JP2014202568A - エンコーダ - Google Patents

Abstract

【課題】 出力要求（指令信号）に応じた計測値の出力を高精度かつ高速に行えるエンコーダを提供する。【解決手段】 周期的に送信される指令信号に従ってスケールの位置又は角度の計測値を出力するエンコーダは、前記スケールからの信号を検出して検出信号を出力する検出部と、前記検出信号に基づいて前記スケールの位置又は角度を示すデータを生成し、その後の前記指令信号の受信までの前記検出からの遅延時間における前記スケールの移動に伴う前記位置又は角度の変化量に基づいて該データを補正して出力する処理部と、を備える。前記処理部は、前記データの生成及び補正を含む処理を前記指令信号が受信される度に行い、かつ複数の当該処理を並行して行う。【選択図】 図１

Description

本発明は、スケールの位置又は角度の計測値を出力するエンコーダに関する。

産業用装置や加工機や計測装置において、位置又は角度を計測するためエンコーダが用いられる。位置の計測を行うリニアエンコーダとして、相対的な位置を計測するインクリメンタルリニアエンコーダや絶対位置を計測するアブソリュートリニアエンコーダが知られている。また、角度の計測を行うロータリーエンコーダも、相対的な角度を計測するインクリメンタルロータリーエンコーダや絶対角度を計測するアブソリュートロータリーエンコーダが知られている。

光学式エンコーダは、光源からの光をスケールに照射し、スケールからの透過光又は反射光を光電変換素子で受光する。例えば、移動又は回転する対象物に対して光源と光電変換素子が取り付けられ、基準となる固定側にスケールが取り付けられる。それとは逆に、対象物にスケールが取り付けられ、固定側に光源と光電変換素子が取り付けられる場合もある。

インクリメンタルエンコーダは、スケールに等間隔で透過膜又は反射膜のマークが形成され、マークを透過した透過光又はマークで反射された反射光の受光強度が一定周期の正弦波となる。信号処理部は、検出された正弦波信号の波数をカウントすると共に周期内の位相を詳細に分割して計測分解能を向上させる。信号処理部は、波数のカウント値と位相情報とを組合せて高分解能な位置情報を出力する。

アブソリュートエンコーダは、擬似乱数コードに対応した透過膜又は反射膜のマークがスケールに形成され、擬似乱数コードに対応した光信号（光強度分布）を検出する。信号処理部は、擬似乱数コードと絶対位置又は絶対角度との参照テーブルに基づいて、検出された擬似乱数コードに対応する絶対位置又は絶対角度を求める。信号処理部は、インクリメンタルエンコーダの場合と同様に、擬似乱数コードに対応した光信号の位相を求めることにより高分解能な絶対位置情報を出力する。

一般に、これらエンコーダの位置又は角度の計測データは、上位システムからの計測データ要求信号に対して上位システムに送信される。上位システムは、これらの計測データにより産業用装置や加工機に必要な位置決めの制御を行い、または、計測装置として位置又は角度の計測データを収集する。

対象物が移動している場合、上位システムからの計測データ要求の時刻とエンコーダにおける実際の計測の時刻との遅延時間により計測誤差が発生する。即ち、移動速度と遅延時間の積だけ計測誤差が発生する。特許文献１、２には、エンコーダにおける計測誤差を補正する技術が開示されている。特許文献１記載の技術では、今回得られた位置データと前回以前に得られた位置データとを用い、位置データを出力するのに要する遅れ時間における対象物の移動量（位置の変化）を予測して今回得られた位置データの補正を行う。特許文献２記載の技術では、外部からのデータ要求に対し、Ａ／Ｄ変換のサンプリングからデータ要求までの時間を計測し、データ要求の前後の位置データを補間して位置データを出力する。

特開平８−２６１７９４号公報 特開２００７−７１８６５号公報

産業用装置や加工機又は計測装置では、より高精度な位置又は角度の計測が必要とされる。その一方で、対象物の移動速度又は回転速度は高速化し、それに伴い、対象物の移動とエンコーダにおける計測の遅延とによる計測誤差が増加する。そのような対象物の移動の高速化に対し、より正確な補正が必要とされる。

特許文献１記載のエンコーダは、上位システムからの計測データ要求信号により計測を開始して信号処理を行い、遅れ時間による位置誤差を補正して出力する。そのため、高速な計測を行う、即ち、上位システムからの計測要求の周期が計測時間と信号処理時間と位置データ出力時間の合計より短い場合には、先の計測による位置データの出力前に次の計測が要求されるため、遅れ時間による位置誤差を補正できない。

特許文献２記載のエンコーダは、外部からのデータ要求に対し、Ａ／Ｄ変換のサンプリングからデータ要求までの時間を計測し、データ要求の前後の位置データを補間して位置データを出力する。この場合、Ａ／Ｄ変換のサンプリング周期は、Ａ／Ｄ変換時間とその後段の信号処理時間の合計より長い時間が必要となる。また、位置データの補間を行うにはデータ要求の前後の位置データが必要である。このため、高速な計測を行う、即ち、上位システムからの計測要求の周期がＡ／Ｄ変換時間と信号処理時間と位置データ出力時間の合計より短い場合、計測要求前後の位置データを補間して位置データを出力することができず、正確な位置を出力しえない。

本発明は、例えば、出力要求（指令信号）に応じた計測値の出力を高精度かつ高速に行えるエンコーダを提供することを目的とする。

本発明の１つの側面は、周期的に送信される指令信号に従ってスケールの位置又は角度の計測値を出力するエンコーダであって、前記スケールからの信号を検出して検出信号を出力する検出部と、前記検出信号に基づいて前記スケールの位置又は角度を示すデータを生成し、その後の前記指令信号の受信までの前記検出からの遅延時間における前記スケールの移動に伴う前記位置又は角度の変化量に基づいて該データを補正して出力する処理部と、を備え、前記処理部は、前記データの生成及び補正を含む処理を前記指令信号が受信される度に行い、かつ複数の当該処理を並行して行う、ことを特徴とする。

本発明によれば、例えば、出力要求に応じた計測値の出力を高精度かつ高速に行えるエンコーダを提供することができる。

エンコーダの構成を示す図である。 エンコーダの検出部の構成を示す図である。 第１実施形態の時間計測部とタイミング生成部を表す構成ブロック図である。 第１実施形態における動作タイミングを表す図である。 第２実施形態における時間計測部とタイミング生成部を表す構成ブロック図である。 第２実施形態における動作タイミングを表す図である。

〔第１実施形態〕
図１に基づき、第１実施形態の説明を行う。尚、説明では対象物の位置を計測するエンコーダを例として挙げるが、対象物の角度を計測するエンコーダの場合にも同様に適用可能である。図１は第１実施形態のエンコーダに係る信号処理系の構成を示す。エンコーダ１００は、対象物の位置を計測する。計測データ収集装置（上位システム）５００は、エンコーダ１００が計測した対象物の位置を示すデータを取得する。上位システム５００は、例えば、産業用装置や加工機の場合には位置決め制御を行う制御機器であり、計測装置の場合にはデータの収集や解析を行う装置である。

上位システム５００は、ｄａｔａ＿ｒｅｑ信号（指令信号）２１０をエンコーダ１００に周期的に送信し、ｄａｔａ＿ｒｅｑ信号のタイミングで計測された位置のデータをｄａｔａ＿ｏｕｔ信号２２０として受信する。これまでの機器では、ｄａｔａ＿ｒｅｑ信号２１０の周期は１ｍｓ〜１００μｓ、すなわち周波数は１ｋＨｚ〜１０ｋＨｚ程度で、例えば、位置決め制御の制御帯域は１０〜１００Ｈｚ程度であった。

しかしながら、産業用装置や加工機又は計測装置では、位置又は角度のより高精度な計測が必要とされ、その上、対象物の移動速度又は回転速度は高速化している。そのため、対象物の位置又は角度をより高速でかつ高精度に計測することが必要とされている。例えば、ｄａｔａ＿ｒｅｑ信号２１０による計測周期を１０μｓ、すなわち周波数を１００ｋＨｚとし、位置決め制御の制御帯域を１００Ｈｚ〜１ｋＨｚ程度とする場合を考える。

検出部１０は、対象物からの変調光を検出して検出信号を出力する。エンコーダ１００の光学系の構成を図２に示す。光源１２は、例えばＬＥＤである。コリメータレンズ１４は、ＬＥＤから射出されてコリメータレンズ１４に入射した光を平行光とし、スケール１６に出射する。アブソリュートエンコーダの場合、擬似乱数コード、例えばＭ系列の巡回符号がスケール１６に形成され、透過又は反射によりスケール１６を出射した光は擬似乱数コードによる光強度を有する。この光を検出部１０で受光する。この検出部１０は、例えば、ＣＭＯＳイメージセンサやＣＣＤセンサ等の光電変換素子である。受光強度は図２の下図に示すような擬似乱数コードを反映した強弱信号となる。なお、検出部１０およびスケール１６は、上述の構成のものには限定されず、例えば、磁気スケールおよびそれに対応する検出部であってもよく、公知の検出部およびスケールに置換可能である。

エンコーダ１００がインクリメンタルエンコーダの場合は、等間隔で透過膜又は反射膜のマークがスケール１６に形成され、マークで変調された光の受光強度が一定周期の正弦波となる。位置を計測するリニアエンコーダの場合、スケール１６は直線状のものであるが、角度を計測するロータリーエンコーダの場合には、スケール１６は同心円状である。移動又は回転する対象物に対して光源１２と光電変換素子１０とを取り付け、基準となる固定側にスケール１６が取り付けることができる。それとは逆に、対象物にスケール１６を取り付け、固定側に光源１２と光電変換素子１０とを取り付けてもよい。

図１に戻り説明を続ける。検出部１０は、光電変換素子１０に続き、電流／電圧変換器が構成され、受光強度を電圧信号に変換する。必要に応じて後段に電圧増幅器を置き、電圧信号を所定の電圧レベルまで増幅する。Ａ／Ｄ変換器２０は、検出部１０からの検出信号をＡ／Ｄ変換し、アナログ信号をデジタル信号に変換する。デジタル信号処理部２００は、Ａ／Ｄ変換器２０からのデジタル信号を処理して対象物の位置を示すデータを生成し、補正し、補正されたデータを出力する。デジタル信号処理部２００は、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍａｂｌｅ Ａｌｌａｙ）又はＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）等の高速なデジタル信号処理器により構成される。Ａ／Ｄ変換器２０およびデジタル信号処理部２００は、検出部１０から出力された検出信号に基づいて対象物の位置を示すデータを生成し、補正し、補正されたデータを出力する処理部１５０を構成している。

データ生成部（生成部）３０は、Ａ／Ｄ変換器２０からのデジタル信号に基づいて対象物の位置を示すデータを生成する。例えば、アブソリュートエンコーダの場合、データ生成部３０は、図２に示した擬似乱数コードを反映した強弱信号より、０と１で表される擬似乱数コードを再生する。次いで、データ生成部３０は、再生した擬似乱数コードを、データ生成部３０内に保有する不図示の擬似乱数コードに対する絶対位置の参照テーブルと照合し、検出された擬似乱数コードに対応する絶対位置を求める。擬似乱数コードの位相を細かく分割することによりエンコーダ１００の計測分解能と精度を向上させることが可能である。

タイミング生成部７０は、発振器８０と計測データ収集装置５００からのｄａｔａ＿ｒｅｑ信号２１０を受信してｍｅａｓ＿ｓｔａｒｔ信号１１０、ｍｅａｓ信号１１１、ａｄ＿ｓｔａｒｔ信号１１６、ｄａｔａ＿ｏｕｔ＿ｓｔａｒｔ信号１２０を生成する。時間計測部（遅延時間計測部）６０は、タイミング生成部７０からのｍｅａｓ＿ｓｔａｒｔ信号１１０とデータ生成部３０からのｃａｌｃ＿ｅｎｄ信号１１２とにより、位置データ２２０を補正するための遅延時間を計測する。

エンコーダ１００における各部の動作タイミングと信号処理を図３及び図４を参照して説明する。図４は各部の動作タイミングを表すタイミング図である。ｄａｔａ＿ｒｅｑ信号は、計測データ収集装置５００からのｄａｔａ＿ｒｅｑ信号２１０であり、その所定の周期Ｔｒｅｑを１０μｓ、すなわち周波数を１００ｋＨｚとする。

ｃｌｋ信号は、タイミング生成部７０により生成されるクロック信号である。図３の発振器８０からの基準信号よりクロック信号生成部７２にて、より高速なｃｌｋ信号が生成される。クロック信号生成部７２は、例えば、ＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ Ｌｏｃｋｅｄ Ｌｏｏｐ）により構成され、例えば、発振器８０からの１０ＭＨｚの基準信号より２００ＭＨｚのｃｌｋ信号を生成する。クロック信号生成部７２は、必要に応じて、１００ＭＨｚ、５０ＭＨｚ、２５ＭＨｚ等のｃｌｋ信号を生成し、デジタル信号処理部２００の各演算で必要とされるクロック信号を供給する。

図３の同期タイミング信号生成部７６は、クロック信号生成部７２からのｃｌｋ信号とｄａｔａ＿ｒｅｑ信号２１０より、検出部１０の検出の開始信号であるｍｅａｓ＿ｓｔａｒｔ信号１１０を生成する。計測データ収集装置５００とエンコーダ１００は、クロックが異なる非同期動作であるため、この同期タイミング信号生成部７６により計測データ収集装置５００からのｄａｔａ＿ｒｅｑ信号２１０を、デジタル信号処理部２００のｃｌｋ信号のタイミングに合わせる。

図４の４つのｄａｔａ＿ｒｅｑ信号ｄａｔａ＿ｒｅｑ＿１〜ｄａｔａ＿ｒｅｑ＿４の周期Ｔｒｅｑは、例えば１０μｓで一定である。しかし、ｄａｔａ＿ｒｅｑ信号は、ｃｌｋ信号とは非同期である。そのため、ｃｌｋ信号と同期を取った後のｍｅａｓ＿ｓｔａｒｔ信号１１０による実際の計測周期Ｔｓｐは、ｄａｔａ＿ｒｅｑ信号に対して最大でｃｌｋ信号の１クロック分だけずれる可能性がある。例えば、ｃｌｋ信号の周波数を２００ＭＨｚ、周期を５ｎｓとすると、最大で５ｎｓのずれが生じる可能性がある。しかし、後述する対象物の移動速度による計測位置誤差は極めて小さいため、同期タイミング信号生成部７６における同期ずれの影響は無視できる。

同期タイミング信号生成部７６は、ｍｅａｓ＿ｓｔａｒｔ信号１１０の他にｍｅａｓ信号１１１を生成する。ｍｅａｓ信号１１１は、ｍｅａｓ＿ｓｔａｒｔ信号１１０と同期し、検出部１０の光電変換素子の受光時間Ｔｍｅａｓを決定する。受光時間は、光電変換素子の感度や光源１２の発光強度、およびスケール１６の透過率又は反射率により異なる。しかし、計測データ収集装置５００からのｄａｔａ＿ｒｅｑ信号２１０の計測周期Ｔｒｅｑが例えば１０μｓの場合、受光時間Ｔｍｅａｓは１０μｓ未満でなければならない。つまり、検出部１０の光電変換素子の受光時間Ｔｍｅａｓは、計測データ収集装置５００からのｄａｔａ＿ｒｅｑ信号２１０の計測周期Ｔｒｅｑに対して、Ｔｍｅａｓ＜Ｔｒｅｑとなるように設定される。

検出部１０の検出に起因する検出遅延時間について考える。検出部１０の光電変換素子は、スケール１６からの透過光又は反射光を、受光時間Ｔｍｅａｓの間、積分する。この積分時間の間に、対象物が速度Ｖ（ｍ／ｓ）で移動したとする。そうすると、検出部１０が変調光の検出に要する受光時間Ｔｍｅａｓの間に対象物が移動したことに伴う計測位置ずれが生じる。平均的な位置ずれ、すなわち受光時間Ｔｍｅａｓによって発生する検出遅延時間による位置誤差（ｍ）は、例えば、下式１で表される。
検出遅延時間による位置誤差（ｍ）＝移動速度Ｖ（ｍ／ｓ）×受光時間Ｔｍｅａｓ／２（ｓ）・・・（１）

例えば、計測周期Ｔｒｅｑ＝１０μｓ、受光時間Ｔｍｅａｓ＝８μｓ、移動速度Ｖ＝１ｍ／ｓの場合、式１より、検出遅延時間による位置誤差は４μｍとなる。高精度な位置計測では、例えば１μｍ以下の精度が要求されるため、この位置誤差を無視することはできない。

この検出遅延時間の影響は、エンコーダ１００の位置出力を評価して実測により求めてもよいし、シミュレーションにより求めてもよいが、ここでは、簡単のため、下式２で表す。すなわち、検出遅延時間は、検出部１０による変調光の１回の検出に要する時間の半分となる。
検出遅延時間（ｓ）＝受光時間Ｔｍｅａｓ／２（ｓ）・・・（２）

図４中のｍｅａｓ＿１等のｍｅａｓ信号は、計測データ収集装置５００からのｄａｔａ＿ｒｅｑ＿１等に応じて生成された信号であり、検出部１０は、ｍｅａｓ信号に基づいて変調光を検出する。同期タイミング信号生成部７６は、ａｄ＿ｓｔａｒｔ信号１１６も生成する。図４を参照すると、ｍｅａｓ＿１信号により検出部１０から出力されたアナログの検出信号を、それに続くＡＤ＿１のタイミングでＡ／Ｄ変換器２０によりデジタル信号に変換する。次のｍｅａｓ＿２信号による計測は、ｍｅａｓ＿１の計測後に引き続き行われる。

第１実施形態では、計測データ収集装置５００からのｄａｔａ＿ｒｅｑ信号が高速な計測周期Ｔｒｅｑを有していても正確な位置計測を行うために、検出部１０は、Ａ／Ｄ変換やその後の信号処理の実行と並行して新たな計測を行う。図４では、ＡＤ＿１や、ＡＤ＿１からの信号に基づくデータ生成部３０での演算ｃａｌｃ＿１と並行して次の計測ｍｅａｓ＿２が行われ、ＡＤ＿２やｃａｌｃ＿２と並行して次のｍｅａｓ＿３が行われ、ＡＤ＿３やｃａｌｃ＿３と並行して次のｍｅａｓ＿４が行われる。例えば、ｍｅａｓ＿１信号による計測の後、ＡＤ＿１によるＡ／Ｄ変換とその後の信号処理が行われ、それらが終了した後に次の計測をｍｅａｓ＿２信号により行うと、計測周期Ｔｓｐが非常に長いものとせざるを得ない。よって、計測データ収集装置５００からのｄａｔａ＿ｒｅｑ信号が高速な計測周期Ｔｒｅｑの場合には対応不可能となる。

図３の時間計測部６０の動作を図４のタイミングを参照しながら説明する。時間計測部６０は、チャンネル切り替え部６２にてタイミング生成部７０よりｍｅａｓ＿ｓｔａｒｔ信号１１０を受信する。例えば、ｄａｔａ＿ｒｅｑ＿１をトリガーとしてｃｌｋ信号に同期させたｍｅａｓ＿１の計測開始のタイミングに同期して第１時間計測部６３による遅延時間の計測を開始させる。また、次のｄａｔａ＿ｒｅｑ＿２によるｍｅａｓ＿２の計測の開始のタイミングに同期して第２時間計測部６４による遅延時間の計測を開始させる。更に、次のｄａｔａ＿ｒｅｑ＿３によるｍｅａｓ＿３の計測の開始のタイミングに同期して第３時間計測部６５の遅延時間の計測を開始させる。遅延時間の計測は、専用のタイマー又はカウンターであってもよいし、一つのタイマー又はカウンターを動作させておいて、計測の開始のタイミングでその値を読み込んで保持し、計測終了時の値との差により遅延時間の計測を行ってもよい。このように、時間計測部６０では、計測周期による計測の開始の度に遅延時間の計測を開始し、複数の遅延時間の計測を並行して実行する。

図４を参照すると、ｍｅａｓ＿１の計測の開始のタイミングに同期してｔｉｍｅ＿ｍｅａｓ＿１の遅延時間の計測を開始する。同様にｍｅａｓ＿２の計測の開始のタイミングに同期してｔｉｍｅ＿ｍｅａｓ＿２の遅延時間の計測を開始し、ｍｅａｓ＿３の計測の開始のタイミングに同期してｔｉｍｅ＿ｍｅａｓ＿３の遅延時間の計測を開始する。

ｍｅａｓ＿１によるアナログデータは、ＡＤ＿１を通してデジタル信号に変換され、データ生成部３０にてｃａｌｃ＿１を通して位置の演算が行われる。位置の演算が終了すると、データ生成部３０からｃａｌｃ＿ｅｎｄ信号１１２が出力され、時間計測部６０のチャンネル切り替え部６２に入力される。この信号により、ｍｅａｓ＿１の位置の演算が終了したことが通知され、チャンネル切り替え部６２では、第１時間計測部６３の遅延時間の計測を停止可能な状態とし、その後に入力される計測の開始のタイミングに同期して遅延時間の計測を停止する。図４の例では、ｍｅａｓ＿３の計測の開始タイミングに同期して第１時間計測部６３の遅延時間の計測ｔｉｍｅ＿ｍｅａｓ＿１を停止させる。ｔｉｍｅ＿ｍｅａｓ＿２、ｔｉｍｅ＿ｍｅａｓ＿３も同様にして、データ生成部３０からのｃａｌｃ＿ｅｎｄ信号１１２とその後に入力される計測の開始のタイミングに同期して遅延時間の計測を停止させる。ここで、ｔｉｍｅ＿ｍｅａｓ＿１による遅延時間の計測値をＴｔｍ_１とする。

図４のｄａｔａ＿ｒｅｑ＿３に対する位置データの出力は、ｄａｔａ＿ｒｅｑ信号の直前に位置の演算が終了しているｔｉｍｅ＿ｍｅａｓ＿１の位置データが用いられる。一方、ｄａｔａ＿ｒｅｑ＿３のタイミングでは、ｔｉｍｅ＿ｍｅａｓ＿２はまだ位置の演算が終了していないため、遅延時間の計測が継続して行われる。また、ｔｉｍｅ＿ｍｅａｓ＿３は直後のｍｅａｓ＿３信号により遅延時間の計測が開始される。本実施形態では、データの生成後に受信する最初のｄａｔａ＿ｒｅｑ＿信号の受信に応じて補正データ出力部５０は補正データを出力している。しかし、補正データの出力タイミングは、データの生成後に受信する最初のｄａｔａ＿ｒｅｑ＿信号を受信するタイミングでなくてもかまわない。

計測データ収集装置５００からのｄａｔａ＿ｒｅｑ信号２１０に対する位置データの出力は、そのｄａｔａ＿ｒｅｑ信号のタイミングにおける位置データが保証されていなければならない。本発明では、計測周期が検出部１０とデータ生成部３０と補正部４０と補正データ出力部５０の処理に要する時間の和より短い高速な計測を行う場合においても正確な位置計測を行うことを可能とする。そのため、ｄａｔａ＿ｒｅｑ信号２１０に対する位置データは、それ以前のｄａｔａ＿ｒｅｑ信号２１０に同期して計測されたデータを用い、時間計測部６０の計測開始から位置データを出力するｄａｔａ＿ｒｅｑ信号２１０までの時間を遅延時間として計測する。計測された遅延時間は、補正時間出力部６６に入力される。補正時間出力部６６は、この計測された遅延時間に対し、回路符号６７のΔＴｄにより検出部１０における検出遅延時間だけ補正を行う。

図４を参照すると、ｄａｔａ＿ｒｅｑ＿３のタイミングに対して出力される位置データはｍｅａｓ＿１で計測されたデータであり、遅延時間は先に述べたＴｔｍ１である。すなわち、出力される位置データは、時間Ｔｔｍ１だけ過去に計測されたデータである。しかしながら、先に述べたように、検出部１０における検出遅延時間のため、Ｔｔｍ１に対して実際に計測されたデータは遅れている。この検出遅延時間を考慮すると、補正された遅延時間は下式３により与えられる。
補正された遅延時間＝計測された遅延時間−検出部による検出遅延時間・・・（３）
このように、実際に補正に用いられる遅延時間は、計測された遅延時間と検出遅延時間との差となる。この検出遅延時間が差し引かれた補正後の遅延時間はｔｉｍｅ＿ｄｅｌａｙ信号１１４として補正部４０に入力される。例えば、図４の例では、Ｔｔｍ１＝２０μｓであり、検出遅延時間は、（２）式を用いると、ΔＴd／２＝４μｓである。従って、（３）式による補正後の遅延時間は１６μｓとなる。

図２の補正部４０は、データ生成部３０からの位置データと時間計測部６０からの補正された遅延時間すなわちｔｉｍｅ＿ｄｅｌａｙ信号１１４とより位置データを補正する。式１と同様にして、対象物の移動速度により位置誤差が発生する。そのため、補正部４０は、移動速度と補正された遅延時間とを乗算した量だけ位置データを補正する。
位置データの補正量（ｍ）＝移動速度Ｖ（ｍ／ｓ）×補正された遅延時間（ｓ）・・・（４）

移動速度は、次式５を用いて位置データの単位時間当りの変化量より算出される。
移動速度Ｖ（ｍ／ｓ）＝｛前回サンプル位置データ（ｍ）−今回サンプル位置データ（ｍ）｝／計測周期（ｓ）・・・（５）

例えば、補正された遅延時間が１６μｓで移動速度が１ｍ／ｓの場合、（４）式より、１６μｍだけ位置データの補正が行われる。尚、先に述べた同期タイミング信号生成部７６における５ｎｓ程度の同期ずれによる位置誤差は、移動速度が１ｍ／ｓの場合に５ｎｍであり、必要とされるμｍ前後の位置精度に対して極めて小さく、その影響は無視できる。

補正部４０で位置データが補正され、補正データ出力部（出力部）５０にてタイミング生成部７０からのｄａｔａ＿ｏｕｔ＿ｓｔａｒｔ信号１２０によりｄａｔａ＿ｏｕｔ信号２２０を位置データとして出力する。図４を参照すると、ｄａｔａ＿ｒｅｑ＿３に対する位置データはｍｅａｓ＿１データによる位置の演算と位置データの補正が行われ、ｄａｔａ＿ｏｕｔ＿１として計測データ収集装置５００に送信される。同様に、ｄａｔａ＿ｒｅｑ＿４に対する位置データはｍｅａｓ＿２データによる位置の演算と位置データの補正が行われ、ｄａｔａ＿ｏｕｔ＿２として計測データ収集装置５００に送信される。

このように、第１実施形態では、計測周期が検出部１０とデータ生成部３０と補正部４０と補正データ出力部５０の処理に要する時間の和より短い高速な計測にも対応できる。すなわち、検出部１０は、データ生成部３０の実行と並行して新たな計測を行う。時間計測部６０は、計測開始の度に遅延時間の計測を開始して複数の遅延時間の計測を並行して実行し、データ生成部３０での演算が終了した後に入力されたｄａｔａ＿ｒｅｑ信号により遅延時間の計測を終了する。時間計測部６０は、更に計測された遅延時間から検出遅延時間を差し引いて遅延時間を補正する。補正部４０は、位置データの時間変化量より速度に相関した信号を算出して補正された遅延時間との積により位置データを補正する。これにより、上位システム５００からの計測ｄａｔａ＿ｒｅｑ信号により高速な位置又は角度の計測を行う場合においても計測における遅延時間を計測して位置データを補正し、高速かつ高精度な位置又は角度の計測を行うことが可能となる。

〔第２実施形態〕
次に、第２実施形態の説明を行う。第２実施形態では、第１実施形態に対して時間計測部６０ａとタイミング生成部７０ａが異なる。同様の動作を行う部分は回路符号を同じとし、その説明を割愛する。図５は第２実施形態における時間計測部６０ａとタイミング生成部７０ａを表す構成ブロック図であり、図６はエンコーダ１００の各部における動作タイミングを表す図である。

タイミング信号生成部７６ａは、クロック信号生成部７２からのｃｌｋ信号により、ｍｅａｓ＿ｓｔａｒｔ信号１１０と、検出部１０の受光時間Ｔｍｅａｓを決定するｍｅａｓ信号１１１と、Ａ／Ｄ変換を行うためのａｄ＿ｓｔａｒｔ信号１１６を生成する。第１の実施形態では、ｄａｔａ＿ｒｅｑ信号２１０を、デジタル信号処理部２００のクロック信号のタイミングに合わせるために、クロック信号生成部７２で生成したｃｌｋ信号と同期を取ってｍｅａｓ＿ｓｔａｒｔ信号１１０を生成した。しかし、第２の実施形態では、計測データ収集装置５００からのｄａｔａ＿ｒｅｑ信号２１０とは独立に、クロック信号生成部７２で生成したｃｌｋ信号により上記各種信号を生成する。同期回路７４は、計測データ収集装置５００からのｄａｔａ＿ｒｅｑ信号２１０をクロック信号生成部７２で生成したｃｌｋ信号により同期を取り、ｄａｔａ＿ｒｅｑ’信号１１３を生成し、時間計測部６０ａのチャンネル切り替え部６２ａに出力する。

図６を参照すると、計測データ収集装置５００からのｄａｔａ＿ｒｅｑ＿３をｃｌｋ信号により同期を取り、ｄａｔａ＿ｒｅｑ＿３’信号を生成する。例えば、ｄａｔａ＿ｒｅｑ＿１〜ｄａｔａ＿ｒｅｑ＿４の計測周期は、Ｔｒｅｑ＝１０μｓである。ｃｌｋ信号と同期を取った後のｄａｔａ＿ｒｅｑ’信号１１３は、ｄａｔａ＿ｒｅｑ信号に対して最大でｃｌｋ信号の１クロック分だけずれる可能性がある。例えば、ｃｌｋ信号の周波数を２００ＭＨｚ、周期を５ｎｓとすると、最大で５ｎｓのずれが生じる可能性があるが、先に述べたように５ｎｓの時間ずれは十分に小さいためその影響は無視できる。

一方、計測データ収集装置５００からのｄａｔａ＿ｒｅｑ信号２１０とは独立に生成されたｍｅａｓ信号１１１の計測周期Ｔｓｐは、前記Ｔｒｅｑと同期しておらず、周期も一致していない。第２実施形態では、計測周期が検出部１０とデータ生成部３０と補正部４０と補正データ出力部５０の処理に要する時間の和より短い高速な計測を行う場合においても正確な位置計測を行うことを可能とする。そのため、計測データ収集装置５００からのｄａｔａ＿ｒｅｑ信号による計測周期Ｔｒｅｑに対し、これとは独立に生成され、実際に行われる計測の周期Ｔｓｐを、Ｔｓｐ≦Ｔｒｅｑとする必要がある。それ以外の動作、すなわち、検出部１０、Ａ／Ｄ変換器２０、データ生成部３０、及び補正部４０と補正データ出力部５０の動作は第１実施形態と同様である。

時間計測部６０ａのチャンネル切り替え部６２ａは、ｍｅａｓ＿１〜ｍｅａｓ＿３信号により第１時間計測部６３、第２時間計測部６４、第３時間計測部６５での時間計測を開始する。例えば、図６を参照すると、位置演算の終了信号であるｃａｌｃ＿１がチャンネル切り替え部６２ａに入力されるとする。そうすると、ｔｉｍｅ＿ｍｅａｓ＿１による第１時間計測部６３の遅延時間の計測が停止可能な状態とされ、その後に入力されるｄａｔａ＿ｒｅｑ＿３’により遅延時間の計測が停止される。ｔｉｍｅ＿ｍｅａｓ＿２も同様にして、ｃａｌｃ＿２によりｔｉｍｅ＿ｍｅａｓ＿２による第２時間計測部６４の遅延時間の計測を停止可能な状態とし、その後に入力されるｄａｔａ＿ｒｅｑ＿４’により遅延時間の計測を停止する。

計測された遅延時間は、第１実施形態と同様に、検出部１０における検出遅延時間が差し引かれた後、補正部４０にて位置データを補正する。補正された位置データは、補正データ出力部５０よりタイミング生成部７０ａからのｄａｔａ＿ｏｕｔ＿ｓｔａｒｔ信号１２０によりｄａｔａ＿ｏｕｔ信号２２０の位置データとして出力される。尚、ｄａｔａ＿ｏｕｔ＿ｓｔａｒｔ信号１２０は、図５に示すように、同期回路７４にてｄａｔａ＿ｒｅｑ信号２１０とクロック信号生成部７２からのｃｌｋ信号により生成される。

図６を参照すると、ｄａｔａ＿ｒｅｑ＿３に対する位置データはｍｅａｓ＿１データによる位置の演算と位置データの補正が行われ、ｄａｔａ＿ｏｕｔ＿１として計測データ収集装置５００に送信される。同様に、ｄａｔａ＿ｒｅｑ＿４に対する位置データはｍｅａｓ＿２データによる位置の演算と位置データの補正が行われ、ｄａｔａ＿ｏｕｔ＿２として計測データ収集装置５００に送信される。

このように、第２実施形態においても、計測周期が検出部１０とデータ生成部３０と補正部４０と補正データ出力部５０の処理に要する時間の和より短い高速な計測にも対応できる。すなわち、検出部１０は、データ生成部３０の実行と並行して新たな計測を行う。時間計測部６０ａは、計測開始の度に遅延時間の計測を開始して複数の遅延時間の計測を並行して実行し、データ生成部３０での演算が終了した後に入力された計測データ取得信号により遅延時間の計測を終了して遅延時間を決定する。時間計測部６０ａは、更に計測された遅延時間から検出遅延時間を差し引いて遅延時間を補正する。補正部４０は、位置データの時間変化量より速度に相関した信号を算出して補正された遅延時間との積により位置データを補正する。これにより、上位システム５００からの計測ｄａｔａ＿ｒｅｑ信号により高速な位置又は角度の計測を行う場合においても計測における遅延時間を計測して位置データを補正し、高速かつ高精度な位置又は角度の計測を行うことが可能となる。

本発明では、上位システム５００からの計測ｄａｔａ＿ｒｅｑ信号により高速な位置又は角度の計測を行う場合においても計測における遅延時間を計測して位置データを補正し、高速かつ高精度な位置又は角度の計測を行うことが可能となる。

Claims (8)

1. 周期的に送信される指令信号に従ってスケールの位置又は角度の計測値を出力するエンコーダであって、
   前記スケールからの信号を検出して検出信号を出力する検出部と、
   前記検出信号に基づいて前記スケールの位置又は角度を示すデータを生成し、その後の前記指令信号の受信までの前記検出からの遅延時間における前記スケールの移動に伴う前記位置又は角度の変化量に基づいて該データを補正して出力する処理部と、を備え、
   前記処理部は、前記データの生成及び補正を含む処理を前記指令信号が受信される度に行い、かつ複数の当該処理を並行して行う、
   ことを特徴とするエンコーダ。
2. 前記周期は、前記検出に要する時間より長く、かつ、前記検出ならびに該検出に対応する前記データの生成および補正に要する時間より短い、ことを特徴とする請求項１に記載のエンコーダ。
3. 前記処理部は、
   前記検出信号に基づいて前記スケールの位置又は角度を示すデータを生成する生成部と、
   前記遅延時間を計測する遅延時間計測部と、
   前記遅延時間に対応する前記位置又は角度の変化量に基づいて前記データを補正する補正部と、
   前記指令信号の受信に応じて前記補正部により補正されたデータを出力する出力部と、を備え、
   前記生成部は、前記指令信号が受信される度に、前記検出部による検出と並行して前記データの生成を行い、
   前記遅延時間計測部は、前記検出が開始される度に前記遅延時間の計測を開始し、かつ複数の前記遅延時間の計測を並行して行う、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載のエンコーダ。
4. 前記補正部は、前記対象物の移動速度と前記遅延時間とに基づいて前記データを補正する、ことを特徴とする請求項３に記載のエンコーダ。
5. 前記検出部は、前記指令信号に基づいて前記検出を開始する、ことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載のエンコーダ。
6. 前記検出部は、前記指令信号とは独立して前記検出を開始する、ことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載のエンコーダ。
7. 前記検出部は、光電変換素子を含み、
   前記処理部は、前記検出信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器をさらに含む、ことを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載のエンコーダ。
8. 周期的に送信される指令信号に従ってスケールの位置又は角度の計測値を出力する方法であって、
   前記スケールからの信号を検出して検出信号を出力する検出工程と、
   前記検出信号に基づいて前記スケールの位置又は角度を示すデータを生成し、その後の前記指令信号の受信までの前記検出からの遅延時間における前記スケールの移動に伴う前記位置又は角度の変化量に基づいて該データを補正して出力する処理工程と、を含み、
   前記データの生成及び補正を含む処理を前記指令信号が受信される度に行い、かつ複数の当該処理を並行して行う、
   ことを特徴とする方法。

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