JP2013096813A - アブソリュートエンコーダ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】第1波長(λ)で等間隔の第1目盛が形成され、nλ(nは拡張数、λは第1波長)で第1アドレス区間を規定するように構成されているメイントラックと、前記第1アドレス区間と同じアドレス区間が(n+1)λa(λaは第2波長)となるように等間隔で第2目盛が形成された第1アドレストラックと、前記第1アドレス区間と同じアドレス区間が、n(λa+(n2−1)λ)+λaの第3目盛が形成された第2アドレストラックとを少なくとも有するスケール部(20)を有し、前記スケールから位相差を検出し、前記検出した複数の位相差に基づいてアドレス判定を行ない、被測定対象の位置または角度を算出する処理手段(30、40、50、60、70、80)とを有する。
【選択図】図1
Description
本発明は特に、それぞれ異なる波長で区分された複数の区間が規定された少なくとも3つのスケール(トラック)が隣接して形成され、複数のトラックから検出された位相変調信号の位相差を利用して、測定対象の移動距離、長さ、角度などを絶対値として出力する、アブソリュートエンコーダに関する。
これらの方法は、メイントラック波長λとアドレストラック波長λaを、整数nに対し、nλ=(n−1)λaもしくはnλ=(n+1)λaなる関係に設定することにより、メイントラック波長λ内の位置x に対応して出力される位相変調信号の位相と、アドレストラック内の位置xに対応して出力される位相変調信号の位相差が、波長λのn 倍区間毎に2π(rad)変化することを利用する。すなわち、この位相差を2π=n(rad)で除したときの商はnλ区間内のλ単位の位置(以下、アドレス)に対応し、そのときの剰余は、波長λ内の位置に対応していることを利用し、該剰余が0もしくは2π=nに近い時には、アドレス切り換え近傍に属しているものと判断し、メイントラック波長λ内の所定の位置と比較することにより、正しいアドレスを得るようにしている。
まず、剰余が0もしくは2π/nにどの程度近い領域までを、アドレスの切り換え位置近傍と判断すべきかについての明確な解決策が示されていなかったため、正しいアドレスを得るための補正作業が適切に実施されない可能性があった。即ち、現実のシステムにおいては、スケールやヘッドの不完全さや回路系の性能の限界、さらには、走行系の不完全さ等に伴う内挿誤差を有しているため、該位相差が0もしくは2π/nの時でも、メイントラック波長λ単位の切り換え位置と一致しない。エンコーダ毎に異なる内挿誤差等の影響を回避するためには、該剰余が0もしくは2π/nに近い領域を拡大しなければならず、結果として該位相差を2π/nで除した時の商を用いてnλ区間内のアドレスを無条件に確定できる領域が狭まり、アドレス補正の際に判定の基準となる波長λ内の中央位置と重なってしまい、アドレスの補正作業そのものが不可能になるという技術的な課題を抱えていた。
そして、この課題をエンコーダの生産段階で対処しようとすると、エンコーダ固有の内挿誤差に応じてこの領域を設定しなければならず、nλ区間内の全てのアドレス切り換え部における内挿誤差を測定し、その影響を受けない最適な領域を設定後、正しく動作することを再検証する必要があるなど、生産コストの上昇を招く可能性がある。
即ち、波長λ単位のアドレス判別は、これら2つのトラックにおける位相差を利用しており、該位相差は各々のトラックにおける内挿誤差の組み合わせによって影響を受けるものの、波長λ単位のアドレス切り換部において出力される位相差は、メイントラック波長λ毎の一定の位置(または長さ)を基準として第1のアドレストラック波長λa内の内挿誤差を含む位置が参照され、該参照された位置に対応する位相差であることを利用している。
前記複数のトラックの目盛を検出する検出部と、前記検出部で検出した前記複数のトラックの目盛を示す信号それぞれの位相差を検出する位相差検出手段と、前記位相差検出手段で検出した複数の位相差に基づいてアドレス判定を行ない、前記被測定対象の位置または角度を算出する処理手段とを有する。
本発明によれば、第2トラックにおいては等しい波長λaのみで形成された目盛りを持つのに対し、第3トラックおよびそれ以降のトラックにおいては、第1トラック波長λと第2トラック波長λaを所定の関係で組み合わせ形成することを特徴としている。
本発明によれば、アドレス切り換え位置近傍の識別が容易になる。
また本発明によれば、小型で安価なエンコーダを提供することができる。
図1(A)は、本発明を回転型エンコーダに適用した場合の全体構成を図解した図である。エンコーダは、回転軸(1)に固定されたスケール部(20)と、検出回路(30)と、信号処理部(100)とを有する。
図2に図解のごとく、メイントラック201には、波長λとして、たとえば、256μmの一定ピッチの信号が出力されるような目盛が形成されている。アドレストラック1(202)には、17×λa=16×λを満たすλa=254.9μmの信号が出力されるような目盛が形成されている。
=16×15λ+17λa=16×15λ+(16λa+λa)
=16×(λa+15λ)+λa
本発明においては、複数のトラックのうち最大の内挿誤差を持つトラックの内挿誤差の振幅Ieとメイントラック波長λと、拡張数nとの間に2Ie<λ/2nなる関係を満足させるだけでなく、アドレストラック2以降は、メイントラック波長λと第1アドレストラック波長λaとが所定の組み合わせで形成された目盛りからの信号を単一の検出ヘッドで再生しなければならないという制約を有する。
第1実施の形態においては、各トラックにおける波長内の位置を位相変調信号の形で取り出す変位量検出装置を用いて構成している。
変位量検出回路2(302)は、アドレストラック1(202)と検出ヘッド(212)との相対変位量に応じて位相が変化する矩形波の位相変調信号(以下、epm(A1)信号)を出力する。
変位量検出回路3(303)は、アドレストラック2(203)と検出ヘッド(213)との相対移動量に応じて位相が変化する矩形波の位相変調信号(以下、epm(A2)信号)を出力する。
位相比較回路2(402)は、epm(M)信号とepm(A1)との位相を比較し、その位相差に対応するパルス幅の信号(以下、PW(MA1)を出力する。
位相比較回路3(403)は、epm(M)信号とepm(A2)信号との位相を比較し、その位相差に対応したパルス幅の信号(以下、PW(MA2))を出力する。
第1アドレス区間内におけるλ単位の第1アドレスA1を確定する方法について説明する。
従って、パルス数16は、第1アドレス区間内のλ単位のアドレスA1を識別するパルス数と考えて良い。今、位相変調信号のキャリア周波数fの逆数、即ち周期T=1/f毎に計測される第1アドレスをA1(t)と表すことにすれば、時刻tにおいて、パルス列信号PS(MA1)を計数して得られるデータ(以下、D(MA1))を該パルス数、即ち16を法とする合同演算を行った時の商は第1アドレス区間内における16通りのアドレスA1(t)に対応し、剰余はアドレスA1(t)内の位置に対応している。
次に、第1アドレス区間を単位として16倍に拡大した第2アドレス区間内における16とおりの第2アドレスA2を確定する方法について説明する。
(a)一定のパルス数が得られる上記16ヶ所の15λ区間の前後にλa区間内において変化するパルス数256/17の1/2幅に相当するパルス数を相互に重複しないように減算および加算して得られる16ヶ所のゾーン{(n+1)×256/17−(128/17)≦Zn(A2)<(n+1)×256/17+(128/17))(ただしn=0〜15)。
(b)上記第2アドレス区間の原点側位置で出力されるパルス数0に上記256/17の1/2幅に相当するパルス数を加算して得られるゾーン{0≦ZL(A2)<128/17}と最大計測位置側にで出力されるパルス数256から上記パルス数256/17の1/2幅に相当するパルス数を減算して得られる{256−16(128/17)≦Zu(A2)<256}の2ヶ所を加えた合計18ヶ所のゾーン。
そして、時刻tにおいて上記PS(MA2)を計数して得られるデータD(MA2)と上記パルス数256/17との関係を用いて、第2アドレス区間内の上記18ヶ所のゾーンを判別する。
また、表4は、第2アドレス区間における第2アドレス切り換え位置における上記位相差の理論値に対応したパルス幅の信号PW(A1A2)と、該信号にキャリア周波数fの256倍のCKI信号を内挿して得られるパルス列信号PS(A1A2)のパルス数の関係を示したものであり、PS(A1A2)信号から出力されるパルス数は、第2アドレスが増加する毎に16パルスずつ増加していることが分かる。
次に、これらの結果より、メイントラック波長λのn2倍に拡大された区間を、分解能1μm単位の絶対値データに変換する手順について説明する。絶対位置合成回路(70)は、時刻tにおいて出力される図示せぬパルス列PS(M)を計数し、1μm単位のデータD(M)として最大256μm、即ち、8ビットのアブソリュートデータと、アドレストラック1およびアドレストラック2を用いて識別された16通りの第1アドレスA1と16通りの第2アドレスA2とを用い、次式に基づいてメイントラック波長λのn2(=256)倍区間の分解能1μmの絶対値データDT(AB)を合成する。
第2実施の形態におけるエンコーダの全体構成を図12に示す。測定範囲の広いエンコーダを想定し、第1実施の形態の構成に、図12、図13に図解したように、第3のアドレストラック(以下、アドレストラック3)を追加し、メイントラック波長λを256μm、拡張数n=16としてメイントラック波長λの163=4,096倍の区間を分解能1μmで検出する20ビットのエンコーダを実現する。
図13は、第2実施の形態において追加されたアドレストラック3の構成を示したもので、メイントラック波長λの16×256=4,096倍区間において、拡張数n=16として、次の関係を満たすようにアドレストラック3を追加し、アドレストラック1の波長λaの1波長とメイントラック波長λの255波長を一組として16組形成した後、アドレストラック1波長λaの1波長分が出力されるような目盛が形成されている。
=16×255λ+17λa
=16×(λa+255λ)+λa
図14は、第2実施の形態における具体的な回路構成の一例を示したものである。アドレストラック3の拡張にかかる部分が追加されたほか、各々のトラックから出力される位相変調信号の位相を比較する回路部分において第1実施の形態における場合と相違がある。ここでは、第1実施の形態に対して変更および追加された部分についてのみ説明することとする。
まず、アドレス判定回路(60A)が位相比較回路1(401)から出力されるPW(M)信号、位相比較回路2(402)から出力されるPW(A1)信号、位相比較回路3から出力されるPW(A2)信号および位相比較回路4から出力されるPW(A3)信号と信号生成回路から出力されるCKI信号およびREF信号とを用いて、第1実施の形態におけると同様の信号群を生成する手順について説明する。
絶対値の合成に関しても、第1実施の形態と同様である。絶対位置生成回路(70A)は、確定したアドレスA1〜A3と、時刻tにおいて読み込んだメイントラック波長λ内の位置に対応するデータD(M)とを重みを考慮して合成し、20ビット1μm単位の絶対値データDT(AB)を合成する。
また、本発明においては、内挿数をあげメイントラック波長をより細かく分割して高分解能を実現することも容易であり、必要に応じてアドレストラックの拡張も可能である。また、走行系が安定で再現性に優れたシステムにおいては拡張数nをより大きな値とすることも可能であり、高分解能の回転型エンコーダや測定範囲の長い直線型のエンコーダを実現できる。
第1実施の形態によりアドレストラックを2本に拡大して16ビットの分解能を有する1μm分解能のエンコーダを、第2実施の形態によりアドレストラックを3本に拡大して20ビットの分解能を有する1μm分解能のエンコーダへの適用例について説明した。そして、アドレス拡張においては、メイントラックとアドレストラック2およびアドレストラック3との位相比較によってアドレストラック1波長λaの1区間内で発生する急崚な位相差2π/(n+1)を利用して、拡張されたアドレス区間と略等しいゾーンを判定したのち、アドレストラック1とアドレストラック2およびアドレストラック3との位相比較により、アドレス切り換え区間毎に位相が2π/nずつ変化することを利用し、第2アドレスおよび第3アドレスを正しく判定することを示した。
第1実施の形態および第2実施の形態においては、複数のメイントラックと複数のアドレストラックにおける目盛の開始位置が理想的な状態で形成され、かつスケールとヘッドとの位相関係が理想的な状態で配設されていることを前提として説明した。しかしながら、現実のシステムにおいては、スケール上の各トラックにおける目盛の開始位置を一致させることが出来たとしても、スケールトラックと対向する検出ヘッドとの位置関係のズレが生ずることは避けられず、結果としてメイントラック波長λ単位のアドレスのズレを生じ、エンコーダとしてのスケール上の意図した原点位置にズレを生ずる可能性がある。
本発明においては、各々のトラック内の位置を位相として検出し、これらトラック間の位相差を用いることによって、メイントラック波長λの複数倍の区間をアブソリュートに検出するようにしている。従って、変位検出回路(301〜304)としては、図17に図解したように、位相検出型の変位量検出回路が好適である。
CH2側検出ヘッドが理想状態からΔZずれていた時のCH2側出力をe′2とすると、e′2は次のように表すことができる。
また、走行系が安定で再現性に優れたシステムにおいては拡張数nをより大きな値とすることも可能であり、高分解能の回転型エンコーダや、測定範囲の長い直線型のエンコーダを実現できる。
Claims (7)
- 第1波長(λ)で等間隔の第1目盛が形成されたメイントラックと、第1波長λのn倍の第1アドレス区間(nλ、ただしnは拡張数)を第2波長(λa)でnλ=(n+1)λaとなる等間隔の第2目盛が形成された第1アドレストラックと、これらのトラックに隣接して配置され、前記第1アドレス区間をn倍単位で拡張したアドレス区間のうち、nλ区間分を(n+1)λaで置き換えた第1波長と第2波長との組合せによって形成された拡張目盛を有する拡張アドレストラックを少なくとも1本以上有するスケール部と、
前記複数のトラックの目盛を検出する検出部と、
前記検出部で検出した前記複数のトラックの目盛を示す信号それぞれの位相差を検出する位相差検出手段と、
前記位相差検出手段で検出した複数の位相差に基づいてアドレス判定を行ない、前記被測定対象の位置または角度を算出する処理手段と
を有する、アブソリュートエンコーダ。 - 第1波長(λ)で等間隔の第1目盛が形成されたメイントラックと、第1波長λのn倍の第1アドレス区間(nλ、ただしnは拡張数)を第2波長(λa)でnλ=(n+1)λaとなる等間隔の第2目盛が形成された第1アドレストラックを有し、もしくは、これらのトラックに加えて、前記第1アドレス区間をn倍単位で拡張したアドレス区間のうち、nλ区間分を(n+1)λaで置き換えた第1波長と第2波長との組合せによって形成された少なくとも1本以上の拡張目盛で形成された拡張アドレストラックを有するスケール部と、
前記複数のトラックの目盛を検出する検出部と、
前記検出部で検出した前記複数のトラックの目盛を示す信号それぞれの位相差を検出する位相差検出手段と、
前記位相差検出手段で検出した複数の位相差に基づいてアドレス判定を行ない、前記被測定対象の位置または角度を算出する処理手段と
を有し、
これらトラックから検出される2相の正弦波信号の不完全さに伴う内挿誤差の最も大きなトラックの内挿誤差の振幅をIeとしたとき、各々のアドレストラックにおける拡張数nと第1波長λとの関係を2Ie<λ/2nとなるように設定し、
前記位相差検出手段は、第1波長(λ)内の位置と、第2波長(λa)内の位置の差を位相差として検出し、前記第1波長λのn倍区間において0〜2π(rad)まで連続的に変化する位相差信号を得、
前記処理手段は、
時刻(t)において検出された位相差を、2π/nで除し、その商を用いてnλ区間内における第1波長λ単位のアドレスを仮決定した後、
該演算における剰余を0もしくは最大値近傍と中央部の3つのゾーンに区分けし、
前記0もしくは最大値近傍における領域の大きさをλ/2nに相当する位相差に前記演算の過程で生ずる量子化誤差に相当する位相差を加えた領域として設定し、
前記剰余が中央部のゾーンに属するときは前記仮決定したアドレスを無条件に、前記剰余が0もしくは最大値近傍のゾーンに属するときは、前記第1波長(λ)内の所定の位置との比較によってλ単位のアドレスを決定するよう構成されている
アブソリュートエンコーダ。 - 前記拡張アドレストラックのうち最初に適用される第2アドレストラックは、前記メイントラックまたは第1アドレストラックに隣接して形成され、前記第1アドレス区間(nλ)のn倍の第2アドレス区間(n2λ)において、n2λ=n(λa+(n−1)λ)+λaなる第3目盛が形成され、次に適用される第3アドレストラックは、前記第2アドレス区間のn倍の第3アドレス区間(n3λ)において、n3λ=n(λa+(n2−1)λ)+λaなる第4目盛が形成され、以下同様の規則に従って拡大された第4アドレストラック、第5アドレストラックとして形成されている、請求項1または2に記載のアブソリュートエンコーダ。
- 前記位相差検出手段は、前記第1アドレス区間(nλ)のn倍の第2アドレス区間(n2λ)区間において、前記メイントラックの第1目盛内の位置と前記第2アドレストラックの第3目盛内の位置の差と、前記第1アドレストラックの第2目盛内の位置と前記第2アドレストラックの第3目盛内の位置の差を位相差として検出し、
前記処理手段は、前記第1アドレス区間(nλ)と略等しい区間毎に第2波長(λa)が形成された(n+1)ヶ所の位置においては急崚な位相変化が、第1波長λが(n−1)波長分形成されたnヶ所の区間では平坦な位相差を有する信号を用いて第1アドレス区間(nλ)単位のアドレス切り換え領域を除く領域では正しいアドレスを得るとともに、前記第1アドレス区間(nλ)単位のアドレス切り換え位置において2π/n(rad)ずつ位相が異なることと、既に決定されたλ単位のアドレスとを用いてnλ単位のn通りのアドレスを識別するように構成されている、
請求項1〜3のいずれかに記載のアブソリュートエンコーダ。 - 前記位相差検出手段は、前記第2アドレス区間(n2λ)のn倍の第3アドレス区間(n3λ)区間において、前記メイントラックの第1目盛内の位置と前記第3アドレストラックの第4目盛内の位置の差と、前記第1アドレストラックの第2目盛内の位置と前記第3アドレストラックの第4目盛内の位置の差を位相差として検出し、
前記処理手段は、前記第2アドレス区間(n2λ)と略等しい区間毎に第2波長(λa)が形成された(n+1)ヶ所の位置においては急峻な位相変化が、第1波長λが(n2−1)波長分形成されたnヶ所の区間では平坦な位相差を有する信号を用いて第2アドレス区間(n2λ)単位のアドレス切り替え位置を除く領域では正しいアドレスを得るとともに、前記第2アドレス区間(n2λ)単位のアドレス切り替え位置において2π/n(rad)ずつ位相が異なることと、該決定されたλ単位のアドレスと、nλ単位のアドレスとを用いて、n2λ単位のn通りのアドレスを識別できるように構成されており、
以下、第4アドレストラックおよび第5アドレストラックについても上記同様の位相差信号を得、該位相差と既識別されたアドレスとを用いて、該拡大された区間を単位とするさらに上位のアドレスを識別できるように構成されている、
請求項1〜4に記載のアブソリュートエンコーダ。 - 複数のトラックの波長内の位置の差を用いて第1波長λ単位のアドレスを判定する手段と、前記複数のトラック間の波長内の位置の差に所定のオフセットを与える補正量もしくは前記複数のトラック間の波長内の位置の差に所定のオフセットを与える補正量を格納する不揮発性記憶手段とを有し、
時刻(t)において計測される前記複数のトラックの波長内の位置もしくは波長内の位置の差に対応するデータと、前記不揮発性記憶手段に格納された該対応する補正量との演算を行うように構成し、前記複数のトラック間における意図せぬ位置ズレに伴う第1波長(λ)単位の位置ズレを補正、もしくは、スケール上の原点位置を意図的に調整可能とした、
請求項1〜5記載のアブソリュートエンコーダ。 - 前記位相差検出手段は、前記複数のトラック内の位置に対応する位相を、位相変調信号として出力する位相検出型の変位量検出回路もしくは、各々のトラックから出力される直交する2相の正弦波信号を、座標変換により波長内の位置に対応する位相として取り出すように構成した座標変換型の変位量検出回路によって構成されている、
請求項1〜6のいずれかに記載のアブソリュートエンコーダ。
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