２回出力し、上記第１の波長λ１の１／２波長毎に自然数８０００を第２のカウンタ３１２Ｃにより累積加算することにより上記第３の位置信号ＰＯＳ３を生成するようにしても、上記第３の信号処理部３０Ｃにより生成される上記第３の位置信号ＰＯＳ３と上記第１の信号処理部３０Ｃにより生成される上記最小分解能単位の第１の位置信号ＰＯＳ１の単位表現を一致させることができ、上記第１の検出ヘッド２０Ａにより得られる上記第１の波長λ１の検出信号について、上記最小分解能単位の倍数となるように上記第１の波長λ１を自然数で除した波長毎に上記最小分解能単位の倍数を累積加算することにより上記第３の位置信号ＰＯＳ３を生成することにより、上記第３の信号処理部３０Ｃにより生成される上記第３の位置信号ＰＯＳ３と上記第１の信号処理部３０Ｃにより生成される上記最小分解能単位の第１の位置信号ＰＯＳ１の単位表現を一致させて、上記第２の比較処理部４０Ｂにおいて、上記第１の信号処理部３０Ａによる上記第１の位置信号ＰＯＳの最小分解能単位毎のカウント結果と上記第３の信号処理部３０Ｃより得られる第３の位置信号ＰＯＳ３の累積加算結果とを比較することができる。

すなわち、この第３の信号処理部３０Ｃでは、上記位置情報比較部４０において、上記第１の位置信号ＰＯＳ１、第２の位置信号ＰＯＳ２、第３の位置信号ＰＯＳ３が機能安全に求められる誤差範囲であることの検証のため各位置信号ＰＯＳ１、ＰＯＳ２、ＰＯＳ３の比較を実施するに当り、本来の装置制御に使用される最少分解能からくる上記第１の位置信号ＰＯＳ１の数値単位と、機能安全のため測長目盛のカウント数値で表現された第２の位置信号ＰＯＳ２及び第３の位置信号ＰＯＳ３の単位を統一するために、波長λ１、λ２そのものをカウントして第２の位置信号ＰＯＳ２及び第３の位置信号ＰＯＳ３を生成するのではなく、測長目盛の波長を上記第１の位置信号ＰＯＳ１の最少分解能の倍数Ｋ（＝Ｎ×λ２／λ１）および倍数Ｎ（＝Ｎ×λ１／λ１）で表現し、測長目盛を検出する度に、その倍数Ｋまたは倍数Ｎを累積加減算させることで、第２の位置信号ＰＯＳ２及び第３の位置信号ＰＯＳ３の位置情報を得る処理を行うことにより、図７に示すように、第１の位置信号ＰＯＳ１、第２の位置信号ＰＯＳ２、第３の位置信号ＰＯＳ３の単位表現を統一でき、その後の正常運転を判断するための位置情報比較を単純な回路で容易に行い、機能安全性を確保することができる。

なお、上記位置検出装置１００における測長方式には、従来より知られている光学／磁気／誘導／レーザなどの各種方式を採用することができる。その測長方式によらず、測長目盛と内挿処理をもつ測長システムであれば本発明を適用することができる。また、この発明の実施の形態における実施例の説明においては、異常検出の際に、第１の位置信号ＰＯＳ１、第２の位置信号ＰＯＳ２が出力されるのを防止する構成を用いて説明したが、信号の出力を防止せず、別途アラーム信号を出力するなど他の方法にて異常検出を後段のＣＮＣコントローラ２００に情報出力するなど、本発明は上記実施例に限定されず機能安全の要求仕様、ＣＮＣコントローラとの通信仕様等により決定すればよい。また、測長目盛が記録されたトラックすなわち上記スケール部１０に備えられるスケールの数、測長目盛を検出するヘッドの数すなわち上記ヘット部２０に備えられる検出ヘッド数は、限定されることは無く、機能安全の要求仕様により決定すれば良い。

さらに、トリガ信号の生成に関しては、一波長あたりトリガ信号を一回生成するだけでなく、測長回路構成によって、多くのトリガ数／波長を生成することも可能である。

例えば、上記第３の信号処理部３０Ｃは、上記第１の検出ヘッド１０Ａにより得られる上記第１の波長λ１の検出信号Ｓ１について、上記最小分解能単位λ１／Ｎの倍数となるように上記第１の波長λ１の１波長を自然数ｎで除した波長毎λ１／ｎに該自然数ｎを累積加算することにより上記第３の位置信号ＰＯＳ３を生成することにより、上記第２の比較処理部３０Ｂにおいて、上記第１の信号処理部３０Ａによる上記第１の位置信号ＰＯＳ１の最小分解能単位毎のカウント結果と上記第３の信号処理部３０Ｃより得られる第３の位置信号ＰＯＳ３の累積加算結果とを比較することができる。

また、測長目盛が複数の場合、その波長は同一のものである必要はなく、第１の位置信号ＰＯＳ１の最少分解能単位の倍数であれば良く、機能安全用累積カウンタにおいて、その波長ごとにその倍数を加減算すれば良い。この加減算される倍数が２のＭ乗の最大公約数を持つ時は、加減算の数値の下位Ｍビットと累積カウンタの下位Ｍビットが常に０となるので、加減算の数値と累積カウンタ下位Ｎビットを省略しても良い。すなわち、上記第１の波長λ１は、上記最小分解能の波長λ０の整数Ｎ倍の波長であり、上記第２の波長λ２は、上記最小分解能の波長λ０の整数Ｍ倍の波長であり、Ｎ／Ｍは２のべき乗とすることにより、第１の位置信号ＰＯＳ１、第２の位置信号ＰＯＳ２、第３の位置信号ＰＯＳ３の単位表現を簡単な処理で統一して比較することができる。したがって、上記第１の信号処理部３０Ａ、第２の信号処理部３０Ｂ及び第３の信号処理部３０Ｃから、それぞれ２進数の位置情報としてバイナリ表現した第１の位置信号ＰＯＳ１、第２の位置信号ＰＯＳ２及び第３の位置信号ＰＯＳ３を出力し、上記位置情報比較部３２において、第２の比較処理部３２１Ｂにより、上記２進数の位置情報として表現した第１の位置信号ＰＯＳ１の最上位から所定の桁数のみを抽出した数値と上記２進数の位置情報として表現した第３の位置信号ＰＯＳ３とを比較して、不一致の場合に異常検出信号を出力することができる。

また、通信制御部３３からＣＮＣコントローラ２００に送る第２の位置信号ＰＯＳ２の分解能は第１の位置信号ＰＯＳ１と同一である必要はなく、量子化誤差として±１ビットを容認できれば、ＣＮＣコントローラ２００との通信負荷と、機能安全要求仕様に応じて第２の位置信号ＰＯＳ２の下位ビットを省略しても良い。

１０スケール部、１０Ａ第１のスケール、１０Ｂ第２のスケール、２０ヘッド部、２０Ａ第１の検出ヘッド、２０Ｂ第２の検出ヘッド、３０，３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ信号処理部、３１Ａ第１の信号処理部、３１Ｂ第２の信号処理部、３１Ｃ第３の信号処理部、３２位置情報比較部、３３通信制御部、１００位置検出装置、２００ＣＮＣコントローラ、３１１Ａ内挿処理回路、３１１Ｂ第１のトリガ信号生成部、３１１Ｃ第２のトリガ信号生成部、３１２Ｂ第１のカウンタ、３１２Ｃ第２のカウンタ、３２１Ａ第１の比較処理部、３２１Ｂ第２の比較処理部、３２２Ａ第１の位置信号出力部、３２２Ｂ第２の位置信号出力部、３１３乗算器

Claims

第１のスケールから第１の検出ヘッドにより第１の測長目盛を読み取ることにより得られる第１の波長の検出信号から、上記第１の波長の１波長を内挿した最小分解能単位の第１の位置信号を生成して出力する第１の信号処理部と、
第２のスケールから第２の検出ヘッドにより第２の測長目盛を読み取ることにより得られる第２の波長の検出信号から第２の位置信号を生成して出力する第２の信号処理部と、
上記第１の検出ヘッドにより得られる上記第１の波長の検出信号から第３の位置信号を生成して出力する第３の信号処理部と、
上記第２の信号処理部より得られる第２の位置信号と上記第３の信号処理部より得られる第３の位置信号とを比較する第１の比較処理部と
を備え、
上記第１の比較処理部による比較結果に基づいて異常を検出することを特徴とする位置検出装置。
上記第１の信号処理部より得られる第１の位置信号と上記第３の信号処理部より得られる第３の位置信号とを比較する第２の比較処理部を備え、
上記第１の比較処理部及び第２の比較処理部による両比較結果に基づいて異常を検出することを特徴とする請求項１記載の位置検出装置。
上記第２の信号処理部では、上記第２の検出ヘッドにより得られる上記第２の波長の検出信号について、自然数で上記第２の波長を除した単位長さ毎に第１のカウント値を累積加算することにより上記第２の位置信号を生成し、
上記第３の信号処理部では、上記第１の検出ヘッドにより得られる上記第１の波長の検出信号について、自然数で上記第１の波長を除した単位長さ毎に第２のカウント値を累積加算することにより上記第３の位置信号を生成し、
上記第１のカウント値に対応する単位長さを該第１のカウント値で除した結果得られた長さと、上記第２のカウント値に対応する単位長さを該第２のカウント値で除した結果得られた長さとが同一となる
ことを特徴とする請求項１又は請求項２の何れか１項に記載の位置検出装置。
上記第３の信号処理部では、上記第１の検出ヘッドにより得られる上記第１の波長の検出信号について、上記第１の波長を自然数で除した長さ毎に第２のカウント値を累積加算することにより上記第３の位置信号を生成し、
上記第２の比較処理部では、上記第１の信号処理部による上記第１の位置信号の最小分解能単位毎のカウント結果と上記第３の信号処理部より得られる第３の位置信号の累積加算結果とを比較し、
上記第２のカウント値に対応する単位長さを該第２のカウント値で除した結果得られた長さが上記最小分解能の整数倍と同一となることを特徴とする請求項２記載の位置検出装置。
各信号処理部は、２進数の位置情報として表現した位置信号を出力し、
上記比較部は、上記２進数の位置情報として表現した位置信号の最上位から所定の桁数のみを抽出した数値に位置信号の比較を行うことを特徴とする請求項３又は請求項４の何れか１項に記載の位置検出装置。