(57)【要約】絶対位置を計測する光学エンコーダ装置が、その上部にインクリメンタル符号トラックと絶対符号トラックの両方を具備する光学ディスクまたはスケール要素（100）を有する。光源（110，111）が、エリア・アレイセンサ（115，116）上で上記トラックを照射し、この結果、行と列を具備するピクセルマトリックスから画像が形成される。インクリメンタル符号トラックと絶対符号トラックを有するピクセルマトリックスの部分から、ピクセルマトリックスの２つの検出器ライン（410，420）をそれぞれ読み出す。スケール要素の不正確な取り付けにより、スケール要素の動きの結果として、符号トラックの周期が変動する場合がある。符号トラックのインクリメンタル画像から読み出される検出器ラインの行を動的に変更して空間周波数を整合させるか、または、フーリエ位相アルゴリズム内にて使用されるパターン周期の数値を変更することにより、不正確な取り付けを補償する。
2006524335.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶対位置の符号化装置であって、
その上部に形成された第１符号トラックおよび第２符号トラックを具備するスケール要素（１００）と、
前記第１および第２符号トラックを照射する光源（１１０、１１１）と、
前記第１および第２符号トラックの一部の画像を同時に生成するために、前記符号トラックを照射した光を受光するべく構成されたエリア・アレイセンサ（１１５、１１６）であって、複数の行を具備するピクセルマトリックス上に画像を生成する機能を有するエリア・アレイセンサ（１１５、１１６）と、
前記第１符号トラックを有する前記ピクセルマトリックス内の行に対応する第１検出器ライン（４１０）を読み取る手段と、
前記第２符号トラックを有する前記ピクセルマトリックス内の行に対応する第２検出器ライン（４２０）を読み取る手段と、
前記スケール要素が不正確に取り付けられた結果として生じる前記第１および第２符号トラックの変動を補償する補償手段と、
前記スケール要素から生成された前記第１および第２符号トラックの画像に基づいて、絶対位置を数値的に算出する処理手段とを備えることを特徴とする符号化装置。
【請求項２】
前記スケール要素は、ロータリー形エンコーダにおいて使用されるのに適した光学ディスクであり、前記第１符号トラックは、インクリメンタル・トラックを表しており、前記第２符号トラックは、絶対トラックを表している請求項１記載の符号化装置。
【請求項３】
前記光源は、ＬＥＤ、レーザーダイオードまたは白熱光源等の発光体である請求項１記載の符号化装置。
【請求項４】
前記エリア・アレイセンサは、ＣＣＤまたはＣＭＯＳフォトダイオードの技術によって構築されている請求項１記載の符号化装置。
【請求項５】
前記光源および前記エリア・アレイセンサは、前記スケール要素の第１面上に隣接して配置され、第２面上には、ミラーが配置されており、この結果として、放射された光は、前記ミラーにより反射され、前記スケール要素を介して前記第１および第２符号トラックを照射し、前記センサにより受光される請求項１記載の符号化装置。
【請求項６】
前記処理手段は、さらに、前記第１および第２符号トラックの前記画像の位相強度分布、空間周波数および位相角度を数値的に算出するＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）ロジック回路を有する請求項１記載の符号化装置。
【請求項７】
少なくとも２つのエリア・アレイセンサが１８０度だけ離隔して配置されており、この結果として、前記第１および第２符合トラックをそれぞれ表すインクリメンタル・トラックおよび絶対符号トラックが２つの異なる場所において読み取られることにより、２つの異なる角度位置が生成され、前記絶対位置は、前記角度位置の平均値に基づいて算出される請求項１記載の符号化装置。
【請求項８】
前記インクリメンタル・トラックは、前記ディスクの外周部の近傍で各々が均等に離隔し放射状に分布した複数のマークから構成されており、前記絶対トラックは、前記インクリメンタル・トラックの内側に放射状に分布した広いラインと狭いラインを含む一連の符号化されたラインを形成するためのマークから構成されており、この結果として、前記広いラインは、前記トラックを均等なサイズのセクションに分割し、それぞれのセクション内に、前記絶対位置に関する情報を保持する２つの狭いデータラインが存在している請求項２記載の符号化装置。
【請求項９】
前記補償手段は、前記符号トラックの望ましくない空間的な動きを引き起こす前記スケール要素の不正確な取り付けに起因して、パターン周期が変化した場合に、前記インクリメンタル・トラックの画像の前記検出器ラインを動的に変更する手段を有しており、前記検出器ラインは、同一のパターン周期を有する画像を常に含むようにシフトされる請求項１記載の符号化装置。
【請求項１０】
前記補償手段は、変動するトラックの空間周波数に整合するべく、フーリエ位相アルゴリズム内において使用されるパターン周期の数値を変更する手段を有する請求項１記載の符号化装置。
【請求項１１】
４つのエリア・アレイセンサが９０度だけ離隔して配置されており、この結果として、前記インクリメンタル・トラックおよび絶対符号トラックが４つの異なる場所において読み取られる請求項１記載の符号化装置。
【請求項１２】
垂直面内および水平面内における角度位置を計測する光学エンコーダを含むと共に、ターゲットを自動追跡するサーボメカニズムと協働して地形測量および地図作成のために使用されるトータルステーション・セオドライト装置（７００）であって、
前記光学エンコーダは、
その上部にインクリメンタル符号トラックおよび絶対符号トラックを具備する光学ディスク（８００、８１０）と、
前記インクリメンタル符号トラックおよび絶対符号トラックを照射する発光体の光源（１１０、１１１）と、
前記光学ディスクから前記インクリメンタル符号トラックおよび絶対符号トラックの一部の画像を同時に生成するために、前記インクリメンタル符号トラックおよび絶対符号トラックを照射した光を受光するべく構成されたエリア・アレイセンサ（１１５、１１６）であって、複数の行を具備するピクセルマトリックス上に画像を生成する機能を有するエリア・アレイセンサ（１１５、１１６）と、
前記インクリメンタル符号トラックを有する前記ピクセルマトリックス内の行に対応する第１検出器ライン（４１０）を読み取る手段と、
前記絶対符号トラックを有する前記ピクセルマトリックス内の行に対応する第２検出器ライン（４２０）を読み取る手段と、
前記光学ディスクの不正確な取り付けの結果として生じる前記インクリメンタル符号トラックおよび絶対符号トラックのシフトを補償する補償手段と、
前記光学ディスクから生成された前記インクリメンタル符号トラックおよび絶対符号トラックの画像に基づいて、絶対位置を算出する処理手段と、
地形データを算出し、前記ターゲットに関する情報を追跡する手段とを備えることを特徴とするトータルステーション・セオドライト装置。
【請求項１３】
前記光学ディスクは、不透明なディスクであって、透明な符号トラックマークを有するか、または、透明なディスクであって、不透明な符号トラックマークを有している請求項１２記載のトータルステーション・セオドライト装置。
【請求項１４】
前記発光体は、ＬＥＤ、レーザーダイオードまたは白熱光源であり、前記エリア・アレイセンサは、ＩＬＴ（Interline Transfer）  ＣＣＤのエリア・アレイセンサである請求項１２記載のトータルステーション・セオドライト装置。
【請求項１５】
前記処理手段は、前記インクリメンタル符号トラックおよび絶対符号トラックの前記画像の位相強度分布、空間周波数および位相角度を数値的に算出するＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）ロジック回路をさらに有する請求項１２記載のトータルステーション・セオドライト装置。
【請求項１６】
少なくとも２つのエリア・アレイセンサが１８０度だけ離隔して配置されており、この結果として、前記インクリメンタル符号トラックおよび絶対符号トラックが２つの異なる場所において読み取られることにより、２つの異なる角度位置が生成され、前記絶対位置は、前記角度位置の平均値に基づいて算出される請求項１２記載のトータルステーション・セオドライト装置。
【請求項１７】
前記インクリメンタル符号トラックは、前記ディスクの外周部の近傍で各々が均等に離隔し放射状に分布した複数のマークから構成されており、前記絶対符号トラックは、前記インクリメンタル符号トラックの内側に放射状に分布した広いラインと狭いラインを含む一連の符号化されたラインを形成するためのマークから構成されており、この結果として、前記広いラインは、前記トラックを均等なサイズのセクションに分割し、それぞれのセクション内には、前記絶対位置に関する情報を保持する２つの狭いデータラインが存在している請求項１２記載のトータルステーション・セオドライト装置。
【請求項１８】
前記処理手段は、自動追跡サーボメカニズムを動作させるプロセッサとコントローラにより実行される請求項１２記載のトータルステーション・セオドライト装置。
【請求項１９】
前記補償手段は、前記ディスクの空間的な動きに起因してパターン周期が変化した場合に、前記インクリメンタル符号トラックの前記画像の前記検出器ラインを動的に変更する手段を有しており、前記検出器ラインは、同一のパターン周期を有する画像を常に含むようにシフトされる請求項１２記載のトータルステーション・セオドライト装置。
【請求項２０】
前記補償手段は、変動するトラックの空間周波数に整合するべく、フーリエ位相アルゴリズム内において使用されるパターン周期の数値を変更する手段を有する請求項１２記載のトータルステーション・セオドライト装置。
【請求項２１】
光学エンコーダ装置によって絶対位置を算出する方法であって、
スケール要素（１００）上に形成されたインクリメンタル符号トラックおよび絶対符号トラックを光源（１１０、１１１）により照射する段階と、
前記インクリメンタル符号トラックおよび絶対符号トラックのセグメントの画像をＣＣＤまたはＣＭＯＳのエリア・アレイセンサ（１１５、１１６）上に生成する段階であって、前記セグメントは、複数の行を具備するピクセルマトリックス上に画像が生成される段階と、
前記インクリメンタル符号トラックを有する前記マトリックス内の行に対応する第１検出器ライン（４１０）を読み取る段階と、
前記絶対符号トラックを有する前記マトリックス内の行に対応する第２検出器ライン（４２０）を読み取る段階と、
前記スケール要素の不正確な取り付けの結果として生じる前記インクリメンタル符号トラックおよび絶対符号トラックの変動を補償する段階と、
前記インクリメンタル符号トラックおよび絶対符号トラックの前記画像の光分布に基づいて、絶対位置を数値的に算出する段階とを有することを特徴とする方法。
【請求項２２】
少なくとも２つのエリア・アレイセンサが１８０度だけ離隔して配置されており、この結果として、前記インクリメンタ符号トラックおよび絶対符号トラックが２つの異なる場所において読み取られることにより、２つの異なる角度位置が生成され、前記絶対位置は、前記角度位置の平均値に基づいて算出される請求項２１記載の方法。
【請求項２３】
前記光源および前記エリア・アレイセンサは、前記スケール要素の一方の面上に隣接して配置され、他方の面上には、ミラーが配置されており、放射された光は、前記ミラーにより反射され、前記スケール要素を介して前記インクリメンタ符号トラックおよび絶対符号トラックを照射し、前記センサにより受光される請求項２１記載の方法。
【請求項２４】
前記補償する段階は、前記ディスクの空間的な動きに起因してパターン周期が変化した場合に、前記インクリメンタル符号トラックの前記画像の前記検出器ラインを動的に変更し、前記検出器ラインは、同一のパターン周期を有する画像を常に含むようにシフトされる請求項２１記載の方法。
【請求項２５】
前記補償する段階は、変動するトラックの空間周波数に整合するべく、フーリエ位相アルゴリズム内において使用されるパターン周期の数値を変更する段階を有する請求項２１記載の方法。
【請求項２６】
少なくとも１つのＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）が、前期絶対位置を数値的に算出する段階の少なくとも一部を実行する請求項２１記載の方法。
【請求項２７】
４つのエリア・アレイセンサが９０度だけ離隔して配置されており、この結果として、前記インクリメンタル符号トラックおよび絶対符号トラックが４つの異なる場所において読み取られる請求項２１記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、絶対光学エンコーダに関する。より詳しくいえば、本発明は、スケールまたはディスクの取り付け誤差の影響を受けにくくするための適応型の補償手段を具備する高分解能の符号化方法および装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光学エンコーダは、通常、位置を計測したり、動きを監視して、高精度で位置を制御したりするために使用される電気機械装置である。上記の光学エンコーダは、コンピュータ制御による製造、工場自動化、または土地測量機械等の非常に正確な線形の位置決め情報または角度に関する位置決め情報を必要とする応用分野にて広く使用されている。ロータリー形の光学エンコーダは、ディスク上に組み込まれた符号化トラックを構成するマークにより遮られたレーザー光を検出することによって角度位置を検知している。ディスクは、監視対象の動きと同期して回転する。ロータリー形エンコーダは、一般に、絶対エンコーダとインクリメンタル・エンコーダという２つのカテゴリのいずれかに分類される。絶対エンコーダの場合には、固有の位置を判定するべく、ディスク上の別個の符号化トラックを読み取っており、それゆえに、停電後に、「ホーム（home）」またはインデックス位置に復帰することなしに、絶対位置を判定できるという利点を有している。また一方で、インクリメンタル・エンコーダは、相対位置のみを検出することが可能であり、それゆえに、停電の発生、または大きな振動によるディスクの偶発的な動きによって位置算出結果が失われる場合がある。したがって、多くの応用分野においては、常に絶対位置を取得できるという利点により、絶対エンコーダが、望ましい選択肢である。
【０００３】
コンピュータによる自動化製造技術の発展により、位置決め精度を改善し、スペース、コストおよび時間を節約することが求められている。当然のことながら、さらに微細なインクリメンタル型の線形動作または回転動作を実現することが可能な高分解能のエンコーダに対する需要が益々大きくなっている。このような高分解能のエンコーダの開発の試みは、既に従来技術に開示されている。これらの従来技術の１つが、ガラスディスク上に組み込まれた別個のトラックから絶対角度位置およびインクリメンタル角度位置（相対角度位置）の両方を同時に計測することが可能なロータリー形エンコーダである。これらのトラックは、絶対トラックとインクリメンタル・トラックに対応しており、これらを同時に読み取って絶対位置を判定している。なお、絶対位置情報および相対位置情報の両方を含む単一のトラックを採用した従来技術による絶対エンコーダは、通常、別個のトラックを使用するものに比べて、精度が劣ることが知られている。
【０００４】
従来技術による絶対エンコーダの一例が、「線形の値および角度の値を計測するための装置用の絶対位置検知器（Absolute Position Detector for an Apparatus for Measuring Linear Angular Values）」という名称の米国特許第５，２３５，１８１号の明細書に開示されている。この明細書では、別個の絶対トラックとインクリメンタル・トラックを読み取ることによって位置を検出する位置検出器が記述されている。絶対トラックは、一連の一意のバイナリワードを形成するべく離隔した擬似ランダム分布のバーから構成されており、この一意のバイナリワードのそれぞれは、絶対位置の別個の値を示している。絶対トラックを読み取るための構成は、このトラックの上方に配置された発光体の光源と、上記トラックの下方に配置されたリニアタイプの電荷転送検出器ＣＣＤを有しており、この結果として、中間に配置された画像拡大光学レンズを通じて、擬似ランダム絶対トラックが読み取られるようになっている。また一方で、インクリメンタル・トラックは、検知ユニットを通じて読み取られ、この検知ユニットは、トラック内のステップを補間するための直交信号を生成するべく、発光体と、９０度だけ離隔して配置された４つの光検出器のセットとを有している。この従来技術の１つの欠点は、旧式の直交検出の手法を採用している点にあり、相対的に誤差の影響を受け易く、分解能も制限されている。また一方で、この構成のさらなる欠点は、正確なアライメントおよび組立を要する多数のコンポーネントを使用している点にある。この場合、絶対トラックおよびインクリメンタル・トラックをそれぞれ読み取るべく別個のセンサを使用していることにより、アライメントの問題がさらに複雑化している。さらに、この従来技術には、光学レンズの使用が必要であり、この結果として、製造プロセスのコストと複雑性が増大すると共に、いくつかの比較的小さな寸法の応用製品においては、使用することができない。
【０００５】
K. EngelhardtおよびP. Seitzによる「大きな取り付け許容誤差を有する高分解能の光学位置エンコーダ（High-Resolution Optical Position Encoder with Large Mounting Tolerances）」という名称の研究論文（応用光学（Applied Optics）、１９９７年５月１日）においては、絶対トラックおよびインクリメンタル・トラックの両方を読み取る機能を有する別の光学エンコーダ装置が記述されている。この光学エンコーダ装置内のエンコーダは、専用のＡＳＩＣ検出器チップにより、擬似ランダムビット符号を含む絶対トラックと、均等に離隔したラインから構成されたインクリメンタル・トラックとを検出している。正のプラスチックレンズを使用して、単一の光源によって両方のトラックを照射し、検出器上に画像を生成する。この専用の検出器は、複数のセクションから構成されており、この中の１つのセクションは、単一のラインを読み取って絶対符号パターンを判定する感光要素を具備するＣＣＤラインセンサを有している。そして、その他の２つのセクションは、インクリメンタル・トラックの画像を捕捉するべく使用され、それぞれ、サイン二乗関数として成形された領域を有する２つの要素を含んでいる。これらのサイン二乗関数は、インクリメンタル・パターンの画像と同一の周波数を具備している。そして、それぞれのセクション内の２つの要素は、１８０°だけシフトしており、２つのセクションは、互いに９０°だけシフトしている。
【０００６】
この結果、それぞれのセクション内の２つの要素からの光電流間の差が、インクリメンタル・パターンの画像の展開用のフーリエ係数を表すことになる。そして、２つのセクション間における９０°の位相シフトにより、第１セクションからの電流が、サイン係数Ｉsinを表し、第２セクションからの電流が、コサイン係数Ｉcosを表すことになる。したがって、このインクリメンタル・トラックの画像の位相は、次のように算出される。
【０００７】
φ＝ａｒｃｔａｎ（Ｉcos／Ｉsin）
【０００８】
この検出器は、配光インクリメンタル検出のフーリエ展開を光学的に算出することが可能であり、この結果として、相対的に良好な分解能を実現することが可能である。ただし、この構成の欠点は、柔軟性を欠いていることにある。すなわち、インクリメンタル・トラックの画像の周期が、正弦波形状の空間周波数に対してほぼ正確に整合していなければならず、さもなければ、精度が失われることになるのである。これは、ディスクが振動して偶発的に動いた場合や不正確なディスクの取り付けによって発生し得るものである。このため、略偏心なしにディスクを取り付けると共に、ディスクと光源に対してセンサを正確に取り付けることが必要である。さらなる欠点は、検出器がチップ内に組み込まれていることにより、基準周期が固定されており、動作の際に変更できないことである。さらに、専用のＡＳＩＣ検出器を使用しているため、エンコーダの全体的なコストが増大し、大量生産が制限されることにもなる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記の観点より、本発明の目的は、相対的に少ない数のコンポーネントを有し、ディスクの取り付け誤差の影響を受けにくく、かつ、小さな寸法の応用製品にも適しており、相対的に安価であって、組立が容易な高分解能を有するエンコーダ用の符号化装置および方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
要約すれば、本発明の１つの態様ならびに関連する特徴に従って、下記のような本発明による符号化装置（例えば、光学エンコーダ装置）および方法が提供される。ここでは、絶対位置を算出する高分解能の絶対光学符号化装置が提供される。この符号化装置を構成するエンコーダは、ロータリー形エンコーダの場合には、光学ディスクを有しており、そして、リニア・エンコーダの場合には、光学スケール要素を有しており、これらの上部には、インクリメンタル・トラックおよび絶対符号トラック（すなわち、絶対トラック）の両方が組み込まれている。本発明の１つの態様においては、ロータリー形の光学エンコーダは、インクリメンタル・トラックおよび絶対符号トラックを照射するレーザーダイオード等の発光体の光源を有しており、この結果として、これらのトラックの画像がＣＣＤのエリア・アレイセンサ上に生成されるようになっている。
【００１１】
上記の画像は、複数の行および列を具備するピクセルマトリックス上に形成され、この結果として、インクリメンタル・トラックを有する画像の一部分内のピクセルマトリックスの行に対応する第１検出器ラインが読み取られる。さらに、絶対トラックを有する画像のピクセルマトリックス内の行に対応する第２検出器ラインが読み取られる。本発明においては、画像マトリックスから読み取られる検出器ラインの行を動的に変更して一定の空間周波数を維持することにより、ディスクまたはスケール要素の不正確な取り付けに起因する取り付け誤差を補償している（この取り付け誤差により、ディスクまたはスケール要素の動きによって符号トラックの基準周期が変動することになる）。本発明の他の態様においては、フーリエ位相アルゴリズム内において使用されるパターン周期の数値を変更することにより、上記の補償を実行している。数値処理の少なくとも一部分は、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等のロジック回路によって実行されている。この態様においては、少なくとも２つの光源／エリア・アレイセンサの対を１８０度だけ離隔して配置することにより、符号トラックを２つの異なる場所において読み取っており、この結果として、２つの異なる角度算出値が生成され、絶対角度位置は、この２つの算出値の平均に基づいたものになっている。
【００１２】
本発明のさらに他の態様においては、地形測量に使用されるトータルステーション・セオドライト装置が、垂直面内および水平面内の角度位置を計測するための本発明によるロータリー形の光学エンコーダを含んでいる。このエンコーダは、ロボット測量と呼ばれる分野において、ターゲットを自動追跡するサーボメカニズムと協働する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明と、そのさらなる目的および利点については、添付の図面との関連で、以下の説明を参照することにより、十分に理解することができるであろう。
【００１４】
本発明による高分解能光学エンコーダにおいては、従来技術の欠点をほぼ回避している。本発明によるエンコーダによれば、従来技術と比べて、信頼性が向上し、コストが節減されることが可能であり、この結果として、単純な設計により、光学機能拡張レンズの使用を不要とし、単一の２次元ＣＣＤエリア・アレイセンサ上に絶対トラックおよびインクリメンタル・トラックの両方の画像を生成する単一光源が実装され得る。さらに、本発明は、ディスクの取り付け誤差の影響を受けにくいため、柔軟性が向上しており、リニア・エンコーダおよびロータリー形エンコーダの用途のいずれにも適している。
【００１５】
図１ａは、本発明の第１実施例に従って動作するロータリー形の光学エンコーダの基本的なコンポーネントの概略的な側面図を示している。監視対象の物品との直接的な関係によってシャフト軸を中心として回転するシャフト１０５上に、ディスク１００が取り付けられている。ロータリー形の光学エンコーダに使用されるディスクは、通常、符号化マークを具備するガラス、プラスチック、セラミック、または金属から構成されており、この符号化マークは、ディスク上の外側の部分を取り囲むトラック内に正確に組み込まれている。そして、この符号化マークは、ディスク１００の一方の面上に取り付けられた発光体の光源１１０、１１０と、ディスクの他方の面上に取り付けられた光検出器１１５、１１６とを有する構成によって検出される。ディスクは、透明なマークを通過した光を検出することができるように、不透明な背景に対して透明なマークを具備する構造であってよい。あるいは、この代わりに、ディスクが透明であって、不透明なマークを有するようにすることも可能であり、この場合には、光検出器は、通過するマークによる光の遮断を検出することになる。
【００１６】
これらのエンコーダコンポーネントは、通常、好ましくない産業環境内に存在するほこりやその他の要素から光経路および電子回路を遮蔽するべく、堅牢なエンクロージャによって保護されている。好適な実施例においては、透明なマークを光が通過することができるように、不透明なディスクが回転し、この光を光検出器により検出している。
【００１７】
図１ｂは、本発明の第２実施例に従って動作するロータリー形の光学エンコーダの側面図を示している。このロータリー形の光学エンコーダは、発光体の光源および光検出器（１１０、１１５および１１１、１１６）が、ディスクの同一面上に互いに隣接した状態で配置されるように構成されている。実際には、レーザーおよびセンサを同一の集積回路チップ上に内蔵することが可能であるが、このような構成は、本発明にとって必須ではない。この好適な実施例においては、光源１１０、１１１は、ディスク１００のわずかに外側に配置されており、この結果として、放射された光は、ミラー１１８、１１９によって反射され、ディスクおよびマークを介して光検出器１１５、１１６により検出されるようになっている。なお、本発明は、このような構成に限定されるものではなく、ディスクのわずかに外側にではなく、ディスクの下に両方の光源を配置したり、あるいは、逆に、例えば、光源の代わりに、センサをディスクのわずかに外側に配置したりすること等によって、その他の構成も可能であることに留意されたい。
【００１８】
これらの光検出器は、ＬＥＤやレーザーダイオード等の光源から光を受光するピクセルの高密度グリッドを使用した単一のＣＣＤ（Charge-Coupled-Device）のエリア・アレイセンサから構成されている。ここで使用されるＣＣＤは、様々なアレイセンサタイプのものであってよいが、この実施例に実装されているセンサは、その単純な構造と相対的に低いコストに鑑み、好ましくは、ＩＬＴ（Interline Transfer）  ＣＣＤである。なお、ＩＬＴ  ＣＣＤのエリア・アレイセンサは、当該技術分野において周知であり、一般に、ディジタルカメラに使用されている。これらのエリア・アレイセンサは、視覚関連産業製品の大部分を占めており、それゆえに、通常、規模の経済によって、その他のタイプのアレイセンサと比べて、価格が格段に廉価になっている。ＩＬＴ  ＣＣＤのアレイセンサにより実現される画像分解能は、最良のものではないが、これらのＩＬＴ  ＣＣＤのアレイセンサは、光学エンコーダ内における符号化トラックの検出において良好な選択肢であり、十分に機能する。一例として、本発明のエリア・アレイセンサと共に良好に動作することが確認されたＣＣＤのアレイセンサの１つは、米国カリフォルニア州パロアルトに所在するアジレント  テクノロジー社（Agilent Technologies of Palo Alto, California, U.S.A.）のモデル番号ＡＤＣＳ−１１２１のセンサである。このセンサは、３５２ｘ２８８個のピクセルを具備している。満足な動作が確認された他のセンサは、韓国のイーチョンに所在するヘニックス  セミコンダクタ社（Hynix Semiconductor of Ichon, Korea）のセンサである。このセンサは、製品番号がＨＢ−７１２１Ｂであって、４０２ｘ３００個のピクセルを具備している。
【００１９】
次に図２を参照すれば明らかなように、絶対位置を検出するために本発明の実施例において使用される代表的な符号化手法の図がディスクの一部分に示されている。インクリメンタル・トラックパターンは、参照符号２１０によって示されているように、ディスク上の外周部のすぐ内側を取り囲むような放射状に分布しかつ均等に離隔したマークから構成されている。
【００２０】
また一方で、絶対トラック２２０は、インクリメンタル・トラックの下に放射状に分布した広いラインと狭いラインを含む一連の符号化ラインを含むマークから構成されている。この絶対トラックは、トラックを１５６個の均等なサイズのセクションに分割する１５６本の広いラインを有している。それぞれの広いラインは、それぞれのセクション毎の同期ラインまたは基準ラインとして機能する。そして、それぞれのセクション内には、セクション番号または絶対位置に関する情報を保持する２つの狭いデータラインが含まれている。一例として、位置は、同期ラインから第１のデータラインに向かう右側への距離ｘを読み取ることによって判定可能であり、この結果として、この距離は、角度位置の第１桁を表している。同様に、同期ラインから第２のデータラインに至る距離ｙは、角度位置の第２桁を表している。そして、インクリメンタル・トラックのマークをカウントすることにより、空間的な距離が計測可能である。この距離は、同期ラインとデータラインとの間のピクセル数として、センサ画像から捕捉される。ただし、この距離は、インクリメンタル符号における位置の数として表現されており、この場合に、１つの位置は、インクリメンタル符号内のラインまたは開口部であってよい。一例として、インクリメンタル符号内のラインマークの幅は、２つの同期ライン間の距離を３６で割ったものとして算出されている。そして、同期ラインとデータラインとの間の距離を、この係数によってスケーリングすることにより、インクリメンタル符号の各位置の距離を得ている。なお、当業者であれば、この実施例において説明した符号化方式は、代表的なものであって、本発明は、これに限定されるものではなく、絶対位置の一意であって明確な検出が可能な任意の好適な符号化パターンを使用することが可能であることを理解するであろう。
【００２１】
図３は、単一の「スナップショット」において、インクリメンタル・トラックおよび絶対トラックの両方を含む画像（または、個別のライン）を捕捉する機能を有する実施例の代表的なＣＣＤのリニア・アレイセンサ３００を示している。このアレイセンサの画像生成領域３１０は、トラックからの入射光を電荷に変換した後に、これを電気信号として処理することによって画像を捕捉するフォトダイオード（または、ピクセル要素）の高密度のマトリックスを有するシリコンから作製されるＩＣである。なお、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）ピクセルの感光要素のアレイから構成されるＣＭＯＳセンサ等のその他の主要なセンサアレイ技術も、本発明と共に使用するのに適していることに留意されたい。このアレイセンサによって捕捉された画像は、上部および下部部分に分割され、この結果として、上部部分は、インクリメンタル・トラックの画像を含んでいる。そして、同様に、下部部分は、絶対トラックの少なくとも１つの完全なセクションの画像を含んでいる。なお、このエリア・アレイセンサは、光学レンズを必要とすることなしに画像を捕捉することができるように、十分に高感度であり、かつ、十分にディスクに近接して配置されている。
【００２２】
図４は、インクリメンタル・トラックと絶対トラックの両方を含む捕捉された画像を示している。これらのトラックは、画像検出器ラインの対によって読み取られており、この１つのライン（４１０）は、インクリメンタル・トラックの画像を有する画像の上部部分に跨って延長されており、別のライン（４２０）は、絶対トラックの画像を有する下部部分に跨って延長されている。絶対トラックの画像を有する検出器ライン（４２０）は、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等の非常に高速のロジック回路によって事前に処理される。なお、ＦＰＧＡとは、高速処理を提供する広範に使用されているプログラム可能な装置であって、様々なアプリケーション用に再構成する機能を兼備したハードウェアである。同期ラインまたはデータラインの存在の検出は、強度の変化を検出することによって実行される（この強度は、予め定められた強度閾値の上下に上昇／下降し、この強度閾値を使用して、ピークの開始点とピークの終了点が判定される）。このような同期ラインまたはデータラインの識別は、画像化されたマークのエッジからエッジにわたるピクセル強度の合計を使用し、この合計を弁別用の閾値と比較することによって実行される。ピークが検出されたら、弁別用の閾値を使用し、上記のピークが、同期ラインであるか、あるいは、データラインであるかを弁別して判定するようになっている。
【００２３】
図５は、絶対符号からの代表的なセンサラインの画像を示している。なお、この例においては、強度閾値として４０を使用し、ピークの開始点と終了点とを検出している。さらに、それぞれのピークの強度閾値以上に変化している領域に示されているように、ピークの開始点から終了点までのピクセル値が合計される。この場合には、この強度の合計値は、画像に示されているように、［５４１、５１９、１１５５、４１３、５００、１２７８および４２８］となっている。そして、どのピークがデータラインからのものであり、どのピークが同期ラインからのものであるかを判定するべく、強度の合計値を弁別用の閾値と比較するが、この閾値は、この場合には、８００に選択されている。したがって、この基準によれば、ピーク番号３および６が、同期ラインであり、ピーク１、２、４、５および７は、データラインである。
【００２４】
そして、絶対位置を算出するべく、この各ラインの中央位置と強度の合計値が、ＦＰＧＡからプロセッサに伝達される。なお、一例として、本発明と共に良好に動作することが確認されたプロセッサの例は、ＡＴ９１Ｍ４２８００Ａ−３３ＡＩという名称のＡＲＭのプロセッサである。
【００２５】
同期ラインから第１および第２データラインへの距離から、セクション番号を算出するようになっている。このセクション番号が判定されたら、同期ラインとデータラインの正確な角度位置を算出することができる。そして、それらのラインの既知の位置を使用することにより、角度位置の概略的な推定値を算出することが可能である。この概略的な角度位置の推定値は、インクリメンタル・トラックの１つの周期を単位として位置を判定するのに十分正確なものになっている。数値フーリエ法を使用してインクリメンタル・トラックの画像が分析されるが、この分析においては、ＦＰＧＡが、この計算の大部分を実行し、プロセッサは、絶対角度を算出する。
【００２６】
図６は、この実施例において使用されているエリア・アレイセンサの相対的な位置を示すエンコーダ付きディスクの図式的な平面図である。これらのエリア・アレイセンサは、１８０度だけ離隔してシフトしており、両方のトラックを２つの別個の位置において読み取り、この結果として、２つの別個の角度を生成することが可能な構成になっている。最終的に絶対光学エンコーダが計測する角度位置は、これらの２つの角度の平均値によって与えられているため、これらの２つの角度は、この絶対光学エンコーダが取り付け誤差の影響を受けないようにするのに有用である。すなわち、上記の平均値は、本質的にディスクの動きに対して不変であるため、経路に沿った動きに関して、１次誤差が効果的にキャンセルされるのである。いくつかの種類の取り付け誤差が、読み取り角度に誤差を引き起こすことになる。ディスクの取り付けの精度を向上させる一方で、ディスクの取り付けに必要な精度をある程度下げることによってコストを低く抑えるには、可能な限り多くの取り付け誤差を補償することが望ましい。例えば、エリア・アレイセンサが、エンコーダ付きディスクの面内における回転誤差を有するように取り付けられている場合には、センサ上の使用されるラインが変化すると、計測角度も変化することになる。幸いなことに、傾斜角が判明しておれば、この誤差を補償するのは容易である。このような誤差の補償は、角度位置を不変に維持した状態で、いくつかのラインを一度に読み取り、それらの全ての角度位置を判定することによって実行可能である。角度位置が全てのラインについて同一であれば、センサは、正しく取り付けられている。また一方で、そうでない場合には、センサが、誤差を有する状態で取り付けられているということであり、この誤差を様々な角度位置から算出し、この算出された誤差を使用することにより、使用されるラインが変化した際に角度を補償することができる。
【００２７】
この１８０°だけ離隔して配置された２つのソース／検出器の対を有する設計は、ディスクの平行運動に起因する全ての誤差が効果的にキャンセルされるという有益な特徴を有している。しかしながら、取り付け誤差のために、２つのソース／検出器の対が、正確に１８０°ではなく離隔して配置される場合がある。これらの誤差のいくつかは、２つのソース／検出器の対間の実際の角度の隔たりが判明していれば、補償することができる。
【００２８】
この角度の隔たりは、２つのセンサ上において読み取られた角度を減算することによって算出可能である。なお、この好適な実施例においては、２つのソース／検出器の対について説明しているが、本発明は、この構成に限定されるものではなく、単一のソース／検出器の対または３つ以上のソース／検出器の対を実装して本発明と共に動作させることも可能であることに留意されたい。
【００２９】
高分解能のインクリメンタル符号を含む外側のトラックの画像が生成され、当該トラックの画像のデータが、分解能を算出するための事前処理のために、ＦＰＧＡに送信される。
【００３０】
図７ａは、ＦＰＧＡによって実行される数値フーリエ法をグラフにより示している。エリア・アレイセンサによってディスクから読み取られた出力信号をディジタル化し、このディジタル化された出力信号を図の最上部の信号によって示している。そして、このディジタル化された出力信号と、ディジタル化された余弦波信号ｃｏｓ（Ｖ）（中央の信号）との積を最下部の信号によって示している。ＦＰＧＡが実行する演算において、それぞれの結果が合計される。同様に、図７ｂは、上記のディジタル化された出力信号とｓｉｎ（Ｖ）信号との積を示している。任意の正弦波関数は、次のように表現することができる。
【００３１】
Ａｓｉｎ（ｘ＋φ）＝Ｂｓｉｎ（ｘ）＋Ｃｃｏｓ（ｘ）
【００３２】
したがって、この式の左辺の振幅情報Ａと位相情報φは、いずれも、この式の右辺の２つの係数ＢおよびＣによって表現可能である。サイン関数を表現する２つの部分間における関係は、次のとおりである。
【００３３】
【数１】
2006524335.tif 000003
【００３４】
この〔数１〕の式は、信号をＢｓｉｎ（ｘ）＋Ｃｃｏｓ（ｘ）という形態で近似することができる場合には、ａｒｃｔａｎ（Ｃ／Ｂ）として、位相を算出することが可能であることを意味している。この近似は、フーリエ数学を使用することによって導出されたものである。周期Ｔを有する周期的関数ｆ（ｘ）のフーリエ展開は、次のように表現される。
【００３５】
【数２】
2006524335.tif 000004
【００３６】
ここで、ａnとｂnは、次のように算出される。
【００３７】
【数３】
2006524335.tif 000005
【００３８】
ここで、係数ａ0は、ｆ（ｘ）の平均値である。２つの１次係数ａ1およびｂ1は、ｆ（ｘ）のサイン近似を付与し、これよりも高次の係数は、ｆ（ｘ）のさらに正確な形態を付与することになる。信号のこれら２つの１次係数を算出することができれば、その位相をａｒｃｔａｎ（ａ1／ｂ1）として算出することができるであろう。ａnとｂnの式によれば、これらのａnおよびｂnは、信号の１つの周期のみを使用して算出されている。しかしながら、この信号は、正確な周期性を有してはいないため、信号内の全ての情報を使用することが望ましい。したがって、これらの〔数３〕の式を次のように変更することができる。
【００３９】
【数４】
2006524335.tif 000006
【００４０】
ここで、ｍは、使用される周期の数である（すなわち、（ピクセルの数）／（パターンの周期））。この〔数４〕の式は、信号のいくつかの周期にわたって積分することを意味している。このケースにおいては、ｆ（ｘ）は、連続ではなく、離散しており、ｆjは、ピクセル番号ｊの値であり、したがって、この積分は、次のように、これらのピクセルにわたる合計によって置き換えられることになる。
【００４１】
【数５】
2006524335.tif 000007
【００４２】
ここで、Ｎは、ピクセルの合計数であり、Δｘjは、それぞれのピクセルの幅である。関心があるのは、１次係数のみであり（すなわち、ｎ＝１）、かつ、興味があるのは、これらの１次係数の間の比率のみであって、両方の式に共通している上記以外の全てのものはキャンセルされることになる。また一方で、ｘjは、単にｊによって置換可能なピクセル番号であり、この結果として、次式が得られる。
【００４３】
【数６】
2006524335.tif 000008
【００４４】
この結果、位相が、最終的に、ａｒｃｔａｎ（ａ1／ｂ1）として算出される。
【００４５】
絶対角度ωaが、先程概説した方式により、内側のトラックの符号から読み取られる。次いで、プロセッサが、次の最終的な角度位置ωfを算出する。
【００４６】
【数７】
2006524335.tif 000009
【００４７】
ここで、Ｎsectは、インクリメンタル・トラック内の周期の合計数である。本発明においては、インクリメンタル・トラックは、２８０８個の周期を含んでいる。なお、この丸めの操作は、最も近い整数に数を丸める必要があることを示している。
【００４８】
この計算の精度は、最終的な位置に関して、略１マイクロラジアンのレベルにまで到達する。この精度の改善は、主として、妥当な時間内に計算を実行することが可能であって入手可能なプロセッサの処理能力によって左右されることになる。
【００４９】
エンコーダ内にディスクを取り付ける際に必要とされる精度に関し、本発明の方法は、従来技術と比べて、かなり柔軟になっている。一例として、ディスクが正確に取り付けられていなければ、ディスクの回転に伴って、トラックがわずかにシフトまたは揺動することになり、この結果として、ピッチ、ロールおよびヨーにおける誤ったアライメントや、その他のタイプの誤差が発生することになる。本発明の方法によれば、エンコーダは、小さな取り付け誤差を検出して補償することが可能であり、この結果として、従来技術と比べて、大きな取り付け誤差を許容することになる。このような補償は、空間周波数が検出器チップ内において固定され、動作の際に変更不可であるのとは対照的に、フーリエ分析を数値的に実行することにより、エンコーダが基準の周期を動的に変更できるようになっているために、可能になっている。
【００５０】
このエンコーダは、ディスクの不正確な取り付けに起因して変動するパターン周期に適合し、これを補償することができる。この補償は、次の２つの手法のいずれかを使用することによって適用可能である。この中の第１の手法に関する選択肢は、インクリメンタル・トラックの画像の検出器ラインを動的に変化させる方法である。すなわち、上記第１の手法は、パターン周期がディスクの空間的な動きに起因して変化している場合に、使用されるラインをシフトさせることにより、このラインが、常に同一のパターン周期を有する画像を含むようにするものである。第２の手法に関する選択肢は、フーリエ位相アルゴリズム内において使用されるパターン周期の数値を変更する方法である。なお、空間周波数を数値的に変更するには、大量の処理能力が必要であるため、好適な実施例においては、第１の手法を適用して検出器ラインを動的に変更している。ただし、このラインの変更によって他の選択肢を選択した場合には、フーリエ位相アルゴリズム内の合計内において使用される正弦値および余弦値を事前に生成し、メモリ内のテーブルに保存しておくことができる。また一方で、演算内において周期を変更する場合には、周期が変化するたびに、新しい正弦値および余弦値を生成しなければならない。また一方で、例えば、全体の周期の数が検出器の幅の中に正確に含まれている場合等、いくつかのパターン周期は、その他のものと比べて、良好な精度を付与する傾向を有している。ラインを変更することにより、計算において使用される好ましいパターン周期（処理に対する要求を多少低減させることが可能なもの）が選択可能である。
【００５１】
本発明は、ディスクの取り付け誤差の影響を受けにくく、かつ、光学系（optics）が不要であるために、小さなエンコーダのプロファイルと簡単な構造が望ましい応用製品に対して高分解能の光学エンコーダを提供することを目的とするものである。一例として、土地測量等の地形図の作成を実行するのに使用されるセオドライト（theodolite）装置においては、垂直および水平の角度位置を正確に計測するべく、光学エンコーダを採用している。図８に示されているのは、当業者にトータルステーション・セオドライト装置７００とも呼ばれている装置であり、この装置は、角度の変位に加えて、距離を正確に計測するＥＤＭ（Electronic Distance Measurement）の機能も有している。正確な距離の計測は、光波上において赤外周波数変調信号７１０をレトロディレクティブ・プリズムポール反射器（retro-directive prism pole reflector）７２０に向かって送信して反射させるレーザーによって実行され、この送信信号と受信信号との間における位相差を使用して距離を算出する。このトータルステーション・セオドライト装置７００は、垂直および水平面内において正確な角度計測を実行するべく、上下および水平に旋回することができるように構成されている。
【００５２】
図９は、本体が上下に旋回する際に、垂直面内における角度変位を、そして、側部から側部に旋回する際に、水平面内における角度変位を計測する光学エンコーダ付きディスク８００、８１０の場所が示されているトータルステーション・セオドライト装置７００の本体の図式的な側面図である。スウェーデンのトリンブル  ＡＢ（Trimble AB）社により製造されるトータルステーション・セオドライト装置の５６００シリーズ等の改良された装置は、ターゲットの移動に伴って、上記装置がターゲットを自動追跡できるようにするサーボ駆動による機能や自動サーチ等の特徴を有している。さらに、その他の改良された特徴には、プリズム反射器および能動的なターゲットと通信し、上記装置が誤って受信する可能性のある誤反射のリスクを除去するような無線遠隔測定が含まれている。上記の光学エンコーダによれば、当該技術分野にて自動追跡測量またはロボット測量と呼ばれるものにおいて、サーボメカニズムの能動的かつ高精度の制御を実現することが可能になる。
【００５３】
図１０は、ターゲットの自動追跡の機能を有するサーボ駆動型のトータルステーションを本発明の光学エンコーダにより実現する方法に関連した機能ブロックを示すブロック図である。この図１０に示す装置は、いくつかの異なるモードで動作する能力を有しているため、これらのモードからの入力は、サーボループ内において使用するべく、マルチプレクサ９１０によって個別に選択されている。そして、このマルチプレクサ９１０の出力が、コントローラ９１２、駆動装置（図１０ではＸ駆動装置と示す）９１４および角度センサ９１６を有するサーボループ内に供給される。このコントローラ９１２は、適切な分析を実行し、駆動装置を動作させる方法を判定する。そして、本発明の角度センサまたはエンコーダが、軸の位置を検出して入力角度と比較するべく、検出された軸の位置をフィードバックしている。
【００５４】
このサーボループの機能は、駆動装置９１４により駆動される軸を、入力において付与された特定の位置に対して位置決めするである。この入力角度は、この装置が異なるモードにおいて使用される際には、異なったものであってよい。例えば、通常の使用方法においては、主に制御ノブ９０２を使用して装置を操作するようになっている。垂直角度または水平角度の変更を所望する場合には、ユーザーは、それぞれ、垂直軸または水平軸について、制御ノブを回転させる。これは、サーボシステムに対する入力角度が、このノブの動きに関係して変化することを意味している。別のモードにおいては、この装置を使用することにより、特定の位置（例えば、建築対象の建物の角）を出力することが可能である。この場合には、その位置を制御ユニット上においてタイプ入力し、その位置に対応する入力角度を算出する（これは、基準角度９０４によって示されている）。さらに別のモードにおいては、この装置を使用することにより、ターゲットを自動追跡することが可能である。この場合には、追跡装置９０６が、ターゲットの動きを検出し、サーボループに対する入力角度を変更することにより、この装置は、ターゲットの動きを追跡する。
【００５５】
初めにエンコーダを起動する際に、両方のトラックを読み取り、正確な絶対角度を算出するようになっている。そして、絶対角度が判明したら、絶対トラックからの絶対角度の算出は不要である。その代わりに、エンコーダは、インクリメンタル・トラックのみを読み取るインクリメンタル・モードにおいて使用可能である。新しい相対角度をインクリメンタル・トラックから読み取ったら、最新の絶対角度と軸の回転速度に関する知識から新しい絶対角度を算出することができる。
【００５６】
２つの最新の絶対角度位置がωk-2およびωk-1であり、新しい相対角度がωincであれば、新しい絶対角度位置ωkは、次のように算出可能である。
【００５７】
【数８】
2006524335.tif 000010
【００５８】
この新しい絶対角度位置の算出方法は、２つのトラックから絶対角度および相対角度を一緒に導出する方法に類似している。しかしながら、ここでは、絶対角度は、絶対トラックの読み取りからではなく、絶対角度が「最新の判明している絶対角度」＋「最新の判明している角度変化」であるという仮定から導出されている。この仮定は、角加速度が過度に大きくない限り、通常、十分に正しいことが判明している。研究室における分析は、この種の加速度を実現するためには、装置を激しく殴打しなければならないことを示している。当然のことながら、絶対角度が追跡できなくなるほどの力を装置に加えれば、深刻な損傷が装置に生じる可能性が高い。これに伴う主な利点は、絶対トラックからの絶対角度の算出をコントローラ内での優先タスクにしなくてもよいということである。このため、絶対角度を相対角度と同一の高速で算出する必要はない。この実施例においては、絶対角度を絶対トラックから算出した際に、この絶対角度を、前述のようにインクリメンタル・モードにて算出された角度と比較し、エンコーダが絶対角度を依然として追跡していることをチェックするようになっている。
【００５９】
上記のような本発明の好適な実施例に関する説明は、例示および説明を目的として呈示されたものである。以上の開示内容に鑑み、その多くの変更や変形が可能であるため、この説明は、本発明の全てを網羅することや本発明を開示された形態そのままに限定することを意図するものではない。例えば、本発明の概念は、ディスクの代わりにスケール要素を使用するロータリー形エンコーダおよびリニア・エンコーダの両方に使用するのに適している。また一方で、本発明は、３つのセンサ、９０度だけ離隔して配置された４つのセンサ、または４つを上回る数のセンサの構成等のように、好適な実施例に記述されているもの以外のセンサ構成にも適用可能である。
【００６０】
当業者には、その他のさらなる変更も明らかであろう。このような全ての変更および変形が本発明の範囲に属している。ここで選択された実施例は、本発明の原理とその実際的な応用を明確に説明することにより、当業者が、様々な実施例において、その意図する特定の使用法に適した様々な変更を加えて、本発明を利用できるようにするべく説明したものである。したがって、添付の特許請求の範囲の請求項は、制限的な解釈を加えることなく、開示された本発明の主題から派生する変形や変更をも包含するべく解釈することを意図している。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１ａ】本発明の第１実施例に従って動作するロータリー形の光学エンコーダの基本的なコンポーネントの概略的な側面図である。
【図１ｂ】本発明の第２実施例に従って動作するロータリー形の光学エンコーダの側面図である。
【図２】本発明の実施例において使用されるエンコーダ付きディスクの一部分を示す図である。
【図３】本発明の実施例において使用される代表的なＣＣＤのエリア・アレイセンサ３００を示す図である。
【図４】インクリメンタル・トラックおよび絶対トラックのエリア・アレイセンサの画像を示す図である。
【図５】絶対符号からの代表的なセンサラインの画像を示す図である。
【図６】本発明の実施例におけるロータリー形エンコーダ付きディスクに対するエリア・アレイセンサの相対的な位置を図式的に示す平面図である。
【図７ａ】数値計算法をグラフにより示す図である。
【図７ｂ】数値計算法をグラフにより示す図である。
【図８】本発明に従って動作する代表的なトータルステーション土地測量装置を示す図である。
【図９】トータルステーション測量装置を図式的に示す側面図である。
【図１０】本発明に従って動作するサーボ駆動型のトータルステーションの機能ブロックを示すブロック図である。
2006524335.tif 000011
2006524335.tif 000012
【図２】
2006524335.tif 000013
【図３】
2006524335.tif 000014
【図４】
2006524335.tif 000015
【図５】
2006524335.tif 000016
【図６】
2006524335.tif 000017
【図７ａ】
2006524335.tif 000018
【図７ｂ】
2006524335.tif 000019
【図８】
2006524335.tif 000020
【図９】
2006524335.tif 000021
【図１０】
2006524335.tif 000022
【手続補正書】
【提出日】平成17年7月12日(2005.7.12)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶対位置を符号化するためのロータリー形の符号化装置であって、
その上部に形成された第１符号トラックおよび第２符号トラックを具備するディスク（１００）と、
前記第１および第２符号トラックを照射する光源（１１０、１１１）と、
前記第１および第２符号トラックの一部の画像を同時に生成するために、前記符号トラックを照射した光を受光するべく構成されたエリア・アレイセンサ（１１５、１１６）であって、複数の行を具備するピクセルマトリックス上に画像を生成する機能を有するエリア・アレイセンサと、
前記第１符号トラックを有する前記ピクセルマトリックス内の行に対応する第１検出器ライン（４１０）を読み取る手段と、
前記第２符号トラックを有する前記ピクセルマトリックス内の行に対応する第２検出器ライン（４２０）を読み取る手段と、
前記第１および第２符号トラックの画像が生成されたパターンの周期の長さが、位置の計算において使用される周期の長さと整合するように、前記エリア・アレイセンサによって画像が生成された適切なラインを選択することにより、前記ディスクが不正確に取り付けられた結果として生じる前記符号トラックの変動を補償する手段と、
前記ディスクから生成された前記第１および第２符号トラックの画像に基づいて、絶対位置を数値的に算出する処理手段とを備えることを特徴とする符号化装置。
【請求項２】
前記スケール要素は、ロータリー形エンコーダにおいて使用されるのに適した光学ディスクであり、前記第１符号トラックは、インクリメンタル・トラックを表しており、前記第２符号トラックは、絶対トラックを表している請求項１記載の符号化装置。
【請求項３】
前記光源は、ＬＥＤ、レーザーダイオードまたは白熱光源等の発光体である請求項１記載の符号化装置。
【請求項４】
前記エリア・アレイセンサは、ＣＣＤまたはＣＭＯＳフォトダイオードの技術によって構築されている請求項１記載の符号化装置。
【請求項５】
前記光源および前記エリア・アレイセンサは、前記スケール要素の第１面上に隣接して配置され、第２面上には、ミラーが配置されており、この結果として、放射された光は、前記ミラーにより反射され、前記スケール要素を介して前記第１および第２符号トラックを照射し、前記センサにより受光される請求項１記載の符号化装置。
【請求項６】
前記処理手段は、さらに、前記第１および第２符号トラックの前記画像の位相強度分布、空間周波数、および位相角度を数値的に算出するＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）ロジック回路を有する請求項１記載の符号化装置。
【請求項７】
少なくとも２つのエリア・アレイセンサが１８０度だけ離隔して配置されており、この結果として、前記第１および第２符合トラックをそれぞれ表すインクリメンタル・トラックおよび絶対符号トラックが２つの異なる場所において読み取られることにより、２つの異なる角度位置が生成され、前記絶対位置は、前記角度位置の平均値に基づいて算出される請求項１記載の符号化装置。
【請求項８】
前記インクリメンタル・トラックは、前記ディスクの外周部の近傍で各々が均等に離隔し放射状に分布した複数のマークから構成されており、前記絶対トラックは、前記インクリメンタル・トラックの内側に放射状に分布した広いラインと狭いラインを含む一連の符号化されたラインを形成するためのマークから構成されており、この結果として、前記広いラインは、前記トラックを均等なサイズのセクションに分割し、それぞれのセクション内に、前記絶対位置に関する情報を保持する２つの狭いデータラインが存在している請求項２記載の符号化装置。
【請求項９】
前記補償手段は、前記符号トラックの望ましくない空間的な動きを引き起こす前記スケール要素の不正確な取り付けに起因して、パターン周期が変化した場合に、前記インクリメンタル・トラックの画像の前記検出器ラインを動的に変更する手段を有しており、前記検出器ラインは、同一のパターン周期を有する画像を常に含むようにシフトされる請求項１記載の符号化装置。
【請求項１０】
前記補償手段は、変動するトラックの空間周波数に整合するべく、フーリエ位相アルゴリズム内において使用されるパターン周期の数値を変更する手段を有する請求項１記載の符号化装置。
【請求項１１】
４つのエリア・アレイセンサが９０度だけ離隔して配置されており、この結果として、前記インクリメンタル・トラックおよび絶対符号トラックが４つの異なる場所において読み取られる請求項１記載の符号化装置。
【請求項１２】
垂直面内および水平面内における角度位置を計測する光学エンコーダを含むと共に、ターゲットを自動追跡するサーボメカニズムと協働して地形測量および地図作成のために使用されるトータルステーション・セオドライト装置（７００）であって、
前記光学エンコーダは、
その上部にインクリメンタル符号トラックおよび絶対符号トラックを具備する光学ディスク（８００、８１０）と、
前記インクリメンタル符号トラックおよび絶対符号トラックを照射する発光体の光源（１１０、１１１）と、
前記ディスクから前記インクリメンタル符号トラックおよび絶対符号トラックの一部の画像を同時に生成するために、前記インクリメンタル符号トラックおよび絶対符号トラックを照射した光を受光するべく構成されたエリア・アレイセンサ（１１５、１１６）であって、複数の行を具備するピクセルマトリックス上に画像を生成する機能を有するエリア・アレイセンサ（１１５、１１６）と、
前記インクリメンタル符号トラックを有する前記ピクセルマトリックス内の行に対応する第１検出器ライン（４１０）を読み取る手段と、
前記絶対符号トラックを有する前記ピクセルマトリックス内の行に対応する第２検出器ライン（４２０）を読み取る手段と、
前記インクリメンタル符号トラックおよび絶対符号トラックの画像が生成されたパターンの周期の長さが、位置の計算において使用される周期の長さと整合するように、前記エリア・アレイセンサによって画像が生成された適切なラインを選択することにより、前記光学ディスクの不正確な取り付けの結果として生じる前記インクリメンタル符号トラックおよび絶対符号トラックのシフトを補償する手段と、
前記光学ディスクから生成された前記インクリメンタル符号トラックおよび絶対符号トラックの画像に基づいて、絶対位置を算出する処理手段と、
地形データを算出し、前記ターゲットに関する情報を追跡する手段とを備えることを特徴とするトータルステーション・セオドライト装置。
【請求項１３】
前記光学ディスクは、不透明なディスクであって、透明な符号トラックマークを有するか、または、透明なディスクであって、不透明な符号トラックマークを有している請求項１２記載のトータルステーション・セオドライト装置。
【請求項１４】
前記発光体は、ＬＥＤ、レーザーダイオードまたは白熱光源であり、前記エリア・アレイセンサは、ＩＬＴ（Interline Transfer）  ＣＣＤのエリア・アレイセンサである請求項１２記載のトータルステーション・セオドライト装置。
【請求項１５】
前記処理手段は、前記インクリメンタル符号トラックおよび絶対符号トラックの前記画像の位相強度分布、空間周波数および位相角度を数値的に算出するＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）ロジック回路をさらに有する請求項１２記載のトータルステーション・セオドライト装置。
【請求項１６】
少なくとも２つのエリア・アレイセンサが１８０度だけ離隔して配置されており、この結果として、前記インクリメンタル符号トラックおよび絶対符号トラックが２つの異なる場所において読み取られることにより、２つの異なる角度位置が生成され、前記絶対位置は、前記角度位置の平均値に基づいて算出される請求項１２記載のトータルステーション・セオドライト装置。
【請求項１７】
前記インクリメンタル符号トラックは、前記ディスクの外周部の近傍で各々が均等に離隔し放射状に分布した複数のマークから構成されており、前記絶対符号トラックは、前記インクリメンタル符号トラックの内側に放射状に分布した広いラインと狭いラインを含む一連の符号化されたラインを形成するためのマークから構成されており、この結果として、前記広いラインは、前記トラックを均等なサイズのセクションに分割し、それぞれのセクション内には、前記絶対位置に関する情報を保持する２つの狭いデータラインが存在している請求項１２記載のトータルステーション・セオドライト装置。
【請求項１８】
前記処理手段は、自動追跡サーボメカニズムを動作させるプロセッサとコントローラにより実行される請求項１２記載のトータルステーション・セオドライト装置。
【請求項１９】
前記補償手段は、前記ディスクの空間的な動きに起因してパターン周期が変化した場合に、前記インクリメンタル符号トラックの前記画像の前記検出器ラインを動的に変更する手段を有しており、前記検出器ラインは、同一のパターン周期を有する画像を常に含むようにシフトされる請求項１２記載のトータルステーション・セオドライト装置。
【請求項２０】
前記補償手段は、変動するトラックの空間周波数に整合するべく、フーリエ位相アルゴリズム内において使用されるパターン周期の数値を変更する手段を有する請求項１２記載のトータルステーション・セオドライト装置。
【請求項２１】
ロータリー形の光学エンコーダ装置によって絶対位置を算出する方法であって、
ディスク（１００）上に形成されたインクリメンタル符号トラックおよび絶対符号トラックを光源（１１０、１１１）により照射する段階と、
前記インクリメンタル符号トラックおよび絶対符号トラックのセグメントの画像をＣＣＤまたはＣＭＯＳのエリア・アレイセンサ（１１５、１１６）上に生成する段階であって、前記セグメントは、複数の行を具備するピクセルマトリックス上に画像が生成される段階と、
前記インクリメンタル符号トラックを有する前記マトリックス内の行に対応する第１検出器ライン（４１０）を読み取る段階と、
前記絶対符号トラックを有する前記マトリックス内の行に対応する第２検出器ライン（４２０）を読み取る段階と、
前記インクリメンタル符号トラックおよび絶対符号トラックの画像が生成されたパターンの周期の長さが、位置の計算において使用される周期の長さと整合するように、前記エリア・アレイセンサによって画像が生成された適切なラインを選択することにより、前記ディスクの不正確な取り付けの結果として生じる前記インクリメンタル符号トラックおよび絶対符号トラックの変動を補償する段階と、
前記インクリメンタル符号トラックおよび絶対符号トラックの前記画像の光分布に基づいて、絶対位置を数値的に算出する段階とを有することを特徴とする方法。
【請求項２２】
少なくとも２つのエリア・アレイセンサが１８０度だけ離隔して配置されており、この結果として、前記インクリメンタ符号トラックおよび絶対符号トラックが２つの異なる場所において読み取られることにより、２つの異なる角度位置が生成され、前記絶対位置は、前記角度位置の平均値に基づいて算出される請求項２１記載の方法。
【請求項２３】
前記光源および前記エリア・アレイセンサは、前記スケール要素の一方の面上に隣接して配置され、他方の面上には、ミラーが配置されており、放射された光は、前記ミラーにより反射され、前記スケール要素を介して前記インクリメンタ符号トラックおよび絶対符号トラックを照射し、前記センサにより受光される請求項２１記載の方法。
【請求項２４】
前記補償する段階は、前記ディスクの空間的な動きに起因してパターン周期が変化した場合に、前記インクリメンタル符号トラックの前記画像の前記検出器ラインを動的に変更し、前記検出器ラインは、同一のパターン周期を有する画像を常に含むようにシフトされる請求項２１記載の方法。
【請求項２５】
前記補償する段階は、変動するトラックの空間周波数に整合するべく、フーリエ位相アルゴリズム内において使用されるパターン周期の数値を変更する段階を有する請求項２１記載の方法。
【請求項２６】
少なくとも１つのＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）が、前期絶対位置を数値的に算出する段階の少なくとも一部を実行する請求項２１記載の方法。
【請求項２７】
４つのエリア・アレイセンサが９０度だけ離隔して配置されており、この結果として、前記インクリメンタル符号トラックおよび絶対符号トラックが４つの異なる場所において読み取られる請求項２１記載の方法。
【国際調査報告】
2006524335.tif 000023
2006524335.tif 000024
2006524335.tif 000025