JPH036423A - アブソリュートエンコーダ - 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】 ［産業上の利用分野コ 本発明はアブソリュートエンコーダに関するものである
。

［従来の技術］ 従来、アブソリュートエンコーダとして例えば特開昭５
７−１７５２１１号公報または実開昭６０−１５２９１
６号公報に示されているように、符号板上のアブソリュ
ートパターンを１トラツクにし、このトラック長さ方向
に複数の検出器を配列して、各検出器の出力の組合せコ
ードによって絶対位置を検出する磁気式または光学式の
アブソリュートエンコーダが知られている。

前述の従来のアブソリュートエンコーダでは、磁気式と
光学式とを問わず、そのアブソリュートパターンの二進
ビット０．１の読み取りのために前記組合せコードのビ
ット数に対応した多数の非接触検出器をトラック上に配
列し、各検出器からの出力信号を電気回路によって矩形
波に波形整形してから二進数に数値化する必要がある。

しかしながら、各検出器からの出力信号を波形整形処理
によって矩形波にする場合、その立上り・立下りが成る
有限の時間を経て行なわれ、またそのタイミングに各検
出器で不可避的にずれが生しる。従って例えばエンコー
ダの分解能を上げるために符号板のアブソリュートパタ
ーンを細かくする場合には、各検出器の出力パルスの立
上り・立下り時間とタイミングの同期が特に問題となり
、検出器と符号板の相対移動の正逆両方向について、こ
れら立上り・立下り部分での各検出器出力の読み出し結
果が正確な位置コードにならず、エンコーダ出力に誤り
が生じる恐れがある。

［発明が解決しようとする課題］ この問題の一つの解決策として木発明者らは、符号板上
の１トラック形式のアブソリュートパターンにインクリ
メンタルパターンのトラックを添設し、このインクリメ
ンタルトラックを利用して電源投入時においても安定し
た精度のよいアブソリュート出力を得る方式を先に提案
した（特願昭６３−３２２１８９）。この方式によって
電源投入時においても直ちに正確なアブソリュート出力
が得られるようになったが、符号板にアブソリュートパ
ターンのトラックとは別にインクリメンタルパターンの
トラックを必要とし、従ってその分だけ装置が大型にな
り、また検出器や信号処理回路が複雑になるきらいがあ
った。

本発明はこの点に鑑みてなされたものであり、アブソリ
ュートパターンのトラックだけでも電源投入時において
即時に正確な絶対位置検出出力を得ることができ、しか
も読み取りに誤りを生じることの極めて少ない高精度の
アブソリュートエンコーダを提供することを目的とする
ものである。

［課題を解決するための手段］ 本発明のアブソリュートエンコーダは、前述の課題を達
成するために、アブソリュートパターンのトラックを有
する符号板と、この符号板に対し前記トラックの長平方
向に相対移動可能なパタン読取用の検出部と、該検出器
の検出信号を処理する信号処理部とを備えたものにおい
て、前記検出部に、読取り位置のアブソリュートパター
ンに対応した第１信号と、この第１信号に対して前記ア
ブソリュートパターンの最小読取り単位幅より小さな位
相差をもつ第２信号とを各組毎に夫々生じる複数組の検
出器を設け、また前記信号処理部に、前記各組の第１信
号と第２信号とをそれぞれ三値のデジタル値に変換する
変換手段と、前記各組の三値信号の内容に基づいて前記
各組の第１信号と第２信号のうちから一方選択して出力
する信号選択手段とを設けたものである。

［作　用コ 本発明のアブソリュートエンコーダでは、符号板のトラ
ックのアブソリュートパターンが複数組の検出器を有す
る検出部によって読取られると、各組の検出器からはそ
れぞれアブソリュートパタンに対応した第１信号と第２
信号とが出力される。これら第１信号と第２信号とは、
各組において前記アブソリュートパターンの最小読取り
単位幅より小さな位相差をもっている。

一般的に、この検出器の組数は、符号板のアブソリュー
トパターンのスケール目盛数をＸとすると、 ２°−’＜ｘ≦２°　　　・・・（１）の関係を満足す
るｎ組であり、アブソリュート信号用検出器の総数は２
ｎ個となる。

各組の第１信号と第２信号とは互いにアブソリュートパ
ターンの最小読取単位幅より小さな位相差をもつ同一内
容の信号列からなり、これら第１信号の群を出力する検
出器群が前記アブソリュートパターンの読取単位同士の
境界領域を読みとっているときには、前記第２信号の群
を出力する検出器群は前記位相差の分たり境界領域から
離れて安定した読取信号を生している。逆の場合もまた
同様である。

従って、第１信号の群を出力する検出器群と第２信号の
群を出力する検出器群のうちのどちらが前記境界領域を
読取っているのかを判別すれば、他方の検出器群からの
安定な信号群を選択でき、これによって常に安定正確な
アブソリュート出力を得ることができる。

本発明では、検出器出力の立上り・立下りが木質的に有
限時間をもって行われることに着目し、一般には欠点と
されがちなこの有限時間の存在を積極活用して前記の判
別と信号選択を達成している。

即ち、信号処理部では、第４図に示したように先ず各検
出器から得られる読取出力を二つの閾値レベルＬＡとＬ
ｈで比較して論理処理することにより、低位安定部分子
ｏＩＪ、立上り・立下り不安定部分「１０」及び高位安
定部分「１１」という三つの値の２ビットデジタル信号
に変換する。

このように変換すると、２ビットデジタル信号の値の上
１桁は読取信号値を示し、下１桁はその検出器が境界領
域を読取っているかどうかを示すことになる。

一方、符号板上の１トラツクのアブソリュートパターン
をトラック長さ方向に配列された複数の検出器で読取る
この種のアブソリュートエンコーダでは、アブソリュー
トパターンの特性により、例えば第１信号を出力する検
出器群が前記境界領域に対置しているときには、そのう
ちの少なくとも一つの検出器が必ず前記不安定部分の出
力を生しており、その三値変換デジタル信号の下１桁は
「ｏ」となる。

従ってこの場合、第１信号の検出器群の出力を三値変換
した２ビットデジタル信号の全ての下１桁の論理積をと
り、これをり、とすると、この状態でＤｌは必ず「０」
となるから、これによって第１信号の検出器群が境界領
域を読取っていることが判別できる。このとぎ、第２信
号の検出器群は境界領域になく、その全ての出力の三値
変換２ビットデジタル信号の下１桁はいずれも「１」で
あり、その論理積Ｄ２も「１」となっている。

信号選択手段では、Ｄｌが「０」であれば第２信号群の
各三値変換２ビットデジタル信号の上１桁を選択してエ
ンコーダ出力とし、Ｄｌが「１」であれば第１信号群の
各三値変換２ビットデジタル信号の上１桁を選択してエ
ンコーダ出力とすることにより、電源投入時を含んで常
に正確な絶対位置出力を安定して取り出すものである。

尚、ここでＤｌとＤ２が共に「０」になることはあり得
ないことであるから、このような信号が生じたときはエ
ラー指示を行わせることにより、信頼性を一層向上させ
ることができる。

またＤｌとＤ２が共に「０」でない場合は第１信号と第
２信号がいずれも安定状態にあるから、どちらを取り出
しても所定の精度の絶対位置出力が得られる。

このようにして、符号板と検出器の相対移動方向に関わ
りなく２個ずつｎ組の検出器の各組からの第１信号また
は第２信号をそれらの三値変換デジタル信号の内容に応
じて選択して取り出し、所定ビット数ｎの並列データと
して絶対位置信号出力を得るものである。

以下に、この発明の実施例を図面と共に説明する。

［実施例］ 第１図は、検出器に光電変換素子を用いた４ビツトの光
学式アブソリュートエンコーダの場合の本発明の一実施
例を示している。

第１図において、このアブソリュートエンコーダは、符
号板（スケール）１１と、符号板に記録されたアブソリ
ュート信号読み取るための検出部２０と、検出部からの
信号を処理して絶対位置を表わす４ビツトの並列データ
に変換する信号処理部３０とからなっている。

符号板（スケール）１１は透明基板からなり、その表面
には、金属の蒸着などによる不透明部分（斜線部）と透
明部分（白抜部）とて「０，１」のビットを形成してな
るアブソリュートパターンを設けたトラック１３が形成
されている。

前記トラック１３上に形成されたアブソリュートパター
ンは、本実施例ではスケール全長骨を１６の最小読み取
り単位パターンで分割して目盛数１６とした４ビツト（
ｎ＝４）のアブソリュートコードであり、全周期配列と
呼ばれる次のパターン、 ｒＯＯＯｏｌｏｌｌｏｏｌｌｌｌｏｌＪを有するもので
ある。このアブソリュートパターンは、第１図のトラッ
ク１３において、図の左方から右方へ順に、透明部分に
よる連続した四つの「０」ビット、不透明部分による単
一の「１」ビット、透明部分による単一の「０」ビット
、不透明部分による連続した二つの「１」ビット、透明
部分による連続した二つの「Ｏ」ビット、不透明部分に
よる連続した四つの「１」ビット、透明部分による単一
の「０」ビット、不透明部分による単一の「１ノビツト
として示されている。

検出部２０は、アブソリュート信号用検出器としてのフ
ォトダイオードアレイを構成する８個のフォトダイオー
ド２１ａ、２１ｂ　〜２４ａ、２４ｂを備え、符号板１
１の上方から光を当てて、符号板１１の下面側でフォト
ダイオード２１ａ、２１ｂ〜２４ａ　　２４ｂによりト
ラック１３のアブソリュートパターンを検出し、この場
合、透過光を「０」、遮光を「１」とする。

第２図には、前記各フォトダイオード２１ａ〜２４ｂの
検出出力を処理するための信号処理部３０の回路の一例
が示されている。

すなわち、検出器であるフォトダイオード２１ａ、２１
ｂ〜２４ａ、２４ｂの各検出出力はそれぞれＡ／Ｄ変換
回路３１ａ、３１ｂ　〜３４ａ　　３４ｂで高低二つの
閾値Ｌｈ、ＬＪＩＬと比較されて二値化される。これら
の変換回路は、例えば変換回路３１ａに代表して示すよ
うに、基準入力に閾値ＬＪＺに対応した固定電圧が人力
された第１比較器３１１ａと、基準入力に閾値Ｌｈに対
応した固定電圧が人力された第２比較器３１２ａと、両
比較器の出力の排他的論理和の否定を出力するゲート回
路３１３ａとからなるものであり、第１比較器３１１ａ
の出力を三値変換デジタル信号の上１桁信号として出力
端子Ｕに、ゲート回路３１３ａの出力を三値変換デジタ
ル信号の下１桁信号としてもう一つの出力端子りに取り
出すようにしたものである。全ての変換回路の出力端子
ｔＪ、Ｌはそれぞれ信号選択回路４０に人力されている
。

１ 信号選択回路４０は、ａ群の変換回路３１ａ〜３４ａの
全ての出力端子りの下１桁信号の論理積ｐ１を出力する
アントゲート４６ａと、同様にｂ群の変換回路３１ｂ〜
３４ｂの全ての出力端子りの下１桁信号の論理積Ｄ２を
出力するアンドゲート４６ｂと、ａ群の変換回路３１ａ
〜３４ａの各出力端子Ｕからの上１桁信号の通過を制御
するアンドゲート群４１ａ〜４４ａと、ｂ群の変換回路
３１ｂ〜３４ｂの各出力端子Ｕからの上１桁信号の通過
を制御するアンドゲート群４１ｂ〜４４ｂと、両アンド
ゲート群４１ａ〜４４ａおよび４１ｂ〜４４ｂの対応す
る各出力同士の論理和をとってアブソリュート出力端子
６１〜６４へ出力するオアゲート群５１〜５４と、否定
回路４８およびエラー検出用のノアゲート５０とを備え
ている。

アンドゲート４６ａのＤ１出力は一方てａ群の上１桁信
号の通過制御用アンドゲート群４１ａ〜４４ａの制御信
号となり、他方で否定回路４８を介してｂ群の上１桁信
号の通過制御用アン１−゛デー８群４１ｂ〜４４ｂの制
御信号となっている。即２ ち、アンドゲート４６ａのＤ１出力が「１」の場合はａ
群の検出器のフォトダイオード２１ａ〜２４ａが安定出
力を生じているからａ群の変換回路３１ａ〜３４ａの出
力端子Ｕからの上１桁信号のみを出力端子６１〜６４へ
通過させ、逆にアンドケート４６ａのＤ１出力が「０」
の場合はａ群の検出器のフォトダイオード２１ａ〜２４
ａが不安定出力を生じているからｂ群の変換回路３１ｂ
〜３４ｂの出力端子Ｕからの上１桁信号のみを出力端子
６１〜６４へ通過させるように信号選択動作が行われる
。

尚、第２図の例では、Ｄ１出力とＤ２出力とが共に「１
」となった際にはａ群の上１桁信号を優先しているが、
勿論これは任意設計事項である。

エラー検出用のノアゲート５０はアントケート４６ａの
り、出力とアンドゲート４６ｂのＤ２出力とが共に「０
」のとぎにエラー検出端子６０に指示信号「１」を出力
し、それ以外のときはエラ出力を「０」に保っている。

第３図は前記各検出器のフォトダイオード２１ａ〜２４
ａおよび２１ｂ〜２４ｂの出力波形とアンドゲート４６
ａ、４６ｂの出力信号り、、Ｄ２とを符号板１のアブソ
リュートパターンとの関係て示す波形図で、信号Ｄ１が
高レベルのとぎはフォトダイオード２１ａ、２２ａ、２
３ａ、２４ａの検出出力による変換デジタル信号の上１
桁信号が最終出力として選択され、逆に信号Ｄ１か低レ
ベルのときほからフォトダイオード２１ｂ、２２ｂ　　
２３ｂ、２４ｂの検出出力による変換デジタル信号の上
１桁信号が最終出力として選択されることを意味してい
る。ここで前記信号Ｄ１と信号Ｄ２とが同時に「０」と
ならないことに注目すべきである。

本実施例のアブソリュートパターンは、前述したように
Ｎ＝４ビットの全周期配列と呼ばれる１６分割のもので
あり、第１図に示したように、符号板１１の長平方向へ
検出部２０をその隣接する４組のフォトダイオード２１
ａｂ、２２ａｂ、２３ａｂ、２４ａｂの１組分のピッチ
づつ相対的にシフトさせた場合に、前記隣接する４組に
符号板１１の全長に亙って同じｒｏ、ＩＪの組合せのコ
ート信号が生じないようにトラック１３上のアブソリュ
ートパターンの配列（アブソリュートコート）が定めら
れており、これは前述した通り、ｒｏｏｏｏｌｏｌｌｏ
ｏｌｌｌｌｏｌＪである。

従って出力端子６１を２８６２を２’、６３を２２．６
４を２３に割り当てると４ビツトのアブソリュート信号
が得られることになる。

このように、各組の検出器出力を三値のデジタル信号に
変換して論理ゲートで信号処理することによって得た二
種の二値信号Ｄ＋　、Ｄ２で対構成のアブソリュ−１・
信号の立上り・立下り近傍の不安定領域を交互に相補的
に隠蔽するように切換えて出力することにより、常に安
定した絶対位置出力信号の取り出しと電源投入時の即時
出力の獲得とがなされるものである。

尚、以上によって得られる最終信号は数字が順番に並ん
でいないが、これは実際使用に際して適当なＲＯＭなど
の変換手段によって所望の数列に変換すれはよい。

５ ６ アブソリュートパターンの配列は前述の１６分割のもの
以外にも種々のものがあり、その配列の決定は次のよう
にして行なう。

即ち、ビット数が少ないときは順次試行錯誤的に行なっ
てもよいが、ビット数が多くなるとコンピュータで演算
させる必要がある。

前述の４ビツトの場合で説明すると、例えば各ビットが
「０」の場合は必ずあるから、先ず４つの「０」の連続
ｒｏ、０，０．ＯＪを考える。そして「０」が５つ連続
すると同じ組合せが生じてしまうことになるから、「０
」が４つ続いた後には必ず「１」がくると考える。この
ようにして順次「０」か「１」かを追加していき、４つ
ずつの区切りで１ビツトずつシフトしたときに同じ内容
の組合せが生じないようにすればよい。

このようにしてコンピュータに演算させた結果を第５図
（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）に示す。

第５図（ａ）は５ビツト、即ちＮ＝５の場合のアブソリ
ュートコードであり、第５図（ｂ）は６ビツト、即：ｔ
５Ｎ＝６の場合のアブソリュート信号であり、第５図（
Ｃ）は８ビツト、即ちＮ＝８の場合のアブソリュートコ
ードであり、そして第５図（Ｃ）は１０ビツト、即ちＮ
＝１０の場合のアブソリュートコートである。

第５図（ｂ）（ｃ）（ｄ）のアブソリュートコードは、
行の末尾のビットがその次（下）の行の先頭のビットに
つながって一連のものとして構成される。

これら第５図のアブソリュートコートをロータリーエン
コーダに用いる場合には、最下行の最後のビットが第１
行の先頭のビットにつながって無端状に連続するように
する。

第５図の例ではアブソリュート信号用検出器のフォトダ
イオードの各組をアブソリュートパターンの最小読取り
単位の局に相当するピッチで連続配置する場合にコート
配列であるが、パターンが細かくなってフォトダイオー
ドアレイの配列ピッチが寸法上の制限によりそれ以上細
かくできなくなる場合には、アブソリュートパターンの
コード配列を工夫することにより、例えばコート配列の
１ビット置きの間隔でフォトダイオードを配列すること
ができる。そのような−例として第６図にＮ＝１０の場
合のアブソリュートコードを示す。

この場合、Ｎ＝１０であるから２個ずつ１０組のフォト
ダイオードが各組につき１ビット間隔で配列されること
になる。

勿論、他の間隔についても同様にアブソリュートコード
を適宜窓めることは可能であり、一般的にはアブソリュ
ート信号用検出器のフォトダイオードの各紐間配列ピッ
チの整数倍についてアブソリュートコードを作ることが
できる。

更に第５図の各アブソリュートコードは目盛数で示すと
（ａ）がＮ＝５で３２目盛、（ｂ）がＮ＝６で６４目盛
、（ｃ）がＮ＝８で２５６目盛、（ｄ）がＮ＝１０で１
０２４目盛であるが、実際の用途ではこのような中途半
端な目盛数でない区切りのよい目盛数が要求されること
が多い。第７〜１２はそのような区切りのよい目盛数の
アブソリュートコードの例を示している。

即ち、第７図はロータリーエンコーダなどで角度を１度
読みするのに適した目盛数３６０の例、第８図は目盛数
ｉ、ｏｏｏの例、第９図は目盛数２．０００の例、第１
０図は目盛数５，０００の例、第１１Ａ〜１１０図は目
盛数１０，０００の例、第１２Ａ〜１２Ｆ図は角度１分
読みに適した２１．６００目盛の例である。

以上に例示したようなアブソリュートコードによれば、
１トラツクでアブソリュートパターンが実現できるので
、所謂インクリメンタル型のエンコーダと大きさが同等
のアブソリュートエンコーダを得ることが可能である。

本発明は直線位置を読み取るためのリニアエンコーダお
よび回転位置を読み取るためのロータリーエンコーダの
いずれにも適用でき、また、実施例に挙げた光学式のも
のに限らず、磁気式その他の任意の検出方式のアブソリ
ュートエンコーダに適用できることは述べるまでもない
。

［発明の効果］ 以上に述べたように、本発明によれば、電源を９ 投入したときに直ちに絶対位置信号が得られ、また符号
板のアブソリュートパターンをトラック上の複数組の検
出器によって読み取る際に、各組のアブソリュート信号
の立上り・立下り付近の不確定領域を交互に相補的に隠
蔽して取り出すので、インクリメンタルエンコーダ並み
の精度で誤出力の発生を防止した高分解能のアブソリュ
ートエンコーダを提供することができるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例に係る光学式アブソリュー
トエンコーダの構成を示す模式図、第２図は検出器の検
出出力を処理するための信号処理回路の一例を示す回路
図、第３図は動作説明のための波形を示す線図、第４図
は検出器出力の三値のデジタル信号への変換を説明する
ための線図、第５図は異なるビット数のアブソリュート
信号を得るためのアブソリュートパターンを決定するア
ブソリュートコードの幾つかの例を示す説明図。 第６図は間を一定ピッ装置きに開けて読む場合の　０ アブソリュートコードを示す説明図、第７図は目盛数３
６０の場合のアブソリュートコードを示す説明図、第８
図は目盛数１，０００の場合のアブソリュートコードを
示す説明図、第９図は目盛数２．０００の場合のアブソ
リュートコードを示す説明図、第１０図は目盛数５．Ｇ
ｏｏの場合のアブソリュートコードを示す説明図、第１
１図は第１１Ａ〜ＩＩＣ図の組み合せ配列を示す説明図
、第１１Ａ、１１Ｂ、ＩＩＣ図は目盛数１０，０００の
場合のアブソリュートコードを示す説明図、第１２図は
第１２Ａ〜１２Ｆ図の組み合せ配列を示す説明図、第１
２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ，１２Ｄ、１２Ｅ、１２Ｆ図は目
盛数２１Ｊ（１０の場合のアブソリュートコードを示す
説明図である。 （主要部分の符号の説明） １１：符号板 １３ニドラツク ２０：検出部 ２１ａｂ〜２４ａｂ　：検出器（フォトダイオード）３
０：信号処理部 ３１ａｂ　〜３４ａｂ：変換回路 ４０．信号選択回路 ４１ａｂ　〜４４ａｂ：アンドゲート ４６ａ、ｂ：アントゲート ４８：否定回路 ５０：ノアゲート ５１〜５４：アンドゲート ６０：エラー指、示出力端子 ６１〜６４：出力端子

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 アブソリュートパターンのトラックを有する符号板と、
   この符号板に対し前記トラックの長手方向に相対移動可
   能なパターン読取用の検出部と、該検出器の検出信号を
   処理する信号処理部とを備えたアブソリュートエンコー
   ダにおいて、 前記検出部が、読取り位置のアブソリュートパターンに
   対応した第１信号と、この第１信号に対して前記アブソ
   リュートパターンの最小読取り単位幅より小さな位相差
   をもつ第２信号とを各組毎に夫々生じる複数組の検出器
   を含み、 前記信号処理部が、前記各組の第１信号と第２信号とを
   それぞれ三値のデジタル値に変換する変換手段と、前記
   各組の三値信号の内容に基づいて前記各組の第１信号と
   第２信号のうちから一方選択して出力する信号選択手段
   とを含むことを特徴とするアブソリュートエンコーダ。