WO2018163424A1 - アブソリュートエンコーダ - Google Patents

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WO2018163424A1
WO2018163424A1 PCT/JP2017/009807 JP2017009807W WO2018163424A1 WO 2018163424 A1 WO2018163424 A1 WO 2018163424A1 JP 2017009807 W JP2017009807 W JP 2017009807W WO 2018163424 A1 WO2018163424 A1 WO 2018163424A1
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WO
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light
region
absolute encoder
signal
scale
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Application number
PCT/JP2017/009807
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English (en)
French (fr)
Inventor
琢也 野口
勇治 久保
岡室　貴士
Original Assignee
三菱電機株式会社
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
    • G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
    • G01D5/347—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells using displacement encoding scales

Definitions

  • the present invention relates to an absolute encoder that measures the position of a measurement object.
  • the rotary encoder measures the rotation angle of the measurement object by detecting the rotation angle of the scale rotated together with the measurement object.
  • the optical rotary encoder detects reflected light or transmitted light from an optical pattern provided on the scale by a sensor, and obtains a rotation angle of the scale by arithmetic processing based on a signal from the sensor.
  • a first area and a second area that can be detected with a light intensity different from that of the first area by the sensor are arranged.
  • the incremental encoder includes an incremental pattern that is an optical pattern in which a first area and a second area are arranged at a constant pitch.
  • the incremental encoder calculates the rotation angle of the scale by accumulating the number of pulse signals from the sensor.
  • the absolute encoder acquires rotation angle data, which is the absolute position of the scale, from the light intensity pattern detected by the sensor.
  • a bit string that is encoded data is replaced with an arrangement of a first area and a second area.
  • the first area and the second area are irregularly arranged.
  • Patent Document 1 discloses a rotary encoder including a main slit plate which is an incremental encoder and an index slit plate opposed to the main slit plate.
  • the main slit plate and the index slit plate are provided with slits that transmit light at regular intervals.
  • the rotary encoder can measure with high accuracy and high resolution by using the Talbot effect by the diffraction action at the slit.
  • Patent Document 2 discloses that light source feedback control is performed using a light source adjustment signal obtained by acquiring signals including phase differences from each other and adding the acquired signals. Signals including a phase difference from each other are obtained by detecting light from the incremental pattern.
  • the rotary encoder can measure with high accuracy and high resolution by high-precision feedback control of the light source.
  • JP 2002-257593 A Japanese Unexamined Patent Publication No. 2016-61600
  • the first region and the second region are arranged at an irregular pitch.
  • the intensity of light detected by the sensor changes depending on the portion where the light is incident. It becomes.
  • the technique of Patent Document 2 is applied to an absolute encoder that does not have an incremental pattern, the level of the light source adjustment signal obtained by using the light from the absolute pattern varies depending on the portion where the light is incident. In this case, the adjustment of the light source becomes unstable, and measurement with high accuracy and high resolution becomes difficult.
  • the present invention has been made in view of the above, and an object thereof is to obtain an absolute encoder that can measure the position of a measurement object with high accuracy and high resolution.
  • the absolute encoder of the present invention includes a scale provided with an optical pattern, a movable scale, a light emitter that emits light traveling to the optical pattern, and an optical pattern.
  • a sensor that detects the light and outputs a signal indicating the intensity of the detected light, and a calculation unit that obtains the position of the scale based on the signal from the sensor.
  • the data encoded from the unique data assigned for each possible position of the scale can be detected by the first area and the sensor with a light intensity different from that of the first area. It has been replaced with an array with 2 regions.
  • the width of the light emitter is smaller than both the width of the portion where the first regions are continuously arranged and the width of the portion where the second regions are continuously arranged.
  • the absolute encoder according to the present invention has an effect that the position of the measurement object can be measured with high accuracy and high resolution.
  • FIG. 1 Block diagram of the angle calculation unit shown in FIG.
  • FIG. 1 a first schematic diagram showing how light from a light emitter reaches an image sensor through an optical pattern.
  • a second schematic diagram showing how light from the light emitter reaches the image sensor via an optical pattern.
  • the figure explaining the data replaced with the optical pattern shown in FIG. The figure which shows the example of the hardware constitutions of the absolute encoder which performs the function of the control part shown in FIG.
  • FIG. The flowchart which shows the procedure of the light quantity adjustment of the light source control part in Embodiment 2.
  • FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of an absolute encoder 1 according to the first embodiment of the present invention.
  • the absolute encoder 1 includes a scale 2 on which an optical pattern 10 is provided, and a light emitting element 3 including a light emitter that emits light traveling to the optical pattern 10.
  • the absolute encoder 1 also includes an image sensor 4 that is a sensor that detects light from the optical pattern 10 and outputs a signal representing a pattern of the detected light intensity.
  • the absolute encoder 1 is a rotary encoder including a scale 2 that can be rotated.
  • the scale 2 is a circular flat plate.
  • the scale 2 and the shaft 6 of the motor that is the object to be measured are connected to each other with the position of the axis AX of the shaft 6 aligned with the center point O of the scale 2.
  • the scale 2 rotates with the rotation of the shaft 6.
  • FIG. 1 the illustration of the motor body that rotates the shaft 6 is omitted.
  • the optical pattern 10 is formed on the surface of the scale 2.
  • the optical pattern 10 is an arrangement of a first region 11 and a second region 12 that can be detected by the image sensor 4 with a light intensity different from that of the first region 11.
  • the first region 11 and the second region 12 are arranged in a row, surrounding the region inside the outer edge of the scale 2 in an annular shape.
  • the first region 11 reflects light from the light emitting element 3.
  • the reflectance of the second region 12 is lower than the reflectance of the first region 11.
  • the second region 12 has a lower reflectance than the first region 11 by absorbing or scattering light from the light emitting element 3.
  • the portion of the scale 2 where the optical pattern 10 is formed is disposed at a position facing the light emitting element 3 and the image sensor 4.
  • the scale 2 is a flat plate made of a metal material.
  • a metallic material is aluminum.
  • the metal material may be a reflective metal material other than aluminum, or a reflective material other than a metal material.
  • the optical pattern 10 is formed by pattern processing on a light absorbing film formed on the surface of the scale 2.
  • One example of the light absorption film is an oxide film formed by oxidizing the surface of a metal material.
  • a region where the light absorption film is left in the pattern processing becomes the second region 12.
  • a region between the regions where the light absorption film is left and the metal material is exposed is a first region 11.
  • a member that scatters light may be provided instead of the light absorption film.
  • the light emitting element 3 as a light source is disposed on the scale 2.
  • One example of the light emitting element 3 is a point light source LED (Light Emitting Diode).
  • the light emitting element 3 includes an LED chip that is a light emitter that emits light. The light emitted from the light emitting element 3 is incident on the optical pattern 10 at an angle. LEDs are more resistant to heat and have a longer life than LDs (Laser Diodes). Since the absolute encoder 1 uses an LED as a light source, the absolute encoder 1 can perform stable measurement in a high-temperature environment and extend the life of the light source as compared with the case where an LD is used.
  • the image sensor 4 is arranged in front of the traveling direction of the light reflected from the light emitting element 3 by the optical pattern 10.
  • the image sensor 4 is a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) image sensor or a CCD (Charge Coupled Device) image sensor.
  • the image sensor 4 includes a plurality of photodiodes that are photoelectric conversion elements. The plurality of photodiodes are arranged in a one-dimensional direction. The photodiode generates a signal charge when it receives light.
  • the image sensor 4 converts an analog signal from each photodiode into a digital signal in an analog-digital converter.
  • the image sensor 4 outputs a digital signal representing a light intensity pattern detected by each photodiode. In FIG. 1, illustration of the photoelectric conversion element and the analog-digital converter is omitted.
  • no lens system for collimating, converging, or diverging light is provided between the light emitting element 3 and the optical pattern 10 and between the optical pattern 10 and the image sensor 4.
  • a lens system for collimating, converging, or diverging light may be provided between the light emitting element 3 and the optical pattern 10 or between the optical pattern 10 and the image sensor 4.
  • the absolute encoder 1 includes a control unit 5 that is a functional unit that controls the entire absolute encoder 1.
  • FIG. 1 shows a functional configuration of the control unit 5.
  • the control unit 5 includes an angle calculation unit 13 that is a functional unit for obtaining the rotation angle of the scale 2 based on the detection result of the light intensity by the image sensor 4.
  • An angle calculation unit 13 that is a calculation unit obtains a rotation angle that is a position of the scale 2 based on a signal from the image sensor 4.
  • the absolute encoder 1 outputs absolute position data indicating the rotation angle obtained by the angle calculation unit 13.
  • the control unit 5 includes a light source control unit 14 that is a functional unit that controls driving of the light emitting element 3, a storage unit 15 that is a functional unit that holds a look-up table (LUT) 16, and an image sensor. 4 is provided with a sensor control unit 17 that is a functional unit that controls driving of the motor 4.
  • the function of the light source control unit 14 includes a function of a light amount adjustment unit that adjusts the light amount of the light emitting element 3.
  • the LUT 16 holds absolute position data indicating the rotation angle of the scale 2 and a bit string that is encoded data in association with each other.
  • One example of the absolute position data is a numerical value representing the rotation angle by the arc degree method or the frequency method.
  • the absolute position data may be unique data assigned for each rotation angle of the scale 2, and may be an address assigned every unit angle.
  • the absolute encoder 1 shown in FIG. 1 detects the light reflected by the optical pattern 10 and obtains the rotation angle of the scale 2.
  • the absolute encoder 1 may include a configuration for detecting the light transmitted through the optical pattern 10 instead of the configuration for detecting the light reflected by the optical pattern 10.
  • the portion of the scale 2 where the optical pattern 10 is formed is disposed in the optical path between the light emitting element 3 and the image sensor 4.
  • the scale 2 is a glass plate or a resin plate.
  • the material of the scale 2 may be another material that transmits light.
  • the optical pattern 10 is formed by patterning a metal film deposited on the scale 2.
  • a metal film material is chromium.
  • the region from which the metal film has been removed becomes the first region 11.
  • a region between the first regions 11 where the metal film is left becomes a second region 12.
  • the material of the metal film may be a light absorbing material other than chromium.
  • the scale 2 may be a plate member having the first region 11 as an opening.
  • the absolute encoder 1 unique absolute position data is assigned to each rotation angle that is the absolute position of the scale 2.
  • the encoded absolute position data is replaced with an arrangement of a first area 11 and a second area 12.
  • the absolute encoder 1 extracts the encoded absolute position data from the pattern of the first area 11 and the second area 12 included in the image detected by the image sensor 4.
  • the first region 11 and the second region 12 are arranged at an irregular pitch.
  • the absolute encoder 1 obtains absolute position data indicating the rotation angle of the scale 2 when light is detected by the image sensor 4 by decoding data extracted from the pattern of the first area 11 and the second area 12. .
  • the encoded data represented by the arrangement of the first region 11 and the second region 12 is further converted to data obtained by encoding from absolute position data to pseudo-random code.
  • Data obtained by encoding the Manchester code is an M-sequence code.
  • the bit string that is the data obtained by encoding the Manchester code the bit “1” is replaced with the first area 11.
  • bit “0” is replaced with the second area 12.
  • the first region 11 is detected as a bright portion having a higher light intensity than the second region 12.
  • the second region 12 is detected as a dark part having a light intensity lower than that of the first region 11. Since the reflectance of the second region 12 is lower than the reflectance of the first region 11, the second region 12 is detected by the image sensor 4 with a light intensity different from that of the first region 11.
  • Each photodiode which is a pixel of the image sensor 4 detects the light intensity of the image projected on the image sensor 4 by sharing the unit area.
  • an axis parallel to the direction in which the pixels are arranged in the image sensor 4 is referred to as an X axis. Due to the rotation of the scale 2, the image of the optical pattern 10 projected onto the image sensor 4 is moved in the X-axis direction by the image sensor 4.
  • FIG. 2 is a block diagram of the angle calculation unit 13 shown in FIG.
  • the angle calculation unit 13 includes an intensity distribution correction unit 31 that is a functional unit that corrects the intensity distribution of the signal 36, and an edge detection unit 32 that is a functional unit that detects an edge that is a signal level switching between high and low. Is provided.
  • the angle calculation unit 13 includes a rough data calculation unit 33 that is a functional unit that calculates rough data of absolute position data based on the detected edge.
  • the rough data calculation unit 33 reads the rotation angle data 38 from the LUT 16 shown in FIG.
  • the angle calculation unit 13 is a functional unit that calculates a phase shift amount of a light intensity distribution pattern detected by the image sensor 4 and a functional unit that calculates absolute position information.
  • a position calculation unit 35 is a functional unit that calculates a phase shift amount of a light intensity distribution pattern detected by the image sensor 4 and a functional unit that calculates absolute position information.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of the intensity distribution of the signal 36 input to the angle calculation unit 13 shown in FIG.
  • the signal 36 represents the intensity of light detected in each pixel of the image sensor 4.
  • the vertical axis shown in FIG. 3 represents the intensity I of the signal 36.
  • the horizontal axis represents the position of the image sensor 4 in the X-axis direction.
  • X value a value representing a position in the X-axis direction
  • a plurality of peaks appear in the distribution of the intensity I of the signal 36.
  • Each peak represents the intensity of light from the first region 11. Further, the bottom between the peaks represents the intensity of light from the second region 12.
  • the peak level and the bottom level of the signal 36 vary due to the influence of various factors. Such factors can include the influence of the intensity distribution of the light emitted from the light emitting element 3 and the influence of the sensitivity variation for each pixel of the image sensor 4.
  • FIG. 4 is a diagram showing an example of the intensity distribution of the signal 37 corrected by the intensity distribution correcting unit 31 shown in FIG.
  • the intensity distribution correction unit 31 makes the levels of the peaks of the signal 36 uniform and makes the levels of the bottoms uniform by correcting the signal 36 shown in FIG.
  • the peak level of the corrected signal 37 is constant, and the bottom level is also constant.
  • the intensity distribution correction unit 31 obtains a signal 37 in which the intensity I changes between the peak H level and the bottom L level.
  • the intensity distribution correction unit 31 outputs a signal 37 to the edge detection unit 32 and the light source control unit 14 shown in FIG.
  • the correction method in the intensity distribution correction unit 31 may be arbitrary as long as the level of the signal 36 can be corrected.
  • the edge detection unit 32 obtains an X value when the intensity I is a preset threshold level 39.
  • the edge detection unit 32 detects an edge that is a boundary between a bright part and a dark part with reference to the threshold level 39.
  • the X value corresponding to the threshold level 39 represents the position of the edge on the image sensor 4.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining edge detection for a portion in the frame VII in FIG.
  • the edge detection unit 32 is an X value that represents the position of two pixels corresponding to I (i ⁇ 1) and I (i), which are an intensity I lower than the threshold level 39 and an intensity I higher than the threshold level 39.
  • (I-1) and X (i) are detected.
  • the pixel X (i ⁇ 1) and the pixel X (i) are two pixels adjacent to each other in the X-axis direction. It is sufficient that one of I (i ⁇ 1) and I (i) is lower than the threshold level 39 and the other is higher than the threshold level 39.
  • I (i ⁇ 1) and I (i ) Is not relevant.
  • the edge detection unit 32 obtains an edge position 42 that is an X value corresponding to the threshold level 39 by subpixel processing using two X values, X (i ⁇ 1) and X (i).
  • One example of subpixel processing is a two-point linear interpolation that is X (i ⁇ 1) and X (i).
  • the edge detection unit 32 may obtain the edge position 42 by three or more points of linear interpolation or a method other than linear interpolation.
  • the edge detection unit 32 obtains the edge position 42 of each edge in the signal 37.
  • the coarse data calculation unit 33 compares I (i ⁇ 1) and I (i) detected by the edge detection unit 32 to determine whether the edge is a rising edge or a falling edge.
  • the rising edge is an edge where the intensity I increases from the L level to the H level as the X value increases.
  • the falling edge is an edge where the intensity I decreases from the H level to the L level as the X value increases.
  • I (i) is larger than I (i ⁇ 1) and I (i ⁇ 1) ⁇ I (i) holds
  • the coarse data calculation unit 33 determines that the edge is a rising edge.
  • I (i) is smaller than I (i ⁇ 1) and I (i ⁇ 1)> I (i) holds, the coarse data calculation unit 33 determines that the edge is a falling edge.
  • the coarse data calculation unit 33 converts the signal 37 into a bit string based on the edge discrimination result.
  • FIG. 6 is a diagram for explaining the conversion from the signal 37 to the bit string 41 shown in FIG.
  • the coarse data calculation unit 33 replaces the rising edge in the signal 37 with a bit “1” and the falling edge with a bit “0”.
  • the coarse data calculation unit 33 calculates the interval between the edges to determine how many times each interval corresponds to a preset basic period 44.
  • the coarse data calculation unit 33 replaces the portion where the rising edge and the falling edge are adjacent to each other at the same interval as the basic period 44 with a bit string of “1” and “0”. In addition, the coarse data calculation unit 33 replaces a portion where the rising edge and the falling edge are adjacent to each other at an interval corresponding to twice the basic period 44 with a bit string of “1”, “1”, “0”. . The coarse data calculation unit 33 replaces a portion where the falling edge and the rising edge are adjacent to each other at an interval corresponding to twice the basic period 44 with a bit string of “0”, “0”, “1”. Thereby, the rough data calculation unit 33 converts the optical pattern 10 projected on the image sensor 4 into the bit string 41.
  • the rough data calculation unit 33 reads the rotation angle data 38 corresponding to the obtained bit string 41 from the LUT 16 with reference to the LUT 16. Thereby, the rough data calculation unit 33 calculates the rough data that is the rotation angle data before correction by the absolute position calculation unit 35.
  • the coarse data calculation unit 33 may perform error correction of the bit string 41 using redundant bits added to the bit string 41.
  • the absolute encoder 1 may obtain redundant bits associated with the bit string 41 by expanding the field of view of the image sensor 4 from the field of view for obtaining an image of the portion corresponding to the bit string 41 in the optical pattern 10.
  • FIG. 7 is a diagram for explaining the calculation of the phase shift amount 43 in the phase shift calculation unit 34 shown in FIG.
  • the coarse data obtained by the coarse data calculation unit 33 indicates a rotation angle based on a pixel at the center Xc in the X-axis direction among the plurality of pixels.
  • the phase shift calculation unit 34 searches for one edge position 42 closest to the center Xc from the edges detected by the edge detection unit 32, and a phase shift amount 43 between the edge position 42 and the center Xc. Is calculated.
  • the phase shift calculation unit 34 may calculate the phase shift amount 43 based on one edge position 42 or may calculate the phase shift amount 43 based on two or more edge positions 42.
  • the phase shift calculation unit 34 may obtain the edge detection result from the rough data calculation unit 33 in addition to obtaining the edge detection result from the edge detection unit 32.
  • the coarse data calculation unit 33 outputs the result of edge detection obtained from the edge detection unit 32 to the phase shift calculation unit 34.
  • the calculation of the phase shift amount 43 in the phase shift calculation unit 34 may be performed simultaneously with the calculation of the rough data in the rough data calculation unit 33 or after the calculation of the rough data.
  • the absolute position calculation unit 35 adds the phase shift amount 43 calculated by the phase shift calculation unit 34 to the rough data calculated by the rough data calculation unit 33 to calculate a rotation angle indicating the absolute position of the scale 2. .
  • the absolute position calculation unit 35 outputs absolute position data 40 indicating the calculated rotation angle.
  • the amount of light emitted from the light emitting element 3 may change due to a change in environmental conditions at the measurement location.
  • a change in environmental conditions is an increase in temperature.
  • the intensity of light incident on the image sensor 4 from the optical pattern 10 is reduced, so that the overall amplitude of the signal 36 shown in FIG. 3 is reduced.
  • the amplitude of the signal 37 shown in FIG. 4 is also reduced, which may reduce the accuracy and resolution of the rotation angle calculation in the angle calculation unit 13.
  • the light source control unit 14 adjusts the light amount of the light emitting element 3 based on the detection result of the light intensity in the image sensor 4 so that the light amount of the light emitting element 3 becomes constant regardless of the change in environment.
  • FIG. 8 is a diagram for explaining light amount adjustment by the light source control unit 14 shown in FIG.
  • the left side of FIG. 8 shows an example of the intensity distribution of the signal 37 at the standard temperature.
  • the right side of FIG. 8 shows an example of the intensity distribution of the signal 51 from the intensity distribution correcting unit 31 when the temperature rises above the standard temperature.
  • the amplitude of the signal 51 is reduced as compared with the amplitude of the signal 37.
  • the light source control unit 14 of Embodiment 1 calculates the ratio between the maximum value 52 of the intensity I of the signal 37 and the maximum value 53 of the intensity I of the signal 51, and uses the ratio to drive the drive current value of the light-emitting element 3. Adjust.
  • FIG. 9 is a flowchart showing the procedure of light amount adjustment of the light source control unit 14 in the first embodiment.
  • the light source control unit 14 acquires the signal 51 that has been corrected by the intensity distribution correction unit 31 from the intensity distribution correction unit 31.
  • step S ⁇ b> 1 the light source control unit 14 detects the maximum value 53 of the intensity I in the acquired signal 51.
  • step S2 the light source control unit 14 calculates a ratio between the maximum value 53 detected in step S1 and the maximum value 52 of the intensity I in the signal 37 at the standard time.
  • step S3 the light source control unit 14 adjusts the drive current value of the light emitting element 3 based on the ratio calculated in step S2.
  • the light source control unit 14 adjusts the drive current value so that the light amount of the light emitting element 3 becomes the same light amount as the standard time by multiplying the drive current value by the ratio.
  • the absolute encoder 1 can obtain the rotation angle of the scale 2 with high accuracy and high resolution even if the environmental conditions of the measurement place change by adjusting the light amount of the light source control unit 14.
  • the light source control unit 14 may acquire a signal before correction by the intensity distribution correction unit 31 and adjust the light amount based on the maximum value of the intensity I in the signal.
  • the light source control unit 14 can adjust the drive current value so that the light amount of the light emitting element 3 decreases, contrary to the case where the temperature increases.
  • the light source control unit 14 may adjust the light amount of the light emitting element 3 even when there is an environmental condition other than the temperature at the measurement location or a change in conditions other than the environmental condition.
  • conditions other than environmental conditions is the positional relationship between the scale 2 and the image sensor 4.
  • the positional relationship between the scale 2 and the image sensor 4 can be changed by the vibration of the scale 2 or the image sensor 4.
  • the intensity of light detected by the image sensor 4 may decrease.
  • the light source control unit 14 performs adjustment to increase the light amount of the light emitting element 3, so that the absolute encoder 1 can obtain the rotation angle of the scale 2 with high accuracy and high resolution.
  • the light emitter is an LED chip of the light emitting element 3.
  • the LED chip includes an opening provided on the light emitting side.
  • the width of the light emitter is the width of the opening.
  • the opening is formed by patterning a metal material provided on a semiconductor material.
  • a light transmissive material may be provided in the opening.
  • a light transmissive material is a transparent electrode material. Even when a light-transmitting material is provided in the opening, the width of the opening is the width of the light emitter. In FIGS. 10 and 11 described below, the opening is not shown.
  • FIG. 10 is a first schematic diagram showing how the light from the light emitter 20 reaches the image sensor 4 via the optical pattern 10 in the absolute encoder 1 shown in FIG.
  • the light beam that is folded back by the reflection in the first region 11 is replaced with a light beam that passes through the first region 11.
  • FIG. 11 described below will be described on the assumption that the first region 11 transmits light from the light emitter 20. Note that the description of FIGS. 10 and 11 is also applicable to the case where light is reflected in the first region 11 by including the return of light in the first region 11.
  • the straight line indicating the image sensor 4 represents the position of the light receiving surface of the image sensor 4.
  • a curve shown on the straight line indicates the intensity distribution of the light detected by the image sensor 4.
  • the point light source means that the light emitter 20 having a size that can be regarded as a point compared to the distance 23 between the light emitter 20 and the optical pattern 10 is provided.
  • the plurality of pixels of the image sensor 4 are arranged in the X-axis direction.
  • the chief ray 25 is perpendicular to the X axis.
  • the direction of the arrow in the X-axis direction is the plus X direction
  • the direction opposite to the arrow is the minus X direction.
  • the width of the first region 11, the width of the second region 12, and the width of the light emitter 20 all indicate the width in the X-axis direction.
  • the width of one first region 11 and the width of one second region 12 are unit widths of the optical pattern 10.
  • the unit width of the optical pattern 10 is a width that is a unit of arrangement of the first region 11 and the second region 12.
  • FIG. 10 shows a portion of the optical pattern 10 in which the first regions 11 and the second regions 12 each having a unit width are alternately arranged.
  • the two first regions 11a and 11b are the first regions 11 adjacent to each other with the one second region 12 interposed therebetween.
  • the light beam 21 is emitted from the end of the light emitter 20 in the minus X direction and is incident on the end of the first region 11a in the plus X direction.
  • the light beam 22 is emitted from the end of the plus X direction in the light emitter 20 and is incident on the end of the first region 11b in the minus X direction.
  • the light beam 21 and the light beam 22 are parallel to each other. Since the light beam 21 and the light beam 22 do not cross each other, the image sensor 4 can detect the light from the first region 11a and the light from the first region 11b separately from each other. Thus, the image sensor 4 can detect the first region 11 and the second region 12 with high resolution by using the light emitter 20 having the same width 26 as the unit width of the optical pattern 10.
  • FIG. 11 is a second schematic diagram showing how the light from the light emitter 20 reaches the image sensor 4 via the optical pattern 10 in the absolute encoder 1 shown in FIG.
  • FIG. 11 shows a portion of the optical pattern 10 that includes two first regions 11 arranged in succession.
  • the width 26 of the light emitter 20 corresponds to twice the unit width of the optical pattern 10.
  • the region 11c is a region in which two first regions 11 having a unit width are continuously arranged.
  • the width of the region 11 c is the same as the width 26 of the light emitter 20.
  • the first region 11d is the first region 11 adjacent to the region 11c with one second region 12 interposed therebetween.
  • the light beam 27 is a light beam emitted from the end of the light emitter 20 in the minus X direction and incident on the end of the region 11c in the plus X direction.
  • the light beam 28 is a light beam emitted from the end in the plus X direction of the light emitter 20 and incident on the end in the minus X direction of the first region 11d.
  • the light rays 27 and 28 are not parallel to each other but intersect each other on the light receiving surface of the image sensor 4.
  • the image sensor 4 can detect the light in the region 11c and the light in the first region 11d separately from each other. As a result, the image sensor 4 can detect the first region 11 and the second region 12 with high resolution using the light emitter 20 having a width 26 corresponding to twice the bit width.
  • the width 26 of the light emitter 20 is larger than the width of the region 11c from the state shown in FIG.
  • the light beam 27 and the light beam 28 intersect each other before the light receiving surface of the image sensor 4.
  • the image sensor 4 detects the light from the region 11c and the light from the first region 11d without being separated from each other. In this case, it is difficult for the image sensor 4 to detect the first region 11 and the second region 12 with high resolution.
  • the width 26 of the light emitter 20 is set to be equal to or less than the maximum width of the portion of the optical pattern 10 where the first regions 11 are continuously arranged. Further, the width 26 of the light emitter 20 is set to be equal to or less than the maximum width of the portion of the optical pattern 10 where the second regions 12 are continuously arranged.
  • the image sensor 4 can separate and detect the light from each first region 11 and the light from each portion where the first regions 11 are continuously arranged.
  • the pattern 10 can be detected with high resolution.
  • the absolute encoder 1 can obtain the rotation angle of the scale 2 with high accuracy and high resolution.
  • FIG. 12 is a diagram for explaining data replaced with the optical pattern 10 shown in FIG.
  • the bit string 55 is a bit string obtained by encoding absolute position data into a pseudo-random code.
  • the bit string 56 is a bit string obtained by encoding the bit string 55, which is a pseudo-random code, into a Manchester code.
  • the number of bits of the pseudo random code also increases.
  • the frequency of the part where the bit “0” continues and the part where the bit “1” continues in the bit string 55 increases.
  • the width of the portion in which the plurality of first regions 11 representing the bit “1” are continuously arranged and the one first region 11 are arranged independently. It is possible that the width of the portion that is present may differ greatly. In this case, a difference in the intensity of light detected by the image sensor 4 may occur between the plurality of first region 11 portions and the one first region 11 portion due to light diffraction. Since the intensity of light detected by the image sensor 4 varies depending on the rotation angle of the scale 2, the accuracy and resolution of the rotation angle calculation in the angle calculation unit 13 may be reduced.
  • the signal of bit “0” in the data before encoding is replaced with a signal that transitions from L level to H level.
  • the signal of bit “1” in the data before encoding is replaced with a signal that transitions from the H level to the L level.
  • the bit “0” of the bit string 55 that is a pseudo random code is replaced with the bit “01” in the bit string 56 that is a Manchester code.
  • the bit “1” of the bit string 55 that is a pseudo random code is replaced with the bit “10” in the bit string 56 that is a Manchester code.
  • the portion where three bits “1” are continuous in the bit string 55 is eliminated by replacing all the bits in the bit string 56 with the bit “10”.
  • encoding to Manchester code eliminates three or more consecutive bits “0” and three or more consecutive bits “1”.
  • a portion in which bit “0” and bit “1” in bit string 55 are continuous is replaced with bit “0110” in bit string 56, thereby generating a portion in which two bits “1” are consecutive in bit string 56.
  • the part in which bit “1” and bit “0” in bit string 55 are continuous is replaced with bit “1001” in bit string 56, thereby generating a part in which two bits “0” are consecutive in bit string 56.
  • the maximum number of consecutive bits “0” and the maximum number of consecutive bits “1” can both be two.
  • the first region 11 and the second region 12 of the optical pattern 10 are arranged according to the bit string 56.
  • the maximum width of the portion where the first region 11 is continuously arranged in the optical pattern 10 and the maximum width of the portion where the second region 12 is continuously arranged are the unit width of the optical pattern 10. Twice as much. Since the maximum width is suppressed to twice the unit width, the absolute encoder 1 can obtain the rotation angle of the scale 2 with high accuracy and high resolution.
  • the advantages of the absolute encoder 1 in comparison with the incremental encoder will be described.
  • the rotation angle of the scale 2 is obtained by integrating the number of detected pulse signals.
  • an origin return operation is performed for each measurement. Returning to the origin refers to returning the rotation angle of the scale 2 to the origin. Since the absolute encoder 1 can detect the absolute position, the operation of returning to the origin is unnecessary. For this reason, the absolute encoder 1 has an advantage that the time until the measurement is started can be shortened.
  • control unit 5 may be executed on a CPU (Central Processing Unit) or a microcomputer. All or some of the functions of the control unit 5 may be executed on a program that is analyzed and executed by a CPU or a microcomputer. Alternatively, all or some of the functions of the control unit 5 may be executed on hardware by wired logic.
  • CPU Central Processing Unit
  • microcomputer All or some of the functions of the control unit 5 may be executed on a program that is analyzed and executed by a CPU or a microcomputer. Alternatively, all or some of the functions of the control unit 5 may be executed on hardware by wired logic.
  • FIG. 13 is a diagram showing an example of a hardware configuration of the absolute encoder 1 that executes the function of the control unit 5 shown in FIG.
  • the absolute encoder 1 includes a communication unit 81 that is a communication interface, a CPU 82 that executes various processes, and an input / output unit 83 that is an input / output interface between the light emitting element 3 and the image sensor 4 illustrated in FIG. 1. Further, the absolute encoder 1 includes a RAM (Random Access Memory) 84 including a program storage area and a data storage area, and a ROM (Read Only Memory) 85 which is a nonvolatile memory.
  • the bus 86 connects the communication unit 81, the CPU 82, the input / output unit 83, the RAM 84, and the ROM 85.
  • the communication unit 81 transmits the rotation angle data, which is the calculation result of the angle calculation unit 13, to the outside.
  • the ROM 85 stores programs for various processes. In addition to the ROM 85, the program may be recorded on a recording medium that can be read by a drive.
  • the recording medium may be any of a portable recording medium such as a CD-ROM, a DVD disk or a USB memory, and a flash memory that is a semiconductor memory. In FIG. 13, the drive and the recording medium are not shown.
  • the program is loaded into the RAM 84.
  • the CPU 82 expands the program in the program storage area in the RAM 84 and executes various processes.
  • the data storage area in the RAM 84 is a work area for executing various processes.
  • the functions of the angle calculation unit 13, the light source control unit 14, and the sensor control unit 17 are realized using the CPU 82.
  • the LUT 16 illustrated in FIG. 1 is stored in the RAM 84.
  • the function of the storage unit 15 is realized using the RAM 84.
  • the absolute encoder 1 includes either the width of the portion where the first region 11 is continuously arranged or the width of the portion where the second region 12 is continuously arranged.
  • the first region 11 and the second region 12 can be detected with high resolution.
  • the data encoded into the bit string of the Manchester code is replaced with the first area 11 and the second area 12, so that the maximum width of the portion where the first area 11 is continuously arranged is The maximum width of the portion where the second regions 12 are continuously arranged is suppressed to twice the unit width of the optical pattern 10.
  • the absolute encoder 1 can obtain the rotation angle of the scale 2 with high accuracy and high resolution.
  • the absolute encoder 1 can obtain the rotation angle of the scale 2 with high accuracy and high resolution by adjusting the light amount of the light emitting element 3 by the light source control unit 14 which is a light amount adjusting unit. As described above, the absolute encoder 1 has an effect of being able to measure the rotation angle of the measurement object with high accuracy and high resolution.
  • FIG. FIG. 14 is a diagram for explaining light amount adjustment by the light source control unit 14 of the absolute encoder 1 according to the second embodiment.
  • the light source control unit 14 which is a light amount adjusting unit performs light amount adjustment using average values 63 and 64 instead of the maximum values 52 and 53 shown in FIG.
  • the same parts as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
  • the left side of FIG. 14 shows an example of the intensity distribution of the signal 37 at the standard temperature.
  • the right side of FIG. 14 shows an example of the intensity distribution of the signal 61 from the intensity distribution correcting unit 31 when the temperature rises above the standard temperature.
  • the amplitude of the signal 61 is reduced as compared with the amplitude of the signal 37. Further, a noise 62 having a level higher than the H level of the signal 61 is generated in the signal 61.
  • the light source control unit 14 calculates the ratio between the average value 63 of the intensity I of the signal 37 and the average value 64 of the intensity I of the signal 61, and uses the ratio to drive the drive current value of the light-emitting element 3. Adjust.
  • the first region 11 and the second region 12 of the optical pattern 10 are arranged according to a bit string 56 which is a Manchester code shown in FIG.
  • the number of the first regions 11 corresponding to the bit “1” and the number of the second regions 12 corresponding to the bit “0” are the same or one. It becomes a difference in degree.
  • the average value 63 calculated from the standard time signal 37 can be regarded as constant regardless of the rotation angle. Therefore, the light source control unit 14 can perform adjustment to make the light amount of the light emitting element 3 constant based on the ratio between the average value 63 and the average value 64.
  • FIG. 15 is a flowchart showing a procedure of light amount adjustment of the light source control unit 14 in the second embodiment.
  • the light source control unit 14 acquires the signal 61 that has been corrected by the intensity distribution correction unit 31 from the intensity distribution correction unit 31.
  • the light source control unit 14 detects the average value 64 of the intensity I in the acquired signal 61.
  • step S12 the light source control unit 14 calculates a ratio between the average value 64 detected in step S11 and the average value 63 of the intensity I in the standard time signal 37.
  • step S13 the light source control unit 14 adjusts the drive current value of the light emitting element 3 based on the ratio calculated in step S12.
  • the light source control unit 14 adjusts the drive current value so that the light amount of the light emitting element 3 becomes the same light amount as the standard time by multiplying the drive current value by the ratio.
  • the light source control unit 14 can reduce the influence of the noise 62 in the light amount adjustment by adjusting the light amount using the average values 63 and 64.
  • the absolute encoder 1 can obtain the rotation angle of the scale 2 with high accuracy and high resolution even if the environmental conditions of the measurement place change by adjusting the light amount of the light source control unit 14.
  • the light source control unit 14 may adjust the amount of light based on the average value of the intensity I in the signal 36 before correction by the intensity distribution correction unit 31 as in the first embodiment. Further, the light source control unit 14 may adjust the light amount of the light emitting element 3 even when there is an environmental condition other than the temperature at the measurement location or a change in conditions other than the environmental condition.
  • the absolute encoder 1 adjusts the light amount of the light emitting element 3 using the average values 63 and 64 by the light source control unit 14 which is a light amount adjusting unit.
  • the absolute encoder 1 can obtain the rotation angle of the scale 2 with high accuracy and high resolution.
  • the absolute encoder 1 has an effect of being able to measure the rotation angle of the measurement object with high accuracy and high resolution.
  • FIG. FIG. 16 is a diagram for explaining light amount adjustment by the light source control unit 14 of the absolute encoder 1 according to the third embodiment.
  • the light source control unit 14 that is a light amount adjusting unit replaces the average values 63 and 64 shown in FIG. 14 with an average value of the maximum values 74A, 74B, and 74C and an average of the maximum values 75A, 75B, and 75C.
  • the light intensity is adjusted using the value.
  • the same parts as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
  • FIG. 16 shows an example of the intensity distribution of the signal 37 at the standard temperature on the left side.
  • the right side of FIG. 16 shows an example of the intensity distribution of the signal 71 from the intensity distribution correcting unit 31 when the temperature rises above the standard temperature.
  • the amplitude of the signal 71 is reduced as compared with the amplitude of the signal 37.
  • the signal 71 has a portion 73 where a peak is missing.
  • One example of the cause of such a missing peak is that light is blocked by a foreign substance that has entered the optical path between the optical pattern 10 and the image sensor 4.
  • the light source control unit 14 divides the image sensor 4 into three regions 72A, 72B, and 72C in the X-axis direction, and sets the maximum values 75A, 75B, and 75C of the signal 71 in the regions 72A, 72B, and 72C. calculate. Further, the light source control unit 14 calculates the maximum values 74A, 74B, and 74C of the signal 37 in each of the regions 72A, 72B, and 72C. The light source control unit 14 calculates a ratio between the average value of the maximum values 74A, 74B, and 74C of the signal 37 and the average value of the maximum values 75A, 75B, and 75C of the signal 71, and uses the ratio to calculate the ratio of the light emitting element 3. Adjust the drive current value.
  • FIG. 17 is a flowchart showing a procedure of light amount adjustment of the light source control unit 14 in the third embodiment.
  • the light source control unit 14 acquires the signal 71 that has been corrected by the intensity distribution correction unit 31 from the intensity distribution correction unit 31.
  • the light source control unit 14 detects the maximum values 75A, 75B, and 75C of the intensity I for each of the regions 72A, 72B, and 72C from the acquired signal 71.
  • the light source control unit 14 calculates an average value of the maximum values 75A, 75B, and 75C detected in step S21.
  • step S23 the light source control unit 14 calculates a ratio between the average value calculated in step S22 and the average value of the maximum values 74A, 74B, and 74C in the standard time signal 37.
  • step S24 the light source control unit 14 adjusts the drive current value of the light emitting element 3 based on the ratio calculated in step S23. The light source control unit 14 adjusts the drive current value so that the light amount of the light emitting element 3 becomes the same light amount as the standard time by multiplying the drive current value by the ratio.
  • the light source control unit 14 adjusts the light amount by using the average value of the maximum values 74A, 74B, and 74C and the average value of the maximum values 75A, 75B, and 75C for each of the regions 72A, 72B, and 72C. Compared with the case where the average value of the overall intensity I is used, the influence of the missing portion 73 in the light amount adjustment can be reduced.
  • the light source control unit 14 is not limited to one that detects the maximum values 75A, 75B, and 75C by dividing the image sensor 4 into three regions 72A, 72B, and 72C.
  • the number of regions may be two, or four or more.
  • the absolute encoder 1 can obtain the rotation angle of the scale 2 with high accuracy and high resolution even if the environmental conditions of the measurement place change by adjusting the light amount of the light source control unit 14.
  • the light source control unit 14 may adjust the amount of light based on the average value of the intensity I in the signal before correction by the intensity distribution correction unit 31 as in the first and second embodiments. Further, the light source control unit 14 may adjust the light amount of the light emitting element 3 even when there is an environmental condition other than the temperature at the measurement location or a change in conditions other than the environmental condition.
  • the absolute encoder 1 has an average value of the maximum values 74A, 74B, and 74C and the maximum values 75A, 75B, and 75C for each of the regions 72A, 72B, and 72C by the light source control unit 14 that is a light amount adjustment unit.
  • the light quantity of the light emitting element 3 is adjusted using the average value.
  • the absolute encoder 1 can obtain the rotation angle of the scale 2 with high accuracy and high resolution. As described above, the absolute encoder 1 has an effect of being able to measure the rotation angle of the measurement object with high accuracy and high resolution.
  • the absolute encoder 1 may be a linear encoder instead of the rotary encoder.
  • An absolute encoder 1 that is a linear encoder measures the position of a measurement object that operates in a linear direction.
  • the absolute encoder 1 is assigned unique absolute position data for each absolute position of the scale 2 in the linear direction.
  • the absolute encoder 1 obtains the position of the scale 2 in the linear direction by decoding the detection result of the optical pattern 10 in the image sensor 4.
  • the absolute encoder 1 which is a linear encoder can measure the position of the measurement object with high accuracy and high resolution.
  • the configuration described in the above embodiment shows an example of the contents of the present invention, and can be combined with another known technique, and can be combined with other configurations without departing from the gist of the present invention. It is also possible to omit or change the part.

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Abstract

アブソリュートエンコーダ（１）は、光学パターン（１０）が設けられ、可動とされたたスケール（２）と、光学パターンへ進行させる光を射出する発光体と、光学パターンからの光を検出して、検出された光の強度を表す信号を出力するセンサ（４）と、センサからの信号を基に、スケールの位置を求める演算部（１３）とを備える。光学パターンでは、スケールがとり得る位置ごとに割り当てられた固有のデータから符号化されたデータが、第１の領域（１１）と、センサにて第１の領域とは異なる光強度で検出可能とされた第２の領域（１２）との配列に置き換えられている。発光体の幅は、第１の領域が連続して配列されている部分の幅と、第２の領域が連続して配列されている部分の幅とのいずれよりも小さい。

Description

アブソリュートエンコーダ
　本発明は、測定対象物の位置を測定するアブソリュートエンコーダに関する。
　ロータリーエンコーダは、測定対象物とともに回転させたスケールの回転角度を検出することにより、測定対象物の回転角度を測定する。光学式ロータリーエンコーダは、スケールに設けられた光学パターンからの反射光あるいは透過光をセンサにて検出して、センサからの信号に基づく演算処理によりスケールの回転角度を求める。光学パターンには、第１の領域と、センサにて第１の領域とは異なる光強度で検出可能とされた第２の領域とが配列されている。
　ロータリーエンコーダの種類には、インクリメンタルエンコーダとアブソリュートエンコーダとが知られている。インクリメンタルエンコーダは、第１の領域と第２の領域とが一定のピッチで配列された光学パターンであるインクリメンタルパターンを備える。インクリメンタルエンコーダは、センサからのパルス信号の数を積算してスケールの回転角度を求める。アブソリュートエンコーダは、センサで検出された光の強度のパターンから、スケールの絶対位置である回転角度のデータを取得する。アブソリュートエンコーダのスケールに備えられた光学パターンであるアブソリュートパターンでは、符号化されたデータであるビット列が、第１の領域と第２の領域との配列に置き換えられている。アブソリュートパターンでは、第１の領域と第２の領域とが不規則に配列されている。
　特許文献１には、インクリメンタルエンコーダであるメインスリット板と、メインスリット板に対向させたインデックススリット板とを備えるロータリーエンコーダが開示されている。メインスリット板とインデックススリット板とには、光を透過させるスリットが一定の間隔で設けられている。ロータリーエンコーダは、スリットでの回折作用によるタルボット効果を利用することで、高精度かつ高い分解能での測定が可能となる。
　また、特許文献２には、互いに位相差を含む信号を取得して、取得された信号を加算して得られた光源調整信号を用いて光源のフィードバック制御を行うことが開示されている。互いに位相差を含む信号は、インクリメンタルパターンからの光を検出することにより取得される。ロータリーエンコーダは、光源の高精度なフィードバック制御により、高精度かつ高い分解能での測定が可能となる。
特開２００２－２５７５９３号公報 特開２０１６－６１６００号公報
　上述するように、アブソリュートパターンでは、第１の領域と第２の領域とが不規則なピッチで配列される。特許文献１の技術では一定の間隔のスリットを備えることがタルボット効果の条件となることから、アブソリュートエンコーダに特許文献１の技術を適用しても、高精度および高い分解能での測定は困難である。また、アブソリュートパターンでは、第１の領域と第２の領域とが不規則なピッチで配列されていることから、光が入射している部分によって、センサで検出される光の強度が変化することとなる。インクリメンタルパターンを持たないアブソリュートエンコーダに特許文献２の技術を適用した場合、アブソリュートパターンからの光を利用して得られる光源調整信号のレベルは、光が入射している部分によって変化することとなる。この場合、光源の調整が不安定となることで、高精度および高い分解能での測定が困難となる。
　本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、高精度かつ高い分解能で測定対象物の位置を測定可能とするアブソリュートエンコーダを得ることを目的とする。
　上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明のアブソリュートエンコーダは、光学パターンが設けられ、可動とされたスケールと、光学パターンへ進行させる光を射出する発光体と、光学パターンからの光を検出して、検出された光の強度を表す信号を出力するセンサと、センサからの信号を基に、スケールの位置を求める演算部とを備える。光学パターンでは、スケールがとり得る位置ごとに割り当てられた固有のデータから符号化されたデータが、第１の領域と、センサにて第１の領域とは異なる光強度で検出可能とされた第２の領域との配列に置き換えられている。発光体の幅は、第１の領域が連続して配列されている部分の幅と、第２の領域が連続して配列されている部分の幅とのいずれよりも小さい。
　本発明にかかるアブソリュートエンコーダは、高精度かつ高い分解能で測定対象物の位置を測定できるという効果を奏する。
本発明の実施の形態１にかかるアブソリュートエンコーダの概略構成を示す図 図１に示す角度演算部のブロック図 図２に示す角度演算部へ入力される信号の強度分布の例を示す図 図２に示す強度分布補正部で補正された信号の強度分布の例を示す図 図４の枠VII内の部分についてのエッジ検出について説明する図 図４に示す信号からビット列への変換について説明する図 図２に示す位相ずれ算出部における位相ずれ量の算出について説明する図 図１に示す光源制御部による光量調整について説明する図 実施の形態１における光源制御部の光量調整の手順を示すフローチャート 図１に示すアブソリュートエンコーダにおいて、発光体からの光が光学パターンを経てイメージセンサへ到達するまでの様子を示した第１の模式図 図１に示すアブソリュートエンコーダにおいて、発光体からの光が光学パターンを経てイメージセンサへ到達するまでの様子を示した第２の模式図 図１に示す光学パターンへ置き換えられるデータについて説明する図 図１に示す制御部の機能を実行するアブソリュートエンコーダのハードウェア構成の例を示す図 実施の形態２にかかるアブソリュートエンコーダの光源制御部による光量調整について説明する図 実施の形態２における光源制御部の光量調整の手順を示すフローチャート 実施の形態３にかかるアブソリュートエンコーダの光源制御部による光量調整について説明する図 実施の形態３における光源制御部の光量調整の手順を示すフローチャート
　以下に、本発明の実施の形態にかかるアブソリュートエンコーダを図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
実施の形態１．
　図１は、本発明の実施の形態１にかかるアブソリュートエンコーダ１の概略構成を示す図である。アブソリュートエンコーダ１は、光学パターン１０が設けられたスケール２と、光学パターン１０へ進行させる光を射出する発光体を含む発光素子３とを備える。また、アブソリュートエンコーダ１は、光学パターン１０からの光を検出し、検出された光の強度のパターンを表す信号を出力するセンサであるイメージセンサ４を備える。
　アブソリュートエンコーダ１は、回転可能とされたスケール２を含むロータリーエンコーダである。スケール２は、円形の平板である。スケール２と、測定対象物であるモータのシャフト６とは、シャフト６の軸心ＡＸの位置をスケール２の中心点Ｏに一致させて、互いに連結されている。スケール２は、シャフト６の回転とともに回転する。図１では、シャフト６を回転させるモータ本体の図示を省略している。
　光学パターン１０は、スケール２の表面に形成されている。光学パターン１０は、第１の領域１１と、イメージセンサ４にて第１の領域１１とは異なる光強度で検出可能とされた第２の領域１２との配列である。第１の領域１１と第２の領域１２とは、スケール２のうち外縁より内側の領域を環状に囲んで、一列に配列されている。第１の領域１１は、発光素子３からの光を反射する。第２の領域１２の反射率は、第１の領域１１の反射率より低い。第２の領域１２は、発光素子３からの光を吸収あるいは散乱させることで、第１の領域１１より低い反射率とされている。
　光学パターン１０を反射した光を検出する構成の場合、スケール２のうち光学パターン１０が形成されている部分は、発光素子３およびイメージセンサ４に対向する位置に配置される。１つの例では、スケール２には、金属材料の平板が使用される。金属材料の１つの例は、アルミニウムである。金属材料は、アルミニウム以外の反射性の金属材料、あるいは金属材料以外の反射性材料でも良い。光学パターン１０は、スケール２の表面に形成された光吸収膜へのパターン加工により形成される。光吸収膜の１つの例は、金属材料の表面を酸化させることにより形成された酸化膜である。スケール２の表面のうち、パターン加工において光吸収膜を残存させた領域が第２の領域１２となる。光吸収膜を残存させた領域同士の間の領域であって金属材料を露出させた領域が、第１の領域１１となる。第２の領域１２には、光吸収膜に代えて、光を散乱させる部材が設けられても良い。
　光源である発光素子３は、スケール２の上に配置されている。発光素子３の１つの例は、点光源ＬＥＤ（Light　Emitting　Diode）である。発光素子３は、光を射出する発光体であるＬＥＤチップを備える。発光素子３から射出された光は、光学パターン１０に斜めに入射する。ＬＥＤは、ＬＤ（Laser　Diode）に比較して、熱に強くかつ寿命が長い。アブソリュートエンコーダ１は、光源にＬＥＤが用いられることで、ＬＤが用いられる場合に比較して、高温環境での安定した測定ができ、かつ光源の寿命を長くすることができる。
　イメージセンサ４は、発光素子３から光学パターン１０で反射した光の進行方向前方に配置されている。イメージセンサ４は、ＣＭＯＳ（Complementary　Metal　Oxide　Semiconductor）イメージセンサあるいはＣＣＤ（Charge　Coupled　Device）イメージセンサである。イメージセンサ４は、光電変換素子である複数のフォトダイオードを備える。複数のフォトダイオードは、一次元方向へ配列されている。フォトダイオードは、光を受けたことにより信号電荷を生成する。イメージセンサ４は、各フォトダイオードからのアナログ信号を、アナログデジタル変換器においてデジタル信号へ変換する。イメージセンサ４は、各フォトダイオードで検出された光の強度のパターンを表すデジタル信号を出力する。なお、図１では、光電変換素子とアナログデジタル変換器との図示を省略している。
　実施の形態１では、発光素子３と光学パターン１０との間、および光学パターン１０とイメージセンサ４との間には、光を平行化、収束あるいは発散させるレンズ系は設けられていない。発光素子３と光学パターン１０との間、あるいは光学パターン１０とイメージセンサ４との間には、光を平行化、収束あるいは発散させるレンズ系が設けられても良い。
　アブソリュートエンコーダ１は、アブソリュートエンコーダ１の全体を制御する機能部である制御部５を備える。図１には、制御部５の機能構成を示している。制御部５は、イメージセンサ４での光強度の検知結果を基に、スケール２の回転角度を求める機能部である角度演算部１３を備える。演算部である角度演算部１３は、イメージセンサ４からの信号を基に、スケール２の位置である回転角度を求める。アブソリュートエンコーダ１は、角度演算部１３で求められた回転角度を示す絶対位置データを出力する。また、制御部５は、発光素子３の駆動を制御する機能部である光源制御部１４と、ルックアップテーブル（Look　Up　Table，ＬＵＴ）１６を保持する機能部である記憶部１５と、イメージセンサ４の駆動を制御する機能部であるセンサ制御部１７とを備える。光源制御部１４の機能は、発光素子３の光量を調整する光量調整部の機能を含む。
　ＬＵＴ１６は、スケール２の回転角度を示す絶対位置データと、符号化されたデータであるビット列とを対応付けて保持する。絶対位置データの１つの例は、弧度法あるいは度数法により回転角度を表した数値である。絶対位置データは、スケール２の回転角度ごとに割り当てられた固有のデータであれば良く、単位角度おきに割り当てられたアドレスであっても良い。
　図１に示すアブソリュートエンコーダ１は、光学パターン１０で反射した光を検出して、スケール２の回転角度を求める。アブソリュートエンコーダ１は、光学パターン１０で反射した光を検出する構成に代えて、光学パターン１０を透過した光を検出する構成を備えていても良い。
　光学パターン１０を透過した光を検出する構成の場合、スケール２のうち光学パターン１０が形成されている部分は、発光素子３とイメージセンサ４との間の光路中に配置される。スケール２は、ガラス板あるいは樹脂板である。スケール２の材料は、光を透過させる他の材料でも良い。光学パターン１０は、スケール２上に蒸着された金属膜のパターン加工により形成される。金属膜の材料の１つの例は、クロムである。金属膜が除去された領域が、第１の領域１１となる。第１の領域１１の間の、金属膜が残された領域が、第２の領域１２となる。金属膜の材料は、クロム以外の光吸収性の材料でも良い。スケール２は、第１の領域１１を開口とした板部材であっても良い。
　アブソリュートエンコーダ１では、スケール２の絶対位置である回転角度ごとに、固有の絶対位置データが割り当てられている。アブソリュートパターンである光学パターン１０では、符号化された絶対位置データが第１の領域１１と第２の領域１２との配列に置き換えられている。アブソリュートエンコーダ１は、符号化された絶対位置データを、イメージセンサ４で検出される像に含まれる第１の領域１１と第２の領域１２とのパターンから抽出する。光学パターン１０において、第１の領域１１と第２の領域１２とは、不規則なピッチで配列されている。アブソリュートエンコーダ１は、第１の領域１１と第２の領域１２とのパターンから抽出されたデータのデコードにより、イメージセンサ４での光の検出時におけるスケール２の回転角度を示す絶対位置データを求める。
　実施の形態１において、第１の領域１１と第２の領域１２との配列で表される符号化されたデータは、絶対位置データから擬似ランダム符号への符号化により得られたデータに、さらにマンチェスター符号への符号化を施すことにより得られたデータである。擬似ランダム符号の１つの例は、Ｍ系列符号である。マンチェスター符号への符号化により得られたデータであるビット列のうち、ビット「１」は、第１の領域１１へ置き換えられている。ビット列のうち、ビット「０」は、第２の領域１２へ置き換えられている。
　イメージセンサ４では、第１の領域１１は、第２の領域１２に比べて光強度が高い明部となって検出される。第２の領域１２は、第１の領域１１に比べて光強度が低い暗部となって検出される。第２の領域１２の反射率が第１の領域１１の反射率より低いことで、第２の領域１２は、イメージセンサ４にて第１の領域１１とは異なる光強度で検出される。イメージセンサ４の画素である各フォトダイオードは、イメージセンサ４に投影される像の光強度を、単位領域ごとに分担して検出する。以下の説明にて、イメージセンサ４において画素が配列されている方向に平行な軸をＸ軸と称する。スケール２の回転により、イメージセンサ４に投影される光学パターン１０の像は、イメージセンサ４にてＸ軸方向へ移動する。
　次に、角度演算部１３の構成について説明する。図２は、図１に示す角度演算部１３のブロック図である。角度演算部１３には、イメージセンサ４からの信号３６が入力される。角度演算部１３は、信号３６の強度分布を補正する機能部である強度分布補正部３１と、信号レベルの高と低との切り換わりであるエッジを検出する機能部であるエッジ検出部３２とを備える。また、角度演算部１３は、検出されたエッジを基に絶対位置データの粗データを算出する機能部である粗データ算出部３３を備える。粗データ算出部３３は、図１に示すＬＵＴ１６から回転角度のデータ３８を読み出す。さらに、角度演算部１３は、イメージセンサ４で検出される光の強度分布のパターンの位相ずれ量を算出する機能部である位相ずれ算出部３４と、絶対位置情報を算出する機能部である絶対位置算出部３５とを備える。
　図３は、図２に示す角度演算部１３へ入力される信号３６の強度分布の例を示す図である。信号３６は、イメージセンサ４の画素ごとにおいて検出された光の強度を表す。図３に示す縦軸は、信号３６の強度Ｉを表す。横軸は、イメージセンサ４におけるＸ軸方向の位置を表す。以下の説明では、Ｘ軸方向における位置を表す値を「Ｘ値」と称することがある。
　信号３６の強度Ｉの分布には、複数のピークが現れる。各ピークは、第１の領域１１からの光の強度を表している。また、ピーク同士の間のボトムは、第２の領域１２からの光の強度を表している。信号３６のピークのレベルとボトムのレベルとには、さまざまな要因の影響によりばらつきが生じている。かかる要因には、発光素子３から射出された光の強度分布の影響と、イメージセンサ４の画素ごとの感度のばらつきの影響とが含まれ得る。
　図４は、図２に示す強度分布補正部３１で補正された信号３７の強度分布の例を示す図である。強度分布補正部３１は、図３に示す信号３６の補正により、信号３６のピーク同士のレベルを均一にするとともに、ボトム同士のレベルを均一にする。補正後の信号３７のピークのレベルは一定とされ、ボトムのレベルも一定とされている。これにより、強度分布補正部３１は、ピークであるＨレベルとボトムであるＬレベルとに強度Ｉが変化する信号３７を得る。強度分布補正部３１は、エッジ検出部３２と、図１に示す光源制御部１４とへ信号３７を出力する。強度分布補正部３１における補正の手法は、信号３６のレベルを補正可能であれば良く、任意であるものとする。
　エッジ検出部３２は、強度Ｉがあらかじめ設定された閾値レベル３９であるときのＸ値を求める。エッジ検出部３２は、閾値レベル３９を基準にして、明部と暗部との境界であるエッジを検出する。閾値レベル３９に対応するＸ値は、イメージセンサ４上におけるエッジの位置を表している。
　図５は、図４の枠VII内の部分についてのエッジ検出について説明する図である。エッジ検出部３２は、閾値レベル３９より低い強度Ｉと閾値レベル３９より高い強度ＩとであるＩ（ｉ－１）およびＩ（ｉ）に対応する２つの画素の位置を表すＸ値であるＸ（ｉ－１）およびＸ（ｉ）を検出する。Ｘ（ｉ－１）の画素とＸ（ｉ）の画素とは、Ｘ軸方向において互いに隣り合う２つの画素とする。Ｉ（ｉ－１）とＩ（ｉ）との一方が閾値レベル３９より低く、かつ他方が閾値レベル３９より高ければ良く、エッジ検出部３２での検出においてＩ（ｉ－１）とＩ（ｉ）との大小は無関係とする。
　エッジ検出部３２は、２つのＸ値であるＸ（ｉ－１）とＸ（ｉ）とを用いたサブピクセル処理により、閾値レベル３９に対応するＸ値であるエッジ位置４２を求める。サブピクセル処理の１つの例は、Ｘ（ｉ－１）およびＸ（ｉ）である２点の線形補間である。エッジ検出部３２は、３点以上の線形補間、あるいは線形補間以外の手法によりエッジ位置４２を求めても良い。エッジ検出部３２は、信号３７における各エッジのエッジ位置４２を求める。
　粗データ算出部３３は、エッジ検出部３２で検出されたＩ（ｉ－１）およびＩ（ｉ）を比較して、エッジが立ち上がりエッジと立ち下がりエッジとのいずれであるかを判別する。立ち上がりエッジは、Ｘ値の増加により強度ＩがＬレベルからＨレベルへ上がるエッジとする。立ち下がりエッジは、Ｘ値の増加により強度ＩがＨレベルからＬレベルへ下がるエッジとする。Ｉ（ｉ）がＩ（ｉ－１）より大きく、Ｉ（ｉ－１）＜Ｉ（ｉ）が成り立つ場合、粗データ算出部３３は、エッジが立ち上がりエッジであると判別する。Ｉ（ｉ）がＩ（ｉ－１）より小さく、Ｉ（ｉ－１）＞Ｉ（ｉ）が成り立つ場合、粗データ算出部３３は、エッジが立ち下がりエッジであると判別する。
　次に、粗データ算出部３３は、エッジの判別結果を基に、信号３７からビット列への変換を行う。図６は、図４に示す信号３７からビット列４１への変換について説明する図である。粗データ算出部３３は、信号３７における立ち上がりエッジをビット「１」へ、立ち下がりエッジをビット「０」へ置き換える。また、粗データ算出部３３は、エッジ同士の間隔を計算して、各間隔があらかじめ設定された基本周期４４の何倍に相当するかを求める。
　粗データ算出部３３は、基本周期４４と同じ間隔で立ち上がりエッジと立ち下がりエッジとが隣り合っている部分を、「１」、「０」のビット列に置き換える。また、粗データ算出部３３は、立ち上がりエッジと立ち下がりエッジとが基本周期４４の２倍に相当する間隔で隣り合っている部分を、「１」、「１」、「０」のビット列に置き換える。粗データ算出部３３は、立ち下がりエッジと立ち上がりエッジとが基本周期４４の２倍に相当する間隔で隣り合っている部分を、「０」、「０」、「１」のビット列に置き換える。これにより、粗データ算出部３３は、イメージセンサ４に投影された光学パターン１０からビット列４１への変換を行う。
　粗データ算出部３３は、ＬＵＴ１６を参照して、得られたビット列４１に対応する回転角度のデータ３８をＬＵＴ１６から読み出す。これにより、粗データ算出部３３は、絶対位置算出部３５での補正前の回転角度のデータである粗データを算出する。粗データ算出部３３は、ビット列４１に付加された冗長ビットを用いて、ビット列４１の誤り訂正を行っても良い。アブソリュートエンコーダ１は、光学パターン１０のうちビット列４１に対応する部分の像を得るための視野よりイメージセンサ４の視野を広げることにより、ビット列４１に付随する冗長ビットを得ることとしても良い。
　図７は、図２に示す位相ずれ算出部３４における位相ずれ量４３の算出について説明する図である。粗データ算出部３３で得られた粗データは、複数の画素のうち、Ｘ軸方向における中心Ｘｃにある画素を基準とする回転角度を示している。位相ずれ算出部３４は、エッジ検出部３２で検出されたエッジの中から、中心Ｘｃに最も近い１つのエッジ位置４２を検索して、かかるエッジ位置４２と中心Ｘｃとの間の位相ずれ量４３を算出する。位相ずれ算出部３４は、１つのエッジ位置４２を基に位相ずれ量４３を算出するほか、２つ以上のエッジ位置４２を基に位相ずれ量４３を算出しても良い。なお、位相ずれ算出部３４は、エッジ検出の結果をエッジ検出部３２から得る以外に、粗データ算出部３３から得ても良い。この場合、粗データ算出部３３は、エッジ検出部３２から得たエッジ検出の結果を位相ずれ算出部３４へ出力する。位相ずれ算出部３４における位相ずれ量４３の算出は、粗データ算出部３３における粗データの算出と同時であっても良く、粗データの算出の後であっても良い。
　絶対位置算出部３５は、粗データ算出部３３で算出された粗データに位相ずれ算出部３４で算出された位相ずれ量４３を足し合せることにより、スケール２の絶対位置を示す回転角度を算出する。絶対位置算出部３５は、算出された回転角度を示す絶対位置データ４０を出力する。
　次に、光源制御部１４による光量調整の動作について説明する。測定場所の環境条件の変化により、発光素子３から射出される光量が変化することがある。環境条件の変化の１つの例は、温度の上昇である。測定場所の温度が上昇することで、発光素子３の光量が減少することがある。この場合、光学パターン１０からイメージセンサ４へ入射する光の強度が減少することで、図３に示す信号３６の全体の振幅が縮小する。信号３６の振幅の縮小により、図４に示す信号３７の振幅も縮小することで、角度演算部１３における回転角度の演算の精度と分解能とが低下することがあり得る。光源制御部１４は、環境の変化に関わらず発光素子３の光量が一定となるように、イメージセンサ４での光の強度の検出結果を基に、発光素子３の光量を調整する。
　図８は、図１に示す光源制御部１４による光量調整について説明する図である。図８の左側には、標準の温度であるときの信号３７の強度分布の例を示している。図８の右側には、温度が標準の温度より上昇した場合における強度分布補正部３１からの信号５１の強度分布の例を示している。信号５１の振幅は、信号３７の振幅に比べて縮小している。実施の形態１の光源制御部１４は、信号３７の強度Ｉの最大値５２と、信号５１の強度Ｉの最大値５３との比率を算出して、比率を用いて発光素子３の駆動電流値を調整する。
　図９は、実施の形態１における光源制御部１４の光量調整の手順を示すフローチャートである。光源制御部１４は、強度分布補正部３１での補正を経た信号５１を、強度分布補正部３１から取得する。ステップＳ１において、光源制御部１４は、取得された信号５１における強度Ｉの最大値５３を検出する。
　ステップＳ２において、光源制御部１４は、ステップＳ１で検出された最大値５３と、標準時の信号３７における強度Ｉの最大値５２との比率を算出する。ステップＳ３において、光源制御部１４は、ステップＳ２において算出された比率を基に、発光素子３の駆動電流値を調整する。光源制御部１４は、駆動電流値に比率を乗算することで、発光素子３の光量が標準時と同じ光量となるように駆動電流値を調整する。
　アブソリュートエンコーダ１は、光源制御部１４の光量調整により、測定場所の環境条件が変化しても高精度かつ高い分解能でスケール２の回転角度を求めることができる。なお、光源制御部１４は、強度分布補正部３１での補正前の信号を取得して、かかる信号における強度Ｉの最大値を基に光量を調整しても良い。また、光源制御部１４は、測定場所の温度が低下した場合には、温度が上昇した場合とは逆に、発光素子３の光量が減少するように駆動電流値を調整し得る。
　光源制御部１４は、測定場所の温度以外の環境条件、あるいは環境条件以外の条件の変化があった場合にも、発光素子３の光量を調整しても良い。環境条件以外の条件の１つの例は、スケール２とイメージセンサ４との位置関係である。スケール２とイメージセンサ４との位置関係は、スケール２あるいはイメージセンサ４が振動を受けることにより変化し得る。スケール２とイメージセンサ４との間の距離の変化により、スケール２とイメージセンサ４との位置関係が変化した場合、イメージセンサ４で検出される光の強度が減少することがある。この場合、発光素子３の光量を増加させる調整を光源制御部１４が行うことで、アブソリュートエンコーダ１は、高精度かつ高い分解能でスケール２の回転角度を求めることができる。
　次に、発光体の幅と、第１の領域１１および第２の領域１２の幅の設定について説明する。実施の形態１において、発光体は、発光素子３のＬＥＤチップである。ＬＥＤチップは、光が射出する側に設けられた開口部を備える。実施の形態１において、発光体の幅は、開口部の幅とする。１つの例では、開口部は、半導体材料の上に設けられた金属材料をパターニングすることで形成される。なお、開口部には、光透過性材料が設けられていても良い。光透過性材料の１つの例は、透明電極材料である。開口部に光透過性材料が設けられている場合も、開口部の幅が発光体の幅となるものとする。なお、以下に述べる図１０および図１１では、開口部の図示を省略している。
　図１０は、図１に示すアブソリュートエンコーダ１において、発光体２０からの光が光学パターン１０を経てイメージセンサ４へ到達するまでの様子を示した第１の模式図である。なお、図１０では、第１の領域１１での反射により折り返される光線を、第１の領域１１を透過する光線に置き換えて示している。図１０と、以下に述べる図１１とについては、第１の領域１１が発光体２０からの光を透過させるものとして説明する。なお、図１０および図１１についての説明は、第１の領域１１における光の折り返しを含めることにより、第１の領域１１で光を反射させる場合にも適用可能であるものとする。
　また、図１０および図１１において、イメージセンサ４を示す直線は、イメージセンサ４の受光面の位置を表している。かかる直線の上に示した曲線は、イメージセンサ４で検出された光の強度分布を示している。
　図１０に示す距離２３は、発光体２０から射出された光の主光線２５の方向における発光体２０と光学パターン１０との間の距離とする。距離２４は、主光線２５の方向における光学パターン１０とイメージセンサ４の受光面との間の距離とする。距離２３と距離２４とは、同じである。なお、実施の形態１において、点光源とは、発光体２０と光学パターン１０との間の距離２３に比べて点とみなし得るサイズの発光体２０を備えることを指すものとする。
　イメージセンサ４の複数の画素は、Ｘ軸方向へ配列されている。主光線２５は、Ｘ軸に垂直である。ここでは、Ｘ軸方向のうち矢印の方向をプラスＸ方向、矢印と逆の方向をマイナスＸ方向とする。第１の領域１１の幅、第２の領域１２の幅および発光体２０の幅とは、いずれもＸ軸方向の幅を指すものとする。１つの第１の領域１１の幅と、１つの第２の領域１２の幅とは、光学パターン１０の単位幅である。光学パターン１０の単位幅は、第１の領域１１と第２の領域１２との配列の単位となる幅である。
　図１０に示す例では、発光体２０の幅２６は、光学パターン１０の単位幅と同じであるものとする。また、図１０には、光学パターン１０のうち、いずれも単位幅の第１の領域１１と第２の領域１２とが交互に配列されている部分を示している。２つの第１の領域１１ａ，１１ｂは、１つの第２の領域１２を挟んで互いに隣り合う第１の領域１１である。光線２１は、発光体２０のうちマイナスＸ方向の端から射出され、第１の領域１１ａのうちプラスＸ方向の端へ入射した光線である。光線２２は、発光体２０のうちプラスＸ方向の端から射出され、第１の領域１１ｂのうちマイナスＸ方向の端へ入射した光線である。
　光線２１と光線２２とは、互いに平行となる。光線２１と光線２２とは互いに交わらないため、イメージセンサ４は、第１の領域１１ａからの光と第１の領域１１ｂからの光とを互いに分離して検出することができる。これにより、イメージセンサ４は、光学パターン１０の単位幅と同じ幅２６の発光体２０を用いることで、第１の領域１１および第２の領域１２を高い分解能で検出することが可能である。
　図１１は、図１に示すアブソリュートエンコーダ１において、発光体２０からの光が光学パターン１０を経てイメージセンサ４へ到達するまでの様子を示した第２の模式図である。図１１には、光学パターン１０のうち、連続して配列された２つの第１の領域１１を含む部分を示している。図１１に示す例では、発光体２０の幅２６は、光学パターン１０の単位幅の２倍に相当する。
　領域１１ｃは、単位幅の２つの第１の領域１１が連続して配列されている領域である。領域１１ｃの幅は、発光体２０の幅２６と同じである。第１の領域１１ｄは、１つの第２の領域１２を間に挟んで領域１１ｃと隣り合う第１の領域１１である。
　光線２７は、発光体２０のうちマイナスＸ方向の端から射出され、領域１１ｃのうちプラスＸ方向の端へ入射した光線である。光線２８は、発光体２０のうちプラスＸ方向の端から射出され、第１の領域１１ｄのうちマイナスＸ方向の端へ入射した光線である。光線２７と光線２８とは、互いに平行ではなく、イメージセンサ４の受光面において互いに交わる。イメージセンサ４は、領域１１ｃの光と第１の領域１１ｄの光とを互いに分離して検出することができる。これにより、イメージセンサ４は、ビット幅の２倍に相当する幅２６の発光体２０を用いて、第１の領域１１および第２の領域１２を高い分解能で検出することが可能である。
　仮に、図１１に示す状態より発光体２０の幅２６が領域１１ｃの幅より拡大されたとする。この場合、光線２７と光線２８とは、イメージセンサ４の受光面の手前において互いに交わる。この場合、イメージセンサ４では、領域１１ｃからの光と第１の領域１１ｄからの光とが互いに分離されずに検出されることとなる。この場合、イメージセンサ４は、第１の領域１１および第２の領域１２を高い分解能で検出することが困難となる。
　実施の形態１では、発光体２０の幅２６が、光学パターン１０のうち第１の領域１１が連続して配列されている部分の最大幅以下とされている。また、発光体２０の幅２６が、光学パターン１０のうち第２の領域１２が連続して配列されている部分の最大幅以下とされている。これにより、イメージセンサ４は、各第１の領域１１からの光と、第１の領域１１が連続して配置されている各部分からの光とを分離して検出することができるため、光学パターン１０を高い分解能で検出することができる。アブソリュートエンコーダ１は、高精度かつ高い分解能でスケール２の回転角度を求めることができる。
　次に、光学パターン１０に置き換えられるデータの符号化について説明する。図１２は、図１に示す光学パターン１０へ置き換えられるデータについて説明する図である。ビット列５５は、絶対位置データから擬似ランダム符号への符号化により得られたビット列とする。ビット列５６は、擬似ランダム符号であるビット列５５からマンチェスター符号への符号化により得られたビット列とする。
　アブソリュートエンコーダ１による測定の精度と分解能とを向上可能とするために、絶対位置データが割り当てられる位置の数を増加させた場合、擬似ランダム符号のビット数も増加することとなる。ビット列５５のビット数が増加するほど、ビット列５５の中においてビット「０」が連続する部分とビット「１」が連続する部分との頻度が増加することとなる。１つの例において、スケール２の回転角度により、ビット「１」を表す複数の第１の領域１１が連続して配置されている部分の幅と、１つの第１の領域１１が単独で配置されている部分の幅とが大きく異なることがあり得る。この場合、光の回折作用により、複数の第１の領域１１の部分と１つの第１の領域１１の部分とでは、イメージセンサ４で検出される光の強度に差が生じることがある。イメージセンサ４で検出される光の強度がスケール２の回転角度によってばらつくこととなるため、角度演算部１３における回転角度の演算の精度と分解能とが低下することがあり得る。
　マンチェスター符号への符号化により、符号化前のデータにおけるビット「０」の信号は、ＬレベルからＨレベルへ遷移する信号へ置き換えられる。また、符号化前のデータにおけるビット「１」の信号は、ＨレベルからＬレベルへ遷移する信号へ置き換える。これにより、擬似ランダム符号であるビット列５５のビット「０」は、マンチェスター符号であるビット列５６においてビット「０１」に置き換えられる。擬似ランダム符号であるビット列５５のビット「１」は、マンチェスター符号であるビット列５６においてビット「１０」に置き換えられている。
　図１２に示す例では、ビット列５５において３つのビット「１」が連続している部分は、ビット列５６においていずれもビット「１０」に置き換えられることにより解消されている。このように、マンチェスター符号への符号化により、連続する３つ以上のビット「０」と、連続する３つ以上のビット「１」とが解消される。また、ビット列５５のビット「０」とビット「１」とが連続する部分が、ビット列５６ではビット「０１１０」に置き換えられることで、ビット列５６には２つのビット「１」が連続する部分が生じている。ビット列５５のビット「１」とビット「０」とが連続する部分が、ビット列５６ではビット「１００１」に置き換えられることで、ビット列５６には２つのビット「０」が連続する部分が生じている。このように、マンチェスター符号への符号化により、連続するビット「０」の最大数と、連続するビット「１」の最大数とを、いずれも２つとすることが可能となる。
　光学パターン１０の第１の領域１１と第２の領域１２とは、ビット列５６にしたがって配列される。光学パターン１０のうち第１の領域１１が連続して配列されている部分の最大幅と、第２の領域１２が連続して配列されている部分の最大幅とは、光学パターン１０の単位幅の２倍となる。かかる最大幅が単位幅の２倍に抑えられることで、アブソリュートエンコーダ１は、高精度かつ高い分解能でスケール２の回転角度を求めることができる。
　ここで、インクリメンタルエンコーダとの比較におけるアブソリュートエンコーダ１の利点について説明する。インクリメンタルエンコーダの場合、検出されたパルス信号の数を積算してスケール２の回転角度を求める。原点を基準とする回転角度を検出するために、測定のたびに原点復帰の動作が行われる。原点復帰とは、スケール２の回転角度を原点に戻すことをいう。アブソリュートエンコーダ１では、絶対位置を検出可能であることから、原点復帰の動作が不要である。このため、アブソリュートエンコーダ１には、測定が開始されるまでの時間を短縮できるという利点がある。
　図１に示す制御部５の機能の全部あるいは任意の一部は、ＣＰＵ（Central　Processing　Unit）あるいはマイクロコンピュータ上で実行しても良い。制御部５の機能の全部あるいは任意の一部は、ＣＰＵあるいはマイクロコンピュータにて解析および実行されるプログラム上で実行しても良い。または、制御部５の機能の全部あるいは任意の一部は、ワイヤードロジックによるハードウェア上で実行しても良い。
　図１３は、図１に示す制御部５の機能を実行するアブソリュートエンコーダ１のハードウェア構成の例を示す図である。アブソリュートエンコーダ１は、通信インタフェースである通信部８１と、各種処理を実行するＣＰＵ８２と、図１に示す発光素子３およびイメージセンサ４との間の入出力インタフェースである入出力部８３とを備える。また、アブソリュートエンコーダ１は、プログラム格納領域およびデータ格納領域を含むＲＡＭ（Random　Access　Memory）８４と、不揮発性メモリであるＲＯＭ（Read　Only　Memory）８５とを備える。バス８６は、通信部８１と、ＣＰＵ８２と、入出力部８３と、ＲＡＭ８４と、ＲＯＭ８５を接続する。
　通信部８１は、角度演算部１３での演算結果である回転角度のデータを外部へ送信する。ＲＯＭ８５には、各種処理のためのプログラムが格納されている。プログラムは、ＲＯＭ８５以外に、ドライブでの読み取りが可能な記録媒体に記録されたものでも良い。記録媒体は、可搬型記録媒体であるＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤディスクあるいはＵＳＢメモリ、半導体メモリであるフラッシュメモリのいずれであっても良い。図１３には、ドライブおよび記録媒体の図示を省略している。
　プログラムは、ＲＡＭ８４にロードされる。ＣＰＵ８２は、ＲＡＭ８４内のプログラム格納領域にてプログラムを展開して各種処理を実行する。ＲＡＭ８４内のデータ格納領域は、各種処理の実行における作業領域とされる。角度演算部１３、光源制御部１４およびセンサ制御部１７の機能は、ＣＰＵ８２を使用して実現される。図１に示すＬＵＴ１６は、ＲＡＭ８４に格納される。記憶部１５の機能は、ＲＡＭ８４を使用して実現される。
　実施の形態１によると、アブソリュートエンコーダ１は、第１の領域１１が連続して配列されている部分の幅と、第２の領域１２が連続して配列されている部分の幅とのいずれよりも発光体２０の幅を小さくすることで、第１の領域１１および第２の領域１２を高い分解能で検出することができる。また、マンチェスター符号のビット列へ符号化されたデータが第１の領域１１と第２の領域１２へ置き換えられていることで、第１の領域１１が連続して配列されている部分の最大幅と、第２の領域１２が連続して配列されている部分の最大幅とが、光学パターン１０の単位幅の２倍に抑えられる。アブソリュートエンコーダ１は、高精度かつ高い分解能でスケール２の回転角度を求めることができる。さらに、アブソリュートエンコーダ１は、光量調整部である光源制御部１４による発光素子３の光量の調整により、高精度かつ高い分解能でスケール２の回転角度を求めることができる。以上により、アブソリュートエンコーダ１は、高精度かつ高い分解能で測定対象物の回転角度を測定できるという効果を奏する。
実施の形態２．
　図１４は、実施の形態２にかかるアブソリュートエンコーダ１の光源制御部１４による光量調整について説明する図である。実施の形態２において、光量調整部である光源制御部１４は、図８に示す最大値５２，５３に代えて、平均値６３，６４を使用して光量調整を行う。実施の形態１と同一の部分には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
　図１４の左側には、標準の温度であるときの信号３７の強度分布の例を示している。図１４の右側には、温度が標準の温度より上昇した場合における強度分布補正部３１からの信号６１の強度分布の例を示している。信号６１の振幅は、信号３７の振幅に比べて縮小している。また、信号６１のＨレベルより高いレベルのノイズ６２が、信号６１に生じている。実施の形態２の光源制御部１４は、信号３７の強度Ｉの平均値６３と、信号６１の強度Ｉの平均値６４との比率を算出して、比率を用いて発光素子３の駆動電流値を調整する。
　光学パターン１０の第１の領域１１と第２の領域１２とは、図１２に示すマンチェスター符号であるビット列５６にしたがって配列されている。イメージセンサ４で検出される像において、ビット「１」に対応する第１の領域１１の数と、ビット「０」に対応する第２の領域１２の数とは、互いに同じであるか１つ程度の違いとなる。このため、標準時の信号３７から算出される平均値６３は、回転角度に関わらず一定とみなせる。よって、光源制御部１４は、平均値６３と平均値６４との比率を基に、発光素子３の光量を一定とする調整を行うことができる。
　図１５は、実施の形態２における光源制御部１４の光量調整の手順を示すフローチャートである。光源制御部１４は、強度分布補正部３１での補正を経た信号６１を、強度分布補正部３１から取得する。ステップＳ１１において、光源制御部１４は、取得された信号６１における強度Ｉの平均値６４を検出する。
　ステップＳ１２において、光源制御部１４は、ステップＳ１１で検出された平均値６４と、標準時の信号３７における強度Ｉの平均値６３との比率を算出する。ステップＳ１３において、光源制御部１４は、ステップＳ１２において算出された比率を基に、発光素子３の駆動電流値を調整する。光源制御部１４は、駆動電流値に比率を乗算することで、発光素子３の光量が標準時と同じ光量となるように駆動電流値を調整する。光源制御部１４は、平均値６３，６４を使用して光量調整を行うことで、光量調整におけるノイズ６２の影響を低減可能とする。
　アブソリュートエンコーダ１は、光源制御部１４の光量調整により、測定場所の環境条件が変化しても高精度かつ高い分解能でスケール２の回転角度を求めることができる。なお、光源制御部１４は、実施の形態１と同様に、強度分布補正部３１での補正前の信号３６における強度Ｉの平均値を基に光量を調整しても良い。また、光源制御部１４は、測定場所の温度以外の環境条件、あるいは環境条件以外の条件の変化があった場合にも、発光素子３の光量を調整しても良い。
　実施の形態２によると、アブソリュートエンコーダ１は、光量調整部である光源制御部１４により、平均値６３，６４を使用して発光素子３の光量を調整する。アブソリュートエンコーダ１は、高精度かつ高い分解能でスケール２の回転角度を求めることができる。以上により、アブソリュートエンコーダ１は、高精度かつ高い分解能で測定対象物の回転角度を測定できるという効果を奏する。
実施の形態３．
　図１６は、実施の形態３にかかるアブソリュートエンコーダ１の光源制御部１４による光量調整について説明する図である。実施の形態３において、光量調整部である光源制御部１４は、図１４に示す平均値６３，６４に代えて、最大値７４Ａ，７４Ｂ，７４Ｃの平均値と最大値７５Ａ，７５Ｂ，７５Ｃの平均値とを使用して光量調整を行う。実施の形態１と同一の部分には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
　図１６の左側には、標準の温度であるときの信号３７の強度分布の例を示している。図１６の右側には、温度が標準の温度より上昇した場合における強度分布補正部３１からの信号７１の強度分布の例を示している。信号７１の振幅は、信号３７の振幅に比べて縮小している。また、信号７１には、ピークが欠落している部分７３が生じている。かかるピークの欠落が生じる要因の１つの例は、光学パターン１０とイメージセンサ４との間の光路に侵入した異物によって光が遮られることである。
　実施の形態３の光源制御部１４は、Ｘ軸方向において３つの領域７２Ａ，７２Ｂ，７２Ｃにイメージセンサ４を分けて、各領域７２Ａ，７２Ｂ，７２Ｃにおける信号７１の最大値７５Ａ，７５Ｂ，７５Ｃを算出する。また、光源制御部１４は、各領域７２Ａ，７２Ｂ，７２Ｃにおける信号３７の最大値７４Ａ，７４Ｂ，７４Ｃを算出する。光源制御部１４は、信号３７の最大値７４Ａ，７４Ｂ，７４Ｃの平均値と、信号７１の最大値７５Ａ，７５Ｂ，７５Ｃの平均値との比率を算出して、比率を用いて発光素子３の駆動電流値を調整する。
　図１７は、実施の形態３における光源制御部１４の光量調整の手順を示すフローチャートである。光源制御部１４は、強度分布補正部３１での補正を経た信号７１を、強度分布補正部３１から取得する。ステップＳ２１において、光源制御部１４は、取得された信号７１から、領域７２Ａ，７２Ｂ，７２Ｃごとにおける強度Ｉの最大値７５Ａ，７５Ｂ，７５Ｃを検出する。ステップＳ２２において、光源制御部１４は、ステップＳ２１で検出された最大値７５Ａ，７５Ｂ，７５Ｃの平均値を算出する。
　ステップＳ２３において、光源制御部１４は、ステップＳ２２において算出された平均値と、標準時の信号３７における最大値７４Ａ，７４Ｂ，７４Ｃの平均値との比率を算出する。ステップＳ２４において、光源制御部１４は、ステップＳ２３において算出された比率を基に、発光素子３の駆動電流値を調整する。光源制御部１４は、駆動電流値に比率を乗算することで、発光素子３の光量が標準時と同じ光量となるように駆動電流値を調整する。光源制御部１４は、領域７２Ａ，７２Ｂ，７２Ｃごとにおける最大値７４Ａ，７４Ｂ，７４Ｃの平均値と最大値７５Ａ，７５Ｂ，７５Ｃの平均値とを使用して光量調整を行うことで、イメージセンサ４全体の強度Ｉの平均値を使用する場合と比較して、光量調整における欠落の部分７３の影響を低減可能とする。
　光源制御部１４は、イメージセンサ４を３つの領域７２Ａ，７２Ｂ，７２Ｃに分けて最大値７５Ａ，７５Ｂ，７５Ｃを検出するものに限られない。領域の数は２つであっても良く、４つ以上であっても良い。
　アブソリュートエンコーダ１は、光源制御部１４の光量調整により、測定場所の環境条件が変化しても高精度かつ高い分解能でスケール２の回転角度を求めることができる。なお、光源制御部１４は、実施の形態１および２と同様に、強度分布補正部３１での補正前の信号における強度Ｉの平均値を基に光量を調整しても良い。また、光源制御部１４は、測定場所の温度以外の環境条件、あるいは環境条件以外の条件の変化があった場合にも、発光素子３の光量を調整しても良い。
　実施の形態３によると、アブソリュートエンコーダ１は、光量調整部である光源制御部１４により、領域７２Ａ，７２Ｂ，７２Ｃごとにおける最大値７４Ａ，７４Ｂ，７４Ｃの平均値と最大値７５Ａ，７５Ｂ，７５Ｃの平均値とを使用して発光素子３の光量を調整する。アブソリュートエンコーダ１は、高精度かつ高い分解能でスケール２の回転角度を求めることができる。以上により、アブソリュートエンコーダ１は、高精度かつ高い分解能で測定対象物の回転角度を測定できるという効果を奏する。
　実施の形態１から３のアブソリュートエンコーダ１は、ロータリーエンコーダに代えて、リニアエンコーダであっても良い。リニアエンコーダであるアブソリュートエンコーダ１は、直線方向へ動作する測定対象物の位置を測定する。この場合、アブソリュートエンコーダ１では、直線方向におけるスケール２の絶対位置ごとに、固有の絶対位置データが割り当てられている。アブソリュートエンコーダ１は、イメージセンサ４における光学パターン１０の検知結果へのデコードにより、直線方向におけるスケール２の位置を求める。リニアエンコーダであるアブソリュートエンコーダ１は、高精度かつ高い分解能で測定対象物の位置を測定することができる。
　以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。
　１　アブソリュートエンコーダ、２　スケール、３　発光素子、４　イメージセンサ、５　制御部、６　シャフト、１０　光学パターン、１１，１１ａ，１１ｂ，１１ｄ　第１の領域、１１ｃ，７２Ａ，７２Ｂ，７２Ｃ　領域、１２　第２の領域、１３　角度演算部、１４　光源制御部、１５　記憶部、１６　ＬＵＴ、１７　センサ制御部、２０　発光体、２１，２２，２７，２８　光線、２３，２４　距離、２５　主光線、２６　幅、３１　強度分布補正部、３２　エッジ検出部、３３　粗データ算出部、３４　位相ずれ算出部、３５　絶対位置算出部、３６，３７，５１，６１，７１　信号、３８　回転角度のデータ、３９　閾値レベル、４０　絶対位置データ、４２　エッジ位置、４３　位相ずれ量、４４　基本周期、５２，５３，７４Ａ，７４Ｂ，７４Ｃ，７５Ａ，７５Ｂ，７５Ｃ　最大値、６２　ノイズ、６３，６４　平均値、５５，５６　ビット列、８１　通信部、８２　ＣＰＵ、８３　入出力部、８４　ＲＡＭ、８５　ＲＯＭ、８６　バス。

Claims (9)

  1. 　光学パターンが設けられ、可動とされたスケールと、
    　前記光学パターンへ進行させる光を射出する発光体と、
    　前記光学パターンからの光を検出して、検出された光の強度を表す信号を出力するセンサと、
    　前記センサからの前記信号を基に、前記スケールの位置を求める演算部と
    　を備え、
    　前記光学パターンでは、前記スケールがとり得る位置ごとに割り当てられた固有のデータから符号化されたデータが、第１の領域と、前記センサにて前記第１の領域とは異なる光強度で検出可能とされた第２の領域との配列に置き換えられており、
    　前記発光体の幅が、前記第１の領域が連続して配列されている部分の幅と、前記第２の領域が連続して配列されている部分の幅とのいずれよりも小さいことを特徴とするアブソリュートエンコーダ。
  2. 　前記第１の領域が連続して配列されている部分の最大幅と、前記第２の領域が連続して配列されている部分の最大幅とが、前記第１の領域と前記第２の領域との配列の単位幅の２倍であることを特徴とする請求項１に記載のアブソリュートエンコーダ。
  3. 　前記符号化されたデータは、マンチェスター符号のビット列であることを特徴とする請求項１または２に記載のアブソリュートエンコーダ。
  4. 　前記符号化されたデータは、前記固有のデータから擬似ランダム符号への符号化により得られたビット列に、さらに前記マンチェスター符号への符号化を施すことにより得られたビット列であることを特徴とする請求項３に記載のアブソリュートエンコーダ。
  5. 　前記スケールは、回転可能とされ、
    　前記演算部は、前記スケールの位置である回転角度を求めることを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載のアブソリュートエンコーダ。
  6. 　前記センサでの光の強度の検出結果を基に、前記発光体の光量を調整する光量調整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つに記載のアブソリュートエンコーダ。
  7. 　前記光量調整部は、前記センサからの前記信号における強度の最大値と、標準の信号における強度の最大値との比率を基に、前記発光体の光量を調整することを特徴とする請求項６に記載のアブソリュートエンコーダ。
  8. 　前記光量調整部は、前記センサからの前記信号における強度の平均値と、標準の信号における強度の平均値との比率を基に、前記発光体の光量を調整することを特徴とする請求項６に記載のアブソリュートエンコーダ。
  9. 　前記光量調整部は、前記センサの領域ごとにおける前記信号の最大値の平均値と、標準の信号における前記センサの領域ごとの強度の最大値の平均値との比率を基に、前記発光体の光量を調整することを特徴とする請求項６に記載のアブソリュートエンコーダ。
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