(57)【要約】【課題】検出部のエンコーダ信号である２相正弦波信号が、リサージュ波形の表示時において２重になるときも、位置を正確に検出、補正することができるデジタルスケールの検出信号補正方法及び検出信号装置を提供すること。【解決手段】デジタルスケールの検出信号補正方法及び検出信号補正装置は、２相正弦波信号の周波数の整数分の１の周波数を有する信号により補正を行い、また、２相正弦波信号を組とし、２つの補正区間ごとに各相正弦波信号のオフセット、大きさの比、位相差を補正することにより、高精度の位置検出を可能とするものである。【選択図】図３
2011075404.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
誤差を含むＡ相正弦波信号、及び前記Ａ相正弦波信号に対して位相差を有し、誤差を含むＢ相正弦波信号を有するエンコーダ信号が入力され、前記誤差を補正した位置情報又は角度情報を出力するデジタルスケールの検出信号補正方法であって、
前記Ａ相正弦波信号及び前記Ｂ相正弦波信号によるリサージュ波形が、リサージュ波形の基本周期の２以上の整数倍周期ごとに一致する前記Ａ相正弦波信号と前記Ｂ相正弦波信号であり、
Ａ相正弦波信号及びＢ相正弦波信号の周波数の整数分の１の周波数を有する信号により補正を行うデジタルスケールの検出信号補正方法。
【請求項２】
誤差を含むＡ相正弦波信号、及び前記Ａ相正弦波信号に対して位相差を有し、誤差を含むＢ相正弦波信号を有するエンコーダ信号が入力され、前記誤差を補正した位置情報又は角度情報を出力するデジタルスケールの検出信号補正方法であって、
前記Ａ相正弦波信号と前記Ｂ相正弦波信号によるリサージュ波形が、２周目ごとに一致するが、１周目と２周目では一致しない前記Ａ相正弦波信号及び前記Ｂ相正弦波信号であり、
前記Ａ相正弦波信号と前記Ｂ相正弦波信号を組とし、補正区間を２つに分け、前記２つの補正区間ごとにＡ相正弦波信号のオフセット、Ｂ相正弦波信号のオフセット、Ａ相正弦波信号とＢ相正弦波信号の大きさの比、Ａ相正弦波信号とＢ相正弦波信号の位相差を補正するデジタルスケールの検出信号補正方法。
【請求項３】
前記補正区間の開始位置をＡ相正弦波信号の大きさとＢ相正弦波信号の大きさが共に同じになる位置とする請求項２に記載のデジタルスケールの検出信号補正方法。
【請求項４】
誤差を含むＡ相正弦波信号、及び前記Ａ相正弦波信号に対して位相差を有する誤差を含むＢ相正弦波信号を有するエンコーダ信号が入力され、前記誤差を補正した位置情報又は角度情報を出力するデジタルスケールの検出信号補正装置において、
前記Ａ相正弦波信号と前記前記Ｂ相正弦波信号は、参照面を複数回往復する参照光と測定面まで複数回往復する測定光による干渉光学系により形成されており、意図しない往復回数の参照光または測定光による誤差を含み、
Ａ相正弦波信号のオフセット、Ｂ相正弦波信号のオフセット、Ａ相正弦波信号とＢ相正弦波信号の大きさの比、Ａ相正弦波信号とＢ相正弦波信号の位相差を補正する第１補正部と、
前記第１補正部の出力の原点基準の角度を整数分の１とする擬似正弦波を形成する回転角１／２変換器と、
前記擬似正弦波から、前記第１補正部の出力との大きさの比、前記第１補正部の出力との位相差を算出する半角誤差演算部と、
前記第１補正部の出力から前記半角誤差演算部の出力を減算する減算器と、
前記減算器の減算結果が入力される第１除算器と、
前記第１除算器の出力のアークタンジェントを計算する第１ArcTan部と、を具備し、
前記回転角１／２変換器には前記第１補正部からの信号が入力され、前記半角誤差演算部には前記回転角１／２変換器からの信号が入力され、前記Ａ相正弦波信号及び前記Ｂ相正弦波信号の周波数の整数分の１の周波数を有する信号により補正を行うデジタルスケールの検出信号補正装置。
【請求項５】
前記第１補正部からの２つの信号が入力される第２除算器と、
前記第２除算器の出力からアークタンジェントを計算する第２ArcTan部と、
Ａ相正弦波信号を矩形化した矩形化Ａ相正弦波信号と、Ｂ相正弦波信号を矩形化した矩形化Ｂ相正弦波信号をカウントとするパルスカウンタと、
前記パルスカウンタからの信号が入力される１８０度プラス判定器と、をさらに具備し、
前記１８０度プラス判定器は、前記パルスカウンタにおいてカウントされた結果が入力され、前記回転角１／２変換器の動作を切換える信号を出力する請求項４に記載のデジタルスケールの検出信号補正装置。
【請求項６】
被測定物の移動に応じて互いに位相が異なる２相正弦波信号を出力する検出部、
前記検出部からの前記２相正弦波信号を矩形化して、位置上位桁データを出力する位置上位桁検出部、
前記検出部からの前記２相正弦波信号をサンプルホールドしてＡＤ変換したデジタルデータが入力され、前記２相正弦波信号のオフセット、ゲイン、及び位相差を補正する補正値を算出して、前記デジタルデータを補正する第１補正部、
前記第１補正部における補正されたデジタルデータ及び前記位置上位桁データに基づき、前記２相正弦波信号によるリサージュ波形の周期を判定し、判定された周期に基づき切換指令を出力する判定部、
前記検出部からの前記２相正弦波信号をサンプルホールドしてＡＤ変換したデジタルデータが入力可能に接続され、前記２相正弦波信号のオフセット、ゲイン、位相差を補正する補正値を算出して、前記デジタルデータを補正する第２補正部、
前記検出部からの前記２相正弦波信号をサンプルホールドしてＡＤ変換したデジタルデータが入力可能に接続され、前記２相正弦波信号のオフセット、ゲイン、位相差を補正する補正値を算出して、前記デジタルデータを補正する第３補正部、
前記判定部の切換指令に基づき、前記第２補正部及び前記第３補正部における入出力を排他的に切換える切換部、
記第２補正部又は前記第３補正部からの補正されたデジタルデータが入力され、前記被測定物の所定区間内の内挿位置データを出力する位置検出部、及び
前記位置上位桁検出部からの位置上位桁データと位置検出部からの内挿位置データとを加算し、前記被測定物の位置データを出力する加算部、
を具備するデジタルスケールの検出信号補正装置。
【請求項７】
被測定物の移動に応じて互いに位相が異なる２相正弦波信号を出力する検出部、
前記検出部からの前記２相正弦波信号を矩形化して、位置上位桁データを出力する位置上位桁検出部、
前記検出部からの前記２相正弦波信号をサンプルホールドしてＡＤ変換したデジタルデータが入力され、前記２相正弦波信号のオフセット、ゲイン、及び位相差を補正する補正値を算出して、前記デジタルデータを補正する第１補正部、
補正されたデジタルデータの角度を半分にした疑似正弦波信号を形成し、前記疑似正弦波信号のゲイン及び位相差を示す補正データを算出する第４補正部、
記第１補正部からの補正されたデジタルデータと前記第４補正部からの補正データが減算されて入力され、前記被測定物の所定区間内の内挿位置データを出力する位置検出部、及び
前記位置上位桁検出部からの位置上位桁データと前記位置検出部からの内挿位置データとを加算し、前記被測定物の位置データを出力する加算部、
を具備するデジタルスケールの検出信号補正装置。
【請求項８】
前記第１補正部からの信号が入力される第２除算器と、
前記第２除算器の出力からアークタンジェントを計算する第２ArcTan部と、
２相正弦波信号を矩形化した矩形化２相正弦波信号をカウントとするパルスカウンタと、
前記パルスカウンタからの信号が入力される１８０度プラス判定器と、をさらに具備し、
前記第４補正部は、前記第１補正部からの信号が格納される第４データ保持部、回転角１／２変換器および半角誤差演算部を有して構成され、
前記１８０度プラス判定器は、前記パルスカウンタにおいてカウントされた下位ビットのデータに応じて、前記第４補正部に設けた回転角１／２変換器の動作を切換える信号を出力する請求項７に記載のデジタルスケールの検出信号補正装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、サーボモータの回転角度を検出する角度検出器及びリニアステージの位置を検出する位置検出器等のデジタルスケールにおける検出信号の補正方法及びその検出信号の補正装置に関するものであり、デジタルスケールを用いて移動体の位置を検出する際に、その検出信号である位相の異なる２相交流信号に含まれる各種の誤差成分を検出し、検出した誤差成分を自動的に補正する検出信号補正方法、及びその検出信号補正方法を用いた検出信号補正装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のデジタルスケール（以下、位置検出装置と称する。）の一例として、図６に示す構成を有する位置検出装置がある。図６の位置検出装置には、レーザ光の干渉を利用して被測定物である移動体１の位置検出を行うために、検出部５には光学センサ３及び４が設けられている。移動体１には位置を特定するための目盛２が所定間隔で形成されている。目盛２に対向して配設された光学センサ３及び４からの各出力Ｖｘ及びＶｙは、瞬時値検出部３１０内のサンプルホールド回路３１１及び３１２にそれぞれ入力されると共に、位置上位桁検出回路３２０の比較演算器３２１及び３２２にそれぞれ入力される。サンプルホールド回路３１１及び３１２の出力は、それぞれＡ／Ｄ変換器３１３及び３１４に入力され、Ａ／Ｄ変換されたデジタルデータ（数値データ）である瞬時値Ｘ＝ｃｏｓθ及びＹ＝ｓｉｎθは、補正部３４０において補正処理のための演算処理を行い補正された数値データＸ’，Ｙ’に変換される。補正された数値データＸ’，Ｙ’は、位置検出部３３０の除算器３３１に入力され、その除算結果（Ｘ’／Ｙ’）がArcTan部３３２に入力されている。
【０００３】
ArcTan部３３２の出力（θ）は、被測定物である移動体２の１目盛に相当する回転角を２π[radian]とした場合の１目盛の微小な位置θを内挿検出した結果を示している。位置上位桁検出回路３２０の比較演算器３２１及び３２２のそれぞれの出力は、パルスカウンタ３２３に入力されて、計数される。計数されて形成された位置上位桁データＴＮは、加算器３３３に入力される。加算器３３３において、前述のArcTan部３３２から出力された１目盛内の内挿検出した位置θと、パルスカウンタ３２３により計数された位置上位桁データＴＮとを加算することにより、移動体１の位置データＰが得られる。このような構成において、位置検出部３３０における処理は、マイクロプロセッサ等を用いたソフトウェア処理や、ＲＯＭテーブルを持つハードウェアにより実現することができる。
【０００４】
図７に示す光学系の機構は、図６に示した位置検出装置における被測定物である移動体１、目盛２、光学センサ３及び４の検出部５の構成をホモダイン干渉光学系で実現したものである。このホモダイン干渉光学系の構成については、後で詳細に説明するが、測定対象とともに移動する可動光学ミラーと光学素子（偏光ビームスプリッタ）との間を光が実質的に２往復するため、ダブルパス光学系と呼ばれる。
図７に示すホモダイン干渉光学系の機構おいて、レーザ発信器１０１は波長の安定したレーザ発振器であり、通常、発振周波数安定化Ｈｅ−Ｎｅレーザが使用される。また、ホモダイン干渉光学系の機構には、偏光ビームスプリッタ（以下、ＰＢＳと略称する）１０２、測定対象とともに移動する可動光学ミラー１０３、装置に固定された参照光学ミラー１０４、１／４λ板１０５，１０６、及びコーナキューブ１０７が設けられている。発振周波数安定化Ｈｅ−Ｎｅレーザのレーザ発振器１０１から照射されたレーザ光１２１は、直線偏光されており、ＰＢＳ１０２に対するＰ波及びＳ波の比率は１：１である。
【０００５】
レーザ光１２１のＰ波は、ＰＢＳ１０２を直進し、可動光学ミラー１０３で反射して、同じ光路を戻る（光路１２２）。レーザ光１２１は、光路１２２において、１／４λ板１０５を２度通過するため、２度目のＰＢＳ１０２に対してはＳ波となり、ＰＢＳ１０２において今回は反射して、光路１２３を進む。コーナキューブ１０７は、入射角度と並行に光を反射する特性があるため、再びＰＢＳ１０２において反射し、可動光学ミラー１０３に向かって進む（光路１２４）。そして、可動光学ミラー１０３において反射したレーザ光１２１は、光路１２４において１／４λ板１０５を２度通過するため、ＰＢＳ１０２を直進して光路１２５を通り、受光素子３Ａ，４Ａを有する受光部１１７に入射される。
【０００６】
一方、レーザ光１２１のＳ波は、ＰＢＳ１０２で反射し、参照光学ミラー１０４で反射して、同じ光路を戻る（光路１２６）。レーザ光１２１は、光路１２６において、１／４λ板１０６を２度通過するため、２度目のＰＢＳ１０２に対してはＰ波となり、ＰＢＳ１０２において今回は直進して、光路１２７を進む。レーザ光１２１のＰ波と同様にコーナキューブ１０７で反射し、再びＰＢＳ１０２を直進し、参照光学ミラー１０４に向かって進む（光路１２８）。そして、参照光学ミラー１０４において反射したレーザ光１２１は、光路１２８において、１／４λ板１０６を２度通過するため、ＰＢＳ１０２で反射して光路１２５を通り、受光部１１７に入る。上記のように受光部１１７に入るレーザ光１２１においては、ＰＢＳ１０２で分離した２つの光波が光路１２５で干渉する。
【０００７】
実際には、直線偏波のＰ波、Ｓ波が１／４λ板１０５，１０６を通過すると、円偏波に変換されるが、説明を簡単にするため略している。
【０００８】
光路１２５において、前述したように、ＰＢＳ１０２で分離した２つの光波が干渉するが、２つの光波の位相関係は２つの光波の通過する光路長によって決定する。レーザ光１２１のＰ波は、ＰＢＳ１０２と可動光学ミラー１０３との間を２往復するため、可動光学ミラー１０３の位置の変化が、ちょうど発振周波数安定化Ｈｅ−Ｎｅレーザのレーザ発振器１０１の波長の１／４のとき、光路１２５における干渉光に１周期の明暗が発生する。
【０００９】
上記の状態をJones Matrix（ジョーンズ行列）で記述すると下記の式（１）となる。
【００１０】
【数１】
2011075404.tif 000003
【００１１】
【数２】
2011075404.tif 000004
【００１２】
式（１）及び式（２）において、Ｅは、投射するＨｅ−Ｎｅレーザのビームベクトルである。式（２）において、αとβは、Ｈｅ−ＮｅレーザのビームベクトルのＰ波とＳ波の大きさである。
【００１３】
【数３】
2011075404.tif 000005
【００１４】
上記の式（３）は、４５°に設置された１／２λ板、及び２２．５°に設置された１／４λ板を表している。
【００１５】
【数４】
2011075404.tif 000006
【００１６】
上記の式（４）において、Ｔ，Ｒは、ＰＢＳ１０２の透過特性と反射特性を示している。また、ＴｐとＴＳは、Ｐ波とＳ波の透過特性を表しており、ＲｐとＲＳは、Ｐ波とＳ波の反射特性を表している。
式（１）を展開すると下記式（５）にて表すことができる。
【００１７】
【数５】
2011075404.tif 000007
【００１８】
図７に示す受光部１１７は、受光素子３Ａ，４Ａの他に、ノーマルビームスプリッタ（以下、ＮＢＳと略称する。）１１１、１／４λ板１１２、及び１／２λ板１１３を有しており、光路１２５からの干渉光は、１／４λ板１１２を通り、ＮＢＳ１１１により２つに分けられる。光の周波数は非常に高く、受光素子３Ａ，４Ａでは応答できないため、受光素子でパワーが検出される。
【００１９】
なお、１／２λ板１１３を用いることにより、レーザ光１２１におけるＰ波又はＳ波のいずれか一方の位相を１８０度変化させることにより、受光素子４Ａの検出パワーの位相を受光素子３Ａの検出パワーの位相に対して、９０度変化させることができる。
【００２０】
従来の位置検出装置（図６参照）においては、光学センサ３，４の出力Ｖｘ，Ｖｙは互いに振幅が等しく、位相差が正確に９０°異なっている。また、直流オフセット成分を０とし、さらに、ダブルパス光学系も理想的に機能するものとして扱っている。但し、一般的には直流オフセットについては、０でなくても予め既知である一定の値として扱っている例もある。この場合でも位置検出部の内部処理において、既知である一定の直流オフセットを光学センサの出力Ｖｘ，Ｖｙから減算することにより、直流オフセットが０である場合と同様に扱っている。 
【００２１】
しかしながら、実際の位置検出装置においては、光学センサから出力される実際の２相交流信号においては、オフセットが生じていたり、オフセットの変動が生じていたり、各振幅が異なっていたり、位相差が９０°からずれていたりする。
【００２２】
図８Ａから図８Ｅは、横軸を光学センサ３（受光素子３Ａ）の出力Ｖｘ、縦軸を光学センサ４（受光素子４Ａ）の出力Ｖｙとしたときの各出力Ｖｘ，Ｖｙの軌跡（リサージュ波形と呼ぶ）を具体的に表示したものである。図８Ａは、理想的に調整された状態であり、リサージュ波形の中心が原点（０点）に一致した円である。図８Ｂはオフセットのみがずれた状態のリサージュ波形、図８Ｃはゲインのみがずれた状態のリサージュ波形、図８Ｄは位相のみがずれた状態のリサージュ波形、をそれぞれ模式的に示している。さらに、図８Ｅは、リサージュ波形の線（軌跡）の幅が広くなり、極端な場合は、リサージュ波形が２重になっている。前記のように２相交流信号に誤差がある場合、その２相交流信号は検出されるべきｓｉｎθ，ｃｏｓθとは異なった値として検出されていた。このような誤差を含んだ検出信号値に基づいて演算処理を行なっていたため、従来の位置検出装置においては高精度な位置検出を行うことができないという問題を有していた。
【００２３】
図８Ｂに示したリサージュ波形のオフセットがずれる原因としては、干渉光１２５を受光素子３Ａ，４Ａにて光電変換を行うため、必ず正の値となり、オフセットの大きさが干渉光１２５の光量に依存する仮想的な値であるため、また、受光素子３Ａ，４Ａが特性のバラツキを有しているためなどである。
【００２４】
図８Ｃのようにゲインがずれる理由としては、干渉光１２５をＮＢＳ１１１で分岐するが、ＮＢＳ１１１の分岐特性により正確に１対１に分岐できないため、１／２λ板１１３によりロスが発生するため、受光素子３Ａ，４Ａの光電変換特性にばらつきがあるためなどである。
【００２５】
図８Ｄのように位相がずれる原因としては、１／２λ板１１３の角度が正しく調整できていないためなどがある。当然、経時変化により、光学部品の位置ずれ等で光軸にずれが発生したときも各種のずれが発生する。
【００２６】
さらに、リサージュ波形が多重化する現象は、特に図６で示したダブルパス光学系などのシングルパス以外の光学系において検出される。リサージュ波形が２重化する理由としては、ＰＢＳ１０２のＰ波、Ｓ波による反射、直進の分離が完全ではないため、さらに１／４λ板１０５，１０６がＰＢＳ１０２の作用面に対して正確に調整されていないために発生する。
【００２７】
図９は、リサージュ波形が２重化する１例を図示したものである。以下、図９を用いてリサージュ波形が２重化する理由について説明する。
レーザ発振器１０１からのレーザ光１２１のＳ波がＰＢＳ１０２で反射し、参照光学ミラー１０４で反射し、光路１２６を通って、コーナキューブ１０７で反射した後、主な光はＰＢＳ１０２で反射せずに直進して、光路１２８を通り、参照光学ミラー１０４で反射する。しかし、ＰＢＳ１０２に入射した光の極一部は、ＰＢＳ１０２において反射して、光路１３０を通り、可動ミラー１０３で反射し、光路１２５において干渉する。この干渉光１２９は、ＰＢＳ１０２と可動光学ミラー１０３との間を１往復しかしないため、可動光学ミラー１０３の移動にともない、発振周波数安定化Ｈｅ−Ｎｅレーザのレーザ発振器１０１の波長の１／２の長さの周期で光路１２５における干渉光に明暗を発生させる。
【００２８】
上記の状態を、前述の式（１）と同様にJones Matrix（ジョーンズ行列）で記述すると下記の式（６）となる。
【００２９】
【数６】
2011075404.tif 000008
【００３０】
なお、図９に示した構成において、１／２λ板１１３は、理想的な材質であり、かつ、完全に位置調整されていると仮定して説明したが、このような仮定が満たされていない場合は同様な誤差成分を発生する。
【００３１】
なお、従来においては、図８Ｂに示したオフセットずれや、図８Ｃに示したゲインずれのような場合、図１０に示すように、光学センサ３，４の出力Ｖｘ，Ｖｙに対して、Ｖｘオフセット調整用可変抵抗２１１、Ｖｘゲイン調整用可変抵抗２１２、Ｖｙオフセット調整用可変抵抗２１３、Ｖｙゲイン調整用可変抵抗２１４による各誤差補正回路を設けることにより対処した例がある。しかし、当該各誤差補正回路はハード的に処理するため、可変抵抗等の人間又は自動機による調整操作が必要であり、光学センサ３，４の出力Ｖｘ，Ｖｙの位相差を９０°に調整するために抵抗等の安価な部品のみで実現することは困難であった。さらに、人為的な調整ミスが発生するおそれがあり、回路素子の温度変動等による特性変化や経年変化による特性劣化等により、常に高精度な位置検出を行なうことは不可能であった。
【００３２】
前述のように、図８Ｂに示したオフセットずれ、図８Ｃに示したゲインずれ、図８Ｄに示した位相ずれの誤差を含んだ検出値に基づいて演算を行なうため、高精度な位置検出ができないという問題を解決するために、２相交流信号Ｖｘ，Ｖｙの複数組の瞬時値から誤差を検出する誤差検出方法が提案されている（例えば、特許文献３参照）。特許文献３において提案された誤差検出方法は、例えば、ＶｘがゼロクロスするときのＶｙ１，Ｖｙ２と、ＶｙがゼロクロスするときのＶｘ１，Ｖｘ２と、を求め、Ｖｙ１とＶｙ２の平均である（Ｖｙ１＋Ｖｙ２）／２、及びＶｘ１とＶｘ２の平均である（Ｖｘ１＋Ｖｘ２）／２をオフセットとする方法である。
【００３３】
また、特許文献２においては、ＶｘがゼロクロスするときのＶｘ１，Ｖｘ２と、ＶｙがゼロクロスするときのＶｘ１，Ｖｘ２と、Ｖｘ＝ＶｙとなるときのＶｘ３，Ｖｙ３と、の６つのＶｘ，Ｖｙの組から、オフセット、ゲイン、位相差を求める方法が提案されている。 
【００３４】
さらに、特許文献１においては、リサージュ波形をデジタル化し、そのデジタルデータを用いて補正を行う補正方法が提案されている。この補正方法によれば、補正に使用するオフセット、ゲインなどの定数を算出することが可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３５】
【特許文献１】特開２００７−３２７７７０号公報
【特許文献２】特許第３０９２１００号公報
【特許文献３】特許第３０２６９４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００３６】
しかしながら、特許文献１から特許文献３などに開示された従来の補正方法では、図８Ｂ（オフセットずれ）、図８Ｃ（ゲインずれ）及び図８Ｄ（位相ずれ）に示す誤差の場合の補正に限定されており、ダブルパス光学系の機構に起因する図８Ｅに示したようなリサージュ波形の多重化よる、リサージュ１回転の長さの整数倍に依存する周期的誤差に関する課題については考慮されていなかった。このため、ダブルパス光学系の機構を有する位置検出装置においては、従来の補正方法を行っても測定精度が改善しないという課題があった。
【００３７】
本発明は、従来の補正方法における前記の課題を解決するものであり、図８Ｂから図８Ｅに示した各誤差を簡単な構成で、且つ安価な演算処理回路による演算処理により補正して、光センサや受光素子などの光検出器のノイズ等に起因する不確定さの影響を小さくし、精度の高い位置検出を行なうことができるデジタルスケールの検出信号補正方法及び検出信号補正装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００３８】
本発明は、前記の課題を解決して、目的を達成するために、以下のデジタルスケールの検出信号補正方法及び検出信号補正装置を提供するものである。
【００３９】
本発明の第１態様のデジタルスケールの検出信号補正方法は、
誤差を含むＡ相正弦波信号、及び前記Ａ相正弦波信号に対して位相差を有し、誤差を含むＢ相正弦波信号を有するエンコーダ信号が入力され、前記誤差を補正した位置情報又は角度情報を出力するデジタルスケールの検出信号補正方法であって、
前記Ａ相正弦波信号及び前記Ｂ相正弦波信号によるリサージュ波形が、リサージュ波形の基本周期の２以上の整数倍周期ごとに一致する前記Ａ相正弦波信号と前記Ｂ相正弦波信号であり、
Ａ相正弦波信号及びＢ相正弦波信号の周波数の整数分の１の周波数を有する信号により補正を行うものである。
【００４０】
本発明の第２態様のデジタルスケールの検出信号補正方法は、
誤差を含むＡ相正弦波信号、及び前記Ａ相正弦波信号に対して位相差を有し、誤差を含むＢ相正弦波信号を有するエンコーダ信号が入力され、前記誤差を補正した位置情報又は角度情報を出力するデジタルスケールの検出信号補正方法であって、
前記Ａ相正弦波信号と前記Ｂ相正弦波信号によるリサージュ波形が、２周目ごとに一致するが、１周目と２周目では一致しない前記Ａ相正弦波信号及び前記Ｂ相正弦波信号であり、
前記Ａ相正弦波信号と前記Ｂ相正弦波信号を組とし、補正区間を２つに分け、前記２つの補正区間ごとにＡ相正弦波信号のオフセット、Ｂ相正弦波信号のオフセット、Ａ相正弦波信号とＢ相正弦波信号の大きさの比、Ａ相正弦波信号とＢ相正弦波信号の位相差を補正するものである。
【００４１】
本発明の第３態様のデジタルスケールの検出信号補正方法は、前記の第２の態様における前記補正区間の開始位置をＡ相正弦波信号の大きさとＢ相正弦波信号の大きさが共に同じになる位置とすることである。このように、補正区間の開始終了位置をＡ相正弦波信号の大きさとＢ相正弦波信号の大きさが共に同じになる点とすることにより、補正区間を分ける領域における不連続性を小さくすることが可能となる。
【００４２】
本発明の第４態様のデジタルスケールの検出信号補正装置は、
誤差を含むＡ相正弦波信号、及び前記Ａ相正弦波信号に対して位相差を有する誤差を含むＢ相正弦波信号を有するエンコーダ信号が入力され、前記誤差を補正した位置情報又は角度情報を出力するデジタルスケールの検出信号補正装置において、
前記Ａ相正弦波信号と前記前記Ｂ相正弦波信号は、参照面を複数回往復する参照光と測定面まで複数回往復する測定光による干渉光学系により形成されており、意図しない往復回数の参照光または測定光による誤差を含み、
Ａ相正弦波信号のオフセット、Ｂ相正弦波信号のオフセット、Ａ相正弦波信号とＢ相正弦波信号の大きさの比、Ａ相正弦波信号とＢ相正弦波信号の位相差を補正する第１補正部と、
前記第１補正部の出力の原点基準の角度を整数分の１とする擬似正弦波を形成する回転角１／２変換器と、
前記擬似正弦波から、前記第１補正部の出力との大きさの比、前記第１補正部の出力との位相差を算出する半角誤差演算部と、
前記第１補正部の出力から前記半角誤差演算部の出力を減算する減算器と、
前記減算器の減算結果が入力される第１除算器と、
前記第１除算器の出力のアークタンジェントを計算する第１ArcTan部と、を具備し、
前記回転角１／２変換器には前記第１補正部からの信号が入力され、前記半角誤差演算部には前記回転角１／２変換器からの信号が入力され、前記Ａ相正弦波信号及び前記Ｂ相正弦波信号の周波数の整数分の１の周波数を有する信号により補正を行うものである。
【００４３】
本発明の第５態様のデジタルスケールの検出信号補正装置は、前記の第４の態様において、
前記第１補正部からの２つの信号が入力される第２除算器と、
前記第２除算器の出力からアークタンジェントを計算する第２ArcTan部と、
Ａ相正弦波信号を矩形化した矩形化Ａ相正弦波信号と、Ｂ相正弦波信号を矩形化した矩形化Ｂ相正弦波信号をカウントとするパルスカウンタと、
前記パルスカウンタからの信号が入力される１８０度プラス判定器と、をさらに具備し、
前記１８０度プラス判定器は、前記パルスカウンタにおいてカウントされた結果と、前記第２ArcTan部の出力が入力され、前記回転角１／２変換器の動作を切換える信号を出力するよう構成されている。
【００４４】
本発明の第６態様のデジタルスケールの検出信号補正装置は、
被測定物の移動に応じて互いに位相が異なる２相正弦波信号を出力する検出部、
前記検出部からの前記２相正弦波信号を矩形化して、位置上位桁データを出力する位置上位桁検出部、
前記検出部からの前記２相正弦波信号をサンプルホールドしてＡＤ変換したデジタルデータが入力され、前記２相正弦波信号のオフセット、ゲイン、及び位相差を補正する補正値を算出して、前記デジタルデータを補正する第１補正部、
前記第１補正部における補正されたデジタルデータ及び前記位置上位桁データに基づき、前記２相正弦波信号によるリサージュ波形の周期を判定し、判定された周期に基づき切換指令を出力する判定部、
前記検出部からの前記２相正弦波信号をサンプルホールドしてＡＤ変換したデジタルデータが入力可能に接続され、前記２相正弦波信号のオフセット、ゲイン、位相差を補正する補正値を算出して、前記デジタルデータを補正する第２補正部、
前記検出部からの前記２相正弦波信号をサンプルホールドしてＡＤ変換したデジタルデータが入力可能に接続され、前記２相正弦波信号のオフセット、ゲイン、位相差を補正する補正値を算出して、前記デジタルデータを補正する第３補正部、
前記判定部の切換指令に基づき、前記第２補正部及び前記第３補正部における入出力を排他的に切換える切換部、
記第２補正部又は前記第３補正部からの補正されたデジタルデータが入力され、前記被測定物の所定区間内の内挿位置データを出力する位置検出部、及び
前記位置上位桁検出部からの位置上位桁データと位置検出部からの内挿位置データとを加算し、前記被測定物の位置データを出力する加算部、
を具備する。
【００４５】
本発明の第７態様のデジタルスケールの検出信号補正装置は、
被測定物の移動に応じて互いに位相が異なる２相正弦波信号を出力する検出部、
前記検出部からの前記２相正弦波信号を矩形化して、位置上位桁データを出力する位置上位桁検出部、
前記検出部からの前記２相正弦波信号をサンプルホールドしてＡＤ変換したデジタルデータが入力され、前記２相正弦波信号のオフセット、ゲイン、及び位相差を補正する補正値を算出して、前記デジタルデータを補正する第１補正部、
補正されたデジタルデータの角度を半分にした疑似正弦波信号を形成し、前記疑似正弦波信号のゲイン及び位相差を示す補正データを算出する第４補正部、
記第１補正部からの補正されたデジタルデータと前記第４補正部からの補正データが減算されて入力され、前記被測定物の所定区間内の内挿位置データを出力する位置検出部、及び
前記位置上位桁検出部からの位置上位桁データと前記位置検出部からの内挿位置データとを加算し、前記被測定物の位置データを出力する加算部、
を具備する。
【００４６】
本発明の第８態様のデジタルスケールの検出信号補正装置は、前記の第７の態様において、
前記第１補正部からの信号が入力される第２除算器と、
前記第２除算器の出力からアークタンジェントを計算する第２ArcTan部と、
２相正弦波信号を矩形化した矩形化２相正弦波信号をカウントとするパルスカウンタと、
前記パルスカウンタからの信号が入力される１８０度プラス判定器と、をさらに具備し、
前記第４補正部は、前記第１補正部からの信号が格納される第４データ保持部、回転角１／２変換器および半角誤差演算部を有して構成され、
前記１８０度プラス判定器は、前記パルスカウンタにおいてカウントされた下位ビットのデータに応じて、前記第４補正部に設けた回転角１／２変換器の動作を切換える信号を出力するよう構成されている。
【発明の効果】
【００４７】
以上のように、本発明のデジタルスケール出力信号補正方法及びデジタルスケール出力信号補正装置によれば、簡単な回路で、ダブルパス光学系を用いて高精度に検出でき、かつ、高度な調整や経時変化に対応する再調整を不要とする、移動体の位置検出装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明に係る実施形態１のデジタルスケールの検出信号補正装置の構成を示すブロック図
【図２Ａ】実施形態１のデジタルスケールの検出信号補正装置における補正処理の実施前と実施後の状態の一例を示すリサージュ波形図
【図２Ｂ】実施形態１のデジタルスケールの検出信号補正装置における補正処理の実施前と実施後の状態の一例を示すリサージュ波形図
【図２Ｃ】実施形態１のデジタルスケールの検出信号補正装置における補正処理の実施前と実施後の状態の一例を示す波形図
【図２Ｄ】実施形態１のデジタルスケールの検出信号補正装置における補正処理の実施前と実施後の状態の一例を示す波形図
【図２Ｅ】実施形態１のデジタルスケールの検出信号補正装置における補正処理の実施前と実施後の状態の一例を示す波形図
【図３】本発明に係る実施形態２のデジタルスケールの検出信号補正装置の構成を示すブロック図
【図４】補正前のリサージュ波形を説明する図
【図５Ａ】実施形態２のデジタルスケールの検出信号補正装置における補正処理の実施前と実施後の状態の一例を示すリサージュ波形図
【図５Ｂ】実施形態２のデジタルスケールの検出信号補正装置における補正処理の実施前と実施後の状態の一例を示すリサージュ波形図
【図５Ｃ】実施形態２のデジタルスケールの検出信号補正装置における補正処理の実施前と実施後の状態の一例を示す波形図
【図５Ｄ】実施形態２のデジタルスケールの検出信号補正装置における補正処理の実施前と実施後の状態の一例を示す波形図
【図５Ｅ】実施形態２のデジタルスケールの検出信号補正装置における補正処理の実施前と実施後の状態の一例を示す波形図
【図６】従来のデジタルスケールの一例を示すブロック図
【図７】図６のデジタルスケールの検出部をホモダイン・ダブルパス検出光学系で構成した図
【図８Ａ】誤差を含まない理想的なリサージュ波形を示す図
【図８Ｂ】オフセットずれの誤差を含むリサージュ波形の一例を示す図
【図８Ｃ】ゲインずれの誤差を含むリサージュ波形の一例を示す図
【図８Ｄ】位相ずれの誤差を含むリサージュ波形の一例を示す図
【図８Ｅ】２重リサージュ波形の一例を示す図
【図９】リサージュ波形が２重化する理由の一例を示した図
【図１０】従来の誤差補正回路の一例を示すブロック図
【発明を実施するための形態】
【００４９】
以下、本発明に係るデジタルスケールの検出信号補正方法及び検出信号補正装置の好適な実施形態について、添付の図面を参照しつつ説明する。なお、以下の実施形態において説明する具体的な構成は本発明の例示であり、本発明は、実施形態で説明する具体的な構成に限定されるものではなく、同じ技術的思想に基づく同様の構成を含むものである。
【００５０】
（実施形態１） 
図１は、本発明に係る実施形態１のデジタルスケールの検出信号補正装置の構成を示すブロック図である。この検出信号補正装置は、いわゆるエンコーダからの出力信号（２相正弦波信号）を補正する装置である。位置検出装置であるデジタルスケールには、レーザ光の干渉を利用して被測定物である移動体１の位置検出を行うために、検出部５には２つの光学センサ（受光素子）３及び４が設けられている。移動体１には位置を特定するための基準となる目盛２が所定間隔で形成されている。目盛２に対向して配設された光学センサ３及び４からの各出力Ｖｘ及びＶｙは、瞬時値検出部１０内のサンプルホールド回路（図１において「Ｓ／Ｈ」と表示）１１及び１２にそれぞれ入力されると共に、位置上位桁検出回路２０の比較演算器２１及び２２にそれぞれ入力される。サンプルホールド回路１１及び１２の出力は、それぞれＡ／Ｄ変換器（図１において「Ａ／Ｄ」と表示）１３及び１４に入力される。Ａ／Ｄ変換器１３及び１４において、Ａ／Ｄ変換されたデジタルデータ（数値データ）である瞬時値Ｘ＝ｃｏｓθ及びＹ＝ｓｉｎθは、第１補正部４０に入力されている。第１補正部４０は、第１データ保持部４１及び第１誤差推定部４２を有している。
【００５１】
上記構成において、エンコーダから出力される２相正弦波信号は、例えば、Ａ相正弦波信号（Ｖｘ）とＢ相正弦波信号（Ｖｙ）であり、それぞれ独立して誤差を含み、互いに位相に差を有している信号である。位相差は、例えば、９０゜である。なお、Ｂ相正弦波信号値は、Ａ相正弦波信号値のＡＤ変換と同時にＡＤ変換されるように構成されていてもよい。
【００５２】
第１データ保持部４１は、光学センサ３及び４からの各出力Ｖｘ及びＶｙをＡ／Ｄ変換した瞬時値検出部１０からの瞬時値Ｘ，Ｙを６組以上保持しており、記憶部と制御部で構成されている。第１誤差推定部４２は、データ保持部４１が保持している６組以上のデジタルデータに基づいて、光学センサ３及び４からの各検出データＶｘ，Ｖｙのオフセット、ゲイン（大きさ）、及び位相を補正する合計６つの補正値を算出する。第１誤差推定部４２から出力された６つの補正値により、瞬時値検出部１０から出力されたデジタルデータである瞬時値Ｘ，Ｙがリアルタイムで変換され、変換されたデジタルデータＸ’，Ｙ’が位置判定部となる第２位置検出部３３に入力される。変換されたデジタルデータＸ’，Ｙ’は、第２位置検出部３３の第２除算器３４において除算され、その除算結果（Ｘ’／Ｙ’）が第２ArcTan部３５に入力される。第２ArcTan部３５の出力（θ’）は、被測定物である移動体１の１目盛に相当する回転角を２π[radian]とした場合の１目盛の微小な位置θを内挿検出した結果を示している。
位置判定部である第２位置検出部３３における各処理は、マイクロプロセッサ等を用いたソフトウェア処理や、ＲＯＭテーブルを持つハードウェアにより行われている。
【００５３】
光学センサ３及び４からの２相正弦波信号の各検出データＶｘ，Ｖｙが入力される位置上位桁検出部２０の比較演算器２１及び２２においては、各検出データＶｘ，Ｖｙが基準値と比較され矩形化されてパルスカウンタ２３に入力される。パルスカウンタ２３においては、矩形化されたパルスが計数される。パルスが計数されて形成された位置上位桁データＴＮは、１目盛に相当する回転角を２π[radian]としたータとして加算器３８に入力される。加算器３８においては、第２位置検出部３３の第２ArcTan部３５から出力された１目盛内の内挿検出した位置θ’と、パルスカウンタ２３により計数された位置上位桁データＴＮとを加算する。
実施形態１のデジタルスケールの検出信号補正装置は、図１に示すように、瞬時値検出部１０、上位桁検出部２０、第１補正部４０、第２位置検出部３３、及び加算器３８の他に、第２補正部４３、第３補正部４６、第１位置検出部３０、及び複数のスイッチ６１〜６６が設けられている。第２補正部４３及び第３補正部４６においては、それらの入力側及び出力側のそれぞれにスイッチ６１〜６６が設けられており、第２補正部４３又は第３補正部４６のいずれか一方が駆動されるよう構成されている。
【００５４】
第２補正部４３には、第２データ保持部４４及び第２誤差推定部４５が設けられている。第２データ保持部４４は、光学センサ３及び４からの各出力Ｖｘ，ＶｙをＡ／Ｄ変換した瞬時値検出部１０の出力であるデジタルデータＸ，Ｙを６組以上保持する部分であり、記憶部と制御部により構成されている。第２誤差推定部４５は、第２データ保持部４４が保持する６組以上のデジタルデータに基づいて、「検出データＶｘのオフセット補正」、「検出データＶｙのオフセット補正」、「検出データＶｘの大きさ補正」、「検出データＶｙの“大きさと位相差”補正」（２個）、以上合計５つの補正値を算出する。第２補正部４３においては、第２誤差推定部４５の出力した５つの補正値により、瞬時値検出部１０の出力のデジタルデータＸ，Ｙをリアルタイムで変換し、デジタルデータＸ１’，Ｙ１’を形成する。変換されたデジタルデータＸ’，Ｙ’は、第１位置検出部３０に入力される。第２誤差演算部４５における補正値算出方法は、特許文献１に開示されている算出方法やその他の従来から用いられている算出方法から最適なものを用いれば自動計算できる。第１位置検出部３０においては、変換されたデジタルデータＸ’，Ｙ’が第１除算器３１において除算され、その除算結果（Ｘ’／Ｙ’）が第１ArcTan部３２に入力される。第１ArcTan部３２の出力（θ’）は、被測定物である移動体１の１目盛に相当する回転角を２π[radian]とした場合の１目盛の微小な位置θを内挿検出した結果を示している。
【００５５】
スイッチ６１〜６６の切換動作により、前述の第２補正部４３と交互的に使用される第３補正部４６は、第２補正部４３と実質的に同一の構成であり、第３データ保持部４７及び第３誤差推定部４８が設けられている。従って、第３補正部４６における第３データ保持部４７及び第３誤差推定部４８は、第２補正部４３における第２データ保持部４４及び第２誤差推定部４５と同じ構成を有し、同じ動作を行う。
【００５６】
瞬時値検出部１０からのデジタルデータＸ，Ｙの入力先を切り換えるために、第２補正部４３の入力側にはスイッチ６１，６２が設けられており、第３補正部４６の入力側にはスイッチ６３，６４が設けられている。スイッチ６１〜６４は、リサージュ波形の２周期を１周期毎に交互に分離し、それぞれの区間でのみ第２補正部４３と第３補正部４６がそれぞれ処理するように、第２補正部４３と第３補正部４６とを切換えている。スイッチ６１〜６４の切り換え動作に応じて、第２補正部４３と第３補正部４６の出力側に設けたスイッチ６５，６６が切換えられる。このように、スイッチ６１〜６６が切換えられることにより、リサージュ波形を周期毎に処理した第２補正部４３又は第３補正部４６の出力が確実に第１位置検出部３０の第１除算器３１に入力される。スイッチ６１〜６６に対する切換制御は、第２位置検出部３３からの出力（Ｐ’）に基づいて第１判定部７１及び第２判定部７２において行われる。
【００５７】
図１に示すように、第１判定部７１及び第２判定部７２には、第２位置検出部３３の第２ArcTan部３５から出力された１目盛内の内挿検出した位置データθ’と、パルスカウンタ２３により計数された位置上位桁データＴＮとを加算した加算器３８からの位置信号Ｐ’がそれぞれ入力されている。第１判定部７１及び第２判定部７２においては、２重リサージュ波形が交差する交差角度（交差位置）θｐを設定可能に構成して、その交差角度から１回転以内、又は１回転から２回転以内のどちらかを判定するように構成してもよい。
【００５８】
図２Ａから図２Ｅは、実施形態１のデジタルスケールの検出信号補正装置における補正処理の実施前と実施後の状態の一例を波形図で表したものである。図２Ａは補正前の状態を示すリサージュ波形である。図２Ｂは補正後の状態を示すリサージュ波形である。図２Ｃは、前述の図７に示したホモダイン干渉光学系の機構における可動光学ミラー（図７における符号１０３）を移動させたときの検出データＶｘ（実線波形），Ｖｙ（破線波形）の信号波形を表したものである。２重リサージュ波形の信号の変化は、図２Ｃに示すように、検出データＶｘの波形において振幅の大きな正弦波と小さな正弦波が交互に現れている。図２Ｃにおいて一点鎖線で示す波形は、スイッチ６１〜６６に対する切換信号を示している。この切換信号においては、２重リサージュ波形の交差したタイミング、即ち図２Ｃの場合、検出データＶｘの最小値で切換えている。
【００５９】
第１判定部７１が「オン」のときは、入力側のスイッチ６１，６２を閉成状態（オン状態）とし、出力側のスイッチ６５，６６を第２補正部４３に接続する。このとき、第２判定部７２は「オフ」であり、入力側のスイッチ６３，６４は開成状態（オフ状態）である。
一方、第２判定部７２が「オン」のときは、スイッチ６３，６４を閉成状態（オン状態）とし、出力側のスイッチ６５，６６を第３補正部４６に接続する。このとき、第１判定部７１は「オフ」であり、入力側のスイッチ６１，６２は開成状態（オフ状態）である。
【００６０】
第２補正部４３の入力側のスイッチ６１，６２は、補正を行うデータが大きなリサージュ波形の１回転分のみとなるように選択し、第３補正部４６の入力側に設けたスイッチ６３，６４は、補正を行うデータが小さなリサージュ波形の１回転分のみとなるように選択することにより、大きなリサージュ波形のデータ保持と補正、及び小さなリサージュ波形のデータ保持と補正をそれぞれ独立に処理できる構成となる。なお、出力側のスイッチの６５，６６の切換動作は、検出データＶｘ，Ｖｙの値に応じて、大きなリサージュ波形の補正を使用するか、小さなリサージュ波形の補正を使用するかを選択する。
【００６１】
図２Ａに示した補正前のリサージュ波形は、大きいリサージュ波形のプラス側とＸ軸との交点が１.１、小さいリサージュ波形のプラス側とＸ軸との交点が０.９である。図２Ａ及び図２Ｃに示す補正前のリサージュ波形の場合、例えば、第１判定部７１が「オン」であり、リサージュ波形が大きいとき、０.０５だけ「Ｘ」から減算し、第２判定部７２が「オン」であり、リサージュ波形が小さいとき、０.０５だけ「Ｘ」へ加算する補正処理を行えばよい。ここで、「Ｘ」はＸ軸の値を示す。
【００６２】
図２Ｂは、前記の補正処理による補正後のリサージュ波形を示しており、図２Ｄは、前記の補正処理による補正後に可動光学ミラー（図７の符号１０３参照）を動かしたときの検出データＶｘ（実線波形），Ｖｙ（破線波形）の信号波形を表したものである。図２Ｅは、補正前後における測定結果の誤差を推定した波形図である。図２Ｅにおいて、実線波形は補正前の誤差を示しており、破線波形は補正後の誤差を示している。なお、図２Ｅの波形において、１周期の長さを２π［radian]で正規化すると、１周期を２πに対して、補正前誤差±０.０８であり、補正後誤差±０.０３である。従って、上記の補正処理を行うことにより、補正後誤差は補正前誤差と比較して約１／３と大幅に減少している。
【００６３】
上記においては、実施形態１のデジタルスケールの検出信号補正装置における補正方法を定性的に説明したが、例えば、特許文献１に開示された補正方法を用いて、実施形態１における第１誤差推定部４２、第２誤差推定部４５、第３誤差推定部４８のＶｘ，Ｖｙのオフセット、Ｖｘ，Ｖｙのゲイン比、Ｖｘ，Ｖｙの位相誤差のそれぞれの補正値を正確に自動計算することができる。
以下、実施形態１の検出信号補正装置における第１補正部４０における具体的な計算方法について説明する。
【００６４】
瞬時値検出部１０のＡＤ変換器１３，１４によりデジタル化されたデジタルデータＸ，Ｙである２相正弦波信号は次式（７）のように表わされる。
【００６５】
【数７】
2011075404.tif 000009
【００６６】
ここで、１からＮ（Ｎは６以上）個までのＡＤ変換値の組を、（Ｘｎ，Ｙｎ）とする。ｎは１からＮまでの数である。
即ち、２相正弦波信号Ｘ，Ｙは、理想的な２相正弦波（Ｘ＝cosθ、Ｙ＝cosθ）に対して、振幅が下記式（８）であり、
【００６７】
【数８】
2011075404.tif 000010
【００６８】
位相誤差が下記式（９）である。
【００６９】
【数９】
2011075404.tif 000011
【００７０】
そして、直流オフセットはｐｘ，ｐｙである。
これらの各誤差（ａｘ，ｂｘ，ｐｘ，ａｙ，ｂｙ，ｐｙ）は、２相正弦波信号であるデジタルデータＸ，Ｙの瞬時値の複数の組から算出される。
【００７１】
【数１０】
2011075404.tif 000012
【００７２】
ＸｎとＹｎとθｎとの関係を式（１０）とし、リサージュ波形がある程度調整されているとすると、ａｘ，ｂｙは、十分小さいと考えられる。
評価関数を次式（１２）のように設定し、上記条件で評価関数を最小にする解を求める。
【００７３】
【数１１】
2011075404.tif 000013
【００７４】
評価関数を最小化する解ａｘ，ｂｘ，ｐｘ，ａｙ，ｂｙ，ｐｙは、次式（１２）を満たす。
【００７５】
【数１２】
2011075404.tif 000014
【００７６】
したがって、上記の式（１２）の連立１次方程式を解くことで求めることができる。
【００７７】
【数１３】
2011075404.tif 000015
【００７８】
式（１３）において、Ｇ１１，Ｇ２１，Ｇ２２，ｐｘ，ｐｙは、図１に示した第１補正部４０の第１誤差推定部４２からの出力値である。ここで、Ｇｘ，Ｇｙ，θｘ，θｙは、下記式（１４）で示される。
【００７９】
【数１４】
2011075404.tif 000016
【００８０】
なお、第２補正部４３から出力される（Ｘ１’，Ｙ１’)、及び第３補正部から出力される（Ｘ２’，Ｙ２’)に関しても、上記の（Ｘ’，Ｙ’)と同様の計算式により算出することができる。
【００８１】
上記のように、本発明に係る実施形態１のデジタルスケールの検出信号補正装置及び検出信号補正方法においては、誤差を含むＡ相正弦波信号、及びＡ相正弦波信号に対して位相差を有する誤差を含むＢ相正弦波信号を含むエンコーダ信号が入力され、誤差を補正した位置情報又は角度情報を出力するものであり、Ａ相正弦波信号とＢ相正弦波信号の周波数の整数分の１の周波数をもつ信号により補正を行っている。この構成において、Ａ相正弦波信号とＢ相正弦波信号とは、それぞれ独立して誤差を含むものであり、互いに位相に差を有している信号である。位相差は、例えば、９０゜である。Ｂ相正弦波信号値は、Ａ相正弦波信号値のＡＤ変換と同時にＡＤ変換されるように構成されてもよい。
【００８２】
また、本発明に係る実施形態１のデジタルスケールの検出信号補正装置及び検出信号補正方法においては、Ａ相正弦波信号とＢ相正弦波信号を組とし、補正区間を２つに分け、２つの補正区間ごとにＡ相正弦波信号のオフセット、Ｂ相正弦波信号のオフセット、Ａ相正弦波信号とＢ相正弦波信号の大きさ比、Ａ相正弦波信号とＢ相正弦波信号の位相差を補正している。さらに、実施形態１のデジタルスケールの検出信号補正装置においては、補正区間の開始終了位置をＡ相正弦波信号の大きさとＢ相正弦波信号の大きさが共に同じになる位置として、補正区間を分ける領域における不連続性を小さくしている。
【００８３】
上記のように、実施形態１のデジタルスケールの検出信号補正装置及び検出信号補正方法は、第１補正部４０及び第２位置検出部３３により構成された通常補正機構からの出力信号（Ｐ’）に基づいて周期毎にリサージュ波形を分離し、分離されたリサージュ波形のいずれかを選択して第２補正部４３又は第３補正部４６において処理するよう構成されている。このように構成された実施形態１のデジタルスケールの検出信号補正装置及び検出信号補正方法によれば、前述の図８Ｂから図８Ｅに示したような各種誤差を補正して精度の高い位置検出を行なうことができる。
【００８４】
（実施形態２）
以下、本発明に係る実施形態２のデジタルスケールの検出信号補正装置及び検出信号補正方法について添付の図３から図５を用いて説明する。図３は実施形態２のデジタルスケールの検出信号補正装置の構成を示すブロック図である。なお、実施形態２のデジタルスケールの検出信号補正装置において、図３に示した検出信号補正装置における被測定物である移動体１、目盛２、光学センサ（受光素子）３及び４の検出部５の構成が、実施形態１と同様にホモダイン干渉光学系で実現している（図７参照）。実施形態２の説明において、前述の実施形態１のデジタルスケールの検出信号補正装置における要素と同じ機構、構成を有するものには同じ符号を付してその説明は実施形態１の説明を適用する。
【００８５】
実施形態２のデジタルスケールの検出信号補正装置において、２相正弦波信号のＡ相正弦波信号とＢ相正弦波信号の大きさ、及びＡ相正弦波信号とＢ相正弦波信号の９０度からの位相差は、受光部１１７（図７参照）を用いて、一つの干渉信号から擬似的に発生させている。このため、従来のゲイン補正、及び位相補正を行うことにより、ほぼ理想的な状態になっていると推定できる。したがって、リサージュ波形の２重化を発生させる、ＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）１０２と可動光学ミラー１０３との間を１往復しかしない光成分に関しても、ゲイン及び位相関係は理想的な状態、即ち、大きさは等しく、位相差は９０度となっていると推定できる。
【００８６】
上記の推定に基づけば、リサージュ波形の２重化を発生させる干渉成分のパラメータは、主干渉成分との大きさ比、及び主干渉成分との位相関係のみと推定できる。したがって、主干渉成分は式（１５）に対して式（１６）となる。
【００８７】
【数１５】
2011075404.tif 000017
【００８８】
【数１６】
2011075404.tif 000018
【００８９】
図４の補正前のリサージュ波形に示されているように、αを求めるには、従来通りのリサージュ補正を実施した後、原点（０点）からの距離が最大（Ｒmax）となる角度θmaxと、原点（０点）からの距離が最小（Ｒmin）となる角度θminを求めて（θmaxとθminはほぼ等しい）、その平均をとればよい。
【００９０】
【数１７】
2011075404.tif 000019
【００９１】
また、リサージュ波形の２重化を発生させる干渉成分の大きさＡ2は、θ時のリサージュ波形の大きさをＲ（θ）とすると、式（１８）により求めることができる。
【００９２】
【数１８】
2011075404.tif 000020
【００９３】
上記のように演算処理を行うエンコーダ出力信号補正装置である実施形態２のデジタルスケールの検出信号補正装置を実現したものが、図３に示した構成である。
【００９４】
実施形態２のデジタルスケールの検出信号補正装置において、第１補正部４０の第１データ保持部４１は、検出データＶｘ，ＶｙをＡ／Ｄ変換した瞬時値検出部１０の出力であるデジタルデータＸ，Ｙを６組以上保持する部分であり、記憶部と制御部から構成されている。第１誤差推定部４２は、データ保持部４１が保持した６組以上のデジタルデータに基づいて、前述の実施形態１において説明した補正方法により、「検出データＶｘのオフセット補正Ｐx」、「検出データＶｙのオフセット補正Ｐy」、「検出データＶｘの大きさ補正Ｇ１１」、及び「検出データＶｙの“大きさと位相差”の補正Ｇ２１，Ｇ２２」、の合計５つの補正値を算出する。第１補正部４０は、第１誤差推定部４２の出力した補正値により、瞬時値検出部１０の出力であるデジタルデータＸ，Ｙをリアルタイムで変換し、その変換結果（Ｘ’、Ｙ’）を第４補正部５２の回転角１／２変換器５４、及び第２位置検出部３３に入力する。
【００９５】
回転角１／２変換器５４は、第１補正部４０からの信号（Ｘ’，Ｙ’）及び第２位置検出部３３からの信号（θ’）が入力され、角度を半分にした信号（Ｘｃｎν，Ｙｃｎν）である２相疑似正弦波信号を半角誤差演算部５５に入力する。
【００９６】
【数１９】
2011075404.tif 000021
【００９７】
式（１９）において、１回転目はｎ＝０、２回転目はｎ＝１である。
第４補正部５２の第４データ保持部５３と半角誤差演算部５５により、第１補正部４０の半分の周波数の信号に注目して、補正値を推定し、第１補正部４０からの信号（Ｘ’，Ｙ’）と合成することにより、補正処理を実施する。
【００９８】
半角誤差演算部５５は、第４データ保持部５３に保持されたデータより、リサージュ波形（図４参照）の半径Ｒの最大値Ｒ(θmax)と最小値Ｒ(θmin)、及びそれぞれのθ値であるθmax、θminを検出し、前述の式（１７）及び式（１８）に従いα、Ａ2を算出し、下記式（２０）の変換行列Ｍを求める。
【００９９】
【数２０】
2011075404.tif 000022
【０１００】
図５Ａから図５Ｅは実施形態２のデジタルスケールの検出信号補正装置における補正処理の実施前と実施後の状態の一例を波形図で表したものである。図５Ａは補正前の状態を示すリサージュ波形である。図５Ｂは補正後の状態を示すリサージュ波形である。図５Ｃは、前述の図７に示したホモダイン干渉光学系の機構における可動光学ミラー（図７における符号１０３）を移動させたときの検出データＶｘ（実線波形），Ｖｙ（破線波形）の信号波形を表したものであり、リサージュ補正前の状態である。２重リサージュ波形の信号の変化は、図５Ｃに示すように、検出データＶｘ，Ｖｙの波形において、振幅の大きな正弦波と小さな正弦波が交互に現れている。図５Ｄはリサージュ補正後の検出データＶｘ（実線波形），Ｖｙ（破線波形）の信号波形を表したものである。図５Ｅはリサージュ補正前後の測定誤差比較を示す波形図である。図５Ｂ及び図５Ｄに示すリサージュ補正においては、Ａ１＝１．０，Ａ２＝０．１，α＝０のときの結果を示している。
サンプリングが理想状態で実施されたとすると、特許文献１に開示された補正方法による自動補正後のデータを、前述の式（１６）及び式（１７）に適用すると、下記の値となる。
【０１０１】
θmax＝θmin＝０
Ｒ(θmax)＝１．１０５
Ｒ(θmin)＝０．８９５
Ａ２＝［Ｒ(θmax)−Ｒ(θmin)］／２＝０．１０５
【０１０２】
図５Ａに示すように、補正前のリサージュ波形は２重化しているが、補正を実施した補正後リサージュ波形においては、図５Ｂに示すように、リサージュ波形の２重化がなくなっている。この結果、図５Ｅに示すように１周期の長さを２π[radian]で正規化すると、補正前誤差±０.１（破線波形）、補正後誤差±０.０１（実線波形）となった。このように、実施形態２の検出信号補正装置における補正方法によれば、補正後誤差は補正前誤差と比較して約１／１０になっている。
【０１０３】
デジタルデータＸ’，Ｙ’及びθ’が入力された回転角１／２変換器５４の結果だけでは、周波数Ｆの高速な信号に対して処理するには、ナイキストのサンプリン定理より、周波数を２Ｆ以上にして入力データを追跡していかなければならない。そのためには、高速なＡ／Ｄ変換器が必要となるが、高速なＡ／Ｄ変換器は非常に高価であり、また実現が困難である。
【０１０４】
しかし、リサージュ１回転で１増加する１逓倍のパルスカウンタ２３からの信号が入力されて、パルスカウンタ２３からの信号の最下位bitを出力する１８０度プラス判定器５１を設け、回転角１／２変換器５４にパルスカウンタ２３からの信号の最下位bitを入力するよう構成することにより、正確に角度を推定することが可能である。このときの回転角１／２変換器５４は、１８０度プラス判定器５１の出力が「０」のとき、arctan２（Ｘ，Ｙ）を出力し、１８０度プラス判定器５１の出力が「１」のとき、arctan２（Ｘ，Ｙ）＋２πを出力するという機能を持つ。このように１８０度プラス判定器５１を使用するときは、第２位置検出部３３、及びその出力θ’の処理が不要となる。
高速なパルスカウンタは、低コストで容易に製作することができるため、上記の構成は容易に実現可能である。
【０１０５】
上記のように、本発明に係る実施形態２のデジタルスケールの検出信号補正装置及び検出信号補正方法においては、誤差を含むＡ相正弦波信号、及びＡ相正弦波信号に対して位相差を有する誤差を含むＢ相正弦波信号を含むエンコーダ信号を入力し、誤差を補正した位置情報又は角度情報を出力するものである。そして、の検出信号補正装置は、Ａ相正弦波信号のオフセット、Ｂ相正弦波信号のオフセット、Ａ相正弦波信号とＢ相正弦波信号の大きさ比、Ａ相正弦波信号とＢ相正弦波信号の位相差を補正する第１補正部４０と、第１補正部４０の出力のなす角度の半分を出力する回転角１／２変換器５４と、２入力の擬似正弦波から、第１補正部４０の出力との大きさの比、第１補正器４０の出力との位相差を算出する半角誤差演算部５５と、第１補正部４０の２つの出力から半角誤差演算部５５の２つの出力を減算する２つの減算器２４，２５と、減算器２４，２５の減算結果を入力とする第１除算器３１と、アークタンジェントを計算する第１ArcTan部３２とを具備している。回転角１／２変換器５４は第１補正器４０からの信号が入力され、半角誤差演算部５５は、回転角１／２変換器５４の出力を入力とし、Ａ相正弦波及びＢ相正弦波の周波数の１／２の周波数をもつ信号により補正を行うことにより、不連続領域を無くして補正することができる。
【０１０６】
また、本発明に係る実施形態２のデジタルスケールの検出信号補正装置及び検出信号補正方法においては、第１補正器４０の２つの出力を入力とする第２除算器３４と、第２除算器の結果からアークタンジェントを計算する第２ArcTan部３５と、Ａ相正弦波信号を矩形化した矩形化Ａ相正弦波信号とＢ相正弦波信号を矩形化した矩形化Ｂ相正弦波信号をカウントとするパルスカウンタ２３と、１８０度プラス判定器５１を具備している。１８０度プラス判定器５１は、パルスカウンタ２３の結果と、第２ArcTan部３５の出力を入力とし、回転角１／２変換器５４の動作を切換える信号を出力する。このように構成された、検出信号補正装置及び検出信号補正方法は、カウンタ２３の最下位ビットにより、前述の図８Ｅに示した２重リサージュ波形における１周目か２周目かの判断を行うことが可能になるため、サンプルホールド回路１１，１２、Ａ／Ｄ変換器１３，１４の実施速度を超高速動作させることによる、入力信号Ｘ，Ｙの連続評価の必要がなく、検出信号補正装置を低コストにより実現することができる。
【０１０７】
なお、実施形態１及び実施形態２のデジタルスケールの検出信号補正装置においては、ダブルパス光学系の場合について説明したが、ダブルパス以上に光路を往復させる場合にも本発明は適用可能である。
【産業上の利用可能性】
【０１０８】
本発明のデジタルスケールの検出信号補正装置及び検出信号補正方法は、ダブルパス干渉システムのように基本波長の整数倍の誤差を除去して、デジタルスケールの測定精度を高精度化することができ、半導体製造、光ディスク露光、精密機械加工などの各種分野において有用である。
【符号の説明】
【０１０９】
１    移動体
２    目盛
３，４    光学センサ
５    検出部
１０    瞬時値検出部
１１，１２    サンプルホールド回路
１３，１４    Ａ／Ｄ変換器
２０    位置上位桁検出部
２１，２２    比較演算器
２３    パルスカウンタ
３０    第１位置検出部
３１    第１除算器
３２    第１ArcTan部
３３    第２位置検出部
３４    第２除算器
３５    第２ArcTan部
４０    第１補正部
４１    第１データ保持部
４２    第１誤差推定部
４３    第２補正部
４４    第２データ保持部
４５    第２誤差推定部
４６    第３補正部
４７    第３データ保持部
４８    第３誤差推定部
５１    １８０度プラス判定器
５２    第４補正部
５３    第４データ保持部
５４    回転角１／２変換器
５５    半角誤差演算部
５６    半角誤差推定部
６１〜６６    スイッチ
７１    第１判定部
７２    第２判定部
【図１】
2011075404.tif 000023
【図２Ａ】
2011075404.tif 000024
【図２Ｂ】
2011075404.tif 000025
【図２Ｃ】
2011075404.tif 000026
【図２Ｄ】
2011075404.tif 000027
【図２Ｅ】
2011075404.tif 000028
【図３】
2011075404.tif 000029
【図４】
2011075404.tif 000030
【図５Ａ】
2011075404.tif 000031
【図５Ｂ】
2011075404.tif 000032
【図５Ｃ】
2011075404.tif 000033
【図５Ｄ】
2011075404.tif 000034
【図５Ｅ】
2011075404.tif 000035
【図６】
2011075404.tif 000036
【図７】
2011075404.tif 000037
【図８Ａ】
2011075404.tif 000038
【図８Ｂ】
2011075404.tif 000039
【図８Ｃ】
2011075404.tif 000040
【図８Ｄ】
2011075404.tif 000041
【図８Ｅ】
2011075404.tif 000042
【図９】
2011075404.tif 000043
【図１０】
2011075404.tif 000044