JP3506613B2 - 原点検出方式 - Google Patents

原点検出方式

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  • Transmission And Conversion Of Sensor Element Output (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、光学式リニアエン
コーダ等の位置検出手段の基準位置を決定するための原
点検出方式に関し、特に簡素で小型のエンコーダに適し
た原点検出方式に関する。
【0002】
【従来の技術】従来の接触式透過型エンコーダでは、接
触式のギャップ保持機構により検出部のギャップを小さ
く且つ変動無く保持することが可能であるため、この種
のエンコーダの原点検出方式としては、基本ピッチの細
かい、即ち空間周波数の高い、ランダムパターン化され
た原点マークをスケール上に形成する方式が採用されて
いる。図8(a)は、この種のランダムパターンによっ
て得られる原点原信号と原点出力信号とを示す波形図で
ある。ランダムパターンを用いた場合、原点原信号に鋭
いピークが含まれるため、この信号を所定の基準レベル
でスライスしたときにシャープな原点出力信号が得られ
る。このため、比較的再現性の良い原点位置検出が可能
である。
【0003】一方、非接触反射型エンコーダ等では、非
接触状態を維持するために検出部のギャップ及びその許
容変動幅を大きく設定する必要があり、接触式透過型の
ような基本ピッチの細かいランダムパターンによる原点
検出が困難である。このため、例えば図8(b)に示す
ような、粗いスリットパターンを用いることが多い。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、粗いス
リットパターンで得られた原点原信号波形を基準レベル
でスライスして原点出力信号を得る方法では、図8
(b)に示すように、原点原信号のエッジの傾斜が緩慢
であるため、温度ドリフト等により原点出力信号のエッ
ジ位置が変動する。このような変動は、原点原信号の傾
斜が緩慢である程大きくなる。この変動率は、接触式透
過型のランダムパターンを用いた場合の10〜30倍に
も達し、原点出力信号をこのまま使用すると、ランダム
パターン方式に比べ、位置再現性が1オーダも低下する
という問題があった。
【0005】本発明は、このような点に鑑みなされたも
ので、簡素で小型化が可能な検出部の構造を維持しなが
ら、従来のエッジ検出による原点検出方式よりも再現性
に優れた原点検出方式を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明に係る原点検出方
式は、メインスケールとインデックススケールの相対位
置の変化に応じた位置検出信号を出力すると共に、前記
メインスケールとインデックススケールとにそれぞれ形
成された原点検出用パターンの重なりの度合いに応じて
レベルが変化する原点原信号を出力する位置検出手段
と、前記原点原信号を所定の基準レベルでスライスして
ゲート信号を生成出力するゲート信号発生手段と、この
ゲート信号発生手段で生成されたゲート信号がアクティ
ブになってから前記位置検出信号に基づく位置パルスの
計数を開始し前記ゲート信号が非アクティブになったと
きに計数値を1/2にする位置パルス計数手段とこの
位置パルス計数手段で1/2になった後の計数値を原点
検出の基準として前記位置パルス計数手段の計数値が予
め設定されたオフセット値になったら原点出力信号を出
力する原点出力手段とを備えたことを特徴とする。
【0007】また、本発明に係る原点検出方法は、位置
検出手段の位置検出用信号から生成された位置パルスと
原点原信号を所定の基準レベルで2値化して得られたゲ
ート信号とを監視し、前記ゲート信号がアクティブにな
ってから前記位置パルスの計数を開始し前記ゲート信号
が非アクティブになったときに計数値を1/2にすると
共に、1/2になった後の計数値が予め設定されたオフ
セット値になったら原点出力信号を出力するようにした
ことを特徴とする。
【0008】本発明によれば、原点原信号を所定の基準
レベルで2値化して得たゲート信号がアクティブである
間、位置パルスを計数し、ゲート信号の長さが計数され
た時点でその計数値を1/2することにより、ゲート信
号の立ち上がり(又は立ち下がり)からゲート信号り立
ち下がり(又は立ち上がり)までの間の丁度中間点を基
準とした計数値が得られる。一般に、原点原信号が緩や
かに変化する場合、それを2値化したときのエッジ位置
は温度ドリフトなどにより大きく変動するが、エッジと
エッジの中間点、即ち原点原信号のピーク位置は殆ど変
動しない。本発明は、この点に着目してゲート信号のエ
ッジ間の中央位置を基準としているため、原点原信号の
エッジの傾斜が緩慢であっても、それによる影響は殆ど
無い。このため、再現性にすぐれた原点検出が可能にな
る。
【0009】 また、スケールが移動して位置パルス計
数手段がゲートパルス幅を計数し、その計数値が1/2
となったあとに位置パルス計数手段の計数値が予め設定
されたオフセット値に達したら原点出力信号を出力する
原点出力手段を備えているので、スケールに対する検出
部の移動に伴ってリアルタイムで原点検出を行うことが
可能になる。
【0010】ゲート信号は、原点原信号を2値化して生
成されるが、ノイズによる誤検出を防止するため、この
種のレベル比較処理では、通常、ヒステリシス特性を持
たせたコンパレータの使用が望ましい。しかしながら、
本発明の場合、コンパレータがヒステリシス特性を持っ
ていると、ゲート信号の両エッジ位置がいずれかの方向
にずれてしまう。このような問題を解決するためには、
例えばゲート信号発生手段が、前記原点原信号の高レベ
ルから低レベルへの変化を前記所定の基準レベルで検出
し低レベルから高レベルへの変化を前記所定の基準レベ
ルよりも高いレベルで検出する第1のコンパレータと、
前記原点原信号の高レベルから低レベルへの変化を前記
所定の基準レベルよりも低いレベルで検出し低レベルか
ら高レベルへの変化を前記所定の基準レベルで検出する
第2のコンパレータと、前記ゲート信号がアクティブに
なってから非アクティブになるまでの間の途中の時点を
境として、その前半で前記第1のコンパレータの出力を
選択し、その後半で前記第2のコンパレータの出力を選
択することにより、これら選択された出力を前記ゲート
信号として出力する選択手段とを備えたものであると良
い。
【0011】ゲート信号発生手段がこのような構成であ
ると、ヒステリシス特性を持った2つのコンパレータの
うち第1のコンパレータの高レベルから低レベルへの変
化を検出するスレッショルドレベルと、第2のコンパレ
ータの低レベルから高レベルへの変化を検出するスレッ
ショルドレベルとが一致しており、且つこれらの変化が
それぞれ選択手段で選択されてゲート信号が生成される
ので、ヒステリシス特性による耐ノイズ性能の向上を図
りつつ、同時にゲート信号のエッジ位置が変動するのを
防止することができる。
【0012】
【発明の実施の形態】以下、添付の図面を参照して、こ
の発明の好ましい実施の形態について説明する。図1
は、この発明の一実施例に係る原点検出方式に使用され
る位置検出手段、即ち原点原信号φZ及び位置検出信号
としての2相正弦波信号φA,φBを出力するリニアス
ケールの概略構成を示す斜視図である。このリニアスケ
ールは、透過型光電式エンコーダで、メインスケール1
とインデックススケール2とを対向配置させ、両スケー
ル1,2に所定ピッチの光学格子3,4を形成してい
る。両スケール1,2を挟んでLED等の光源5とフォ
トダイオード等の受光素子6とが向かい合っている。イ
ンデックススケール2、光源5及び受光素子6で、メイ
ンスケール1に対して相対的に移動する検出部7が構成
されている。検出部7が移動すると、各スケール1,2
の光学格子3,4を透過する光は、格子ピッチと同じ周
期で明暗を繰り返す。受光素子6は、この変化を電気信
号に変換し、90°位相差の位置検出信号、即ち2相正
弦波信号φA,φBを出力する。また、両スケール1,
2の所定箇所に原点検出用パターン8,9がそれぞれ形
成されており、受光素子6は、これらパターン8,9の
重なり具合によって図8(a)又は(b)に示したよう
な原点原信号φZを出力する。
【0013】図2は、これら2相正弦波信号φA,φB
及び原点原信号φZから原点出力信号PZを生成出力す
るための原点検出回路を示す図である。2相正弦波信号
φA,φBは、内挿回路11に入力され、ここで2相正
弦波信号φA,φBの周期が所定数分割されて2相方形
波信号PA,PBが生成される。例えば、スケール1,
2の格子ピッチが20μmであると、内挿回路11はこ
れを100分割することにより、0.2μmピッチで分
解能0.05μmの2相方形波信号PA,PBを生成出
力する。これら2相方形波信号PA,PBは、位相が例
えば90°ずれていて、いずれの立ち上がりエッジが先
行しているかをもってインデックススケール2の移動方
向が定まるようになっている。位置パルス計数手段とし
てのカウンタ12,13は、この2相方形波信号PA,
PBを導入し、これら信号PA,PBの各立ち上がり及
び立ち下がりエッジを検出することで、例えば0.05
μmピッチの位置パルスPULSEを内部に生成すると共
に、2相方形波信号PA,PBの位相関係に基づいて移
動方向DIRをデコードし、移動方向DIRに基づいて
位置パルスPULSEをアップカウント又はダウンカウント
する。
【0014】一方、ゲート信号発生回路14は、原点原
信号φZを所定の基準レベルVRefでスライスして、ゲ
ート信号Zを生成・出力する。このゲート信号Zは、カ
ウンタ12に与えられている。カウンタ12は、ゲート
信号Zがアクティブになってから位置パルスPULSEのカ
ウントを開始し、ゲート信号Zが非アクティブになった
ときにその計数値を1/2回路15で1ビットシフトし
て、1/2にしてからカウンタ13にプリセットする。
なお、この処理は、単にカウンタ12からカウンタ13
へ最下位ビットを除く計数値をプリセットするだけでも
よい。カウンタ13は、プリセット後の計数値を位置パ
ルスPULSEに従って計数する。カウンタ13の計数値
は、コンパレータ16に供給される。コンパレータ16
は原点出力手段となるもので、入力された計数値と予め
定めたオフセット値Nとを比較して、両者が一致したと
きに原点出力信号PZを出力する。また、コンパレータ
17は、カウンタ12から出力される計数値と後述する
所定値mとを比較して、両者が一致したときにコントロ
ール信号CNTを出力する。このコントロール信号CN
Tは、ゲート信号発生回路14に供給され、後述するよ
うに、ゲート信号Zを生成する際に使用される。
【0015】次にこのように構成された原点検出回路の
動作について説明する。図3は、原点原信号φZ及び基
準レベルVRefと、原点検出位置との関係を説明するた
めの図である。いま、原点原信号φZを基準レベルVRe
f,VRef’,VRef”でそれぞれスライスした場合、左
右のエッジ位置XZL,XZL’,XZL”,XZR,XZR’,
XZR”は、検出部7の移動方向に大きく変化する。この
ことは、光源5の光量変化、光源5及び受光素子6の温
度特性等によってゲート信号Zのエッジ位置が大きく変
動することを示している。しかし、左右のエッジ位置X
ZL−XZR,XZL’−XZR’,XZL”−XZR”の各中点X
ZP,XZP’,XZP”を結んでいくと、もし原点原信号φ
Zが完全軸対象であるならば、中点連結線は原点原信号
φZのピーク値を通る垂線と一致する。実際には、光量
分布の不均一性などの影響で、図示のように中点連結線
が垂線から多少傾く。しかし、この傾きΔXZP/ΔVRe
fは、各スライス点における傾きΔXZL/ΔVRefに比べ
るとはるかに小さく、中点連結線は原点原信号φZのピ
ーク値を通る垂線にほぼ一致していると考えて良い。よ
って、原点位置を定義するには原点原信号φZのスライ
ス位置よりもその中点を用いた方が再現性が良くなる。
【0016】しかし、原点原信号φZのピークを通る中
心軸は波形から割り出すことはできても、そのスライス
位置の中点は、実際に検出部7がスライス位置の2点を
通過しないと割り出せないため、リアルタイムに中心点
位置を原点信号として直接出力することができない。そ
こで、この実施例では、原点原信号φZのピーク位置か
ら所定値Nだけオフセットさせた位置で原点出力信号P
Zを出力させるようにしている。
【0017】図4は、図2の回路の原点検出動作を示す
タイミングチャートである。いまリニアスケールの検出
部7をホームポジションに移動したのち、予め決められ
た方向へ移動させることによって得られた原点原信号φ
Zを基準レベルVRefでスライスすると、ゲート信号Z
が得られる。ゲート信号Zの立ち上がりXZLで、カウン
タ12が位置パルスPULSEのカウント動作を開始する。
ゲート信号Zの立ち下がりXZRまでのカウンタ12のカ
ウント値が80であるとすると、ゲート信号Zの立ち下
がりによって、この計数値は80/2=40となってカ
ウンタ13にプリセットされるので、カウンタ13は、
以後41から計数を開始する。ここで、オフセット値N
が100であるとすると、カウンタ13の計数値が10
0に達した時点でコンパレータ16が原点出力信号PZ
を出力する。なお、原点出力信号PZのパルス幅は、こ
の例では位置パルスPULSEで4パルス分としている。
【0018】ここで、原点原信号がφZ→φZ’のよう
にレベル変動すると、ゲート信号はZ→Z’のように変
化し、その立ち上がり位置がXZL→XZL’、立ち下がり
位置がXZR→XZR’のように共に内側に変化する。この
場合、例えば位置パルスPULSEのカウント開始とカウン
ト値を1/2にするタイミングとが上の例とはずれるこ
とになるが、変動後の原点原信号φZ’もφZとピーク
位置を等しくし、中心軸に対して対称形とみなせるの
で、カウンタ12のカウント値を1/2した時点で、同
じ重みのパルスを中点位置XZPから計数したのと等価と
なる。よって、カウンタ13が100をカウントするタ
イミングは、先の例と全く同じになる。このように本実
施例の回路を用いれば、傾斜の緩やかなエッジを持つ原
点原信号φZが得られるスリット方式でも、原点原信号
φZの軸対称性をある程度確保すれば、再現性に優れた
原点出力信号PZを得ることができる。
【0019】ところで、原点原信号φZを基準レベルV
Refでスライスする場合、一般にはコンパレータが用い
られる。コンパレータを用いる場合、比較する2信号の
レベルが一致もしくは非常に近接すると不安定な動作を
するため、通常、コンパレータにヒステリシス特性を持
たせることが多い。しかし、コンパレータにヒステリシ
ス特性を持たせると、ゲート信号Zの立ち上がり位置X
ZLと立ち下がり位置XZRを求めるための原信号φZに対
するスライスレベルが異なるため、XZLとXZRの中点位
置XZPと、原点原信号φZのピーク位置とが一致しなく
なる。そこで、この実施例では、ゲート信号発生回路1
4を、図5のように構成している。
【0020】即ち、ゲート信号発生回路14は、ヒステ
リシス特性を異ならせた第1のコンパレータ21及び第
2のコンパレータ22と、これらコンパレータ21,2
2の出力を切り替える選択手段としてのANDゲート2
3及びORゲート24とを備えて構成されている。第1
のコンパレータ21は、抵抗R11,R12,R13、
インバータI11,I12及びダイオードD1によっ
て、図6に示すように、原信号φZの立ち下がりでは基
準レベルVRefをスライスレベルとし、立ち上がりでは
それよりも高いレベルVTH+をスライスレベルとしてい
る。また、第2のコンパレータ22は、抵抗R21,R
22,R23、インバータI21,I22及びダイオー
ドD2によって、図6に示すように、原信号φZの立ち
下がりでは基準レベルVRefよりも低いレベルVTH-をス
ライスレベルとし、立ち上がりでは基準レベルVRefを
スライスレベルとしている。
【0021】制御信号CNTが当初ハイレベル、ゲート
信号Zの出力期間の途中でロウレベルに変化すると、O
Rゲート24は、ゲート信号Zの立ち上がり時点では第
1のコンパレータ21の出力、ゲート信号Zの立ち下が
り時点では第2のコンパレータ22の出力を選択するの
で、図6に示すように、ORゲート24から最終的に得
られるゲート信号Zは、1つの基準レベルVRefでスラ
イスされた信号と同じになり、その立ち上がり位置及び
立ち下がり位置の中点位置が変動することがなくなる。
【0022】制御信号CNTは、カウンタ12のカウン
ト値から生成すればよい。即ち、原点原信号φZの負又
は正のエッジが比較レベルVTHから十分に離れて、ノイ
ズや振動による不安定な状態から脱した位置で、第1の
コンパレータ21と第2のコンパレータ22を切り替え
る必要があるため、カウンタ12のカウント値が0より
十分大きく、ゲート信号Zの幅に対応した計数値よりも
十分小さい範囲の数値mを予め設定しておき、この設定
値mとカウンタ12のカウント値とをコンパレータ17
で比較して、切り替え用の制御信号CNTを生成し、こ
れをゲート信号発生回路14に出力する。
【0023】以上の実施例により、極めて簡易な構成で
再現性に優れた原点検出が可能になる。ちなみに、本発
明者等の試算によれば、ゲート信号幅ZX=200μ
m、原点原信号φZと基準レベルVRefの相対変動を5
%とすると、従来のエッジ検出による原点検出方式で
は、原点出力の位置変動幅が9.3μmであったが、本
方式では、位置パルス分解能0.1μmとした場合の位
置変動幅が0.5μmまで減少し、原点位置の再現性が
18.6倍に改善された。
【0024】図7は、本発明の原点検出処理をソフトウ
ェアによって実現する際のフローチャートである。電源
オン(S1)ののち、カウント値COUNTと原点出力信号
PZとをリセットする(S2,S3)。次に、ゲート信
号Zを監視し(S4)、ゲート信号ZがHレベルになっ
たら(S5)、位置パルスPULSEにより検出部7の移動
方向DIRを確認し、移動方向DIRが負方向であったら、も
う一度ゲート信号Zの監視ステップ(S4)に戻るが、
正方向であったら、次の第2ステージに進む(S6)。
第2ステージでは、位置パルスPULSEを監視し(S
7)、移動方向に応じて(S8)、カウント値COUNTを
アップカウント(S9)又はダウンカウント(S10)
する。このカウント動作をゲート信号ZがLレベルにな
るまで続行する(S11,S12)。検出部7が正方向
移動しているときにゲート信号がLになったことが検出
されたら(S11)、カウント値COUNTを1/2にし
(S13)、次の第3ステージに進む。
【0025】第3ステージでは、まず位置パルスPULSE
を監視し(S14)、その方向に応じて(S15)カウ
ント値をアップカウント(S16)又はダウンカウント
(S17)する。アップカウント時には、カウント値CO
UNTがN以上になったら(S18)、カウント値COUNTが
N+W(WはPZのパルス幅)以上になるまで(S1
9)、原点出力信号PZをHレベルにする(S20)。
カウント値COUNTがN+W以上になったら、原点原信号
PZをLレベルにする(S21)と共に、カウント値CO
UNTを0にする(S26)。また、ダウンカウント時に
は、カウント値COUNTがNを下回ったら(S22)、原
点出力信号PZをLレベルにし(S23)、更にカウン
ト値COUNTが0を下回り(S24)、且つゲート信号Z
がLレベルになったら(S25)、カウント値COUNTを
0にする(S26)。以上の処理により、再現性に優れ
た原点検出が可能になる。
【0026】なお、以上の実施例では、位置検出手段が
透過型非接触光電式エンコーダである例を挙げたが、原
点原信号φZ及び位置情報を得るための位置検出手段
は、特にこの例に限定されるものではなく、むしろ反射
型非接触光電式エンコーダ等からの出力を利用する場合
の方が、本発明の効果がより得られると考えられる。ま
た、原点検出用パターン8,9は、単純なスリットでも
良いし、前述したランダムパターンを用いたものでも良
い。
【0027】
【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、原
点原信号を所定の基準レベルで2値化して得たゲート信
号がアクティブである間、位置パルスをで計数し、ゲー
ト信号の長さが計数された時点でその計数値を1/2す
ることにより、ゲート信号の立ち上がり(又は立ち下が
り)からゲート信号り立ち下がり(又は立ち上がり)ま
での間の丁度中間点を基準とした計数値が得られ、中間
点は原点原信号のエッジの傾斜が緩慢であっても、それ
による影響は殆ど無いので、再現性に優れた原点検出が
可能になるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一実施例に係る原点検出方式に適用
されるリニアエンコーダの分解斜視図である。
【図2】 同実施例に係る原点検出回路のブロック図で
ある。
【図3】 同回路で検出する原点原信号のエッジ間中央
値を説明するための図である。
【図4】 同回路の動作を説明するためのタイミング図
である。
【図5】 同回路におけるゲート信号発生回路の詳細回
路図である。
【図6】 同ゲート信号発生回路の動作を説明するため
の波形図である。
【図7】 本発明の原点検出処理をソフトウェアで実現
するための手順を示すフローチャートである。
【図8】 従来のランダムパターン及びスリットパター
ンによる原点検出方法を説明するための図である。
【符号の説明】
1…メインスケール、2…インデックススケール、3,
4…回折格子、5…光源、6…受光素子、7…検出部、
8,9…原点検出パターン、11…内挿回路、12,1
3…カウンタ、14…ゲート信号発生回路、16,17
…コンパレータ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−28811(JP,A) 実開 平5−92814(JP,U) 特公 昭50−32631(JP,B1) 特公 昭58−51603(JP,B2) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01D 5/00 - 5/62

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 メインスケールとインデックススケール
    の相対位置の変化に応じた位置検出信号を出力すると共
    に、前記メインスケールとインデックススケールとにそ
    れぞれ形成された原点検出用パターンの重なりの度合い
    に応じてレベルが変化する原点原信号を出力する位置検
    出手段と、 前記原点原信号を所定の基準レベルでスライスしてゲー
    ト信号を生成出力するゲート信号発生手段と、 このゲート信号発生手段で生成されたゲート信号がアク
    ティブになってから前記位置検出信号に基づく位置パル
    スの計数を開始し前記ゲート信号が非アクティブになっ
    たときに計数値を1/2にする位置パルス計数手段と この位置パルス計数手段で1/2になった後の計数値を
    原点検出の基準として前記位置パルス計数手段の計数値
    が予め設定されたオフセット値になったら原点出力信号
    を出力する原点出力手段とを備えたことを特徴とする原
    点検出方式。
  2. 【請求項2】 前記位置検出信号である2相正弦波信号
    をそれぞれ内挿して2相方形波信号を生成出力する内挿
    手段を更に備え、 前記位置パルス計数手段は、前記2相方形波信号から生
    成される前記位置パルスを前記2相方形波信号の位相関
    係に基づいてアップカウント又はダウンカウントするも
    のであることを特徴とする請求項1記載の原点検出方
    式。
  3. 【請求項3】 前記ゲート信号発生手段は、 前記原点原信号の高レベルから低レベルへの変化を前記
    所定の基準レベルで検出し低レベルから高レベルへの変
    化を前記所定の基準レベルよりも高いレベルで検出する
    第1のコンパレータと、 前記原点原信号の高レベルから低レベルへの変化を前記
    所定の基準レベルよりも低いレベルで検出し低レベルか
    ら高レベルへの変化を前記所定の基準レベルで検出する
    第2のコンパレータと、 前記ゲート信号がアクティブになってから非アクティブ
    になるまでの間の途中の時点を境として、その前半で前
    記第1のコンパレータの出力を選択し、その後半で前記
    第2のコンパレータの出力を選択することにより、これ
    ら選択された出力を前記ゲート信号として出力する選択
    手段とを備えたものであることを特徴とする請求項1
    は2記載の原点検出方式。
  4. 【請求項4】 位置検出手段の位置検出用信号から生成
    された位置パルスと原点原信号を所定の基準レベルで2
    値化して得られたゲート信号とを監視し、 前記ゲート信号がアクティブになってから前記位置パル
    スの計数を開始し前記ゲート信号が非アクティブになっ
    たときに計数値を1/2にすると共に、 1/2になった後の計数値が予め設定されたオフセット
    値になったら原点出力信号を出力するようにしたことを
    特徴とする原点検出方法。
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