JP7203584B2 - アブソリュートロータリエンコーダ - Google Patents

Description

本発明は、アブソリュートロータリエンコーダに関する。

従来、周期が異なる２つの周期パターンから２組の２相信号を生成し、一方の組の２相信号の位相と他方の組の２相信号の位相との差（位相差）からスケール又はセンサの絶対位置を検出するアブソリュートロータリエンコーダが知られている。しかしながら、アブソリュートロータリエンコーダにおいて、精度良く絶対位置を検出するためには、スケールの回転軸に対しスケールが偏心した際の偏心対策が必要となる。特許文献１には、偏心成分をキャンセルした絶対角度信号と偏心成分を持つ絶対角度信号の差分を取ることで、偏心成分を抽出するアブソリュートロータリエンコーダが開示されている。

特開２０１８－０５９７１４号公報

特許文献１のアブソリュートロータリエンコーダでは、偏心成分を抽出することはできるが、偏心成分を補正することはできず、取り付け許容範囲を広げることはできない。

本発明は、取り付け許容範囲を広げることが可能なアブソリュートロータリエンコーダを提供することを目的とする。

本発明の一側面としてのアブソリュートロータリエンコーダは、互いに異なる径で設けられた第１トラックおよび第２トラックを備えるスケールと、スケールに対して相対移動可能であり、第１トラックおよび第２トラックを読み取る第１センサと、スケールの径方向において第１センサと対向するように配置され、スケールに対して相対移動可能であり、第１トラックおよび第２トラックを読み取る第２センサと、第１センサが第１トラックを読み取ることで得られる信号に基づく第１周期信号と第１センサが第２トラックを読み取ることで得られる信号に基づく第２周期信号との差分を取ることで第１絶対位置信号を生成するとともに、第２センサが第１トラックを読み取ることで得られる信号に基づく第３周期信号と第２センサが第２トラックを読み取ることで得られる信号に基づく第４周期信号との差分を取ることで第２絶対位置信号を生成する処理部と、を有し、処理部は、第１絶対位置信号と第２絶対位置信号とを平均化することで生成された第３絶対位置信号と第１周期信号とを合成することで生成された第４絶対位置信号、および第３絶対位置信号と第３周期信号とを合成することで生成された第５絶対位置信号を平均化することで、スケール、第１センサまたは第２センサのうち少なくともいずれかの絶対位置を示す第６絶対位置信号を生成することを特徴とする。

本発明によれば、取り付け許容範囲を広げることが可能なアブソリュートロータリエンコーダを提供することができる。

実施例１のエンコーダの構成を示す図である。 実施例１のスケールに設けられたトラックを示す図である。 実施例１のセンサの構成を示す図である。 実施例１の検出周期の切り替えの説明図である。 実施例１の第１の処理部および第２の処理部の構成を示す図である。 実施例１の第１の処理と第２の処理を示すフローチャートである。 実施例１の信号処理の一例を示す図である。 絶対位置が正しく取得できている状態の丸め誤差を示すグラフである。 絶対位置が正しく取得できていない可能性が高い状態の丸め誤差を示すグラフである。 偏心補正を行わずに絶対位置信号を取得する場合の丸め誤差を示す図である。 偏心補正を行って絶対位置信号を取得する場合の丸め誤差を示す図である。 対向配置角と丸め誤差との関係を示す図である。 実施例２のエンコーダの構成を示す図である。 実施例２のスケールに設けられたトラックを示す図である。 実施例２のセンサの構成を示す図である。 実施例２のセンサのスケールの読み取り領域を示す図である。 実施例２の第１の処理部、第２の処理部および第３の処理部の構成を示す図である。 実施例３のエンコーダの構成を示す図である。 実施例３の処理部の構成を示す図である。 実施例４のロボットアームを示す図である。

以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明する。各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。

各実施例で説明するアブソリュートロータリエンコーダは、光学機器等の各種装置に用いられ、該装置内の可動部材の移動に応じたスケールとセンサとの相対移動に伴って可動部材の絶対位置を検出可能である。

図１は、本実施例のエンコーダ１ａの構成を示す図である。エンコーダ１ａは、スケール１０、センサ（第１センサ）２０、センサ（第２センサ）３０および処理部５００ａを有する。処理部５００ａは、第１の処理部４０および第２の処理部５０を備える。エンコーダ１ａは、可動部材の絶対位置を検出する反射型の光学式アブソリュートロータリエンコーダである。本実施例では、エンコーダ１ａが絶対位置として可動部材の回転軸（不図示）の回転位置（回転角）を検出する場合について説明する。

なお、本実施例では、エンコーダ１ａの一例として反射型の光学式アブソリュートロータリエンコーダについて説明するが、本発明はこれに限定されない。本発明は、検出方式が異なるエンコーダ、例えば透過型の光学式アブソリュートロータリエンコーダ、磁気式アブソリュートロータリエンコーダ、および電磁誘導式磁気式アブソリュートロータリエンコーダにも適用可能である。

スケール１０は、可動部材の回転軸に一体回転するように取り付けられている。センサ２０，３０は、固定部材に取り付けられている。センサ２０，３０は、スケール１０に対して相対移動可能であり、スケール１０の径方向において、互いに対向するように取り付けられている。なお、スケール１０を固定部材に取り付け、センサ２０，３０を互いに対向するように可動部材の回転軸に取り付けてもよい。

図２は、スケール１０の一部を拡大した図であり、スケール１０にそれぞれが異なる径で設けられた複数（本実施例では２つ）のトラック１１，１２を示している。各トラックには、一定の周期（ピッチ）で交互に配置された反射部（図中、黒色部分）と非反射部（図中、白色部分）を含む周期パターンが設けられている。また、各トラックには、互いにピッチが異なる複数（本実施例では２つ）の周期パターンが検出方向に直交する方向（以降、スケール幅方向という）に沿って交互に設けられている。具体的には、トラック１１には、ピッチＰ１の周期パターンとピッチＰ２の周期パターンがスケール幅方向に沿って交互に設けられている。ピッチＰ１，Ｐ２の周期パターンの格子数はそれぞれ、１６４９と３８８である。また、トラック１２には、ピッチＱ１の周期パターンとピッチＱ２の周期パターンがスケール幅方向に沿って交互に設けられている。ピッチＱ１，Ｑ２の周期パターンの格子数はそれぞれ、１６３２と３８４である。ピッチＰ１とピッチＱ１、およびピッチＰ２とピッチＱ２の周期パターンの格子数はほぼ等しい関係にある。

図３は、センサ２０，３０の構成を示す図である。センサ２０は、光源２００および複数（本実施例では２つ）の受光部（検出部）２０１，２０２を備える。光源２００および受光部２０１，２０２は、同一平面上に配置されている。光源２００は、ＬＥＤ等の発光素子により構成されている。受光部２０１は、光源２００から射出されてトラック１１の反射部で反射した光を光電変換する複数の光電変換素子（受光素子）により構成されている。受光部２０２は、光源２００から射出されてトラック１２の反射部で反射した光を光電変換する複数の光電変換素子（受光素子）により構成されている。スケール１０とセンサ２０が相対変位すると、その相対変位量に応じて受光部２０１，２０２における受光素子が受光する反射光の強度が変化する。センサ２０は、受光部２０１における受光強度の変化に応じた正弦波状の信号を出力するとともに、受光部２０２における受光強度の変化に応じた正弦波状の信号を出力する。なお、上記ではセンサ２０の構成について説明したが、上記説明の光源２００を光源３００、受光部２０１，２０２を受光部３０１，３０２と置き換えることでセンサ３０の説明となる。

次に、図４を参照して、検出周期の切り替えについて説明する。検出周期の切り替えは、信号Ａ（＋），Ｂ（＋），Ａ（－），Ｂ（－）を出力する受光素子を変更することで行われる。

図４（Ａ）は、受光部２０１がピッチＰ１の周期パターン、または受光部２０２がピッチＱ１の周期パターンを読み取る場合の受光部の構成を示している。この場合、検出周期はピッチＰ１またはピッチＱ１であり、受光素子２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄの出力はそれぞれ、信号Ａ（＋），Ｂ（＋），Ａ（－），Ｂ（－）として扱われる。

図４（Ｂ）は、受光部２０１がピッチＰ２の周期パターン、または受光部２０２がピッチＱ２の周期パターンを読み取る場合の受光部の構成を示している。この場合、検出周期はピッチＰ２またはピッチＱ２であり、位置検出方向に沿って１６個配置された受光素子を隣り合う４つごとに１組とし、各組の出力はそれぞれ、信号Ａ（＋），Ｂ（＋），Ａ（－），Ｂ（－）として扱われる。

信号Ａ（＋），Ｂ（＋），Ａ（－），Ｂ（－）に対してＡ＝Ａ（＋）－Ａ（－）およびＢ＝Ｂ（＋）－Ｂ（－）の式で表される処理を行うことで、互いに位相が異なる２相の疑似正弦波信号Ａ，Ｂが生成される。

図４（Ｃ）は、センサ２０のスケール１０の読み取り領域を示している。受光部２０１は、検出周期がピッチＰ１に設定されると、ピッチＰ１の周期パターン１１ａを読み取る。この場合、ピッチＰ１に対応する互いに約９０度の位相差を持つ２相の疑似正弦波信号（Ｐ１の２相信号）が出力される。受光部２０１は、検出周期がピッチＰ２に設定されると、ピッチＰ２の周期パターン１１ｂを読み取る。この場合、ピッチＰ２に対応する互いに約９０度の位相差を持つ２相の疑似正弦波信号（Ｐ２の２相信号）が出力される。

また、受光部２０２は、検出周期がピッチＱ１に設定されると、ピッチＱ１の周期パターン１２ａを読み取る。この場合、ピッチＱ１に対応する互いに約９０度の位相差を持つ２相の疑似正弦波信号（Ｑ１の２相信号）が出力される。受光部２０２は、検出周期がピッチＱ２に設定されると、ピッチＱ２の周期パターン１２ｂを読み取る。この場合、ピッチＱ２に対応する互いに約９０度の位相差を持つ２相の疑似正弦波信号（Ｑ２の２相信号）が出力される。

受光部２０１によるトラック上での読み取り領域１１３および受光部２０２によるトラック上での読み取り領域１２３は、光源から照射された光を各受光部で受光されるように反射する範囲である。各読み取り領域は、トラックにおいてスケール幅方向に沿って交互に配置された２つの周期パターンの組み合わせを複数含むように設定されている。

なお、上記ではセンサ２０の検出周期の切り替えについて説明したが、上記説明の受光部２０１，２０２を３０１,３０２と置き換えることでセンサ３０の検出周期の切り替えの説明となる。

また、本実施例ではセンサから互いに約９０度の位相差を持つ２相信号が出力される場合について説明したが、後述するように位相を検出可能な信号であれば３相信号や三角波信号などが出力されてもよい。

図５は、第１の処理部４０および第２の処理部５０の構成を示す図である。第１の処理部４０は、ＡＤコンバータ４０１、位相演算部４０２、絶対位置演算部４０３および平均処理部４０４を有する。第２の処理部５０は、ＡＤコンバータ５０１、位相演算部５０２および絶対位置演算部５０３を有する。以下、第１の処理部４０で行われる処理を第１の処理、第２の処理部５０で行われる処理を第２の処理という。

図６は、第１の処理と第２の処理を示すフローチャートである。ステップＳ４０＿１～Ｓ４０＿８の処理が第１の処理に相当し、ステップＳ５０＿１～Ｓ５０_６の処理が第２の処理に相当する。まず、第１の処理について説明する。

ステップＳ４０＿１では、ＡＤコンバータ４０１は、受光部２０１，２０２から出力される各２組の２相信号(Ｐ１，Ｐ２の２相信号とＱ１，Ｑ２の２相信号)をデジタル信号に変換する。

ステップＳ４０＿２では、位相演算部４０２は、ＡＤコンバータ４０１によりデジタル信号に変換された各２組の２相信号から位相を算出する。２相信号は前述したように互いに約９０度の位相差を持つ信号（正弦波信号と余弦波信号）であるため、位相演算部４０２はａｒｃｔａｎ演算によって位相を算出する。以下の説明では、Ｐ１の２相信号から算出された位相をθＰ１、Ｐ２の２相信号から算出された位相をθＰ２、Ｑ１の２相信号から算出された位相をθＱ１、Ｑ２の２相信号から算出された位相をθＱ２とする。前述したように、ピッチＰ１，Ｐ２，Ｑ１，Ｑ２の周期パターンの格子数はそれぞれ、１６４９，３８８，１６３２，３８４である。そのため、位相θＰ１，θＰ２，θＱ１，θＱ２はそれぞれ、１６４９周期の信号、３８８周期の信号、１６３２周期の信号、３８４周期の信号となる。

なお、本実施例では、ａｒｃｔａｎ演算によって位相を算出する場合について説明したが、特定の範囲内での位置を表すものであれば位相以外のパラメータを算出してもよい。

ステップＳ４０＿３では、絶対位置演算部４０３は、まず、以下の式（１）～（３）を用いて９７周期の信号（θＰ９７）、３８８周期の信号（θＰ３８８）および１６４９周期の信号（θＰ１６４９）を算出する。ただし、ＭＯＤ(ｘ、ｙ)はｘを被除数とし、ｙを除数としたときの剰余を表す。

ここで、算出された信号の１周期内の精度は、θＰ１６４９が一番高く、θＰ９７が一番低くなる。そこで、本実施例では、θＰ１６４９の精度を持つ９７周期の信号を算出する。具体的には、図７に示されるように、θＰ３８８はトラック全周で０～２πまで３８８回変化する一方、θＰ９７はトラック全周で０～２πまで９７回変化する。すなわち、θＰ９７の位相の変化量はθＰ３８８の１／４である。

本実施例では、絶対位置演算部４０３は、以下の式（４），（５）を用いてθＰ３８８の周期数ｍ２０＿４およびθＰ３８８の精度を持つ９７周期の信号ｘ３８８＿９７を算出する。ただし、ＲＯＵＮＤ（ｘ）は、ｘの小数第一位を四捨五入した整数値を表す。

次に、絶対位置演算部４０３は、以下の式（６），（７）を用いてθＰ１６４９の周期数ｍ２０＿１７およびθＰ１６４９の精度を持つ９７周期の信号（第１周期信号）ｘ１６４９＿９７を算出する。

ステップＳ４０＿４では、絶対位置演算部４０３は、まず、以下の式（８）～（１０）を用いて９６周期の信号（θＱ９６）、３８４周期の信号（θＱ３８４）および１６３２周期の信号（θＱ１６３２）を算出する。

次に、絶対位置演算部４０３は、以下の式（１１），（１２）を用いてθＱ３８４の周期数ｎ２０＿４およびθＱ３８４の精度を持つ９６周期の信号ｘ３８４＿９６を算出する。

次に、絶対位置演算部４０３は、以下の式（１３），（１４）を用いてθＱ１６３２の周期数ｎ２０＿１７およびθＱ１６３２の精度を持つ９６周期の信号（第２周期信号）ｘ１６３２＿９６を算出する。

ステップＳ４０＿５では、以下の式（１５）を用いてトラック全周で１周期となるセンサ２０での絶対位置信号（第１位置信号）ｘ２０を算出する。

次に、第２の処理について説明する。ステップＳ５０＿１では、ＡＤコンバータ５０１は、受光部３０１,３０２から出力される各２組の２相信号（Ｐ１，Ｐ２の２相信号とＱ１，Ｑ２の２相信号）をデジタル信号に変換する。

ステップＳ５０＿２では、位相演算部５０２は、ＡＤコンバータ５０１によりデジタル信号に変換された各２組の２相信号から位相を算出する。２相信号は互いに約９０度の位相差を持つ信号のため、位相演算部５０２はａｒｃｔａｎ演算によって位相を算出する。以下の説明では、Ｐ１の２相信号から算出された位相をθＲ１、Ｐ２の２相信号から算出された位相をθＲ２、Ｑ１の２相信号から算出された位相をθＳ１、Ｑ２の２相信号から算出された位相をθＳ２とする。また、位相θＲ１，θＲ２，θＳ１，θＳ２はそれぞれ、１６４９周期の信号、３８８周期の信号、１６３２周期の信号、３８４周期の信号となる。

ステップＳ５０＿３では、絶対位置演算部５０３は、まず、以下の式（１６）～（１８）を用いて９７周期の信号（θＲ９７）、３８８周期の信号（θＲ３８８）および１６４９周期の信号（θＲ１６４９）を算出する。

次に、絶対位置演算部５０３は、以下の式（１９），（２０）を用いてθＲ３８８の周期数ｍ３０＿４およびθＲ３８８の精度を持つ９７周期の信号ｙ３８８＿９７を算出する。

次に、絶対位置演算部５０３は、以下の式（２１），（２２）を用いて、θＲ１６４９の周期数ｍ３０＿１７およびθＲ１６４９の精度を持つ９７周期の信号（第３周期信号）ｙ１６４９＿９７を算出する。

ステップＳ５０＿４では、絶対位置演算部５０３は、まず、以下の式（２３）～（２５）を用いて９６周期の信号（θＳ９６）、３８４周期の信号（θＳ３８４）および１６３２周期の信号（θＳ１６３２）を算出する。

次に、絶対位置演算部５０３は、以下の式（２６），（２７）を用いてθＳ３８４の周期数ｎ３０＿４およびθＳ３８４の精度を持つ９６周期の信号ｙ３８４＿９６を算出する。

次に、絶対位置演算部５０３は、以下の式（２８），（２９）を用いてθＳ１６３２の周期数ｎ３０＿１７およびθＳ１６３２の精度を持つ９６周期の信号（第４周期信号）ｙ１６３２＿９６を算出する。

ステップＳ５０＿５では、以下の式（３０）を用いてトラック全周で１周期となるセンサ３０での絶対位置信号（第２位置信号）ｘ３０を算出する。

ステップＳ４０＿６では、平均処理部４０４は、以下の式（３１）を用いて、絶対位置信号ｘ２０,ｘ３０を平均化することで絶対位置信号（第３位置信号）ｘ１を算出する。この処理を行うことにより、偏心変動耐性を向上することが可能となる。以下の説明において、偏心変動耐性を向上させる処理のことを偏心補正という。

以下、本発明による偏心変動耐性の向上について説明するが、まず、絶対位置の信頼性を図る指標として、丸め誤差ｄについて説明する。

丸め誤差とは、周期数を求める際の丸め処理における丸め前後の値の差分である。前述した式（４）を例に挙げると、θＰ３８８の周期数ｍ２０＿４を、ＲＯＵＮＤ（ｘ）を用いて取得している。すなわち、四捨五入して丸めた値が周期数ｍ２０_４となっているため、四捨五入する前（丸める前）の値から周期数ｍ２０＿４を引くと式（４）での丸め誤差を取得することができる。丸め誤差は±０．５の範囲内で表され、＋０．５または－０．５に近ければ丸め処理が正しく行われていないと言える。すなわち、周期数がずれ、絶対位置を正しく取得できていない可能性が高いということになる。

図８は、絶対位置が正しく取得できている状態の丸め誤差を示すグラフである。図９は、絶対位置が正しく取得できていない可能性が高い状態の丸め誤差を示すグラフである。図８および図９において、（ａ）～（ｃ）はそれぞれ、丸める前の周期数、丸めた後の周期数、丸める前の周期数と丸めた後の周期数の差分（丸め誤差）を示している。

次に、偏心補正を行わずに絶対位置信号を取得する場合の丸め誤差について説明する。ここでは、第１の処理で取得された絶対位置信号ｘ２０および信号ｘ１６４９_９７を用いて、センサ２０での絶対位置信号を取得する場合について説明する。丸め誤差ｄは、以下の式（３２）で表される。

絶対位置信号ｘ２０には、以下の式（３３）で表される偏心分の誤差ε０が上乗せされる。ＲｏｐＭ、ＲｏｐＳはそれぞれ、トラック１１における光学中心、トラック１２における光学中心を表している。

式（３２）では、誤差９７＊ε０が上乗せされることとなり、丸め誤差が大きくなる。信号ｘ１６４９＿９７にも同じように誤差が上乗せされるが、誤差９７＊ε０に比べて極めて小さいため、今回の説明では省略する。図１０は、偏心補正を行わずに絶対位置信号を取得する場合の丸め誤差を示す図である。以上説明したように、偏心補正を行わずに絶対位置信号を取得する場合、偏心分の誤差が上乗せされ、丸め誤差が大きくなってしまう。

次に、偏心補正を行って絶対位置信号を取得する場合の丸め誤差について説明する。ここでは、平均処理部４０４により取得された絶対位置信号ｘ１と信号ｘ１６４９_９７を用いて、センサ２０での絶対位置信号を取得する場合について説明する。丸め誤差ｄは、以下の式（３４）で表される。

絶対位置信号ｘ１には、偏心分の誤差ε０が上乗せされる。ただし、絶対位置信号ｘ１は対向するように配置されたセンサ２０，３０から読み出した絶対位置信号を平均したもの（偏心補正を行ったもの）であるため、偏心分の誤差ε０は以下の式（３５）で表される。

誤差ε０は、ｓｉｎθとｓｉｎ（θ＋１８０°）を加算していることから、０となることは明らかである。したがって、偏心補正を行うことで偏心分の誤差ε０を除去することが可能となり、丸め誤差が大きくならないようにすることが可能となる。図１１は、偏心補正を行って絶対位置信号を取得する場合の丸め誤差を示す図である。

以下、図１２を参照して、センサ２０，３０の対向配置角について説明する。図１２は、センサ２０，３０の対向配置角と丸め誤差との関係を示す図である。図中の配置角は、スケール１０の径方向を含む平面において、スケール１０の径中心に対してセンサ２０，３０がなす角を意味している。対向配置角は、丸め誤差が閾値を超えない範囲内に設定される。本実施例では、絶対位置の信頼性を考慮し、丸め誤差の閾値は０．４に設定される。ただし、丸め誤差は偏心量に応じて変化するため、図１２のグラフ曲線は一例を示しているに過ぎない。

ステップＳ４０＿６の処理後、絶対位置演算部４０３,５０３で絶対位置信号ｘ１を処理し、さらに精度の良い絶対位置信号を算出する。ステップＳ４０＿７では、絶対位置演算部４０３は、以下の式（３６），（３７）を用いて、絶対位置信号ｘ１および信号ｘ１６４９＿９７を合成する。これにより、信号ｘ１６４９＿９７の周期数ｍ２０＿９７および信号ｘ１６４９＿９７の精度を持つ絶対位置信号（第４位置信号）ｘ１６４９_１が算出される。

ステップＳ５０＿６では、絶対位置演算部５０３は、以下の式（３８），（３９）を用いて、絶対位置信号ｘ１および信号ｙ１６４９＿９７を合成する。これにより、信号ｙ１６４９＿９７の周期数ｍ３０＿９７および信号ｙ１６４９＿９７の精度を持つ絶対位置信号（第５位置信号）ｙ１６４９＿１が算出される。

ステップＳ４０＿８では、平均処理部４０４は、以下の式（４０）を用いて絶対位置信号ｘ１６４９＿１，ｙ１６４９＿１を平均化することで絶対位置信号ｚ１を算出する。

以上説明したように、本実施例では、回転軸に対しスケール１０が偏心している場合でも、精度良く絶対位置信号ｚ１を算出可能である。これにより、取り付け許容範囲を広げることが可能となる。

図１３は、本実施例のエンコーダ１ｂの構成を示す図である。エンコーダ１ｂは、スケール１１０、センサ１２０、センサ１３０および処理部５００ｂを有する。処理部５００ｂは、第１の処理部１４０、第２の処理部１５０および第３の処理部１６０を備える。エンコーダ１ｂは、可動部材の絶対位置を検出する反射型の光学式アブソリュートロータリエンコーダである。本実施例では、エンコーダ１ｂが絶対位置として可動部材の回転軸（不図示）の回転角を検出する場合について説明する。

なお、本実施例では、エンコーダ１ｂの一例として反射型の光学式アブソリュートロータリエンコーダについて説明するが、本発明はこれに限定されない。本発明は、検出方式が異なるエンコーダ、例えば透過型の光学式アブソリュートロータリエンコーダ、磁気式アブソリュートロータリエンコーダ、および電磁誘導式磁気式アブソリュートロータリエンコーダにも適用できる。

スケール１１０とセンサ１２０，１３０の取り付けについては実施例１と同様であるため、説明を省略する。以下の説明では、実施例１と異なる部分を中心に説明する。

図１４は、スケール１１０の一部を拡大した図であり、スケール１１０にそれぞれが異なる径で設けられた複数（本実施例では２つ）のトラック１１１，１１２を示している。実施例１では、各トラックには互いにピッチが異なる複数の周期パターンがスケール幅方向に沿って交互に設けられているが、本実施例では、各トラックには所定のピッチを有する周期パターンが設けられている。具体的には、トラック１１１には、ピッチＴ１の周期パターンが設けられている。ピッチＴ１の周期パターンの格子数は９７である。トラック１１２には、ピッチＵ１の周期パターンが設けられている。ピッチＵ１の周期パターンの格子数は２４である。

図１５は、センサ１２０，１３０の構成を示す図である。センサ１２０は、光源１２００および複数（本実施例では２つ）の受光部（検出部）１２０１，１２０２を有する。光源１２００および受光部１２０１，１２０２は、同一平面上に配置されている。光源１２００は、ＬＥＤ等の発光素子により構成されている。受光部１２０１は、光源１２００から射出されてトラック１１１の反射部で反射した光を光電変換する複数の光電変換素子（受光素子）により構成されている。受光部１２０２は、光源１２００から射出されてトラック１１２の反射部で反射した光を光電変換する複数の光電変換素子（受光素子）により構成されている。スケール１１０とセンサ１２０が相対変位すると、その相対変位量に応じて受光部１２０１，１２０２における受光素子が受光する反射光の強度が変化する。センサ１２０は、受光部１２０１における受光強度の変化に応じた正弦波状の信号を出力するとともに、受光部１２０２における受光強度の変化に応じた正弦波状の信号を出力する。なお、上記ではセンサ１２０の構成について説明したが、上記説明の光源１２００を光源１３００、受光部１２０１，１２０２を受光部１３０１，１３０２と置き換えることでセンサ１３０の説明となる。

受光部１２０１の受光素子の配置は、実施例１で説明した図４（Ａ）の受光素子の配置と同様である。受光部１２０１の検出周期は常に一定で、ピッチＴ１に一致する又は十分に近い検出周期Ｔ１に設定されている。受光部１２０２の受光素子の配置は、実施例１で説明した図４（Ｂ）の受光素子の配置と同様である。受光部１２０２の検出周期は常に一定で、ピッチＵ１に一致する又は十分に近い検出周期４×Ｔ１に設定されている。上記では、センサ１２０について説明したが、上記説明の光源１２００を１３００、受光部１２０１，１２０２を１３０１，１３０２と置き換えることでセンサ１３０の説明となる。

図１６は、センサ１２０におけるスケールの読み取り領域を示している。受光部１２０１は、ピッチＴ１のパターン１１１１を読み取る。この場合、ピッチＴ１に対応する互いに約９０度の位相差を持つ２相の疑似正弦波信号（Ｔ１の２相信号）が出力される。受光部１２０２は、ピッチＵ１のパターン１１２１を読み取る。この場合、ピッチＵ１に対応する互いに約９０度の位相差を持つ２相の疑似正弦波信号（Ｕ１の２相信号）が出力される。受光部１２０１によるトラック上での読み取り領域１１１２および受光部１２０２によるトラック上での読み取り領域１１２２は、光源から照射された光を各受光部で受光されるように反射する範囲である。なお、上記では、センサ１２０について説明したが、上記説明の受光部１２０１，１２０２を１３０１，１３０２と置き換えることでセンサ１３０の説明となる。

なお、本実施例ではセンサから互いに約９０度の位相差を持つ２相信号が出力される場合について説明したが、位相を検出可能な信号であれば３相信号や三角波信号などが出力されてもよい。

図１７は、第１の処理部１４０、第２の処理部１５０および第３の処理部１６０の構成を示す図である。第１の処理部１４０は、ＡＤコンバータ１４０１、位相演算部１４０２および絶対位置演算部１４０３を有する。第２の処理部１５０は、ＡＤコンバータ１５０１、位相演算部１５０２および絶対位置演算部１５０３を有する。第３の処理部１６０は、平均処理部１６０１を有する。以下、第１の処理部１４０で行われる処理を第１の処理、第２の処理部１５０で行われる処理を第２の処理、第３の処理部１６０で行われる処理を第３の処理という。

以下、第１の処理について説明する。ＡＤコンバータ１４０１は、受光部１２０１，１２０２から出力される各２組の２相信号（Ｔ１の２相信号とＵ１の２相信号）をデジタル信号に変換する。位相演算部１４０２は、ＡＤコンバータ１４０１によりデジタル信号に変換された各２組の２相信号から位相を算出する。２相信号は前述したように互いに約９０度の位相差を持つ信号であるため、位相演算部１４０２はａｒｃｔａｎ演算によって位相を算出する。以下の説明では、Ｔ１の２相信号から算出された位相（第１周期信号）をθＴ９７、Ｕ１の２相信号から算出された位相（第２周期信号）をθＵ２４とする。前述したように、ピッチＴ１，Ｕ１の周期パターンの格子数はそれぞれ９７と２４である。そのため、位相θＴ９７，θＵ２４はそれぞれ、９７周期の信号、２４周期の信号となる。

なお、本実施例では、ａｒｃｔａｎ演算によって位相を算出する場合について説明したが、特定の範囲内での位置を表すものであれば位相以外のパラメータを算出してもよい。

絶対位置演算部１４０３は、位相θＴ９７，θＵ２４を整数倍して絶対位置を算出する。本実施例では、絶対位置演算部１４０３は、まず、位相θＵ２４を４倍し、９６周期の位相を算出する。次に、絶対位置演算部１４０３は、以下の式（４１）を用いて位相θＴ９７と４倍した位相θＵ２４との位相差からトラック全周で１周期の信号（第１位置信号）ｘ１２０を算出する。

以下、第２の処理について説明する。ＡＤコンバータ１５０１は、受光部１３０１，１３０２から出力される各２組の２相信号（Ｔ１の２相信号とＵ１の２相信号）をデジタル信号に変換する。位相演算部１５０２は、ＡＤコンバータ１５０１によりデジタル信号に変換された各２組の２相信号から位相を算出する。２相信号は前述したようにお互い約９０度の位相差を持つ信号であるため、位相演算部１５０２はａｒｃｔａｎ演算によって位相を算出する。以下の説明では、Ｔ１の２相信号から算出された位相（第３周期信号）をθＶ９７、Ｕ１の２相信号から算出された位相（第４周期信号）をθＷ２４とする。前述したように、ピッチＴ１，Ｕ１の周期パターンの格子数はそれぞれ９７と２４である。そのため、位相θＶ９７，θＷ２４はそれぞれ、９７周期の信号、２４周期の信号となる。

絶対位置演算部１５０３は、位相θＶ９７，θＷ２４を整数倍して絶対位置を算出する。本実施例では、絶対位置演算部１５０３は、まず、位相θＷ２４を４倍し、９６周期の位相を算出する。次に、絶対位置演算部１５０３は、以下の式（４２）を用いて位相θＶ９７と４倍した位相θＷ２４の位相差からトラック全周で１周期の信号（第２位置信号）ｘ１３０を算出する。

以下、第３の処理について説明する。平均処理部１６０１は、まず、以下の式（４３）を用いて信号ｘ１２０，ｘ１３０から絶対位置信号（第３位置信号）ｘ１を取得する。この処理を行うことにより、偏心変動耐性を向上することが可能となる。偏心変動耐性の向上については実施例１で説明したため、本実施例では説明を省略する。

次に、絶対位置演算部１４０３，１５０３は、絶対位置信号ｘ１を処理し、さらに精度の良い絶対位置信号を算出する。具体的には、絶対位置演算部１４０３は、以下の式（４４），（４５）を用いて、絶対位置信号ｘ１および位相θＴ９７を合成する。これにより、位相θＴ９７の周期数ｍ１２０＿９７および位相θＴ９７の精度を持つ絶対位置信号（第４位置信号）ｘ９７＿１が算出される。

同様に、絶対位置演算部１５０３は、以下の式（４６），（４７）を用いて、絶対位置信号ｘ１および位相θＶ９７を合成する。これにより、位相θＶ９７の周期数ｎ１２０＿９７および位相θＶ９７の精度を持つ絶対位置信号（第５位置信号）ｙ９７＿１が算出される。

最後に、平均処理部１６０１は、以下の式（４８）を用いて、絶対位置信号ｘ９７＿１，ｙ９７_１を平均化することで絶対位置信号ｚ１を取得する。

以上説明したように、本実施例では、回転軸に対しスケール１１０が偏心している場合であっても、精度良く絶対位置信号ｚ１を取得することが可能である。これにより、取り付け許容範囲を広げることが可能となる。

図１８は、本実施例のエンコーダ１ｃの構成を示す図である。エンコーダ１ｃは、スケール２１０、センサ２２０、センサ２３０および処理部５００ｃを有する。スケール２１０とセンサ２２０，２３０の構成や取り付けについては実施例１または実施例２と同様であるため、説明を省略する。本実施例では、実施例１，２と異なる部分について説明する。図１９は、処理部５００ｃの構成を示す図である。処理部５００ｃは、ＡＤコンバータ２４０１，２４１１、位相演算部２４０２，２４１２、絶対位置演算部２４０３，２４１３および平均処理部２４０４を有する。処理部５００ｃは、実施例２で説明した第１の処理、第２の処理および第３の処理をすべて実行する。絶対位置信号の取得方法については、実施例２と同様であるため、説明を省略する。

本実施例では、実施例１から３で説明した本発明のエンコーダを搭載した装置の一例について説明する。図２０は、実施例１で説明したエンコーダ１ａを搭載したロボットアーム２０００を示す図である。ロボットアーム２０００では、エンコーダ１ａは各軸に取り付けられ、各軸の絶対回転位置を検出するために使用されている。スケール１０は各軸において、回転する可動部材に取り付けられている。可動部材は、アクチュエータ（不図示）によって回転する。ロボットアーム２０００を駆動させるために可動部材が回転すると、エンコーダ１ａによりロボットアーム２０００の各軸の絶対回転位置が検出され、その位置情報がＣＰＵ（不図示）に出力される。ＣＰＵは、その位置情報に基づいてアクチュエータを駆動し、ロボットアーム２０００を目標とする位置に移動させる。

本発明のエンコーダは、ロボットアーム２０００に限らず、プリンタ（光学機器）の印字ヘッドや給紙ローラの位置検出、および複写機（光学機器）の感光ドラムの回転位置検出等、様々な装置の様々な用途で使用することができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

１ａ、１ｂ、１ｃ アブソリュートロータリエンコーダ
１０、１１０、２１０ スケール
１１、１１１ 第１トラック
１２、１１２ 第２トラック
２０、１２０、２２０ センサ（第１センサ）
３０、１３０、２３０ センサ（第２センサ）
５００ａ、５００ｂ、５００ｃ 処理部

Claims (10)

1. 互いに異なる径で設けられた第１トラックおよび第２トラックを備えるスケールと、
   前記スケールに対して相対移動可能であり、前記第１トラックおよび前記第２トラックを読み取る第１センサと、
   前記スケールの径方向において前記第１センサと対向するように配置され、前記スケールに対して相対移動可能であり、前記第１トラックおよび前記第２トラックを読み取る第２センサと、
   前記第１センサが前記第１トラックを読み取ることで得られる信号に基づく第１周期信号と前記第１センサが前記第２トラックを読み取ることで得られる信号に基づく第２周期信号との差分を取ることで第１絶対位置信号を生成するとともに、前記第２センサが前記第１トラックを読み取ることで得られる信号に基づく第３周期信号と前記第２センサが前記第２トラックを読み取ることで得られる信号に基づく第４周期信号との差分を取ることで第２絶対位置信号を生成する処理部と、を有し、
   前記処理部は、前記第１絶対位置信号と前記第２絶対位置信号とを平均化することで生成された第３絶対位置信号と前記第１周期信号とを合成することで生成された第４絶対位置信号、および前記第３絶対位置信号と前記第３周期信号とを合成することで生成された第５絶対位置信号を平均化することで、前記スケール、前記第１センサまたは前記第２センサのうち少なくともいずれかの絶対位置を示す第６絶対位置信号を生成することを特徴とするアブソリュートロータリエンコーダ。
2. 前記処理部は、前記第１絶対位置信号および前記第６絶対位置信号を生成する第１の処理部と、前記第２絶対位置信号を生成する第２の処理部と、を備えることを特徴とする請求項１に記載のアブソリュートロータリエンコーダ。
3. 前記処理部は、前記第１絶対位置信号を生成する第１の処理部と、前記第２絶対位置信号を生成する第２の処理部と、前記第６絶対位置信号を生成する第３の処理部と、を備えることを特徴とする請求項１に記載のアブソリュートロータリエンコーダ。
4. 前記処理部は、整数倍した前記第１周期信号と整数倍した前記第２周期信号との差分を取ることで前記第１絶対位置信号を生成するとともに、整数倍した前記第３周期信号と整数倍した前記第４周期信号との差分を取ることで前記第２絶対位置信号を生成することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のアブソリュートロータリエンコーダ。
5. 前記第１トラックは、互いに周期が異なる、第１の周期パターンおよび第２の周期パターンを含み、
   前記第２トラックは、前記第１および第２の周期パターンと周期が異なる第３の周期パターンおよび、前記第１から第３の周期パターンと周期が異なる第４の周期パターンを含み、
   前記処理部は、前記第１および第２の周期パターンのそれぞれに対応する信号を処理することで前記第１周期信号を生成し、前記第３および前記第４の周期パターンのそれぞれに対応する信号を処理することで前記第２周期信号を生成することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のアブソリュートロータリエンコーダ。
6. 前記第１センサおよび第２センサは、検出周期が異なる検出部を備えることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のアブソリュートロータリエンコーダ。
7. 前記第１および第２センサは、検出周期を切り替え可能な検出部を備えることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のアブソリュートロータリエンコーダ。
8. 前記第１センサと前記第２センサの対向配置角は、絶対位置の信頼性を表す丸め誤差が閾値を超えない範囲内に設定されていることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載のアブソリュートロータリエンコーダ。
9. 前記閾値は、０．４であることを特徴とする請求項８に記載のアブソリュートロータリエンコーダ。
10. 回転する可動部と、
    前記可動部の回転位置を検出可能な請求項１から９のいずれか１項に記載のアブソリュートロータリエンコーダと、を有することを特徴とする装置。

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