JPH0157291B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明はエンコーダに係り、特に移動体の絶対
位置又は角度を高精度、高分解能でデジタル読み
とりするためのエンコーダに関する。 一般に長さ、角度等をデジタル式に高精度で読
みとるためのエンコーダにおいては、例えば目盛
を細分化すればよいが、目盛の細分化については
製造上の限界があるためこの限界以上の高精度、
高分解能を得るにはさらに最小目盛を内挿する必
要がある。 従来このための内挿法としては例えば光学式エ
ンコーダにおいては、例えば光学格子の情報を読
み出すためにコード板と２個の受光素子の出力が
１／４ピツチ異なる様に配列された２個のスリツト
を設け、これら２個のセンサから得られる90゜の
位相ずれ信号を処理することにより最小目盛内を
１／４に内挿する方法や、更に小さい目盛で内挿す
るために格子とセンサの相対位置に応じてセンサ
より出力される出力値により内挿を行う方法等が
知られている。 これらの方法等においてはさらに例えばスケー
ルとセンサとの間の相対移動を利用して測定する
インクリメンタル方式と、絶対位置情報を符号化
したエンコード板を用いるアブソリユート方式と
がある。インクリメンタル方式ではスケールの目
盛の基準位置がセンサの前面にあるときに計数値
が零となるように設定する所謂基準位置の原点合
わせを行う必要があるので不便であるとともにノ
イズに対しても弱いという欠点がある。 これに対しアブソリユート方式では例えばセン
サの光電変換出力として常にエンコード板の絶対
位置情報が出力されるが前記した如く目盛の細分
化に際しての製造上の限界から測定精度が制限を
受ける他、例えば光学式エンコーダでは明暗の２
値による２進コードでエンコードするので1/2^Nの
分解能を得るのにコード板にＮトラツクのコード
が必要となる。したがつてパターンが複雑になり
且つ光源と光電変換素子の対がそれに応じて複数
組必要となる等の欠点がある。 これらの欠点を除いたエンコーダとして例えば
特開昭55−82919号公報に記載されたエンコーダ
が知られている。第１図ａ，ｂにはこのエンコー
ダの概略の構成が示されている。即ち第１図ａに
示すようにコード板２の１トラツク内をＮブロツ
クに分割し、各ブロツク内に第１図ｂに示すよう
に内挿のためのパターン情報１１とブロツクアド
レスを示すアドレス情報１２（例えば２進コー
ド）を透過、不透過の光学格子で配列してなるコ
ード板２と、センサとして微小な光電変換素子が
コード板２と並行して直列的に等ピツチで配列さ
れ各素子の独立した光電変換出力が時系列の直列
信号として取り出せるような素子アレイ３（以下
ラインセンサと呼称する）とを用いてなるエンコ
ーダが知られている。 この従来のエンコーダを直線目盛に応用した場
合の読みとり方法については、本出願人の先の出
願特願昭53−155815（特開昭55−82919号）で図示
している。これは第２図に示すようにコード板２
と並行にラインセンサ３を設置し、光電１よりコ
リメータレンズ４を介してコード板２を照射す
る。コード板２を透過した光線はコード板２上の
特定のパターンに対応した光の強度をもち、結像
レンズ５にてラインセンサ３上に投影される。し
たがつてラインセンサ３の全長を適当に選べばラ
インセンサ３の時系列の直列出力信号にはコード
板２のブロツクの基準位置を示すブロツクマーカ
情報１０Ａ、ブロツクスタート位置情報１０Ｂ、
内挿用のパターン情報１１およびブロツクアドレ
ス情報１２が時系列に出力される。ここでの内挿
法は例えば透過、不透過の光学格子を周期的に配
列してなるコード板２の格子数とラインセンサ３
のセンサ素子数との間に差をもたせることにより
副尺関係を発生させ、ラインセンサ３の出力の内
挿情報の奇数番目と偶数番目を結ぶ直線の交点の
位置を求めることで内挿を行なう所謂バーニア内
挿法である。測定に際してはラインセンサ３の任
意のビツトをインデツクスビツトとして予め定め
ておく。ラインセンサ３によりブロツクスタート
位置情報１０Ｂが検出されることにより決定され
るラインセンサ３のスタートビツトからインデツ
クスビツトまでのパルス数が得られる。このパル
ス数によりコード板２の１ブロツクをラインセン
サ３の１ビツトに等しい間隔で分割したインデツ
クスビツトが示す値が得られる。これをビツト情
報とする。すなわち粗読となる。またバーニア情
報は奇数番目と偶数番目を分離後、奇数番目の出
力が偶数番目の出力より小さくなる点を求めるこ
とで２ビツト分の内挿値が得られ、これが微読と
なる。この様に粗読の最小分解能を微読による内
挿範囲より小さくとることにより桁合わせでき
る。さらに前記２ビツト分の内挿値とビツト情報
とを桁合わせし、これにさらに前記ブロツクのア
ドレス情報を総合して位置情報に変換すれば移動
体の絶対位置が求められる。 以上は従来のエンコーダを用いた１トラツクで
の絶対位置の読みとりの方法である。上述の読み
とり方法は１ブロツクの読みとりについて説明し
たが、通常は信頼性の向上、読み誤りの補正等の
ために複数ブロツクを読みとる必要がある。しか
しながら上記従来のエンコーダにおいては、多数
ブロツクを読みとる場合コード板の多数ブロツク
を照明するための照明光学系を大きくしなければ
ならなくなる。さらにまた各ブロツクが独立した
パターンの読みとりにおいては光軸より離れたブ
ロツク程倍率や収差等の影響による誤差が大きく
なり、そのため補正の範囲外になることもあり得
る。さらに例えばリニアエンコーダで長尺用のも
のになると各ブロツクのアドレス情報のビツト数
が増加し、そのため１ブロツク当りのブロツク長
が長くなり複数ブロツクの読みとりが困難となる
という欠点がある。 本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、
その目的とするところは多数ブロツクの読みとり
に大きな照明光学系や大きな読みとり範囲を必要
とすることなく光軸付近の複数のブロツクで複数
ブロツクの読みとりができ、且つ複数ブロツクの
読みとり範囲を自由に選ぶことができる、移動体
の絶対位置又は角度を高精度且つ高分解能でデジ
タル読みとりし得るエンコーダを提供するにあ
る。 本発明によれば、Ｍ系列の配列の如き所定のパ
ターン配列の一部を形成するアドレス情報バーニ
ア情報の如き内挿情報とを交互に複数個直列的に
配列してなるコード板と、そのコード板の情報を
読みとるラインセンサと、そのラインセンサの出
力信号を処理する処理回路とを具備し、前記複数
個のアドレス情報とパターン情報とにより各１個
のブロツクを構成し、且つその各ブロツクのアド
レスを各ブロツクを構成する前記複数個のアドレ
ス情報から得られるＭ系列の配列の如きパターン
配列により指定するようにしてなることを特徴と
するエンコーダが得られる。 以下添付図面を参照して本発明の一実施例につ
いて詳細に説明する。 第３図は本発明による一実施例のエンコーダの
コード板の説明用図である。第３図においてコー
ド板２はそれぞれＭ系列の如き所定のパターン配
列の一部を形成するアドレス情報２０ａ〜２０ｅ
と複数個の情報からなるパターン情報２１ａ〜２
１ｅとが交互に複数個直列的に配列され、且つ各
アドレス情報２０ａ〜２０ｅがその直列的な配列
方向においてＭ系列の如き前記所定のパターン配
列と同一配列となるように配列されて構成されて
いる。第３図においては説明の便宜上コード板２
の一部だけを示している。さらに第３図における
各アドレス情報２０ａ〜２０ｅは前記の所定のパ
ターン配列の一部を形成するように例えば“０”
又は“１”の格子パターン（以下これをキヤラク
タと呼称する）により構成されている。 本実施例においては例えば４個のアドレス情報
即ち２０ａ〜２０ｂと３個のパターン情報２１ａ
〜２１ｃにより１個のブロツク３０が構成され
る。同様にして第３図において例えば右方に１個
のアドレス情報をずらしてアドレス情報２０ｂ〜
２０ｅとパターン情報２１ｂ〜２１ｄにより１個
のブロツク３１が構成される。以下同様にして各
アドレス情報４個とパターン情報３個からなる多
数のブロツク３２……ブロツクＮがそれぞれ構成
される。これらの各ブロツクのアドレスは各ブロ
ツクを構成する複数個のアドレス情報から得られ
るパターン配列により指定される。例えば第３図
においてブロツク３０のアドレスはブロツク３０
を構成する４個のアドレス情報２０ａ〜２０ｄか
ら得られるパターン配列即ち４キヤラクタから得
られるパターン配列により指定されるようになさ
れている。この場合各ブロツクを構成するアドレ
ス情報及びパターン情報の個数は第３図において
はそれぞれ４個及び３個から構成される例が示さ
れているが、ブロツクを構成するこれらの情報の
数はコード板のパターニング時に任意の数に設定
することができる。従つて各ブロツクのアドレス
読みとりのキヤラクタの数も前記の４キヤラクタ
に限ることなく各ブロツクを構成するアドレス情
報の数に対応させて任意の数に設定することがで
きる。 次に、各ブロツクのアドレスを４キヤラクタか
ら得られるパターン配列により指定する場合の例
について説明する。例えば表１(a)のキヤラクタ配
列に示す如く所定のパターン配列としてＭ系列の
パターン配列を使用するものとし、且つこの場合
の各ブロツクのアドレスの指定は表１(b)のパター
ン読みとりに示す各読みとり値から各ブロツクの
アドレス値が指定されるものとする。

【表】 表１(b) パターン読取り
即ち各ブロツクを構成する各アドレス情報即ち
キヤラクタが表１(a)に示す如きＭ系列の所定パタ
ーン配列の一部即ち“０”又は“１”となるよう
に形成され、例えば第３図において最初のブロツ
ク３０のアドレスを指定する２０ａ〜２０ｄの４
キヤラクタの読みとり値は0000で表１(a)より
（０）となり、次のブロツク３１のアドレスを指
定する２０ｂ〜２０ｄの４キヤラクタの読みとり
値は0001で(1)となる。従つて例えば表１(b)に示す
ような読みとり値に対するブロツクアドレス値の
変換表を作つておけばどのブロツクのアドレス情
報即ちどのキヤラクタから読み始めたとしてもそ
の読みとり値からそのブロツクのアドレスを確実
に知ることができる。さらに各ブロツクのアドレ
ス情報即ちキヤラクタが前記の如く配列されてい
るので例えば隣接するブロツクのアドレスを読み
とる場合には１キヤラクタ分だけずらして読みと
ればよいので、複数ブロツクの読みとりも小さな
読みとり範囲で済むこととなり、且つ前記の如く
キヤラクタの数は任意に設定できるので複数ブロ
ツクの読みとり範囲を自由に選ぶことができるこ
ととなる。 さらに第３図において各ブロツク３０〜３２の
パターン情報２１ａ〜２１ｅは例えば内挿のため
の情報のパターンであり、この区間にある格子パ
ターン数とこれに対応するラインセンサの素子数
とに差をもたせてなるバーニア内挿のパターンで
ある。前記の如く各ブロツクが４個のアドレス情
報と３個のパターン情報とにより構成されている
場合には例えばブロツク３０においては２１ａ〜
２１ｃの３個のパターン情報にバーニア情報を各
１／３宛パターニングし、この３個のパターン情報
を合わせて内挿読みとりをするようにすれば各ブ
ロツク長も短かくなる。この場合にこの３個のパ
ターン情報の位相が連続するようにすると後述の
処理回路における処理が簡単となる。さらに前記
のブロツクアドレスを指定するために用いられる
各ブロツクの各アドレス情報即ち各キヤラクタを
ラインセンサ上で３ビツト分以上のビツトで構成
すると前記のバーニア情報と完全に区別できる効
果がある。しかし乍ら各キヤラクタを１ビツト分
で構成してもよく、この場合にはキヤラクタとバ
ーニア情報との間に両者を区別できるようなパタ
ーンを設けておけばよい。 以上のコード板２の構成を模式的に図示したも
のが第４図に示されている。第４図においてA₄
〜A₁₀はコード板２の各アドレス情報即ち各キヤ
ラクタであり、ラインセンサ３上で各３ビツト１
組で構成されている。B₄〜B₁₀は３個のパターン
情報を一組として形成される測長用のバーニア内
挿パターンである。これらのバーニア内挿パター
ンは格子数とこれを読みとるラインセンサ３の対
応する素子数との間に差をもたせてラインセンサ
３の１ピツチ単位以下の分解能の内挿を行なうよ
うになされている。 第４図においてコード板２を予めインデツクス
ビツト（IB）を設定したラインセンサ３により
Ａ位置で検出したとするとこのＡ位置ではライン
センサ３はその読み出し開始ビツトＲとインデツ
クスビツトIB間の２つのキヤラクタとインデツ
クスビツトIBから後の２つのキヤラクタA₄〜A₇
の各アドレス情報を時系列の直列信号として読み
とるためこの場合のアドレスのパターン読みとり
値は0101となり、前記表１(b)に示す変換表からブ
ロツクアドレス値は３として解読できることとな
る。同様にＢ位置で検出したとするとアドレスの
パターン読みとり値は1010となりブロツクアドレ
ス値は４となり、以下同様にＣ位置は0100でブロ
ツクアドレス値は５、Ｄ位置は1001で６、Ｅ位置
は0011で７と解読できるものである。 そして、各ブロツク内の粗読はインデツクスビ
ツトIBの前方で一番近いキヤラクタ例えばブロ
ツクC₁ではA₅キヤラクタのつぎの格子すなわち
パターン情報B₅の一番前の格子B₅₁に対応するセ
ンサの素子ＭからインデツクスビツトIBまでの
素子数を計数することにより読み取れ、さらに微
細な読み取りはパターン情報例えばB₄、B₅、B₆
の格子数とこれを読み取るセンサの素子数とに差
をもたせてあるので、センサの１ピツチ単位以下
の内挿により行なわれる。以下センサがＢ〜Ｄの
位置に来たときも同様の原理で読み取りが出来
る。 以上は本発明による一実施例のエンコーダのコ
ード板に関する構成とその作用効果について説明
したが、以下このコード板を適用した本発明の一
実施例を第５図に基いて詳細に説明する。第５図
は本発明を工作機械等の移動テーブルの位置を検
出するリニアエンコーダに適用した一実施例を示
すものである。移動テーブル５０の一部に前記の
光学的コード板２を固定し、これに平行にライン
センサ３を設置し、光源１よりコンデンサレンズ
４を経てコード板２を照射すると、コード板２を
透過した光線はコード板２上の特定のパターンに
対応した光の強度を有し、これがラインセンサ３
上に投影される。従つてラインセンサ３の全長を
適当に選べばラインセンサ３の１走査による時系
列の直列出力信号には、コード板２のアドレス情
報と内挿読みとり情報が時系列に出力される。こ
こでラインセンサ３の略中心のビツトをインデツ
クスビツトIBとして予め設定しておく。次にラ
インセンサ３の出力を以下に述べる処理回路によ
り処理する。例えばラインセンサ３の出力５１を
増巾器５２で適当なレベルまで増巾しキヤラクタ
検出器５４でキヤラクタを検出する。検出器５４
はキヤラクタを検出するとフリツプフロツプ５
７，５８をセツトする。フリツプフロツプ５７は
アナログスイツチ６１をオンとし内挿情報を送出
する。同時にゲート６２を開き２進カウンタ６３
にクロツク発生回路５３より発生されるラインセ
ンサ３の出力に同期したクロツクパルスを送り、
内挿情報が終ると同時にフリツプフロツプ５７を
オフとする。この場合の内挿情報はバーニア内挿
でありラインセンサ３のバーニア情報をＡ／Ｄ変
換器７０に送出する。同様にして第２番目、第３
番号というようにキヤラクタが検出されたあとの
バーニア情報が分割されて送られてデータレジス
タ７１に書き込まれる。これをデータＢとする。 またキヤラクタ検出でセツトされたフリツプフ
ロツプ５８とインデツクスビツト検出器５５でセ
ツトされたフリツプフロツプ５９の出力をゲート
６４に通すことにより、最初のキヤラクタ検出か
らインデツクス検出の間ゲート６５を開き、同時
にラインセンサ３の出力に同期したクロツクを送
り続ける。従つて２進カウンタ６６は最初に検出
されたキヤラクタよりインデツクスビツトまでの
パルス数即ちコード板２の読みとりブロツクをラ
インセンサ３の１ビツトに等しい間隔で分割して
得られる目盛上のインデツクスビツトが指示する
値が出力される。さらに変換回路６６′で第４図
で説明した様なインデツクスビツトからその手前
のキヤラクタまでの値に変換される。この変換は
あらかじめ１ブロツクのパルス数を知つているの
で簡単に行なうことができる。これをデータＡと
する。 さらにマルチバイブレータ５６はキヤラクタの
センサ相当ビツト分だけオンとなるようにし、内
挿情報の区切りを示す２進カウンタ６３によりセ
ツトされる。これによりアナログスイツチ６０を
オンとし、キヤラクタの１つを比較器６７に送
る。比較器６７で適当なスレツシヨルドレベルで
信号を量子化する。内挿情報と同様に第２番目、
第３番目のキヤラクタが読み込まれ、直並列変換
器６８で並列２進数の情報となる。さらにこれを
変換回路６９により実際のブロツクアドレス情報
とする。これをデータＣとする。 以上のラインセンサ３の１走査で生成されるデ
ータＡ，Ｂ，Ｃはマイクロプロセツサ７２に入力
される。マイクロプロセツサ７２においてはバー
ニア情報であるＡ／Ｄ変換されてなるデータＢよ
り奇数番目の素子出力と偶数番目の素子出力を
夫々直線（又は曲線）近似し、両直線の交点で奇
数番目が偶数番目より小さくなる点を求める。こ
の交点より得られる微読値とデータＡで得られる
粗読値との桁合せを行ない、これにさらにデータ
Ｃを総合して位置情報に変換してこれを表示器７
３に表示する。 以上は１ブロツクの読みとり時の説明である
が、前述の如くキヤラクタを１個宛ずらせて複数
ブロツクについて前述と同様に読みとりを行いそ
の平均値を前記表示器７３に表示させることによ
り高精度且つ高分解能のデジタル読みとりを得る
ことができる。 さらに第５図の前記本発明の一実施例において
前記ラインセンサ３の出力を処理する処理回路で
例えばキヤラクタ検出及びインデツクスビツト検
出以後の処理をマイクロプロセツサ７２で行うよ
うにすれば、コード板２の情報の読みとりがより
簡単に行えるものである。この場合における本発
明の他の実施例が第６図に示されている。第６図
図示の実施例においては処理回路の構成を除くと
第５図図示のものと同一であるから同一部分に同
一符号を付してその説明を省略する。第６図にお
いてラインセンサ３の出力５１は増巾器８０によ
り適当なレベルまで増巾され、サンプルホールド
８１により１ビツト宛ホールドされ、Ａ／Ｄ変換
器８２を介して第１デジタルメモリ８３に各出力
波高値がデジタル信号として記憶される。第１デ
ジタルメモリ８３の内容はマイクロプロセツサ８
５からの指令で第２デジタルメモリ８４に移さ
れ、同時に第１デジタルメモリ８３はクリアされ
る。第２デジタルメモリ８４に移された内容はマ
イクロプロセツサ８５により信号処理され表示器
８６に表示される。この時のマイクロプロセツサ
８５の信号処理は例えば第７図のフローチヤート
に示す如き動作内容で行なわれるものである。 以上の実施例の説明においては桁合わせについ
て粗読をセンサ素子の１ピツチ単位までとし、微
読をセンサ素子の２ピツチ内を内挿するものを例
として説明したが、桁合わせは粗読の最少分解能
が微読の内挿範囲よりも小さくとれば達成できる
ので、例えば微読を１ピツチまでとし、粗読は例
えばラインセンサのある１つのセンサ素子の出力
をアナログ情報として取り出し、これを適当なス
レツシヨルド回路で量子化して粗読の最少分解能
を微読の内挿範囲より小さくとつて桁合わせをす
るようにしてもよいこと勿論である。 さらに前記本発明の実施例においてはブロツク
アドレス情報の配列を１キヤラクタ宛分離させた
場合の例について説明したが、本発明はこの例に
限定されることなく例えばブロツクアドレス情報
の配列を２キヤラクタ、３キヤラクタ等の任意の
キヤラクタ数に分離させても前記と同様の検出が
できるものであること明らかである。またこのア
ドレス情報の配列およびその変換についても前記
表１(a)、(b)に例示されたものに限定することな
く、他のＭ系列の配列およびその変換でもよく、
例えば４キヤラクタ宛分離の場合に表２に示すよ
うな配列とその変換でもよいこと言うまでもな
い。

【表】

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 所定のパターン配列の一部を形成するアドレ
   ス情報と複数個の情報からなるパターン情報とが
   交互に複数個直列的に配列され、且つ前記各アド
   レス情報がその直列的な配列方向において前記所
   定のパターン配列となつているコード板と、 前記コード板の情報を読みとるために複数個の
   センサ素子が前記コード板もしくはその像に並行
   して直列的に配列されてなるラインセンサと、 前記コード板の情報を読みとることにより前記
   ラインセンサより時系列的に出力される電気的信
   号を処理して移動体の絶対位置又は角度を求める
   ようになされてなる処理回路と、を具備し、前記
   複数個のアドレス情報とパターン情報とにより各
   １個のブロツクを構成し、且つその各ブロツクの
   アドレスを各ブロツクを構成する前記複数個のア
   ドレス情報から得られるパターン配列により指定
   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、前記パターン情報の情報数と、これに対応す
   る前記ラインセンサのセンサ素子数との間に差を
   もたせることにより、前記センサ素子の１ピツチ
   以下の分解能で内挿するようになされてなること
   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。 ３ 前記特許請求の範囲第１項記載のものにおい
   て、前記処理回路においては前記複数個のアドレ
   ス情報から得られるパターン配列により指定され
   たブロツクのアドレス情報と、基準位置情報より
   求めた前記ラインセンサの１ピツチ単位までの読
   みとり情報と、前記ラインセンサの１ピツチ単位
   以内の内挿情報とから移動体の絶対位置又は角度
   を求めるようになされ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。 ４ 前記特許請求の範囲第１項記載のものにおい
   て、前記所定のパターン配列の一部を形成するア
   ドレス情報は前記ラインセンサ上で３ビツト分以
   上のビツトにて構成され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。 ５ 前記特許請求の範囲第１項記載のものにおい
   て、前記各ブロツクを構成する複数個のパターン
   情報を合わせて前記センサ素子の１ビツチ以下の
   分解能で内挿するようになされてなることを特徴
   とする前記特許請求の範囲第１項記載のエンコー
   ダ。 ６ 前記特許請求の範囲第１項記載のものにおい
   て前記アドレス情報と前記パターン情報とはそれ
   ぞれ光の透過率又は反射率に差をもたせた光学格
   子から形成される光学的情報により構成されてな
   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。 ７ 前記特許請求の範囲第１項記載のものにおい
   て、前記コード板に配列される前記所定のパター
   ン配列はＭ系列の配列により構成されてなること
   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。 ８ 前記特許請求の範囲第１項記載のものにおい
   て前記アドレス情報と前記パターン情報とはそれ
   ぞれ磁気的又は電磁誘導的情報により構成され、
   前記ラインセンサは感磁素子アレイによつて構成
   され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。