JPH0122883B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

この発明は直線又は円周上の目盛尺の目盛を精
密に、かつ電気的に読み取りデイジタル表示を行
なうエンコーダに関するものである。 一般に目盛尺を光の振幅透過率の大小をもつ光
学格子にて構成される光学式エンコーダにあつて
は読み取りの最小分解能はコード板の最小目盛つ
まり光学格子のピツチに等しくなる。 従つて、よりすぐれた分解能をもつエンコーダ
を得るためには何らかの方法で最小目盛間を更に
小さい目盛で内挿する必要がある。 そこで、従来このための内挿法として(1)光学格
子の情報を読み出すために各々を互にコード板の
格子の1/4ピツチずらしたセンサーを２個設け、
これら２つのセンサーにより得られる90゜の位相
ずれを生じる信号を処理することによつて格子の
最小目盛内を1/4に内挿する方法、(2)更に小さい
目盛で内挿するために格子とセンサーの相対位置
に応じてセンサーより出力される電気出力値より
内挿を行なう振幅基準内挿法などが知られてい
る。 更にこれより高分解能、高精度を満足する内挿
法として透過、不透過の光学格子が周期的に配列
されているコード板と、センサーとして微小な光
電変換素子が等ピツチで配列され、各々の素子の
独立した光電変換出力が時系列な直列信号として
取り出せるような素子アレイ（以下ラインセンサ
ーと呼ぶ）とを用い、透過、不透過の格子数とセ
ンサーの素子数の間に差をもたせることにより副
尺関係を発生させ、上記格子の１周期を内挿する
方法もある。この方法を直線目盛に応用したもの
について図面を用いていま少し詳しく説明する。
このものは第１図に示すように“１”“０”例え
ば透過、不透過の光学格子を周期的に配列した所
謂格子パターンを有するコード板１に光源２より
レンズ３を介して均一な平行光を照射してコード
板１を対物レンズ４を介してラインセンサー５上
に結像し、ラインセンサー５の各素子より照射さ
れた光量に比例した電気信号を得るようにしてい
る。この場合、第２図ａに示すようにコード板１
の透過、不透過の繰返し周期をＷ、同図ｂに示す
ようにラインセンサー５の２素子をセンサー５の
１周期Ｍとすると、単位長さＬの内に光学格子が
Ｎ周期分あるとき、同一長さＬ内にラインセンサ
ー５の素子を（Ｎ＋１）周期分配置するようにし
ている。すなわち第２図ではＮ＝10とした時の関
係を示している。これはコード板１の格子数に対
してラインセンサー５の素子数が10：11の副尺目
盛になつていることを示している。また、第２図
ｃにはラインセンサー５の各素子の出力を示して
おり、素子全面に光が照射されたときの出力を
「10」、不透過の格子によつて光がしや断されてい
るときの出力を「０」とした相対値を示してい
る。この場合図に示すようにラインセンサー５の
１素子おきの出力例えば偶数番目の素子の出力と
奇数番目の素子の出力に夫々注目するとある周期
Ｔをもつて増加、減少を繰返えすことが判る。こ
こでＴはセンサー５の２（Ｎ＋１）つまり22素子
となつている。また、このときの偶数番目の素子
出力と奇数番目の素子出力の夫々の包絡線の交点
に着目するとセンサー５とコード板１が相対移動
する場合、その移動量と対応しており、相対移動
量がＷつまりコード板１の１周期分だけセンサー
５とコード板１が移動を行なうとラインセンサー
５上の出力は１サイクルを完結する。このことは
ラインセンサー５の２（Ｎ＋１）個の連続した素
子上にＷを１周期としたコード板１とセンサー５
の相対移動量が拡大投影されていることになる。 第３図にラインセンサー５の偶数番目の素子と
奇数番目の素子の夫々の包絡線の交点がコード板
１とセンサー５の相対移動量に応じてラインセン
サー５上を移動する様子が示されている。第３図
はS₀＝Ｗ／２（Ｎ＋１）としS₀をコード板１ライ
ンセンサー５間の相対移動量の１つの単位として
表わしたもので、移動量Ｓ＝mS₀（ｍ＝１、２、
…２（Ｎ＋１））と上記出力波形の交点が表われる
センサー５上の素子の位置に１対１の対応のある
ことが示されている。これによりラインセンサー
５上で上記交点の位置を検出することにより光学
格子の１周期Ｗを1/2（Ｎ＋１）の精度で内挿で
きることになる。 ここで、偶数番目の素子出力と奇数番目の素子
出力の交点を検出する方法としては夫々を２系列
の信号に分離しサンプルアンドホールド、積分器
を通すことによつて包絡線検波を行ない、その出
力を比較器で比較し、２系列の信号が同一レベル
になる点を求めればよい。このとき包絡線検波を
行なえば第２図ｃに示した奇数番目の素子出力を
結んだ直線と、偶数番目の素子出力を結んだ直線
が得られる。そして、奇数番目の素子出力を結ん
だ直線が偶数番目の素子出力を結んだ直線より大
なる範囲を正相、その逆の範囲を逆相と定義し、
正相から逆相に変わる交点を任意に定めたライン
センサー５の素子からセンサー５に同期するクロ
ツクパルスにて計数すれば、この計数値がライン
センサー５とコード板１の相対移動量をＷの範囲
内で表わすことになる。 一方、エンコーダとしては上述した内挿の他に
これの上位桁、つまりコード板１の周期Ｗ／２を
最小単位とした読み取りも必要である。これには
いまラインセンサー５の特定の１素子の出力のみ
に注目すると、この素子のラインセンサー５の１
走査毎の出力はＷの移動量を１周期とした正弦波
状のものになることから、この特定素子の出力を
ラインセンサー５の走査毎にサンプルホールド
し、この出力を適当なレベルで矩形状に変換し、
立上り立下りを共に計数すればＷ／２を最小単位
とした読み取りが可能になる。 従つて、この読み取り値と上述の内挿による読
み値を組合せ実際の移動量に換算することによつ
て相対移動量を読み取るエンコーダが得られるこ
とになる。 次に、その具体的構成例を第４図により説明す
る。この場合第１図で述べたと同一部分には同符
号を付して説明を省略する。また、このときのコ
ード板１とラインセンサー５は第５図に示す位置
関係にあり、このときのラインセンサー５の出力
は第６図ａに示すようになるものとする。そし
て、コード板１の周期Ｗ／２を最小単位とした読
み取り、つまり「粗読」はインクリメンタル方式
で行ない、内挿目盛読み取り、つまり「微読」は
アブソリユート方式で行なう。 まず、粗読は第６図ａに示すラインセンサー５
の出力を増巾器６を介してサンプルアンドホール
ド回路７に導びき特定素子の出力をラインセンサ
ー５の走査毎に繰返してサンプルアンドホールド
し、その出力を包絡線検波器８によつて包絡線検
波する。すると、Ｗの移動量を１周期とした正弦
波状の出力が得られる。この場合、サンプルアン
ドホールド回路７によつてサンプルホールドすべ
き時点の決定は駆動回路９より送られてくるサン
プリング信号によつてなされる。包絡線検波器８
からの出力はシユミツトリガ回路１０に加えられ
適当なスライスレベル（例えば50％レベル）で方
形波に変換され、この方形波の立上り立下りエツ
ジが計数器１１によつて計数され、この計数値が
換算回路１２に与えられる。 次に微読は増巾器６の出力が信号分配器１３に
加えられる。この信号分配器１３はラインセンサ
ー５の奇数番目の素子信号と偶数番目の素子信号
とを分配するためのもので簡単なゲート回路によ
つて構成されている。この分配器１３によつて分
配された２つのパルス系列の信号は夫々包絡線検
波器１４，１５に与えられて包絡線検波される。
この結果第６図ｂ，ｃに示すような信号が得ら
れ、これらは比較器１６にて比較され２つの信号
が同一で、しかも正相から逆相へ移る点で比較出
力が発生される。この比較出力は計数器１７に与
えられる。すると計数器１７はその時点でいまま
でカウントしていたクロツクパルスの数を換算回
路１２に出力する。こうして得られた粗読と微読
の結果は換算回路１２で桁合せおよび実際の移動
量に換算され表示装置１８に表示されることにな
る。 ここで桁合せの方法について説明する。いま、
第５図に示すような位置関係からラインセンサー
５とコード板１が相対移動するとき粗読用として
ラインセンサー５の第１番目の素子５０１を用い
ると、粗読はこの素子５０１がコード板１の格子
１と２の中間、２，３の中間、以下同様に各格子
の中間で計数が行なわれる。また微読はＷの移動
で第３図に示すようにＳ＝０からＳ＝22S₀までの
変化をくり返すので通常は粗端を1/2にして微読
と加えればよいが、粗読の計数の付近でＷ／２単
位の誤りを生じることがある。そこで微読の値を
優先し粗読の値を変更し両値を加算する。例えば
粗読が０と１の堺界のときは微読は6/22（S₀＝
Ｗ／２（Ｎ＋１））付近になるので粗読が１の場合
は粗読を０に変更する。また粗読が１と２の堺界
のときは微読は17/22付近になるので粗読を０に
変更する。すなわち粗読が奇数の場合は１を減
じ、偶数の場合は微読が11/22より小さいときは
そのままで、11/22より大きいとき２を減じれば
よい。以下同様にして求めた結果を第１表に示
す。

【表】 ところで、エンコーダのように微小変化を検出
する測定機は周囲環境の変化によつて測定機自体
の微小な伸縮、変形等がそのまま測定精度に影響
してくるため充分管理された管境下で用いられる
ことが多い。これは第４図で述べたエンコーダに
おいても避けられない問題であり、環境管理外の
雰囲気で、しかも充分な精度を得るには何らかの
対策が必要である。 例えばコード板１、ラインセンサー５で構成さ
れる位置変位検出系を第７図ａに示すようにした
とき、特に問題となるのはコード板１、結像レン
ズ４、ラインセンサー５の光軸方向における相対
位置関係である。これらの位置関係はコード板１
ラインセンサー５間に定められた副尺関係を与え
るものであり、温度変化、振動等により微小な位
置ずれを生じると初期に設定された副尺関係が乱
れ読み値の誤差となつて現われる。第７図ｂにＮ
＝10、ラインセンサーのピツチ10μｍとしたとき
に副尺関係Ｎ：Ｎ＋１を保つように初期設定され
た状態から何らかの原因によつてコード板１の光
学格子のラインセンサー５に対する投影倍率が変
つたときの副尺関係の変化の様子を示している。
これによると、投影倍率が１％変化すると副尺関
係Ｎ＝10がほぼ10％近く変化、つまり内挿による
目盛が10％程度変化することになり、内挿目盛の
原点より離れた位置で読み取りを行なうとその誤
差が積り読み値で大きなものになつてしまう。 この発明は、上記の事情に鑑みてなされたもの
で周囲環境の変化により生ずる誤差を補正でき測
定精度の向上を図り得るエンコーダを提供するこ
とを目的とする。 ところで、まずこの発明の考え方について説明
する。いま第２図においてラインセンサー１の周
期Ｍ、周期Ｗの格子の投影像の周期Ｐ（以下投影
周期という。）およびラインセンサー出力波形の
周期Ｔの間にはＴ＝Ｐ／（Ｋ−１）（但しＫ＝
Ｐ／Ｍ）の関係があり、これはＰ＝Ｔ・Ｍ／Ｔ−Ｍと表 わすことができる。従つて、ラインセンサー出力
の周期Ｔを検出すればラインセンサー５の周期Ｍ
は一定であるため実際にラインセンサー５上の投
影周期Ｐを求めることができ、これによつて副尺
による内挿目盛の補正を行なうことができること
になる。ラインセンサー出力波形の周期Ｔの検出
方法としてはラインセンサー５の偶数番目、奇数
番目の夫々を素子の出力の包絡線の交点から次の
交点までをラインセンサー出力に同期するクロツ
クパルスで計数すればラインセンサー出力波形の
半周期Ｔ／２をセンサー５の素子数として検出す
ることができる。また他の方法として例えば位相
が正相から正相又は逆相から逆相になる交点を計
数すれば直接周期Ｔを検出することもできる。 ここで、例として実際の数値をあてはめた場合
について考えてみる。いまラインセンサー５のピ
ツチが10μｍであると２素子ごとのラインセンサ
ー周期Ｍは20である。一方検出されたラインセン
サー出力波形の周期がセンサー出力に同期したク
ロツクパルスによる計数値が22で表わされるなら
周期ＴはＴ＝10μ×22＝220μとなり、格子の投影
周期ＰはＰ＝Ｔ・Ｍ／（Ｔ−Ｍ）＝220・20／
（220−20）＝22μとなる。これはＮ：Ｎ＋１の副
尺関係においてＮ＝10であることを示しており、
このときの内挿目盛の１目盛はS₀＝Ｐ／２（Ｎ＋
１）＝22/2（10＋１）＝1μｍとなる。このことは
例えばラインセンサー５の特定素子よりすでに述
べた方法で検出されたセンサー素子出力の交点ま
でのクロツクパルスの計数値が12であつたら第３
図においてＳ＝6S₀でありコード板１とセンサー
５の相対移動量において注目しているラインセン
サー５の１素子より6μｍ移動していることを表
わしている。 次に何らかの原因で上記の副尺目盛が乱れたと
し、センサー上で検出されるセンサー出力波形の
周期Ｔが240μｍに相当するときを考える。この
ときはラインセンサー５上の投影周期ＰはＰ＝
240・20／240−20≒21.82μｍとなる。これはＮ：
Ｎ＋１の副尺関係においてＮ＝10.999≒11とな
る。従つて、内挿目盛の１目盛は21.82／２（11＋
１）＝0.91μｍとなり前述のように計数値が12であ
るときＳ＝６となり６×0.91μｍ＝5.46μｍの移動
を表わすことになる。 以上のようにラインセンサー出力波形の周期Ｔ
を検出し、それから内挿目盛を決定するような補
正を行なわないとすると初期設計時でＮ＝10、セ
ンサ周期Ｍ＝20μｍと設定しても外的要因でその
副尺関係が乱れたときに大きな誤差を発生させて
しまう。上述の例についていえば副尺目盛の補正
を行なわないと5.46μｍの実際の移動量を6.00μｍ
と読み取ることになる。 これまでの説明では素子出力の交点の検出及び
センサー出力波形の周期Ｔの検出に用いるクロツ
クパルスはセンサー出力に同期している、つまり
ラインセンサー５を駆動するパルスを計数に用い
ることを前提にしているが、交点検出および補正
の精度を上げるためには計数に用いるクロツクパ
ルスをラインセンサー５を駆動するクロツクの数
分の１の周期とすれば更に検出の分解能を上げる
ことができる。またセンサー出力の数周期にわた
つて測定するようにしても更に検出精度を上げる
ことができる。 次に、以上述べた考えに基ずいたこの発明の一
実施例を第８図に従い説明する。第８図は直線状
に移動する工作機械等のテーブル位置を検出する
ためのものにこの発明のエンコーダを適用した例
を示している。この場合エンコーダのラインセン
サー、コード板および結像レンズの配置関係は第
１図と同様なのでここでは省略し、ラインセンサ
ー２１のみを示している。 まず粗読は次のように達成される。発振器２２
の出力は分周器２３により１／ｌに分周され駆動
回路２４を介してラインセンサー２１を駆動す
る。これがラインセンサー出力に同期したクロツ
クパルスとなつている。また駆動回路２４は例え
ばラインセンサー２１がｎ素子からなつていると
すると、センサー２１を駆動するクロツクパルス
のｎパルス毎にラインセンサー２１にスタート信
号を与えこのラインセンサー２１の走査を開始さ
せる。ラインセンサー出力は増巾器２６で適当な
レベルまで増巾され、まずサンプルアンドホール
ド回路２７に供給される。サンプルアンドホール
ド回路２７はセンサー２１のある特定の素子の出
力をセンサー２１の走査毎にサンプリングする。
例えばセンサー２１のｍ番目の素子の出力のみを
サンプリングするならｍ進カウンタ２５はセンサ
ー２１の走査開始からｍ番目の素子が走査されて
いるときにサンプルアンドホールド回路２７にサ
ンプル指令を与える様に構成される。サンプルア
ンドホールド回路２７の出力は積分器２８、シユ
ミツトトリガー回路２９を経て矩形波に変換され
計数器３０に入力される。従つて計数器３０の出
力がコード板の格子の1/2周期を最小単位とした
センサーとコード板の移動量を示すことになる。 次にコード板の格子の１周期を内挿する微読は
以下のように達成される。増巾器２６より信号分
配器３２に入力されたセンサー出力はここで偶数
番目、奇数番目の素子の２系列の信号に分配さ
れ、それぞれの出力は包絡線検波器３３，３４を
介して比較器３５で信号レベルが比較される。比
較器３５は差動増巾器より構成され、正相から逆
相へ移る交点を検出すると計数器３６の計数を停
止させ、同時にフリツプフロツプ３７をセツトす
る。計数器３６はセンサー２１の走査の始めで一
旦リセツトされたのちに発振器２２より出力され
るクロツクパルスを計数しているため、センサー
２１の走査開始位置を基準としてセンサー２１の
出力波形の交点までをセンサー２１を駆動するク
ロツクパルスの１／ｌの周期のクロツクで計数し
たことになる。一方、比較器出力でセツトされた
フリツプフロツプ３７は次に比較器３５が２系列
の信号の同一レベルを検出するまでゲート３８を
開き計数器３９にクロツクを送り続ける。従つて
計数器３９の出力はすでに述べたようにラインセ
ンサー出力波形の周期Ｔ／２を表わすことにな
る。 計数器３６，３９の出力は換算回路４０に与え
られる。ここで換算回路４０はROMに書き込ま
れたテーブルにて構成している。そして、上記計
数器３６，３９の出力がROMのアドレス指定に
用いられる。このとき計数器３６の出力はコード
パターンの投影倍率の変化に伴なう誤差を含んだ
情報であり、また計数器３９の出力は投影倍率を
含んだ情報となる。従つて、これらによつてアド
レシングされるROMの出力が投影倍率の変化に
よる誤差分を補正する値となるように予めテーブ
ルを設定しておけば倍率補正された値が得られる
ことになる。この場合換算回路４０としてはマイ
クロプロセツサーにより構成することもできる。
マイクロプロセツサーは計数器３６，３９の出力
を読み込み以下の手順に沿つて処理を行なうこと
により投影倍率変化による誤差補正を行なうよう
にしている。 (1) 計数器３９の出力を読み込みラインセンサー
出力波形の周期Ｔを得る。 (2) 周期Ｔの設定値（投影倍率１の時）からの変
化率を求める。 (3) 計数器３６から得られたバーニア波形の交点
の移動量にＴの変化率を乗算することにより正
規の投影倍率の時の交点の移動量に換算する。 こうして換算回路４０にて倍率補正された値は
粗読値つまり計数器３０の出力とともに加算器４
２に送られ上述したと同様に桁合せが行なわれ、
更に乗算器４１で実際の移動量に変換され表示器
４３にてデイジタル表示されることになる。 以上が１ブロツクの読み取りによる移動量の表
示であるが、実用上は信頼性を増すため数ブロツ
クの読み取りが望ましい。 そこで数ブロツクの読み取りについて次に説明
する。いまＭ＝20μｍ、Ｗ＝22μｍ、読み取りを
３ブロツクで行なうこととし、第９図ａに示すよ
うに、粗読用のセンサー素子SMが第１ブロツク
では光軸Ｌ付近、第２、第３ブロツクではそれぞ
れ第１ブロツクより倍率１の場合の１周期および
２周期分離されているとする。すると倍率が１％
増加したとすれば投影周期はＰ＝22×1.01＝
22.22μｍ、ラインセンサー出力波形の周期はＴ＝
Ｐ・Ｍ／（Ｐ−Ｍ）＝200、18μｍとなり、倍率１
の時の周期220μｍの約0.9倍となる。一方、第９
図ｂに示すように正相から逆相に移る交点は第１
ブロツクにおいてセンサー素子で5.5が起点とな
つている。（尚、倍率１の時の正相から逆相への
交点は第３図に示したように６である。）また第
２、第３ブロツクにおいては倍率増加による期間
の縮少で、それぞれ左に移動し、センサー素子で
それぞれ3.5、1.5が起点となる。このようにして
求められる変換テーブルは第２表のようになる。
ここで、この変換テーブルは上述と同様ROMに
書き込まれている。そして変換回路にて各ブロツ
クを変換し微読値を得、第１表で示したと同様な
桁合せを行ない、更に各ブロツクを平均すること
で移動量を求める。なお、ここではROMによる
変換を示しているが変換テーブルは全て計算によ
り求まる値であり、ROMを用いず計算によつて
もよい。 尚、第２表においては各ブロツクに対応するテ
ーブルは倍率と光軸からの距離に従う点に注意し
たい。

【表】

【表】 従つて、このような構成によれば周囲環境の変
化などにより生ずる誤差を補正することができる
ので常に高精度の測定結果が得られ、しかもコー
ド板、結像レンズおよびラインセンサー間の相対
位置の正確な調整をそれほど必要としないので組
立および取扱も簡単にできる利点もある。 次に、この発明の他実施例として絶対位置読取
りのエンコーダにおける倍率補正について説明す
る。このエンコーダは第１０図に示すように光源
５１、コード板５２、ラインセンサー５３を有す
るもので、全長Ｌのコード板５２はＭ個のブロツ
クに分割し、夫々のブロツクは第１１図ａに示す
ようにブロツクのアドレス情報を示すパターン５
４、特徴的なパターン５５Ａにつづくブロツクの
スタート位置を示すスタート位置パターン５５Ｂ
および最小目盛を内挿するためのコードパターン
５６（バーニア情報）からなつている。そしてこ
のコード板５２に対向して光源５１が設けられ、
またその反対側に少なくともコード板５２の１つ
のブロツクが投影できるだけの長さのラインセン
サー５３を設けている。第１１図ａはコード板５
２の１つのブロツクを、ｂはそれに対応するライ
ンセンサー５３を拡大したものであり、ｃはその
ときのラインセンサー５３の出力、ｄはラインセ
ンサー出力に同期したクロツクパルスを示してい
る。 このものは倍率補正を行なわないときの絶対位
置の読取は次のようになる。ラインセンサー５３
の任意のビツトをインデツクスビツトIBと定め
ると、コード板５２のある特徴的なパターン５５
Ａにつづくブロツクスタート位置パターン５５Ｂ
の投影されているラインセンサー５３上のビツト
（以下スタートビツトと呼ぶ）５７よりインデツ
クスビツトまでをクロツクパルスで計数すること
により各ブロツクをラインセンサー５３の半周期
Ｍ／２を単位として分割できる。また、スタート
ビツトからの位置が既知であるブロツクのアドレ
ス情報を読み取ることができる。更に前記した副
尺関係からの微読の読み取りと全く同様にライン
センサー５３の周期Ｍを１／2Nに内挿すること
ができる。 以上のブロツクアドレス、ブロツク内でのＭ／
２単位での内挿およびラインセンサー周期の内挿
を総合して絶対位置が読取れる。 次に第１２図は絶対位置読み取りの一実施例を
示すもので、工作機械等の移動テーブルの位置を
検出するリニアエンコーダとして適用したもので
ある。 移動テーブル６１の一部に上述したコード板５
２を固定し、これに並行にラインセンサー５３を
設置し光源５１よりコリメータレンズ５１１を介
してコード板５２を照射する。するとコード板５
２を透過した光線はコード板５２上の特定のパタ
ーンに対応した光の強度をもちラインセンサー５
３上に投影される。したがつてラインセンサー５
３の全長を適当に選べばラインセンサー５３の直
列出力信号にはコード板５２のブロツクのアドレ
ス情報、ブロツクスタート位置情報、およびバー
ニア情報が時系列に出力される。ここで、ライン
センサー５３の任意のビツトをインデツクスビツ
トとして予め定めておく。増巾器６２でラインセ
ンサー出力６３を適当なレベルまで増巾し、スタ
ートビツト検出器６４でスタートビツトを検出す
る。スタートビツト検出器６４はスタートビツト
を検出するとゲート６５を開き、同時にフリツプ
フロツプ６６をセツトする。フリツプフロツプ６
６はインデツクスビツト検出器６７でインデツク
スビツトが検出されるまでセツトされ、その間ゲ
ート６８を開き、２進カウンタ６９にクロツク発
生回路７０より発生されるラインセンサー出力に
同期したクロツクを送りつづける。従つて、２進
カウンタ６９はスタートビツトよりインデツクス
ビツトまでのパルス数つまりコード板５２の１ブ
ロツクをラインセンサー５３の半周期Ｍ／２に等
しい間隔で分割して得られる目盛上のインデツク
スビツトが指示する値が出力される。これをデー
タ(A)とする。また、スタートビツト検出器６４で
開けられたゲート６５はＭ進カウンタ７１及びＮ
進カウンタ７２にクロツクを送る。Ｎ進カウンタ
ー７２はスタートビツトが検出されるからＮパル
ス目でアナログスイツチ７３をオンとし、Ａ−Ｄ
変換器７４に副尺目盛情報を送出する。Ａ−Ｄ変
換器７４は副尺目盛情報を構成するラインセンサ
ー５３の各ビツトの出力値をそれぞれＡ−Ｄ変換
しデータレジスタ７５に一時的に書き込む。これ
をデータ(B)とする。同様にＭ進カウンタ７１はＭ
パルス目でアナログスイツチ７６をオンとし、ス
タートビツトよりＭパルス目から直列にコード化
されているブロツクのアドレス情報を比較器７７
に送る。比較器７７で適当なスレツシユホールド
レベルで信号を量子化したのちに直並列変換器７
８で並列２進数の情報を生成する。これをデータ
(c)とする。 以上でラインセンサーの１走査で出力される時
系列データより位置情報を構成する各データ(A)、
(B)、(C)が生成されこれらデータ(A)、(B)、(C)はマイ
クロプロセツサ７９に取り込まれる。マイクロプ
ロセツサ７９はバーニア情報であるＡ−Ｄ変換出
力(B)より奇数番目の素子出力と偶数番目の素子出
力を夫々直線（又は曲線）近似し、両直線の交点
から、正相から逆相へ変る点を求める。この交点
より得られる微読値と(A)で得られた粗読値との桁
合せを行ない、さらにデータ(c)を総合し位置情報
に変換して表示器８０に表示する。 ここで桁合せについて説明する。例えば第１３
図ａに示すようにラインセンサー５３の各素子番
号を決めておき、コード板５２はスタートマーク
の右側、つまりセンサー長にして７ビツト目から
バーニア情報が始まるとする。そして、ラインセ
ンサー５３のインデツクスビツトを素子７とする
とセンサー素子３でスタートマークが検出され
Ｍ／２単位の粗読値は４となる。バーニア情報は
偶数番目から始まると決めておくと３＋７で素子
10から始まる。このときの正相から逆相への交点
は素子15となり、第３図で示した交点位置がセン
サの６番目の素子の場合に相当し0/22と読み取る
る。計算では15−（10−１）＝６で第３図に対応し
た交点が求まる。ここで桁合せすればインクリメ
ンタル読みで説明したと同様にして４／２＋０／22とな る。 次にコード板５２が左へ移動し、第１３図ｂに
示すように粗読の計数の変化する近傍になつたと
する。スタートマークを素子３で検出すれば上記
と同様に求め粗読４、微読6/22となり桁合せで
４／２＋６／22となる。スタートマークを素子２で検出 すれば粗読は５、バーニア情報は２＋７＝９とな
り偶数番目から始まると決めてあるので素子10か
ら始まることになり微読は6/22となる。桁合せを
行なうと粗読が奇数なので１減じ４／２＋６／22とな る。更にコード板５２が移動し、第１３図ｃに示
すようになつたとし、スタートマークを素子２で
検出すれば粗読は５、微読は17/22となり桁合せ
で４／２＋17／22が得られる。スタートマークを１で検 出すれば粗読は６、微読は17/22となる。したが
つて桁合せで４／２＋17／22が得られる。 このように絶対位置読み取りにおいても上述し
たインクリメンタル方式による読み取りの桁合せ
と同様な方法で桁合せできることになる。ここ
で、先に定めたインデツクス素子およびバーニア
情報の偶数番目または奇数番目始まりは任意に定
めてかまわないが定め方によつて多少の補正の違
う部分があるので注意を要する。 次に、この他の実施例においてコードパターン
投影光学系の投影倍率が変化した際の倍率補正に
ついて説明する。バーニア方式による内挿法にお
いてはコードパターン投影系の倍率変化がライン
センサー出力波形（バーニア波形）に拡大して現
われるのは先に述べた通りで、またこれにおける
倍率変化分の補正もすでに述べているが、このも
ののようにコードパターンとラインセンサー間の
絶対位置を測定する方法では次のような新たな問
題がある。 第１４図において、いま投影レンズ５４によつ
てコード板５２に対応する像がラインセンサー５
３上に１：１で投影されているとすると、コード
板５２上のａ点はa′点に、ｂ点はb′点、ＰはP′点
に夫々投影される。ところが、投影レンズ５４が
△ｈだけ微小移動し１：１の投影倍率からずれる
とａ、ｂ、ｐ点のラインセンサー上での対応点は
a″、b″、p″となる。この場合、コード板５２上の
点ｂは投影倍率の変化によりラインセンサー５３
上にはb″の位置に投影されるが、これは倍率１の
時からラインセンサー５３上でb″−b′分だけずれ
た位置に投影されたことになる。またｐ点につい
てはp″−p′だけずれる。ところが光軸上の点Ｘの
場合は、ずれ量は零である。このように倍率変化
により投影位置のずれ量は光軸からの距離に比例
することが判る。また、図に示すように投影倍率
が変化したときはコード板５２上のあるピツチＷ
もラインセンサー２３上にW′−W″だけピツチが
変化して投影され、コード板５２上の格子とライ
ンセンサー５３のピツチによつて形成されている
副尺関係も狂つてしまう。 このことから、このもののように絶対位置を読
みとるものにおいては倍率変化にともなう投影ピ
ツチの変化と投影位置のずれの両方を補正する必
要がある。ここで、投影ピツチの変化による補正
および投影倍率の変化量の検出は上述したと同じ
方法により行なわれる。 これにより、このものでは倍率変化率と、光軸
からバーニアが投影されているラインセンサーま
での距離を変数としたテーブルをROM等に作成
しておくことにより容易に倍率補正を行なうこと
ができる。ここで、このものの倍率補正のフロー
チヤートを第１５図に示しておく。 次に倍率変化の検出精度を高めるにはラインセ
ンサ出力を数周期にわたつて求めるのが有効であ
る。この場合ライセンサーの各ブロツク間のバー
ニアパターンの位相を合せておけば容易に数周期
にわたるラインセンサー出力の平均を求めること
ができる。このときのコードパターンとラインセ
ンサー出力波形の関係を第１６図ａ，ｂに示して
いる。このように各ブロツクのバーニアパターン
の位相が合致するようなコードパターンを設計し
ておけば、あるブロツクのバーニア波形の交点
と、数ブロツク離れたブロツクのバーニア波形の
交点の位置を求めることで数周期にわたるバーニ
ア出力波形の周期を検出することができ、それだ
け倍率変化の検出精度を上げることができる。 以上のようにかかる絶対位置読み取りのエンコ
ーダにおいても倍率変化の検出により正確な表示
を行なうことができる。 尚、この発明は上記実施例にのみ限定されず要
旨を変更しない範囲で適宜変形して実施できる。
例えば第１１図ａにおいてブロツクのスタート位
置を示すスタートビツト５５は特別に設けずアド
レス情報を示すパターン５４の最後のビツトをス
タートビツトとしてもよい。こうすればコード板
５２が簡単になる。また上述では光学式エンコー
ダの直線目盛のものについて述べているが、例え
ば円周上の目盛をもつロータリエンコーダについ
ても適用できることは言うまでもない。更にコー
ド板として磁気格子を用い、センサーに感磁アレ
イを用いた磁気的なエンコーダについても同様で
ある。 尚更に、倍率が変化するとコード板上のパター
ンの１ブロツクの長さがインデツクスビツト間隔
と１：１でなくなり、信号処理が若干複雑化す
る。従つてブロツク間には予想される倍率変化に
対応するだけのデツドゾーンを設けることが望ま
しい。 以上述べたようにこの発明によれば周囲環境の
変化などにより生ずる誤差を補正でき測定精度の
向上を図り得るエンコーダを提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のエンコーダの光学系を示す概略
構成図、第２図は第１図の拡大図およびセンサ出
力波形図、第３図は副尺目盛読み取り方法を説明
するための図、第４図は第１図を用いたエンコー
ダの具体的なブロツク図、第５図乃至第７図ａ，
ｂは第４図を説明するための図、第８図はこの発
明の一実施例を示すブロツク図、第９図ａ，ｂは
第８図の拡大図およびセンサ出力波形図、第１０
図はこの発明の他実施例を示す概略構成図、第１
１ａ〜ｄ図は第１０図の拡大図およびセンサ出力
波形図、第１２図は同他実施例の具体的なブロツ
ク図、第１３図乃至第１６図は同他実施例を説明
するための図である。 １，５２……コード板、２，５１……光源、
３，４……レンズ、５，２１，５３……ラインセ
ンサー、６，２６，６２……増巾器、７，２７…
…サンプルアンドホールド回路、８……包絡線検
波器、９，２４……駆動回路、１０，２９……シ
ユミツトトリガ回路、１１，３０……計数器、１
２，４０……換算回路、１３，３２……信号分配
器、１４，１５，３３，３４……包絡線検波器、
１６，３５，７７……比較器、１７，３６，３９
……計数器、１８，４３，８０……表示装置、２
２……発振器、２３……分周器、２５……ｎ進カ
ウンタ、２８……積分器、３７，６６……フリツ
プフロツプ、３８……ゲート、４１……乗算器、
４２……加算器、６４……スタートビツト検出
器、６５，６８……ゲート、６７……インデツク
ス検出器、６９……２進カウンタ、７０……クロ
ツクパルス発生回路、７１……Ｍ進カウンタ、７
２……Ｎ進カウンタ、７３，７６……アナログス
イツチ、７４……AD変換器、７５……データレ
ジスタ、７８……直並列変換器、７９……マイク
ロプロセツサ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ “０”“１”パターンが周期的に配列されて
   いる格子パターンを有するコード板と上記格子パ
   ターンに対向配置されたセンサーアレイを備え、
   格子パターンの格子ピツチとセンサ素子ピツチ間
   に差をもたせることで格子とセンサーの間に副尺
   関係を発生させ格子パターンの１周期内を内挿す
   るようにしたものにおいて、上記格子パターンと
   上記センサーアレイとの副尺関係によつて得られ
   るセンサー出力の周期を求める周期検出手段と、
   検出された周期を用いてセンサーアレイ上に投影
   される格子パターンの投影周期を算出することに
   より、センサーアレイ上に投影される格子パター
   ンの投影倍率の変動による内挿目盛の１目盛当り
   の誤差を補正する内挿目盛補正手段を有すること
   を特徴とするエンコーダ。 ２ 上記内挿目盛補正手段は、数周期分の測定値
   より平均周期を求める手段と、これら求められた
   周期より副尺関係の変化を求める手段を有するこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のエン
   コーダ。 ３ 粗読値は特定のセンサー素子に対向している
   格子と基準になる格子との間の格子数をカウント
   することで求め、微読値は副尺関係を使つて格子
   パターンの一周期を内挿して求めることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項又は第２項記載のエン
   コーダ。 ４ 直列的に複数個のブロツクが一列に配置され
   ており、各ブロツク内は“１”“０”情報が繰返
   し形成された格子パターンの情報およびブロツク
   のアドレスを示す２進コード情報からなるコード
   板と、このコード板に対向して配置され上記コー
   ド板中の格子パターンの全長と同じ長さ内に前記
   格子パターンの格子数とは異なる数の変換素子が
   一列に配列されており且つ少なくとも上記ブロツ
   ク１個分の長さのラインセンサーを有し、このラ
   インセンサーにて上記コード板中の各情報を読み
   取ることにより得られる出力をもつて上記コード
   板の絶対位置を、ブロツクのアドレス情報の読み
   取り、ラインセンサーの１素子単位までの読み取
   りおよび１周期内の内挿読み取りとで求めるよう
   にしたものにおいて、コード板のラインセンサー
   への投影倍率の変化と倍率変化中心からバーニア
   が投影されているラインセンサーまでの距離にも
   とずいて倍率補正を行なうことを特徴とするエン
   コーダ。 ５ 上記補正手段は数ブロツクにわたり測定を繰
   返し、夫々の結果を平均化することを特徴とする
   特許請求の範囲第４項記載のエンコーダ。 ６ 上記補正手段は投影倍率変化の検出を１個又
   は複数ブロツクにまたがつてバーニア情報交点間
   の距離を測定するようにしたことを特徴とする特
   許請求の範囲第５項記載のエンコーダ。