JP5103267B2 - 絶対位置測長型エンコーダ - Google Patents

Description

本発明は、擬似ランダム符号に基づくＡＢＳパターンが設けられたスケールと、該スケールにより形成された明暗パターンを受光する受光素子と、該受光素子の出力に従う信号を処理して該受光素子に対するスケールの絶対位置を計測する信号処理回路と、を有する絶対位置測長型エンコーダに係り、特に、受光素子のＡＢＳ受光素子アレイのアレイ間隔に左右されずに相関演算で高精度に移動距離を計測可能とする絶対位置測長型エンコーダに関する。

計測機や測定装置などでは正確な位置の制御や計測が不可欠である。そのために、ある程度の長さに亘り、絶対位置測定が可能な絶対位置測長型エンコーダが用いられている。特に、高精度が要求されている場合には、光電式のものが用いられている。

一般に、光電式の絶対位置測長型エンコーダは、粗い移動距離を計測するためのアブソリュートパターン（以下、ＡＢＳパターンと称する）と、その求められた粗い移動距離の間を補完して分解能の高い移動距離を計測するためのインクリメンタルパターン（以下、ＩＮＣパターンと称する）とを、スケールに有している。そして、例えば、スケールを移動するステージ側に取り付け、発光素子と受光素子とをステージを支えるベース側に取り付ける。なお、受光素子は、ＡＢＳパターンに対するＡＢＳ受光素子アレイと、ＩＮＣパターンに対するＩＮＣ受光素子アレイと、を有する。

そして、ステージの移動に伴い、スケールに形成されたＡＢＳパターンとＩＮＣパターンで形成される明暗パターンが、それを受光する受光素子上で変化するので、その変化を受光素子で捉え信号処理回路において処理することで、移動距離を精度良く計測することができる。ＡＢＳパターンとしては、擬似ランダム符号に基づくことで、使用するパターンを１つとすることができ、絶対位置測長型エンコーダ自体を小型化することが行われている。なお、その絶対位置の計測においては、高精度な移動距離の計測を可能とするために、相関演算の手法が用いられている（例えば、特許文献１、２）。

特開２００２―２３０５６０号公報 特開２００６−２２６９８７号公報

しかしながら、相関演算に用いられるデジタル信号は、ＡＢＳ受光素子アレイのアレイ間隔毎に得られる離散的なデータである。このため、前記離散的なデータによって相関演算を行う際には、ＡＢＳ受光素子アレイのアレイ間隔の整数倍が、相関演算の対象である擬似ランダム符号に基づくＡＢＳパターンの最小線幅と等しいことを前提としていた（特許文献１、２）。しかし、それでは、ＡＢＳ受光素子アレイのアレイ間隔に制限を受け、受光素子の選択の余地が少なくならざるを得なかった。又、ＡＢＳパターンの最小線幅の設計の自由度も十分に確保できず、結果的に絶対位置測長型エンコーダのサイズや性能、及びコストに影響を与えかねないという問題を有していた。

本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、ＡＢＳパターンの最小線幅がＡＢＳ受光素子アレイのアレイ間隔の整数倍となっていない場合でも、相関演算を行うことができ、高精度に移動距離を計測可能とする絶対位置測長型エンコーダを提供することを課題とする。

本願の請求項１に係る発明は、擬似ランダム符号に基づくＡＢＳパターンが設けられたスケールと、該スケールにより形成された明暗パターンを受光する受光素子と、該受光素子の出力に従う信号を処理して該受光素子に対するスケールの絶対位置を計測する信号処理回路と、を有する絶対位置測長型エンコーダにおいて、前記信号処理回路が、前記受光素子のＡＢＳ受光素子アレイのアレイ間隔Ｐ_ＰＤＡよりも細かい間隔Ｄを求めると共に、前記ＡＢＳ受光素子アレイの出力に従う該間隔Ｄ毎のデジタル値を求めて出力する空間分割数変換回路を備え、該間隔Ｄが、前記アレイ間隔Ｐ _ＰＤＡ と前記ＡＢＳパターンの最小線幅Ｐ _ＡＢＳ とについて式（１）、式（２）を満足する最大の実数値としたことにより、前記課題を解決したものである。
Ｐ _ＰＤＡ ＝Ｄ＊ｋ１（ｋ１は１より大きい整数） （１）
Ｐ _ＡＢＳ ＝Ｄ＊ｋ２（ｋ２は整数） （２）

本願の請求項２に係る発明は、前記信号処理回路が、更に、前記空間分割数変換回路の出力に従うデジタル値と前記擬似ランダム符号の設計値との相関演算を行う相関回路を備えたものである。

又、本願の請求項３に係る発明は、前記相関回路で相関演算がなされる前記デジタル値が、前記ＡＢＳパターンの最小線幅Ｐ_ＡＢＳ単位でバイナリ化された値としたものである。

本発明によれば、ＡＢＳパターンの最小線幅Ｐ_ＡＢＳがＡＢＳ受光素子アレイのアレイ間隔Ｐ_ＰＤＡの整数倍となっていない場合でも、アレイ間隔Ｐ_ＰＤＡよりも細かい間隔を最小分解能とすることができ、精度を落とさずに移動距離が計測可能となる。これにより、ＡＢＳパターンの最小線幅の設計の自由度や受光素子の選択肢の幅を広げることができ、サイズや性能、及びコストに対して自由度の大きい絶対位置測長型エンコーダを構成することが可能である。

又、相関演算を行う場合には、ＡＢＳ受光素子アレイの出力に誤りがあっても正しい移動距離を計測可能な、ロバストな絶対位置測長型エンコーダを構成することができる。

特に、間隔Ｄが式（１）、式（２）を満たす最大の実数値の場合には、必要以上に演算量を増やすことなく、より高精度で迅速な移動距離の計測が可能となる。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。

本発明に係る第１実施形態について、図１から図４を用いて説明する。図１は本実施形態に係る絶対位置測長型エンコーダの全体概略図、図２は発光素子とスケールと受光素子との関係を模式的に示す斜視図、図３はスケールの模式図、図４は受光素子の模式図、である。

最初に、本実施形態の全体構成を概略的に説明する。

絶対位置測長型エンコーダ１００は、主として図１に示す如く、擬似ランダム符号に基づくＡＢＳパターン１０４が設けられたスケール１０２と、スケール１０２により形成された明暗パターンを受光する受光素子１１２と、受光素子１１２の出力に従う信号を処理して受光素子１１２に対するスケール１０２の絶対位置を計測する信号処理回路１１８と、を有する。ここで、信号処理回路１１８は、受光素子１１２のＡＢＳ受光素子アレイ１１４のアレイ間隔Ｐ_ＰＤＡよりも細かい間隔Ｄを求めると共に、ＡＢＳ受光素子アレイ１１４の出力に従う間隔Ｄ毎のデジタル値を求めて出力する空間分割数変換回路１２４と、空間分割数変換回路１２４の出力に従うデジタル値と擬似ランダム符号の設計値との相関演算を行う相関回路１２６と、を備えている。

以下、各構成要素について詳細に説明する。

スケール１０２は、図２、図３に示す如く、ＡＢＳパターン１０４とＩＮＣパターン１０６とを有する。図２に示す如く、発光素子１０８から投射される光Ｒ０が光軸方向（Ｙ方向）に直交するスケール１０２に照射されると、ＡＢＳパターン１０４とＩＮＣパターン１０６とにより、レンズ１１０を介して受光素子１１２上に明暗パターンが結像される。ＡＢＳパターン１０４とＩＮＣパターン１０６は、例えば、符号が１であれば投射光Ｒ０を遮らない透明状態とし、符号が０であれば投射光Ｒ０を遮ぎる不透明状態とすることで実現されている。

ＡＢＳパターン１０４には擬似ランダム符号が用いられている。擬似ランダム符号としては、例えばシフトレジスタによって生成される符号系列のうちの最長の周期となるＭ系列のものを使用することができる。このとき、擬似ランダム符号１個当たりの線幅は、図３に示す如く、ＡＢＳパターン１０４の最小線幅Ｐ_ＡＢＳとなる。ＩＮＣパターン１０６は、周期的に形成された１と０とからなるパターンである。本実施形態においては、ＡＢＳパターン１０４が、図３においてＺ軸方向で上側に配置され、ＩＮＣパターン１０６がその下側に配置されている。発光素子１０８としては、例えば、ＬＥＤを使用することができる。

レンズ１１０としては、図２に示すように２つのパターン１０４、１０６を同時に結像できる１つのレンズ（例えば、シリンドリカルレンズなど）で構成することができる。あるいは、レンズ１１０としては、ＡＢＳパターン１０４とＩＮＣパターン１０６を個別に結像するように２つから構成されてもよい。なお、本発明は、レンズ１１０を必ずしも用いなくてもよい。

受光素子１１２は、図４に示す如く、２つの受光素子アレイ１１４、１１６を有する。１つがＡＢＳ受光素子アレイ１１４であり、もう１つはＩＮＣ受光素子アレイ１１６である。ＡＢＳ受光素子アレイ１１４のアレイ間隔Ｐ_ＰＤＡは図４に示す如くである。即ち、ＡＢＳ受光素子アレイ１１４の空間分解能はアレイ間隔Ｐ_ＰＤＡとなる。ここでアレイ間隔Ｐ_ＰＤＡは、ＡＢＳパターン１０４の最小線幅Ｐ_ＡＢＳよりも狭く、例えば１／３以下とすることができる。アレイ間隔Ｐ_ＰＤＡがより細かくなれば、最小線幅Ｐ_ＡＢＳ内のサンプリング数が増えて、より高精度に絶対位置を測定することができる。ＡＢＳ受光素子アレイ１１４は、ＡＢＳパターン１０４によって形成された明暗パターンをそのアレイ方向（Ｘ方向）で順次読み出してＡＢＳ明暗信号ＳＡ１を出力する。

ＩＮＣ受光素子アレイ１１６は、９０°位相差の４相出力を備える（図示せず）。ＩＮＣ受光素子アレイ１１６は、ＩＮＣパターン１０６によって形成された明暗パターンをそのアレイ方向（Ｘ方向）で順次読み出してＩＮＣ明暗信号ＳＩ１を出力する。ＩＮＣパターン１０６によって形成された明暗パターンを９０°位相差の４相からなるＩＮＣ受光素子アレイ１１６が検出した場合には、９０°位相差の４相正弦波信号が出力される。なお、ＩＮＣ受光素子アレイ１１６のアレイ間隔は、求められる絶対位置と絶対位置の間を補完するため、ＡＢＳ受光素子アレイ１１４のアレイ間隔Ｐ_ＰＤＡよりも細かいものとなっている。

ノイズフィルタ・増幅回路１２０は、図１に示す如く、受光素子１１２によって出力されたＡＢＳ明暗信号ＳＡ１を処理する。その際に、ローパスフィルタで高周波ノイズをカットすると共に、所定のゲインで増幅を行い、信号ＳＡ２を出力する。

ＡＤ変換回路１２２は、図１に示す如く、ノイズフィルタ・増幅回路１２０から出力された信号ＳＡ２をアナログ値からデジタル値に変換して、信号ＳＡ３を出力する。

空間分割数変換回路１２４は、図１で示す如く、相関回路１２６にて、ＡＤ変換回路１２２から出力されたアレイ間隔Ｐ_ＰＤＡの信号ＳＡ３と擬似ランダム符号に基づくＡＢＳパターン１０４の設計値とが相関演算された際に、相関関係をはっきり判別させるために、両方のデータ間隔を整合させる。具体的には、初等数学における整数の最大公約数と類似した思想により、式（１）、式（２）を同時に満足する最大の実数値Ｄを間隔Ｄとして求める。

Ｐ_ＰＤＡ＝Ｄ＊ｋ１（ｋ１は１よりも大きい整数） （１）
Ｐ_ＡＢＳ＝Ｄ＊ｋ２（ｋ２は整数） （２）

つまり、ｋ１は、１よりも大きいので、間隔Ｄは、アレイ間隔Ｐ_ＰＤＡよりも細かくなる。

具体例として、ＡＢＳパターン１０４の最小線幅Ｐ_ＡＢＳが５０μｍで、ＡＢＳ受光素子アレイ１１４のアレイ間隔Ｐ_ＰＤＡが３．５μｍのときには、間隔Ｄは０．５μｍとなる。

なお、本発明には該当しないが、ｋ１＝１のときには、アレイ間隔Ｐ_ＰＤＡと間隔Ｄとが等しくなるので、式（２）は式（３）で示される。

Ｐ_ＡＢＳ＝Ｐ_ＰＤＡ＊ｋ２（ｋ２は整数） （３）

即ち、最小線幅Ｐ_ＡＢＳがアレイ間隔Ｐ_ＰＤＡの整数倍となるときにも、式（１）、式（２）を用いることができる。このため、最小線幅Ｐ_ＡＢＳがアレイ間隔Ｐ_ＰＤＡの整数倍となるときでも、空間分割数変換回路１２４を用いることによって不都合を生じさせることはない。

式（１）、式（２）によって間隔Ｄが求まると、空間分割数変換回路１２４は、ＡＢＳ受光素子アレイ１１４の出力に従うデジタル値（信号ＳＡ３）から間隔Ｄ毎のデジタル値を新たに求める。最も単純には、例えば、隣接する２つのデジタル値（信号ＳＡ３）から直線補間して、間隔Ｄ毎のデジタル値Ｆ(Ｐ_ＰＤＡ*ｘ＋Ｄ*ｉ)を求めることができる。その際には、以下の式（４）を用いる。

F(P_ＰＤＡ*ｘ+D*i)=F(P_ＰＤＡ*x)+(F(P_ＰＤＡ*(x+1))- F(P_ＰＤＡ*x))/k1*i （４）

ここで、ｉは整数で０＜ｉ＜ｋ１、Ｆ(Ｐ_ＰＤＡ*ｘ)、Ｆ(Ｐ_ＰＤＡ*(ｘ+１) )はアレイ間隔Ｐ_ＰＤＡのＸ番目、Ｘ＋１番目に得られたデジタル値を示す。なお、高次関数で部分的に近似した上で、間隔Ｄ毎のデジタル値Ｆを求めてもよい。例えば、隣接する４点のデジタル値（信号ＳＡ３）に３次多項式を当てはめて、丁度中間となる２点目と３点目の間を内挿補間して、間隔Ｄ毎のデジタル値Ｆを求めてもよい。

このように求められた間隔Ｄのデジタル値Ｆは、信号ＳＡ４として出力される。

相関回路１２６は、図１に示す如く、空間分割数変換回路１２４から出力された信号ＳＡ４を処理する。具体的には、間隔Ｄのデジタル化された信号（空間分割数変換回路１２４の出力に従うデジタル値）ＳＡ４と、ＡＢＳパターン１０４を形成するために用いた擬似ランダム符号の設計値との相関演算をする。そして、受光素子１１２に対するスケール１０２の絶対位置を算出してＡＢＳ位置信号ＳＡ９を出力する。

ノイズフィルタ・増幅回路１４０は、図１に示す如く、ＩＮＣ明暗信号ＳＩ１である９０°位相差の４相正弦波信号を処理するための回路である。具体的にはＩＮＣ明暗信号ＳＩ１に対して、ローパスフィルタで高周波ノイズをカットすると共に、所定のゲインで増幅を行い、信号ＳＩ２を出力する。

ＩＮＣ位置検出回路１４２は、図１に示す如く、ノイズフィルタ・増幅回路１４０から出力された信号ＳＩ２を処理する。具体的には９０°位相差の４相正弦波信号から９０°位相差の２相正弦波信号を生成してアークタンジェント演算を行い、相対位置を求めて、信号ＳＩ３として出力する。

絶対位置出力回路１４４は、図１に示す如く、ＩＮＣ位置検出回路１４２から出力された信号ＳＩ３と、相関回路１２６から出力されたＡＢＳ位置信号ＳＡ９のどちらを位置データ信号Ｓｏｕｔとして出力するかを選択する。本実施形態では、例えば通常は信号ＳＩ３を選択して、所定時間（使用条件により適切に設定する）間隔毎に信号ＳＩ３をＡＢＳ位置信号ＳＡ９と参照して、２つの信号から得られる位置に差があればＡＢＳ位置信号ＳＡ９を位置データ信号Ｓｏｕｔとして出力する。それと共に、位置データ信号ＳｏｕｔをＩＮＣ位置検出回路１４２にフィードバックして、ＩＮＣ位置検出回路１４２内部に現在値としてセットする。なお、このフィードバックは、相関回路１２６がデータリフレッシュレートでデータが更新されていないときに行う。

このようにして、ＡＢＳパターン１０４の最小線幅Ｐ_ＡＢＳが受光素子アレイ１１４のアレイ間隔Ｐ_ＰＤＡの整数倍となっていない場合でも、アレイ間隔Ｐ_ＰＤＡよりも細かい間隔Ｄを最小分解能とすることができる。このため、少なくとも、アレイ間隔Ｐ_ＰＤＡの分解能よりも細かく絶対位置を求めることができるので、精度を落とさずに移動距離が計測可能となる。これにより、ＡＢＳパターン１０４の最小線幅Ｐ_ＡＢＳの設計の自由度や受光素子１１２の選択肢の幅を広げることができ、サイズや性能、及びコストに対して自由度の大きい絶対位置測長型エンコーダ１００を構成することが可能である。

又、絶対位置は相関回路１２６で相関演算を行うことで求める。即ち、相関値が最も高い値で絶対位置を求めるので、ＡＢＳ受光素子アレイ１１４の出力に多少の誤りがあっても正しい移動距離を計測することができる。つまり、スケール１０２に傷やごみ等があってＡＢＳパターン１０４による明暗パターンに影響が出ても、測定精度を確保できるロバストな絶対位置測長型エンコーダ１００を構成することができる。

特に、本実施形態では、間隔Ｄが式（１）、式（２）を満たす最大の実数値なので、必要以上に演算量を増やすことなく、より高精度で迅速な移動距離の計測が可能となる。

次に、本発明に係る第２実施形態について、図５〜図７を用いて説明する。

図５は本実施形態に係る絶対位置測長型エンコーダの全体概略図、図６は空間分割数変換回路から位置データ合成回路までの動作を示すフロー図を示す図、図７は図６の各ステップに対応した信号を示す模式図、である。

絶対位置測長型エンコーダ１０１は、図５に示す如く、第１実施形態の絶対位置測長型エンコーダ１００とは全体的には同様の構成となっている。しかし、信号処理回路１１９において、エッジ位置検出回路１２８とピーク位置検出回路１３０と復号回路１３２とが相関回路１３４の前段に、位置データ合成回路１３６が相関回路１３４の後段に、備えられていることに相異がある。

このため、本実施形態を表す図５においては、図１に示した第１実施形態と同一の構成要素には同一の番号を割り当てる。そして、それらの説明について、ここでは省略し、第１実施形態の説明を援用する。本実施形態では、エッジ位置検出回路１２８とピーク位置検出回路１３０と復号回路１３２と相関回路１３４と位置データ合成回路１３６について、詳細に説明する。

エッジ位置検出回路１２８は、図５に示す如く、空間分割数変換回路１２４から出力された信号ＳＡ４を、最初に２値化処理する。２値化処理を行う際に、所定のしきい値ＴＨを設ける必要があるが、例えば本実施形態においては、信号ＳＡ４の最小値と最大値との中間値を所定のしきい値ＴＨとして用いることができる。他に所定のしきい値ＴＨをヒストグラムに基づき求めてもよいし、区域を分けて区域毎にしきい値ＴＨを求めてもよい。そして、２値化処理された値は信号ＳＡ５１として出力される。又、２値化処理された値は、微分された後に絶対値化される。その値は信号ＳＡ５２として出力される。

ピーク位置検出回路１３０は、図５に示す如く、ＡＢＳパターン１０４の最小線幅Ｐ_ＡＢＳ毎に信号ＳＡ５２から得られる値の極大値（最小線幅Ｐ_ＡＢＳ内での最大値）となる位置についてのヒストグラムを作成し、そのヒストグラムからピーク位置ＰＫを求める。求めた値は信号ＳＡ６として出力される。

復号回路１３２は、図５に示す如く、信号ＳＡ６のピーク位置ＰＫを、復号する擬似ランダム符号の切替わる位置（基準位置）として、信号ＳＡ５１の２値化処理された値に基づいて処理を行う。具体的には、復号回路１３２は、ピーク位置ＰＫだけシフトした位置からＡＢＳパターン１０４の最小線幅Ｐ_ＡＢＳ単位で、０若しくは１の擬似ランダム符号に復号する。復号された値は、ＡＢＳ復号信号ＳＡ７として出力される。

相関回路１３４は、図５に示す如く、復号回路１３２から出力されたＡＢＳ復号信号ＳＡ７を処理する。具体的には、入力した最小線幅Ｐ_ＡＢＳ単位のバイナリ値であるＡＢＳ復号信号ＳＡ７（空間分割数変換回路１２４の出力に従うデジタル値）と、ＡＢＳパターン１０４を形成するために用いた擬似ランダム符号の設計値との相関演算をする。そして、受光素子１１２に対するスケール１０２の絶対位置を算出してＡＢＳ補正前位置信号ＳＡ８を出力する。

位置データ合成回路１３６は、図５に示す如く、相関回路１３４から出力されたＡＢＳ補正前位置信号ＳＡ８を、ピーク位置検出回路１３０で得られたピーク位置信号ＳＡ６でピーク位置ＰＫ分だけ絶対位置をずらすことにより、位置補正して正確な絶対位置を求める。求められた絶対位置はＡＢＳ位置信号ＳＡ９として出力される。

次に、空間分割数変換回路１２４から位置データ合成回路１３６までの信号処理フローについて図６に基づいて、図７を参照しながら説明する。

最初に、ＡＤ変換回路１２２よりデジタル化された信号ＳＡ３（図７（Ａ）を参照）が、空間分割数変換回路１２４に入力されると、ＡＢＳパターン１０４の最小線幅Ｐ_ＡＢＳとＡＢＳ受光素子アレイ１１４のアレイ間隔Ｐ_ＰＤＡについての式（１）、式（２）を満たす最大の実数値Ｄが求められる。そして、間隔Ｄ毎のデジタル値である信号ＳＡ４が、例えば式（４）に基づき求められて、空間分割数の変換がなされる（ステップＳ２）。その結果は、図７（Ｂ）の態様の信号ＳＡ４として出力される。図７（Ｂ）に示す如く、信号ＳＡ４は、新たに求められた間隔Ｄでサンプリングされたデジタル値となる。

次に、空間分割数変換回路１２４から出力された信号ＳＡ４が、エッジ位置検出回路１２８で、所定のしきい値ＴＨによって２値化処理される（ステップＳ４）。そして、２値化されて出力される信号ＳＡ５１は、図７（Ｃ）の形態となる。

次に、同じエッジ位置検出回路１２８にて、２値化された値が微分され、立上り位置と立下り位置の検出がなされる（ステップＳ６）。このときの信号は、図７（Ｄ）の形態となる。

次に、同じエッジ位置検出回路１２８にて、得られた微分信号を絶対値化する（ステップＳ８）。このときの信号は、図７（Ｅ）の形態となる。このときの値が信号ＳＡ５２である。

次に、ピーク位置検出回路１３０にて、ＡＢＳパターン１０４の最小線幅Ｐ_ＡＢＳ毎に絶対値化された値が極大（最小線幅Ｐ_ＡＢＳ単位では最大値）となる位置について、ＡＢＳパターン１０４の最小線幅Ｐ_ＡＢＳ区間でヒストグラムを作成する（ステップＳ１０）。

次に、同じピーク位置検出回路１３０にて、ヒストグラムにおける頻度のピーク位置ＰＫを算出する（ステップＳ１２）。図７（Ｆ）に、ＡＢＳパターン１０４の最小線幅Ｐ_ＡＢＳ区間における極大となる位置についてのヒストグラムを示す。この図で、頻度が最大となっている位置がピーク位置ＰＫである。本実施形態では、確率分布関数（例えば、ガウス分布関数）を最小二乗法でフィッティングすることで、ヒストグラムの各値を内挿して、ピーク位置ＰＫを求めている。なお、他の確率分布関数でもよいし、確率分布関数に限らず、隣接２点間の補完や多次関数によるフィッティングなどによってもよいし、単に度数が高い位置をそのまま、ピーク位置ＰＫとして用いてもよい。求められたピーク位置ＰＫは、ピーク位置信号ＳＡ６として復号回路１３２及び位置データ合成回路１３６へ出力される。

次に、復号回路１３２にて、ピーク位置信号ＳＡ６のピーク位置ＰＫだけシフトした位置から最小線幅Ｐ_ＡＢＳ区間毎に、各ＡＢＳパターン１０４の最小線幅Ｐ_ＡＢＳ内で１と０のそれぞれで集計を行い、それぞれの総数を求める（ステップＳ１４）。

次に、同じ復号回路１３２にて、ＡＢＳパターン１０４の最小線幅Ｐ_ＡＢＳ単位で、上記集計した結果、１の総数が多いのか０の総数が多いのかを比較し、多いほうの値によって符号を決定する。決定された符号に基づき、符号の復号が行われる（ステップＳ１６）。復号されて復号回路１３２から出力されるＡＢＳ復号信号ＳＡ７は、図７（Ｇ）の形態となる。

次に、相関回路１３４にて、ＡＢＳ復号信号ＳＡ７の復号された擬似ランダム符号と擬似ランダム符号の設計値との相関演算を行い、受光素子１１２に対するスケール１０２の絶対位置を求める（ステップＳ１８）。その値がＡＢＳ補正前位置信号ＳＡ８として出力される。

次に、位置データ合成回路１３６にて、ＡＢＳ補正前位置信号ＳＡ８の絶対位置にピーク位置信号ＳＡ６のピーク位置ＰＫを加えることで、位置データを合成する（ステップＳ２０）。その合成された値が、ＡＢＳ位置信号ＳＡ９として絶対位置出力回路１４４へ出力される。

このようにして、本実施形態では、第１実施形態で得られた効果に加えて、Ａ／Ｄ変換されたデジタル値のｂｉｔ数で相関演算をするのではなく、２値化処理して符号に復号してから相関回路１３４で相関演算がなされている。つまり、空間分割数変換回路１２４の出力に従うデジタル値が、ＡＢＳパターン１０４の最小線幅Ｐ_ＡＢＳ単位でバイナリ化された値であり、その値と設計値の擬似ランダム符号との相関演算をするので、演算量を極めて少なくすることができる。例えば、従来、ＡＢＳ受光素子アレイ１１４のアレイ間隔Ｐ_ＰＤＡ単位で４ｂｉｔのデジタル値を用いて相関演算をしていたとすると、本実施形態ではＡＢＳパターン１０４の最小線幅Ｐ_ＡＢＳ単位で１ｂｉｔという極めて少ないデータ量で相関演算を行うことができる。すなわち、頻繁にＡＢＳパターン１０４を用いて絶対位置を計測しても、追従性のよい安定した移動距離の計測が可能である。

同時に、復号は、ＡＢＳパターン１０４の最小線幅Ｐ_ＡＢＳ単位でなされており、設計値の擬似ランダム符号の最小単位Ｐ_ＡＢＳと同一である。このため、相関演算した際に互いの符号の長さが一致しているので、相関の有無が極めてはっきりと判別できる。そして、位置データ合成回路１３６において、ピーク位置ＰＫによって絶対位置が補正されるので、精度の高い絶対位置を計測することが可能である。

即ち、本実施形態では、ＡＢＳパターン１０４に擬似ランダム符号を用いても少ない演算量で精度の高い絶対位置を算出することができる。そのため、ＡＢＳパターン１０４から頻繁に絶対位置を算出することができ、例えばスケール１０２が急激に大きく移動した場合でも、精度を保ったままで追従性の良い受光素子１１２に対するスケールの移動距離の計測が可能となる。

本発明について第１、第２実施形態を挙げて説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。即ち本発明の要旨を逸脱しない範囲においての改良並びに設計の変更が可能なことは言うまでも無い。

上記実施形態においては、１つのレンズ１１０でＡＢＳ受光素子アレイ１１４のＸ方向すべてに明暗パターンを結像するようにしていたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば図８に示す第３実施形態のように、レンズ１０９に複数の小レンズ１０９Ａ〜１０９Ｅを並列に備えたレンズアレイを用いることもできる。この場合には、ＡＢＳ受光素子アレイ１１５上で明暗パターンの像１１１が左右逆になっているので、ＡＢＳ受光素子アレイ１１５の小アレイ１１５Ａ〜１１５Ｅ毎に画像データの読み出し方向を移動方向と逆にする必要がある。しかし、ＡＢＳパターン１０４とＡＢＳ受光素子アレイ１１５とを近接配置できるので、絶対位置測長型エンコーダ自体を薄型としながら、外乱に強くすることができる。

又、上記実施形態においては、相関回路１２６、１３４を用いて相関演算を行って絶対位置を求めていたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、相関回路１２６、１３４の代わりに、テーブルを参照して絶対位置を求める回路を設けてもよい。その具体的な機能を説明すると、例えば、空間分割数変換回路の出力に従うデジタル値をアドレス信号に見立てて、各アドレス信号の示すメモリを参照する。その際に各メモリには予め各アドレス信号に対応する絶対位置を格納しておくことで、アドレス信号から絶対位置を求めることが可能となる。この場合には、アドレス信号にエラーが生じると正確な絶対位置を求めることは困難であるが、複雑な演算を行わないので高速に絶対位置を求めることが可能である。

又、上記実施形態においては、スケール１０２によって形成される明暗パターンはスケール１０２の透過光によって形成されていたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば図９に示す第４実施形態のように、スケール１０２Ａに対して投射光Ｒ０が反射されることで明暗パターンが形成されて、受光素子１１２で受光するような構成を採っても構わない。

又、第２実施形態においては、２値化処理された値から擬似ランダム符号を復号するのに、最小線幅Ｐ_ＡＢＳ周期で１と０のそれぞれの総数を求めて、１の総数が多いのか０の総数が多いのかを比較し、多いほうの値によって符号を決定して復号が行われていたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、最小線幅Ｐ_ＡＢＳ周期の特定の位置（例えば中心）での値が１あるいは０であるかを判断することで、最小線幅Ｐ_ＡＢＳ単位の符号を決定して復号してもよい。

本発明の第１実施形態に係る絶対位置測長型エンコーダの全体概略図 同じく発光素子とスケールと受光素子との関係を模式的に示す斜視図 同じくスケールの模式図 同じく受光素子の模式図 本発明の第２実施形態に係る絶対位置測長型エンコーダの全体概略図 同じく空間分割数変換回路から位置データ合成回路までの動作を示すフロー図を示す図 同じく図６の各ステップに対応した信号を示す模式図 本発明の第３実施形態に係るＡＢＳパターンとレンズアレイと受光素子との関係を模式的に示す概略図 本発明の第４実施形態に係る発光素子とスケールと受光素子との関係を模式的に示す概略図

符号の説明

１００、１０１…絶対位置測長型エンコーダ
１０２、１０２Ａ…スケール
１０４…ＡＢＳパターン（アブソリュートパターン）
１０６…ＩＮＣパターン（インクリメンタルパターン）
１０８…発光素子
１０９、１１０…レンズ
１１２…受光素子
１１４、１１５…ＡＢＳ受光素子アレイ
１１６…ＩＮＣ受光素子アレイ
１１８、１１９…信号処理回路
１２０、１４０…ノイズフィルタ・増幅回路
１２２…Ａ／Ｄ変換回路
１２４…空間分割数変換回路
１２６、１３４…相関回路
１２８…エッジ位置検出回路
１３０…ピーク位置検出回路
１３２…復号回路
１３６…位置データ合成回路
１４２…ＩＮＣ位置検出回路
１４４…絶対位置出力回路
ＳＡ１…ＡＢＳ明暗信号
ＳＡ６…ピーク位置信号
ＳＡ７…ＡＢＳ復号信号
ＳＡ８…ＡＢＳ補正前位置信号
ＳＡ９…ＡＢＳ位置信号
ＳＩ１…ＩＮＣ明暗信号
Ｓｏｕｔ…位置データ信号

Claims (3)

1. 擬似ランダム符号に基づくＡＢＳパターンが設けられたスケールと、該スケールにより形成された明暗パターンを受光する受光素子と、該受光素子の出力に従う信号を処理して該受光素子に対するスケールの絶対位置を計測する信号処理回路と、を有する絶対位置測長型エンコーダにおいて、
   前記信号処理回路が、前記受光素子のＡＢＳ受光素子アレイのアレイ間隔Ｐ_ＰＤＡよりも細かい間隔Ｄを求めると共に、前記ＡＢＳ受光素子アレイの出力に従う該間隔Ｄ毎のデジタル値を求めて出力する空間分割数変換回路を備え、
   該間隔Ｄは、前記アレイ間隔Ｐ _ＰＤＡ と前記ＡＢＳパターンの最小線幅Ｐ _ＡＢＳ とについて式（１）、式（２）を満足する最大の実数値であることを特徴とする絶対位置測長型エンコーダ。
   Ｐ _ＰＤＡ ＝Ｄ＊ｋ１（ｋ１は１より大きい整数） （１）
   Ｐ _ＡＢＳ ＝Ｄ＊ｋ２（ｋ２は整数） （２）
2. 前記信号処理回路は、更に、前記空間分割数変換回路の出力に従うデジタル値と前記擬似ランダム符号の設計値との相関演算を行う相関回路を備えることを特徴とする請求項１に記載の絶対位置測長型エンコーダ。
3. 前記相関回路で相関演算がなされる前記デジタル値が、前記ＡＢＳパターンの最小線幅Ｐ_ＡＢＳ単位でバイナリ化された値であることを特徴とする請求項１又は２に記載の絶対位置測長型エンコーダ。

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