JP3093924B2 - アブソリュートエンコーダ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、位置、角度を電気符合
に変換するアブソリュートエンコーダに関する。

【０００２】

【従来の技術】相対移動方向に対し平行に、所要の分解
能に応じた本数の符合列を配置し、これを並列に読み込
むことによって、位置、角度を符合化するのは、アブソ
リュートエンコーダの実現方法として広く行なわれてい
る技術である。この方法では、符合列としてグレイコー
ドが主に用いられ、ミスコードの発生を防止している
が、分解能に応じた本数の符合列を必要とする為、符合
板が大きくなる欠点がある。また、この方法では、分解
能に等しい単位で変化する符合列を必要とし、各符合列
を正確に読み込むため検出器との位置決め精度に十分留
意しなければならず、符合板の製作、エンコーダの組立
・調整、および使用中のずれ防止のために大きな工程を
要し、機構が大型になり高価になる欠点もあった。

【０００３】一方、単一の符合列を用いてアブソリュー
トエンコーダを実現する方法については、特開昭５７−
１７５２１１号、実開昭６０−１５２９１６号、特開昭
６３−２３１２１５号、特開平１−１５２３１４号、特
開平３−７２２１７号等に開示されている。これらの方
法は、ビット数分の符合列が必要な従来法に比べ、小型
化を可能とするが、グレイコードの様な同時に変化する
ビットを１つのみに制限する方法は使えず、境界上にな
る位置では正しく符合化できない欠点があった。前述し
た各公開公報の開示情報は、この問題について未解決で
あったり、これを補うために別の符合列を必要とする
等、真の単一符合列によるアブソリュートエンコーダを
完成していない。また、これらの符合板の最小ピッチは
分解能に等しく、従来のものと同じため、高分解能を必
要とする時の符合板の製作上の問題は残されたままであ
る。

【０００４】アブソリュートエンコーダが正しく位置を
出力しない、いわゆるミスコードは大変重大な問題だ
が、これについては特開平３−２７４４１４号によって
検出方法が示されている。しかし、この方法はミスコー
ドの検出のみで、その修正までには至らないので、高信
頼性を必要とする機器で使用するためにはさらなる改良
を要する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の様な
従来のアブソリュートエンコーダーにおける諸問題を解
決し、製作、組立が容易で、しかも細かな調整が不要と
なり、小型で安価なアブソリュートエンコーダを提供す
ることを課題とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、上記課
題を解決する為に、周期２^K−１（Ｋは整数）のＭ系列
ビット列を１列の濃淡帯として長さ方向もしくは円周上
に記した符合板と、これを長さ方向にあるいは円周上を
円弧状または接線上を直線状に、符合単位長さをＬとす
るときＬ／Ｎ（Ｎは３以上）の分解能で、少なくともＬ
・Ｋの長さを読み取れる検出器と、その出力を解析する
演算器とを備え、検出器を、１つのグループが互いに間
隔Ｌで配列されたＫ個の区画からなり、異なるグループ
の区画同士がＬ／Ｎの間隔で配列された少なくともＮ組
のグループに分割し、各グループをデコードした結果出
現したデコード値が単一の場合にはそのデコード値を利
用し、単一でない場合には出現数最多のデコード値と２
番目に出現数の多いデコード値との差がデコード値の最
小単位に等しい場合に正しく読み出されていると判断
し、これら２つのデコード値を利用して位置又は角度を
求めることを特徴としており、検出器が濃淡帯境界にさ
しかかった時などに正しく符号を読めないグループをそ
れ以外のグループとの数値的関係から特定し、誤差発生
を回避し、かつ／又は誤差量を推定するように構成され
ているアブソリュートエンコーダが提供される。さら
に、上記アブソリュートエンコーダの検出器をＬ・（Ｋ
＋１）の長さまで読み取れるようにしたものを用いるこ
ともできる。

【０００７】

【発明の作用】添付図面を参照しながら本発明のアブソ
リュートエンコーダの作用について詳しく説明する。図
１は、本発明の符合板と検出器を簡略化して示したもの
である。図中、１は周期７のＭ系列の濃淡帯の符合を記
した符合板、２は読み取り器であり、感度をもつ各検出
器をＡ₀ 〜Ｃ₂ で示してある。符合板１には、分解能の
３倍の荒さを１ビットの単位とし、周期７のＭ系列のう
ち下記数１で示すデジタルフィルタから出力される０、
１信号を０を透明、１を黒に対応して帯状に記してあ
る。

【数１】 ａ_n+1 ＝ａ_n （＋）ａ_n-2 （（＋）は排他論理和） 検出器は、分解能と同じ間隔で、必要ビット数である３
ビットの３倍である９個を配置し、３個おきにＡ、Ｂ、
Ｃとそれぞれグループ分けしてある。各グループの読み
取り器２の検出器は上から順にＡ₂ ，Ａ₁ ，Ａ₀ 等と添
え字を付ける。

【０００８】一般に周期２^K −１のＭ系列信号の任意の
位置から並んで取り出したＫビットのパターンは唯一無
二である。図１の状態で各検出器の出力を記せば、 （Ａ₂ ，Ａ₁ ，Ａ₀ ）＝（１，０，０） （Ｂ₂ ，Ｂ₁ ，Ｂ₀ ）＝（０，０，１） （Ｃ₂ ，Ｃ₁ ，Ｃ₀ ）＝（０，０，１） となる。予め位置指標３が各位置を指す時のＡの出力を
調べれば下記表１の通りであるので、この表を用いて各
グループをデコードするとＡ＝３、Ｂ＝２、Ｃ＝２とな
る。これより、図１の状態で位置指標３が２・1/3 の位
置にきていることは、検出器の出力のみから判定するこ
とができる。これを一般化すると、各検出器のデコード
出力がＡ＝Ｂ＝Ｃ＝ｎであれば位置ｎ、Ａ＝ｎ＋１、Ｂ
＝Ｃ＝ｎであれば位置ｎ＋１／３、Ａ＝Ｂ＝ｎ＋１、Ｃ
＝ｎであれば位置ｎ＋２／３に位置していることがわか
る。

【表１】

【０００９】次に、検出器グループのどれかが符合の境
界線上にさしかかり、正しく読みとれなかった場合を考
察する。正しく読めた場合、上記から下記数２の条件が
同時に満たされる。

【数２】Ａ≧Ｂ≧Ｃ Ａ−Ｃ＝０または１（この場合、デコード値の最小単位
は１である。）逆にこの条件を満足しない時はどれかが
正しく読めていない。図１において、位置指標が２・１
／６付近にきた時を考えると、グループＡが境界にさし
かかり、理想的には、 （Ａ₂，Ａ₁，Ａ₀）＝（０，０，１） （Ａ₂，Ａ₁，Ａ₀）＝（１，０，０） の出力だが、検出器位置、符合板の誤差により、 （Ａ₂，Ａ₁，Ａ₀）＝（１，０，１） （Ａ₂，Ａ₁，Ａ₀）＝（０，０，０） を読み取ることがある。しかし、この場合、Ｂ＝Ｃ＝２
よりＡは２または３であることが確定しており、この条
件よりＡは境界上にきており、それは２・１／６付近し
かないことが特定されるのである。本発明が正しく実施
された場合、静止状態において境界にさしかかる検出器
は高々１グループのみであり、これを除く２つのグルー
プは前記数２の条件を満たすため、他グループが境界に
さしかかった場合についても、正しく読めなかったグル
ープとそれから推定される位置は同様に特定可能であ
る。以上により、単一の符合列を記録した符合板と、符
合列をその最小単位長さの１／３の分解能で読みとるこ
とができる検出器と、検出器の出力から位置を求める演
算器により所要のアブソリュートエンコーダを作製でき
ることがわかる。

【００１０】さらに、本発明の検出器を使用した符合板
のＭ系列ビット長よりも多数設置した場合の作用につい
て説明する。図２は、図１に示す読み取り器２にさらに
３個の検出器を追加し、Ｍ系列の３ビット長に対し１ビ
ット分の冗長性をもたせたものである。これを重複させ
ながら３個毎にグループに分け、次の６組をつくる。 Ｅ₀：（Ｄ ₂₃ ，Ｄ ₂₂ ，Ｄ ₂₁ ）＝（０，１，０） Ｅ₁：（Ｄ ₁₃ ，Ｄ ₁₂ ，Ｄ ₁₁ ）＝（１，０，０） Ｅ₂：（Ｄ ₀₃ ，Ｄ ₀₂ ，Ｄ ₀₁ ）＝（１，０，０） Ｅ₃：（Ｄ ₂₂ ，Ｄ ₂₁ ，Ｄ ₂₀ ）＝（１，０，０） Ｅ₄：（Ｄ ₁₂ ，Ｄ ₁₁ ，Ｄ ₁₀ ）＝（０，０，１） Ｅ₅：（Ｄ ₀₂ ，Ｄ ₀₁ ，Ｄ ₀₀ ）＝（０，０，１） 表１によりそれぞれのグループをデコードすると Ｅ₀＝４ Ｅ₁＝３ Ｅ₂＝３ Ｅ₃＝３ Ｅ₄＝２ Ｅ₅＝２ となる。正しく読み取れていれば最多出現数は３個で、
その数値をｎとするとき必ずｎ＋１またはｎ−１が出現
している。境界上にさしかかり、正常に読めない可能性
があるのは高々２グループで、その場合最多出現数は２
個となる。

【００１１】この場合の位置演算は、検出器に冗長性が
ないものに比べ、さらに簡単である。まずデコード出力
（デコード値）の出現数を各々計数し、最多のものと次
に多いものを選び、そのうち数値（デコード値）の大き
いものをｍ、小さいものをｎとする。Ｎは符合単位長さ
と検出器間隙の比である。もしｍ−ｎ＝１であるとき、
ｎを出力したＥの添字で最小のものをａ（前記例では
４）、ｍを出力したＥの添字で最大のものをｂ（前記例
では３）としたとき、ｍ＋ａ／Ｎ〜ｍ＋ｂ／Ｎの間に指
標がきている。それ以外のときは、正しく符合を読めな
かったことがわかる。Ｎが３のときは、最大２つのグル
ープが正しく読めない場合まで位置の確定が可能だが、
Ｎを大きくすると最大Ｎ−１個の出力が正しく読み取れ
なくても位置の推定が可能となる。この場合の分解能は
（ａ−ｂ）／Ｎに低下するが、含まれる誤差の大きさを
知ることができ、また故障とも区別することができる。
以上により、単一の符合列を記録した符合板と、符合列
をその最小単位長さの１／３以下の分解能で読み取るこ
とができる、ビット長に対し冗長性がある検出器と、検
出器の出力から位置を求める演算器により所要のアブソ
リュートエンコーダを作製できることがわかる。

【００１２】

【実施例】以下、添付図面に示す実施例を説明しつつ、
本発明についてさらに詳細に説明する。

【００１３】実施例１ 図３において、長さ４００ｍｍのガラス符合板４には
０．２ｍｍを単位とする周期２¹¹−１のＭ系列の濃淡帯
として符号が記されている。この画像は、光学系５によ
り、２５６分割のＣＣＤイメージセンサ６の受像面に等
倍で結像する。ＣＣＤイメージセンサ６は１０μｍピッ
チで像を読み取ることができる。７はガラス符合板４上
に焦点位置がくるように設置された光源である。この系
では、検出器としてＣＣＤイメージセンサ６を用い、２
５６セルのうち２２０セルを利用して、２０セルおきに
１１セルを順にとり、２０グループとしてデータを読み
取る。前述したように予め作成した順序表で各グループ
の出力をデコードした結果を順にＧｉ（ｉ＝０，１，・
・・・，１９）とすれば、例えばＧ₀ ＝１００１、Ｇ₁
＝１００１、・・・・、Ｇ₇ ＝１００１、Ｇ₈ ＝１００
０、・・・・、Ｇ₁₉＝１０００のようになり、１０００
＋７／２０の位置を読み取った状態であることを判定で
きる。この場合の符合ピッチは０．２ｍｍであるから、
これは先端より（１０００＋７／２０）×０．２ｍｍ＝
２００．０７ｍｍの位置であることがわかる。これによ
り、４００ｍｍの符合板４上のどの位置を読んだか、１
０μｍの分解能で知ることができた。

【００１４】実際には、符合板と検出器は相対的に速度
をもって移動し、読み取り中にセル上をビットの境界が
通過することもある。しかし、２０グループのうちいく
つかはｎ、ｎ＋１のどちらかを示し、ビット境界が通過
したグループは、これとは違う値を示す。たとえば、Ｇ
₀ ＝ｎ＋１、Ｇ₁ ＝ｎ＋１、Ｇ₂ ＝Ｘ、Ｇ₃ ＝ｎ、Ｇ₄
＝ｎ、・・・・の様にである。この場合、Ｇｉの各値毎
の出現数を数え、最多のものとその次のものを抽出し、
その差が１になっていることを確認した後、ｎ＋１が出
現したＧｉのうち最大のｉをａ（この場合１）、ｎが出
現したＧｉのうち最小のｉをｂ（この場合３）とすれ
ば、分解能（ｂ−ａ）でｎ＋（ａ＋ｂ）／４０の位置に
いることがわかる。一方、最多出現がｎで、ｎ＋１また
はｎ−１が出現しないときは、ｎが出現したＧｉのうち
最小のｉをａ、最大をｂとして、分解能２０−（ｂ−
ａ）でｎの位置にいることがわかる。また、符合板４に
汚れが付着した場合等、正しく読み取れない時は、Ｇｉ
は乱数になるので異状を検知することができる。具体的
には、最多出現した出力の個数にしきい値を設定し、そ
れより少ない個数しか同じ値が得られなければ異常とす
る。

【００１５】以上の説明は、光学的な符合板、検出器で
行なったが、これを磁気的な方法、即ち磁石とホール素
子列に置き換えても同様に実現できる。また、長さやグ
ループ数は参考のためのものであり、これに限定する必
要はない。演算器については、マイクロコンピュータを
使用すれば容易にできるが、特に高速を要する場合、論
理回路のみで構成することもできる。

【００１６】実施例２ 図４は、本発明の検出器がレーザー発振器９と、ポリゴ
ンミラー１０、ｒθ光学系１１及びフォトダイオード１
２により構成された実施例を示す。前記実施例１で空間
的に得られたビット列信号が、この実施例では時系列と
して出力されるので、これを時分割し、符合板８上の１
ビット分を走査する時間の１／ｎ毎に各グループ分けす
れば、前記実施例１と同様に処理することができる。こ
の検出器の構成は容易に焦点深度を深くすることができ
るため、符合板と検出器の距離が変化しても誤差を生じ
にくい。

【００１７】実施例３ 実施例１において、ＣＣＤイメージセンサ６のセルを２
４０セル利用するように変更した実施例を示す。ＣＣＤ
イメージセンサのセルを端から２０セルおきに１１セル
を順にとり、４０グループを作る。このとき重複を許
す。即ち、端から順に０〜２３９まで番号がついている
ものとして、次の様になる。 グループ０：（０，２０，４０，・・・・，２００） グループ１：（１，２１，４１，・・・・，２０１） グループ２：（２，２２，４２，・・・・，２０２） ・・・・・： グループ１９：（１９，３９，５９，・・・・，２１９） グループ２０：（２０，４０，６０，・・・・，２２０） ・・・・・・： グループ３９：（３９，５９，７９，・・・・，２３９） 実施例１と同様に、各グループの出力をデコードした結
果を順にＧｉ（ｉ＝０，１，・・・・，３９）とし、出
現する数値それぞれの出現回数を数える。この場合、正
常に読み取れていれば、最多出現した数値と次に多いも
のを選び、そのうち数値の大きいものをｍ、小さいもの
をｎとすると、その差は１である。ｍが出現したＧｉの
うち最大のｉをａ、ｎが出現したＧｉのうち最小のｉを
ｂとすれば、ｎ＋ａ／２０〜ｎ＋ｂ／２０の間にいるこ
とがわかる。この実施例ではｍ−ｎ＝１が成り立たない
場合、ｂ−ａが所要の分解能を満足しない場合を異常と
する。

【００１８】

【発明の効果】以上のように、本発明のアブソリュート
エンコーダによれば、検出器のグループ数をｎとする
と、符合板上の単位を分解能のｎ倍とすることができ
る。また、検出器の読み取れる長さに冗長性を持たせる
ことにより、より正確な読み取りが可能となる。さら
に、目盛として必要なビット列は１列のみであるため、
符合板の製作が容易になる。また、本発明のアブソリュ
ートエンコーダによれば、符合板と検出器の横方向への
ずれによって誤差を生じない。特に実施例２のように、
読み取りにレーザーを利用したものは、符合板と検出器
の距離の影響も少ない。これにより、符合板及び検出器
の取付が容易になり、細かな調整が不要となる。また、
使用中にずれたり振動が加わっても誤差を生じにくい。
これにより航空機、ロケット搭載用のアブソリュートエ
ンコーダとして利用できる他、符合板と検出器が遠くは
なれた位置にある場合にも応用できる。例えば、原子炉
の制御棒につけた符合板を安全な位置に設置された望遠
鏡により検出器に結像させる等の応用を可能にしてい
る。また、符合板と検出部が相対的に高速で運動中でも
位置を読むことが出来、かつ、そのスピードは従来のも
のより容易に高速化できる。さらに、限界を超えた速度
でも、分解能はそれに応じて低下するものの、正しい出
力が得られ、かつ、誤差の範囲を知ることができる。ま
た、符合板の破損や汚れ、検出器の不良について、その
異状を検知することができる。これにより、測定された
値は保証され、装置の信頼性を高めることができる。本
発明のアブソリュートエンコーダにおいては、検出器は
従来のものに比べ多数個必要となるが、ＣＣＤイメージ
センサ等が既に実用化され、容易に多分割数の受光部を
構成できる為、これは欠点とならず、むしろ固体化され
たチップと簡素な光学系により全体を小型化することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のアブソリュートエンコーダの作用説明
図である。

【図２】図１に示すアブソリュートエンコーダの読み取
り器に３個の検出器を追加した変更例の作用説明図であ
る。

【図３】本発明のアブソリュートエンコーダの一実施例
を示す概略構成図である。

【図４】本発明のアブソリュートエンコーダの別の実施
例を示す概略構成図である。

【符号の説明】

１，４，８ 符合板 ２ 読み取り器 ３ 位置指標 ５ 光学系 ６ ＣＣＤイメージセンサ ７ 光源 ９ レーザー発振器 １０ ポリゴンミラー １１ ｒθ光学系 １２ フォトダイオード

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 周期２^K−１（Ｋは整数）のＭ系列ビッ
   ト列を１列の濃淡帯として長さ方向もしくは円周上に記
   した符合板と、これを長さ方向にあるいは円周上を円弧
   状または接線上を直線状に、符合単位長さをＬとすると
   きＬ／Ｎ（Ｎは３以上）の分解能で、少なくともＬ・Ｋ
   の長さを読み取れる検出器と、その出力を解析する演算
   器とを備え、検出器を、１つのグループが互いに間隔Ｌ
   で配列されたＫ個の区画からなり、異なるグループの区
   画同士がＬ／Ｎの間隔で配列された少なくともＮ組のグ
   ループに分割し、各グループをデコードした結果出現し
   たデコード値が単一の場合にはそのデコード値を利用
   し、単一でない場合には出現数最多のデコード値と２番
   目に出現数の多いデコード値との差がデコード値の最小
   単位に等しい場合に正しく読み出されていると判断し、
   これら２つのデコード値を利用して位置又は角度を求め
   ることを特徴とするアブソリュートエンコーダ。
2. 【請求項２】 検出器の読み取れる長さをＬ・（Ｋ＋
   １）以上にした請求項１記載のアブソリュートエンコー
   ダ。