WO2011074103A1 - ロータリエンコーダ及びそれを有する回転機構 - Google Patents

ロータリエンコーダ及びそれを有する回転機構 Download PDF

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仁 中村
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キヤノン株式会社
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • G01D5/244—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing characteristics of pulses or pulse trains; generating pulses or pulse trains
    • G01D5/24471—Error correction
    • G01D5/2448—Correction of gain, threshold, offset or phase control

Definitions

  • the present invention relates to an absolute type rotary encoder that detects a rotational angle with higher accuracy than an absolute signal alone, based on an absolute signal and an incremental signal.
  • an absolute encoder there is known an absolute encoder that detects an angular position with high accuracy by combining an incremental signal that indicates a highly accurate relative rotation amount and an absolute signal that indicates an angular position within one rotation. .
  • Patent Document 1 discloses a rotary encoder in which sensors are arranged at symmetrical positions with respect to the shaft axis that is the center of rotation of the code plate, the eccentricity error is corrected, and the rotational angle is detected from the absolute signal and the incremental signal. It is disclosed.
  • a code plate is provided in which slits and light-shielding portions are alternately provided between a light source and a light receiving array including four photoelectric conversion elements, and is coupled to a shaft shaft. Then, using the signals obtained from the four photoelectric conversion elements, two incremental signals of sin ⁇ and cos ⁇ are generated, and the phase angle ⁇ is obtained using these two signals as the ROM address.
  • the incremental signals obtained from the two sets of light receiving arrays are sin ( ⁇ + ⁇ ), cos ( ⁇ + ⁇ ) and sin ( ⁇ ) and cos ( ⁇ ). Therefore, by calculating the phase angle ⁇ from the ROM using two signals obtained by adding sin ( ⁇ + ⁇ ) and sin ( ⁇ ) and cos ( ⁇ + ⁇ ) and cos ( ⁇ ), respectively, the influence of the eccentricity error is obtained. Canceled.
  • Patent Document 1 has a problem that the amount of eccentricity must be suppressed within a range satisfying ⁇ ⁇ / 2. Therefore, an object of the present invention is to correct an eccentricity error while increasing the allowable eccentricity.
  • the rotary encoder according to the present invention obtains the absolute signal value when obtaining the phase of one incremental signal corrected for the eccentricity error from the phase of two incremental signals including the eccentricity error output using the two detection means. Accordingly, an arithmetic expression for correcting the eccentric error is made different.
  • the rotary encoder of the present invention is Detection means;
  • a scale that is rotatable relative to the detection means and has a pattern for detecting a rotation angle;
  • the detection means is disposed at a position symmetrical with respect to the rotation axis of the rotation, and each of the first detection means outputs an incremental signal having a plurality of cycles for one rotation of the scale, and the scale.
  • Second detection means for outputting an absolute signal corresponding to the rotation angle during one rotation of A rotary encoder that detects a relative rotation angle of the scale based on a phase of the two incremental signals detected by the two first detection means and a value of the absolute signal;
  • Storage means for storing a plurality of arithmetic expressions for correcting an error of the incremental signal due to a shift of the center of rotation with respect to the center of the pattern, which differs depending on the value of the absolute signal;
  • Calculating means for calculating the phase of the two incremental signals, using a calculation expression corresponding to the value of the absolute signal output from the second detecting means, and calculating the phase of the corrected one incremental signal;
  • Generating means for generating the rotation angle of the scale based on the phase of the corrected incremental signal and the value of the absolute signal;
  • the block diagram which shows the structure of the encoder which concerns on embodiment of this invention Schematic diagram showing the positional relationship between the track and sensor when eccentricity occurs
  • the figure which shows the arithmetic expression in embodiment of this invention The figure which shows the table memorize
  • FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a rotary encoder according to an embodiment of the present invention.
  • the rotary encoder shown in FIG. 1 includes a scale 1, two first sensor units (first detection means) 21 and 22, a second sensor unit (second detection means) 23, a storage unit (storage unit) 3, and a control unit 4.
  • first detection means first detection means
  • second detection means second detection means
  • storage unit storage unit
  • control unit 4 control unit 4
  • the first track 11 and the second track 12 are formed on the scale 1. Incremental signals are output from the two first sensor units 21 and 22 with the rotation of the first track 11, and absolute signals are output from the second sensor unit 23 with the rotation of the second track 12.
  • the rotation angle (rotation amount) of the scale is detected by calculating the signals output from the first and second sensor units 21 and 22 using the arithmetic expression held in the storage unit 3. be able to. Since the scale 1 is attached to the object to be measured and rotates in conjunction with the object to be measured, the rotation of the object to be measured is detected by detecting the rotation angle of the scale 1 using the first and second sensor units. The angle can be detected.
  • the two first sensor units 21 and 22 are arranged at symmetrical positions with respect to the rotation center of the scale 1. Further, the second sensor unit 23 may be arranged at any position with respect to the positions of the first sensor units 21 and 22, but in the present embodiment, the rotation axis is set with respect to the first sensor units 21 and 22. It is arranged at a position rotated 90 degrees around the center.
  • the first track 11 is a track in which slit-like reflecting portions and slit-like non-reflecting portions are alternately arranged at equal intervals.
  • the two first sensor units 21 and 22 each have a light source (not shown) and a light receiving element (not shown), and a light beam emitted from the light source and reflected by the reflecting portion of the first track 11 is emitted onto the light receiving element. The displacement of the position is detected. Then, two-phase sinusoidal signals (incremental signals) of sin ⁇ and cos ⁇ having a plurality of periods are generated for one rotation of the scale.
  • the track 12 is a track in which slit-like reflecting portions and slit-like non-reflecting portions are arranged in an M series pattern.
  • the second sensor unit 23 has a light source (not shown) and a light receiving element (not shown) in the same manner as the first sensor units 21 and 22. Detects a change in the position irradiated on the top. Then, an M series signal (absolute signal) corresponding to the rotation angle during one rotation of the scale 1 is output.
  • 2-phase sine wave signal generated from the sensor unit 21 through the A / D converter 41, arctan calculation unit 43, A / D conversion, the arctan operation is converted into a phase signal phi 1 of the incremental signal.
  • 2-phase sine wave signal generated from the sensor unit 21 is also processed through similarly the A / D converter 42, arctan calculation unit 44, it is converted into a phase signal phi 2.
  • the M-sequence signal (absolute signal) generated from the sensor unit 23 is converted into a signal ⁇ A whose value indicates the angular position through the signal generation unit 45. Then, the signal phi A is input to the arithmetic expression selecting section 46, one arithmetic expression from the plurality of calculation equations stored in the storage unit 3 based on the value of phi A is selected.
  • the storage unit 3 stores a table that represents the relationship between the actual range of the rotation angle ⁇ and the arithmetic expression.
  • the value of the signal phi A generated based on the absolute signal and the actual rotation angle theta selects a calculation formula corresponding to phi A from the table.
  • FIG. 4 shows arithmetic expressions 1 to 4 in the present embodiment.
  • the arithmetic expression selected by the arithmetic expression selector 46 and the phase signals ⁇ 1 and ⁇ 2 are input to the arithmetic expression calculator (calculator) 47.
  • the arithmetic expression calculator (calculator) 47 When calculation is performed by substituting the values of ⁇ 1 and ⁇ 2 into the arithmetic expression, the phase signal ⁇ I with the eccentricity error corrected is obtained as the calculation result.
  • the value of the signal signal ⁇ A and the value of the phase signal ⁇ I are input to the encoder output angle generation unit (generation means) 48 and the values of ⁇ A and ⁇ I are calculated to obtain the encoder output angle, that is, Generates and outputs the rotation angle of the scale.
  • Expressions for obtaining the encoder output angle are shown in Expressions (1) and (2).
  • n CEIL ( ⁇ A / p) (1)
  • ⁇ out p ⁇ (n ⁇ 1) + ⁇ I (2)
  • p is a slit one pitch angle of the first track 11
  • theta out is the encoder output angle
  • n represents upon which a first period corresponding phi I when the value of phi A is 0, phi This is a value representing what period I is.
  • CEIL (x) represents the smallest integer equal to or greater than x. As described above, the encoder output angle can be detected and output.
  • FIG. 2 shows an example of the positional relationship between the first track 11 and the sensor units 21 and 22 in a state where the eccentricity occurs and the pattern center and the rotation center are shifted.
  • (•) represents the center of rotation
  • ( ⁇ ) represents the center of the slit pattern.
  • FIG. 2 when the scale rotates clockwise, the positional relationship between the rotation center (•) and the pattern center ( ⁇ ) changes in order of (a), (b), (c), (d), and (a). .
  • the rotation angles are ⁇ a , ⁇ b , ⁇ c , and ⁇ d, and ⁇ a , ⁇ b , and ⁇ c. , ⁇ d before and after, relations between ⁇ 1 , ⁇ 2 , and ⁇ I are shown in FIGS. 3 (a), (b), (c), and (d).
  • the dotted line represents ⁇ 1
  • the solid line represents ⁇ 2
  • the broken line represents ⁇ I.
  • the phase shift between ⁇ 1 and ⁇ 2 changes depending on the rotation angle.
  • the value of the signal phi I depends on the deviation of the period and phi 2 of the period of ⁇ 1, ( ⁇ 1 + ⁇ 2 ) / 2 value, and ( ⁇ 1 + ⁇ 2 ) / 2 value may be shifted by ⁇ ⁇ .
  • FIG. 3E shows the relationship between ⁇ 1 , ⁇ 2 and ( ⁇ 1 + ⁇ 2 ) / 2 before and after ⁇ b .
  • the alternate long and short dash line represents ( ⁇ 1 + ⁇ 2 ) / 2.
  • the value of ( ⁇ 1 + ⁇ 2 ) / 2 is in the range of ⁇ 1 > ⁇ 2 and less than ⁇ b
  • a shift of ⁇ is ⁇ I.
  • the range of ⁇ ⁇ shift is 4 of ⁇ 1 ⁇ ⁇ 2 , ⁇ 1 ⁇ ⁇ 2 ,
  • ⁇ ⁇ It is preferable to determine using two conditions. For example, a range of phi 1 ⁇ phi 2 to ⁇ [pi shifts, phi 1 ⁇ phi in case of the 2 of 2 types, ranges where to be ⁇ [pi shift range of the original phi 1 ⁇ phi 2 of phi 1 ⁇ phi 2 If the shift is ⁇ ⁇ , there is a possibility that an incorrect result is obtained. Therefore, such an error is suppressed by adding a condition of ⁇ ⁇ shift range such as
  • the condition of the range of ⁇ ⁇ shift is related to the rotation angle ⁇ as long as the eccentric state does not change. Therefore, in the present embodiment, as shown in FIG. 4, the calculation of ( ⁇ 1 + ⁇ 2 ) / 2 and the calculation of shifting the signal by ⁇ ⁇ are combined into an arithmetic expression, and as shown in FIG. A table representing the correspondence with the range is stored in the storage unit 3.
  • Reset processing unit (reset means) 49 as input signal phi A outputs a reset signal when the value of the signal phi A is zero, and resets the value of the counter (counting means) 410 and 411 to zero.
  • the counters 410 and 411 count the number of periods of sinusoidal incremental signals input from the first sensor units 21 and 22, respectively.
  • the counter increments the counter value by 1 every time it detects rotational displacement for one slit in the forward direction, and decrements the counter value by 1 each time it detects rotational displacement for one slit in the reverse direction.
  • a zero cross of sin ⁇ when cos ⁇ of the two-phase sine wave signal takes a positive value is detected, and the value of the counter is increased or decreased.
  • the cumulative phase calculation unit (cumulative phase calculation means) 412 calculates the cumulative phase ⁇ 1A from the phase signal ⁇ 1 and the value of the counter 410.
  • ⁇ 1A is obtained by Equation (3) using ⁇ 1 when the value of the counter 410 is m 1 .
  • ⁇ 1A ⁇ 1 + m 1 ⁇ 2 ⁇ (3)
  • Cumulative phase arithmetic unit (cumulative phase calculating means) 413 are similarly determine the cumulative phase phi 2A.
  • ⁇ 2A is obtained by Equation (4) using ⁇ 2 when the value of the counter 411 is m 2 .
  • ⁇ 2A ⁇ 2 + m 2 ⁇ 2 ⁇ (4)
  • the phase difference calculation unit (phase difference calculation means) 414 receives the accumulated phases ⁇ 1A and ⁇ 2A , obtains the phase difference ⁇ by equation (5), and obtains the rotation angle ⁇ at that time by equation (6).
  • N is the number of slits of the first track 11 (one reflection part and one non-reflection part are one slit).
  • ⁇ ⁇ 1A - ⁇ 2A (5)
  • ⁇ (( ⁇ 1A + ⁇ 2A ) / 2) / N (6)
  • the table initialization operation can be performed in parallel with the encoder angle detection operation to dynamically update the storage unit.
  • the embodiment of the rotary encoder of the present invention has been described as an example.
  • the present invention is not limited to the embodiment, and can be realized by other configurations.
  • a reflective optical encoder having a sensor unit having a light source and a light receiving element and a reflective scale is used, but an encoder having another configuration may be used. Specifically, an optical encoder using a transmissive scale may be used, or a magnetic encoder may be used.
  • the M-sequence pattern track (second track) for obtaining the absolute signal is used as a method for obtaining the absolute signal, but other methods may be used. Specifically, a plurality of incremental signals having different periods may be output using a plurality of equally spaced tracks having different numbers of slits, and an absolute signal may be generated using a phase difference signal of each incremental signal.
  • the configuration has two sensor units for detecting the first track.
  • the scale rotation angle is generated using incremental signals respectively obtained from three or more sensor units. Also good.
  • the scale and the sensor unit rotate relative to each other as the scale rotates, but the sensor unit may rotate.
  • the range in which the value of ( ⁇ 1 + ⁇ 2 ) / 2 is shifted by ⁇ ⁇ is set to ⁇ 1 ⁇ ⁇ 2 , ⁇ 1 ⁇ ⁇ 2 ,
  • is determined using the four conditions of ⁇ [pi but may generate a signal phi I by using at least one of the conditions.
  • control unit 4 includes the reset processing unit 49, the counters 410 and 411, the cumulative phase calculation units 412 and 413, and the phase difference calculation unit 414 that are configured to store a plurality of calculation expressions in the storage unit 3.
  • these configurations are not essential configurations. These configurations can also be used as an external element of the encoder to store a desired arithmetic expression in the storage unit 3, and after storing the arithmetic expression in the storage unit 3, a scale rotation angle can be generated without these configurations. Because.
  • rotary encoder of the present invention can be applied to a rotation mechanism of various devices.
  • the present invention can be applied to equipment such as industrial machines, robot arms, high-precision machining apparatuses, semiconductor exposure apparatuses, and semiconductor manufacturing apparatuses that need to detect sub-nanometer displacement. Further, the present invention can also be applied to an imaging device, a lens device, an electrophotographic image forming apparatus, or an ink jet image forming apparatus.

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Abstract

　偏心許容量を拡大しつつ偏心誤差を補正する。　回転中心に対して対称な位置に配置されており、スケール１の１回転に対して複数の周期のインクリメンタル信号を出力する２つの第１検出手段２１，２２と、スケールの１回転中の回転角度を示すアブソリュート信号φＡを出力する第２検出手段２３と、を有し、信号φＡの値に対応して異なり、偏心によるインクリメンタル信号の誤差を補正するための、複数の演算式を記憶する記憶手段３と、２つのインクリメンタル信号の位相φ１，φ２を、第２検出手段から出力される信号φＡの値に対応する演算式を用いて演算し、補正された１つの位相φＩを求める演算手段１７と、位相φＩと値φＡと、に基づいてスケールの回転角度θｏｕｔを生成する生成手段４８と、を有する。

Description

ロータリエンコーダ及びそれを有する回転機構
　本発明はアブソリュート信号とインクリメンタル信号とに基づいて、アブソリュート信号単体よりも高精度な回転角度の検出を行うアブソリュート型ロータリエンコーダに関する。
　回転中心と同じ位置に中心を有するパターンを持つスケールをセンサに対して相対的に回転させ、パターンの変化を検出する該センサを用いてスケールの回転角度を検出しようとするロータリエンコーダが知られている。
　このようなエンコーダにおいて、回転中心とパターン中心がずれていると、１回転で１周期の正弦波の特性を持つ、偏心誤差と呼ばれる周期的な誤差が検出角度に含まれる。したがって、回転角度を高精度に検出するためには、偏心誤差への対策が必要である。しかし、回転中心とパターン中心とのずれを抑えるためには、部品の精度や組み付け精度の向上、およびそれらに起因するコストアップ等の問題が発生する。そこで、偏心誤差の特性から、回転中心を挟み対称となる位置に２つのセンサを配置し、２つのセンサから得られる検出角度を平均化することで検出角度に含まれる偏心誤差を補正する手法がある。
　また、エンコーダには、インクリメンタル型とアブソリュート型が存在する。そして、アブソリュート型エンコーダには、高精度な相対回転量を表すインクリメンタル信号と、１周内の角度位置を表すアブソリュート信号とを組み合わせて高精度な角度位置検出を行うアブソリュート型エンコーダが知られている。
　特許文献１には、コード板の回転中心であるシャフト軸に対して対称な位置にそれぞれセンサを配置し、偏心誤差を補正し、かつアブソリュート信号とインクリメンタル信号から回転角度の検出を行うロータリエンコーダが開示されている。このエンコーダは、光源と４個の光電変換素子を備えた受光アレイとの間に、スリットと遮光部が交互に設けられ、シャフト軸と結合されたコード板を配置したものである。そして、４個の光電変換素子から得られる信号を用いて、ｓｉｎφ、ｃｏｓφの２つのインクリメンタル信号を生成し、この２信号をＲＯＭのアドレスとして位相角φを求める。
　さらに、光源と受光アレイとを２組、回転軸を挟み対向に配置すると、２組の受光アレイから得られるインクリメンタル信号は偏心誤差をδとしてそれぞれ、ｓｉｎ（φ＋δ）、ｃｏｓ（φ＋δ）とｓｉｎ（φ－δ）、ｃｏｓ（φ－δ）と表わされる。そこで、ｓｉｎ（φ＋δ）とｓｉｎ（φ－δ）、ｃｏｓ（φ＋δ）とｃｏｓ（φ－δ）をそれぞれ加算した２信号を用いて、ＲＯＭから位相角φを求めることにより、偏心誤差の影響をキャンセルしている。
特開平５－０９９６９３号公報
　特許文献１の構成において、偏心誤差δの値は周期的に変化し、その変動幅は回転中心とスリット中心のずれ（偏心量）とコード板に設けられているスリットのピッチに依存する。そして、偏心量をε、スリットのピッチをλとすると、ε≧λ／２のとき、ある角度位置において、δ＝π／２となる。このとき、ｓｉｎ（φ＋π／２）＋ｓｉｎ（φ－π／２）＝０、ｃｏｓ（φ＋π／２）＋ｃｏｓ（φ－π／２）＝０であるため、位相角を求めることができない。これは、２組のセンサによって検出される２つのインクリメンタル信号の位相が１周期ずれているために生じるものである。また、偏心量をε＜λ／２に抑えても、δがπ／２に近づくと、ｓｉｎ（φ＋δ）＋ｓｉｎ（φ－δ）、ｃｏｓ（φ＋δ）＋ｃｏｓ（φ－δ）の２信号はともに小さくなるため、精度が悪化することがある。
　したがって、特許文献１の構成では偏心量をε＜λ／２を満たす範囲に抑えなければならないという問題がある。そこで本発明では、偏心許容量を拡大しつつ偏心誤差を補正することを目的とする。
　本発明のロータリエンコーダは、２つの検出手段を用いて出力された偏心誤差を含む２つインクリメンタル信号の位相から、偏心誤差を補正した１つのインクリメンタル信号の位相を求める際に、アブソリュート信号の値に応じて偏心誤差を補正するための演算式を異ならせるようにしたものである。
　つまり、本発明のロータリエンコーダは、
検出手段と、
　前記検出手段に対して相対的に回転可能であり、回転角度を検出するためのパターンを有するスケールと、を有し、
　前記検出手段は、前記回転の回転軸に対して対称な位置に配置されており、それぞれ前記スケールの１回転に対して複数の周期のインクリメンタル信号を出力する２つの第１検出手段と、前記スケールの１回転中の回転角度に対応するアブソリュート信号を出力する第２検出手段と、を有し、
　前記２つの第１検出手段で検出される２つの前記インクリメンタル信号の位相と、前記アブソリュート信号の値とに基づいて前記スケールの相対的な回転角度を検出するロータリエンコーダにおいて、
　前記アブソリュート信号の値に対応して異なり、前記パターンの中心に対する前記回転の中心のずれによる前記インクリメンタル信号の誤差を補正するための、複数の演算式を記憶する記憶手段と、
　前記２つのインクリメンタル信号の位相を、前記第２検出手段から出力される前記アブソリュート信号の値に対応する演算式を用いて演算し、補正された１つのインクリメンタル信号の位相を求める演算手段と、
　前記補正されたインクリメンタル信号の位相と、前記アブソリュート信号の値と、に基づいて前記スケールの前記回転角度を生成する生成手段と、を有する。
　本発明によれば、ロータリエンコーダにおいて、偏心量の制限を受けることなく偏心誤差の補正を行うことができるようになり、スケールの組み付け誤差の許容量を拡大したロータリエンコーダを提供することが可能となる。
本発明の実施の形態に係るエンコーダの構成を示すブロック図 偏心発生時のトラックとセンサとの位置関係を示す模式図 偏心発生時の回転角度とインクリメンタル信号の位相との関係を示す図 本発明の実施の形態における演算式を示す図 本発明の実施の形態における記憶部に記憶されるテーブルを示す図 本発明の実施の形態におけるスケールの回転角度とインクリメンタル信号の位相差との関係を示す図
　以下、本発明のロータリエンコーダについて、実施の形態を例に挙げて具体的に説明する。
　まず、本発明の実施の形態の形態に係るロータリエンコーダの構成を説明する。
　図１は、本発明の実施の形態に係るロータリエンコーダの構成を示すブロック図である。図１に示すロータリエンコーダはスケール１、２つの第１センサユニット（第１検出手段）２１、２２、第２センサユニット（第２検出手段）２３、記憶部（記憶手段）３、制御部４とを有する。
　スケール１には第１トラック１１及び第２トラック１２が形成されている。第１トラック１１の回転に伴ってインクリメンタル信号が２つの第１センサユニット２１、２２から出力され、第２トラック１２の回転に伴ってアブソリュート信号が第２センサユニット２３から出力される。そして、制御部４において、第１及び第２センサユニット２１、２２から出力された信号を記憶部３に保持された演算式を用いて演算することによってスケールの回転角度（回転量）を検出することができる。また、スケール１が被計測物体に取り付けられることにより、被計測物体と連動して回転するため、スケール１の回転角度を第１及び第２センサユニットを用いて検出することにより被計測物体の回転角度を検出できる。
　２つの第１センサユニット２１、２２は、スケール１の回転中心に対して対称な位置に配置されている。また第２センサユニット２３は、第１センサユニット２１、２２の位置に対してどの位置に配置されていてもよいが、本実施の形態では、第１センサユニット２１、２２に対して回転軸を中心に９０度回転させた位置に配置されている。
　次に、回転角度検出、および角度出力動作について説明する。
　第１トラック１１はスリット状の反射部とスリット状の非反射部が交互に、かつ等間隔に配置されたトラックである。２つの第１センサユニット２１、２２はそれぞれ光源（不図示）、及び受光素子（不図示）を有し、光源から照射され第１トラック１１の反射部で反射した光束が受光素子上に照射される位置の変位を検知する。そして、スケールの１回転に対して複数の周期のｓｉｎφ、ｃｏｓφの２相正弦波信号（インクリメンタル信号）をそれぞれ生成する。
　一方、トラック１２はスリット状の反射部とスリット状の非反射部がＭ系列パターンで配置されたトラックである。第２センサユニット２３は第１センサユニット２１、２２と同様に光源（不図示）、および受光素子（不図示）を持ち、光源から照射され第２トラック１２の反射部で反射した光束が受光素子上に照射される位置の変化を検知する。そして、スケール１の１回転中の回転角度に対応するＭ系列信号（アブソリュート信号）を出力する。
　センサユニット２１から生成された２相正弦波信号はＡ／Ｄ変換部４１、ａｒｃｔａｎ演算部４３を通して、Ａ／Ｄ変換、ａｒｃｔａｎ演算され、インクリメンタル信号の位相信号φ１に変換される。センサユニット２１から生成された２相正弦波信号も同様にＡ／Ｄ変換部４２、ａｒｃｔａｎ演算部４４を通して処理され、位相信号φ２に変換される。
　また、センサユニット２３から生成されたＭ系列信号（アブソリュート信号）は信号生成部４５を通して、値が角度位置を示す信号φＡに変換される。そして、信号φＡは演算式選択部４６に入力され、φＡの値を基に記憶部３に記憶された複数の演算式の中から１つの演算式が選択される。
　記憶部３は、図５に示すように実際の回転角度θの範囲と演算式との関係を表すテーブルを記憶している。アブソリュート信号に基づいて生成される信号φＡの値を実際の回転角度θとみなすことにより、テーブルからφＡに対応する演算式を選択する。なお、図４に本実施の形態における演算式１～４を示す。
　演算式演算部（演算手段）４７には演算式選択部４６で選択された演算式、および位相信号φ１、φ２が入力される。演算式にφ１、φ２の値を代入して演算すると、演算結果として偏心誤差が補正された位相信号φＩが得られる。
　最後に、エンコーダ出力角度生成部（生成手段）４８に信号信号φＡの値と位相信号φＩの値を入力し、これらφＡとφＩの値を演算することにより、エンコーダ出力角度、つまりスケールの回転角度を生成して出力する。エンコーダ出力角度を求める式を式（１）、（２）に示す。
　　　　ｎ＝ＣＥＩＬ（φＡ／ｐ）　　　　　（１）
　　　　θｏｕｔ＝ｐ×（ｎ－１）＋φＩ　　　（２）
　ただし、ｐは第１トラック１１のスリット１ピッチ分の角度、θｏｕｔはエンコーダ出力角度であり、ｎはφＡの値が０のときに対応するφＩを１周期目としたうえで、φＩが何周期目であるかを表す値である。またＣＥＩＬ（ｘ）はｘ以上の最小の整数を表す。以上により、エンコーダ出力角度を検出し、出力することが可能である。
　次に、本発明における偏心誤差の補正原理について説明する。
　図２に、偏心が発生し、パターン中心と回転中心がずれた状態における第１トラック１１とセンサユニット２１、２２の位置関係の例を示す。図中（・）は回転中心を、（×）はスリットのパターン中心を表す。図２において、スケールが右回りに回転すると回転中心（・）とパターン中心（×）との位置関係は（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ａ）と順に変化する。
　そして、図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）それぞれの位置関係のときの回転角度をθａ、θｂ、θｃ、θｄとし、θａ、θｂ、θｃ、θｄ前後のφ１、φ２、φＩの関係を図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に示す。図中、点線がφ１、実線がφ２、破線がφＩを表す。図３に示されるように、偏心が発生すると、φ１、φ２の位相のずれが回転角度によって変化する。信号φＩをその位相がφ１の位相とφ２の位相の中間となる信号とする場合、信号φＩの値はφ１の周期とφ２の周期のずれによって異なり、（φ１＋φ２）／２の値になる場合と、（φ１＋φ２）／２の値を±πシフトした値になる場合がある。
　θｂ前後のφ１、φ２、（φ１＋φ２）／２の関係を図３（ｅ）に示す。図中、一点鎖線が（φ１＋φ２）／２を表す。図３（ｂ）、（ｅ）を比較すれば明らかなように、角度がθｂ前後では、（φ１＋φ２）／２の値を、φ１＞φ２の範囲でかつθｂ未満ではπ、φ１＞φ２の範囲でかつθｂ以上の場合は－πシフトしたものがφＩとなる。一方、角度がθｄ前後の場合では、図３（ｄ）に示すように（φ１＋φ２）／２の値を、φ２＞φ１の範囲でかつθｄ未満ではπ、φ２＞φ１の範囲でかつθｄ以上の場合は－πシフトしたものがφＩとなる。
　また、角度がθａ前後でも同様に、θａ以上の場合はφ２＞φ１の範囲で（φ１＋φ２）／２の値を±πシフトしたものがφＩとなり、θａ未満の場合では、φ１＞φ２の範囲で（φ１＋φ２）／２の値を±πシフトしたものがφＩとなる。さらに、角度がθｃ前後でも同様に、θｃ以上の場合はφ１＞φ２の範囲で（φ１＋φ２）／２の値を±πシフトしたものがφＩとなり、θｃ未満の場合では、φ２＞φ１の範囲で（φ１＋φ２）／２の値を±πシフトしたものがφＩとなる。
　境界条件での誤りを抑制するために、±πシフトする範囲はφ１≧φ２、φ１≦φ２、｜φ１－φ２｜≧π、｜φ１－φ２｜≦πの４つの条件を用いて判定することが好ましい。例えば、±πシフトする範囲をφ１≧φ２、φ１≦φ２の２種類とした場合において、本来φ１≧φ２の範囲で±πシフトすべきところをφ１≦φ２の範囲で±πシフトしてしまうと、誤った結果となる可能性がある。そこで、｜φ１－φ２｜≧π、｜φ１－φ２｜≦πのように、±πシフトする範囲の条件を追加し、互いに境界をずらすことにより、このような誤りを抑制する。
　また、±πシフトする範囲の条件は、偏心状態が変化しない限り、回転角度θと関連付けられる。そこで本実施の形態では、図４に示すように、（φ１＋φ２）／２の演算と信号を±πシフトする演算とを組み合わせて演算式とし、図５に示すように、回転角度の範囲との対応を表すテーブルを記憶部３に記憶している。
　続いて、記憶部に記憶するテーブルの初期化動作について説明する。
　リセット処理部（リセット手段）４９は信号φＡを入力とし、信号φＡの値が０となった際にリセット信号を出力し、カウンタ（カウント手段）４１０、４１１の値を０にリセットする。カウンタ４１０、４１１はそれぞれ第１センサユニット２１、２２から入力される正弦波状のインクリメンタル信号の周期数をカウントする。カウンタは、順方向に１スリット分の回転変位を検出する毎にカウンタの値を１加算し、逆方向に１スリット分の回転変位を検出する毎にカウンタの値を１減算する。本実施の形態では、２相正弦波信号のｃｏｓφが正の値をとるときの、ｓｉｎφのゼロクロスを検知し、カウンタの値を増減する。
　累積位相演算部（累積位相演算手段）４１２は位相信号φ１とカウンタ４１０の値から累積位相φ１Ａを算出する。φ１Ａはカウンタ４１０の値をｍ１とすると、φ１を用いて式（３）で求められる。
　　　　φ１Ａ＝φ１＋ｍ１×２π　　　　　（３）
　累積位相演算部（累積位相演算手段）４１３も同様にして累積位相φ２Ａを求める。φ２Ａはカウンタ４１１の値をｍ２とすると、φ２を用いて式（４）で求められる。
　　　　φ２Ａ＝φ２＋ｍ２×２π　　　　　（４）
　位相差演算部（位相差演算手段）４１４は累積位相φ１Ａ、φ２Ａを入力とし、位相差Φを式（５）で求め、そのときの回転角度θを式（６）で求める。ただし、Ｎは第１トラック１１のスリット数（１反射部と１非反射部を１スリットとする）である。
　　　　Φ＝φ１Ａ－φ２Ａ　　　　　　　　　　　（５）
　　　　θ＝（（φ１Ａ＋φ２Ａ）／２）／Ｎ　　　（６）
　スケール１を回転させ、複数の位置で位相差Φおよび回転角度θを求めると、図６に示すようなΦとθとの関係を得ることができる。前述の±πシフトする範囲の条件はΦに対応しているため、このΦとθの関係から演算式と回転角度θの範囲との関係をテーブルに割り当てることができる。
　本実施の形態では、ｉを任意の整数として、－π／２＋４π×ｉ≦Φ＜π／２＋４π×ｉのとき演算式１、π／２＋４π×ｉ≦Φ＜３π／２＋４π×ｉのとき演算式２、３π／２＋４π×ｉ≦Φ＜５π／２＋４π×ｉのとき演算式３、５π／２＋４π×ｉ≦Φ＜７π／２＋４π×ｉのとき演算式４とする。したがって、Φとθが図６の関係にある場合、０≦θ＜θ１では演算式１、θ１≦θ＜θ２では演算式２というように割り当てられ、図５に示すテーブルを生成することができる。
　そして最後に、生成したテーブルを記憶部３に記憶する。
　以上の処理により、記憶部に記憶する情報を決定し、エンコーダを被計測物体に取り付けた際に記憶部を初期化することが可能である。また、テーブルの初期化動作はエンコーダの角度検出動作と並行して動作させ、動的に記憶部を更新することも可能である。
　以上、本発明のロータリエンコーダについて実施の形態を例として説明したが、本発明は実施の形態に限られず、他の構成でも実現可能である。
　上記実施の形態では、光源及び受光素子を有するセンサユニットと、反射型のスケールとを有する反射型の光学式エンコーダを用いたが、他の構成のエンコーダであってもよい。具体的には、透過型のスケールを用いた光学式エンコーダであってもよいし、磁気式エンコーダであってもよい。
　上記実施の形態では、アブソリュート信号を得るための方法として、アブソリュート信号を得るためのＭ系列パターンのトラック（第２トラック）を用いたが、他の方法を用いてもよい。具体的には、スリット数の異なる複数の等間隔トラックを用いて周期の異なる複数のインクリメンタル信号を出力させ、各インクリメンタル信号の位相差信号を用いてアブソリュート信号を生成してもよい。
　上記実施の形態では、第１トラックを検出するセンサユニットを２つ有する構成であったが、３つ以上のセンサユニットからそれぞれ得られるインクリメンタル信号を用いてスケールの回転角度を生成する構成であってもよい。
　上記実施の形態では、スケールが回転することによってスケールとセンサユニットとが相対的に回転する構成であるが、センサユニットが回転する構成であってもよい。
　上記実施の形態では、（φ１＋φ２）／２の値を±πシフトする範囲をφ１≧φ２、φ１≦φ２、｜φ１－φ２｜≧π、｜φ１－φ２｜≦πの４つの条件を用いて判定しているが、少なくともいずれか１つの条件を用いることで信号φＩを生成することができる。
　上記実施の形態では、記憶部３に複数の演算式を記憶するための構成である、リセット処理部４９、カウンタ４１０、４１１、累積位相演算部４１２、４１３、位相差演算部４１４が制御部４に設けられているが、これらの構成は必須の構成ではない。これらの構成は、エンコーダの外部要素として用いることでも記憶部３に所望の演算式を記憶でき、記憶部３に演算式を記憶した後はこれらの構成がなくてもスケールの回転角度を生成できるからである。
　また、本発明のロータリエンコーダは、様々な機器の回転機構に適用することができる。
　スケールまたはセンサユニットと共に回転可能な駆動部と、本発明のロータリエンコーダによって生成された回転角度に基づいて駆動部を制御する制御手段とを有する回転機構とすることによって、より高精度な回転角度の制御が可能である。具体的には、サブナノメートルの変位を検出する必要がある産業用機械、ロボットアーム、高精度機械加工装置、半導体露光装置、半導体製造装置等の機器に適用することができる。また、撮像装置やレンズ装置、電子写真方式あるいはインクジェット方式の画像形成装置等にも適用することができる。
　１　スケール
　１１　第１トラック
　１２　第２トラック
　２１　第１センサユニット
　２２　第１センサユニット
　２３　第２センサユニット
　３　記憶部
　４　制御部
　４５　信号生成部
　４６　演算式選択部
　４７　演算式演算部
　４８　出力角度生成部

Claims (4)

  1. 　検出手段と、
    前記検出手段に対して相対的に回転可能であり、回転角度を検出するためのパターンを有するスケールと、を有し、
    　前記検出手段は、前記回転の回転軸に対して対称な位置に配置されており、それぞれ前記スケールの１回転に対して複数の周期のインクリメンタル信号を出力する２つの第１検出手段と、前記スケールの１回転中の回転角度に対応するアブソリュート信号を出力する第２検出手段と、を有し、
    　前記２つの第１検出手段で検出される２つの前記インクリメンタル信号の位相と、前記アブソリュート信号の値とに基づいて前記スケールの相対的な回転角度を検出するロータリエンコーダにおいて、
    　前記アブソリュート信号の値に対応して異なり、前記パターンの中心に対する前記回転の中心のずれによる前記インクリメンタル信号の誤差を補正するための、複数の演算式を記憶する記憶手段と、
    　前記２つのインクリメンタル信号の位相を、前記第２検出手段から出力される前記アブソリュート信号の値に対応する演算式を用いて演算し、補正された１つの位相を求める演算手段と、
    　前記補正された位相と、前記アブソリュート信号の値と、に基づいて前記スケールの前記回転角度を生成する生成手段と、を有することを特徴とするロータリエンコーダ。
  2. 　前記複数の演算式は、前記２つの第１検出手段から出力される２つの前記インクリメンタル信号の位相をそれぞれφ１、φ２としたときに、
    　φ１≧φ２、φ１≦φ２、｜φ１－φ２｜≧π、｜φ１－φ２｜≦πのいずれかの条件を判定する式を含むことを特徴とする請求項１に記載のロータリエンコーダ。
  3. 　前記２つの第１検出手段の周期数をそれぞれカウントするカウント手段と、
    　前記アブソリュート信号の値が０となるときに前記２つのカウント手段の値をリセットするリセット手段と、
    　前記２つの第１検出手段から出力される２つの前記インクリメンタル信号の位相と、前記カウント手段の値とに基づいて、それぞれ前記リセットされた位置からの累積位相を算出する累積位相演算手段と、を有し、
    　前記２つの累積位相の差を求める位相差演算手段と、を有し、
    　前記記憶手段は、前記位相差と前記スケールの回転角度との関係に基づいて、前記複数の演算式を記憶することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のロータリエンコーダ。
  4. 　前記スケールまたは前記検出手段と共に回転可能な駆動部と、
    　請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のロータリエンコーダによって生成された前記回転角度に基づいて、前記駆動部の駆動を制御する制御手段と、を有することを特徴とする回転機構。
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