JP2018119816A - アブソリュートエンコーダ、産業機械、および物品の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】正確な絶対位置を得るのに有利なアブソリュートエンコーダを提供する。【解決手段】互いに異なる第１マークおよび第２マークが配列されたスケールと、前記スケールからの信号を検出して、前記第１マークに対応する階調および前記第２マークに対応する階調を有する周期信号を出力する検出部と、前記周期信号に基づいて、前記スケールまたは前記検出部の絶対位置または絶対角度の情報を得る処理部と、を有し、前記処理部は、前記周期信号の位相に基づいて、前記第１マークまたは前記第２マークに対応する周期ごとに前記周期信号の信号強度を表す代表値を得、前記周期信号の互いに隣接する２つの前記周期にそれぞれ対応する２つの前記代表値の差を得、前記差に基づいて、前記周期ごとに前記周期信号の量子化を行って符号列を得、前記符号列に基づいて、前記情報を得ることを特徴とするアブソリュートエンコーダを提供する。【選択図】図３

Description

本発明は、アブソリュートエンコーダ、産業機械、および物品の製造方法に関する。

位置や角度の絶対値を計測する際に、アブソリュートエンコーダが用いられている。アブソリュートエンコーダは、グレイコードやＭ系列コードなどのバイナリパターンを受光素子アレイや撮像素子で読み取ることで、絶対位置情報を出力することができる。アブソリュートエンコーダには、複数の格子列を用いる方法と、単一の格子列を用いる方法とがある。

複数の格子列を用いる方法としては、異なるコードを配置する複数のトラック（の情報）を同時に読み取るグレイコード方式が知られている。グレイコード方式では、複数のトラックを同時に読み取るために、エンコーダ（ヘッド及びスケール）の取付敏感度が高く、高分解能化と取付敏感度の抑制とを同時に実現することが困難である。一方、単一の格子列を用いる方法は、エンコーダの取付敏感度が低い方法として知られており、高分解能化を図った技術も提案されている（特許文献１参照）。特許文献１では、複数の異なる符号にそれぞれ対応する複数の異なる階調を有する周期信号を単一の格子列から発生させている。そして、当該周期信号の複数の階調から得られる絶対位置情報と、当該周期信号の位相情報とに基づいて、高分解能の絶対位置情報を得ている。

特開２０１２−３７３９２号公報

しかしながら、特許文献１に開示された技術では、当該周期信号の複数の階調から絶対位置情報を得るための符号判定（２値化）処理の取付敏感度に注意を要する。例えば、エンコーダの取付状態が変化し、ヘッドとスケールとのギャップの変動やヨーイングが発生した場合、周期信号には歪みが生じ、信号値のオフセットが生じうる。また、例えば、スケールの透過部の透過率が低下し、半透過部の透過率が高くなるなど、スケールの透過率が変動した場合、周期信号における異なる２つの階調の差が小さくなりうる。このような周期信号の変動があると、閾値による符号判定（２値化）には誤りが生じうる。

本発明は、正確な絶対位置を得るのに有利なアブソリュートエンコーダを提供することを例示的目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の一側面としてのアブソリュートエンコーダは、互いに異なる第１マークおよび第２マークが配列されたスケールと、前記スケールからの信号を検出して、前記第１マークに対応する階調および前記第２マークに対応する階調を有する周期信号を出力する検出部と、前記周期信号に基づいて、前記スケールまたは前記検出部の絶対位置または絶対角度の情報を得る処理部と、を有し、前記処理部は、前記周期信号の位相に基づいて、前記第１マークまたは前記第２マークに対応する周期ごとに前記周期信号の信号強度を表す代表値を得、前記周期信号の互いに隣接する２つの前記周期にそれぞれ対応する２つの前記代表値の差を得、前記差に基づいて、前記周期ごとに前記周期信号の量子化を行って符号列を得、前記符号列に基づいて、前記情報を得ることを特徴とする。

本発明の更なる目的又はその他の側面は、以下、添付図面を参照して説明される好ましい実施形態によって明らかにされるであろう。

本発明によれば、例えば、正確な絶対位置を得るのに有利なアブソリュートエンコーダを提供することができる。

本発明の一側面としてのアブソリュートエンコーダの構成を示す概略図である。 符号列（アブソリュートコード）の一例を示す図である。 図１に示すアブソリュートエンコーダにおけるスケールの絶対位置を求める処理を説明するためのフローチャートである。 本実施形態におけるスケールの絶対位置を求めるための信号処理を説明するための図である。 アブソリュートコードとアブソリュート位置情報との関係を表すルックアップテーブルの一部を示す図である。 図１に示すアブソリュートエンコーダにおけるヘッドとスケールとの配置例を示す図である。 本実施形態におけるスケールの絶対位置を求めるための信号処理を説明するための図である。 従来技術におけるスケールの絶対位置を求めるための信号処理を説明するための図である。 本実施形態におけるスケールの絶対位置を求めるための信号処理を説明するための図である。 本実施形態におけるスケールの絶対位置を求めるための信号処理を説明するための図である。 従来技術及び本実施形態のそれぞれを用いて得られるアブソリュートコードの正誤を示す図である。 従来技術及び本実施形態のそれぞれを用いて得られるアブソリュートコードの正誤を示す図である。 従来技術及び本実施形態のそれぞれを用いて得られるアブソリュートコードの正誤を示す図である。 本実施形態におけるスケールの絶対位置を求めるための信号処理を説明するための図である。 本実施形態におけるスケールの絶対位置を求めるための信号処理を説明するための図である。 ステージ装置の構成例を示す図である。 レーザ加工装置の構成例を示す図である。 ６軸アーム型ロボットの構成例を示す図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施の形態について説明する。なお、各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。

図１は、本発明の一側面としてのアブソリュートエンコーダＡＥの構成を示す概略図である。アブソリュートエンコーダＡＥは、図１に示すように、ＬＥＤなどの点光源１から射出された光（発散光）を、相対移動可能に配置されたスケール（又はディスク）２に照明し、スケール２からの光（透過光）を検出部３で検出する。

スケール２は、透過部２ａ及び非透過部２ｂで構成されるインクリメンタルパターンを含み、透過部（第１マーク）２ａの一部を半透過部（第２マーク）２ｃに置き換えることでアブソリュートコードを埋め込んだ構成を有している。このように、スケール２には、互いに異なる階調を有する透過部２ａ及び半透過部２ｃが一定の周期で第１方向に沿って配列されている。透過部２ａ、非透過部２ｂ及び半透過部２ｃのそれぞれの透過率は、例えば、６０％、５％及び３０％に設定されている。本実施形態におけるアブソリュートコードは、透過部２ａを１、半透過部２ｃを０とするＭ系列符号や原始多項式で生成されるその他の巡回符号などを用いることができる。スケール２からの光は、インクリメンタルエンコーダで得られるような正弦波状の周期性を有し、図１に示すように、検出部３において、アブソリュートコードの情報を反映した階調の変化を含む光量分布４を形成する。

検出部３は、複数の光電変換素子（受光素子）を含むアレイ、例えば、ＣＭＯＳセンサやＣＣＤセンサなどで構成されている。検出部３に関しては、アブソリュートエンコーダＡＥの光学系の構成によって決定される光量分布の明暗の１周期の設計値ＰをＮ分割するように、各光電変換素子のピッチの設計値を決定する。これにより、各光電変換素子が出力する信号の位相が等間隔にずれるように、検出部３が構成される。例えば、アブソリュートコードのビット数Ｍを１６、光量分布の明暗の１周期に対する検出部３を構成するアレイの分割数Ｎを１２とする場合、光電変換素子の数（素子数）を、Ｎ×Ｍ＝１９２とする。これにより、アブソリュートコードの情報を含む周期信号が得られる。但し、実際には、検出部３の素子数は、冗長性をもたせるために、余裕をもって決定するとよい。本実施形態では、読み取りビット数Ｌを２０とし、Ｎ×Ｌ＝２４０とする場合の例について説明する。このように、検出部３は、透過部２ａ及び半透過部２の周期よりも小さいピッチで第１方向に沿って配置された複数の光電変換素子によってスケール２からの光を検出して、透過部２ａ及び半透過部２ｃに対応する周期信号を出力する。

処理部１０は、ＣＰＵやメモリなどを含み、アブソリュートエンコーダＡＥを制御する。後述するように、処理部１０は、検出部３から出力された周期信号に基づいて、スケール２又は検出部３の絶対位置又は絶対角度の情報、本実施形態では、検出部３に対するスケール２の第１方向における絶対位置を求める処理（信号処理）を行う。

図２は、光量分布の明暗の１周期の設計値Ｐが１２５０周期含まれる符号列（アブソリュートコード）の一例を示す図である。例えば、光量分布の明暗の１周期の設計値Ｐを１６０μｍとする場合、発散光を用いてスケール２の２倍の光学像を検出部３に投影するアブソリュートエンコーダＡＥにおいては、図２に示す符号列を用いて１００ｍｍのスケール２を構成することができる。

アブソリュートエンコーダＡＥは、アブソリュートコードの情報を反映した振幅の変化を含む周期信号から、かかる振幅の変化を読み取ることでアブソリュート位置情報を決定し、周期信号成分を用いて位相情報を決定する。そして、アブソリュート位置情報と位相情報とを組み合わせることで、検出部３に対するスケール２の絶対位置を高精度に求めることができる。設計値Ｐを１６０μｍとする場合には、８０μｍごとに決定されるアブソリュート位置情報と、８０μｍ以下に分割される位相情報との組み合わせによって、スケール２の絶対位置が決定される。

図３を参照して、アブソリュートエンコーダＡＥにおけるスケール２の絶対位置を求める処理、即ち、処理部１０で行われる信号処理について説明する。まず、Ｓ３０２では、検出部３から出力される周期信号（波形データ）を取得する。

上述したように、アブソリュートコードは、周期信号の各周期（透過部２ａ又は半透過部２ｃに対応する周期ごと）の振幅として埋め込まれているため、各周期の振幅情報を抽出する必要がある。振幅情報は、周期信号の各周期の信号強度を表す代表値である。本実施形態では、振幅情報として、周期信号の各周期の信号強度の極大値を用いる。ここで、極大値は、階調を有する周期信号の各周期における最大値を示す。図１に示す光量分布４を参照するに、光量分布４の１周期がｎ番目の光電変換素子からｎ＋１２番目の光電変換素子に対応する場合、最大の信号強度を有する出力値を、周期信号のある１周期における信号強度の極大値とする。本実施形態では、ｎ＋６番目の光電変換素子を、信号強度の極大値を出力する光電変換素子として決定する。周期信号の各周期の信号強度の極大値は、位相情報が得られれば、決定することができる。

そこで、Ｓ３０４では、Ｓ３０２で取得された周期信号に対して位相演算を行う。そして、Ｓ３０６では、Ｓ３０４での位相演算の結果から、周期信号の各周期の信号強度の極大値を取得する。このように、処理部１０は、位相演算から得られる周期信号の位相に基づいて、周期信号の各周期の信号強度の極大値（信号強度を表す代表値）を求める。

Ｓ３０８では、周期信号の隣接する周期間の極大値の差を表す差分値を取得する。具体的には、Ｓ３０６で取得された各極大値について、隣接する極大値同士で差分演算を行う。アブソリュートコードの１・０の符号に対応する振幅情報に対応して、１・０の符号が変化する場合には差分値が大きく、１・０の符号が変化しない場合には差分値が小さくなる。

Ｓ３１０では、Ｓ３０８で取得された周期間の差分値を補正する。例えば、周期信号の波形に基づいて、周期間の差分値に含まれる低周波成分を補正する。但し、Ｓ３１０の差分値の補正は、必要に応じて行われる。Ｓ３１２では、Ｓ３０８で取得された周期間の差分値に基づいて、周期信号を量子化するための閾値を決定する。Ｓ３１４では、閾値判定を行う。具体的には、Ｓ３０８で取得された差分値、或いは、Ｓ３１０で補正された差分値を、Ｓ３１２で決定された閾値と比較する。Ｓ３１６では、Ｓ３１４での閾値判定の結果から、差分値の符号の変化を取得する。なお、Ｓ３１０の差分値の補正、及び、Ｓ３１２の閾値の決定については、後で詳細に説明する。

Ｓ３１８では、Ｓ３１６で取得された符号の変化に基づいて、アブソリュートコードの符号を決定する。このように、周期信号の周期間の差分値に基づいて、周期信号を量子化して符号列を求める。Ｓ３１８の符号の決定については、後で詳細に説明する。

Ｓ３２０では、Ｓ３１８で決定されたアブソリュートコードの符号に基づいて、事前に用意されたルックアップテーブルを参照して、アブソリュート位置情報を決定する。Ｓ３２２では、Ｓ３０４での位相演算から得られる位相情報と、Ｓ３２０で決定されたアブソリュート位置情報とを組み合わせて、検出部３に対するスケール２の絶対位置を決定する。このように、周期信号を量子化した符号列に基づいて、スケール２の絶対位置を求める。

以下、図２に示す符号列を用いた場合における信号処理について詳細に説明する。シリアル出力型の検出部３から出力されるアナログ信号は、検出部３における光量分布を反映したアナログ電圧値であり、順次Ａ／Ｄ変換され、波形データとしてデジタル値が得られる。

図４（ａ）は、図２に示す下線部に対応する波形データ（周期信号）５ａを示す図である。波形データ５ａは、アブソリュートエンコーダＡＥが理想的な取付状態である場合に取得された実測値である。上述したように、波形データ５ａを用いて、位相演算が行われる。具体的には、例えば、４つの基準信号のそれぞれに対して、波形データ５ａの出力値を乗算し、その総和を逆正接演算することで、インクリメンタルエンコーダと同等の精度で位相を決定する。４つの基準信号としては、例えば、検出部３から出力される周期信号の１周期の設計値と同じ周期で、一定の振幅を有する、位相がπ／４ずつずれた４つの信号を用いることができる。位相演算を行うことで、波形データ５ａの検出部上での極大値の位置を決定することができる。

図４（ｂ）は、波形データ５ａの各周期の極大値を、各極大値が得られる検出部３の光電変換素子の位置に対してプロットしたグラフである。極大値の数は、読み取りビット数（本実施形態では、Ｌ＝２０）と同じ数、即ち、２０となる。かかる極大値は、１・０の符号情報を有している。

波形データ５ａから得られた極大値のそれぞれについて、隣接する極大値同士の差分値を取得する。ここでは、各極大値を、図４（ｂ）に示すように、左から順にＫ_１、Ｋ_２、Ｋ_３、・・・、Ｋ_２０とする。そして、極大値Ｋ_１乃至Ｋ_２０のそれぞれについて、差分値（Ｋ_２−Ｋ_１）、（Ｋ_３−Ｋ_２）、・・・、（Ｋ_２０−Ｋ_１９）を取得する。図４（ｃ）は、差分値（Ｋ_２−Ｋ_１）、（Ｋ_３−Ｋ_２）、・・・、（Ｋ_２０−Ｋ_１９）をプロットしたグラフである。差分値の数は、読み取りビット数から１を引いた数、即ち、１９となる。ここでは、差分値（Ｋ_２−Ｋ_１）を極大値Ｋ_２が得られる光電変換素子の位置、差分値（Ｋ_３−Ｋ_２）を極大値Ｋ_３が得られる光電変換素子の位置、という順でプロットしている。

このようにして得られた各差分値に対して、符号の変化を取得するために、閾値判定を行う。隣接する極大値の符号の配列としては、符号が１から０に変化する場合、０から１に変化する場合、及び、符号が変化しない場合の３通りが想定される。極大値Ｋ_ｉの符号が１、極大値Ｋ_ｉ＋１の符号が０である場合、差分値（Ｋ_ｉ＋１−Ｋ_ｉ）は、負の値となる。なお、ｉは、１〜１９の整数である。また、極大値Ｋ_ｉの符号が０、極大値Ｋ_ｉ＋１の符号が１である場合、差分値（Ｋ_ｉ＋１−Ｋ_ｉ）は、正の値となる。極大値Ｋ_ｉの符号及び極大値Ｋ_ｉ＋１の符号がともに１又は０である場合、差分値（Ｋ_ｉ＋１−Ｋ_ｉ）は、０である。但し、アブソリュートエンコーダＡＥの光学系の配置、光学素子や光電変換素子の特性のばらつき、電気的なノイズの影響などを考慮すると、極大値Ｋ_ｉの符号と極大値Ｋ_ｉ＋１の符号とが同じ場合でも、差分値（Ｋ_ｉ＋１−Ｋ_ｉ）は、必ずしも０にならない。

上述した３通りについて、各差分値から符号の変化を取得するために、閾値判定を行う。符号の変化を反映する差分値は、正負の２種類があるため、閾値も同様に、正負の２種類設定する。アブソリュートコードのビット数Ｍは、本実施形態では、１６ビットとしているため、極大値Ｋ_３乃至Ｋ_１８のそれぞれについて、１・０の符号の変化を取得すればよい。従って、閾値判定を行う必要がある差分値は、差分値（Ｋ_４−Ｋ_３）、（Ｋ_５−Ｋ_４）、・・・、（Ｋ_１８−Ｋ_１７）の１５個である。本実施形態では、図４（ｄ）に示すように、１５個の差分値（Ｋ_４−Ｋ_３）、（Ｋ_５−Ｋ_４）、・・・、（Ｋ_１８−Ｋ_１７）のうちで絶対値が最も大きい値の１／２の大きさを閾値の絶対値として採用し、正負それぞれの閾値６ａ及び６ｂを設定している。このように、差分値の絶対値の最大値の１／２（半分）の絶対値を有する正の値及び負の値を閾値とする。

各差分値（Ｋ_４−Ｋ_３）、（Ｋ_５−Ｋ_４）、・・・、（Ｋ_１８−Ｋ_１７）について、その値が、閾値６ａと閾値６ｂとの間であれば「０」、閾値６ｂ以下であれば「−」、閾値６ａ以上であれば「＋」と表すものとする。この場合、差分値（Ｋ_４−Ｋ_３）、（Ｋ_５−Ｋ_４）、・・・の順に、「０−＋０００−００＋−００００」となる。このような符号の変化と差分値との関係から、アブソリュートコードを求めることができる。但し、先頭の符号を決定する必要がある。先頭の符号は、最初の符号の変化から決定することができる。最初の符号の変化が「−」である場合には、先頭の符号は「１」である必要があり、最初の符号の変化が「＋」である場合には、先頭の符号は「０」である必要がある。このように、先頭の符号が決定されれば、全ての符号を順次決定することができる。本実施形態では、最初の符号の変化が「−」であるため、先頭の符号は「１」となる。上述した符号の変化と、先頭の符号とに基づいて、以下のように符号を決定することができる。具体的には、本実施形態では、符号の変化は、差分値（Ｋ_４−Ｋ_３）、（Ｋ_５−Ｋ_４）、・・・の順に、「０−＋０００−００＋−００００」であり、先頭の符号が「１」であるため、Ｋ_３＝Ｋ_４＝１と決定することができる。また、Ｋ_５＝０、Ｋ_６＝Ｋ_７＝Ｋ_８＝Ｋ_９＝１、Ｋ_１０＝Ｋ_１１＝Ｋ_１２＝０、Ｋ_１３＝１、Ｋ_１４＝Ｋ_１５＝Ｋ_１６＝Ｋ_１７＝Ｋ_１８＝０と順次決定することができる。従って、アブソリュートコードは、「１１０１１１１０００１０００００」となる。本実施形態では、最初の符号の変化に基づいて、先頭の符号を決定し、それ以降の符号を順次決定している。但し、最後の符号の変化に基づいて、最後尾の符号を決定し、それ以前の符号を順次決定してもよい。

このようにして得られたアブソリュートコードは、事前に用意されたルックアップテーブルを参照して、アブソリュート位置情報として出力される。図５は、図２に示す符号列に対応する、アブソリュートコードとアブソリュート位置情報との関係を表すルックアップテーブルの一部を示す図である。図５を参照するに、「１１０１１１１０００１０００００」のアブソリュートコードに対応するアブソリュート位置情報は、４０．６４ｍｍとなる。そして、かかるアブソリュート位置情報と位相情報とを組み合わせることで、絶対位置を求めることができる。

これまでは、アブソリュートエンコーダＡＥが理想的な取付状態である場合を例に説明した。但し、アブソリュートエンコーダＡＥが理想的な取付状態からずれると、光量分布が検出部３の各光電変換素子の位置に対して２次関数で近似できる変動を示す場合がある。この場合、差分値は、検出部３の各光電変換素子の位置に対して線形なオフセットを含むことになる。かかるオフセットを考慮して差分値を線形補正することで、光量分布の変動の影響を低減することができる。

以下では、アブソリュートエンコーダＡＥが理想的な取付状態ではない場合について説明する。図６は、アブソリュートエンコーダＡＥにおけるヘッド７とスケール２との配置例を示す図である。ヘッド７は、例えば、点光源１や検出部３などを含んで構成されている。本実施形態では、図６に示すように、ヘッド７とスケール２との間の間隔を「Ｇａｐ」と称し、ヘッド７の姿勢を「Ｙａｗｉｇｎ」と称する。

まず、Ｇａｐに変動を与えた場合を例に説明する。図７（ａ）は、理想的な取付状態からＧａｐを０．４ｍｍ広げた場合に取得される波形データ（周期信号）５ｂを示す図である。波形データ５ｂは、図４（ａ）に示す波形データ５ａに対応している（即ち、スケール２の同じ箇所を読み取ることで得られる）。図７（ａ）では、波形データ５ｂを実線で示し、波形データ５ａを点線で示している。波形データ５ｂと波形データ５ａとを比較するに、Ｇａｐの変動によって、波形データ５ｂに歪が生じていることがわかる。

図７（ｂ）は、図４（ｂ）に対応するグラフであって、波形データ５ｂの各周期の極大値Ｋ_１乃至Ｋ_２０を、各極大値が得られる検出部３の光電変換素子の位置に対してプロットしたグラフである。図７（ｃ）は、図４（ｃ）に対応するグラフであって、波形データ５ｂから得られた極大値のそれぞれについて、隣接する極大値同士の差分値（Ｋ_２−Ｋ_１）、（Ｋ_３−Ｋ_２）、・・・、（Ｋ_２０−Ｋ_１９）をプロットしたグラフである。

波形データ５ｂに生じている歪は、両端部で出力値が減少しており、検出部３の各光電変換素子の位置に対して２次関数で近似できる形状を有している。図７（ｃ）を参照するに、それを反映するように、線形なオフセットがあることがわかる。このようなオフセットがあると、閾値判定を行う際に、符号の変化がない箇所でも、符号の変化があると誤判定される可能性がある。そこで、波形データ５ｂから得られた各差分値を用いて線形補正を行い、オフセットを取り除くことで、誤判定を抑制するとよい。図７（ｄ）は、線形補正を行った場合において、隣接する極大値同士の差分値（Ｋ_４−Ｋ_３）、・・・、（Ｋ_１８−Ｋ_１７）をプロットしたグラフである。図７（ｄ）と図７（ｃ）とを比較するに、オフセットが取り除かれていることがわかる。

線形補正を行った場合には、図７（ｄ）に示すように、補正された差分値に基づいて、閾値を決定する。本実施形態では、差分値（Ｋ_４−Ｋ_３）、（Ｋ_５−Ｋ_４）、・・・、（Ｋ_１８−Ｋ_１７）のうちで絶対値が最も大きい値の１／２の大きさを閾値の絶対値として採用し、正負それぞれの閾値６ａ及び６ｂを設定している。閾値判定の結果から得られる符号の変化は、理想的な取付状態での結果と同様に、「０−＋０００−００＋−００００」となる。従って、アブソリュートコードも同様に、「１１０１１１１０００１０００００」となり、正しい符号が得られることがわかる。

図８（ａ）は、特許文献１に開示された技術を用いて、波形データ５ａに対して符号判定を行った結果を示す図である。図８（ｂ）は、特許文献１に開示された技術を用いて、波形データ５ｂに対して符号判定を行った結果を示す図である。特許文献１に開示された技術では、検出部３の各光電変換素子の出力値の和である隣接和データと固定閾値とを比較することで符号判定を行う。また、特許文献１に開示された技術では、位相演算を予め行い、隣接和データにおいて符号判定を行う箇所を決定している。

図８（ａ）及び図８（ｂ）では、符号判定を行う箇所を縦線で示しており、それぞれの箇所における隣接和データと固定閾値との比較結果を示している。隣接和データが固定閾値よりも大きければ、その箇所での符号を１とし、隣接和データが固定閾値よりも小さければ、その箇所での符号を０とする。図８（ａ）を参照するに、アブソリュートコードは、「１１０１１１１０００１０００００」となり、理想的な取付状態での符号判定は、本実施形態での結果と一致する。

一方、図８（ｂ）を参照するに、高い階調で判定されるべき隣接和が固定閾値よりも小さい箇所がある。この場合、アブソリュートコードは、「０００１１１１０００１０００００」となり、最初の２つの符号について、「１」と判定されるべき箇所が「０」と判定され、誤りがあることがわかる。これは、Ｇａｐの変動に起因して波形データが歪み、検出部３の両端部で光量が２次関数的に減少したためである。

特許文献１に開示された技術では、隣接和を取得しているため、平均化効果によって高周波な変動を抑制することができるが、低周波な変動については、そのまま反映してしまう。一方、本実施形態では、周期信号の隣接する周期間の極大値の差をとるため、低周波な変動がある場合でも、その影響を受けにくく、安定した符号判定を実現することができる。

また、特許文献１に開示された技術では、アブソリュートコードの符号判定を誤った場合に、その誤り（エラー）を検出することは困難である。一方、本実施形態では、閾値判定に誤りがあった場合、例えば、「＋」と「−」の符号の変化が交互に現れなければ、誤りがあることを検出することができる。このような場合、即ち、周期信号の周期間の差分値が連続して同じ符号を有する場合には、エラーを報知（通知）するとよい。

次に、スケール２の透過率に変動を与えた場合を例に説明する。図９（ａ）は、理想的な状態から半透過部２ｃの透過率を１０％大きくした場合に取得される波形データ（周期信号）５ｃを示す図である。波形データ５ｃは、図４（ａ）に示す波形データ５ａに対応している（即ち、スケール２の同じ箇所を読み取ることで得られる）。図９（ａ）では、波形データ５ｃを実線で示し、波形データ５ａを点線で示している。波形データ５ｃと波形データ５ａとを比較するに、異なる２つの階調の差が小さくなっていることがわかる。

図９（ｂ）は、図４（ｂ）に対応するグラフであって、波形データ５ｃの各周期の極大値Ｋ_１乃至Ｋ_２０を、各極大値が得られる検出部３の光電変換素子の位置に対してプロットしたグラフである。図９（ｃ）は、図４（ｃ）に対応するグラフであって、波形データ５ｃから得られた極大値のそれぞれについて、隣接する極大値同士の差分値（Ｋ_２−Ｋ_１）、（Ｋ_３−Ｋ_２）、・・・、（Ｋ_２０−Ｋ_１９）をプロットしたグラフである。

図９（ｃ）を参照するに、差分値（Ｋ_２−Ｋ_１）、（Ｋ_３−Ｋ_２）、・・・、（Ｋ_２０−Ｋ_１９）が傾きを有している。このような場合には、上述したように、線形補正を行ってから、閾値判定を行うとよい。図９（ｄ）は、線形補正を行った場合において、隣接する極大値同士の差分値（Ｋ_４−Ｋ_３）、・・・、（Ｋ_１８−Ｋ_１７）をプロットしたグラフである。本実施形態では、差分値（Ｋ_４−Ｋ_３）、（Ｋ_５−Ｋ_４）、・・・、（Ｋ_１８−Ｋ_１７）のうちで絶対値が最も大きい値の１／２の大きさを閾値の絶対値として採用し、正負それぞれの閾値６ａ及び６ｂを設定している。閾値判定の結果から得られる符号の変化は、理想的な取付状態での結果と同様に、「０−＋０００−００＋−００００」となる。従って、アブソリュートコードも同様に、「１１０１１１１０００１０００００」となり、正しい符号が得られることがわかる。

図８（ｃ）は、特許文献１に開示された技術を用いて、波形データ５ｃに対して符号判定を行った結果を示す図である。隣接和データと固定閾値とを比較して符号判定を行うと、低い階調で判定されるべき隣接和が固定閾値よりも大きい箇所がある。この場合、アブソリュートコードは、「１１１１１１１０００１０００００」となり、３つ目の符号について、「０」と判定されるべき箇所が「１」と判定され、誤りがあることがわかる。

このように、特許文献１に開示された技術では、階調の差が小さくなると、固定閾値（の設定）に対して非常に敏感となる。一方、本実施形態では、差分値を用いているため、階調の差が小さくなっても、差分値の値が確保できている範囲では、安定した符号判定を実現することができる。

次に、Ｇａｐ、Ｙａｗｉｇｎ及びスケール２の透過率に変動を与えた場合を例に説明する。図１０（ａ）は、理想的な取付状態から、Ｇａｐを０．４ｍｍ広げ、Ｙａｗｉｎｇを２度傾け、透過部２ａの透過率を１０％小さくし、半透過部２ｃの透過率を１０％大きくした場合に取得される波形データ（周期信号）５ｄを示す図である。波形データ５ｄは、図４（ａ）に示す波形データ５ａに対応している（即ち、スケール２の同じ箇所を読み取ることで得られる）。図１０（ａ）では、波形データ５ｄを実線で示し、波形データ５ａを点線で示している。波形データ５ｄと波形データ５ａとを比較するに、波形データ５ｄに歪が生じ、異なる２つの階調の差が小さくなっていることがわかる。

図１０（ｂ）は、図４（ｂ）に対応するグラフであって、波形データ５ｄの各周期の極大値Ｋ_１乃至Ｋ_２０を、各極大値が得られる検出部３の光電変換素子の位置に対してプロットしたグラフである。図１０（ｃ）は、図４（ｃ）に対応するグラフであって、波形データ５ｄから得られた極大値のそれぞれについて、隣接する極大値同士の差分値（Ｋ_２−Ｋ_１）、（Ｋ_３−Ｋ_２）、・・・、（Ｋ_２０−Ｋ_１９）をプロットしたグラフである。

図１０（ｃ）を参照するに、差分値（Ｋ_２−Ｋ_１）、（Ｋ_３−Ｋ_２）、・・・、（Ｋ_２０−Ｋ_１９）が傾きを有している。このような場合には、上述したように、線形補正を行ってから、閾値判定を行うとよい。図１０（ｄ）は、線形補正を行った場合において、隣接する極大値同士の差分値（Ｋ_４−Ｋ_３）、・・・、（Ｋ_１８−Ｋ_１７）をプロットしたグラフである。本実施形態では、差分値（Ｋ_４−Ｋ_３）、（Ｋ_５−Ｋ_４）、・・・、（Ｋ_１８−Ｋ_１７）のうちで絶対値が最も大きい値の１／２の大きさを閾値の絶対値として採用し、正負それぞれの閾値６ａ及び６ｂを設定している。閾値判定の結果から得られる符号の変化は、理想的な取付状態での結果と同様に、「０−＋０００−００＋−００００」となる。従って、アブソリュートコードも同様に、「１１０１１１１０００１０００００」となり、正しい符号が得られることがわかる。

図８（ｄ）は、特許文献１に開示された技術を用いて、波形データ５ｄに対して符号判定を行った結果を示す図である。隣接和データと固定閾値とを比較して符号判定を行うと、隣接和データの全体が閾値よりも小さくなる。この場合、アブソリュートコードは、「００００００００００００００００」となり、明らかに誤りがあることがわかる。

このように、特許文献１に開示された技術では、固定閾値を用いているため、大きなオフセットの変動に対応することができない。一方、本実施形態では、差分値に基づいて決定された閾値を用いているため、オフセットの変動の影響を受けることなく、安定した符号判定を実現することができる。

図１１乃至図１３は、特許文献１に開示された技術（従来技術）を用いて得られるアブソリュートコードの正誤と、本実施形態を用いて得られるアブソリュートコードの正誤とを示す図である。図１１は、Ｇａｐに変動を与えた場合の図である。図１１では、Ｇａｐを−０．４ｍｍ乃至＋０．４ｍｍの範囲で変動させている。図１２は、スケール２の透過率に変動を与えた場合の図である。図１２では、半透過部２ｃの透過率を０％乃至１０％の範囲で変動させている。図１３は、Ｇａｐ、Ｙａｗｉｇｎ及びスケール２の透過率に変動を与えた場合の図である。図１３では、Ｇａｐを＋０．４ｍｍ変動させ、透過部２ａの透過率を−１０％変動させ、半透過部２ｃの透過率を＋１０％変動させ、Ｙａｗｉｎｇを−３度乃至＋３度の範囲で変動させている。図１１乃至図１３では、アブソリュートコードに誤りがない場合（即ち、アブソリュートコードが正しい場合）を「ＯＫ」と表記し、アブソリュートコードに誤りがある場合を「ＮＧ」と表記している。図１１乃至図１３を参照するに、本実施形態では、理想的な取付状態に変動を与えた全ての場合に対して、正しいアブソリュートコードが得られていることがわかる。

本実施形態によれば、アブソリュートエンコーダＡＥが理想的な取付状態から変動した場合であっても、符号の誤判定を抑制して、正しいアブソリュートコードを取得することができる。従って、アブソリュートエンコーダＡＥは、検出部３に対するスケール２の絶対位置を高精度に求めることができる。

本実施形態では、周期信号の各周期の信号強度を表す代表値として、周期信号の各周期の信号強度の極大値を例に説明したが、これに限定されるものではない。周期信号の各周期の信号強度の極大値と、かかる極大値を出力した光電変換素子の近傍、例えば、隣接する光電変換素子から出力された信号強度の値との和を、周期信号の各周期の信号強度を表す代表値としてもよい。具体的には、図１を参照するに、ｎ＋６番目の光電変換素子の出力値だけではなく、その両隣の光電変換素子、即ち、ｎ＋５番目及びｎ＋７番目の光電変換素子の出力値との和を、周期信号の各周期の信号強度を表す代表値とする。また、両隣の光電変換素子の出力値だけではなく、隣接する複数の光電変換素子の出力値の和を、周期信号の各周期の信号強度を表す代表値としてもよい。これにより、検出部３から出力される周期信号に多くのノイズが含まれる場合でも、平均化効果によって、ノイズの影響を緩和することができる。また、周期信号の各周期に含まれる信号強度の総和（ｎ番目からｎ＋１２番目の光電変換素子の出力値の和）を、周期信号の各周期の信号強度を表す代表値としてもよい。これにより、ノイズの影響を更に緩和することができる。

また、極大値を取得する手法として、位相演算の結果から１箇所の極大値を決定し、光量分布の明暗の１周期に対する検出部３の分割数Ｎごとの各光電変換素子の出力値を極大値として取得することも可能である。本実施形態では、Ｎ＝１２であるため、１２個ごとの各光電変換素子の出力値を極大値として取得することが可能である。

また、本実施形態では、周期信号の周期間の極大値の差分値を用いて閾値判定を行っているが、かかる差分値を２乗した値を用いて閾値判定を行ってもよい。これにより、閾値判定のマージンを大きくすることができる。また、差分値を２乗した値は正であるため、閾値は１つでよい。閾値判定によって符号の変化があると判定された値に対して、２乗する前の差分値を参照すれば、符号の変化の仕方も決定することができる。２乗する前の差分値が正であれば、符号の変化は「０」から「１」への変化であり、２乗する前の差分値が負であれば、符号の変化は「１」から「０」への変化である。このように、差分値を２乗した値を用いた場合にも、符号の変化を取得することができる。

本実施形態では、差分値の絶対値の最大値の１／２の大きさを閾値の絶対値として採用し、正負それぞれの閾値（２つの閾値）を設定しているが、これに限定されるものではない。光量分布の変動の計算値や実験値に基づいて、最適な値を閾値として設定してもよい。

また、本実施形態では、全ての差分値に対して同一の閾値を採用しているが、検出部３を構成する複数の光電変換素子のそれぞれの位置に応じて、閾値を変更してもよい。図４（ａ）を参照するに、検出部３の中央部と両端部とでは、波形データ５ａの振幅が異なる。具体的には、検出部３の両端部において、波形データ５ａの振幅が小さくなる傾向があり、差分値も同様な傾向を示す。そこで、図１４に示すように、検出部３の中央部では、差分値の最大値の１／２を閾値として設定し、検出部３の両端部では、差分値の最大値の１／３を閾値として設定してもよい。ここでは、差分値Ｋ_３乃至Ｋ_７及びＫ_１４乃至Ｋ_１８を検出部３の両端部とし、差分値Ｋ_８乃至Ｋ_１３を検出部３の中央部としている。このように閾値を設定することで、より安定した符号判定を実現することができる。更に、曲線状の閾値を用意して、差分値の最大値と、最大値に対応する光電変換素子の位置の情報とに基づいてオフセットを決定し、閾値としてもよい。

また、上述したように、「＋」と「−」の符号の変化が交互に現れず、エラーが生じた場合には、閾値の設定に問題がある可能性がある。例えば、波形データ５ａに対して、差分値の絶対値の最大値の１／１．２の大きさを閾値の絶対値として採用し、正負それぞれの閾値を設定した場合における差分値と閾値との関係を図１５に示す。この場合、符号の変化は、「０−００００−・・・」となり、「１」から「０」への符号の変化が生じた後、再び、「１」から「０」への符号の変化が生じているため、明らかなエラーである。これは、閾値を大きく設定したため、３つ目の符号の変化を誤って検出したことが原因である。このような場合には、上述したように、エラーを通知してもよいし、閾値を再設定してもよい。閾値を再設定する場合には、差分値の絶対値の最大値の１／１．２とした分母を変更して、エラーが生じない数字を採用すればよい。例えば、上述したように、分母に２を採用すれば、エラーを生じずに、符号の変化を正しく判定することができる。

更に、上述した実施形態は、以下の処理を実行することによっても実現されうる。即ち、上述した実施形態の機能を実現するソフトウェア（プログラム）を、ネットワーク又は各種記憶媒体を介してシステム或いは装置に供給し、そのシステム或いは装置のコンピュータ（又はＣＰＵやＭＰＵ等）がプログラムを読み出して実行する処理である。ここで、当該コンピュータ等は、処理部１０としうる。

［応用例］
他の実施形態としてのアブソリュートエンコーダの応用例を説明する。アブソリュートエンコーダは、原点（基準位置）検出のための動作を必須としないため、種々の駆動装置や、それを含むロボットや運輸機械または装置等の産業機械または装置（工作、加工、計測、製造に係る機械または装置を含む）等において有用である。当該駆動装置は、（物体の処理を行うための）可動部と、該可動部の運動に係る絶対位置または絶対角度を計測するアブソリュートエンコーダとを含みうる。更に、当該駆動装置は、該可動部の運動に係る駆動を行う駆動部（アクチュエータ）と、該アブソリュートエンコーダの出力に基づいて該駆動部を制御する制御部とを含みうる。ここでは、一例として、産業機械としてのリソグラフィ装置（露光装置等）に備えられるステージ（ＸＹステージ）装置への適用例を説明する。図１６は、本応用例におけるステージ装置１０００の構成例を示す図である。

なお、リソグラフィ装置は、パターンを基板に形成する装置であって、例えば、露光装置、描画装置、インプリント装置として具現化されうる。露光装置は、例えば、（極端）紫外光を用いて基板（上のレジスト）に（潜像）パターンを形成する。また、描画装置は、例えば、荷電粒子線（電子線等）を用いて基板（上のレジスト）に（潜像）パターンを形成する。また、インプリント装置は、基板上のインプリント材を成型して基板上にパターンを形成する。

ステージ装置１０００は、図１６に示すように、Ｙ軸方向へのステージ１００８（可動部）の移動に用いられるＹ軸モータ１００９（駆動部）と、Ｘ軸方向へのステージ１００８の移動に用いられるＸ軸モータ１０１２（駆動部）とを有する。ここで、例えば、各モータの固定子および可動子の一方に上述のアブソリュートエンコーダＡＥのスケール２を、他方に上述のアブソリュートエンコーダＡＥの検出部１を取り付けることにより、ステージ１００８の絶対位置を得ることができる。

また、産業機械は、ガルバノ走査装置（ガルバノスキャナ）を含みうる。ガルバノ走査装置は、レーザ穴あけ装置、レーザトリマ装置、レーザリペア装置などのレーザ加工装置に用いられうる。図１７は、ガルバノ走査装置を用いたレーザ加工装置４００の構成例を示す図である。レーザ加工装置４００は、加工対象の物体Ｗにレーザ光を照射し、例えば、物体Ｗの切断、穴あけ、溶接などの加工を行う。レーザ加工装置４００は、光源４１０およびレンズ４２０を有する。本実施形態のレーザ加工装置４００は、物体Ｗの表面に平行なＸＹ平面において、光源４１０から射出したレーザ光をＸ方向およびＹ方向に走査する。ガルバノ走査装置４３０および４４０は、Ｘ方向走査およびＹ方向走査に関して、それぞれ１つずつ配置され、レーザ光をミラーで反射して物体Ｗに照射する。可動部であるミラーは、モータにより駆動され、モータの回転制御は、上述のアブソリュートエンコーダＡＥの出力に基づいて行われる。

また、産業機械は、６軸アーム型ロボットなどの産業用ロボットを含みうる。図１８は、６軸アーム型ロボット６００の構成例を示す図である。各関節部に駆動装置６１０、６２０、６３０、６４０、６５０及び６６０が設けられている。可動部である各関節部は、モータにより駆動され、モータの回転制御は、上述のアブソリュートエンコーダＡＥの出力に基づいて行われる。上述のアブソリュートエンコーダＡＥを産業機械に適用することにより、例えば、可動部の正確な位置決めまたは角度決めの点で有利な産業機械を提供しうる。

上述したような産業機械は、物品の製造方法に使用しうる。当該物品の製造方法は、当該産業機械を用いて物体の処理を行う工程を含み、当該工程を介して物品を製造するものである。当該処理は、例えば、加工、切断、搬送、組立（組付）、検査、および選別のうちの少なくともいずれか１つを含みうる。本実施形態の物品の製造方法は、従来の方法に比べて、物品の性能・品質・生産性・生産コストのうちの少なくとも１つにおいて有利である。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されないことはいうまでもなく、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

ＡＥ：アブソリュートエンコーダ ２：スケール ２ａ：透過部 ２ｂ：非透過部 ２ｃ：半透過部 ３：検出部 １０：処理部

Claims (14)

1. 互いに異なる第１マークおよび第２マークが配列されたスケールと、
   前記スケールからの信号を検出して、前記第１マークに対応する階調および前記第２マークに対応する階調を有する周期信号を出力する検出部と、
   前記周期信号に基づいて、前記スケールまたは前記検出部の絶対位置または絶対角度の情報を得る処理部と、を有し、
   前記処理部は、
   前記周期信号の位相に基づいて、前記第１マークまたは前記第２マークに対応する周期ごとに前記周期信号の信号強度を表す代表値を得、
   前記周期信号の互いに隣接する２つの前記周期にそれぞれ対応する２つの前記代表値の差を得、
   前記差に基づいて、前記周期ごとに前記周期信号の量子化を行って符号列を得、
   前記符号列に基づいて、前記情報を得ることを特徴とするアブソリュートエンコーダ。
2. 前記代表値は、前記周期ごとの前記周期信号の信号強度の極大値を含むことを特徴とする請求項１に記載のアブソリュートエンコーダ。
3. 前記代表値は、前記極大値を有する信号に隣接する前記周期信号における信号の信号強度の値と前記極大値との和を含むことを特徴とする請求項２に記載のアブソリュートエンコーダ。
4. 前記代表値は、前記周期ごとの前記周期信号の信号強度の総和を含むことを特徴とする請求項１に記載のアブソリュートエンコーダ。
5. 前記処理部は、前記差と閾値とに基づいて前記量子化を行うことを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか１項に記載のアブソリュートエンコーダ。
6. 前記処理部は、前記差に基づいて前記閾値を決定することを特徴とする請求項５に記載のアブソリュートエンコーダ。
7. 前記処理部は、前記差の絶対値の最大値の半分の絶対値を有する正の値および負の値を前記閾値とすることを特徴とする請求項６に記載のアブソリュートエンコーダ。
8. 前記処理部は、前記周期ごとに前記閾値を決定することを特徴とする請求項５又は６に記載のアブソリュートエンコーダ。
9. 前記処理部は、前記差を２乗して得られた値に基づいて前記量子化を行って前記符号列を得ることを特徴とする請求項１に記載のアブソリュートエンコーダ。
10. 前記処理部は、前記差を２乗して得られた値と閾値とに基づいて前記量子化を行うことを特徴とする請求項９に記載のアブソリュートエンコーダ。
11. 前記処理部は、
    前記周期信号の低周波成分に基づいて、前記差の補正を行い、
    前記補正により得られた値に基づいて前記量子化を行うことを特徴とする請求項１に記載のアブソリュートエンコーダ。
12. 前記処理部は、前記差が連続して同じ符号を有する場合には、エラーを報知することを特徴とする請求項１乃至１１のうちいずれか１項に記載のアブソリュートエンコーダ。
13. 物体の処理を行うための可動部と、
    前記可動部を駆動する駆動部と、
    前記可動部の絶対位置または絶対角度の情報を得る請求項１乃至１２のうちいずれか１項に記載のアブソリュートエンコーダと、
    前記アブソリュートエンコーダの出力に基づいて前記駆動部を制御する制御部と、
    を含むことを特徴とする産業機械。
14. 請求項１３に記載の産業機械を用いて物体を処理する工程を含み、前記工程を介して物品を製造することを特徴とする物品の製造方法。

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