光電式エンコーダ及びそのアライメント調整方法
【課題】検出ヘッドのアライメント調整が容易な光電式エンコーダ及びそのアライメント調整方法を提供する。
【解決手段】光電式エンコーダは、測定軸方向に所定ピッチで回折格子が形成されたスケールと、このスケールに対して相対移動可能に配置され、スケールに光を照射する照射部、並びにスケールの回折格子で反射または透過された光を、それぞれ異なる位相において受光する複数の受光部を備えた検出ヘッドと、この検出ヘッドの受光部からの受光信号を処理して２相信号を生成する信号処理装置とを備える。信号処理装置は、２相信号のリサージュ半径に対応したアライメント調整用のモニタ信号を算出することで、前記スケールに対して前記検出ヘッドを静止させた状態で該検出ヘッドのアライメント調整を可能とする。
【解決手段】光電式エンコーダは、測定軸方向に所定ピッチで回折格子が形成されたスケールと、このスケールに対して相対移動可能に配置され、スケールに光を照射する照射部、並びにスケールの回折格子で反射または透過された光を、それぞれ異なる位相において受光する複数の受光部を備えた検出ヘッドと、この検出ヘッドの受光部からの受光信号を処理して２相信号を生成する信号処理装置とを備える。信号処理装置は、２相信号のリサージュ半径に対応したアライメント調整用のモニタ信号を算出することで、前記スケールに対して前記検出ヘッドを静止させた状態で該検出ヘッドのアライメント調整を可能とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リニアスケール等に用いられる光電式エンコーダ及びそのアライメント調整方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の光電式エンコーダの一つとして、位相格子スケールを利用した光電式エンコーダが知られている。この光電式エンコーダにおいては、光源からのコヒーレント光を位相格子スケールに照射することにより、スケール位置情報を有した回折光の干渉縞が生成される。そして、この干渉縞を位相検波することによりスケールに沿った方向の測長が可能となる（特許文献１参照）。従来、この種の光電式エンコーダの検出ヘッドのアライメント調整は、検出ヘッドをスケールに沿って移動させ、出力されたリサージュ信号を見ながら検出ヘッドとスケールとの相対的位置関係を調整する事によって行われていた。この際、検出ヘッドのサイズが比較的大きなものについてはスケールとの機械的基準が取りやすく、取付け時にある程度ベストアライメント状態を確保する事が可能である。しかしながら、検出ヘッドのサイズが比較的小さなもの（特許文献１、２）については機械的基準が取りにくく、検出ヘッドの取付け時にアライメント調整作業が必要となる。
【０００３】
また、例えば光電式エンコーダが三次元測定装置のステージに組み込まれる様な場合等、アライメント調整を行うためのスペースが容易に確保できない場合には、上記の方法が困難となる。この様な場合のために、検出ヘッドをスケールに沿って移動させることなく、静止状態においてアライメント調整を行う方法が提案されている（特許文献３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−５３６０５号公報
【特許文献２】特開２００８−３９６０２号公報
【特許文献３】特開２００７−２３２６８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献３では、検出ヘッドに備えられた複数の受光部において受光された信号同士を比較する事によって、検出ヘッドのＰｉｔｃｈ方向、Ｒｏｌｌ方向の回転量を検出する方法が提案されている。しかしながら、同文献においては静止状態におけるＹａｗ回転量の検出については提案されておらず、Ｙａｗ方向の回転量の検出については依然として従来の方法で行う必要があった。
【０００６】
本発明はこのような点に鑑みなされたもので、検出ヘッドのアライメント調整が容易な光電式エンコーダの提供を目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る光電式エンコーダは、測定軸方向に所定ピッチで回折格子が形成されたスケールと、このスケールに対して相対移動可能に配置され、スケールに光を照射する照射部、並びにスケールの回折格子で反射または透過された光を、それぞれ異なる位相において受光する複数の受光部を備えた検出ヘッドと、この検出ヘッドの受光部からの受光信号を処理して２相信号を生成する信号処理装置とを備える。信号処理装置は、２相信号のリサージュ半径に対応したアライメント調整用のモニタ信号を算出することで、前記スケールに対して前記検出ヘッドを静止させた状態で該検出ヘッドのアライメント調整を可能とする。
【０００８】
本発明によれば、光電式エンコーダの検出ヘッド、又はスケールを移動させることなくリサージュ半径を算出し、検出ヘッドのＹａｗ方向の回転角度を検出する事が可能となる。
【０００９】
本発明の一実施形態に係る光電式エンコーダにおいて、複数の受光部は、照射部を中心として上下左右に配置され、９０°ずつ空間的な位相を異ならせた回折格子を介してスケールからの光を受光する４つの受光部であり、信号処理装置は、４つの受光部で得られた受光信号を演算処理して２相信号を生成するものである。
【００１０】
本発明の一実施形態に係るアライメント調整方法では、信号処理装置から出力される２層信号のリサージュ半径又はその二乗がモニタ信号である場合、その最大値が得られるように検出ヘッドのスケールに対するＹａｗ方向のアライメントを調整する。
【００１１】
又、本発明の他の実施形態に係る光電式エンコーダにおいて、信号処理装置は、リサージュ半径又はその二乗を特性関数に近似し、その逆関数又は微分関数をモニタ信号として求める様にしても良い。
【００１２】
この場合、本発明の他の実施形態に係るアライメント調整方法では、モニタ信号が許容範囲内に入るように検出ヘッドのスケールに対するＹａｗ方向のアライメントを調整する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、検出ヘッドのアライメント調整が容易な光電式エンコーダ及びそのアライメント調整方法を提供する事が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第１実施形態に係る光電式エンコーダの構成を示す図である。
【図２】同装置における検出ヘッドの概略図である。
【図３】同装置のマスクを示す図である。
【図４】同装置における検出ヘッドの取り付け姿勢を示す図である。
【図５】同装置における信号処理装置の構成を示すブロック図である。
【図６】同装置の位相検出回路の回路図である。
【図７】同装置のＲｏｌｌ検出回路の回路図である。
【図８】同装置のＰｉｔｃｈ検出回路の回路図である。
【図９】同装置のＡＧＣ・Ｙａｗ検出回路の回路図である。
【図１０】同装置のＹａｗ方向の回転角度とリサージュ半径の大きさの関係を表すグラフである。
【図１１】本発明の第２実施形態に係る光電式エンコーダにおける信号処理装置の一部の構成を示すブロック図である。
【図１２】同装置における姿勢モニタ用信号とＹａｗ回転角との関係を示すグラフである。
【図１３】本発明の第３実施形態に係る光電式エンコーダにおける信号処理装置の構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
［第１実施形態］
次に、本発明の第１実施形態に係る光電式エンコーダについて図面を参照して詳細に説明する。
【００１６】
図１は、本発明の第１実施形態に係る光電式エンコーダの構成を示す図である。本発明の第１実施形態に係る光電式エンコーダは、測定軸方向に所定ピッチで反射型の回折格子が形成されたスケール１と、このスケール１の回折格子が形成されている面側にスケール１に対して所定のギャップを介して対向され、且つ相対移動可能に配置された検出ヘッド２とを備えている。検出ヘッド２はケーブル３を介して信号処理装置４に接続されている。
【００１７】
図２は、上述した光電式エンコーダにおける検出ヘッド２の概略図である。本実施形態において、ケーブル３は複数本の光ファイバを束ねて構成されている。ケーブル３は、照射用光ファイバ２１１の周りに６本の受光用光ファイバ２２１が束ねられて構成されており、ケーブル３の先端部がフェルール２５によって被覆されて検出ヘッド２を構成している。照射用光ファイバ２１１には、例えば、シングルモードファイバが使用される。また、受光用光ファイバ２２１には、例えば、マルチモードファイバが使用される。図２（ａ）に示すように、照射用光ファイバ２１１の先端部が照射部２１を構成し、受光用光ファイバの先端部が受光部２２を構成している。図２（ｂ）に示すように、この照射部２１及び受光部２２の前面には透過型の回折格子を有するマスク２３が取り付けられている。
【００１８】
図３は、上記マスク２３の詳細を示す図である。即ち、照射部２１を中心として、左上、右上、左下及び右下に配置された４つの受光部２２が変位の位相検出用受光部２２２となり、上下方向に配置された２つの受光部２２が原点（ゼロ）検出を兼ね備えた姿勢モニタ用受光部２２３となる。これらの位相検出用受光部２２２及び姿勢モニタ用受光部２２３の前面に位置する様にマスク２３を構成する透過型の４つの位相検出用回折格子２３１と２つの姿勢モニタ用窓２３２がそれぞれ設けられている。照射部２１の前面に位置するマスク２３の中心部は、照射部２１からの光がそのまま透過する様になっている。
【００１９】
左上、右上、左下及び右下の位相検出用回折格子２３１は、同一ピッチでそれぞれ空間的な位相関係が、０°、９０°、１８０°及び２７０°であるａ相、ｂ相、ａｂ相及びｂｂ相の位相格子を形成している。以下、上記各位相検出用受光部を、受光部２２２Ａ、２２２Ｂ、２２２ＡＢ、２２２ＢＢと呼ぶ。又、姿勢モニタ用受光部のうち、Ｙ軸の正方向に設けられているものを２２３Ｚ、負方向に設けられているものを２２３ＺＢとする。これら姿勢モニタ用受光部は、ゼロ点検出部を兼用する。
【００２０】
図４は、本発明の第１実施形態に係る光電式エンコーダにおける検出ヘッド２の取り付け姿勢を示す図である。ここでは、スケール１に対する検出ヘッド２の相対移動方向をＸ方向、スケール１の面と平行で、Ｘ方向に直交する方向をＹ方向、Ｘ方向及びＹ方向に直交する方向、すなわちスケール１の面に直交する方向をＺ方向とする。また、スケール１と検出ヘッド２との間のＸ−Ｚ平面内での傾きをＰｉｔｃｈ方向、Ｙ−Ｚ平面内での傾きをＲｏｌｌ方向、Ｘ−Ｙ平面内での傾きをＹａｗ方向とする。
【００２１】
次に、同光電式エンコーダにおける信号処理装置４について説明する。図５は、本発明の第１実施形態に係る光電式エンコーダにおける信号処理装置４の構成を示すブロック図である。
【００２２】
信号処理装置４は、照射用光ファイバ２１１の基端部を接続する部分に、光源として、例えばＬＤ６を有する。このＬＤ６は、ＬＤドライバ５により駆動されてコヒーレント光を発光する。コヒーレント光は、光学系７を介して照射用光ファイバ２１１のコアを導波して、コアの先端の照射部２１よりスケール１に向けて照射される。
【００２３】
また、信号処理装置４は、受光用光ファイバ２２１の基端部を接続する部分に、６つの受光素子８を有する。６つの受光素子８は、それぞれ位相が０°、９０°、１８０°、２７０°である位相信号Ｓａ，Ｓａｂ，Ｓｂ，Ｓｂｂ及び姿勢モニタ用信号Ｓｚ，Ｓｚｂを出力する。位相信号Ｓａ，Ｓａｂ，Ｓｂ，Ｓｂｂは、位相検出回路４０とＰｉｔｃｈ検出回路６０に入力され、姿勢モニタ用信号Ｓｚ，Ｓｚｂは、原点検出機能を兼ね備えたＲｏｌｌ検出回路５０に入力されている。位相検出回路４０は、位相信号Ｓａ，Ｓａｂ，Ｓｂ，Ｓｂｂを演算処理してスケール１に対する検出ヘッド２の変位を示す２相信号Ａ，Ｂを出力する。Ｐｉｔｃｈ検出回路６０は、位相信号Ｓａ，Ｓａｂ，Ｓｂ，Ｓｂｂを演算処理してＰｉｔｃｈ方向の姿勢モニタ用信号ＭＰを出力する。Ｒｏｌｌ検出回路５０は、姿勢モニタ用信号Ｓｚ，Ｓｚｂを演算処理してＲｏｌｌ方向の姿勢モニタ用信号ＭＲを出力するか、又は原点位置に於いては原点信号を出力する。また、ＡＧＣ・Ｙａｗ検出回路７０は、位相検出回路４０から出力された２相信号Ａ，Ｂを演算処理して正規化２相信号ＶＡ，ＶＢと２相信号Ａ，Ｂのリサージュ半径Ｒ又はその二乗Ｒ２をＹａｗ方向の姿勢モニタ用信号ＭＹとして出力する。
【００２４】
図６は、位相検出回路４０の構成を示す回路図である。
【００２５】
位相検出回路４０は、電流電圧変換部４１、３相信号生成部４２及び２相信号生成部４３を有している。
【００２６】
電流電圧変換部４１は電流電圧変換回路４１Ａ、４１Ｂ、４１ＡＢ、４１ＢＢにより構成されており、それぞれに位相信号Ｓａ、Ｓｂ、Ｓａｂ、Ｓｂｂが入力されている。又、３相信号生成部４２は、差動増幅回路４２Ａ〜４２Ｃにより構成されている。
【００２７】
差動増幅回路４２Ａは、位相信号Ｓａ、Ｓａｂを差動増幅し、第１差動信号ＤＳａを出力する。この第１差動信号ＤＳａは０度の位相を持つ位相信号Ｓａと１８０度の位相を持つ位相信号Ｓａｂの差を取ったものであり、位相信号ＳａとＳａｂの位相のずれがなければ、基準位相と同じ０度の位相を有する信号である。
【００２８】
同様に差動増幅回路４２Ｂは、位相信号Ｓｂ、Ｓｂｂを差動増幅し、第２差動信号ＤＳｂを出力する。この第２差動信号ＤＳｂは９０度の位相を持つ位相信号Ｓｂと２７０度の位相を持つ位相信号Ｓｂｂの差を取ったものであり、位相信号ＳｂとＳｂｂの位相のずれがなければ、基準位相に対して９０度の位相差を有する信号である。
【００２９】
また、差動増幅回路４２Ｃは、差動増幅回路４２Ｂと同様に位相信号ＳｂとＳｂｂを差動増幅するが、その出力信号ＤＳｃは、上記第２差動信号ＤＳｂとは位相が１８０度異なる反転差動信号として得られる。すなわち、反転差動信号ＤＳｃは基準位相に対して２７０度（すなわち−９０度）の位相差を有している信号である。以上より、３相信号生成部４２で得られた３相の差動信号ＤＳａ、ＤＳｂ、ＤＳｃはそれぞれ９０度位相差を有することとなる。
【００３０】
２相信号生成部４３は差動増幅回路４３Ａ，４３Ｂ及びそれらの出力の利得を調整する利得調整部４４を有する。第１差動信号ＤＳａと第２差動信号ＤＳｂは差動増幅回路４３Ａに入力される。差動増幅回路４３Ａは入力された２信号ＤＳａとＤＳｂをベクトル合成することにより、Ａ相信号を生成する。０度の位相の信号ＤＳａと９０度の位相の信号ＤＳｂがベクトル合成されるため、Ａ相信号は基準位相に対して４５度の位相差を有する信号となる。
【００３１】
同様に、第１差動信号ＤＳａと反転差動信号ＤＳｃは差動増幅回路４３Ｂに入力される。差動増幅回路４３Ｂは入力された２信号ＤＳａとＤＳｃをベクトル合成することにより、Ｂ相信号を生成する。Ａ相信号と同様に、０度の位相の信号ＤＳａと２７０度（−９０度）の位相の信号ＤＳｃがベクトル合成されるため、Ｂ相信号は基準位相に対して３１５度（すなわち−４５度）の位相を有する信号となる。このように、得られたＡ相信号とＢ相信号は、受光時の初期位相差（ＳａとＳｂ又はＳａｂとＳｂｂ）が９０度からずれていても、９０度の位相差を確保する。
【００３２】
図７は、Ｒｏｌｌ（及び原点）検出回路５０の構成を示す回路図である。Ｒｏｌｌ検出回路５０は、電流電圧変換回路５１及び作動増幅回路５２を備えている。姿勢モニタ用受光部２２３Ｚ、２２３ＺＢで受光された受光信号から得られた姿勢モニタ用信号Ｓｚ及びＳｚｂは、それぞれ電流電圧変換回路５１Ａ、５１Ｂで増幅され、差動増幅回路５２で差動増幅される。従って、（原点以外の場所では）姿勢モニタ用信号Ｓｚ及びＳｚｂの信号強度が等しい場合には、差動増幅回路５２からは信号が出力されない。この様な構成において検出ヘッド２がＲｏｌｌ方向に回転していた場合、姿勢モニタ用受光部２２３Ｚとスケール１との距離、及び姿勢モニタ用受光部２２３ＺＢとスケール１との距離の間には差が生じる為、姿勢モニタ用信号ＳｚとＳｚｂとの間に強度差が生じる。このため、差動増幅回路５２から、検出ヘッド２のＲｏｌｌ方向の回転角度に応じた姿勢モニタ用信号ＭＲが出力される。姿勢モニタ用窓２３２の幅は広く、姿勢モニタ用信号Ｓｚ及びＳｚｂは検出ヘッド２とスケール１の格子との位相関係に依存せず一定の値を出力する為、検出ヘッド２をスケール１に対して移動させることなく検出ヘッド２のＲｏｌｌ方向の回転を検出する事が可能となる。
【００３３】
図８は、Ｐｉｔｃｈ検出回路６０の構成を示す回路図である。Ｐｉｔｃｈ検出回路６０は、加算回路６１Ａ，６１Ｂ及び差動増幅回路６２を備えている。加算回路６１Ａは、位相信号Ｓａ及びＳａｂを入力し、これらを加算する。加算回路６１Ｂは、位相信号Ｓｂ及びＳｂｂを入力し、これらを加算する。差動増幅回路６２は、加算回路６１Ａの出力から加算回路６１Ｂの出力を減算し、Ｐｉｔｃｈ方向の姿勢モニタ用信号ＭＰを出力する。
【００３４】
この様な構成においては、位相信号Ｓａ及びＳａｂは逆位相なので、加算回路６１Ａからは直流信号が出力される。同様に、加算回路６１Ｂからも直流信号が出力される。従って、位相信号ＳａとＳａｂとの和及び位相信号ＳｂとＳｂｂとの和が等しい場合には、差動増幅回路６２からは信号が出力されない。本実施形態においては、位相検出用受光部２２２Ａ及び２２２ＡＢは照射部２１から見て−Ｘ方向に設けられており、位相検出用受光部２２３Ｂ及び２２３ＢＢは照射部２１から見てＸ方向に設けられている。従って、Ｐｉｔｃｈ方向に回転が生じると、加算回路６１Ａの出力と、加算回路６１Ｂの出力との間に、Ｐｉｔｃｈ方向の回転角度に応じた直流信号が出力される。この場合においても、検出ヘッド２と、スケール１との位置関係を変化（移動）させる必要が無い。
【００３５】
次に、ＡＧＣ・Ｙａｗ検出回路７０について説明する。図９は、ＡＧＣ・Ｙａｗ検出回路７０の構成を表す回路図である。ＡＧＣ・Ｙａｗ検出回路７０は、信号二乗ブロック７１及び７２、加算回路７３、平方ブロック７４、除算回路７５及び７７、増幅回路７６及び７８を備えている。信号二乗ブロック７１には位相検出回路４０で生成された２相信号Ａが入力されている。同様に、信号二乗ブロック７２には２相信号Ｂが入力されている。信号二乗ブロック７１及び７２の出力端子は、加算回路７３で加算される。これにより２相信号Ａ，Ｂのリサージュ半径の二乗値Ｒ２が求められる。また、平方根演算ブロック７４で平方根に変換されることにより、２相信号Ａ，Ｂのリサージュ半径Ｒが求められる。これらリサージュ半径Ｒ又はその二乗値Ｒ２は、Ｙａｗ方向の姿勢モニタ用信号ＭＹとして出力される。また、除算回路７５において、２相信号Ａがリサージュ半径Ｒにより規格化され、増幅回路７６で増幅されて規格化２相信号ＶＡとして出力される。同様に、除算回路７７において２相信号Ｂがリサージュ半径Ｒにより規格化され、増幅回路７８で増幅されて規格化２相信号ＶＢとして出力される。
【００３６】
この様な構成において検出ヘッド２がＹａｗ方向に回転すると、受光部２２で受光される信号が劣化し、リサージュ半径が縮小する。本実施形態に係る光電式エンコーダは、検出ヘッド２のＹａｗ方向の回転に伴うリサージュ半径の縮小を検出し、Ｙａｗ回転角θｙａｗを検出する。この様な構成においては、リサージュ半径の大きさが最大値となるようにＹａｗ方向の回転角を調整しても良いし、予めベストアライメント状態におけるリサージュ半径の大きさを検出して基準値としておき、基準値と比較してＹａｗ回転角θｙａｗの調整を行っても良い。
【００３７】
検出ヘッド２のＹａｗ方向の回転に伴ってリサージュ半径が縮小する時の様子を図１０に示す。図１０は、Ｙａｗ方向の回転角度とリサージュ半径の大きさの関係を表すグラフである。縦軸はリサージュ半径の大きさを、横軸はＹａｗ方向の回転角度を表している。図１０は、スケール１と検出ヘッド２との距離ｈが２００μｍ、スケール１の光学格子及び位相検出用回折格子２３１のピッチＰを４μｍ、各受光部２２の中心間距離を２００μｍ、検出ヘッド２が照射部２１を中心としてＹａｗ方向に回転した時のシミュレーション結果を示している。
【００３８】
スケール周期をＰ、回折干渉による信号周期をＰ／２、初期位相をΦとすると、側長位置ｘでのＡ相信号の強度ＩＡ及びＢ相信号の強度ＩＢは、次のように表せる。
【００３９】
【数１】
【００４０】
【数２】
【００４１】
ここで、Ｆ（θｙａｗ）は信号振幅であり、以下の様に表す事が出来る。
【００４２】
【数３】
【００４３】
ここで、Ｈ（θｙａｗ）は検出ヘッド２のＹａｗ方向の回転による各受光部の信号強度の劣化であり、スケール１と検出ヘッド２との距離ｈ、干渉縞周期Ｐに依存する。又、Ｇ（θｙａｗ）は逆位相の差動信号強度劣化を表しており、受光部２２Ａと２２ＡＢ、受光部２２Ｂと２２ＢＢの様に、逆位相の位相信号Ｓを受光するように設計された受光部の組合せから検出される位相信号Ｓの位相差に依存する。
【００４４】
図１０より、Ｙａｗ方向の回転角度が大きくなるに従って、リサージュ半径Ｒの大きさが減少していることが分かる。特にＹａｗ回転角が０．１°から０．３°に増大すると、リサージュ半径の大きさは約４分の１にまで減少している。Ｙａｗ回転角が０．０°から０．１°の範囲においては比較的リサージュ半径Ｒの変化が小さくなっているが、信号としては十分であるため、本実施形態のように、姿勢モニタ用信号ＭＹとして使用することができる。
【００４５】
この様な構成によれば、スケール１と検出ヘッド２とを測定軸方向に相対移動させること無く検出ヘッド２をＹａｗ方向に回転させながら、姿勢モニタ用信号ＭＹの最大値を検出することで、Ｙａｗ方向のアライメント調整が可能である。
【００４６】
［第２実施形態］
第１の実施形態では、２相信号Ａ，Ｂのリサージュ半径Ｒ又はその二乗値Ｒ２をＹａｗ方向の姿勢モニタ用信号ＭＹとして用いたが、第２の実施形態では、例えばリサージュ半径Ｒを特性関数に近似し、その特性関数の逆関数や微分関数を使用する。これにより調整分解能が上がる。
【００４７】
すなわち、例えば、図１０に示す通り、回転角度とリサージュ半径の大きさの関係はガウス近似が可能であるため、その逆関数の対数を使用するとＹａｗ回転角が０．０°付近（ベストアライメント近傍）の領域での調整分解能は向上する。
【００４８】
そこで、例えば、図１１に示す通り、ＡＧＣ・Ｙａｗ検出回路７０内に、リサージュ半径Ｒを逆関数変換する逆関数変換ブロック７９を設け、その出力をＹａｗ方向の姿勢モニタ用信号ＭＹ′とする。この姿勢モニタ用信号ＭＹ′を用いてＹａｗ回転調整することにより、より調整作業が容易になる。
【００４９】
以下、逆関数変換の一例として、対数変換を例にとって本実施形態における調整作業について説明する。この例において、ＭＹ′は以下の様に算出している。即ち、図１０に示す様なＹａｗ回転角θとリサージュ半径の大きさとの関係を把握する。次に、この特性に対して規格化を行い、特性の最大値を１にする。この規格化された半径の大きさをｙ（θ）として、次式の様な演算を行う。
【００５０】
【数４】
【００５１】
【数５】
【００５２】
上記数４及び数５を用いて算出したＭＹ′と、Ｙａｗ回転角θとの関係を、図１２に示す。図１２の例においては、ＭＹ′が所定のアライメント許容領域内において正の値を取るように設定されている。図１２に示す通り、この様な構成においてはＹａｗ回転角が０°に近い範囲においてもＭＹ′が均一に変化する為、Ｙａｗ回転角のより精密な検出及び容易な調整作業が可能となる。
【００５３】
なお、本実施形態のようなアライメント許容領域を設定して領域内であるかどうかを判定する調整方法の場合、２相信号Ａ，Ｂの二乗和Ｒ２の最大値を判定する調整方法とは異なり、リサージュ半径に対して規格化を行う必要がある。なぜなら、リサージュ半径に対して規格化を行わない場合、アライメント許容領域は、受光部２２の大きさや発光部２１、スケール１との距離によって変化するからである。
【００５４】
この場合、Ｒｏｌｌ及びＰｉｔｃｈ調整が終了した後に（両者はいずれが先でも良い。）、最終工程でＹａｗ調整を行うようにすればよい。
【００５５】
［第３実施形態］
図１３は、演算処理をマイコンやＰＣを用いたソフトウェアによって実現した例を示す図である。
【００５６】
すなわち、演算処理装置４は、位相検出回路４０、Ｐｉｔｃｈ検出回路６０、Ｒｏｌｌ検出回路５０及びＡＧＣ・Ｙａｗ検出回路７０に代えて、Ａ／Ｄ変換器８０及び演算回路９０を備えており、演算回路９０は外部のＰＣ１０に接続されている。
【００５７】
Ａ／Ｄ変換回路８０は、位相信号Ｓａ、Ｓａｂ、Ｓｂ、Ｓａｂ及び姿勢モニタ用信号Ｓｚ、Ｓｚｂをデジタル信号に変換し、演算回路９０に出力する。演算回路９０は、デジタル信号に変換された各位相信号及び姿勢モニタ用信号から、２相信号Ａ、Ｂ、姿勢モニタ用信号ＭＰ、ＭＲ、規格化２相信号ＶＡ、ＶＢ、リサージュ半径Ｒ等を算出し、ＰＣ１０に出力する。尚、位相信号及び姿勢モニタ用信号をＰＣ１０に直接送信し、ＰＣ１０で姿勢モニタ用信号等を算出する事も可能である。
【００５８】
本実施形態はソフトウェアによって演算処理を実現している。従って、演算装置４にマイコンが搭載されている光電式エンコーダや、ＰＣ１０に位相信号及び姿勢モニタ用信号を出力する光電式エンコーダに対しては、ファームウェア等による実装が可能であり、きわめて安価に検出ヘッドのアライメント調整が容易な光電式エンコーダを提供する事が可能となる。
【符号の説明】
【００５９】
１…スケール、２…検出ヘッド、３…ケーブル、４…信号処理装置、２１…照射部、２２…受光部、２３…マスク、２５…フェルール、４０…位相検出回路、４１…電流電圧変換部、４２…３相信号生成部、４３…２相信号生成部、４４…利得調整部、５０…Ｒｏｌｌ検出回路、５１…電流電圧変換回路、５２、６２…差動増幅回路、６０…Ｐｉｔｃｈ検出回路、６１、７３…加算回路、７０…ＡＧＣ・Ｙａｗ検出回路、７１、７２…信号二乗ブロック、７４…平方根演算ブロック、７５、７７…除算回路、７６、７８…増幅回路、２２２…位相検出用受光部、２２３…姿勢モニタ用受光部、２３１…位相検出用回折格子、２３２…姿勢モニタ用窓。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リニアスケール等に用いられる光電式エンコーダ及びそのアライメント調整方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の光電式エンコーダの一つとして、位相格子スケールを利用した光電式エンコーダが知られている。この光電式エンコーダにおいては、光源からのコヒーレント光を位相格子スケールに照射することにより、スケール位置情報を有した回折光の干渉縞が生成される。そして、この干渉縞を位相検波することによりスケールに沿った方向の測長が可能となる（特許文献１参照）。従来、この種の光電式エンコーダの検出ヘッドのアライメント調整は、検出ヘッドをスケールに沿って移動させ、出力されたリサージュ信号を見ながら検出ヘッドとスケールとの相対的位置関係を調整する事によって行われていた。この際、検出ヘッドのサイズが比較的大きなものについてはスケールとの機械的基準が取りやすく、取付け時にある程度ベストアライメント状態を確保する事が可能である。しかしながら、検出ヘッドのサイズが比較的小さなもの（特許文献１、２）については機械的基準が取りにくく、検出ヘッドの取付け時にアライメント調整作業が必要となる。
【０００３】
また、例えば光電式エンコーダが三次元測定装置のステージに組み込まれる様な場合等、アライメント調整を行うためのスペースが容易に確保できない場合には、上記の方法が困難となる。この様な場合のために、検出ヘッドをスケールに沿って移動させることなく、静止状態においてアライメント調整を行う方法が提案されている（特許文献３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−５３６０５号公報
【特許文献２】特開２００８−３９６０２号公報
【特許文献３】特開２００７−２３２６８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献３では、検出ヘッドに備えられた複数の受光部において受光された信号同士を比較する事によって、検出ヘッドのＰｉｔｃｈ方向、Ｒｏｌｌ方向の回転量を検出する方法が提案されている。しかしながら、同文献においては静止状態におけるＹａｗ回転量の検出については提案されておらず、Ｙａｗ方向の回転量の検出については依然として従来の方法で行う必要があった。
【０００６】
本発明はこのような点に鑑みなされたもので、検出ヘッドのアライメント調整が容易な光電式エンコーダの提供を目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る光電式エンコーダは、測定軸方向に所定ピッチで回折格子が形成されたスケールと、このスケールに対して相対移動可能に配置され、スケールに光を照射する照射部、並びにスケールの回折格子で反射または透過された光を、それぞれ異なる位相において受光する複数の受光部を備えた検出ヘッドと、この検出ヘッドの受光部からの受光信号を処理して２相信号を生成する信号処理装置とを備える。信号処理装置は、２相信号のリサージュ半径に対応したアライメント調整用のモニタ信号を算出することで、前記スケールに対して前記検出ヘッドを静止させた状態で該検出ヘッドのアライメント調整を可能とする。
【０００８】
本発明によれば、光電式エンコーダの検出ヘッド、又はスケールを移動させることなくリサージュ半径を算出し、検出ヘッドのＹａｗ方向の回転角度を検出する事が可能となる。
【０００９】
本発明の一実施形態に係る光電式エンコーダにおいて、複数の受光部は、照射部を中心として上下左右に配置され、９０°ずつ空間的な位相を異ならせた回折格子を介してスケールからの光を受光する４つの受光部であり、信号処理装置は、４つの受光部で得られた受光信号を演算処理して２相信号を生成するものである。
【００１０】
本発明の一実施形態に係るアライメント調整方法では、信号処理装置から出力される２層信号のリサージュ半径又はその二乗がモニタ信号である場合、その最大値が得られるように検出ヘッドのスケールに対するＹａｗ方向のアライメントを調整する。
【００１１】
又、本発明の他の実施形態に係る光電式エンコーダにおいて、信号処理装置は、リサージュ半径又はその二乗を特性関数に近似し、その逆関数又は微分関数をモニタ信号として求める様にしても良い。
【００１２】
この場合、本発明の他の実施形態に係るアライメント調整方法では、モニタ信号が許容範囲内に入るように検出ヘッドのスケールに対するＹａｗ方向のアライメントを調整する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、検出ヘッドのアライメント調整が容易な光電式エンコーダ及びそのアライメント調整方法を提供する事が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第１実施形態に係る光電式エンコーダの構成を示す図である。
【図２】同装置における検出ヘッドの概略図である。
【図３】同装置のマスクを示す図である。
【図４】同装置における検出ヘッドの取り付け姿勢を示す図である。
【図５】同装置における信号処理装置の構成を示すブロック図である。
【図６】同装置の位相検出回路の回路図である。
【図７】同装置のＲｏｌｌ検出回路の回路図である。
【図８】同装置のＰｉｔｃｈ検出回路の回路図である。
【図９】同装置のＡＧＣ・Ｙａｗ検出回路の回路図である。
【図１０】同装置のＹａｗ方向の回転角度とリサージュ半径の大きさの関係を表すグラフである。
【図１１】本発明の第２実施形態に係る光電式エンコーダにおける信号処理装置の一部の構成を示すブロック図である。
【図１２】同装置における姿勢モニタ用信号とＹａｗ回転角との関係を示すグラフである。
【図１３】本発明の第３実施形態に係る光電式エンコーダにおける信号処理装置の構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
［第１実施形態］
次に、本発明の第１実施形態に係る光電式エンコーダについて図面を参照して詳細に説明する。
【００１６】
図１は、本発明の第１実施形態に係る光電式エンコーダの構成を示す図である。本発明の第１実施形態に係る光電式エンコーダは、測定軸方向に所定ピッチで反射型の回折格子が形成されたスケール１と、このスケール１の回折格子が形成されている面側にスケール１に対して所定のギャップを介して対向され、且つ相対移動可能に配置された検出ヘッド２とを備えている。検出ヘッド２はケーブル３を介して信号処理装置４に接続されている。
【００１７】
図２は、上述した光電式エンコーダにおける検出ヘッド２の概略図である。本実施形態において、ケーブル３は複数本の光ファイバを束ねて構成されている。ケーブル３は、照射用光ファイバ２１１の周りに６本の受光用光ファイバ２２１が束ねられて構成されており、ケーブル３の先端部がフェルール２５によって被覆されて検出ヘッド２を構成している。照射用光ファイバ２１１には、例えば、シングルモードファイバが使用される。また、受光用光ファイバ２２１には、例えば、マルチモードファイバが使用される。図２（ａ）に示すように、照射用光ファイバ２１１の先端部が照射部２１を構成し、受光用光ファイバの先端部が受光部２２を構成している。図２（ｂ）に示すように、この照射部２１及び受光部２２の前面には透過型の回折格子を有するマスク２３が取り付けられている。
【００１８】
図３は、上記マスク２３の詳細を示す図である。即ち、照射部２１を中心として、左上、右上、左下及び右下に配置された４つの受光部２２が変位の位相検出用受光部２２２となり、上下方向に配置された２つの受光部２２が原点（ゼロ）検出を兼ね備えた姿勢モニタ用受光部２２３となる。これらの位相検出用受光部２２２及び姿勢モニタ用受光部２２３の前面に位置する様にマスク２３を構成する透過型の４つの位相検出用回折格子２３１と２つの姿勢モニタ用窓２３２がそれぞれ設けられている。照射部２１の前面に位置するマスク２３の中心部は、照射部２１からの光がそのまま透過する様になっている。
【００１９】
左上、右上、左下及び右下の位相検出用回折格子２３１は、同一ピッチでそれぞれ空間的な位相関係が、０°、９０°、１８０°及び２７０°であるａ相、ｂ相、ａｂ相及びｂｂ相の位相格子を形成している。以下、上記各位相検出用受光部を、受光部２２２Ａ、２２２Ｂ、２２２ＡＢ、２２２ＢＢと呼ぶ。又、姿勢モニタ用受光部のうち、Ｙ軸の正方向に設けられているものを２２３Ｚ、負方向に設けられているものを２２３ＺＢとする。これら姿勢モニタ用受光部は、ゼロ点検出部を兼用する。
【００２０】
図４は、本発明の第１実施形態に係る光電式エンコーダにおける検出ヘッド２の取り付け姿勢を示す図である。ここでは、スケール１に対する検出ヘッド２の相対移動方向をＸ方向、スケール１の面と平行で、Ｘ方向に直交する方向をＹ方向、Ｘ方向及びＹ方向に直交する方向、すなわちスケール１の面に直交する方向をＺ方向とする。また、スケール１と検出ヘッド２との間のＸ−Ｚ平面内での傾きをＰｉｔｃｈ方向、Ｙ−Ｚ平面内での傾きをＲｏｌｌ方向、Ｘ−Ｙ平面内での傾きをＹａｗ方向とする。
【００２１】
次に、同光電式エンコーダにおける信号処理装置４について説明する。図５は、本発明の第１実施形態に係る光電式エンコーダにおける信号処理装置４の構成を示すブロック図である。
【００２２】
信号処理装置４は、照射用光ファイバ２１１の基端部を接続する部分に、光源として、例えばＬＤ６を有する。このＬＤ６は、ＬＤドライバ５により駆動されてコヒーレント光を発光する。コヒーレント光は、光学系７を介して照射用光ファイバ２１１のコアを導波して、コアの先端の照射部２１よりスケール１に向けて照射される。
【００２３】
また、信号処理装置４は、受光用光ファイバ２２１の基端部を接続する部分に、６つの受光素子８を有する。６つの受光素子８は、それぞれ位相が０°、９０°、１８０°、２７０°である位相信号Ｓａ，Ｓａｂ，Ｓｂ，Ｓｂｂ及び姿勢モニタ用信号Ｓｚ，Ｓｚｂを出力する。位相信号Ｓａ，Ｓａｂ，Ｓｂ，Ｓｂｂは、位相検出回路４０とＰｉｔｃｈ検出回路６０に入力され、姿勢モニタ用信号Ｓｚ，Ｓｚｂは、原点検出機能を兼ね備えたＲｏｌｌ検出回路５０に入力されている。位相検出回路４０は、位相信号Ｓａ，Ｓａｂ，Ｓｂ，Ｓｂｂを演算処理してスケール１に対する検出ヘッド２の変位を示す２相信号Ａ，Ｂを出力する。Ｐｉｔｃｈ検出回路６０は、位相信号Ｓａ，Ｓａｂ，Ｓｂ，Ｓｂｂを演算処理してＰｉｔｃｈ方向の姿勢モニタ用信号ＭＰを出力する。Ｒｏｌｌ検出回路５０は、姿勢モニタ用信号Ｓｚ，Ｓｚｂを演算処理してＲｏｌｌ方向の姿勢モニタ用信号ＭＲを出力するか、又は原点位置に於いては原点信号を出力する。また、ＡＧＣ・Ｙａｗ検出回路７０は、位相検出回路４０から出力された２相信号Ａ，Ｂを演算処理して正規化２相信号ＶＡ，ＶＢと２相信号Ａ，Ｂのリサージュ半径Ｒ又はその二乗Ｒ２をＹａｗ方向の姿勢モニタ用信号ＭＹとして出力する。
【００２４】
図６は、位相検出回路４０の構成を示す回路図である。
【００２５】
位相検出回路４０は、電流電圧変換部４１、３相信号生成部４２及び２相信号生成部４３を有している。
【００２６】
電流電圧変換部４１は電流電圧変換回路４１Ａ、４１Ｂ、４１ＡＢ、４１ＢＢにより構成されており、それぞれに位相信号Ｓａ、Ｓｂ、Ｓａｂ、Ｓｂｂが入力されている。又、３相信号生成部４２は、差動増幅回路４２Ａ〜４２Ｃにより構成されている。
【００２７】
差動増幅回路４２Ａは、位相信号Ｓａ、Ｓａｂを差動増幅し、第１差動信号ＤＳａを出力する。この第１差動信号ＤＳａは０度の位相を持つ位相信号Ｓａと１８０度の位相を持つ位相信号Ｓａｂの差を取ったものであり、位相信号ＳａとＳａｂの位相のずれがなければ、基準位相と同じ０度の位相を有する信号である。
【００２８】
同様に差動増幅回路４２Ｂは、位相信号Ｓｂ、Ｓｂｂを差動増幅し、第２差動信号ＤＳｂを出力する。この第２差動信号ＤＳｂは９０度の位相を持つ位相信号Ｓｂと２７０度の位相を持つ位相信号Ｓｂｂの差を取ったものであり、位相信号ＳｂとＳｂｂの位相のずれがなければ、基準位相に対して９０度の位相差を有する信号である。
【００２９】
また、差動増幅回路４２Ｃは、差動増幅回路４２Ｂと同様に位相信号ＳｂとＳｂｂを差動増幅するが、その出力信号ＤＳｃは、上記第２差動信号ＤＳｂとは位相が１８０度異なる反転差動信号として得られる。すなわち、反転差動信号ＤＳｃは基準位相に対して２７０度（すなわち−９０度）の位相差を有している信号である。以上より、３相信号生成部４２で得られた３相の差動信号ＤＳａ、ＤＳｂ、ＤＳｃはそれぞれ９０度位相差を有することとなる。
【００３０】
２相信号生成部４３は差動増幅回路４３Ａ，４３Ｂ及びそれらの出力の利得を調整する利得調整部４４を有する。第１差動信号ＤＳａと第２差動信号ＤＳｂは差動増幅回路４３Ａに入力される。差動増幅回路４３Ａは入力された２信号ＤＳａとＤＳｂをベクトル合成することにより、Ａ相信号を生成する。０度の位相の信号ＤＳａと９０度の位相の信号ＤＳｂがベクトル合成されるため、Ａ相信号は基準位相に対して４５度の位相差を有する信号となる。
【００３１】
同様に、第１差動信号ＤＳａと反転差動信号ＤＳｃは差動増幅回路４３Ｂに入力される。差動増幅回路４３Ｂは入力された２信号ＤＳａとＤＳｃをベクトル合成することにより、Ｂ相信号を生成する。Ａ相信号と同様に、０度の位相の信号ＤＳａと２７０度（−９０度）の位相の信号ＤＳｃがベクトル合成されるため、Ｂ相信号は基準位相に対して３１５度（すなわち−４５度）の位相を有する信号となる。このように、得られたＡ相信号とＢ相信号は、受光時の初期位相差（ＳａとＳｂ又はＳａｂとＳｂｂ）が９０度からずれていても、９０度の位相差を確保する。
【００３２】
図７は、Ｒｏｌｌ（及び原点）検出回路５０の構成を示す回路図である。Ｒｏｌｌ検出回路５０は、電流電圧変換回路５１及び作動増幅回路５２を備えている。姿勢モニタ用受光部２２３Ｚ、２２３ＺＢで受光された受光信号から得られた姿勢モニタ用信号Ｓｚ及びＳｚｂは、それぞれ電流電圧変換回路５１Ａ、５１Ｂで増幅され、差動増幅回路５２で差動増幅される。従って、（原点以外の場所では）姿勢モニタ用信号Ｓｚ及びＳｚｂの信号強度が等しい場合には、差動増幅回路５２からは信号が出力されない。この様な構成において検出ヘッド２がＲｏｌｌ方向に回転していた場合、姿勢モニタ用受光部２２３Ｚとスケール１との距離、及び姿勢モニタ用受光部２２３ＺＢとスケール１との距離の間には差が生じる為、姿勢モニタ用信号ＳｚとＳｚｂとの間に強度差が生じる。このため、差動増幅回路５２から、検出ヘッド２のＲｏｌｌ方向の回転角度に応じた姿勢モニタ用信号ＭＲが出力される。姿勢モニタ用窓２３２の幅は広く、姿勢モニタ用信号Ｓｚ及びＳｚｂは検出ヘッド２とスケール１の格子との位相関係に依存せず一定の値を出力する為、検出ヘッド２をスケール１に対して移動させることなく検出ヘッド２のＲｏｌｌ方向の回転を検出する事が可能となる。
【００３３】
図８は、Ｐｉｔｃｈ検出回路６０の構成を示す回路図である。Ｐｉｔｃｈ検出回路６０は、加算回路６１Ａ，６１Ｂ及び差動増幅回路６２を備えている。加算回路６１Ａは、位相信号Ｓａ及びＳａｂを入力し、これらを加算する。加算回路６１Ｂは、位相信号Ｓｂ及びＳｂｂを入力し、これらを加算する。差動増幅回路６２は、加算回路６１Ａの出力から加算回路６１Ｂの出力を減算し、Ｐｉｔｃｈ方向の姿勢モニタ用信号ＭＰを出力する。
【００３４】
この様な構成においては、位相信号Ｓａ及びＳａｂは逆位相なので、加算回路６１Ａからは直流信号が出力される。同様に、加算回路６１Ｂからも直流信号が出力される。従って、位相信号ＳａとＳａｂとの和及び位相信号ＳｂとＳｂｂとの和が等しい場合には、差動増幅回路６２からは信号が出力されない。本実施形態においては、位相検出用受光部２２２Ａ及び２２２ＡＢは照射部２１から見て−Ｘ方向に設けられており、位相検出用受光部２２３Ｂ及び２２３ＢＢは照射部２１から見てＸ方向に設けられている。従って、Ｐｉｔｃｈ方向に回転が生じると、加算回路６１Ａの出力と、加算回路６１Ｂの出力との間に、Ｐｉｔｃｈ方向の回転角度に応じた直流信号が出力される。この場合においても、検出ヘッド２と、スケール１との位置関係を変化（移動）させる必要が無い。
【００３５】
次に、ＡＧＣ・Ｙａｗ検出回路７０について説明する。図９は、ＡＧＣ・Ｙａｗ検出回路７０の構成を表す回路図である。ＡＧＣ・Ｙａｗ検出回路７０は、信号二乗ブロック７１及び７２、加算回路７３、平方ブロック７４、除算回路７５及び７７、増幅回路７６及び７８を備えている。信号二乗ブロック７１には位相検出回路４０で生成された２相信号Ａが入力されている。同様に、信号二乗ブロック７２には２相信号Ｂが入力されている。信号二乗ブロック７１及び７２の出力端子は、加算回路７３で加算される。これにより２相信号Ａ，Ｂのリサージュ半径の二乗値Ｒ２が求められる。また、平方根演算ブロック７４で平方根に変換されることにより、２相信号Ａ，Ｂのリサージュ半径Ｒが求められる。これらリサージュ半径Ｒ又はその二乗値Ｒ２は、Ｙａｗ方向の姿勢モニタ用信号ＭＹとして出力される。また、除算回路７５において、２相信号Ａがリサージュ半径Ｒにより規格化され、増幅回路７６で増幅されて規格化２相信号ＶＡとして出力される。同様に、除算回路７７において２相信号Ｂがリサージュ半径Ｒにより規格化され、増幅回路７８で増幅されて規格化２相信号ＶＢとして出力される。
【００３６】
この様な構成において検出ヘッド２がＹａｗ方向に回転すると、受光部２２で受光される信号が劣化し、リサージュ半径が縮小する。本実施形態に係る光電式エンコーダは、検出ヘッド２のＹａｗ方向の回転に伴うリサージュ半径の縮小を検出し、Ｙａｗ回転角θｙａｗを検出する。この様な構成においては、リサージュ半径の大きさが最大値となるようにＹａｗ方向の回転角を調整しても良いし、予めベストアライメント状態におけるリサージュ半径の大きさを検出して基準値としておき、基準値と比較してＹａｗ回転角θｙａｗの調整を行っても良い。
【００３７】
検出ヘッド２のＹａｗ方向の回転に伴ってリサージュ半径が縮小する時の様子を図１０に示す。図１０は、Ｙａｗ方向の回転角度とリサージュ半径の大きさの関係を表すグラフである。縦軸はリサージュ半径の大きさを、横軸はＹａｗ方向の回転角度を表している。図１０は、スケール１と検出ヘッド２との距離ｈが２００μｍ、スケール１の光学格子及び位相検出用回折格子２３１のピッチＰを４μｍ、各受光部２２の中心間距離を２００μｍ、検出ヘッド２が照射部２１を中心としてＹａｗ方向に回転した時のシミュレーション結果を示している。
【００３８】
スケール周期をＰ、回折干渉による信号周期をＰ／２、初期位相をΦとすると、側長位置ｘでのＡ相信号の強度ＩＡ及びＢ相信号の強度ＩＢは、次のように表せる。
【００３９】
【数１】
【００４０】
【数２】
【００４１】
ここで、Ｆ（θｙａｗ）は信号振幅であり、以下の様に表す事が出来る。
【００４２】
【数３】
【００４３】
ここで、Ｈ（θｙａｗ）は検出ヘッド２のＹａｗ方向の回転による各受光部の信号強度の劣化であり、スケール１と検出ヘッド２との距離ｈ、干渉縞周期Ｐに依存する。又、Ｇ（θｙａｗ）は逆位相の差動信号強度劣化を表しており、受光部２２Ａと２２ＡＢ、受光部２２Ｂと２２ＢＢの様に、逆位相の位相信号Ｓを受光するように設計された受光部の組合せから検出される位相信号Ｓの位相差に依存する。
【００４４】
図１０より、Ｙａｗ方向の回転角度が大きくなるに従って、リサージュ半径Ｒの大きさが減少していることが分かる。特にＹａｗ回転角が０．１°から０．３°に増大すると、リサージュ半径の大きさは約４分の１にまで減少している。Ｙａｗ回転角が０．０°から０．１°の範囲においては比較的リサージュ半径Ｒの変化が小さくなっているが、信号としては十分であるため、本実施形態のように、姿勢モニタ用信号ＭＹとして使用することができる。
【００４５】
この様な構成によれば、スケール１と検出ヘッド２とを測定軸方向に相対移動させること無く検出ヘッド２をＹａｗ方向に回転させながら、姿勢モニタ用信号ＭＹの最大値を検出することで、Ｙａｗ方向のアライメント調整が可能である。
【００４６】
［第２実施形態］
第１の実施形態では、２相信号Ａ，Ｂのリサージュ半径Ｒ又はその二乗値Ｒ２をＹａｗ方向の姿勢モニタ用信号ＭＹとして用いたが、第２の実施形態では、例えばリサージュ半径Ｒを特性関数に近似し、その特性関数の逆関数や微分関数を使用する。これにより調整分解能が上がる。
【００４７】
すなわち、例えば、図１０に示す通り、回転角度とリサージュ半径の大きさの関係はガウス近似が可能であるため、その逆関数の対数を使用するとＹａｗ回転角が０．０°付近（ベストアライメント近傍）の領域での調整分解能は向上する。
【００４８】
そこで、例えば、図１１に示す通り、ＡＧＣ・Ｙａｗ検出回路７０内に、リサージュ半径Ｒを逆関数変換する逆関数変換ブロック７９を設け、その出力をＹａｗ方向の姿勢モニタ用信号ＭＹ′とする。この姿勢モニタ用信号ＭＹ′を用いてＹａｗ回転調整することにより、より調整作業が容易になる。
【００４９】
以下、逆関数変換の一例として、対数変換を例にとって本実施形態における調整作業について説明する。この例において、ＭＹ′は以下の様に算出している。即ち、図１０に示す様なＹａｗ回転角θとリサージュ半径の大きさとの関係を把握する。次に、この特性に対して規格化を行い、特性の最大値を１にする。この規格化された半径の大きさをｙ（θ）として、次式の様な演算を行う。
【００５０】
【数４】
【００５１】
【数５】
【００５２】
上記数４及び数５を用いて算出したＭＹ′と、Ｙａｗ回転角θとの関係を、図１２に示す。図１２の例においては、ＭＹ′が所定のアライメント許容領域内において正の値を取るように設定されている。図１２に示す通り、この様な構成においてはＹａｗ回転角が０°に近い範囲においてもＭＹ′が均一に変化する為、Ｙａｗ回転角のより精密な検出及び容易な調整作業が可能となる。
【００５３】
なお、本実施形態のようなアライメント許容領域を設定して領域内であるかどうかを判定する調整方法の場合、２相信号Ａ，Ｂの二乗和Ｒ２の最大値を判定する調整方法とは異なり、リサージュ半径に対して規格化を行う必要がある。なぜなら、リサージュ半径に対して規格化を行わない場合、アライメント許容領域は、受光部２２の大きさや発光部２１、スケール１との距離によって変化するからである。
【００５４】
この場合、Ｒｏｌｌ及びＰｉｔｃｈ調整が終了した後に（両者はいずれが先でも良い。）、最終工程でＹａｗ調整を行うようにすればよい。
【００５５】
［第３実施形態］
図１３は、演算処理をマイコンやＰＣを用いたソフトウェアによって実現した例を示す図である。
【００５６】
すなわち、演算処理装置４は、位相検出回路４０、Ｐｉｔｃｈ検出回路６０、Ｒｏｌｌ検出回路５０及びＡＧＣ・Ｙａｗ検出回路７０に代えて、Ａ／Ｄ変換器８０及び演算回路９０を備えており、演算回路９０は外部のＰＣ１０に接続されている。
【００５７】
Ａ／Ｄ変換回路８０は、位相信号Ｓａ、Ｓａｂ、Ｓｂ、Ｓａｂ及び姿勢モニタ用信号Ｓｚ、Ｓｚｂをデジタル信号に変換し、演算回路９０に出力する。演算回路９０は、デジタル信号に変換された各位相信号及び姿勢モニタ用信号から、２相信号Ａ、Ｂ、姿勢モニタ用信号ＭＰ、ＭＲ、規格化２相信号ＶＡ、ＶＢ、リサージュ半径Ｒ等を算出し、ＰＣ１０に出力する。尚、位相信号及び姿勢モニタ用信号をＰＣ１０に直接送信し、ＰＣ１０で姿勢モニタ用信号等を算出する事も可能である。
【００５８】
本実施形態はソフトウェアによって演算処理を実現している。従って、演算装置４にマイコンが搭載されている光電式エンコーダや、ＰＣ１０に位相信号及び姿勢モニタ用信号を出力する光電式エンコーダに対しては、ファームウェア等による実装が可能であり、きわめて安価に検出ヘッドのアライメント調整が容易な光電式エンコーダを提供する事が可能となる。
【符号の説明】
【００５９】
１…スケール、２…検出ヘッド、３…ケーブル、４…信号処理装置、２１…照射部、２２…受光部、２３…マスク、２５…フェルール、４０…位相検出回路、４１…電流電圧変換部、４２…３相信号生成部、４３…２相信号生成部、４４…利得調整部、５０…Ｒｏｌｌ検出回路、５１…電流電圧変換回路、５２、６２…差動増幅回路、６０…Ｐｉｔｃｈ検出回路、６１、７３…加算回路、７０…ＡＧＣ・Ｙａｗ検出回路、７１、７２…信号二乗ブロック、７４…平方根演算ブロック、７５、７７…除算回路、７６、７８…増幅回路、２２２…位相検出用受光部、２２３…姿勢モニタ用受光部、２３１…位相検出用回折格子、２３２…姿勢モニタ用窓。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定軸方向に所定ピッチで回折格子が形成されたスケールと、
このスケールに対して相対移動可能に配置され、前記スケールに光を照射する照射部、並びに前記スケールの回折格子で反射または透過された光を、それぞれ異なる位相において受光する複数の受光部を備えた検出ヘッドと、
この検出ヘッドの受光部からの受光信号を処理して２相信号を生成する信号処理装置とを備えた光電式エンコーダにおいて、
前記信号処理装置で、前記２相信号のリサージュ半径に対応したアライメント調整用のモニタ信号を算出することで、前記スケールに対して前記検出ヘッドを静止させた状態で該検出ヘッドのアライメント調整を可能とした
ことを特徴とする光電式エンコーダ。
【請求項２】
前記複数の受光部は、前記照射部を中心として上下左右に配置され、９０°ずつ空間的な位相を異ならせた回折格子を介して前記スケールからの光を受光する４つの受光部であり、
前記信号処理装置は、
前記４つの受光部で得られた受光信号を演算処理して前記２相信号を生成する
ことを特徴とする請求項１記載の光電式エンコーダ。
【請求項３】
前記信号処理装置は、前記リサージュ半径又はその二乗を特性関数に近似し、その逆関数又は微分関数をモニタ信号として求める
ことを特徴とする請求項１又は２記載の光電式エンコーダ。
【請求項４】
請求項１又は２記載の光電式エンコーダのアライメントを調整するアライメント調整方法であって、
前記信号処理装置から出力される前記２層信号のリサージュ半径又はその二乗であるモニタ信号が最大値となるように前記検出ヘッドの前記スケールに対するＹａｗ方向のアライメントを調整する
ことを特徴とする光電式エンコーダのアライメント調整方法。
【請求項５】
請求項３記載の光電式エンコーダのアライメントを調整するアライメント調整方法であって、
前記モニタ信号が許容範囲内に入るように前記検出ヘッドの前記スケールに対するＹａｗ方向のアライメントを調整する
ことを特徴とする光電式エンコーダのアライメント調整方法。
【請求項１】
測定軸方向に所定ピッチで回折格子が形成されたスケールと、
このスケールに対して相対移動可能に配置され、前記スケールに光を照射する照射部、並びに前記スケールの回折格子で反射または透過された光を、それぞれ異なる位相において受光する複数の受光部を備えた検出ヘッドと、
この検出ヘッドの受光部からの受光信号を処理して２相信号を生成する信号処理装置とを備えた光電式エンコーダにおいて、
前記信号処理装置で、前記２相信号のリサージュ半径に対応したアライメント調整用のモニタ信号を算出することで、前記スケールに対して前記検出ヘッドを静止させた状態で該検出ヘッドのアライメント調整を可能とした
ことを特徴とする光電式エンコーダ。
【請求項２】
前記複数の受光部は、前記照射部を中心として上下左右に配置され、９０°ずつ空間的な位相を異ならせた回折格子を介して前記スケールからの光を受光する４つの受光部であり、
前記信号処理装置は、
前記４つの受光部で得られた受光信号を演算処理して前記２相信号を生成する
ことを特徴とする請求項１記載の光電式エンコーダ。
【請求項３】
前記信号処理装置は、前記リサージュ半径又はその二乗を特性関数に近似し、その逆関数又は微分関数をモニタ信号として求める
ことを特徴とする請求項１又は２記載の光電式エンコーダ。
【請求項４】
請求項１又は２記載の光電式エンコーダのアライメントを調整するアライメント調整方法であって、
前記信号処理装置から出力される前記２層信号のリサージュ半径又はその二乗であるモニタ信号が最大値となるように前記検出ヘッドの前記スケールに対するＹａｗ方向のアライメントを調整する
ことを特徴とする光電式エンコーダのアライメント調整方法。
【請求項５】
請求項３記載の光電式エンコーダのアライメントを調整するアライメント調整方法であって、
前記モニタ信号が許容範囲内に入るように前記検出ヘッドの前記スケールに対するＹａｗ方向のアライメントを調整する
ことを特徴とする光電式エンコーダのアライメント調整方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１２−１６８１６７（Ｐ２０１２−１６８１６７Ａ）
【公開日】平成２４年９月６日（２０１２．９．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−８０９８（Ｐ２０１２−８０９８）
【出願日】平成２４年１月１８日（２０１２．１．１８）
【出願人】（０００１３７６９４）株式会社ミツトヨ (979)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月６日（２０１２．９．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年１月１８日（２０１２．１．１８）
【出願人】（０００１３７６９４）株式会社ミツトヨ (979)
【Ｆターム（参考）】
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