JP5829464B2 - 絶対測長型エンコーダ - Google Patents

Description

本発明は、アブソリュート（ＡＢＳとも称する）パターンとインクリメンタル（ＩＮＣとも称する）パターンを統合したＡＢＳ／ＩＮＣ統合パターンを有する絶対測長型エンコーダに係り、特に、前記ＡＢＳ／ＩＮＣ統合パターンからの受光信号を、高性能な処理回路を用いることなく短い演算時間で、アブソリュートパターン信号とインクリメンタルパターン信号に分離することが可能な絶対測長型エンコーダに関する。

出願人は特許文献１の第２、第４の実施の形態で、アブソリュートパターンとインクリメンタルパターンを統合したＡＢＳ／ＩＮＣ統合パターンを有する絶対測長型エンコーダを提案している。このＡＢＳ／ＩＮＣ統合パターンによれば、一つのパターンで、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種の情報を併せ持つことが可能となり、スケールの幅を狭くすることが可能になる。

特開２００９−２７０２号公報（図６、図１４）

しかしながら、ＡＢＳ／ＩＮＣ統合パターンが、アブソリュートパターン信号とインクリメンタルパターン信号の２種の情報を持つので、それらの情報を分離するために煩雑な解析を伴うため、高性能な処理回路が必要となり、又、長い演算時間を要してしまうという問題点を有していた。例えば特許文献１では、その図８に示されるように、ローパスフィルタを用いて受光信号（図８（Ｂ））からアブソリュートパターン信号（図８（Ｃ））を分離しているが、ローパスフィルタを用いると、信号処理に時間がかかり、高速な処理が出来ない。

本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、ＡＢＳ／ＩＮＣ統合パターンにおけるアブソリュートパターン信号とインクリメンタルパターン信号の分離を、高性能な処理回路を用いることなく、高速で行えるようにすることを課題とする。

本発明は、アブソリュートパターンとインクリメンタルパターンを統合したアブソリュート（ＡＢＳ）／インクリメンタル（ＩＮＣ）統合パターンを有し、パターンの暗部が信号成分を持つようにされた反射型の絶対測長型エンコーダにおいて、前記アブソリュートパターン由来の明暗信号と前記インクリメンタルパターン由来の明暗信号とに振幅差が生じるように設計された結像光学系と、前記ＡＢＳ／ＩＮＣ統合パターンからの受光信号を、前記振幅差を利用してアブソリュートパターン信号とインクリメンタルパターン信号に分離する信号処理系とを備え、前記振幅差を利用したしきい値を決定し、２値化を行うことで、前記受光信号を分離することにより、前記課題を解決したものである。

ここで、前記しきい値を、前記アブソリュートパターン由来の明暗信号の最小値と前記インクリメンタルパターン由来の明暗信号の最小値の中間の値として２値化を行なうことで、アブソリュートパターン信号を分離することができる。
又、前記しきい値を、前記インクリメンタルパターン由来の明暗信号の最小値と最大値の中間の値として２値化を行なうことで、インクリメンタルパターン信号を分離することができる。
本発明は、又、アブソリュートパターンとインクリメンタルパターンを統合したアブソリュート（ＡＢＳ）／インクリメンタル（ＩＮＣ）統合パターンを有し、パターンの明部が信号成分を持つようにされた透過型の絶対測長型エンコーダにおいて、前記アブソリュートパターン由来の明暗信号と前記インクリメンタルパターン由来の明暗信号とに振幅差が生じるように設計された結像光学系と、前記ＡＢＳ／ＩＮＣ統合パターンからの受光信号を、前記振幅差を利用してアブソリュートパターン信号とインクリメンタルパターン信号に分離する信号処理系とを備え、前記振幅差を利用したしきい値を決定し、２値化を行うことで、前記受光信号を分離することを特徴とする透過型の絶対測長型エンコーダを提供するものである。

あるいは、前記しきい値を、前記インクリメンタルパターン由来の明暗信号の最大値と前記アブソリュートパターン由来の明暗信号の最大値の中間の値として２値化を行なうことで、アブソリュートパターン信号を分離することができる。

又、前記しきい値を、前記インクリメンタルパターン由来の明暗信号の最小値と最大値の中間の値として２値化を行なうことで、インクリメンタルパターン信号を分離することができる。

本発明によれば、適切に設計された撮像光学系を用いて、ＡＢＳ／ＩＮＣ統合パターンを撮像することで、アブソリュートパターンのしきい値とインクリメンタルパターンのしきい値を決定することが出来る。従って、この導き出されたしきい値を元に２値化を行えば、アブソリュート、インクリメンタルの両パターン信号を容易に、且つ迅速に分離することが可能となる。この手法では、煩雑な演算を伴わないため、高性能な処理回路が必要なく、更には、演算時間の短縮が可能となる。

反射型に適用した本発明に係る絶対測長型エンコーダの第１実施形態の全体構成を示す断面図 同じくＡＢＳ／ＩＮＣ統合パターンを示す平面図 同じく結像光学系のＭＴＦ曲線の例を示す図 同じくアブソリュートパターン由来の明暗信号とインクリメンタルパターン由来の明暗信号の振幅差の例を示す図 図４の振幅差を利用して決定されたしきい値と、そのしきい値によって２値化することで得られるスケールパターン信号の例を示す図 透過型に適用した本発明に係る絶対測長型エンコーダの第２実施形態の全体構成を示す断面図 同じくアブソリュートパターン由来の明暗信号とインクリメンタルパターン由来の明暗信号の振幅差の例を示す図 図６の振幅差を利用して決定されたしきい値と、そのしきい値によって２値化することで得られるスケールパターン信号の例を示す図

以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。

本発明の第１実施形態は、図１に全体構成を示す如く、例えば反射型であって、パターンの信号成分がスケール上の暗部となる絶対測長型エンコーダに本発明を適用したもので、光源１０と、該光源１０からの光が照射される反射型のＡＢＳ／ＩＮＣ統合パターン１２Ｃを有するスケール１２と、アブソリュートパターン由来の明暗信号とインクリメンタルパターン由来の明暗信号とに振幅差が生じるようにＭＴＦ（Ｍodulation Ｔransfer Ｆunction）曲線が設計されたレンズ１４と、該レンズ１４を介して前記スケール１２からの反射光を受光する受光素子（例えばフォトダイオードアレイ）１６と、該受光素子１６の出力の明暗信号を多値（例えば２５６値）のデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器１８と、該Ａ／Ｄ変換器１８の出力の明暗レベル信号をアブソリュートパターンのしきい値Ｓ_ＡＢＳ及びインクリメンタルパターンのしきい値Ｓ_ＩＮＣと比較する比較器２０と、該比較器２０によって得られるアブソリュート（ＡＢＳ）パターン信号を処理して絶対位置を検出する絶対位置検出回路２２と、前記比較器２０によって得られるインクリメンタル（ＩＮＣ）パターン信号を処理して相対位置を検出する相対位置検出回路２４と、前記絶対位置検出回路２２と相対位置検出回路２４の出力を合成して、相対位置により補間された絶対位置信号を出力する絶対位置合成回路２６とを備えている。

前記スケール１２上には、図２（Ｃ）に示す如く、例えば図２（Ａ）に示すように擬似ランダムパターンを配置したアブソリュート（ＡＢＳ）パターン１２Ａの位置に、図２（Ｂ）に示すように、所定ピッチｐ_ＩＮＣのインクリメンタル（ＩＮＣ）パターン１２Ｂを配置して、ＡＢＳパターン１２ＡとＩＮＣパターン１２Ｂを１トラックに統合したＡＢＳ／ＩＮＣ統合パターン１２Ｃが配置されている。

前記レンズ１４は、そのＭＴＦ曲線（被写体の持つコントラストをどの程度忠実に再現できるかを空間周波特性として表記したもの）を図３に実線Ａで例示する如く、粗いＡＢＳパターンに対しては振幅（コントラスト）が大で、細かいＩＮＣパターンに対しては振幅（コントラスト）が小であるようなＭＴＦ曲線を有する。即ち、通常は細かいＩＮＣパターンまで高解像度が得られる様に破線Ｂで示す様なＭＴＦ曲線のレンズを用いるのに対して、本発明では、実線Ａで示す様なＭＴＦ曲線のレンズを用いて、ＩＮＣパターンだけ振幅が小さくなる（解像力を低下させる）ようにしている。

このようなレンズ１４でＡＢＳ／ＩＮＣ統合パターン１２Ｃを撮像すると、得られた明暗信号の振幅Ａは、図４に例示する如く、ピッチｐ_ＩＮＣでパターン（ＩＮＣパターン）が配置されている箇所（ＩＮＣパターン由来の明暗信号）で最小値Ａ＝Ａ_ＩＮＣとなる。一方、ピッチｐ_ＩＮＣでパターンが配置されていない箇所（ＡＢＳパターン由来の明暗信号）では、振幅はＡ＝Ａ_ＡＢＳ（＞Ａ_ＩＮＣ）となる。つまり、
ＡＢＳパターン由来の明暗信号の最小値Ａ_{ＡＢＳ−Ｌ}
＜ＩＮＣパターン由来の明暗信号の最小値Ａ_{ＩＮＣ−Ｌ}
ＩＮＣパターン由来の明暗信号の最大値Ａ_{ＩＮＣ−Ｈ}
＜ＡＢＳパターン由来の明暗信号の最大値Ａ_{ＡＢＳ−Ｈ}
が成立する。

従って、例えばＡ_{ＡＢＳ−Ｌ}とＡ_{ＩＮＣ−Ｌ}の差を利用して、図５に示すように、アブソリュートパターンを分離するためのＡＢＳパターンしきい値Ｓ_ＡＢＳを、アブソリュートパターン由来の明暗信号の最小値Ａ_{ＡＢＳ−Ｌ}とインクリメンタルパターン由来の明暗信号の最小値Ａ_{ＩＮＣ−Ｌ}の中間の値Ｓ_ＡＢＳ、即ち、Ａ_{ＡＢＳ−Ｌ}＜Ｓ_ＡＢＳ＜Ａ_{ＩＮＣ−Ｌ}として２値化を行うことで、アブソリュートパターン信号を得ることができる。

又、インクリメンタルパターンを分離するためのＩＮＣパターンしきい値Ｓ_ＩＮＣを、インクリメンタルパターン由来の明暗信号の最小値Ａ_{ＩＮＣ−Ｌ}と最大値Ａ_{ＩＮＣ−Ｈ}の中間の値、即ち、Ａ_{ＩＮＣ−Ｌ}＜Ｓ_ＩＮＣ＜Ａ_{ＩＮＣ−Ｈ}として２値化を行うことで、インクリメンタルパターン信号を得ることができる。

このようにして得られたアブソリュートパターン信号とインクリメンタルパターン信号を、それぞれ絶対位置検出回路２２と相対位置検出回路２４に送って、絶対位置信号と相対位置信号を得、これを絶対位置合成回路２６で合成することによって、相対位置信号によって補間された絶対位置信号により絶対位置を得ることができる。なお、絶対位置検出回路２２、相対位置検出回路２４、絶対位置合成回路２６の構成及び作用は、特許文献１と同じであるので、詳細な説明は省略する。又、インクリメンタルパターンを、アブソリュートパターン位置にのみ配置することによる精度低下は、例えば出願人が特開２０１０−４８６０７号公報で提示したような正弦波関数のフィッティングにより補うことができる。

なお、第１実施形態においては、本発明が反射型に適用され、パターンの暗部が信号成分を持つようにされていたが、本発明の適用対象はこれに限定されず、図６に示す第２実施形態のように、パターンの明部が信号成分となる、光源１０がレンズ１４の反対側に配置された透過型のエンコーダにも同様に適用できる。

本実施形態においては、アブソリュートパターン由来の明暗信号とインクリメンタルパターン由来の明暗信号の振幅差は、図７に示す如くとなる。

従って、アブソリュートパターンを分離するためのしきい値Ｓ_ＡＢＳをインクリメンタルパターン由来の明暗信号の最大値Ａ_{ＩＮＣ−Ｈ}とアブソリュートパターン由来の明暗信号の最大値Ａ_{ＡＢＳ−Ｈ}の中間の値、即ち、Ａ_{ＩＮＣ−Ｈ}＜Ｓ_ＡＢＳ＜Ａ_{ＡＢＳ−Ｈ}とすることによって、図８に例示するように、アブソリュートパターン信号を得ることができる。なお、インクリメンタルパターン信号の分離については、第１実施形態と同じしきい値Ｓ_ＩＮＣを用いれば良い。

他の点については、第１実施形態と同じであるので、同じ符号を用いて、説明は省略する。

なお、前記実施形態においては、いずれも、アブソリュートパターンが擬似ランダムパターンに従って配置されていたが、アブソリュートパターンの配置は、これに限定されない。

又、結像光学系が１枚のレンズで構成されていたが、結像光学系の構成も、これに限定されない。

１０…光源
１２…スケール
１２Ａ…アブソリュート（ＡＢＳ）パターン
１２Ｂ…インクリメンタル（ＩＮＣ）パターン
１２Ｃ…ＡＢＳ／ＩＮＣ統合パターン
１４…レンズ
１６…受光素子
１８…Ａ／Ｄ変換器
２０…比較器
２２…絶対位置検出回路
２４…相対位置検出回路
２６…絶対位置合成回路

Claims (6)

1. アブソリュートパターンとインクリメンタルパターンを統合したアブソリュート／インクリメンタル統合パターンを有し、パターンの暗部が信号成分を持つようにされた反射型の絶対測長型エンコーダにおいて、
   前記アブソリュートパターン由来の明暗信号と前記インクリメンタルパターン由来の明暗信号とに振幅差が生じるように設計された結像光学系と、
   前記アブソリュート／インクリメンタル統合パターンからの受光信号を、前記振幅差を利用してアブソリュートパターン信号とインクリメンタルパターン信号に分離する信号処理系とを備え、
   前記振幅差を利用したしきい値を決定し、２値化を行うことで、前記受光信号を分離することを特徴とする反射型の絶対測長型エンコーダ。
2. 前記しきい値を、前記アブソリュートパターン由来の明暗信号の最小値と前記インクリメンタルパターン由来の明暗信号の最小値の中間の値として２値化を行なうことで、アブソリュートパターン信号を分離することを特徴とする請求項１に記載の反射型の絶対測長型エンコーダ。
3. 前記しきい値を、前記インクリメンタルパターン由来の明暗信号の最小値と最大値の中間の値として２値化を行なうことで、インクリメンタルパターン信号を分離することを特徴とする請求項１又は２に記載の反射型の絶対測長型エンコーダ。
4. アブソリュートパターンとインクリメンタルパターンを統合したアブソリュート／インクリメンタル統合パターンを有し、パターンの明部が信号成分を持つようにされた透過型の絶対測長型エンコーダにおいて、
   前記アブソリュートパターン由来の明暗信号と前記インクリメンタルパターン由来の明暗信号とに振幅差が生じるように設計された結像光学系と、
   前記アブソリュート／インクリメンタル統合パターンからの受光信号を、前記振幅差を利用してアブソリュートパターン信号とインクリメンタルパターン信号に分離する信号処理系とを備え、
   前記振幅差を利用したしきい値を決定し、２値化を行うことで、前記受光信号を分離することを特徴とする透過型の絶対測長型エンコーダ。
5. 前記しきい値を、前記インクリメンタルパターン由来の明暗信号の最大値と前記アブソリュートパターン由来の明暗信号の最大値の中間の値として２値化を行なうことで、アブソリュートパターン信号を分離することを特徴とする請求項４に記載の透過型の絶対測長型エンコーダ。
6. 前記しきい値を、前記インクリメンタルパターン由来の明暗信号の最小値と最大値の中間の値として２値化を行なうことで、インクリメンタルパターン信号を分離することを特徴とする請求項４又は５に記載の透過型の絶対測長型エンコーダ。

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