(57)【要約】【課題】スライダユニットのスケールユニットに対する第二方向のズレ量を検出できる光学式エンコーダを提供する。【解決手段】光学式エンコーダは、下位桁スリット列と、上位桁スリット列と、が隣接配置されたスケールユニットと、スケールユニットに対して第一方向に変位可能であって、下位桁検出部および上位桁検出部と、を有したスライダユニットと、検出部それぞれの検出信号からスライダユニットの第一方向の位置を算出する信号処理回路基板であって、下位桁検出部の検出信号から互いに９０度位相のズレた２つの第一周期性信号ＭＡ，ＭＢを生成する信号処理回路基板と、を備える。信号処理回路基板は、スライダユニットを第一方向に変位させた際、前記第一周期性信号ＭＡ，ＭＢに含まれるオフセット値を算出し、このオフセット値の変動量に基づいて、前記スライダユニットの前記スケールユニットに対する第二方向のズレ量を検出する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一方向に長尺な第一スリット列と、前記第一方向に長尺であるとともに前記第一スリット列よりもスリットピッチが大きい第二スリット列と、が前記第一方向に直交する第二方向に隣接配置されたスケールユニットと、
前記スケールユニットに対して前記第一方向に変位可能なスライダユニットであって、前記第一、第二スリット列に向かって光を照射する発光ユニットと、前記第一スリット列を透過した光を検出するべく前記第一スリット列に対向配置される第一検出部と、前記第二スリット列を透過した光を検出するべく前記第二スリット列に対向配置された第二検出部と、を有したスライダユニットと、
前記第一、第二検出部それぞれの検出信号から前記スライダユニットの前記第一方向の位置を算出する信号処理部であって、少なくとも前記第一検出部の検出信号から互いに９０度位相のズレた２つの第一周期性信号を生成する信号処理部と、
を備えた光学式エンコーダであって、
前記信号処理部は、前記スライダユニットを第一方向に変位させた際、前記第一周期性信号に含まれるオフセット値を算出し、前記スライダユニットの変位に伴う前記オフセット値の変動量に基づいて、前記スライダユニットの前記スケールユニットに対する第二方向のズレ量を検出する、
ことを特徴とする光学式エンコーダ。
【請求項２】
第一方向に長尺な第一スリット列と、前記第一方向に長尺であるとともに前記第一スリット列よりもスリットピッチが大きい第二スリット列と、が前記第一方向に直交する第二方向に隣接配置されたスケールユニットと、
前記スケールユニットに対して前記第一方向に変位可能なスライダユニットであって、前記第一、第二スリット列に向かって光を照射する発光ユニットと、前記第一スリット列を透過した光を検出するべく前記第一スリット列に対向配置される第一検出部と、前記第二スリット列を透過した光を検出するべく前記第二スリット列に対向配置された第二検出部と、を有したスライダユニットと、
前記第一、第二検出部それぞれの検出信号から前記スライダユニットの前記第一方向の位置を算出する信号処理部であって、少なくとも前記第一検出部の検出信号から互いに９０度位相のズレた２つの第一周期性信号を生成する信号処理部と、
を備えた光学式エンコーダにおいて、前記スライダユニットの前記第二方向のズレ量を検出するズレ量検出方法であって、
前記スライダユニットを第一方向に変位させる変位ステップと、
前記変位ステップの実行中に得られる前記第一周期性信号に含まれるオフセット値を算出し、前記スライダユニットの変位に伴う前記オフセット値の変動量に基づいて、前記スライダユニットの前記スケールユニットに対する第二方向のズレ量を検出するステップと、
を含むことを特徴とするズレ量検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書では、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エンコーダ、および、光学式エンコーダに設けられたスライダユニットのスケールユニットに対するズレ量を検出するズレ量検出方法を開示する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、変位に対して正弦波状に変化し互いに９０度の位相差を持つ信号を検出する検出部を含む光学式エンコーダが知られている。かかる光学式エンコーダの中には、複数の検出部を含むアブソリュートエンコーダがある。図５、図６に、アブソリュートエンコーダの概略構造を示す。
【０００３】
アブソリュートエンコーダは、スケールユニット１０と、スケールユニット１０に対して可動のスライダユニット１５と、から構成される。スケールユニット１０は、スリットピッチが互いに異なる下位桁スリット列２０と上位桁スリット列２１と、を含む２以上のスリット列を有するガラススケール１１を持っている。スライダユニット１５は、平行光を出力することのできる発光ユニット１８と、発光ユニット１８からの光を電気信号に変換する受光ユニット２４と、信号処理部として機能する信号処理回路基板１６と、を有する。ここで、スケールユニット１０とスライダユニット１５との間には、上下方向に隙間Ｃが確保されている。
【０００４】
ガラススケール１１には、スリット列のピッチが小さく、非常に分解能の高い検出が可能な下位桁スリット列２０（第一スリット列）と、スリット列のピッチが大きく、分解能は低いがその分絶対位置検出範囲が広い上位桁スリット列２１（第二スリット列）とが含まれ、それぞれのスリット列から位置データを検出して組合せることによって、高分解能と絶対位置検出を併せ持った位置検出が可能となっている。また、各スリット列２０，２１の長尺方向を「第一方向」とし、第一方向に直交かつガラススケール１１に平行な方向を「第二方向」とすると、各スリット列２０，２１は、ガラススケール１１の表面において、第二方向に距離Ａだけ隔てて隣接して配置されている。また、図５に示すように、前記ガラススケール１１と、前記スライダユニット１５に取り付けられた受光ユニット２４を一定の距離で組付けることで、適切な信号強度が得られる構造となっている。
【０００５】
前記受光ユニット２４には、ガラススケール１１に刻まれたスリット列２０，２１のピッチに合わせた下位桁検出部２２（第一検出部）と上位桁検出部２３（第二検出部）があり、各検出部２２，２３から信号が出力される。なお、各検出部２２，２３は、ガラススケール１１の各スリット列２０，２１と正対しており、第二方向に距離Ｂだけ隔てて隣接配置されている。スリット列２０，２１の端部を通った光が検出部２２，２３に入射しないように、距離Ｂは、距離Ａよりも大きい寸法となっている。また、スケールユニット１０とスライダユニット１５との間の上下方向に隙間Ｃは、スライダユニット１５とスケールユニット１０とが機械的に接触することの無いように、広めに確保されている。
【０００６】
ガラススケール１１に刻まれたスリット列２０，２１のピッチや受光ユニット２４などの概略関係図を図６に示す。発光ユニット１８から出力される平行光は、ガラススケール１１上の下位桁スリット列２０と上位桁スリット列２１を透過し、それぞれ、下位桁検出部２２と上位桁検出部２３に入射する。
【０００７】
下位桁検出部２２と上位桁検出部２３は、それぞれ、変位に対して正弦波状に変化する信号ａ１と、信号ａ１に対して１８０度位相の異なる正弦波状に変化する信号ａ２と、信号ａ１に対して９０度位相の異なる正弦波状に変化する信号ｂ１と、信号ｂ１に対して１８０度位相の異なる正弦波状に変化する信号ｂ２と、の４つの信号を出力する。下位桁検出部２２が出力する４つの検出信号をＭａ１，Ｍａ２，Ｍｂ１，Ｍｂ２とし、上位桁検出部２３が出力する４つの検出信号Ｈａ１，Ｈａ２，Ｈｂ１，Ｈｂ２とする。
【０００８】
信号処理回路基板１６は、下位桁検出部２２と上位桁検出部２３から出力されるそれぞれ４つずつの信号を内挿分割して算出した位置と、各スリットピッチを４分割してカウントするカウンタの値と、から位置を演算する。位置を演算する処理の詳細は、本特許と直接の関係はないため省略する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１３−１１３６３４号公報
【特許文献２】特開２０１６−５０８８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従来の技術では、スライダユニット１５（ひいては受光ユニット２４）がガラススケール１１に対して、上下方向（第二方向）にズレて取付けられた時の上下方向のズレ量を検出することができない。そのため、スケールユニット１０とスライダユニット１５の取付け精度が守られない場合には、スケールユニット１０とスライダユニット１５が接触し、最悪の場合は、スケールユニット１０やスライダユニット１５が損傷し、使用不能となるおそれがあった。また、両ユニット１０，１５が接触しない場合でも、スライダユニット１５が第二方向にズレて取り付けられた場合、受光ユニット２４で検出する信号が歪んでしまい、位置検出精度の低下を招く。しかし、従来、スライダユニットの第二方向の位置ズレを検出する技術がなかった。
【００１１】
そこで、本明細書では、スライダユニットのスケールユニットに対する第二方向のズレ量を検出できる光学式エンコーダ、および、ズレ量検出方法を開示する。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本明細書で開示する光学式エンコーダは、第一方向に長尺な第一スリット列と、前記第一方向に長尺であるとともに前記第一スリット列よりもスリットピッチが大きい第二スリット列と、が前記第一方向に直交する第二方向に隣接配置されたスケールユニットと、前記スケールユニットに対して前記第一方向に変位可能なスライダユニットであって、前記第一、第二スリット列に向かって光を照射する発光ユニットと、前記第一スリット列を透過した光を検出するべく前記第一スリット列に対向配置される第一検出部と、前記第二スリット列を透過した光を検出するべく前記第二スリット列に対向配置された第二検出部と、を有したスライダユニットと、前記第一、第二検出部それぞれの検出信号から前記スライダユニットの前記第一方向の位置を算出する信号処理部であって、少なくとも前記第一検出部の検出信号から互いに９０度位相のズレた２つの第一周期性信号を生成する信号処理部と、を備えた光学式エンコーダであって、前記信号処理部は、前記スライダユニットを第一方向に変位させた際、前記第一周期性信号に含まれるオフセット値を算出し、前記スライダユニットの変位に伴う前記オフセット値の変動量に基づいて、前記スライダユニットの前記スケールユニットに対する第二方向のズレ量を検出する、ことを特徴とする。
【００１３】
また、本明細書で開示するズレ量検出方法は、第一方向に長尺な第一スリット列と、前記第一方向に長尺であるとともに前記第一スリット列よりもスリットピッチが大きい第二スリット列と、が前記第一方向に直交する第二方向に隣接配置されたスケールユニットと、前記スケールユニットに対して前記第一方向に変位可能なスライダユニットであって、前記第一、第二スリット列に向かって光を照射する発光ユニットと、前記第一スリット列を透過した光を検出するべく前記第一スリット列に対向配置される第一検出部と、前記第二スリット列を透過した光を検出するべく前記第二スリット列に対向配置された第二検出部と、を有したスライダユニットと、前記第一、第二検出部それぞれの検出信号から前記スライダユニットの前記第一方向の位置を算出する信号処理部であって、少なくとも前記第一検出部の検出信号から互いに９０度位相のズレた２つの第一周期性信号を生成する信号処理部と、を備えた光学式エンコーダにおいて、前記スライダユニットの前記第二方向のズレ量を検出するズレ量検出方法であって、前記スライダユニットを第一方向に変位させる変位ステップと、前記変位ステップの実行中に得られる前記第一周期性信号に含まれるオフセット値を算出し、前記スライダユニットの変位に伴う前記オフセット値の変動量に基づいて、前記スライダユニットの前記スケールユニットに対する第二方向のズレ量を検出するステップと、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本明細書に開示の光学式エンコーダおよびズレ量検出方法によれば、ガラススケールとスライダユニット間の相対的な上下方向のズレ量を検出することが可能であり、スケールユニットとスライダユニットの取り付け精度が守られないことによる、スケールユニットとスライダユニットの接触を無くすことができる。また、スケールユニットとスライダユニットとの間の上下方向の距離を保つための構造を付加することなく、組込みソフトウェアで実現可能なので、新たなコストアップ分はない。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】スケールユニットとスライダユニットの取付外観図である。
【図２】適正位置の信号オフセットを示したグラフである。
【図３】適正位置より０．２ｍｍ上方向に移動させた時の信号オフセットを示したグラフである。
【図４】適正位置より０．４ｍｍ上方向に移動させた時の信号オフセットを示したグラフである。
【図５】スケールユニット内部の構造詳細図である。
【図６】ガラススケールや受光ユニットなどの概略関係図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
従来技術と同じ箇所については、説明を省略するか、簡略化して以下に説明する。図１に、位置の検出に必要なスケールユニット１０とスライダユニット１５の外観図を示す。図１において、紙面左右方向が、各スリット列２０，２１の長尺方向（第一方向）であり、紙面上下方向が、各スリット列２０，２１の隣接方向（第二方向）である。また、下位桁スリット列２０（第一スリット列）と上位桁スリット列２１（第二スリット列）を有するガラススケール１１と、下位桁検出部２２（第一検出部）と上位桁検出部２３（第二検出部）の２つ検出部を含む受光ユニット２４の構成は、図５、図６に示す従来例と変更はなく、受光ユニット２４を構成する下位桁検出部２２と上位桁検出部２３は、各４相の信号を出力する受光素子を左右に分散して配置した構造を有している。
【００１７】
ピッチの異なる２つのスリット列２０，２１を有する光学式エンコーダにおいて、受光ユニット２４に配置された下位桁検出部２２と上位桁検出部２３は、ガラススケール１１に刻まれた下位桁スリット列２０と上位桁スリット列２１にそれぞれ正対して配置される。そして、ガラススケール１１の上位桁スリット列２１を透過した光が上位桁検出部２３に入射し、下位桁スリット列２０を透過した光が下位桁検出部２２に入射することで信号が検出される。
【００１８】
信号処理部として機能する信号処理回路基板１６は、この二つの検出部２２，２３で検出された検出信号に基づいて、スライダユニット１５の位置を算出する。この位置算出の過程で、信号処理回路基板１６は、下位桁検出部２２で検出された４相の信号Ｍａ１，Ｍａ２，Ｍｂ１，Ｍｂ２に基づいて２つの第一周期性信号ＭＡ＝（Ｍａ１−Ｍａ２）およびＭＢ＝（Ｍｂ１−Ｍｂ２）を算出し、上位桁検出部２３で検出された４相の信号Ｈａ１，Ｈａ２，Ｈｂ１，Ｈｂ２に基づいて２つの第二周期性信号ＨＡ＝（Ｈａ１−Ｈａ２）およびＨＢ＝（Ｈｂ１−Ｈｂ２）を算出する。信号ＭＢは、信号ＭＡに対して９０度位相がズレており、信号ＨＢは、信号ＨＡに対して９０度位相がズレている。
【００１９】
ここで、ガラススケール１１と受光ユニット２４の位置関係を図５に示す。なお、ガラススケール１１の上下（第二方向）に配置された各スリット列２０，２１は、ある距離Ａだけ隔てて配置され、受光ユニット２４の上下（第二方向）に配置された各検出部２２，２３はある距離Ｂだけ隔てて配置されている。距離Ｂは、距離Ａよりも大きい寸法となっており、ガラススケール１１に刻まれたスリット列２０，２１の端部を通った光が検出部２２，２３に入射しないようになっている。
【００２０】
しかし、ガラススケール１１と受光ユニット２４が相対的に上方向に約（Ｂ／２＋Ａ／２）以上の距離分だけズレて取り付けられた場合（図５の右側に記載の白矢印方向に、スライダユニット１５がガラススケール１１に対してズレて取り付けた場合）、上位桁検出部２３に入射するはずの光の一部が、下位桁検出部２２に入射してしまい、下位桁検出部２２が検出する信号が歪んでしまう。最悪の場合、信号が歪んで位置の検出精度が悪化するだけでなく、スケールユニット１０とスライダユニット１５が接触し、スケールユニット１０やスライダユニット１５が損傷し、使用不能となってしまう。
【００２１】
ここで、上位桁スリット列２１を透過した光が下位桁検出部２２に入射すると、第一周期性信号ＭＡ，ＭＢのオフセット値ＯＦＤＥＴが変化する。より具体的に説明すると、上位桁スリット列２１を透過した光が下位桁検出部２２に入射すると、オフセット値ＯＦＤＥＴが、上位桁スリット列２１のスリットピッチＰｈと同じ周期で、変動（振動）する。例えば、スリットピッチＰｈが２ｍｍの場合、第一周期性信号ＭＡ，ＭＢに含まれるオフセット値ＯＦＤＥＴは、スライダユニット１５をＰｈ／２＝１ｍｍ移動させるたびに、オフセット変動量ＯＦＣＨ分だけ、変動（振動）する。本例では、このオフセット変動量ＯＦＣＨを利用してスライダユニット１５の上方向へのズレ量ＭＶを求めている。
【００２２】
具体的に説明すると、ズレ量ＭＶを検出する際には、まず、スライダユニット１５を、スリットピッチＰｈ以上、移動させる。信号処理回路基板１６は、その間に検出される下位桁検出部２２の検出信号Ｍａ１，Ｍａ２，Ｍｂ１，Ｍｂ２から第一周期性信号ＭＡ，ＭＢを算出し、さらに、この第一周期性信号ＭＡ，ＭＢに含まれるオフセット値ＯＦＤＥＴを算出する。このオフセット値ＯＦＤＥＴは、例えば、第一周期性信号ＭＡの最大値と最小値の中間値として求めることができる。なお、こうした単純な演算に替えて、例えば、特開２００８−２３２６４９号公報に開示されているように、オフセット除去した２つの周期性信号ＭＡ，ＭＢから二乗和の平方根を半径値として算出し、この半径値をフーリエ変換した結果から、オフセット値ＯＦＤＥＴを求めてもよい。
【００２３】
続いて、信号処理回路基板１６は、このオフセット値ＯＦＤＥＴの変動量ＯＦＣＨを求める。オフセット変動量ＯＦＣＨは、例えば、オフセット値ＯＦＤＥＴの最大値ＯＦＤＥＴ＿ｍａｘと、最小値ＯＦＤＥＴ＿ｍｉｎとの差の絶対値として求めることができる。すなわち、ＯＦＣＨ＝｜ＯＦＤＥＴ＿ｍａｘ−ＯＦＤＥＴ＿ｍｉｎ｜である。
【００２４】
オフセット変動量ＯＦＣＨが求まれば、最後に、以下の近似式を用いてズレ量ＭＶを求める。なお、ＣＯＦＡ、ＣＯＦＢは、スケールユニット１０とスライダユニット１５の組み合わせにより決まる換算係数である。
ＭＶ  ＝  ＣＯＦＡ  ×  ＯＦＣＨ  ―  ＣＯＦＢ
【００２５】
オフセットの変化例を図２、図３、図４に示す。図２は、スライダユニット１５を適正位置に、図３は、スライダユニット１５を上方向に０．２ｍｍ移動させた位置に、図４はスライダユニット１５を上方向に０．４ｍｍ移動させた位置に、取り付けた際の検出信号のオフセットを取得したグラフである。図２〜図４において縦軸は、オフセット値であり、横軸は、検出位置（スライダユニット１５の移動距離）である。なお、図２〜図４では、スライダユニット１５を適正位置に取り付けた際のオフセット値がゼロになるように、縦軸の０の位置を調整している。
【００２６】
図２に示す通り、スライダユニット１５が適正位置に取り付けられている場合、第一周期性信号ＭＡ，ＭＢに含まれるオフセット値は、ほぼ変動しない。一方、スライダユニット１５が、上方向にズレており、上位桁スリット列２１を透過した光の一部が、下位桁検出部２２に入射すると、図３、図４に示すように、オフセット値が、検出位置に応じて変動する。本例では、上位桁スリット列２１のスリットピッチＰｈは、２ｍｍであるため、上位桁スリット列２１から下位桁検出部２２への入射光の影響を２ｍｍ周期で受けている。そして、図３、図４の例では、結果として、オフセット値がＰｈ＝２ｍｍ周期で変動する。このオフセット値の変動量が、オフセット変動量ＯＦＣＨとなる。なお、図３の例では、オフセット変動量ＯＦＣＨは、約３５であり、図４の例では、オフセット変動量ＯＦＣＨは、約１３０である。
【００２７】
ガラススケール１１上の上位桁スリット列２１から漏れた光によるオフセット変動量ＯＦＣＨは、ガラススケール１１とスライダユニット１５の上下方向の位置により変化し、光の干渉開始から徐々に増加し、ある一定量で飽和する。
【００２８】
この下位桁検出部２２のオフセット変動量ＯＦＣＨを検出することで、ガラススケール１１と受光ユニット２４間の相対的な上下方向の位置を把握することができ、上下方向の取り付け精度が守られないことによる接触を防止することが可能である。
【００２９】
なお、スライダユニット１５が、スケールユニット１０に対して下方向にズレて取り付けられ、下位桁スリット列２０の透過光の一部が、上位桁検出部２３に入射する場合も有り得る。この場合でも、各ユニット１５，１０が互いに接触して損傷するおそれがある。しかし、この場合、下位桁スリット列２０の透過光が、上位桁検出部２３の検出信号Ｈａ１，Ｈａ２，Ｈｂ１，Ｈｂ２に与える影響は、小さいため、下方向へのズレを検出することは難しい。そこで、スライダユニット１５を組み付け調整する際には、下方向へのズレが発生しないように、スライダユニット１５を、適切位置よりもやや高めの位置にまず組み付ける。そして、その状態で検出されたズレ量ＭＶに基づいて、スライダユニット１５を適正位置に調整していく。
【００３０】
以上の説明から明らかなとおり、本明細書に開示の技術によれば、ガラススケール１１と受光ユニット２４を、上位桁のスリットピッチＰ分だけ相対的に移動させることで、正弦波状に変化する２つの信号ＭＡ、ＭＢのリサージュ波形の中心点ズレ量を計測することにより、上位桁側の光の一部が下位桁側の検出部に入射していることを把握することができる。
【符号の説明】
【００３１】
１０  スケールユニット、１１  ガラススケール、１５  スライダユニット、１６  信号処理回路基板、１８  発光ユニット、２０  下位桁スリット列、２１  上位桁スリット列、２２  下位桁検出部、２３  上位桁検出部、２４  受光ユニット。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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