KR102008632B1 - 앱솔루트 인코더 - Google Patents

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마키토 세키
요시나오 다테이
시게노리 다케다
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제이 이 손튼
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Abstract

높은 분해능 및 높은 정밀도로 절대 각도를 검출할 수 있는 앱솔루트 인코더가 제공된다. 이미지 센서는 스케일의 절대치 부호 패턴에 있어서의 광을 수광하고, 에지 검출부는 수광된 광 신호로부터 에지 화소 위치 및 에지 방향을 검출하고, 에지 위치 보정부는 에지 방향에 근거하여 에지 화소 위치를 보정한다. 위상 검출부는 보정된 에지 화소 위치로부터 이미지 센서의 기준 화소 위치로부터의 위상 시프트량을 검출하고, 고정밀 검출부는 개략 검출부에 의해 검출된 개략적인 절대 위치 및 위상 검출부에 의해 검출된 위상 시프트량을 이용하여 높은 정밀도로 절대 위치를 검출한다.

Description

앱솔루트 인코더
본 발명은 측정 대상물의 절대 위치를 검출하는 앱솔루트 인코더에 관한 것이다.
공작기계나 로봇 등의 분야에서는 매우 정밀한 위치 결정 제어를 실현하기 위해 앱솔루트 인코더가 이용되고 있다. 앱솔루트 인코더는, 예컨대, 명암의 광학 패턴을 갖는 스케일과, 스케일에 광을 조사하기 위한 발광 소자와, 스케일을 투과한 광 또는 스케일에 의해 반사된 광을 검출하기 위한 수광 소자와, 수광 소자의 후단에 배치된 연산 장치를 구비하고, 모터 등의 회전축에 연결된 스케일의 절대 각도를 검출한다.
이러한 종류의 앱솔루트 인코더는 일반적으로 개략적인 절대 각도를 검출하기 위한 각도 고유의 패턴으로 구성되는 앱솔루트 패턴과, 분해능을 높이기 위한 균등하게 배치된 인크리멘털(incremental) 패턴을 스케일 상에 갖고 있다. 이와 같은 구성에 의해, 분해능이 높은 절대 각도를 검출할 수 있다.
그렇지만, 분해능의 향상은 지금까지는 무시되었던 오차를 무시할 수 없게 하고 있고, 보다 정밀한 검출 방법의 중요성이 커지고 있다.
지금까지는, 높은 정밀도의 검출이 실현되는 방법으로서 특허 문헌 1 및 특허 문헌 2에 개시되는 바와 같은 방법이 제안되었다.
특허 문헌 1에서는, 예컨대, 앱솔루트 로터리 인코더는 원통면(cylindrical surface)에 복수의 마크가 일정 주기로 원주 방향을 따라 배열된 회전하는 원통체와, 원통면에 광을 출사하는 광원과, 마크의 주기보다 작은 피치로 배치된 복수의 광전 변환 소자에 의해 마크를 검출하는 검출기와, 검출기의 출력에 근거하여 절대 각도를 산출하는 산출부를 구비한다. 산출부는 보정 데이터를 이용하여 원통면과 검출기의 기하학적 배치에 기인하는 왜곡 오차를 보정한다.
특허 문헌 2에서는, 변위 검출 장치는 인크리멘털 성분을 포함하는 스케일 패턴을 갖는 스케일과, 스케일 패턴을 광에 의해 결상시키는 광학계와, 결상된 스케일 패턴을 검출하기 위한 수광 소자 어레이와, 수광 소자 어레이의 신호에 근거하여 스케일의 위치를 해석하는 연산 회로를 구비한다. 변위 검출 장치는 광학계의 왜곡 정보로부터 얻어지는 왜곡 테이블에 근거하여 수광 소자를 가상적으로 재배치함으로써 광학계의 왜곡을 제거한다.
(선행 기술 문헌)
(특허 문헌)
(특허 문헌 1) 미국 특허 제 8,759,747호(FIG. 3)
(특허 문헌 2) 일본 특허 공개 2013-96757호 공보(도 5)
그렇지만, 특허 문헌 1 및 특허 문헌 2는 이하의 과제를 갖는다.
특허 문헌 1의 앱솔루트 로터리 인코더는 검출기의 위치마다 원통면의 영향을 보정하기 때문에, 원통면의 영향을 제거할 수 있다. 그렇지만, 분해능을 높일 목적으로 마크의 주기를 줄이는 것은 광의 회절 현상에 기인하는 수광 신호의 명부와 암부로 구성되는 마크의 명부의 폭과 암부의 폭을 상이하게 하기 때문에, 검출기의 위치마다의 보정만으로는 정밀도가 개선되지 않는다고 하는 문제가 있다.
특허 문헌 2의 변위 검출 장치, 변위 검출 방법 및 변위 검출 프로그램에 있어서는, 검출기의 위치마다 광학계의 왜곡이 보정되기 때문에, 결상 렌즈의 왜곡에 기인하는 정밀도의 악화가 감소될 수 있다. 하지만, 특허 문헌 2는 특허 문헌 1과 마찬가지로, 분해능을 높일 목적으로 마크의 주기를 줄이는 것은 광의 회절 현상에 기인하는 명부와 암부로 구성되는 마크의 명부의 폭과 암부의 폭을 상이하게 하기 때문에, 검출기의 위치마다의 보정만으로는 정밀도가 개선되지 않는다고 하는 동일한 문제를 갖는다.
본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위해 이루어진 것이고, 본 발명의 목적은 높은 분해능 및 높은 정밀도로 절대 각도를 검출할 수 있는 앱솔루트 인코더를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시 형태에 따르면, 절대치 부호 패턴을 포함하는 스케일과, 상기 스케일에 광을 조사하기 위한 발광 소자와, 상기 스케일로부터의 광을 수광하기 위한 이미지 센서와, 상기 이미지 센서로부터의 출력을 디지털 출력으로 변환하기 위한 A/D 변환기와, 절대 위치 연산부를 구비하고, 상기 절대 위치 연산부는 상기 A/D 변환기로부터의 신호의 신호 강도 및 미리 설정된 임계치 레벨에 근거하여, 상기 절대치 부호 패턴의 상기 이미지 센서 상에서의 에지 화소 위치 및 상기 절대치 부호 패턴의 상기 에지 화소 위치에서의 에지 방향을 검출하는 에지 검출부와, 상기 에지 검출부에서 구한 상기 에지 화소 위치를, 상기 검출된 에지 방향이 상승 에지인지 또는 하강 에지인지에 따라 보정하는 에지 위치 보정부를 포함하고, 상기 절대 위치 연산부는 상기 보정한 에지 화소 위치에 근거하여 상기 스케일의 절대 위치를 구하는 앱솔루트 인코더가 제공된다.
본 발명의 일 실시 형태에 따른 앱솔루트 인코더는, 분해능을 높이기 위해 스케일의 절대치 부호 패턴의 최소 선폭을 좁게 한 경우에도, 광의 회절의 영향을 받는 일 없이, 높은 정밀도로 절대 위치를 검출할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 형태 1에 따른 앱솔루트 인코더의 구성을 도시하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 형태 1에 따른 앱솔루트 인코더의 이미지 센서 상에 투영되는 광의 광량 분포의 예를 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시 형태 1에 따른 앱솔루트 인코더의 광량 보정부에서의 보정 후의 파형의 예를 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시 형태 1에 따른 앱솔루트 인코더의 평활화(smoothing) 처리부에서의 처리 후의 파형의 예를 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시 형태 1에 따른 앱솔루트 인코더의 에지 검출부의 동작을 도시하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시 형태 1에 따른 앱솔루트 인코더의 에지 검출부의 동작을 도시하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시 형태 1에 따른 앱솔루트 인코더에서 에지 보정량을 구하는 방법을 도시하는 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시 형태 1에 따른 앱솔루트 인코더의 에지 위치 보정부의 동작을 도시하는 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시 형태 1에 따른 앱솔루트 인코더의 디코딩부의 동작을 도시하는 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시 형태 1에 따른 앱솔루트 인코더의 위상 검출부의 동작을 도시하는 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시 형태 2에 따른 앱솔루트 인코더의 구성을 도시하는 도면이다.
도 12는 회절의 영향에 기인하여 하이 비트의 폭 및 로우 비트의 폭이 변화하는 것을 도시하기 위한 도면이다.
도 13은 본 발명의 실시 형태 2에 따른 앱솔루트 인코더에서 에지 보정량을 구하는 방법을 도시하는 도면이다.
도 14는 본 발명의 실시 형태 2에 따른 앱솔루트 인코더에서 하이 비트 및 로우 비트의 기본 주기 폭 데이터를 계측하는 예를 나타내는 그래프이다.
도 15는 본 발명의 실시 형태 3에 따른 앱솔루트 인코더의 구성을 도시하는 도면이다.
도 16은 본 발명의 실시 형태 3에 따른 앱솔루트 인코더에서 하이 비트 및 로우 비트의 기본 주기 폭 데이터를 계측하는 예를 나타내는 그래프이다.
도 17은 본 발명의 실시 형태 4에 따른 앱솔루트 인코더의 구성을 도시하는 도면이다.
도 18은 본 발명의 실시 형태 4에 따른 앱솔루트 인코더의 에지 그룹을 도시하기 위한 도면이다.
도 19는 본 발명의 실시 형태 4에 따른 앱솔루트 인코더의 에지 위치 잔차 오차의 예를 나타내는 그래프이다.
도 20은 본 발명의 실시 형태 4에 따른 앱솔루트 인코더의 보정 방법을 각각 나타내는 그래프의 세트이다.
도 21은 본 발명의 실시 형태 4에 따른 앱솔루트 인코더의 보정 방법을 각각 나타내는 그래프의 세트이다.
도 22는 본 발명의 각 실시 형태에 따른 앱솔루트 인코더의 절대 위치 연산부의 하드웨어 구성의 예를 도시하는 개략적인 구성도이다.
이하, 본 발명의 각 실시 형태에 따른 앱솔루트 인코더가 도면을 참조하여 설명된다. 각 실시 형태에 있어서, 동일한 또는 상당하는 부분은 동일한 부호로 나타내어지고, 그 중복되는 설명은 생략되는 것을 유의하라.
실시 형태 1.
본 발명의 실시 형태 1에 따른 앱솔루트 인코더(1)의 구성이 도 1에 도시된다. 앱솔루트 인코더(1)의 기본 구성은 발광 소자(2)와, 이미지 센서(3)와, 스케일(200)과, A/D 변환기(4)와, 절대 위치 연산부(5)를 구비한다. 이하에 앱솔루트 인코더(1)의 구성요소가 차례차례 설명된다.
발광 소자(2)는 스케일(200)에 광을 조사하기 위한 조명부이다. 예컨대, 점광원 LED가 발광 소자(2)로서 이용된다.
이미지 센서(3)는 스케일(200)로부터의 광을 수광하기 위한 광 검출부이고, CCD 이미지 센서 또는 CMOS 이미지 센서 등의 촬상 디바이스이다. 본 실시 형태에서의 이미지 센서(3)는 1차원이지만, 2차원이더라도 좋다.
스케일(200)은 모터 등의 회전 샤프트(6)에 연결되고, 절대치 부호 패턴(300)을 갖는 1개의 트랙이 마련되어 있다. 절대치 부호 패턴(300)에는, 원주 방향을 따라 복수의 반사 부분(301) 및 복수의 비 반사 부분(302)이 배치되어 있다. 반사 부분(301)은 발광 소자(2)로부터의 광을 반사하는 부분이다. 비 반사 부분(302)은 발광 소자(2)로부터의 광을 흡수 또는 투과하거나, 발광 소자(2)로부터의 광을 반사 부분(301)의 반사율보다 낮은 반사율로 반사하는 부분이다. 반사 부분(301) 및 비 반사 부분(302)은 이미지 센서(3) 상에 투영되는 광의 광 강도 분포를 변조하도록 기능한다.
절대치 부호 패턴(300)은 스케일(200)의 각도 위치가 특징지어지도록 반사 부분(301) 및 비 반사 부분(302)을 포함하고, 예컨대, M 계열 부호 등의 의사 랜덤 부호를 맨체스터 부호화하여 얻어지는 부호열을 사용한다.
본 실시 형태는 발광 소자(2)와 이미지 센서(3)가 모두 스케일(200)의 한쪽에 배치되는 반사형 인코더를 예시하지만, 본 발명은 발광 소자(2)와 이미지 센서(3)가 스케일(200)을 사이에 두고 서로 대향하도록 배치되는 투과형 인코더에도 적용 가능하다. 투과형 인코더의 경우에는, 절대치 부호 패턴(300)은 투과 부분 및 비 투과 부분을 포함한다. 앱솔루트 인코더(1)가 반사형인지 투과형인지 여부에 상관없이, 절대치 부호 패턴(300)이 이미지 센서(3) 상에 투영되는 광의 광 강도 분포를 변조하는 한, 절대치 부호 패턴(300)은 특정한 구성으로 한정되지 않는다.
스케일(200)의 반사 부분(301) 및 비 반사 부분(302)은, 예컨대, 유리 기판 상에 크롬 등의 금속을 증착하고, 포트리소그래피를 이용하여 금속막을 패터닝하는 것에 의해 형성된다. 반사형 인코더의 경우에 반사 부분과 비 반사 부분이 형성되고, 투과형 인코더의 경우에 투과 부분과 비 투과 부분이 형성되는 한, 스케일(200)은 특정한 재료 및 제조 방법으로 한정되지 않는다.
A/D 변환기(4)는 이미지 센서(3)로부터의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하기 위한 신호 변환부이다.
절대 위치 연산부(5)는 A/D 변환기(4)로부터의 출력에 근거하여 스케일(200)의 절대 위치를 연산하기 위한 연산부이고, 광량 보정부(100), 평활화 처리부(101), 에지 검출부(102), 에지 위치 보정부(103), 디코딩부(104), 개략 검출부(105), 위상 검출부(106), 고정밀 검출부(107)를 포함한다.
여기서, 절대 위치 연산부(5)의 동작이 설명된다.
우선, 이미지 센서(3)에 의해 취득된 화상은 A/D 변환기(4)에 의해 디지털 신호로 변환되고, 광량 보정부(100)에 입력된다. 광량 보정부(100)에 입력되는 신호는, 예컨대, 가로축이 화소 위치를 나타내고 세로축이 신호 강도를 나타내는 도 2에 나타내는 바와 같은 광량 분포(70)를 갖는다. 도 2에 있어서의 하이 비트(8)는 스케일(200)의 반사 부분(301)에서의 패턴을 나타내고, 로우 비트(9)는 스케일(200)의 비 반사 부분(302)에서의 패턴을 나타낸다. 도 2에 나타내는 바와 같이, 이미지 센서(3) 상에 투영되는 스케일(200)의 절대치 부호 패턴(300)에서는, 발광 소자(2) 자체의 광량 분포, 이미지 센서(3)의 각 화소의 게인 변동 등에 기인하여 하이 비트(8) 및 로우 비트(9)는 광량 분포가 불균일하다. 따라서, 광량 보정부(100)는, 불균일한 광량 분포를 균일한 광량 분포로 하기 위해, 미리 계측되는 광량 보정치에 근거하여 화소마다 보정을 행한다. 결과적으로, 예컨대 도 3의 광량 보정 후의 광량 분포(71)가 얻어진다.
광량 보정부(100)에서의 보정의 결과인 광량 보정 후의 광량 분포(71)는 광량 보정 후의 광량 분포(71)에 대하여 평활화 처리가 행해지는 평활화 처리부(101)로 보내진다. 평활화 처리부(101)는, 예컨대, 이동 평균 필터를 사용하고, 예컨대 도 4에 나타내는 바와 같은 평활화 처리 후의 광량 분포(72)를 얻는다. 본 실시 형태는 이동 평균 필터를 예시하지만, 가우스 필터 등에 의해 처리가 실시되더라도 좋고, 신호를 평활화하는 어떤 방법이라도 사용될 수 있다. 본 실시 형태에서는 평활화 처리에 선행하는 광량 보정이 평활화 처리 후에 실시되더라도 좋다. 본 발명은 평활화 처리가 실시되지 않는 경우에도 적용 가능하다.
평활화 처리 후의 광량 분포(72)는 미리 정해진 임계치 레벨(10)에 일치하는 이미지 센서(3) 상에서의 에지 위치(이하 에지 화소 위치(11))를 얻는 에지 검출부(102)로 보내진다.
도 5는 도 4의 파선의 테두리로 둘러싸인 에지 화소 위치 부근의 확대도이다.
우선, 에지 검출부(102)는 도 5에 도시되는 바와 같이 인접하는 화소인 i번째의 화소 및 i+1번째의 화소의 신호 강도에 근거하여 에지가 존재하는지 여부를 판정한다. 에지 검출부(102)는 i번째의 화소의 신호 강도가 임계치 레벨(10)보다 낮고 i+1번째의 화소의 신호 강도가 임계치 레벨(10)보다 높은 경우, 또는, i번째의 화소의 신호 강도가 임계치 레벨(10)보다 높고 i+1번째의 화소의 신호 강도가 임계치 레벨(10)보다 낮은 경우에 에지가 존재한다고 판정한다.
다음으로, i번째의 화소 및 i+1번째의 화소에 대하여 에지가 존재한다고 판정되면, 에지 검출부(102)는 임계치 레벨(10)의 양쪽에 있는 i번째의 화소 및 i+1번째의 화소에 대하여 선형 보간을 행함으로써, 임계치 레벨(10)에 일치하는 에지 화소 위치(11)를 서브 픽셀 처리에 의해 구한다.
본 실시 형태에서는 임계치 레벨(10)의 양쪽에 있는 두 화소에 근거하여 선형 보간에 의해 임계치 레벨(10)과 일치하는 에지 화소 위치(11)가 얻어지지만, 임계치 레벨(10)의 양쪽에 있는 둘 이상의 화소가 에지 화소 위치(11)를 얻기 위해 사용되더라도 좋다. 선형 보간 대신에, 이차함수 또는 삼차함수 등의 고차함수가 보간을 위해 사용되더라도 좋다.
에지 검출부(102)는, 에지 화소 위치(11)에 더하여, 예컨대 임계치 레벨(10)의 양쪽에 있는 i번째의 화소 및 i+1번째의 화소의 신호 강도에 근거하여, 도 6의 에지 방향(50)을 검출한다. 에지 방향(50)은 i번째의 화소의 신호 강도가 i+1번째의 화소의 신호 강도보다 낮으면 상승 에지(51), i번째의 화소의 신호 강도가 i+1번째의 화소의 신호 강도보다 크면 하강 에지(52)이다.
에지 검출부(102)에 의해 검출된 에지 화소 위치(11) 및 에지 방향(50)은 에지 위치 보정부(103)로 보내진다. 에지 위치 보정부(103)는 에지 검출부(102)에 의해 검출된 에지 화소 위치(11) 및 에지 방향(50)으로부터 에지 보정량을 구하고, 에지 방향(50)에 근거하여 에지 화소 위치(11)의 화소 위치를 보정한다.
여기서, 에지 위치 보정부(103)에 의해 어떻게 에지 화소 위치(11)가 보정되는지를 도 7을 참조하여 설명한다.
이하의 설명은 하이 비트가 좁은 경우이다. 하이 비트가 좁은지 넓은지는 이미지 센서(3)와 스케일(200)의 거리에 의존한다. 광이 회절에 기인하여 퍼지는 단일 슬릿의 경우에는 하이 비트는 넓다. 복수의 슬릿을 갖는 인코더 또는 다른 디바이스의 경우에는, 한 슬릿의 회절 패턴이 다른 슬릿의 회절 패턴과 간섭하는 회절 간섭에 의해 상이 형성되고, 그 때문에, 거리에 따라서는 하이 비트가 넓은 경우도 있다.
도 7에 도시되는 바와 같이, 이미지 센서(3) 상에 투영되는 광의 하이 비트(8) 및 로우 비트(9)는 광의 회절의 영향에 기인하여 서로 동일하지 않은 기본 주기 폭 fh 및 기본 주기 폭 fl을 각각 갖는다. "기본 주기 폭"이라는 용어는 반사 부분(301) 및 비 반사 부분(302)을 포함하는 절대치 부호 패턴(300)의 최소 선폭을 가리킨다.
i-1번째의 에지 화소 위치를 ZC(i-1)로 하고, i번째의 에지 화소 위치를 ZC(i)로 하고, i+1번째의 에지 화소 위치를 ZC(i+1)로 하면, i번째의 에지 화소 위치의 에지 보정량은 다음과 같이 구해진다.
우선, 에지 위치 보정부(103)는 상승 에지(51)와 하강 에지(52)의 사이의 공간을 하이 비트, 하강 에지(52)와 상승 에지(51)의 사이의 공간을 로우 비트로 판정한다. i번째의 에지 화소 위치에 인접하는 하이 비트(8) 및 로우 비트(9)에 근거하여, 에지 위치 보정부(103)는 하이 비트(8)의 에지 화소 위치 사이의 거리 Lh 및 로우 비트(9)의 에지 화소 위치 사이의 거리 Ll을 식 (1) 및 식 (2)에 의해 구한다.
하이 비트(8)의 폭, 즉 하이 비트(8)의 양측의 에지 화소 위치 사이의 거리는 Lh이다. 로우 비트(9)의 폭, 즉 로우 비트(9)의 양측의 에지 화소 위치 사이의 거리는 Ll이다.
도 7에 도시되는 바와 같이, 하이 비트(8) 및 로우 비트(9)가 각각 기본 주기 폭을 갖는다면 Lh=fh 및 Ll=fl이 만족된다.
Figure 112018024271032-pct00001
거리 Lh 및 Ll을 각각 절대치 부호 패턴(300)의 이상적인 기본 주기 폭 F로 나누고, 몫을 가장 가까운 정수로 반올림하여 이상적인 기본 주기 폭 F의 정수 배 N(N은 1 이상)을 얻는다. 하이 비트(8)의 기본 주기 폭 fh 및 로우 비트(9)의 기본 주기 폭 fl은 각각의 정수 배 N에 의해 다음과 같이 표현된다.
Figure 112018024271032-pct00002
Figure 112018024271032-pct00003
Lh의 N 및 Ll의 N은 별도로 구해지기 때문에(Nh≒Lh/F : 하이 비트(8)의 N, Nl≒Ll/F : 로우 비트(9)의 N, Nh 및 Nl은 각각 1 이상의 수), 기본 주기 폭은 보다 상세하게는 다음과 같이 표현된다.
Figure 112018024271032-pct00004
각 정수 배 N(Nh 또는 Nl)은 연속하는 비트의 수(정수)를 나타낸다. 다시 말해서, N은 하이 비트가 몇 개 연속으로 보이는지, 또는 로우 비트가 몇 개 연속으로 보이는지를 나타낸다.
예컨대, 절대치 부호 패턴(300)의 이상적인 기본 주기 폭 F가 10화소이고, 도 7에 있어서의 에지 위치 ZC(i-1), ZC(i), ZC(i+1)이 각각 6, 14, 26으로 가정되면, Lh는 8이고, Ll은 12이다.
한편, Lh 및 Ll을 F로 나누고 몫을 반올림하여 얻어진 정수인 Nh 및 Nl은 각각 Nh=Lh/F≒1 및 Nl=Ll/F≒1로 표현된다. 따라서, 기본 주기 폭 fh 및 fl은 각각 8 및 12이다.
이 예에서 ZC(i+2)가 44이면, Lh=44-26=18이고, Nh=Lh/F≒2이므로, 기본 주기 폭 fh는 fh=18/2=9이다.
목표로 하는 에지 보정량을 δ로 하고, 보정 후의 하이 비트(8)의 기본 주기 폭을 fh'로 하고, 보정 후의 로우 비트(9)의 기본 주기 폭을 fl'로 하면, fh' 및 fl'는 식 (5) 및 식 (6)에 의해 표현된다.
Figure 112018024271032-pct00005
보정 후의 하이 비트(8)의 기본 주기 폭 fh' 및 보정 후의 로우 비트(9)의 기본 주기 폭 fl'는 서로 동일하다. 식 (5) 및 식 (6)으로부터, i번째의 에지 화소 위치의 에지 보정량 δ는 식 (7)에 의해 표현된다.
Figure 112018024271032-pct00006
이것은, i번째의 에지 화소 위치의 에지 보정량 δ가, i번째의 에지 화소 위치에 인접하는 보정 전의 하이 비트(8)의 기본 주기 폭 fh와 i번째의 에지 화소 위치에 인접하는 보정 전의 로우 비트(9)의 기본 주기 폭 fl의 차분의 1/4로서 구해지는 것을 의미한다. 따라서, 에지 화소 위치(11)를 x(=ZC(i))로 하고, 상승 에지(51)의 보정 후의 에지 화소 위치(11)를 XR로 하고, 하강 에지(52)의 보정 후의 에지 화소 위치(11)를 XF로 하면, 에지 위치 보정부(103)는 각 에지 화소 위치에 대하여 에지 보정량 δ를 구하고, 에지 방향(50), 즉 상승 에지(51) 또는 하강 에지(52)에 따라 식 (8) 또는 식 (9)를 사용하여 보정을 행한다. 에지 위치 보정 처리 후의 에지 화소 위치(11)는, 예컨대 도 8에 도시되는 바와 같다.
Figure 112018024271032-pct00007
다음으로, 디코딩부(104)는 에지 방향(50) 및 에지 화소 위치(11)에 근거하여 하이 비트(8) 및 로우 비트(9)를 1/0의 비트열(12)로 변환한다. 비트열은, 예컨대, 상승 에지(51)로부터 하강 에지(52)의 사이는 비트값 1, 하강 에지(52)로부터 상승 에지(51)의 사이는 비트값 0이 되도록 생성된다. 요컨대, 하이 비트(8)는 비트값 "1"로 표현되고, 로우 비트(9)는 비트값 "0"으로 표현된다. 디코딩부(104)는, 에지 위치 보정부(103)에서와 마찬가지로, 이상적인 기본 주기 폭 F 및 에지 화소 위치 사이의 거리로부터 정수 배 N(Nh 및 Nl)을 산출하고, 각각 비트값 "1" 및 비트값 "0" 중 하나를 갖는 N개의 비트를 연속으로 배치한다. 본 실시 형태에서는, M 계열 부호 등의 의사 랜덤 부호가 맨체스터 부호화에 의해 부호화되기 때문에, 예컨대 도 9에 도시되는 바와 같이, 비트열(12)은 이상적으로는 비트값 "1" 또는 비트값 "0"의 최대 2개의 연속하는 비트를 포함한다.
본 실시 형태에서는 에지 방향(50) 및 에지 화소 위치(11)에 근거하여 기본 주기 폭이 1/0의 비트열로 변환되지만, 종래 기술에서와 같이 기본 주기 폭을 1/0의 비트열로 변환하기 위해 디지털화 처리가 대신 사용되더라도 좋고, 사용되는 방법이 기본 주기 폭을 1/0의 비트열로 변환할 수만 있다면 본 발명은 특정한 방법으로 한정되지 않는다.
다음으로, 개략 검출부(105)는 디코딩부(104)에 의해 검출된 도 9의 비트열(12)로부터 개략적인 절대 위치를 검출한다. 개략 검출부(105)는 예컨대, 스케일(200)의 절대치 부호 패턴(300)을 구성하는 비트열을 미리 룩업 테이블 내에 저장하고, 디코딩부(104)에 의해 검출된 비트열(12)을 룩업 테이블 내의 비트열과 비교하여, 개략적인 절대 위치를 특정한다.
다음으로, 위상 검출부(106)는 도 10에 도시되는 바와 같이 이미지 센서(3)의 기준 화소 위치(13)에 대한 위상 시프트량 θ를 구한다.
여기서, 위상 검출부(106)가 위상 시프트량 θ를 구하는 방법이 설명된다.
에지 검출부(102)가 M개의 에지를 검출하는 경우, 에지 위치 보정부(103)는 검출된 M개의 에지의 에지 화소 위치를 보정하고, 보정된 에지 화소 위치를 ZC(1), ZC(2), …, ZC(i), …, ZC(M)으로 나타낸다. 기준 화소 위치(13)의 중심 위치를 P로 하고, P에 가장 가까운 에지 화소 위치를 ZC(i)로 하면, ZC(i)는 기준 화소 위치(13)로부터의 시프트의 위상 시프트량 θ를 이용하여 식 (10)에 의해 표현된다.
Figure 112018024271032-pct00008
위상 시프트량 θ는 ZC(i)가 기준 화소 위치(13)의 왼쪽에 있으면 음의 값이고, ZC(i)가 기준 화소 위치(13)의 오른쪽에 있으면 양의 값이다.
다음으로, 위상 검출부(106)는 에지 화소 위치 ZC(i)에 대한 기본 주기 F의 정수 배 N(i)를 구함으로써 기준 화소 중심 위치 P에 가장 가까운 ZC(i) 이외의 에지를 처리한다. 정수 배 N(i)의 예는 다음과 같이 산출된다.
Figure 112018024271032-pct00009
정수 배 N(i)는 N(i)=(ZC(i)­ZC(i))/F=0으로서 산출된다. 도 10의 예에서는, N(i-1)=2, N(i+1)=2, N(i+2)=1이다. 기본 주기 폭 F의 정수 배 N을 이용하면, 에지 화소 위치 ZC(i-1) 및 ZC(i+1)은 식 (11) 및 식 (12)에 의해 표현된다.
Figure 112018024271032-pct00010
기호 α 및 β는 각각 2차 파라미터 및 3차 파라미터를 나타낸다. 따라서 에지 화소 위치는 정수 배 N, 기준 화소 중심 위치 P, 위상 시프트량 θ, 고차 파라미터 α 및 β를 이용하여 식 (13)에 의해 표현된다.
Figure 112018024271032-pct00011
식 (13)의 방정식을 푸는 것에 의해, 위상 시프트량 θ가 최소제곱법의 형태로 구해질 수 있다.
기준 화소 위치(13)는 이미지 센서(3)의 중심 화소, 또는 가장 좌측 또는 가장 우측 화소일 수 있고, 특별히 한정되지 않는다. 본 실시 형태에서는 최소제곱법의 형태로 위상 시프트량 θ를 구하기 위해 모든 에지 화소 위치가 사용되지만, 기준 화소 위치(13)의 중심 위치와 기준 화소 위치(13)에 가장 가까운 에지 화소 위치 ZC(i-1)의 차분으로부터 직접 위상 시프트량 θ가 구해지더라도 좋다.
마지막으로, 고정밀 검출부(107)는 개략 검출부(105)에 의해 구해진 개략적인 절대 위치와 위상 검출부(106)에 의해 구해진 위상 시프트량 θ를 더하여 스케일(200)의 절대 위치를 얻는다.
상술한 구성에 따르면, 절대 위치 연산부(5)가 에지 검출부(102) 및 에지 위치 보정부(103)를 포함하고, 에지 검출부(102)는 미리 설정된 임계치 레벨(10)을 크로스(cross)하는 에지 화소 위치(11) 및 에지 방향(50)을 검출하고, 에지 위치 보정부(103)는 이미지 센서(3) 상에 투영된 절대치 부호 패턴(300)의 반사 부분(301)을 나타내는 하이 비트(8)의 폭 및 이미지 센서(3) 상에 투영된 절대치 부호 패턴(300)의 비 반사 부분(302)을 나타내는 로우 비트(9)의 폭을 구하고, 하이 비트(8)의 폭 및 로우 비트(9)의 폭으로부터 에지 보정량 δ가 산출되고, 에지 방향(50)이 상승 에지(51)인지 또는 하강 에지(52)인지에 따라 에지 보정량 δ에 의해 에지 화소 위치(11)가 보정되고, 절대 위치 연산부(5)가 보정된 에지 화소 위치를 사용하여 스케일(200)의 절대 위치를 검출하므로, 분해능을 높일 목적으로 절대치 부호 패턴(300)의 최소 선폭이 축소되었다고 하더라도 높은 정밀도로 절대 위치가 검출될 수 있다.
절대 위치 연산부(5)는 에지 검출부(102)에 의해 구해진 에지 방향 및 에지 위치 보정부(103)에 의해 보정된 에지 화소 위치의 정보에 근거하여 하이 비트(8) 및 로우 비트(9)를 1/0의 비트열(12)로 변환하기 위한 디코딩부(104)와, 디코딩부(104)에 의해 구해진 비트열(12)로부터 개략적인 절대 위치를 특정하기 위한 개략 검출부(105)와, 보정된 에지 화소 위치의 정보에 근거하여 이미지 센서(3)의 기준 화소 위치(13)에 대한 위상 시프트량을 구하기 위한 위상 검출부(106)와, 개략 검출부(105)에 의해 구해진 개략적인 절대 위치 및 위상 검출부(106)에 의해 구해진 위상 시프트량의 정보로부터 높은 정밀도의 절대 위치를 구하기 위한 고정밀 검출부(107)를 더 포함한다. 따라서, 절대치 부호 패턴(300)만으로부터 높은 정밀도로 절대 위치가 얻어질 수 있다. 따라서, 종래 기술에서와 같이 절대 위치를 검출하기 위해 스케일 상에 2개의 트랙, 즉 앱솔루트 패턴 및 인크리멘털 패턴을 마련할 필요가 없어지고, 이것은 디바이스 사이즈가 축소될 수 있고, 높은 분해능 및 높은 정밀도로 절대 위치가 검출될 수 있는 것을 의미한다.
또한, 에지 화소 위치(11)에 인접하는 하이 비트(8) 및 로우 비트(9)의 폭으로부터 에지 보정량이 산출되므로, 이미지 센서(3)의 화소 위치에 의존하는 하이 비트(8) 및 로우 비트(9)의 폭이 변화하더라도 에지 화소 위치(11)에 인접하는 하이 비트(8) 및 로우 비트(9)의 폭을 서로 같게 할 수 있다. 따라서, 발광 소자(2)로부터의 광을 콜리메이트하기 위한 렌즈 등이 제거되고, 디바이스를 얇게 할 수 있다.
실시 형태 2.
실시 형태 1은 에지 위치 보정부(103)가 에지 화소 위치(11)의 에지 보정량을 구하도록 구성된다. 본 발명의 실시 형태 2는 도 11에 도시되는 바와 같이 에지 보정 데이터 메모리(113)가 마련되고, 에지 보정량이 이미지 센서(3)의 화소 위치의 함수로서 구해지고, 에지 보정 데이터 메모리(113)가 미리 구해진 에지 보정량 정보를 저장하고, 에지 위치 보정부(103)가 에지 보정 데이터 메모리(113) 내의 정보를 사용하여 에지 화소 위치(11)를 보정하는 방법을 설명한다.
실시 형태 2의 앱솔루트 인코더(1)는 에지 보정 데이터 메모리(113)가 추가되는 것과, 에지 위치 보정부(103)가 상이한 연산 방법을 사용하는 것을 제외하고, 실시 형태 1의 앱솔루트 인코더(1)와 기본적 구성에서 동일하다. 그 외의 구성요소는 실시 형태 1과 동일하고, 그 설명을 생략하기 위해 동일한 부호로 나타내어진다.
결상 렌즈 또는 그와 유사한 구성요소가 사용되지 않는 경우에는, 도 12에 도시되는 바와 같이 발광 소자(2)로부터 이미지 센서(3)까지의 거리는 이미지 센서(3)의 주변 부분으로 갈수록 커지기 때문에 회절의 영향도 이미지 센서(3)의 중심 부분과 주변 부분에서 상이하다. 그 때문에, 하이 비트(8)의 폭과 로우 비트(9)의 폭의 차이는 이미지 센서(3)의 주변 부분으로 갈수록 커진다. 따라서, 실시 형태 2의 앱솔루트 인코더(1)는 이미지 센서(3)의 화소 위치의 함수로서 에지 보정량을 구한다.
하이 비트(8) 및 로우 비트(9)의 기본 주기 폭에 관한 데이터로부터 이미지 센서(3)의 화소 위치의 에지 보정량을 산출하는 방법에 대하여 설명한다.
우선, 앱솔루트 인코더(1)를 모터에 고정한 상태에서, 적당한 각도 위치에서 이미지 센서(3)가 화상을 취득하고, 에지 검출부(102)에서의 연산을 통한 처리가 실행되어 에지 화소 위치(11) 및 에지 방향(50)을 취득한다. 도 13에 도시되는 바와 같이 i번째의 에지 화소 위치를 ZC(i)로 하고 i+1번째의 에지 화소 위치를 ZC(i+1)로 하면, ZC(i)가 상승 에지(51)이면 비트는 하이 비트(8)로 판정되고, 하이 비트(8)의 중심 화소 xh 및 하이 비트(8)의 에지 화소 위치 사이의 거리 Lh로부터 하이 비트(8)의 기본 주기 폭 fh(xh)가 식 (14), 식 (15), 식 (16)에 의해 산출된다.
Figure 112018024271032-pct00012
기호 N은 1 이상의 정수이고, 실시 형태 1과 마찬가지로 이상적인 기본 주기 폭의 정수 배를 나타낸다.
로우 비트(9)의 비트 중심 화소 xl 및 로우 비트(9)의 기본 주기 폭 fl(xl)도 마찬가지로 구해진다. 로우 비트(9)의 경우에는, 비트는 ZC(i)가 하강 에지(52)이면 로우 비트(9)로 판정된다.
정수 배 N(Nh 또는 Nl)은 보다 상세하게는 실시 형태 1과 마찬가지로 Nh=Lh/F 또는 Nl=Ll/F로 표현된다.
스케일(200)의 각도 위치를 바꿈으로써, 상이한 화소 위치에서의 하이 비트(8) 및 로우 비트(9)의 비트 중심 화소 데이터와 기본 주기 폭 데이터가 취득될 수 있다. 예컨대, 측정 대상물이 각도 피치 0.2도로 1800회 계측되면, 하이 비트(8) 및 로우 비트(9)의 중심 화소 데이터와 기본 주기 폭 데이터는 도 14에 나타내는 바와 같이 플롯된다. 하이 비트(8)의 계측 데이터는 H14a로 나타내어지고, 하이 비트(8)의 근사 곡선은 H14b로 나타내어지고, 로우 비트(9)의 계측 데이터는 L14a로 나타내어지고, 로우 비트(9)의 근사 곡선은 L14b로 나타내어진다. 도 14에 나타내는 바와 같이, 하이 비트(8) 및 로우 비트(9)는 화소 위치에 대한 기본 주기 폭 특성이 상이하고, 하이 비트(8)의 기본 주기 폭과 로우 비트(9)의 기본 주기 폭의 차이는 이미지 센서(3)의 주변 부분으로 갈수록 커진다.
다음으로, 하이 비트(8)의 화소 위치에 대한 기본 주기 폭 데이터에 대한 근사 함수 fh(x) 및 로우 비트(9)의 화소 위치에 대한 기본 주기 폭 데이터에 대한 근사 함수 fl(x)가 2차의 최소제곱법에 의해 구해진다. 구해진 이차함수는 화소 위치를 x로 하고, 함수의 파라미터를 fho, αh, βh, flo, αl, βl로 하면 이하의 식 (17) 및 식 (18)에 의해 표현된다.
Figure 112018024271032-pct00013
에지 보정량은 실시 형태 1과 동일한 원리, 즉, 하이 비트(8)의 기본 주기 폭과 로우 비트(9)의 기본 주기 폭의 차이의 1/4로서 구해진다. 이미지 센서(3)의 화소 위치 x의 에지 보정량 δ(x)는 식 (19)에 의해 얻어진다.
Figure 112018024271032-pct00014
에지 보정량 δ(x)에 의한 보정은, 예컨대 인코더의 출하에 앞서 통상 검사와 함께 행해지고, 구해진 에지 보정량 함수 δ(x)의 파라미터는 에지 보정 데이터 메모리(113) 내에 보존된다.
다음으로 에지 위치 보정부(103)에 의해 사용되는 에지 위치 보정 방법이 설명된다.
에지 검출부(102)가 에지 화소 위치(11) 및 에지 방향(50)을 산출한 후에, 에지 위치 보정부(103)는 에지 보정 데이터 메모리(113)로부터 에지 보정량 δ(x)의 파라미터를 취득한다. 에지 화소 위치를 x로 하고, 상승 에지(51)의 보정 후의 에지 화소 위치를 XR(x)로 하고, 하강 에지(52)의 보정 후의 에지 화소 위치를 XF(x)로 하면, 에지 위치 보정부(103)는, 에지 방향(50)이 상승 에지(51)인지 또는 하강 에지(52)인지에 따라, 식 (20) 또는 (21)을 이용하여 보정을 행한다.
Figure 112018024271032-pct00015
상술한 구성에 따르면, 이미지 센서(3)의 화소 위치에 대한 하이 비트(8) 및 로우 비트(9)의 기본 주기 폭 데이터가 미리 계측되고, 계측된 데이터로부터 에지 보정량 δ가 이미지 센서(3)의 화소 위치의 함수로서 구해지므로, 에지 화소 위치(11)는 보다 높은 정밀도로 보정될 수 있다.
또한, 계측된 하이 비트(8) 및 로우 비트(9)의 기본 주기 폭 데이터를 이용하여 근사 함수가 해석되고, 해석된 근사 함수로부터 에지 보정량 δ가 산출된다. 이것은 일부의 에지 화소 위치에서 이물질 등에 의해 발생한 오차가 다른 에지에 영향을 많이 미치는 것을 막고, 이물질 등의 오차 요인에도 불구하고 높은 정밀도로 절대 위치가 검출될 수 있다.
또한, 스케일(200)에 대하여 발광 소자(2) 및 이미지 센서(3)가 고정되는 위치에 따라 달라지는 하이 비트(8) 및 로우 비트(9)의 기본 주기 폭 특성이 발광 소자(2) 및 이미지 센서(3)가 고정된 상태에서 구해진 후에 에지 보정량 δ가 산출된다. 따라서, 발광 소자(2) 및 이미지 센서(3)의 부착 공차가 완화될 수 있다.
또한, 에지 보정 데이터 메모리(113) 내의 데이터를 이용하여 에지 위치 보정부(103)가 에지 화소 위치(11)를 보정하도록 에지 보정 데이터 메모리(113)를 마련했으므로, 매번 에지 보정량 δ를 계산할 필요가 없어지기 때문에, 계산 부하가 경감된다.
실시 형태 2에서는 하이 비트(8) 및 로우 비트(9)의 기본 주기 폭 데이터에 이차함수가 피팅되지만, 대신에 보다 고차의 피팅 함수가 사용되더라도 좋다. 혹은, 데이터가 선형 보간을 위해 영역으로 구획되더라도 좋고, 하이 비트(8) 및 로우 비트(9)의 기본 주기 폭 특성을 나타내는 어떤 함수라도 채용될 수 있다.
에지 보정 데이터 메모리(113) 내에 미리 구해진 에지 보정량 함수 δ(x)의 파라미터를 보존하는 대신, 이미지 센서(3)의 화소마다 에지 보정량의 값이 보존되더라도 좋다. 그 경우 에지 위치 보정부(103)는, 예컨대, 선형 보간 등에 의해 화소 사이의 공간을 보간하여 구해지는 에지 보정량 δ에 의해 에지를 보정한다. 보존되는 데이터가 화소 위치 x의 에지 보정량 δ(x)를 구하는데 필요한 정보라면, 에지 보정 데이터 메모리(113) 내에 보존되는 데이터는 특별히 한정되지 않는다.
본 실시 형태에서는 하이 비트(8) 및 로우 비트(9)의 기본 주기 폭 데이터를 구하기 위해 측정 대상물이 피치 0.2도로 1800회 계측되지만, 최저 하나의 각도 위치에서의 데이터가 이용 가능하면 본 발명은 적용 가능하다.
본 실시 형태는 이미지 센서(3)의 화소 위치의 함수로서 구해진 에지 보정량의 정보가 미리 계측되어 에지 보정 데이터 메모리(113) 내에 저장되도록 구성된다. 에지 보정 데이터 메모리(113)를 마련하는 대신에, 실시 형태 1과 마찬가지로, 에지 위치 보정부(103)가 이미지 센서(3)의 화소 위치의 함수로서 에지 보정량을 구하여 에지 화소 위치(11)를 보정하더라도 좋다.
실시 형태 3.
실시 형태 2는 에지 위치 보정부(103)가 미리 구해지는 에지 보정 데이터 메모리(113) 내의 에지 보정량 정보를 이용하여 에지 화소 위치(11)를 보정하도록 구성된다. 이와 달리, 도 15에 도시되는 바와 같이 보정 데이터 재계산부(123)를 마련함으로써 에지 보정 데이터 메모리(113) 내의 데이터가 정기적으로 갱신되더라도 좋다.
실시 형태 3의 앱솔루트 인코더(1)는, 보정 데이터 재계산부(123)가 추가되는 점을 제외하고, 실시 형태 2의 앱솔루트 인코더(1)와 기본적 구성에서 동일하다. 그 외의 구성요소는 실시 형태 1 및 실시 형태 2에서와 동일하고, 그 설명을 생략하기 위해 동일한 부호에 의해 나타내어진다.
환경 온도의 변화는 발광 소자(2) 및 이미지 센서(3)의 스케일(200)에 대한 위치 관계를 변화시킨다. 예컨대, 스케일(200)로부터 발광 소자(2) 및 이미지 센서(3)까지의 갭의 변화는 하이 비트(8) 및 로우 비트(9)의 기본 주기 폭 특성도 변화시킨다. 초기의 부착 위치에서의 하이 비트(8) 및 로우 비트(9)의 기본 주기 폭 특성이 도 14에 나타내는 바와 같은 경우, 갭이 증가한 경우에 얻어지는 하이 비트(8) 및 로우 비트(9)의 기본 주기 폭 특성은, 예컨대 도 16에 나타내는 바와 같다. 하이 비트(8)의 계측 데이터는 H16a로 나타내어지고, 하이 비트(8)의 근사 곡선은 H16b로 나타내어지고, 로우 비트(9)의 계측 데이터는 L16a로 나타내어지고, 로우 비트(9)의 근사 곡선은 L16b로 나타내어진다.
이와 같은 하이 비트(8) 및 로우 비트(9)의 기본 주기 특성의 변화는, 에지가 잘못된 에지 보정량 δ(x)로 보정되기 때문에, 발광 소자(2) 및 이미지 센서(3)의 위치가 스케일(200)에 대하여 변화되면 절대 위치 검출의 정밀도가 낮아진다. 따라서, 실시 형태 3은 보정 데이터 재계산부(123)가 이미지 센서(3)의 화소 위치의 함수로서 구해진 에지 보정량 δ(x)를 갱신하도록 구성된다.
여기서, 보정 데이터 재계산부(123)의 동작이 설명된다.
에지 검출부(102)에 의해 산출된 에지 화소 위치(11) 및 에지 방향(50)에 관한 정보는 에지 위치 보정부(103)에 보내짐과 아울러 보정 데이터 재계산부(123)에도 보내진다. 보정 데이터 재계산부(123)는 에지 방향(50)이 상승 에지(51)이면 비트를 하이 비트(8)로 판정하고, 하이 비트(8)의 중심 화소 xh 및 기본 주기 폭 fh(xh)를 실시 형태 2에서 에지 보정 데이터를 작성하기 위해 사용되는 방식과 동일한 방식으로 산출하고, 에지 보정 데이터 메모리(113) 내의 하이 비트(8)를 위해 확보되는 메모리 영역 내에 데이터를 저장한다. 마찬가지로, 보정 데이터 재계산부(123)는 에지 방향(50)이 하강 에지(52)이면 비트를 로우 비트(9)로 판정하고, 로우 비트(9)의 중심 화소 xl 및 기본 주기 폭 fl(xl)을 실시 형태 2에서 에지 보정 데이터를 작성하기 위해 사용되는 방식과 동일한 방식으로 산출하고, 에지 보정 데이터 메모리(113) 내의 로우 비트(9)를 위해 확보되는 메모리 영역 내(도시하지 않음)에 데이터를 저장한다.
보정 데이터 재계산부(123)는 에지 화소 위치(11) 및 에지 방향(50)에 관한 정보를 데이터 수집의 개시로부터 T초 경과할 때까지 계속 수집하고, 하이 비트(8)를 위해 확보된 메모리 영역 내의 데이터를 이용하여 식 (17)의 파라미터를 2차의 최소제곱법에 의해 구한다. 마찬가지로, 보정 데이터 재계산부(123)는 로우 비트(9)를 위해 확보된 메모리 영역 내의 데이터를 이용하여 식 (18)의 파라미터를 2차의 최소제곱법에 의해 구한다. 얻어진 파라미터로부터, 식 (19)에 의해 에지 보정량 δ(x)의 파라미터가 구해지고 에지 보정 데이터 메모리(113) 내의 데이터를 재기록한다. 하이 비트(8)를 위해 확보된 메모리 영역 내의 데이터 및 로우 비트(9)를 위해 확보된 메모리 영역 내의 데이터가 클리어되고, 보정 데이터 재계산부(123)는 다시 데이터 수집을 개시한다.
실시 형태 3에서는 데이터 수집의 개시로부터 T초가 경과한 후에 에지 보정 데이터 메모리(113)의 데이터가 갱신되지만, 이미지 센서(3)의 화소 위치 정보에 근거하여 데이터 갱신의 타이밍이 결정되더라도 좋다. 예컨대, 이미지 센서(3)의 화소 범위가 M개의 영역으로 구획되고, M개의 영역 모두에 비트 중심 화소 xh 및 xl이 들어가면, 하이 비트(8)를 위해 확보된 메모리 영역 내의 데이터 및 로우 비트(9)를 위해 확보된 메모리 영역 내의 데이터로부터 에지 보정량 δ(x)의 파라미터가 산출되어 에지 보정 데이터 메모리(113) 내의 데이터를 갱신한다. 이와 같이, 에지 보정 데이터 메모리(113)의 데이터를 갱신하는 타이밍에 관하여 다양한 가능한 형태가 존재한다. 물론 이미지 센서(3)에 의해 취득된 1매의 화상의 데이터로부터 보정 데이터 재계산부(123)에서 에지 보정량 δ(x)의 파라미터를 계산하는 것에 의해, 필요할 때마다 에지 보정 데이터 메모리(113) 내의 데이터가 갱신되더라도 좋다.
이와 같은 구성에 따르면, 보정 데이터 재계산부(123)가 마련되어 에지 보정 데이터 메모리(113) 내의 데이터를 갱신하므로, 온도 변화 또는 다른 변화에 따르는 부품 변위에 의한 정밀도 저하가 방지되고, 따라서 높은 정밀도의 검출이 유지될 수 있다.
또한, 보정 데이터 재계산부(123)에 의해 산출되는 에지 보정량 δ(x)의 정보와 에지 보정 데이터 메모리(113) 내에 있는 갱신 전의 에지 보정량 δ(x)의 정보를 비교하고, 갱신 전의 정보와 갱신 후의 정보 사이의 변화가 미리 설정한 범위를 넘으면 인코더에 이상이 있다고 판정하고, 알람을 울리거나 다른 방법으로 경보를 발생시키는 것에 의해, 인코더의 신뢰성이 향상될 수 있다.
실시 형태 4.
실시 형태 1 내지 실시 형태 3은 에지 위치 보정부(103)가 에지 방향(50)에 따라 에지 화소 위치(11)를 보정하도록 구성된다. 여기에 설명되는 것은 도 17에 도시되는 바와 같이 앱솔루트(ABS) 패턴 보정 데이터 메모리(133)가 마련되고, 절대치 부호 패턴(300)에 따라 에지 화소 위치(11)가 보정되고, 위상 검출부(106)가 보정된 에지 화소 위치(11)를 이용하여 위상 시프트량 θ를 산출하는 방법이다.
본 발명의 실시 형태 4에 따른 앱솔루트 인코더(1)는, ABS 패턴 보정 데이터 메모리(133)가 추가되는 점 및 위상 검출부(106)가 상이한 처리를 실행하는 점을 제외하고, 실시 형태 3의 앱솔루트 인코더(1)와 기본적 구성에서 동일하다. 그 외의 구성요소는 실시 형태 1 내지 실시 형태 3에서와 동일하고, 그 설명을 생략하기 위해 동일한 부호에 의해 나타내어진다.
실시 형태 4의 스케일(200)에서 사용되는 부호 패턴(300)은 M 계열 부호 등의 의사 랜덤 부호를 맨체스터 부호화에 의해 부호화하여 얻어지는 패턴이다. 맨체스터 부호화는, 예컨대, "1"의 값을 갖는 비트가 "10"으로 변경되고, "0"의 값을 갖는 비트가 "01"로 변경되도록, 1개의 비트를 2개의 비트로 변환한다. 예컨대, 101110인 M 계열의 패턴은 맨체스터 부호화에 의해 100110101001로 변경된다. 다시 말해서, 맨체스터 부호화에 의해 작성되는 비트열에서는, 연속하는 "1" 비트 및 "0" 비트의 수는 최대 2개이다.
이렇게 하여 맨체스터 부호화에 의해 작성된 비트열은 상승 에지(51)와 하강 에지(52)의 사이에서 나누어져 도 18에 도시되는 바와 같이 그룹 401 내지 408로 이루어지는 8개의 그룹으로 분류된다.
지금까지 설명된 바와 같이, 1개의 반사 부분(301)에 주목하면, 반사 부분(301)에 의해 반사된 광은 광의 회절 현상 때문에 상승 에지(51) 및 하강 에지(52)의 에지 화소 위치(11)를 변하게 하고, 그 결과 하이 비트(8) 및 로우 비트(9)는 서로 상이한 폭을 갖는다. 그렇지만, 다른 반사 부분(301)으로부터의 간섭에 의해서도 상승 에지(51) 및 하강 에지(52)의 에지 화소 위치(11)가 변화된다. 따라서, 실시 형태 4는 보정을 위해 비트열을 상승 에지(51)의 그룹 및 하강 에지(52)의 그룹, 즉 합계 8개의 그룹으로 나누는 것과 관련된다.
다음으로, ABS 패턴 보정 데이터 메모리(133)의 보정치를 작성하는 방법이 설명된다.
우선, 앱솔루트 인코더(1)가 모터에 고정된 상태에서, 이미지 센서(3)가 적당한 각도 위치에서 화상을 취득하고, 위상 검출부(106)에서의 연산에 선행하는 처리가 실행되고, 위상 검출부(106)가 최소제곱법에 의해 이미지 센서(3)의 기준 화소 위치(13)로부터의 시프트의 위상 시프트량 θ를 산출한다. 위상 검출부(106)는 또한, 최소제곱법에 의한 피팅의 결과로부터, 각 에지 위치의 잔차 오차를 산출하고, 잔차 오차 보존 메모리(도시하지 않음)에 에지 위치 잔차 오차 및 개략 검출부(105)에 의해 구해진 개략적인 절대 위치에 일치하는 비트열을 보존한다.
동일한 연산이 스케일(200)의 상이한 각도 위치에서 행해진다. 예컨대, 측정 대상물이 각도 피치 0.2도로 1800회 계측되면, 화소 위치에 대한 에지 위치 잔차 오차는 도 19에 나타내는 바와 같이 플롯된다. R19로 나타내어지는 것은 상승 에지이고 F19로 나타내어지는 것은 하강 에지이다. 잔차 오차 보존 메모리 내의 비트열에 근거하여, 화소 위치에 대한 에지 위치 잔차 오차의 결과는 도 18의 그룹, 즉 도 20 및 도 21에 나타내는 바와 같이 합계 8개의 그룹으로 나누어진다. 도 20 및 도 21에 나타낸 바와 같이, 이미지 센서(3)의 화소 위치에 대한 에지 위치 잔차 오차의 특성은 상승 에지(51)와 하강 에지(52)의 사이에서 달라진다. 또한, 동일한 에지, 즉, 상승 에지(51) 또는 하강 에지(52)에 속하는 4개의 그룹 중에서도 잔차 오차 특성은 약간 달라진다. 따라서, 상승 에지(51)의 그룹 및 하강 에지(52)의 그룹, 즉, 합계 8개의 그룹에 대하여 근사 함수를 해석하기 위해 에지 위치 잔차 오차의 데이터가 사용된다. 예컨대, 각 영역의 직선의 파라미터를 ABS 패턴 보정 데이터 메모리(133)에 보존하기 위해 화소 위치가 16개의 영역으로 분할되고 직선으로 근사된다.
실시 형태 4에서는 화소 위치가 16개의 영역으로 분할되고 직선으로 근사되고, 분할되는 영역의 수가 보다 크면 보정의 정밀도가 보다 높기는 하지만, 분할되는 영역의 수는 16보다 작거나 클 수 있다. 영역으로 분할하는 대신에, 이차함수 또는 삼차함수 등의 고차의 함수를 피팅하기 위해 최소제곱법이 사용되더라도 좋다.
ABS 패턴 보정 데이터의 작성 및 보존은, 예컨대 인코더 출하에 앞서 통상 검사와 함께 행해진다.
다음으로, 위상 검출부(106)에서 실행되는 처리가 설명된다.
이미지 센서(3)에 의해 취득된 화상은 실시 형태 1 내지 실시 형태 3에서 설명된 방법에 의해 개략 검출부(105)에서의 연산까지 처리되고, 에지 화소 위치(11) 및 에지 방향(50)과 함께, 개략적인 절대 위치에 상당하는 룩업 테이블 내의 비트열이 위상 검출부(106)로 보내진다. 위상 검출부(106)는, 각 에지 화소 위치(11)에 대하여, 에지 방향(50)과, 개략적인 절대 위치에 상당하는 비트열과, 에지 화소 위치(11)의 전후의 2개의 인접하는 화소에 근거하여, 도 18의 그룹 중 에지 화소 위치(11)가 속하는 그룹을 판정한다.
다음으로, 판정된 그룹에 근거하여 ABS 패턴 보정 데이터 메모리(133)로부터 보정 파라미터를 취득하고, 취득된 보정 파라미터로부터 에지 화소 위치(11)에서의 에지 보정량을 산출한다. 산출된 보정량을 에지 보정량 δ2(x)로 하면, 상승 에지(51)의 경우 및 하강 에지(52)의 경우 모두 에지 화소 위치(11)에 δ2(x)를 더하는 것에 의해 에지 화소 위치(11)가 보정된다. 위상 검출부(106)는 이렇게 보정된 에지 화소 위치(11)를 이용하여 위상 시프트량 θ를 구하고, 높은 정밀도로 절대 위치가 산출된다.
이 구성에 따르면, ABS 패턴 보정 데이터 메모리(133)가 마련되고, 상승 에지(51)와 하강 에지(52)의 사이에서 비트열이 합계 8개의 그룹으로 나누어지고, 각 그룹에 대하여 별도로 미리 구해진 에지 보정량에 의해 에지 화소 위치(11)가 보정되므로, 회절의 영향에 기인하는 오차가 제거되고, 높은 정밀도로 절대 위치가 검출될 수 있다.
실시 형태 4에서는 ABS 패턴 보정 데이터 메모리(133)의 데이터가 미리 구해지지만, 실시 형태 3과 마찬가지로 도 17에 파선으로 나타내어지는 ABS 패턴 보정 데이터 재계산부(133a)가 마련되어 ABS 패턴 보정 데이터 메모리(133)를 갱신하더라도 좋다.
도 22는 본 발명의 각 실시 형태에 따른 앱솔루트 인코더에 있어서의 절대 위치 연산부(5)의 하드웨어 구성의 예를 도시하는 개략 구성이다. 도 22에서, 인터페이스(I/F)(551), 프로세서(552), 메모리(553), 및 알람 장치(554)는 버스 접속에 의해 버스 라인 BL에 접속된다. I/F(551)는 A/D 변환기(4) 등으로부터 신호를 받는다. 메모리(553)는 프로세서(552)에 의해 실행되는 처리의 프로그램 및 처리와 관련되는 각종 데이터를 저장한다. 알람 장치(554)는, 예컨대, 인코더 이상의 경우에, 알람을 울리거나 다른 방법으로 경보를 발생시킨다.
도 1, 도 11, 도 15, 도 17의 광량 보정부(100), 평활화 처리부(101), 에지 검출부(102), 에지 위치 보정부(103), 디코딩부(104), 개략 검출부(105), 위상 검출부(106), 고정밀 검출부(107), 보정 데이터 재계산부(123), ABS 패턴 보정 데이터 재계산부(133a) 등의 기능은, 예컨대, 메모리(553)에 프로그램으로서 저장되고 프로세서(552)에 의해 실행된다. 도 11, 도 15, 도 17의 에지 보정 데이터 메모리(113) 및 도 17의 ABS 패턴 보정 데이터 메모리(133)는 메모리(553)에 상당한다.
또한, 메모리(553)는, 특히, 실시 형태 1에서 설명되는 미리 계측되는 광량 보정치 및 절대치 부호 패턴(300)을 구성하는 비트열을 위한 룩업 테이블과, 실시 형태 4에서 설명되는 산출된 에지 위치 잔차 오차 및 개략 검출부(105)에 의해 구해진 개략적인 절대 위치에 일치하는 비트열도 저장한다. 잔차 오차 보존 메모리는 메모리(553)로 구성된다.
광량 보정부(100), 평활화 처리부(101), 에지 검출부(102), 에지 위치 보정부(103), 디코딩부(104), 개략 검출부(105), 위상 검출부(106), 고정밀 검출부(107), 보정 데이터 재계산부(123), ABS 패턴 보정 데이터 재계산부(133a) 등의 기능 및 각 부에서 사용되는 메모리에 기록된 데이터를 생성하는 부분은, 프로세서 대신에, 각각의 기능을 실행하는 디지털 회로에 의해 구성되더라도 좋다.
본 발명의 실시 형태 1 내지 실시 형태 4는 조합하여 또는 단독으로 사용될 수 있다.
본 발명의 실시 형태 1 내지 실시 형태 4는 반사 광학계를 설명하지만, 본 발명은 투과 광학계에도 적용 가능하다. 본 발명은 실시 형태에서 설명된 회전 각도를 검출하는 로터리 인코더로 한정되지 않고, 직선 상의 위치를 계측하는 리니어 인코더에도 적용 가능하다.
본 발명의 실시 형태 1 내지 실시 형태 4는 스케일(200) 상에 부호 패턴(300)을 갖는 1개의 트랙만이 마련되는 경우를 설명하지만, 본 발명은 복수의 트랙을 갖는 인코더에도 적용 가능하다.
(산업상 이용가능성)
본 발명의 앱솔루트 인코더는 많은 분야의 인코더에 적용 가능하다.

Claims (12)

  1. 절대치 부호 패턴을 포함하는 스케일과,
    상기 스케일에 광을 조사하기 위한 발광 소자와,
    상기 스케일로부터의 광을 수광하기 위한 이미지 센서와,
    상기 이미지 센서로부터의 출력을 디지털 출력으로 변환하기 위한 A/D 변환기와,
    절대 위치 연산부
    를 구비하고,
    상기 절대 위치 연산부는 상기 A/D 변환기로부터의 신호의 신호 강도 및 미리 설정된 임계치 레벨에 근거하여, 상기 이미지 센서 상에서의 상기 절대치 부호 패턴의 에지 위치인 에지 화소 위치 및 상기 절대치 부호 패턴의 상기 에지 화소 위치에서의 에지 방향을 검출하는 에지 검출부와, 상기 에지 검출부에서 구한 상기 에지 화소 위치를, 상기 검출된 에지 방향이 상승 에지인지 또는 하강 에지인지에 따라 보정하는 에지 위치 보정부를 포함하고,
    상기 절대 위치 연산부는 상기 보정한 에지 화소 위치에 근거하여 상기 스케일의 절대 위치를 구하며,
    상기 에지 검출부에서 구한 상기 에지 화소 위치 및 상기 에지 방향으로부터, 상기 상승 에지와 상기 하강 에지의 사이의 공간이 하이 비트가 되고 상기 하강 에지와 상기 상승 에지의 사이의 공간이 로우 비트가 되고,
    상기 하이 비트의 폭과 상기 로우 비트의 폭의 차이로부터, 상기 에지 위치 보정부에서 상기 에지 화소 위치를 보정하는 에지 보정량을 산출하는
    앱솔루트 인코더.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 하이 비트의 폭 및 상기 로우 비트의 폭은 각각, 상기 스케일 상의 상기 절대치 부호 패턴의 구성성분인 1개의 최소 선폭에 상당하는 기본 주기 폭을 포함하고,
    상기 에지 검출부에서 구한 상기 에지 화소 위치에 인접하는 상기 하이 비트 및 상기 로우 비트의 상기 기본 주기 폭을 각각 fh, fl로 하면, 상기 에지 화소 위치의 에지 보정량 δ를 식 δ=(fl-fh)/4에 의해 산출하는
    앱솔루트 인코더.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 에지 검출부에서 구한 상기 에지 화소 위치를 x로 하고, 상기 상승 에지에 대한 보정된 에지 화소 위치를 XR로 하고, 상기 하강 에지에 대한 보정된 에지 화소 위치를 XF로 하면, 상기 에지 검출부에서 구한 상기 에지 화소 위치 x에 인접하는 상기 하이 비트와 상기 로우 비트의 기본 주기 폭 차이로부터 산출되는 보정량 δ를 이용하여, 상기 에지 방향이 상기 상승 에지인지 또는 상기 하강 에지인지에 따라, 식 XR=x-δ 및 식 XF=x+δ로, 상기 구한 에지 화소 위치 x를 보정하는 앱솔루트 인코더.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 에지 검출부에서 구한 상기 화소 위치, 상기 상승 에지 및 상기 하강 에지로부터, 상기 스케일 상의 상기 절대치 부호 패턴의 구성성분인 1개의 최소 선폭에 상당하는 상기 하이 비트 및 상기 로우 비트의 기본 주기 폭을 산출하고,
    상기 이미지 센서의 상이한 화소 위치에서의 상기 하이 비트 및 상기 로우 비트의 기본 주기 폭 데이터를 사용하여, 상기 이미지 센서의 화소 위치 x의 함수로서 근사 함수를 해석하고,
    상기 하이 비트의 기본 주기 폭 데이터의 근사 함수를 fh(x)로 하고, 상기 로우 비트의 기본 주기 폭 데이터의 근사 함수를 fl(x)로 하면, 상기 화소 위치 x의 에지 보정량 δ(x)를 식 δ(x)=(fl(x)-fh(x))/4에 의해 산출하는
    앱솔루트 인코더.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 에지 검출부에서 구한 상기 에지 화소 위치를 x로 하고, 상기 상승 에지에 대한 보정된 에지 화소 위치를 XR로 하고, 상기 하강 에지에 대한 보정된 에지 화소 위치를 XF로 하면, 상기 이미지 센서의 상기 화소 위치의 함수로서 산출되는 상기 보정량 δ(x)를 이용하여, 상기 에지 방향이 상기 상승 에지인지 또는 상기 하강 에지에 따라, 식 XR(x)=x-δ(x) 및 식 XF(x)=x+δ(x)로, 상기 구한 에지 화소 위치 x를 보정하는 앱솔루트 인코더.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 에지 위치 보정부가 상기 에지 화소 위치를 보정하는 에지 보정량은 상기 에지 위치 보정부에 의해 구해지는 앱솔루트 인코더.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 절대 위치 연산부는 에지 보정 데이터 메모리를 포함하고,
    상기 에지 보정 데이터 메모리는, 미리 계측된, 상기 에지 위치 보정부에서 상기 에지 화소 위치를 보정하는 에지 보정량에 관한 정보를 저장하고,
    상기 에지 위치 보정부는 상기 에지 보정 데이터 메모리 내의 상기 에지 보정량에 관한 정보를 이용하여 상기 에지 화소 위치를 보정하는
    앱솔루트 인코더.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 절대 위치 연산부는 상기 에지 보정 데이터 메모리 및 보정 데이터 재계산부를 포함하고,
    상기 에지 검출부에서 구한 상기 에지 화소 위치와 상기 에지 검출부에서 구한 상기 상승 에지 및 상기 하강 에지의 정보가 상기 보정 데이터 재계산부에 보내지고,
    상기 보정 데이터 재계산부는 상기 스케일 상의 상기 절대치 부호 패턴의 구성성분인 1개의 최소 선폭에 상당하는 상기 하이 비트 및 상기 로우 비트의 기본 주기 폭을 해석하고,
    상기 이미지 센서의 상이한 화소 위치에서의 상기 하이 비트 및 상기 로우 비트의 기본 주기 폭 데이터를 사용하여, 상기 이미지 센서의 화소 위치 x의 함수로서 근사 함수를 해석하고,
    상기 하이 비트의 기본 주기 폭 데이터의 근사 함수 및 상기 로우 비트의 기본 주기 폭 데이터의 근사 함수로부터 상기 에지 화소 위치 x의 에지 보정량 δ(x)를 산출하고, 상기 산출한 에지 보정량 δ(x)의 정보로 상기 에지 보정 데이터 메모리 내의 데이터를 갱신하는
    앱솔루트 인코더.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 절대 위치 연산부는,
    상기 에지 검출부에서 검출한 상기 상승 에지 및 상기 하강 에지의 정보와 상기 에지 위치 보정부에서 보정한 상기 에지 화소 위치에 근거하여, 하이 비트와 로우 비트를 1/0의 비트열로 변환하기 위한 디코딩부와,
    상기 디코딩부에서 검출한 상기 1/0의 비트열로부터 상기 스케일의 개략적인 절대 위치를 검출하기 위한 개략 검출부와,
    상기 에지 위치 보정부에서 보정한 상기 에지 화소 위치에 근거하여, 상기 이미지 센서의 기준 화소 위치로부터의 위상 시프트량을 검출하기 위한 위상 검출부와,
    상기 개략 검출부에서 검출한 상기 개략적인 절대 위치 및 상기 위상 검출부에서 검출한 상기 위상 시프트량으로부터 높은 정밀도의 절대 위치를 검출하기 위한 고정밀 검출부
    를 포함하는
    앱솔루트 인코더.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 스케일의 상기 절대치 부호 패턴은 의사 랜덤 부호를 맨체스터 부호화에 의해 부호화하여 작성되는 패턴을 포함하고,
    상기 절대 위치 연산부는 ABS 패턴 보정 데이터 메모리를 포함하고,
    상기 위상 검출부는 상기 에지 위치 보정부에서 보정한 상기 에지 화소 위치의 정보 및 최소제곱법에 의한 피팅의 결과에 근거하여 상기 위상 시프트량을 구하고,
    상기 최소제곱법에 의한 피팅의 결과와 상기 에지 위치 보정부에서 보정한 상기 에지 화소 위치 사이의 잔차 오차를 구하고,
    상기 절대치 부호 패턴의 구성성분인 최소 선폭이 1비트이면, 각각의 에지 화소 위치에 대하여, 상기 개략 검출부에서 구한 상기 개략적인 절대 위치에 상당하는 비트열에 근거하여 상기 에지 화소 위치의 전후의 2비트의 패턴을 검출하고, 상기 구한 잔차 오차 결과가 0011, 0010, 1011, 1010, 1100, 1101, 0100, 0101을 포함하는 합계 8개의 그룹으로 분할되고, 상기 8개의 그룹 각각에 대하여 별도로 상기 잔차 오차 결과를 사용하여 근사 함수를 해석하고,
    상기 ABS 패턴 보정 데이터 메모리는, 상기 8개의 그룹의 각각에 대하여, 미리 구한 근사 함수의 정보를 저장하고,
    상기 위상 검출부는 상기 ABS 패턴 보정 데이터 메모리 내에 상기 8개의 그룹의 각각에 대하여 저장된 상기 근사 함수에 근거하여 상기 에지 화소 위치를 보정하고, 상기 보정된 에지 화소 위치를 사용하여 상기 이미지 센서의 상기 기준 화소 위치로부터의 시프트의 위상 시프트량을 검출하는
    앱솔루트 인코더.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 스케일에는 상기 절대치 부호 패턴을 포함하는 1개의 트랙만이 마련되는 앱솔루트 인코더.
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