(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
スケールおよび検出器を有し、これらスケールと検出器との相対変位に応じて周期状の信号を生成するエンコーダ部と、
前記エンコーダ部により生成された信号を規格化する規格化部と、
前記規格化部により規格化された信号の逆三角関数を演算する逆三角関数演算部と、
前記逆三角関数演算部により演算された信号の所定時間ごとの変化量を演算する変化量演算部とを具備し、
前記エンコーダ部は、位相が異なる複数の信号を生成し、
前記変化量演算部により演算された前記複数の信号の前記変化量の絶対値をそれぞれ取得し、取得した同時刻での絶対値のうち、最小値より大きく、かつ、最大値を含む、前記最小値から前記最大値までの値のうちいずれか１つを抽出する抽出部
をさらに具備する変位計測装置。
【請求項２】
請求項１に記載の変位計測装置であって、
前記抽出部は、前記最大値を抽出する
変位計測装置。
【請求項３】
スケールおよび検出器を有し、これらスケールと検出器との相対変位に応じて周期状の信号を生成するエンコーダ部と、
前記エンコーダ部により生成された信号を規格化する規格化部と、
前記規格化部により規格化された信号の逆三角関数を演算する逆三角関数演算部と、
前記逆三角関数演算部により演算された信号の所定時間ごとの変化量を演算する変化量演算部とを具備し、
前記エンコーダ部は、位相が異なる複数の信号を生成し、
前記逆三角関数演算部で演算された前記複数の信号と、前記変化量演算部で演算された前記複数の信号のそれぞれの変化量に基づき、前記スケールおよび前記検出器の相対変位の方向の情報を取得する変位方向取得部
をさらに具備する変位計測装置。
【請求項４】
スケールおよび検出器を有し、これらスケールと検出器との相対変位に応じて周期状の信号を生成するエンコーダ部と、
前記エンコーダ部により生成された信号を規格化する規格化部と、
前記規格化部により規格化された信号の逆三角関数を演算する逆三角関数演算部と、
前記逆三角関数演算部により演算された信号の所定時間ごとの変化量を演算する変化量演算部とを具備し、
前記エンコーダ部は、位相が異なる複数の信号を生成し、
前記スケールと前記検出器との相対移動が可能な範囲内で前記エンコーダ部により生成された信号の最大値および最小値を記憶する記憶部をさらに具備し、
前記規格化部は、前記記憶部に記憶された最大値および最小値を用いて、規格化を実行する
変位計測装置。
【請求項５】
請求項４に記載の変位計測装置であって、
前記最大値および最小値を更新する更新部
をさらに具備する変位計測装置。
【請求項６】
スケールと検出器との相対変位に応じて周期状の信号を生成するエンコーダ部から出力される前記信号を処理する信号処理装置であって、
前記スケールと前記検出器との相対変位に応じて周期状の信号を生成するエンコーダ部と、
前記エンコーダ部により生成された信号を規格化する規格化部と、
前記規格化部により規格化された信号を逆三角関数に演算する逆三角関数演算部と、
前記逆三角関数演算部により演算された信号の所定時間ごとの変化量を演算する変化量演算部とを具備し、
前記エンコーダ部は、位相が異なる複数の信号を生成し、
前記変化量演算部により演算された前記複数の信号の前記変化量の絶対値をそれぞれ取得し、取得した同時刻での絶対値のうち、最小値より大きく、かつ、最大値を含む、前記最小値から前記最大値までの値のうちいずれか１つを抽出する抽出部
をさらに具備する信号処理装置。
【請求項７】
スケールと検出器との相対変位に応じて周期状の信号を生成するエンコーダ部から出力される前記信号を処理する信号処理装置であって、
前記スケールと前記検出器との相対変位に応じて周期状の信号を生成するエンコーダ部と、
前記エンコーダ部により生成された信号を規格化する規格化部と、
前記規格化部により規格化された信号を逆三角関数に演算する逆三角関数演算部と、
前記逆三角関数演算部により演算された信号の所定時間ごとの変化量を演算する変化量演算部とを具備し、
前記エンコーダ部は、位相が異なる複数の信号を生成し、
前記逆三角関数演算部で演算された前記複数の信号と、前記変化量演算部で演算された前記複数の信号のそれぞれの変化量に基づき、前記スケールおよび前記検出器の相対変位の方向の情報を取得する変位方向取得部
をさらに具備する信号処理装置。
【請求項８】
スケールと検出器との相対変位に応じて周期状の信号を生成するエンコーダ部から出力される前記信号を処理する信号処理装置であって、
前記スケールと前記検出器との相対変位に応じて周期状の信号を生成するエンコーダ部と、
前記エンコーダ部により生成された信号を規格化する規格化部と、
前記規格化部により規格化された信号を逆三角関数に演算する逆三角関数演算部と、
前記逆三角関数演算部により演算された信号の所定時間ごとの変化量を演算する変化量演算部とを具備し、
前記エンコーダ部は、位相が異なる複数の信号を生成し、
前記スケールと前記検出器との相対移動が可能な範囲内で前記エンコーダ部により生成された信号の最大値および最小値を記憶する記憶部をさらに具備し、
前記規格化部は、前記記憶部に記憶された最大値および最小値を用いて、規格化を実行する
信号処理装置。
【請求項９】
スケールと検出器との相対変位に応じて周期状の信号を生成するエンコーダ部から出力される前記信号を処理する信号処理方法であって、
前記スケールと前記検出器との相対変位に応じて周期状の信号を生成し、
前記生成された信号を規格化する規格化し、
前記規格化された信号の逆三角関数を演算し、
前記演算された信号の所定時間ごとの変化量を演算し、
前記エンコーダ部は、位相が異なる複数の信号を生成し、
さらに、前記変化量の演算により前記複数の信号の前記変化量の絶対値をそれぞれ取得し、取得した同時刻での絶対値のうち、最小値より大きく、かつ、最大値を含む、前記最小値から前記最大値までの値のうちいずれか１つを抽出する
信号処理方法。
【請求項１０】
スケールと検出器との相対変位に応じて周期状の信号を生成するエンコーダ部から出力される前記信号を処理する信号処理方法であって、
前記スケールと前記検出器との相対変位に応じて周期状の信号を生成し、
前記生成された信号を規格化する規格化し、
前記規格化された信号の逆三角関数を演算し、
前記演算された信号の所定時間ごとの変化量を演算し、
前記エンコーダ部は、位相が異なる複数の信号を生成し、
さらに、前記逆三角関数の演算後の前記複数の信号と、前記変化量の演算で取得された、前記複数の信号のそれぞれの変化量に基づき、前記スケールおよび前記検出器の相対変位の方向の情報を取得する
信号処理方法。
【請求項１１】
スケールと検出器との相対変位に応じて周期状の信号を生成するエンコーダ部から出力される前記信号を処理する信号処理方法であって、
前記スケールと前記検出器との相対変位に応じて周期状の信号を生成し、
前記生成された信号を規格化する規格化し、
前記規格化された信号の逆三角関数を演算し、
前記演算された信号の所定時間ごとの変化量を演算し、
前記エンコーダ部は、位相が異なる複数の信号を生成し、
さらに、前記スケールと前記検出器との相対移動が可能な範囲内で前記エンコーダ部により生成された信号の最大値および最小値を記憶し、
前記規格化の処理では、前記記憶された最大値および最小値を用いて、規格化を実行する
信号処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直線距離の変位や回転角の変位等を計測する変位計測装置、これに使用される信号処理装置、およびその信号処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
リニアエンコーダやロータリエンコーダは、スケールの移動に応じた信号を生成する機器である。例えば特許文献１に記載の光学式の寸法測定装置は、移動スケールと、互いの位相がπ／２異なる２個の固定スケールを用い、位相がπ／２異なる２相の正弦波信号を検出する。この寸法測定装置は、２相信号の位相の進み遅れの関係を判定し、移動スケールの移動方向を検出する。また、この寸法測定装置は、カウンター部による移動スケールの格子個数をカウントすることで、その格子の１ピッチ分距離にカウント数を乗算して移動距離を測定する。なお、この寸法測定装置は、２相信号の振幅を±１の正弦波信号に規格化する規格化処理部を有している（例えば、特許文献１の明細書段落［００１９］、［００２１］等を参照。）。
【０００３】
特許文献２に記載の角度計算装置は、３相光学エンコーダ、デジタル処理回路（ＤＳＰ）等を備える。角度計算装置は、３相光学エンコーダにより得られる、１２０°ずつ位相が異なる３相の正弦波信号に基づき、ＤＳＰにより回転子の角度情報および回転方向を得る。具体的には、ＤＳＰは、角度情報を得るために、逆三角関数の計算を実行する（例えば、特許文献２の明細書段落［００１３］等を参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平11-271026号公報
【特許文献２】特開2009-063332号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
エンコーダによる計測では、できるだけ計測誤差を減らして計測精度を高めることが望まれる。
【０００６】
本発明の課題は、できるだけ正確な信号を生成して計測精度を高めることができる変位計測装置、これに使用される信号処理装置および信号処理方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明の一形態に係る変位計測装置は、エンコーダ部と、規格化部と、逆三角関数演算部と、変化量演算部とを具備する。
前記エンコーダ部は、スケールおよび検出器を有し、これらスケールと検出器との相対変位に応じて周期状の信号を生成するように構成される。
前記規格化部は、前記エンコーダ部により生成された信号を規格化するように構成される。
前記逆三角関数演算部は、前記規格化部により規格化された信号の逆三角関数を演算するように構成される。
前記変化量演算部は、前記逆三角関数演算部により演算された信号の所定時間ごとの変化量を演算するように構成される。
この変位計測装置は、信号を規格化することにより信号の振幅値に関する演算を単純化し、また、逆三角関数演算によりリニアな領域を含む信号を得ることができる。そして、変化量演算部により、そのリニアな領域の信号の所定時間ごとの変化量を演算することにより、変位計測装置は、正確な信号を生成して高精度な計測を行うことができる。
【０００８】
前記エンコーダ部は、位相が異なる複数の信号を生成してもよい。
これにより、複数のアナログ信号のうち適切な信号を選択できたり、あるいは、後述するように期間ごとの象限分けにより、変位方向の情報を得ることができる。
【０００９】
前記変位計測装置は、抽出部をさらに具備してもよい。前記抽出部は、前記変化量演算部により演算された前記複数の信号の絶対値をそれぞれ取得し、取得した同時刻での絶対値のうち、最小値より大きく、かつ、最大値を含む、前記最小値から前記最大値までの値のうちいずれか１つを抽出するように構成される。
これにより、外乱の影響で信号にノイズが含まれていても、そのノイズを除去することができ、高精度な計測が可能となる。例えば、前記抽出部は、前記最大値を抽出してもよい。
【００１０】
前記変位計測装置は、変位方向取得部をさらに具備してもよい。前記変位方向取得部は、前記逆三角関数演算部で演算された前記複数の信号と、前記変化量演算部で演算された前記複数の信号のそれぞれの変化量に基づき、前記スケールおよび前記検出器の相対変位の方向の情報を取得するように構成される。
変位方向取得部は、逆三角関数演算部での演算により、象限分けを行うことができ、その象限における信号の変化量の極性により、変位方向の情報を得ることができる。
【００１１】
前記変位計測装置は、前記スケールと検出部との相対移動が可能な範囲内で前記エンコーダ部により生成された信号の最大値および最小値を記憶する記憶部をさらに具備してもよい。また、前記規格化部は、前記記憶部に記憶された最大値および最小値を用いて、規格化を実行するように構成されてもよい。
これにより、計測ごとに規格化のために最大値および最小値を求める必要がなく、規格化部による演算を簡略化でき、規格化処理の速度を上げることができる。
【００１２】
前記変位計測装置は、前記最大値および最小値を更新する更新部をさらに具備してもよい。
これにより、変位計測装置の経時変化（経年変化）によって信号の振幅値が変動しても、その変動を吸収し、計測誤差を抑えることができる。
【００１３】
本発明の一形態に係る信号処理装置は、スケールと検出器との相対変位に応じて周期状の信号を生成するエンコーダ部から出力される前記信号を処理するように構成され、上記のエンコーダ部、規格化部、逆三角関数演算部、および変化量演算部を具備する。
【００１４】
本発明の一形態に係る信号処理方法は、スケールと検出器との相対変位に応じて周期状の信号を生成するエンコーダ部から出力される前記信号を処理する信号処理方法である。この信号処理方法では、以下の処理が実行される。
前記スケールと前記検出器との相対変位に応じて周期状の信号が生成され、
前記生成された信号が規格化され、
前記規格化された信号の逆三角関数が演算され、
前記演算された信号の所定時間ごとの変化量が演算される。
【発明の効果】
【００１５】
以上、本発明によれば、正確な信号を生成して計測精度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、本発明の第１の実施形態に係る変位計測装置の機能的な構成を示すブロック図である。
【図２】図２は、第１の実施形態に係る変位計測装置の主に信号処理装置による処理を示すフローチャートである。
【図３】図３は、エンコーダ部から出力される３相の正弦波信号を示すシミュレーションである。
【図４】図４は、規格化部により規格化された信号を示す。
【図５】図５は、逆三角関数演算部により得られた逆三角関数信号を示す。
【図６】図６は、所定時間ごとの角度の変化量の信号を示す。
【図７】図７は、変化量の絶対値を示す。
【図８】図８は、第２の実施形態に係る変位計測装置の機能的な構成を示すブロック図である。
【図９】図９は、第２の実施形態に係る変位計測装置の主に信号処理装置による処理を示すフローチャートである。
【図１０】図１０は、例えばエンコーダ部により生成された３相の正弦波信号がＡＤ変換部によりデジタル信号に変換されて出力された正弦波信号を示す。
【図１１】図１１は、規格化部が、ＡＤ変換部から出力された信号を規格化した３相の信号を示す。
【図１２】図１２は、逆三角関数演算部が、規格化部により規格化された３相信号の逆三角関数を演算した信号を示す。
【図１３】図１３は、変化量演算部が、逆三角関数演算部により演算された３相信号の変化量を演算した信号を示す。
【図１４】図１４は、抽出部により抽出された最大値を利用した変化量を示す。
【図１５】図１５は、本発明者らが、第２実施形態に係る変位計測装置を用い、スケールおよび検出部の相対移動範囲を1mmまで拡大した時の計測精度を示すグラフである。
【図１６】図１６は、本発明の第３の実施形態に係る変位計測装置の機能的な構成を示すブロック図である。
【図１７】図１７は、変位方向取得部における処理を示すフローチャートである。
【図１８】図１８は、逆三角関数演算部で得られる三角波の信号を、時間軸で拡大して示す。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。
【００１８】
［第１の実施形態］
（変位計測装置の構成）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る変位計測装置の機能的な構成を示すブロック図である。この変位計測装置１００は、エンコーダ部１０および信号処理装置３０を備える。信号処理装置３０は、ＡＤ変換部３１、規格化部３３、逆三角関数演算部３５、変化量演算部３７、および変位演算部３９を備える。
【００１９】
エンコーダ部１０は、典型的には、光学式のエンコーダである。光学式のエンコーダ部は、後述するように、図示しない光学的なスケールおよび検出器を有する。この場合、スケールとしては、例えば回折格子が用いられる。検出器としては、例えばフォトダイオード等が用いられる。
【００２０】
エンコーダ部１０は、スケールと検出器との相対変位に応じて、３相の周期状の信号、例えばアナログの３相の正弦波信号を検出器から出力する機能を有する。これらの３相の信号は、位相が互いに120degずつずれた正弦波信号である。３相の正弦波信号の生成を実現する手段として、リニア光学スケールがある。リニア光学スケールとしては、例えば、同ピッチであり、かつ、互いに１／３ピッチずつずれた３つの格子パターン領域を持つ回折格子を持つものが用いられる。３相信号の生成の実現手段はこれに限られず、他の公知の手段を用いることができる。
【００２１】
ＡＤ変換部３１は、エンコーダ部１０から出力されたアナログ信号をサンプリングしてデジタル信号を生成する機能を有する。
規格化部３３は、ＡＤ変換部３１から出力された信号を規格化する（ノーマライズする）機能を有する。
逆三角関数演算部３５は、規格化部３３により規格化された信号の逆三角関数を演算する機能を有する。
変化量演算部３７は、逆三角関数演算部３５により演算された信号の所定時間ごとの変化量、例えば、デジタル信号のサンプリング値ごとの変化量を演算する機能を有する。
変位演算部３９は、変化量演算部３７で演算された変化量に基づき、スケールおよび検出部の相対変位を演算する機能を有する。
【００２２】
例えば、信号処理装置３０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＭＰＵ（Micro Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）等により構成される。ＣＰＵに代えて、あるいはこれに加えて、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）、またはＰＬＤ(Programmable Logic Device)等が用いられてもよい。
【００２３】
（信号処理装置による処理）
以上のように構成された変位計測装置１００の主に信号処理装置３０による信号処理方法について説明する。図２は、その処理を示すフローチャートである。
【００２４】
エンコーダ部１０は、スケールと検出部との相対変位に応じて３相の正弦波電圧信号を生成する（ステップ１０１）。図３は、エンコーダ部１０から出力される３相の正弦波信号を示すシミュレーションである。つまりこれは、理想的な正弦波信号を示している。120degずつずれた３相の波をU（0deg）,V（120deg）,W（240deg）とする。例えば、これらの信号の振幅の最小値は1.1V程度、最大値は2.3V程度となっている。これらの電圧値はあくまで、検出器（例えば上記のようにフォトダイオード）による出力電圧値の一例を示している。
【００２５】
エンコーダ部１０から出力された正弦波信号がＡＤ変換部３１により所定のサンプリング間隔でデジタル信号に変換される（ステップ１０２）。ＡＤ変換された信号は、規格化部３３により規格化される（ステップ１０３）。図４は、規格化部３３により規格化された信号を示す。振幅値が±1.0で規格化されている。各プロットがサンプリング時刻における電圧値である。
【００２６】
ここで、任意の時間（任意のサンプリング時刻）における３相の信号の電圧値を（Vu0,Vv0,Vw0）とする。任意の期間内での電圧の最大値を（Vu0_max,Vv0_max,Vw0_max）、最小値を（Vu0_min,Vv0_min,Vw0_min）とする。規格化部３３は、以下の演算式（1a）、（1b）、（1c）により、振幅の規格化を行い、図４に示した規格化信号V1（Vu1,Vv1,Vw1）を出力する。
【００２７】
Vu1 =[(Vu0-Vu0_min)/Vu0_max -0.5]*２ ・・・式（1a）
Vv1 =[(Vv0-Vv0_min)/Vv0_max -0.5]*２ ・・・式（1b）
Vw1 =[(Vw0-Vw0_min)/Vw0_max -0.5]*２ ・・・式（1c）
（「*」は乗算を表す。以下同様。）
【００２８】
規格化信号V1が生成されると、逆三角関数演算部３５により、規格化信号V1の逆三角関数が演算される（ステップ１０４）。以下の演算式（2a）、（2b）、（2c）により、逆三角関数信号V2（Vu2,Vv2,Vw2）が算出される。図５は、算出された逆三角関数信号V2を示す。
【００２９】
Vu2 =180/π*arcsin(Vu1) ・・・式（2a）
Vv2 =180/π*arcsin(Vv1) ・・・式（2b）
Vw2 =180/π*arcsin(Vw1) ・・・式（2c）
【００３０】
一般に正弦波をV1=sin(θπ/180)とした場合（θ（=V2）の単位はdeg）、逆三角関数信号V2を導出できる。図５に示す縦軸の電圧値が角度degを示す。すなわち、逆三角関数演算により、正弦波信号の振幅を表す電圧値が、角度を表す電圧値に変換されたことになる。
【００３１】
逆三角関数信号V2は、図５に示すようにリニア領域を有するのこぎり波（三角波）である。したがって、変位計測装置１００は、この逆三角関数信号V2を用いて変化量を計測することにより、誤差が抑えられた計測結果を得ることができる。具体的には、以下のようにして変化量が演算される。
【００３２】
変化量演算部３７は、逆三角関数演算部３５により算出された逆三角関数信号V2の、所定時間（例えばサンプリング間隔）ごとの変化量を演算する（ステップ１０５）。以下の演算式（3a）、（3b）、（3c）により、角度の変化量が演算される。図６は、その角度の変化量の信号（ΔVu2,ΔVv2,ΔVw2）を示す。この角度の変化量は、単位角度変化量であり、分解能に相当する。
【００３３】
ΔVu2 =Vu2(m)-Vu2(m-1) ・・・式（3a）
ΔVv2 =Vv2(m)-Vv2(m-1) ・・・式（3b）
ΔVw2 =Vw2(m)-Vw2(m-1) ・・・式（3c）
（nは自然数であり、サンプリング回数を示す。)
【００３４】
以上の演算式（3a）、（3b）、（3c）で求められる変化量は、現在の角度座標と、１つ前に演算された角度座標との差分である。図６では、10deg刻みの理想的な信号であるので、角度座標の差分は10degか、-10degのいずれかの値に分かれる。これらの変化量に対して、以下のように絶対値abs(ΔVu2)、abs(ΔVv2)、abs(ΔVw2)を取ると、図７に示すように、３相すべてのプロットが一定値（例えば10deg）を得る。
【００３５】
上記ＣＰＵ、ＤＳＰ等のコンピュータが、現在の電圧値を取得するコマンドを発行してデータを取得し、保持しておいた１つ前のコマンド発行時の電圧値と比較してその変化量を順次算出すればよい。
【００３６】
このような単位角度変化量（例えば10deg）は、スケールの設計に応じて、距離の変化量（単位距離変位）に変換可能とされている。例えば、この変位計測装置１００の設計時または製造時において、その変換のためのルックアップテーブルがメモリに保存される。
【００３７】
変位演算部３９は、図７に示すように得られた単位角度変化量のプロット数をカウントとすることにより、それらの乗算によって、スケールと検出部とが相対的に移動し始めた位置からの変位を出力することができる（ステップ１０６）。すなわち、この変位計測装置１００は、インクリメント方式の計測装置である。
【００３８】
本実施形態の場合、後述するように、図７で示した３相の変化量（絶対値）のうちいずれか１相のみのプロット値がカウントされればよい。
【００３９】
（まとめ）
以上のように、この変位計測装置１００は、正弦波信号を規格化することにより信号の振幅値に関する演算を単純化することができる。また、逆三角関数演算によりリニアな領域を含む三角波信号が得られる。変化量演算部３７は、そのリニアな領域の信号の所定時間ごとの変化量を演算することにより、変位計測装置１００は、正確な信号を生成して高精度な計測を行うことができる。
【００４０】
また、規格化処理により、製品の製造ばらつきによる計測精度の個体差を吸収することができる。
【００４１】
本実施形態では、エンコーダ部１０により理想的なU,V,Wの３相の正弦波信号を得るとして説明した。したがって、図４〜７において、同じサンプリング時刻で３つの値を得ることになり、式(1a)〜(1c)、(2a)〜(2c)、(3a)〜(3c)も、３相すべて同じ計算が行われる。本実施形態では、３相のうち少なくとも１相の正弦波信号が得られればよく、エンコーダ部１０も少なくとも１相の正弦波信号を生成できるものであれば、どのような構造でも用いることができる。１相の正弦波信号を扱う場合、変位演算部３９は、上述したように図７に示す絶対値として得られた値をカウントすればよい。３相として説明した理由は、後述する第２の実施形態の説明を効率良く理解できるようにするためである。
【００４２】
上記では、規格化部３３による処理から変位演算部３９までの処理を実現するハードウェアとして、ＣＰＵ、ＤＳＰ等のコンピュータを例に挙げた。しかし、例えば規格化部３３による処理を含む、規格化部３３から少なくとも１つの部までの処理をアナログ回路が行ってもよい。その場合、そのアナログ回路の出力信号がＡＤ変換され、その後の処理がデジタル信号で処理される。このことは、以下に説明する実施形態についても同様である。
【００４３】
上記規格部による演算式（1a）、（1b）、（1c）の演算を実行するにあたり、スケール（または検出部）の移動可能範囲内における最大値（Vu0_max,Vv0_max,Vw0_max）、最小値（Vu0_min,Vv0_min,Vw0_min）が、製品の設計時、製造時、工場出荷時等に、メモリ（記憶部）に記憶されてもよい。移動可能範囲とは、実質的には変位計測装置２００で計測可能なスケールの範囲である。そして、ユーザによるこの変位計測装置１００の使用時（任意の計測時）には、規格化部３３は、その記憶部に記憶された最大値および最小値に基づいて、演算式（1a）、（1b）、（1c）により規格化を実行すればよい。これにより、計測ごとに規格化のために最大値および最小値を求める必要がなく、規格化部３３による演算を簡略化でき、規格化処理の速度を上げることができる。
【００４４】
また、変位計測装置１００は、上記の最大値および最小値を更新する更新部をさらに備えていてもよい。これにより、変位計測装置１００の経時変化（経年変化）によって信号の振幅値が変動しても、その変動を吸収し、計測誤差を抑えることができる。更新部としては、つまり、それら最大値および最小値のデータを所定のタイミングで書き換え、メモリに保存する機能を有する。所定のタイミングとは、ユーザによる所望のタイミング、あるいは、変位計測装置１００が所定条件下で自動で更新を行うタイミングである。また、変位計測装置１００は、この更新部により得られた最大値および最小値のデータから、製品の寿命を判定する機能を備えていてもよい。
【００４５】
また、最大値および最小値を記憶しておくことは、スケール（または検出部）の移動可能範囲の絶対位置に対して、それぞれの位置ごとの計測誤差の補償値を用いる必要がない、というメリットもある。すなわち、最大値および最小値を記憶しておくことにより、製品の設計時、製造時等に、その補償値のデータベースを作成しておく、という労力が不要となる。
【００４６】
［第２の実施形態］
次に、本発明の第２の実施形態に係る変位計測装置について説明する。これ以降の説明では、第１の実施形態に係る変位計測装置１００が含む部材や機能等について実質的に同様の要素については同一の符号を付し、その説明を簡略化または省略し、異なる点を中心に説明する。
【００４７】
図８は、第２の実施形態に係る変位計測装置２００の機能的な構成を示すブロック図である。この変位計測装置２００に設けられた信号処理装置４０は、変化量演算部３７から出力された例えば３相の信号のうち、最大値を抽出してこれを出力するように構成された抽出部３２を備える。この抽出部３２を含む信号処理装置４０のハードウェアは、上述したように、ＣＰＵ（ＲＡＭやＲＯＭも含む）、ＰＬＤ、および／またはＤＳＰ等により実現される。
【００４８】
図９は、この変位計測装置２００の主に信号処理装置４０による信号処理方法を示すフローチャートである。図９において、ステップ２０１〜２０５、２０７は、ステップ１０１〜１０６と実質的には同じ処理である。
【００４９】
図１０は、例えばエンコーダ部１０により生成された３相の正弦波信号（U（0deg）,V（120deg）,W（240deg））がＡＤ変換部３１によりデジタル信号に変換されて出力された正弦波信号を示す。この例では、実測に基づくものであり、スケールとして、3.6μmの格子ピッチのパターン領域を有する回折格子が用いられた。また、ステッピングモータを使用して、0.1μm(=100nm)ステップで50μmの距離を、スケール（または検出部）を機械的に移動させた。
【００５０】
図１０に示す３相の正弦波信号は、回折格子の高次の干渉光によるノイズや回路ノイズ等の外乱を含むため、各信号の振幅値や対称性に乱れが生じている。
【００５１】
図１１は、規格化部３３が、演算式（1a）、（1b）、（1c）により、ＡＤ変換部からの信号を規格化した３相の信号を示す。図に示すように、元の正弦波信号が上記のように外乱を受けるため、規格化されても３相の振幅値が±1.0にならず、正確な規格化を行うことができない。
【００５２】
図１２は、逆三角関数演算部３５が、演算式（2a）、（2b）、（2c）により、規格化部３３により規格化された３相信号の逆三角関数を演算した信号を示す。これらの信号も、上記外乱の影響を受けるので、正確な三角波を得られない。各信号にリニアリティが確保されていない領域が含まれる。
【００５３】
図１３は、変化量演算部３７が、演算式（3a）、（3b）、（3c）により、逆三角関数演算部３５により演算された３相信号の変化量を演算した信号を示す。図１３では、角度変化量は、距離の変化量（ΔVu2',ΔVv2',ΔVw2'）に換算されている。上述したように、３相信号が外乱の影響を受けているので、所定ステップ（0.1μm）でスケールを動かしているにも関わらず、図７に示す場合と比較して、変化量はばらばらの値になる。
【００５４】
そこで、本実施形態では、抽出部３２が、変化量演算部３７で算出された値の、同時刻にサンプリングされた変化量（絶対値）の最大値を抽出する（図９においてステップ２０６）。すなわち、図１３で示した３相信号の同時刻での値のうち、最大値が出力される。これにより、図１４で示すような結果が得られる。図１４では、ステッピングモータの移動ステップ（0.1μm）が規則正しく計測されていることがわかる。誤差は、0.1μm±23.8nmという結果が得られ、高精度な計測が可能であることが確認された。
【００５５】
変位演算部３９は、抽出された最大値を利用して、変位を演算し、出力する（ステップ２０７）。
【００５６】
なお、本実施形態に係る抽出部３２の抽出対象は、最大値に限られない。抽出対象は、最小値より大きく、かつ、最大値を含む、最小値から最大値までの値のうちいずれか１つであればよい。例えば、最大値の次に大きい値を抽出してもよい。このような抽出部３２によれば、エンコーダ部１０が例えば４相以上の複数の正弦波信号を出力する変位計測装置についてメリットが大きい。４相の信号とは、例えば、位相が互い45degずつずれた正弦波信号である。位相がずれた信号数が多いほど、本実施形態によれば計測精度が向上する。
【００５７】
例えば最小値より大きく、かつ、最大値を含む、最小値から最大値までの値のうちいずれか１つを抽出するメリットとして、最大値として高出力のスパイクノイズがあった場合、その最大値を除外することができる点が挙げられる。このようなスパイクノイズは、別途のフィルタを使うことにより除去することもできる。しかし、この抽出部によれば、そのような別途のフィルタを必要としない。
【００５８】
図１５は、本発明者らが、変位計測装置２００を用い、スケールおよび検出部の相対移動範囲を50μmの20倍である1mmまで拡大した時の計測精度を示す。ステッピングモータの１ステップの移動量を140nmとした。
【００５９】
図１５に示すように、移動範囲（つまり計測範囲）を広くした場合、上記した外乱が強調されているように見え、機械的な作製精度が低下しているように見える。具体的には、U,V,Wの３相の正弦波信号の振幅変動が大きく見られる。しかし、このように振幅変動がある場合であっても、本実施形態では、上述したように抽出部３２により最大値が抽出されるので、外乱の影響を受け難く、検出値（抽出部３２により抽出された最大値）は安定している。精度は、±20.2nmという結果が得られ、移動範囲を広くしても精度が低下することなく、十分に抽出部３２による補償機能が働くことが確認された。
【００６０】
［第３の実施形態］
図１６は、本発明の第３の実施形態に係る変位計測装置の機能的な構成を示すブロック図である。この変位計測装置３００に設けられた信号処理装置５０は、上記第２の実施形態に係る信号処理装置５０の構成要素の他、変位方向取得部３４をさらに備えるものである。
【００６１】
変位方向取得部３４は、逆三角関数演算部３５で演算された３相信号と、変化量演算部３７で演算された３相信号のそれぞれの変化量に基づき、スケールおよび検出器の相対変位の方向の情報を取得し、これを出力する機能を有する。相対変位の方向とは、例えばスケールおよび検出器のいずれか一方を、固定とした場合に、他方の移動方向を意味する。具体的には、以下のようにして相対変位の方向が取得される。
【００６２】
図１７は、変位方向取得部３４における処理を示すフローチャートである。図１８は、逆三角関数演算部３５で得られる三角波の信号を、時間軸で拡大して示す。図１８に示すように、３相信号の互いの大小関係から、360degの位相領域を第１〜６象限に分けることができる。変位方向取得部３４は、演算式（2a）、（2b）、（2c）による演算により得られた逆三角関数信号V2（Vu2,Vv2,Vw2）と、演算式（3a）、（3b）、（3c）による演算により得られた変化量の信号（ΔVu2,ΔVv2,ΔVw2）とに基づき、以下に示すアルゴリズムを用いて、変位方向を取得する。
【００６３】
１）第１象限
ａ）Vv2≧Vu2, かつ, Vu2>Vw2である場合、第１象限と判定し、さらに、ΔVu2>0である場合、正方向と判定
ｂ）Vv2≧Vu2, かつ, Vu2>Vw2である場合、第１象限と判定し、さらに、ΔVu2<0である場合、負方向と判定
ａ）、ｂ）のどちらでもない場合、移動せず、と判定
２）第２象限
ａ）Vu2>Vv2, かつ、Vv2≧Vw2,である場合、第２象限と判定し、さらに、ΔVv2<0である場合、正方向と判定
ｂ）Vu2>Vv2, かつ、Vv2≧Vw2,である場合、第２象限と判定し、さらに、ΔVv2>0である場合、負方向と判定
ａ）、ｂ）のどちらでもない場合、移動せず、と判定
３）第３象限
ａ）Vu2≧Vw2, かつ、Vw2>Vv2,である場合、第３象限と判定し、さらに、ΔVw2>0である場合、正方向と判定
ｂ）Vu2≧Vw2, かつ、Vw2>Vv2,である場合、第３象限と判定し、さらに、ΔVw2<0である場合、負方向と判定
ａ）、ｂ）のどちらでもない場合、移動せず、と判定
４）第４象限
ａ）Vw2>Vu2, かつ、Vu2≧Vv2,である場合、第４象限と判定し、さらに、ΔVv2<0である場合、正方向と判定
ｂ）Vw2>Vu2, かつ、Vu2≧Vv2,である場合、第４象限と判定し、さらに、ΔVv2>0である場合、負方向と判定
ａ）、ｂ）のどちらでもない場合、移動せず、と判定
５）第５象限
ａ）Vw2≧Vv2, かつ、Vv2>Vu2,である場合、第５象限と判定し、さらに、ΔVu2>0である場合、正方向と判定
ｂ）Vw2≧Vv2, かつ、Vv2>Vu2,である場合、第５象限と判定し、さらに、ΔVu2<0である場合、負方向と判定
ａ）、ｂ）のどちらでもない場合、移動せず、と判定
６）第６象限
ａ）Vv2>Vw2, かつ、Vw2≧Vw2,である場合、第６象限と判定し、さらに、ΔVw2<0である場合、正方向と判定
ｂ）Vv2>Vw2, かつ、Vw2≧Vw2,である場合、第６象限と判定し、さらに、ΔVw2>0である場合、負方向と判定
ａ）、ｂ）のどちらでもない場合、移動せず、と判定
【００６４】
すなわち、変位方向取得部３４は、図１７に示すように、逆三角関数信号に基づき、現在の象限（位相領域）を特定し（ステップ３０１）する。そして、変位方向取得部３４は、特定された象限と、変化量演算部３７で演算された変化量に基づき、変位方向を特定する（ステップ３０２）。これらステップ３０１、３０２は、例えば図９に示したステップ２０６の後に実行される。
【００６５】
上記（ΔVu2,ΔVv2,ΔVw2）の正負の極性の判定方法において、上記以外の相の信号の変化量が用いられてもよい。例えば、上記では第１象限の場合において、ΔVu2>0である場合に正方向、ΔVu2<0である場合に負方向と判定されたが、ΔVv2<0である場合に正方向、ΔVv2>0である場合に負方向と判定されてもよい。
【００６６】
例えば上記特許文献２の装置は、位相領域を１２の象限に分けており、エンコーダの現在の角度位置および移動方向を逆三角関数演算でダイレクトに算出する方法を取る。したがって、その明細書段落［００１９］の記載のように複雑な計算をする必要がある。これに対して、本実施形態に係る信号処理方法は、変化量に基づき移動方向の極性を特定しているので、特許文献２のような複雑な計算を要しない。
【００６７】
また、特許文献２の明細書段落［００２３］には、「本発明の方法は、従来技術の方法における調波誤差より低い、調波に起因する±０．６%のみの周期的な誤差を有する。」と記載されている。これに対し、上記第２の実施およびこの第３の実施形態では、このように調波に起因する誤差を抑えることができる。
【００６８】
［エンコーダ部］
エンコーダ部１０の例として、例えば国際公開第2011/043354号パンフレット、特開2014-102260号公報、または、特開2014-102260号公報等を含む公知のエンコーダを採用することができる。これらの文献として挙げた公知のエンコーダは、本発明の上記各実施形態に適用可能である。これらの文献に開示された一対の回折格子のうち、光源と一体に動く回折格子が「スケール」に相当し、ＰＤ（Photo Detector）が「検出器」に相当する。
【００６９】
上記各公知の文献では、一対の回折格子が互いに離接する方向で移動する例が開示されているが、格子パターン（格子線）の配列方向に沿って、回折格子が相対移動しても、同様にその変位を計測可能である。このような形態も本発明の上記第１〜３実施形態に適用可能である。
【００７０】
［他の実施形態］
本発明は、以上説明した実施形態に限定されず、他の種々の実施形態を実現することができる。
【００７１】
電気信号として正弦波を得ることができるエンコーダ部を有していれば、光学式の他、電磁誘導式、磁気式、静電容量式等、どのような方式のエンコーダ部にも、本発明を適用可能である。また、リニアエンコーダに限られず、ロータリエンコーダであってもよい。ロータリエンコーダの場合、「変位」は回転角度の変位として計測される。
【００７２】
光学式エンコーダのスケールとして、上記のように回折格子を用いて干渉光を得るものに限られない。光源からの光を透過させる複数のスリットを有するスケール（光の透過領域と遮断領域が交互に配列されたスケール）が用いられてもよい。
【００７３】
上記各実施形態に係るエンコーダ部１０はアナログ信号を出力したが、エンコーダ部はＡＤ変換部を含み、デジタル信号を出力する機能を有していてもよい。この場合、信号処理装置において初段のＡＤ変換部が不要となる。
【００７４】
上記各実施形態に係る変化量演算部３７は、所定時間ごとの変化量の演算として、サンプリング間隔で変化量を演算したが、それより長い間隔であってもよい。つまり、所定時間ごととは、複数サンプリングごとの間隔でもよい。
【００７５】
以上説明した各形態の特徴部分のうち、少なくとも２つの特徴部分を組み合わせることも可能である。例えば第１の実施形態に係る変位計測装置１００が、第３の実施形態に係る変位方向取得部を備えていてもよい（第２の実施形態のような抽出部を持たない）。
あるいは、第１の実施形態で説明した上記最大値および最小値の記憶、更新を、第２、３実施形態にも適用可能である。
【符号の説明】
【００７６】
１０…エンコーダ部
３０、４０、５０…信号処理装置
３０…信号処理部
３１…ＡＤ変換部
３２…抽出部
３３…規格化部
３４…変位方向取得部
３５…逆三角関数演算部
３７…変化量演算部
３９…変位演算部
１００、２００、３００…変位計測装置
【図１】
0006360380.tif 000002
【図２】
0006360380.tif 000003
【図３】
0006360380.tif 000004
【図４】
0006360380.tif 000005
【図５】
0006360380.tif 000006
【図６】
0006360380.tif 000007
【図７】
0006360380.tif 000008
【図８】
0006360380.tif 000009
【図９】
0006360380.tif 000010
【図１０】
0006360380.tif 000011
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
0006360380.tif 000014
【図１４】
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【図１５】
0006360380.tif 000016
【図１６】
0006360380.tif 000017
【図１７】
0006360380.tif 000018
【図１８】
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