JPH0555804B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ＜産業上の利用分野＞ 本発明は、ロータリエンコーダやリニアエンコ
ーダのような光電式エンコーダ、または、マグネ
スケールのような磁気式エンコーダを用いて、寸
法測定、回転角度測定、位置検出などを行う計測
装置に係り、特に高分解能の計測装置に関する。

＜従来の技術＞ 従来、測長機や工作機械などにおいて、精密測
長、回転角度測定、位置検出などを電気的に行う
ためにロータリエンコーダやリニアエンコーダの
ような光電式エンコーダなどを用いた計測装置が
広く使用されており、特に、この種の装置には、
測定精度の向上のために高分解能のエンコーダが
要求されている。

周知のように、光電式ロータリエンコーダは、
多数の格子目盛が放射状に形成された回転スリツ
ト板を介して光検出を行うことによつて、回転ス
リツト板の回転角度量に応じた数のパルス信号を
出力している。したがつて、ロータリエンコーダ
の分解能は、回転スリツト板の１回転当たりに得
られるパルス数によつて決まる。そこで、高分解
能を要求されるロータリエンコーダでは、回転ス
リツト板に形成される格子目盛の数を多くするこ
とにより、１回転当たりのパルス数を増して、分
解能を高めるようにしていた。

しかし、同一径の回転スリツト板において、格
子目盛の数を増していくと、これに伴い格子間隔
を狭く設定しなければならないが、格子の刻み精
度の関係上、格子間隔を狭くすることには限度が
ある。そのため、この種のロータリエンコーダで
は、格子間隔をあまり狭くすることなく、その数
を増やすために、回転スリツト板の径を大きくし
ており、その結果、ロータリエンコーダが大型化
するという問題点がある。

一方、光電式リニアエンコーダの場合、その動
作原理はロータリエンコーダと同様ではあるが、
格子目盛が直線状に形成されたスケールを介して
光検出を行つている関係上、ロータリエンコーダ
のように外径を大きくすることによつて分解能を
上げるというわけにはいかない。そのため、分解
能を上げるために、格子目盛の間隔を小さく設定
せざるを得ない。しかし、格子目盛の間隔をあま
り小さくすると上述したような格子の刻み精度の
問題のみならず、光の回折現象の影響を多く受
け、信号対雑音比（SN比）が低下するという問
題点も生じる。

このように光電式エンコーダの格子目盛を細分
化することにより、分解能を上げることには種々
の問題があるので、格子目盛の間隔は適当な値に
止めておき、光検出された信号を処理することに
よつて分解能を上げる手段として抵抗分割法が提
案されている。

抵抗分割法は、例えば機械設計第26巻第６号
（1982年５月号）第46頁図５にも記載されている
ように周知の技術ではあるが、その概要を以下に
述べる。なお、ここでは、リニアエンコーダの光
検出信号を抵抗分割する場合の例について説明す
るが、ロータリエンコーダの場合も同様である。

第１２図は、リニアエンコーダの概略構成を示
した斜視図である。

同図において、１は主スケール、２₁，２₂は主
スケール１と若干の間隔を隔てて相対移動可能に
形成された副スケール（インデツクススケール）
である。主スケール１には、多数のスリツトが直
線状に配列された格子目盛が形成されており、格
子目盛の間隔は例えば、20μmに設定されている。
副スケール２₁，２₂には、主スケール１の格子目
盛と対向する数個のスリツトがそれぞれ形成され
ている。主スケール１と副スケール２₁，２₂とを
挟んで、発光ダイオード３₁，３₂と受光素子４₁，
４₂とが対向して配置されている。発光ダイオー
ド３₁，３₂から照射された光を、主スケール１と
副スケール２₁，２₂を介して受光素子４₁，４₂が
検出したときに、各光検出信号の位相差が90度に
なるように、副スケール２₁、２₂の間隔が調整さ
れている。

第１３図は、抵抗分割法を使用した従来例の回
路図である。

図において、１１および１２は増幅器、１３は
反転増幅器を示している。第１２図に示したリニ
アエンコーダからは、第１４図ａに示すように第
１光検出信号と、第１光検出信号と90度の位相差
をもつ第１４図ｂに示すような第２光検出信号と
が出力される。第１光検出信号は増幅器１１に、
第２光検出信号は増幅器１２にそれぞれ与えられ
る。反転増幅器１３には、増幅器１１の出力が与
えられる。増幅器１１および１２、反転増幅器１
３の各出力は、抵抗R1〜R8から構成される抵抗
ラダー回路１４に与えられる。これにより、第１
光検出信号は、位相が1/5周期ずつ遅れた５個の
信号に、第２光検出信号も同様な５個の信号にそ
れぞれ分割されて出力される。

これらの分割された信号は、波形整形回路１５
で波形整形された後、２相変換論理回路１６に与
えられて、第１４図ｃ，ｄに示すようにＡ相、Ｂ
相信号にそれぞれ変換される。Ａ相、Ｂ相信号
は、第１、第２光検出信号の1/5の周期で、90度
の位相差をもつている。即ち、第１、第２光検出
信号の１周期は、リニアエンコーダの格子目盛の
間隔である20μmの長さに相当するから、Ａ相信
号およびＢ相信号の１周期は4μmに相当する。

さらに、Ａ相、Ｂ相信号を論理回路１７に与え
て、各信号のエツジを検出することにより、第１
４図ｅに示すような、周期がさらに1/4になつた
信号を得ることができる。この信号によれば、１
周期が最初の光検出信号の1/20になるから、１周
期は1μmに相当する。

このようにして分割された信号のパルス数が次
のように計数される。即ち、論理回路１７の出力
信号はアツプ・ダウンカウンタ１８のクロツク信
号として入力される。一方、Ａ相、Ｂ相信号は、
論理回路１７とともに方向弁別回路１９に与えら
れる。方向弁別回路１９は、リニアエンコーダの
スケールの進み方向に応じたＡ相信号とＢ相信号
の位相関係により、ＨレベルまたはＬレベルの切
り換え信号を発生する。この切り換え信号がアツ
プ・ダウンカウンタ１８の制御端子に与えられ
て、アツプ／ダウンが切り換えられることによ
り、リニアエンコーダの進み量に応じた計数値が
得られる。したがつて、アツプ・ダウンカウンタ
１８の計数値に、論理回路１７の出力信号の１周
期に相当する最小分割長さ（この例では、1μm）
を乗算することによつて、スケールのトタール移
動量を高い精度で測定することができる。

＜発明が解決しようとする問題点＞ しかしながら、上述した従来例によると、次の
ような問題点がある。

即ち、第１３図に示した従来装置において分解
能をさらに向上させようとすると、抵抗ラダー回
路１４の段数を増やして分割数を多くする必要が
あり、これに伴い、波形整形回路１５や２相変換
論理回路１６の構成も拡大させる必要が生じる。
このように従来装置を用いて、高い分解能を得よ
うとすると、装置全体の構成が複雑化するという
問題がある。しかも、分解能を向上させるために
は、高精度の抵抗器で抵抗ラダー回路１４を構成
しなければならなず、一般的な抵抗器の精度を考
えれば、あまり高い分解能を期待することができ
ないという問題点もある。

本発明は、このような問題点を解決するために
なされたものであつて、比較的に簡単な構成によ
つて高い分解能を得ることができる、エンコーダ
を用いた計測装置を提供することを目的としてい
る。

＜問題点を解決するための手段＞ 第１２図において説明したような光電式エンコ
ーダに形成されるスリツトの形状が理想的な矩形
状であれば、主スケール１のスリツトSL₁と副ス
ケール２₁，２₂のスリツトSL₂の重なり部分は第
２図ａにおいて斜線領域で示すようにスケールの
相対移動量に比例して増減するから、各受光素子
４₁，４₂の光検出信号の波形は、理想的には第２
図ｂに鎖線で示すような三角波形になるはずであ
る。しかし、実際には、各スケールのスリツト
SL₁，SL₂を通過する光の回折や光束分布、およ
び、受光素子４₁，４₂の感度の指向性などの特性
により、第２図ｂに実線で示すように光検出信号
の波形は丸みを帯び、三角関数波形（正弦波形あ
るいは余弦波形）に極めて近似した波形となる。
本発明は、このようなエンコーダの検出信号の波
形が三角関数波形に極めて近似していることに着
目してなされたものである。

以下、第１図を参照して、本発明の構成を説明
する。

第１検出信号と第２検出信号（以下、総称する
場合は、検出信号Ｓと言う）とを出力するエンコ
ーダ２１を用いて寸法測定、回転角度測定、位置
検出などを行う計測装置であつて、前記エンコー
ダ２１は、測定対象との相対的な機械的変位に伴
つて機械的に変位する入力手段（例えば、リニア
エンコーダのスケール）の変位量を前記第１検出
信号および第２検出信号のサイクル数および位相
θに変換するものであり、前記第１検出信号およ
第２検出信号は、０〜90度で０から単調増加、90
〜180度で０まで単調減少、180〜270度で０から
単調減少、270〜360度で０まで単調増加する関数
またはその位相をずらせた関数であつて、かつ、
前記両信号は90度の位相差があつて合同な波形の
周期関数であり、さらに、計測の開始および終了
のタイミングT₁，T₂を与えるタイミング発生手
段２２と、前記計測開始のタイミングT₁が与え
られてから、測定終了のタイミングT₂が与えら
れるまでの間に、エンコーダ２１から出力された
検出信号Ｓのサイクル数Ｎを計数する計数手段２
３と、前記検出信号Ｓを三角関数波形と見立て
て、前記各タイミングT₁，T₂が与えられたとき
の前記検出信号Ｓの値から、計測開始および計測
終了時における前記検出信号Ｓの１サイクル内の
位相α₁，α₂（例えば、＜単位ラジアン＞）をそれぞ
れ後述するように算出する位相算出手段２４と、
前記検出信号Ｓの１サイクルに相応する寸法また
は回転角度の単位情報Ｐを設定する単位情報設定
手段２５と、前記サイクル数Ｎと計測終了時の位
相に対応するサイクル数との加算値（上例では、
Ｎ＋α₂／2π）から、計測開始時の位相に相応す
るタイクル数を差し引いた値（上例では、Ｎ＋
α₂／2π−α₁／2π）に、前記単位情報Ｐを乗算し
てトータル量〔上例では、（Ｎ＋α₂／2π−α₁／
2π）Ｐ〕算出するトータル量算出手段２６とを
具備したことを特徴としている。

位相算出手段２４は、前記第１検出信号を正弦
波と、前記第２検出信号を余弦波と見立てて、各
検出信号の１サイクル内を８等分した領域A₁〜
A₈に分け、各領域ごとに位相算出用の演算式を
次のように予め定めておき、 A₁……θ＝tan^-1｜sin θ／cos θ｜ A₂……θ＝π／２−tan^-1｜cos θ／sin θ｜ A₃……θ＝π／２＋tan^-1｜cos θ／sin θ｜ A₄……θ＝π−tan^-1｜sin θ／cos θ｜ A₅……θ＝π＋tan^-1｜sin θ／cos θ｜ A₆……θ＝３／２π−tan^-1｜cos θ／sin θ｜ A₇……θ＝３／２π＋tan^-1｜cos θ／sin θ｜ A₈……θ＝2π−tan^-1｜sin θ／cos θ｜ 計測の開始および終了のタイミングが与えられ
たときの第１検出信号および第２検出信号の各値
の大小関係から、そのときの両検出信号の位相が
前記８個の領域の何れにあるかをそれぞれ判断
し、前記判断された領域に該当する演算式におけ
るsin θに前記第１検出信号の値を、cos θに前
記第２検出信号の値をそれぞれ代入して、計測開
始および計測終了時における各位相θ（α₁，α₂））
をそれぞれ算出する。

＜作用＞ 第２図ｃ，ｄに例示的に示した波形図を参照し
て、本発明の作用を説明する。

まず、単位情報設定手段２５によつて、検出信
号Ｓの１サイクルに相当する寸法または回転角度
の単位情報Ｐが設定される。例えば、寸法測定な
どを行う場合には、検出信号Ｓの１サイクルに相
当する寸法が入力され、回転角度測定を行う場合
などには、検出信号Ｓの１サイクルに相当する角
度が単位情報Ｐとして設定される。

そして、例えば、エンコーダ２１から、第２図
ｃに示すような検出信号Ｓが出力されているとす
る。第２図ｄに示すような計測開始のタイミング
T₁が、タイミング発生手段２２から計数手段２
３と位相算出手段２４とに与えられる。計数手段
２３は、タイミングT₁が与えられることにより、
検出信号Ｓのサイクル数Ｎの計数を開始する。

一方、位相算出手段２４は、検出信号Ｓを三角
関数波形と見立てて、タイミングT₁が与えられ
たときの検出信号Ｓの値から計測開始時の位相α₁
を算出する。これは、計測開始時において、検出
信号Ｓの位相が必ずしも零でないから、その分だ
け計数手段２３の計数値を後に補正することが必
要だからである。

次に、第２図ｄに示すような計測終了のタイミ
ングT₂がタイミング発生手段２２から与えられ
る。これにより計数手段２３は検出信号Ｓのサイ
クル数の計数動作を停止する。また、位相算出手
段２４は、タイミングT₂が与えられたときの、
検出信号Ｓの１サイクル内の位相α₂を、前記位相
α₁の場合と同様に算出する。

位相算出手段２２は、次のようにして位相α₁，
α₂を算出する。第８図を参照する。同図に示すよ
うに、第１検出信号を正弦波（sin θ）と、第２
検出信号を余弦波（cos θ）と見立てて、各検出
信号の１サイクル内を８等分した領域A₁〜A₈に
分ける。そして、計測開始および終了のタイミン
グが与えられたときの第１検出信号（sin θ）と
第２検出信号（cos θ）との大小関係から、その
時の両検出信号の位相が前記８個の領域A₁〜A₈
の何れにあるかをそれぞれ判断する。このように
して判断された領域に対する演算式を、上記した
８個の演算式群の中から選び出し、sin θに計測
開始および終了時の第１検出信号の値を、cos θ
に計測開始および計測終了時の第２検出信号の値
をそれぞれ代入して、計測開始および計測終了時
における各位相α₁，α₂を算出する。

トータル量算出手段２６は、計数手段２３によ
つて計数された計数値Ｎに、計測終了時の位相α₂
に対応するサイクル数を加算し、その加算値（Ｎ
＋α₂／2π）から計測開始時の位相α₁に対応する
サイクル数を差し引くことによつて計数値を補正
し、その減算値（Ｎ＋α₂／2π−α₁／2π）に単位
情報Ｐを乗算してトータル量（Ｎ＋α₂／2π−
α₁／2π）Ｐを算出する。

このように、本発明に係るエンコーダを用いた
計測装置は、エンコーダ２１の検出信号Ｓを三角
関数波形と見立てて、計測開始時および計測終了
時の位相を算出して、計数手段２３の計数値を補
正している。したがつて、本発明に係る計測装置
の計測精度は、主として検出信号Ｓの実際の波形
と理想的な三角関数波形との誤差によつて定まる
が、上述したように検出信号Ｓは三角関数波形に
極めて近似しているので、本発明に係る計測装置
の計測精度は極めて高くなる。

＜実施例＞ 以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に
説明する。

第３図は、本発明の一実施例に係るリニアエン
コーダを用いた寸法測定装置の構成の概略を示し
たブロツク図である。

図示しないリニアエンコーダからは、90度の位
相差がある第１光検出信号S₁と第２光検出信号S₂
とが出力される。第１光検出信号S₁は増幅器３１
に、第２光検出信号S₂は増幅器３２にそれぞれ与
えられる。増幅器３１の出力はサンプルホールド
回路３３に、増幅器３２の出力はサンプルホール
ド回路３４にそれぞれ与えられる。各サンプルホ
ールド回路３３，３４の出力は、切り換え回路３
５を介してアナログ・デジタル変換器（Ａ／Ｄ変
換器）３６に与えられる。

各光検出信号S₁，S₂をデジタル信号に変換する
ためのＡ／Ｄ変換器は、各光検出信号S₁，S₂ごと
に設けてもよい。しかし、二つのＡ／Ｄ変換器を
使用した場合に、それらのＡ／Ｄ変換器の間に生
じ得る変換出力の差の問題を無くするために、本
実施例では、切り換え回路３５によつて、サンプ
ルホールド回路３３，３４の各出力を直列化し、
これを一つのＡ／Ｄ変換器３６に与えて信号変換
を行つている。

また、同様に光検出信号S₁，S₂のサンプリング
のズレによる計測誤差を無くするために、本実施
例では同じタイミングパルスをサンプルホールド
回路３３，３４に与えることによつて、サンプリ
ングのタイミングを同一にしている。

一方、増幅器３１の出力の一部は波形整形回路
３７に、増幅器３２の出力の一部は波形整形回路
３８にそれぞれ与えられる。波形整形回路３７お
よび３８の出力S₃およびS₄は、各々、方向判別部
３９の入力端子I_A，I_Bに入力され、また、方向判
別部３９の出力S_UおよびS_Dは、各々、アツプ・
ダウンカウンタ４２のUP端子およびDOWN端子
に与えられる。アツプ・ダウンカウンタ４２の出
力は、データラツチ回路４３に与えられる。

上述したＡ／Ｄ変換器３６およびデータラツチ
回路４３は入出力インターフエイス４７を介して
中央演算処理装置（CPU）４４に接続されてい
る。CPU４４は、後述するように寸法算出のた
めに必要な種々の演算などを行う。CPU４４に
関連してRAM４５およびROM４６がある。

RAM４５は、Ａ／Ｄ変換器３６やデータラツ
チ回路４３から与えれた計測データの他、キーボ
ード４８によつて設定される単位情報などを記憶
する。ここで、単位情報とは、光検出信号S₁，S₂
の１サイクルに相当する寸法をいう。本実施例の
場合、リニアエンコーダの格子目盛のピツチ寸法
が単位情報に該当する。なお、ROM４６には、
演算処理などに必要なプログラムが格納されてい
る。

さらに、CPU４４は、入出力インターフエイ
ス４７を介して、計測開始のタイミングを与える
ためのスタートスイツチSW１、計測終了のタイ
ミングを与えるためのストツプスイツチSW２、
計測結果を表示するための表示器４９などに接続
されている。CPU４４は、スイツチSW１，SW
２が押されたことに基づき、計測開始および終了
を示すタイミングパルスT₁，T₂や切り換え回路
３５に与える切り換え信号を出力する。このタイ
ミングパルスT₁，T₂は、サンプリングのタイミ
ングとしてORゲート５０を介してサンプルホー
ルド回路３３，３４に与えられる他、アツプ・ダ
ウンカウンタ４２のリセツト用およびデータラツ
チ回路４３のラツチタイミング用としても用いら
れる。

次に、上述したような計測装置を備えたテーブ
ル型測長機を、第４図および第５図を参照して説
明する。

第４図において、符号６０はテーブル型測長機
全体を示し、この測長機６０は、基枠６１の上に
設けられたテーブル６２と、テーブル６２上に設
けられた撮像用のテレビカメラ６３を搭載した移
動機構６６と、移動機構６６のＸ方向の移動量お
よびＹ方向の移動量を読み取り出力する計測装置
８０と、テレビカメラ６３に接続したモニタ用の
テレビジヨン６４とを具備している。

テーブル６２は、乳白色の光拡散板とその上に
重ねて設けたガラス板とを組み合わせた透孔板６
５と、この透孔板６５の下側に配置した複数の照
明用蛍光灯（図示せず）とを有し、透孔板６５上
に載置したシート状原板などの被側定物（図示せ
ず）を下方より照明するように構成されている。

移動機構６６は、テーブル６２の左右両側部に
並設した１対のレール６７と、このレール６７に
掛け渡され、Ｙ方向に移動可能に設けられた架台
６８と、架台６８上のレール６９に沿つてＸ方向
に移動可能に設けられ、テレビカメラ６３を固定
支持した基台７０と、それぞれ架台６８および基
台７０を駆動伝達機構（図示せず）を介して移動
する駆動ハンドル７１，７２とを具備しており、
前記透孔板６５と平行なＸ−Ｙ平面内でテレビカ
メラ６３を移動することができるように構成され
ている。

計測装置８０は、駆動機構６６のＸ方向の移動
量とＹ方向の移動量とを読み取る二つのリニアエ
ンコーダ（第５図にＹ方向の取り付け図を示す）
に接続されている。計測装置８０は、第３図にお
いて説明した構成を備え、そのパネル面に測定結
果を表示するための表示器４９、計測の開始およ
び終了のタイミングを与えるためのスイツチSW
１，SW２、単位情報を設定するためのキーボー
ド４８などが配置されている。

また、第５図において、符号９０はＹ方向の移
動量を検出するためのリニアエンコーダであつ
て、主スケールが収納されたスケール本体９１
は、一方のレール６７に固定して取り付けられて
おり、副スケールや信号を取り出すための回路部
分が収納された移動部９２は、ブラケツト９３を
介して架台６８の下部に連結されている。Ｘ方向
の移動量を検出するリニアエンコーダの取り付け
も同様に行われるが、この場合、移動部が基台７
０に連動するように取り付けられる。

次に上述した構成を備えた実施例の動作を、第
６図および第７図を参照して説明する。なお、こ
の実施例では、第３図に示した鎖線部分の構成が
Ｘ方向およびＹ方向にそれぞれ設けられる（一方
は図示を省略）。Ｘ方向およびＹ方向の計測は同
様に行われるから、ここではＸ方向の計測手順に
ついてだけ説明する。第６図は、計測時における
CPU４４の動作手順を示したフローチヤート、
第７図は各部の動作波形図である。

計測開始に先立つて、オペレータがキーボード
４８を操作することによつて、単位情報が設定さ
れる。例えば、格子目盛のピツチが20μmのリニ
アエンコーダを使用した場合、単位情報として
20μmが設定され、この単位情報は、計測装置８
０内のRMA４５に記憶される。

次にオペレータは、駆動ハンドル７１，７２に
操作して被測定物の位置合わせを行う。例えば、
この実施例では、テレジヨン６４の中央部分に縦
横のスケールが映し出されている。オペレータ
は、被測定物において測定しようとする例えば、
画線の一端を縦方向のスケール上に一致させる。

被測定物の位置合わせが終わると、オペレータ
によつてスタートスイツチSW１が押される。第
６図のステツプ＃１に示したように、CPU４４
は、スタートスイツチSW１が押されたか否かを
監視している。スタートスイツチSW１が押され
たと判断した場合は、第７図ｃに示すような計測
開始のタイミングパルスT₁を出力する（ステツ
プ＃２）。

タイミングパルスT₁がアツプ・ダウンカウン
タ４２に与えられると、その計数値がリセツトさ
れる。一方、タイミングパルスT₁はORゲート５
０を介してサンプルホールド回路３３，３４に与
えられる。これにより、第７図ａ，ｂに示すよう
な計測開始時の光検出信号S₁の値D₁₁がサンプル
ホールド回路３３に、光検出信号S₂の値D₁₂がサ
ンプルホールド回路３４にそれぞれ保持される。

次に、オペレータがハンドル７１，７２を操作
して駆動機構６６を介してテレビカメラ６３を駆
動させ、テレビジヨン６４上のカーソルを測定対
象である画線のもう一方の端に移動させる。この
とき、駆動機構６６のＸ，Ｙ方向の移動量が二つ
のリニアエンコーダによつてそれぞれ検出され
る。第７図ａ，ｂは、そのＸ方向のリニアエンコ
ーダから出力された光検出信号S₁，S₂を示してい
る。

以下、光検出信号S₁，S₂のサイクル数の計数動
作について説明する。

第１光検出信号S₁を与えられた波形整形回路３
７は、これを波形整形して第７図ｄに示すような
パルス信号S₃に出力する。一方、波形整形回路３
８は、第７図ｅに示すようなパルス信号S₄を出力
する。ハンドル７１の操作によつて、テレビカメ
ラ６３が正のＸ方向（第４図における右方向）に
移動している場合、第７図ｄ，ｅのように、パル
ス信号S₃は、パルス信号S₄よりも90度だけ位相が
進んでいる。

一方、ハンドル７１の操作によつて、テレビカ
メラ６３が、負のＸ方向（第４図における左方
向）に移動している場合は、パルス信号S₄の位相
が、パルス信号S₃よりも90度進む。

方向判別部３９は、このS₃とS₄の位相関係を判
別し、前者の場合はO_U端子よりカウントアツプ
のパルス信号S_Uを、また、後者の場合はO_D端子
よりカウントダウンのパルス信号S_Dを出力し、ア
ツプ・ダウンカウンタ４２はこれらの出力パルス
を計数する。

このようにして、アツプ・ダウンカウンタ４２
から、テレビカメラ６３のＸ方向移動量に応じた
計数値Ｎが出力される。

次に、前述したタイミングパルスT₁が出力さ
れることに基づいて行われる、計測開始時の位相
算出動作について説明する。

第６図に戻つて、ステツプ＃２においてタイミ
ングパルスT₁が出力された後、ステツプ＃３に
進み、データ切り換え信号がCPU４４から切り
換え回路３５に出力される。この切り換え信号に
基づき、切り換え回路３５はサンプルホールド回
路３３の出力を、その次にサンプルホールド回路
３４の出力を、Ａ／Ｄ変換器３６に出力する。各
出力は、デジタル信号に変換されて、CPU４４
に出力される。

ステツプ＃４において、CPU４４はデジタル
信号に変換された、計測開始時の各光検出信号
S₁，S₂のサンプリングデータD₁₁，D₁₂を読み込
む。これらのデータD₁₁，D₁₂は、RAM４５に記
憶され（ステツプ＃５）、次に説明するような手
順によつて、計測開始時の位相θ₁が算出される。

以下、第８図を参照して説明する。

位相算出にあたつて、第１光検出信号S₁は正弦
波形（sin θ）と、第２光検出信号S₂は余弦波形
（cos θ）とそれぞれ見立てられる。そして、各
波形の１サイクル内（０〜2π）を、π／４の間
隔で８つの領域A₁〜A₈に分割し、任意時刻にお
ける位相が、どの領域に属しているかを、次のよ
うにして判別する。

即ち、 (1) sin θ≧０、cos θ＞０であつて、 ｜sin θ｜＜｜cos θ｜の場合は領域A₁ ｜sin θ｜≧｜cos θ｜の場合は領域A₂ (2) sin θ＞０、cos θ≦０であつて、 ｜sin θ｜＞｜cos θ｜の場合は領域A₃ ｜sin θ｜≦｜cos θ｜の場合は領域A₄ (3) sin θ≦０、cos θ＜０であつて、 ｜sin θ｜＜｜cos θ｜の場合は領域A₅ ｜sin θ｜≧｜cos θ｜の場合は領域A₆ (4) sin θ＜０、cos θ≧０であつて、 ｜sin θ｜＞｜cos θ｜の場合は領域A₇ ｜sin θ｜≦｜cos θ｜の場合は領域A₈ のように判別する。

このようにして、任意時刻における位相の属す
る領域が判別されると、任意時刻における位相θ
は、次に示すように各領域A₁〜A₈ごとに定めら
れた演算式から容易に求めることができる。

A₁……θ＝tan^-1｜sin θ／cos θ｜ A₂……θ＝π／２−tan^-1｜cos θ／sin θ｜ A₃……θ＝π／２＋tan^-1｜cos θ／sin θ｜ A₄……θ＝π−tan^-1｜sin θ／cos θ｜ A₅……θ＝π＋tan^-1｜sin θ／cos θ｜ A₆……θ＝３／２π−tan^-1｜cos θ／sin θ｜ A₇……θ＝３／２π＋tan^-1｜cos θ／sin θ｜ A₈……θ＝2π−tan^-1｜sin θ／cos θ｜ したがつて、第６図に示すステツプ＃６の位相
θ₁の算出過程では、RAM４５に記憶された第１
光検出信号S₁の計測開始時のサンプリングデータ
D₁₁（sin θに該当）と第２光検出信号S₂のサンプ
リングデータD₁₂（cos θに該当）との大小関係
に基づき、まず、計測開始時における位相θ₁が属
する領域を判別し、該当領域の演算式のsin θに
第１光検出信号S₁のサンプリングデータD₁₁を、
cos θに第２光検出信号S₂のサンプリングデータ
D₁₂を、それぞれ代入することによつて、計測開
始時の位相θ₁を算出することができる。第９図
は、上述したような位相算出の手順を示したフロ
ーチヤートである。

以下、第６図に戻つて説明を行う。

ステツプ＃６において、計測開始時の位相θ₁を
算出すると、この位相θ₁をRAM４５に記憶する
（ステツプ＃７）。

次にストツプスイツチSW２が押された否かを
判断する（ステツプ＃８）。オペレータは、ハン
ドル７１，７２を操作してテレビジヨン６４のカ
ーソルを、測定しようとしている線幅の終端に一
致させると、ストツプスイツチSW２を押す。

ストツプスイツチSW２が押されたと判断する
と、CPU４４は第７図ｃに示すような計測終了
を示すタイミングパルスT₂を出力する（ステツ
プ＃９）。これにより、計測終了時におけるアツ
プ・ダウンカウンタ４２の計数値Ｎがデータラツ
チ回路４３にラツチれれる。一方、タイミングパ
ルスT₂がORゲート５０を介して、サンプルホー
ルド回路３３，３４に与えられることにより、第
７図ａ，ｂに示すような計測終了時における第１
光検出信号S₁および第２光検出信号S₂の値D₂₁，
D₂₂が保持される。

そして、CPU４４は、前述したステツプ＃３
〜ステツプ＃７と同様の手順によつて、計測終了
時の位相θ₂を算出して、これをRAM４５に記憶
する（ステツプ＃10〜ステツプ＃14）。また、デ
ータラツチ回路４３にラツチされた計数値Ｎを読
み込み（ステツプ＃15）、これをRAM４５に記
憶する（ステツプ＃16）。

以上のようにして、計測開始時の位相θ₁，θ₂お
よび計数値ＮがRAM４５に記憶されると、次
に、これらの位相θ₁，θ₂，計数値Ｎおよび先に設
定された単位情報ＰをRAM４５から読み出し
（ステツプ＃17）、トータル量の算出を次のように
して行う（ステツプ＃18）。

計測対象である例えば、線幅のトータル長さを
Ｌとすると、トータル長さＬは、計数値Ｎと計測
終了時の位相θ₂に対応するサイクル数との加算値
からの計測開始時の位相θ₁に対応するサイクル数
を差し引いた値に、単位情報Ｐを乗算した値にな
るから、次式から容易にＬを算出することができ
る。

Ｌ＝（Ｎ＋θ₂／2π−θ₁／2π）×Ｐ ただし、位相θ₁，θ₂は、ラジアンで算出されて
いるものとする。また、位相θ₁，θ₂が角度で算出
されている場合は、当然ながら Ｌ＝（Ｎ＋θ₂／360−θ₁／360）×Ｐ で、Ｌを算出する。

このようにして、トータル長さＬを算出する
と、その計測結果を表示器４９に表示し（ステツ
プ＃９）、一連の計測処理を終了する。なお、Ｙ
方向についても同様の計測処理が行われる。

また、計測開始時および終了時の各位相に対応
するサイクル数の計算は、位相算出手段で行い、
その値をRAM４５に記憶し、トータル量計算時
にその値を読み出すようにすれば、上式では不要
となる。

上述した実施例では、計測の開始および終了の
タイミングを与える手段として、オペレータによ
つて操作さるスイツチSW１，SW２をそれぞれ
用いたが、以下のようにして計測の開始および終
了のタイミングを自動的に発生させるようにして
もよい。

例えば、第４図において説明したように、テレ
ビカメラ６３を用いて被測定物を撮像している場
合、テレビカメラ６３の移動に伴つて、被測定物
を撮像した映像信号が得られる。この映像信号を
第１０図に示すようなエツジ検出回路を通すこと
によつて、計測開始および終了のタイミングパル
スT₁，T₂を容易につくることができる。なお、
第１０図において、１０１は波形整形回路、１０
２は遅延回路、１０３は排他的論理和（Ex−
OR）回路であり、第１１図に画線幅Ｗを測定し
た場合の各部の動作波形を示す。

また、第３図に示した実施例では、単位情報の
設定手段としてキーボード４８を用いたが、これ
は例えば、デジタルスイツチなどによつて単位情
報を設定するものであつてもよい。

さらに、上述の実施例では、単位情報として光
検出信号の１サイクルに相当する寸法を設定した
が、単位情報の形態は、必ずしもこれに限定され
るものではない。例えば、格子目盛のピツチが２
０μmのリニアエンコーダを使用した場合、従来
のエンコーダでよく行われるように、１サイクル
を分割して読み取り単位を設定するような場合
は、その分割態様に合わせて、単位情報として、
光検出信号の１サイクル内の分割数Ｍ（例えば、
分割数200）と、最小単位長さＲ（例えば、分割数
が200の場合、Ｒは0.1μm）とを個別に設定して
もよい。このように分割数および最小単位長さＲ
を単位情報として設定した場合、トータル量の算
出は次式に基づいて行われる。

Ｌ＝（Ｎ・Ｍ＋θ₂・Ｍ／2π−θ₁・Ｍ／2π）×Ｒ また、上述の実施例では、計測の開始および終
了のタイミングが与えられたときにのみ、光検出
信号の１サイクル内の位相をそれぞれ算出するよ
うに説明したが、本発明はこれに限られるもので
はない。例えば、計測の開始および終了のタイミ
ングとは別に、一定周期の繰り返しパルスをサン
プルホールド回路３３，３４などに与えることに
よつて、このパルスが出力されるごとに位相を逐
次算出する。一方、例えば測長機のデーブル上の
任意点を予め原点として設定しておき、この原点
からの座標（即ち、原点からの距離）を光検出信
号のサイクル数と前記算出された位相および単位
情報によつて逐次算出する。そして、計測開始の
タイミング与えれたときの座標値と、計測終了の
タイミングが与えられたときの座標値との差を取
ることによつて、被測定物の座標値とともに、そ
のトータル長さを算出するようにしてもよい。

また、実施例では光電式リニアエンコーダを使
用した寸法測定を例にとつて説明したが、本発明
は、光電式のロータリエンコーダを使用して回転
角度を測定する場合や、位置決め検出などを行う
場合にも容易に適用することができる。

さらに、本発明は光電式エンコーダだけではな
く、検出信号が三角関数波形と見立てることがで
きるようなエンコーダ全般、例えばマグネスケー
ルのような磁気式エンコーダにも適用することが
できる。

＜発明の効果＞ 以上の説明から明らかなように、本発明に係る
エンコーダを用いた計測装置は、エンコーダの検
出信号を三角関数波形と見立てて、少なくとも計
測開始時および計測終了時の位相を算出し、これ
らの位相によつて計数手段の計数値を補正するこ
とに基づいて、トータル量を算出している。一般
にエンコーダの検出信号の波形は、三角関数波形
に極めて近似しているから、計測開始時および計
測終了時の位相を精度よく算出することができ
る。したがつて、本発明に係るエンコーダを用い
た計測装置よれば、高い分解能を得るために従来
装置のように構成が複雑化することがなく、比較
的に簡単な構成によつて、高い分解能を得ること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の構成を示したブロツク図、第
２図は本発明の作用説明に供する波形図、第３図
は本発明の一実施例の概略構成を示したブロツク
図、第４図は第３図に示した計測装置が適用され
る測長機の外観斜視図、第５図は第４図に示した
測長機におけるリニアエンコーダの取り付け構造
の説明図、第６図は前記実施例の動作手順を示し
たフローチヤート、第７図は前記実施例の各部の
動作波形図、第８図は前記実施例における位相算
出手段の原理を示した説明図、第９図は前記位相
算出手順を示したフローチヤート、第１０図は計
測開始および終了のタイミングを発生する手段の
別実施例、第１１図は第１０図に示した実施例の
動作波形図、第１２図はリニアエンコーダの概略
構成図、第１３図は従来例に係る抵抗分割法を使
用した装置の概略ブロツク図、第１４図は第１３
図に示した従来例の動作波形図である。 ２１……エンコーダ、２２……タイミング発生
手段、２３……計数手段、２４……位相算出手
段、２５……単位情報設定手段、２６……トータ
ル量算出手段、３３，３４……サンプルホールド
回路、３６……Ａ／Ｄ変換器、３９……方向判別
部、４２……アツプ・ダウンカウンタ、４３……
データラツチ回路、４４……CPU、４５……
RAM、４６……ROM、４８……キーボード、
SW１……スタートスイツチ、SW２……ストツ
プスイツチ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 第１検出信号と第２検出信号とを出力するエ
   ンコーダを用いて寸法測定、回転角度測定、位置
   検出などを行う計測装置であつて、 前記エンコーダは、測定対象との相対的な機械
   的変位に伴つて機械的に変位する入力手段の変位
   量を前記第１検出信号および第２検出信号のサイ
   クル数および位相θに変換するものであり、 前記第１検出信号および第２検出信号は、０〜
   90度で０から単調増加、90〜180度で０まで単調
   減少、180〜270度で０から単調減少、270〜360度
   で０まで単調増加する関数またはその位相をずら
   せた関数であつて、かつ、前記両信号は90度の位
   相差があつて合同な波形の周期関数であり、さら
   に、 計測の開始および終了のタイミングを与えるタ
   イミング発生手段と、 前記計測開始のタイミングが与えられてから、
   測定終了のタイミングが与えられるまでの間に、
   エンコーダから出力された検出信号のサイクル数
   を計数する計数手段と、 前記第１検出信号を正弦波と、前記第２検出信
   号を余弦波と見立てて、各検出信号の１サイクル
   内を８等分した領域A₁〜A₈に分け、各領域ごと
   に位相算出用の演算式を次のように予め定めてお
   き、 A₁……θ＝tan^-1｜sin θ／cos θ｜ A₂……θ＝π／２−tan^-1｜cos θ／sin θ｜ A₃……θ＝π／２＋tan^-1｜cos θ／sin θ｜ A₄……θ＝π−tan^-1｜sin θ／cos θ｜ A₅……θ＝π＋tan^-1｜sin θ／cos θ｜ A₆……θ＝３／２π−tan^-1｜cos θ／sin θ｜ A₇……θ＝３／２π＋tan^-1｜cos θ／sin θ｜ A₈……θ＝2π−tan^-1｜sin θ／cos θ｜ 計測の開始および終了のタイミングが与えられ
   たときの第１検出信号および第２検出信号の各値
   の大小関係から、そのときの両検出信号の位相が
   前記８個の領域の何れにあるかをそれぞれ判断
   し、前記判断された領域に該当する演算式におけ
   るsin θに前記第１検出信号の値を、cos θに前
   記第２検出信号の値をそれぞれ代入して、計測開
   始および計測終了時における各位相θをそれぞれ
   算出する位相算出手段と、 前記各検出信号の１サイクルに相応する寸法ま
   たは回転角度の単位情報を設定する単位情報設定
   手段と、 前記サイクル数と、計測終了時の位相に対応す
   るサイクル数との加算値から、計測開始時の位相
   に対応するサイクル数を差し引いた値に、前記単
   位情報を乗算してトータル量を算出するトータル
   量算出手段と、 を具備したことを特徴とするエンコーダを用いた
   計測装置。