エンコーダの信号処理装置
【課題】高精細、高分解能化されたエンコーダや、変則的あるいは余分な入出力を有するシステムにも容易かつ低コストで対応できるエンコーダの信号処理装置を提供する。
【解決手段】 複数の異なるエンコーダの検出器からの検出信号をデータ信号に変換し、得られた複数のデータ信号を合成して１つのデータ合成信号として送出するエンコーダの信号処理装置とし、この装置５０は検出信号をデータ信号に変換する複数のデータ信号変換部５１，５２ｎと、データ信号変換部からのデータ信号をシリアル信号に変換する複数のシリアル信号生成部５３，５４ｎと、前記シリアル信号生成部からの信号を合成するシリアルデータ合成部５５と、前記シリアルデータ合成部５５で合成されたシリアルデータ信号を外部装置に送出する信号送受信部５６とを有する。
【解決手段】 複数の異なるエンコーダの検出器からの検出信号をデータ信号に変換し、得られた複数のデータ信号を合成して１つのデータ合成信号として送出するエンコーダの信号処理装置とし、この装置５０は検出信号をデータ信号に変換する複数のデータ信号変換部５１，５２ｎと、データ信号変換部からのデータ信号をシリアル信号に変換する複数のシリアル信号生成部５３，５４ｎと、前記シリアル信号生成部からの信号を合成するシリアルデータ合成部５５と、前記シリアルデータ合成部５５で合成されたシリアルデータ信号を外部装置に送出する信号送受信部５６とを有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、互いに移動可能な対象物の相対位置の計測、特に工作、加工装置などの位置計測に用いられるエンコーダの信号処理の装置および方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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計測することは、精密加工を行う上で極めて重要であり、このための計測装置が種々製品化されている。
【０００３】
このような計測装置として、駆動装置や駆動機構に連動するスケールに検出器を設けたロータリーエンコーダや、スケール上を相対移動する検出器により絶対位置を検出するリニアエンコーダが知られている。従来のリニアエンコーダの一例として、矩形管状のケースに計測用スケールを納めたリニアエンコーダについて説明する。リニアエンコーダは、計測用スケールを収納するハウジングと、前記ハウジングに収納されたスケールを走査して位置情報を得るセンサユニットが接続されているエンコーダヘッドとを有する。なお、ハウジングは使用態様によって省略することがある。
【０００４】
このようなロータリーエンコーダやリニアエンコーダの詳細については、多くの文献に記載されている。例えば、特願２００５−２４９５７１号公報（特許文献１）等にはロータリーエンコーダの一般的構成が、特願２００３−１３０６８７号公報（特許文献２）、特願２００３−１２１２０８号公報（特許文献３）にはリニアエンコーダの一般的構成が開示されている。
【０００５】
このようなエンコーダからの計測データは、通常エンコーダ毎にシリアル信号に変換され出力される。シリアル信号を用いる理由は、大容量のデータを送信する必要がなく、信号線の数を少なくできるからである。
【０００６】
従来のエンコーダの信号処理装置の一例を図８に示す。この例では、自動切削加工機などのＸ−Ｙテーブルの制御に応用した構成を示している。図示例の装置は、Ｘ方向制御用の所定ピッチでパターン１１が刻印されたスケール１０と、このスケール１０上を移動して前記パターンを読み取るエンコーダヘッド１２とを有する。このエンコーダヘッドから読み取られたパターン検出信号は、上記各文献に記載されているような位相差を有する２つの正弦波信号として、エンコード信号処理装置６０に送られ位置情報のデータ信号に変換される。このデータ信号は上記の様にシリアル信号の形態でモータコントローラ８０の入力ポート８１に送られる。モータコントローラ８０は、得られた位置データと移動すべき位置との差分だけＸ軸駆動用のモータＭ１を出力ポート８２を介して動作させて所定の位置にＸ軸を移動させる。なお、移動中においても随時前記位置データが読み込まれ、最適な移動制御が行われるようになっている。
【０００７】
また、同図中のＹ方向の制御においても上記と同様であり、Ｙ軸制御用のパターン３１が刻印されたスケール３０と、エンコーダヘッド３２と、エンコード信号処理装置７０を有し、このエンコード信号処理装置７０がモータコントローラ８０の入力ポート８３に送られ、同様にして出力ポート８４を介してモータＭ２が制御される。このように、通常モータコントローラ８０には、一対の入力ポート８１と出力ポート８２と、他の一対の入力ポート８３と出力ポート８４が備えられ、計４つの入出力ポート装備されている。このようなモータコントローラの入出力ポートの構成は、前記Ｘ−Ｙテーブルを制御する上では一般的な態様であり、現在流通している多くの製品で採用されている。
【０００８】
しかし、近年工作加工機械には更なる高精度の加工が求められてきている。これは、機械部品への更なる低コスト化の要請に応えるため、従来熟練工により加工されていた製品にも機械加工での対応が要求されているからである。このような高精度の加工を行うには、スケールのパターンやヘッドにより高分解能を持たせることが考えられるが、これだけでは高精度加工に限界がある。その１つの理由として、１つの軸制御には計測しようとする方向以外にも変動する要素があるからである。これは、移動軸やレールなどの機械的精度に由来するもので、この様な変動要素は微少ではあるが、エンコーダが高分解化するにつれて計測データの誤差として大きく現れてくる。この変動要素は、例えばリニアベアリングの場合、上下揺動のピッチ(pich)、左右揺動のヨー(yaw)、回転揺動のロール(roll)成分の他、真直性(straighness)が知られている。従って、これらの変動成分を検出することができれば、更なる精度の向上が可能になる。
【０００９】
この様な観点から、出願人は図９に示すような高精度のエンコーダシステムを提案した。図示例のエンコーダは、Ｘ方向の移動量を計測するメインスケール１０に加え、このＸ方向に直行するＹ方向の微少変位を計測するサブスケール２０を設けている。メインスケールの構成はエンコード信号処理装置６０ａとした以外は上記と同様であり、同一構成要素には同一符号を附して説明を省略する。前記サブスケール２０には、メインスケール１０に刻印されている格子（刻線）と直行する方向に格子（刻線）が刻印されている。そして、メインスケール１０同様にエンコーダヘッド２２を備え、検出された信号はエンコード信号処理装置６０ｂを介して、移動データとしてモータコントローラ８０の入力ポート８３に送られる。
【００１０】
このような構成のシステムでは、メインスケール１０のエンコーダヘッド１２とサブスケール２０のエンコーダヘッド２２からの信号を変換しコントローラ８０にデータを入力するため、それぞれエンコード信号処理装置６０ａ，６０ｂと入力ポート８１，８３という２系統の装置とポートを必要とする。上記の様に市販されている一般的なモータコントローラの仕様は２つの入力ポートと２つの出力ポートを備えたものであるため、Ｘ軸１軸分の制御系統で１つのモータコントローラを占有し、Ｙ軸の制御には別途モータコントローラを用意しなければならない。
【００１１】
このように変則的あるいは多種類の入出力が必要なシステムを構成する場合、従来の既製品を用いたのではコストが大幅に増加してしまう。一方、専用のコントローラを用意するとなると、かなりの開発コストを必要とし、しかも専用品であるため量産による製造コストの低減も困難であり、やはりコストの増加を免れない。
【００１２】
なお、特開平０４−３４２０１０号公報（特許文献４）には、マルチプレクサで複数のセンサのアナログデータの１つを選択してからＡ／Ｄ変換し、Ａ／Ｄ変換されたデジタル信号をシリアル信号にして主制御部に送出するセンサ制御器が開示されている。しかし、この文献はデジタル制御装置におけるセンサデータの取り込みに関する技術を対象にしたもので、エンコーダのデータ通信に関する技術とは異なっている。しかも、単にセンサからのアナログ信号をマルチプレクサで選択しているだけであり、複数のデータ信号を一体化する点に関しては記載も示唆もない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特願２００５−２４９５７１号公報
【特許文献２】特願２００３−１３０６８７号公報
【特許文献３】特願２００３−１３０６８７号公報
【特許文献４】特開平０４−３４２０１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
解決しようとする問題点は、高精細、高分解能化されたエンコーダや、変則的あるいは多種類の入出力を有するシステムにも容易かつ低コストで対応できるエンコーダの信号処理装置を提供することである。
【００１５】
また、新たに制御装置を開発する必要がなく、既存の装置に僅かな変更を加えるだけで対応可能なエンコーダの信号処理装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
複数のエンコーダヘッド、または検出器からの検出信号を処理する際に、データ信号に変換した後は複数の信号を合成して１つの信号として送出することができれば、１つのポートで複数の系統の信号受信することができ、既存のモータコントローラをそのまま使用することができる。受信した信号の処理はモータコントローラ内のソフトウエアを変更するなど、僅かな修正を行えば容易に対応できる。すなわち、本発明は上記課題を解決するため以下の構成とした。
（１）複数の異なるエンコーダの検出器からの検出信号をデータ信号に変換し、得られた複数のデータ信号を合成して１つのデータ合成信号として送出するエンコーダの信号処理装置。
（２）前記データ信号はシリアル信号である上記（１）のエンコーダの信号処理装置。
（３）前記データ合成信号は、複数のデータ信号を連続的に配列して接合している上記（１）または（２）のエンコーダの信号処理装置。
（４）検出信号をデータ信号に変換する複数のデータ信号変換部と、データ信号変換部からのデータ信号をシリアル信号に変換する複数のシリアル信号生成部と、前記シリアル信号生成部からのデータ信号を合成する信号合成部と、前記信号合成部で合成されたシリアルデータ信号を外部装置に送出する信号送受信部とを有する上記（１）〜（３）のいずれかのエンコーダの信号処理装置。
（５）前記複数の異なるエンコーダは主計測方向の移動量を計測するメインスケールと、前記主計測方向に直行する方向の変異量を検出するサブスケールとを有する上記（１）〜（４）のいずれかのエンコーダの信号処理装置。
【発明の効果】
【００１７】
本発明のエンコーダの信号処理装置は、高精細、高分解能化されたエンコーダや、変則的あるいは他種類の入出力を有するシステムにも容易かつ低コストで対応できるエンコーダの信号処理装置を提供することができるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１はエンコーダの信号処理装置の構成を示すブロック図である。
【図２】図２は本発明装置で合成された合成データ信号の構成例を示す模式図である。
【図３】図３はエンコーダの信号処理装置の一使用態様を示す模式図である。（実施例１）
【図４】図４はエンコーダの信号処理装置の具体的構成を示すブロック図である。（実施例１）
【図５】図５は本発明装置で扱うシリアル信号の構成例を示す模式図である。（実施例１）
【図６】図６はエンコーダの信号処理装置の他の使用態様を示す模式図である。（実施例２）
【図７】図７は実施例２で合成された合成データ信号の構成例を示す模式図である。
【図８】図８は従来のエンコーダの信号処理回路を用いたシステムの構成例を示す模式図である。
【図９】図９は従来のエンコーダの信号処理回路を用いた他のシステムの構成例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明のエンコーダの信号処理回路は、複数の異なるエンコーダの検出器からの検出信号をデータ信号に変換し、得られた複数のデータ信号を合成して１つのデータ合成信号として送出するエンコーダの信号処理装置である。
【００２０】
このように、複数のエンコーダからの検出信号を１つのデータ信号として送出することで、信号受信側の装置、例えばモータコントローラなどでは１つのポートで２つ以上の複数のエンコーダの信号を受信することが可能になり、入力ポートを増設しなくても入力できるエンコーダの数を増やすことができる。このため、既存のシステムとは異なるような変則的なエンコーダ数を用いるシステムや、高分解能、高精度化するために出力が増加したエンコーダにも既存の装置で容易に対応することができる。
【００２１】
本発明におけるエンコーダは、被計測物の移動量、変位量を計測してコード化した信号を出力しうるものであれば特に限定されるものではなく、ロータリータイプでもリニアタイプでもよい。特にリニアエンコーダでは、上記の様に他種類の検出方向に対応する必要が生じている。また、エンコーダの検出方式や出力されるデータの態様も特に限定されるものではなく、光学式でも磁気式でも電磁誘導式でもよく、出力されるデータの態様もインクリメンタルでもアブソリュートでもよい。
【００２２】
本発明のエンコーダは少なくとも符号（信号）発生用の目盛りないし刻線あるいは符号パターンが設けられた信号板と、この信号板に設けられた前記パターンを検出するための検出器を備えている。信号板は、ロータリーエンコーダであれば回転円板上に符号パターンが設けられ、リニアエンコーダであればスケール上に符号パターンないし刻線が設けられている。検出器は光学式であれば、パーターンを読み取る光を照射する光源と、光源から信号板に反射した反射光、あるいは信号板を透過した透過光を検出する光学検出素子を備えている。磁気式や誘導式でも同様に符号信号発生用の周知の信号板あるいは配線基板と素子などを備えている。
【００２３】
本発明で好ましく用いられるリニアエンコーダの構成は一般的なリニアエンコーダに準じたものであり、なかでも光学式のエンコーダが適している。光学式エンコーダは、例えば反射性のガラススケール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と、センサ部の表面に設けた透明ガラス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を有し、このメインスケールとインデックススケールを微小な間隔を置いて対向させるとともに、メインスケール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の格子を配置している。
【００２４】
そして、格子が１ピッチ移動すると、モアレ縞は縞の間隔だけ変位することになり、間隔内のスリットの透過光や反射光の変化を読み取ることにより、１ピッチ内の移動量を精密に計測することができるようになる。
【００２５】
検出器となるセンサユニットは、ガラススケールと対向配置され格子（刻線）が設けられたインデックススケールと光学センサとを有するセンサ部と、ガラススケールの振れを少なく滑走させるためのガイドローラ等を有する。なお、上記構成以外でも、メインスケールの格子をモアレ縞とすることなく読み取るようにしてもよいし、光学式として知られる公知の種々の態様を選択することができる。
【００２６】
エンコーダヘッドは、被計測物である工作機械等の可動部に取り付けられ、センサユニットを内蔵し被計測物の変則的な動作にもある程度追従できるような自由度をもつ構造になっている。スケールは、工作機械等の固定部に取り付けられ、また対象物である工作機械の可動部にはエンコーダヘッドが取り付けられる。そして、この可動部の移動量（変位）がガラススケールと、このスケールに沿って移動するセンサユニットのセンサ部の相対移動量として検出される。
【００２７】
本発明のエンコーダの検出器は、上記のように少なくとも符号板上のパターンを電気信号に変換して、アナログ信号を出力する。このアナログ信号は、前記のように検出素子で符号板のパターン変化を検出するため符号板のパターンに応じて信号レベルが変化する。通常この信号は正弦波状に変化し、種々の信号処理技術を用いることで内相信号や、矩形波状のパルス信号に変換することができる。この検出信号は位相差２信号であることが好ましく、特に９０度の位相差を有する２つの信号として出力されることが好ましい。このような位相差信号を用いることで、容易に被計測物の変位または移動方向が分かる。前記信号処理の回路は、上記文献等に記載されている周知の回路に基づき構成することができる。
【００２８】
前記検出信号から得られた検出信号は、本発明の信号処理装置に入力される。入力された検出信号は、アナログ／デジタル変換したり波形整形することで、２値化したデジタル検出信号が得られる。このデジタル検出信号は、通常必要に応じて内挿処理されて高分解化されたり、変位方向や移動方向が判別できるカウント用信号に変換されてカウンタによりカウントされる。そして、このカウンタのカウント信号が位置データ信号として出力される。
【００２９】
本発明の装置では、複数のエンコーダから複数の検出信号が入力される。この複数のエンコーダは、相互に関連したものでも、関連しないものでもよいが、通常同じ制御系統のデータとして用いられる検出信号が入力される。同じ制御系とは、例えば通常の計測に用いられるメインスケールとこれと直行する方向の変位を計測するサブスケールとから得られるデータの組合せなどが挙げられる。複数の検出信号からそれぞれ前記のように位置データ信号が生成される。生成された位置データ信号は、信号処理装置内で合成され１つの信号に再構成される。複数のデータ信号を合成する手法としては特に限定されるものではないが、単純に２つのデータ信号を連続的に配列するようなものでもよい。このように連続的に配列することで、信号形態が単純になり、装置の構成も複雑にならずに済む。また、周知の信号合成手段を用いて合成してもよい。
【００３０】
次に、本発明の信号処理装置のより詳細な構成について説明する。図１は本発明の信号処理装置５０の構成例を示したブロック図である。図において、信号処理装置５０は、第１のデータ信号入力IN1を有するＡ／Ｄ変換エンコード部５１と、このＡ／Ｄ変換エンコード部５１に接続されたパラレル／シリアル変換部５３を有する。Ａ／Ｄ変換エンコード部５１は検出信号をデータ信号に変換するデータ信号変換部に相当し、パラレル／シリアル変換部５３がデータ信号変換部からのデータ信号をシリアル信号に変換するシリアル信号生成部に相当する。
【００３１】
そして、同様な構成要素が複数並列して存在し、ｎ番目（ｎは２以上の自然数）の同様な構成要素として第ｎのデータ信号入力INnを有するＡ／Ｄ変換エンコード部５２ｎと、このＡ／Ｄ変換エンコード部５２ｎに接続されたパラレル／シリアル変換部５４ｎとを有する。そして、前記パラレル／シリアル変換部５３からｎ番目のパラレル／シリアル変換部５４ｎまでの複数の出力信号が入力される信号合成部５５を有する。さらに、この信号合成部５５により合成された信号が入力されて外部装置と信号の送受信を行う信号送受信部であるデータ送受信部５６を有する。
【００３２】
これらの各構成要素について説明すると、先ず第１のデータ信号入力IN1を有するＡ／Ｄ変換エンコード部５１から順次同様な構成がｎ個連続していて、ｎ番目（ｎは２以上の自然数）になる第ｎのデータ信号入力INnを有するＡ／Ｄ変換エンコード部５２ｎには、図１に示すようにそれぞれ異なるエンコーダの検出器からの検出信号が入力される。入力された検出信号は、本実施例ではアナログの位相差２信号であるため、Ａ／Ｄ変換されデジタル信号に変換される。変換された位相差デジタル２信号は、上記の様に必要に応じて公知の種々な処理が行われ、位置情報あるいは変異量、移動量を表すデータ信号に変換される。なお、前記Ａ／Ｄ変換エンコード部はエンコーダヘッドに設けてもよい。
【００３３】
得られたｎ系統のデータ信号は、通常パラレル信号であるためそれぞれパラレル／シリアル変換部５３ないしパラレル／シリアル変換部５４ｎに送られ、通信に適したシリアルデータ信号に変換される。変換されたｎ系統のシリアルデータ信号は、信号合成部５５に送られ、好ましい態様では連続的に配列されて１つの合成データ信号に合成される。なお、時分割の操作などによりＡ／Ｄ変換エンコード部とパラレル／シリアル変換部を共通にすることもできる。
【００３４】
データの合成の手法は特に限定されるものではないが、例えば第１のレジスタまたはメモリ領域に第１のデータ信号を保持し、ｎ番目の第ｎのレジスタまたはメモリ領域に第ｎのデータを保持し、これらを連続的に読み出して第ｎ＋１またはそれ以上のレジスタまたはメモリ領域に保持するか、そのまま合成データとして下記の送信プロセスに導入すればよい。このようにして合成されたデータ信号の例を図２に示す。図示例の信号はデータ１、データ２からデータｎまでのデータ信号が直列に配列され、１つのデータ信号として合成されている。このようにシーケンシャルに配列したシリアルデータにすることで、データの合成も容易になる。なお、データ信号の合成には上記手法に限定されることなく種々の変更が可能である。
【００３５】
合成データ信号は、データ送受信部５６に送られ、シリアル通信により図示しない外部の装置に送出される。データ送受信部５６は、必要に応じて外部の装置との間で信号の送受信を行い、必要なデータやコマンドを送信したり受信したりする。このため、公知の通信装置が備えているような通信に必要な制御素子や、バッファー素子、ドライバー素子等を備えている。
【００３６】
合成されたデータ信号は、１つのデータ信号として、従来の構成に倣って受信側の装置に送られる。このデータの送受信の際の通信形態も特に限定されるものではないが、通常この種の装置で採用されているシリアル通信手段を用いればよい。シリアル通信を用いると通信線が少なくて済み、既存の素子や回路を用いて容易に実現することができ、動作も安定で高い信頼性が得られる。なお、装置の仕様などに応じてパラレル通信や無線通信を行わせてもよい。
【００３７】
外部装置との通信には公知の種々の態様を選択することができるが、上記の様にシリアル通信が好ましい。シリアル通信としては、例えばＲＳ２３２，ＲＳ４２２，ＲＳ４８５等の通信プロトコルが代表的に挙げられ、これらの中から最適な規格の通信手段を選択して用いることができる。
【００３８】
データ信号の受信側の装置は、使用目的、使用態様等に応じて種々の装置を構成し、あるいは選択して用いることができるが、本発明では特にモータコントローラ等のモータ制御装置が推奨される。特に既存の２入力２出力等、複数の固定入出力ポートを有するモータコントローラを用いる場合に本発明装置のメリットを十分に活用することができる。
【実施例１】
【００３９】
次に、本発明の装置のより具体的な構成について図を参照しつつ説明する。図３は本発明の信号処理装置を用いたシステムの１構成例を示したブロック図である。この例では、装置のＸ方向の移動量を計測するメインスケール１０の他に、前記Ｘ方向と直行する方向であるＹ方向の移動量を計測するサブスケールをＸ−Ｙテーブルの１軸制御に用いた例を示している。
【００４０】
図において、Ｘ−Ｙテーブル制御システムは、Ｘ方向制御用の所定ピッチでパターン１１が刻印されたスケール１０と、このスケール１０上を移動して前記パターン１１を読み取るエンコーダヘッド１２とを有する。このエンコーダヘッドから読み取られたパターン検出信号は、上述したように位相差を有する２つの正弦波信号として、信号処理装置５０に送られる。
【００４１】
さらに、図示例のシステムはＸ方向の移動量を計測するメインスケール１０に加え、このＸ方向に直行するＹ方向の微少変位を計測するサブスケール２０を設けている。このサブスケール２０には、メインスケール１０に刻印されている格子（刻線）と直行する方向であるスケール長手方向に平行な格子（刻線）２１が刻印されている。そして、メインスケール１０同様なエンコーダヘッド２２を備え、検出された信号はメインスケール同様に信号処理装置５０に送られる。
【００４２】
信号処理装置５０に入力された上記２系統の検出信号は、それぞれＡ／Ｄ変換や、波形整形などの処理が行われ、デジタル化された信号に変換される。そして、必要に応じて高分解化のための内挿処理や、回転方向、変位方向、移動方向が判別できるカウント信号に変換され、所定のカウント処理が行われて位置データ信号が生成される。通常、得られた位置データ信号は８ビット等のパラレルデータ信号であるため、通信に適したシリアルデータ信号に変換される。そして、２系統のシリアルデータ信号は、１つの信号に合成される。合成の態様は前述のように種々の態様を用いることができるが、本実施例では好ましい態様としてシリアルデータを連続的に配列して１つのデータ信号と見なしている。
【００４３】
合成されたデータ信号は、既存のシステムと同様な構成でモータコントローラ８０の入力ポート８１に送られる。モータコントローラ８０は、受信した信号のうち、データ信号から例えば所定ビット長毎に分割するなどして、元のデータ信号を抽出し、それぞれの制御系統に用いる。本実施例では、メインスケールから得られたＸ方向の位置データと移動すべき位置との差分だけＸ軸駆動用のモータＭ１を出力ポート８２を介して動作させて所定の位置にＸ軸を移動させる。その際サブスケールから得られたＹ方向の変位データによりＹ方向のデータを補正する。つまり、Ｘ軸制御用のスケールに併設されたサブスケールでＹ方向の微少変位を検出し、これによりＹ軸計測値のデータに補正をかけることができる。これにより、より高精度な位置データを用いた制御を行うことができる。
【００４４】
また、Ｙ方向の制御においても上記と同様であり、Ｙ軸制御用のパターン３１が刻印されたスケール３０と、エンコーダヘッド３２と、エンコード信号処理装置７０を有し、このエンコード信号処理装置７０がモータコントローラ８０の入力ポート８３に送られ、同様にして出力ポート８４を介してモータＭ２が制御される。このＹ軸においても上記同様にサブスケールを設けてＸ方向の微少変位を検出し、Ｘ軸のデータを補正することもできる。このように、通常のモータコントローラ８０は、一対の入力ポート８１と出力ポート８２と、他の一対の入力ポート８３と出力ポート８４が備えられ、計４つの入出力ポート装備されているが、上記のような３つのエンコーダを有する構成でも、前記モータコントローラ１つで対応することができる。
【００４５】
次に、信号処理装置のより詳細な構成について説明する。図４は本発明の信号処理装置５０の構成例を示したブロック図である。図において、信号処理装置５０は、第１のデータ信号入力IN1を有するＡ／Ｄ変換エンコード部５１と、このＡ／Ｄ変換エンコード部５１に接続されたパラレル／シリアル変換部５３と、第２のデータ信号入力IN2を有するＡ／Ｄ変換エンコード部５２と、このＡ／Ｄ変換エンコード部５２に接続されたパラレル／シリアル変換部５４とを有する。そして、前記パラレル／シリアル変換部５３とパラレル／シリアル変換部５４の２つの出力信号が入力される信号合成部５５を有し、この信号合成部５５により合成された信号が入力され、外部装置と信号の送受信を行うデータ送受信部５６を有する。
【００４６】
これらの各構成について説明すると、先ず第１のデータ信号入力IN1を有するＡ／Ｄ変換エンコード部５１と、第２のデータ信号入力IN2を有するＡ／Ｄ変換エンコード部５２は、図４に示すようにそれぞれ異なるエンコーダの検出器からの検出信号を入力する。入力された検出信号は、本実施例ではアナログの位相差２信号であるため、Ａ／Ｄ変換されデジタル信号に変換される。変換された位相差デジタル２信号は、上記の様に必要に応じて公知の種々な処理が行われ、位置情報あるいは変異量、移動量を表すデータ信号に変換される。
【００４７】
得られた２系統のデータ信号は、パラレル信号であるためそれぞれパラレル／シリアル変換部５３とパラレル／シリアル変換部５４とに送られ、通信に適したシリアルデータ信号に変換される。変換された２系統のシリアルデータ信号は、信号合成部５５に送られ連続的に配列されて１つの合成データ信号に合成される。
【００４８】
合成データ信号は、データ送受信部５６に送られ、シリアル通信により通信ケーブルを介して図示しない外部の装置に送出される。
【００４９】
図５に、本発明の装置で送受信される代表的なシリアル信号を例示する。図において、（ａ）はクロック、（ｂ）は信号データ、（ｃ）はデータ内容を示している。この例では、位置データを１パケットとして送信している。例えば、外部装置からデータの要求があると、クロックエッジの立ち下がりで処理が開始される。先ず、位置データを読み込んで保存し、必要により位置を計算する。その後、２クロックパルス待機してモードコマンドを送信し、さらに所定のクロック間隔を置いて、スタートビット（Ｓ），エラービット１（Ｆ１），エラービット２（Ｆ２）を送信した後、第１の位置データ１を最下位ビットのＬＳＢ（Ｌ）から最上位ビットのＭＳＢ（Ｍ）まで順次送信し、次いで第２の位置データ２を最下位ビットのＬＳＢ（Ｌ）から最上位ビットのＭＳＢ（Ｍ）まで送信する。最後にサイクル助長チェック（ＣＲＣ）を送信して１パケットの通信が終了する。
【００５０】
ここで、モードコマンドとは送信するデータの内容を規定するもので、エンコーダの位置データの種類を規定したり、エンコーダやシステムの制御に必要な制御コマンド、データを規定したり、前記ＣＲＣの有無を規定する。また、エラービット１，２は、種々の監視機能でのエラーの監視を行うために付加されるが、必要に応じて何れか一方を省略してもよい。ＣＲＣは所謂冗長ビットであり、データの信頼性を向上させるために付加され、場合によっては省略できる。位置データの送信に必要なビット数やクロック数は装置の仕様等により任意に決められる。また、必要により上記以外に付加情報などを上記ＣＲＣの後に続けて送信することも可能であり、その場合付加情報にもＣＲＣが付与される。
【００５１】
受信側の装置では、位置データのデータ長（ビット長）が分かっているので、所定ビットで位置データを分離（分割）すれば、位置データ１と位置データ２が容易に得られる。なお、位置データ１と位置データ２に上記の何れのデータを割り当てるかは任意である。
【００５２】
このように比較的簡単な構成で２つのエンコーダ（検出器）の位置データを１つのデータに纏めることができるので、既存のシステムに大きな変更を加えることなく、エンコーダの数を増やすことができ、僅かな変更で高性能、高分解能、高機能のシステムを得ることができる。
【実施例２】
【００５３】
次に、本発明の第２の実施例について説明する。図６は本発明の信号処理装置を用いたシステムの第２の構成例を示したブロック図である。この例では、装置のＸ方向の移動量を計測するメインスケール１０と、前記Ｘ方向と直行する方向であるＹ方向の移動量を計測するサブスケール２０に加え、さらにＸ，Ｙ方向と直行するＺ方向検出用のサブスケール４０を備えている。
【００５４】
サブスケール４０もメインスケール１０同様なエンコーダヘッド４２を備え、検出された信号はメインスケール同様に信号処理装置５０に送られる。従って、信号処理装置５０には、メインスケール１０、サブスケール２０およびサブスケール４０からの３系統の検出信号が入力される。これら３系統の検出器である各エンコーダヘッド１２，２２，４２からのデータ信号は信号処理装置５０内で合成され、図７に示すような１つの合成データ信号として実施例１と同様にシリアル信号に変換される。なお、合成されるデータ信号の順序は任意に決められる。その他の構成は実施例１と同様であり同一構成要素には同一符号を付して説明を省略する。
【００５５】
このように、Ｘ軸の制御で検出するデータが３系統に増加しても容易に対応することができる。なお、上記各実施例では、Ｘ−Ｙテーブルの制御を例示して説明したが、本発明はこのような構成に限定されるものではなく、単一方向の制御や種々の変更、応用が可能である。また、メインスケールに対するサブスケールも、Ｙ方向Ｚ方向だけではなく、進行方向前後の揺動等他の方向成分の検出を加えた多系統にしてもよい。多くの方向成分の変位を検出することで更に高精度な計測が可能になる。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本発明は計測、工作、加工機械などの位置情報取得に使用され、符号板やスケールの符号パターンあるいは電磁誘導結合された位置検出パターンを検出器で読み取るタイプのエンコーダであれば、リニアエンコーダでもロータリーエンコーダでも、インクリメンタルタイプでも、アブソリュートタイプでも、光学式、磁気式、誘導式を問わず適用することができる。
【符号の説明】
【００５７】
１０ スケール（Ｘ軸メインスケール）
１１ パターン
１２ エンコーダヘッド
２０ スケール（Ｙ方向サブスケール）
２１ パターン
２２ エンコーダヘッド
３０ スケール（Ｙ軸メインスケール）
３１ パターン
３２ エンコーダヘッド
４０ スケール（Ｚ方向サブスケール）
４１ パターン
４２ エンコーダヘッド
５０ 信号処理装置
５１，５２ｎ Ａ／Ｄ変換エンコード部
５３，５４ｎ パラレル／シリアル変換部
５５ 信号合成部
５６ データ送受信部
７０ エンコード信号処理装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、互いに移動可能な対象物の相対位置の計測、特に工作、加工装置などの位置計測に用いられるエンコーダの信号処理の装置および方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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計測することは、精密加工を行う上で極めて重要であり、このための計測装置が種々製品化されている。
【０００３】
このような計測装置として、駆動装置や駆動機構に連動するスケールに検出器を設けたロータリーエンコーダや、スケール上を相対移動する検出器により絶対位置を検出するリニアエンコーダが知られている。従来のリニアエンコーダの一例として、矩形管状のケースに計測用スケールを納めたリニアエンコーダについて説明する。リニアエンコーダは、計測用スケールを収納するハウジングと、前記ハウジングに収納されたスケールを走査して位置情報を得るセンサユニットが接続されているエンコーダヘッドとを有する。なお、ハウジングは使用態様によって省略することがある。
【０００４】
このようなロータリーエンコーダやリニアエンコーダの詳細については、多くの文献に記載されている。例えば、特願２００５−２４９５７１号公報（特許文献１）等にはロータリーエンコーダの一般的構成が、特願２００３−１３０６８７号公報（特許文献２）、特願２００３−１２１２０８号公報（特許文献３）にはリニアエンコーダの一般的構成が開示されている。
【０００５】
このようなエンコーダからの計測データは、通常エンコーダ毎にシリアル信号に変換され出力される。シリアル信号を用いる理由は、大容量のデータを送信する必要がなく、信号線の数を少なくできるからである。
【０００６】
従来のエンコーダの信号処理装置の一例を図８に示す。この例では、自動切削加工機などのＸ−Ｙテーブルの制御に応用した構成を示している。図示例の装置は、Ｘ方向制御用の所定ピッチでパターン１１が刻印されたスケール１０と、このスケール１０上を移動して前記パターンを読み取るエンコーダヘッド１２とを有する。このエンコーダヘッドから読み取られたパターン検出信号は、上記各文献に記載されているような位相差を有する２つの正弦波信号として、エンコード信号処理装置６０に送られ位置情報のデータ信号に変換される。このデータ信号は上記の様にシリアル信号の形態でモータコントローラ８０の入力ポート８１に送られる。モータコントローラ８０は、得られた位置データと移動すべき位置との差分だけＸ軸駆動用のモータＭ１を出力ポート８２を介して動作させて所定の位置にＸ軸を移動させる。なお、移動中においても随時前記位置データが読み込まれ、最適な移動制御が行われるようになっている。
【０００７】
また、同図中のＹ方向の制御においても上記と同様であり、Ｙ軸制御用のパターン３１が刻印されたスケール３０と、エンコーダヘッド３２と、エンコード信号処理装置７０を有し、このエンコード信号処理装置７０がモータコントローラ８０の入力ポート８３に送られ、同様にして出力ポート８４を介してモータＭ２が制御される。このように、通常モータコントローラ８０には、一対の入力ポート８１と出力ポート８２と、他の一対の入力ポート８３と出力ポート８４が備えられ、計４つの入出力ポート装備されている。このようなモータコントローラの入出力ポートの構成は、前記Ｘ−Ｙテーブルを制御する上では一般的な態様であり、現在流通している多くの製品で採用されている。
【０００８】
しかし、近年工作加工機械には更なる高精度の加工が求められてきている。これは、機械部品への更なる低コスト化の要請に応えるため、従来熟練工により加工されていた製品にも機械加工での対応が要求されているからである。このような高精度の加工を行うには、スケールのパターンやヘッドにより高分解能を持たせることが考えられるが、これだけでは高精度加工に限界がある。その１つの理由として、１つの軸制御には計測しようとする方向以外にも変動する要素があるからである。これは、移動軸やレールなどの機械的精度に由来するもので、この様な変動要素は微少ではあるが、エンコーダが高分解化するにつれて計測データの誤差として大きく現れてくる。この変動要素は、例えばリニアベアリングの場合、上下揺動のピッチ(pich)、左右揺動のヨー(yaw)、回転揺動のロール(roll)成分の他、真直性(straighness)が知られている。従って、これらの変動成分を検出することができれば、更なる精度の向上が可能になる。
【０００９】
この様な観点から、出願人は図９に示すような高精度のエンコーダシステムを提案した。図示例のエンコーダは、Ｘ方向の移動量を計測するメインスケール１０に加え、このＸ方向に直行するＹ方向の微少変位を計測するサブスケール２０を設けている。メインスケールの構成はエンコード信号処理装置６０ａとした以外は上記と同様であり、同一構成要素には同一符号を附して説明を省略する。前記サブスケール２０には、メインスケール１０に刻印されている格子（刻線）と直行する方向に格子（刻線）が刻印されている。そして、メインスケール１０同様にエンコーダヘッド２２を備え、検出された信号はエンコード信号処理装置６０ｂを介して、移動データとしてモータコントローラ８０の入力ポート８３に送られる。
【００１０】
このような構成のシステムでは、メインスケール１０のエンコーダヘッド１２とサブスケール２０のエンコーダヘッド２２からの信号を変換しコントローラ８０にデータを入力するため、それぞれエンコード信号処理装置６０ａ，６０ｂと入力ポート８１，８３という２系統の装置とポートを必要とする。上記の様に市販されている一般的なモータコントローラの仕様は２つの入力ポートと２つの出力ポートを備えたものであるため、Ｘ軸１軸分の制御系統で１つのモータコントローラを占有し、Ｙ軸の制御には別途モータコントローラを用意しなければならない。
【００１１】
このように変則的あるいは多種類の入出力が必要なシステムを構成する場合、従来の既製品を用いたのではコストが大幅に増加してしまう。一方、専用のコントローラを用意するとなると、かなりの開発コストを必要とし、しかも専用品であるため量産による製造コストの低減も困難であり、やはりコストの増加を免れない。
【００１２】
なお、特開平０４−３４２０１０号公報（特許文献４）には、マルチプレクサで複数のセンサのアナログデータの１つを選択してからＡ／Ｄ変換し、Ａ／Ｄ変換されたデジタル信号をシリアル信号にして主制御部に送出するセンサ制御器が開示されている。しかし、この文献はデジタル制御装置におけるセンサデータの取り込みに関する技術を対象にしたもので、エンコーダのデータ通信に関する技術とは異なっている。しかも、単にセンサからのアナログ信号をマルチプレクサで選択しているだけであり、複数のデータ信号を一体化する点に関しては記載も示唆もない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特願２００５−２４９５７１号公報
【特許文献２】特願２００３−１３０６８７号公報
【特許文献３】特願２００３−１３０６８７号公報
【特許文献４】特開平０４−３４２０１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
解決しようとする問題点は、高精細、高分解能化されたエンコーダや、変則的あるいは多種類の入出力を有するシステムにも容易かつ低コストで対応できるエンコーダの信号処理装置を提供することである。
【００１５】
また、新たに制御装置を開発する必要がなく、既存の装置に僅かな変更を加えるだけで対応可能なエンコーダの信号処理装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
複数のエンコーダヘッド、または検出器からの検出信号を処理する際に、データ信号に変換した後は複数の信号を合成して１つの信号として送出することができれば、１つのポートで複数の系統の信号受信することができ、既存のモータコントローラをそのまま使用することができる。受信した信号の処理はモータコントローラ内のソフトウエアを変更するなど、僅かな修正を行えば容易に対応できる。すなわち、本発明は上記課題を解決するため以下の構成とした。
（１）複数の異なるエンコーダの検出器からの検出信号をデータ信号に変換し、得られた複数のデータ信号を合成して１つのデータ合成信号として送出するエンコーダの信号処理装置。
（２）前記データ信号はシリアル信号である上記（１）のエンコーダの信号処理装置。
（３）前記データ合成信号は、複数のデータ信号を連続的に配列して接合している上記（１）または（２）のエンコーダの信号処理装置。
（４）検出信号をデータ信号に変換する複数のデータ信号変換部と、データ信号変換部からのデータ信号をシリアル信号に変換する複数のシリアル信号生成部と、前記シリアル信号生成部からのデータ信号を合成する信号合成部と、前記信号合成部で合成されたシリアルデータ信号を外部装置に送出する信号送受信部とを有する上記（１）〜（３）のいずれかのエンコーダの信号処理装置。
（５）前記複数の異なるエンコーダは主計測方向の移動量を計測するメインスケールと、前記主計測方向に直行する方向の変異量を検出するサブスケールとを有する上記（１）〜（４）のいずれかのエンコーダの信号処理装置。
【発明の効果】
【００１７】
本発明のエンコーダの信号処理装置は、高精細、高分解能化されたエンコーダや、変則的あるいは他種類の入出力を有するシステムにも容易かつ低コストで対応できるエンコーダの信号処理装置を提供することができるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１はエンコーダの信号処理装置の構成を示すブロック図である。
【図２】図２は本発明装置で合成された合成データ信号の構成例を示す模式図である。
【図３】図３はエンコーダの信号処理装置の一使用態様を示す模式図である。（実施例１）
【図４】図４はエンコーダの信号処理装置の具体的構成を示すブロック図である。（実施例１）
【図５】図５は本発明装置で扱うシリアル信号の構成例を示す模式図である。（実施例１）
【図６】図６はエンコーダの信号処理装置の他の使用態様を示す模式図である。（実施例２）
【図７】図７は実施例２で合成された合成データ信号の構成例を示す模式図である。
【図８】図８は従来のエンコーダの信号処理回路を用いたシステムの構成例を示す模式図である。
【図９】図９は従来のエンコーダの信号処理回路を用いた他のシステムの構成例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明のエンコーダの信号処理回路は、複数の異なるエンコーダの検出器からの検出信号をデータ信号に変換し、得られた複数のデータ信号を合成して１つのデータ合成信号として送出するエンコーダの信号処理装置である。
【００２０】
このように、複数のエンコーダからの検出信号を１つのデータ信号として送出することで、信号受信側の装置、例えばモータコントローラなどでは１つのポートで２つ以上の複数のエンコーダの信号を受信することが可能になり、入力ポートを増設しなくても入力できるエンコーダの数を増やすことができる。このため、既存のシステムとは異なるような変則的なエンコーダ数を用いるシステムや、高分解能、高精度化するために出力が増加したエンコーダにも既存の装置で容易に対応することができる。
【００２１】
本発明におけるエンコーダは、被計測物の移動量、変位量を計測してコード化した信号を出力しうるものであれば特に限定されるものではなく、ロータリータイプでもリニアタイプでもよい。特にリニアエンコーダでは、上記の様に他種類の検出方向に対応する必要が生じている。また、エンコーダの検出方式や出力されるデータの態様も特に限定されるものではなく、光学式でも磁気式でも電磁誘導式でもよく、出力されるデータの態様もインクリメンタルでもアブソリュートでもよい。
【００２２】
本発明のエンコーダは少なくとも符号（信号）発生用の目盛りないし刻線あるいは符号パターンが設けられた信号板と、この信号板に設けられた前記パターンを検出するための検出器を備えている。信号板は、ロータリーエンコーダであれば回転円板上に符号パターンが設けられ、リニアエンコーダであればスケール上に符号パターンないし刻線が設けられている。検出器は光学式であれば、パーターンを読み取る光を照射する光源と、光源から信号板に反射した反射光、あるいは信号板を透過した透過光を検出する光学検出素子を備えている。磁気式や誘導式でも同様に符号信号発生用の周知の信号板あるいは配線基板と素子などを備えている。
【００２３】
本発明で好ましく用いられるリニアエンコーダの構成は一般的なリニアエンコーダに準じたものであり、なかでも光学式のエンコーダが適している。光学式エンコーダは、例えば反射性のガラススケール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と、センサ部の表面に設けた透明ガラス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を有し、このメインスケールとインデックススケールを微小な間隔を置いて対向させるとともに、メインスケール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の格子を配置している。
【００２４】
そして、格子が１ピッチ移動すると、モアレ縞は縞の間隔だけ変位することになり、間隔内のスリットの透過光や反射光の変化を読み取ることにより、１ピッチ内の移動量を精密に計測することができるようになる。
【００２５】
検出器となるセンサユニットは、ガラススケールと対向配置され格子（刻線）が設けられたインデックススケールと光学センサとを有するセンサ部と、ガラススケールの振れを少なく滑走させるためのガイドローラ等を有する。なお、上記構成以外でも、メインスケールの格子をモアレ縞とすることなく読み取るようにしてもよいし、光学式として知られる公知の種々の態様を選択することができる。
【００２６】
エンコーダヘッドは、被計測物である工作機械等の可動部に取り付けられ、センサユニットを内蔵し被計測物の変則的な動作にもある程度追従できるような自由度をもつ構造になっている。スケールは、工作機械等の固定部に取り付けられ、また対象物である工作機械の可動部にはエンコーダヘッドが取り付けられる。そして、この可動部の移動量（変位）がガラススケールと、このスケールに沿って移動するセンサユニットのセンサ部の相対移動量として検出される。
【００２７】
本発明のエンコーダの検出器は、上記のように少なくとも符号板上のパターンを電気信号に変換して、アナログ信号を出力する。このアナログ信号は、前記のように検出素子で符号板のパターン変化を検出するため符号板のパターンに応じて信号レベルが変化する。通常この信号は正弦波状に変化し、種々の信号処理技術を用いることで内相信号や、矩形波状のパルス信号に変換することができる。この検出信号は位相差２信号であることが好ましく、特に９０度の位相差を有する２つの信号として出力されることが好ましい。このような位相差信号を用いることで、容易に被計測物の変位または移動方向が分かる。前記信号処理の回路は、上記文献等に記載されている周知の回路に基づき構成することができる。
【００２８】
前記検出信号から得られた検出信号は、本発明の信号処理装置に入力される。入力された検出信号は、アナログ／デジタル変換したり波形整形することで、２値化したデジタル検出信号が得られる。このデジタル検出信号は、通常必要に応じて内挿処理されて高分解化されたり、変位方向や移動方向が判別できるカウント用信号に変換されてカウンタによりカウントされる。そして、このカウンタのカウント信号が位置データ信号として出力される。
【００２９】
本発明の装置では、複数のエンコーダから複数の検出信号が入力される。この複数のエンコーダは、相互に関連したものでも、関連しないものでもよいが、通常同じ制御系統のデータとして用いられる検出信号が入力される。同じ制御系とは、例えば通常の計測に用いられるメインスケールとこれと直行する方向の変位を計測するサブスケールとから得られるデータの組合せなどが挙げられる。複数の検出信号からそれぞれ前記のように位置データ信号が生成される。生成された位置データ信号は、信号処理装置内で合成され１つの信号に再構成される。複数のデータ信号を合成する手法としては特に限定されるものではないが、単純に２つのデータ信号を連続的に配列するようなものでもよい。このように連続的に配列することで、信号形態が単純になり、装置の構成も複雑にならずに済む。また、周知の信号合成手段を用いて合成してもよい。
【００３０】
次に、本発明の信号処理装置のより詳細な構成について説明する。図１は本発明の信号処理装置５０の構成例を示したブロック図である。図において、信号処理装置５０は、第１のデータ信号入力IN1を有するＡ／Ｄ変換エンコード部５１と、このＡ／Ｄ変換エンコード部５１に接続されたパラレル／シリアル変換部５３を有する。Ａ／Ｄ変換エンコード部５１は検出信号をデータ信号に変換するデータ信号変換部に相当し、パラレル／シリアル変換部５３がデータ信号変換部からのデータ信号をシリアル信号に変換するシリアル信号生成部に相当する。
【００３１】
そして、同様な構成要素が複数並列して存在し、ｎ番目（ｎは２以上の自然数）の同様な構成要素として第ｎのデータ信号入力INnを有するＡ／Ｄ変換エンコード部５２ｎと、このＡ／Ｄ変換エンコード部５２ｎに接続されたパラレル／シリアル変換部５４ｎとを有する。そして、前記パラレル／シリアル変換部５３からｎ番目のパラレル／シリアル変換部５４ｎまでの複数の出力信号が入力される信号合成部５５を有する。さらに、この信号合成部５５により合成された信号が入力されて外部装置と信号の送受信を行う信号送受信部であるデータ送受信部５６を有する。
【００３２】
これらの各構成要素について説明すると、先ず第１のデータ信号入力IN1を有するＡ／Ｄ変換エンコード部５１から順次同様な構成がｎ個連続していて、ｎ番目（ｎは２以上の自然数）になる第ｎのデータ信号入力INnを有するＡ／Ｄ変換エンコード部５２ｎには、図１に示すようにそれぞれ異なるエンコーダの検出器からの検出信号が入力される。入力された検出信号は、本実施例ではアナログの位相差２信号であるため、Ａ／Ｄ変換されデジタル信号に変換される。変換された位相差デジタル２信号は、上記の様に必要に応じて公知の種々な処理が行われ、位置情報あるいは変異量、移動量を表すデータ信号に変換される。なお、前記Ａ／Ｄ変換エンコード部はエンコーダヘッドに設けてもよい。
【００３３】
得られたｎ系統のデータ信号は、通常パラレル信号であるためそれぞれパラレル／シリアル変換部５３ないしパラレル／シリアル変換部５４ｎに送られ、通信に適したシリアルデータ信号に変換される。変換されたｎ系統のシリアルデータ信号は、信号合成部５５に送られ、好ましい態様では連続的に配列されて１つの合成データ信号に合成される。なお、時分割の操作などによりＡ／Ｄ変換エンコード部とパラレル／シリアル変換部を共通にすることもできる。
【００３４】
データの合成の手法は特に限定されるものではないが、例えば第１のレジスタまたはメモリ領域に第１のデータ信号を保持し、ｎ番目の第ｎのレジスタまたはメモリ領域に第ｎのデータを保持し、これらを連続的に読み出して第ｎ＋１またはそれ以上のレジスタまたはメモリ領域に保持するか、そのまま合成データとして下記の送信プロセスに導入すればよい。このようにして合成されたデータ信号の例を図２に示す。図示例の信号はデータ１、データ２からデータｎまでのデータ信号が直列に配列され、１つのデータ信号として合成されている。このようにシーケンシャルに配列したシリアルデータにすることで、データの合成も容易になる。なお、データ信号の合成には上記手法に限定されることなく種々の変更が可能である。
【００３５】
合成データ信号は、データ送受信部５６に送られ、シリアル通信により図示しない外部の装置に送出される。データ送受信部５６は、必要に応じて外部の装置との間で信号の送受信を行い、必要なデータやコマンドを送信したり受信したりする。このため、公知の通信装置が備えているような通信に必要な制御素子や、バッファー素子、ドライバー素子等を備えている。
【００３６】
合成されたデータ信号は、１つのデータ信号として、従来の構成に倣って受信側の装置に送られる。このデータの送受信の際の通信形態も特に限定されるものではないが、通常この種の装置で採用されているシリアル通信手段を用いればよい。シリアル通信を用いると通信線が少なくて済み、既存の素子や回路を用いて容易に実現することができ、動作も安定で高い信頼性が得られる。なお、装置の仕様などに応じてパラレル通信や無線通信を行わせてもよい。
【００３７】
外部装置との通信には公知の種々の態様を選択することができるが、上記の様にシリアル通信が好ましい。シリアル通信としては、例えばＲＳ２３２，ＲＳ４２２，ＲＳ４８５等の通信プロトコルが代表的に挙げられ、これらの中から最適な規格の通信手段を選択して用いることができる。
【００３８】
データ信号の受信側の装置は、使用目的、使用態様等に応じて種々の装置を構成し、あるいは選択して用いることができるが、本発明では特にモータコントローラ等のモータ制御装置が推奨される。特に既存の２入力２出力等、複数の固定入出力ポートを有するモータコントローラを用いる場合に本発明装置のメリットを十分に活用することができる。
【実施例１】
【００３９】
次に、本発明の装置のより具体的な構成について図を参照しつつ説明する。図３は本発明の信号処理装置を用いたシステムの１構成例を示したブロック図である。この例では、装置のＸ方向の移動量を計測するメインスケール１０の他に、前記Ｘ方向と直行する方向であるＹ方向の移動量を計測するサブスケールをＸ−Ｙテーブルの１軸制御に用いた例を示している。
【００４０】
図において、Ｘ−Ｙテーブル制御システムは、Ｘ方向制御用の所定ピッチでパターン１１が刻印されたスケール１０と、このスケール１０上を移動して前記パターン１１を読み取るエンコーダヘッド１２とを有する。このエンコーダヘッドから読み取られたパターン検出信号は、上述したように位相差を有する２つの正弦波信号として、信号処理装置５０に送られる。
【００４１】
さらに、図示例のシステムはＸ方向の移動量を計測するメインスケール１０に加え、このＸ方向に直行するＹ方向の微少変位を計測するサブスケール２０を設けている。このサブスケール２０には、メインスケール１０に刻印されている格子（刻線）と直行する方向であるスケール長手方向に平行な格子（刻線）２１が刻印されている。そして、メインスケール１０同様なエンコーダヘッド２２を備え、検出された信号はメインスケール同様に信号処理装置５０に送られる。
【００４２】
信号処理装置５０に入力された上記２系統の検出信号は、それぞれＡ／Ｄ変換や、波形整形などの処理が行われ、デジタル化された信号に変換される。そして、必要に応じて高分解化のための内挿処理や、回転方向、変位方向、移動方向が判別できるカウント信号に変換され、所定のカウント処理が行われて位置データ信号が生成される。通常、得られた位置データ信号は８ビット等のパラレルデータ信号であるため、通信に適したシリアルデータ信号に変換される。そして、２系統のシリアルデータ信号は、１つの信号に合成される。合成の態様は前述のように種々の態様を用いることができるが、本実施例では好ましい態様としてシリアルデータを連続的に配列して１つのデータ信号と見なしている。
【００４３】
合成されたデータ信号は、既存のシステムと同様な構成でモータコントローラ８０の入力ポート８１に送られる。モータコントローラ８０は、受信した信号のうち、データ信号から例えば所定ビット長毎に分割するなどして、元のデータ信号を抽出し、それぞれの制御系統に用いる。本実施例では、メインスケールから得られたＸ方向の位置データと移動すべき位置との差分だけＸ軸駆動用のモータＭ１を出力ポート８２を介して動作させて所定の位置にＸ軸を移動させる。その際サブスケールから得られたＹ方向の変位データによりＹ方向のデータを補正する。つまり、Ｘ軸制御用のスケールに併設されたサブスケールでＹ方向の微少変位を検出し、これによりＹ軸計測値のデータに補正をかけることができる。これにより、より高精度な位置データを用いた制御を行うことができる。
【００４４】
また、Ｙ方向の制御においても上記と同様であり、Ｙ軸制御用のパターン３１が刻印されたスケール３０と、エンコーダヘッド３２と、エンコード信号処理装置７０を有し、このエンコード信号処理装置７０がモータコントローラ８０の入力ポート８３に送られ、同様にして出力ポート８４を介してモータＭ２が制御される。このＹ軸においても上記同様にサブスケールを設けてＸ方向の微少変位を検出し、Ｘ軸のデータを補正することもできる。このように、通常のモータコントローラ８０は、一対の入力ポート８１と出力ポート８２と、他の一対の入力ポート８３と出力ポート８４が備えられ、計４つの入出力ポート装備されているが、上記のような３つのエンコーダを有する構成でも、前記モータコントローラ１つで対応することができる。
【００４５】
次に、信号処理装置のより詳細な構成について説明する。図４は本発明の信号処理装置５０の構成例を示したブロック図である。図において、信号処理装置５０は、第１のデータ信号入力IN1を有するＡ／Ｄ変換エンコード部５１と、このＡ／Ｄ変換エンコード部５１に接続されたパラレル／シリアル変換部５３と、第２のデータ信号入力IN2を有するＡ／Ｄ変換エンコード部５２と、このＡ／Ｄ変換エンコード部５２に接続されたパラレル／シリアル変換部５４とを有する。そして、前記パラレル／シリアル変換部５３とパラレル／シリアル変換部５４の２つの出力信号が入力される信号合成部５５を有し、この信号合成部５５により合成された信号が入力され、外部装置と信号の送受信を行うデータ送受信部５６を有する。
【００４６】
これらの各構成について説明すると、先ず第１のデータ信号入力IN1を有するＡ／Ｄ変換エンコード部５１と、第２のデータ信号入力IN2を有するＡ／Ｄ変換エンコード部５２は、図４に示すようにそれぞれ異なるエンコーダの検出器からの検出信号を入力する。入力された検出信号は、本実施例ではアナログの位相差２信号であるため、Ａ／Ｄ変換されデジタル信号に変換される。変換された位相差デジタル２信号は、上記の様に必要に応じて公知の種々な処理が行われ、位置情報あるいは変異量、移動量を表すデータ信号に変換される。
【００４７】
得られた２系統のデータ信号は、パラレル信号であるためそれぞれパラレル／シリアル変換部５３とパラレル／シリアル変換部５４とに送られ、通信に適したシリアルデータ信号に変換される。変換された２系統のシリアルデータ信号は、信号合成部５５に送られ連続的に配列されて１つの合成データ信号に合成される。
【００４８】
合成データ信号は、データ送受信部５６に送られ、シリアル通信により通信ケーブルを介して図示しない外部の装置に送出される。
【００４９】
図５に、本発明の装置で送受信される代表的なシリアル信号を例示する。図において、（ａ）はクロック、（ｂ）は信号データ、（ｃ）はデータ内容を示している。この例では、位置データを１パケットとして送信している。例えば、外部装置からデータの要求があると、クロックエッジの立ち下がりで処理が開始される。先ず、位置データを読み込んで保存し、必要により位置を計算する。その後、２クロックパルス待機してモードコマンドを送信し、さらに所定のクロック間隔を置いて、スタートビット（Ｓ），エラービット１（Ｆ１），エラービット２（Ｆ２）を送信した後、第１の位置データ１を最下位ビットのＬＳＢ（Ｌ）から最上位ビットのＭＳＢ（Ｍ）まで順次送信し、次いで第２の位置データ２を最下位ビットのＬＳＢ（Ｌ）から最上位ビットのＭＳＢ（Ｍ）まで送信する。最後にサイクル助長チェック（ＣＲＣ）を送信して１パケットの通信が終了する。
【００５０】
ここで、モードコマンドとは送信するデータの内容を規定するもので、エンコーダの位置データの種類を規定したり、エンコーダやシステムの制御に必要な制御コマンド、データを規定したり、前記ＣＲＣの有無を規定する。また、エラービット１，２は、種々の監視機能でのエラーの監視を行うために付加されるが、必要に応じて何れか一方を省略してもよい。ＣＲＣは所謂冗長ビットであり、データの信頼性を向上させるために付加され、場合によっては省略できる。位置データの送信に必要なビット数やクロック数は装置の仕様等により任意に決められる。また、必要により上記以外に付加情報などを上記ＣＲＣの後に続けて送信することも可能であり、その場合付加情報にもＣＲＣが付与される。
【００５１】
受信側の装置では、位置データのデータ長（ビット長）が分かっているので、所定ビットで位置データを分離（分割）すれば、位置データ１と位置データ２が容易に得られる。なお、位置データ１と位置データ２に上記の何れのデータを割り当てるかは任意である。
【００５２】
このように比較的簡単な構成で２つのエンコーダ（検出器）の位置データを１つのデータに纏めることができるので、既存のシステムに大きな変更を加えることなく、エンコーダの数を増やすことができ、僅かな変更で高性能、高分解能、高機能のシステムを得ることができる。
【実施例２】
【００５３】
次に、本発明の第２の実施例について説明する。図６は本発明の信号処理装置を用いたシステムの第２の構成例を示したブロック図である。この例では、装置のＸ方向の移動量を計測するメインスケール１０と、前記Ｘ方向と直行する方向であるＹ方向の移動量を計測するサブスケール２０に加え、さらにＸ，Ｙ方向と直行するＺ方向検出用のサブスケール４０を備えている。
【００５４】
サブスケール４０もメインスケール１０同様なエンコーダヘッド４２を備え、検出された信号はメインスケール同様に信号処理装置５０に送られる。従って、信号処理装置５０には、メインスケール１０、サブスケール２０およびサブスケール４０からの３系統の検出信号が入力される。これら３系統の検出器である各エンコーダヘッド１２，２２，４２からのデータ信号は信号処理装置５０内で合成され、図７に示すような１つの合成データ信号として実施例１と同様にシリアル信号に変換される。なお、合成されるデータ信号の順序は任意に決められる。その他の構成は実施例１と同様であり同一構成要素には同一符号を付して説明を省略する。
【００５５】
このように、Ｘ軸の制御で検出するデータが３系統に増加しても容易に対応することができる。なお、上記各実施例では、Ｘ−Ｙテーブルの制御を例示して説明したが、本発明はこのような構成に限定されるものではなく、単一方向の制御や種々の変更、応用が可能である。また、メインスケールに対するサブスケールも、Ｙ方向Ｚ方向だけではなく、進行方向前後の揺動等他の方向成分の検出を加えた多系統にしてもよい。多くの方向成分の変位を検出することで更に高精度な計測が可能になる。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本発明は計測、工作、加工機械などの位置情報取得に使用され、符号板やスケールの符号パターンあるいは電磁誘導結合された位置検出パターンを検出器で読み取るタイプのエンコーダであれば、リニアエンコーダでもロータリーエンコーダでも、インクリメンタルタイプでも、アブソリュートタイプでも、光学式、磁気式、誘導式を問わず適用することができる。
【符号の説明】
【００５７】
１０ スケール（Ｘ軸メインスケール）
１１ パターン
１２ エンコーダヘッド
２０ スケール（Ｙ方向サブスケール）
２１ パターン
２２ エンコーダヘッド
３０ スケール（Ｙ軸メインスケール）
３１ パターン
３２ エンコーダヘッド
４０ スケール（Ｚ方向サブスケール）
４１ パターン
４２ エンコーダヘッド
５０ 信号処理装置
５１，５２ｎ Ａ／Ｄ変換エンコード部
５３，５４ｎ パラレル／シリアル変換部
５５ 信号合成部
５６ データ送受信部
７０ エンコード信号処理装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の異なるエンコーダの検出器からの検出信号をデータ信号に変換し、得られた複数のデータ信号を合成して１つのデータ合成信号として送出するエンコーダの信号処理装置。
【請求項２】
前記データ信号はシリアル信号である請求項１のエンコーダの信号処理装置。
【請求項３】
前記データ合成信号は、複数のデータ信号を連続的に配列して接合している請求項１または２のエンコーダの信号処理装置。
【請求項４】
検出信号をデータ信号に変換する複数のデータ信号変換部と、データ信号変換部からのデータ信号をシリアル信号に変換する複数のシリアル信号生成部と、前記シリアル信号生成部からのデータ信号を合成する信号合成部と、前記信号合成部で合成されたシリアルデータ信号を外部装置に送出する信号送受信部とを有する請求項１〜３のいずれかのエンコーダの信号処理装置。
【請求項５】
前記複数の異なるエンコーダは主計測方向の移動量を計測するメインスケールと、前記主計測方向に直行する方向の変異量を検出するサブスケールとを有する請求項１〜４のいずれかのエンコーダの信号処理装置。
【請求項１】
複数の異なるエンコーダの検出器からの検出信号をデータ信号に変換し、得られた複数のデータ信号を合成して１つのデータ合成信号として送出するエンコーダの信号処理装置。
【請求項２】
前記データ信号はシリアル信号である請求項１のエンコーダの信号処理装置。
【請求項３】
前記データ合成信号は、複数のデータ信号を連続的に配列して接合している請求項１または２のエンコーダの信号処理装置。
【請求項４】
検出信号をデータ信号に変換する複数のデータ信号変換部と、データ信号変換部からのデータ信号をシリアル信号に変換する複数のシリアル信号生成部と、前記シリアル信号生成部からのデータ信号を合成する信号合成部と、前記信号合成部で合成されたシリアルデータ信号を外部装置に送出する信号送受信部とを有する請求項１〜３のいずれかのエンコーダの信号処理装置。
【請求項５】
前記複数の異なるエンコーダは主計測方向の移動量を計測するメインスケールと、前記主計測方向に直行する方向の変異量を検出するサブスケールとを有する請求項１〜４のいずれかのエンコーダの信号処理装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１２−１４５３５９（Ｐ２０１２−１４５３５９Ａ）
【公開日】平成２４年８月２日（２０１２．８．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１９３８（Ｐ２０１１−１９３８）
【出願日】平成２３年１月７日（２０１１．１．７）
【出願人】（３０９０３５１８７）ハイデンハイン株式会社 (6)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月２日（２０１２．８．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月７日（２０１１．１．７）
【出願人】（３０９０３５１８７）ハイデンハイン株式会社 (6)
【Ｆターム（参考）】
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