JP2011247745A - アブソリュート型リニアエンコーダとアクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】 信頼性が高くてコンパクト化が可能であり、且つ、低コスト化が容易であってアブソリュート信号を安定して検出することが可能なアブソリュート型リニアエンコーダとそのアブソリュート型リニアエンコーダを搭載したアクチュエータを提供すること。
【解決手段】 スケールパターンの符号系列を狭帯域化のための変調を掛けたパターンとしたアブソリュートスケールを用いることを特徴とするものであり、符号の連続を遮断して、コントラスト（信号振幅）変動を小さくすることができ、且つ、オフセット信号をキャンセルすることができるので、信号検出の安定性を図る上で有利となる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、例えば、精密位置決めシステムに用いられるアブソリュート型リニアエンコーダとそのアブソリュート型リニアエンコーダを使用したアクチュエータに係り、特に、装置のコンパクト化が容易であって信頼性が高く、且つ、低コスト化できてアブソリュート信号を安定して検出することができるように工夫したものに関する。

精密位置決め装置において、位置決めフィードバック用のセンサーとして、例えば、リニアエンコーダが使用される。これはリニアエンコーダが高精度であって低コストであることに起因する。ところが、現在多く用いられているリニアエンコーダは原点復帰動作の必要なインクリメンタル型である。この種のインクリメンタル型のリニアエンコーダの場合には、装置立ち上げ時或いはトラブル発生時には原点復帰動作を行う必要がある。その為、装置の稼働率が低下してしまうという問題があった。

そこで、インクリメンタル型のリニアエンコーダに代わってアブソリュート型のリニアエンコーダの使用が提案されている。この種のアブソリュート型のリニアエンコーダの場合には上記原点復帰動作が不要になるからである。

尚、本件特許出願人も装置起動時に短い距離だけ動くことにより絶対位置を知ることができる簡易型のアブソリュート型リニアエンコーダに関する出願を行っている（特許文献１）。そこに開示されているアブソリュート型リニアエンコーダは、ＰＮ符号系列の必要ビット数のデータを読み込むセンサーが搭載されている装置可動部を必要ビット数動かす構成になっていて、それによって、一個のセンサーで済むように構成したものであり、簡易な構成で絶対位置を知ることができるというものである。

しかしながら、装置によっては装置起動時に僅かでも動くとワークやジグ類等を破損させてしまう装置もあり、そのような場合には上記簡易型のアブソリュート型リニアエンコーダが適用できないという問題があった。

一方、全く動かなくてもよいアブソリュート型リニアエンコーダの提案も多くなされている。そのようなアブソリュート型リニアエンコーダを開示するものとして、例えば、特許文献２、特許文献３等がある。

特開２００９−６８９７８号公報 特開平０３−２７４４１４号公報 特開２００５−１２１５９３号公報

上記従来の構成によると次のような問題があった。
すなわち、上記特許文献２、特許文献３に開示されているアブソリュート型リニアエンコーダの場合には、信頼性の確保が不十分であり、コストが高く、検出ヘッドのコンパクト化が困難であるという問題があった。具体的に説明すると、まず、上記特許文献２に記載されているアブソリュート型リニアエンコーダの場合には、１ビットエラー或いは奇数項のエラーについてはこれを検出することはできるが、２ビットエラー或いは偶数項のエラーについてはこれを検出することができないという問題があった。又、全てのビットのエラー検出を行うためには必要ビット数の約２倍のビット長の検査が必要であり、その為多くのセンサー（受光素子）が必要となってしまい、コンパクト化及び低コスト化が困難になってしまうという問題もあった。
因みに、特許文献３に記載された発明の場合には、コンパクトなセンサー部が開示されているが、その場合には所定の検出に必要なビット数分の受光素子しか搭載されておらず、結局、限定的なエラー検出ができるだけである。
又、特許文献２に記載された発明の場合には、そこに開示されているエラー検出方法によってエラーが検出された場合、装置が停止したままとなってしまうという問題もあった。
因みに、本件特許出願人は、この種の問題を解決するものとして特許出願を行っている（特願２００９−１５８４５７１、未公開）。
しかしながら、低コスト化のためにＰＥＴフィルム基材を用い、アブソリュートリニアスケールを印刷により形成したため、リニアスケールの反射面の平滑性が若干悪く、同一符号（例えば、「００００」或いは「１１１１」）が長く続くと、検出信号の振幅（コントラスト）が繰返し符号（例えば、「０１０１」）の場合に比べて遥かに大きくなり、アブソリュート信号を安定して検出する上でさらなる改良が必要であった。

本発明はこのような点に基づいてなされたものでその目的とするところは、信頼性が高くてコンパクト化が可能であり、且つ、低コスト化が容易であってアブソリュート信号を安定して検出することが可能なアブソリュート型リニアエンコーダとそのアブソリュート型リニアエンコーダを搭載したアクチュエータを提供することにある。

上記目的を達成するべく本願発明の請求項１によるアブソリュート型リニアエンコーダは、スケールパターンの符号系列が狭帯域化のための変調が施されたパターンであるアブソリュートリニアスケールを用いることを特徴とするものである。
又、請求項２によるアブソリュート型リニアエンコーダは、請求項１記載のアブソリュート型リニアエンコーダにおいて、 符号系列の１ビット幅より狭い符号幅を持つことを特徴とするものである。
又、請求項３によるアブソリュート型リニアエンコーダは、請求項１記載のアブソリュート型リニアエンコーダにおいて、スケールパターンの符号系列がＰＮ符号系列であることを特徴とするものである。
又、請求項４によるアブソリュート型リニアエンコーダは、請求項１記載のアブソリュート型リニアエンコーダにおいて、位相シフトを行っている変調を用いていることを特徴とするものである。
又、請求項５によるアブソリュート型リニアエンコーダは、請求項１記載のアブソリュート型リニアエンコーダにおいて、差動あるいは差分検出を用いていることを特徴とするものである。
又、請求項６によるアブソリュート型リニアエンコーダは、請求項１記載のアブソリュート型リニアエンコーダにおいて、位相検出用リニアスケールを用いアブソリュートリニアスケールの位相を検出することを特徴とするものである。
又、請求項７によるアブソリュート型リニアエンコーダは、請求項１記載のアブソリュート型リニアエンコーダにおいて、スケール基材に樹脂フィルムを用いていることを特徴とするものである。
又、請求項８によるアブソリュート型リニアエンコーダは、請求項１記載のアブソリュート型リニアエンコーダにおいて、アブソリュートリニアスケールや位相検出用リニアスケールが印刷により製造されていることを特徴とするものである。
又、請求項９によるアクチュエータは、請求項１〜請求項８の何れかに記載のアブソリュート型リニアエンコーダを用いたことを特徴とするものである。

以上述べたように、本願発明の請求項１によるアブソリュート型リニアエンコーダは、スケールパターンの符号系列が狭帯域化のための変調が施されたパターンであるアブソリュートリニアスケールを用いるように構成されているので、符号の連続を遮断して、
コントラスト（信号振幅）変動を小さくすることができ、且つ、オフセット信号をキャンセルすることができるので、信号検出の安定性を図る上で有利となる。
又、請求項２によるアブソリュート型リニアエンコーダは、請求項１記載のアブソリュート型リニアエンコーダにおいて、 符号系列の１ビット幅より狭い符号幅を持つ構成になっているので、符号の連続を効果的に遮断することができ、上記した効果を確実なものとすることができる。
又、請求項３によるアブソリュート型リニアエンコーダは、請求項１記載のアブソリュート型リニアエンコーダにおいて、スケールパターンの符号系列がＰＮ符号系列である構成になっており、ＰＮ符号系列の場合には長い連続同一符号を有しているので、本願発明がより有効にその効果を発揮するものである。
又、請求項４によるアブソリュート型リニアエンコーダは、請求項１記載のアブソリュート型リニアエンコーダにおいて、位相シフトを行っている変調を用いている構成になっており、このような位相シフトによっても所定の変調を施して効果を得ることができるものである。
又、請求項５によるアブソリュート型リニアエンコーダは、請求項１記載のアブソリュート型リニアエンコーダにおいて、差動あるいは差分検出を用いている構成になっており、このような差動あるいは差分検出によって、信号振幅を２倍にでき、所定の変調を施して効果を得ることができるものである。
又、請求項６によるアブソリュート型リニアエンコーダは、請求項１記載のアブソリュート型リニアエンコーダにおいて、位相検出用リニアスケールを用いアブソリュートリニアスケールの位相を検出する構成になっているので、変調したスケールパターンの場合の信号の復調も容易で信頼性が高い。
又、請求項７によるアブソリュート型リニアエンコーダは、請求項１記載のアブソリュート型リニアエンコーダにおいて、スケール基材に樹脂フィルムを用いている構成になっているので、コスト的にも好都合である。
又、請求項８によるアブソリュート型リニアエンコーダは、請求項１記載のアブソリュート型リニアエンコーダにおいて、アブソリュートリニアスケールや位相検出用リニアスケールが印刷により製造されている構成になっているので、この場合にもコスト的に好ましいものである。
又、請求項９によるアクチュエータは、請求項１〜請求項８の何れかに記載のアブソリュート型リニアエンコーダを用いた構成になっているので、信号検出の安定性を図りアクチュエータとしての信頼性を向上させることができ、低コスト化も容易である。

本発明の一実施の形態を示す図で、アクチュエータの構成を示す平面図である。 本発明の一実施の形態を示す図で、アブソリュート型リニアエンコーダの構成を示すブロック図である。 本発明の一実施の形態を示す図で、ＬＳＦＲの構成を示すブロック図である。 本発明の一実施の形態を示す図で、位相検出用リニアスケール部とＰＮ符号系列アブソリュートリニアスケール部の構成を示す側面図である。 本発明の一実施の形態を示す図で、図４のＶ−Ｖ矢視図である。 本発明の一実施の形態を示す図で、スケールパターンの変調を説明するための図である。 本発明の一実施の形態を示す図で、スケールパターンの変調を説明するための図である。 本発明の一の実施の形態を示す図で、スケールパターンの変調を説明するための図である。 従来例の説明に使用した図で、アブソリュート型リニアスケールの反射信号を示す波形図である。 比較例を示す図で、スケールパターンを示す図である。

以下、図１乃至図８を参照して本発明の一実施の形態を説明する。この実施の形態は本願発明を一軸アクチュエータに適用した例を示すものである。図１は本実施の形態によるアクチュエータの全体の構成を示す平面図であり、まず、ハウジング1がある。このハウジング１にはスライダ３が図１中左右方向（矢印ａ方向）に移動可能な状態で取り付けられている。上記ハウジング１内にはボールねじ５が内装されていると共に駆動モータ７が設置されている。上記ボールねじ５は上記駆動モータ７の出力軸に連結されていて、駆動モータ７によって回転駆動されるように構成されている。
尚、図示したアクチュエータはボールねじ５と駆動モータ７の出力軸が一体化されたものもあるが、そのような構成のアクチュエータに限定されるものではない。

上記ボールねじ５には図示しないボールナットがその回転を規制された状態で螺合・配置されている。既に説明したスライダ３はこのボールナットに固着されている。上記ハウジング１にはガイド９、１１が設置されていて、これらガイド９、１１によって上記スライダ３の図１中左右方向（矢印ａ方向）への移動をガイドする。そして、駆動モータ７を適宜の方向に回転させることによりボールねじ５が同方向に回転し、それによって、ボールナットを介してスライダ３が上記ガイド９、１１によってガイドされながら図１中左右方向（矢印ａ方向）に移動する。

上記ガイド１１側にはリニアスケール部２１が設置されており、一方、上記スライダ３には検出ヘッド部２３が取り付けられている。又、アクチュエータに対して離間した場所にはコントローラ部２５が設置されている。

次に、上記リニアスケール部２１、検出ヘッド部２３、コントローラ部２５の構成について詳しく説明する。図２は図１の中から上記リニアスケール部２１、検出ヘッド部２３、コントローラ部２５を抽出して示す図である。まず、リニアスケール部２１は、位相検出用リニアスケール３１、ＰＮ符号系列アブソリュートリニアスケール３３とから構成されている。上記ＰＮ符号系列アブソリュートリニアスケール３３だけでも必要な機能を奏することは可能であるが、ＰＮ符号系列アブソリュートリニアスケール３３の分解能はアブソリュート信号の１ビットに等しく、よって、ＰＮ符号系列アブソリュートリニアスケール３３だけで長いストロークと高分解能を両立させることは応答速度やコスト面で困難であった。
そこで、本実施の形態の場合には、ややラフな幅のＰＮ符号系列アブソリュートリニアスケール３３を用いて、ストロークに対して必要ＰＮ符号系列ビット数を適度に抑え、且つ、アブソリュート１ビットをさらに高分解能に分割できる位相検出用リニアスケール３１を別途設けているものである。
因みに、ストローク２．６ｍで分解能０．１μｍを実現するためには、アブソリュート１ビット幅８０μｍで１５ビットのＰＮ符号系列で８００分割（位相０．４５°）可能な位相検出用リニアスケール３１が必要となる。

上記位相検出用リニアスケール３１は縞状をなしていて、例えば、８０μｍピッチの光学反射式のものとして構成されている。すなわち、上記位相検出用リニアスケール３１は、４０μｍの高反射率領域３１ａと、４０μｍの低反射領域３１ｂが交互に配置されて連なった構成をなしている。

一方、上記ＰＮ符号系列アブソリュートリニアスケール３３は１ビットが８０μｍに構成されていて、高反射率領域３３ａと低反射領域３３ｂがＰＮ符号系列に基づいて配置された構成になっている。
尚、図２ではアブソリュートリニアスケール３３のパターンを、説明を容易にするために、ＰＮ符号系列に１：１に対応するように、高反射率領域（黒）３３ａと低反射率領域（白）３３ｂにて表示しているが、本実施の形態におけるアブソリュートリニアスケール３３ではＰＮ符号系列に狭帯域化のために変調を施しており、これについては後で詳述する。
上記ＰＮ符号系列とは擬似ランダム系列（Ｐｓｅｕｄｏ Ｒａｎｄｏｍ Ｎｏｉｓｅ、その一部はＭ系列とも呼ばれる）であり、この擬似ランダム系列とは、例えば、スペクトラム拡散通信、白色雑音生成、暗号化、エラー訂正等に広く使われているものである。上記ＰＮ符号系列の生成にはＬＦＳＲ（Ｌｉｎｅａｒ Ｆｅｅｄｂａｃｋ Ｓｈｉｆｔ Ｒｅｇｉｓｔｅｒ）と称されるシフトレジスタが使用される。このシフトレジスタは、図３に示すような構成になっており、ＸＯＲゲート（又は、ＸＮＯＲゲート）５０によって帰還をかける構成になっている。
尚、このＬＦＳＲについては追って詳細に説明する。

図２に戻って検出ヘッド部２３側の構成をみてみると、まず、上記位相検出用リニアスケール３１に対応する位相検出用リニアスケール用光学検出器（ＣＭＯＳリニアアレイを使用したもの）３５と、ＰＮ符号系列アブソリュートリニアスケール３３に対応するＰＮ符号系列アブソリュートリニアスケール用光学検出器（ＣＭＯＳリニアアレイを使用したもの）３７が夫々設置されている。上記位相検出用リニアスケール３１と位相検出用リニアスケール用光学検出器３５とによって位相検出リニアスケール部を構成している。又、上記ＰＮ符号系列アブソリュートリニアスケール３３とＰＮ符号系列アブソリュートリニアスケール用光学検出器３７とによってアブソリュートリニアスケール部を構成している。

上記位相検出用リニアスケール用光学検出器３５とＰＮ符号系列アブソリュートリニアスケール用光学検出器３７は、例えば、図４及び図５に示すような状態で設置される。図４及び図５中符号３９はＬＥＤ光源であり、このＬＥＤ光源３９より位相検出用リニアスケール３１に対してＬＥＤ光を投光する。位相検出用リニアスケール３１にて反射した光は上記位相検出用リニアスケール用光学検出器３５によって受光される。これは、上記ＰＮ符号系列アブソリュートリニアスケール用光学検出器３７の場合も同様である。すなわち、ＬＥＤ光源３９よりＰＮ符号系列アブソリュートリニアスケール３３に対してＬＥＤ光が投光される。ＰＮ符号系列アブソリュートリニアスケール３３にて反射した光は上記ＰＮ符号系列アブソリュートリニアスケール用光学検出器３７によって受光されることになる。位相検出用リニアスケール３１、ＰＮ符号系列アブソリュートリニアスケール３３の反射率に応じて位相検出用リニアスケール用光学検出器３５、ＰＮ符号系列アブソリュートリニアスケール用光学検出器３７に入光する光の強度が異なり、これにより位相検出用リニアスケール３１、ＰＮ符号系列アブソリュートリニアスケール３３の信号を読むことができる。
因みに、ＰＮ符号系列アブソリュートリニアスケール３３の低反射率領域３３ｂで反射される光強度は低くＰＮ符号系列アブソリュートリニアスケール用光学検出器３７では低強度と検出され、信号「０」を検出することができる。
尚、図４の光学系では光学検出器上の信号ピッチはスケール上のピッチの約２倍に拡大されるが、図２の模式図ではわかり易くするためスケールと光学検出器上の信号は等倍で上下対応するように記載してある。
尚、本実施の形態では、上記位相検出用リニアスケール用光学検出器（ＣＭＯＳリニアアレイを使用したもの）３５、ＰＮ符号系列アブソリュートリニアスケール用光学検出器（ＣＭＯＳリニアアレイを使用したもの）３７としては、プリント基板の上に汎用のパッケージ品のＣＭＯＳリニアアレイ及び汎用パッケージ品のチップＬＥＤを表面実装して用いており、汎用品を用いているので、低コストで製造できる利点がある。図４には図示していないが、上記位相検出用リニアスケール用光学検出器（ＣＭＯＳリニアアレイを使用したもの）３５、ＰＮ符号系列アブソリュートリニアスケール用光学検出器（ＣＭＯＳリニアアレイを使用したもの）３７に迷光が入射する場合には、それを防止する遮光板を上記位相検出用リニアスケール用光学検出器（ＣＭＯＳリニアアレイを使用したもの）３５、ＰＮ符号系列アブソリュートリニアスケール用光学検出器（ＣＭＯＳリニアアレイを使用したもの）３７とＬＥＤ光源３９の間に設置すると有効であり、コントラストの低下を軽減することができる。例えば、黒色の厚み０．１ｍｍで高さは上記位相検出用リニアスケール用光学検出器（ＣＭＯＳリニアアレイを使用したもの）３５、ＰＮ符号系列アブソリュートリニアスケール用光学検出器（ＣＭＯＳリニアアレイを使用したもの）３７より０．２ｍｍ高い樹脂製の板を上記位相検出用リニアスケール用光学検出器（ＣＭＯＳリニアアレイを使用したもの）３５、ＰＮ符号系列アブソリュートリニアスケール用光学検出器（ＣＭＯＳリニアアレイを使用したもの）３７の側面に貼り付けることで、迷光を効果的に防止することができる。又、図４において、ＬＥＤ光源３９が２個搭載されているのは、上記位相検出用リニアスケール用光学検出器（ＣＭＯＳリニアアレイを使用したもの）３５、ＰＮ符号系列アブソリュートリニアスケール用光学検出器（ＣＭＯＳリニアアレイを使用したもの）３７に比べ寿命の短いＬＥＤ３９が劣化した場合、他方のＬＥＤ３９に切替が容易であるからである。又、２個を切り替えて用いることにより、ＬＥＤ３９の照射領域を拡大することもできるからである。
又、本実施の形態における上記位相検出用リニアスケール３１とＰＮ符号系列アブソリュートリニアスケール３３は、ＰＥＴフィルムの上に熱転写印刷により、アルミ蒸着層の熱転写、さらに、その上に黒色インクの熱転写印刷を行うことにより、アルミ蒸着層による高反射領域と黒インクによる低反射領域により、位相検出用リニアスケール３１の繰り返しパターンとＰＮ符号系列アブソリュートリニアスケール３３のＰＮ信号系列（変調）パターンを形成している。

又、図２に示すように、上記検出ヘッド部２３には、位相演算器４１、絶対位置データ演算器４３、絶対位置データ構成器４５、トランシーバ４７が設置されている。又、上記コントローラ部２５には、トランシーバ４９、コントローラ５１が設置されている。又、上記絶対位置データ演算器４３では、ＬＦＳＲを介して合致する絶対位置を検出しているが、予め作成されている信号データと絶対位置の対応表より求めても良い。

そして、ＰＮ符号系列アブソリュートリニアスケール用光学検出器３７より出力された信号は絶対位置データ演算器４３に入力され、その絶対位置データ演算器４３においてアブソリュートビット単位の絶対位置が求められる。一方、位相検出用リニアスケール用光学検出器３５より出力された信号は位相演算器４１に入力され、その位相演算器４１によりアブソリュート１ビットを３６０度とした位相が演算され、さらに高分解能の情報が得られる。絶対位置データ構成器４５では、絶対位置データ演算器４３と位相演算器４１より求められた結果を結合して長ストロークで、且つ、高分解能の絶対位置データを演算・出力する。上記高分解能の絶対位置データはトランシーバ４７、トランシーバ４９を介してコントローラ５１に入力される。コントローラ５１はその入力した高分解能の絶対位置データに基づいて駆動モータ７を制御してスライダ２３を位置決めするものである。

尚、本実施の形態におけるアブソリュート型リニアエンコーダは、既に説明したように、位相検出用リニアスケール部とアブソリュートリニアスケール部の二つのエンコーダ機能を持っている。前述したように、本来アブソリュートリニアスケール部のみであっても必要な機能を得ることはできるが、アブソリュートリニアスケール部の長ストローク化と高分解能化で応答速度を上げ、且つ、低コスト化することは困難であった。そこで、本実施の形態の場合には、位相検出用リニアスケール部を設け、アブソリュート１ビットをさらに高分解能分割することにより、ややラフな幅のアブソリュートビットを用いることができ、それによって、高分解能、高応答速度で且つ低コストのアブソリュート型リニアエンンコーダを実現しているものである。
以上が本実施の形態によるアクチュエータ及びそこに使用されているアブソリュート型リニアエンコーダの概略の構成である。以下、各部の構成をその作用・効果を交えながら説明する。

まず、前述したＬＦＳＲについて詳細に説明する。ＬＦＳＲは、図３に示されているように、１５個（０〜１４の１５ビット）のシフトレジスタによって構成されている。このような構成をなすＬＦＳＲにおいて、発生可能なＰＮ符号系列の周期長（ＰＮ符号系列長、Ｌ）は次の式（Ｉ）に示すようなものである。
Ｌ＝２^ｍ−１―――（Ｉ）
但し、
Ｌ：ＰＮ符号系列長
ｍ：ビット数（検出連続信号数）
である。
ＰＮ符号系列は二値「０／１（ここでは白黒）」の擬似ランダム系列の一つであって、比較的短い連続したｍ個の信号によって長大な信号周期（Ｌ）を得ることができる信号系列である。例えば、ｍ＝１５個であればＰＮ符号系列長（Ｌ）は、既に説明した式（Ｉ）によれば、次の式（ＩＩ）に示すようなものとなる。
Ｌ＝２^１５−１＝３２７６７―――（ＩＩ）
又、本実施の形態における上記ＬＦＳＲの場合には、前述したように、０ビットと１ビットの信号がＸＯＲゲート５０を介して１４ビットへフィードバックされるように構成されている。

図２に示した位相検出用リニアスケール３１は、既に説明したように、８０μｍピッチである。又、ＰＮ符号系列アブソリュートリニアスケール３３も１ビットが８０μｍであり、よって、ｍ＝１５でのＰＮ符号系列アブソリュートスケール３３のストローク（Ｓ）は次の式（ＩＩＩ）に示すようなものとなる。
Ｓ＝８０μｍ×３２７６７＝約２．６ｍ―――（ＩＩＩ）
尚、式（Ｉ）、（ＩＩ）から明らかなように、アブソリュートリニアスケール部側のＰＮ符号系列の上記検出連続信号数ｍを増加させることにより長いストロークが実現できる。

上記ＰＮ符号系列アブソリュートリニアスケール３３からの信号検出には、既に説明したように、ＰＮ符号系列アブソリュートリニアスケール用光学検出器３７を使用しているが、このＰＮ符号系列アブソリュートリニアスケール用光学検出器３７はストロークに対して必要なＰＮ符号系列ビット数以上の検出素子が必要となる。例えば、前記の例では、ストローク２．６ｍに対して１５ビットのＰＮ符号系列が必要であり、検出素子は１５個以上必要となる。このようにアブソリュート用検出器３７は多くの検出素子を必要とし、そのコンパクト化のためには専用の半導体ＩＣを開発して使用される。しかしながら、専用の半導体ＩＣは非常に高価という難点がある。一方ＣＭＯＳリニアアレイはチャージアンプにより出力を増大させることできるため受光面積を小さくしても容易に出力を確保でき信頼性が高く、又、小型で低コストである。そこで、本実施の形態の場合には、汎用のＣＭＯＳリニアアレイを用いることにより、コンパクト化と低コスト化を実現するようにしている。

上記ＣＭＯＳリニアアレイは、例えば、１２．５μｍピッチで５１２個の検出素子が並んでいる検出器であり、多くの検出素子を内蔵している。又、その信号出力は同時に行うことはできず１個ずつの信号出力となるため、例えば、５１２個の検出素子の信号出力を得ようとすると、略５００倍の時間を要することになり、よって、高速の信号出力が困難である難点がある。そこで、本実施の形態の場合には、連続的に（あるいは極めて短時間応答で）位置データを出力する方式ではなく、ある一定時間間隔（またはある応答時間）にて位置データを出力する方式を用いることにより、ある一定サンプリング時間内にてＣＭＯＳリニアアレイの検出素子の出力を得てエラーチェックや絶対位置データの演算等を行う方式を採用している。

例えば、ＣＭＯＳリニアアレイの検出素子１つ当りの出力時間が１７０ｎｓｅｃ（６ＭＨｚ）であれば、全検出素子５１２個の出力を得るのに略１００μｓｅｃ（１０ＫＨｚ）要することになる。よって、他のロス時間を無視すると、この略１０ＫＨｚが最大応答周波数となり、高々１００Ｈｚ程度のアクチュエータの応答周波数に比べ十分高応答であり実用上問題ない。

又、位相検出用リニアスケール３１は、図２に示すように、ＰＮ符号系列アブソリュートリニアスケール３３の１ビットをさらに分割し高分解能を得るものであり、既に説明したように、ＰＮ符号系列アブソソリュートリニアスケール３３の１ビットに対して略１／２ビットの高反射率部３１ａと略１／２ビットの低反射率部３１ｂが対応する構成になっている。ＰＮ符号系列アブソリュートリニアスケール３３の１ビットを３６０度とした時、これら高反射率部３１ａ、低反射率部３１ｂよりの光反射強度が略正弦波１周期（３６０度）になるよう位相検出用リニアスケール用光学検出器３５によって検出する。

又、位相検出用リニアスケール用光学検出器３５においては少なくとも２個の検出素子が必要であり、互いに略９０度の位相差（アブソリュート１／４ビット相当）を持つものである。そして、９０度位相差を持つ２個の信号強度が得られれば、次の式（ＩＶ）、（Ｖ）に基づいて位相演算器４１によって位相が算出される。
ｔａｎθ＝ｓｉｎθ／ｃｏｓθ
＝{α・ｓｉｎθ}／{α・ｓｉｎ（θ−９０°）}―――（ＩＶ）
θ＝ａｒｃｔａｎ^-1θ ―――（Ｖ）

そして、アブソリュート１ビット内における位置が位相で求められる。アブソリュート１ビットで３６０度に相当するので、例えば、位相４５度が算出されたら、次の式（ＶＩ）に示すような位置となる。
８０μｍ×４５°／３６０°＝１０μｍ―――（ＶＩ）
つまり、アブソリュート１ビットの内側１０μｍの位置ということになる。このようにして位相検出用リニアスケール部を用いてややラフなアブソリュートスケール部の分解能を向上させることができるものである。

ところで、位相検出用リニアスケール用検出器３５においては、既に説明したように、少なくとも２個のお互いに略９０度位相差を持つ検出素子が必要であり、そのコンパクト化のためには専用の半導体ＩＣを開発し用いるのが一般的である。しかしながら、専用の半導体ＩＣは非常に高価という難点がある。そこで本実施の形態では、前述したＰＮ符号系列アブソリュートリニアスケール用光学検出器３７の場合と同様に汎用のＣＭＯＳリニアアレイを用いることによってコンパクト化と低コスト化を実現している。ＣＭＯＳリニアアレイは、例えば、１２．５μｍピッチで５１２個の検出素子が並んでいる検出器であって多くの検出素子を内蔵しており、２個の略９０度位相差の検出素子のみではなく、多数組の略９０度位相差を持つ検出素子を用いることができる。各組の検出素子は位相差が等しく（３６０度の整数倍）、１組に多くの検出素子を用いて平均化することによって信号出力の安定化を図ることができる。例えば、位相検出用リニアスケール３１のある箇所にゴミ付着等により信号出力が劣化してもより広い範囲にわたり平均化していればそのゴミの影響は軽微なものとすることができる。又、夫々の組と１８０°位相差を持つ検出素子を設けることにより、各信号出力との差動をとることができるので、信号出力の増大や外乱安定性を増加させることができる。

又、狭ピッチの多くの検出素子を内蔵しているので、ＰＮ符号系列アブソリュートリニアスケール用光学検出器３７との対応付けも容易にできる。ＰＮ符号系列アブソリュートリニアスケール用光学検出器３７の固定位置と位相検出用リニアスケール用光学検出器３５の固定位置が検出器の実装ばらつきに起因してずれた場合には、位相検出用リニアスケール用光学検出器３５の選択する検出素子をずれ量だけずらして選択することによって調整することができる。例えば、選択する検出素子が何番目の出力かＦＰＧＡのソフトを書き替えてやれば良い。

前述したように、本実施の形態では、アブソリュートスケール部と位相用検出用スケール部との２つのスケール部を用いることで、ややラフな幅のアブソリュートビットを用いて適度なＰＮ符号系列ビット数にて長ストロークを実現すると共に、位相検出用スケール部によりアブソリュート１ビットを更に位相分割し高分解能も実現している。
これらを低コストかつコンパクトに実現するために、各検出器、すなわち、位相検出用リニアスケール用光学検出器３５とＰＮ符号系列アブソリュートリニアスケール用光学検出器３７としてＣＭＯＳリニアアレイを使用している。前記したようにＣＭＯＳリニアアレイは多くの検出素子を内蔵していて高速での信号出力は困難である。そこであるサンプリング時間内にて検出素子の出力を得て絶対位置データ演算等を行う方式を用いることにより、低コストでかつコンパクトでありながら適度な応答周波数を確保している。

したがって、図２に示す絶対位置データ構成器４５からの出力は連続的ではなくあるサンプリング時間で更新される間欠的なものとなっている。よって、絶対位置データ構成器４５より受信したデータをコントローラ５１側に送信するトランシーバ４７は適度な送信ビットレートで十分であり、省配線化できるシリアル通信用トランシーバが望ましい。

次に、ＰＮ符号系列アブソリュートリニアスケール３３のスケールパターンの変調に関して説明する。既に説明したＰＮ符号系列アブソリュートリニアスケール３３のスケールパターンをＰＮ符号系列に対して「１：１」に対応させたスケールパターンとした場合には、繰返し符号（例えば、「０１０１」）の場合と同一符号の連続（例えば、「００００」或いは「１１１１」）の場合とでは、その反射光量のコントラスト（振幅）が大きく異なる。すなわち、図９に示すように、同一符号の連続が長い程大きなコントラストになり（図９中符号ｂで示す部位）、それに比べ短ビットでの符号の反転はコントラストが小さくなる（図９中符号ａで示す部位）。このようなコントラストの違いは安定的に「０／１」符号を検出する上では問題がある。これはＰＮ符号系列アブソリュートリニアスケール３３の反射面の平滑性が理想的ではなく、ＰＮ符号系列アブソリュートリニアスケール用光学検出器３７が受光する反射光量は正反射成分だけでなく乱反射成分を含んでしまうことに起因する。

この点に関して詳しく説明すると、ＰＮ符号系列アブソリュートリニアスケール３３において、高反射率領域３３ａと低反射率領域３３ｂが近接している場合には、高反射率領域３３ａで反射された光が低反射率領域３３ｂの反射光を受光するセンサー素子に入り込み、その結果、低反射率領域３３ｂの受光素子の出力は上がり、高反射率領域３３ａの反射光を受光するセンサー素子に入り込む光が減じることになる。その為、高反射率領域３３ａの出力が下がることになり、低反射率領域３３ｂと高反射率領域３３ａのセンサー素子出力差が小さくなってしまう{コントラスト（振幅）の低下}。
因みに、このような現象は、ガラス等の硬質基材を使用した場合よりも、軟質のＰＥＴフィルム（或いはＰＥＴテープ）のような樹脂フィルム（或いは樹脂テープ）をスケール基材として使用したり、反射層（高反射率層及び低反射率層）を平滑に形成し難い印刷等の製法を使用した場合に生じ易い。このように、コントラスト差が大きい場合には、コントラストの小さい短ビット符号反転では「０／１」判定に検出エラーが生じる可能性がある。

そこで、本実施の形態では、同一符号の連続を抑制する、すなわち、ＰＮ符号系列アブソリュートリニアスケール３３の符号系列に狭帯域化のための変調を施すことにより、アブソリュートスケール符号検出の安定化を図るようにしているものである。このような狭帯域化を施すことにより、コントラスト差は少なくなり、又、そのためセンサー素子が飽和しない程度まで光量を上げてコントラストを少しでも上げることができる。それらによって、「０／１」判定のスレショルド基準を安定化させることができるものである。

その狭帯域化の方法としては、ＰＮ符号系列アブソリュートリニアスケール３３符号系列の１ビット幅より狭い信号幅を用いることによって、同一符号の連続を遮断することができる。
まず、本実施の形態における変調を説明する前に比較例を説明する。図１０はアブソリュートリニアスケール３３に関して、「１１１００００１１１」の同一符号の連続及び「１０１０」の繰返し反転符号のスケールパターンの例を示している。
尚、図１０中上側に示されている線図が「１１１００００１１１」の同一符号の連続の場合であり、下側に示されている線図が「１０１０」の繰返し反転符号の場合である。又、夫々の場合について、位相検出用リニアスケール３１とアブソリュートリニアスケール３３のスケールパターンを夫々図示しているものである。
このようなスケールパターンにおいてはすでに説明したような問題、例えば、コントラストの小さい単ビット符号反転では「０／１」判定に検出エラーが生じてしまうという問題がある。
本実施の形態の場合には、この図１０に示すようなスケールパターンの同一符号の連続を抑制するために、既に説明したように、符号系列１ビット幅より狭い符号幅を用いるようにしたものであり、それによって、同一符号の連続を遮断するようにしたものである。

以下、図６を参照して第１の例を説明する。図６においては、位相検出用リニアスケール３１の位相１８０°の位置、すなわち、左に「黒」（高反射率領域３１ａ）、右に「白」（低反射率領域３１ｂ）の黒白境界と同じ位置にて１／２ビット幅（１８０°位相相当幅、この例では１ビット８０μｍであるから４０μｍ）の「黒」（高反射率領域３３ａ）又は「白」（低反射率領域３３ｂ）をアブソリュートスケール３３に設けている。すなわち、スケールパターン符号系列が「１」であれば、位相１８０°位置に１／２ビット幅の「黒」（高反射率領域３３ａ）、逆にスケールパターン符号系列が「０」であれば位相１８０°位置に１／２ビット幅の「白」（低反射率領域３３ｂ）を配置してそのビットの符号を示すようにしている。
尚、図６中上側に示されている線図が「１１１００００１１１」の同一符号の連続の場合を示しており、下側に示されている線図が「１０１０」の繰返し反転符号の場合である。又、夫々の場合について、位相検出用リニアスケール３１とアブソリュートリニアスケール３３のスケールパターンを夫々図示しているものである。

次に、図７を参照して第２の例を説明する、すなわち、図６に示した第１の例では、符号の連続が「１」である場合はその符号の連続を遮断することができたが、「０」符合の連続については遮断できていない。その原因は位相１８０°の位置にのみ１／２ビット幅（１８０°位相相当幅）の「黒／白」の配置を行っているが、それ以外の位置，すなわち、位相０°〜９０°及び２７０°〜３６０°の位置については「白」のままとしているために、位相１８０°位置（位相９０°〜２７０°）の「白」（「０」）と区別がつかないためである。

そこで、図７に示すように、符号「０（白）」の前後で、位相０°〜９０°及び２７０°〜３６０゜の位置に「黒」（高低反射率領域３３ａ）を配置することにより、「０」符合の連続についてもこれを遮断することができるようにしたものである。
尚、図７中上側に示されている線図が「１１１００００１１１」の同一符号連続の場合を示しており、下側に示されている線図が「１０１０」の繰返し反転符号の場合である。又、夫々の場合について、位相検出用リニアスケール３１とアブソリュートリニアスケール３３のスケールパターンを夫々図示しているものである。

この場合、アブソリュートリニアスケール３３の「白」及び「黒」のパターン幅は何れも最小１／２ビット幅、最大１ビット幅である。すなわち、図７に示す例は、位相１８０°の位置中心に位相１８０°相当の幅、すなわち、１ビット８０μｍの半分の４０μｍの幅で符号系列に従って配置した例であり、位相１８０°の位置中心±９０゜（±２０μｍ）以外は、同一符号の連続を避けるよう「白」又は「黒」を任意に配置すればよい。その結果、最大の「白」又は「黒」の幅は位相３６０°相当（８０μｍ）となる。したがって、アブソリュートリニアスケール３３は最小幅４０μｍ（１／２ビット）、最大幅８０μｍ（１ビット）の２倍まで狭帯域に圧縮することができる。その結果、従来の１５ビットＰＮ符号系列では最小１ビット、最大１５ビットの１５倍であったのが、２倍まで狭帯域化することができるものである。
尚、ここで用いた位相１８０°の位置についてはこれを特に限定するものではなく、例えば、位相０°、位相９０°、その他何度でも構わない。
因みに、ここで用いた位相１８０°の位置はＰＮ符号系列の１ビット（位相０゜〜３６０°）の中心位置あり、直感的にも判り易い位置であって好ましいものである。

次に、図８を参照して第３の例を説明する。図７に示した例では、位相１８０°の位置を中心にして±９０°（±２０μｍ）以外は、狭帯域化さえできれば「白」でも「黒」でも構わなかった。これに対して、図８に示す例では、図８中左側に必ず位相１８０°の位置を中心に±９０゜の領域と反対の反射率領域が位置するようにしている。１８０°の中心の位置が「黒」であればその左は「白」、逆に１８０°の中心の位置が「白」であれば「黒」であり、その幅も１／２ビット、４０μｍとしたものであ。そして、符号系列の「１／０」又は「０／１」反転した場合は、結果として隣接領域とつながり、最大の１ビット幅（８０μｍ）となったものであり、図７に示した例の場合と同様に２倍の狭帯域化が可能になっている。
尚、図８中上側に示されている線図が「１１１００００１１１」の同一符号連続の場合を示しており、下側に示されている線図が「１０１０」の繰返し反転符号の場合である。又、夫々の場合について、位相検出用リニアスケール３１とアブソリュートリニアスケール３３のスケールパターンを夫々図示しているものである。又、図８においては、差動出力例、すなわち、位相差１８０°間隔に配置した２つの検出器の差（右検出器出力−左検出器出力）を図８下部に線図Ａ、Ｂとしてスケールパターンに対応させて示している。

以上本実施の形態によると次のような効果を奏することができる。
まず、既に説明したような変調されたスケールパターンとすることにより、位相１８０°の中心の位置にある１／２ビットの領域と反対の反射率をもつ１／２ビット幅の領域が必ず図面上の左側に配置されることになるので、その領域の反射光との差（差動又は差分）をとれば、反射信号振幅を２倍とすることができる。
又、オフセット信号はキャンセルされ、０／１判定スレショルドレベルを「０」とすることができ、信号検出の安定性を図る上で有利となる。
又、本実施の形態の場合には、符号系列の１ビット幅より狭い符号幅を持つ構成になっているので、符号の連続を効果的に遮断することができる。
又、本実施の形態の場合には、スケールパターンの符号系列が長い連続同一符号を有しているＰＮ符号系列であるので、より有効にその効果を発揮するものである。
又本実施の形態によるアクチュエータは、上記したアブソリュート型リニアエンコーダを採用しているので、信号検出の安定性を図りアクチュエータとしての信頼性を向上させることができる。

尚、図８に示した内容とは別の符号系列の変調方法として、「白」が４０μｍ、「黒」が４０μｍを１波長とし、波長の中心を位相９０°位置におき、信号が「１／０」又は「０／１」反転した時にこの１波長の位相を１８０°ずらす位相シフト（位相を反転又は白黒反転）を行う方法もあり、それによっても、図８に示された例と同等の符号系列変調を行うことができる。
尚、上記のように，符号系列を変調したスケールパターンの場合の信号の復調（検出）方法で最も容易で確実な方法は、アブソリュートリニアスケール３３に対応させた位相検出用リニアスケール３１を使用し、アブソリュートリニアスケール３３の位相を検出することにより、位相と同期させて検出する方法である。例えば、図８に図示した例では、１８０°位相（位相検出用スケールの白黒境界で左が「黒」の位置）の位置にて０／１判定を行えば、符号系列に復調（検出）することができる。

尚、位相１８０°を検出してからアブソリュートリニアスケール３３を復号（復調）していたのでは、アブソリュートリニアスケール３３とＰＮ符号系列アブソリュートリニアスケール用光学検出器３７が 高速で相対運動している時には間に合わない可能性がある。そこで、例えば、位相０°〜３６０°内（１ビット内）に位相差１２０°毎に３本のアブソリュートリニアスケール３３用の光学検出素子を使用することにより、任意の位相角度位置にあっても、最も位相１８０°に近い検出素子を選択することにより、その検出素子の出力により「０／１」判定（検出）を行うように構成することが考えられる。
因みに、本実施の形態では多くの検出素子を内蔵するＣＭＯＳリニアアレイを用いているので、上記の素子選択による検出は容易である。

又、上記したスケールパターンの符号系列の狭帯域化手法は任意の符号系列に適用可能であるが、特に長い連続同一符 号を有するＰＮ符号系列（その一部はＭ系列とも称される）への適用の効果が大きい。上述のように、低コスト化容易なＰＥＴフィルム基材を用い、印刷により製作した反射面の平滑性が若干劣るアブソリュートスケールを用いても、狭帯域化変調を用いることにより、大きなコントラスト（振幅）変動はなく、又差動検出により信号出力の増大やオフセットの低減を図ることも可能で、アブソリュート信号の安定な検出が実現できる。

尚、本発明は前記一実施の形態に限定されるものではない。
例えば、検出連続信号数ｍはここでは主に１５を用いたが、アブソリュートリニアエンコーダの必要な分解能およびストロークで最適なｍの値は変わってくる。例えば、より長いストロークではｍ＝１６〜１８が適している場合もある。
又、前記一実施の形態ではＣＭＯＳリニアアレイを用いた実施例を挙げて説明したが、例えば、ＣＣＤリニアアレイ等を用いてもコストは高くつくが、同様の効果は期待できる。
又、前記一実施の形態ではスケール及び検出器は光学式のものを用いた例を挙げたが、ＰＮ符号系列を用いる磁気式あるいは静電式など他方式でも同様に本発明を適用できることは言うまでもない。

本発明は、アブソリュート型リニアエンコーダとそのアブソリュート型リニアエンコーダを使用したアクチュエータに係り、特に、装置のコンパクト化が容易であって信頼性が高く、且つ、低コスト化できてアブソリュート信号を安定して検出することができるように工夫したものに関し、例えば、精密位置決めシステムに好適である。

１ ハウジング
３ スライダ
５ ボールネジ
７ 駆動モータ
９ ガイド
１１ ガイド
２１ リニアスケール部
２３ 検出ヘッド部
２５ コントローラ部
３１ 位相検出用リニアスケール
３３ アブソリュートリニアスケール
３５ 位相検出用リニアスケール用光学検出器）
３７ アブソリュートリニアスケール用光学検出器
４１ 位相演算器
４３ 絶対位置データ演算器
４５ 絶対位置データ構成器
４７ トランシーバ
４９ トランシーバ
５１ コントローラ

Claims (9)

1. スケールパターンの符号系列が狭帯域化のための変調が施されたパターンであるアブソリュートリニアスケールを用いることを特徴とするアブソリュート型リニアエンコーダ。
2. 請求項１記載のアブソリュート型リニアエンコーダにおいて、
   符号系列の１ビット幅より狭い符号幅を持つことを特徴とするアブソリュート型リニアエンコーダ。
3. 請求項１記載のアブソリュート型リニアエンコーダにおいて、
   スケールパターンの符号系列がＰＮ符号系列であることを特徴とするアブソリュート型リニアエンコーダにおいて、
4. 請求項１記載のアブソリュート型リニアエンコーダにおいて、
   位相シフトを行っている変調を用いていることを特徴とするアブソリュート型リニアエンコーダにおいて、
5. 請求項１記載のアブソリュート型リニアエンコーダにおいて、
   差動あるいは差分検出を用いていることを特徴とするアブソリュート型リニアエンコーダ。
6. 請求項１記載のアブソリュート型リニアエンコーダにおいて、
   位相検出用リニアスケールを用いアブソリュートリニアスケールの位相を検出することを特徴とするアブソリュート型リニアエンコーダ。
7. 請求項１記載のアブソリュート型リニアエンコーダにおいて、
   スケール基材に樹脂フィルムを用いていることを特徴とするアブソリュート型リニアエンコーダ。
8. 請求項１記載のアブソリュート型リニアエンコーダにおいて、
   アブソリュートリニアスケールや位相検出用リニアスケールが印刷により製造されていることを特徴とするアブソリュート型リニアエンコーダ。
9. 請求項１〜請求項８の何れかに記載のアブソリュート型リニアエンコーダを用いたことを特徴とするアクチュエータ。
   

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