(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１方向および第２方向に沿って所定のスペースをもって所定のピッチで複数のマークが２次元配列されたスケールと、
前記複数のマークのうちの前記第１方向に沿って配列された第１個数のマークと前記第２方向に沿って配列された第２個数のマークとを検出する検出器と、
前記第１方向および前記第２方向における前記スケールの絶対位置を、前記検出器の出力に基づいて、それぞれ得る処理部と、
を備え、
前記複数のマークのそれぞれは、前記第１方向における位置を示すための量子化された第１符号の情報と前記第２方向における位置を示すための量子化された第２符号の情報との組合せに対応する特性のうちの１つを有し、
前記処理部は、前記第１個数のマークの検出結果に基づいて、前記第１個数の前記第１符号で構成される第１符号列を生成し、該第１符号列に基づいて前記第１方向における前記スケールの絶対位置を得、前記第２個数のマークの検出結果に基づいて、前記第２個数の前記第２符号で構成される第２符号列を生成し、該第２符号列に基づいて前記第２方向における前記スケールの絶対位置を得る、
ことを特徴とする２次元アブソリュートエンコーダ。
【請求項２】
前記処理部は、前記第１個数のマークの検出結果と前記特性に対応する前記組合せに関する情報とに基づいて、前記第１符号列を生成し、前記第２個数のマークの検出結果と前記特性に対応する前記組合せに関する情報とに基づいて、前記第２符号列を生成する、ことを特徴とする請求項１に記載の２次元アブソリュートエンコーダ。
【請求項３】
前記処理部は、前記第１個数のマークの検出結果と前記特性に関する情報とに基づいて、前記第１符号列を生成し、前記第２個数のマークの検出結果と前記特性に関する情報とに基づいて、前記第２符号列を生成する、ことを特徴とする請求項１に記載の２次元アブソリュートエンコーダ。
【請求項４】
前記処理部は、前記第１個数のマークの検出結果と前記対応に関する情報とに基づいて、前記第１符号列を生成し、前記第２個数のマークの検出結果と前記対応に関する情報とに基づいて、前記第２符号列を生成する、ことを特徴とする請求項１に記載の２次元アブソリュートエンコーダ。
【請求項５】
前記処理部は、前記第１個数のマークの検出結果を２値化して前記第１符号列を生成し、前記第２個数のマークの検出結果を２値化して前記第２符号列を生成する、ことを特徴とする請求項１ないし請求項４のうちいずれか１項に記載の２次元アブソリュートエンコーダ。
【請求項６】
前記第１個数と前記第２個数とは同一の個数である、ことを特徴とする請求項１ないし請求項５のうちいずれか１項に記載の２次元アブソリュートエンコーダ。
【請求項７】
前記複数のマークは、形状が同じで透過率が互いに異なる複数の種類のマークを含み、該種類の数は、前記第１符号の種類の数と前記第２符号の種類の数とを掛け合わせて得られる数であり、前記検出器は、前記複数の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ないし請求項６のうちいずれか１項に記載の２次元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、形状が同じで反射率が互いに異なる複数の種類のマークを含み、該種類の数は、前記第１符号の種類の数と前記第２符号の種類の数とを掛け合わせて得られる数であり、前記検出器は、前記複数のマークで反射した光を検出する、ことを特徴とする請求項１ないし請求項６のうちいずれか１項に記載の２次元アブソリュートエンコーダ。
【請求項９】
前記検出器は、前記第１方向に配列された前記第１個数のマークを前記第２方向に沿って前記ピッチ以上の幅にわたって検出し、前記第２方向に配列された前記第２個数のマークを前記第１方向に沿って前記ピッチ以上の幅にわたって検出し、
前記処理部は、前記第２方向に沿って前記ピッチ以上の幅にわたって検出された結果を用いて前記第１符号列を生成し、前記第１方向に沿って前記ピッチ以上の幅にわたって検出された結果を用いて前記第２符号列を生成する、
ことを特徴とする請求項１ないし請求項８のうちいずれか１項に記載の２次元アブソリュートエンコーダ。
【請求項１０】
前記検出器は、前記第１方向および前記第２方向に前記ピッチより小さいピッチで配列された複数の光電変換素子を含み、
前記処理部は、
前記検出器中の前記第１方向に配列された複数の光電変換素子から出力された第１周期信号の振幅を１周期毎に量子化することによって前記第１符号列を生成し、該第１符号列に基づいて前記第１方向における第１位置データを得、前記検出器中の前記第２方向に配列された複数の光電変換素子から出力された第２周期信号の振幅を１周期毎に量子化することによって前記第２符号列を生成し、該第２符号列に基づいて前記第２方向における第２位置データを得、
前記第１周期信号の少なくとも１周期分の信号の位相に基づいて、前記第１方向における第３位置データを得、前記第２周期信号の少なくとも１周期分の信号の位相に基づいて、前記第２方向における第４位置データを得、
前記第１位置データと前記第３位置データとに基づいて前記第１方向における前記スケールの絶対位置を得、前記第２位置データと前記第４位置データとに基づいて前記第２方向における前記スケールの絶対位置を得る、
ことを特徴とする請求項１ないし請求項９のうちいずれか１項に記載の２次元アブソリュートエンコーダ。
【請求項１１】
前記検出器は、前記第１方向に配列された前記第１個数のマークを検出する第１検出器と、前記第２方向に配列された前記第２個数のマークを検出する第２検出器とを含む、ことを特徴とする請求項１ないし請求項１０のうちいずれか１項に記載の２次元アブソリュートエンコーダ。
【請求項１２】
前記第１方向および前記第２方向は、互いに直交している、ことを特徴とする請求項１ないし請求項１１のうちいずれか１項に記載の２次元アブソリュートエンコーダ。
【請求項１３】
第１方向および第２方向に沿って所定のスペースをもって所定のピッチで複数のマークが２次元配列された、２次元アブソリュートエンコーダ用のスケールであって、
前記複数のマークのそれぞれは、前記第１方向における位置を示すための量子化された第１符号の情報と前記第２方向における位置を示すための量子化された第２符号の情報との組合せに対応する特性のうちの１つを有し、前記特性の種類の数は、前記第１符号の種類の数と前記第２符号の種類の数とに整合している、ことを特徴とするスケール。
【請求項１４】
前記複数のマークは、形状が同じで透過率が互いに異なる複数の種類のマークを含み、該種類の数は、前記第１符号の種類の数と前記第２符号の種類の数とを掛け合わせて得られる数である、ことを特徴とする請求項１３に記載のスケール。
【請求項１５】
前記複数のマークは、形状が同じで反射率が互いに異なる複数の種類のマークを含み、該種類の数は、前記第１符号の種類の数と前記第２符号の種類の数とを掛け合わせて得られる数である、ことを特徴とする請求項１３に記載のスケール。
【請求項１６】
第１方向および第２方向に沿って所定のスペースをもって所定のピッチで複数のマークが２次元配列されたスケールの前記第１方向および前記第２方向における絶対位置を求める２次元アブソリュートエンコーダであって、
前記スケールとして請求項１３ないし請求項１５のうちいずれか１項に記載のスケールを有する、ことを特徴とする２次元アブソリュートエンコーダ。
【請求項１７】
第１方向および第２方向に沿って所定のスペースをもって所定のピッチで複数のマークが２次元配列されたスケールの前記第１方向および前記第２方向における絶対位置を得る方法であって、
前記複数のマークのうちの前記第１方向に沿って配列された第１個数のマークと前記第２方向に沿って配列された第２個数のマークとを検出し、
前記第１方向および前記第２方向における前記スケールの絶対位置を、前記検出に基づいて、それぞれ得、
前記複数のマークのそれぞれは、前記第１方向における位置を示すための量子化された第１符号の情報と前記第２方向における位置を示すための量子化された第２符号の情報との組合せに対応する特性のうちの１つを有し、前記第１符号は、前記第１方向に沿って前記スケール上で定義された複数の第１量子化符号のうちの１つであり、前記複数の第１量子化符号に含まれる各量子化符号列は、前記第１方向における前記スケールの第１座標を示し、前記第２符号は、前記第２方向に沿って前記スケール上で定義された複数の第２量子化符号のうちの１つであり、前記複数の第２量子化符号に含まれる各量子化符号列は、前記第２方向における前記スケールの第２座標を示し、
前記第１個数のマークの検出に基づいて、前記第１個数の前記第１符号で構成される前記第１量子化符号列を生成し、該第１量子化符号列に基づいて前記第１方向における前記スケールの絶対位置を得、前記第２個数のマークの検出に基づいて、前記第２個数の前記第２符号で構成される前記第２量子化符号列を生成し、該第２量子化符号列に基づいて前記第２方向における前記スケールの絶対位置を得る、
ことを特徴とする方法。
【請求項１８】
前記特性の種類の数は、前記第１符号の種類の数と前記第２符号の種類の数とに整合している、ことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
請求項１７または請求項１８に記載の方法に用いられるスケール。
【請求項２０】
請求項１９に記載のスケールを含む２次元アブソリュートエンコーダ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２次元アブソリュートエンコーダ及びそのスケールに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、機械装置のステージ位置を計測する目的で、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、最初に原点を検出しないと絶対位置情報が得られないため、特に工作機械やロボット分野への応用は限られていた。一方、アブソリュートエンコーダは、絶対位置情報が得られるので原点検出を要しない。
【０００３】
アブソリュートリニアエンコーダをＸ方向、Ｙ方向の２次元化するには、２つのアブソリュートリニアエンコーダをステージの互いに直交する側面にそれぞれ配置して検出する方法が一般的である。しかし、装置の事情によりステージの上面又は下面のように１つの面に２次元スケールを配置しそれを外部の検出器にて検出することが求められる場合がある。アブソリュートコードを有する２次元スケールパターンにする方法はいくつか考えられてきている。特許文献１は、２次元平面に等間隔に絶対位置を特定するパターンを埋め込む方法を開示する。特許文献１記載の２次元アブソリュートエンコーダは、１箇所のグリッドに絶対位置情報を埋め込むため複数の領域（要素）に細分化して白黒にてコード化する。
【０００４】
特許文献２も、２次元平面に等間隔に絶対位置を特定するパターンを埋め込む方法を開示する。特許文献２記載の手法では、等間隔に用意した測定点の周囲に赤青緑などの色パターンを配置し、その配置の状態で絶対位置情報を表現している。しかしながら、色情報を用いたスケールや検出光学系は高コストになる場合がある。特許文献３記載の２次元スケールは、２次元平面を等間隔の正方形グリッド領域に分割し、Ｘ方向、Ｙ方向それぞれに対して準ランダムパターンを付与している。特許文献３記載の手法では、Ｘ方向、Ｙ方向それぞれに対して付与された準ランダムパターンの特定の領域を切り出して一括して検出し、そこで得られた２次元画像パターンより相関演算を組合せることで２次元絶対位置を特定する。しかし、特許文献３記載の２次元パターンを設計する手法は複雑である。
【０００５】
これら特許文献１〜３記載の２次元アブソリュートエンコーダでは、撮像光学系の解像度が高分解能化（高精細化）の限界と思われ、インクリメンタルエンコーダに匹敵する高分解能化を実現できない。また、特許文献１〜３記載の２次元アブソリュートエンコーダは、いずれもＣＣＤなどの２次元受光素子アレイと複雑な構造のマークや画像処理技術とを必要とするため高いコストを要する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−２４８４８９号公報
【特許文献２】特表２００８−５２５７８３号公報
【特許文献２】特開２００４−３３３４９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、２次元アブソリュートエンコーダの高分解能化に有利な技術を提供することを例示的目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一つの側面は、第１方向および第２方向に沿って所定のスペースをもって所定のピッチで複数のマークが２次元配列されたスケールと、前記複数のマークのうちの前記第１方向に沿って配列された第１個数のマークと前記第２方向に沿って配列された第２個数のマークとを検出する検出器と、前記第１方向および前記第２方向における前記スケールの絶対位置を、前記検出器の出力に基づいて、それぞれ得る処理部と、を備え、前記複数のマークのそれぞれは、前記第１方向における位置を示すための量子化された第１符号の情報と前記第２方向における位置を示すための量子化された第２符号の情報との組合せに対応する特性のうちの１つを有し、前記処理部は、前記第１個数のマークの検出結果に基づいて、前記第１個数の前記第１符号で構成される第１符号列を生成し、該第１符号列に基づいて前記第１方向における前記スケールの絶対位置を得、前記第２個数のマークの検出結果に基づいて、前記第２個数の前記第２符号で構成される第２符号列を生成し、該第２符号列に基づいて前記第２方向における前記スケールの絶対位置を得る、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、例えば、２次元アブソリュートエンコーダの高分解能化に有利な技術を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１実施形態の２次元アブソリュートエンコーダの光学系の構成図である。
【図２Ａ】第１実施形態の２次元アブソリュートエンコーダの処理部の構成図である。
【図２Ｂ】第１実施形態の２次元アブソリュートエンコーダの処理部の構成図である。
【図３】第１実施形態で、スケールへの照明位置をずらした場合の光学系の説明図である。
【図４Ａ】第１実施形態で、スケールへの照明位置をずらした場合の処理部の説明図である。
【図４Ｂ】第１実施形態で、スケールへの照明位置をずらした場合の処理部の説明図である。
【図５】第２実施形態の２次元アブソリュートエンコーダの光学系の構成図である。
【図６Ａ】第２実施形態の２次元アブソリュートエンコーダの処理部の説明図である。
【図６Ｂ】第２実施形態の２次元アブソリュートエンコーダの処理部の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
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。
【００１２】
［第１実施形態］
図１、図２は、第１実施形態の２次元アブソリュートエンコーダを示す。作図の都合で図２の２次元スケールSCLは、スケールを透過した光の強度を検出する透過型のスケールとして表現されている。しかし、本実施形態の２次元スケールSCLは、スケールを反射した光の強度を検出する反射型のスケールである。なお、本実施形態の２次元スケールSCLは、透過型のスケールであってもよい。２次元アブソリュートエンコーダは、発光素子LEDから射出された発散光束のうち開口部SLT(X)で選択された光束で２次元スケールSCLを照明し、その反射光を１次元受光素子アレイPDA(X)上に拡大投影する。また、２次元アブソリュートエンコーダは、発光素子LEDから射出された発散光束のうち開口部SLT(Y)で選択された光束で２次元スケールSCLを照明し、その反射光を１次元受光素子アレイPDA(Y)上に拡大投影する。
【００１３】
２次元アブソリュートエンコーダ用のスケールSCLは、非反射性の板体上に互いに直交する２方向（第１方向および第２方向）に沿って所定の周期（ピッチ）で複数の正方形の反射部（マーク）が２次元配列されている。反射部は、形状が同じで反射率が互いに異なり以下の４つの階調に対応する４つの種類を含むように構成されている。この４つの階調は以下のルールで形成される。
１．Ｘ方向、Ｙ方向の２方向に関して、巡回符号を作成し、Ｘ軸、Ｙ軸の座標上のグリッドに定義する。
２．Ｙ軸の座標上のグリッドの符号に対して正方形の反射部の反射率を以下のように設定する。
【００１４】
Ｘ方向の符号（第１符号）が０でＹ方向の符号（第２符号）が０のとき反射率２５％
Ｘ方向の符号が１でＹ方向の符号が０のとき反射率５０％
Ｘ方向の符号が０でＹ方向の符号が１のとき反射率７５％
Ｘ方向の符号が１でＹ方向の符号が１のとき反射率１００％
階調の付与の方法は、反射部において薄膜を追加又は削除する方法、正方形の反射部のサイズを変化させる方法、ハッチングパターン等による部分反射などの方法で実現できる。しかし、反射光量を増減できるのであれば他の方法で階調を付与してもよい。図１では、反射率が２５％の反射部を縦横ハッチング、５０％の反射部を縦（Ｙ方向の線）ハッチング、７５％の反射部を横（Ｘ方向の線）ハッチング、１００％の反射部を白（ハッチング無し）で表現している。また上記反射率とＸ方向、Ｙ方向の符号との組合せを変更してもよいことは言うまでもない。複数の反射部のそれぞれは、Ｘ方向（第１方向）における位置を示すための量子化された第１符号の情報とＹ方向（第２方向）における位置を示すための量子化された第２符号の情報との双方を含むマークを構成している。
【００１５】
１次元受光素子アレイPDA(X)には、開口部SLT(X)で選択された光束により照明され２次元スケールSCLのＸ方向に隣接する少なくとも第１個数（１１個）の正方形の反射部で反射された光が周期的な明暗パターンとなって投影される。同様に、１次元受光素子アレイPDA(Y)には、開口部SLT(Y)で選択された光束により照明され２次元スケールSCLのＹ方向に隣接する少なくとも第２個数(１１個)の正方形の反射部で反射された光が周期的な明暗パターンとなって投影される。１次元受光素子アレイPDA(X)、PDA(Y)は、１つの正方形の反射部による反射光がＮ＝１２の受光素子（光電変換素子）に入射するように構成されている。また、１次元受光素子アレイPDA(X)、PDA(Y)は、アブソリュートコードがＭ＝１１ビットであれば、Ｍ＋１＝１２周期の周期的な明暗パターンを受光するように構成されている。したがって、図１の例では、１次元受光素子アレイPDA(X)、PDA(Y)の有効素子数は、それぞれ（Ｍ＋１）×Ｎ＝１４４としている。１次元受光素子アレイPDA(X)は、Ｘ方向（第１方向）に配列された第１個数の反射部（マーク）を検出する第１検出器を構成している。１次元受光素子アレイPDA(Y)は、Ｙ方向（第２方向）に配列された第２個数の反射部（マーク）を検出する第２検出器を構成している。また、２つの１次元受光素子アレイPDA(X)、PDA(Y)は、全体として、第１方向に配列された第１個数のマークを検出し、第２方向に配列された第２個数のマークを検出する検出器を構成している。また、１次元受光素子アレイPDA(X)は、検出器中の第１方向に配列された複数の光電変換素子を構成し、１次元受光素子アレイPDA(Y)は、検出器中の第２方向に配列された複数の光電変換素子を構成している。
【００１６】
処理部PRO(X)、PRO(Y)における１次元受光素子アレイPDA(X)、PDA(Y)の検出結果を用いた信号処理について図２を用いて説明する。受光素子アレイPDA（X）は、Ｘ方向の検出のために整列させて配置してあり、スケールSCL上の矩形領域Aで反射した光束を受光する。受光素子アレイPDA（X）は、１つの反射部に対してＮ個の受光素子（光電変換素子）が対応するように配置されていて、各受光素子から出力される位相が等間隔にずれているように構成されている。すなわち、受光素子アレイPDA（X）の受光素子（光電変換素子）は、Ｘ方向に沿って反射部（マーク）のＸ方向の周期よりも小さいピッチで配列されている。アブソリュートコードのビット数（第１個数）をＭ＝１１、受光素子アレイPDA（X）の明暗信号分割数をＮ＝１２、受光素子アレイPDA（X）のチャンネル数を（Ｍ＋１）×Ｎ＝１４４としている。その結果、受光素子アレイPDA（X）の１４４チャンネルで常に１２周期の周期信号（第１周期信号）が得られることになる。
【００１７】
同様に受光素子アレイPDA（Y）はＹ方向の検出のために整列させて配置してあり、スケールSCL上の矩形領域Ｂで反射した光束を受光している。受光素子アレイPDA（Y）は、１つの反射部に対してＮ個の受光素子が対応するように配置されていて、各受光素子から出力される位相が等間隔にずれているように構成されている。すなわち、受光素子アレイPDA（Y）の受光素子（光電変換素子）も、Ｙ方向に沿って反射部（マーク）のＹ方向の周期よりも小さいピッチで配列されている。アブソリュートコードのビット数（第２個数）をＭ＝１１、受光素子アレイPDA（Y）の明暗信号分割数をＮ＝１２、受光素子アレイPDA（Y）のチャンネル数を（Ｍ＋１）×Ｎ＝１４４としている。その結果、受光素子アレイPDA（Y）の１４４チャンネルで常に１２周期の周期信号（第２周期信号）が得られることになる。
【００１８】
図１の状態でスケールSCLの照明された光束を受光素子アレイPDA（X）、PDA（Y）へ投影した場合の明暗分布はGRPH0（X）、GRPH0（Y）のようになる。受光素子アレイPDA（X）、PDA（Y）の各素子から明暗に応じた複数の電気信号が出力される。本実施形態では、各受光素子から出力される複数の電気信号を一旦レジスタRGST0(X)、RGST0(Y)に収容し、それを外部から印加されたクロック信号に従って、順次処理部PRO(X)、PRO(Y)に出力させる。クロック信号を順次印加することにより発生する信号波形をGRPH1（X）、GRPH1（Y）に示す。この波形は受光素子アレイPDA（X）、PDA（Y）に入射する光量分布を示すGRPH0（X）、GRPH0（Y）と同じである。
【００１９】
図２の波形GRPH1（X）、GRPH1（Y）は正弦波波形がアブソリュートコード（巡回符号）によって振幅変調されたものとして表記されている。しかし、実際の波形GRPH1（X）、GRPH1（Y）はスケールSCLと受光素子アレイPDA（X）、PDA（Y）との間隔の変動により三角波になったり台形状になったりして正弦波に歪が加わっている。これら２つの出力波形は、受光素子アレイPDA（X）、PDA（Y）のチャンネル数（Ｍ＋１）×Ｎ＝１４４に対応した「波形データ」である。しかし、以降の処理部PRO(X)、PRO(Y)による信号処理では、２本の縦点線で選択された中央部の領域のＭ×Ｎ＝１３２の要素からなる「波形データ」として変換されるとする。
【００２０】
処理部PRO(X)は、受光素子アレイPDA（X）の出力するシリアル転送波形GRPH1（X）に基づいてスケールSCLのX方向（第１方向）における絶対位置を決定する。同様に、処理部PRO(Y)は、受光素子アレイPDA（Y）の出力するシリアル転送波形GRPH1（Y）に基づいてスケールSCLのＹ方向（第２方向）における絶対位置を決定する。波形データGRPH1（X）、GRPH1（Y）は、まず、レジスタRGST1(X)、RGST1(Y)により２つの経路に分岐される。第１経路で、演算ユニットAVE(X)、AVE(Y)は、波形データGRPH1（X）、GRPH1（Y）の中央部と隣接５要素の和（１１素子の平均の２倍の値）を演算し、それぞれレジスタRGST2(X)、RGST2(Y)に収容する。レジスタRGST2(X)、RGST2(Y)に収容された値はGRPH2（X）、GRPH(Y)のような波形データになっている。演算ユニットAVE(X)、AVE(Y)は、その際に最大値Maxと最小値Minも把握しておく。コンパレータCOMP(X)、COMP(Y)は、波形データGRPH2（X）、GRPH(Y)を１周期毎に２値化して１１個の２値化符号のデータ列（第１符号列、第２符号列）を示すデジタル信号波形GRPH3（X）、GRPH3（Y）を生成する。生成された波形データGRPH3（X）、GRPH3（Y）は、レジスタRGST3(X)、RGST3(Y)に収容される。なお２値化の基準は、先述の最大値Maxと最小値Minの平均値で、図２のＸ方向の最大値は１、最小値は０．５である。この波形データGRPH3（X）、GRPH3（Y）はアブソリュートコードの仮の整数部となる。アブソリュートコードの仮の整数部は、演算ユニットGAIN（X）、GAIN(Y)により逆数が演算されて波形データGRPH4（X）、GRPH4（Y）に変換され、レジスタRGST4(X)、RGST4(Y)に収容される。
【００２１】
第２経路で、波形データGRPH1（X）、GRPH1（Y）は、乗算演算ユニットMULT0(X)、MULT0(Y)により、レジスタRGST4(X)、RGST4(Y)の波形データと乗算され波形データGRPH5（X）、GRPH5（Y）に変換される。変換された波形データGRPH5（X）、GRPH5（Y）は、レジスタRGST5(X)、RGST5(Y)に収容される。この波形データGRPH5（X）、GRPH5（Y）は、元の波形データGRPH1(X)、GRPH1(Y)の２本の縦点線で選択された中央部の領域のＭ×Ｎ＝１３２の要素からなる「波形データ」の振幅変調分を一定の振幅に規格化した周期信号である。
【００２２】
この周期信号GRPH5（X）は、４つの信号に分配後、乗算器MLUT1〜4(X)によって、｛（１−sinωｔ）／２｝、｛（１−cosωｔ）／２｝、｛（１＋sinωｔ）／２｝、｛（１＋cosωｔ）／２｝が乗算される。また、周期信号GRPH5（Y）は、４つの信号に分配後、乗算器MLUT1〜4(Y)によって、｛（１−sinωｔ）／２｝、｛（１−cosωｔ）／２｝、｛（１＋sinωｔ）／２｝、｛（１＋cosωｔ）／２｝が乗算される。総和演算器SUM1〜4(X)およびSUM1〜4(Y)は、乗算後の周期信号を総和演算する。総和演算により得られた信号Ax(+)、Bx(+)、Ax(-)、Bx(-)およびAy(+)、By(+)、Ay(-)、By(-)は、レジスタRGST6(X)、RGST6(Y)に収容される。これらＸ方向、Ｙ方向のそれぞれの４つの信号は、所謂インクリメンタルエンコーダの９０°位相差を有する４相信号に相当する。
【００２３】
乗算器MLUT1〜4(X)およびMLUT1〜4(Y)に入力されるのはレジスタRGST(sin-)、レジスタRGST(cos-)、レジスタRGST(sin+)、レジスタRGST(cos+)に収容された４つの波形データである。その４つの波形データは、それぞれ１１×１２＝１３２要素からなるGRPH(sin-)、GRPH(cos-)、GRPH(sin+)、GRPH(cos+)の波形データである。波形データは、上記の乗算、総和演算（積和演算、または、積の積分）によって、擬似サイン波状の明暗パターンと理想的なサイン波状のパターンとの相関値に相当する値になる。なお、当該演算は、数学的には、高調波成分・直流成分を有する周期信号に正弦（または余弦）関数を乗算して周期の整数倍の領域で定積分を行うことに相当する。これにより、高調波成分と直流成分との影響を軽減して、位相の正弦（または余弦）関数値（よって位相）を求めることができる。したがって、元の波形GRPH5（X）、GRPH5(Y)に波形歪（高調波成分、直流成分）が含まれていても、位相の値が正しく取得されることになる。すなわち、信号Ax(+)、Bx(+)、Ax(-)、Bx(-)およびAy(+)、By(+)、Ay(-)、By(-)は、歪が非常に少ないインクリメンタルエンコーダの４相信号相当の信号になる。なお、１周期の明暗パターンが投影される受光素子数は本実施形態ではＮ＝１２であるが、これを増やせば歪を更に理想的に除去できる。但し、光学式エンコーダの場合、歪成分は２次、３次、４次の成分が多いため実用的にはＮ＝１２で十分な効果が得られる。レジスタ  RGST6(X)、RGST6(Y)の値は、アークタンジェント演算器ATN(X)、ATN(Y)に入力される。アークタンジェント演算で算出されたＫビットの位相情報PHS(X)は、マークの周期の長さより短い分解能で算出されたＸ方向における位置データ（第３位置データ）であり、レジスタRGST7(X)に収容される。また、アークタンジェント演算で算出されたＫビットの位相情報PHS(Y)は、マークの周期の長さより短い分解能で算出されたＹ方向における位置データ（第４位置データ）であり、レジスタRGST7(Y)に収容される。ここでＫ＝１０とすると分割数は２＾１０＝１０２４であり、位相が０°〜３６０°に対応したアブソリュートコードの内挿部として０〜１０２３の値が２進法で収容されている。
【００２４】
アブソリュートコードの仮の整数部は、Ｍ×Ｎ＝１３２個の要素からなっていて、そこから１２個ごとに抜き出すことでアブソリュートコードの整数部を決定することができる。処理部PRO(X)，PRO(Y)は、アブソリュートコードの整数部をマークの周期を単位とするX方向、Y方向における位置データ（第１位置データ、第２位置データ）に変換する。抜き出しに際しては、アブソリュートコードの内挿部の値に応じてシフトさせる必要がある。例えば、Ｘ方向の内挿位相が０°（アブソリュートコードの内挿部が００００００００００）の場合、レジスタRGST3(X)のデータを、端を基点に１２個ごとに抜き出せば良い。Ｘ方向の内挿位相が１８０°（アブソリュートコードの内挿部が０１１１１１１１１１）の場合、レジスタRGST3(X)のデータを端から６番目のところを基点に１２個ごとに抜き出せば良い。コードの切り替わり部は曖昧になり誤差が発生しやすいが、本方式では、コードの切り替わりが発生していない領域の中央付近のデータを抜き出すため、コードの取得に誤りが生じることは非常に少なくなる。
【００２５】
取得されたアブソリュートコードの整数部は、このままでは巡回符号になっているため扱いにくい場合がある。その場合は、通常の２進コードに変換すればよい。こうして最終的に得られたアブソリュートコードの整数部と内挿部は、合成されてレジスタRGST(X)、RGST(Y)に保管される。このレジスタに収容された情報は、要求に応じて外部にスケールSCLの絶対位置を示すアブソリュートエンコーダの信号として出力される。Ｘ方向、Ｙ方向のアブソリュートエンコーダ信号は分離したコードとして良いし、連結されたコードとしても良い。
【００２６】
図１の光学系においてスケールSCLにおいて光束が照明された部分A、Bは、説明をわかりやすくする目的でグリッド状パターンと一致するとして説明したが、例えば図３のように照明位置が１つ隣のパターンになる場合がある。図３の状態でスケールSCLに照明された光束を受光素子アレイPDA（X）、PDA（Y）へ投影した場合の明暗分布は、図４のGRPH0（X）、GRPH0（Y）のようになる。図２の説明と同様にレジスタRGST1(X)、RGST1(Y)から２つの経路に分岐する。第１経路では、演算ユニットAVE(X)、AVE(Y)は、波形データGRPH1（X）、GRPH1（Y）の中央部と隣接５要素の和（１１素子の平均の２倍の値）を演算し、演算結果をそれぞれレジスタRGST2(X)、RGST2(Y)に収容する。収容された値は波形データGRPH2（X）、GRPH(Y)である。演算ユニットAVE(X)、AVE(Y)は、その際に最大値Maxと最小値Minも把握しておく。更にコンパレータCOMP(X)、COMP(Y)は、波形データGRPH2（X）、GRPH(Y)を２値化して波形データGRPH3（X）、GRPH3（Y）に変換し、それをレジスタRGST3(X)、RGST3(Y)に収容する。なお２値化の基準は、先述の最大値Maxと最小値Minの平均値で、図４のＸ方向の最大値は０．７５、最小値は０．５である。なおこの波形データGRPH3（X）、GRPH3（Y）はアブソリュートコードの仮の整数部となる。演算ユニットGAIN（X）、GAIN(Y)は、波形データGRPH3（X）、GRPH3（Y）の逆数を演算して波形データGRPH4（X）、GRPH4（Y）に変換し、それをレジスタRGST4(X)、RGST4(Y)に収容する。波形データGRPH4（X）、GRPH4（Y）を用いて元の波形データGRPH1(X)、GRPH1(Y)の２本の縦点線で選択された中央領域の１３２の要素からなる振幅変調分を一定の振幅に規格化した周期信号GRPH5（X）、GRPH5（Y）を得る。以下の信号処理は、図２の説明と同様なので割愛する。以上のように、図３のスケール位置の場合でも信号処理が正常に機能する。
【００２７】
［第２実施形態］
図５、図６を用いて第２実施形態の２次元アブソリュートエンコーダについて説明する。第1実施形態では、図１、図３に示されるように、スケールSCLにおいて光束により照明される部分A、Bは、グリッド状パターンと一致するとして説明した。しかし、実際は、スケールSCLにおいて照明される部分は、隣接しあうパターン間の中間位置になって、振幅が変調した周期信号の波形データが得られないことがある。そこで、第２実施形態では、図５のように、Ｘ方向に配列されたマークをＹ方向に沿って複数列検出するようにピッチ以上の幅の開口SLT(X)で投影し、受光素子アレイPHC(X)を用いてＹ方向に１周期分以上の領域で受光して平均化する。同様に、Ｙ方向に配列されたマークをＸ方向に沿って複数列検出するようにピッチ以上の幅の開口SLT(Y)で投影し、受光素子アレイPHC(Y)を用いてＸ方向に１周期分以上の領域で受光して平均化する。それに対応する処理部PRO(X)、PRO(Y)を図６に示す。図６の受光素子アレイPDA(X)の受光光量分布をGRPH0(X)に示す。GRPH0(X)に正弦波状の曲線が３本示されているが、これは、スケールSCLのＹ方向の位置変動によって受光素子アレイPDA(X)の受光光量分布がこの範囲で変化することを意味している。また、図６の受光素子アレイPDA(Y)の受光光量分布GRPH0(Y)に正弦波状の曲線が３本示されているが、これは、スケールSCLのＸ方向の位置変動によって受光素子アレイPDA(Y)の受光光量分布がこの範囲で変化することを意味している。
【００２８】
このように受光素子アレイPDA（X）より得た信号周期信号は、スケールSCLのＹ方向の相対位置により周期信号のピークの値が変動する。しかし、処理部PRO(X)、PRO(Y)は、３つの信号の平均値を算出し、その最大値と最小値の中間値を利用して２値化することで常に正しく復調することができる。同様に、受光素子アレイPDA（Y）より得た信号周期信号もスケールSCLのＸ方向の相対位置により周期信号のピークの値が変動するが、３つの信号の平均値を算出し、その最大値と最小値の中間値を利用して２値化することで常に正しく復調することができる。本実施形態は、第１実施形態と比較して光束の利用効率が良いため、よりノイズの少ない検出が可能であり、分解能や応答性能をより向上させることが可能になる。
【００２９】
以上のように構成された２次元アブソリュートエンコーダは、Ｘ方向、Ｙ方向用検出ヘッドを用いて２次元スケールSCL上の任意の箇所でそれぞれＮ本のマークよりＮ組の周期信号を平均化して演算している。そのため、アークタンジェント演算で内挿された位相情報（アブソリュートコードの内挿部）を、従来のインクリメンタルエンコーダと同等の高精度とすることができる。またアブソリュートコードの切り替わり部も、Ｎ組の周期信号を平均化して演算した位相情報を用いているため、マークのエッジの描画誤差の影響を受けずにアブソリュートコードの切り替わり部を規定する。そのため、アブソリュートコードの整数部の精度も非常に高精度である。よって最終的に出力されるアブソリュートコードは、取り付け誤差が多少あっても高精度を維持する高分解能の２次元アブソリュートエンコーダが実現できる。
【００３０】
〔他の実施形態〕
本発明は、第１実施形態、第２実施形態の構成にとらわれず、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。変形、変更可能な態様の例を以下に示す。
１．第１、第２実施形態では、共通の発光素子からの発散光を２次元スケールに照明し、２次元スケールに配列されたマークにおける反射光をＸ方向およびＹ方向検出用の１次元受光素子アレイに投影した。しかし、光源をＸ方向用、Ｙ方向用に分けて、空間的に異なる位置に配置しても良い。また、第１、第２実施形態では、発散光をスケールに照明し反射光を受光素子アレイに拡大投影した。しかし、コリメータレンズなどで光源からの光を平行光とし、その平行光によってスケールを照明し反射光を受光する構成、結像レンズを用いて受光素子アレイにスケール上のマークパターンを結像させる構成、その他の光学系による検出する構成も可能である。また、第１、第２実施形態では、図１、３、５に示されるように、開口A,Bを有する板部材を光源とスケールとの間に配置した。しかし、受光素子に入射する領域が受光素子のサイズ、形状で規定させるため、開口A,Bを有する板部材は無くても支障がない。
２．第１、第２実施形態では、正方形の反射パターンを等間隔で配置し、反射率に４つの階調を付与することで、２方向の符号（０・１）を対応させた反射タイプのスケールを使用した。しかし、複数のマークは、形状が同じで透過率が互いに異なるマークを用い、検出器はマークを透過した光を検出する透過タイプであってもよい。またマークにおける反射率（又は透過率）の階調を、１００％、７５％、５０％、２５％の４つ種類ではなく、その他の階調の値にしたり、階調数を５以上にしたりしても良い。
３．第１、第２実施形態では、受光素子アレイPDA（X）、PDA(Y)は、明暗１周期を１２の受光素子で検出するように構成した。しかし、明暗１周期を検出する受光素子の数を３、４、６、８等に変更しても良い。
４．受光素子アレイPDA（X）、PDA（Y）は、アブソリュートコードのビット数Ｎ以上の領域を一括して受光するようにして、処理部の内部において必要な領域のみを演算しても良い。その場合、周期信号の所謂「インクリメンタルエンコーダの格子の平均化効果」が増大し、更なる内挿部の高精度化が得られる。また適切な信号処理により部分的な読込みエラーの影響を軽減する（ただし、冗長性が増す）効果も期待できる。
５．受光素子アレイは２つの１次元受光素子アレイを用いるのではなく、ＣＣＤなどの２次元受光素子アレイを使用しても、処理部の内部において必要な領域の情報を抜き出してから同様な信号処理を実施することが可能である。この場合、投光光学系および受光光学系は一体となるため小型化に貢献する場合がある。但し、２次元受光素子アレイからの信号の取り出し速度には留意が必要となる。
６．受光素子アレイの各セルの感度バラツキや光学系に起因する光量ムラを考慮し必要に応じて本実施例で演算に用いた数式／値を変更しても良い。また必要精度に応じて近似値を適用しても良い。
７．処理部は、同等な機能を他のアルゴリズムやフローで実現させても良い。受光素子アレイからの信号を並列アナログ回路で加減乗算処理する方法、シリアルアナログ回路で加減乗算処理またはフィルタリング処理する方法、受光素子アレイの信号を直ちにAD変換し、デジタル情報としてＦＰＧＡ等にて演算処理する方法が考えられる。また、第１、第２実施形態では、エンコーダ光学系として平行光を直接透過させるエンコーダ光学系を用いた。しかし、発散光によりスケールを照明しその拡大透過光または拡大反射光を受光素子アレイで受光するように構成したもの、結像レンズを用いて受光素子アレイにスケール上の格子パターンを結像させる方式の光学系、その他の光学系による検出方法も可能である。
８．第１、第２実施形態では、アブソリュートコードとして巡回符号を用いているが、それ以外のコードを使用してもよい。なお、本明細書で用いた用語「巡回符号」は、「循環符号」といわれる場合もある。
９．第１、第２実施形態では、アブソリュートコードとして正方形反射パターンを等間隔に配置したものを利用しているが、長方形でも良い。その場合Ｘ方向、Ｙ方向の分解能が変わる。また正方形、長方形ではなく円形、楕円形その他の形状でも良い。また境界が明瞭な形状パターンではなく、反射率（または透過率）が連続的に変動する周期階調パターンも使用可能である。即ち、受光素子アレイ上に強度変調された周期パターンが投影されるものであれば何でも良い。
【００３１】
本発明の実施形態に係るアブソリュートコードでは、下記の効果が得られる。
・アブソリュートコードの整数部と内挿部が同一の受光素子アレイより算出されるため高分解能かつ高精度であり、受光素子アレイに投影される光量分布（パターン）が変動しても、常に安定した動作が得られる。すなわちインクリメンタルエンコーダ並みの高分解能、高精度、取扱い容易性が得られる。
・受光素子アレイは、ＣＣＤやＣＭＯＳなどの２次元型受光素子アレイだけでなく１次元の受光素子アレイを２組使用することも可能であり、速い応答性が得られる。
・スケール上のパターンは単純な反射率または透過率の階調パターンでありアブソリュートコードパターンの設計が容易でかつ安価に製作可能である。
・アブソリュートコードの生成部や内挿部の構成は小規模な電子回路で実現可能であり、複雑な信号処理を必要としないので、小型でかつ安価に構成可能である。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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