(57)【要約】【課題】エンコーダの低コスト化を図りつつ、エンコーダの信頼性を向上する。【解決手段】エンコーダ２７は、起動時等にスライダが停止した状態で、独立して点灯される複数の光源を用いて複数の絶対位置を検出し、この複数の絶対位置の差が所定範囲内に収まっているかどうかに基づいてエラーの判定を行うことで、高い信頼性を確保する。これとともに、エンコーダ２７は、起動後は、インクリメンタルスケール５１を用いインクリメンタルエンコーダとして用いられることで、低コスト、及びコンパクトな構成とすることができる。【選択図】図３
2012173168.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
移動体の位置を検出するエンコーダであって、
前記移動体の移動方向へ、周期的に配列される反射部から構成される第１パターンが形成される第１スケールと、
前記移動体の前記移動方向へ、ＰＮ符号系列に基づいて配列される反射部から構成される第２パターンが形成される第２スケールと、
前記第１スケール及び前記第２スケールに対して、前記移動方向へ相対移動し、前記第１スケール及び前記第２スケールに第１照明光を照射する第１光学系と、
前記第１光学系から前記移動方向へ離間して配置され、前記第２スケールに第２照明光を照射する第２光学系と、
前記第１光学系及び前記第２光学系のうちのいずれか一方を点灯する点灯手段と、
前記第１スケールからの反射光を受光して、前記反射光の強度に応じた信号を出力する第１検出手段と、
前記第２スケールへ入射した前記第１照明光の反射光を受光して、前記反射光の強度に応じた第１信号を出力し、前記第２スケールへ入射した前記第２照明光の反射光を受光して、前記反射光の強度に応じた第２信号を出力する第２検出手段と、
前記第１信号に基づいて、前記第１光学系を基準とする前記移動体の第１位置を検出し、前記第２信号に基づいて前記第２光学系を基準とする前記移動体の第２位置を検出する第３検出手段と、
を少なくとも有するエンコーダ。
【請求項２】
前記第１検出手段から出力される信号に基づいて前記移動体の移動量を算出する移動量算出手段と、
前記第３検出手段の検出結果に、前記移動量を加算して、前記移動体の位置を算出する位置算出手段と、
を備える請求項１に記載のエンコーダ。
【請求項３】
前記第１光学系と前記第２光学系との距離と、前記第１位置と前記第２位置との距離との差が、閾値以上の場合にエラーと判定する判定手段、
を備える請求項１又は２に記載のエンコーダ。
【請求項４】
前記第２パターンは、前記移動体の移動範囲よりも長い長さに対応する系列長のＰＮ符号系列に基づいて配列されるパターンを有する反射部から構成され、
前記第３検出手段によって検出される前記第１位置及び前記第２位置の少なくとも一方が、前記移動範囲にない場合にエラーと判定する判定手段、
を備える請求項１又は２に記載のエンコーダ。
【請求項５】
前記第３検出手段は、
前記第１光学系と前記第２光学系との距離を基準として前記第１位置から所定の範囲内で出力される前記第２信号を予測し、該予測の結果を用いて前記第２位置を求める、
請求項１乃至４のいずれか一項に記載のエンコーダ。
【請求項６】
前記第１光学系と前記第２光学系との距離は、前記ＰＮ符号系列の次数のビット数に相当する距離と同じ又は該距離よりも長い、
請求項１乃至５のいずれか一項に記載のエンコーダ。
【請求項７】
前記第２検出手段に用いられる光学検出器は、ＣＭＯＳリニアアレイである、
請求項１乃至６のいずれか一項に記載のエンコーダ。
【請求項８】
前記移動体は、回転体上で円周方向に移動し、
前記位置は、前記回転体上の前記円周方向の位置である、
請求項１乃至７のいずれか一項に記載のエンコーダ。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれか一項に記載のエンコーダを備えるアクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンコーダ、及びアクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
様々な作業の自動化に寄与する産業用ロボットは、サーボ機構を有するアクチュエータを一般的に備えている。例えばリニアアクチュエータは、センサを用いて取得したスライダの現在位置等をフィードバックすることで、スライダの位置決めを精密に行う。このフィードバックに用いられるセンサとして、スケールを読み込むことで位置や移動量を検出するエンコーダが、高精度かつ低コストであるため多く使用されている（例えば、特許文献１及び２を参照）。
【０００３】
電源の遮断による停止が多い機器は、原点復帰動作が不要なアブソリュートエンコーダを用いることが望ましい。このアブソリュートエンコーダの性能は、位置の検出の信頼性に影響される。そこで、信頼性が向上されたエンコーダが近時提案されている（例えば、特許文献３及び４を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平０３−２７４４１４号公報
【特許文献２】特開２００５−１２１５９３号公報
【特許文献３】特開２０１０−２１７１６０号公報
【特許文献４】特開２０１０−６６１２９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３に記載のエンコーダは、計測対象物の絶対位置を、例えば１００μｓｅｃ程度の短い周期で繰り返し算出する。したがって、処理速度が高い演算装置が必要となり、装置が高価になる。
【０００６】
また、特許文献４に記載のエンコーダは、計測対象物の絶対位置を、起動時及びリセット時にのみ、スライダが停止した状態で、演算する。このため、絶対位置の算出に低速の演算装置を用いることができ、低コスト化を図ることができる。しかしながら、特許文献３に記載のエンコーダと異なり、絶対位置の算出時にのみ、スケールの限られた領域を読み出してエラーを検出するため、エンコーダのエラー検出の信頼性が低かった。
【０００７】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、エンコーダの低コスト化を図りつつ、エンコーダの信頼性を向上することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明の第１の観点に係るエンコーダは、
移動体の位置を検出するエンコーダであって、
前記移動体の移動方向へ、周期的に配列される反射部から構成される第１パターンが形成される第１スケールと、
前記移動体の前記移動方向へ、ＰＮ符号系列に基づいて配列される反射部から構成される第２パターンが形成される第２スケールと、
前記第１スケール及び前記第２スケールに対して、前記移動方向へ相対移動し、前記第１スケール及び前記第２スケールに第１照明光を照射する第１光学系と、
前記第１光学系から前記移動方向へ離間して配置され、前記第２スケールに第２照明光を照射する第２光学系と、
前記第１光学系及び前記第２光学系のうちのいずれか一方を点灯する点灯手段と、
前記第１スケールからの反射光を受光して、前記反射光の強度に応じた信号を出力する第１検出手段と、
前記第２スケールへ入射した前記第１照明光の反射光を受光して、前記反射光の強度に応じた第１信号を出力し、前記第２スケールへ入射した前記第２照明光の反射光を受光して、前記反射光の強度に応じた第２信号を出力する第２検出手段と、
前記第１信号に基づいて、前記第１光学系を基準とする前記移動体の第１位置を検出し、前記第２信号に基づいて前記第２光学系を基準とする前記移動体の第２位置を検出する第３検出手段と、
を少なくとも有する。
【０００９】
前記エンコーダは、
前記第１検出手段から出力される信号に基づいて前記移動体の移動量を算出する移動量算出手段と、
前記第３検出手段の検出結果に、前記移動量を加算して、前記移動体の位置を算出する位置算出手段と、
を備えてもよい。
【００１０】
前記エンコーダは、
前記第１光学系と前記第２光学系との距離と、前記第１位置と前記第２位置との距離との差が、閾値以上の場合にエラーと判定する判定手段、
を備えてもよい。
【００１１】
前記第２パターンは、前記移動体の移動範囲よりも長い長さに対応する系列長のＰＮ符号系列に基づいて配列されるパターンを有する反射部から構成され、
前記エンコーダは、
前記第３検出手段によって検出される前記第１位置及び前記第２位置の少なくとも一方が、前記移動範囲にない場合にエラーと判定する判定手段、
を備えてもよい。
【００１２】
前記第３検出手段は、
前記第１光学系と前記第２光学系との距離を基準として前記第１位置から所定の範囲内で出力される前記第２信号を予測し、該予測の結果を用いて前記第２位置を求めてもよい。
【００１３】
前記第１光学系と前記第２光学系との距離は、前記ＰＮ符号系列の次数のビット数に相当する距離と同じ又は該距離よりも長くてもよい。
【００１４】
前記第２検出手段に用いられる光学検出器は、ＣＭＯＳリニアアレイであってもよい。
【００１５】
前記移動体は、回転体上で円周方向に移動し、
前記位置は、前記回転体上の前記円周方向の位置であってもよい。
【００１６】
上記目的を達成するために、本発明の第２の観点にかかるアクチュエータは、
本発明の第１の観点に係るエンコーダを備える。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、エンコーダは、起動時等に移動体が停止した状態で、移動体の第１光学系を基準とする第１位置及び第２光学系を基準とする第２位置を検出する。これらの位置の差が所定範囲内に収まっているかどうかに基づいてエラー判定を行うことで、エンコーダの低コスト化を図りつつ、エンコーダの信頼性を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】実施形態に係るアクチュエータシステムの構成の概要を示すブロック図である。
【図２】スケールに形成されるパターンの一部を示す図である。
【図３】検出ヘッドの機能の構成の概要を示す図である。
【図４】スケールと検出ヘッドとの位置関係を示す模式図である。
【図５】スケールと検出ヘッドとの位置関係を示す模式図である。
【図６】フォトダイオードが検出する反射光の強度を示す図である。
【図７】フォトダイオードから出力される信号の差動増幅を示す図である。
【図８Ａ】光学検出器によるアブソリュートスケールからの反射光の検出を示す図である。
【図８Ｂ】光学検出器によるアブソリュートスケールからの反射光の検出を示す図である。
【図９】ＬＥＤの照明領域と光学検出器の検出領域との関係を示す図である。
【図１０】絶対位置演算器が備えるシフトレジスタを示す図である。
【図１１】アクチュエータシステムの起動時の動作を示すフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、理解を容易にするため、Ｘ軸をリニアアクチュエータのスライダが移動する方向、Ｙ軸を鉛直方向、ならびに、Ｚ軸をＸ軸及びＹ軸に対し直交する方向とするＸＹＺ座標軸を設定し、適宜参照する。
【００２０】
図１は、実施形態１に係るアクチュエータシステム１０の構成例を示す。図１に示されるように、アクチュエータシステム１０は、リニアアクチュエータ２０、コントローラ３０、モータケーブル４１、及びエンコーダケーブル４２を備える。
【００２１】
リニアアクチュエータ２０は、ハウジング２１、モータユニット２２、ボールねじ２３、スライダ２４、ガイド２５、２６、及びエンコーダ２７から構成される。
【００２２】
ハウジング２１は、内部を保護する中空の部材である。ハウジング２１の内部には、ボールねじ２３、スライダ２４、ガイド２５、２６、及びエンコーダ２７が収容されている。
【００２３】
モータユニット２２は、信号を送受信するための回路基板及びサーボモータ等から構成される。このサーボモータの回転軸は、ボールねじ２３に連結されている。モータユニット２２は、コントローラ３０からモータケーブル４１を介して受信した信号に応じてサーボモータを動作させ、ボールねじ２３を回転させる。これにより、スライダ２４が、Ｘ軸方向に延設されたガイド２５及び２６に沿って、２ｍのストロークの範囲内で移動する。
【００２４】
エンコーダ２７は、スケール５０及び検出ヘッド６０から構成され、スライダ２４のＸ軸上における位置（以下、絶対位置という）を検出する。また、エンコーダ２７は、絶対位置等の情報を含む信号を、エンコーダケーブル４２を介してコントローラ３０へ送信する。
【００２５】
スケール５０は、Ｘ軸方向の長さがスライダ２４のストロークとほぼ等しいスケールである。このスケール５０は、ガイド２６に沿って配置される。スケール５０は、図２に示されるように、インクリメンタルスケール５１及びアブソリュートスケール５２から構成される。
【００２６】
インクリメンタルスケール５１には、１ピッチを８０μｍとして反復されるパターンが形成される。具体的には、図２に示されるように、インクリメンタルスケール５１には、Ｘ軸方向の幅が４０μｍの高反射率領域５１ｐ及び低反射率領域５１ｎが、Ｘ軸方向に交互に配置される。
【００２７】
アブソリュートスケール５２には、所定のＰＮ（Pseudo Random Noise）符号系列に基づくパターンが形成される。ＰＮ符号系列は、スペクトラム拡散通信、白色雑音生成、暗号化及びエラー訂正等に用いられる疑似ランダム系列であって、「０」又は「１」のビット値の系列である。また、ＰＮ符号系列の周期は、次数をｎとすると、２ｎ−１ビットとなる。次数をｎとするＰＮ符号系列は、系列中の任意の連続するｎビットのパターンがこのＰＮ符号系列の１周期（２ｎ−１ビット長）内に２個以上存在しないという性質を有し、絶対位置決め用のスケールパターンとして用いられる。アブソリュートスケール５２には、次数を１８とするＰＮ符号系列に基づいて、８０μｍ（１ビット長さ）毎に、ＰＮ符号系列の「１」に対応する高反射率領域５２ｐ、及び、ＰＮ符号系列の「０」に対応する低反射率領域５２ｎのいずれかが配置される。この場合、ＰＮ符号系列の１ビットが８０μｍに相当するので、アブソリュートスケール５２に形成されたパターンの１周期長さは、ストロークの長さの２ｍよりも長い約２１ｍ（＝８０μｍ×（２１８−１））となる。
【００２８】
検出ヘッド６０は、図１に示されるように、スケール５０に対向するようにスライダ２４に固定される。検出ヘッド６０は、図３に示されるように、第１光学検出器６１、第２光学検出器６２、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）６３ａ、ＬＥＤ６３ｂ、位相演算器６４、絶対位置演算器６５、補正演算器６６、分割器６７、マルチプレクサ６８、及びラインドライバ６９から構成される。検出ヘッド６０が備える複数の演算器は、例えば、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）の一部として構成される。検出ヘッド６０は、スケール５０へ光を照射し、また、反射光を検出する。また、検出ヘッド６０は、検出した反射光に基づいてスライダ２４の絶対位置を演算し、この絶対位置の情報を含む信号を、エンコーダケーブル４２を介してコントローラ３０へ送信する。
【００２９】
ＬＥＤ６３ａ及びＬＥＤ６３ｂは、点光源状のＬＥＤであり、それぞれのＬＥＤの直下に位置するスケール５０の領域を最も明るく照らす。また、ＬＥＤ６３ａ及びＬＥＤ６３ｂから射出される照明光は、それぞれのＬＥＤから離れるほど弱くなる。すなわち、ＬＥＤ６３ａ及びＬＥＤ６３ｂのそれぞれは、スケール５０の所定の範囲内に、後述するパターンの検出に有効な光量の照明光を射出する。ＬＥＤ６３ａ及びＬＥＤ６３ｂは、図４に示されるように、検出に有効なそれぞれの照明領域が重複しないように、例えば、Ｘ軸方向へ１．４４ｍｍ離間して配置される。ＬＥＤ６３ａと６３ｂの距離は、ＰＮ符号系列の次数である１８ビットに相当する距離（１．４４ｍｍ＝８０μｍ×１８）に等しい。
【００３０】
ＬＥＤ６３ａ及びＬＥＤ６３ｂから射出された照明光それぞれは、図５に示されるように、インクリメンタルスケール５１とアブソリュートスケール５２とにほぼ等しい割合で入射する。インクリメンタルスケール５１の高反射率領域５１ｐに入射した照明光は、高反射率領域５１ｐで反射されて第１光学検出器６１へ入射する。また、アブソリュートスケール５２の高反射率領域５２ｐに入射した照明光は、高反射率領域５２ｐで反射されて第２光学検出器６２へ入射する。一方、インクリメンタルスケール５１及びアブソリュートスケール５２の低反射率領域５１ｎ及び５２ｎに入射した照明光は、散乱、或いは吸収され、又は低反射率で反射して第１光学検出器６１及び第２光学検出器６２に入射する。
【００３１】
ＬＥＤ６３ａ及びＬＥＤ６３ｂが同時に点灯される場合、それぞれの照明光は相互に干渉する。すなわち、第１光学検出器６１及び第２光学検出器６２に入射する反射光が強め合ったり弱め合ったりする。ＬＥＤ６３ａ及びＬＥＤ６３ｂは、照明光が干渉しないように、図示されない切替スイッチにより制御されて、一方が点灯されるときは必ず他方が消灯される。
【００３２】
第１光学検出器６１は、図４に示されるように、長手方向をＸ軸方向とし、ＬＥＤ６３ａ及びＬＥＤ６３ｂの−Ｚ側に配置される。この第１光学検出器６１は、Ｘ軸に沿って略４０μｍ間隔で配置された複数のフォトダイオードを有している。そして、第１光学検出器６１は、ＬＥＤ６３ａ又は６３ｂを点灯し、インクリメンタルスケール５１で反射された照明光の強度に応じたＡ相及びＢ相の信号を出力する。
【００３３】
第１光学検出器６１による反射光の検出について具体的に説明する。図６に示されるように、インクリメンタルスケール５１から反射された反射光のＸ軸上の強度分布は、波長を略１６０μｍとする正弦波状になる。なお、図６では、分かりやすくするために、インクリメンタルスケール５１の１ピッチ（１ビット長）と第１光学検出器６１が受光する反射光の正弦波状分布の１波長（１ビット長）とが１：１に対応し、同じ長さに描かれているが、ＬＥＤ光源から出る光は放射状に拡がるので、スケールの１ピッチ（８０μｍ）は第１光学検出器６１上では略１６０μｍ（１波長）に対応する。第１光学検出器６１は、１ピッチあたりに４個のフォトダイオードを有するので、正弦波状に分布する反射光を９０°の位相毎に検出できる。ここで、１ピッチは、正弦波の波長に相当する。
【００３４】
これらのフォトダイオードは、検出した反射光の強度に応じた電圧信号を出力する。１ピッチ中の４個のフォトダイオードが出力する電圧信号を−Ｘ側から＋Ｘ側へ順にＡ＋、Ｂ＋、Ａ−、及びＢ−とすると、第１光学検出器６１は、図７に示されるようにこれらの信号を差動増幅して、位相が９０°異なるＡ相及びＢ相の電圧信号を出力する。さらに、第１光学検出器６１は、Ａ相及びＢ相の信号の複数ピッチに渡る信号をたし合わせて、安定した信号を出力する。第１光学検出器は、以上のようにして、反射光の強度に応じてＡ相及びＢ相の信号を出力する。したがって、第１光学検出器６１は、スライダ２４が停止している場合は、一定の電圧信号を出力する。一方、第１光学検出器６１は、スライダ２４が等速移動する場合は、Ａ相及びＢ相の信号として、位相が９０°異なる正弦波信号を出力する。
【００３５】
第２光学検出器６２は、図４に示されるように、長手方向をＸ軸方向とし、ＬＥＤ６３ａ及びＬＥＤ６３ｂの＋Ｚ側に配置される。また、第２光学検出器６２は、Ｘ軸に沿って配置された例えば５１２個のＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサ素子（以下、センサ素子という）を有している。そして、第２光学検出器６２は、ＬＥＤ６３ａ及びＬＥＤ６３ｂを切替えて点灯し、アブソリュートスケール５２で反射された照明光の強度に応じた信号を出力する。
【００３６】
第２光学検出器６２による反射光の検出について具体的に説明する。第２光学検出器６２は、ＬＥＤ６３ａのみを点灯するとともにＬＥＤ６３ｂを消灯し、又は、ＬＥＤ６３ａを消灯するとともにＬＥＤ６３ｂを点灯することで、アブソリュートスケール５２の異なる領域から反射された照明光を切替えて受光できる。また、第２光学検出器６２は、図８Ａに示されるように、５１２個のセンサ素子から、１ビット毎に３個のセンサ素子６２ａ、６２ｂ及び６２ｃを、各センサ素子同士の距離が１／３ビットに相当する距離になるように選択する。なお、センサ素子幅が十分に狭い場合は、第２光学検出器６２は、１／３ビット毎に１個のセンサ素子を選択する必要はなく、出力の安定化を図るため隣接する素子出力を合算するなどしても良い。
【００３７】
この選択されたセンサ素子は、図９に示されるように、ＬＥＤ６３ａからの光が入射する１８ビット及びＬＥＤ６３ｂからの光が入射する１８ビットの合計３６ビットに渡って、反射光を受光する。また、この選択されたセンサ素子は、反射光の強度に応じた電流を、チャージアンプを用いて増幅し、電圧信号を出力する。以上のように第２光学検出器６２は、アブソリュートスケール５２からの反射光を受光し、反射光の強度に応じた電圧信号を出力することにより、アブソリュートスケール５２とあわせてアブソリュートエンコーダとして機能する。
【００３８】
なお、図８及び図９では、図６と同様に、分かりやすくするために、アブソリュートスケール５２の１ビット長と第２光学検出器６２の１ビット長とが１：１に対応し、同じ長さに描かれているが、ＬＥＤ光源から出る光は放射状に拡がるので、アブソリュートスケール５２の１ビット（８０μｍ）は、第２光学検出器６２上では略１６０μｍに対応する。
【００３９】
図３に戻り、位相演算器６４は、アクチュエータシステム１０の起動時やリセット時等の、スライダ２４が停止している状態で、第１光学検出器６１からＡ相及びＢ相の信号を取得する。位相演算器６４は、取得したＡ相及びＢ相の信号から、１ビット内の位相θを演算し、１ビットよりさらに細かい位置検出を可能にする。具体的には、アブソリュートスケール５２の１ビット及びインクリメンタルスケール５１の１ピッチが一対一に対応し、第１光学検出器６１及び第２光学検出器６２も対応するように配置されている。また、インクリメンタルスケール５１の１ピッチは、アブソリュートスケール５２の１ビットと同じ長さであり、位相も同じである。以上により、位相演算器６４は、インクリメンタルスケール５１を用いて位相θを検出し、アブソリュートスケール５２の１ビット内のさらに細かい位置を知ることができる。
【００４０】
位相演算器６４は、第１光学検出器６１のＡ相出力とＢ相出力を用いて、位相θを、θ＝ａｒｃｔａｎ（Ｖａ／Ｖｂ）の式に基づいて演算する。ここで、ＶａはＡ相信号の電圧値を、ＶｂはＢ相信号の電圧値を、それぞれ表す。例えば、ＶａとＶｂとが等しい場合、位相θは４５°であって、１０μｍ（＝８０μｍ×４５／３６０）に相当する。位相演算器６４は、演算したθの情報を含む信号を、絶対位置演算器６５及び補正演算器６６へ送信する。
【００４１】
絶対位置演算器６５は、ＰＮ符号系列を生成するシフトレジスタ６５ｓ（図１０を参照）を有している。絶対位置演算器６５は、まず、ＬＥＤ６３ａの点灯時に検出されるＰＮ符号系列のビットパターン（以下、検出パターンａという）及びＬＥＤ６３ｂの点灯時に検出されるＰＮ符号系列のビットパターン（以下、検出パターンｂという）を得る。次に、絶対位置演算器６５は、検出パターンａの絶対位置Ｚ１及び検出パターンｂの絶対位置Ｚ２を演算する。なお、アブソリュートスケール５２に形成されるパターンが８０μｍを単位とするため、絶対位置Ｚ１及び絶対位置Ｚ２も８０μｍを単位とする。以下、この絶対位置Ｚ１及び絶対位置Ｚ２の演算について、具体的に説明する。
【００４２】
絶対位置演算器６５は、ＬＥＤ６３ａが点灯されたときに、第２光学検出器６２を構成するセンサ素子から出力される信号のうちから、安定した信号を選択する。具体的には、絶対位置演算器６５は、位相演算器６４から取得した位相θに基づいて、高反射率領域５２ｐと低反射率領域５２ｎとの境界の近傍から反射された不安定な反射光を受光したセンサ素子以外のセンサ素子から出力される信号を選択する。
【００４３】
絶対位置演算器６５が選択する信号について、図８Ａ及び図８Ｂを用いて具体的に説明する。例えば、図８Ａにおいて、センサ素子６２ａは、高反射率領域５２ｐと低反射率領域５２ｎとの境界の近傍から反射された不安定な反射光を受光する。一方、センサ素子６２ｂ及び６２ｃは、高反射率領域５１ｐの中央の近傍から反射された安定な反射光を受光する。この場合、絶対位置演算器６５は、位相θに基づいて、不安定な反射光を受光するセンサ素子６２ａ以外のセンサ素子、すなわちセンサ素子６２ｂ又は６２ｃから出力される信号を選択する。
【００４４】
例えば、絶対位置演算器６５は、センサ素子６２ａの位相θを位相演算器６４から取得すれば、１／３ビット間隔（位相差１２０°）にあるセンサ素子６２ｂ及びセンサ素子６２ｃの位相も算出できる。したがって、絶対位置演算器６５は、位相１８０°にどのセンサ素子が一番近いかに基づいて、どのセンサ素子のセンサ出力が安定であるかを判定することにより、センサ素子を選択できる。
【００４５】
なお、位相θが容易に検出演算されている本実施形態では、上記の位相θによる判定が最も好適と思われるが、絶対位置演算器６５が行う選択はこれに限られない。例えば、絶対位置演算器６５は、センサ素子６２ａ、６２ｂ及び６２ｃそれぞれが安定出力を出していると仮定し、それぞれのケースで後述の処理を実行して、その結果がエラーでないセンサ素子を選択してもよい。このエラー判定については、本明細書にて後記する。
【００４６】
また、図８Ｂにおいて、センサ素子６２ａ及び６２ｂは、高反射率領域５２ｐの中央の近傍から反射された安定な反射光を受光する。一方、センサ素子６２ｃは、高反射率領域５２ｐと低反射率領域５２ｎとの境界の近傍から反射された不安定な反射光を受光する。この場合、絶対位置演算器６５は、位相θに基づいて、不安定な反射光を受光するセンサ素子６２ｃ以外のセンサ素子、すなわちセンサ素子６２ａ又は６２ｂから出力される信号を選択する。以上により、絶対位置演算器６５は、安定な反射光を受光するセンサ素子から出力される信号を選択して取得することができる。
【００４７】
上記の選択にて、絶対位置演算器６５は、各ビットについて、強い反射光を受光したセンサ素子に対応するビットは「１」であり、弱い反射光を受光したセンサ素子に対応するビットは「０」であると判断して、１８ビットの検出パターンａを得ることができる。
【００４８】
さらに、絶対位置演算器６５は、シフトレジスタ６５ｓを用いて、検出パターンａの絶対位置Ｚ１を演算する。シフトレジスタ６５ｓは、図１０に示されるように、ＸＯＲゲート６５ｘを用いて帰還をかけられた構成であって、ＬＦＳＲ（linear feedback shift register）とも呼ばれる。また、シフトレジスタ６５ｓはアブソリュートスケール５２に形成されたパターンと同一のＰＮ符号系列を生成することができる。そのため、絶対位置演算器６５は、シフトレジスタ６５ｓの各レジスタに初期値を設定してからシフトさせて、各レジスタによって示されるパターンが検出パターンａに合致するまでシフトさせた回数に基づいて、絶対位置Ｚ１を求めることができる。例えば、絶対位置演算器６５は、各レジスタの初期値を設定した後に５０００回シフトさせた場合に、各レジスタによって示されるパターンと検出パターンａとが合致したとき、絶対位置Ｚ１を４０ｃｍ（＝８０μｍ×５０００）と演算する。ここで、絶対位置の原点は、アブソリュートスケール５２の−Ｘ側の端とする。つまり、絶対位置演算器６５は、絶対位置Ｚ１が原点から４０ｃｍの位置であると演算する。また、絶対位置演算器６５は、ストロークの２ｍに相当する回数だけシフトさせた場合であっても各レジスタによって示されるパターンと検出パターンａとが合致しないときは、絶対位置Ｚ１がストロークの範囲内に存在しないので、エラーと判定する。
【００４９】
また、絶対位置演算器６５は、ＬＥＤ６３ｂが点灯されたときに、第２光学検出器６２を構成するセンサ素子から出力される信号のうちから、ＬＥＤ６３ａが点灯された場合と同様に、安定した信号を選択する。そして、絶対位置演算器６５は、センサ素子から取得した信号に応じて、１８ビットの検出パターンｂを得る。
【００５０】
さらに、絶対位置演算器６５は、検出パターンａに基づいて検出パターンｂの絶対位置Ｚ２を演算する。絶対位置Ｚ１の検出についてエラーが無ければ、絶対位置演算器６５は、本実施形態では検出パターンａの１８ビット先に検出パターンｂが位置することが分かっているから、検出パターンａと同様に絶対位置を求めずとも、より短時間に検出パターンｂの絶対位置を求めることができる。具体的には、絶対位置演算器６５は、シフトレジスタ６５ｓの各レジスタに検出パターンａを設定してからシフトさせて、各レジスタによって示されるパターンが検出パターンｂに合致するまでシフトさせた回数に基づいて、絶対位置Ｚ２を求めることができる。例えば、絶対位置演算器６５は、各レジスタに検出パターンａを設定した後に１８回シフトさせた場合に、各レジスタによって示されるパターンと検出パターンｂとが合致したとき、絶対位置Ｚ２を４０．１４４ｃｍ（＝４０ｃｍ＋８０μｍ×１８）と演算する。
【００５１】
また、絶対位置演算器６５は、絶対位置Ｚ１と絶対位置Ｚ２の距離と、ＬＥＤ６３ａと６３ｂの距離がほぼ等しいかどうかを判定する機能を持つ。具体的には、絶対位置演算器６５は、これらの距離の差が所定の閾値以上であるかどうかを判定する。これら２つの距離の差が閾値より小さいと判定された場合、絶対位置演算器６５は、エラーでは無いと判定し、絶対位置Ｚ１の情報を含む信号を補正演算器６６へ送信する。一方、これら２つの距離の差が閾値以上であると判定された場合、絶対位置演算器６５は、エラーと判定して、エラーの情報を含む信号を補正演算器６６へ送信する。
【００５２】
なお、絶対位置演算器６５は、距離の比較によりエラー判定を行ったが、これには限られない。例えば、絶対位置演算器６５は、上記の検出パターンｂの絶対位置の算出と同様にエラー判定を行ってもよい。具体的には、絶対位置演算器６５は、閾値を±１ビットとした場合、シフトレジスタ６５ｓに検出パターンａを設定してから１７〜１９回シフトした場合に検出パターンｂと合致すればエラーなしと判定し、１７回未満シフトしたときに合致した場合又は１９回までに合致しない場合はエラーであると判定してもよい。これにより、絶対位置演算器６５は、より高速にエラーを判定することができる。
【００５３】
図３に戻り、補正演算器６６は、絶対位置演算器６５から取得した８０μｍ単位の絶対位置Ｚ１と、位相演算器６４から取得した位相θに相当する距離とを加算することによって、絶対位置Ｚ１よりも高い分解能の絶対位置Ｚ１＋を演算する。例えば、位相θが４５°である場合、位相θに相当する距離は１０μｍ（＝８０μｍ×４５／３６０）であるので、補正演算器６６は、絶対位置Ｚ１にこの距離１０μｍを加算することにより、絶対位置Ｚ１＋を演算する。そして、補正演算器６６は、この絶対位置Ｚ１＋の情報を含む信号をマルチプレクサ６８へ送信する。なお、補正演算器６６は、絶対位置演算器６５からエラーの情報を含む信号を受信した場合は、この信号をマルチプレクサ６８へ送信する。
【００５４】
分割器６７は、抵抗分割方式による分割器である。分割器６７は、例えば、スライダ２４が移動する場合に、第１光学検出器６１から受信したＡ相及びＢ相の正弦波信号を位相分割する。これにより、分割器６７は、Ａ相及びＢ相の信号の分解能を８０μｍの１６倍とし、５μｍピッチで９０°の位相差を有するＡ相及びＢ相の信号を、マルチプレクサ６８へ送信する。
【００５５】
マルチプレクサ６８は、アクチュエータシステム１０の起動時等には、補正演算器６６から受信した絶対位置の信号を、ラインドライバ６９へ送信する。また、マルチプレクサ６８は、コントローラ３０が絶対位置の信号を受信し、起動時の初期動作を終了した後には、分割器６７から受信したＡ相及びＢ相の信号を、ラインドライバ６９へ送信する。
【００５６】
ラインドライバ６９は、マルチプレクサ６８から受信した信号を、パラレル信号として、エンコーダケーブル４２を介してコントローラ３０へ送信する。なお、ラインドライバ６９は、この信号をシリアル信号として送信してもよい。
【００５７】
コントローラ３０は、図３に示されるように、制御部３１、ラインレシーバ３２、アップダウンカウンタや分割器等を備える回路基板、表示部、操作部、及び記憶部等から構成される。コントローラ３０は、エンコーダケーブル４２を介してリニアアクチュエータ２０から信号を受信する。コントローラ３０は、受信した信号に応じて、又は、操作部から受け付けた入力等に応じて、モータケーブル４１を介して信号を送信することにより、リニアアクチュエータ２０を制御する。操作部から受け付ける入力は、例えば使用者等によるアクチュエータシステム１０の電源投入・切断又はリセットの指示である。
【００５８】
ラインレシーバ３２は、ラインドライバ６９からエンコーダケーブル４２を介して受信した信号を、制御部３１へ送信する。
【００５９】
制御部３１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、主記憶部、補助記憶部等から構成され、コントローラ３０の各構成要素を制御する。制御部３１は、アクチュエータシステム１０の起動時等に、ラインレシーバから取得した絶対位置Ｚ１＋を、アップダウンカウンタの初期値として設定する。そして、制御部３１は、ラインレシーバ３２から受信したＡ相及びＢ相の信号を、分割器を用いて、受信した分解能５μｍの信号をさらに４分割し、１．２５μｍまで分解能を向上させる。また、制御部３１は、カウント方向の判別も行う。制御部３１は、この信号をアップダウンカウンタに入力することで、スライダ２４の現在位置を検出することができる。
【００６０】
以上説明した構成要素の協働により、アクチュエータシステム１０の使用者は、エンコーダ２７を用いてアクチュエータシステム１０を動作させることができる。以下、アクチュエータシステム１０の動作について、図１１を用いて説明する。
【００６１】
まず、アクチュエータシステム１０が起動された後に、絶対位置演算器６５が、ＬＥＤ６３ａの点灯により検出される反射光に基づいて、検出パターンａを取得し、絶対位置Ｚ１を演算する（ステップＳ１）。
【００６２】
絶対位置演算器６５は、絶対位置Ｚ１がストロークの範囲内であるか否かを判定する（ステップＳ２）。
【００６３】
絶対位置Ｚ１がストロークの範囲内に存在すると判定された場合（ステップＳ２；Ｙｅｓ）、絶対位置演算器６５は、ＬＥＤ６３ｂの点灯により検出される反射光に基づいて、検出パターンｂを取得し、絶対位置Ｚ２を演算する（ステップＳ３）。
【００６４】
絶対位置演算器６５は、絶対位置Ｚ１と絶対位置Ｚ２の距離がＬＥＤ６３ａと６３ｂの距離にほぼ等しいかどうかを判定する（ステップＳ４）。
【００６５】
絶対位置Ｚ１と絶対位置Ｚ２の距離がＬＥＤ６３ａと６３ｂの距離にほぼ等しいと判定された場合（ステップＳ４；Ｙｅｓ）、補正演算器６６は、絶対位置Ｚ１と位相θに相当する距離とを加算して、より分解能が高い絶対位置Ｚ１＋を演算する（ステップＳ５）。
【００６６】
制御部３１は、絶対位置Ｚ１＋の情報を含む信号を取得して、アップダウンカウンタにこの絶対位置Ｚ１＋を初期値として設定する（ステップＳ６）。
【００６７】
以上のステップＳ１乃至Ｓ６において、エンコーダ２７は、アブソリュートエンコーダとして機能する。また、アクチュエータシステム１０は、以上の処理を、起動時又はリセット時の初期設定動作とする。
【００６８】
その後、マルチプレクサ６８が、分割器６７から受信したＡ相及びＢ相の信号を、ラインドライバ６９及びラインレシーバ３２を介して制御部３１へ送信する。Ａ相及びＢ相の信号を受信した制御部３１は、Ａ相及びＢ相の信号をさらに４分割し分解能を上げる。また、制御部３１は、アップダウン方向を検出し、アップダウンカウンタを用いてアップダウンカウントする。そして、制御部３１は、インクリメンタルエンコーダとして機能し、スライダ２４の現在位置を検出する（ステップＳ７）（コントローラ３０はこの現在位置を用いてモータユニット２２を制御し、スライダ２４の位置決めを行う）。
【００６９】
ステップＳ２にて絶対位置Ｚ１がストロークの範囲内に存在しないと判定された場合（ステップＳ２；Ｎｏ）、又は、ステップＳ４にて絶対位置Ｚ１と絶対位置Ｚ２の距離がＬＥＤ６３ａと６３ｂの距離にほぼ等しいと判定されない場合（ステップＳ４；Ｎｏ）、絶対位置演算器６５は、エラーの情報を含む信号を送信する。この信号を受信した制御部３１は、コントローラ３０の表示部にエラーが発生したことを表示する（ステップＳ８）。
【００７０】
エラーの表示を認識したアクチュエータシステム１０の使用者等は、コントローラ３０の操作部を用いてアクチュエータシステム１０をリセットする（ステップＳ９）。リセットされたアクチュエータシステム１０は、ステップＳ１に戻り、絶対位置演算器６５が再び絶対位置Ｚ１を演算する。
【００７１】
以上説明したように、本実施形態に係る絶対位置演算器６５は、絶対位置Ｚ１がストローク内に存在するかどうかを判定することにより、エラーを検出することができる。ＰＮ符号系列はランダム性の高い系列であるため、検出パターンａが誤検出されたビットを含む場合に、検出パターンａがストロークの範囲内に存在しない確率は、ストロークが２ｍであり、また、１ビット８０μｍにて次数を１８ビットとするＰＮ符号系列の長さが約２１ｍなので、約９０％（＝１−２／２１）である。つまり、絶対位置演算器６５は、この判定により約９０％のエラー検出率でエラーを検出する。
【００７２】
さらに、絶対位置演算器６５は、絶対位置Ｚ１と絶対位置Ｚ２の距離がＬＥＤ６３ａと６３ｂの距離にほぼ等しいかどうかも判定する。換言すると、絶対位置演算器６５は、絶対位置Ｚ１がエラー検出されなかった場合に、ＬＥＤ同士の距離に基づき絶対位置Ｚ１から絶対位置Ｚ２の予測値を求め、実際に検出された絶対位置Ｚ２とを比較しエラー判定する。この予測精度を±１ビットとすると、次数を１８ビットとするＰＮ符号系列の長さ（２１８−１）のうち正しいのは２ビットだけであるので、エラー検出率は約９９．９９９％（＝１−２／（２１８−１））となる。
【００７３】
したがって、以上の２個のエラー検出機構を備える絶対位置演算器６５のエラー検出率は、それぞれ従属関係のない独立事象であるので、積の法則を用いることができ、約９９．９９９９％（＝１−（２／２１）×｛（２／２１８−１）｝）となる。絶対位置演算器６５が以上のように高いエラー検出率でエラーを検出するため、アクチュエータシステム１０は、高い信頼性を確保することができる。
【００７４】
なお、上記のとおり、アクチュエータシステム１０が高いエラー検出率を確保するには、積の法則が成り立つように、検出パターンａと検出パターンｂとが従属関係のない独立の事象であることが望ましい。具体的には、検出パターンａと検出パターンｂのビットが重ならないようにＬＥＤ６３ａと６３ｂとを離間しておく必要がある（本実施例では１８ビット以上離す必要がある）。
【００７５】
また、アクチュエータシステム１０は、１トラックのアブソリュートスケールから２個のパターンを検出して比較的単純な演算をするだけである。このため、複雑な構造を必要とせず、ひいては簡単な構成とすることができる。したがって、低処理速度の安価な演算器等（よりコンパクト）を用いることができ、装置の低コスト及びコンパクト化を実現することができる。
【００７６】
また、アクチュエータシステム１０の起動時等のみに、すなわちスライダ２４の停止状態で、エンコーダ２７は、アブソリュートエンコーダとして機能する。したがって、このときのエンコーダ２７の応答速度が遅くても不都合はない。これにより、第２光学検出器６２は、低コストかつ低応答速度のＣＭＯＳイメージセンサ素子を受光素子として用いることができる。一方、アクチュエータシステム１０は、絶対位置Ｚ１＋を取得した後は、Ａ相及びＢ相の信号を用いてアップダウンカウントするだけで複雑な演算処理は無く、検出ヘッド６０が搭載されているスライダ２４の高速動作を検出することができる。そのため、コントローラ３０は、通常動作時には、高応答速度にてスライダ２４の現在位置を取得し、モータユニット２２を制御することができる。
【００７７】
また、第２光学検出器６２は、チャージアンプを用いてセンサ素子から出力される信号を増幅する。これにより、第２光学検出器６２は、反射光の検出の信頼性を確保することができる。
【００７８】
また、第２光学検出器６２は、ＬＥＤ６３ａ及びＬＥＤ６３ｂを独立に点灯し、それぞれの点灯による反射光を別個に検出する。これにより、２個のＬＥＤから照射される反射光が干渉し、第２光学検出器が反射光を正しく検出できなくなることを排除することができる。
【００７９】
また、検出パターンａと検出パターンｂとが重複しないように、ＬＥＤ６３ａと６３ｂの距離を１８ビットに相当する距離とした。これにより、検出パターンａと検出パターンｂとが重複する領域において共通に誤検出されたビットに起因するエラーの検出見逃しを排除することができる。例えば、ストローク範囲内でエラーが存在しながらもエラーが検出されず、絶対位置演算器６５が、検出パターンａ及び検出パターンｂが示す位置の距離がＬＥＤ６３ａと６３ｂの距離にほぼ等しいと判定して、エラーを見逃すことを排除することができる。また、逆に、ＬＥＤ６３ａと６３ｂの距離が長い場合に、検出ヘッド６０を不要に大きいサイズとして高コストになることも防ぐことができる。
【００８０】
また、絶対位置演算器６５は、位相θに基づいて、センサ素子から出力される信号のうちから、安定した信号を選択する。これにより、第２光学検出器６２は、高反射率領域５２ｐと低反射率領域５２ｎとの境界の近傍から反射された不安定な反射光の受光による誤検出を防ぐことができる。
【００８１】
また、絶対位置演算器６５は、絶対位置Ｚ１を演算した後に、シフトレジスタ６５ｓの各レジスタに検出パターンａを設定してから、絶対位置Ｚ２を演算する。これにより、絶対位置演算器６５は、再度初期値を設定する必要がなく、またシフト回数も少なくて済み、絶対位置Ｚ２を高速に演算することができる。
【００８２】
以上、実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではない。
【００８３】
例えば、上述の実施形態において、ＰＮ符号系列の次数を１８としたが、これより小さい次数のＰＮ符号系列に基づくパターンを用いてアクチュエータシステムを構成してもよい。この場合、アクチュエータシステムをより簡素な構成として、低コスト化を図ることができる。また、１８より大きい次数のＰＮ符号系列に基づくパターンを用いてアクチュエータシステムを構成してもよい。この場合、アクチュエータシステムは、より長いストロークに対応できる、又は同一ストロークであればより高い信頼性を確保することができる。
【００８４】
例えば、上述の実施形態において、絶対位置演算器６５はシフトレジスタ６５ｓを用いて絶対位置を演算したが、シフトレジスタに代えて記憶部を備え、この記憶部に格納されるＰＮ符号系列のビットパターンと絶対位置とを対応づけたテーブル（表）から絶対位置を検索することによって、絶対位置を求めてもよい。この場合、絶対位置演算器６５は、検出パターンａの絶対位置Ｚ１の検索結果を利用して絶対位置Ｚ１の近傍のみを検索し絶対位置Ｚ２を検出することができるので、短時間に絶対位置Ｚ２を求めることができる。
【００８５】
例えば、上述の実施形態において、アクチュエータシステムは、ストロークの範囲内における絶対位置Ｚ１の存否、絶対位置Ｚ１と絶対位置Ｚ２の距離及びＬＥＤ同士の距離の比較に基づいてエラーを検出したが、これらに加えて、ＰＮ符号系列が満たす条件、すなわちＸＯＲによるフィードバックによりエラーを検出してもよい。つまり、図１０に示されるシフトレジスタから生成されるＰＮ符号系列について、任意の連続する１９ビットの系列（１８番目のビットデータ追加必要）のうち０番目と７番目と１８番目とのビット値の論理和（２を法とする）が常に０となることを利用して、エラー検出を行ってもよい。
【００８６】
例えば、上述の実施形態において、第２光学検出器６２は、２個のＬＥＤを用いて反射光を検出したが、３個以上の光源を切替えて反射光を検出してもよい。例えば、３個の光源を用いて、上述の距離の比較に基づくエラー判定を二度行う場合のエラー検出率は、３個のパターンの重なりが無く独立事象の場合は、約９９．９９９９９９９９９％（＝１−（２／２１）×｛２／（２１８−１）｝×｛２／（２１８−１）｝）となる。このため、アクチュエータシステムは、より高い信頼性を確保することができる。
【００８７】
例えば、上述の実施形態では、ＬＥＤ６３ａ、６３ｂによって、スケール５０に照明光を照射する光学系が構成されている。これに限らず、ＬＥＤ６３ａ、６３ｂからの照明光をレンズやミラーからなる光学素子を介して、スケール５０に入射させてもよい。この場合にも、ＬＥＤ６３ａの光学系と、ＬＥＤ６３ｂの光学系との距離に基づいて、エラー検出を行うことができる。
【００８８】
例えば、上述の実施形態では、検出ヘッド６０が２つのＬＥＤ６３ａ、６３ｂを備えている場合について説明した。これに限らず、１つのＬＥＤから射出される照明光を、光学素子を用いて分岐させ、スケール上の異なる２点に入射させてもよい。この場合は、スケール上の２点の距離を予め測定しておく必要がある。
【００８９】
例えば、上述の実施形態において、ラインドライバ６９及びラインレシーバ３２は、パラレル信号を送受信したが、これに代えて、例えばＲＳ４８５の規格に従うシリアル信号を送受信してもよい。また、コントローラ３０及びリニアアクチュエータ２０は、モータケーブル４１とエンコーダケーブル４２とを用いて信号を送受信したが、これらを省いて構成し、無線通信により信号を送受信してもよい。
【００９０】
例えば、上述の実施形態において、エンコーダ２７は、インクリメンタルスケール５１及び第１光学検出器６１から構成されるインクリメンタルエンコーダとして、光学式のエンコーダを構成したが、これに代えて、磁気式、静電式その他の方式のエンコーダを構成してもよい。
【００９１】
例えば、上述の実施形態において、アクチュエータシステム１０は、絶対位置演算器６５を用いてエラーを検出したが、これに代えて、コントローラ３０が備える回路によって、又は、制御部３１が同様の機能を実行することによってエラーを検出してもよい。
【００９２】
例えば、上記実施形態ではリニアエンコーダに適用した実施形態を挙げたが、これをロータリーエンコーダに適用しても同様の効果が得られることは言うまでもない。
【００９３】
本発明は、本発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施形態及び変形が可能とされるものである。上述した実施形態は、本発明を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。
【符号の説明】
【００９４】
１０    アクチュエータシステム
２０    リニアアクチュエータ
２１    ハウジング
２２    モータユニット
２３    ボールねじ
２４    スライダ
２５、２６  ガイド
２７    エンコーダ
３０    コントローラ
３１    制御部
３２    ラインレシーバ
４１    モータケーブル
４２    エンコーダケーブル
５０    スケール
５１    インクリメンタルスケール
５２    アブソリュートスケール
５１ｐ、５２ｐ    高反射率領域
５１ｎ、５２ｎ    低反射率領域
６０    検出ヘッド
６１    第１光学検出器
６２    第２光学検出器
６２ａ、６２ｂ、６２ｃ  センサ素子
６３ａ、６３ｂ  ＬＥＤ
６４    位相演算器
６５    絶対位置演算器
６５ｓ  シフトレジスタ
６５ｘ  ＸＯＲゲート
６６    補正演算器
６７    分割器
６８    マルチプレクサ
６９    ラインドライバ
【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８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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