JP5824342B2

JP5824342B2 - リニアエンコーダ

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Publication number: JP5824342B2
Application number: JP2011258093A
Authority: JP
Inventors: 北川　浩二; 浩二北川
Original assignee: Okuma Corp
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 2011-11-25
Filing date: 2011-11-25
Publication date: 2015-11-25
Anticipated expiration: 2031-11-25
Also published as: JP2013113634A

Description

本発明は、フライス盤などの工作機械や半導体製造装置の位置計測に利用することが出来るリニアエンコーダに関し、特にリニアエンコーダの内部の信号処理部における、ギャップ検出技術に関する。

従来のリニアエンコーダについて図３を使用し説明する。図３は一般的な光学式リニアエンコーダの信号検出部の一例を表す斜視図である。工作機械などの移動軸の位置検出装置として用いられるリニアエンコーダは、周期的な主格子目盛１６を形成したスケール１０と、スケール１０に対して相対的に直進移動するスライダ１５と、から構成される。スライダ１５には、主格子目盛１６に対応する周期的な４つの副格子を田の字型に形成した光透過性のインデックススケール１３や、４つの副格子に対応した４つの受光素子１４から構成される受光部、発光素子１２、発光素子１２から発せられた光を平行光にするコリメータレンズ１１などを備えている。そして、スライダ１５のスケール１０の長手方向への相対移動によって生ずる光量変化が受光素子１４によって光電変換されることによって、周期が同一で位相が異なる４つの信号ａ１，ａ２，ｂ１，ｂ２が得られる。

この４つの信号ａ１，ａ２，ｂ１，ｂ２を、Ｓｉｇ．Ｌとすると、位置ＰＯＳは、次の演算により導出される。まず、Ａ＝ａ１−ａ２、および、Ｂ＝ｂ１−ｂ２の演算によりオフセットが無い信号Ａ、および、信号Ａにたいし位相が９０度進んだ信号Ｂが取得される。続いて、ＰＯＳ＝Ｐ×ｔａｎ^−１(Ａ／Ｂ)／２πの内挿演算により位置ＰＯＳが導出される。なお、Ｐは主格子目盛１６のピッチである。

次に、上述したリニアエンコーダでのスケール１０の主格子目盛１６と、スライダ１５のインデックススケール１３との間のギャップの検出方法について説明する。一般的なリニアエンコーダにおいては、スライダ１５の光学系部品は、スケール１０に対して接触する機構を持っており、この接触機構によりギャップが決まる構成となっている。この場合、ギャップの検出は不要である。しかしながら、この場合、スライダ１５とスケール１０の接触機構に相対変位するためのベアリングが必要であり、このベアリングの摩耗やグリース切れなどが長期の信頼性を低下させていた。

そこで、従来から、スケール１０とスライダ１５の間が完全に非接触であり、機械上では機械側の取付け面により、リニアエンコーダのギャップが決まる構成が提案されている。かかる技術の場合、スケール１０とスライダ１５の取付け作業には細心の注意が必要であり、機械上での取付け作業後にギャップを検査し、取付け寸法に問題無いことを確認する必要があった。このため、従来技術では、位置検出に使用する信号の信号振幅を利用してギャップの検出を行なっていた。

以下、この従来技術、例えば、特許文献１に開示されているような従来技術でのギャップ検出について説明する。図７は、主格子目盛１６（スケール１０）に対するインデックススケール１３（スライダ１５）の長手方向への相対変位による受光光量の変化を示すグラフである。図７において、濃色のラインはギャップが小さい場合の、淡色のラインはギャップが大きい場合の受光光量変化を示している。この図７から明らかなとおり、受光光量の変化の振幅は、ギャップが大きいときほど小さくなる。

このギャップに対する信号振幅の特性は、主格子目盛１６のピッチＰ、発光ユニットの波長λ、およびギャップにより表すことができ、振幅は、周期Ｇ＝２Ｐ^２／λで変化する。図５は、ギャップと振幅との関係の一例を示すグラフである。なお、図５の例では、演算方法の関係上、位相情報も含むため振幅値が負となる範囲があるが、実際には、振幅は全て正である。したがって、図５の例で、ギャップ規格値１の際の振幅は、１である。この図５に示すとおり、格子間のギャップに応じて、振幅が正弦波状に変化する。図５の例では、ギャップ規格値が０．５の際に、振幅が、ほぼ０となる。

具体的には、発光素子の波長０．８８μｍ、主格子目盛１６の格子間隔８０μｍとしたとき、周期Ｇ＝１４．５ｍｍとなる。この光学条件で設計されたスケール１０とスライダ１５を使用し、ギャップの標準取付け状態を１ｍｍとし、このギャップが０．７ｍｍ〜１．３ｍｍの変化をした場合を考える。信号振幅は、ギャップが０ｍｍのときに１をとるように、周期Ｇ＝１４．５ｍｍの正弦波状に変化するため、ギャップｇのときの振幅Ｌは、Ｌ＝ｓｉｎ（π／２＋２π×ｇ／１４．５）＝ｃｏｓ（２π×ｇ／１４．５）で求めることができる。ギャップｇが０．７ｍｍ〜１．３ｍｍの場合、上記計算より信号振幅は、０．９５〜０．８４となる。すなわち、信号振幅によりギャップの検出が可能である。

図４を参照して、従来のギャップ検出技術について説明する。図４内の信号検出部２１は、スライダ１５がスケール１０の長手方向への相対移動によって生ずる光量変化を受光素子１４によって光電変換した結果の４つの信号ａ１，ａ２，ｂ１，ｂ２（Ｓｉｇ．Ｌ）を検出する。振幅演算部２２では、Ｓｉｇ．Ｌから、Ａ＝ａ１−ａ２、Ｂ＝ｂ１−ｂ２の演算を行い、オフセットのないＡ，Ｂ信号を求める。また、このＡ，Ｂ信号から、信号振幅ＡＭＰ＿Ｌ＝（Ａ^２＋Ｂ^２）^１／２を求める。

ギャップ判定部２３は、予め、ギャップ目標値（信号振幅）の上限と下限を初期固定値として、持っており、その目標値との信号振幅ＡＭＰ＿Ｌとの比較判定を行なう。そして、ギャップ目標値下限より信号振幅ＡＭＰが小さい（ギャップ目標値下限値＞ＡＭＰ＿Ｌ）ときには、ギャップが広いとの状態表示を、また、ギャップ目標値上限より信号振幅ＡＭＰが大きい（ギャップ目標値上限値＜ＡＭＰ＿Ｌ）ときには、ギャップが狭いとの状態を、スライダ外の上位制御装置５０に伝達する。

スケールスライダの取付け時には、上位制御装置５０による、ギャップ判定値の表示により、取付けの確認を行う。あるいは取付け修正のための調整値として使用する。この結果、スライダとスケールの干渉事故などを防止することができる。また、取付け完了後は、信号振幅の大きさにより、スケールの周囲環境からの汚れ程度を表すため、アラーム判定の精度を高める事ができる。また、これらの効果は何ら追加のセンサ、あるいは信号を必要としないで実現できる。

特開平４−８６５１３号公報

しかしながら、上述のギャップ検出技術を採用したリニアエンコーダにおいては、次のような問題が生ずる。信号振幅ＡＭＰ＿Ｌは、発光素子１２の温度特性にも影響されることが知られている。具体的には、温度が高い場合、発光素子の光量が低下し信号振幅も低下する。また温度が低い場合、光量が増加し信号振幅も大きくなる。このため、温度が高い場合は、ギャップが広いと誤判定する可能性があり、また温度が低い場合ギャップが狭いと誤判定する可能性がある。詳細には、発光素子１２の光出力の温度特性は図６に示す通りであり、周囲温度の変化により光出力が変化し、また光電変換した信号振幅も同様に変化する。この結果、信号振幅から温度要因とギャップ要因を区別することが難しい。

この様に、受光光量の振幅からギャップを検出する方式は検出原理が簡単な反面、原理的に温度変化の影響を受けやすく、正確な取付け調整作業が困難となっていた。また、不正確な取付け調整作業を防止するため、ギャップ目標値上限と下限の範囲をあらかじめ大きくした場合、取付け位置の不良を検出できないとの問題が有った。

本発明の目的は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、ギャップ検出の信頼性を高める事を可能とする、リニアエンコーダを提供する事にある。

本発明のリニアエンコーダは、平行光を発する光源と、固定スケールと、前記固定スケールに対して相対変位するインデックススケールと、前記平行光が前記固定スケールおよび前記インデックススケールを透過あるいは反射した光を受光して、電気信号に変換する光電変換手段と、を備えたリニアエンコーダにおいて、前記固定スケールに設けられ、互いに異なるピッチの第一格子目盛および第二格子目盛と、前記第一格子目盛を透過または反射した光を光電変換して得られる信号の振幅を第一信号振幅として取得する手段と、前記第二格子目盛を透過または反射した光を光電変換して得られる信号の振幅を第二信号振幅として取得する手段と、前記第二信号振幅に基づいて、温度の影響量を取得する手段と、前記第一信号振幅から前記温度の影響量を除去した補正信号振幅を取得し、当該補正信号振幅に基づいて前記固定スケールと前記インデックススケールとの間のギャップ量を算出する手段と、を備え、前記第二格子目盛の格子ピッチは、前記第一格子目盛の格子ピッチの２倍以上である、ことを特徴とする。

本発明によれば、より正確にギャップを検出することができ、機械上での取付けをより正確に行なうことができる。また取付け調整完了後には、信号振幅の低下を検出して、スケールが汚染された場合を検出するが、取付け調整時に精度良く調整されることにより、信号低下時に発生させるアラームレベルまでのマージンを大きく取ることができるため、アラーム判定の精度を高める事ができる。

本発明の実施形態であるリニアエンコーダの構成を示す図である。ギャップ検出部の構成を示すブロック図である。従来のリニアエンコーダの構成を示す図である。従来のリニアエンコーダのギャップ検出部の構成を示すブロック図である。ギャップ量と信号振幅との関係を示すグラフである。ＬＥＤ光量と温度との関係を示すグラフである。スライダの変位に対する光量の変化を示すグラフである。

以下に本発明の実施形態を図面に従って説明する。以下の説明では、本実施形態のリニアエンコーダの構成において従来技術と同様である部分は説明を省略する。図１は本発明実施形態である光学式リニアエンコーダの信号検出部の一例を表す斜視図である。本実施形態のスケール１０は、主格子目盛１６に加え、当該主格子目盛１６に対してピッチが２倍以上の補助目盛格子１７が設けられている。この補助目盛格子１７および主格子目盛１６は、図１から明らかなとおり、スケール１０の面内において上下に（スケール１０の短軸方向に）配設されている。

また、インデックススケール１３ａには、主目盛格子１６および補助目盛格子１７に対応するため８つの副格子が設けられている。また、受光素子も、副格子に対応するべく、８つの受光素子１４ａが配されている。

スライダ１５から位置を読み取り処理をする場合の位置演算方法は、従来技術と同様であり、主格子目盛１６を通して得られるＳｉｇ．Ｌ（ａ１，ｂ１，ａ２，ｂ２）信号から求めた位置と、補助格子目盛１７を通して得られるＳｉｇ．Ｈ信号から求めた位置を合成することにより検出する。

上述した、主格子目盛１６は格子目盛のピッチをギャップに敏感となるよう構成し、補助格子目盛１７は、その目盛ピッチを、主格子目盛１６の２倍以上として、ギャップに対して、ほぼ影響が無い様に構成する。

例えば主格子目盛１６のピッチを８０μｍ、補助格子目盛１７のピッチを２ｍｍとした場合を考える。この場合、８０μｍの主格子目盛１６では、ギャップによる光量変化の周期は、約１４．５ｍｍとなる。一方、ピッチが２ｍｍの補助格子目盛１７ではギャップによる振幅変化の周期は９０９０ｍｍと、非常に大きな周期となる。その結果、補助格子目盛１７側での信号振幅はギャップに対しほとんど影響を受けない。一方で、周囲温度による発光素子の光量への影響は格子目盛のピッチとは無関係であるため、主格子目盛１６側と、補助格子目盛１７側との光量、あるいは信号振幅への影響は、同等である。このように構成することにより、２ｍｍ格子側の信号振幅の変化分は、温度による影響結果であり、温度係数と見なすことができる。この結果、８０μｍ格子の信号振幅に対し、この温度係数を乗ずることにより、温度の影響を取り除いた、ギャップを表す信号が得られる。

図２は本発明の実施形態での信号演算部の構成を表す図であり、従来例と異なり、補助格子目盛１７から求めた信号Ｓｉｇ．Ｈの振幅を演算する振幅演算部２５、この求めた振幅から温度係数を演算する温度係数演算部２６、および、主格子目盛１６から得られた信号Ｓｉｇ．Ｌから求めた振幅と温度係数演算部２６から求めた温度係数とからギャップを求めるギャップ演算部２７が新たに追加されている。

具体的には、図２の信号検出部３１は、補助格子目盛１７を透過した光量変化を受光素子１４ａによって光電変換した結果の４つの信号Ｈａ１，Ｈａ２，Ｈｂ１，Ｈｂ２（Ｓｉｇ．Ｈ）を検出しており、このＳｉｇ．Ｈから、振幅演算部２５では、ＨＡ＝Ｈａ１−Ｈａ２、ＨＢ＝Ｈｂ１−Ｈｂ２によりオフセットの無いＨＡ，ＨＢ信号を求め、さらに信号振幅ＡＭＰ_ＨをＡＭＰ_Ｈ＝（ＨＡ^２＋ＨＢ^２）^１／２の演算により求める。

ＡＭＰ_Ｈは、基準温度での振幅ＡＭＰ_ＨＦとの比較により、温度係数Ｋ=ＡＭＰ_ＨＦ/ＡＭＰ_Ｈを求める。なお、基準温度での振幅とは、スケールスライダをセットで基準温度で行なう発光素子１２の光量調整により決定される数値であり、固定値である。

次に、ギャップ演算部２７では、Ｓｉｇ．Ｌから求めた、ＡＭＰ＿Ｌに対し、上記にて求めた温度係数Ｋを乗ずることにより、補正信号振幅ＡＭＰ＿ＬＫを求める（ＡＭＰ＿ＬＫ＝ＡＭＰ＿Ｌ×Ｋ）。この演算により求めた補正信号振幅ＡＭＰ＿ＬＫから、従来技術と同様のギャップ判定部２３により、ギャップの適否を検出する。

上記では、主格子目盛１６のピッチを８０μｍ、補助格子目盛１７のピッチを２ｍｍとした場合について説明したが、この値は一例であり、原理からも計算できるとおり、補助格子目盛１７の格子ピッチは主格子目盛１６の２倍以上であれば、補助格子目盛１７のギャップによる信号振幅への影響度は十分低くなるため、効果が十分に得られる。

また、本実施形態では、ギャップ演算、判定を行なうタイミングを特に指定せず、エンコーダが動作している時に常時動作すると説明したが、実際にギャップ演算、判定を行なうのは、機械上での取付け調整時のみであり、この取付け調整時にのみギャップ演算、判定を行なうような構成にしてもよい。

また、本実施形態では、光透過方式のエンコーダの場合を例示しているが、光反射方式のエンコーダで有っても同様の原理を実現することができ、また同等の効果を得ることができる。

１０スケール、１１コリメータレンズ、１２発光素子、１３，１３ａインデックススケール、１４，１４ａ受光素子、１５スライダ、１６主格子目盛、１７補助格子目盛、２１，３１信号検出部、２２振幅演算部、２３ギャップ判定部、２６温度係数演算部、５０制御装置。

Claims

平行光を発する光源と、固定スケールと、前記固定スケールに対して相対変位するインデックススケールと、前記平行光が前記固定スケールおよび前記インデックススケールを透過あるいは反射した光を受光して、電気信号に変換する光電変換手段と、を備えたリニアエンコーダにおいて、
前記固定スケールに設けられ、互いに異なるピッチの第一格子目盛および第二格子目盛と、
前記第一格子目盛を透過または反射した光を光電変換して得られる信号の振幅を第一信号振幅として取得する手段と、
前記第二格子目盛を透過または反射した光を光電変換して得られる信号の振幅を第二信号振幅として取得する手段と、
前記第二信号振幅に基づいて温度の影響量を取得する手段と、
前記第一信号振幅から前記温度の影響量を除去した補正信号振幅を取得し、当該補正信号振幅に基づいて前記固定スケールと前記インデックススケールとの間のギャップ量を算出する手段と、
を備え、
前記第二格子目盛の格子ピッチは、前記第一格子目盛の格子ピッチの２倍以上である、
ことを特徴とするリニアエンコーダ。