JP3232795B2 - 検出装置 - Google Patents

検出装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は検出装置に関し、例えば
ロータリーエンコーダやリニアエンコーダ等の変位検出
装置において、検出手段で得られる移動物体に関する変
位信号から移動物体の変位情報を検出するようにしたも
のである。
【０００２】
【従来の技術】従来より光学式のロータリーエンコーダ
やリニアエンコーダ等においては、検出手段により移動
物体の変位情報に関する２つの位相の異なる正弦波（２
相正弦波信号、換言すれば正弦波と余弦波）を得てい
る。そしてこのときの２つの正弦波信号を用いて移動物
体の変位量や移動方向（変位方向）を検出している。
【０００３】従来のエンコーダでは多くの場合、正弦波
信号と余弦波信号から分割単位に相当する位相差を有し
た複数の分割パルスを作って、移動物体に関する変位情
報の検出分解能を高めている。
【０００４】図６は従来のエンコーダにおける２つの正
弦波信号の信号処理方法を示す要部ブロック図である。
図６の回路各部での信号波形は、例えば図７の実線で示
すようになっている。
【０００５】図６において、５１，５２は各々入力端子
であり、正弦波信号Ｃ１（ａ）と余弦波信号Ｓ１（ｂ）
が入力される。即ち、入力端子５１からの信号ａ（正弦
波）に対して入力端子５２からは９０度の位相差を有し
た信号ｂ（余弦波）が入力される。反転回路５３では信
号ａに１８０度の位相差を持たせた信号ｃを得る。これ
らの３つの信号を適宜抵抗等により重み付け加算し、任
意の角度の正弦波信号を内挿している。
【０００６】図６では抵抗Ｒをすべて同じ値とし、位相
差４５度と１３５度の信号ｄ，ｅを得ている。これらの
信号はコンパレータ５４，５５，５６，５７によって矩
形波に変換され、パルス回路５８によって９０度の位相
差を有する２相矩形波信号を得る。このようにして、受
光手段から得られる正弦波信号と余弦波信号から、より
分解能の高い信号を得ている。
【０００７】この他、例えば特開平３−６８８１２号公
報では２相正弦波信号をＡＤ変換した値をアドレスとし
てメモリ内の内挿データに出力することで高い分解能を
得るようにした位置測定信号の内挿方法を提案してい
る。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】従来のエンコーダやレ
ーザ干渉計等の変位検出装置では、重み付けの抵抗値に
よって任意の分解能を得ることができるという長所を有
している。
【０００９】しかしながら分解能を大きくしようとする
と次のような問題点が生じてくる。
【００１０】（イ）加算抵抗値の精度が要求され、規格
値内で適当な値がない場合がある。
【００１１】（ロ）加算抵抗値の誤差や、コンパレータ
の入力オフセットや伝搬遅延時間のばらつきの影響で内
挿精度が悪くなる。図７の点線は信号Ｃ１にオフセット
成分があるときの信号タイミングを示している。従来は
このオフセット成分は電気回路中の可変抵抗等で調整し
ていた。
【００１２】（ハ）コンパレータの数が増えて回路規模
が大きくなる。例えば元の信号の６４倍の周波数の２相
矩形波信号を得ようとすると、３２個のコンパレータが
必要となる。
【００１３】本発明は移動物体に関して得られる移動信
号を適切に処理することにより、高い分解能で移動物体
の移動情報を検出することができるようにしたエンコー
ダやレーザ干渉装置等に好適な検出装置の提供を目的と
する。
【００１４】
【課題を解決するための手段】請求項１の発明の検出装
置は、変位に関係する情報を検出する為の検出装置で、
Ｎを２以上の所定の自然数、ｍを２≦ｍ≦Ｎを満たす全
自然数としてｍ個の２相正弦波信号が物体の変位速度に
比例して増減するｍ個の周波数を有するような物体の変
位に関連する第１〜第Ｎの２相正弦波信号を発生させる
第１〜第Ｎの周期信号発生ユニットと、前記第１〜第Ｎ
の２相正弦波信号の間で積和、又は積差を行うことによ
り、前記第１〜第Ｎの周波数の和の周波数を有する少な
くとも１つの和周波数信号を形成する信号処理回路とを
有し、該少なくとも１つの和周波数信号により前記物体
の変位に関係する情報が検出されることを特徴としてい
る。
【００１５】請求項２の発明の検出装置は、変位に関係
する情報を検出する為の検出装置で、Ｎを２以上の所定
の自然数、ｍを２≦ｍ≦Ｎを満たす全自然数としてｍ個
の２相正弦波信号が物体の変位の検出分解能としてｍ個
の分解能値に対応するような物体の変位に関連する第１
〜第Ｎの２相正弦波信号を発生させる第１〜第Ｎの周期
信号発生ユニットと、積和処理、又は積差処理を行うこ
とにより、逆数が前記第１〜第Ｎ分解能値の逆数の和と
なる分解能値に対応する少なくとも１つの合成信号を形
成する信号処理回路とを有し、該少なくとも１つの合成
信号により前記物体の変位に関係する情報が検出される
ことを特徴としている。
【００１６】
【００１７】
【実施例】図１は本発明の検出装置としてリニアエンコ
ーダを用いたときの実施例１の要部概略図、図２は図１
の検出手段（検出ヘッド）１，２からの出力信号の処理
方法を示す信号処理部１０１の回路ブロック図である。
【００１８】図１において、３，４は各々スケール板で
あり、共に矢印１０２方向に移動する同じ移動物体（不
図示）に取着されている。スケール板３，４には各々移
動方向に沿って互いにピッチの異なるスケール３ａ，４
ａが形成されている。
【００１９】１，２は各々検出手段であり、スケール板
３，４側に光束を照射する投光手段とスケール板３，４
からの反射光束を検出する受光手段とを有している。検
出手段１，２は各々スケール板３，４の移動情報に基づ
いて互いに９０度の位相差を有する２つの２相正弦波信
号（Ｃ１，Ｓ１，Ｃ２，Ｓ２）を出力している。
【００２０】１０１は信号処理部であり、検出手段１，
２からの出力信号（Ｃ１，Ｓ１，Ｃ２，Ｓ２）を用いて
移動物体の移動量や移動方向等の移動情報を検出してい
る。
【００２１】スケールの光学読取から２相正弦波信号を
発生する方法やそのときの検出手段の構成は周知であ
り、ここでは特に説明しない。
【００２２】ここで検出手段１で得られる２相正弦波信
号Ｃ１，Ｓ１は Ｃ１＝Ａ・cos w1t ，Ｓ１＝Ａ・siN w1t ‥‥‥（１） と表される。
【００２３】Ｗ１は検出手段１からの正弦波信号の角周
波数であり、Ｗ１／２πがこの正弦波信号の周波数とな
る。この周波数は移動物体の速度に比例する。Ａは定数
である。
【００２４】一方、検出手段で得られる２相正弦波信号
Ｃ１，Ｓ１は Ｃ２＝Ｂ・cos w2t ，Ｓ２＝Ｂ・siN w2t ‥‥‥（２） と表される。
【００２５】Ｗ２は検出手段２からの正弦波信号の角周
波数であり、Ｗ２／２πがこの正弦波信号の周波数とな
る。この周波数も移動物体の速度に比例する。Ｂは定数
である。
【００２６】信号処理部１０１では図２に示すように検
出手段１で得られる信号Ｃ１，Ｓ１と検出手段２で得ら
れる信号Ｃ２，Ｓ２とを用いて、次のような演算を行い
信号Ｃ５，Ｓ５を得ている。
【００２７】
【数１】 即ち、乗算回路１４により信号Ｃ１と信号Ｃ２との乗算
Ｃ１×Ｃ２を行ない、乗算回路１５により信号Ｓ１と信
号Ｓ２との乗算Ｓ１×Ｓ２を行ない、これらの乗算結果
により減算回路１０で差分Ｃ１×Ｃ２−Ｓ１×Ｓ２を求
めている。そしてこの結果を信号Ｃ５として出力してい
る。
【００２８】同様に乗算回路１６により信号Ｓ１と信号
Ｃ２との乗算Ｓ１×Ｃ２を行ない、乗算回路１７により
信号Ｃ１と信号Ｓ２との乗算Ｃ１×Ｓ２を行ない、これ
らの乗算結果を加算回路１２で加算Ｓ１×Ｃ２＋Ｃ１×
Ｓ２を求めている。そしてこの結果を信号Ｓ５として出
力している。
【００２９】信号Ｃ５，Ｓ５の周波数は（Ｗ１＋Ｗ２）
／２πとなり元の信号Ｃ１とＣ２の周波数の和の周波数
となっていることがわかる。この周波数も物体の速度に
比例する。一般にこのような変位検出装置では検出分解
能は所定速度時に発生する周波数の逆数に比例する。
【００３０】本実施例ではこのように信号処理部１０１
により演算処理することにより検出手段１，２の分解能
の値の逆数の和に相当する数の逆数となる値の分解能を
有した信号Ｃ５，Ｓ５を得ている。即ち、分解能の値を
より小さくすることができ、より小さな変位量が検出で
きる。これにより移動物体の移動情報を高い分解能で検
出している。
【００３１】図３は本発明の検出装置としてロータリー
エンコーダを用いたときの実施例２の要部概略図であ
る。
【００３２】同図において３３は円板上の回転ディスク
であり、回転物体（不図示）の回転軸３５に軸着され
て、回転物体と共に矢印３５ａの方向に回転している。
回転ディスク３３の面上には回転軸３５を中心３５ｂに
放射状に光反射部と光吸収部（光透過部）とを一定のピ
ッチで配列した放射スケール３４が設けている。
【００３３】３１，３２は各々検出手段（検出ヘッド）
であり、図１の検出手段１，２と同様に回転ディスク３
３に光束を照射する投光手段と回転ディスク３３からの
反射光束を検出する受光手段とを有している。検出手段
３１，３２は回転物体の回転情報に基づいて互いに９０
度の位相差を有する２相正弦波信号（Ｃ１，Ｓ１）と
（Ｃ２，Ｓ２）をそれぞれ出力している。
【００３４】本実施例では検出手段３１，３２は回転軸
３５の中心（回転中心）３５ｂに対して点対称となる位
置に設けられており、放射スケール３４上の２点からの
回転情報に基づく光束を同時に検出している。これによ
り放射スケール３４の中心が回転中心３５ｂに対して多
少ずれている場合、即ち偏心がある場合の回転情報の検
出誤差を補正している。
【００３５】本実施例において検出手段３１（３２）か
ら得られる２相を正弦波信号Ｃ１，Ｓ１（Ｃ２，Ｓ２）
は
【００３６】
【数２】 となる。
【００３７】ここでＣsiN θは偏心による位相ズレの成
分で回転ディスク（回転物体）３３の１回転で１周期の
誤差成分である。検出手段３１（３２）からの出力信号
Ｃ１，Ｓ１（Ｃ２，Ｓ２）は各々実施例１と同様の信号
処理部（不図示）１０１に入力される。
【００３８】本実施例において信号処理部で実施例１で
示したのと同様の信号処理（演算）を施すことにより、
２つの検出手段３１，３２の角周波数の和に相当する信
号Ｃ５，Ｓ５を得ている。
【００３９】即ち、
【００４０】
【数３】 となる信号を得ている。これにより分解能値としては元
の信号の１／２、即ち元の信号の２倍の分解能の変位検
出を実現する。
【００４１】本実施例では検出分解能を２倍にすると共
に、回転物体の回転中心と回転ディスク３３の中心との
偏心誤差を補正し、回転物体の回転情報を高精度に検出
している。
【００４２】図４は本発明の検出装置としてロータリー
エンコーダを用いたときの実施例３の要部概略図、図５
は図４の検出手段４１，４２，４３からの出力信号を処
理する信号処理部（不図示）の回路の説明図である。
【００４３】本実施例では回転ディスク４４に対して３
つの検出手段（検出ヘッド）４１，４２，４３を円周方
向に等間隔に設けている。
【００４４】一般に高分解能のロータリーエンコーダの
場合、回転ディスクの放射スケールの目盛りの書き込み
精度や回転ディスクの微妙なそりが検出手段の累積精度
に直接反映される。一般的にロータリーエンコーダのこ
のような誤差成分は信号の周波数の変化と考えられるの
で、検出手段からの出力信号は次のように表される。
【００４５】
【数４】 ここでθは回転ディスク４４の回転角、ω0 は回転ディ
スク４４が回転することによって検出手段より出力され
る基本角周波数である。三角関数中の第２項以降が誤差
成分を示している。
【００４６】本実施例のように、複数の検出手段を同一
の回転ディスク４４上に等間隔に配置したとき、それぞ
れの検出手段からの出力信号は次のようになる。即ち、
第ｍ番目の検出手段からの２相信号は
【００４７】
【数５】 図５に示すように検出手段４１からの出力信号をＣ１，
Ｓ１、検出手段４２からの出力信号をＣ２，Ｓ２、検出
手段４３からの出力信号をＣ３，Ｓ３としている。
【００４８】ここで図５に示すように図２に示す実施例
１と同様の演算処理を実施例１と同様の信号処理部１０
１で、まず検出手段４１，４２からの出力信号について
行なう。そしてその結果より得られる２相信号Ｃ５，Ｓ
５と検出手段４３からの２相出力信号Ｃ３，Ｓ３につい
て同様な演算処理を信号処理部１０１と同様の信号処理
部１０２で行ない、これより各検出手段の分解能値の逆
数の和の逆数の値の分解能に相当する出力信号Ｃ６，Ｓ
６を得ている。
【００４９】即ち、本実施例において実施例１と同様の
演算処理を複数（Ｎ個）の検出手段からの出力信号につ
いて行なうと次式のような信号ＣA ，ＳA が得られる。
【００５０】
【数６】 このようにして３つの検出手段の分解能の和に関する信
号を得ている。ここで、計算を楽にするためすべての検
出手段からの出力信号の振幅を１、誤差成分のコサイン
成分は考えないものとすると、上式において角周波数の
誤差成分、
【００５１】
【数７】 つまり、Ｎ＝ｈＮ（ｈは整数）になる。
【００５２】以上の演算結果よりＮ個の検出手段を円周
方向に等間隔に配置すれば検出手段の数の整数倍の次数
の誤差成分以外の誤差成分が除去され、Ｎ倍の周波数、
即ち１／Ｎの分解能値が得られる。
【００５３】一般に検出手段の回転ディスクの誤差成分
は１，２次成分がほとんどであるから検出手段を３つ以
上配置すれば、累積精度を格段に高くすることができ
る。
【００５４】尚、本発明は前述したエンコーダの他に物
体の変位情報を光波干渉を利用して検出する複数の検出
手段を有するレーザ干渉装置にも同様に適用することが
できる。
【００５５】
【発明の効果】本発明は以上のように、移動物体に関し
て得られる移動信号を適切に処理することにより、特に
複数の検出手段により複数の正弦波信号と余弦波信号を
得て、これらの複数の信号を適切に演算処理することに
より、各々の検出手段で得られる分解能より高い分解能
で移動物体の移動情報を検出することができるようにし
たエンコーダやレーザ干渉装置等に好適な検出装置を達
成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の変位検出装置をリニアエンコーダに
適用したときの実施例１の要部概略図
【図２】 図１の信号処理部の信号処理の回路ブロック
図
【図３】 本発明の変位検出装置をロータリーエンコー
ダに適用したときの実施例２の要部概略図
【図４】 本発明の変位検出装置をロータリーエンコー
ダに適用したときの実施例３の要部概略図
【図５】 本発明の実施例３に係る信号処理部の信号処
理の回路ブロック図
【図６】 従来のエンコーダの信号処理方法の説明図
【図７】 図６の回路各部での信号波形の説明図
【符号の説明】
１，２，３１，３２，４１，４２，４３ 検出手段 ３，４ スケール板 ３３，４４ 回転ディスク ３４，４５ 放射スケール ３５，４６ 回転軸 １０１ 信号処理部
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01D 5/00 - 5/64 G01B 11/00 - 11/30 G01B 7/00 - 7/32

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 変位に関係する情報を検出する為の検出
    装置で、Ｎを２以上の所定の自然数、ｍを２≦ｍ≦Ｎを
    満たす全自然数としてｍ個の２相正弦波信号が物体の変
    位速度に比例して増減するｍ個の周波数を有するような
    物体の変位に関連する第１〜第Ｎの２相正弦波信号を発
    生させる第１〜第Ｎの周期信号発生ユニットと、前記第
    １〜第Ｎの２相正弦波信号の間で積和、又は積差を行う
    ことにより、前記第１〜第Ｎの周波数の和の周波数を有
    する少なくとも１つの和周波数信号を形成する信号処理
    回路とを有し、該少なくとも１つの和周波数信号により
    前記物体の変位に関係する情報が検出されることを特徴
    とする検出装置。
  2. 【請求項２】 変位に関係する情報を検出する為の検出
    装置で、Ｎを２以上の所定の自然数、ｍを２≦ｍ≦Ｎを
    満たす全自然数としてｍ個の２相正弦波信号が物体の変
    位の検出分解能としてｍ個の分解能値に対応するような
    物体の変位に関連する第１〜第Ｎの２相正弦波信号を発
    生させる第１〜第Ｎの周期信号発生ユニットと、積和処
    理、又は積差処理を行うことにより、逆数が前記第１〜
    第Ｎ分解能値の逆数の和となる分解能値に対応する少な
    くとも１つの合成信号を形成する信号処理回路とを有
    し、該少なくとも１つの合成信号により前記物体の変位
    に関係する情報が検出されることを特徴とする検出装
    置。
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