JP2014098667A - 計測装置、計測方法、及び、アブソリュートエンコーダ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】周期パターンを有する対象物からの変調光を検出して少なくとも2周期の周期パターン信号を出力する検出器と、検出器の出力に基づいて対象物の位置を算出する算出部とを備え、算出部は、検出器から出力された周期パターン信号のうち、周期パターンの周期ごとに一定の値として表れる極値の2つの位置を決定し、2つの極値の位置の間の領域内において、周期パターン信号に該周期パターン信号と同じ周期の正弦波形の第1基準波形データを乗算し、該乗算結果の第1の総和を算出し、領域内において、周期パターン信号に第1基準波形データと90度の位相差を有する正弦波形の第2基準波形データを乗算し、該乗算結果の第2の総和を算出し、第1の総和および第2の総和に基づいて周期パターン信号の位相を算出し、算出された位相に基づいて対象物の位置を算出する。
【選択図】図1
Description
図1は、本発明の第1実施形態に係る透過スリット型のアブソリュートエンコーダを示す図であり、ヘッド部の構成及びその信号処理部における信号処理のフローを説明している。図1に示すように、アブソリュートエンコーダは、発光素子LEDとコリメータレンズLNSとスケールSCLとアレイ状の受光素子PDAと信号処理部CULCとを備える。発光素子LEDは、測定光をスケールSCLに向けて照射する。コリメータレンズLNSは、測定光を平行光にする。スケールSCLには、インクリメンタルパターンに階調を施したグレーティングGTが形成されている。スケールSCLのグレーティングGTは、少なくとも2種類のマークを含んで一定の周期で第1方向に配列された複数のマークを構成している。また、スケールSCLは、位置を計測する対象物を構成している。
以下に、位相算出部CULC2の詳細について述べる。位相算出部CULC2は、データ抽出処理CULC2.1と位相算出処理CULC2.2の2つの処理を行う。はじめに位相算出処理CULC2.2の原理について簡単に受光素子アレイの長さが5bitのモデルを用いて述べる。明暗信号の周期を規定する位相をθs、受光素子アレイにて規定されている位相をθpとする。この2つの位相の周期は一致しており、位相情報PHS=θs−θpという関係にある。例えば受光素子アレイが5bit分の長さを持っている場合、受光素子アレイにて得られる周期パターン信号Irは図3(a)のようになり、以下の式1のようにあらわされる。
Ir=(1/2){cos(θs)+1}=(1/2){cos(θp+PHS)+1}
ただし、PHS<θs<5×2π+PHS、0<θp<5×2π
・・・(1)
Sa=sinθp
Sb=cosθp・・・(2)
・・・(5)
・・・(9)
実施例2を以下に示す。装置の構成及びRNGAを決定する工程までは実施例1と同じでよいので省略する。実施例2では第1基準波形データSa及び第2基準波形データSbのRNGAに相当するデータはそのまま保持し、それ以外を0とし第1、第2基準波形データSas、Sbsとする(図7)。周期パターン信号Irに対して修正された第1基準波形データSas及び第2基準波形データSbsを乗算し総和をとることで実施例1と同じく余分な項の内A,Bを得ることができ、逆正接演算により位相情報PHSを求めることができる。
実施例3を以下に示す。装置の構成及びRNGAを決定する工程までは実施例1と同じでよいので省略する。実施例3では周期パターン信号IrのうちRNGAのデータのみを新たにデータIsとして保持する(図8)。基準波形データも実施例1の基準波形データSa及びSbのうちRNGAのデータのみを第1、第2基準波形データSas,Sbsとして保持する。データIsに対してSas及びSbsを乗算し積分することで実施例1と同じく余分な項のないA、Bを得ることができ、逆正接演算により位相情報PHSを求めることができる。実施例1に対し、Is1及び基準波形のデータ数が減るため処理時間が短縮される。
実施例4を以下に示す。装置の構成及びRNGAを決定する工程までは実施例1と同じでよいので省略する。実施例4では周期パターン信号Irと第1基準波形データSa及び第2基準波形データSbをそれぞれ乗算した結果から、RNGAに対応したデータ(図9の白丸及び白抜三角)のみで総和をとる。それぞれ実施例1と同じく余分な項のないA、Bを得ることができ、逆正接演算により位相情報PHSを求めることができる。
実施例5を以下に示す。装置の構成は実施例1と同じでよいので省略する。ここまでは明暗周期パターン信号が理想的な正弦波状の場合を例に挙げて述べてきたが、実際には回折光やノイズ、格子の汚れなどによって、理想的な正弦波状の光量分布ではなくなる。図10(a)の黒丸のデータIrは明暗周期パターン信号の周期の3倍の高調波が存在する場合を示しており、実施例1に記載したように単純に光量から変調情報の極小点の位置min1,min2を決定すると実際の変調情報の極小点の位置とずれが発生する。これに伴いRNGAの範囲も1つ以上のi周期分のデータではなくなり、算出された位相情報にも誤差が生じてしまう。よって、このような誤差を避けるために以下のようにして変調情報の極小点の位置を算出することも可能である。
本発明は上記の実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。例えば、以下のとおりである。
・図11に示すような透過格子を等間隔で配置したスケールを持ったエンコーダに適用すること。この場合の光量分布は、図11に示した通りGRPH0の波形を上下反転させたものになり、変調情報の極小値は透過部分(光量が最大)となる。積分範囲は、受光素子で得られた全周期パターン信号Ir(変調情報)の極大点の位置を区切りとした領域内の全波形が入っているi周期分のデータ範囲である。この場合、変調情報の極大点の位置とは、スケール基板に形成された半透過部、非透過部からなる周期パターンの間のスケール基板部分(透過部)の中心位置になる。この極大値は、全周期パターン信号Irのなかで、半透過部、非透過部からなる周期パターンの1周期ごとに一定の値として表れる極値である。
・反射型スケールのエンコーダに適用すること。この場合、スケール上の格子として反射格子、半反射格子、非反射格子の3種類を使用する。非反射格子を等間隔に配列しその間に半反射格子又は反射格子を挿入してアブソリュートコードを埋め込む、又は、反射格子を等間隔に配列しその間に半反射格子又は非反射格子を挿入してアブソリュートコードを埋め込めば良い。
・2値もしくはそれ以上の判別可能な任意の階調式スケールを持ったエンコーダに適用すること。
・受光素子アレイPDAの明暗1周期を、3素子、4素子、6素子、8素子等に変更すること。
・受光素子アレイの各セルの感度バラツキや光学系に起因する光量ムラを考慮し必要に応じて本実施例で演算に用いた数式/値を変更すること。また必要精度に応じて近似値を適用しても良い。
・図1の信号処理部CULCと同等な機能を他のアルゴリズムやフローで実現させること。受光素子アレイからの信号を並列アナログ回路で加減乗算処理する方法、シリアルアナログ回路で加減乗算処理又はフィルタリング処理する方法、受光素子アレイの信号を直ちにAD変換し、デジタル情報としてFPGA等にて演算処理する方法が考えられる。
・エンコーダ光学系を、発散光による拡大照明光学系やレンズを用いた結像光学系等の他の光学系に変更すること。
・計測装置をマイケルソン干渉計など波形データより位相を精度よく算出する計測装置とすること。
Claims (6)
- 対象物の位置を計測する計測装置であって、
周期パターンを有する前記対象物からの変調光を検出して少なくとも2周期の周期パターン信号を出力する検出器と、
前記検出器の出力に基づいて前記対象物の位置を算出する算出部と、
を備え、
前記算出部は、
前記検出器から出力された周期パターン信号のうち、前記周期パターンの周期ごとに一定の値として表れる極値の2つの位置を決定し、
前記2つの極値の位置の間の領域内において、前記周期パターン信号に該周期パターン信号と同じ周期の正弦波形の第1基準波形データを乗算し、該乗算結果の第1の総和を算出し、
前記領域内において、前記周期パターン信号に前記第1基準波形データと90度の位相差を有する正弦波形の第2基準波形データを乗算し、該乗算結果の第2の総和を算出し、
前記第1の総和および前記第2の総和に基づいて前記周期パターン信号の位相を算出し、
前記算出された位相に基づいて前記対象物の位置を算出することを特徴とする計測装置。 - 前記検出器から出力された周期パターン信号は、離散データであり、
前記算出部は、前記離散データの2つの極値の一方を含む第1領域と前記2つの極値の他方を含む第2領域とのそれぞれにおいて各離散データについて当該各離散データの前後の離散データとの移動平均をとって平滑化し、該平滑化された離散データの極値の位置を前記周期パターン信号の極値の位置として決定することを特徴とする請求項1に記載の計測装置。 - 前記検出器から出力された周期パターン信号は、離散データであり、
前記算出部は、前記離散データの2つの極値の一方を含む第1領域と前記2つの極値の他方を含む第2領域とのそれぞれにおいて各離散データを正弦波形に近似し、近似された正弦波形の極値の位置を前記周期パターン信号の極値の位置として決定することを特徴とする請求項1に記載の計測装置。 - 前記2つの極値の一方の極値の位置からi周期(ただし、iは自然数)離れた位置を前記2つの極値の他方の極値の位置として決定することを特徴とする請求項1に記載の計測装置。
- アブソリュートエンコーダであって、
少なくとも2種類のマークを含む複数のマークが一定の周期で第1方向に沿って配列されたスケールと、
請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載の、前記スケールを前記対象物とする計測装置と、
を備え、
前記検出器は、前記複数のマークの中の少なくとも2つのマークを検出して少なくとも2周期の周期パターン信号を出力し、
前記算出部は、前記検出器の出力に基づいて前記検出器に対する前記スケールの前記第1方向における絶対位置を算出することを特徴とするアブソリュートエンコーダ。 - 対象物の位置を計測する計測方法であって、
周期パターンを有する前記対象物からの変調光を検出して少なくとも2周期の周期パターン信号を取得する工程と、
前記取得された周期パターン信号のうち、前記周期パターンの周期ごとに一定の値として表れる極値の2つの位置を決定する工程と、
前記2つの極値の位置の間の領域内において、前記周期パターン信号に該周期パターン信号と同じ周期の正弦波形の第1基準波形データを乗算し、該乗算結果の第1の総和を算出する工程と、
前記領域内において、前記周期パターン信号に前記第1基準波形データと90度の位相差を有する正弦波形の第2基準波形データを乗算し、該乗算結果の第2の総和を算出する工程と、
前記第1の総和および前記第2の総和に基づいて前記周期パターン信号の位相を算出する工程と、
前記算出された位相に基づいて前記対象物の位置を算出する工程と、
を含むことを特徴とする計測方法。
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