JP4668396B2

JP4668396B2 - 原点信号発生装置

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Publication number: JP4668396B2
Application number: JP2000257454A
Authority: JP
Inventors: 貴久上平
Original assignee: ハイデンハイン株式会社
Priority date: 2000-08-28
Filing date: 2000-08-28
Publication date: 2011-04-13
Anticipated expiration: 2020-08-28
Also published as: JP2002071385A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、二物体間の相対移動量を測定するリニヤスケールに関するものであり、特にこのようなスケールにおいて、基準位置を原点信号として出力することにより、例えば、工作機械等の移動量を絶対値で知ることができるようにした測長装置の原点信号発生装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
工作機械等において、被加工物に対する工具の相対移動量を正確に測定することは、精密加工を行う上で極めて重要であり、このための測定装置が種々製品化されている。
そのひとつとして、光学格子を２枚重ね合わせることにより得られるモアレ縞を利用した光学式スケールが従来から知られている。この光学式スケールは、図４に示すように透明のガラススケール１００の一面に透光部と非透光部が所定のピッチで配列するよう格子（刻線）を設けたメインスケール１０１と、透明のガラススケール１０２の一面に透光部と非透光部が所定のピッチで配列するよう格子（刻線）を設けたインデックススケール１０３とを有し、同図（ａ）に示すように、このメインスケール１０１にインデックススケール１０３を微小間隔を持って対向させると共に、同図（ｂ）に示すように、メインスケール１０１の格子に対し微小角度傾けられるようにインデックススケール１０３の格子を配置している。
【０００３】
なお、メインスケール１０１及びインデックススケール１０３に設けた格子は、ガラススケール１００，１０２にクロムを真空蒸着し、エッチングすることにより形成された同一ピッチの格子により形成されている。
このように配置すると、図５に示すモアレ縞が発生する。このモアレ縞の間隔はＷとなり、間隔Ｗ毎に暗い部分あるいは明るい部分が発生する。この暗い部分あるいは明るい部分は、メインスケール１０１に対し、インデックススケール１０３が相対的に左右に移動する方向に応じて上から下、あるいは下から上に移動していく。この場合、メインスケール１０１及びインデックススケール１０３の格子のピッチをＰ、相互の傾斜角度をθ［ｒａｄ］とすると、モアレ縞の間隔Ｗは、
Ｗ＝Ｐ／θ
と示され、モアレ縞の間隔Ｗは、光学的に格子間隔Ｐを１／θ倍に拡大した間隔とされていることになる。このため、格子が１ピッチＰ移動すると、モアレ縞はＷだけ変位することになり、Ｗの上下方向の変化を読み取ることにより、ピッチＰ内の移動量を精密に測定することができるようになる。
【０００４】
例えば、図６に示すようにモアレ縞の変化を光学的に検出する光電変換素子１１０をインデックススケールに設け、メインスケールの反対側に光源を設けるようにして、メインスケール１０１に対しインデックススケール（１０３）を相対的に移動させながら、この光電変換素子１１０に流れる電流の変化を読み取る。
すなわち、モアレ縞のパターンがＡの状態となっていると、光電変換素子１１０に照射される光量は最も多くなり、光電変換素子１１０に流れる電流は最大値Ｉ₁ となる。次に、相対的に移動してＢの状態になると光電変換素子１１０に照射される光量はやや減少し、その電流はＩ₂ となり、更に、移動してＣの状態になると光電変化素子１１０には最も少ない光量が照射され、その電流も最も小さいＩ₃ となる。そして、更に移動してＤの状態になると光電変換素子１１０に照射される光量はやや増加し、その電流はＩ₂ となり、Ｅの状態になるまで移動すると、再び最も光量の多い位置となり、その電流は最大値Ｉ₁ となる。
このように、光電変換素子１１０に流れる電流は正弦波状に変化すると共に、その変化が１周期経過した時に、格子間隔Ｐだけメインスケール１０１とインデックススケール１０３とが相対的に移動したことになる。
【０００５】
図６においては、光電変換素子１１０を一つだけ設けるようにしたが、図７に示すように、一周期（間隔Ｗ）と９０゜ずらせて２つの光電変換素子１１１，１１２を設けるようにすると、Ａ相の光電変換素子１１１に流れる電流に対してＢ相の光電変換素子１１２に流れる電流は、図８に示すように９０゜偏移した電流となる。すなわち、Ａ相の光電変換素子１１１に流れる電流をサイン波（Ａ相信号）とすると、Ｂ相の光電変換素子１１２に流れる電流はコサイン波（Ｂ相信号となる。
このように、メインスケール１０１とインデックススケール１０３との相対的な移動方向により、Ａ相信号に対するＢ相信号の位相は９０゜進相あるいは９０゜遅相となるため、９０゜ずらせて配置した２つの光電変換素子を設けると、両者の間の位相を検出することによりスケールの相対的な移動方向を検出することができる。
【０００６】
以上説明した原理を利用した光学式スケールの斜視図の概要を図９に示す。この図において、細長いメインスケール１０１の一面には蒸着されたクロムにより形成された同一ピッチの格子が刻線されており、このメインスケール１０１を抱持するコの字形ホルダ１０４の一面にインデックススケール１０３が固着されている。このインデックススケール１０３のメインスケールに対向する面には、メインスケール１０１と同様に蒸着されたクロムにより形成された同一ピッチの格子が刻線されており、このインデックススケール１０３の裏側には光電変換素子１１３が設けられている。
【０００７】
さらに、図１０に示すようにコの字形ホルダ１０４のメインスケール１０１の反対側に位置する面には、光源１０５を配置してメインスケール１０１とインデックススケール１０３を透過する光を光電変換素子１１３によって検出するように構成している。
そして、メインスケール１０１とインデックススケール１０３とは互いに移動可能とされている。
なお、前記したようにメインスケール１０１の格子（刻線）に対してインデックススケール１０３の格子（刻線）は微小間隔を持って対向していると共に、微小角度傾けられるようにされている。
【０００８】
このように構成された光学式スケールの原理構造の横断面図１０から、光源１０５から照射された光はガラス製のメインスケール１０１を透過し、さらにガラス製のインデックススケール１０３を透過した後、光電変換素子１１３によりモアレ縞として受光される。
この光電変換素子１１３からは前記図８に示す互いに９０゜の位相差を有するＡ相の信号とＢ相の信号とが出力され、この２つの信号から前記のように移動方向及び移動距離を測定することができる。
なお、光電変換素子１１３には通常４個の光電変換素子が設けられ、そのうちの２個で上記Ａ相信号とＢ相信号、他の２個でこれらの信号を反転したＡ相信号とＢ相信号を出力し、Ａ相同志とＢ相同志を加算器に入力することによって振幅が２倍となっているＡ相信号、及びＢ相信号を得るようにしている。
【０００９】
ところで、このように構成された光学式スケールは、ＮＣ工作機械に取りつけられて被加工物と工具との相対的移動量を測定しているが、一般に数値制御する場合は原点からの移動量としてプログラムされるため、この相対的移動量は原点からの移動量として測定する必要がある。
そこで、通常メインスケールに予め原点位置が設けられ、この原点位置をインデックススケールが通過した時に原点が検出され、この原点検出信号はＮＣ装置に供給されてＮＣ装置をリセットすることにより、原点位置をＮＣ装置にセッテイングするようにしていた。
そこで、上記したような光電式リニヤスケールにおいて図１１（ａ）に示すようにメインスケール１０１の刻線位置とは異なる所定のトラック位置に、基準点となる原点Ｚを示す刻線（格子）１０９、または反射板を設け、この原点となる格子１０９または反射板を通過する、または反射する光をモアレ縞として検出する光電変換素子を配置しておくと、メインスケール１０１とインデックススケール１０３が特定の位置関係になっているときだけを原点の信号として検出することができるようになる。
【００１０】
すなわち、図１１（ｂ）に示すように、この原点Ｚの位置においてもメインスケール１０１の１ピッチＰの間で図６の場合と同様に振幅が変化する太線の信号Ｓｚが原点位置信号として検出されるから、この原点位置検出信号Ｓｚの波形のピーク点を、例えば同図（ｂ）に示すように所定のレベルＴＨでクリップして原点パルス信号Ｐｚを形成すると、この原点パルス信号Ｐｚの立ち上がり点をメインスケールの原点Ｚとすることができる。
なお、検出方法によっては原点信号の極性は正の値とすることができる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この原点位置の信号は、一般的にメインスケール１０１とインデックススケール１０３の相対的な移動によって検出されるが、原点Ｚを通過する方向や、そのときのスケールの相対的な移動速度によって検出信号のレベルが図の点線、または一点差線で示すように変化し、原点信号波形に基づいて形成される原点パルス信号の位置（Ｐｚ１，Ｐｚ２）も変化するという問題が生じる。
【００１２】
そのため、原点を決定する際はこの原点信号のレベルを調整して所定のパルス幅となるように、例えば、所定の治具とオシロスコープ等を使用し調整する作業が必要になる。
しかし、スケールを完成して原点位置を設定する際に熟練した作業者が念入りに調整を行う必要があり、作業効率が悪いという問題が生じる。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明はかかる問題点を低減することを目的としてなされたもので第１の発明では、少なくとも原点位置を示す第１の刻線と、長さ方向に等間隔で目盛られている第２の刻線が設けられているメインスケールと、前記メインスケールに対して移動可能に配置され、前記第１の刻線から所定の位置で出力される原点信号を検出すると共に、前記第２の刻線からスケールの相対的な移動量を示すＡ相、及びＢ相信号波形を検出する検出手段と、前記Ａ相、及びＢ相信号波形の１周期を所定の数で分割した内挿パルス信号を出力する内挿パルス発生部とを備え、前記原点信号の基準点から所定の幅を有する内部原点信号を発生する内部原点信号発生部と、前記基準点のタイミングが前記Ａ相、またはＢ相信号波形のどの位相領域（象限）に属するかを判別するパターン検出部と、前記パターン検出部によって判別された前記第１の位相領域より遅れた第２の位相領域内の所定の位置で前記内挿パルス信号に基づいて基準原点信号を生成するタイミングデータ部と、前記基準原点信号と前記内部原点信号の一致により原点位置を決定する一致検出部を有するようにしたものである。
【００１４】
また、上記原点信号の基準点は、ピーク検出部が原点信号Ｚｉｎ波形のピーク点を検出した時点から所定の電圧ΔＶだけ低下した時点で基準信号ＺＤが出力されるよう構成し、前記内部原点信号発生部は、前記基準信号ＺＤ波形の立ち下がり点から所定のパルス幅の信号を得る回路によって構成され、前記タイミングデーター部は、原点信号が得られた位相領域から２つ先の領域を設定して基準原点信号を出力するタイミング期間を定める。また、上記内挿パルス信号発生部は前記メインスケールの刻線間を分割したアブソリュート値を示す計数パルスとして出力され、スケール移動量を示すＡ／Ｂ相パルス信号を形成するように構成されている。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は本発明を光学式リニヤケールに適応したときの実施の形態を示すブロック図である。
以下、この図１と、図２に示されているタイミング波形を参照して、基準点の設定動作を説明する。
これらの図において、アナログＡ、およびＢは前記した図８に示すように９０度の位相差を有する正弦波状のＡ相信号及びＢ相信号がリサージュ波形として入力されていることを示し、このリサージュ波形を例えばその位相で２０分割して内挿パルス信号を出力する内挿パルス発生部１１に供給されている。
【００１６】
この内挿パルス発生部１１は、本出願人が先に提案した（特願2000-148330号）にも記載されているように、Ａ／Ｄ変換器、サンプリング回路等によって構成することができ、それぞれ入力されたＡ相信号（Ｂ相信号）の１周期の位相を少なくとも２０分割するようなサンプリングクロックによって標本化し、その標本化レベルを所定の値と比較して１または０を繰り返す２値信号を発生する。
したがって、スケールの１ピッチが２０μｍの場合は内挿パルス信号の周期は１μｍのＡ１信号と、このＡ１信号と９０度移相しているＢ１信号が出力されるように構成されている。
【００１７】
また、１２は同じく入力されたＡ／Ｂ信号を例えば象限別に分割する位相分割部であり、例えば、スケールの移動量を示す前記正弦波状のリサージュ波形の１周期を４分割したＡ５信号、およびＢ５信号を出力する。
したがって、スケールの１ピッチの刻線が２０μｍの場合は、位相分割部１２の出力は図２のＡ５、及びＢ５に見られるようにその１周期が５μｍの移動量を示す波形となる。
【００１８】
１３はリニヤスケールにおいてＡ相信号とＢ相信号の位相状態を検出してリニヤスケールが移動している方向を判別する方向判別部であり、例えばＡ相信号がＢ相信号に対して９０度移相が進んでいる時を順方向、Ｂ相信号の方が９０度進んでいるときは逆方向にスケールが移動していることを示す。
【００１９】
１４は前記したようにスケールの特定の位置から検出される原点信号Ｚｉｎの信号波形のピーク検出部であり、図２の原点信号Ｚｉｎに示されているように波形のピーク点を検出した時点から所定の電圧ΔＶだけ低下した時点で基準信号ＺＤが出力されるように構成している。このような回路は例えば後で述べるように図３に示すような回路によって構成することができる。
そしてこの立ち下がり信号のエッジで次の内部原点信号発生部１５がトリガされ、所定のパルス幅の内部原点信号ＳＹＮＣ１が出力されるようにしている。
【００２０】
内部原点信号発生部１５は図２のＳＹＮＣ１信号に見られるように基準信号ＺＤ波形の立ち下がり点から所定のパルス幅の信号を得る回路によって構成される。
このような回路は基準信号ＺＤの立ち下がりエッジでセットされ、２領域先のＡ５信号のエッジでリセットされるような相安定マルチバイブレータによって構成することができる。
【００２１】
１６は前記内挿パルス信号発生部１１の出力であるＡ１相信号、またはＢ１相信号のパルス数をカウントしているＡＢＳカウンタであり、その計数値が次のシンク生成部１７に供給される。
ＡＢＳカウンタ１６は、図示されていないがリサージュ波形の０度でリセットされ１サイクルで計数を繰り返すように構成されている。
例えば、本実施例の場合は０〜１９の計数を繰り返すようにしている。
【００２２】
１８は位相分割部１２の出力信号であるＡ５信号、及びＢ５信号の極性に基づいて基準信号ＺＤがＡ５信号（Ｂ５信号）のどのような極性パターンの領域で発生しているかを検出し、図２のように▲１▼▲２▼▲３▼▲４▼の位相領域と基準信号ＺＤの発生位相の関係を検知するパターン検出部である。
【００２３】
パターン検出部１８からタイミングデータ部１９に供給されたタイミング情報は、同時に不揮発性のメモリ１９ａに記憶するように構成することによってスケールが設置された工作機械で最初に設定した基準データ、または始動時に設定された基準データを保存することができる。
【００２４】
タイミングデータ部１９は原点信号が入力された時点で、前記Ａ５信号（Ｂ５信号）の位相領域（象限）から２つ先の移相領域を設定してこのタイミングを前記シンク生成部１７に入力し、シンク生成部１７はこのタイミング期間内でのＡＢＳカウンタ１６の計数値の変化をパルス信号として出力する。例えば、図２の場合は原点信号が得られたい位相領域は▲２▼であり、この領域から２つ先の領域▲４▼を設定して原点信号を出力するタイミング期間を定める。そして、このタイミング期間に入力されたＡＢＳカウンタ１６の計数値が１２，１３，１４の場合はそのほぼ中央となる計数値１３となっている期間に基準原点信号ＳＹＮＣが形成される。
【００２５】
したがって、スケールによって検出され原点信号の基準信号ＺＤがＡ／Ｂ相信号に対して非同期となっているのに対し、この基準原点信号ＳＹＮＣは、スケールが相対的に移動量として検出しているＡ／Ｂ相信号に同期した信号となる。
これは基準信号ＺＤが前記位相領域▲２▼の範囲内でバラツイて出力されても、基準原点信号ＳＹＮＣは、常にＡ／Ｂ相信号に同期して一定の位置で出力されることを示す。
【００２６】
このように、原点信号が入力された時点から先の領域に基準原点信号ＳＹＮＣが形成されるようにすることによって、原点通過時のスケールの移動速度が速い場合でも、基準原点信号はバラツクことがないようにしている。
なお、本願発明の実施例とされているピーク検出では、スケールが逆送り状態で、原点位置を検出すると原点信号の発生位置が異なることになるので、原点位置調整はスケールの移動方向を決めておくことが好ましい。
【００２７】
なお、前記位相領域▲１▼▲２▼▲３▼▲４▼は、リサージュ波形の０〜９０度、９０〜１８０度、１８０度〜２７０度、２７０度〜３６０度毎に設定する。したがって、図２に示すようにＡ５信号に対してＢ５信号の位相が９０度遅れているときは、位相領域▲１▼で「１０」のパターンが出力され、９０〜１８０度の位相領域▲２▼の範囲では「１１」のパターンが出力される。
このようにして入力されているリサージュ波形の現時点での位相領域を、例えば４象限の位相データ（００〜１１）によって検出することができる。
【００２８】
２０は上記内部原点信号ＳＹＮＣ１と基準原点信号ＳＹＮＣとの一致を検出する一致検出部であり、例えば両者の論理積をとる回路によって構成することができる。
したがって、この一致検出部１７からは原点信号Ｚｉｎが検出されたときのみスケールの刻線ピッチ間を内挿している内挿パルス信号に同期した原点の基準となる信号を得ることができるようにしている。
なお、内挿パルス信号によってスケールの移動量を高精度に内挿したＡ１相信号、及びＢ１相信号を作り、この信号がＮＣマシン等に供給され自動制御により加工を施すことができる。
【００２９】
図３（ａ）は上記ピーク検出部１４の原理図を示す回路であり、原点信号を検出するディテクタＰＤの出力はアンプＡ１により所定のゲインで増幅される。
アンプＡ１の出力はダイオードＤを介してコンデンサＣをピークレベルまで充電すると共に、ΔＶの電位がオフセット電圧と印加されているアンプＡ３を介してコンパレータＡ４の正相入力端子に供給される。
コンデンサＣの端子電圧はユニティゲインに設定されているバッフアアンプＡ２を介して上記コンパレータＡ４の逆相入力端子に供給される。
【００３０】
この回路は原点信号が発生すると、図３（ｂ）に示すようにコンデンサＣの電位Ｖｃはピーク点ｐにおいて一定値になるが、コンパレータＡ４の正相端子は原点信号波形に対してΔｖ高い信号が供給されているので、その出力はＨレベルとなっている。しかし、ピーク点ｐから正相入力端子の電圧は低下することになり、この電圧がΔｖ低下するとコンパレータＡ４の出力はＬレベルに変化して基準信号ＺＤの立ち下がり点が検出できるようにしている。そして図示されていない回路によって原点信号のレベルが０になると元のレベルに復帰する。
【００３１】
本発明の実施例の場合は前記したように原点位置を示す基準原点信号ＳＹＮＣは、スケールの移動方向によってその位置がずれることになるので、原点位置を表示するときは、方向判別部１３の出力が順方向を示しているときに出力するようにする。
但し、スケールが逆送しているときでも同様な信号処理により、Ａ／Ｂ相信号の同期した基準原点信号が得られるので、パターン検出部１８と方向検出部１３のデータから、スケールが逆送しているときでも、別に設けた逆送時の原点信号を順送時の基準原点信号となるように変換して、出力できるように制御することは可能になる。
なお、原点位置はＡ相信号のＨレベルと、Ｂ相レベルのＨレベルとなる点で得られるようにすることが好ましいが、スケールの機種によってはＡ相信号とＢ相信号の他のレベル位置同志を基準とするように設定することもできる。
【００３２】
上記実施例はスケールの１ピッチを２０分割する場合のデータをＡ／Ｂ相パターンデータとして読み出すようにしているが、より高いクロック周期でサンプリングする事によって、リサージュ波形の標本化数を増加すると、さらに高い分解能でスケールの測長単位を定めることができ、原点位置の解像度も高くすることができる。
【００３３】
また検出された原点信号からピーク点を検出し、このピーク点から所定のレベル下がった点を原点の基準信号とするようにしたが、原点信号Ｚｉｎのピーク点を演算してその時点を原点位置とするような原点検出方法を適応することもできる。
【００３４】
【発明の効果】
本発明は以上のように原点の位置信号を格子間を分割した位置を示す信号に同期して確定するようにしているので、メインスケールが原点を通過するときの速度が大きく変化するような場合でも、安定した原点位置を出力することができるという効果がある。
特に反射型の光電変換素子によって原点位置を検出するような場合、原点信号の出力波形の幅が広くなり、原点位置の誤差が拡大するが、このような場合に採用されるピーク検出方法において、ほぼ無調整で同期化された原点信号が得られるので、作業性が著しく改善されるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原点信号発生装置の概要を示すブロック図である。
【図２】原点信号発生装置における信号処理をのタイミング波形図である。
【図３】原点を検出波形のピーク点に基づいて検出する原点信号発生回路の回路図である。
【図４】光学式スケールの原理図である。
【図５】モアレ縞を示す図である。
【図６】モアレ縞の移動を示す図である。
【図７】光電変換素子を設置する位置を示す図である。
【図８】Ａ相信号とＢ相信号との波形図である。
【図９】光学式スケールの斜視図である。
【図１０】光学式スケールの断面図である。
【図１１】原点位置を検出する格子と、その検出波形を示す説明図である。
【符号の説明】
１１内挿パルス信号発生部、１２位相分割部、１３方向判別部、
１４ピーク検出部、１５内部原点信号発生部、１６ＡＢＳカウンタ、
１７シンク生成部、１８パターン検出部、１９タイミングデータ部、
２０一致検出部

Claims

少なくとも原点位置を示す第１の刻線と、長さ方向に等間隔で目盛られている第２の刻線が設けられているメインスケールと、前記メインスケールに対して移動可能に配置され、前記第１の刻線から所定の位置で出力される原点信号を検出すると共に、前記第２の刻線からスケールの相対的な移動量を示すＡ相、及びＢ相信号波形を検出する検出手段と、前記Ａ相、及びＢ相信号波形の１周期を所定の数で分割した内挿パルス信号を出力する内挿パルス発生部とを備え、
前記原点信号の基準点から所定の幅を有する内部原点信号を発生する内部原点信号発生部と、
前記基準点のタイミングが前記Ａ相、またはＢ相信号波形のどの位相領域（象限）に属するかを判別するパターン検出部と、
前記パターン検出部によって判別された前記第１の位相領域より遅れた第２の位相領域内の所定の位置で前記内挿パルス信号に基づいて基準原点信号を生成するタイミングデータ部と、
前記基準原点信号と前記内部原点信号の一致により原点位置を決定する一致検出部を有する原点信号発生装置。
上記原点信号の基準点は、ピーク検出部が原点信号Ｚｉｎ波形のピーク点を検出した時点から所定の電圧ΔＶだけ低下した時点で基準信号ＺＤが出力される請求項１の原点信号発生装置。
前記内部原点信号発生部は、前記基準信号ＺＤ波形の立ち下がり点から所定のパルス幅の信号を得る回路によって構成され、
前記タイミングデーター部は、原点信号が得られた位相領域から２つ先の領域を設定して基準原点信号を出力するタイミング期間を定める請求項１または２の原点信号発生装置。
上記内挿パルス信号発生部は前記メインスケールの刻線間を分割したアブソリュート値を示す計数パルスとして出力され、スケール移動量を示すＡ／Ｂ相パルス信号を形成するように構成されている請求項１〜３のいずれかの原点信号発生装置。