JPH04232814A - 高分解能絶対値エンコ−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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、位置、長さ等の検出に
用いるエンコーダ、特に絶対値の位置検出機能を付加し
た高分解能リニアエンコーダに関する。

【０００２】

【従来の技術】図６は、従来の絶対値型のリニアエンコ
ーダの一例を示す概略図である。同図において、６１は
移動側のスリット板で、該移動スリット板６１上には平
行に複数のトラック６２が設けられている。各トラック
６２には絶対値のパターン、例えばグレイ符号を光の通
過領域と不通過領域から成る複数のスリット６３で構成
されるパターンが設けられている。６５は固定スリット
板である。６６は位置検出用スリット列で固定スリット
板６５上に設けられ、各トラック６２のスリットパター
ンから選択的に光束を通過させるために複数の開口を有
している。６８は複数の発光素子を有する発光部、６９
は複数の受光素子を有する受光部である。

【０００３】同図に示す構成において、受光部６９の各
受光素子には、発光部６８の各発光素子から放射される
光束が、スリット６３及び位置検出用スリット列６６を
通過して入射する。各受光素子には、入射した光量に応
じた出力信号が発生し、その出力信号の組合せから移動
スリット板６１の絶対位置を求めている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、例えば
、グレイ符号といった２値化符号のみで高分解能の絶対
値エンコーダを構成しようとすると、分解能分の符号パ
ターンを全て作成しなければならない。ここで例えば、
長さ１００ｍｍで最小分解能０．１μｍのエンコーダを
実現するには、分割数が１，０００，０００となるので
、 ２２０＝１，０４８，５７６ であるから、パターンは２０トラック必要で、パターン
の作成が非常に大変なだけでなく、トラックと同数の２
０組の発光素子・受光素子及びその処理回路が必要とな
り、高価なものとなる。

【０００５】また、位置検出用スリット列６６のスリッ
ト巾は、最小分解能以下とする必要があり、この場合は
最大でも０．１μｍとなる。しかし、現実問題としては
、光の回折現象のため実現できるスリット巾には限界が
あり、最小スリット巾でエンコーダの最小分解能が決っ
てしまう。また、このようにスリット巾を狭くすると受
光素子の得られる光量は微弱なものとなり、処理回路部
の増幅率を大きくせざるをえず、ノイズの影響を受けや
すくなるといった弊害も生じる。長さの単位系としては
、メートル系が国際標準となっているが、米国において
はインチ系が根強く残っている。インチ系の計測には、
メートル系のスケールで計測し、その値をインチ系に換
算するか、インチ単位で目盛ったスケールを使用せざる
をえず、どちらでも計測できるスケールはなかった。

【０００６】この発明の目的は、このような課題の解決
を図ろうとするものであり、装置全体を大型化すること
なく、高分解能でかつ任意の分解能の絶対値リニアエン
コーダを提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】このため、本発明の高分
解能絶対値エンコーダは、移動スリット板に、透過光量
が移動量に伴い単調増加する符号からなる第１のパター
ンと、この第１のパターンが配置されている範囲を等間
隔で区切った縞状符号からなる第２パターンとが配置さ
れている。第１のパターンからは測定範囲内で移動量に
伴い単調増加する信号を検出し、それを電気的に内挿す
ることで粗位置の絶対値データを得る。第２のパターン
からはそれぞれ所定の周期で９０度位相のずれた２つの
疑似正弦波を検出し、それらを電気的に内挿して中・精
位置の絶対値データを得、粗位置の絶対値データと結合
して連続した絶対値データを得る。第２のパターンの周
期と内挿倍率を適度に選択することにより任意の分解能
が実現できる。上記の方法により、符号パターンのトラ
ック数を減らすことができ、小型化が可能となり、かつ
任意の分解能を持った高分解能の絶対値エンコーダを得
ることができる。

【０００８】

【実施例】以下、図面により本発明の実施例として、測
定範囲１００ｍｍで最小分解能０．１μｍの絶対値エン
コーダについて説明する。図１は、該エンコーダの移動
スリット板のパターンの一部を示す図、図２は、該エン
コーダの固定スリットのパターンを示す図、図３は、こ
の発明を適用した絶対値エンコーダの信号処理系のブロ
ック図、図４は、粗位置データ・中位置データ，精位置
データの関係を示す図、図５は、粗位置データ・中位置
データ・精位置データを結合するための処理法表すフロ
ーチャートである。

【０００９】＜基本的な考え方＞移動スリット板１０上
に３種のパターンを記録し、第１のパターンからは測定
範囲内で移動量の増加に伴い単調増加する信号を検出し
、それを内挿により１００分割することで、１分割当り
１ｍｍの検出がなされる。第１のパターンの後段として
の第２のパターンからは、第１のパターンの分割数の２
倍、すなわち、（１００ｍｍ／１００）×２＝２ｍｍで
、１周期の信号を検出し、それを内挿により２００分割
することで、１分割当り０．０１ｍｍの検出がなされる
。さらに、第２のパターンの後段としての第３のパター
ンからは、第２のパターンの分割数の２倍、すなわち、
（２ｍｍ／２００）×２＝０．０２ｍｍ＝２０μｍで１
周期の信号を検出し、それを内挿により２００分割する
ことで、１分割当り０．１μｍの分解能が得られる。以
上の処理により、１００ｍｍあたり、０．１μｍの分解
能を得られ、分割数にして、１，０００，０００分割が
実現する。

【００１０】＜位置検出＞移動スリット板１０上には、
図１に示すように、第１のパターンとして、開口長さが
移動量に伴い単調増加するパターン１１を形成する。　
　第２のパターンとして、第１のパターンの１／５０（
１００ｍｍ／５０＝２ｍｍ）を１周期として、１ｍｍ毎
に光の通過領域と不通過領域部が繰り返されるパターン
１２を形成、第３のパターンとして、第２のパターンの
１／１００、（２ｍｍ／１００＝２０μｍ）を１周期と
し、１０μｍ毎に光の通過領域と不通過領域が繰り返さ
れるパターン１３を形成する。

【００１１】固定スリット板２０には、図２に示すよう
に、移動スリット板１０上の第１のパターン１１に対応
して、内挿による分解能１ｍｍより狭い巾、例えば０．
５ｍｍの幅の通光部２１を形成する。移動スリット板１
０上の第２・第３のパターン１２，１３に対応して各々
のパターンと巾及びピッチの等しいスリット群２２ａ，
２２ｂ，２３ａ，２３ｂが形成されている。そして、ス
リット群２２ｂ，２３ｂは、スリット群２２ａ，２３ａ
に対し、それぞれ１／４周期位相がずれた位置に形成さ
れている。５個のスリット群２１，２２ａ，２２ｂ，２
３ａ，２３ｂに対応して各１個ずつ計５個のフォトセン
サ３１，３２ａ，３２ｂ，３３ａ，３３ｂが配置されて
いる。

【００１２】フォトセンサ群３１，３２ａ〜３３ｂから
は受光した光量に比例した電流信号が得られ、図３に示
すように電流・電圧変換回路３４により電圧に変換され
る。第１のパターン１１に対応したフォトセンサ３１か
らは移動スリット板１０の移動量に伴い単調増加する信
号４１が得られ、第２・第３のパターン１２，１３に対
応したフォトセンサ３２ａ・３２ｂ，３３ａ・３３ｂか
らは各々の明暗のパターンを一周期とする、９０度位相
のずれた疑似正弦波信号４２ａ・４２ｂ，４３ａ・４３
ｂが得られる。

【００１３】＜データの結合＞これら３組の信号４１，
４２ａ・４２ｂ，４３ａ・４３ｂは内挿処理部３５で同
一のタイミングに内挿処理が開始され、その結果、粗位
置，中位置，精位置、３つの絶対値データが得られ、そ
れらはデータ結合部３６に入力され、３つの位置データ
が結合され、連続した絶対値データとなる。図５は、そ
のデータ結合処理内容を表したフローチャートで、図４
を用いて説明をする。図５中、 ｆｉｎ　は精位置データ、 ｍｉｄ　は中位置データ、 ｃｒｓ　は粗位置データ、 Ｆｍｇｆは精位置データの内挿倍率、 Ｍｍｇｆは中位置データの内挿倍率、 Ｃｍｇｆは粗位置データの内挿倍率、 ＭＩＤ　は補正後の中位置データ、 ＣＲＳ　は補正後の粗位置データ を表している。

【００１４】図４から、中位置データｍｉｄ　は１０μ
ｍ毎に変化し、精位置データｆｉｎ　は２０μｍを一周
期として変化していることがわかる。そのため、精位置
の絶対値データｆｉｎ　が単調増加している場合、最大
値から０に変化する点では、中位置の絶対値データｍｉ
ｄ　は、常に奇数または偶数のいずれか一方となる。こ
れは設計上どちらかに定まる。なお、精位置の絶対値デ
ータｆｉｎ　が単調減少の場合には、０から最大値に変
化する点で同様のことがいえる。また、その変化点は２
２ａ，２２ｂ，２３ａ，２３ｂ（図２）の位相を調整す
ることで、ずらすことが可能である。

【００１５】ここで、例えば、図４に示すように精位置
データｆｉｎ　が最大値から０に変化する点で中位置デ
ータｍｉｄ　が奇数の場合には、中位置データの値をｍ
とすれば、 ■　　ｍが偶数ならば、補正後の中位置データＭＩＤ　
をｍ／２、 ■　　ｍが奇数でかつ精位置データｆｉｎ　が精位置デ
ータの内挿倍率Ｆｍｇｆの半分以上であれば、補正後の
中位置データＭＩＤ　を（ｍ−１）／２、 ■　　ｍが奇数でかつ精位置データｆｉｎ　が精位置デ
ータの内挿倍率Ｆｍｇｆの半分未満であれば、補正後の
中位置データＭＩＤ　を（ｍ＋１）／２、ただし、この
ＭＩＤ　が内挿倍率Ｍｍｇｆの半分以上になったときに
は０とする。

【００１６】一方、図５のフローチャートには記載して
いないが、精位置データｆｉｎ　が最大値から０に変化
する点で中位置データｍｉｄ　が偶数の場合には、中位
置データｍｉｄ　の値をｍとすれば、 ■´ｍが奇数ならば、補正後の中位置データＭＩＤ　を
ｍ／２、 ■´ｍが偶数でかつ精位置データｆｉｎ　が精位置デー
タの内挿倍率　Ｆｍｇｆ　の半分以上であれば、補正後
の中位置データＭＩＤ　を（ｍ−１）／２、ただし、中
位置データｍが０の時は中位置データの内挿倍率値Ｍｍ
ｇｆとし演算する、■´ｍが偶数でかつ精位置データｆ
ｉｎ　が精位置データの内挿倍率Ｆｍｇｆの半分未満で
あれば、補正後の中位置データＭＩＤ　を（ｍ＋１）／
２、 として、■´■´■´のいずれかの演算後、その商を取
れば良い。

【００１７】以上の演算により解ＭＩＤ　は、精位置デ
ータｆｉｎ　の一周期２０μｍを１単位とした値となる
。このように、精位置データｆｉｎ　の一周期を中位置
データｍｉｄ　の最小分解能の２倍となるように設定し
たことにより、精位置データｆｉｎ　が最大値から０に
変化する点において、対応する中位置データｍｉｄ　が
変化しない範囲でズレが生じても、その誤差を吸収する
ことができる。

【００１８】また、粗位置データｃｒｓ　は１ｍｍ毎に
変化し、中位置データｍｉｄ　は２ｍｍを一周期として
変化している。これらの関係は、さきに述べた中位置デ
ータｍｉｄ　と精位置データｆｉｎ　の関係と、分割し
ている長さと内挿倍率を除き、全く同じで、同様の演算
処理により解ＣＲＳ　は、中位置データの一周期２ｍｍ
を１単位とした値となる。以上２回の演算処理により求
めた解を精位置の最小単位とすることで連続した絶対値
データが得られる。具体的には次式による。 　　絶対値データ　　＝　　精位置データ　　　　　　
　　　　　　　　　　　　＋　　補正後の中位置データ
　　×　　精位置データの内挿倍率　　　　　　　　　
　　　　　　　　　＋　　補正後の粗位置データ　　×
　　中位置データの内挿倍率　　　　　　　　　　　　
　　　　　　×　　精位置データの内挿倍率　　÷　　
２　　　　　　　　　　　　　　　　＝ｆｉｎ　＋ＭＩ
Ｄ　×Ｆｍｇｆ＋ＣＲＳ　×Ｍｍｇｆ×Ｆｍｇｆ÷２な
お、得られた位置データは、そのままパラレル出力する
こともできるが、図３に示すように、Ｐ／Ｓ変換器３７
によりＰ／Ｓ変換処理をして、シリアルデータとして送
信すれば、信号線の本数を少なくすることができる。

【００１９】以上、測定範囲が１００ｍｍで最小分解能
０．１μｍ、つまり分割数１，０００，０００、のエン
コーダ実現方法について説明してきたが、分割数は、（
第１の内挿倍率／２）×（第２の内挿倍率／２）×　第
３の内挿倍率により決定され、各段での内挿倍率を適当
に組み合わせることで任意の分割数が得られる。例えば
、測定範囲を１２７ｍｍとし、第２のパターンは５．０
８ｍｍを１周期と成るように形成し、第３のパターンは
２５．４μｍを１周期と成るように形成し、かつ、第１
の内挿倍率を１００、第２の内挿倍率を２００、第３の
内挿倍率を１００にする事で、０．２５４μｍ単位、つ
まり１０万分の１インチ単位での計測ができる。また、
同じスリット板を用いて、第３の内挿倍率だけを２５４
に変更する事で、０．１μｍ単位の計測が可能となる。 スイッチにより内挿倍率を切り換える様に内挿回路をす
る事で、同じスリット板を用いて、メートル系・インチ
系の測定が可能なスケールができる。

【００２０】また、より大きな分割数が必要ならば、内
挿の段数を増やすことで、逆に、それほど大きな分解数
を必要としないのであれば、内挿を２段とすることで、
より単純な構成で、２０，０００分割程度（例えば測定
範囲１００ｍｍで最小分解能５μｍ）が同様の方法で可
能である。また、内挿倍率を大きくすることで分割数を
大きくすることもできる。

【００２１】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明の検出方式
を採用した高分解能の絶対値エンコーダによれば、少な
いトラック数で高分解能の検出が可能となるため、装置
全体を大型化しないで絶対値検出が可能となる。また、
同じスリット板を用いて、メートル系・インチ系の測定
が可能なスケールを構成することができる。また、固定
マスクのスリット幅を充分広く設定することが可能なた
め，電流・電圧変換回路の増幅率を低く抑えることがで
き、ノイズの影響を受け難くなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による高分解能絶対値エンコーダの実施
例における移動スリット板のパターンを示す図である。

【図２】実施例における固定スリットのパターンを示す
図である。

【図３】この発明を適用した高分解能絶対値エンコーダ
の信号処理系の一実施例を示すブロック図である。

【図４】粗位置データ・中位置データ・精位置データの
関係を示す図である。

【図５】粗位置データ・中位置データ・精位置データを
結合するための処理法を表すフローチャートである。

【図６】従来の絶対値検出型リニアエンコーダの斜視図
である。

【符号の説明】

１０　　移動スリット板 １１　　第１のパターン １２　　第２のパターン １３　　第３のパターン ２０　　固定スリット板 ３４　　電流・電圧変換器 ３５　　内挿処理部 ３６　　データ結合部 ６１　　移動スリット板 ６５　　固定スリット板

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　第１および第２のパターンが配置され
   た移動スリット板と、前記第１のパターンから移動量に
   伴い単調増加する波形信号を検出する第１の検出手段と
   、前記第２のパターンから９０度位相のずれた２つの波
   形信号を検出する第２の検出手段と、前記第１の検出手
   段により検出された波形信号を内挿処理する第１の内挿
   処理手段と、前記第２の検出手段により検出された２つ
   の波形信号を内挿処理する第２の内挿処理手段と、前記
   第１および第２の内挿処理手段により得られた内挿デー
   タを結合するデータ結合手段と、を有し、前記第１のパ
   ターンは、移動量に伴い透過光量が単調増加する符号か
   らなり、前記第２のパターンは、前記第１のパターンが
   配置されている範囲を等間隔に分割する縞状符号よりな
   る、ことを特徴とする高分解能絶対値エンコーダ。
2. 【請求項２】　　第２のパターンは、縞状符号の間隔が
   所定の整数比により順次細かくなる複数のトラックによ
   り構成され、第２の内挿処理手段は、前記各々のトラッ
   クに対応して複数設けられている、ことを特徴とする請
   求項１記載の高分解能絶対値エンコーダ。
3. 【請求項３】　　隣接するパターンのうち後段のパター
   ンは、前段のパターンから得られる信号を内挿処理する
   内挿処理手段により得られた内挿データの分解能の２倍
   を一周期とする、９０度位相のずれた２つの疑似正弦波
   状の出力信号が得られるようになされていることを特徴
   とする請求項１あるいは請求項２記載の高分解能絶対値
   エンコーダ。