JP3454002B2 - 位置検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、直線及び回転移動
物体の絶対位置検出に使用される位置検出装置に於い
て、安定した絶対値信号を出力する位置検出装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】非繰り返しコードを応用した１トラック
型アブソリュートパターンを持つ磁気式アブソリュート
エンコーダは既に提案されている。それらのエンコーダ
については例えば、特開平１−７９６１９号公報、特開
平１−３１１２２１号公報に開示されているので、それ
らを参照されたい。

【０００３】ここでは、本発明に関係して必要な部分の
みを簡単に説明するにとどめる。アブソリュート型エン
コーダは、スケールとそのスケールを読み取るヘッドか
ら成り、スケールは１つのトラックに磁気的にコード
（符号）が記録されたものであり、ヘッドはそのトラッ
クに沿って移動してコードを読み取るようになってい
る。

【０００４】図１１は、このスケールとヘッドＨ１，Ｈ
２，Ｈ３，Ｈ４を図示したもので、この場合、ヘッドは
４つ設けられていて、これらが直列に並べられており、
スケール上を一体となって移動し、４ビットの出力を出
す。同図において、スケール上の空白部分は無着磁部で
あり、ＳＮで表された小区間は着磁部である。

【０００５】図１１において、無着磁部は論理“０”、
着磁部は論理“１”に対応付けられており、スケール上
の無着磁部、着磁部の配列に対応してスケールの上方に
対応する論理値が示されている。このスケールに沿って
ヘッドを動かした時の各ヘッドの出力はスケールの下方
に示されている。

【０００６】４つのヘッドＨ１，Ｈ２，Ｈ３，Ｈ４の出
力を組み合わせた値、即ち、図１１のヘッド出力を縦方
向に読んだ値は、スケール上の位置検出器の絶対位置で
あり、同図の最下段に対応する１６進符号で示すとお
り、同一の数列が繰り返されることがない。

【０００７】スケール上に記録するコードの基本的な構
成は、図１２に図示したように、Ｍ系列等の非繰り返し
パターンを使用したコードである。なお同図には、５ビ
ット、６ビット、８ビット、１０ビットの場合が例示さ
れている。

【０００８】これらのコードの１つを使ってアブソリュ
ートトラックを形成する場合、パターン０と１の内の一
方を着磁、他方を無着磁として、記録部分１ビットに対
し波長λの交番磁気を対応させて記録し、アブソリュー
トパターンとする。また、これに加えて、後述するよう
に、アブソリュートトラックと平行に波長２λの交番磁
気で構成されたインクレメンタルパターンを併設して、
アブソリュートパターンと同期を取り、高分解能化を計
るようにすることもできる。

【０００９】また、エンコーダは使用環境上静止してい
ることが多いので、パターン検出器には、静磁界を検出
できるものを用いる。そうして、特にロータリーエンコ
ーダの場合にはそれが高速で回転するので、非接触で検
出することができるＭＲ素子（磁気抵抗効果素子）等が
一般的に用いられている。

【００１０】ここで、図１３及び図１４を参照してＭＲ
素子について簡単に説明すると、図１３に示すように、
２本のＭＲ素子ａ，ｂを（１／４）λ隔てて平行に並
べ、この２本のＭＲ素子と２つの抵抗Ｒｆとをブリッジ
回路を構成するように接続し、その出力ｅ１，ｅ２を差
動増幅器に入力し、その増幅器の出力に合成出力を得る
ようにする。以下の説明においては、この２本のＭＲ素
子から構成される検出器をセンサと呼ぶ。

【００１１】上記センサを、図１４に示すように、スケ
ールの読み取り方向に沿って移動すると、同図の（３）
に示すとおりの出力信号が検出される。今、上記ＭＲ素
子から成るセンサが図の（ア）の位置にある時、素子ａ
と素子ｂが受ける磁界の大きさは同じになり、出力電流
は互いに相殺されるのでＭＲ素子の出力はゼロになる。

【００１２】（ア）の位置を過ぎて同図の右の方向に動
くと素子ａにかかる磁界が増加し、素子ｂにかかる磁界
が減少するので出力は増加し、次のＳＮ区間の中央のと
ころで出力が最大になる。更にその点を過ぎると、素子
ａにかかる磁界が減少し、素子ｂにかかる磁界が増加す
るのでＭＲ素子センサの出力は減少し、ＮＮの所で出力
ゼロになる。更に右に動くとＭＲ素子センサの出力は増
加し、図示の（イ）の点で最大になる。

【００１３】次にこのＭＲ素子センサを使ったアブソリ
ュートパターン読み取りについて、図１５を参照して、
概略説明する。ここでは、説明を簡単にするために、４
ビットコード出力の１トラック型アブソリュートパター
ンとして説明するが、他の場合も同様である。

【００１４】まず、センサ（Ｓ１）１つでアブソリュー
トトラック（１−ａ）を再生したときの再生出力を調べ
ると図１６の最上段に示す出力波形となる。即ち、再生
波形は着磁部が丁度λ／２のところで分断した波形とな
っている。

【００１５】この分断を解消するために、素子間隔λ／
４離れたもう一つのセンサ（Ｓ２）を用いて、同じアブ
ソリュートトラックを再生する。この再生出力は図１６
の中段に示すような出力波形となっている。

【００１６】そこで、これらのＳ１出力とＳ２出力を加
算すると、図１６の下段に示すような分断のない角形に
優れた出力を得ることができる。

【００１７】図１５の（１−ａ）に示すアブソリュート
パターン上には、間隔がλ／４離れた２つ１組のセンサ
Ｓ１及びＳ２で成るヘッドがビット間隔λ毎に４組（Ｈ
１，Ｈ２，Ｈ３，Ｈ４）設けられ、同図の（１−ｂ）に
示すインクレメンタルパターン上には間隔λ／２離れた
２つ１組のセンサで成るヘッドＨ５，Ｈ６が間隔（７／
４）λ離れて設けられている。

【００１８】従って、上記のヘッドから得られる出力波
形を波形成形器等で成形して、４組の各出力を組み合わ
せることにより、４ビットのアブソリュートコードを得
ることができる。

【００１９】

【発明が解決しようとする課題】図１６から明らかなと
おり、１つのヘッドを構成する２つのセンサＳ１とＳ２
の出力の和を作った場合、その和出力は、Ｓ１の出力、
Ｓ２の出力のどちらよりも幅の広い信号波形になってい
る。

【００２０】今、Ｓ１の出力を基準にして考えると、合
成出力（和出力）の幅を形成する着磁部、即ち論理
“１”の区間の幅は、Ｓ２の波形の後部の（１／４）λ
の長さ分だけ幅広になっている。そうして、その幅広に
なった分だけ無着磁部、即ち論理“０”の区間の幅が狭
くなっている。

【００２１】この幅の増加分は、単独で存在する（１ビ
ットの）着磁部に対しても、連続して存在する（数ビッ
トから成る）着磁部に対しても等しい値、即ちλ／４
（１対のセンサの間の間隔分）であるから、着磁部と無
着磁部の記録間隔が不均一となり、得られた出力をその
ままアブソリュートコードとして利用することができな
い。

【００２２】それ故、本発明の一つの課題は、出力がア
ブソリュートコードとしてそのまま利用可能なアブソリ
ュートパターン記録方式を提供することである。また、
本発明の他の課題は、このアブソリュートエンコーダを
適用した位置検出装置を提供することである。

【００２３】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明によれば、着磁部が単独で存在する部分は要
求するビット長λに対して（３／４）λ、即ち、素子間
隔分λ／４だけ差し引いた波長の交番磁気で記録する。

【００２４】また、着磁部が連続して存在する部分に対
しても同様に、その連続部分のうちの１ビットに対して
（３／４）λで記録（残りの部分は波長λで記録）、も
しくは、連続部分よりセンサ間隔分だけ差し引き、連続
部分のビットの個数で均等分割した長さを１つのビット
の記録長として記録する。

【００２５】図１は、この様子を図示したもので、同図
の（ａ）はスケール上の着磁パターンを示し、（３／
４）λ、又は（３／４）λとλの整数倍の組み合わせに
よって形成されている。

【００２６】同図（ｂ）は、２つの（ＭＲ素子）セン
サ、Ｓ１とＳ２の各出力の波形およびそれらの合成出力
の波形を示している。各センサで検出される信号の出力
波形の幅はスケール上の磁気パターンと同じであるが、
２つのセンサの間に（１／４）λの間隔があるので合成
出力の波形幅はλの整数倍になっている。

【００２７】

【発明の実施の形態】次に、図２を参照して、本発明の
位置検出装置の一実施形態について説明する。図２は、
記録方形波長（着磁部の単位区間ＮＳＳＮ）をλ＝８０
μｍ、着磁部を論理“１”、無着磁部を論理“０”と
し、“１”が単独で存在する部分を、要求するビット長
λに対して（３／４）λの交番磁気で記録し、“１”が
連続で存在する部分をその連続部のうちの１つのビット
に対して（３／４）λの交番磁気で記録して、“０”が
単独及び連続で存在する部分にセンサ間隔分だけ無着磁
の部分を増加させた４ビットコードを出力するアブソリ
ュートパターンを作成し、実際に得た、センサ間の間隔
がλ／４の２つのセンサによる差動出力を示す。図示の
とおり、着磁部、無着磁部の長さが均等な出力が得られ
ることが確認できる。

【００２８】次に、図３を参照して、本発明の位置検出
装置の他の実施形態について説明する。この実施形態に
おいては、センサ間の距離分の長さを連続部分に対して
平均的にする方法を示す。

【００２９】同図に示すとおり、２進信号１ビットに対
して検出される信号の長さがλになるようにするため
に、センサＳ１，Ｓ２の出力の長さが（３／４）λにな
るような均等な波形の着磁部を形成し、センサＳ１の出
力とセンサＳ２の出力を合成すれば、合成出力はλの長
さになる。

【００３０】同図に示すとおり、２進信号の２ビットが
連続して“１”の所では、各ビットに対する着磁部の長
さを均等に（７／８）λにする。こうすることにより、
２ビット分の長さは（７／８）λ×２＝λ＋（３／４）
λとなり、これにセンサ間の間隔による誤差分（１／
４）λを加えたときに２λとなり、ちょうど得ようとす
る２ビット分の長さになる。以下同様にして２進信号が
３ビット以上連続する所に対しても誤差分を平均に分配
することができる。

【００３１】一般に、検出するアブソリュート出力の１
ビットの長さをλとするとき、記録波長（符号板に記録
する１ビットの長さ）は下記の式で表すことができる。 記録波長＝｛１−（１／４ｎ）｝λ（ｎは連続するビッ
ト数） そうして、例えば、４ビット分の着磁部が連続する場合
には１つのビット長を上記の式においてｎ＝４として計
算し、記録波長＝（１５／１６）λとする。

【００３２】このようにして記録したパターンを前記検
出器によって再生すると、各ピッチ幅が均一で分断の無
いアブソリュート信号を得ることができる。この方法に
よれば、各着磁ビット間隔が平均的となるので、差動出
力を取ったときのコードが上記第１実施形態の場合と比
較して分断がより少ないものとなっている。

【００３３】図４は本発明の更に他の実施形態について
示したもので、１トラック型アブソリュートエンコーダ
は従来型の多トラック型アブソリュートエンコーダに比
べ数々の利点を有するが、各ビット境界に於いて１つで
もセンサ読み誤りがあると、不定なコード出力を起こし
てしまうという欠点があった。これらの補正として、１
ビットに対し４本のＭＲ素子を用い、２組のヘッドを構
成し境界部分の検出を防ぐ方法がある。

【００３４】ちなみに、アブソリュートヘッドは出力ビ
ットが増える毎に、４×Ｎ（Ｎは出力ビット数）本のＭ
Ｒ素子が必要となる。

【００３５】この方式についての詳細は上記特開平１−
７９６１９号に記載されているが、この様子を図４を参
照して簡単に説明する。図４の最上段に示す様なアブソ
リュートトラック（ＡＢＳ）（論理“１”を着磁、論理
“０”を無着磁とする）上に、長手方向に互いに素子間
隔λ／４で配置された４本のＭＲ素子Ａ１，Ａ１′，Ｂ
１，Ｂ１′よりなる２組のヘッドＡ，Ｂを構成し、同図
２段目に示すようなインクリメンタルトラック（ＩＮ
Ｃ）上に、素子間隔λ／２の一対のＭＲ素子よりなるヘ
ッドＣと、それより更に（７／４）λ離れた一対のＭＲ
素子よりなるヘッドＤが配置されている。

【００３６】ヘッドを符号板（磁気パターンが記録され
たスケール）に対して相対移動すると、Ａ１，Ａ１′，
Ｂ１，Ｂ１′の各素子は、λ／４づつ位相のずれた出力
を発生する。センサＡ１の出力とＡ１′の出力を合成し
て、図１４に示す様なブリッジ回路にて合成した新たな
出力をヘッドＡの出力とすると図４の３段目に示す様な
波形となる。同様に、センサＢ１の出力とセンサＢ１′
の出力を合成した出力を、ヘッドＢの出力として図４の
４段目に示す。又、インクリメンタルパターン上のヘッ
ドＣ及びヘッドＤの各中点出力は位相差９０°、出力波
長λの正弦波となり、２つの出力を組合わせることによ
り、１波長区間内ではアブソリュートな区間絶対値信号
を得ることが出来る。

【００３７】ヘッドＡもしくはヘッドＢの信号の内、一
方が境界部分の不安定な信号を出力している時、他方の
信号はλ／２だけ位相がずれているので、安定な信号を
出力している。ヘッドＡ，Ｂのアブソリュート出力がオ
ン（論理“１”）からオフ（論理“０”）、又はその逆
に変化する所（変化点とする）を避け安定した所の出力
を取り出す為に、図５に示す様なヘッド選択信号を、ヘ
ッドＣ，Ｄより得られる区間絶対値信号より作り、これ
を利用して上記ＡとＢを安定個所でサンプリングして
（図４のヘッドＡ，Ｂ信号における矢印部分）安定して
いる信号を選択する様にすれば、図４の７段目に示す様
な、読み誤りの無いアブソリュート信号を全域に渡り得
ることが出来るというものである。

【００３８】しかし、従来型のスケール記録パターンで
この補正を行なった場合、各ヘッドのアブソリュート出
力Ａ，Ｂは、前述した通り着磁ビット長と無着磁ビット
長が不均一である為（無着磁部分が着磁部分に素子間隔
長分だけ圧迫され、その分着磁部が増加している）、無
着磁部の選択余裕度（変化点から選択部までの距離）が
λ／８と乏しく、信号出力に対して多少の不安が残り、
アブソリュート信号と、これを選択するヘッド選択信号
との位相調整も難しくなっていた。

【００３９】これに対し、本実施の形態によれば、図６
に図示する通り各アブソリュート出力Ａ，Ｂの各ビット
長が均一になった為、選択余裕度はλ／４となり信号出
力に対する不安は解消される。

【００４０】上記のエンコーダは１トラック型のアブソ
リュートパターンを持つエンコーダであるが、次に、図
７〜図１０を参照して、本発明の更に他の実施形態とし
て、上記に説明した本発明の技術思想を多トラック型の
アブソリュートパターンに適用した場合について説明す
る。

【００４１】図７〜図１０において、符号板（スケー
ル）上のトラックの数は４トラックであり、これら４ト
ラックの磁化の状態を組み合わせて４ビットのバイナリ
ーコードを表している。図７は、本発明の符号板と比較
するため、従来の位置検出装置の符号板を示している。
図８は本発明による第１の改良位置検出装置の符号板、
図９は本発明による第２の改良位置検出装置の符号板、
図１０は本発明による第３の改良位置検出装置の符号板
を示す。

【００４２】図８において、トラック１は２進符号の最
下位ビット、トラック２は２進２桁目、トラック３は２
進３桁目、トラック４は２進４桁目を示し、それぞれ２
の０乗、１乗、２乗、３乗の重み付けがなされている。

【００４３】トラック１については、着磁部の幅は｛１
−（１／４）｝λであり、トラック２については、着磁
部の幅は｛１−（１／８）｝・２λ＝｛２−（１／
４）｝λであり、トラック３については、着磁部の幅は
｛１−（１／１６）｝・４λ＝｛４−（１／４）｝λで
あり、トラック４については、着磁部の幅は｛１−（１
／３２）｝・８λ＝｛８−（１／４）｝λである。従っ
て、着磁部の幅は一般にトラックＴに対して｛（２のＴ
−１乗）−（１／４）｝λで与えられる。

【００４４】トラックＴの着磁部の幅を均等な波長で記
録するためには、その着磁部の幅をその着磁部を構成す
るビット数（２のＴ−１乗）で割って、各ビットに対す
る波長｛１−（１／２のＴ＋１乗）｝λを求め、この波
長の交番磁界を使って記録すればよい。例えばトラック
２では、Ｔ＝２であるから交番磁界の波長は｛１−（１
／８）｝λとなる。トラック３では、Ｔ＝３であるから
交番磁界の波長は｛１−（１／１６）｝λとなる。トラ
ック４では、Ｔ＝４であるから交番磁界の波長は｛１−
（１／３２）｝λである。

【００４５】図９は、各トラック上に記録される着磁部
の長さに比べて波長の短い交番磁界を用いて着磁した場
合を示す。因みに、図９と図８を比較すると、図９では
着磁部が短い波長の交番磁気の集まりとなっていること
が解るであろう。図８のトラック１とトラック４を比べ
ると、トラック４の記録波長は大きくなっており、この
ような大きい波長の波は波形の乱れを生じることがある
ので、短い波長の交番磁界の集まりとして記録すること
が好ましい。

【００４６】この短い波長の交番磁気は、センサ出力中
で一番短い符号の長さを最小分解能長Ｌとして、λｏ＝
Ｌ／ｍ（ｍは正の整数）で定義された波長を用いて表す
ことができる。

【００４７】センサをＭＲ素子で構成する場合は、２本
のＭＲ素子を素子間隔をλｏ／４だけ離して配置し、こ
れを１つの磁気センサとし、対をなす２つの磁気センサ
をλｏ／４離して配置しブリッジ接続して検出ヘッドを
構成する。

【００４８】前述したとおり、着磁部の長さは同一論理
値が連続してｎ個続くときは ｛ｎＬ−λｏ／４｝＝ｎｍλｏ｛１−１／４ｎｍ｝ で形成されるから、これを波長λ２の交番磁気で均等に
表すと ｎｍλ２＝ｎｍ｛１−１／４ｎｍ｝λｏ 即ち、λ２＝（１−１／４ｎｍ）λｏで表すことができ
る。

【００４９】図１０のグレーコードの場合には、トラッ
ク１が２つづつの着磁部の集まりになっており、トラッ
ク２が４つづつの集まり、トラック３と４は８つづつの
集まりになっているので、トラック１に対して｛１−
（１／８）｝λ、トラック２に対して｛１−（１／１
６）｝λ、トラック３と４に対しては｛１−（１／３
２）｝λとなっている。

【００５０】従って、この場合は、トラックＴにおける
着磁部の交番磁気の波長は ｛１−（１／２のＴ＋２乗）｝λ であり、最上位のトラックに対してはその１つ下位のト
ラックの交番磁気の波長と同じにする。

【００５１】こうすることにより、上記１トラックアブ
ソリュートエンコーダと同様、ビット長が均等な出力が
得られる。

【００５２】

【発明の効果】本発明の上記構成により、位置検出装置
からの出力が正確なアブソリュート情報として利用する
ことができ、この情報のみでもアブソリュートエンコー
ダの製作が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による改良型アブソリュートパターンの
波長関係を示す波形図である。

【図２】本発明の図１のアブソリュートパターンを使っ
た検出装置の実測データを示す波形図である。

【図３】本発明の他の改良型アブソリュートパターンの
波形関係を示す波形図である。

【図４】本発明の更に他のアブソリュートパターンを用
いた符号板とヘッドを示す模式図である。

【図５】従来型エンコーダの出力波形図である。

【図６】本発明によるエンコーダの出力波形図である。

【図７】従来装置の符号板のパターンを示す模式図であ
る。

【図８】本発明による第１の改良型符号板のパターンを
示す模式図である。

【図９】本発明による第２の改良型符号板のパターンを
示す模式図である。

【図１０】本発明による第３の改良型符号板のパターン
を示す模式図である。

【図１１】アブソリュートコードとセンサ出力を示す波
形図である。

【図１２】アブソリュートコードの例を示す図表であ
る。

【図１３】ＭＲ素子の構造を説明するための略図であ
る。

【図１４】ＭＲ素子で構成されたセンサの出力波形を説
明するための説明図である。

【図１５】従来型の４ビットコード出力のアブソリュー
トパターンの構成図である。

【図１６】ＭＲ素子センサの出力と２つのセンサ出力の
合成波形を示す波形図である。

【符号の説明】

λ スケール記録波長

───────────────────────────────────────────────────── 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 - 5/62 G01B 7/00 - 7/34 G01P 1/00 - 3/80

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 論理値“０”と“１”の組み合わせで形
   成されたアブソリュートコードで成るトラックを有する
   符号板と、複数の検出ヘッドとから成る位置検出器とを
   有し、上記符号板と上記位置検出器とは該符号板のトラ
   ック長手方向に対して相対的に移動可能なように設けら
   れ、 上記検出ヘッドの各々は、上記符号板のトラック長手方
   向に所定の素子間隔長分離れて配置された、一対の磁気
   センサで構成され、該一対の磁気センサのそれぞれの出力を合成して出力信
   号を得るようにした位置検出装置において、 上記アブソリュートコードは、論理値“０”又は“１”
   のどちらか一方を所定波長の交番磁気で記録した着磁
   部、他方を無着磁部とするアブソリュートパターンで形
   成し、 上記着磁部の長さは、上記論理値を単位とする記録波長
   に、連続する上記一方の論理値の数を乗算した値から上
   記一対の磁気センサの間の間隔長を減算した長さとし、 上記無着磁部の長さは、上記記録波長に、連続する上記
   他方の論理値の数を乗算した長さに一対の磁気センサの
   間の間隔長を加算した長さとした、 ことを特徴とする位置検出装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の位置検出装置におい
   て、 前記符号板上に形成されたアブソリュートパターンの各
   ビット当たりの着磁部の長さｂは、検出するアブソリュ
   ート出力の最小分解能長をＬとし、着磁部を形成する一
   方の論理値が連続するビット数をｎとするとき、１つの
   ビットの長さをｂ＝（３／４）Ｌとし、他の（ｎ−１）
   ビットの各ビットの長さをｂ＝Ｌとしたことを特徴とす
   る位置検出装置。
3. 【請求項３】 請求項１に記載の位置検出装置におい
   て、 検出するアブソリュート出力の最小分解能長をＬ、記録
   用交番磁界の波長をλ₀ ＝Ｌ／ｍ（ｍは正の整数）、着
   磁部を形成する一方の論理値が連続するビット数をｎと
   するとき、 前記符号板上に形成すべきアブソリュートパターンの１
   ビット当たりの着磁部の長さは、 ｛１−（１／４ｍｎ）｝λ₀ とすることを特徴とする位置検出装置。