JP6355827B2 - アブソリュートエンコーダ - Google Patents
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Description
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。
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。
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イメージセンサや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。
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をマンチェスター符号化した符号列が使用される。
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、横軸を画素位置,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の各画素のゲイン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。
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。
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。
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。
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。
Ll=ZC(i+1)−ZC(i) (2)
fl=Ll/N (4)
fh=Lh/Nh (3a)、
fl=Ll/Nl (4a)
となる。
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
と仮定すると、
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。
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。
fl’=ZC(i+1)−ZC(i)−2δ=fl−2δ (6)
XF=x+δ (9)
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。
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、
N(i+1)=(ZC(i+1)−ZC(i))/F
ZC(i+1)=P+θ+F×N(i+1)+αN(i+1)2+βN(i+1)3 (12)
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。
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。
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。
xh=(ZC(i+1)+ZC(i))/2 (15)
fh=Lh/N (16)
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。
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。
fl(x)=flo+αl×x+βl×x2 (18)
=(flo−fho)/4+{(αl−αh)/4}×x+{(βl−βh)/4}×x2
(19)
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。
XF(x)=x+δ(x) (21)
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
Claims (13)
- 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、前記イメージセンサ上での前記絶対値符号パターンのエッジ位置である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に対して、前記エッジの方向が立上りエッジか立下りエッジかに応じてそれぞれ異なる補正を行う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。 - 前記A/D変換器から出力された信号における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補正する光量補正部を備え、
前記エッジ検出部は、前記光量補正部で補正された信号に基づいて前記エッジ画素位置及び前記エッジの方向を検出する、請求項1に記載のアブソリュートエンコーダ。 - 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または2に記載のアブソリュートエンコーダ。 - 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3に記載のアブソリュートエンコーダ。 - 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−δ
XF=x+δ
の式でエッジ画素位置を補正する、請求項4に記載のアブソリュートエンコーダ。 - 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と、前記絶対値符号パターンの理想的な基本周期幅とから、
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を解析し、
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3に記載のアブソリュートエンコーダ。 - 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6に記載のアブソリュートエンコーダ。 - 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または2に記載のアブソリュートエンコーダ。
- 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または2に記載のアブソリュートエンコーダ。 - 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または2に記載のアブソリュートエンコーダ。 - 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または2に記載のアブソリュートエンコーダ。
- 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、前記イメージセンサ上での前記絶対値符号パターンのエッジ位置である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、
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し、
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、
アブソリュートエンコーダ。 - 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、前記イメージセンサ上での前記絶対値符号パターンのエッジ位置である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、
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、
含み、
前記スケールの前記絶対値符号パターンは、疑似ランダム符号を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、最小二乗法で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、
アブソリュートエンコーダ。
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