JP6207208B2 - 位置検出手段 - Google Patents

Description

本発明は、固定要素に対する可動要素の位置を検出する位置検出手段に関するものである。

従来、物体の移動距離を測定するための装置として、相対移動距離を測定するインクリメンタルエンコーダの他、絶対位置の測長を可能としたアブソリュートエンコーダが知られている。

特許文献１には、バーニア型アブソリュートエンコーダが開示されている。構成としては、互いにピッチの異なる格子パターンよりなるメイントラックと少なくとも１個のサブトラックを設けている。これら各トラック間のピッチ差に起因する検出信号の微妙なずれから、１回循環する区間のアブソリュート化を行う。

また特許文献２には、バーニア型アブソリュートエンコーダにおいて、アブソリュート化のタイミングに関する特許が開示されている。構成としては、細かいピッチと粗いピッチでトラックが形成されている。これら各トラックからアブソリュート化を行うタイミングとして、細かいピッチのインクリメンタル計測に誤検出が発生しない速度まで低下した時に、アブソリュート化を行う。

特開平８−３０４１１３号公報 特開平５−４５１５１号公報

しかしながら、特許文献１に開示されたアブソリュートエンコーダには以下のような問題がある。通常、複数トラックの信号から絶対位置を算出する場合、アブソリュートエンコーダの複数トラックの信号の同期性を確保する必要がある。これは、複数トラックの信号が、被計測物の位置が同一又はある許容範囲内の位置における信号であることを前提としているためである。ここで、複数トラックの信号を時分割で検出する場合、被計測物が動いた状態であると、複数トラックの信号其々が、被計測物の異なる位置における信号となり、前記前提が崩れてしまう。この結果、正しい絶対位置を算出することが出来ない問題が発生する。また、サンプルホールド回路等を用いて、複数トラック信号の同期性を確保する方法があるが、回路追加によるコストの増加や、信号をホールドするための時間が余計にかかってしまう問題がある。

また、特許文献２に開示されたアブソリュートエンコーダには以下のような問題がある。特許文献２の誤検出としては、複数トラックの信号を時分割で検出することを想定していないため、細かいピッチのインクリメンタル計測の誤検出のみを行っている。しかし正しい絶対位置を算出するためには、複数トラックの信号其々が、ある許容範囲内での被計測物の位置における信号であることが重要である。従って、細かいピッチのインクリメンタル計測に誤検出が無かったとしても、複数トラックの信号の同期性を確保しているとは言えず、正しい絶対位置を算出することができない。つまり細かいピッチのインクリメンタル計測に誤検出を元に絶対位置算出を判断するのでは、間違った絶対位置を算出してしまう問題が発生する。

上記目的を達成するために、本発明の固定要素に対する可動要素の位置を検出する位置検出手段は、前記固定要素に対する前記可動要素の位置に対しそれぞれが所定の値を示す複数の周期信号であって、該位置の変化に応じ互いに異なる周期で変化する複数の周期信号、を検出する信号検出手段と、前記信号検出手段で検出された前記複数の周期信号に基づく複数の変位信号を生成し、生成された複数の変位信号を所定の周期で切替えて順次出力する信号処理手段と、前記複数の変位信号に基づいて前記固定要素に対する前記可動要素の位置を算出する位置算出手段と、前記所定の周期内における前記可動要素の変位量が所定の閾値より大きい場合、前記位置算出手段で算出された位置の信頼性は低いと判断する信頼性判断手段と、前記固定要素に対する前記可動要素の最大変位、該最大変位内の前記複数の周期信号の周期の数、を記憶するデータ保持部と、を有し、前記所定の閾値は、前記複数の周期信号それぞれ前記最大変位、該最大変位内での前記複数の周期信号の周期の数、に基づいて決定される、ことを特徴とする。

上記目的を達成するために、本発明の固定要素に対する可動要素の位置を検出する位置検出手段は、前記固定要素に対する前記可動要素の位置に対しそれぞれが所定の値を示す複数の周期信号であって、該位置の変化に応じ互いに異なる周期で変化する複数の周期信号を検出し、検出された前記複数の周期信号に基づく複数の変位信号を生成し、生成された複数の変位信号を所定の周期で切替えて順次出力する信号検出手段と、前記複数の変位信号に基づいて前記固定要素に対する前記可動要素の位置を算出する位置算出手段と、前記所定の周期内における前記可動要素の変位量が所定の閾値より大きい場合、前記位置算出手段で算出された位置の信頼性は低いと判断する信頼性判断手段と、前記固定要素に対する前記可動要素の最大変位、該最大変位内の前記複数の周期信号の周期の数、を記憶するデータ保持部と、を有し、前記所定の閾値は、前記複数の周期信号それぞれ前記最大変位、該最大変位内での前記複数の周期信号の周期の数、に基づいて決定される、ことを特徴とする。

第１実施形態の構成ブロック図 ＡＢＳセンサーの断面図 スケール部の平面図 受光部の平面図 絶対位置算出のフローチャート図 第１及び第２の相対位置信号及びバーニア信号のグラフ 同期演算における波形の変化を示すグラフ 同期演算における誤差成分の説明図 信号取得時間における第１の相対位置信号及びバーニア信号の関係を示すグラフ 第２実施形態の構成ブロック図 信号取得時間における第１及び第２の相対位置信号及びバーニア信号の関係を示すグラフ 第３実施形態の構成ブロック図

以下に、本発明の好ましい実施の形態を、添付の図面に基づいて詳細に説明する。

以下、図１を用いて、本発明の位置検出手段の第１の実施例を説明する。
図１は、実施例１の構成ブロック図である。図１において、ABS算出部（位置算出手段）102は、ABSセンサーから出力される信号を元に、固定要素に対しての可動要素の位置である絶対位置Pabsを算出する演算部である。スケール切替え部（切替え手段）103は、ABSセンサー104から出力される２種類のトラックパターンにより発生する２種類の信号出力を切替えるスケール切替え部である。ABSセンサー（信号検出手段）104は、固定要素に対しての可動要素の絶対位置を算出するための信号を出力する絶対位置センサーである。ABSセンサー104の内部構成及び出力信号については後述する。AD変換部105は、ABSセンサー104から出力されるアナログ信号をデジタル信号に変換するAD変換部である。ABS信頼性判断部（信頼性判断手段）106は、ABS算出部が算出した絶対位置の信頼性を判断する信頼性判断部である。ABS信頼性判断基準データ保持部107は、絶対位置の信頼性を判断するデータを記憶し保持する不揮発メモリであり、例えばEEPROMである。ABS決定部101は、ABS算出部102が算出した絶対位置Pabsを、ABS信頼性判断部の判断結果を元に決定する絶対位置決定部である。ABS決定部101及びABS算出部102及びABS信頼性判断部106は例えば一つのCPU内に構成される。

次に本実施例の動作について説明する。
ABS決定部101は、ABS算出部102に対して、絶対位置Pabsの算出の要求を行う。ABS算出部102は、ABS決定部101からの絶対位置算出要求を受けると、スケール切替え部103に、２種類のトラックパターンの信号をABSセンサー104から順次出力するように指令を出す。スケール切替え部103は、ABSセンサー104に順次２種類のトラックパターンの信号出力指示を行う。ABSセンサー104は、スケール切替え部103の指示に従い、２種類のトラックパターンの信号を順次出力する。ABSセンサーから出力される２種類のトラックパターンの信号は、AD変換部105でデジタル信号に変換され、ABS算出部102に出力される。ABS算出部は、２種類のトラックパターンの信号を元に絶対位置Pabsを算出し、ABS決定部101に出力する。絶対位置算出方法については後述する。一方ABS算出部102は、絶対位置算出情報をABS信頼性判断部106に出力する。ABS信頼性判断部106は、絶対位置算出の情報及びABS信頼性判断基準データ保持部107が保持している信頼性判断基準データから、ABS算出部102が算出した絶対位置Pabsの信頼性判断を行い、その結果をABS決定部101に出力する。絶対位置算出情報及び絶対位置の信頼性判断については後述する。ABS決定部101は、ABS信頼性判断部106から出力された絶対位置Pabsの信頼性の判断結果を元に、ABS算出部102が算出した絶対位置Pabsを決定するか否かを判断し、決定する場合は、ABS算出部102が算出した絶対位置を決定する。決定しない場合は、ABS算出部102に対して、絶対位置Pabsの再算出の要求を行う。ABS算出部102は、ABS決定部101の要求に従い、絶対位置Pabsを再度算出する。以上を絶対位置決定まで実施する。

次にABSセンサー104の内部構成及び出力信号について説明する。
図２はABSセンサー（信号検出手段）104の断面図である。図２において、可動要素21は、紙面に垂直方向となるX軸方向に可動な可動部である。固定要素22は、可動要素21の絶対位置の基準となる要素である。光源201は発光部であり、例えばLEDである。スケール部202は全長でスリット数の異なる等間隔の2つのトラックパターン203a,203bを有するスケール部である。受光部204a,204bはそれぞれ、トラックパターン203a,203bにより反射した光源201から出射した光を受光するための受光部であり、例えばフォトダイオードアレイで構成される。信号処理回路（信号処理手段）205は、受光部204a,204bで受光した信号を処理し、スケール切替え部103の切替え信号に応じて、トラックパターン203a,203bの何れかの信号を出力する信号処理回路である。なお、本実施例においては、可動要素21にスケール部202を備え、固定要素22に光源201及び受光部204a、204bを備える構成を例示したが、これに限定されることはなく、固定要素及び可動要素の内の一方にスケール部202を、他方に光源201及び受光部204a、204bを備える構成とすればよい。後述する実施例においても同様である。

図３は、本実施形態におけるスケール部202の平面図である。図３では反射型のスリットパターン（反射パターン列）を一例として示している。スケール部202は、第一トラックパターン203aと第二トラックパターン203bの２つのトラックパターンを備えて構成されている。トラックパターン203a,203bの反射部（黒塗り部）に光源201からの光が当ると、 受光部204a,204bにそれぞれ反射するような構成となっている。第一トラックパターン203aの反射部はP1間隔で等間隔に形成されている。また第二トラックパターン203bの反射部はP2間隔で等間隔に形成されている。本実施例では、P1は、スケールの全長Lmax（最大変位）に対して反射部が40個、つまり全長Lに対して（最大変位内に）40周期となるように構成されている。また、P2は、トラックパターンの全長Lmaxに対して反射部が39個、つまり全長Lに対して39周期となるように構成されている。

図４は、受光部204aの平面図である。ここで受光部204bも受光部204aと同様の構成となっている。受光部204aには水平方向に16個のフォトダイオード401〜416が等間隔に配置されている。フォトダイオード401,405,409,413は電気的に接続されており、この組をa相とする。また、フォトダイオード402,406,410,414の組をb相とする。以下同様にフォトダイオード403,407,411,415の組をc相、フォトダイオード404,408,412,416の組をd相とする。本実施例では、受光部204a内の4個のフォトダイオードの間隔（例えばフォトダイオード401から404の間隔）が第一トラックパターン203aの反射部の間隔P1の2倍であることを前提に説明する。ここで、光源201から第一トラックパターン203aの反射部の距離は、光源201から受光部204aの距離の１／２倍となるため、受光部204aで受光する反射光の幅は、反射部の２倍の幅となる。従って受光部204a内の4個のフォトダイオードの間隔は、第一トラックパターン203aのパターンの１周期分に相当する。

第一トラックパターン203aで反射された光源201からの光を、受光部204aで受光すると、a相、b相、c相、d相の各フォトダイオード群は、前記受光した光量に応じた光電流を出力する。ここで、スケール部202のX軸方向への移動と共に、a相、b相、c相、d相の各フォトダイオード群は、a相を基準にb相は90°、c相は180°、d相は270°の位相関係で変動する電流（周期信号）が出力される。信号処理回路205は出力電流を電流電圧変替器で電圧に変換する。次に信号処理回路205は、差動増幅器によりそれぞれa相とc相の差動成分、及びb相とd相の差動成分を求める。次に信号処理回路205は、a相とc相の差動成分、及びb相とd相の差動成分から、互いに90°位相のずれた第一トラックパターン203aのA相変位信号である第一のA相変位信号S1rA、B相変位信号である第一のB相変位信号S1rBを生成する。受光部204bも同様の方法で第二トラックパターン203bのA相変位信号である第二のA相変位信号S2rA、B相変位信号である第二のB相変位信号S2rBを生成する。

ここで、信号処理回路205は、スケール切替え部103からの切替え信号に応じて、
第一のA相変位信号S1rA、及び、第一のB相変位信号S1rB、
又は、
第二のA相変位信号S2rA、及び、第二のB相変位信号S2rB、
の何れかを出力する。以上により、ABSセンサー104は、スケール切替え部103からの切替え信号に応じて、
第一のA相変位信号S1rA、及び、第一のB相変位信号S1rB、
又は、
第二のA相変位信号S2rA、及び、第二のB相変位信号S2rB、
の何れかをAD変換部105に出力する。

次に絶対位置算出方法について説明する。
絶対位置はABS算出部102で算出される。図５に絶対位置算出のフローを示す。
S501で処理を開始し、S502に進む。

S502では、第一のA相変位信号S1rA及び第一のB相変位信号S1rBの補正を行う。ここで、第一のA相変位信号S1rA及び第一のB相変位信号S1rBは、お互いに信号オフセットや信号振幅が異なっている場合がある。このような信号をそのまま使用して絶対位置算出を行うと、算出した絶対位置Pabsの誤差要因となるため、信号の補正が必要となる。本実施例では、先に説明した通り、受光部204a内の4個のフォトダイオードの間隔（例えばフォトダイオード401から404の間隔）が第一トラックパターン203aの反射部の間隔P1の2倍である。従って、第一のA相変位信号S1rA及び第一のB相変位信号S1rBはそれぞれ以下の式（１）、式（２）のように表される。
S1rA：a1×COSθ+s1 ・・・（１）
S1rB：a2×SINθ+s2 ・・・（２）

ここでa1,s1はそれぞれ第一のA相変位信号S1rAの振幅とオフセット、a2,s2はそれぞれ第一のB相変位信号S1rBの振幅とオフセット、θは信号の位相である。第一のA相変位信号S1rAの最大値は、s1+a1、最小値はs1-a1、信号振幅はa1、平均値はs1である。同様に、B相変位信号S1rBの最大値は、s2+a2、最小値はs2-a2、信号振幅はa2、平均値はs2である。これらの値を用いて、式（１）、式（２）で表される第一のA相変位信号S1rA及び第一のB相変位信号S1rBを補正すると、補正後の第一のA相変位信号S1cA及び第一のB相変位信号S1cBがそれぞれ以下の式（３）、式（４）のように表される。
S1cA：{(a1×COSθ+s1)-s1}×a2 = a1×a2×COSθ・・・（３）
S1cB：{(a2×SINθ+s2)-s2}×a1 = a1×a2×SINθ ・・・（４）

この結果、第一のA相変位信号S1rA及び第一のB相変位信号S1rBのオフセットが除去され、信号振幅が同一となった第一のA相変位信号S1cA及び第一のB相変位信号S1cBが得られる。
以上により、S502で第一のA相変位信号S1rA及び第一のB相変位信号S1rBの補正を行うと、S503に進む。

S503では、補正後の第一のA相変位信号S1cA及び第一のB相変位信号S1cBを用いてアークタンジェント演算を行い、図６の(a´)に示すようなAtan1信号を算出する。ここで第一トラックパターン203aは、スケールの全長Lmaxに対して40周期となるパターンである。従って、Atan1信号は、スケール全長に対して80周期となる。次にAtan1から振幅Vmaxとなるスケール全長に対して40周期となる第一の相対位置信号Inc1を算出する。具体的には。Atan1の振幅がVmax/2になるように、Atan1信号にゲインをかけ、S1rBの位相が0°の時の信号レベルを0とし、位相が180°から360°の時にVmax/2を加算することで、第一の相対位置信号Inc1を算出する。従って、第一の相対位置信号Inc1は、図６の(a)に示すような、スケールの全長Lmaxに対して40周期ののこぎり波となる。

ここで図６の横軸はスケールの全長Lmaxに対しての位置を示し、縦軸はその時の信号レベルを示す。
S503で第一の相対位置信号Inc1を算出すると、S504に進む。
S504では、第二のA相変位信号S2rA及び第二のB相変位信号S2rBの補正を行う。

受光部204bは受光部204aと同じ構成となっているため、受光部204b 内の4個のフォトダイオードの間隔（例えばフォトダイオード401から404の間隔）が第一トラックパターン203aの反射部の間隔P1の2倍である。ここで第一トラックパターン203aの反射部の間隔P1と第二トラックパターン203bの反射部の間隔P2は異なる間隔である。従って、受光部204b 内の4個のフォトダイオードの間隔（例えばフォトダイオード401から404の間隔）が第二トラックパターン203bの反射部の間隔P2の2倍とはならない。このため、第二のA相変位信号S2rAと第二のB相変位信号S2rBは、90°からずれた位相関係となる。

従って、第二のA相変位信号S2rAと第二のB相変位信号S2rBは、それぞれ、以下の式（５）、式（６）のように表わされる。
S2rA：b1×COSθ+ t1 ・・・（５）
S2rB：b2×SIN（θ+α）+ t2 ・・・（６）

ここでb1,t1はそれぞれ第二のA相変位信号S2rAの振幅とオフセット、b2,t2はそれぞれ第二のB相変位信号S2rBの振幅とオフセット、θは信号の位相、αは位相のずれ量である。S502の処理と同様に第二のA相変位信号S2rA及び第二のB相変位信号S2rBを補正すると補正後の第二のA相変位信号S2cA´及び第二のB相変位信号S2cB´がそれぞれ以下の式（７）、式（８）のように表される。
S2cA´：{(b1×COSθ+t1)-t1}×b2 = b1×b2×COSθ ・・・（７）
S2cB´：{(b2×SIN（θ+α）+t2)-t2}×b1 = b1×b2×SIN（θ+α）・・・（８）
この結果、第二のA相変位信号S2rA及び第二のB相変位信号S2rBのオフセットt1,t2が除去され、信号振幅が同一となった第二のA相変位信号S2cA´及び第二のB相変位信号S2cB´が得られる。

次に式（７）、式（８）を用いて、第二のA相変位信号S2cA´及び第二のB相変位信号S2cB´の位相差を90°とする処理について説明する。
式（７）、式（８）の差は及び和は、それぞれ以下の式（９）、式（１０）のように表される。
b1×b2×(SIN（θ+α）-COSθ)
= b1×b2×2×SIN{(α-90)/2}×COS{θ+(α+90)/2} ・・・（９）
b1×b2×(SIN（θ+α）+COSθ)
= b1×b2×2×COS{(α-90)/2}×SIN{θ+(α+90)/2} ・・・（１０）
以上により式（９）、式（１０）の位相差は90°となる。

ここで式（９）、式（１０）の振幅は異なっているため、振幅の補正を行い、信号振幅が同一となった第二のA相変位信号S2cA及び第二のB相変位信号S2cBを算出する。式（９））に式（１０）の振幅の一部であるCOS{(α-90)/2}を乗じ、式（１０）に式（９）の振幅の一部であるSIN{(α-90)/2}を乗ずると、以下の式（１１）、式（１２）が得られる。
第二のA相変位信号S2cA:
b1×b2×2×SIN{(α-90)/2}×COS{(α-90)/2}×COS{θ+(α+90)/2} ・・・（１１）
第二のB相変位信号S2cB:
b1×b2×2×SIN{(α-90)/2}×COS{(α-90)/2}×SIN{θ+(α+90)/2} ・・・（１２）

この結果、第二のA相変位信号S2rA及び第二のB相変位信号S2rBのオフセットが除去され、信号振幅が同一となった第二のA相変位信号S2cA及び第二のB相変位信号S2cBが得られる。
以上により、S504で第二のA相変位信号S2rA及び第二のB相変位信号S2rBの補正を行い、S505に進む。

S505では、補正後の第二のA相変位信号S2cA及び第二のB相変位信号S2cBを用いてS503と同様の演算を行い、第二の相対位置信号Inc2を算出する。ここで第二トラックパターン203bは、スケールの全長Lmaxに対して39周期となるパターンである。従って、第二の相対位置信号Inc2は、図６の(b)に示すような、スケールの全長LMaxに対して39周期ののこぎり波となる。ここで図６の横軸はスケールの全長Lmaxに対しての位置を示し、縦軸はその時の信号レベルを示す。
S505で第二の相対位置信号Inc2を算出し、S506に進む。

S506では、第一の相対位置信号Inc1と第二の相対位置信号Inc2の差分を計算し、差分が負の値の時にVmaxを加算する計算を行うことにより、図６の(c)に示すような、バーニア信号Pv1が得られる。ここで、第一の相対位置信号Inc1と第二の相対位置信号Inc2との全長Lmaxに対して周期の差は1であるため、バーニア信号Pv1は全長Lmaxに対して1周期ののこぎり波となる。
S506でバーニア信号Pv1を算出し、S507に進む。
S507では絶対位置Pabsを算出する。

ここでS1rA、S1rB、S2rA、S2rBには外乱等によりノイズ成分が存在するため、S1rA、S1rB、S2rA、S2rBから算出された相対位置信号Inc1と第二の相対位置信号Inc2にもノイズ成分が存在する。また第一の相対位置信号Inc1と第二の相対位置信号Inc2は、S1rA、S1rB、S2rA、S2rBの信号取得遅延と信号取得遅延時間における可動要素21の移動により、信号に位相ズレが発生する。このノイズ成分及び位相ズレ量による誤差成分Eを補正するため、バーニア信号Pv1と第一の相対位置信号Inc1との同期演算を行う。上記同期演算を行い、上位信号であるバーニア信号Pv1と下位信号を第一の相対位置信号Inc1を用いて合成した信号が絶対位置を示す信号レベルVabsとして算出される。VabsからPabsが算出される。VabsからPabsを算出する方法については後述する。

図７は上記同期演算により波形がどのように変化しているのかを示している。
図７において横軸はスケールの全長Lmaxに対しての位置を示し、縦軸はその時の信号レベルを示す。また、信号レベルの最大値をVmaxで示す。また、N1はスケール開始点から何周期目の領域であることを示し、全長Lmax内での周期の数（最大のN1）をN1maxと定義する。本実施例では、第一トラックパターン203aは、スケールの全長Lmaxに対して40周期となるため、N1maxは40であり、N1は1から40までの自然数となる。

図７の(a)はInc1、Pv1、Inc1/N1maxの波形を示している。Pv1の波形からPv1と傾きが同じとなるInc1/ N1maxの差分を取ると、図７の(b)に示す誤差成分Eを持つ階段上の波形が生成される。図７の(b)に示す波形の信号レベルVb´は、以下の式（１３）のように表わされる。ここで階段上の波形の一段の信号レベルはVmax/N1maxとなる。
Vb´＝Pv1-（Inc1/N1max） ・・・（１３）

次に図７の(b)に示す波形の誤差成分Eを四捨五入により除去すると、図７の(c)に示す波形となる。図７の(c)に示す波形の信号レベルVbは、以下の式（１４）のように表わされる。
Vb＝Round[｛Pv1-(Inc1/ N1max)｝×（N1max / Vmax）] ×（Vmax / N1max）
・・・（１４）
ここでRound[ ]は、小数第１位を四捨五入する関数である。

また、誤差成分Eは、式（１５）で表わすことができる。
E = ｛Pv1-（Inc1/N1max）｝- Vb ・・・（１５）

図７の(c)に示す波形にInc1/N1maxの波形を加算することで、図７の(d)に示す、誤差成分Eが除去された絶対位置を示す信号レベルVabsが生成される。この同期演算は、以下の式（１６）に表わす演算により実施される。
Vabs = Vb + (Inc1/N1max)・・・（１６）

絶対位置の信号レベルVabsから、絶対位置Pabsは式（１７）で表わされる。
Pabs = Vabs×（Lmax/Vmax）・・・（１７）
S507で絶対位置Pabsを算出すると、S508に進み処理を終了する。
以上により絶対位置Pabsを算出することができる。

次に絶対位置算出情報及び絶対位置の信頼性判断について説明する。
図８は図７の(c)の波形を拡大した図である。ここで、Emaxは、式（１４）で除去できる誤差成分Eの最大値である。式（１４）より、誤差成分Eは四捨五入により除去されるため、Emaxは、Vmax/N1maxの半分となり、式（１８）のように表わされる。
Emax＝Vmax/（N1max×2） ・・・（１８）

Vbr1は絶対位置Pabs1において式（１３）を用いて算出した信号レベルである。またVb1及びVb1´は、絶対位置Pabs1において式（１４）を用いて算出した信号レベルである。ここで、式（１４）により、正しく誤差成分Eを除去した場合の信号レベルがVb1、誤差成分EがEmaxを超えて、正しい誤差成分Eを除去出来なかった場合がVb1´である。

式（１４）においてVb1が算出された場合、絶対位置は式（１６）によりPabs1の位置として算出される。一方、式（１４）においてVb1´が算出された場合、絶対位置は、式（１６）によりPabs1の位置よりLmax/N1maxずれたPabs1´の位置として算出される。

以上により、絶対位置の誤算出が発生する。絶対位置の誤算出が発生しない誤差成分Eは式（１８）より、式（１９）で表わされる。
E < Emax = Vmax/（N1max×2） ・・・（１９）

誤差成分Eとしては、S1rA、S1rB、S2rA、S2rBに含まれるノイズ成分による誤差成分Enと、信号取得遅延時間Tsの間の可動要素21の移動により発生する誤差成分Emとが考えられる。誤差成分E、外乱等のノイズ成分による誤差成分En、信号取得遅延時間Tsの間の可動要素21の移動により発生する誤差成分Emの関係は式（２０）で表わされる。
E = En + Em ・・・（２０）

ここで、バーニア信号Pv1は、第一の相対位置信号Inc1と第二の相対位置信号Inc2との差分であるため、第一の相対位置信号Inc1のノイズ成分En1、第二の相対位置信号Inc2のノイズ成分En2とノイズ成分による誤差成分Enとの関係は、式（１３）より式（２１）で表わすことができる。
En = En1×{（N1max-1）/N1max} + En2 ・・・（２１）
En1及びEn2は、予め測定することにより算出され、固定値をしてABS信頼性判断部基準データ部保持部107に保持される。従って、可変要因となる誤差成分Emは以下の式（２２）で表わすことができる。

ここで、誤差成分Emは、第一の相対位置信号Inc1を基準として、第二の相対位置信号Inc2がずれたことによる信号レベルの変化量が誤差成分Emと考えられる。
そこで、S1rA、S1rB及びS2rA、S2rBを取得するまでに経過した時間内に可動要素21が移動した移動量をΔPvと定義すると、誤差成分Emは式（２２）で表わされる。
Em = N2max×Vmax×ΔPv/Lmax・・・（２２）

ここで、式（１９）、（２０）、（２１）、（２２）より、E、Em、Enを消去すると、以下の式を得る。

ここで、絶対位置の誤算出の発生限界を示すΔPvの閾値ΔPvmaxを、

とおくと、閾値ΔPvmaxとΔPvとの関係は式（２４）で表わされる。
ΔPv＜ΔPvmax ・・・（２４）
以上により、式（２３）の右辺は全て固定値であるため、S1rA、S1rB及びS2rA、S2rBを取得するまでの経過時間内（所定の周期内）に可動要素21が固定要素22に対して移動した移動量（相対的変位量）ΔPvに対し、絶対位置の誤算出が発生しない閾値ΔPvmaxは一意に決定される。

従って、絶対位置Pabsの信頼性を判断するための絶対位置算出情報としては、S1rA、S1rB、S2rA、S2rBの信号取得遅延と信号取得遅延時間における可動要素21の移動量ΔPvとなる。また、移動量ΔPvが式（２４）を満たす時、取得される絶対位置Pabsの信頼性が高いと判断し、ABS決定部101は絶対位置を決定する。移動量ΔPvの算出方法については、後述する。

ここで、式（２３）は、誤差成分Eを除去する式（１４）を一度行う場合においてのΔPvに対する閾値ΔPvmaxを示す。式（１４）の処理を、複数のバーニア信号を用いて、複数の式（１４）の処理を行い、絶対位置Pabsを算出する場合には、それぞれの式（１４）の演算において、ΔPvmaxを求める必要がある。其々のΔPvmaxの内、最小となるΔPvmaxを移動量ΔPvが超えない時に絶対位置Pabsの信頼性が高いと判断できる。

また、式（２１）で算出されるノイズ成分による誤差成分Enについて、本実施例では、バーニア信号Pv1の算出を、第一の相対位置信号Inc1及び第二の相対位置信号Inc2の差から算出している。但し第一の相対位置信号Inc1及び第二の相対位置信号Inc2の周期を逓倍し、逓倍して得られた信号の差からバーニア信号Pv1を算出する場合は、逓倍率を考慮し、誤差成分Enを算出する必要がある。具体的には、其々En1及びEn2に、逓倍分の倍率を乗算した値からノイズ成分による誤差成分Enを算出する必要がある。

次に移動量ΔPvの算出方法について説明する。
図９は可動要素21が移動している時の、Inc1及びVabsの信号レベルの関係を示している。図９の横軸は時間であり、縦軸は信号レベルである。T1及びT3はS1rA、S1rBの信号を取得した時間であり、T2はS2rA、S2rBの信号を取得した時間である。ここでT1とT2及びT2とT3の時間間隔は信号取得遅延時間Tsであり、同じ時間間隔である。信号取得遅延時間Tsは、S1rA、S1rBとS2rA、S2rBの信号を切替えた後に、其々の信号が十分安定する時間が設定される。V1vabs、V2vabs、V3vabsはそれぞれ、T1、T2、T3の時のVabsの信号レベルである。またV1inc1、V2inc1、V3inc1はそれぞれ、T1、T2、T3の時のInc1の信号レベルである。ΔV12inc1はT1からT2におけるInc1の信号レベルの変化量であり、ΔV12vabsはT1からT2におけるVabsの信号レベルの変化量である。

ここで、絶対位置Pabsを算出する場合は、T1、T2においてS1rA、S1rB、S2rA、S2rBの信号を取得することにより算出可能である。しかし、S1rA、S1rB、S2rA、S2rBを取得する時間における可動要素21の移動量ΔPvを算出するために、T3のタイミングで再度S1rA、S1rBの信号を取得する。

可動要素21が等速で移動している場合を想定すると、T1、T2、T3は等間隔であるため、ΔV12inc1は式（２５）で表わすことができる。
ΔV12inc1 = （V3inc1 V1inc1）/2 ・・・（２５）
ここで、V1inc1及びV3inc1は、T1、T3それぞれのタイミングで取得したS1rA、S1rBから 図５のS502及びS503の処理により算出することができる。

またスケールの全長Lmaxに対して、Vabsは1周期に対して、Inc1はN1max周期であるため、ΔV12vabsは、式（２６）で表わすことができる。
ΔV12vabs = ΔV12inc1 / N1max ・・・（２６）
移動量ΔPvは、ΔV12vabsと式（２７）から算出することができる。
ΔPv = ΔV12vabs ×（Lmax/Vmax） ・・・（２７）

以上により、バーニア型位置検出手段において、回路構成の小型化を実現しつつ、誤った絶対位置算出を防ぐことを可能とした、信頼性の高い絶対位置を算出することができる。

次に、図１０を用いて、本発明の第２の実施例を説明する。
図１０は本実施例の構成ブロック図であり、図１と同様の構成のものは同符号を付す。

ABS決定部1101は、ABS算出部1102が算出した絶対位置Pabsを、ABS信頼性判断部の判断結果を元に決定する絶対位置決定部であり、ABS決定部101とは処理が異なる。ABS算出部1102は、ABSセンサーから出力される信号を元に固定要素に対しての可動要素の絶対位置である絶対位置Pabsを算出する演算部であり、ABS算出部102とは動作が異なる。

次に実施例２の動作について説明する。
ABS決定部1101は、ABS算出部1102に対して、絶対位置Pabsの算出要求を行う。ABS算出部1102は、実施例1と同様の方法により絶対位置Pabsを算出すると共に、絶対位置算出情報をABS信頼性判断部106に出力する。ABS信頼性判断部106は実施例1と同様の方法で信頼性判断を行い、その結果をABS決定部1101に出力する。ここで、ABS信頼性判断部106が絶対位置Pabsの信頼性が低いと判断した場合、ABS決定部1101は、ABS算出部1102に対して、絶対位置Pabsの算出の再要求を行う。ABS算出部1102は、絶対位置Pabsの算出の再要求を受けると、再度、絶対位置Pabsを算出する。

次に絶対位置Pabsの再算出の方法について図１１を用いて説明する。
T4は、S2rA、S2rBの信号を取得した時間である。ここで、T1とT2及びT2とT3及びT3とT4の時間間隔は信号取得遅延時間Tsと同じである。V2inc2、V3inc2、V4inc2はそれぞれT2、T3、T4の時のInc2の信号レベルである。ΔV23inc2はT2からT3におけるInc2の信号レベルの変化量であり、ΔV23vabsはT2からT3におけるVabsの信号レベルの変化量である。

T3のタイミングで取得したS1rA、S1rBの信号から算出した移動量ΔPvがΔPvmaxを超えていた場合、ABS算出部1102はT4のタイミングで再度S2rA、S2rBの信号を取得する。
T2、T3、T4は等間隔であるため、可動要素21が等速で移動している場合を想定すると、ΔV23inc2は式（２８）で表わすことができる。
ΔV23inc2 = （V4inc2 V2inc2）/2 ・・・（２８）

ここで、V2inc2及びV4inc2は、T2、T4其々のタイミングで取得したS2rA、S2rBから図５のS502及びS503の処理により算出することができる。
またスケールの全長Lmaxに対するVabsの周期は１であるのに対し、Inc2における全長Lmax内での周期の数（N2の最大値）はN2maxであるため、Vabs及びInc2が連続値をとる範囲においてはΔV23vabsは、式（２９）で表わすことができる。
ΔV23vabs = ΔV23inc2 / N2max ・・・（２９）
移動量ΔPvは、ΔV23vabsと式（３０）から算出することができる。
ΔPv = ΔV23vabs ×（Lmax/Vmax） ・・・（３０）
以上によりT2からT3における移動量ΔPvを算出する。

一方、T2で取得したS2rA、S2rB及びT3で取得したS1rA、S1rBから、実施例1の方法で、絶対位置Pabsを算出することができる。
ここで、T2からT3における移動量ΔPvがΔPvmaxより小さい場合、T2で取得したS2rA、S2rB及びT3で取得したS1rA、S1rBから算出した絶対位置Pabsの信頼性は高いと判断される。

以上、絶対位置Pabsの信頼性が高いと判断されるまで、絶対位置Pabsの算出を繰り返す。
以上により、順次S1rA、S1rB、S2rA、S2rBを取得し、順次取得したS1rA、S1rB、S2rA、S2rBから絶対位置Pabsを随時算出することで、信頼性が高い絶対位置Pabsを早く決定することができる。

次に、図１２を用いて、本発明の第３の実施例を説明する。
図１２は本実施例の構成ブロック図であり、図１０と同様の構成のものは同符号を付す。

ABS算出部1201は、ABSセンサーから出力される信号を元に固定要素に対しての可動要素の絶対位置である絶対位置Pabsを算出する演算部であり、ABS算出部1102とは動作が異なる。駆動制御部1202は可動要素1204の駆動制御を行う駆動制御部である。モータ1203は可動要素1204を駆動させるモータであり、例えばDCモータやステッピングモータである。可動要素1204はABSセンサー104の絶対位置検出対象となる可動要素である。

次に実施例３の動作について説明する。
ABS決定部1101は、ABS算出部1201に対して、絶対位置Pabsの算出要求を行う。ABS算出部1201は、ABS決定部1101からの絶対位置Pabsの算出要求を受けると、駆動制御部1202に対し、信号取得遅延時間Tsにおける移動量ΔPvが式（２４）を満たす速度Sabs、すなわち、移動量ΔPvが式（２４）を満たす速度Sabs以下（所定の閾値以下）になるような駆動制御要求を行う。駆動制御部1202は、前記駆動制御要求を受けると、モータ1203に対して、可動要素1204の移動速度が速度Sabs以下になるように駆動制御を行う。ABS算出部1201は、信号取得遅延時間Ts間隔でS1rA、S1rBを取得し、随時Tsにおける移動量ΔPvを式（３１）を用いて算出する。
ΔPv = (ΔVinc1 / N1max) ×（Lmax/Vmax）・・・（３１）
ここで、ΔVinc1は、信号取得遅延時間TsにおいてInc1が変化した信号レベルである。

算出した移動量ΔPvが式（２４）を満たすと、ABS算出部1201は、絶対位置Pabsの算出を開始し、実施例1と同様の方法で絶対位置Pabsを算出する。
以上により、信頼性の高い絶対位置算出が行われる速度に可動要素1204の移動速度を制御することで、信頼性の高い絶対位置を早く決定することができる。

本実施例では、駆動制御により、可動要素1204の移動速度を制御していた。しかし、可動要素1204にメカ的にロック機構や可動トルクを重くする機構を設けて、絶対位置算出時に可動要素1204の速度が、信頼性の高い絶対位置算出速度になるような構成としても同様の効果が得られる。

１０２、１１０２、１２０１ ＡＢＳ算出部（位置算出手段）
１０４ ＡＢＳセンサー（信号検出手段）
１０６ ＡＢＳ信頼性判断部（信頼性判断手段）
２１、１２０４ 可動要素
２２ 固定要素
１２０２ 駆動制御部

Claims (6)

1. 固定要素に対する可動要素の位置を検出する位置検出手段であって、
   前記固定要素に対する前記可動要素の位置に対しそれぞれが所定の値を示す複数の周期
   信号であって、該位置の変化に応じ互いに異なる周期で変化する複数の周期信号を検出し、検出された前記複数の周期信号に基づく複数の変位信号を生成し、生成された複数の変位信号を所定の周期で切替えて順次出力する信号検出手段と、
   前記複数の変位信号に基づいて前記固定要素に対する前記可動要素の位置を算出する位置算出手段と、
   前記所定の周期内における前記可動要素の変位量が所定の閾値より大きい場合、前記位置算出手段で算出された位置の信頼性は低いと判断する信頼性判断手段と、
   前記固定要素に対する前記可動要素の最大変位、該最大変位内の前記複数の周期信号の周期の数、を記憶するデータ保持部と、
   を有し、
   前記所定の閾値は、前記複数の周期信号それぞれ前記最大変位、該最大変位内での前記複数の周期信号の周期の数、に基づいて決定される、
   ことを特徴とする位置検出手段。
2. 前記複数の周期信号それぞれのノイズ、前記固定要素に対する前記可動要素の最大変位、該最大変位内の前記複数の周期信号の周期の数、を記憶するデータ保持部を有し、
   前記所定の閾値は、前記複数の周期信号それぞれのノイズ、前記最大変位、該最大変位内での前記複数の周期信号の周期の数、に基づいて決定される、ことを特徴とする請求項１に記載の位置検出手段。
3. 前記信頼性判断手段によって信頼性は低いと判断された場合は、前記位置算出手段は、次の所定の周期のタイミングで前記信号検出手段から出力された前記変位信号を取得し、位置を再度算出することを特徴とする請求項１又は２に記載の位置検出手段。
4. 前記可動要素を駆動する駆動手段を有し、
   該駆動手段は、前記所定の周期内における前記可動要素の変位量が前記所定の閾値以下となるように前記可動要素の駆動を制御する、
   ことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の位置検出手段。
5. 前記信号検出手段は、
   前記固定要素及び前記可動要素の一方に、互いに異なる周期を有する複数の反射パターン列と、
   前記固定要素及び前記可動要素の他方に固定された光源と、
   前記固定要素及び前記可動要素の該他方に固定され、前記光源から出射し前記複数の反射パターン列で反射された光をそれぞれ受光する複数の受光部と、
   を含む、ことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の位置検出手段。
6. 前記信号検出手段が前記複数の周期信号に基づき生成された複数の変位信号を前記所定の周期で切替えて順次出力するための切替え信号を前記信号検出手段に出力する切替え手段を有する、ことを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の位置検出手段。

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