JP6570994B2 - 光学式エンコーダの原点決定方法及び光学式エンコーダを用いたシステム - Google Patents

Description

本発明は、光学スケールを有するエンコーダの原点決定方法および光学式エンコーダを用いたシステムに係り、特にエンコーダがインクレメンタル方式である場合に好適な光学式エンコーダの原点決定方法及び光学式エンコーダを用いたシステムに関する。

測定器等の分野では、高精度に寸法等の測定が可能な光学式エンコーダ（以下、エンコーダと称する）を、用いている。エンコーダでは、スケール表面に形成された等間隔の透過・反射の２値化パターンを、半導体フォトセンサのようなリーディング・ヘッドで読み取り、リーディング・ヘッド上を通過したパターンの数から、長さや角度を測定している。

このようなエンコーダでは、特にインクレメンタル方式の場合、２値化パターンが形成されたスケールとリーディング・ヘッドの相対的な位置情報しか得られないので、絶対位置基準としての原点検出系を、相対位置検出系のエンコーダとは別に設ける場合が多い。このように、原点検出系と、相対位置検出系との２つの異なる検出系を有する場合には、相互の関連付けが必要となる。

ところで、エンコーダでは検出アナログ信号を２値化したパルス信号に変換しているが、この変換において、エンコーダの検出部の走査方向により、原点とすべき基準位置（パルス位置）が変化する場合がある。この不具合を解消するために、特許文献１では、走査方向の依存性を小さくし、Ａ相またはＢ相信号に同期した原点検出を安定して行うために、エンコーダは、移動方向を示す互いに位相が９０°ずれた位置信号であるＡ相、Ｂ相信号と、電源オフ後に再起動したとき等に原点位置を検出するＺ相信号を有する。そして、スケールのうち、Ｚ相信号を形成するＺ相スケールには、光反射領域および光透過領域の２領域からなるベタパターンを用い、Ｚ相信号を、Ｚ相スケールから形成されたＺ相出力信号をデジタル化して得られるパルス状信号とし、スケールとの間の相対移動量から対象物の変位を検出している。

特許文献２及び３には、本願出願人の先願に係る光学式のエンコーダが開示されている。特許文献２には、２つの光学スケールを利用して、簡単な演算回路で高精度に原点を検出することが記載されている。具体的には、エンコーダが、第１、第２の２個の光学スケールと、光源と、主軸方向にセンサピッチで配列され４相の主センサ部を繰り返した第１受光センサと４個の副センサ部を繰り返した第２受光センサと演算処理回路とを備え、主センサ部のＡ相の差とＢ相の差を演算する第１、第２の主差演算回路と、副センサ部のＡ相の差とＢ相の差を演算する第１、第２の副差演算回路とを設け、第１主差演算回路の出力と第１副差演算回路の出力とを加算し、その値を閾値と比較して原点を検出している。

また、特許文献３では、位置検出系と原点検出系とが分かれていることに起因する課題を解決するため、エンコーダが、透過部／反射部が繰り返されるスケールと、スケールに相対的に移動可能な光検出部と、スケールの原点を検出する原点検出系を備える。そして、スケールに、光反射部と光透過部のピッチが変更された領域と、ピッチが変更される境界であるピッチ境界部とを設け、原点検出部は、光検出部がピッチ境界部からの反射光を検出して得た信号に基づいて、原点位置を検出するようにしている。

特開２０１２−１０３２３０号公報 特開２０１５−９９０７９号公報 特開２０１５−１０９６４号公報

絶対的な位置情報を有しないインクレメンタル方式のエンコーダを用いた測長システムでは、上述したように絶対的位置基準として原点検出系を、エンコーダの位置検出系の他に設けることが一般的である。その場合、位置検出系と絶対的位置基準としての原点検出系の対応付けが必要であり、この対応付けを簡単な構成で行うことが望まれている。もしくは、原点検出系を含む複雑で高価な対応付けのための構成を省くことが望まれている。

上記特許文献１では、原点検出系を、位置検出系として用いるＡ相、Ｂ相のほかに、Ｚ相として設けることにより、原点検出系と位置検出系を統合している。しかしながら、この特許文献１では、Ａ相、Ｂ相のためのスケール及び発光部、受光部の外に、ほぼこれと同規模のＺ層のための発光部、受光部を必要とし、エンコーダ自体が複雑になるとともに、高価になる。さらに、位置検出系と原点検出系を統合するための演算処理も複雑となり、装置の大型化が危惧される。特に、エンコーダを長さや角度の計測装置や、ロボットの関節等に使用する場合、できるだけ簡素で簡単な機構及び演算処理系が望まれる。

また、特許文献２に記載の光学式のエンコーダは、２個の光学スケールを有し、一方の光学スケールを移動量検出に、他方を原点検出に利用し、移動量検出に使用される一般的な回路に簡単な演算回路を付加している。これにより、原点検出を高精度に得られる、という利点を有する。

しかしながら、この特許文献２に記載の光学式エンコーダでは、エンコーダの実際の使用環境における、微小な位置の変動については十分には考慮されていない。つまり、自動工作機械等での計測に用いる場合に、使用環境温度が変化して原点が移動することや、エンコーダの検出部を複数回往復させた結果、微小な塵埃の蓄積や加減速力により原点位置がサブミクロン・オーダーで変化することが、起こり得る。上記特許文献２では、光学式検出器のゲインの変化については考慮されているが、これらの課題は依然として残ったままである。

また、特許文献３では、原点検出系と位置検出系を、同一の光学式エンコーダ部品で達成している。そのため、温度などの環境変化の影響を、原点検出系と位置検出系で別々に受けていた従来技術に対し、同一光学部品であるのでアッベ誤差が生ぜず、また、光量の補正回路の付加も可能になる。

しかしながら、このエンコーダではアナログ出力の振幅変化を検出する回路が必要となり、回路が複雑化する。

本発明は上記従来の技術の不具合を鑑みなされたものであり、その目的は、インクレメンタル方式の光学式エンコーダにおいて、環境変化や原点変化があっても、特別な原点検出系を設けることなく簡単な構成で、原点位置を決定することにある。また、このような原点検出方法を備えたシステムを提供することにある。本発明の他の目的は、上記目的に加え、位置検出系のみ有するインクレメンタル方式の光学エンコーダを備えた既存の装置の改造や高品質化等において、特別な構成を加えることなく、簡単に原点位置を決定することにある。

上記目的を達成するための本発明の特徴は、少なくともＡ相およびＢ相を有するインクレメンタル方式の光学式エンコーダの原点決定方法において、前記エンコーダに接続された測定手段が有する可動側ストッパが、固定側ストッパに当接した時の位置を、前記エンコーダが有するスケールの反射／透過の目盛の１ピッチを内挿して分割したビット信号単位で求め、以後の使用においては求めた前記ストッパの当接位置の内挿ビット数に定数を加えた量（定数はマイナス及びゼロを含む）だけ、当該ストッパの当接位置から差し引いた値を前記エンコーダの原点として決定することにある。

そしてこの特徴において、前記エンコーダが、Ａ相、Ｂ相の他に、Ａ⁻相、Ｂ⁻相を有していてもよく、前記エンコーダは、各相に複数の光学検出素子を有し、前記複数の光学検出素子の各出力を総和して各相の出力とするものであってもよい。また、前記可動側ストッパの当接位置を、前記スケールのピッチを４等分した第３番目内とするのがよく、前記可動側ストッパの当接位置の履歴を求め、その結果に基づいて、前記可動側ストッパが前記スケールの１ピッチを超えたか否かを判定して、原点位置を補正することが好ましい。さらに、前記原点を、前記可動側ストッパが前記固定側ストッパに当接するごとに更新するのが望ましい。

上記目的を達成する本発明の他の特徴は、測定対象物の長さや角度、移動距離、変位角をインクレメンタル方式の光学式エンコーダを用いて計測するシステムにおいて、前記エンコーダに接続し、測定子が取り付けられた測定手段と、前記測定手段に取り付けた可動側ストッパと、この可動側ストッパに対向する固定側ストッパとを備え、前記システムは、前記可動側ストッパが前記固定側ストッパに当接した時の当接位置を、前記エンコーダが備えるスケールの反射／透過の目盛の１ピッチを内挿して分割したビット信号単位で求めて記憶する記憶手段と、前記ストッパの当接位置の内挿ビット数に定数を加えた量（定数はマイナス及びゼロを含む）だけ当該ストッパの当接位置から差し引いた値を前記エンコーダの原点として決定する制御手段とを備えることにある。

そしてこの特徴において、前記記憶手段は、前記可動側ストッパの当接位置の履歴を記憶し、前記制御手段は記憶された前記可動側ストッパの当接位置の履歴に基づいて、前記可動側ストッパが前記スケールの１ピッチを超えたか否かを判定し、原点位置を補正するのが好ましい。

また上記特徴において、前記測定手段は、一端側に前記エンコーダが接続され、他端側に測定子を備えた梁状のフィンガーであり、前記フィンガーの中間部を搖動可能に支持する支点を有し、前記支点と前記エンコーダ間に前記固定側ストッパに当接する前記可動側ストッパを調整可能に取り付けられているものであってよく、前記可動側ストッパの先端の当接部の形状は実質的にサブミクロン以下の粗さを有する球面であり、前記可動側ストッパおよび前記固定側ストッパは２０万回の当接において、０．５μｍ以下の当接位置変化となる硬度を有することが望ましい。

本発明によれば、インクレメンタル方式の光学エンコーダが、位置検出系が検出した機械的ストッパの位置情報分だけ補正してエンコーダの原点位置を決定するので、環境変化や原点変化があっても、特別な原点検出系を設けることなく簡単な構成で、原点位置を決定できる。また、原点検出方法を備えたシステムを提供できる。さらに、位置検出系のみ有するインクレメンタル方式の光学エンコーダを備えた既存の装置の改造や高品質化等において、特別な構成を加えることなく、簡単に原点位置を決定できる。

本発明に係るエンコーダを備えた測長システムの一実施例の図である。 エンコーダが備えるスケールの例であり、平面図である。 エンコーダの概略縦断面図である。 エンコーダの検出状態を説明する図である。 フォトセンサの出力例である。 エンコーダにおける内挿信号を説明する図である ストッパと原点の関係を説明する図である。 本発明に係る原点補正を説明する図である。

以下、本発明にかかる光学式エンコーダ及びそれを用いた測長システムを、図面を用いて説明する。図１は、光学式エンコーダを有する測長システムの、測長部のみを取り出して示した図であり、図１（ａ）は、測長部のカバーを取り除いた正面図であり、同図（ｂ）は実際の測長を模式的に示した図である。この図１においては、自動加工機において、ワーク５の外径を精密に測定する例を示しているが、本発明はこのような自動加工機における測定に限るものではなく、後述するようにリニアスケールに限るものでもない。本発明は、添付した特許請求の範囲に含まれるあらゆる態様を含むものである。

ワーク５の外径を測定する測長システム１０は、ハウジング１５内に取り付けた円弧型のスケール２０と、このスケール２０に間隔を置いて対向するセンサ手段３０とを有している。スケール２０とセンサ手段３０とは、エンコーダ１００を形成する。スケール２０では、詳細を後述するように、透過部と反射部が交互に形成されている。センサ手段３０は、細長い梁状のフィンガー１２の一端部に取り付けられている。フィンガー１２の他端部はハウジング１５から突き出ており、使用時に下側になる位置に測定子（スタイラス）１１が取り付けられている。フィンガー１２の中間部であって、ハウジング１５の内部の位置に、フィンガー１２を回動または旋回させるための支点１３が設けられている。ハウジング１５は、フィンガー１２の搖動を可能にするため、図１で右側に、フィンガー１２の搖動運動に伴う変位分だけのクリアランス穴が形成されている。

フィンガー１２の支点１３とセンサ手段３０との間には、フィンガー１２にほぼ直角な位置に、進退可能にストッパ（可動側）１６が設けられている。すなわち、可動側ストッパ１６は、外周にネジが形成されており、回動することによりフィンガー１２からの距離が変化する。可動側ストッパ１６の意図しない移動を防止するために、フィンガー１２の対応部分には押しネジ１７が取り付けられており、可動側ストッパ１６の位置決めに用いられる。ハウジング１５の上面内側であって、可動側ストッパ１６に対向する面には、ストッパ（固定側）１４が取り付けられている。

可動側ストッパ１６の固定側ストッパ１４に対向する部分、すなわち当接部分は、実質的に球面に形成されており、可動側ストッパ１６が固定側ストッパ１４に当接する際の抵抗や衝撃をできるだけ低減するようになっている。一方、固定側ストッパ１４の当接面は、平面である。可動側ストッパ１６及び固定側ストッパ１４は、ともに鋼製であり、当接時に表面の凹凸が変形して測定誤差を生じないよう、平均粗さが０．４μｍ以下となるよう研削仕上げをしている。また、２０万回の当接があっても、その変形量や摩耗量に起因する寸法ずれを、０．５μｍ以下にしている。

センサ手段３０は、記憶手段２を備えた制御手段１に信号線１１０で接続されており、センサ手段３０が検出した情報が入力されるとともに記憶する。測長システム１０は、図示しない工作機械の軸に取り付けられており、加工軸方向（Ｘ方向）や上下方向（Ｚ方向）に移動可能である。

図２〜図５を用いて、本発明に係るエンコーダ１００を説明する。エンコーダ１００は、インクレメンタル方式の光学式エンコーダである。図２は、エンコーダ１００の模式図であり、正面図である。上述したようにエンコーダ１００は、静止側に設けられるスケール２０と可動側に設けられるセンサ手段３０を主構成要素としている。スケール２０は、図２では、センサ手段３０の上面に対向して配置され、下側面が反射パターン２０１、２０２の形成された面となる。スケール２０では、例えばガラス製のスケール基板２０３に、Ｃｒ、Ａｕ、Ｐｒ、Ａｇ、Ａｌ等の光反射率の高い金属を蒸着等で成膜して、反射パターン（反射部）２０１を形成している。反射パターン２０１が形成されていない地のガラス部分スケール基板２０３は、反射パターン（透過部）２０２となる。

図３に、スケール２０の平面図を示す。この図３では、スケール２０の一部を拡大して示している。本実施例のエンコーダ１００では、フィンガー１２が支点１３を中心に回転（搖動）運動するので、センサ手段３０も回転（搖動）運動する。そのため、センサ手段３０に対向するスケール２０を円弧状に形成する。図３では、理解を容易にするため、及びスケール２０を拡大した拡大図ではほぼ直線状であるとみなせることにより、直線状にスケール２０を示している。

反射パターン２０１、２０２は、長手方向にスケールピッチｐ_ｉで形成された反射パターンであり、反射部２０１と透過部２０２はともに、ｐ_ｉ／２で、本実施例ではｐ_ｉ＝２０μｍである。したがって、反射部２０１の幅は１０μｍである。反射部２０１の長さは、光検出部のフォトセンサの数等により決定されるが、通常、数１００μｍ程度である。

図２に戻り、センサ手段３０は大別して、発光手段３１と受光手段３２に分けられる。発光手段３１と受光手段３２の双方が、センサ基板３０１上に設けられており、透明な樹脂材３０２で覆われている。発光手段３１は、ＬＥＤアレイやレーザアレイからなる光源３１２と、この光源３１２の発光面側に配置され一定ピッチで形成された格子３１１と、格子３１１の上面を覆い保護する光透過部材３１３とを有している。

受光手段３２は、受光部３２１を有する受光素子３２２を備えており、受光部３２１は詳細を以下に説明するフォトダイオードアレイである。なお、本実施例では記載を省略したが、発光手段３１にはその駆動回路が、受光手段３２には受光信号の信号処理回路が設けられており、これらはセンサ手段３０として一体化されていてもよい。その場合、これら回路をセンサ手段３０に一体化するのを、ハイブリッドＩＣで実現すれば、エンコーダ１００をコンパクト化できる。

ガラス等から構成されるスケール基板２０３に形成された反射パターン２０１、２０２に対してセンサ手段３０が移動すると、センサ手段３０の発光手段３１が有するＬＥＤ光源３１２から発せられた光は、図２の矢印のように、反射パターン２０１、２０２のうちの反射部（反射パターン）２０１に当たった光がスケール２０で反射し、受光手段３２の受光部３２１に達する。一方、図示しないが、反射パターン２０１、２０２のうちの透過部（反射パターン）２０２に当たった光はスケール２０を透過し、受光手段３２には達しない。この結果、受光手段３２には、反射光強度に応じた電力が発生する。
なお上記図２においては、発光手段３１で発光した光がスケール基板２０３の反射部２０１で反射して、受光手段３２に入射する、いわゆる反射型のエンコーダ（反射型エンコーダ）について記載したが、スケール基板２０３を透過した光を、受光手段３２がスケール基板２０３の背面側で受光する、いわゆる透過型エンコーダであってもよい、ことは言うまでもない。

図４及び図５を用いて、受光手段３２の動作を、さらに説明する。図４は、受光手段３２がスケール２０の反射パターン２０１、２０２を検出した時の、受光手段３２の出力波形を説明する図である。図５は、受光手段３２の出力波形を処理した、最終的な出力波形を示す図である。

センサ手段３０が、スケール２０に対して反射パターン２０１、２０２が刻まれたまたは形成された方向に相対的に移動すると、センサ手段３０が有する受光手段３２もスケール２０の目盛方向に移動し、受光手段３２の受光部３２１に配列したフォトダイオードアレイの各ダイオードは、図４中の右上の波形（検出信号３２５）のような電圧を出力する。すなわち、受光部３２１のフォトダイオードと反射部２０１との相対位置関係により、受光部３２１が受光する光量は正弦波的に変化する。したがって、反射部２０１を「１」、透過部２０２を「０」とすると、「１」の部分では上に凸の正弦波形が、「０」の部分では下に凸の正弦波形が受光部３２１の出力として現れる。

ここで、受光部３２１に使用するフォトダイオードアレイについて説明する。受光部３２１では、Ａ相、Ｂ相、Ａ⁻相、Ｂ⁻相を検出するため、検出用フォトダイオード素子が互いに位相が９０°異なるように配置されている。具体的には、スケール２０のピッチｐ_ｉが２０μｍであるから、５μｍだけ相互に離せばよいことになる。しかし、サブミクロンの測長精度を求める場合、各ダイオードには性能のばらつきや位置のばらつきを無視できず、また各ダイオードは小型であるので個々の出力が小さい。そこで、ダイオードを多重化して１個のダイオードのばらつきの影響を相対的に低減して、測長精度の向上を図っている。

すなわち、受光部３２１では、４つのフォトダイオード素子ＰＤ１〜ＰＤ４を一組とするフォトダイオード素子の組を、複数組設けている。そして１個の反射部２０１と１個の透過部２０２の組を、４つのフォトダイオード素子ＰＤ１〜ＰＤ４で受光する。したがって、反射部２０１と透過部２０２との合計サイズに、４つのフォトダイオード素子ＰＤ１〜ＰＤ４の合計サイズが合っていることが望ましいが、必ずしも合っていなくてもよい。例えば、あるエンコーダにおいては、反射部２０１と透過部２０２のピッチが２０μｍであり、４つのフォトダイオード素子ＰＤ１〜ＰＤ４の合計長さは４０μｍである。この場合、光源の光がスケール基板２０３で反射して、受光部３２１に入射されるまでの間に２倍に拡散しているので、合計サイズが合っているのと同様の効果を生じる。

各組の４つのフォトダイオード素子ＰＤ１〜ＰＤ４は、上述した通り、それぞれ位相が９０°ずつ異なった電気信号を出力し、複数の組の各フォトダイオード素子ＰＤは、素子番号ごと、すなわち、ＰＤ１であればどの組のＰＤ１も、同様にＰＤ２であればどの組のＰＤ２も、ＰＤ３であればどの組のＰＤ３も、ＰＤ４であればどの組のＰＤ４も、それぞれ同じ位相の電気信号(波形)を出力する。各フォトダイオード素子ＰＤ１〜ＰＤ４が、それぞれ位相が９０°ずつ異なる電気信号を出力するので、ＰＤ１とＰＤ３は、互いに１８０°位相がずれた電気信号を出力し、ＰＤ２とＰＤ４も同様に互いに１８０°位相がずれた電気信号を出力する。

このため、各フォトダイオード素子の組の各相同士、すなわちＰＤ１同士、ＰＤ２同士、ＰＤ３同士、ＰＤ４同士を接続して総和を取り、各相の信号波形４１〜４４を得る。この信号波形４１〜４４に対して、位相が１８０°異なるＰＤ１とＰＤ３の電気信号の差分（ＰＤ１−ＰＤ３：信号波形４１−信号波形４３）をとってＡとし、ＰＤ２とＰＤ４の電気信号の差分（ＰＤ２−ＰＤ４：信号波形４２−信号波形４４）をとってＢとして出力する。これにより、電気信号ＡとＢとは、位相が９０°ずれた信号になる。

図５を参照して、さらに説明する。図５は、４相のフォトダイオード素子ＰＤ１〜ＰＤ４の出力電気信号の信号波形４１〜４４と、結果として得られた電気信号Ａ、Ｂの具体例を示す図である。上述したように、ＰＤ１〜ＰＤ４の各出力電気信号の信号波形４１〜４４は、９０°ずつ位相がずれており、ＰＤ１の信号波形４１とＰＤ３の信号波形４３とは１８０°位相がずれており、ＰＤ２の信号波形４２とＰＤ４の信号波形４４も１８０°位相がずれている。１８０°位相がずれているＰＤ１とＰＤ３の電気信号の差分を取ることにより、ＰＤ３の信号が反転させて合成され、より位置精度や出力精度のばらつきに対して影響を受けにくい電気信号Ａが得られる。同様に１８０°位相がずれているＰＤ２にＰＤ４の信号を反転させて合成することで、位置精度や出力精度のばらつきに対して影響を受けにくい、電気信号Ａから９０°位相がずれた電気信号Ｂが得られる。

この電気信号Ａまたは電気信号Ｂのパルス数をカウントすることにより、スケール２０の反射部２０１と透過部２０２の組が、いくつ移動したかを知ることができる。したがって、カウントしたパルス数にスケール２０の反射部２０１と透過部２０２の組の長さ、すなわちスケールピッチｐ_ｉを乗ずることにより、スケール２０が光検出部に対して相対的に動いた距離が得られる。

次に上記エンコーダを用いた原点決定方法について、図６ないし図８を用いて説明する。図６は本発明に係る原点決定方法に用いる内挿の原理を説明する図であり、図６（ａ）は内挿の概念を示す図であり、Ａ相の出力を横軸、Ｂ相の出力を縦軸にとって得られるリサージュ図形である。
図６（ｂ）は、内挿の対応関係を示す図であり、最上段はスケール基板２０３であり、その表面には反射部２０１と透過部２０２が一定間隔で形成されている。その下段は、受光手段３２を形成する、多数配置された４種類のフォトダイオード素子ＰＤ１〜ＰＤ４の配置を示すものであり、ＰＤ１はＡ相を、ＰＤ２はＢ相を、ＰＤ３はＡ⁻相を、ＰＤ４はＢ⁻相を、それぞれ検出するためのものである。フォトダイオード素子ＰＤ１〜ＰＤ４を含む受光手段３２は、スケール基板２０３に相対的に移動する。下段の２つは、複数のフォトダイオード素子ＰＤ１の組と、複数のフォトダイオード素子ＰＤ２の組が、スケール基板２０３上の反射部２０１のパターンを検出して、それぞれ出力する出力波形であり、Ａ相とＢ相は９０°位相が異なっている。これらＡ相とＢ相の波形を正弦波形と仮定して、時間軸と交差する点、すなわち出力が０となる点を、内挿ビット数φ１〜φ４で示している。

エンコーダ１００では、スケールピッチｐ_i以下の長さを、回路上で分割している。これは内挿と呼ばれ、分周器を多段に重ねること等で達成することができる。図示例では、スケールピッチｐ_iを１０２４等分（１０２４逓倍）し、さらに、Ａ相とＢ相のＨｉｇｈ，Ｌｏｗを組みあわせて、最終的に２^１２ビットの分割が得られる。本実施例では、スケールピッチｐ_iが２０μｍであるから、２０／４０９６≒０．０５μｍの分解能となる。内挿しない場合には、Ａ相とＢ相のＨｉｇｈ，Ｌｏｗを組み合わせるだけであり、分解能としては、２０／４＝５μｍしか得られない。

この電気的な分割を、フォトダイオード素子が検出する波形に対応させたのが図６（ａ）であり、フォトダイオード素子の波形が正弦波であるとして、各位相での内挿ビット数φを求めている。０°位置での分割数である内挿ビット数がφ_１、９０°位置での内挿ビット数φ_２、１８０°位置での内挿ビット数がφ_３、２７０°位置での内挿ビット数がφ_４であるから、φ_１=０、φ_２=１０２４、φ_３=２０４８、φ_４=３０７２である。

内挿を用いると、電源投入時であっても、センサ手段３０のスケール２０に対する位置を正確に検出できる。すなわち、Ａ相信号がＢ相信号より９０°遅れているから、図５、６を参照すると、電源投入時にＡ相の出力信号が正電圧であり、Ｂ相の出力信号が負電圧であれば、センサ手段３０は、φ_１〜φ_２の位置にあることが分かる。同様に、Ａ相、Ｂ相がともに正であればφ_２〜φ_３に、Ａ相が負、Ｂ相が正ならφ_３〜φ_４に、Ａ相、Ｂ相ともに負ならφ_４〜φ_１の位置にあることが分かる。しかも、その時のＡ相、Ｂ相の出力電圧の大きさが分かるので、Ａ相、Ｂ相の出力値の比率を算出すると位相が分かり、対応する内挿ビット数φが得られる。

次に、この内挿を用いて原点を決定する方法を、図７により説明する。図７は、測長システム１０が備える機械的ストッパ１４、１６とスケールピッチｐ_ｉ、内挿ビットの関係を示す図である。測定子１１の移動範囲を上段に、スケール２０のピッチを中段に、内挿ビット数φのスケールを下段に示す。測定子１１の欄における左端の位置Ｐ_ＳＴは、ストッパ１４、１６の当接位置であり、測定子１１はこれ以上左側には進めず、右側に矢印方向に移動できることを示している。

スケール２０のピッチ欄では、理解しやすくするため、反射パターン２０１、２０２の反射／透過のいずれかの開始位置を縦棒で示している。したがって、２本の縦棒間が、スケール２０の１ピッチｐ_ｉである。Ｐ_０で示されたスケール２０の位置は、原点位置である。この決定方法については、以下に述べる。なお、原点Ｐ_０の位置よりも左側にも実際には、スケール２０は形成されているが、図示を省略している。下段の内挿ビット数φのスケールは概念的に示したものであり、物理的には形成されていない。この図では、スケールピッチも併せて示している。スケール２０の１ピッチｐ_ｉ間に、４０９６個の内挿ビット数φがある。

測長システム１０が設けられるのが無人工作機械等の場合には、初めに測定子１１の可動域を定める。そこで、可動側ストッパ１６の位置を調整する。可動側ストッパ１６は外周ネジであるから、ねじ込んで固定側ストッパ１４に当接させて、ストッパ位置Ｐ_ＳＴを定める。ストッパ位置Ｐ_ＳＴが定まったら、押しネジ１７で固定する（図１参照）。

次いで、可動側ストッパ１６が固定側ストッパ１４に当接するストッパ位置Ｐ_ＳＴでの内挿ビット数φ_ＳＴを、エンコーダ１００のＡ相、Ｂ相出力を用いて求める。上述したように、電源投入後はいずれの時点でも、内挿ビット数φを検出可能である。ストッパ位置Ｐ_ＳＴにおける内挿ビット数φ_ＳＴが得られたら、内挿ビットスケール上で、この内挿ビット数φ_ＳＴだけ減じた位置を、原点Ｐ_０に決定する。そして原点Ｐ_０を、制御装置（制御手段）１の記憶手段２に記憶する。

ところで、測長システム１０の使用においては、可動側ストッパ１６を固定側ストッパ１４に当接させる際に、必ずしもゆっくりとした動作、いわゆるソフトランディングで当接させるわけではなく、衝撃的に当接する場合もある。また、測長システム１０を使用する環境温度が、変化する場合もある。これらの条件下では、最大数μｍの範囲で可動側ストッパ１６の当接位置であるストッパ位置Ｐ_ＳＴが変化する。本実施例によれば、ストッパ位置Ｐ_ＳＴにそのような変化があっても、原点Ｐ_０の位置を一定位置に保持できる。また、本発明によれば、単純にストッパ位置Ｐ_ＳＴを原点Ｐ_０として、測定ごとに原点が変動する等の不具合を、解消できる。

なお、可動側ストッパ１６が固定側ストッパ１４に衝撃的に当接して、ストッパ位置Ｐ_ＳＴが変化し、内挿ビットスケール上で隣のピッチに入り込む場合がある。この場合、同一ピッチ内か隣のピッチ内かを区別する必要がある。衝撃的な当接により、ストッパ位置Ｐ_ＳＴが数μｍ変化したとする。例えば、内挿ビット数φ_ＳＴが６５８の状態で、衝撃的に当接した結果、内挿ビット数φが３９８２に変化したとする。衝撃的な当接であるから、内挿ビット数は減少する方向にあるはずであるが、得られた内挿ビット数φ＝３９８２は、単純には、同一スケールピッチ内のより右側、すなわちストッパ位置Ｐ_ＳＴが可動範囲を狭めた場合であり、スケールピッチで隣のピッチに入り込んだ実状（スケール跨ぎ）と同一になる。したがって、これら２つの違いを、以下の方法で区別する。

第１の方法は、ストッパ位置Ｐ_ＳＴの内挿ビット数φ_ＳＴの履歴を記録することである。例えば、内挿ビット数φ_ＳＴが、２１００→１５００→８００→３００→５０→４０００のように変化している場合、最後の内挿ビット数φ_ＳＴ＝４０００は、隣のスケールピッチに入り込んだものとして、原点補正の場合には、４０００−４０９６＝−９６の補正をする。なお、この方法ではスケールピッチｐ_ｉ以上のストッパ位置の変化（スケール跨ぎ）が一度に生じた場合は、対処不可能であるが、Ｐ_ｉ＝２０μｍであるから、最大５μｍ程度の変動を想定した通常の作業ではそのような事態は起こりえない。もしこのような事態が発生した場合には、異常事態として処理する。

第２の方法は、ストッパ位置Ｐ_ＳＴが所定位置よりも小さくなったら、可動側ストッパ１６を調整して、スケールピッチｐ_ｉを超えた内挿ビット数φの変化を回避することである。可動側ストッパ１６の衝撃的な当接によるストッパ位置Ｐ_ＳＴの変化は、せいぜい５μｍ程度であるから、内挿ビット数φに換算すると、１０００程度になる。したがって、日常的に内挿ビット数φを監視し、内挿ビット数φが１０００以下になったら、ストッパ位置Ｐ_ＳＴの調整をする。可動側ストッパ１６の当接部は実質的に球面であるから、固定側ストッパ１４への当接時は、いわゆる点接触になっており、位置調整後においても固定側ストッパ１４に一点で接触し、変動要因は少ない。

これに関連して、可動側ストッパ１６の衝撃的な当接では、ストッパ位置Ｐ_ＳＴが測定子１１の可動範囲を広げる方向に移動するので、ストッパ位置Ｐ_ＳＴでの内挿ビット数φ_ＳＴは減るように変化する。そこで、ストッパ位置Ｐ_ＳＴでの内挿ビット数φ_ＳＴの初期値を、位相の後半部に設定することが望ましい。すなわち、φ_ＳＴ≧φ_３とすることが望ましい。さらに、加工中に発生する微小な塵埃や油等がストッパ１４、１６に付着することも考えられ、それらの大きさはせいぜい数μｍであることから、ストッパ位置Ｐ_ＳＴにその余裕を持たせる。この余裕分を差し引けば、ストッパ位置Ｐ_ＳＴの好ましい初期値φ_ＳＴは、φ_４≧φ_ＳＴ≧φ_３となる。したがって、本実施例の場合には、３０７２≧φ_ＳＴ≧２０４８に設定するのが望ましい。

図８を用いて、本発明に係る原点決定方法の他の実施例を説明する。図８（ａ）は、スケールピッチの図であり、スケールピッチｐ_ｉ間には、内挿ビットがあるが図示を省略している。図８（ｂ）は、内挿ビット数φの位相を示す図である。本実施例が上記実施例と異なるのは、原点Ｐ_０を可動範囲の中央部近傍に設定している点である。基準から許容範囲でワークを仕上げる場合等に便利な方法である。

光学式エンコーダを備える測定装置等においては、原点Ｐ_０の位置を任意に定めることができる。特にリニアエンコーダの場合、可動範囲もしくは測定範囲のほぼ中央部に原点Ｐ_０を設定すると、指定寸法からのずれ等の計測に便利である。そこで、原点Ｐ_０を、リニアエンコーダのほぼ中央部にオフセットさせる場合を、以下に説明する。
原点Ｐ_０を定めるため、一旦、可動側ストッパ１６を固定側ストッパ１４に当接させて、ストッパ位置Ｐ_ＳＴにおける内挿ビット数φ_ＳＴを求める。測定子１１の可動範囲を８ｍｍとすると、この範囲内の総内挿ビット数２Φは、２Φ＝（８／０．０２）×４０９６＝１６３８４００であり、可動範囲の限界点から可動範囲の中央に位置する原点Ｐ_０までの長さに対応する総内挿ビット数Φは、Φ＝１６３８４００／２＝８１９２００となる。

したがって、原点Ｐ_０を可動範囲のほぼ中央部に位置させるためには、ストッパ位置Ｐ_ＳＴから原点Ｐ_０までの内挿ビット数が、Φ−φ_ＳＴであるから、衝撃的な当接でストッパ位置Ｐ_ＳＴが変動しても、φ_ＳＴに比べΦは十分大きな値となる。したがって、原点Ｐ_０を常に可動範囲のほぼ中央部に位置させることができる。なお、この場合にもストッパ位置Ｐ_ＳＴの初期の内挿ビット数φ_ＳＴがφ_３〜φ_４の間にあるように設定すれば、衝撃的な当接や切削油等による汚れが発生しても、ストッパ位置Ｐ_ＳＴにおける内挿ビット数φ_ＳＴのスケールピッチ跨ぎを回避できる。

以上説明したように、本発明によれば、位置検出系と原点検出系を同一の光学式エンコーダ部品で達成することができるので、位置検出系と原点検出系の光学的な位置合わせが不要となる。また、位置検出系と原点検出系が同一系なので、温度などの環境変化を受けにくく、さらに、位置検出系と原点検出系を同一軸上に配置できない場合に生じるアッベ誤差とも無縁である。

また上記実施例では、搖動する測長システムを例にとり説明したが、リニアスケールを有するエンコーダや回転型エンコーダを有するシステムであっても、本発明は同様に適用できる。また、制御手段をエンコーダと別体にしているが、制御手段をエンコーダと一体化してもよく、その場合それら回路部品を基板上に一体的に形成してもよいことは言うまでもない。

１…制御装置（制御手段）、２…記憶手段、５…ワーク、１０…測長システム、１１…測定子（スタイラス）、１２…フィンガー、１３…支点、１４…ストッパ（固定側）、１５…ハウジング、１６…ストッパ（可動側）、１７…押しネジ、２０…スケール、３０…センサ手段、３１…発光手段、３２…受光手段、４１〜４４…信号波形、１００…エンコーダ、１１０…信号線、２０１…反射パターン（反射部）、２０２…反射パターン（透過部）、２０３…スケール基板、３０１…センサ基板、３０２…樹脂材、３１１…格子、３１２…光源、３１３…光透過部材、３２１…受光部、３２２…受光素子、３２５…検出信号、ＰＤ１〜ＰＤ４…フォトダイオード素子、ｐ_i…スケールピッチ、Ｐ_０…原点、Ｐ_ＳＴ…ストッパ位置、Φ…原点までの内挿ビット数、φ、φ_１〜φ_４…内挿ビット数、φ_ＳＴ…ストッパ位置での内挿ビット数

Claims (10)

1. 少なくともＡ相およびＢ相を有するインクレメンタル方式の光学式エンコーダの原点決定方法において、
   前記エンコーダに接続された測定手段が有する可動側ストッパが、固定側ストッパに当接した時の位置を、前記エンコーダが有するスケールの反射／透過の目盛の１ピッチを内挿して分割したビット信号単位で求め、以後の使用においては求めた前記ストッパの当接位置の内挿ビット数に定数を加えた量（定数はマイナス及びゼロを含む）だけ当該ストッパの当接位置から差し引いた値を前記エンコーダの原点として決定することを特徴とする光学式エンコーダの原点決定方法。
2. 前記エンコーダが、Ａ相、Ｂ相の他に、Ａ⁻相、Ｂ⁻相を有することを特徴とする請求項１に記載の光学式エンコーダの原点決定方法。
3. 前記エンコーダは、各相に複数の光学検出素子を有し、前記複数の光学検出素子の各出力を総和して各相の出力とすることを特徴とする請求項１または２に記載の光学式エンコーダの原点決定方法。
4. 前記可動側ストッパの当接位置を、前記スケールのピッチを４等分した第３番目内としたことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の光学式エンコーダの原点決定方法。
5. 前記可動側ストッパの当接位置の履歴を求め、その結果に基づいて、前記可動側ストッパが前記スケールの１ピッチを超えたか否かを判定して、原点位置を補正することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の光学式エンコーダの原点決定方法。
6. 前記原点を、前記可動側ストッパが前記固定側ストッパに当接するごとに更新することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の光学式エンコーダの原点決定方法。
7. 測定対象物の長さや角度、移動距離、変位角をインクレメンタル方式の光学式エンコーダを用いて計測するシステムにおいて、
   前記エンコーダに接続し、測定子が取り付けられた測定手段と、前記測定手段に取り付けた可動側ストッパと、この可動側ストッパに対向する固定側ストッパとを備え、
   前記システムは、
   前記可動側ストッパが前記固定側ストッパに当接した時の当接位置を、前記エンコーダが備えるスケールの反射／透過の目盛の１ピッチを内挿して分割したビット信号単位で求めて記憶する記憶手段と、
   前記ストッパの当接位置の内挿ビット数に定数を加えた量（定数はマイナス及びゼロを含む）だけ当該ストッパの当接位置から差し引いた値を前記エンコーダの原点として決定する制御手段と
   を備えたことを特徴とするシステム。
8. 前記記憶手段は、前記可動側ストッパの当接位置の履歴を記憶し、前記制御手段は記憶された前記可動側ストッパの当接位置の履歴に基づいて、前記可動側ストッパが前記スケールの１ピッチを超えたか否かを判定し、原点位置を補正することを特徴とする請求項７に記載のシステム。
9. 前記測定手段は、一端側に前記エンコーダが接続され、他端側に測定子を備えた梁状のフィンガーであり、前記フィンガーの中間部を搖動可能に支持する支点を有し、前記支点と前記エンコーダ間に前記固定側ストッパに当接する前記可動側ストッパを調整可能に取り付けられていることを特徴とする請求項７または８に記載のシステム。
10. 前記可動側ストッパの先端の当接部の形状は実質的にサブミクロン以下の粗さを有する球面であり、前記可動側ストッパおよび前記固定側ストッパは２０万回の当接において、０．５μｍ以下の当接位置変化となる硬度を有することを特徴とする請求項７から９のいずれか１項に記載のシステム。