JP6756477B2 - エンコーダ - Google Patents

Description

本発明は、原点位置の検出機能を備えるエンコーダに関する。

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が認識され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。特許文献１では、変位検出用のスケールのパターンの一部に設けられた不連続部によって変位検出用信号の振幅が閾値より小さくなった時点を原点として検出している。

特許第５６３９４２１号公報

しかしながら、特許文献１では、系全体で変位検出用信号の振幅が低下した場合、振幅が閾値より小さくなる位置が変化してしまい、原点位置を誤って検出してしまう可能性がある。

このような課題に鑑みて、本発明は、原点信号と変位検出用信号の同期性が保証されやすく、原点位置を高精度に検出可能なエンコーダを提供することを目的とする。

本発明の一側面としてのエンコーダは、物理的特性が周期的に変化する連続部と、前記連続部が中断する不連続部と、を備えるスケールと、前記スケールに対して相対変位し、前記スケールの前記物理的特性を検出する検出部と、前記検出部から出力される変位検出用信号に基づいて、前記スケールの原点を検出する処理部と、を、有し、前記検出部は、前記物理的特性に対して前記検出部から出力される前記変位検出用信号に寄与する感度を有する感度部と、前記物理的特性に対して前記検出部から出力される前記変位検出用信号に寄与する感度を有さない不感度部を備え、前記処理部は、前記不連続部における物理的特性を前記感度部が検出する場合に前記検出部が出力する変位検出用信号の振幅値、および前記不連続部における物理的特性を前記不感度部が検出する場合に前記検出部が出力する変位検出用信号の振幅値に基づいて前記原点を検出することを特徴とする。

本発明によれば、原点信号と変位検出用信号の同期性が保証されやすく、原点位置を高精度に検出可能なエンコーダを提供することができる。

エンコーダの構成図である（実施例１，２）。 エンコーダを検出軸方向から見た図である（実施例１）。 反射膜の上面図である。 パターンの拡大図である。 受光部のブロック図である。 変位検出部のブロック図である。 変位検出部が出力する２相の正弦波信号を表す図である。 原点位置付近のパターンにより反射される反射光の光強度を表す図である。 原点位置付近の反射光を受光する場合に変位検出部が出力する２相の正弦波信号を表す図である。 変位検出部の感度分布を表す図である。 原点位置付近のパターンにより反射される反射光のうち変調光の光強度を表す図である。 変位検出部の応答波形を表す図である。 原点検出部のブロック図である（実施例１）。 原点検出部による原点検出処理のフローチャートである（実施例１）。 エンコーダを検出軸方向から見た図である（実施例２）。 原点検出部のブロック図である（実施例２）。 原点検出部による原点検出処理のフローチャートである（実施例２）。 変位検出部のＡ相およびＢ相の信号をそれぞれ横軸および縦軸としたときの振幅値を表す図である（実施例２）。 エンコーダの構成図である（実施例３）。 エンコーダを搭載したリニアステージの外観図である（実施例４）。

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。

図１は、本実施例のエンコーダの構成図である。エンコーダは、スケール１０、変位検出部２０、および信号処理部３０を備える。エンコーダは、スケール１０と変位検出部２０との相対変位を検出することで、被計測対象の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。スケール１０は、被計測対象の変位方向に沿って取り付けられるリニアスケールである。変位検出部２０は、固定部材に取り付けられ、変位検出用信号を出力する。信号処理部３０は、変位検出部２０がスケール１０の原点位置上に位置するときに出力する変位検出用信号の信号変化に基づいて原点位置を検出する。なお、本実施例では、スケール１０の検出方向の長さは、９９．８４ｍｍである。

図２は、エンコーダを検出軸方向（Ｘ方向）から見たときの図である。スケール１０は、ガラスで構成される基材１０１、およびガラス基材上にパターニングされたクロム膜である反射膜１０２を備える。スケール１０は変位検出部２０が射出する光を反射し、反射された光は再び変位検出部２０に入射する。なお、基材１０１では、ガラスの代わりにポリカーボネートなどで構成されてもよい。また、反射膜１０２は、クロム膜に限定されず、アルミ膜およびアルミ膜を保護するための保護膜の組み合わせを用いてもよい。また、反射膜１０２は、基材１０１の表面にパターニングされているが、基材１０１が光を透過できる透明な材料であれば、裏面にパターニングされてもよい。すなわち、変位検出部２０が射出する光が再び変位検出部２０に入射する構成であれば、本発明は本実施例の構成に限定されない。

変位検出部２０は、スケール１０に光を射出する光源２０１、スケール１０により反射される光を受光する受光部２０２、および受光部２０２が受光する光を電気信号に変換する受光素子２０３を備える。すなわち、変位検出部２０は、スケール１０に光を射出し、スケール１０により反射される光を受光し、受光した光を電気信号に変換する。本実施例では、光源２０１としてＬＥＤが使用されている。また、本実施例では、スケール１０と光源２０１の間に光束を平行に束ねる平行光束レンズを配置しない発散光束構成が用いられている。発散光束構成とは、光源から発せられた光が、平行、または１点に集光されることなく、一様に広がりを持って進行する構成である。光源２０１からスケール１０までの距離は、受光部２０２からスケール１０までの距離と等しい。よって、スケール１０により形成される反射像は、受光部２０２ではＸ方向およびＹ方向において２倍に拡大された像になる。なお、本実施例ではスケール１０からの反射光を変位検出部２０が受光する反射型の構成を使用しているが、スケール１０が透過する光を変位検出部２０が受光する構成を使用してもよい。また、本実施例では光を検出することで原点位置を検出するが、磁気や電気などを検出することで原点位置を検出してもよい。

信号処理部３０は、変位を累積する変位累積部３０１、原点を検出する原点検出部３０２、および絶対位置を計算する絶対位置計算部３０３を備える。

図３は、反射膜１０２の上面図である。図３（ａ）はスケール１０の原点位置以外のスケールパターンのレイアウトであり、図３（ｂ）は原点位置付近のスケールパターンのレイアウトを表している。図中の黒色の部分は反射膜１０２がパターニングされている部分を表し、白色の部分は反射膜１０２がパターニングされていない部分を表している。反射膜１０２は、図４に示されるように複数の格子から構成され、物理的特性が周期的に変化するパターン（連続部）１０３と、パターン１０３が中断する原点パターン（不連続部）１０４を備える。パターン１０３の各格子が反射する光は合成され、正弦波状の反射像が形成される。パターン１０３は、スケール１０の端部からＸ方向へ６４μｍごとに繰り返し形成される。原点パターン１０４は、Ｘ方向へ２５６μｍの幅、すなわちパターン１０３の４波長分形成される。また、パターン１０３および原点パターン１０４は、Ｙ方向へ２５μｍごとに連続的に２０００μｍの長さで配置される。図３（ｂ）でＸ＝０と表される線は、スケール１０の原点位置に相当する。

図５は、受光部２０２のブロック図である。受光部２０２のＸ方向の寸法は１７９２μｍ、Ｙ方向の寸法は４５０μｍである。受光部２０２を構成するＰＤ（フォトダイオード）の１つあたりのＸ方向の寸法は３２μｍである。ＰＤには、Ａ＋、Ｂ＋、Ａ−、Ｂ−という４つの電気的接続の属性がある。Ａ＋のＰＤは、１２８μｍごとに１２個配置されている。同様に、Ｂ＋、Ａ−、Ｂ−のＰＤもそれぞれ１２８μｍごとに１２個配置されている。ＰＤがこのように所定の長さごとに配置される構成をＰＤアレイという。本実施例では発散光束構成が用いられているため、６４μｍごとにスケール１０が形成する反射像の受光部２０２上のピッチは１２８μｍである。すなわち、スケール１０が形成する反射像の受光部２０２上の空間周波数とＡ＋のＰＤの配置の空間周波数とが一致し、Ａ＋のＰＤの電気出力はスケール１０の変位に基づく反射像の変調に合わせて変調する。Ａ＋の属性を持つＰＤアレイに対し、Ｂ＋、Ａ−、Ｂ−の属性を持つＰＤアレイはそれぞれＸ方向へ３２μｍ、６４μｍ、９６μｍずれている。よって、ＰＤアレイの各属性が出力する電気信号を正弦波とみなし、Ａ＋のＰＤが出力する正弦波の基準位相を０°とすると、Ｂ＋、Ａ−、Ｂ−のＰＤが出力する電気信号の位相はそれぞれ９０°、１８０°、２７０°ずれる。

本実施例では、Ｂ＋、Ａ−、Ｂ−およびＡ＋のＰＤのこれらの組み合わせを正弦波周期信号１周期分の最小のＰＤの組み合わせとみなす。これらのＰＤの組み合わせの検出方向の長さは、検出部における正弦波信号の１波長分に相当する。受光部２０２は、各ＰＤが電気的に接続され、反射光に対して感度を有する感度部２０２１と、各ＰＤが電気的に接続されず、反射光に対して感度を有さない不感度部２０２２を備える。すなわち、感度部２０２１は変位検出用信号に寄与する感度を有し、不感度部２０２１は変位検出用信号に寄与する感度を有さない。接続、未接続とはそれぞれ、各ＰＤが図６の電流−電圧変換アンプ２０４〜２０７のいずれかに接続されているか、接続されていないかを意味する。本実施例では、受光部２０２の左端（第１の端部）から順に、正弦波信号の４波長分の感度部２０２１、１波長分の不感度部２０２２、４波長分の感度部２０２１、１波長分の不感度部２０２２、および４波長分の感度部２０２１が配置されている。すなわち、本実施例では、受光部２０２の両端に感度部２０２１が配置され、両端の感度部２０２１には不感度部２０２２が隣接し、さらに不感度部２０２２に挟まれる感度部２０２１が配置される。

図６は、変位検出部２０のブロック図である。光源２０１が射出する光は、スケール１０により反射され、受光部２０２に入射する。図６では、簡素化のために、Ａ＋、Ｂ＋、Ａ−、Ｂ−の属性を持つＰＤアレイをそれぞれ、１つのＰＤとして扱う。各ＰＤにより電流に変換される信号は、電流−電圧変換アンプ２０４〜２０７により電圧変換信号Ｓ（Ａ＋）、Ｓ（Ｂ＋）、Ｓ（Ａ−）、Ｓ（Ｂ−）に変換される。差動アンプ２０８，２０９はそれぞれ、電圧変換信号Ｓ（Ａ＋），Ｓ（Ａ−）の減算処理と電圧変換信号Ｓ（Ｂ＋），Ｓ（Ｂ＋）の減算処理を行い、各ＰＤが持つ直流成分を除去する。差動アンプ２０８，２０９から出力される２相の電気信号（正弦波信号）をＳ（Ａ），Ｓ（Ｂ）とすると、電気信号Ｓ（Ａ），Ｓ（Ｂ）は以下の式（１），（２）で表される。

比較アンプ２１０は、電流−電圧変換アンプ２０４〜２０７が変換する電圧変換信号の総和と所定値Ｖｆ３を比較し、光源２０１の発光量を一定に制御する機能（以下、オートパワーコントロール機能）を有する。比較アンプ２１０は、電圧変換信号の総和が所定値Ｖｆ３よりも大きい場合、光源２０１の発光量が少ないと判定し、光源２０１に流れる電流量を大きくする制御を行う。一方、電圧変換信号の総和が所定値Ｖｆ３より小さい場合、光源２０１の発光量が多いと判定し、光源２０１に流れる電流量を小さくする制御を行う。これを電流−電圧変換アンプ２０４〜２０７の電圧変換信号の総和が所定値Ｖｆ３とほぼ等しい値になるまで繰り返す。なお、光源２０１の発光量は、光源２０１に流れる電流量に比例する。また、図６に示されるように、電流−電圧変換アンプ２０４〜２０７が反転アンプであるため、電流−電圧変換アンプ２０４〜２０７の電圧変換信号の総和とＬＥＤの発光量の関係が逆転している。

次に、信号処理部３０について説明する。信号処理部３０は、変位累積部３０１、原点検出部３０２、および絶対位置計算部３０３を備える。変位累積部３０１は、変位検出部２０が出力する２相の正弦波信号に基づいて、相対変位を検出する。相対変位とは、原点検出が行われる前であれば電源投入時の位置を基準とする変位であり、原点検出が行われた後であれば原点位置を基準とする変位である。変位累積部３０１が相対変位を検出する場合、まず、ＡＤコンバータ（不図示）が２相の正弦波信号をディジタル信号に変換する。次に、ディジタル化した２相の正弦波信号から位相を求めるために、逆正接演算を行う。ＡＴＡＮ２を逆正接関数、位相をφとすると、位相φ（０〜２π）は以下の式（３）により求められる。

変位累積部３０１は、位相φの変化を積分することにより相対変位を検出する。なお、位相φは２πまで進むと０に折り返すため、位相φの変化を計算する際は以下の式（４）に示される判定処理を必要とする。

ここで、φ_ｎは最新の位相、φ_ｎ−１は最新の位相が求まる１つ前の位相、ｄｉｆｆはそれらの位相の差である。折り返しがない場合には、上段の式を用いて差分の計算のみを行う。また、位相が２πから０に折り返した場合には中段の式を用いて２πを加算した後に差分を計算し、位相が０から２πに折り返した場合には下段の式を用いて２πを減算した後に差分を計算する。求めた差分を位相の更新ごとに足し合わせることで、相対変位が検出される。

次に、スケール１０と変位検出部２０の組み合わせによる信号出力に関して説明する。図７は、図３のＸ方向へ連続して形成されるパターン１０３が反射する光に基づいて変位検出部２０が出力する２相の正弦波信号を表す図である。Ａ相の正弦波信号は実線で表され、Ｂ相の正弦波信号は破線で表されている。横軸はスケール１０の変位量であり、縦軸は電圧値である。２相の正弦波信号はそれぞれ、中心電圧値を基準にして、高電圧側から低電圧側まで２Ｖｐ−ｐで変調する。中心電圧値は図６の電圧値Ｖｆ２（＝１．６５Ｖ）であり、変位の最大量は２０４８μｍである。正弦波信号の波長はパターン１０３の周期（ピッチ）である６４μｍであるため、図７では正弦波信号の変調は３２回繰り返されている。なお、中心電圧値と振幅値はあくまで代表値であり、本発明はこれらの値に限定されることはない。特に振幅に関しては、パターン１０３の反射率や、スケール１０から変位検出部２０までの距離などの影響によりさまざまな値を取りうる。

図８は、光源２０１からスケール１０に射出され、図３（ｂ）に示される反射膜１０２により反射される反射光の光強度を表す図である。横軸は受光部２０２の検出方向の座標であり、縦軸は規格化した光強度である。図８に示されるように、パターン１０３が反射する反射光は検出方向において変調するが、原点パターン１０４が反射する反射光は検出方向において変調せず、一様の強度を有する。なお、本実施例では、受光部２０２がスケール１０のピッチの２倍の反射像を受光するため、検出方向において２５６μｍの幅を有する原点パターン１０４は受光部２０２において５１２μｍの幅を有する。

図９は、原点位置付近の反射光を受光部２０２で受光する場合に変位検出部２０が出力する２相の正弦波信号を表している。Ａ相の正弦波信号は実線で表され、Ｂ相の正弦波信号は破線で表されている。横軸はスケール１０の変位量であり、縦軸は電圧値である。図９では、原点パターン１０４が反射する反射光が、受光部２０２に入射しない状態から徐々に受光部２０２に検出方向より進入し、受光部２０２を通過し切る状態になるように、スケール１０が変位している。変位が１０２４μｍのとき、原点パターン１０４から反射される反射光が受光部２０２の検出方向の中点に位置する。すなわち、受光部２０２の不感度部２０２２に挟まれる感度部２０２１を原点パターン１０４が反射する反射光が覆っている状態である。光強度の振幅は、原点パターン１０４が反射する反射光が受光部２０２に進入するとともに減少するが、反射光が不感度部２０２２に受光され始めると増加する。

Ａ＋、Ｂ＋、Ａ−およびＢ−の各ＰＤの応答は、以下の式（５）〜（８）で表すことができる。

ここで、ｆ_１（ｘ），ｆ_２（ｘ），ｆ_３（ｘ），ｆ_４（ｘ）はそれぞれ、Ａ＋，Ｂ＋，Ａ−，Ｂ−のＰＤの分布関数、ｇ（ｘ）はスケール１０が反射する反射光のうち変調光の強度の関数、Δｘはスケール１０の変位である。

また、Ａ＋、Ｂ＋、Ａ−およびＢ−の全てのＰＤの近似応答をＳ（ＰＤｔｏｔａｌ）、その分布関数をｆ_５（ｘ）（＝ｆ_１（ｘ）＋ｆ_２（ｘ）＋ｆ_３（ｘ）＋ｆ_４（ｘ））とすると、近似応答Ｓは以下の式（９）により計算される。

分布関数ｆ_５（ｘ）は、図１０に示されるように、Ａ＋、Ｂ＋、Ａ−およびＢ−を１組とするＰＤの感度を、検出方向において１２８μｍごとにプロットした離散関数である。図１０では、横軸は受光部２０２の検出方向の座標であり、縦軸はＰＤが持つ感度を規格化した値である。関数ｇ（ｘ）は、図１１に示されるように、変調光強度を検出方向において１２８μｍごとにプロットした離散関数である。図１１では、横軸は受光部２０２の検出方向の座標であり、縦軸は変調光の強度を規格化した値である。関数ｇ（ｘ）は、図４に示したパターン１０３の分布ごとに、反射膜１０２が反射する反射光が受光部２０２の検出面上で変調している場合は１であり、変調していない場合は０である。

図１２（ａ）は、式（９）を用いて算出される近似応答Ｓを示す図である。横軸は受光部２０２上の値となるように換算されたスケール１０の変位であり、縦軸は変位検出部２０から出力される信号の信号強度を規格化した値である。

まず、変位Δｘが−から＋に変化する場合の信号強度の変化について説明する。図１２（ａ）に示されるように、原点パターン１０４が反射する反射光を受光する受光部２０２の領域から出力される信号の信号強度は、原点パターン１０４が反射する反射光を受光しない受光部２０２の領域が出力する信号の信号強度と比較して減少する。本実施例では、変位Δｘが−１０２４μｍのときから信号強度は減少し、変位Δｘが−６４０μｍのときに信号強度は最も減少する。そして、原点パターン１０４が反射する反射光が受光部２０２の不感度部２０２２に入射し始めると、信号強度は一度増大する。不感度部２０２２は、原点パターン１０４が反射する反射光に対する感度を有さないからである。不感度部２０２２が正弦波信号の１波長分に相当する検出方向の長さを有するのに対し、原点パターン１０４は正弦波信号の４波長分に相当する検出方向の長さを有する。そのため、不感度部２０２２が原点パターン１０４により反射される反射光を検出しない状態は、正弦波信号の４波長分続く。具体的には、変位Δｘが−５１２μｍである状態から変位Δｘが−１２８μｍである状態までの間である。原点パターン１０４により反射される反射光が不感度部２０２２により受光されず、不感度部２０２２に挟まれる感度部２０２１を完全に覆うとき、すなわち変位Δｘが０μｍのとき信号強度は再び最も減少する。受光部２０２のＰＤは中央部に対して左右対称に配置されているため、図１２（ａ）に示される信号はΔｘが０μｍの信号強度に対して対称となる。本実施例では、変位Δｘが−から＋に変化する場合の信号強度の変化を説明したが、図１２（ａ）に示されるように、変位Δｘが＋から−に変化する場合は変位Δｘの符号が反転するのみで、信号強度の変化は変わらない。

図１２（ａ）で説明した変位検出部２０の応答は、オートパワーコントロール機能について考慮していない。オートパワーコントロール機能を考慮すると、図１２（ａ）の結果とは異なる結果となる。原点パターン１０４の正弦波信号１波長分の面積領域内において反射膜１０２がパターニングされている面積は、パターン１０３の正弦波周期信号１波長分の面積領域内において反射膜１０２がパターニングされている面積に比べて大きい。スケール１０が反射する反射光の光量は、パターニングされている反射膜１０２の面積にほぼ比例する。そのため、受光部２０２の感度部２０２１が原点パターン１０４により反射される反射光の受光を開始すると、感度部２０２１が受光する光量が多くなる。そのため、オートパワーコントロール機能は、光量を少なくするための制御を行う。オートパワーコントロール機能を考慮すると、感度部２０２１が原点パターン１０４により反射される反射光を受光することによる信号強度の低下はより大きく現れる。

図１２（ｂ）には、オートパワーコントロール機能を考慮しない近似を行った近似応答（実線）と、オートパワーコントロール機能を考慮する近似を行った近似応答（破線）が示されている。横軸は受光部２０２上の値となるように換算されたスケール１０の変位であり、縦軸は変位検出部２０から出力される信号の信号強度を規格化した値である。オートパワーコントロール機能を考慮する近似応答は、オートパワーコントロール機能を考慮しない近似応答に比べて、信号強度が低下する領域において信号強度の低下率が大きい。なお、いずれの近似においても、不感度部２０２２が反射光の受光を開始すると信号強度は上昇する。本発明では、信号強度が低下する領域と信号強度が上昇する領域の位置関係を原点検出の判定基準として用いるため、信号強度が低下する領域における信号強度の低下率の大小はさほど問題にならない。よって、以降の説明においても、原点検出を行う際にオートパワーコントロール機能を考慮しない。

次に、原点検出処理について、図１３および図１４を参照して説明する。図１３は原点検出部３０２のブロック図であり、図１４は原点検出部３０２による原点検出処理のフローチャートである。

正弦波カウンタ３０２１は、まず、Ａ相とＢ相の正弦波信号の組み合わせにより、内部に備える計数装置の計数値を更新する。計数値は、電源投入直後は０にリセットされており、正弦波信号の波長ごとに更新される。具体的には、図９に示される波形では、正弦波カウンタ３０２１は、Ａ相とＢ相の信号が共に中心電圧値よりも低く、かつ互いに交差する点を検出したときに計数値をスケール１０の移動方向に応じて増減する。正弦波カウンタ３０２１は、計数値を増減させるタイミングで、振幅計算部３０２２、および第１から第５振幅記憶部３０２４Ａ〜３０２４Ｅに更新信号を出力する。計数値は、更新信号の出力後に０にリセットされる。よって、正弦波カウンタ３０２１における計数値は−１、０、１のうちのいずれかであり、計数値が０から１、または０から−１に変化したときに更新信号を出力する。ステップＳ１００１は、この更新信号の有無を判別し、更新信号がある場合にはＳ１００３に、更新信号がない場合はＳ１００２に推移する。

振幅計算部３０２２は、Ａ相の信号の値を監視し、信号値の最小値と最大値を保持している。ステップＳ１００１で更新信号がないと判断された場合、ステップＳ１００２において、振幅計算部３０２２は、保持する最小値と最大値から振幅値ａｍｐｌを計算する。振幅値ａｍｐｌは、Ａ相の最大値をｍａｘ（Ｓ（Ａ））、Ａ相の最小値をｍｉｎ（Ｓ（Ａ））とすると、以下の式（１０）により算出される。

一時記憶部３０２３は、正弦波信号の１波長分の変位ごとの振幅値を計算するために用いられる一時的なメモリであり、振幅値のほか、Ａ相の信号の最大値および最小値を保持する。第１〜第５振幅記憶部３０２４Ａ〜３０２４Ｅはそれぞれ、Ａ相の信号の振幅値を保持する。第１〜第５振幅記憶部３０２４Ａ〜３０２４Ｅは、シフトレジスタであり、正弦波カウンタ３０２１から取得する更新信号により、振幅値の保持およびシフトを行う。

ステップＳ１００３では、まず、一時記憶部３０２３は正弦波カウンタ３０２１から更新信号が出力されるタイミングで計算された振幅値を第１振幅記憶部３０２４Ａに出力する。一時記憶部３０２３が保持している値は、正弦波カウンタ３０２１が出力する更新信号によりリセットされる。具体的には、振幅値は０、最小値および最大値は中心電圧値である１．６５Ｖにリセットされる。第１振幅記憶部３０２４Ａは、一時記憶部３０２３が出力した振幅値を取り込み、それまで保持していた振幅値を第２振幅記憶部３０２４Ｂに出力する。第２振幅記憶部３０２４Ｂは、第１振幅記憶部３０２４Ａが出力した振幅値を取得し、それまで保持していた振幅値を第３振幅記憶部３０２４Ｃに出力する。第３および第４振幅記憶部３０２４Ｃ，３０２４Ｄはそれぞれ同様の処理を行う。第５振幅記憶部３０２４Ｅは、第４振幅記憶部３０２４Ｄが出力した振幅値を取り込み、それまで保持していた振幅値は破棄する。

以上の処理により、第１〜第５振幅記憶部３０２４Ａ〜３０２４Ｅが、正弦波信号における５波長分のＡ相の信号の振幅値を保持できる。また、第１振幅記憶部３０２４Ａが最新の振幅値を保持し、第２振幅記憶部３０２４Ｂ、第３振幅記憶部３０２４Ｃ、第３振幅記憶部３０２４Ｃの順に新しい振幅値を保持する。そして、第５振幅記憶部３０２４Ｅは最も古い振幅値を保持する。

ステップＳ１００４では、比較部３０２５は、第１〜第５振幅記憶部３０２４Ａ〜３０２４Ｅが有する振幅値を比較し、以下の条件１〜４を満足するかどうかを判断する。ステップＳ１００５では、比較部３０２５は、比較結果が以下の条件１〜４を全て満たす場合は、原点信号の出力値をハイレベルとして決定し、原点信号が出力される。ステップＳ１００６では、原点信号の出力値をロウレベルとして決定し、原点信号が出力される。
（条件１）第１振幅記憶部３０２４Ａが保持する振幅値が、第２振幅記憶部３０２４Ｂが保持する振幅値より大きい
（条件２）第２振幅記憶部３０２４Ｂが保持する振幅値が、第３振幅記憶部３０２４Ｃが保持する振幅値より小さい
（条件３）第３振幅記憶部３０２４Ｃが保持する振幅値が、第４振幅記憶部３０２４Ｄが保持する振幅値より小さい
（条件４）第４振幅記憶部３０２４Ｄが保持する振幅値が、第５振幅記憶部３０２４Ｅが保持する振幅値より小さい
比較部３０２５が決定する原点信号の出力値は、正弦波カウンタ３０２１が次の更新信号を出力するまで保持される。すなわち、原点信号は正弦波信号における特定の波長領域内においてのみハイレベルが出力される。

ここで、図１２（ａ）を参照して、条件１〜４について説明する。図１２（ａ）において、変位Δｘが−から＋になるとき、変位Δｘが−３８４μｍの場合だけ条件１〜４を満たし、他の値の場合は満たさない。このとき、振幅計算部３０２２は、変位Δｘが−３８４μｍの場合の振幅値を計算している。また、第１〜第５振幅記憶部３０２４Ａ〜３０２４Ｅはそれぞれ、変位Δｘが−５１２μｍ，−６４０μｍ，−７６８μｍ，−８９６μｍ，−１０２４μｍの場合の振幅値を保持している。

一方、変位Δｘが＋から−になるとき、変位Δｘが３８４μｍの場合だけ条件１〜４を満たし、他の値の場合は満たさない。このとき、振幅計算部３０２２は、変位Δｘが３８４μｍの場合の振幅値を計算している。また、第１〜第５振幅記憶部３０２４Ａ〜３０２４Ｅがそれぞれ、変位Δｘが５１２μｍ，６４０μｍ，７６８μｍ，８９６μｍ，１０２４μｍの場合の振幅値を保持している。

条件１〜４は全て振幅値の相対比較であり、絶対値要素を含まない。したがって、反射膜１０２が反射する反射光のうち、スケール１０の変位を検出するための変調光の成分が少なく、信号振幅が一様に低下した場合でも原点検出を行うことが可能である。また、信号振幅が一様に上昇した場合でも原点検出を行うことが可能である。

絶対位置計算部３０３は、原点検出部３０２がハイレベルの原点信号を出力する正弦波信号の波長内において、Ａ相およびＢ相の信号が共に中心電圧よりも高い電圧値となり、かつ両相が交差した点を検出した場合に、累積位置をリセットする。累積位置をリセットするタイミングはこのタイミングに限らず、原点検出部３０２がハイレベルの原点信号を出力する間、すなわち、変位検出部２０のＡ相およびＢ相の正弦波信号における特定の１波長の間であれば、Ａ相およびＢ相の組み合わせは任意に定めてよい。

図１２（ａ）では、絶対位置計算部３０３は、原点信号が変位Δｘが−から＋に変化する間に出力される場合には累積位置を−１９２μｍにリセットし、変位Δｘが＋から−に変化する間に出力される場合には累積位置を１９２μｍにリセットする。図９を用いて、具体的に説明する。図９でスケール１０の移動量が１０２４μｍの場合、図１２（ａ）の変位Δｘが０の場合に相当する。そこで、本実施例では、スケール１０の移動量が１０２４μｍの場合を基準に説明する。移動量が１０２４μｍの場合のＡ相およびＢ相の信号の値の組み合わせは、原点検出部３０２がハイレベルの原点信号を出力する正弦波信号の波長内において累積位置のリセットを行う組み合わせと同じである。移動量が０μｍから１０２４μｍになる間に原点を検出する位置は、移動量が８３２μｍの場合である。このとき、振幅計算部３０２２は、移動量が８３２μｍの場合の振幅値を計算している。また、第１〜第５振幅記憶部３０２４Ａ〜３０２４Ｅはそれぞれ、移動量７６８μｍ，７０４μｍ，６４０μｍ，５７６μｍ，５１２μｍの場合の振幅値を保持している。このとき、絶対位置計算部３０３は、移動量が１０２４μｍの場合の累積位置を０にするために、移動量が８３２μｍの累積位置を−１９２μｍ（＝８３２μｍ−１０２４μｍ）とする。一方、移動量が２０４８μｍから１０２４μｍになる間に原点を検出する位置は、変位が１２１６μｍの地点である。このとき、振幅計算部３０２２は、移動量が１２１６μｍの場合の振幅値を計算している。また、第１〜第５振幅記憶部３０２４Ａ〜３０２４Ｅはそれぞれ、移動量１２８０μｍ，１３４４μｍ，１４０８μｍ，１４７２μｍ，１５３６μｍの場合の振幅値を保持している。このとき、絶対位置計算部３０３は、移動量が１０２４μｍの場合の累積位置を０にするため、移動量が８３２μｍの累積位置を１９２μｍ（＝１２１６μｍ−１０２４μｍ）とする。したがって、本実施例では、累積位置の０μｍリセットを、原点検出の方向に寄らず、同一の位置でなおかつ遅れを持たずに行うことができる。

以上の構成により、変位検出信号との位置ずれが小さく、振幅変化によって原点位置を誤る可能性が低く、累積位置の０μｍリセットを、原点の検出方向に寄らず、同一の位置でなおかつ遅れを持たずに行うことが可能な高性能な原点検出を実現できる。

本実施例では、原点パターン１０４ではパターン１０３に比べて反射膜１０２で覆う面積を多くすることで反射光の変調強度を落としているが、反射光の変調強度を落とす方法はこの方法に限定されない。例えば、パターン１０３を原点パターン１０４の１周期（ピッチ）分だけ欠落させることによって実現してもよい。欠落とは、スケール１０上において本来であればパターン１０３が存在する箇所を、あえてパターン１０３を配置しないことを意味する。

また、本実施例のように感度部と不感度部が上述した順に並んでいれば、感度部と不感度部の検出方向の長さは本実施例の長さに限定されない。また、本実施例では、感度部と不感度部は受光部２０２の検出方向において左右対称に配置されているが、これに限定されない。感度部と不感度部の配置が検出方向において左右対称でない場合は、原点検出の判定式を検出方向によって変更すればよい。

本実施例では、変位検出部２０は２相の信号を出力するが、変位の検出と信号強度の計算および原点の検出を行うことが可能であれば３相以上の信号を出力してもよい。

本実施例では、図１３に示されるように、ハードウェアを用いて原点検出に関する処理が実行されているが、同様の処理が実行可能であればこれに限定されない。例えば、ソフトウェアを用いて処理を行ってもよい。ハードウェアによる実現は、ソフトウェアに比べて、速いスケールの移動速度に対応でき、原点位置を判定してから実際に出力に反映されるまでの時間が早い。一方、ソフトウェアによる実現は、受光部２０２のＰＤアレイの配列の変化や、原点パターンの変化による信号強度変化の軌跡に変化があった場合にも柔軟に対応できる。

本実施例では、原点検出部３０２は、ハイレベルとロウレベルの信号を出力することで原点を検出したかどうかを通知するが、信号はこれらに限定されない。例えば、原点検出時と原点不検出時とで異なるシリアル値を送信してもよい。

本実施例のエンコーダは、原点検出部の内部の構成および処理、絶対位置計算部の処理について実施例１と異なる。本実施例のエンコーダを図１５に示す。図１５において、信号処理部３１内における原点検出部３１２および絶対位置計算部３１３以外の部分は実施例１と同様であるため、説明は省略する。

本実施例の原点処理について、図１６および図１７を参照して説明する。図１６は本実施例の原点検出部３１２のブロック図であり、図１７は原点検出部３１２による原点検出処理のフローチャートである。実施例１と同様の構成や処理については、説明を省略する。

ステップＳ２００１では、振幅計算部３１２６は、振幅値ｌｉｓｓａを求めるために、以下の式（１１）に示されるように、変位検出部２０から出力されるＡ相およびＢ相の信号の２乗和の平方根を計算する。

図１８は、変位検出部２０のＡ相およびＢ相の信号をそれぞれ横軸および縦軸としたときの振幅値ｌｉｓｓａを表す図である。

ステップＳ２００２では、最小値検出部３１２７は、振幅計算部３１２６により計算される振幅値ｌｉｓｓａと一時記憶部３１２３が保持する振幅値の最小値を比較する。振幅値ｌｉｓｓａが最小値より小さい場合、ステップＳ２００３では一時記憶部３１２３が保持する最小値を振幅値ｌｉｓｓａに更新する。

ステップＳ２００４では、最小値検出部３１２７は、正弦波カウンタ３１２１が更新信号を出力すると、一時記憶部３１２３が保持する振幅値の最小値を第１振幅記憶部３１２４Ａに出力する。出力後、一時記憶部３１２３が保持する最小値は、３．３Ｖにリセットされる。以降の処理は、図１４のステップＳ１００３と同様であり、第１〜第５振幅記憶部３１２４Ａ〜３１２４Ｅは５周期（ピッチ）分の振幅値を保持する。ステップＳ１００４で比較結果が条件１〜４を全て満たす場合にはステップＳ２００５に進み、条件１~４を満たさない場合はステップＳ２００６に進む。

正弦波カウンタ３１２１は、計数装置３１２９に更新信号とともに、正弦波カウンタ３１２１の計数値の変化の方向により決定される方向判別信号を出力する。方向判別信号は、計数値が０から１に変化したときはハイレベルであり、計数値が０から−１に変化したときはロウレベルである。

ステップＳ２００６では、計数装置３１２８は、正弦波カウンタ３１２１が出力する更新信号と方向判別信号により、計数値を更新する。スケール１０にはパターン１０３が１５６０周期分形成されているが、計数装置３１２８は符号付き１２ビットの数値の幅を有しているため、符号の有無に関わらず計数装置３１２８の計数値が計数途中で異常値となることはない。計数装置３１２８の計数値は、電源投入直後は０にリセットされる。比較器３１２５がロウレベルの信号を出力している間、すなわち、原点を検出していない間は、計数装置３１２８は正弦波カウンタ３１２１が出力する更新信号および方向判別信号のレベルにより計数値を増減させる。

ステップＳ２００７では、比較器３１２５がハイレベルの信号を出力すると、計数装置３１２８は、方向判別信号により計数値にセットする値を条件によって切り替える。比較器３１２５がハイレベルの信号を出力し、方向判別信号がハイレベルであるときは、図１２（ａ）において変位Δｘが−から０になる間に原点が検出されたことを意味する。実施例１で説明したように、変位Δｘが−から０になる間に原点が検出されたときの変位Δｘは−３８４μｍであり、正弦波信号が３波長分だけ変位すれば変位Δｘが０μｍとなる。このとき、計数装置３１２８は、計数値を−３にセットする。比較器３１２５がハイレベルの信号を出力し、方向判別信号がロウレベルであるときは、図１２（ａ）において変位Δｘが正から０になる間に原点が検出されたことを意味する。実施例１で説明したように、変位Δｘが正から０になる間に原点を検出するときの変位Δｘは３８４μｍであり、正弦波周期信号が−３波長分だけ変位すれば変位Δｘが０μｍとなる。このとき、計数装置３１２８は、計数値を３にセットする。いずれの場合においても、計数値が原点検出により新たにセットされた場合には、計数装置３１２８は、判定部３１２９に計数値更新信号を出力する。具体的には、計数装置３１２８は、電源投入直後から原点検出により計数値をセットまではロウレベルの信号を出力し、原点検出により計数値をセットした後はハイレベルの信号を出力する。

ステップＳ２００８では、判定部３１２９は、計数装置３１２８が出力する計数値と計数値更新信号に基づいて、原点位置に到達したかどうかを判定する。計数値が０で、かつ計数値更新信号がハイレベルである場合は、スケール１０が原点位置に到達したと判定し、原点信号としてハイレベルの信号を出力する。計数値が０でない、または計数値更新信号がロウレベルである場合は、原点信号としてロウレベルの信号を出力する。

絶対位置計算部３１３は、原点検出部３１２がハイレベルの原点信号を出力する正弦波信号の波長内において、Ａ相およびＢ相の信号が共に中心電圧よりも高い電圧値となり、かつ両相が交差した点を検出した場合に、累積位置を０にリセットする。

以上の構成により、絶対位置計算部３０３が実施例１のように方向による累積位置のセット値の変更機能を有さないリニアエンコーダにおいても、本発明を適用することが可能である。なお、本実施例においても、実施例１と同様に、信号の検出方法や処理部の構成が異なる系を用いてもよい。

図１９は、本実施例のエンコーダの構成図である。本実施例のエンコーダでは、ロータリースケール４０を備える。ロータリースケール４０の径は、５０ｍｍである。ロータリースケール４０にはスケールパターンが周に沿うように配置され、スケールパターンが形成される領域の径は４０．７ｍｍである。すなわち、周期（ピッチ）が６４μｍのＡ相およびＢ相の信号の周期数は、２０００である。また、ロータリースケール４０は、特定の方位角においてのみ原点パターンを有する。

本実施例のエンコーダは、原点検出部３１２における処理の一部が実施例２と異なる。原点検出部３１２内で実施例２と共通の構成または処理については説明を省略する。

本実施例の計数装置３１２８は、実施例２と同様、原点検出の方向によって計数値にセットする値を切り替えるが、比較器３１２５がハイレベルの信号を出力し、かつ方向判別信号がハイレベルのときのみ、セットする値が異なる。ロータリースケール４０により得られる正弦波信号の計数値は負の値を取ることはなく、例えば、計数値が１９９８→１９９９と増えていくと、計数値が０に戻る。すなわち、ロータリースケール４０の周期数に合わせ、２０００周期をカウントできるよう、計数値が０と１９９９を境にオーバーフローまたはアンダーフローするように構成されている。そのため、比較器３１２５がハイレベルの信号を出力し、かつ方向判別信号がハイレベルの場合、計数装置３１２８は、実施例２では計数値を−３にセットしたが、本実施例では１９９７（＝０−３＋２０００）をセットする。以降の処理は実施例２と同様であるため、説明は省略する。

以上の構成により、絶対位置計算部３１３が実施例１のように方向による累積位置のセット値の変更機能を有さないロータリーエンコーダにおいても、本発明を適用することが可能である。本実施例においても、実施例１，２と同様に、信号の検出方法や処理部の構成が異なる系を用いてもよい。

図２０は、本発明のエンコーダを搭載したリニアステージの外観図である。リニアステージは、スケール１０、モータ５０、ボールねじ６０，ステージ７０、エンコーダ８０、およびコントローラ９０を備える。

スケール１０には、絶対位置の基準として用いられる原点パターン１０４が設けられている。ボールねじ６０は、モータ５０の回転を直動変換する。ボールねじ６０は、モータ５０の回転量に応じて、ステージ７０を図中の矢印に沿って移動させる。スケール１０はステージ７０の側面に変位方向に沿って貼り付けられ、エンコーダ８０はスケール１０を読み取る向きに取り付けられている。エンコーダ８０は、反射型の光学式エンコーダであり、変位検出部、および信号処理部を備える。信号処理部は、計数装置を備える原点検出部を有する。エンコーダ８０は、スケール１０との相対変位に応じて変位検出部が出力する２相の正弦波を位置信号に変換し、これをコントローラ９０に出力する。コントローラ９０は、エンコーダ８０から出力される信号に基づいてステージ７０の変位を検出するとともに、モータ５０の回転量を制御することでステージ７０の位置制御を行う。

上記構成では、ステージ７０が変位方向の限界位置に達したにも関わらず、コントローラ９０が誤動作によりモータ５０を回転させ続けてしまうおそれがある。ステージ７０の変位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８０に加えてリミットセンサを設けると、エンコーダ８０やリミットセンサの周辺回路部品などの構成部品が増加してしまう。そこで、本実施例では、コントローラ９０がステージ７０の基準位置からの変位を検出する。

本実施例では、電源投入時、基準位置である原点を検出するために、ステージ７０を移動させて原点パターン１０４を探す原点検出を行う。エンコーダ８０の変位検出部が原点パターン１０４上に達すると、原点信号がコントローラ９０に出力される。コントローラ９０は、原点信号を受信すると、ステージ７０が原点上に位置していると認識し、この時点での検出位置を０にリセットする。その後、コントローラ９０は、原点検出パターンの存在する領域を基準位置とした変位検出が可能になり、ステージ７０の正確な制御が行うことができる。

なお、本実施例ではステージにエンコーダを用いた場合について説明したが、本発明のエンコーダはステージ以外の各種装置にも使用することができる。例えば、撮像装置のフォーカス位置制御のために用いる場合や、半導体実装のために使用されるダイボンダーのＺ軸の位置制御のために用いることもできる。すなわち、対象が位置制御のためにエンコーダが用いられる装置であり、該装置の構成が原点検出のための動作を行うことが許容される構成であれば、本発明を適用できる。

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。

１０ リニアスケール（スケール）
１０３ パターン（連続部）
１０４ 原点パターン（不連続部）
２０ 変位検出部（検出部）
２０２１ ＰＤ（感度部）
２０２２ ＰＤ（不感度部）
３０ 信号処理部（処理部）
３１ 信号処理部（処理部）
４０ ロータリースケール（スケール）

Claims (9)

1. 物理的特性が周期的に変化する連続部と、前記連続部が中断する不連続部と、を備えるスケールと、
   前記スケールに対して相対変位し、前記スケールの前記物理的特性を検出する検出部と、
   前記検出部から出力される変位検出用信号に基づいて、前記スケールの原点を検出する処理部と、を、有するエンコーダにおいて、
   前記検出部は、前記物理的特性に対して前記検出部から出力される前記変位検出用信号に寄与する感度を有する感度部と、前記物理的特性に対して前記検出部から出力される前記変位検出用信号に寄与する感度を有さない不感度部を備え、
   前記処理部は、前記不連続部における物理的特性を前記感度部が検出する場合に前記検出部が出力する前記変位検出用信号の振幅値、および前記不連続部における物理的特性を前記不感度部が検出する場合に前記検出部が出力する前記変位検出用信号の振幅値に基づいて前記原点を検出することを特徴とするエンコーダ。
2. 前記感度部および前記不感度部の前記スケールの変位方向に沿う長さは、前記検出部において前記連続部の波長に相当する長さより長いことを特徴とする請求項１に記載のエンコーダ。
3. 前記検出部は、前記スケールの変位方向において、第１の端部から順に、前記感度部、前記不感度部、前記感度部、前記不感度部、前記感度部を備え、
   前記処理部は、前記不連続部における物理的特性を前記検出部の両端に配置される感度部のいずれか一方が検出する場合に前記検出部が出力する信号の振幅値、および前記不連続部における物理的特性を前記一方の感度部に隣接する不感度部が検出する場合に前記検出部が出力する信号の振幅値に基づいて前記原点を検出す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。
4. 前記処理部は、前記検出部から出力される前記変位検出用信号のうち、前記検出部において前記連続部の１波長に相当する長さにおける最大の信号値と最小の信号値との差を振幅値として算出することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のエンコーダ。
5. 前記処理部は、前記検出部から出力される少なくとも２相の前記変位検出用信号の２乗和に基づいて振幅値を算出することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のエンコーダ。
6. 前記処理部は、前記検出部から出力される信号の数を数える計数装置を備え、
   前記計数装置は、前記処理部が原点を検出すると、数えた信号の数を所定値に更新することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のエンコーダ。
7. 前記エンコーダは、リニアエンコーダであることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のエンコーダ。
8. 前記エンコーダは、ロータリーエンコーダであることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のエンコーダ。
9. 請求項１から８のいずれか１項に記載のエンコーダを有することを特徴とする装置。