JPH0650712A

JPH0650712A - 絶対位置検出装置

Info

Publication number: JPH0650712A
Application number: JP20157592A
Authority: JP
Inventors: Yasuo Oka; 康雄岡
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1992-07-28
Filing date: 1992-07-28
Publication date: 1994-02-25

Abstract

(57)【要約】【目的】位置検出を高精度に行い得る絶対位置検出装置
を提供する。【構成】補正データの書き込み時に、代表補正データ決
定回路１１４のレジスタに一つの原子尺出力値ＺＡに対
し複数フレーム分の補正データΔＺ（Ａ）を格納し、そ
れから平均値等の代表補正データΔＺ（Ａ）′を求め、
これを補正メモリ１１１の所定アドレスに書き込む。位
置検出時には、加算器１１２で原子尺出力値ＺＡに補正
メモリ１１１より読み出される補正データΔＺ（Ａ）′
を加算し、規原子尺出力値ＺＡ′を得、代表値決定回路
１１３で複数の規原子尺出力値ＺＡ′より代表値ＺAAを
得る。代表補正データΔＺ（Ａ）′を使用することで、
光ショット雑音等の正規性雑音による原子尺出力値ＺＡ
や、基準尺出力値ＺＲの誤差のばらつきに起因する補正
データの誤差範囲が小さくなり、位置検出精度を高くで
きる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、ストライプ状のスケ
ールパターンに対して固体撮像素子が所定角だけ傾けて
配され、この固体撮像素子の出力信号より絶対位置情報
を検出する絶対位置検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図８は絶対位置検出装置の一例を示すも
のである。同図において、１はエンコード板であり、こ
のエンコード板１は、矢印方向にリニアに移動するよう
になされる。エンコード板１には、図９に示すように、
コードパターン領域１１およびストライプパターン領域
１２が設けられている。コードパターン領域１１にはグ
レイコードを示す６トラック（６ビット）のパターンが
形成され、ストライプパターン領域１２には複数のスト
ライプパターンが平行かつ等間隔に形成される。グレイ
コードは、２進数を表現するコードのひとつで、バイナ
リーコードと異なり、数が１つ変化する毎に全桁の中で
１つだけ変化するという特徴がある。

【０００３】２はＣＣＤ撮像素子であり、このＣＣＤ撮
像素子２はエンコード板１に対向して配設される。この
撮像素子２はエンコード板１に対してわずかな角度θだ
け傾斜して取り付けられる。３は例えば発光ダイオード
で構成される光源であり、エンコード板１を挟んで撮像
素子２と対向するように配設される。

【０００４】なお、エンコード板１は、例えば石英ガラ
ス１ａの下面にスケールパターン（ストライプパター
ン、コードパターン）１ｂが形成されてなり、また撮像
素子２は受光素子部２ａの上面に透明保護ガラス２ｂが
配されてなっている（図１０参照）。

【０００５】このような配置関係において、光源３から
の光がエンコード板１を通過して撮像素子２に供給さ
れ、撮像素子２の撮像面にコードパターンおよびストラ
イプパターンが映し出されて撮像される。図１１は撮像
画面を示しており、ＨおよびＶは撮像素子２の水平およ
び垂直方向、Ｚはエンコード板１の移動方向である。撮
像素子２より各ライン毎に順次出力される画素信号は位
置データ検出回路４（図８に図示）に供給される。

【０００６】ここで、Ｚ軸がＶ軸に対してわずかな角度
θだけ傾斜しているため、ストライプパターンのエッジ
像に対応するあるラインのストライプパターン領域１２
に対応する画素信号のレベルが徐々に小さくなり、所定
の量子化範囲に入る場合がある。ここで、画素信号の最
大レベルを１００％とするとき、例えば６５〜８５％の
範囲が量子化範囲に設定される。

【０００７】位置データ検出回路４では、まず画素信号
が上限側から量子化範囲に入る画素のアドレス（ｈ↓，
ｖ↓）および量子化値ｑ↓がラッチされる。例えば、６
５〜８５％の範囲が１６ステップに量子化され、量子化
値ｑ↓は４ビットで表される。次に、量子化値ｑ↓が得
られるラインのコードパターン領域１１の各トラックに
対応する画素信号が２値化されてコード値ｓ↓が読み取
られる。なお、上述したように画素信号のレベルが徐々
に小さくなって量子化範囲に入る全てのラインに対し
て、画素アドレス（ｈ↓，ｖ↓）および量子化値ｑ↓が
ラッチされると共に、コード値ｓ↓が読み取られる。

【０００８】また、位置データ検出回路４で検出される
各組の位置データ（画素アドレス（ｈ↓，ｖ↓）、量子
化値ｑ↓、コード値ｓ↓）は処理回路５に順次供給さ
れ、数１で絶対位置情報Ｚ↓が求められる（図１２参
照）。

【０００９】

【数１】

【００１０】ここで、Ｚh ↓,v↓,s↓(q↓) 、ＺH,V(h
↓,v↓) 、ＺS(s ↓) はそれぞれ数２で表されるため、
絶対位置情報Ｚ↓は数３で示すようになる。

【００１１】

【数２】

【００１２】

【数３】

【００１３】ここで、ｋq は１量子化ステップに対応す
る位置変位（変換係数）、ｋs はストライプパターン領
域１２におけるストライプピッチである。受光素子ＰＥ
の水平方向および垂直方向のピッチをそれぞれＰH およ
びＰV とすると、画素アドレス（ｈ↓，ｖ↓）における
座標（ＰH ・ｈ↓，ＰV ・ｖ↓）のＺ軸への投影位置Ｚ
o は、Ｚo ＝ＰH ・ｈ↓sin θ＋ＰV ・ｖ↓cos θとな
る（図１３参照）。ｋh はＰH ・sin θであり、ｋv は
ＰV ・cos θである。

【００１４】数２のＺH,V(h ↓,v↓) およびＺS(s ↓)
の式は、エンコード板１のストライプパターンと撮像素
子２の画素を規則的に配列することで成立し、ｋh ＝Ｐ
H ・sin θの分解能で絶対位置情報Ｚ↓を与える。つま
り、受光素子ＰＥの水平方向の画素ピッチＰH をＺ軸に
投影したときの距離はＰH ・sin θとなる（図１４参
照）。なお、受光素子ＰＥの垂直方向の画素ピッチＰV
をＺ軸に投影したときの距離はＰV ・cos θとなる。ま
た、数２のＺh ↓,v↓,s↓(q↓) の式は、微小区間ｋh
で比例関係ｑ↓・ｋq が成立すればよく、画素信号の位
置変換特性の直線性のよい範囲に量子化範囲を設定する
ことで可能となる（図１５参照）。

【００１５】図１６はエンコード板１と撮像素子２との
配置関係を示したものであり、ストライプパターン領域
１２のストライプパターンＳＰの光透過部や光吸収部の
幅は６μｍ、水平、垂直の画素ピッチＰH 、ＰV は１０
μｍ、コードパターンのトラック幅は１０μｍ、撮像素
子２の画素数は１３×１８（垂直×水平）、エンコード
板１の傾斜角θは１／５０ラジアンである。この場合、
ｋh ＝ＰH ・sin θ≒０．２μｍとなる。図において、
ｑ↓を付した受光素子ＰＥからは上限側より量子化範囲
に入る画素信号が得られ、ｑ↑を付した受光素子ＰＥか
らは下限側より量子化範囲に入る画素信号が得られる。
ただし、量子化範囲は４５〜５５％である。

【００１６】また、フレーム（撮像視野）内の各位置デ
ータに対応して処理回路５で求められる絶対位置情報Ｚ
↓は代表値決定回路６に順次供給される。この代表値決
定回路６では、複数の絶対位置情報Ｚ↓に基づいて代表
値が決定される。

【００１７】ところで、処理回路５で求められる絶対位
置情報Ｚ↓は、受光素子ＰＥの感度、光源３の強度や発
光波長の変化により画素信号が変動したり、量子化レベ
ルのドリフト等で変動する。そこで、本出願人は先に、
下限側から量子化範囲に入ったときの量子化値ｑ↑を使
用して絶対位置情報Ｚ↑を求め、これら２つの値の加算
平均値（Ｚ↓＋Ｚ↑）／２を絶対位置情報ＺA とするこ
とを提案した（特開平１−１７４９１６号公報）。絶対
位置情報ＺA は、上述した受光素子ＰＥの感度等の変
動、量子化レベルのドリフト等でＺ↓とＺ↑が互いに逆
方向に動くため、変動しない値となる。ここで、絶対位
置情報Ｚ↑は数４で求められる（図１７参照）。（ｈ
↑，ｖ↑）は量子化値ｑ↑が得られる画素アドレス、ｓ
↑は対応するコード値である。

【００１８】

【数４】

【００１９】ここで、Ｚh ↑,v↑,s↑(q↑) 、ＺH,V(h
↑,v↑) 、ＺS(s ↑) はそれぞれ数５で表され、絶対位
置情報Ｚ↑は数６で示すようになる。

【００２０】

【数５】

【００２１】

【数６】

【００２２】このように加算平均値（Ｚ↓＋Ｚ↑）／２
を絶対位置情報ＺA とする場合には、図８の例の処理回
路５では、複数組のＺ↓、Ｚ↑より絶対位置情報ＺA が
求められる。そして、代表値決定回路６では、複数の絶
対位置情報ＺA に基づいて代表値が決定される。

【００２３】ところで、数３、数６は、厳密にはエンコ
ード板１のストライプパターンＳＰと撮像素子２の画素
を規則的に配列することを前提として成立する。ストラ
イプパターンＳＰの加工精度と撮像素子２の画素配列位
置加工精度がともに位置検出精度よりも高い場合には、
１フレームの処理で得られる複数の絶対位置情報ＺAが
一致し、代表値決定回路６で代表値を決定することがで
きる。しかし、逆の場合には、複数の絶対位置情報ＺA
が一致することは希で、代表値を決定できなくなる。

【００２４】つまり、位置検出精度がストライプパター
ンＳＰの加工精度および撮像素子２の画素配列位置加工
精度を上回る場合には、撮像素子２の各画素の特性は均
一でなく全て異なり、また１本のストライプのエッジパ
ターンも各画素に対応して異なった直線上にあるとしな
ければならない。そのため、数３、数６を使用して絶対
位置情報ＺAを求め、代表値を決定することは困難とな
る。

【００２５】また、図８に示すような絶対位置検出装置
では、撮像素子２の撮像視野（画素数）を大きくし、よ
り多くの絶対位置情報ＺA から代表値を決定すると、さ
まざまな外乱があっても安定した高精度な絶対位置情報
が得られ易くなる。しかし、撮像素子２の撮像視野を大
きくすると、以下のような問題が生じる。

【００２６】絶対位置情報ＺA は、構造的な規則性のあ
る外乱（θの変動、撮像素子２やエンコード板１のＺ方
向の伸縮）によりＨ、Ｖ方向の各成分毎に狂い、その分
散の度合いはＨ、Ｖ方向の撮像視野にそれぞれ比例して
大きくなる。そして、分散が大きくなれば代表値精度は
その分悪くなる。

【００２７】また、図８の例のようにスケールパターン
を露光撮像し、画素電荷をシーケンシャルに読み出す仕
組みでは、撮像視野（画素数）に比例してスキャンタイ
ムが長くなり、１フレームの周期が長くなる。そのた
め、絶対位置情報ＺA の出力周期が長くなり、応答性の
悪いものとなる。

【００２８】さらに、撮像素子２の撮像視野を大きくし
て絶対位置情報ＺA が多くなると、代表値決定回路６で
の計算量が増大する。そのため、代表値決定が遅くな
り、応答性が悪くなる。

【００２９】そこで、本出願人は、先に高精度の絶対位
置情報を良好に、かつ応答性よく得ることができる絶対
位置検出装置を提案した。

【００３０】まず、分解能（位置検出精度）を上げるた
めに、撮像面上にマスクスリットパターンを形成する例
を説明する。

【００３１】この例においては、撮像素子２の透明保護
ガラス２ｂの面上に、水平方向に受光素子ＰＥの中心を
結ぶ線と平行なスリット状のマスクパターン（マスクス
リットパターン）ＭＳＰが形成される（図１９（Ａ）に
図示）。このマスクスリットパターンＭＳＰは、受光素
子ＰＥの中心部にスリットＳＬＴが対応するように形成
される。このようにマスクスリットパターンＭＳＰが形
成される場合であって、エンコード板１がない状態で
は、スリットＳＬＴに対応する受光素子面で光強度が最
大となる（図１９（Ｂ）に図示）。

【００３２】このようにマスクスリットパターンＭＳＰ
が形成された撮像素子２の表面にエンコード板１が近
接、例えば密着して配される（図１８（Ａ）に図示）。
エンコード板１と撮像素子２との密着面はそれぞれ平滑
処理され、密着摺動可能とされる。

【００３３】この場合、エンコード板１、従ってストラ
イプパターンＳＰのＺ方向への移動によってスリットＳ
ＬＴの光透過幅は０〜ｗM （ｗM はスリット幅）まで変
化し、この光透過幅の変化に伴って画素信号は最小MIN
から最大MAX まで変化する（図１８（Ｂ）に図示）。

【００３４】撮像素子２より後段の回路は、図８の例と
同様に構成される。すなわち、撮像素子２より各ライン
毎に順次出力される画素信号が位置データ検出回路４に
供給される。そして、この位置データ検出回路４で、画
素信号のレベルが徐々に小さくなって量子化範囲に入る
全てのラインに対して、画素アドレス（ｈ↓，ｖ↓）お
よび量子化値ｑ↓がラッチされると共に、コード値ｓ↓
が読み取られる。そして、位置データ検出回路４で検出
される各組の位置データ（画素アドレス（ｈ↓，ｖ
↓）、量子化値ｑ↓、コード値ｓ↓）が処理回路５に順
次供給され、数７で絶対位置情報Ｚ↓が求められる（図
２０参照）。

【００３５】

【数７】

【００３６】ここで、Ｚ′h ↓,v↓,s↓(q↓) 、Ｚ′H,
V(h ↓,v↓) 、ＺS(s ↓) はそれぞれ数８で表されるた
め、絶対位置情報Ｚ↓は数９で示すようになる。

【００３７】

【数８】

【００３８】

【数９】

【００３９】また、位置データ検出回路４で、画素信号
のレベルが徐々に大きくなって量子化範囲に入る全ての
ラインに対して、画素アドレス（ｈ↑，ｖ↑）および量
子化値ｑ↑がラッチされると共に、コード値ｓ↑が読み
取られる。そして、位置データ検出回路４で検出される
各組の位置データ（画素アドレス（ｈ↑，ｖ↑）、量子
化値ｑ↑、コード値ｓ↑）も処理回路５に順次供給さ
れ、数１０で絶対位置情報Ｚ↑が求められる（図２１参
照）。

【００４０】

【数１０】

【００４１】ここで、Ｚ′h ↑,v↑,s↑(q↑) 、Ｚ′H,
V(h ↑,v↑) 、ＺS(s ↑) はそれぞれ数１１で表される
ため、絶対位置情報Ｚ↑は数１２で示すようになる。

【００４２】

【数１１】

【００４３】

【数１２】

【００４４】数８、９、１１、１２におけるｋq 、ｋs
、ｋh およびｋv は、数２、３、５、６におけるもの
と同様である。このように処理回路５で求められる絶対
位置情報Ｚ↓、Ｚ↑は１個ずつ対とされ、絶対位置情報
ＺA ＝（Ｚ↓＋Ｚ↑）／２が求められる。そして、代表
値決定回路６からは複数の絶対位置情報ＺA に基づいて
１つの代表的な絶対位置情報が出力される。

【００４５】この例においては、ストライプパターンＳ
ＰのＺ方向への移動によるスリットＳＬＴの光透過幅の
変化に伴って画素信号は最小MIN から最大MAX まで変化
する。そのため、光の回折現象、光源３の大きさ、受光
素子ＰＥの大きさに関係なく、スリット幅ｗM によって
変換係数が決まる。つまり、スリット幅ｗM を小さくす
ることにより変換係数を大きくすることができ、従来の
ものに比べて分解能を上げることができる。また、変換
特性（図１８の（Ｂ）参照）に、受光素子ＰＥの形状加
工精度がほとんど関係せず、専らマスクスリットパター
ンＭＳＰの加工精度が大きく影響する。しかし、マスク
スリットパターンＭＳＰは高精度の加工が容易であるた
め、画素間のバラツキの小さい均一な特性を得ることが
できる。

【００４６】次に、温度変動があっても絶対位置情報Ｚ
A が安定した値となり、高精度の位置検出を行なうため
の技術について説明する。図２２（Ａ）は、Ｚ↓、Ｚ
↑、ＺA の関係をまとめたものである。Ｚ↓、Ｚ↑は、
温度変動により受光素子ＰＥの感度や光源３の強度ある
いは発光波長等が変化することにより、かなり変動す
る。しかし、上述したように互いに逆方向に等量だけ変
動すれば、ＺA は変動することなく高精度な位置情報と
なる。

【００４７】さて、Ｚ↓、Ｚ↑の検出画素の温度による
変動量に差が発生しないようにするためには、全く同じ
特性にしておく必要がある。２つの画素特性をできるだ
け近付けるには、両画素を接近させることである。両画
素アドレスをそれぞれ（ｈ↓，ｖ↓）、（ｈ↑，ｖ↑）
とすると、最も接近するとき｜ｈ↓−ｈ↑｜＝０、｜ｖ
↓−ｖ↑｜＝１となる。｜ｈ↓−ｈ↑｜や｜ｖ↓−ｖ↑
｜は、スケール移動位置に関係しない値である。さら
に、両画素の画素信号が共に量子化範囲０〜Ｑ−１内の
中心値Ｑ／２となるとき最も接近する。図２２（Ｂ）
は、このときのパターン条件を示したものであり、数１
３は最接近の条件を表わしている。

【００４８】

【数１３】

【００４９】図２３は最接近条件（数１３）を満足する
パターン例を示し、図２４はその撮像素子全体の画素信
号状態（映像パターン）例を示すものである。この例で
は、撮像素子２の受光素子ＰＥの垂直、水平のピッチＰ
V 、ＰH が１０μｍ、ストライプパターン領域１２の画
素数が１４×１３（垂直×水平）、コードパターン領域
１１の画素数が１４×１２（垂直×水平）である。マス
クスリットパターンＭＳＰの光透過部の幅（スリット幅
ｗM ）が１μｍ、その光吸収部の幅が９μｍである。ま
た、ストライプパターンＳＰの光透過部の幅が１．２μ
ｍ、その光吸収部の幅Ｐsrが１．４μｍで、ストライプ
ピッチＰs が２．６μｍである。エンコード板１のコー
ドパターン領域１１には１２トラック（１２ビット）の
パターンが形成されている。このエンコード板１のスケ
ール長は１０．６ｍｍである。さらに、エンコード板１
の傾斜角θは１／２００ラジアンであり、ｋh ＝ＰHsin
θ≒０．０５μｍである。

【００５０】図２４のコードパターン領域１１のドット
は、ストライプパターン領域１２の画素信号が量子化値
ｑ↓となるため、同一水平ラインの読み出すべき画素を
示している。なお、図２５には、画素信号と光透過幅と
の関係（位置信号変換特性）を示している。量子化範囲
を７０〜９０％とし、量子化数を１１とすれば、ｋq＝
０．０１μｍとなる。また、図２６は、図２３および図
２５の例に対応したストライプパターンＳＰとマスクス
リットパターンＭＳＰの位置関係を示したものである。
ｑ↓が存在するＶアドレス０、１、７、８、１３に対応
してコードパターン領域１２より読み取られるコード値
ｓ↓は、表１に示すようになる。図２６では、垂直方向
の拡大率を水平方向の拡大率より大きくしている。

【００５１】

【表１】

【００５２】ところで、ストライプパターンＳＰとマス
クスリットパターンＭＳＰが数１３を満足するように設
計されていても、温度変化により受光素子ＰＥの感度や
光源３の強度が変化するため、｜ｈ↓−ｈ↑｜＝０が成
立しなくなることがある。例えば、温度が上がると受光
素子ＰＥの感度が上がるため、ｈ↓は増加し、逆にｈ↑
は減少する。このような温度変動によりｑ↓、ｑ↑が得
られる画素どうしが水平方向に離れることに対しては、
光源３を駆動する電流や点灯時間等を制御することによ
り、容易に｜ｈ↓−ｈ↑｜＝０を保持できる。

【００５３】ここで、１回の撮像で得られる個々の絶対
位置情報ＺA に対する｜ｈ↓−ｈ↑｜の値は略同じであ
るが、同一とはならない。したがって、数１４の値が最
も小さくなるようなフィードバック制御をすることにな
る。一般に温度変動は緩やかであるため、Ｎを１フレー
ム内のＺA の個数に限定する必要はなく、多数のフレー
ムに拡大して、Ｎを大きくしてもよい。

【００５４】

【数１４】

【００５５】数１３の条件（最接近条件）を満足すると
き、ｑ↓、ｑ↑を得る画素が最も接近する。そのため、
ｑ↓、ｑ↑を得る両画素の特性が略等しくなり、温度変
動による感度変動の差も小さくなる。また、両画素の温
度差も小さくなり、この温度差による感度差も小さくな
る。さらに、照度は光路長の逆二乗の法則で決まるが、
光路長の差が小さい両者の照度差も小さくなる。このよ
うに両画素間の諸特性の差が小さくなり、Ｚ↓、Ｚ↑の
変動量に差がなくなり、絶対位置情報ＺA はほとんど変
動しない安定した値となり、ｎｍオーダの高精度の位置
検出を行なうことができる。

【００５６】以上の２つの技術により、位置検出精度が
ストライプパターンＳＰのパターン等の加工精度をはる
かに上回るようになる。ここで、数９および数１２を使
用すると、絶対位置情報ＺA ＝（Ｚ↓＋Ｚ↑）／２は数
１５に示すようになる。ただし、Ｚ（０A）＝｛Ｚ↓
（０↓）＋Ｚ↑（０↑）｝／２である。

【００５７】

【数１５】

【００５８】位置検出精度がストライプパターンＳＰの
パターン等の加工精度よりも悪い場合は、Ｚ（０A ）を
一定値ＺｏA で表わしてＺA を求めれば（数１６参
照）、複数の絶対位置情報ＺA が一致するため、代表値
を決定することができる。

【００５９】

【数１６】

【００６０】また、位置検出精度が加工精度を上回る場
合、数１６を適用すると、絶対位置情報ＺA の値が加工
精度の範囲内でバラツキ、代表値を決定することができ
なくなる。そこで、数１６の右辺に補正データを付加し
て、数１７に示すように絶対位置情報ＺA ′とする。こ
こで、ΔＺ（ｈ↓，ｖ↓，ｓ↓，ｈ↑，ｖ↑，ｓ↑）
は、加工精度程度の補正データである。補正データΔＺ
（ｈ↓，ｖ↓，ｓ↓，ｈ↑，ｖ↑，ｓ↑）は、画素アド
レス（ｈ↓，ｖ↓）、コード値ｓ↓、の組合せと、画素
アドレス（ｈ↑，ｖ↑）、コード値ｓ↑の組合せとをさ
らに組み合わせた状態に対する補正データである。

【００６１】

【数１７】

【００６２】図２７は、数１７で示すように絶対位置情
報ＺA′を得、位置検出精度がストライプパターンＳＰ
のパターン等の加工精度をはるかに上回るような場合に
も良好に代表値を決定できるようにした絶対位置検出装
置を示すものである。

【００６３】同図において、１１０は撮像式絶対位置検
出器であり、この検出器１１０には、図８の絶対位置検
出装置におけるエンコード板１、ＣＣＤ撮像素子２、光
源３、位置データ検出回路４および処理回路５が含まれ
る。また、１１１は補正メモリであり、ｈ↓，ｖ↓，ｓ
↓，ｈ↑，ｖ↑，ｓ↑の各組合せに対する補正データΔ
Ｚ（Ａ）が格納される。ここで、（Ａ）は（ｈ↓，ｖ
↓，ｓ↓，ｈ↑，ｖ↑，ｓ↑）を表わしている。

【００６４】検出器１１０で求められる絶対位置情報Ｚ
A は加算器１１２に供給される。また、この絶対位置情
報ＺA を求めるＺ↓、Ｚ↑に関する（Ａ）のデータが補
正メモリ１１１にアドレス情報として供給され、対応す
る補正データΔＺ（Ａ）が読み出されて加算器１１２に
供給される。

【００６５】加算器１１２からは、ＺA に補正データΔ
Ｚ（Ａ）が付加された絶対位置情報ＺA ′が出力され
（数１７参照）、代表値決定回路１１３に供給される。

【００６６】補正メモリ１１１への補正データΔＺ
（Ａ）の書き込みは、次のようにして行なわれる。つま
り、検出器１１０には要求される位置検出精度の保証さ
れた基準スケール（他の撮像式絶対位置検出器でも可）
１２０が機械的に連結される（図２７に破線で図示）。
検出器１１０のエンコード板（スケール）を移動（同時
に基準スケール１２０のスケール位置が移動）させて得
られる絶対位置情報ＺA と、これに対応して基準スケー
ル１２０より得られる絶対位置情報ＺRとが減算器１２
１に順次供給される。そして、減算器１２１の出力デー
タ（ＺR −ＺA ）が補正データΔＺ（Ａ）として補正メ
モリ１１１に順次供給され、検出器１１０からの（Ａ）
のデータで指定されるアドレスに書き込まれる。

【００６７】ところで、ｑ↓、ｑ↑を得る画素（受光素
子ＰＥ）どうしが上述した最接近条件を満足するときに
は、ｈ↑＝ｈ↓、ｖ↑＝ｖ↓＋１、ｓ↑＝ｓ↓−ｎの関
係が成立するため、補正メモリ１１１のアドレスをｈ
↓，ｖ↓，ｓ↓のデータで指定することができる。この
場合、補正メモリ１１１が必要とする容量（アドレス空
間）は、ｈ↓，ｖ↓，ｓ↓の取り得る値の数をＨo ，Ｖ
o ，Ｓo とすれば、Ｈo×（Ｖo−１）×（Ｓo−ｎ）×
（データ幅）となる。

【００６８】図２３、図２４に示す例では、Ｈo ＝１
３，Ｖo ＝１４，Ｓo ＝２¹²（１０．６mm≒２¹²×２．
６μｍ）であり、データ幅を８ビットとすると、メモリ
容量は１３×（１４−１）×（２¹²−３）×８ビット≒
７００Ｋバイトになる。最接近条件を少し緩めて｜ｈ↓
−ｈ↑｜≦１にすると、７００Ｋバイト×３＝２．１Ｍ
バイトとなる。

【００６９】ここで、絶対位置情報ＺA ′を得るまでの
過程を、物理学用語を用いて再度説明する。

【００７０】撮像素子２の画素とストライプエッジの組
合せ構成を素粒子尺と呼ぶ。素粒子尺は↓と↑の２種類
がある。画素信号が量子化範囲に入っている画素（活性
値画素）が存在するとき（活性化時）、絶対位置情報Ｚ
↓、Ｚ↑をそれぞれ出力する。

【００７１】図２８は、↓素粒子尺出力範囲の分布例
（図２３、図２４の例に対応）を示したものである。こ
の場合、ｋv 、ｋs とｋi との間には、数１８の関係が
成立する。ｌとｍは互いに素の自然数であり、図２３お
よび図２４の例では、ｌ＝５０、ｍ＝１３である。ｉ
↓、ｉ↓＋１とｖ↓、ｓ↓の関係は、数１９に示すよう
になる。ｖ↓の値が０と１３の↓素粒子尺群は、Ｚ↓値
が一致して重なっている。

【００７２】

【数１８】

【００７３】

【数１９】

【００７４】図２９は、↑素粒子尺出力範囲の分布例
（図２３、図２４の例に対応）を示したものである。ｉ
↑、ｉ↑＋１とｖ↑、ｓ↑の関係は、数２０に示すよう
になる。ｖ↑の値が０と１３の↑素粒子尺群は、Ｚ↑値
が一致して重なっている。

【００７５】

【数２０】

【００７６】図３０は、↓、↑素粒子尺出力範囲の分布
例（図２３、図２４の例に対応）を示したものである。
絶対位置情報Ｚ↓、Ｚ↑が最接近条件（｜ｈ↓−ｈ↑｜
＝０、ｑ↓＋ｑ↑＝Ｑ）を満足するとき、Ｚ↓＝Ｚ↑と
して図示している。

【００７７】この場合、ｂの一点鎖線で示すひとつの直
線と交わる点が出力点となる。「○」は↓素粒子尺の出
力点、「×」は↑素粒子尺の出力点を表している。そし
て、最接近条件がくずれた場合、それぞれの出力点は等
距離δだけ離れた破線上の点となる。なお、ａの直線と
交わる点は、図２４の例の画素信号状態（映像パター
ン）における素粒子尺の出力点を示している。

【００７８】この構成は、ストライプパターンの撮像領
域が画素単位で細かく分割されるため、ゴミ等の外乱が
画素よりも大きい場合はその大きさの限られた範囲だけ
に、画素より小さい場合は１個分の画素だけに影響し、
他の健全な部分に波及しないようにすることができる。

【００７９】温度外乱による受光素子感度や光源光量の
変動等の一様な変動に対しては同類の素粒子尺出力は一
斉に等量だけ変動する。そして、Ｚ↓、Ｚ↑の素粒子尺
出力は互いに逆方向に等量だけ変動する。この特性に着
目し、温度等の一様外乱に不感となるように絶対位置情
報ＺA ＝（Ｚ↓＋Ｚ↑）／２を求める。この↓素粒子尺
と↑素粒子尺を組合せて絶対位置情報ＺA となる部位を
原子尺と呼ぶ。

【００８０】図３１は、原子尺出力範囲の分布例（図２
３、図２４の例に対応）を示したものである。同図にお
いて、ｖA ＝（ｖ↓＋ｖ↑）／２＝ｖ↓＋１／２、ｓA
＝（ｓ↓＋ｓ↑）／２＝ｓ↓−３／２、ｈA ＝（ｈ↓＋
ｈ↑）／２、ｑA ＝（ｑ↓＋ｑ↑）／２である。ｂの一
点鎖線で示すひとつの直線と交わる点が出力点となる。
「Δ」は出力点を示している。

【００８１】ｈA が整数でない原子尺は、｜ｈ↓−ｈ↑
｜＝１の場合のものであり、２つが重なっている。最接
近条件がくずれた場合は、図示した原子尺の出力範囲が
変動し、ｈ↓とｈ↑の組合せも変わる。しかし、ｑA ＝
０の点は不動で、範囲の総和も不変である。

【００８２】なお、ａの直線と交わる点は、図２４の例
の画素信号状態（映像パターン）における原子尺の出力
点を示している。

【００８３】このように原子尺出力ＺA は、一様外乱に
対して不動となる。しかし、位置検出精度が加工精度を
上回ると、マスクスリットパターンＭＳＰやストライプ
パターンＳＰが基準位置からずれていることや、画素感
度等の特性が均等でないことが明らかになり、個々の絶
対位置情報ＺA が基準スケール１２０からの絶対位置情
報ＺR から外れる。そのため、絶対位置情報ＺA に補正
量が加算されて絶対位置情報ＺA ′となる。補正された
原子尺を規原子尺と呼ぶ。

【００８４】上述の説明で使用した素粒子尺、原子尺、
規原子尺をまとめると、以下のようになる。

【００８５】素粒子尺＝（ｈ，ｖ）画素と（ｓ）ストラ
イプエッジの組合せ活性時・・・Ｚ↓またはＺ↑を出力原子尺＝↓素粒子尺＋↑素粒子尺活性時・・・ＺA ＝（Ｚ↓＋Ｚ↑）／２を出力規原子尺＝原子尺＋補正量活性時・・・ＺA ′＝ＺA ＋ΔＺ(Ａ)を出力ただし、ΔＺ(Ａ)＝ＺR −ＺA 一回の撮像（同一フレーム）で活性化される複数の規原
子尺は、撮像視野内に一様に点在する（図２４参照）。
図２７の代表値決定回路１１３では、一回の撮像から得
られる複数個の絶対位置情報ＺA ′から一つの正しいと
思われる代表値ＺAAが決定されて出力される。

【００８６】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、↓，
↑素粒子尺に対する受光素子の感度等の均等変動による
一様変動性の誤差は原子尺構成とすることで解決できる
が、受光素子の光ショット雑音などの正規性雑音による
誤差や画素信号の量子化による誤差等の素粒子出力値の
不確定性誤差は、除去されることなく原子尺出力値ＺＡ
に現われるため検出精度に限界がある。

【００８７】しかも、補正データ決定時に、この原子尺
出力値ＺＡの不確定性誤差が補正データΔＺ（Ａ）に誤
差として入り込む。位置検出時に、原子尺出力値ＺＡに
補正データΔＺ（Ａ）を加えて規原子尺出力値ＺＡ′を
得ることから、代表値を決める規原子尺出力値ＺＡ′の
集団における誤差範囲は原子尺出力値ＺＡの誤差範囲と
補正データΔＺ（Ａ）の誤差範囲を加えたものとなり、
原子尺出力値ＺＡの誤差範囲より大きく、およそ２倍に
なってしまい、検出精度がさらに低下する問題がある。

【００８８】そこで、この発明では、原子尺出力値等に
不確定性誤差があっても高精度な位置検出を行い得る絶
対位置検出装置を提供するものである。

【００８９】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
撮像式絶対位置検出器と、この検出器より出力される原
子尺出力値と基準尺との差を補正データとし、複数フレ
ーム分の補正データより代表補正データを決定する補正
データ決定回路と、この補正データ決定回路より出力さ
れる代表補正データが検出器からの原子尺アドレスに基
づいて格納される補正メモリと、位置検出時に検出器か
らの原子尺アドレスに基づいて補正メモリより読み出さ
れる補正データを加算して規原子尺出力値を得る加算回
路と、この加算回路より出力される複数の規原子尺出力
値の代表値を決定する代表値決定回路とを備えてなるも
のである。

【００９０】請求項２記載の発明は、撮像式絶対位置検
出器と、この検出器より出力される原子尺出力値と基準
尺との差を補正データとし、複数フレーム分の補正デー
タより代表補正データを決定する補正データ決定回路
と、この補正データ決定回路より出力される代表補正デ
ータが検出器からの原子尺アドレスに基づいて格納され
る補正メモリと、検出器より出力される複数フレーム分
の原子尺出力値を平均化する平均回路と、位置検出時に
平均回路で平均化された原子尺出力値に検出器からの原
子尺アドレスに基づいて補正メモリより読み出される補
正データを加算して規原子尺出力値を得る加算回路と、
この加算回路より出力される複数の規原子尺出力値の代
表値を決定する代表値決定回路とを備えてなるものであ
る。

【００９１】請求項３記載の発明は、補正データ決定回
路では、検出器のスケールを静止させて露光量を微小等
量ずつ変化させた、または露光量を一定にしてスケール
を微小等距離ずつ変位させたフレーム群の中で、一つの
素粒子尺の出力変化の１周期分のフレーム群における補
正データの平均値を代表補正データとするものである。

【００９２】請求項４記載の発明は、撮像式絶対位置検
出器と、この検出器からの原子尺アドレスに基づいて補
正データが格納される補正メモリと、検出器より出力さ
れる複数フレーム分の原子尺出力値を平均化する平均回
路と、位置検出時に平均回路で平均化された原子尺出力
値に検出器からの原子尺アドレスに基づいて補正メモリ
より読み出される補正データを加算して規原子尺出力値
を得る加算回路と、この加算回路より出力される複数の
規原子尺出力値の代表値を決定する代表値決定回路と、
検出器より出力される原子尺アドレス、平均回路より出
力される原子尺出力値、加算回路より出力される規原子
尺出力値および代表値決定回路より出力される代表値と
を収容する修復用レジスタと、代表値決定回路より出力
される代表値と加算回路より出力される規原子尺出力値
との差の絶対値が所定値を越えるとき、補正メモリの対
応する原子尺アドレスの補正データを、代表値決定回路
より出力される代表値と平均回路より出力される原子尺
出力値との差に書き換える修復判定回路とを備えてなる
ものである。

【００９３】

【作用】請求項１記載の発明においては、複数フレーム
分の補正データより代表補正データを決定して使用する
ため、原子尺出力値や基準尺の正規性雑音等の不確定性
誤差に起因する補正データの誤差を小さくでき、位置検
出を高精度に行い得る。

【００９４】請求項２記載の発明においては、複数フレ
ーム分の補正データより代表補正データを決定して使用
するため、原子尺出力値や基準尺の正規性雑音等の不確
定性誤差に起因する補正データの誤差を小さくでき、位
置検出を高精度に行い得る。また、位置検出時に複数フ
レーム分の原子尺出力値の平均値に補正データを加算し
て規原子尺出力値を得るため、規原子尺出力値の誤差範
囲が原子尺出力値の誤差範囲より小さくなり、位置検出
を一層高精度に行ない得る。

【００９５】請求項３記載の発明においては、補正デー
タ決定回路で、一つの素粒子尺の出力変化の１周期分の
フレーム群における補正データの平均値を代表補正デー
タとするので、量子化誤差に起因する補正データの誤差
範囲をデータ数分の１に小さくでき、位置検出をより高
精度に行い得る。

【００９６】請求項４記載の発明においては、補正デー
タの決定後に入り込むゴミ等の様々な外乱で規原子尺が
狂っても、規原子尺出力値の補正データを自己修復でき
るため、長期間にわたって高精度な位置検出を維持し得
る。また、位置検出時に複数フレーム分の原子尺出力値
の平均値を使用すると共に、補正データの修復をこの平
均値を使用して行なうため、補正データの誤差範囲を小
さくでき高精度な位置検出を行い得ると共に、自己修復
によって全ての補正データを決定する場合の原子尺のつ
なぎ目誤差を小さくでき、スケールの直線性をよくし得
る。

【００９７】

【実施例】まず、素粒子尺の誤差（真値からのずれ量）
について説明する。この素粒子尺の誤差は次の４つから
なると推測される。パターンずれなどによる再現性がある固定誤差 ↓，↑素粒子尺に対する受光素子感度などの均等変動
による一様変動性の誤差受光素子の光ショット雑音などの正規性雑音による誤
差受光素子からの画素信号の量子化による誤差この内、上述したように原子尺構成にすることにより
の誤差を除去でき、また原子尺出力値にに補正データを
加えた規原子尺出力値とすることにより、の誤差を除
去できる。

【００９８】，の誤差は、，と比べれば小さい
が、それぞれ不規則性やランダム性があり不確定であ
り、統計的に取り扱うことができる。図７は、，の
誤差の確率分布特性を示している。同図において、σ
n，σqは，によるばらつき成分、ｋqは１量子化ス
テップに対応する位置変位である。代表値決定回路１１
３（図２７参照）で規原子尺出力値ＺＡ′を平均化した
代表値ＺAAの誤差は統計的に評価すれば，の誤差よ
り小さくなっている。

【００９９】原子尺出力値ＺＡの誤差εAは、による
固定した部分と、，の不確定性誤差によるばらつき
部分からなる。誤差εAのばらつき範囲σAは、数２１と
して実測できる。ここで、ｆ＝０，１，２，・・・，Ｆ
−１で、Ｆはフレーム数、（εA）fはｆフレームのεA
の値を表わしている。

【０１００】

【数２１】

【０１０１】誤差εAのばらつき範囲σAは、，によ
るばらつき成分をそれぞれσn，σqとすれば、数２２で
表わすことができる。σqは量子化によるものであるか
ら、σq＝ｋq（量子化単位）となり、σAを知ることに
よってσnを知ることができる。

【０１０２】

【数２２】

【０１０３】さて、図２７の例では、補正データΔＺ
（Ａ）がＺＲ−ＺＡで決定されるため、ＺＲの誤差範囲
をσRとすると、補正データΔＺ（Ａ）の誤差範囲σΔ
は、数２３で示すようになる。

【０１０４】

【数２３】

【０１０５】そして、規原子尺出力値ＺＡ′は、ＺＡ′
＝ＺＡ＋ΔＺ（Ａ）から求めるため、補正データΔＺ
（Ａ）の誤差は規原子尺出力値ＺＡ′に対し固定した誤
差になり、規原子尺出力値ＺＡ′の誤差範囲はσAとな
る。しかし、代表値を決定する規原子尺集団としての誤
差範囲はσA＋σΔ＝２σA＋σRとなり、σAとの比は２
σA＋σR／σA＝２＋σR／σAとなって、σAの２倍以上
になっている。

【０１０６】以下、図１を参照しながら、この発明の一
実施例について説明する。この図１において、図２７と
対応する部分には同一符号を付し、その詳細説明は省略
する。

【０１０７】本例においては、補正メモリ１１１の前段
に代表補正データ決定回路１１４が設けられる。この決
定回路１１４は、一つの原子尺出力値ＺＡに対し複数フ
レーム分の補正データΔＺ（Ａ）＝ＺＲ−ＺＡを格納す
るレジスタを備えており、補正データの書き込み時に
は、このレジスタに一つの原子尺出力値ＺＡに対し複数
フレーム分の補正データΔＺ（Ａ）を格納し、この複数
フレーム分の補正データΔＺ（Ａ）の平均値、中央値、
中心値等の代表補正データΔＺ（Ａ）′を求める。

【０１０８】そして、このように決定回路１１４で求め
られる代表補正データΔＺ（Ａ）′は補正メモリ１１１
に順次供給され、検出器１１０からの（Ａ）＝（ｈ↓，
ｖ↓，ｓ↓，ｈ↑，ｖ↑，ｓ↑）のデータ（原子尺アド
レス）で指定されるアドレスに書き込まれる。

【０１０９】位置検出時には、検出器１１０で求められ
る原子尺出力値ＺＡが加算器１１２に供給される。ま
た、この原子尺出力値ＺＡを求める素粒子尺Ｚ↓，Ｚ↑
に関する。（Ａ）のデータが補正メモリ１１１にアドレ
ス情報として供給され、対応する補正データΔＺ
（Ａ）′が読み出されて加算器１１２に供給される。

【０１１０】加算器１１２からは、原子尺出力値ＺＡに
補正データΔＺ（Ａ）′が付加された規原子尺出力値Ｚ
Ａ′が出力され（数２４参照）、代表値決定回路１１３
に供給されて代表値ＺAAが決定される。

【０１１１】

【数２４】

【０１１２】ところで、正規性雑音などによる正規分布
特性の誤差ではＦ（自然数）個の平均値のばらつきが１
個のときのばらつきの１／√Ｆになる等、平均値にする
と正規分布特性のままばらつきが小さくなる法則があ
る。

【０１１３】そこで、上述したようにある一つの原子尺
出力値ＺＡの補正データΔＺ（Ａ）を複数求め、例えば
数２５で示すように平均値を代表補正データΔＺ
（Ａ）′とすれば、σnがσn／√Ｆに減少し、σRも正
規分布特性であればσR／√Ｆとなる。つまり、光ショ
ット雑音等の正規性雑音による原子尺出力値ＺＡや、基
準尺出力値ＺＲの誤差のばらつきに起因する補正データ
の誤差範囲が小さくなる。

【０１１４】

【数２５】

【０１１５】そのため、代表補正データΔＺ（Ａ）′の
誤差範囲σΔ′は、図２７の例で使用される補正データ
Δ（Ａ）の誤差範囲σΔより小さくなる。したがって、
本例における規原子尺集団の誤差範囲σA＋σΔ′は、
図２７の例における誤差範囲σA＋σΔに比べて小さく
なり、位置検出精度を高くできる。

【０１１６】ところで、正規性雑音によるばらつき範囲
は、上述したようにＦ個の補正データΔＺ（Ａ）を平均
した代表補正データΔＺ（Ａ）′を使用することで、１
／√Ｆに縮小できる。しかし、量子化による誤差は単純
に連続してデータを集めると片寄りが発生し、平均値の
ばらつき範囲は縮小されない。

【０１１７】そこで、量子化に起因する補正データの誤
差範囲を小さくするためには、量子化回路での量子化単
位ｋqよりも細かな微小等量ステップで変化させ、ある
一つの素粒子尺出力値の変化の１周期分のフレーム群に
おける一つの原子尺出力値の複数補正データΔＺ（Ａ）
の平均値を代表補正データΔＺ（Ａ）′とすればよい。
ここで、微小等量ステップで変化させる方法として、次
の（ａ）、（ｂ）の方法がある。

【０１１８】（ａ）スケールを固定静止させ、光源の点
灯時間や電流または撮像素子のシャッタ時間などを制御
し、露光量を微小等量ステップで単調変化させる。

【０１１９】（ｂ）露光量を一定にし、圧電アクチュエ
ータの電圧などを制御し、スケールを微小等量ステップ
で単調変位させる。

【０１２０】微小等量ステップ変化により、素粒子尺の
ｑ値は周期的に増加または減少する。ある原子尺の↓素
粒子尺のｑ↓値の変化があったフレームから次の変化の
前のフレームまでが１周期分のフレームの集まりであ
る。そして、どの素粒子尺もほぼ同じ長さの周期である
から、↓素粒子尺の１周期分は↑素粒子尺の１周期分で
もあり、原子尺の１周期をおよそ均等に分割している
（図２に図示）。図２において、「●」、「○」、
「△」、「×」、「□」の点は、各フレームでの素粒子
尺、原子尺の出力値を示している。

【０１２１】１周期の均等分割フレームの個数をＦと
し、σn＝σR＝０で、σq＝ｋqだけであるとすると、代
表補正データΔＺ（Ａ）′（数２５参照）のばらつき範
囲はσq／√Ｆとなる。

【０１２２】つまり、（ａ）の方法では、ＺＲが常に一
定値ＺＲ0であるから、代表補正データΔＺ（Ａ）は数
２６で示され、そのばらつき範囲は数２７で表わされ
る。

【０１２３】

【数２６】

【０１２４】

【数２７】

【０１２５】ここで、数２８のＭＩＮ，ＭＡＸは、ＺＡ
の（ｑ↓−ｑ↑）／２で決まり、数２９に示すようにな
るため、代表補正データΔＺ（Ａ）′のばらつき範囲は
σq／√Ｆとなる。

【０１２６】

【数２８】

【０１２７】

【数２９】

【０１２８】ところで、実際ｋq》σnであるよりもｋq
≦σnである場合が多く、ｑ値に不確定性があり、ｑ↓
の変化点が定めにくく、１周期分を精度よく捕らえられ
ないことや、また数３０のばらつき範囲が１よりも大き
くなることによって、代表補正データΔＺ（Ａ）′の誤
差範囲σΔ′が１／Ｆｋqよりも大きくなってしまう問
題がある。

【０１２９】

【数３０】

【０１３０】これに対しては微小等量ステップの各点で
Ｆ′（自然数）フレームの繰り返しデータを集め平均化
することにより、σnをσn／√Ｆ′にして、ｋq》σn／
√Ｆ′が成り立つようにする。また、微小等量ステップ
も一様変動が加わるため、それ程正確でないなど、代表
補正データΔＺ（Ａ）′の誤差範囲が大きくなる傾向が
あり、１周期分だけでなく、数周期分の平均値にするこ
とより誤差範囲のより小さな安定した代表補正データΔ
Ｚ（Ａ）′を得ることができる。

【０１３１】上述したように、不確定性誤差による補正
データΔＺ（Ａ）のばらつき分布の中心に近い値である
高精度な代表補正データΔＺ（Ａ）′を使用することに
より、規原子尺集団の誤差範囲をσA＋σΔ′（＜σA＋
σΔ）に改善できる。

【０１３２】なお、スケールが静止し、応答時間に余裕
があり、検出時間が十分与えられる場合には、位置検出
時に、上述した（ａ）の方法で得られる複数フレームの
原子尺出力値ＺＡを平均化した原子尺出力値ＺＡaを数
３１で求め、この原子尺出力値ＺＡaを加算器１１２に
供給するようにしてもよい。

【０１３３】

【数３１】

【０１３４】すなわち、位置検出時に、図３に示すよう
に、検出器１１０より（ａ）の方法で得られる複数フレ
ームの原子尺出力値ＺＡが平均回路１１５に供給され、
この平均回路１１５で形成される原子尺出力値ＺＡaが
加算器１１２に供給される。なお、図３において、その
他は図１の例と同様に構成される。

【０１３５】原子尺出力値ＺＡaの誤差範囲σA′は数３
２に示すようになり、原子尺出力値ＺＡの誤差範囲σA
より小さくなるため、規原子尺集団の誤差範囲をσA′
＋σΔ′（＜σA＋σΔ′）に改善できる。

【０１３６】

【数３２】

【０１３７】ここで、図２３、図２４に示す構成の検出
器１１０において、規原子尺集団の誤差範囲σA＋σ
Δ、σA＋σΔ′、σA′＋σΔ′はそれぞれ以下に示す
ようになる。

【０１３８】以下の説明では、正規性のσを√σ²で表
わし、それらの合成則が√σ1²＋√σ2²＝√（σ1²＋σ
2²）（２乗和の平方根）であるとする。

【０１３９】σA＝√σn²＋σq＝√１０²＋１０＝２０
ｎｍ、σR＝√１０²ｎｍである場合、σΔ＝σA＋σR＝
√１０²＋１０＋√１０²＝√（２×１０²）＋１０≒２
４ｎｍとなり、 σA＋σΔ＝√１０²＋１０＋√（２×１０²）＋１０＝√（３×１０²）＋２０ ≒３７ｎｍ、となる。

【０１４０】次に、補正データΔＺ（Ａ）′がＦ′＝２
⁶（同一点での繰り返しデータ数）Ｆ＝２³（原子尺の１
周期の分割点数）のＦ′×Ｆ＝２⁹＝５１２フレームの
平均値であれば、σΔ′は数３３に示すようになる。

【０１４１】

【数３３】

【０１４２】したがって、 σA＋σΔ′＝√１０²＋１０＋√０．４＋１．３＝√１００．４＋１１．３ ≒２１ｎｍとなる。

【０１４３】そして、位置検出時のＺＡaがＦ′＝２⁴、
Ｆ＝２²、Ｆ′×Ｆ＝２⁶＝６４フレームの平均値であれ
ば、σA′は数３４に示すようなる。

【０１４４】

【数３４】

【０１４５】したがって、 σA′＋σΔ′＝√１．６＋２．５＋√０．４＋１．３＝√２＋３．８ ≒５ｎｍとなる。

【０１４６】ところで、ストライプパターンＳＰやマス
クスリットパターンＭＳＰ面にゴミが付着するなどさま
ざまな外乱で原子尺の動作点がずれ規原子尺出力値Ｚ
Ａ′は狂うが、検出装置自らの代表値を基準にして、こ
の狂った規原子尺出力値ＺＡ′の補正データΔＺ（Ａ）
を正しい値に修復することを提案した（特願平４−１６
３００２号）。

【０１４７】補正データΔＺ（Ａ）の書き換えには、検
出時のようなスケールを動かせないなどの制約がなく、
また十分な時間があるため、上述した（ａ）や（ｂ）の
方法によって原子尺出力値ＺＡa（数３１参照）を求
め、同一フレーム内に納まるＮ個の規原子尺出力値Ｚ
Ａ′の補正データΔＺ（Ａ）を自己修復回路で書き換え
ることにより、補正データΔＺ（Ａ）の誤差範囲σΔを
書き換え前より小さくできる。

【０１４８】図４は、補正データΔＺ（Ａ）を原子尺出
力値ＺＡaを使用して書き換えできるようにした例であ
る。この図４において、図２７と対応する部分には同一
符号を付し、その詳細説明は省略する。

【０１４９】本例において、補正メモリ１１１には、検
出器１１０より出力される原子尺アドレス（Ａ）に対応
して１フレーム分の補正データΔＺ（Ａ）＝ＺＲ−ＺＡ
が格納される。この補正メモリ１１１への補正データΔ
Ｚ（Ａ）の書き込みは、切換スイッチ１２２がａ側に、
切換スイッチ１２３がｃ側に接続され、図２７の例にお
けると同様にして行なわれる。

【０１５０】また、切換スイッチ１２３がｃ側に接続さ
れた状態で、上述した（ａ）や（ｂ）の方法で検出器１
１０より出力される複数フレームの原子尺出力値ＺＡは
平均回路１１５に供給されて平均化され、原子尺出力値
ＺＡaが求められる。平均回路１１５より出力される原
子尺出力値ＺＡaは加算器１１２に供給される。また、
原子尺出力値ＺＡaを求めるＺ↓、Ｚ↑に関する（Ａ）
のデータ（原子尺アドレス）が補正メモリ１１１にアド
レス情報として供給され、補正メモリ１１１より対応す
る補正データΔＺ（Ａ）が読み出されて加算器１１２に
供給される。そして、加算器１１２からは原子尺出力値
ＺＡaに補正データΔＺ（Ａ）が付加された規原子尺出
力値ＺＡ′が出力され、代表値決定回路１１３で代表値
ＺAAが決定される。

【０１５１】１１６は修復用レジスタおよび修復判定回
路を有する修復部である。修復用レジスタには、同一フ
レーム内の原子尺出力値ＺＡaと、その原子尺アドレス
（Ａ）と、その規原子尺出力値ＺＡ′および代表値ＺAA
が蓄えられる。そして、修復判定回路によって代表値Ｚ
AAと規原子尺出力値ＺＡ′との差の絶対値｜ＺAA−Ｚ
Ａ′｜がある値（狂っているとみなすスレッショルド
値）より大きいと判定するとき、修復部１１６より補正
メモリ１１１に、対応するＺAA−ＺＡaが切換スイッチ
１２２のｂ側を介して供給されると共に、対応する原子
尺アドレス（Ａ）が切換スイッチ１２３のｄ側を介して
供給される。これにより、補正メモリ１１１の補正デー
タΔＺ（Ａ）の書き換えが行なわれ、規原子尺が修復さ
れる。

【０１５２】図４の例において、書き換え前の補正デー
タΔＺ（Ａ）の誤差範囲をσΔ0とすると、規原子尺集
団の誤差範囲はσA′＋σΔ0となり、ＺＡ′のＮ個の平
均値が代表値ＺAAである場合の誤差範囲は、数３５に示
すようになる。

【０１５３】

【数３５】

【０１５４】そのため、ＺAA−ＺＡaの値に書き換えた
補正データΔＺ（Ａ）の誤差範囲は、数３６に示すよう
になり、書き換え前の補正データΔＺ（Ａ）のそれより
小さくなる。

【０１５５】

【数３６】

【０１５６】ここで、図２３、図２４に示す構成の検出
器１１０において、σA＝√１０²＋１０＝２０ｎｍ、σ
R＝√１０²ｎｍである場合、 σΔ0＝σA＋σR ＝√１０²＋１０＋√１０² ＝√（２×１０²）＋１０≒２４ｎｍである。

【０１５７】ＺＡaがＦ′＝２⁶、Ｆ＝２³、Ｆ′×Ｆ＝
２⁹＝５１２フレームの平均値であれば、原子尺出力値
ＺＡaの誤差範囲σA′は数３７に示すようになる。

【０１５８】

【数３７】

【０１５９】そして、例えばＮ＝６に対し、σqにラン
ダムに性があれば、数３８が成り立ち、、σΔ1は数３
９に示すようになる。

【０１６０】

【数３８】

【０１６１】

【数３９】

【０１６２】ただし、Ｎ個のσΔ0＝σA＋σRが、基準
尺の同時同一値で決定されている場合は、σRの平均値
による縮小がなく、σΔ1は数４０に示すようになる。

【０１６３】

【数４０】

【０１６４】このように、補正データΔＺ（Ａ）の誤差
範囲σΔは、２４ｎｍから１３〜１６ｎｍに改善され
る。

【０１６５】なお、図４の例には図示せずも、図１の例
と同様に補正メモリ１１１の前段に代表補正データ決定
回路１１４を配して構成することもできる。すなわち、
複数のＺAA−ＺＡaの平均値等の代表値を補正メモリ１
１１に書き換え（修復）データとして供給してもよい。

【０１６６】ところで、スケールの一点から微小変位を
繰り返し、すべての補正データΔＺ（Ａ）を決定する二
点指示位置検出システムにおいては、スケールの直線性
が重要であるが、微小変位での原子尺の継ぎ目の誤差範
囲は継ぎ目ごとに累積し、スケールの直線度を決める一
因となる。

【０１６７】原子尺の継ぎ目誤差は、同一フレーム内に
現われる原子尺群の代表値同士の差で、直前の微小変位
点で補正データが決定された原子尺群の代表値ＺAA1
と、この代表値ＺAA1を基準として補正データが書き込
まれた原子尺群の代表値ＺAA2との差である。

【０１６８】図５は、あるフレーム位置から原子尺の一
部が出入りし、一部が残る程度にスケール位置を微小変
位させる例を示している。この例では、１フレーム内に
現われる原子尺の半数（ここではＮとする）が微小変位
ごとに入れ替わり、同一フレーム内を二分した原子尺群
の代表値同士、ＺAA1とＺAA2の差が継ぎ目誤差である。
ＺAA1を基準にしてΔＺ（Ａ）＝ＺAA1−ＺＡを決め、次
にＺＡ′＝ＺＡ＋ΔＺ（Ａ）を求めると、ＺＡ′はσA
＋σAのばらつき範囲があり、Ｎ個のＺＡ′の平均値ＺA
A2のばらつき範囲は数４１に示すようになり、これが一
つの継ぎ目の誤差範囲σΔΔとなる。

【０１６９】

【数４１】

【０１７０】Ｊ個の継ぎ目の誤差範囲は数４２に示すよ
うになり、微小変位ピッチをｋhとすると、Ｊ×ｋhはス
ケール長であり、数４３はスケールの直線度を表わすも
のとなる。

【０１７１】

【数４２】

【０１７２】

【数４３】

【０１７３】数４３から、図４の例のように複数フレー
ムの原子尺出力値ＺＡを平均化した原子尺出力値ＺＡa
を使用し、σAより小さいσA′にすれば直線性がよくな
ることがわかる。例えば、σA＝√σn²である場合、σ
A′＝σA／√Ｆで、σΔΔは数４１であるから、直線度
は数４４で示すようになる。

【０１７４】

【数４４】

【０１７５】Ｎ＝３、Ｆ＝２¹⁶≒６５，０００、ｋh＝
０．０５μｍ、Ｊ＝スケール長／微小変位＝１０ｍｍ／
０．０５μｍ＝２００，０００、σA＝√１０²ｎｍとす
ると、直線度は１．４×１０^-6すなわち±０．７×１０
^-6となる。

【０１７６】さて、上述したように直線性のよいスケー
ルにする場合、ＺＡaの値が高精度（σA′で評価され
る）になり、ＺAA−ＺＡaで求める補正データΔＺ
（Ａ）も高精度になり、補正データΔＺ（Ａ）のビット
長を長くしなければならない。Ｆ＝２¹⁶の場合σA′＝
σA／２⁸で８ビット以上追加する必要がある。この補正
データΔＺ（Ａ）の高精度も微小変位を繰り返し、次々
に補正データを決定するときは必要であるが、位置検出
時には応答性条件によりＦを大きくできないため不要で
ある。

【０１７７】図６に示すように、１フレーム分のΔＺ
（Ａ）が納まるロングワードの継ぎ目専用の補正メモリ
１１７を補正メモリ１１１と並列に設ける。この図６に
おいて、図４と対応する部分には同一符号を付して示し
ている。

【０１７８】微小変位を繰り返し、補正データΔＺ
（Ａ）を決定するとき、直前の微小変位点でＺAA−ＺＡ
aとして書き込まれた１フレームの半数の原子尺出力値
の補正データを継ぎ目専用メモリ１１７から読み出し、
それぞれに対応するＺＡaを加えて規原子尺出力値Ｚ
Ａ′とし、これらから代表値ＺAAを求め、残り半数の原
子尺出力値の補正データをＺAA−ＺＡaとして継ぎ目専
用の補正メモリ１１７と補正メモリ１１１に並行して書
き込む。位置検出時には補正データΔＺ（Ａ）を補正メ
モリ１１１から読み出す。

【０１７９】継ぎ目専用の補正メモリ１１７にはせいぜ
い数１０個の原子尺出力値に対応した補正データが格納
され、一方補正メモリ１１１には例えば数１０万個の原
子尺出力値に対応した補正データが格納され、補正メモ
リ１１７の容量は補正メモリ１１１の容量に比べてはる
かに少なくて済む。

【０１８０】図６の例においては、継ぎ目専用の補正メ
モリ１１７を設けることで、補正メモリ１１１のビット
数を長くしなくても済み、（直線性をよくするために長
くしたビット数）×（原子尺個数）分だけ補正メモリ１
１１の容量を削減できる。

【０１８１】図５の例では、スケール長１０ｍｍの場
合、原子尺個数は１０ｍｍ／０．０５μｍ×｛（３＋
４）／２｝＝７００，０００個であり、長くしたビット
数が８ビットであるとすると、約７００Ｋバイト削減で
きる。

【０１８２】

【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、複数フレ
ーム分の補正データより代表補正データを決定して使用
するため、原子尺出力値や基準尺の正規性雑音等の不確
定性誤差に起因する補正データの誤差を小さくでき、位
置検出を高精度に行なうことができる。

【０１８３】請求項２記載の発明によれば、複数フレー
ム分の補正データより代表補正データを決定して使用す
るため、原子尺出力値や基準尺の正規性雑音等の不確定
性誤差に起因する補正データの誤差を小さくでき、位置
検出を高精度に行なうことができる。また、位置検出時
に複数フレーム分の原子尺出力値の平均値に補正データ
を加算して規原子尺出力値を得るため、規原子尺出力値
の誤差範囲が原子尺出力値の誤差範囲より小さくなり、
位置検出を高精度に行なうことができる。

【０１８４】請求項３記載の発明によれば、補正データ
決定回路で、一つの素粒子尺の出力変化の１周期分のフ
レーム群における補正データの平均値を代表補正データ
とするので、量子化誤差に起因する補正データの誤差範
囲をデータ数分の１に小さくでき、位置検出をより高精
度に行なうことができる。

【０１８５】請求項４記載の発明によれば、補正データ
の決定後に入り込むゴミ等の様々な外乱で規原子尺が狂
っても、規原子尺出力値の補正データを自己修復できる
ため、長期間にわたって高精度な位置検出を維持でき
る。また、位置検出時に複数フレーム分の原子尺出力値
の平均値を使用すると共に、補正データの修復をこの平
均値を使用して行なうため、補正データの誤差範囲を小
さくでき高精度な位置検出を行なうことができると共
に、自己修復によって全ての補正データを決定する場合
の原子尺のつなぎ目誤差を小さくでき、スケールの直線
性をよくできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例の構成を示すブロック図である。

【図２】微小等量ステップ変化による素粒子尺、原子尺
の周期性を示す図である。

【図３】他の実施例の構成を示すブロック図である。

【図４】他の実施例の構成を示すブロック図である。

【図５】前フレームの原子尺が残るような微小変位例を
示す図である。

【図６】他の実施例の構成を示すブロック図である。

【図７】不確定性誤差因子（正規性雑音、量子化）によ
る誤差分布を示す図である。

【図８】絶対位置検出装置の構成を示す図である。

【図９】エンコード板のパターンを示す図である。

【図１０】絶対位置検出装置の要部の具体構成を示す図
である。

【図１１】撮像素子の撮像画面を示す図である。

【図１２】絶対位置情報Ｚ↓の説明のための図である。

【図１３】Ｚ軸への座標変換を説明するための図であ
る。

【図１４】分解能を説明するための図である。

【図１５】位置信号変換特性例を示す図である。

【図１６】エンコード板と撮像素子との配置関係を示す
図である。

【図１７】絶対位置情報Ｚ↑の説明のための図である。

【図１８】（Ａ）は絶対位置検出装置の構成を示す図で
あり、（Ｂ）はその画素信号の変化を示す図である。

【図１９】（Ａ）は撮像素子のマスクスリットパターン
を示す図、（Ｂ）は受光素子面の光強度を示す図であ
る。

【図２０】絶対位置情報Ｚ↓の説明のための図である。

【図２１】絶対位置情報Ｚ↑の説明のための図である。

【図２２】Ｚ↓、Ｚ↑検出画素の位置関係と最接近時の
パターン条件を示す図である。

【図２３】Ｚ↓、Ｚ↑検出画素接近時のパターンの実例
を示す図である。

【図２４】撮像素子全体の画素信号状態（映像パター
ン）例を示す図である。

【図２５】画素信号と光透過幅との関係を示す図であ
る。

【図２６】ストライプパターンとマスクスリットパター
ンとの位置関係を示す図である。

【図２７】絶対位置検出装置の構成を示すブロック図で
ある。

【図２８】↓素粒子尺出力範囲の分布例を示す図であ
る。

【図２９】↑素粒子尺出力範囲の分布例を示す図であ
る。

【図３０】↓，↑素粒子尺出力範囲の分布例を示す図で
ある。

【図３１】原子尺出力範囲の分布例を示す図である。

【符号の説明】

１エンコード板２ＣＣＤ撮像素子３光源４位置データ検出回路５処理回路１１コードパターン領域１２ストライプパターン領域１１０撮像式絶対位置検出器１１１補正メモリ１１２加算器１１３代表値決定回路１１４代表補正データ決定回路１１５平均回路１１６修復部１１７継ぎ目専用の補正メモリ１２０基準スケールＳＰストライプパターンＭＳＰマスクスリットパターンＳＬＴスリット

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】撮像式絶対位置検出器と、この検出器より出力される原子尺出力値と基準尺との差
を補正データとし、複数フレーム分の補正データより代
表補正データを決定する補正データ決定回路と、この補正データ決定回路より出力される代表補正データ
が上記検出器からの原子尺アドレスに基づいて格納され
る補正メモリと、位置検出時に上記検出器からの原子尺アドレスに基づい
て上記補正メモリより読み出される補正データを加算し
て規原子尺出力値を得る加算回路と、この加算回路より出力される複数の規原子尺出力値の代
表値を決定する代表値決定回路とを備えてなる絶対位置
検出装置。
【請求項２】撮像式絶対位置検出器と、この検出器より出力される原子尺出力値と基準尺との差
を補正データとし、複数フレーム分の補正データより代
表補正データを決定する補正データ決定回路と、この補正データ決定回路より出力される代表補正データ
が上記検出器からの原子尺アドレスに基づいて格納され
る補正メモリと、上記検出器より出力される複数フレーム分の原子尺出力
値を平均化する平均回路と、位置検出時に上記平均回路で平均化された原子尺出力値
に上記検出器からの原子尺アドレスに基づいて上記補正
メモリより読み出される補正データを加算して規原子尺
出力値を得る加算回路と、この加算回路より出力される複数の規原子尺出力値の代
表値を決定する代表値決定回路とを備えてなる絶対位置
検出装置。
【請求項３】上記補正データ決定回路では、上記検出器
のスケールを静止させて露光量を微小等量ずつ変化させ
た、または上記露光量を一定にして上記スケールを微小
等距離ずつ変位させたフレーム群の中で、一つの素粒子
尺の出力変化の１周期分のフレーム群における上記補正
データの平均値を代表補正データとすることを特徴とす
る請求項１または２記載の絶対位置検出装置。
【請求項４】撮像式絶対位置検出器と、上記検出器からの原子尺アドレスに基づいて補正データ
が格納される補正メモリと、上記検出器より出力される複数フレーム分の原子尺出力
値を平均化する平均回路と、位置検出時に上記平均回路で平均化された原子尺出力値
に上記検出器からの原子尺アドレスに基づいて上記補正
メモリより読み出される補正データを加算して規原子尺
出力値を得る加算回路と、この加算回路より出力される複数の規原子尺出力値の代
表値を決定する代表値決定回路と、上記検出器より出力される原子尺アドレス、上記平均回
路より出力される原子尺出力値、上記加算回路より出力
される規原子尺出力値および上記代表値決定回路より出
力される代表値とを収容する修復用レジスタと、上記代表値決定回路より出力される代表値と上記加算回
路より出力される規原子尺出力値との差の絶対値が所定
値を越えるとき、上記補正メモリの対応する原子尺アド
レスの補正データを、上記代表値決定回路より出力され
る代表値と上記平均回路より出力される原子尺出力値と
の差に書き換える修復判定回路とを備えてなる絶対位置
検出装置。