JP2736924B2 - Position detection device - Google Patents

Position detection device

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JP2736924B2
JP2736924B2 JP1184366A JP18436689A JP2736924B2 JP 2736924 B2 JP2736924 B2 JP 2736924B2 JP 1184366 A JP1184366 A JP 1184366A JP 18436689 A JP18436689 A JP 18436689A JP 2736924 B2 JP2736924 B2 JP 2736924B2
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absolute position
periodic pattern
pitch
displacement
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陽 氷室
雅昭 久須美
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【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、例えば工作機械や精密測長機等に使用して
好適な位置検出装置に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Industrial Application Field] The present invention relates to a position detecting device suitable for use in, for example, a machine tool or a precision length measuring machine.

〔発明の概要〕[Summary of the Invention]

本発明は、例えば工作機械や精密測長機等に使用して
好適な位置検出装置において、周期的なパターンが形成
された第1のスケールと、この第1のスケールと平行に
配されその周期的なパターンの絶対位置をコード化して
成る非周期的なパターンが形成された第2のスケール
と、その第1のスケールに対して相対変位自在でその周
期的なパターンに対応する位相検出信号を生成する第1
の検出器と、この第1の検出器と連動してその第2のス
ケールに対して相対変位自在でその非周期的なパターン
に対応する絶対位置信号を生成する第2の検出器と、そ
の位相検出信号よりその周期的なパターンの1ピッチ内
の絶対位置を検出する第1の検出回路と、その絶対位置
信号よりその周期的なパターンの1ピッチ毎の絶対位置
を検出する第2の検出回路とを有し、それら第1及び第
2のスケールとそれら第1及び第2の検出器との相対変
位量をその非周期的なパターンの全長に亘ってその周期
的なパターンの1ピッチ内の絶対位置として検出する様
にその第1のスケールに重畳してその第2のスケールを
形成することにより、スケール部分を小型化するように
したものである。
The present invention relates to a position detection device suitable for use in, for example, a machine tool or a precision length measuring device, wherein a first scale on which a periodic pattern is formed and a first scale arranged in parallel with the first scale are provided. A second scale having a non-periodic pattern formed by encoding the absolute position of a periodic pattern, and a phase detection signal corresponding to the periodic pattern that is freely displaceable relative to the first scale. First to generate
A second detector for generating an absolute position signal corresponding to the aperiodic pattern that is relatively displaceable with respect to the second scale in conjunction with the first detector; A first detection circuit for detecting an absolute position within one pitch of the periodic pattern from a phase detection signal, and a second detection circuit for detecting an absolute position of the periodic pattern for each pitch from the absolute position signal And a relative displacement between the first and second scales and the first and second detectors within one pitch of the periodic pattern over the entire length of the aperiodic pattern. By forming the second scale by superimposing it on the first scale so as to detect the absolute position, the scale portion is reduced in size.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

工作機械等においては例えば加工具の送り量を検出す
るために、一方の部材に周期的なパターンの目盛が形成
されたスケールを配し、他方の部材にその目盛をセンサ
により読取って周期的な電気信号を生成する検出器を配
し、その電気信号をパルス化して積算計数することによ
りそれら一方の部材と他方の部材との相対変位量を測定
できるようにした所謂インクリメンタル(incrementa
l)方式の変位検出装置が使用されている。しかしなが
ら、この種のインクリメンタル方式の変位検出装置では
次のような欠点がある。
In a machine tool or the like, for example, in order to detect the feed amount of a processing tool, a scale having a scale of a periodic pattern formed on one member is arranged, and the scale is read by a sensor on the other member to periodically perform the scale. A so-called incrementala in which a detector for generating an electric signal is arranged, and the electric signal is pulsed and accumulated and counted to measure the relative displacement between the one member and the other member.
l) A type of displacement detection device is used. However, this kind of incremental displacement detection device has the following disadvantages.

例えば作業を中断して電源を切った後や停電事故の
後に作業を再開するような場合には、その積算計数値が
失われているので別途設けた原点設定器によって座標系
の原点設定作業(イニシャライズ)を行う必要がある。
即ち、作業性に劣る。
For example, when the work is interrupted, the power is turned off, or the work is resumed after a power failure, the accumulated count value is lost. (Initialize).
That is, workability is poor.

他の工作機械等からのノイズにより作業の途中で一
度でも誤計数が発生するとそれ以後のその積算計数値は
全て誤りとなってしまうため、再びイニシャライズが必
要となる。即ち、耐ノイズ性に劣る。
If an erroneous count occurs even once during the operation due to noise from another machine tool or the like, all subsequent integrated count values become erroneous, so that initialization is necessary again. That is, the noise resistance is poor.

計数パルスを常時計数する方式であるため応答速度
が制限される。
Since the counting pulse is always counted, the response speed is limited.

上述の〜の欠点を全て解消するために、相対変位
する二部材の一方の部材に或る原点からの絶対位置を示
す非周期的なパターンの目盛が形成されたスケールを配
し、他方の部材にその目盛を読取るセンサを有する検出
器を配し、それら二部材間の相対変位量をそのスケール
上の原点からの絶対位置として検出するようにした所謂
アブソリュート(absolute)方式の位置検出装置が各種
提案されている。
In order to solve all of the above-mentioned disadvantages (1) and (2), a scale on which a scale of a non-periodic pattern indicating an absolute position from a certain origin is formed is arranged on one of the two members relatively displaced, and the other member is provided. There are various types of so-called absolute type position detecting devices in which a detector having a sensor for reading the scale is disposed and the relative displacement between the two members is detected as an absolute position from the origin on the scale. Proposed.

第5図は特公昭50−23618号公報にて開示されている
従来の磁気式のアブソリュート方式の位置検出装置を示
し、この第5図において、(1)は磁性材より成るスケ
ールであり、このスケール(1)にはピッチλの磁気
目盛(2)及びピッチλ(λ<λ)の磁気目盛
(3)が平行に形成されている。また、(4A)及び(4
B)は夫々磁気目盛(2)を読取るための一対の磁束応
答型の磁気ヘッド、(5)は1ピッチλ内の位相θ
(絶対位置)を検出するための位相検出回路、(6A)及
び(6B)は夫々磁気目盛(3)を読取るための一対の磁
束応答型の磁気ヘッド、(7)は1ピッチλ内の位相
θを検出するための位相検出回路を示す。
FIG. 5 shows a conventional magnetic absolute type position detecting device disclosed in Japanese Patent Publication No. 50-23618. In FIG. 5, (1) is a scale made of a magnetic material. scale (1) the pitch lambda 1 of the magnetic scale (2) and pitch lambda 2 (lambda 2 <lambda 1) magnetic scale (3) of are formed in parallel. (4A) and (4
B) The magnetic head of the pair of magnetic flux response type for reading the respective magnetic scale (2), (5) the phase theta 1 in one pitch lambda 1
Phase detection circuit for detecting the (absolute position), (6A) and (6B) of the pair of magnetic flux response type magnetic head for reading the respective magnetic scale (3), (7) within one pitch lambda 2 showing a phase detection circuit for detecting the phase theta 2.

位相検出回路(5)から磁気ヘッド(4A)及び(4B)
に対しては定数A及び励磁周波数f/2を用いて夫々次の
式で表わされる励磁信号IA及びIBが供給される。
From phase detection circuit (5) to magnetic heads (4A) and (4B)
Is the excitation signal I A and I B of the formula each follows using constants A and the excitation frequency f / 2 is supplied for.

IA=A cosπft ……(1) IB=A cos(πft+π/4) ……(2) また、磁気ヘッド(4A)と磁気ヘッド(4B)との間隔
を(n+1/4)λ(nは整数)、それら磁気ヘッド(4
A)及び(4B)とスケール(1)との磁気目盛(2)及
び(3)の左端を原点とした相対変位量(絶対位置)を
xとすると、磁気ヘッド(4A)及び(4B)からは定数A1
を用いて夫々次の式で表わされる位相検出信号KA及びKB
が位相検出回路(5)へ供給される。
I A = A cosπft (1) I B = A cos (πft + π / 4) (2) Also, the interval between the magnetic head (4A) and the magnetic head (4B) is (n + 1/4) λ 1 ( n is an integer) and their magnetic heads (4
Assuming that the relative displacement (absolute position) of the magnetic scales (2) and (3) of the magnetic scales (A) and (4B) and the scale (1) with the left end as the origin is x, the magnetic heads (4A) and (4B) Is the constant A 1
And the phase detection signals K A and K B represented by the following equations, respectively.
Is supplied to the phase detection circuit (5).

KA=A1 sin(2πx/λ)cos2πft ……(3) KB=A1 cos(2πx/λ)sin2πft ……(4) そして、位相検出回路(5)においてはそれら位相検
出信号KAとKBとを加算して変位信号dを形成し、 d=KA+KB =A1 sin(2πft+2πx/λ) =A1 sin(2πft+θ) ……(5) θ=2πx/λ ……(6) この変位信号dの位相量θ(0〜2π)を測定す
る。この位相量θと変位量xとの関係は第6図Aに示
す如くなり、例えば位相量θがπの場合にはその変位
量xがx0,x1,x2,x3……のいずれなのかの判別はできな
いが、磁気目盛(2)の1ピッチλの範囲内では位相
量θが0〜2πの或る値をとるため、その変位量xを
絶対位置として検出することができる。
K A = A 1 sin (2πx / λ 1 ) cos2πft (3) K B = A 1 cos (2πx / λ 1 ) sin2πft (4) And, in the phase detection circuit (5), these phase detection signals The displacement signal d is formed by adding K A and K B, and d = K A + K B = A 1 sin (2πft + 2πx / λ 1 ) = A 1 sin (2πft + θ 1 ) (5) θ 1 = 2πx / λ 1 (6) The phase amount θ 1 (0 to 2π) of the displacement signal d is measured. The relationship between the phase amount θ 1 and the displacement amount x is as shown in FIG. 6A. For example, when the phase amount θ 1 is π, the displacement amount x is x 0 , x 1 , x 2 , x 3 . Although it is not possible to determine which of the above, but within the range of one pitch λ 1 of the magnetic scale (2), the phase amount θ 1 takes a certain value of 0 to 2π, so the displacement amount x is detected as an absolute position. can do.

同様に位相検出回路(7)においては第6図Bに示す
如く、変位量xについて周期λで0〜2πの値を採る
位相量θが測定される。従って、 θ=2πx/λ ……(7) が成立している。
Similarly, in the phase detection circuit (7) is as shown in Figure 6 B, the phase amount theta 2 takes a value of 0~2π in period lambda 2 is measured for displacement x. Accordingly, the following holds: θ 2 = 2πx / λ 2 (7)

それら位相量θ及びθは絶対位置検出回路(8)
に供給され、この絶対位置検出回路(8)においては先
ず位相差Δθ(=θ−θ)が計算される。この位相
差Δθは式(6)及び(7)より次のように表わされ
る。
They phase amount theta 1 and theta 2 absolute position detection circuit (8)
The absolute position detection circuit (8) first calculates a phase difference Δθ (= θ 2 −θ 1 ). This phase difference Δθ is expressed as follows from equations (6) and (7).

Δθ=θ−θ =2πx(1/λ−1/λ) =2πx(λ−λ)/(λλ) ……(8) 更に、その式(8)より x=(Δθ/2π)λλ2/(λ−λ)……(9) となり、λ及びλは既知であるため、その絶対位置
検出回路(8)は式(9)よりその変位量xを計算して
表示器(9)へ供給する。この場合、 0≦Δθ<2π ……(10) の範囲内であればその変位量xの値は一義的に求められ
るため、その変位量xが絶対位置として正確に測定でき
る最大測定長Lは L=λλ2/(λ−λ) ……(11) で表わされる。従って、この変位量xと位相差Δθとの
関係は第6図Cに示す如くなる。更に、式(9)におい
て位相差Δθは一般に2πの1000分の1程度の分解能で
測定できるため、その変位量xの測定分解能Δxは Δx≒L×10-3 ……(12) 程度となる。λ及びλとして具体的な数値を代入し
た場合の最大測定長L及び測定分解能Δxの値を表1に
示す。
Δθ = θ 2 −θ 1 = 2πx (1 / λ 2 −1 / λ 1 ) = 2πx (λ 1 −λ 2 ) / (λ 1 λ 2 ) (8) Further, from the expression (8), x = (Δθ / 2π) λ 1 λ 2 / (λ 1 −λ 2 ) (9) Since λ 1 and λ 2 are known, the absolute position detection circuit (8) is obtained from the equation (9). The displacement x is calculated and supplied to the display (9). In this case, if 0 ≦ Δθ <2π (10), the value of the displacement x can be uniquely obtained, so the maximum measurement length L at which the displacement x can be accurately measured as an absolute position is L = λ 1 λ 2 / (λ 1 −λ 2 ) (11) Accordingly, the relationship between the displacement x and the phase difference Δθ is as shown in FIG. 6C. Further, in equation (9), the phase difference Δθ can generally be measured with a resolution of about one thousandth of 2π, so the measurement resolution Δx of the displacement x is about Δx ≒ L × 10 −3 (12) . Table 1 shows the values of the maximum measurement length L and the measurement resolution Δx when specific numerical values are substituted for λ 1 and λ 2 .

また、従来の他のアブソリュート方式の位置検出装置
として第7図に示すようなグレイコードを用いた装置も
知られている。この第7図において、(10)はkビット
のグレイコード(11)が形成された透光性のスケール、
(12)は発光素子、(13)はコリメータレンズ、(14)
はグレイコード(11)に対応する参照窓(15)が形成さ
れたインデックス板、(16)はグレイコード(11)に対
応するk個の受光素子を示し、発光素子(12)〜受光素
子(16)を有する検出器がそのスケール(10)に対して
x方向に変位自在に配されている。そのグレイコード
(11)の分解能をλとすると、その検出器の受光素子
(16)より出力される電気信号をデコードして得られた
装置にそのλを乗ずることにより、そのスケール(1
0)に対するその検出器の変位量xが分解能λの絶対
位置として求められる。
Further, as another conventional absolute position detecting device, a device using a gray code as shown in FIG. 7 is also known. In FIG. 7, (10) is a translucent scale on which a k-bit gray code (11) is formed,
(12) is a light emitting element, (13) is a collimator lens, (14)
Denotes an index plate on which a reference window (15) corresponding to the gray code (11) is formed, and (16) denotes k light receiving elements corresponding to the gray code (11). A detector having 16) is disposed so as to be displaceable in the x direction with respect to the scale (10). When the resolution of the gray code (11) and lambda 3, by multiplying the lambda 3 to the device obtained by decoding the electric signals output from the light receiving element (16) of the detector, the scale (1
Displacement x of the detector relative 0) is calculated as an absolute position resolution lambda 3.

この場合、その変位量xを絶対位置として正確に測定
できる最大測定長Lは L=λ×2k ……(13) となり、例えば分解能λを1mm、kを10とすると、そ
の最大測定長Lは1024mmとなる。
In this case, the maximum measurement length L that can accurately measure the displacement x as an absolute position is L = λ 3 × 2 k (13). For example, if the resolution λ 3 is 1 mm and k is 10, the maximum measurement length The length L is 1024 mm.

〔発明が解決しようとする課題〕[Problems to be solved by the invention]

しかしながら、上述の従来のアゾソリュート方式の位
置検出装置の内で第5図例のものは、最大測定長Lを実
用的な値である1000mm程度に設定すると分解能Δxが式
(12)より1mm程度となり、分解能が極めて悪い不都合
があった。
However, among the above-mentioned conventional azo-solut type position detecting devices, the one shown in FIG. 5 has a resolution Δx of approximately 1 mm from the expression (12) when the maximum measuring length L is set to a practical value of approximately 1000 mm. And there was a disadvantage that the resolution was extremely poor.

尚、上述の特公昭50−23618号公報(第5図例)に
は、変位量xからスケール(1)のピッチλ単位の絶
対位置を特定し、最終的にその変位量xの分解能をその
ピッチλの例えば10-3程度まで大幅に改善できること
が開示されているが、そのピッチλ単位での絶対位置
を正確に測定しようとすると最大測定長Lが制限される
不都合がある。
Note that the above-mentioned Japanese Patent Publication 50-23618 Patent Publication (Fifth illustrated example), the displacement x of the pitch lambda 1 unit of the scale (1) to identify the absolute position, the final resolution of the displacement x Although it is disclosed can be greatly improved to the pitch lambda 1 of example 10 about -3, there is a disadvantage that the maximum measurement length L is limited when trying to accurately measure the absolute position of its pitch lambda 1 units.

更に、第7図例の位置検出装置では分解能λは10μ
m程度が限界である。この場合そのスケールとして実用
的な限界である12ビット程度のグレイコードを形成した
スケールを使用した場合には、最大測定長LはΔx=0.
01mm且つ212=4096より40mm程度となり実用的でない不
都合がある。
Further, in the position detecting device of FIG. 7, the resolution λ 3 is 10 μm.
m is the limit. In this case, when a scale that forms a gray code of about 12 bits, which is a practical limit, is used as the scale, the maximum measurement length L is Δx = 0.
It is about 40 mm from 01 mm and 2 12 = 4096, which is not practical.

本発明は斯かる点に鑑み、最大測定長が例えば1000mm
のオーダーの実用的な範囲に設定できると共に、分解能
がインクリメンタル方式の変位検出装置並みの例えば1
μmのオーダーであるようなアブソリュート方式の位置
検出装置を提案することを目的とする。
In view of this, the present invention has a maximum measurement length of, for example, 1000 mm.
And the resolution can be set to, for example, 1 as high as that of an incremental displacement detection device.
It is an object of the present invention to propose an absolute position detecting device having an order of μm.

〔課題を解決するための手段〕[Means for solving the problem]

本発明位置検出装置は例えば第1図及び第2図に示す
如く周期的なパターン(20)が形成された第1のスケー
ル(18)と、この第1のスケール(18)と平行に配され
この周期的なパターン(20)の絶対位置をコード化して
成る非周期的なパターン(21)が形成された第2のスケ
ール(19)と、この第1のスケール(18)に対して相対
変位自在でこの周期的なパターン(20)に対応する位相
検出信号を生成する第1の検出器(23A)と、この第1
の検出器(23A)と連動してこの第2のスケール(19)
に対して相対変位自在でこの非周期的なパターン(21)
に対応する絶対位置信号を生成する第2の検出器(23
B)と、この位相検出信号よりこの周期的なパターン(2
0)の1ピッチ内の絶対位置を検出する第1の検出回路
(25)と、この絶対位置信号よりこの周期的なパターン
(20)の1ピッチ単位の絶対位置を検出する第2の検出
回路(32)とを有し、これら第1及び第2のスケール
(18)及び(19)とこれら第1及び第2の検出器(23
A)及び(23B)との相対変位量をこの非周期的なパター
ン(21)の全長に亘ってこの周期的なパターン(20)の
1ピッチ内の絶対位置として検出する際にこの第1のス
ケール(18)に重畳してこの第2のスケール(19)を形
成したものである。
The position detecting device of the present invention is arranged in parallel with the first scale (18) on which a periodic pattern (20) is formed as shown in FIGS. 1 and 2, for example. A second scale (19) on which a non-periodic pattern (21) formed by encoding the absolute position of this periodic pattern (20) is displaced relative to the first scale (18) A first detector (23A) that freely generates a phase detection signal corresponding to the periodic pattern (20);
This second scale (19) in conjunction with the detector (23A)
This aperiodic pattern that can be displaced relative to (21)
A second detector (23) for generating an absolute position signal corresponding to
B) and this periodic pattern (2
0), a first detection circuit (25) for detecting an absolute position within one pitch, and a second detection circuit for detecting the absolute position of this periodic pattern (20) in units of one pitch from the absolute position signal. (32), these first and second scales (18) and (19), and these first and second detectors (23).
When detecting the relative displacement with respect to (A) and (23B) as the absolute position within one pitch of the periodic pattern (20) over the entire length of the aperiodic pattern (21), This second scale (19) is formed so as to overlap the scale (18).

〔作用〕[Action]

本発明によれば、先ずその第2の検出回路(32)によ
ってその周期的なパターン(20)の1ピッチλ単位での
絶対位置が求められる。次で、その第1の検出回路(2
5)によってその周期的なパターン(20)の1ピッチλ
の範囲内での絶対位置が求められる。
According to the present invention, first, the absolute position of the periodic pattern (20) in units of one pitch λ is obtained by the second detection circuit (32). Next, the first detection circuit (2
5) one pitch λ of the periodic pattern (20)
The absolute position within the range is obtained.

従って、その第2のスケール(19)の非周期的なパタ
ーン(21)の長さをその周期的なパターン(20)の1ピ
ッチλ程度のオーダーの分解能で実用的な長さに設定す
ると共に、その周期的なパターン(20)の1ピッチλを
インクリメンタル方式の変位検出装置並のオーダーに設
定することにより、最大測定長が実用的な範囲に設定で
きると共に分解能をインクリメンタル方式並みに改善で
きる。
Therefore, the length of the aperiodic pattern (21) of the second scale (19) is set to a practical length with a resolution on the order of one pitch λ of the periodic pattern (20), and By setting one pitch [lambda] of the periodic pattern (20) to the same order as that of the incremental displacement detection device, the maximum measurement length can be set to a practical range and the resolution can be improved to the same level as the incremental type.

また、本発明によれば、スケール部分が小型化でき
る。
Further, according to the present invention, the scale portion can be downsized.

〔実施例〕〔Example〕

以下、本発明による位置検出装置の一実施例につき第
1図〜第4図を参照して説明しよう。
Hereinafter, an embodiment of the position detecting device according to the present invention will be described with reference to FIGS.

第1図は本例の位置検出装置を示し、この第1図にお
いて、(17)はスケールの基台であり、この基台(17)
を図示省略した相対変位する二部材の一方の部材に取付
け、この基台(17)の一面に磁性材より成る第1のスケ
ール(18)を取付け、この第1のスケール(18)を覆う
如く非磁性材(例えば非磁性のステンレスシート)より
成る第2のスケール(19)を取付ける。そして、その第
2のスケール(19)の一部(19a)を切欠いて示す如
く、その第1のスケール(18)のその第2のスケール
(19)との対接面にはピッチλの周期的な磁気目盛(2
0)を形成しておくと共に、その第2のスケール(19)
の外面には分解能λでkビットのグレイコード(21)
を形成しておく。このグレイコード(21)は例えば反射
性の第2のスケール(19)の外面においてハイレベル
“1"に相等する部分を除いて反射防止膜を蒸着する、そ
のハイレベル“1"に相等する部分を除いてエッチングに
より表面を粗面にする又は非反射性の第2のスケール
(19)の外面においてハイレベル“1"に相等する部分の
みに反射性の金属膜(クローム膜など)を蒸着する等の
方法により形成することができる。
FIG. 1 shows a position detecting device of the present example. In FIG. 1, (17) is a scale base, and this base (17)
Is attached to one of two members that are relatively displaced, not shown, and a first scale (18) made of a magnetic material is attached to one surface of the base (17) so as to cover the first scale (18). A second scale (19) made of a non-magnetic material (for example, a non-magnetic stainless sheet) is attached. Then, as shown by notching a part (19a) of the second scale (19), a period of the pitch λ is provided on a surface where the first scale (18) is in contact with the second scale (19). Magnetic scale (2
0) and its second scale (19)
K-bit gray code with resolution λ m (21)
Is formed. The gray code (21) is, for example, a portion corresponding to the high level "1" on which the antireflection film is deposited except for the portion corresponding to the high level "1" on the outer surface of the reflective second scale (19). A reflective metal film (such as a chrome film) is deposited only on a portion corresponding to a high level "1" on the outer surface of the non-reflective second scale (19) except for roughening the surface by etching, or And the like.

また、(22)は検出ヘッドを示し、この検出ヘッド
(22)をその基台(17)を取付けた一方の部材に対して
x方向に相対変位自在に配されている図示省略した他方
の部材に取付けると共に、この検出ヘッド(22)と図示
省略した信号処理装置とを信号ケーブル(22a)で接続
する。
Reference numeral (22) denotes a detection head, and the detection head (22) is arranged so as to be relatively displaceable in the x direction with respect to one of the members to which the base (17) is attached. The detection head (22) is connected to a signal processing device (not shown) by a signal cable (22a).

第2図はその検出ヘッド(22)の内部構造及び信号処
理装置を示し、この第2図において、(23A)は磁気目
盛(20)を読取るための第1の検出器、(23B)はグレ
イコード(21)を読取るための第2の検出器であり、そ
の第1の検出器(23A)は(n+1/4)λ(nは整数)だ
け離して配された一対の磁束応答性の磁気ヘッド(24
A)及び(24B)より形成する。また、(25)は位相検出
回路を示し、この位相検出回路(25)は第5図例の位相
検出回路(5)及び(7)と同様にそれら磁気ヘッド
(24A)及び(24B)に励磁信号を供給すると共に、それ
ら磁気ヘッド(24A)及び(24B)より出力される位相検
出信号を処理して検出ヘッド(22)の変位量xを位相量
θとして検出する。式(6)と同様にして、その位相量
θは θ=2πx/λ ……(6A) で表わされるので、その位相量θと変位量xとの関係は
第3図Bに示す如くなる。
FIG. 2 shows the internal structure of the detection head (22) and the signal processing device. In FIG. 2, (23A) is a first detector for reading the magnetic scale (20), and (23B) is gray. A second detector for reading the code (21), wherein the first detector (23A) is a pair of magnetic flux-responsive magnets spaced apart by (n + 1/4) λ (n is an integer); Head (24
Formed from (A) and (24B). Reference numeral (25) denotes a phase detection circuit. This phase detection circuit (25) excites the magnetic heads (24A) and (24B) similarly to the phase detection circuits (5) and (7) in FIG. In addition to supplying signals, the phase detection signals output from the magnetic heads (24A) and (24B) are processed to detect the displacement x of the detection head (22) as the phase θ. In the same manner as in the equation (6), the phase amount θ is represented by θ = 2πx / λ (6A). Therefore, the relationship between the phase amount θ and the displacement amount x is as shown in FIG. 3B.

その第2の検出器(23B)は発光素子(26)、コリメ
ータレンズ(27)、平行光線Lを第2のスケール(19)
の方向へ向けるハーフミラー(28)、その第2のスケー
ル(19)より反射されて来た平行光線Lを収束するシリ
ンドリカルレンズ(29)、グレイコード(21)に対応す
るk個の参照窓を有するインデックス板(30)及びk個
の受光素子より成る受光素子アレイ(31)より形成し、
この受光素子アレイ(31)のkビットの出力信号を絶対
位置コート検出回路(32)に供給し、この絶対位置コー
ド検出回路(32)はそのkビットの出力信号をデコード
して絶対位置データを得る。位相検出回路(25)にて得
られた位相量θ及び絶対位置コード検出回路(32)にて
得られた絶対位置データNを夫々演算回路(33)に供給
し、この演算回路(33)は後述の手順に従って求めた変
位量(即ち、絶対位置)xを表示器(34)に供給する。
更に、この変位量xは位置決め装置の制御信号等として
使用してもよい。
The second detector (23B) is a light-emitting element (26), a collimator lens (27), and converts a parallel ray L into a second scale (19).
, A cylindrical lens (29) for converging the parallel light beam L reflected from the second scale (19), and k reference windows corresponding to the gray code (21). An index plate (30) and a light receiving element array (31) composed of k light receiving elements,
The k-bit output signal of the light-receiving element array (31) is supplied to an absolute position code detection circuit (32), and the absolute position code detection circuit (32) decodes the k-bit output signal and converts the absolute position data. obtain. The phase amount θ obtained by the phase detection circuit (25) and the absolute position data N obtained by the absolute position code detection circuit (32) are supplied to a calculation circuit (33), and the calculation circuit (33) The displacement (ie, absolute position) x obtained in accordance with the procedure described later is supplied to the display (34).
Further, the displacement x may be used as a control signal or the like for the positioning device.

その演算回路(33)の動作を説明するに、本例では実
際には磁気目盛(20)とグレイコード(21)とは重なっ
ているが、説明の便宜上両者は、第3図Aに示す如く同
一平面上で平行に配され、その磁気目盛(20)とグレイ
コード(21)とに夫々対応する第1の検出器(23A)及
び第2の検出器(23B)は共にx方向の位置P(第3図
B)に存在するものとする。この場合、その位置Pを含
む磁気目盛(20)の1ピッチλ内での絶対位置をΔxと
して、その位置Pを含む磁気目盛(20)の1ピッチは原
点(x=0)からq番目(q=0,1,2,……)の周期であ
るとすると、その位置Pの変位量xは x=qλ+Δx ……(14) で表わされる。この場合、位相量θが分かっているの
で、そのΔxは式(6A)より Δx=λθ/(2π) ……(15) で表わされるため、その整数qを求めることにより変位
量xが計算できる。
To explain the operation of the arithmetic circuit (33), in this example, the magnetic scale (20) and the gray code (21) actually overlap, but for convenience of explanation, both are shown in FIG. 3A. The first detector (23A) and the second detector (23B), which are arranged in parallel on the same plane and correspond to the magnetic scale (20) and the gray code (21), respectively, are both located at the position P in the x direction. (FIG. 3B). In this case, assuming that the absolute position within one pitch λ of the magnetic scale (20) including the position P is Δx, one pitch of the magnetic scale (20) including the position P is q-th from the origin (x = 0) (x = 0). (q = 0, 1, 2,...)), the displacement x of the position P is represented by x = qλ + Δx (14). In this case, since the phase amount θ is known, Δx is represented by Δx = λθ / (2π) (15) according to the equation (6A). Therefore, the displacement amount x can be calculated by obtaining the integer q. .

本例ではその整数qの計算を容易にするため、そのグ
レイコード(21)の分解能rmはその磁気目盛(20)のピ
ッチλに対して自然数mを用いて rm=λ/m ……(16) の関係に設定する。第3図の状態はrm=λ、即ちm=1
の場合に相当する。この場合、第3図の状態の一般化す
ることにより、位置Pにおけるグレイコード(第3図
C)をデコードして得られた絶対位置データNとその磁
気目盛(20)の周期を示す整数qとの間には、 q=INT(N/m) ……(17) の関係があることが明らかである。尚、式(17)におい
てINT(N/m)はN/mの整数部分を示す。因みに第3図例
においては位置Pにおけるqの値は13である。
To facilitate the calculation of the integer q in this example, the gray code (21) of resolution r m is r m = λ / m ...... using natural number m of the pitch lambda of the magnetic scale (20) (16) Set to the relationship. FIG. 3 shows that r m = λ, that is, m = 1.
Corresponds to the case of In this case, by generalizing the state shown in FIG. 3, the absolute position data N obtained by decoding the gray code (FIG. 3C) at the position P and an integer q indicating the period of the magnetic scale (20) are obtained. It is clear that there is a relationship between q = INT (N / m) (17). In equation (17), INT (N / m) indicates an integer part of N / m. Incidentally, in the example of FIG. 3, the value of q at the position P is 13.

また、λ=λ/2即ちm=2の場合の状態を第4図に
示し、この第4図の例えば位置Q1及びQ2においてはグレ
イコード(第4図C)より得られる絶対位置データNは
夫々12及び13となって異なっている。しかし、式(17)
より求められる整数qの値は位置Q1及びQ2において共通
に6となっている。従って、位置Q1及びQ2においては夫
々式(14)に従って変位量xを求めることができる。
FIG. 4 shows a state where λ m = λ / 2, that is, m = 2. In FIG. 4, for example, at positions Q 1 and Q 2 , absolute positions obtained from a gray code (FIG. 4C) Data N is different as 12 and 13, respectively. However, equation (17)
The value of the integer q thus obtained is 6 in common at the positions Q 1 and Q 2 . Thus, in the position Q 1 and Q 2 may be obtained displacement amount x in accordance with the respective equations (14).

尚、第4図例の如くmの値を2以上に設定した場合に
は、グレイコード(21)と磁気目盛(20)との位置関係
が多少ずれても高精度な絶対位置の検出ができる利益が
ある。例えば、m=2の場合、位置Q1においてグレイコ
ードのデータNが誤って11になっている場合、そのまま
ではその位置Qは位置Q′と判定されて1ピッチλの誤
差が生じる。しかしながら、第4図例では位置Q1におい
ては整数qは予め奇数のデータNにはなり得ないことが
分かっているので、そのように奇数のデータNが得られ
た場合には1を加算して偶数に変換することにより正確
な整数qを求めることができる。
When the value of m is set to 2 or more as in the example of FIG. 4, even if the positional relationship between the gray code (21) and the magnetic scale (20) is slightly shifted, the absolute position can be detected with high accuracy. There is a benefit. For example, when m = 2, if the data N Gray code is in the 11 by mistake at the position Q 1, is a directly error of the position Q is one pitch λ is determined that the position Q 'occurs. However, since the Figure 4 example integer q in position Q 1 it is has been found that not be a pre odd data N, 1 is added to when such odd data N was obtained By converting to an even number, an accurate integer q can be obtained.

上述の説明より明らかな如く、第2図の演算回路(3
3)においては先ず位相検出回路(25)より供給される
位相量θを用いて、式(15)に従って磁気目盛(20)の
1ピッチλ内の絶対位置Δxが演算される。一方、絶対
位置コード検出回路(32)より供給される絶対位置デー
タNを用いて、式(17)に従って磁気目盛(20)の1ピ
ッチλ単位の位置を示す整数qが演算される。そして、
その演算された絶対位置Δx及び整数qを式(14)に代
入することにより全体としての絶対位置である変位量x
が算出される。
As is clear from the above description, the arithmetic circuit (3
In 3), the absolute position Δx within one pitch λ of the magnetic scale (20) is calculated according to the equation (15) using the phase amount θ supplied from the phase detection circuit (25). On the other hand, using the absolute position data N supplied from the absolute position code detection circuit (32), an integer q indicating the position of the magnetic scale (20) in units of one pitch λ is calculated according to equation (17). And
By substituting the calculated absolute position Δx and integer q into equation (14), the displacement x which is the absolute position as a whole is obtained.
Is calculated.

第1図例において、例えば磁気目盛(20)のピッチλ
を1mm、グレイコード(21)の分解能rmを1mm(即ち、rm
=λ)、グレイコード(21)のトラック数を12(即ち12
ビット)と仮定すると、その磁気目盛(20)の1ピッチ
λ内での絶対位置Δxは1/1000即ち1μm程度の分解能
で求めることができる(式(12)参照)。更に絶対位置
を測定できる最大測定長Lは L=1×212=4096mm ……(18) となる。即ち、本例によれば、最大測定長Lを実用的な
値である4m程度に設定した上で、測定の分解能がインク
リメンタル方式の変位検出装置並みの1μm程度である
アブソリュート方式の位置検出装置が実現できる利益が
ある。
In the example of FIG. 1, for example, the pitch λ of the magnetic scale (20)
The 1 mm, 1 mm resolution r m Gray code (21) (i.e., r m
= Λ), and the number of tracks of the gray code (21) is 12 (that is, 12
Bit), the absolute position Δx of the magnetic graduation (20) within one pitch λ can be obtained with a resolution of 1/1000, that is, about 1 μm (see equation (12)). Further, the maximum measurement length L at which the absolute position can be measured is L = 1 × 2 12 = 4096 mm (18). That is, according to the present example, after setting the maximum measurement length L to about 4 m, which is a practical value, the absolute type position detecting device having a measurement resolution of about 1 μm comparable to that of the incremental type displacement detecting device is provided. There are benefits that can be realized.

更に、第1図例は第1のスケール(18)と第2のスケ
ール(19)とが重ね合せられた構造であるためスケール
が小型化できる利益がある。この場合、第1のスケール
(18)は電磁誘導方式や静電容量方式等のパターンを用
いて形成したものでもよい。
Further, since the example of FIG. 1 has a structure in which the first scale (18) and the second scale (19) are overlapped, there is an advantage that the scale can be reduced in size. In this case, the first scale (18) may be formed using a pattern such as an electromagnetic induction type or a capacitance type.

尚、本発明は上述実施例に限定されず、本発明の要旨
を逸脱しない範囲で種々の構成を採り得ることは勿論で
ある。
It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and it is needless to say that various configurations can be adopted without departing from the gist of the present invention.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

本発明によれば、アブソリュート型の位置検出装置に
おいて、最大測定長を実用的な範囲に設定できると共
に、分解能をインクリメンタル方式の変位検出装置並み
に改善できる利益がある。
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, in an absolute type position detection apparatus, while the maximum measurement length can be set to a practical range, there exists an advantage which can improve a resolution like an incremental displacement detection apparatus.

また、本発明によれば、スケール部分が小型化できる
利益がある。
Further, according to the present invention, there is an advantage that the scale portion can be downsized.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図は本発明の一実施例を示す一部を切欠いた斜視
図、第2図は第1図例の検出ヘッド等を示す線図、第3
図及び第4図は夫々第1図例の説明に供する線図、第5
図〜第7図は夫々従来の位置検出装置の説明に供する線
図である。 (18)は第1のスケール、(19)は第2のスケール、
(20)は磁気目盛、(21)はグレイコード、(23A)は
第1の検出器、(23B)は第2の検出器、(25)は位相
検出回路、(32)は絶対位置コード検出回路、(33)は
演算回路、(35)はスケール、(36)は磁気目盛、(3
7)はグレイコード、(42)は円盤、(43)は格子、(4
4)はバイナリーコードである。
FIG. 1 is a partially cutaway perspective view showing an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a diagram showing a detection head and the like of the example of FIG. 1, and FIG.
FIG. 4 and FIG. 4 are respectively a diagram for explaining the example of FIG.
FIG. 7 to FIG. 7 are diagrams for explaining a conventional position detecting device. (18) is the first scale, (19) is the second scale,
(20) is a magnetic scale, (21) is a gray code, (23A) is a first detector, (23B) is a second detector, (25) is a phase detection circuit, and (32) is an absolute position code detection. Circuit, (33) is an arithmetic circuit, (35) is a scale, (36) is a magnetic scale, (3
7) is a gray code, (42) is a disk, (43) is a grid, (4)
4) is a binary code.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−189415(JP,A) 特開 昭63−95315(JP,A) 特開 昭64−79619(JP,A) ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (56) References JP-A-61-189415 (JP, A) JP-A-63-95315 (JP, A) JP-A-64-79619 (JP, A)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】周期的なパターンが形成された第1のスケ
ールと、該第1のスケールと平行に配され上記周期的な
パターンの絶対位置をコード化して成る非周期的なパタ
ーンが形成された第2のスケールと、 上記第1のスケールに対して相対変位自在で上記周期的
なパターンに対応する位相検出信号を生成する第1の検
出器と、該第1の検出器と連動して上記第2のスケール
に対して相対変位自在で上記非周期的なパターンに対応
する絶対位置信号を生成する第2の検出器と、 上記位相検出信号より上記周期的なパターンの1ピッチ
内の絶対位置を検出する第1の検出回路と、上記絶対位
置信号より上記周期的なパターンの1ピッチ単位の絶対
位置を検出する第2の検出回路とを有し、 上記第1及び第2のスケールと上記第1及び第2の検出
器との相対変位量を上記非周期的なパターンの全長に亘
って上記周期的なパターンの1ピッチ内の絶対値として
検出する様に上記第1のスケールに重畳して上記第2の
スケールを形成したことを特徴とする位置検出装置。
1. A first scale on which a periodic pattern is formed, and a non-periodic pattern arranged parallel to the first scale and encoding an absolute position of the periodic pattern. A second scale, a first detector for generating a phase detection signal corresponding to the periodic pattern that is relatively displaceable with respect to the first scale, and interlocked with the first detector. A second detector for generating an absolute position signal corresponding to the aperiodic pattern that is freely displaceable relative to the second scale; and an absolute position signal within one pitch of the periodic pattern from the phase detection signal. A first detection circuit for detecting a position, and a second detection circuit for detecting an absolute position of the periodic pattern in units of one pitch from the absolute position signal, wherein the first and second scales are provided. The first and second detections The second scale is formed by superimposing the second scale on the first scale so as to detect the relative displacement amount with respect to the entire length of the non-periodic pattern as an absolute value within one pitch of the periodic pattern. A position detecting device characterized in that:
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