JPH01285819A - 絶対位置検出器 - 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〕 ごの発明は、絶対位置検出器、特許こ撮像素子を用いた
絶対位置検出器ムこ関する。

〔発明の概要〕

この発明では、スケール板に平行な平面内に設けられ、
且つ第１ミラー、第２ミラー、第３ミラーから構成され
る光学ブロック内で、光源からの光を複数回反射させて
いる。また光の反射光路は、スケールパターンの照射部
を取り囲むと共に、外光を遮蔽する空間内に位置せしめ
ている。

従って、光路長を長くすることができ、照度分布も一様
にできる。これにより光源からの光をより平行光に近似
させることができ、絶対位置の検出精度を高めることが
できる。絶対位置検出器の外形寸法が、光路長の制約を
受けることなく小型化できる。

〔従来の技術〕

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装置として、例えば特開昭５
９−２２４５１５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。

そこで、本願発明者は、先に特願昭６２−１９８２６号
において、スＪｒ−ル板に数値パターンとストライプパ
ターンンとからなるスケールパターンを形成すると共に
、スケール板を撮像素子で読み取り、数値パターンから
粗精度の位置を検出し、スケ−ルパターンから高精度の
位置を検出するようにした絶対位置検出器を提案してい
る。

第５図はに記絶対位置検出器の概略構成を示しており、
透過型のスケール板５１と、このスケール板５１に対向
しこ配設される撮像素子５２［以ド、ＣＣＤと略す］と
は、少なくとも一方が移動可能（相対移動）とされてい
る。スケール板５１上のスケールパターン５３は、例え
ば第６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５４と、ストライプパターン領域５５とか
ら構成されている。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、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。ストライプパターン領域５５には幅Ｗのストライ
プパターンン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パターンＰの配列方向Ｚは
ストライプパターンンＰの延長方向と直交しており、そ
の配列ピンチをＰＺとしている。数値パターン領域５４
のグレイ符号は各ストライプパターンンＰに対応ｊ、７
て付されており、このグレイ符号を読み取るごとで各ス
トライプパターンＰのＺ方向におりる絶対位置を知るこ
とができるようになっている。

このようなスケール板５１に対向して配設されるＣＣＤ
５２は、パターンを検出するための２次元撮像素子であ
る。相対移動方向は配列方向Ｚと平行であるが、ＣＣＤ
５２自体の軸方向は配列方向Ｚに対して僅かの傾斜角θ
を持つように設けられる。第６図では、２次元のＣＣＤ
５２の水平、垂直の各座標軸Ｘ、Ｙのうちの垂直軸Ｙと
配列方向Ｚとのなす角度を上記θとしている。

絶対位置検出時は、スケール板５１の背後からＬＥＤ等
の光源５６の光を照射すると共に、ＣＣＤ５２によりス
ケール板５１の各パターン領域５４．５５の夫々一部を
同時に撮像し、撮像信号を第５図の検出回路５７に送っ
て、数値パターン領域５４の数値パターンからグレイ符
号を読み取り、ストライプパターン領域５５のストライ
プパターンＰから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５８によって、グレイ
符号及びストライプパターンＰの所定点の座標に基づい
て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、グレイ符号に基づいては比較的粗い精度（
上記ストライプパターンＰの配列ピッ千ＰＺを単位とす
る位置精度）の絶対位置情報しか得られないが、ストラ
イプパターンＰの上記所定点の座標に基づく座標変換に
より更に高い精度の位置情報を読み取るようにしている
。

〔発明が解決しようとする課題〕

上述の絶対位置検出を行うに際し、スケール板５１を照
射しスケールパターン５３をＣＣＤ５２に投影する光は
、−船釣に平行光、即ち、光源が無限遠方にあることが
望ましいとされている。

それは、もし、ＣＣＤ５２を用いた絶対位置検出器にお
いて平行光を用いた場合、以下のようなすぐれた特性が
得られるからである。

■ストライブパターン像のエツジ部分が最もシャープに
なる。

■照度分布が一様になり、スケールパターン像（ストラ
イブパターン像）の照明による歪のが発生しない。

■スケールパターン５３と、ＣＣＤ５２上におけるスケ
ールパターン像の拡大倍率が１になり、面振れによるス
ケールパターン像の変化がない。

しかしながら、実際の絶対位置検出器にあっては、上述
のような平行光を得ることは困難であった。例えば第５
図に示すように、光源５６をスケール板５１に比較的、
接近させて照射した場合は勿論、第７図のように、光源
５６をエンコーダベンド５９内に設けて光路長を長くし
、この光源５６を用いてスケール板５１を照射したとし
ても平行光を得ることは困難であった。

もし平行光でない光が照射されると、ストライプパター
ン像、特にエツジ部分がシャープにならす“Ｌ″！てし
、まい分解能が低下するという問題点があった。・にた
、モ行光でない光の照度分布は一様でないため、スケー
ルパターン像（ストライプバター゛（（）のンみが発生
するとい−）問題点があった。更に、−、ｉ　）ｙ゛、
１１板５１の微小な上１ζ動、いわゆる面振れを起こし
た場合には、スケールパターン像（ストう・イブパター
ン像）の変化が生じるという問題点があった。

に述した問題点は、いずれも絶対位置の検出精度の低ト
につながるものである。

ぞし２て第７図のように、光を無反射で直接照射するこ
とは、光路長が直接にエンコーダヘッド５９の大きさに
影響を及ぼすため必然的にエンコーダヘッド５９の外形
寸法を大きくしてしまうという問題点があった。この第
７図中、Ｈ，Ｈｌ、Ｈ２、Ｄは、いずれもエンコーダヘ
ッド５９の外形寸法を表す。

そこで、第８図に示されるように、エンコーダ・＼ノｔ
′５９内部に平面鏡６０を設けると共に、光［５６を下
部に配する例が考えられる。この場合には、光源５６か
らの光を平面鏡６０で一回反射させた後、スケール板５
１に照射し、スケールパターン５３をＣＣＤ５２に投影
するものである。

即ち、光路長を長くしてより平行光に近づけると共に、
エンコーダヘッド５９の外形寸法の小サイズ化〔垂直方
向の外形寸法Ｉ］１は第７図の外形寸法Ｈ１と比較して
２〕を意図したものであるが、この場合であっても、前
述した各種問題点は依然として解消されず、改善が望ま
れていた。

従って、この発明の目的は、平行光に近似した光が得ら
れ、且つ小サイズ化の可能な絶対位置検出器を提供する
ことにある。

〔課題を解決するための手段〕

この発明に係る絶対位置検出器は、光源からの光をスケ
ール板に平行な平面内に導く第１ミラーと、平面内に配
され、且つ第１ミラーにて導かれた光を平面内で複数回
反射させて光路長を長くする複数の第２ミラーと、複数
の第２ミラーにて複数回反射せしめられた光をスケール
パターン面に垂直に入射させ、撮像素子へ到達させる第
３ミラーとを備え、光の反射光路は、スケールパターン
の照射部を取り囲むと共に、外光を遮蔽する空間内に位
置せしめられてなる構成とされている。

〔作用〕

第１ミラーにより、光源からの光がスケール板乙こ平行
な平面内に導かれる。

第２ミラーにより、第１ミラーにて導かれた光を、平面
内で複数回反射させ、光路長を長くする。

第３ミラーにより、第２ミラーからの光をスケールパタ
ーン面に垂直に入射させ、撮像素子へ到達させる。

上述の第２ミラー間での反射により、光路長が長くされ
ているので、第３ミラーからスケールパターン面に照射
される光は、平行光に近似したちのとなり、これにより
絶対位置検出の精度を高めることかできる。また、第２
ミラー間における反射により、光路長が長くされている
ので、絶対位置検出器の外形寸法は、光路長の制約を受
けるこどなく小型化が可能となる。

〔実施例〕

以下、この発明の実施例について第１図乃至第４図を参
照して説明する。尚、この説明は以下の順序でなされる
。

（Ａ）第１実施例 （Ｂ）第２実施例 （Ｃ）第３実施例 （Ａ）第１実施例 第１図及び第２図は、この発明の第１実施例を示す図で
ある。

第１図にはエンコーダヘッドの断面図が示され、第２図
にはエンコーダヘッド内における光学ブロックの平面図
が示されている。

第１図において、絶対位置検出器１は、エンコーダヘッ
ド２と検出回路３と、座標変換回路４から主に構成され
る。

エンコーダヘッド２は、上下両側の遮蔽部５゜６から主
に形成され、この遮蔽部５．６間には、スケール板７を
挿入するためのスケール板挿入部８が形成されている。

上下両側の遮蔽部５．６は、スケールパターン９の照射
部ｌＯを取り囲むと共に、スケール板７との隙間から外
光が入らないように、スケール板７に平行に設けられて
いる。

エンコーダヘット２のＬ側の遮蔽部５内には、第１ミラ
ー１１、第２ミラー１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、、１２ｄ
、第３ミラー１３が設けられ、これにより光学ブロック
１４が構成されている。

上述の第１ミラー１１は、光源１５からの光Ｉ。

１を光学ブリンク１４内に導くものである。この第１ミ
ラー１１は、上述の光Ｌ　１を第２ミラー１２ａに反射
し得るように、その一端側１６を紙面に対し、傾けた状
態で取付けられている。

第２ミラー１２ａ　〜１２ｄは、第１ミラー１１にて導
かれた光Ｌ２を、複数回反射させて光路長を長くするも
のである。この第２ミラー１２ａ〜１２ｄは、−Ｅ側の
遮蔽部５内の四隅で、且つ紙面垂直方向に４枚設けられ
ている。この第２ミラー１２ａ〜１２ｄの配置は、第１
ミラー１１によって導かれた光Ｌ２を第３ミラー１３へ
向けて反射し得るようになされている。

第３ミラー１３は、第２ミラー１２ｄからの光Ｌ２を、
スケール板７のスケールパターン９０面に垂直に入射さ
せ、撮像素子１７〔以下ＣＣＤと略す〕へ到達させるも
のである。第３ミラー１３は、視野４　ｍｍ　Ｘ　４　
ｍｍのサイズとされ、スケール板７のスケールパターン
９対応位置に配されている。

そして第３ミラー１３は、光Ｌ３をスケールパターン９
の面に垂直に入射させるべく、一端側を紙面に対し傾け
た状態で設けられている。

エンコーダヘッド２の下側の遮蔽部６内には、ＬＥＤ等
の光源１５と、スケールパターン像（ストライブパター
ン像）撮像用のＣＣＤ１７とが同一面上に設けられてい
る。

エンコーダヘッド２の略々中央部に凹状に形成されてい
るスケール板挿入部８は、エンコーダヘッド２の上下両
側の遮蔽部５．６によって、スケ一ルパターン９の照射
部１０を取り囲むと共に、外光を遮蔽するようにされて
いる。

検出回路３は、ＣＣＤ　１７から得られた数値パターン
領域１８の数値パターンからグレイ符号を読み取り、ス
トライブパターン領域１９のストライブパターンＰから
所定点の座標を読み取るものである。

座標変換回路４は、ト記検出回路３から得られたグレイ
符号及びストライブパターンＰの所定点の座標に基づい
てＺ軸方向の絶対位置を算出するものである。

第１図において、エンコーダヘッド２内の光源１５から
発した光Ｌ　１は、第１ミラー１１により反射されて光
学ブリンク１４内に導かれる。

第１ミラー１１で反射された光Ｌ　２は、エンコーダヘ
ッド２の上側の遮蔽部５内の四隅に設けられた４枚の第
２ミラー１２ａ、１２ｂ、１２ｃ。

１２ｄにて夫々反射されて、第３ミラー１３に至る。即
ち、第２図に示す如く、光Ｌ２は、第１ミラー１１→第
２ミラー１２ａ−→第２ミラー１２１〕→第２ミラー１
２ｃ→第２ミラー１２ｄ→第３ミラー１３の順序で反射
され反射光路が形成される。

このように、光学ブロック１４内で複数回反射されるこ
とで、光路長〔第２図の例では６６ｍｍ）をより長くで
き、照度分布も一様とできる。従って、−層乎行光に近
似した光Ｌ３を得ることができる。

第３ミラー１３にて反射された光Ｌ　３は、リニヤなス
ケール板７を垂直に照射し、照射部ｌＯが形成される。

スケール板７は透過型であるため、照射部１０のスケー
ルパターン像（ストライブパターン像）がＣＣＤ１７に
垂直に投影される。

ＣＣＤ１７によりスケール板７の各パターン領域１８．
１９の夫々一部を同時に撮像し、撮像信号を検出回路３
に送って、数値パターン領域１８の数値パターンからグ
レイ符号を読み取り、パターン領域１９のストライブパ
ターンＰから所定点の座標を読み取る。これらの読取デ
ータは、座標変換回路４に送られることにより、上記グ
レイ符号及び」二記ストライプパターンＰの」二記所定
点の座標に基づいてＺ軸方向の絶対位置が得られる。

これにより、ストライブパターン像の、特にエツジ部分
がシャープになり分解能を上げることができる６圭だ照
明によるスケールパターン像（ストう・イブパターン像
）の歪のを極めて小さくでき、補正回路なｊ〜でも正確
なスケールパターン像（ストライブパターン像）が得ら
れる。更に、光源１５からの光Ｌ　３が平行光に近似し
ているので、スケール板７の微小な上下動、いわゆる面
振れを起こしてもスケールパターン像（ストライブパタ
ーン像）の変化が生じない。従って、高精度の絶対位置
検出が行える。

もし、上述のスケールパターン像（ストライブパターン
像）に対し補正の必要な場合であってもスケールパター
ン像（ストライブパターン像）の歪みが小さいので、線
形（１次近似）処理が可能になる。

そして、光学ブロック１４内でのみ反射を繰り返してい
るので、光路長の制約を受けることなくエンコーダヘッ
ド２の外形寸法をより小さくできる。例えば、この第１
実施例におけるエンコーダヘッド２の外形寸法は、Ｗ＝
２０ｍｍ、　Ｄ＝２０ｍｍ、Ｈ１＝６ｎｕｉとされテイ
ル。

更に、ＣＣＤ１７と光源１５が同一面上にあるため作業
性が向上し組立配線接続が容易になる。

（Ｉ３）第２実施例について 第３図は、この発明の第２実施例を示す図である。第３
図には、エンコーダヘッド２５の上側の遮蔽部５内にお
ける光学ブロック１４の平面図が示されている。

この第２実施例が、前記第１実施例と異なる点は、光学
ブロック１４を構成する第１ミラー２６、第２ミラー２
７ａ　〜２７ｈ、第３ミラー２８の配置と、第３ミラー
２８のサイズと、エンコーダヘッド２５の外形寸法であ
る。

第３図の構成において、第１ミラー２６は、上側の遮蔽
部５の左下隅に配されている。第２ミラー２７ｂ、２１
ｄ、２７ｆは、上側の遮蔽部５内の四隅に夫々配され、
第２ミラー２７ａ、２７ｃ。

２７ｅ、２７ｇは、上側の遮蔽部５の側壁５ａ。

５ｂ、５ｃ、５ｄの内側に夫々配され、そして第２ミラ
ー２７ｈは、第１ミラー２６に近接した位置に配されて
いる。第３ミラー２８は、視野１薗×１胴のサイズとさ
れ、リニヤなスケール板７のスケールパターン９対応位
置に配されている。

第３図において、エンコーダヘッド２５内の光源１５か
ら発した光Ｌ１は、第１ミラー２６により反射されて、
光学ブロック１４内に導かれる。

第１ミラー２６で反射された光Ｌ２は、エンコーダヘッ
ド２５の上側の遮蔽部５に設けられた大枚の第２ミラー
２７ａ〜２７ｈにて夫々反射されて、第３ミラー２８に
至る。即ち、光Ｌ２は、第１ミラー２６→第２ミラー２
７ａ→第２ミラー２７ｂ→第２ミラー２７ｃ→第２ミラ
ー２７ｄ→第２ミラー２７ｅ→第２ミラー２７ｆ→第２
ミラー２７ｇ→第２ミラー２７ｈ→第３ミラー２８の順
序で反射され反射光路が形成される。

このように、光学ブロック１４内で複数回反射されるこ
とで、光路長（第３図の例では８３ＩＩＩＩ１１〕をよ
り長くでき、照度分布も一様とできる。従って、−層、
平行光に近似した光Ｌ３が得られる。

それでいて、光学ブロック１４内でのみ反射を繰り返し
ているので、外形寸法はより小型化できるものである。

例えば、この第２実施例におけるエンコーダヘッド２５
の外形寸法は、Ｗ＝　ｌ　０ｎｎｉ、Ｄ＝　１０ｍｍ、
　Ｈ１＝　２ｍｍとされている。

第３ミラー２８にて反射された光Ｌ３は、スケール板７
を垂直に照射して照射部１０を形成する。

そしてこの照射部ｌＯのスケールパターン像（ストライ
ブパターン像）がＣ，ＣＤ１７に垂直に投影され、ＣＣ
Ｄ　１７によりスケール板７の各パターン領域１８．１
９の夫々一部が同時に撮像される。

尚、その他の内容は、前記第１実施例と同様であるため
、共通ずる部分には同一符号を以て示すことにし、重複
説明を省略する。

（Ｃ）第３実施例について 第４図は、この発明の第３実施例を示す図である。第４
図には、エンコーダヘッド３５の上側の遮蔽部５内にお
ける光学ブロックの平面図が示されている。

この第３実施例が、前記第１及び第２実施例と異なる点
は、スケール板３Ｇがｔロータリー形であることと、光
学ブロック１４を構成する第１ミラー３７、第２ミラー
３８ａ〜・３８ｇ１第３ミラー３９の配置と、第３ミラ
ー３９のサイズと、エンコーダヘッド３５の外形寸法で
ある。

第４図の構成において、第１ミラー３７は、上側の遮蔽
部５内の左下隅に配されている。第２ミラー３８ｂ、３
８ｄ、３８ｆは、上側の遮蔽部５内の四隅に夫々配され
、第２ミラー３８ａ、３８ｃ、３８ｅ、３８ｇは、上側
の遮蔽部５の側壁５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄの内側に夫々
配されている。

第３ミラー３９は、視野０．６＋＋＋＋＋＋Ｘ０．６ｍ
ｍのサイズとされ、ディスク状のスケール板３６のスケ
ールパターン９対応位置に配されている。ディスク状の
スケール板３６の径は９φとされている。

第４図においＣ、エンコーダヘッド３５内の光Ｂ１５か
ら発した光１．１は、第１ミラー３７により反射されて
光学ブロック１４内に導かれる。

第１ミラー３７で反射された光Ｌ１は、エンコ枚の第２
ミラー３８ａ〜３８ｇにて夫々反射されて、第３ミラー
３９に至る。即ち、第４図に示す如く、光Ｌ２ば、第１
ミラー３７−→第２ミラー３８ａ→第２ミラー３８ｔ）
→第２ミラー３８〔、→第２ミラー３８ｄ→第２ミラー
３８ｅ→第２ミラー３８ｆ→第２ミラー３８ｇ→第３ミ
ラー３９の順序で反射され反射光路が形成される。

このように、光学ブロック１４内で複数回反射すること
で、光路長〔第４図の例では７９腑）をより長くでき、
照度分布も一様とできる。従って、−・層、平行光に近
似した光［３が得られる。それでいて、光学ブロック１
４内でのめ反射を繰り返しているので、外形寸法は一層
小型化できる。例えば、この第３実施例におけるエンコ
ーダヘッド３５の外形寸法は、Ｗ＝１０ｍｍ、Ｉ）＝１
０胴、１１１＝２ｍとされている。

第３ミラー３９にて反射された光り、　３は、スケール
板３６を垂直に照射して照射部１０を形成する。

上述の光Ｌ３により、照射部１０のスケールパターン像
（ストライプパターン像）がＣＣＤ１７に垂直に投影さ
れる。ＣＣＤ１７によりスケール板３６の各パターン領
域１８．１９の夫々一部が同時に邊像される。この第３
実施例にて示されるように、エンコーダヘッド３５は、
ロータリー形のスケール板３６に対して適用が可能であ
る。

尚、その他の内容は、前記第１及び第２実施例と同様で
あるため、共通ずる部分には同一符号を以て示すことに
し、重複説明を省略する。

〔発明の効果］ この発明では、スケール板に平行な平面内に設けられ、
且つ第１ミラー、第２ミラー、第３ミラーから構成され
る光学ブロック内で、光源からの光を複数回反射させて
いる。また、光の反射光路は、スケールパターンの照射
部を取り囲むと共に、外光を遮蔽する空間内に位置せし
めているので、光路長を長くできると共に、照度分布も
一様にでき、光源からの光をより平行光に近似したもの
に乙Ｖ できるという効果がある。これにより、ストライプパタ
ーン像の、特にエツジ部分がシャープになり分解能を上
げることができるという効果がある。

また、照明によるスケールパターン像（ストライプパタ
ーン像）の歪みが極めて小さくなり、補正回路なしでも
正確なスケールパターン像（ストライプパターン像）が
得られるという効果がある。

更に、光源からの光が平行光に近似しているので、スケ
ール板の微小な上下動、いわゆる面振れを起こしても、
スケールパターン像（ストライプパターン像）の変化が
生じないという効果がある。これらの効果により、高精
度の絶対位置検出が行えるという効果がある。もし、上
述のスケールパターン像（ストライプパターン像）に対
し補正の必要な場合であゲても、スケールパターン像（
ストライプパターン像）の歪みが小さいので、線形（１
次近似）処理が可能になるという効果がある。

絶対位置検出器の外形寸法を、光路長の制約を受けるこ
となく小型化できるという効果がある。

実施例によれば、ＣＣＤと光源が同一面上にあるため、
作業性が向上し、組立配線接続が容易になるという効果
がある。また、このエンコーダへ、・ｌシよ、１１ニヤ
形、ロータリー形いずれのスケール板であっても、同様
に適用が可能であるという効県がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の第１実施例を示す断面図、第２図は
第１ｉ中矢示■方向からみた光学ブロンクの平面図、第
３図はこの発明の第２実施例を示す第２図同様の平面図
、第４図はこの発明の第３実施例を示す第２図同様の平
面図、第５図は従来の絶対位置検出器の概略構成図、第
６図はスケール板−Ｌのパターン例を示す平面図、第７
図及び第８図は夫々スケール板に対する従来の照射の例
を説明する断面図である。 図面ｔこおける主要な符号の説明 ７．３６．５１＋スケール板、　　９．５３ニスケール
パターン、　　ｌＯ：照射部、　　１１．２６゜３７：
第１ミラー、　　１２ａ〜１２ｄ、２７ａ〜２７ｈ、３
８ａ　〜３８ｇ：第２ミラー、　　１３゜２８．３９：
第３ミラー、　　１５．５６：光源、１７．５２：ＣＣ
Ｄ、　　Ｌｌ、Ｌ２，１．３：光。 代理人　　　弁理士　杉　浦　正　知 忙灯イ旦置手（出、＃：の末即；町ト透〃（第５図 　−−一− ５２、ｃｃｏ　　、履 胃　　　′ １１＝で下］コ］冨】＝丁＠　　　　５１スケールＬ１
１．３７　ｎ、Ｕ４甘

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 光源からの光をスケール板に平行な平面内に導く第１ミ
   ラーと、 上記平面内に配され、且つ上記第１ミラーにて導かれた
   光を上記平面内で複数回反射させて光路長を長くする複
   数の第２ミラーと、 上記複数の第２ミラーにて複数回反射せしめられた光を
   スケールパターン面に垂直に入射させ、撮像素子へ到達
   させる第３ミラーとを備え、上記光の反射光路は、スケ
   ールパターンの照射部を取り囲むと共に、外光を遮蔽す
   る空間内に位置せしめられてなる絶対位置検出器。