JP4846331B2 - 光電式エンコーダ、及び、そのスケール - Google Patents

Description

本発明は、スケール上のビットパターンの画像を検出器で取得して、スケールと検出器の相対変位を検出するようにされた光電式エンコーダ、及び、そのスケールに係り、特に、マイクロメータやインジケータ等のバッテリ駆動の小型変位測定機、更にリニアスケールに用いるのに好適な、光電式エンコーダ、及び、そのスケールに関する。

特許文献１〜４に記載されている如く、図１（特許文献４の例）に示すように、絶対位置を得ようとするバイナリパターンや、Ｍ系列等の擬似乱数列を表現したＡＢＳコード６０８を有するトラックをスケール６０７上に配置して、透過又は反射により得られる光信号を検出器６０１で検出し、その２値化された値から絶対位置を復号する光電式絶対位置検出（ＡＢＳ）エンコーダが知られている。図において、６００は検出ヘッド、６０１ａ、６０１ｂは、それぞれ、Ｘ方向終端又は前端のＡＢＳコード検出器、６０２はマーカ検出器、６０３は、シフトレジスタ６０４、変換回路６０５、６０６、シフトレジスタ制御信号発生回路６１０を備えた信号処理回路である。

しかしながら、この装置では、初期位置をスケール６０７又は検出ヘッド６００の移動を行なわずに検出するためには、特許文献２のように、必要ビット長分の長い検出器が必要になる。

又、別の手法としては、絶対位置を示すトラックを並列に必要ビット分配置して、同時に検出器も同数用意する方法もある。

更に、ビットパターンの境界で０か１か不定になるのを防ぐため、特許文献３のように、検出ポイントを３点に増やしたり、特許文献４のように、検出器を移動させる方法もある。

あるいは、より高精度な位置を得るために、特許文献１〜４のように、図１に示した如く、インクリメンタルコード６０９を備えたトラックを併用し、内挿したインクリメンタルのカウントと絶対位置を合成することも行なわれている。

又、特許文献５のように、２次元のイメージセンサを用いて、画像相関を計算することも行なわれている。

特開平７−２８６８６１号公報 特開２０００−２３４９４１号公報 特開２００２−１３１０８８号公報 特開２００２−１６８６５５号公報（図６） 特開２００２−２３０５６０号公報

しかしながら、単一のトラックで高精度を得るためには、スケールを微細加工しなければならず、コスト高になる。又、絶対位置コードの読出しが不正確になり勝ちである。更に、特許文献１乃至４のように、インクリメンタルのスケールトラックを併用する方法では、常時インクリメンタルの信号を読む必要があり、消費電力が増加してしまうため、低消費電力が必要なバッテリ駆動の機器への搭載が制限されてしまう。又、インクリメンタルトラックを増やす分だけコストも増加する。

又、特許文献５のように、画像の半分相当の領域を用いて画像相関を行う方法では、例えば一次元のみの相関を行った場合でも、画像相関演算のための演算量が膨大で、そのままでは、消費電力、コスト、サイズの面からバッテリ駆動の小型変位測定機には採用できない等の問題点を有していた。

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、低消費電力、低価格で且つ高精度、高分解能であって、より広範囲の絶対位置の表現や誤り訂正符号の付加が可能な光電式エンコーダ、及び、そのスケールを提供することを課題とする。

本発明は、スケール上のビットパターンの画像を検出器で取得して、スケールと検出器の相対変位を検出するようにされた光電式エンコーダにおいて、前記ビットパターンを、共通の部分とベクトル値が順次割り当てられた部分とでなるフレームパターンを持つように変調すると共に、前記ベクトル値を、擬似乱数列を、使用するベクトル値の次元で区切ったものとすることにより、前記課題を解決したものである。

又、前記変調されたビットパターン内に共通で現われる部分を参照画像として画像相関を行なうようにしたものである。

又、画像相関値のピーク位置を用いて、絶対位置コードのデコード開始位置を正確に決定できるようにしたものである。

又、画像相関した値を使用して、最小二乗法によるフィッティングや特許文献５に記載の方法により、相関値の極値を高精度で推定できるようにしたものである。

又、前記ピーク検出を必要最低限行なうことで、画像相関を終了するようにして、計算量を削減したものである。

又、得られた相関値の極値と絶対位置コードを合成することで、高精度な絶対位置が得られるようにしたものである。

本発明は、又、共通の部分とベクトル値が順次割り当てられた部分とでなるフレームパターンを持つように変調されたビットパターンを備え、前記ベクトル値が、擬似乱数列を、使用するベクトル値の次元で区切ったものとされていることを特徴とする光電式エンコーダのスケールを提供するものである。

本発明によれば、スケール上のビットパターンが共通の部分を持つように変調されているので、ビットパターンの位置を正確に知ることができ、境界で０か１か不定になって精度が低下することがない。従って、検出ポイントを増やしたり、検出器を移動したり、検出範囲を幅広くして検出器を大型化することなく、ビットパターンを正確に読み込むことが可能となり、１次元１トラックのスケールで、低消費電力、低価格の絶対位置用アブソリュートエンコーダを供給できる。
更に、前記ビットパターンにベクトル値を割り当てて多値化したので、より広範囲の絶対位置の表現や誤り訂正符号の付加が可能となる。

又、前記ベクトル値を、擬似乱数列を、使用するベクトル値の次元で区切ったものとしたので、絶対位置を単一のトラックで検出可能となる。

又、前記変調されたビットパターン内に共通で現われる部分を参照画像として画像相関を行なうようにした場合には、演算量の少ない画像相関演算でも、高精度のエンコーダを実現できる。

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。

参考形態は、図２に示す如く、図３で示されるフレームパターンが、図４に示す如く、擬似乱数列で配置されたトラックのみを配置したスケール１０と、発光素子２２、レンズ２４及び受光素子アレイ２６が搭載された検出器２０と、信号処理装置３０とを備えている。

前記信号処理装置３０は、前記受光素子アレイ２６の出力のノイズを除去して増幅するためのノイズフィルタ・増幅回路３２と、該ノイズフィルタ・増幅回路３２の出力のアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器３４と、該Ａ／Ｄ変換器３４の出力信号を補正する信号補正回路３６と、該信号補正回路３６の出力の相関演算を行なう相関演算回路３８と、該相関演算回路３８の出力により絶対（ＡＢＳ）位置を演算するＡＢＳ演算回路４０と、該ＡＢＳ演算回路４０で得られたＡＢＳ位置と前記相関演算回路３８で得られた内挿位置を合成して絶対位置として出力する位置合成回路４２とを含んで構成される。

このような構成において、前記レンズ２４により拡大又は等倍とされたスケール１０の透過像が受光素子アレイ２６で検出され、検出信号は、信号処理装置３０に伝送され、位置演算により位置が求められる。なお、図２の例は透過型で示したが、反射型の光学系として、発光素子２２をレンズ２４や受光素子アレイ２６と同じ側に配置してもよい。

前記スケール１０には、図３に示すようなフレームパターンが、図４に示すようにスケールの移動方向に沿って、例えば９ビットのＭ系列数列として配置されている。

前記フレームパターンとしては、図３に示した如く、絶対位置を示すためコードとして、「１」、「０」の値を変調したフレームパターンを用いることができる。この「１」、「０」のパターンは、同一幅の周期と共通するイメージ（この例ではスタートビット付近）を持つ。このパターンを持った「１」、「０」を、スケール１０上に擬似乱数として測長方向に配置する。擬似乱数としては、Ｍ系列、ゴールド系列等がある。なお、Ｍ系列やゴールド系列以外の擬似乱数を用いることもできる。

前記エンコーダは、測長方向に沿って受光素子アレイ２６を持ち、発光素子２２がスケール１０を照らすことにより、スケール１０の透過又は反射のイメージを得ることができる。受光素子の幅は、必要な分解能との関係で決定され、受光素子の数は、測長範囲及び受光素子の幅により決定される。

図４の例では、破線で示す範囲Ａが実際に撮像される範囲を示し、スケール１０が画面左方に移動し、撮像範囲が右側に移動している状態を示している。左端側にあるフレームのスタートビットを検出し、定められたフレーム間隔順に、右側にあるフレームをデコードしていくと、９ビットのコードが得られる。このときデコードされるスケール上のパターンは、スケールの移動に伴い、図４に示すように１０Ｅｈ→０１Ｄｈ→１Ｄ１ｈと変わっていく。これらの値は、測長範囲内でただ一度しか現われない値で、絶対位置と１対１の関係がある。従って、この値から絶対位置を知ることができる。しかし、受光素子幅とスケールの実際的な製造の問題により、かなりの高倍率の光学系を用いなければ、サブミクロン以下の位置精度を得ることはできない。

そこで、本参考形態では、図４に示した単一のトラックを持つスケールで高分解能を得るために、画像相関を使用する。即ち、特許文献５と同様に、参照イメージと撮像した実イメージ間の差又は積の絶対値の和を用いて、両イメージ間の相違を数値化する。但し、本参考形態では、特許文献５のように、画面半分ほどの大きさのイメージ同士を比較するのではなく、図５に示す如く、「１」、「０」のフレームに共通のイメージ部分から選択した必要最小限の大きさを持ったパターンとする。参照イメージのサイズは、大きい方が精度の向上が期待できるが、演算量が増加する。又、参照イメージはスケールのデザインによっても変わってくる。適用するシステムによって、フレーム及び参照イメージの最適なデザインを選択することができる。本参考形態では、図３で示されたスケールのスタートビット付近の画像のみを、図５に示した如く参照イメージとする。

参照イメージは、実際の代表的な画像から得てもよいし、人工的に作成しても良い。図６に参照イメージの他の例を示す。

以下、図７に示すフローチャートを参照して全体の処理手順を説明する。

まず、ステップ１００で、前記ノイズフィルタ・増幅回路３２、Ａ／Ｄ変換器３４及び信号補正回路３６を介して、画像データを取得する。

次いでステップ１１０で、前記相関演算回路３８により、図８に示す如く、相関演算を行なう。なお、図８では差を用いる差分法を示したが、積を用いる掛け算法を使用しても良い。

次いでステップ１２０で、得られた画像相関値から、図９に示す如く、逆凸状に現われるピークを検出し、そのピーク付近の相関値を利用して、図１０（特許文献５の図１２に対応）に示す如く、真のピークを内挿演算する。内挿演算には、特許文献５に記載されている方法や、最小二乗法による多項式のフィッティングによる推定を用いることができる。又、このピーク検出により、ＡＢＳコードのデコード開始位置を精度良く決めることができる。なお、相関演算は画面全域で行なう必要は無く、ピークを検出し、内挿のために必要な最低限のみ求めれば、計算を終了して計算量を削減することができる。スタートビットは、図３に示した如く、「１」、「０」のどちらのパターンにも存在するので、擬似乱数列の値によって、画像相関を行なう範囲が大きく増加したり、検出できなくなったりすることがない。

次いでステップ１３０で、前記ＡＢＳ演算回路４０により、ピーク位置を基準にＡＢＳ情報を取得し、ステップ１４０で、ＡＢＳデータを復号する。

次いで、ステップ１５０で内挿演算を行なった後、ステップ１６０で、前記位置合成回路４２により、光学系の倍率を考慮してＡＢＳ位値と内挿位値を合成すれば、求める絶対位置を算出することができる。

以下、具体的な合成演算の方法の例を図１１を参照して説明する。

まず、Ｍ系列のデータをデコード開始した位置Ｘ_ABSを求める。この位置は単なるピク
セル番号ではなく、サブピクセル以下の値が必要である。

Ｘ_ABS＝Ｘ_p−Ｓ_pitch・ｎ …（１）
Ｘ_ｐ：内挿演算のピーク検出位置
Ｓ_pitch：スケールの１フレーム長、実施例では１２０μｍ
ｎ：内挿演算位置からＡＢＳコード開始位置までのフレーム数

次に原点位置からのＡＢＳフレーム番号Ｐ_ABSを光学倍率Ｓ_optを加味して加えると、求める位置Ｘは、次式で得られる。

Ｘ＝（Ｐ_ABS・Ｓ_pitch−Ｘ_ABS）／Ｓ_opt＋Ｘ₀ …（２）
Ｐ_ABS：デコードされたＡＢＳフレーム番号
Ｘ_ABS：Ｍ系列ＡＢＳコードのデコード開始位置
Ｓ_opt：光学倍率
Ｘ₀：オフセット調整値

これらの手法により、全長を比較する場合に比べて、計算量の大幅な削減が可能となり、消費電力を大きく低減することができる。

本参考形態においては、ピーク検出を、画像の歪みの少ない中心部分のみで行なっているので、少ない計算負荷で高精度の測定を行なうことができる。なお、両端の２個所で行なって、ミスアライメントの影響を受け難くしたり、あるいは、全体で行なうことも可能である。

なお、前記参考形態の変調ビットパターンは、１フレームで１ビットの信号しか表現していないため、撮像範囲と製造上の制限から来るスケールの最小幅の関係から、表現できる絶対位置範囲が数百ｍｍに限られていた。例えば、フレーム長が１２０μｍ、マーク最小幅が２０μｍ、撮像範囲が１．４４ｍｍ（イメージセンサで１２フレームを一度に撮影）としたとき、表現可能な絶対位置範囲は約２４５ｍｍである。又、リニアスケール等の用途では、ゴミやノイズによるビットの読み取り誤りの検出や訂正を行なうため、更に多くの情報を付加しなければならず、リニアスケールへの適用は難しかった。

次に、表現可能な絶対位置範囲を広げて、リニアスケールにも適用可能とした、本発明の第１実施形態を詳細に説明する。

本実施形態は、参考形態と同じ装置構成において、スケールデザインを改良したものである。

即ち、絶対位置を示すためのコードとして、１つのフレームにベクトル値を割り当てて多値化し、複数のフレームでベクトルの全ての値を表現するようなコードを用いる。図１２は、２ビットの値を持つフレーム、図１３は、３ビットの値を持つフレーム、図１４は、４ビットの値を持つフレームの例を示している。

いずれの次元のフレームの場合も、各ビットパターンは、同一の幅であり、共通する部分を持つ。図１２、図１３、図１４の例では、ビットパターンの左端付近が、黒から白に変化する共通イメージ（参照イメージと称する）となっている。又、共通する部分以外のイメージには、参照イメージと同じ部分があってはならない。そして、参考形態と同様に、スケール上に擬似乱数を測長方向に配置するが、このとき、擬似乱数列を、使用するベクトルの次元で区切り、そのベクトル値に該当するフレームを割り当てて、スケールパターンとする。擬似乱数としては、Ｍ系列、ｇｏｌｄ系列等を用いることができる。なお、第１実施形態によるスケールデザインは、図１２〜図１４に示したものに限定されず、他にも多くの変形例が可能である。又、ベクトル値も図に示した、上から４個（図１２）、８個（図１３）、１６個（図１４）に限定されず、任意の組合せをデコードに用い、残りの予備の部分を誤り訂正等に使うことができる。ビット長も、５ビット以上にしても良い。

例として、スタートビットに当たる最小線幅を２０μｍ、その他の線幅を２０μｍ×Ｎとしたときに、それぞれのベクトルの次元数Ｍ別の表現に必要なフレーム長Ｌを表１に示す。

又、それぞれの例において、表現できる絶対位置範囲Ｐは、次の関係式で示される。

Ｐ＝Ｌ＊２＾（Ｎ−１） …（３）
Ｎ＝｛ROUND（Ｆ／Ｌ）−１｝＊Ｍ …（４）
※ROUND（）は丸めの意味
Ｌ：１フレーム長
Ｎ：撮像範囲内のビット数
Ｆ：イメージセンサ等を用いたときの実体の撮像範囲
Ｍ：ベクトル次元数（多値化数）

例えばベクトル次元をＭ＝３として、１フレーム長Ｌ＝１６０μｍ、撮像範囲Ｆ＝１．４４ｍｍとした場合、全てのビットで絶対位置を表現すると、表現可能な絶対位置範囲Ｐは、次のようになる。

Ｐ＝0.160＊２＾｛（ROUND（1.44／0.16）−１）＊３−１｝
＝1342177［mm］ …（５）

次元Ｍが４の場合、同様な計算により24159191［mm］となる。結果を表１の表現可能な絶対位置範囲Ｐに示す。

これらの結果から、参考形態と同様の光学系、マーク最小ピッチ幅を用いた場合でも、ベクトル化（多値化）により実用上十分な範囲の絶対位置を示すことができることが分かる。

又、これらのビット情報に誤り検出符号を付加することで、ゴミやノイズ等によるビット読み取りミスにも対応できる。

図１５に、このベクトル化（多値化）方法を使用して、スケールを設計する方法を示す。まず、参考形態と同様にＭ系列を用いて、必要な長さの擬似乱数列を作成する。図１５に示したように３ビットの多値化を行なう場合には、求められた擬似乱数列を３ビット毎に区切り、各区切り毎に該当するデザインを割り当てていき、全ての数列にビットパターンを割り当てれば終了となる。

デコードする場合は、参考形態と同様に、画像相関を利用してスタートビット付近の参照イメージを検出し、１フレーム毎にビットパターンを切り出し、ビットパターン毎のベクトル値を取り出し、擬似乱数列として合成すればよい。画像相関によるサブピクセル以下の値の演算も、参考形態と同様に行なうことができる。

この第１実施形態によれば、参考形態より広範囲なＡＢＳ位置を表現できるので、リニアエンコーダ等、広範囲のアブソリュートエンコーダを供給できる。又、誤り訂正符号を付加することにより、信頼性の高いエンコーダを供給することができる。

なお、本エンコーダ方式は、１次元の受光素子アレイだけでなく、汎用で安価な２次元の受光素子マトリックスを用いた場合にも応用できる。

前記実施形態においては、本発明が、アブソリュートエンコーダに適用されていたが、本発明の適用対象はこれに限定されず、インクリメンタルエンコーダにも同様に適用できる。

特許文献４に記載された従来のＡＢＳエンコーダの一例の構成を示す斜視図 本発明に係る光電式エンコーダの参考形態の全体構成を示す正面図 参考形態で用いられているフレームパターンを示す平面図 同じくスケール上のフレームパターンの配置例を示す平面図 同じく参照イメージを示す平面図 同じく参照イメージの変形例を示す平面図 同じく処理手順を示す流れ図 同じく差分法による相関計算の様子を示す平面図 同じく画像相関値の計算結果の例を示す線図 同じく内挿の様子を示す線図 同じくＡＢＳ値と内挿値の合成の様子を示す平面図 本発明の第１実施形態で用いられている２ビットの場合のフレームパターンを示す平面図 同じく３ビットの場合のフレームパターンを示す平面図 同じく４ビットの場合のフレームパターンを示す平面図 同じくスケール上のフレームパターンの配置方法を示す平面図

符号の説明

１０…スケール
２０…検出器
２２…発光素子
２４…レンズ
２６…受光素子アレイ
３０…信号処理装置
３２…ノイズフィルタ・増幅回路
３４…Ａ／Ｄ変換器
３６…信号補正回路
３８…相関演算回路
４０…ＡＢＳ演算回路
４２…位置合成回路

Claims (7)

1. スケール上のビットパターンの画像を検出器で取得して、スケールと検出器の相対変位を検出するようにされた光電式エンコーダにおいて、
   前記ビットパターンが、共通の部分とベクトル値が順次割り当てられた部分とでなるフレームパターンを持つように変調されると共に、
   前記ベクトル値が、擬似乱数列を、使用するベクトル値の次元で区切ったものとされていることを特徴とする光電式エンコーダ。
2. 前記変調されたビットパターン内に共通で現われる部分を参照画像として画像相関を行なうことを特徴とする請求項１に記載の光電式エンコーダ。
3. 画像相関値のピーク位置を用いて、絶対位置コードのデコード開始位置を決定することを特徴とする請求項２に記載の光電式エンコーダ。
4. 画像相関した値を使用して、相関値の極値を推定することを特徴とする請求項３に記載の光電式エンコーダ。
5. 前記ピーク検出を必要最低限行なうことで、画像相関を終了することを特徴とする請求項４に記載の光電式エンコーダ。
6. 得られた相関値の極値と絶対位置コードを合成して高精度な絶対位置を得ることを特徴とする請求項５に記載の光電式エンコーダ。
7. 共通の部分とベクトル値が順次割り当てられた部分とでなるフレームパターンを持つように変調されたビットパターンを備え、前記ベクトル値が、擬似乱数列を、使用するベクトル値の次元で区切ったものとされていることを特徴とする光電式エンコーダのスケール。

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