JP5553667B2

JP5553667B2 - 光学式基準位置検出型エンコーダ

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Publication number: JP5553667B2
Application number: JP2010090833A
Authority: JP
Inventors: 慶顕加藤; 亘平草野
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2010-04-09
Filing date: 2010-04-09
Publication date: 2014-07-16
Anticipated expiration: 2030-04-09
Also published as: JP2011220864A

Description

本発明は、光学式基準位置検出型エンコーダに係り、特に、電源を投入しただけで、スケールと検出器を相対移動させることなく、静止した状態で原点等の基準位置を検出することが可能な光学式基準位置検出型エンコーダに関する。

従来、光学式エンコーダは、原点検出のため、特許文献１に例示されるように、検出器側には原点検出用の発光素子、光学系及び受光素子を配置し、一方、スケール側には所定の原点パターンを配置する構成となっている。この構成によれば、スケールと検出器を相対移動させると、スケール上の原点パターンが検出部を横切る際に、例えば特許文献１の図５や図１３に例示されるような、デルタ関数的なピーク信号が生成され、予め適切な閾値を設定しておくことにより、原点の検出が可能である。

又、特許文献２や３に記載されているように、参照マークをスケール上に複数配置し、その配置ピッチを不等として特徴的にずらすことにより、擬似的に絶対位置（ＡＢＳ）検出を行なう光学式エンコーダも実用化されている。

又、出願人は特許文献４や５で、明暗の等間隔の配列ピッチＰｉで形成されたインクリメンタル（ＩＮＣ）パターンと、擬似ランダムパターンにより絶対位置を表現したアブソリュート（ＡＢＳ）パターンとに加え、アブソリュートパターンに対し所定の位相関係を有し、且つ明暗の等間隔の配列ピッチＰｒ（＞Ｐｉ）で形成された位置基準パターンを備えた、３トラックによる光学式絶対位置測長型エンコーダを提案している。

特開平７−３１８３７１号公報（図５、図１３）特開昭６０−１２０２１６号公報（第１図）特開昭６２−２９１５０７号公報（第２図、第３図）特開２００８−２６１７０１号公報特開２００９−２７０２号公報

しかしながら、いずれにしても、原点等の基準位置や配置ピッチを検出するためには、スケールと検出器を相対移動させる必要があり、電源を投入しただけでは、原点等の基準位置や配置ピッチを検出することはできなかった。

又、特許文献４や５で提案した３トラック（ＡＢＳ、位置基準、ＩＮＣ）による光学式絶対位置測長型エンコーダにおいては、撮像された位置基準パターンから位置情報を取り出す際に、パターンの一致の検出に画像相関を用いる手法が用いられる。この手法は、自己に記憶されている参照パターンと、撮像から得られた検出パターンとの「差」、または「積」を計算することにより得られる相関関数上で、１本の相関ピークを発生させるという方法である。

理論上、この画像相関を行なう際に１本の線を位置基準パターンとして用いることで必要十分条件を満たせるため、従来は１本パターンを位置基準パターンとして用いてきた。しかし、１本パターンでは、エッジが２つしかないため、精度向上が困難であるだけでなく、ノイズの影響により、相関ピークの崩れ、埋もれにより精度の劣化する可能性が高くなるという問題点があった。

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、電源を投入するだけで、スケールと検出器を相対移動させることなく、静止した状態で原点等の基準位置を検出可能とすることを第１の課題とする。

本発明は、又、検出精度の向上を図るとともに、スケール上のゴミ等によるノイズの影響を受け難くすることを第２の課題とする。

本発明は、相対移動可能な検出器とスケールを備え、検出器側には基準位置検出用の発光素子、光学系及び受光素子を配置し、スケール側には所定の位置基準パターンを配置した光学式基準位置検出型エンコーダにおいて、前記受光素子を測長方向に伸びるアレイ状とし、該アレイ状受光素子の出力を電気的に掃引して設計値との相関をとることで、スケールと検出器を相対移動させることなく、静止した状態で基準位置を検出可能とすると共に、前記位置基準パターンを、ランダム符号系列に従って測長方向に配置された複数の線で構成し、更に、前記ランダム符号系列に従って配置した位置基準パターンをランダムあるいは等間隔に分割して、前記第１及び第２の課題を解決したものである。

本発明は、又、相対移動可能な検出器とスケールを備え、検出器側には基準位置検出用の発光素子、光学系及び受光素子を配置し、スケール側には所定の位置基準パターンを配置した光学式基準位置検出型エンコーダにおいて、前記受光素子を測長方向に伸びるアレイ状とし、該アレイ状受光素子の出力を電気的に掃引して設計値との相関をとることで、スケールと検出器を相対移動させることなく、静止した状態で基準位置を検出可能とすると共に、前記位置基準パターンを、ランダム符号系列に従って測長方向に配置された複数の線で構成し、更に、前記ランダム符号系列に従って配置した位置基準パターンのエッジの位置を、ランダム符号系列の１符号に対応したパターンの線幅の±１／２の範囲で測長方向にずらすことにより、前記第１及び第２の課題を解決したものである。

ここで、前記位置基準パターンを、測長方向に異なる間隔で複数配置し、前記アレイ状受光素子により少なくとも２つの位置基準パターンを同時に検出可能とすることができる。

あるいは、前記位置基準パターンを、測長方向に同じ間隔で複数配置することができる。

又、前記相関を、設計値との乗算による相関とすることができる。

あるいは、前記相関を、設計値との減算による相関とすることができる。

本発明によれば、電源を投入するだけで、スケールと検出器を相対移動させることなく、静止した状態で原点等の基準位置を検出することが可能となる。

又、前記位置基準パターンを、所定の関係に従って測長方向に配置された複数の線で構成することにより、画像相関によるパターンの一致の検出にあたり、鋭い相関ピークを発生させて、位置基準パターンの検出精度の向上を図るとともに、スケール上のゴミ等によるノイズの影響を受け難くすることができる。

本発明の第１実施形態の全体構成を示す概略図第１実施形態のスケールの構成を示す平面図同じく位置基準パターンの構成を示す平面図同じくフォトダイオードアレイの構成を示す平面図同じく位置基準フォトダイオードアレイの詳細構成を示す回路図同じく相関演算回路における乗算相関関数の例を示す図同じく相関演算回路における減算相関関数の例を示す図本発明の第２実施形態の全体構成を示す概略図第２実施形態のスケールの構成を示す平面図同じくフォトダイオードアレイの構成を示す平面図第２実施形態の動作を説明する図本発明の第３実施形態の全体構成を示す概略図第３実施形態のスケールの構成を示す平面図同じくスケールの構成を、ハッチングを付記しないで図示した平面図同じくフォトダイオードアレイの構成を示す平面図同じくスケール中のＡＢＳ／位置基準統合スケールの第１の構成例を示す概念図同じくスケール中のＡＢＳ／位置基準統合スケールの第２の構成例を示す概念図本発明の第４実施形態のスケールの構成を示す平面図本発明の第５実施形態のスケールの構成を示す平面図位置基準トラックの参考例を示す平面図従来の位置基準パターンの一例、及び、その問題点を説明する図本発明の作用の一つを説明する図位置基準トラックの他の例を示す平面図図２３の位置基準トラックを含むスケールの例の平面図位置基準トラックの他の例を含むスケールの例を示す平面図位置基準トラックの更に他の例を含むスケールの例を示す平面図（Ａ）ランダム符号系列をスケール上に配置した例、及び（Ｂ）エッジの位置をランダムにずらした例を示す平面図エッジの位置の定義を示す図エッジの位置のずらし方を示す図前記実施形態の変形例を示す概略図

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。

[第１実施形態]
図１は、本発明の第１実施形態に係る光学式エンコーダの全体構成を示す概略図である。本実施形態の光学式エンコーダは、発光素子１１と、スケール１２と、レンズ１３と、フォトダイオードアレイ１４と、信号処理回路２０とを備えて構成されている。

発光素子１１は、コヒーレント光を出射する光源、例えばレーザダイオードである。

スケール１２は、図２に示すように、透明ガラス基板上に、明暗の等間隔な配列ピッチＰｉ（例えば４０μｍ）で形成されたインクリメンタルパターン３１からなるインクリメンタルトラック３０１と、測長方向に異なる間隔で位置基準パターン３３が複数配置された位置基準トラック３０３とを形成して構成される。

位置基準パターン３３は、図３に例示する如く、（Ａ）１本線パターン（参考例）、（Ｂ）所定パターン、（Ｃ）Ｍ系列符号パターンとすることができる。

発光素子１１は、このスケール１２を照射し、スケール１２を透過した照射光は、レンズ１３を介してフォトダイオードアレイ１４上に投影される。

図４に示すように、例えばＣＭＯＳで構成されるフォトダイオードアレイ１４は、インクリメンタルトラック３０１及び位置基準トラック３０３に対応して、ＩＮＣフォトダイオードアレイ４１及び位置基準フォトダイオードアレイ４３を備えている。位置基準フォトダイオードアレイ４３の測長方向長さＷPDｒは、少なくとも２つの位置基準パターン３３を同時に検出可能な長さとされている。

ＩＮＣフォトダイオードアレイ４１は、例えば９０度ずつ位相の異なる４組のフォトダイオードアレイを有し、インクリメンタルパターン３１に基づく明暗信号を検出して９０度位相差の４相正弦波信号を出力する。又、位置基準フォトダイオードアレイ４３は、位置基準パターン３３を少なくとも２つ以上検出できるように、測長方向の寸法が設定されており、図５に示す如く、スイッチング素子４５で位置基準フォトダイオードアレイ４３の各受光要素１〜Ｎを掃引することにより、得られた信号を出力する。

図１に示す信号処理装置２０は、一例として、ノイズフィルタ・増幅回路２１、Ａ／Ｄ変換器２２、相対位置検出回路２３、プリアンプ２７、相関演算回路２８、基準位置検出回路２９及び位置補正回路３０を備えて構成される。

ノイズフィルタ・増幅回路２１は、ＩＮＣフォトダイオードアレイ４１からのアナログ出力信号（９０度位相差４相信号）のノイズを除去した後、この信号を増幅して出力する。

Ａ／Ｄ変換器２２は、ノイズフィルタ・増幅回路２１が出力するアナログ出力信号をデジタル信号に変換する。相対位置検出回路２３は、得られたデジタル信号（９０度位相差信号）の振幅のarctan演算を行なうことにより、スケール１２の相対的な移動量・移動方向を示す相対位置信号Ｄ１を出力する。

プリアンプ２７は、スイッチング素子４５の出力を増幅して出力する。相関演算回路２８は、設計値との相関演算を行ない、基準位置検出回路２９は、相関演算回路２８の演算結果に基づいて位置基準パターン位置を検出する。

相関演算回路２８においては、例えば図６（Ａ）に示す如く、設計値との乗算相関演算を行ない、更に図６（Ｂ）に測長方向に拡大して示すような、そのピーク位置に対して、例えば２次曲線をあてはめ、ピーク３点からピーク位置を内挿して、基準位置を求める。この乗算相関によれば、桁数が大きくなり演算時間はかかるものの、ピークのコントラストが高く、例えば１μｍ程度の高精度での原点位置検出が可能である。

あるいは図７（Ａ）に示す如く、設計値との減算相関を取り、更に図７（Ｂ）に測長方向に拡大して示すような、そのピーク位置に対して、例えば２次曲線をあてはめ、ピーク３点からピーク位置を内挿して、基準位置を求める。この減算相関によれば、桁数が少なく計算が容易であり、且つ外乱光との区別も可能である。

なお、内挿方法は、図６（Ｂ）あるいは図７（Ｂ）に示した方法に限定されない。

位置補正回路３０は、相対位置検出回路２３で得られる相対位置Ｄ１を基準位置検出回路２９で検出した基準位置で補正して出力する。

本実施形態においては、位置基準パターン３３が、測定方向に異なる間隔で複数配置され、アレイ状受光素子（４３）により少なくとも２つの位置基準パターンを同時に検出可能としたので、位置基準パターンの間隔に基づいて、各パターンを識別することが可能である。

[第２実施形態]
次に、出願人が特許文献３で提案した絶対位置測長型エンコーダに適用した本発明の第２実施形態を詳細に説明する。

図８は、本発明の第２実施形態に係る光学式絶対位置測長型エンコーダの全体構成を示す概略図である。第１実施形態と同一の構成要素については、同一の符号を付し、以下ではその詳細の説明は省略する。

図８は、この第２実施形態の全体構成を示す概略図であり、図９は、スケール１２の平面構成を示している。本実施形態では、スケール１２が、図９に示すように、第１実施形態と同様のインクリメンタルトラック３０１と、擬似ランダムパターン（ここではＭ系列符号）により絶対位置を表現した一般的なアブソリュートパターン３２からなるアブソリュートトラック３０２と、このアブソリュートパターン３２に対し所定の位相関係を有し、且つ明暗の等間隔な配列ピッチＰｒ（＜Ｐｉ）で形成された測長方向の幅がＷｒの位置基準パターン３３´からなる位置基準トラック３０３´とを備える。即ち、アブソリュートパターン３２は、位置基準パターン３３の等間隔パターンの絶対位置を表現している。インクリメンタルパターン３１の配列ピッチＰｉは、例えば位置基準パターン３３の配列ピッチＰｒの整数分の１に設定される。本実施形態では、一例としてＰｉ＝４Ｐｒであると想定する。一例として、Ｐｉ＝４０μｍの場合、Ｐｒ＝１６０μｍに設定される。

インクリメンタルパターン３１と位置基準パターン３３´とは、いずれもエンコーダの全長にわたって等間隔の配列ピッチ（Ｐｉ、Ｐｒ）で形成されるため、エンコーダの全長にわたって正確に形成することが比較的容易である。ここで、従来技術のように、位置基準パターン３３´が無く、インクリメンタルパターン３１とアブソリュートパターン３２のみが存在するエンコーダを想定する。このようなエンコーダでは、例えばインクリメンタルパターン３１の配列ピッチを４０μｍとした場合、アブソリュートパターン３２の精度は、スケール１２の全長にわたり、その半分未満の±２０μｍ未満にしなければならない。

これに対して、本実施形態のように、インクリメンタルパターン３１の配列ピッチＰｉより大きな配列ピッチＰｒを有する位置基準パターン３３´を形成すれば、アブソリュートパターン３２の位置精度は、この位置基準パターン３３´の配列ピッチＰｒに合わせれば十分である。従って、アブソリュートパターン３２の位置誤差の許容度を大きくすることができる。例えば、位置基準パターン３３´の配列ピッチＰｒがＰｉの４倍の１６０μｍであれば、アブソリュートパターン３２の位置誤差は、スケール１２の全長にわたり、±８０μｍまで許容することが可能になる。従って、インクリメンタルパターン３１の配列ピッチＰｉを、アブソリュートパターン３２の精度を考慮せずに決定することが可能となり、インクリメンタルパターン３１のピッチを微細化して、エンコーダを高精度化することができる。

図１０に示すように、フォトダイオードアレイ１４は、インクリメンタルトラック３０１、アブソリュートトラック３０２及び位置基準トラック３０３´のそれぞれに対応して、ＩＮＣフォトダイオードアレイ４１、ＡＢＳフォトダイオードアレイ４２及び位置基準フォトダイオードアレイ４３を備えている。各フォトダイオードアレイ４１〜４３は、対応するパターン３１〜３３のピッチに対応した配列ピッチでフォトダイオードを配列して構成される。

ＩＮＣフォトダイオードアレイ４１は、第１実施形態と同様に、９０度ずつ位相の異なる４組のフォトダイオードアレイを有し、インクリメンタルパターン３１に基づく明暗信号を検出して９０度位相差の４相正弦波信号を出力する。ＡＢＳフォトダイオードアレイ４２は、アブソリュートパターン３２に基づく明暗信号を測長方向に掃引して得られた信号を出力する。又、位置基準フォトダイオードアレイ４３は、位置基準パターン３３´を少なくとも１つ以上検出できるよう、測長方向の寸法ＷPDｒが設定されており（ＷPDｒ＞Ｐｒ＋Ｗｒ）、位置基準パターン３３´に基づく明暗信号を測長方向に掃引して得られた信号を出力する。

信号処理回路２０は、一例として、ノイズフィルタ・増幅回路２１、Ａ／Ｄ変換器２２、相対位置検出回路２３、ノイズフィルタ・増幅回路２４、Ａ／Ｄ変換器２５、絶対位置検出回路２６、プリアンプ２７、相関演算回路２８、基準位置検出回路２９及び絶対位置合成回路３０´を備えて構成される。

ノイズフィルタ・増幅回路２４は、ＡＢＳフォトダイオードアレイ４２からアナログ出力信号（絶対位置信号）のノイズを除去した後、この信号を増幅して出力する。Ａ／Ｄ変換器２５は、ノイズフィルタ・増幅回路２４が出力するアナログ信号をデジタル信号に変換する。変換後のデジタル信号は、この場合アブソリュートパターン３２に表現されたＭ系列符号のデータを含んでいる。

絶対位置検出回路２６は、このＭ系列符号と、Ｍ系列により表現される絶対位置との関係を示すテーブル（図示せず）を有しており、このテーブルを参照して、スケール１２の絶対位置を示す絶対位置信号Ｄ２を出力する。

プリアンプ２７、相関演算回路２８、基準位置検出回路２９は、第１実施形態と同様にして、位置基準パターン３３´の基準位置を示す位置基準信号Ｄ３を出力する。

絶対位置合成回路３０´は、絶対位置信号Ｄ２、相対位置信号Ｄ１、位置基準信号Ｄ３に基づいて、スケール１２の微細な絶対位置を算出する。この絶対位置合成回路３０´の動作を、図１１を参照して説明する。絶対位置信号Ｄ２は、スケール１２の絶対位置についての情報を有している。アブソリュートパターン３２は、位置基準パターン３３´に対し所定の情報をもって形成されるので、絶対位置信号Ｄ２から絶対位置が得られることで、位置基準パターン３３´の周期Ｐｒの何周期目にスケール１２が位置しているのかを特定することができる（図１１の（１））。

位置基準パターン３３´の周期Ｐｒの何周期目かが特定されると、その後、位置基準信号Ｄ３の信号量が検出されることにより、インクリメンタルパターン３１の何周期目にスケール１２が位置しているのかを特定することができる（図１１の（２））。インクリメンタルパターン３１、位置基準パターン３３´は、いずれも等間隔の明暗パターンにより形成されるため、配列ピッチＰｒとＰｉの比が大きい場合でも、両者間の位置精度を高く保つことが容易である。このため、位置基準パターン３３´の何周期目かが判明し、更に位置基準信号Ｄ３の信号量が検出されることにより、インクリメンタルパターン３１の何周期目にスケール１２が位置するのかを特定することができる。その後は、インクリメンタルパターン３１から得られる相対位置信号Ｄ１の明暗を計算することにより、スケール１２の絶対位置を算出し出力することが可能である。

以上説明したように、本実施形態によれば、アブソリュートパターン３２により得られた絶対位置検出信号Ｄ２に基づき、スケール１２の絶対位置が、位置基準パターン３３´との関係において検出され、その後、位置基準パターン３３´に基づく位置基準信号Ｄ３、及びインクリメンタルパターン３１に基づく相対位置信号Ｄ１により、精緻なスケール１２の絶対位置信号を得ることができる。アブソリュートパターン３２は微細に形成されたインクリメンタルパターン３１に対する位置精度を要求されず、より配列ピッチの大きい位置基準パターン３３´に対し所定の位置精度で形成されていれば十分である。従って、本実施形態によれば、インクリメンタルパターン３１のピッチを微細化することができ、よって、エンコーダの高精度化を図ることができる。

[第３実施形態]
次に、本発明の第３実施形態に係る光学式絶対位置測長型エンコーダを説明する。第２実施形態と同一の構成要素については、同一の符号を付し、以下ではその詳細な説明は省略する。

図１２は、第３実施形態の全体構成を示す概略図であり、図１３は、スケール１２の平面構成を示している。図１３に示すように、本実施形態では、アブソリュートパターン３２と位置基準パターン３３´に代え、この２種類のパターンを１トラックに統合したＡＢＳ／位置基準統合パターン３４からなるＡＢＳ／位置基準統合トラック３０４を備えている点で、第２実施形態と異なっている。ＡＢＳ／位置基準統合トラック３０４は、図１３に示すように、擬似ランダムパターンを表現したアブソリュートパターン３２´と、このアブソリュートパターン３２´の隙間において、インクリメンタルパターン３１の配列ピッチＰｉより大きな配列ピッチＰｒで配列された位置基準パターン３３"とを１トラックに配列して形成されたものである。なお、図１３において、位置基準パターン３３"にハッチングが施されているが、図面の説明上、アブソリュートパターン３２´と位置基準パターン３３"とを区別して理解し易くするために付記したものである。実際のスケールでは、図１４に示すように、アブソリュートパターン３２´と位置基準パターン３３"はスケール１２上に同じ材料により形成されており、パターンの形状のみが異なっている。本実施形態では、上記のようにスケール１２が２トラックを備えるのみであるので、３トラックからなる第２実施形態に比べ小型化が可能である。

又、スケール１２が上記のように構成されているのに対応して、フォトダイオードアレイ１４は、図１５に示すように、インクリメンタルトラック３０１、及びＡＢＳ／位置基準統合トラック３０４のそれぞれに対応して、ＩＮＣフォトダイオードアレイ４１、及び、第１、第２実施形態の位置基準フォトダイオードアレイ４３と同様の構成のＡＢＳ／位置基準フォトダイオードアレイ４４を備えている。

又、図１２に示すように、本実施形態の信号処理回路２０において、インクリメンタルパターン３１に基づく信号処理のための構成（２１〜２３）は、第２実施形態と同様である。一方、上述のＡＢＳ／位置基準統合パターン３４に基づく信号は、プリアンプ２７を介して分離回路２０１に入力される点で、第２実施形態と異なっている。分離回路２０１は、ＡＢＳ／位置基準統合パターン３４のうち、前述の位置基準パターン３３"からの信号と、前述のアブソリュートパターン３２´からの信号とを分離する機能を有する。両信号の分離は、ＡＢＳ／位置基準統合パターン３４に基づく信号と位置基準パターン３３"の設計値との相関演算を行なうことにより実行することができる。即ち、相関演算の結果として位置基準パターン３３"に基づく信号を得ることができる。相関演算には、乗算型、減算型いずれのタイプのものも採用が可能である。分離された位置基準パターン３３"からの信号は、基準位置検出回路２９に入力され、基準位置検出回路２９は位置基準信号Ｄ３を出力する。

なお、上記とは逆に、ＡＢＳ／位置基準統合パターン３４に基づく信号と、アブソリュートパターン３２´の設計値との相関を演算し、その演算の結果としてアブソリュートパターン３２´に基づく信号を得ることも可能である。この場合には、図１２中に破線で示す如く、分離回路２０１と基準位置検出回路２９の間に、第１、第２実施形態と同様の相関演算回路２８を挿入する。

本実施形態のＡＢＳ／位置基準統合パターン３４の構成例を、図１６及び図１７を参照して説明する。図１６は、第１の構成例を示している。この第１の構成例では、同図（ａ）に示すようなアブソリュートパターン３２´と、位置基準パターン３３″とが１トラックに統合されて、同図（ｂ）に示す構成とされている。この統合を行なう場合、一部においてアブソリュートパターン３２´と位置基準パターン３３″とが重なり合う（矢印Ａで示す位置）。この第１の構成例では、この重なり部分においてはアブソリュートパターン３２´を省略し、代わりにその位置（矢印Ａ）に位置基準パターン３３″を形成している。このように矢印Ａの部分でアブソリュートパターン３２´を省略（消去）しても、絶対位置検出回路２６において位置基準パターン３３″の設計値（矢印Ａの位置の上方を含む）が把握されていれば、省略がされていない場合と同様にして絶対位置を検出することが可能である。

図１７は第２の構成例を示している。この例では、同図（ａ）に示すように、アブソリュートパターン３２´と位置基準パターン３３″とが重なり合う部分が生じた場合、同図（ｂ）に示すように、重なり部分を省略する代わりに、重なり部分が生じないようアブソリュートパターン３２´を縮小して形成し、重なり部分を無くすようにしている。

［第４実施形態］
図１８は、本発明の第４実施形態に係る絶対位置検出用型エンコーダの構成を示している。全体構成は第２実施形態（図８）と略同一であるので、図示は省略する。

本実施形態では、位置基準トラック３０３Ａ、３０３Ｂの２種類がインクリメンタルトラック３０１を挟む両側に設けられている点で、第２実施形態と異なっている（図示は省略するが、フォトダイオードアレイ１４の位置基準フォトダイオードアレイ４３も、これに対応して２系統設けられる）。このような構成によれば、スケール１２に傾き（ヨーイング）が生じた場合においても、２系統の位置基準パターン３３Ａ、３３Ｂそれぞれに基づく信号の平均を取ることにより、これに基づく誤差を相殺することが可能になる。

［第５実施形態］
図１９は、本発明の第５実施形態に係る絶対位置検出型エンコーダの構成を示している。全体構成は第２実施形態（図８）と略同一であるので、説明は省略する。

本実施形態では、第４実施形態と同様のＡＢＳ／位置基準統合トラック３０４Ａ、３０４Ｂがインクリメンタルトラック３０１を挟むようにして形成されている点で、第２実施形態と異なっている。このような構成によれば、スケール１２に傾き（ヨーイング）が生じた場合においても、２系統のＡＢＳ／位置基準統合パターン３４Ａ、３４Ｂそれぞれに基づく信号の平均を取ることにより、これに基づく誤差を相殺することが可能となる。

次に、位置基準パターンについて詳細に検討する。

位置基準パターンに図３（Ａ）に示した１本線パターンを配置ピッチＰで配置した位置基準トラック３０３の参考例を図２０に示す。図２０のような例は、位置基準トラック３０３の形成が容易であるが、エッジの数が少ないため、精度向上が困難であり、ノイズにも弱い。

これに対して、図３（Ｂ）、（Ｃ）に例示したように、位置基準パターンを複数線の所定パターンで構成した場合には、エッジの数が増えるため、位置基準パターンの検出精度が向上すると共に、スケール上のゴミ等によるノイズの影響を低減することができる。

即ち、画像相関による位置基準パターンの一致の検出にあたり、図２１及び図２２に例示するように、位置基準パターンを分割してエッジの位置を増やすと共に、必要に応じてエッジの位置をずらすことにより、鋭い相関ピークを発生させて、位置基準パターンの検出精度の向上を図るとともに、図２２（ｅ）に示す如く、スケール上のゴミ等によるノイズの影響を受け難くすることができる。

位置基準トラックに１１ビットバーカー系列符号を採用し、表１の符号長１１で示されているパターン符号列の“１”を黒、“０”を白として置き換え、位置基準パターンとしてピッチＰで配置した例を図２３に示す。この場合、位置基準パターンのピッチＰと等しいか、または短いパターン長になるように、“１”、“０”に相当するパターン幅を決定する。

ここで、符号長が長い方が、エッジの数が増え、ゴミ等の影響を受け難くなるが、線幅が狭くなって作り難くなるため、符号長４（１本線パターンとなる下段を除く）〜１３が好適であり、特に符号長１１、１３が好ましい。なお、符号長４の上段や、符号長５のパターンでは、隣のパターンと区別するため、パターン長Ｌ_Bを配置ピッチＰより短くする必要がある。

位置基準トラックに、１１ビットバーカー系列符号
１１１０００１００１０
を用いた時のスケール１２の例を図２４に示す。

又、位置基準トラックに、特性多項式：ｆ(ｘ)＝ｘ⁴＋ｘ＋１で生成したＭ系列符号
１０００１００１１０１０１１１
を用いた時のスケール１２の例を図２５に示す。

更に、位置基準トラックに、
特性多項式：ｆ(ｘ)＝ｘ⁶＋x⁵＋ｘ²＋１で生成したＭ系列符号と、
特性多項式：ｆ(ｘ)＝ｘ⁶＋ｘ³＋ｘ＋１で生成したＭ系列符号を用いて生成したゴールド系列符号
１０００００１０００１１００１０１０１１１１１００００１０００１
を用いた時のスケール１２の例を図２６に示す。

所定パターンとしては、上記の他、通信の分野で利用されている擬似ランダム符号により生成したパターンを用いることもできる。

又、図２７（Ａ）に示す如く、スケール上にパターンをランダム符号系列に従って配置するとき、ランダム符号系列の１符合に対応したパターンの線幅をＷ_ｂｉｔとすると、スケール上に配置されたランダム符号系列のパターンエッジは、Ｗ_ｂｉｔ×ｎ（ｎは正の整数）の位置にのみ現れる。

この特徴により、相関演算を行うとき、Ｗ_ｂｉｔ毎にエッジの位置が一致してしまうことから、汚れにより誤りピークが発生しやすく、誤検出をしてしまう可能性が高い。

そこで、図２７（Ｂ）に例示する如く、スケールパターンエッジの位置を−Ｗ_ｂｉｔ／２からＷ_ｂｉｔ／２の範囲でずらすことにより、相関演算を行なうとき、誤った位置以外でエッジが一致することを抑制し、結果的に誤りピークの発生を抑えることが可能となる。

エッジのずらし方は、図２８に示す如く、パターンエッジのずれをΔｐ_ｉ（ｉ＝１，２，３・・・Ｎ）とし、Δｐ_ｉの値域を−Ｗ_ｂｉｔ／２＜Δｐ_ｉ＜Ｗ_ｂｉｔ／２とすると、図２９（Ａ）に示す如く、ランダムにずらしたり、図２９（Ｂ）に示す如く、正規分布に従ってずらしたり、図２９（Ｃ）に示す如く、三角波に従ってずらしたり、図２９（Ｄ）に示す如く、正弦波に従ってずらすことができる。

なお、前記実施形態においては、いずれも透過型の光学式エンコーダを例にとって説明したが、図３０に示す変形例のように、発光素子１１からの反射型の光学系として、発光素子１１をレンズ１３やフォトダイオードアレイ１４と同じ側に配置しても良い。

１１…発光素子
１２…スケール
１３…レンズ
１４…フォトダイオードアレイ
２０…信号処理回路
２１、２４…ノイズフィルタ・増幅回路
２２、２５…Ａ／Ｄ変換器
２３…相対位置検出回路
２６…絶対位置検出回路
２７…プリアンプ
２８…相関演算回路
２９…基準位置検出回路
３０…位置補正回路
３０´…絶対位置合成回路
３１…インクリメンタルパターン
３２、３２´…アブソリュートパターン
３３、３３´、３３″、３３Ａ、３３Ｂ…位置基準パターン
３４、３４Ａ、３４Ｂ…ＡＢＳ／位置基準統合パターン
４１…ＩＮＣフォトダイオードアレイ
４２…ＡＢＳフォトダイオードアレイ
４３…位置基準フォトダイオードアレイ
４４…ＡＢＳ／位置基準フォトダイオードアレイ
４５…スイッチング素子
３０１…インクリメンタル（ＩＮＣ）トラック
３０２…アブソリュート（ＡＢＳ）トラック
３０３、３０３´…位置基準トラック
３０４、３０４Ａ、３０４Ｂ…ＡＢＳ／位置基準統合トラック

Claims

相対移動可能な検出器とスケールを備え、
検出器側には基準位置検出用の発光素子、光学系及び受光素子を配置し、
スケール側には所定の位置基準パターンを配置した光学式基準位置検出型エンコーダにおいて、
前記受光素子を測長方向に伸びるアレイ状とし、
該アレイ状受光素子の出力を電気的に掃引して設計値との相関をとることで、
スケールと検出器を相対移動させることなく、静止した状態で基準位置を検出可能とすると共に、
前記位置基準パターンを、ランダム符号系列に従って測長方向に配置された複数の線で構成し、
更に、前記ランダム符号系列に従って配置した位置基準パターンをランダムあるいは等間隔に分割したことを特徴とする光学式基準位置検出型エンコーダ。
相対移動可能な検出器とスケールを備え、
検出器側には基準位置検出用の発光素子、光学系及び受光素子を配置し、
スケール側には所定の位置基準パターンを配置した光学式基準位置検出型エンコーダにおいて、
前記受光素子を測長方向に伸びるアレイ状とし、
該アレイ状受光素子の出力を電気的に掃引して設計値との相関をとることで、
スケールと検出器を相対移動させることなく、静止した状態で基準位置を検出可能とすると共に、
前記位置基準パターンを、ランダム符号系列に従って測長方向に配置された複数の線で構成し、
更に、前記ランダム符号系列に従って配置した位置基準パターンのエッジの位置を、ランダム符号系列の１符号に対応したパターンの線幅の±１／２の範囲で測長方向にずらしたことを特徴とする光学式基準位置検出型エンコーダ。
前記位置基準パターンが、測長方向に異なる間隔で複数配置され、
前記アレイ状受光素子により少なくとも２つの位置基準パターンを同時に検出可能としたことを特徴とする請求項１又は２に記載の光学式基準位置検出型エンコーダ。
前記位置基準パターンが、測長方向に同じ間隔で複数配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学式基準位置検出型エンコーダ。
前記相関が、設計値との乗算による相関である請求項１又は２に記載の光学式基準位置検出型エンコーダ。
前記相関が、設計値との減算による相関である請求項１又は２に記載の光学式基準位置検出型エンコーダ。