JPS61228309A

JPS61228309A - 位置検出方法

Info

Publication number: JPS61228309A
Application number: JP60070507A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Kamiyama; 勉上山
Original assignee: Dainippon Screen Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Dainippon Screen Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1985-04-02
Filing date: 1985-04-02
Publication date: 1986-10-11
Also published as: DE3610642C2; US4751383A; DE3610642A1

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〕この発明はリニアエンコーダ、ロータリーエンコーダ等
の基準となるスケールからの信号を検出しである対象物
の位置を検出する方法に関し、特にスケールの隣接ピッ
チ誤差に影響を受けない位置検出信号を得られるように
して位置の検出を行なう方法に関する。

〔従来技術〕

従来の位置検出方法は、リニアエンコーダ、ロータリエ
ンコーダ等の基準となる光学スケール、モアレ縞スケー
ルのピッチごとの目盛の明暗やモアレを光電素子で読み
取ったり、電気、磁気スケールの１ピッチを誘起電圧で
検出して、これらスケールを設置した被測定物の移動方
向を知り、その位置を検出している。すなわち各種スケ
ールのピッチ目盛を光、電気、磁気等のセンサーにより
検出し、この検出信号に基づいて位置検出を行なってい
るものである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記したように従来法は、基準となるスケールを光電的
、磁気的等の手段で読み取り、その読み取った情報を検
出し、演算等を施して位置信号を出力するので、位置検
出精度を高めるにはスケールの有する誤差を極力小さく
することが要求される。しかしながら、スケール自体の
誤差を小さくしても、例えば円筒ドラム回転形スキャナ
ーでは、主走査位置信号を得るため、ドラムと同軸上に
カップリング等で連結されたエンコーダーの信号を利用
しているが、ドラムを回転する際の誤差要因が影響する
。すなわち、ドラムは回転体であるため、ラジアル方向
の振れをいくらか有し、記録されるドラム表面もこの振
れの影響により記録位置に誤差を生じることになる。こ
の種のスキャナーでは更にドラムとエンコーダとは、同
軸上にとっても、別々のものをカップリングで結合して
いるため、その軸芯合わせの精密さも要求されることに
なる。

そこでドラムの周上に位置信号用のスケールを刻み、こ
れを検出する事で上記誤差要因の除去を図る方法も考え
られている。

このように、検出するスケールの誤差を小さくしても、
その被測定物を駆動する機械系の誤差も影響することに
なり、スケールにおけるピッチごとの情報を何らかの手
段で読み取り、その情報を基準に位置検出信号を得る場
合、現状ではある程度のピッチ間の隣接誤差とそれを読
み取っていく上での累積誤差が生じるのはやむを得ない
こととされている。

この発明は、上記従来力の欠点を解消するためになされ
たものであり、スケールの有する上記誤差を検出し補正
することにより、外的要因によって影響されないある一
定の距離を基準として位置信号を得られるようにし、ス
ケールの隣接ピッチ誤差を含まない出力信号をもとに精
度よく位置検出が行なえる位置横方法を提供することを
目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明に係る位置検出信号は、上記問題点を解決する
ため次の処理手順を講じる。すなわち、測定系に対して
相対的に移動する被測定物に設置され、光電的若しくは
磁気的等の手段により読み取られる位置検出用スケール
からの１ピッチごとの信号を少なくとも２個の検出器で
検出し、測定系に対して相対的に移動する位置検出用ス
ケールからの信号を先行して検出する検出器からのスケ
ールのある部分の出力値を記憶し、この記憶した出力値
と、そのスケールの同一部分近辺からの信号を後続して
検出する検出器からの出力値とを比較し、これらの出力
が一致した時に位置検出用信号を出力されるとともに、
この際同時に先行する検出器からの出力値を新たに記憶
させ、以後上記と同じ繰り返し処理を行ない位置検出用
信号を得ることにより、被測定物の位置を検出するもの
である。

〔作　　用〕

上記のように構成された位置検出方法において１位置検
出信号は、先行する第１の検出器がスケールからの信号
を検出した同一部分についての信号を第２の検出器が検
出した時に出力され、この時同時に第１の検出器からの
出力値を記憶させ直し、この記憶させ直した値と同じ値
を第２の検出器が検出した時に再度出力されることにな
り、以後更新されて記憶される第１の検出器の出力値と
第２の検出器の出力値とが等しくなる毎に、すなわち、
第１の検出器と第２の検出器間の固定した距離を基準に
して出力されることになり、均等ピッチの信号が出力さ
れる。

〔実　施　例〕

第１図はこの発明の位置検出方法の原理を説明する図で
あり、第２図はこの発明を適用して主走査位置信号若し
くは副走査位置信号を得るようにしたドラム回転形スキ
ャナーを示す斜視図であり、第３図はその要部の構成を
模式的に示す斜視図である。実施例では、回転方向の位
置検出用スケール（２）は、ドラム周上にエツチング等
により表面を腐食し、エツチング部では光を反射し、エ
ツチングされていない部分では正反射するものを用い、
このように形成されたスケール目盛を光学的に読み取る
ようにしたものについて説明する。副走査方向の位置検
出用スケール（１４）も同様に光学的に読み取られるも
のである。

第１図の原理を説明する前に、実施例の光学系の構成を
第２図、第３図に基づき説明する。

第２図において、回転ドラム（１）は図示しない駆動モ
ータにより回転駆動される。なおここで回転方向を主走
査方向とする。記録ヘッド（３）は、駆動モータ（５）
により駆動される送りねじによって副走査方向、すなわ
ち回転ドラム（１）の軸に平行な方向に移動する。ドラ
ム周上にエツチング処理によって刻まれた位置検出用外
周スケール（２）（以下スケール（２）という）の目盛
をピックアップヘッド（６）で検出する。

ピックアップヘッド（６）は第３図に示すように、光源
（１１）からの光を照明用集光レンズ（１０）、ハーフ
・ミラー（９）、１／４λ板（８）、対物レンズ（７）
を介してスケール（２）の目盛上に照射する。スケール
（２）の像は、対物レンズ（７）からハーフ・ミラー（
９）によって４個の光電素子を配列したラインセンサー
（１２）に上納像される。

１／４λ板（８）はスケールからの反射光が光源へ戻っ
て干渉するのを防止する。回転ドラム（１）に沿って副
走査方向に配設されている位置検出用スケール（１４）
のピックアップヘッド（１３）も同様に構成されスケー
ル（１４）の目盛を読み取るが、この場合はスケール（
１４）は固定され、ピックアップヘッド（１３）が記録
ヘッド（３）に固設されて記録ヘッド（３）と共に移動
する。

第４図はラインセンサー（１２）上にスケール（２）の
目盛が結像した状態を示す図である。結像におけるスケ
ール目盛のピッチとラインセンサー（１２）の各光電素
子のピッチとは、対物レンズ（７）と外周スケール（２
）表面及び対物レンズ（７）とラインセンサー（１２）
との距離の比を変えることにより、ラインセンサー（１
２）上の結像の横倍率を調整して等しくなるようにして
いる。

図面上の結像の斜線部はエツチングを施した乱反射部、
白色部は正反射部を示す。

第５図はラインセンサー（１２）の各光電素子（Ａ）（
Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）の光電出力（Ａ、）（Ｂｏ）（ｃｏ）
（Ｄ、）を示す。長方形のセンサー上を白黒パターンが
移動するので三角波として出力される。

通常はこの出力を位置検出用信号として利用するが、目
盛の隣接ピッチ誤差の影響を受けるのは上述した通りで
あり、結像におけるスケール目盛のピッチとセンサーの
ピッチは完全には等しくならないものである。

第１図に戻って位置検出用信号を出力させる原理につい
て説明する。第１図はスケール目盛の隣接ピッチ誤差の
影響を受けない位置検出用信号を得るために、ラインセ
ンサー（１２）からの信号の取り扱いを説明する図であ
る。信号の取り扱いとしては、まずラインセンサー（１
２）の各光電素子（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）を移動する
目盛の像について先行して検出する順に（Ｄ）（Ｃ）と
（Ｂ）（Ａ）との２組の素子グループに分けて取り扱う
。

これら１組センサーの出力をそれぞれ（Ｄ、）（Ｃ８）
、（ＢＯ）（ＡＯ）としてその演算出力（Ｃ，−Ｄｏ）
／（Ｃ１ｌ＋ＤＯ）、（Ａｏ−Ｂｏ）／（Ａｏ＋Ｂｏ）
を取ると、第１図（イ）（ロ）に示すように白黒パター
ン（２）の矢印方向への移動に対して三角波を描く。

この演算出力（Ａｏ−Ｂｏ）／（Ａｏ＋Ｂ、）＝Ｏとな
る位置は、スケール目盛の白黒パターンピッチとセンサ
ーピッチが等しくなるようになるので、本来パターンの
重心位置を示すことになる。

スケールの隣接ピッチ誤差がない場合は、１組センサー
（Ａ）（Ｂ）の演算出力（Ａｏ−Ｂ、）／（ＡＯ＋　Ｂ
ｏ）と、スケールピッチ隔てて隣接する１組センサー（
Ｃ）（Ｄ）との出力（Ｇｏ−ＤＯ）／（Ｃ，＋Ｄ、）は
重心位置において共に零になるはずである。しかしなが
ら、スケールのパターン自体に隣接ピンチ誤差、累積ピ
ンチ誤差を伴なうので。

演算出力にも誤差を含むことになる。

そこで、スケール（２）若しくはラインセンサー（１２
）が相対的に移動した場合、演算出力　（Ａ、−Ｂｏ）
／（Ａ、＋Ｂ、）が零の時に、同時に演算出力（ｃ　ｏ
　　ｏ　ａ　）／　（ｃ　ｏ　＋　ｏ　ｏ　）の値を読
み込めば、１組センサー（Ａ）（Ｂ）と（Ｃ）（Ｄ）と
の間の中心距離に対して、その検出対象のスケールピッ
チがどの程度ずれているかを判断することができる。

つまり演算出力（Ａｏ−Ｂ、）／（Ａｏ＋Ｂ、）＝０と
なる時点（第１図（イ）におけるｔｌの時）をとらえて
、（Ｃ，−Ｄ、）／（Ｃ，＋ＤＯ）の出力値（α）を読
み出せば（第１図（ロ）における同時刻し、の時の値）
、この値（α）はスケールの隣接ピンチ誤差そのものを
示すことになる。

この発明はこの演算出力（Ａｎ　　ＢＯ）／　（Ａｌｌ
　＋Ｂ　Ｏ）をトリガとして（Ｃ，−ｏａ）／（ｃｏ＋
Ｄ、）出力を補正信号として取り扱うことにポイントが
ある。すなわち第１図において、スケール（２）のｎ工
の部分の重心位置を示すセンサー（Ａ）（Ｂ）の演算出
力（Ａｌｌ　　Ｂ１１）／　（Ａ、　十Ｂｏ）が零にな
る時刻Ｌ工に位置検出信号を出力させるとともに。

時刻ｔ工におけるセンサー（Ｃ）（Ｄ）のスケール（２
）のｎ２の部分の演算出力＜ｃ、　−Ｄｌ＋）／（Ｃ０
＋００）の値（α）を取り込む。スケール（２）が矢印
方向に移動し１時刻ｔ２でセンサー（Ａ）（Ｂ）がｎ２
について検出する時の演算出力（Ａｏ−Ｂ、）／　（Ａ
　Ｏ十Ｂ　ｏ　）が（α）となる時に位置検出用信号を
出力する。この時刻ｔ２の時にスケール（２）の移動に
対して先行するセンサー（Ｃ）（Ｄ）のｎ３部分におけ
る演算出力（Ｃｏ−Ｄ、）／（Ｃ０＋Ｄ、）の値（β）
を取り込む。スケール（２）が移動しｎ３部分をセンサ
ー（Ａ）（Ｂ）が検出しその演算出力（Ａｏ−Ｂ、）／
（Ａ０＋Ｂ、）が（β）となる時に位置検出用信号を出
力する。この時の演算出力（ｃ、　−Ｄ、）／（Ｃｏ＋
　Ｄ、）の値（γ）を取り込み、以後同様にして位置検
出用信号を出力させる。

スケール目盛にピッチ誤差があるときは、同図（イ）に
示すように演算出方が零になる目盛の重心間距離（スケ
ールピッチを示す）■□が１□′、１□″となってピン
チ誤差分バラつく。そこでスケール目盛を先行して検出
した個所と同じ個所を後続するセンサーの重心位置が通
過するときに位置検出用信号を出力させ、センサー間の
重心距離（センサーピッチを示す）１２ごとに斯る出力
を得ようとするものである。センサー間距離（１□）は
センサー間が固定し変化しないので常に一定であり、こ
の一定距離を基準として出力される信号は均等ピッチの
信号であり、この信号を位置検出用信号として利用する
のである。

後続するセンサー組の基準となる演算出力をトリガとし
て、先行するセンサー組の演算出力を補正信号として取
り込み、この補正信号により後続するセンサー組との演
算出力の判定処理を行なって、スケール目盛ピッチをセ
ンサーピッチに置き換えて、このピッチごとに位置検出
用信号を出力させるので、スケールのピッチ誤差やスケ
ール若しくはセンサーの移動速度のムラ等の影響は一切
受けないことになる。

第６図はこの原理に基づいて構成した回路構成の実施例
を示すブロック図である。第７図には各部の波形を示す
。ラインセンサー（１２）の各光電素子（Ａ）（Ｂ）（
Ｃ）（Ｄ）の出力は変換回路（２０）　（２１）（２２
）　（２３）により電圧信号に変換され、それぞれ差動
増幅器（２４）（２５）と加算増幅器（３８）（３９）
に入力され、除算回路（４０）（４１）に入力される。

除算回路（４０）の出力（ａ）はシュミット回路（２６
）および比較回路（３１）に入力する。一方除算回路（
４１）の出力（ｂ）はアナログスイッチ（３５）を介し
てサンプル・ホールド回路（２９）若しくは（３０）に
入力する。サンプル・ホールド回路（２９）　（３０）
の出力はアナログスイッチ（３６）を介して比較回路（
３１）に入力する。シュミット回路（２６）の出力（Ｃ
）はインバータ（２７）およびフリップフロップ（２８
）に入力する。フリップフロップ（２８）の出力（ｄ）
はアナログスイッチ（３５）　（３６）　（３７）を切
換える。インバータ（２７）の出力（ｅ）および比較回
路（３１）の出力（ｆ）はアンド回路（３２）に入力す
る。

アンド回路（３２）の出力（ｇ）は単安定マルチバイブ
レータ（３３）および（３４）に入力する。単安定マル
チバイブレータ（３４）のタイミング用出力パルス（ｉ
）はアナログスイ・ソチ（３７）を介してサンプル・ホ
ールド回路（２９）若しくは（３０）に入力する。

上記の構成において、最初センサー（Ａ）（Ｂ）の演算
出力（ａ）が零となる時、サンプル・ホールド回路（２
９）の初期値が零であり、両者が零であることを比較回
路（３１）が判定する。シュミット回路（２６）のｒＬ
Ｊ信号（ｃ）をインバータ（２７）で反転し、ｒＨＪ信
号となってアンド回路（３２）を開いていてセンサー（
Ａ）（Ｂ）の演算出力（ａ）が増加し、零を超えると立
上り信号として比較回路（３１）から出力信号（ｆ）が
出力され、アンド回路（３２）を介して立上り信号（ｇ
）が出力される。

その立上り出力によって単安定マルチバイブレータ（３
３）が駆動し、位置検出用信号（ｈ）を出力する。また
、アンド回路（３２）の立上り出力により単安定マルチ
バイブレータ（３４）が駆動し、その出力パルス（ｉ）
がサンプルホールド用タイミングとして、アナログスイ
ッチ（３７）を介してサンプル・ホールド回路（３０）
に印加され、この時のセンサー（Ｃ）（Ｄ）の演算出力
（第１図における「α」）がアナログスイッチ（３５）
を介してサンプル・ホールド回路（３０）にホールドさ
れる。

センサー（Ａ）（Ｂ）の演算出力（ａ）が減少するタイ
ミングをとらえてシュミット回路（２６）の立上り出力
によりフリップフロップ（２８）の出力が反転し、アナ
ログスイッチ（３５）　（３６）　（３７）を切換える
。今度はサンプル・ホールド回路（３０）にホールドさ
れた値「α」と、センサー（Ａ）（Ｂ）の演算出力（ａ
）が一致した時に上記と同じ動作が行なわれ位置検出用
信号が出力されるとともに、センサー（Ｃ）（Ｄ）の演
算出力（ｂ）のｒβ」の値がホールドされる。以後上記
動作が繰り返される。

上記実施例においては、隣接する２個１組とするセンサ
ー組をスケール目盛のピッチごとに対応させて２組配設
して構成したが、これはセンサーの演算出力を得るのに
、スケール目盛の重心位置を検出して行なう方が検出精
度が高くなるからであり、スケール濃度のバラツキを補
正するために除算をも行なう。実施例のようにスケール
目盛をエツチングを施して形成する場合は、スケール目
盛の加工上パターンエツジ形状は精度よく加工できない
のに対し、パターンの重心位置については加工精度が高
いことを利用するものである。したがってスケール目盛
の隣接ピッチ誤差は非常に大きなものではなく、実施例
の回転ドラムの１周において、本願発明のようにピッチ
誤差を検出して補正信号としても、累積ピッチ（α、β
、γ・・・・・・）が、差信号が描く三角波の直線領域
から外れることはない。

スケール濃度のバラツキが少ないときは、加算増幅器（
３ｇ）　（３９）、除算器（４０）（４１）を不要とし
、差動増幅器（２４）　（２５）の出力を（ａ）（ｂ）
信号としてもよい。更にスケール目盛の精度がある程度
高いときは第８図に示すようにセンサー（Ａ）（Ｃ）の
２個をスケール目盛の１ピッチ分隔てて配設し、上記し
同様の取り扱いを行なうことができる。このときはセン
サー（Ａ）の出力がスケール濃度の部分で時刻ｔ工にあ
る値（α、）を出力した時に、０２部分でのセンサー（
Ｃ）の出力（β、）を取り込む。センサー（Ａ）がｎ２
部分で（β、）を出力する時刻ｔ２のときに位置検出用
信号を出力させるとともに、０３部分のセンサー（Ｃ）
の出力（γ□）を取り込み、以後同様の処理を行なって
位置検出用信号を得る。要はスケール目盛の１ピッチに
ついて２つの信号が得られ、その信号をもとに固定され
たセンサーピッチを基準とする信号に置き換えて位置検
出用信号を得ればよいのである。

スケールの移動速度にムラがあるときは、（Ａ、　−Ｂ
ｏ）／（Ａｏ＋　Ｂｏ）出力（ａ）が零になる毎の（Ｃ
ｏ−Ｄ、＋）／（Ｃｏ＋Ｄ、）出力値はスケール間のバ
ラツキを示すことになる。

また、第９図に示すように第１図における各センサー（
Ａ　）（Ｂ　）（Ｃ）ＣＤ　’）を各２分割しく八〇）
（Ａ、）、　（Ｂ□）（Ｂ２）、　（Ｃ□）（Ｃ，）、
（Ｄ□）（Ｄ、）としたラインセンサー（４２）を用い
れば、（Ａ工）（Ａ２）、（Ｂ、）（Ｂ２）、（Ｃ□）
（Ｃ２）、（Ｄよ）（Ｄ２）をそれぞれ加算して、その
差分出力を得ることにより第１図と同様の取り扱いがで
きるとともに、（Ａり（Ｂ□）、（Ｂ２）（Ｃ工）の各
加算出力との差分信号と、（Ａ、）（Ａ、）、（Ｂ工）
（Ｂ２）の各加算出力の差分信号を得ることにより４分
の１ピッチ（位相差９０°）ずれた出力信号が得られ、
その位相の進み若しくは遅れを検出してスケールの移動
方向を判別することができる。

上記実施例では、スケール目盛を光学的手段により読み
取る場合について説明したが、ホ〜−ル素子等により磁
気的手段により読み取る場合でも使用できる。要するに
スケールの状態変化を検出できる信号であれば何でも使
用できる。

要するにスケールの状態変化を検出できる信号であれば
何でも適用することができるものである。第２図におい
てはピックアップヘッド（１３）をヘッド（３）に取り
つけ、位置検出用スケール（１４）を固定させているが
１位置検出用スケール（１４）をヘッド（３）側にとり
つけ、ピックアップヘッド（１３）を固定させることに
よって相対的移動させるようにしてもよい。また、原画
走査入力側にもこの発明を用いてもよい。

〔効　　果〕

この発明に係る位置検出方法は、スケール目盛のピッチ
に対応して得られる信号を、隣接ピッチ誤差を検出する
ことにより、誤差検出信号として取り出し、これを補正
信号としてスケールの同一部分を検出する少なくとも２
つ配置した検出器間の固定された設置距離に対応した均
等ピッチ信号に置き換えて出力させ、この出力信号を位
置検出用信号として利用するので、スケール目盛の隣接
ピッチ誤差に影響を受けない精度の高い位置検出ができ
る。またスケールの移動速度にムラがあるときは、（Ａ
、−Ｂ、）／（Ａ、＋Ｂｏ）出力が零になる毎の（Ｃ，
−Ｄ、）／（Ｃ８＋Ｄ、）出力値はスケール間のバラツ
キを示すことになり、スケールのバラツキがわかる効果
がある。

尚、スケールからの状態が変わる２態様の信号を何らか
の手段により検出する場合に等しく適用でき、その応用
範囲は広く、汎用性の高い位置検出方法を提供するもの
である。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明に係る位置検出方法の原理を説明する
図、第２図はこの発明に係る方法を適用して構成したド
ラム回転形スキャナーを示す斜視図、第３図は第２図に
おける光学系の要部を模式的に示す斜視図、第４図はラ
インセンサーにスケール目盛の像が結像した状態を示す
図、第５図はラインセンサーの各出力波形を示す図、第
６図は実施例の回路例を示すブロック図、第７図は第６
図の回路の要部の動作を示す波形図、第８図および第９
図は他の実施例を説明する図である。（２）（１４）・・・位置検出用スケール目盛（６）（
１３）・・・ピックアップヘッド（１２）　（４２）・
・・ラインセンサー（２４）　（２５）・・・差動増幅
器（２９）　（３０）・・・サンプル・ホールド回路（３
１）・・・比較回路（３３）・・・単安定マルチバイブレータ（３ｇ）　（
３９）・・・加算増幅器回路（４０）（４１）・・・除
算回路代理人　弁理士　間　宮　武　雄第２図第４図第５図第７図（ｅ）インベー９（２７）の七カ（ｉ）＊ｖ鼠７Ｉけｒイ丁し−７（３４１の出ね

Claims

【特許請求の範囲】１、光電的若しくは磁気的な手段により読み取られる位
置検出用スケールからの１ピッチごとの信号を少くとも
２個の検出器で検出し、後続する検出器の出力値が、先
行する検出器の出力値を記憶したスケール位置近辺で、
先行する検出器の出力値を記憶した値と等しくなったと
き、先行する検出器の出力値を新たに記憶させると共に
、位置検出用信号を出力させ、これを繰り返して、位置
検出用信号を出力させることを特徴とする位置検出方法
。２、位置検出用スケールからの１ピッチごとの信号を４
個の検出器で検出し、後続する２個の検出器の演算出力
値が先行する検出器の演算出力値を記憶したスケール位
置近辺で先行する検出器の演算出力値を記憶した値と等
しくなったとき、先行する検出器の演算出力値を新たに
記憶させると共に、位置検出用信号を出力させ、これを
繰り返して、位置検出用信号を出力させる特許請求の範
囲第１項記載の位置検出方法。３、位置検出用スケールからの１ピッチごとの信号を８
個の検出器で検出し、それぞれの検出器の出力を組み合
わせて得られる信号を、先行する検出器の出力、後続す
る検出器の出力、位相差のある検出器の出力とする特許
請求の範囲第１項記載の位置検出方法。４、先行する検出器の出力があらかじめ定めた値になる
毎に、後続する検出器の出力値を求め、その出力値のバ
ラツキをスケールピッチのバラツキとする特許請求の範
囲第１項から第３項のいずれかに記載の位置検出方法。