JP2012002580A - 内挿誤差測定装置、内挿誤差測定方法、エンコーダおよび位置検出方法 - Google Patents
内挿誤差測定装置、内挿誤差測定方法、エンコーダおよび位置検出方法 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】位置情報の検出精度を高めることができる。
【解決手段】所定の固有周波数で振動する振動子（４０）と、前記振動子に設けられ、位置を示す符号が付されている符号板（１０）と、前記符号が示す位置を位置情報として検出して、前記位置情報を含む検出信号を出力する検出部（３０）と、前記検出部から出力された検出信号と前記固有周波数に対応する周波数成分とに基づいて、前記位置情報の内挿誤差を計測する計測部（６０）とを備える。
【選択図】図１
【解決手段】所定の固有周波数で振動する振動子（４０）と、前記振動子に設けられ、位置を示す符号が付されている符号板（１０）と、前記符号が示す位置を位置情報として検出して、前記位置情報を含む検出信号を出力する検出部（３０）と、前記検出部から出力された検出信号と前記固有周波数に対応する周波数成分とに基づいて、前記位置情報の内挿誤差を計測する計測部（６０）とを備える。
【選択図】図１
Description
本発明は、内挿誤差測定装置、内挿誤差測定方法、エンコーダおよび位置検出方法に関する。
エンコーダは、移動ステージなどの可動体の位置を高精度に検出する際に用いられる。そのようなエンコーダでは、検出精度を高めるために、センサにより検出された位置情報を補間する内挿処理が行われている。その内挿処理によって算出される位置情報は、補間処理によって導かれる値であることから、実際の可動体の位置が示す値に対する誤差である内挿誤差を含んでいる場合がある。
上述のような内挿誤差の計測は、例えば、可動体に基準センサとして高精度静電容量センサなどを装備して、検査対象とするセンサ（被検査センサ）と基準センサとによって検出された位置情報の差を取ることによって行われていた（例えば、特許文献１、非特許文献１参照）。
上述のような内挿誤差の計測は、例えば、可動体に基準センサとして高精度静電容量センサなどを装備して、検査対象とするセンサ（被検査センサ）と基準センサとによって検出された位置情報の差を取ることによって行われていた（例えば、特許文献１、非特許文献１参照）。
坂本征司、桐山哲郎、荻原元徳、「リニアエンコーダの高分解能化技術」、計測と制御、Vol.44、No.10、P662、2005年。
ところで、近年のセンサにおける検出精度の高精度化に伴い、例えば、内挿誤差の許容値が１ｎｍ（ナノメートル）以下になってきた。
しかしながら、例えば、センサの検出精度を評価する基準センサを用いて評価する場合の基準センサでさえ、１ｎｍ以下の検出精度を十分に満足して計測することが困難な場合がある。また、仮に、必要とされる検出精度の基準センサを実現させたとしても、非常に高価なものとなり、その調整も難しいことから容易に実現することが困難であるという問題があった。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、内挿誤差の検出精度を高めた内挿誤差測定装置、内挿誤差測定方法、エンコーダおよび位置検出方法を提供することを目的とする。
しかしながら、例えば、センサの検出精度を評価する基準センサを用いて評価する場合の基準センサでさえ、１ｎｍ以下の検出精度を十分に満足して計測することが困難な場合がある。また、仮に、必要とされる検出精度の基準センサを実現させたとしても、非常に高価なものとなり、その調整も難しいことから容易に実現することが困難であるという問題があった。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、内挿誤差の検出精度を高めた内挿誤差測定装置、内挿誤差測定方法、エンコーダおよび位置検出方法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、本発明は、所定の固有周波数で振動する振動子と、前記振動子に設けられ、位置を示す符号が付されている符号板と、前記符号が示す位置を位置情報として検出して、前記位置情報を含む検出信号を出力する検出部と、前記検出部から出力された検出信号と前記固有周波数に対応する周波数成分とに基づいて、前記位置情報の内挿誤差を計測する計測部とを備えることを特徴とする内挿誤差測定装置である。
また、本発明は、振動子が所定の固有周波数で振動する過程と、前記振動子に設けられた符号板の符号が示す位置を位置情報として検出して、前記位置情報を含む検出信号を出力する過程と、前記検出信号と前記固有周波数に対応する周波数成分とに基づいて、前記位置情報の内挿誤差を計測する過程と、を含むことを特徴とする内挿誤差測定方法である。
また、本発明は、所定の固有周波数で振動共振する振動子と、前記振動子に設けられ、位置を示す符号が付されている符号板と、前記符号が示す位置を位置情報として検出して、前記位置情報を含む検出信号を出力する検出部と、前記検出された位置情報を補正する補正情報を記憶する補正情報記憶部と、前記検出信号と前記固有周波数に対応する周波数成分とに基づいて前記補正情報を算出し、前記補正情報を前記補正情報記憶部に記憶させる内挿誤差算出部と、前記振動子を振動させない状態において、前記位置情報を内挿処理する際に、前記補正情報に基づいて前記位置情報を補正する補正部と、を備えることを特徴とするエンコーダである。
また、本発明は、振動子が所定の固有周波数で振動する過程と、前記振動子に設けられた符号板の符号が示す位置を位置情報として検出して、前記位置情報を含む検出信号を出力する過程と、前記検出信号と前記固有周波数に対応する周波数成分とに基づいて算出された補正情報を補正情報記憶部に記憶させる過程と、前記振動子を振動させない状態において、前記位置情報を内挿処理する際に、前記補正情報に基づいて前記位置情報を補正する過程と、を含むことを特徴とする位置検出方法である。
以上説明したように、本発明によれば、内挿誤差の検出精度を高めることが可能となる。
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。
（第１実施形態）
図１は、本実施形態による内挿誤差測定装置の構成を示すブロック図である。
この図に示される内挿誤差測定装置１００は、例えば、短寸法の符号板１０、該符号板１０の変位を検出するエンコーダヘッド、音叉４０、信号源５０及び内挿誤差計測部６０を備える。
エンコーダヘッドは、光源２０、検出部３０を備える。
符号板１０は、パターン１１を含んだアブソリュート・トラックを備え、そのアブソリュート・トラックに位置を示すパターン１１（符号）が付されている。
アブソリュート・トラックに含まれるパターン１１は、検出部３０に設けられたセンサ３１と符号板１０との位置関係を絶対位置として示す位置情報を符号化して示す。その符号化は、例えばＭ系列符号が適用できる。９次のＭ系列符号を用いた場合では、「０」と「１」の２値の符号の（９＋１）個の連続する組み合わせにより、最大５１２箇所の絶対位置を識別することが可能となる。各符号の間隔は、等間隔の基本ピッチＴで定められる。
基本ピッチとは、隣接して設けられる符号が配置される間隔（識別符号の基本間隔）のことであり、並べて配置された符号の位置を定める単位長さを示す。
このパターン１１を検出する方法には、透過式と反射式がある。透過式は、光源２０とセンサ３１との間に設けられた符号板１０を介して透過した光をセンサ３１で検出する。例えば、センサ３１は、符号板１０に設けられたパターンの影を検出する。反射式は、符号板１０の表面において光源２０からの光を照射し、符号板１０からの反射光をセンサ３１で検出する。
（第１実施形態）
図１は、本実施形態による内挿誤差測定装置の構成を示すブロック図である。
この図に示される内挿誤差測定装置１００は、例えば、短寸法の符号板１０、該符号板１０の変位を検出するエンコーダヘッド、音叉４０、信号源５０及び内挿誤差計測部６０を備える。
エンコーダヘッドは、光源２０、検出部３０を備える。
符号板１０は、パターン１１を含んだアブソリュート・トラックを備え、そのアブソリュート・トラックに位置を示すパターン１１（符号）が付されている。
アブソリュート・トラックに含まれるパターン１１は、検出部３０に設けられたセンサ３１と符号板１０との位置関係を絶対位置として示す位置情報を符号化して示す。その符号化は、例えばＭ系列符号が適用できる。９次のＭ系列符号を用いた場合では、「０」と「１」の２値の符号の（９＋１）個の連続する組み合わせにより、最大５１２箇所の絶対位置を識別することが可能となる。各符号の間隔は、等間隔の基本ピッチＴで定められる。
基本ピッチとは、隣接して設けられる符号が配置される間隔（識別符号の基本間隔）のことであり、並べて配置された符号の位置を定める単位長さを示す。
このパターン１１を検出する方法には、透過式と反射式がある。透過式は、光源２０とセンサ３１との間に設けられた符号板１０を介して透過した光をセンサ３１で検出する。例えば、センサ３１は、符号板１０に設けられたパターンの影を検出する。反射式は、符号板１０の表面において光源２０からの光を照射し、符号板１０からの反射光をセンサ３１で検出する。
光源２０は、符号板１０のトラックに設けられたパターン１１の検出に必要とされる光を射出する。
検出部３０は、パターン１１（符号）が示す位置を位置情報として検出して、検出した位置情報を含む検出信号を出力する。検出部３０は、センサ３１、増幅部３２、ＡＤ変換部３３Ａ、３３Ｂ、内挿処理部３４を備える。
センサ３１は、符号板１０のトラックに設けられたパターン１１を検出する。例えば、センサ３１は、その受光面に２次元の格子上に配置された光検出素子（受光素子）が設けられた受光センサである。センサ３１は、その受光面が符号板１０のトラックに向けて配置される。また、センサ３１の光検出素子は、符号板１０に設けられたトラックの接線方向と並行に、又は、トラックに沿った方向に沿って設けられる。センサ３１の各光検出素子は、受光量に応じて光電変換を行い、それぞれの受光量に対応した電圧によって示されるアナログ信号に変換する。各光検出素子には、例えば、光電変換素子（例、フォトダイオードなど）、Ｃ−ＭＯＳ（Complementary-Metal Oxide Semiconductor）センサなどが適用できる。
検出部３０は、パターン１１（符号）が示す位置を位置情報として検出して、検出した位置情報を含む検出信号を出力する。検出部３０は、センサ３１、増幅部３２、ＡＤ変換部３３Ａ、３３Ｂ、内挿処理部３４を備える。
センサ３１は、符号板１０のトラックに設けられたパターン１１を検出する。例えば、センサ３１は、その受光面に２次元の格子上に配置された光検出素子（受光素子）が設けられた受光センサである。センサ３１は、その受光面が符号板１０のトラックに向けて配置される。また、センサ３１の光検出素子は、符号板１０に設けられたトラックの接線方向と並行に、又は、トラックに沿った方向に沿って設けられる。センサ３１の各光検出素子は、受光量に応じて光電変換を行い、それぞれの受光量に対応した電圧によって示されるアナログ信号に変換する。各光検出素子には、例えば、光電変換素子（例、フォトダイオードなど）、Ｃ−ＭＯＳ（Complementary-Metal Oxide Semiconductor）センサなどが適用できる。
増幅部３２は、センサ３１における光検出素子によって検出された受光量に応じた信号を増幅する。増幅部３２は、センサ３１が出力した信号レベルに応じて、適当な信号レベルとなるように増幅率が調整される。また、増幅部３２は、センサ３１によって検出された信号から９０度の位相差が設けられた正弦波（Ａ相、Ｂ相）に変換して出力する。例えば、Ｂ相は、Ａ相に対して９０度位相が遅れた信号とする。
ＡＤ変換部３３Ａは、増幅部３２によって出力された正弦波Ａ相の信号をデジタル信号に変換する。ＡＤ変換部３３Ｂは、増幅部３２によって出力された正弦波Ｂ相の信号をデジタル信号に変換する。
ＡＤ変換部３３Ａは、増幅部３２によって出力された正弦波Ａ相の信号をデジタル信号に変換する。ＡＤ変換部３３Ｂは、増幅部３２によって出力された正弦波Ｂ相の信号をデジタル信号に変換する。
内挿処理部３４は、ＡＤ変換部３３Ａによって変換された正弦波Ａ相のデジタル信号と、ＡＤ変換部３３Ｂによって変換された正弦波Ｂ相のデジタル信号とに基づいて、内挿処理を行い、内挿処理された位置情報を演算処理によって生成する。
９０度の位相差がある信号に基づいた内挿処理として、式（１）に示す演算式によって内挿処理結果の位相θが算出できることが知られている。
９０度の位相差がある信号に基づいた内挿処理として、式（１）に示す演算式によって内挿処理結果の位相θが算出できることが知られている。
θ＝ｔａｎ−１（ｂ／ａ） ・・・（１）
式（１）において、ａは正弦波Ａ相の値を示し、ｂは正弦波Ｂ相の値を示す。
また、内挿誤差測定装置１００における音叉４０（振動子）は、二股に分岐した振動部を備え、その振動部が所定の固有周波数で振動する。固有振動数は、音叉４０の形状、材質の硬性に依存して定まる、音叉４０の共振周波数である。
音叉４０には、二股に分岐した振動部（腕）が振動する位置(振動位置)の一方に符号板１０が設けられる。また、音叉４０には、二股に分岐した振動部が振動する位置(振動位置)の他方に、符号板１０と同じ質量の部材が設けられている。パターン１１（符号）が並べられて配置されている方向と、音叉４０（振動子）が振動する方向とが一致するように符号板１０が音叉４０（振動子）に設けられる。
また、内挿誤差測定装置１００における音叉４０（振動子）は、二股に分岐した振動部を備え、その振動部が所定の固有周波数で振動する。固有振動数は、音叉４０の形状、材質の硬性に依存して定まる、音叉４０の共振周波数である。
音叉４０には、二股に分岐した振動部（腕）が振動する位置(振動位置)の一方に符号板１０が設けられる。また、音叉４０には、二股に分岐した振動部が振動する位置(振動位置)の他方に、符号板１０と同じ質量の部材が設けられている。パターン１１（符号）が並べられて配置されている方向と、音叉４０（振動子）が振動する方向とが一致するように符号板１０が音叉４０（振動子）に設けられる。
振動源５０は、発信器５１、増幅部５２及びスピーカ５３を備える。
発信器５１は、音叉４０の固有周波数と同じ周波数の信号を発生する。増幅部５２は、発信器５１が発生した信号を増幅する。スピーカ５３（供給部）は、発信器５１が発生した信号に基づいた振動を音叉４０に供給する。これにより、音叉４０の固有振動数と同じ周波数の振動が振動源５０から供給された音叉４０は、その振動により共振する。
発信器５１は、音叉４０の固有周波数と同じ周波数の信号を発生する。増幅部５２は、発信器５１が発生した信号を増幅する。スピーカ５３（供給部）は、発信器５１が発生した信号に基づいた振動を音叉４０に供給する。これにより、音叉４０の固有振動数と同じ周波数の振動が振動源５０から供給された音叉４０は、その振動により共振する。
計測部６０は、検出部３０から出力された検出信号と音叉４０の固有周波数に対応する周波数成分とに基づいて、検出された位置情報の内挿誤差を計測する。
計測部６０は、位置情報取得部６１、検出信号記憶部６２、周波数変換処理部６３、フィルタ部６４、及び、周波数逆変換部６５を備える。
位置情報取得部６１は、検出部３０から出力された検出信号を取得し、検出信号記憶部６２に記憶させる。検出信号記憶部６２は、位置情報取得部６１が取得した検出信号と時間を示す情報とを関連付けて記憶する。
計測部６０は、位置情報取得部６１、検出信号記憶部６２、周波数変換処理部６３、フィルタ部６４、及び、周波数逆変換部６５を備える。
位置情報取得部６１は、検出部３０から出力された検出信号を取得し、検出信号記憶部６２に記憶させる。検出信号記憶部６２は、位置情報取得部６１が取得した検出信号と時間を示す情報とを関連付けて記憶する。
周波数変換処理部６３は、検出信号記憶部６２に記憶された検出信号を周波数領域の信号に変換する。フィルタ部６４は、検出信号記憶部６２に記憶された検出信号が周波数領域の信号に変換され、その変換された信号の周波数成分から、音叉４０の固有周波数に対応する周波数成分を減じた信号を生成する。つまり、フィルタ部６４は、音叉４０の固有周波数に対応する周波数成分を遮断するノッチフィルタの特性を有する。或いは、フィルタ部６４は、音叉４０の固有周波数より高いカットオフ周波数を有し、音叉４０の固有周波数を充分に減衰できるハイパスフィルタの特性を有する。
周波数逆変換部６５は、周波数変換処理部６３によって変換された信号の周波数成分から、フィルタ部６４が、音叉４０の固有周波数に対応する周波数成分を減じた周波数領域の信号を時間領域の信号に変換する。周波数逆変換部６５は、時間領域の信号に変換された信号を出力する。その変換された時間領域の信号の振幅が、内挿誤差の大きさを示す。
周波数逆変換部６５は、周波数変換処理部６３によって変換された信号の周波数成分から、フィルタ部６４が、音叉４０の固有周波数に対応する周波数成分を減じた周波数領域の信号を時間領域の信号に変換する。周波数逆変換部６５は、時間領域の信号に変換された信号を出力する。その変換された時間領域の信号の振幅が、内挿誤差の大きさを示す。
次に、内挿誤差測定装置１００を用いて、エンコーダ１の内挿誤差を計測する原理を示す。
エンコーダ１の符号板１０が、音叉４０が共振して振動する部位（振動位置）に設けられている。振動源５０は、音叉４０に対して、音叉の固有振動数とおなじ周波数の振動を供給する。供給される振動により、音叉４０が共振する。
エンコーダ１の符号板１０が、音叉４０が共振して振動する部位（振動位置）に設けられている。振動源５０は、音叉４０に対して、音叉の固有振動数とおなじ周波数の振動を供給する。供給される振動により、音叉４０が共振する。
音叉４０は、比較的安価で取り扱い容易でありながら、周波数選択性が非常に高い。音叉の励起を、振動源５０から供給する歪の小さい音で行うことによって、更に純度の高い単振動を継続的に得ることができる。例えば、音の歪率が１％であり、音叉４０の周波数選択性が６０ｄＢ以上確保できれば、歪率0.001％の単振動を得ることができる。これは、例えば２μｍ（マイクロメートル）周期（例、エンコーダの信号同期の周期）に対して、歪率0.001％の時の誤差が0.02ｎｍ(ナノメートル)に相当するので、１ｎｍ精度の内挿誤差を計測するには十分である。したがって、被計測センサ（例、エンコーダ１）の出力信号から音叉４０の振動周波数を取り除いた残分の殆どが、披検センサであるエンコーダの誤差であると推定できる。
計測部６０は、検出された検出信号から、音叉４０の固有周波数に対応する周波数成分を減じた信号に基づいて、検出された位置情報の内挿誤差を計測する。計測部６０では、検出された検出信号と時間を示す情報とを関連付けて検出信号記憶部６２が記憶する。計測部６０は、検出信号記憶部６２に記憶された検出信号を周波数領域の信号に変換し、その変換された信号の周波数成分からその固有周波数に対応する周波数成分を減じた信号に基づいて前記内挿誤差を計測する。計測部６０は、変換された信号の周波数成分から固有周波数に対応する周波数成分を減じた信号に含まれる固有周波数の高次の周波数成分に基づいて内挿誤差を計測する。計測部６０は、変換された信号の周波数成分から固有周波数に対応する周波数成分を減じた周波数領域の信号を時間領域の信号に変換する。計測部６０は、変換された時間領域の信号が示す振幅に基づいて内挿誤差を計測する。
音叉４０の固有振動数の周波数（共振周波数）を１２５Ｈｚのものを選択した場合を例にして、以下の説明を行う。
発振器５１から、１２５Ｈｚの正弦波を発生させて、増幅器５２を通じてスピーカ５３を鳴らす。スピーカ５３の近傍で、スピーカ５３が出力する音（振動）が届く位置に、１２５Ｈｚに共振周波数を持つ音叉４０を設置する。音叉４０の腕（共振して振動する部位）の中ほどには、短寸法のエンコーダ１の符号板１０（スケール）を貼り付けている。スケールの変位を計測するために検出部３０をスケールから所定距離だけ離して設置する。多くの高精度センサがそうであるように、この光源２０と検出部３０とを含むエンコーダヘッドはスケールと非接触で計測する。図示していないが、音叉４０の共鳴特性に影響を与えないように、反対の腕にも、符号板１０（スケール）と同じ重量のダミースケールを貼り付ける。
アンプで音量を調整し、音叉４０を内挿誤差計測に十分な振幅、すなわち符号板１０のスケールピッチ（パターン１１の基本ピッチ）の数倍の振幅で、エンコーダ１の符号板１０の移動方向に振動させる。例えば、エンコーダ１におけるパターン１１の基本ピッチが２μｍであれば、基本ピッチの倍以上の振幅を確保するように、符号板１０を移動させる振幅を５μｍ程度にする。共振周波数が１２５Ｈｚの音叉４０であれば、十分にこの振幅を得ることができる。なお、外部からの音による計測誤差を防ぐために、この装置全体を遮音チャンバに入れることが望ましい。
発振器５１から、１２５Ｈｚの正弦波を発生させて、増幅器５２を通じてスピーカ５３を鳴らす。スピーカ５３の近傍で、スピーカ５３が出力する音（振動）が届く位置に、１２５Ｈｚに共振周波数を持つ音叉４０を設置する。音叉４０の腕（共振して振動する部位）の中ほどには、短寸法のエンコーダ１の符号板１０（スケール）を貼り付けている。スケールの変位を計測するために検出部３０をスケールから所定距離だけ離して設置する。多くの高精度センサがそうであるように、この光源２０と検出部３０とを含むエンコーダヘッドはスケールと非接触で計測する。図示していないが、音叉４０の共鳴特性に影響を与えないように、反対の腕にも、符号板１０（スケール）と同じ重量のダミースケールを貼り付ける。
アンプで音量を調整し、音叉４０を内挿誤差計測に十分な振幅、すなわち符号板１０のスケールピッチ（パターン１１の基本ピッチ）の数倍の振幅で、エンコーダ１の符号板１０の移動方向に振動させる。例えば、エンコーダ１におけるパターン１１の基本ピッチが２μｍであれば、基本ピッチの倍以上の振幅を確保するように、符号板１０を移動させる振幅を５μｍ程度にする。共振周波数が１２５Ｈｚの音叉４０であれば、十分にこの振幅を得ることができる。なお、外部からの音による計測誤差を防ぐために、この装置全体を遮音チャンバに入れることが望ましい。
エンコーダ１の内挿誤差は、符号板１０に設けられたパターン１１と、センサ３１との位置関係に依存する傾向がある。このような傾向を有する内挿誤差であれば、パターン１１の基本ピッチの幅を１周期として変化する誤差成分が大きくなる。
このような条件の下で、エンコーダ１の符号板１０に単振動を与えることにより、与えた単振動の高調波の周波数に、基本ピッチの幅を１周期として変化する誤差成分が変換される。
上記では、説明を単純にするために、基本ピッチの幅を１周期として変化する誤差成分を例にして示したが、さらに高次の周期性を有する誤差成分は、単振動の周波数の倍の周波数より高次の周波数成分に変換される。このように、単振動の周波数の倍以上の周波数成分を検出することにより、内挿誤差を判定することが可能となる。
このような条件の下で、エンコーダ１の符号板１０に単振動を与えることにより、与えた単振動の高調波の周波数に、基本ピッチの幅を１周期として変化する誤差成分が変換される。
上記では、説明を単純にするために、基本ピッチの幅を１周期として変化する誤差成分を例にして示したが、さらに高次の周期性を有する誤差成分は、単振動の周波数の倍の周波数より高次の周波数成分に変換される。このように、単振動の周波数の倍以上の周波数成分を検出することにより、内挿誤差を判定することが可能となる。
図２を参照し、内挿誤差を判定における信号処理の方法を示す。
図２は、本実施形態における内挿誤差を判定における信号処理を示す図である。
図２（ａ）の波形は、振動源５０から振動を供給して、音叉４０を一定振幅で振動させている状態で、エンコーダ１が内挿処理を行って出力される位置情報の変化を示す。その状態で、エンコーダ１から出力される位置情報を位置情報取得部６１が継続的に取得して、予め定められた一定時間の位置情報の変化を検出信号記憶部６２に記録する。記録される情報は、時間経過に応じて変化する時間軸データである。
図２は、本実施形態における内挿誤差を判定における信号処理を示す図である。
図２（ａ）の波形は、振動源５０から振動を供給して、音叉４０を一定振幅で振動させている状態で、エンコーダ１が内挿処理を行って出力される位置情報の変化を示す。その状態で、エンコーダ１から出力される位置情報を位置情報取得部６１が継続的に取得して、予め定められた一定時間の位置情報の変化を検出信号記憶部６２に記録する。記録される情報は、時間経過に応じて変化する時間軸データである。
周波数変換処理部６３は、その時間軸データをＦＦＴ（Fast Fourier Transform）処理などの周波数変換処理によって、周波数に応じて変換された周波数軸データに変換する。
図２（ｂ）の波形は、周波数軸データに変換された位置情報の変化を示す。
この変換により、エンコーダ１が内挿誤差を持つ場合には、音叉４０の固有周波数（音叉周波数である１２５Ｈｚ）の高調波成分が現われる。高調波成分の値は、内挿誤差の大きさに応じて変化する。
図２（ｃ）の波形が示すように、フィルタ部６４は、周波数軸データ（ＦＦＴデータ）から、音叉４０の固有周波数の成分を低減（又は消去）する。この固有周波数の成分の消去は、固有周波数の高調波成分の情報（高調波成分の振幅と位相）に影響を与えないように、固有周波数を含む狭い周波数帯域で行う。
図２（ｂ）の波形は、周波数軸データに変換された位置情報の変化を示す。
この変換により、エンコーダ１が内挿誤差を持つ場合には、音叉４０の固有周波数（音叉周波数である１２５Ｈｚ）の高調波成分が現われる。高調波成分の値は、内挿誤差の大きさに応じて変化する。
図２（ｃ）の波形が示すように、フィルタ部６４は、周波数軸データ（ＦＦＴデータ）から、音叉４０の固有周波数の成分を低減（又は消去）する。この固有周波数の成分の消去は、固有周波数の高調波成分の情報（高調波成分の振幅と位相）に影響を与えないように、固有周波数を含む狭い周波数帯域で行う。
周波数逆変換部６５は、この特定周波数消去処理（固有周波数の成分の低減処理）後の周波数データに対して逆ＦＦＴ処理（周波数逆変換処理）を行って、時間軸データに変換する。
図２（ｄ）の波形は、特定周波数消去処理（固有周波数の成分の低減処理）後の周波数データに対して逆ＦＦＴ処理（周波数逆変換処理）を行った結果を示す。このように、周波数逆変換処理によって内挿誤差成分の波形を得ることができる。
図２（ｄ）の波形は、特定周波数消去処理（固有周波数の成分の低減処理）後の周波数データに対して逆ＦＦＴ処理（周波数逆変換処理）を行った結果を示す。このように、周波数逆変換処理によって内挿誤差成分の波形を得ることができる。
或いは、周波数変換処理部６３によって行われた周波数変換処理（ＦＦＴ処理）の結果（図２(ｂ)参照）のみから、高調波成分の信号強度として検出される内挿誤差成分を実効振幅で評価しても良い。
音叉４０の振動は、非常に繰り返し性が良いので、長時間のデータ収集を行っても、その間に発生する振動の状態変化が少ない。収集した長時間のデータに含まれる時間経過による影響が少ないことから、長時間のデータを用いることによって、検出データの時間依存性を低減させることができ、精度よく平均化処理がなされるという効果を得ることができる。この方法によれば、基準センサを用いることなく、高精度な内挿誤差測定を安価に実現できる。
音叉４０の振動は、非常に繰り返し性が良いので、長時間のデータ収集を行っても、その間に発生する振動の状態変化が少ない。収集した長時間のデータに含まれる時間経過による影響が少ないことから、長時間のデータを用いることによって、検出データの時間依存性を低減させることができ、精度よく平均化処理がなされるという効果を得ることができる。この方法によれば、基準センサを用いることなく、高精度な内挿誤差測定を安価に実現できる。
（第２実施形態）
図３は、本実施形態によるエンコーダの構成を示すブロック図である。
この図に示されるエンコーダ１Ａは、符号板１０Ａ、１０Ｂ、光源２０、検出部３０、音叉４０、内挿誤差算出部７０、減算器８０を備える。図１に示した構成と同じ構成には、同じ符号を附す。また、エンコーダ１Ａは、振動源５０を用いて内挿誤差を計測する。
符号板１０Ａは、符号板１０（図１）と同じく位置を示すパターン１１Ａが付されている。符号板１０Ａは、パターン１１Ａを含んだアブソリュート・トラックを備える。符号板１０Ｂは、符号板１０（図１）と同じく位置を示すパターン１１Ｂが付されている。符号板１０Ｂは、パターン１１Ｂを含んだアブソリュート・トラックを備える。
符号板１０Ａと符号板１０Ｂとは、エンコーダ１Ａの移動方向の延長線上に位置して、エンコーダ１Ａによって位置を計測可能な範囲に設けられる。
符号板１０Ａは、符号板１０（図１）と同じく音叉４０の腕に設けられ、エンコーダ１Ａにおける内挿誤差の計測に用いられる。一方、符号板１０Ｂは、被検出対象の移動位置の計測に用いられる。
また、符号板１０Ａに付されているパターン１１Ａと、１０Ｂに付されているパターン１１Ｂとは、同じ符号を示し、例えば、パターン１１（図１）に示した符号とそれぞれ同じ符号を示す。
図３は、本実施形態によるエンコーダの構成を示すブロック図である。
この図に示されるエンコーダ１Ａは、符号板１０Ａ、１０Ｂ、光源２０、検出部３０、音叉４０、内挿誤差算出部７０、減算器８０を備える。図１に示した構成と同じ構成には、同じ符号を附す。また、エンコーダ１Ａは、振動源５０を用いて内挿誤差を計測する。
符号板１０Ａは、符号板１０（図１）と同じく位置を示すパターン１１Ａが付されている。符号板１０Ａは、パターン１１Ａを含んだアブソリュート・トラックを備える。符号板１０Ｂは、符号板１０（図１）と同じく位置を示すパターン１１Ｂが付されている。符号板１０Ｂは、パターン１１Ｂを含んだアブソリュート・トラックを備える。
符号板１０Ａと符号板１０Ｂとは、エンコーダ１Ａの移動方向の延長線上に位置して、エンコーダ１Ａによって位置を計測可能な範囲に設けられる。
符号板１０Ａは、符号板１０（図１）と同じく音叉４０の腕に設けられ、エンコーダ１Ａにおける内挿誤差の計測に用いられる。一方、符号板１０Ｂは、被検出対象の移動位置の計測に用いられる。
また、符号板１０Ａに付されているパターン１１Ａと、１０Ｂに付されているパターン１１Ｂとは、同じ符号を示し、例えば、パターン１１（図１）に示した符号とそれぞれ同じ符号を示す。
内挿誤差算出部７０は、検出部３０から出力された検出信号と音叉４０の固有周波数に対応する周波数成分とに基づいて、検出された位置情報の内挿誤差を計測する。
内挿誤差算出部７０は、位置情報取得部７１、検出信号記憶部７２、周波数変換処理部７３、フィルタ部７４、周波数逆変換部７５、補正情報記憶部７６、補正情報出力処理部７７を備える。
内挿誤差算出部７０における位置情報取得部７１、検出信号記憶部７２、周波数変換処理部７３、及び、フィルタ部７４は、計測部６０における位置情報取得部６１、検出信号記憶部６２、周波数変換処理部６３、及び、フィルタ部６４に対応し、特記した構成以外はそれぞれ同じである。
内挿誤差算出部７０は、位置情報取得部７１、検出信号記憶部７２、周波数変換処理部７３、フィルタ部７４、周波数逆変換部７５、補正情報記憶部７６、補正情報出力処理部７７を備える。
内挿誤差算出部７０における位置情報取得部７１、検出信号記憶部７２、周波数変換処理部７３、及び、フィルタ部７４は、計測部６０における位置情報取得部６１、検出信号記憶部６２、周波数変換処理部６３、及び、フィルタ部６４に対応し、特記した構成以外はそれぞれ同じである。
補正情報記憶部７６は、時間領域の信号に変換された誤差情報をパターン１１Ａの基本ピッチを１周期とする位相情報をキーとして記憶する。また、補正情報記憶部７６は、記憶する誤差情報の位相と、実際の誤差情報の位相とを調整する位相オフセット値を記憶する。
周波数逆変換部７５は、周波数変換処理部７３によって変換された誤差情報の周波数成分から、フィルタ部７４が、音叉４０の固有周波数に対応する周波数成分を減じた周波数領域の信号を時間領域の信号に変換する。周波数逆変換部６５は、時間領域の信号に変換された信号が示す情報の時間軸を、パターン１１Ａの基本ピッチを１周期として示す空間座標軸に変換する。座標変換された情報は、パターン１１Ａの基本ピッチを１周期に対応する内挿誤差の情報となる。周波数逆変換部７５は、座標変換された情報をパターン１１Ａの基本ピッチを１周期とする位相情報をキーにして対応する情報（補正情報）を、補正情報記憶部７６に記録する。
周波数逆変換部７５は、周波数変換処理部７３によって変換された誤差情報の周波数成分から、フィルタ部７４が、音叉４０の固有周波数に対応する周波数成分を減じた周波数領域の信号を時間領域の信号に変換する。周波数逆変換部６５は、時間領域の信号に変換された信号が示す情報の時間軸を、パターン１１Ａの基本ピッチを１周期として示す空間座標軸に変換する。座標変換された情報は、パターン１１Ａの基本ピッチを１周期に対応する内挿誤差の情報となる。周波数逆変換部７５は、座標変換された情報をパターン１１Ａの基本ピッチを１周期とする位相情報をキーにして対応する情報（補正情報）を、補正情報記憶部７６に記録する。
補正情報出力処理部７７は、補正情報記憶部７６に記憶されている情報（補正情報）と位相オフセット値とを参照して、パターン１１Ｂの位置を補正する内挿誤差の補正量を出力する。
補正情報出力処理部７７は、内挿誤差の補正情報を取得する初期化処理する場合、パターン１１Ａの基本ピッチの基準位相に対して生じる実際の誤差情報と、補正情報記憶部７６に記憶される誤差情報との差が小さくなる位相を検出し、その位相差を示す位相オフセット値を補正情報記憶部７６に記憶する。
補正情報出力処理部７７は、パターン１１Ｂの位置を補正する内挿誤差の補正量を出力する場合、補正情報記憶部７６に記憶されている情報（補正情報）を実際の誤差情報と、補正情報記憶部７６に記憶される誤差情報との位相差を調整する位相オフセット値に基づいて参照し、補正情報記憶部７６に記憶されている当該補正情報を出力する。
また、減算器８０（補正部）は、内挿処理部３４から出力される位置情報に、補正情報出力処理部７７から出力された補正情報を減算し、内挿処理部３４から出力される位置情報を補正して出力する。
補正情報出力処理部７７は、内挿誤差の補正情報を取得する初期化処理する場合、パターン１１Ａの基本ピッチの基準位相に対して生じる実際の誤差情報と、補正情報記憶部７６に記憶される誤差情報との差が小さくなる位相を検出し、その位相差を示す位相オフセット値を補正情報記憶部７６に記憶する。
補正情報出力処理部７７は、パターン１１Ｂの位置を補正する内挿誤差の補正量を出力する場合、補正情報記憶部７６に記憶されている情報（補正情報）を実際の誤差情報と、補正情報記憶部７６に記憶される誤差情報との位相差を調整する位相オフセット値に基づいて参照し、補正情報記憶部７６に記憶されている当該補正情報を出力する。
また、減算器８０（補正部）は、内挿処理部３４から出力される位置情報に、補正情報出力処理部７７から出力された補正情報を減算し、内挿処理部３４から出力される位置情報を補正して出力する。
エンコーダ１Ａにおける、内挿誤差を補正する原理を示す。
内挿処理部３４によって、例えば２相の正弦波から逆正接計算によって内挿処理された位置情報を得ることができる。このとき正弦波にオフセットや２相の振幅差があると内挿誤差が生じることが知られている。内挿誤差は周期的であるのでエンコーダ信号の一周期（パターン１１の基本ピッチに相当)に対する位相の関数と考えることができる。第１実施形態に示した内挿誤差計測装置６０は、内挿誤差の波形を知ることができるが、これはエンコーダ１が出力する原エンコーダ信号との位相関係を明示的に知ることは難しい。
内挿処理部３４によって、例えば２相の正弦波から逆正接計算によって内挿処理された位置情報を得ることができる。このとき正弦波にオフセットや２相の振幅差があると内挿誤差が生じることが知られている。内挿誤差は周期的であるのでエンコーダ信号の一周期（パターン１１の基本ピッチに相当)に対する位相の関数と考えることができる。第１実施形態に示した内挿誤差計測装置６０は、内挿誤差の波形を知ることができるが、これはエンコーダ１が出力する原エンコーダ信号との位相関係を明示的に知ることは難しい。
そこで、本実施形態に示すエンコーダ１Ａでは、内挿誤差を補正するために、符号板１０Ａを用いたキャリブレーション処理を２つのステップに分けて行う。
最初に行う第１のステップのキャリブレーション処理において、位置情報取得部７１は、計測された内挿誤差の変化に基づいて生成される誤差波形を、補正情報記憶部７６（誤差補正メモリ）に一旦記憶する。この第１のステップの処理は、前述の第１実施形態に示した処理と同様の処理である。
最初に行う第１のステップのキャリブレーション処理において、位置情報取得部７１は、計測された内挿誤差の変化に基づいて生成される誤差波形を、補正情報記憶部７６（誤差補正メモリ）に一旦記憶する。この第１のステップの処理は、前述の第１実施形態に示した処理と同様の処理である。
続いて行う第２のステップのキャリブレーション処理において、位置情報取得部７１は、補正情報記憶部７６に一旦記憶した誤差波形を読み出して、再度キャリブレーションを行って補正結果の評価を行う。この第２のステップでは、補正情報記憶部７６に記憶させる誤差波形の位相を一定量ずらしながら読み出して、繰り返し計測を行って誤差が最小になる位相を検出する。例えば、基本ピッチを１周期とした３６０°に対して１０°ずつ位相をずらしながら３６回の計測を行う。繰り返して行った計測結果の中から、誤差の値が最小となる最良の位相を検出する。最終的に、誤差の値が最小となる最良の位相位置で、補正情報記憶部７６に記憶される補正情報を読み出す位相を固定してキャリブレーション処理を終了させる。この最良の位相位置は、内挿処理の演算において基準とした基準位相に対してのオフセット値（位相オフセット値）として確定され、補正情報記憶部７６に記憶することができる。
この２ステップに分けて行われるキャリブレーション処理により、符号板１０Ａを用いた位置情報の検出によって発生する内挿誤差の変化を補正する補正情報を補正情報記憶部７６に記憶するとともに、記憶した補正情報を適正な位相で読み出すことにより、発生する内挿誤差の波形と、補正情報によって生成する波形の位相とを一致させることができる。
このキャリブレーション処理を終えた後に、エンコーダ１Ａは、符号板１０Ｂの位置まで移動させて、符号板１０Ｂに設けられたパターン１１Ｂによって示される位置情報を検出し、その位置情報に含まれる内挿誤差を、キャリブレーション処理により生成された補正情報に基づいて補正する。この補正では、内挿処理部３４によってない挿入処理された位置情報から、補正情報記憶部７６に記憶された補正情報を、位相オフセット値に従って位相調整を行って減算することにより、内挿処理部３４が生成した位置情報に含まれていた内挿誤差を低減させることができる。
エンコーダ１Ａにおいては、以上に示した手順の内挿入誤差補正処理による内挿誤差を補正することにより、内挿誤差の検出精度を高めることが可能となる。
このキャリブレーション処理を終えた後に、エンコーダ１Ａは、符号板１０Ｂの位置まで移動させて、符号板１０Ｂに設けられたパターン１１Ｂによって示される位置情報を検出し、その位置情報に含まれる内挿誤差を、キャリブレーション処理により生成された補正情報に基づいて補正する。この補正では、内挿処理部３４によってない挿入処理された位置情報から、補正情報記憶部７６に記憶された補正情報を、位相オフセット値に従って位相調整を行って減算することにより、内挿処理部３４が生成した位置情報に含まれていた内挿誤差を低減させることができる。
エンコーダ１Ａにおいては、以上に示した手順の内挿入誤差補正処理による内挿誤差を補正することにより、内挿誤差の検出精度を高めることが可能となる。
（第３実施形態）
図４を参照し、上述の符号板を振動させる他の態様について示す。
図４は、符号板が設けられるステージ部を示す構成図である。
図１に示した音叉４０とスピーカ５３の代わりに、図４に示すように共振点をもったステージ部４０Ａ（振動子）を用いる構成としてもよい。
ステージ部４０Ａは、圧電素子５３Ａで駆動される可動台４０Ａ−１に、板バネ４０Ａ−２で連結されたステージ４０Ａ−３を備える。
このステージ部４０Ａは、ステージ４０Ａ−３の重量と板バネ４０Ａ−２の剛性で決まる特定の共振点（共振周波数）を持つ。
図４を参照し、上述の符号板を振動させる他の態様について示す。
図４は、符号板が設けられるステージ部を示す構成図である。
図１に示した音叉４０とスピーカ５３の代わりに、図４に示すように共振点をもったステージ部４０Ａ（振動子）を用いる構成としてもよい。
ステージ部４０Ａは、圧電素子５３Ａで駆動される可動台４０Ａ−１に、板バネ４０Ａ−２で連結されたステージ４０Ａ−３を備える。
このステージ部４０Ａは、ステージ４０Ａ−３の重量と板バネ４０Ａ−２の剛性で決まる特定の共振点（共振周波数）を持つ。
圧電素子５３Ａに、ステージ４０Ａ−３を含むステージ部４０Ａの共振周波数と同一の駆動電圧をかけることによって、ステージ部４０Ａ−３に単振動が生じる。ステージ部４０Ａ−３に搭載された符号板１０を、図示しないエンコーダヘッドで計測することによって、第１実施形態と同様に内挿誤差を計測できる。
なお、本発明の実施形態は、上記の実施形態に示した構成に限定されず、発明の要旨を変更しない範囲で変更可能である。
例えば、パターン１１は、絶対位置を示すアブソリュートパターンに限られず、相対位置を示すインクリメンタルパターンであってもよく、また、双方を組み合わせたものであっても良い。
例えば、パターン１１は、絶対位置を示すアブソリュートパターンに限られず、相対位置を示すインクリメンタルパターンであってもよく、また、双方を組み合わせたものであっても良い。
また、本実施形態におけるパターン１１Ｂは、直線上である場合に限られず、円盤形状の符号板１０Ｂの同心円周上にあるトラックに設けても良い。例えば、エンコーダ１Ａによって検出する符号板１０Ｂの位置の外周付近に符号板１０Ａを設けた音叉４０を配置する。そして、音叉４０の振動方向と、エンコーダ１Ａによって検出するパターン１１Ｂに並べて設けられた符号の接線方向が一致するように配置する。エンコーダ１Ａは、上記の２箇所の位置を移動させることにより、回転角度を検出するエンコーダにも適用可能となる。
また、本実施形態において周波数変換を行う際に、抽出された情報の重み付けを行う窓関数を用いて周波数変換してもよい。
また、本実施形態におけるエンコーダは、上記に示した構成を一体化したものに限られず、構成の一部を分離して構成することができる。
また、本実施形態におけるエンコーダは、上記に示した構成を一体化したものに限られず、構成の一部を分離して構成することができる。
１ エンコーダ
１０ 符号板
３０ 検出部
４０ 音叉（振動子）
６０ 内挿誤差計測部（計測部）
１０ 符号板
３０ 検出部
４０ 音叉（振動子）
６０ 内挿誤差計測部（計測部）
Claims (15)
- 所定の固有周波数で振動する振動子と、
前記振動子に設けられ、位置を示す符号が付されている符号板と、
前記符号が示す位置を位置情報として検出して、前記位置情報を含む検出信号を出力する検出部と、
前記検出部から出力された検出信号と前記固有周波数に対応する周波数成分とに基づいて、前記位置情報の内挿誤差を計測する計測部と
を備えることを特徴とする内挿誤差測定装置。 - 前記計測部は、前記検出信号から前記固有周波数に対応する周波数成分を減じた信号に基づいて、前記内挿誤差を計測する
ことを特徴とする請求項１に記載の内挿誤差測定装置。 - 前記検出信号と時間を示す情報とを関連付けて記憶する検出信号記憶部を備え、
前記計測部は、前記検出信号記憶部に記憶された前記検出信号を周波数領域の信号に変換し、前記変換された信号の周波数成分から前記固有周波数に対応する周波数成分を減じた信号に基づいて前記内挿誤差を計測する
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の内挿誤差測定装置。 - 前記計測部は、前記変換された信号の周波数成分から前記固有周波数に対応する周波数成分を減じた信号に含まれる前記固有周波数の高次の周波数成分に基づいて前記内挿誤差を計測する
ことを特徴とする請求項３に記載の内挿誤差測定装置。 - 前記計測部は、前記変換された信号の周波数成分から前記固有周波数に対応する周波数成分を減じた周波数領域の信号を時間領域の信号に変換し、前記変換された時間領域の信号が示す振幅に基づいて前記内挿誤差を計測する
ことを特徴とする請求項３に記載の内挿誤差測定装置。 - 前記振動子は、二股に分岐した振動部を備える音叉である
ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の内挿誤差測定装置。 - 前記音叉は、前記二股に分岐した振動部の一方に前記符号板が設けられる
ことを特徴とする請求項６に記載の内挿誤差測定装置。 - 前記音叉は、前記二股に分岐した振動部の他方に、前記符号板と同じ質量の部材が設けられている
ことを特徴とする請求項７に記載の内挿誤差測定装置。 - 前記固有周波数と同じ周波数の振動を前記振動子に対して供給する振動源
を備え、
前記振動源は、
前記固有周波数と同じ周波数の信号を発生する発信器と、
前記発生された信号に基づいた振動を供給する供給部と、
を備えることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の内挿誤差測定装置。 - 前記発信器は、
前記固有周波数と同じ周波数の正弦波を発生する
ことを特徴とする請求項９に記載の内挿誤差測定装置。 - 前記符号板には、前記振動子が振動する振幅より狭い基本間隔に従って、前記符号が並べられて配置され、
前記符号板は、前記符号が並べられて配置されている方向と、前記振動子が振動する方向とが一致するように前記振動子に設けられる
ことを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の内挿誤差測定装置。 - 前記振動子は、前記固有周波数で共振する
ことを特徴とする請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の内挿誤差測定装置。 - 振動子が所定の固有周波数で振動する過程と、
前記振動子に設けられた符号板の符号が示す位置を位置情報として検出して、前記位置情報を含む検出信号を出力する過程と、
前記検出信号と前記固有周波数に対応する周波数成分とに基づいて、前記位置情報の内挿誤差を計測する過程と、
を含むことを特徴とする内挿誤差測定方法。 - 所定の固有周波数で振動共振する振動子と、
前記振動子に設けられ、位置を示す符号が付されている符号板と、
前記符号が示す位置を位置情報として検出して、前記位置情報を含む検出信号を出力する検出部と、
前記検出された位置情報を補正する補正情報を記憶する補正情報記憶部と、
前記検出信号と前記固有周波数に対応する周波数成分とに基づいて前記補正情報を算出し、前記補正情報を前記補正情報記憶部に記憶させる内挿誤差算出部と、
前記振動子を振動させない状態において、前記位置情報を内挿処理する際に、前記補正情報に基づいて前記位置情報を補正する補正部と、
を備えることを特徴とするエンコーダ。 - 振動子が所定の固有周波数で振動する過程と、
前記振動子に設けられた符号板の符号が示す位置を位置情報として検出して、前記位置情報を含む検出信号を出力する過程と、
前記検出信号と前記固有周波数に対応する周波数成分とに基づいて算出された補正情報を補正情報記憶部に記憶させる過程と、
前記振動子を振動させない状態において、前記位置情報を内挿処理する際に、前記補正情報に基づいて前記位置情報を補正する過程と、
を含むことを特徴とする位置検出方法。
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