JP6894149B2

JP6894149B2 - 位置測定装置

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Publication number: JP6894149B2
Application number: JP2019216478A
Authority: JP
Inventors: 三男眞鍋
Original assignee: 三男眞鍋
Priority date: 2019-11-29
Filing date: 2019-11-29
Publication date: 2021-06-23
Anticipated expiration: 2039-11-29
Also published as: JP2021085816A

Description

本発明は、位置測定装置に関し、特に、マーカが設けられたスケールの位置を光学的に測定する装置に関する。

各種産業分野およびサービス業分野において用いられる製造装置、測定装置等は、処理対象物やセンサを移動させる可動部を備えている。可動部の動作を制御するため、このような装置には可動部の位置を測定する位置測定装置が用いられている。例えば、工作機械には、加工対象物がテーブルの上に載せられ、加工対象物の所望の位置にドリルが接触するようにテーブルまたはドリルを移動させるものがある。可動部としてのテーブルまたはドリルの位置を測定するため、工作機械には位置測定装置としてリニアエンコーダが設けられる。

リニアエンコーダには、例えば、光学式や磁気式のリニアエンコーダがある。光学式のリニアエンコーダでは、複数の目盛（マーカ）が直線状に配列されたスケールが可動部に固定され、光センサによって各マーカが検出される。リニアエンコーダは、検出されたマーカの位置に基づいてスケールの位置を測定する。磁気式のリニアエンコーダでは、複数の磁石が直線状に配列されたスケール、あるいはコイルが配置されたスケールが可動部に固定され、磁気センサによって各磁石またはコイルの各ループ区間が検出される。リニアエンコーダは、検出された磁石またはループ区間の位置に基づいてスケールの位置を測定する。

以下の特許文献１には、磁気式のリニアエンコーダが記載されている。特許文献３には、光学式のリニアエンコーダが記載されている。特許文献２には、磁気式および光学式のいずれにも構成し得るリニアエンコーダが記載されている。

特開２０１５−１４５８５８号公報特開２０１１−２３２０７４号公報特開２０１０−１４５２０１号公報

磁気式のリニアエンコーダでは、スケールに磁石やコイルが用いられ、スケールの構造が複雑となってしまうことがある。また、光学式のリニアエンコーダでは、スケールに異物が付着した場合には、センサがマーカを光学的に検出することが困難となる場合がある。

本発明は、構造が簡単であり、異物が存在する環境下での性能を向上させた位置測定装置を実現することを目的とする。

本発明は、行方向および列方向に２次元配列された複数の画素を備える画像センサと、行方向に配列された複数の画素によってそれぞれが構成された複数の画素行のうち、いずれかを選択する行選択部と、前記行選択部によって選択された画素行に属する複数の画素から、画素値を順次読み出す列選択読み出し部と、スケールに設けられたマーカの検出位置であって、前記画像センサにおける検出位置を、前記列選択読み出し部によって読み出された複数の画素値に基づいて求め、前記検出位置に基づいて、前記画像センサと前記スケールとの位置関係を測定する制御部と、を備え、前記画像センサの検出面は、複数の前記マーカに対向し、前記制御部は、前記検出面に対向する複数の前記マーカのそれぞれについて前記検出位置を求めることで、前記スケールについて複数の仮位置を測定し、複数の前記仮位置に基づいて、前記画像センサと前記スケールとの位置関係を測定することを特徴とする。

望ましくは、前記マーカは、列方向に延伸する線状をなしており、前記列選択読み出し部は、前記行選択部によって選択された複数の画素行のそれぞれから、画素値を行方向に順次読み出し、前記制御部は、前記列選択読み出し部によって読み出された画素値がピークとなるピーク画素を前記複数の画素行について特定し、前記複数の画素行のそれぞれにおいて特定されたピーク画素に基づいて、前記検出位置を求める。

また、本発明は、行方向および列方向に２次元配列された複数の画素を備える画像センサと、行方向に配列された複数の画素によってそれぞれが構成された複数の画素行のうち、いずれかを選択する行選択部と、前記行選択部によって選択された画素行に属する複数の画素から、画素値を順次読み出す列選択読み出し部と、スケールに設けられたマーカの検出位置であって、前記画像センサにおける検出位置を、前記列選択読み出し部によって読み出された複数の画素値に基づいて求め、前記検出位置に基づいて、前記画像センサと前記スケールとの位置関係を測定する制御部と、を備え、前記マーカは、列方向に延伸する線状をなしており、前記列選択読み出し部は、前記行選択部によって選択された複数の画素行から、１列ごとに当該複数の画素行に対する合成画素値を画素値として読み出し、当該複数の画素行に対する画素値を１列ごとに順次読み出し、前記制御部は、前記列選択読み出し部によって読み出された画素値がピークとなるピーク画素を前記複数の画素行について特定し、前記複数の画素行に対して特定されたピーク画素に基づいて、前記検出位置を求め、前記制御部は、前記マーカが延伸する範囲に対応して、前記行選択部に複数の画素行を同時に選択させて前記マーカを線として捉え、前記列選択読み出し部は、前記マーカの複数の位置に合わせて画素列を順次選択し、前記制御部は、前記マーカを追跡し、前記マーカの追跡結果に応じて、前記画像センサと前記スケールとの位置関係を測定することを特徴とする。また、本発明は、行方向および列方向に２次元配列された複数の画素を備える画像センサと、行方向に配列された複数の画素によってそれぞれが構成された複数の画素行のうち、いずれかを選択する行選択部と、前記行選択部によって選択された画素行に属する複数の画素から、画素値を順次読み出す列選択読み出し部と、スケールに設けられたマーカの検出位置であって、前記画像センサにおける検出位置を、前記列選択読み出し部によって読み出された複数の画素値に基づいて求め、前記検出位置に基づいて、前記画像センサと前記スケールとの位置関係を測定する制御部と、を備え、前記マーカは、列方向に延伸する線状をなしており、前記列選択読み出し部は、前記行選択部によって選択された複数の画素行から、１列ごとに当該複数の画素行に対する合成画素値を画素値として読み出し、当該複数の画素行に対する画素値を１列ごとに順次読み出し、前記制御部は、前記列選択読み出し部によって読み出された画素値がピークとなるピーク画素を前記複数の画素行について特定し、前記複数の画素行に対して特定されたピーク画素に基づいて、前記検出位置を求め、前記制御部は、前記マーカが列方向に延伸する範囲に対応して、前記行選択部に複数の行を同時に固定的に選択させた上で前記列選択読み出し部を制御して、前記マーカを追跡し、前記マーカの追跡結果に基づいて、前記画像センサと前記スケールとの位置関係を高速に測定することを特徴とする。

望ましくは、前記行選択部は、前記複数の画素行のうち、前記スケールに設けられたアブソリュートコードに対応する１行または複数行のアブソリュート画素行を選択し、前記列選択読み出し部は、前記アブソリュート画素行に属する複数の画素から、画素値を行方向に順次読み出し、前記制御部は、前記アブソリュート画素行に属する複数の画素から読み出された複数の画素値が示す前記アブソリュートコードに基づいて、前記マーカに対応するアブソリュート位置を求め、前記アブソリュート位置および前記検出位置に基づいて、前記画像センサと前記スケールとの位置関係を測定する。

望ましくは、前記スケールには、行方向に複数の前記マーカが設けられており、前記制御部は、前記検出位置の変化に基づいて、複数の前記マーカのうち現時点で前記検出位置が求められている現時点マーカが、複数の前記マーカのうち前記アブソリュート位置が求められた基準マーカから離れて何番目の前記マーカに対応するかを判定し、その判定結果と、前記アブソリュート位置および前記検出位置に基づいて、前記画像センサと前記スケールとの位置関係を測定する。

望ましくは、前記制御部は、先に検出される前記マーカの位置と、次に検出される前記マーカの位置を、前記画像センサにおける画素間ピッチを測定分解能として測定し、前記マーカの間が画素間ピッチで構成され、インクリメンタルアドレスによって、インクリメンタルの移動量としてディジタル内挿される。

望ましくは、前記マーカのアブソリュート位置は、前記マーカの検出位置に対するキャリーアップおよびキャリーダウンによって計数される。

望ましくは、前記スケールは、複数の短尺スケールを継ぎ足して構成されている。

本発明によれば、構造が簡単であり、異物が存在する環境下での性能を向上させた位置測定装置を実現することができる。

リニアエンコーダを構成する画像センサおよび光学スケールを示す図である。画像センサの構成を示す図である。画像センサユニットの構成を示す図である。リニアエンコーダを構成する光学スケールおよび画像センサを示す図である。４本のマーカが検出される光学スケールおよび画像センサを示す図である。

各図を参照して本発明の実施形態について説明する。複数の図面に示された同一の事項については同一の符号を付してその説明を簡略化する。以下の説明では、本発明の実施形態に係るリニアエンコーダ（位置測定装置）が、可動テーブルを備える工作機械に用いられる例について述べる。ただし、本発明に係る位置測定装置は、工作機械の他、その他の製造装置、測定装置、ロボット等に用いられてもよい。この場合、位置測定装置は、搭載先の装置における可動部材を測定対象物とし、可動部材の位置を測定する。

図１には、本発明の実施形態に係るリニアエンコーダを構成する画像センサ１８および光学スケール１０が示されている。画像センサ１８には、図の右方向をｘ軸正方向とし、下方向をｙ軸正方向とするｘｙ座標系が定義されている。画像センサ１８は、工作機械における非可動な固定部材に固定されている。ｘｙ座標系の原点は、工作機械の固定部材における基準点となる。

光学スケール１０は、ｘ軸方向に延伸する帯状部材１２によって形成されている。帯状部材１２は可動テーブルに固定されており、矢印２０で示されているように、可動テーブルと共にｘ軸方向に移動する。光学スケール１０には、ｙ軸方向に伸びる基準線ＬＺが定められており、光学スケール１０の位置は基準線ＬＺのｘ軸座標値として定義される。光学スケール１０が固定された可動テーブルの位置も同様に、基準線ＬＺのｘ軸座標値として定義される。なお、基準線ＬＺは仮想的な直線であり、必ずしも帯状部材１２に表記されていなくてもよい。

帯状部材１２には、ｘ軸方向に等しい間隔を隔てるように複数のマーカ１４が描かれている。各マーカ１４は、ｙ軸方向に伸びる直線状に描かれている。各マーカ１４の下方（ｙ軸正方向側）には、アブソリュートコード１６が描かれている。アブソリュートコード１６は、太さが異なる複数の縦線がｘ軸方向に並べられたバーコードであってよい。アブソリュートコード１６は、上方（ｙ軸負方向側）に描かれたマーカ１４に対応するアブソリュート位置を表す。マーカ１４に対応するアブソリュート位置は、マーカ１４が仮にｘ＝０の位置にあるとした場合における基準線ＬＺのｘ軸座標値として定義される。各マーカ１４および各アブソリュートコード１６は、光を反射する材料で形成されてよい。帯状部材１２は、剛性の材料の他、可撓性の材料によって形成されてよい。

画像センサ１８は、画像を検出する検出面をマーカ１４およびアブソリュートコード１６側に向けて、光学スケール１０よりも手前側に配置されている。光学スケール１０は、ｘ軸方向に移動する可動テーブルと共にｘ軸方向に移動する。画像センサ１８の検出面には、光を検出する複数の画素が２次元配列されており、以下に説明する処理によって、光学スケール１０の画像を撮影する。

なお、画像センサ１８がマーカ１４を認識するため、リニアエンコーダには、画像センサ１８と光学スケール１０との間に光を照射する照射装置が設けられてもよい。

図２には、画像センサ１８の構成が示されている。この図では左方向がｘ軸正方向とされている。すなわち、この図は、光学スケール１０から画像センサ１８側を見た構成が示されている。

画像センサ１８は、ｙ軸方向（列方向）にｍ個の画素３０が配列され、ｘ軸方向（行方向）にｎ個の画素３０が配列されるように、ｎ×ｍ個の画素３０が２次元配列されている。画素行Ｂ_０〜Ｂ_ｍ−１のそれぞれは、ｘ軸方向に配列されたｎ個の画素３０から構成されている。画素行Ｂ_０〜Ｂ_ｍ−１は、上から下に向かって、すなわちｙ軸正方向に向かってこの順序で配置されている。画素列Ａ_０〜Ａ_ｎ−１のそれぞれは、ｙ軸方向に配列されたｍ個の画素３０から構成されている。画素列Ａ_０〜Ａ_ｎ−１は、右から左に向かって、すなわちｘ軸正方向に向かってこの順序で配置されている。

画素行Ｂ_０〜Ｂ_ｍ−１に対しては、それぞれ、選択信号線β_０〜β_ｍ−１が設けられている。選択信号線β_０〜β_ｍ−１は行選択部４０に接続されている。画素列Ａ_０〜Ａ_ｎ−１に対しては、それぞれ、読み出し線α_０〜α_ｎ−１が設けられている。読み出し線α_０〜α_ｎ−１の一端は、それぞれ、ノイズキャンセル回路ＮＣ_１〜ＮＣ_ｎ−１の一端に接続されている。ノイズキャンセル回路ＮＣ_１〜ＮＣ_ｎ−１の他端は、それぞれ、読み出しスイッチＳ_１〜Ｓ_ｎ−１の一端に接続され、読み出しスイッチＳ_１〜Ｓ_ｎ−１の他端は、出力アンプ４４の入力端子に接続されている。

各画素３０は、フォトダイオード３２および画素アンプ３４を備えている。フォトダイオード３２のアノードは接地導体に接続されている。フォトダイオード３２のカソードは、画素アンプ３４の入力端子に接続されている。画素列Ａ_ｉに属する画素３０における画素アンプ３４の出力端子は、読み出し信号線α_ｉに接続されている。画素行Ｂ_ｊに属する画素３０における画素アンプ３４の制御端子は、選択信号線β_ｊに接続されている。ここで、ｉは０〜ｎ−１のうちいずれかの整数であり、ｊは０〜ｍ−１のうちいずれかの整数である。また、画素アンプ３４は、制御端子の電圧がハイであるときにオンとなり、制御端子の電圧がローであるときにオフとなる。

行選択部４０は、画素行Ｂ_０〜Ｂ_ｍ−１のうち、画素電圧を読み出すべき画素行に対応する選択信号線の電圧をハイとし、その他の選択信号線の電圧をローとする。画素行Ｂ_０〜Ｂ_ｍ−１のうち、選択信号線の電圧がハイとなった画素行Ｂ_ｊに属する各画素３０における画素アンプ３４がオンになる。フォトダイオード３２に光が照射されると、フォトダイオード３２は画素アンプ３４に電圧（画素電圧）を出力する。画素アンプ３４は、フォトダイオード３２から出力された画素電圧を増幅し、読み出し信号線に出力する。

読み出しスイッチＳ_０〜Ｓ_ｎ−１のうち、画素アンプ３４の出力電圧が読み出される画素列Ａ_ｉに対応する読み出しスイッチＳ_ｉがオンとされる。選択信号線β_ｊの電圧がハイとなった画素行Ｂ_ｊに属するｎ個の画素３０のうち、画素列Ａ_ｉに属する画素３０における画素アンプ３４の出力電圧が、ノイズキャンセル回路ＮＣ_ｉおよび読み出しスイッチＳ_ｉを介して出力アンプ４４の入力端子に出力される。ノイズキャンセル回路ＮＣ_ｉは、画素アンプ３４の出力電圧に含まれるノイズ電圧を低減または除去する。出力アンプ４４は、画素行Ｂ_ｊに属し、かつ、画素列Ａ_ｉに属する画素３０から、ノイズキャンセル回路ＮＣ_ｉおよび読み出しスイッチＳ_ｉを介して出力された電圧を増幅し、画像データとして出力する。

図３には、リニアエンコーダにおける画像センサユニット１００の構成が示されている。画像センサユニット１００は、画像センサ１８、読み出しスイッチＳ_０〜Ｓ_１を含む列選択読み出し部４６、行選択部４０、および制御部５０を備えている。制御部５０は、読み出しスイッチＳ_０〜Ｓ_１および行選択部４０を制御する。また、制御部５０は、出力アンプ４４から出力される画像データを読み込む。

制御部５０は、外部から読み込まれたプログラム、または予め記憶されたプログラムを実行するプロセッサによって構成されてよい。行選択部４０および列選択読み出し部４６は、バイポーラトランジスタ、ＦＥＴ（Field Effect Transistor）等の半導体スイッチング素子を含む電子回路によって構成されてよい。

行選択部４０が、選択信号線β_ｊの電圧をハイとし、その他の選択信号線の電圧をローとしている間に、読み出しスイッチＳ_０、Ｓ_１、Ｓ_２、・・・・・、Ｓ_ｎ−１を順に一定時間だけオンとする。この水平方向走査が各画素行Ｂ_０〜Ｂ_ｍ−１について順に行われる。これによって、画素（０，０）、画素（１，０）、画素（２，０）、・・・・・画素（ｎ−１，０）、画素（０，１）、画素（１，１）、画素（２，１）、・・・・・画素（ｎ−１，１）、・・・・・画素（０，ｍ−１）、画素（１，ｍ−１），画素（２，ｍ−１）、・・・・・画素（ｎ−１，ｍ−１）の画素値が画像データとして、出力アンプ４４から制御部５０に順に出力される。ただし、画素（ｉ，ｊ）は、画素列Ａ_ｉに属し、かつ、画素行Ｂ_ｊに属する画素３０を示す。制御部５０は、画素（０，０）〜画素（ｎ−１，ｍ−１）の各画素値によって画像を認識する。

画像センサ１８では、画素（０，０）〜画素（ｎ−１，ｍ−１）によって形成される画像の平面にｘｙ座標が定義されている。画素（０，０）の位置がｘｙ座標系の原点とされている。画素（０，０）〜画素（０，ｍ−１）を通る座標軸がｙ軸として定義され、画素（０，０）〜画素（ｎ−１，０）を通る座標軸がｘ軸座標として定義されている。制御部５０は、各画素（ｉ，ｊ）の位置をｘｙ座標系での座標値（ｘ、ｙ）＝（ｘｉ，ｙｊ）によって記憶している。

図４には、光学スケール１０および画像センサ１８が示されている。この図では、画像センサ１８における検出面でない反対側の面が手前側に向けられている。帯状部材１２には、マーカ１４−１〜１４−４およびアブソリュートコード１６−１〜１６−４が配列されている。帯状部材１２の図示されていない左右の領域にも、マーカおよびアブソリュートコードが所定の間隔を隔ててｘ軸方向に配列されている。説明の便宜上、マーカ１４−２およびアブソリュートコード１６−２は、画像センサ１８を透過させて示されている。

図４に示されている状態を測定開始の状態として、リニアエンコーダの動作について説明する。制御部５０は、画像センサ１８から画像データを読み込み、マーカ１４−２を検出すると共に、アブソリュートコード１６−２を読み取る。

制御部５０は、列方向に延伸する線状をなしているマーカ１４−２の検出を、例えば次のような処理によって行う。制御部５０は、画素行から行方向に画素値を順次読み込んだときに、画素値が極大となるピーク画素、すなわち、画素値のピークが現れるピーク画素を特定する。このようなピーク画素がｙ軸方向に沿って連なっており、ｙ軸方向に連なっているピーク画素の個数が予め定められた個数を超えるときに、制御部５０は、ｙ軸方向に沿って連なったピーク画素の位置ｘ＝Ｘｐにマーカが存在すると認識する。

このように、列選択読み出し部４６は、行選択部４０によって選択された複数の画素行のそれぞれから、画素値を行方向に順次読み出す。制御部５０は、画素値がピークとなるピーク画素を複数の画素行について特定し、複数の画素行のそれぞれにおいて特定されたピーク画素に基づいて、マーカの検出位置としてのｘ軸座標値ｘ＝Ｘｐを求める。以下の説明では、ｘ軸座標値で表されたマーカの位置をインクリメント位置ｘ＝Ｘｐという。

また、制御部５０は、アブソリュートコード１６−２の読み取りを、例えば次のような処理によって行う。制御部５０は、予め定められたｙ軸方向の画素範囲におけるｘ軸方向の画素値の配列を２進数に置き換える。制御部５０は、この２進数から、ｘ軸座標値で表されたマーカ１４−２に対応するアブソリュート位置ｘ＝Ｘａを読み取る。アブソリュート位置は、仮にマーカ１４−２がｘ軸座標値ｘ＝０の位置にあったとした場合における基準線ＬＺのｘ軸座標値として定義される。

すなわち、行選択部４０は、複数の画素行のうち、アブソリュートコード１６−２に対応する１行または複数行のアブソリュート画素行（上記予め定められたｙ軸方向の画素範囲）を選択する。列選択読み出し部４６は、アブソリュート画素行に属する複数の画素から、画素値を行方向に順次読み出す。制御部５０は、アブソリュート画素行に属する複数の画素から読み出された複数の画素値によるアブソリュートコード１６−２が示す２進数に基づいて、マーカ１４−２に対応するアブソリュート位置ｘ＝Ｘａを求める。

制御部５０は、（数１）に示されているように、アブソリュート位置ｘ＝Ｘａにインクリメント位置ｘ＝Ｘｐを加算することで、ｘ軸座標値で表された基準線ＬＺの位置、すなわち、可動テーブルの位置ｘ＝Ｕを求める。

（数１）Ｕ＝Ｘａ＋Ｘｐ

可動テーブルがｘ軸方向に移動した場合、これと共に光学スケール１０もｘ軸方向に移動する。光学スケール１０が移動したことによって、制御部５０が検出するマーカが、別のマーカに入れ替わったときは、先に検出したマーカに基づいて基準線ＬＺの位置を求める処理と同様の処理によって、新たに検出したマーカに基づいて基準線ＬＺの位置を求める。このような処理によって、制御部５０は、可動テーブルがｘ軸方向に移動したときにおいても、順次、ｘ座標値で表された基準線ＬＺの位置、すなわち、可動テーブルの位置を求める。

本実施形態に係るリニアエンコーダでは、各マーカが、ｙ軸方向に伸びる直線状に描かれている。制御部５０は、マーカに基づくピーク画素を検出し、ｙ軸方向に連なっているピーク画素の個数が予め定められた個数を超えるときに、ｙ軸方向に沿って連なったピーク画素の位置ｘ＝Ｘｐにマーカが存在すると認識する。したがって、マーカの一部に異物が付着していたとしても、ピーク画素の個数が予め定められた個数を超えていれば、制御部５０はマーカを検出し、マーカのｘ座標値を求める。したがって、本実施形態に係るリニアエンコーダによれば、光学スケール１０上に異物が存在する環境下においてマーカを検出する性能が向上する。また、本実施形態に係るリニアエンコーダでは、各マーカは、光を反射する物質を帯状部材１２に設けることで構成される。例えば、反射性の塗料を帯状部材１２に塗布することで各マーカが形成されてよい。そのため、スケールにコイルや磁石等が設けられたリニアエンコーダに比べて構造が簡単である。

上記では、行選択部４０によって１つずつ順に選択された複数の画素行について、列選択読み出し部４６が１行ずつ画素値を行方向に順次読み出す１行読み出し処理について説明した。列選択読み出し部４６は、行選択部４０によって同時に選択された複数の画素行から、画素値を行方向に順次読み出す複数行読み出し処理を実行してもよい。

この場合、同時に選択された複数行に属する複数の画素のうち、列選択読み出し部４６が選択する１列に属する複数の画素から出力される画素値が合成され、合成画素値に基づく画素値が、その１列に対応する画素値として列選択読み出し部４６によって読み出される。ここで、合成画素値は、列選択読み出し部４６が選択する１列に属する複数の画素のそれぞれにおけるフォトダイオード３２に蓄積された電荷の放電に基づく。列選択読み出し部４６は、同時に選択された複数行における１列から読み出された画素値を読み出し出力アンプ４４に出力する処理を、複数の列に対して行方向に順次読み出す。

具体的には、行選択部４０が、第Ｋ行目〜第Ｋ＋Ｌ−１行目までのＬ本の選択信号線β_Ｋ〜β_{Ｋ＋Ｌ−１}の電圧を同時にハイとし、その他の選択信号線の電圧をローとしている間に、読み出しスイッチＳ_０、Ｓ_１、Ｓ_２、・・・・・、Ｓ_ｎ−１を順に一定時間だけオンとする。この水平方向走査が同時に選択された複数画素行Ｂ_Ｋ〜Ｂ_{Ｋ＋Ｌ−１}について行われる。これによって、画素（０，Ｋ）〜画素（０，Ｋ＋Ｌ−１）の合成画素値、画素（１，Ｋ）〜画素（１，Ｋ＋Ｌ−１）の合成画素値、画素（２，Ｋ）〜画素（２，Ｋ＋Ｌ−１）の合成画素値、・・・・・画素（ｎ−１，Ｋ）〜画素（ｎ−１，Ｋ＋Ｌ−１）の合成画素値、画素（ｎ，Ｋ）〜画素（ｎ，Ｋ＋Ｌ−１）の合成画素値が画像データとして、出力アンプ４４から制御部５０に順に出力される。

上記では、マーカが検出される度にアブソリュートコードを読み取り、マーカが検出される度に、インクリメント位置およびアブソリュート位置を求める処理について説明した。このような処理の他、光学スケール１０の移動によって、測定開始時に検出されたマーカとは異なるマーカが検出されている場合についても、測定開始時に求められたアブソリュート位置を用いる処理が実行されてもよい。

この場合、制御部５０は、測定開始時に検出されたマーカを基準マーカとし、現時点で検出されている現時点マーカが、基準マーカから離れて何番目のマーカに対応するかを判定する。制御部５０は、現時点マーカが基準マーカからｘ軸負方向に離れてＣ番目であると判定したときは、（数２）に示されているように、測定開始時に求められたアブソリュート位置ｘ＝Ｘａに、マーカの間隔ｄのＣ倍を加算し、さらに、現時点マーカのインクリメント位置ｘ＝Ｘｐを加算することで基準線ＬＺの位置ｘ＝Ｕを求める。ここで、マーカカウント値Ｃは正の整数、負の整数、または０である。

（数２）Ｕ＝Ｘａ＋Ｃ・ｄ＋Ｘｐ

制御部５０は、このような処理を具体的に次のように実行してよい。画像センサ１８にはｘ軸方向の検出範囲ＸＬ≦ｘ≦ＸＨがあるものとする。図２〜図４に示されている例ではＸＬ＝０である。制御部５０は、測定開始時に検出されたマーカに対応するアブソリュートコードを読み込み、アブソリュート位置ｘ＝Ｘａを求めると共に、測定開始時のマーカカウント値をＣ＝０とする。

制御部５０は、マーカを検出した後、周知の画像追跡技術によってマーカの位置を追跡する。制御部５０は、マーカのｘ座標値が増加してＸＨに達した後に、ＸＬに戻って再び増加したときは、Ｃを１だけ増加させる。一方、制御部５０は、マーカのｘ座標値が減少してＸＬに達した後に、ＸＨに戻って再び減少したときは、Ｃを１だけ減少させる。制御部５０は、現時点でＸＬ≦ｘ≦ＸＨの範囲で検出されているマーカのインクリメント位置ｘ＝Ｘｐ、測定開始時に読み込んだアブソリュート位置ｘ＝Ｘａ、現時点におけるマーカカウント値Ｃおよびマーカの間隔ｄを用いて、基準線ＬＺの位置Ｕ＝Ｘａ＋Ｃ・ｄ＋Ｘｐを求める。

このように、制御部５０は、マーカのｘ座標値で表される検出位置（インクリメント位置Ｘｐ）の変化に基づいて、現時点で検出位置が求められた現時点マーカが、先にアブソリュート位置が求められた基準マーカから離れて何番目のマーカに対応するかを判定する。制御部５０は、現時点マーカが基準マーカからｘ軸負方向に離れてＣ番目であると判定したときは、判定結果（マーカカウント値Ｃ）、先に求められたアブソリュート位置Ｘａおよび検出位置Ｘｐに基づいて、測定対象物としての可動テーブルの位置（基準線ＬＺの位置）Ｕ＝Ｘａ＋Ｃ・ｄ＋Ｘｐを測定する。

このような処理によれば、制御部５０は、アブソリュートコードを読み込む処理を１度行うのみでよく、新たにマーカが検出される度にアブソリュートコードを読み込まなくてもよい。これによって、基準線ＬＺの位置、すなわち、測定対象物の位置が迅速に求められる。

なお、工作機械が動作しているときに制御部５０は、現時点のマーカカウント値Ｃおよびアブソリュート位置Ｘａを記憶する。工作機械の電源がオフにされた後、再びオンにされたときは、制御部５０は、新たに検出された現時点マーカについて得られたインクリメント位置Ｘｐと、先に記憶したマーカカウント値Ｃおよびアブソリュート位置Ｘａに（数２）を適用して基準線ＬＺの位置ｘ＝Ｕを求める。また、一般に工作機械は、異常が発生した際にアラームを発生し、動作を停止する設計となっている。工作機械がアラーム発生と共に停止し、再び動作を開始したときには、工作機械の電源が一旦オフにされ、再びオンにされたときと同様の処理によって、制御部５０は基準線ＬＺの位置ｘ＝Ｕを求める。

上記では、画像センサ１８によって１本のマーカが検出されるようにマーカの間隔ｄが定められた実施形態について説明した。画像センサ１８においては、２本以上のマーカが検出されてもよい。図５には、画像センサ１８によって４本のマーカ１５−１〜１５−４が検出される光学スケール１０および画像センサ１８が示されている。帯状部材１２には、複数のマーカ１５および複数のアブソリュートコード１６がｘ軸方向に沿って配列されている。画像センサ１８の検出面は、４本のマーカ１５−１〜１５−４および４個のアブソリュートコード１６−１〜１６−４に対向し、画像センサ１８は、４本のマーカ１５−１〜１５−４および４個のアブソリュートコード１６−１〜１６−４を撮影する。

測定開始時において、制御部５０は、検出下にある４個のアブソリュートコード１６−１〜１６−４のうちいずれか１つを読み込み、アブソリュート位置ｘ＝Ｘａを求める。ここでは、ｘ座標値が最も小さいマーカ１５−１に対応するアブソリュートコード１６−１を読み込む例について説明する。

制御部５０は、画像センサ１８から出力された画像データに基づいてアブソリュートコード１６−１を読み取り、アブソリュート位置ｘ＝Ｘａを求める。また、マーカ１５−１〜１５−４のそれぞれのインクリメント位置ｘ＝Ｘｐ１、ｘ＝Ｘｐ２、ｘ＝Ｘｐ３、ｘ＝Ｘｐ４を求める。制御部５０は、アブソリュート位置ｘ＝Ｘａ、インクリメント位置ｘ＝Ｘｐ１、ｘ＝Ｘｐ２、ｘ＝Ｘｐ３、ｘ＝Ｘｐ４およびマーカの間隔Ｄに基づいて、基準線ＬＺの仮位置Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３およびＵ４を求める。すなわち、仮位置Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３およびＵ４は、（数３）〜（数６）に従って求められる。

（数３）Ｕ１＝Ｘａ＋Ｘｐ１
（数４）Ｕ２＝Ｘａ＋Ｘｐ２−Ｄ
（数５）Ｕ３＝Ｘａ＋Ｘｐ３−２Ｄ
（数６）Ｕ４＝Ｘａ＋Ｘｐ４−３Ｄ

（数４）〜（数６）における「−Ｄ」、「−２Ｄ」、「−３Ｄ」は、アブソリュートコード１６−１が読み込まれたマーカ１５−１からのマーカ１５−２〜１５−４の距離を負極性にしたものであり、マーカ１５−１に対応するアブソリュート位置ｘ＝Ｘａが求められたことに対する補正値である。制御部５０は、仮位置Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３およびＵ４の加算平均値に基づいて、基準線ＬＺの位置を求める。基準線ＬＺの位置ｘ＝Ｕは、（数７）に従って求められる。

（数７）Ｕ＝（Ｕ１＋Ｕ２＋Ｕ３＋Ｕ４）／４

このように、複数のマーカに基づいて複数の仮位置を求め、複数の仮位置の加算平均値に基づいて、基準線ＬＺの位置、すなわち、可動テーブルの位置を求めることで、可動テーブルの位置の測定精度が向上する。

上記では、ｘ座標値が最も小さいマーカ１５−１に対応するアブソリュートコード１６−１を読み込む例について説明した。その他のマーカ１５−２〜１５−４のうちいずれかに対応するアブソリュートコードを読み込む処理が実行されてもよい。この場合、各マーカによって求められたインクリメント位置に、アブソリュートコードが読み込まれたマーカによって求められたインクリメント位置からの補正値が加算または減算され、各マーカに基づく基準線の仮位置が求められる。

また、上記では、画像センサ１８によって４本のマーカが検出される光学スケール１０および画像センサ１８が示された。画像センサ１８によって検出されるマーカの本数は任意である。複数のマーカが画像センサ１８によって検出される場合には、制御部５０は、複数のマーカのうちいずれかに対応するアブソリュートコードを読み込む。制御部５０は、各マーカのインクリメント位置に補正値を加算し、各マーカに基づく基準線ＬＺの仮位置を求める。制御部５０は、各マーカに基づく基準線の仮位置の加算平均値に基づいて、基準線ＬＺの位置を求める。

なお、図４に示されたマーカの間隔ｄ、および図５に示されたマーカの間隔Ｄは、画像センサ１８における画素の数で表現した場合に、１０００画素以上であってよい。マーカのインクリメント位置は、行方向の画素間隔（画素間ピッチＰ）の分解能で求められるため、基準線ＬＺの位置が高い分解能で求められる。また、上記では、アブソリュートコードがバーコードである例について説明した。アブソリュートコードは、ＱＲコード（登録商標）等、その他の規格で定められたコードであってもよい。

また、上記では、マーカおよびアブソリュートコードが帯状部材１２に設けられた実施形態について説明した。マーカおよびアブソリュートコードは、測定対象物に直接設けられ、測定対象物が光学スケールとしての機能を有してもよい。

上記では、光学スケール１０が測定対象物としての可動テーブルに固定され、画像センサ１８が固定部材に固定されたリニアエンコーダについて説明した。光学スケール１０上の基準線ＬＺの位置は、画像センサ１８上に定義されたｘ軸における座標値によって求められる。リニアエンコーダでは、光学スケール１０が固定部材に固定され、画像センサ１８が測定対象物に固定されてもよい。マーカおよびアブソリュートコードは、固定部材に直接設けられ、固定部材が光学スケールとしての機能を有してもよい。

この場合、リニアエンコーダは、光学スケール１０の基準線ＬＺを基準とした画像センサ１８の位置を求める。図４および図５に示されているように、固定部材上には、ｘ軸と同一の方向に向けられたｕ軸が定義される。画像センサ１８の位置は、ｘｙ座標系の原点のｕ軸上の位置、すなわちｕ軸座標値によって表される。制御部５０は、光学スケール１０が測定対象物に固定された上記の実施形態における処理と同様の処理を実行する。制御部５０は、上記の実施形態と同様の処理によって求められた基準線ＬＺのｘ軸座標値ｘ＝Ｕに対し、ｕ軸座標値ｕ＝−Ｕとして画像センサ１８の位置を求める。

このように、本発明の実施形態に係る位置測定装置は、画像センサ１８と光学スケール１０との位置関係を求めるものである。すなわち、本発明の実施形態に係る位置測定装置は、画像センサ１８の位置を基準とした光学スケール１０の位置を求めてもよいし、光学スケール１０の位置を基準とした画像センサ１８の位置を求めてもよい。

リニアエンコーダ（位置測定装置）が、ＮＣ工作機械、ロボット、産業機械等のサーボ制御における位置測定に用いられる場合には、迅速に可動部の位置測定を行うことが期待される。迅速な位置測定によって、例えば、初期設定や電源投入、アラーム発生時においても迅速に動作設定が行われる。そこで、列選択読み出し部４６は、上記の複数行読み出し処理を実行することで、１行読み出し処理を実行した場合に比べて、より迅速に基準線ＬＺの位置ｘ＝Ｕ、すなわち、可動テーブル等の可動部の位置を求めることができる。

すなわち、列選択読み出し部４６が備える読み出しスイッチが、読み出しスイッチＳ_０〜Ｓ_ｎ−１の順に一定時間だけオンになり、複数行による合成画素値が画素値としてｘ軸方向に順に読み出される。画素値をｘ軸方向に読み出し最初に検出されたマーカが、現時点のアブソリュートアドレス（アブソリュート位置）として制御部５０に設定される。

制御部５０は、マーカの位置に合わせて行選択部４０を制御して、ｙ軸正方向に複数の画素行を固定選択し、マーカを線として捉える。すなわち、制御部５０は、マーカがｙ軸方向に延伸する範囲に対応して、複数行読み出し処理において行選択部４０に複数の行を同時に選択させる。

列選択読み出し部４６は、マーカの複数の位置に合わせて画素列を順次複数列に亘って選択し、マーカが配置された光学スケール１０を面として捉え、マーカの移動に対して追従する。すなわち、制御部５０は列選択読み出し部４６におけるスイッチＳ_０〜Ｓ_ｎ−１を制御してマーカを追跡し、移動するマーカの位置を求める処理を実行する。

列選択読み出し部４６は、行選択部４０によって選択された複数の画素行から、１つの列について複数行からの合成画素値を画素値として取得する。制御部５０は、複数の画素列のうち画素値がピークになるピーク画素列に基づいてマーカの検出位置を求め、平均化されたインクリメンタルアドレス（インクリメント位置）が時々刻々と測定される。すなわち、制御部５０はマーカを追跡し、時間変化と共に順次マーカの位置を求める。

マーカとマーカとの間は画素間ピッチＰで構成され、インクリメンタルアドレスによって、インクリメンタルの移動量としてディジタル内挿される。すなわち、先に検出されるマーカと、次に検出されるマーカとの間は、ｘ軸方向に画素が配列された間隔として定義される画素間ピッチＰの分解能で測定される。

マーカのアブソリュートアドレスは、インクリメンタルアドレス（例えば、バイナリーコードで表される。）のキャリーアップおよびキャリーダウンに基づいて計数される。すなわち、インクリメンタルアドレスとマーカのアドレスとの和が測定位置となる。測定位置は、キャリーアップおよびキャリーダウンを表す（数２）に従って求められてよい。

このように、マーカを線として捉え、マーカが配置された面に沿ってマーカを追跡することで、異物が存在する環境下においても高精度に可動部の位置が求められる。また、マーカ間をインクリメンタルアドレスで内挿したことで、画素ピッチレベルの移動量まで、自動計測補正が可能となり、位置計測精度が向上する。

また、複数選択読み出し処理によれば、複数の画素行から画素値がまとめて読み出されるため、１行選択読み出し処理に比べて、可動部の位置測定が迅速に行われる。

光学スケール１０は、従来のインダクトシンスケールのように、継ぎ足し構築が可能である。そのため、小型の汎用精密製造機械により量産可能であり、コスト削減が可能である。

本実施形態に係るリニアエンコーダは、次のように構成されてよい。制御部５０は、マーカが延伸する範囲に対応して、行選択部４０に複数の行を同時に選択させてマーカを線として捉え、列選択読み出し部４６は、マーカの複数の位置に合わせて画素列を順次複数列に亘って選択し、制御部５０はマーカを追跡し、移動するマーカの追跡結果に応じて、画像センサ１８と光学スケール１０との位置関係を測定してよい。

制御部５０は、マーカが列方向に延伸する範囲に対応して、行選択部４０に複数の行を同時に固定的に選択させ、列選択読み出し部４６を列選択走査に専念させてよい。すなわち、制御部５０は、列選択読み出し部４６を制御してマーカを追跡し、移動するマーカの追跡結果に基づいて、画像センサ１８と光学スケール１０との位置関係を測定してよい。

制御部５０は、先に検出されるマーカの位置と、次に検出されるマーカの位置を、画素間ピッチを測定分解能として測定してよい。

マーカのアブソリュート位置は、光学スケール１０に設けられたマーカの検出位置（インクリメント位置）に対するキャリーアップおよびキャリーダウンによって計数されてよい。

光学スケール１０は、複数の短尺スケールを継ぎ足して構成されてよい。

このように、本実施形態に係るリニアエンコーダは、アナログ方式のような不安定な要素を排除したものである。本実施形態に係るリニアエンコーダでは、ディジタル処理によって再現性および信頼性の高い位置検出が実行される。

１０光学スケール、１２帯状部材、１４，１４−１〜１４−４，１５−１〜１５−５マーカ、１６，１６−１〜１６−４アブソリュートコード、１８画像センサ、２０矢印、３０画素、３２フォトダイオード、３４画素アンプ、４０行選択部、４４出力アンプ、５０制御部、１００画像センサユニット、Ａ_０〜Ａ_ｎ−１画素列、Ｂ_０〜Ｂ_ｍ−１画素行、α_０〜α_ｎ−１読み出し線、β_０〜β_ｍ−１選択信号線、ＮＣ_０〜ＮＣ_ｎ−１ノイズキャンセル回路、Ｓ_１〜Ｓ_ｎ−１読み出しスイッチ、ＬＺ基準線。

Claims

行方向および列方向に２次元配列された複数の画素を備える画像センサと、
行方向に配列された複数の画素によってそれぞれが構成された複数の画素行のうち、いずれかを選択する行選択部と、
前記行選択部によって選択された画素行に属する複数の画素から、画素値を順次読み出す列選択読み出し部と、
スケールに設けられたマーカの検出位置であって、前記画像センサにおける検出位置を、前記列選択読み出し部によって読み出された複数の画素値に基づいて求め、前記検出位置に基づいて、前記画像センサと前記スケールとの位置関係を測定する制御部と、
を備え、
前記画像センサの検出面は、複数の前記マーカに対向し、
前記制御部は、前記検出面に対向する複数の前記マーカのそれぞれについて前記検出位置を求めることで、前記スケールについて複数の仮位置を測定し、
複数の前記仮位置に基づいて、前記画像センサと前記スケールとの位置関係を測定することを特徴とする位置測定装置。
請求項１に記載の位置測定装置において、
前記マーカは、
列方向に延伸する線状をなしており、
前記列選択読み出し部は、
前記行選択部によって選択された複数の画素行のそれぞれから、画素値を順次読み出し、
前記制御部は、
前記列選択読み出し部によって読み出された画素値がピークとなるピーク画素を前記複数の画素行について特定し、前記複数の画素行のそれぞれにおいて特定されたピーク画素に基づいて、前記検出位置を求めることを特徴とする位置測定装置。
行方向および列方向に２次元配列された複数の画素を備える画像センサと、
行方向に配列された複数の画素によってそれぞれが構成された複数の画素行のうち、いずれかを選択する行選択部と、
前記行選択部によって選択された画素行に属する複数の画素から、画素値を順次読み出す列選択読み出し部と、
スケールに設けられたマーカの検出位置であって、前記画像センサにおける検出位置を、前記列選択読み出し部によって読み出された複数の画素値に基づいて求め、前記検出位置に基づいて、前記画像センサと前記スケールとの位置関係を測定する制御部と、
を備え、
前記マーカは、
列方向に延伸する線状をなしており、
前記列選択読み出し部は、
前記行選択部によって選択された複数の画素行から、１列ごとに当該複数の画素行に対する合成画素値を画素値として読み出し、当該複数の画素行に対する画素値を１列ごとに順次読み出し、
前記制御部は、
前記列選択読み出し部によって読み出された画素値がピークとなるピーク画素を前記複数の画素行について特定し、前記複数の画素行に対して特定されたピーク画素に基づいて、前記検出位置を求め、
前記制御部は、前記マーカが延伸する範囲に対応して、前記行選択部に複数の画素行を同時に選択させて前記マーカを線として捉え、
前記列選択読み出し部は、前記マーカの複数の位置に合わせて画素列を順次選択し、
前記制御部は、前記マーカを追跡し、前記マーカの追跡結果に応じて、前記画像センサと前記スケールとの位置関係を測定することを特徴とする位置測定装置。
行方向および列方向に２次元配列された複数の画素を備える画像センサと、
行方向に配列された複数の画素によってそれぞれが構成された複数の画素行のうち、いずれかを選択する行選択部と、
前記行選択部によって選択された画素行に属する複数の画素から、画素値を順次読み出す列選択読み出し部と、
スケールに設けられたマーカの検出位置であって、前記画像センサにおける検出位置を、前記列選択読み出し部によって読み出された複数の画素値に基づいて求め、前記検出位置に基づいて、前記画像センサと前記スケールとの位置関係を測定する制御部と、
を備え、
前記マーカは、
列方向に延伸する線状をなしており、
前記列選択読み出し部は、
前記行選択部によって選択された複数の画素行から、１列ごとに当該複数の画素行に対する合成画素値を画素値として読み出し、当該複数の画素行に対する画素値を１列ごとに順次読み出し、
前記制御部は、
前記列選択読み出し部によって読み出された画素値がピークとなるピーク画素を前記複数の画素行について特定し、前記複数の画素行に対して特定されたピーク画素に基づいて、前記検出位置を求め、
前記制御部は、前記マーカが列方向に延伸する範囲に対応して、前記行選択部に複数の行を同時に固定的に選択させた上で前記列選択読み出し部を制御して、前記マーカを追跡し、前記マーカの追跡結果に基づいて、前記画像センサと前記スケールとの位置関係を高速に測定することを特徴とする位置測定装置。
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の位置測定装置において、
前記行選択部は、
前記複数の画素行のうち、前記スケールに設けられたアブソリュートコードに対応する１行または複数行のアブソリュート画素行を選択し、
前記列選択読み出し部は、
前記アブソリュート画素行に属する複数の画素から、画素値を順次読み出し、
前記制御部は、
前記アブソリュート画素行に属する複数の画素から読み出された複数の画素値が示す前記アブソリュートコードに基づいて、前記マーカに対応するアブソリュート位置を求め、
前記アブソリュート位置および前記検出位置に基づいて、前記画像センサと前記スケールとの位置関係を測定することを特徴とする位置測定装置。
請求項５に記載の位置測定装置において、
前記スケールには、行方向に複数の前記マーカが設けられており、
前記制御部は、
前記検出位置の変化に基づいて、複数の前記マーカのうち現時点で前記検出位置が求められている現時点マーカが、複数の前記マーカのうち前記アブソリュート位置が求められた基準マーカから離れて何番目の前記マーカに対応するかを判定し、その判定結果と、前記アブソリュート位置および前記検出位置に基づいて、前記画像センサと前記スケールとの位置関係を測定することを特徴とする位置測定装置。
請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の位置測定装置において、
前記制御部は、先に検出される前記マーカの位置と、次に検出される前記マーカの位置を、前記画像センサにおける画素間ピッチを測定分解能として測定し、前記マーカの間が画素間ピッチで構成され、インクリメンタルアドレスによって、インクリメンタルの移動量としてディジタル内挿されることを特徴とする位置測定装置。
請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の位置測定装置において、
前記マーカのアブソリュート位置は、前記マーカの検出位置に対するキャリーアップおよびキャリーダウンによって計数されることを特徴とする位置測定装置。
請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の位置測定装置において、
前記スケールは、複数の短尺スケールを継ぎ足して構成されていることを特徴とする位置測定装置。