JP6234111B2 - エンコーダ及びエンコーダの原点リセット方法 - Google Patents

Description

本発明は、エンコーダ及びエンコーダの原点リセット方法に関する。具体的には、増分チャネルおよび基準マークチャネルを有するスケールおよび読み取りヘッドのシステムに関する。さらに、基準マークによる高速な原点位置検出と原点リセット方法を提供する。

従来、スケールと読み取りヘッドとの二つの部材の相対位置を測定するためのエンコーダは、スケール線を有する一方の部材上のスケールおよび他方の部材上に設けられた読み取りヘッドを備える。
光学式スケール読み取り装置は、スケールを照射する手段ならびにスケール照射によって生じる反射パターンに応じて読み取りヘッドの相対位置の変位を測定して出力する検出手段を有する。
周期パターンのマークを有するスケールは増分スケールであり、増分スケールの周期パターンを基に直交信号を生成する。このスケールには基準マークを設けており、読み取りヘッドが基準マークを検出した場合に増分カウンタをリセットする。
これにより二つの部材の相対位置を確定する事が出来る。
従来における多くのエンコーダにおけるシステムでは可動部を動かしてスケールの原点検出用パターンを検出して増分カウンタをリセットするように構成されている。
また、特許文献１に開示されているエンコーダでは、直交信号との同期をとって原点信号を出力するようになされている。

特許第４２７４７５１号公報

しかしながら、上記した従来のものにおいては、つぎのような課題を有している。
すなわち、スケールと読み取りヘッドとの相対速度を高速で原点を検出する場合、原点検出用パターンからの信号と直交信号との検出タイミングのずれにより、低速にて原点を検出した場合の原点位置と比較して速度に比例してずれた位置を原点とする可能性がある。その場合、スケールと信号読み取りヘッドとの間の相対値が誤差を持つことになる。

本発明は、上記課題に鑑み、原点検出を高速で検出する場合においても、安定して原点検出を行うことが可能となるエンコーダ及び高速で原点リセットを行うことが可能となるエンコーダの原点リセット方法を提供することを目的とする。

本発明のエンコーダは、移動体の位置または角度の変位に応じて直交信号を発生する直交信号発生手段と、前記直交信号から位置または角度の増分信号を生成する増分信号生成手段と、前記移動体が所定の位置にある場合に基準位置信号を検出する基準位置検出手段と、前記直交信号から移動体の位置または角度に応じて複数の原点候補信号を生成する原点候補信号生成手段と、を有し、前記増分信号生成手段によって生成される値から構成される増分カウンタによってカウントされるカウント値は、前記原点候補信号の検出によってリセットされ、前記基準位置信号および前記カウント値によって原点からの位置が検出されることを特徴とする。

また、本発明のエンコーダの原点リセット方法は、エンコーダの原点リセット方法であって、直交信号発生手段から出力される直交信号から位置または角度の増分信号を生成し、前記直交信号から移動体の位置または角度に応じて複数の原点候補信号を生成し、移動体が所定の位置にある場合に基準位置信号が生成され、前記増分信号によってカウント値をカウントし、前記カウントされるカウント値は、前記原点候補信号によってリセットされ、前記基準位置信号および前記カウント値によって原点からの位置が検出されることを特徴とする。

本発明によれば、原点検出を高速で検出する場合においても、安定して原点検出を行うことが可能となるエンコーダ及び高速で原点リセットを行うことが可能となるエンコーダの原点リセット方法を実現することができる。

本発明の実施例１におけるエンコーダの原点検出シーケンスについて説明する概略構成図である。 本発明の実施例１におけるエンコーダの信号波形図である。 本発明の実施例１におけるエンコーダのΔＣＺカウンタのフローチャートである。 本発明の実施例１におけるエンコーダのＣ相生成回路概略構成図である。 本発明の実施例１におけるエンコーダの構成例を説明する概略構成図である。 本発明の実施例１におけるエンコーダの基準位置検出部の概略構成図である。 本発明の実施例２におけるエンコーダの構成例を説明する概略構成図である。 本発明の実施例２におけるエンコーダの信号波形図である。

本発明のエンコーダは、移動体が所定の位置にある場合に基準位置信号の検出によって、直交信号から移動体の位置または角度に応じて生成する複数の原点候補信号から原点を決定する。そして、増分信号生成手段の増分カウンタによってカウントされる原点と基準位置信号のカウント差の値を増分カウンタのリセット値とする。このように構成することにより、高速な原点検出が可能となり、また高速で原点リセットを行うことが可能となるエンコーダの原点リセット方法を提供することができる。

以下、本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
実施例１として、本発明を適用したエンコーダ及びエンコーダの原点リセット方法の構成例について、図を用いて説明する。
まず、図５を用いて本実施例のエンコーダの構成例について説明する。
図５において１０１はスケール、１０２は基準位置信号を生成するための基準位置信号パターンである。
１０６は基準位置信号パターンの一部である非反射部、１０７は同様に基準位置信号パターンの一部である反射部である。
１０３は直交信号を生成する為に必要な明暗パターンが形成された直交信号パターン、１０４は直交信号パターンの一部である明部、１０５は直交信号パターンの一部である暗部である。
１１０は信号読み取りヘッド、１１１は直交信号検出部（移動体の位置または角度の変位に応じて直交信号を発生する直交信号発生手段）、１１２は基準位置信号検出部（移動体が所定の位置にある場合に基準位置信号を検出する基準位置検出手段）である。
スケール１０１は固定し、信号読み取りヘッド（移動体）１１０を可動部であるキャリッジ１４１へ固定する。キャリッジ１４１はガイドレール１４２を介してアクチュエータ１４３にてＸ方向へ移動可能とした。

４２０は直交信号パルス波生成部を含むエンコーダコントローラである。
エンコーダコントローラ４２０は、増分信号生成手段（直交エンコーダ）と、比較部比較手段４２１と、ΔＣＺカウンタ４２２、現在位置生成部４２３とを備える。
信号読み取りヘッド１１０はエンコーダコントローラ４２０へ電気的に接続し、ケーブル１３２を介してステージコントローラ１４４へ接続され、アクチュエータ１４３はコントローラ１４４からの制御された駆動電流を基に駆動される。
１２０と１２１はそれぞれ信号読み取りヘッド１１０の動作限界位置である。基準位置１２２は基準位置信号パターン１０２の非反射部１０６と反射部１０７の境界位置となる。１３３はケーブルベア（登録商標）であり、ケーブル１３２が内部に配置され、スライダ１４１が動いてもエンコーダコントローラ１３４およびステージコントローラ１４４は接続された状態を維持できるように構成される。

図６（ａ）は上記基準位置信号パターン読み取り部について概略的に説明した図である。
スケール１０１を照射するために設けられた光源２０１から照射された光はスケール１０２で反射し、レンズ２０３または他の適当な光学部品によって検出器２０４に導入され、検出器は導入された光量の大きさを電圧として出力する。
図６（ｂ）にあるように上記検出器２０４からの電圧出力は信号読み取りヘッド１１０とスケール１０１の相対位置によって変化するため、検出器２０４からの電圧２０５が一定の閾値２０８に到達した時点で基準位置信号４０４を出力する。
図６（ｃ）を用いて基準位置信号４０４の生成回路を説明する。
基準位置信号４０４は前述の通り検出器２０４からの電圧２０５が一定の閾値２０８に到達した時点で基準位置信号４０４を出力するため、フォトダイオード２０９の応答時間に起因した時間的な遅延を生じる。
図２において、４０１および４０２は信号読み取りヘッド１１０における直交信号検出部１１１からの直交信号（Ａ相と、Ａ相と９０度位相の異なるＢ相）でありその電圧を示している。２０５は検出器２０４からの電圧であり閾値２０８に対して大きい場合は１、小さい場合は０となる基準位置信号４０４を出力する。

比較部４２１は、図４に示されるようにコンパレータ４２７とラッチ回路を備える。
このコンパレータ４２７を用いた回路により、Ａ相電圧４０１とＢ相電圧４０２の位相変化による電圧の大小関係によってＣ相電圧４０５を生成する。
Ｃ相電圧４０５の波形立上り、及び立下りのタイミングは、Ａ相電圧４０１とＢ相電圧４０２の電圧の大小関係検出に対するリアルタイム性を要するためコンパレータ回路によるアナログ回路検知が望ましい。
ここでのＣ相電圧４０５は、本実施例を説明する上での名称として用いており、エンコーダにおける一般的な名称ではない。
信号読み取りヘッド１１０とスケール１０１の相対位置の変化によりＡ相電圧４０１とＢ相電圧４０２は連続的なＳｉｎ波形となるため、Ｃ相電圧４０５においても連続的に矩形波が生成される。

本実施例においてＣ相電圧４０５はＡ相電圧４０１とＢ相電圧４０２との電位差の大小関係により生成したがこの方法に限定するものではなく、例えばＡ相電圧４０１と任意のＤＣ電圧との対比により生成しても良い。同様にＢ相電圧４０２と任意のＤＣ電圧との対比により生成しても良い。
なお、図２においてＡ相電圧４０１はＢ相電圧４０２に対して位相が９０度進んだ波形として図示されるが、Ｂ相電圧４０２がＡ相電圧４０１に対して９０度進んだ波形であっても良い。

一般的なインクメント型エンコーダにおいては、スケール１０１と信号読み取りヘッド１１０の相対移動方向の正負によりＡ相電圧４０１とＢ相電圧４０２の位相関係はそれぞれＡ相電圧４０１がＢ相電圧４０２に対して９０度進んだ場合が正方向移動であり、Ｂ相電圧４０２がＡ相電圧４０１に対して９０度進んだ場合が負方向移動となる。
原点候補信号４０６はＣ相電圧４０５の波形立上りイベント時にラッチ回路を用いてパルス波形として生成され、前述のパルス波形が立上るタイミングを原点候補４０７とした。電圧波形４０５は信号読み取りヘッド１１０とスケール１０１の相対位置の変化により連続的な矩形波となる。
そのため、コンパレータ４２７を用いた回路（直交信号から移動体の位置または角度に応じて複数の原点候補信号を生成する原点候補信号生成手段）により、原点候補信号４０６として複数の原点候補４０７を生成することができる。
本実施例においてはＣ相電圧４０５の立上りイベント時に原点候補４０７を生成したがこれに限定するものではなく、Ｃ相電圧４０５の立下がりイベント時に原点候補４０７を生成しても良い。

エンコーダコントローラ４２０における増分信号生成手段（直交エンコーダ）に構成される増分カウンタによって、増分カウント４１０がカウントされる。
具体的には、Ａ相パルス波４０８とＢ相パルス波４０９はスケール１０１と信号読み取りヘッド１１０の相対移動方向の正負に応じて９０度の位相差を設けて生成され、Ａ相電圧４０１とＢ相電圧４０２との位相関係に準じて生成する。
Ａ相パルス波４０８とＢ相パルス波４０９とのそれぞれの波形立上り、及び立下りイベントにおいて増分カウント４１０がカウントされる。増分カウント４１０の１カウントが信号読み取りヘッド１１０とスケール１０１の相対移動距離Δｘとなる。
本実施例においてはＡ相電圧４０１とＢ相電圧４０２とが３６０度位相回転した際に、Ａ相パルス波４０８とＢ相パルス波４０９とがそれぞれ１２回の矩形波を出力し、増分カウント４１０は２４カウントする構成としたが、一例でありこの回数に限定するものではない。

図１を用いて原点検出シーケンスについて説明する。
原点検出シーケンスとは、基準位置信号４０４を用いて複数の原点候補信号４０７から原点信号を生成し、且つ基準位置信号４０４と基準位置信号４０４を検出する直近の原点候補信号４０７との増分カウント４１０の差であるΔＣＺ値を出力するシーケンスである。一般的に市販されているインクリメントエンコーダでは、本実施例における基準位置信号４０４に該当するＺ相信号の応答時間は直交信号検出部１１１より出力されるＡ相電圧４０１及びＢ相電圧４０２の応答時間と比較して遅い。
これは直交信号検出部１１１と基準位置信号検出部１１２とが使用目的の異なる波形を出
力するために検出素子と波形生成回路が異なることに起因する。
例えば、キヤノンマーケティングジャパン株式会社より市販されているエンコーダヘッドＳＲ−Ｐ２００によるＺ相信号の応答時間を実測したところ、信号読み取りヘッド１１０の読み取り位置へスケール１０１の基準位置信号パターン１０２を非反射部１０６から反射部１０７の順になるように移動した場合にＺ相信号の立下りエッジは平均して約８０μｓｅｃの反応時間遅延があった。
前述のＳＲ−Ｐ２００において従来技術である一般的なＺ相を信号用いた原点リセットを行った場合、例えば信号読み取りヘッド１１０とスケール１０１の相対移動速度を１ｍ／ｓｅｃにて原点検出を行なうと、相対移動速度が十分に小さい場合の原点位置と比較して約８０μｍの原点位置ズレを生ずることとなる。
また、Ｚ相信号の反応時間遅延に対してＡ相電圧４０１とＢ相電圧４０２の反応時間遅延は十分に小さい。このためＡ相電圧４０１とＢ相電圧４０２を基に生成した原点候補４０６を用いて原点とすることにより高精度な高速原点検出が可能である。

本実施例においてはＡ相電圧４０１とＢ相電圧４０２の反応時間遅延は基準位置信号４０４の反応時間遅延に対して十分に小さいインクリメントエンコーダを使用した。
図１の説明として、直交信号検出部１１１より出力されるＡ相電圧４０１とＢ相電圧４０２とはそれぞれエンコーダコントローラ４２０と比較部（比較手段）４２１へと接続する。比較部４２１は前述の図４を用いて説明したコンパレータ４２７とラッチ回路４２８を用いた回路により原点候補信号４０６を出力し、ΔＣＺカウンタ４２２へと接続する。
エンコーダコントローラ４２０の直交信号パルス波生成部より出力されるＡ相パルス波４０８とＢ相パルス波４０９は、それぞれΔＣＺカウンタ４２２と現在位置生成部４２３へと接続する。基準位置検出部１１２より出力される基準位置信号４０４はΔＣＺカウンタ４２２へと接続する。

図３を用いてΔＣＺカウンタ４２２について説明する。
原点候補信号４０６における原点候補４０７の有無を判定する。本実施例においては、基準位置信号を基に複数の原点候補信号から原点を生成する原点信号生成手段により原点候補４０７の立上りイベントにおいて判定した。
原点候補４０７を検出した場合、ΔＣＺカウント＝０としてリセットされ増分カウント４１０の増減に合わせてΔＣＺカウンターをカウントアップする。
前述のΔＣＺカウンターは原点候補４０７が検出される毎にリセットされるため本実施例においては２４カウントまでカウント出来れば良い。
基準位置信号４０４ａは信号読み取りヘッド１１０とスケール１０１の相対移動速度が十分に小さい場合の波形である。本実施例において基準位置信号４０４ａの検出位置は直近の原点候補４０７から増分カウント４１０を用いてカウントすると９カウント目に検出された。
前述の基準位置信号４０４ａの検出位置は、スケール１０１のパターン作製精度、信号読み取りヘッド１１０内部に配置される直交信号検出部１１１と基準位置信号検出部１１２の取付位置精度、及び信号読み取りヘッド１１０及びスケール１０１の装置取付における傾き精度により誤差を生ずるため個々のエンコーダ構成による個体差がある。
前述のようにして基準位置信号４０４検出時に得られた原点候補４０７と基準位置信号４０４との増分カウント４１０の差であるΔＣＺ値４１２と原点信号４１１を現在位置生成部４２３へ出力する。
現在位置生成部４２３はＡ相パルス波４０８とＢ相パルス波４０９とによりΔＣＺカウンタとは別のカウンタ（直交エンコーダに構成される増分カウンタ）により増分カウント４１０をカウントする。
ΔＣＺカウンタ４２２より出力される原点信号４１１を検知した場合、従来技術として一般的である前述の増分カウント４１０＝０とするリセットではなく、増分カウント４１０＝ΔＣＺ値４１２となるようにリセットする。

次に、信号読み取りヘッド１１０とスケール１０１の相対移動速度を、前述の相対移動速度が十分に小さい場合の直近の原点候補４０７と直近の原点候補４０７に対して次の原点候補４０７との間に基準位置信号４０４ｂの立上りエッジを検出するような相対移動速度まで高速化した。
相対移動速度を高速化した場合、速度の増加に比例して基準位置信号４０４ｂにて示されるように検出位置のズレを生ずる。
本実施例においては、基準位置信号４０４ｂの検出位置は直近の原点候補４０７からΔＣＺカウンタ４２２が具備する増分カウント４１０を用いてカウントすると２２カウント目に検出された。
前述と同様に基準位置信号４０４検出時に得られた原点候補４０７と基準位置信号４０４との増分カウント４１０の差であるΔＣＺ値４１２と原点信号４１１を現在位置生成部４２３へ出力し、現在位置生成部４２３において増分カウント４１０＝ΔＣＺ値４１２となるようにリセットする。

また、本実施例においては光学式エンコーダを用いた例にて説明したが、光学式エンコーダに限定するものではなく、例えば磁気式エンコーダであっても良い。
本実施例においては信号読み取りヘッド１１０とスケール１０１の相対移動速度を速くしても同じ原点４１３となるようにする必要がある。
このため、信号読み取りヘッド１１０とスケール１０１の相対移動速度は、原点４１３における原点候補４０７が検出されてから、Ａ相電圧４０１とＢ相電圧４０２とが３６０度位相回転した次の原点候補４０７が検出されるθ３（４１６）のタイミングまでに基準位置信号４０４ａと基準位置信号４０４ｂとが検出される範囲の相対移動速度である。
前述の構成と方法により、信号読み取りヘッド１１０とスケール１０１の相対移動速度が十分に小さい場合の原点リセットと同等の高精度な高速原点リセットが可能となり、前述の相対移動速度による原点位置誤差の少ない良好な原点リセットを行えることが確認できた。

［実施例２］
実施例２として、実施例１と異なる形態のエンコーダの構成例について、図７と図８を用いて実施例１との差異を説明する。
実施例１で述べた構成では、エンコーダの構成の個体差により以下に述べる問題を有している。
基準位置信号４０４ａの検出位置は、つぎの各精度により誤差を生ずる。
すなわち、スケール１０１のパターン作製精度、信号読み取りヘッド１１０内部に配置される直交信号検出部１１１と基準位置信号検出部１１２の取付位置精度、及び信号読み取りヘッド１１０及びスケール１０１の装置取付における傾き精度、等により誤差を生ずる。このため個々のエンコーダ構成による個体差がある。
信号読み取りヘッド１１０とスケール１０１の相対移動速度を速くしても原点４１３を不変とするためには、基準位置信号４０４ａと基準位置信号４０４ｂは同じ原点候補４０７とする必要がある。そのため、信号読み取りヘッド１１０とスケール１０１の組み合わせによっては他の個体と同じ相対移動速度で使用できない問題を生じる。

以上の問題を解決する構成を本実施例にて説明する。
実施例１にて説明した構成の中のΔＣＺカウンタ４２２を、本実施例では原点信号生成部４２５としたところが異なる。原点信号生成部４２５は前述のΔＣＺカウンタ４２２と、位相補正値を記憶するメモリー４２６と、原点候補信号４０６を前述の位相補正値により任意の位相にずらした原点候補信号２（４１７）として出力する位相変換機４２４とを具備する。
位相変換機４２４は、原点候補信号４０６の原点候補４０７を検知すると増分カウント４
１０が位相補正値となるまでカウントし、原点候補２（４１８）を出力する。
本実施例では、原点候補信号４０６における原点候補４０７は増分カウント４１０が２４カウント毎に生じる。このため位相補正値は２４カウント以下となる。
位相補正値は装置の使用開始時に実測により得る。
具体的方法としては、信号読み取りヘッド１１０とスケール１０１の相対移動速度が十分に小さい速度における位相補正値＝０のときの基準位置信号４０４ｃと直近の原点候補４０７との増分カウント４１０の差であるΔＣ１Ｚ０をカウントして位相補正値とする。

本実施例におけるΔＣ１Ｚ０は１４カウントであったため、位相補正値＝１４として設定した。このため本実施例における原点はθ１（４３２）となる。
メモリー４２６は不揮発性メモリーを用いた構成として一度設定すれば主電源のＯＮ、ＯＦＦによって再設定を不要とする構成としたが、この構成に限定するものではない。
相対移動速度を高速化した場合、速度の増加に比例して基準位置信号４０４ｄにて示されるように検出位置のズレを生ずる。
本実施例においては、基準位置信号４０４ｄの検出位置は直近の原点候補４１８からΔＣＺカウンタ４２２が具備する増分カウント４１０を用いてカウントすると１９カウント目に検出された。
実施例１と同様に基準位置信号４０４検出時に得られた原点候補４１８と、基準位置信号４０４との増分カウント４１０の差であるΔＣＺ値４１２と、原点信号４１１を現在位置生成部４２３へ出力する。そして、現在位置生成部４２３において増分カウント４１０＝ΔＣＺ値４１２となるようにリセットする。

本実施例においては光学式エンコーダを用いた例にて説明したが、光学式エンコーダに限定するものではなく、例えば磁気式エンコーダであっても良い。
前述の構成と方法により、信号読み取りヘッド１１０とスケール１０１の相対移動速度が十分に小さい場合の原点リセットと同等の高精度な高速原点リセットが可能となり、且つエンコーダ構成の個体差に起因する問題を生じない高速な相対移動速度における原点リセットを行えることが確認できた。

１１１：直交信号検出部
４０１：Ａ相電圧
４０２：Ｂ相電圧
４０３：原点
４０４：基準位置信号
４０５：Ｃ相電圧
４０６：原点候補信号
４０７：原点候補
４０８：Ａ相パルス波
４０９：Ｂ相パルス波
４１０：増分カウント
４１１：原点信号
４１２：ΔＣＺ値
４１３：実施例１における原点
４１４：実施例１における基準位置信号検出点１
４１５：実施例１における基準位置信号検出点２
４１６：実施例１における原点候補
４１７：原点候補信号２
４１８：原点候補２
４２０：直交信号パルス波生成部を含むエンコーダコントローラ
４２１：比較部
４２２：ΔＣＺカウンタ
４２３：現在位置生成部

Claims (9)

1. 移動体の位置または角度の変位に応じて直交信号を発生する直交信号発生手段と、
   前記直交信号から位置または角度の増分信号を生成する増分信号生成手段と、
   前記移動体が所定の位置にある場合に基準位置信号を検出する基準位置検出手段と、
   前記直交信号から移動体の位置または角度に応じて複数の原点候補信号を生成する原点候補信号生成手段と、
   を有し、
   前記増分信号生成手段によって生成される値から構成される増分カウンタによってカウントされるカウント値は、前記原点候補信号の検出によってリセットされ、前記基準位置信号および前記カウント値によって原点からの位置が検出されることを特徴とするエンコーダ。
2. 前記カウント値は、前記基準位置信号を検出する際の直近の前記原点候補信号と前記基準位置信号とのカウント差による値であることを特徴とする請求項１に記載のエンコーダ。
3. 前記原点候補信号生成手段は、前記直交信号の電圧の大小関係を比較する比較手段により構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のエンコーダ。
4. 前記比較手段は、コンパレータとラッチ回路によって構成されていることを特徴とする請求項３に記載のエンコーダ。
5. 前記エンコーダが、光学式エンコーダまたは磁気式エンコーダであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のエンコーダ。
6. エンコーダの原点リセット方法であって、
   直交信号発生手段から出力される直交信号から位置または角度の増分信号を生成し、
   前記直交信号から移動体の位置または角度に応じて複数の原点候補信号を生成し、
   移動体が所定の位置にある場合に基準位置信号が生成され、
   前記増分信号によってカウント値をカウントし、
   前記カウント値は、前記原点候補信号によってリセットされ、前記基準位置信号および前記カウント値によって原点からの位置が検出されることを特徴とするエンコーダの原点リセット方法。
7. 前記カウント差の値は、前記基準位置信号を検出する際の直近の前記原点候補信号と前記基準位置信号とのカウント差の値であることを特徴とする請求項６に記載のエンコーダの原点リセット方法。
8. 前記複数の原点候補信号の生成は、前記直交信号の電圧の大小関係を比較することにより行われることを特徴とする請求項６または請求項７に記載のエンコーダの原点リセット方法。
9. 前記比較は、コンパレータとラッチ回路を用いて行われることを特徴とする請求項８に記載のエンコーダの原点リセット方法。