JPS6018002B2 - 相対的変位量のａｄ変換装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、相対的変位量のＡＤ変換袋瞳に関するもので
あり、より詳細には、２つの物体間の相対移動量の如き
相対的変位塁のアナログ量を電気的パルス数の如きデジ
タル基に変換するＡＤ変換装置に関するものである。

本発明による相対的変位量のＡＤ変換袋魔は、例えば、
工作機械のテーフル、刃物台などの移動量をデジタル表
示したり、それによってテーフルの移動量を制御したり
するのに用いられ、また〜例えば、ロボットの腕の関節
部に取付けて腕のふれ角をデジタル信号として出力させ
、計算装置で制御するのに用いられる。

従来技術および発明が解決しようとする問題点従来、種
々な機械において２つの都村間の相対的変位量を指示す
るための装置として、空間式ＡＤ変換装置が使用されて
いる。

この種の従釆の空間式ＡＤ変換装置は、目盛格子を有し
たスケ−ルと、これと相対的に移動する１つのセンサと
を備えたものである。その代表例としては、一定長さの
導体片と不導体片とが交互に配列されたスケールに対し
て、センサであるブラシが接触しながら相対的に移動す
る接触形の空間式ＡＤ変換装置がある。この場合には、
スケールの導体片と不導体片との繰り返し周波数と同じ
周波数の電気パルスが発生され、従って、ブラシとスケ
ールとの相対移動量がパルスの数に変換される。相対移
動量をより精度よくパルス数に変換するには「スケ−ル
の格子目盛をより細かくすればよいが「スケールの種類
によっては限度があり、またセンサの解像度にも限度が
あるので、従来の如く１つのセンサを用いるものではそ
の精度に限界があった。この点に鑑みて、従来、スケー
ルの目盛は粗のままにして、センサの出力パルスを電気
的に分割することによって、精度を上げる方法があった
。しかしながら、この従来方法では、温度変化や経年劣
化のために誤差を生じやすく信頼・性に欠ける不都合が
ある。またト従釆、加工機械の制御のための行程測定装
鷹として軟磁性線状スクリーンから成る基準物差および
磁気的ピックアップヘッドをもった行程測定装置が提案
されているが、基準物差と磁気的ピックアップヘッドと
の相対速度の変化に対応してパルス幅を変化させるよう
にすることが困簸であり、また、ピックアップヘッドー
こ縛られた信号を処理する回路構成が複雑化するという
問題点がある。

本発明の主な目的は、このような従来の菱贋の問題点に
かんがみ、相対的変位量のＡＤ変換袋贋において、セン
サを複数個設けそれを分散させて配列し、目盛格子の漆
返し間隔としての波長＾が該センサにより分割的に読み
取られ得るようにし、それにより、スケール目盛を細か
く読むことができるようにすることにある。

問題点を解決するための手段 本発明においては、繰返し間隔（波長）＾の目盛格子を
有したスケールに沿ってｎ欄のセンサを、Ｌ＝０，２，
４，６…、Ｎ：１，３，５，７…「として、（裏Ｌ＾十
合）の間隔で配列したセンサ組の２組を、互いに（季Ｎ
入十蒙〉だけ位相をずらして設け〜スケールとセンサと
は相対的に移動しうるようにし、前記各センサ組からの
対応する位置にある各２つのセンサの出力を入力として
それぞれ受けるアンド回路を設け、ｎ個のセンサに対応
させて該アンド回路がｎ個存在するようにし、該ｎ個の
アンド回路の出力を受けるオア回遂を設け、それにより
目盛格子の繰返し間隔としての波長入が該センサにより
分割的に読み取られるようになっていることを特徴とす
る相対的変位量のＡＤ変換装置、が提供される。

実施例 次に添付図面に基づいて、本発明の実施例としての相対
的変位量のＡＤ変換菱魔を説明する。

第１図には本発明の一実施例としての相対的変位量のＡ
Ｄ変換装置が示される。一定長さの導体片ＩＡと不導体
片ＩＢとを交互に配列したりニアスケール１が設けられ
ている。導体片ＩＡと不導体片ＩＢとの長さは等しく、
この長さの和がこのリニアスケール１の目盛格子の波長
入である。このリニアスケール１の長さ方向に沿って、
センサであるブラシＡ−】，Ａ−２，Ａ−３，Ａ−４か
らなる第１のセンサ組と、ブラシ８一１，Ｂ−２，Ｂ−
３，Ｂ一４からなる第２のセンサ組とが配列されている
。ブラシとスケール１とは相対的に移動しうるようにな
っていて、この実施例では、スケール１が矢印の方向に
ブラシを接触させた状騒で移動しうるようになっている
。このようなスケール１に対して１つのブラシを配設し
た従来の装置では、ブラシとスケールとの間の波長＾の
相対移動毎に１つの電気パルスが発生されるだけである
が、本発明の原理により、波長＾の相対移動毎にｎ個の
鰭気パルスを発生させることができる。

即ち、スケールの目盛格子の波長＾をｎ分割したと同様
になる。そしてセンサ組を２組設けることにより、１つ
のセンサ組による検出信号をパルス波形の立上りに、他
のセンサ組による検出信号をパルス波形の立下りに用い
ることにより、出力信号の処理が簡単かつ適確に行なわ
れ、スケール目盛の精密な講取りが行われる。ここで、
本発明の原理によってスケールの目盛格子波長入をｎ分
割する場合の原則について説明する。即ち（芸Ｌ＾十三
）の間隔にｈ個のセンサを配列したセンサ組を２組設け
、これらセンサ組間の位相軌をふ什全）とすれば山。

ｎ‘ま２以上の整数ｎ＝２，３，４，・・・；Ｌは０お
よび偶数Ｌ＝０７ ２，４，６…；Ｎは奇数Ｎ＝１，３
，５，…；である。

まず代表例として、ｎ＝４，Ｌ：０、Ｎ＝１を適用した
場合について説明する。

第１図からも明らかなように、第１のセンサ組のブラシ
Ａ−１，Ａ一２，Ａ一３，Ａ一４の間隔及び第２のセン
サ組のブラシ８−１，８一２，Ｂ−３，８−４の間隔は
、今となっており、第１のセンサ組と第２のセンサ組と
の間の位相ずれは、暑＾となっている。各センサ緩から
の対応する位贋にある各２つのセンサ、即ち、ブラシＡ
−１とブラシＢ−１、ブラシＡ一２とブラシＢ一２、ブ
ラシＡ一３とブラシＢ−３及びブラシＡ−４とブラシＢ
−４は、それらの出力を高レベル出力又は低レベル出力
に変換するための変換回路を介して、それぞれアンド回
路ＡＮＤ１，ＡＮＤ２，ＡＮＤ３，ＡＮＤ４の入力に接
続されている。

これらのアンド回路の出力は、オア回路ＯＲの入力に接
続され、オア回燐〇Ｒの出力が本装置の出力となる。第
１図のＡＤ変換装置のより詳細な構成が第２図に示され
る。

第２図において、導体、不導体を交互に配したスケール
とそれに接触する導体で作られたブラシをセンサーとし
たものについて、スケールの導体、不導体の繰返しが４
分割されて出力するためのセンサー配列及びセンサーか
らの信号処理回路が示される。スケールにおいて導体、
不導体の１回のくり返し、すなわちスケールの１波長を
入とする。

波長入の４分割であるから、ブラシの配列はＡ−１ブラ
シを適当に置くと、Ａ−２ブラシはＡ−１ブラシとをだ
け位相をずらして置くことになるＯＡ−３ブラシはＡ−
１ブラシから今だけ位相をずらし、Ａ一４ブラシは３／
４＾位相をずらして敵くことになる。これらをＡ組とす
る。次にＢ−１のブラシをＡ−１のブラシに対して５／
８＾位相ずらして置く。

Ｂ−２，Ｂ一３，Ｂ−４はそれぞれＡ組ブラシ間隔と同
じ間隔で瞳かれる。又スケール導体コモンに接するブラ
シを接地ブラシＧとして接地させる。次に信号処理回路
について説明する。

まず、第２図の状態で十Ｖｃｃの適当な電圧を加えると
、Ａ−１ブラシはスケール導体部、接地ブラシＧを通し
て接地され、変換回磯のインバーターの入力側は低レベ
ルとなりインバーターにより信号は反転され腐しベルと
してアンド回路ＡＮＤＩに入る。Ａ−２ブラシはスケー
ル不導体部に接触している為十Ｖｃｃからの電流は流れ
ず、変換回路Ａ−２のインバーター入力側電圧は高レベ
ルとなり、出力は低レベルとなってアンド回賂ＡＮＤ２
に入る。この様にしてＡ−１ブラシからの出力は濁しベ
ル、Ｂ−１からの出力も高レベルでＡＮＤＩの入力に入
り、ＡＮＤＩの出力は高レベルとなる。Ａ−２ブラシ、
Ｂ−２ブラシからの出力はそれぞれ高、低、でＡＮＤ２
の出力は低レベル、同様にしてＡＮＤ３，ＡＮＤ４は低
レベル、したがってオア回路の出力は腐しベルとなる。
はじめ、Ａ−１変換回路からの出力が高レベル、Ｂ−１
からの出力が高レベルで、アンド回路ＡＮＤＩの出力は
濁しベルである。

次にスケールが第２図の左より右に速度しで３／４０＾
移動すると、ＡＮＤＩの出力はＢ−１変換回路の出力が
低し小１こな縦ら、低し小触る。物に肴移動するとＡ−
２ブラシ、Ｂ一２ブラシは高レベル、ＡＮＤ２の出力は
高レベルとなり、オァ回路の出力も鹿レベルとなる。

そしてまたスケールが今移動すれ‘まオア回胸出力雌と
なる。以上の様にスケールが亨移動する毎に出力レベル
が高、低、と変化して、スケールの謙取分解館を向上さ
せることができる。

変換回路には、第２図に示すように、スケールの移動に
よってスケールとブラシの間で生ずるアークの発生を少
なくし、接触時のチヤツタリングを除くための抵抗およ
びコンデンサから成る回路を含ませることができる。

全てのブラシについて同様の変換回路が付いている。第
１図の装置によりスケールの目盛格子の波長が４分割さ
れる点について、第３図の波形１〜１１を用いて説明す
る。

第３図は、スケール１が一定速度りで移動していく場合
、ブラシＡ−１の位置を基準としてそこに導体片ＩＡ又
は不導体片ＩＢのどちらが存在しているかの時間的推移
を示している。

高レベルは、導体片ＩＡが存在することを示し、低レベ
ルは、不導体片ＩＢが存在することを示し、低レベルは
、不導体片ＩＢが存在することを示している。波形１は
、変換回路Ａ−１の出力の時間的推移を示すもので、ブ
ラシＡ−１が導体片ＩＡに接触している時は高レベルの
出力であり、不導体片ＩＢに接触している時は低レベル
の出力であることを示している。

以下同様に、波形２，４，５，７，８は変換回賂Ｂ−１
の出力、変換回賂Ａ−２の出力、変換回路Ｂ−２の出力
、変換回路Ａ−３の出力、変換回賂Ｂ一３の出力の時間
的推移を示している。

波形３は、アンド回路ＡＮＤＩの出力の時間的推移を示
すもので、波形１及び２からこうなることは明らかであ
る。 波形６は、アンド回絡ＡＮＤ２の出力の時間的推
移を示すもので〜波形４及び５から明らかである。波形
９は、アンド回機ＡＮＤ３の出力の時間的推移を示すも
のでＬ波形７及び８から明らかである。同様にして「ア
ンド回路ＡＮＤ４の出力は、波形ＩＱの如くなることも
明らかである。波形１１‘ま、オア回路ＯＲの出力の時
間的推移を示すもので、波形３，６，９及びＩＱからこ
うなることは明らかであろう。

従って、この実施例の装置では、スケール１がブラシに
対して移動していく時、波長入の移動量に４つのパルス
が出力されることになり、目盛格子波長を４分割したと
同様となり、従来の１つのブラシだけの場合に比較して
４倍の精度で移動量をデジタル量に変換することができ
る。次に他の例として、ｎ＝４、Ｌ＝２、Ｎ；３、の場
合が第４図、第５図を参照しつつ説明される。

第４図のように第１センサー組のブラシＡ−１，Ａ−２
，Ａ−３，Ａ−４の間隔及び第２のセンサ組のブラシＢ
−１，Ｂ一２，Ｂ−４の間隔は学となり、第１のセンサ
‐粗と第２のセンサ‐組との間の位相ず肌、学となる。
各的サ‐粗からの対応する位置にある各２つのセンサ「
即ちブラシＡ−１とブラシＢ−１、ブラシＡ一２とブラ
シＢ−２、ブラシＡ一３とブラシＢ一３、ブラシＡ−４
とブラシＢ−４は、前の例同様「変換回路を介して、そ
れぞれアンド回路ＡＮＤ１７ＡＮＤ２，ＡＮＤ３？ Ａ
ＮＤ亀の入力に接続されている。

これも前例と同じである。ブラシ配列はＡ−１ブラシを
スケールに対して適当騒くと・次のＡ−２ブラシ‘ま篭
だけ位相をずらせて遍くことになる。

同様にＡ−３ブラシも生ずらせて、Ａ−１プラ小ら‘ま
学ずらせ、Ａ−４ブラシも学ずらせて・Ａ−１ブラシ舷
は学ずれる刈れる。

これらをＡ組とする。

次に８一１ブラシをＡ−１ブラシに対して単位相ずらせ
て置くＯＢ‐２’Ｂ−３’Ｂ‐亀はそれぞれＡ組ブラシ
間隔と同じ間隔で置かれる。スケール及び変換回路、論
理レベル、論理回磯は前例と同じである。第４図菱贋に
おいて、スケールが第４図の左より右に速度町で移動す
ると第５図のように右に時間が進むにつれて出力が日．
Ｌと変化する第４図の状態を時間０として〜 スケール
が１＾移動する時間は、速度がひであるから＾／ひ（秒
）となる。

まず変換回路Ａ−翼からの出力は高レベル日から低レベ
ルＬ‘こ立下がったところで時間にして＾ノ２ひ秒後ま
でこの状態が続き、高レベル日に立上がり以後これをを
入ノ２沙秒毎に繰返す。次に変換回路Ｂ−１からの出力
は始め低レベル１で＾／８ｖ秒後に高レベルＨ‘こなり
、入／２ひ秒間銃き「再び低レベルＬになる。これも入
／２ひ秒間続きまた腐しベルＨ‘こなり以後これを入／
２ひ秒毎繰返す。これらがＡＮＤＩ回路に入力されると
出力は第５図の様に変換回路Ａ−１からの出力と変換回
路Ｂ−１からの出力が同時に腐しベル日になっている時
間だけ高レベル日を出力するからｔ始めは低レベルＬで
入／２リ秒後に高レベル則こ変り、＾ノ８ひ秒間続き低
レベルＬになり７入／８レ秒間続いた後再び入ノ８ひ秒
間高レベルになるという変化を繰返す。次に変換回路Ａ
−２の出力は、高レベル日で始まり、＾／４レ秒間続き
、低レベルＬになり入ノ２け秒間続き以後＾／２ひ秒毎
に高レベル日低レベルＬを繰返す。

変換回路Ｂ−２からの出力は低レベルＬから始まり３＾
／８ひ秒後に濁しベル日になり入ノ２ひ秒続き、低レベ
ルＬになる。以後＾／２ひ毎に高レベル日低レベルＬを
繰返す。これらがＡＮＤ２回路に入力されると、出力は
変換回賂Ａ−２−Ｂ−２出力が同時に腐しベルの時だけ
腐しベルを出力しその時間的変化は始め低レベルＬで６
＾／８ひ秒後に高レベル日になり＾／８け砂銭き「低レ
ベルＬになり７入／８ひ続く、再び入／８ひ秒高レベル
肌こなり以後７＾／８レ秒間低レベルＬ入ノ８リ秒間高
レベル日を繰返す。同様に変換回路Ａ一３，Ｂ−３の出
力が入力されるＡＮＤ２回路の出力は始め濁しベル日で
１・／８ひ秒続き７＾／８ひ秒低レベルＬ以後同じ線返
しとなる。変換回繋Ａ−４，Ｂ−４につながるＡＮＤ４
回路の出力ははじめ低レベルＬ２＾ノ８ひ秒続き高レベ
ル日が入／８ひ秒となり、あとは前と同様７入／８ひ秒
低レベルＬ、＾／８ｙ高レベル日の糠返しとなる。

以上全てのアンド回路からの出力をオア回路に入力する
と出力は入力を重ね合わせた形になり「始めはＡＮＤ３
回路からの出力で入／８ｕ秒間腐しベルＨ‘こなり次の
＾／８リ秒間は全てのアンド回路からの出力が低レベル
であるからオア回路出力も低レベルＬとなる。

次の＾ノ８ひ秒間はＡＮＤ４回路からの出力により濁し
ベル日となり、また次の入／８ひ秒間全てのアンド回路
出力は低レベルＬになり次はＡＮＤＩの出力が入ノ８ひ
秒間高レベルになる。このようにアンド回路群は＾／８
〃秒毎に低レベルＬ高レベル日を繰返し、オア回路の出
力としてはスケール１波長＾に相当する時間入ノリ秒を
４分割した＾／４ひを１波長とする波形が得られる。

前述において、ｎ＝４，Ｌ＝０，Ｎ＝１の場合およびｎ
＝４，Ｌ＝２，Ｎ：３の場合について説明が行われたが
、これらに限られることなくト本発明による条件式は、
ｎ， Ｌ，およびＮの広範囲の値にわたり適用可能であ
る。

そのことが以下に説明される。ｎ，Ｌ？およびＮのとり
うる数値の組合せを一般式に代入しそれぞれにつも・て
センサ間隔（菱Ｌ入十台）およびセンサ組間の位相ずれ
（享Ｌ＾＋蒙）をスケ−肌波長＾であらわすと表のとお
りである。

ここに、ｎェ２，３，４，…，Ｌ＝０，２，４，…，Ｎ
＝１，３，５，…である。

表のｎ＝５，Ｌ＝６，Ｎ＝７のケース以下ｎ，Ｌ，Ｎと
もずっと続く。

表から読み取れる事はある規則性がある事である。すな
わち、始めのｎ＝２’Ｌ＝。’Ｎ＝１仰けサ‐間鷲、位
相ズレ篭総本‘こして雌１’３’５’７．．・例ヒして
池相ズし柵カミ基本位相ズレ学‘こ＾，２入，３＾を加
えるだけの変化である。

これはスケールの入がスケールのいたる所で同一である
限りＡのセンサー群とＢのセンサー群のスケールに対す
る相対的位相差に変化は無い事を示している。Ｌについ
ても同様でＬ：０の場合、Ｌ＝２，Ｌ＝４・・４の場合
も基本であるＬ：０でセンサー間隔が会で靴靴＾づつ跡
してゆくだけでスケールに対する相対的間隔は同一であ
る。

結局、ｎ，Ｌ＝０，Ｎ＝１が基本となりこの場合につい
て装置の動作が説明されれば他の場合は同一となる。

ｎについては分割数で１以上の正数を取りうるが（たと
えばｎ＝１．２８）センサは１．２８個というのは無い
ので実際上２以上の正の整数がとりうる数となる。

以上の説明から基本の式はＬ＝０，Ｎ＝１を一般式に代
入して、センサ一瞬台 センサ−綱位相ズレず蒙 となる。

この基本の式の導びかれる事情についてさらに説明する
。

センサーの間隔について、スケールの１波長＾にはセン
サーで見ると低レベルから高レベルへ立上る立上がりが
１回とその反対の立下がりが１回存在する。

一方ｎ分割された波形にはｎ個の立上がりとｎ個の立下
がりが１波長入に必要となるから、立上がりを読み取る
ｎ個のセンサーと立下がりを読み取るｎ個のセンサーの
２組が必要となり立別りどうしの間隔‘ま舎となりけサ
−を；間隔に配置する事で実現できる。立下がりについ
ても同様である。センサー組間の位相ずれについて、上
の説明よりｎ分割された波形の立上がりと立下がりの間
隔場でなくて‘まならな仰で、立比厭取用センサー群と
立下がり読取用センサー群をこの位相ずれ間隔で配置す
ればスケールの移動につれてまず立下がり読取用センサ
ーの１番目が立下がりを読み取り蒙だけスケールが移動
すると立上がり論取用センサーの１番目が立上がりを読
み取る。

また参だけスケー雌動カ桁地ると、立下がり論取用セン
サー群の２番目が立下がりを謎取るという事をそれぞれ
ｎ番目のセンサまで繰返す離職長入が罰髄でｎ個の立珊
りと立上がりに読取られる。

また．、位相ずれに会を加えてあるの胴一のセンサ−変
換回路か個で謙取ってし、偽偽し亨を加えないと立下が
り論取センサー群のＭ番目（Ｍ＝１，２，３，…ｎ）の
センサーと立上がり諸取センサー群のＭ番目のセンサー
がスケ−ルの同一レベル（低レベルか高レベル）に入っ
てしまい、２つの組のセンサーが、立上がり、立下がり
を交互にスケールを読むということができなくなり正し
く分割されない。

たとえば共に低レベルに入いっている場合やがて来るセ
ンサーの立上がりを立下がり藷取用センサー群のＭ番目
のセンサーも立上がりとして読取ってしまう為出力が立
下がらずつながつてしまう。これを防止する方法は１つ
は上述の式のとおり一方のセンサー群を会だけズラすと
スケールのレベルがセンサー群どおしで逆になり問題が
無い。

もう一つの方法はどちらか一方のセンサー群のス０ィッ
チ特性を逆にする。つまり今まで述べた例ではスケール
導体部（高レベルとなる）にセンサーが来るとその変換
回路から高レベル１の出力が出るとしていたが、２つの
センサー群のうち一方を逆にしてセンサーが導体部に来
ても変換回路から夕の出力が低レベル０になる様にする
（センサーを変えるか、変換回路を変え、インバーター
をバッフ化す肌小）と会の位相ずれ物えなくとも良い。

しかし、実用的な点から言えば本発明のひ通う鋤え同−
センサ一同数回路で構成したほうが、生産性の点からも
より好適であると考えられる。

なお前述の実施例においては、リニアスケール夕につい
て述べられたが、これに限らず、回転形のスケール等任
意の形のスケールを用いることができる。

第１図の装直においては、使用するセンサの大きさ又は
解像度の限界のためにスケールの目盛が０粗くならざる
を得ない場合でも、目盛を分割して読むことができるの
で精度を上げることができる。

また、第１図の装置においては、出力波形を電気的に分
割するものでないので、温度変化又は経夕年変化により
影響されることがなく、スケールとセンサとの相対移動
速度が変化する場合でも、各センサの出力波形がそれに
応じて同じ割合で変化するので、移動量に対するパルス
数には誤差が生じない。

発明の効果 本発明によれば、相対的変位量のＡＤ変換装置において
、センサーが複数個設けられそれが分散して配列され、
目盛格子の繰返し間隔としての波長＾が該センサにより
分割的に読み取られることができ、それにより、スケー
ル目盛を細かく読むことができる。

図面の筋単な説明 第１図は本発明の一実施例としての相対的変位量のＡＤ
変換装置の一例を示す概略図、第２図は第１図の装置の
詳細な構成を示す斜視図、第３図は第１図装置の各部分
における信号の波形を示す波形図、第４図は他の実施例
を示す図、第５図は第４図装置の各部分における信号の
波形を示す波形図である。

１…・・・スケール、ＩＡ・・・・・・導体片、１８・
・・・・・不導体片、Ａ−１，Ａ−２，Ａ−３，Ａ−４
，Ｂ−１，Ｂ−２．Ｂ一３，Ｂ−４・・・・・・ブラシ
、ＡＮＤ１，ＡＮＤ２，ＡＮＤ３，ＡＮＤ４・・・・・
・アンド回路、ＯＲ・・・・・・オア回路。

第１図 第２図 第３図 第５図 第４図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 繰返し間隔（波長）λの目盛格子を有したスケール
   に沿つてｎ個のセンサを、Ｌ＝０，２，４，６…、Ｎ＝
   １，３，５，７…、として、（１／２Ｌλ＋λ／ｎ）の
   間隔で配列したセンサ組の２組を、互いに（１／２Ｎλ
   ＋λ／（２ｎ））だけ位相をずらして設け、スケールと
   センサとは相対的に移動しうるようにし、前記各センサ
   組からの対応する位置にある各２つのセンサの出力を入
   力としてそれぞれ受けるアンド回路を設け、ｎ個のセン
   サに対応させて該アンド回路がｎ個存在するようにし、
   該ｎ個のアンド回路の出力を受けるオア回路を設けそれ
   により目盛格子の繰返し間隔としての波長λが該センサ
   により分割的に読みとられるようになつていることを特
   徴とする相対的変位量のＡＤ変換装置。