JP2014119326A - アブソリュートエンコーダ - Google Patents

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Abstract

【課題】計測精度の点で有利なアブソリュートエンコーダを提供する。
【解決手段】アブソリュートエンコーダであって、第１マークと第２マークとが配列されたスケールと、前記スケールからの光を検出して、前記第１マークに対応する第１ピーク値と前記第２マークに対応する前記第１ピーク値より小さい第２ピーク値とを含むピーク値が周期的に現れる周期信号を出力する検出部と、前記検出部から出力される周期信号における前記第１ピーク値及び前記第２ピーク値を２値化して符号列を得る処理部と、を有し、前記処理部は、前記第１ピーク値が前記２値化のための閾値より大きく、且つ、前記第２ピーク値が前記閾値より小さくなるように、校正を行う機能を有する、ことを特徴とするアブソリュートエンコーダを提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、アブソリュートエンコーダに関する。
産業用装置（加工装置）や計測装置では、位置又は角度を計測するエンコーダが用いられている。例えば、光学式のエンコーダは、光源からの光をスケールに照射し、スケールからの透過光又は反射光を光電変換素子で検出する。光源及び光電変換素子は、移動又は回転する計測対象物に取り付けられ、スケールは、基準となる構造体に取り付けられる。また、計測対象物にスケールを取り付け、構造体に光源及び光電変換素子を取り付けてもよい。
エンコーダは、一般的に、インクリメンタルエンコーダとアブソリュートエンコーダとに大別される。ここで、インクリメンタルエンコーダは、相対位置を計測するインクリメンタルリニアエンコーダや相対角度を計測するインクリメンタルロータリーエンコーダを含む。アブソリュートエンコーダは、絶対位置を計測するアブソリュートリニアエンコーダや絶対角度を計測するアブソリュートロータリーエンコーダを含む。
インクリメンタルエンコーダでは、スケールに等間隔で透過膜又は反射膜が形成され、光電変換素子から出力される光強度信号は一定周期の正弦波信号となる。そして、信号処理部において、かかる正弦波信号の波数をカウントすると共に、周期内の位相を詳細に分割して計測分解能及び精度を向上させている。一方、アブソリュートエンコーダでは、スケールに透過膜又は反射膜で擬似乱数コードが形成され、光電変換素子から擬似乱数コードに応じた光強度信号が出力される。そして、信号処理部において、擬似乱数コードと絶対位置又は絶対角度との対応関係を表すテーブルを参照して、光電変換素子から出力された光強度信号に対応する絶対位置又は絶対角度を算出する。この際、光強度信号に含まれる擬似乱数コードの位相を詳細に分割することで、インクリメンタルエンコーダと同様に、計測分解能及び精度を向上させることが可能である。
このように、エンコーダは、光源、スケール、光電変換素子及び信号処理部で構成されるが、光電変換素子から出力される光強度（光強度信号）は、様々な要因によって所定の値にならない。例えば、光源から射出される光の光強度は、駆動電流値や温度により変化し、且つ、経時変化により低下する傾向がある。また、スケールに形成される透過膜又は反射膜には、製造工程によりばらつきが生じるため、同一のスケールでも透過率又は反射率のばらつきが生じる。更に、個々のスケール間でも透過率又は反射率のばらつきが生じるため、光強度は所定の値にはならない。また、スケールや光源及び光電変換素子の取り付けによっても光強度は変化するため、所定の値にはならない。
そこで、インクリメンタルエンコーダの光電変換素子から出力される光強度信号を安定化させる技術が提案されている（特許文献１及び２参照）。特許文献１には、９０°の位相差を有する２つの光強度信号、即ち、Ａ相信号とＢ相信号の自乗和平方根を演算し、その値が一定値となるように光源を制御する技術が開示されている。また、特許文献２には、Ａ相信号及びＢ相信号の正負のピーク値を抽出し、かかるピーク値と基準値との比較結果に基づいて光強度信号のゲインを調整して振幅を所定の値に制御する技術が開示されている。
一方、アブソリュートエンコーダについては、Ｍ系列符号などの擬似乱数系列を表すスケールとして、その透過率又は反射率を０％及び１００％の２値ではなく、０％、５０％及び１００％の３値とするものが提案されている（特許文献３参照）。かかるエンコーダでは、５０％と１００％との間に閾値を設定して光強度信号を０又は１に２値化し、それによって得られた符号列（コード）をデコードして絶対位置又は絶対角度を計測する。この場合、光強度信号は擬似乱数系列に従うため、通常のインクリメンタルエンコーダのような一定振幅を有する正弦波信号にはならない。換言すれば、５０％及び１００％の透過率又は反射率の領域が擬似乱数としてスケールに形成されているため、得られる光強度信号には、５０％及び１００％のピーク値がランダムに現れる。
特開２００１−３１１６３０号公報 特開平９−１２７１４１号公報 特開２０１２−３７３９２号公報
産業用装置や計測装置に用いられるエンコーダは、環境変化（温度変化）、経時変化、スケールや光源及び光電変換素子の取り付け、スケールの製造ばらつきなどに関わらず、光強度信号を安定化して位置又は角度を高精度に計測する必要がある。
しかしながら、特許文献３では、上述したように、光電変換素子から出力される光強度信号は、特許文献１及び２に開示されているような一定振幅を有する正弦波信号ではなく、例えば、２種類の振幅がランダムに現れる信号となる。従って、環境変化、経時変化、取り付け、製造のばらつきなどによらずに光強度信号を所定の値に調整しようとしても、特許文献１や特許文献２に開示された技術を適用することができない。
本発明は、このような従来技術の課題に鑑みてなされ、計測精度の点で有利なアブソリュートエンコーダを提供することを例示的目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の一側面としてのアブソリュートエンコーダは、第１マークと第２マークとが配列されたスケールと、前記スケールからの光を検出して、前記第１マークに対応する第１ピーク値と前記第２マークに対応する前記第１ピーク値より小さい第２ピーク値とを含むピーク値が周期的に現れる周期信号を出力する検出部と、前記検出部から出力される周期信号における前記第１ピーク値及び前記第２ピーク値を２値化して符号列を得る処理部と、を有し、前記処理部は、前記第１ピーク値が前記２値化のための閾値より大きく、且つ、前記第２ピーク値が前記閾値より小さくなるように、校正を行う機能を有する、ことを特徴とする。
本発明の更なる目的又はその他の側面は、以下、添付図面を参照して説明される好ましい実施形態によって明らかにされるであろう。
本発明によれば、例えば、計測精度の点で有利なアブソリュートエンコーダを提供することができる。
本発明の第１の実施形態におけるアブソリュートエンコーダの構成を示す概略ブロック図である。 図１に示すアブソリュートエンコーダの光源から検出部までの構成の一例、及び、検出部から出力される光強度信号の一例を示す図である。 図１に示すアブソリュートエンコーダの検出部から出力された光強度信号が正常である場合と、異常である場合とを示す図である。 図１に示すアブソリュートエンコーダの校正部による校正を説明するためのフローチャートである。 本発明の第２の実施形態におけるアブソリュートエンコーダの構成を示す概略ブロック図である。 本発明の第３の実施形態におけるアブソリュートエンコーダの構成を示す概略ブロック図である。 本発明の第４の実施形態におけるアブソリュートエンコーダの構成を示す概略ブロック図である。 本発明の第５の実施形態におけるアブソリュートエンコーダの構成を示す概略ブロック図である。 図８に示すアブソリュートエンコーダの検出部から出力される光強度信号の一例を示す図である。 図８に示すアブソリュートエンコーダの校正部による校正を説明するためのフローチャートである。 図８に示すアブソリュートエンコーダの検出部から出力される光強度信号の一例を示す図である。
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施の形態について説明する。なお、各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。
＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態におけるアブソリュートエンコーダ１Ａの構成を示す概略ブロック図である。アブソリュートエンコーダ１Ａは、産業用装置（加工装置）や計測装置に好適に用いられる。アブソリュートエンコーダ１Ａは、本実施形態では、位置（絶対位置）を計測するリニアエンコーダであるが、角度（絶対角度）を計測するロータリーエンコーダであってもよい。
アブソリュートエンコーダ１Ａは、図１に示すように、光源１０と、スケール２０と、検出部３０と、増幅部４０と、ＡＤ変換部５０と、処理部１００とを有する。
光源１０は、ＬＥＤなどを含み、ドライバ６０によって駆動されてスケール２０を照射する光を射出する。スケール２０には、擬似乱数コード、例えば、Ｍ系列巡回符号が透過膜又は反射膜で形成されているため、スケール２０を通過した光は、擬似乱数コードに応じた光強度となる。検出部３０は、例えば、ＣＭＯＳイメージセンサやＣＣＤセンサなどの光電変換素子で構成され、スケール２０からの光を検出する。
検出部３０から出力された信号（光強度信号）は、電流／電圧変換アンプ（不図示）によって電圧信号に変換される。かかる電圧信号は、必要に応じて、増幅部４０で増幅される。ＡＤ変換部５０は、増幅部４０から出力されたアナログ信号をデジタル信号に変換する。処理部１００は、ＡＤ変換部５０から出力されたデジタル信号（即ち、検出部３０から出力される信号）に基づいて、スケール２０の絶対位置を求めるための信号処理を行う。
処理部１００は、ＦＰＧＡ（Ｆｉｌｅｄ Ｐｒｏｇｒａｍａｂｌｅ Ａｌｌａｙ）やＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）などの高速デジタル信号処理器で構成される。処理部１００は、補正部１１０と、校正部２００と、スケール２０の絶対位置を算出する算出部３００とを有する。また、校正部２００は、本実施形態では、抽出部２１０と、特定部２２０と、設定部２３０とを含む。算出部３００は、比較部１２０と、位置算出部１３０とを含む。
補正部１１０は、必要に応じて、ＡＤ変換部５０から出力された信号にオフセット補正やゲイン補正を施す。比較部１２０は、補正部１１０から出力された信号を閾値と比較して、閾値よりも大きいか小さいかを表す２値信号（０又は１の信号）に変換する。位置算出部１３０は、比較部１２０からの２値信号に基づいて、スケール２０の絶対位置を算出する。
ここで、図２を参照して、アブソリュートエンコーダ１Ａの光源１０から検出部３０までの構成の一例、及び、検出部３０から出力される光強度信号の一例を説明する。
光源１０から射出された光は、コリメータレンズ１２を介して平行光となり、スケール２０に照射される。本実施形態では、スケール２０には、互いに透過率の異なる第１マーク２２、第２マーク２４及び第３マーク２６が形成（配列）されている（即ち、３値の透過率を有する）。例えば、第１マーク２２は、１００％の透過率を有し、第２マーク２４は、５０％の透過率を有し、第３マーク２６は、０％の透過率を有する。この場合、検出部３０から出力される光強度信号は、第１マーク２２（を透過した光）に対応する第１ピーク値と、第２マーク２４（を透過した光）に対応する第２ピーク値と、第３マーク２６に対応する最低値とを含む。このような光強度信号は、図２に示すように、第１ピーク値と第２ピーク値とを含むピーク値が周期的に現れる周期信号である。
検出部３０から出力される光強度信号（第１ピーク及び第２ピーク）は、比較部１２０において、閾値と比較され、閾値以上であれば１、閾値以下であれば０とする２値信号に変換される。換言すれば、検出部３０から出力される光強度信号における第１ピーク値及び第２ピーク値を２値化して符号列を得る。かかる２値信号は、スケール２０の位置に応じた擬似乱数コードを示し、位置算出部１３０において、擬似乱数コードと絶対位置との対応関係を表すテーブルを参照することで、スケール２０の絶対位置を算出する。光強度信号に含まれるピーク値の周期又は最低値の周期は、一定であり、通常、数μｍ〜数百μｍ程度の間隔である。光強度信号に含まれるピーク値の周期又は最低値の周期が短いほど、絶対位置の分解能は向上し、光強度信号に含まれるピーク値の周期又は最低値の周期が長いほど、絶対位置の分解能は低下する。
例えば、光強度信号に含まれるピーク値の周期又は最低値の周期が１００μｍ、擬似乱数コードが１６ｂｉｔである場合、絶対位置の分解能は１００μｍであり、最大計測可能レンジは１００μｍの１６ｂｉｔ倍に相当する６．５５３６ｍとなる。また、光強度信号に含まれるピーク値の周期又は最低値の周期が１００μｍ、擬似乱数コードが１２ｂｉｔである場合には、絶対位置の分解能は１００μｍであるが、最大計測可能レンジは０．４０９６ｍとなる。
光強度信号に含まれるピーク値の周期又は最低値の周期に対して複数の光電変換素子が配置されるように、検出部３０は構成されている。例えば、１周期に対して１０個の光電変換素子が配置されるように検出部３０を構成する場合、擬似乱数コードを１６ｂｉｔとすると、検出部３０を構成する光電変換素子の数は１６０個となる。
３値の透過率（又は反射率）を有するスケール２０を用いたアブソリュートエンコーダ１Ａの詳細については、特許文献３に開示されている。アブソリュートエンコーダ１Ａでは、スケール２０からの光の光強度を３値としているため、アブソリュートエンコーダとして絶対位置を計測すると共に、位相分割によりインクリメンタルエンコーダと同等の計測分解能及び精度を実現することができる。このように、アブソリュートエンコーダ１Ａは、擬似乱数コードによる２値の透過率を有するアブソリュートスケール及び規則正しく周期的な強度変化を繰り返す２値の透過率を有するインクリメントスケールの２つのスケールを有していない。但し、アブソリュートエンコーダ１Ａは、３値の透過率を有するスケール２０を有しているため、１つのスケールであっても、高計測分解能、且つ、高精度なアブソリュートエンコーダを構成することが可能である。
アブソリュートエンコーダ１Ａにおいて、３値の透過率を有するスケール２０による擬似乱数コードに従った光強度信号は、通常のインクリメンタルエンコーダのような一定振幅を有する正弦波信号とはならない。スケール２０には、１００％の透過率を有する第１マーク２２と５０％の透過率を有する第２マーク２４とが乱数として形成されている。従って、検出部３０では、第１マーク２２に対応する第１ピーク値と第２マーク２４に対応する第２ピーク値とがランダムに検出される。
一方、上述したように、産業用装置や計測装置に用いられるエンコーダは、環境変化（温度変化）、経時変化、スケールや光源及び検出部（光電変換素子）の取り付け、スケールの製造ばらつきなどに関わらず、位置又は角度を高精度に計測する必要がある。従って、環境変化、経時変化、スケールや光源及び検出部の取り付け、スケールの製造ばらつきなどに関わらず、検出部から出力され、処理部で処理される光強度信号を安定化することが必要となる。
例えば、検出部３０から出力された光強度信号が正常である場合と、検出部３０から出力された光強度信号が異常である場合（環境変化、経時変化、スケールや光源及び検出部の取り付け、スケールの製造ばらつきなどの影響を受けている場合）とを図３に示す。
図３（ａ）は、検出部３０から出力される光強度信号が正常である場合を示している。この場合、比較部１２０において、光強度信号（に含まれる第１ピーク値及び第２ピーク値）と閾値とを比較すると、かかる光強度信号は、正常な２値信号に変換される。具体的には、図３（ａ）に示すように、光強度信号に含まれる１番目のピーク値Ｐｋ１及び２番目のピーク値Ｐｋ２（第１ピーク値）は閾値よりも大きいため、比較部１２０から出力される２値信号は、「１」、「１」となる。一方、光強度信号に含まれる３番目のピーク値Ｐｋ３及び４番目のピーク値Ｐｋ４（第２ピーク値）は閾値よりも小さいため、比較部１２０から出力される２値信号は、「０」、「０」となる。また、光強度信号に含まれる５番目のピーク値Ｐｋ５（第１ピーク値）は閾値よりも大きいため、比較部１２０から出力される２値信号は、「１」となる。従って、比較部１２０から出力される２値信号は、「１、１、０、０、１」となる。
図３（ｂ）は、検出部３０から出力される光強度信号が小さい場合を示している。この場合、比較部１２０において、光強度信号と閾値とを比較すると、光強度信号に含まれる全てのピーク値Ｐｋ１乃至Ｐｋ５が閾値未満となるため、比較部１２０から出力される２値信号は、「０、０、０、０、０」となる。このように、比較部１２０から誤った２値信号が出力されると、位置算出部１３０は、誤った絶対位置を算出してしまう。
図３（ｃ）は、検出部３０から出力される光強度信号が大きい場合を示している。この場合、比較部１２０において、光強度信号と閾値とを比較すると、光強度信号に含まれる全てのピーク値Ｐｋ１乃至Ｐｋ５が閾値を超えているため、比較部１２０から出力される２値信号は、「１、１、１、１、１」となる。このように、比較部１２０から誤った２値信号が出力されると、位置算出部１３０は、誤った絶対位置を算出してしまう。
そこで、アブソリュートエンコーダ１Ａは、上述したような絶対位置の算出処理（算出部３００による算出処理）が正しく行われるように、校正部２００を有する。校正部２００は、光強度信号に含まれる第１ピーク値が閾値よりも大きく、且つ、第２ピーク値が閾値よりも小さくなるように、検出部３０から出力される光強度信号と閾値との関係を校正する。換言すれば、校正部２００は、光強度信号に含まれる第１ピーク値が２値化のための閾値よりも大きく、且つ、第１ピーク値より小さい第２ピーク値が２値化のための閾値より小さくなるように、校正を行う機能を有する。
図１、図３及び図４を参照して、校正部２００による校正について具体的に説明する。上述したように、スケール２０には、１００％の透過率を有する第１マーク２２と５０％の透過率を有する第２マーク２４とが乱数として形成されている。従って、検出部３０では、第１マーク２２に対応する第１ピーク値（最大ピーク値）と第２マーク２４に対応する第２ピーク値（中間ピーク値）とがランダムに検出される。ここで、光強度信号に含まれる最低値と次の最低値との間隔、或いは、ピーク値と次のピーク値との間隔は、スケール２０に形成されるマークの間隔によって決定され、それらの周期は一定である。本実施形態では、それらの周期を光強度信号の１周期とする。
図４に示すように、Ｓ４０２において、抽出部２１０は、検出部３０からの光強度信号（本実施形態では、補正部１１０からのオフセット補正やゲイン補正が施された信号）の１周期ごとに最大値（ピーク値）を抽出する。例えば、図３（ａ）乃至図３（ｃ）に示す光強度信号に対して、抽出部２１０は、１周期ごとの最大値、即ち、最低値から次の最低値までの間隔におけるピーク値Ｐｋ１乃至Ｐｋ５を抽出する。
Ｓ４０４において、特定部２２０は、Ｓ４０２で抽出した最大値から、最も大きな最大値（第１最大値）Ｖｍａｘと、最も小さな最大値（第２最大値）Ｖｍｉｎとを特定する。例えば、図３（ｂ）及び図３（ｃ）では、特定部２２０は、ピーク値Ｐｋ１乃至Ｐｋ５から、ピーク値Ｐｋ１を最も大きな最大値Ｖｍａｘとして特定し、ピーク値Ｐｋ４を最も小さな最大値Ｖｍｉｎとして特定する。
Ｓ４０６において、設定部２３０は、Ｓ４０４で特定された最も大きな最大値Ｖｍａｘと予め定められた基準値（第１基準値）ＶＬとを比較し、Ｓ４０４で特定された最も小さな最大値Ｖｍｉｎと予め定められた基準値（第２基準値）ＶＨとを比較する。ここで、基準値ＶＬは、閾値よりも大きな値であり、基準値ＶＨは、閾値よりも小さな値である。また、Ｓ４０６では、Ｓ４０４で特定された最も大きな最大値Ｖｍａｘ及び最も小さな最大値Ｖｍｉｎと閾値とを比較してもよい。
Ｓ４０８において、設定部２３０は、Ｓ４０６での比較結果に基づいて、最大値Ｖｍａｘが基準値ＶＬ以上（第１基準値以上）となり、最大値Ｖｍｉｎが基準値ＶＨ以下（第２基準値以下）となるように、光源１０から射出される光の強度を設定する。
例えば、図３（ｂ）では、設定部２３０は、最も大きな最大値Ｖｍａｘが、基準値ＶＬを下限値としてそれ以上となるように、光源１０を駆動する電流値の下限値ＩＬを決定する。また、設定部２３０は、最も小さな最大値Ｖｍｉｎが、基準値ＶＨを上限値としてそれ以下となるように、光源１０を駆動する電流値の上限値ＩＨを決定する。ここで、光源１０を駆動する電流値と光の強度との関係は、予め計測して取得してもよいし、設計値を用いてもよい。また、基準値ＶＬ及びＶＨではなく、閾値からの比率によって下限値及び上限値を決めておき、電流値の下限値ＩＬ及び上限値ＩＨを決定してもよい。そして、設定部２３０は、このように決定した下限値ＩＬ以上、且つ、上限値ＩＨ以下となるように、光源１０の駆動電流値をドライバ６０に設定する。例えば、光源１０の駆動電流値は、下限値ＩＬと上限値ＩＨとの平均値としてもよい。
このように光源１０の駆動電流値が設定されることで、光強度信号に含まれる最も大きな最大値Ｖｍａｘは、基準値ＶＬを下限値としてそれ以上となり、光強度信号に含まれる最も小さな最大値Ｖｍｉｎは、基準値ＶＨを上限値としてそれ以下となる。従って、図３（ａ）に示すように、閾値に対して、光強度信号に含まれるピーク値Ｐｋ１乃至Ｐｋ５が正しく２値に変換され、比較部１２０から出力される２値信号は、「１、１、０、０、１」となる。
これにより、アブソリュートエンコーダ１Ａでは、環境変化、経時変化、スケール２０や光源１０及び検出部３０の取り付け、スケール２０の製造ばらつきなどに関わらず、検出部３０から出力され、処理部１００で処理される光強度信号を安定化することができる。従って、アブソリュートエンコーダ１Ａは、スケール２０の絶対位置を高精度に計測することができる。
本実施形態では、スケール２０に形成する透過率（又は反射率）を０％、５０％及び１００％の３値としたが、これらの値に限定されるものではなく、任意の３値でよい。例えば、スケール２０に０％や１００％の透過率を容易に形成することができない場合には、スケール２０に形成する透過率を１０％、４０％及び９０％や２０％、４０％及び８０％などとしてもよい。この場合にも、光強度信号に含まれる最も大きな最大値Ｖｍａｘ及び最も小さな最大値Ｖｍｉｎを特定して、３値の比率に応じた下限値及び上限値を決定し、その条件を満足するように光源１０の駆動電流値を設定する。これにより、閾値に対して、光強度信号に含まれるピーク値Ｐｋ１乃至Ｐｋ５が正しく２値に変換され（即ち、比較部１２０から正しい２値信号が出力され）、スケール２０の絶対位置を高精度に計測することが可能となる。例えば、スケール２０に形成する透過率が２０％、４０％及び８０％である場合、最大ピーク値は８０％付近の光強度となり、中間ピーク値は４０％付近の光強度となる。そこで、閾値を６０％とし、下限値を６５％、上限値を５５％としてこれを満足するように光源１０の駆動電流値を設定することで、光強度信号を安定化してスケール２０の絶対位置を高精度に計測することができる。
このように、アブソリュートエンコーダ１Ａによれば、光強度信号が一定振幅を有する正弦波信号ではなく、例えば、３値を有するランダム信号であっても、スケール２０の位置を高精度に計測することができる。
＜第２の実施形態＞
図５は、本発明の第２の実施形態におけるアブソリュートエンコーダ１Ｂの構成を示す概略ブロック図である。アブソリュートエンコーダ１Ｂは、アブソリュートエンコーダ１Ａと比較して、処理部１００Ｂ、詳細には、校正部２００Ｂが異なる。校正部２００Ｂは、本実施形態では、抽出部２１０と、特定部２２０と、ゲイン設定部２４０とを含む。
図３及び図５を参照して、校正部２００Ｂによる校正について具体的に説明する。第１の実施形態と同様に、抽出部２１０は、光強度信号の１周期ごとに最大値を抽出し、特定部２２０は、抽出部２１０で抽出された最大値から、最も大きな最大値Ｖｍａｘと、最も小さな最大値Ｖｍｉｎとを特定する。
ゲイン設定部２４０は、特定部２２０で特定された最も大きな最大値Ｖｍａｘと予め定められた基準値ＶＬとを比較し、特定部２２０で特定された最も小さな最大値Ｖｍｉｎと予め定められた基準値ＶＨとを比較する。また、ゲイン設定部２４０は、その比較結果に基づいて、基準値ＶＬを最大値Ｖｍａｘで除算した値以上、且つ、基準値ＶＨを最大値Ｖｍｉｎで除算した値以下となるように、増幅部４０における信号の増幅率（ゲイン）を設定する。
例えば、図３（ｂ）では、ゲイン設定部２４０は、最も大きな最大値Ｖｍａｘから、基準値ＶＬを下限値とする下限ゲインＧＬ＝ＶＬ／Ｖｍａｘを算出し、最も小さな最大値Ｖｍｉｎから、基準値ＶＨを上限値とする上限ゲインＧＨ＝ＶＨ／Ｖｍｉｎを算出する。そして、ゲイン設定部２４０は、下限ゲインＧＬ以上、且つ、上限ゲインＧＨ以下となるように増幅部４０におけるゲインを設定する。例えば、増幅部４０におけるゲインは、下限ゲインＧＬと上限ゲインＧＨとの平均値としてもよい。
このように増幅部４０におけるゲインが設定されることで、光強度信号に含まれる最も大きな最大値Ｖｍａｘは、基準値ＶＬを下限値としてそれ以上となり、光強度信号に含まれる最も小さな最大値Ｖｍｉｎは、基準値ＶＨを上限値としてそれ以下となる。従って、図３（ａ）に示すように、閾値に対して、光強度信号に含まれるピーク値Ｐｋ１乃至Ｐｋ５が正しく２値に変換され、比較部１２０から出力される２値信号は、「１、１、０、０、１」となる。
アブソリュートエンコーダ１Ｂによれば、環境変化、経時変化、スケール２０や光源１０及び検出部３０の取り付け、スケール２０の製造ばらつきなどに関わらず、検出部３０から出力され、処理部１００Ｂで処理される光強度信号を安定化することができる。従って、アブソリュートエンコーダ１Ｂは、スケール２０の絶対位置を高精度に計測することができる。
＜第３の実施形態＞
図６は、本発明の第３の実施形態におけるアブソリュートエンコーダ１Ｃの構成を示す概略ブロック図である。アブソリュートエンコーダ１Ｃは、アブソリュートエンコーダ１Ａと比較して、処理部１００Ｃ、詳細には、校正部２００Ｃが異なる。校正部２００Ｃは、本実施形態では、抽出部２１０と、特定部２２０と、時間設定部２５０とを含む。
図３及び図６を参照して、校正部２００Ｃによる校正について具体的に説明する。第１の実施形態と同様に、抽出部２１０は、光強度信号の１周期ごとに最大値を抽出し、特定部２２０は、抽出部２１０で抽出された最大値から、最も大きな最大値Ｖｍａｘと、最も小さな最大値Ｖｍｉｎとを特定する。
時間設定部２５０は、特定部２２０で特定された最も大きな最大値Ｖｍａｘと予め定められた基準値ＶＬとを比較し、特定部２２０で特定された最も小さな最大値Ｖｍｉｎと予め定められた基準値ＶＨとを比較する。また、時間設定部２５０は、その比較結果に基づいて、基準値ＶＬを最大値Ｖｍａｘで除算した値以上、且つ、基準値ＶＨを最大値Ｖｍｉｎで除算した値以下となるように、検出部３０を構成する光電変換素子の蓄積時間を設定する。
例えば、図３（ｂ）では、時間設定部２５０は、最も大きな最大値Ｖｍａｘから、基準値ＶＬを下限値とする下限蓄積時間比率ＴＬ＝ＶＬ／Ｖｍａｘを算出する。同様に、時間設定部２５０は、最も小さな最大値Ｖｍｉｎから、基準値ＶＨを上限値とする上限蓄積時間比率ＴＨ＝ＶＨ／Ｖｍｉｎを算出する。そして、時間設定部２５０は、下限蓄積時間比率ＴＬ以上、且つ、上限蓄積時間比率ＴＨ以下となるように検出部３０を構成する光電変換素子の蓄積時間を設定する。例えば、検出部３０を構成する光電変換素子の蓄積時間は、下限蓄積時間比率ＴＬと上限蓄積時間比率ＴＨとの平均値としてもよい。光電変換素子の蓄積時間を長くすると、検出される光強度は増加し、光電変換素子の蓄積時間を短くすると、検出される光強度は低下する。
このように光電変換素子の蓄積時間が設定されることで、光強度信号に含まれる最も大きな最大値Ｖｍａｘは、基準値ＶＬを下限値としてそれ以上となり、光強度信号に含まれる最も小さな最大値Ｖｍｉｎは、基準値ＶＨを上限値としてそれ以下となる。従って、図３（ａ）に示すように、閾値に対して、光強度信号に含まれるピーク値Ｐｋ１乃至Ｐｋ５が正しく２値に変換され、比較部１２０から出力される２値信号は、「１、１、０、０、１」となる。
アブソリュートエンコーダ１Ｃによれば、環境変化、経時変化、スケール２０や光源１０及び検出部３０の取り付け、スケール２０の製造ばらつきなどに関わらず、検出部３０から出力され、処理部１００Ｃで処理される光強度信号を安定化することができる。従って、アブソリュートエンコーダ１Ｃは、スケール２０の絶対位置を高精度に計測することができる。
＜第４の実施形態＞
図７は、本発明の第４の実施形態におけるアブソリュートエンコーダ１Ｄの構成を示す概略ブロック図である。アブソリュートエンコーダ１Ｄは、アブソリュートエンコーダ１Ａと比較して、処理部１００Ｄ、詳細には、校正部２００Ｄが異なる。校正部２００Ｄは、本実施形態では、抽出部２１０と、特定部２２０と、閾値設定部２６０とを含む。
図３及び図７を参照して、校正部２００Ｄによる校正について具体的に説明する。第１の実施形態と同様に、抽出部２１０は、光強度信号の１周期ごとに最大値を抽出し、特定部２２０は、抽出部２１０で抽出された最大値から、最も大きな最大値Ｖｍａｘと、最も小さな最大値Ｖｍｉｎとを特定する。
閾値設定部２６０は、最も大きな最大値Ｖｍａｘよりも小さく、且つ、最も小さな最大値Ｖｍｉｎよりも大きくなるように、比較部１２０における閾値を設定する。例えば、比較部１２０における閾値は、最も大きな最大値Ｖｍａｘと最も小さな最大値Ｖｍｉｎとの平均値としてもよい。
このように比較部１２０における閾値が設定されることで、光強度信号に含まれる最も大きな最大値Ｖｍａｘは、閾値以上となり、光強度信号に含まれる最も小さな最大値Ｖｍｉｎは、閾値以下となる。従って、図３（ａ）に示すように、閾値に対して、光強度信号に含まれるピーク値Ｐｋ１乃至Ｐｋ５が正しく２値に変換され、比較部１２０から出力される２値信号は、「１、１、０、０、１」となる。
アブソリュートエンコーダ１Ｄによれば、環境変化、経時変化、スケール２０や光源１０及び検出部３０の取り付け、スケール２０の製造ばらつきなどに関わらず、検出部３０から出力され、処理部１００Ｄで処理される光強度信号を安定化することができる。従って、アブソリュートエンコーダ１Ｄは、スケール２０の絶対位置を高精度に計測することができる。
＜第５の実施形態＞
図８は、本発明の第５の実施形態におけるアブソリュートエンコーダ１Ｅの構成を示す概略ブロック図である。アブソリュートエンコーダ１Ｅは、アブソリュートエンコーダ１Ａと比較して、処理部１００Ｅ、詳細には、校正部２００Ｅが異なる。校正部２００Ｅは、本実施形態では、抽出部２１０と、特定部２２０と、設定部２３０と、保持部２７０とを含む。
検出部３０から出力される光強度信号は、環境変化、経時変化、スケール２０や光源１０及び検出部３０の取り付けの他に、スケール２０の製造ばらつきによっても異なる場合がある。例えば、スケール２０に１００％の透過率を有する第１マーク２２、５０％の透過率を有する第２マーク２４及び０％の透過率を有する第３マーク２６を形成すると、製造ばらつきによって、数％から数十％の透過率のばらつきが生じる場合がある。例えば、スケール２０に形成されるマークの透過率のばらつきの最大値を＋ΔＰ１及び−ΔＰ２とする。これらの透過率のばらつきの最大値は、スケール２０を実際に計測してもよいし、設計値を用いてもよい。スケール２０に形成されるマークの透過率のばらつきの最大値＋ΔＰ１及び−ΔＰ２は、保持部２７０に保持される。
図９は、スケール２０に形成されるマークの透過率（又は反射率）のばらつきが生じた場合において、検出部３０から出力される光強度信号の一例を示す図である。図９を参照するに、第１マーク２２に対応する第１ピーク値であるピーク値Ｐｋ１、Ｐｋ２及びＰｋ５が同じ光強度とならずに、また、第２マーク２４に対応する第２ピーク値であるピーク値Ｐｋ３及ぶＰｋ４が同じ光強度とならずに、ばらついている。
図３、図８及び図１０を参照して、校正部２００Ｅによる校正について具体的に説明する。Ｓ９０２及びＳ９０４は、図４に示すＳ４０２及びＳ４０４と同様であるため、ここでの詳細な説明は省略する。
Ｓ９０６において、特定部２２０は、保持部２７０に保持された透過率のばらつきの最大値＋ΔＰ１及び−ΔＰ２に基づいて、最も大きな最大値Ｖｍａｘ及び最も小さな最大値Ｖｍｉｎから補正最大値Ｖｍａｘ＿ｍｉｎ及びＶｍｉｎ＿ｍａｘを算出する。例えば、特定部２２０は、最大値Ｖｍａｘに対して、補正最大値Ｖｍａｘ＿ｍｉｎ＝Ｖｍａｘ×（１−ΔＰ２）を算出する。補正最大値Ｖｍａｘ＿ｍｉｎは、光強度が最も低くなる最大値である。また、特定部２２０は、最大値Ｖｍｉｎに対して、補正最大値Ｖｍｉｎ＿ｍａｘ＝Ｖｍｉｎ×（１＋ΔＰ１）を算出する。補正最大値Ｖｍｉｎ＿ｍａｘは、光強度が最も高くなる最小値である。
Ｓ９０８において、設定部２３０は、Ｓ９０６で算出された補正最大値Ｖｍａｘ＿ｍｉｎと予め定められた基準値ＶＬとを比較し、Ｓ９０６で算出された補正最大値Ｖｍｉｎ＿ｍａｘと予め定められた基準値ＶＨとを比較する。
Ｓ９１０において、設定部２３０は、Ｓ９０８での比較結果に基づいて、補正最大値Ｖｍａｘ＿ｍｉｎが基準値ＶＬ以上となり、補正最大値Ｖｍｉｎ＿ｍａｘが基準値ＶＨ以下となるように、光源１０から射出される光の強度を設定する。
このように光源１０の駆動電流値が設定されることで、光強度信号に含まれる最も大きな最大値Ｖｍａｘは、基準値ＶＬを下限値としてそれ以上となり、光強度信号に含まれる最も小さな最大値Ｖｍｉｎは、基準値ＶＨを上限値としてそれ以下となる。従って、図３（ａ）に示すように、閾値に対して、光強度信号に含まれるピーク値Ｐｋ１乃至Ｐｋ５が正しく２値に変換され、比較部１２０から出力される２値信号は、「１、１、０、０、１」となる。
アブソリュートエンコーダ１Ｅによれば、スケール２０に形成されるマークの透過率のばらつき（スケール２０の製造ばらつき）を考慮して、検出部３０から出力され、処理部１００Ｂで処理される光強度信号を安定化することができる。従って、アブソリュートエンコーダ１Ｅは、スケール２０の絶対位置を高精度に計測することができる。
本実施形態では、Ｓ９１０において、Ｓ９０８での比較結果に基づいて、光源１０から射出される光の強度を設定しているが、これに限定されるものではない。Ｓ９１０においては、Ｓ９０８での比較結果に基づいて、第２の実施形態、第３の実施形態及び第４の実施形態のように、増幅部４０におけるゲイン、光電変換素子の蓄積時間及び比較部１２０における閾値を設定してもよい。
＜第６の実施形態＞
本発明の第６の実施形態におけるアブソリュートエンコーダの構成は、第５の実施形態におけるアブソリュートエンコーダ１Ｅと同じである。図１１は、スケール２０に形成されるマークの透過率（又は反射率）のばらつきが生じた場合において、検出部３０から出力される光強度信号の一例を示す図である。図１１を参照するに、第１マーク２２に対応する第１ピーク値であるピーク値Ｐｋ１、Ｐｋ２及びＰｋ５が同じ光強度とならずに、また、第２マーク２４に対応する第２ピーク値であるピーク値Ｐｋ３及ぶＰｋ４が同じ光強度とならずに、ばらついている。
図１１を参照して、校正部２００Ｅによる校正について具体的に説明する。第５の実施形態と同様に、抽出部２１０は、光強度信号の１周期ごとに最大値を抽出し、特定部２２０は、抽出部２１０で抽出された最大値から、最も大きな最大値Ｖｍａｘと、最も小さな最大値Ｖｍｉｎとを特定する（第１特定部）。
また、特定部２２０は、最も大きな最大値Ｖｍａｘと最も小さな最大値Ｖｍｉｎとの間の中間値（第１値）Ｖｍｉｄを算出する。そして、特定部２２０は、抽出部２１０で抽出された最大値から、最大値Ｖｍａｘよりも小さく、且つ、中間値Ｖｍｉｄよりも大きくて中間値Ｖｍｉｄに最も近い最大値（第３最大値）Ｖｍａｘ＿ｍｉｎを特定する（第２特定部）。同様に、特定部２２０は、抽出部２１０で抽出された最大値から、最大値Ｖｍｉｎよりも大きく、且つ、中間値Ｖｍｉｄよりも小さくて中間値Ｖｍｉｄに最も近い最大値（第４最大値）Ｖｍｉｎ＿ｍａｘを特定する（第２特定部）。ここで、中間値Ｖｍｉｄは、例えば、最も大きな最大値Ｖｍａｘと最も小さな最大値Ｖｍｉｎとの平均値（（Ｖｍａｘ＋Ｖｍｉｎ）／２）とすればよい。
例えば、図１１では、特定部２２０は、ピーク値Ｐｋ１乃至Ｐｋ５から、ピーク値Ｐｋ１を最も大きな最大値Ｖｍａｘとして特定し、ピーク値Ｐｋ４を最も小さな最大値Ｖｍｉｎとして特定し、その中間値Ｖｍｉｄを算出する。次いで、特定部２２０は、ピーク値Ｐｋ１乃至Ｐｋ５から、ピーク値Ｐｋ２を最大値Ｖｍａｘよりも小さく、且つ、中間値Ｖｍｉｄよりも大きくて中間値Ｖｍｉｄに最も近い最大値Ｖｍａｘ＿ｍｉｎとして特定する。同様に、特定部２２０は、ピーク値Ｐｋ１乃至Ｐｋ５から、ピーク値Ｐｋ３を最大値Ｖｍｉｎよりも大きく、且つ、中間値Ｖｍｉｄよりも小さくて中間値Ｖｍｉｄに最も近い最大値Ｖｍｉｎ＿ｍａｘとして特定する。このように、本実施形態では、ピーク値Ｐｋ１、Ｐｋ２及びＰｋ５が同じ光強度とならず、また、ピーク値Ｐｋ３及ぶＰｋ４が同じ光強度とならない場合であっても、閾値に近い最も大きな最大値と最も小さな最大値とを特定することができる。
設定部２３０は、特定部２２０で特定された最大値Ｖｍａｘ＿ｍｉｎと予め定められた基準値ＶＬとを比較し、特定部２２０で特定された最大値Ｖｍｉｎ＿ｍａｘと予め定められた基準値ＶＨとを比較する。そして、設定部２３０は、その比較結果に基づいて、最大値Ｖｍａｘ＿ｍｉｎが基準値ＶＬ以上となり、最大値Ｖｍｉｎ＿ｍａｘが基準値ＶＨ以下となるように、光源１０から射出される光の強度を設定する。
このように光源１０の駆動電流値が設定されることで、光強度信号に含まれる最も大きな最大値Ｖｍａｘは、基準値ＶＬを下限値としてそれ以上となり、光強度信号に含まれる最も小さな最大値Ｖｍｉｎは、基準値ＶＨを上限値としてそれ以下となる。従って、図３（ａ）に示すように、閾値に対して、光強度信号に含まれるピーク値Ｐｋ１乃至Ｐｋ５が正しく２値に変換され、比較部１２０から出力される２値信号は、「１、１、０、０、１」となる。
アブソリュートエンコーダ１Ｅによれば、スケール２０に形成されるマークの透過率のばらつき（スケール２０の製造ばらつき）を考慮して、検出部３０から出力され、処理部１００Ｂで処理される光強度信号を安定化することができる。従って、アブソリュートエンコーダ１Ｅは、スケール２０の絶対位置を高精度に計測することができる。
本実施形態では、光源１０から射出される光の強度を設定しているが、これに限定されるものではない。第２の実施形態、第３の実施形態及び第４の実施形態のように、増幅部４０におけるゲイン、光電変換素子の蓄積時間及び比較部１２０における閾値を設定してもよい。
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されないことはいうまでもなく、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

Claims (10)

  1. アブソリュートエンコーダであって、
    第１マークと第２マークとが配列されたスケールと、
    前記スケールからの光を検出して、前記第１マークに対応する第１ピーク値と前記第２マークに対応する前記第１ピーク値より小さい第２ピーク値とを含むピーク値が周期的に現れる周期信号を出力する検出部と、
    前記検出部から出力される周期信号における前記第１ピーク値及び前記第２ピーク値を２値化して符号列を得る処理部と、を有し、
    前記処理部は、前記第１ピーク値が前記２値化のための閾値より大きく、且つ、前記第２ピーク値が前記閾値より小さくなるように、校正を行う機能を有する、
    ことを特徴とするアブソリュートエンコーダ。
  2. 前記スケールを照射する光を射出する光源を有し、
    前記処理部は、
    前記周期信号の各周期の最大値のうち最も大きな第１最大値と最も小さな第２最大値とを特定し、
    前記第１最大値が前記閾値より大きな第１基準値以上となり、前記第２最大値が前記閾値より小さな第２基準値以下となるように、前記光源から射出される光の強度を設定する、
    ことを特徴とする請求項１に記載のアブソリュートエンコーダ。
  3. 前記検出部から出力される周期信号を増幅する増幅部を有し、
    前記処理部は、
    前記周期信号の各周期の最大値のうち最も大きな第１最大値と最も小さな第２最大値とを特定し、
    前記閾値より大きな第１基準値を前記第１最大値で除算した値以上、且つ、前記閾値より小さな第２基準値を前記第２最大値で除算した値以下となるように、前記増幅部における前記周期信号の増幅率を設定する、
    ことを特徴とする請求項１に記載のアブソリュートエンコーダ。
  4. 前記検出部は、前記スケールからの光を光電変換して前記周期信号を出力する光電変換素子を含み、
    前記処理部は、
    前記周期信号の各周期の最大値のうち最も大きな第１最大値と最も小さな第２最大値とを特定し、
    前記閾値より大きな第１基準値を前記第１最大値で除算した値以上、且つ、前記閾値より小さな第２基準値を前記第２最大値で除算した値以下となる時間比率に基づいて、前記光電変換素子の蓄積時間を設定する、
    ことを特徴とする請求項１に記載のアブソリュートエンコーダ。
  5. 前記処理部は、
    前記周期信号の各周期の最大値のうち最も大きな第１最大値と最も小さな第２最大値とを特定し、
    前記第１最大値より小さく、且つ、前記第２最大値より大きくなるように前記閾値を設定する、
    ことを特徴とする請求項１に記載のアブソリュートエンコーダ。
  6. 前記処理部は、前記第１最大値と前記第２最大値との平均値となるように前記閾値を設定する、ことを特徴とする請求項５に記載のアブソリュートエンコーダ。
  7. 前記処理部は、
    前記周期信号の各周期の最大値のうち最も大きな第１最大値と最も小さな第２最大値とを特定し、
    前記第１マークからの光の強度のばらつきの最大値に基づいて前記第１最大値を補正した値が前記閾値より大きな第１基準値以上となり、前記第２マークからの光の強度のばらつきの最大値に基づいて前記第２最大値を補正した値が前記閾値より小さな第２基準値以下となるように、前記校正を行う機能を有する、ことを特徴とする請求項１に記載のアブソリュートエンコーダ。
  8. 前記処理部は、
    前記周期信号の各周期の最大値のうち、最も大きな第１最大値と、最も小さな第２最大値と、前記第１最大値より小さく、且つ、前記第１最大値と前記第２最大値との間の第１値より大きくて前記第１値に最も近い第３最大値と、前記第２最大値より大きく、且つ、前記第１値より小さくて前記第１値に最も近い第４最大値とを特定し、
    前記第３最大値を補正した値が前記閾値より大きな第１基準値以上となり、前記第４最大値を補正した値が前記閾値より小さな第２基準値以下となるように、前記校正を行う機能を有する、ことを特徴とする請求項１に記載のアブソリュートエンコーダ。
  9. 前記第１値は、前記第１最大値と前記第２最大値との平均値である、ことを特徴とする請求項８に記載のアブソリュートエンコーダ。
  10. 前記スケールには、前記第１マーク及び前記第２マークとは異なる第３マークが１つおきに配置され、２つの前記第３マークの間に前記第１マーク又は前記第２マークが配置されている、ことを特徴とする請求項１乃至９のうちいずれか１項に記載のアブソリュートエンコーダ。
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