JP6149740B2 - アブソリュートエンコーダ - Google Patents

Description

この発明は、回転体の絶対回転角度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。

測定対象物となる回転体の回転角度を検出するロータリーエンコーダは、例えば、明暗の光学パターンを有する光学式スケールと、光学式スケール上に光を照射する発光素子と、光学式スケール上の光学パターンを検出するための受光素子と、受光素子後段に配置された演算装置とを備え、演算装置によってモーター等の回転軸に連結された光学式スケールの回転角度が検出される。

この種のロータリーエンコーダには、受光素子から出力されたパルス信号を演算装置で積算して回転角度を検出するインクリメンタルエンコーダと、光学式スケール上の角度固有の光学パターンから演算装置によって光学式スケールの絶対角度を検出するアブソリュートエンコーダとが知られている。インクリメンタルエンコーダは、原点位置からの増分により回転角度を検出するため、電源投入時には原点復帰動作が必要となる。一方、アブソリュートエンコーダは、電源投入時に原点復帰動作が不要であり、すばやく立ち上げることが可能となる。

一方で、アブソリュートエンコーダにおいては、演算装置から出力された絶対角度を元に測定対象物の回転制御を行うため、演算装置から出力される値の信頼性が非常に重要となる。アブソリュートエンコーダから出力される値の信頼性を向上させる従来技術が、例えば特許文献１及び特許文献２に開示されている。特許文献１には、過去の読み取り値から推定位置情報を計算し、推定した位置とスケールの読み取り値から計算した位置とを比較し、不一致があるか否かを判定する技術が開示されている。また、特許文献２には、受光素子を２つ設けて、いずれかの受光素子からの出力に障害が発生した場合にエラー信号を出力する技術が開示されている。

特表２０１２−５２９０２８号公報（図３） 特開２００６−１５３４７２号公報（図３）

しかしながら、上述の従来技術には以下の課題が挙げられる。特許文献１における位置測定エンコーダおよび操作方法においては、位置を推定するために、少なくとも１つの過去の読み取り値を使用しているため、電源投入時から異常を検知することができないという課題があった。さらに、速度が変化する場合においては、予測した位置とスケールの読み値から計算した位置との差が大きくなり、出力される値の信頼性が低下するという課題があった。

一方、特許文献２におけるエンコーダ及びエンコーダシステムにおいては、受光素子を２つ設けているためにデバイスサイズが大型化してしまうという課題があった。さらに、受光素子の位置ズレなどに起因する受光素子間の位相ズレの影響を受け、例えば、温度によって受光素子間の位相ズレが発生すると比較した絶対位置の差も大きくなり、出力される値の信頼性が低下するという課題があった。

本発明は、上述のような問題点を解決されるためになされたものであり、大型化することなく、絶対回転角度の検出値の信頼性を電源投入時から向上する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。

この発明におけるアブソリュートエンコーダは、回転体に取り付けられ明暗の光学パターンを有する光学式スケールと、光学パターンに光を照射する発光素子と、光学パターンで反射又は透過した光を受光して受光量に応じた信号を出力する複数の画素を有するイメージセンサと、組合せが異なる画素から出力される信号に基づいて光学パターンのエッジ位置とエッジ種別とを検出し、エッジ位置とエッジ種別とに基づいてエッジ種別の並び順とエッジ間隔とを求め、並び順とエッジ間隔とに基づいて回転体の第１の回転角度を検出する複数の角度検出部と、複数の角度検出部で検出された第１の回転角度を比較して第１の回転角度の検出のエラーを検知するエラー検知部と、複数の角度検出部で検出されたエッジ位置の平均化処理を行う平均化部と、予め決定される基準位置からの平均化処理されたエッジ位置の相対位置と第１の回転角度とに基づいて第２の回転角度を求める絶対角度演算部とを備えるものである。

この発明におけるアブソリュートエンコーダは、回転体に取り付けられ明暗の光学パターンを有する光学式スケールと、光学パターンに光を照射する発光素子と、光学パターンで反射又は透過した光を受光して受光量に応じた信号を出力する複数の画素を有するイメージセンサと、組合せが異なる画素から出力される信号に基づいて光学パターンのエッジ位置とエッジ種別とを検出し、エッジ位置とエッジ種別とに基づいてエッジ種別の並び順とエッジ間隔とを求め、並び順とエッジ間隔とに基づいて回転体の第１の回転角度を検出する複数の角度検出部と、複数の角度検出部で検出された第１の回転角度を比較して第１の回転角度の検出のエラーを検知するエラー検知部と、複数の角度検出部で検出されたエッジ位置の平均化処理を行う平均化部と、予め決定される基準位置からの平均化処理されたエッジ位置の相対位置と第１の回転角度とに基づいて第２の回転角度を求める絶対角度演算部とを備えるので、大型化することなく、絶対回転角度の検出値の信頼性を電源投入時から向上することが可能となる。

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の構成例を示す図である。 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粗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高精度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変形例を示す図である。 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別の変形例を示す図である。 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。 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イメージセンサの別の構成例を示す図である。 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イメージセンサの更に別の構成例を示す図である。

実施の形態１．
図１は、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。アブソリュートエンコーダ１はその基本的構成として、発光素子２と、イメージセンサ３と、光学式スケール４と、Ａ／Ｄ変換器６Ａと、Ａ／Ｄ変換器６Ｂと、角度検出部１３Ａと、角度検出部１３Ｂ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、光学式スケール４に光を照射するための照明手段であり、例えば点光源であるＬＥＤ等が用いられる。イメージセンサ３は、光学式スケール４からの反射光を受光するための光検出手段であり、受光量に応じた信号を出力する。

図２は、本実施の形態によるアブソリュートエンコーダのイメージセンサの構成例を示す図である。図２のように、イメージセンサ３は１次元に配列した画素１０１の集合で構成され、例えば、ＣＣＤセンサーやＣＭＯＳセンサー等の撮像デバイスが用いられる。また、本実施の形態では、図２に示す１番左の画素を１番目の画素とした場合に、奇数番目と、偶数番目の画素の伝送経路を分け、奇数番目のからの信号出力は奇数画素用伝送経路１０２を伝い、偶数番目の画素からの信号出力は偶数画素用伝送経路１０３を伝って後段の回路へと出力するように構成されている。すなわち、奇数画素で構成される画素群からの信号出力と、偶数画素で構成される画素群からの信号出力とが別の伝送経路を伝って出力されるように、イメージセンサ３は構成されている。イメージセンサ３から個別の伝送経路を伝って信号が出力されるそれぞれの画素群を第１の画素群と呼ぶ。

再度、図１に戻って説明を続ける。光学式スケール４は、モーター等の回転シャフト５に連結され、円周方向に沿って複数の反射部２０１と非反射部２０２が配置された光学パターン２００を有する。反射部２０１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２０２は、発光素子２からの光を吸収または、透過する部分であり、イメージセンサ３上に投影される光強度分布を変調するように機能する。

本実施の形態では、発光素子２とイメージセンサ３が光学式スケール４の片側に配置された反射型エンコーダを例示するが、発光素子２とイメージセンサ３の間に光学式スケール４が介在する透過型エンコーダにも同様に本発明の適用が可能である。透過型エンコーダの場合には、光学パターン２００は透過部と非透過部で構成すればよく、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、光学式スケール４の構造は特に限定されない。すなわち、光学式スケール４は、反射部または透過部である明の部分と、非反射部または非透過部である暗の部分とで構成される明暗の光学パターンを有する。

光学式スケール４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を用いて金属膜をパターン加工することによって反射部２０１及び非反射部２０２を形成してもよい。また、例えばガラス基板の上に金属膜を蒸着し、吸収膜を印刷技術で転写するように構成しても良く、反射部２０１と非反射部２０２が形成できる構成であれば特に限定されない。

光学式スケール４には、反射部２０１と非反射部２０２で構成される光学パターン２００を有するトラック１本が設けられ、反射部２０１と非反射部２０２は、光学式スケール４の回転角度を特徴づけるように形成される。例えば、光学パターン２００にはＭ系列等の擬似ランダムパターンが使用される。

Ａ／Ｄ変換器６Ａ及びＡ／Ｄ変換器６Ｂは、イメージセンサ３から受光量に応じて出力されるアナログ信号をデジタル信号に変換するための信号変換手段である。Ａ／Ｄ変換器６Ａ及びＡ／Ｄ変換器６Ｂはイメージセンサ３に内蔵されていても良いし、イメージセンサ３とは別に外付けで回路基板（図示せず）上に搭載しても良い。本実施の形態では、イメージセンサ３の奇数番目の画素（奇数画素）から出力される信号は、奇数画素用伝送経路１０２を通りＡ／Ｄ変換器６Ａに入力され、偶数番目の画素（偶数画素）から出力される信号は、偶数画素用伝送経路１０３を通りＡ／Ｄ変換器６Ｂに入力されるように構成されている。

角度検出部１３Ａは、イメージセンサ３から出力される信号に基づいて光学式スケール４の絶対回転角度を演算するための角度演算手段である。ここで、角度検出部１３Ａが備える光量補正部８、エッジ検出部９、粗検出部１０、高精度検出部１１、絶対角度演算部１２の動作について説明する。図１に示すように、Ａ／Ｄ変換器６Ａ及びＡ／Ｄ変換器６Ｂからの出力は、角度検出部１３Ａの光量補正部８へと入力される。

図３は、本実施の形態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。横軸を画素（画素の位置）、縦軸を当該画素から出力される信号の強度とすると、光量補正部８へ入力される信号は、図３に示すような波形となる。図３におけるレベル１信号１４は、光学式スケール４の反射部２０１でのパターンを表し、レベル０信号１５は、光学式スケール４の非反射部２０２でのパターンを表す。ここで、レベル１信号及びレベル０信号とは、信号を強度に応じてレベル１、０の２値に分類したときに、レベル１に分類される信号及びレベル０に分類される信号を指す。

しかしながら、発光素子２自体の光量分布や、イメージセンサ３の各画素の感度ばらつき等の影響により、レベル１信号１４及びレベル０信号１５の信号強度は画素毎に不均一となる。そこで、光量補正部８では、この不均一な分布を均一な分布にするように補正を行う。図４は、本実施の形態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１６の一例を示す図である。図４において、横軸は画素（画素の位置）、縦軸は当該画素における信号の強度である。補正方法としては公知の技術を用いることができ、光量分布を均一にする方法であればその方法は特に限定されない。

エッジ検出部９は、補正後波形１６を用いて予め設定した閾値レベル１７に一致する画素の位置をエッジ毎に求めるエッジ位置算出手段として動作する。図５は、本実施の形態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り、図４の枠で囲ったエッジ付近の拡大図である。まず、図のように信号強度が閾値レベル１７を横切るｉ−１番目の画素１８とｉ番目の画素１９を探索する。エッジ検出部９では、探索したｉ−１番目の画素１８とｉ番目の画素１９を用いて、例えば線形補間することで閾値レベル１７に一致するエッジ画素の位置２０をサブピクセル処理として求める。

ここで、エッジ画素の位置は、必ずしも実在する画素の位置である必要はなく、例えば２．５番目の画素など、仮想的な画素の位置であっても良い。本実施の形態では、閾値レベル１７を横切り２点の画素値から線形補間で閾値レベル１７と一致する画素値を求めるとしたが、閾値レベル１７を横切る２点以上の画素からより複雑な関数でフィッティングしても良い。当然、線形補間であっても２点以上の画素値を用いることが可能なことは言うまでもない。

粗検出部１０は、検出したエッジ画素の位置２０を元に光学式スケール４の光学パターン２００のうち、イメージセンサ３上に投影されるビットパターンをデコードし、粗い絶対角度を演算するための手段である。図６は、本実施の形態によるアブソリュートエンコーダの粗検出部１０の動作を説明する図である。図６において、横軸は画素（画素の位置）、縦軸は当該画素における信号の強度である。ここで、図５、図６を用いて粗検出部１０で粗い絶対角度を演算する手順について説明する。

まず、粗検出部１０は、エッジ検出部９で探索した閾値レベル１７を横切る２点であるｉ−１番目の画素１８とｉ番目の画素１９の強度をＩ（ｉ−１）、Ｉ（ｉ）とすると、Ｉ（ｉ−１）＜Ｉ（ｉ）なら立上りエッジ、Ｉ（ｉ−１）＞Ｉ（ｉ）なら立下りエッジと判別する。次に、立上りエッジであれば１、立下りエッジであれば０としてビットの値を割り当てる。エッジ毎にこの処理を行い、補正後波形１６を１／０にデコードする。この際、各エッジの間隔を計算し、予め設定しておいた基本周期２１の何倍かを演算し、例えば１倍であれば、１／０を１つだけ、２倍であれば、１／０を２つ連続で配置するようにする。このように演算することで、イメージセンサ３の視野内に投影される光学パターン２００をデコードしたビット列２２を生成する。すなわち、粗検出部１０は、エッジの種別（立上りエッジか立下りエッジか）と、エッジの種別の並び順と、エッジの間隔とに基づいて、ビット列２２を生成する。なお、基本周期は、例えば、粗検出部１０に入力される信号に対応する画素の配置されている間隔を考慮して決定される。

本実施の形態では、立上り、立下りからデコードするように構成したが、閾値レベル１７で単純に２値化するように構成してもよく、同じようにデコードできる手段であれば特に限定されない。また、基本周期２１は予め設定しておくとしたが、エッジ検出部９で検出したエッジから、エッジ間の間隔を演算し、その都度基本周期２１を解析するように構成しても良い。粗検出部１０ではさらに、デコードしたビット列２２を、予めメモリ内に保存されているＬｏｏｋ Ｕｐ Ｔａｂｌｅ２３を参照し、一致するコードから粗い絶対角度を求める。ここで、絶対角度とは、絶対回転角度を意味する。この際、Ｌｏｏｋ Ｕｐ Ｔａｂｌｅ２３を参照して粗い絶対角度を求めるのに必要なビット数に冗長ビットを付加するために、イメージセンサ３の視野を広げ、冗長ビットを用いて従来の手法により粗検出部１０で誤り訂正を行うように構成しても良い。

図７は、本実施の形態によるアブソリュートエンコーダの高精度検出部１１の動作を説明する図である。図７において、横軸は画素（画素の位置）、縦軸は当該画素における信号の強度である。高精度検出部１１は、イメージセンサ３上に投影されるパターンの位相ズレ量２４を高精度に演算するための手段である。粗検出部１０で演算した粗い絶対角度は、中心画素２５を基準としているため、中心画素２５からの位相ズレ量２４を算出する必要がある。粗検出部１０で求められた粗い絶対角度の検出分解能は基本周期２１により決定されるが、さらに高い分解能で絶対角度を検出できることが望ましい。

そこで、高精度検出部１１では、図７のように、エッジ検出部９で演算したエッジ位置のうち、中心画素２５に最も近いエッジ画素の位置２６を探索し、中心画素２５との位相ズレ量２４を演算する。本実施の形態では、位相ズレ量２４を求めるのに、中心画素２５に最も近いエッジ画素の位置２６のみを使用するように構成したが、他のエッジも用いて平均的に位相ズレ量２４を求めるように構成しても良い。すなわち、高精度検出部１１では、予め決定される基準位置からのエッジ位置の相対位置を求めており、位相ズレ量２４が相対位置に相当する。

絶対角度演算部１２は、粗検出部１０で演算した粗い絶対角度と、高精度検出部１１で演算した位相ズレ量２４を足しあわせて高精度の絶対角度を算出する手段である。エッジ検出部９で検出したエッジ位置を用いて高精度検出部１１で位相ズレ量２４を求め、位相ズレ量２４を粗い絶対角度に足しあわせることで、基本周期２１よりも高い分解能で高精度の絶対角度を算出することができる。角度検出部１３Ｂは、イメージセンサ３の出力に基づいて光学式スケール４の粗い絶対角度を演算するための角度演算手段である。尚、角度検出部１３Ｂの光量補正部８、エッジ検出部９、粗検出部１０は、角度検出部１３Ａと同様の処理が行われる。ここで、粗い絶対角度が第１の回転角度となり、高精度の絶対角度が第２の回転角度となる。

次に、本実施の形態によるアブソリュートエンコーダにおけるエラー検知部７による異常検知方法について説明する。角度検出部１３Ａへは、Ａ／Ｄ変換器６Ａ及びＡ／Ｄ変換器６Ｂの出力が入力されるように構成されており、角度検出部１３Ｂへは、Ａ／Ｄ変換器６Ｂの出力のみが入力されるように構成されている。角度検出部１３Ａでは、既に説明した通り、光量補正部８、エッジ検出部９、粗検出部１０、高精度検出部１１、絶対角度演算部１２にて位相ズレ量２４を含めた高精度の絶対角度まで演算を行う。一方、角度検出部１３Ｂでは、Ａ／Ｄ変換器６Ｂの出力のみを用いて、光量補正部８、エッジ検出部９、粗検出部１０によって粗い絶対角度までを演算する。角度検出部１３Ａの粗検出部１０の出力と、角度検出部１３Ｂの粗検出部１０の出力は、エラー検知部７へと送られ、２つの粗い絶対角度を比較する。２つの角度値が異なれば、上位システム（図示せず）へエラー信号を送信し、モーターの制御を停止するように動作する。

以上のような構成によれば、イメージセンサ３から出力される画素データを奇数画素と偶数画素で分け、角度検出部１３Ａ及び角度検出部１３Ｂで同様の演算を行い、粗検出部１０で演算した粗い絶対角度をエラー検知部７で照合するように構成したので、確実にアブソリュートエンコーダ１の異常を検知することが可能となる。

本実施の形態のアブソリュートエンコーダは、角度検出部とＡ／Ｄ変換器を２つずつ備え、イメージセンサの出力を偶数画素と奇数画素に分け、一方の角度検出部では両方の画素（すなわち全ての画素）から出力される信号に基づいて粗い絶対角度を検出し、もう一方の角度検出部ではいずれか一方の画素から出力される信号に基づいて粗い絶対角度を検出する。エラー検知部は、検出された２つの粗い絶対角度を比較してエラーを検知する。２つの粗い絶対角度は、組合せが異なる画素から出力される信号に基づいて、それぞれ回転角度が検出されることになる。この構成によって、電源投入時からエンコーダの異常を検知でき、従来に比べてより信頼性を向上させることができる。さらに、単一のイメージセンサと光学式スケールの単一のトラックとから高精度に絶対角度を検出することができるため、デバイスサイズをより小型にすることができる。

ここで、それぞれの角度検出部への入力信号を出力する複数の画素の集まりを第２の画素群と呼ぶ。本実施の形態のアブソリュートエンコーダにおいて、一方の角度検出部への入力信号を出力する第２の画素群は、２つの第１の画素群（奇数画素から構成される第１の画素群と偶数画素から構成される第１の画素群）の両方から構成される。また、他方の角度検出部への入力信号を出力する第２の画素群は、２つの第１の画素群の一方から構成されることになる。

なお、図１に示したアブソリュートエンコーダ１では、角度検出部１３Ａに高精度検出部１１と絶対角度演算部１２を備え、角度検出部１３Ａは第１の回転角度である粗い絶対角度と第２の回転角度である高精度の絶対角度とを検出するように構成したが、他の構成としてもよい。例えば、高精度検出部１１及び絶対角度演算部１２を角度検出部１３Ａとは別に備え、角度検出部１３Ａは角度検出部１３Ｂと同様に粗い絶対角度を求めるのみとしてもよい。

図８は、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変形例を示す図である。図８に示すアブソリュートエンコーダ１は、図１に示すものと基本的構成は同じだが、高精度検出部１１及び絶対角度演算部１２を角度検出部１３Ｃとは別に備えた点が異なる。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その説明は省略する。角度検出部１３Ｃは、角度検出部１３Ｂと同様の構成であり、イメージセンサ３の出力に基づいて光学式スケール４の粗い絶対角度を演算するための角度演算手段である。高精度検出部１１は、角度検出部１３Ｂのエッジ検出部９で検出したエッジ位置を用いて位相ズレ量２４を求める。絶対角度演算部１２は、角度検出部１３Ｃの粗検出部１０で演算した粗い絶対角度と、高精度検出部１１で演算した位相ズレ量２４を足しあわせて高精度の絶対角度を算出する。

また、図１に示したアブソリュートエンコーダ１では、イメージセンサ３の奇数画素をＡ／Ｄ変換器６Ａに、偶数画素をＡ／Ｄ変換器６Ｂに入力するように構成したが、他の構成とすることもできる。図９は、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別の変形例を示す図である。図９に示すアブソリュートエンコーダ１は、図１に示すものと基本的構成は同じだが、Ａ／Ｄ変換器６Ａ及びＡ／Ｄ変換器６Ｂを角度検出部ごとに備えた点が異なる。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その説明は省略する。Ａ／Ｄ変換器６Ａには、イメージセンサ３の奇数番目及び偶数番目の画素から出力される信号が入力される。Ａ／Ｄ変換器６Ｂには、イメージセンサ３の偶数番目の画素から出力される信号が入力される。Ａ／Ｄ変換器６Ａからの出力は、角度検出部１３Ａへと入力され、Ａ／Ｄ変換器６Ｂからの出力は、角度検出部１３Ｂへと入力される。

さらに、１つのＡ／Ｄ変換器のみを用いてアブソリュートエンコーダを構成することもできる。つまり、全ての画素から出力される信号を同じＡ／Ｄ変換器に入力するように構成し、アナログ信号をデジタル信号に変換した後に奇数画素からの信号と偶数画素からの信号に分けるようにしても良い。このような構成では、Ａ／Ｄ変換器の数を削減することができる。一方、Ａ／Ｄ変換器を２つ備える場合には、Ａ／Ｄ変換器の異常も検出でき、信頼性はさらに向上する。なお、これらの変形例は、以下で述べる他の実施の形態に対しても適用可能である。

以上のように本実施の形態のアブソリュートエンコーダによれば、回転体に取り付けられ明暗の光学パターンを有する光学式スケールと、光学パターンに光を照射する発光素子と、光学パターンで反射又は透過した光を受光して受光量に応じた信号を出力する複数の画素を有するイメージセンサと、組合せが異なる画素から出力される信号に基づいて回転体の第１の回転角度を検出する複数の角度検出部と、複数の角度検出部で検出された第１の回転角度を比較して第１の回転角度の検出のエラーを検知するエラー検知部とを備えるので、大型化することなく、絶対回転角度の検出値の信頼性を電源投入時から向上することが可能となる。

従来のアブソリュートエンコーダでは、過去の検出結果から求めた予測値を用いたり、複数の受光素子で検出した情報を比較したりすることによって、異常の検出を行っていた。一方、本実施の形態のアブソリュートエンコーダによれば、単一のイメージセンサが備える画素について、複数種類の組み合わせを規定し、それぞれの組み合わせの画素から出力される信号を用いて回転角度を検出し、検出された回転角度同士を比較して異常を検出する。この構成によれば、複数の受光素子を用いないので、大型化することはない。また、複数の受光素子を用いないので、温度変化などの影響で受光素子が個々に位置ズレすることもない。また、過去の検出結果を必要としないので、電源投入時からの異常検出が可能となる。また、過去の検出結果から求めた予測値も必要ないので、回転速度が変化しても問題は発生しない。

また、本実施の形態のアブソリュートエンコーダでは、光学式スケール４の光学パターン２００は、１本のトラックで構成される。トラックを１本とすることで、複数本のトラックを用いる場合と比較して、デバイスサイズを小型化することが可能となる。また、複数本のトラックを用いる場合に問題となるトラック間の位相ズレが発生しないため、よりデータの信頼性を向上させることが可能となる。以上のように、本実施の形態のアブソリュートエンコーダによれば、検出結果の異常を検知する確率が向上する。この結果、異常な絶対回転角度を正常な値として出力されることがなく、絶対回転角度の検出値の信頼性が向上する。ここで述べた効果は以下で説明する実施の形態でも同様である。

実施の形態２．
実施の形態１では、イメージセンサの奇数画素及び偶数画素の情報が角度検出部の一方に入力され、イメージセンサの偶数画素の情報が角度検出部の他方に入力されるように構成していた。本実施の形態では、角度検出部の一方に奇数画素の情報が入力され、角度検出部の他方に偶数画素の情報が入力されるように構成して、アブソリュートエンコーダの異常を検知する手法について述べる。ここで、角度検出部に入力される情報は、イメージセンサから出力されたアナログ信号がデジタル信号に変換されたものである。

図１０は、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。本実施の形態のアブソリュートエンコーダ１では、イメージセンサ３の奇数画素から出力される信号がＡ／Ｄ変換器６Ａに入力される。角度検出部１３Ａには、Ａ／Ｄ変換器６Ａの出力のみが入力される。その他の点では、本実施の形態のアブソリュートエンコーダ１は、実施の形態１の図１に示すアブソリュートエンコーダ１と基本的構成は同じだが、角度検出部１３Ａにエッジ位置の平均化部２７を追加した点が異なる。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その説明は省略する。

エッジ位置の平均化部２７は、角度検出部１３Ａのエッジ検出部９で解析したエッジ画素値２０と、角度検出部１３Ｂのエッジ検出部９で解析したエッジ画素値２０を平均化するための手段である。本実施の形態２では、角度検出部１３Ａにて、エッジ位置の平均化２７を行った結果を用いて高精度検出部１１で位相ズレ量２４を演算し、絶対角度演算部１２にて、粗検出部１０で演算した粗い絶対角度と、高精度検出部１１で演算した位相ズレ量２４とを足しあわせて高精度の絶対角度を演算する。このような構成とすることで、角度検出部１３Ａに入力される信号の量を削減することができ、演算量を削減することが可能となる。また、角度検出部１３Ａで算出される絶対角度の精度は維持される。

次に、本実施の形態のアブソリュートエンコーダ１のエラー検知部７による異常検知方法について説明する。既に述べた通り、角度検出部１３Ａへは、Ａ／Ｄ変換器６Ａの出力のみが入力されるように構成されており、角度検出部１３Ｂへは、Ａ／Ｄ変換器６Ｂの出力のみが入力されるように構成されている。すなわち、角度検出部１３Ａへは、イメージセンサ３の奇数画素の情報のみが入力され、角度検出部１３Ｂへは、イメージセンサ３の偶数画素の情報のみが入力される。角度検出部１３Ａでは、Ａ／Ｄ変換器６Ａの出力を用いて、光量補正部８、エッジ検出部９、粗検出部１０、エッジ位置の平均化部２７、高精度検出部１１、絶対角度演算部１２にて高精度の絶対角度までを演算する。一方、角度検出部１３Ｂでは、A／D変換器６Ｂの出力を用いて、光量補正部８、エッジ検出部９、粗検出部１０にて粗い絶対角度までを演算する。

角度検出部１３Ａの粗検出部１０の出力と、角度検出部１３Ｂの粗検出部１０の出力は、エラー検知部７へと送られ、２つの粗い絶対角度を比較する。２つの角度値が異なれば、上位システム（図示せず）へエラー信号を送信し、モーターの制御を停止するように動作する。

以上のような構成によれば、イメージセンサ３から出力される画素データを奇数画素と偶数画素で分け、角度検出部１３Ａ及び角度検出部１３Ｂで同様の演算を行い、粗検出部１０で演算した粗い絶対角度同士をエラー検知部７で照合するように構成したので、確実にアブソリュートエンコーダ１の異常を検知することが可能となる。さらに、角度検出部１３Ａの粗検出部１０ではイメージセンサ３の奇数画素のみを、角度検出部１３Ｂの粗検出部１０ではイメージセンサ３の偶数画素のみを用いて演算を行うため、エラー検知部７で比較する粗い絶対角度は、まったく異なる画素１０１を用いて演算される。したがって、よりデータ（出力値）の信頼性を向上させることが可能となる。

さらに、角度検出部１３Ａのエッジ検出部９ではイメージセンサ３の奇数画素のみのデータを用いて演算を行うためより処理速度を高速化することが可能となる。さらに、角度検出部ごとにＡ／Ｄ変換器を設けたので、例えばＡ／Ｄ変換器のいずれかが故障した場合もエラー検知され、Ａ／Ｄ変換器も含めて異常の検出が可能となる。

本実施の形態のアブソリュートエンコーダは、角度検出部とＡ／Ｄ変換器を２つずつ備える。イメージセンサの偶数画素から出力される信号は一方のＡ／Ｄ変換器へ、奇数画素から出力される信号は他方のＡ／Ｄ変換器へ出力される。さらに、２つの角度検出部にはそれぞれ異なるＡ／Ｄ変換器からの出力が入力される。したがって、全く異なる画素情報から検出された２つの粗い絶対角度を比較してエラーが検知される。この結果、よりデータの信頼性を向上させることが可能となる。さらに、一方の角度検出部にエッジ位置の平均化を備えたので、角度演算に必要な画素数を減少させて、演算負荷を軽減することができる。

実施の形態３．
実施の形態１及び実施の形態２では、異常の検出に用いる粗い絶対角度の一方を用いて高精度の絶対角度を演算するように構成していたが、ここでは、更に別の角度検出部を追加し、アブソリュートエンコーダの異常を検知する手法について述べる。

図１１は、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。本実施の形態のアブソリュートエンコーダ１は、３つの角度検出部１３Ａ〜１３Ｃを備え、角度検出部１３ＣへはＡ／Ｄ変換器６Ａの出力が、角度検出部１３ＢへはＡ／Ｄ変換器６Ｂの出力が、角度検出部１３ＡへはＡ／Ｄ変換器６Ａ及び６Ｂの出力が入力されるように構成されている。また、Ａ／Ｄ変換器６Ａにはイメージセンサ３の奇数画素から出力される信号が入力され、Ａ／Ｄ変換器６Ｂにはイメージセンサ３の偶数画素から出力される信号が入力される。

本実施の形態のアブソリュートエンコーダ１では、角度検出部１３Ｃで、Ａ／Ｄ変換器６Ａの出力を用いて、光量補正部８、エッジ検出部９、粗検出部１０にて粗い絶対角度まで演算する。一方、角度検出部１３Ｂでは、Ａ／Ｄ変換器６Ｂの出力を用いて、光量補正部８、エッジ検出部９、粗検出部１０にて粗い絶対角度まで演算する。また、角度検出部１３Ａでは、Ａ／Ｄ変換器６Ａ及び６Ｂの出力を用いて、光量補正部８、エッジ検出部９、粗検出部１０、高精度検出部１１、絶対角度演算部１２を用いて、位相ズレ量２４を含めた高精度の絶対角度までを演算するように構成されている。その他の構成部分については、実施の形態１及び２と同様のため同じ符号を付加しその説明は省略する。

角度検出部１３Ｃの粗検出部１０で演算した粗い絶対角度と、角度検出部１３Ｂの粗検出部１０で演算した粗い絶対角度は、エラー検知部７へと送られて、エラー検知部７は２つの粗い絶対角度を比較する。２つの角度値が異なれば、上位システム（図示せず）へエラー信号を送信し、モーターの制御を停止するように動作する。ここで、角度検出部１３Ａの粗検出部１０で求められる粗い絶対角度は、エラー検出部７には送られない点で角度検出部１３Ｃ及び角度検出部１３Ｂで求められる粗い絶対角度とは異なる。本実施の形態のアブソリュートエンコーダ１では、角度検出部１３Ｃ及び角度検出部１３Ｂで求められる粗い絶対角度が第１の回転角度となり、角度検出部１３Ａで求められる高精度の絶対角度が第２の回転角度となる。また、角度検出部１３Ａで求められる粗い絶対角度が第３の回転角度となる。

以上のような構成によれば、イメージセンサ３から出力される画素データを奇数画素と偶数画素で分け、角度検出部１３Ｃ及び角度検出部１３Ｂで同様の演算を行い、粗検出部１０で演算した粗い絶対角度同士をエラー検知部７で照合するように構成したので、確実にアブソリュートエンコーダ１の異常を検知することが可能となる。さらに、角度検出部１３Ｃの粗検出部１０ではイメージセンサ３の奇数画素のみを、角度検出部１３Ｂの粗検出部１０ではイメージセンサ３の偶数画素のみを用いて演算を行うため、エラー検知部７で比較する粗い絶対角度は、まったく異なる画素を用いて演算されているのでよりデータ（出力値）の信頼性を向上させることが可能となる。さらに、角度検出部１３Ａで奇数画素と偶数画素との両方を使用して位相ズレ量２４を含めた絶対角度を演算するように構成されているため、より高精度に角度を検出することが可能となる。

また、実施の形態１〜３では、奇数画素は奇数画素用伝送経路１０２を、偶数画素は偶数画素用伝送経路１０３を伝って後段の処理回路へ入力されるようにイメージセンサ３を構成したが、これに限定されるものではない。図１２は、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イメージセンサ３の別の構成例を示す図である。図１２に示すように、イメージセンサ３の中心画素２５を境に左側と右側で画素１０１を分けて、左側の画素は左側画素用伝送経路１０４を、右側の画素は右側画素用伝送経路１０５を伝って後段の処理回路に入力するように構成してもよい。

この場合、一方の角度検出部の粗検出部１０で演算される粗い絶対角度と、他方の角度検出部の粗検出部１０で演算される粗い絶対角度とは異なるが、何度異なるかは分かっているので、実施の形態１〜３で述べた手法を用いてアブソリュートエンコーダ１の異常検知が可能である。このように構成することで、連続した画素を用いて異なる箇所で粗い絶対角度を検出することができるため、よりデータの信頼性が向上する。このような構成は、例えば、光学パターン２００の一部に汚れが付着したような場合に有効となる。また、ここでは、イメージセンサ３の画素を左右に２分割する例を示したが、３分割以上であっても構わない。３分割以上であれば、３つの粗い絶対角度を比較してエラー検知を行うことも可能である。

図１３は、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イメージセンサの更に別の構成例を示す図である。図１３に示すように、イメージセンサ３の画素１０１のうち、３の倍数画素は３の倍数画素用伝送経路１０６を、残りの画素は、３の倍数画素以外の画素用伝送経路１０７を伝って後段の処理回路へ入力されるように構成してもよい。このように構成することで、より高速に演算を行うことが可能となる。また、ここでは、イメージセンサ３の画素を３画素おきに別の伝送経路を伝わるように構成したが、４画素おきでも良いし、伝送経路を２つだけでなくもっと増やしてより細分化するように構成してもよく、その形態は様々である。組合せの異なる画素を複数組生成できれば、イメージセンサ３は様々な構成とすることができる。なお、図１２、図１３の構成は、実施の形態１及び２のアブソリュートエンコーダにも適用可能である。

また、実施の形態１〜３では、粗検出部の後に高精度検出部が来るように構成したが、粗い絶対角度と位相ズレ量２４は同時に（並行して）演算するように構成しても良く、同じ効果を有する構成であれば特にその形態は問わない。また、実施の形態１〜３では、エラー検知部７に入力される粗い絶対角度を２つとしたが、角度検出部１３を３つ以上配置し、粗検出部１０からの出力される３つ以上の粗い絶対角度をエラー検知部７に入力するように構成し、アブソリュートエンコーダ１の異常を検知するように構成してもよい。また、本実施の形態１〜３では回転角度を検出するロータリーエンコーダについて述べてが、直線的な移動量を検出するリニアエンコーダにも適用可能である。

１ アブソリュートエンコーダ、２ 発光素子、３ イメージセンサ、４ 光学式スケール、５ 回転シャフト、６Ａ、６Ｂ Ａ／Ｄ変換器、７ エラー検知部、８ 光量補正部、９ エッジ検出部、１０ 粗検出部、１１ 高精度検出部、１２ 絶対角演算部、１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ 角度検出部、１４ レベル１信号、１５ レベル０信号、１６ 補正後波形、１７ 閾値レベル、１８ ｉ−１番目の画素、１９ ｉ番目の画素、２０ エッジ画素の位置、２１ 基本周期、２２ デコードしたビット列、２３ Ｌｏｏｋ Ｕｐ Ｔａｂｌｅ、２４ 位相ズレ量、２５ 中心画素、２６ 中心画素に最も近いエッジ画素の位置、２７ エッジ位置の平均化部、１０１ 画素、１０２ 奇数画素用伝送経路、１０３ 偶数画素用伝送経路、１０４ 左側画素用伝送経路、１０５ 右側画素用伝送経路、１０６ ３の倍数画素用伝送経路、１０７ ３の倍数画素以外の画素用伝送経路、２００ 光学パターン、２０１ 反射部、２０２ 非反射部。

Claims (10)

1. 回転体に取り付けられ明暗の光学パターンを有する光学式スケールと、
   前記光学パターンに光を照射する発光素子と、
   前記光学パターンで反射又は透過した前記光を受光して受光量に応じた信号を出力する複数の画素を有するイメージセンサと、
   組合せが異なる前記画素から出力される前記信号に基づいて前記光学パターンのエッジ位置とエッジ種別とを検出し、前記エッジ位置と前記エッジ種別とに基づいて前記エッジ種別の並び順とエッジ間隔とを求め、前記並び順と前記エッジ間隔とに基づいて前記回転体の第１の回転角度を検出する複数の角度検出部と、
   複数の前記角度検出部で検出された前記第１の回転角度を比較して前記第１の回転角度の検出エラーを検知するエラー検知部と、
   複数の前記角度検出部で検出された前記エッジ位置の平均化処理を行う平均化部と、
   予め決定される基準位置からの平均化処理された前記エッジ位置の相対位置と前記第１の回転角度とに基づいて第２の回転角度を求める絶対角度演算部と
   を備えたことを特徴とするアブソリュートエンコーダ。
2. 複数の前記角度検出部は、互いに重複しない前記画素から出力される前記信号に基づいて前記第１の回転角度を検出する
   ことを特徴とする請求項１に記載のアブソリュートエンコーダ。
3. 複数の前記角度検出部のいずれか１つは、前記イメージセンサが有する全ての前記画素から出力される前記信号に基づいて前記第１の回転角度を検出する
   ことを特徴とする請求項１に記載のアブソリュートエンコーダ。
4. 前記イメージセンサは、互いに重複しない前記画素で構成される複数の第１の画素群ごとに前記信号を出力し、
   前記角度検出部は、前記第１の画素群の少なくとも１つから生成される第２の画素群から出力される前記信号に基づいて前記回転体の第１の回転角度を検出する
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のアブソリュートエンコーダ。
5. アナログ信号をデジタル信号へと変換して前記角度検出部に入力する複数のＡ／Ｄ変換部を前記第１の画素群ごとに備え、
   前記イメージセンサは、前記受光量に応じたアナログ信号を複数の前記Ａ／Ｄ変換部へと出力する
   ことを特徴とする請求項４に記載のアブソリュートエンコーダ。
6. 前記互いに重複しない前記画素は、前記イメージセンサに交互に配置されている
   ことを特徴とする請求項２、４及び５のいずれか１項に記載のアブソリュートエンコーダ。
7. アナログ信号をデジタル信号へと変換して前記角度検出部に入力する複数のＡ／Ｄ変換部を前記角度検出部ごとに備え、
   前記イメージセンサは、前記受光量に応じたアナログ信号を複数の前記Ａ／Ｄ変換部へと出力する
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のアブソリュートエンコーダ。
8. 前記光学パターンは、１本のトラックで構成されることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載のアブソリュートエンコーダ。
9. 前記角度検出部を２つ備えることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載のアブソリュートエンコーダ。
10. 前記角度検出部を３つ以上備えることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載のアブソリュートエンコーダ。

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