JPH0484709A - 変位量検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はＮＣ工作機械等の位置センサとして用いられる
パルス出力型の変位量検出装置に関する。

〔発明の概要〕

本発明はＮＣ工作機械等の位置センサとして用いられる
パルス出力型の変位量検出装置に関し、２物体間の相対
変位量をキャリヤ周波数ｆｃの位相変調信号として検出
し、この位相変調信号の位相の変化量を弁別して移動方
向に応じた加減算パルスとして取り出した後に２相出力
信号変換回路により９０°位相差をもつ２相の出力信号
に変換して出力するようにした変位量検出装置に於いて
、電源投入時のこの位相変調信号の格子寸法λ内におけ
る絶対位置をこの位相変調信号とこの位相変調信号のキ
ャリヤ周波数ｆｃと同じ周波数の基準信号との位相比較
によりこの絶対位置に対応したパルス幅の信号に変換し
た後、内挿クロックパルスを用いてこの絶対位置に対応
したパルス数のパルス列信号に変換する手段と、このパ
ルス数に応じてこの２相の出力信号に変換する２相出力
信号変換回路の初期化を行う初期化手段とを有し、この
２相の出力信号の位相を格子寸法λ内の位置に正しく対
応させる様にすることにより、毎電源投人時に２相の出
力信号がスケールの格子寸法λ内において常に一定の位
相関係となる様にし常に高精度な変位量検出ができるよ
うにしたものである。

また上述に更に格子寸法λ内の絶対位置に対応したパル
ス数のパルス列信号を４を法とする計数処理の後、その
剰余に応じて初期化の為のパルス信号を選択し、この２
相出力信号変換回路を構成する２つのフリップフロップ
回路を初期設定するようにすることにより、簡単な構成
で、毎電源投入時に２相の出力信号がスケールの格子寸
法λにおいて常に一定の位相関係となる様にし、常に高
精度な変位量検出ができるようにしたものである。

〔従来の技術〕

近年、ＮＣ工作機械の高精度化を実現する為、位置検出
要素として、ロータリーエンコーダを用いた「セミクロ
ーズトループ方式」に替えて、直線型デジタルスケール
（以下デジタルスケールという）で直接テーブルの移動
量を検出する様に構成した所謂「フルクローズトループ
方式」が多用される様になってきた。

これらの用途に用いられるデジタルスケールとしてはマ
グネスケールあるいは光学スケール等が主力となってい
るが、ＮＣ工作機械の制御部（以下ＮＣコントローラと
いう）との接続に関しては、従来のロータリーエンコー
ダでの変位量出力（変角量出カンが、移動方向を知るこ
とができる９０”位相差を持つ２相の出力信号（以下Ａ
出力信号及びＢ出力信号という）であった為、このデジ
タルスケールの変位量出力もＡ出力信号及びＢ出力信号
の２相出力信号に変換して使用されている。

またＮＣ工作機械は長時間に亘る加工あるいは無人運転
等に対応する為、ＮＣ工作機械のテーブル上の１点に基
準点（以下機械原点）を設定するが通例であり、またこ
のデジタルスケールにはＡ及びＢ出力信号の他に、スケ
ール上の基準点（以下スケール原点という）に対応した
原点信号（以下Ｚ信号という）が必要とされている。

第６図はマグネスケールを使用した従来の変位量検出装
置を示しこの第６図に於いて、（１）はスケール部で波
長λの磁気目盛が記録されたスケール（１ａ）及び検出
ヘッド（ｌｂ）　（ｌｃ）等で構成されている。

このスケール部（１）の検出ヘッド（ｌｂ）　（ＩＣ）
より得られるスケール信号はスケール信号検出回路（２
）に導かれ、このスケール信号検出回路（２）に於いて
変位量に応じて位相の変化する信号ｅＰＸを出力する。

ここで、 但し　の。＝２πＸｆｃ（ｆｃ：キャリヤ周波数）Ｘは
格子寸法λ内のヘッド（ｌｂ）　（ｌｃ）とスケール（
１ａ）との相対変位を示す。

となる。

この信号ｅｐｘは波形整形された後（以下Ｓ信号という
）内挿回路（３）に供給される。この内挿回路（３）は
キャリヤ周波数ｆＣに対してｎｆ、なる周波数を持つク
ロックパルス（以下ＣＫＩ信号という）を用いて、分解
能λ／ｎの、移動方向に応じたパルス信号（以下ＵＰ又
はＤｏｗｎ信号という）を出力する。この内挿回路（３
）の出力側に得られるＵＰ信号及びＤｏｗｎ信号を９０
°位相差をもっ２相の出力信号（Ａ出力信号及びＢ出力
信号）を得る２相出力信号変換回路（４）に供給する。

この２相出力信号変換回路（４）は例えば第７図に示す
如く２個のフリップフロップ回路ＱＡ　及びＱＢより構
成し、ＵＰ信号（又はＤｏｗｎ信号）の４つのパルスを
１周期とする第８図Ａ及び已に示す如き互いに９０°位
相差をもつＡ出力信号及びＢ出力信号を出力するように
構成したものである。

また〔５〕は定点信号発生部で定点信号を記録した発磁
体（５ａ）と検出ヘッド（５ｂ）とで構成され、通常ス
ケール（１ａ）の洞穴方向の特定位置で定点信号を出力
する様にこのスケール部（１）と一体的に構成されてい
る。

（６）は定点信号検出回路であり、この定点信号検出回
路（６）はこの定点信号発生部（５）の検出へラド（５
ｂ）よりの定点信号を増幅、波形整形した後（以下ＲＧ
倍信号称す）制御回路（７）に供給する。

一方、λパルス発生回路（８）にはスケール信号検出回
路（２）よりＳ信号と共にＳ信号のキャリヤ周波数ｆ、
と等しい周波数の位相比較用基準信号を波形整形した信
号（以下ＲＥＦ信号という）が供給されている（この場
合スケール信号検出回路（２）よりこのＲＥＦ信号の１
７２の周波数の信号を励磁信号ＥＸとしてスケール部（
１）の検出ヘッド（ｌｂ）　（ｌｃ）に供給している。

） ここで ＲＥ　Ｆ　＝　ＥＩＨｐ’Ｓｌｎ　　ωｃｔ　　　　　
　　　　”・・（２）であり、これをｅＰ）ｌ信号と位
相比較することにより変位量Ｘを検出することができる
。

即ち、このλ信号発生回路（８）はＳ信号とＲＥＦ信号
とを用いてデジタル的に位相比較を行うことにより変位
量λ毎に移動方向を弁別したλ信号を出力する。

またこの制御回路（７）はパルス列としてλ信号のうち
、定点信号検出回路（６）よりのＲＧ倍信号ゲートとし
て例えばこのＲＧ倍信号立下がった次に入力されるλ信
号を選択し、これに関連した信号を原点信号（以下、ｌ
信号という）として出力する。

ところでＮＣコントローラの内部にはインクリメンタル
な位置情報である八及びＢ出力信号から変位量の累積値
、即ちＮＣ工作機械のテーブルの位置を知るためのカウ
ンタ（以下現在値カウンタという）が具備されており、
原点信号ＺはＡ及びＢ出力信号から得られたインクリメ
ンタルな位置即ちインクリメンタルな現在値を機械原点
を基準とした絶対位置情報に設定する様に機能する。即
ち原点信号２が入力された時の値を「ＯＪもしくはオフ
セット量（スケール原点を機械原点の差に対応）を持た
せて、現在値カウンタをプリセットしている。

〔発明が解決しようとする課題〕

然しなからＮＣコントローラとデジタルスケールとのイ
ンターフェースに関してはＮＣコントローラ側の設計上
の都合等により第８図Ｃに示す如く原点信号Ｚのパルス
幅が八及びＢ出力信号の１周期分（分解能４パルス分）
必要とされる場合がある。この場合第８図に示す如くＡ
及びＢ出力信号と原点信号Ｚとの論理積信号をこのプリ
セット信号として使用するのであるが、Ａ及びＢ出力信
号は電源投入時のフリップフロップ回路ＱＡ、　Ｑ。

の状態により、４パルス範囲内でバラツクこととなり、
電源投入毎即ち原点設定操作の度毎に原点位置が分解能
４パルス範囲内でパラツク虞れがある不都合があった。

本発明は斯る点に鑑み、毎電源投入時即ち原点設定操作
の度毎に２相の八及びＢ出力信号がスケールの格子寸法
（記録波長）λに対して常に一定の位相関係となる様に
し原点位置が一定となる様にすることを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明変位量検出装置は例えば第１図及び第２図に示す
如く、２物体間の相対変位量をキャリヤ周波数ｆｃの位
相変調信号Ｓとして検出し、この位相変調信号Ｓの位相
の変化量を弁別して移動方向に応じた加減算パルス（Ｕ
Ｐ信号、Ｄｏｗｎ信号）として取り出した後に、２相出
力信号変換回路（４）により９０°位相差をもつ２相の
出力信号（Ａ及びＢ出力信号）に変換して出力するよう
にした変位量検出装置に於いて、電源投入時の位相変調
信号Ｓの格子寸法λ内における絶対位置をこの位相変調
信号Ｓとこの位相変調信号Ｓのキャリヤ周波数ｆｃ　と
同じ周波数の基準信号ＲＥＦとの位相比較によりこの絶
対位置に対応したパルス幅の信号に変換した後、内挿ク
ロックパルスを用いて絶対位置に対応したパルス数のパ
ルス列信号に変換する手段（９ａ＞　（９ｂ）と、この
パルス数に応じてこの２相の出力信号（Ａ及びＢ出力信
号）に変換する２相出力信号変換回路（４）の初期化を
行う初期化手段（９ｃ）　（９ｄ）とを有し、この２相
の出力信号（八及びＢ出力信号）の位相を格子寸法λ内
の位置に正しく対応させる様にしたものである。

また本発明変位量検出装置は例えば第１図及び第２図に
示す如く、格子寸法λ内の絶対位置に対応したパルス数
のパルス列信号を４を法とする計数処理の後、その剰余
に応じて初期化の為のパルス信号を選択し、２相出力信
号変換回路（４）を構成する２つのフリップフロップ回
路ＱＡ、　ＱＢ　を初期設定するようにしたものである
。

〔作用〕

斯る本発明に依れば電源投入時の位相変調信号Ｓの格子
寸法λ内における絶対位置をこの位相変調信号Ｓと基準
信号ＲＥＦとの位相差により検出するようにし、この絶
対位置に応じて２相出力信号変換回路（４）の初期化を
行っているので、毎電源投入時にこの２相の出力信号、
（Ａ及びＢ出力信号）がスケール（１ａ）の格子寸法λ
内において一定の位相関係となり、原点信号がバラツク
ことかなく、常に高精度な変位量検出ができる。

〔実施例〕

以下図面を参照しながら本発明変位量検出装置の一実施
例につき説明しよう。

第１図に於いて第６図に対応する部分には同一符号を付
し、その詳細説明は省略する。

第１図に於いて、（１）はマグネスケールより成るスケ
ール部で、このスケール部（１）は格子寸法（波長）λ
の磁気目盛が記録されたスケール（ｌａ）及び検出ヘッ
ド（ｌｂ）　（ＩＣ）等で構成されている。

このスケール部（１）の検出ヘッド（Ｉｂ）　（ｌｃ）
より得られるスケール信号はスケール信号検出回路（２
）に導かれ、このスケール信号検出回路（２）に於いて
変位量に応じて位相の変化する式（１）に示す如き信号
ｅＰＫを出力する。

この信号ｅＰＭは波形整形された後（以下Ｓ信号という
）内挿回路（３）に供給される。この内挿回路（３）は
キャリヤ周波数ｆｅ　に対してｎｆｃ　なる周波数を持
つクロックパルス（以下ＣＫＩ信号という）を用いて、
分解能λ／ｎの、移動方向に応じたパルス信号（以下Ｕ
Ｐ又はＤｏｗｎ信号という）を出力する。この内挿回路
（３）の出力側に得られるＵＰ信号及びＤｏｗｎ信号を
９０°位相差をもつ２相の出力信号（Ａ出力信号及びＢ
出力信号）を得る２相出力信号変換回路（４）に供給す
る。

この２相出力信号変換回路（４）は例えば第７図に示す
如く２個のフリップフロップ回路ＱＡ　及びＱＢより構
成し、ＵＰ信号（又はＤｏｗｎ信号）の４つのパルスを
１周期とする第３図Ａ及びＢに示す如き互いに９０°位
相差をもつＡ出力信号及びＢ出力信号を出力するように
構成したものである。

また定点信号発生部（５）は定点信号を記録した発磁体
（５ａ）と検出ヘッド（５ｂ）とで構成され、通常スケ
ール（１ａ）の洞穴方向の特定位置で定点信号を出力す
る様にこのスケール部（１）と一体的に構成されている
。

また定点信号検出回路（６）はこの定点信号発生部〔５
〕の検出ヘッド（５ｂ）よりの定点信号を増幅、波形整
形した後制御回路（７）に供給する。

一方、λパルス発生回路（８）にはスケール信号検出回
路（２）よりＳ信号と共にＳ信号のキャリヤ周波数ｆｃ
　と等しい周波数の式（２）に示す如き位相比較用基準
信号を波形整形した信号ＲＥＦが供給されている（この
場合スケール信号検出回路（２）よりこのＲＥＦ信号の
１７２の周波数の信号を励磁信号ＥＸとしてスケール部
（１）の検出ヘッド（ｌｂ）　（ｌｃ）に供給している
。） この式〔１）及び式（２）を位相比較することにより格
子寸法λ内に於けるヘッド（ｌｂ）　（Ｉｃ）とスケー
ル（１ａ）との絶対位置を知ることが出来る。このヘッ
ド（ｌｂ）　（ｌｃ）とスケール（１ａ）との位置関係
が変わらなければこの式（１）及び式（２）の位相関係
が常に成立することがわかる。

即ち、このλ信号発生回路（８）はＳ信号とＲＥＦ信号
とを用いてデジタル的に位相比較を行うことにより変位
量λ毎に移動方向を弁別したλ信号を出力する。

またこの制御回路（７）はパルス列としてλ信号のうち
、定点信号検出回路（６）よりのＲＧ倍信号ゲートとし
て例えばこのＲＧ倍信号立下がった次に入力されるλ信
号を選択し、これに関連した信号を原点信号として出力
する。この制御回路（力の出力側に得られる原点信号を
同期信号としてＢ出力信号が供給される同期微分回路（
１０）を介して出力する如くする。

また本例に於いては内挿回路（３）で得られる位相変調
信号ＳをクロックパルスＣＫＩで同期化した信号５ＩＩ
ｌｌ（内挿何Ｅ３）ではこの信号ＳＩＤを用いて内挿処
理を行っている。）及びクロックパルスＣＫＬを初期設
定信号発生回路（９）に供給すると共にスケール信号検
出回路（２）よりの基準信号ＲＥＦをこの初期設定信号
発生回路（９）に供給し、更に初期化パルス発生回路（
１１）よりの初期化パルスＰ　Ｉヲ、：。

の初期設定信号発生回路（９）に供給する如くする。

この初期化パルス発生回路（１１）は電源投入後の一定
時間経過後に初期化パルスＰＭを発生するものである。

この初期設定信号発生回路（９）よりの初期設定信号Ｓ
　ＱＡ　（ＲＱＡ）、　Ｓ　ＱＢ　（ＲＱｌｌ）　を２
相出力信号変換回路（４）に供給し、この２相出力信号
変換回路（４）を構成する２つのフリップフロップ回路
ＱＡ及びＱ、の初期設定を行う如くする。この初期設定
信号発生回路（９）としては例えば第２図に示す如く構
成する。

即ちこの初期設定信号発生回路（９）の絶対位置検出回
路（９ａ）には第４図Ａに示す如き基準信号ＲＥＦ及び
第４図Ｂに示す如き位相変調信号ｓｉｎが供給され電源
投入時に２等基準信号ＲＥＦ及び位相変調信号Ｓｌ＋＋
が位相比較され格子寸法λ内の絶対位置に対応したパル
ス幅の第４図Ｃに示す如きパルス幅変調信号ＡＢＳを発
生する。このパルス幅変調信号ＡＢＳをクロックパルス
ＣＫＩと共にアンドゲート回路（９ｂ）に供給し、この
アンドゲート回路（９ｂ）により分解能がλ／ｎで、格
子寸法λ内の絶対位置に対応したパルス数の第４図りに
示す如きパルス列信号ＮＰを得る。このパルス列信号Ｎ
Ｐを４進カウンタ（９Ｃ）に供給し、このパルス列信号
ＮＰを４進カウンタ（９Ｃ）で計数する。この場合４進
カウンタ（９Ｃ）に於いてはキャリー出力は無視される
ので、計数終了時の値即ちＲＥＳはこのパルス列信号Ｎ
Ｐのパルス数ΔＮの４　ヲ法（Ｍｏｄｕ　ｌｏ）とした
剰余となり、その値はＡ及びＢ出力信号の１周期内の絶
対位置に対応している（ＲＥＳはＯ≦ＲＥＳ≦３なる整
数となる。）。この４進カウンタ（９Ｃ）の出力信号Ｑ
１　及びＱ２　を初期化パルス選択回路（９ｄ）に供給
する。この初期化パルス選択回路（９ｄ）はこの４進カ
ウンタ（９Ｃ）の計数終了値（４通り）に応じて初期化
パルスＰＩを選択し、２相出力信号変換回路（４）を構
成する２個のフリップフロップ回路ＱＡ　及びＱ、のセ
ット（リセット）パルスＳ　Ｑ、（ＲＱＡ）及びＳ　Ｑ
ｍ　（ＲＱｉ）として出力し、Ａ及びＢ出力信号の位相
を格子寸法λ内の絶対位置に同期する様に動作する。

上述の動作を具体的事例について説明するに格子寸法λ
に於ける基準位置即ちに示す如きλ＝０の位置に於ける
Ａ及びＢ出力信号の位相関係を第３図Ａ、Ｂ及びＣに示
す如く定めるものとする。

ここでλ＝０の位置は第４図Ａの基準信号ＲＥＦのアク
ティブエツジ（立ち上がり）と考えることができる。今
位相変調信号Ｓ１゜が格子寸法λ内の１４μｍの位置に
あったとすると、このパルス列信号ＮＰのパルス数ΔＮ
は１４となる（但し分解能λ／ｎを１μｍとする）。従
って４進カウンタ（９Ｃ）の計数終了値ＲＥＳは「２」
となり、この状態に於いてはこの２相出力信号変換回路
（４）を構成する２個のフリップフロップ回路ＱＡ及び
Ｑ、の論理レベルはフリップフロップ回路ＱＡ　の出力
端子Ｑがローレベル“０”でフリップフロップ回路ＱＢ
の出力端子Ｑがハイレベル“１”となる必要がある。従
って初期化パルス選択回路（９ｄ）は初期化パルス発生
回路（１）より初期化パルスＰＩが供給されたときに第
４図Ｇ及びＨに示す如＜ＲＱＡ＝“０”ＳＱ、＝“０”
なる初期設定信号を出力し、２相出力信号変換回路（４
）を構成する２個のフリップフロップ回路ＱＡ及びＱＢ
　の初期設定を行う。

従って本例に依ればＡ及びＢ出力信号の１周期は分解能
λ／ｎの加減算パルス（ＵＰ信号、Ｄｏｗｎ信号）の４
パルス分に相当することから、分解能λ／ｎ毎に変化す
るＡ及びＢ出力信号の位相即ち２相出力信号変換回路（
４）を構成する２個のフリップフロップ回路ＱＡ　及び
ＱＢ　の初期値を電源投入時に於けるヘッド（ｌｂ）　
（ｌｃ）とスケール（１ａ）との絶対位置に対応して設
定することにより格子寸法λに同期した位相関係を持つ
Ａ及びＢ出力信号を生成できる。従って電源投入毎にこ
のＡ及びＢ出力信号の位相関係を常に第８図Ａ及び已に
示す関係とすることができ、原点信号Ｚのパルス幅がＡ
及びＢ出力信号の１周期分（分解能４パルス分）であっ
ても、常に一定の現在値カウンタのプリセット信号を得
ることができる。

また上述の如くこの原点信号ＺをＡ又はＢ出力信号（本
例ではＢ出力信号）で同期化することによりこの原点信
号ＺとＡ及びＢ出力信号との同期関係を保つことができ
る。

また第５図は本発明の他の実施例を示す。この第５図例
は第１図例に於いて、Ａ及びＢ出力信号は加減算パルス
（ＵＰ信号、Ｄｏｗｎ信号）の４パルス分に相当するこ
とにより、この第１図例の初期設定信号発生回路（９）
に供給する基準信号ＲＥＦＯ代わりに内挿処理に用いる
周波数ｎｆｃ　のクロックパルスＣＫＩの１７４の周波
数を持つタロツクパルスＣＫＡを用いるようにしたもの
で、その他は第１図と同様に構成したものである。

斯る第５図例に置いても第１図例と同様の作用効果が得
られることは容易に理解できよう。

尚上述実施例はマグネスケールを用いた例につき述べた
が、同様な検出方法を持つインダクトンンあるいは２相
の正弦波状の２相の出力信号を得、位相変調信号に変換
した後内挿処理を行う様に構成した光学スケール等にも
本発明を適用できることは勿論である。また本発明は上
述実施例に限ることなく、本発明の要旨を逸脱すること
なくその他種々の構成が取り得ることは勿論である。

〔発明の効果〕

本発明に依れば、毎電源投入時即ち原点設定操作の度毎
に２相の出力信号がスケールの格子寸法λ内において一
定の位相関係となるので、常に原点信号がバラツクごと
がなく、常に高精度な変位量検出ができる利益がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明変位量検出装置の一実施例を示す構成図
、第２図は初期設定信号発生回路の例を示す構成図、第
３図、第４図及び第８図は夫々本発明の説明に供する線
図、第５図は本発明の他の実施例を示す構成図、第６図
は従来の変位量検出装置の例を示す構成図、第７図は２
相出力信号変換回路の例を示す構成図である。 （１）はスケール部、（１ａ）はスケール、（１ｂ）及
び（１ｃ〉は夫々検出ヘッド、（２）はスケール信号検
出回路、（３）は内挿回路、（４）は２相出力信号変換
回路、（５〕は定点信号発生部、（７）は制御回路、（
８）はλ信号発生回路、（９）は初期設定信号発生回路
、（９ａ）は絶対位置検出回路、（９ｂ）はゲート回路
、（９Ｃ）は４進カウンタ、（９ｄ）は初期化パルス選
択回路、（１０）は同期微分回路、（１１）は初期化パ
ルス発生回路である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、２物体間の相対変位量をキャリヤ周波数ｆ＿ｃの位
   相変調信号として検出し、該位相変調信号の位相の変化
   量を弁別して移動方向に応じた加減算パルスとして取り
   出した後に、２相出力信号変換回路により９０°位相差
   をもつ２相の出力信号に変換して出力するようにした変
   位量検出装置に於いて、 電源投入時の前記位相変調信号の格子寸法λ内における
   絶対位置を前記位相変調信号と前記位相変調信号のキャ
   リヤ周波数ｆ＿ｃと同じ周波数の基準信号との位相比較
   により前記絶対位置に対応したパルス幅の信号に変換し
   た後、内挿クロックパルスを用いて前記絶対位置に対応
   したパルス数のパルス列信号に変換する手段と、該パル
   ス数に応じて前記２相の出力信号に変換する前記２相出
   力信号変換回路の初期化を行う初期化手段とを有し、前
   記２相の出力信号の位相を格子寸法λ内の位置に正しく
   対応させる様にしたことを特徴とする変位量検出装置。 ２、格子寸法λ内の絶対位置に対応したパルス数のパル
   ス列信号を４を法とする計数処理の後その剰余に応じて
   初期化の為のパルス信号を選択し、２相出力信号変換回
   路を構成する２つのフリップフロップ回路を初期設定す
   るようにしたことを特徴とする請求項１記載の変位量検
   出装置。 ３、請求項１記載に於ける位相変調信号の格子寸法λ内
   に於ける絶対位置を前記位相変調信号と２相の出力信号
   の１周期分に対応する信号と位相比較することにより、
   該２相の出力信号の４種の状態に直接対応した差分信号
   の形で取り出す様にしたことを特徴とする変位量検出装
   置。