JPH01219614A - 位置読取エンコーダ装置の調整方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、位置読取エンコーダ装置の調整方法に関し、
特に、同時に複数の位置読取データが得られる位置読取
エンコーダ装置の調整方法に関するものである。

〔発明の概要〕

本発明は、スケール板のスケールパターンを検出して複
数の位置読取データを出力する位置読取エンコーダ装置
の調整方法において、出力された複数の位置読取データ
に対応して立てられる複数の計算式に基づいて、該計算
式中の係数を決定することにより、位置読取エンコーダ
装置の組み立て時や取付時の微調整等の手間を省き、自
動調整等を可能とするものである。

〔従来の技術〕

いわゆるロータリエンコーダ等の位置読取エンコーダ装
置は、産業用ロボットのアームの角度検出や、工作機械
のテーブルの送り位置を検出する場合等に多く用いられ
ており、例えば特開昭５９−２２４５１５号公報に示さ
れるようなエンコーダ装置が従来より知られている。こ
の位置読取工ンコーダ装置には、相対位置や移動量デー
タを出力するようなインクリメンタル形のものと、絶対
位置データを出力するアブソリュート形のものとがある
。

ところで本件発明者は、先に特願昭６２−１９８２６号
において、スケール板となるコード板に数値パターンを
形成すると共にストライプ状のパターンを形成し、上記
コード板を撮像素子で読み取り、上記数値パターンから
粗精度の位置を検出し、上記ストライプ状のパターンか
ら精精度の位置を検出するようにした位置読み取りエン
コーダを提案している。

すなわち、第３図は上記位置読み取りエンコーダの概略
構成を示しており、上記スケール板となるコード板１０
と、このコード板１０に対向して配設される撮像素子１
１とは、少なくとも一方が移動可能（相対移動可能）と
なっている、コード板１０には、例えば第４図に示すよ
うに、いわゆるグレイ符号を示す数値パターン領域１２
と、ストライプ状のパターン領域１３とが設けられてい
る。ここで上記グレイ符号とは、２進数を表現する符号
のひとつであって、交番２進符号又は反射２進符号とも
称され、隣接した２つの数の間では必ず１ビツトのみが
変化するという特徴を有している。ストライプ状のパタ
ーン領域１３には幅Ｗのストライプ状のパターンＰが互
いに平行で等間隔に複数本形成されている。これらのス
トライプ状パターンＰの配列方向Ｚは上記各パターンＰ
の延長方向と直交しており、その配列ピッチを２１とし
ている。上記数値パターン領域１２のグレイ符号は各パ
ターンＰに対応して付されており、このグレイ符号を読
み取ることにより各パターンＰの上記Ｚ方向の絶対位置
を知ることができるようになっている。

このようなコード板１０に対向して配設される撮像素子
１１は、上記パターンを検出するためのＣＣＤ等を用い
た２次元撮像素子である。上記相対移動方向は上記配列
方向Ｚと平行であるが、撮像素子ｌｌ自体の軸方向は該
配列方向Ｚに対して僅かの傾斜角θを持つように設けら
れる。第４図においては、２次元揚機素子１１の水平、
垂直の各座標軸Ｘ、Ｙのうちの垂直軸Ｙと上記配列方向
Ｚとのなす角度を上記θとしている。この撮像素子１１
によりコード板１０の各パターン領域１２．１３のそれ
ぞれ一部を同時に撮像し、撮像信号を第３図の検出回路
１４に送うて、上記数値パターン領域１２の数値パター
ンから上記グレイ符号を読み取り、パターン領域１３の
ストライブ状パターンＰから後述するように所定点の座
標を読み取っている。これらの読取データは、座標変換
回路１５に送られることにより、上記グレイ符号及び上
記ストライプ状パターンＰの上記所定点の座標に基づい
て上記Ｚ軸方向の絶対位置情報が得られるようになって
いる。この場合、上記グレイ符号に基づいては比較的粗
い精度（上記パターンＰの配列ピッチｐ２を単位とする
位置精度）の絶対位置情報しか得られないわけであるが
、後述するように上記パターンＰの上記所定点の座標に
基づく座標変換によりさらに高い精度の位置情報を読み
取るようにしている。なお、第３図においては、コード
板１０の背後からＬＥＤ等の光源１６からの光を照射し
ており、いわゆる透過型のコード板１０を用いる例を示
しているが、撮像素子１１と同じ側に光源を配置するい
わゆる反射型のコード板を用いてもよいことは勿論であ
る。

次に第５図は、撮像素子１１により映し出された像の一
部を拡大して示しており、上記ストライプ状のパターン
領域１３のパターンＰは、撮像素子１３の各画素（セル
）Ｓ毎に２Ｍ化された映像パターンとなっている。この
場合、２次元撮像素子１１の座標軸方向（画素の配列方
向）のひとつであるＹ軸方向と上記ストライブ状パター
ンＰの配列方向Ｚとが上記僅かの角度θを持って傾いて
いることより、パターンＰの縁あるいは境界線Ｅは第５
図に示すように階段状に表れる。この階段状境界線Ｅは
、パターンＰの図中上縁Ｅａと図中下縁Ｅｂとがあり、
上縁Ｅａの段差部の画素Ｓａ＋やＳａｇ等は上記２次元
映像パターンを上記χ軸方向に走査するとき白から黒へ
変化する画素として、また下縁Ｅｂの段差部の画素Ｓｂ
＋やＳｂｔ等は同じくＸ軸方向に走査するとき黒から白
へ変化する画素として、それぞれ容易に検出できる。こ
こで、２次元撮像素子１１の各画素Ｓの上記Ｘ軸、Ｙ軸
方向についての座標（ｘ、ｙ）を画素Ｓの個数を単位と
して表す場合に、上記パターン上縁Ｅａの所定の段差部
の画素Ｓａ＋の座標を（Ｘ□、ｙｏ）とし、上記段差部
の画素Ｓａ、に対応するパターン下縁Ｅｂの段差部の画
素ｓｂ、の座標を（Ｘｂ＋＋）’ｂ＋）とするとき、こ
れらの画素Ｓａ＋とｓｂ＋とを結ぶ線分の中心位置の座
標（ｘ　Ｉ＋　ｙ　＋）は、Ｘ　＋＝　（Ｘ　□＋　Ｘ
　ｂ＋）／　２）’　＋　＝　（）’　−＋　＋　３’
　ｂ＋）／　２となる。この座標（ｘ＋、ｙ＋）の点は
、第６図に示すように上記ストライプ状パターンＰの中
心ｖＡｃ上にあり、このパターン中心線Ｃの上記Ｚ方向
の絶対値ｙｔｚｃは上記グレイ符号から読み取ることが
できる。また上記各座標値は画素Ｓの個数を単位として
表されているから、上記画素ＳＯＸ軸及びＹ軸方向の各
ピッチをそれぞれｐ８及びＰアとすると、２次元撮像素
子１１の位置読取基準点となる原点（０，Ｏ）に対する
上記座標（ｘ＋＋ｙ＋）の実際の距離は、Ｘ軸方向がＸ
＋ｐ＊、Ｙ軸方向がｙｌｐｙとなる。従って、この原点
（０，Ｏ）のＸ軸方向の絶対位置ｚ０は、上記パターン
Ｐの絶対位置Ｚ（、各座標値Ｘｌ＋ｙ１、画素Ｓの各ピ
ッチｐ　ｗ、　Ｐ　ｙ及び上記傾斜角度θにより、Ｚ　
ａ＝２ｃ　　（Ｘ＋ｐｍＳｉｎθ＋ｙ＋　Ｉ）ｙｃＯ３
θ）として求めることができる。これによって、原理的
には最小単位りｘ３ｉｎθの精度で絶対位置読取が行え
ることになる。

〔発明が解決しようとする課題］ ところで、上述したような位置読取エンコーダ装置のコ
ード板１０と撮像素子１１とを組み立てる際、あるいは
それぞれ所定位置に取り付ける際には、これらのコード
板１０と撮像素子１１との取り付は角度が上記傾き角度
θとなり、また、可動テーブルや可動アームの移動位置
と読み取られる絶対位置との関係が所定の関係となるよ
うにそれぞれ微調整することが必要不可欠となっている
。

このときの調整精度によって位置読取精度が決定される
ため、極めて高い精度で調整することが必要とされ、調
整作業が困難で手間を要することになる。

本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり
、位置読取エンコーダを組み立てる際、あるいは取り付
ける際の微調整を簡単かつ高精度に行い得るような位置
読取エンコーダ装置の調整方法の提供を目的とする。

〔課題を解決するための手段］ 本発明に係る位置読取エンコーダ装置の調整方法は、上
述の課題を解決するために、位置読取用のスケールパタ
ーンが形成されたスケール板と、このスケール板のスケ
ールパターンを検出して複数の位置読取データを出力す
る検出手段とを少な（とも有する位置読取エンコーダ装
置の調整方法において、上記複数の位置読取データに対
応して複数の計算式を立て、これらの計算式に基づいて
、該計算式中の係数を決定することを特徴としてい［作
　用］ 位置読取エンコーダ装置を組み立てる際や取り付ける際
の機械的な微調整を行う代わりに、例えばパターン検出
して直接的に得られる位置読取データを絶対位置情報に
変換するための計算式の係数を、複数の計算式について
の連立方程式を解くことによって最適の係数値に調整し
ている。従って、機械的なりＩＩ調整を行わなくとも、
許容された粗い範囲内で組み立であるいは取り付けを行
った後に、上記計算式の係数を調整することにより、取
付は状態に対する絶対位置の関係を高精度に保つことが
できる。

〔実施例〕

第１図は本発明に係る調整方法の一実施例を説明するた
めに位置読取エンコーダ装置の概略構成を示しており、
この第１図において前述した第３図の各部と対応する部
分には同じ指示符号を付している。

この第１図において、前述したような数値パターンやス
トライプ状パターンが形成されたスケール板あるいはコ
ード板１０に対向してＣＣＤ等の２次元撮像素子１１が
配設されており、この撮像素子１１は前述した相対移動
方向でもあるストライブ状パターン配列方向Ｚに対して
僅かの角度θだけ傾いて設けられている。撮像寒子１１
がらの揚傷信号は検出回路１４に送られて前記グレイ符
号や中心点の座標等が読み取られ、座標変換回路１５に
送られてＺ方向の絶対位置読取データとなって出力され
る。

ここで、２次元撮像素子１１により映し出されたコード
板１０のパターン像は例えば第２図のようになっており
、前述したストライプ状パターンＰの上縁の段差部の画
素Ｓａと下縁段差部の画素ｓｂとを結ぶ線分の中心あ座
標データは、複数個得られている。すなわち、この第２
図において、一般にパターンＰの上下縁段差部の対の第
に番目の画素対Ｓ　ａ、、　Ｓ　ｂｈの中心の座標（ｘ
ｉ、ｙｍ）は、画素Ｓａ、の座標（Ｘｍｉ＋＋３’ａｍ
）及び画素Ｓｂ＋＝の座標（Ｘ口、Ｖｂ＊）によって、 Ｘ　＊””　（Ｘ　ａｈ　＋　Ｘ　ｈａ）７２ｙ　＊＝
　（ｙ　ａｋ＋　ｙ　ｂｋ＞７２となる。この中心座標
（ｘｋ、ｙｋ）は、前述したようにストライプ状パター
ンＰの中心線Ｃ上にあり、該パターンＰに対して数値パ
ターン領域１２のグレイ符号等が示す数値をＡ、とし、
上記中心位置座標（ｘｉ、ｙｈ）の上記Ｚ方向の絶対位
置をｚｃ（Ａｈ）とするとき、２次元撮像素子ＩＩにつ
いての前述した位置読取基準点（座標原点）のＺ方向の
絶対位置ｚ０は、 ｚ　ｓ　＝　ＺＣ（Ａｈ）　　（ｘｍｐｘｓ　ｉｎθ＋
Ｖ＊ｐｙＣＯ３θ）の計算式により求められる。具体的
に第２図の例においては、各中心座標（Ｘ＋、７＋）、
（Ｘ　ｘ、７　ｚ）、・・・に対して、 ｚ　　ｅ＝ｚｃ（ａｔ）　　　（ｘＩｐｘｓｉｎ　θ　
＋ｙｌｐｙＣＯ３θ）ｚｏ＝ｚｃ（八り　−（ｘｚｐｍ
ｓｉｎθ＋Ｖ！ＰｙＣＯ３θ）の式が与えられ、これら
の式のｐ、ｓｉｎθやｐ、ｃｏｓθ等の係数を未知数と
した連立方程式が成り立つ。

ここで２０やｚｃ（ＡＪ　については、コード板１゜と
揚傷素子１１とを基準の位置関係に設定した状態で、２
＠を初期値にセット（例えばｚｅ＝ｏ）したり、基準の
距ＭＩ！だけ相対移動させて、移動の前後の絶対位置−
ｚ　ｏ（ｔ＋）、ｚｅ（ｔｘ）の差を上記２と等しく置
＜　（ｚ　ｏ（ｔｉ）　−ｚ　ｅ（ｔ＋）＝　１　）　
コト等により決定することができる。

ところで、上記連立方程式の式としては少なくとも未知
数の個数だけあれば解を求めるのに充分であるが、さら
に多くの式のいくつかを組み合わせて、未知数の組を複
数組木めるようにしてもよい、この場合に、同じ未知数
（計算式の係数）については略々同じ数値が得られ、ば
らついても通常は正規分布となるから、平均値をとるこ
とで最も妥当な係数を得ることができる。

このような連立方程式を解くための演算は、第１図の例
えば外部コンピュータ１６により行われ、連立方程式を
解いて得られた上記計算式の各係数は、座標変換回路１
５に係数データとして送られている。すなわち、２次元
撮像素子１１で層像された上記スケールパターン逼像信
号が上記検出回路１４に送られることにより、上記スト
ライプ状パターン領域１３のパターンＰについての中心
位置座標データ（ｘｌ、ｙ＋）、（ｘｉ、ｙｇ）、・・
・及び各座標に対応して数値パターン領域１２のグレイ
符号等を読み取って得られた数値データＡ　＋、　Ａ　
ｔ、・・・（一般にＸ＊＋ｙｍ及びＡつ）が複数データ
出力される。これらの複数データは座標変換回路１５に
送られて上記絶対値Ｗｚｏに変換されるわけであるが、
位置読取エンコーダ装置を組み立てる際や取り付ける際
の調整時には、検出回路１４からのデータＸ＊、）’＋
及びＡ、の複数組を外部コンピュータ１６に送って上述
したように連立方程式を立て、これを解くことによって
、最適な係数値を求め、これを座標変換回路１５に係数
データとして送っている。

なお、座標変換回路１５においては、上述したような座
標変換計算式に基づく計算処理を実際に行わせてもよい
が、いわゆるメモリテーブルを用いることにより、入力
データＸ＊、ｙ＊をアドレスとして該メモリテーブルか
ら位置データを読み出すようにしてもよい。この場合に
は、座標変換回路１５内にいわゆるＥＦＲＯＭ　（電気
的に書込可能なＲＯＭ）を設け、外部コンピュータ１６
により全ての入力データＸｈ＋ｙｈに対する位置データ
を予め計算し、ＥＰＲＯＭのアドレスＸｍ＋ｙｍに対応
して計算された位置データを書き込むようにすればよい
。これは直線移動型の位置読取エンコーダのみならず、
ロータリ型のエンコーダにおける極座標への変換につい
ても同様に適用できることは勿論である。

なお、第１図の代表値決定回路１７は、検出回路１４か
らの複数のデータに対応して座標変換回路１５から複数
の絶対位置データが得られる場合に、これら複数のデー
外の平均値をとること等により１つの代表的な絶対位置
データを得るためのものである。

以上はスケール板であるコード板１０のパターンにばら
つき等がなく、撮像素子１１についても欠陥や機械的な
がたつき等のない理想状態を想定したものであるが、現
実にはこれらのばらつきや欠陥等が何らか生じている。

そこでコード板１０の全長に亘って、所定の区間に区切
っであるいはｌフレーム毎に、上記係数の値に対しての
ヒストグラム（度数分布）を作り、これらを比較するこ
とにより、スケールパターンのエツジ部欠陥、撮像素子
の欠陥等の局部的なものから、ストライプ状パターンの
平行度、大きなうねり変動等の全体的な欠陥までを定量
的に評価することが可能となる。これは直線移動型の位
置読取エンコーダのみならず、ロークリ型のエンコーダ
も同様であり、とくにロータリ型特有の偏心量や振れ回
り量等も定量的に評価できる。

なお、本発明は上記実施例のみに限定されるものではな
く、例えばコード板１０の数値パターンはグレイ符号に
限定されず他の種々の絶対位置読取符号を採用でき、ま
た、この数値コードを省略して目盛パターンのみから成
るスケール板を用いてもよい、また、直線移動のみなら
ず回転移動位置（回転角度等）を読み取るエンコーダ装
置に本発明を適用することも容易である。さらに、現在
位置データを予測・補間処理する際の計算法も上記実施
例に限定されず、例えば最新データを含む過去の３つ以
上のデータから現在位置データを算出するようにしても
よい、この他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の
変更が可能であることは勿論である。

〔発明の効果〕

本発明の位置読取エンコーダ装置の調整方法によれば、
位置読取エンコーダ装置を組み立てる際や取り付ける際
において、スケール板に対する撮像素子の配設位置等の
機械的な微調整を行う代わりに、許容された粗い精度範
囲で取り付けをしておき、例えばパターン検出して直接
的に得られる位置読取データを絶対位置情報に変換する
ための座標変換計算式の係数を、複数の計算式について
の連立方程式を解くことによって最適の係数値に調整し
ている。従って、許容された粗い範囲内でエンコーダ装
置の組み立であるいは取り付けを行った後に、上記計算
式の係数を調整することにより、当該取付状態における
絶対位置読取精度を高めることができ、−ａに困難で手
間のかかる機械的な微調整を行わなくとも高精度の絶対
位置読取が可能となる。また、スケール板や撮像素子の
品質（機械的ながた、パターンのばらつき、欠陥、偏心
、振れ回り等）を定量的に評価できる。さらに、スケー
ル板をつなぎ合わせて長尺のスケール板を構成する場合
に、つなぎ目の位置合わせ調整を不要とすることもでき
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例となる調整方法に適用される
位置読取エンコーダ装置を概略的に示すブロック図、第
２図は撮像素子に映し出されたスケールパターン像の一
例を示す概略平面図、第３図は位置読取エンコーダ装置
の概略構成を示すブロック図、第４図はコード板（スケ
ール板）のスケールパターンの一例を示す概略平面図、
第５図は撮像素子に撮像されたストライプ状パターンＰ
を拡大して示す概略平面図、第６図は座標変換動作を説
明するための模式図である。 １０・・・・・・コード板（スケール板）１１・・・・
・・撮像素子 １２・・・・・・数値パターン １３・・・・・・ストライプ状パターン１４・・・・・
・検出回路 １５・・・・・・座標変換回路 １６・・・・・・外部コンピュータ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 所定のスケールパターンが形成されたスケール板と、こ
   のスケール板のスケールパターンを検出して複数の位置
   読取データを出力する検出手段とを少なくとも有する位
   置読取エンコーダ装置の調整方法において、 上記複数の位置読取データに対応して複数の計算式を立
   て、 これらの計算式に基づいて、該計算式中の係数を決定す
   ることを特徴とする位置読取エンコーダ装置の調整方法
   。