(57)【要約】      （修正有）【課題】原点信号の歪みを低減し、スケールの位置の計測に有利なインクリメンタルエンコーダを提供する。【解決手段】インクリメンタル信号の第１マーク群と、原点信号の第２マーク群とを有するスケール２０と、前記スケールからの光を検出する検出部３０と、前記検出部から出力される検出信号に基づいて前記スケールの位置を求める処理部１００と、を有し、前記処理部は、前記検出部から出力される検出信号に、前記第２マーク群のマークの周期に対応する第１重み付け信号を加算して前記原点信号を生成する第１生成部１０２と、前記検出部から出力される検出信号に、前記第１マーク群のマークの周期に対応する第２重み付け信号を加算して前記インクリメンタル信号を生成する第２生成部１０４と、前記原点信号及び前記インクリメンタル信号に基づいて前記スケールの位置を算出する算出部１０６と、を含むインクリメンタルエンコーダ１。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
インクリメンタル信号を生成するためのマークが周期的に配列された第１マーク群と、原点信号を生成するためのマークが前記第１マーク群とは異なる配列ルールで配列された第２マーク群とを有するスケールと、
前記スケールからの光を検出して検出信号を出力する検出部と、
前記検出部から出力される検出信号に基づいて前記スケールの位置を求める処理部と、を有し、
前記処理部は、
前記検出部から出力される検出信号に、前記第２マーク群のマークの周期に対応する第１重み付け信号を加算して前記原点信号を生成する第１生成部と、
前記検出部から出力される検出信号に、前記第１マーク群のマークの周期に対応する第２重み付け信号を加算して前記インクリメンタル信号を生成する第２生成部と、
前記第１生成部で生成された前記原点信号及び前記第２生成部で生成された前記インクリメンタル信号に基づいて前記スケールの位置を算出する算出部と、
を含むことを特徴とするインクリメンタルエンコーダ。
【請求項２】
前記第２マーク群のマークの周期は、前記第１マーク群のマークの周期と異なることを特徴とする請求項１に記載のインクリメンタルエンコーダ。
【請求項３】
前記第２マーク群のマークの配列方向の幅は、前記第１マーク群のマークの配列方向の幅と異なることを特徴とする請求項１又は２に記載のインクリメンタルエンコーダ。
【請求項４】
前記第１重み付け信号は、前記検出信号に加算したときに前記スケールの位置を求める際の原点に対応する位置にピークが現れるように設定された信号であることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか１項に記載のインクリメンタルエンコーダ。
【請求項５】
前記第２重み付け信号は、前記検出信号に加算したときに前記第１マーク群のマークの周期に対応する周期信号が生成されるように設定された信号であることを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか１項に記載のインクリメンタルエンコーダ。
【請求項６】
前記第１マーク群のマークと前記第２マーク群のマークとは、前記スケールにおいて同一直線上に配列されており、
前記検出部は、前記第１マーク群のマークに対応する周期信号と前記第２マーク群のマークに対応する周期信号とを含む検出信号を出力することを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれか１項に記載のインクリメンタルエンコーダ。
【請求項７】
前記検出部は、
前記第１マーク群からの光を検出して前記第１マーク群のマークに対応する第１検出信号を出力する第１検出部と、
前記第２マーク群からの光を検出して前記第２マーク群のマークに対応する第２検出信号を出力する第２検出部と、
を含み、
前記第１生成部は、前記第２検出信号に、前記第１重み付け信号を加算して前記原点信号を生成し、
前記第２生成部は、前記第１検出信号に、前記第２重み付け信号を加算して前記インクリメンタル信号を生成することを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれか１項に記載のインクリメンタルエンコーダ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インクリメンタルエンコーダに関する。
【背景技術】
【０００２】
産業用装置（加工装置）や計測装置では、ミクロン、ナノメートル、サブナノメートルのオーダーで位置を計測する光学式のインクリメンタルエンコーダが用いられている（特許文献１参照）。光学式のインクリメンタルエンコーダでは、基準となる構造体に固定された光源から相対的に移動するスケールに光を照射する。光源からの光は、スケールを通過（例えば、透過）する際にスリットで周期的に遮断され、インクリメンタル信号を検出するための受光素子（受光素子アレイ）、及び、原点信号を検出するための受光素子で検出される。
【０００３】
受光素子上に形成されるスケールのスリットの周期に応じた明暗分布は、スリットの回折の影響で特有な明暗分布となる。かかる明暗分布は、単純な矩形状や正弦波状ではなく、三角波状や台形状などの高調波成分を含む複雑な形状（波形）になっている。このような複雑な波形の明暗分布が受光素子で検出された場合、高調波成分の量及び位相によって計測誤差が発生することになる。
【０００４】
そこで、光源における発光部の形状をマスクで補正し、受光素子上に形成される明暗分布の波形を正弦波に近づける技術が開示されている（特許文献２参照）。但し、明暗分布の状態は、光源における発光部のサイズや形状以外にも、波長の広がり、スリットの照明方法、スリットのエッジの状態、スリットと受光素子との間の距離などで変動してしまうため、明暗分布を安定して補正することは困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平９−３０４１１２号公報
【特許文献２】特開平３−１２８４１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このように、インクリメンタルエンコーダの受光素子から出力される信号には、振幅、オフセット、位相、高調波歪みの誤差が含まれるため、原点を高精度に検出するためには原点信号を補正することが必要となる。特に、スケールと受光素子との間の距離の変動によって高調波歪み成分が大きく変動するため、同様な光学原理で原点検出を行う場合にも、同様に誤差が発生してしまう。
【０００７】
本発明は、このような従来技術の課題に鑑みてなされ、原点信号の歪みを低減し、スケールの位置の計測に有利なインクリメンタルエンコーダを提供することを例示的目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明の一側面としてのインクリメンタルエンコーダは、インクリメンタル信号を生成するためのマークが周期的に配列された第１マーク群と、原点信号を生成するためのマークが前記第１マーク群とは異なる配列ルールで配列された第２マーク群とを有するスケールと、前記スケールからの光を検出して検出信号を出力する検出部と、前記検出部から出力される検出信号に基づいて前記スケールの位置を求める処理部と、を有し、前記処理部は、前記検出部から出力される検出信号に、前記第２マーク群のマークの周期に対応する第１重み付け信号を加算して前記原点信号を生成する第１生成部と、前記検出部から出力される検出信号に、前記第１マーク群のマークの周期に対応する第２重み付け信号を加算して前記インクリメンタル信号を生成する第２生成部と、前記第１生成部で生成された前記原点信号及び前記第２生成部で生成された前記インクリメンタル信号に基づいて前記スケールの位置を算出する算出部と、を含むことを特徴とする。
【０００９】
本発明の更なる目的又はその他の側面は、以下、添付図面を参照して説明される好ましい実施形態によって明らかにされるであろう。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、例えば、原点信号の歪みを低減し、スケールの位置の計測に有利なインクリメンタルエンコーダを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一側面としてのインクリメンタルエンコーダの構成を示す概略ブロック図である。
【図２】図１に示すインクリメンタルエンコーダのスケール及び検出部の具体的な構成、及び、処理部における信号処理の詳細を説明するための図である。
【図３】図１に示すインクリメンタルエンコーダの検出部から出力される検出信号の一例を示す図である。
【図４】第１重み付け信号の一例を示す図である。
【図５】原点信号の一例を示す図である。
【図６】インクリメンタル信号の一例を示す図である。
【図７】第１重み付け信号の一例、及び、原点信号の一例を示す図である。
【図８】第１重み付け信号の一例、及び、原点信号の一例を示す図である。
【図９】図１に示すインクリメンタルエンコーダのスケール及び検出部の具体的な構成、及び、処理部における信号処理の詳細を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施の形態について説明する。なお、各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。
【００１３】
図１は、本発明の一側面としてのインクリメンタルエンコーダ１の構成を示す概略ブロック図である。インクリメンタルエンコーダ１は、産業用装置（加工装置）や計測装置に好適に用いられる。インクリメンタルエンコーダ１は、本実施形態では、位置を計測するリニアエンコーダであるが、角度を計測するロータリーエンコーダであってもよい。
【００１４】
インクリメンタルエンコーダ１は、図１に示すように、光源１０と、スケール２０と、検出部３０と、増幅部４０と、ＡＤ変換部５０と、処理部１００とを有する。
【００１５】
光源１０は、ＬＥＤなどを含み、スケール２０を照射する光を射出する。スケール２０には、インクリメンタル信号を生成するためのマークが周期的に配列された第１マーク群と、原点信号を生成するためのマークが第１マーク群とは異なる配列ルールで配列された第２マーク群とが形成されている。従って、スケール２０を通過した光は、第１マーク群及び第２マーク群に応じた光強度となる。第１マーク群及び第２マーク群のそれぞれのマークは、本実施形態では、光が通過するスリット（開口）で構成されているが、光が透過する透過膜や光が反射する反射膜などで構成されていてもよい。検出部３０は、例えば、ＣＭＯＳイメージセンサやＣＣＤセンサなどの光電変換素子（受光素子）で構成され、スケール２０からの光を検出して検出信号（光強度信号）を出力する。増幅部４０は、必要に応じて、検出部３０から出力された検出信号を増幅する。ＡＤ変換部５０は、増幅部４０から出力されたアナログ信号をデジタル信号に変換する。
【００１６】
処理部１００は、ＦＰＧＡ（Ｆｉｌｅｄ  Ｐｒｏｇｒａｍａｂｌｅ  Ａｌｌａｙ）やＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）などで構成される。処理部１００は、ＡＤ変換部５０から出力されたデジタル信号、即ち、検出部３０から出力された検出信号に基づいて、スケール２０の位置を求めるための信号処理を行う。
【００１７】
処理部１００は、本実施形態では、第１生成部１０２と、第２生成部１０４と、算出部１０６とを含む。第１生成部１０２は、検出部３０から出力される検出信号に、スケール２０の第２マーク群のマークの周期に対応する第１重み付け信号を加算して原点信号を生成する。第２生成部１０４は、検出部３０から出力される検出信号に、スケール２０の第１マーク群のマークの周期に対応する第２重み付け信号を加算してインクリメンタル信号を生成する。インクリメンタル信号は、周期的に配列されたマーク（第１マーク群）に対応する正弦波や余弦波であるのに対して、原点信号は、第２マーク群のマークに特有な明暗分布に対応したものになる。算出部１０６は、第１生成部１０２で生成された原点信号及び第２生成部１０４で生成されたインクリメンタル信号に基づいてスケール２０の位置を算出する。
【００１８】
ここで、図２を参照して、スケール２０及び検出部３０の具体的な構成、及び、処理部１００における信号処理の詳細について説明する。光源１０から射出された光は、コリメータレンズで平行光に変換され、相対移動するスケール２０に照射される。スケール２０には、図２（ａ）に示すように、スリット２０２ａが配列された第１マーク群２０２と、スリット２０４ａが配列された第２マーク群２０４とが形成されている。
【００１９】
上述したように、スリット２０２ａは、インクリメンタル信号を生成するために周期的に等間隔で配列されるマークであり、スリット２０４ａは、原点信号を生成するために第１マーク群２０２とは異なる配列ルールで配列されるマークである。図２（ａ）では、スリット２０４ａは、スリット２０４ａの周期がスリット２０２ａの周期と異なるように配列されている。具体的には、４つのスリット２０４ａのうち、内側の２つのスリット２０４ａが中央に僅かに寄って配列されている。但し、配列ルールは、マークの周期に限定されるものではなく、マークの配列方向の幅も含む。従って、スリット２０４ａの配列方向の幅がスリット２０２ａの配列方向の幅と異なっていてもよく、それらを組み合わせてもよい。
【００２０】
図２（ａ）では、第１マーク群２０２のスリット２０２ａと第２マーク群２０４のスリット２０４ａとは、スケール２０において同一直線上に配列されている。従って、検出部３０は、第１マーク群２０２のスリット２０２ａに対応する周期信号と第２マーク群２０４のスリット２０２ｂに対応する周期信号とを含む検出信号を出力する。換言すれば、検出部３０は、インクリメンタル信号の検出用と原点信号の検出用とで共通の検出部を構成している。検出部３０は、例えば、正弦波ではない光強度信号の明暗１周期に対して、１２分割されており、検出部３０から出力される検出信号の位相が３０°ずつずれるように構成されている。なお、図２（ａ）では、明暗４周期分を検出部３０で検出しているが、明暗４周期分以上を検出部３０で検出してもよいし、明暗２周期分又は明暗３周期分を検出部３０で検出してもよい。
【００２１】
検出部３０から出力される検出信号には、第１生成部１０２において、第１重み付け信号が加算される。第１重み付け信号は、第２マーク群２０４のスリット２０４ａに対応して、検出信号に加算したときにスケール２０の位置を求める際の原点に対応する位置にピークが現れるように設定された信号である。従って、検出信号に第１重み付け信号を加算することで、図２（ｃ）に示すように、第２マーク群２０４の明暗分布とその明暗分布に対応した第１重み付け信号とが完全に重なり合った位置、即ち、原点に対応する位置で鋭く立ち上がる原点信号が生成される。
【００２２】
また、検出部３０から出力される検出信号には、第２生成部１０４において、第２重み付け信号が加算される。第２重み付け信号は、第１マーク群２０２のスリット２０２ａの周期に対応する周期信号が生成されるように設定された信号である。従って、検出信号に第２重み付け信号を加算することで、図２（ｂ）に示すように、正弦波のインクリメンタル信号が生成される。
【００２３】
第１重み付け信号及び第２重み付け信号は、例えば、検出部３０の感度ばらつきやインクリメンタルエンコーダ１を構成する光学系に起因する光量むらを考慮して自由に設定（補正）することも可能である。また、原点に対応する位置で更に鋭く立ち上がる原点信号を生成するために、第１重み付け信号を補正してもよい。
【００２４】
図３（ａ）は、図２（ａ）に示すスケール２０を光源１０からの光で照射した場合に、検出部３０から出力される検出信号の一例を示す図である。図３では、縦軸に光強度を採用し、横軸に位相（度）を採用している。図３（ａ）を参照するに、スケール２０の第２マーク群２０４によって、６つのピークのうち内側の３つのピークが中央に寄っている。検出部３０を構成する光電変換素子（セル）を、例えば、４８ｃｈとすると、原点信号を生成するために各ｃｈに対して加算すべき重み付け（比率）は、図４に示すように、第２マーク群２０４に対応して設定される。図４は、第１重み付け信号の一例を示す図であって、縦軸に重み付け（比率）を採用し、横軸に検出部３０の各ｃｈ、即ち、セル番号を採用している。図３（ａ）に示す検出信号に、図４に示す第１重み付け信号を加算すると、図５（ａ）に示すような原点信号が生成される。ここで、図５では、縦軸に光強度を採用し、横軸に位相（度）を採用している。なお、第２マーク群２０４のスリット２０４ａの数を増やせば、ピークが更に際だって現れる原点信号を生成することが可能である。このような原点信号は、公知の２値化回路及びインクリメンタル信号との論理和回路において矩形波信号として出力される。
【００２５】
また、図３（ｂ）に示すように、検出部３０から出力される検出信号に大きな歪みがある場合であっても、図４に示す第１重み付け信号を加算することで、図５（ｂ）に示すような原点信号が生成される。図５（ｂ）に示す原点信号は、図５（ａ）に示す原点信号と比較して、ほぼ変化していないことがわかる。
【００２６】
一方、図３（ａ）に示す検出信号に、第２重み付け信号を加算すると、図６に示すような２相のインクリメンタル信号が生成される。図６では、縦軸に光強度を採用し、横軸に位相（度）を採用している。
【００２７】
また、図４に示す第１重み付け信号の各ｃｈの重み付けをシフトさせて（変更して）、図７（ａ）に示すような第１重み付け信号を、図３（ａ）に示す検出信号に加算すると、図７（ｂ）に示すような原点信号が生成される。図７（ａ）には、図４に示す第１重み付け信号の各ｃｈの重み付けをシフトさせた第１重み付け信号を直線で示し、図４に示す第１重み付け信号を点線で示している。図７（ｂ）に示す原点信号では、図５（ａ）や図５（ｂ）に示す原点信号と比較して、ピークが更に際だって現れていることがわかる。
【００２８】
同様に、図４に示す第１重み付け信号の各ｃｈの重み付けをシフトさせて（変更して）、図８（ａ）に示すような第１重み付け信号を、図３（ａ）に示す検出信号に加算すると、図８（ｂ）に示すような原点信号が生成される。図８（ａ）には、図４に示す第１重み付け信号の各ｃｈの重み付けをシフトさせた第１重み付け信号を直線で示し、図４に示す第１重み付け信号を点線で示している。図８（ｂ）に示す原点信号では、図５（ａ）や図５（ｂ）に示す原点信号と比較して、ピークが更に際だって現れていることがわかる。
【００２９】
また、スケール２０に形成される第１マーク群２０２と第２マーク群２０４とは、スケール２０において同一直線上に配列されている必要はなく、図９に示すように、別々の位置（領域）に配列されていてもよい。この場合、検出部３０は、第１検出部３２と、第２検出部３４とで構成される。第１検出部３２は、第１マーク群２０２からの光を検出して第１マーク群２０２のスリット２０２ａに対応する第１検出信号を出力する。第２検出部３４は、第２マーク群２０４からの光を検出して第２マーク群２０４のスリット２０４ａに対応する第２検出信号を出力する。
【００３０】
第２検出部３４から出力される第２検出信号には、第１生成部１０２において、第１重み付け信号が加算される。これにより、図９（ｃ）に示すような原点信号が生成される。
【００３１】
また、第１検出部３２から出力される第１検出信号には、第２生成部１０４において、第２重み付け信号が加算される。これにより、図９（ｂ）に示すようなインクリメンタル信号が生成される。
【００３２】
このように、本実施形態のインクリメンタルエンコーダ１によれば、スケール２０と検出部３０との間の距離の変動などに関わらず、歪みの少ない原点信号及びインクリメンタル信号を得ることができる。従って、インクリメンタルエンコーダ１は、スケール２０の位置を高精度に計測することができる。
【００３３】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されないことはいうまでもなく、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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