(57)【要約】【課題】  コンパクト化が容易であって低コストのアブソリュート型リニアエンコーダとそれを使用したアクチュエータを提供すること。【解決手段】  一個の縞状のリニアスケールと、上記リニアスケールに対向・配置され略９０度の位相差間隔にて配置された二個の検出器を備えるとともに上記リニアスケールに対して相対的に移動可能な検出ヘッドと、上記二個の検出器からの信号に基づいて横切った縞の数をカウントするカウンタと、上記カウンタからの信号に基づいて上記検出ヘッドの上記リニアスケールに対する位置を算出する制御手段と、を具備したもの。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一個の縞状のリニアスケールと、
上記リニアスケールに対向・配置され略９０度の位相差間隔にて配置された二個の検出器を備えるとともに上記リニアスケールに対して相対的に移動可能な検出ヘッドと、
上記二個の検出器からの信号に基づいて上記検出ヘッドが横切った縞の数をカウントするカウンタと、を具備し、
上記カウンタからの信号に基づいて上記検出ヘッドの上記リニアスケールに対する位置を算出するようにしたことを特徴とするアブソリュート型リニアエンコーダ。
【請求項２】
請求項１記載のアブソリュート型リニアエンコーダにおいて、
上記検出器は略正弦波の出力を出すものであ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。
【請求項３】
請求項１記載のアブソリュート型リニアエンコーダにおいて、
上記カウンタを検出ヘッド部に組み込んだことを特徴とするアブソリュート型リニアエンコーダ。
【請求項４】
請求項３記載のアブソリュート型リニアエンコーダにおいて、
制御手段として位相検出器及び分割器を備えていて、それら位相検出器及び分割器を上記検出ヘッド部に組み込んだことを特徴とするアブソリュート型リニアエンコーダ。
【請求項５】
請求項１記載のアブソリュート型リニアエンコーダにおいて、
リセット時等要求があった時のみアブソリュートデータを送信す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。
【請求項６】
請求項１〜請求項５の何れかに記載のアブソリュート型リニアエンコーダを使用したことを特徴とするアクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、精密位置決めシステムに用いられるアブソリュート型リニアエンンコーダと該アブソリュート型リニアエンコーダを使用したアクチュエータに係り、特に、装置のコンパクト化を図ることができるように工夫したものに関する。
【背景技術】
【０００２】
精密位置決め装置において、位置決めフィードバック用のセンサーとして、例えば、リニアエンコーダが使用される。これはリニアエンコーダが高精度であって低コストであることに起因する。ところが、現在多く用いられているリニアエンコーダは原点復帰動作の必要なインクリメンタル型である。この種のインクリメンタル型のリニアエンコーダの場合には、装置立ち上げ時或いはトラブル発生時に原点復帰動作を行わせる必要がある。そのため装置の稼働率が低下してしまうという問題があった。
【０００３】
そこで、インクリメンタル型のリニアエンコーダに代わってアブソリュート型リニアエンコーダの使用が提案されている。この種のアブソリュート型リニアエンコーダの場合には原点復帰動作が不要になるからである。
この種のアブソリュート型リニアエンコーダを開示するものとして、例えば、特許文献１、特許文献２等がある。
【０００４】
【特許文献１】特開平５−８０８４９号公報
【特許文献２】特開２００３−８３７６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記従来の構成によると次のような問題があった。
まず、特許文献１及び特許文献２に開示されたアブソリュート型リニアエンコーダの場合はその構成が複雑であり、且つ、コストが高いという問題があった。又、リニアスケール及び検出ヘッドのコンパクト化が困難であるという問題があった。さらに、信号の伝送が複雑であるという問題もあった。
例えば、特許文献１に記載されたアブソリュート型リニアエンコーダの場合には、静電容量式と光電式を併用してより少ないトラック数で高分解能と広い測長範囲を実現している。しかしながら、検出手段とコードパターンともに２系統が必要であり、コンパクト化は不可能であった。
又、特許文献２に記載されたアブソリュート型リニアエンコーダの場合には、位相差の異なるリニアスケールを用いることにより２組のリニアスケールまで減少させることができるが、その精度確保にはやや複雑な信号処理を必要としており、やはりコンパクト化を実現することはできないものである。
【０００６】
本発明はこのような点に基づいてなされたものでその目的とするところは、コンパクト化が容易であって低コストのアブソリュート型リニアエンコーダを提供することにあり、又、そのようなアブソリュート型エンコーダを使用したアクチュエータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するべく本願発明の請求項１によるアブソリュート型リニアエンコーダは、一個の縞状のリニアスケールと、上記リニアスケールに対向・配置され略９０度の位相差間隔にて配置された二個の検出器を備えるとともに上記リニアスケールに対して相対的に移動可能な検出ヘッドと、上記二個の検出器からの信号に基づいて上記検出ヘッドが横切った縞の数をカウントするカウンタと、を具備し、上記カウンタからの信号に基づいて上記検出ヘッドの上記リニアスケールに対する位置を算出するようにしたこと特徴とするものである。
又、請求項２によるアブソリュート型リニアエンコーダは、請求項１記載のアブソリュート型リニアエンコーダにおいて、上記検出器は略正弦波の出力を出すものであることを特徴とするものである。
又、請求項３によるアブソリュート型リニアエンコーダは、請求項１記載のアブソリュート型リニアエンコーダにおいて、上記カウンタを検出ヘッド部に組み込んだことを特徴とするものである。
又、請求項４によるアブソリュート型リニアエンコーダは、請求項３記載のアブソリュート型リニアエンコーダにおいて、制御手段として位相検出器及び分割器を備えていて、それら位相検出器及び分割器を上記検出ヘッド部に組み込んだことを特徴とするものである。
又、請求項５によるアブソリュート型リニアエンコーダは、請求項１記載のアブソリュート型リニアエンコーダにおいて、リセット時等要求があった時のみアブソリュートデータを送信することを特徴とするものである。
又、請求項６によるアクチュエータは、請求項１〜請求項５の何れかに記載のアブソリュート型リニアエンコーダを使用したことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００８】
以上述べたように本願発明の請求項１によるアブソリュート型リニアエンコーダによると、一個の縞状のリニアスケールと、上記リニアスケールに対向・配置され略９０度の位相差間隔にて配置された二個の検出器を備えるとともに上記リニアスケールに対して相対的に移動可能な検出ヘッドと、上記二個の検出器からの信号に基づいて横切った縞の数をカウントするカウンタと、を具備し、上記カウンタからの信号に基づいて上記検出ヘッドの上記リニアスケールに対する位置を算出するように構成されているので、リニアスケールが一個で済み、それによって、コンパクト化と低コスト化を図ることができる。
又、請求項２によるアブソリュート型リニアエンコーダは、請求項１記載のアブソリュート型リニアエンコーダにおいて、上記検出器は略正弦波の出力を出すものとして構成されているので、リニアスケールの縞ピッチを細かくすることなく電気信号処理によって分解能を高めることができる。
又、請求項３によるアブソリュート型リニアエンコーダは、請求項１記載のアブソリュート型リニアエンコーダにおいて、上記カウンタを検出ヘッド部に組み込んだ構成になっているので、例えば、カウンタが検出ヘッドから離間・配置されている場合に比べて、電源供給ケーブルによる消費電流を低減させることができる。
又、請求項４によるアブソリュート型リニアエンコーダは、請求項３記載のアブソリュート型リニアエンコーダにおいて、制御手段として位相検出器及び分割器を備えていて、それら位相検出器及び分割器を上記検出ヘッド部に組み込んだ構成になっているので、アナログ信号を伝送する必要がなくなるものである。
又、請求項５によるアブソリュート型リニアエンコーダは、請求項１記載のアブソリュート型リニアエンコーダにおいて、リセット時等要求があった時のみアブソリュートデータを送信する構成になっているので、配線数を減少させても応答速度を早くすることができる。
又、請求項６によるアクチュエータは、請求項１〜請求項５の何れかに記載のアブソリュート型リニアエンコーダを使用したものであるので、コンパクトで低コストのアクチュエータを実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、図１を参照して本発明の第１の実施の形態を説明する。図１は本実施の形態によるアブソリュート型リニアエンコーダの構成を示す図であり、まず、リニアスケール１がある。このリニアスケール１は縞状をなしていて、８０ミクロンピッチの光学反射式のものとして構成されている。すなわち、上記リニアスケール１は４０μｍの高反射率領域１ａと４０μｍの低反射領域１ｂが繰り返し連なった構成になっている。
【００１０】
上記リニアスケール１には検出ヘッド３が相対的に移動可能な状態で対向・配置されている。この検出ヘッド３は２個の光学式の検出器５、７を備えていて、これら２個の検出器５、７は上記リニアスケール１のスケールのピッチ間隔を３６０度としたときに９０度の位相差間隔にて配置されている。又、上記検出ヘッド３は、既に説明したように、図１中左右方向に沿って上記リニアスケール１に対して相対移動する。その際、上記検出ヘッド３から信号が出力され、該検出信号によって検出ヘッド３がリニアスケール１の縞を何個横切ったかをカウントする。それによって、検出ヘッド３がリニアスケール１のある基準位置に対してどの位置にいるか検知するものである。
【００１１】
上記光学式の検出器５、７は、上記リニアスケール１に対してＬＥＤ光を投射し、リニアスケール１にて反射した光をフォトダイオードにて受光する構成のものである。又、上記検出器５、７は既に述べたように９０度位相差間隔にて設置されている。又、これら検出器５、７の検出領域は縞スケールの１／２ピッチより広くなっており、検出器５、７からの出力信号は略正弦波である。すなわち検出器５より正弦波、検出器７より余弦波の信号が出力されるように構成されている。            
【００１２】
上記検出器５、７の検出信号は、ラインドライバ９を介して、遠隔・配置された制御部１１に出力される。上記制御部１１は、ラインレシーバ１３、コンパレータ１５、バッテリー１７、カウンタ１９、位相検出器２１、分割器２３、コントローラ２５、絶対位置データ構成器２７とから構成されている。上記カウンタ１９として低コストの１６ビットを使用するようにしている。  
【００１３】
上記検出器５、７の検出信号はアナログ信号であり、上記ラインドライバ９を経由してノイズが乗り難い平衡伝送線路にてラインレシーバ１３に送られる。上記ラインレシーバ１３によって受信されたエンコーダ信号（正弦波、余弦波）は２系統に分けられる。その内一方の系統はコンパレータ１５に入力される。このコンパレータ１５によって正弦波及び余弦波のアナログ信号が９０度位相差を持つ２つの矩形波信号に変換される。変換された２つの矩形波信号はカウンタ１９に入力される。このカウンタ１９によってリニアスケール１の縞横断回数（検出ヘッド３がリニアスケール１の縞を何個横切ったか）がアップダウンカウントされ、それによって、粗い位置情報が得られる。
【００１４】
尚、本実施の形態においては、電源オフ時においてリニアスケール１と検出ヘッド３が相対移動せずに停止している場合には、カウント値が保持されるようにバッテリー１７によってカウンタ１９がバックアップされるように構成されている。又、電源オフ時においてリニアスケール１と検出ヘッド３が相対移動する場合には、検出ヘッド３及び検出信号をカウンタ１９へ導く電気回路等にもバッテリー１７により電源供給してカウンタ値の更新ができるように構成されている。
【００１５】
さて、他方の系統であるが、正弦波及び余弦波のアナログ信号が抵抗分割型の上記位相検出器２１及び上記分割器２３に入力される。これら位相検出器２１及び上記分割器２３によって縞ピッチ８０μｍが１６分割されることになる。すなわち、５μｍの分解能まで高められることになる。以下、詳細に説明すると、まず、上記位相検出器２１は１６分割に相当する位相を４ビット出力し、上記分割器２３は４分割に相当する２０μｍ周期の９０度位相差を持つ２つの矩形波を出力する。そして、上記コントローラ２５の内部のアップダウンカウンタによって方向の判別ができるように９０度位相差の２つの矩形波がコントローラ２５に入力される。これら２つの矩形波はコントローラ２５の内部でさらに４分割され５μｍ分解能まで高められる。
【００１６】
又、スケール縞のカウントから得られる粗い位置情報のカウンタ１９による１６ビット信号と位相検出器２１により１縞ピッチを１６分割した高分解能の４ビット信号から高分解能で長ストロークの絶対位置データが得られる。すなわち、カウンタ１９の出力の１６ビットを上位とするとともに位相検出器２１の４ビットを下位とした２０ビットの絶対位置データが得られる。この２０ビット絶対位置データを絶対位置データ構成器２７により構成して上記コントローラ２５に送信する。
【００１７】
又、この実施の形態では、コントローラ２５に供給する位置情報は２０ビットの絶対位置データと分割器２３からの２０μｍ周期の９０度位相差の２矩形波の２系統である。２０ビット絶対位置データのみでも位置情報としては十分であるが、２０ビットとビット数が多くコントローラ２５によっては高速で扱えない場合もある。そこでこの実施の形態の場合には９０度位相差の２矩形波入力も準備するように構成されている。
【００１８】
又、この実施の形態では、８０μｍのスケール縞ピッチになっているので、ストロークは次の式（Ｉ）に示すようなものとなる。
０．０８ｍｍ×２１６＝５，２４３ｍｍ―――（Ｉ）
つまり、５μｍの高分解能でありながら５ｍ以上という十分長いストロークを実現することができる。又、この場合リニアスケール１はピッチ８０μｍと比較的ラフであり、カウンタ１９も１６ビットとその容量は大きくなく、且つ、位相検出器２１、分割器２５も１６分割程度と大きくなく、何れの機器もコンパクト化と低コスト化に有利なものである。
【００１９】
尚、この第１の実施の形態では、光学式のリニアスケール１と検出器５、７を使用しているが、必ずしもそれに限定されるものではない。
【００２０】
以上この第１の実施の形態によると次のような効果を奏することができる。
まず、１個のリニアスケール１を設けるだけで済む構成になっているので、リニアエンコーダのコンパクト化、低コスト化を図ることができる。
又、リニアスケール１の縞ピッチを細かくすることなく、電気信号処理によって分解能を高めるように構成しているので、カウンタ１９やバッテリー１７の容量の増大を抑制することができる。
【００２１】
次に、本発明の第２の実施の形態を説明する。前記第１の実施の形態の場合には、電源オフ時においてリニアスケール１と検出ヘッド３が相対移動せずに停止している場合には、カウント値が保持されるようにカウンタ１９のみバッテリー１７によってバックアップすればよい。これに対して、電源オフ時においてリニアスケール１と検出ヘッド３が相対移動する場合には、検出ヘッド３及び検出信号をカウンタ１９へ導く電気回路等にもバッテリー１７により電源供給してカウンタ値の更新が必要である。
【００２２】
しかしながら、前記第１の実施の形態の場合には、バッテリー１７と検出ヘッド３が離間・配置されており、その電源供給ケーブル（図示せず）による消費電流も少なくない。そこで、この第２の実施の形態の場合には、図１において、制御部１１側に設置されているバッテリー１７を検出ヘッド３側に移動させ、カウンタ１９及びその入力に必要なコンパレータ１５についても検出ヘッド３側に組み込むようにし、これらと検出器５、７に電源を供給するようにたしものである。それによって、上記した問題を解決することができるものである。
【００２３】
次に、本発明の第３の実施の形態を説明する。前記第１の実施の形態では、検出器５、７から出力されるアナログ信号をコントローラ２５側まで送信してエンコーダ信号処理を行っていた。このような構成の場合には、検出ヘッド部３をコンパクト化することができるとともに信号処理回路は必ずしもコンパクトにする必要が無いという利点がある。一方、検出器５、７の出力であるアナログ信号をコントローラ２５側まで信号品質の劣化なく伝送しなければならない欠点がある。
【００２４】
そこで、この第３の実施の形態の場合は、前記第２の実施の形態の構成に加えて、さらに位相検出器２１と分割器２３を検出ヘッド３側に移すように構成したものである。それによって、コントローラ２５までアナログ信号を伝送する必要がなくなるものである。すなわち、検出ヘッド３側からコントローラ２５側へ送る信号はノイズに強いデジタル信号だけで済むことになり、上記した問題点を解決することができる。
【００２５】
次に、本発明の第４の実施の形態を説明する。前記第１の実施の形態では、送信データは絶対位置データだけでも２０ビットとビット長が長く、パラレル送信では配線数が膨大になる。一方、シリアル通信にすれば配線数は２本程度に減じることはできるが、その応答速度は減じる。そこで、この第４の実施の形態の場合には、電源投入やリセット時など必要な時にのみ情報量の多い絶対位置データを送信し、それ以外は高分解能の９０度位相差を持つ２つの矩形波信号を送信し、送信済みの絶対位置データに加減算カウントするように構成している。それによって、配線数も減らせ、且つ、応答速度も確保することができる。
【００２６】
次に、図２を参照して本発明の第５の実施の形態を説明する。この実施の形態の場合には、まず、コンパレータ１５、バッテリー１７、カウンタ１９、位相検出器２１、分割器２３、絶対位置データ構成器２７を検出ヘッド３側に組み込むように構成されている。又、新たに、マルチプレクサ３１を組み込んでいるものである。
その他の構成は前記第１の実施の形態の場合と同じであり、同一部分には同一符号を付して示しその説明は省略する。
【００２７】
上記構成によると、検出器か５、７から得られた９０度位相差をもつ２つの正弦波信号は２系統に分かれる。一方の系統はコンパレータ１５に入力され、９０度位相を持つ２つの矩形波信号に変換され、１６ビットのカウンタ１９にてカウントされる。他方の系統は、抵抗分割型の位相検出器２１及び分割器２３に入力され、縞ピッチ８０μｍを１６分割、すなわち、５μｍの分解能まで高められる。上記位相検出器２１は１６分割に相当する位相を４ビット出力し、分割器２３は４分割に相当する２０μｍ周期の９０度位相差を持つ２つの矩形波を出力する。
尚、分解能を高める作用については前記第１の実施の形態の場合と同様である。
【００２８】
絶対位置データはカウンタ１９の出力の１６ビットを上位、位相検出器２１の４ビットを下位とした２０ビットであり、絶対位置データ構成器２７を経由してマルチプレクサに入力され、電源投入時やリセット時のみシリアルデータとしてラインドライバ９に出力されてコントローラ２５に送信される。
【００２９】
上記コントローラ２５はこの絶対位置データにより内部カウンタをセットする。分割器２３から出力された２０μｍ周期の９０度位相差を持つ２つの矩形波信号はマルチプレクサ３１、ラインドライバ９を経由してコントローラ２５に送信される。この信号によりコントローラ２５の内部カウンタを加減算カウントすることにより位置データを得ることができる。
【００３０】
上記マルチプレクサ３１により絶対位置データと分割器２５からの２矩形波信号は切替えられているので、コントローラ２５への送信は共用の通信線で行われているので配線数は少なくて済む。例えば、２信号の差動伝送では信号線は４本で済む。又、この実施の形態では電源オフ時にバッテリーバックアップが必要な検出器５、７、カウンタ（含むコンパレータ）１９も検出ヘッド部３に内蔵されているので、長い配線によるバッテリーロスはなくすことができている。
【００３１】
次に、図３を参照して本発明の第６の実施の形態を説明する。この実施の形態の場合には、本発明によるアブソリュートリニアエンコーダをアクチュエータに組込んだ例を示すものである。以下、詳細に説明する。
まず、フレーム１０１があり、このフレーム１０１内にはボールネジ１０３が回転可能な状態で配置されている。又、フレーム１０１の外側には駆動モータ１０５が設置されていて、上記ボールネジ１０３はこの駆動モータ１０５によって回転駆動されるように構成されている。
【００３２】
上記ボールネジ１０３には図示しないボールナットが螺合・配置されていて、このボールナットにスライダ１０７が固着されている。そして、上記駆動モータ１０５によってボールネジ１０３を回転させると、ボールナットを介してスライダ１０７が直進移動することになる。
【００３３】
上記フレーム１０１の内面には８０μｍのピッチのリニアスケール１が設置されている。又、上記スライダ１０７には検出ヘッド３が取り付けられている。そして、駆動モータ１０５によりボールねじ１０３を回転させ、ボールナットが内蔵されているスライダ１０７を直線ガイドが内蔵されているフレーム１０１に沿って直進移動させるものである。
【００３４】
上記検出ヘッド３は、前記第５の実施の形態で示した検出ヘッド３と同じものである。すなわち、検出器５、７、コンパレータ１５、バッテリー１７、カウンタ１９、位相検出器２１、分割器２３、絶対位置データ構成器２７、マルチプレクサ１３、ラインドライバ９が内蔵された構成になっている。
【００３５】
そして、コントローラ２５には電源投入時およびリセット時のみ絶対位置データがシリアル信号として伝送され、コントローラ２５の内部カウンタ値を設定する。内部カウンタ値が設定されたら９０度位相差の２相パルス信号がコントローラ２５に送信され、先に設定された内部カウンタを加算・減算し位置情報を得る。コントローラ２５はその位置情報に基づいて駆動モータ１０５を制御しスライダ１０７を指令位置に位置決めする。
【００３６】
尚、本発明は前記第１〜第６の実施の形態に限定されるものではなく、様々な形態が想定されるものである。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明は、例えば、アブソリュート型リニアエンンコーダと該アブソリュート型リニアエンコーダを使用したアクチュエータに係り、特に、装置のコンパクト化を図ることができるように工夫したものに関し、例えば、精密位置決め装置として使用されるアクチュエータに好適である。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示す図で、アブソリュート型リニアエンコーダの構成を示す図である。
【図２】本発明の第５の実施の形態を示す図で、アブソリュート型リニアエンコーダの構成を示す図である。
【図３】本発明の第６の実施の形態を示す図で、アクチュエータの構成を示す図である。
【符号の説明】
【００３９】
１  リニアスケール
３  検出ヘッド
５  検出器
７  検出器
９  ラインドライバ
１１  制御手段
１３  ラインレシーバ
１５  コンパレータ
１７  バッテリー
１９  カウンタ
２１  位相検出器
２３  分割器
２５  コントローラ
２７  絶対位置データ構成器
３１  マルチプレクサ
【図１】
2008216087.tif 000003
【図２】
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【図３】
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