JP2009257891A - 絶対位置測長型エンコーダ - Google Patents

Abstract

【課題】ＡＢＳパターンから生ずる信号の２値化エラーを低減し、安定で精度の高い絶対位置の計測を行う。
【解決手段】擬似ランダム符号に基づいたＡＢＳパターン１０４を備えると共に、該ＡＢＳパターン１０４で明暗パターンを形成するスケール１０２と、該明暗パターンを受光する受光素子１１２と、該受光素子１１２から出力される信号ＳＡ１に従うデジタル信号ＳＡ３を、輝度が高いモードＢと輝度が低いモードＤの２つに分け、該２つのモードの間の分散（モード間分散）が最大となるしきい値ｋにより２値化処理を行うと共に、該２値化処理された値から前記ＡＢＳパターン１０４の最小線幅Ｐ_ＡＢＳ単位で擬似ランダム符号を復号する２値化回路１２４と、該復号された擬似ランダム符号と前記擬似ランダム符号の設計値との相関を取ることで前記スケール１０２の受光素子１１２に対する絶対位置を算出する位置検出回路１３０と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光素子と該発光素子の投射光に擬似ランダム符号で明暗パターンを形成するスケールと受光素子とを有する絶対位置測長型エンコーダに係り、特に、スケール上の汚れや受光量のばらつき等があっても安定して精度の高い計測を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パターンとも称する）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（例えば、特許文献１、２）。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。

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。詳しくいうならば、ＡＢＳパターンにより粗い絶対位置が求められて、ＩＮＣパターンによりＡＢＳパターンで求められた絶対位置と絶対位置との間の細かい位置が求められる。つまり、ＡＢＳパターンによって求められる絶対位置自体は、精度が高く安定している必要がある。なお、ＡＢＳパターンとしては、周期の異なるパターンが複数使われ、その位相関係から絶対位置が求められるものもある。しかし、測定距離が長くなると、上記パターン数が多くなり、スケールや受光素子の大型化などの問題が生じてしまう。このため、ＡＢＳパターンとしては、擬似ランダム符号に基づいた１つのパターンを用いることで、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。

特開２００３―２５４７８６号公報 特表２００５−５１５４１８号公報

しかしながら、上記擬似ランダム符号をＡＢＳパターンに用いた場合には、絶対位置の計測のために、ＡＢＳパターンから生ずる信号から擬似ランダム符号の復号が不可欠であり、そのためには２値化処理を行う必要がある。特許文献１、２において、２値化処理のための手法が開示されている。例えば、特許文献１ではＩＮＣパターンによる明暗信号を用いて２値化処理のためのしきい値を制御することで、ＡＢＳパターンから生ずる信号の２値化処理を行っている。又、特許文献２では受光素子同士で出力を比較してＡＢＳパターンから生ずる信号の２値化処理を実行している。

しかし、これらの手法では、実使用上問題としてＡＢＳパターンの汚れやＡＢＳパターンの欠損等に対して、しきい値が不安定となり、誤った２値化がなされるといった２値化エラーを起こすおそれがあり、結果的に安定で精度の高い絶対位置の計測を行うことが確保できないおそれがあった。

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パターンから生ずる信号の２値化エラーを低減し、安定で精度の高い絶対位置の計測を行うことを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、発光素子と、擬似ランダム符号に基づいたアブソリュートパターン（以下、ＡＢＳパターンと称する）を備えると共に、前記発光素子からの投射光に該ＡＢＳパターンで明暗パターンを形成するスケールと、該明暗パターンを受光する受光素子と、該受光素子から出力される信号に従うデジタル信号を、輝度が高いモードと輝度が低いモードの２つに分け、該２つのモードの間の分散（単に、モード間分散と称する）が最大となるしきい値により２値化処理を行うと共に、該２値化処理された値から前記ＡＢＳパターンの最小線幅単位で擬似ランダム符号を復号する２値化回路と、該復号された擬似ランダム符号と前記擬似ランダム符号の設計値との相関を取ることで前記受光素子に対する前記スケールの絶対位置を算出する位置検出回路と、を備えたことにより、前記課題を解決したものである。

本願の請求項２に係る発明は、前記スケールによって形成された明暗パターンが、複数のレンズが並列に繋がったレンズアレイを介して、受光素子上に結像されたものである。

又、本願の請求項３に係る発明は、前記２値化回路が、前記ＡＢＳパターンの最小線幅周期で、前記２値化処理された値（０と１）のそれぞれの総数を求めて、該総数の多いほうの値（０、あるいは１）で、該最小線幅の符号を決定して復号したものである。

本発明によれば、２つのモードに分けるための最適なしきい値を一義的に求めることができるので、ＡＢＳパターンから生ずるおそれのある信号の２値化エラーを低減して、安定で精度の高い絶対位置の計測を行うことができる。

特に、レンズアレイを用いて受光素子上に明暗パターンを結像する場合には、レンズアレイを構成する小レンズ毎に最適なしきい値を求めることができる。すなわち、各小レンズの製造ばらつきによる光量変動や各小レンズ毎の受光素子の感度ばらつき変動の影響を低減することができる。このため、小レンズ毎に特性ばらつきのあるレンズアレイでも使用することができるので、上記効果に加えて、薄型でありながら外乱に強く、且つ低コストの絶対位置測長型エンコーダを実現することができる。

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７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はスケールの模式図、図３は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模式図、図４は受光素子の模式図、図５は２値化回路の構成を模式的に示す図、図６は２値化回路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。

最初に、本実施形態について、概略的に説明する。

絶対位置測長型エンコーダ１００は、特に図１に示す如く、発光素子１０８と、擬似ランダム符号に基づいたＡＢＳパターン１０４を備えると共に、発光素子１０８からの投射光Ｒ０にＡＢＳパターン１０４で明暗パターンを形成するスケール１０２と、明暗パターンを受光する受光素子１１２と、受光素子１１２から出力される信号（ＡＢＳ明暗信号）ＳＡ１に従うデジタル信号ＳＡ３を、輝度が高いモードＢと輝度が低いモードＤの２つに分け、２つのモードの間の分散（以降、モード間分散と称する）σ_Ｂ ^２が最大となるしきい値ｋにより２値化処理を行うと共に、２値化処理された値からＡＢＳパターン１０４の最小線幅Ｐ_ＡＢＳ単位で擬似ランダム符号を復号する２値化回路１２４と、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を取ることで受光素子１１２に対するスケール１０２の絶対位置を算出するＡＢＳ位置検出回路（位置検出回路）１３０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に示す如く、ＡＢＳパターン１０４とＩＮＣパターン１０６とを有する。図１、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。いずれのパターン１０４、１０６もＸ方向に沿って形成されている。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に形成することで明暗パターンを形成することができる。

ＡＢＳパターン１０４には擬似ランダム符号が用いられている。ここで、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２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２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は、図３に示す如く、例えば、複数の小レンズ１１０Ａ〜１１０Ｅが並列に繋がったレンズアレイである。小レンズ１１０Ａ〜１１０Ｅは、それぞれ、ＡＢＳ用受光素子アレイ１１４上に明暗パターンの像１１１Ａ〜１１１Ｅを結像する。ここで、ＡＢＳ用受光素子アレイ１１４の小アレイ１１４Ａ〜１１４Ｅに対応する破線部分のみが明暗パターンを受光する。小レンズ１１０Ａ〜１１０Ｅは、例えば、単レンズで構成されているので、像１１１Ａ〜１１１Ｅは、左右が逆となる（図３において、丸で囲んだ内部のＡＢＳパターン１０４による明暗パターンの像１１１Ａ〜１１１Ｅは、実際のＡＢＳパターン１０４とは左右逆である）。このため、ＡＢＳ用受光素子アレイ１１４を構成する小アレイ１１４Ａ〜１１４Ｅは、その出力において掃引方向を、スケール１０２の移動方向とは逆にして出力を行うこととなる。

本実施形態では、レンズ１１０にレンズアレイを用いて、レンズアレイをＩＮＣパターン１０６にも適用する。そうすることで、スケール１０２と受光素子１１２とが近接した状態でＡＢＳパターン１０４で形成される明暗パターンをはっきりとＡＢＳ用受光素子アレイ１１４上に結像することができる。このため、本実施形態では、絶対位置測長型エンコーダ１００を薄型にして、且つ外乱の強い安定した移動距離の計測が可能となる。このとき、小レンズ１１０Ａ〜１１０Ｅは、ＡＢＳパターン１０４とＩＮＣパターン１０６とを同時にカバーできる１つのレンズ（例えば、シリンドリカルレンズなど）で構成してもよい。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を個別にカバーするように２つのレンズアレイを上下に並べてもよい。

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用受光素子アレイ１１４であり、もう１つはＩＮＣ用受光素子アレイ１１６である。ＡＢＳ用受光素子アレイ１１４は、上述の如く、小アレイ１１４Ａ〜１１４Ｅから構成されている。ＡＢＳ用受光素子アレイ１１４のアレイ配置ピッチＰ_ＰＤＡは図４に示す如くである。即ち、ＡＢＳ用受光素子アレイ１１４の空間分解能はアレイ配置ピッチＰ_ＰＤＡとなる。ここでアレイ配置ピッチ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。アレイ配置ピッチ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。なお、互いの小アレイ１１４Ａ〜１１４Ｅ間には、明暗パターンが届かないので、画素が形成されていなくてもよい。本実施形態では、小アレイ１１４Ａ〜１１４Ｅが一連となり、ＡＢＳ用受光素子アレイ１１４を構成しているが、掃引方向を逆にする関係上、分離されていてもよい。ＡＢＳ用受光素子アレイ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）の移動方向とは逆に掃引してＡＢＳ明暗信号ＳＡ１を出力する。

ＩＮＣ用受光素子アレイ１１６は、９０°位相差の４相出力を有する（図示せず）。ＩＮＣ用受光素子アレイ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）に掃引してＩＮＣ明暗信号ＳＩ１を出力する。なお、ＩＮＣパターン１０６の掃引方向も、ＡＢＳパターン１０４の場合と同様に、移動方向とは逆にするほうが好ましい。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用受光素子アレイ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用受光素子アレイ１１６のアレイ配置ピッチは、求められる絶対位置と絶対位置の間を補完するため、ＡＢＳ用受光素子アレイ１１４のアレイ配置ピッチ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をアナログ信号からデジタル信号に変換して、信号ＳＡ３を出力する。

前記２値化回路１２４は、図５で示す如く、演算回路１２４Ａと比較判定回路１２４Ｂと記憶回路１２４Ｃとを備える。そのうちの演算回路１２４Ａが、ＡＤ変換回路１２２から出力された信号ＳＡ３を所定のしきい値ｋで２値化処理する。ここでのしきい値ｋは、信号ＳＡ３を、輝度が高いモードＢと輝度が低いモードＤの２つに分けたときに、モード間分散σ_Ｂ ^２を最大とする値である。２値化回路１２４は、モード間分散σ_Ｂ ^２やモード内分散σ_Ｗ ^２等を算出することができる。２値化処理された信号は、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されて、その結果がＡＢＳ復号信号ＳＡ４として出力される。

比較判定回路１２４Ｂは、図５で示す如く、記憶回路１２４Ｃから読み込まれた前回の分散σ_Ｂ ^２等と、演算回路１２４Ａで新たに求めた分散σ_Ｂ ^２等とを読み込んで比較し、新たに求めた分散σ_Ｂ ^２等が極端に異なれば異常と判定して、信号処理回路１１８の外部に故障信号ＥＲを出力する。記憶回路１２４Ｃは、演算回路１２４Ａで求められた分散σ_Ｂ ^２等を記憶することができる。２値化回路１２４の動作についてはより詳細に後述する。

ＡＢＳ位置検出回路（位置検出回路）１３０は、図１に示す如く、２値化回路１２４から出力されたＡＢＳ復号信号ＳＡ４を処理する。具体的には、入力したＡＢＳ復号信号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ＳＡ５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。

絶対位置合成回路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ＡＢＳ位置検出回路（位置検出回路）１３０から出力されたＡＢＳ位置信号ＳＡ５とを合成することにより、高精度で高分解能な絶対位置を算出する。具体的には、ＡＢＳ位置信号ＳＡ５により高精度に求められた分解能の粗い絶対位置を基準に、信号ＳＩ３により求められた細かい相対位置で絶対位置の間を細かく補完することにより、高精度で高分解能な絶対位置を算出する。そして得られた絶対位置が位置データ信号Ｓｏｕｔとして出力される。

次に、２値化回路１２４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。なお、図６、図７は、２値化回路１２４のうち、演算回路１２４Ａについてのみ示している。

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、２値化回路１２４に入力されると、演算回路１２４Ａにて、横軸が信号ＳＡ３の明暗レベル（輝度と称する）の高さに対する度数分布を表すヒストグラムが作成される（ステップＳ２）。ここで図７（Ａ）に示す如く、信号ＳＡ３は、ＡＢＳ用受光素子アレイ１１４のアレイ配置ピッチＰ_ＰＤＡ間隔でサンプリングされたデジタルデータである。

次に、演算回路１２４Ａにて、度数分布を２つのモード、即ち輝度が高いモードＢと輝度が低いモードＤを最適に分離するしきい値ｋを、統計的手法（判別分析法）を用いて決定する。しきい値ｋと輝度が高いモードＢと輝度が低いモードＤとの関係は、図７（Ｂ）の態様となる。具体的には次の式（１）を用いて、モードＢとモードＤとで構成されるモード間分散σ_Ｂ ^２を最大とするしきい値ｋを求める（ステップＳ４）。

σ_Ｂ ^２(ｋ)=(μ_Ｔ*ω(ｋ)-μ(ｋ))^２/ω(ｋ)/(１-ω(ｋ)) （１）

ここで、μ_Ｔは、しきい値ｋで２値化されるデータ全体の輝度平均である。即ち、本実施形態では、μ_Ｔは、各小レンズ１１０Ａ〜１１０Ｅで結像される明暗パターンの像１１１Ａ〜１１１Ｅを受光する各小アレイ１１４Ａ〜１１４Ｅ単位で求められる。μ(ｋ)とω(ｋ)とは以下の式（２）、式（３）で定められる累積量である。

Ｐ_ｉは、輝度ｉにおける正規化ヒストグラムであり、以下の式（４）、式（５）を満足する。

ここで、Ｎは、しきい値ｋで２値化されるデータ全体の数である。即ち、本実施形態では、Ｎは、各小レンズ１１０Ａ〜１１０Ｅで結像される明暗パターンの像１１１Ａ〜１１１Ｅを受光する各小アレイ１１４Ａ〜１１４Ｅ単位でのデータ数となる。ｎ_ｉは輝度ｉにおける度数である。

なお、モード間分散σ_Ｂ ^２と、モード内分散σ_Ｗ ^２との間には次の関係が成り立つ。

σ_Ｂ ^２+σ_Ｗ ^２=σ_Ｔ ^２ （６）

σ_Ｔ ^２はしきい値ｋで２値化されるデータ全体の分散である。即ち、本実施形態では、分散σ_Ｂ ^２は、各小レンズ１１０Ａ〜１１０Ｅで結像される明暗パターンの像１１１Ａ〜１１１Ｅを受光する各小アレイ１１４Ａ〜１１４Ｅ単位での分散となる。従って、データ全体の分散σ_Ｔ ^２を求めておき、モード間分散σ_Ｂ ^２、モード内分散σ_Ｗ ^２（もしくはデータ全体の分散σ_Ｔ ^２）の少なくともいずれかをモニターすることで、異常判定を行うことができる。具体的には、２値化回路１２４の記憶回路１２４Ｃから、前回演算回路１２４Ａから読み込まれた分散σ_Ｂ ^２、σ_Ｗ ^２、あるいはσ_Ｔ ^２を比較判定回路１２４Ｂに読み出して、演算回路１２４Ａで新たに求めた分散σ_Ｂ ^２、σ_Ｗ ^２、あるいはσ_Ｔ ^２と比較する。その際に、比較判定回路１２４Ｂが、記憶回路１２４Ｃが記憶した経年条件を加味しても、想定し得ない分散σ_Ｂ ^２、σ_Ｗ ^２、あるいはσ_Ｔ ^２が得られたと判定した場合には、信号処理回路１１８の外部に故障信号ＥＲを出力する（図５参照）。

次に、式（１）に基づいて求められたしきい値ｋにより、演算回路１２４Ａにて、２値化を行う（ステップＳ６）。このときの信号は、図７（Ｃ）の態様となる。

次に、演算回路１２４Ａにて、ＡＢＳパターン１０４の最小線幅Ｐ_ＡＢＳ周期で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Ｓ８）。

次に、演算回路１２４Ａ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が決定される。この状態で（形態は図７（Ｄ）と同様）、２値化された後のデータ（図６（Ｃ））との差分が取られる。そして、その差分を最小とする値を、図７（Ｄ）に示す擬似ランダム符合のオフセット値ＯＦＳＴとして決定する。求めたオフセット値ＯＦＳＴにより、擬似ランダム符合の復号が完了する（ステップＳ１０）。このため、高精度な絶対位置決めが可能となる。

このようにして、最適なしきい値ｋを求めて、そのしきい値ｋで２値化するので、スケール１０２全体に汚れがあった場合、発光素子１０８の出力の経年変化した場合、スケール１０２と受光素子１１２との間隔が変化した場合、温度や経年による受光素子１１２の感度が変化した場合、スケール１０２の移動速度によって受光素子１１２の受ける光量が異なる場合であっても、２値化回路１２４に入力する全体輝度の低下に合わせて、２値化処理が実行される。

又、スケール１０２の一部の欠損や汚れの場合には、ヒストグラム全体の分布に影響を大きく与えないので、しきい値ｋはほとんど影響を受けない。そして、最小線幅Ｐ_ＡＢＳ周期で復号するので、誤った復号化を最小限に抑えることができる。更に、しきい値ｋの決定が不安定となることはないので、迅速に２値化処理を行うことができる。

又、記憶回路と比較判定回路により、分散σ_Ｂ ^２、σ_Ｗ ^２、あるいはσ_Ｔ ^２を前回求めた分散値と比較することで、異常であるか否かを判定して故障信号ＥＲを絶対位置測長型エンコーダ１００の外部に出力することができる。このため、絶対位置測長型エンコーダ１００の修理、交換を迅速に行うことができる共に、絶対位置測長型エンコーダ１００を用いた計測器の誤計測を最小限に防止することができる。

又、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、相関は符号に復号された状態で行われるため、相関演算自体を高速に行うことができる。

即ち、本発明においては、２つのモードに分けるための最適なしきい値ｋを一義的に求めることができるので、ＡＢＳパターン１０４から生ずる信号ＳＡ３の２値化エラーを低減して、安定で精度の高い絶対位置の計測を行うことができる。

特に、レンズ１１０にレンズアレイを用いて受光素子１１２上に明暗パターンを結像するので、レンズアレイを構成する小レンズ１１０Ａ〜１１０Ｅ毎に最適なしきい値を求めることができる。すなわち、各小レンズ１１０Ａ〜１１０Ｅの製造ばらつきによる光量変動や各小レンズ１１０Ａ〜１１０Ｅ毎の受光素子１１４（小アレイ１１４Ａ〜１１４Ｅ）の感度ばらつき変動の影響を低減することができる。このため、小レンズ１１０Ａ〜１１０Ｅ毎に特性ばらつきのあるレンズアレイでも使用できるので、上記効果に加えて、薄型でありながら外乱に強く、且つ低コストの絶対位置測長型エンコーダ１００を実現することができる。

本発明について第１実施形態を挙げて説明したが、本発明は第１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。

例えば、第１実施形態においては、レンズ１１０にレンズアレイを用いていたが、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２実施形態のように、レンズ１１０には１つのレンズを用いてもよい。この場合には、明暗パターンの掃引は個々に逆方向としないので、処理を簡便にすることができる。

又、例えば、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３実施形態のように、スケール１０２に対しての投射光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上で結像するような構成を採っても構わない。また、受光素子１１２が透過光を用いた場合でも、反射光を用いた場合でも、必ずしもレンズ１１０を用いる必要もない。

又、例えば、上記実施形態では２値化回路１２４に、記憶回路と比較判定回路を備えていたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、記憶回路と比較判定回路とを絶対位置測長型エンコーダ１００の外部に有して、求めた分散σ_Ｂ ^２、σ_Ｗ ^２、あるいはσ_Ｔ ^２を絶対位置測長型エンコーダ１００の外部に出力するようにしてもよい。又、分散σ_Ｂ ^２、σ_Ｗ ^２、あるいはσ_Ｔ ^２を必ずしも外部に出力しなくてもよい。

又、例えば、上記実施形態においては、２値化処理された値から疑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の符号を決定して復号してもよい。

又、例えば、上記実施形態においては、異常の判断に分散σ_Ｂ ^２、σ_Ｗ ^２、あるいはσ_Ｔ ^２を用いていたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、各モードにおける明暗データをそのまま用いてもよいし、各モードの平均や最小値や最大値、分散、偏差などを用いて異常の判断をしてもよい。

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 同じくスケールの模式図 同じく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模式図 同じく受光素子の模式図 同じく２値化回路の構成を模式的に示す図 同じく２値化回路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２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 本発明の第３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…絶対位置測長型エンコーダ
１０２…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
１０８…発光素子
１１０…レンズ
１１０Ａ〜１１０Ｅ…小レンズ
１１２…受光素子
１１４…ＡＢＳ用受光素子アレイ
１１４Ａ〜１１４Ｅ…小アレイ
１１６…ＩＮＣ用受光素子アレイ
１１８…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…２値化回路
１３０…ＡＢＳ位置検出回路（位置検出回路）
１４２…ＩＮＣ位置検出回路
１４４…絶対位置合成回路
ＳＡ１…ＡＢＳ明暗信号
ＳＡ４…ＡＢＳ復号信号
ＳＡ５…ＡＢＳ位置信号
ＳＩ１…ＩＮＣ明暗信号
Ｓout…位置データ信号

Claims (3)

1. 発光素子と、
   擬似ランダム符号に基づいたアブソリュートパターンを備えると共に、前記発光素子からの投射光に該アブソリュートパターンで明暗パターンを形成するスケールと、
   該明暗パターンを受光する受光素子と、
   該受光素子から出力される信号に従うデジタル信号を、輝度が高いモードと輝度が低いモードの２つに分け、該２つのモードの間の分散が最大となるしきい値により２値化処理を行うと共に、該２値化処理された値から前記アブソリュートパターンの最小線幅単位で擬似ランダム符号を復号する２値化回路と、
   該復号された擬似ランダム符号と前記擬似ランダム符号の設計値との相関を取ることで前記受光素子に対する前記スケールの絶対位置を算出する位置検出回路と、
   を備えることを特徴とする絶対位置測長型エンコーダ。
2. 前記スケールによって形成された明暗パターンは、複数のレンズが並列に繋がったレンズアレイを介して、受光素子上に結像され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２値化回路は、前記アブソリュートパターンの最小線幅周期で、前記２値化処理された値のそれぞれの総数を求めて、該総数の多いほうの値で、該最小線幅の符号を決定して復号す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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