JP4748558B2 - Absolute encoder - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、産業機械分野における寸法測定、例えばモールドプレス金型の密着度や平行度の測定、ロール圧延機における圧延量の測定・制御、さらには生産・組立工場等における部品寸法の測定などに用いて好選なアブソリュートエンコーダに関する。
【0002】
【従来の技術】
所定の波長λmを有する第1のスケールと、該第1のスケールの信号を検出する第1の検出へッドとの相対変位に対応して位相が繰り返し変化する位相変調信号を出力する第1の検出手段と、上記第1のスケールとは異なる波長λaを有する第2のスケールと該第2のスケールの信号を検出する第2の検出ヘッドとの相対変位に対応して位相が繰り返し変化する位相変調信号を出力する第2の検出手段と、上記第1の検出手段と第2の検出手段から得られる信号の位相差を比較する位相比較回路とを有し、該位相比較回路より上記第1のスケール及び第2のスケールの波長よりも十分に長い波長の信号に相当して位相が変化する信号を得て、上記第1のスケール及び第2のスケールと、上記第1の検出ヘッド及び第2の検出ヘッドとの相対位置を検出する測尺装置が特公昭50−23618号公報に開示されている。
【0003】
この測尺装置において第1の検出手段から得られる位相変調信号epm、第2の検出手段から得られる位相変調信号epaは、次式のように表すことができる。
【0004】
epm=Ep1×Sin(2πft+2πX/λm)
epa=Ep2×Sin(2πft+2πX/λa)
さらに、波長λmとλaとの関係を、例えばN×λm=(N−1)×λaなる関係に選ぶと、これらの信号の位相θm(=2πX/λm)及びθa(=2πX/λa)の差Δθ(=θm−θa)は、次式に示すように波長λmのN倍の周期で繰り返す信号となる。
【0005】
Δθ=2πX/(N×λm)
したがって、上記測尺装置では、上記の位相差Δθを所定の位相差、すなわち、2π/Nで除算することにより、N×λm区間内におけるλm単位の位置を検出ことが可能である。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記測尺装置においては、各々のスケールから理想的な信号が得られない場合、例えば、位相変調信号が不完全な場合は、波長λ内に周期的な誤差を生じ、これらの誤差はλm単位の切替え位置にも重畳する。したがって、上記のごとく位相差Δθを2π/Nで除算したときに上記誤差のために、ズレを生じ、結果としてλm単位の誤差を発生することがある。
【0007】
また、これらの誤差を避けるためには、上記2つのスケールから得られる位相差Δθを用いて直接Nλm内を検出する方法が考えられるが、本方法では位相差ΔθがNλmなる仮想的に長いスケール内で位相が2πになる、すなわち周期的に位相が変化する信号であるため、キャリア周波数f内にキャリア周波数fのM倍のクロックパルスM×fを内挿して高分解能を得ようとした場合、分解能λm/(M×N)が、波長λmやNを拡大するほど高分解能を得るのが難しくなる。また、経時的変化により検出精度が悪化するなどの問題があった。
【0008】
そこで、上述の如き従来の問題点に鑑み、本発明の目的は、アブソリュートエンコーダの取付け状態や構成部品等の経時変化等に伴う検出誤差を監視し、必要に応じて自動調整を行うことにより、常に高精度な検出を実現することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明は、波長λmの目盛りが形成された第1のスケールと、該第1のスケールの信号を検出する第1の検出ヘッドと、上記第1のスケールと第1の検出ヘッドの相対的な変位量をキャリア周波数fの位相変調信号として取り出すように構成された第1の変位量検出手段と、上記第1のスケールと異なる波長λaの目盛りが形成された第2のスケールと、該第2のスケールの信号を検出する第2の検出ヘッドと、上記第2のスケールと第2の検出ヘッドとの相対的な変位量をキャリア周波数fの位相変調信号として取り出すように構成された第2の変位量検出手段と、上記第1の変位量検出手段より得られる位相変調信号と、第2の変位量検出手段から得られる位相変調信号との位相差を検出し、該位相差を用いて、第1のスケールの波長λmのN倍波長で繰り返す周期的な信号を得て、上記第1のスケールの波長のN倍区間をアブソリュートに検出するように構成したアブソリュートエンコーダにおいて、上記第1の変位量検出手段から得られるキャリア周波数fの位相変調信号を周波数fの基準信号と位相比較して第1のスケールの波長λm内における第1の検出ヘッドの絶対位置に対応したパルス幅変調信号を生成する第1の位相比較手段と、この第1の位相比較手段により生成されたパルス幅変調信号にキャリア周波数fのM倍のクロックパルスを内挿して第1のスケールの波長λm内における第1の検出ヘッドの絶対位置に対応した分解能λm/Mのパルス列に変換する第1のゲート回路と、上記第1の変位量検出手段から出力される位相変調信号と第2の変位量検出手段から出力される位相変調信号の位相差に対応するパルス幅変調信号を生成する第2の位相比較手段と、この第2の位相比較手段により生成されたパルス幅変調信号にキャリア周波数fのM倍のクロックパルスを内挿し、上記位相差に対応したパルス列に変換する第2のゲート回路と、上記第2の変位量検出手段と上記基準信号とを比較して第2のスケールの波長λaに対応する変位量ごとのパルスを生成するパルス生成手段と、上記第2のゲート回路の出力を利用して第1のスケールの波長λmのアドレスとして特定するようになし、上記第1のゲート回路から出力されるパルス列を計数して第1のスケールの波長λm内の絶対位置を得て、上記特定されたλmアドレスとを合成することにより、第1のスケールの波長λmのN倍区間に亘って分解能λm/Mで検出するとともに、上記第2のパルス生成手段から出力されるλaパルスの発生位置に対応する第1のスケールの波長λm内の絶対位置を計測し、該計測値の理論値からのずれ量を内挿誤差として検出し、該検出された内挿誤差とあらかじめ設定された規格値とを記憶手段に保存し、上記検出された内挿誤差を分析して上記第1の変位量検出手段に設けられた電子的調整手段に調整信号を供給して第1のスケールにおける内挿誤差を最小にするように電気調整を行う演算手段とを備えることを特徴とする。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【0011】
以下に説明する本発明の実施の形態は、異なる波長を有する2つのトラックから出力される位相変調信号を用いて、該トラックの記録波長より長い範囲をアブソリュートに検出する測長システム、例えば、特公昭50−23618号公報に開示されている測尺装置を改良したものである。本発明が最も効果的に適用可能な磁気方式を例に図面を参照しながら詳細に説明する。また、磁気式においても検出ヘッドに過飽和コアを用いた方式や磁気抵抗効果素子(以下MRセンサ)を用いた方式等があり、後者においては記録波長と再生波長が異なる場合があるが、ここでは、検出ヘッドとしてMRセンサを用いた場合について、再生波長を基準に説明することとする。
【0012】
本発明においては、第1のスケールの波長λmと第2のスケールの波長λaとの関係をN×λm=(N±1)×λaと選び、第1のスケールから出力されるキャリア周波数fの位相変調信号に対し、該キャリア周波数fのM倍のクロックパルスを用いて内挿することにより、第1のスケールの波長λmのN倍の区間に亘って分解能λm/Mで計測可能であり、上記N及びMは、本発明の主旨を逸脱しない範囲で任意に設定できる。
【0013】
ここでは、説明を簡単にするため、上記λmとN及びMに具体的な数値を当てはめて説明することとし、波長λmを1,024μm、内挿数Mを1,024(=210)として、さらに、上記Nを16として波長λmとλaとの関係を16×λm=(16+1)×λa=17×λaとすることにより、λmの1波長を1,024分割して1μmの分解能でアブソリュートに検出できるようにした具体的な構成例をもとに説明する。
【0014】
図1は、本発明に係るアブソリュートエンコーダ100の構成を示すブロック図である。
【0015】
このアブソリュートエンコーダ100は、図示しないスケール部材上に波長λm(=1,024μm)の目盛りを記録することにより形成された第1のスケール11と、この第1のスケール11と対向し、波長λmに対して90゜位相差(λm/4)をもって配設された2チャンネルのMRセンサ12A,12Bで構成された第1の検出ヘッド12を備える。この第1の検出ヘッド12は、上記第1のスケール11との相対移動により、相対移動周期が2πx/λm(ただし、xは変位量)で、90゜位相差を有する2系統の正弦波信号Sin(2πx/λm),Cos(2πx/λm)を出力する。
【0016】
これら2相の正弦波信号Sin(2πx/λm),Cos(2πx/λm)は、例えば、図2に示すような構成の第1の変位量検出部13に導かれる。
【0017】
第1の変位量検出部13は、上記第1の検出ヘッド12を構成している2チャンネルのMRセンサ12A,12Bにより得られた2相の正弦波信号Sin(2πx/λm),Cos(2πx/λm)をタイミング信号生成部18により与えられる互いに90°の位相差をもつキャリア周波数fの2相信号MODC,MODSで平衡変調する乗算器31,32と、この乗算器31,32による平衡変調信号Sin(2πx/λm)×Cosωt,Cos(2πx/λm)Sinωtを加算する加算増幅器33を備える。
【0018】
上記第1の検出ヘッド12を構成している2チャンネルのMRセンサ12A,12Bは、2チャンネルのMRセンサ12A,12Bは、図3に示すように、それぞれMR素子12A1,12A2,12A3,12A4(12B1,12B2,12B3,12B4DC2)をブリッジ接続してなり、ブリッジ接続されたMRセンサの他方の端子に直流バイアスのずれ(以下、DCのずれ)を補整する電子ボリュームDC1(DC2)を装備している。
【0019】
また、上記加算増幅器33は、各チャンネルから得られる平衡変調信号Sin(2πx/λm)×Cosωt,Cos(2πx/λm)Sinωtを加算して位相変調信号Ep1×Sin(ωt+2πx/λm)を生成するものであって、図4に示すように、2チャンネル間の平衡変調信号Sin(2πx/λm)×Cosωt,Cos(2πx/λm)Sinωtの出力レベルを等しくするための電子ボリュームGAJを装備している。
【0020】
各電子ボリュームDC1,DC2,GAJは、その代表的な構成を図5に示すように、選択信号CSとワイパー制御信号U/D,INCが供給されるアップダウンカウンタ91、このアップダウンカウンタ91の計数出力をデコードするポジションデコーダ92、このポジションデコーダ92のデコード出力により抵抗値が切り換えられる可変抵抗器93からなる。
【0021】
そして、この第1の変位量検出部13は、上記3箇所の電子ボリュームDC1,DC2,GAJを選択して調整信号を供給するための調整信号制御回路34を備えている。この調整信号制御回路34は、図6に具体的な構成例を示すように、演算部17から供給される調整信号ADJの選択信号SLTをデコードするデコーダ34Aを備え、調整対象となる3箇の電子ボリュームDC1,DC2,GAJに選択信号CS1,CS2,CS3とワイパー制御信号U/D,INCを供給し、電子ボリュームDC1,DC2,GAJのワイパー位置を電子的に可変制御する。
【0022】
上記第1の変位量検出部13は、上記第1の検出ヘッド12を構成している2チャンネルのMRセンサ12A,12Bにより得られた2相の正弦波信号Sin(2πx/λm),Cos(2πx/λm)を乗算器31,32においてタイミング信号生成部18により与えられる互いに90°の位相差をもつキャリア周波数fの2相信号MODC,MODSで平衡変調し、上記乗算器31,32による平衡変調信号Sin(2πx/λm)×Cosωt,Cos(2πx/λm)Sinωtを加算増幅器33により信号レベルを合わせて加算することにより、次の(1)式に示すような位相変調信号epmを出力する。
【0023】
epm=Ep1×Sin(ωt+2πx/λm) (1)
ただし、ω=2πf、x=相対変位量
この位相変調信号epmは、例えば、図7に示すような構成の第1の位相比較部14に導かれる。
【0024】
第1の位相比較部14は、タイミング信号生成部18により与えられる周波数M×fのクロックパルスが供給されている第1及び第2の同期微分回路42,43並びにJKフリップフロップ44を備え、第1の変位量検出部13から位相変調信号epmが波形整形回路41を介して供給される上記第1の同期微分回路42による微分出力が上記JKフリップフロップ44のK入力端子に供給され、また、基準信号MODSが供給される上記第2の同期微分回路43による微分出力が上記JKフリップフロップ44のJ入力端子に供給されることにより、時刻tiにおける波長λm内の絶対位置に対応した位相量φm(ti)を有するパルス幅変調信号PWSmを上記JKフリップフロップ44から出力する。
【0025】
ここで、この第1の位相比較部14の動作タイミングを図8に示してあるように、サンプリング周期T(=1/f)ごとに第1の変位量検出部13から出力される位相変調信号epmでセットされ、基準信号MODSでリセットされるパルス幅変調信号PWSmの時刻tiにおける波長λm内の絶対位置x(ti)に対応した位相量φm(ti)は、次の(2)式のように表すことができる。
【0026】
φm(ti)=2π×x(ti)/λm (2)
上記第1の位相比較部14により得られたパルス幅変調信号PWSmは、タイミング信号生成部18により与えられるキャリア周波数fのM(=1,024)倍のクロックパルスM×fとともに第1のゲート回路15に入力される。
【0027】
ここで、位相量φm(ti)を有するパルス幅変調信号PWSmは、波長λm内の位置xに対応しパルス幅の変化する信号であり、最大位相量2π、すなわち、最大変位量λmに達したときのパルス幅はサンプリング周期T(=1/f)に等しいので、第1のゲート回路15では、M×fのクロック周波数を用いることにより位相量φm(ti)を1/Mの分解能、すなわち、変位x(ti)を分解能1μm(=λm/M=1,024/1,024)のパルス列SAPmとして検出可能であり、上記第1のゲート回路15により変換されたパルス列SAPmが演算部17に入力される。
【0028】
このアブソリュートエンコーダ100は、図示しないスケール部材上に第1のスケール11と平行して波長λa(=963.8μm)の目盛りを記録することにより形成された第2のスケール21と、この第2のスケール21と対向し、波長λaに対して90゜位相差(λa/4)をもって配設された2チャンネルのMRセンサで構成された第2の検出ヘッド22を備える。この第2の検出ヘッド22は、上記第1のスケール検出ヘッド12と一体的に構成されており、上記第2のスケール21との相対移動により、相対移動周期が2πx/λaで90゜の位相差を有する2系統の正弦波信号2πx/λa(ただし、xは変位量)で、90゜位相差を有する2系統の正弦波信号Sin(2πx/λa),Cos(2πx/λa)を出力する。
【0029】
上記第2の検出ヘッド22により得られる2系統の正弦波信号Sin(2πx/λa),Cos(2πx/λa)は、上記第1の変位量検出部13と同様な構成を有する第2の変位量検出部23に導かれる。
【0030】
第2の変位量検出部23は、次の(3)式に示すように、変位量λaごとに位相が2πだけ変化する位相変調信号epaを出力する。
【0031】
epa=Ep2×Sin(ωt+2πx/λa) (3)
ただし、ω=2πf、x=波長λa内の位置
この位相変調信号epaは、第1の位相比較部14と同様の構成を有する第2の位相比較部24において、第1の変位量検出部13から出力される位相変調信号epmと位相比較される。第2の位相比較部24は、第2の変位量検出部23から出力される位相変調信号epaと第1の変位量検出部13から出力される位相変調信号epmとの位相差に対応するパルス幅変調信号PWS2を出力する。
【0032】
上記(2)式からも明らかなように、位相変調信号の位相差φa(ti)は次の(4)式のように表せる。
【0033】
φa(ti)=2π×x(ti)/λa (4)
したがって、上記位相差Δφ(=φa(ti)−φm(ti))は、
Δφ=φa(ti)−φm(ti)
=2π×x(ti)(1/λa−1/λm) (5)
ここで、第1のスケール11の波長λmと第2のスケール21の波長λaとは、16λm=17λaの関係に選択されているので、上記Δφ(ti)は、
Δφ=2π×x(ti)/16λm
=2π×x(ti)/17λa (5)’
となり、第1のスケールの波長λmの16倍(N=16)の位置に達したときに一致する繰り返し信号である。
【0034】
図9は、上記アブソリュート計測区間において第1の変位量検出部13で検出された位相量φmと、第2の変位量検出回路9で検出された位相量φaとの関係を示している。
【0035】
そして、図10は、第1のスケールの波長λmの16倍区間内における任意の位置xに対する、第1の変位量検出部13で検出された位相量φmと、φaとφmとの位相差Δφ(=φa−φm)との関係を示したものである。この図10に示されるように、位相量φmはλmの1周期ごとに2π、Δφはλmの1周期ごとに2π/16ずつなる信号である。
【0036】
したがって、上記位相差Δφをλmの1周期に対応する位相量(以下、区間位相量)2π/16で除算し、その商としてxが位置するアブソリュート計測区間内におけるλmアドレスAjを検出することができる。
【0037】
ここで、上記位相差Δφは、キャリア周波数fのM倍のクロックパルスM×fとともに第1のゲート回路15と同様な構成を有する第2のゲート回路25に導かれ、上記位相差Δφに対応したパルス列SAPaに変換される。
【0038】
したがって、上記区間位相量2π/16は、区間パルス数M/16と等価であり、上記パルス列SAPaを区間パルス数M/16で除算することにより、その商としてxが位置するλm単位の絶対位置、すなわち、16λm内のλmアドレスAjを検出することができる。
【0039】
また、次の表1は、16λm=17λaの場合に、変位量xを0から16λmまで変化させたときのΔφとλmアドレスAjとの関係、及び、Δφに対応するパルス数ΔDとの関係を示したものである。
【0040】
【表1】
【0041】
演算部17は、上記の関係を利用してλmアドレスAjを特定するとともに、上記φmをもとに生成された分解能1μmのパルス列SAPmとにより、1μmの分解能で16λm区間の絶対位置を生成する。例えば、図11に示すようにカウンタ機能(タイマー)を備えるマイクロコンピュータ(CPU)73を用いてソフトウエア処理で実現することができる。
【0042】
ここで、演算部17における主要な機能であるλmアドレスAjの検出にかかる基本原理について説明する。
【0043】
この演算部17は、上記第1のゲート回路15から出力される1μm分解能のパルス列SAPmをカウントするパルスカウンタ71と、第2のゲート回路25から出力されるパルス列SAPaをカウントするパルスカウンタ72を備え、該パルスカウンタ71,72の計測値をCPU73に取り込むためのトリガ信号として、パルス幅変調信号PWSm,PWSaのセット入力となる基準信号MODSがタイミング信号生成部18からCPU73への割り込み端子に供給されている。
【0044】
サンプリング時刻tiにおいて、上記(2)式に示す位相量φm(ti)のリセットタイミングに対応した基準信号MODSが入力されると、CPU73が割り込み動作を開始し、パルスカウンタ71で計測された第1のスケール11の波長λm内の絶対位置に対応するデータDm(ti)と、パルスカウンタ72で計測された上記2つの位相変調信号の位相差Δφに対応したパルス列SAPmの計測値ΔD(ti)がCPU73に取り込まれ、RAM74内の所定のメモリ領域に格納される。
【0045】
次に、CPU73は、上記位相差Δφに対応したこれらの計数値の差ΔDをRAM74内の所定の領域に格納するとともに、上記区間パルス数M/16で除算し、その商としてλmアドレスAjを特定し、該求められたAjをλm倍し、さらに、タイミングtiにおけるλm内の絶対値Dm(ti)とを加算し、16λm区間全域に亘る分解能1μmの絶対位置を生成する。
【0046】
このようにして生成された絶対位置は、RAM74内の所定のメモリ領域内に格納するとともに、例えば、測定データとして外部に出力する。
【0047】
ところで、上記の演算部17の動作は理想的な状態で述べたものであり、実際のシステムにおいては検出された信号の不完全さ、例えば、各々の検出ヘッド12,22に重畳するDCのずれ、さらには両チャンネルのヘッドから出力される平衡変調信号の90°位相からのずれ、すなわち、出力の位相ずれ等に起因する検出誤差、すなわち、波長λm内を高分解能で検出する際に発生する内挿誤差を内包しており、これらの内挿誤差がλmアドレスAjの切替え部に重畳するため、λmアドレスのAj判定に誤動作を起こすことがある。
【0048】
ここで、上述のずれと内挿誤差との関係について数式を用いて説明する。
【0049】
本発明の具体的な実施の形態として検出ヘッドとしてMRセンサを用いた場合について説明してきた。周知のごとく、MRセンサにおいてはリソグラフィーを基本としてマスクを製作するため、両チャンネルのヘッドの間隔を波長λに対して正確に90°(λ/4)に設定することができる。
【0050】
したがって、上記に示す誤差要因のうち、「出力の位相ずれ」の影響は無視することができる。
【0051】
以下、説明を簡単にするため、検出ヘッドに重畳するDCのずれと出力レベルのずれによって生ずる内挿誤差について説明する。
【0052】
上述の(1)式及び(2)式に示した位相変調信号は、2チャンネルの検出ヘッドから理想的な信号が得られることを前提にした理論式である。
【0053】
しかしながら、実際のシステムでは各の検出ヘッドに重畳するDCのずれや出力レベルのずれにより、(1)式や(2)式に示すような完全な位相変調信号とのずれを生じ、結果として内挿誤差を生ずる。
【0054】
DCのずれと出力レベルのずれが一般式として、波長λのスケールにおけるCH1検出ヘッド及びCH2検出ヘッドから得られる平衡変調信号を各々e1,e2とすると、平衡変調信号e1,e2は、
e1={A+(1+a)×Sin(2πx/λ)}×Cosωt (6)
e2={B+(1+b)×Cos(2πx/λ)}×Sinωt (7)
ただし、
a:CH1出力の基準値からのずれ、b:CH2出力の基準値からのずれ
A:CH1ヘッドへのDCの重畳、 B:CH2ヘッドへのDCの重畳
となり、式を簡単にするため、2πX/λ=X、ωt=Tとおけば、(6)式及び(7)式は
e1={A+(1+a)×SinX}×CosT (6)’
e2={B+(1+b)×CosX}×SinT (7)’
と表すことができる。
【0055】
次に、単一の誤差要因による場合の内挿誤差パターンについて説明する。
【0056】
ここでは、説明を簡単にするため、DCのみにずれがあった場合と出力レベルのみにずれがあった場合に分けて説明する。
(1)DCのみにずれがあった時(出力レベルのずれはない)
DCのみにずれがあったときの位相変調信号をepm(D)は、(6)’式及び(7)’式において、a=b=0とおいて加算した信号であり、次のように表すことができる。
【0057】
A及びBが1より十分小さいとして近似式を求めると、
ただし、
δ=tan−1(A/B)
θ=tan−1{(A+SinX)/(B+CosX)} (9)
ここで、(8)式の{ }の中は、位相変調信号epm(D)のエンベロープを表しており、基準振幅1に対しXの基準位置から位相がδだけ遅れた振幅が√(A2+B2)のリップルが重畳した、Xに対して一次の成分を有する正弦波状の信号であることが分かる。
【0058】
また、(9)式のθは変位量を表しているので、誤差がないときの理論値{θ=tan−1(SinX/CosX)}から減算すると、位相変調信号が理想からずれた、すなわち、DCのずれがあった時の誤差を表すことになる。
【0059】
今、Xに対して0から2πにわたる1波長内の内挿誤差をΔX(D)とおくと、内挿誤差をΔX(D)は、
ΔX(D)=tan−1{(A+SinX)/(B+CosX)}
−tan−1(SinX/CosX) (10)
であるから、ここで、
α={(A+SinX)/(B+CosX)}、
β=SinX/CosX
とおけば
tan−1α−tan−1β=tan−1{(α−β)/(1+α×β)}ゆえ、
ΔX(D)=tan−1{(A×CosX−B×SinX)/(1+A×SinX+B×CosX)}
となる。さらに、(A×SinX+B×CosX)が1より十分小さいことを考慮してΔX(D)の近似式を求めると、
ΔX(D)=tan−1(A×CosX−B×SinX) (11)
となる。
【0060】
さらに、微小角ではtan{ΔX(D)}=ΔX(D)と近似できる。
【0061】
したがって、DCのみにずれが生じたときの誤差の近似式は次のよう表すことができる。
【0062】
ただし、
γ=tan−1(A/B) (13)
(12)式からも明らかなように、DCのみがずれた時の内挿誤差は、振幅がずれの大きさに比例し、かつ振幅の最大(最小)となる位置が(以下、位相)がずれによって変化するXの1周期、すなわち波長λに対して1周期の正弦波となることがわかる。
【0063】
(2)出力レベルのみにずれがあったとき(DCのずれはない)
出力レベルのみにずれがあったときの位相変調信号epm(G)は、(6)’式及び(7)’において、A=B=0とおいて加算した信号であり、簡単のためa=0とおき、bをCH1側出力に対する変化分とすれば、次のように表すことができる。
【0064】
ここで、bが1より十分小さいとして近似値を求めると、
ただし、
θ’=tan−1{SinX/(1+b)×CosX} (15)
ここで、(14)式の{ }の中は、位相変調信号epm(G)のエンベロープを表しており、基準振幅(1+b/2)に対し、bの符号、すなわち、CH1とCH2の出力の大小関係によって、極性が異なる振幅が(b/2)で、Xに対して2次の成分を有する正弦波状の信号が重畳している事が分かる。
【0065】
また、(15)式のθ’は変位量を表しているので、誤差がないときの理論値{θ=tan−1(SinX/CosX)}から減算すると、位相変調信号の理想からずれた、すなわち、両チャンネルの出力にずれがあった時の内挿誤差を表すことになる、今、Xに対して0から2πにわたる1波長内の内挿誤差をΔX(G)とおくと、内挿誤差ΔX(G)は、
ΔX(G)=tan−1{SinX/(1+b)×CosX}−tan−1(SinX/CosX)
であり、ここで、
α’={SinX/(1+b)×CosX}、
β’=(SinX/CosX)
とおけば、
ΔX(G)=tan−1(α’−β’)/(1+α’×β’)
ゆえ、
となる。
【0066】
さらに、bが1に対して十分小さいときは、tan{ΔX(D)}=ΔX(D)に、分母は1と近似できる。
【0067】
したがって、出力レベルにずれが生じたときの誤差の近似式は次のように表すことができる。
【0068】
ΔX(G)=(−b/2×Cos2X) (17)
(17)式より明らかなように、出力レベルのみにずれが生じた時の内挿誤差ΔX(G)は、その振幅とその極性(出力の大小関係)が、bの絶対値と極性(両チャンネルの出力の大小関係)に比例し、位相が一定で、波長λの1周期に対して2周期の成分を有する正弦波状に変化する信号であることが分かる。
【0069】
単一誤差要因の場合の波長λの1周期内における振動の周期と極大(山)と極小(谷)の現れる位置を次の表2に示してある。この表2から各々の要因に対して独立なことが分かる。
【0070】
【表2】
【0071】
次に、2つ以上の誤差要因が重畳した場合について説明する。
【0072】
同様に、2つ以上の誤差要因が重畳した場合としては、2つのヘッドにDCのずれが発生した場合と、いずれかのヘッドに対するDCのずれと出力レベルのずれが生じた場合である。
【0073】
(1)CH1ヘッドの正負のDCずれ(A>0,A<0)とCH2ヘッドの正負のDCずれ(B>0,B<0)とが重畳する4通りであり、これらが重畳したときの内挿誤差は、波長λに対して1周期の成分を持ち、各々の組合せにより極大(山)と極小(谷)の位置が変化する。簡単のために係数を1とおいた時の内挿誤差の例を図12〜図15に示す。
【0074】
(2)CH1ヘッドの正負のDCずれと出力レベルのずれが重畳する4通りであり、上記同様に係数を1とおいた時の内挿誤差の一例を図16に示す。波長λに対して2周期成分を持つが、一組の極大(山)と極小(谷)の位置が各々の組合せによって変化する。
【0075】
(3)CH2ヘッドの正負のDCずれと出力レベルのずれが重畳する4通りであり、上記同様に係数を1とおいた時の内挿誤差の一例を図17に示す。(2)と同様、波長λに対して2周期の成分を持っており、組合せによって極大(山)と極小(谷)の位置が変化し、かつ、(2)とは独立である。
【0076】
次に、3つ以上の要因が重畳した場合について説明する。
【0077】
3つ以上の誤差要因の重畳としては、出力レベルのずれと2つのヘッドのDCずれが同時に発生した場合である。
【0078】
(1)CH1の出力がCH2の出力より小さい状態で、CH1ヘッド及びCH2ヘッドの正負のDCずれが重畳する4通りであり、図18に内挿誤差の一例を示す。波長λ内にただ1つの極大(山)又は極小(谷)を持ち、その位置が各々の組合せにより変化する。
【0079】
(2)CH1の出力がCH2の出力より大きい状態で、CH1ヘッド及びCH2ヘッドの正負のDCずれが重畳した場合の4通りにおける内挿誤差の一例を図19に示す。上記同様、波λ内にただひとつの極大(山)又は極小(谷)をもち、かつ、上記(2)とは独立である。
【0080】
次の表3は、2つ以上の誤差要因による内挿誤差の周期と、極大(山)と(谷)の位置を一覧表に示したものである。
【0081】
【表3】
【0082】
以上より、位相変調信号が理想状態からずれたときには、位相変調信号のエンベロープに対し、ずれの要因に応じて固有の周期と位相を持つリップル成分が重畳し、かつ、ずれの要因に固有な周期と位相をもつ内挿誤差が発生することが分かる。
【0083】
これらからも明らかなように、λmアドレスAjの切替え部は第1のスケール11の波長λmの整数倍に対応した位置であるが、第2のスケール21の波長λaに対しては、λmアドレスAjごとに、波長λaの1/16の整数倍ずつずれた位置に対応しているため、λmアドレス切替え部において検出されるΔφには、第2のスケール21の波長λaの内挿誤差が重畳するため位相差Δφの逆転現象が生じ、上記表1に示した関係をもとに、単純に検出されたΔφを区間位相量φZ(=2π/16)に対する商を求めるだけでは、λmアドレスAjの検出に誤動作を生じることになる。
【0084】
図20は、第2のスケール21のCH1検出ヘッド及びCH2検出ヘッドに正方向のDCのずれが生じた時、すなわち、(12)式に示す内挿誤差を波長λaの1周期にわたってプロットしたものであり、次の表4は、内挿誤差が重畳するλmアドレスAjとの対応関係を示したものである。
【0085】
【表4】
【0086】
次に、本発明において適用される実際のシステム、すなわち、内挿誤差が発生した場合でも正しくλmアドレスAjを検出可能とする演算部17の構成及び動作について詳細に説明する。
【0087】
先ず、図21を参考にしながら、本発明におけるλmアドレスAjの確定にかかる基本的な原理を説明する。
【0088】
(1)λmアドレスAjの切替え部、すなわち、λmの両端部において検出される位相差Δφは、第2のスケール21の波長λaの内挿誤差Ieaに対応して位相量φieaだけ変動する。したがって、実際にはλmアドレスAjがjとして検出されるべきものが、その前後、すなわち、j−1又はj+1として検出される可能性がある。
【0089】
(2)しかしながら、上記誤検出される可能性を有する領域に対し、さらに第1のスケールにおける内挿誤差Iemに対応する位相量φiemだけ内側の領域においては、内挿誤差の影響を受けず、λmアドレスAjを一義的に決定できる領域がある。
【0090】
(3)さらに、上記(1)においても、第1のスケールにおいて検出された位相φmが、波長λm内のどの位置に属するかを、例えば、λmの中央値λm/2に対して左側(x≦λm/2)にあるか、又は右側(x>λm/2)に位置するかの判定条件を加え、該判定結果をもとに補正することにより、正しくλmアドレス(Aj)を判定できる。
【0091】
すなわち、λmアドレスAjの切替え部において、λmアドレス(Aj)の判定領域にヒステリシスを持たせ、該ヒステリシス領域内においては、第1のスケールλmの位置による判定条件を付加することにより、内挿誤差の影響を受けず誤動作のないλmアドレスAjの検出が実現できる。
【0092】
次に、本発明におけるλmアドレスAjの切替え部に付与すべきヒステリシス及びその他の判定条件の設定について、具体的な数値を適用し説明する。
【0093】
上述のように、位相差Δφはパルス数ΔDとして検出され、区間位相量φZ(=2π/16)は区間パルス数ND(=64)に対応している。
【0094】
第1のスケール及び第2のスケールの波長が略等しいので、システムにおいて想定される内挿誤差が略等しいとして、その振幅をIeとすれば、内挿誤差に対応する位相量φie及びパルス数Dieは次のように表すことができる。
【0095】
φie=2π×(Ie/λm) (17)
Die=M×φi/2π=1,024×(Ie/λm) (18)
すなわち、λmアドレス(Aj)の切替え部においては、パルス数ΔDはDieずつ変動する可能性がある。
【0096】
ここで、波長λに対する内挿誤差率Ie/λmは通常1%程度であり、そのときのDieは、(18)式から約10パルスであり、λmアドレスAjの切替え部においては、第2のスケールλaの内挿誤差により、区間パルス数ND(=64)に対して±10パルスの変動が生ずると考えることができる。さらに、第1のスケール11における内挿誤差の影響に伴うパルス数Dieも10パルスとすれば、この値を加えた区間パルス数ND(=64)に対して±20パルス分内側の領域、すなわち、パルス数ΔDが20以上(=0+20)から44未満(=64−20)の区間は、内挿誤差の影響を受けず一義的にλmアドレスAjを決定できる領域(以下、無条件判別領域)である。
【0097】
また、上記無条件判別領域の外側、すなわち、ΔDが0以上20未満の下側領域及びΔDが44以上64未満の上端領域においては、第1のスケールにおいて検出される位相量φmが、λmの中間値、すなわち、Dmが512パルス(1,024/2)位置を基準にして大小を判別する条件を付加し、該判定結果に応じて仮決定されたλmアドレスAjを補正すれば良い。
【0098】
次に、図22に示す処理フローに従い、本発明におけるλmアドレス(Aj)の判定手順を説明する。
【0099】
先ず、最初のステップS1では、サンプリング時刻tiにおいて、基準信号MODSが入力されると、CPU73が割り込み動作を開始し、上記第1のパルスカウンタ71の計数値Dm(ti)及び第2のパルスカウンタ72の計数値ΔD(ti)を取り込み、RAM74の所定のメモリ領域に格納する。
【0100】
次のステップS2において、CPU73は、上記ΔDを区間パルス数NZ(=64)で除算し、商jをλmアドレスの候補として、また、剰余Resをλmアドレス確定用のデータとしてRAM74の所定のメモリ領域に格納する。
【0101】
次のステップS3において、CPU73は、剰余Resの値に応じて3つの領域に分別し、次の判定処理によりλmアドレスAjを確定する。
【0102】
すなわち、0≦Res<20のときには(ステップS41)、Dm(ti)が中央値512を超えているか否かについての判定を行う(ステップS51)。
【0103】
そして、このステップS51における判定結果が”Yes”すなわちDm(ti)≧512である場合は、上記ステップS2において算出された商jから1を減算し、この値をλmアドレスAjとし(ステップS61)、また、判定結果が”No”すなわちDm(ti)<512である場合には、上記ステップS2で検出されたAjをそのままλmアドレスAjとする(ステップS62)。
【0104】
また、20≦Res<44のときには(ステップS42)、ステップS2で検出された商jをそのままλmアドレスAjとする(ステップS62)。
【0105】
さらに、44≦Res<64のときには(ステップS43)、Dm(ti)が中央値512より小さいか否かについて判定を行う。
【0106】
そして、このステップS53における判定結果が”Yes”すなわちDm(ti)<512である場合には、上記ステップS2において算出された商jに1を加算し、この値をλmアドレスAjとし(ステップS63)、また、判定結果が”No”すなわちDm(ti)≧512である場合は、上記ステップS2で検出されたAjをそのままλmアドレスAjとする(ステップS62)。
【0107】
次のステップS7では、上記の手順によってλmアドレスAjを確定した後、CPU73はλmアドレスAjに波長λmを乗じたのち、上記Dm(ti)と加算し、時刻tiにおける16λm区間内における絶対位置X(ti)を生成する。
【0108】
以下、サンプリング時刻ごとに同様の手順(S1〜S7)を繰り返し、16λm区間内における絶対位置を求める。また、生成された絶対位置X(ti)は、例えば表示として利用する、又は測定データとして外部のシステムに出力するなど、必要に応じて利用できる。
【0109】
ところで、本発明に係る位相検出型のアブソリュートエンコーダ100では、λmアドレス切替え部にあらかじめシステムに想定される内挿誤差を見越した判定ゾーンを設け、上記λmアドレスAjの検出に伴う誤動作を防いでいる。
【0110】
しかしながら、出荷時においては高精度であっても、例えば、構成部品の劣化や調整状態の変化などにより内挿誤差が悪化し、あらかじめ想定した内挿誤差の見積量を超え、結果としてλmアドレスAjの検出に誤差を生じる。
【0111】
さらには、これらの内挿誤差を多めに見積もると上記Nを大きくできず、結果としてアブソリュートで計測区間が狭まる等の問題がある。
【0112】
そこで、このアブソリュートエンコーダ100では、内挿誤差の劣化等を監視し、必要に応じて自動調整機能を起動することによって内挿誤差を常に適正なレベル以下に保つことを保証し、上記Nとして大きな値を設定可能とし、もって高精度かつ広いアブソリュート計測区間の実現を可能としている。
【0113】
ここで、このアブソリュートエンコーダ100における内挿誤差の監視及び自動調整ついて説明する。
【0114】
すなわち、このアブソリュートエンコーダ100は、例えば、図23に示すような構成のλaパルス生成部16を備える。このλaパルス生成部16は、上記第2の変位量検出部23から位相変調信号epaが波形整形回路61を介して供給されるD型フリップフロップ62と、このD型フリップフロップ62の出力が入力される同期微分回路63とを備え、上記タイミング信号生成部18から基準信号MODSがD型フリップフロップ62に供給されるとともに、クロックパルスM×fが同期微分回路63に供給されている。そして、このλaパルス生成部16から出力されるλaパルスが、図11に示した演算部17のCPU73に入力されており、必要に応じてCPU73に対する割り込み信号として機能する。また、上記演算部17のRAM74の一部は、不揮発メモリで構成されている。
【0115】
次に、上記に示す内挿誤差の監視と自動調整の実現にかかる基本的な原理について説明する。
【0116】
一般に、第1のスケール11及び第2のスケール21の目盛り(波長)は光波干渉計を基準として形成(記録)するため極めて高精度である。また、上記12式あるいは17式からも明らかなように、Xの周期、すなわち、波長λaの移動ごとに発生するλaパルスのピッチは、たとえDCのずれや出力レベルのずれに拘わらず常に一定の値となる。
【0117】
2)図1に示す第1のλパルス生成部16は、アブソリュート計測区間において、第2のスケール21の波長λaの移動毎にλaパルスを生成し、アブソリュート計測区間における移動に伴って17ヶのλaパルスを発生する。ここで、第2のスケール21の波長λaの各アドレス毎に発生するλaパルスを特定するため、λaアドレス(Ak)がkからk+1に変化するとき発生するλaパルスをλa(k)と表すことにすれば、λaパルス(λa(k))の発生位置に対応する第1のスケール11の波長λm内の位置は(16−k)×λm/17となる。
【0118】
次に、各スケール11,21の記録条件が一定であり、スケール素材が一定の品質を保っていれば、比較的狭い範囲、例えば、アブソリュート計測区間における各波長内の内挿誤差は類似性を有すると考えられる。
【0119】
したがって、上記アブソリュート計測区間に亘る移動に際して正確なピッチで発生する17ヶのλaパルス(λa(k))は、第1のスケール11の1波長内をλm/17ピッチでサンプルしたことに相当する。
【0120】
ここで、次の表5はλaパルス(λa(k))によってサンプリングされる波長λm内の位置(16−k)×λm/17と該位置に対応するパルス数の理論値Dmt(k)を示したものであり、実際には各々のスケールにおける内挿誤差によりずれを生ずる。
【0121】
【表5】
【0122】
したがって、実際に計測された値と、上記表5に示す理論値との差異を検出することにより、各スケール11,21における内挿誤差を測定したことになる。
【0123】
ところで、この実施の形態においては、第1のスケール11の波長λm内を17回サンプリングしており、上述のようにDCのずれや出力レベルのずれによって発生する内挿誤差の周期は、波長λに対して最大でも2周期成分しか含まない。したがって、サンプリング定理からも明らかなように、これらの要因に伴う内挿誤差を完全に評価できる。
【0124】
次に、このアブソリュートエンコーダ100における内挿誤差の監視と自動調整にかかる具体的な方法について説明する。
【0125】
内挿誤差の自動調整を行う場合、適切なタイミングで内挿誤差の監視を行い、該監視結果を所定の判定値と比較して自動調整を起動し、当該製品として許容する内挿誤差を維持するように構成する必要がある。
【0126】
1)「内挿誤差の規格値」の設定
既に述べたとおり、波長λに対する内挿誤差の比率(Ie/λ)は通常1%程度である。したがって、上記の値より大きく、かつ製品として許容し得る内挿誤差の規格値Irとして、例えば2%に設定すれば内挿誤差の規格値Irは0.002×λとなり、この実施の形態では例えば20μmと設定することができる。
【0127】
この内挿誤差の規格値Irを演算部17のRAM74内の所定の不揮発領域に格納し、内挿誤差の監視時等に参照できるようにすればよいが、演算処理の面からは分解能単位のパルス数Drとして格納するのが好都合である。
【0128】
2)出荷時における内挿誤差の取得
上述のように、製品に許容する「内挿誤差の規格値Ir」を自動調整起動に際しての判定値とすることができる。
【0129】
しかしながら、同一の製品であっても個々の製品毎に内挿誤差の様子が異なること、さらには、経時的な変化を監視し、該監視結果に基づいて自動調整機能を起動することによって常に最良の精度を維持するという観点からは、当該製品の最良状態と想定される出荷時における内挿誤差を取得し、該取得された内挿誤差に所定のマージンを上乗せした値を判定値と設定する方が好都合な場合もある。
【0130】
以下、生産工程あるいは出荷時において実施される内挿誤差の取得について説明する。
【0131】
手順11 第1のスケール11における最適な電気調整が終了した時点で、演算部17の制御入力に所定の信号を与え「内挿誤差保存モード」を起動する。この内挿誤差保存モードにおいては、例えば、λaパルスλa(k)によってCPU73に割り込みをかけ、パルスカウンタ72の計数値、すなわち、上記λaパルスλa(k)に対応する波長λm内の絶対値を読込むように構成するのが好都合である。
【0132】
手順12 上記λaパルスλa(k)に対応する第1のスケール11の波長λm内の理論的な絶対位置、すなわち、(16−k)×λm/17に対応するパルスカウンタ71の計数値Dm(k)を取り込む。
【0133】
手順13 次に、パルスカウンタ72の計数値ΔD(k)を取り込み、上述のλmアドレス特定手順に準じて、上記λa(k)が発生したλaアドレスkを特定し、該特定されたkを用いて上記λa(k)に対応する波長λm内の位置、すなわち、(16−k)×λm/17位置における理論値Dmt(k)との差として該位置における内挿誤差Ies(k)を計測し、アドレスkをインデックスとして、不揮発メモリの所定の領域(以下、出荷時内挿誤差テーブルTis(k))に格納する。
【0134】
手順14 上記の手順11〜手順13を、全てのλa(k)、すなわち、k=0〜16まで繰り返し、波長λm内の全域に亘って、λm/17単位の内挿誤差を取得し、出荷時内挿誤差テーブルTis(k)に格納する。
【0135】
もし、上記によって計測された内挿誤差が製品に許容すべき内挿誤差Irより大きいときは、再度電気調整をやり直した上で上記手順11〜手順14を繰り返す。
【0136】
ここで、λaアドレスの特定は、λmとλaとの関係を入れ換え、かつλaアドレスの1区間に対応するパルス数をM/17(約60)とし、さらに、上記Dm(k)とΔD(k)とを加算することによって、波長λa内の絶対値Da(k)を求めることにより、上述のλmアドレスと同様の手順でλaアドレスを特定することができるが、該λa(k)パルスが入力されたときの波長λmのN倍区間における絶対位置X(k)を求め、該X(k)をλaで除算する等の方法で実現できる。
【0137】
3)内挿誤差の監視
内挿誤差の監視は、通常ユーザ側において実施され、例えば、ユーザがキーボード等を介し、又は、電源投入時に自動的に「内挿誤差監視モード」を起動し、あらかじめ、当該製品の内挿誤差の規格値Irもしくは出荷時に取得され出荷時内挿誤差テーブルTis(k)に格納された値Ies(k)に所定のマージンを持たせた値Iec(k)を、RAM74内の所定の領域に設けた内挿誤差判定値テーブルTic(k)に格納し、波長λm内の所定の位置(λm/17ピッチ)毎の判定値とするように構成するのが好都合である。また、このモードにおいては、規準信号MODSでの割り込みによる通常の絶対位置計測と、λaパルスでの割り込みによる内挿誤差監視とが同時並行的に実行するように構成するのが好都合であり、本発明の主旨を逸脱しない範囲で自由に選択することができる。
【0138】
ここでは、説明を簡単にするため内挿誤差の監視機能についてのみ説明する。
【0139】
手順21 演算部17にλa(k)が入力されると、CPU73は割り込み動作を開始し、パルスカウンタ71の計数値Dm(k)を取り込み、RAM74の一時記憶領域に保存する。
【0140】
手順22 同時に、パルスカウンタ72の計数値ΔD(k)を取り込み、λaアドレスkを特定し、該特定されたkを用いて上記λa(k)に対応する波長λm内の位置、すなわち、(16−k)×λm/17位置における理論値Dt(k)との差として該位置における内挿誤差Ie(k)を検出し、アドレスkをインデックスとして所定の領域(以下、監視時内挿誤差テーブルTi(k))に格納する。
【0141】
手順23 次に、該計測された内挿誤差Ie(k)を、RAM74の内挿誤差判定値テーブルTic(k)内の所定の領域に格納された内挿誤差の判定値Iec(k)と比較し、該規格値を超えた時は、上記監視時内挿誤差テーブルTi(k)の対応する位置に内挿誤差エラーEr(k)を書き込む。
【0142】
手順24 上記の手順21〜手順23を、全(すべ)てのλa(k)に対して実行し、波長λin内におけるλm/17単位のすべての位置における内挿誤差Ie(k)及び内挿誤差エラーEr(k)を計測し、それらの結果を監視時内挿誤差テーブルTi(k)に格納する。
【0143】
4)内挿誤差エラーの判定
上記3)の内挿誤差の監視において計測されたIe(k)を内挿誤差判定値Iec(k)と比較し、最初の内挿誤差エラーEr(k)が検出された時点で直ちに内挿誤差が判定値を超過したものと判定し、直ちに警報信号を出力することもできる。しかしながら、ただ1回の内挿誤エラーEr(k)のみで判定すると、例えばノイズ等による一時的な反応と混同し、過剰な警報信号となり得る。また、後述のように、通常、内挿誤差は波長λ内において1周期若しくは2周期で振動する信号である。
【0144】
したがって、次のように判定することにより、誤動作のない確実な内挿誤差エラーの判定が可能となる。
【0145】
波長λmの1周期内で発生した内挿誤差エラーEr(k)の個数を計数し、その個数に応じて次の処理を行う。
【0146】
処理1 1箇所のみで発生した時は、次のサイクルにおいても同じ位置、すなわち、同一のλa(k)で内挿誤差エラーEr(k)された場合のみ、内挿誤差エラーが発生したものと判定する。
【0147】
処理2 波長λm内の2箇所以上で内挿誤差エラーEr(k)発生した時は、無条件に内挿誤差エラーが発生したものと判定する。
5)内挿誤差要因の特定
内挿誤差エラーと判定されると、CPU73は、該誤差要因を補正する電子ボリュームDC1,DC2,GAJに適切な調整信号ADJを与えるための前準備としての誤差要因の特定処理を開始する。
【0148】
誤差要因の特定方法としては、波長λaの1周期にわたって検出され、監視時内挿誤差テーブルTi(k)に格納された内挿誤差Ie(k)をフーリエ解析によって分析し、波長λmに対する1周期若しくは2周期成分のレベルと位相とに分解することにより誤差要因を特定することもできる。
【0149】
しかしながら、誤差の要因が極めて限られていること、また、表2にも示すごとく、波長λ内における内挿誤差の周期と位相は各々の誤差要因に対して独立なパターンを有することを利用し、波長λ内において検出された内挿誤差の周期と、該内挿誤差の極大(山)となる位置と極小(谷)となる位置のとの関係を利用し、所定の判定ルールに照らして誤差要因を特定するのがコスト的な面や処理速度の面からも好都合である。
【0150】
図24は、誤差要因の特定に関する手順を示したものであり、以下詳細に説明する。
【0151】
先ず、Er(k)の発生した位置に対し、kの降順、すなわち、波長λm内の0側から内挿誤差Ie(k)を検査し、符号を考慮して最大の内挿誤差Ie(k)maxが検出されたλa(k)max及び最小の内挿誤差Ie(k)minが検出されたλa(k)minを探す(ステップS11)。
【0152】
次に、最大の内挿誤差Ie(k)maxが検出されたλa(k)max及び最小の内挿誤差Ie(k)minが検出されたλa(k)minから波長λk内の位置を求め、第1の極大値(山)及び第1の極小値(谷)としてRAM74の所定の記憶領域に記憶する(ステップS12)。ここで、λa(k)に対応する第1のスケール11の波長λm内の位置は(16−k)×λm/17として求まることは既に述べたとおりである。
【0153】
次に、上記ステップS12で検出された第1の極大値(山)と第1の極小値(谷)の数を判定する(ステップS13)。
【0154】
そして、第1の極大(山)と第1の極小値(谷)が各々1箇ずつ検出された時はステップS14に移り、また、第1の極大(山)すなわちIe(k)max若しくは第1の極小(谷)すなわちIe(k)minのいずれかしか検出されなかった時は、3要因によるものと判定してステップS22に移る。
【0155】
次のステップS14では、上記Ie(k)max及びIe(k)minを除く位置で、2番目に大きな内挿誤差Ie(k)max2が検出された第2の極大値(山)と2番目に小さい内挿誤差Ie(k)min2が検出された第2の極小値(谷)を探す。そして、第2の極大値(山)及び第2の極小値(谷)の位置を求め(ステップS15)、その有無と数を判定し(ステップS16)、次の処理を行う。
【0156】
すなわち、上記Ie(k)max2とIe(k)min2のいずれも検出されなかった時は、1周期成分、すなわち、DCのずれのみと判定し、上記RAM74に格納されている第1の極大値(山)と第1の極小値(谷)の値を表2及び表3のルールを用いて分析し、DCの重畳しているヘッドの数(単独若しくは両方)と帯磁の方向(A及びB符号)を判定する(ステップS17)。
【0157】
また、Ie(k)max2とIe(k)min2が検出された時、すなわち、2周期成分が検出された時は、該検出された第2の極大値(山)及び第2の極小値(谷)をRAM74の所定の記憶領域に格納し、上記RAM74に格納されているこれら2組の極大値と極小値の大小関係を判定し(ステップS18)、その判定結果に基づいて、単独要因によるものか、2つの要因によるものかを判定する(ステップS19)。
【0158】
ステップS20では、Ie(k)maxとIe(k)max2及びIe(k)minとIe(k)min2のレベルに明らかな差が認められるときに、片側のヘッドのDCずれと出力レベルのずれが重畳しているものと判断し、上記RAM74に格納されている第1の極大値(山)と極小値(谷)の位置を表3に示すルールを用いて分析し、帯磁しているヘッド(A又はB)とずれの方向(正負)及び出力レベルのずれの方向(bの符号)を特定する。
【0159】
ステップS21では、Ie(k)maxとIe(k)max2及びIe(k)minとIe(k)min2のレベル、すなわち内挿誤が略等しいときに、CH1出力レベルとCH2出力レベルのずれによる要因と判定し、上記2組の極大値(山)及び極小値(谷)を表2のルールを用いて分析し、出力レベルの大小関係、すなわち、誤差要因b符号を特定する。
【0160】
ステップS22では、Ie(k)max(極大(山))若しくはIe(k)min(極小(谷))のいずれかしか検出できなかった時に、両チャンネルのヘッドのDCずれと出力レベルのずれとその方向(A,B,bの極性)を特定する。
【0161】
そして、以上の手順により特定された誤差要因(A,B,b)と、該ずれの方向(正負)とをRAM74の所定の記憶領域に格納した後(ステップS23)、警報信号を出力する(ステップS24)。
【0162】
ところで、今までの説明においては、理解を容易にするため、2チャンネルのヘッドのDCずれに関してはずれの絶対値を等しいものとして説明した。
【0163】
しかしながら、実際にはずれの絶対値が等しくならないことの方が多く、その場合においては、上述の(13)式からも明らかなように、極大値(山)と極小値(谷)の位置がλ/8(π/4)単位の位置とずれることがあり、その前後、例えば、本事例におけるごとく波長λ/16単位でサンプルしている場合についてはその前後において極大(山)と極小(谷)が検出されることを考慮する必要がある。
【0164】
また、この実施の形態では、表3を波長λ間を16分割したテーブルで示したが、17分割し、端数を丸めた値として計算し、該丸めた位置における極大(山)又は極小(谷)を理論的に算出し、その値を比較のためのテーブルとすれば良い。
【0165】
5)自動調整
警報信号が出力されると、システムは「自動調整モード」を起動し、上記の特定された誤差要因の情報をもとに自動調整を開始することができる。
【0166】
「自動調整モード」への移行方法としては、例えば、警報信号の出力と連動して自動的に移行する方法や、ユーザや他の機器等が警報信号の出力されたことを認識し、キーボードや外部からの指令信号等を介して起動する等の方法があり、必要に応じて選択すればよい。
【0167】
基本的には、上述のごとく誤差要因とそのずれの方向が明らかとなっているため、その要因を特定し、CPU73から調整信号ADJを与え、該要因を打ち消す方向に電子ボリュームDC1、DC2、GAJを制御すれば良い。
【0168】
以下、「自動調整モード」が起動された時の自動調整の処理について説明する。
【0169】
なお、実際の調整動作においては、調整時における内挿誤差を格納する一次記憶用のテーブル領域を確保しておく必要があるが、説明を簡単にするため省略する。
【0170】
自動調整の処理は、原理的に次の手順31〜手順35にしたがって実行される。
【0171】
手順31 「自動調整モード」が起動されると、CPU73は上記誤差要因を格納しているRAM74を参照し、該誤差要因から調整対象とすべき電子ボリュームDC1,DC2,GAJを特定し、調整信号ADJの選択信号SLTにより選択指定される該電子ボリュームに選択信号CS1,CS、CS3を供給する。
【0172】
手順32 次に、上記RAM74からずれの方向を参照し、該ずれの方向を補整する向きに電子ボリュームDC1,DC2,GAJのワイパー位置を可変するワイパー制御信号(U/D,INC)を与える。
【0173】
手順33 しかる後、該誤差要因において特定される極大(山)位置における内挿誤差Ie(k)maxと極小(谷)位置における内挿誤差Ie(k)minを計測する。そして、該位置における内挿誤差が低減する方向に変化していれば、該検出された内挿誤差を出荷時の内挿誤差テーブルTis(k)に格納されている値と比較し、その差異が最小になるまで上記手順32を繰り返す。また、検出された内挿誤差が増加する方向へ変化している時は、上記電子ボリュームのワイパーを反対方向へ移動する向きにワイパー制御信号を与え、該検出された内挿誤差を出荷時における内挿誤差テーブルTis(k)と比較し、その差異が最小になるまで上記手順32を繰り返す。
【0174】
手順34 上記の手順31〜手順33により、最良の調整状態における内挿誤差が出荷時の内挿誤差Ies(k)を再現できたら終了信号を出力し、「自動調整モード」を終了する。
【0175】
以上、自動調整の基本的な処理について説明した。しかしながら、実際には、複数の誤差要因が重畳する場合もあり、調整の順序等も考慮する必要がある。この場合は、誤差パターンの特性を顧慮して、次のような順序で調整するのが好都合である。
【0176】
(a)DCのずれと出力レベルのずれか重畳している場合は、最初にDCのずれを調整し、第1の極大値(山)における内挿誤差Ie(k)maxと第2の極大値(山)における内挿誤差Ie(k)max2(又は、第1の極小値(谷)における内挿誤差Ie(k)minと第2の極小値における内挿誤差Ie(k)min2における差異を最小にするように調整した後、出力レベルの調整に移るのが好都合である。
【0177】
(b)2チャンネルのDCずれと出力レベルのずれが重畳している場合においては、先ず、出力レベルの調整を行い、DGのずれによる内挿誤差パターンを再現した後、波長λに対する1周期の成分とし、しかる後、極大点の位相からDCずれの大きい側のヘッドを特定して調整し、最後にDCずれの小さいほるのヘッドのDCずれを調整するのが好都合である。
【0178】
また、これら複数の要因が重畳している場合には、最良状態に調整でき、かつ、調整された結果が規格値を満足できた場合においても必ずしも出荷時における内挿誤差Ies(k)のパターン、例えば、誤差の周期や(山)と極小(谷)の位置等が一致しない場合もあり得る。
【0179】
この場合は、最良状態に調整した時点での内挿誤差を次回に自動調整が起動された時の判定基準とする、例えば、出荷時内挿誤差テーブルTis(k)の内容を、上記最良調整状態での内挿誤差テーブルTi(k)の値で書き換え、次回はこの値を基準として調整するなど、本発明の主旨を逸脱しない範囲で自由に対応できる。
【0180】
本発明の具体的な実施の形態として、所望の分解能Rを1μm得るために、第1のスケール11の波長λmを所望の分解能1μmの1,024倍とし、位相変調信号のキャリア周波数fの1,024(M=1,024)倍のクロックパルスを用いて内挿するとともに、第1スケール11の波長λmの16倍区間(N=16)の絶対位置を検出するため、第1のスケール11の波長λmと第2のスケール21の波長λaとの関係を16×λm=17×入aなる2進系列の数値を設定した事例について説明した。
【0181】
しかしながら、上述のごとく、所望の分解能λm/Mを得るため第1のスケールの波長λm及び設計条件M、Nは10進系列の値、例えば、λm=l,000、M=1000、N=20のよう設定し得ることは言うまでもない。
【0182】
また、本実施例において、第1のスケールと第2のスケールの位相差Δφを第2の位相比較部24を用いて直接算出している。
【0183】
しかしながら、第1の位相比較部14におけるごとく、第2の位相比較部24においても、位相変調信号epaと上記基準信号との位相比較により第2のスケール21の波長λa内の絶対位置として検出し、該位相差をφa(ti)として検出した後、第2のゲート回路25及びパルスカウンタ72を介してパルス数Da(ti)として検出し、演算部17により演算処理ΔD=Da(ti)−Dm(ti)として検出できることは言うまでもない。
【0184】
また、本発明においては、測尺の基準となる第1のスケール11、すなわち、第1の変位量検出部13のみを調整する例を説明したが、図1において破線で示したごとく、第1の変位量検出部13からの出力と基準信号を供給して第2のλパルス生成部26から出力されるλmパルスを用い、第2の変位量検出部23の自動調整を行うように構成することもできる。
【0185】
さらに、内挿誤差の監視においても、システムに電源が投入された時点、あるいはタイマー等により定期的なタイミングで監視を起動するなど、本発明の主旨を逸脱しない範囲で様々な方法が適用できる。
【0186】
また、自動調整の開始においても、警報信号の出力とともに自動的に調整モードを起動するだけでなく、例えば、ユーザは外部からの制御信号を入力した時点で自動調整を起動するなど、様々な態様に適用可能である。
【0187】
さらに、上述の実施の形態においては磁気式について説明したが、本発明は、磁気式に制約されることなく、例えば光学方式のごとくスケールとヘッドとの相対移動に対応した2チャンネルの直交する正弦波信号が出力されるようなシステムにおいても、該検出された2相の正弦波信号を、キャリア周波数fの信号で直交変調した後加算することにより、位相変調信号を取り出すようにすれば同様に適用できる。
【0188】
さらに、本発明においてはリニアエンコーダヘの適用について説明したが、繰り返し区間を円周長と一致させることにより回転量のアブソリュート検出にも適用可能である。
【0189】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、トラック数が少ないため、システムの構造が簡単になり、小型・低コストで絶対位置検出システムを実現できる。
【0190】
また、位相変調信号を用いた位置検出システムのため、該位相変調信号のキャリア周波数fに対し、クロックパルスの周波数M×fを高く、すなわち、Mを大きくするだけで容易に高分 解能を実現することができる。また、交流結合方式のため、例えば、差動トランス方式におけるようなDCドリフトの影響を受けないため、ウオームアップなしで直ちに測定できる。さらに、差動トランス方式においては出力レベルの変動が直ちに誤差の要因となるが、本方式においては、たとえ2チャンネルの検出ヘッドからの出力レベルが変化しても、出力の比が変動しない限り誤差の要因とならず、安定かつ高精度なリニアエンコーダを実現できる。
【0191】
また、他の計測システムの助けを借りることなく、本システム単独で内挿誤差を監視することができるだけでなく、計測された内挿誤差を分析し、該内挿誤差の発生要因を特定することができる。
【0192】
したがって、内挿誤差が所定のレベルを超えた時点で警報信号を出力することができるだけでなく、警報信号を検出して時点で自立的若しくは外部の制御信号の指令により自動調整を実行することができるため、取付け状態の変化や部品の劣化等に起因する内挿誤差の悪化を事前に検出し補正することができ、長期間にわたって高精度な検出が実現できる。
【0193】
さらに、内挿誤差を所定のレベルに維持することが可能なため、内挿誤差に起因するλアドレスの誤動作を防ぐために設定したλアドレスの切替え領域における判定ゾーンを最小に設定でき、結果としてNを大きく選ぶことができ、アブソリュート計測範囲を拡大することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るアブソリュートエンコーダの構成を示すブロック図である。
【図2】上記アブソリュートエンコーダにおける第1の変位量検出部の構成を示すブロック図である。
【図3】上記アブソリュートエンコーダにおける検出ヘッドを構成するMRセンサの構成例を示す図である。
【図4】上記第1の変位量検出部に備えられる加算増幅器の構成例を示す図である。
【図5】上記第1の変位量検出部に備えられる電子ボリュームの構成例を示す図である。
【図6】上記第1の変位量検出部に備えられる調整信号制御回路の構成例を示す図である。
【図7】上記アブソリュートエンコーダにおける第1の位相比較部の構成を示すブロック図である。
【図8】上記第1の位相比較部の動作タイミングを示す図である。
【図9】アブソリュート計測区間において第1の変位量検出回路で検出された位相量φmと、第2の変位量検出回路で検出された位相量φaとの関係を示す図である。
【図10】第1の変位量検出部で検出された位相量φmと、φaとφmとの位相差Δφ(=φa−φm)との関係を示す図である。
【図11】演算部の構成例を示すブロック図である。
【図12】CH1ヘッド及びCH2ヘッドの正負のDCずれが重畳した内挿誤差の一例を示す図である。
【図13】CH1ヘッド及びCH2ヘッドの正負のDCずれが重畳した内挿誤差の一例を示す図である。
【図14】CH1ヘッド及びCH2ヘッドの正負のDCずれが重畳した内挿誤差の一例を示す図である。
【図15】CH1ヘッド及びCH2ヘッドの正負のDCずれが重畳した内挿誤差の一例を示す図である。
【図16】CH1ヘッド及びCH2ヘッドの正負のDCずれが重畳した内挿誤差の一例を示す図である。
【図17】CH1ヘッド及びCH2ヘッドの正負のDCずれが重畳した内挿誤差の一例を示す図である。
【図18】CH1ヘッド及びCH2ヘッドの正負のDCずれが重畳した内挿誤差の一例を示す図である。
【図19】CH1ヘッド及びCH2ヘッドの正負のDCずれが重畳した内挿誤差の一例を示す図である。
【図20】DC偏倚が乗じたときの第1のスケールの内挿誤差ΔXの例を示す図である。
【図21】λmアドレスAjの確定にかかる基本的な考え方を説明する図である。
【図22】λmアドレスAjの判定手順を示すフローチャートである。
【図23】上記アブソリュートエンコーダに備えれるλパルス生成部の構成例を示すブロック図である。
【図24】誤差要因の特定に関する手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
11 第1のスケール、12A,12B MRセンサ、12 第1の検出ヘッド、12A1,12A2,12A3,12A4,12B1,12B2,12B3,12B4 MR素子、13 第1の変位量検出部、14 第1の位相比較部、15 第1のゲート回路、17 演算部、18 タイミング信号生成部、21 第2のスケール、22 第2の検出ヘッド、23 第2の変位量検出部、24 第2の位相比較部、25 第2のゲート回路、31,32 乗算器、33 加算増幅器、34 調整信号制御回路、34A デコーダ、41 波形整形回路、42,43 第1及び第2の同期微分回路、44 JKフリップフロップ、61 波形整形回路、62 D型フリップフロップ、63 同期微分回路、71,72パルスカウンタ、73 CPU、74 RAM、91 アップダウンカウンタ、92 ポジションデコーダ、93 可変抵抗器、DC1,DC2,GAJ 電子ボリューム、100 アブソリュートエンコーダ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention is used for dimensional measurement in the industrial machinery field, for example, measurement of adhesion and parallelism of mold press dies, measurement and control of rolling amount in a roll rolling mill, and measurement of part dimensions in production / assembly factories, etc. It is related to the absolute encoder that has been used favorably.
[0002]
[Prior art]
A first modulation circuit that outputs a phase modulation signal whose phase repeatedly changes in response to a relative displacement between a first scale having a predetermined wavelength λm and a first detection head that detects a signal of the first scale. The phase repeatedly changes in response to the relative displacement between the second detecting head for detecting the second scale and the second scale having a wavelength λa different from the first scale and the second scale head for detecting the signal of the second scale. A second detection unit that outputs a phase modulation signal; and a phase comparison circuit that compares a phase difference between signals obtained from the first detection unit and the second detection unit. A signal whose phase changes corresponding to a signal having a wavelength sufficiently longer than the wavelengths of the first scale and the second scale is obtained, the first scale and the second scale, the first detection head, Relative position with the second detection head Japanese Patent Publication No. 50-23618 discloses a measuring device for detecting the above.
[0003]
In this measuring device, the phase modulation signal epm obtained from the first detection means and the phase modulation signal epa obtained from the second detection means can be expressed by the following equations.
[0004]
epm = Ep1 × Sin (2πft + 2πX / λm)
epa = Ep2 × Sin (2πft + 2πX / λa)
Further, when the relationship between the wavelengths λm and λa is selected as, for example, a relationship of N × λm = (N−1) × λa, the phases θm (= 2πX / λm) and θa (= 2πX / λa) of these signals The difference Δθ (= θm−θa) is a signal that repeats at a period N times the wavelength λm as shown in the following equation.
[0005]
Δθ = 2πX / (N × λm)
Therefore, the measuring device can detect the position in units of λm in the N × λm section by dividing the phase difference Δθ by a predetermined phase difference, that is, 2π / N.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above measuring device, when an ideal signal cannot be obtained from each scale, for example, when the phase modulation signal is incomplete, a periodic error occurs in the wavelength λ, and these errors are It is also superimposed on the switching position in λm units. Therefore, when the phase difference Δθ is divided by 2π / N as described above, a deviation occurs due to the error, and as a result, an error of λm may occur.
[0007]
In order to avoid these errors, a method of directly detecting the inside of Nλm using the phase difference Δθ obtained from the above two scales can be considered, but in this method, a virtually long scale in which the phase difference Δθ is Nλm is considered. When the phase is 2π, that is, the signal periodically changes in phase, the clock frequency M × f M times the carrier frequency f is interpolated into the carrier frequency f to obtain high resolution. As the resolution λm / (M × N) increases the wavelength λm or N, it becomes more difficult to obtain a high resolution. In addition, there is a problem that detection accuracy deteriorates due to a change with time.
[0008]
Therefore, in view of the conventional problems as described above, the object of the present invention is to monitor the detection error associated with the time-dependent change of the mounting state of the absolute encoder, the component parts, etc., and perform automatic adjustment as necessary. It is always to realize highly accurate detection.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The present invention relates to a first scale having a scale of wavelength λm, a first detection head for detecting a signal of the first scale, and the relative relationship between the first scale and the first detection head. A first displacement amount detecting means configured to extract the displacement amount as a phase modulation signal having a carrier frequency f; a second scale having a scale having a wavelength λa different from the first scale; A second detection head for detecting a signal of a second scale, and a second displacement of the second scale and the second detection head is extracted as a phase modulation signal of the carrier frequency f. Detecting the phase difference between the displacement amount detection means, the phase modulation signal obtained from the first displacement amount detection means, and the phase modulation signal obtained from the second displacement amount detection means, and using the phase difference, First scale wavelength λm A carrier frequency obtained from the first displacement amount detection means in an absolute encoder configured to obtain a periodic signal repeated at an N-fold wavelength and to absolutely detect an N-fold section of the wavelength of the first scale. first phase comparison means for generating a pulse width modulation signal corresponding to the absolute position of the first detection head within the wavelength λm of the first scale by comparing the phase modulation signal of f with the reference signal of frequency f The pulse width modulation signal generated by the first phase comparison means is interpolated with a clock pulse M times the carrier frequency f to correspond to the absolute position of the first detection head within the wavelength λm of the first scale. A first gate circuit for converting to a pulse train of resolution λm / M, a phase modulation signal output from the first displacement amount detection means, and a second displacement amount detection means A second phase comparison means for generating a pulse width modulation signal corresponding to the phase difference of the output phase modulation signal, and the pulse width modulation signal generated by the second phase comparison means is M times the carrier frequency f. The second gate circuit that interpolates the clock pulse and converts it into a pulse train corresponding to the phase difference, the second displacement amount detecting means, and the reference signal are compared to correspond to the wavelength λa of the second scale. The pulse generation means for generating a pulse for each displacement amount and the output of the second gate circuit are used to specify the address of the wavelength λm of the first scale, and are output from the first gate circuit. The absolute position within the wavelength λm of the first scale is obtained by counting the number of pulse trains, and the above-mentioned identified λm address is combined to decompose over the N-fold section of the wavelength λm of the first scale. The absolute position within the wavelength λm of the first scale corresponding to the generation position of the λa pulse output from the second pulse generation means is measured and detected from the theoretical value of the measurement value. The deviation amount is detected as an interpolation error, the detected interpolation error and a preset standard value are stored in a storage means, and the detected interpolation error is analyzed to detect the first displacement amount. Arithmetic means for supplying an adjustment signal to an electronic adjustment means provided in the means to perform an electrical adjustment so as to minimize an interpolation error in the first scale.
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0011]
An embodiment of the present invention described below uses a phase modulation signal output from two tracks having different wavelengths and uses a phase modulation signal to detect an absolute range longer than the recording wavelength of the track, for example, a special measurement system. This is an improvement of the measuring device disclosed in Japanese Patent Publication No. 50-23618. A magnetic system to which the present invention can be most effectively applied will be described in detail with reference to the drawings. Also, in the magnetic type, there are a method using a supersaturated core in the detection head and a method using a magnetoresistive effect element (hereinafter referred to as an MR sensor). The case where an MR sensor is used as the detection head will be described with reference to the reproduction wavelength.
[0012]
In the present invention, the relationship between the wavelength λm of the first scale and the wavelength λa of the second scale is selected as N × λm = (N ± 1) × λa, and the carrier frequency f output from the first scale is By interpolating the phase-modulated signal using a clock pulse M times the carrier frequency f, measurement can be performed with a resolution λm / M over a section N times the wavelength λm of the first scale. N and M can be arbitrarily set without departing from the gist of the present invention.
[0013]
Here, in order to simplify the explanation, specific numerical values are applied to the above-mentioned λm, N, and M, the wavelength λm is 1,024 μm, and the interpolation number M is 1,024 (= 2). 10 ) And N is 16 and the relationship between the wavelengths λm and λa is 16 × λm = (16 + 1) × λa = 17 × λa, so that one wavelength of λm is divided by 1,024 to obtain a resolution of 1 μm. This is explained based on a specific configuration example that can be detected in absolute.
[0014]
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of an
[0015]
The
[0016]
These two-phase sine wave signals Sin (2πx / λm) and Cos (2πx / λm) are guided to, for example, the first displacement
[0017]
The
[0018]
As shown in FIG. 3, the two-
[0019]
The
[0020]
As shown in FIG. 5, each of the electronic volumes DC1, DC2, and GAJ has an up / down counter 91 to which a selection signal CS and wiper control signals U / D and INC are supplied. The
[0021]
The
[0022]
The first displacement
[0023]
epm = Ep1 × Sin (ωt + 2πx / λm) (1)
Where ω = 2πf, x = relative displacement
For example, the phase modulation signal epm is guided to the first
[0024]
The first
[0025]
Here, as shown in FIG. 8, the operation timing of the first
[0026]
φm (ti) = 2π × x (ti) / λm (2)
The pulse width modulation signal PWSm obtained by the first
[0027]
Here, the pulse width modulation signal PWSm having the phase amount φm (ti) is a signal whose pulse width changes corresponding to the position x within the wavelength λm, and has reached the maximum phase amount 2π, that is, the maximum displacement amount λm. Since the pulse width is equal to the sampling period T (= 1 / f), the
[0028]
The
[0029]
The two sine wave signals Sin (2πx / λa) and Cos (2πx / λa) obtained by the
[0030]
The second displacement
[0031]
epa = Ep2 × Sin (ωt + 2πx / λa) (3)
Where ω = 2πf, x = position within wavelength λa
This phase modulation signal epi is compared in phase with the phase modulation signal epm output from the first displacement
[0032]
As is clear from the above equation (2), the phase difference φa (ti) of the phase modulation signal can be expressed by the following equation (4).
[0033]
φa (ti) = 2π × x (ti) / λa (4)
Therefore, the phase difference Δφ (= φa (ti) −φm (ti)) is
Δφ = φa (ti) −φm (ti)
= 2π × x (ti) (1 / λa−1 / λm) (5)
Here, since the wavelength λm of the
Δφ = 2π × x (ti) / 16λm
= 2π × x (ti) / 17λa (5) ′
This is a repetitive signal that coincides when the position reaches 16 times (N = 16) the wavelength λm of the first scale.
[0034]
FIG. 9 shows the relationship between the phase amount φm detected by the
[0035]
FIG. 10 shows the phase difference Δφ between φa and φm and the phase amount φm detected by the first
[0036]
Therefore, the phase difference Δφ is divided by a phase amount corresponding to one cycle of λm (hereinafter referred to as interval phase amount) 2π / 16, and the λm address Aj in the absolute measurement interval where x is located is detected as the quotient. it can.
[0037]
Here, the phase difference Δφ is guided to the
[0038]
Therefore, the section phase amount 2π / 16 is equivalent to the section pulse number M / 16, and by dividing the pulse train SAPa by the section pulse number M / 16, the absolute position of λm unit where x is located as the quotient. That is, the λm address Aj within 16λm can be detected.
[0039]
Table 1 below shows the relationship between Δφ and λm address Aj when the displacement amount x is changed from 0 to 16λm and the number of pulses ΔD corresponding to Δφ when 16λm = 17λa. It is shown.
[0040]
[Table 1]
[0041]
The
[0042]
Here, the basic principle relating to the detection of the λm address Aj, which is the main function of the
[0043]
The
[0044]
When the reference signal MODS corresponding to the reset timing of the phase amount φm (ti) shown in the above equation (2) is input at the sampling time ti, the
[0045]
Next, the
[0046]
The absolute position generated in this way is stored in a predetermined memory area in the
[0047]
By the way, the operation of the
[0048]
Here, the relationship between the above-described deviation and the interpolation error will be described using mathematical expressions.
[0049]
As a specific embodiment of the present invention, the case where an MR sensor is used as a detection head has been described. As is well known, since a mask is manufactured based on lithography in the MR sensor, the distance between the heads of both channels can be accurately set to 90 ° (λ / 4) with respect to the wavelength λ.
[0050]
Therefore, among the error factors described above, the influence of “output phase shift” can be ignored.
[0051]
Hereinafter, in order to simplify the description, an interpolation error caused by a shift in DC superimposed on the detection head and a shift in output level will be described.
[0052]
The phase modulation signals shown in the above equations (1) and (2) are theoretical equations based on the premise that an ideal signal can be obtained from a two-channel detection head.
[0053]
However, in an actual system, the deviation of the DC superimposed on each detection head or the deviation of the output level causes a deviation from the complete phase modulation signal as shown in the equations (1) and (2). An insertion error occurs.
[0054]
Assuming that the deviation of DC and the deviation of output level are general expressions and the balanced modulation signals obtained from the CH1 detection head and the CH2 detection head on the scale of wavelength λ are e1 and e2, respectively, the balanced modulation signals e1 and e2 are
e1 = {A + (1 + a) × Sin (2πx / λ)} × Cosωt (6)
e2 = {B + (1 + b) × Cos (2πx / λ)} × Sinωt (7)
However,
a: Deviation from reference value of CH1 output, b: Deviation from reference value of CH2 output
A: Superimposition of DC on CH1 head, B: Superimposition of DC on CH2 head
In order to simplify the equation, if 2πX / λ = X and ωt = T, then equations (6) and (7) are
e1 = {A + (1 + a) × SinX} × CosT (6) ′
e2 = {B + (1 + b) × CosX} × SinT (7) ′
It can be expressed as.
[0055]
Next, an interpolation error pattern in the case of a single error factor will be described.
[0056]
Here, in order to simplify the description, the case where there is a deviation only in DC and the case where there is a deviation only in output level will be described separately.
(1) When there is a deviation only in DC (no deviation in output level)
The phase modulation signal epm (D) when there is a deviation only in DC is a signal obtained by adding a = b = 0 in the equations (6) ′ and (7) ′, and is expressed as follows: be able to.
[0057]
When an approximate expression is obtained assuming that A and B are sufficiently smaller than 1,
However,
δ = tan -1 (A / B)
θ = tan -1 {(A + SinX) / (B + CosX)} (9)
Here, {} in the expression (8) represents the envelope of the phase modulation signal epm (D), and the amplitude whose phase is delayed by δ from the reference position of X with respect to the
[0058]
In addition, θ in equation (9) represents the amount of displacement, so the theoretical value when there is no error {θ = tan -1 Subtracting from (SinX / CosX)} represents an error when the phase modulation signal deviates from the ideal, that is, when there is a deviation of DC.
[0059]
Now, if an interpolation error within one wavelength ranging from 0 to 2π with respect to X is ΔX (D), the interpolation error is ΔX (D)
ΔX (D) = tan -1 {(A + SinX) / (B + CosX)}
-Tan -1 (SinX / CosX) (10)
So here,
α = {(A + SinX) / (B + CosX)},
β = SinX / CosX
If you
tan -1 α-tan -1 β = tan -1 {(Α−β) / (1 + α × β)}
ΔX (D) = tan -1 {(A * CosX-B * SinX) / (1 + A * SinX + B * CosX)}
It becomes. Further, when an approximate expression of ΔX (D) is obtained considering that (A × SinX + B × CosX) is sufficiently smaller than 1,
ΔX (D) = tan -1 (A x CosX-B x SinX) (11)
It becomes.
[0060]
Furthermore, in a small angle, it can be approximated as tan {ΔX (D)} = ΔX (D).
[0061]
Therefore, an approximate expression of an error when a deviation occurs only in DC can be expressed as follows.
[0062]
However,
γ = tan -1 (A / B) (13)
As apparent from the equation (12), the interpolation error when only the DC is shifted is proportional to the magnitude of the shift, and the position where the amplitude is maximum (minimum) (hereinafter referred to as phase) is It turns out that it becomes a sine wave of one period with respect to one period of X which changes with deviation | shift, ie, wavelength (lambda).
[0063]
(2) When there is a deviation only in the output level (no deviation in DC)
The phase modulation signal epm (G) when there is a shift only in the output level is a signal obtained by adding A = B = 0 in the equations (6) ′ and (7) ′. For simplicity, a = 0 If b is a change with respect to the output on the CH1 side, it can be expressed as follows.
[0064]
Here, when an approximate value is obtained assuming that b is sufficiently smaller than 1,
However,
θ '= tan -1 {SinX / (1 + b) × CosX} (15)
Here, {} in the expression (14) represents the envelope of the phase modulation signal epm (G), and the sign of b, that is, the output of CH1 and CH2 with respect to the reference amplitude (1 + b / 2). Depending on the magnitude relationship, it can be seen that the amplitude of the polarity is (b / 2) and a sinusoidal signal having a second order component is superimposed on X.
[0065]
In addition, θ ′ in the equation (15) represents the amount of displacement, so the theoretical value when there is no error {θ = tan -1 Subtracting from (SinX / CosX)} represents an interpolation error when the phase modulation signal deviates from the ideal, that is, when the outputs of both channels deviate. Now, 0 to 2π with respect to X If the interpolation error within one wavelength is ΔX (G), the interpolation error ΔX (G) is
ΔX (G) = tan -1 {SinX / (1 + b) × CosX} -tan -1 (SinX / CosX)
And where
α ′ = {SinX / (1 + b) × CosX},
β ′ = (SinX / CosX)
If you
ΔX (G) = tan -1 (Α′−β ′) / (1 + α ′ × β ′)
Therefore,
It becomes.
[0066]
Furthermore, when b is sufficiently smaller than 1, tan {ΔX (D)} = ΔX (D) and the denominator can be approximated to 1.
[0067]
Therefore, an approximate expression of an error when a deviation occurs in the output level can be expressed as follows.
[0068]
ΔX (G) = (− b / 2 × Cos2X) (17)
As can be seen from the equation (17), the interpolation error ΔX (G) when the deviation occurs only in the output level has an amplitude and a polarity (output magnitude relationship), an absolute value of b and a polarity (both It can be seen that the signal is proportional to the magnitude of the output of the channel), has a constant phase, and changes in a sinusoidal shape having a component of two periods with respect to one period of wavelength λ.
[0069]
In the case of a single error factor, the vibration period and the position where the maximum (mountain) and minimum (valley) appear within one period of the wavelength λ are shown in Table 2 below. From Table 2, it can be seen that each factor is independent.
[0070]
[Table 2]
[0071]
Next, a case where two or more error factors are superimposed will be described.
[0072]
Similarly, when two or more error factors are superimposed, there are a case where a DC shift occurs between two heads, and a case where a DC shift and an output level shift occur with respect to one of the heads.
[0073]
(1) The positive and negative DC shifts of the CH1 head (A> 0, A <0) and the positive and negative DC shifts of the CH2 head (B> 0, B <0) are superimposed in four ways. The interpolation error of 1 has a component of one period with respect to the wavelength λ, and the position of the maximum (mountain) and the minimum (valley) changes depending on each combination. Examples of interpolation errors when the coefficient is set to 1 are shown in FIGS.
[0074]
(2) Four types of positive and negative DC deviations of the CH1 head and output level deviations are superimposed, and FIG. 16 shows an example of interpolation error when the coefficient is set to 1 in the same manner as described above. Although there are two periodic components with respect to the wavelength λ, the positions of a pair of local maximum (mountain) and local minimum (valley) change depending on each combination.
[0075]
(3) Four types of positive and negative DC shifts of the CH2 head and output level shifts are superimposed, and FIG. 17 shows an example of the interpolation error when the coefficient is set to 1 as described above. Similar to (2), it has a component of two periods with respect to the wavelength λ, the position of the maximum (crest) and the minimum (valley) changes depending on the combination, and is independent of (2).
[0076]
Next, a case where three or more factors are superimposed will be described.
[0077]
The superposition of three or more error factors is when an output level shift and a DC shift between two heads occur simultaneously.
[0078]
(1) In the state where the output of CH1 is smaller than the output of CH2, there are four types in which the positive and negative DC shifts of the CH1 head and CH2 head are superimposed, and FIG. 18 shows an example of the interpolation error. There is only one maximum (mountain) or minimum (valley) within the wavelength λ, and its position changes depending on each combination.
[0079]
(2) FIG. 19 shows an example of four types of interpolation errors when the positive and negative DC shifts of the CH1 head and the CH2 head are superimposed while the output of CH1 is larger than the output of CH2. Similar to the above, there is only one maximum (mountain) or minimum (valley) in the wave λ, and is independent of (2) above.
[0080]
Table 3 below shows a list of interpolation error periods due to two or more error factors, and positions of local maxima (peaks) and (valleys).
[0081]
[Table 3]
[0082]
As described above, when the phase modulation signal deviates from the ideal state, a ripple component having a specific period and phase is superimposed on the envelope of the phase modulation signal according to the cause of the deviation, and the period unique to the cause of the deviation. It can be seen that an interpolation error having a phase occurs.
[0083]
As is clear from these, the switching unit of the λm address Aj is a position corresponding to an integral multiple of the wavelength λm of the
[0084]
FIG. 20 is a graph in which the DC error in the positive direction occurs in the CH1 detection head and the CH2 detection head of the second scale 21, that is, the interpolation error shown in the equation (12) is plotted over one period of the wavelength λa. Table 4 below shows the correspondence with the λm address Aj where the interpolation error is superimposed.
[0085]
[Table 4]
[0086]
Next, the actual system applied in the present invention, that is, the configuration and operation of the
[0087]
First, with reference to FIG. 21, the basic principle for determining the λm address Aj in the present invention will be described.
[0088]
(1) The phase difference Δφ detected at the switching unit of λm address Aj, that is, both ends of λm, varies by the phase amount φiaa corresponding to the interpolation error Iea of the wavelength λa of the second scale 21. Therefore, there is a possibility that the λm address Aj that should be detected as j is actually detected before or after that, that is, as j−1 or j + 1.
[0089]
(2) However, in the region that is further inward by the phase amount φiem corresponding to the interpolation error Iem in the first scale with respect to the region that has the possibility of erroneous detection, the region is not affected by the interpolation error. There is an area where the λm address Aj can be uniquely determined.
[0090]
(3) Further, in (1) above, the position within the wavelength λm to which the phase φm detected on the first scale belongs is, for example, the left side (x By adding a determination condition as to whether it is ≦ λm / 2) or located on the right side (x> λm / 2) and correcting based on the determination result, the λm address (Aj) can be correctly determined.
[0091]
That is, in the switching unit of the λm address Aj, a hysteresis is given to the determination region of the λm address (Aj), and in the hysteresis region, a determination condition based on the position of the first scale λm is added, thereby interpolating errors. It is possible to detect the λm address Aj that is not affected by the error and that does not malfunction.
[0092]
Next, the setting of hysteresis and other determination conditions to be given to the switching unit of λm address Aj in the present invention will be described by applying specific numerical values.
[0093]
As described above, the phase difference Δφ is detected as the pulse number ΔD, and the section phase amount φZ (= 2π / 16) corresponds to the section pulse number ND (= 64).
[0094]
Since the wavelengths of the first scale and the second scale are substantially equal, assuming that the interpolation error assumed in the system is substantially equal and the amplitude is Ie, the phase amount φie and the number of pulses Die corresponding to the interpolation error Can be expressed as:
[0095]
φie = 2π × (Ie / λm) (17)
Die = M × φi / 2π = 1,024 × (Ie / λm) (18)
That is, in the switching unit of the λm address (Aj), the pulse number ΔD may vary by Die.
[0096]
Here, the interpolation error rate Ie / λm with respect to the wavelength λ is normally about 1%, and the Die at that time is about 10 pulses from the equation (18). In the switching unit of the λm address Aj, the second It can be considered that a fluctuation of ± 10 pulses occurs with respect to the interval pulse number ND (= 64) due to the interpolation error of the scale λa. Furthermore, if the pulse number Die due to the influence of the interpolation error in the
[0097]
On the outside of the unconditional determination area, that is, in the lower area where ΔD is 0 or more and less than 20, and the upper area where ΔD is 44 or more and less than 64, the phase amount φm detected in the first scale is λm An intermediate value, that is, a condition for discriminating whether the Dm is 512 pulses (1,024 / 2) or not is added, and the λm address Aj temporarily determined according to the determination result may be corrected.
[0098]
Next, a procedure for determining the λm address (Aj) in the present invention will be described according to the processing flow shown in FIG.
[0099]
First, in the first step S1, when the reference signal MODS is input at the sampling time ti, the
[0100]
In the next step S2, the
[0101]
In the next step S3, the
[0102]
That is, when 0 ≦ Res <20 (step S41), it is determined whether or not Dm (ti) exceeds the median value 512 (step S51).
[0103]
If the determination result in step S51 is “Yes”, that is, Dm (ti) ≧ 512, 1 is subtracted from the quotient j calculated in step S2, and this value is set as the λm address Aj (step S61). If the determination result is “No”, that is, Dm (ti) <512, Aj detected in step S2 is directly used as the λm address Aj (step S62).
[0104]
When 20 ≦ Res <44 (step S42), the quotient j detected in step S2 is directly used as the λm address Aj (step S62).
[0105]
Further, when 44 ≦ Res <64 (step S43), it is determined whether or not Dm (ti) is smaller than the
[0106]
If the determination result in step S53 is “Yes”, that is, Dm (ti) <512, 1 is added to the quotient j calculated in step S2, and this value is set as the λm address Aj (step S63). If the determination result is “No”, that is, Dm (ti) ≧ 512, Aj detected in step S2 is directly used as the λm address Aj (step S62).
[0107]
In the next step S7, after the λm address Aj is determined by the above procedure, the
[0108]
Thereafter, the same procedure (S1 to S7) is repeated for each sampling time, and the absolute position in the 16λm section is obtained. Further, the generated absolute position X (ti) can be used as necessary, for example, as a display or output to an external system as measurement data.
[0109]
By the way, in the phase detection type
[0110]
However, even when the accuracy is high at the time of shipment, the interpolation error deteriorates due to, for example, the deterioration of the component parts or the change of the adjustment state, and exceeds the estimated amount of the interpolation error assumed in advance. As a result, the λm address Aj An error occurs in the detection.
[0111]
Furthermore, if these interpolation errors are estimated too much, the above N cannot be increased, and as a result, there is a problem that the measurement section is narrowed in absolute.
[0112]
Therefore, the
[0113]
Here, the monitoring and automatic adjustment of the interpolation error in the
[0114]
That is, the
[0115]
Next, the basic principle for realizing the above-described interpolation error monitoring and automatic adjustment will be described.
[0116]
In general, the scales (wavelengths) of the
[0117]
2) The first
[0118]
Next, if the recording conditions of the
[0119]
Therefore, the 17 λa pulses (λa (k)) generated at an accurate pitch during the movement over the absolute measurement section correspond to sampling within one wavelength of the
[0120]
Here, the following Table 5 shows the position (16−k) × λm / 17 within the wavelength λm sampled by the λa pulse (λa (k)) and the theoretical value Dmt (k) of the number of pulses corresponding to the position. Actually, a deviation occurs due to an interpolation error in each scale.
[0121]
[Table 5]
[0122]
Therefore, by detecting the difference between the actually measured value and the theoretical value shown in Table 5, the interpolation error in each of the
[0123]
By the way, in this embodiment, the inside of the wavelength λm of the
[0124]
Next, a specific method for monitoring and automatic adjustment of the interpolation error in the
[0125]
When automatic adjustment of the interpolation error is performed, the interpolation error is monitored at an appropriate timing, the monitoring result is compared with a predetermined judgment value, and automatic adjustment is started to maintain the allowable interpolation error for the product. Need to be configured.
[0126]
1) Setting of “standard value of interpolation error”
As already described, the ratio of the interpolation error (Ie / λ) to the wavelength λ is usually about 1%. Therefore, if the interpolation error standard value Ir larger than the above value and acceptable as a product is set to 2%, for example, the standard value Ir of the interpolation error is 0.002 × λ. In this embodiment, For example, it can be set to 20 μm.
[0127]
The standard value Ir of this interpolation error may be stored in a predetermined non-volatile area in the
[0128]
2) Acquisition of interpolation error at the time of shipment
As described above, the “standard value Ir of interpolation error” allowed for a product can be used as a determination value when automatic adjustment is started.
[0129]
However, even if the product is the same, the state of the interpolation error differs for each product. In addition, it is always best to monitor the change over time and activate the automatic adjustment function based on the monitoring result. From the viewpoint of maintaining the accuracy of the product, an interpolation error at the time of shipment, which is assumed to be the best state of the product, is acquired, and a value obtained by adding a predetermined margin to the acquired interpolation error is set as a determination value Sometimes it is more convenient.
[0130]
Hereinafter, the acquisition of the interpolation error performed in the production process or at the time of shipment will be described.
[0131]
[0132]
[0133]
[0134]
[0135]
If the interpolation error measured as described above is larger than the interpolation error Ir that should be allowed for the product, the electrical adjustment is performed again and then the
[0136]
Here, the identification of the λa address is performed by exchanging the relationship between λm and λa, the number of pulses corresponding to one section of the λa address is M / 17 (about 60), and Dm (k) and ΔD (k ) To obtain the absolute value Da (k) within the wavelength λa, the λa address can be specified in the same procedure as the λm address described above, but the λa (k) pulse is input. The absolute position X (k) in the N-fold section of the wavelength λm at this time is obtained, and the X (k) is divided by λa.
[0137]
3) Monitoring of interpolation error
The monitoring of the interpolation error is normally performed on the user side. For example, the user automatically activates the “interpolation error monitoring mode” through a keyboard or the like when the power is turned on, and the interpolation error of the product in advance. Standard value Ir or a value Iec (k) obtained by adding a predetermined margin to a value Ies (k) acquired at the time of shipment and stored in the shipping interpolation error table Tis (k) is stored in a predetermined area in the
[0138]
Here, only the interpolation error monitoring function will be described for the sake of simplicity.
[0139]
Procedure 21 When λa (k) is input to the
[0140]
[0141]
[0142]
[0143]
4) Judgment of interpolation error error
Ie (k) measured in the monitoring of the interpolation error in 3) is compared with the interpolation error determination value Iec (k), and the interpolation is performed immediately when the first interpolation error error Er (k) is detected. It is also possible to determine that the error has exceeded the determination value and immediately output an alarm signal. However, if the determination is made with only one interpolation error Er (k), it may be confused with, for example, a temporary reaction due to noise or the like, resulting in an excessive alarm signal. As will be described later, the interpolation error is usually a signal that vibrates in one cycle or two cycles within the wavelength λ.
[0144]
Therefore, by making the determination as follows, it is possible to reliably determine an interpolation error error without malfunction.
[0145]
The number of interpolation error errors Er (k) that occur within one period of the wavelength λm is counted, and the following processing is performed according to the number.
[0146]
[0147]
5) Identification of interpolation error factors
If it is determined that the error is an interpolation error, the
[0148]
As an error factor identification method, the interpolation error Ie (k) detected over one period of the wavelength λa and stored in the monitoring interpolation error table Ti (k) is analyzed by Fourier analysis, and one period for the wavelength λm. Alternatively, the error factor can be specified by decomposing it into the level and phase of the two period components.
[0149]
However, the fact that the error factors are extremely limited and that the period and phase of the interpolation error within the wavelength λ have an independent pattern for each error factor as shown in Table 2 is used. , Using the relationship between the period of the interpolation error detected within the wavelength λ and the position where the maximum (crest) and minimum (valley) of the interpolation error are, It is convenient to specify the error factor from the viewpoint of cost and processing speed.
[0150]
FIG. 24 shows a procedure for specifying the error factor, which will be described in detail below.
[0151]
First, with respect to the position where Er (k) occurs, the interpolation error Ie (k) is checked from the descending order of k, that is, from the 0 side within the wavelength λm, and the maximum interpolation error Ie (k) is considered in consideration of the sign. ) Λa (k) max in which max is detected and λa (k) min in which the minimum interpolation error Ie (k) min is detected are searched (step S11).
[0152]
Next, a position within the wavelength λk is obtained from λa (k) max where the maximum interpolation error Ie (k) max is detected and λa (k) min where the minimum interpolation error Ie (k) min is detected. The first maximum value (mountain) and the first minimum value (valley) are stored in a predetermined storage area of the RAM 74 (step S12). Here, as already described, the position within the wavelength λm of the
[0153]
Next, the number of the first maximum value (peak) and the first minimum value (valley) detected in step S12 is determined (step S13).
[0154]
When one each of the first maximum (mountain) and the first minimum value (valley) is detected, the process proceeds to step S14, and the first maximum (mountain), ie, Ie (k) max or the first When only one minimum (valley), ie, Ie (k) min is detected, it is determined that there are three factors, and the process proceeds to step S22.
[0155]
In the next step S14, the second maximum value (mountain) at which the second largest interpolation error Ie (k) max2 is detected at the position excluding the Ie (k) max and Ie (k) min and the second value are detected. The second minimum value (valley) in which the small interpolation error Ie (k) min2 is detected is searched for. Then, the positions of the second maximum value (mountain) and the second minimum value (valley) are obtained (step S15), the presence and the number thereof are determined (step S16), and the following processing is performed.
[0156]
That is, when neither Ie (k) max2 nor Ie (k) min2 is detected, it is determined that only one period component, that is, a DC shift, is the first maximum value stored in the
[0157]
When Ie (k) max2 and Ie (k) min2 are detected, that is, when two period components are detected, the detected second maximum value (peak) and second minimum value ( Valley) is stored in a predetermined storage area of the
[0158]
In step S20, when there is a clear difference between the levels of Ie (k) max and Ie (k) max2 and Ie (k) min and Ie (k) min2, the DC deviation of the head on one side and the deviation of the output level are detected. Are analyzed and the positions of the first maximum value (peak) and the minimum value (valley) stored in the
[0159]
In step S21, when the levels of Ie (k) max and Ie (k) max2 and Ie (k) min and Ie (k) min2, that is, when the interpolation error is substantially equal, the difference between the CH1 output level and the CH2 output level is caused. It is determined as a factor, and the two sets of local maximum values (peaks) and local minimum values (valleys) are analyzed using the rules in Table 2 to specify the output level magnitude relationship, that is, the error factor b code.
[0160]
In step S22, when only one of Ie (k) max (maximum (mountain)) or Ie (k) min (minimum (valley)) can be detected, the DC deviation of the heads of both channels and the deviation of the output level are detected. The direction (polarity of A, B, b) is specified.
[0161]
Then, after storing the error factors (A, B, b) specified by the above procedure and the direction (positive / negative) of the deviation in a predetermined storage area of the RAM 74 (step S23), an alarm signal is output (step S23). Step S24).
[0162]
By the way, in the explanation so far, for the sake of easy understanding, the absolute value of the deviation is assumed to be equal with respect to the DC deviation of the two-channel head.
[0163]
In practice, however, the absolute values of the deviations are often not equal. In this case, the position of the maximum value (peak) and the minimum value (valley) is λ, as is apparent from the above equation (13). / 8 (π / 4) unit position, and before and after that, for example, in the case of sampling at a wavelength λ / 16 unit as in this example, before and after the maximum (peak) and minimum (valley) Must be taken into account.
[0164]
Further, in this embodiment, Table 3 is shown as a table in which the wavelength λ is divided into 16 parts. However, it is divided into 17 parts and calculated as a rounded value, and the maximum (crest) or minimum (valley) at the rounded position is calculated. ) Is calculated theoretically, and the value may be used as a table for comparison.
[0165]
5) Automatic adjustment
When the alarm signal is output, the system activates the “automatic adjustment mode” and can start the automatic adjustment based on the information of the specified error factor.
[0166]
As a method of shifting to the “automatic adjustment mode”, for example, a method of automatically shifting in conjunction with the output of an alarm signal, a user or another device, etc., recognizing that an alarm signal has been output, There is a method of starting via an external command signal or the like, and it may be selected as necessary.
[0167]
Basically, as described above, the error factor and the direction of the deviation are clear. Therefore, the cause is specified, the adjustment signal ADJ is given from the
[0168]
The automatic adjustment process when the “automatic adjustment mode” is activated will be described below.
[0169]
In the actual adjustment operation, it is necessary to secure a table area for primary storage for storing the interpolation error at the time of adjustment, but this is omitted for the sake of simplicity.
[0170]
The automatic adjustment process is performed according to the following
[0171]
[0172]
[0173]
[0174]
[0175]
The basic processing for automatic adjustment has been described above. However, in practice, a plurality of error factors may be superimposed, and it is necessary to consider the order of adjustment. In this case, it is convenient to adjust in the following order in consideration of the characteristics of the error pattern.
[0176]
(A) When the deviation of DC and the deviation of output level are superimposed, first, the deviation of DC is adjusted, and the interpolation error Ie (k) max at the first maximum value (peak) and the second maximum value are adjusted. The difference between the interpolation error Ie (k) max2 at the value (peak) or the interpolation error Ie (k) min at the first minimum value (valley) and the interpolation error Ie (k) min2 at the second minimum value It is convenient to move to the adjustment of the output level after adjusting so as to minimize the output.
[0177]
(B) In the case where the DC deviation of the two channels and the deviation of the output level are superimposed, first, the output level is adjusted, the interpolation error pattern due to the deviation of DG is reproduced, and then one cycle with respect to the wavelength λ. After that, it is convenient to specify and adjust the head having the larger DC deviation from the phase of the maximum point, and finally adjust the DC deviation of the head having the smaller DC deviation.
[0178]
Further, when these plural factors are superimposed, the pattern of the interpolation error Ies (k) at the time of shipment is not necessarily the case when the best condition can be adjusted and the adjusted result satisfies the standard value. For example, there may be a case where the error period and the positions of (peaks) and minimums (valleys) do not match.
[0179]
In this case, the interpolation error at the time of adjustment to the best state is used as a determination reference when automatic adjustment is activated next time. For example, the content of the shipping interpolation error table Tis (k) is used as the best adjustment. The values can be rewritten with the values of the interpolation error table Ti (k) in the state, and adjusted with this value as a reference next time, and can be freely handled without departing from the gist of the present invention.
[0180]
As a specific embodiment of the present invention, in order to obtain a desired resolution R of 1 μm, the wavelength λm of the
[0181]
However, as described above, in order to obtain the desired resolution λm / M, the wavelength λm of the first scale and the design conditions M and N are decimal values, for example, λm = 1,000, M = 1000, N = 20. Needless to say, it can be set as follows.
[0182]
In this embodiment, the phase difference Δφ between the first scale and the second scale is directly calculated using the second
[0183]
However, as in the first
[0184]
Further, in the present invention, the example in which only the
[0185]
Furthermore, in monitoring the interpolation error, various methods can be applied without departing from the gist of the present invention, such as when the system is powered on or when the monitoring is started at a regular timing by a timer or the like.
[0186]
Also, at the start of automatic adjustment, various modes such as not only automatically starting the adjustment mode together with the output of the alarm signal but also starting automatic adjustment when the user inputs an external control signal, etc. It is applicable to.
[0187]
Furthermore, although the magnetic type has been described in the above-described embodiment, the present invention is not limited to the magnetic type. For example, as in the optical method, the two channels orthogonal sine corresponding to the relative movement of the scale and the head. Similarly, in a system in which a wave signal is output, if the phase-modulated signal is extracted by performing quadrature modulation on the detected two-phase sine wave signal with a signal having a carrier frequency f and then adding the same, Applicable.
[0188]
Furthermore, in the present invention, the application to the linear encoder has been described, but the present invention can also be applied to absolute detection of the rotation amount by making the repeated section coincide with the circumferential length.
[0189]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, since the number of tracks is small, the structure of the system is simplified, and an absolute position detection system can be realized with a small size and low cost.
[0190]
In addition, since the position detection system uses a phase modulation signal, the frequency M × f of the clock pulse is set higher than the carrier frequency f of the phase modulation signal, that is, high resolution can be easily achieved simply by increasing M. Can be realized. Further, since the AC coupling method is not affected by DC drift as in the differential transformer method, for example, measurement can be performed immediately without warm-up. Furthermore, in the differential transformer system, fluctuations in the output level immediately cause errors, but in this system, even if the output level from the two-channel detection head changes, the error will not occur unless the output ratio varies. Therefore, a stable and highly accurate linear encoder can be realized.
[0191]
In addition to monitoring the interpolation error with this system alone without the help of other measurement systems, analyze the measured interpolation error and identify the cause of the interpolation error. Can do.
[0192]
Therefore, not only can an alarm signal be output when the interpolation error exceeds a predetermined level, but also an automatic adjustment can be performed in response to a command from a self-supporting or external control signal when the alarm signal is detected. Therefore, it is possible to detect and correct in advance the deterioration of the interpolation error caused by the change in the mounting state or the deterioration of the parts, and it is possible to realize highly accurate detection over a long period of time.
[0193]
Further, since the interpolation error can be maintained at a predetermined level, the determination zone in the switching region of the λ address set in order to prevent malfunction of the λ address due to the interpolation error can be set to the minimum. Can be selected greatly, and the absolute measurement range can be expanded.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of an absolute encoder according to the present invention.
FIG. 2 is a block diagram showing a configuration of a first displacement amount detection unit in the absolute encoder.
FIG. 3 is a diagram showing a configuration example of an MR sensor constituting a detection head in the absolute encoder.
FIG. 4 is a diagram illustrating a configuration example of a summing amplifier provided in the first displacement amount detection unit.
FIG. 5 is a diagram illustrating a configuration example of an electronic volume provided in the first displacement amount detection unit.
FIG. 6 is a diagram illustrating a configuration example of an adjustment signal control circuit provided in the first displacement amount detection unit.
FIG. 7 is a block diagram showing a configuration of a first phase comparison unit in the absolute encoder.
FIG. 8 is a diagram illustrating an operation timing of the first phase comparison unit.
FIG. 9 is a diagram showing a relationship between a phase amount φm detected by a first displacement amount detection circuit and a phase amount φa detected by a second displacement amount detection circuit in an absolute measurement section.
10 is a diagram showing a relationship between a phase amount φm detected by a first displacement amount detection unit and a phase difference Δφ (= φa−φm) between φa and φm. FIG.
FIG. 11 is a block diagram illustrating a configuration example of a calculation unit.
FIG. 12 is a diagram illustrating an example of an interpolation error in which positive and negative DC shifts of the CH1 head and the CH2 head are superimposed.
FIG. 13 is a diagram illustrating an example of an interpolation error in which positive and negative DC shifts of a CH1 head and a CH2 head are superimposed.
FIG. 14 is a diagram illustrating an example of an interpolation error in which positive and negative DC shifts of a CH1 head and a CH2 head are superimposed.
FIG. 15 is a diagram illustrating an example of an interpolation error in which positive and negative DC shifts of the CH1 head and the CH2 head are superimposed.
FIG. 16 is a diagram illustrating an example of an interpolation error in which positive and negative DC shifts of the CH1 head and the CH2 head are superimposed.
FIG. 17 is a diagram illustrating an example of an interpolation error in which positive and negative DC shifts of a CH1 head and a CH2 head are superimposed.
FIG. 18 is a diagram illustrating an example of an interpolation error in which positive and negative DC shifts of the CH1 head and the CH2 head are superimposed.
FIG. 19 is a diagram illustrating an example of an interpolation error in which positive and negative DC shifts of the CH1 head and the CH2 head are superimposed.
FIG. 20 is a diagram illustrating an example of an interpolation error ΔX of the first scale when the DC bias is multiplied.
FIG. 21 is a diagram for explaining a basic concept relating to determination of a λm address Aj.
FIG. 22 is a flowchart showing a procedure for determining a λm address Aj.
FIG. 23 is a block diagram illustrating a configuration example of a λ pulse generation unit provided in the absolute encoder.
FIG. 24 is a flowchart showing a procedure for specifying an error factor.
[Explanation of symbols]
11 First scale, 12A, 12B MR sensor, 12 First detection head, 12A 1 , 12A 2 , 12A 3 , 12A 4 , 12B 1 , 12B 2 , 12B 3 , 12B 4 MR element, 13 first displacement amount detection unit, 14 first phase comparison unit, 15 first gate circuit, 17 calculation unit, 18 timing signal generation unit, 21 second scale, 22 second detection head, 23 Second displacement amount detection unit, 24 Second phase comparison unit, 25 Second gate circuit, 31, 32 multiplier, 33 Addition amplifier, 34 Adjustment signal control circuit, 34A decoder, 41 Waveform shaping circuit, 42, 43 1st and 2nd synchronous differentiation circuit, 44 JK flip-flop, 61 waveform shaping circuit, 62 D-type flip-flop, 63 synchronous differentiation circuit, 71, 72 pulse counter, 73 CPU, 74 RAM, 91 up / down counter, 92 Position decoder, 93 variable resistor, DC1, DC2, GAJ electronic volume, 100 absolute encoder
Claims (5)
上記第1の変位量検出手段から得られるキャリア周波数fの位相変調信号を周波数fの基準信号と位相比較して第1のスケールの波長λm内における第1の検出ヘッドの絶対位置に対応したパルス幅変調信号を生成する第1の位相比較手段と、
この第1の位相比較手段により生成されたパルス幅変調信号にキャリア周波数fのM倍のクロックパルスを内挿して第1のスケールの波長λm内における第1の検出ヘッドの絶対位置に対応した分解能λm/Mのパルス列に変換する第1のゲート回路と、
上記第1の変位量検出手段から出力される位相変調信号と第2の変位量検出手段から出力される位相変調信号の位相差に対応するパルス幅変調信号を生成する第2の位相比較手段と、
この第2の位相比較手段により生成されたパルス幅変調信号にキャリア周波数fのM倍のクロックパルスを内挿し、上記位相差に対応したパルス列に変換する第2のゲート回路と、
上記第2の変位量検出手段と上記基準信号とを比較して第2のスケールの波長λaに対応する変位量ごとのパルス(以下、λaパルス)を生成するパルス生成手段と、
上記第2のゲート回路の出力を利用して第1のスケールの波長λmのアドレス(以下、λmアドレス)として特定するようになし、上記第1のゲート回路から出力されるパルス列を計数して第1のスケールの波長λm内の絶対位置を得て、上記特定されたλmアドレスとを合成することにより、第1のスケールの波長λmのN倍区間に亘って分解能λm/Mで検出するとともに、上記第2のパルス生成手段から出力されるλaパルスの発生位置に対応する第1のスケールの波長λm内の絶対位置を計測し、該計測値の理論値からのずれ量を内挿誤差として検出し、該検出された内挿誤差とあらかじめ設定された規格値とを記憶手段に保存し、上記検出された内挿誤差を分析して上記第1の変位量検出手段に設けられた電子的調整手段に調整信号を供給して第1のスケールにおける内挿誤差を最小にするように電気調整を行う演算手段と
を備えることを特徴とするアブソリュートエンコーダ。A first scale having a scale of wavelength λm, a first detection head for detecting a signal of the first scale, and a relative displacement amount of the first scale and the first detection head as a carrier A first displacement amount detecting means configured to be extracted as a phase modulation signal having a frequency f; a second scale having a scale having a wavelength λa different from that of the first scale; and a signal of the second scale. And a second displacement amount detecting means configured to extract a relative displacement amount between the second detection head for detecting the second scale and the second detection head as a phase modulation signal of the carrier frequency f. And detecting the phase difference between the phase modulation signal obtained from the first displacement amount detection means and the phase modulation signal obtained from the second displacement amount detection means, and using the phase difference, the first scale is detected. Wavelength λm N times wavelength To obtain a periodic signal that repeats, in absolute encoder configured to detect the first scale N times the interval of the wavelength of the absolute,
A pulse corresponding to the absolute position of the first detection head within the wavelength λm of the first scale by comparing the phase of the phase modulation signal of the carrier frequency f obtained from the first displacement amount detection means with the reference signal of the frequency f. First phase comparison means for generating a width modulation signal;
A resolution corresponding to the absolute position of the first detection head within the wavelength λm of the first scale by interpolating a clock pulse M times the carrier frequency f into the pulse width modulation signal generated by the first phase comparison means. a first gate circuit for converting to a pulse train of λm / M;
Second phase comparison means for generating a pulse width modulation signal corresponding to the phase difference between the phase modulation signal output from the first displacement amount detection means and the phase modulation signal output from the second displacement amount detection means; ,
A second gate circuit for interpolating a clock pulse M times the carrier frequency f into the pulse width modulation signal generated by the second phase comparison means, and converting it to a pulse train corresponding to the phase difference;
Pulse generating means for comparing the second displacement amount detecting means and the reference signal to generate a pulse for each displacement amount corresponding to the wavelength λa of the second scale (hereinafter referred to as λa pulse);
The output of the second gate circuit is used as the address of the wavelength λm of the first scale (hereinafter referred to as λm address), and the pulse train output from the first gate circuit is counted to obtain the first By obtaining an absolute position within the wavelength λm of one scale and combining it with the specified λm address, detection is performed with a resolution λm / M over an N-fold section of the wavelength λm of the first scale, The absolute position within the wavelength λm of the first scale corresponding to the generation position of the λa pulse output from the second pulse generation means is measured, and the deviation of the measured value from the theoretical value is detected as an interpolation error. And storing the detected interpolation error and a preset standard value in a storage means, analyzing the detected interpolation error, and providing an electronic adjustment provided in the first displacement amount detecting means. Provide an adjustment signal to the means And an arithmetic means for performing electrical adjustment so as to minimize the interpolation error in the first scale.
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