JP6253320B2 - エンコーダおよびこれを用いた装置 - Google Patents
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Description
S1(B)=S1(B+)−S1(B−) …(1)
同様に、第2の信号取得部42は、4相の正弦波出力S2(A+),S2(B+),S2(A−),S2(B−)について次式(2)の演算を行い、直流成分が除去された2相の第2の正弦波信号(第2の周期信号)S2(A),S2(B)を生成する。
S2(B)=S2(B+)−S2(B−) …(2)
続いて、補正値演算部43は、第2の信号取得部42によって得られた第2の正弦波信号S2(A),S2(B)から補正値を算出する。具体的には、第2の正弦波信号S2(A)を用いて次式(3)の演算を行うことにより補正信号(以下、補正値という)δS1(A),δS1(B)を算出する。ηは信号の漏れ込み(クロストーク)の比率を表す係数であり、本実施例では、η=0.055である。すなちわ、第2の周期信号に対して所定の係数を乗じて得られる周期信号を補正値として生成する
δS1(A)=η・S2(A)
δS1(B)=−η・S2(A) …(3)
次に、補正処理部44は、以下の式(4)により補正処理のための演算を行う。すなわち、第1の正弦波信号S1(A),S1(B)と補正値δS1(A),δS1(B)とを用いて補正後の第1の正弦波信号S1(A)′,S1(B)′を生成する。
S1(A)′=S1(A)−δS1(A)
S1(B)′=S1(B)−δS1(B) …(4)
続いて、位相取得部45は、このようにして得られた補正後の第1の正弦波信号S1(A)′,S1(B)′を用いて、第1のパターン23による変調成分の位相に相当するΦ1を次式(5)の演算によって取得する。ATAN2[Y,X]は、象限を判別して、0〜2πの位相に変換する逆正接関数である。
Φ1=ATAN2[S1(A)′,S1(B)′] …(5)
ここで、上記補正処理の目的と効果について説明する。図5は、第1の受光素子アレイ16a1で受光される光量分布の空間周波数に対するS1(A)およびS1(B)の応答の空間フィルタ特性を示している。スケール20A上において第1のピッチP1を有する第1のパターン23の2倍の拡大像に相当する空間周波数を2点鎖線で示し、第2のピッチP2を有する第2のパターン25の2倍の拡大像に相当する空間周波数を点線で示している。この図から、受光面上にて空間周波数1/256μm−1の像は、受光素子アレイのフィルタ効果により応答が減衰されることが分かる。
続いて、P2変調成分の位相に対応するΦ2を算出する処理について説明する。本実施例では、第2の受光素子アレイ16a2の検出周期(128μm)とスケール20A上の第2のパターン25の周期(第2のピッチ)P2とがわずかにずれている。このため、2相の第2の正弦波信号S2(A),S2(B)間の相対位相差を補正する処理を行うことが望ましい。以下、この位相差補正の方法について説明する。
S2(B)=sin(θ−e/2) …(6)
式(6)より、2相の第2の正弦波信号S2(A),S2(B)の和と差をとると、次式(7)に示すように誤差成分eを分離することができる。
S2(A)+S2(B)=2・cos(θ−π/4)sin(e/2−π/4)
−S2(A)+S2(B)=2・sin(θ−π/4)cos(e/2−π/4)
…(7)
位相演算部45は、以下のように位相演算を行う。相対位相差誤差eは設計値よりe=(1−128/124.87805)・πと表すことができる。式(7)における振幅成分2・sin(e/2−π/4),2・cos(e/2−π/4)の逆数を式(7)に乗じることにより、以下の式(8)のように位相差誤差を補正した2相の第2の正弦波信号S2(A)′,S2(B)′を算出する。但し、φ=θ−π/4である。
S2(A)′=(S2(A)+S2(B))/(2・sin(e/2−π/4))
=cosφ
S2(B)′=(−S2(A)+S2(B))/(2・cos(e/2−π/4))
=sinφ …(8)
位相演算部45は、このようにして得られたS2(A)′,S2(B)′を用いて、P2変調成分の位相に対応するΦ2を次式(9)の演算により取得する。
Φ2=ATAN2[S2(A)′,S2(B)′] …(9)
次に、位置演算部46は、上述した第1の変調成分の位相Φ1と第2の変調成分の位相Φ2とから、絶対位置信号として機能するバーニア信号Svを次式(10)の演算により取得する。
このとき、位置演算部46は、Sv<0のときはSv=Sv+2πの演算を、Sv>2πのときはSv=Sv−2πの演算をそれぞれ繰り返し行って、Svを0〜2πの出力範囲に変換する。P1およびP2変調成分の位相Φ1,Φ2とX方向での位置xとの関係は、以下の式(11)ように表すことができる。
Φ2=2π・x/P2 …(11)
バーニア信号Svの周期Tvは、Φ2−2・Φ1が0から±2πに変化するX方向の位置変化量であるので、次式(12)のように表すことができる。
Tv=|P1・P2/(P1−2・P2)| …(12)
このようにして得られたバーニア信号Svとスケール位置との関係は、図7(a)に示すようになる。本実施例では、式(12)より、バーニア信号Svの周期Tvは5.12mmとなり、これが位置検出可能な長さとなる。
(1)P2変調成分のS1(A),S1(B)への漏れ込み
(2)P1変調成分のS2(A),S2(B)への漏れ込み
(3)P2変調成分のS3(A),S3(B)への漏れ込み
(4)P1の2倍波変調成分のS3(A),S3(B)への漏れ込み
なお、(1)に対する補正処理ついては、S1(A),S1(B)が第1の周期信号に、S2(A),S2(B)が第2の周期信号に相当する。また、(2)に対する補正処理については、S2(A),S2(B)が第1の周期信号に、S1(A),S1(B)が第2の周期信号に相当する。また、(3)に対する補正処理については、S3(A),S3(B)が第1の周期信号に、S2(A),S2(B)が第2の周期信号に相当する。さらに、(4)に対する補正処理については、S3(A),S3(B)が第1の周期信号に、S1(A),S1(B)が第2の周期信号に相当する。
δS1(A)=η1×COS(α2+γ1(A))
δS1(B)=η1×COS(α2+γ1(B))
δS2(A)=η2×COS(α1+γ2(A))
δS2(B)=η2×COS(α1+γ2(B))
δS3(A)=η3×COS(α2+γ3(A))+η4×COS(2×α1+γ4(A))
δS3(B)=η3×COS(α2+γ3(B))+η4×COS(2×α1+γ4(B))
…(13)
ただし、α1=ATAN2[S1(A),S1(B)]
α2=ATAN2[S2(A),S2(B)]
α3=ATAN2[S3(A),S3(B)]
である。
次に、補正処理部44は、以下の式(14)を用いて補正処理の演算を行う。
S1(A)′=S1(A)−δS1(A)
S1(B)′=S1(B)−δS1(B)
S2(A)′=S2(A)−δS2(A)
S2(B)′=S2(B)−δS2(B)
S3(A)′=S3(A)−δS3(A)
S3(B)′=S3(B)−δS3(B) …(14)
次に、位相演算部45は、S1(A)′,S1(B)′,S2(A)′,S2(B)′,S3(A)′,S3(B)′を用いて、第1、第2および第3のパターン26,27,28のそれぞれに対応する信号の位相Φ1,Φ2,Φ3を次式(15)の演算により取得する。
Φ1=ATAN2[S1(A)′,S1(B)′]
Φ2=ATAN2[S2(A)′,S2(B)′]
Φ3=ATAN2[S3(A)′,S3(B)′] …(15)
なお、第1、第2および第3のパターン26,27,28は、位置検出方向における一方の端(X=0mm)においてΦ1=Φ2=Φ3=0となるように、それらの初期位相が設定されている。
Φb=Φ2−2・Φ3 …(16)
ここで、Φa<0のときは、Φa=Φa+2πの演算を、Φa>2πのときはΦa=Φa−2πの演算をそれぞれ繰り返し行って、Φaを0〜2πの出力範囲に変換する。Φbについても同様にして0〜2πの出力範囲に変換する。
…(17)
ここで、ROUND[x]は、xに最も近い整数に変換する関数である。
…(18)
さらに、位置演算部46は、次式(19)により、下位信号FとΦ1との同期をとり、下位信号FからΦ1の周期の何番目にあるかを算出し、Φ1をつなぎ合わせてΦ1の位置精度を持つ絶対位置信号ABSを取得する。
[μm] …(19)
上記のような合成処理を行うことで、高精度なインクリメントパターン信号の精度で、長ストロークの絶対位置を検出することができる。
e=(Arctan(S2amp1/S2amp2)+π/4)×2 …(20)
と算出できる。S2amp1/S2amp2は、S2(A)とS2(B)の和と差によって得られる正弦波信号の振幅比であり、受光素子アレイ16Bにより検出される周期パターンの像の空間周波数に相関のある値に相当する。ただし、S2amp1/S2amp2はスケール20B上の位置によって変動するので、スケール20BにおけるX方向の全域のうち一定間隔で複数点での検出を行い、その結果を平均化することによって精度を高めることが望ましい。
まず、1周期内で、以下のT1,T2,T3およびT4を検出する。
T1:S2(A)の立ち上がり時間からS2(B)の立ち上がり時間までの間隔
T2:S2(B)の立ち上がり時間からS2(A)の立ち下がり時間までの間隔
T3:S2(A)の立ち下がり時間からS2(B)の立ち下がり時間までの間隔
T4:S2(B)の立ち下がり時間からS2(A)の立ち上がり時間までの間隔
次に、以下の式(21)による演算によって相対位相差誤差eを算出する。
e=(1/2×(T1+T3)/(T1+T2+T3+T4)−1/4)×2π
…(21)
速度変動やノイズの影響で精度が不十分の場合は、十分なサンプル数を取得して平均化することが望ましい。
m=2/(2×e/π+1) …(22)
と算出できる。このようにして得られた投影倍率mを、P1,P2,P3に乗じて各変調成分の受光素子アレイ16B(受光面)上での空間周波数を演算する。そして、これらの空間周波数を用いて各応答が算出でき、最終的な補正値が得られる。
16A,16B,16C 受光素子アレイ
20,20A,20B,20C スケール
40 信号処理回路
Claims (11)
- 第1の周期パターンおよび該第1の周期パターンとは異なる周期を有する第2の周期パターンが設けられたスケールと、
該スケールとの相対移動が可能であり、前記第1および第2の周期パターンを検出する検出素子アレイを有するセンサと、
前記第1の周期パターンを検出した前記検出素子アレイからの出力を用いて該第1の周期パターンに応じた第1の周期を有する第1の周期信号を生成し、前記第2の周期パターンを検出した前記検出素子アレイからの出力を用いて該第2の周期パターンに応じた第2の周期を有する第2の周期信号を生成する周期信号生成手段と、
前記第2の周期信号を用いて、前記第1の周期信号に含まれる前記第2の周期を有する信号成分を低減するための補正信号を生成する補正信号生成手段と、
前記第1の周期信号と前記補正信号とを用いて位置を示す情報を生成する位置演算手段とを有し、
前記補正信号生成手段は、前記第2の周期信号に所定の係数を乗じて得られる周期信号を前記補正信号として生成することを特徴とするエンコーダ。 - 前記補正信号は、前記第2の周期またはその高調波周期に同期した信号であることを特徴とする請求項1に記載のエンコーダ。
- 前記補正信号生成手段は、前記第2の周期信号の位相を求め、該検出位相に対して所定のシフトを与えた位相を有する周期信号を前記補正信号として生成することを特徴とする請求項1または2に記載のエンコーダ
- 前記補正信号生成手段は、前記検出素子アレイにより検出される前記周期パターンの像の空間周波数に相関のある値を取得し、該値を用いて前記補正信号を生成することを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載のエンコーダ。
- 前記検出素子アレイは、前記スケールとの相対移動に応じて、互いに周期が等しく位相が異なる複数の周期信号を出力し、
前記補正信号生成手段は、該複数の周期信号の位相差を前記空間周波数に相関のある値として取得することを特徴とする請求項4に記載のエンコーダ。 - 前記検出素子アレイは、前記スケールとの相対移動に応じて、互いに周期が等しく位相が異なる複数の周期信号を出力し、
前記補正信号生成手段は、該複数の周期信号の和と差によってそれぞれ得られる周期信号の振幅比を前記空間周波数に相関のある値として取得することを特徴とする請求項4に記載のエンコーダ。 - 前記検出素子アレイを構成する検出素子のうち少なくとも一部が、前記第1の周期パターンの検出および前記第2の周期パターンの検出に共通して用いられることを特徴とする請求項1から6のいずれか一項に記載のエンコーダ。
- 前記センサは、前記周期パターンを、光学方式、磁気方式および静電容量方式のうちいずれかで検出することを特徴とする請求項1から7のいずれか一項に記載のエンコーダ。
- 第1の周期パターンおよび該第1の周期パターンとは異なる周期を有する第2の周期パターンが設けられたスケールと、
該スケールとの相対移動が可能であり、前記第1および第2の周期パターンを検出する検出素子アレイを有するセンサと、
前記第1の周期パターンを検出した前記検出素子アレイからの出力を用いて該第1の周期パターンに応じた第1の周期を有する第1の周期信号を生成し、前記第2の周期パターンを検出した前記検出素子アレイからの出力を用いて該第2の周期パターンに応じた第2の周期を有する第2の周期信号を生成する周期信号生成手段と、
前記第2の周期信号を用いて、前記第1の周期信号に含まれる前記第2の周期を有する信号成分を低減するための補正信号を生成する補正信号生成手段と、
前記第1の周期信号と前記補正信号とを用いて位置を示す情報を生成する位置演算手段とを有し、
前記補正信号生成手段は、前記第2の周期信号の位相を求め、該検出位相に対して所定のシフトを与えた位相を有する周期信号を前記補正信号として生成することを特徴とするエンコーダ。 - 第1の周期パターンおよび該第1の周期パターンとは異なる周期を有する第2の周期パターンが設けられたスケールと、
該スケールとの相対移動が可能であり、前記第1および第2の周期パターンを検出する検出素子アレイを有するセンサと、
前記第1の周期パターンを検出した前記検出素子アレイからの出力を用いて該第1の周期パターンに応じた第1の周期を有する第1の周期信号を生成し、前記第2の周期パターンを検出した前記検出素子アレイからの出力を用いて該第2の周期パターンに応じた第2の周期を有する第2の周期信号を生成する周期信号生成手段と、
前記第2の周期信号を用いて、前記第1の周期信号に含まれる前記第2の周期を有する信号成分を低減するための補正信号を生成する補正信号生成手段と、
前記第1の周期信号と前記補正信号とを用いて位置を示す情報を生成する位置演算手段とを有し、
前記補正信号生成手段は、前記検出素子アレイにより検出される前記周期パターンの像の空間周波数に相関のある値を取得し、該値を用いて前記補正信号を生成することを特徴とするエンコーダ。 - 請求項1から10のいずれか一項に記載のエンコーダと、
該エンコーダを用いて位置が検出される可動部材とを有することを特徴とする装置。
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