(57)【要約】【課題】原点検出位置のバラツキを抑え、常に正確な測定値を得る。【解決手段】合成回路２１は、メインスケールの第１の光学格子とインデックススケールの第２の光学格子の測定軸方向の相対位置の変化に応じて位相が変化する主信号φＡ，φＢを出力する。内部原点信号生成回路２３は、メインスケールの第１の原点検出用パターンとインデックススケールの第２の原点検出用パターンとの対向状態に応じて内部原点信号Ｚｉを出力する。位相指定回路２５は、内部原点信号Ｚｉが出力されてから内部原点信号Ｚｉの出力タイミングのバラツキを吸収する所定のマージンを経た後に主信号φＡが所定の位相となったタイミングで外部原点信号Ｚｏを出力する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定軸方向に延びる第１の変位検出用パターンと前記測定軸方向における原点位置を検出するための第１の原点検出用パターンとが形成されたメインスケールと、
このメインスケールに対して前記測定軸方向に相対的に移動可能に配置されて前記第１の変位検出用パターン及び第１の原点検出用パターンにそれぞれ対応する位置に第２の変位検出用パターン及び第２の原点検出用パターンが形成されたインデックススケールと、
前記メインスケールの第１の変位検出用パターンと前記インデックススケールの第２の変位検出用パターンとの前記測定軸方向の相対位置の変化に応じて位相が変化する主信号を出力する主信号出力回路と、
前記メインスケールの第１の原点検出用パターンと前記インデックススケールの第２の原点検出用パターンとの対向状態に応じて内部原点信号を出力する内部原点信号出力回路と、
前記内部原点信号が出力されてから前記内部原点信号の出力タイミングのバラツキを吸収する所定のマージンを経た後に前記主信号が所定の位相となったタイミングで外部原点信号を出力する外部原点信号出力回路と
を備えたことを特徴とする変位測定装置。
【請求項２】
前記外部原点信号出力回路は、
前記主信号が前記所定の位相となったことを示す位相信号を出力する位相信号出力回路と、
前記内部原点信号出力回路から内部原点信号が出力されてからその直後に出力される前記位相信号の出力が終了するまでの間だけアクティブになるゲート信号を出力するゲート信号出力回路と、
前記位相信号の出力を前記ゲート信号がアクティブの間だけ通過させるゲート回路と
を備えてなることを特徴とする請求項１記載の変位測定装置。
【請求項３】
前記位相信号出力回路は、
外部からの操作で前記出力される位相信号の位相を切替える切替え手段を備えている
ことを特徴とする請求項２記載の変位測定装置。
【請求項４】
前記主信号を更に内挿分割して変位測定用の分割信号を出力する内挿分割回路を更に備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の変位測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学式エンコーダ、磁気式エンコーダ、静電容量式エンコーダ、電磁誘導式エンコーダ、これらの方式を組み合わせたエンコーダ等の変位測定装置に関し、特に原点位置検出のバラツキを低減した変位測定装置に関する。
【０００２】
被測定物の相対的移動量を測定するための変位測定装置、特にインクリメンタルタイプのエンコーダにおいては、メインスケールとこれに対向するインデックススケールとに原点を検出するための原点検出用パターンを形成しておき、電源投入時や任意の時点で、原点検出用パターンを検出し、その原点検出信号をトリガ信号としてゼロセットやプリセット等を行うようにしている。また、例えばアナログ出力型スケールでは、原点検出信号の出力タイミングを、計測用の主信号の特定の位相エリア内に収めるように、主信号の位相を調整可能にした変位測定装置も知られている（特許文献１）。即ち、この特許文献１に開示されたものは、主信号の特定の位相領域、例えば主信号が２相出力信号である場合、Ａ相と、これより９０°位相が進んだＢ相とが共に正となる位相領域で原点検出信号が出力されるように、主信号の位相を切替えるようにしている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−１１６０６０号公報（段落００２６、図１）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の変位測定装置では、主信号の特定の位相領域と原点検出信号の出力タイミングとの同期は図っているものの、原点検出信号の出力タイミングが主信号の特定の位相領域内でばらつくことがある。このようなバラツキが生じる原因としては、次のようなものが挙げられる。
【０００５】
▲１▼移動中のスケールの移動方向の動きの他に、モアレ、ギャップの変動、ローリング、ピッチング等の好ましくない挙動が含まれることから生じる検出器とスケールとの相対的のバラツキの影響。
▲２▼信号処理系の遅延により原点検出用パターンを通過する際の速度のバラツキから受ける影響。
▲３▼原点検出用パターンの検出信号を生成するためのアナログ源信号に含まれるノイズの影響。
【０００６】
このような原点検出信号の出力タイミングのバラツキが生じると、得られる指示値（測定値）が原点検出のたびに異なってしまう。特に微細測定を可能にするため、主信号を高分割して最小読取り値をより細かくした変位測定装置では、原点検出信号の出力タイミングのバラツキが数カウント分の指示値のバラツキにつながるので、測定精度に大きな影響を与えてしまう。
【０００７】
本発明は、上記の問題点に鑑みなされたもので、原点検出位置のバラツキを抑え、常に正確な測定値を得ることができる変位測定装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る変位測定装置は、測定軸方向に延びる第１の変位検出用パターンと前記測定軸方向における原点位置を検出するための第１の原点検出用パターンとが形成されたメインスケールと、このメインスケールに対して前記測定軸方向に相対的に移動可能に配置されて前記第１の変位検出用パターン及び第１の原点検出用パターンにそれぞれ対応する位置に第２の変位検出用パターン及び第２の原点検出用パターンが形成されたインデックススケールと、前記メインスケールの第１の変位検出用パターンと前記インデックススケールの第２の変位検出用パターンとの前記測定軸方向の相対位置の変化に応じて位相が変化する主信号を出力する主信号出力回路と、前記メインスケールの第１の原点検出用パターンと前記インデックススケールの第２の原点検出用パターンとの対向状態に応じて内部原点信号を出力する内部原点信号出力回路と、前記内部原点信号が出力されてから前記内部原点信号の出力タイミングのバラツキを吸収する所定のマージンを経た後に前記主信号が所定の位相となったタイミングで外部原点信号を出力する外部原点信号出力回路とを備えたことを特徴とする。
【０００９】
本発明によれば、メインスケールの第１の原点検出用パターンとインデックススケールの第２の原点検出用パターンとの対向状態に応じて出力される原点信号を内部原点信号とし、この内部原点信号が出力されてから前記内部原点信号の出力タイミングのバラツキを吸収する所定のマージンを経た後に主信号が所定の位相となったタイミングで外部原点信号を測定の基準となる原点信号として出力するようにしているので、原点検出用パターンにより出力される内部原点信号の出力タイミングがばらついても、測定の基準となる原点信号の出力タイミングは、主信号に対してばらつくことが無く、常に高精度な変位測定が可能になる。
【００１０】
外部原点信号出力回路は、例えば主信号が所定の位相となったことを示す位相信号を出力する位相信号出力回路と、内部原点信号出力回路から内部原点信号が出力されてからその直後に出力される位相信号の出力が終了するまでの間だけアクティブになるゲート信号を出力するゲート信号出力回路と、位相信号の出力をゲート信号がアクティブの間だけ通過させるゲート回路とを備えて構成することができる。この場合、位相信号出力回路としては、例えば外部からの操作で、出力される位相信号の位相を切替える切替え手段を備えていることが望ましい。このような構成であれば、内部原点信号の出力タイミングのバラツキを考慮して、主信号の最も適切な位相を選択することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面に基づいて説明する。
図１は、本発明に係る変位測定装置を光学式エンコーダに適用した一実施形態を示す図で、特に検出系の構成を示す斜視図である。
図１に示すように、本光学式エンコーダの検出系は、測定軸Ａ方向に延びるメインスケール１１と、このメインスケール１１に微小ギャップを介して対向配置されメインスケール１１に対して測定軸Ａ方向に相対移動可能なインデックススケール１２と、これらメインスケール１１及びインデックススケール１２を挟んで対向配置された発光素子１０及び受光部１３，１４とを備えている。
【００１２】
メインスケール１１は、ガラススケール上に測定軸Ａ方向の移動量を検出するための測定軸Ａ方向に延びる第１の光学格子１１Ｇと、原点位置を検出するための第１の原点検出用光学格子１１Ｚとをパターン形成してなるものである。
インデックススケール１２は、ガラススケールの第１の光学格子１１Ｇと対向する面に第２の光学格子１２Ａ，１２Ｂ，１２Ａ´，１２Ｂ´を形成し、第１の原点検出用光学格子１１Ｚと対向し得る面に第２の原点検出用光学格子１２Ｚを形成してなるものである。
【００１３】
第１の光学格子１１及び第２の光学格子１２Ａ，１２Ｂ，１２Ａ´，１２Ｂ´は、いずれも格子ピッチがｐである。第２の光学格子１２Ａ，１２Ｂ，１２Ａ´，１２Ｂ´は、第１の光学格子１１との間の空間位相が、互いに９０°ずつずれるような位相関係でそれぞれ形成されている。
【００１４】
受光部１３は、４つの受光素子１３Ａ，１３Ｂ，１３Ａ´，１３Ｂ´から構成されている。これら４つの受光素子１３Ａ，１３Ｂ，１３Ａ´，１３Ｂ´は、それぞれ前述の光学格子１２Ａ，１２Ｂ，１２Ａ´，１２Ｂ´と対向する位置に配置されている。メインスケール１１とインデックススケール１２とが測定軸Ａ方向に相対的に移動することにより、受光素子１３Ａ，１３Ｂ，１３Ａ´，１３Ｂ´には、格子ピッチｐと同じ周期で明暗が変化する光が受光される。これにより、受光素子１３Ａ，１３Ｂからは互いに９０°位相の異なる正弦波状の検出信号Ａ，Ｂが出力される。同様に受光素子１３Ａ´，１３Ｂ´からも、互いに９０°位相の異なる正弦波状の検出信号−Ａ，−Ｂが出力される。検出信号Ａ，−Ａ、検出信号Ｂ，−Ｂは、それぞれ互いに１８０°位相がずれた信号となる。
【００１５】
受光部１４は、原点検出用光学格子１１Ｚ，１２Ｚにより規定される原点位置を検出するためのものであり、ランダムパターンにより構成されている。これにより、例えば図４に示すように、メインスケール１１とインデックススケール１２とが相対移動して原点検出用光学格子１１Ｚ，１２Ｚが完全に重なった位置で鋭く立ち下がる原点原信号φＺが得られる。
【００１６】
図２は、このような検出系の受光部１３，１４からの検出信号Ａ，−Ａ，Ｂ，−Ｂ及び原点原信号φＺを処理する信号処理回路２０を示す。この信号処理回路２０は、合成回路２１、内挿分割回路２２、内部原点信号生成回路２３、ゲート信号出力回路２４及び位相指定回路２５を備えて構成されている。
【００１７】
合成回路２１は、主信号出力回路を構成するもので、同相ノイズ除去のため、１８０°位相の異なる検出信号Ａ，−Ａを合成して図３（ａ）に示すようなＡ相信号φＡ（主信号）を生成すると共に、１８０°位相の異なる検出信号Ｂ，−Ｂを合成して図３（ｂ）に示すようなＢ相信号φＢ（主信号）を生成する。
【００１８】
内挿分割回路２２は、Ａ相信号φＡとＢ相信号φＢの周期を所定数分割した方形波信号を出力するものである。ここでは、Ａ相信号φＡとＢ相信号φＢの周期をそれぞれ１００分割した２相方形波信号Ｄ１００Ａ，Ｄ１００Ｂ、Ａ相信号φＡの周期を２分割した方形波信号Ｄ２（図３（ｃ）参照）及びＡ相信号φＡの周期を４分割した方形波信号Ｄ４（図３（ｄ）参照）をそれぞれ生成し出力するものである。
【００１９】
なお、ここで２分割、４分割というのは一例であり、例えば２分割と５分割の信号の組合せとすることも可能である。要は、Ａ相信号φＡ、Ｂ相信号φＢの周期と同一周期の低分割信号と、この低分割信号とエンコーダの移動量を測定するための２相方形波信号（Ｄ１００Ａ，Ｄ１００Ｂ等）との中間の分割数の分割信号（中分割信号）とを用意すれば良い。
２相方形波信号Ｄ１００Ａ，Ｄ１００Ｂは、図示しない計数回路に出力され、この計数回路よりメインスケール１１の移動量が出力される。
【００２０】
内部原点信号生成回路２３は、図４に示すように、原点原信号φＺを所定の基準レベルでスライスし、図３（ｂ）に示すようなパルス状の内部原点信号Ｚｉを出力する。この内部原点信号Ｚｉは、図３（ｂ）に矢印及び点線で示すように、前述の様々な要因により出現位置にバラツキが生じるものである。
【００２１】
ゲート信号出力回路２４は、ゲート信号Ｇを出力するもので、図３（ｆ）に示すように、内部原点信号Ｚｉの立ち上がりを検出してゲート信号Ｇを立上げ、方形波信号Ｄ４の立下りを解除信号Ｒとしてゲート信号Ｇを立ち下げる。
【００２２】
位相指定回路２５は、複数の方形波信号Ｄ２，Ｄ４を論理演算して主信号であるＡ相信号φＡの特定の位相タイミングで出力される位相信号を生成すると共に、この位相信号をゲート信号Ｇに応じて外部原点信号として出力する外部原点信号出力回路を構成する。方形波信号Ｄ２と、これをインバータＩＮＶ１によって反転した信号のいずれか一つがスイッチＳＷ１により選択され、選択された出力信号Ｄ２´がＡＮＤ回路２６に供給される。同様に、方形波信号Ｄ４と、これをインバータＩＮＶ２によって反転した信号のいずれか一つがスイッチＳＷ２により選択され、選択された出力信号Ｄ４´がＡＮＤ回路２６に供給される。ＡＮＤ回路２６は、出力信号Ｄ２´，Ｄ４´を論理積してゲート回路２７に出力する。この様子は図３（ｃ）〜（ｅ）に示されている。スイッチＳＷ１，ＳＷ２を切替えて、ＡＮＤ回路２６に与えられる２分割及び４分割の方形波信号Ｄ２，Ｄ４とその反転信号との組合せを変える事により、ＡＮＤ回路２６から出力される位相信号の位相を適宜切替えることができる。ここでスイッチＳＷ１，ＳＷ２は切替え手段を構成し、インバータＩＮＶ１，ＩＮＶ２、スイッチＳＷ１，ＳＷ２及びＡＮＤ回路２６が位相信号出力回路を構成している。また、ゲート信号出力回路２４と位相指定回路２５とで外部原点信号出力回路が構成されている。
【００２３】
スイッチＳＷ１，ＳＷ２の切替えは、図３（ｂ）に示す内部原点信号Ｚｉの出現位置とそのバラツキを考慮してユーザが適宜切替えるものとする。例えばスイッチＳＷ１，ＳＷ２により、図５に示すように、方形波信号Ｄ２の反転信号と方形波信号Ｄ４の非反転信号の論理積（−Ｄ２  ＡＮＤ  Ｄ４）や、両方形波Ｄ２，Ｄ４の非反転信号同士の論理積（Ｄ２  ＡＮＤ  Ｄ４）等を適宜ＡＮＤ回路２６の出力（位相信号）として選択することもできる。
【００２４】
しかし、内部原点信号Ｚｉの立ち上がりが図５に示すような位置である場合には、論理積信号（−Ｄ２  ＡＮＤ  Ｄ４）を位相信号として選択すると、図中点線で示す内部原点信号Ｚｉの出現位置のバラツキにより、外部原点信号Ｚｏが図中３１の位置で出現したり、３２の位置で出現したりするので、主信号であるＡ相信号φＡ又はＢ相信号φＢの１周期分の誤差が生じることになる。従って、内部原点信号Ｚｉの立ち上がりから、その位置のバラツキ分を吸収する所定のマージン（例えばＡＢ間の距離）を経た後に立ち上がる論理積信号（Ｄ２  ＡＮＤ  Ｄ４）を位相信号として選択するようにスイッチＳＷ１，ＳＷ２を切替えることが必要である。
【００２５】
なお、スイッチＳＷ１，ＳＷ２の選択は、出荷調整時に手動で行うこともできるが、初期化処理時に内部原点信号Ｚｉの出現位置と各位相信号の出現位置の間の時間を測定し、例えば前述した所定のマージン以上で最も早く立ち上がる位相信号を最適な位相信号として選択するようにプログラムされた制御手段により自動選択するようにしても良い。
【００２６】
ゲート回路２７は、ゲート信号出力回路２４からのゲート信号Ｇ（図３（ｆ）参照）が立ち上がった後にＡＮＤ回路２５から出力される位相信号を外部原点信号Ｚｏ（図３（ｇ）参照）として外部に出力するとともに、ＡＮＤ回路２６からの位相信号の次の立下りを検出して、解除信号Ｒをゲート信号出力回路２４に出力する。ゲート信号出力回路２４は、この解除信号Ｒを受けると、ゲート信号Ｇの出力を中止するとともに、内部原点信号Ｚｉのラッチを解除する。これにより、外部原点信号Ｚｏの出力は、内部原点信号Ｚｉの一度の出力で一回だけ出力されることになる。
【００２７】
次に、以上のように構成された光学式エンコーダの作用を説明する。
まず、ゼロセット又はプリセットを行うため、メインスケール１１とインデックススケール１２の相対位置を初期位置（ホームポジション）に移動させた後、予め決められた方向にメインスケール１１とインデックススケール１２とを相対移動させる。この過程で、メインスケール１１に形成された第１の原点検出用光学格子１１Ｚと、インデックススケール１２に形成された第２の原点検出用光学格子１２Ｚの位置が一致するので、そのタイミングで受光部１４からは原点原信号φＺが出力される。これにより、内部原点信号生成回路２３からは内部原点信号Ｚｉが出力される。この内部原点信号Ｚｉがゲート信号出力回路２４にラッチされるので、ゲート信号Ｇが立ち上がる。
【００２８】
いま、内部原点信号Ｚｉと主信号との位相関係が、図３に示すような関係であるとすると、内部原点信号Ｚｉの立ち上がりの後、主信号であるＡ相信号φＡの２７０°の位相のタイミングで外部原点信号Ｚｏが出力される。この外部原点信号Ｚｏにより、図示しない計数回路がリセット又はプリセットされ、内挿分割回路２２からの１００分割出力Ｄ１００Ａ，Ｄ１００Ｂを計数回路がカウントすることで、被測定物の変位を測定する。外部原点信号Ｚｏの出力タイミングは主信号に対してずれることはないので、常に同じ位置を原点とした正確な測定が可能になる。
【００２９】
なお、上述した実施の形態では、光学式エンコーダを一例として本発明を説明したが、本発明のような原点検出方式は、特に光学式エンコーダに限定されるものではなく、磁気式エンコーダ、静電容量式エンコーダ、電磁誘導式エンコーダ等、他の検出方式の変位測定装置にも同様に適用可能である。
【００３０】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明に係る変位測定装置によれば、メインスケールの第１の原点検出用パターンとインデックススケールの第２の原点検出用パターンとの対向状態に応じて出力される原点信号を内部原点信号とし、この内部原点信号が出力されてから前記内部原点信号の出力タイミングのバラツキを吸収する所定のマージンを経た後に主信号が所定の位相となったタイミングで外部原点信号を測定の基準となる原点信号として出力するようにしているので、原点検出用パターンにより出力される内部原点信号の出力タイミングがばらついても、測定の基準となる原点信号の出力タイミングは、主信号に対してばらつくことが無く、常に高精度な変位測定が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る光学式エンコーダの構成を示す斜視図である。
【図２】図１に示す受光部１３，１４からの検出信号を処理する信号処理回路２０の構成を示す。
【図３】信号処理回路２０に入力または信号処理回路２０により生成される信号を示すタイミングチャートである。
【図４】図１に示す受光部１４の検出信号の処理を説明するための概念図である。
【図５】図２に示すＡＮＤ回路２６の出力信号の選択方法を説明するための図である。
【符号の説明】
１０…発光素子、１１…メインスケール、１１Ｇ…第１の光学格子、１１Ｚ…第１の原点検出用光学格子、１２…インデックススケール、１２Ａ，１２Ｂ，１２Ａ´，１２Ｂ´…第２の光学格子、１２Ｚ…第２の原点検出用光学格子、１３，１４…受光部、１３Ａ，１３Ｂ，１３Ａ´，１３Ｂ´…受光素子、２０…信号処理回路、２１…合成回路、２２…内挿分割回路、２３…内部原点信号生成回路、２４…ゲート信号出力回路、２５…位相指定回路、２６…ＡＮＤ回路、２７…ゲート回路。
【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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