JP5857347B2

JP5857347B2 - エンコーダ

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Publication number: JP5857347B2
Application number: JP2011237893A
Authority: JP
Inventors: 慶顕加藤; 浩司森本; 哲郎桐山
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2011-10-28
Filing date: 2011-10-28
Publication date: 2016-02-10
Anticipated expiration: 2031-10-28
Also published as: JP2013096756A

Description

本発明は、位置等の検出を行うエンコーダに関する。

一般的に、エンコーダは、スケール、スケールに光を照射する光源、及びスケールからの反射光を受光する受光部を有する。受光部は、９０°位相が異なるＡ、Ｂ相正弦波状信号（リサージュ信号）を検出する。エンコーダは、このリサージュ信号をデジタル化し、そのデジタル信号に基づき位置等の検出を行なう（特許文献１）。しかし、リサージュ信号の振幅が極端に小さい場合、その信号のデジタル化による量子化誤差や、ノイズの影響により測定精度が低下する。

これに対して、特許文献２に記載のエンコーダは、リサージュ信号の交流成分のピーク値に基づいて光源の光量を制御する。この光量の制御により、リサージュ信号の振幅は所定値に制御される。しかしながら、特許文献２の光量制御は、常にリサージュ信号の交流成分のピーク値を検出しなければならない。このため、エンコーダを動かし続けなくては光量を制御することができない。

特開２００６−１１２８６２特開２００４−３４７５０４

本発明は、このような問題点に鑑みされたもので、リサージュ信号の検出を停止した場合にも、測定精度の低下を抑制可能なエンコーダを提供することを目的とする。

本発明に係るエンコーダは、スケールと、前記スケールに光を照射すると共に供給される電流に応じて光量を変化させる光源と、前記スケールにより反射された光を受光すると共に位相のずれた２相正弦波状信号を出力する受光部とを備えるエンコーダであって、前記２相正弦波状信号によって形成されるリサージュ波形に含まれる理想的リサージュ波形からの振幅誤差を含む誤差を検出し、検出された誤差をリサージュ波形の少なくとも１回転以上だけ累積演算して新たな補正値とすることで、動的に前記補正値を更新する誤差検出部と、前記振幅誤差に基づく補正値に応じて前記光源に供給する電流を調整する光源駆動処理部とを備えることを特徴とする。

この発明によれば、リサージュ信号の検出を停止した場合にも、測定精度の低下を抑制可能なエンコーダを提供できる。

この発明の実施の形態に係るエンコーダ１の基本構成を示すブロック図である。エンコーダ１の処理の流れを示すフローチャートである。図２のオフセット補正、振幅補正及び位相補正の詳細を示すフローチャートである。観測されるリサージュ波形の一例を示す図である。図２の３次高調波歪補正（第１の方法）の詳細を示すフローチャートである。３次高調波における振幅ａ１、ａ３の演算方法を説明するための図である。図２の３次高調波歪補正（第２の方法）の詳細を示すフローチャートである。図７の補正処理における座標回転を説明するための図である。図７の補正処理におけるＡ相（又はＢ相）と３次高調波の電圧との関係を示すグラフである。この発明の他の実施形態に係るエンコーダ２の基本構成を示すブロック図である。

次に、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。図１は、実施の形態に係るエンコーダ１の基本構成を示すブロック図である。エンコーダ１は、図１に示すように、スケール１１、光源１２、及び受光部１３を有する。スケール１１は、所謂、インクリメンタルスケールである。光源１２は、スケール１１に光を照射し、供給される電流に比例してその光量を変化させる。受光部１３は、スケール１１により反射された光を受光する。光源１２及び受光部１３は、スケール１１に対して相対的に移動可能に構成される。受光部１３は、検出された光に基づきＡ相正弦波状信号Ａ０、Ｂ相正弦波状信号Ｂ０を出力する。Ａ相正弦波状信号、Ｂ相正弦波状信号Ａ０、Ｂ０は、互いにπ／４の位相差を有し、且つ振幅誤差、位相誤差、オフセット、及び３次高調波歪み等を含む。

更に、エンコーダ１は、図１に示すように、Ａ／Ｄコンバータ２０、２１、オフセット・振幅・位相補正部３０、オフセット・振幅・位相検出部３１、３次高調波歪補正部４０、３次高調波演算・検出部４１、ｒ−θ変換部５０、及び光源駆動処理部６０を有する。これら構成２０〜６０により、出力信号Ａ０、Ｂ０から誤差が除去される。

Ａ／Ｄコンバータ２０、２１は、それぞれ、信号Ａ０、Ｂ０を所定の周波数でサンプリングした後ディジタル信号Ａ１、Ｂ１に変換し、それら信号Ａ１、Ｂ１をオフセット・振幅・位相補正部３０に入力する。オフセット・振幅・位相補正部３０は、オフセット・振幅・位相検出部３１により演算された補正係数に基づいて、ディジタル信号Ａ１、Ｂ１のオフセット、振幅及び位相を補正して出力信号Ａ４、Ｂ４を出力する。オフセット・振幅・位相検出部３１は、出力信号Ａ４、Ｂ４に基づいてオフセット・振幅・位相補正部３０における補正係数を演算する。補正係数の演算手法については後述する。

出力信号Ａ４、Ｂ４は、振幅、位相、及びオフセットが補正された正弦波状の出力信号である。しかし、出力信号Ａ４、Ｂ４は３次高調波を含む高調波成分を依然として含んでいる。このため、３次高調波歪補正部４０は、出力信号Ａ４、Ｂ４の３次高調波成分を補正して出力信号Ａ７、Ｂ７を出力する。３次高調波歪補正部４０は、３次高調波演算・検出部４１から与えられる補正係数に基づいて補正を行なう。ここで、補正係数は、基本波の振幅ａ１、３次高調波の振幅ａ３、及び３次高調波の位相φ３等であり、その詳細については後述する。ｒ−θ変換部５０は、出力信号Ａ７、Ｂ７からリサージュ波形を生成し、このリサージュ波形の位相θごとの半径ｒを演算する。３次高調波演算・検出部４１は、この位相θ、半径ｒに基づいて各補正係数を算出する。

光源駆動処理部６０は、オフセット・振幅・位相検出部３１により演算された振幅に関する補正係数ｋａ１、ｋｂ１に応じて光源１２に供給する電流を調整する。

次に、このように構成されたエンコーダ１の補正処理の詳細について説明する。図２は、補正処理を示すフローチャートである。図２に示すように、先ず、光量が制御され、受光部１３から出力されるＡ相正弦波状信号Ａ０、Ｂ相正弦波状信号Ｂ０の振幅が補正される（Ｓ１１）。この光量の制御は、後述する振幅補正（Ｓ１４）に基づいて、光源１２及び光源駆動処理部６０によりなされる。

次に、信号Ａ０、Ｂ０は、ＡＤ変換され（Ｓ１２）、ディジタルのＡ相正弦波状信号、Ｂ相正弦波状信号Ａ１、Ｂ１となる。この信号Ａ１，Ｂ１は、下記（数式１）、（数式２）のように表すことができる。

ここで、ａ０、ｂ０はＡ相及びＢ相のオフセット誤差を示す。ａ１、ｂ１はＡ相及びＢ相の振幅誤差を示す。φ１はＡ相に対するＢ相の位相誤差を示す。ａ３，ｂ３はＡ相及びＢ相の３次高調波の振幅を示す。φ３は３次高調波の基本波に対する位相誤差を示す。“ｕ”は“ｕ＝２πｘ／λ”と定義され、ｘは変位、λは信号ピッチをそれぞれ示す。これらの誤差のうちオフセット誤差ａ０、ｂ０、振幅誤差ａ１、ｂ１及び位相誤差φ１は、オフセット・振幅・位相補正部３０及びオフセット・振幅・位相検出部３１により実行されるオフセット補正処理ステップ（Ｓ１３）、振幅補正処理ステップ（Ｓ１４）及び位相補正処理ステップ（Ｓ１５）で順次除去される。３次高調波歪みは、３次高調波歪み補正部４０及び３次高調波演算・検出部４１により実行される３次高調波歪み補正ステップ（Ｓ１６）にて除去される。最後に、誤差が除去された２相正弦波状信号Ａ７，Ｂ７を用いてｒ−θ変換部５０で出力信号θが求められる（Ｓ１７）。

この実施形態では、上述した各補正処理ステップ（Ｓ１１、Ｓ１３〜Ｓ１６）において、それぞれ漸化式を用いた動的補正を行う。

[信号Ａ１、Ｂ１のオフセット補正］
次に、図３を参照して、信号Ａ１、Ｂ１のオフセット補正（Ｓ１３）について具体的に説明する。図３は補正処理ステップ（Ｓ１１、Ｓ１３〜Ｓ１５）の詳細を示す。図３においては、図４に示すように、Ａ相及びＢ相の正弦波状信号Ａ１、Ｂ１から一周分のリサージュ波形が得られたものとして説明を行なう。

先ず、リサージュ波形のうちのＸ軸及びＹ軸を横切る４つのゼロクロス点Ｐ１２、Ｐ２３、Ｐ３４、Ｐ４１から、Ｘ軸及びＹ軸方向のオフセット補正値の変化分Δｄａ１，Δｄｂ１が次の（数式３）及び（数式４）ように求められる（Ｓ１１１）。

ここで求められたΔｄａ１、Δｄｂ１は、オフセット誤差ａ０、ｂ０に近いが、振幅誤差及び位相誤差があるため、完全には一致していない。そこで、フィードバック処理を数回繰り返すことにより、この誤差を徐々に収束させていく。すなわち、補正値ｄａ１、ｄｂ１を累積加算値として、下記（数式５）及び（数式６）のように求める（Ｓ１１２）。

そして、下記（数式７）及び（数式８）により信号Ａ１，Ｂ１からオフセット誤差を除去するための補正処理が実行される（Ｓ１１３）。

［信号Ａ１、Ｂ１の振幅補正］
次に、図３を参照して、信号Ａ１、Ｂ１の振幅補正（Ｓ１４）について説明する。この振幅補正（Ｓ１４）においては、上記と同様に、リサージュ波形のＸ軸及びＹ軸を横切る４つのゼロクロス点Ｐ１２，Ｐ２３，Ｐ３４，Ｐ４１から、Ｘ軸及びＹ軸方向の振幅補正値の変化分Δｋａ１、Δｋｂ１が次の（数式９）及び（数式１０）ように求められる（Ｓ１２１）。

この場合にも、フィードバック処理を数回繰り返すことにより、誤差を徐々に収束させていく。すなわち、補正値ｋａ１、ｋｂ１を累積除算値として、下記（数式１１）及び（数式１２）のように求める（Ｓ１２２）。

そして、下記（数式１３）及び（数式１４）により信号Ａ２，Ｂ２から振幅誤差を除去するための補正処理が実行される（Ｓ１２３）。

［信号Ａ０、Ｂ０の振幅補正］
次に、図３を参照して、信号Ａ０、Ｂ０の振幅補正（Ｓ１１）について説明する。上記信号Ａ１、Ｂ１の振幅補正のみでは、信号Ａ０、Ｂ０のデジタル化により生じる量子化誤差を抑制できない。そこで、本実施の形態は、信号Ａ０、Ｂ０の振幅補正（Ｓ１１）を行なう。この振幅補正（Ｓ１１）においては、上記ステップＳ１２１、Ｓ１２２により、補正値ｋａ１又はｋｂ１が求められる。そして、以下に示す（数式１５）又は（数式１６）に基づき、補正値ｋａ１又はｋｂ１に応じて光源１２に供給する電流Ｉ_ｆが調整される（Ｓ１２４）。なお、（数式１５）及び（数式１６）において、Ｋ_ｐは一定の係数である。

上述したように光源１２は、供給される電流に比例して光量を変化させる。したがって、（数式１５）、（数式１６）に基づく制御により、光源駆動処理部６０は、Ａ相正弦波状信号Ａ０、Ｂ相正弦波状信号Ｂ０の振幅を補正できる。これにより、信号Ａ０、Ｂ０のＳ／Ｎ比は向上し、信号Ａ０、Ｂ０のデジタル化に生じる量子化誤差は小さくなる。また、光源１２の光量制御は、オフセット・振幅・位相検出部３１に格納された補正値ｋａ１、ｋｂ１に基づき行なわれる。したがって、リサージュ信号の検出を停止した場合にも、光源１２の光量制御は可能であるため、その測定精度の低下は抑制される。

［信号Ａ１、Ｂ１の位相補正］
次に、図３を参照して、信号Ａ１、Ｂ１の位相補正（Ｓ１５）について説明する。この位相補正においては、上記と同様に、リサージュ波形のＸ軸及びＹ軸に対して４５°の直線（ｙ＝ｘ，ｙ＝−ｘ）を横切る４つの点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４から、Ａ相及びＢ相の位相補正値の変化分Δｋｐ１が次の（数式１７）ように求められる（Ｓ１３１）。

この場合にも、フィードバック処理を数回繰り返すことにより、誤差を徐々に収束させていく。すなわち、補正値ｋｐ１を累積乗算値として、下記（数式１８）〜（数式２０）のように求める（Ｓ１３２）。

そして、下記（数式２１）及び（数式２２）により信号Ａ３，Ｂ３から位相誤差を除去するための補正処理が実行される（Ｓ１３３）。

［３次高調波歪み補正］
次に、３次高調波歪み補正について説明する。出力信号Ａ４、Ｂ４は、振幅、位相、及びオフセットが補正された正弦波状の出力信号であるが、３次高調波を含む高調波成分を依然として含んでいる。すなわち、３次高調波の振幅及び位相が等しいとして、基本波の振幅をａ１（＝ｂ１）、３次高調波の振幅をａ３（＝ｂ３）、３次高調波の位相をφ３とすると、出力信号Ａ４、Ｂ４は、次の（数式２３）及び（数式２４）で表される。

従って、信号Ａ４、Ｂ４のリサージュ半径ｒは、次の（数式２５）のように求められる。

上記式から明らかなように、リサージュ半径ｒは、最大値ｒｍａｘ＝ａ１＋ａ３、最小値ｒｍｉｎ＝ａ１−ａ３の間を周期λ／４、位相３φ３で変化する。従って、ａ１，ａ３及びφ３が求まれば、３次高調波歪を補正することができる。

］
［方法１：φ３＝０の場合］
先ず、図５に簡便な第１の方法を示す。上述のように、リサージュ波形の半径ｒは、３次高調波歪によりλ／４の周期で変化し、その最大値ｒｍａｘはｒｍａｘ＝ａ１＋ａ３、最小値ｒｍｉｎはｒｍｉｎ＝ａ１−ａ３となる（図６参照）。従って、ａ１、ａ３は、ｒｍａｘ、ｒｍｉｎを用いて、次の（数式２６）及び（数式２７）ように演算できる。

また、簡単のため、ここでは位相φ３＝０と見なせることを前提としている。例えば、Ｘ，Ｙ軸上に半径の最小値ｒｍｉｎ、Ｘ，Ｙ軸に対して４５°をなす線上に最大値ｒｍａｘが存在すると仮定すると、ｒｍａｘ，ｒｍｉｎは、次の（数式２８）及び（数式２９）ように求めることが出来る（Ｓ１５１）。

こちらも、フィードバック処理を数回繰り返すことにより、誤差を徐々に収束させていく。すなわち、補正値ａ１、ａ３を累積加算値として、下記の（数式３０）及び（数式３１）のように求める（Ｓ１５２）。

そして、下記（数式３２）及び（数式３３）により信号Ａ４，Ｂ４から３次高調波歪みを除去するための補正処理が実行される（Ｓ１５３）。

［方法２：φ３が任意の場合］
図７に、φ３が任意の場合の方法２を示す。方法１は簡易で計算機の負荷が小さくて済むが、φ３が任意の場合、３次高調波成分の振幅ａ３が小さくなると、位相φ３の検出精度が低下する可能性がある。次に説明する方法２は、φ３をより厳密に演算することができる方法である。以下、この方法２を説明する。この方法２では、フーリエ解析を用いて振幅ａ１、ａ３及び位相φ３を演算する。すなわち、リサージュ波形に含まれる波長λ／４（空間周波数４・２π／λ）の信号成分のフーリエ変換の実部をＲｅ、虚部をＩｍとし、動的補正をおこなうため、補正後の波形で検出した実部と虚部から（数式３４）、（数式３５）で示されるｄＲｅ、ｄＩｍを求め（Ｓ１５４）、（数式３６）、（数式３７）の漸化式でＲｅとＩｍを更新する（Ｓ１５５）。この更新を数回繰り返すことにより、Ｒｅ、Ｉｍは一定の値に収束するので、その値をＲｅ、Ｉｍとして決定する。

ａ１が次に示す（数式３８）のように求められると共に、上記（数式３６）及び（数式３７）で決定されたＲｅ、Ｉｍに基づいて、ａ３、φ３がそれぞれＲｅ、Ｉｍで特定される複素空間上の座標の原点からの距離と角度として、次の（数式３９）、（数式４０）により求められる。ここで、（数式３９）で係数√２が掛けられているのは、フーリエ変換で得られる信号の大きさは実効値であり、振幅はその√２倍であるためである。

３次高調波歪補正処理においては、次に示す（数式４１）の演算を行うことにより、図８の左に示すような、信号Ａ４、Ｂ４のリサージュ波形Ｌ４を、３次高調波の位相に対応する角度φ３だけ反時計周りに回転させ、図８の右に示すような、信号Ａ５、Ｂ５に対応するリサージュ波形Ｌ５を生成するものである。この角度φ３の回転を行うのは、リサージュ波形上において、３次高調波の位相が０°又は９０°である状態を作り、この状態で振幅補正処理を実行するためである。

この状態で、図９のＡ相（又はＢ相）の電圧対３次高調波の電圧の関係曲線に基づいて、基本波の振幅ａ１及び３次高調波の振幅ａ３を用いて、３次高調波の位相が０°又は９０°である出力信号Ａ５、Ｂ５から３次高調波成分を以下の（数式４２）、（数式４３）により除去する方向の補正を行う。

最後に、次の（数式４４）に基づく演算を行うことにより、信号Ａ６、Ｂ６のリサージュ波形を逆回転（角度−φ３だけ回転）させ、信号Ａ７、Ｂ７を生成する（Ｓ１５６）。角度−φ３だけ回転されたリサージュ波形即ち出力信号Ａ７、Ｂ７は、元の出力信号Ａ４、Ｂ４の基本波と同一の基本波を含み、かつ３次高調波成分が減算されている。

なお、本実施形態では、収束を早くするため、ｋａ１，ｋｂ１については除算、ｋｐｈについては乗算の漸化式を用いたが、加減算による方法でも可能である。

また、以上の各補正処理は、リサージュが少なくとも１回転以上してから実行する必要がある。信号のノイズ除去を考慮すると、Ｎ回転の平均で求めるようにすることも考えられる。所要回転している間は、先に検出した補正値ｄａ１，ｄｂ１，…，Ｉｍで補正演算を行う。従って、最初は初期値（全て０、補正無し）の状態から始める。そして、所定回転したことを検知し、前述のｄａ１，ｄｂ１，…，Ｉｍで補正演算を行い、規定回転数までこの補正値で補正演算を行う。この補正されたリサージュ信号は、より誤差の小さな値となるため、その値を出発点として、次の補正検出を行う。すなわち、Δｄａ１，Δｄｂ１，…，ΔＩｍを求め、ｄａ１，ｄｂ１，…，Ｉｍに積算する。以上の手順を無限に繰り返すことで、補正値ｄａ１，ｄｂ１，…，Ｉｍは真値に近づき、やがて検出分解能まで収束する。

なお、３次高調波歪み補正について２つの方法を示したが、何れの方法も漸化式は加減乗除の何れでも可能である。計算速度や収束条件などで最適な方法を選択すれば良い。

図１０は、本発明の他の実施形態に係るエンコーダ２の基本構成を示すブロック図である。この実施形態では、オフセット振幅・位相検出部３１及び３次高調波演算・検出部４１で動的に補正された補正係数を記憶するメモリ７０を有する。メモリ７０への補正係数を格納するタイミングとしては、（１）外部スイッチが押されたとき、（２）電源オフ時（終了時）、（３）常時（動作クロックに従うか、又は各補正係数が補正部３０，４０へ更新されたとき）等が考えられる。また、再起動時には、このメモリ７０から補正係数を読み出して、これを検出部３１，４１に初期値としてストアするようにしても良い。その後の処理は、上述した動的補正と同様である。また、動的な補正係数の更新動作を無効とする動的補正無効指示手段を備え、この動的補正無効指示手段が動的補正の無効を指示しているときには、補正部３０、４０が、メモリ７０から読み出した補正係数を使用して２相正弦波状信号を補正するようにしても良い。

以上、発明の実施の形態を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、追加等が可能である。例えば、上記実施の形態では、Ａ相、Ｂ相正弦波状信号に対し、最初にオフセット、振幅及び位相の補正を行い、続いて３次高調波の補正を実行していたが、この順序は入れ替えることが可能である。すなわち、３次高調波の補正を先に実行し、後からオフセット、振幅及び位相の補正を実行するようにしてもよい。また、上記の実施の形態では、振幅や位相等の補正をディジタル回路により実行したが、ＤＳＰやソフトウエア等により同様の処理を行ってもよい。

１、２…エンコーダ、１１…スケール、１２…光源、１３…受光部、２０、２１…Ａ／Ｄコンバータ、３０…オフセット・振幅・位相補正部、３１…オフセット・振幅・位相検出部、４０・・・３次高調波歪補正部、４１…３次高調波演算・検出部、５０…ｒ−θ変換部、６０…光源駆動処理部、７０…メモリ。

Claims

スケールと、前記スケールに光を照射すると共に供給される電流に応じて光量を変化させる光源と、前記スケールにより反射された光を受光すると共に位相のずれた２相正弦波状信号を出力する受光部とを備えるエンコーダであって、
前記２相正弦波状信号によって形成されるリサージュ波形に含まれる理想的リサー
ジュ波形からの振幅誤差を含む誤差を検出し、検出された誤差をリサージュ波形の少なくとも１回転以上だけ累積演算して新たな補正値とすることで、動的に前記補正値を更新する誤差検出部と、
前記振幅誤差に基づく補正値に応じて前記光源に供給する電流を調整する光源駆動処
理部とを備える
ことを特徴とするエンコーダ。
前記誤差検出部は、前記２相正弦波状信号によって形成されるリサージュ波形のＸ軸及びＹ軸を横切る４つのゼロクロス点Ｐ１２，Ｐ２３，Ｐ３４，Ｐ４１から、Ｘ軸及びＹ軸方向の振幅補正値の変化分Δｋａ１，Δｋｂ１を累積演算することにより、前記振幅誤差を検出する
ことを特徴とする請求項１記載のエンコーダ。