変位検出装置、変位検出方法及び変位検出プログラム
【課題】安価に光学系の歪みをキャンセルしてスケールの位置情報の検出精度を向上させる。
【解決手段】光電式エンコーダは、発光素子１１と、スケール１２と、レンズ１３と、ＰＤＡ１４と、信号処理演算回路２０とを備える。信号処理演算回路２０は、歪みテーブル２１と、歪み補償回路２２と、信号解析回路２３とを備える。歪みテーブル２１は、例えば予めレンズ１３等の光学系の設計値から歪みシミュレーションによって得られた歪み情報Δｅｉに基づき算出されている。歪み補償回路２２は、歪みテーブル２１を参照すると共に、ＰＤＡ１４の各ＰＤ４１の位置情報に基づいて、各ＰＤ４１の位置ｘｉを仮想的にｘｉ−Δｅｉの位置に配置変更して光学系の歪みを除去し、ＰＤＡ１４からの明暗信号を補正する。位置解析回路２３は、この補正された明暗信号に基づいて、スケール１２の位置を解析する。
【解決手段】光電式エンコーダは、発光素子１１と、スケール１２と、レンズ１３と、ＰＤＡ１４と、信号処理演算回路２０とを備える。信号処理演算回路２０は、歪みテーブル２１と、歪み補償回路２２と、信号解析回路２３とを備える。歪みテーブル２１は、例えば予めレンズ１３等の光学系の設計値から歪みシミュレーションによって得られた歪み情報Δｅｉに基づき算出されている。歪み補償回路２２は、歪みテーブル２１を参照すると共に、ＰＤＡ１４の各ＰＤ４１の位置情報に基づいて、各ＰＤ４１の位置ｘｉを仮想的にｘｉ−Δｅｉの位置に配置変更して光学系の歪みを除去し、ＰＤＡ１４からの明暗信号を補正する。位置解析回路２３は、この補正された明暗信号に基づいて、スケール１２の位置を解析する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、位置測定が可能なインクリメンタル型やアブソリュート型のリニアエンコーダやロータリエンコーダ等に応用される変位検出装置、変位検出方法及び変位検出プログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、スケール上のパターンを読み取って位置測定を行う光学式の変位検出装置として、光電式エンコーダ（例えば、下記特許文献１参照）が知られている。この光電式エンコーダは、光源より照射された入射光を３つの光学格子を介して受光素子に入射させ、その光学格子のうちの１つを、他の光学格子に対して相対移動可能に構成した３格子型の構造を備えている。
【０００３】
そして、例えば３つの光学格子のうちの１つや、その代わりの受光素子アレイが、投影される干渉縞のピッチに合わせて、光源から近いほど小さく遠いほど大きくなるように、格子ピッチ或いは配列ピッチが相対移動方向に順次変化するように構成されている。これにより、スケールパターンの明暗信号がレンズなどの光学系の収差により歪んでしまうことを防止し、位置情報の劣化を抑制して、光源から遠い位置において形成される干渉縞も直流成分となることなく明暗信号として扱うことができ、信号検出効率が改善されることとなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−３４７４６５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、上記特許文献１に開示された構造では、レンズなどの光学系の歪み毎に受光素子アレイの配列ピッチなどを設計しなければならないため、スケールの位置情報の検出精度を向上させるためには、多大なコストがかかってしまうという問題がある。
【０００６】
この発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、安価に光学系の歪みをキャンセルしてスケールの位置情報の検出精度を向上させることができる変位検出装置、変位検出方法及び変位検出プログラム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】
本発明に係る変位検出装置は、インクリメンタル成分を含んだスケールパターンを有するスケールと、前記スケールパターンを光により結像させる光学系と、前記結像されたスケールパターンを検出してこのスケールパターンにより得られる明暗信号を出力すると共に、前記スケールに対して相対移動可能に構成された複数の受光素子を有する受光素子アレイと、前記受光素子アレイの各受光素子の位置情報と、前記光学系の歪み情報から得られた歪みテーブルとに基づいて、各受光素子の位置を仮想的に配置変更して前記光学系の歪みを除去し、前記受光素子アレイからの明暗信号を補正する歪み補償回路と、前記補正された明暗信号に基づいて、前記スケールの位置を解析する演算回路とを備えたことを特徴とする。
【０００８】
このような構成においては、受光素子アレイの各受光素子の位置を物理的に配置変更することなく、スケールパターンの明暗信号から光学系の歪みを除去して正確なスケールの位置情報を検出することができるので、安価にスケールの位置情報の検出精度を向上させることができる。
【０００９】
本発明の１つの実施形態においては、前記歪みテーブルが、予め前記光学系の設計値から歪みシミュレーションによって得られた歪み情報に基づき算出されたものである。
【００１０】
また、本発明の他の実施形態においては、前記各受光素子の位置情報と前記受光素子アレイからの明暗信号とに基づいて、各受光素子間の間隔と検出されたスケールパターンが示す各受光素子間の間隔とのずれ量Δｐｉをそれぞれ検出し、検出したずれ量Δｐｉを積算して得た歪み情報Δｅｉに基づき前記歪みテーブルを作成する歪み検出回路を更に備える。
【００１１】
本発明の更に他の実施形態においては、前記各受光素子の位置情報と前記受光素子アレイからの明暗信号とに基づいて、各受光素子毎の位置ｘｉを中心とした所定領域Ｒｉの明暗信号を抽出し、前記所定領域Ｒｉ内における前記受光素子原点ＯＰＤＡを原点とした明暗信号の位相φｉをそれぞれ算出すると共に、算出した位相φｉと、歪みのない受光素子の位置を示す歪み基準位置ｘａを中心とした所定領域Ｒａ内の明暗信号の位相φａとの差分をそれぞれ演算して得た歪み情報Δｅｉに基づき、前記歪みテーブルを作成する歪み検出回路を更に備える。
【００１２】
また、本発明の更に他の実施形態においては、前記スケールが、複数のトラックに設けられたスケールパターンを有し、前記光学系及び前記受光素子アレイが、前記複数のトラックに対応して設けられ、前記歪み補償回路が、一方のトラックにおける光学系の歪み情報を、他方のトラックにおける光学系の歪み情報に合わせた歪みテーブルに基づき、前記複数のトラック毎の前記明暗信号を補正する。
【００１３】
本発明の更に他の実施形態においては、前記歪み補償回路が、前記一方のトラックにおける光学系の歪み情報と前記他方のトラックにおける光学系の歪み情報との差分に基づき作成された前記歪みテーブルを用いて、前記明暗信号を補正する。
【００１４】
本発明の更に他の実施形態においては、前記歪みテーブルを格納する記憶手段を更に備える。
【００１５】
本発明に係る変位検出方法は、インクリメンタル成分を含んだスケールパターンを有するスケールと、前記スケールパターンを光により結像させる光学系と、前記結像されたスケールパターンを検出してこのスケールパターンにより得られる明暗信号を出力すると共に、前記スケールに対して相対移動可能に構成された複数の受光素子を有する受光素子アレイと、前記受光素子アレイからの明暗信号を補正する歪み補償回路と、前記補正された明暗信号に基づいて、前記スケールの位置を解析する演算回路とを備えた変位検出装置における変位検出方法であって、前記スケールパターンを検出して前記明暗信号を取得するステップと、前記受光素子アレイの各受光素子の位置情報と、前記光学系の歪み情報から得られた歪みテーブルとに基づいて、各受光素子の位置を仮想的に配置変更して前記光学系の歪みを除去し、取得された明暗信号を補正するステップと、前記補正された明暗信号に基づいて、前記スケールの位置を解析するステップとを備えたことを特徴とする。
【００１６】
本発明に係る変位検出プログラムは、インクリメンタル成分を含んだスケールパターンを有するスケールと、前記スケールパターンを光により結像させる光学系と、前記結像されたスケールパターンを検出してこのスケールパターンにより得られる明暗信号を出力すると共に、前記スケールに対して相対移動可能に構成された複数の受光素子を有する受光素子アレイと、前記受光素子アレイからの明暗信号を補正する歪み補償回路と、前記補正された明暗信号に基づいて、前記スケールの位置を解析する演算回路とを備えた変位検出装置における変位検出方法をコンピュータにより実行可能な変位検出プログラムであって、前記スケールパターンを検出して前記明暗信号を取得するステップと、前記受光素子アレイの各受光素子の位置情報と、前記光学系の歪み情報から得られた歪みテーブルとに基づいて、各受光素子の位置を仮想的に配置変更して前記光学系の歪みを除去し、取得された明暗信号を補正するステップと、前記補正された明暗信号に基づいて、前記スケールの位置を解析するステップとを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、安価に光学系の歪みをキャンセルしてスケールの位置情報の検出精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る変位検出装置である光電式エンコーダの全体構成を示す概略図である。
【図２】図１のスケールの構成を説明するための平面図である。
【図３】図１のフォトダイオードアレイの構成を説明するための平面図である。
【図４】図１のフォトダイオードアレイの構成を説明するための平面図である。
【図５】同光電式エンコーダにおけるスケールパターン像、フォトダイオードアレイの配置、出力明暗信号及び光学系の歪みの関係を説明するための図である。
【図６】同光電式エンコーダで用いられる歪みテーブルを説明するための図である。
【図７】同光電式エンコーダの歪み補償回路における歪み補正を説明するための図である。
【図８】本発明の第２の実施形態に係る変位検出装置である光電式エンコーダの全体構成を示す概略図である。
【図９】同光電式エンコーダにおける歪み補正方式を説明するためのスケールパターンの配列ピッチのずれを示す模式図である。
【図１０】本発明の第３の実施形態に係る変位検出装置である光電式エンコーダにおける歪み補正方式を説明するためのスケールパターンの位相のずれを示す模式図である。
【図１１】本発明の第４の実施形態に係る変位検出装置である光電式エンコーダのスケールとフォトダイオードアレイの構成を示す平面図である。
【図１２】同光電式エンコーダの信号処理演算回路の内部構成を示すブロック図である。
【図１３】同光電式エンコーダで用いられる歪みテーブル及び歪み補正方式を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、添付の図面を参照して、この発明の実施の形態に係る変位検出装置、変位検出方法及び変位検出プログラムを詳細に説明する。
【００２０】
［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態に係る変位検出装置である光電式エンコーダの全体構成を示す概略図である。第１の実施形態に係る光電式エンコーダは、発光素子１１と、スケール１２と、レンズ１３と、フォトダイオードアレイ（受光素子アレイ：以下、「ＰＤＡ」と呼ぶ。）１４と、信号処理演算回路２０とを備えて構成されている。
【００２１】
発光素子１１は、例えばＬＥＤからなる。スケール１２は、図２に示すように、例えば透明ガラス基板上に、明暗の等間隔の配列ピッチｐ（例えば、４０μｍ）で形成されたインクリメンタルパターン（以下、「ＩＮＣパターン」と呼ぶ。）３１からなるインクリメンタルトラック（以下、「ＩＮＣトラック」と呼ぶ。）３０１を形成して構成されている。
【００２２】
発光素子１１は、このスケール１２を照射し、スケール１２を透過した照射光は、レンズ１３を介してＰＤＡ１４上に投影される。これにより、スケール１２のＩＮＣトラック３０１におけるＩＮＣパターン３１がＰＤＡ１４上で結像されて検出され、このＩＮＣパターン３１により明暗信号が得られる。
【００２３】
図３に示すように、ＰＤＡ１４は、ＩＮＣトラック３０１に対応して配置された複数のフォトダイオード（以下、「ＰＤ」と呼ぶ。）４１を備える。ＰＤＡ１４は、例えば９０°ずつ位相の異なる４組のＰＤ４１をそれぞれ備え、ＩＮＣパターン３１に基づく明暗信号を検出して位相差が９０°である４相正弦波信号を出力する。
【００２４】
このＰＤＡ１４は、図４に示すように、測長方向ピッチＰＰＤＡで並設された複数個（ｎ個：ｎ＝１，２，．．．，ｎ）のＰＤ４１で構成される。ここで、ＰＤＡ１４の任意の位置をＰＤ原点ＯＰＤＡとした場合、ＰＤＡ１４のｉ番目のＰＤ４１の位置をｘｉとし、このＰＤＡ１４のｉ番目のＰＤ４１からの出力をｙｉとする。
【００２５】
信号処理演算回路２０は、一例として図示しないノイズフィルタ、増幅回路、Ａ／Ｄ変換器、相対位置検出回路等を備える。また、信号処理演算回路２０は、これらと共に、ここでは、一例として予めレンズ１３等の光学系の設計値から歪みシミュレーションによって得られた歪み情報Δｅｉに基づき算出された歪みテーブル２１を備える。歪みテーブル２１は、信号処理演算回路２０内の図示しない記憶部に格納され、必要に応じて後述する歪み補償回路２２に読み出されて参照される。
【００２６】
更に、信号処理演算回路２０は、この歪みテーブル２１と、ＰＤＡ１４の各ＰＤ４１の位置情報とに基づいて、各ＰＤ４１の位置を仮想的に配置変更して光学系の歪みを除去し、ＰＤＡ１４からの明暗信号を補正する歪み補償回路２２と、この補正された明暗信号に基づいて、スケール１２の位置を解析する位置解析回路２３とを備える。
【００２７】
なお、例えばノイズフィルタは、各ＰＤ４１からのアナログ出力信号（９０°位相差４相信号）のノイズを除去する。増幅回路は、ノイズ除去された信号を増幅出力する。Ａ／Ｄ変換器は、増幅出力されたアナログ出力信号をデジタル信号に変換する。相対位置検出回路は、得られた９０°位相差４相信号から９０°位相差２相信号を生成してａｒｃｔａｎ演算などを行うことで、スケール１２の相対的な移動量や移動方向を示す信号を出力する。
【００２８】
ここで、このように構成された光電式エンコーダにおいて、図４に示したように構成されたＰＤＡ１４から得られる明暗信号の出力（出力明暗信号）は、図５に示すように再現される。すなわち、スケール１２における実際のＩＮＣパターン３１のスケールパターン像に対して、光学系に歪みがある場合には、光学系により歪んだスケールパターン像となってしまい、その出力明暗信号は、ＰＤ４１の位置ｘｉとそこからの出力ｙｉとの数値データとして表される。
【００２９】
このときの出力明暗信号には上記のように光学系の歪みが伴っているので、これに基づいてスケール１２の位置を検出すると、光電式エンコーダの検出精度が悪化することとなる。従って、光学系の歪みから、上記のようにＰＤ４１の位置をｘｉとし、その位置における歪み情報をΔｅｉとして、図６に示すような歪みテーブル２１が作成される。
【００３０】
この歪みテーブル２１は、例えば任意に設定した歪み基準位置ｘａ及びレンズ１３上の位置に対し、ＰＤＡ１４の各ＰＤ４１の位置ｘｉがそれぞれどれくらい歪んでいる（ずれている）かを歪み情報Δｅｉにより表したものである。なお、歪み基準位置ｘａは、ＰＤＡ１４において検出されたスケールパターンの歪みが０である位置であってもよく、レンズ１３の中心辺りに対応する位置であることが想定される。
【００３１】
歪み補償回路２２は、このような歪みテーブル２１と、ＰＤＡ１４の各ＰＤ４１の位置情報とを参照して、例えば図７に示すように、ＰＤＡ１４のＰＤ４１の位置を仮想的に配置変更して、明暗信号を補正する。すなわち、例えばＰＤＡ１４のｉ番目のＰＤ４１の位置ｘｉを、歪みテーブル２１に基づき歪み情報Δｅｉ分だけシフトした位置ｘｉ−Δｅｉに配置したと仮定する。
【００３２】
そして、歪み補償回路２２は、このＰＤＡ１４の位置ｘｉ−Δｅｉに配置変更したｉ番目のＰＤ４１からの出力をｙｉとして、明暗信号を補正した状態で出力する。なお、位置解析回路２３は、歪み補償回路２２によりこのように補正された出力明暗信号に基づいて、スケール１２の位置情報を解析し、位置信号を出力する。
【００３３】
以上のように、第１の実施形態に係る光電式エンコーダは、上記のように構成されることにより、光学系の既知の歪み情報Δｅｉにより予め用意された歪みテーブル２１を用いて、ＰＤＡ１４からの出力明暗信号から歪みを除去することができる。これにより、安価にスケールパターン像の歪みを除去し、出力される位置情報（位置信号）の精度を向上させることができる。
【００３４】
［第２の実施形態］
図８は、本発明の第２の実施形態に係る変位検出装置である光電式エンコーダの全体構成を示す概略図である。図８に示すように、第２の実施形態に係る光電式エンコーダは、信号処理演算回路２０Ａの内部に歪み検出回路１９を備え、この歪み検出回路１９にて歪みテーブル２１を作成する点が、第１の実施形態に係る光電式エンコーダと相違している。
【００３５】
第１の実施形態においては、歪みテーブル２１を予め光学系の設計値から得られた歪み情報Δｅｉに基づき算出されたものとしたが、第２の実施形態に係る光電式エンコーダは、例えば測定動作時にこの歪み検出回路１９にて歪みテーブル２１を作成して歪み補正を行う構成とした。
【００３６】
スケール１２のＩＮＣパターン３１は、上述したように、例えば設計スケールピッチである配列ピッチがｐとなるように形成されている。図９に示すように、ＰＤＡ１４の各ＰＤ４１の位置をｘＮ（Ｎ＝１，２，．．．，Ｎ）とした場合、ｘ１とｘ２の間の配列ピッチをｐ１、ｘ２とｘ３の間の配列ピッチをｐ２のようにすると、ｘａとｘａ＋１との間の配列ピッチをｐａ、ｘｉとｘｉ＋１との間の配列ピッチをｐｉ、及びｘＮ−１とｘＮとの間の配列ピッチをｐＮ−１と表すことができ、この場合のＩＮＣパターン３１の各配列ピッチはｐ１，ｐ２，．．．，ｐＮ−１となる。
【００３７】
ＰＤＡ１４の各ＰＤ４１の位置情報は、設計値から予め分かっているため、歪み検出回路１９は、ＰＤＡ１４により検出されたＩＮＣパターン３１の出力明暗信号から、光学系の歪みに基づくＩＮＣパターン３１の配列ピッチｐのずれが示すＰＤ４１間のずれ量Δｐｉをそれぞれ検出する。
【００３８】
そして、歪み検出回路１９は、このずれ量Δｐｉを積算することで歪み情報Δｅｉを得て、歪みテーブル２１を作成する。例えば、ＰＤ４１の位置ｘｉとその隣のＰＤ４１の位置ｘｉ＋１との間の配列ピッチをｐｉとし、ＰＤ４１の位置ｘａ＋１を歪み基準位置とすると、次式（１）により歪み情報Δｅｉを算出することができる。
【００３９】
【数１】
【００４０】
歪み補償回路２２は、このように算出された歪み情報Δｅｉに基づき歪み検出回路１９で作成された歪みテーブル２１を用い、ＰＤＡ１４の各ＰＤ４１の位置を仮想的に配置変更し、ＰＤＡ１４の出力明暗信号から歪みを除去する。このため、第１の実施形態と同様の作用効果を奏すると共に、測定動作時などにスケールパターンを解析して明暗信号から歪みを除去し、高精度な位置信号を出力して測定にフィードバックすることができる。従って、異なる歪みを持つスケールパターン像に対しても、容易に明暗信号を補正して対応することが可能となる。
【００４１】
［第３の実施形態］
図１０は、本発明の第３の実施形態に係る変位検出装置である光電式エンコーダにおける歪み補正方式を説明するためのスケールパターンの位相のずれを示す模式図である。第３の実施形態に係る光電式エンコーダの構成は、図８に示す第２の実施形態に係る光電式エンコーダと同様である。
【００４２】
第２の実施形態では、ピッチのずれ量Δｐｉを積算して歪み情報Δｅｉを求めるように構成したが、ここでは、スケールパターンの位相から歪み情報Δｅｉを得るようにしている点が相違している。すなわち、歪み検出回路１９は、図１０に示すように、ＩＮＣパターン３１から得られた明暗信号から、ＰＤ４１の位置ｘｉを中心とした所定領域Ｒｉを抽出する。
【００４３】
次に、歪み検出回路１９は、その所定領域ＲｉにおけるＰＤ原点ＯＰＤＡを原点として、ＩＮＣパターン３１の所定領域Ｒｉ内の位相φｉをそれぞれ算出する。そして、次式（２）で示すように、算出した位相φｉと歪み基準位置ｘａにおける所定領域Ｒａ内のＩＮＣパターン３１の位相φａとの差分を演算して歪み情報Δｅｉを算出し、上記のような歪みテーブル２１を作成する。
【００４４】
【数２】
【００４５】
この第３の実施形態に係る光電式エンコーダは、上記のように所定領域Ｒｉ内のＩＮＣパターン３１の位相φｉに基づいて歪み情報Δｅｉを算出し、これに基づき歪みテーブル２１を作成して明暗信号を補正するため、第２の実施形態のものと比較してずれ量Δｐｉに含まれる誤差が積算されてしまうことがない。これにより、より高精度に位置情報を検出することができる。
【００４６】
［第４の実施形態］
図１１は、本発明の第４の実施形態に係る変位検出装置である光電式エンコーダのスケールとフォトダイオードアレイの構成を示す平面図である。第４の実施形態に係る光電式エンコーダの構成は、図１１に示すように、スケール１２Ａの構成が、複数トラック（Ｎトラック）構成となっている点が、先の実施形態に係る光電式エンコーダと相違している。
【００４７】
スケール１２Ａは、例えばアブソリュートパターン（以下、「ＡＢＳパターン」と呼ぶ。）３２からなるトラックＡと、ＩＮＣパターン３１からなるトラックＢとを備えている。光電式エンコーダは、それぞれのトラックＡ，Ｂに対応する光学系及びＰＤＡ１４Ａ，１４Ｂを備えている。
【００４８】
この場合、信号処理演算回路２０Ａは、図１２に示すように、ＰＤＡ１４Ａ及びＰＤＡ１４Ｂからの明暗信号に基づいて歪み情報Δｅｉを算出し、歪みの差分をとって歪みテーブル２１を作成する歪み検出回路１９と、例えばトラックＡ側の明暗信号の歪みを補正する歪み補償回路２２と、トラックＡ及びＢ毎の位置解析回路２３Ａ，２３Ｂとを備えて構成される。
【００４９】
このように構成された光電式エンコーダでは、各トラックＡ，Ｂから得られる位置情報は同じ値であることが望まれる。しかし、各トラックＡ，Ｂのスケールパターンを検出する光学系がそれぞれ異なる歪みを持っていた場合、これらの歪みの相違により各トラックＡ，Ｂから出力される位置情報に相対的な誤差（トラック間誤差）が生じ、正確な位置検出ができなくなってしまうこととなる。
【００５０】
そこで、歪み検出回路１９は、図１３（ａ）に示すように、各光学系の歪みから、ＰＤＡ１４Ａ，１４ＢにおけるＰＤ４１の位置をｘｉとした場合の、この位置ｘｉにおける各トラックＡ，Ｂの歪み２１ａ，２１ｂを示す歪み情報Δｅｉを算出する。ここでは、トラックＢを基準トラックとして、トラックＡの歪みをこのトラックＡの歪みに合わせるように構成している。
【００５１】
各トラックＡ，Ｂの歪み情報Δｅｉを算出したら、これらの差分を演算して、図１３（ｂ）に示すような歪みテーブル２１を作成する。歪み補償回路２２は、この歪みテーブル２１を参照して、ＰＤＡ１４Ａからの出力明暗信号を補正する。すなわち、ＰＤＡ１４Ａのｉ番目のＰＤ４１の位置をｘｉからｘｉ−Δｅｉに仮想的に配置変更し、この配置変更したＰＤ４１の出力ｙｉを補正された明暗信号とする。
【００５２】
これにより、例えばトラックＡの歪みがトラックＢの歪みに合わせて校正されるので、各トラックＡ，Ｂから得られる位置情報に生じる光学系の歪みに起因するトラック間誤差を抑制することができ、複数トラックを有する光電式エンコーダにおいても高精度に位置情報を検出することが可能となる。
【符号の説明】
【００５３】
１１ 発光素子
１２ スケール
１３ レンズ
１４ フォトダイオードアレイ（ＰＤＡ）
１９ 歪み検出回路
２０ 信号処理演算回路
２１ 歪みテーブル
２２ 歪み補償回路
２３ 位置解析回路
４１ フォトダイオード（ＰＤ）
【技術分野】
【０００１】
この発明は、位置測定が可能なインクリメンタル型やアブソリュート型のリニアエンコーダやロータリエンコーダ等に応用される変位検出装置、変位検出方法及び変位検出プログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、スケール上のパターンを読み取って位置測定を行う光学式の変位検出装置として、光電式エンコーダ（例えば、下記特許文献１参照）が知られている。この光電式エンコーダは、光源より照射された入射光を３つの光学格子を介して受光素子に入射させ、その光学格子のうちの１つを、他の光学格子に対して相対移動可能に構成した３格子型の構造を備えている。
【０００３】
そして、例えば３つの光学格子のうちの１つや、その代わりの受光素子アレイが、投影される干渉縞のピッチに合わせて、光源から近いほど小さく遠いほど大きくなるように、格子ピッチ或いは配列ピッチが相対移動方向に順次変化するように構成されている。これにより、スケールパターンの明暗信号がレンズなどの光学系の収差により歪んでしまうことを防止し、位置情報の劣化を抑制して、光源から遠い位置において形成される干渉縞も直流成分となることなく明暗信号として扱うことができ、信号検出効率が改善されることとなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−３４７４６５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、上記特許文献１に開示された構造では、レンズなどの光学系の歪み毎に受光素子アレイの配列ピッチなどを設計しなければならないため、スケールの位置情報の検出精度を向上させるためには、多大なコストがかかってしまうという問題がある。
【０００６】
この発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、安価に光学系の歪みをキャンセルしてスケールの位置情報の検出精度を向上させることができる変位検出装置、変位検出方法及び変位検出プログラム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】
本発明に係る変位検出装置は、インクリメンタル成分を含んだスケールパターンを有するスケールと、前記スケールパターンを光により結像させる光学系と、前記結像されたスケールパターンを検出してこのスケールパターンにより得られる明暗信号を出力すると共に、前記スケールに対して相対移動可能に構成された複数の受光素子を有する受光素子アレイと、前記受光素子アレイの各受光素子の位置情報と、前記光学系の歪み情報から得られた歪みテーブルとに基づいて、各受光素子の位置を仮想的に配置変更して前記光学系の歪みを除去し、前記受光素子アレイからの明暗信号を補正する歪み補償回路と、前記補正された明暗信号に基づいて、前記スケールの位置を解析する演算回路とを備えたことを特徴とする。
【０００８】
このような構成においては、受光素子アレイの各受光素子の位置を物理的に配置変更することなく、スケールパターンの明暗信号から光学系の歪みを除去して正確なスケールの位置情報を検出することができるので、安価にスケールの位置情報の検出精度を向上させることができる。
【０００９】
本発明の１つの実施形態においては、前記歪みテーブルが、予め前記光学系の設計値から歪みシミュレーションによって得られた歪み情報に基づき算出されたものである。
【００１０】
また、本発明の他の実施形態においては、前記各受光素子の位置情報と前記受光素子アレイからの明暗信号とに基づいて、各受光素子間の間隔と検出されたスケールパターンが示す各受光素子間の間隔とのずれ量Δｐｉをそれぞれ検出し、検出したずれ量Δｐｉを積算して得た歪み情報Δｅｉに基づき前記歪みテーブルを作成する歪み検出回路を更に備える。
【００１１】
本発明の更に他の実施形態においては、前記各受光素子の位置情報と前記受光素子アレイからの明暗信号とに基づいて、各受光素子毎の位置ｘｉを中心とした所定領域Ｒｉの明暗信号を抽出し、前記所定領域Ｒｉ内における前記受光素子原点ＯＰＤＡを原点とした明暗信号の位相φｉをそれぞれ算出すると共に、算出した位相φｉと、歪みのない受光素子の位置を示す歪み基準位置ｘａを中心とした所定領域Ｒａ内の明暗信号の位相φａとの差分をそれぞれ演算して得た歪み情報Δｅｉに基づき、前記歪みテーブルを作成する歪み検出回路を更に備える。
【００１２】
また、本発明の更に他の実施形態においては、前記スケールが、複数のトラックに設けられたスケールパターンを有し、前記光学系及び前記受光素子アレイが、前記複数のトラックに対応して設けられ、前記歪み補償回路が、一方のトラックにおける光学系の歪み情報を、他方のトラックにおける光学系の歪み情報に合わせた歪みテーブルに基づき、前記複数のトラック毎の前記明暗信号を補正する。
【００１３】
本発明の更に他の実施形態においては、前記歪み補償回路が、前記一方のトラックにおける光学系の歪み情報と前記他方のトラックにおける光学系の歪み情報との差分に基づき作成された前記歪みテーブルを用いて、前記明暗信号を補正する。
【００１４】
本発明の更に他の実施形態においては、前記歪みテーブルを格納する記憶手段を更に備える。
【００１５】
本発明に係る変位検出方法は、インクリメンタル成分を含んだスケールパターンを有するスケールと、前記スケールパターンを光により結像させる光学系と、前記結像されたスケールパターンを検出してこのスケールパターンにより得られる明暗信号を出力すると共に、前記スケールに対して相対移動可能に構成された複数の受光素子を有する受光素子アレイと、前記受光素子アレイからの明暗信号を補正する歪み補償回路と、前記補正された明暗信号に基づいて、前記スケールの位置を解析する演算回路とを備えた変位検出装置における変位検出方法であって、前記スケールパターンを検出して前記明暗信号を取得するステップと、前記受光素子アレイの各受光素子の位置情報と、前記光学系の歪み情報から得られた歪みテーブルとに基づいて、各受光素子の位置を仮想的に配置変更して前記光学系の歪みを除去し、取得された明暗信号を補正するステップと、前記補正された明暗信号に基づいて、前記スケールの位置を解析するステップとを備えたことを特徴とする。
【００１６】
本発明に係る変位検出プログラムは、インクリメンタル成分を含んだスケールパターンを有するスケールと、前記スケールパターンを光により結像させる光学系と、前記結像されたスケールパターンを検出してこのスケールパターンにより得られる明暗信号を出力すると共に、前記スケールに対して相対移動可能に構成された複数の受光素子を有する受光素子アレイと、前記受光素子アレイからの明暗信号を補正する歪み補償回路と、前記補正された明暗信号に基づいて、前記スケールの位置を解析する演算回路とを備えた変位検出装置における変位検出方法をコンピュータにより実行可能な変位検出プログラムであって、前記スケールパターンを検出して前記明暗信号を取得するステップと、前記受光素子アレイの各受光素子の位置情報と、前記光学系の歪み情報から得られた歪みテーブルとに基づいて、各受光素子の位置を仮想的に配置変更して前記光学系の歪みを除去し、取得された明暗信号を補正するステップと、前記補正された明暗信号に基づいて、前記スケールの位置を解析するステップとを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、安価に光学系の歪みをキャンセルしてスケールの位置情報の検出精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る変位検出装置である光電式エンコーダの全体構成を示す概略図である。
【図２】図１のスケールの構成を説明するための平面図である。
【図３】図１のフォトダイオードアレイの構成を説明するための平面図である。
【図４】図１のフォトダイオードアレイの構成を説明するための平面図である。
【図５】同光電式エンコーダにおけるスケールパターン像、フォトダイオードアレイの配置、出力明暗信号及び光学系の歪みの関係を説明するための図である。
【図６】同光電式エンコーダで用いられる歪みテーブルを説明するための図である。
【図７】同光電式エンコーダの歪み補償回路における歪み補正を説明するための図である。
【図８】本発明の第２の実施形態に係る変位検出装置である光電式エンコーダの全体構成を示す概略図である。
【図９】同光電式エンコーダにおける歪み補正方式を説明するためのスケールパターンの配列ピッチのずれを示す模式図である。
【図１０】本発明の第３の実施形態に係る変位検出装置である光電式エンコーダにおける歪み補正方式を説明するためのスケールパターンの位相のずれを示す模式図である。
【図１１】本発明の第４の実施形態に係る変位検出装置である光電式エンコーダのスケールとフォトダイオードアレイの構成を示す平面図である。
【図１２】同光電式エンコーダの信号処理演算回路の内部構成を示すブロック図である。
【図１３】同光電式エンコーダで用いられる歪みテーブル及び歪み補正方式を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、添付の図面を参照して、この発明の実施の形態に係る変位検出装置、変位検出方法及び変位検出プログラムを詳細に説明する。
【００２０】
［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態に係る変位検出装置である光電式エンコーダの全体構成を示す概略図である。第１の実施形態に係る光電式エンコーダは、発光素子１１と、スケール１２と、レンズ１３と、フォトダイオードアレイ（受光素子アレイ：以下、「ＰＤＡ」と呼ぶ。）１４と、信号処理演算回路２０とを備えて構成されている。
【００２１】
発光素子１１は、例えばＬＥＤからなる。スケール１２は、図２に示すように、例えば透明ガラス基板上に、明暗の等間隔の配列ピッチｐ（例えば、４０μｍ）で形成されたインクリメンタルパターン（以下、「ＩＮＣパターン」と呼ぶ。）３１からなるインクリメンタルトラック（以下、「ＩＮＣトラック」と呼ぶ。）３０１を形成して構成されている。
【００２２】
発光素子１１は、このスケール１２を照射し、スケール１２を透過した照射光は、レンズ１３を介してＰＤＡ１４上に投影される。これにより、スケール１２のＩＮＣトラック３０１におけるＩＮＣパターン３１がＰＤＡ１４上で結像されて検出され、このＩＮＣパターン３１により明暗信号が得られる。
【００２３】
図３に示すように、ＰＤＡ１４は、ＩＮＣトラック３０１に対応して配置された複数のフォトダイオード（以下、「ＰＤ」と呼ぶ。）４１を備える。ＰＤＡ１４は、例えば９０°ずつ位相の異なる４組のＰＤ４１をそれぞれ備え、ＩＮＣパターン３１に基づく明暗信号を検出して位相差が９０°である４相正弦波信号を出力する。
【００２４】
このＰＤＡ１４は、図４に示すように、測長方向ピッチＰＰＤＡで並設された複数個（ｎ個：ｎ＝１，２，．．．，ｎ）のＰＤ４１で構成される。ここで、ＰＤＡ１４の任意の位置をＰＤ原点ＯＰＤＡとした場合、ＰＤＡ１４のｉ番目のＰＤ４１の位置をｘｉとし、このＰＤＡ１４のｉ番目のＰＤ４１からの出力をｙｉとする。
【００２５】
信号処理演算回路２０は、一例として図示しないノイズフィルタ、増幅回路、Ａ／Ｄ変換器、相対位置検出回路等を備える。また、信号処理演算回路２０は、これらと共に、ここでは、一例として予めレンズ１３等の光学系の設計値から歪みシミュレーションによって得られた歪み情報Δｅｉに基づき算出された歪みテーブル２１を備える。歪みテーブル２１は、信号処理演算回路２０内の図示しない記憶部に格納され、必要に応じて後述する歪み補償回路２２に読み出されて参照される。
【００２６】
更に、信号処理演算回路２０は、この歪みテーブル２１と、ＰＤＡ１４の各ＰＤ４１の位置情報とに基づいて、各ＰＤ４１の位置を仮想的に配置変更して光学系の歪みを除去し、ＰＤＡ１４からの明暗信号を補正する歪み補償回路２２と、この補正された明暗信号に基づいて、スケール１２の位置を解析する位置解析回路２３とを備える。
【００２７】
なお、例えばノイズフィルタは、各ＰＤ４１からのアナログ出力信号（９０°位相差４相信号）のノイズを除去する。増幅回路は、ノイズ除去された信号を増幅出力する。Ａ／Ｄ変換器は、増幅出力されたアナログ出力信号をデジタル信号に変換する。相対位置検出回路は、得られた９０°位相差４相信号から９０°位相差２相信号を生成してａｒｃｔａｎ演算などを行うことで、スケール１２の相対的な移動量や移動方向を示す信号を出力する。
【００２８】
ここで、このように構成された光電式エンコーダにおいて、図４に示したように構成されたＰＤＡ１４から得られる明暗信号の出力（出力明暗信号）は、図５に示すように再現される。すなわち、スケール１２における実際のＩＮＣパターン３１のスケールパターン像に対して、光学系に歪みがある場合には、光学系により歪んだスケールパターン像となってしまい、その出力明暗信号は、ＰＤ４１の位置ｘｉとそこからの出力ｙｉとの数値データとして表される。
【００２９】
このときの出力明暗信号には上記のように光学系の歪みが伴っているので、これに基づいてスケール１２の位置を検出すると、光電式エンコーダの検出精度が悪化することとなる。従って、光学系の歪みから、上記のようにＰＤ４１の位置をｘｉとし、その位置における歪み情報をΔｅｉとして、図６に示すような歪みテーブル２１が作成される。
【００３０】
この歪みテーブル２１は、例えば任意に設定した歪み基準位置ｘａ及びレンズ１３上の位置に対し、ＰＤＡ１４の各ＰＤ４１の位置ｘｉがそれぞれどれくらい歪んでいる（ずれている）かを歪み情報Δｅｉにより表したものである。なお、歪み基準位置ｘａは、ＰＤＡ１４において検出されたスケールパターンの歪みが０である位置であってもよく、レンズ１３の中心辺りに対応する位置であることが想定される。
【００３１】
歪み補償回路２２は、このような歪みテーブル２１と、ＰＤＡ１４の各ＰＤ４１の位置情報とを参照して、例えば図７に示すように、ＰＤＡ１４のＰＤ４１の位置を仮想的に配置変更して、明暗信号を補正する。すなわち、例えばＰＤＡ１４のｉ番目のＰＤ４１の位置ｘｉを、歪みテーブル２１に基づき歪み情報Δｅｉ分だけシフトした位置ｘｉ−Δｅｉに配置したと仮定する。
【００３２】
そして、歪み補償回路２２は、このＰＤＡ１４の位置ｘｉ−Δｅｉに配置変更したｉ番目のＰＤ４１からの出力をｙｉとして、明暗信号を補正した状態で出力する。なお、位置解析回路２３は、歪み補償回路２２によりこのように補正された出力明暗信号に基づいて、スケール１２の位置情報を解析し、位置信号を出力する。
【００３３】
以上のように、第１の実施形態に係る光電式エンコーダは、上記のように構成されることにより、光学系の既知の歪み情報Δｅｉにより予め用意された歪みテーブル２１を用いて、ＰＤＡ１４からの出力明暗信号から歪みを除去することができる。これにより、安価にスケールパターン像の歪みを除去し、出力される位置情報（位置信号）の精度を向上させることができる。
【００３４】
［第２の実施形態］
図８は、本発明の第２の実施形態に係る変位検出装置である光電式エンコーダの全体構成を示す概略図である。図８に示すように、第２の実施形態に係る光電式エンコーダは、信号処理演算回路２０Ａの内部に歪み検出回路１９を備え、この歪み検出回路１９にて歪みテーブル２１を作成する点が、第１の実施形態に係る光電式エンコーダと相違している。
【００３５】
第１の実施形態においては、歪みテーブル２１を予め光学系の設計値から得られた歪み情報Δｅｉに基づき算出されたものとしたが、第２の実施形態に係る光電式エンコーダは、例えば測定動作時にこの歪み検出回路１９にて歪みテーブル２１を作成して歪み補正を行う構成とした。
【００３６】
スケール１２のＩＮＣパターン３１は、上述したように、例えば設計スケールピッチである配列ピッチがｐとなるように形成されている。図９に示すように、ＰＤＡ１４の各ＰＤ４１の位置をｘＮ（Ｎ＝１，２，．．．，Ｎ）とした場合、ｘ１とｘ２の間の配列ピッチをｐ１、ｘ２とｘ３の間の配列ピッチをｐ２のようにすると、ｘａとｘａ＋１との間の配列ピッチをｐａ、ｘｉとｘｉ＋１との間の配列ピッチをｐｉ、及びｘＮ−１とｘＮとの間の配列ピッチをｐＮ−１と表すことができ、この場合のＩＮＣパターン３１の各配列ピッチはｐ１，ｐ２，．．．，ｐＮ−１となる。
【００３７】
ＰＤＡ１４の各ＰＤ４１の位置情報は、設計値から予め分かっているため、歪み検出回路１９は、ＰＤＡ１４により検出されたＩＮＣパターン３１の出力明暗信号から、光学系の歪みに基づくＩＮＣパターン３１の配列ピッチｐのずれが示すＰＤ４１間のずれ量Δｐｉをそれぞれ検出する。
【００３８】
そして、歪み検出回路１９は、このずれ量Δｐｉを積算することで歪み情報Δｅｉを得て、歪みテーブル２１を作成する。例えば、ＰＤ４１の位置ｘｉとその隣のＰＤ４１の位置ｘｉ＋１との間の配列ピッチをｐｉとし、ＰＤ４１の位置ｘａ＋１を歪み基準位置とすると、次式（１）により歪み情報Δｅｉを算出することができる。
【００３９】
【数１】
【００４０】
歪み補償回路２２は、このように算出された歪み情報Δｅｉに基づき歪み検出回路１９で作成された歪みテーブル２１を用い、ＰＤＡ１４の各ＰＤ４１の位置を仮想的に配置変更し、ＰＤＡ１４の出力明暗信号から歪みを除去する。このため、第１の実施形態と同様の作用効果を奏すると共に、測定動作時などにスケールパターンを解析して明暗信号から歪みを除去し、高精度な位置信号を出力して測定にフィードバックすることができる。従って、異なる歪みを持つスケールパターン像に対しても、容易に明暗信号を補正して対応することが可能となる。
【００４１】
［第３の実施形態］
図１０は、本発明の第３の実施形態に係る変位検出装置である光電式エンコーダにおける歪み補正方式を説明するためのスケールパターンの位相のずれを示す模式図である。第３の実施形態に係る光電式エンコーダの構成は、図８に示す第２の実施形態に係る光電式エンコーダと同様である。
【００４２】
第２の実施形態では、ピッチのずれ量Δｐｉを積算して歪み情報Δｅｉを求めるように構成したが、ここでは、スケールパターンの位相から歪み情報Δｅｉを得るようにしている点が相違している。すなわち、歪み検出回路１９は、図１０に示すように、ＩＮＣパターン３１から得られた明暗信号から、ＰＤ４１の位置ｘｉを中心とした所定領域Ｒｉを抽出する。
【００４３】
次に、歪み検出回路１９は、その所定領域ＲｉにおけるＰＤ原点ＯＰＤＡを原点として、ＩＮＣパターン３１の所定領域Ｒｉ内の位相φｉをそれぞれ算出する。そして、次式（２）で示すように、算出した位相φｉと歪み基準位置ｘａにおける所定領域Ｒａ内のＩＮＣパターン３１の位相φａとの差分を演算して歪み情報Δｅｉを算出し、上記のような歪みテーブル２１を作成する。
【００４４】
【数２】
【００４５】
この第３の実施形態に係る光電式エンコーダは、上記のように所定領域Ｒｉ内のＩＮＣパターン３１の位相φｉに基づいて歪み情報Δｅｉを算出し、これに基づき歪みテーブル２１を作成して明暗信号を補正するため、第２の実施形態のものと比較してずれ量Δｐｉに含まれる誤差が積算されてしまうことがない。これにより、より高精度に位置情報を検出することができる。
【００４６】
［第４の実施形態］
図１１は、本発明の第４の実施形態に係る変位検出装置である光電式エンコーダのスケールとフォトダイオードアレイの構成を示す平面図である。第４の実施形態に係る光電式エンコーダの構成は、図１１に示すように、スケール１２Ａの構成が、複数トラック（Ｎトラック）構成となっている点が、先の実施形態に係る光電式エンコーダと相違している。
【００４７】
スケール１２Ａは、例えばアブソリュートパターン（以下、「ＡＢＳパターン」と呼ぶ。）３２からなるトラックＡと、ＩＮＣパターン３１からなるトラックＢとを備えている。光電式エンコーダは、それぞれのトラックＡ，Ｂに対応する光学系及びＰＤＡ１４Ａ，１４Ｂを備えている。
【００４８】
この場合、信号処理演算回路２０Ａは、図１２に示すように、ＰＤＡ１４Ａ及びＰＤＡ１４Ｂからの明暗信号に基づいて歪み情報Δｅｉを算出し、歪みの差分をとって歪みテーブル２１を作成する歪み検出回路１９と、例えばトラックＡ側の明暗信号の歪みを補正する歪み補償回路２２と、トラックＡ及びＢ毎の位置解析回路２３Ａ，２３Ｂとを備えて構成される。
【００４９】
このように構成された光電式エンコーダでは、各トラックＡ，Ｂから得られる位置情報は同じ値であることが望まれる。しかし、各トラックＡ，Ｂのスケールパターンを検出する光学系がそれぞれ異なる歪みを持っていた場合、これらの歪みの相違により各トラックＡ，Ｂから出力される位置情報に相対的な誤差（トラック間誤差）が生じ、正確な位置検出ができなくなってしまうこととなる。
【００５０】
そこで、歪み検出回路１９は、図１３（ａ）に示すように、各光学系の歪みから、ＰＤＡ１４Ａ，１４ＢにおけるＰＤ４１の位置をｘｉとした場合の、この位置ｘｉにおける各トラックＡ，Ｂの歪み２１ａ，２１ｂを示す歪み情報Δｅｉを算出する。ここでは、トラックＢを基準トラックとして、トラックＡの歪みをこのトラックＡの歪みに合わせるように構成している。
【００５１】
各トラックＡ，Ｂの歪み情報Δｅｉを算出したら、これらの差分を演算して、図１３（ｂ）に示すような歪みテーブル２１を作成する。歪み補償回路２２は、この歪みテーブル２１を参照して、ＰＤＡ１４Ａからの出力明暗信号を補正する。すなわち、ＰＤＡ１４Ａのｉ番目のＰＤ４１の位置をｘｉからｘｉ−Δｅｉに仮想的に配置変更し、この配置変更したＰＤ４１の出力ｙｉを補正された明暗信号とする。
【００５２】
これにより、例えばトラックＡの歪みがトラックＢの歪みに合わせて校正されるので、各トラックＡ，Ｂから得られる位置情報に生じる光学系の歪みに起因するトラック間誤差を抑制することができ、複数トラックを有する光電式エンコーダにおいても高精度に位置情報を検出することが可能となる。
【符号の説明】
【００５３】
１１ 発光素子
１２ スケール
１３ レンズ
１４ フォトダイオードアレイ（ＰＤＡ）
１９ 歪み検出回路
２０ 信号処理演算回路
２１ 歪みテーブル
２２ 歪み補償回路
２３ 位置解析回路
４１ フォトダイオード（ＰＤ）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
インクリメンタル成分を含んだスケールパターンを有するスケールと、
前記スケールパターンを光により結像させる光学系と、
前記結像されたスケールパターンを検出してこのスケールパターンにより得られる明暗信号を出力すると共に、前記スケールに対して相対移動可能に構成された複数の受光素子を有する受光素子アレイと、
前記受光素子アレイの各受光素子の位置情報と、前記光学系の歪み情報から得られた歪みテーブルとに基づいて、各受光素子の位置を仮想的に配置変更して前記光学系の歪みを除去し、前記受光素子アレイからの明暗信号を補正する歪み補償回路と、
前記補正された明暗信号に基づいて、前記スケールの位置を解析する演算回路とを備えた
ことを特徴とする変位検出装置。
【請求項２】
前記歪みテーブルは、予め前記光学系の設計値から歪みシミュレーションによって得られた歪み情報に基づき算出されたものであることを特徴とする請求項１記載の変位検出装置。
【請求項３】
前記各受光素子の位置情報と前記受光素子アレイからの明暗信号とに基づいて、各受光素子間の間隔と検出されたスケールパターンが示す各受光素子間の間隔とのずれ量Δｐｉをそれぞれ検出し、検出したずれ量Δｐｉを積算して得た歪み情報Δｅｉに基づき前記歪みテーブルを作成する歪み検出回路を更に備えたことを特徴とする請求項１記載の変位検出装置。
【請求項４】
前記各受光素子の位置情報と前記受光素子アレイからの明暗信号とに基づいて、各受光素子毎の位置ｘｉを中心とした所定領域Ｒｉの明暗信号を抽出し、前記所定領域Ｒｉ内における前記受光素子原点ＯＰＤＡを原点とした明暗信号の位相φｉをそれぞれ算出すると共に、算出した位相φｉと、歪みのない受光素子の位置を示す歪み基準位置ｘａを中心とした所定領域Ｒａ内の明暗信号の位相φａとの差分をそれぞれ演算して得た歪み情報Δｅｉに基づき、前記歪みテーブルを作成する歪み検出回路を更に備えたことを特徴とする請求項１記載の変位検出装置。
【請求項５】
前記スケールは、複数のトラックに設けられたスケールパターンを有し、
前記光学系及び前記受光素子アレイは、前記複数のトラックに対応して設けられ、
前記歪み補償回路は、一方のトラックにおける光学系の歪み情報を、他方のトラックにおける光学系の歪み情報に合わせた歪みテーブルに基づき、前記複数のトラック毎の前記明暗信号を補正する
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載の変位検出装置。
【請求項６】
前記歪み補償回路は、前記一方のトラックにおける光学系の歪み情報と前記他方のトラックにおける光学系の歪み情報との差分に基づき作成された前記歪みテーブルを用いて、前記明暗信号を補正することを特徴とする請求項５記載の変位検出装置。
【請求項７】
前記歪みテーブルを格納する記憶手段を更に備えたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項記載の変位検出装置。
【請求項８】
インクリメンタル成分を含んだスケールパターンを有するスケールと、前記スケールパターンを光により結像させる光学系と、前記結像されたスケールパターンを検出してこのスケールパターンにより得られる明暗信号を出力すると共に、前記スケールに対して相対移動可能に構成された複数の受光素子を有する受光素子アレイと、前記受光素子アレイからの明暗信号を補正する歪み補償回路と、前記補正された明暗信号に基づいて、前記スケールの位置を解析する演算回路とを備えた変位検出装置における変位検出方法であって、
前記スケールパターンを検出して前記明暗信号を取得するステップと、
前記受光素子アレイの各受光素子の位置情報と、前記光学系の歪み情報から得られた歪みテーブルとに基づいて、各受光素子の位置を仮想的に配置変更して前記光学系の歪みを除去し、取得された明暗信号を補正するステップと、
前記補正された明暗信号に基づいて、前記スケールの位置を解析するステップとを備えた
ことを特徴とする変位検出方法。
【請求項９】
インクリメンタル成分を含んだスケールパターンを有するスケールと、前記スケールパターンを光により結像させる光学系と、前記結像されたスケールパターンを検出してこのスケールパターンにより得られる明暗信号を出力すると共に、前記スケールに対して相対移動可能に構成された複数の受光素子を有する受光素子アレイと、前記受光素子アレイからの明暗信号を補正する歪み補償回路と、前記補正された明暗信号に基づいて、前記スケールの位置を解析する演算回路とを備えた変位検出装置における変位検出方法をコンピュータにより実行可能な変位検出プログラムであって、
前記スケールパターンを検出して前記明暗信号を取得するステップと、
前記受光素子アレイの各受光素子の位置情報と、前記光学系の歪み情報から得られた歪みテーブルとに基づいて、各受光素子の位置を仮想的に配置変更して前記光学系の歪みを除去し、取得された明暗信号を補正するステップと、
前記補正された明暗信号に基づいて、前記スケールの位置を解析するステップとを備えた
ことを特徴とする変位検出プログラム。
【請求項１】
インクリメンタル成分を含んだスケールパターンを有するスケールと、
前記スケールパターンを光により結像させる光学系と、
前記結像されたスケールパターンを検出してこのスケールパターンにより得られる明暗信号を出力すると共に、前記スケールに対して相対移動可能に構成された複数の受光素子を有する受光素子アレイと、
前記受光素子アレイの各受光素子の位置情報と、前記光学系の歪み情報から得られた歪みテーブルとに基づいて、各受光素子の位置を仮想的に配置変更して前記光学系の歪みを除去し、前記受光素子アレイからの明暗信号を補正する歪み補償回路と、
前記補正された明暗信号に基づいて、前記スケールの位置を解析する演算回路とを備えた
ことを特徴とする変位検出装置。
【請求項２】
前記歪みテーブルは、予め前記光学系の設計値から歪みシミュレーションによって得られた歪み情報に基づき算出されたものであることを特徴とする請求項１記載の変位検出装置。
【請求項３】
前記各受光素子の位置情報と前記受光素子アレイからの明暗信号とに基づいて、各受光素子間の間隔と検出されたスケールパターンが示す各受光素子間の間隔とのずれ量Δｐｉをそれぞれ検出し、検出したずれ量Δｐｉを積算して得た歪み情報Δｅｉに基づき前記歪みテーブルを作成する歪み検出回路を更に備えたことを特徴とする請求項１記載の変位検出装置。
【請求項４】
前記各受光素子の位置情報と前記受光素子アレイからの明暗信号とに基づいて、各受光素子毎の位置ｘｉを中心とした所定領域Ｒｉの明暗信号を抽出し、前記所定領域Ｒｉ内における前記受光素子原点ＯＰＤＡを原点とした明暗信号の位相φｉをそれぞれ算出すると共に、算出した位相φｉと、歪みのない受光素子の位置を示す歪み基準位置ｘａを中心とした所定領域Ｒａ内の明暗信号の位相φａとの差分をそれぞれ演算して得た歪み情報Δｅｉに基づき、前記歪みテーブルを作成する歪み検出回路を更に備えたことを特徴とする請求項１記載の変位検出装置。
【請求項５】
前記スケールは、複数のトラックに設けられたスケールパターンを有し、
前記光学系及び前記受光素子アレイは、前記複数のトラックに対応して設けられ、
前記歪み補償回路は、一方のトラックにおける光学系の歪み情報を、他方のトラックにおける光学系の歪み情報に合わせた歪みテーブルに基づき、前記複数のトラック毎の前記明暗信号を補正する
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載の変位検出装置。
【請求項６】
前記歪み補償回路は、前記一方のトラックにおける光学系の歪み情報と前記他方のトラックにおける光学系の歪み情報との差分に基づき作成された前記歪みテーブルを用いて、前記明暗信号を補正することを特徴とする請求項５記載の変位検出装置。
【請求項７】
前記歪みテーブルを格納する記憶手段を更に備えたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項記載の変位検出装置。
【請求項８】
インクリメンタル成分を含んだスケールパターンを有するスケールと、前記スケールパターンを光により結像させる光学系と、前記結像されたスケールパターンを検出してこのスケールパターンにより得られる明暗信号を出力すると共に、前記スケールに対して相対移動可能に構成された複数の受光素子を有する受光素子アレイと、前記受光素子アレイからの明暗信号を補正する歪み補償回路と、前記補正された明暗信号に基づいて、前記スケールの位置を解析する演算回路とを備えた変位検出装置における変位検出方法であって、
前記スケールパターンを検出して前記明暗信号を取得するステップと、
前記受光素子アレイの各受光素子の位置情報と、前記光学系の歪み情報から得られた歪みテーブルとに基づいて、各受光素子の位置を仮想的に配置変更して前記光学系の歪みを除去し、取得された明暗信号を補正するステップと、
前記補正された明暗信号に基づいて、前記スケールの位置を解析するステップとを備えた
ことを特徴とする変位検出方法。
【請求項９】
インクリメンタル成分を含んだスケールパターンを有するスケールと、前記スケールパターンを光により結像させる光学系と、前記結像されたスケールパターンを検出してこのスケールパターンにより得られる明暗信号を出力すると共に、前記スケールに対して相対移動可能に構成された複数の受光素子を有する受光素子アレイと、前記受光素子アレイからの明暗信号を補正する歪み補償回路と、前記補正された明暗信号に基づいて、前記スケールの位置を解析する演算回路とを備えた変位検出装置における変位検出方法をコンピュータにより実行可能な変位検出プログラムであって、
前記スケールパターンを検出して前記明暗信号を取得するステップと、
前記受光素子アレイの各受光素子の位置情報と、前記光学系の歪み情報から得られた歪みテーブルとに基づいて、各受光素子の位置を仮想的に配置変更して前記光学系の歪みを除去し、取得された明暗信号を補正するステップと、
前記補正された明暗信号に基づいて、前記スケールの位置を解析するステップとを備えた
ことを特徴とする変位検出プログラム。
【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２０１３−９６７５７（Ｐ２０１３−９６７５７Ａ）
【公開日】平成２５年５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２３７８９４（Ｐ２０１１−２３７８９４）
【出願日】平成２３年１０月２８日（２０１１．１０．２８）
【出願人】（０００１３７６９４）株式会社ミツトヨ (979)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月２８日（２０１１．１０．２８）
【出願人】（０００１３７６９４）株式会社ミツトヨ (979)
【Ｆターム（参考）】
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