特許 6694722 光学式エンコーダ及びその原点決定方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6694722

(24)【登録日】2020年4月22日

(45)【発行日】2020年5月20日

(54)【発明の名称】光学式エンコーダ及びその原点決定方法

(51)【国際特許分類】

   G01D 5/36 20060101AFI20200511BHJP

   G01D 5/347 20060101ALI20200511BHJP

【ＦＩ】

   G01D5/36 X

   G01D5/347 110L

【請求項の数】9

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2016-24721(P2016-24721)

(22)【出願日】2016年2月12日

(65)【公開番号】特開2017-142203(P2017-142203A)

(43)【公開日】2017年8月17日

【審査請求日】2018年11月19日

(73)【特許権者】

【識別番号】000151494

【氏名又は名称】株式会社東京精密

(74)【代理人】

【識別番号】100163533

【弁理士】

【氏名又は名称】金山 義信

(72)【発明者】

【氏名】石黒 達也

【審査官】 吉田 久

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１２−５８１６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００８−５０３７４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−１５８３０１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−２７１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−３２１６０１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｄ ５／００−５／３８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

発光部と受光部を有するリーディング・ヘッドと、このリーディング・ヘッドに対向して配置され、反射部と透過部で構成されるスケール・パターンが複数形成されたスケールと、を有するインクレメンタル方式の光学式エンコーダにおいて、
前記スケールは、複数の前記スケール・パターンにおける前記反射部と前記透過部の幅が実質的に同一であり、その全長における少なくとも１箇所において前記反射部または前記透過部が欠落したスケール・パターンを有し、前記受光部は連続する複数の前記反射部または前記透過部からの光を受光するよう構成され、
前記受光部は受光した光を検出信号に変換し、前記エンコーダは前記検出信号を演算処理する処理部を有し、前記処理部は、前記検出信号中の各波形からピーク値をサンプリングして自己相関係数ρを演算する演算部を有することを特徴とする光学式エンコーダ。

【請求項2】

前記スケールが、前記リーディング・ヘッドに相対的に移動可能に構成されていることを特徴とする請求項１に記載の光学式エンコーダ。

【請求項3】

前記処理部は、前記検出信号から抽出した連続するＮ個の前記ピーク値からなる第１のピーク値群と、開始位置が前記第１のピーク値群の最終のピーク値であって、連続するＮ個（Ｎは複数）の第２のピーク値群とに対して、次式で示した前記自己相関係数ρを演算し、この前記自己相関係数ρが最小となる前記ピーク値の位置を原点に決定することを特徴とする請求項１または２に記載の光学式エンコーダ。
ここで、ｘｉ（ｉ＝１、Ｎ）は前記第１のピーク値群のピーク値、ｙｉ（ｉ＝１、Ｎ）は前記第２のピーク値群のピーク値である。

【数3】

【請求項4】

前記受光部は、少なくともＡ相とこのＡ相と９０°異なるＢ相とを検出するよう構成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の光学式エンコーダ。

【請求項5】

反射部と透過部からなるスケール・パターンを複数並べて形成したスケールに対向して配置したリーディング・ヘッドを前記スケールに相対的に移動させて計測するインクレメンタル方式の光学式エンコーダの原点決定方法において、
前記スケールは、その全長における少なくとも１箇所において前記反射部または前記透過部が欠落したスケール・パターンを有し、前記リーディング・ヘッドを前記欠落部に対して相対的に移動させて前記リーディング・ヘッドの出力波形を求め、この出力波形から複数のピーク値を抽出し、抽出したピーク値に対して自己相関係数を演算し、演算した自己相関係数の値に基づいて前記欠落部を求め、その位置を原点と決定することを特徴とする光学式エンコーダの原点決定方法。

【請求項6】

複数の前記ピーク値の抽出において、連続する波形の最大値のグループと最小値のグループを形成し、各グループについて自己相関係数を演算し、演算された双方の自己相関係数から前記欠落部を決定することを特徴とする請求項５に記載の光学式エンコーダの原点決定方法。

【請求項7】

複数の前記ピーク値の抽出とともに、各波形の最大値と最小値の中央電圧値を求め、前記自己相関係数の演算結果と求めた各波形の中央電圧値とに基づいて原点を決定することを特徴とする請求項５または６に記載の光学式エンコーダの原点決定方法。

【請求項8】

前記リーディング・ヘッドはＮ個の前記反射部または前記透過部からの光を受光可能であり、前記自己相関係数の演算は、連続するＮ個の第１のピーク値群と、開始位置が前記第１のピーク値群の最終である引き続き連続するＮ個の第２のピーク値群との間の自己相関係数ρの演算であることを特徴とする請求項５から７のいずれか１項に記載の光学式エンコーダの原点決定方法。

【請求項9】

前記第１のピーク値群と第２のピーク値群との間の自己相関係数ρは、次式で示されることを特徴とする請求項８に記載の光学式エンコーダの原点決定方法。
ここで、ｘｉ（ｉ＝１、Ｎ）は前記第１のピーク値群のピーク値、ｙｉ（ｉ＝１、Ｎ）は前記第２のピーク値群のピーク値である。

【数4】

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光学スケールを有するエンコーダ及びその原点決定方法に係り、特にエンコーダがインクレメンタル方式である場合に好適な光学式エンコーダ及びその原点決定方法に関する。

【背景技術】

【0002】

測定器等の分野では、高精度に寸法等の測定が可能な光学式エンコーダ（以下、エンコーダとも称す）を、用いている。エンコーダでは、スケール表面に形成された等間隔の透過・反射のパターンを、半導体フォトセンサのようなリーディング・ヘッドで読み取り、リーディング・ヘッド上を通過したパターンの数から、長さや角度を測定している。

【0003】

このようなエンコーダでは、特にインクレメンタル方式の場合、パターンが形成されたスケールとリーディング・ヘッドの相対的な位置情報しか得られないので、絶対位置基準としての原点検出系を、相対位置検出系のエンコーダとは別に設ける場合が多く、原点検出系と相対位置検出系との相互の関連付けを、別途必要とする。

【0004】

原点検出系と相対位置検出系を別個に有するエンコーダの例が、特許文献１及び特許文献２に記載されている。特許文献１に記載の従来のエンコーダでは、走査方向の依存性を小さくし、Ａ相またはＢ相信号に同期した原点検出を安定して行うために、エンコーダは、移動方向を示す互いに位相が９０°ずれた位置信号であるＡ相、Ｂ相信号と、電源オフ後に再起動したとき等に原点位置を検出するＺ相信号を有している。そして、スケールのうち、Ｚ相信号を形成するＺ相スケールには、光反射領域および光透過領域の２領域からなるベタパターンを用い、Ｚ相スケールの検出信号をデジタル化して得たパルス状信号をＺ相信号として、原点位置を検出している。

【0005】

特許文献２には、Ｚ相信号をより安定させ、確実に原点出しできるコンパクトかつ低コストのエンコーダが開示されている。このエンコーダでは、インクレメンタルなＡ相、Ｂ相用のスケールと並べて原点用のスケールを配置し、原点用スケール・パターンの符号系列を狭帯域化のための変調が掛かったパターンとしている。

【0006】

また、本願出願人の先願に係る特許文献３には、位置検出系と原点検出系とを別個に設けることに起因する課題を解決するため、透過部／反射部が繰り返されるスケールと、スケールに相対的に移動可能な光検出部と、スケールの原点を検出する原点検出系を備えたエンコーダが開示されている。スケールには、光反射部と光透過部のピッチが変更された領域と、ピッチが変更される境界であるピッチ境界部とがあり、原点検出部は、光検出部がピッチ境界部からの反射光を検出して得た信号に基づいて、原点位置を検出している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開２０１２−１０３２３０号公報

【特許文献2】特開２０１１−２４７７４６号公報

【特許文献3】特開２０１５−１０９６４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

絶対的な位置情報を有しないインクレメンタル方式のエンコーダでは、絶対的位置基準としての原点検出系用スケールを位置検出系用スケールとは別個に設けて、位置検出系と原点検出系の対応付けを図っている。もしくは、一つのスケールを位置検出系と原点検出系で兼用し、位置検出用と原点検出用のリーディング・ヘッドでそれぞれ読み込んで、位置検出系と原点検出系の対応付けを図っている。その際、いずれの方法においても、簡単でコンパクトな構成となることが望まれている。または、原点検出系を含む複雑で高価な対応付けのための構成を不要とすることが望まれている。

【0009】

上記特許文献１、２では、原点検出系を、位置検出系として用いるＡ相、Ｂ相の他に、Ｚ相として設けることにより、原点検出系と位置検出系を統合している。しかしながら、この特許文献１では、Ａ相、Ｂ相のためのスケール及び発光部、受光部の外に、ほぼこれと同規模のＺ相のための発光部、受光部を必要とし、エンコーダ自体を小型化／薄型化することが困難である。また、２本のスケール及び両スケールを検出するリーディング・ヘッドが必要であるので、これら各部品の取付け誤差の影響が累積する。そのため、この誤差を補償する位置検出系と原点検出系の光学的位置合わせが必要になり、多大な工程を要する。特に、エンコーダを長さや角度、厚さ、内外径の計測装置等に使用する場合、できるだけ簡素で簡単な機構になることが望まれている。

【0010】

また、特許文献３に記載の光学式のエンコーダは、原点検出系と位置検出系を別個に設ける必要がないので、装置の薄型化／小型化が可能であり、アッベ誤差が発生する恐れがないという利点を有している。しかしながら、この特許文献３に記載のエンコーダでは、原点検出用の個別のスケールや検出器がない分、原点決定のために検出信号を信号処理する必要があり、信号処理回路が複雑化してコスト増を招く恐れがある。

【0011】

本発明は上記従来の技術の不具合を鑑みなされたものであり、その目的は、インクレメンタル方式の光学式エンコーダにおいて、原点検出用の特別なスケールを設けることなく、簡単な構成及び簡単な信号処理で原点位置を確実に決定することにある。また、この原点位置決定方法を備えたエンコーダを実現することにある。

【課題を解決するための手段】

【0012】

上記目的を達成するための本発明の特徴は、発光部と受光部を有するリーディング・ヘッドと、このリーディング・ヘッドに対向して配置され、反射部と透過部で構成されるスケール・パターンが複数形成されたスケールと、を有するインクレメンタル方式の光学式エンコーダにおいて、前記スケールは、複数の前記スケール・パターンにおける反射部と前記透過部の幅が実質的に同一であり、その全長における少なくとも１箇所において前記反射部または前記透過部が欠落したスケール・パターンを有し、前記受光部は連続する複数の前記反射部または前記透過部からの光を受光するよう構成されていることにある。

【0013】

そしてこの特徴において、前記スケールが、前記リーディング・ヘッドに相対的に移動可能に構成されているのがよく、前記受光部は受光した光を検出信号に変換し、前記エンコーダは前記検出信号を演算処理する処理部を有し、前記処理部は、前記検出信号中の各波形からピーク値をサンプリングして自己相関を演算する演算部を有することが望ましい。また、前記受光部は、少なくともＡ相とこのＡ相と９０°異なるＢ相とを検出するよう構成されていることが好ましい。
さらに、前記処理部は、前記検出信号から抽出した連続するＮ個のピーク値からなる第１のピーク値群と、開始位置が前記第１のピーク値群の最終のピーク値であって、連続するＮ個（Ｎは複数）の第２のピーク値群とに対して、自己相関係数ρを演算し、この自己相関が最小となるピーク値の位置を原点に決定するのが好ましい。

【0014】

上記目的を達成する本発明の他の特徴は、反射部と透過部からなるスケール・パターンを複数並べて形成したスケールに対向して配置したリーディング・ヘッドを前記スケールに相対的に移動させて計測するインクレメンタル方式の光学式エンコーダの原点決定方法において、前記スケールは、その全長における少なくとも１箇所において前記反射部または前記透過部が欠落したスケール・パターンを有し、前記リーディング・ヘッドを前記欠落部に対して相対的に移動させて前記リーディング・ヘッドの出力波形を求め、この出力波形から複数のピーク値を抽出し、抽出したピーク値に対して自己相関を演算し、演算した自己相関の値に基づいて前記欠落部を求め、その位置を原点と決定することにある。

【0015】

そしてこの特徴において、複数の前記ピーク値の抽出において、連続する波形の最大値のグループと最小値のグループを形成し、各グループについて自己相関を演算し、演算された双方の自己相関から前記欠落部を決定するものであってよく、複数の前記ピーク値の抽出とともに、各波形の最大値と最小値の中央電圧値を求め、前記自己相関の演算結果と求めた各波形の中央電圧値とに基づいて原点を決定することが望ましい。さらに、前記リーディング・ヘッドはＮ個の反射部または透過部からの光を受光可能であり、前記自己相関の演算は、連続するＮ個の第１のピーク値群と、開始位置が前記第１のピーク値群の最終である引き続くＮ個の第２のピーク値群との間の自己相関係数ρの演算であってもよい。

【発明の効果】

【0016】

本発明によれば、インクレメンタル方式の光学式エンコーダが、透過部と反射部を繰り返す光学スケールを有し、そのスケールの少なくとも１箇所に透過部または反射部の欠落部分を形成し、リーディング・ヘッドの出力波形に対して自己相関を演算するようにしたので、特別な原点検出系を設けることなく、簡単な構成及び簡単な信号処理で原点位置を決定できる。また、原点位置決定方法を備えたエンコーダを実現できる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】本発明に係るエンコーダの（ａ）上面図、（ｂ）正面図である。

【図2】本発明に係るエンコーダの一実施例の（ａ）上面図、（ｂ）正面図である。

【図3】本発明に係るエンコーダの他の一実施例の（ａ）上面図、（ｂ）正面図である。

【図4】自己相関を説明する図である。

【図5】リーディング・ヘッドの出力波形の例を示すグラフであり、シミュレーション結果を示す。

【図6】図５に示した出力波形からピーク値を抽出した結果を示すグラフである。

【図7】図６に示したピーク値に対して自己相関を演算した結果を示すグラフである。

【図8】自己相関係数の変化を説明するグラフである。

【図9】外乱によるリーディング・ヘッドの出力波形の変化を説明するグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、本発明に係るインクレメンタル方式の光学式エンコーダを、図面を用いて説明する。図１ないし図３は、リニアスケールを有する光学式エンコーダの部分拡大図であり、各図において、図（ａ）はリニアスケール４の上面図を、図（ｂ）はその正面図を示す。なお、以下の説明では、リニアスケールを有するリニアエンコーダについて説明するが、同様のスケールを有する光学式ロータリ・エンコーダにも本発明は適用できる。また、以下の説明では反射光を計測に用いているが、透過光を計測に用いる光学式エンコーダにも本発明を適用できることは、言うまでもない。

【0019】

初めに、図１を用いて、リニアスケール４の大部分を占める一般の状態を説明する。リニアスケール４では、例えばガラス製のスケール基板１ａに、Ｃｒ、Ａｕ、Ｐｒ、Ａｇ、Ａｌ等の光反射率の高い金属を蒸着等で成膜して、反射部５ｂが形成されている。各反射部５ｂの両側には、この反射部５ｂのピッチｐ／２と同じピッチｐ／２で、透過部５ａが形成されている。すなわち、透過部５ａと反射部５ｂとで、ピッチｐのスケール・パターン５が形成される。その結果、このパターン５（スケール・パターンとも称する）が、リニアスケール４の長手方向に複数形成される。本実施例では、ｐ＝２０μｍであり、したがって反射部の幅ｐ／２＝１０μｍである。

【0020】

一般に、リニアスケール４は図示しない静止体に取り付けられて計測用に供されており、このリニアスケール４の長手方向、すなわちパターン５が形成された方向（Ｘ方向）に移動可能にリーディング・ヘッド１が、図１（ｂ）で上方に間隔を置いて、リニアスケール４に対向配置されている。リーディング・ヘッド１とリニアスケール４は、光学式のリニアエンコーダ１００の主要部を構成する。

【0021】

リーディング・ヘッド１は、大別して発光部２と受光部３とをスケール基板１ａ上に有しており、それらは透明な樹脂材（図示せず）で覆われている。発光部２は、ＬＥＤアレイやレーザアレイからなる光源と、この光源の発光面側に配置され一定ピッチで形成された格子と、格子の上面を覆い保護する光透過部材とを有するが、詳細は図示を省略する。発光部２は、リニアスケール４上の複数のスケール・パターン５に、入射光１１ａを発光する。

【0022】

受光部３は、フォトダイオードアレイからなる受光素子を備えている。図示は省略したが、発光部２にはその駆動回路が、受光部３には受光信号の信号処理回路が設けられており、これらはリーディング・ヘッド１として一体化されていてもよい。その場合、これら回路をハイブリッドＩＣ化し、リーディング・ヘッド１に一体化すれば、光学式エンコーダをコンパクト化できる。

【0023】

このように構成した光学式リニアエンコーダ１００では、図１（ａ）に示すように、リーディング・ヘッド１を図中左右方向（Ｘ方向）に移動させると、図１（ｂ）に示すように、発光部２から発光された入射光１１ａは、リニアスケール４上の複数のスケール・パターン５上に入射する。そして、各反射部５ｂで反射して、反射光１１ｂとなって受光部３に達する。一方、スケール・パターン５の透過部５ａに到達した入射光１１ａは、透過光１１ｃとなって、リニアスケール４を通り抜ける。
ここで、他の実施形態としてリーディング・ヘッド１がリニアスケール４を挟み込む形態を成すか、または、リーディング・ヘッド１が分割されることによりリニアスケール４を挟み込む形態を成すこと等によって、発光部２と受光部３とがリニアスケール４を挟む様に配置される形態（不図示）を成していても良い。この場合は、発光部２から発光された入射光１１ａのうち透過部５ａを透過した透過光１１ｃが受光部３に達して受光されることになる。この場合においても、本発明を適用することができ、同様の作用効果を奏することができる。

【0024】

リーディング・ヘッド１の受光部３に配置した図示しないフォトダイオードは、複数の反射部５ｂで反射した反射光１１ｂを受光可能であり、受光した反射光１１ｂを電気信号に変換する。リーディング・ヘッド１が長手方向に移動すると、フォトダイオードの出力が周期的に変化する。そこで、フォトダイオードのこの周期的な変化数を計数することにより、リニアスケール４上のどのスケール・パターン５の位置に、リーディング・ヘッド１が位置しているかが分かり、測長が可能になる。

【0025】

しかしながら、インクレメンタル方式のエンコーダでは、基準位置、すなわち原点が分からないので、基準点を別の方法で求めるか、リニアスケールに何等かの処理を施して、原点位置を特定できるようにする必要がある。上述したように、位置検出系の他に原点検出系を設けることは、装置が複雑になるばかりでなく、それら２つの系を正確に対応付ける必要があり、エンコーダのコンパクト化とコスト低減とが困難になる。

【0026】

そこで、本発明では、図２及び図３に示すような原点位置検出用のスケール・パターン５を、リニアスケール４に設けている。図２及び図３は、図１に対応する図であり、図２は、反射部５ｂが欠落したスケール・パターン５をリニアスケール４の長手方向に１箇所だけ設けた場合であり、また図３は、透過部５ａが欠落したスケール・パターン５を、リニアスケール４の長手方向に１箇所だけ設けた場合である。なお、後にその理由を詳述するが、これらの欠落部６、７はいずれの場合にも、リニアスケール４の両端部から数パターンの範囲内には施さない。

【0027】

図２に示した反射部５ｂの欠落部６を作製するには、蒸着等に用いる欠落部の無い通常使用のマスクの１箇所だけマスクを外すだけで対処できる。同様に、透過部５ａの欠落部７を作製するには、蒸着等に用いる欠落部の無い通常使用のマスクの１箇所だけ、マスクを増やせばよい。したがって、リニアスケール４のスケール・パターン５作製における変更がほとんどなくて済み、リニアスケール４製作の工数やコストの増加もほとんどなく、製作も容易である。

【0028】

次に、このように構成した光学式リニアエンコーダ１００の受光部３が有するフォトダイオードの出力とその信号処理について、図４ないし図９を用いて説明する。なお、以下の説明においては、リニアスケール４で１個の透過部５ａが欠落した場合について説明するが、反射部５ｂが欠落した場合も、その処理は同じである。

【0029】

図４は、フォトダイオードの出力例（シミュレーション結果）を示すもので、横軸はリーディング・ヘッド１が通過したスケール・パターン５の数ｎである。スケール・パターン数の差Δｎ＝１が、リニアスケール４上の長さ２０μｍに相当する。図５は、同じくフォトダイオード出力のシミュレーション結果を示すもので、横軸は時間である。この図５の結果に基づいて、図４を得ている。すなわち、図５の一部を拡大し、横軸の時間軸を長さが一定になるように変化させたものが図４である。

【0030】

シミュレーションで使用した条件は、フォトダイオード３が、同時に１３個のスケール・パターン５からの反射光１１ｂを検出可能であり、リーディング・ヘッド１が、０．１秒間に約１２ｍｍ移動するとしている。フォトダイオード３のサンプル周波数は、５００ｋＨｚであり、図示した波形数は約６００である。

【0031】

まず、リーディング・ヘッド１をリニアスケール４に対して静止もしくは低速状態から移動させると、図５に示すように、初期においてはリーディング・ヘッド１の速度が遅いので、フォトダイオード３の出力波形がはっきり出ているが、数波長後には加速されているので、上限ピーク値５１と下限ピーク値５２の間で繰り返していることが分かるだけである。ここで、上限のピーク値５１と下限のピーク値５２との中心電圧値を、各波形について求めて一点鎖線５３で示している。中心電圧値５３は、シミュレーションの期間中ほぼ一定となった。

【0032】

この図５では、後半部において、フォトダイオード３の上限ピーク値５１が低下し、下限ピーク値５２が上昇している。この出力変動の原因は、本実施例では反射部５ｂの欠落によるものであるが、現実のエンコーダの出力波形においては、種々の要因で変化するので、反射部５ｂの欠落以外の要因（外乱）での出力変動を排除する必要がある。本発明者は、自己相関係数を用いると、このスケール・パターン５の変化以外の外乱を排除できることを見出した。以下に、自己相関係数を用いた欠落部６、７の検出方法を説明する。

【0033】

図４（ａ）は上述した通り、１３個のスケール・パターン５を検出するフォトダイオード３の出力波形の一部を取り出した図であり、約５０波長分の検出電圧波形４１を示している。図４（ｂ）は、自己相関係数ρを求めるために、２つの波形群を構成することを示す図である。演算を開始するリニアスケール４の位置を、スケール・パターン数ｎ＝０とすると、ｎ＝１３の位置までの１３個の波形を含む群を、第１の群４２とする。次に、第１の群４２の最後の波形を含む後続の波形１３個を含む群を、第２の群４３とする。したがって、第１の群４２の最後の波形と第２の群４３の最初の波形は同一物である。第１の群４２及び第２の群４３に関して、それぞれを構成する各波形のピーク値（最大値）４４、４６およびピーク値（最小値）４５、４７を抽出する。これにより、４つの数列が得られる。

【0034】

初めに、最大値４４、４６について自己相関係数ρを求め、次いで最小値４５、４７について自己相関係数ρを求める。よく知られた数学の公式より、第１の群４２の最大値４４の数列に対して、ｘｉ（ｘｉ＝１、Ｎ）とし、第２の群４３の最大値４６の数列に対して、ｙｉ（ｙｉ＝１、Ｎ）、Ｎ＝１３とすると、自己相関係数ρは、次式で表される。

【数1】

【数2】

ここで、Ｎはフォトダイオード３が検出可能なスケール・パターン５に対応している。

【0035】

次に、同様に、第１の群４２の最小値４５の数列に対して、ｘｉ（ｘｉ＝１、Ｎ）とし、第２の群４３の最小値４７の数列に対して、ｙｉ（ｙｉ＝１、Ｎ）、Ｎ＝１３とすると、自己相関係数ρは、同様に上式（数１、数２）で表される。

【0036】

以下、図４（ｃ）で示すように、リーディング・ヘッド１の移動に伴う変化を、第１、第２の群４２、４３を移動させて演算する。その際、第１の群４２の最後の波形と第２の群４３の最初の波形が同一になるという関係を維持する。演算を開始するスケール・パターン数は、連続的に変化させてもよいし、数ピッチ間隔を置いて変化させてもよい。また、ランダムに間隔を置いて変化させてもよい。ただし、１３個以上間隔をあけると、自己相関係数を全然演算しない部分が生じる恐れがあり、原点検出が不正確になる恐れがある。

【0037】

また本実施例の場合には、自己相関係数ρを求めるのに２５個のスケール・パターン５を必要とし、リニアスケール４の端部から少なくともその半分の領域では、演算に必要なスケール・パターン数ｎを得られず、正確な自己相関係数が求められない。そのため、この部分、本実施例では両端部から１２個のスケール・パターン５の部分、に原点用の欠落部６、７を設けることは、無意味となる。

【0038】

図５に示したフォトダイオード３の出力波形から、ピーク電圧のみを求めたのが図６であり、上記自己相関係数の演算結果をプロットしたのが、図７である。図６では、ピーク電圧として、最大値５５だけでなく最小値５６をも併せて示している。図６から、スケール・パターン５の欠落部６、７近傍では、ピーク電圧の最大値５５が低下し、最小値５６が上昇していることがわかる。しかしながら上記波形を、スケール・パターン数ｎを横軸にして変換すると、この変化は、３０〜４０波形の中での変化になっており、正確なスケール・パターン５の欠落部６、７をこの曲線から求めることは容易ではない。

【0039】

一方、自己相関係数ρの変化を示す図７では、自己相関係数ρをプロットした線５８は、スケール・パターン５の欠落部６近傍で急峻な変化を示しており、欠落部６では明確に最小値となっている。なお、この図７ではリーディング・ヘッド１の受光部３に設けたＡ相、Ｂ相のフォトダイオードの出力の中で、Ａ相の出力結果のみを示しているが、Ａ相とは９０°位相の異なるＢ相の出力結果も、ほぼ同じ結果を示した。これにより、自己相関係数を用いることで、より明確にかつ容易にスケール・パターン５の欠落部６を検出でき、この欠落部６を原点とすれば、原点を容易に決定できる。

【0040】

上記説明では最大値を例にしたが、最大値だけでは以下に述べる外乱の影響の排除が難しい。そこで、実際には最小値についても自己相関係数ρを求める。そしてこれら両者の自己相関係数ρが最小となって一致する位置をスケール・パターン５の欠落部６と決定する。以下に述べる外乱の際には、最大値５１の相関係数ρが最小となった位置で、各波形の最小値５２が増加せず、自己相関係数ρも低下せず、外乱と欠落部６の影響を区別できる。なお、最大値と最小値の平均値は、欠落部６においてもその他の部分とほぼ変わらない。

【0041】

次に図８を用いて、自己相関係数ρの演算において現れるパターンとリニアスケール４のスケール・パターン５の関係を説明する。図８（ａ）は、スケール・パターン５が整然と繰り返される状態で、リーディング・ヘッド１を移動させた場合に得られるパターン（平時パターン）である。リニアスケール４にもリーディング・ヘッド１の操作にも何ら特別の点がないので、フォトダイオード３の出力電圧が安定しており、パターンは平坦である。この場合、自己相関係数ρはほぼ１になっている。

【0042】

図８（ｂ）は、リーディング・ヘッド１が、スケール・パターン５の欠落部６に近づいている場合、またはスケール・パターン５の欠落部６から遠ざかる場合である。平坦な部分は上記（ａ）図の場合と同じくスケール・パターン５が整然と繰り返される部分である。しかし、スケール・パターン５の欠落部６に近づくと、欠落部６からは反射光１１ｂが得られないので自己相関係数が低下する。一方、欠落部６から整然としたパターンに戻る部分では、欠落部６の影響が徐々になくなるので、自己相関係数が１に回復するよう増加する。

【0043】

図８（ｃ）は、スケール・パターン５の欠落部６前後の自己相関係数ρの変化パターンである。図８（ｂ）の結果から類推できるように、スケール・パターン５の欠落部６で、フォトダイオード３の出力電圧に基づく自己相関係数ρが極小になり、Ｖ字型のような折り返し形状となっている。これらのパターンは、ピーク電圧の最大値５５及び最小値５６のいずれの場合も同じであり、スケール・パターン５の欠落部６では自己相関係数ρが最小となる。

【0044】

次に図９を用いて、フォトダイオード３の出力波形から欠落部６を決定する際に、外乱の影響を排除する方法を説明する。図９（ａ）は、一般的な検出波形の例であり、図５に示した波形の一部を示した図である。この図９（ａ）では、最大値５１ａ、最小値５２ａ、及びその中心電圧値５３ａを示している。中心電圧値５３ａは、ほぼ水平な線で表される。図９（ｂ）は、図９（ａ）の波形の特性のものに対して、リニアスケール４の表面に油膜等が付着してフォトダイオード３の出力が低下した場合を示した図である。図９（ｂ）では、理解しやすいよう誇張して示している。

【0045】

リニアスケール４の表面に切削油等の微粒子が付着した場合、フォトダイオード３の検出感度が低下する。この場合、各波形の最大値５１ｂと最小値５２ｂの双方が低下するので、フォトダイオード３の出力の最大値５１ｂをそのまま使用して欠落部６を検出しようとすると、最も汚染が激しい位置を欠落部６とするという、誤った認定をする恐れがある。また、最大値５１ｂとともに、最小値５２ｂや最大値５１ｂと最小値５２ｂの中心電圧値５３ｂを使用しても、同様にフォトダイオード３の感度低下によって生じた、それぞれが最小となる位置を、欠落部６として認定する恐れがある。

【0046】

なお図示は省略するが、衝撃的な外乱やノイズがあっても、上記と同様の理由で、自己相関係数ρを用いることにより、それらの影響を排除できる。すなわち外乱やノイズがある場合には、各波形の最大値５１及び各波形の最小値５２の双方に、それぞれ自己相関係数を演算することにより、双方の自己相関係数ρがともに最小になることはなく、これにより、スケール・パターン５の欠落部６との区別を明確にすることが可能になる。

【0047】

上記実施例においては、反射部５ｂの欠落の場合について説明したが、透過部５ａの欠落の場合も同様にして原点を決定できる。ただし、フォトトダイオード３の検出波形は、反射光１１ｂが増大するので透過部５ａの欠落部７で増大するが、自己相関係数はやはりともに最小となる。

【0048】

以上説明したように本実施例によれば、光学式のリニアエンコーダが有するリーディング・ヘッドのフォトダイオードの出力波形のピーク値に対して、自己相関係数を演算することにより、ノイズ等の外乱により全体的に出力電圧が増減する場合に発生する誤検出を抑制できる。また、ピーク値のみ利用するので、リーディング・ヘッドが一定の速度で移動していなくても、リニアスケールを基準として用いることができる。

【0049】

また、欠落部６ではフォトダイオード３の出力波形の最大値５１が下がると最小値５２が上がる傾向にあるため、フォトダイオード３の出力波形を１波形のみ取り出した結果で比較すると、相関係数を演算してもほとんど差異を生じない。それに対して、本発明では、複数の波形について相関係数を演算しているので、スケール・パターン５の欠落部における特性、すなわち相関係数が最小となるという特性により、欠落部を容易に決定できる。

【0050】

なお、本発明によるエンコーダは、測長や速度計測、角度計測等に利用できるものであり、上記自己相関係数の演算は、リーディング・ヘッド１に設けてもよく、または別体として設けてもよい。また、この自己相関係数の演算に要する時間は１ｍｓｅｃ以下であり、リーディング・ヘッド１の運動に十分対応できる。さらに、上記実施例においては、自己相関係数の演算に用いるスケール・パターン数ｎをｎ＝１３としたが、この数は使用するフォトダイオードおよび配置により異ならせることが可能であり、本実施例では通常使用されているフォトダイオードを使用した通常の配置の場合を想定して決定した。したがって、ｎ＝１３に拘泥するものではないが、上述の理由により複数とする必要がある。

【0051】

本発明によれば、位置検出系と原点検出系を同一の光学式エンコーダ部品で達成することができるので、位置検出系と原点検出系の光学的な位置合わせが不要となる。また、位置検出系と原点検出系が同一系なので、温度などの環境変化を受けにくく、さらに、位置検出系と原点検出系を同一軸上に配置できない場合に生じるアッベ誤差とも無縁である。

【符号の説明】

【0052】

１…リーディング・ヘッド、２…光源（発光部）、３…フォトダイオード（受光部）、４…リニアスケール、５…スケール・パターン、５ａ…透過部、５ｂ…反射部、６…反射部欠落部、７…透過部欠落部、１１ａ…入射光、１１ｂ…反射光、１１ｃ…透過光、４１…検出電圧波形、４２…第１の群、４３…第２の群、４４…ピーク値（最大値）、４５…ピーク値（最小値）、４６…ピーク値（最大値）、４７…ピーク値（最小値）、５１、５１ａ、５１ｂ…検出電圧波形（最大）、５２、５２ａ、５２ｂ…検出電圧波形（最小）５３、５３ａ、５３ｂ…中心電圧値、５５…抽出ピーク値（最大）、５６…抽出ピーク値（最小）、５８…自己相関係数、１００…光学式リニアエンコーダ、ρ…自己相関係数

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】