特許 7001451 エンコーダおよびそれを備えた装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2021-12-28

(45)【発行日】2022-01-19

(54)【発明の名称】エンコーダおよびそれを備えた装置

(51)【国際特許分類】

   G01D 5/36 20060101AFI20220112BHJP

   G01D 5/347 20060101ALI20220112BHJP

【ＦＩ】

G01D5/36 W

G01D5/36 X

G01D5/347 A

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2017234851

(22)【出願日】2017-12-07

(65)【公開番号】P2019100959

(43)【公開日】2019-06-24

【審査請求日】2020-10-21

(73)【特許権者】

【識別番号】000104630

【氏名又は名称】キヤノンプレシジョン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100110412

【弁理士】

【氏名又は名称】藤元 亮輔

(74)【代理人】

【識別番号】100104628

【弁理士】

【氏名又は名称】水本 敦也

(72)【発明者】

【氏名】山本 陽平

(72)【発明者】

【氏名】松山 和樹

【審査官】細見 斉子

(56)【参考文献】

【文献】特開平０２－０１３８１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－２１５２４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－１８７６０５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－２１５０１４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｄ ５／００－ ５／６２

Ｇ０１Ｂ １１／３０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１の方向に沿って周期的に形成された第１のパターンおよび前記第１の方向に沿ってライン状に形成された第２のパターンを有するスケールと、
前記スケールに対する前記第１の方向に沿う相対移動が可能であるとともに、複数の読み取り素子で前記第１のパターンおよび前記第２のパターンを読み取ることで、前記第１のパターンの周期に応じた周期信号および前記複数の読み取り素子から出力される信号の和信号を出力する検出部と、
前記周期信号に基づいて、前記スケールと前記検出部との前記第１の方向における位置情報を算出する信号処理部と、
前記スケールに光を射出する光源と、
前記光源の電流値を検出する電流検出部と、を有し、
前記信号処理部は、前記スケールと前記検出部との位置関係が第１の状態である場合の、前記スケールと前記検出部との前記第１の方向における位置情報、前記複数の読み取り素子から出力される信号の和信号、および前記光源の電流値、並びに前記スケールと前記検出部との位置関係が前記第１の状態とは異なる第２の状態である場合の、前記スケールと前記検出部との前記第１の方向における位置情報、前記複数の読み取り素子から出力される信号の和信号、および前記光源の電流値に基づいて、前記スケールに対する前記検出部の傾きを算出することを特徴とするエンコーダ。

【請求項2】

前記信号処理部は、前記傾きに基づいて、前記スケールと前記検出部との前記第１の方向における位置情報を補正することを特徴とする請求項１に記載のエンコーダ。

【請求項3】

前記複数の読み取り素子は、前記第２のパターンを読み取るための互いに異なる４つの検出領域を含み、
前記信号処理部は、前記和信号における、前記第２のパターンを読み取るための前記４つの検出領域のそれぞれから出力される信号の割合に基づいて、前記傾きの方向を取得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。

【請求項4】

前記信号処理部は、前記傾きおよび前記傾きの方向に基づいて、前記スケールと前記検出部との前記第１の方向に垂直な第２の方向における位置情報を算出することを特徴とする請求項３に記載のエンコーダ。

【請求項5】

前記スケールに対する前記検出部の傾きに対応する補正値を記憶する記憶部を更に有し、
前記信号処理部は、前記記憶部に記憶された補正値に基づいて、前記スケールと前記検出部との前記第１の方向における位置情報を補正することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のエンコーダ。

【請求項6】

前記第２のパターンは、原点検出パターンを有し、
前記検出部は、前記第２のパターン上の前記原点検出パターンに応じた原点信号を検出し、
前記信号処理部は、前記検出部が検出した前記原点信号から原点位置を算出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。

【請求項7】

前記エンコーダは、アブソリュート型のエンコーダであ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。

【請求項8】

請求項１から７のいずれか１項に記載のエンコーダと、
前記スケールおよび前記検出部の一方とともに移動する可動部材と、
前記スケールおよび前記検出部の他方を固定する固定部材と、を有することを特徴とする装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、エンコーダおよびそれを備えた装置に関する。

【背景技術】

【0002】

エンコーダは、所定のピッチで設けられた周期パターンを有するスケールと、スケールとの相対移動に伴い、周期パターンに応じた周期信号を出力するセンサとにより構成され、可動部材の位置や速度を検出する手段として使用される。エンコーダには、１つの周期パターンから互いに位相が異なる２つの周期信号（２相信号）を生成し、それらの周期数と位相とからスケールとセンサとの相対位置を検出するインクリメンタルエンコーダがある。また、エンコーダには、互いに周期が異なる複数の２相信号から、スケールまたはセンサの絶対位置を検出するアブソリュートエンコーダがある。

【0003】

従来のエンコーダでは、スケールやセンサの取り付けなどによりスケールとセンサとの相対位置にずれが生じると、検出位置の誤差が大きくなり、エンコーダの位置検出精度が劣化する。

【0004】

特許文献１には、スケール上に調整用マークを設け、調整用マークからの受光量の変化で移動方向におけるスケールのずれを検出し、補正するエンコーダが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開平２－１３８１０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、特許文献１のエンコーダは、発光素子の発光量が変化する場合、スケールのずれを検出できない。

【0007】

本発明は、高精度に相対位置を取得可能なエンコーダ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】

【0008】

本発明の一側面としてのエンコーダは、第１の方向に沿って周期的に形成された第１のパターンおよび第１の方向に沿ってライン状に形成された第２のパターンを有するスケールと、スケールに対する第１の方向に沿う相対移動が可能であるとともに、複数の読み取り素子で第１のパターンおよび第２のパターンを読み取ることで、第１のパターンの周期に応じた周期信号および複数の読み取り素子から出力される信号の和信号を出力する検出部と、周期信号に基づいて、スケールと検出部との第１の方向における位置情報を算出する信号処理部と、スケールに光を射出する光源と、光源の電流値を検出する電流検出部と、を有し、信号処理部は、スケールと検出部との位置関係が第１の状態である場合の、スケールと検出部との第１の方向における位置情報、複数の読み取り素子から出力される信号の和信号、および光源の電流値、並びにスケールと検出部との位置関係が第１の状態とは異なる第２の状態である場合の、スケールと検出部との第１の方向における位置情報、複数の読み取り素子から出力される信号の和信号、および光源の電流値に基づいて、スケールに対する検出部の傾きを算出することを特徴とする。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、高精度に相対位置を取得可能なエンコーダを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】実施例１のエンコーダの構成を示す概略図である。

【図2】実施例１のエンコーダを図１の左側から見た図である。

【図3】実施例１の受光部の構成を示す図である。

【図4】実施例１の第１のセンサのブロック図である。

【図5】実施例１の第２のセンサのブロック図である。

【図6】実施例１の各位置における光源の電流値、センサの出力値、および受光信号を示すグラフである。

【図7】実施例１の電流検出部のブロック図である。

【図8】実施例１のスケールに対する検出部の傾きの算出方法を示すフローチャートである。

【図9】実施例２のエンコーダの構成を示す概略図である。

【図10】実施例２のスケールに対する検出部の傾きの検出方法を示すフローチャートである。

【図11】実施例３のエンコーダの構成を示す概略図である。

【図12】実施例４のエンコーダの構成を示す概略図である。

【図13】実施例４のバーニア信号とスケール位置との関係を示す図である。

【図14】実施例５のエンコーダの構成を示す概略図である。

【図15】実施例５のセンサのブロック図である。

【図16】実施例６の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。

【発明を実施するための形態】

【0011】

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。各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。

【実施例1】

【0012】

図１は、本実施例のエンコーダ１００の構成を示す概略図である。エンコーダ１００は、可動部材（不図示）に取り付け可能なスケール１０１、固定部材（不図示）に取り付け可能な検出部１０４および信号処理部１０８を有する。エンコーダ１００は、スケール１０１と検出部１０４との相対位置を検出する光学反射型エンコーダである。以下の説明では、スケール１０１と検出部１０４とが相対移動する方向（相対移動方向）をＸ方向（第１の方向）とする。なお、本実施例ではエンコーダ１００は光学反射型エンコーダであるが、本発明は光学透過型エンコーダにも適用可能である。また、本実施例のエンコーダ１００はインクリメンタル型のエンコーダであるが、本発明はアブソリュート型のエンコーダにも適用可能である。また、スケール１０１と検出部１０４とが相対的に移動可能に構成されていれば、スケール１０１を固定部材に取り付け、検出部１０４を可動部材に取り付けてもよい。すなわち、スケール１０１および検出部１０４の一方が可動部材に取り付けられ、他方が固定部材に取り付けられていればよい。

【0013】

スケール１０１は、第１のパターン１０２および第２のパターン１０３を有する。第１のパターン１０２は、Ｘ方向に沿って周期的に交互に配置された反射部（図中の黒色部分）と非反射部（図中の白抜き部分）とにより構成された周期パターンであり、スケール１０１および検出部１０４のＸ方向の相対変位を算出するために使用される。第２のパターン１０３は、Ｘ方向に沿って第１のパターン１０２に平行に延びるライン状のパターンであり、スケール１０１に対する検出部１０４の傾き（図中のθ）を算出するために使用される。第１のパターン１０２は第２のパターン１０３を基準として設けられたパターンであり、第１のパターン１０２の反射部は第２のパターン１０３に垂直に形成されている。

【0014】

図２は、エンコーダ１００を図１の左側から見た図である。検出部１０４は、第１のセンサ１０５、第２のセンサ１０６および光源１０７を有する。光源１０７は、本実施例では、ＬＥＤなどの発光素子により構成され、スケール１０１に光を射出する。第１のセンサ１０５は、光源１０７から射出されて第１のパターン１０２で反射した光に対し、光電変換を行う複数の光電変換素子からなる受光部１１３を有する。第２のセンサ１０６は、光源１０７から射出されて第２のパターン１０３で反射した光に対し、光電変換を行う複数の光電変換素子からなる受光部１１４を有する。

【0015】

図３（ａ）および図３（ｂ）はそれぞれ、受光部１１３および受光部１１４の構成を示している。受光部１１３および受光部１１４の複数の光電変換素子は、Ｘ方向に沿って一定のピッチで配置されている。スケール１０１と検出部１０４とが相対移動すると、相対移動に応じて各光電変換素子で受光する反射光の強度が変化する。本実施例では、各光電変換素子は、Ａ（＋）、Ｂ（＋）、Ａ（－）、Ｂ（－）の４つの信号のいずれかを出力する。

【0016】

スケール１０１から光源１０７までの距離は、スケール１０１から受光部１１３および受光部１１４までの距離と等しい。そのため、スケール１０１により形成される反射像は、受光部１１３および受光部１１４では、Ｘ方向およびＹ方向において２倍に拡大される。第２のパターン１０３のＹ方向幅は、受光部１１４のＹ方向幅の１／２である。

【0017】

図４は、第１のセンサ１０５のブロック図である。図４では、簡略化のために、Ａ（＋）の属性を持つＰＤ（Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ）アレイを１つのＰＤとして扱う。同様に、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た信号は、４つのＩ－Ｖ変換アンプ１１５－１１８により電圧変換信号Ｓ（Ａ＋）、Ｓ（Ｂ＋）、Ｓ（Ａ－）、Ｓ（Ｂ－）に変換される。

【0018】

４つの正弦波信号である電圧変換信号Ｓ（Ａ＋）、Ｓ（Ｂ＋）、Ｓ（Ａ－）、Ｓ（Ｂ－）の相対位相は、検出ピッチに対し、Ｓ（Ａ＋）を基準（０°）とすると、Ｓ（Ｂ＋）、Ｓ（Ａ－）、Ｓ（Ｂ－）はそれぞれ９０°、１８０°、２７０°ずれている。

【0019】

差動アンプ１１９、１２０はそれぞれ、以下の式（１）、（２）で表される演算を行い、各ＰＤが持つ直流成分を除去し、互いに９０度位相が異なる２相の正弦波信号（以下、２相信号という）を生成する。

【0020】

【数1】

【0021】

比較アンプ１２１は、電圧変換信号Ｓ（Ａ＋）、Ｓ（Ｂ＋）、Ｓ（Ａ－）、Ｓ（Ｂ－）の和信号の値と所定値Ｖｆ３とを比較し、光源１０７の発光量を制御する機能（以下、オートパワーコントロール機能）を有する。電圧変換信号の和信号が変化すると、光源１０７に流れる電流量が変化し、光源１０７の発光量が変動する。光源１０７の発光量は、光源１０７に流れる電流量に比例する。比較アンプ１２１は、電圧変換信号の和信号の値が所定値Ｖｆ３より大きい場合、光源１０７の発光量を小さくするために光源１０７に流れる電流量を大きくする。また、比較アンプ１２１は、電圧変換信号の和信号が所定値Ｖｆ３より小さい場合、光源１０７の発光量を大きくするために光源１０７に流れる電流量を小さくする。比較アンプ１２１は、電圧変換信号の和信号の値が所定値Ｖｆ３とほぼ等しくなるまで上記制御を繰り返す。なお、Ｉ－Ｖ変換アンプ１１５－１１８が反転アンプであるため、電圧変換信号の和信号の値と光源１０７の発光量との関係は逆転している。

【0022】

図５は、第２のセンサ１０６のブロック図である。第１のセンサ１０５と同様の構成については、説明を省略する。比較アンプ１２８は、以下の式（３）を用いて、Ｉ－Ｖ変換アンプ１２２－１２５により変換された電圧変換信号Ｓ（Ａ＋）、Ｓ（Ｂ＋）、Ｓ（Ａ－）、Ｓ（Ｂ－）の和信号ＳＵＭを算出する。

【0023】

【数2】

【0024】

第１のセンサ１０５は、２相信号Ｓ（Ａ）、Ｓ（Ｂ）を信号処理部１０８に出力する。第２のセンサ１０６は、差動アンプ１２６、１２７によりそれぞれ生成された２相信号Ｓ（Ａ）、Ｓ（Ｂ）、および和信号ＳＵＭを信号処理部１０８に出力する。

【0025】

和信号ＳＵＭは、図６（ｂ）の点線で表されるように、取り付けに起因する位置ずれがない場合、スケール１０１と検出部１０４との相対位置に関わらず一定である。和信号ＳＵＭは、図６（ｂ）の実線で表されるように、取り付けに起因する位置ずれがある場合、特に検出部１０４がスケール１０１に対してＺ軸周りで回転し傾いている場合、スケール１０１と検出部１０４との相対位置の変化に伴って変化する。また、傾きθの方向により、信号Ａ（＋）、Ｂ（＋）、Ａ（－）、Ｂ（－）の受光量の割合が異なる。そのため、第２のセンサ１０６から出力された２相信号Ｓ（Ａ）、Ｓ（Ｂ）を比較することで、スケール１０１に対する検出部１０４の傾きθの方向を取得し判定することができる。言い換えると、和信号ＳＵＭにおける複数の光電変換素子の出力の割合に基づいて、検出部１０４の傾きθの方向が取得される。

【0026】

信号処理部１０８は、信号取得部１０９、電流検出部１１０、演算部１１１および記憶部１１２を有する。

【0027】

信号取得部１０９は、本実施例では、フィルタ回路、信号増幅回路およびＡ／Ｄ変換器などの回路で構成され、検出部１０４から出力されたアナログ信号をデジタル信号に変換する。信号取得部１０９は、ＦＰＧＡ（ｆｉｅｌｄ－ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｇａｔｅ ａｒｒａｙ）やＡＳＩＣ（ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ）などで構成されてもよい。

【0028】

電流検出部１１０は、本実施例では、フィルタ回路、信号増幅回路およびＡ／Ｄ変換器などの回路で構成されている。図７は、電流検出部１１０のブロック図である。電流検出部１１０は、差動アンプ１２９により光源１０７に流れている電流値を電圧値に変換し、電圧値に変換されたアナログ値をＡ／Ｄ変換器でデジタル値に変換する。電流検出部１１０は、ＦＰＧＡやＡＳＩＣなどで構成されてもよい。

【0029】

演算部１１１は、本実施例では、ＣＰＵなどの素子、およびＦＰＧＡやＡＳＩＣなどの回路で構成される。演算部１１１は、信号取得部１０９により取得された第１のセンサ１０５から出力された２相信号Ｓ（Ａ）、Ｓ（Ｂ）に対して逆正接演算を行い、２相信号の位相を算出する。具体的には、位相φ（０－２π）は、以下の式（４）により算出される。

【0030】

【数3】

【0031】

ここで、ＡＴＡＮ２（Ｘ、Ｙ）は、象限を判別して位相が０－２πに変化する逆正接演算関数である。位相φの変化量を累積することで、スケール１０１と検出部１０４とのＸ方向における相対変位（位置情報）を算出することができる。相対変位とは、電源投入時の位置（基準位置）に対する位置の変位である。第１のパターン１０２のピッチをＰｘ、累積位相変化量をΔφとすると、Ｘ方向の相対変位ΔＸは以下の式（５）により算出される。

【0032】

【数4】

【0033】

演算部１１１は、第１および第２の位置における和信号、第１のセンサ１０５から出力された２相信号に基づいて算出された相対変位、および光源１０７の電流値からスケール１０１に対する検出部１０４の傾きθを算出する。第２のセンサ１０６から出力された和信号をＳＵＭ、光源１０７の電流値をＩ＿ＬＥＤとすると、演算部１１１は以下の式（６）を用いて受光信号Ｓ＿ＳＵＭを算出する。

【0034】

【数5】

【0035】

和信号ＳＵＭを電流値Ｉ＿ＬＥＤで規格化した受光信号Ｓ＿ＳＵＭを用いることで、図６（ａ）の実線に示されるように光源１０７の発光量が変動しても、図６（ｃ）の実線に示されるように発光量変動による変化分をキャンセルすることができる。なお、オートパワーコントロール機能を有さないセンサにおいては、電流値Ｉ＿ＬＥＤによる規格化は行わず、和信号ＳＵＭをそのまま用いてもよい。

【0036】

第１の位置におけるＸ方向の相対変位および受光信号をΔＸ１、Ｓ＿ＳＵＭ１、第２の位置におけるＸ方向の相対変位および受光信号をΔＸ２、Ｓ＿ＳＵＭ２とすると、傾きθは以下の式（７）により算出される。

【0037】

【数6】

【0038】

ここで、ＡＴＡＮ（Ｘ、Ｙ）は、逆正接演算関数である。なお、傾きθは、θ≒ｔａｎθの近似を用いて、以下の式（８）により算出されてもよい。

【0039】

【数7】

【0040】

演算部１１１は、算出された傾きθに基づいて、Ｘ方向の相対変位ΔＸを補正する。具体的には、相対変位をΔＸ×ｃｏｓθとする。なお、算出された傾きθに対応した補正値を記憶部１１２にあらかじめ記憶しておいてもよい。あらかじめ記憶部１１２に補正値を記憶させておくことで、演算処理を短縮することができる。なお、演算部１１１は、傾きθおよびＸ方向における相対変位ΔＸを用いてＹ方向の相対変位を算出してもよい。具体的には、相対変位をΔＸ×ｓｉｎθとする。

【0041】

記憶部１１２は、本実施例では、ＲＯＭ、ＲＡＭおよびハードディスクなどの記憶媒体から構成され、信号取得部１０９で取得した各センサのデジタル信号、電流検出部１１０で取得した光源１０７の電流値、および演算部１１１の演算結果を記憶する。また、記憶部１１２は、演算部１１１に実行させるプログラムを保存可能である。ただし、プログラムが保存されるのは、不揮発性記憶媒体である。なお、記憶部１１２は、１つの記憶媒体から構成されるだけではなく、複数の記憶媒体から構成されてもよい。

【0042】

図８は、本実施例のスケール１０１に対する検出部１０４の傾きの算出方法を示すフローチャートである。

【0043】

ステップＳ１００では、信号処理部１０８は、傾き検出位置（第２の位置）および傾きの限界値を設定する。設定された情報は、記憶部１１２に記憶される。本実施例では、検出部１０４が第１のパターン１０２からの反射光を受光できなくなる角度が傾きの限界値として設定される。算出された傾きが設定された傾きの限界値を超えた場合、スケール１０１および検出部１０４の取り付け位置の調整が必要となる。

【0044】

ステップＳ１０１では、演算部１１１は、検出動作開始時の位置（第１の位置）における相対変位と受光信号を取得する。このときのスケール１０１と検出部１０４との位置関係を第１の状態とする。取得された情報は、記憶部１１２に記憶される。

【0045】

ステップＳ１０２では、ステップＳ１００で設定された位置に、スケール１０１を移動させる。

【0046】

ステップＳ１０３では、演算部１１１は、ステップＳ１０２で移動した位置における相対変位と受光信号を取得する。

【0047】

ステップＳ１０４では、演算部１１１は、ステップＳ１０１で記憶部１１２に記憶された検出動作開始時の位置における相対変位と受光信号、およびステップＳ１０３で取得された相対変位と受光信号からスケール１０１に対する検出部１０４の傾きを算出する。このときのスケール１０１と検出部１０４との位置関係を第２の状態とする。

【0048】

ステップＳ１０５では、信号処理部１０８は、ステップＳ１０４で算出された傾きがステップＳ１００で設定された傾きの限界値より大きいかどうかを判定する。大きいと判定された場合、ステップＳ１０７に進み、小さいと判定された場合、ステップＳ１０６に進む。なお、ステップＳ１０４で算出された傾きが傾きの限界値と等しい場合、どちらのステップに進むかは任意に設定可能である。

【0049】

ステップＳ１０６では、記憶部１１２は、算出された傾きを記憶する。記憶部１１２に記憶された傾きは、以後の相対変位の補正に用いられる。

【0050】

ステップＳ１０７では、信号処理部１０８は、エラー信号を出力する。

【0051】

以上説明したように、本実施例では、第１のパターン１０２を用いて算出された相対変位、傾き検出用の第２のパターン１０３を用いて取得された和信号および光源１０７の電流値に基づいて、スケール１０１に対する検出部１０４の傾きを高精度に算出可能である。そのため、オートパワーコントロール機能により光源１０７の発光量が変動した場合でも、算出された傾きを用いて相対変位を補正することで、高精度に相対変位を取得することが可能である。

【実施例2】

【0052】

図９は、本実施例のエンコーダ２００の構成を示す概略図である。実施例１のエンコーダ１００の構成と同様の構成については、説明を省略する。

【0053】

エンコーダ２００では、第２のパターン１０３上に原点検出パターン２０１が設けられている。原点検出パターン２０１を用いて原点位置を検出することで、原点位置を基準とした位置検出が可能となる。

【0054】

信号処理部２０２は、原点検出部２０４を有する。原点検出部２０４は、本実施例では、ＣＰＵなどの素子、およびＦＰＧＡやＡＳＩＣなどの回路で構成され、信号取得部１０９が取得した第２のセンサ１０６の出力信号に基づいて原点位置を検出する。原点検出部２０４は、例えば、第２のセンサ１０６から出力された２相信号Ｓ（Ａ）、Ｓ（Ｂ）の振幅信号を算出し、算出した振幅信号から原点位置を検出する。演算部２０３は、原点検出部２０４による原点位置検出が行われると、累積位相変化量を０にリセットする。なお、原点検出部２０４の原点検出方法や演算部２０３の上記処理方法は本実施例で説明した方法に限らず、別の方法であってもよい。例えば、原点検出では、２相信号Ｓ（Ａ）、Ｓ（Ｂ）から算出した位相信号から原点位置を検出してもよい。また、絶対位置の演算では、原点位置検出時の相対変位を記憶部１１２に記憶しておき、各位置における相対変位と原点位置における相対変位との差分を求めるようにしてもよい。

【0055】

図１０は、本実施例のスケール１０１に対する検出部１０４の傾きの検出方法を示すフローチャートである。

【0056】

ステップＳ２００では、信号処理部２０２は、原点位置検出完了後の傾き検出位置および傾きの限界値を設定する。設定された情報は、記憶部１１２に記憶される。

【0057】

ステップＳ２０１では、スケール１０１を移動させる。

【0058】

ステップＳ２０２では、信号処理部２０２は、原点検出部２０４の出力信号に基づいて、原点検出部２０４により原点位置が検出されたかどうかを判定する。原点位置が検出されたと判定した場合、ステップＳ２０３に進み、原点位置が検出されていないと判定した場合、ステップＳ２０１に戻る。

【0059】

ステップＳ２０３では、演算部２０３は、相対変位を０にリセットし、原点位置における相対変位（０）と受光信号を取得する。取得された情報は、記憶部１１２に記憶される。

【0060】

ステップＳ２０４では、原点位置を基準として、ステップＳ２００で設定された傾き検出位置に、スケール１０１を移動させる。

【0061】

ステップＳ２０５では、演算部２０３は、ステップＳ２０４で移動した位置における相対変位と受光信号を取得する。

【0062】

ステップＳ２０６では、演算部２０３は、ステップＳ２０３で記憶部１１２に記憶された原点位置における相対変位と受光信号、およびステップＳ２０５で取得された相対変位と光信号からスケール１０１に対する検出部１０４の傾きを算出する。

【0063】

ステップＳ２０７からステップＳ２０９の処理はそれぞれ、図８のステップＳ１０５からステップＳ１０７の処理と同様である。

【0064】

本実施例では、原点位置からの相対変位を高精度に検出することが可能である。また、傾き検出後に原点位置検出を行うことで、原点位置を高精度に検出することが可能である。

【0065】

なお、本実施例では、第１のセンサ１０５および第２のセンサ１０６は、部品の共通化が図れ、コストダウンにもつながるなどの利点が多いため、同一種類のセンサであるが、本発明はこれに限定されない。例えば、第２のセンサ１０６として、原点位置検出に最適化された第１のセンサ１０５とは異なる種類のセンサを用いてもよい。

【実施例3】

【0066】

図１１は、本実施例のエンコーダ３００の構成を示す概略図である。実施例１や実施例２のエンコーダと同様の構成については、説明を省略する。

【0067】

本実施例では、第２のセンサ３０２が第１のセンサ１０５に対して９０°傾いている。第２のパターン３０１のＹ方向幅は、受光部３０３のＹ方向幅の１／２である。スケール１０１は、本実施例では１つの第２のパターン３０１を有するが、複数の第２のパターン３０１を有してもよい。スケール１０１に複数の第２のパターン３０１が設けられる場合、複数の第２のパターン３０１の各ピッチは受光部３０３の複数の光電変換素子の各ピッチの１／２であることが好ましい。複数の第２のパターン３０１を設けることで、第２のセンサ３０２から出力される２相信号の位相に基づいてＹ方向の相対変位を算出することができる。

【0068】

原点検出部３０５は、信号取得部１０９が取得した第２のセンサ３０２の出力信号に基づいて原点位置を検出する。原点検出パターン２０１付近では、第２のセンサ３０２から出力される和信号が減少する。原点検出部３０５は、第２のセンサ３０２から出力される和信号の値とあらかじめ設定された値とを比較することで原点位置を検出する。検出された原点位置は、記憶部１１２に記憶される。

【0069】

演算部２０３は、第２のセンサ３０２から出力される２相信号の振幅に基づいてＹ方向の相対変位を検出してもよい。Ｙ方向の相対変位の方向は、２相信号の振幅の大小を比較することで判定することができる。

【0070】

本実施例では第２のセンサ３０２を第１のセンサ１０５に対して９０°傾けているが９０°に限らず、第２のパターン３０１の反射光が第２のセンサ３０２の受光部３０３で受光可能ならどのような角度でもよい。

【0071】

なお、本実施例では、小型化やコストダウンにもつながるなどの利点が多いため、光源を１つとしているが、第２のパターン検出用に別途光源を設けてもよい。

【0072】

また、傾き検出用としての第２のセンサ３０２とは別に原点検出用のセンサを設けてもよい。各センサは、同一種類のセンサではなく、それぞれ最適化された異なる種類のセンサであってもよい。

【実施例4】

【0073】

図１２は、本実施例のエンコーダ４００の構成を示す概略図である。エンコーダ４００は、アブソリュートエンコーダに好適である。実施例１－３のエンコーダと同様の構成については、説明を省略する。

【0074】

スケール１０１は、第１のパターン４０１、第２のパターン４０２および第３のパターン４０３を有する。第１のパターン４０１および第２のパターン４０２は、互いに周期の異なる周期Ｐ１、Ｐ２で形成され、スケール１０１および検出部４０４のＸ方向の絶対変位を算出するために使用される。第３のパターン４０３は、第１のパターン４０１と第２のパターンとの間に設けられ、Ｘ方向に沿って延びるライン状のパターンであり、スケール１０１に対する検出部４０４の傾きを算出するために使用される。第１のパターン４０１および第２のパターン４０２は第３のパターン４０３を基準として設けられたパターンであり、第１のパターン４０１および第２のパターン４０２の反射部は第３のパターン４０３に垂直に形成されている。

【0075】

周期Ｐ１と周期Ｐ２は互いにわずかに異なり、第１のパターン４０１および第２のパターン４０２を用いて取得された信号間の位相差を演算することにより元の信号とは異なる周期信号を取得することができる。周期Ｐ１および周期Ｐ２は、バーニア演算により所望の周期信号が得られるように設定される。

【0076】

本実施例では、スケール１０１の総ストロークは４００×Ｐ１μｍであり、周期Ｐ２はＰ１×（４００／３９９）μｍである。このように、周期Ｐ１と周期Ｐ２の比は整数倍からわずかにずれている。各パターンの周期およびスケール１０１の総ストロークはこれらに限定されず、他の値でもよい。

【0077】

検出部４０４は、第１のセンサ４０５、第２のセンサ４０６、第３のセンサ４０７および光源１０７を有する。第１のセンサ４０５は、光源１０７から射出されて第１のパターン４０１で反射した光に対し、光電変換を行う複数の光電変換素子からなる受光部４０８を有する。第２のセンサ４０６は、光源１０７から射出されて第２のパターン４０２で反射した光に対し、光電変換を行う複数の光電変換素子からなる受光部４０９を有する。第３のセンサ４０７は、光源１０７から射出されて第３のパターン４０３で反射した光に対し、光電変換を行う複数の光電変換素子からなる受光部４１０を有する。

【0078】

演算部４１２は、第１および第２の位置における第３のセンサ４０７から出力された和信号、第１のセンサ４０５から出力された２相信号に基づいて算出された相対変位、および光源１０７の電流値からスケール１０１に対する検出部４０４の傾きθを算出する。

【0079】

演算部４１２は、以下の式（９）、（１０）を用いて、信号取得部１０９により取得された第１のセンサ４０５および第２のセンサ４０６から出力された各２相信号Ｓ（Ａ）、Ｓ（Ｂ）に対して逆正接演算を行い、２相信号の位相φ２、φ３を算出する。なお、受光部４０８、４０９の光電変換素子のピッチがそれぞれ周期Ｐ１、Ｐ２と異なる場合、各２相信号間の位相差補正処理を行うことが好ましい。

【0080】

【数8】

【0081】

演算部４１２は、以下の式（１１）を用いてバーニア演算を行い、バーニア信号Ｓｖを算出する。

【0082】

【数9】

【0083】

ここで、バーニア信号Ｓｖが０より小さい場合、演算部４１２は、Ｓｖ＝Ｓｖ＋２πの演算を行い、０－２πの出力範囲に変換する。図１３に示されるように、バーニア信号Ｓｖに対するスケール位置は一意に決まるため、スケール位置の絶対位置を取得することが可能になる。また、バーニア信号Ｓｖのみで絶対位置を取得可能であるが、より高精度に絶対位置を取得するために、位相信号との同期処理を行ってもよい。

【0084】

本実施例によれば、算出した傾きを用いてスケールと検出部の位置を調整することで、高精度に絶対位置を取得可能である。

【実施例5】

【0085】

図１４は、本実施例のエンコーダの構成を示す概略図である。実施例１－４のエンコーダと同様の構成については、説明を省略する。

【0086】

本実施例では、第１のパターン１０２は、第２のパターン１０３に重なるように形成されている。本実施例では第１のパターン１０２の端部に第２のパターン１０３が形成されているが、本発明はこれに限定されない。また、スケール１０１は、複数の第２のパターン１０３を有していてもよい。

【0087】

検出部５０１は、センサ５０２および光源１０７を有する。センサ５０２は、光源１０７から射出されて第１のパターン１０２および第２のパターン１０３で反射した光に対し、光電変換を行う複数の光電変換素子からなる受光部５０５を有する。

【0088】

図１５は、センサ５０２のブロック図である。比較アンプ５１２は、Ｉ－Ｖ変換アンプ５０６－５０９により変換された電圧変換信号Ｓ（Ａ＋）、Ｓ（Ｂ＋）、Ｓ（Ａ－）、Ｓ（Ｂ－）の和信号の値と所定値Ｖｆ３とを比較する。センサ５０２は、差動アンプ５１０、５１１によりそれぞれ生成された２相信号Ｓ（Ａ）、Ｓ（Ｂ）、および比較アンプ５１２の比較結果Ｖｇを信号処理部５０３に出力する。

【0089】

信号処理部５０３の演算部５０４は、以下の式（１２）を用いて、比較結果Ｖｇおよび光源１０７の電流Ｉ＿ＬＥＤから受光信号Ｓ＿ＳＵＭを算出する。

【0090】

【数10】

【0091】

本実施例の構成により、エンコーダ５００を小型化することができる。

【実施例6】

【0092】

図１６は、本発明のエンコーダを搭載したリニアステージ６００の外観である。リニアステージ６００は、スケール１０１、モータ６０１、ボールねじ６０２、ステージ６０３、エンコーダ６０４およびコントローラ６０５を有する。

【0093】

ボールねじ６０２は、モータ６０１の回転駆動を直動に変換し、モータ６０１の回転量に応じて、ステージ６０３を図中の矢印に沿って移動させる。スケール１０１はステージ６０３の側面に貼り付けられ、エンコーダ６０４はスケール１０１を読み取り可能に取り付けられている。スケール１０１は、傾き検出に用いられるパターン１０２および原点検出パターン２０１を有する。エンコーダ６０４は、光学反射型エンコーダであり、光源（不図示）および信号処理部（不図示）を有する。エンコーダ６０４は、スケール１０１との相対変位に応じて出力する２相信号を位置信号に変換し、これをコントローラ６０５に出力する。コントローラ６０５は、エンコーダ６０４から出力された信号に基づいてステージ６０３の変位を検出するとともに、モータ６０１の回転量を制御することでステージ６０３の位置制御を行う。

【0094】

本実施例では、電源投入時、基準位置である原点位置およびスケール１０１に対するエンコーダ６０４の傾きを検出するために、ステージ６０３を駆動させる。エンコーダ６０４は、原点位置を検出すると、原点信号をコントローラ６０５に出力する。コントローラ６０５は原点信号を受信すると、ステージ６０３が原点位置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６０５は、スケール１０１に対するエンコーダ６０４の傾きを検出するために、ステージ６０３を駆動させる。ステージ６０３があらかじめ設定された距離を移動した後、エンコーダ６０４はスケール１０１に対するエンコーダ６０４の傾きを算出し、算出した傾きを記憶部（不図示）に記憶させる。記憶された傾きは、コントローラ６０５に出力される相対変位の補正に用いられる。その後、コントローラ６０５は、取り付けによる誤差を軽減した相対変位を取得可能になり、ステージ６０３のより正確な制御を行うことができる。また、算出された傾きがあらかじめ設定された値より大きい場合、エンコーダ６０４はコントローラ６０５にエラー信号を出力する。コントローラ６０５は、エンコーダ６０４からエラー信号を受信すると、ステージ６０３の駆動を終了させ、エラーを出力する。エラーが出力された場合、算出された傾きに基づいて、スケール１０１およびエンコーダ６０４の取り付け位置が調整される。

【0095】

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、傾き位置を検出し調整するステージ装置以外の各種装置にも好適である。例えば、撮像装置のフォーカス制御に用いたり、半導体デバイスの実装装置であるダイボンダの位置制御に用いたりすることができる。

【0096】

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。

【符号の説明】

【0097】

１００ エンコーダ
１０１ スケール
１０２ 第１のパターン
１０３ 第２のパターン
１０４ 検出部
１０７ 光源
１０８ 信号処理部
１１０ 電流検出部

【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14】

【図15】

【図16】