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技術 アブソリュートエンコーダ

出願人 三菱電機株式会社
発明者 野口琢也那須督仲嶋一竹山治彦佐々木通関真規人立井芳直竹田滋紀武舎武史ソーントン、ジェイ・イーアグラワル、アミット
出願日 2016年4月4日 (4年8ヶ月経過) 出願番号 2017-511358
公開日 2017年10月26日 (3年2ヶ月経過) 公開番号 2017-531783
状態 特許登録済
技術分野 感知要素の出力の伝達及び変換 光学的変換
主要キーワード 歪誤差 移動平均フィルター 単スリット M系列 ビット中心 平滑処理後 位置関数 歪情報
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2017年10月26日)のものです。
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図面 (20)

課題・解決手段

高分解能で且つ、高精度に絶対角度を検出することを可能とした、アブソリュートエンコーダを提供する。スケールの絶対値符号パターンイメージセンサ受光し、受光した信号からエッジ検出部でエッジ画素位置とエッジの方向を検出し、エッジ位置補正部でエッジ画素位置をエッジの方向に基づいて補正し、補正したエッジ画素位置から位相検出部でイメージセンサの基準画素位置に対する位相ずれ量を検出し、高精度検出部で粗検出部で検出した粗い絶対位置と位相検出部で検出した位相ずれ量から高精度な絶対位置を検出する。

概要

背景

工作機械ロボット等の分野では、高精度な位置決め制御を実現するために、アブソリュートエンコーダが用いられている。アブソリュートエンコーダは、例えば、明暗光学パターンを有するスケールと、スケール上に光を照射するための発光素子と、スケールの透過光、又は反射光を検出するための受光素子と、受光素子の後段に配置された演算装置とを備え、モータ等の回転軸に連結されたスケールの絶対角度を検出する。

この種のアブソリュートエンコーダは一般に、粗い絶対角度を検出するための角度固有パターンを有するアブソリュートパターンと、分解能を高めるための等間隔で配置されたインクリメンタルパターンをスケール上に有している。このような構成により、分解能の高い絶対角度を検出することが可能となる。

しかしながら分解能向上に伴い、従来考慮されてこなかった誤差が無視できなくなってきており、より高精度な検出方法が重要となる。

従来、高精度検出を実現する手法として特許文献1及び特許文献2に示すような手法が提案されている。

例えば特許文献1では、例えばアブソリュートロータリーエンコーダが、円筒面に複数のマークが一定周期周方向に沿って配列された回転する円筒体と、円筒面に光を出射する光源と、マークの周期よりも小さいピッチで配置された複数の光電変換素子によってマークを検出する検出器と、検出器の出力に基づいて絶対角度を算出する算出部とを備え、算出部では、補正データを用いて円筒面と検出器との幾何学的配置に起因する歪誤差補正するように構成されている。
また、特許文献2では、変位検出装置が、インクリメンタル成分を含んだスケールパターンを有するスケールと、スケールパターンを光によって結像させる光学系と、結像されたスケールパターンを検出するための受光素子アレイと、受光素子アレイの信号に基づいてスケールの位置を解析する演算回路とを備え、光学系の歪情報から得られた歪テーブルに基づいて受光素子の位置を仮想的に配置変更し光学系の歪を除去するように構成されている。

概要

高分解能で且つ、高精度に絶対角度を検出することを可能とした、アブソリュートエンコーダを提供する。スケールの絶対値符号パターンをイメージセンサ受光し、受光した信号からエッジ検出部でエッジ画素位置とエッジの方向を検出し、エッジ位置補正部でエッジ画素位置をエッジの方向に基づいて補正し、補正したエッジ画素位置から位相検出部でイメージセンサの基準画素位置に対する位相ずれ量を検出し、高精度検出部で粗検出部で検出した粗い絶対位置と位相検出部で検出した位相ずれ量から高精度な絶対位置を検出する。

目的

本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、高分解能で且つ、高精度に絶対角度を検出することを可能とした、アブソリュートエンコーダを提供する

効果

実績

技術文献被引用数
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牽制数
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請求項1

絶対値符号パターンを有するスケールと、前記スケールに光を照射するための発光素子と、前記スケールからの光を受光するためのイメージセンサと、前記イメージセンサからの出力をデジタル出力に変換するためのA/D変換器と、絶対位演算部であって、前記A/D変換器からの信号強度から、予め設定された閾値レベルに基づいて、前記絶対値符号パターンの前記イメージセンサ上でのエッジ画素位置及び、前記絶対値符号パターンの前記エッジ画素位置でのエッジの方向を検出するエッジ検出部と、前記エッジ検出部で求めた前記エッジ画素位置を、エッジの方向として検出した立上りエッジ及び立下りエッジに応じて補正するエッジ位置補正部と、を含み、補正したエッジ画素位置を元に、前記スケールの絶対位置を求めるものと、を備えたアブソリュートエンコーダ

請求項2

前記エッジ検出部で求めた、エッジ画素位置と、エッジの方向から、立上りエッジと立下りエッジの間をHighビット、立下りエッジと立上りエッジの間をLowビットとし、前記Highビットの幅と、前記Lowビットの幅の差から、前記エッジ位置補正部で補正するエッジ画素位置のエッジ補正量を求める、請求項1に記載のアブソリュートエンコーダ。

請求項3

前記Highビット及び前記Lowビットの幅は、前記スケール上の前記絶対値符号パターンを構成する最小線幅1個分に相当する基本周期幅であって、前記エッジ検出部で求めたエッジ画素位置に隣接する、Highビット及びLowビットの基本周期幅をそれぞれfh、flとして、エッジ画素位置のエッジ補正量δをδ=(fl−fh)/4の式で求める、請求項2に記載のアブソリュートエンコーダ。

請求項4

前記エッジ検出部で求めたエッジ画素位置をx、立上りエッジに対する補正後のエッジ画素位置をXR、立下りエッジに対する補正後のエッジ画素位置をXF、として、前記エッジ検出部で求めたエッジ画素位置xに隣接するHighビットとLowビットの基本周期幅の差から求めた補正量δを用いて、立上りエッジ及び立下りエッジに応じて、XR=x−δXF=x+δの式でエッジ画素位置を補正する、請求項3に記載のアブソリュートエンコーダ。

請求項5

前記エッジ検出部で求めた、画素位置と、立上りエッジ及び立下りエッジから、Highビット及びLowビットの前記スケール上の前記絶対値符号パターンを構成する最小線幅1個分に相当する基本周期幅を求め、前記イメージセンサの異なる複数の画素位置での、Highビット及びLowビットの基本周期幅データから、前記イメージセンサの画素位置xの関数として近似関数解析し、Highビットの基本周期幅データの近似関数をfh(x)、Lowビットの基本周期幅データの近似関数をfl(x)として、画素位置xに対するエッジ補正量δ(x)をδ(x)=(fl(x)−fh(x))/4の式で求める、請求項2に記載のアブソリュートエンコーダ。

請求項6

前記エッジ検出部で求めた前記エッジ画素位置をx、立上りエッジに対する補正後のエッジ画素位置をXR、立下りエッジに対する補正後のエッジ画素位置をXF、として、前記イメージセンサの画素位置の関数として求めた補正量δ(x)を用いて、立上りエッジ及び立下りエッジに応じてXR(x)=x−δ(x)XF(x)=x+δ(x)の式でエッジ画素位置を補正する、請求項5に記載のアブソリュートエンコーダ。

請求項7

前記エッジ位置補正部で補正するエッジ補正量は、前記エッジ位置補正部で求める、請求項1に記載のアブソリュートエンコーダ。

請求項8

前記絶対位置演算部に、エッジ補正データメモリを設け、前記エッジ補正データメモリには、予め計測しておいた、前記エッジ位置補正部で補正するエッジ補正量の情報を格納し、前記エッジ位置補正部では、前記エッジ補正データメモリ内のエッジ補正量の情報を用いて、エッジ画素位置を補正する、請求項1に記載のアブソリュートエンコーダ。

請求項9

前記絶対位置演算部に、前記エッジ補正データメモリと、補正データ再計算部を設け、前記エッジ検出部で求めた、エッジ画素位置と、立上りエッジ及び立下りエッジの情報を、前記補正データ再計算部へ送り、前記補正データ再計算部で、Highビット及びLowビットの前記スケール上の前記絶対値符号パターンを構成する最小線幅1個分に相当する基本周期幅を解析し、前記イメージセンサの異なる複数の画素位置での、Highビット及びLowビットの基本周期幅データから、前記イメージセンサの画素位置xの関数として近似関数を解析し、Highビットの基本周期幅データの近似関数と、Lowビットの基本周期幅データの近似関数から、画素位置xに対するエッジ補正量δ(x)を求め、求めたエッジ補正量δ(x)の情報で、前記エッジ補正データメモリ内のデータを更新する、請求項8に記載のアブソリュートエンコーダ。

請求項10

前記絶対位置演算部が、前記エッジ検出部で検出した、立上りエッジ及び立下りエッジの情報と、前記エッジ位置補正部で補正したエッジ画素位置から、HighビットとLowビットを1/0のビット列に変換するためのデコード部と、前記デコード部で検出した1/0のビット列から、前記スケールの粗い絶対位置を検出するための粗検出部と、前記エッジ位置補正部で補正したエッジ画素位置から、前記イメージセンサの基準画素位置に対する位相ずれ量を検出するための位相検出部と、前記粗検出部で検出した粗い絶対位置と、前記位相検出部で検出した位相ずれ量から高精度な絶対位置を検出するための高精度検出部と、含む、請求項1に記載のアブソリュートエンコーダ。

請求項11

前記スケールの前記絶対値符号パターンは、疑似ランダム符号マンチェスター符号化したパターンで構成され、前記絶対位置演算部がABSパターン補正データメモリを含み、前記位相検出部では、前記エッジ位置補正部で補正したエッジ画素位置の情報を元に、最小二乗法フィッティングした結果から位相ずれ量を求め、最小二乗法でフィッティングした結果と、前記エッジ位置補正部で補正したエッジ画素位置との残差を求め、求めた残差の結果を、それぞれのエッジ画素位置に対して、前記絶対値符号パターンを構成する最小線幅を1ビットとして、前記粗検出部で求めた粗い絶対位置に相当するビット列を元に、エッジ画素位置を跨ぐ前後2ビットのパターンを検出し、0011、0010、1011、1010、1100、1101、0100、0101の計8つのグループに分け、8つのグループそれぞれに対して、残差の結果から近似関数を解析し、前記ABSパターン補正データメモリは、予め求めた8つのグループ毎の近似関数の情報を格納し、前記位相検出部では、前記ABSパターン補正データメモリ内の8つのグループ毎の近似関数を元に、エッジ画素位置を補正し、補正したエッジ画素位置から、前記イメージセンサの基準画素位置に対する位相ずれ量を検出する、請求項10に記載のアブソリュートエンコーダ。

請求項12

前記スケールには、前記絶対値符号パターンで構成されるトラックが1本だけ設けられている、請求項1に記載のアブソリュートエンコーダ。

技術分野

0001

この発明は、測定対象物の絶対位置を検出するアブソリュートエンコーダに関するものである。

背景技術

0002

工作機械ロボット等の分野では、高精度な位置決め制御を実現するために、アブソリュートエンコーダが用いられている。アブソリュートエンコーダは、例えば、明暗光学パターンを有するスケールと、スケール上に光を照射するための発光素子と、スケールの透過光、又は反射光を検出するための受光素子と、受光素子の後段に配置された演算装置とを備え、モータ等の回転軸に連結されたスケールの絶対角度を検出する。

0003

この種のアブソリュートエンコーダは一般に、粗い絶対角度を検出するための角度固有パターンを有するアブソリュートパターンと、分解能を高めるための等間隔で配置されたインクリメンタルパターンをスケール上に有している。このような構成により、分解能の高い絶対角度を検出することが可能となる。

0004

しかしながら分解能向上に伴い、従来考慮されてこなかった誤差が無視できなくなってきており、より高精度な検出方法が重要となる。

0005

従来、高精度検出を実現する手法として特許文献1及び特許文献2に示すような手法が提案されている。

0006

例えば特許文献1では、例えばアブソリュートロータリーエンコーダが、円筒面に複数のマークが一定周期周方向に沿って配列された回転する円筒体と、円筒面に光を出射する光源と、マークの周期よりも小さいピッチで配置された複数の光電変換素子によってマークを検出する検出器と、検出器の出力に基づいて絶対角度を算出する算出部とを備え、算出部では、補正データを用いて円筒面と検出器との幾何学的配置に起因する歪誤差補正するように構成されている。
また、特許文献2では、変位検出装置が、インクリメンタル成分を含んだスケールパターンを有するスケールと、スケールパターンを光によって結像させる光学系と、結像されたスケールパターンを検出するための受光素子アレイと、受光素子アレイの信号に基づいてスケールの位置を解析する演算回路とを備え、光学系の歪情報から得られた歪テーブルに基づいて受光素子の位置を仮想的に配置変更し光学系の歪を除去するように構成されている。

先行技術

0007

米国特許第8,759,747号(FIG.3)
特開2013−96757号公報(図5)

発明が解決しようとする課題

0008

しかしながら、上述した特許文献1及び特許文献2の課題として以下の点が挙げられる。
特許文献1におけるABSOLUTE ROTARY ENCODER(アブソリュート・ロータリー・エンコーダ)においては、検出器の位置毎に円筒面の影響を補正しているため円筒面の影響を除去することが可能である。しかしながら、高分解能化するために、マークの周期を狭くしていくと光の回折現象により、受光した信号の明部と暗部で構成されたマークの明部の幅と、暗部の幅が異なるため、検出器の位置毎の補正だけでは高精度化ができないという問題があった。

0009

一方、特許文献2における変位検出装置、変位検出方法及び変位検出プログラムにおいては、検出器の位置毎に光学系の歪を補正するようにしているため、結像レンズの歪による精度悪化を抑制することが可能であるが、特許文献1と同様に、高分解能化するために、マークの周期を狭くしていくと光の回折現象により、明部と暗部で構成されたマークの明部の幅と、暗部の幅が異なるため、検出器の位置毎の補正だけでは高精度化ができないという問題があった。

0010

本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、高分解能で且つ、高精度に絶対角度を検出することを可能とした、アブソリュートエンコーダを提供することを目的としている。

課題を解決するための手段

0011

この発明におけるアブソリュートエンコーダは、絶対値符号パターンを有するスケールと、前記スケールに光を照射するための発光素子と、前記スケールからの光を受光するためのイメージセンサと、前記イメージセンサからの出力をデジタル出力に変換するためのA/D変換器と、絶対位置演算部であって、前記A/D変換器からの信号強度から、予め設定された閾値レベルに基づいて、前記絶対値符号パターンの前記イメージセンサ上でのエッジ画素位置及び、前記絶対値符号パターンの前記エッジ画素位置でのエッジの方向を検出するエッジ検出部と、前記エッジ検出部で求めた前記エッジ画素位置を、エッジの方向として検出した立上りエッジ及び立下りエッジに応じて補正するエッジ位置補正部と、を含み、補正したエッジ画素位置を元に、前記スケールの絶対位置を求めるものと、を備えるものである。

発明の効果

0012

この発明におけるアブソリュートエンコーダでは、高分解能化するためにスケールの絶対値符号パターンの最小線幅を狭くした場合であっても、光の回折の影響を受けることなく、高精度に絶対位置を検出することが可能となる。

図面の簡単な説明

0013

本発明の実施の形態1によるアブソリュートエンコーダの構成を示す図である。
本発明の実施の形態1によるアブソリュートエンコーダのイメージセンサ上に投影される光量分布の一例を示す図である。
本発明の実施の形態1によるアブソリュートエンコーダの光量補正部での補正後波形の一例を示す図である。
本発明の実施の形態1によるアブソリュートエンコーダの平滑化処理部での処理後波形の一例を示す図である。
本発明の実施の形態1によるアブソリュートエンコーダのエッジ検出部の動作を説明する図である。
本発明の実施の形態1によるアブソリュートエンコーダのエッジ検出部の動作を説明する図である。
本発明の実施の形態1によるアブソリュートエンコーダのエッジ補正量の求め方を説明する図である。
本発明の実施の形態1によるアブソリュートエンコーダのエッジ位置補正部の動作を説明する図である。
本発明の実施の形態1によるアブソリュートエンコーダのデコード部の動作を説明する図である。
本発明の実施の形態1によるアブソリュートエンコーダの位相検出部の動作を説明する図である。
本発明の実施の形態2によるアブソリュートエンコーダの構成を示す図である。
回折の影響によりHighビットとLowビットの幅が変化することを説明するための図である。
本発明の実施の形態2によるアブソリュートエンコーダのエッジ補正量の求め方を説明する図である。
本発明の実施の形態2によるアブソリュートエンコーダのHighビット及びLowビットの基本周期幅データ計測した一例を示す図である。
本発明の実施の形態3によるアブソリュートエンコーダの構成を示す図である。
本発明の実施の形態3によるアブソリュートエンコーダのHighビット及びLowビットの基本周期幅データを計測した一例を示す図である。
本発明の実施の形態4によるアブソリュートエンコーダの構成を示す図である。
本発明の実施の形態4によるアブソリュートエンコーダのエッジグループを説明するための図である。
本発明の実施の形態4によるアブソリュートエンコーダのエッジ位置残差を計測した一例を示す図である。
本発明の実施の形態4によるアブソリュートエンコーダの補正方法を説明するための図である。
本発明の実施の形態4によるアブソリュートエンコーダの補正方法を説明するための図である。
本発明によるアブソリュートエンコーダの各実施の形態における絶対位置演算部のハードウェア構成の一例を示す概略構成図である。

実施例

0014

以下、この発明によるアブソリュートエンコーダを各実施の形態に従って図面を用いて説明する。なお、各実施の形態において、同一もしくは相当部分は同一符号で示し、重複する説明は省略する。

0015

実施の形態1.
本実施の形態1によるアブソリュートエンコーダ1の構成を図1に示す。アブソリュートエンコーダ1はその基本構成として、発光素子2と、イメージセンサ3と、スケール200と、A/D変換器4と、絶対位置演算部5とを備える。以下にアブソリュートエンコーダ1の構成部分について順次説明する。
発光素子2は、スケール200に光を照射するための照明部であり、例えば点光源LED等が用いられる。
イメージセンサ3は、スケール200からの光を受光するための光検出部であり、CCDイメージセンサCMOSイメージセンサ等の撮像デバイスが用いられる。本実施の形態では、イメージセンサ3は1次元の場合について説明するが、2次元であっても構わない。

0016

スケール200は、モータ等の回転シャフト6に連結され、円周方向に沿って複数の反射部301と非反射部302が配置された絶対値符号パターン300を有するトラックが1本だけ設けられている。ここで、反射部301とは、発光素子2からの光を反射する部分であり、また、非反射部302とは、発光素子2からの光を吸収、或いは透過、或いは反射部301の反射率よりも低い反射率で反射する部分であり、イメージセンサ3上に投影される光強度分布変調するように機能する。
絶対値符号パターン300は、スケール200の角度位置を特徴づけるように反射部301及び非反射部302で構成され、例えば、M系列等の疑似ランダム符号マンチェスター符号化した符号列が使用される。

0017

本実施の形態では、発光素子2とイメージセンサ3が共にスケール200の片側に配置された反射型エンコーダを例示するが、本発明は、スケール200を挟んで互いに対向する位置に発光素子2とイメージセンサ3を配置した透過型エンコーダにも同様に適用可能である。透過型エンコーダの場合には、絶対値符号パターン300は透過部と、非透過部で構成すればよい。反射型および透過型のいずれの場合であっても、イメージセンサ3上に投影される光強度分布を変調するように構成されていれば、絶対値符号パターン300の構成は特に限定されない。

0018

スケール200は、例えば、ガラス基板上にクロム等の金属を蒸着し、フォトリソグラフィーを用いて金属膜パターン加工することによって反射部301及び非反射部302が形成される。反射型エンコーダであれば反射部と非反射部が、透過型エンコーダであれば透過部と非透過部が形成できる構成であれば、スケール200の材料や作成方法は特に限定されない。

0019

A/D変換器4はイメージセンサ3からのアナログ信号デジタル信号に変換するための信号変換部である。

0020

絶対位置演算部5は、A/D変換器4からの出力に基づいて、スケール200の絶対位置を演算するための演算部であり、光量補正部100,平滑化処理部101,エッジ検出部102,エッジ位置補正部103、デコード部104,粗検出部105,位相検出部106,高精度検出部107で構成されている。

0021

ここで、絶対位置演算部5の動作について説明する。
まず、イメージセンサ3で取得した画像は、A/D変換器4でデジタル信号に変換され、光量補正部100に入力される。光量補正部100に入力される信号は、横軸画素位置,縦軸を信号強度とすると例えば図2に示すような光量分布70となる。図2におけるHighビット8は、スケール200の反射部301でのパターンを表し、Lowビット9は、スケール200の非反射部302でのパターンを表す。図2に示すように、イメージセンサ3上に投影されるスケール200の絶対値符号パターン300は、発光素子2自体の光量分布や、イメージセンサ3の各画素のゲイバラつきなどの影響により、Highビット8及びLowビット9は不均一な光量分布になる。そこで、光量補正部100では、不均一な光量分布を均一な光量分布となるように予め計測しておいた光量補正値に基づいて画素毎に補正を行い、例えば図3に示すような光量補正後の光量分布71を得る。

0022

次に、光量補正部100で補正された光量補正後の光量分布71は、平滑化処理部101へと送られ、光量補正後の光量分布71に対して平滑化処理が行われる。平滑化処理部101では、例えば、移動平均フィルターが使用され、例えば図4に示すような平滑処理後の光量分布72を得る。本実施の形態では、移動平均フィルターの例を示したが、ガウスフィルター等の処理を施しても良く、信号を滑らかにする方法であれば特に限定されない。また、本実施の形態では、光量補正後に平滑化処理を適用しているが、平滑化処理後に光量補正を適用しても構わない。また、平滑化処理を実施しない場合であっても、本発明は適用可能である。

0023

平滑化処理後の光量分布72は、エッジ検出部102へと送られ、エッジ検出部102では、予め設定しておいた閾値レベル10に一致するイメージセンサ3上でのエッジ位置(以下エッジ画素位置11)を求める。

0024

図5は、図4破線の枠で囲ったエッジ画素位置付近の拡大図である。
まず、図5のように、隣り合うi番目の画素とi+1番目の画素の信号強度から、i番目の画素の信号強度が閾値レベル10よりも小さく、且つi+1番目の画素の信号強度が閾値レベル10よりも大きい、又は、i番目の画素の信号強度が閾値レベル10よりも大きく、且つi+1番目の画素の信号強度が閾値レベル10よりも小さければ、エッジ有りと判定する。
次に、エッジ有りと判定されたi番目の画素とi+1番目の画素に対して、エッジ検出部102では、閾値レベル10を跨ぐi番目の画素とi+1番目の画素を線形補間することで、閾値レベル10に一致するエッジ画素位置11をサブピクセル処理によって求める。

0025

本実施の形態では、閾値レベル10を跨ぐ2点の画素から線形補間で閾値レベル10と一致するエッジ画素位置11を求めるようにしたが、閾値レベル10を跨ぐ2点以上の画素からエッジ画素位置11を求めるようにしてもよい。さらに、線形補間ではなく、2次関数や3次関数等の高次関数で補間してもよい。
また、エッジ検出部102では、エッジ画素位置11を求めると共に、閾値レベル10を跨ぐi番目の画素と、i+1番目の画素の信号強度から、i番目の画素の信号強度がi+1番目の画素の信号強度よりも小さければ立上りエッジ51、i番目の画素の信号強度がi+1番目の画素の信号強度よりも大きければ立下りエッジ52として、例えば図6のようにエッジの方向50を検出する。

0026

エッジ検出部102で検出したエッジ画素位置11とエッジの方向50は、エッジ位置補正部103へと送られ、エッジ位置補正部103で、エッジ検出部102で検出したエッジ画素位置11とエッジの方向50から、エッジ補正量を求め、エッジの方向50に基づいてエッジ画素位置11の画素位置を補正する。

0027

ここで、エッジ位置補正部103でのエッジ画素位置11の補正方法について、図7を用いて説明する。

0028

なお以下では、Highビットが狭くなる場合について説明するが、Highビットが狭くなるか、広くなるかはイメージセンサ3とスケール200との距離に依存する。単スリットの場合には、回折によって光が広がるのでHighビットは広くなるが、エンコーダのようにスリットが複数ある場合には、各スリット毎の回折パターン干渉して像を形成する(回折干渉)。そのため、距離によってはHighビットが広くなる場合もある。

0029

図7に示すように、イメージセンサ3上に投影されるHighビット8の基本周期幅fhとLowビット9の基本周期幅flは、光の回折の影響により等しくならない。ここで、基本周期幅とは、反射部301及び非反射部302で構成される絶対値符号パターン300の最小線幅のことを示す。

0030

今、
i−1番目のエッジ画素位置をZC(i−1),
i番目のエッジ画素位置をZC(i),
i+1番目のエッジ画素位置をZC(i+1)として、
i番目のエッジ画素位置のエッジ補正量を次のようにして求める。
まず、エッジ位置補正部103では、立上りエッジ51と立下りエッジ52の間をHighビット、立下りエッジ52と立上りエッジ51の間をLowビットと判定し、i番目のエッジ画素位置に隣接するHighビット8及びLowビット9から、Highビット8のエッジ画素位置間の距離Lhと、Lowビット9のエッジ画素位置間の距離Llを以下の式(1)(2)で求める。

0031

ここでHighビット8の幅、すなわちHighビット8の両側のエッジ画素位置間の距離がLhとなる。また、Lowビット9の幅、すなわちLowビット9の両側のエッジ画素位置間の距離がLlとなる。
図7のように、基本周期幅のHighビット8、Lowビット9では、Lh=fh、Ll=flとなる。

0032

Lh=ZC(i)−ZC(i−1) (1)
Ll=ZC(i+1)−ZC(i) (2)

0033

次に、Lh及びLlを絶対値符号パターン300の理想的な基本周期幅Fで割り算し、小数点以下を四捨五入することで理想的な基本周期幅Fに対する整数倍N(Nは1以上)を求める。Highビット8の基本周期幅fhと、Lowビット9の基本周期幅flはそれぞれ整数倍Nを用いて

0034

fh=Lh/N (3)
fl=Ll/N (4)

0035

とすることができる。

0036

より詳細には、NはLh,Llに対して個々に求められるため(Nh≒Lh/F:Highビット8のN、Nl≒Ll/F:Lowビット9のN、Nh,Nlは共に1以上)、
fh=Lh/Nh (3a)、
fl=Ll/Nl (4a)
となる。

0037

N(Nh、Nl)は連続するビット数(整数)を表している。すなわち、Highビットがいくつ連続しているか、Lowビットがいくつ連続しているか、を表す。
例えば、
絶対値符号パターン300の理想的な基本周期幅Fを10画素として、
図7におけるエッジ位置を
ZC(i−1)=6,
ZC(i)=14,
ZC(i+1)=26
仮定すると、
Lh=8,
Ll=12
となる。
一方、Nh、Nlは、Lh、LlをFで割って整数に丸めたもの(四捨五入)なので、
Nh=Lh/F≒1
Nl=Ll/F≒1
となり、結局、
fh=8,
fl=12
となる。
ここで、
ZC(i+2)=44
とすると、
Lh=44−26=18
となり、
Nh=Lh/F≒2
となるので、
fh=18/2=9
となる。

0038

さらに、
目標とするエッジ補正量をδ、
補正後のHighビット8の基本周期幅をfh’、
補正後のLowビット9の基本周期幅をfl’
とすると、fh’及びfl’は下記の式(5)(6)で表わすことができる。

0039

fh’=ZC(i)−ZC(i−1)+2δ=fh+2δ (5)
fl’=ZC(i+1)−ZC(i)−2δ=fl−2δ (6)

0040

補正後のHighビット8の基本周期幅fh’と、補正後のLowビット9の基本周期幅fl’は等しいので、(5)式、(6)式より、i番目のエッジ画素位置に対するエッジ補正量δは下記の式(7)で表わすことができる。

0041

δ=(fl−fh)/4 (7)

0042

つまり、i番目のエッジ画素位置のエッジ補正量δは、i番目のエッジ画素位置に隣接する補正前のHighビット8の基本周期幅fhと、i番目のエッジ画素位置に隣接する補正前のLowビット9の基本周期幅flとの差分の1/4で求めることができる。よって、エッジ画素位置11をx(=ZC(i))、立上りエッジ51の補正後のエッジ画素位置11をXR、立ち下りエッジ52の補正後のエッジ画素位置11をXFとすると、エッジ位置補正部103では、各エッジ画素位置に対してエッジ補正量δを求め、立上りエッジ51と立下りエッジ52のエッジの方向50に応じて下記の式(8)(9)で補正を行う。エッジ位置補正処理後のエッジ画素位置11は、例えば図8のようになる。

0043

XR=x−δ (8)
XF=x+δ (9)

0044

次に、デコード部104では、エッジの方向50とエッジ画素位置11から、Highビット8とLowビット9を1/0のビット列12に変換する。例えば、立上りエッジ51から立下りエッジ52の間はビット値1、立下りエッジ52から立上りエッジ51の間はビット値0となるようにビット列を生成する。つまり、Highビット8がビット値1を、Lowビット9がビット値0として表現される。デコード部104でもエッジ位置補正部103と同様に、理想的な基本周期幅Fとエッジ画素位置間の距離から整数N(Nh,Nl)を求め、ビット値1又はビット値0をN個連続で配置するようにする。本実施の形態では、M系列等の疑似ランダム符号をマンチェスター符号化しているため、理想的には、例えば図9のように、ビット値1或いはビット値0は最大でも2個連続となる。

0045

本実施の形態では、エッジの方向50とエッジ画素位置11から1/0のビット列に変換するようにしたが、従来技術のように2値化処理によって1/0のビット列に変換するように構成してもよく、1/0のビット列に変換できる方法であればその方法は特に限定されない。

0046

次に、粗検出部105では、デコード部104で検出した図9のビット列12から粗い絶対位置を検出する。粗検出部105では例えば、スケール200の絶対値符号パターン300を構成するビット列を予めルックアップテーブル(Look Up Table)内に格納しておき、デコード部104で検出したビット列12とルックアップテーブル内のビット列とを比較して粗い絶対位置を特定する。

0047

次に、位相検出部106では、図10に示すように、イメージセンサ3の基準画素位置13に対する位相ずれ量θを求める。
ここで、位相検出部106で位相ずれ量θを求める方法について説明する。
今、エッジ検出部102でM個のエッジを検出したとする。検出されたM個のエッジは、エッジ位置補正部103でエッジ画素位置を補正し、補正されたエッジ画素位置をZC(1),ZC(2),…ZC(i),…ZC(M)とする。基準画素位置13の中心位置をP,Pに一番近いエッジ画素位置をZC(i)とすると、ZC(i)は基準画素位置13からの位相ずれ量θを用いて以下の式(10)で表わすことができる。

0048

ZC(i)=P+θ (10)

0049

但し、θは、基準画素位置13よりも左にあれば−、右にあれば+の符号となる。
次に、基準画素中心位置Pに一番近いエッジ画素位置ZC(i)以外のエッジに対して、エッジ画素位置ZC(i)に対する基本周期Fの整数倍N(i)を求める。例えば、

0050

N(i−1)=(ZC(i−1)−ZC(i))/F
N(i+1)=(ZC(i+1)−ZC(i))/F

0051

として求めることができる。また、N(i)=(ZC(i)‐ZC(i))/F=0である。図10の例では、N(i−1)=2、N(i+1)=2、N(i+2)=1である。基本周期幅Fの整数倍Nを用いるとエッジ画素位置ZC(i−1)、ZC(i+1)は以下の式(11)(12)で表わすことができる。

0052

ZC(i−1)=P+θ+F×N(i−1)+αN(i−1)2+βN(i−1)3 (11)
ZC(i+1)=P+θ+F×N(i+1)+αN(i+1)2+βN(i+1)3 (12)

0053

ここでα,βは2次及び3次のパラメータを表す。以上よりエッジ画素位置は、整数倍Nと,基準画素中心位置P,位相ずれ量θ,高次パラメータα及びβを用いて以下の式(13)で表わすことができる。

0054

0055

式(13)の方程式解くことで位相ずれ量θを最小二乗法の形で求めることができる。
尚、基準画素位置13は、イメージセンサ3の中心画素でも、左端或いは右端でも良く、特に限定されない。また、本実施の形態では、位相ずれ量θを求めるのに、全てのエッジ画素位置を使用し、最小二乗法の形で求めるようにしたが、基準画素位置13の中心位置と、基準画素位置13に一番近いエッジ画素位置ZC(i−1)との差分から直接位相ずれ量θを求めるようにしてもよい。

0056

最後に、高精度検出部107で、粗検出部105で求めた粗い絶対位置と、位相検出部106で求めた位相ずれ量θを足し合わせることでスケール200の絶対位置を得ることができる。

0057

以上のような構成によれば、絶対位置演算部5に、エッジ検出部102と、エッジ位置補正部103を設け、エッジ検出部102では、予め設定しておいた閾値レベル10を横切るエッジ画素位置11と、エッジの方向50を検出し、エッジ位置補正部103では、イメージセンサ3上に投影された絶対値符号パターン300の反射部301を表すHighビット8の幅と、イメージセンサ3上に投影された絶対値符号パターン300の非反射部302を表すLowビット9の幅を求め、Highビット8の幅と、Lowビット9の幅からエッジ画素位置11のエッジ補正量δを求め、立上りエッジ51と、立下りエッジ52に応じてエッジ補正量δからエッジ画素位置11を補正し、補正したエッジ画素位置から絶対位置演算部5でスケール200の絶対位置を検出するように構成したので、高分解能化のために、絶対値符号パターン300の最小線幅を狭くしたとしても高精度に絶対位置を検出することが可能である。

0058

さらに、絶対位置演算部5に、エッジ検出部102で求めたエッジの方向と、エッジ位置補正部103で補正したエッジ画素位置の情報を元に、Highビット8とLowビット9を1/0のビット列12に変換するためのデコード部104と、デコード部104で求めたビット列12から粗い絶対位置を特定するための粗検出部105と、補正したエッジ画素位置の情報を元に、イメージセンサ3の基準画素位置13に対する位相ずれ量を求めるための位相検出部106と、粗検出部105で求めた粗い絶対位置と、位相検出部106で求めた位相ずれ量の情報から高精度な絶対位置を求めるための高精度検出部107を設けたので、絶対値符号パターン300のみから高精度に絶対位置を検出することができる。これにより、従来技術のように、絶対位置を検出するのに、スケール上にアブソリュートパターンと、インクリメンタルパターンの2つのトラックを設ける必要が無くなるため、デバイスサイズを小型化することができ、且つ、高分解能、高精度に絶対位置を検出することが可能となる。

0059

また、エッジ画素位置11に隣接するHighビット8とLowビット9の幅からエッジ補正量を求めるようにしたので、イメージセンサ3の画素位置によってHighビット8とLowビット9の幅が変化した場合であっても、エッジ画素位置11に隣接するHighビット8とLowビット9の幅を均等にすることができるため、発光素子2からの光をコリメートするためのレンズ等が不要となり、デバイスサイズを薄型化することが可能となる。

0060

実施の形態2.
実施の形態1では、エッジ画素位置11のエッジ補正量を、エッジ位置補正部103で求めるように構成していたが、ここでは、図11のように、エッジ補正データメモリ113を設け、エッジ補正量をイメージセンサ3の画素位置の関数として求め、予め求めたエッジ補正量の情報をエッジ補正データメモリ113に格納し、エッジ位置補正部103では、エッジ補正データメモリ113内の情報を使ってエッジ画素位置11の補正を行う手法について述べる。

0061

実施の形態2のアブソリュートエンコーダ1は、実施の形態1のアブソリュートエンコーダ1と基本的構成は同じだが、エッジ補正データメモリ113を追加し、エッジ位置補正部103での演算方法のみが異なる。その他の構成部分については、実施の形態1と同様のため同じ符号を付加してその説明は省略する。

0062

図12のように結像レンズ等を使用しない場合、発光素子2からイメージセンサ3までの距離は、イメージセンサ3の外周部に行くに従い遠くなるため回折の影響もイメージセンサ3の中心部と外周部とでは異なる。そのため、Highビット8の幅とLowビット9の幅の差もイメージセンサ3の外周部に行く程大きくなる。そこで本実施の形態2のアブソリュートエンコーダ1では、エッジ補正量をイメージセンサ3の画素位置関数として求める。

0063

ここで、Highビット8及びLowビット9の基本周期幅のデータから、イメージセンサ3の画素位置に対するエッジ補正量を算出する方法について説明する。
まず、アブソリュートエンコーダ1をモータに組み付けた状態で、適当な角度位置でイメージセンサ3で画像を取得し、エッジ検出部102まで演算を行い、エッジ画素位置11とエッジの方向50を取得する。今、図13に示すように、i番目のエッジ画素位置をZC(i)とし、i+1番目のエッジ画素位置をZC(i+1)としたときに、ZC(i)が立上りエッジ51であればHighビット8と判定し、Highビット8の中心画素xhと、Highビット8のエッジ画素位置間の距離LhからHighビット8の基本周期幅fh(xh)を下記の式(14)(15)(16)で求める。

0064

Lh=ZC(i+1)−ZC(i) (14)
xh=(ZC(i+1)+ZC(i))/2 (15)
fh=Lh/N (16)

0065

ここでNは1以上の整数であり、実施の形態1と同様に、理想的な基本周期幅の整数倍を表す。
Lowビット9のビット中心画素xlとLowビット9の基本周期幅fl(xl)も同様に求めることができる。尚、Lowビット9の場合には、ZC(i)が立下りエッジ52であればLowビット9と判定すればよい。
なお、Nはより詳細には、実施の形態1と同様、Nh=Lh/F、Nl=Ll/Fである。

0066

スケール200の角度位置を変えることで異なる画素位置でのHighビット8及びLowビット9のビット中心画素と基本周期幅のデータを取得することができ、例えば角度ピッチ0.2度で1800回計測し、Highビット8とLowビット9の中心画素と基本周期幅のデータをプロットすると図14のようになる。H14aはHighビット8の計測データ、H14bはHighビット8の近似曲線、L14aはLowビット9の計測データ、L14bはLowビット9の近似曲線を示す。図14に示すように、Highビット8と、Lowビット9の画素位置に対する基本周期幅の特性は異なり、また、イメージセンサ3の外周部に行く程、Highビット8の基本周期幅と、Lowビット9の基本周期幅の差が大きくなる。

0067

次に、
Highビット8の画素位置に対する基本周期幅のデータに対する近似関数fh(x)及び、
Lowビット9の画素位置に対する基本周期幅のデータに対する近似関数fl(x)を
2次の最小二乗法によって求める。求めた2次関数は、画素位置をx、関数のパラメータをそれぞれfho、αh、βh、flo、αl、βlとして以下の式(17)(18)で表わすことができる。

0068

fh(x)=fho+αh×x+βh×x2 (17)
fl(x)=flo+αl×x+βl×x2 (18)

0069

エッジ補正量は実施の形態1と同様の考え方、つまり、Highビット8の基本周期幅と、Lowビット9の基本周期幅の差の1/4として求めることができ、イメージセンサ3の画素位置xに対するエッジ補正量δ(x)は下記の式(19)で得られる。

0070

δ(x)=(fl(x)−fh(x))/4
=(flo−fho)/4+{(αl−αh)/4}×x+{(βl−βh)/4}×x2
(19)

0071

上述のエッジ補正量δ(x)は、例えばエンコーダ出荷前などに通常の検査と合わせて行われ、エッジ補正データメモリ113内には、求めたエッジ補正量δ(x)の関数のパラメータを保存しておけばよい。

0072

次に、エッジ位置補正部103でのエッジ位置補正方法について説明する。
エッジ検出部102でエッジ画素位置11とエッジの方向50を算出した後に、エッジ補正データメモリ113からエッジ補正量δ(x)のパラメータを取得し、エッジ画素位置をx、立上りエッジ51の補正後のエッジ画素位置をXR(x)、立下りエッジ52の補正後のエッジ画素位置をXF(x)とすると、エッジ位置補正部103では、立上りエッジ51と立下りエッジ52に応じて下記の式(20)(21)で補正を行う。

0073

XR(x)=x−δ(x) (20)
XF(x)=x+δ(x) (21)

0074

以上のような構成によれば、イメージセンサ3の画素位置に対するHighビット8及びLowビット9の基本周期幅のデータを予め計測し、計測したデータからエッジ補正量δをイメージセンサ3の画素位置の関数として求めるようにしたので、より正確にエッジ画素位置11を補正することが可能となる。

0075

また、計測したHighビット8及びLowビット9の基本周期幅のデータから近似関数を解析し、解析した近似関数からエッジ補正量δを求めるようにしたので、異物等によって一部のエッジ画素位置に誤差が発生した場合であっても、他のエッジに対する影響を軽減できるため、異物等の誤差要因があった場合でも高精度に絶対位置を検出することが可能となる。

0076

さらに、発光素子2とイメージセンサ3のスケール200に対する組付け位置によって、Highビット8及びLowビット9の基本周期幅の特性は異なるが、組み付けた状態でHighビット8及びLowビット9の基本周期幅の特性を求めてからエッジ補正量δを算出するので、発光素子2及びイメージセンサ3の組み付け公差ゆるめることが可能となる。

0077

また、エッジ補正データメモリ113を設け、エッジ補正データメモリ113内のデータを用いて、エッジ位置補正部103でエッジ画素位置11を補正するようにしたので、その都度エッジ補正量δを計算する必要がないため、計算不可を軽減することが可能となる。

0078

本実施の形態2では、Highビット8及びLowビット9の基本周期幅のデータを2次関数でフィッティングするようにしたが、より高次のフィッティング関数であってもよい。また、領域を区切って線形補間しても良く、Highビット8及びLowビット9の基本周期幅特性を表す関数であれば特に限定されない。

0079

また、エッジ補正データメモリ113内には予め求めたエッジ補正量δ(x)の関数の各パラメータを保存するようにしたが、イメージセンサ3の画素毎にエッジ補正量の値を保存するようにしてもよい。その場合エッジ位置補正部103でエッジを補正する際には、例えば、線形補間等により画素間を補間してエッジ補正量δを求めるようにすればよい。エッジ補正データメモリ113内に保存されるデータは、画素位置xに対する補正量δ(x)を求めるのに必要な情報であれば特に限定されない。

0080

また、本実施の形態では、Highビット8及びLowビット9の基本周期幅のデータを求めるのに、0.2度ピッチで1800回計測するようにしたが、最低1か所の角度でのデータがあれば本発明は適用可能である。

0081

また、本実施の形態では、イメージセンサ3の画素位置の関数として求めたエッジ補正量の情報を予め計測し、エッジ補正データメモリ113内に格納するように構成したが、エッジ補正データメモリ113を設けずに、実施の形態1と同様に、エッジ位置補正部103で、イメージセンサ3の画素位置の関数としてエッジ補正量を求め、求めたエッジ補正量を用いて、エッジ画素位置11を補正するようにしてもよい。

0082

実施の形態3.
実施の形態2では、予め求めておいたエッジ補正データメモリ113内のエッジ補正量の情報を用いて、エッジ位置補正部103でエッジ画素位置11を補正するように構成したが、図15のように、補正データ再計算部123を設け、エッジ補正データメモリ113内のデータを一定周期で更新するようにしてもよい。

0083

実施の形態3のアブソリュートエンコーダ1は、実施の形態2のアブソリュートエンコーダ1と基本的構成は同じだが、補正データ再計算部123を追加した点のみ異なる。その他の構成部分については、実施の形態1及び実施の形態2と同様のため同じ符号を付加してその説明は省略する。

0084

環境温度が変化した場合には、発光素子2及びイメージセンサ3のスケール200に対する位置関係が変化する。例えば、スケール200と発光素子2及びイメージセンサ3とのギャップが変化した場合、Highビット8とLowビット9の基本周期幅特性も変化し、初期の組み付け位置に対するHighビット8とLowビット9の基本周期幅特性が図14であったとすると、ギャップが遠ざかった場合のHighビット8とLowビット9の基本周期幅特性は例えば図16のようになる。H16aはHighビット8の計測データ、H16bはHighビット8の近似曲線、L16aはLowビット9の計測データ、L16bはLowビット9の近似曲線を示す。

0085

このように、Highビット8とLowビット9の基本周期特性が変化した場合、誤ったエッジ補正量δ(x)で補正してしまうため、発光素子2やイメージセンサ3の位置がスケール200に対して変位すると絶対位置検出精度が悪化してしまう。そこで、本実施の形態3では、補正データ再計算部123で、イメージセンサ3の画素位置の関数として求めたエッジ補正量δ(x)を更新するように構成する。

0086

ここで、補正データ再計算部123の動作について説明する。
エッジ検出部102で算出したエッジ画素位置11とエッジの方向50の情報は、エッジ位置補正部103に送られると同時に、補正データ再計算部123にも送られる。補正データ再計算部123では、エッジの方向50から立上りエッジ51であれば、Highビット8と判定し、Highビット8の中心画素xhと基本周期幅fh(xh)を実施の形態2のエッジ補正データ作成の時と同様に算出し、エッジ補正データメモリ113内のHighビット8用に確保したメモリ領域内(図示せず)にデータを格納する。同様に、立下りエッジ52であれば、Lowビット9と判定し、Lowビット9の中心画素xlと基本周期幅fl(xl)を実施の形態2のエッジ補正データ作成の時と同様に算出し、エッジ補正データメモリ113内のLowビット9用に確保したメモリ領域内(図示せず)にデータを格納する。

0087

補正データ再計算部123では、エッジ画素位置11及びエッジの方向50の情報を収集し続け、データ収集開始からT秒経過したら、Highビット8用に確保したメモリ領域内のデータを用いて、上記式(17)のパラメータを2次の最小二乗法によって求める。同様に、Lowビット9用に確保したメモリ領域内のデータを用いて、上記式(18)のパラメータを2次の最小二乗法によって求める。得られた各パラメータから上記式(19)に従い、エッジ補正量δ(x)のパラメータを求め、エッジ補正データメモリ113内のデータを書き換える。Highビット8用に確保したメモリ領域内のデータ及び、Lowビット9用に確保したメモリ領域内のデータはクリアされ、再度データ取集を開始する。

0088

本実施の形態3では、データ収集開始からT秒経過したら、エッジ補正データメモリ113のデータを更新するようにしたが、イメージセンサ3の画素位置情報を元にデータ更新イミングを決定するようにしてもよい。例えば、イメージセンサ3の画素範囲をM個の領域に区切り、M個の領域全てにビットの中心画素xh及びxlが入ったら、Highビット8用に確保したメモリ領域内のデータと、Lowビット9用に確保したメモリ領域内のデータからエッジ補正量δ(x)のパラメータを求めて、エッジ補正データメモリ113内のデータを更新するようにしてもよい。このように、エッジ補正データメモリ113のデータを更新するタイミングは、様々な形態が考えられる。もちろん、イメージセンサ3で取得した1枚の画像データから補正データ再計算部123で補正量δ(x)のパラメータを計算し、随時、エッジ補正データメモリ113内のデータを更新するようにしてもよい。

0089

このような構成によれば、補正データ再計算部123を設け、エッジ補正データメモリ113内のデータを更新するようにしたので、温度変化等に伴う部品変位による精度悪化を抑制することができるため、高精度検出を維持することが可能となる。

0090

また、補正データ再計算部123で算出したエッジ補正量δ(x)の情報と、エッジ補正データメモリ113内の更新前のエッジ補正量δ(x)の情報とを比較し、更新前後の情報が、予め設定した範囲を超える変化であればエンコーダ異常と判定し、アラーム(警報)等を発生することができるようになり、信頼性を向上させることも可能となる。

0091

実施の形態4.
実施の形態1〜3では、エッジ位置補正部103でエッジの方向50に応じてエッジ画素位置11を補正するように構成していたが、ここでは、図17のように、ABS(Absolute)パターン補正データメモリ133を設け、絶対値符号パターン300に応じてエッジ画素位置11を補正し、補正したエッジ画素位置11を用いて位相検出部106で位相ずれ量θを算出するする方法について説明する。

0092

実施の形態4のアブソリュートエンコーダ1は、実施の形態3のアブソリュートエンコーダ1と基本的構成は同じだが、ABSパターン補正データメモリ133を追加した点及び、位相検出部106での処理が異なる。その他の構成部分については、実施の形態1〜3と同様のため同じ符号を付加してその説明は省略する。

0093

本実施の形態4のスケール200の符号パターン300は、M系列等の疑似ランダム符号をマンチェスター符号化したパターンが採用される。マンチェスター符号は、例えば、
1のビットを10、
0のビットを01
となるように、1つのビットを2つのビットに変換する。例えば、M系列のパターンを101110とすると、マンチェスター符号化されたパターンは、100110101001となる。つまり、マンチェスター符号化されたビット列は、連続する1及び0ビットは最大2つとなる。

0094

こうして得られるマンチェスター符号化されたビット列は、立上りエッジ51と立下りエッジ52に分けると、図18に示すようにグループ401−408からなる計8つのグループに分類することができる。
これまで説明したように、1つの反射部301に注目すると、反射部301で反射した光は、光の回折現象によって、立上りエッジ51と立下りエッジ52のエッジ画素位置11が変化し、Highビット8とLowビット9の幅が異なる。しかしながら、他の反射部301からの干渉によっても立上りエッジ51と立下りエッジ52のエッジ画素位置11は変化する。そこで、本実施の形態4では、立上りエッジ51と立下りエッジ52の計8つのグループに分けて補正を行うようにする。

0095

次に、ABSパターン補正データメモリ133の補正値作成方法について説明する。
まず、アブソリュートエンコーダ1をモータに組み付けた状態で、適当な角度位置でイメージセンサ3で画像を取得し、位相検出部106まで演算を行い、位相検出部106で最小二乗法によってイメージセンサ3の基準画素位置13に対する位相ずれ量θを算出すると共に、最小二乗法のフィッティング結果から各エッジ位置の残差を算出し、残差保存用メモリ(図示せず)にエッジ位置残差と粗検出部105で求めた粗い絶対位置に一致するビット列を保存する。

0096

同様の演算を、スケール200の角度位置を変えて行い、例えば角度ピッチ0.2度で1800回計測し、画素位置に対するエッジ位置残差をプロットすると図19のようになる。R19は立上りエッジ、F19は立下りエッジを示す。残差保存用メモリ内のビット列から、画素位置に対するエッジ位置残差の結果を、図18に示した計8つのグループに分けると図20及び図21のようになる。図20及び図21に示したように、イメージセンサ3の画素位置に対するエッジ位置残差の特性は、立上りエッジ51及び立下りエッジ52で異なり、さらに、同じ立上りエッジ51または立下りエッジ52の中でも4つ特性は僅かに異なる。そこで、立上りエッジ51と立下りエッジ52の計8つのグループに対して、エッジ位置残差のデータから近似関数を解析する。例えば、画素位置を16領域に分割して直線で近似し、各領域の直線のパラメータをABSパターン補正データメモリ133に保存する。

0097

本実施の形態4では、画素位置を16領域に分割して直線で近似するようにしたが、16よりも小さくても、大きくても構わない。もちろん、分割数は多い程、高精度に補正が可能である。また、領域を分けずに、最小二乗法によって、2次関数や3次関数等の高次の関数でフィッティングしてもよい。
上述のABSパターン補正データの作成、保存は、例えばエンコーダ出荷前などに通常の検査と合わせて行われる。

0098

次に、位相検出部106での処理について説明する。
イメージセンサ3で取得した画像は、実施の形態1〜3で説明した方法により、粗検出部105まで演算が行われ、エッジ画素位置11と、エッジの方向50と、粗い絶対位置に相当する、ルックアップテーブル(Look Up Table)内のビット列が位相検出部106へと送られる。位相検出部106では、各エッジ画素位置11に対して、エッジの方向50と、粗い絶対位置に相当するビット列からエッジ画素位置11に隣接する前後2つのビットによって図18のどのグループに属するかを判定する。

0099

次に、判定したグループに基づいて、ABSパターン補正データメモリ133内の補正パラメータを取得し、エッジ画素位置11でのエッジ補正量を、取得した補正パラメータから算出する。算出した補正量をδ2(x)とすると、補正は、立上りエッジ51と立下りエッジ52共に、エッジ画素位置11にδ2(x)を足して、エッジ画素位置11を補正する。こうして得られた補正後のエッジ画素位置11を用いて、位相ずれ量θを求め、高精度な絶対位置を算出する。

0100

このような構成によれば、ABSパターン補正データメモリ133を設け、立上りエッジ51と立下りエッジ52の計8つのグループに分けて、各グループで予め求めておいたエッジ補正量からエッジ画素位置11を補正するようにしたので、回折の影響による誤差を排除することができ、高精度に絶対位置を検出することが可能となる。
また、本実施の形態4では、ABSパターン補正データメモリ133のデータは、予め求めておくように構成したが、実施の形態3と同様に、破線で示すABSパターン補正データ再計算部133aを設け、ABSパターン補正データメモリ133を更新するように構成してもよい。

0101

なお、図22には本発明によるアブソリュートエンコーダの各実施の形態における絶対位置演算部5のハードウェア構成の一例を示す概略構成を示す。図22において、A/D変換器4等からの信号を受けるインタフェース(I/F)551、プロセッサ552、プロセッサ552で実行される処理のプログラム、処理に係る各種データを格納したメモリ553、さらには、例えばエンコーダ異常のアラーム(警報)等を発生するアラーム装置554が、バスラインBLバス接続されている。
図1,11,15,17の光量補正部100,平滑化処理部101,エッジ検出部102,エッジ位置補正部103、デコード部104,粗検出部105,位相検出部106,高精度検出部107,補正データ再計算部123、ABSパターン補正データ再計算部133a等の機能は、例えばメモリ553にプログラムとして格納されており、プロセッサ552で実行される。また、図11,15,17のエッジ補正データメモリ113、図17のABSパターン補正データメモリ133はメモリ553に相当する。
また、実施の形態1で説明されている予め計測しておいた光量補正値、絶対値符号パターン300の構成するビット列のためのルックアップテーブル、実施の形態4で説明されている算出されたエッジ位置残差と粗検出部105で求めた粗い絶対位置に一致するビット列等も、メモリ553に格納する。残差保存用メモリはメモリ553で構成される。
さらに、光量補正部100,平滑化処理部101,エッジ検出部102,エッジ位置補正部103、デコード部104,粗検出部105,位相検出部106,高精度検出部107,補正データ再計算部123、ABSパターン補正データ再計算部133a等の機能、および各部で使用するメモリに記載されたデータを生成する部分は、上述のプロセッサの代わりに、それぞれの機能を実行するデジタル回路で構成してもよい。

0102

本発明の実施の形態1〜4は、組み合わせて使用することも可能であり、また単独であっても使用可能である。
また、本発明の実施の形態1〜4では、反射光学系について説明したが、透過光学系にも適用可能である。また、回転角度を検出するロータリーエンコーダについて説明したが、直線上の位置を計測するリニアエンコーダにも適用可能である。
また、本発明の実施の形態1〜4では、スケール200上に符号パターン300を有するトラックを1つだけ設けた場合について説明したが、複数トラックを有するエンコーダに対しても適用可能である。

0103

この発明によるアブソリュートエンコーダは多くの分野のエンコーダに適用可能である。

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