JPS6310767B2 - - Google Patents

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JPS6310767B2
JPS6310767B2 JP55062407A JP6240780A JPS6310767B2 JP S6310767 B2 JPS6310767 B2 JP S6310767B2 JP 55062407 A JP55062407 A JP 55062407A JP 6240780 A JP6240780 A JP 6240780A JP S6310767 B2 JPS6310767 B2 JP S6310767B2
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Japan
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light
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scanning
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JP55062407A
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English (en)
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JPS56159794A (en
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Fumio Ootomo
Kazuaki Kimura
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Tokyo Optical Co Ltd
Original Assignee
Tokyo Optical Co Ltd
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Publication date
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Priority to JP6240780A priority Critical patent/JPS56159794A/ja
Priority to US06/260,789 priority patent/US4412745A/en
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Priority to US06/515,454 priority patent/US4484816A/en
Publication of JPS6310767B2 publication Critical patent/JPS6310767B2/ja
Granted legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • G01D5/244—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing characteristics of pulses or pulse trains; generating pulses or pulse trains
    • G01D5/249—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing characteristics of pulses or pulse trains; generating pulses or pulse trains using pulse code
    • G01D5/2492—Pulse stream

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optical Transform (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
  • Transmission And Conversion Of Sensor Element Output (AREA)
  • Arrangements For Transmission Of Measured Signals (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、電荷結合デバイスCCDで代表され
る蓄積効果形センサのデータ読み取り装置の改良
に関する。
一般に移動する物体の基準点からの移動距離や
回転角を遠隔的に測定するには、物体にスケール
を取り付けておき、このスケールの目盛の基準と
なる位置において零リセツトを行ない、そこから
の移動距離や回転角を光学的あるいは電磁的に計
数して、たとえば表示器で表示させればよい。
しかし、上述した方法は、スケールと、これを
読み取るセンサとの相対移動量を、移動時に発生
する電気信号によつて測定する、いわゆるインク
リメンタル方式であるため、基準点を検出しなけ
ればならない。
そこで、このような不具合を解消するために、
スケールを符号化したアブソリユートの方法が考
えられる。これはスケールとして、スケールの基
準点からの長さを符号化してスケール上に目盛つ
たものを使用し、これを読み取ることにより基準
点の検出を行なわずに基準点からの長さを得る方
法である。そして、この方法を実施するに当り、
符号化した目盛の読み取りと細分化した値を求め
るため蓄積効果形センサの使用が考えられる。蓄
積効果形センサは、電荷結合デバイス（CCD）
で代表されるようにフオトエレメント部と、ゲー
ト部と、シフトレジスタ部とで構成されている。
フオトエレメント部は多数の素子をたとえば直線
状に配列して構成され、各素子はそれに入射した
光の強度に対応した電荷を蓄積する機能を有して
いる。また、シフトレジスタ部はフオトエレメン
ト部の素子数と同数のビツトを持ち、各ビツトに
はゲート部を介して対応する上記素子の電荷が並
列的に移され、また走査パルスが与えられると各
ビツトの電荷が時系列的に出力される構成となつ
ている。このような蓄積効果形センサは、フオト
エレメント部を構成する各素子の幅を通常、10数
ミクロンのオーダに設定できるのでスケールの目
盛の読取りと、目盛間での内挿をも可能化し得
る。すなわち、第１図に示すように、明部Ａ（光
を透過させる。）と暗部Ｂ（光を透過させない。）
とを交互に直線状に配列してなるスケールＣの一
側面に対向させてフオトエレメント部Ｆ、ゲート
部Ｇ、シフトレジスタ部Ｒからなる蓄積効果形セ
ンサ、たとえばCCDYを設けるとともにスケール
Ｃの他側面に向けて幅Ｘの平行光Ｐを照射する
と、フオトエレメント部Ｆの前記明部Ａを透過し
た光が入射する部分の素子には入射光に対応した
電荷が蓄積される。ここで、CCDYにゲートパル
スＳを与えるとともにリセツトパルスＺと、この
パルスＺを1/2に分周し、かつ位相を180゜異なら
せた走査パルスφ1，φ2とを与えると差動増幅器
Ｈから第２図ｄに示す出力Ｃが送出される。こ
の例は、明部Ａの幅がフオトエレメント部Ｆを構
成する素子の３個分の幅に設定され、かつ３個の
素子が明部Ａに正対している場合で、差動増幅器
Ｈからは、上記対応関係に正確に対応して時系列
的に３個ずつ信号が送出される。したがつて、基
準点からの長さを明暗パターンで符号化したスケ
ールと、蓄積効果形センサとを組合せれば、スケ
ールの基準点からの距離、つまり長さを10数ミク
ロン以下の精度で測定することが可能となる。具
体的には両者を、たとえば第３図に示すように設
けることが考えられる。すなわち、スケールＣを
長手方向に同一長さの複数のブロツクに区分す
る。この図ではNP番目のブロツクとNP-1番目の
ブロツクとを示している。各ブロツク、たとえば
ブロツクNPを例にとると、このブロツクNPの左
端部にCCDYのフオトエレメント部Ｆを構成する
素子の１個分の幅を基準幅とし、上記素子の４個
分の幅を有するマーカＭを明部の形で形成し、さ
らにそれと接するブロツクNP-1の右端部に
CCDYの４素子分の暗部からなるブロツクストツ
プマーカーＤを形成し、マーカーＭの４素子分の
うち、これと接する素子１個分の幅をマーカビツ
トInとする。そして、マーカＭの右方に上記素子
の２個分の幅ずつで、かつ２個分の幅おきに暗部
K1，K2，K3…を形成し、これら暗部の間に素子
２個分幅のアドレス部P1，P2，P3…を形成し、
アドレス部P1を２0に、P2を２1に、P3を２2に、
以下同様に２進数符号に対応させる。なお図では
アドレス部P1，P3が明部に形成され、他のアド
レス部は暗部に形成されている。ブロツクNP-1
のあつても同様に設定するが２進符号化したアド
レス部の値はブロツクNPの場合のそれより１減
じた値とする。
しかして、上記のように構成されたスケールＣ
とCCDYとを使つてスケールＣの基準点からの距
離を正確に測定するには次のようにすればよい。
すなわち、CCDYのフオトエレメント部Ｆを構
成する各素子に図に示す如くビツト番号を付する
とともにある特定のビツトをインデツクスビツト
Ioとする。そして、２ブロツク幅以上の幅Ｘの平
行光を照射し、このときのこのときのスケールＣ
のCCDYへの投影状態を調べる。マーカＭとブロ
ツクストツプマーカＤとからマーカビツトImの
投影位置を求める。第３図においてCCDYのフオ
トエレメント部の◎の位置がマーカビツトトIm
に対応するビツトとなる。マーカビツトImとア
ドレス部P1，P2，P3…の位置関係は上述のよう
に予め定められているため、マーカビツトImに
対応するビツト◎からフオトエレメント部へ投影
されたアドレス部の位置がわかる。すなわち、
ビツト、ビツト、ビツト、ビツト
…の受光状態をまず検出する。この例において
は、ビツトがいわゆるONであり、したがつ
て20桁がONである。またビツトがOFFで、
21桁がOFFであり、同様にビツトがONで、
25桁がON、ビツトがOFFで23桁がOFFであ
る。したがつて、ブロツクNPの絶対アドレスは
22＋20＝５となり、ブロツクNPはスケールの基
準点から５番目のものであることが判る。今、図
の様に１ブロツクを26ビツト構成とし、ビツト幅
を15μに設定すると１ブロツクの幅は15μ×26＝
0.39ｍ／ｍとなる。したがつて、ブロツクNPは
基準点からおよそ0.39ｍ／ｍ×５＝1.95ｍ／ｍ離
れていることになる。次により正確な距離を求め
るためにインデツクスビツトIoからマーカビツト
Inに対向するビツト◎までのビツト数を数える。
この例においてはビツト数５であるため結局正確
な距離は 1.95ｍ／ｍ−15μ×５＝1.875ｍ／ｍ となる。
すなわち、インデツクスビツトIoからマーカビ
ツトInまでのビツト数をNcとし、ブロツクアド
レスをACDとし、１ブロツクの長さを、フオト
エレメント部Ｆの素子数NSとし、上記１素子の
幅をｍμとすると、測定値Ｅは、 Ｅ＝ｍ（NS・ACD−NC）（単位：μ） となる。なお、上記値は第３図においてインデツ
クスビツトIoより右側にマーカが存在するブロツ
クのアドレスを測定した場合であるが左側のブロ
ツクのアドレスを測定する場合には、 Ｅ＝ｍ（NS・ACD＋NC） として測定される。また、フオトエレメント部の
素子１ビツト分の幅以内に測定精度を上げるに
は、スケール側の１ブロツク内のマーカ部とアド
レス部の間に、さらに副尺部を追加し、この副尺
部のビツト数をNBとしたとき上記副尺部と同一
長さ内のフオトエレメント部素子数をNB＋１の
関係にし、スケール側のの副尺部のビツトとフオ
トエレメント部のビツトとの重なり状態を調べる
（例えば正対するビツトの位置を求める）ことに
より実施できる。
このように、明暗パターンを持つたスケールと
蓄積効果形センサとを組合せることによつて、基
準点の検出を行なうことなく高精度に距離、つま
り長さを測定することが可能となる。これは角度
測定にもそのまま適用し得る。
しかしながら、上述の如く蓄積効果形センサを
用いて実際に長さや角度を測定しようとすると、
次のような問題が生じ、誤差の大きい測定しか行
なえない欠点があつた。
今、第１図に示す例を参考として用い、この理
由を説明すると以下の通りである。すなわち、第
４図に示すように期間T1においてフオトエレメ
ント部Ｆに電荷を蓄積させ、この電荷を期間T1
の終了時点でゲートパルスＳの印加によつてシフ
トレジスタ部Ｒへビツトパラレルに移し、このシ
フトレジスタ部Ｒの内容を期間T2において読み
出した場合を例にとると、読み出された出力Ｃ
は、通常、第４図ｅに示すようにある傾斜をもつ
て変化する基準レベルに対応して変化したものと
なる。基準レベルは、シフトレジスタ部Ｒからの
読み出し初期において、すでに、理想的なたとえ
ば０レベルよりVaだけドリフトし、また読み出
し終了時にはVaよりさらにVbだけドリフトする。
このような基準レベルの変動はフオトエレメント
部Ｆおよびシフトレジスタ部Ｒに流れる暗電流に
よつて生じるもので、Vaはフオトエレメント部
Ｆでの暗電流の蓄積による電荷に対応する電圧で
あり、また、Vbはシフトレジスタ部Ｒでの暗電
流の蓄積による電荷に対応する電圧である。そし
てVaの値は期間T1に比例し、またVbの値は期間
T2に比例する。このように基準レベルが変化す
ると、読出される信号Vcも上記レベルを基準に
して変化するので、読み出された信号を処理する
系が誤動作し易い。又Va、Vbの値は温度により
変化しはなはだしい場合には暗電流分によつて基
準レベルが飽和レベルVDまで達し、信号の読み
出しができないことになる。特に、第３図に示す
ように明部と暗部とをもつたスケールＣとCCDY
とを組合せて前述の如く信号処理を行なわんとす
る場合には、アドレスの読み取りおよびインデツ
クスビツトからマーカビツトまでのビツト数の検
出を各ビツトの出力信号レベルに基づいて行なう
必要があるので、前述の如く出力信号レベルが変
動したのでは正確な測定を期待することはできな
い。
そこで、このような不具合を解消するために
CCDYの走査パルスφ1，φ2の周波数を十分高く、
たとえば100kHz以上に設定し、VaおよびVbの値
を小さくすることが考えられるが、データ処理を
必要とする系にCCDを使用した場合、CCDYの
出力Ｃを少なくとも5μs以内に処理しなければ
ならない。このためには、高価な高速Ａ／Ｄ変換
器を必要としたり、また、上記高速Ａ／Ｄ変換器
の出力処理とCCDの制御とを高価な高速マイク
ロコンピユータを用いて行なう必要があり、装置
全体の高価格化を免れ得ない問題が新たに生じ
る。CCDの走査パルスの周波数を高くしてもVa、
Vbは温度の影響を受けるので、確実な信号処理
動作や測定精度の向上を図るにはVa、Vbに対す
る補正手段が必要となる。
一方、センサとして、CCDで代表される蓄積
効果形センサを用いた場合には、スケールＣが静
止しているときには都合がよいが、スケールＣが
動いているときには、スケールＣの明部を通して
のフオトエレメント部上での受光位置が刻々と変
化し、各受光情報が記憶されてしまうので、測定
可能なスケールＣの最高移動速度が比較的低い。
したがつて、何らかの手段で最高移動速度を増加
させなければ、使用自由度が大幅に制限されたも
のとなる。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたも
ので、その目的とするところは、センサとして蓄
積効果形センサを用い、かつ広い温度範囲でこの
センサの暗電流による影響を高速の処理系や制御
系を使うことなく除去でき、もつて安価な系で高
精度な測定が行なえ、しかも静止状態は勿論のこ
と高速移動状態であつても良好に測定できる測長
もしくは測角用装置を提供することにある。
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明装置は、上記目的を達成するために特徴
的な３つの補正および制御手段を備えている。し
たがつて、これらの手段の原理およびそれによつ
て得られる効果を第４図に対応させて示す第５図
から第１０図を用いて説明し、その後に具体的な
実施例を説明することにする。
(1) センサの駆動手段 前述の如く、CCDで代表される蓄積効果形
センサから読み出された出力Ｃには、信号処
理にとつて有害なドリフト分VaおよびVbが必
ず含まれている。そして、これらドリフト分
VaおよびVbは受光期間および走査期間に比例
する。本発明装置では、このように期間に比例
することに着目し、シフトレジスタ部Ｒからデ
ータを読み出すに当つて、少なくとも読み出し
開始以前にシフトレジスタ部Ｒの全ビツトを高
い周波数の走査パルスで、いわゆる“から走
査”してシフトレジスタ部Ｒに蓄えられている
データを捨ててしまい、その後にフオトエレメ
ント部Ｆのデータをシフトレジスタ部Ｒへ移
し、次に信号処理系が十分追従し得る低い周波
数の走査パルスで読み出すようにしている。す
なわち、第５図に示すように、シフトレジスタ
部Ｒから読み出された信号を実際に処理系に導
入する期間をT2とすると、この期間T2の直前
の期間T1において、シフトレジスタ部Ｒの全
ビツトを期間T2における走査パルス周波数よ
りたとえば10倍高い周波数の走査パルスで“か
ら走査”し、そのときの出力データを捨てる。
このように10倍高い周波数の走査パルスで“か
ら走査”すると期間T1は期間T2の1/10でよい
ことになる。したがつて、フオトエレメント部
Ｆの受光している期間も1/10となる。今、この
例において光強度を10倍にしたとして、従来の
ようにT1をT2と等しく設定した場合と比較す
るとVaは1/10に低下する。つまりVaの影響を
大幅に緩和できることになる。このように少な
くともシフトレジスタ部Ｒの全ビツトを“から
走査”するための期間T1を“全から走査”の
期間とする。
上述した“から走査”を、データ読み出し前
の、いわゆる１回の“全から走査”の期間に限
らず、第６図および第７図に示すようにデータ
の読み出し期間T2内の測定に直接寄与してい
ない部分、つまり余分のビツト分Biを走査する
ときにも適用し、上記部分を走査するに要する
時間を短縮させることによつてシフトレジスタ
部Ｒでの暗電流の蓄積による影響を緩和でき
る。つまりVbの影響を緩和できることになる。
この場合Biに対応した出力COは捨てられる。
したがつて、この部分の走査は“部分から走
査”と云える。また、第８図に示すようにデー
タの読み出しを行なう期間T2の前にＮ回、た
とえば期間T1-1，T1-2，T1-3の３回に亘つ
“全から走査”を行なうことによつて残像RS
１，RS２の影響も除去できる。なお、この第
８図におけるａは照射光Ｌを示している。また
CCDは、電源ON時において最初の走査によつ
て得られる出力COが光の入射とは無関係に飽
和レベルに達している。これを正常にするには
通常、何回かの走査を必要とする。したがつ
て、上述の如く読み出しを行なう期間T2の前
にＮ回の“全から走査”を行なうことは正常に
戻すための走査と兼用できることになる。
このように本発明装置における１つの特徴
は、シフトレジスタ部Ｒからのデータ読み出し
に先だつて、シフトレジスタ部Ｒをデータ読み
出し走査パルスより高い周波数の走査パルスで
“全から走査”を行なうとともに必要に応じて
読み出し期間内にあつても“部分から走査”を
行ない、フオトエレメント部Ｆおよびシフトレ
ジスタ部Ｒの暗電流の蓄積によつて生じる電圧
Va，Vbを小さな値に抑え、その影響を緩和さ
せるようにしている。上述した高い周波数の走
査パルスの供給は、マイクロコンピユータに通
常、内蔵されている発振器出力を使うことによ
つて容易に実現できる。
(2) 暗電流の蓄積に対する補正手段 前述の如くCCDで代表される蓄積効果形セ
ンサの出力COは暗電流の蓄積により基準レベ
ルがドリフトするし、また各ビツトの出力も暗
電流に対してばらついたものになる。すなわ
ち、左半分に明部パターンが等間隔に形成さ
れ、右半分が暗部に形成されたスケールを介し
てCCDセンサで受光したときの出力Ｃは第
９図ｃに示すようになる。この図から判るよう
にCCDに出力Ｃは暗電流に対して各ビツト
毎にばらついている。これらビツト毎のばらつ
き、およびドリフト量は温度によつて大きく変
り、一般に温度が高い程これらの大きさが増
す。したがつて、データ処理系を安定に動作さ
せるには温度によつて変化する上記成分を除去
する必要がある。そこで、本発明装置では、第
２の特徴として光源を制御することによつて光
が照射されないときのCCDの出力データ（光
なしデータ）と、光が照射されているときの
CCDの出力データ（光ありデータ）とを測定
し、“光ありデータ”から“光なしデータ”を
減じることによつて上記成分を除去するように
している。したがつて、得られたデータは第９
図ｄに示すように変動成分の入つていない、い
わゆる整つたものとなる。“光ありデータ”か
ら“光なしデータ”を減じる手段としてはマイ
クロコンピユータによつて演算処理を行なう方
式も考えられるが、データの数量が多くなると
演算に長時間を要するので好ましいことではな
い。したがつて、本発明装置では、減算に要す
る時間を短縮するためハードウエアで演算する
ようにしている。
(3) 最大移動速度を向上させる手段 今、第１０図に示すように期間T1において、
この期間だけ照射光Ｌで照射し、これによつて
得られたデータを期間T2において読み出した
とする。この場合スケールＣの明部と暗部との
幅がフオトエレメント部Ｆの３ビツト分の幅に
形成されていたとし、期間T1の間にスケール
Ｃが１ベツト分だけ移動したとすると、このと
きの読み出し出力Ｃは第１０図ｄに示す４ビ
ツト分の信号“有り”を示す時系列的な信号と
なる。これは、フオトエレメント部Ｆが照射さ
れた光による信号を蓄積することによる。もし
期間T1の間にスケールＣが３ビツト分の幅だ
け移動すると、そのときの出力Ｃは第１０図
ｅに示すようになり、もはや測定は不可能とな
る。出力Ｃで明暗の区別が行なえるスケール
Ｃの最高移動速度はスケールＣの明暗の幅と期
間T1の大きさによつて決定される。スケール
Ｃの明部と暗部の幅を広くすると最高移動速度
を向上させることができるが、使用するセンサ
の大きさや光学系から制約を受け実用的ではな
い。また、期間T1を短かくすれば最高移動速
度を向上させ得るが、これもまたセンサの全ビ
ツト数と最大駆動周波数（センサを駆動する為
の最大の周波数）と“から走査”周波数とから
制約を受け望むべく値を得ることが困難であ
る。そこで、本発明装置では、データ読み出し
期間の直前に行なわれる“全から走査”期間
T1より短かい期間TLだけパルス的な光を照射
するようにしている。たとえば第１０図に示す
例において図中破線で示すように期間TLをT1
の1/3とするとスケールＣの最高移動速度をT1
で照射した場合の３倍に上げることができる。
照射光Ｌのパルス幅TLが短かい程スケールＣ
の最高移動速度を上げることができる。しか
し、読み出される信号Ｃの振幅はパルス幅
TLに比例するので、照射光Ｌの強度を一定と
した場合にはパルス幅TLが短かい程、データ
読み出された出力Ｃの振幅も小さくなり、信
号を処理する上で好ましくない。つまりパルス
幅TLが短かく、かつ出力Ｃの振幅が一定で
あることが望まれる。この要望を満す手段とし
て種々考えられる。たとえば、希望するスケー
ルＣの最高移動速度を満足する為のパルス幅を
TLMとしたとき、予めTL＜TLMとし、この条件
で所定振幅の出力Ｃが得られるように光強度
を設定しておけばよい。しかし、光源の出力は
常に一定とは限らず、また、スケールＣの光透
過特性も常に一定とは限らないので、長期に亘
つて常に一定振幅の出力Ｃを得ることは困難
である。これを解決する手段として出力Ｃの
振幅を測定し、これが所定の振幅より小さいと
きには前回のTLに適当な値Tlを加え、また所
定の振幅より大きいときには前回のTLからTl
を減じることにより、次に発光させるパルス幅
を決定する手段が考えられる。この手段はくり
返し動作により最終的なTLを決定する。ただ
し最終的にTL＜TLMであればスケールＣに望ま
れる最高移動速度を満足させた状態で出力Ｃ
の振幅を一定に保つことができる。しかし、こ
の手段では最終的なTLの決定にあたり何回か
（一般に10回以上）のデータ読み出し走査が必
要であり、速い応答速度を期待することはでき
ない。
そこで、本発明装置では、一例として次の計
算を行なつて次回のパルス幅TL（但しTL＜
TLM）を決定するようにしている。すなわち、
次に発光させるパルス幅をTLBとし、前回の発
光パルス幅をTLAとし、前回の光による出力Ｃ
Ｏの振幅をEAとし、予め定めた所定の振幅を
EOとしたとき、 TLB＝EO／EATLA として算出している。この計算により、次に発
光させるパルス幅TLBを決定すると、次に読み
出される出力Ｃの振幅は所定の一定値とな
り、応答速度を上げることができる。
また、他の例としてパルス幅TL（但しTL＜
TLM）を一定にしておき、光強度、つまり利得
を制御している。この場合には、次回の利得を
VBとし、前回の利得をVAとしたとき、 VB＝EO／EAVA の計算を行なつて次回の利得VBを決定するよ
うにしている。
このように本発明装置の第３の特徴は照射光を
パルス的に与えるようにしている。そして、スケ
ールＣに要求される最高移動速度を満足する照射
光パルス幅TLMの範囲内で上述した計算を行なつ
てパルス幅あるいは照射光強度（光源制御利得）
を決定し、これによつて、出力Ｃ振幅が常に一
定となるように応答性よく制御しているのであ
る。
本発明装置は以上に述べた３つの特徴ある手段
を効果的に組合せて前述した目的を達成したもの
である。
以下、具体的実施例を説明する。
第１１図において、図中１は図示しない移動体
に取り付けられた直線状のスケールであり、この
スケール１は、たとえば第３図に示したものと同
様に長手方向に同一長さずつｎ個のブロツクに区
分されている。そして、各ブロツクには、第３図
に示したものと同様に明暗パターンの形でマーカ
とアドレスとが形成されている。スケール１を境
にして一方には、たとえば発光ダイオードなどで
形成された光源２が配置されており、この光源２
から出た光はレンズ系３によつて平行光に変換さ
れた後、スケール１に向けて照射される。また、
スケール１を境にして他方にはレンズ系３′を介
してスケール１を透過した光を検出する蓄積効果
形センサ、たとえばCCD４が配置されている。
このCCD４は、前述の如くフオトエレメント部
Ｆ、ゲート部Ｇおよびシフトレジスタ部Ｒで形成
されており、ゲートパルスＳが与えられたときフ
オトエレメント部Ｆに蓄積された電荷をシフトレ
ジスタ部Ｒへ移し、リセツトパルスＺと、これを
１／２に分周し、かつ位相が180゜異なる走査パルス
φ1，φ2とが与えられたとき、シフトレジスタ部
Ｒの内容を時系列的に出力するように構成されて
いる。そして、CCD４の駆動はパルス制御回路
５を介してマイクロコンピユータ６によつて制御
され、またCCD４の出力Ｃはアナログ処理回
路７を介して、マイクロコンピユータ６によつて
処理された後、表示器８に表示され、さらに光源
２への入力は増幅器９を介してマイクロコンピユ
ータからLC信号として与えられるようになつて
いる。なお、光源２、レンズ系３、CCD４およ
び増幅器９は、筐体１０内に組込まれ前記スケー
ル１を非接触に挾む関係に静止部に固定されてい
る。
しかして、前記パルス制御回路５は次のように
構成されている。すなわち、マイクロコンピユー
タ６に内蔵され自身のハードウエアを動作させる
ための発振器１１の十分高い周波数のパルスを分
周器で分周して得たパルスP1（“から走査”の時
の駆動のために利用する。）をアンドゲート１２
の一方の入力端、オアー回路１３を介してCCD
４のリセツト信号Ｚとして与えるとともにインバ
ータ１４を介してフリツプフロツプ回路１５（ク
ロツク信号の立上りで動作するフリツプフロツ
プ）のクロツク端子Ｃに与えている。上記フリツ
プフロツプ回路１５はその出力を入力端子Ｄに
導入したＴ−フリツプフロツプであつて、出力
がCCD４の走査パルスφ1として、またＱ出力が
同じく走査パルスφ2として与えられている。ま
た、フリツプフロツプ回路１５の入力端子Ｄはフ
リツプフロツプ回路１６（クロツク信号の立上り
で動作するフリツプフロツプ）のクロツク端子に
導入されている。ここのフリツプフロツプ回路１
６はそのCL端子にマイクロコンピユータ６から
論理レベルで“１”なる制御パルスPCが与えら
れたとき出力が“１”となり、この出力信号で
前記アンドゲート１２を制御している。また、前
記オアー回路１３にはマイクロコンピユータ６か
ら単発的なパルスP2（データ読み出し時の駆動の
ために利用する。）が後述する関係に与えられる。
一方、前記アナログ処理回路７は、CCD４の
出力を差動増幅器２１によつて取り出すとともに
この増幅器２１の出力Ｃを差動増幅器２２の一
方の入力端に導入している。上記増幅器２２の他
方の入力端にはすでにマイクロコンピユータ６内
に記憶されている“光なしデータ”DDがＤ／Ａ
変換器２３を介して選択的に導入される。そし
て、差動増幅器２２の出力はＤ／Ａ変換器２４に
入力される。このＡ／Ｄ変換器２４は、スケール
１のビツトピツチとフオトエレメント部Ｆのビツ
トピツチとが整数倍でないときにも読取りを可能
化するものである。そして、このＡ／Ｄ変換器２
４はマイクロコンピユータ６のＡ／Ｄ制御ACが
“１”でクリア状態となり、“０”でＡ／Ｄ変換動
作を行なう。また、Ａ／Ｄ変換動作が終了する
と、動作時にマイクロコンピユータ６の端子AE
が“１”であつたものを“０”に変更する。
しかして、上記のように構成された本発明装置
はマイクロコンピユータ６に設定されたプログラ
ムにしたがつて動作する。以下、この動作を第１
２図および第１３図に示す流れ線図を用いて説明
する。
まず、スタートさせると、1 ：発光制御用メモリM7に発光させない意味の
“０”を書き込む。2 ：メモリM2に照射光パルス幅の初期値TLFを書
き込む。なお、この初期値TLFは一般的には適
当な値でもよいが出力Ｃが所定振幅に達する
までの時間を短縮させるために所定振幅を出力
するに近いパルス幅に設定される。3 ：“光なしデータ出力”DDをクリアする。これ
によりＤ／Ａ変換器２３の出力はたとえば0V
となる。4 ：“光なしデータ”を書き込むメモリの最初の
アドレスをメモリM4に書き込む。5 ：結果データを書き込むメモリの最初のアドレ
スをメモリM5に書き込む。6 ：メモリM1の内容をクリアする。このメモリ
M1はカウンタとして使用するものでデータ領
域のメモリとは別のアドレスを持つ。7 ：パルス制御PCを“１”にセツトする。これ
によりパルスP1がアンドゲート１２を介して
与えられ“から走査”が開始される。7から
13まで“全から走査”の動作となる。8 ：7から13により“全から走査”が必要回数
Ｎ回行なわれるが、このうち最後の“全から走
査”はどうかメモリM1の内容から判断する。
そして、“YES”の場合には9へ“NO”の場
合には12へ進む。9 ：メモリM7の内容を発光制御LCにセツトす
る。したがつて、メモリM7（“光なしデータ”
の読取時にはM7＝“０”）が“１”になつたと
き光源２が発光する。10 ：発光制御LCが“１”にセツトされてからの
時間を測定し、メモリM2に書き込まれている
時間に達すると11へ進む。11 ：発光制御LCを“０”にセツトする。これに
よつて光源２は発光停止する。12 ：“全から走査”を開始してからの時間を測定
（マイクロコンピユータ６のプログラム動作の
動作時間を利用して時間を監視する。）して
“全から走査”を開始してからの時間が （シフトレジスタ部の全ビツト数／２（φ1の周波数
）） 以上に達するまで待機する。13 ：パルス制御PCを“０”にセツトする。これ
により“全から走査”が終る。なお、このとき
パルス制御回路の動作により、PCが“０”に
なつてからＺ＝“０”、φ1＝“１”、φ2＝“０”に
なつた時にその状態で停止する。この状態は
CCD４の信号Ｓを“１”にすることにより
CCD４のフオトエレメント部Ｆからシフトレ
ジスタ部Ｒへ電荷を移動させることのできる状
態である。14 ：端子PSにパルス１個を発生させる（“０”
→“１”→“０”）。これによつて、CCD４の
フオトエレメント部Ｆからシフトレジスタ部Ｒ
へ電荷が移動する。15 ：メモリM1の内容に１を加える。16 ：メモリM1の内容とＮ（全から走査の必要回
数）と比較する。メモリM1の内容がＮに達し
ていないときには7へ移行する。17 ：パルス制御PCを“１”にセツトする。これ
により再びから走査が開始される。すなわち
17から19で部分から走査（第７図にT4で示す
部分）が行なわれる。18 ：部分から走査（前）の時間が部分から走査
（前）に必要な時間TP1に達するまで待機する。19 ：パルス制御PCを“０”にセツトする。これ
によつて部分から走査（前）を終了する。20 ：アドレスレジスタにメモリM4の内容を書き
込む。21 ：メモリM7が“１”か否かを判定し、“YES”
ならば22へ、“NO”ならば24へ移行する。な
お、メモリM7が“１”のときには“光あり”
のときを示し、“０”のときには“光なし”の
ときを示す。22 ：“光なしデータ”出力DDにアドレスレジス
タで示されるメモリの内容をセツトする。これ
によりすでに測定されている“光なしデータ”
のうちCCD４のビツトに対応した“光なしデ
ータ”がDDから出力される。23 ：アドレスレジスタにメモリM5の内容を入れ
る。24 ：Ａ／Ｄ制御ACを“０”にセツトする。これ
によつてＡ／Ｄ変換器２４がＡ／Ｄ変換動作を
開始する。25 ：Ａ／Ｄ変換終了AEが“０”になるまで待機
する。26 ：アドレスレジスタによつて示されるメモリ
へＡ／Ｄ出力データを書き込む。27 ：Ａ／Ｄ制御ACを“１”にセツトする。これ
によつてＡ／Ｄ変換器２４はクリア状態にな
る。28 ：パルスP2を１個発生（“０”→“１”→
“０”）させる。これによつてCCD４のシフト
レジスタ部Ｒは１ビツトだけシフトする。
24〜28においてＡ／Ｄ変換器２４で差動増
幅器２２の出力がＡ／Ｄ変換されてアドレスレ
ジスタで示されるメモリに書き込まれ、またシ
フトレジスタ部ＲにはパルスP2が再び与えら
れる。なお、20から28までの動作で“光な
し”時の動作（LC＝“０”）は22、23の動作を
行なわないので光なしデータ出力DDはクリア
状態にある。又すでに9においてLC＝“０”の
為光源２は最後の“全から”走査時に発光して
おらず、したがつて、差動増幅器２２の負入力
端にはたとえば0Vが、正入力端には光なし時
の差動増幅器２１の出力Ｃがそれぞれ加わ
る。この結果、差動増幅器２２の出力Ｃ′は
差動増幅器２１の出力と同じになる。24〜28
において差動増幅器２２の出力Ｃ′をＡ／Ｄ
変換してメモリに書き込むが、このときメモリ
を示しているアドレスレジスタの内容は、メモ
リM4、つまり“光なし”データ用メモリのア
ドレスである。このため、データは“光なし”
データ用メモリ領域に書き込まれる。“光あり”
時における20から28までの動作（LC＝“１”）
は、22でアドレスレジスタの示すメモリ（メ
モリM4の内容、つまり“光なし”データ用メ
モリ）の内容を“光なしデータ出力”DDにセ
ツトする。次に23でアドレスレジスタの内容
をメモリM5の内容と換える。この場合光源２
は9においてLC＝“１”になつており最後の
“全から走査”時に発光している。したがつて、
差動増幅器２２の負入力端には“光なし”デー
タをＤ／Ａ変換した信号（これは光なし時の差
動増幅器２１の出力Ｃと同じ）が、また正入
力端には“光あり”時の差動増幅器２１の出力
Ｃがそれぞれ加わる。この結果、差動増幅器
２２の出力Ｃ′は“光あり”時の差動増幅器
２１の出力から同じく“光なし”時の出力を減
じたものとなる。24〜28において、差動増幅
器２２の出力Ｃ′（減じた値）をＡ／Ｄ変換
してメモリに書き込むが、ころときメモリを示
しているアドレスレジスタの内容はメモリM5、
つまり結果データ用メモリのアドレスである。
このためにデータは結果データ用メモリに書き
込まれる。30 ：メモリM4の内容に１を加える。31 ：メモリM5の内容に１を加える。32 ：メモリM5の内容がＸ＋（SDE）かどうか
（ここでＸは必要データ数である。）、つまり、
必要なデータを取り終つたかどうかを調べる。
メモリM4はメモリM5に対応して変化していく
のでＸ＋（SDE）の判定は同時にＸ＋（SDD）
の判定と云える。33 ：光なしデータ出力DDをクリアする。34 ：17と同様にデータ読取後における部分から
走査（後）を開始させる。35 ：部分から走査（後）の時間が部分から走査
（後）に必要な所定の時間TP2に達するまで待
機する。36 ：パルス制御PCを“０”にセツトし、部分か
ら走査（後）を終了する。38 ：メモリM7が“１”であるか否かチエツク
し、“YES”である場合は40へ移り、“NO”
の場合には39でメモリM7に“１”を書き込ん
で4へ戻り、“光あり”時の動作を行なう。40 ：結果データが24〜28によつてデータメモリ
（MSDEからMSDE＋Ｘ−１）に入つているが、こ
のデータからデータの振幅を求めメモリM3へ
書き込む。なお、データの振幅の求め方は、デ
ータの最大値と最小値との差を求めることによ
る。41 ：次の計算を行ないその結果をメモリM2に書
き込む。
所定の振幅値EO／メモリM3の内容（振幅値
）・メモリM2の内容（前回のパルス幅） したがつて、この時点でメモリM2の内容
（発光パルス幅）は新しい値に書き改められる。42 ：メモリM3の内容（振幅値）が所定レベルの
上限（EO-2）と所定レベルの下限（EO-1）との
間に入つているか否か判定する。EO-2とEO-1は
振幅変動の許容値として予め定められた値であ
る。判定の結果、“NO”の場合には4へ戻り、
4〜42の動作（但し、“光あり”の状態）をく
り返す。“YES”の場合には43へ移行する。43 ：CCD４のインデツクスビツトIo（第３図参
照）に相当するメモリからスレツシヨルドレベ
ルに較べて大か小かを判定しながら、次々にス
キヤンし、白（大）が３つ以上続くところの最
初の白ビツトをマーカビツトIn（第３図参照）
と判断し、それまでのビツト数を数える。第３
図の場合はビツト数５となる。この値をメモリ
M8へ書き込む。44 ：マーカビツトInから数えて定められたビツ
ト、つまりアドレス部に対応するビツトが白か
どうかを確認し、スケール１のブロツク番号を
求めてメモリM9へ書き込む。45 ：ブロツクのビツト数をCCD４のフオトエレ
メント部の素子数でNSとし、素子ピツチをｍ
として基準点からの距離Ｅを Ｅ＝ｍ（NSM9−M8） として算出し表示メモリに書き込む。但しM9、
M8はメモリM9およびM8の内容である。以上
の動作によつて表示器８にＥが表示される。
なお、上述した実施例においては照射光のパル
ス幅を制御しているが、前述の如く照射光の利
得、つまり光強度を制御してもよい。また、スケ
ール１としては説明の便宜上第３図に示したもの
を用いたが、これに限られるものではない。例え
ば、ブロツクのアドレス情報を２進化10進コード
やグレーコードで符合化してもよく、又、符合化
の際に冗長性を付加し、（例えばパリテイビツト
等）ブロツクアドレス情報読み取りの際の誤まり
検出・訂正を行なえる様にしてもよいし、又、光
の「明」・「暗」による２値化だけでなく、中間の
レベルも利用し、多しきい値による３進、４進等
による符合化により、記録密度を上げる事もでき
る。
また、実施例による説明では光源とCCDを固
定としスケールを移動させているが、その逆に、
スケール固定・光源、CCDを移動させる様な構
成も可能であり、スケールのパターンのCCD上
への投影には、透過像でなく反射像によるもので
もよく、本発明の主旨を変更しない範囲で種々の
変形例を達成する事が可能である。また、パルス
P1を得る手段としてマイクロコンピユータ６に
内蔵された発振器の出力をコンピユータ内の分周
器を使つて分周して得るようにしているが、分周
器は外部へ設けてもよい。同様に発振器も別のも
のを使用してもよい。さらに、たとえばＡ／Ｄ変
換器２４のＡ／Ｄ変換終了AEが“０”になる毎
に１個のパルスを発生するパルス発生器を設け、
この発生器の出力パルスをパルスP2として用い
てもよい。また、CCD４の全ビツトを測定用と
して用いるときには部分から走査が省略されるこ
とは勿論である。また、上述した実施例は、本発
明装置を使つて長さを測定する例であるが、角度
の測定も行えることは勿論である。
以上詳述したように本発明装置ではセンサとし
てCCDで代表される蓄積効果形センサを用いる
とともにこのセンサからデータを読み出すに際
し、少なくとも読み出し開始以前に、読み出し時
の駆動周波数より高い駆動周波数でいわゆる“か
ら走査”を行ない、その後にデータを読み出すよ
うにしている。したがつて、前述の如く、暗電流
の蓄積に伴なつてデータに現われる基準レベル変
動分を小さな値に抑えることができ、上記変動分
によつて測定値に誤差分が入り込むのを抑制する
ことができる。また、“から走査”のときにはデ
ータ読み出し時より高い駆動周波数で駆動し、デ
ータ読み出し時には低い駆動周波数で駆動してい
るので、上述の如く基準レベル変動分を小さな値
に抑えることができるとともにデータ処理や制御
を比較的低速のハードウエアやマイクロコンピユ
ータによつて行なうことができ、装置全体の低価
格化を図ることができる。また、本発明装置では
データを処理するに際し、“光ありデータ”から
“光なしデータ”を減じたデータを使つて処理す
るようにしているので、温度によつて変動する上
述した基準レベル変動分や各ビツト出力のばらつ
き分を除去することができ、これによつて信号処
理系の動作を確実なものにでき、測定精度の向上
化を図ることができる。また、本発明装置では、
照射光をパルス的な光とし、かつ出力振幅が一定
化するようにパルス幅あるいは発光利得を制御す
るようにしているのでスケールと蓄積効果形セン
サとの間の相対移動速度が大きい場合であつても
何ら支障なく測定でき、しかも光源の光量変化や
透過特性の変化も補償できるので、データ処理系
に安定した動作を行なわせることができ、使用自
由度の拡大化と信頼性の向上化とを図ることがで
きる。
【図面の簡単な説明】
第１図は蓄積効果形センサと明暗パターンをも
つたスケールとを組合せたときの配置の一例を示
す図、第２図は第１図に示す配置のとき蓄積効果
形センサを走査したときの各部波形図、第３図は
蓄積効果形センサと明暗パターンをもつたスケー
ルとを組合せて長さを測定するときの両者の関係
の一例を説明するための図、第４図は上記スケー
ルと上記センサとを使つて長さ測定を行なつたと
きの問題点を説明するための波形図、第５図から
第１０図は本発明の原理を説明するための波形
図、第１１図は本発明の一実施例に係る装置の構
成説明図、第１２図および第１３図は同装置の動
作を説明するための流れ線図である。 １……スケール、２……光源、３……レンズ
系、４……CCD、５……パルス制御回路、６…
…マイクロコンピユータ、７……アナログ処理回
路、８……表示器。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 長さもしくは角度情報が明、暗パターンの配
    列で記録されたスケールと、このスケールをパル
    ス的な光で照明して上記スケールから前記情報を
    送り出す照明手段と、前記スケールから送り出さ
    れた情報を電荷に変換して蓄積する複数の素子で
    構成されたフオトエレメント部および上記フオト
    エレメント部に対応して設けられ上記フオトエレ
    メント部の各素子に蓄積された電荷を同時に記憶
    し得るレジスタ部からなる蓄積効果形センサと、
    この蓄積効果形センサの前記フオトエレメント部
    から前記レジスタ部への電荷移送制御および上記
    レジスタ部からデータの読み出すためのデータ読
    み出し走査を行なうとともにデータ読み出し時に
    は少なくともデータ読み出し開始以前に上記レジ
    スタ部の全部をデータ読み出し走査周波数より高
    い走査周波数で“から走査”するセンサ駆動手段
    と、前記照明手段によつて照明されたときの読み
    出しデータから照明されないときの読み出しデー
    タを減じる手段と、この手段を経て得られたデー
    タを演算処理し出力する手段とを具備してなるこ
    とを特徴とする測長もしくは測角用装置。 ２ 前記スケールは、長手方向もしくは同方向へ
    複数のブロツクに区分され、各ブロツクにマーカ
    情報パターンとこのマーカ情報パターンの絶対ア
    ドレス情報を表わす複数個の絶対アドレスパター
    ンとが形成されたものであることを特徴とする特
    許請求の範囲第１項記載の測長もしくは測角用装
    置。 ３ 前記照明手段は、前回のデータ振幅をEAと
    し、前回の発光パルス幅をTLAとし、予め設定さ
    れた振幅をEOとしたとき、次回の発光パルス幅
    TLBを TLB＝EO／EA・TLA として制御するものであることを特徴とする特許
    請求の範囲第１項記載の測長もしくは測角用装
    置。 ４ 前記照明手段は、前回のデータ振幅をEAと
    し、前回の発光制御利得をVAとし、予め設定さ
    れた振幅をEOとしたとき、次回の発光制御利得
    VBを VB＝EO／EA・VA として制御するものであることを特徴とする特許
    請求の範囲第１項記載の測長もしくは測角用装
    置。 ５ 前記照明手段は、発光ダイオードと、この発
    光ダイオードから出た光を平行光にするレンズ系
    とを備えてなることを特徴とする特許請求の範囲
    第１、３、４項のいずれか１つの項に記載の測長
    もしくは測角用装置。 ６ 前記センサ駆動手段は、データ読み出し以前
    に前記レジスタ部の全部を複数回“から走査”す
    るものであることを特徴とする特許請求の範囲第
    １項記載の測長もしくは測角用装置。 ７ 前記センサ駆動手段は、必要読み出しデータ
    以外のデータを送出する前記レジスタ部の部分を
    “から走査”するものであることを特徴とする特
    許請求の範囲第１項または第６項に記載の測長も
    しくは測角用装置。 ８ 前記センサ駆動手段は、“から走査”とデー
    タ読み出し走査とを所定のタイミングで行なうパ
    ルス制御回路を備えてなることを特徴とする特許
    請求の範囲第１、６、７項のいずれか１項に記載
    の測長もしくは測角用装置。 ９ 前記データを減じる手段は、読み出されたデ
    ータをデジタル信号に変換するアナログ−デジタ
    ル変換器を備えてなることを特徴とする特許請求
    の範囲第１項記載の測長もしくは測角用装置。 １０ 前記データを減じる手段は、データ減算用
    差動増幅器を備えてなることを特徴とする特許請
    求の範囲第１項または第９項記載の測長もしくは
    測角用装置。
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