JPH0141925B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は長さおよび角度を高精度高分解能で
デジタル読み取りするためのエンコーダに関す
る。

一般に長さおよび角度等をデジタル式に高精度
で読み取るための周期的な格子パターンを有する
エンコーダでは光学式、電磁式を問わず目盛の細
分化による製造限界がある。このため更に最少目
盛を内挿することによつて分解能を上げる方法が
各種提案されており、例えば零点内挿法、基準位
相差内挿法等がこれにあたる。

まず零点内挿法について簡単に説明すると、第
１図ａに示すようにエンコード板１、受光素子３
ａと３ｂの出力信号の位相が1/4異なるように配
列されたスリツトS₁、スリツトS₂をもつストリツ
ト板２および光源４からなり、受光素子３ａ，３
ｂにエンコード板の移動に応じて光電変換出力と
してそれぞれ1/4周期ずれた正弦波状信号を出力
する。そして、第１図ｂに示すようにこれを矩形
波に波形成形し、矩形波の立上り、立下りを検出
し計数することにより１周期の間を1/4に分割す
るようにしている。また、基準位相差内挿法は
90゜の位相差をもつた２つの信号を一定の周波数
をもつた搬送波で変調し、これらの合成波と搬送
波との位相差を検出して１周期の間を内挿するよ
うにしている。

しかし、これらの方法はいずれも一定の周期的
情報をもつた光学、磁気又は電気的格子とセンサ
ーとの相対的移動量を移動時に発生する電気信号
により測定するいわゆるインクリメンタル方式の
計測技術であり、基準位置の原点合せを行なう必
要がある。

これに対してアブリユート方式では、常に光電
変換出力としてエンコード板の絶対位置情報が出
力されるが、上記の目盛の細分化に際しての製造
限界から測定精度が制限を受ける他、光学式エン
コーダでたとえるなら明暗の２値による２進コー
ドでエンコードするための1/2^Nの分解能を得るた
めには第２図に示すように１つのコード板６にＮ
トラツクのコード列が必要となる。従つてパター
ンが複雑になり、光源と光電変換素子の対がそれ
に応じて複数組必要となる欠点があつた。

この発明は、上記の問題点を解決するためにな
されたもので、コード板上に配列される情報を簡
略化し比較的簡単な構成で取り扱いが容易であり
しかも絶体位置情報を高精度で読み取ることがで
きるエンコーダを提供することを目的とする。

以下、この発明の一実施例を図面に従い説明す
る。第３図はこの発明の構成原理を示すものでエ
ンコーダにおける光源、コード板、光電変換素子
アレイの最も一般的な配置関係を示す図である。
全長Ｌのコード板１０はＭ＋１個のブロツクに分
割され各々のブロツクはブロツクの絶対位置を表
現する対称的に配列された対をなすアドレスパタ
ーン（例えば２進コード）および最小目盛を内挿
するための格子パターンからなる。

このコード板１０に対向して光源１１が設けら
れ、またその反対側にはエンコーダ板１０の少な
くとも１つのブロツクが投影できるだけの長さを
もち、数多くの受光素子がピツチＰで直列に並ぶ
光電変換素子アレイ（以降ラインセンサーと呼
ぶ）１２が設けられる。

第４図ａはエンコード板１０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１２を拡
大したものであり、ｃはそのときのラインセンサ
ー１２の出力を、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す。

ここで、Ｎビツトの受光素子がそれぞれ独立し
て感度をもち、その各光電変換出力が直列に出さ
れるようなラインセンサー１２において少なくと
も連続する２つのビツト出力が第４図ｃのスレツ
シユホールドレベルｌを超えるとき絶対アドレス
情報と認識することにすると第４図ａのアドレス
１３は2²＋2⁰＝５と読み替えることができ、これ
が、このブロツクの絶対アドレスを表わす。この
場合絶対アドレスから誘導されたパターンは絶対
アドレスの上位、下位を反転した形のパターンで
形成されるが、これは誤測定をかけるための冗長
度として利用できる。

次に絶対アドレスの各ビツトの存在位置の重み
中心として第４図ａの基準位置ａを検知する。こ
の基準位置ａは簡単に２つの最上位桁（或いは最
下位桁）を表わすビツトの中心として求められ、
どのブロツクにおいてもブロツク内での位置は一
定である。そこで、この基準位置ａとラインセン
サー１２上に任意に定めた第４図ｂに示すインデ
ツクスビツトIBとの距離を第４図ｄに示すクロ
ツクパルスで計測することによりブロツク内をラ
インセンサー１２のピツチＰに等しい分解能で内
挿することができる。

以上により全長Ｌのエンコード板１０とライン
センサー１２の相対位置を分解能Ｐで知り得るこ
とになる。更にラインセンサー１２のピツチＰを
１／Ｎに分割、最小目盛を内挿するなら最小分解
能Ｐ／Ｎのエンコーダを構成できることが明らか
である。以上がこの発明の骨子になるものであ
る。

ところで、最小目盛すなわちラインセンサー１
２のピツチＰ以下を内挿する方法としては下記の
方式がある。

第５図において光の透過率に一定の比をもたせ
たスリツトを周期的に配列した光学格子２１とピ
ツチＰのラインセンサー２２とが副尺関係つまり
光学格子２１の透明、不透明のスリツトが交互に
Ｎ個存在し、同一長ラインセンサー２２内にはＮ
＋１ビツトの光電変換子が存在するという関係に
あるとする。そして、ラインセンサー２２が第６
図ａの光学格子２１の位置から第６図ｂ〜ｇに示
すように相対移動すると光学格子２１を通して平
行光で照射されたラインセンサー２２の各ビツト
の出力波形と光学格子、ラインセンサーの相対移
動量Ｓとの間には第７図ａ〜ｖに示す如き関係が
得られる。但し第７図ａ〜ｖではＮ＝10とし各ビ
ツトの出力波高値を１つのビツトが全面完全に光
で照射された場合を10とした相対的で表わし光学
格子、ラインセンサー間の相対移動量Ｓは光学格
子２１のスリツト幅をＷとしたときのS₀＝Ｗ／
（Ｎ＋１）を１つの単位としている。

第７図ａ〜ｖから判るようにラインセンサー２
２の出力波形にはラインセンサー２２の１つのビ
ツトを境として位相が180゜変化するところがあ
り、この位相の変化点が光学的格子、ラインセン
サーの相対移動量Ｓによつて変化している。その
移動量はS₀に対しセンサー１ビツトである。

従つて、位相の反転するラインセンサー２２の
ビツト位置を検出することによりスリツト幅Ｗを
１／（Ｎ＋１）に、つまりラインセンサー２２の
ピツチＰを１／Ｎで分割することが可能になる。
第４図においては１４の部分がラインセンサーに
副尺関係をもたせるためのＮ＝10からなる光学格
子に相当する。

次に、この発明の具体的実施例を第８図により
説明する。第８図は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を示すものであ
る。

移動テーブル２８の一部に上述した光学的コー
ド板２９を固定し、これに平行にラインセンサー
３０を設置し光源３１よりコンデンサレンズ３２
を介してコード板２９を照射する。するとこれを
透過した光線がコード板２９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３０上に
投影される。従つてラインセンサー３０の全長を
適当に選べばラインセンサー３０の１周期の直列
出力信号にはコード板２９のブロツク絶対位置情
報、および副尺目盛読み取り情報が時系列に出力
される。すなわちこの場合パルス発生器３３から
のスタートパルス４２により走査を開始し、その
後クロツクパルス４３に同期して走査を行なう
と、ラインセンサー３０の出力３４は増巾器３５
により適当なレベルまで増巾されサンプルホール
ド３６により１ビツトごとにホールドされAD変
換器３７を介して第１デジタルメモリー３８に各
ビツトの出力波高値がデジタル信号として記憶さ
れる。第１デジタルメモリー３８の内容は走査終
了パルス４４により第２デジタルメモリー３９に
移され、同時に第１デジタルメモリー３９の内容
はクリアーされる。また、走査終了パルス４４に
より信号処理回路４０が動作を開始し、第２デジ
タルメモリー３９の内容を信号処理し、この結果
得られたラインセンサー３０と光学的コード板２
９の相互絶対位置を例えば表示器４１に表示す
る。ここで、信号処理回路４０の動作内容は第９
図のフローチヤートに示す通りであり、 (1) 第４図ｃにおけるスレツシユホールドレベル
「ｌ」を定め１ブロツク内でこのレベル越える
連続した２ビツトの位置つまり絶対アドレス情
報の位置検出を行なう。

(2) 検出した各ビツトの位置を調べ重み中心を知
り、これを当該ブロツクの基準位置とする。

(3) 絶対アドレス情報より絶対アドレスＡを決め
る。

(4) インデツクスビツトと基準位置との距離を調
べ当該ブロツクの位置を分解能Ｐで分割或いは
内挿する。Ｂビツトとして検出されれば実距離
はＢ×Ｐである。

(5) 基準位置より特定の距離範囲内にあり、光学
的コード板２９の光学格子に対応するビツトの
各出力を調べ位相反転点を検出してピツチＰを
内挿する。１／Ｎの内挿を行えばＰ／Ｎの整数
倍Ｃ×Ｐ／Ｎとなる。

(6) 以上を合成してラインセンサー３０と光学的
コード板２９の相互絶対位置Ｄを得る。

Ｄ＝Ａ＋Ｂ×Ｐ＋Ｃ×Ｐ／Ｎ これにより、例えばコード板が１mmの間隔でブ
ロツクに分割され、各ブロツクがラインセンサー
出力１００パルスで分割され（ラインセンサーの
ピツチ10μｍ）副尺目盛Ｎ対Ｎ＋１においてＮ＝
10とするならば上述の実施例では最小1μｍの分
解能が得られることになる。

以上述べたようにこの発明はコード板中の１ト
ラツクにエンコード板の１ピツチ内に内挿する目
的で設けられた格子パターンとブロツクの番号
（絶対アドレス）を示すための対称的な対をする
パターン（２進コード）とを直列的に配置し、ま
たこのコード板の１ブロツク内の上記格子パター
ンの全長と同じ長さ中に上記格子パターンの格子
数Ｎとは異なる数（実施例ではＮ＋１）の光電変
換素子を含むラインセンサーを上記コード板と対
向させて配置し、上記コード板に光を照射したと
きのコード板の透過光を上記ラインセンサーで受
けラインセンサーの出力信号を処理することによ
つてコード板の絶対位置を高精度に検出するよう
にしたものである。すなわち、絶対位置の測定を
ラインセンサーより時系列的に出力されるブロツ
ク絶対位置情報と、上記出力を信号処理して得ら
れる基準位置情報とによる粗い測定（ラインセン
サーの１ピツチ単位までの測定）と、格子パター
ンに対向する部分から時系列的に出力される信号
によつて前述の如き内挿法による密な測定とによ
つて達成したものである。ラインセンサーの長さ
は理論上１ブロツク長で充分であるが、実用上は
ブロツク内での格子パターンの占める割合等によ
り1.5ブロツク長以上あればよい。

従つて、この発明によればエンコーダとライン
センサーとの相対的位置を固定された静止状態で
測定することができ、また絶対アドレスを読み取
るための粗読み、精読（内挿）用の検出器を夫々
区別せずに同一のラインセンサーで共用している
ので、トラツク数を増やすことなく小形高精度の
測定が可能になる。特に、対称的に形成された対
をなすアドレス情報からその重み中心として基準
位置情報を求めるものであるから結果として誤差
の少ない的確な基準位置情報を得ることができパ
ターン読み取りの信頼性を向上させることができ
る。また、このエンコーダのコード板は例えば先
願の特願昭53−155815号のようなブロツクの先端
を示すコード情報等具体的には１つのブロツクの
先端がラインセンサーのどこに位置するかを決定
するための特徴的なパターン１３やブロツクのス
タート位置を示すブロツクスタート位置マーク１
４等に情報を不要とするものであるから、その分
コード板上に配列される情報を簡略化し１ブロツ
ク内のパターン密度を向上することができるとと
もに全体としての構成を比較的簡単なものとする
ことができるものである。

尚、上述の実施例では１ブロツク内に絶対アド
レスとして２進符号およびその上位、下位桁を反
転した符号を設け、これを信号処理して当該ブロ
ツクの基準位置を知るものとしたが、例えば絶対
アドレスとして２進符号のみの場合でも２ブロツ
クの絶対アドレスの最下位桁間の距離を調べれば
基準位置を知ることができる。すなわち、第１０
図において、第１ブロツク、第２ブロツクを読み
取ると最下位桁間の距離はL₁であり、ブロツク
長Ｌより長く、このときには右側の第１ブロツク
の最下桁の位置A₁を第１ブロツクの基準位置と
し、第２ブロツクの基準位置はA₁よりＬだけ左
側にA₂とすればよい。また、第２ブロツクと第
３ブロツクを読みとると最下桁間の距離はL₂で
ありブロツク長Ｌより短く、このときには左側の
第３ブロツクの最下位桁の位置A₃を第３ブロツ
クの基準位置とし、第２ブロツクの基準位置は
A₃よりＬだけ右側のA₂とすればよい。以下同様
に任意の２ブロツクを読み取れば各ブロツクの基
準位置を決定することができる。

また、上述の実施例においてはエンコード板上
の絶対アドレス（およびこれから誘導されるパタ
ーン）を信号処理して得られる基準位置およびイ
ンデツクスビツトによりラインセンサーのピツチ
Ｐを分解能として絶対番地を読み取り格子パター
ンとラインセンサーとの副尺関係によりピツチＰ
を内挿するものとしたが、第７図から明らかなよ
うに位相の反転点だけでなく位相の正逆も判定す
ればスリツト幅の２倍の範囲で内挿が行え、この
ように構成したときはラインセンサーのピツチＰ
までの読み取りによる粗測定と、内挿による精測
定との桁合せが容易になる利点がある。

更に上述の実施例ではコード板およびセンサー
が直線的に配置されているように説明したが、例
えばコード板をリング状にしてセンサーをリング
の一部、もしくは直線状に配置するようにしても
よい。このようにすることによつて、ロータリー
エンコーダ用に適用してもこの発明の効果に変り
はない。また、上述の実施例ではコード板とセン
サーとの相対的位置又は角度を測定するものとし
て説明したが、コード板とセンサーを固定してお
いてコード板のパターンを例えば反射鏡によつて
反射してセンサー上に投影することによりその反
射鏡の変位を測定することもできる。更に、コー
ド板の透過像を用いるのでなく反射像を用いても
よい。

更に、エンコード板コードパターンを光学レン
ズによつてラインセンサー上に結像し、結像倍率
を変化させることでパターンとラインセンサーの
副尺関係を発生する方法も考えられる。また、こ
の発明の電磁式のエンコード板にも適用できる。
この場合コード板は磁気的情報の有無で達成し、
ラインセンサーは磁気デイテクターで構成され
る。すなわち一例として、透過、不透過の光学的
格子のかわりに、磁束密度に強弱をもたせた磁気
格子を、また光電変換素子アレイのかわりに感磁
素子アレイを適用することができる。

例えばコード板として第４図ａの光学的格子の
ピツチに対応させた、磁束密度に強弱をつけた磁
気格子（直流磁界を生ずる）又は、Ｓ極、Ｎ極の
繰り返して構成される磁気格子（交流磁界を生ず
る）を考え、感磁素子アレイとしては、第４図ｂ
の光電変換素子アレイのピツチＰに対応するピツ
チで直線的に配列され、各素子の出力が順次直列
に出力される様なホール素子アレイを考える。こ
の時上記コード板が、ホール素子アレイと密着し
た状態であるなら、上記コード板とホール素子ア
レイとの相対移動量と、ホール素子アレイの出力
との間には、第６図及び第７図の関係がそのまま
適用される。

【図面の簡単な説明】

第１図は、インクリメンタル方式エンコーダー
の従来例を説明するための図、第２図はアブソリ
ユート方式の従来例を説明するための図、第３図
はこの発明の構成原理を示す図、第４図は第３図
の拡大図およびセンサー出力波形図、第５図はコ
ード板とラインセンサーの関係を示す図、第６図
は副尺目盛読み取り方式を説明するための図、第
７図はラインセンサーの出力波形を表わす図、第
８図はこの発明の一実施例を示す図、第９図は同
実施例を説明するためのフローチヤート、第１０
図はこの発明の他の実施例を説明するための図で
ある。 １０，２９……コード板、１２，２２，３０…
…ラインセンサー、１１，３１……光源、１３…
…アドレス、１４，２１……光学格子、２８……
移動テーブル、３２……コンデンサレンズ、３３
……パルス発生器、３５……増巾器、３６……サ
ンプルホールド、３７……AD変換器、３８，３
９……メモリ、４０……信号処理回路、４１……
表示器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 直列的に複数個のブロツクが一列に配列され
   ており各ブロツク内は少なくとも“１”、“０”情
   報が繰返し形成された格子パターン、互いのアド
   レスコードの最上位又は最下位を隣接しその隣接
   位置を基準位置とする互いに対称的な２つのアド
   レスコードから形成されたアドレスパターンが一
   列に配列されたコード板と、このコード板の少な
   くとも１ブロツクの情報を読み取るために前記格
   子パターンの情報数と対応関係上異なる個数のセ
   ンサー群が一列に配置されたラインセンサーと、
   該ラインセンサーより時系列的に出力される信号
   を読み出す第一の手段と、該第一の手段から前記
   ブロツクのアドレス情報を読み取る第二の手段
   と、前記第一の手段からの出力信号または第二の
   手段からのアドレス情報から基準位置情報をもと
   める第三の手段と、該第三の手段により得られた
   基準位置情報によつて前記ラインセンサーの１ピ
   ツチ単位までの絶対位置または角度を求める第四
   の手段と、前記ラインセンサーより時系列的に出
   力される前記格子パターンに対応する出力信号か
   ら前記絶対位置又は角度の１ピツチ内を内挿する
   第五の手段とを具備したことを特徴とするエンコ
   ーダ。