JP2013040834A - エンコーダ装置、及び装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】エンコーダ装置は、基準位置を示す基準位置パターンと位置情報パターンとを有するスケールと、スケールに光を照射する光源と、光を変調させる変調信号を生成する変調部と、変調信号に基づいて変調された変調光によって位置情報パターンを検出した位置情報信号に基づいて、スケールの位置情報を検出する位置情報検出部と、変調光によって基準位置パターンを検出した検出信号を出力する基準位置受光部と、検出信号に基づいて、基準位置を検出する基準位置検出部と、を備え、基準位置検出部は、光を変調することによって生じる基準位置の変位を補正する補正部を備える。
【選択図】図3
Description
図1は、第1の実施形態によるエンコーダ装置1の光学系4の構成を示す模式図である。また、図2は、インデックス格子5、スケール6、及び受光部7の構成を示す図である。
エンコーダ装置1は、例えば、波長変調型の回折干渉方式のエンコーダであり、所定の移動方向(例えば、X軸方向のような一方向)に移動するスケール6の位置情報(例えば、スケール6の移動方向、移動量、あるいは変位など)を検出する光学式エンコーダである。また、第1の実施形態によるエンコーダ装置1は、スケール6の基準位置(例えば、原点位置PZ)を検出する機能を有している。なお、本実施形態によるエンコーダ装置1の位置関係を説明するため、図1において、紙面の下方に向かう方向をY軸の正方向、紙面の右方向をX軸の正方向として、以下説明する。また、図2において、光源部2から照射方向(+Y軸方向)に向かってインデックス格子5、スケール6、及び受光部7を見た場合の図である。
なお、光源部2、コリメータレンズ3、ガラスブロック41、インデックス格子5、及び受光部7は、検出ヘッド部9(検出ヘッド)に対応する。光源部2、コリメータレンズ3、ガラスブロック41、インデックス格子5、及び受光部7は、検出ヘッド部9に一体的に支持されている。また、検出ヘッド部9とスケール6とは、上述したX軸方向に、相対的に移動する。
コリメータレンズ3は、光源部2が出射した変調光を受光し、Y軸方向の平行光に偏向する。コリメータレンズ3は、偏向した平行光を光学系4に照射する。
よって、ガラスブロック41を透過する光の光路長は、この屈折率N(例えば、屈折率N1)および厚さDの大きさに応じて、例えば空気中を透過する光の光路長に比べて長くなる。つまり、ガラスブロック41は、スケール6に照射される光の光路長を相対的に変更することができる。
ランダムパターンスリット(51、52)は、スケール6が原点位置PZである場合に、後述するスケール6の原点パターン60におけるランダムパターン(61、62)に対応する位置にスリットが配置されるように形成されている。
また、スケール6は、図2の(b)に示すように、位置検出に使用されるスケールであって、位置情報を検出するための位置パターン63(位置情報パターン)とスケール6の基準位置(一例として、原点位置PZ)を示す基準位置パターン(原点パターン60)とを有している。
なお、位置パターン63は、ガラスブロック41を介した回折光と、ガラスブロック41を介していない回折光との干渉光を受光部7に射出する。
原点受光素子71は、光源部2から照射された変調光がランダムパターンスリット51を介して原点パターン60を透過した光を受光(検出)し、第1信号ZL(検出信号)を出力する。また、原点受光素子72は、光源部2から照射された変調光がランダムパターンスリット52を介して原点パターン60を透過した光を受光(検出)し、第2信号ZR(検出信号)を出力する。
なお、第1信号ZLは、上述したランダムパターンスリット51及びランダムパターン61によって、原点位置PZに対して、異なる信号レベルに急峻に遷移する。また、第2信号ZRは、上述したランダムパターンスリット52及びランダムパターン62によって、原点位置PZに対して、異なる信号レベルに急峻に遷移する。
図3は、本実施形態におけるエンコーダ装置1を示す概略ブロック図である。
図3において、図1及び図2と同一の構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。なお、図3において、光学系4は、原点光学系42及び主信号光学系43を有している。ここで、インデックス格子5の原点パターン50(ランダムパターンスリット(51、52))とスケール6の原点パターン60とが原点光学系42に対応する。また、ガラスブロック41と、インデックス格子5の位置パターンスリット53と、スケール6の位置パターン63とが主信号光学系43に対応する。
変調部81は、光の波長を周期的に変調させる変調信号を生成する。すなわち、変調部81は、スケール6に(位置パターン63と原点パターン50とに)照射する光を変調する変調信号を生成する。変調部81は、例えば、正弦波状に変調した変調信号を生成する。変調部81は、生成した変調信号をドライブ部82、内挿回路部83、及び原点検出部90に供給する。
ここで、位置情報とは、例えば、スケール6の移動方向、移動量、あるいは変位を含むものである。このような内挿回路部83による位置情報の検出方法は、例えば、「米国特許第6,639,686明細書」の信号処理方法を利用することができる。
なお、検出信号(第1信号ZL及び第2信号ZR)は、変調光の光量変化による変調周波数成分が重畳されている。そのため、原点検出部90は、検出した原点位置PZの変調による変位を補正する変調補正部93(後述する図4参照)を備えている。本実施形態では、原点検出部90の変調補正部93は、変調部81から供給された変調信号をもとに生成した補正信号に基づいて、光を変調することによって(変調光によって)生じる原点位置PZの変位を補正する。
図4は、本実施形態における原点検出部90を示す概略ブロック図である。
図4において、原点検出部90は、差動回路部91、コンパレータ部(92、95)、変調補正部93、及び加算回路部94を備えている。なお、本実施形態による原点検出部90は、変調部81から供給された変調信号に基づいて、コンパレータ部92の基準電圧である閾値電圧を変更する一実施形態について説明する。
抵抗R1は、第1信号ZLの検出信号線とオペアンプ87の反転入力端子(−(マイナス))との間に接続され、抵抗R2は、第2信号ZRの検出信号線とオペアンプ87の反転入力端子(−)との間に接続されている。また、抵抗R3は、オペアンプ87の出力端子とオペアンプ87の反転入力端子(−)との間に接続され、オペアンプ87に負帰還をかけている。なお、オペアンプ87の非反転入力端子(+(プラス))は、接地されている。ここで、抵抗R1〜R3は、例えば、同じ抵抗値を持つ。
抵抗(R6、R7)は、原点有効信号Z_VALIDを二値化するために、抵抗(R4、R5)によって生成される閾値電圧VAにヒステリシスを付加している。なお、閾値電圧VAは、抵抗(R4、R5)の抵抗分圧により生成され、例えば、第1信号ZL及び第2信号ZRの出力電圧レベルである(+V)及び(−V)の中間値を示す電位が設定されている。
オペアンプ85は、コンパレータとして機能し、反転入力端子(−)がオペアンプ84の出力端子に、非反転入力端子(+)が抵抗R12を介してオペアンプ86の出力端子に、それぞれ接続されている。また、オペアンプ85は、抵抗R13を介して、出力端子と非反転入力端子(+)とが接続され、正帰還がかけられている。なお、ここで、オペアンプ85の非反転入力端子(+)をノードBとし、ノードBにおける電圧を電圧VBとして説明する。
抵抗(R12、R13)は、原点信号Z_SIGを二値化するために、変調補正部93によって生成される所定の閾値(補正信号の電圧)にヒステリシスを付加している。このヒステリシスは、コンパレータ部92の出力である原点信号Z_SIGに、チャタリングが生じることを抑えている。ここで、例えば、コンパレータ部92の正の出力電圧を電圧VOUTとした場合におけるヒステリシスを付加した閾値電圧VHは、下記の式(1)によって示される。
すなわち、検出ヘッド部9に対して、スケール6を+X軸方向に移動させた場合、信号(ZR−ZL)が電圧VHに達すると、原点信号Z_SIGが、信号レベルH(High:ハイ)から信号レベルL(Low:ロウ)に遷移する。
まず、変調部81によって変調された光源部2から照射される変調光の光量Iの変化(変動)は、式(2)によって示される。
上述した変調ノイズを含まない場合における原点受光部70の出力である第1信号ZL0及び第2信号ZR0に対して、変調ノイズを含む場合における第1信号ZL及び第2信号ZRは、式(3)及び式(4)によって示される。
なお、抵抗値R14及び抵抗値R15は、負の値をとらないので変調信号の振幅VSが負の値である。すなわち、光源を変調させる変調信号に対して抵抗R14に供給される変調信号は位相が反転している必要がある。
図5は、本実施形態における原点検出部90の動作を示す波形図である。
図5において、各グラフの横軸は、移動方向(検出方向)におけるスケール6の位置Xを示し、縦軸は電圧を示している。また、図5(a)〜図5(f)に示す各波形は、順番に、第1信号ZL、第2信号ZR、信号(−(ZL+ZR))、信号(ZR−ZL)、原点有効信号Z_VALID、原点信号Z_SIGにそれぞれ対応する。
また、本実施形態では、検出ヘッド部9に対して、スケール6を+X軸方向に移動させた場合の一例について説明する。
検出ヘッド部9に対して、スケール6を+X軸方向に移動させた場合、ランダムパターン62が原点受光素子71と重なる位置P1において、原点受光素子71は、原点パターン60を透過した光源部2からの変調光を受光する。この場合、位置P1において、原点受光素子71は、変調光を受光して、図5(a)に示すように、検出信号として、例えば、第1信号ZLを低い信号レベルから高い信号レベルに遷移させる。
また、原点位置PZにおいて、ランダムパターン62が原点受光素子72と重なり、原点受光素子72は、原点パターン60を透過した光源部2からの変調光を受光する。この場合、原点位置PZにおいて、原点受光素子72は、変調光を受光して、図5(b)に示すように、検出信号として、例えば、第2信号ZRを低い信号レベルから高い信号レベルに遷移させる。つまり、原点受光部70は、原点位置PZに対して互いに異なる信号レベルに遷移する信号である第1信号ZL及び第2信号ZRを検出信号として出力する。
まず、原点検出部90の加算回路部94は、第1信号ZLと第2信号ZRとを加算して反転した信号(−(ZL+ZR))を生成し、コンパレータ部95に出力する。加算回路部94は、図5(c)に示すように、信号(−(ZL+ZR))を位置P1において高い信号レベルから低い信号レベルに遷移させ、位置P2において低い信号レベルから高い信号レベルに遷移させる。
まず、原点検出部90の差動回路部91は、第1信号ZLから第2信号ZRを減算した信号(ZR−ZL)を生成し、コンパレータ部92に出力する。差動回路部91は、図5(d)に示すように、原点位置PZにおいて信号(ZR−ZL)を低い信号レベルから高い信号レベルに遷移させる。
図6(a)は、図5(d)の信号(ZR−ZL)におけるスケール6の原点位置PZの近傍を拡大した波形を示している。ここで波形W0は、信号(ZR−ZL)を示し、波形W0aは、信号(ZR−ZL)の原点位置PZの近傍の部分R1における拡大波形を示している。
また、図6(b)は、図6(a)に対応した原点信号Z_SIGの波形を示している。
これに対して、本実施形態のエンコーダ装置1は、変調補正部93によって生成された補正信号に応じて閾値電圧VBを変更する。そのため、図6(b)の波形W1に示すように、コンパレータ部92は、変調光によって生じる原点位置PZの変位を補正し、安定した原点信号Z_SIGを出力する。
これにより、本実施形態によるエンコーダ装置1は、変調信号に基づく光の光量変化によって生じる原点位置PZの変位を補正するので、原点位置PZを高精度に検出することができる。
変調部81が生成した変調信号と変調ノイズとは、変調光の光量に応じて変動(変化)する。例えば、変調部81が生成した変調信号は、変調ノイズに同期して変動(変化)しているので、本実施形態によるエンコーダ装置1は、変調信号に基づいて(変調信号をもとに)、原点位置PZの変位を補正することができる。この場合、変調部81が生成した変調信号を利用できるため、本実施形態によるエンコーダ装置1は、簡易な構成により原点位置PZを高精度に検出することができる。
この場合、変調補正部93がコンパレータ部92(二値化部)の所定の閾値を変更する簡易な構成により、原点位置PZの変位を補正することができる。よって、本実施形態によるエンコーダ装置1は、簡易な構成により原点位置PZを高精度に検出することができる。
これにより、原点検出部90は、第1信号ZL及び第2信号ZRの差分により原点信号Z_SIGを生成するため、正確な原点位置PZを検出することができる。
これにより、波長変調の手法を用いたスケール6の位置検出が可能になる。そのため、本実施形態によるエンコーダ装置1は、高精度な波長変調型のエンコーダにおいても、原点位置PZを高精度に検出することができる。
これにより、原点検出部90は、正確な原点位置PZを検出することができる。
次に、第2の実施形態によるエンコーダ装置1aについて説明する。
本実施形態では、エンコーダ装置1aが、受光部7によって検出された信号に基づいて、光の波長を変調することによって生じる原点位置PZの変位を補正する一実施形態について説明する。
本実施形態において、光源部2、コリメータレンズ3、光学系4、インデックス格子5、スケール6、及び受光部7の構成は、図1及び図2に示される第1の実施形態と同様である。
図7において、図1から図3と同一の構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。なお、図7において、原点検出部90aの構成が図3に示される第1の実施形態におけるエンコーダ装置1と異なり、他の構成は、エンコーダ装置1と同様である。
原点検出部90aには、第1の実施形態における原点検出部90と異なり、変調部81から出力された変調信号が接続されていない。
図8において、原点検出部90aは、差動回路部91、コンパレータ部(92、95)、変調補正部93a、及び加算回路部94を備えている。なお、本実施形態による原点検出部90aは、受光部7の原点受光部70から出力される検出信号(第1信号ZL及び第2信号ZR)に基づいて、コンパレータ部92の基準電圧である閾値電圧を変更する一形態について説明する。ここでは、一例として、変調補正部93aは、加算回路部94が出力する信号(−(ZL+ZR))に基づいて、コンパレータ部92の基準電圧である閾値電圧を変更する。
また、図8において、図4と同一の構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。
コンデンサC1は、一端が抵抗R14の一端に、他端が加算回路部94の出力信号線に接続されている。コンデンサC1と抵抗R14の接続点はR14aを介して接地されている。コンデンサC1とR14aとは、低周波カットフィルター回路を形成し、加算回路部94の出力である信号(−(ZL+ZR))に含まれる直流成分をカットし、交流成分をオペアンプ86の反転入力端子(−)に供給する。すなわち、オペアンプ86の反転入力端子(−)と信号(−(ZL+ZR))に含まれる変調ノイズ成分を抽出し、オペアンプ86に供給するように機能する。
加算回路部94の出力信号(−(ZL+ZR))は、下記の式(9)で示される。
なお、ここでコンデンサC1の静電容量C1と抵抗R14aの抵抗値R14aとからなる低周波カット周波数fは(1/(2πR14aC1))で決定され、コンデンサC1の静電容量C1と抵抗R14aの抵抗値R14aとは、信号(−(ZL+ZR))の直流成分をカットするが、変調角周波数ωは十分に通過するように定められている。
エンコーダ装置1aにおける原点有効信号Z_VALIDを生成する動作は、第1の実施形態におけるエンコーダ装置1と同様である。また、エンコーダ装置1aにおける原点信号Z_SIGを生成する動作は、上述の変調補正部93aの動作を除いて、第1の実施形態におけるエンコーダ装置1と同様である。
変調補正部93aは、上述したように、検出信号(第1信号ZL及び第2信号ZR)に基づいて補正信号を生成し、生成した補正信号に基づいて、コンパレータ部92の二値化に使用される閾値を変更する補正信号を生成する。
受光部7の原点受光部70が検出した検出信号(第1信号ZL及び第2信号ZR)と変調ノイズとは、変調光の光量に応じて変動(変化)する。つまり、この検出信号(第1信号ZL及び第2信号ZR)は、同期して変動(変化)しているので、本実施形態によるエンコーダ装置1は、変調信号に基づいて(変調信号をもとに)、原点位置PZの変位を補正することができる。この場合、変調部81が生成した変調信号を利用できるため、本実施形態によるエンコーダ装置1は、簡易な構成により原点位置PZを高精度に検出することができる。
次に、上記の各実施形態におけるエンコーダ装置1(1a)を駆動装置に適用した場合の一実施形態について説明する。
図9は、本実施形態における駆動装置100の構成を示す概略ブロック図である。
本実施形態は、上記の各実施形態におけるエンコーダ装置1(1a)を使用して、移動体を駆動する駆動装置100である。なお、本実施形態では、移動体の一例としてステージ10を駆動するステージ装置について説明する。
エンコーダ装置1(1a)は、スケール6、検出ヘッド部9、及び信号処理部8を備えている。
駆動部11は、ステージ10をスケール6における位置検出方向に相対的に駆動する。
制御部12は、制御信号線L1を介してエンコーダ装置1(1a)の信号処理部8と接続されている。この制御信号線L1を介して、エンコーダ装置1(1a)は、上述した位置情報、原点信号Z_SIG、及び原点有効信号Z_VALIDを制御部12に供給する。
また、制御部12は、制御信号線L2を介して駆動部11と接続されている。制御部12は、この制御信号線L2を介して駆動部11を制御する。
制御部12は、原点有効信号Z_VALIDに基づいて、ステージ10の位置が原点位置PZの近傍であるか否かを判定し、原点位置PZの近傍であると判定した場合に、原点信号Z_SIGに基づいて原点位置PZを検出する。
エンコーダ装置1(1a)が、原点位置PZを高精度に検出することができるため、本実施形態における駆動装置100は、原点位置PZを高精度に検出することができる。これにより、本実施形態における駆動装置100は、高精度にステージ10の位置を制御することができる。
上記の各実施形態では、変調補正部93(93a)は、コンパレータ部92の閾値を変更して原点位置PZの変位を補正する形態を説明したが、これに限定されるものではない。例えば、図10に示される原点検出部90bの変調補正部93bは、コンパレータ部92の閾値を変更する代わりに、抵抗R16〜R19、及びオペアンプ89を有する差動回路部96を備えている。この場合、変調補正部93bは、差動回路部91から出力された原点位置PZを示す信号(ZR−ZL)に含まれる変調ノイズを、オペアンプ86の出力である補正信号に基づいてオフセットして補正する。すなわち、変調補正部93bは、検出信号(第1信号ZL及び第2信号ZR)に基づいて生成された基準位置を示す信号(ZR−ZL)を、補正信号に基づいて補正する。これにより、変調補正部93bは、上記の各実施形態と同様の効果を奏する。
また、上記の各実施形態において、変調光によって(変調光を受光して)検出された信号の一例として検出信号(第1信号ZL及び第2信号ZR)を用いる形態を説明したが、これに限定されるものではない。例えば、変調補正部93aは、受光部7の主信号受光部73が検出した信号に基づいて原点位置PZの変位を補正する形態でもよいし、補正用の受光部を別途備える形態でもよい。
また、上記の各実施形態において、スケール6がリニアスケールである形態について説明したが、円盤型や扇型のスケール6を用いてロータリー式のエンコーダに適用する形態でもよい。また、上記の各実施形態は、反射型のエンコーダに適用する形態でもよいし、透過型のエンコーダに適用する形態でもよい。
また、上記の各実施形態において、検出ヘッド部9が固定され、スケール6が変位方向に移動する形態を説明したが、スケール6が固定され、ヘッド部9が変位方向に移動する形態でもよい。
Claims (11)
- 基準位置を示す基準位置パターンと位置情報パターンとを有するスケールと、
前記スケールに光を照射する光源と、
前記光を変調させる変調信号を生成する変調部と、
前記変調信号に基づいて変調された変調光によって前記位置情報パターンを検出した位置情報信号に基づいて、前記スケールの位置情報を検出する位置情報検出部と、
前記変調光によって前記基準位置パターンを検出した検出信号を出力する基準位置受光部と、
前記検出信号に基づいて、前記基準位置を検出する基準位置検出部と、
を備え、
前記基準位置検出部は、前記光を変調することによって生じる前記基準位置の変位を補正する補正部を備える
ことを特徴とするエンコーダ装置。 - 前記補正部は、前記変調信号に基づく前記光の光量変化によって生じる前記基準位置の変位を補正する
ことを特徴とする請求項1に記載のエンコーダ装置。 - 前記補正部は、
前記変調信号をもとに生成した補正信号に基づいて、前記基準位置の変位を補正する
ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のエンコーダ装置。 - 前記補正部は、
前記変調光によって検出された信号をもとに生成した補正信号に基づいて、前記基準位置の変位を補正する
ことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載のエンコーダ装置。 - 前記補正部は、
前記検出信号又は前記位置情報信号をもとに生成した補正信号に基づいて、前記基準位置の変位を補正する
ことを特徴とする請求項4に記載のエンコーダ装置。 - 前記基準位置検出部は、
前記検出信号に基づいて生成された前記基準位置を示す信号を、所定の閾値に基づいて二値化する二値化部を備え、
前記補正部は、
前記補正信号に応じて、前記閾値を変更する
ことを特徴とする請求項3から請求項5のいずれか一項に記載のエンコーダ装置。 - 前記補正部は、
前記検出信号に基づいて生成された前記基準位置を示す信号を、前記補正信号に基づいて補正する
ことを特徴とする請求項3から請求項5のいずれか一項に記載のエンコーダ装置。 - 前記基準位置受光部は、
前記基準位置に対して互いに異なる信号レベルに遷移する信号である第1信号及び第2信号を前記検出信号として出力し、
前記基準位置検出部は、
前記第1信号及び前記第2信号の差分によって、前記基準位置を示す信号を生成する差動回路部を備える
ことを特徴とする請求項1から請求項7のいずれか一項に記載のエンコーダ装置。 - 前記変調信号は、
前記位置情報パターンと前記基準位置パターンとに照射する光の光量を変調させる信号である
ことを特徴とする請求項1から請求項8のいずれか一項に記載のエンコーダ装置。 - 前記変調信号は、
前記位置情報パターンと前記基準位置パターンとに照射する前記光の波長を変調させる信号である
ことを特徴とする請求項1から請求項9のいずれか一項に記載のエンコーダ装置。 - 請求項1から請求項10のいずれか一項に記載のエンコーダ装置と、
前記スケール又は前記エンコーダ装置の検出ヘッドに接続された移動体と、
を備えることを特徴とする装置。
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