光学エンコーダの利得とオフセットを動的に調整する方法
【課題】光学エンコーダの利得とオフセットを動的に調整する。
【解決手段】光学エンコーダにおける利得とオフセットを動的に調整する方法は、回折格子を含むエンコーダ・ディスクを提供する段階と、前記エンコーダ・ディスクに光を照射する段階と、前記回折格子から回折された光を検出しかつ第１の細カウント・チャネルを出力するように構成された検出器を提供する段階と、前記第１の細カウント・チャネルの第１のターゲット利得と第１のターゲット・オフセットを計算する段階と、前記第１のターゲット利得と第１のターゲット・オフセットに基づいて、前記第１の細カウント・チャネルからサンプリングされたデータに補正を適用する段階と、を含む。
【解決手段】光学エンコーダにおける利得とオフセットを動的に調整する方法は、回折格子を含むエンコーダ・ディスクを提供する段階と、前記エンコーダ・ディスクに光を照射する段階と、前記回折格子から回折された光を検出しかつ第１の細カウント・チャネルを出力するように構成された検出器を提供する段階と、前記第１の細カウント・チャネルの第１のターゲット利得と第１のターゲット・オフセットを計算する段階と、前記第１のターゲット利得と第１のターゲット・オフセットに基づいて、前記第１の細カウント・チャネルからサンプリングされたデータに補正を適用する段階と、を含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学エンコーダの利得とオフセットを動的に調整する方法に関する。本出願は、２００８年８月２８日に出願された米国仮出願第６１／０９２，４７８号、および２００９年７月１０日に出願された米国仮出願第６１／２２４，６５７号の優先権を請求し、これらの各出願の内容全体が、ここに援用される。
【背景技術】
【０００２】
角変位を測定するための多数の装置が開示されている。典型的な装置は、回折光の干渉縞パターンのずれの検出を利用することが多い。
【０００３】
特許文献１には、光源から回折格子上に放射されて様々な回折次数の回折光を生成し明るい縞と暗い縞の検出を可能にする光が開示されている。縞の移動の直接検出によって動きが測定される。
【０００４】
特許文献２には、あらかじめ選択された波長を有する光を正と負の一次回折に集束し、同時に０次回折光を最小する格子が開示されている。回折された次数の光は、多相検出器板に当たる。
【０００５】
特許文献３には、あらかじめ選択された波長を正と負の一次回折に集束する格子が開示されている。多相周期検出器は、スケールから離間されたその検出平面を、回折光の方向を変更することなく各検出器要素が正と負の一次回折に対応する場所に有する。
【０００６】
特許文献４では、光線を可動スケール上に斜めに導く点光源を使用する。モアレ干渉帯を形成するためにロンチ格子などの光学構成要素と交差する回折ビームが生成される。光検出器群のアレイが、モアレ・パターンの帯を遮りかつスケールの変位を示すように電子処理された信号を放射するよう、位置決めされる。
【０００７】
特許文献５は、光学格子と光学素子を含むスケールと、基板上に共に配置された光源と検出器アレイを含むセンサ・ヘッドとを含み、スケールは、センサ・ヘッドの反対側に配置され、センサ・ヘッドに対して移動するように配置される。スケールと、スケールに最も近いトールボット撮像面との間の距離は、ｄである。センサ・ヘッドは、第１の平面と第２の平面により画定された領域内に配置され、第１の平面は、ｎ×ｄとｄ×ｘを加えたものと実質的に等しい距離だけスケールから離間され、第２の平面は、ｎ×ｄからｄ×ｘを引いたものと実質的に等しい距離だけスケールから離間され、ここで、ｎは整数であり、ｘは２分の１以下である。光源は、発散光ビームを放射し、発散光ビームはスケールの方に導かれ、発散光ビームからの光は、格子によって検出器アレイの方に回折される。スケールとセンサ・ヘッドの間にはマスクが配置され、このマスクは開口を画定し、センサ・ヘッドに対して実質的に固定されたままであり、開口は、回折された５次ビームが検出器アレイに達するのを実質的に防ぐようにサイズと位置が決められる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第５，３５５，２２０号明細書
【特許文献２】米国特許第５，４８６，９２３号明細書
【特許文献３】米国特許第５，５５９，６００号明細書
【特許文献４】米国特許第５，９０９，２８３号明細書
【特許文献５】米国特許第７，００２，１３７号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、これらの装置には高い精度がしばしば必要とされ、例えば、ミクロンレベルの精度がしばしば必要とされる。多くの従来装置には、その精度、信頼性、較正、および大量生産し易さを制限する問題があり、また、一般に、そのような微細な分解能が必要とされるときは高価になる。経費は、ある程度、それらの部品を互いに正確な位置に組み立てる要件による。したがって、安価に大量生産できるきわめて正確で信頼性の高い光学エンコーダが必要である。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
光学エンコーダの一実施形態は、エンコーダ・ディスク、エンコーダ・ディスクに光を導くように構成された照明システム、およびエンコーダ・ディスクから回折された光を検出するように構成された検出器を含むことができる。エンコーダ・ディスクは、エンコーダ・ディスク上にリングとして形成された回折格子を有する信号トラックと、反射インデックス・マークを有するインデックス・トラックとを備えることができ、インデックス・マークの幅は、回折格子のピッチより大きい。
【００１１】
光学エンコーダで使用されるエンコーダ・ディスクの一実施形態は、エンコーダ・ディスク上にリングとして形成された回折格子を有する信号トラックと、反射インデックス・マークを有するインデックス・トラックとを備えることができ、インデックス・マークの幅は、回折格子のピッチより大きい。
【００１２】
光学エンコーダと共に使用するためのインデクシング方法の一実施形態は、エンコーダ・ディスクを提供する段階と、光をエンコーダ・ディスクに導くように構成された照明システムを提供する段階と、エンコーダ・ディスクから回折された光を検出するように構成された検出器を提供する段階と、インデックス・パルスの立ち上がり端からインデックス期間の中央までの直交位相状態の推定状態カウントｋestを計算する段階と、ｋestにおける直交位相状態でありかつインデックス・パルスのほぼ中心における直交位相状態に対応するＱkestを計算する段階と、オフセット補正を決定する段階とを含む。エンコーダ・ディスクは、エンコーダ・ディスク上にリングとして形成された回折格子を有する信号トラックと、エンコーダ・ディスク上にリングとして形成されたインデックス・トラックを備え、インデックス・トラックは、インデックス角度座標で提供されたインデックス・マークを有する。検出器は、信号トラックから回折された光を検出しかつ直交位相信号を出力するように構成された２つのオフセット検出器と、インデックス・トラックから反射された光を検出しかつインデックス・パルスを出力するように構成された１つのインデックス検出器とを含むことができる。
【００１３】
光学エンコーダの利得とオフセットを動的に調整する方法の一実施形態は、回折格子を有するエンコーダ・ディスクを提供する段階と、エンコーダ・ディスクに光を照射する段階と、回折格子から回折された光を検出し第１の細カウント・チャネルを出力するように構成された検出器を提供する段階と、第１の細カウント・チャネルの第１のターゲット利得と第１のターゲット・オフセットを計算する段階と、第１のターゲット・オフセットと第１のターゲット利得に基づいて、第１の細カウント・チャネルからサンプリングされたデータに補正を適用する段階とを含んでもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】エンコーダ・ディスクの一実施形態の図である。
【図２】少なくとも１つの実施形態による二重直交位相信号とインデックス信号の相対位置を示す図である。
【図３】少なくとも１つの実施形態による二重直交位相信号とインデックス信号の相対位置を示す図である。
【図４】少なくとも１つの実施形態による二重直交位相信号、ゲート制御インデックス信号および非ゲート制御インデックス信号の相対位置を示す図である。
【図５Ａ】少なくとも１つの実施形態によるエンコーダ・ディスクの図である。
【図５Ｂ】少なくとも１つの実施形態によるエンコーダ・ディスクの一部分の拡大図である。
【図６】少なくとも１つの実施形態によるエンコーダ・ディスクの図である。
【図７】少なくとも１つの実施形態によるエンコーダ・ディスクの一部分と種々の検出器の図である。
【図８Ａ】少なくとも１つの実施形態によるインデックス・トラックと検出器の相対位置を示す図である。
【図８Ｂ】少なくとも１つの実施形態によるインデックス・トラックによって生成された信号を示すグラフである。
【図９】少なくとも１つの実施形態による種々の信号を示すグラフである。
【図１０】少なくとも１つの実施形態による比較器の回路図である。
【図１１】少なくとも１つの実施形態による様々な直交位相状態を示す図である。
【図１２Ａ】少なくとも１つの実施形態によるインデクシング・アルゴリズムを説明する図表である。
【図１２Ｂ】少なくとも１つの実施形態によるインデクシング・アルゴリズムを説明する図表である。
【図１３Ａ】少なくとも１つの実施形態によるインデクシング・アルゴリズムを説明する図表である。
【図１３Ｂ】少なくとも１つの実施形態によるインデクシング・アルゴリズムを説明する図表である。
【図１３Ｃ】少なくとも１つの実施形態によるインデクシング・アルゴリズムを説明する図表である。
【図１４】少なくとも１つの実施形態によるインデクシング・アルゴリズムを説明する図表である。
【図１５】少なくとも１つの実施形態によるエンコーダ・ディスクからの光反射を示す図である。
【図１６】少なくとも１つの実施形態によるインデックス信号への光反射の影響を示す線図である。
【図１７】少なくとも１つの実施形態による片面が黒く塗られたエンコーダ・ディスクの前面の写真である。
【図１８】少なくとも１つの実施形態による片面が黒く塗られたエンコーダ・ディスクの前面の写真である。
【図１９】少なくとも１つの実施形態による片面が黒く塗られたエンコーダ・ディスクの後面の写真である。
【図２０】少なくとも１つの実施形態によるマルチモードＶＣＳＥＬの種々のビーム・プロファイルを示すグラフである。
【図２１】マルチモードＶＣＳＥＬの電流とビーム・プロファイルの関係を示すグラフである。
【図２２】少なくとも１つの実施形態によるエンコーダの回折パターンを示す図である。
【図２３】ガウスビーム・プロファイルを示す三次元グラフである。
【図２４】ガウスビーム・プロファイルを示す表示である。
【図２５】少なくとも１つの実施形態によるマルチモードＶＣＳＥＬのビーム・プロファイルを示すグラフである。
【図２６】少なくとも１つの実施形態によるマルチモードＶＣＳＥＬのビーム・プロファイルを示すグラフである。
【図２７】少なくとも１つの実施形態によるマルチモードＶＣＳＥＬのビーム・プロファイルを示すグラフである。
【図２８】少なくとも１つの実施形態によるマルチモードＶＣＳＥＬのビーム・プロファイルを示すグラフである。
【図２９】少なくとも１つの実施形態によるマルチモードＶＣＳＥＬの種々のビーム・プロファイルを示す図である。
【図３０】少なくとも１つの実施形態によるマルチモードＶＣＳＥＬの種々のビーム・プロファイルを示すグラフである。
【図３１】少なくとも１つの実施形態によるマルチモードＶＣＳＥＬの種々のビーム・プロファイルを示すグラフである。
【図３２】少なくとも１つの実施形態によるマルチモードＶＣＳＥＬのビーム・プロファイルを示す表示である。
【図３３】少なくとも１つの実施形態によるマルチモードＶＣＳＥＬの電流とビーム・プロファイル間の関係を示すグラフである。
【図３４】ガウスビーム・プロファイルを示すグラフである。
【図３５】ガウスビーム・プロファイルを示すグラフである。
【図３６】少なくとも１つの実施形態によるマルチモードＶＣＳＥＬの非ガウスビーム・プロファイルを示すグラフである。
【図３７】少なくとも１つの実施形態によるマルチモードＶＣＳＥＬの非ガウスビーム・プロファイルを示すグラフである。
【図３８】少なくとも１つの実施形態によるＶＣＳＥＬ出力制御回路の回路図である。
【図３９】少なくとも１つの実施形態によるＶＣＳＥＬ出力制御回路の回路図である。
【図４０】ＶＣＳＥＬの図である。
【図４１】２クロム層エンコーダ・ディスクの図である。
【図４２】２クロム層エンコーダ・ディスクの図である。
【図４３】利得修正前の直交位相チャネルの出力のリサージュ・パターンである。
【図４４】読取りヘッド較正に関するデータを示すグラフである。
【図４５】利得修正後の直交位相チャネルの出力のリサージュ・パターンである。
【図４６】読取りヘッド較正に関するデータを示すグラフである。
【図４７】２クロム層エンコーダ・ディスクからの出力を示すグラフである。
【図４８】２クロム層エンコーダ・ディスクからの出力を示すグラフである。
【図４９】２クロム層エンコーダ・ディスクからの出力を示すグラフである。
【図５０】２クロム層エンコーダ・ディスクの図である。
【図５１】２クロム層エンコーダ・ディスクの図である。
【図５２】２クロム層エンコーダ・ディスクの図である。
【図５３】２クロム層エンコーダ・ディスクの図である。
【図５４】２クロム層エンコーダ・ディスクの図である。
【図５５】２クロム層エンコーダ・ディスクの図である。
【図５６】動的パラメータ調整方法を示す図である。
【図５７Ａ】プレフィルタリング方法を示すフローチャートである。
【図５７Ｂ】プレフィルタリング方法を示すフローチャートである。
【図５８】移動平均フィルタの種々のウィンドウを示す図である。
【図５９】正ＤＣオフセットの直交位相状態の誤差を示す図である。
【図６０】負ＤＣオフセットの直交位相状態の誤差を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
次に、例示であり限定ではない添付図面を参照して、類似の要素がいくつかの図で同様に番号付けされた実施形態を単なる例として説明する。
【００１６】
図１に見られるように、信号トラック１２などの線トラックを円形ガラス片の外側部分に沿って配置することにより、エンコーダ・ディスク１０を構成することができる。光が当てられたとき、信号トラック１２の線が交互の明／暗パターンを作り出す。ディスク・カウントが、ディスク１回転当たりの明／暗対の数を指す。ピッチが、信号トラック１２の各マークまたは線間の距離を指す。
【００１７】
図２に見られるように、線がオフセット検出器（１／４ピッチ・オフセット）によって処理されるときに、一般に直交位相信号対（すなわち、第１の直交位相信号（ＣＨ Ａ）２０と第２の直交位相信号（ＣＨ Ｂ）２２）と呼ばれる２つの出力を生成することができる。また、信号２０と信号２２の組み合わされた対が、一般に直交位相信号と呼ばれ、また１つの直交位相信号が１対の位相シフト信号を含むことを理解されたい。
【００１８】
さらに図１に見られるように、通常、従来のエンコーダ・ディスク１２に、ディスク上の特定の（絶対的）位置を識別するための第２のマークが追加される。インデックス・マーク１４は、そのようなマークの例である。
【００１９】
ＣＨ Ａ２０とＣＨ Ｂ２２の直交位相関係から、例えばアップ／ダウンカウンタや他の任意の適切な手段によって、回転の向きと大きさを決定することができる。インデックス・マーク１４は、基準位置「０」を提供することができる。図３は、第１の直交位相信号２０及び第２の直交位相信号２２と比較したインデックス信号２４を示す。
【００２０】
直交位相エンコーダは、ゲート制御された形態とゲート制御されない形態の２つの形態になることができる。図４は、様々なゲート制御タイプによる異なるインデックス信号の例を示す。例えば、ゲート制御インデックス信号２６は、第１の直交位相信号２０と第２の直交位相信号２２の積によってゲート制御される。別の例は、第１の直交位相信号のみでゲート制御されたゲート制御インデックス信号２７である。第３の可能な例は、非ゲート制御インデックス信号２８である。
【００２１】
インデックス・パルスを生成するには２つの方法がある。１つの方法は、きわめて幅の狭いインデックス・マークから反射または狭いインデックス・スリットによる透過と、その後の光検出器を使用する。比較器が、調整された検知器信号の後に配置され、光強度があるしきい値を超えたときにトグルする。
【００２２】
第２の方法は、回折を使用する。インデックス・マークは、異なるピッチの一連の微細な線で作成される。２つ以上の光検出器が、回折次数によって異なる位置に配置される。信号は、加算（または、減算）され比較器に適用される。信号レベルが、あるしきい値を超えたとき、インデックス・パルスが生成される。両方の方法は、反射または回折領域が小さいため厳密な位置合わせを必要とする。
【００２３】
図５Ａ、図５Ｂおよび図６は、エンコーダ・ディスクの一実施形態を示す。例えば、図５Ｂと図６に見られるように、エンコーダ・ディスク３０が、エンコーダ・ディスク３０上にリングとして形成された回折格子の信号トラック３２を有してもよい。信号トラックは、交互になった反射部分と非反射部分によって構成されてもよい。例えば、信号トラックの非反射部分は、均一の黒色塗料の塗装や他の適切な方法などにより、黒色化または暗色化されたガラスによって構成されてもよい。非反射という用語は、表面が必ずしも反射率０％でなくてもよいことを理解されよう。例えば、少なくともいくつかの実施形態では、非反射面は、５％または別の適切な値の反射率のような低反射率を有することができる。
【００２４】
１つの可能な代替として、反射部分と非反射部分は、一方の層が吸収性で他方の層は反射性の２つのクロム層を使用して実施されてもよい。図４１と図４２は、２つのクロム層を使用するエンコーダ・ディスク４００の一実施形態を示す。図４１は、エンコーダ・ディスク４００が、基板４０２、低反射クロム層４０４および高反射クロム層４０６を有することを示す。高反射クロム層４０６は、低反射クロム層４０４上に付着される。高反射クロム層４０６は、高反射クロム層４０６が付着された後で低反射部分４０４の一部分が見えたままになるようなパターンで形成されてもよい。例えば、高反射クロム層４０６は、エンコーダ・ディスク上に信号トラックとインデックス・トラックを形成するパターンで形成されてもよい。
【００２５】
低反射クロム層４０４は、例えばクロム酸化物や別の適切な材料で作成されてもよく、少なくとも１つの実施形態では空気側で５％の反射率を有してもよい。さらに、少なくとも１つの実施形態では、高反射クロム層は、空気側で６５％、ガラス側で５９％の反射率を有してもよい。２つのクロム層を有するエンコーダの動作については、本明細書でさらに詳しく検討される。
【００２６】
エンコーダ・ディスク３０は、半径方向、すなわちエンコーダ・ディスク３０の外縁の方向に、信号トラック３４の外側に位置決めされた外側インデックス・トラック３４を含んでもよい。図５Ｂと図６に示された実施形態では、外側インデックス・トラック３４は、エンコーダ・ディスクのインデックス角度座標に配置された反射外側インデックス・マーク３５を除き非反射性である。インデックス角度座標は、円周方向の任意の「ゼロ」基準点でよい。
【００２７】
エンコーダ・ディスク３０は、エンコーダ・ディスク３０上でリングとして形成された内側インデックス・トラック３６を含むこともできる。内側インデックス・トラックは、信号トラックの半径方向の内側、すなわちエンコーダ・ディスク３０の中心に近い方に形成することができる。図５Ｂと図６に示された実施形態では、内側インデックス・トラックは、反射外側インデックス・マーク３５と同じインデックス角度座標に配置された非反射内側インデックス・マーク３７を除き反射性である。
【００２８】
少なくとも１つの実施形態では、図７と図８Ａに見られるように、インデックス・マークの幅は、回折格子のピッチより大きい。
【００２９】
図５Ｂと図６の実施形態は、反射外側インデックス・マーク３５を有する非反射外側インデックス・トラック３４と非反射内側インデックス・マーク３７を有する反射内側インデックス・トラック３６を示し、これらの反射部分と非反射部分は、交換することができ、やはり正確な同じ結果を達成できることを理解されよう。例えば、非反射外側インデックス・マークを有する反射外側インデックス・トラックと反射外側インデックス・マークを有する非反射内側インデックス・トラックを備えてもよい。
【００３０】
インデックス・トラックの反射部分と非反射部分は、様々な方法で実装することができる。例えば、信号トラックと同じように、エンコーダ・ディスクのガラスを暗色化することによって、インデックス・トラックの非反射部分を形成することができる。
【００３１】
代替として、前述のように、吸収クロム層と反射クロム層を使用することもできる。図５０〜図５５は、２つのクロム層を有するエンコーダ・ディスク４００，５００の可能な特定の実施形態を示す。図５１と図５４に見られるように、エンコーダ・ディスク４００，５００は、前述のエンコーダ・ディスクと同様に構成され、外側インデックス・トラック４３４，５３４、外側インデックス・マーク４３５，５３５、内側インデックス・トラック４３６，５３６、および内側インデックス・マーク４３７，５３７を有することができる。前述のエンコーダ・ディスク３０と同じように、エンコーダ・ディスク４００，５００の反射部分と非反射部分は、交換することができ、１つの特定の構成に限定されない。さらに、特定の図面に示された寸法が、示された特定の実施形態を指し、本発明の範囲を決して限定しないことを理解されよう。
【００３２】
光検出器を使用して、インデックス・トラックと信号トラックをそれぞれ監視することができる。図７に見られるように、検出器４０，４１を使用して外側インデックス・トラックと内側インデックス・トラックを検出することができ、信号トラック検出器４２を使用して、信号トラックから回折された光を検出することができる。インデックス・パターンが互いに反対なので（すなわち、１つのインデックス・トラックがインデックス角度座標で反射性であり、他のインデックス・トラックが、インデックス角度座標で非反射性である）、検出器４０，４１からのインデックス出力の共通オフセット・レベルが逆になる。
【００３３】
例えば、図８Ａは、インデックス角度座標の原点に集束された図を示す。図８Ａでは、暗領域（すなわち、３４，３７）は、非反射性であり、左側に移動している。明領域（すなわち、３５，３６）は、反射性であり、左から右に移動している。検出器４０，４１は、インデックス・トラックの上に重ねられて示されている。図８Ａは、図５Ｂと図６に示したものと同じ構成の反射部分と非反射部分を使用する。
【００３４】
図８Ｂは、内側インデックス信号４６と外側インデックス信号４８の出力を時間の関数として示す。例えば、グラフの左側は、インデックス角度座標が検出器４０，４１から遠いときの時間期間を表わす。このとき、内側インデックス・トラックは検出器４１において反射性であり、したがって、内側インデックス信号４６は、図８Ｂのグラフの左側の方が高い。また、このとき、検出器４０において外側インデックス・トラックは非反射性であり、したがって、外側インデックス信号４８は、図８Ｂのグラフの左側の方が低い。
【００３５】
図８Ａで時間が進みエンコーダ・ディスクが回転するとき、検出器４０が見る領域は、非反射性から反射性に移行し、検出器４１が見る領域は、反射性から非反射性に移行する。この移行は、図８Ｂでは、高から低になる内側インデックス信号４６と、低から高になる外側インデックス信号４７によって表される。内側インデックス信号４６と外側インデックス信号４７の交点は、エンコーダ・ディスク上のインデックス・マークの「開始」または「終了」を示す。
【００３６】
図９は、インデックス・パルス・トレースと信号トラック・トレースを示す表示の一例を示す。例えば、図９のインデックス・パルス８０はインデックス・マークを表わす。図９は、さらに、インデックス・パルス８０の立ち上がりと立ち下がりは、内側インデックス信号４６と外側インデックス信号４８の交点４４に対応することを示す。
【００３７】
図１０は、内側インデックス信号と外側インデックス信号を論理インデックス信号に変換するための比較器の一例を示す。例えば、論理インデックス信号は、内側インデックス信号と外側インデックス信号の交点に基づいて高レベルまたは低レベルに移行する。
【００３８】
前述のように、回折格子信号トラックは、ＣＨ Ａ２０やＣＨ Ｂ２２などの二重直交位相信号を生成することができる。これらの信号は、例えばオフセット検出器を含む検出器４２を使用することにより生成することができる。回転の大きさと方向は、例えば、アップ／ダウン・カウンタによって２重直交位相信号を分析することにより決定することができる。インデックスした後で、アップ／ダウンカウンタから絶対位置を決定することもできる。
【００３９】
図１１に示されたように、４つの可能な直交位相状態６０、６２、６４、６６がある。以下の表は、ＣＨ Ａ ２０とＣＨ Ｂ ２２の可能な直交位相状態の一覧である。
【表１】
換言すると、直交位相状態は、グレーコード・シーケンスを表わす。前の（異なる）状態から異なる直交位相状態になると、方向に基づいて位置カウンタを増分または減分する。
【００４０】
インデクシング操作では、インデックス期間中にいくつかの直交位相状態が存在する。換言すると、インデックス・トラック上のインデックス・マークは、インデックス・トラックが進行することによりいくつかの直交位相状態を経て進行するように十分に大きくてもよい。
【００４１】
例えば、Ｋを直交位相状態の数とする。最適なターゲット・インデックス状態は、インデックス・パルス７２またはインデックス期間の中心に最も近い直交位相状態である。所定の方向（＋／−、ＣＣＷ（半時計回り）／ＣＷ（時計回り））で、最適ターゲット状態は、Ｋ／２（Ｋが偶数の場合）または（Ｋ＋１）／２（Ｋが奇数の場合）である。図１２Ａでは、例えば、Ｋ＝１０であり、最適ターゲット状態７０が、直交位相状態５に位置決めされる。「最適」状態は、Ｋが奇数のときにＣＷ回転とＣＣＷ回転で同一であり、Ｋが偶数のときに１つの直交位相状態だけ異なることに注意されたい（例えば、図１２Ｂを参照）。この状況については、後でより詳細に述べる。
【００４２】
ターゲット状態をできるだけインデックス期間７２の中間近くに選択することにより（また、偶数カウントを補償することにより）、どちらの回転方向が使用されても関係なく選択された状態を一貫して誤差なしに求めることができることが分かる。さらに、これは、インデックス期間７２の幅の変化による影響を受けない。
【００４３】
インデックス期間７２は、非対称的（すなわち、一方向）にシフトされてもよく、対称的（すなわち、インデックス中心点に関して拡張方向または収縮方向）にシフトされてもよい。重ね合せにより、２つの組み合わせを有することができるが、非対称特性と対称特性を個々に検査することによって誤差を考慮することができる。さらに、インデックス・パルス７２の立ち下がりにヒステリシスを適用することにより、曖昧性が１直交位相状態に減少する。
【００４４】
非対称誤差
非対称誤差には２つの原因がある。第１の原因は、読取りヘッド位置の変化によるものであり、第２の原因は、直交位相状態とインデックス・パルス遷移を同時に変化させる曖昧性（ノイズと遅延によって生じる）によるものである。
【００４５】
第１の原因は考慮しなくてもよい。移動する読取りヘッドは、高精度エンコーダを実現不可能にする。これは、設計によって除去しなければならない。
【００４６】
第２の非対称誤差の原因は、２つの要素を有する。単一エッジが生じる場合、１／２カウント誤差（１／２直交位相状態）が達成される。第２の要素は、最悪ケースの状態となり、遷移の曖昧さが両端で同じ方向（異なる方向が対称的シフトを構成する）に生じる場合に存在する。しかしながら、ＣＣＷ方向とＣＷ方向の両方の移動を考慮するとき、これは、両方の推定値間の２つのカウント（または、直交位相状態）の差になる場合がある。これは、どちらの状態が適正であるか曖昧なので望ましくない。ヒステリシスは、この誤差原因の解決策を提供する。
【００４７】
インデックス（両方向に真）の端に適用されるヒステリシスの１／２直交位相状態を追加することにより、２エッジ曖昧性が除去され、ＣＣＷ推定値とＣＷ推定値との差が１カウント（直交位相）状態に減少する。図１３Ａ、図１３Ｂおよび図１３Ｃを参照されたい。実質的に、推定値はより近くなる。
【００４８】
したがって、「ターゲット」推定値と新しく計算されたターゲット推定値の間には、多くても１つのカウントまたは１つの直交位相状態の差しかない。直交位相状態の検査から、真のターゲットの位置が明らかになる。
【００４９】
対称誤差
インデックス期間が拡大または収縮するとき、追加の誤差は導入されない。移動中、前述のように単一カウント非対称誤差しか生じることがない。偶数カウント間隔を補正するとき、ＣＣＷ／ＣＷ両方の動きに１つの状態を選択するターゲット選択方式が使用される。
【００５０】
誤差補正
前述のように、Ｋ／２または（Ｋ＋１）／２から確立された状態と後の評価との間には、多くても１つのカウント／状態誤差しか見つからない。較正中に到達したターゲット・オフセット方向（選択状態）を知ることにより、オフセット（インデックス・ターゲットでの実際のカウントと所望のカウントとの差）を作成するためにターゲット・カウントに加えられる補正率を作成することができる。現在のカウントからオフセットが減算されて、絶対インデックス位置が提供される。
【００５１】
以下の定義は、誤差補正アルゴリズムを説明する際に使用され、図１４を参照されたい。
Ｐ＿Ｃｏｕｎｔi＝位置ｉにおける位置カウンタ値。
Ｐ＿Ｃｏｕｎｔ^indexは、インデックス・パルスの立ち上がり端における位置カウントである。
Ｋ＝インデックス・パルスの始めから終わりまでの直交位相カウント。これは、常に正である（すなわち、方向と関係なく）。
Ｄｉｒ＝０（この方向のＰ＿Ｃｏｕｎｔ増分）または１（この方向のＰ＿Ｃｏｕｎｔ減分）。これは、インデックス・シーケンスによる回転運動方向を示すフラグである。Ｄｉｒの例は、ＣＣＷでは０、ＣＷでは１である。
ｋest＝インデックス立ち上がり端からターゲット状態までの直交位相状態の数の推定値。
これは、インデックス・パルスの立ち上がり端からインデックス期間の中間までの状態カウントである。
ｋtarget＝インデックス・パルスの立ち上がり端からターゲット状態までの実際の状態カウント。
Ｑi＝位置ｉにおける直交位相状態（グレイコード）。
Ｑtarget＝インデックス参照用のターゲット状態におけるグレイコード。
【００５２】
以下では、１／２状態ヒステリシスが使用されると想定する。ターゲット状態（Ｑtarget）が与えらた場合、４つの変数から基準点を確立することができる。これらの変数を使用して基準点を調整する方法は、インデックス・アルゴリズムと呼ばれる。
【００５３】
ターゲット状態が定義されていない場合は、インデックス・アルゴリズムを両方向に実行しなければならない。各パスからの出力が評価され、Ｑtargetが選択される。これについては後で説明される。
【００５４】
これは、ターゲット有効（ＴＶ）フラグが存在することを意味する。当面は、Ｑtargetが定義されていないときはＴＶ＝０であり、定義されたときはＴＶ＝１であると仮定する。
【００５５】
インデックス・アルゴリズムでは以下の変数が使用される。
１．インデックスの始まり（インデックス・パルスの立ち上がり端）での位置カウンタ値。
２．回転方向。（位置カウンタがインデックス期間により増大するかまたは減少するか）。
３．インデックスの始まりにおける直交位相状態のグレイコード。
４．インデックス期間での直交位相状態の総数。
【００５６】
ＴＶ＝０の場合
Ｑtargetは、インデクサ・アルゴリズムを両方向に実行することによって確立される。各方向からのアルゴリズム出力（Ｑkest+とＱkest-）が比較される。等しい場合に、そのアルゴリズム出力がターゲット状態になる。アルゴリズム出力が１状態だけ異なる場合は、常にＱkest+＝Ｑkest-となる（逆も許容可能である）。一貫した手法が最良である。Ｑkest+とＱkest-が２状態以上異なる場合は、ハードウェア障害が存在する。
【００５７】
ＴＶ＝１の場合
アルゴリズムは、ｋtarget（インデックス開始からターゲット状態（Ｑtarget）までの状態の数）を計算する。Ｑtargetが最良状態（インデックス期間の中心に最も近い）であることに注意されたい。
【００５８】
ｋtargetが決定された後で、以下のように基準計算（ゼロ位置）が計算される（次の定義の節を参照）。
正方向の場合
Ｐ＿Ｃｏｕｎｔnew＝Ｐ＿Ｃｏｕｎｔcurrent−［Ｐ＿Ｃｏｕｎｔ^index＋（ｋtarget−１）］ 式１
ｋtarget（−１ ｔｅｒｍ）への調整は、インデックス開始イベントでｋカウンタが１から始まるからであることに注意されたい。
負方向の場合
Ｐ＿Ｃｏｕｎｔnew＝Ｐ＿Ｃｏｕｎｔcurrent−［Ｐ＿Ｃｏｕｎｔ^index−（ｋtarget−１）］ 式２
ｋtarget（−１ ｔｅｒｍ）への調整は、インデックス開始イベントでｋカウンタが１から始まるからであることに注意されたい。これは、正回転の場合と同じである。
位相：
Ｃａｌ＿Ｐｈａｓｅ − ＣＣＷとＣＷの両方の方向を使用してターゲット・インデックス状態を決定する。
工場設定。インデクシング・アルゴリズムが使用される。
Ｉｎｄｅｘ＿Ｐｈａｓｅdir−基準点を見つける。インデクシング・アルゴリズムが使用される。
Ｚｅｒｏ＿Ｐｈａｓｅ−Ｐ＿Ｃｏｕｎｔtarget＝０（ターゲット位置）となるように補正を計算し適用する
絶対エンコーダ・モードに入る。
インデクシング・アルゴリズム：
目的は、正（ＣＣＷ）または負（ＣＷ）のエンコーダ回転のインデックス基準点を見つけることである。
入力：ＱtargetとＴＶ
出力：ｋtarget
変数：Ｐ＿Ｃｏｕｎｔ^index、Ｑ^index、Ｋ、およびＤｉｒ。
ステップ１
ｋestの決定
ｋest＝Ｋ／２（Ｋが偶数の場合）または（Ｋ＋１）／２（Ｋが奇数の場合） 式３
【００５９】
以下のようにインデックス・パルスの立ち上がり端で始まる直交位相状態を識別する（これは、モジューロ４パターンを構成する）。
Ｑ1，Ｑ2，Ｑ3，Ｑ4，Ｑ5，Ｑ6，Ｑ7，Ｑ8，Ｑ9，Ｑ10，Ｑ11，Ｑ12
Ｑ1，Ｑ2，Ｑ3，Ｑ0，Ｑ1，Ｑ2，Ｑ3，Ｑ0，Ｑ1，Ｑ2，Ｑ3，Ｑ0，……（合同）
ここで、Ｑ^index＝Ｑ1
ステップ２
Ｑkestの決定
次の式からｋestにおける直交位相状態（Ｑkest）を求めることができる。
Ｑkest＝Ｑ｛ｋｅｓｔ ｍｏｄ ４｝ 式４
注：モジュロ演算。
０ ｍｏｄ ４＝０
１ ｍｏｄ ４＝１
２ ｍｏｄ ４＝２
３ ｍｏｄ ４＝３
４ ｍｏｄ ４＝０
５ ｍｏｄ ４＝１
６ ｍｏｄ ４＝２
Ｑkestの決定（続き）
ｋest ｍｏｄ ４＝１の場合（例えば、ｋest＝５または９または１３…）は、Ｑkest＝Ｑ1である。（図１２Ａ、図１２Ｂ、図１３Ａ、図１３Ｂおよび図１３Ｃも参照）。
【００６０】
Ｑは、方向によって割り当てられ、第２の要素（説明を参照）は、インデックス立ち上がり端によってアドレス指定される。生成された表は、オフセット表と呼ばれる。表の下降は正（増分カウント）であり、上昇は負である。これは、回転方向に依存しない。
例１：図１３Ａを使用する。
負方向Ｑ1＝ＬＨの場合 表１（オフセット表の例）
Ｑ3＝ＨＬ［Ｑ0に最も近いＨＬ］
Ｑ0＝ＬＬ
Ｑ1＝「残り部分＝１」状態で常にＬＨ（インデックス始まり）。
Ｑ2＝ＨＨ
Ｑ3＝ＨＬ
Ｑ0＝ＬＬ［Ｑ3に最も近いＬＬ］
Ｋ＝１０または１１（赤期間で終わるか青期間で終わるかによる）
それぞれを検討する。
Ｋ＝１０の場合は、ｋest＝１０／２＝５である。５ ｍｏｄ ４＝１
したがって、Ｑ5＝ＬＨ＝Ｑ1
Ｋ＝１１の場合は、ｋest＝（１１＋１）／２＝６である。６ ｍｏｄ ４＝２
したがって、Ｑ6＝ＨＨ＝Ｑ2または順方向にＱ1から次の状態。
Ｄｉｒは、表を選択する（実際の順序）。動きが正か負かに関係なく、選択された表内で常に同じように前または後ろに動く。
注：基準のＰ＿Ｃｏｕｎｔがないので、そのＰ＿Ｃｏｕｎｔを使用してグレイコードを直接推定することができない。
オフセット表の説明
太字は、ｘ ｍｏｄ ４の結果を示す。結果が境界（Ｑ0またはＱ3）なる場合、表は、１状態だけ拡張されなければならない（イタリック体。後方（＠Ｑ0の場合）／前方（＠Ｑ3の場合）−ここで、両方の可能性が示される）。探索は、常に、最も近い隣接値に行なわれる。
インデックスが任意状態（Ｑ1＝ＱC）で生じると仮定する。ｋｅｓｔ ｍｏｄ ４ −＞ Ｑ0（ＱB）でかつターゲット状態がＱAの場合は、
表２ 拡張付きオフセット表
Ｑ3＝ＱA［最も近いＱAからＱ0］［必要な場合］
Ｑ0＝ＱB−−−−−−−−−＾
Ｑ1＝ＱC（インデックス開始）常に「残り＝１」状態で。
Ｑ2＝ＱD
Ｑ3＝ＱA
Ｑ0＝ＱB［Ｑ3に最も近いＱB］［必要な場合］
オフセット＝−１
ステップ３
オフセット補正の決定
ＴＶ＝０の場合、両方向からのＱkestが必要とされる。検査するＱtargetの等価物がない。生データを使用してターゲット決定を行なう。
各パスからのＫを確認しなければならない。｜Ｋ+−Ｋ-｜＜＝２
ＴＶ＝１の場合、Ｑtargetが定義される。
Ｑtarget＝Ｑkestのとき、ｋtarget＝ｋest
他の状況では、１つの状態カウントを修正するだけでよい（上または下へ）。複数の状態差がある場合、フォルトが生じた。
ｋtarget＝ｋest＋オフセット。ここで、オフセット＝＋１または−１ 式５
オフセット補正の決定（続き）
例２：図１３Ａを使用する。
Ｑtarget＝ＬＨ＝オフセット表（表１）内のＱ1
表１（繰り返し）
Ｑ0＝ＬＬ
Ｑ1＝ＬＨ（インデックス開始）「残り部分＝１」状態で常に。
Ｑ2＝ＨＨ −−−−−−−−−−−−−−−−−＾
Ｑ3＝ＨＬ
Ｋ＝１１、ｋest＝６、およびＱkest＝ＨＨ＝Ｑ2の場合
ＥＱ５を使用する。
オフセット＝ｋtarget＝−ｋest−１（オフセット表を推定値からターゲットまで上昇させる）
したがって、ｋtarget＝６−１＝５
【００６１】
前述の構造と方法は、いくつかの有効な利点を有する。例えば、光学的位置合わせが、きわめて単純になる。読み取りヘッドのエンコーダ・スケールまたは配置上の高精度格子が不要である。さらに、ギャップ幅（すなわち、インデックス・マークの幅）が、従来の装置より大きい。したがって、ギャップ位置の許容範囲は、従来のエンコーダより大きくなる。したがって、全体として、前述の構造と方法は、エンコーダが、従来のエンコーダよりも製造と実装を安価かつ単純にすることができる。
【００６２】
さらに、複数の読取りヘッドの設計余裕が改善される。超高精度エンコーダには、２つおよび４つの読取りヘッドが一般的である。ゲート制御式または非ゲート制御式の従来のインデックス法は、すべての読取りヘッドに同時に適用されなければならない。読取りヘッドが互いに厳密に１８０度（２読取りヘッド）または９０度（４読取りヘッド）でありえないという事実があるので、インデックス・パルス内で読取りヘッド位置に差が生じる。各読取りヘッドの中間が斜めにされるので、最良の状態を取ることが困難になる。これと対照的に、前述の構造の一実施形態では、エンコーダは、幅広いインデックス（アーク長３２０ミクロン、６４の直交位相状態）を使用するので、あまり重要ではない。差は、温度ドリフトとエージングに対しても最小化される。
【００６３】
また、従来のエンコーダでは、インデックス・パルスが５つ以上の直交位相状態を含む場合に、冗長状態を取ることができる。これは、検査され補正されなければならない（通常、ハードウェア、例えば、ケーブル交換によって）。前述の構造と技術は、この種の冗長状態による影響を受けない設計による。
【００６４】
さらに、前述の技術と構造を、マルチモード（すなわち、非ガウス）ならびにシングルモード（すなわちガウス）のレーザ・ダイオードと共に使用することができる。装置は、ビーム・プロファイルの影響を受けにくい。ＶＣＳＥＬの代わりの光源としてＬＥＤを使用することもできる。光源のこの融通性は、コストを最小にするのに役立つ。マルチモードＶＣＳＥＬおよびＬＥＤは、単純な格子パターンと同じように、シングルモード・ダイオードより安価で信頼性が高くなり得る。
【００６５】
また、エンコーダ・スケールの裏面に光学的黒色（すなわち、光吸収材）を塗布することによって、エンコーダ・ディスクからの望ましくない反射を減少させることができることにも注意されたい。代替の実施形態では、光学的黒色材料をエンコーダ・スケールの前面に塗布してもよい。さらに、前述の低反射層と高反射層は、望ましくない反射を減少させることができる。
【００６６】
例えば、前述の方法と構造は、直交位相信号格子の両側にある２つの相補的（すなわち、ブール解釈（Ｂｏｏｌｅａｎ ｉｎｔｅｒｐｒｅｔａｔｉｏｎ））反射トラックを使用する。インデックス法が、レーザ・ビームの各側で２つの反射経路に依存するので、それらの反射経路は、それぞれの光検出器（２）と一列に並び、それぞれ信号クロスオーバに十分なエネルギーを受け取らなければならない。
【００６７】
各インデックス信号の暗レベルが同じ場合は、個々の信号がピーク・トゥ・ピーク・ノイズ・レベルとヒステリシスを加えたものより大きい限り、インデックス期間でのクロスオーバが保証される。
【００６８】
インデックス信号対のマーク・チャンネル信号４８（すなわち、反射外側インデックス・マークによって生じた信号）は、場合によりＤＣオフセットを有する可能性がある。換言すると、マーク信号４８は、スペース信号４６（すなわち、非反射内側インデックス・マーク）の最低レベルと一致していなかった。このＤＣオフセットには反射１１２直前にくぼみ１１０が検出されたので（図１５と図１６を参照）、これは、エンコーダ・スケールの背面からの反射である疑いがあった。くぼみ１１０は、マーク・リフレクタが見えるように減少されたエンコーダ・スケールの後ろからの反射よるものである。
【００６９】
スケールの裏側が、光学的黒色または均一な黒色塗料（エンコーダ・ディスクの前側に関しては図１７と図１８、黒く塗られた裏側に関しては図１９を参照）で塗られたとき、オフセットは消える。前述の構造によって使用される広い照明および処理領域により、装置は、従来の装置よりも望ましくない反射の影響を受けやすい。エンコーダ・ディスクが使用される組立体内のすべての面を黒色化することにより、リサージュ信号の品質がさらに改善される（リサージュの入力は、直交位相信号の２つのチャネルである）。この技術が従来の装置にも試みられており、リサージュ歪みも改善されている（円形品質の改善）ことに注意されたい。これは、楕円形、ノイズが多い円、歪んだ円（例えば、じゃがいも形）などのリサージュひずみの主原因が反射がであるということを指す。
【００７０】
したがって、すべての設計が、反射の減少から利益を得るように思われる。後側（または、前側、格子の外側、もしくはインデックス・リフレクタ）に塗布された光吸収材料、または低反射および高反射層は、読取りヘッドの性能を改善することができる。例えば、鏡面反射が減少するので、インデックス信号の信号対雑音比を改善することができ、またより良好な直交位相信号を得ることができる。
【００７１】
また、吸収性被覆または低反射層と高反射層を、照明システムによって放射された光の特定の波長に合わせて最適化できることを理解されよう。
【００７２】
また、図１７から図１９の実施形態が、エンコーダ・ディスク３０の中心の透明領域を示すことに注意されたい。この透明領域により、この実施形態のエンコーダをカートリッジに取り付けるためにＵＶ接着剤を塗布することができる。
【００７３】
２つのクロム層エンコーダ（図４１と図４２に示されたエンコーダ４００などの）について、エンコーダの性能を評価するために較正と検査を行った。結果を表２にまとめる。表２の左欄は、検査されるエンコーダの通し番号を示し、表２の右欄は、度で測定したエンコーダのシグマである。
【表２】
【００７４】
これらの結果が、従来のエンコーダ・ヘッドより少なくとも２５％改善されていることに注意されたい。
【００７５】
また、図４３〜図４６は、読取りヘッドの較正データを示す。図４３〜図４４は、利得修正前のデータを示し、図４５〜図４６は、利得修正後のデータを示す。図４３は、読取りヘッド信号に基づくリサージュ曲線９００，９０２を示す。図４４において、線９０４，９０６は、読取りヘッド位置の誤差を示す（分かりやすくためにずらされている）。上側の線９０８は、右回り方向の２つの読取りヘッドの平均位置のプロットである。下側の線９１０は、左回り方向の２つの読取りヘッドの平均位置のプロットである。中心線９１２は、両方向からの読取りヘッドの平均位置である。図４５は、読取りヘッド信号に基づくリサージュ曲線９２０，９２２を示す。図４６において、線９２４，９２６は、読取りヘッド位置の誤差を示す（分かりやすくするためにずらされている）。上側の線９２８は、右回り方向の２つの読取りヘッドの平均位置のプロットである。下側の線９３０は、左回り方向の２つの読取りヘッドの平均位置のプロットである。中心線９３２は、両方向からの読取りヘッドの平均位置である。
【００７６】
図４７〜図４９は、性能試験で使用される２クロム層エンコーダからの出力を示す。図４７〜図４９において、線６００は、反射インデックス・マークを有するリングを表し、線６０２は、非反射インデックス・マークを有するリングを表し、線６０４は、直交位相信号を表す。
【００７７】
図４７〜図４９から、２クロム層構造を使用することにより、反射マークを有する非反射リングと非反射マークを有する反射リングからの暗レベルが、０．３５ＶＤＣより低く、互いに０．１６ＶＤＣ内で一致したことが分かる。平均では、反射マークを有する非反射リングの暗レベル電圧が、０．１６ＶＤＣと測定され、非反射マークを有する反射リングの暗レベル電圧は、０．２６ＶＤＣと測定された。
【００７８】
直交位相信号レベルに関して、１クロム層構造では、仕様は、以下の通りである。
正弦波（位相）ＤＣオフセット＝１．４＋／−０．８ＶＤＣ
正弦波（位相）ＡＣ信号＝０．４Ｖｐ−ｐ〜２．２Ｖｐ−ｐ
ポスト・カートリッジ電子回路の出力仕様は、以下の通りである。
正弦波（位相）ＤＣオフセット（ＤＳＰで）＝１．６７＋／−０．３ＶＤＣ
正弦波（位相）ＡＣ信号（ＤＳＰで）＝０．４５〜２．７０ｐ−ｐ（標準１．１Ｖｐ−ｐ）
【００７９】
２クロム層構造では、読取りヘッド伝達関数は、０．８倍に減衰する。必要に応じてカートリッジ基板にゲイン調整を行うことができる。例えば、入力減衰器抵抗値を２０ｋから１３ｋに変更することができる。代替として、利得抵抗器を３４．８ｋから２４．９ｋに変更することにより、計測増幅器利得を２．４２から３．０に変更することができる。
【００８０】
全体として、エンコーダ・ガラス上の２クロム層構造は、カートリッジ・システムを２通りに改善する。第１に、望ましくない反射が減衰され、従って、ＤＣオフセットを減少させることによりインデックス信号が改善される。第２に、直交位相信号がより一貫し、空間ノイズが減少する。
【００８１】
ＶＣＳＥＬのビーム・プロファイルがガウス形から非ガウス形に変化するときに、直交位相信号の品質があまり変化しないことも分かった。前述の装置は、マルチモード・レーザ・プロファイルを光強度監視方式により制御することができる。
【００８２】
マルチモード・レーザは、低駆動電流でガウス・ビーム・プロファイルを示し、より高いＶＣＳＥＬ電流でラゲール−ガウス｛１，０｝プロファイル（３Ｄ外観は、光強度が中心に向かって低い「クレータ」を有する火山のものと類似している）に変化する（図２０を参照。マルチモードＶＣＳＥＬの様々なプロファイル３００，３０２，３０４，３０６，３０８を示す）。図２１に見られるように、マルチモードのときにＶＣＳＥＬ電流と共にビーム幅が増大することに注意されたい。例えば、図２１では、ビーム・プロファイル３１０は、電流４ｍＡにおけるビーム・プロファイルであり、ビーム・プロファイル３１２は、電流６ｍＡにおけるビーム・プロファイルである。
【００８３】
前述の直交位相信号は、回折によるエネルギーの広い空間収集により、ガウス・モードでも非ガウス・モードでもあまり歪みがない。
【００８４】
実験の際、狭ビームＶＣＳＥＬ（約１２度のレーザ・ビーム・ウェスト）を使用してＶＣＳＥＬ電流が減少された。公称バイアス（４．７５ｍＡ）で、優れた品質のリサージュ円が表示された。これは、本質的にＬＧ｛１，０｝プロファイルであった。ＶＣＳＥＬ電流が４．３ｍＡより低かったので、円が大きくなった（信号強度が増大した）ことが分かった。しかしながら、円品質は同じままである。これは、約３ｍＡまで続き、次に円が収縮し始めた。
【００８５】
この現象は、ビーム形状がＬＧからガウス形に変化したときにエンコーダ・スケールの格子に印加された光学エネルギーの増大によるものであった。交換の際に、ＶＣＳＥＬ電流の減少によって直交位相信号強度が増大することに注意されたい。
【００８６】
２０度以上のウェストを有するほとんどガウス幅広ビームであるＶＣＳＥＬの場合、円品質は良好のままであるが、直交位相信号は、ＶＣＳＥＬ電流と共に線形かつ単調に変化する。
【００８７】
前述の装置の少なくとも１つの実施形態の場合、ＶＣＳＥＬ電流は、狭ビームＶＣＳＥＬが非ガウス領域に十分に入るように調整される。これにより、レーザ出力制御光強度ループを不安定にする非単調モードが回避される。
【００８８】
レーザ・ダイオードまたはＬＥＤ（発光素子）を制御する１つの方法は、定電流源によるものである。この技術は、温度による順方向ダイオード電圧降下への影響を最小にする。場合によって、電流を調整し温度による光学出力ドリフトを補正するために温度検出が使用される。
【００８９】
第２の方法は、光学フィードバックを使用して補正する。光強度は、同一パッケージまたは個別光センサ内の個別の光検出器によって測定される。
【００９０】
このエンコーダは、更に他の目的を有する第２の方法を使用することが好ましい。マルチモードＶＣＳＥＬの出力調整により、ビーム幅と形状を大幅に変更することができる。この特徴は、空間ひずみによる信号対雑音比を最適化するために使用される。
【００９１】
したがって、利点は、サイン／コサインおよびインデックス・チャネルの温度と経年変化によるずれを補正することより大きい。
【００９２】
光学エンコーダは、線形または回転ガラス・スケールでの高精度決定を使用する。そのような決定は、光学読取りヘッドとスケール間の相対運動を測定するために使用することができる位置基準を提供する。多くの場合、２つの直交位相正弦波信号が出力される。測定電子回路が、ゼロ交差をカウントし、ゼロ交差間を補間してもよい。
【００９３】
このエンコーダは、トールボット・イメージング（Ｔａｌｂｏｔ ｉｍａｇｉｎｇ）と呼ばれる非直接イメージング技術に基づく。このタイプのエンコーダは、格子回折次数間の干渉に依存する。トールボット・イメージングの場合、重複する回折次数間の干渉は、スケール決定に類似の擬似画像を生成する。
【００９４】
図２２は、このエンコーダの回折パターンを示す。所望の情報は、＋１回折帯３２０と−１回折帯３２２からのものである。しかしながら、Ｔｈｏｒｂｕｒｎに譲渡された米国特許第７，００２，１３７号のような空間フィルタを実施するマスクが使用されない。その代わりに、すべての回折次数が、センサ・ヘッドに渡され、次にアルゴリズムによって電子的にフィルタリングされる。
【００９５】
レーザ・ダイオード−シングルモードおよびマルチモード・レーザ・ダイオード
シングルモード（ＴＥＭ００と呼ぶ）レーザは、図２３と図２４に示されたようなガウス・プロファイル２００を有する単一円形スポットを作成する。
【００９６】
一方、マルチモード・レーザは、共振領域を示す。種々のピークと谷が生じる可能性がある。例えば、図２５〜図２８は、マルチモード・レーザの様々な可能なビーム・プロファイル３４０、３４２、３４４および３４６の三次元図を示す。図２９は、様々な可能なビーム・プロファイルの断面３５０〜３５７を示す。
【００９７】
ＶＣＳＥＬビーム・プロファイル
マルチモードＶＣＳＥＬは、通常、ラゲール−ガウス形（ＬＧ）プロファイルに基づくパターンを生成する。マルチモードＶＣＳＥＬは、低出力ではガウス・プロファイルを提供し、高い方の出力レベルでは、図３０〜図３２に見られるようにＬＧ［１，０］が一般的である。例えば、図３２は、マルチモード・レーザのビーム・プロファイル３６０の様々な図を示す。
【００９８】
このエンコーダは、図３３に示されたような一般的なプロファイル／電流伝達関数（マルチモードのとき）を有するＬＧ［１，０］ＶＣＳＥＬを使用することが好ましい。実際のテスト・データは、図３４〜図３７に見ることができる。例えば、図３４と図３５は、２．７５ｍＡにおけるビーム・プロファイル３８０を示す。図３４の２つの線は、ｘ方向とｙ方向のプロファイルに対応する。同様に、図３６と図３７は、４．７５ｍＡのビーム・プロファイルを示す。
【００９９】
図３８は、ＶＣＳＥＬ光強度制御回路４００の可能な一実施形態を示す。図３８に示された実施形態では、抵抗器Ｒ１４がプログラム可能（すなわち、設定点制御）であることに注意されたい。
【０１００】
レーザ・ビーム形状を制御する機能により、性能が最適化される。特定の周波数（モータによる）と実行されるＤＦＴ（離散フーリエ変換）でエンコーダを回転させることができる。したがって、光強度設定点を調整して最良の信号／ノイズ（ＳＮＲ）を得ることができ、また空間高調波歪みが最小にされる。
【０１０１】
さらに、前述の出力制御は、温度とＶＣＳＥＬ経年変化による直交位相およびインデックス信号ドリフトを補償するのに役立つ。
【０１０２】
前述のＶＣＳＥＬプロファイル制御は、従来のプロファイル制御より優れたいくつかの利点を有する。
【０１０３】
例えば、レーザ・ビーム・プロファイルを＋／−１回折次数位置の近くでピークにすることによって、一次空間高調波（＋／−１回折次数で構成された）より高い次数の空間高調波が減少する。しかしながら、この方法では、望ましくない高調波を遮断するために物理的マスクを使用しなくてもよいことにも注意されたい。その理由は、少なくとも、例えば空間フィルタおよび／またはマスクを使用する代わりにデジタル信号処理（ＤＳＰ）を使用してもよいからである。換言すると、必要に応じて、５次以上のビームなどのすべての高調波が、検出器に達することができる。これにより、構造が先行技術よりも大幅に単純化する。
【０１０４】
さらに、マルチモード（すなわち、非ガウス）レーザ・ダイオードは、シングルモード・レーザ・ダイオードより信頼性が高い。マルチモードＶＣＳＥＬの方が処理出力が高いので、構造はより強固である。これと対照的に、シングルモード・チャネルは、共振を減少させるために狭く、電圧応力と静電放電の影響を受けやすい。また、シングルモードの純粋なガウス・ビーム・プロファイルを作成するにはより洗練された技術を使用しなければならないので、マルチモードＶＣＳＥＬを使用することによりコストを最小限に抑えることができる。
【０１０５】
図３９は、ＶＣＳＥＬ制御の別の実施形態を示す。例えば、ＶＣＳＥＬ構成要素Ｄ１０は、金属パッケージ、窓（ほこり防御用）、ＶＣＳＥＬ３００、および光検出器３０２を含むことができる。レーザ光の一部分は、窓から反射され、光検出器３０２を励起する。したがって、内部光検出器の電流を監視することによって、透過した光エネルギーの量を求めることができる。
【０１０６】
図４０は、ＶＣＳＥＬ３００の少なくとも１つの可能な実施形態を示す。しかしながら、本発明は、この特定のＶＣＳＥＬに限定されず、他の適切なＶＣＳＥＬ、ＬＥＤまたは他の適切な光源を使用することができる。図４０は、また、ＶＣＳＥＬの一部として窓３０１を示す。
【０１０７】
図３９に見られるように、光検出器３０２からの帰還電流は、抵抗器Ｒ７または抵抗器Ｒ８と並列の抵抗器Ｒ７により電圧（ＶMON）に変換される。制御ダイナミック・レンジが拡大されるとき、並列組み合わせが使用される。通常、抵抗器Ｒ１７が取り付けられず、その位置にゼロ・オーム抵抗器が取り付けられたときに並列組み合わせを構成できることに注意されたい。
【０１０８】
演算増幅器Ｕ１とトランジスタＱ１は、電流変換器への電圧を生成する。ＶBiasは、設定値電圧である。演算増幅器Ｕ１、トランジスタＱ１、キャパシタＣ４、ＶＣＳＥＬ構成要素Ｄ１０、および抵抗器Ｒ７（または、抵抗器Ｒ８と並列な抵抗器Ｒ７）によって構成された帰還ループは、ＶMON＝ＶBIASとなるまでレーザ・ダイオード（ＬＤ）内の電流を変化させる。すなわち、光強度は、帰還電流＊抵抗器Ｒ７（または、抵抗器Ｒ７および抵抗器Ｒ８と並列な抵抗器Ｒ７）が、ＶBiasと等しくなるまで、ＶＣＳＥＬ電流を変更することによって調整される。
【０１０９】
演算増幅器Ｕ１は、ＶMONとＶBias間の誤差を増幅する。キャパシタＣ４は、帯域幅を設定する。演算増幅器Ｕ１からの出力電圧（Ｖｏｕｔ−Ｕ１ピン１）は、抵抗器Ｒ９を介してトランジスタＱ１のベースに印加される。
【０１１０】
トランジスタＱ１のエミッタ電流は、約［Ｖｏｕｔ−Ｖｂｅ］／Ｒ１３であり、ここで、Ｖｂｅは、トランジスタＱ１（〜０．７ボルト）のベース・エミッタ電圧であり、Ｒ１３は、抵抗器Ｒ１３の抵抗である。ベース電流がエミッタまたはコレクタ電流のベータ分の１（１８０分の１以下）未満であるという事実により、抵抗器Ｒ９の影響が無視できることに注意されたい。トランジスタＱ１のコレクタ電流は、ＶＣＳＥＬ電流と等しく、前述のエミッタ電流の式によって求められたエミッタ電流とほぼ等しい。
【０１１１】
ＶBiasは、定電圧ダイオード（２．５Ｖ）と、抵抗器Ｒ１４と抵抗器Ｒ１２によって構成された分圧器とによって決定される。
【０１１２】
ＶBiasは、通常、公称光強度またはＶＣＳＥＬ電流を提供するように選択される。
【０１１３】
いずれの場合も、フィードバックにより、光強度は、温度と構成要素の変動（例えば、エージング）の間ずっと一定のままになる。
【０１１４】
また、マルチモードＶＣＳＥＬが、温度が変化している間ずっと予測できないビーム形状を有してもよいことを理解されたい。これにより、位置を補間するために直交位相信号の非線形振幅およびオフセット・ドリフトが使用されることがある。したがって、従来の装置は、ＶＣＳＥＬを実装する際に著しい困難を有することになり、ＶＣＳＥＬがエンコーダに役立つようにするめに利得とオフセットの動的調整を実施しなければならない。
【０１１５】
以下に、利得とオフセットの動的調整の一例を説明する。以下の考察が、単一エンコーダ読取りヘッドについて述べるが、複数の読取りヘッドを有するシステムに動的調整方法を採用できることを理解されよう。
【０１１６】
図５６は、利得とオフセットの動的調整の少なくとも１つの実施形態を示す図である。図５６に見られるように、１０００で、読取りヘッドによって生データが取得される。１００２で、この生データを、粗カウント１０１０、第１の細カウント１０１２および第２の細カウント１０１４にパースすることができる。細カウント１０１２，１０１４が、細カウントの２つのチャネルを表わすことを理解されよう。
【０１１７】
要するに、動的調整は、データ検証プレフィルタリング１０２０、最大／最小移動平均フィルタリング１０３０、および値補正１０４０，１０５０の３つの異なる工程段階を有する。１００２で、データがパースされた後、１０２０で、細カウントがプレフィルタリングされる。プレフィルタリングは、データセットにおいて３つの最大サンプルと３つの最小サンプルを取得するために使用される。少なくとも１つの実施形態では、最大および最小データのしきい値が使用される。例えば、５０％のしきい値や他の適切な値を使用することができる。
【０１１８】
図５７Ａ、図５７Ｂは、データセットにおいて３つの最大サンプルと３つの最小サンプルを取得するための方法の少なくとも１つの実施形態を示す。
【０１１９】
１３００で、最初に、細カウントが正かどうかが評価される。細カウントが正である場合、それは最大値の候補である。細カウントが負である場合、それは最小値の候補である。正と負の両方のためのアレイがある。最大値はＭａｘＶａｌｕｅ（０）、ＭａｘＶａｌｕｅ（１）、ＭａｘＶａｌｕｅ（２）であり、ＭａｘＶａｌｕｅ（０）が最も高い。同様に、最小値はＭｉｎＶａｌｕｅ（０）、ＭｉｎＶａｌｕｅ（１）、ＭｉｎＶａｌｕｅ（２）であり、ＭｉｎＶａｌｕｅ（０）が最も小さい。
【０１２０】
段階１３０２で、細カウントは、ＭａｘＶａｌｕｅ（０）と比較される。細カウントがＭａｘＶａｌｕｅ（０）より大きい場合は、その細カウントが新しいＭａｘＶａｌｕｅ（０）になり、他の要素が再配列される（段階１３０４を参照）。他の状況では、段階１３０６で、細カウントが、ＭａｘＶａｌｕｅ（１）と比較される。細カウントが、ＭａｘＶａｌｕｅ（１）より大きい場合、細カウントが新しいＭａｘＶａｌｕｅ（１）になり、それにしたがってＭａｘＶａｌｕｅ（２）が調整される（段階１３０８を参照）。他の状況では、段階１３１０で、細カウントがＭａｘＶａｌｕｅ（２）と比較される。細カウントが、ＭａｘＶａｌｕｅ（２）より大きい場合は、その細カウント値が、新しいＭａｘＶａｌｕｅ（２）になる（段階１３１２を参照）。細カウントが、ＭａｘＶａｌｕｅアレイの各値より小さい場合は、細カウントが廃棄される（段階１３１３を参照）。
【０１２１】
細カウントが負の場合に、ＭｉｎＶａｌｕｅアレイの各値に類似の方法をとることができることを理解されたい（図５７Ａの段階１３１４〜１３２６を参照）。細カウントが、アレイのうちの１つに記憶されるか廃棄された後で、プレフィルタリングが完了したかどうかが評価される（段階１３２８を参照）。
【０１２２】
３つの最大サンプルと３つの最小サンプルを取得した後で、データに選別方法を実行することができる。データが選別検査に合格した場合は、さらに他の計算に使用するために最高（最大）値と最低（最小）値が受け入れられる。各細カウント１０１２，１０１４の最大値と最小値が求められることを理解されたい。例えば、選別が満たされた場合、プレフィルタリング１０２０が、第１の細カウント最大値（ｍａｘA）、第１の細カウント最小値（ｍｉｎA）、第２の細カウント最大値（ｍａｘB）、第２の細カウント最小値（ｍｉｎB）を戻す。
【０１２３】
第１の選別方法は、３つの最高値がそれぞれ、それらの中央値の所定の範囲内にあるかどうか判定し、３つの最低値がそれぞれ、それらの中央値の所定の範囲内にあるかどうかを決定することである。
【０１２４】
例えば、一実施形態では、所定量は１％でよい。したがって、３つの最高値に関して、３つのうちの最低値は、０．９９＊中央値以上でなければならず、３つのうちの最高値は、０．９９＊中央値以下でなければならない。同様に、３つの最低値に関して、最高値は、０．９９＊中央値以下でなければならず、最低値は、１．０１＊中央値以上でなければならない（３つの最低値が負でなければならないことに注意されたい）。
【０１２５】
上記の条件が満たされた場合は、第２の選別が実行される。第２の選別は、最大値と最小値が、対応する移動平均フィルタ１０３０の１０％以内にあるかどうかを評価する。この選別は、まず、移動平均フィルタ１０３０が完全に満たされたと仮定する。例えば、少なくとも１つの実施形態では、移動平均フィルタ１０３０は、５つのサンプルを含む。以下に、移動平均フィルタ１０３０をより詳細に説明する。最大値と最小値が選別条件を満たす場合は、その最大値と最小値は、対応する移動平均フィルタに入れられ、最も昔の値は、タップ・レジスタから廃棄される。
【０１２６】
少なくとも１つの実施形態では、データ取得周期が、約４ミリ秒（２５０Ｈｚのレート）であり、ローカル・サンプル・レートであることに注意されたい。したがって、約４秒で１０００個のサンプルが収集され、移動平均フィルタの更新レートはＴ＝４秒である。
【０１２７】
プレフィルタリング１０２０が完了した後で、移動平均フィルタ１０３０は、新しく求められた最小値と最大値で更新される。図５６に、ａｖｅ＿ｍａｘA、ａｖｅ＿ｍｉｎA、ａｖｅ＿ｍａｘBおよびａｖｅ＿ｍｉｎBとして示された第１の細カウント１０１２と第２の細カウント１０１４の最小値と最大値の移動平均フィルタがあることを理解されよう。以下に、移動平均フィルタ１０３０について説明する。
因果的（Ｍ＋１ ポイント）移動平均値フィルタ（ＭＡＶＦ）の場合
【数１】
【０１２８】
遅延（τ）はＭＴ／２（Ｔはサンプル・レート）であり、５ポイント・フィルタでＭ＝４の場合、τ＝２Ｔである。Ｔ＝４秒（上記参照）の場合、一実施形態ではフィルタ遅延は８秒である。温度変化は、これよりかなり遅い。
【０１２９】
ＭＡＦが、較正の際に得られた最大値と最小値によって初期化されると仮定する。
【０１３０】
平均値が再帰的に計算される場合は、計算効率をわずかなに改善することができる。再帰的解法は、以前に計算された値に基づくものである。これを例示するために、以下の開発を検討する。
【０１３１】
任意の瞬間ｋにおいて、データ・シーケンスｘiの最新ｎ個のサンプルの平均は、次の式によって与えられる。
【数２】
【０１３２】
これは、ｋ番目ごとの瞬間における平均が最新セットのｎ個の値に基づくので、移動平均として知られる。換言すると、任意の瞬間で、データ・シーケンスの平均を計算するために、ｎ個の値の移動ウィンドウが使用される。例えば、図５８では、それぞれｎ個の値から成る３つのウィンドウ１１００、１１０２および１１０３がある。
【０１３３】
フィルタとして使用されるとき、ｘk-（以下「ｘk-」は、ｘkの上バー（すなわちデータ・シーケンスｘiの最新ｎ個のサンプルの平均）を示すものとする）の値は、ｘkのフィルタ値として得られる。この式は、ｘk-の値が、基準としてその前の値ｘk-1-使用して計算されるので、再帰的である。
【０１３４】
再帰的計算により、１つの除算と１つの加算と１つの減算を実行するだけでよいことが分かる。これは、検討されるデータ・ポイント数（ｎ）に関係なく常に当てはまる。しかしながら、現行のフィルタ値を計算するには、ｘk-x、すなわち過去の測定のｎ個の時間ステップの使用を必要とする。
【０１３５】
プレフィルタリング１０２０と移動平均フィルタ１０３０が完了した後、１０４０でターゲット値と補正率を計算することができ、次に１０５０でデータ値を補正することができる。
【０１３６】
最初に、値補正で使用されるいくつかの値を定義し計算する（すなわち、１０４０で計算を行う）必要がある。
【０１３７】
ターゲット利得Ｇcalは、式Ｇcal＝（ａｖｅ＿ｍａｘA−ａｖｅ＿ｍｉｎA）／２にしたがって計算される。
【０１３８】
ターゲット・オフセットＯＦＦＳＥＴcalは、式ＯＦＦＳＥＴcal＝（ａｖｅ＿ｍａｘA＋ａｖｅ＿ｍｉｎA）／２にしたがって計算される。
【０１３９】
データ・サンプルＧAの利得は、式ＧA＝（ｍａｘA−ｍｉｎA）／２にしたがって計算される。
【０１４０】
データ・サンプルＯＦＦＳＥＴAのオフセットは、式ＯＦＦＳＥＴA＝（ｍａｘA＋ｍｉｎA）／２にしたがって計算される。
【０１４１】
利得補正係数ＧＦAは、式ＧＦA＝Ｇcal／ＧAにしたがって計算される。
【０１４２】
オフセット補正係数ΔＯＦＦAは、式ＯＦＦA＝ＯＦＦＳＥＴcal−ＯＦＦＳＥＴAにしたがって計算される。
【０１４３】
１０４０からこれらの計算値を使用することにより、値補正１０５０で、次の式にしたがって第１の細カウント１０１２値を補正することができる。
ＣＦＣA＝（ＧＦA＊ＦＣA）＋ΔＯＦＦA
ここで、ＦＣAは細カウント１０１２であり、ＣＦＣAは、細カウント１０１２の補正細カウントである。可能な代替の実施形態では、オフセットを最初に加算した後で利得補正係数を乗算してもよい（すなわち、ＣＦＣA＝ＧＦA＊（ＦＣA＋ΔＯＦＦA）。
【０１４４】
上記の式は、第１の細カウント１０１２を指すが、第２の細カウント１０１４に同じ計算を実行できることは容易に理解されるであろう。さらに、複数の読取りヘッドの第１と第２の細カウントに同じ計算を構成できることを理解するであろう
【０１４５】
補正された細カウントを計算した後で、粗カウントを補正することができる。細カウントのオフセットが、量子化直交位相信号の誤差の原因になる可能性があるため、粗カウントの補正が必要である。
【０１４６】
例えば、図５９〜図６０は、直交位相信号を構成する信号１２００，１２０２を示す。図５９は、正ＤＣオフセットがある場合に、高パルスが間違って拡大され、低パルスが間違って短縮されることを示す。換言すると、測定で領域１２０４内の値が戻される場合、低カウントの代わりに高カウントとして間違って登録する。したがって、読取りヘッドの粗カウントは、間違った状態を示す。
【０１４７】
図６０は、この逆を示し、すなわち、負ＤＣオフセットがある場合に、高パルスが間違って短縮され、低いパルスが間違って拡大される。換言すると、測定で領域１２０６内の値が戻される場合、高カウントの代わりに低カウントとして間違って登録する。したがって、読取りヘッドの粗カウントは、間違った状態を示す。
【０１４８】
粗カウントのこの誤差を補正するために、最初に、次のように量子化演算子Ｑ（ｘ）を定義する必要がある。
Ｑ（ｘ）＝０ （ｘ＜０の場合）
Ｑ（ｘ）＝１ （ｘ≧１の場合）
【０１４９】
上で計算された補正細カウントＣＦＣAは、ΔＯＦＦAに関して対称的でなければならず、補正された細カウントＣＦＣBは、ΔＯＦＦBに関して対称的でなければならない。したがって、以下の式が成り立つ。
Ｑ（ＣＦＣA−ΔＯＦＦA）＝０ （ＣＦＣA＜ΔＯＦＦAの場合）
Ｑ（ＣＦＣA−ΔＯＦＦA）＝１ （ＣＦＣA≧ΔＯＦＦAの場合）
【０１５０】
補正細カウントから、補正状態対｛Ａ’，Ｂ’｝（すなわち、グレイコード値）を以下のように計算することができる。
｛Ａ’，Ｂ’｝＝｛Ｑ（ＣＦＣA−ΔＯＦＦA）；Ｑ（ＣＦＣB−ΔＯＦＦB）｝。
【０１５１】
補正状態対は、粗カウントによって示された非補償状態対｛Ａ、Ｂ｝および基準状態（１，１）（論理的に（Ｈ，Ｈ））と比較することができる。この比較の結果により、粗カウントを−１，０，１によって調整することができる。補正された粗カウントと細カウントを再構成して角度計算モジュールに渡すことができる。
【０１５２】
したがって、利得とオフセットを動的に調整することができ、マルチモードＶＳＣＥＬレーザとより単純な格子パターンの使用が可能になる。さらに、この構造と動的調整方法により、より高次の回折次数（＋／−１を越える）を排除するために従来の装置で必要とされた空間フィルタが不要になる。代わりに、動的に調整されたパラメータが、温度変化全体にわたるＤＣオフセットを考慮する。これは、製造がより単純になり製造コストが削減されるので、従来の装置より大幅に優れた利点である。
【０１５３】
以上の考察は、角度エンコーダに関するものであるが、直線エンコーダにも類似の概念を容易に適用できることに注意されたい。例えば、エンコーダ・ディスクの代わりに、回折格子を有するエンコーダ・スケールを使用することができ、またエンコーダ・スケール上に相補的インデックス・トラック（すなわち、反射インデックス・マークを有するものと、非反射インデックス・マークを有するもの）を提供することができ、このエンコーダ・スケールは、回折格子の一方の側に設けられるか、回折格子を挟むために回折格子の両側に設けられる。角度インデックス座標と対照的に、線形インデックス座標にインデックス・マークを位置決めすることができる。
【０１５４】
以上の説明は、本発明の特定の実施形態を参照したが、その趣旨から逸脱することなく多くの修正を行うことができることを理解されよう。添付の特許請求の範囲は、本発明の真の意図と趣旨の範囲内にあるような修正を対象として含むものである。
【０１５５】
したがって、本明細書に開示された実施形態は、すべての点で制限ではなく例示と見なされるべきであり、本発明の範囲は、以上の説明ではなく添付の特許請求の範囲によって示され、したがって、特許請求の等価物の意味と範囲内にあるすべての変更が受け入れられる。
【符号の説明】
【０１５６】
１０ エンコーダ・ディスク、１２ 信号トラック、１４ インデックス・マーク。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学エンコーダの利得とオフセットを動的に調整する方法に関する。本出願は、２００８年８月２８日に出願された米国仮出願第６１／０９２，４７８号、および２００９年７月１０日に出願された米国仮出願第６１／２２４，６５７号の優先権を請求し、これらの各出願の内容全体が、ここに援用される。
【背景技術】
【０００２】
角変位を測定するための多数の装置が開示されている。典型的な装置は、回折光の干渉縞パターンのずれの検出を利用することが多い。
【０００３】
特許文献１には、光源から回折格子上に放射されて様々な回折次数の回折光を生成し明るい縞と暗い縞の検出を可能にする光が開示されている。縞の移動の直接検出によって動きが測定される。
【０００４】
特許文献２には、あらかじめ選択された波長を有する光を正と負の一次回折に集束し、同時に０次回折光を最小する格子が開示されている。回折された次数の光は、多相検出器板に当たる。
【０００５】
特許文献３には、あらかじめ選択された波長を正と負の一次回折に集束する格子が開示されている。多相周期検出器は、スケールから離間されたその検出平面を、回折光の方向を変更することなく各検出器要素が正と負の一次回折に対応する場所に有する。
【０００６】
特許文献４では、光線を可動スケール上に斜めに導く点光源を使用する。モアレ干渉帯を形成するためにロンチ格子などの光学構成要素と交差する回折ビームが生成される。光検出器群のアレイが、モアレ・パターンの帯を遮りかつスケールの変位を示すように電子処理された信号を放射するよう、位置決めされる。
【０００７】
特許文献５は、光学格子と光学素子を含むスケールと、基板上に共に配置された光源と検出器アレイを含むセンサ・ヘッドとを含み、スケールは、センサ・ヘッドの反対側に配置され、センサ・ヘッドに対して移動するように配置される。スケールと、スケールに最も近いトールボット撮像面との間の距離は、ｄである。センサ・ヘッドは、第１の平面と第２の平面により画定された領域内に配置され、第１の平面は、ｎ×ｄとｄ×ｘを加えたものと実質的に等しい距離だけスケールから離間され、第２の平面は、ｎ×ｄからｄ×ｘを引いたものと実質的に等しい距離だけスケールから離間され、ここで、ｎは整数であり、ｘは２分の１以下である。光源は、発散光ビームを放射し、発散光ビームはスケールの方に導かれ、発散光ビームからの光は、格子によって検出器アレイの方に回折される。スケールとセンサ・ヘッドの間にはマスクが配置され、このマスクは開口を画定し、センサ・ヘッドに対して実質的に固定されたままであり、開口は、回折された５次ビームが検出器アレイに達するのを実質的に防ぐようにサイズと位置が決められる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第５，３５５，２２０号明細書
【特許文献２】米国特許第５，４８６，９２３号明細書
【特許文献３】米国特許第５，５５９，６００号明細書
【特許文献４】米国特許第５，９０９，２８３号明細書
【特許文献５】米国特許第７，００２，１３７号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、これらの装置には高い精度がしばしば必要とされ、例えば、ミクロンレベルの精度がしばしば必要とされる。多くの従来装置には、その精度、信頼性、較正、および大量生産し易さを制限する問題があり、また、一般に、そのような微細な分解能が必要とされるときは高価になる。経費は、ある程度、それらの部品を互いに正確な位置に組み立てる要件による。したがって、安価に大量生産できるきわめて正確で信頼性の高い光学エンコーダが必要である。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
光学エンコーダの一実施形態は、エンコーダ・ディスク、エンコーダ・ディスクに光を導くように構成された照明システム、およびエンコーダ・ディスクから回折された光を検出するように構成された検出器を含むことができる。エンコーダ・ディスクは、エンコーダ・ディスク上にリングとして形成された回折格子を有する信号トラックと、反射インデックス・マークを有するインデックス・トラックとを備えることができ、インデックス・マークの幅は、回折格子のピッチより大きい。
【００１１】
光学エンコーダで使用されるエンコーダ・ディスクの一実施形態は、エンコーダ・ディスク上にリングとして形成された回折格子を有する信号トラックと、反射インデックス・マークを有するインデックス・トラックとを備えることができ、インデックス・マークの幅は、回折格子のピッチより大きい。
【００１２】
光学エンコーダと共に使用するためのインデクシング方法の一実施形態は、エンコーダ・ディスクを提供する段階と、光をエンコーダ・ディスクに導くように構成された照明システムを提供する段階と、エンコーダ・ディスクから回折された光を検出するように構成された検出器を提供する段階と、インデックス・パルスの立ち上がり端からインデックス期間の中央までの直交位相状態の推定状態カウントｋestを計算する段階と、ｋestにおける直交位相状態でありかつインデックス・パルスのほぼ中心における直交位相状態に対応するＱkestを計算する段階と、オフセット補正を決定する段階とを含む。エンコーダ・ディスクは、エンコーダ・ディスク上にリングとして形成された回折格子を有する信号トラックと、エンコーダ・ディスク上にリングとして形成されたインデックス・トラックを備え、インデックス・トラックは、インデックス角度座標で提供されたインデックス・マークを有する。検出器は、信号トラックから回折された光を検出しかつ直交位相信号を出力するように構成された２つのオフセット検出器と、インデックス・トラックから反射された光を検出しかつインデックス・パルスを出力するように構成された１つのインデックス検出器とを含むことができる。
【００１３】
光学エンコーダの利得とオフセットを動的に調整する方法の一実施形態は、回折格子を有するエンコーダ・ディスクを提供する段階と、エンコーダ・ディスクに光を照射する段階と、回折格子から回折された光を検出し第１の細カウント・チャネルを出力するように構成された検出器を提供する段階と、第１の細カウント・チャネルの第１のターゲット利得と第１のターゲット・オフセットを計算する段階と、第１のターゲット・オフセットと第１のターゲット利得に基づいて、第１の細カウント・チャネルからサンプリングされたデータに補正を適用する段階とを含んでもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】エンコーダ・ディスクの一実施形態の図である。
【図２】少なくとも１つの実施形態による二重直交位相信号とインデックス信号の相対位置を示す図である。
【図３】少なくとも１つの実施形態による二重直交位相信号とインデックス信号の相対位置を示す図である。
【図４】少なくとも１つの実施形態による二重直交位相信号、ゲート制御インデックス信号および非ゲート制御インデックス信号の相対位置を示す図である。
【図５Ａ】少なくとも１つの実施形態によるエンコーダ・ディスクの図である。
【図５Ｂ】少なくとも１つの実施形態によるエンコーダ・ディスクの一部分の拡大図である。
【図６】少なくとも１つの実施形態によるエンコーダ・ディスクの図である。
【図７】少なくとも１つの実施形態によるエンコーダ・ディスクの一部分と種々の検出器の図である。
【図８Ａ】少なくとも１つの実施形態によるインデックス・トラックと検出器の相対位置を示す図である。
【図８Ｂ】少なくとも１つの実施形態によるインデックス・トラックによって生成された信号を示すグラフである。
【図９】少なくとも１つの実施形態による種々の信号を示すグラフである。
【図１０】少なくとも１つの実施形態による比較器の回路図である。
【図１１】少なくとも１つの実施形態による様々な直交位相状態を示す図である。
【図１２Ａ】少なくとも１つの実施形態によるインデクシング・アルゴリズムを説明する図表である。
【図１２Ｂ】少なくとも１つの実施形態によるインデクシング・アルゴリズムを説明する図表である。
【図１３Ａ】少なくとも１つの実施形態によるインデクシング・アルゴリズムを説明する図表である。
【図１３Ｂ】少なくとも１つの実施形態によるインデクシング・アルゴリズムを説明する図表である。
【図１３Ｃ】少なくとも１つの実施形態によるインデクシング・アルゴリズムを説明する図表である。
【図１４】少なくとも１つの実施形態によるインデクシング・アルゴリズムを説明する図表である。
【図１５】少なくとも１つの実施形態によるエンコーダ・ディスクからの光反射を示す図である。
【図１６】少なくとも１つの実施形態によるインデックス信号への光反射の影響を示す線図である。
【図１７】少なくとも１つの実施形態による片面が黒く塗られたエンコーダ・ディスクの前面の写真である。
【図１８】少なくとも１つの実施形態による片面が黒く塗られたエンコーダ・ディスクの前面の写真である。
【図１９】少なくとも１つの実施形態による片面が黒く塗られたエンコーダ・ディスクの後面の写真である。
【図２０】少なくとも１つの実施形態によるマルチモードＶＣＳＥＬの種々のビーム・プロファイルを示すグラフである。
【図２１】マルチモードＶＣＳＥＬの電流とビーム・プロファイルの関係を示すグラフである。
【図２２】少なくとも１つの実施形態によるエンコーダの回折パターンを示す図である。
【図２３】ガウスビーム・プロファイルを示す三次元グラフである。
【図２４】ガウスビーム・プロファイルを示す表示である。
【図２５】少なくとも１つの実施形態によるマルチモードＶＣＳＥＬのビーム・プロファイルを示すグラフである。
【図２６】少なくとも１つの実施形態によるマルチモードＶＣＳＥＬのビーム・プロファイルを示すグラフである。
【図２７】少なくとも１つの実施形態によるマルチモードＶＣＳＥＬのビーム・プロファイルを示すグラフである。
【図２８】少なくとも１つの実施形態によるマルチモードＶＣＳＥＬのビーム・プロファイルを示すグラフである。
【図２９】少なくとも１つの実施形態によるマルチモードＶＣＳＥＬの種々のビーム・プロファイルを示す図である。
【図３０】少なくとも１つの実施形態によるマルチモードＶＣＳＥＬの種々のビーム・プロファイルを示すグラフである。
【図３１】少なくとも１つの実施形態によるマルチモードＶＣＳＥＬの種々のビーム・プロファイルを示すグラフである。
【図３２】少なくとも１つの実施形態によるマルチモードＶＣＳＥＬのビーム・プロファイルを示す表示である。
【図３３】少なくとも１つの実施形態によるマルチモードＶＣＳＥＬの電流とビーム・プロファイル間の関係を示すグラフである。
【図３４】ガウスビーム・プロファイルを示すグラフである。
【図３５】ガウスビーム・プロファイルを示すグラフである。
【図３６】少なくとも１つの実施形態によるマルチモードＶＣＳＥＬの非ガウスビーム・プロファイルを示すグラフである。
【図３７】少なくとも１つの実施形態によるマルチモードＶＣＳＥＬの非ガウスビーム・プロファイルを示すグラフである。
【図３８】少なくとも１つの実施形態によるＶＣＳＥＬ出力制御回路の回路図である。
【図３９】少なくとも１つの実施形態によるＶＣＳＥＬ出力制御回路の回路図である。
【図４０】ＶＣＳＥＬの図である。
【図４１】２クロム層エンコーダ・ディスクの図である。
【図４２】２クロム層エンコーダ・ディスクの図である。
【図４３】利得修正前の直交位相チャネルの出力のリサージュ・パターンである。
【図４４】読取りヘッド較正に関するデータを示すグラフである。
【図４５】利得修正後の直交位相チャネルの出力のリサージュ・パターンである。
【図４６】読取りヘッド較正に関するデータを示すグラフである。
【図４７】２クロム層エンコーダ・ディスクからの出力を示すグラフである。
【図４８】２クロム層エンコーダ・ディスクからの出力を示すグラフである。
【図４９】２クロム層エンコーダ・ディスクからの出力を示すグラフである。
【図５０】２クロム層エンコーダ・ディスクの図である。
【図５１】２クロム層エンコーダ・ディスクの図である。
【図５２】２クロム層エンコーダ・ディスクの図である。
【図５３】２クロム層エンコーダ・ディスクの図である。
【図５４】２クロム層エンコーダ・ディスクの図である。
【図５５】２クロム層エンコーダ・ディスクの図である。
【図５６】動的パラメータ調整方法を示す図である。
【図５７Ａ】プレフィルタリング方法を示すフローチャートである。
【図５７Ｂ】プレフィルタリング方法を示すフローチャートである。
【図５８】移動平均フィルタの種々のウィンドウを示す図である。
【図５９】正ＤＣオフセットの直交位相状態の誤差を示す図である。
【図６０】負ＤＣオフセットの直交位相状態の誤差を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
次に、例示であり限定ではない添付図面を参照して、類似の要素がいくつかの図で同様に番号付けされた実施形態を単なる例として説明する。
【００１６】
図１に見られるように、信号トラック１２などの線トラックを円形ガラス片の外側部分に沿って配置することにより、エンコーダ・ディスク１０を構成することができる。光が当てられたとき、信号トラック１２の線が交互の明／暗パターンを作り出す。ディスク・カウントが、ディスク１回転当たりの明／暗対の数を指す。ピッチが、信号トラック１２の各マークまたは線間の距離を指す。
【００１７】
図２に見られるように、線がオフセット検出器（１／４ピッチ・オフセット）によって処理されるときに、一般に直交位相信号対（すなわち、第１の直交位相信号（ＣＨ Ａ）２０と第２の直交位相信号（ＣＨ Ｂ）２２）と呼ばれる２つの出力を生成することができる。また、信号２０と信号２２の組み合わされた対が、一般に直交位相信号と呼ばれ、また１つの直交位相信号が１対の位相シフト信号を含むことを理解されたい。
【００１８】
さらに図１に見られるように、通常、従来のエンコーダ・ディスク１２に、ディスク上の特定の（絶対的）位置を識別するための第２のマークが追加される。インデックス・マーク１４は、そのようなマークの例である。
【００１９】
ＣＨ Ａ２０とＣＨ Ｂ２２の直交位相関係から、例えばアップ／ダウンカウンタや他の任意の適切な手段によって、回転の向きと大きさを決定することができる。インデックス・マーク１４は、基準位置「０」を提供することができる。図３は、第１の直交位相信号２０及び第２の直交位相信号２２と比較したインデックス信号２４を示す。
【００２０】
直交位相エンコーダは、ゲート制御された形態とゲート制御されない形態の２つの形態になることができる。図４は、様々なゲート制御タイプによる異なるインデックス信号の例を示す。例えば、ゲート制御インデックス信号２６は、第１の直交位相信号２０と第２の直交位相信号２２の積によってゲート制御される。別の例は、第１の直交位相信号のみでゲート制御されたゲート制御インデックス信号２７である。第３の可能な例は、非ゲート制御インデックス信号２８である。
【００２１】
インデックス・パルスを生成するには２つの方法がある。１つの方法は、きわめて幅の狭いインデックス・マークから反射または狭いインデックス・スリットによる透過と、その後の光検出器を使用する。比較器が、調整された検知器信号の後に配置され、光強度があるしきい値を超えたときにトグルする。
【００２２】
第２の方法は、回折を使用する。インデックス・マークは、異なるピッチの一連の微細な線で作成される。２つ以上の光検出器が、回折次数によって異なる位置に配置される。信号は、加算（または、減算）され比較器に適用される。信号レベルが、あるしきい値を超えたとき、インデックス・パルスが生成される。両方の方法は、反射または回折領域が小さいため厳密な位置合わせを必要とする。
【００２３】
図５Ａ、図５Ｂおよび図６は、エンコーダ・ディスクの一実施形態を示す。例えば、図５Ｂと図６に見られるように、エンコーダ・ディスク３０が、エンコーダ・ディスク３０上にリングとして形成された回折格子の信号トラック３２を有してもよい。信号トラックは、交互になった反射部分と非反射部分によって構成されてもよい。例えば、信号トラックの非反射部分は、均一の黒色塗料の塗装や他の適切な方法などにより、黒色化または暗色化されたガラスによって構成されてもよい。非反射という用語は、表面が必ずしも反射率０％でなくてもよいことを理解されよう。例えば、少なくともいくつかの実施形態では、非反射面は、５％または別の適切な値の反射率のような低反射率を有することができる。
【００２４】
１つの可能な代替として、反射部分と非反射部分は、一方の層が吸収性で他方の層は反射性の２つのクロム層を使用して実施されてもよい。図４１と図４２は、２つのクロム層を使用するエンコーダ・ディスク４００の一実施形態を示す。図４１は、エンコーダ・ディスク４００が、基板４０２、低反射クロム層４０４および高反射クロム層４０６を有することを示す。高反射クロム層４０６は、低反射クロム層４０４上に付着される。高反射クロム層４０６は、高反射クロム層４０６が付着された後で低反射部分４０４の一部分が見えたままになるようなパターンで形成されてもよい。例えば、高反射クロム層４０６は、エンコーダ・ディスク上に信号トラックとインデックス・トラックを形成するパターンで形成されてもよい。
【００２５】
低反射クロム層４０４は、例えばクロム酸化物や別の適切な材料で作成されてもよく、少なくとも１つの実施形態では空気側で５％の反射率を有してもよい。さらに、少なくとも１つの実施形態では、高反射クロム層は、空気側で６５％、ガラス側で５９％の反射率を有してもよい。２つのクロム層を有するエンコーダの動作については、本明細書でさらに詳しく検討される。
【００２６】
エンコーダ・ディスク３０は、半径方向、すなわちエンコーダ・ディスク３０の外縁の方向に、信号トラック３４の外側に位置決めされた外側インデックス・トラック３４を含んでもよい。図５Ｂと図６に示された実施形態では、外側インデックス・トラック３４は、エンコーダ・ディスクのインデックス角度座標に配置された反射外側インデックス・マーク３５を除き非反射性である。インデックス角度座標は、円周方向の任意の「ゼロ」基準点でよい。
【００２７】
エンコーダ・ディスク３０は、エンコーダ・ディスク３０上でリングとして形成された内側インデックス・トラック３６を含むこともできる。内側インデックス・トラックは、信号トラックの半径方向の内側、すなわちエンコーダ・ディスク３０の中心に近い方に形成することができる。図５Ｂと図６に示された実施形態では、内側インデックス・トラックは、反射外側インデックス・マーク３５と同じインデックス角度座標に配置された非反射内側インデックス・マーク３７を除き反射性である。
【００２８】
少なくとも１つの実施形態では、図７と図８Ａに見られるように、インデックス・マークの幅は、回折格子のピッチより大きい。
【００２９】
図５Ｂと図６の実施形態は、反射外側インデックス・マーク３５を有する非反射外側インデックス・トラック３４と非反射内側インデックス・マーク３７を有する反射内側インデックス・トラック３６を示し、これらの反射部分と非反射部分は、交換することができ、やはり正確な同じ結果を達成できることを理解されよう。例えば、非反射外側インデックス・マークを有する反射外側インデックス・トラックと反射外側インデックス・マークを有する非反射内側インデックス・トラックを備えてもよい。
【００３０】
インデックス・トラックの反射部分と非反射部分は、様々な方法で実装することができる。例えば、信号トラックと同じように、エンコーダ・ディスクのガラスを暗色化することによって、インデックス・トラックの非反射部分を形成することができる。
【００３１】
代替として、前述のように、吸収クロム層と反射クロム層を使用することもできる。図５０〜図５５は、２つのクロム層を有するエンコーダ・ディスク４００，５００の可能な特定の実施形態を示す。図５１と図５４に見られるように、エンコーダ・ディスク４００，５００は、前述のエンコーダ・ディスクと同様に構成され、外側インデックス・トラック４３４，５３４、外側インデックス・マーク４３５，５３５、内側インデックス・トラック４３６，５３６、および内側インデックス・マーク４３７，５３７を有することができる。前述のエンコーダ・ディスク３０と同じように、エンコーダ・ディスク４００，５００の反射部分と非反射部分は、交換することができ、１つの特定の構成に限定されない。さらに、特定の図面に示された寸法が、示された特定の実施形態を指し、本発明の範囲を決して限定しないことを理解されよう。
【００３２】
光検出器を使用して、インデックス・トラックと信号トラックをそれぞれ監視することができる。図７に見られるように、検出器４０，４１を使用して外側インデックス・トラックと内側インデックス・トラックを検出することができ、信号トラック検出器４２を使用して、信号トラックから回折された光を検出することができる。インデックス・パターンが互いに反対なので（すなわち、１つのインデックス・トラックがインデックス角度座標で反射性であり、他のインデックス・トラックが、インデックス角度座標で非反射性である）、検出器４０，４１からのインデックス出力の共通オフセット・レベルが逆になる。
【００３３】
例えば、図８Ａは、インデックス角度座標の原点に集束された図を示す。図８Ａでは、暗領域（すなわち、３４，３７）は、非反射性であり、左側に移動している。明領域（すなわち、３５，３６）は、反射性であり、左から右に移動している。検出器４０，４１は、インデックス・トラックの上に重ねられて示されている。図８Ａは、図５Ｂと図６に示したものと同じ構成の反射部分と非反射部分を使用する。
【００３４】
図８Ｂは、内側インデックス信号４６と外側インデックス信号４８の出力を時間の関数として示す。例えば、グラフの左側は、インデックス角度座標が検出器４０，４１から遠いときの時間期間を表わす。このとき、内側インデックス・トラックは検出器４１において反射性であり、したがって、内側インデックス信号４６は、図８Ｂのグラフの左側の方が高い。また、このとき、検出器４０において外側インデックス・トラックは非反射性であり、したがって、外側インデックス信号４８は、図８Ｂのグラフの左側の方が低い。
【００３５】
図８Ａで時間が進みエンコーダ・ディスクが回転するとき、検出器４０が見る領域は、非反射性から反射性に移行し、検出器４１が見る領域は、反射性から非反射性に移行する。この移行は、図８Ｂでは、高から低になる内側インデックス信号４６と、低から高になる外側インデックス信号４７によって表される。内側インデックス信号４６と外側インデックス信号４７の交点は、エンコーダ・ディスク上のインデックス・マークの「開始」または「終了」を示す。
【００３６】
図９は、インデックス・パルス・トレースと信号トラック・トレースを示す表示の一例を示す。例えば、図９のインデックス・パルス８０はインデックス・マークを表わす。図９は、さらに、インデックス・パルス８０の立ち上がりと立ち下がりは、内側インデックス信号４６と外側インデックス信号４８の交点４４に対応することを示す。
【００３７】
図１０は、内側インデックス信号と外側インデックス信号を論理インデックス信号に変換するための比較器の一例を示す。例えば、論理インデックス信号は、内側インデックス信号と外側インデックス信号の交点に基づいて高レベルまたは低レベルに移行する。
【００３８】
前述のように、回折格子信号トラックは、ＣＨ Ａ２０やＣＨ Ｂ２２などの二重直交位相信号を生成することができる。これらの信号は、例えばオフセット検出器を含む検出器４２を使用することにより生成することができる。回転の大きさと方向は、例えば、アップ／ダウン・カウンタによって２重直交位相信号を分析することにより決定することができる。インデックスした後で、アップ／ダウンカウンタから絶対位置を決定することもできる。
【００３９】
図１１に示されたように、４つの可能な直交位相状態６０、６２、６４、６６がある。以下の表は、ＣＨ Ａ ２０とＣＨ Ｂ ２２の可能な直交位相状態の一覧である。
【表１】
換言すると、直交位相状態は、グレーコード・シーケンスを表わす。前の（異なる）状態から異なる直交位相状態になると、方向に基づいて位置カウンタを増分または減分する。
【００４０】
インデクシング操作では、インデックス期間中にいくつかの直交位相状態が存在する。換言すると、インデックス・トラック上のインデックス・マークは、インデックス・トラックが進行することによりいくつかの直交位相状態を経て進行するように十分に大きくてもよい。
【００４１】
例えば、Ｋを直交位相状態の数とする。最適なターゲット・インデックス状態は、インデックス・パルス７２またはインデックス期間の中心に最も近い直交位相状態である。所定の方向（＋／−、ＣＣＷ（半時計回り）／ＣＷ（時計回り））で、最適ターゲット状態は、Ｋ／２（Ｋが偶数の場合）または（Ｋ＋１）／２（Ｋが奇数の場合）である。図１２Ａでは、例えば、Ｋ＝１０であり、最適ターゲット状態７０が、直交位相状態５に位置決めされる。「最適」状態は、Ｋが奇数のときにＣＷ回転とＣＣＷ回転で同一であり、Ｋが偶数のときに１つの直交位相状態だけ異なることに注意されたい（例えば、図１２Ｂを参照）。この状況については、後でより詳細に述べる。
【００４２】
ターゲット状態をできるだけインデックス期間７２の中間近くに選択することにより（また、偶数カウントを補償することにより）、どちらの回転方向が使用されても関係なく選択された状態を一貫して誤差なしに求めることができることが分かる。さらに、これは、インデックス期間７２の幅の変化による影響を受けない。
【００４３】
インデックス期間７２は、非対称的（すなわち、一方向）にシフトされてもよく、対称的（すなわち、インデックス中心点に関して拡張方向または収縮方向）にシフトされてもよい。重ね合せにより、２つの組み合わせを有することができるが、非対称特性と対称特性を個々に検査することによって誤差を考慮することができる。さらに、インデックス・パルス７２の立ち下がりにヒステリシスを適用することにより、曖昧性が１直交位相状態に減少する。
【００４４】
非対称誤差
非対称誤差には２つの原因がある。第１の原因は、読取りヘッド位置の変化によるものであり、第２の原因は、直交位相状態とインデックス・パルス遷移を同時に変化させる曖昧性（ノイズと遅延によって生じる）によるものである。
【００４５】
第１の原因は考慮しなくてもよい。移動する読取りヘッドは、高精度エンコーダを実現不可能にする。これは、設計によって除去しなければならない。
【００４６】
第２の非対称誤差の原因は、２つの要素を有する。単一エッジが生じる場合、１／２カウント誤差（１／２直交位相状態）が達成される。第２の要素は、最悪ケースの状態となり、遷移の曖昧さが両端で同じ方向（異なる方向が対称的シフトを構成する）に生じる場合に存在する。しかしながら、ＣＣＷ方向とＣＷ方向の両方の移動を考慮するとき、これは、両方の推定値間の２つのカウント（または、直交位相状態）の差になる場合がある。これは、どちらの状態が適正であるか曖昧なので望ましくない。ヒステリシスは、この誤差原因の解決策を提供する。
【００４７】
インデックス（両方向に真）の端に適用されるヒステリシスの１／２直交位相状態を追加することにより、２エッジ曖昧性が除去され、ＣＣＷ推定値とＣＷ推定値との差が１カウント（直交位相）状態に減少する。図１３Ａ、図１３Ｂおよび図１３Ｃを参照されたい。実質的に、推定値はより近くなる。
【００４８】
したがって、「ターゲット」推定値と新しく計算されたターゲット推定値の間には、多くても１つのカウントまたは１つの直交位相状態の差しかない。直交位相状態の検査から、真のターゲットの位置が明らかになる。
【００４９】
対称誤差
インデックス期間が拡大または収縮するとき、追加の誤差は導入されない。移動中、前述のように単一カウント非対称誤差しか生じることがない。偶数カウント間隔を補正するとき、ＣＣＷ／ＣＷ両方の動きに１つの状態を選択するターゲット選択方式が使用される。
【００５０】
誤差補正
前述のように、Ｋ／２または（Ｋ＋１）／２から確立された状態と後の評価との間には、多くても１つのカウント／状態誤差しか見つからない。較正中に到達したターゲット・オフセット方向（選択状態）を知ることにより、オフセット（インデックス・ターゲットでの実際のカウントと所望のカウントとの差）を作成するためにターゲット・カウントに加えられる補正率を作成することができる。現在のカウントからオフセットが減算されて、絶対インデックス位置が提供される。
【００５１】
以下の定義は、誤差補正アルゴリズムを説明する際に使用され、図１４を参照されたい。
Ｐ＿Ｃｏｕｎｔi＝位置ｉにおける位置カウンタ値。
Ｐ＿Ｃｏｕｎｔ^indexは、インデックス・パルスの立ち上がり端における位置カウントである。
Ｋ＝インデックス・パルスの始めから終わりまでの直交位相カウント。これは、常に正である（すなわち、方向と関係なく）。
Ｄｉｒ＝０（この方向のＰ＿Ｃｏｕｎｔ増分）または１（この方向のＰ＿Ｃｏｕｎｔ減分）。これは、インデックス・シーケンスによる回転運動方向を示すフラグである。Ｄｉｒの例は、ＣＣＷでは０、ＣＷでは１である。
ｋest＝インデックス立ち上がり端からターゲット状態までの直交位相状態の数の推定値。
これは、インデックス・パルスの立ち上がり端からインデックス期間の中間までの状態カウントである。
ｋtarget＝インデックス・パルスの立ち上がり端からターゲット状態までの実際の状態カウント。
Ｑi＝位置ｉにおける直交位相状態（グレイコード）。
Ｑtarget＝インデックス参照用のターゲット状態におけるグレイコード。
【００５２】
以下では、１／２状態ヒステリシスが使用されると想定する。ターゲット状態（Ｑtarget）が与えらた場合、４つの変数から基準点を確立することができる。これらの変数を使用して基準点を調整する方法は、インデックス・アルゴリズムと呼ばれる。
【００５３】
ターゲット状態が定義されていない場合は、インデックス・アルゴリズムを両方向に実行しなければならない。各パスからの出力が評価され、Ｑtargetが選択される。これについては後で説明される。
【００５４】
これは、ターゲット有効（ＴＶ）フラグが存在することを意味する。当面は、Ｑtargetが定義されていないときはＴＶ＝０であり、定義されたときはＴＶ＝１であると仮定する。
【００５５】
インデックス・アルゴリズムでは以下の変数が使用される。
１．インデックスの始まり（インデックス・パルスの立ち上がり端）での位置カウンタ値。
２．回転方向。（位置カウンタがインデックス期間により増大するかまたは減少するか）。
３．インデックスの始まりにおける直交位相状態のグレイコード。
４．インデックス期間での直交位相状態の総数。
【００５６】
ＴＶ＝０の場合
Ｑtargetは、インデクサ・アルゴリズムを両方向に実行することによって確立される。各方向からのアルゴリズム出力（Ｑkest+とＱkest-）が比較される。等しい場合に、そのアルゴリズム出力がターゲット状態になる。アルゴリズム出力が１状態だけ異なる場合は、常にＱkest+＝Ｑkest-となる（逆も許容可能である）。一貫した手法が最良である。Ｑkest+とＱkest-が２状態以上異なる場合は、ハードウェア障害が存在する。
【００５７】
ＴＶ＝１の場合
アルゴリズムは、ｋtarget（インデックス開始からターゲット状態（Ｑtarget）までの状態の数）を計算する。Ｑtargetが最良状態（インデックス期間の中心に最も近い）であることに注意されたい。
【００５８】
ｋtargetが決定された後で、以下のように基準計算（ゼロ位置）が計算される（次の定義の節を参照）。
正方向の場合
Ｐ＿Ｃｏｕｎｔnew＝Ｐ＿Ｃｏｕｎｔcurrent−［Ｐ＿Ｃｏｕｎｔ^index＋（ｋtarget−１）］ 式１
ｋtarget（−１ ｔｅｒｍ）への調整は、インデックス開始イベントでｋカウンタが１から始まるからであることに注意されたい。
負方向の場合
Ｐ＿Ｃｏｕｎｔnew＝Ｐ＿Ｃｏｕｎｔcurrent−［Ｐ＿Ｃｏｕｎｔ^index−（ｋtarget−１）］ 式２
ｋtarget（−１ ｔｅｒｍ）への調整は、インデックス開始イベントでｋカウンタが１から始まるからであることに注意されたい。これは、正回転の場合と同じである。
位相：
Ｃａｌ＿Ｐｈａｓｅ − ＣＣＷとＣＷの両方の方向を使用してターゲット・インデックス状態を決定する。
工場設定。インデクシング・アルゴリズムが使用される。
Ｉｎｄｅｘ＿Ｐｈａｓｅdir−基準点を見つける。インデクシング・アルゴリズムが使用される。
Ｚｅｒｏ＿Ｐｈａｓｅ−Ｐ＿Ｃｏｕｎｔtarget＝０（ターゲット位置）となるように補正を計算し適用する
絶対エンコーダ・モードに入る。
インデクシング・アルゴリズム：
目的は、正（ＣＣＷ）または負（ＣＷ）のエンコーダ回転のインデックス基準点を見つけることである。
入力：ＱtargetとＴＶ
出力：ｋtarget
変数：Ｐ＿Ｃｏｕｎｔ^index、Ｑ^index、Ｋ、およびＤｉｒ。
ステップ１
ｋestの決定
ｋest＝Ｋ／２（Ｋが偶数の場合）または（Ｋ＋１）／２（Ｋが奇数の場合） 式３
【００５９】
以下のようにインデックス・パルスの立ち上がり端で始まる直交位相状態を識別する（これは、モジューロ４パターンを構成する）。
Ｑ1，Ｑ2，Ｑ3，Ｑ4，Ｑ5，Ｑ6，Ｑ7，Ｑ8，Ｑ9，Ｑ10，Ｑ11，Ｑ12
Ｑ1，Ｑ2，Ｑ3，Ｑ0，Ｑ1，Ｑ2，Ｑ3，Ｑ0，Ｑ1，Ｑ2，Ｑ3，Ｑ0，……（合同）
ここで、Ｑ^index＝Ｑ1
ステップ２
Ｑkestの決定
次の式からｋestにおける直交位相状態（Ｑkest）を求めることができる。
Ｑkest＝Ｑ｛ｋｅｓｔ ｍｏｄ ４｝ 式４
注：モジュロ演算。
０ ｍｏｄ ４＝０
１ ｍｏｄ ４＝１
２ ｍｏｄ ４＝２
３ ｍｏｄ ４＝３
４ ｍｏｄ ４＝０
５ ｍｏｄ ４＝１
６ ｍｏｄ ４＝２
Ｑkestの決定（続き）
ｋest ｍｏｄ ４＝１の場合（例えば、ｋest＝５または９または１３…）は、Ｑkest＝Ｑ1である。（図１２Ａ、図１２Ｂ、図１３Ａ、図１３Ｂおよび図１３Ｃも参照）。
【００６０】
Ｑは、方向によって割り当てられ、第２の要素（説明を参照）は、インデックス立ち上がり端によってアドレス指定される。生成された表は、オフセット表と呼ばれる。表の下降は正（増分カウント）であり、上昇は負である。これは、回転方向に依存しない。
例１：図１３Ａを使用する。
負方向Ｑ1＝ＬＨの場合 表１（オフセット表の例）
Ｑ3＝ＨＬ［Ｑ0に最も近いＨＬ］
Ｑ0＝ＬＬ
Ｑ1＝「残り部分＝１」状態で常にＬＨ（インデックス始まり）。
Ｑ2＝ＨＨ
Ｑ3＝ＨＬ
Ｑ0＝ＬＬ［Ｑ3に最も近いＬＬ］
Ｋ＝１０または１１（赤期間で終わるか青期間で終わるかによる）
それぞれを検討する。
Ｋ＝１０の場合は、ｋest＝１０／２＝５である。５ ｍｏｄ ４＝１
したがって、Ｑ5＝ＬＨ＝Ｑ1
Ｋ＝１１の場合は、ｋest＝（１１＋１）／２＝６である。６ ｍｏｄ ４＝２
したがって、Ｑ6＝ＨＨ＝Ｑ2または順方向にＱ1から次の状態。
Ｄｉｒは、表を選択する（実際の順序）。動きが正か負かに関係なく、選択された表内で常に同じように前または後ろに動く。
注：基準のＰ＿Ｃｏｕｎｔがないので、そのＰ＿Ｃｏｕｎｔを使用してグレイコードを直接推定することができない。
オフセット表の説明
太字は、ｘ ｍｏｄ ４の結果を示す。結果が境界（Ｑ0またはＱ3）なる場合、表は、１状態だけ拡張されなければならない（イタリック体。後方（＠Ｑ0の場合）／前方（＠Ｑ3の場合）−ここで、両方の可能性が示される）。探索は、常に、最も近い隣接値に行なわれる。
インデックスが任意状態（Ｑ1＝ＱC）で生じると仮定する。ｋｅｓｔ ｍｏｄ ４ −＞ Ｑ0（ＱB）でかつターゲット状態がＱAの場合は、
表２ 拡張付きオフセット表
Ｑ3＝ＱA［最も近いＱAからＱ0］［必要な場合］
Ｑ0＝ＱB−−−−−−−−−＾
Ｑ1＝ＱC（インデックス開始）常に「残り＝１」状態で。
Ｑ2＝ＱD
Ｑ3＝ＱA
Ｑ0＝ＱB［Ｑ3に最も近いＱB］［必要な場合］
オフセット＝−１
ステップ３
オフセット補正の決定
ＴＶ＝０の場合、両方向からのＱkestが必要とされる。検査するＱtargetの等価物がない。生データを使用してターゲット決定を行なう。
各パスからのＫを確認しなければならない。｜Ｋ+−Ｋ-｜＜＝２
ＴＶ＝１の場合、Ｑtargetが定義される。
Ｑtarget＝Ｑkestのとき、ｋtarget＝ｋest
他の状況では、１つの状態カウントを修正するだけでよい（上または下へ）。複数の状態差がある場合、フォルトが生じた。
ｋtarget＝ｋest＋オフセット。ここで、オフセット＝＋１または−１ 式５
オフセット補正の決定（続き）
例２：図１３Ａを使用する。
Ｑtarget＝ＬＨ＝オフセット表（表１）内のＱ1
表１（繰り返し）
Ｑ0＝ＬＬ
Ｑ1＝ＬＨ（インデックス開始）「残り部分＝１」状態で常に。
Ｑ2＝ＨＨ −−−−−−−−−−−−−−−−−＾
Ｑ3＝ＨＬ
Ｋ＝１１、ｋest＝６、およびＱkest＝ＨＨ＝Ｑ2の場合
ＥＱ５を使用する。
オフセット＝ｋtarget＝−ｋest−１（オフセット表を推定値からターゲットまで上昇させる）
したがって、ｋtarget＝６−１＝５
【００６１】
前述の構造と方法は、いくつかの有効な利点を有する。例えば、光学的位置合わせが、きわめて単純になる。読み取りヘッドのエンコーダ・スケールまたは配置上の高精度格子が不要である。さらに、ギャップ幅（すなわち、インデックス・マークの幅）が、従来の装置より大きい。したがって、ギャップ位置の許容範囲は、従来のエンコーダより大きくなる。したがって、全体として、前述の構造と方法は、エンコーダが、従来のエンコーダよりも製造と実装を安価かつ単純にすることができる。
【００６２】
さらに、複数の読取りヘッドの設計余裕が改善される。超高精度エンコーダには、２つおよび４つの読取りヘッドが一般的である。ゲート制御式または非ゲート制御式の従来のインデックス法は、すべての読取りヘッドに同時に適用されなければならない。読取りヘッドが互いに厳密に１８０度（２読取りヘッド）または９０度（４読取りヘッド）でありえないという事実があるので、インデックス・パルス内で読取りヘッド位置に差が生じる。各読取りヘッドの中間が斜めにされるので、最良の状態を取ることが困難になる。これと対照的に、前述の構造の一実施形態では、エンコーダは、幅広いインデックス（アーク長３２０ミクロン、６４の直交位相状態）を使用するので、あまり重要ではない。差は、温度ドリフトとエージングに対しても最小化される。
【００６３】
また、従来のエンコーダでは、インデックス・パルスが５つ以上の直交位相状態を含む場合に、冗長状態を取ることができる。これは、検査され補正されなければならない（通常、ハードウェア、例えば、ケーブル交換によって）。前述の構造と技術は、この種の冗長状態による影響を受けない設計による。
【００６４】
さらに、前述の技術と構造を、マルチモード（すなわち、非ガウス）ならびにシングルモード（すなわちガウス）のレーザ・ダイオードと共に使用することができる。装置は、ビーム・プロファイルの影響を受けにくい。ＶＣＳＥＬの代わりの光源としてＬＥＤを使用することもできる。光源のこの融通性は、コストを最小にするのに役立つ。マルチモードＶＣＳＥＬおよびＬＥＤは、単純な格子パターンと同じように、シングルモード・ダイオードより安価で信頼性が高くなり得る。
【００６５】
また、エンコーダ・スケールの裏面に光学的黒色（すなわち、光吸収材）を塗布することによって、エンコーダ・ディスクからの望ましくない反射を減少させることができることにも注意されたい。代替の実施形態では、光学的黒色材料をエンコーダ・スケールの前面に塗布してもよい。さらに、前述の低反射層と高反射層は、望ましくない反射を減少させることができる。
【００６６】
例えば、前述の方法と構造は、直交位相信号格子の両側にある２つの相補的（すなわち、ブール解釈（Ｂｏｏｌｅａｎ ｉｎｔｅｒｐｒｅｔａｔｉｏｎ））反射トラックを使用する。インデックス法が、レーザ・ビームの各側で２つの反射経路に依存するので、それらの反射経路は、それぞれの光検出器（２）と一列に並び、それぞれ信号クロスオーバに十分なエネルギーを受け取らなければならない。
【００６７】
各インデックス信号の暗レベルが同じ場合は、個々の信号がピーク・トゥ・ピーク・ノイズ・レベルとヒステリシスを加えたものより大きい限り、インデックス期間でのクロスオーバが保証される。
【００６８】
インデックス信号対のマーク・チャンネル信号４８（すなわち、反射外側インデックス・マークによって生じた信号）は、場合によりＤＣオフセットを有する可能性がある。換言すると、マーク信号４８は、スペース信号４６（すなわち、非反射内側インデックス・マーク）の最低レベルと一致していなかった。このＤＣオフセットには反射１１２直前にくぼみ１１０が検出されたので（図１５と図１６を参照）、これは、エンコーダ・スケールの背面からの反射である疑いがあった。くぼみ１１０は、マーク・リフレクタが見えるように減少されたエンコーダ・スケールの後ろからの反射よるものである。
【００６９】
スケールの裏側が、光学的黒色または均一な黒色塗料（エンコーダ・ディスクの前側に関しては図１７と図１８、黒く塗られた裏側に関しては図１９を参照）で塗られたとき、オフセットは消える。前述の構造によって使用される広い照明および処理領域により、装置は、従来の装置よりも望ましくない反射の影響を受けやすい。エンコーダ・ディスクが使用される組立体内のすべての面を黒色化することにより、リサージュ信号の品質がさらに改善される（リサージュの入力は、直交位相信号の２つのチャネルである）。この技術が従来の装置にも試みられており、リサージュ歪みも改善されている（円形品質の改善）ことに注意されたい。これは、楕円形、ノイズが多い円、歪んだ円（例えば、じゃがいも形）などのリサージュひずみの主原因が反射がであるということを指す。
【００７０】
したがって、すべての設計が、反射の減少から利益を得るように思われる。後側（または、前側、格子の外側、もしくはインデックス・リフレクタ）に塗布された光吸収材料、または低反射および高反射層は、読取りヘッドの性能を改善することができる。例えば、鏡面反射が減少するので、インデックス信号の信号対雑音比を改善することができ、またより良好な直交位相信号を得ることができる。
【００７１】
また、吸収性被覆または低反射層と高反射層を、照明システムによって放射された光の特定の波長に合わせて最適化できることを理解されよう。
【００７２】
また、図１７から図１９の実施形態が、エンコーダ・ディスク３０の中心の透明領域を示すことに注意されたい。この透明領域により、この実施形態のエンコーダをカートリッジに取り付けるためにＵＶ接着剤を塗布することができる。
【００７３】
２つのクロム層エンコーダ（図４１と図４２に示されたエンコーダ４００などの）について、エンコーダの性能を評価するために較正と検査を行った。結果を表２にまとめる。表２の左欄は、検査されるエンコーダの通し番号を示し、表２の右欄は、度で測定したエンコーダのシグマである。
【表２】
【００７４】
これらの結果が、従来のエンコーダ・ヘッドより少なくとも２５％改善されていることに注意されたい。
【００７５】
また、図４３〜図４６は、読取りヘッドの較正データを示す。図４３〜図４４は、利得修正前のデータを示し、図４５〜図４６は、利得修正後のデータを示す。図４３は、読取りヘッド信号に基づくリサージュ曲線９００，９０２を示す。図４４において、線９０４，９０６は、読取りヘッド位置の誤差を示す（分かりやすくためにずらされている）。上側の線９０８は、右回り方向の２つの読取りヘッドの平均位置のプロットである。下側の線９１０は、左回り方向の２つの読取りヘッドの平均位置のプロットである。中心線９１２は、両方向からの読取りヘッドの平均位置である。図４５は、読取りヘッド信号に基づくリサージュ曲線９２０，９２２を示す。図４６において、線９２４，９２６は、読取りヘッド位置の誤差を示す（分かりやすくするためにずらされている）。上側の線９２８は、右回り方向の２つの読取りヘッドの平均位置のプロットである。下側の線９３０は、左回り方向の２つの読取りヘッドの平均位置のプロットである。中心線９３２は、両方向からの読取りヘッドの平均位置である。
【００７６】
図４７〜図４９は、性能試験で使用される２クロム層エンコーダからの出力を示す。図４７〜図４９において、線６００は、反射インデックス・マークを有するリングを表し、線６０２は、非反射インデックス・マークを有するリングを表し、線６０４は、直交位相信号を表す。
【００７７】
図４７〜図４９から、２クロム層構造を使用することにより、反射マークを有する非反射リングと非反射マークを有する反射リングからの暗レベルが、０．３５ＶＤＣより低く、互いに０．１６ＶＤＣ内で一致したことが分かる。平均では、反射マークを有する非反射リングの暗レベル電圧が、０．１６ＶＤＣと測定され、非反射マークを有する反射リングの暗レベル電圧は、０．２６ＶＤＣと測定された。
【００７８】
直交位相信号レベルに関して、１クロム層構造では、仕様は、以下の通りである。
正弦波（位相）ＤＣオフセット＝１．４＋／−０．８ＶＤＣ
正弦波（位相）ＡＣ信号＝０．４Ｖｐ−ｐ〜２．２Ｖｐ−ｐ
ポスト・カートリッジ電子回路の出力仕様は、以下の通りである。
正弦波（位相）ＤＣオフセット（ＤＳＰで）＝１．６７＋／−０．３ＶＤＣ
正弦波（位相）ＡＣ信号（ＤＳＰで）＝０．４５〜２．７０ｐ−ｐ（標準１．１Ｖｐ−ｐ）
【００７９】
２クロム層構造では、読取りヘッド伝達関数は、０．８倍に減衰する。必要に応じてカートリッジ基板にゲイン調整を行うことができる。例えば、入力減衰器抵抗値を２０ｋから１３ｋに変更することができる。代替として、利得抵抗器を３４．８ｋから２４．９ｋに変更することにより、計測増幅器利得を２．４２から３．０に変更することができる。
【００８０】
全体として、エンコーダ・ガラス上の２クロム層構造は、カートリッジ・システムを２通りに改善する。第１に、望ましくない反射が減衰され、従って、ＤＣオフセットを減少させることによりインデックス信号が改善される。第２に、直交位相信号がより一貫し、空間ノイズが減少する。
【００８１】
ＶＣＳＥＬのビーム・プロファイルがガウス形から非ガウス形に変化するときに、直交位相信号の品質があまり変化しないことも分かった。前述の装置は、マルチモード・レーザ・プロファイルを光強度監視方式により制御することができる。
【００８２】
マルチモード・レーザは、低駆動電流でガウス・ビーム・プロファイルを示し、より高いＶＣＳＥＬ電流でラゲール−ガウス｛１，０｝プロファイル（３Ｄ外観は、光強度が中心に向かって低い「クレータ」を有する火山のものと類似している）に変化する（図２０を参照。マルチモードＶＣＳＥＬの様々なプロファイル３００，３０２，３０４，３０６，３０８を示す）。図２１に見られるように、マルチモードのときにＶＣＳＥＬ電流と共にビーム幅が増大することに注意されたい。例えば、図２１では、ビーム・プロファイル３１０は、電流４ｍＡにおけるビーム・プロファイルであり、ビーム・プロファイル３１２は、電流６ｍＡにおけるビーム・プロファイルである。
【００８３】
前述の直交位相信号は、回折によるエネルギーの広い空間収集により、ガウス・モードでも非ガウス・モードでもあまり歪みがない。
【００８４】
実験の際、狭ビームＶＣＳＥＬ（約１２度のレーザ・ビーム・ウェスト）を使用してＶＣＳＥＬ電流が減少された。公称バイアス（４．７５ｍＡ）で、優れた品質のリサージュ円が表示された。これは、本質的にＬＧ｛１，０｝プロファイルであった。ＶＣＳＥＬ電流が４．３ｍＡより低かったので、円が大きくなった（信号強度が増大した）ことが分かった。しかしながら、円品質は同じままである。これは、約３ｍＡまで続き、次に円が収縮し始めた。
【００８５】
この現象は、ビーム形状がＬＧからガウス形に変化したときにエンコーダ・スケールの格子に印加された光学エネルギーの増大によるものであった。交換の際に、ＶＣＳＥＬ電流の減少によって直交位相信号強度が増大することに注意されたい。
【００８６】
２０度以上のウェストを有するほとんどガウス幅広ビームであるＶＣＳＥＬの場合、円品質は良好のままであるが、直交位相信号は、ＶＣＳＥＬ電流と共に線形かつ単調に変化する。
【００８７】
前述の装置の少なくとも１つの実施形態の場合、ＶＣＳＥＬ電流は、狭ビームＶＣＳＥＬが非ガウス領域に十分に入るように調整される。これにより、レーザ出力制御光強度ループを不安定にする非単調モードが回避される。
【００８８】
レーザ・ダイオードまたはＬＥＤ（発光素子）を制御する１つの方法は、定電流源によるものである。この技術は、温度による順方向ダイオード電圧降下への影響を最小にする。場合によって、電流を調整し温度による光学出力ドリフトを補正するために温度検出が使用される。
【００８９】
第２の方法は、光学フィードバックを使用して補正する。光強度は、同一パッケージまたは個別光センサ内の個別の光検出器によって測定される。
【００９０】
このエンコーダは、更に他の目的を有する第２の方法を使用することが好ましい。マルチモードＶＣＳＥＬの出力調整により、ビーム幅と形状を大幅に変更することができる。この特徴は、空間ひずみによる信号対雑音比を最適化するために使用される。
【００９１】
したがって、利点は、サイン／コサインおよびインデックス・チャネルの温度と経年変化によるずれを補正することより大きい。
【００９２】
光学エンコーダは、線形または回転ガラス・スケールでの高精度決定を使用する。そのような決定は、光学読取りヘッドとスケール間の相対運動を測定するために使用することができる位置基準を提供する。多くの場合、２つの直交位相正弦波信号が出力される。測定電子回路が、ゼロ交差をカウントし、ゼロ交差間を補間してもよい。
【００９３】
このエンコーダは、トールボット・イメージング（Ｔａｌｂｏｔ ｉｍａｇｉｎｇ）と呼ばれる非直接イメージング技術に基づく。このタイプのエンコーダは、格子回折次数間の干渉に依存する。トールボット・イメージングの場合、重複する回折次数間の干渉は、スケール決定に類似の擬似画像を生成する。
【００９４】
図２２は、このエンコーダの回折パターンを示す。所望の情報は、＋１回折帯３２０と−１回折帯３２２からのものである。しかしながら、Ｔｈｏｒｂｕｒｎに譲渡された米国特許第７，００２，１３７号のような空間フィルタを実施するマスクが使用されない。その代わりに、すべての回折次数が、センサ・ヘッドに渡され、次にアルゴリズムによって電子的にフィルタリングされる。
【００９５】
レーザ・ダイオード−シングルモードおよびマルチモード・レーザ・ダイオード
シングルモード（ＴＥＭ００と呼ぶ）レーザは、図２３と図２４に示されたようなガウス・プロファイル２００を有する単一円形スポットを作成する。
【００９６】
一方、マルチモード・レーザは、共振領域を示す。種々のピークと谷が生じる可能性がある。例えば、図２５〜図２８は、マルチモード・レーザの様々な可能なビーム・プロファイル３４０、３４２、３４４および３４６の三次元図を示す。図２９は、様々な可能なビーム・プロファイルの断面３５０〜３５７を示す。
【００９７】
ＶＣＳＥＬビーム・プロファイル
マルチモードＶＣＳＥＬは、通常、ラゲール−ガウス形（ＬＧ）プロファイルに基づくパターンを生成する。マルチモードＶＣＳＥＬは、低出力ではガウス・プロファイルを提供し、高い方の出力レベルでは、図３０〜図３２に見られるようにＬＧ［１，０］が一般的である。例えば、図３２は、マルチモード・レーザのビーム・プロファイル３６０の様々な図を示す。
【００９８】
このエンコーダは、図３３に示されたような一般的なプロファイル／電流伝達関数（マルチモードのとき）を有するＬＧ［１，０］ＶＣＳＥＬを使用することが好ましい。実際のテスト・データは、図３４〜図３７に見ることができる。例えば、図３４と図３５は、２．７５ｍＡにおけるビーム・プロファイル３８０を示す。図３４の２つの線は、ｘ方向とｙ方向のプロファイルに対応する。同様に、図３６と図３７は、４．７５ｍＡのビーム・プロファイルを示す。
【００９９】
図３８は、ＶＣＳＥＬ光強度制御回路４００の可能な一実施形態を示す。図３８に示された実施形態では、抵抗器Ｒ１４がプログラム可能（すなわち、設定点制御）であることに注意されたい。
【０１００】
レーザ・ビーム形状を制御する機能により、性能が最適化される。特定の周波数（モータによる）と実行されるＤＦＴ（離散フーリエ変換）でエンコーダを回転させることができる。したがって、光強度設定点を調整して最良の信号／ノイズ（ＳＮＲ）を得ることができ、また空間高調波歪みが最小にされる。
【０１０１】
さらに、前述の出力制御は、温度とＶＣＳＥＬ経年変化による直交位相およびインデックス信号ドリフトを補償するのに役立つ。
【０１０２】
前述のＶＣＳＥＬプロファイル制御は、従来のプロファイル制御より優れたいくつかの利点を有する。
【０１０３】
例えば、レーザ・ビーム・プロファイルを＋／−１回折次数位置の近くでピークにすることによって、一次空間高調波（＋／−１回折次数で構成された）より高い次数の空間高調波が減少する。しかしながら、この方法では、望ましくない高調波を遮断するために物理的マスクを使用しなくてもよいことにも注意されたい。その理由は、少なくとも、例えば空間フィルタおよび／またはマスクを使用する代わりにデジタル信号処理（ＤＳＰ）を使用してもよいからである。換言すると、必要に応じて、５次以上のビームなどのすべての高調波が、検出器に達することができる。これにより、構造が先行技術よりも大幅に単純化する。
【０１０４】
さらに、マルチモード（すなわち、非ガウス）レーザ・ダイオードは、シングルモード・レーザ・ダイオードより信頼性が高い。マルチモードＶＣＳＥＬの方が処理出力が高いので、構造はより強固である。これと対照的に、シングルモード・チャネルは、共振を減少させるために狭く、電圧応力と静電放電の影響を受けやすい。また、シングルモードの純粋なガウス・ビーム・プロファイルを作成するにはより洗練された技術を使用しなければならないので、マルチモードＶＣＳＥＬを使用することによりコストを最小限に抑えることができる。
【０１０５】
図３９は、ＶＣＳＥＬ制御の別の実施形態を示す。例えば、ＶＣＳＥＬ構成要素Ｄ１０は、金属パッケージ、窓（ほこり防御用）、ＶＣＳＥＬ３００、および光検出器３０２を含むことができる。レーザ光の一部分は、窓から反射され、光検出器３０２を励起する。したがって、内部光検出器の電流を監視することによって、透過した光エネルギーの量を求めることができる。
【０１０６】
図４０は、ＶＣＳＥＬ３００の少なくとも１つの可能な実施形態を示す。しかしながら、本発明は、この特定のＶＣＳＥＬに限定されず、他の適切なＶＣＳＥＬ、ＬＥＤまたは他の適切な光源を使用することができる。図４０は、また、ＶＣＳＥＬの一部として窓３０１を示す。
【０１０７】
図３９に見られるように、光検出器３０２からの帰還電流は、抵抗器Ｒ７または抵抗器Ｒ８と並列の抵抗器Ｒ７により電圧（ＶMON）に変換される。制御ダイナミック・レンジが拡大されるとき、並列組み合わせが使用される。通常、抵抗器Ｒ１７が取り付けられず、その位置にゼロ・オーム抵抗器が取り付けられたときに並列組み合わせを構成できることに注意されたい。
【０１０８】
演算増幅器Ｕ１とトランジスタＱ１は、電流変換器への電圧を生成する。ＶBiasは、設定値電圧である。演算増幅器Ｕ１、トランジスタＱ１、キャパシタＣ４、ＶＣＳＥＬ構成要素Ｄ１０、および抵抗器Ｒ７（または、抵抗器Ｒ８と並列な抵抗器Ｒ７）によって構成された帰還ループは、ＶMON＝ＶBIASとなるまでレーザ・ダイオード（ＬＤ）内の電流を変化させる。すなわち、光強度は、帰還電流＊抵抗器Ｒ７（または、抵抗器Ｒ７および抵抗器Ｒ８と並列な抵抗器Ｒ７）が、ＶBiasと等しくなるまで、ＶＣＳＥＬ電流を変更することによって調整される。
【０１０９】
演算増幅器Ｕ１は、ＶMONとＶBias間の誤差を増幅する。キャパシタＣ４は、帯域幅を設定する。演算増幅器Ｕ１からの出力電圧（Ｖｏｕｔ−Ｕ１ピン１）は、抵抗器Ｒ９を介してトランジスタＱ１のベースに印加される。
【０１１０】
トランジスタＱ１のエミッタ電流は、約［Ｖｏｕｔ−Ｖｂｅ］／Ｒ１３であり、ここで、Ｖｂｅは、トランジスタＱ１（〜０．７ボルト）のベース・エミッタ電圧であり、Ｒ１３は、抵抗器Ｒ１３の抵抗である。ベース電流がエミッタまたはコレクタ電流のベータ分の１（１８０分の１以下）未満であるという事実により、抵抗器Ｒ９の影響が無視できることに注意されたい。トランジスタＱ１のコレクタ電流は、ＶＣＳＥＬ電流と等しく、前述のエミッタ電流の式によって求められたエミッタ電流とほぼ等しい。
【０１１１】
ＶBiasは、定電圧ダイオード（２．５Ｖ）と、抵抗器Ｒ１４と抵抗器Ｒ１２によって構成された分圧器とによって決定される。
【０１１２】
ＶBiasは、通常、公称光強度またはＶＣＳＥＬ電流を提供するように選択される。
【０１１３】
いずれの場合も、フィードバックにより、光強度は、温度と構成要素の変動（例えば、エージング）の間ずっと一定のままになる。
【０１１４】
また、マルチモードＶＣＳＥＬが、温度が変化している間ずっと予測できないビーム形状を有してもよいことを理解されたい。これにより、位置を補間するために直交位相信号の非線形振幅およびオフセット・ドリフトが使用されることがある。したがって、従来の装置は、ＶＣＳＥＬを実装する際に著しい困難を有することになり、ＶＣＳＥＬがエンコーダに役立つようにするめに利得とオフセットの動的調整を実施しなければならない。
【０１１５】
以下に、利得とオフセットの動的調整の一例を説明する。以下の考察が、単一エンコーダ読取りヘッドについて述べるが、複数の読取りヘッドを有するシステムに動的調整方法を採用できることを理解されよう。
【０１１６】
図５６は、利得とオフセットの動的調整の少なくとも１つの実施形態を示す図である。図５６に見られるように、１０００で、読取りヘッドによって生データが取得される。１００２で、この生データを、粗カウント１０１０、第１の細カウント１０１２および第２の細カウント１０１４にパースすることができる。細カウント１０１２，１０１４が、細カウントの２つのチャネルを表わすことを理解されよう。
【０１１７】
要するに、動的調整は、データ検証プレフィルタリング１０２０、最大／最小移動平均フィルタリング１０３０、および値補正１０４０，１０５０の３つの異なる工程段階を有する。１００２で、データがパースされた後、１０２０で、細カウントがプレフィルタリングされる。プレフィルタリングは、データセットにおいて３つの最大サンプルと３つの最小サンプルを取得するために使用される。少なくとも１つの実施形態では、最大および最小データのしきい値が使用される。例えば、５０％のしきい値や他の適切な値を使用することができる。
【０１１８】
図５７Ａ、図５７Ｂは、データセットにおいて３つの最大サンプルと３つの最小サンプルを取得するための方法の少なくとも１つの実施形態を示す。
【０１１９】
１３００で、最初に、細カウントが正かどうかが評価される。細カウントが正である場合、それは最大値の候補である。細カウントが負である場合、それは最小値の候補である。正と負の両方のためのアレイがある。最大値はＭａｘＶａｌｕｅ（０）、ＭａｘＶａｌｕｅ（１）、ＭａｘＶａｌｕｅ（２）であり、ＭａｘＶａｌｕｅ（０）が最も高い。同様に、最小値はＭｉｎＶａｌｕｅ（０）、ＭｉｎＶａｌｕｅ（１）、ＭｉｎＶａｌｕｅ（２）であり、ＭｉｎＶａｌｕｅ（０）が最も小さい。
【０１２０】
段階１３０２で、細カウントは、ＭａｘＶａｌｕｅ（０）と比較される。細カウントがＭａｘＶａｌｕｅ（０）より大きい場合は、その細カウントが新しいＭａｘＶａｌｕｅ（０）になり、他の要素が再配列される（段階１３０４を参照）。他の状況では、段階１３０６で、細カウントが、ＭａｘＶａｌｕｅ（１）と比較される。細カウントが、ＭａｘＶａｌｕｅ（１）より大きい場合、細カウントが新しいＭａｘＶａｌｕｅ（１）になり、それにしたがってＭａｘＶａｌｕｅ（２）が調整される（段階１３０８を参照）。他の状況では、段階１３１０で、細カウントがＭａｘＶａｌｕｅ（２）と比較される。細カウントが、ＭａｘＶａｌｕｅ（２）より大きい場合は、その細カウント値が、新しいＭａｘＶａｌｕｅ（２）になる（段階１３１２を参照）。細カウントが、ＭａｘＶａｌｕｅアレイの各値より小さい場合は、細カウントが廃棄される（段階１３１３を参照）。
【０１２１】
細カウントが負の場合に、ＭｉｎＶａｌｕｅアレイの各値に類似の方法をとることができることを理解されたい（図５７Ａの段階１３１４〜１３２６を参照）。細カウントが、アレイのうちの１つに記憶されるか廃棄された後で、プレフィルタリングが完了したかどうかが評価される（段階１３２８を参照）。
【０１２２】
３つの最大サンプルと３つの最小サンプルを取得した後で、データに選別方法を実行することができる。データが選別検査に合格した場合は、さらに他の計算に使用するために最高（最大）値と最低（最小）値が受け入れられる。各細カウント１０１２，１０１４の最大値と最小値が求められることを理解されたい。例えば、選別が満たされた場合、プレフィルタリング１０２０が、第１の細カウント最大値（ｍａｘA）、第１の細カウント最小値（ｍｉｎA）、第２の細カウント最大値（ｍａｘB）、第２の細カウント最小値（ｍｉｎB）を戻す。
【０１２３】
第１の選別方法は、３つの最高値がそれぞれ、それらの中央値の所定の範囲内にあるかどうか判定し、３つの最低値がそれぞれ、それらの中央値の所定の範囲内にあるかどうかを決定することである。
【０１２４】
例えば、一実施形態では、所定量は１％でよい。したがって、３つの最高値に関して、３つのうちの最低値は、０．９９＊中央値以上でなければならず、３つのうちの最高値は、０．９９＊中央値以下でなければならない。同様に、３つの最低値に関して、最高値は、０．９９＊中央値以下でなければならず、最低値は、１．０１＊中央値以上でなければならない（３つの最低値が負でなければならないことに注意されたい）。
【０１２５】
上記の条件が満たされた場合は、第２の選別が実行される。第２の選別は、最大値と最小値が、対応する移動平均フィルタ１０３０の１０％以内にあるかどうかを評価する。この選別は、まず、移動平均フィルタ１０３０が完全に満たされたと仮定する。例えば、少なくとも１つの実施形態では、移動平均フィルタ１０３０は、５つのサンプルを含む。以下に、移動平均フィルタ１０３０をより詳細に説明する。最大値と最小値が選別条件を満たす場合は、その最大値と最小値は、対応する移動平均フィルタに入れられ、最も昔の値は、タップ・レジスタから廃棄される。
【０１２６】
少なくとも１つの実施形態では、データ取得周期が、約４ミリ秒（２５０Ｈｚのレート）であり、ローカル・サンプル・レートであることに注意されたい。したがって、約４秒で１０００個のサンプルが収集され、移動平均フィルタの更新レートはＴ＝４秒である。
【０１２７】
プレフィルタリング１０２０が完了した後で、移動平均フィルタ１０３０は、新しく求められた最小値と最大値で更新される。図５６に、ａｖｅ＿ｍａｘA、ａｖｅ＿ｍｉｎA、ａｖｅ＿ｍａｘBおよびａｖｅ＿ｍｉｎBとして示された第１の細カウント１０１２と第２の細カウント１０１４の最小値と最大値の移動平均フィルタがあることを理解されよう。以下に、移動平均フィルタ１０３０について説明する。
因果的（Ｍ＋１ ポイント）移動平均値フィルタ（ＭＡＶＦ）の場合
【数１】
【０１２８】
遅延（τ）はＭＴ／２（Ｔはサンプル・レート）であり、５ポイント・フィルタでＭ＝４の場合、τ＝２Ｔである。Ｔ＝４秒（上記参照）の場合、一実施形態ではフィルタ遅延は８秒である。温度変化は、これよりかなり遅い。
【０１２９】
ＭＡＦが、較正の際に得られた最大値と最小値によって初期化されると仮定する。
【０１３０】
平均値が再帰的に計算される場合は、計算効率をわずかなに改善することができる。再帰的解法は、以前に計算された値に基づくものである。これを例示するために、以下の開発を検討する。
【０１３１】
任意の瞬間ｋにおいて、データ・シーケンスｘiの最新ｎ個のサンプルの平均は、次の式によって与えられる。
【数２】
【０１３２】
これは、ｋ番目ごとの瞬間における平均が最新セットのｎ個の値に基づくので、移動平均として知られる。換言すると、任意の瞬間で、データ・シーケンスの平均を計算するために、ｎ個の値の移動ウィンドウが使用される。例えば、図５８では、それぞれｎ個の値から成る３つのウィンドウ１１００、１１０２および１１０３がある。
【０１３３】
フィルタとして使用されるとき、ｘk-（以下「ｘk-」は、ｘkの上バー（すなわちデータ・シーケンスｘiの最新ｎ個のサンプルの平均）を示すものとする）の値は、ｘkのフィルタ値として得られる。この式は、ｘk-の値が、基準としてその前の値ｘk-1-使用して計算されるので、再帰的である。
【０１３４】
再帰的計算により、１つの除算と１つの加算と１つの減算を実行するだけでよいことが分かる。これは、検討されるデータ・ポイント数（ｎ）に関係なく常に当てはまる。しかしながら、現行のフィルタ値を計算するには、ｘk-x、すなわち過去の測定のｎ個の時間ステップの使用を必要とする。
【０１３５】
プレフィルタリング１０２０と移動平均フィルタ１０３０が完了した後、１０４０でターゲット値と補正率を計算することができ、次に１０５０でデータ値を補正することができる。
【０１３６】
最初に、値補正で使用されるいくつかの値を定義し計算する（すなわち、１０４０で計算を行う）必要がある。
【０１３７】
ターゲット利得Ｇcalは、式Ｇcal＝（ａｖｅ＿ｍａｘA−ａｖｅ＿ｍｉｎA）／２にしたがって計算される。
【０１３８】
ターゲット・オフセットＯＦＦＳＥＴcalは、式ＯＦＦＳＥＴcal＝（ａｖｅ＿ｍａｘA＋ａｖｅ＿ｍｉｎA）／２にしたがって計算される。
【０１３９】
データ・サンプルＧAの利得は、式ＧA＝（ｍａｘA−ｍｉｎA）／２にしたがって計算される。
【０１４０】
データ・サンプルＯＦＦＳＥＴAのオフセットは、式ＯＦＦＳＥＴA＝（ｍａｘA＋ｍｉｎA）／２にしたがって計算される。
【０１４１】
利得補正係数ＧＦAは、式ＧＦA＝Ｇcal／ＧAにしたがって計算される。
【０１４２】
オフセット補正係数ΔＯＦＦAは、式ＯＦＦA＝ＯＦＦＳＥＴcal−ＯＦＦＳＥＴAにしたがって計算される。
【０１４３】
１０４０からこれらの計算値を使用することにより、値補正１０５０で、次の式にしたがって第１の細カウント１０１２値を補正することができる。
ＣＦＣA＝（ＧＦA＊ＦＣA）＋ΔＯＦＦA
ここで、ＦＣAは細カウント１０１２であり、ＣＦＣAは、細カウント１０１２の補正細カウントである。可能な代替の実施形態では、オフセットを最初に加算した後で利得補正係数を乗算してもよい（すなわち、ＣＦＣA＝ＧＦA＊（ＦＣA＋ΔＯＦＦA）。
【０１４４】
上記の式は、第１の細カウント１０１２を指すが、第２の細カウント１０１４に同じ計算を実行できることは容易に理解されるであろう。さらに、複数の読取りヘッドの第１と第２の細カウントに同じ計算を構成できることを理解するであろう
【０１４５】
補正された細カウントを計算した後で、粗カウントを補正することができる。細カウントのオフセットが、量子化直交位相信号の誤差の原因になる可能性があるため、粗カウントの補正が必要である。
【０１４６】
例えば、図５９〜図６０は、直交位相信号を構成する信号１２００，１２０２を示す。図５９は、正ＤＣオフセットがある場合に、高パルスが間違って拡大され、低パルスが間違って短縮されることを示す。換言すると、測定で領域１２０４内の値が戻される場合、低カウントの代わりに高カウントとして間違って登録する。したがって、読取りヘッドの粗カウントは、間違った状態を示す。
【０１４７】
図６０は、この逆を示し、すなわち、負ＤＣオフセットがある場合に、高パルスが間違って短縮され、低いパルスが間違って拡大される。換言すると、測定で領域１２０６内の値が戻される場合、高カウントの代わりに低カウントとして間違って登録する。したがって、読取りヘッドの粗カウントは、間違った状態を示す。
【０１４８】
粗カウントのこの誤差を補正するために、最初に、次のように量子化演算子Ｑ（ｘ）を定義する必要がある。
Ｑ（ｘ）＝０ （ｘ＜０の場合）
Ｑ（ｘ）＝１ （ｘ≧１の場合）
【０１４９】
上で計算された補正細カウントＣＦＣAは、ΔＯＦＦAに関して対称的でなければならず、補正された細カウントＣＦＣBは、ΔＯＦＦBに関して対称的でなければならない。したがって、以下の式が成り立つ。
Ｑ（ＣＦＣA−ΔＯＦＦA）＝０ （ＣＦＣA＜ΔＯＦＦAの場合）
Ｑ（ＣＦＣA−ΔＯＦＦA）＝１ （ＣＦＣA≧ΔＯＦＦAの場合）
【０１５０】
補正細カウントから、補正状態対｛Ａ’，Ｂ’｝（すなわち、グレイコード値）を以下のように計算することができる。
｛Ａ’，Ｂ’｝＝｛Ｑ（ＣＦＣA−ΔＯＦＦA）；Ｑ（ＣＦＣB−ΔＯＦＦB）｝。
【０１５１】
補正状態対は、粗カウントによって示された非補償状態対｛Ａ、Ｂ｝および基準状態（１，１）（論理的に（Ｈ，Ｈ））と比較することができる。この比較の結果により、粗カウントを−１，０，１によって調整することができる。補正された粗カウントと細カウントを再構成して角度計算モジュールに渡すことができる。
【０１５２】
したがって、利得とオフセットを動的に調整することができ、マルチモードＶＳＣＥＬレーザとより単純な格子パターンの使用が可能になる。さらに、この構造と動的調整方法により、より高次の回折次数（＋／−１を越える）を排除するために従来の装置で必要とされた空間フィルタが不要になる。代わりに、動的に調整されたパラメータが、温度変化全体にわたるＤＣオフセットを考慮する。これは、製造がより単純になり製造コストが削減されるので、従来の装置より大幅に優れた利点である。
【０１５３】
以上の考察は、角度エンコーダに関するものであるが、直線エンコーダにも類似の概念を容易に適用できることに注意されたい。例えば、エンコーダ・ディスクの代わりに、回折格子を有するエンコーダ・スケールを使用することができ、またエンコーダ・スケール上に相補的インデックス・トラック（すなわち、反射インデックス・マークを有するものと、非反射インデックス・マークを有するもの）を提供することができ、このエンコーダ・スケールは、回折格子の一方の側に設けられるか、回折格子を挟むために回折格子の両側に設けられる。角度インデックス座標と対照的に、線形インデックス座標にインデックス・マークを位置決めすることができる。
【０１５４】
以上の説明は、本発明の特定の実施形態を参照したが、その趣旨から逸脱することなく多くの修正を行うことができることを理解されよう。添付の特許請求の範囲は、本発明の真の意図と趣旨の範囲内にあるような修正を対象として含むものである。
【０１５５】
したがって、本明細書に開示された実施形態は、すべての点で制限ではなく例示と見なされるべきであり、本発明の範囲は、以上の説明ではなく添付の特許請求の範囲によって示され、したがって、特許請求の等価物の意味と範囲内にあるすべての変更が受け入れられる。
【符号の説明】
【０１５６】
１０ エンコーダ・ディスク、１２ 信号トラック、１４ インデックス・マーク。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学エンコーダにおける利得とオフセットを動的に調整する方法であって、
回折格子を含むエンコーダ・ディスクを提供する段階と、
前記エンコーダ・ディスクに光を照射する段階と、
前記回折格子から回折された光を検出しかつ第１の細カウント・チャネルを出力するように構成された検出器を提供する段階と、
前記第１の細カウント・チャネルの第１のターゲット利得と第１のターゲット・オフセットを計算する段階と、
前記第１のターゲット利得と第１のターゲット・オフセットに基づいて、前記第１の細カウント・チャネルからサンプリングされたデータに補正を適用する段階と、
を含み、
ターゲット利得およびオフセットを計算する段階が、
前記第１の細カウント・チャネルからの１組のデータの最小値と最大値を決定する段階と、
前記第１の細カウント・チャネルからの複数の前の組のデータからの前記最小値に基づいて移動平均最小値を計算する段階と、
前記第１の細カウント・チャネルからの前記複数の前の組のデータからの前記最大値に基づいて移動平均最大値を計算する段階と、
Ｇcalが前記第１のターゲット利得であり、ａｖｅ＿ｍａｘAが移動平均最大値であり、ａｖｅ＿ｍｉｎAが移動平均最小値である場合に、前記第１のターゲット利得を式Ｇcal＝（ａｖｅ＿ｍａｘA−ａｖｅ＿ｍｉｎA）／２にしたがって計算する段階と、
ＯＦＦＳＥＴcalが前記第１のターゲット・オフセットである場合に、前記第１のターゲット・オフセットを式ＯＦＦＳＥＴcal＝（ａｖｅ＿ｍａｘA＋ａｖｅ＿ｍｉｎA）／２にしたがって計算する段階と、
を含む方法。
【請求項２】
前記第１の細カウント・チャネルからサンプリングされたデータに補正を適用する段階が、
ｍａｘAが前記データ・サンプルの最大値であり、ｍｉｎAが前記データ・サンプルの最小値である場合に、データ・サンプルの利得ＧAを式ＧA＝（ｍａｘA−ｍｉｎA）／２にしたがって計算する段階と、
式ＯＦＦＳＥＴA＝（ｍａｘA＋ｍｉｎA）／２にしたがって、前記データ・サンプルのオフセットＯＦＦＳＥＴAを計算する段階と、
Ｇcalが第１のターゲット利得である場合に、利得補正係数ＧＦAを式ＧＦA＝Ｇcal／ＧAにしたがって計算する段階と、
ＯＦＦＳＥＴcalが第１のターゲット・オフセットである場合に、オフセット補正係数ΔＯＦＦAを式ΔＯＦＦA＝ＯＦＦＳＥＴcal−ＯＦＦＳＥＴAにしたがって計算する段階と、
ＦＣAが前記第１の細カウント・チャネルからの生細カウント・データであり、ＣＦＣAが前記補正細カウント・データである場合に、細カウントを、式ＣＦＣA＝（ＧＦA＊ＦＣA）＋ΔＯＦＦAにしたがって補正する段階とを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記検出器が、第２の細カウント・チャネルを出力するように構成され、
前記第２の細カウント・チャネルの第２のターゲット利得と第２のターゲット・オフセットを計算する段階と、
前記第２のターゲット利得と第２のターゲット・オフセットに基づいて前記第２の細カウント・チャネルからサンプリングされたデータに補正を適用する段階とを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記検出器が、粗カウントを出力するように構成され、前記第１の細カウント・チャネルからサンプリングされたデータと、前記第２の細カウント・チャネルからサンプリングされたデータに対する補正に基づいて、前記粗カウントに補正を適用する段階をさらに含む、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記粗カウントに補正を適用する段階が、
量子化演算子Ｑ（ｘ）を次のように定義する段階と、
Ｑ（ｘ）＝０ （ｘ＜０の場合）
Ｑ（ｘ）＝１ （ｘ≧０の場合）
補正状態対｛Ａ’，Ｂ’｝を次の式にしたがって計算する段階とを含み、
｛Ａ’，Ｂ’｝＝｛Ｑ（ＣＦＣA−ΔＯＦＦA），Ｑ（ＣＦＣB−ＯＦＦB）｝
ここで、ＣＦＣAは、前記第１の細カウント・チャネルからサンプリングされた補正データであり、ＣＦＣBは、前記第２の細カウント・チャネルからサンプリングされた補正データであり、ΔＯＦＦAは、前記第１の細カウント・チャネルのオフセット補正値であり、ΔＯＦＦBは、前記第２の細カウント・チャネルのオフセット補正値であり、
前記粗カウントを前記補正状態対と比較する段階と、
前記補正状態対と一致するように前記粗カウントを調整する段階とを含む、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
複数の検出器が提供され、前記複数の検出器がそれぞれ、前記回折格子から回折された光を検出しかつ第１の細カウント・チャネルを出力するように構成された、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記第１の細カウント・チャネルからの１組のデータの最小値と最大値を決定する段階が、
前記１組のデータの前記３つの最高値と前記３つの最低値を決定する段階と、
前記３つの最高値のどれかが、前記３つの最高値のうちの中央値と所定量より大きく異なる場合、または前記３つの最低値のどれかが、前記３つの最低値のうちの中央値と所定量より大きく異なる場合に、前記最小値と最大値を拒否する段階とを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記第１の細カウント・チャネルからの１組のデータの最小値と最大値を決定する前記段階が、
前記最小値が、前記移動平均最小値と所定量より大きく異なる場合、または前記最大値が、前記移動平均最大値と所定量より大きく異なる場合に、前記最小値と最大値を拒否する段階とを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１】
光学エンコーダにおける利得とオフセットを動的に調整する方法であって、
回折格子を含むエンコーダ・ディスクを提供する段階と、
前記エンコーダ・ディスクに光を照射する段階と、
前記回折格子から回折された光を検出しかつ第１の細カウント・チャネルを出力するように構成された検出器を提供する段階と、
前記第１の細カウント・チャネルの第１のターゲット利得と第１のターゲット・オフセットを計算する段階と、
前記第１のターゲット利得と第１のターゲット・オフセットに基づいて、前記第１の細カウント・チャネルからサンプリングされたデータに補正を適用する段階と、
を含み、
ターゲット利得およびオフセットを計算する段階が、
前記第１の細カウント・チャネルからの１組のデータの最小値と最大値を決定する段階と、
前記第１の細カウント・チャネルからの複数の前の組のデータからの前記最小値に基づいて移動平均最小値を計算する段階と、
前記第１の細カウント・チャネルからの前記複数の前の組のデータからの前記最大値に基づいて移動平均最大値を計算する段階と、
Ｇcalが前記第１のターゲット利得であり、ａｖｅ＿ｍａｘAが移動平均最大値であり、ａｖｅ＿ｍｉｎAが移動平均最小値である場合に、前記第１のターゲット利得を式Ｇcal＝（ａｖｅ＿ｍａｘA−ａｖｅ＿ｍｉｎA）／２にしたがって計算する段階と、
ＯＦＦＳＥＴcalが前記第１のターゲット・オフセットである場合に、前記第１のターゲット・オフセットを式ＯＦＦＳＥＴcal＝（ａｖｅ＿ｍａｘA＋ａｖｅ＿ｍｉｎA）／２にしたがって計算する段階と、
を含む方法。
【請求項２】
前記第１の細カウント・チャネルからサンプリングされたデータに補正を適用する段階が、
ｍａｘAが前記データ・サンプルの最大値であり、ｍｉｎAが前記データ・サンプルの最小値である場合に、データ・サンプルの利得ＧAを式ＧA＝（ｍａｘA−ｍｉｎA）／２にしたがって計算する段階と、
式ＯＦＦＳＥＴA＝（ｍａｘA＋ｍｉｎA）／２にしたがって、前記データ・サンプルのオフセットＯＦＦＳＥＴAを計算する段階と、
Ｇcalが第１のターゲット利得である場合に、利得補正係数ＧＦAを式ＧＦA＝Ｇcal／ＧAにしたがって計算する段階と、
ＯＦＦＳＥＴcalが第１のターゲット・オフセットである場合に、オフセット補正係数ΔＯＦＦAを式ΔＯＦＦA＝ＯＦＦＳＥＴcal−ＯＦＦＳＥＴAにしたがって計算する段階と、
ＦＣAが前記第１の細カウント・チャネルからの生細カウント・データであり、ＣＦＣAが前記補正細カウント・データである場合に、細カウントを、式ＣＦＣA＝（ＧＦA＊ＦＣA）＋ΔＯＦＦAにしたがって補正する段階とを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記検出器が、第２の細カウント・チャネルを出力するように構成され、
前記第２の細カウント・チャネルの第２のターゲット利得と第２のターゲット・オフセットを計算する段階と、
前記第２のターゲット利得と第２のターゲット・オフセットに基づいて前記第２の細カウント・チャネルからサンプリングされたデータに補正を適用する段階とを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記検出器が、粗カウントを出力するように構成され、前記第１の細カウント・チャネルからサンプリングされたデータと、前記第２の細カウント・チャネルからサンプリングされたデータに対する補正に基づいて、前記粗カウントに補正を適用する段階をさらに含む、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記粗カウントに補正を適用する段階が、
量子化演算子Ｑ（ｘ）を次のように定義する段階と、
Ｑ（ｘ）＝０ （ｘ＜０の場合）
Ｑ（ｘ）＝１ （ｘ≧０の場合）
補正状態対｛Ａ’，Ｂ’｝を次の式にしたがって計算する段階とを含み、
｛Ａ’，Ｂ’｝＝｛Ｑ（ＣＦＣA−ΔＯＦＦA），Ｑ（ＣＦＣB−ＯＦＦB）｝
ここで、ＣＦＣAは、前記第１の細カウント・チャネルからサンプリングされた補正データであり、ＣＦＣBは、前記第２の細カウント・チャネルからサンプリングされた補正データであり、ΔＯＦＦAは、前記第１の細カウント・チャネルのオフセット補正値であり、ΔＯＦＦBは、前記第２の細カウント・チャネルのオフセット補正値であり、
前記粗カウントを前記補正状態対と比較する段階と、
前記補正状態対と一致するように前記粗カウントを調整する段階とを含む、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
複数の検出器が提供され、前記複数の検出器がそれぞれ、前記回折格子から回折された光を検出しかつ第１の細カウント・チャネルを出力するように構成された、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記第１の細カウント・チャネルからの１組のデータの最小値と最大値を決定する段階が、
前記１組のデータの前記３つの最高値と前記３つの最低値を決定する段階と、
前記３つの最高値のどれかが、前記３つの最高値のうちの中央値と所定量より大きく異なる場合、または前記３つの最低値のどれかが、前記３つの最低値のうちの中央値と所定量より大きく異なる場合に、前記最小値と最大値を拒否する段階とを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記第１の細カウント・チャネルからの１組のデータの最小値と最大値を決定する前記段階が、
前記最小値が、前記移動平均最小値と所定量より大きく異なる場合、または前記最大値が、前記移動平均最大値と所定量より大きく異なる場合に、前記最小値と最大値を拒否する段階とを含む、請求項１に記載の方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６】
【図７】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２Ａ】
【図１２Ｂ】
【図１３Ａ】
【図１３Ｂ】
【図１３Ｃ】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図３６】
【図３７】
【図３８】
【図３９】
【図４０】
【図４１】
【図４２】
【図４３】
【図４４】
【図４５】
【図４６】
【図４７】
【図４８】
【図４９】
【図５０】
【図５１】
【図５２】
【図５３】
【図５４】
【図５５】
【図５６】
【図５７Ａ】
【図５７Ｂ】
【図５８】
【図５９】
【図６０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６】
【図７】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２Ａ】
【図１２Ｂ】
【図１３Ａ】
【図１３Ｂ】
【図１３Ｃ】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図３６】
【図３７】
【図３８】
【図３９】
【図４０】
【図４１】
【図４２】
【図４３】
【図４４】
【図４５】
【図４６】
【図４７】
【図４８】
【図４９】
【図５０】
【図５１】
【図５２】
【図５３】
【図５４】
【図５５】
【図５６】
【図５７Ａ】
【図５７Ｂ】
【図５８】
【図５９】
【図６０】
【公開番号】特開２０１３−５４０４０（Ｐ２０１３−５４０４０Ａ）
【公開日】平成２５年３月２１日（２０１３．３．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−２７４３５０（Ｐ２０１２−２７４３５０）
【出願日】平成２４年１２月１７日（２０１２．１２．１７）
【分割の表示】特願２０１１−５２５２３１（Ｐ２０１１−５２５２３１）の分割
【原出願日】平成２１年８月２８日（２００９．８．２８）
【出願人】（５９８０６４５１０）ファロ テクノロジーズ インコーポレーテッド (60)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年３月２１日（２０１３．３．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年１２月１７日（２０１２．１２．１７）
【分割の表示】特願２０１１−５２５２３１（Ｐ２０１１−５２５２３１）の分割
【原出願日】平成２１年８月２８日（２００９．８．２８）
【出願人】（５９８０６４５１０）ファロ テクノロジーズ インコーポレーテッド (60)
【Ｆターム（参考）】
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