(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
検出手段と、
前記検出手段に対して相対的に回転可能であり、回転角度を検出するためのパターンを有するスケールと、を有し、
前記検出手段は、前記回転の回転軸に対して対称な位置に配置されており、それぞれ前記スケールの１回転に対して複数の周期のインクリメンタル信号を出力する２つの第１検出手段と、前記スケールの１回転中の回転角度に対応するアブソリュート信号を出力する第２検出手段と、を有し、
前記２つの第１検出手段で検出される２つの前記インクリメンタル信号の位相と、前記アブソリュート信号の値とに基づいて前記スケールの相対的な回転角度を検出するロータリエンコーダにおいて、
前記アブソリュート信号の値に対応して異なり、前記パターンの中心に対する前記回転の中心のずれによる前記インクリメンタル信号の誤差を補正するための、複数の演算式を記憶する記憶手段と、
前記２つのインクリメンタル信号の位相を、前記第２検出手段から出力される前記アブソリュート信号の値に対応する演算式を用いて演算し、補正された１つの位相を求める演算手段と、
前記補正された位相と、前記アブソリュート信号の値と、に基づいて前記スケールの前記回転角度を生成する生成手段と、を有することを特徴とするロータリエンコーダ。
【請求項２】
前記複数の演算式は、前記２つの第１検出手段から出力される２つの前記インクリメンタル信号の位相をそれぞれφ１、φ２としたときに、
φ１≧φ２、φ１≦φ２、｜φ１−φ２｜≧π、｜φ１−φ２｜≦πのいずれかの条件を判定する式を含むことを特徴とする請求項１に記載のロータリエンコーダ。
【請求項３】
前記２つの第１検出手段の周期数をそれぞれカウントするカウント手段と、
前記アブソリュート信号の値が０となるときに前記２つのカウント手段の値をリセットするリセット手段と、
前記２つの第１検出手段から出力される２つの前記インクリメンタル信号の位相と、前記カウント手段の値とに基づいて、それぞれ前記リセットされた位置からの累積位相を算出する累積位相演算手段と、を有し、
前記２つの累積位相の差を求める位相差演算手段と、を有し、
前記記憶手段は、前記位相差と前記スケールの回転角度との関係に基づいて、前記複数の演算式を記憶することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のロータリエンコーダ。
【請求項４】
前記スケールまたは前記検出手段と共に回転可能な駆動部と、
請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のロータリエンコーダによって生成された前記回転角度に基づいて、前記駆動部の駆動を制御する制御手段と、を有することを特徴とする回転機構。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はアブソリュート信号とインクリメンタル信号とに基づいて、アブソリュート信号単体よりも高精度な回転角度の検出を行うアブソリュート型ロータリエンコーダに関する。
【背景技術】
【０００２】
回転中心と同じ位置に中心を有するパターンを持つスケールをセンサに対して相対的に回転させ、パターンの変化を検出する該センサを用いてスケールの回転角度を検出しようとするロータリエンコーダが知られている。【０００３】
このようなエンコーダにおいて、回転中心とパターン中心がずれていると、１回転で１周期の正弦波の特性を持つ、偏心誤差と呼ばれる周期的な誤差が検出角度に含まれる。したがって、回転角度を高精度に検出するためには、偏心誤差への対策が必要である。しかし、回転中心とパターン中心とのずれを抑えるためには、部品の精度や組み付け精度の向上、およびそれらに起因するコストアップ等の問題が発生する。そこで、偏心誤差の特性から、回転中心を挟み対称となる位置に２つのセンサを配置し、２つのセンサから得られる検出角度を平均化することで検出角度に含まれる偏心誤差を補正する手法がある。【０００４】
また、エンコーダには、インクリメンタル型とアブソリュート型が存在する。そして、アブソリュート型エンコーダには、高精度な相対回転量を表すインクリメンタル信号と、１周内の角度位置を表すアブソリュート信号とを組み合わせて高精度な角度位置検出を行うアブソリュート型エンコーダが知られている。【０００５】
特許文献１には、コード板の回転中心であるシャフト軸に対して対称な位置にそれぞれセンサを配置し、偏心誤差を補正し、かつアブソリュート信号とインクリメンタル信号から回転角度の検出を行うロータリエンコーダが開示されている。このエンコーダは、光源と４個の光電変換素子を備えた受光アレイとの間に、スリットと遮光部が交互に設けられ、シャフト軸と結合されたコード板を配置したものである。そして、４個の光電変換素子から得られる信号を用いて、ｓｉｎφ、ｃｏｓφの２つのインクリメンタル信号を生成し、この２信号をＲＯＭのアドレスとして位相角φを求める。【０００６】
さらに、光源と受光アレイとを２組、回転軸を挟み対向に配置すると、２組の受光アレイから得られるインクリメンタル信号は偏心誤差をδとしてそれぞれ、ｓｉｎ（φ＋δ）、ｃｏｓ（φ＋δ）とｓｉｎ（φ−δ）、ｃｏｓ（φ−δ）と表わされる。そこで、ｓｉｎ（φ＋δ）とｓｉｎ（φ−δ）、ｃｏｓ（φ＋δ）とｃｏｓ（φ−δ）をそれぞれ加算した２信号を用いて、ＲＯＭから位相角φを求めることにより、偏心誤差の影響をキャンセルしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平５−０９９６９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１の構成において、偏心誤差δの値は周期的に変化し、その変動幅は回転中心とスリット中心のずれ（偏心量）とコード板に設けられているスリットのピッチに依存する。そして、偏心量をε、スリットのピッチをλとすると、ε≧λ／２のとき、ある角度位置において、δ＝π／２となる。このとき、ｓｉｎ（φ＋π／２）＋ｓｉｎ（φ−π／２）＝０、ｃｏｓ（φ＋π／２）＋ｃｏｓ（φ−π／２）＝０であるため、位相角を求めることができない。これは、２組のセンサによって検出される２つのインクリメンタル信号の位相が１周期ずれているために生じるものである。また、偏心量をε＜λ／２に抑えても、δがπ／２に近づくと、ｓｉｎ（φ＋δ）＋ｓｉｎ（φ−δ）、ｃｏｓ（φ＋δ）＋ｃｏｓ（φ−δ）の２信号はともに小さくなるため、精度が悪化することがある。【０００９】
したがって、特許文献１の構成では偏心量をε＜λ／２を満たす範囲に抑えなければならないという問題がある。そこで本発明では、偏心許容量を拡大しつつ偏心誤差を補正することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明のロータリエンコーダは、２つの検出手段を用いて出力された偏心誤差を含む２つインクリメンタル信号の位相から、偏心誤差を補正した１つのインクリメンタル信号の位相を求める際に、アブソリュート信号の値に応じて偏心誤差を補正するための演算式を異ならせるようにしたものである。【００１１】
つまり、本発明のロータリエンコーダは、
検出手段と、
前記検出手段に対して相対的に回転可能であり、回転角度を検出するためのパターンを有するスケールと、を有し、
前記検出手段は、前記回転の回転軸に対して対称な位置に配置されており、それぞれ前記スケールの１回転に対して複数の周期のインクリメンタル信号を出力する２つの第１検出手段と、前記スケールの１回転中の回転角度に対応するアブソリュート信号を出力する第２検出手段と、を有し、
前記２つの第１検出手段で検出される２つの前記インクリメンタル信号の位相と、前記アブソリュート信号の値とに基づいて前記スケールの相対的な回転角度を検出するロータリエンコーダにおいて、
前記アブソリュート信号の値に対応して異なり、前記パターンの中心に対する前記回転の中心のずれによる前記インクリメンタル信号の誤差を補正するための、複数の演算式を記憶する記憶手段と、
前記２つのインクリメンタル信号の位相を、前記第２検出手段から出力される前記アブソリュート信号の値に対応する演算式を用いて演算し、補正された１つのインクリメンタル信号の位相を求める演算手段と、
前記補正されたインクリメンタル信号の位相と、前記アブソリュート信号の値と、に基づいて前記スケールの前記回転角度を生成する生成手段と、を有する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、ロータリエンコーダにおいて、偏心量の制限を受けることなく偏心誤差の補正を行うことができるようになり、スケールの組み付け誤差の許容量を拡大したロータリエンコーダを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態に係るエンコーダの構成を示すブロック図
【図２】偏心発生時のトラックとセンサとの位置関係を示す模式図
【図３】偏心発生時の回転角度とインクリメンタル信号の位相との関係を示す図
【図４】本発明の実施の形態における演算式を示す図
【図５】本発明の実施の形態における記憶部に記憶されるテーブルを示す図
【図６】本発明の実施の形態におけるスケールの回転角度とインクリメンタル信号の位相差との関係を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明のロータリエンコーダについて、実施の形態を例に挙げて具体的に説明する。
【００１５】
まず、本発明の実施の形態の形態に係るロータリエンコーダの構成を説明する。
【００１６】
図１は、本発明の実施の形態に係るロータリエンコーダの構成を示すブロック図である。図１に示すロータリエンコーダはスケール１、２つの第１センサユニット（第１検出手段）２１、２２、第２センサユニット（第２検出手段）２３、記憶部（記憶手段）３、制御部４とを有する。
【００１７】
スケール１には第１トラック１１及び第２トラック１２が形成されている。第１トラック１１の回転に伴ってインクリメンタル信号が２つの第１センサユニット２１、２２から出力され、第２トラック１２の回転に伴ってアブソリュート信号が第２センサユニット２３から出力される。そして、制御部４において、第１及び第２センサユニット２１、２２から出力された信号を記憶部３に保持された演算式を用いて演算することによってスケールの回転角度（回転量）を検出することができる。また、スケール１が被計測物体に取り付けられることにより、被計測物体と連動して回転するため、スケール１の回転角度を第１及び第２センサユニットを用いて検出することにより被計測物体の回転角度を検出できる。
【００１８】
２つの第１センサユニット２１、２２は、スケール１の回転中心に対して対称な位置に配置されている。また第２センサユニット２３は、第１センサユニット２１、２２の位置に対してどの位置に配置されていてもよいが、本実施の形態では、第１センサユニット２１、２２に対して回転軸を中心に９０度回転させた位置に配置されている。
【００１９】
次に、回転角度検出、および角度出力動作について説明する。
【００２０】
第１トラック１１はスリット状の反射部とスリット状の非反射部が交互に、かつ等間隔に配置されたトラックである。２つの第１センサユニット２１、２２はそれぞれ光源（不図示）、及び受光素子（不図示）を有し、光源から照射され第１トラック１１の反射部で反射した光束が受光素子上に照射される位置の変位を検知する。そして、スケールの１回転に対して複数の周期のｓｉｎφ、ｃｏｓφの２相正弦波信号（インクリメンタル信号）をそれぞれ生成する。
【００２１】
一方、トラック１２はスリット状の反射部とスリット状の非反射部がＭ系列パターンで配置されたトラックである。第２センサユニット２３は第１センサユニット２１、２２と同様に光源（不図示）、および受光素子（不図示）を持ち、光源から照射され第２トラック１２の反射部で反射した光束が受光素子上に照射される位置の変化を検知する。そして、スケール１の１回転中の回転角度に対応するＭ系列信号（アブソリュート信号）を出力する。
【００２２】
センサユニット２１から生成された２相正弦波信号はＡ／Ｄ変換部４１、ａｒｃｔａｎ演算部４３を通して、Ａ／Ｄ変換、ａｒｃｔａｎ演算され、インクリメンタル信号の位相信号φ１に変換される。センサユニット２１から生成された２相正弦波信号も同様にＡ／Ｄ変換部４２、ａｒｃｔａｎ演算部４４を通して処理され、位相信号φ２に変換される。
【００２３】
また、センサユニット２３から生成されたＭ系列信号（アブソリュート信号）は信号生成部４５を通して、値が角度位置を示す信号φＡに変換される。そして、信号φＡは演算式選択部４６に入力され、φＡの値を基に記憶部３に記憶された複数の演算式の中から１つの演算式が選択される。
【００２４】
記憶部３は、図５に示すように実際の回転角度θの範囲と演算式との関係を表すテーブルを記憶している。アブソリュート信号に基づいて生成される信号φＡの値を実際の回転角度θとみなすことにより、テーブルからφＡに対応する演算式を選択する。なお、図４に本実施の形態における演算式１〜４を示す。
【００２５】
演算式演算部（演算手段）４７には演算式選択部４６で選択された演算式、および位相信号φ１、φ２が入力される。演算式にφ１、φ２の値を代入して演算すると、演算結果として偏心誤差が補正された位相信号φＩが得られる。
【００２６】
最後に、エンコーダ出力角度生成部（生成手段）４８に信号信号φＡの値と位相信号φＩの値を入力し、これらφＡとφＩの値を演算することにより、エンコーダ出力角度、つまりスケールの回転角度を生成して出力する。エンコーダ出力角度を求める式を式（１）、（２）に示す。
ｎ＝ＣＥＩＬ（φＡ／ｐ）          （１）
θｏｕｔ＝ｐ×（ｎ−１）＋φＩ      （２）
ただし、ｐは第１トラック１１のスリット１ピッチ分の角度、θｏｕｔはエンコーダ出力角度であり、ｎはφＡの値が０のときに対応するφＩを１周期目としたうえで、φＩが何周期目であるかを表す値である。またＣＥＩＬ（ｘ）はｘ以上の最小の整数を表す。以上により、エンコーダ出力角度を検出し、出力することが可能である。
【００２７】
次に、本発明における偏心誤差の補正原理について説明する。
【００２８】
図２に、偏心が発生し、パターン中心と回転中心がずれた状態における第１トラック１１とセンサユニット２１、２２の位置関係の例を示す。図中（・）は回転中心を、（×）はスリットのパターン中心を表す。図２において、スケールが右回りに回転すると回転中心（・）とパターン中心（×）との位置関係は（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ａ）と順に変化する。
【００２９】
そして、図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）それぞれの位置関係のときの回転角度をθａ、θｂ、θｃ、θｄとし、θａ、θｂ、θｃ、θｄ前後のφ１、φ２、φＩの関係を図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に示す。図中、点線がφ１、実線がφ２、破線がφＩを表す。図３に示されるように、偏心が発生すると、φ１、φ２の位相のずれが回転角度によって変化する。信号φＩをその位相がφ１の位相とφ２の位相の中間となる信号とする場合、信号φＩの値はφ１の周期とφ２の周期のずれによって異なり、（φ１＋φ２）／２の値になる場合と、（φ１＋φ２）／２の値を±πシフトした値になる場合がある。
【００３０】
θｂ前後のφ１、φ２、（φ１＋φ２）／２の関係を図３（ｅ）に示す。図中、一点鎖線が（φ１＋φ２）／２を表す。図３（ｂ）、（ｅ）を比較すれば明らかなように、角度がθｂ前後では、（φ１＋φ２）／２の値を、φ１＞φ２の範囲でかつθｂ未満ではπ、φ１＞φ２の範囲でかつθｂ以上の場合は−πシフトしたものがφＩとなる。一方、角度がθｄ前後の場合では、図３（ｄ）に示すように（φ１＋φ２）／２の値を、φ２＞φ１の範囲でかつθｄ未満ではπ、φ２＞φ１の範囲でかつθｄ以上の場合は−πシフトしたものがφＩとなる。
【００３１】
また、角度がθａ前後でも同様に、θａ以上の場合はφ２＞φ１の範囲で（φ１＋φ２）／２の値を±πシフトしたものがφＩとなり、θａ未満の場合では、φ１＞φ２の範囲で（φ１＋φ２）／２の値を±πシフトしたものがφＩとなる。さらに、角度がθｃ前後でも同様に、θｃ以上の場合はφ１＞φ２の範囲で（φ１＋φ２）／２の値を±πシフトしたものがφＩとなり、θｃ未満の場合では、φ２＞φ１の範囲で（φ１＋φ２）／２の値を±πシフトしたものがφＩとなる。
【００３２】
境界条件での誤りを抑制するために、±πシフトする範囲はφ１≧φ２、φ１≦φ２、｜φ１−φ２｜≧π、｜φ１−φ２｜≦πの４つの条件を用いて判定することが好ましい。例えば、±πシフトする範囲をφ１≧φ２、φ１≦φ２の２種類とした場合において、本来φ１≧φ２の範囲で±πシフトすべきところをφ１≦φ２の範囲で±πシフトしてしまうと、誤った結果となる可能性がある。そこで、｜φ１−φ２｜≧π、｜φ１−φ２｜≦πのように、±πシフトする範囲の条件を追加し、互いに境界をずらすことにより、このような誤りを抑制する。
【００３３】
また、±πシフトする範囲の条件は、偏心状態が変化しない限り、回転角度θと関連付けられる。そこで本実施の形態では、図４に示すように、（φ１＋φ２）／２の演算と信号を±πシフトする演算とを組み合わせて演算式とし、図５に示すように、回転角度の範囲との対応を表すテーブルを記憶部３に記憶している。
【００３４】
続いて、記憶部に記憶するテーブルの初期化動作について説明する。
【００３５】
リセット処理部（リセット手段）４９は信号φＡを入力とし、信号φＡの値が０となった際にリセット信号を出力し、カウンタ（カウント手段）４１０、４１１の値を０にリセットする。カウンタ４１０、４１１はそれぞれ第１センサユニット２１、２２から入力される正弦波状のインクリメンタル信号の周期数をカウントする。カウンタは、順方向に１スリット分の回転変位を検出する毎にカウンタの値を１加算し、逆方向に１スリット分の回転変位を検出する毎にカウンタの値を１減算する。本実施の形態では、２相正弦波信号のｃｏｓφが正の値をとるときの、ｓｉｎφのゼロクロスを検知し、カウンタの値を増減する。
【００３６】
累積位相演算部（累積位相演算手段）４１２は位相信号φ１とカウンタ４１０の値から累積位相φ１Ａを算出する。φ１Ａはカウンタ４１０の値をｍ１とすると、φ１を用いて式（３）で求められる。
φ１Ａ＝φ１＋ｍ１×２π          （３）
【００３７】
累積位相演算部（累積位相演算手段）４１３も同様にして累積位相φ２Ａを求める。φ２Ａはカウンタ４１１の値をｍ２とすると、φ２を用いて式（４）で求められる。
φ２Ａ＝φ２＋ｍ２×２π          （４）
【００３８】
位相差演算部（位相差演算手段）４１４は累積位相φ１Ａ、φ２Ａを入力とし、位相差Φを式（５）で求め、そのときの回転角度θを式（６）で求める。ただし、Ｎは第１トラック１１のスリット数（１反射部と１非反射部を１スリットとする）である。
Φ＝φ１Ａ−φ２Ａ                      （５）
θ＝（（φ１Ａ＋φ２Ａ）／２）／Ｎ      （６）
【００３９】
スケール１を回転させ、複数の位置で位相差Φおよび回転角度θを求めると、図６に示すようなΦとθとの関係を得ることができる。前述の±πシフトする範囲の条件はΦに対応しているため、このΦとθの関係から演算式と回転角度θの範囲との関係をテーブルに割り当てることができる。
【００４０】
本実施の形態では、ｉを任意の整数として、−π／２＋４π×ｉ≦Φ＜π／２＋４π×ｉのとき演算式１、π／２＋４π×ｉ≦Φ＜３π／２＋４π×ｉのとき演算式２、３π／２＋４π×ｉ≦Φ＜５π／２＋４π×ｉのとき演算式３、５π／２＋４π×ｉ≦Φ＜７π／２＋４π×ｉのとき演算式４とする。したがって、Φとθが図６の関係にある場合、０≦θ＜θ１では演算式１、θ１≦θ＜θ２では演算式２というように割り当てられ、図５に示すテーブルを生成することができる。
【００４１】
そして最後に、生成したテーブルを記憶部３に記憶する。
【００４２】
以上の処理により、記憶部に記憶する情報を決定し、エンコーダを被計測物体に取り付けた際に記憶部を初期化することが可能である。また、テーブルの初期化動作はエンコーダの角度検出動作と並行して動作させ、動的に記憶部を更新することも可能である。
【００４３】
以上、本発明のロータリエンコーダについて実施の形態を例として説明したが、本発明は実施の形態に限られず、他の構成でも実現可能である。
【００４４】
上記実施の形態では、光源及び受光素子を有するセンサユニットと、反射型のスケールとを有する反射型の光学式エンコーダを用いたが、他の構成のエンコーダであってもよい。具体的には、透過型のスケールを用いた光学式エンコーダであってもよいし、磁気式エンコーダであってもよい。
【００４５】
上記実施の形態では、アブソリュート信号を得るための方法として、アブソリュート信号を得るためのＭ系列パターンのトラック（第２トラック）を用いたが、他の方法を用いてもよい。具体的には、スリット数の異なる複数の等間隔トラックを用いて周期の異なる複数のインクリメンタル信号を出力させ、各インクリメンタル信号の位相差信号を用いてアブソリュート信号を生成してもよい。
【００４６】
上記実施の形態では、第１トラックを検出するセンサユニットを２つ有する構成であったが、３つ以上のセンサユニットからそれぞれ得られるインクリメンタル信号を用いてスケールの回転角度を生成する構成であってもよい。
【００４７】
上記実施の形態では、スケールが回転することによってスケールとセンサユニットとが相対的に回転する構成であるが、センサユニットが回転する構成であってもよい。
【００４８】
上記実施の形態では、（φ１＋φ２）／２の値を±πシフトする範囲をφ１≧φ２、φ１≦φ２、｜φ１−φ２｜≧π、｜φ１−φ２｜≦πの４つの条件を用いて判定しているが、少なくともいずれか１つの条件を用いることで信号φＩを生成することができる。
【００４９】
上記実施の形態では、記憶部３に複数の演算式を記憶するための構成である、リセット処理部４９、カウンタ４１０、４１１、累積位相演算部４１２、４１３、位相差演算部４１４が制御部４に設けられているが、これらの構成は必須の構成ではない。これらの構成は、エンコーダの外部要素として用いることでも記憶部３に所望の演算式を記憶でき、記憶部３に演算式を記憶した後はこれらの構成がなくてもスケールの回転角度を生成できるからである。
【００５０】
また、本発明のロータリエンコーダは、様々な機器の回転機構に適用することができる。
【００５１】
スケールまたはセンサユニットと共に回転可能な駆動部と、本発明のロータリエンコーダによって生成された回転角度に基づいて駆動部を制御する制御手段とを有する回転機構とすることによって、より高精度な回転角度の制御が可能である。具体的には、サブナノメートルの変位を検出する必要がある産業用機械、ロボットアーム、高精度機械加工装置、半導体露光装置、半導体製造装置等の機器に適用することができる。また、撮像装置やレンズ装置、電子写真方式あるいはインクジェット方式の画像形成装置等にも適用することができる。
【符号の説明】
【００５２】
１  スケール
１１  第１トラック
１２  第２トラック
２１  第１センサユニット
２２  第１センサユニット
２３  第２センサユニット
３  記憶部
４  制御部
４５  信号生成部
４６  演算式選択部
４７  演算式演算部
４８  出力角度生成部
【図１】
0005436578.tif 000002
【図２】
0005436578.tif 000003
【図３】
0005436578.tif 000004
【図４】
0005436578.tif 000005
【図５】
0005436578.tif 000006
【図６】
0005436578.tif 000007