(57)【要約】      （修正有）【課題】信号処理の高速化に有利なアブソリュートエンコーダを提供する。【解決手段】マークが第１ピッチで配列されたスケールと、一部のマークで変調された光を検出する第１ピッチより小さい第２ピッチで配置された光電変換素子からの出力信号に基づいて検出器又はスケールの絶対位置を求める。マークは、透過率の値が第１範囲内の第１マークと、透過率の値が第２範囲内であって互いに異なる少なくとも２種類の第２マークとを含み、第１マークが１つ置きに配列され、第１マークの配列の間には第２マークがそれぞれ配置される。処理部は、出力信号の極値に基づいて、出力信号の複数周期分の信号範囲を特定し、信号範囲に含まれる第２マークに対応する信号の複数の極値に基づいて、量子化された複数のデータで構成されるデータ列を求め、信号範囲に含まれる周期信号に基づいて位相を求め、データ列及び位相に基づいて絶対位置を表すデータを出力する。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のマークが第１ピッチで配列されたスケールと、前記第１ピッチより小さい第２ピッチで配置された複数の光電変換素子を含み前記複数のマークの中の一部のマークで変調された光を検出する検出器と、前記複数の光電変換素子からの出力信号に基づいて前記検出器または前記スケールの絶対位置を求める処理部と、を備えたアブソリュートエンコーダであって、
前記複数のマークは、透過率又は反射率の値が第１範囲内の第１マークと、前記透過率又は反射率の値が前記第１範囲とは異なる第２範囲内であって互いに異なる少なくとも２種類の第２マークとを含み、前記第１マークが１つ置きに配列され、前記第１マークの配列の間には前記第２マークがそれぞれ配置され、
前記処理部は、
前記出力信号の極値に基づいて、前記出力信号の複数周期分の信号範囲を特定し、
前記信号範囲に含まれる前記第２マークに対応する信号の複数の極値に基づいて、量子化された複数のデータで構成されるデータ列を求め、
前記信号範囲に含まれる周期信号に基づいて位相を求め、
前記データ列及び前記位相に基づいて前記絶対位置を表すデータを出力する、
ことを特徴とするアブソリュートエンコーダ。
【請求項２】
前記処理部は、前記信号範囲の両端を規定する２つの信号の双方を前記極値に基づいて特定する、ことを特徴とする請求項１記載のアブソリュートエンコーダ。
【請求項３】
前記処理部は、前記信号範囲の両端を規定する２つの信号の一方を前記極値に基づいて特定し、他方を前記一方の信号に基づいて特定する、ことを特徴とする請求項１記載のアブソリュートエンコーダ。
【請求項４】
前記第１範囲の値は前記第２範囲の値よりも小さく、前記第１マークに対応する信号の極値は極小値であり、前記第２マークに対応する信号の極値は極大値である、ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のアブソリュートエンコーダ。
【請求項５】
前記第１範囲の値は前記第２範囲の値よりも大きく、前記第１マークに対応する信号の極値は極大値であり、前記第２マークに対応する信号の極値は極小値である、ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載のアブソリュートエンコーダ。
【請求項６】
前記処理部は、前記出力信号として、前記検出器の出力を平滑化した信号を取得する、ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のアブソリュートエンコーダ。
【請求項７】
前記処理部は、複数の閾値に基づいて前記複数の極値を量子化する、ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のアブソリュートエンコーダ。
【請求項８】
前記複数のマークは、透過率が互いに異なる少なくとも３種類のマークを含み、前記検出器は、前記マークを透過した光を検出する、ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のアブソリュートエンコーダ。
【請求項９】
前記複数のマークは、反射率が互いに異なる少なくとも３種類のマークを含み、前記検出器は、前記マークで反射された光を検出する、ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のアブソリュートエンコーダ。
【請求項１０】
複数のマークが第１ピッチで配列されたスケールと、前記第１ピッチより小さい第２ピッチで配置された複数の光電変換素子を含み前記複数のマークの中の一部のマークで変調された光を検出する検出器と、前記複数の光電変換素子からの出力信号に基づいて前記検出器または前記スケールの絶対位置を求める処理部と、を備えたアブソリュートエンコーダにおいて前記処理部により前記絶対位置を求める方法であって、
前記複数のマークは、透過率又は反射率の値が第１範囲内の第１マークと、透過率又は反射率の値が前記第１範囲とは異なる第２範囲内であって互いに異なる少なくとも２種類の第２マークとを含み、前記第１マークが１つ置きで配列され、前記第１マークの配列の間には前記第２マークがそれぞれ配置され、
前記処理部は、
前記出力信号の極値に基づいて、前記出力信号の複数周期分の信号範囲を特定し、
前記信号範囲に含まれる前記第２マークに対応する信号の複数の極値に基づいて、量子化された複数のデータで構成されるデータ列を求め、
前記信号範囲に含まれる周期信号に基づいて位相を求め、
前記データ列及び前記位相に基づいて前記絶対位置を求める、
ことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アブソリュートエンコーダ及び絶対位置を求める方法
【背景技術】
【０００２】
従来、位置や角度を計測する目的で、インクリメンタルエンコーダやアブソリュートエンコーダが用いられる。インクリメンタルエンコーダは、一定周期（ピッチ）で格子をスケール又はディスクに記録し、その格子の移動を光学的又は磁気的に読み取り、格子の移動数をカウントすることで、相対的な位置情報を出力する。インクリメンタルエンコーダの中には、相対的な位置情報だけではなく、原点検出機構と組合せて絶対位置を出力する構成をとるものもある。また、位置情報の分解能を向上させるために、格子の移動数の１カウント内を１０００以上に分割した位相情報を内挿して出力する手法が知られている。さらに、格子を１つずつ読み取るのではなく複数の格子を同時に読み取り平均化を行うことで、格子の製造バラツキをキャンセルする手法が知られている。以上のように、位相情報の内挿と、格子の読み取りの平均化を行うことで、インクリメンタルエンコーダは、高分解能かつ高精度に位置情報を出力することができる。しかし、上述したように、インクリメンタルエンコーダは、絶対位置の情報を得るには、原点検出工程が必要である。従って、電源投入時に原点検出を行う必要があり、使用効率（生産性）の点で不利であった。また、安全性が求められる応用には不利であった。
【０００３】
一方、アブソリュートエンコーダは、Ｍ系列コード等のバイナリパターンを受光素子アレイで読み取ることで、絶対位置の情報を出力することができる。特許文献１には、点光源から射出された光束を、相対移動可能に設置されたスケールに照射し、スケールを介した光（透過光または反射光）を受光素子アレイにて受光するアブソリュートエンコーダが開示されている。特許文献１のアブソリュートエンコーダは、１１周期分の光量分布の周期信号のそれぞれを１２の受光素子で受光している。そして、各周期信号の振幅を読み取ることでアブソリュート位置の情報を得、かつ、周期信号の位相を求めることで、インクリメンタルエンコーダ並の高分解能の位相情報（内挿情報）を得ている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−３７３９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１のアブソリュートエンコーダは、インクリメンタルエンコーダ並みの高い分解能で絶対位置を計測することが可能である。しかし、特許文献１のアブソリュートエンコーダは、内挿処理を行うのに、受光素子アレイで得られた周期信号を正規化するため、処理時間が長いという課題があった。
【０００６】
そこで、本発明は、例えば、信号処理の高速化に有利なアブソリュートエンコーダを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の１つの側面は、複数のマークが第１ピッチで配列されたスケールと、前記第１ピッチより小さい第２ピッチで配置された複数の光電変換素子を含み前記複数のマークの中の一部のマークで変調された光を検出する検出器と、前記複数の光電変換素子からの出力信号に基づいて前記検出器または前記スケールの絶対位置を求める処理部と、を備えたアブソリュートエンコーダであって、前記複数のマークは、透過率又は反射率の値が第１範囲内の第１マークと、前記透過率又は反射率の値が前記第１範囲とは異なる第２範囲内であって互いに異なる少なくとも２種類の第２マークとを含み、前記第１マークが１つ置きに配列され、前記第１マークの配列の間には前記第２マークがそれぞれ配置され、前記処理部は、前記出力信号の極値に基づいて、前記出力信号の複数周期分の信号範囲を特定し、前記信号範囲に含まれる前記第２マークに対応する信号の複数の極値に基づいて、量子化された複数のデータで構成されるデータ列を求め、前記信号範囲に含まれる周期信号に基づいて位相を求め、前記データ列及び前記位相に基づいて前記絶対位置を表すデータを出力する、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、例えば、信号処理の高速化に有利なアブソリュートエンコーダを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明のアブソリュートエンコーダの構成を示した図である。
【図２】受光素子アレイからの出力信号をレジスタに収容するフローを説明するための図である。
【図３】受光素子アレイからの出力信号の波形の例を示した図である。
【図４】出力信号がレジスタに収容される例を示した図である。
【図５】受光素子アレイからの出力信号の波形の例を示した図である。
【図６】出力信号がレジスタに収容される例を示した図である。
【図７】本発明のアブソリュートエンコーダの信号処理方法を説明するための図である。
【図８】出力信号にノイズが重畳した例を示した図である。
【図９】光量分布が大きい例を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に、本発明の実施形態を添付の図面に基づいて詳細に説明する。
【００１１】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態のアブソリュートエンコーダの構成を説明するための図である。図１に示したように、ＬＥＤ等の点光源１から出射した発散光束を、相対移動可能に設置されたスケール（又はディスク）２に照射し、スケール２を透過した透過光（変調された光）を受光素子アレイ（検出器）３にて受光して検出する。スケール２には、透過部（第２マーク）２ａと非透過部（第１マーク）２ｂとが第１ピッチで配列されたインクリメンタルパターンがまず形成される。その上で、透過部２ａの一部が半透過部（第２マーク）２ｃに置き換えられる。
【００１２】
したがって、スケール２には、非透過部（第１マーク）２ｂが１つ置きで配列され、隣り合う非透過部（第１マーク）２ｂの間には、透過部２ａ又は半透過部２ｃの第２マークが１つ配置される。スケール２には、透過部２ａ及び半透過部２ｃ（２種類の第２マーク）の配置でアブソリュートコードが埋め込まれている。第１実施形態では、非透過部２ｂは、透過率の値が第１範囲内の第１マークを構成し、第１範囲の値は、第２マークを構成する透過部２ａと半透過部２ｃとの透過率の値（第２範囲）よりも小さい。なお、第２マークを構成する透過部２ａと半透過部２ｃの透過率の値は、ともに第２範囲内にあるが、互いに異なる。
【００１３】
第１実施形態では、アブソリュートコードは、スケール２の透過部２ａを１、半透過部２ｃを０とするＭ系列符号、または、原始多項式で生成されるその他の巡回符号を用いることができる。アブソリュートコードは、複数の第２マークに対応する信号に基づいて量子化されたデータで構成されるデータ列である。スケール２を透過した光束は、インクリメンタルエンコーダで得られるような正弦波状の周期性を持ち、アブソリュートコードの情報を反映した振幅の変化を持った光量分布となる。
【００１４】
図１に、受光素子アレイ３上の光量分布を示した。受光素子アレイ３は、ＣＭＯＳやＣＣＤ等で構成される。受光素子アレイ３には、複数の受光素子（光電変換素子）が第１ピッチよりも小さい第２ピッチで配置されている。スケール２に配列された複数のマークの第１ピッチによって決定される光量分布の明暗１周期の設計値をＮ分割するように、第２ピッチを決定することで、各受光素子が出力する信号の位相が等間隔にずれるように構成される。例えば、アブソリュートコードのビット数をＭ＝１０、光量分布の１周期に対する受光素子アレイの分割数（受光素子数）をＮ＝１２とすると、Ｎ×Ｍ＝１２０の受光素子数の受光素子アレイ３によって、アブソリュートコードの情報を持つ周期信号が取得される。
【００１５】
アブソリュートエンコーダは、アブソリュートコードの情報を反映した振幅の変化を持った周期信号の振幅を読み取ることで、仮の絶対位置の情報（複数の量子化されたデータで構成されるデータ列）を得る。そして、アブソリュートエンコーダは、周期信号の位相を求めることで、インクリメンタルエンコーダ並の高分解能の内挿情報を得る。
【００１６】
図２は、受光素子アレイ３から出力された信号がレジスタに収容されるフローを説明するための図である。シリアル出力型の受光素子アレイ３から出力されるアナログ信号は、受光素子アレイ３上の光量分布を反映したアナログ電圧値であり、順次Ａ／Ｄ変換器４によりＡ／Ｄ変換された後、順次波形データとしてレジスタ５にデジタル値として収容される。処理部６は、受光素子アレイ３の各受光素子の出力値を順次取得する際に、前後の受光素子の出力値の大きさと比較し、極大値と極小値、および、極大値と極小値が取得された受光素子の位置情報もレジスタ５に記録する。
【００１７】
レジスタ５は、受光素子アレイ３の各受光素子から出力されるＡ／Ｄ変換された電圧値の他に、極大値と極小値、および、極大値と極小値が取得された受光素子の位置情報、所定の受光素子数を含む演算範囲におけるＡ／Ｄ変換された電圧値を収容する。なお、受光素子アレイ３の各受光素子から出力されるＡ／Ｄ変換された電圧値をレジスタ５に収容されないように変更してもよい。
【００１８】
図３、４に、本発明の信号取得手順を示した。受光素子アレイ３より出力されるアナログ信号は、順次Ａ／Ｄ変換され、順次各受光素子の出力値が出力される。受光素子アレイ３の各受光素子をＣｈ１、Ｃｈ２、・・・と名付け、Ｃｈ１から順次Ａ／Ｄ変換された出力値が出力される構成の場合、時系列で出力される信号として、図３に示したような信号が得られる。
【００１９】
図３に示した波形は、以下の処理を経て、図４に示したようにレジスタ５に収容される。順次出力される出力値は、レジスタ５１に収容されるのと同時に、処理部６によって、前後の素子の出力値の大きさと比較され、極小値または極大値であるかを判定する極値判定が行われる。極小値であると判定された場合、その極小値はレジスタ５２に収容され、極大値であると判定された場合、その極大値はレジスタ５４に収容される。このとき、極小値と極大値の出力された受光素子の位置も、それぞれレジスタ５３、５５に収容される。ただし、Ｃｈ１については、前方の出力値情報が得られないため、極値の判定は行わない。
【００２０】
図４では、各受光素子からの出力値をＶＣｈi、受光素子の位置をＣｈiと表している。ただし、iは受光素子の位置を示す番号である。処理部６は、第１端側で最初の極小値が得られた受光素子から所定の数の受光素子を挟む第２端側の受光素子までの受光素子から出力された信号の複数周期分の信号範囲を特定し、信号範囲に含まれる信号を記録する。特定された信号範囲に含まれる出力値の値は、レジスタ５６に収容される。例えば、上記のようなアブソリュートコードＭ＝１０ビット、分割数Ｎ＝１２の場合、受光素子数を２４（アブソリュートコード２ビット分）だけ余分に用意しておく。そうすれば、周期信号の極小値は１２番目の受光素子までに必ず現れるため、信号範囲の１２０の受光素子分の受光領域を十分に確保できる。
【００２１】
図５に示したのは、アブソリュートコードＭ＝１０ビット、分割数Ｎ＝１２の場合の出力信号の例で、受光素子アレイ３上の光量分布を反映した各受光素子の出力を示した図である。図５には、極小値および極大値が取得される受光素子の位置情報を示してある。図６は上述した手順で、順次出力される出力値をレジスタ５に収容した状態を示した図である。レジスタ５１には、１４４の全受光素子からの出力値が収容される。レジスタ５２、５３には、１１の極小値とその位置情報が収容される。レジスタ５４、５５には、１０の極大値とその位置情報が収容される。レジスタ５６には、信号範囲に含まれる１２１の受光素子の出力値が収容される。
【００２２】
次に、レジスタ５に収容された出力値および位置情報を用いて、処理部６が絶対位置の情報７９を算出するための演算方法について述べる。図７は、図５に示した出力例を用いた場合の処理部６のフローを説明するための図である。上述したように、受光素子アレイ３から出力された１４４の出力値は、Ａ／Ｄ変換された後、レジスタ５に収容される際に、極値取得部６１は、極値の情報７２を取得し、信号範囲７３を特定し、信号範囲の出力値の情報７４を取得する。処理部６は、位相の演算とアブソリュートコードの演算は、同時に行うことができる。
【００２３】
まず、位相の演算について説明する。位相演算部６２は、特定された信号範囲に含まれる出力値の情報７５を用いて、位相情報（内挿情報）を得る。位相情報は、例えば、特許文献１に記載の方法と同様の方法により求め得る。例えば、４つの基準信号として、出力信号の明暗の周期の設計値と同じ周期で、一定の振幅をもった、位相がπ／４ずつずれた４つの信号を用いる。当該４つの基準信号は、｛（１−sinωｔ）／２｝、｛（１−cosωｔ）／２｝、｛（１＋sinωｔ）／２｝、｛（１＋cosωｔ）／２｝とし得る。この４つの基準信号に対してそれぞれ出力値（７５）を乗算して総和をとり、Ａ（＋）、Ｂ（＋）、Ａ（−）、Ｂ（−）を得る。更に、Ａ（＋）とＡ（−）との差と、Ｂ（＋）とＢ（−）との差を求める。それらの比が求めるべき位相の正接（タンジェント）になるから、当該比の逆正接（アークタンジェント）を求めれば、インクリメンタルエンコーダと同等の分解能で位相７６を得ることができる。
【００２４】
つぎに、アブソリュートコードの演算について説明する。アブソリュートコード演算部６３は、信号範囲に含まれる出力値の極大値の情報７７を用いてアブソリュートコードを演算する。出力値の極大値の情報７７は、図６に示したレジスタ５４に収容されている。アブソリュートコード演算部６３は、この値を閾値判定して２値化することで、アブソリュートコードを求める。信号範囲に含まれる出力値の極大値を模式的に書くと、図７のグラフ７７のようになる。グラフ７７中に一点鎖線で示した閾値を用いて、極大値を２値化すると、アブソリュートコードは、「１００１００１１１０」となる。得られたアブソリュートコードに対して、例えばルックアップテーブルを参照する方法によって、アブソリュートコードに対応する仮の絶対位置の情報７８が得られる。
【００２５】
以上のように、受光素子アレイ３の各受光素子からの出力７１から極値及び極値の取得位置の情報７２、信号範囲の出力値の情報７３を、同時にレジスタ５に収容することで、処理部６は、位相とアブソリュートコードとを同時に演算することが可能となる。図７に示した位相演算部６２が位相の情報７６を、アブソリュートコード演算部６３が仮の絶対位置の情報７８を出力する。次いで、絶対位置情報演算部６４は、位相の情報７６と仮の絶対位置の情報７８とを統合して、高精度な絶対位置の情報７９を出力する。出力された絶対位置の情報７９は、レジスタ５に収容され、要求に応じてシリアル出力される。
【００２６】
以上のように構成されたアブソリュートエンコーダは、インクリメンタルエンコーダと同等に高精度に内挿することが可能である。また、位相演算と、アブソリュートコード演算を同時に行うことができるため、信号処理時間を短縮することができる。
【００２７】
（他の実施形態）
本発明は、第１実施形態にとらわれず、その要旨の範囲内で種々の変形および変更が可能である。まず、第１実施形態では、インクリメンタルパターンを構成する透過部の一部を半透過部と置き換えているが、非透過部の一部を半透過部に置き換える構成をとってもよい。すなわち、スケール２に１つ置きで配列する第１マークを透過部とし、第１マークの透過率の値（第１範囲）を、隣り合う透過部間に第２マークとして配置する非透過部、半透過部の透過率の値（第２範囲）よりも大きくすることができる。また、第１実施形態では、透過率の値が互いに異なる３種類のマークをスケールに配置したが、反射率の値が互いに異なる３種類のマークをスケールに配置させてもよい。
【００２８】
第１実施形態では、エンコーダの光学系は、発散光による拡大照明光学系を用いたが、点光源１とスケール２の間に光学素子を挿入して、平行光を照明する光学系や、結像光学系を用いてもよい。また、出力値をレジスタに収容する際には、受光素子アレイ３の各受光素子の前後の所定の数の受光素子から出力される出力値の和を収容してもよい。
【００２９】
第１実施形態では、信号範囲の両端を規定する２つの信号のうちの一方を、受光素子から出力される信号から決定し、他方を、取得した一方の信号から所定の数だけカウントすることによって決定した。しかし、信号範囲の両端を規定する２つの信号のうちの双方を、受光素子から出力される信号から決定してもよい。
【００３０】
図８（ａ）は、極値においてノイズが発生し、極大値が大きくなるような信号を示した図である。極大値からアブソリュートコードを判定する際の２値化の基準となる閾値を図中の一点鎖線で示した。例えば、スケール上にゴミやキズなどが生じた場合や、電気的なノイズが発生した場合に、図８（ａ）に示したような信号が出力される恐れがある。このようなノイズが発生した場合、極値を正しく取得することはできるが、極大値のアブソリュートコードの判定を行う際に誤判定を行ってしまう。このとき、例えば、受光素子ごとに該受光素子とその近傍の受光素子との出力の総和（または平均値）の信号を取得する（すなわち出力信号を平滑化する）と、平均化（平滑化）効果によりノイズの影響を軽減することができて、誤判定を防止することができる。
【００３１】
図８（ｂ）は、極値においてノイズが発生し、極大値の値が小さくなるような信号を示した図である。このようなノイズが発生した場合、極大値のアブソリュートコードの判定を誤判定するような閾値を超える出力値は発生しないが、極値を取得する際に、図８（ｂ）に示したように、誤った極値を余分に取得してしまう。このようなノイズが発生した場合も、上記と同様に、所定に数の受光素子の出力値の和をとることで、平均化効果によりノイズの影響を軽減することができる。従って、所望の極値を取得することが可能で、アブソリュートコードの判定を正しく行うことができる。
【００３２】
また、受光素子アレイ３が変調された光の受光量の分布を有する場合には、受光量の分布の影響が無視できない場合がある。図９は、受光量のばらつきが大きくなる場合の信号を示した図である。受光量のばらつきが大きい場合、信号は点線で示したような包絡線に従う。図９には、互いに異なる値を有する２つの閾値（第１閾値、第２閾値）を示した。閾値１のみを用いてアブソリュートコードの判定を行うと、受光素子アレイ３の中心から離れた、１ビット目、１０ビット目の判定は、ロバスト性に欠けることになる。光学系の設計値情報又は実験値情報より、受光量のばらつきの大きさは事前に決定することができる。この情報を用いれば、図９に示したように、受光素子アレイ３の中心部と、端部で、異なる閾値を用意することが可能となる。もちろん、図９に示したような、２つの異なる値の閾値を用意する場合だけでなく、より多数の閾値を用意してもよい。このように、異なる値を持った複数の閾値を設定することで、ロバスト性の高いアブソリュートコードの判定が可能となる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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