JP6234497B2 - エンコーダ装置及びエンコーダ装置付き運動案内装置 - Google Patents

Description

本発明は、相対移動可能な二部材の相対的な直線位置又は回転位置を検出するためのエンコーダ装置に関する。

エンコーダ装置は、第一部材に対して相対移動する第二部材の直線位置又は回転位置を検出するために用いられる。エンコーダ装置には、移動量に応じた数のパルスを出力するインクリメンタル型と、検出位置の絶対位置をデータ出力するアブソリュート型がある。

インクリメンタル型のエンコーダ装置は、第一部材に取り付けられるスケールと、第二部材に取り付けられ、スケールを読み取るヘッドと、を備える。第一部材に対する第二部材の相対移動に伴って、インクリメンタル型のエンコーダ装置は、π／２だけ位相がずれたＡ相信号及びＢ相信号を出力する。

インクリメンタル型のエンコーダ装置は、Ａ相信号及びＢ相信号に加えて原点信号（Ｚ相信号）を出力する。インクリメンタル型のエンコーダ装置には、電源を切って再度通電しても直ちに現在位置がわからないという課題があるからである。

原点信号を出力するために、特許文献１に記載のエンコーダ装置では、第一部材の原点位置にリファレンスマーク（磁石又は鉄からなる）を取り付け、第二部材にこのリファレンスマークを読み取る磁気センサを取り付けている。そして、磁気センサから得た信号を所定の閾値と比較して原点信号用のパルスを生成し、このパルスに基づいて原点信号を出力している。

国際公開第２００９／０５３７１９号

しかし、特許文献１に記載のエンコーダ装置にあっては、スケールが磁気スケールであるので、磁石又は鉄からなるリファレンスマークに発生する磁界とスケールに発生する磁界とが干渉し合い、測定誤差が生ずるおそれがあるという課題がある。

そこで、本発明は、リファレンスマークの磁界とスケールの磁界との干渉を低減できるエンコーダ装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の一態様は、リファレンスマークとヘッドとを備えるエンコーダ装置であって、前記リファレンスマークは、第一スケールコイルと、前記第一スケールコイルに電気的に接続される第二スケールコイルと、を有し、前記ヘッドは、前記第一スケールコイルに非接触で電磁波を送信する送信コイルと、前記第二スケールコイルから非接触で電磁波を受信する受信コイルと、前記第一スケールコイルに前記送信コイルが対向し、前記第二スケールコイルに前記受信コイルが対向する場合、前記受信コイルが受信した電磁波から原点信号生成用のパルスを生成する電気回路と、を有するエンコーダ装置である。

本発明によれば、電磁誘導を利用して原点信号生成用のパルスを生成することができる。電磁誘導によってリファレンスマークに発生する磁界とスケールに発生する磁界とは、周波数で切り分けることができる。したがって、リファレンスマークの磁界とスケールの磁界との干渉を低減できる。

なお、本発明は、スケールが磁気スケールである場合に好適であるが、スケールは磁気スケールに限られることはなく、例えば光学式スケールでもよい。

本発明の一実施形態のエンコーダ装置が取り付けられたエンコーダ装置付き運動案内装置の外観斜視図である。 本実施形態のエンコーダ装置の内部構造を示す斜視図である。 本実施形態のエンコーダ装置の内部構造を示す側面図である。 リファレンスマークの平面図である。 本実施形態のエンコーダ装置のブロック図である。 本実施形態と比較例とでヘッドの大きさを比較した図である（図６（ａ１）、図６（ａ２）は比較例を示し、図６（ｂ１）、図６（ｂ２）は本実施形態を示す）。

以下、添付図面を参照して、本発明の一実施形態のエンコーダ装置を詳細に説明する。ただし、本発明の運動案内装置のエンコーダ装置は種々の形態で具体化することができ、明細書に記載される実施形態に限定されるものではない。本実施形態は、明細書の開示を十分にすることによって、当業者が発明の範囲を十分に理解できるようにする意図をもって提供されるものである。

図１は、本実施形態のエンコーダ装置が取り付けられたエンコーダ装置付き運動案内装置の外観斜視図を示す。符号３が運動案内装置、符号６がエンコーダ装置である。

運動案内装置３は、軌道レール１と、軌道レール１にその長さ方向に移動可能に組み付けられるキャリッジ２と、を備える。軌道レール１が図示しないベースに取り付けられ、キャリッジ２が図示しないテーブル等の可動体に取り付けられる。運動案内装置３は、工作機械、半導体製造装置、液晶製造装置、ロボット等に組み込まれ、テーブル等の可動体が直線運動するのを案内する。軌道レール１とキャリッジ２との間には、転がり運動可能に多数の転動体が介在する。軌道レール１に対してキャリッジ２が移動すると、転動体がこれらの間を転がる。転動体の転がりを利用することで、キャリッジ２を高精度にかつ軽快に移動させることができる。運動案内装置３の構成は周知であるので、これ以上の詳しい説明を省略する。

エンコーダ装置６は、インクリメンタル型磁気スケール（以下、単に磁気スケール４という）と、リファレンスマーク７（図２参照）と、ヘッド５と、を備える。エンコーダ装置６は、キャリッジ２の移動に伴って、Ａ相、Ｂ相のインクリメンタル信号、原点信号（Ｚ相信号）を出力する。磁気スケール４は、Ａ相、Ｂ相のインクリメンタル信号を生成するために設けられる。リファレンスマーク７は、原点信号を生成するために設けられる。磁気スケール４とリファレンスマーク７とは、重ねた状態で、軌道レール１に取り付けられる。ヘッド５は、キャリッジ２に取り付けられる。

磁気スケール４は、断面矩形で軌道レール１に沿って細長い。磁気スケール４の表面は、長さ方向に交互にＮ極及びＳ極が等間隔に現れるように着磁される。磁気スケール４は、軌道レール１の上面の溝に嵌められる。なお、磁気スケール４の取り付けはこれに限定されるものではなく、例えば磁気スケール４を溝のない軌道レールに取り付けることもでき、軌道レールの側面に取り付けることもできる。

図２に示すように、磁気スケール４の上面には、リファレンスマーク７が貼り付けられる。図３の側面図に示すように、リファレンスマーク７は、磁気スケール４の平坦な上面４ａに貼り付けられる。磁気スケール４の上面４ａにリファレンスマーク７の厚さに相当する凹みを設けると、凹みのある部分とない部分とで磁気量が変わってしまう。このため、磁気スケール４には凹みは設けられていない。リファレンスマーク７は、磁気スケール４の長さ方向に細長い矩形状のフレキシブルプリント基板からなる。リファレンスマーク７は、絶縁体からなる基板７ａと、基板７ａの表面に形成された導体からなるパターン７ｂと、を備える。

図４の平面図に示すように、パターン７ｂは、四角形の枠状の第一スケールコイル７ｂ_１と、第一スケールコイル７ｂ_１からヘッド５の移動方向に所定ピッチＰ１だけ離れて配置された四角形の枠状の第二スケールコイル７ｂ_２と、第一スケールコイル７ｂ_１と第二スケールコイル７ｂ_２とに接続される平行配線７ｂ_３と、を備える。第一スケールコイル７ｂ_１、第二スケールコイル７ｂ_２、及び平行配線７ｂ_３は、閉回路を構成する。

図２に示すように、ヘッド５は、送信コイル８と、受信コイル９と、を備える。送信コイル８は、第一スケールコイル７ｂ_１に対向した状態で、第一スケールコイル７ｂ_１に非接触で電磁波を送信する。受信コイル９は、第二スケールコイル７ｂ_２に対向した状態で、第二スケールコイル７ｂ_２から非接触で電磁波を受信する。図３に示すように、ヘッド５の移動方向における送信コイル８と受信コイル９との中心間ピッチは、Ｐ２である。このＰ２は、第一スケールコイル７ｂ_１と第二スケールコイル７ｂ_２との中心間ピッチＰ１に等しい。送信コイル８、受信コイル９とリファレンスマーク７との間には、隙間ｇが設けられる。

ヘッド５は、リファレンスマーク７に対して移動可能である。送信コイル８及び受信コイル９それぞれが第一スケールコイル７ｂ_１及び第二スケールコイル７ｂ_２それぞれに対向すると、送信コイル８が放射した電磁波が受信コイル９に受信される。この対向位置からヘッド５が移動すると、受信コイル９が受信する電磁波が徐々に小さくなる。

図２に示すように、送信コイル８と受信コイル９との間には、磁気スケール４を読み取る磁気センサ１１が配置される。磁気センサ１１は、磁気スケール４に隙間を空けて対向し、磁気スケール４の磁界を検出する。磁気センサ１１は、ＭＲ（Magneto-Resistance）素子を備える。ＭＲ素子は、磁気スケール４の磁界の強度及び／又は方向の変化に応じてその抵抗を変化させる。ヘッド５が磁気スケール４に対して移動すると、磁気センサ１１は、ヘッド５の移動に伴って９０度位相が異なる２つの正弦波信号（ａ相信号及びｂ相信号）を出力する。

図５は、エンコーダ装置６のブロック図を示す。所定の周波数を発振する発振回路１２の出力は、送信コイル８に入力される。発振回路１２の発振周波数は、磁気スケール４の磁界の周波数の１０倍以上に設定される。磁気スケール４の磁界の周波数はＶ／Ｐから求められる。Ｖはキャリッジ２の速度（mm／sec）であり、Ｐは磁気スケール４の磁極間（Ｎ極−Ｎ極間）ピッチ（mm）である。

送信コイル８は、発振回路１２からの入力を受けて、電磁波を放射する。リファレンスマーク７の第一スケールコイル７ｂ_１に送信コイル８が対向すると、電磁波は第一スケールコイル７ｂ_１によって捕捉され、電磁波が第一スケールコイル７ｂ_１に送信される。

第一スケールコイル７ｂ_１と第二スケールコイル７ｂ_２とは、閉回路を構成する。第一スケールコイル７ｂ_１が電磁波を受信すると、第二スケールコイル７ｂ_２が電磁波を放射する。第二スケールコイル７ｂ_２に受信コイル９が対向すると、受信コイル９が電磁波を受信する。

受信コイル９に受信された電磁波は、検波・整流回路１３によって検波・整流される。検波回路は、電磁波を検出し、フィルタを用いて電磁波によって発生する交流と磁気スケール４によって発生する交流とを周波数で切り分け、電磁波によって発生する交流を抽出する。電磁波によって発生する交流の周波数はＭＨｚオーダであるのに対し、磁気スケール４によって発生する交流の周波数（上記のＶ／Ｐ）はｋＨｚオーダである。このため、フィルタで両者を切り分けることができる。整流回路は、電磁波の交流を直流に整流する。

コンパレータ１４は、検波・整流回路１３が整流した直流電圧を所定の閾値と比較し、原点信号生成用のパルスを生成する。コンパレータ１４は、直流電圧が所定の閾値以上のとき、Ｈ（High）レベルの信号を生成し、直流電圧が所定の閾値未満のとき、Ｌ（Low）レベルの信号を生成する。原点信号生成用のパルスは、送信コイル８及び受信コイル９それぞれが第一スケールコイル７ｂ_１及び第二スケールコイル７ｂ_２それぞれに対向している状態にあることを表す。

原点信号生成用のパルスは、Ｚ相生成用回路１５に入力される。原点信号生成用のパルスの幅は比較的広い。Ｚ相生成用回路１５は、原点信号生成用のパルスから狭小なパルス幅の原点信号を生成するために用いられる。例えば、Ｚ相生成用回路１５は、磁気センサ１１が出力するａ相信号及びｂ相信号から磁気スケール４の極性が変化するごとに狭小な幅のパルスを生成し、この狭小な幅のパルスと原点信号生成用のパルスとの論理積によって、狭小なパルス幅の原点信号を生成する。Ｚ相生成用回路１５の一例は、出願人が提案した特許第５７１７７８７号に記載されているが、Ｚ相生成用回路１５は特に限定されるものではない。

インターポレータ１６は、磁気センサ１１の分解能を向上させるために用いられる。インターポレータ１６は、磁気センサ１１が出力するａ相信号及びｂ相信号それぞれをＡ／Ｄコンバータに通し、これにより得たＡ／Ｄ変換データに基づいてＲＯＭテーブル内のアドレスを指定し、内挿データを得る。そして、この内挿データに基づいて高分解能化されたＡ相、Ｂ相のインクリメンタル信号を得る。インターポレータ１６の構成は周知であるので、詳しい説明は省略する。

上記のようにして得られた原点信号、Ａ相、Ｂ相のインクリメンタル信号は、ラインドライバ１７から必要な制御装置に出力される。

以上に本発明のエンコーダ装置６の構成を説明した。本実施形態のエンコーダ装置６によれば、以下の効果を奏する。

電磁誘導によってリファレンスマーク７に発生する磁界と磁気スケール４に発生する磁界とは、周波数で切り分けることができる。したがって、リファレンスマーク７の磁界と磁気スケール４の磁界との干渉を低減できる。

インクリメンタル検出が磁気式（磁気スケール４と磁気センサ１１とでインクリメンタル信号を生成）であり、原点検出が電磁誘導式（リファレンスマーク７と送受信コイル８，９とで原点信号を生成）なので、耐異物性に優れた（異物が検出精度に悪影響を及ぼしにくい）エンコーダ装置６が得られる。

磁気スケール４とリファレンスマーク７とを軌道レール１に重ねて配置するので、これらの取り付けスペースを低減することができるし、ヘッド５も幅方向（軌道レール１の長さ方向に直交する左右方向）にコンパクトにすることができる。

また、図６（ｂ１）（ｂ２）に示すように、軌道レール１に磁気スケール４とリファレンスマーク７とを重ねて配置することで、小型型番の運動案内装置（ｂ１）と大型型番の運動案内装置（ｂ２）とで、ヘッド５を共通化することができる。なお、比較例の図６（ａ１）（ａ２）に示すように、磁気スケール４´とリファレンスマーク７´とを軌道レール１´のボルト挿入穴１ａ´の左右に配置すると、小型型番の運動案内装置（ａ１）と大型型番の運動案内装置（ａ２）とで、ヘッド５´を共通化することができない。

送信コイル８と受信コイル９との間に磁気センサ１１を配置するので、これらを備えるヘッド５を小型にすることができると共に、送受信コイル８，９の電磁波が磁気センサ１１に悪影響を及ぼすのを防止できる。

第一スケールコイル７ｂ_１と第二スケールコイル７ｂ_２とがキャリッジ２の移動方向に離れているので、リファレンスマーク７の幅を小さくすることができる。

なお、本発明は上記実施形態に具現化されるのに限られることはなく、本発明の要旨を変更しない範囲でさまざまな実施形態に具現化可能である。

例えば、上記実施形態では、エンコーダ装置が運動案内装置のキャリッジの直線位置を検出しているが、モータの回転軸の回転位置を検出することもできる。

１…軌道レール、２…キャリッジ、３…運動案内装置、４…インクリメンタル型磁気スケール、５…ヘッド、６…エンコーダ装置、７…リファレンスマーク、７ｂ_１…第一スケールコイル、７ｂ_２…第二スケールコイル、８…送信コイル、９…受信コイル、１１…磁気センサ、１２…発振回路、１３…検波・整流回路（電気回路）、１４…コンパレータ（電気回路）

Claims (8)

1. リファレンスマークとヘッドとを備えるエンコーダ装置であって、
   前記リファレンスマークは、第一スケールコイルと、前記第一スケールコイルに電気的に接続される第二スケールコイルと、を有し、
   前記ヘッドは、前記第一スケールコイルに非接触で電磁波を送信する送信コイルと、前記第二スケールコイルから非接触で電磁波を受信する受信コイルと、前記第一スケールコイルに前記送信コイルが対向し、前記第二スケールコイルに前記受信コイルが対向する場合、前記受信コイルが受信した電磁波から原点信号生成用のパルスを生成する電気回路と、を有するエンコーダ装置。
2. 前記エンコーダ装置は、インクリメンタル型磁気スケールを備え、
   前記ヘッドは、前記インクリメンタル型磁気スケールの磁界を読み取る磁気センサを備えることを特徴とする請求項１に記載のエンコーダ装置。
3. 前記リファレンスマークと前記インクリメンタル型磁気スケールとが重ねて配置されることを特徴とする請求項２に記載のエンコーダ装置。
4. 前記磁気センサは、前記送信コイルと前記受信コイルとの間に配置されることを特徴とする請求項２又は３に記載のエンコーダ装置。
5. 前記電気回路は、
   前記受信コイルが受信した電磁波を検波し、電磁波の交流を直流に整流する検波・整流回路と、
   前記検波・整流回路が整流した直流電圧を所定の閾値と比較し、前記原点信号生成用のパルスを生成するコンパレータと、を備えることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載のエンコーダ装置。
6. 前記エンコーダ装置は、第一部材に対して相対移動する第二部材の位置を検出し、
   前記第一スケールコイルと前記第二スケールコイルとが、前記第二部材の相対移動方向に離れて配置されることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載のエンコーダ装置。
7. 前記送信コイルが送信する電磁波の周波数は、前記インクリメンタル型磁気スケールの磁界の周波数の１０倍以上であることを特徴とする請求項２ないし４のいずれか１項に記載のエンコーダ装置。
   ここで、前記インクリメンタル型磁気スケールの磁界の周波数はＶ／Ｐから求められ、前記エンコーダ装置は第一部材に対して相対移動する第二部材の位置を検出し、前記Ｖは前記第一部材に対する前記第二部材の相対速度であり、前記Ｐは前記インクリメンタル型磁気スケールの磁極間ピッチである。
8. 請求項１ないし７のいずれか１項に記載のエンコーダ装置と、
   前記リファレンスマークが取り付けられる軌道レールと、
   前記ヘッドが取り付けられ、前記軌道レールに移相対動可能に組み付けられるキャリッジと、を備えるエンコーダ装置付き運動案内装置。
   

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