JPS6258448B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は長さや角度を測定するためのエンコー
ダに係り、特に測定の高精度化、高分解能化を図
つたエンコーダに関する。

従来エンコーダとしてリニヤエンコーダ、ロー
タリーエンコーダが知られており、リニヤエンコ
ーダは長さ測定に、またロータリーエンコーダは
角度の測定に使用されるが、これら２つは本質的
には同じで、エンコーダの配列が直線上か円周上
かの相違があるだけである。またエンコーダの種
類として、光を利用した光電式、磁気または電磁
誘導を利用したものなどがある。

しかして、長さや角度の読み取り測定を行うと
き、目盛の製作にあたつてその細分化には製造上
の限度があり、従つて最小測定限度は目盛の細分
化の限界によつて定められる。この限度を超えて
さらに微小量の測定を行うには最小目盛間を内挿
する必要があり、そのために従来より種々の方法
が考えられている。

その１つとして、コード板の目盛に相当する光
学格子あるいは磁気格子の情報を読み出すために
センサを２個設け、その各々によつて互いにコー
ド板の1/4ピツチすなわち位相角90゜の位相差を
もつた情報を読み出し、これら２つの信号を処理
することによつてコード板の格子パターンの最小
目盛間の内挿を行う方法がある。そしてその内挿
の仕方として次の３つの方法が知られている。す
なわち第１は零点基準内挿法と呼ばれるもので、
コード板から読み出した２つの位相の異なる正弦
波状の信号の零電位を切る点を基準として方法パ
ルスに成形し、２つのパルス系列の方形パルスの
立上り、立下りのエツジを計数することによつて
一周期の間を内挿するものである。また第２は振
幅基準内挿法と呼ばれるもので、やはり同様にエ
ンコーダより得られる90゜の位相差をもつ出力信
号の振幅に一定の比の差をもたせて合成すること
によつて１周期の間を内挿するものである。さら
に第３は位相基準内挿法と呼ばれるもので、やは
り90゜の位相差をもつた２つの信号を一定の周波
数をもつた搬送波で変調し、これらの合成波と搬
送波との位相差を検出して１周期の間を内挿する
ものである。

しかしながら上述した内挿法の場合に得られる
精度は高々1/4ピツチまでである。また、これを
改善するために90゜以外の位相差をもつた信号を
用いることも考えられているが、信号処理回路が
複雑化するのに対しそれほどの高精度は容易に得
られていない。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、ア
ブソリユート方式による有効な内挿法を採用した
高精度かつ高分解能なエンコーダを提供すること
を目的とする。

本発明の他の目的は、要求される高精度を構成
の大幅な変更なしで容易に実現できるエンコーダ
を提供することにある。

以下図面を参照しながら本発明を詳細に説明す
る。まず第１図乃至第４図を用い光学式エンコー
ダを例にあげて本発明の原理について述べる。第
１図ａにおいて１は光学格子（コード板）で光の
透過率に差をもたせた部分が周期的に配列されて
いる。すなわち第１図ａに示すごとく明部と暗部
のスリツト巾は等しくＷ_Cとする。これに傾斜を
もつて配列される光電変換装置は独立した光電変
換素子２ａが直線状に配列されたリニアセンサ２
とする。このコード板１を透過してえられる光の
明暗の情報をリニアセンサ２により光電変換によ
り電気信号に変換し処理することによりコード板
１とリニアセンサ２との相対的な変位量の微小量
を正確に測定する装置を提供するものである。

さらにこの原理の詳細の説明をつづける。コー
ド板１の像がリニアセンサ２の上に光学的手段に
より再生された場合にその一部を第１図ｂに示
す。第１図ｂの１ｂはコード板の明部を、斜線を
ほどこした部分１ｃはコード板の暗部を示しその
巾はＷ_Cであり縦方向の長さは合目的的な長さで
あればよく特に制限する必要はない。第１図ｂの
２ａはリニアセンサ２上に配列されている独立し
た１個の光電変換素子を示し、巾、高さともにＷ
_Sとする。リニアセンサとコード板の相対的な位
置関係を次の如く規定する。リニアセンサの配列
の長手方向をＸ軸としコード板のスリツトの配列
の長手方向がＸ軸とθなる角度をもつて交叉する
ように配置されている。またＸ軸方向の原点Ａを
コード板上にとりこれに対しリニアセンサ上の特
定の光電変換素子の一端Ｂをリニアセンサ上の特
定点と定めAB間のＸ軸上の距離をＳとしこれを
コード板１とリニアセンサ２の相対変位量とす
る。つぎに第２図ａに示した前述のコードパター
ンを透過した光量の場所による分布は理想状態で
は第２図ｂの如く光の最大強度２ａとする矩形波
となるが実際の光学系を通過した場合はその光学
系の性能により正弦波成分の表れた光量分布第２
図ｃの如き分布になる。第２図ｄではコード板１
を光源３により照明しこれを光学系４，５を経て
リニアセンサ２の上に投影する。この場合のリニ
アセンサ２とコード板１との相対位置関係の詳細
は第１図ｂに説明した通りであるとする。リニア
センサ２上の光電変換素子２ａに発生する電気出
力信号の大きさはそれを照射した光量に比例する
とするとしリニアセンサ２の一端から数えてＰ番
目の光電変換素子に現れる電気信号の出力は次の
式で表される。

ここでＭ＝Ｗ_Ｓ／Ｗ_Ｃ ｑ＝Ｓ／Ｗ_Ｓ Ｈ（2k＋１）は奇数次の高調波成分の光学系
のOTFを表す。

コード板１とリニアセンサ２の相対的な運動
は、第３図に示す如くコード板１とリニアセンサ
２が角度θの傾斜を保ち、リニアセンサ２がその
長手方向に移動するものとする。移動量の単位を
Ｗ_C（１―cosθ）とする。(1)式においてθ＝
24.62゜Ｗ_C＝Ｗ_S＝１ α＝１とし基本周波数の
みをとることとしそのOTFは１に等しいとする
と相対変位量Ｓが変化した場合のリニアセンサ上
の各々の光電変換素子に発生する電気信号の出力
の相対値を第４図ａ〜ｇに示す。この信号の系列
と相対変位との特徴的な関連性をつぎに説明す
る。リニアセンサ２の上に配列された各々の光電
変換素子２ａに発生する電気出力がコード板とリ
ニアセンサとの相対変位量がない場合、すなわち
Ｓ＝０の場合の電気出力を第４図ａに示す。この
場合相隣接する光電変換素子の電気出力は１番目
から２番目に、２番目から３番目にうつるたびに
減少、増加を繰り返えす。しかし３番目から４番
目、４番目から５番目に移る場合は共に減少して
いる。すなわち位相反転の場所があらわれる。こ
の場所をＰ，Ｑで示す。これが本発明による出力
信号の特徴的な点である。コード板とリニアセン
サが順次移動してその変位量Ｓが（１―cosθ）
Ｗ_C、２（１―cosθ）Ｗ_C、３（１―cosθ）Ｗ_C
…となつた場合の出力信号を第４図ｂ〜ｇに示
す。ここでは前記特徴点PQが明確に理解できる
ようにリニアセンサ上の光電変換素子のなかで奇
数番目と偶数番目の電気出力をつなげた２つの系
列に分けて示してある。このリニアセンサ上のＰ
点とＱ点との間の間隔は傾斜角θに関係する量で
ある。またコード板とリニアセンサの相対変位量
がＷ_c（１―cosθ）を単位として順次増加すれば
Ｐ，Ｑ点はそれぞれリニアセンサ上の光電変換素
子の隣接した素子えと移動する。すなわち光電変
換素子の巾だけ変化することになる。第４図に示
した例により具体的に説明するならばコード板の
スリツト巾Ｗ_Cとリニアセンサ上の光電変換素子
の巾Ｗ_Sが等しく現在利用できるものは15μｍと
する。傾斜角θを24.62゜とするとＳ＝Ｗ_C（１―
cosθ）＝1.36μｍとなる。即ちリニアセンサ上で
奇数番目の信号系列と偶数番目の信号系列の交叉
点Ｐ点Ｑ点の移動をリニアセンサ上の光電変換素
子１個として検知すれば移動量1.36μｍを検知す
ることが可能である。これが本発明による測定の
原理である。この測定原理に於てコード板とリニ
アセンサとの傾斜角の関係について詳細に述べ
る。この測定原理の特徴はリニアセンサの出力信
号は第４図ａ〜ｇに示すように、リニアセンサ上
に配列されている光電変換素子の各々の信号を順
次観察すると、隣接する出力は増加から減少、減
少から増加えの繰返しの系列のなかで第４図Ｐま
たはＱ点で示されるように増加から増加、または
減少から減少えと位相の反転する点が観測され
る。この点はコード板とリニアセンサの相互の傾
斜角によつて発生する特徴的な点であることは前
にも述べた通りである。したがつてこの測定原理
が成立する傾斜角にはおのづと限界がある。この
限界は光学格子の単一のスリツト巾の間にリニア
センサ上の光電変換素子が２個以上存在する場合
には前述の特徴的な点Ｐ，Ｑ点は観測されなくな
る。したがつて傾斜角θの最大値は60゜以下に限
定されるものとする。この方式の特徴はリニアセ
ンサの光電変換素子の巾Ｗ_Sとその上に光学的に
再生された光学格子のスリツト巾Ｗ_Cが同一であ
るが実際製作上の誤差および光学系の結像倍率の
誤差により同一にすることは厳密には満足しえな
いか又はこの調整に他の手段を用いる必要が現実
に起る。この場合は単に相互の傾斜角の調整を行
うことで簡単に目的を達成できることも本発明の
１つの特徴である。

次に上記測定原理を用いた本発明の光学式エン
コーダの一実施例を第５図ａ，ｂ及び第６図ａ〜
ｅを用いて説明する。第５図ａにおいて１はコー
ド板で、移動量を測定しようとする部材例えば工
作機類の移動台、あるいは投影機や工具顕微鏡類
の微動載物台などの一部に固定される。また２は
リニアセンサで、コード板１とは紙面に垂直な平
面内で相互に傾斜して設置される。ここでリニア
センサ２は静止しておりコード板１が部材の移動
とともに移動するので両者は相対移動を行う。そ
して光源３の光を、レンズ４を介して平行光とし
てコード板１を照射する。コード板１を透過した
光はコード板１上のパターンに対応した光強度の
パターンをもつた光となり、レンズ５を経てコー
ド板１の背後にあるリニアセンサ２例えばCCD
の受光面上に投射される。ここで今第５図ｂに示
すようにコード板１の光学格子を幅15μｍの白黒
等間隔のスリツトを配列したものとし、リニアセ
ンサ２の上に配列されている光電変換素子の巾も
同じく15μｍとしてコード板１とリニアセンサ２
とが第５図ｂに示す傾斜角θをもつて配置されて
いる場合の出力は、第６図ａに示すようになる。
この波形はコード板１とリニアセンサ２との相対
位置で決まる。そして、コード板が１ピツチ30μ
ｍ移動する間はその波形は第６図ａに示す波形か
ら移動量に応じて順次変化していき、コード板が
１ピツチ移動すると再び第６図ａに示す波形のよ
うになり、以後順次これを繰返す。

次に、上記の如きリニアセンサ２の出力信号を
用いて相対移動量の測定する方法について説明す
る。

第５図ａに示す本発明に装置によれば、インク
リメンタル方式によつて「粗読」が行われ、アブ
ソリユート方式によつて「微読」が達成される。
すなわちある時点からコード板のスリツトが何個
移動したかによつて先ず粗読を行い、コード板が
静止した時点における微読を前述の内挿原理によ
つて行おうとするものである。

先ず粗読の方法から説明する。これまでの説明
からも明らかなように、リニアセンサ２上の特定
の１つの素子の出力だけに注目すると、その素子
のリニアセンサ１走査毎の出力は、2W_Cの移動量
を１周期とした正弦波状の出力となる。そこで本
発明では第５図ａに示すように、リニアセンサ２
の出力を増幅器６を介してサンプルアンドホール
ド回路７に導びき、このサンプルアンドホールド
回路７によつてある特定の素子の出力をリニアセ
ンサの走査毎に繰り返してサンプルアンドホール
ドし、その出力をサンプル間隔に応じた適当な時
定数をもつ積分器８によつて包絡線検波して上記
正弦波状の信号を得るようにしている。ここでサ
ンプルアンドホールド回路７によつてサンプルホ
ールドすべき時点の決定（すなわちその出力がサ
ンプルホールドされるところの素子の決定）は駆
動回路９により送られてくるサンプリング信号に
よつてなされる。すなわち駆動回路９は例えばリ
ニアセンサ２の内容を読み出すためのクロツクパ
ルスをカウンタで数え、そのカウント数とレジス
タ中に貯えられた所定の値とを比較器で比較し
て、その一致信号をサンプリング信号として得る
ようにされている。従つてレジスタ中に例えば３
なる値を記憶させておくことにより、リニアセン
サの３番目の素子内容が読み出される毎にその値
がサンプルアンドホールドされることになる。

積分器８の出力は次にシユミツトトリガー回路
１０に加えられ、適当なスライスレベル（例えば
50％のレベル）で方形波に変換され、この方形波
の立上り、立下りエツジが計数器１１によつて計
数される。すなわちこの方形波の立上りから立下
りまであるいは立ち下りから立上りまでがコード
板１のスリツト幅Ｗ_Cに１対１に対応するため、
上記計数器１１の計数値から、スリツト幅Ｗ_Cを
最小単位とした移動量の測定が可能となる。計数
器１１はコード板１が移動している間計数を進
め、コード板１が停止すると計数器１１の計数も
停止する。そして計数器１１によつて得られた計
数値は換算回路１２に加えられ、実際の移動量が
求められる。なお粗読の際の上記計数器１１の計
数方向の判定、つまり立上り、立下りエツジを加
算計数するか減算計数するかの判定は、注目した
１つの素子の出力と位相のずれを生ずるような任
意の素子の出力とを合せて調べ、両方の位相の進
みあるいは遅れの状態より容易に行える。

以上が粗読の方法についてであるが、上述の説
明から明らかなように粗読における測定の最小単
位はスリツト幅Ｗ_Cである。従つてそれ以上の精
度で読み取るために先に述べた原理による内挿が
行われる。以下この微読の方法について説明す
る。

第５図ａにおいて増幅器６の出力は信号分配器
１３に加えられる。この信号分配器１３はリニア
センサ２の偶数番目の素子の信号と奇数番目の素
子の信号とに分配するための回路で、簡単なゲー
ト回路によつて構成されている。この分配器１３
によつて分配された２つのパルス系列の信号は
各々包絡線検波器１４，１５に供給されて包絡線
検波される。その結果第６図ａに示すリニアセン
サ２の出力信号は第６図ｂに示すようになる。こ
れらの信号は次に比較器１６によつて比較され、
２つの信号が同一電位になる点で比較出力が発生
される。そしてこの比較出力は計数器１７に加え
られ、計数器１７は、その時点で、それまでカウ
ントしていたクロツクパルスの数（カウント数）
を換算回路１２に出力する。第６図ｄは包絡線検
波器１４，１５の出力を比較器１６で比較してい
る状態を示し、第６図ｅは計数器１７のカウント
状態を示す。第６図ｅは６個のクロツクパルスを
数えたとき比較出力が発生される例を示したもの
である。

このようにしてコード板のスリツト幅Ｗ_C内を
（１―cosθ）Ｗ_Cの分解能で読み取ることにより
微読が行われる。

こうして得られた微読結果は上述の粗読結果と
同様に換算回路１２によつて実際の移動量に換算
され、表示装置１８に表示される。

なお、包絡線検波器１４，１５の一構成例を第
７図に示す。これらのサンプルアンドホールド回
路２３及び積分器２４とからなり、サンプルアン
ドホールド回路２３には奇数番目毎のクロツクパ
ルス（検波器１４の場合）又は偶数番目毎のクロ
ツクパルス（検波器１５の場合）が供給される。

以上詳しく説明したように上記実施例は、光の
透過率に一定の比をもたせたスリツトを周期的に
配列した光学格子からなる格子パターンと、これ
に傾斜をもたせた光電変換素子群を上記光学格子
に並行して配列した光電変換装置とを備え、上記
光学格子に光を照射したときに上記光電変換装置
から得られる電気信号を用いて上記光学格子のス
リツト幅内を内挿読み取りするようにしたもので
ある。この場合単一の光電変換素子の巾と光学格
子のスリツト巾が同一でそれぞれの長手方向が互
に傾斜しておりその角度をθなる関係にて光学格
子の像がセンサ上に投影されているので、センサ
のピツチの（１―cosθ）倍という高精度な内挿
が可能である。

第８図は本発明の他の実施例を示す図である。
但し本実施例は微読のための回路のみが示されて
いる。この実施例の場合も光源３から発された光
はレンズ４を介して平行光とされ、この平行光で
コード板１が照射される。そしてコード板１の像
はレンズ５でリニアセンサ２上に結像される。こ
の場合、コード板１とリニアセンサ２は、第８図
の紙面に垂直な平面上でのその長手方向が相互に
傾斜角をもつように配設されている。コード板１
の格子パターンとリニアセンサ２の構造は第５図
ｂに示すものと同じであるとする。本実施例にお
いて増幅器６の出力は第９図ａに示すようなパル
ス列となる。この信号は包絡線検波器１９に供給
されて第９図ｂに示すような信号とされる。そし
てこの信号は位相反転弁別器２０に加えられ、第
９図ｂの信号のうちの位相反転点Ｐを検出する。
計数器１７は予め定められた始点からクロツクパ
ルスを計数しており、位相反転弁別器２０によつ
て位相反転点Ｐが検出されたとき計数動作を停止
する。この様子を第９図ｃに示す。しかして計数
器１７の計数結果は換算回路１２に供給されて実
際の移動量が求められる。換算回路１２の出力は
表示装置１８によつて表示される。なお包絡線検
波器１９としては第７図に示すものを用いること
ができる。

以上詳細に説明したように、この発明は“１”
“０”情報が周期的に長手方向に配列されてなる
格子パターンを有するコード板に対しこのコード
板の格子パターンの配列の周期と実質的に同一の
配列即ち同一のピツチで配列された複数個の光電
変換素子群よりなる光電変換装置（例えば
CCD）を設け且つこれらの配列が交叉するよう
にたとえば配列の長手方向に傾斜を持たせたこと
を特徴とする。これによつて従来のものでは得ら
れなかつた高精度の内挿が可能である。また格子
パターンの配列と光電変換装置の配列との交叉す
る角度を変化させるだけで任意の内挿精度が容易
にえられる手段を提供するものである。

本発明は上記実施例に何ら限定されるものでは
なく、以下に示すように種々変形して実施するこ
とができる。

(1) コード板及びセンサとしては実施例のように
光学的なものではなく、磁気又は電磁誘導を利
用してもよい。特に磁気を利用するエンコーダ
は特殊な用途に用いられ光学式のものに較べて
精度が低いという欠点があつたが本発明を適用
することにより充分な精度向上が計れる。

(3) 光学式エンコーダとしては、コード板の透過
像を用いることなく、コード板による反射像を
センサに投影するように構成することができ
る。

(4) 本発明は微読による内挿読に特徴を有するも
のであるから、従来から知られているコード板
の１ピツチまでの測定方法であるインクリメン
タル方式もしくはアブソリユート方式等からな
る粗読方法を併用して用いてもよい。

その他、リニアセンサからの出力信号を処理
する信号処理系についても上記実施例以外の
種々の回路構成を用いることができることは言
うまでもない。

(5) 上記の本発明においては、格子パターンの配
列とセンサアレイ群の配列とを投影時に交叉さ
せるためにたとえば直列的に配置された格子パ
ターンからなるコード板に対し同じように直列
に配列されたセンサアレイを傾斜して配設した
場合を例として、原理及び実施例を説明したが
第１０図に示すように、コード板に角度θの傾
斜角をもつた、格子パターンを配列し、このコ
ード板に平行にセンサアレイを配置しても、こ
れとまつたく同様の効果が得られることは言う
までもない。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第４図は本発明の原理を説明するた
めの図、第５図ａは本発明の一実施例を示すブロ
ツク線図、第５図ｂは第５図ａで用いられるコー
ド板とリニアセンサの配置関係を説明するための
図、第６図ａ〜ｅは第５図ａに示した実施例の各
部信号波形図、第７図は第５図ａに示す実施例の
一部分の具体的構成例を示すブロツク線図、第８
図は本発明の他の実施例を示すブロツク線図、第
９図ａ〜ｃは第８図の実施例の各部の信号波形
図、第１０図はコード板とリニアセンサとの他の
実施例の配置関係を説明するための図である。 １…コード板、２…リニアセンサ、３…光源、
４，５…レンズ、６…増巾器、７…サンプルアン
ドホールド、８…積分器、９…駆動回路、１０…
シユミツトトリガー、１１…計数器、１２…換算
回路、１３…信号分配器、１４，１５…包絡線検
波器、１６…比較器、１７…計数器、１８…表示
装置、１９…包絡線検波器、２０…位相弁別器、
２３…サンプルアンドホールド、２４…積分器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ “１”、“０”情報が長手方向に周期的に配列
   されてなる格子パターンを有するコード板と、 このコード板に対応して長手方向にアレイ状に
   配列され前記格子パターンの情報を読み取るセン
   サ素子群と、を具備し、 前記格子パターンの配列の周期と前記センサ素
   子群の配列の周期とを実質的に同一とし、且つ前
   記格子パターンの配列と前記センサ素子群の配列
   とが格子パターンの投影時に交叉するように配設
   することにより前記センサ素子群から読み出され
   る信号によつて前記コード板の格子パターンの長
   手方向のスリツト巾内を高精度で内挿するように
   してなることを特徴とするエンコーダ。 ２ 前記特許請求の範囲第１項記載のものにおい
   て、前記コード板の格子パターンを光の透過率に
   一定の比をもたせたスリツト群で構成し、前記セ
   ンサ素子群を光電変換素子群で構成し、前記光電
   変換素子群に投影される前記格子パターンの配列
   の周期とこの光電変換素子群の配列の周期とを実
   質的に同一とし、且つ前記格子パターンの配列と
   前記光電変換素子群の配列とが格子パターンの投
   影時に60度以下の角度で交叉するように配設して
   なることを特徴とする前記特許請求の範囲第１項
   記載のエンコーダ。