(57)【要約】【課題】原点信号の誤検知を抑制可能なエンコーダを提供すること。【解決手段】原点検出用パターンが形成されたスケールと、原点検出用パターンを読み取る原点検出部と、原点信号を出力する処理部と、を有し、原点検出部は、少なくとも第１の検出部、第２の検出部、第３の検出部および第４の検出部を有する複数の検出素子群を有し、第１および第２の検出部、第３および第４の検出部が検出素子群の中央に対してそれぞれ対称に配置され、原点検出用パターンは、原点検出部が検出する原点周辺部と異なる物理的特性の検出方向の長さが検出素子群の検出方向の長さより短く、原点検出部は、第１および第３の検出部に基づいた第１の信号と、第２および第４の検出部に基づいた第２の信号を出力し、処理部は、第１の信号と第１の閾値に基づいた第３の信号と、第２の信号と第２の閾値に基づいた第４の信号と、に基づいた第５の信号を原点信号として出力する。【選択図】図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原点検出用パターンが形成されたスケールと、
前記原点検出用パターンを読み取る原点検出部と、
原点信号を出力する処理部と、を有し、
前記原点検出部は、複数の検出素子群を有し、
前記検出素子群は、第１の検出部、第２の検出部、第３の検出部および第４の検出部を少なくとも有し、第１の検出部と第２の検出部、第３の検出部と第４の検出部が前記検出素子群の中央に対してそれぞれ対称に配置されており、
前記原点検出用パターンは、前記原点検出部が検出する原点周辺部と異なる物理的特性の検出方向の長さが前記検出素子群の前記検出方向の長さより短くなるような検出方向の長さを有し、
前記原点検出部は、前記第１の検出部と前記第３の検出部に基づいた第１の信号と、前記第２の検出部と第４の検出部に基づいた第２の信号を出力し、
前記処理部は、前記第１の信号と第１の閾値を処理することで得られた第３の信号と、前記第２の信号と第２の閾値を処理することで得られた第４の信号と、を処理することで得られた第５の信号を前記原点信号として出力することを特徴とするエンコーダ。
【請求項２】
前記処理部は、前記第１の閾値または前記第２の閾値を変更することで、前記原点信号の出力位置を調整可能であることを特徴とする請求項１に記載のエンコーダ。
【請求項３】
前記スケールに形成された変位検出用パターンを読み取ることで変位検出信号を出力する変位検出部と、を更に有し、
前記変位検出用パターンと前記原点検出用パターンは、異なるトラック内に形成され、
前記原点検出部と前記変位検出部は、それぞれ前記原点検出用パターンと前記変位検出用パターンを読み取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。
【請求項４】
前記スケールに形成された前記原点検出用パターンの分解能とは異なる分解能を有する変位検出用パターンを読み取ることで変位検出信号を出力する変位検出部と、を更に有し、
前記変位検出用パターンと前記原点検出用パターンは、同一のトラック内に形成され、
前記原点検出部と前記変位検出部は、前記変位検出用パターンの反射光と前記原点検出用パターンからの反射光が複合した光信号を読み取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。
【請求項５】
前記原点信号は、前記変位検出信号に非同期であり、原点検出に使用することを特徴とする請求項３または４に記載のエンコーダ。
【請求項６】
前記原点信号は、前記変位検出信号に同期し、原点検出に使用する原点パルスを出力するために使用することを特徴とする請求項３または４に記載のエンコーダ。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか１項に記載のエンコーダを有する装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原点位置の検出機能を備えたエンコーダに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、位置や速度を検出するための手段としてエンコーダが用いられている。エンコーダの一例としてインクリメンタルエンコーダがある。インクリメンタルエンコーダにおける検出位置はスケールとセンサの相対変位によりカウンタなどによって累積されるが、電源投入直後はカウンタがリセットされるため、位置がわからなくなる。そこで、電源投入時にセンサとスケールを相対変位させて原点位置を検出する動作を行い、原点信号により原点位置を認識した時点でカウンタをリセットさせる。これを原点検出という。原点検出以降は、原点位置からの位置検出が可能になる。
【０００３】
特許文献１では、原点検出センサとして変位検出センサにおけるフォトダイオードアレイと同一のフォトダイオードアレイを用い、スケールパターンとして変位検出信号生成用パターンと同一ピッチの複数の原点信号生成用パターンを用いている。そして、それらから得られる出力信号を原点信号処理部によって処理することで、原点領域を判別し、原点信号を出力している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３―３６９４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１では、原点検出センサのフォトダイオードアレイが原点検出センサの出力信号の２周期分以上存在すると、処理によっては原点領域を誤る可能性がある。これは原点領域以外の領域における出力信号が、原点信号処理部が原点としてみなす条件を一部満たしてしまうことがあるからである。
【０００６】
このような課題を鑑みて、本発明は、原点信号の誤検知を抑制可能なエンコーダ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】
【０００７】
本発明の一側面としてのエンコーダは、原点検出用パターンが形成されたスケールと、前記原点検出用パターンを読み取る原点検出部と、原点信号を出力する処理部と、を有し、前記原点検出部は、複数の検出素子群を有し、前記検出素子群は、第１の検出部、第２の検出部、第３の検出部および第４の検出部を少なくとも有し、第１の検出部と第２の検出部、第３の検出部と第４の検出部が前記検出素子群の中央に対してそれぞれ対称に配置されており、前記原点検出用パターンは、前記原点検出部が検出する原点周辺部と異なる物理的特性の検出方向の長さが前記検出素子群の前記検出方向の長さより短くなるような検出方向の長さを有し、前記原点検出部は、前記第１の検出部と前記第３の検出部に基づいた第１の信号と、前記第２の検出部と第４の検出部に基づいた第２の信号を出力し、前記処理部は、前記第１の信号と第１の閾値を処理することで得られた第３の信号と、前記第２の信号と第２の閾値を処理することで得られた第４の信号と、を処理することで得られた第５の信号を前記原点信号として出力することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、原点信号の誤検知を抑制可能なエンコーダを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施例１のエンコーダの構成を表す図である。
【図２】スケールのトラックを表す図である。
【図３】光学系を表す図である。
【図４】変位検出センサの検出ブロックを表す図である。
【図５】変位検出センサからの信号を表す図である。
【図６】変位検出センサからの信号を２値化した信号を表す図である。
【図７】変位検出センサからの信号から求めた位相信号を表す図である。
【図８】原点検出センサの検出ブロックを表す図である。
【図９】実施例１の第１の信号と第２の信号、ならびに第１の閾値と第２の閾値を表す図である。
【図１０】原点検出処理部の処理部分を表す図である。
【図１１】第３の信号と第４の信号を表す図である。
【図１２】第５の信号を表す図である。
【図１３】原点信号処理のフローチャートである。
【図１４】第１の信号と第２の信号の原点パターン長との関係を表す図である。
【図１５】原点パターン長とクロスポイント電圧との関係を表す図である。
【図１６】実施例２のエンコーダの構成を表す図である。
【図１７】逓倍器の動作に関する説明図である。
【図１８】原点信号、原点パルスおよび位置変動余裕幅の関係を表す図である。
【図１９Ａ】第１および第２の閾値が等しい場合の第１の信号、第２の信号および第５の信号を表す図である。
【図１９Ｂ】第１の閾値が低電圧側、第２の閾値が高電圧側である場合の第１の信号、第２の信号および第５の信号を表す図である。
【図１９Ｃ】第１の閾値が高電圧側、第２の閾値が低電圧側である場合の第１の信号、第２の信号および第５の信号を表す図である。
【図２０】実施例３のロータリースケールを表す図である。
【図２１】分解能と空間周波数応答を表す図である。
【図２２】実施例３の第１の信号と第２の信号、ならびに第１の閾値と第２の閾値を表す図である。
【図２３】実施例４のリニアステージを表す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明する。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。
【実施例１】
【００１１】
本実施例では、一軸方向の移動量を検出するリニア型のエンコーダを例に説明する。図１は、本実施例のエンコーダの構成を表す図である。エンコーダは、スケール１０、変位検出センサ（変位検出部）２０、原点検出センサ（原点検出部）３０、変位検出信号処理部４０および原点信号処理部５０を有する。本実施形態のエンコーダは、スケール１０と、変位検出センサ２０および原点検出センサ３０との相対変位を検出する反射型の光学式インクリメンタルエンコーダである。被計測対象の一軸移動方向にスケール１０を取り付け、さらに固定部材に変位検出センサ２０を取り付けることで被計測対象の変位を検出する。スケール１０と原点検出センサ３０との位置関係が原点位置にあると、原点検出センサ３０から原点信号がデジタルパルスとして変位検出信号処理部４０に送られる。
【００１２】
スケール１０は、図２に示すように、２つのトラック１１、１２で構成されている。トラック１１は変位検出用、トラック１２は原点検出用である。各トラックにおいて、黒色の部分は反射部を表しており、白色の部分は非反射部を表している。トラック１１は、周期が２００μｍであり、反射部と非反射部はそれぞれ１００μｍおきに配置されている。トラック１２は、反射部１３が中央に検出方向に４００μｍの長さを有する。
【００１３】
変位検出センサ２０および原点検出センサ３０は、図３に示すように、光源２１とともに同一の実装基板２２上に実装されている。変位検出センサ２０は光源２１からトラック１１に照射された光の反射光を受光し、原点検出センサ３０はトラック１２に照射された光の反射光を受光する。この構成は、光源とスケールの間に光束を平行に束ねる平行光束レンズが存在しない発散光束構成である。発散光束構成とは、光源から発せられた光が平行、もしくは１点に集約されることなく、一様に広がりを持って進行する構成のことである。本実施例では、スケール１０上においてＰの幅を持つパターンの像は、各センサ上において２Ｐに拡大される。なお、本実施例では、各センサを同一の実装基板２２上に実装しているが、各センサは別基板上に実装してもよい。また、本実施例では、各センサに対して同一の光源２１を用いたが、各センサに対して別々の光源を使用してもよい。また、本実施例では、変位検出および原点検出を光学式において行うが、磁気式で行ってもよい。
【００１４】
変位検出センサ２０は、図４に示す検出ブロックを有する。図４において、受光素子Ａ〜Ｄは、受光量に比例した電圧を出力する。受光素子は端からＢ、Ｃ、Ｄ、Ａの順に配置され、この繰り返し単位が受光部２３で８周期分配置されている。各受光素子Ａ〜Ｄはそれぞれ変位検出方向に１００μｍの長さを有し、受光部２３は３２００μｍの長さを有する。
【００１５】
各受光素子Ａ〜Ｄにおいて出力された電圧は、ＡとＣを１組として差動アンプ１で中心電圧を基準として差動が取られ、ＢとＤを１組として差動アンプ２で中心電圧を基準として差動が取られる。差動アンプ１の出力を変位検出信号１、差動アンプ２の出力を変位検出信号２とする。
【００１６】
ここで、スケール１０におけるトラック１１が周期２００μｍで明暗の変化するパターンであるため、その反射光が受光部２３上で２倍に拡大され周期４００μｍで明暗の変化する像になり、それは受光部２３上における各受光素子Ａ〜Ｄの配置する周期になる。
【００１７】
以上の関係と、受光素子ＡとＢ、受光素子ＣとＤの位置関係から、受光素子Ｃは受光素子Ａの１８０°位相差信号、受光素子Ｄは受光素子Ｂの１８０°位相差信号をそれぞれ出力する。
【００１８】
この関係から、各受光素子Ａ〜Ｄはこれらで１組の受光素子配列群として数えることができる。群とは、変位検出センサ２０における変位検出信号１、２が出力されるための受光素子の最小構成単位であることを表す。変位検出信号１、２は、９０°の位相差を持っている。スケール１０と変位検出センサ２０が相対変位すると、変位に応じて各受光素子Ａ〜Ｄにおける受光量が変化し、変位検出信号１、２は正弦波状の信号として出力される。
【００１９】
変位検出センサ２０に対してスケール１０が相対的に１０００μｍ移動したときの変位検出信号１、変位検出信号２を図５に示す。図５では、横軸が変位、縦軸が電圧値を表している。前述した通り、スケール１０からの反射光は受光素子上で各受光素子Ａ〜Ｄの周期の正弦波になっているため、各変位検出信号の周期もトラック１１の周期である２００μｍになっている。また、変位検出信号１と変位検出信号２は９０°の位相差を持っているため、変位検出信号１と変位検出信号２は２００μｍ周期における９０°位相差である５０μｍ位相差になっている。変位検出センサ２０の電源電圧は３．３Ｖであり、差動アンプ１、２が電源電圧に対して中心電圧を基準に作動を取っているため、中心電圧は１／２Ｖｃｃである１．６５Ｖになっている。変位検出信号１、２は、中心電圧を基準に低電圧側と高電圧側に振れている。振幅は、光量やセンサとスケールとの位置関係によって変わるが、本実施例では２．０Ｖｐ−ｐにしている。
【００２０】
変位の検出はこの２相の信号に基づいて、変位検出信号処理部４０により行う。変位検出信号処理部４０は、２相信号をそれぞれ２値化し、カウントすることで周期ごとの変位検出を行う。変位検出信号１、２を２値化した信号を図６に示す。図６において、変位検出信号１を２値化した信号をデジタル信号１、変位検出信号２を２値化した信号をデジタル信号２とする。デジタル信号１、デジタル信号２ともに、変位検出信号１、変位検出信号２の周期である２００μｍおきに波形が立ち上がる。変位検出信号処理部４０は、これらデジタル信号１、２の立ち上がりの組み合わせから変位方向を判断し、周期ごとのカウントの増減を行う。
【００２１】
また、変位検出信号処理部４０は、周期内における変位検出のために、変位検出信号の電圧値をデジタル値として取り込み、２相の電圧値を基に逆正接演算を行う。２πを２５６とし、変位検出信号１、２を逆正接演算したときの位相値を図７に示す。図７では、横軸が変位、縦軸が正弦波の位相を表している。位相は、正弦波周期内で０〜２５５の値をとり、複数周期であればこれを繰り返す。すなわち、位相が２５５まで進んだとき、次の位相は０になる。本実施例では、周期が２００μｍであるため、変位検出センサ２０に対してスケール１０が相対的に１０００μｍ移動したときは、この繰り返しが５回繰り返されている。
【００２２】
１周期内における変位は、逆正接演算によって計算された位相を２πの値としている２５６で割ることにより求まる。これと２値化されたデジタル信号１、デジタル信号２から求められる周期ごとのカウンタ値を組み合わせ、検出変位は以下の式（１）により求められる。Ｐｏｓｉｔｉｏｎは検出変位、ｃｎｔは変位検出信号１、２の周期ごとのカウント値、θは変位検出信号１、２を逆正接演算することにより求められた正弦波周期内の位相である。
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【００２３】
次に、本実施例の原点検出について説明する。原点検出センサ３０は、図８に示す検出ブロックを有する。図８（Ａ）において、受光素子（検出部）Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは、受光量に比例した電圧を出力する。受光素子は端からＢ、Ｃ、Ｄ、Ａの順に配置され、この受光素子配列群（検出素子群）が受光部３１で２周期分配置されている。各受光素子Ａ〜Ｄはそれぞれ検出方向に４００μｍの長さを有し、受光部３１は３２００μｍの長さを有する。なお、本実施例では原点検出センサ３０において、各受光素子Ａ〜Ｄを１つの素子として表したが、図１（Ｂ）のように、複数の受光素子を検出方向に連ね、各受光素子からの出力を接続することで１つの受光素子としてみなしてもよい。
【００２４】
各受光素子Ａ〜Ｄにおいて出力された電圧は、ＡとＣを１組として差動アンプ３で中心電圧を基準として差動が取られ、ＢとＤを１組として差動アンプ４で中心電圧を基準として差動が取られる。差動アンプ３の出力を第１の信号、差動アンプ４の出力を第２の信号とする。
【００２５】
原点検出センサ３０における受光部３１の検出方向の長さをｘとすると、図１（Ａ）における配列から、第１の信号と第２の信号の位相差は受光部３１上におけるｘ／８となり、これはスケール上のｘ／１６に相当する。このことは、生成される第１の信号と第２の信号の位相差が受光部３１上における４００μｍ、すなわちスケール上における２００μｍになることを表す。
【００２６】
第１の信号、第２の信号から原点位置を検出するための基準信号として、それぞれについて第１の閾値、第２の閾値を用意する。これらは第１の信号、第２の信号がそれぞれ原点上における信号値になっているかどうかを判別するための信号である。
【００２７】
この構成において、検出方向に４００μｍの幅の反射部１３を有するトラック１２を原点検出センサ３０によって読み取ったときの第１の信号と第２の信号、ならびに第１の閾値と第２の閾値を図９に示す。図９では、横軸が変位、縦軸が電圧値を表している。原点検出センサ３０の電源電圧は、変位検出センサ２０と同様、３．３Ｖである。また、差動アンプ３、４が電源電圧に対して中心電圧を基準に差動を取っているため、中心電圧は１／２Ｖｃｃである１．６５Ｖになっている。第１の信号、第２の信号は、中心電圧を基準に低電圧側と高電圧側に振れている。振幅は、光量やセンサとスケールとの位置関係によって変わるが、本実施例では、０〜３．３Ｖまで振れている。
【００２８】
原点検出センサ３０は、図８（Ａ）に示されるように、各受光素子Ａ〜Ｄから構成される２組の受光素子配列群を有することから、原点検出センサ３０の反射部１３に対する応答出力は、第１および第２の信号ともに２周期分の信号になる。検出方向において、差動アンプ３、４の非反転入力に接続される受光素子ＡとＢ、差動アンプ３、４の反転入力に接続される受光素子ＣとＤは、受光素子配列群の中心に対してそれぞれ対称に配置されている。また、受光素子配列群において受光素子ＡとＢが外側、受光素子ＣとＤが内側に配置されている。そのため、受光時に第１の信号と第２の信号が中心電圧よりも高電圧側に出力するための受光素子ＡとＢは、受光部３１の中心部でのみ隣接し、それ以外の領域では離散的に配置されることになる。このことから、第１の信号と第２の信号は、中心部でのみともに中心電圧よりも高電圧側に出力される。また、中心部以外においては、第１の信号が中心電圧よりも高電圧側に出力されたときは第２の信号は中心電圧よりも低電圧側に出力され、第１の信号が中心電圧よりも低電圧側に出力されたときは第２の信号は中心電圧よりも高電圧側に出力される。
【００２９】
原点信号処理部５０は、図１０に示す処理部分を有する。コンパレータ５１、５２はそれぞれ、第１の信号と第１の閾値を比較して第３の信号を出力し、第２の信号と第２の閾値を比較して第４の信号を出力する。コンパレータ５１は、第１の信号の電圧値が第１の閾値よりも高いときにハイレベルの信号を出力し、そうでないときにロウレベルの信号を出力する。コンパレータ５２も同様に、第２の信号の電圧値が第２の閾値よりも高いときにハイレベルの信号を出力し、そうでないときにロウレベルの信号を出力する。図１１は、第３の信号と第４の信号を表す図である。各信号は２周期分出力されるため、各コンパレータからの出力もそれぞれ２周期分の２値化出力となる。ＡＮＤ回路５３は、第３の信号と第４の信号の論理積を取り、第５の信号を出力する。第１の信号と第２の信号がともにハイレベルになるのは受光部３１の中心部のみであることから、ＡＮＤ回路５３により論理積を取ると、図１２に示すように、１パルスの原点信号である第５の信号が生成される。本実施例では、第５の信号がハイレベルになったとき、変位検出信号処理部４０は被計測対象が原点位置に位置すると判断し、周期ごとのカウント値を０にリセットする。なお、本実施例では、原点信号処理部５０をコンパレータ５１、コンパレータ５２およびＡＮＤ回路５３で構成したが、第５の信号と同様の信号を得られればこれらは何を用いてもよい。
【００３０】
以上の処理に関して、具体的な例を図１３のフローチャートを用いて説明する。ステップＳ２００で原点信号処理開始後、まず第１の信号が第１の閾値よりも高い電圧値であるかどうかを評価する（ステップＳ２０１）。この評価を満たしていれば次の評価に進み、満たしてなければ終了する（ステップＳ２０４）。ステップＳ２０２では、第２の信号が第２の閾値よりも高い電圧値であるかどうかを評価する。この評価を満たしたときに原点信号を出力する（ステップＳ２０３）。なお、本実施例では、第１の信号と第１の閾値についての評価を先に行い、第２の信号と第２の閾値についての評価を後に行っているが、この順番は問わない。また、同時に評価した後にいずれも満たしているかを評価してもよい。
【００３１】
前述したように、第５の信号は、第１の信号と第２の信号がともに中心電圧よりも高い値を持つときに有効になる。よって、第１の閾値と第２の閾値をそれぞれ式（２）、（３）に示す範囲で設定すればよい。Ｖｏｆｆｓｅｔ１、Ｖｏｆｆｓｅｔ２はそれぞれ第１の信号、第２の信号の中心電圧、Ｖｒｅｆ１、Ｖｒｅｆ２はそれぞれ第１の閾値、第２の閾値である。また、Ｖｃｒｏｓｓは、中心電圧より高く、第１の信号と第２の信号が交差する電圧（以下、クロスポイント電圧という）である。
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【００３２】
これらの式は、基準信号である第１の閾値と第２の閾値の値が、中心電圧と、クロスポイント電圧によってのみ決定され、周辺部の信号の影響を受けないことを表す。ただし、中心電圧、クロスポイント電圧は、それぞれ光量変動、原点パターン変動、振幅変動などの変動成分を持つ。よって、式（２）、（３）は以下の式（４）、（５）のように書き換えられる。Ｖｏｍは中心電圧変動因子、ｖｃｍはクロスポイント電圧変動因子である。
2015152408.tif 000005
【００３３】
また、位置の異なる受光素子からの電圧から差動をとる構成においては、クロスポイント電圧は、反射部１３の検出方向の長さ（以下、原点パターン長という）によって異なる値になる。これは図８の差動アンプ３、４の出力値である第１の信号と第２の信号が以下の式（６）、（７）によって計算されることによる。Ｖ１は第１の信号、Ｖ２は第２の信号、Ｖｏｆｆｓｅｔは中心電圧である。
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【００３４】
ＶＡ、ＶＢ、ＶＣおよびＶＤの値は、検出する物理的特性の変化に応じて変化する。本実施例は光学式エンコーダであるため、以降は検出する物理的特性は反射光量であるとする。例えば、第１の信号において、ある位置における反射光量を見たとき、（受光素子Ａにかかる反射光量）＞（受光素子Ｃにかかる反射光量）であれば信号は中心電圧値よりも高電圧側に出力される。（受光素子Ａにかかる反射光量）＜（受光素子Ｃにかかる反射光量）であれば、信号は中心電圧値よりも低電圧側に出力される。（受光素子Ａにかかる反射光量）＝（受光素子Ｃにかかる反射光量）であれば、信号は中心電圧となる。受光素子上の反射光の検出方向の長さは、原点パターンの検出方向の長さ（以下、原点パターン長）により変化するため、クロスポイント電圧もまた、原点パターン長によって変化する。また、中心電圧より高電圧側における同相信号の論理積を取るこの処理系では、クロスポイント電圧が大きければ大きいほど原点検出余裕度は拡大する。したがって、原点検出余裕度を高くするために、原点パターン長を最適な値に設定する必要がある。
【００３５】
図１４は第１の信号と第２の信号の原点パターン長との関係を表す図であり、図１５は原点パターン長とクロスポイント電圧値との関係を表す図である。図１４では、横軸が変位、縦軸が電圧値を表している。図１４（Ａ）〜（Ｃ）は、それぞれ原点パターン長２００μｍ、６００μｍ、８００μｍのときの第１の信号と第２の信号を表している。図１５では、横軸が原点パターン長、縦軸が電圧を表している。また、図１５において、実線はクロスポイント電圧をプロットしたものであり、破線は中心電圧をプロットしたものである。図１５より、クロスポイント電圧は原点パターン長が０μｍから長くなるにつれて中心電圧から徐々に大きくなり、原点パターンからの反射光が受光部３１の中央において隣接する受光素子Ａ、Ｂの両方に照射される条件である４００μｍになったときに最大になる。以降は再び減少し、１つの受光素子配列群内の全ての受光素子に照射される条件である８００μｍになったときに再び中心電圧と同値となる。
【００３６】
よって、原点パターン長は、クロスポイント電圧が中心電圧よりも高い値をとる条件である８００μｍ未満の値であればよく、それはトラック１２における反射部１３によって形成された反射光の検出方向の長さが１つの受光素子配列群の検出方向の長さ未満になる値である。本実施例では、原点パターン長をクロスポイント電圧が最大の値となる４００μｍに設定している。
【００３７】
以上の構成により、原点以外における信号を原点上だと誤認識する可能性の低い良好な原点検出を行うことができる。
【００３８】
本実施例では、変位検出センサ２０および原点検出センサ３０が光源２１と同一平面上に存在し、スケール１０からの反射光を受光することで変位ならびに原点位置を検出する反射型の構成において説明した。しかしながら、本発明は、各センサが光源２１と別平面上に存在し、光源２１と各センサとの間にスケール１０が存在する透過型の構成においても適用できる。
【００３９】
また、本実施例では、変位検出のために原点検出センサとは別の変位検出センサを用いたが、原点検出センサの構成が受光素子配列群の配置数以外の部分で、本実施例における変位検出センサと同様であるため、変位検出のために本発明の原点検出センサを用いてもよい。
【００４０】
また、本実施例では、原点検出処理を回路で行ったが、第５の信号と同様の信号を得られればソフトウェアで行っても構わない。
【実施例２】
【００４１】
本実施例では、実施例１の変位検出信号処理部４０に変え、逓倍器６０を備える。図１６は、本実施例のエンコーダの構成を表す図である。また、図１７は、逓倍器の動作に関する説明図である。なお、原点検出処理の方法は、実施例１と同様である。
【００４２】
図１７において、逓倍器６０は、変位検出信号１、２をそれぞれ５０分割した周期のデジタル信号を逓倍パルス１、２として出力する。このときの各逓倍パルスのパルス長は４μｍになる。原点パルスは、逓倍パルス１、２のエッジに同期し、かつ原点信号の入力があったとき、原点パルス出力位相において出力される。原点パルス出力位相は、変位検出信号１、２が中心電圧よりも低電圧側で同値をとる位相である。
【００４３】
図１８は、原点信号、原点パルスおよび位置変動余裕幅の関係を表す図である。図１８において、原点パルス出力位相が原点信号に対し中央にあるとき、位置変動余裕幅１と位置変動余裕幅２はほぼ同値であり、これはそのどちらの方向の位置変動にも同等の耐性を持つことを意味する。一方、原点パルス出力位相が原点信号に対し偏在するとき、位置変動余裕幅２と比較して位置変動余裕幅１の位置変動の耐性が劣る。これは変位検出センサ２０と原点検出センサ３０が互いに片方向に偏った位置変動余裕を持つことを意味する。
【００４４】
以下、変位検出センサ２０の出力の位相と原点信号処理部５０から出力される原点信号との位相ズレの問題に対する対処方法について説明する。ここで問題とは、位相ズレによる位置変動余裕幅の減少により原点パルス出力位相が原点信号から外れてしまい、所望の位置において原点パルスが出力されないことである。
【００４５】
本実施例では、原点パルス出力位相に対する原点位置の出力位置の調整を行っている。原点信号である第５の信号は第１の閾値と第２の閾値によって波幅が決定される。例えば、１００μｍの波幅を持つ信号を得たい場合は、第１の閾値と第２の閾値を中心電圧と、クロスポイント電圧の中間値にすればよい。これは第１の信号と第２の信号の位相差が受光素子の配列によって決定され、その値が中心電圧において常に２００μｍであること、そこから閾値を大きくするにつれて減少し、第１の信号と第２の信号が交差する位置において０になるためである。第１の信号と第２の信号は、中心電圧からクロスポイント電圧にかけて直線性を持っていることから、原点信号波幅と閾値の関係は以下の式（８）のように表せる。λは原点信号波幅、Ｘは中心電圧における第１の信号と第２の信号の位相差である。簡略化のため、Ｖｒｅｆ１＝Ｖｒｅｆ２＝Ｖｒｅｆ、Ｖｏｆｆｓｅｔ１＝Ｖｏｆｆｓｅｔ２＝Ｖｏｆｆｓｅｔとしている。
2015152408.tif 000007
【００４６】
この構成において原点信号である第５の信号の位置調整を行うときは、第１の信号と第２の信号におけるそれぞれの閾値である第１の閾値と第２の閾値を個別に逆向きに変化させる。図１９Ａ〜１９Ｃは、第１の閾値と第２の閾値の値を、第１の閾値と第２の閾値が等しい状態からそれぞれ変化させたときの第１の信号、第２の信号および第５の信号を表している。例えば、原点位置を右に移動させる場合（図１９Ａの状態から図１９Ｂの状態）、第１の閾値Ｖｒｅｆ１を低電圧側に、第２の閾値Ｖｒｅｆ２を高電圧側に変化させる。逆に、原点位置を左に移動させる場合（図１９Ａの状態から図１９Ｃの状態）、第１の閾値Ｖｒｅｆ１を高電圧側に、第２の閾値Ｖｒｅｆ２を低電圧側に変化させる。このときの各閾値の変化の絶対値は同値であるほうがよい。変化値が個別の絶対値を持ったとき、Ｖｒｅｆ１＝Ｖｒｅｆ２時の原点信号幅よりも幅が狭く、もしくは広く変化してしまうからである。
【００４７】
Ｖｒｅｆ１＝Ｖｒｅｆ２＝Ｖｒｅｆであるときの原点位置を初期位置としたとき、原点位置の調整幅ΔＯｒｇは以下の式（９）で表すことができる。
2015152408.tif 000008
【００４８】
さらに、中心電圧変動因子Ｖｏｍ、クロスポイント電圧変動因子ｖｃｍを考慮すると、式（９）は以下の式（１０）のように書き換えられる。
2015152408.tif 000009
【００４９】
以上の構成により、逓倍器６０に接続された場合でも原点信号の出力位置が調整可能であるため、変位検出信号に同期した原点信号を用いて原点パルスを出力する系においても本発明の原点検出処理を適用できる。なお、本実施例においても、実施例１と同様に信号の検出方法および処理部構成の異なる系においても適用可能である。
【実施例３】
【００５０】
本実施例のエンコーダも実施例１と同様、スケール１０、変位検出センサ２０、原点検出センサ３０、変位検出信号処理部４０および原点信号処理部５０を有する。ただし、スケール１０のパターンが実施例１とは異なり、変位検出用パターンと原点検出用パターンが複合されたシングルトラック構成になっている。本実施例では、スケールの回転角度を検出するロータリー型の構成に関して説明する。
【００５１】
図２０は、本実施例のロータリー型のシングルトラックスケールを表す図である。全体に渡って周期的に配置されているパターンは変位検出用パターンであり、上部において変位検出パターンに連結される形で表現されたパターンが原点検出用パターンである。変位検出センサ２０と原点検出センサ３０は、ともに同一トラック内に配置された変位検出用パターンからの反射光と原点検出用パターンからの反射光が複合した光信号を受光する。本実施例では、実施例１とは異なり、変位検出センサ２０と原点検出センサ３０の分解能が異なっていること、すなわち受光素子配列群の並びが異なっていることが必須となる。ここで、分解能とは、変位検出センサ２０および原点検出センサ３０が最も強い応答を示すスケールピッチのことを表す。
【００５２】
変位検出センサ２０と原点検出センサ３０が異なる配列の受光素子配列群を有することにより、それらは異なる空間周波数応答を有する。例えば、変位検出センサ２０は、受光部２３上において４００μｍのピッチを持つ光信号に最も強く応答する。それ以外のピッチの光信号は、各受光素子において差動関係にあるＡとＣ、ＢとＤにおいて同じ出力値を示すために相殺されるため、応答は弱くなる。
【００５３】
変位検出センサ２０と原点検出センサ３０が有する空間周波数応答特性を図２１に示す。図２１では、横軸が空間周波数、縦軸が規格化された各センサ出力の応答を表している。図２１に示すように、原点検出センサ３０は、原点検出用パターンと変位検出用パターンからの光が混合した光信号において、変位検出センサ用パターンからの光信号には応答せず、原点検出用パターンのみに応答する。変位検出センサ２０は、それとは逆に原点検出用パターンからの光信号には応答せず、変位検出用パターンからの光信号にのみ応答する。
【００５４】
これにより、同一トラック内に配置された変位検出用パターンと原点検出用パターンにより混合された光信号は、それぞれの有する空間応答周波数が異なる変位検出センサ２０と原点検出センサ３０によって分離され、それぞれの光信号における応答を示す。
【００５５】
本実施例においても実施例１と同様、第１の信号と第２の信号がそれぞれ原点上における信号値になっているかどうかを判別するために、第１の閾値および第２の閾値を設定する。
【００５６】
図２２は、原点検出センサ３０の第１の信号と第２の信号、ならびに第１の閾値と第２の閾値を表している。図２２では、横軸が変位、縦軸が電圧値を表している。振幅は、光量やセンサとスケールとの位置関係によって変わるが、本実施例では、０．５〜３．０Ｖ程度まで振れている。本実施例では、原点検出センサ３０は変位検出用パターンからの反射光と原点検出用パターンからの反射光が混合した光信号を受光している。しかしながら、図２２に示すように、原点検出センサ３０が持つ空間周波数応答特性によって変位検出用パターンからの反射光はほとんど無視され、原点検出用パターンからの反射光の成分を特に出力しているのがわかる。
【００５７】
各検出用パターンが別トラックに配置された構成では、各センサがスケールに対して検出方向とは垂直な方向に変位すると、トラック境界を基準として各センサが各検出用パターンの範囲から超えてしまい、各センサが読み取れなくなる。一方、各検出用パターンが同一トラック内に配置された構成では、トラック境界が存在しないため、各センサがスケールに対して検出方向とは垂直な方向に変位しても各センサが各検出用パターンを読み違えることがない。そのため、原点検出用パターンと変位検出用パターンが同一トラック内に配置されることにより、別トラックに存在する構成よりも各センサの径方向の変動に強くなる。ロータリー型のスケールにおいては、検出方向に垂直な方向はスケールの偏芯方向であるため、これは偏芯変動に強くなることを意味する。
【００５８】
こうすることで得られた原点検出センサ３０からの信号を用いて、以降は実施例１と同様の処理を行うことで原点信号を得ることができる。なお、本実施例においても、実施例１と同様に信号の検出方法および処理部構成の異なる系においても適用可能である。
【実施例４】
【００５９】
図２３は、本実施例のリニアステージである。リニアステージは、スケール１０、モータ７０、ボールねじ８０、ステージ９０、エンコーダ１００およびコントローラ１１０を有する。エンコーダ１００は、実施例１の変位検出センサ２０、原点検出センサ３０、変位検出信号処理部４０および原点信号処理部５０を有する。また、エンコーダ１００は、他の実施例と同様に反射型の光学式エンコーダである。
【００６０】
ボールねじ８０はモータ７０の回転運動を直線運動に変換可能であり、ボールねじ８０によってステージ９０はモータ７０の回転量に応じて図２３の移動方向に移動する。スケール１０はステージ９０の側面に一軸移動方向を検出する向きに貼り付けられ、エンコーダ１００はスケール１０を読み取る向きに取り付けられている。コントローラ１１０は、エンコーダ１００からの信号を元にステージ９０の変位を検出し、モータ７０の回転量を制御することでステージ９０の位置制御を行っている。
【００６１】
変位の検出は、エンコーダ１００の変位検出センサ２０、スケール１０のトラック１１の変位検出用パターンによって行う。変位検出センサ２０は、スケール１０との相対変位に応じて二相の正弦波信号を出力し、エンコーダ１００がこれを位置信号に変換してコントローラ１１０に伝える。
【００６２】
この構成において、コントローラ１１０はステージ９０の基準位置からの変位を知る必要がある。それはステージ９０が一軸移動方向の限界位置に達したにも関わらず、コントローラ１１０がそれを誤り、モータ７０を回転させ続けようとするといった誤動作を避けるためである。一軸移動方向の限界位置を知るだけであればリミットセンサを使用してもよいが、エンコーダ１００に加えてリミットセンサを設けることによる構成部品の増加を招くために本実施例では使用しない。ここでの構成部品とは、エンコーダ１００やリミットセンサにおける周辺回路部品を指す。
【００６３】
そこで、本実施例では、スケール１０に絶対位置の基準としてトラック１１の変位検出用パターンとは別にトラック１２の原点検出用パターンを用意し、エンコーダ１００の原点検出センサ３０で原点検出用パターンを検出する。
【００６４】
本実施例では、電源投入時、原点を検出するために、ステージ９０を移動させて原点パターンを探す原点検出を行う。原点検出用パターンがエンコーダ１００の原点検出センサ３０上に達すると、原点信号処理部５０を経て原点信号として第５の信号がコントローラ１１０に送られる。原点信号の受信によりステージ８０が原点上に位置していると認識したコントローラ１１０は、この時点での検出位置を０にリセットする。それにより、以降は原点検出パターンの存在する領域を原点位置とした変位検出が可能になり、ステージ８０の正確な制御が行える。
【００６５】
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ず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
【符号の説明】
【００６６】
１０  スケール
１３  原点検出用パターン
３０  原点検出センサ（原点検出部）
３１  受光部
５０  原点信号処理部（処理部）
【図１】
2015152408.tif 000010
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
2015152408.tif 000022
【図１４】
2015152408.tif 000023
【図１５】
2015152408.tif 000024
【図１６】
2015152408.tif 000025
【図１７】
2015152408.tif 000026
【図１８】
2015152408.tif 000027
【図１９Ａ】
2015152408.tif 000028
【図１９Ｂ】
2015152408.tif 000029
【図１９Ｃ】
2015152408.tif 000030
【図２０】
2015152408.tif 000031
【図２１】
2015152408.tif 000032
【図２２】
2015152408.tif 000033
【図２３】
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