JP2002250639A

JP2002250639A - 絶対位置検出エンコーダ

Info

Publication number: JP2002250639A
Application number: JP2001047820A
Authority: JP
Inventors: Haruhiro Tokida; 晴弘常田
Original assignee: Nidec Sankyo Corp
Current assignee: Nidec Sankyo Corp
Priority date: 2001-02-23
Filing date: 2001-02-23
Publication date: 2002-09-06

Abstract

(57)【要約】【課題】安定に絶対位置を検出する。【解決手段】異なる波長を有する正弦波情報をそれぞ
れ記録してなるトラックに対してそれぞれの位相を求め
て該位相の差分を求めることで絶対位置を求めるバーニ
ア演算手段１と、バーニア演算手段１により求めた絶対
位置を初期絶対位置とし、少なくとも一のトラック上に
おける移動量を求めて該移動量を初期絶対位置に累積加
算して仮検出位置を求める仮検出位置演算手段２と、バ
ーニア演算手段１と仮検出位置演算手段２との各々の演
算値をサンプリングし、該サンプリングしたバーニア演
算手段１の演算値と仮検出位置演算手段２の演算値との
差を累積加算し、該累積加算した値をサンプリングした
回数で除して平均値とし、該平均値を仮検出位置に加算
して真の検出位置を求める真検出位置演算手段３とを備
えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、絶対位置検出エン
コーダに関する。さらに詳述すると、本発明は、異なる
波長を有する正弦波情報の位相差を求めて絶対位置を検
出する絶対位置検出エンコーダに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、絶対位置を検出するエンコーダ
は、図１１に示すグレイコード或いはバイナリコード符
号を用いた並列符号化方式や、図１２に示すＭ系列符号
を用いた直列符号化方式を適用している。これらの絶対
位置検出エンコーダは、検出位置により唯一の符号パタ
ーンが得られる様にトラック１０１若しくはトラック１
０２を構成して、検出した符号パターンからトラック１
０１若しくはトラック１０２上の絶対位置を検出するも
のである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、グレイ
コード或いはバイナリコード符号を用いると、多数のト
ラック１０１，…，１０１が必要となり、これに応じて
検出ヘッドも多チャンネルが必要となる。このため、コ
ストや装置小型化の面で不利である。

【０００４】また、Ｍ系列方式はランダムな符号パター
ンを形成するため不等ピッチの符号パターンが必要とな
る。かかる不等ピッチに着磁することは原理的に困難で
あるため、小型化可能で耐環境性に優れる磁気式エンコ
ーダに適用することは困難であり、Ｍ系列方式は光学式
エンコーダへの適用に実質限定される。

【０００５】ところで、従来、例えばノギスのように副
尺（バーニア）を用いて距離を計測するものがある。こ
こで、機械構造が簡易であり、低コストかつ小型化可能
で、さらに光学式または磁気式あるいは静電容量式等の
構成に限定されない絶対位置検出エンコーダとして、副
尺（バーニア）を用いた絶対位置検出エンコーダ（以下
本明細書では、バーニア式絶対位置検出エンコーダと呼
ぶ。）を考える。

【０００６】図１０に示す初期位相を同じくする二つの
正弦波は、波長λａ，波長λｂが微小に異なるものであ
り（本例では波長λａ＜波長λｂとしている）、所定位
置Ｘ１にて、丁度一波長λａ分ずれて位相が一致するも
のである。このような二つの正弦波情報を例えば磁気デ
ータ或いは光の信号として記録するようにしてトラック
５Ａ，５Ｂを構成する。トラック５Ａの位相をθａと
し、トラック５Ｂの位相をθｂとすると、位相差△θ
（即ちθａ−θｂ）は所定位置Ｘ１にて２πとなる（図
１０参照）。したがって、位相差△θを求めれば、数式
１により、０点から所定位置Ｘ１の範囲における絶対位
置Ｘを求めることができる。

【数１】Ｘ＝（Ｘ１／２π）・△θ 位相差△θを求めるために、例えば次のように構成す
る。例えば、トラック５Ａに対して１／４波長（λａ）
の間隔をおいて、２つの検出器Ａ，Ｂを取り付けて、当
該検出器Ａ，Ｂにより各々ｃｏｓθａ，ｓｉｎθａの出
力を得るようにする。同様に、トラック５Ｂに対して１
／４波長（λｂ）の間隔をおいて、２つの検出器Ｃ，Ｄ
を取り付けて、当該検出器Ｃ，Ｄにより各々ｃｏｓθ
ｂ，ｓｉｎθｂの出力を得るようにする。ここで、検出
器Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの出力値をそれぞれＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄで
表し、２つの出力値Ａ及びＢ（または出力値Ｃ及びＤ）
を引数として０から２πの値を返す逆正接関数「ｔａｎ
^−１」を用いると、位相θａ，位相θｂは数式２及び数
式３により求まり、位相差△θは数式４により求まる。

【数２】θａ＝ｔａｎ^−１（ｓｉｎθａ／ｃｏｓθａ）
＝ｔａｎ^−１（Ｂ／Ａ）

【数３】θｂ＝ｔａｎ^−１（ｓｉｎθｂ／ｃｏｓθｂ）
＝ｔａｎ^−１（Ｄ／Ｃ）

【数４】△θ＝θａ−θｂ＝ｔａｎ^−１（Ｂ／Ａ）−ｔ
ａｎ^−１（Ｄ／Ｃ）ここで、二つのトラック５Ａ，５Ｂの空間角周波数（単
位移動量当りの位相変化量）を各々ωａ，ωｂで表す
と、ωａ，ωｂと波長λａ，λｂの関係は、数式５，数
式６で表され、単位移動量当りの位相差の変化量（ωａ
−ωｂ）は、数式７により表される。

【数５】ωａ＝２π／λａ

【数６】ωｂ＝２π／λｂ

【数７】 ωａ−ωｂ＝２π｛（λｂ−λａ）／（λａ・λｂ）｝例えば、λａ＝８００［μｍ］、λｂ＝８１０［μｍ］
とすると、単位移動量当りの位相差の変化量（ωａ−ω
ｂ）は２π／６４８００［ｒａｄ／μｍ］となる。つま
り、例えばトラック５Ａ（またはトラック５Ｂ）での単
位の移動に対して位相差△θは２π／６４８００増加す
る。そして、移動量が６４８００μｍ（６４．８ｍｍ）
のとき位相差△θの演算結果が２πとなる。このとき、
一周期の絶対位置Ｘ即ち所定位置Ｘ１が得られる。な
お、６４８００μｍは、λａ＝８００μｍ、λｂ＝８１
０μｍの最小公倍数でもある。波長λａと波長λｂの最
小公倍数をＶｎｉで表すと、絶対位置Ｘは数式１と数式
４から次の数式８で求めることができる。以下、本明細
書において、数式８の右辺により絶対位置を求める演算
をバーニア演算と呼ぶ。

【数８】Ｘ＝（Ｖｎｉ／２π）・（ｔａｎ^−１（Ｂ／
Ａ）−ｔａｎ^−１（Ｄ／Ｃ））しかしながら、実際にバーニア式絶対位置検出エンコー
ダを構成すると、次のような問題がある。

【０００７】絶対位置の検出値の誤差は、ｔａｎ
^−１（Ｂ／Ａ）及びｔａｎ^−１（Ｄ／Ｃ）を求める際の
誤差に依存する。ここで、ｔａｎ^−１（Ｂ／Ａ）及びｔ
ａｎ^−１（Ｄ／Ｃ）の演算において同量かつ逆符号の誤
差がεが生じたとすると、位相差△θの誤差は２εとな
る。これは、バーニア式絶対位置検出エンコーダでは、
インクリメンタル（相対位置）検出のエンコーダに要求
される絶対精度の２倍の絶対精度が要求されることを意
味する。

【０００８】例えば、インクリメンタルのエンコーダに
おいては、その絶対精度は大きく問題とされる事はな
く、単に再現精度としての分解能として６５５３６が既
定されているのみの場合が多い。その多くは絶対精度が
６５５３６まで確保されておらず、その１／８〜１／４
程度である。この事を考えるとき、２倍の絶対精度が要
求されるバーニア方式の絶対値算出方式では１３１０７
２分割の絶対精度が要求され、インクリメンタル方式で
は１／４程度の絶対精度としても１６３８４分割程度の
絶対精度で充分であるといえ、バーニア式の場合は１０
倍近い精度を実現しなければならないこととなる。

【０００９】また、波長λａ，波長λｂの差は微小であ
り従ってｔａｎ^−１（Ｂ／Ａ）とｔａｎ^−１（Ｄ／Ｃ）
との値は僅差であるため、これらの差をとる位相差△θ
の計算においては、値のごく近い数同士の減算により有
効桁数が極端に減少して相対誤差が大きくなってしまう
いわゆる桁落ちの問題も伴う。

【００１０】即ち、バーニア式絶対位置検出エンコーダ
では、アナログ検出を行なうため僅かな検出波形の歪み
に影響を受けやすく、インクリメンタル検出では問題に
ならない程度の誤差が大きな問題となり、高精度化の実
現が非常に困難となっている。

【００１１】そこで、本発明は、高い絶対位置検出精度
を有するバーニア式絶対位置検出エンコーダを提供する
ことを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】かかる目的を達成するた
め、請求項１記載の絶対位置検出エンコーダは、異なる
波長を有する正弦波情報をそれぞれ記録してなるトラッ
クに対してそれぞれの位相を求めて該位相の差分を求め
ることで絶対位置を求めるバーニア演算手段と、バーニ
ア演算手段により求めた絶対位置を初期絶対位置とし、
少なくとも一のトラック上における移動量を求めて該移
動量を初期絶対位置に累積加算して仮検出位置を求める
仮検出位置演算手段と、バーニア演算手段と仮検出位置
演算手段との各々の演算値をサンプリングし、該サンプ
リングしたバーニア演算手段の演算値と仮検出位置演算
手段の演算値との差を累積加算し、該累積加算した値を
サンプリングした回数で除して平均値とし、該平均値を
仮検出位置に加算して真検出位置を求める真検出位置演
算手段とを備えている。

【００１３】したがって、仮検出位置演算手段による仮
検出位置は、初期位置こそバーニア演算手段位置による
ため大きな誤差を有する可能性はあるが、その後の精度
は一のトラックにおける移動量の検出即ちインクリメン
タル（相対）位置検出によるため十分許容範囲内のもの
となる。一方、バーニア演算手段による検出絶対位置と
仮検出位置との差の平均値は、誤差を含まないと仮定し
たバーニア演算手段による真の検出絶対位置と仮検出位
置との差にほぼ等しい。したがって、真検出位置演算手
段により、バーニア演算手段による検出絶対位置と仮検
出位置との差の平均値を求めて、当該平均値を仮検出位
置に加えれば、誤差を含まないと仮定したバーニア演算
手段による真の検出絶対位置に極めて近い値を求めるこ
とができ、検出絶対位置の高精度化が図れる。

【００１４】また、請求項２記載の発明は、請求項１記
載の絶対位置検出エンコーダにおいて、真検出位置演算
手段は、少なくとも一のトラックに記録された正弦波情
報の波長倍数分の移動間に等間隔でサンプリングを行な
うようにしている。一般に正弦波情報の検出における誤
差は一周期においてその積分値（累積値）が約０となる
場合が多い。したがって、波長倍数分の移動間に等間隔
でサンプリングしたバーニア演算手段による検出絶対位
置と仮検出位置との差の平均値は、誤差を含まないと仮
定したバーニア演算手段による真の検出絶対位置と仮検
出位置との差にほぼ等しいものとなる。

【００１５】また、請求項３記載の発明は、請求項１ま
たは２に記載の絶対位置検出エンコーダにおいて、真検
出位置演算手段は、同じ位置については１度のみサンプ
リングを行なうようにしている。したがって、偏りの無
いサンプルデータを収集することができ、誤差を含まな
いと仮定したバーニア演算手段による真の検出絶対位置
と仮検出位置との差を更に正確に求めることができる。

【００１６】また、請求項４記載の発明は、請求項１か
ら３のいずれかに記載の絶対位置検出エンコーダにおい
て、仮検出位置と真検出位置とを重み付けをして平均化
し、徐々に仮検出位置の重みを下げるとともに真検出位
置の重みを上げていく補正手段を備えている。したがっ
て、仮検出位置から真検出位置へと検出絶対位置の出力
が滑らかに移行される。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の構成を図面に示す
実施形態に基づいて詳細に説明する。

【００１８】図１から図１０に本発明絶対位置検出エン
コーダの実施の一形態を示す。この絶対位置検出エンコ
ーダは、異なる波長を有する正弦波情報をそれぞれ記録
してなるトラックに対してそれぞれの位相を求めて該位
相の差分を求めることで絶対位置を求めるバーニア演算
手段１と、バーニア演算手段１により求めた絶対位置を
初期絶対位置とし、少なくとも一のトラック上における
移動量を求めて該移動量を初期絶対位置に累積加算して
仮検出位置を求める仮検出位置演算手段２と、バーニア
演算手段１と仮検出位置演算手段２との各々の演算値を
サンプリングし、該サンプリングしたバーニア演算手段
１の演算値と仮検出位置演算手段２の演算値との差を累
積加算し、該累積加算した値をサンプリングした回数で
除して平均値とし、該平均値を仮検出位置に加算して真
の検出位置を求める真検出位置演算手段３とを備えてい
る。

【００１９】また、本実施形態の絶対位置検出エンコー
ダでは、仮検出位置と真検出位置とを重み付けをして平
均化し、徐々に仮検出位置の重みを下げるとともに真検
出位置の重みを上げていく補正手段４を備えている。

【００２０】本実施形態では、例えば波長λａの正弦波
情報をトラック５Ａに着磁し、波長λｂの正弦波情報を
トラック５Ｂに着磁した磁気式の絶対位置検出エンコー
ダの例について説明する。ただし、この例に限らず、例
えばスリットを設けてトラック５Ａ，５Ｂを構成し（図
９参照）、波長λａの正弦波情報と波長λｂの正弦波情
報を光の信号として検出するようにした光学式の絶対位
置検出エンコーダとしても良いのは勿論である。初期位
相を同じくする二つの正弦波情報は、波長λａ，波長λ
ｂが微小に異なるものであり、所定位置Ｘ１にて、丁度
一波長λａ分ずれて位相が一致するものである（図１０
参照）。なお、本実施形態では、初期位相を同じくした
二つの正弦波情報の例について説明するが、二つの正弦
波情報は必ずしも初期位相を一致させるものに限定され
ない。例えば、初期の位相が最初から解っていれば必ず
しも初期位相がそろっている必要はない。

【００２１】バーニア演算手段１、仮検出位置演算手段
２、真検出位置演算手段３、補正手段４の各手段は、例
えば既知の中央演算処理装置（ＣＰＵ）及び記憶装置
（メモリ）を用いて、図２，図３，図４，図５のフロー
チャートに例示した処理を実行することにより実現する
ことができる。以下、これらのフローチャートを参照し
て、バーニア演算手段１、仮検出位置演算手段２、真検
出位置演算手段３、補正手段４の各手段の処理の一例を
説明する。

【００２２】バーニア演算手段１は、例えば二つの異な
る波長λａと波長λｂを有する正弦波情報をそれぞれ磁
気記録してなるトラック５Ａとトラック５Ｂに対してそ
れぞれ位相θａと位相θｂを求め、その差分である位相
差△θ（即ちθａ−θｂ）を求めることで絶対位置を検
出するようにする。

【００２３】例えば、トラック５Ａに対して１／４波長
（λａ）の間隔をおいて、２つの検出器１０Ａ，１０Ｂ
を取り付けて、当該検出器１０Ａ，１０Ｂより各々ｃｏ
ｓθａ，ｓｉｎθａの出力を得るようにする。同様に、
トラック５Ｂに対して１／４波長（λｂ）の間隔をおい
て、２つの検出器１０Ｃ，１０Ｄを取り付けて、当該検
出器１０Ｃ，１０Ｄより各々ｃｏｓθｂ，ｓｉｎθｂの
出力を得るようにする。

【００２４】検出器１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄの
出力値をそれぞれＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄで表し、波長λａと波
長λｂの最小公倍数をＶｎｉで表す。２つの出力値Ａ及
びＢ（または出力値Ｃ及びＤ）を引数として０から２π
の値を返す逆正接関数「ｔａｎ^−１」を用いて位相θａ
と位相θｂを求め、数式９に示すバーニア演算により絶
対位置ｖＰｏｓを求める（ステップ１）。以下、本実施
形態では数式９に示すバーニア演算により求められる絶
対位置ｖＰｏｓをバーニア演算位置ｖＰｏｓと呼ぶ。

【数９】ｖＰｏｓ＝（Ｖｎｉ／２π）・（ｔａｎ
^−１（Ｂ／Ａ）−ｔａｎ^−１（Ｄ／Ｃ））数式１０に示すように、バーニア演算位置ｖＰｏｓを初
期絶対位置として仮検出位置（増分積算値）ｉＰｏｓに
代入する（ステップ２）。

【数１０】ｉＰｏｓ＝ｖＰｏｓ本実施形態の仮検出位置演算手段２は、以後の仮検出位
置ｉＰｏｓを、例えばトラック５Ａの位相θａの増分値
Δθａを一定時間毎に求め、増分値Δθａからトラック
５Ａにおける移動量（即ちΔθａ・λａ／２π）を求め
て、これを仮検出位置ｉＰｏｓに累積加算していくこと
で求める。ただし、これに限らず、例えばトラック５Ｂ
の位相θｂの増分値Δθｂからトラック５Ｂにおける移
動量（Δθｂ・λｂ／２π）を求めて、これを仮検出位
置ｉＰｏｓに累積加算していくことで、仮検出位置ｉＰ
ｏｓを求めるようにしてもよい。

【００２５】位相θａの増分値Δθａを求めるために、
現時点の位相θａ即ちｔａｎ^−１（Ｂ／Ａ）の値をメモ
リＲｅｇに記憶しておく（ステップ３）。

【００２６】一方、真検出位置演算手段３は、バーニア
演算手段１による演算値であるバーニア演算位置ｖＰｏ
ｓと仮検出位置演算手段２による演算値である仮検出位
置ｉＰｏｓとをそれぞれサンプリングする。即ち、真の
検出位置を求めるため、サンプルとなるデータを収集す
る。また、本実施形態の真検出位置演算手段３における
サンプリング回数をカウンタＣＮＴで示す。また、真検
出位置演算手段３において、バーニア演算位置ｖＰｏｓ
と仮検出位置ｉＰｏｓとの差を累積加算した値を偏差積
算値Ｄｉｆで示す。偏差積算値ＤｉｆをカウンタＣＮＴ
で除して平均値Ａｖｅを求める。そして、平均値Ａｖｅ
を仮検出位置ｉＰｏｓに加算して、高精度化された真バ
ーニア演算位置ｆｖＰｏｓを求めるようにする。

【００２７】サンプリングは、例えばトラック５Ａ，５
Ｂ上の位置センサとして機能する検出器１０Ａ，１０
Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄが所定距離λを移動する間に行な
う。所定距離λは任意に設定するものとしてもよいが、
例えば波長λａ（若しくは波長λｂ）の波長倍数分とす
ることが好ましく、より好ましくは波長λａ（若しくは
波長λｂ）の一波長又は二波長分とすることが好まし
い。例えば、図６に示すように、一般に正弦波情報の検
出における誤差は、例えばある位置で真値１１より大き
な検出値１２がある場合には一周期（一波長λ）の間に
他の位置で真値１１より小さな検出値１２が現れ、一周
期における誤差の積分値（累積値）は約０となる場合が
多いからである。即ち、図６の例であれば、面積１３−
面積１４＋面積１５−面積１６≒０となる。

【００２８】例えば本実施形態では、サンプリングの実
施距離λは一波長λａとする。また、本実施形態でのサ
ンプリングは、空間上で等ピッチ（等間隔）になり、か
つ同じ位置は１度のみサンプリングされるように管理さ
れるものとする。なお、サンプリングされるデータの数
は例えば３２個程度となるように調整するものとする。

【００２９】カウンタＣＮＴを０に初期化し（ステップ
４）、偏差積算値Ｄｉｆを０に初期化する（ステップ
５）。移動距離を判断する基準最小値Ｍｉｎに正の最大
値（＋∞）をセットする（ステップ６）。移動距離を判
断する基準最大値Ｍａｘに負の最大値（−∞）をセット
する（ステップ７）。

【００３０】位相θａの増分値Δθａを数式１１より求
める（ステップ８）。

【数１１】Δθａ＝ｔａｎ^−１（Ｂ／Ａ）−Ｒｅｇさらに、次の増分値Δθａを求めるため、現時点の位相
θａ即ちｔａｎ^−１（Ｂ／Ａ）の値をメモリＲｅｇに記
憶しておく（ステップ９）。次いで、数式１２に示すよ
うに、増分値Δθａ分のトラック５Ａにおける移動量
（Δθａ・λａ／２π）を仮検出位置ｉＰｏｓに加算し
て新たな仮検出位置ｉＰｏｓとする（ステップ１０）。

【数１２】ｉＰｏｓ＝ｉＰｏｓ＋Δθａ・λａ／２π 求めた仮検出位置ｉＰｏｓを検出絶対位置として出力す
る（ステップ１１）。即ち、本実施形態ではサンプリン
グ毎のトラック５Ａにおける移動量を演算し、これを初
期絶対位置へ累積加算することで仮検出位置ｉＰｏｓと
している。この仮検出位置ｉＰｏｓは、初期値となるバ
ーニア演算位置ｖＰｏｓこそバーニア演算の影響を受け
て、許容範囲を超える誤差を有する可能性はあるが、ト
ラック５Ａにおける移動量（Δθａ・λａ／２π）にお
ける精度はインクリメンタル（相対）位置検出によるた
め十分許容範囲内のものとなる。

【００３１】一方、サンプリングされる仮検出位置ｉＰ
ｏｓに対応するバーニア演算位置ｖＰｏｓを求めておく
（ステップ１２）。

【００３２】また、サンプリングした仮検出位置ｉＰｏ
ｓが以前サンプリングした仮検出位置ｉＰｏｓと同じか
否か判断するための変数Ｄａｔａに”Ｓａｍｅ”を初期
値として代入する（ステップ１３）。Ｄａｔａが”Ｓａ
ｍｅ”の場合は、今回サンプリングした仮検出位置ｉＰ
ｏｓが以前サンプリングした仮検出位置ｉＰｏｓと同じ
であることを意味するものとする。

【００３３】仮検出位置ｉＰｏｓと移動距離を判断する
基準最小値Ｍｉｎとを比較し、仮検出位置ｉＰｏｓが基
準最小値Ｍｉｎ（初期値は正の最大値である。）より小
さければ（ステップ１４；Ｙｅｓ）、基準最小値Ｍｉｎ
に仮検出位置ｉＰｏｓを代入し（ステップ１５）、Ｄａ
ｔａに”Ｎｅｗ”を代入する（ステップ１６）。また、
仮検出位置ｉＰｏｓと移動距離を判断する基準最大値Ｍ
ａｘとを比較し、仮検出位置ｉＰｏｓが基準最大値Ｍａ
ｘ（初期値は負の最大値である。）より大きければ（ス
テップ１４’；Ｙｅｓ）、基準最大値Ｍａｘに仮検出位
置ｉＰｏｓを代入し（ステップ１５’）、Ｄａｔａに”
Ｎｅｗ”を代入する（ステップ１６’）。Ｄａｔａが”
Ｎｅｗ”の場合は、仮検出位置ｉＰｏｓが未だ測定され
ていない新規なデータであることを意味する。

【００３４】Ｄａｔａが”Ｎｅｗ”であれば（ステップ
１７；Ｙｅｓ）、即ち仮検出位置ｉＰｏｓが所定のサン
プリング距離λ内にあって且つ新しい位置であれば、数
式１３に示すように、偏差積算値Ｄｉｆを求める（ステ
ップ１８）。

【数１３】Ｄｉｆ＝ｖＰｏｓ−ｉＰｏｓ＋Ｄｉｆまた、カウンタＣＮＴを１だけカウントアップする（ス
テップ１９）。

【００３５】必要なサンプリングデータが収集できた
か、即ち所定距離λの移動があったか、即ち基準最大値
Ｍａｘと基準最小値Ｍｉｎとの差が所定距離λ（本実施
形態では波長λａ）を超えているか判断する（ステップ
２０）。必要なサンプリングデータが収集できるまで
（ステップ２０；Ｎｏ）、Ｄａｔａが”Ｎｅｗ”である
場合に（ステップ１７；Ｙｅｓ）、偏差積算値Ｄｉｆは
累積加算され（ステップ１８）、カウンタＣＮＴはカウ
ントアップされる（ステップ１９）。また、この間、求
めた仮検出位置ｉＰｏｓを検出絶対位置として出力する
（ステップ１１）。

【００３６】高精度化に必要なサンプリングデータが収
集されると、即ち、基準最大値Ｍａｘと基準最小値Ｍｉ
ｎとの差が所定距離λ（本実施形態では波長λａ）を超
えると（ステップ２０；Ｙｅｓ）、数式１４に示すよう
に、偏差積算値ＤｉｆをカウンタＣＮＴ（即ちサンプリ
ング回数）で除して平均値Ａｖｅを求める（ステップ２
１）。

【数１４】Ａｖｅ＝Ｄｉｆ／ＣＮＴそして、数式１５に示すように、平均値Ａｖｅを仮検出
位置ｉＰｏｓに加算して高精度化された真バーニア演算
位置ｆｖＰｏｓを求める（ステップ２２）。

【数１５】ｆｖＰｏｓ＝ｉＰｏｓ＋Ａｖｅ図７に、バーニア演算位置ｖＰｏｓと仮検出位置ｉＰｏ
ｓと高精度化された真バーニア演算位置ｆｖＰｏｓとの
関係を示す。バーニア演算位置ｖＰｏｓは、僅かな検出
波形の歪みに影響を受け、許容範囲を大きく超える誤差
を有する可能性が高い。このため、バーニア演算位置ｖ
Ｐｏｓの値は安定せず例えば図示するように出力値は波
状に示される。一方、仮検出位置ｉＰｏｓは、初期位置
はバーニア演算位置ｖＰｏｓによるため許容範囲を超え
る誤差を有する可能性はあるが、その後の精度は一のト
ラック５Ａにおける移動量（｛ｔａｎ^−１（Ｂ／Ａ）｝
・λａ／２π）のみの検出、即ちインクリメンタル（相
対）位置検出によるため十分許容範囲内のものとなり、
仮検出位置ｉＰｏｓの値は安定し例えば図示するように
出力値は直線状に示される。ここで、一般に正弦波情報
の検出における誤差は一定周期においてその積分値（累
積値）が約０となる場合が多いことを考量すれば、バー
ニア演算位置ｖＰｏｓと仮検出位置ｉＰｏｓとの差の平
均値であるＡｖｅは、図示するように仮検出位置ｉＰｏ
ｓと誤差を含まないと仮定したバーニア演算位置ｖＰｏ
ｓの真値ｖＰｏｓ’との差にほぼ等しい。したがって、
仮検出位置ｉＰｏｓに平均値Ａｖｅを加えて求めた真バ
ーニア演算位置ｆｖＰｏｓは、バーニア演算位置ｖＰｏ
ｓの真値ｖＰｏｓ’に極めて近づき、高精度化されたも
のとなる。

【００３７】しかしながら真バーニア演算位置ｆｖＰｏ
ｓは、上説明のように高精度化されているとはいえ、許
容範囲を超える誤差を有する可能性の高いバーニア演算
結果を基とするだけに、必ずしも許容範囲に収まる十分
な精度が得られるとは限らない。一方において、ｔａｎ
^−１（Ｂ／Ａ）の値によれば十分許容範囲内のものであ
り、真バーニア演算位置ｆｖＰｏｓに比して、更に高精
度といえる。この様子を図８に示す。真バーニア演算位
置ｆｖＰｏｓの値から予測される検出位置の分布は精度
が十分でないため広く（図８（ｃ）参照）、一方、｛ｔ
ａｎ^−１（Ｂ／Ａ）｝・λａ／２πの値から予測される
検出位置の分布は高精度であるため狭い（図８（ｂ）参
照）。そこで、本実施形態では、上記のように求めた真
バーニア演算位置ｆｖＰｏｓの値を有効利用するととも
に、高い精度が得られるｔａｎ⁻ ^１（Ｂ／Ａ）の検出値
を利用して、最終検出値ｆＰｏｓを例えば次のようにし
て求める。

【００３８】｛ｔａｎ^−１（Ｂ／Ａ）｝・λａ／２πの
値はλａの値を一周期毎に繰り返す（図８（Ａ）参
照）。そこで、本実施形態では、ｔａｎ^−１（Ｂ／Ａ）
を求めて、真バーニア演算位置ｆｖＰｏｓにもっとも近
い値となるように数式１６を満たす整数ｎを求める（ス
テップ２３）。

【数１６】ｆｖＰｏｓ≒｛ｔａｎ^−１（Ｂ／Ａ）｝・λ
ａ／２π＋ｎ・λａ整数ｎの算出方法は特に限定されるものでないが、例え
ば、ｆｖＰｏｓをλａで除し、その整数部をとることで
整数ｎを求めるようにしても良い。なお、理想的には、
真バーニア演算位置ｆｖＰｏｓと｛ｔａｎ^−１（Ｂ／
Ａ）｝・λａ／２π＋ｎ・λａとの値は一致するが、真
バーニア演算位置ｆｖＰｏｓの精度が完全でないため
に、図８中Ｌで示すように微差が生じ得る。ただし、真
バーニア演算位置ｆｖＰｏｓは上記説明のように高精度
化されており、当該微差は十分許容できる範囲のもので
ある。

【００３９】次に、数式１７に示すように、ｎ・λａを
基準位置ｂＰｏｓの初期値とする（ステップ２４）。

【数１７】ｂＰｏｓ＝ｎ・λａそして、数式１８に示すように、｛ｔａｎ^−１（Ｂ／
Ａ）｝・λａ／２πを求めて基準位置ｂＰｏｓに加算
し、本実施形態における真検出位置となる最終検出位置
ｆＰｏｓとする（ステップ２５）。

【数１８】ｆＰｏｓ＝ｂＰｏｓ＋｛ｔａｎ^−１（Ｂ／
Ａ）｝・λａ／２π なお、本実施形態では、最終検出位置ｆＰｏｓを直ちに
検出絶対位置として出力せずに、補正手段４を用いて仮
検出位置ｉＰｏｓから最終検出位置ｆＰｏｓへと滑らか
に移るようにする。このため、位相θａの増分値Δθａ
を求め（ステップ２６）、また、次の増分値Δθａを求
めるため現時点のｔａｎ^−１（Ｂ／Ａ）の値をメモリＲ
ｅｇに記憶しておき（ステップ２７）、仮検出位置ｉＰ
ｏｓを求めておく（ステップ２８）。

【００４０】本実施形態の補正手段４は、例えば重み付
け変数Ｒａｔｅ，ＲａｔｅＳを用いて、仮検出位置ｉＰ
ｏｓと最終検出位置ｆＰｏｓとを重み付けして平均化し
た検出絶対位置を求める。そして、徐々に仮検出位置ｉ
Ｐｏｓの重みを下げ、最終検出位置ｆＰｏｓの重みを上
げていく。これにより、仮検出位置ｉＰｏｓから最終検
出位置ｆＰｏｓへと滑らかに接続することができる。

【００４１】先ず、重み付け変数Ｒａｔｅ，ＲａｔｅＳ
の初期化を行なう。Ｒａｔｅの初期値は例えば０とし
（ステップ２９）、ＲａｔｅＳの初期値は例えば自然数
の定数とする（ステップ３０）。なお、ＲａｔｅＳにお
ける定数は、絶対位置検出エンコーダの使用条件に適し
た任意の値として良い。例えば仮検出位置ｉＰｏｓと最
終検出位置ｆＰｏｓとの差が小さい場合は、早く最終検
出位置ｆＰｏｓに移行できるようにＲａｔｅＳを小さく
設定し、例えば仮検出位置ｉＰｏｓと最終検出位置ｆＰ
ｏｓとの差が大きい場合は、滑らかに最終検出位置ｆＰ
ｏｓに移行できるようにＲａｔｅＳを大きく設定するよ
うにしても良い。

【００４２】次いで、ｔａｎ^−１（Ｂ／Ａ）の値を求
め、ｔａｎ^−１（Ｂ／Ａ）の変化量が一周期を超過する
ものか確認し、超過していれば基準位置ｂＰｏｓを±λ
ａ増減する（ステップ３１）。本実施形態では、最終検
出位置ｆＰｏｓは数式１８により求める。ここで、トラ
ック５Ａ，５Ｂ上の位置センサとして機能する検出器１
０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄが波長λａ以上変位した
場合、基準位置ｂＰｏｓはそれに応じて整数ｎの値を増
減するする必要がある。このため、例えば、ｔａｎ^−１
（Ｂ／Ａ）の値を求めてメモリＲｅｇに記憶されている
前回求めたｔａｎ ^−１（Ｂ／Ａ）の値と比較し、大きな
変動があった場合は、これに応じて基準位置ｂＰｏｓに
対して波長λａプラス若しくはマイナスするように処理
をする。より具体的には、例えば本実施形態では、図５
のフローチャートに示す処理を行なう。即ち、数式１９
を満たす場合は（ステップ４３；Ｙｅｓ）、基準位置ｂ
Ｐｏｓに対し波長λａをプラスする（ステップ４４）。
一方、数式２０を満たす場合は（ステップ４５；Ｙｅ
ｓ）、基準位置ｂＰｏｓに対し波長λａをマイナスす
る。なお、これ以外の場合は（ステップ４３；Ｎｏ，ス
テップ４５；Ｎｏ）、特に処理を行なわない。

【数１９】ｔａｎ^−１（Ｂ／Ａ）−Ｒｅｇ＞π

【数２０】ｔａｎ^−１（Ｂ／Ａ）−Ｒｅｇ＜−π 本実施形態では、ｔａｎ^−１（Ｂ／Ａ）は０から２πの
値をとるものとしているため、基準位置ｂＰｏｓに対し
波長λａプラス若しくはマイナスさせる「大きな変動」
の基準として、ｔａｎ^−１（Ｂ／Ａ）のとり得る値の中
間であるπを用いる。しかしながら、基準位置ｂＰｏｓ
に対し波長λａプラス若しくはマイナスさせる基準はこ
の例に限定されるものではなく、センサ移動速度やサン
プリングタイム等に合わせて適宜適当な値を選択するこ
とができるのは勿論である。

【００４３】そして、数式１８により最終検出位置ｆＰ
ｏｓを求める（ステップ３２）。一方、位相θａの増分
値Δθａを求め（ステップ３３）、また、次の増分値Δ
θａを求めるため現時点のｔａｎ^−１（Ｂ／Ａ）の値を
メモリＲｅｇに記憶しておき（ステップ３４）、仮検出
位置ｉＰｏｓを求める（ステップ３５）。次いで、重み
付け変数Ｒａｔｅ，ＲａｔｅＳを用いて仮検出位置ｉＰ
ｏｓと最終検出位置ｆＰｏｓとを重み付けして平均化し
た検出絶対位置を、数式２１により求めて出力する（ス
テップ３６）。

【数２１】検出絶対位置＝｛Ｒａｔｅ・ｆＰｏｓ＋（Ｒ
ａｔｅＳ−Ｒａｔｅ）・ｉＰｏｓ｝／ＲａｔｅＳ重み付け変数Ｒａｔｅを１増加する（ステップ３７）。
そして、ＲａｔｅがＲａｔｅＳと等しくなるまで、即
ち、仮検出位置ｉＰｏｓから最終検出位置ｆＰｏｓへと
完全に移行するまで、重み付け変数Ｒａｔｅを増加しつ
つ仮検出位置ｉＰｏｓと最終検出位置ｆＰｏｓとを重み
付けして平均化した検出絶対位置を出力する（ステップ
３８；Ｎｏ，ステップ３１〜ステップ３７）。

【００４４】ＲａｔｅとＲａｔｅＳが等しくなったら
（ステップ３８；Ｙｅｓ）、即ち、仮検出位置ｉＰｏｓ
から最終検出位置ｆＰｏｓへと完全に移行できたら、ｔ
ａｎ⁻ ^１（Ｂ／Ａ）の値を求めて、ｔａｎ^−１（Ｂ／
Ａ）の変化量が一周期を超過するものか確認し、超過し
ていれば基準位置ｂＰｏｓを±λａ増減する（ステップ
３９）。なお、当該ステップ３９の処理の内容は、上記
したステップ３１の処理の内容と同様として良い。そし
て、数式１８により最終検出位置ｆＰｏｓを求めて（ス
テップ４０）、最終検出位置ｆＰｏｓを検出絶対位置と
して出力する（ステップ４１）。

【００４５】以後、例えば装置の電源オフやエラー発生
等により処理が終了するまで（ステップ４２；Ｎｏ）、
ステップ３９〜ステップ４１を繰り返し、最終検出位置
ｆＰｏｓを検出絶対位置として出力する。

【００４６】以上のように、本発明の絶対位置検出エン
コーダによれば、初期的にはバーニア演算により検出絶
対位置に誤差が含まれる可能性はあるが、微小な移動後
に連続的に高精度な検出絶対位置に移行していく。した
がって、機械構造が簡易であり、低コストかつ小型化可
能で、さらに光学式または磁気式あるいは静電容量式等
の構成に限定されないバーニア式の絶対位置検出エンコ
ーダを採用して、尚かつ高精度な絶対位置検出が可能と
なる。

【００４７】なお、上述の実施形態は本発明の好適な実
施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく、本
発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能
である。

【００４８】例えば、上述の実施形態では、磁気式の絶
対位置検出エンコーダについて説明したが、正弦波情報
若しくはそれに類する出力が得られるエンコーダであれ
ば、検出原理は光学式を含め特に限定するものではな
い。

【００４９】また、上述の実施形態では、二つのトラッ
ク５Ａ，５Ｂに係わる絶対位置検出エンコーダについて
説明したが、３トラック以上であっても、また更に長い
絶対位置測定範囲としたものでもあっても、本発明を適
用することができるのは勿論である。

【００５０】また、本発明の絶対位置検出エンコーダ
は、角度検出型（回転型）、長さ検出型（直線型）のい
ずれのエンコーダにも適用することができる。

【００５１】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、請求項
１記載の絶対位置検出エンコーダによれば、仮検出位置
演算手段による仮検出位置は、初期位置こそバーニア演
算手段位置によるため誤差が含まれる可能性はあるが、
その後の精度は一のトラックにおける移動量の検出即ち
インクリメンタル（相対）位置検出によるため十分許容
範囲内のものとなる。一方で真検出位置演算手段により
バーニア演算手段による検出絶対位置と仮検出位置との
差の平均値を求めて、当該平均値を仮検出位置に加えれ
ば、誤差を含まないと仮定したバーニア演算手段による
真の検出絶対位置に極めて近い値を求めることができ、
微小な移動後には高精度な検出絶対位置を出力すること
が可能となる。したがって、機械構造が簡易であり、低
コストかつ小型化可能で、さらに光学式または磁気式あ
るいは静電容量式等の構成に限定されないバーニア式の
絶対位置検出エンコーダを構成でき、尚かつ高精度な絶
対位置検出が可能となる。

【００５２】また、請求項２記載の絶対位置検出エンコ
ーダによれば、真検出位置演算手段は、少なくとも一の
トラックに記録された正弦波情報の波長倍数分の移動間
に等間隔でサンプリングを行なうようにしているので、
サンプリングしたバーニア演算手段による検出絶対位置
と仮検出位置との差の平均値は、誤差を含まないと仮定
したバーニア演算手段による真の検出絶対位置と仮検出
位置との差により等しいものとなる。

【００５３】また、請求項３記載の絶対位置検出エンコ
ーダによれば、真検出位置演算手段は、同じ位置につい
ては１度のみサンプリングを行なうようにしているの
で、偏りの無いサンプルデータを収集することができ、
誤差を含まないと仮定したバーニア演算手段による真の
検出絶対位置と仮検出位置との差を更に正確に求めるこ
とができる。

【００５４】また、請求項４記載の絶対位置検出エンコ
ーダによれば、仮検出位置から真検出位置へと検出絶対
位置の出力が滑らかに移行されるので、絶対位置検出エ
ンコーダの出力を利用した制御の上で好ましい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の絶対位置検出エンコーダの実施の一形
態を示す概略機能ブロック図である。

【図２】本発明の絶対位置検出エンコーダの処理の一例
を示すフローチャートである。

【図３】本発明の絶対位置検出エンコーダの処理の一例
を示すフローチャートである。

【図４】本発明の絶対位置検出エンコーダの処理の一例
を示すフローチャートである。

【図５】本発明の絶対位置検出エンコーダの処理の一例
を示すフローチャートである。

【図６】正弦波情報の検出において一周期における誤差
の積分値（累積値）は約０となる例を説明するためのグ
ラフであり、縦軸は位相を、横軸は波長を示す。

【図７】バーニア演算手段による実際の検出絶対位置
と、誤差を含まないと仮定したバーニア演算手段の絶対
位置と、仮検出位置との関係を示すグラフであり、縦軸
は検出値（ｖＰｏｓ，ｉＰｏｓ）を、横軸は空間軸（実
際の移動量に相当する。）を示す。

【図８】（Ａ）は真検出位置演算手段により高精度化さ
れたバーニア演算手段による検出絶対位置と、一のトラ
ック上における位相及び波長との関係を示すグラフであ
り、（Ｂ）は一のトラック上における位相及び波長の値
から予測される検出位置の分布の様子を示すグラフであ
り、（Ｃ）は真検出位置演算手段により高精度化された
バーニア演算手段による検出絶対位置から予測される検
出位置の分布の様子を示すグラフである。

【図９】異なる波長を有する正弦波情報をそれぞれ記録
してなる２つのトラックの一例を示した概略図である。

【図１０】バーニア式絶対位置検出エンコーダによる絶
対位置を検出する原理を説明するための図である。

【図１１】従来の並列符号化方式を適用した絶対位置検
出エンコーダの動作原理を示す概略構成図である。

【図１２】従来のＭ系列符号を用いた直列符号化方式の
絶対位置検出エンコーダの動作原理を示す概略構成図で
ある。

【符号の説明】

１バーニア演算手段２仮検出位置演算手段３真検出位置演算手段４補正手段５Ａ，５Ｂトラック

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】異なる波長を有する正弦波情報をそれぞ
れ記録してなるトラックに対してそれぞれの位相を求め
て該位相の差分を求めることで絶対位置を求めるバーニ
ア演算手段と、前記バーニア演算手段により求めた絶対
位置を初期絶対位置とし、少なくとも一の前記トラック
上における移動量を求めて該移動量を前記初期絶対位置
に累積加算して仮検出位置を求める仮検出位置演算手段
と、前記バーニア演算手段と前記仮検出位置演算手段と
の各々の演算値をサンプリングし、該サンプリングした
前記バーニア演算手段の演算値と前記仮検出位置演算手
段の演算値との差を累積加算し、該累積加算した値を前
記サンプリングした回数で除して平均値とし、該平均値
を前記仮検出位置に加算して真検出位置を求める真検出
位置演算手段とを備えてなることを特徴とする絶対位置
検出エンコーダ。
【請求項２】前記真検出位置演算手段は、少なくとも
一の前記トラックに記録された正弦波情報の波長倍数分
の移動間に等間隔で上記サンプリングを行なうことを特
徴とする請求項１記載の絶対位置検出エンコーダ。
【請求項３】前記真検出位置演算手段は、同じ位置に
ついては１度のみ上記サンプリングを行なうようにした
ことを特徴とする請求項１または２に記載の絶対位置検
出エンコーダ。
【請求項４】前記仮検出位置と前記真検出位置とを重
み付けをして平均化し、徐々に前記仮検出位置の重みを
下げるとともに前記真検出位置の重みを上げていく補正
手段を備えてなることを特徴とする請求項１から３のい
ずれかに記載の絶対位置検出エンコーダ。