JP2016014574A - アブソリュートエンコーダ - Google Patents

Abstract

【課題】演算負荷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】複数種類のマークが配列されたスケール１と、それぞれが前記複数のマークのうちの一部のマーク群を検出して該マーク群に対応する信号を出力する複数の検出部と、前記複数の検出部の出力に基づいて前記スケール１の座標を得る処理部と、を備える。前記スケール１は、前記複数の検出部によってそれぞれ出力された複数の信号を加算することで得られる信号が複数周期分の周期信号を含むように、前記複数のマークが配列される。前記処理部は、前記マーク群のうちのマークに対応する部分ごとの前記複数の信号のうちの少なくとも１つの信号の大きさに基づいて第１位置データを得、前記第１位置データの分解能より小さい分解能を有する第２位置データを前記周期信号の位相に基づいて得、前記第１位置データと前記第２位置データとに基づいて前記座標を表すデータを生成する。【選択図】図５

Description

本発明は、アブソリュートエンコーダに関する。

位置や角度の絶対値（絶対的な座標）を計測する目的で、アブソリュートエンコーダが用いられる。アブソリュートエンコーダは、グレイコードやＭ系列コード等のバイナリパターンを光電変換素子アレイや撮像素子で読み取ることで、絶対位置情報を出力することができる。アブソリュートエンコーダは、複数の格子列（マーク列）を用いるものと、単一の格子列を用いるものとがある。複数の格子列を用いる方法としては、グレイコード方式が知られている。グレイコード方式は、異なるコードを配置する複数のトラックの情報を同時に読み取る。グレイコード方式は、複数のトラックを同時に読み取るために、エンコーダヘッドおよびスケールの取り付け敏感度が高いという問題を抱えており、高分解能化を実現することが困難である。

取り付け敏感度が低い方法として、単一の格子列を用いた方法が知られている。特許文献１には、単一の格子列を用いて高分解能化を図ったアブソリュートエンコーダが開示されている。特許文献１に開示されるアブソリュートエンコーダは、アブソリュートコードに対応する符号を、階調をもって単一の格子列に埋め込み、格子（マーク）ごとのピーク値に階調を有する信号を用いる。特許文献１に開示されるアブソリュートエンコーダは、当該階調に基づいて得られたアブソリュート位置情報と、上記信号から得られる周期信号の位相情報とを統合して、高分解能の絶対位置情報を出力する。

従来からインクリメンタルエンコーダにおいては、１つのスケールに対して２つの検出部を対向して配置し、角度の計測値を平均化することで、ディスクの偏心による誤差を低減することが行われている。特許文献２には、アブソリュートエンコーダにこの方式を適用した高分解能かつ高精度のアブソリュートロータリーエンコーダが開示されている。

特開２０１２−３７３９２号公報 特開２０１２−１２７８１８号公報

そのような特許文献２では、上記周期信号を得るのに規格化処理を伴う。この規格化処理には負荷の高い除算処理が必要である。そこで、本発明は、例えば、演算負荷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目的とする。

本発明は、複数種類のマークを含む複数のマークが間隙およびピッチをもって配列されたスケールと、それぞれが前記複数のマークのうちの一部のマーク群を検出して該マーク群に対応する信号を出力する複数の検出部と、前記複数の検出部の出力に基づいて前記スケールの座標を得る処理部と、を備えるアブソリュートエンコーダであって、前記スケールは、前記複数の検出部によってそれぞれ出力された複数の信号を加算することで得られる信号が複数周期分の周期信号を含むように、前記複数のマークが配列され、前記処理部は、前記マーク群のうちのマークに対応する部分ごとの前記複数の信号のうちの少なくとも１つの信号の大きさに基づいて第１位置データを得、前記第１位置データの分解能より小さい分解能を有する第２位置データを前記周期信号の位相に基づいて得、前記第１位置データと前記第２位置データとに基づいて前記座標を表すデータを生成する、ことを特徴とする。

本発明によれば、例えば、演算負荷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。

本発明のアブソリュートロータリーエンコーダの構成を示す模式図である。 本発明のアブソリュートロータリーエンコーダのスケールおよび検出器の構成を示す模式図である。 本発明のアブソリュートロータリーエンコーダのアブソリュートコードを示す符号列の一例である。 本発明のアブソリュートロータリーエンコーダのアブソリュートコードを示す符号列において、スケール上での１８０度回転対称な位置での符号が反転していることを示す例である。 実施例１のアブソリュートロータリーエンコーダの検出器の構成と、出力される信号を示す模式図である。 本発明のアブソリュートロータリーエンコーダの信号処理を示すフロー図である。 実施例２のアブソリュートロータリーエンコーダの検出器の構成と、出力される信号を示す模式図である。 実施例３のアブソリュートロータリーエンコーダのアブソリュートコードを示す符号列の一例である。 実施例３のアブソリュートコードを示す符号列において、スケール上での１８０度回転対称な位置での符号の和が一定となるように配置されていることを示す例である。 実施例３のアブソリュートロータリーエンコーダの検出器の構成と、出力される信号を示す模式図である。 実施例３のアブソリュートコードの判定例である。 実施例４のアブソリュートロータリーエンコーダの構成を示す模式図である。 実施例４のアブソリュートロータリーエンコーダのアブソリュートコードを示す符号列の一例である。 実施例４のアブソリュートコードを示す符号列において、スケール上での３回対称な位置での符号の和が一定となるように配置されていることを示す例である。 実施例４のアブソリュートロータリーエンコーダの検出器の構成と、出力される信号を示す模式図である。 実施例４のアブソリュートコードの判定例である。 円筒体の円筒面にスケールを形成したアブソリュートロータリーエンコーダを示す模式図である。 アブソリュートリニアエンコーダを示す模式図である。

以下に、本発明の好ましい実施形態を添付の図面に基づいて詳細に説明する。

［実施例１］
図１は、実施例１のアブソリュートエンコーダの構成を説明するための図である。実施例のアブソリュートエンコーダは、軸を回転中心として回転する円板（回転体）に複数のマークが間隙およびピッチをもって配列されたスケールを有し、スケールの絶対回転角度を算出するアブソリュートロータリーエンコーダとして構成されている。本実施例１では、検出部（ヘッド）３は点対称（２回対称）すなわち１８０度対向した配置になっており、アブソリュートコードはバイナリのコードを例に用いて説明する。図１（ａ）に示したように、実施例１のアブソリュートロータリーエンコーダは、円板状のスケール１と、２つのヘッド３ａ，３ｂと、スケール１の座標を得る処理部Ｐとを含む。スケール１は、軸２を回転中心に回転可能な構成をとり、少なくとも２種類のマークを含む複数のマークが一定の周期で軸２の周りに周方向に沿って放射状に配列されている。図１（ｂ）は、図１（ａ）の断面図である。ヘッド３のそれぞれは、光源４と、複数の光電変換素子を有する光電変換素子アレイ（検出器）５を含む。２つのヘッド３ａ，３ｂは、互いに１８０度ずれた点対称な位置に設置される。

図２は、スケール１と光源４と光電変換素子アレイ５との関係を示した図である。図２に示したように、ＬＥＤ等の点光源４から出射した発散光束は、相対移動可能に設置されたスケール１に入射し、スケール１を透過した透過光が光電変換素子アレイ５によって検出される。スケール１は、非透過マーク１ｂを基準マークとして配置し、その間にコード用マークとして形状が同じで透過率が互いに異なる透過マーク１ａおよび半透過マーク１ｃを配列してアブソリュートコードを埋め込んだ構成をとっている。透過マーク１ａ、非透過マーク１ｂ、半透過マーク１ｃの互いに異なる透過率の例として、それぞれ、６０％、５％、３０％と設定することができる。透過マーク１ａと非透過マーク１ｂは、スケール１を構成するガラス上に金属等を蒸着してスリット状に加工することで実現することができる。半透過マーク１ｃは、スリット部に選択的に誘電体膜等を蒸着することで実現することもできるし、スリットの面積を選択的に変更することでも実現できる。

ここで用いるアブソリュートコードは、透過マーク１ａを１、半透過マーク１ｃを０とすることでＭ系列符号、原始多項式で生成されるその他の巡回符号などを用いることができる。スケール１を透過した光束は、インクリメンタルエンコーダで得られるような正弦波状の周期性を持ち、アブソリュートコードの情報を反映した振幅が変調されて階調の変化を持った光量分布となる。図２に、光電変換素子アレイ５によって検出されたスケール１の一部のマーク群を透過した透過光量の分布６を示した。

光電変換素子アレイ５は、ＣＭＯＳやＣＣＤ等で構成される。光電変換素子アレイ５は、光学系の構成によって決定される光量分布の明暗１周期の設計値ＰをＮ分割するように、光電変換素子のピッチの設計値を決定することで、各光電変換素子が出力する信号の位相が等間隔にずれるように構成される。例えば、アブソリュートコードのビット数をＭ＝１６、光量分布の明暗１周期に対する光電変換素子アレイの分割数をＮ＝１２とする。そうすると、光電変換素子アレイ５の素子数を、Ｎ×Ｍ＝１９２とすることで、アブソリュートコードの情報を持つ複数周期分の周期信号が得られる。以下では、Ｍ＝１６、Ｎ＝１２とした場合の例を述べる。実際には、冗長性をもたせるために、光電変換素子アレイ５の光電変換素子数は余裕を持って決めることもでき、読み取りビット数をアブソリュートコードのビット数より大きくとることも可能である。

図３に、１０００個の符号から成る符号列の一例を示した。この符号列を用いることで、１０００パルスのアブソリュートロータリーエンコーダを構成可能である。光量分布の明暗１周期の設計値Ｐを例えば１６０ｕｍとする。そうすると、図２に示したような発散光を用いてスケール１の２倍の光学像を光電変換素子アレイ５に投影する光学系においては、スケール１上の明暗の１周期はＰ／２＝８０ｕｍとなり、スケール１の径は、φ２５．４ｍｍ程度となる。

図３に示した符号列は、スケール１の回転中心２に対して１８０度回転対称な位置の符号を互いに反転させて作成した符号列である。図３に示す１０００パルスの例では、１番目から５００番目までの符号列と５０１番目から１０００番目までの符号列とは、互いに相補的でかつ互いに異なる特性を有する反転した符号列になる。つまり、１番目と５０１番目、２番目と５０２番目、・・・、４９９番目と９９９番目、５００番目と１０００番目のそれぞれの符号について、一方が１であれば、他方が０であり、一方が０であれば、他方が１となるように構成している。換言すれば、一方の符号と他方の符号との和は常に１である。図３に示した符号列について、先頭の符号から、Ｎｏ．１、Ｎｏ．２、Ｎｏ．３、・・・とするとき、マークＮｏ．１〜Ｎｏ．１６とＮｏ．５０１〜Ｎｏ．５１６の符号を反転の例として図４に示した。図４は、２つの光電変換素子アレイ５が同時に検出する連続するｎ個（この場合１６個）のｉ番目（ただし、ｉは１、２、・・・ｎ）のマークの符号を示している。さらに、図３に示した符号列は、１６ビットの擬似ランダム数列にもなっている。つまり、符号列の連続するどの１６ビットの符号列をとっても、同じ符号列が現れない構成をとっている。

図５（ａ）、（ｂ）は、実施例１のアブソリュートロータリーエンコーダの、スケール１と光電変換素子アレイ５との関係を示した図である。図５（ａ）は、図３に示した符号列のＮｏ．１〜Ｎｏ．１６までを光電変換素子アレイ５ａで読み取った状態を示した図である。図５（ｂ）は、図３に示した符号列のＮｏ．５０１〜Ｎｏ．５１６までを光電変換素子アレイ５ｂで読み取った状態を示した図である。図５（ａ）、（ｂ）の、白、黒、斜線部は、それぞれ、透過マーク１ａ、非透過マーク１ｂ、半透過マーク１ｃを示す。光電変換素子アレイ５ａは、左から順にＣｈ１、Ｃｈ２、・・・、Ｃｈ１９２の受光素子に分割されているとする。光電変換素子アレイ５ｂについても同様に、Ｃｈ１、Ｃｈ２、・・・、Ｃｈ１９２の受光素子に分割されているとする。

図５（ｃ）は、光電変換素子アレイ５ａから出力される光量分布６を反映した出力信号を示し、図５（ｄ）は、光電変換素子アレイ５ｂから出力される光量分布６を反映した出力信号を示す。横軸に、光電変換素子アレイのＣｈ番号、縦軸に、光量分布を反映する出力信号の値をプロットしている。上述したように、図３に示した符号列は、スケール１上の１８０度回転対称な位置の符号が反転した巡回符号を持つため、図５（ｃ）、（ｄ）では、アブソリュートコードの情報を反映した階調の変化が逆転した周期信号が出力される。図５（ｃ）の波形データを波形データａと呼び、図５（ｄ）の波形データを波形データｂと呼ぶこととする。図５（ｅ）は、波形データａと波形データｂとをＣｈ毎に加算した波形データであり、図５（ｆ）は、波形データａから波形データｂをＣｈ毎に減算した波形データである。波形データａと波形データｂとは、互いに階調の変化が逆転した周期信号であるため、和をとると、図５（ｅ）に示したように、一定振幅の周期信号になる。これは、特許文献２記載のエンコーダのように負荷の大きな除算処理をせずに、負荷の軽い加算処理によって規格化演算が行い得たことを示している。また、図５（ｆ）に示したように、波形データａと波形データｂと差をとった信号は、符号の１と０を示す階調の差が、図５（ｃ）、（ｄ）に示した出力信号と比較すると２倍の倍率となっている。これは、簡単な差演算により、符号判定用の信号について、ロバスト性が向上したことを示している。処理部Ｐは、２つの光電変換素子アレイ５ａ，５ｂが出力した図５（ｃ）、（ｄ）の信号を、加算、減算処理することによって図５（ｅ）、（ｆ）の信号を取得する。処理部Ｐは、さらに、図５（ｅ）の信号に対する位相演算と図５（ｆ）の信号に対する符号判定とを行うことで、絶対位置情報を出力することができる。

図６に、実施例１のアブソリュートロータリーエンコーダの処理部Ｐが行う信号処理のフローを示した。処理部Ｐは、まず、対向する光電変換素子アレイ５ａ、５ｂから波形データａ、ｂをそれぞれ取得する。処理部Ｐは、取得した２つの波形データａ、ｂの加算と減算を行うことで、一定振幅の周期信号（ａ＋ｂ）と、階調差の大きい符号判定用信号（ａ−ｂ）を生成する。処理部Ｐは、位相演算を例えば次のように行う。処理部Ｐは、加算して得られた一定振幅の周期信号の出力値（ａ＋ｂ）を用いて、例えば、４つの基準信号に対してそれぞれ出力値を乗算し、総和をとった結果を、逆正接演算することで、インクリメンタルエンコーダと同等の精度で位相を決定することができる。４つの基準信号として、例えば、出力信号の明暗の周期の設計値と同じ周期で、一定の振幅をもった、位相がπ／４ずつずれた４つの信号を用いることができる。ここでは加算して得られた信号から位相演算する方法を示したが、波形データａ、ｂそれぞれから位相演算して、得られた位相の平均をとることで位相演算してもよい。

また、処理部Ｐは、符号判定を例えば次のように行う。処理部Ｐは、まず、波形データａ、波形データｂ、減算にて得られたデータ（ａ−ｂ）のいずれかのデータについて各ＣＨで前後のＣＨの出力値の大きさを比較し、周期信号の極大値となるＣＨ(ピークＣＨ)を決定する。実施例１では１６周期分の周期信号を取得しているので、ピークＣＨは１６個決定される。実施例１では、データ（ａ−ｂ）からデータ符号判定用のデータとなるピークＣＨのデータを抽出した。最後に、処理部Ｐは、符号判定用のデータ（ピークＣＨのデータ）に対して閾値判定を行って周期信号の振幅を量子化することで、アブソリュートコードを算出することができる。図６にデータ（ａ−ｂ）から符号判定用のデータを抜き出したグラフを示した。この例では、点線で示したように閾値を設定することで、符号判定用データの正負で符号の判定が可能である。符号判定用データが正の時を１と判定し、符号判定用データが負の時を０と判定すると、得られるアブソリュートコードは、１１１０１１１１１１１０１１１１となる。図５（ａ）、（ｂ）を見比べるとわかるように、符号判定用のデータ（ピークＣＨのデータ）で得られるアブソリュートコードは、光電変換素子アレイ５ａのアブソリュートコードと一致する。このフローでアブソリュートコードを算出する場合は、光電変換素子アレイ５ａがエンコーダとしての基準位置となる。光電変換素子アレイ５ｂを基準位置として採用したい場合は、閾値判定の方法を変更するか、減算の順序を変更することで対応可能である。ここでは減算して得られた信号から符号判定を行う方法を示したが、波形データａもしくは波形データｂに対して閾値を設定し、符号判定を行ってもよい。

処理部Ｐは、予め作成された図示しないルックアップテーブルを用いて、アブソリュートコードからアブソリュート位置の整数部分のデータ（第１位置データ）を取得する。処理部Ｐは、このアブソリュート位置の整数部分のデータと、位相から算出した、第１位置データよりも最小単位（分解能）が小さい少数部分のデータ（第２位置データ）とを合成して絶対位置を算出する。以上のように、実施例１は、スケール１に１８０度回転対称な位置の符号が反転した巡回符号を付与し、スケール１の対向位置に光電変換素子アレイ５ａ、５ｂを設けた構成をとる。そして、実施例１は、そのことで、計算負荷の小さい構成で高精度なアブソリュートロータリーエンコーダを実現することができる。

［実施例２］
実施例１では、透過マーク１ａ、非透過マーク１ｂ、半透過マーク１ｃの透過率の例として、それぞれ、６０％、５％、３０％と設定した例を挙げた。しかし、非透過マーク１ｂと半透過マーク１ｃの透過率の値を等しくする構成も可能である。図７に、非透過マーク１ｂと半透過マーク１ｃの透過率の値を等しくする構成での例を示した。使用している符号列は、実施例１と同じで、図３に示した符号列である。符号列のＮｏ．１〜Ｎｏ．１６とＮｏ．５０１〜Ｎｏ．５１６を読み取る場合を示している。図７（ｃ）、（ｄ）は、それぞれ、光電変換素子アレイ５ａ、５ｂから出力される光量分布６を反映した出力信号を示す。図７（ｃ）、（ｄ）に示される波形データをそれぞれ波形データａ、波形データｂと呼ぶこととする。図７（ｅ）は、波形データａおよび波形データｂのＣｈ毎の和のデータ（ａ＋ｂ）であり、図７（ｆ）は、波形データａと波形データｂとのＣｈ毎の差のデータ（ａ−ｂ）を示す。図７（ｃ）をみると、非透過マーク１ｂと半透過マーク１ｃとの透過率の値が等しいため、周期信号に欠落が生じているが、加算処理を行うことで欠落のない周期信号が得られることがわかる。また、図７（ｆ）に示されデータ（ａ−ｂ）から符号判定用のデータも実施例１と同様に得られることがわかる。得られた信号の信号処理は、実施例１と同様に行うことができる。以上のように、非透過マーク１ｂと半透過マーク１ｃの透過率の値を等しくする構成においても、計算負荷の小さい構成で高精度なアブソリュートロータリーエンコーダを実現できる。

［実施例３］
実施例１、２ではアブソリュートコードは０、１で表されるバイナリコードを採用した例をあげたが、多値のコードを採用することも可能である。実施例３では例として０、１、２という３値のコードを採用した場合について示す。スケール１以外の構成は実施例１、２と共通のため省略する。スケール１は、図示しないが非透過マーク１ｂを基準マークとして配置し、その間にコード用マークとして透過マーク１ａ、第１半透過マーク１ｃ、第２半透過マーク１ｄを配列してアブソリュートコードを埋め込んだ構成をとっている。透過マーク１ａ、非透過マーク１ｂ、第１半透過マーク１ｃ、第２半透過マーク１ｄの透過率の例として、それぞれ、６０％、５％、４０％、２０％と設定することができる。

３値のアブソリュートコードは、透過マーク１ａが２、第１半透過マーク１ｃが１、第２半透過マーク１ｄが０を表すとして構成されている。図示しないが、実施例１と同様にスケール１を透過した光束は、インクリメンタルエンコーダで得られるような正弦波状の周期性を持ち、アブソリュートコードの情報を反映した階調の変化を持った透過光量の分布となる。

図８に示した符号列は、０、１、２の３値で構成される符号列である。対向した光電変換素子アレイ５ａ，５ｂからそれぞれ得られる階調の変化を持った２つの周期信号を加算した場合に一定振幅の周期信号となるように、符号を配列する。本実施例３では上述した透過率と符号の対応関係より、スケール１の回転中心に対して１８０度回転対称な位置となる２つの符号の和をとるとすべて２となるようにして作成した符号列となっている。１０００パルスの例では、１番目から５００番目と５０１番目から１０００番目の符号列が互いに和をとると２となるように構成されている。つまり、１番目と５０１番目、２番目と５０２番目、・・・、４９９番目と９９９番目、５００番目と１０００番目のそれぞれの符号について、一方が２であれば他方は０、一方が１であれば他方は１、一方が２であれば他方は０、となるように構成している。図８に示した符号列について、先頭の符号から、Ｎｏ．１、Ｎｏ．２、Ｎｏ．３、・・・とするとき、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１６とＮｏ．５０１〜Ｎｏ．５１６の符号を例として図９に示した。さらに、図９に示した符号列は、１６ビットの擬似ランダム数列になっている。

図１０（ａ）、（ｂ）は、実施例３のアブソリュートロータリーエンコーダのスケール１と光電変換素子アレイ５との関係を示した図である。図１０（ａ）は、図９に示した符号列のＮｏ．１〜Ｎｏ．１６までを光電変換素子アレイ５ａで読み取った状態を示した図である。図１０（ｂ）は、図９に示した符号列のＮｏ．５０１〜Ｎｏ．５１６までを光電変換素子アレイ５ｂで読み取った状態を示した図である。図１０（ａ）、（ｂ）における白、黒、網掛部、斜線部は、それぞれ、透過マーク１ａ、非透過マーク１ｂ、第１半透過マーク１ｃ、第２半透過マーク１ｄを示す。光電変換素子アレイ５ａ、５ｂは、図示しない光電変換素子に分割され、左から順にＣｈ１、Ｃｈ２、・・・、Ｃｈ１９２とする。

図１０（ｃ）、（ｄ）は、それぞれ、光電変換素子アレイ５ａ、５ｂから出力される光量分布６を反映した出力信号である波形データａおよび波形データｂを示した図である。横軸に、光電変換素子アレイのＣｈ番号、縦軸に、光量分布を反映する出力信号の値をプロットしている。上述したように、図９に示した符号列は、スケール１上の１８０度回転対称な位置の符号が反転した巡回符号を持つ。そのため、図１０（ｃ）、（ｄ）では、アブソリュートコードの情報を反映した階調の変化が逆転した周期信号が出力される。これらの波形データを、それぞれ、波形データａ、波形データｂと呼ぶこととする。図１０（ｅ）は、波形データａ、ｂをＣｈ毎に加算したデータ（ａ＋ｂ）であり、波形データａまたは波形データｂの振幅を統一した周期信号である。図１０（ｆ）は、波形データａから波形データｂをＣｈ毎に減算したデータ（ａ−ｂ）であり、符号の２と１と０を示す階調の差が、図１０（ｃ）、（ｄ）に示した出力信号と比較すると２倍となる。これは、簡単な減算により、符号判定用の信号について、ロバスト性が向上したことを示している。図１０（ｅ）のように得られた信号の信号処理は、実施例１と同様に行うことができる。

符号判定については符号の階調が３値となったため、閾値の数が増やす必要がある。図１１は図１０（ｆ）のように得られた符号判定用データを拡大したグラフである。符号と透過率の関係から図１０の波形データａから波形データｂを減算した場合、検出器５ａに対応する符号が０の時は符号判定用データが負、符号が１の時は符号判定用データが０、符号が２の時は符号判定用データが正となる。よって、図１１に点線で示された閾値を２つ設定することで符号の０，１，２の判定が可能である。図１１の符号判定結果は０００２２００１００００１０１０となる。

以上のように、３値のアブソリュートコードを有するスケール１においても、計算負荷の小さい構成で高精度なアブソリュートロータリーエンコーダを実現できる。また、３値の例を示したが、階調の異なる２つの周期信号を加算することで一定振幅の周期信号が得られるように、符号と透過率の対応関係および符号の配置を決定すれば任意の階調数のアブソリュートコードを円板上に構成することが可能である。また、符号と透過率の対応関係および符号の配置関係から適切に閾値を決定すればアブソリュートコードを復調が可能なことは自明である。

［実施例４］
実施例１〜３では、光源４と光電変換素子アレイ５との組３ａ，３ｂをスケール１の回転軸２に対して２回対称、すなわち、１８０°ずらして対向配置した例を示した。しかし、光源４と光電変換素子アレイ５との組をさらに増やす配置も可能である。実施例４では、光源４と光電変換素子アレイ５との組３ａ〜３ｃをスケール１の回転軸２に対して３回回転対称に配置した場合について示す。図１２に示したように、アブソリュートロータリーエンコーダは、スケール１と、光源４と光電変換素子アレイ５とを有する３組の検出部３と、信号処理部Ｐとを含む。スケール１は、回転軸２を中心に回転可能な構成をとり、図示しないエンコーダパターンを形成する複数のマークがスケール１の上に放射状に配列されている。

スケール１は、図示しないが非透過マーク１ｂを基準マークとして配置し、その間にコード用マークとして透過マーク１ａ、第１半透過マーク１ｃ、第２半透過マーク１ｄを配列してアブソリュートコードを埋め込んだ構成をとっている。例えば、透過マーク１ａ、非透過マーク１ｂ、第１半透過マーク１ｃ、第２半透過マーク１ｄの透過率を、それぞれ、６０％、５％、４０％、２０％と設定する。そうすれば、透過マーク１ａは「２」を表し、第１半透過マークは「１」を表し、第２半透過マークは「０」を表すとすることができる。

図１３に示した符号列は、０、１、２の３値で構成される符号列である。３つの光電変換素子アレイ５ａ〜５ｃから得られる階調の変化を持った３つの周期信号を加算した場合に一定振幅の周期信号となるように、符号を配列する。本実施例では上述した透過率と符号の対応関係より、スケール１の回転中心に対して３回回転対称な位置となる３つの符号の和をとるとすべて３となるようにして作成した符号列となっている。３つの光電変換素子アレイ５ａ〜５ｃの対応関係が常に一定であるためにはパルス数は３の倍数である必要があるため、ここでは９９９パルスとしている。９９９パルスの例では、１番目から３３３番目をエリア１、３３４番目から６６６番目をエリア２、６６７番目から９９９番目をエリア３としたとき各エリアの対応する符号の和をとると３となるように構成されている。本実施例のように光電変換素子アレイが３つ以上ある場合、実施例１〜３のように一意的に対応する位置の符号は決定せず、何通りかの組み合わせが存在する。ここでは１例としてエリア１の符号が０の場合、対応するエリア２の符号は１とし、対応するエリア３の符号は２とした。また、エリア１の符号が１の場合、対応するエリア２の符号は２とし、対応するエリア３の符号は０とした。さらに、エリア１の符号が２の場合、対応するエリア２の符号は０、対応するエリア３の符号は１となるように配置した。図１３に示した符号列について、先頭の符号から、Ｎｏ．１、Ｎｏ．２、Ｎｏ．３、・・・とするとき、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１６とＮｏ．３３４〜Ｎｏ．３４９、Ｎｏ．６６７〜Ｎｏ．６８２の符号を例として図１４に示した。さらに、図１４に示した符号列は、１６ビットの巡回符号にもなっている。つまり、符号列の連続するどの１６ビットの符号列をとっても、同じ符号列が現れない構成をとっている。

図１５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、本発明のアブソリュートロータリーエンコーダのスケール１と光電変換素子アレイ５ａ〜５ｃとの関係を示した図である。図１５（ａ）は、図１４に示した符号列のＮｏ．１〜Ｎｏ．１６までを光電変換素子アレイ５ａで読み取った状態を示した図である。図１５（ｂ）は、図１４に示した符号列のＮｏ．３３４〜Ｎｏ．３４９までを光電変換素子アレイ５ｂで読み取った状態を示した図である。図１５（ｃ）は、図１４に示した符号列のＮｏ．６６７〜Ｎｏ．６８２までを光電変換素子アレイ５ｂで読み取った状態を示した図である。図１５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）における白、黒、網掛部、斜線部は、それぞれ、透過マーク１ａ、非透過マーク１ｂ、第１半透過マーク１ｃ、第２半透過マーク１ｄを示す。光電変換素子アレイ５ａは、図示しない受光素子に分割され、左から順にＣｈ１、Ｃｈ２、・・・、Ｃｈ１９２とする。光電変換素子アレイ５ｂについても同様に、Ｃｈ１、Ｃｈ２、・・・、Ｃｈ１９２とする。

図１５（ｄ）、（ｅ）、（ｆ）は、光電変換素子アレイ５ａ、５ｂ、５ｃから出力される光量分布６を反映した出力信号を示した図である。横軸に、光電変換素子アレイのＣｈ番号、縦軸に、光量分布を反映する出力信号の値をプロットしている。図１４に示した符号列は、スケール１上の３回転対称な位置の符号が上述したルールで配置された符号を持つため、図１５（ｄ）、（ｅ），（ｆ）では、アブソリュートコードの情報を反映した階調の変化した周期信号が出力される。図１５（ｄ）の波形データを波形データａ、図１５（ｅ）の波形データを波形データｂ、図１５（ｆ）の波形データを波形データｃとする。図１５（ｇ）は、波形データａ、ｂ、ｃを各Ｃｈ毎に加算したデータ（ａ＋ｂ＋ｃ）を示した図である。本実施例では光電変換素子アレイが３つあるため、実施例１〜３のように減算する場合に何通りかの組み合わせが考えられる。ここでは１例として、波形データａから波形データｂおよび波形データｃを各Ｃｈ毎に減算し、図１５（ｈ）にその減算データ（ａ−ｂ−ｃ）を示した。波形データａ、ｂ、ｃは、和をとると、図１５（ｇ）に示したように、一定振幅の周期信号になる。また、図１５（ｈ）に示したように、差をとった信号は、符号の２と１と０を示す階調の差が、図１５（ｄ）、（ｅ），（ｆ）に示した出力信号と比較すると２倍となる。これは、簡単な減算により、符号判定用の信号について、ロバスト性が向上したことを示している。図１５（ｇ）のように得られた信号の信号処理は、実施例１と同様に行うことができ、図１５（ｈ）のように得られた信号の信号処理は実施例３と同様に行うことができる。

符号判定のための閾値と閾値によって判定される符号は、透過率と符号対応関係と、スケール１上の符号の配置関係、さらに減算を行ったデータの組み合わせ方に合わせて決定すればよい。本実施例では上述した通り、符号と透過率の関係は、値「２」は６０％、「１」は４０％、「０」は２０％とした。また、符号の配置関係はエリア１の値が「０」の場合、対応するエリア２の値は「１」とし、対応するエリア３の値は「２」とした。エリア１の値が「１」の場合、対応するエリア２の値は「２」とし、対応するエリア３の値は「０」とした。エリア１の値が「２」の場合、対応するエリア２の値は「０」、対応するエリア３の値は「１」となるように配置した。さらに減算する工程では波形データａから波形データｂおよび波形データｃをＣｈ毎に減算している。これらより、減算によって求まる振幅は３種類となり、最も小さい値はエリア１の値が０、２番めに小さい値はエリア１の値が１、最も大きい値はエリア１の値が２であることを示している。よって、これらの振幅を判別できるように閾値を決定すればよく、閾値によって判定される値も決定される。

図１６は、図１５（ｈ）に示される符号判定用データを拡大したグラフである。図１６に点線で示される閾値を２つ設定することで符号判定用データを３種類に判定することができ、符号判定結果は０００２２００１００００１０１０となる。以上のように、３つの光電変換素子アレイを有する構成においても、計算負荷の小さい構成で高精度なアブソリュートロータリーエンコーダを実現できる。実施例４では、３つの光電変換素子アレイ５を回転軸２に３回回転対称な位置に配置した。しかし、４以上の複数の光電変換素子アレイ５を回転軸２に複数回回転対称な位置に配置することもできる。

［その他の実施例］
本発明は、上記実施例の構成にとらわれず、その要旨の範囲内で種々の変形および変更が可能である。上記実施例では、スケール１の透過マーク１ａ、非透過マーク１ｂのインクリメンタルパターンを元に透過マーク１ａの一部を半透過マーク１ｃに置き換えることで、透過マーク１ａと半透過マーク１ｃとの配置でアブソリュートコードを埋め込んだ構成をとっている。しかし、非透過マーク１ｂ、半透過マーク１ｃの配置でアブソリュートコードを埋め込むこともできる。また、上記実施例では透過マーク１ａ、非透過マーク１ｂ、半透過マーク１ｃの例として透過率を変える構成をとっているが、ハッチングや格子の狭い広いなどの透過マーク１ａ、非透過マーク１ｂを透過部分の面積の違いによって構成してもよい。

上記実施例では、透過型エンコーダの構成を取っているが、反射型エンコーダの構成をとることも可能である。反射型の場合は、スケール１を反射光量が互いに異なる反射マーク、非反射マークのインクリメンタルパターンを元に反射マークの一部を半反射マークに置き換えるような構成をとることができる。また、上記実施例では、点光源を用いた発散光学系を採用した例を示したが、レンズを用いて、平行光や、収束光などを用いた構成を採用することも可能である。この場合は、スケール１上のパターンのピッチと光電変換素子アレイ５上の光量分布のピッチの関係が、上記実施例の場合と異なる場合があるため、適宜、パターンピッチ、光電変換素子アレイ５のサイズを選択すればよい。

また、上記実施例では、光電変換素子アレイ５の分割数をＮ＝１２としたが、これは、信号の正弦波状の波形に高調波歪成分が含まれる場合に、３次以上の成分を除去することが可能で、高精度な位相演算を実施するのに必要なためである。ただし、必要な精度、光電変換素子アレイ５の入手性を鑑み、１２以外の分割数Ｎを採用することも可能である。また、処理部Ｐは、図６に示したように、位相演算とアブソリュート位置演算をパラレルに行う例を示したが、シリアルに行うことも可能である。例えば、位相演算を先行して行い、得られた位相情報から、信号のピーク値を算出し、符号判定を行うというフローを採用することも可能である。

また、上記実施例では、一列のエンコーダパターンがスケール１上に放射状に配列されている例を示した。しかし、図１７に示すように、円筒体の円筒面１上に軸２と平行な方向に間隔をおいてエンコーダパターン１ａ，１ｂを複数列含むように配置してもよい。図１７の例では、２つの光電変換素子アレイ５ａ，５ｂが円筒面のエンコーダパターン１ａ，１ｂで変調された信号をそれぞれ検出する。また、上記実施例では、光電変換素子アレイ５を１８０度回転対称な位置に２つ設置する例や３回対称に３つ設置する例を示した。しかし、回転対称な位置に複数の光電変換素子アレイ５を設置する構成を１つのユニットとし、ユニットを複数設置する構成を取ることも可能である。また、上記実施例では、擬似乱数列の巡回符号をアブソリュートコードとして採用した例を示したが、アブソリュートコードとコードのスタートを示す符号を１つの組として順次配置していく所謂同期方式の数列などを使用することも可能である。

また、本発明の構成をとれば、スケール１に配置されたパターンの一部にゴミ、キズが発生した場合でも、以下のようなエラー処理が可能である。例えば、図５（ａ）のパターンのうち、Ｎｏ．１のパターンにキズがつき、光電変換素子アレイ５ａで受光した信号が、半透過と同等な振幅になったとする。このとき、波形データａ、ｂの加算を行った信号は、一定な振幅を持った周期信号にはならない。和演算を行った信号の振幅に変動許容値を設けて、変動許容値を外れた場合、エラー信号を出力するような構成をとることも可能である。

上記実施例では、検出部３が光学式のアブソリュートロータリーエンコーダについて説明した。しかし、回転ドラムの円周上に磁性体を付けて一定間隔でＳ極、Ｎ極を着磁させたスケール１と、スケール１からの磁界の変化を検出するＭＲセンサとを用いる磁気式のアブソリュートロータリーエンコーダに対しても本発明は適用可能である。さらに、本発明は、図１８に示されるように、互いに間隔をおいて複数配置した検出器５ａ、５ｂヘッドと、複数種類のマークが直線に沿って平板に配列された複数列のスケール１ａ，１ｂとを有するアブソリュートリニアエンコーダにも適用可能である。この場合、スケール１上で２つの検出部間の間隔と同じ間隔をおいて位置する２つのマークで変調された信号強度の和が一定になるように、複数種類のマークがスケール１に配置されている。

１：スケール。２：軸（回転中心）。３：ヘッド（検出部）。４：光源。５：光電変換素子アレイ（検出器）。Ｐ：処理部。６：光量分布。

Claims (14)

1. 複数種類のマークを含む複数のマークが間隙およびピッチをもって配列されたスケールと、
   それぞれが前記複数のマークのうちの一部のマーク群を検出して該マーク群に対応する信号を出力する複数の検出部と、
   前記複数の検出部の出力に基づいて前記スケールの座標を得る処理部と、を備えるアブソリュートエンコーダであって、
   前記スケールは、前記複数の検出部によってそれぞれ出力された複数の信号を加算することで得られる信号が複数周期分の周期信号を含むように、前記複数のマークが配列され、
   前記処理部は、前記マーク群のうちのマークに対応する部分ごとの前記複数の信号のうちの少なくとも１つの信号の大きさに基づいて第１位置データを得、前記第１位置データの分解能より小さい分解能を有する第２位置データを前記周期信号の位相に基づいて得、前記第１位置データと前記第２位置データとに基づいて前記座標を表すデータを生成する、
   ことを特徴とするアブソリュートエンコーダ。
2. 前記複数のマークは、前記複数の検出部が前記配列に沿って配置されたピッチをもって配置された複数のマークが相補的な且つ互いに異なる複数の特性をそれぞれ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。
3. 前記複数の検出部のそれぞれは、連続するｎ個のマークを前記マーク群として検出し、前記マーク群のうちｉ番目（ただし、ｉは、１、２、・・・、ｎのいずれか）のマークに対応する信号の大きさの前記複数の検出部にわたる総和がｉの値によらず一定であるように、前記複数のマークが前記スケールに配列されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のアブソリュートエンコーダ。
4. 前記処理部は、前記複数の信号のうちの１つの信号から他の信号を減算して得られた信号の大きさを量子化することによって前記第１位置データを得ることを特徴とする請求項１ないし３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。
5. 前記スケールは、軸を有する回転体に配置され、前記軸の周りに配列された前記複数のマークを含み、前記処理部は、前記座標として回転角度を得ることを特徴とする請求項１ないし４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。
6. 前記回転体は、円板であり、前記複数の検出部は、前記軸に関する複数回回転対称な位置にそれぞれ配置されてい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. 前記回転体は、円筒体であり、前記スケールは、前記円筒体の円筒面に前記複数のマークを含み、前記複数の検出部は、前記軸に関する複数回回転対称な位置にそれぞれ配置されてい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。
8. 前記スケールは、直線に沿って配列された前記複数のマークを含み、前記処理部は、前記座標として前記直線に沿った位置を得ることを特徴とする請求項１ないし４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。
9. 前記複数の検出部のそれぞれは、光電変換素子アレイを含むことを特徴とする請求項１ないし８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。
10. 前記複数の検出部のそれぞれは、前記マーク群を透過した光を検出することを特徴とする請求項９に記載のアブソリュートエンコーダ。
11. 前記複数のマークは、その透過光量が互いに異なる複数種類のマークを含むことを特徴とする請求項１０に記載のアブソリュートエンコーダ。
12. 前記複数の検出部のそれぞれは、前記マーク群で反射した光を検出することを特徴とする請求項９に記載のアブソリュートエンコーダ。
13. 前記複数のマークは、その反射光量が互いに異なる複数種類のマークを含むことを特徴とする請求項１２に記載のアブソリュートエンコーダ。
14. 前記処理部は、前記周期信号の周期ごとの振幅に基づいて、エラーを示す信号を出力することを特徴とする請求項１ないし１３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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