JP5927805B2 - エンコーダ装置、及び装置 - Google Patents
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Description
このように、上述のようなエンコーダ装置は、スケールの位置情報を高精度に検出することが困難な場合があるという課題があった。
図1は、第1の実施形態によるエンコーダ装置1(位置検出装置)の構成を示す模式図である。
この図において、エンコーダ装置1は、所定の移動方向(例えば、X軸方向などの一方向)に相対的に移動するスケール6(移動格子)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)を検出する光学式のリニアエンコーダである。なお、この図において、紙面において上方に向かう方向をY軸の正方向、紙面において右方向をX軸の正方向、紙面において裏面から表面に向かう方向をZ軸の正方向として、以下説明する。すなわち、スケール6の移動方向をX軸方向、光源部2の照射方向をY軸の負方向として、以下説明する。
なお、光源部2、コリメータレンズ3、光分岐部材41、ガラスブロック42、インデックス格子5、及び受光部7の受光素子(71、72)は、検出ヘッド9に対応する。光源部2、コリメータレンズ3、光分岐部材41、ガラスブロック42、インデックス格子5、及び受光部7の受光素子(71、72)は、検出ヘッド9に一体的に支持されている。検出ヘッド9は、スケール6と所定の間隔を保つように、配置されている。また、検出ヘッド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。また、受光部7には、信号処理部8の一部である、後述するアンプ(84、85)(図2)が含まれる。
光源21は、例えばレーザ光を射出するレーザダイオードなどのレーザ素子であって、変調部81(図2)により波長が変調されたコヒーレントな光を−Y軸方向側に向けて射出する。
ドライブ部22は、例えば、光源21を駆動する電流を供給する駆動アンプである。ドライブ部22は、信号処理部8の変調部81(図2)から供給された変調信号に基づいて波長が周期的に変調された照射光を光源21に射出させる。
コリメータレンズ3は、光源21から射出された光を受光し、Y軸方向の平行光に偏向する。
これにより、ガラスブロック42を透過する光線L2は、光線L1、L3と、光路としての実質的な距離が同じであっても、スケール6の入射面において波面の位相が遅れる。ここで、光路長とは、空間的な距離に屈折率をかけた光学的距離を含むものである。
インデックス格子5は、例えば、スケール6と同じピッチで格子状のパターンが形成された回折格子であって、インデックスパターン51を有する透過型の回折格子である。インデックスパターン51は、X軸方向に沿って周期的に形成された回折パターンである。インデックス格子5は、入射光に基づき、複数の回折光を生成し、例えば、所定の入射光を±1次回折光に回折する。
受光素子(71、72)は、例えば、フォトダイオードなどの受光素子であり、それぞれスケール6の異なる位置から射出した干渉光L12、L23を受光し、干渉光L12、L23の干渉強度を示す光電変換信号を受光信号として出力する。
図2は、本実施形態におけるエンコーダ装置1の構成を示す概略ブロック図である。
図2において、図1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。
この図2において、信号処理部8は、位置検出部80、変調部81、DAC(Digital to Analog Converter)82、遅延信号生成部83、及びアンプ(84、85)を備えている。また、位置検出部80は、ADC(Analog to Digital Converter)(86、87)、デコーダ部(88、89)、加算器90、及び除算器91を備えている。
遅延信号生成部83は、生成した遅延参照信号(遅延変調信号)を位置検出部80に供給する。
アンプ85は、例えば、増幅回路であり、受光部7の受光素子72が受光して出力した受光信号を所定の利得(ゲイン)によって増幅する。アンプ85は、増幅した受光信号を位置検出部80のADC87に供給する。
なお、本実施形態において、アンプ(84、85)は、受光部7に含まれる。
ADC87は、例えば、A/Dコンバータ回路であり、アンプ85から供給された受光信号をデジタル信号に変換し、変換したデジタル信号をデコーダ部89に供給する。
デコーダ部89は、遅延信号生成部83によって生成された遅延参照信号と受光素子72が干渉光L23を受光して出力した受光信号とに基づいて、位置情報の復号化処理(デコード処理)を行い、復号結果を加算器90に出力する。ここで、デコーダ部89による復号化処理は、デコーダ部88と同様に、例えば、特許文献1の「米国特許第6,639,686明細書」に記載の信号処理方法を利用することができる。
除算器91は、加算器90による合成結果を2分の1に除算し、スケール6の位置情報(例えば、スケール6の位置x)を算出する。除算器91は、算出したスケール6の位置情報を例えば、制御装置10に出力する。
まず、変調部81は、照射光の波長を周期的に変化させる変調信号を生成し、生成した変調信号を、DAC82を介してドライブ部22に供給する。ドライブ部22は、DAC82から供給された変調信号に基づいて変調された駆動信号を光源21に供給する。これにより、光源21は、波長変調された照射光を射出する。なお、光源21において、照射光は、変調部81によって生成された変調信号に対して、例えば、レーザダイオードの品種及び使用条件によって定まる位相遅れ量の遅延が生じて変調される。
式(2)に示されるように、干渉強度Iには、振幅変調成分(1+D1sinωt)と位相遅れ成分(D0sinω(t−Δt))との2つの誤差要因が含まれている。ここでいう誤差要因とは、スケール6の位置を検出する場合に発生する検出誤差の要因である。
一方で、変調部81は、変調信号に応じた参照信号(例えば、本実施形態では変調信号そのまま)を生成し、生成した参照信号を遅延信号生成部83に供給する。遅延信号生成部83は、遅延参照信号の位相が受光部7によって受光された受光信号に含まれる変調成分の位相と一致するように、遅延変調信号を生成する。一例として、遅延信号生成部83は、所定の遅延量Δtに基づいて参照信号(変調信号)を遅延させて、遅延参照信号(遅延変調信号)を生成する。
図3(a)は、ノードA(図2)の参照信号(変調信号)における(sinωt)成分が“0”となる時刻t0Aを基準にした場合におけるノードC(図2)の受光信号の波形W1を示している。また、図3(b)は、ノードB(図2)の遅延参照信号(遅延変調信号)における(sinωt)成分が“0”となる時刻t0Bを基準にした場合におけるノードCの受光信号の波形W2を示している。
また、図3(c)は、参考として、式(1)による位相遅れが存在しない場合における上述した時刻t0Aを基準にしたノードCの受光信号の理想的な波形の一例(波形W3)を示している。
これにより、本実施形態におけるエンコーダ装置1は、遅延信号生成部83によって参照信号を遅延させた遅延参照信号を使用することで、光源部2(光源21)の変調信号に対する位相遅れによるスケール6の位置情報の検出誤差を低減する。そのため、本実施形態におけるエンコーダ装置1は、スケール6の位置情報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エンコーダ装置1は、位置検出部80において、ノードBの遅延参照信号の位相がノードCの受光信号に含まれる変調成分の位相と一致した状態に補正される。そのため、光源部2(光源21)の変調信号に対する位相遅れが補正されるため、本実施形態におけるエンコーダ装置1は、スケール6の位置情報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エンコーダ装置1ごとに、所定の遅延量Δtの調整をすることなく、本実施形態におけるエンコーダ装置1を量産することができる。
これにより、例えば、光源部2から周期的に波長が変化された変調光を出射し、かつ、干渉させる2つの変調光の光路長を異ならせることが、簡易な構成によって行うことができる。本実施形態におけるエンコーダ装置1は、例えば、光路に振動回転する振動ミラーを配置する方法のような、機械的にミラーを駆動するための複雑な駆動機構が不要となり、装置の小型化及び低コスト化を実現することができる。さらに、本実施形態におけるエンコーダ装置1は、機械的な光ビームを振動させる構成が不要となるため、メカ的な取り付けに起因した温度、湿度等の環境変化による、スケール6の位置情報の検出における誤差発生を低減することができる。
これにより、本実施形態におけるエンコーダ装置1は、参照信号に変調信号を使用するので、簡易な構成によりスケール6の位置情報を高精度に検出することができる。
図4は、第2の実施形態によるエンコーダ装置1の構成を示す概略ブロック図である。 図4において、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。また、本実施形態において、検出ヘッド9及びスケール6の構成は、図1に示される構成と同一である。本実施形態では、エンコーダ装置1は、第1の実施形態における信号処理部8の代わりに信号処理部8aを備えている。
ゲインコントロールアンプ85aは、変調部81が生成した変調信号(参照信号)に基づいて、利得(ゲイン)すなわち増幅率を変更して、受光素子72が受光して出力した受光信号を増幅する。ゲインコントロールアンプ85aは、増幅した受光信号を位置検出部80のADC87に供給する。
また、本実施形態では、ノードCは、ゲインコントロールアンプ84aから位置検出部80に供給される受光信号の信号線におけるノードを示す。
本実施形態におけるエンコーダ装置1の基本的な動作は、第1の実施形態と同様である。本実施形態では、エンコーダ装置1は、ゲインコントロールアンプ(84a、85a)が上述した式(2)における振幅変調成分(1+D1sinωt)による誤差要因を低減する。
図5(a)は、比較のために第1の実施形態における図3(a)に対応する波形W1を示している。すなわち、波形W1は、ノードA(図2)の参照信号(変調信号)における(sinωt)成分が“0”となる時刻t0Aを基準にした場合におけるノードC(図2)の受光信号の波形を示している。
また、図5(b)は、本実施形態におけるノードB(図4)の参照信号(変調信号)における(sinωt)成分が“0”となる時刻t0Aを基準にした場合におけるノードC(図4)の受光信号の波形W4を示している。
また、図5(c)は、本実施形態におけるノードB(図4)の遅延参照信号(遅延変調信号)における(sinωt)成分が“0”となる時刻t0Bを基準にした場合におけるノードCの受光信号の波形W5を示している。
このように、本実施形態では、遅延信号生成部83は、上述した式(2)における位相遅れ成分による誤差要因を低減し、ゲインコントロールアンプ(84a、85a)は、上述した式(2)における振幅変調成分による誤差要因を低減する。
これにより、本実施形態におけるエンコーダ装置1は、上述した式(2)における振幅変調成分による誤差要因を低減することができる。すなわち、本実施形態におけるエンコーダ装置1は、位相遅れ成分とともに振幅変調成分によるスケール6の位置情報の検出誤差を低減することができる。よって、本実施形態におけるエンコーダ装置1は、スケール6の位置情報を高精度に検出することができる。
図6は、第3の実施形態によるエンコーダ装置1の構成を示す概略ブロック図である。
図6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。また、本実施形態において、検出ヘッド9及びスケール6の構成は、図1に示される構成と同一である。本実施形態では、エンコーダ装置1は、第2の実施形態における信号処理部8aの代わりに信号処理部8bを備えている。また、信号処理部8bには、上述した所定の遅延量Δtを計測して設定する設定装置15が接続されている。
遅延信号生成部83aは、遅延生成部30を備えており、遅延生成部30によって参照信号(変調信号)を遅延させる。
遅延生成部30は、遅延量記憶部92に記憶されている所定の遅延量Δtに応じて、変調部81によって生成された参照信号(変調信号)を遅延させて、遅延参照信号(遅延変調信号)を生成する。遅延生成部30は、生成した遅延参照信号(遅延変調信号)を位置検出部80に供給する。ここで、遅延生成部30の構成について詳細に説明する。
図7において、遅延生成部30は、遅延回路31〜34及び3N、選択部35を備えている。
遅延回路31〜34及び3Nは、それぞれ入力信号に所定の単位遅延量を遅延させた遅延信号を生成し、生成した遅延信号を出力信号として出力する。遅延回路31〜34及び3Nは、直列に接続され、遅延回路31〜34及び3Nの各出力端子と、選択部35の入力端子I1〜I4及びINとがそれぞれ接続されている。また、遅延回路31の入力端子には、変調部81によって生成された参照信号(変調信号)が供給される。すなわち、遅延回路31〜34及び3Nは、参照信号(変調信号)に対して、それぞれ遅延量の異なる遅延信号を選択部35に出力する。
このように、遅延生成部30は、遅延量記憶部92に記憶されている所定の遅延量Δtに応じた遅延参照信号を位置検出部80に供給する。本実施形態では、遅延量記憶部92に記憶されている所定の遅延量Δtの値を変更することにより、遅延信号生成部83aは、遅延参照信号の参照信号に対する遅延量を変更することができる。
遅延設定部16は、遅延量記憶部92に記憶する所定の遅延量Δtを計測して定め(設定し)、定めた(設定した)所定の遅延量Δtを遅延量記憶部92に記憶させる。
一例として、遅延設定部16は、例えば、ノードBの遅延参照信号と受光素子71が受光してゲインコントロールアンプ84aを介して出力されたノードCの受光信号とのリサージュ波形を生成する。遅延設定部16は、生成したリサージュ波形に基づいて、受光信号に含まれる変調成分の位相と、遅延参照信号の位相とを一致させるように、所定の遅延量Δtを定める(設定する)。すなわち、所定の遅延量Δtは、遅延参照信号と受光信号とのリサージュ波形に基づいて、受光信号に含まれる変調成分の位相と、遅延参照信号の位相とを一致させるように定められている。
本実施形態におけるエンコーダ装置1の基本的な動作は、第2の実施形態と同様である。本実施形態では、エンコーダ装置1は、遅延信号生成部83aの遅延生成部30が、遅延量記憶部92に記憶されている所定の遅延量Δtに応じて、遅延参照信号の参照信号に対する遅延量を変更する。
例えば、遅延量記憶部92に記憶されている所定の遅延量Δtに対応する遅延量が遅延量(2×DT)である場合、選択部35は、所定の遅延量Δtに基づいて、遅延回路32の出力を選択し、遅延参照信号として出力する。すなわち、この場合、遅延生成部30は、遅延量DTの倍数でN段階に所定の遅延量Δtを変更することができる。
図8は、本実施形態における遅延設定部16の処理の一例を示すフローチャートである。
図8において、遅延設定部16は、まず、所定の遅延量Δtの初期値を遅延量記憶部92に記憶させる(ステップS101)。
次に、遅延設定部16は、ノードBの遅延参照信号とノードCの受光信号とのリサージュ波形を生成する(ステップS102)。
次に、遅延設定部16は、生成したリサージュ波形に基づいて、受光信号に含まれる変調成分の位相と、遅延参照信号の位相とが一致しているか否かを判定する(ステップS103)。遅延設定部16は、受光信号に含まれる変調成分の位相と、遅延参照信号の位相とが一致していると判定した場合に、処理をこの所定の遅延量Δtの設定処理を終了させる。また、遅延設定部16は、受光信号に含まれる変調成分の位相と、遅延参照信号の位相とが一致していないと判定した場合に、処理をステップS104に進める。
このように、ステップS102からステップS104の処理が、ステップS103において、受光信号に含まれる変調成分の位相と、遅延参照信号の位相とが一致していると判定されるまで繰り返される。
図9において、リサージュ波形の横軸はノードBの遅延参照信号に対応し、リサージュ波形の縦軸はノードCの受光信号に対応する。
図9(a)は、ノードBの遅延参照信号の位相と、ノードCの受光信号に含まれる変調成分の位相とが一致していない場合の波形(W6、W7)を示している。また、図8(b)は、ノードBの遅延参照信号の位相と、ノードCの受光信号に含まれる変調成分の位相とが一致している場合の波形W8を示している。
また、設定装置15は、エンコーダ装置1の出荷前の検査、校正処理、部品交換などの修理などの際にエンコーダ装置1に接続され、所定の遅延量Δtを設定する設定処理を実行する。
これにより、遅延量記憶部92に記憶されている所定の遅延量Δtの値を変更することにより、遅延参照信号の参照信号に対する遅延量を変更することができる。そのため、本実施形態におけるエンコーダ装置1は、光源部2における位相遅れ特性の経時変化や光源部2の部品交換による位相遅れ特性の変化に対して、所定の遅延量Δtの値を補正することができる。よって、本実施形態におけるエンコーダ装置1は、スケール6の位置情報を高精度に検出することができる。
これにより、変調信号に対する光源部2(光源21)における変調の位相遅れ量に基づいて所定の遅延量Δtを定めた場合(品種及び使用条件によって定まる位相遅れ量)に比べて、本実施形態におけるエンコーダ装置1は、所定の遅延量Δtを正確に設定することができる。そのため、本実施形態におけるエンコーダ装置1は、変調信号に対する光源部2(光源21)における変調の位相遅れ量に基づいて所定の遅延量Δtを定めた場合に比べて、スケール6の位置情報を高精度に検出することができる。
これにより、リサージュ波形に基づいて所定の遅延量Δtを定めた場合と同様に、本実施形態におけるエンコーダ装置1は、所定の遅延量Δtを正確に設定することができる。そのため、本実施形態におけるエンコーダ装置1は、変調信号に対する光源部2(光源21)における変調の位相遅れ量に基づいて所定の遅延量Δtを定めた場合に比べて、スケール6の位置情報を高精度に検出することができる。
これにより、設定装置15は、所定の遅延量Δtが正確に設定することができる。
図10は、第4の実施形態によるエンコーダ装置1の構成を示す概略ブロック図である。
図10において、図6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。また、本実施形態において、検出ヘッド9及びスケール6の構成は、図1に示される構成と同一である。本実施形態では、エンコーダ装置1は、第3の実施形態における信号処理部8bの代わりに信号処理部8cを備えている。
本実施形態におけるエンコーダ装置1の基本的な動作は、第3の実施形態と同様である。本実施形態では、エンコーダ装置1は、遅延設定部16が、所定の遅延量Δtを設定する設定処理を行う。なお、この遅延設定部16による所定の遅延量Δtを設定する設定処理は、図8に示されるフローチャートの処理と同様である。
なお、エンコーダ装置1は、この遅延設定部16による設定処理を予め定められた期間ごとに実行してもよいし、メンテナンスモードなどを設けて、メンテナンスモードにおいて、実行してもよい。また、エンコーダ装置1は、エンコーダ装置1の使用時ごとにこの設定処理を実行してもよい。
これにより、本実施形態におけるエンコーダ装置1は、設定装置15を用いずに、所定の遅延量Δtを正確に設定することができる。すなわち、本実施形態におけるエンコーダ装置1は、光源部2における位相遅れ特性の経時変化や光源部2の部品交換による位相遅れ特性の変化に対して、設定装置15を用いずに、所定の遅延量Δtの値を補正することができる。よって、本実施形態におけるエンコーダ装置1は、常に所定の遅延量Δtの値を適切な値に設定することができるので、スケール6の位置情報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11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12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は、スケール6、検出ヘッド9、及び信号処理部8(8a〜8c)を備えている。
駆動部11は、ステージ12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。
制御装置10(制御部)は、制御信号線C1を介してエンコーダ装置1の信号処理部8(8a〜8c)と接続されている。この制御信号線C1を介して、エンコーダ装置1は、上述した位置情報を制御装置10に供給する。
また、制御装置10は、制御信号線C2を介して駆動部11と接続されている。制御装置10は、この制御信号線C2を介して駆動部11を制御する。
エンコーダ装置1が、スケール6の位置情報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、ステージ12の位置情報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12の位置を制御することができる。
上記の各実施形態において、受光部7は、2つの受光素子(71、72)を備える形態を説明したが、1つの受光素子を備えて、受光素子において、干渉光L12及びL23を合成した受光信号を出力する形態でもよい。
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、上記の各実施形態において、検出ヘッド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、検出ヘッド9が変位方向に移動する形態でもよい。
また、上記の各実施形態において、変調部81は、照射光の波長を変調させる変調信号を生成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、変調部81は、光源部2が射出する照射光の光量を周期的に変調する形態でもよい。
この場合、エンコーダ装置1のノードBにおける遅延参照信号の信号線をオシロスコープのX軸入力端子に、ノードCにおける受光信号の信号線をオシロスコープのY軸入力端子に、それぞれ接続する。また、設定を行う作業者が、ノードPCからエンコーダ装置1の遅延量記憶部92に記憶されている所定の遅延量Δtを変更し、オシロスコープに表示されるリサージュ波形を観察する。作業者は、リサージュ波形を観察しながら、ノードBの遅延参照信号の位相と、ノードCの受光信号に含まれる変調成分の位相とが一致するように、ノードPCからエンコーダ装置1の遅延量記憶部92に記憶されている所定の遅延量Δtを変更する。
このように、第3の実施形態におけるエンコーダ装置1は、特別な設定装置15を利用せずに、簡易な方法により、所定の遅延量Δtを適切に変更することができる。
また、上記の各実施形態において透過型のスケール6を用いる形態を説明したが、本実施形態は反射型のスケールを用いるような反射型のエンコーダ装置に適用してもよい。
Claims (9)
- 照射光の波長を周期的に変化させて、前記照射光の波長を変調させる変調信号と、前記変調信号に応じた参照信号とを生成する変調部と、
前記変調信号に対して所定の遅延が生じて波長が変調された照射光を射出する光源部と、
少なくとも移動方向に前記光源部と相対的に移動可能であって、前記波長が変調された照射光が入射され、前記移動方向に沿って形成されたパターンを有するスケールと、
前記スケールを経由した照射光を受光して、受光した前記照射光に応じた受光信号を出力する受光部と、
遅延参照信号の位相と前記受光信号に含まれる変調成分の位相とが一致するように前記参照信号を遅延させて前記遅延参照信号を生成する遅延信号生成部と、
前記遅延信号生成部によって生成された前記遅延参照信号と前記受光信号とに基づいて、前記移動方向における前記スケールの位置情報を検出する位置検出部と、
を備え、
前記受光部は、
前記変調信号に基づいて、前記受光信号に含まれる振幅変調成分を打ち消すように利得を変更して、前記受光信号を出力する増幅回路部を備える、
ことを特徴とするエンコーダ装置。 - 前記遅延信号生成部は、
所定の遅延量に基づいて前記参照信号を遅延させて、前記遅延参照信号を生成する
ことを特徴とする請求項1に記載のエンコーダ装置。 - 前記所定の遅延量は、
前記変調信号に対する前記光源部における変調の位相遅れ量に基づいて予め定められている
ことを特徴とする請求項2に記載のエンコーダ装置。 - 前記所定の遅延量は、
前記受光信号に含まれる変調成分の位相と前記変調信号の位相との位相差に基づいて、予め定められている
ことを特徴とする請求項2又は請求項3に記載のエンコーダ装置。 - 前記所定の遅延量は、
前記遅延参照信号と前記受光信号とのリサージュ波形に基づいて、前記受光信号に含まれる変調成分の位相と、前記遅延参照信号の位相とを一致させるように定められていることを特徴とする請求項2に記載のエンコーダ装置。 - 前記所定の遅延量を記憶している記憶部を備え、
前記遅延信号生成部は、
前記記憶部に記憶されている所定の遅延量に応じて、前記参照信号を遅延させる遅延生成部を備える
ことを特徴とする請求項2から請求項5のいずれか一項に記載のエンコーダ装置。 - 前記所定の遅延量を計測して定める遅延設定部を備える
ことを特徴とする請求項2から請求項6のいずれか一項に記載のエンコーダ装置。 - 前記参照信号は、前記変調信号であ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。
- 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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