JPS612017A - リニア位置エンコ−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］ 本発明はリニア位置エンコーダに関するもので、とくに
直線的な移動を行なう構成部品を有する装置において、
該部材の絶対位置や移動方向。

速度、加速度等を検出するシステムに係わるものである
。

［従来の技術］ 直線的な移動を行なう部品を用いた装置、たとえばデー
ジ−ホイールやインクジェット、ワイヤド・ントマトリ
ックス等の移動ヘッドを用いたプリンタ機構等において
は、解像度が高く品質の良好な印字出力を得るうえで、
該プリントヘッドの位置を装置自体が高精変に察知して
いることが必要であ、る、　　これはたとえばインクジ
ェット方式やワイヤドツト方式のプリンタでマルチプル
パスやオーバーストライク等のモードを用いて品質の高
い印字を行なう場合等に、とくに重要な要件である。　
また往復印字を行なうことにより生産性を高めたい場合
などには９位置合わせを正確に行なうことが要求される
。

従来のリニア位置センサはいくつかのタイプに分類され
、それぞれのタイプに特有の用途がある。　　そのよう
なタイプのひとつであるレーザ干渉計システムは、たと
えばステップアンドリピート型のカメラや電子ビーム装
置等に用いられるもので、きわめて高精度ではあるが、
またきわめて高価でもある。　また金属加工機に用いら
れる静電容量型、誘電型あるいは抵抗型スライダ機構は
、使用の初期にはきわめて高精度を発揮するが。

摩耗しやすく、シかも高価である。

一方、低価格システムの分野では、現にこれらは光学的
なものであり９回転軸上の穴あき板あるいは滑重「〈シ
」形パターンを設けたターゲットにより生成される明暗
のパターンを感知するものがある。　　このようなター
ゲットは一般に高精度で−従って製造コストも高い、　
この種の低価格システムにはさまざまの欠点があり、た
とえばこれらシステムに用いるリニアエンコーダは高価
格で信頼性も低く１両者の横方向有効範囲も限られてい
る。　また殆どのプリンタにおいては、シャフトエンコ
ーダを用いてキャリッジ駆動モータの出力軸の回転位置
を読み出し、ついでこの回転位置がワイヤやプーリ、ギ
ヤ等を介して印字ヘッドの位置に転換される。　この場
合、使用するギヤのバックラッシュやケーブルの伸び、
高加速度状態での機械構造のダイナミック歪み等のため
。

許容限度を越える誤差が生じがちであるが、印字ヘッド
のホームポジションすなわち基準位置を容易に決定する
ことが不可能なため、最小のそのような誤差が蓄積され
て結果的に（相殺効果により）ゼロとなるというような
ことは皆無である。

従ってこの場合の大きな長所としては、低価格であり、
かつ構造がコンパクトで信頼性に富むという点があげら
れるが、精度や解像度、あるいは組立ておよび位置合わ
せ上の要件等の点では欠点がある。　一般にプリンタの
制御装置においては。

通常１１インチのフィールドに対して約０．０５インチ
のリニア位置能力をもつロータリエンコーダからのデー
タパルス間の補間ないし推測を一連の印字へラドピクセ
ル位置において行うことが要求される。　このため、比
較的低価格のリニア位置エンコーダとしては、長期間的
にわたって高い精度を維持しうるものであることが望ま
しい。

［発明の概要］ かくて本発明は、恵実上あらゆる分野のリニア移動機構
における位置を正確に検出する。低コストでかつ信頼性
の高い方法および装置を提供するものである。　本発明
によるリニア位置エンコーダはまずターゲットとセンサ
を有し、該センサは該ターゲットに対して変位自在とな
っている。

以下の説明ではこのターゲットを固定とし、センサを可
動とするが１本発明は逆の場合にも適用しうることは明
らかである。　　Ｅ記ターゲットはたとえばプラスチ・
ンクの基板にバーコードをプリントして筒車な保護用被
覆を施したきわめて安価なもので、このバーコードは容
易に他と交換しうるちのであるとともに、そのピッチや
長さを適宜所望のものとすることができる。　また、こ
のバーコードのパターンはこれを均一な配列とせず。

非対称とすることにより、速度、方向や加速度、および
絶対位置等のデータを、一連のタコメータパルスに応じ
て生成することが可能となる。　なお、ターゲットから
センサに対する信号の生成は。

ターゲットを通過した光によっても、あるいは該ターゲ
ットから反射した光によっても行なうことができるもの
であり、従ってターゲット自体はこれを透過型とするこ
とも、あるいは反射型とすることも可能である。

本発明によるセンサは後述のようにして巧みに配置した
光ファイバ束、あるいは複数の検出素子をそなえた電荷
結合デバイス（ＣＣＤ）のいずれかを有するもので、後
者の検出素子のすべて。

もしくはそれら検出素子のうち所定のものを検出田に用
いて、方向や速度、加速度、絶対位置等を判定するため
の適宜の信号を生成する。　また前者、すなわち光ファ
イバ束を用いる場合は、ファイバ端に平滑用のワイパを
設けて、各通過時にターゲットを清浄化することにより
、塵や汚染物に起因するエラーの発生を回避することが
できる。

本発明装置における位置整合（アライメント）は、実走
型の孔あきディスクやこれに付随する位相板を必要とす
るシャフトエンコーダによるもの（ロータリーエンコー
ダ）に較べて、はるかに厳しさが少ない、　すなわち、
自己開口丸型光ファイバや、あるいはＣＣＤを用いてタ
ーゲットのバーを読み取るようにすることにより１位置
整合やゆがみが厳しい問題とはならない、　また所望な
らばエラーの訂正／検出機能は、これをバーコード自体
に持たせることとしてもよい、　　さらに、先に検出さ
れた速度や位置、加速度等のデータからバックアップ補
間モードに移行させて、過去の変則的なエラーを新しい
「信用のおける」マークがコード中に現れるまでスライ
ドさせることにより、コントローラにその正確な位置に
関する情報を復元させるようゆすることもでき、このよ
うにすることにより、規則性をもったエラーが蓄積され
ないようにすることができる。　本システムはさらに、
グレースケールをも認識しうるようにすることも可能で
あり、このような機能を用いて上記パラメータを判定す
ることも可能であるが。

その実施態様についての詳しい説明を省く。

かくて未発明の第一の実施態様においては。

非対称に配置した一組のバーを有するターゲットを１通
常のバーコードの場合と同様、プリンタのフレームに固
定して、「ホーム」ポジションすなわちＯ位置にある印
字素子支持キャリッジと該バーが整合するようにする。

　ついでバーを非対称コードとし、印字へラドがプラテ
ンに対して相対移動を行なうのに伴って、印字へラドキ
ャリヤ機構に固定されたセンサを印字ヘッドとともに移
動させて、バーコードの各バーを非接触的に検知させる
ことにより、Ｊｌ：に列記したパラメータをすべて判定
できるようにする　、　このような構成において、上記
センサはこれをバーコード中の異るバーを読み取るべく
相隔てた一対の光フアイバ素子により構成するか、ある
いはバーコード中の複数のバーを読み取る能力をもった
ＣＣＤにより構成し、後者の場合は該ＣＣＤの素子のう
ち所定のもののみを用いて上記各パラメータを判定する
。

さらに本発明の第２の実施態様においては。

第１の実施態様に用いたものと同様のコード片を用い、
ただしこの場合はそのコードの配列を対称とするととも
に、光ファイバもしくはＣＣＤのいずれにより構成した
センサであっても、そのセンサを合目的的に相隔てて配
置することにより、印字へ一、ドの移動方向を判定する
ことができる。

このためには、コードの各ラインに対して互いに位相を
ずらした一対のセンサを利用するようにするか、あるい
は複数のセンサを用いてこれらを互いに合目的的に相隔
てて配置することにより、移動方向を該センサ自体から
一義的に決定するようにする。　かくて本発明は、非接
触型とすることにより、摩耗と信頼性の関係を最適化し
、さらに、製造が比較的安価に済む検出システムを提供
するものである。

［実施例１ 以下本発明をＣＣＤセンサを用いた場合について説明す
るが、ただしト述のように本発明はその他のセンサ、た
とえば光ファイバ等を用いて実施することも可能である
。

まず第１図に、ＣＣＤセンサを用いて構成した場合のリ
ニア位置エンコーダをブロック図で示す、　このリニア
位置エンコーダは、たとえば次に詳述するようなバーコ
ード等、パーによるコードが付されたリニアターゲラ）
１を有する。　　このターゲラ）１は、該ターゲットに
対して第１図に示すように紙面に垂直に出入りする方向
に直線的に移動するＣＣＤセンサ３に対して、空間的な
相対位置が固定されている。　これらターゲットｌとＣ
ＣＤセンサ３との間にはレンズ５により示される光学系
が配置されており、この光学系５はＣＣＤセンサ３とと
もに移動して、ターゲットの個々の八−をセンサの各素
子上に集束させるようにしである。　　ＣＣＤセンサ３
は公知構成の標準仕様のＣＣＤコントローラ７により制
御される。

このコントローラ７は、また公知のようにしてシステム
マイクロプロセッサ９に内蔵のマスタークロー、りによ
る制御のもとに動作するものである、　丑記ＣＣＤセン
サ３により検出されたターゲット１からの画像データは
、同じく公知構成のディジタイザバッファ１１によりデ
ィジタル化され。

かつこれに記憶される。　このバッファ１１に記憶され
たディジタル化データは、圧縮され、そして冗長信号の
精度のチェックが行われて９次にチェックしかつ測定す
べきパラメータの値が決定される。　このデータはプロ
グラマブルＲＯＭ１５により構成されるデコーダに供給
され、制御の対象がタイプライタでない場合には、この
プログラマブルＲＯＭからプリントヘッド制御ユニット
等の制御ユニットにデータが送られる。　上記デコーダ
１５からはさらに、装置内の各可動素子の移動を制御す
るリニアモータコントローラ（図示せず）に帰還信号が
送られる。上記のほかに、ＣＣＤセンサ３の正確な位置
や移動速度、加速度、および移動方向等に関する高レベ
ルの位置情報が、システムマイクロプロセッサ９に供給
され、これにより所望の制御機能が実行される。

好ましい具体的な実施例を第２図により示す同図はタイ
プライタの一部を示すもので、その基体２１に一対の案
内レール２３が支持され、これらレール２３上には、印
字ヘッド、ドツトマトリックス等（図示せず）を有する
キャリッジ２５が配置され、該レール２３に沿って移動
する。　このキャリ・ソジ２５にはＣＣＤセンサ２７お
よび１個のレンズで構成される光学系２９が固定されて
おり、該レンズの相対する側には光源３１が配置され、
さらにこれら光源３１とＣＣＤセンサ２７との間には、
透明なコード表示ターゲット３３が、たとえばプラテン
の下方でタイプライタ本体に固定されている。

上記構成に代えて、バーおよびバー間のスペースで反射
係数の差が顕著なコードパターン片を用いることにより
、上記光源３１と同じ側にＣＣＤを設けてもよい、　　
そのようにして、全反射型コードの検出方法も実施可能
である。

上記ターゲット３３としては、それ自体種々の形態中の
任意のものを用いてもよい、　第１の形態では、たとえ
ば第３図に示すように、比較的細目の線４３や比較的太
目の線４５等を含む線群４１からなるバーコードがあり
、上記センサに電子手段を用いることにより、公知のよ
うにして上記比較的細目の＆Ｉ４３と比較的太目の線４
５を識別しうるようにする。　このように構成した装置
において、比較的太目のバー４５を比較的細目のバー４
３に対して適宜相対的に位置させ、各バー４１がそれぞ
れ所定の印字位置を表すようにすることにより１個々の
バーがプラテン上の個々の印字位置と同期するようにす
るとともに、比較的細目のバーに対して比較的太目のバ
ーがセンサにより検出された順序により移動方向を判定
する。　あるいはまた、比較的細目のバーと比較的太目
のバーを非対称に並べて、細目のバーに対する太目のバ
ーの読出しパルスの順序を順方向および逆方向で異るよ
うにすることにより、センサの移動方向を判定すること
としてもよい。

コードエレメント３３のバーがすべて同じ太すでかつそ
の間隔もすべて等しく、各バーがプラテン上における一
定の印字位置に対応している場合には、バーに対して適
宜の相対位置に配置した複数対のセンサを用いて、プラ
テン、あるいは印字ヘッドの位置を判定する。　　ＣＣ
Ｄ素子の場合には、コードエレメントのバーの太さに較
べて該素子それ自体がきわめて小さいため、光学系の拡
大率を変更することにより、ｌ木のバーの幅内に複数の
ＣＣＤピクセルを位置させることが可能であり、これが
すなわちＣＣＤを用いる理由である。

従って第４図に示すように論理１をバーで表し、論理Ｏ
をバー間のスペースで表すこととすれば、図示のドツト
５１はそれぞれＣＣＤ素子内のｌピクセルを表すことに
なる。　この場合、第１の対のＣＣＤピクセルが第１の
バー５３の各半分の第１のスペースの光学像内に位置し
、かつ第２の対のピクセルが第１のスペース５５に位置
するように。

各ＣＣＤピクセルを光学的あるいは電子的に選択ないし
配列することにより、第３の対のピクセルのうち一方は
スペース５５内に、他方はバー５７内にそれぞれ位置し
、また第４の対のピクセルのうち一方はバー５７内に、
他方はスペース５８内にそれぞれ位置することになるこ
とが第４図から理解される。　　このような配列とする
ことにより、いま仮に各バーがセンサに対して第４図の
左方に移動しているものとすると、センサが図示の位置
にある場合には、第１の対のセンサ６１による読取りは
「１１」となり、第２の対のセンサ６３による読取りは
「００」　となり、第３の対のセンサ６５による読取り
は「０１」　となり、さらに第４のセンサ８７による読
取りは「１０」　となる、　従ってたとえば第１の対の
センサ６１については、バーが図中左方に移動する場合
はまず「１１」を、その後にｒｏＯＪ　、その後にｒｏ
ｌＪ　、その後に「１０」を検出することとなり、また
バーが図中右方に移動する場合には、センサ対６１は、
ｒｌｌＪからｒｏＩＪ　、　　ｒｏｏＪ　、　　ｒｌＯ
Ｊの順に検出することとなる。　残りのセンサ対も上記
に準する出力を生じさせる。　かくてセンサ対６１〜６
７のうちいずれからも移動方向が検知され。

奇数対のセンサを用いることによってシステムに冗長度
を設定することにより、多数決による判定能力をそなえ
ることができる。　　第５図の実施例と関連させて第２
の形態を示す。

この形態ではバー６８およびスペース７０のそれぞれに
一対のセンサ６８を関連させ、任意の時点における検出
信号をすべてセンサ６８から第６図に示すようにシフト
レジスタ７１にシフトさせ、ついでＮ個の信号対（ここ
でＮは奇数とする）を多数決デバイス７３に送り、これ
により多数状態を判定して、この状態を前回状態バッフ
ァ７５に記憶させである前回の状態と比較器７７で比較
して、方向信号（表示）を該比較器７７から出力させる
。　なお、速度および加速度については、各バーについ
てｒＴＡＣＨＪ信号の発生率により、公知の方法で判定
する［発明の効果］ 以ヒ、木発明の実施例につき説明してきたが、これら実
施例はいずれもＣＣＤセンサを用いることにより速度や
加速度、および方向を非接触方式により、かつ比較的安
価に判定しうるようにしたもので、これによりシステム
を構成する枢要な測定素子の摩耗等が実質的に回避され
る結果、長期にわたって高精度の測定を行なうことが可
能となる等の効果がある。

また、複数のＣＣＤセンサ対を用いることにより冗、長
度な導入することとした場合には、塵埃等による位置ぎ
め装置の汚れによる影響を軽微なものとすることも可能
である。　さらにまた、データ量の低減（データ圧縮）
にどのビクセル対を用いるかを電子的に決定（選択）す
ることができるため、光学系の拡大率の変化を装置自体
により自動的に較正することが可能となるという利点も
ある。

以上本発明の具体的実施例につき各種説明してきたが、
多くの変形および変更例が当業者にとっては直ちに明ら
かとなろう、　　全てのそのような変形および変更例を
含む従来装置の観点から記載された特許請求の範囲は可
能なかぎり広く解釈されるべきである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるリニア位置エンコーダにＣＣＤを
用いた場合の実施例を示すブロック図、第２図は第１図
に示すリニア位置エンコーダを用いたプリンタ示す断面
図、第３図は本発明によるリニア位置エンコーダに使用
しうるターゲットを示す拡大平面図、第４図は本発明の
、第１の実施例におけるターゲットに対するセンサ素子
の相対位置を示す説明図、第５図は本発明の第２の実施
例におけるターゲットに対するセンサ素子の相対位置を
示す説明図、第６図は第５図に示す構成において奇数番
目のセンサの出力を読み取って移動方向を表わす信号を
発生するための回路を示すブロック図である。 １０６．ターゲット。 ３．２７．、、ＣＣＤセンサ。 ５．２９．、、レンズ（光学系）。 ７、、、ＣＣＤコントローラ。 ９“０．、マイクロプロセッサ。 ＋１．、、ディジタイザバッファ。 １３、、、データ圧縮・冗長度チェック回路。 １５、、、デコーダ（プログラマブルＲＯＭ）。 ２１、、、タイプライタ基体。 ２５、、、キャリッジ。 ３１、、、光源。 ４１、４３．４５．５３．５？、　８９．　、　、バー
。 ５１、、、ＣＣＤピクセル。 ５５、５９．７０．　、　、バー間のスペース。 ６１．６３．８５．８７．８８．　、　、センサ対。 ７１、、、シフトレジスタ。 ７３、、、多数決回路（ＲＯＭ）。 ７５、、、前回状態バッファ。 ７７、、、、比較器。 出願人　　　　テキサスインスッルメンッ・インコーホ
レイテッド 代理人　　　　弁理士　　尾　崎　光　三因簡の浄ｌｌ
（内容に変更なし） Ｆｔν、２ 手続補正書（方式） 昭和６０年７月Ｉ６日

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. （１）ａ）実質的に等幅のバーおよびスペースを交互に
   配列してなる符号化パターンと、 ｂ）前記符号化パターンを検出して検出されたパターン
   の一部を表わす信号を生成するようにした複数対の光セ
   ンサの各対を、前記符号化パターンに対して相対的に位
   置しうるように配することにより、前記複数対の光セン
   サのうち半数の各々が前記バーを検出し、残りの半数の
   各々が前記スペースを検出するようにし、さらに前記複
   数対の光センサの各々はこれを該センサと関連するバー
   もしくはスペースの左半分または右半分を検出すべく配
   置しうるようにした複数対の光センサとｃ）前記センサ
   を前記符号化パターンに対して相対的に変位させる手段
   と、 ｄ）前記信号に応答して前記符号化パターンに対する前
   記センサの相対位置や移動速度を表わす信号を発生する
   ための手段とからなることを特徴とするリニア位置エン
   コーダ。
2. （２）前記センサはこれをＣＣＤにより構成してなる特
   許請求の範囲第１項に記載のリニア位置エンコーダ。
3. （３）前記信号に応答する手段は、前記センサからの信
   号のうち多数を占める信号に応答して前記信号を発生す
   る多数決回路を含むようにしてなる特許請求の範囲第１
   項に記載のリニア位置エンコーダ。
4. （４）前記信号に応答する手段は、前記センサからの信
   号のうち多数を占める信号に応答して前記信号を発生す
   る多数決回路を含むようにしてなる特許請求の範囲第２
   項に記載のリニア位置エンコーダ。
5. （５）ａ）実質的に等幅のバーおよびスペースを交互に
   配列してなる符号化パターンと、 ｂ）前記符号化パターンを検出して検出されたパターン
   の一部を表わす信号を生成するようにした複数対の光セ
   ンサの各対を、使用に供しうるＣＣＤピクセルの全個数
   のうち少数のピクセルを用いて前記符号化パターンに対
   して相対的かつ電子的に位置しうるように配し、この場
   合ピクセル対を適宜選択することにより所定の態様で前
   記センサ対を電子的に位置させるようにした複数対の光
   センサと、 ｃ）前記センサを前記符号化パターンに対して相対的に
   変位させる手段と、 ｄ）前記信号に応答して前記符号化パターンに対する前
   記センサの相対位置や移動速度を表わす信号を発生する
   ための手段とからなることを特徴とするリニア位置エン
   コーダ。
6. （６）前記センサはこれをＣＣＤにより構成してなる特
   許請求の範囲第５項に記載のリニア位置エンコーダ。
7. （７）前記信号に応答する手段は、前記センサからの信
   号のうち多数を占める信号に応答して前記信号を発生す
   る多数決回路を含むようにしてなる特許請求の範囲第５
   項に記載のリニア位置エンコーダ。
8. （８）前記信号に応答する手段は、前記センサからの信
   号のうち多数を占める信号に応答して前記信号を発生す
   る多数決回路を含むようにしてなる特許請求の範囲第６
   項に記載のリニア位置エンコーダ。
9. （９）ａ）バーおよびスペースを交互に配列し、少なく
   ともそのひとつの幅を他と異なるようにした符号化パタ
   ーンと、 ｂ）前記符号化パターンを検出して検出されたパターン
   の一部を表わす信号を生成するようにした複数対の光セ
   ンサと、 ｃ）前記センサを前記符号化パターンに対して相対的に
   変位させる手段と、 ｄ）前記信号に応答して前記符号化パターンに対する前
   記センサの相対位置や移動速度を表わす信号を発生する
   ための手段とからなることを特徴とするリニア位置エン
   コーダ。
10. （１０）前記センサはこれをＣＣＤにより構成してなる
    特許請求の範囲第９項に記載のリニア位置エンコーダ。
11. （１１）前記信号に応答する手段は、前記センサからの
    信号のうち多数を占める信号に応答して前記信号を発生
    する多数決回路を含むようにしてなる特許請求の範囲第
    ９項に記載のリニア位置エンコーダ。
12. （１２）前記信号に応答する手段は、前記センサからの
    信号のうち多数を占める信号に応答して前記信号を発生
    する多数決回路を含むようにしてなる特許請求の範囲第
    １０項に記載のリニア位置エンコーダ。