(57)【要約】【課題】光強度分布に歪みがある明暗パターンからでも適切な閾値の設定によって正確に明暗の判別を行うことができる光電式エンコーダの信号処理方法を提供する。【解決手段】スケールには、疑似ランダム符号系列に従った２準位符号パターンが測長方向に沿って設けられている。検出部は、スケールの検出イメージを取得し、検出イメージに対してモルフォロジー処理を行って下側包絡線と上側包絡線とを算出し、下側包絡線と上側包絡線との平均線を求めて、これを閾値線とし、検出イメージと閾値線との対比によって二値化処理を行う。モルフォロジー処理では、所定の幅Ｌを有するサブ区間を検出イメージの一方の端から他方の端に移動させながら、サブ区間内のデータで光強度の最小値を抽出して下側包絡線を得るとともに、サブ区間内のデータで光強度の最大値を抽出して前記上側包絡線を得る。【選択図】図１２
2019168343.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
疑似ランダム符号系列に従った２準位符号パターンが測長方向に沿って設けられたスケールと、
前記スケールに沿って相対的に移動可能に設けられ、前記スケール上の擬似ランダム符号系列に基づいてスケール上の絶対位置を検出する検出部と、を備えた光電式エンコーダの信号処理方法であって、
前記２準位符号パターンの一つの符号を、符号"１"または符号"０"とし、一つの符号を表わす２ビットの一つのビットをＬまたはＨとするとき、
前記検出部は、
前記スケールの検出イメージを取得し、
前記検出イメージに対してモルフォロジー処理を行って下側包絡線と上側包絡線とを算出し、
前記下側包絡線と前記上側包絡線との平均線を求めて、これを閾値線とし、
前記検出イメージと前記閾値線との対比によって二値化処理を行うものであり、
前記モルフォロジー処理では、所定の幅Ｌを有するサブ区間を前記検出イメージの一方の端から他方の端に移動させながら、前記サブ区間内のデータで光強度の最小値を抽出して前記下側包絡線を得るとともに、前記サブ区間内のデータで光強度の最大値を抽出して前記上側包絡線を得る
ことを特徴とする光電式エンコーダの信号処理方法。
【請求項２】
請求項１に記載の光電式エンコーダの信号処理方法において、
一つの前記ビットの幅がＷ／２であって、
符号"１"はＬとＨとの組であるＡパターンで表現され、
符号"０"は、ＬとＬとの組であるＢパターン、および、ＨとＨとの組であるＣパターンで表現され、
符号"０"が連続する場合には、前記Ｂパターンと前記Ｃパターンとが交互に配置され、
前記サブ区間の幅Ｌは、１．５Ｗ＜Ｌ＜２Ｗである
ことを特徴とする光電式エンコーダの信号処理方法。
【請求項３】
請求項１に記載の光電式エンコーダの信号処理方法において、
一つの前記ビットの幅がＷ／２であって、
符号"１"はＬとＨとの組であるＡパターンで表現され、
符号"０"は、ＬとＬとの組であるＢパターン、および、ＨとＨとの組であるＣパターンで表現され、
符号"０"が連続する場合には、前記Ｂパターンと前記ＣパターンとはそれぞれＫ個まで連続することが許容され、
前記サブ区間の幅Ｌは、（Ｋ＋０．５）Ｗ＜Ｌ＜（Ｋ＋１）Ｗである
ことを特徴とする光電式エンコーダの信号処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
光電式エンコーダの信号処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１に光電式エンコーダ１００の主要構成を示す。
位置あるいは変位の測定装置として光電式エンコーダが広く利用されている。
光電式エンコーダ１００は、光源１１０と、スケールパターン２１０を有するメインスケール２００と、メインスケール２００からの反射光または透過光を受光する受光検出器３００と、受光検出器３００で受光した明暗パターンから位置あるいは変位を求める信号処理部４００と、備える。
【０００３】
ここでは、光源１１０からの光をコリメートレンズ１１２で平行光にしてからメインスケール２００に照射している。また、光源１１０、レンズ１１２および受光検出器は検出ヘッドとしてユニット化され、検出ヘッドはメインスケール２００に対して相対変位可能に設けられている。
【０００４】
スケールパターン２１０は、透過型光電式エンコーダであれば透過部と非透過部とが所定ピッチあるいはランダムピッチで交互に配置されたものである。また、反射型光電式エンコーダであれば、スケールパターンは、反射部と非反射部とが所定ピッチあるいはランダムピッチで交互に配置されたものである。
【０００５】
例えば、図１のように、透過部と非透過部とがランダムピッチで交互に配置されたスケールパターン２１０に光を照射して、その透過光によって形成される明暗パターンを画像として受光検出器３００で取得したとする。取得された明暗パターンの光強度分布は、理想的には図２に例示するように、透過部に相当する最大の光強度がすべて同じとなり、非透過部に相当する最低の光強度がすべて同じとなるはずである。このような理想的光強度分布であれば、一つの固定的に設定された閾値によって明部と暗部とを判別できる。
【０００６】
しかし、実際には、光源１１０の光量分布、レンズ１１２の歪み、マイクロレンズアレイのレンズ同士の境界部分、など種々の要因により、明暗パターンの光強度分布は図３に例示のように歪む。このように歪んだ明暗パターンに対して固定的に設定された閾値を適用すると、明部と暗部とを正確に判別できない。
【０００７】
そこで、従来は、フーリエ変換によって長周期の歪みを取り除くフィルタリング処理により閾値を算出することで明暗を判別していた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１７−５８１３８
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、フーリエ変換によるフィルタリングでは、光強度分布に局所的な偏りが含まれている場合、正しく明暗の判別ができないという問題がある。例えば、図４中の丸囲みの箇所では、両側の明部のピークが高いため、その間の明部が検出できないことになる。
また、フーリエ変換は、演算量が多く演算負荷が大きい。したがって、一回一回の測定に時間が掛かり高速化の障害になっていた。
また、フーリエ変換を高速化するためには受光検出器３００の受光素子の数を２ｎ個にしなければならない。このことは受光検出器３００の設計にとって大きな制限となっていた。
【００１０】
そこで、明暗解析の信頼性向上とともに測定の高速化および設計自由度の向上を図ることができる光電式エンコーダが望まれている。
【００１１】
本発明の目的は、光強度分布に歪みがある明暗パターンからでも適切な閾値の設定によって正確に明暗の判別を行うことができる光電式エンコーダの信号処理方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の光電式エンコーダの信号処理方法は、
疑似ランダム符号系列に従った２準位符号パターンが測長方向に沿って設けられたスケールと、
前記スケールに沿って相対的に移動可能に設けられ、前記スケール上の擬似ランダム符号系列に基づいてスケール上の絶対位置を検出する検出部と、を備えた光電式エンコーダの信号処理方法であって、
前記２準位符号パターンの一つの符号を、符号"１"または符号"０"とし、一つの符号を表わす２ビットの一つのビットをＬまたはＨとするとき、
前記検出部は、
前記スケールの検出イメージを取得し、
前記検出イメージに対してモルフォロジー処理を行って下側包絡線と上側包絡線とを算出し、
前記下側包絡線と前記上側包絡線との平均線を求めて、これを閾値線とし、
前記検出イメージと前記閾値線との対比によって二値化処理を行うものであり、
前記モルフォロジー処理では、所定の幅Ｌを有するサブ区間を前記検出イメージの一方の端から他方の端に移動させながら、前記サブ区間内のデータで光強度の最小値を抽出して前記下側包絡線を得るとともに、前記サブ区間内のデータで光強度の最大値を抽出して前記上側包絡線を得る
ことを特徴とする。
【００１３】
本発明の一実施形態では、
一つの前記ビットの幅がＷ／２であって、
符号"１"はＬとＨとの組であるＡパターンで表現され、
符号"０"は、ＬとＬとの組であるＢパターン、および、ＨとＨとの組であるＣパターンで表現され、
符号"０"が連続する場合には、前記Ｂパターンと前記Ｃパターンとが交互に配置され、
前記サブ区間の幅Ｌは、１．５Ｗ＜Ｌ＜２Ｗである
ことが好ましい。
【００１４】
本発明の一実施形態では、
一つの前記ビットの幅がＷ／２であって、
符号"１"はＬとＨとの組であるＡパターンで表現され、
符号"０"は、ＬとＬとの組であるＢパターン、および、ＨとＨとの組であるＣパターンで表現され、
符号"０"が連続する場合には、前記Ｂパターンと前記ＣパターンとはそれぞれＫ個まで連続することが許容され、
前記サブ区間の幅Ｌは、（Ｋ＋０．５）Ｗ＜Ｌ＜（Ｋ＋１）Ｗである
ことが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】光電式エンコーダの主要構成を示す図である。
【図２】受光パターンの一例を示す図である。
【図３】歪みがある受光パターンの一例を示す図である。
【図４】歪みがある受光パターンの一例を示す図である。
【図５】スケールパターンの一例を示す図である。
【図６】符号１および符号０を表現するビットの組み合わせを例示した図である。
【図７】取得された明暗パターンから絶対位置を算出する手順のフローチャートである。
【図８】符号化した結果を例示する図である。
【図９】量子化工程ＳＴ２００の全体フローを示すフローチャートである。
【図１０】下側包絡線算出工程の手順を示すフローチャートである。
【図１１】下側包絡線ＥＬを算出する過程を模式的に表わす図である。
【図１２】下側包絡線、上側包絡線および閾値線を例示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の実施形態を図示するとともに図中の各要素に付した符号を参照して説明する。
（第１実施形態）
本発明は、光強度分布に歪みがある明暗パターンからでも正確に明暗の判別を行うことができる光電式エンコーダの信号処理方法に関する。
発明のポイントは、"適切な閾値の設定"にあるが、本発明の信号処理（閾値設定）を適用できる前提として、スケールパターン２１０の設け方にルール（設計ルール）がある。
そこで、まずは、スケールパターン２１０の設け方を説明する。
【００１７】
（スケールパターンの説明）
図５は、スケールパターン２１０の一例である。
このスケールパターン２１０は、擬似ランダム符号系列の一種であるＭ系列符号を使用したＡＢＳ（Aｂｓｏｌｕｔｅ）スケールパターンである。
Ｍ系列符号パターン内の連続するＮコの符号を取り出したとき、Ｍ系列符号パターンの一周期内において、このＮコの符号パターンと同一のものは一か所にしか出現しない。
図５の例では、"１"と"０"とをランダムに配置したＡＢＳスケールパターンにおいて、"１"，"０"の符号をそれぞれ２ビットで表現している。
符号"１"は非透過部と透過部との組み合わせである。
一方、符号"０"は２ビットとも透過部であるか、２ビットとも非透過部である。
【００１８】
ここで、後の説明のため、透過部を「明部」（または"Ｈ"）とし、非透過部を「暗部」（または"Ｌ"）とする。
【００１９】
このスケールパターン２１０の特徴は、符号"０"を表現するのに、二種類のパターン（２ビットとも透過部、２ビットとも非透過部）を使用している点である（図６）。
いま、２ビットとも非透過部をＢパターンと称し、２ビットとも透過部をＣパターンと称することにする。
符号"０"を表現するにあたっては、ＢパターンとＣパターンとを交互に使用するようにする。つまり、符号"０"が連続する箇所ではＢパターンとＣパターンとが交互に並ぶようにする。この配列ルールを適用すると、明部（Ｈ）も暗部（Ｌ）も最大で３つしか連続しないはずである。
【００２０】
（動作の説明）
受光検出器３００で取得された明暗パターンから絶対位置を算出する手順を図７のフローチャートに示す。
この演算処理動作は信号処理部４００で実行される。
まず、信号処理部４００は、受光検出器３００の受光素子アレイからの信号を順次掃引してＡＢＳスケール２００の透過光パターンを画像イメージとして取得する（ＳＴ１１０）。そして、取得した検出イメージを順次量子化していく（ＳＴ２００）。つまり、取得された明暗パターンの光強度に対して閾値判定を行い、暗部と明部とを区別して２値化する。
この際の閾値設定については後述する。
暗部を"Ｌ"とし明部を"Ｈ"とする。
【００２１】
続いて、符号化を行う（ＳＴ３１０）。
２ビットで１つの符号を表す。
（Ｌ、Ｈ）の組は符号"１"に変換される。
（Ｌ、Ｌ）および（Ｈ、Ｈ）の組は符号"０"に変換される。
図８は、符号化した結果の例示である。
【００２２】
このようにして符号化されたデータを用いて参照パターンとの相関演算を行う（ＳＴ３２０）。相関演算で最も高い相関を示す位置が現在の絶対位置として求められる（ＳＴ３３０）。
なお、参照パターンとしては、例えば、設計ルール通りに設けられたスケールパターンを用いればよい。
【００２３】
（量子化工程ＳＴ２００）
さて、量子化工程ＳＴ２００の全体フローを図９のフローチャートに示す。
量子化工程ＳＴ２００は、閾値線算出工程ＳＴ２０１と、明暗判定工程ＳＴ２４０と、を有する。
ここで、閾値線算出工程ＳＴ２０１は、下側包絡線算出工程ＳＴ２１０と、上側包絡線算出工程ＳＴ２２０と、上側包絡線ＥＵと下側包絡線ＥＬとの中間のラインを算出する中心線算出工程ＳＴ２３０と、を有する。
【００２４】
図１０は、下側包絡線算出工程ＳＴ２１０の手順を示すフローチャートである。また、図１１は、下側包絡線ＥＬを算出する過程を模式的に表わす図である。
下側包絡線算出工程ＳＴ２１０では、まず、幅がＬのサブ区間を設定する（ＳＴ２１１）。サブ区間の幅Ｌは、スケールパターン２１０の一つの符号の幅をＷとしたとき次のように表わされる。
【００２５】
１．５Ｗ＜Ｌ＜２Ｗ
【００２６】
ちなみに、スケールパターン２１０の設計ルールとして符号"０"が連続する箇所ではＢパターンとＣパターンとが交互に並ぶようにしたので、上記の式でサブ区間の幅Ｌを設定すると閾値の設定に適切な包絡線（上側包絡線ＥＵ、下側包絡線ＥＬ）が得られる。
もし、ＢパターンとＣパターンとが「交互」ではなく、Ｋ個まで連続することを許容するという設計ルールを採用した場合、幅Ｌの範囲は次のようになる。
【００２７】
（Ｋ＋０．５）Ｗ＜Ｌ＜（Ｋ＋１）Ｗ
【００２８】
このサブ区間を受光領域の左から右に移動させつつ（ＳＴ２１２、ＳＴ２１６）、サブ区間内のデータで光強度の最小値を抽出していき（ＳＴ２１３）、抽出したデータを順に下側包絡線ＥＬのデータとして登録していく（ＳＴ２１４）。
なお、サブ区間のシフト量は、受光素子アレイのピッチＰと等しい（ＳＴ２１６）。
この手順により下側包絡線ＥＬが得られる（図１１、図１２）。
【００２９】
なお、「線」と表現しているが、上記の処理で求まる下側包絡線ＥＬというのは、離散的な点データの列である。この離散的な点データに対してスムージングや補間処理をしてもよいし、スプライン曲線等の近似曲線を求めてもよいだろう。ただ、補間やカーブフィッティングをしなくても、後述する上側包絡線ＥＵも下側包絡線ＥＬと同じ数のデータを持つので、上側包絡線ＥＵと下側包絡線ＥＬとから中心線（閾値線ＴＬ）を求められる。
さらに、中心線（閾値線ＴＬ）を構成する各データは、受光検出器（受光素子アレイ）で取得される明暗パターンの各データと左から順に対応がつく（右端の１点については捨てることになるかもしれないが瑣末なことである。）
したがって、明暗パターンの各データを閾値線ＴＬの各データと対比して明暗判定もできる。
したがって、補間やカーブフィッティングなどの演算は不要である。
【００３０】
同じ手順で上側包絡線ＥＵも算出する（ＳＴ２２０）。下側包絡線ＥＬの場合との違いは、サブ区間内のデータで光強度の最大値を抽出する点だけである。
【００３１】
もちろん、サブ区間内のデータを見たときに最大値と最小値とを同時に抽出してよい。最大値は上側包絡線ＥＵの点とし、最小値は下側包絡線ＥＬの点として登録していけば、サブ区間が左端から右端まで移動すると、上側包絡線ＥＵと下側包絡線ＥＬとがそれぞれ得られる。
【００３２】
中心線算出工程（ＳＴ２３０）では、上側包絡線ＥＵと下側包絡線ＥＬとのちょうど中間のラインを求める。つまり、上側包絡線ＥＵの点と下側包絡線ＥＬの点とを対応する点同士で足して、２で割ればよい（つまり平均を求める）。このようにして求まった中心線を閾値線ＴＬとする。
【００３３】
受光検出器３００で取得された明暗パターンを閾値線ＴＬに対比し、明か暗かを二値化していく。これで、受光検出器３００で取得された明暗パターンが量子化された。この後、符号化、相関演算は既知の技術であるから説明は割愛する。
【００３４】
本実施形態によれば次の効果を奏する。
受光検出器３００で取得された明暗パターンに対して上側および下側の包絡線（ＥＵ、ＥＬ）を求め、上側包絡線ＥＵと下側包絡線ＥＬとの間の中間を閾値線ＴＬとしている。
このとき、サブ区間の幅Ｌを適切に設定したので取得された明暗パターンの歪みに適切に追従した上下の包絡線（ＥＵ、ＥＬ）が得られ、したがって、明暗パターンの歪みに適切に追従した閾値線ＴＬが得られる。
（なお、このようにサブ区間の幅Ｌを適切に設定できるのは、スケールパターン２１０の設計ルールとして"明"が連続する上限および"暗"が連続する上限を設けているからである。）
これにより、検出イメージの明暗パターンがどんなに歪んでいたとしても、すべての「明」およびすべての「暗」を正確に判別する閾値線ＴＬが得られる。正確な量子化は正確な符号化および相関演算に繋がり、光電式エンコーダの測定精度、測定の信頼度の向上に繋がる。
【００３５】
また、本実施形態は、フーリエ変換に比べて演算が簡単であり、受光素子の数の制限もない。
【００３６】
なお、本発明は上記実施形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
上記実施形態では、ＡＢＳスケールが透過型であるとしたが、反射型のスケールであってもよい。
上記実施形態では直線型のスケールおよびエンコーダを例示したが、本発明はロータリーエンコーダにも適用できる。
【符号の説明】
【００３７】
１００…光電式エンコーダ、
１１０…光源、１１２…レンズ、
２００…メインスケール、２１０…スケールパターン、
３００…受光検出器、
４００…信号処理部。
【図１】
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【図２】
2019168343.tif 000004
【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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【図１０】
2019168343.tif 000012
【図１１】
2019168343.tif 000013
【図１２】
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