JP6099908B2 - ２次元アブソリュートエンコーダおよびスケール - Google Patents

Description

本発明は、２次元アブソリュートエンコーダおよびスケールに関する。

従来、機械装置のステージ等の位置を計測する目的で、インクリメンタルエンコーダやアブソリュートエンコーダが用いられる。インクリメンタルエンコーダは、最初に原点を検出しないと絶対位置情報が得られないため、特に工作機械やロボット分野への応用は限られていた。一方、アブソリュートエンコーダは、絶対位置情報が得られるため、原点検出を要しない。

アブソリュートエンコーダを用いて２次元（Ｘ方向・Ｙ方向）における対象物の位置を得るには、２つのアブソリュートリニアエンコーダをステージの互いに直交する側面にそれぞれ配置する方法が一般的である。しかし、ステージの上面又は下面のような１つの面に２次元スケールを配置することが求められる場合がある。アブソリュートコードを有する２次元スケールとして、特許文献１は、絶対位置を特定する２次元パターンを平面上に離散的に配置したものを開示する。特許文献１記載の２次元スケールは、グリッド領域ごとに絶対位置情報を持たせるため、グリッド領域を複数の領域（要素）に細分化して各領域に白黒（２種）のいずれかのコード情報を付与している。

特許文献２も、２次元スケールとして、絶対位置を特定する２次元パターンを平面上に離散的に配置したものを開示する。特許文献２記載のスケールは、等間隔に用意した測定点の周囲に赤・青・緑などの色パターンを配置し、その配置の状態で絶対位置情報を表現する。特許文献３記載の２次元スケールは、平面をグリッド領域に分割し、各グリッド領域に２次元準ランダムパターン部および２次元コード部を配置している。特許文献３記載のアブソリュートエンコーダは、２次元準ランダムパターン部および２次元コード部を一括して検出し、得られた２次元画像パターンにより２次元絶対位置を特定する。

特開平１１−２４８４８９号公報 特表２００８−５２５７８３号公報 特開２００４−３３３４９８号公報

特許文献１〜３記載の２次元アブソリュートエンコーダは、いずれも絶対位置を表す２次元パターンが離散的に配置されたスケールを要し、インクリメンタルエンコーダに匹敵するような高分解能化を実現し難い。

本発明は、例えば、高分解能の２次元アブソリュートエンコーダを提供することを目的とする。

本発明の一側面は、互いに異なる第１方向および第２方向に沿って複数のマークが配列されたスケールと、
前記第１方向に配列された第１個数のマークを検出する第１検出と、前記第２方向に配列された第２個数のマークを検出する第２検出とを行う検出器と、
前記検出器の出力に基づいて、前記第１方向及び前記第２方向における前記スケールの絶対位置をそれぞれ得る処理部と、を有し、
前記複数のマークのそれぞれは、前記第１方向における位置を示すための量子化された第１符号と前記第２方向における位置を示すための量子化された第２符号との組合せに対応する特性値であって、前記組合せの数より少ない数の互いに異なる複数の特性値のいずれかを有し、
前記処理部は、前記第１検出の結果に基づいて、前記第１個数の前記第１符号で構成される第１符号列を生成し、該第１符号列に基づいて前記第１方向における前記スケールの絶対位置を得、前記第２検出の結果に基づいて、前記第２個数の前記第２符号で構成される第２符号列を生成し、該第２符号列に基づいて前記第２方向における前記スケールの絶対位置を得、
前記第１検出により得られた信号の位相に基づいて、前記第１方向における前記絶対位置の分解能より高い分解能を有する前記第１方向における位置データを得、前記第２検出により得られた信号の位相に基づいて、前記第２方向における前記絶対位置の分解能より高い分解能を有する前記第２方向における位置データを得る、
ことを特徴とする２次元アブソリュートエンコーダである。

本発明によれば、例えば、高分解能の２次元アブソリュートエンコーダを提供することができる。

実施形態１に係る２次元アブソリュートエンコーダの構成例を説明するための図 ２次元スケールの構成例を説明するための図 実施形態２に係る２次元スケールの構成例を説明するための図 実施形態３に係る２次元スケールの構成例を説明するための図 実施形態４に係る２次元スケールの構成例を説明するための図

以下に、本発明の実施形態を添付の図面に基づいて詳細に説明する。

［実施形態１］
図１は、実施形態１に係る２次元アブソリュートエンコーダの構成例を説明するための図である。

図１に示すように、発光素子ＬＥＤから射出された発散光束は２次元スケールＳＣＬ（下面）を照明し、その反射光は１次元受光素子アレイＰＤＡ（Ｘ）および１次元受光素子アレイＰＤＡ（Ｙ）上に拡大投影される。

図２に示すように、２次元アブソリュートエンコーダ用の２次元スケールＳＣＬは、非反射性の基材（反射率０％）上において、互いに直交する２方向（第１方向および第２方向）に沿って一定の周期で複数の正方形の反射部（マーク）が２次元配列されている。反射部の反射特性（反射率）は、以下の規則に従う階調を有している。

１．Ｘ軸・Ｙ軸のそれぞれに関して、巡回符号（循環符号ともいう）を作成し、巡回符号の符号値を座標（グリッド）上に１：１に対応付ける。
２．Ｘ座標の符号（第１符号）とＹ座標の符号（第２符号）との組合せによって、各グリッドの反射部の反射率を以下のように定める。
Ｘ座標の符号が０でＹ座標の符号が０（即ち（０，０））の場合の反射率：３３％
Ｘ座標の符号が１でＹ座標の符号が０（即ち（１，０））の場合の反射率：６６％
Ｘ座標の符号が０でＹ座標の符号が１（即ち（０，１））の場合の反射率：６６％
Ｘ座標の符号が１でＹ座標の符号が１（即ち（１，１））の場合の反射率：１００％

ここで、Ｘ座標の符号とＹ座標の符号とが互いに同じである２つの場合は、互いに異なる階調にすること、Ｘ座標の符号とＹ座標の符号とが互いに異なる２つの場合は、互いに同じ階調にすることを規則としている。

階調の付与は、反射部において薄膜を追加又は削除する方法、反射部のサイズを変化させる方法、ハッチングパターン等により部分的に反射部を付加する方法などにより行いうる。しかし、反射光量を増減できるのであれば、他の方法で階調を付与してもよい。図２では、反射率３３％の反射部を濃いハッチングで、反射率６６％の反射部を淡いハッチングで、反射率１００％の反射部をハッチング無し（白）で表現している。複数の反射部のそれぞれは、Ｘ軸（第１方向）における位置を示すための量子化された第１符号の情報とＹ軸（第２方向）における位置を示すための量子化された第２符号の情報との双方を含むマークを構成している。

図１において、受光素子アレイＰＤＡ（Ｘ）は、Ｘ座標（Ｘ軸上の位置）の検出のためにＸ方向に整列させて配置してあり、スケールＳＣＬ上の矩形領域ＡＲ１で反射した光束を受光する（第１検出）。受光素子アレイＰＤＡ（Ｘ）は、１つの反射部に対してＮ個の受光素子（光電変換素子）が対応するように配置されていて、各受光素子が所定間隔（典型的には等間隔）で配列されている。よって、受光素子アレイＰＤＡ（Ｘ）の受光素子は、Ｘ軸に沿って反射部（マーク）のＸ方向の周期よりも小さいピッチで配列されている。ここでは、アブソリュートコードのビット数（第１個数）をＭ＝１０、１つの反射部に対する受光素子の数をＮ＝１２、受光素子アレイＰＤＡ（Ｘ）の全受光素子の数（チャンネル数）を（Ｍ＋１）×Ｎ＝１３２としている。その結果、受光素子アレイＰＤＡ（Ｘ）の１３２チャンネルで常に１１周期分の周期信号が得られることになる。さらに、Ｙ方位の符号が１の場合と０の場合とで信号強度が変動するため、Ｙ方向に配列された複数反射部からの反射光をＹ方向に細長い受光面にて受光することにより、Ｙ方向に光学的に積算（平均化）した光量を得る構成としている。図２の下部には、Ｙ座標の符号が１の列のみを受光した場合の明暗パターン（周期信号）とＹ座標の符号が０の列のみを受光した場合の明暗パターンとＹ方向に配列された複数列を一括して受光した場合の明暗パターンとを示す。

同様に、受光素子アレイＰＤＡ（Ｙ）は、Ｙ座標（Ｙ軸上の位置）の検出のためにＹ方向に整列させて配置してあり、スケールＳＣＬ上の矩形領域ＡＲ２で反射した光束を受光する（第２検出）。受光素子アレイＰＤＡ（Ｙ）は、１つの反射部に対してＮ個の受光素子（光電変換素子）が対応するように配置されていて、各受光素子が所定間隔で配列されている。よって、受光素子アレイＰＤＡ（Ｙ）の受光素子は、Ｙ軸に沿って反射部（マーク）のＹ方向の周期よりも小さいピッチで配列されている。ここでは、アブソリュートコードのビット数（第２個数）をＭ＝１０、１つの反射部に対する受光素子の数をＮ＝１２、受光素子アレイＰＤＡ（Ｙ）の全受光素子の数（チャンネル数）を（Ｍ＋１）×Ｎ＝１３２としている。その結果、受光素子アレイＰＤＡ（Ｙ）の１３２チャンネルで常に１１周期分の周期信号が得られることになる。さらに、Ｘ方位の符号が１の場合と０の場合とで信号強度が変動するため、Ｘ方向に配列された複数反射部からの反射光をＸ方向に細長い受光面にて受光することにより、Ｘ方向に光学的に積算（平均化）した光量を得る構成としている。図２の右部には、Ｘ座標の符号が１の列のみを受光した場合の明暗パターン（周期信号）とＸ座標の符号が０の列のみを受光した場合の明暗パターンとＹ方向に配列された複数列を一括して受光した場合の明暗パターンとを示す。

以上のように、２つの１次元受光素子アレイＰＤＡ（Ｘ）・ＰＤＡ（Ｙ）は、それぞれ、第１方向に配列された第１個数のマーク・第２方向に配列された第２個数のマークを検出する。そして、各軸とも、符号の大小関係が振幅の大小関係に対応するように振幅変調された周期信号が得られるように構成されている。

図１を参照するに、スケールＳＣＬを介して受光素子アレイＰＤＡ（Ｘ）・ＰＤＡ（Ｙ）へ投影された光束の光量分布は、それぞれＧＲＰＨ０（Ｘ）・ＧＲＰＨ０（Ｙ）のようになる。そのため、受光素子アレイＰＤＡ（Ｘ）・ＰＤＡ（Ｙ）の各素子からは光量に応じた複数の電気信号が出力される。本実施形態では、受光素子アレイとしてＣＭＯＳイメージセンサを使用する。イメージセンサは、外部からのデータ取得指令（光電子蓄積指令）に応じて、その内部に電荷を蓄積し、外部から印加されたクロック信号に従って、蓄積された電荷に応じた信号を順次出力する。ＰＤＡ（Ｘ）・ＰＤＡ（Ｙ）から出力された信号は、それぞれ、信号処理系（処理部ＰＲＣ）内のＡＤコンバータＡＤＣにてデジタル変換され、レジスタＲＥＧ（Ｘ）・ＲＥＧ（Ｙ）に格納される。なお、図１の光量分布ＧＲＰＨ０（Ｘ）・ＧＲＰＨ０（Ｙ）は、理想的には、正弦波がマーク列によって振幅変調されたものである。しかし、実際には、スケールＳＣＬと受光素子アレイＰＤＡ（Ｘ）・ＰＤＡ（Ｙ）との間隔の変動等により三角波状になったり台形波状になったりして歪みうるものである。このような２つの光量分布は、それぞれ、受光素子アレイＰＤＡ（Ｘ）・ＰＤＡ（Ｙ）を介して、チャンネル数（Ｍ＋１）×Ｎ＝１３２の「波形データ」に変換される。

スケールＳＣＬのＸ軸（第１方向）およびＹ軸（第２方向）における以降の処理は、互いに独立に同様になされるため、Ｘ軸の処理を例に説明する。

まず、受光素子アレイＰＤＡ（Ｘ）の波形データＲＥＧ（Ｘ）に基づいて、スケールＳＣＬのＸ軸における絶対位置に対応した巡回符号を特定する。そのため、波形データＲＥＧ（Ｘ）と閾値データＴＨＲ−ＤＡＴとの大小関係を比較する比較演算ユニットＣＯＭＰにて、周期信号又は１２データ（１２画素）毎に２値化する。この２値化により、巡回符号データＣＢ−ＤＡＴ（第１符号列；Ｙ軸に関しては第２符号列）を得る。なお、この巡回符号データは、巡回符号のビット数（Ｍ＝１０）より１ビット余分を有している（但し、余分は、１ビットには限定されない）。これは、受光素子アレイＰＤＡ（Ｘ）・ＰＤＡ（Ｙ）のチャンネル数が、それぞれ、アブソリュートコード１ビットに相当する分（受光素子１２個分）多いためである。

また、これと並行して、波形データＲＥＧ（Ｘ）に対する移動平均データＭＡ−ＤＡＴを生成し、その逆数を演算し、該逆数を元の波形データＲＥＧ（Ｘ）に乗算する。これにより、マーク列で振幅変調されて得られたＲＥＧ（Ｘ）の振幅を規格化し、振幅一定の周期信号波形データＮ−ＤＡＴを生成し、レジスタ（不図示）に格納する。ここで、移動平均データＭＡ−ＤＡＴを生成するフィルターのサイズは、ＲＥＧ（Ｘ）の１１要素（画素）分としうる。なお、より正確には、中心の画素の値と、その前後５画素の値と、更に外側の左右の各１画素の半値とを合計した値を１２で割るようなフィルターとしうる。この場合、移動平均フィルターのサイズは、等価的には１２画素分となる。

この周期信号波形データＮ−ＤＡＴは、それとデータ数が同じの余弦波基準波形データＣ−ＤＡＴが乗算器により乗算され、その総和が演算される。これにより、信号Ａが得られる。同様に、周期信号波形データＮ−ＤＡＴは、それとデータ数が同じの正弦波基準波形データＳ−ＤＡＴが乗算器により乗算され、その総和が演算される。これにより、信号Ｂが得られる。これらの演算により得られた信号Ａ・信号Ｂは、所謂インクリメンタルエンコーダの互いに９０°位相差を有する２相信号（Ａ相信号・Ｂ相信号）に相当する。

これらの演算は、高調波成分・直流成分を有する周期信号に正弦波または余弦波を乗算して周期の整数倍の範囲で定積分を行うことにより、それらの成分を元の周期信号から除去または低減するものである。なお、実際は、受光素子アレイ中の受光素子が有限のサイズを有し有限個しか存在しないため、高調波成分・直流成分の除去は完全とはいえない。本実施形態では、受光素子アレイは明暗パターン１周期に対して１２素子にて受光しているため、２次、３次、４次、６次、１２次の高調波成分に対してのみ除去効果がある。ところが、光学式エンコーダの場合、歪成分（高調波成分）は２次、３次、４次の成分が多いため、明暗パターン１周期に対して１２の受光素子で実用的には十分な効果が得られる。

つづいて、信号Ａ・信号Ｂは、アークタンジェント演算器ＡＴＮによる位相演算（ａｒｃｔａｎ（Ａ／Ｂ））に供される。ここで、位相演算器のビット数Ｋを１１とすると、分割数は２＾１１＝２０４８であり、１周期内を２０４８分割した分解能での絶対位置情報（第３位置データ；Ｙ軸に関しては第４位置データ）として内挿部データＩＰ−ＤＡＴが得られる。

先に求めた巡回符号データＣＢ−ＤＡＴは、Ｎ＋１＝１１個の要素（符号）からなっているため、内挿部データＩＰ−ＤＡＴの値に応じてＮ＝１０個を選択する必要がある。この選択は、アークタンジェント演算器ＡＴＮで得られた位相データＩＰ−ＤＡＴとの整合を図るように、振幅の大・小に符号１・０を割り当てる比較器ＣＯＭＰで得られた１１個の符号からＮ＝１０個の符号を選択することによりなしうる。

こうして確定された巡回符号データは、変換テーブルＣ−ＴＢＬを用いて、絶対位置を表す純２進データＰＢ−ＤＡＴ（第１位置データ；Ｙ軸に関しては第２位置データ）に変換する。更に単位変換器ＵＣにて、内挿部の情報ＩＰ−ＤＡＴ（位置データ）と合成してスケールの格子ピッチ単位の絶対位置を求める。更に、単位変換器ＵＣは、格子ピッチ単位の絶対位置に該格子ピッチの値（例えば８０ミクロン）を乗算することにより、所定単位（ミクロン等）での情報に変換された絶対位置情報Ｘ−ＯＵＴ（位置データ）を出力する。スケールＳＣＬのＹ軸（第２方向）に関して絶対位置情報を出力するための処理は、Ｘ軸（第１方向）に関するものと同様である。

以上のように構成された２次元アブソリュートエンコーダは、Ｘ軸方向用検出ヘッド・Ｙ軸方向用検出ヘッドを用いて、２次元スケールＳＣＬ上の任意の箇所に関して、それぞれ、複数のマーク列に対応する複数組の周期信号列を平均化して検出している。そのため、アークタンジェント演算で内挿される位相値（１０ビットのアブソリュートコード間の内挿値であって絶対位置の小数部ともいう）を従来のインクリメンタルエンコーダと同等の高精度で得ることができる。また、複数のマーク列に対応する複数組の周期信号列を平均化して検出しているため、マークのエッジの描画誤差の影響を受け難い。そのため、アブソリュートコード（絶対位置の整数部ともいう）の検出精度も非常に高い。よって、本実施形態によれば、検出ヘッドと２次元スケールとの間の取り付け誤差が多少あっても高精度かつ高分解能の２次元アブソリュートエンコーダを実現することができる。

［実施形態２］
図３は、実施形態２に係る２次元スケールの構成例を説明するための図である。本実施形態は、２次元スケールの構成において実施形態１とは異なっている。図３に示すように、２次元スケールＳＣＬは、非反射性の基材（反射率０％）上において、互いに直交する２方向（第１方向および第２方向）に沿って一定の周期で複数の正方形の反射部（マーク）が２次元配列されている。反射部の反射率は、以下の規則に従う階調を有している。

１．Ｘ軸・Ｙ軸のそれぞれに関して、巡回符号を作成し、巡回符号の符号値を座標（グリッド）上に１：１に対応付ける。
２．Ｘ座標の符号（第１符号）とＹ座標の符号（第２符号）との組合せによって、各グリッドの反射部の反射率を以下のように定める。
Ｘ座標の符号が０でＹ座標の符号が０（即ち（０，０））の場合の反射率：０％
Ｘ座標の符号が１でＹ座標の符号が０（即ち（１，０））の場合の反射率：５０％
Ｘ座標の符号が０でＹ座標の符号が１（即ち（０，１））の場合の反射率：５０％
Ｘ座標の符号が１でＹ座標の符号が１（即ち（１，１））の場合の反射率：１００％

ここで、Ｘ座標の符号とＹ座標の符号とが互いに同じである２つの場合は、互いに異なる階調にすること、Ｘ座標の符号とＹ座標の符号とが互いに異なる２つの場合は、互いに同じ階調にすることを規則としている。

本実施形態の２次元スケールの構成の場合、Ｘ方向における反射光の光量分布は、実施形態１の場合と同様にＹ座標の符号に応じて変化する。そして、Ｙ座標の符号が０の場合は周期信号が部分的に得られない（（０，０）となるグリッドにおいて）。しかし、Ｙ方向に配列された複数列の反射部からの反射光を一括して受光することで、Ｘ座標の符号の１・０に振幅の大・小が対応する、周期信号の欠落のない周期信号波形が得られる。

同様に、Ｙ方向における反射光の光量分布は、実施形態１の場合と同様にＸ座標の符号に応じて変化し、Ｘの座標の符号が０の場合は周期信号が部分的に得られない（（０，０）となるグリッドにおいて）。しかし、Ｘ方向に配列された複数列の反射部からの反射光を一括で受光することで、Ｙ座標の符号の１・０に振幅の大・小が対応する、周期信号の欠落のない周期信号波形が得られる。

よって、本実施形態の２次元スケールの場合も、図１を参照して説明したものと同様の信号処理系と組合わせることにより、２軸の絶対位置情報を出力することができる。但し、Ｘ軸の符号情報を得るためにＹ軸方向に配列された複数のマーク列からの反射光を一括して受光する場合、受光する範囲のＹ座標の符号は全部０にならないように留意する必要がある。同様に、Ｙ軸の符号情報を得るためにＸ軸方向に配列された複数のマーク列からの反射光を一括して受光する場合、受光する範囲のＸ座標の符号は全部０にならないように留意する必要がある。

［実施形態３］
図４は、実施形態３に係る２次元スケールの構成例を説明するための図である。本実施形態は、２次元スケールの構成において実施形態１とは異なっている。図４の（Ａ）に示すように、２次元スケールＳＣＬは、非反射性の基材（反射率０％）上において、互いに直交する２方向（第１方向および第２方向）に沿って一定の周期で複数の正方形の反射部（マーク）が２次元配列されている。反射部の反射率は、以下の規則に従う階調を有している。

１．Ｘ軸・Ｙ軸のそれぞれに関して、巡回符号を作成し、巡回符号の符号値を座標（グリッド）上に１：１に対応付ける。
２．Ｘ軸の符号（第１符号）とＹ軸の符号（第２符号）との組合せによって、各グリッドの反射部の反射率を以下のように定める。
Ｘ座標の符号が０でＹ座標の符号が０（即ち（０，０））の場合の反射率：０％
Ｘ座標の符号が１でＹ方向の符号が０（即ち（１，０））の場合の反射率：１００％
Ｘ座標の符号が０でＹ方向の符号が１（即ち（０，１））の場合の反射率：１００％
Ｘ方向の符号が１でＹ方向の符号が１（即ち（１，１））の場合の反射率：１００％

ここで、Ｘ座標の符号とＹ座標の符号とが互いに同じである２つの場合は、互いに異なる階調にすること、Ｘ座標の符号とＹ座標の符号とが互いに異なる２つの場合は、互いに同じ階調にすることを規則としている。

本実施形態の２次元スケールの構成の場合、Ｘ方向における反射光の光量分布は、Ｙ座標の符号に応じて変化する。そして、Ｙ座標の符号が０の場合は、周期信号が部分的に得られない（（０，０）となるグリッドにおいて）。しかし、Ｙ方向に配列された複数列の反射部からの反射光を一括して受光することで、Ｘ座標の符号の１・０に振幅の大・小が対応する、周期信号の欠落のない周期信号波形が得られる。

同様に、Ｙ方向における反射光の光量分布は、Ｘ座標の符号に応じて変化し、Ｘ座標の符号が０の場合は周期信号が部分的に得られない（（０，０）となるグリッドにおいて）。しかしＸ方向に配列された複数列の反射部からの反射光を一括で受光することで、Ｙ座標の符号の１・０に振幅の大・小が対応する、周期信号の欠落のない周期信号波形が得られる。

よって、本実施形態の２次元スケールの場合も、実施形態１のものと同様の信号処理系と組合わせることにより、２軸の絶対位置情報を出力することができる。但し、Ｘ軸の符号情報を得るためにＹ軸方向に配列された複数のマーク列からの反射光を一括して受光する場合、受光する範囲のＹ座標の符号は全部同じにならないように留意する必要がある。同様に、Ｙ軸の符号情報を得るためにＸ軸方向に配列された複数のマーク列からの反射光を一括して受光する場合、受光する範囲のＸ座標の符号は全部同じにならないように留意する必要がある。

つづいて、本実施形態に係る２次元スケールＳＣＬの変形例を図４の（Ｂ）に示す。２次元スケールＳＣＬは、反射性の基材（反射率１００％）上において、互いに直交する２方向（第１方向および第２方向）に沿って一定の周期で複数の正方形の反射部（マーク）が２次元配列されている。反射部の反射率は、以下の規則に従う階調を有している。

１．Ｘ軸・Ｙ軸のそれぞれに関して、巡回符号を作成し、巡回符号の符号値を座標（グリッド）上に１：１に対応付ける。
２．Ｘ座標の符号（第１符号）とＹ座標の符号（第２符号）との組合せによって、各グリッドの反射部の反射率を以下のように定める。
Ｘ座標の符号が０でＹ座標の符号が０（即ち（０，０））の場合の反射率：０％
Ｘ座標の符号が１でＹ座標の符号が０（即ち（１，０））の場合の反射率：０％
Ｘ座標の符号が０でＹ座標の符号が１（即ち（０，１））の場合の反射率：０％
Ｘ座標の符号が１でＹ座標の符号が１（即ち（１，１））の場合の反射率：１００％

ここで、Ｘ座標の符号とＹ座標の符号とが互いに同じである２つの場合は、互いに異なる階調にすること、Ｘ座標の符号とＹ座標の符号とが互いに異なる２つの場合は、互いに同じ階調にする規則としている。

本実施形態の２次元スケールの構成の場合、Ｘ方向における反射光の光量分布は、Ｙ座標の符号に応じて変化する。そして、Ｙ座標の符号が１の場合は周期信号が部分的に得られない。しかし、Ｙ軸方向に配列された複数列の反射部からの反射光を受光することで、Ｘ座標の符号の１・０に振幅の大・小が対応する、周期信号の欠落のない周期信号波形が得られる。

同様に、Ｙ方向における反射光の光量分布は、Ｘ座標の符号に応じて変化し、Ｘ座標の符号が１の場合は周期信号が部分的に得られない。しかし、Ｘ軸方向に配列された複数列の反射部からの反射光を受光することで、Ｙ座標の符号の１・０に振幅の大・小が対応する、周期信号の欠落のない周期信号波形が得られる。

よって、本変形例に係る２次元スケールの場合も、実施形態１のものと同様の信号処理系と組合わせることにより、２軸の絶対位置情報を出力することができる。但し、Ｘ軸の符号情報を得るためにＹ軸方向に配列された複数のマーク列からの反射光を一括して受光する場合、受光する範囲のＹ座標の符号は全部同じにならないように留意する必要がある。同様に、Ｙ軸の符号情報を得るためにＸ軸方向に配列された複数のマーク列からの反射光を一括して受光する場合、Ｘ座標の符号は全部同じにならないように留意する必要がある。

さらに、本実施形態に係る２次元スケールＳＣＬにおいて、Ｘ座標の符号とＹ座標の符号との組合せによる各グリッドの反射部の反射率の定め方の変形例として、次のものを例示する。
基材の反射率：０％
（０，０）の場合の反射率：１００％
（１，０）の場合の反射率：１００％
（０，１）の場合の反射率：１００％
（１，１）の場合の反射率：０％。

なお、本実施形態においては、（１，０）の場合の階調と基材の階調とが互いに異なることを規則として追加している。そのようにすることで、必ず周期信号が得られるようにしている。そのため、実施形態３に係る２次元スケールは、反射部の有する反射率階調の数が２（基板の反射率と同じ反射率階調を除けば１）となる。よって、本実施形態によれば、製造に要するコストの面で有利な２次元アブソリュートエンコーダまたはそのための２次元スケールを提供することができる。

［実施形態４］
図５は、実施形態４に係る２次元スケールの構成例を説明するための図である。本実施形態は、２次元スケールの構成において実施形態１とは異なっている。図５の（Ａ）に示すように、２次元スケールＳＣＬは、非反射性の基材（反射率０％）上において、互いに直交する２方向（第１方向および第２方向）に沿って一定の周期で複数の正方形の反射部（マーク）が２次元配列されている。反射部の反射率は以下の規則に従う階調を有している。

１．Ｘ軸・Ｙ軸のそれぞれに関して、巡回符号を作成し、巡回符号の符号値を各座標（グリッド）上に１：１に対応付ける。
２．Ｘ座標の符号（第１符号）とＹ座標の符号（第２符号）との組合せによって、各グリッドの反射部の反射率を以下のように定める。
Ｘ座標の符号が０でＹ座標の符号が０（即ち（０，０））の場合の反射率：０％
Ｘ座標の符号が１でＹ座標の符号が０（即ち（１，０））の場合の反射率：０％
Ｘ座標の符号が０でＹ座標の符号が１（即ち（０，１））の場合の反射率：０％
Ｘ座標の符号が１でＹ座標の符号が１（即ち（１，１））の場合の反射率：１００％

ここで、Ｘ座標の符号とＹ座標の符号とが互いに同じである２つの場合は、互いに異なる階調にすること、Ｘ座標の符号とＹ座標の符号とが互いに異なる２つの場合は、互いに同じ階調にすることを規則としている。

本実施形態における２次元スケールの構成の場合、Ｘ方向における反射光の光量分布は、Ｙ座標の符号に応じて変化する。そして、Ｙ座標の符号が０の場合は周期信号が得られない。しかし、Ｙ方向に配列された複数列の反射部からの反射光を一括して受光することで、Ｘ座標の符号１・０に振幅の有無が対応する周期信号波形が得られる。

同様に、Ｙ方向における反射光の光量分布は、Ｘ座標の符号に応じて変化し、Ｘ座標の符号が０の場合は周期信号が得られない。しかし、Ｘ方向に配列された複数列の反射部からの反射光を一括して受光することで、Ｙ座標の符号の１・０に振幅の有無が対応する周期信号波形が得られる。

よって、本実施形態の２次元スケールの場合も、実施形態１のものと同様の信号処理系と組合わせることにより、２軸の絶対位置情報を出力することができる。但し、Ｘ軸の符号情報を得るためにＹ軸方向に配列された複数のマーク列からの反射光を一括して受光する場合、受光する範囲のＹ座標の符号は全部同じにならないように留意する必要がある。同様に、Ｙ軸の符号情報を得るためにＸ軸方向に配列された複数のマーク列からの反射光を一括して受光する場合、受光する範囲のＸ座標の符号は全部同じにならないように留意する必要がある。また、この方式は、振幅情報（周期信号）が部分的に欠落しているため、第１実施形態のものと同様の信号処理系による内挿を行うことができないことに留意が必要である。すなわち、内挿を行うのにあたり、移動平均値での除算が０での除算となる場合を含みうる。そこで、その場合には、例えば、当該除算に替えて予め定められた値を与えるなどの手法を採用すれば、ＲＥＧ（Ｘ）・ＲＥＧ（Ｙ）の振幅を規格化しうる。

つづいて、本実施形態に係る２次元スケールＳＣＬの変形例を図５の（Ｂ）に示す。２次元スケールＳＣＬは、反射性の基材（反射率１００％）上において、互いに直交する２方向（第１方向および第２方向）に沿って一定の周期で複数の正方形の反射部（マーク）が２次元配列されている。反射部の反射率は、以下の規則に従う階調を有している。

１．Ｘ軸・Ｙ軸のそれぞれに関して、巡回符号を作成し、巡回符号の符号値を座標（グリッド）上に１：１に対応付ける。
２．Ｘ座標の符号（第１符号）とＹ座標の符号（第２符号）との組合せによって、グリッド上の反射部の反射率を以下のように定める。
Ｘ座標の符号が０でＹ座標の符号が０（即ち（０，０））の場合の反射率：０％
Ｘ座標の符号が１でＹ座標の符号が０（即ち（１，０））の場合の反射率：１００％
Ｘ座標の符号が０でＹ座標の符号が１（即ち（０，１））の場合の反射率：１００％
Ｘ座標の符号が１でＹ座標の符号が１（即ち（１，１））の場合の反射率：１００％

ここで、Ｘ座標の符号とＹ座標の符号とが互いに同じである２つの場合は、互いに異なる階調にすること、Ｘ座標の符号とＹ座標の符号とが互いに異なる２つの場合は、互いに同じ階調にすることを規則としている。

本実施形態における２次元スケールの構成の場合、Ｘ方向における反射光の光量分布は、Ｙ座標の符号に応じて変化し、Ｙ座標の符号が１の場合は周期信号が部分的に得られない。しかし、Ｙ方向に配列された複数列の反射部からの反射光を一括して受光することで、Ｘ座標の符号の１・０に振幅の大小が対応する周期信号波形が得られる。

同様にＹ方向における反射光の光量分布は、Ｘ座標の符号に応じて変化し、Ｘ座標の符号が１の場合は周期信号が部分的に得られない。しかし、Ｘ方向に配列された複数列の反射部からの反射光を一括して受光することで、Ｙ座標の符号の１．０に振幅の大小が対応する周期信号波形が得られる。

よって、本実施形態の２次元スケールの場合も、実施形態１のものと同様の信号処理系と組合わせることにより、２軸の絶対位置情報を出力することができる。但し、Ｘ軸の符号情報を得るためにＹ軸方向に配列された複数のマーク列からの反射光を一括して受光する場合、受光する範囲のＹ座標の符号は全部同じにならないように留意する必要がある。同様に、Ｙ軸の符号情報を得るためにＸ軸方向に配列された複数のマーク列からの反射光を一括して受光する場合、受光する範囲のＸ座標の符号は全部同じにならないように留意する必要がある。また、この方式は、振幅情報が部分的に欠落しているため、第１実施形態のものと同様の信号処理系による内挿を行うことができないことに留意が必要である。すなわち、内挿を行うのにあたり、移動平均値での除算が０での除算となる場合を含みうる。そこで、その場合には、例えば、当該除算に替えて予め定められた値を与えるなどの手法を採用すれば、ＲＥＧ（Ｘ）・ＲＥＧ（Ｙ）の振幅を規格化しうる。

さらに、本実施形態に係る２次元スケールＳＣＬにおいて、Ｘ座標の符号とＹ座標の符号との組合せによる各グリッドの反射部の反射率の定め方の変形例として、次のものを例示する。
基材の反射率：１００％
（０，０）の場合の反射率：１００％
（１，０）の場合の反射率：１００％
（０，１）の場合の反射率：１００％
（１，１）の場合の反射率：０％

なお、本実施形態においては、（１，０）の場合の階調と基材の階調とを互いに同じにすることを規則として追加している。

実施形態４に係る２次元スケールは、反射部の有する反射率階調の数が２（基板の反射率と同じ反射率階調を除けば１）となる。よって、本実施形態によれば、製造に要するコストの面で有利な２次元アブソリュートエンコーダまたはそのための２次元スケールを提供することができる。また、内挿精度を必要としない場合は、反射部と反射部との隙間をなくして反射部のサイズを大きくすることができる。そのようにすると、製造はより容易になる。

［他の実施形態］
本発明は、実施形態１〜実施形態４の構成に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形および変更が可能である。変形または変更の例を以下に示す。

１．実施形態１〜実施形態４では、共通の発光素子からの発散光で２次元スケールを照明し、２次元スケールからの反射光をＸ軸用１次元受光素子アレイおよびＹ軸用１次元受光素子アレイで受光する。しかし、Ｘ軸用光源およびＹ軸用光源を互いに異なる位置に配置してもよい。また、実施形態１〜４では、スケールの照明に発散光を用いてスケールを受光素子アレイ上に拡大投影する。しかし、コリメータレンズ等により光源からの光を平行光とし、その平行光によってスケールを等倍で投影する構成としてもよい。また、結像レンズを用いて受光素子アレイ上にスケール（上のマーク配列）を結像させる構成としてもよい。また、その他の光学系によりスケール上のマーク配列を検出する構成としてもよい。

２．実施形態１〜４では、正方形の反射パターン（マーク）を所定間隔で配置し、基材の反射率を除いて、マークの反射率に２または３の階調を付与することで、２方向の符号（０，１）を特定するための反射型のスケールを構成する。しかし、形状が互いに同じで透過特性（透過率）が互いに異なる複数の透過型マークを用いてもよい。その場合、１次元受光素子アレイ（検出器）はマークを透過した光を検出する。また、マークにおける反射率（又は透過率）の各階調の値は、その他の値にしてもよい。

３．実施形態１〜４では、受光素子アレイＰＤＡ（Ｘ）・ＰＤＡ（Ｙ）は、光量分布の１周期を１２個の受光素子で検出する。しかし、当該１周期を検出する受光素子の数を３、４、６または８等に変更してもよい。

４．受光素子アレイＰＤＡ（Ｘ）・ＰＤＡ（Ｙ）は、より広い領域を一括して受光するようにして、信号処理系（処理部ＰＲＣ）において必要な領域の情報を利用するようにしてもよい。その場合、絶対位置の内挿値の高精度化を行いうる。また、スケール情報の部分的な読取り（検出）エラーの影響を軽減するための信号処理の構成も採用しうる。

５．受光素子アレイは、２つの１次元受光素子アレイを用いるのではなく、スケール上の複数のマークの少なくとも一部からの反射光または透過光を受光（検出）する２次元受光素子アレイを使用してもよい。その場合、信号処理系において、必要な領域の情報を抽出（および合成）して同様の信号処理を実施しうる。また、投光光学系および受光光学系を一体として装置を小型化しうる。

６．受光素子アレイの各受光素子の感度バラツキや光学系に起因する光量ムラに基づいて、演算に用いる数式や、閾値等の値を変更してもよい。また、要求精度に応じて、近似式や近似値を適用してもよい。

７．信号処理系（処理部ＰＲＣ）は、他のハードウエアやソフトウエア、アルゴリズム、フローにより同等の機能を実現してもよい。例えば、受光素子アレイからの信号を並列アナログ回路または直列アナログ回路で演算処理またはフィルタリング処理する方法や、受光素子アレイの信号をＡＤ変換して得られたデジタル情報をＦＰＧＡ等にて演算処理する方法を採用してもよい。

８．実施形態１〜４では、アブソリュートコードとして巡回符号を用いているが、それ以外のコードを使用してもよい。

９．実施形態１〜４では、アブソリュートコードを表すため、正方形パターン（マーク）を等間隔に配列している。しかし、各マークは長方形としてもよい。その場合、Ｘ方向のマークの間隔とＹ方向のマークの間隔とは互いに異なりうるものであり、もってＸ方向分解とＹ方向分解能とは互いに異なりうるものである。また、円形や、楕円形、その他の形状であってもよい。また、反射率（または透過率）がステップ的に変化する境界が明瞭なパターンに限らず、反射率（または透過率）が連続的または周期的に変化する階調パターンも採用しうる。即ち、パターン（マーク）により照明光が強度変調されて周期的パターン（光量分布）が受光素子アレイ上に形成されるようなスケール構造であれば採用しうる。

以上の実施形態によれば、以下の効果が得られる。また、マークの特性値は、反射率または透過率に限らず、マークにより周期的パターンが検出器上に形成されるような特性値であれば採用しうる。
・各軸の絶対位置の整数部と内挿部（小数部）とが同一の受光素子アレイの出力に基づいて得られるため、高分解能かつ高精度のアブソリュートエンコーダの構成に有利である。また、受光素子アレイに形成される光量分布（パターン）が変動しても、安定した絶対位置計測を行える。また、インクリメンタルエンコーダ並みの分解能・精度・取扱い容易性が得られる。
・受光素子アレイとして１次元受光素子アレイを軸ごとに備える構成とすれば、速い応答性や高い時間分解が得られる。
・２次元スケール上のパターン（マーク）は、２ないし３階調の反射率または透過率を有する単純なパターンであり、２次元スケールの設計や製造が容易である。
・２次元スケール上のマークに必要な階調数（特性値の数）は、Ｘ座標の符号とＹ座標の符号との組合わせの数より少ないため、符号の特定（同定）が安定して行える。また、マークの反射率バラツキの制限を緩和できるため、２次元スケールを安価に製造できる。
・絶対位置の整数部や内挿部の生成は、小規模な電子回路で実行可能であり、複雑な信号処理を必要としないため、小型かつ安価なアプソリュートエンコーダの構成しうる。

Claims (12)

1. 互いに異なる第１方向および第２方向に沿って複数のマークが配列されたスケールと、
   前記第１方向に配列された第１個数のマークを検出する第１検出と、前記第２方向に配列された第２個数のマークを検出する第２検出とを行う検出器と、
   前記検出器の出力に基づいて、前記第１方向及び前記第２方向における前記スケールの絶対位置をそれぞれ得る処理部と、を有し、
   前記複数のマークのそれぞれは、前記第１方向における位置を示すための量子化された第１符号と前記第２方向における位置を示すための量子化された第２符号との組合せに対応する特性値であって、前記組合せの数より少ない数の互いに異なる複数の特性値のいずれかを有し、
   前記処理部は、前記第１検出の結果に基づいて、前記第１個数の前記第１符号で構成される第１符号列を生成し、該第１符号列に基づいて前記第１方向における前記スケールの絶対位置を得、前記第２検出の結果に基づいて、前記第２個数の前記第２符号で構成される第２符号列を生成し、該第２符号列に基づいて前記第２方向における前記スケールの絶対位置を得、
   前記第１検出により得られた信号の位相に基づいて、前記第１方向における前記絶対位置の分解能より高い分解能を有する前記第１方向における位置データを得、前記第２検出により得られた信号の位相に基づいて、前記第２方向における前記絶対位置の分解能より高い分解能を有する前記第２方向における位置データを得る、
   ことを特徴とする２次元アブソリュートエンコーダ。
2. 互いに異なる第１方向および第２方向に沿って複数のマークが配列されたスケールと、
   前記第１方向に配列された第１個数のマークを検出する第１検出と、前記第２方向に配列された第２個数のマークを検出する第２検出とを行う検出器と、
   前記検出器の出力に基づいて、前記第１方向及び前記第２方向における前記スケールの絶対位置をそれぞれ得る処理部と、を有し、
   前記複数のマークのそれぞれは、前記第１方向における位置を示すための量子化された第１符号と前記第２方向における位置を示すための量子化された第２符号との組合せに対応する特性値であって、前記組合せの数より少ない数の互いに異なる複数の特性値のいずれかを有し、
   前記処理部は、前記第１検出の結果に基づいて、前記第１個数の前記第１符号で構成される第１符号列を生成し、該第１符号列に基づいて前記第１方向における前記スケールの絶対位置を得、前記第２検出の結果に基づいて、前記第２個数の前記第２符号で構成される第２符号列を生成し、該第２符号列に基づいて前記第２方向における前記スケールの絶対位置を得、
   前記第１符号および前記第２符号のそれぞれは、２つの符号値のいずれかを有し、
   前記複数の特性値は、前記組合せのうち符号値が互いに同じである２とおりの組合せに関しては、互いに異なり、前記組合せのうち符号値が互いに異なる２とおりの組合せに関しては、互いに同じである、
   ことを特徴とする２次元アブソリュートエンコーダ。
3. 前記複数の特性値は、２つまたは３つの特性値である、ことを特徴とする請求項２に記載の２次元アブソリュートエンコーダ。
4. 互いに異なる第１方向および第２方向に沿って複数のマークが配列されたスケールと、
   前記第１方向に配列された第１個数のマークを検出する第１検出と、前記第２方向に配列された第２個数のマークを検出する第２検出とを行う検出器と、
   前記検出器の出力に基づいて、前記第１方向及び前記第２方向における前記スケールの絶対位置をそれぞれ得る処理部と、を有し、
   前記複数のマークのそれぞれは、前記第１方向における位置を示すための量子化された第１符号と前記第２方向における位置を示すための量子化された第２符号との組合せに対応する特性値であって、前記組合せの数より少ない数の互いに異なる複数の特性値のいずれかを有し、
   前記処理部は、前記第１検出の結果に基づいて、前記第１個数の前記第１符号で構成される第１符号列を生成し、該第１符号列に基づいて前記第１方向における前記スケールの絶対位置を得、前記第２検出の結果に基づいて、前記第２個数の前記第２符号で構成される第２符号列を生成し、該第２符号列に基づいて前記第２方向における前記スケールの絶対位置を得、
   前記検出器は、前記第１検出を行うための１次元受光素子アレイと、前記第２検出を行うための１次元受光素子アレイとを含む、
   ことを特徴とする２次元アブソリュートエンコーダ。
5. 互いに異なる第１方向および第２方向に沿って複数のマークが配列されたスケールと、
   前記第１方向に配列された第１個数のマークを検出する第１検出と、前記第２方向に配列された第２個数のマークを検出する第２検出とを行う検出器と、
   前記検出器の出力に基づいて、前記第１方向及び前記第２方向における前記スケールの絶対位置をそれぞれ得る処理部と、を有し、
   前記複数のマークのそれぞれは、前記第１方向における位置を示すための量子化された第１符号と前記第２方向における位置を示すための量子化された第２符号との組合せに対応する特性値であって、前記組合せの数より少ない数の互いに異なる複数の特性値のいずれかを有し、
   前記処理部は、前記第１検出の結果に基づいて、前記第１個数の前記第１符号で構成される第１符号列を生成し、該第１符号列に基づいて前記第１方向における前記スケールの絶対位置を得、前記第２検出の結果に基づいて、前記第２個数の前記第２符号で構成される第２符号列を生成し、該第２符号列に基づいて前記第２方向における前記スケールの絶対位置を得、
   前記検出器は、前記第１方向および前記第２方向のそれぞれにおいて、前記検出器上での前記複数のマークの間隔より小さい間隔で配置された複数の光電変換素子を含み、
   前記処理部は、
   前記検出器から出力された前記第１個数の周期信号それぞれの振幅を量子化することによって前記第１符号列を生成し、前記第１方向における第１位置データを前記第１符号列から得、前記第２個数の周期信号それぞれの振幅を量子化することによって前記第２符号列を生成し、前記第２方向における第２位置データを前記第２符号列から得、
   前記第１個数の周期信号のうち少なくとも１つの位相に基づいて前記第１方向における第３位置データを得、前記第２個数の周期信号のうち少なくとも１つの位相に基づいて前記第２方向における第４位置データを得、
   前記第１位置データと前記第３位置データとに基づいて前記第１方向における前記スケールの絶対位置を表すデータを生成し、前記第２位置データと前記第４位置データとに基づいて前記第２方向における前記スケールの絶対位置を表すデータを生成する、
   ことを特徴とする２次元アブソリュートエンコーダ。
6. 前記検出器は、前記第１検出として、前記第１個数のマークの複数列の検出を行い、前記第２検出として、前記第２個数のマークの複数列の検出を行う、ことを特徴とする請求項１ないし請求項５のうちいずれか１項に記載の２次元アブソリュートエンコーダ。
7. 前記特性値に係る特性は、前記スケールを照明する光に関する反射特性または透過特性である、ことを特徴とする請求項１ないし請求項６のうちいずれか１項に記載の２次元アブソリュートエンコーダ。
8. 前記複数のマークのそれぞれは、前記第１符号と前記第２符号との組み合わせに対応する透過率を有し、前記検出器は、前記複数のマークのうち少なくとも一部を透過した光を検出する、ことを特徴とする請求項７に記載の２次元アブソリュートエンコーダ。
9. 前記複数のマークのそれぞれは、前記第１符号と前記第２符号との組み合わせに対応する反射率を有し、前記検出器は、前記複数のマークのうち少なくとも一部で反射した光を検出する、ことを特徴とする請求項７に記載の２次元アブソリュートエンコーダ。
10. 互いに異なる第１方向および第２方向に沿って複数のマークが配列されたスケールと、
    前記第１方向に配列された第１個数のマークを検出する第１検出と、前記第２方向に配列された第２個数のマークを検出する第２検出とを行う検出器と、
    前記検出器の出力に基づいて、前記第１方向及び前記第２方向における前記スケールの絶対位置をそれぞれ得る処理部と、を有し、
    前記複数のマークのそれぞれは、前記第１方向における位置を示すための量子化された第１符号と前記第２方向における位置を示すための量子化された第２符号との組合せに対応する特性値であって、前記組合せの数より少ない数の互いに異なる複数の特性値のいずれかを有し、
    前記処理部は、前記第１検出の結果に基づいて、前記第１個数の前記第１符号で構成される第１符号列を生成し、該第１符号列に基づいて前記第１方向における前記スケールの絶対位置を得、前記第２検出の結果に基づいて、前記第２個数の前記第２符号で構成される第２符号列を生成し、該第２符号列に基づいて前記第２方向における前記スケールの絶対位置を得、
    前記特性値に係る特性は、前記スケールを照明する光に関する透過特性であり、
    前記複数のマークのそれぞれは、前記第１符号と前記第２符号との組み合わせに対応する透過率を有し、前記検出器は、前記複数のマークのうち少なくとも一部を透過した光を検出する、
    ことを特徴とする２次元アブソリュートエンコーダ。
11. 互いに異なる第１方向および第２方向に沿って複数のマークが配列された、２次元アブソリュートエンコーダ用のスケールであって、
    前記複数のマークのそれぞれは、前記第１方向における位置を示すための量子化された第１符号と前記第２方向における位置を示すための量子化された第２符号との組合せに対応する特性値であって、前記組合せの数より少ない数の互いに異なる複数の特性値のいずれかを有し、
    前記第１符号および前記第２符号のそれぞれは、２つの符号値のいずれかを有し、
    前記複数の特性値は、前記組合せのうち符号値が互いに同じである２とおりの組合せに関しては、互いに異なり、前記組合せのうち符号値が互いに異なる２とおりの組合せに関しては、互いに同じである、
    ことを特徴とするスケール。
12. 互いに異なる第１方向および第２方向に沿って複数のマークが配列されたスケールの前記第１方向および前記第２方向における絶対位置を求める２次元アブソリュートエンコーダであって、
    前記スケールとして請求項１１に記載のスケールを有する、ことを特徴とする２次元アブソリュートエンコーダ。