JP2537146B2 - 変位測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は被測定物体の回転状態や移動状態等の変位を
測定する変位測定装置に関し，特に被測定物体に連絡し
たチャート板上に設けた周期的若しくは所定模様の格子
部に光束を入射させ，該格子部からの反射光や透過光を
検出したり若しくは該格子部より生ずる回折光を互いに
干渉させて干渉稿を形成し，この干渉稿を検出したりし
て被測定物体の変位を求める変位測定装置に関するもの
である。

（従来の技術） 従来より産業用工作機械における移動物体の移動量検
出やロボットアームの回転移動，位置等の検出や回転機
構の回転量，回転速度等の検出を行う為の変位測定装置
として光電的なエンコーダが多く利用されてきている。

このうち被測定物体の回転量や回転速度を光電的に求
める為のロータリーエンコーダは例えば第８図（Ａ）に
示す構成よりなっている。同図に示すロータリーエンコ
ーダは回転軸80に連絡した円板85の周囲に透光部と遮光
部を等間隔に設けた，所謂メインスケール81とこれに対
応してメインスケールと等しい間隔で透光部と遮光部と
を設けた所謂固定のインデックススケール82との双方の
スケールを投光手段83と受光手段84で挟んで対向配置し
た所謂インデックススケール方式の構成を採っている。
この方法はメインスケールの回転に伴なって双方のスケ
ールの透光部と遮光部の間隔に同期した信号が得られ，
この信号を周波数解析して回転軸の回転速度の変動を検
出している。この為双方のスケールの透光部と遮光部と
のスケール間隔を細かくすればする程，検出精度を高め
ることができる、 この方式のロータリエンコーダはインクリメンタル式
エンコーダと呼ばれ、単位角度毎に一周期の信号を発生
させ，このときの周波数を計数することにより回転量を
求めている。そしてある回転位置からの相対的なずれ量
を常に計数して任意の位置を求めるようにしている。し
かし、このインクリメンタル式エンコーダは装置に電源
が入っていなかったり，計数できない状態で回転してし
まうと，その後電源を投入しても又，前の状態を記憶す
る機構を設けていても現在の位置を求めることが出来な
いという欠点を有している。

これに対して回転状態の絶対変位を求めるロータリー
エンコーダとしてアブソリュート式エンコーダと呼ばれ
るものがある。このロータリーエンコーダは第８図
（Ｂ）に示すように回転軸80に連結した円板85の半径の
異なる周上に透光部と遮光部を規則的に配列する際，半
径方向における透光部と遮光部との組合わせ（コード）
86が単位角度毎に異なるように構成している。そして半
径方向の異なる周上に対応して各々コード86を読み取る
為の複数の光源より成る投光手段83と複数の受光素子よ
り成る受光手段84を対向配置している。そしてこのとき
のコードを読み取ることにより円板85の特定角度を求め
ている。

このロータリーエンコーダは円板85上に設けたコード
を読み取った時点で，そのときの絶対位置を知ることが
できる。従って装置に電源が入っていない間の読み取り
は出来ないが，回転の後に電源を投入すれば回転後の正
しい絶対位置を読み取ることができる。この為産業用ロ
ボットや工作機械等では電源の突然のOFF等不測の事態
が起っても変位測定手段であるロータリーエンコーダの
情報が誤らない為アブソリュート式エンコーダが利用さ
れる場合が多い。しかしながらアブソリュート式エンコ
ーダは検出精度や分解能を高めるにはコードの要素（ビ
ット）を多くしなければならず，この結果半径の異なる
周上（トラック）に設ける情報量が増大し，半径方向が
長くなり円板が大型化してくる欠点があった。

（発明が解決する為の問題点） 本発明はインクリメント式エンコーダとアブソリュー
ト式エンコーダとを一定の関係で組み合わせることによ
り，被測定物体の回転や移動等の変位検出が高精度でか
つ高分解能で求めることができる変位測定装置の提供を
目的とする。

（問題点を解決するための手段） 本発明の変位測定装置は、被測定物体に連結したチャ
ート板にアブソリュート信号を発生させる為の符号部
と、該符号部の各一要素に対して複数のインクリメンタ
ル信号を発生させる為の規則的に配列した格子部とを設
けた変位測定装置において、 前記符号部の各一要素に対して、基準位置格子部を前
記チャート板上に設け、前記基準位置格子部に光を入射
させ、前記基準位置格子部からの光を２つの受光素子で
検出し、前記２つの受光素子からの信号の差信号を利用
して、前記インクリメンタル信号の精度と同等もしくは
それ以上となる基準位置信号を発生させ、前記基準位置
信号の発生のタイミングで前記アブソリュート信号を読
み取り、該アブソリュート信号と前記インクリメンタル
信号とを用いることにより前記被測定物体の変位を検出
することを特徴としている。

（実施例） 第１図は本発明をロータリーエンコーダに適用したと
きの一実施例の光学系の概略図である。同図において１
は回転用のチャート板であり不図示の被測定物体に連結
されている。1Aはインクリメンタル信号を発生させる為
の格子部であり，チャート板１の外周部に回転軸10を中
心に放射状上に規則的に配列されている。2Aは読み取り
装置で格子部1Aを介してインクリメンタル信号を得てい
る。

1Bは必要に応じて設けられる基準位置信号を得る為の
基準位置格子部であり，格子部1Aの内側に隣接して設け
られている。2Bは読み取り装置であり基準位置格子部1B
を介して基準位置信号を得ている。1Cはアブソリュート
信号を得る為の符号部であり，透過部と遮光部による２
進数のコードより成り，基準位置格子部1Bの内側に隣接
して設けられている。2Cは読み取り装置であり，符号部
1Cを介してアブソリュート信号を得ている。Ｌは光束,3
Aは反射手段でありチャート板１上の格子部1Aに入射
し，回析してきた回析光を元の位置に入射させるべく反
射させている。

尚 同図には図示しないが２つの読み取り装置2B,2C
に対してチャート板１を挟んで光源が各々設けられてい
る。

本実施例ではチャート板１上の各々の格子部に入射さ
せた光束の直接反射光，直接透過光若しくは反射又は透
過の回析光を各々の読み取り装置により検出することに
より，各々所定の信号を得ている。

例えば光源からの光束をチャート板１上の格子部1Aに
入射させ，格子部1Aからの透過光束を検出し，このとき
の周期数を計数したり，若しくは格子部1Aから生ずる２
つの回析光を互いに干渉させて干渉稿を形成し，このと
きの干渉稿の明暗を計数することにより被測定物体の回
転状態を求めている。

第２図は第１図の各読み取り装置2A,2B,2Cから得られ
る信号の説明図である。同図においてａは読み取り装置
2Aより得られるインクリメンタル信号,bは読み取り装置
2Bより得られる基準位置信号,C1,C2,C3,−−−は各々読
み取り装置2Cより得られるアブソリュート信号である。

本実施例では基準位置信号の精度がインクリメンタル
信号の精度と同等若しくはそれ以上となるように各要素
を設定している。具体的には、第２図に示すように基準
位置信号ｂのパルス幅がインクリメンタル信号ａのパル
ス幅よりも同等もしくはそれより急峻となるようにして
いる。このように基準位置信号を利用し，絶対位置を基
準位置信号が発生した瞬間に読み取ることによりアブソ
リュート信号の入れ替わり時の出力信号のあいまいさが
存在している場合の検出精度の低下を防止している。

このように本実施例ではアブソリュート信号とインク
リメンタル信号を同時に検出し，アブソリュート信号で
粗い分解能で高精度な絶対位置を検出し，各コード間を
インクリメンタル信号で補間するようにして高精度で，
しかも高分解能なエンコーダを達成している。

尚基準位置格子部1Bを設けないで基準位置信号を検出
しない場合には，多少精度が低下するがアブソリュート
信号の入れ替わり時点でインクリメンタル信号を読み取
るようにすれば良い。

第３図（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は各々本発明に係る変
位測定装置をリニアエンコーダーに適用した場合に基準
位置信号を検出するときの光学系の説明図である。尚本
実施例ではチャート板１上の各格子部の模様をリニアエ
ンコーダー用として一次元方向に配列している。

基準位置信号を得る為の基準位置格子部34を同図
（Ａ）では細い矩形を周期的に配列しており，同図
（Ｂ）では食い違いを有する２つの矩形を周期的に配列
しており，同図（Ｃ）では同図（Ｂ）の模様を発展させ
て２列の矩形模様を入れ替り模様で周期的に配列してい
る。

又各実施例において31は不図示の光源からの光束であ
り，ハーフミラー32で反射させた後シリンドリカルレン
ズ33を介して格子部34に入射させている。そして格子部
34からの反射光束をシリンドリカルレンズ33,ハーフミ
ラー32を介して読み取り装置35に導光している。読み取
り装置35は例えば２つの受光素子35A,35Bを有しており
チャート板１の移動に伴い反射光束を時系列的に読み取
るようにしている。

尚36はインクリメンタル信号を得る為の格子部,37は
アブソリュート信号を得る為の符号部である。第３図
（Ａ）では格子部34に矩形の線幅の略２倍程度に集束し
た光束を入射させ格子部34からの反射光束を読み取り装
置35で受光している。読み取り装置35で得られる信号は
チャート板１の移動に伴い例えば第４図（Ａ）の如くに
なる。本実施例では２つの受光素子35A,35Bからの出力
信号より第４図（Ｂ）に示すような差信号をつくり，こ
の差信号を微分することにより２つの受光素子35A,35B
の出力レベルが一致した瞬間に第４図（Ｃ）に示すよう
なパルス信号が発生するようにしている。これにより第
２図ｂに示すような基準位置信号を得ている。

尚本実施例ではチャート板１を回転円板より構成し，
半径7mmの位置に線幅５μｍの矩形状の反射体より成る
格子部を設け，線幅10μｍ程度の光束を格子部に入射さ
せることにより８角度秒の再現性のある精度を有するロ
ータリーエンコーダーを達成している。

第３図（Ｂ），（Ｃ）に示す実施例における読み取り
装置からは各々第４図（Ｄ），（Ｆ）に示す信号が得ら
れる。そして前述と同様にこれら２つの信号から第４図
（Ｅ），（Ｇ）に示す差信号をつくり，この差信号を微
分し,2つの出力レベルが一致した瞬間にパルス信号を発
生させるようにして第４図（Ｃ）に示すような基準位置
信号を得ている。このように、本実施例では、基準位置
格子部を介した光を２つの受光素子から基準位置信号を
得ると共に、このときの検出精度がインクリメンタル信
号の検出精度と同等もしくはそれ以上となるようにして
いる。これにより、次のような効果を得ている。

一般に、アブソリュート信号の入れ替わり時に発生さ
せる基準位置信号によって、インクリメンタル信号のカ
ウンターはリセットされる。

その際、インクリメンタル信号より基準位置信号の精
度が悪いと、アブソリュート信号用の１つの符号内のイ
ンクリメンタル信号の計数値が予め決められた値（数）
と異なってしまうことがある。その為にインクリメンタ
ル信号を発生する為の手段と同一の手段で基準位置信号
を得る方法が考えられるが、基準位置格子等の製造誤差
により、その基準位置信号の精度はインクリメンタル信
号の精度より悪くなったり良くなたりする可能性があ
る。

そこで本実施例では、基準位置格子部からの光を２つ
の受光素子で検出し、２つの受光素子からの差信号を用
いて、基準位置信号を発生させるようにし、これにより
インクリメンタル信号の精度と必ず同等もしくはそれ以
上となる基準位置信号を得ている。

そして常に１つの符号内において予め決められたイン
クリメンタル信号の計数値を得て、高精度な絶対位置測
定を達成している。

第５図（Ａ），（Ｂ）は本発明に係るチャート板１上
のアブソリュート信号を得る為の符号格子部の他の実施
例の説明図である。第５図（Ａ），（Ｂ）において51は
アブソリュート信号を得る為の符号格子部で，透過光量
若しくは反射光量がチャート板１の１回転で１周期の連
続的な変化をする部材，例えば連続的に濃度が変わるND
フィルター等から成っている。このうち第５図（Ａ）は
符号格子部51が１つの部材，第５図（Ｂ）は２つの部材
から成っている。

第６図（Ａ），（Ｂ）は各々第５図（Ａ），（Ｂ）に
示すチャート板１を用いたときの各読み取り装置から得
られる出力信号の説明図である。第６図（Ａ）における
出力信号Ｃは第５図（Ａ）の符号格子部51を介して得ら
れる信号であり，第６図（Ｂ）における出力信号C1,C2
は第５図（Ｂ）の符号格子部51を介して得られる信号で
ある。第６図（Ｂ）においては２つの出力信号C1,C2を
組み合わせることにより絶対位置をより高精度に求める
ことができる。

第５図（Ａ），（Ｂ）に示す各実施例においては基準
位置格子部ａの間隔はアナログアブソリュート信号Ｃ又
はC1,C2の信号レベルを十分分離，判別できる領域で自
由に設定することができる。このときの精度は基準位置
格子部の記録精度さえ維持しておけば，インクリメンタ
ル信号程度の再現性のある精度を確保することができ
る。

尚以上の各実施例におけるチャート板１上に設けた格
子部，符号部そして基準位置格子部の配置の順番は任意
であっても良い。又各格子部からの光束は反射光束を用
いても又は透過光束を用いても良い。又本実施例はロー
タリーエンコーダーに限らずリニアエンコーダーに適用
しても全く同様である。

以上の各実施例において得られた基準位置信号の処理
はアブソリュート信号と略等価に次のように扱うことが
できる。

例えば第１の方法としては第７図（Ａ）に示すように
基準位置信号の発生の度にアブソリュート信号を読み取
って次の基準位置信号が入力されるまで保持しておく。
又基準位置信号の発生の度にインクリメンタル信号のカ
ウンター72の数値を零に戻すようにする。そうするとア
ブソリュート信号によって概略の位置を検知しインクリ
メンタル信号でその間を計数する際にアブソリュート信
号の切り替わりのタイミングの精度とインクリメンタル
信号の精度のアンバランスが生じない、即ちアブソリュ
ート信号の切り替わりのタイミング精度（基準位置信号
の精度）がインクリメンタル信号の精度より悪くなるこ
とがないのでインクリメンタル信号による数値とアブソ
リュート信号による数値の組み合わせにより，そのまま
高精度で高分解能なアブソリュート信号となる。

基準位置信号は読み取り装置2Bによってある回転角度
毎に発生する。アブソリュート信号は読み取り装置2Cに
よって常に出力しておき基準位置信号の発生のタイミン
グでメモリ群73に各々記憶させる。即ち、基準位置信号
の発生のタイミングでアブソリュート信号を読み取って
いる。そして、直ちに読み出してデコーダ部71の上位の
桁部に入力しておく。インクリメンタル信号は読み取り
装置2Aによって発生させ，その周期をカウンター72によ
り計数し，その値の符号を出力し，デコーダ部71の下位
の桁部に入力しておく。このカウンタ72は基準位置信号
が入力されるとリセットされるようにしておく。

この他 第２の方法としては第７図（Ｂ）に示すよう
に最初の基準位置信号の発生時にアブソリュート信号を
読み取って初期値を記憶しておき，更にインクリメンタ
ル信号のカウンター72をリセットにしておく。そして以
降はアブソリュート信号の再読み取りとインクリメンタ
ル信号のカウンターのリセットを行なわないでカウンタ
72の出力符号の更新分のみでデコーダ部74のデータを変
更するように構成している。

このような方法によれば駆動時に最初に発生した基準
位置信号で絶対位置の値を検知し，その値をインクリメ
ンタル信号によって減算又は加算することで高精度で高
分解能なアブソリュート信号になる。

基準位置信号は読み取り装置2Bによって，ある回転角
度毎に発生させる。回路74は最初の基準位置信号のみが
取り出され，以降の基準位置信号は出力されない構成に
しておく。アブソリュート信号は読み取り装置2Cによっ
て常に出力しておき回路74より出力される基準位置信号
のタイミングでゲート75を通ってデコーダ部71の上位の
桁部に入力される。これにより初期値の設定が行なわれ
る。インクリメンタル信号は読み取り装置2Aによって発
生し，その周期をカウンター72により計数し，その値の
符号を出力しデコーダ部71の下位の桁部に入力してお
く。このカウンター72は回路74により得られる基準位置
信号が入力されるとリセットされるようにしておく。

以上の各実施例における基準位置信号は高精度なイン
クリメンタル式エンコーダと低精度のアブソリュート式
エンコーダとを組み合わせて高精度で高分解能なエンコ
ーダーを実現するのに有効であるが，低分解能のアブソ
リュート式エンコーダに常に付加するだけでも精度向上
を図る効果がある。

特に基準位置格子部が精度良く設けられているならば
アブソリュート信号の入れ替わりによる検出よりも，よ
り高精度の検出が可能となる。

（発明の効果） 以上のように本発明によればチャート板よりインクリ
メンタル信号とアブソリュート信号を同時に読み取り，
これらの信号を用いることにより被測定物体の変位を高
精度でかつ高分解能で求めることのできる変位測定装置
を達成することができる。

即ちアブソリュート信号で粗い分解能で高精度に絶対
位置を検出し，各コード間をインクリメンタル信号で補
間することにより，高精度，高分解能な変位測定装置を
達成することができる。

又 同時に基準位置信号を検出する為の手段を設け，
前記２つの信号と組み合わせて用いれば更に高精度，高
分解能な変位測定装置を達成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明をロータリーエンコーダーに適用したと
きの一実施例の光学系の概略図，第２図は第１図の実施
例より得られる信号の説明図，第３図（Ａ），（Ｂ），
（Ｃ）は各々本発明において基準位置信号を得る場合の
他の実施例の説明図，第４図（Ａ）〜（Ｇ）は第３図
（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）に示す実施例より得られる信号
の説明図，第５図（Ａ），（Ｂ）は各々本発明において
アブソリュート信号を得る場合の他の実施例の説明図，
第６図（Ａ），（Ｂ）は各々第５図（Ａ），（Ｂ）に示
す実施例より得られる信号の説明図，第７図（Ａ），
（Ｂ）は各々本発明における出力信号の処理に関する−
実施例の説明図，第８図（Ａ），（Ｂ）は各々従来のイ
ンクリメンタル式ロータリーエンコーダとアブソリュー
ト式ロータリーエンコーダの光学系の概略図である。図
中１はチャート板,1A,36は格子部,1B,34は基準位置格子
部,1C,37は符号格子部,2A,2B,2C,35は各々読み取り装
置、10は回転軸である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 築地 正彰 川崎市高津区下野毛770番地 キヤノン 株式会社玉川事業所内 (72)発明者 佐藤 力 川崎市高津区下野毛770番地 キヤノン 株式会社玉川事業所内 (56)参考文献 特開 昭58−204314（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−92312（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−204314（ＪＰ，Ａ) 実開 昭58−160313（ＪＰ，Ｕ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被測定物体に連結したチャート板にアブソ
   リュート信号を発生させる為の符号部と、該符号部の各
   一要素に対して複数のインクリメンタル信号を発生させ
   る為の規則的に配列した格子部とを設けた変位測定装置
   において、 前記符号部の各一要素に対して、基準位置格子部を前記
   チャート板上に設け、前記基準位置格子部に光を入射さ
   せ、前記基準位置格子部からの光を２つの受光素子で検
   出し、前記２つの受光素子からの信号の差信号を利用し
   て、前記インクリメンタル信号の精度と同等もしくはそ
   れ以上となる基準位置信号を発生させ、前記基準位置信
   号の発生のタイミングで前記アブソリュート信号を読み
   取り、該アブソリュート信号と前記インクリメンタル信
   号とを用いることにより前記被測定物体の変位を検出す
   ることを特徴とする変位測定装置。