WO2008056546A1 - Codeur absolu - Google Patents
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- 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
- G01D5/26—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 characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
- G01D5/32—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 characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
- G01D5/34—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 characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
- G01D5/347—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 characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells using displacement encoding scales
- G01D5/34776—Absolute encoders with analogue or digital scales
- G01D5/34784—Absolute encoders with analogue or digital scales with only analogue scales or both analogue and incremental scales
Definitions
- the present invention relates to an absolute encoder, and more particularly to an absolute encoder that measures the displacement of a moving object.
- a conventional absolute encoder has a code plate (scale) in which two tracks each having an absolute pattern and an incremental pattern are provided substantially in parallel, and both tracks facing the code plate. And a detector capable of relative movement in the longitudinal direction (Patent Document 1). Then, from the two detection signals obtained by scanning each of the absolute pattern and incremental pattern, the positional relationship (absolute position) between the code plate and the detector is presented, for example, in j-adic number (j scale). To do.
- the measurement range is determined by the product of the resolution per bit (the length of one scale) and the bit length j (j base). Therefore, in order to expand the measurement range, it is necessary to reduce the resolution per bit (increase the length of one scale) or increase the bit length j.
- Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 2-168115
- the present invention has been made under the circumstances described above, and is an absolute encoder that measures absolute position information in a uniaxial direction, and includes a first absolute pattern force having a predetermined period in the uniaxial direction, A plurality of first tracks arranged in a uniaxial direction and a second absolute pattern having a period that is not an integral multiple of the predetermined period with respect to the uniaxial direction.
- Truck An absolute encoder comprising: a sign plate having a light receiver; and a light receiver that receives light via the sign plate.
- FIG. 1 is a schematic diagram showing an absolute encoder according to an embodiment.
- FIG. 2 is a diagram for explaining a first signal processing unit 30 in FIG.
- FIG. 3 is a diagram for explaining a second signal processing unit 130 in FIG. 1.
- FIG. 4 is a diagram showing a relationship between an output waveform of each comparator and a final output signal in the first signal processing unit 30.
- FIG. 5 (A) is a diagram schematically showing the entire scale 11
- FIG. 5 (B) is a diagram showing an output result using the scale 11 in FIG. 5 (A).
- FIG. 6 is a table showing the calculation result of absolute position (ABS) on scale 11.
- FIG. 1 shows the overall configuration of an optical encoder (absolute encoder) 10 of the present embodiment.
- the optical encoder 10 includes a scale (symbol plate) 11, a detection unit 20, a signal processing system 40, and a force.
- the scale 11 is made of a transparent substrate, and an opaque portion and a transparent portion are formed on the surface thereof by, for example, depositing metal.
- the scale 11 is formed with four tracks with a predetermined interval in the Y-axis direction and the longitudinal direction in the X-axis direction. Specifically, the first track 13 having the first absolute pattern is on the most + Y side, and the second track 15 having the first incremental pattern is on the one Y side. In addition, a third track 113 having a second absolute pattern is formed, and a fourth track 115 having a second incremental pattern is further formed on one side (most Y side). It is.
- the first absolute pattern of the first track 13 is divided into 16 minimum reading unit patterns (hereinafter referred to as “first unit patterns”) within the width (cycle) Ha and the number of scales is divided.
- first unit patterns 16 minimum reading unit patterns
- This is a 4-bit absolute code of 16 and has a pattern of “00001011001111 01” called IJ.
- the width Ha of the first track 13 from the X side to the + X side, four consecutive “0” bits by the transparent part, one “1” bit by the opaque part, and one “1” by the transparent part '0' bit, two consecutive '1' bits with opaque parts, two consecutive '0' bits with transparent parts, four consecutive '1' bits with opaque parts, one '0' bit with transparent parts
- One “1” bit pattern is formed by the opaque part.
- the width of 1 bit is 1 ⁇ 0 [mm]
- the width Ha is, for example, 16 [mm].
- the total length of the pattern portion of the first track 13 (the total length in the X-axis direction) is 80 [mm].
- the first incremental pattern of the second track 15 is a pattern in which the width Ha is equally divided into 32 and each divided region is alternately repeated with an opaque portion and a transparent portion.
- the first incremental pattern is arranged with a predetermined phase difference (a phase difference corresponding to 1/4 of the width in the X-axis direction of the first unit pattern described above) with respect to the first absolute pattern.
- a predetermined phase difference a phase difference corresponding to 1/4 of the width in the X-axis direction of the first unit pattern described above
- the width of the opaque part and the transparent part in the X-axis direction is 0.5 [111111]
- the phase difference is 0.25 [mm].
- the second absolute pattern of the third track 113 has a different 1-bit width compared to the above-mentioned first absolute pattern.
- the second absolute pattern is a 4-bit pattern in which the width Hb (> Ha) is divided into 16 minimum reading unit patterns (hereinafter referred to as “second unit pattern”) and the number of scales is 16.
- This is an absolute code, and has the same pattern as the first absolute pattern, with the entire layout IJ “0000101100111101”.
- the width of 1 bit is 1 ⁇ 25 [mm]
- the width Hb is, for example, 20 It is assumed that [mm].
- a pattern with this arrangement as one period is arranged for four periods (B0 to B3) as shown in FIG.
- the total length of the pattern portion of the third track 13 (the total length in the X-axis direction) is 80 [mm] ⁇ as with the first track 13.
- the second incremental pattern of the fourth track 115 is a pattern in which the width Hb is equally divided into 32 and each divided region is alternately repeated into an opaque portion and a transparent portion.
- the width of the opaque part and the transparent part in the X-axis direction is 0.625 [mm].
- This second incremental pattern is arranged with a phase difference corresponding to 1/4 of the width in the X-axis direction of the above-mentioned second unit pattern with respect to the above-mentioned second absolute pattern! /, The
- the detector 20 includes a first absolute signal detector 29, a first incremental signal detector 25 comprising a single photodiode, a second absolute signal detector 129, A second incremental signal detector 125 comprising a single photodiode.
- the first absolute signal detector 29 includes eight photodiodes 21a, 21b, 22a, 22b, 23a, 23b, 24a, and 24b that constitute a photodiode array.
- the second absolute signal detector 129 includes eight photodiodes 121a, 121b, 122a, 122b, 123a, 123b, 124a, and 124b that constitute a photodiode array.
- the detector 20 is disposed on the Z side of the scale 11, for example.
- the scale 11 When the scale 11 is irradiated with light from the + Z side and receives light transmitted through the transparent portion of the scale 11, the signal "0" ”Is output to the signal processing system 40, and is shielded by the opaque portion of the scale 11.
- “ 1 ” When no light is received,“ 1 ”is output to the signal processing system 40.
- the signal processing system 40 converts the signal from the detection unit 20 into the absolute position of the scale 11 with the detection unit 20 as a reference.
- the signal processing system 40 includes a first signal processing unit 30, a second signal processing unit 130, and a calculation unit 50.
- the first signal processing unit 30 has a circuit as shown in FIG. That is, the first signal processing unit 30 includes eight amplifiers 31a, 31b, 32a, 32b, 33a, 33b, 34a, and 34b that amplify outputs from the eight photodiodes 21a to 24b, respectively, Output Comparators 41a, 41b, 42a, 42b, 43a, 43b, 44a, 44b, and ⁇ -state buffer circuits 51a, 51b, 52a, 52b, 53a , 53b, 54a, 54b.
- the amplifier 35 includes an amplifier 35 that amplifies the output from the first incremental signal detector 25, and a comparator 45 that shapes the signal output from the amplifier 35 into a square wave and outputs a binary signal. Yes.
- the output from the comparator 45 is input to the tristate buffer circuits 51a to 54b.
- the tristate buffer circuits 51a, 52a, 53a, 54a Based on the detection signals from Todai Taiga 21a, 22a, 23a, and 24a, output Noreless IJ (Noreless Ij7 la, 72a, 73a, 74a) to output terminals 61, 62, 63, and 64
- the tristate buffer circuit 51b, 52b, 53b, 54b force Nores ⁇ IJ (nores ⁇ lj71b, 72b, 72b, based on the detection signals from the photodiodes 21b, 22b, 23b, 24b, 73b, 74b) are output to output terminals 61, 62, 63, 64.
- FIG. 4 shows the relationship between the output waveform of each comparator and the final output signal in the first signal processing unit 30.
- the sensor selection signal (a or b) is “a” when the output from the comparator 45 (binary signal 75 (see FIG. 2)) is low, and when the binary signal 75 is high.
- the sensor selection signal is “a” when “b” is output and the sensor selection signal is “a”, a pulse train is generated by the detection output of the photodiodes 21a, 22a, 23a, and 24a output from the comparators 41a, 42a, 43a, and 44a. 71a, 72a, 73a, and 74a are selected as final outputs.
- the sensor selection signal is “b”
- the pulse trains 71b, 42b, 43b, 44b and the pulse train 71b, 72b, 73b, and 74b are selected as final outputs.
- the output of the pulse train 71a (or 71b) is multiplied by 2 1
- the output of the pulse train 71a (or 71b) is multiplied by 2 °
- the sum (hexadecimal) of each value is sent to the computing unit 50.
- the numbers “15, 7, 11” are not arranged in ascending order (or descending order), but they are replaced (converted) with a sequence of “0-15” as shown in Fig. 4.
- the scale 11 is provided with a scale of 16 equal parts capable of measuring an absolute position within the width (period) Ha of the scale 11 (see FIG. 1). Can do.
- the second signal processing unit 130 has the same configuration as the first signal processing unit 30 described above. That is, the second signal processing unit 130 includes eight amplifiers 131a to 134b, eight comparators 141a to 144b, and eight tri-state buffer circuits 151a connected to eight photodiodes 121a to 124b. ⁇ 154b, an amplifier 135 connected to the second incremental signal detector 125, and a comparator 145.
- the first absolute pattern has five periods (A0 to A4) along the X axis.
- the second absolute pattern is arranged along the X axis for four periods (B0 to B3)! /,
- the power, et al., Scale 11 has a scale as shown in Fig. 5 (B). It has the same function as that of the shake.
- the first signal processing unit 30 and the second signal processing unit 130 provide a value power calculation unit of “4, 0”. Output for 50. Further, for example, when the detector 20 exists immediately below the point E, the first signal processing unit 30 and the second signal processing unit 130 give a value of “7, 12” to the calculation unit 50. Is output. [0029] Using these outputs (referred to as "A, B"), the computing unit 50 first calculates "B section number” N by the following equation (1).
- B section number is a number indicating which range of the detector 20 is in the periods BO, Bl, B2, and B3, and N is one of 0, 1, 2, and 3 It is a number.
- N int (A (-) int (B X 5/4)) / 4
- N int (7 (-) int (12 X 5/4
- the calculation unit 50 calculates the absolute position (ABS) on the scale 11 by the following equation (2) using the B section number N calculated as described above.
- ABS N X 16 + B (2)
- FIG. 6 shows a table summarizing the absolute position (ABS) on the scale 11 calculated using the above equations (1) and (2).
- absolute positions (ABS) are arranged in order from 0 to 63 on the scale 11.
- bit width (1.25 [mm]) is substantially the same as the 1-bit width of the second absolute pattern, and the bit length is It can be considered that 64 absolute patterns are formed.
- the measurement range is 80 [mm] which is the least common multiple of width ⁇ 1 ⁇ 2 (16 [111111]) and width ⁇ 3 ⁇ 4 (20 [111111]). It is possible to measure at a resolution of 1 ⁇ 25 [mm] within the interval.
- the absolute position information output from the first signal processing unit 30 using the first absolute pattern using the calculation unit 50 force A second having a period that is not an integral multiple of the period of the first absolute pattern.
- new absolute position information is calculated using the absolute position information output from the second signal processing unit 130. Therefore, since the calculation unit 50 can calculate new absolute positions by the number of combinations of the absolute position information without reducing the resolution, measurement can be performed compared to the case of using any absolute position information as it is. The range can be expanded.
- the width (cycle) of the first absolute pattern and the second absolute pattern is set to 16 [mm] and 20 [mm]
- the period of the first absolute pattern is not an integer multiple or (1 / integer) multiple of the period of the second absolute pattern
- various periods are adopted.
- the measurement range is the least common multiple of the period of the first absolute pattern and the period of the second absolute pattern
- the measurement range increases as the least common multiple increases (for example, the difference between the periods decreases).
- the period of the first absolute pattern is 16 [mm] and the period of the second absolute pattern is 17 [mm]
- measurement within a maximum range of 272 [mm] is possible.
- the absolute position measurement can be performed with high accuracy without being affected by the inclination of the detection unit 20. Can be performed.
- the force described in the case where two absolute pattern forces having different periods are provided on the scale 11 is not limited to this.
- Three or more absolute patterns may be provided on the kale. In this case, it is necessary that the period between the absolute patterns does not have an integer multiple or (1 / integer) multiple relationship.
- the force described in the case where the incremental pattern is provided on the scale 11 corresponding to each of the absolute patterns is not limited to this.
- the resolution of the incremental pattern is the first resolution.
- the first and second absolute patterns are not limited to the use of 4-bit absolute patterns, and absolute patterns having other numbers of bits are used. good.
- the expressions (1) and (2) shown in the above embodiment are examples, and the absolute position may be calculated using a calculation expression different from these. Of course, it is also possible to calculate the absolute position directly without calculating the B section number. Further, in the above-described embodiment, a new absolute position (with the same resolution as the resolution of the second absolute pattern out of the first absolute pattern and the second absolute pattern using the equations (1) and (2) ( Force explained for measuring ABS) Not limited to this, it is good to adopt a formula that can measure a new absolute position with the same resolution as the resolution of the first absolute pattern .
- the present invention is not limited to this.
- the present invention can also be applied to a rotary encoder.
- the present invention is applied to a transmissive encoder that receives light transmitted through the transparent portion of the scale 11.
- the present invention is not limited to this.
- the present invention may be applied to a reflective encoder that uses a scale in which a reflective portion and a non-reflective portion are periodically arranged and receives light reflected from the reflective portion. Is possible. It is also possible to apply the present invention to an interference encoder that uses a diffraction grating as a scale. is there.
- the absolute encoder of the present invention is suitable for measuring the displacement of a moving object.
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Description
明 細 書
アブソリュートエンコーダ
技術分野
[0001] 本発明はアブソリュートエンコーダに係り、更に詳しくは、移動する物体の変位を計 測するアブソリュートエンコーダに関する。
背景技術
[0002] 従来のアブソリユートエンコーダは、アブソリユートパターンとインクリメンタルパター ンのそれぞれを有する 2つのトラックが略平行に設けられた符号板 (スケール)と、この 符号板に対向して両トラックの長手方向に相対移動可能な検出器と、を備えている( 特許文献 1)。そして、アブソリュートパターンとインクリメンタルパターンのそれぞれを 走査することによって得られる 2つの検出信号より、符号板と検出器との位置関係(絶 対的な位置)を、例えば j進数 (j目盛り)で、提示する。
[0003] この種のアブソリュートエンコーダでは、その計測範囲は、 1ビット当たりの分解能(1 目盛りの長さ)とビット長 j (j進数)の積で決まる。そのため、計測範囲を拡げるために は、 1ビット当たりの分解能を下げる(1目盛りの長さを長くする)、あるいはビット長 jを 大きくとる必要がある。
[0004] しかし、分解能を下げると高精度な計測ができなくなる。また、ビット長 jを大きくとる と、検出器に設けられる受光素子の構成及びそれらの検出信号を処理するための電 子回路が複雑になり、ひいては検出器の大型化、複雑化を招くおそれがある。
[0005] 特許文献 1:特開平 2— 168115号公報
発明の開示
課題を解決するための手段
[0006] 本発明は、上述した事情の下になされたものであり、一軸方向に関する絶対位置 情報を計測するアブソリュートエンコーダであって、前記一軸方向に関して所定周期 を有する第 1のアブソリュートパターン力、前記一軸方向に沿って複数配列された第 1のトラックと、前記一軸方向に関して、前記所定周期の整数倍でない周期を有する 第 2のアブソリュートパターンが、前記一軸方向に沿って複数配列された第 2のトラッ
クと、を有する符号板と;前記符号板を介した光を受光する受光器と;を備えるアブソ リュートエンコーダである。
[0007] これによれば、第 1のアブソリュートパターンを介した光を受光器で受光するとともに 、第 2のアブソリュートパターンを介した光を受光器で受光するので、符号板と検出器 との位置関係についての、 2つの受光結果が得られる。これらの受光結果を組み合 わせて位置関係を算出することにより、計測範囲を拡げることが可能になる。
図面の簡単な説明
[0008] [図 1]一実施形態に係るアブソリュートエンコーダを示す概略図である。
[図 2]図 1の第 1の信号処理部 30を説明するための図である。
[図 3]図 1の第 2の信号処理部 130を説明するための図である。
[図 4]第 1の信号処理部 30における各コンパレータの出力波形と最終出力信号との 関係を示す図である。
[図 5]図 5 (A)は、スケール 11の全体を概略的に示す図であり、図 5 (B)は、図 5 (A) のスケール 11を用いた出力結果を示す図である。
[図 6]スケール 11上における絶対位置 (ABS)の計算結果を示す表である。
発明を実施するための最良の形態
[0009] 以下、本発明の一実施形態について、図 1〜図 6に基づいて説明する。図 1には、 本実施形態の光学式エンコーダ(アブソリュートエンコーダ) 10の全体構成が示され ている。
[0010] 光学式エンコーダ 10は、スケール (符号板) 11と、検出部 20と、信号処理系 40と、 力、ら構成される。
[0011] スケール 11は、透明基板からなり、その表面には、例えば金属を蒸着することによ つて、不透明部分と透明部分とが形成されている。このスケール 11には、 Y軸方向に 所定間隔をあけて、 X軸方向を長手方向とする 4つのトラックが形成されている。具体 的には、その最も + Y側に、第 1のアブソリュートパターンを有する第 1のトラック 13が 、その一 Y側に、第 1のインクリメンタルパターンを有する第 2のトラック 15が、その一 Y側に、第 2のアブソリュートパターンを有する第 3のトラック 113が、更にその一 ¥側( 最も一 Y側)に、第 2のインクリメンタルパターンを有する第 4のトラック 115が、形成さ
れている。
[0012] 第 1のトラック 13の第 1のアブソリュートパターンは、幅(周期) Ha内を 16の最小読 み取り単位パターン(以下、「第 1単位パターン」と呼ぶ)で分割して目盛り数を 16とし た 4ビットのアブソリユートコードで り、全酉己置酉己歹 IJと呼ばれる「00001011001111 01」のパターンを有するものである。すなわち、第 1のトラック 13の幅 Ha内には、 X 側から + X側にかけて、透明部分による連続した 4つの「0」ビット、不透明部分による 1つの「1」ビット、透明部分による 1つの「0」ビット、不透明部分による連続した 2つの「 1」ビット、透明部分による連続した 2つの「0」ビット、不透明部分による連続した 4つ の「1」ビット、透明部分による 1つの「0」ビット、不透明部分による 1つの「1」ビットのパ ターンが形成されている。なお、本実施形態では、例えば、 1ビットの幅 (X軸方向に 関する幅)は 1 · 0〔mm〕であるものとし、幅 Haは、例えば 16〔mm〕であるものとする。 また、第 1のトラック 13上には、スケール 11全体を示す図 5 (A)から分かるように、上 記配列を 1周期としたパターンが 5周期分 (A0〜A4)だけ配列されて!/、る。従って、 本実施形態では、第 1のトラック 13のパターン部分の全長 (X軸方向に関する全長) は、 80〔mm〕となっている。
[0013] 図 1に戻り、第 2のトラック 15の第 1のインクリメンタルパターンは、幅 Haを 32等分し て、各分割領域を不透明部分と透明部分とで交互に繰り返したパターンである。この 第 1のインクリメンタルパターンは、第 1のアブソリュートパターンに対して、所定の位 相差 (前述した第 1単位パターンの X軸方向に関する幅の 1/4に相当する位相差) をつけて配置されている。なお、本実施形態では、不透明部分及び透明部分の X軸 方向に関する幅は 0. 5〔111111〕でぁり、位相差は0. 25〔mm〕であるものとする。
[0014] 第 3のトラック 113の第 2のアブソリユートパターンは、前述した第 1のアブソリユート ノ ターンと比較して、 1ビットの幅は異なる力 その配列などに関してはほぼ同一とさ れている。すなわち、第 2のアブソリユートパターンは、幅 Hb (〉Ha)内を 16の最小 読み取り単位パターン(以下、「第 2単位パターン」と呼ぶ)で分割して目盛り数を 16と した 4ビットのアブソリュートコードであり、第 1のアブソリュートパターンと同様、全配置 酉己歹 IJ「0000101100111101」のノ ターンを有するものである。本実施形態では、 1 ビットの幅(X軸方向に関する幅)が 1 · 25〔mm〕であるものとし、幅 Hbが、例えば 20
〔mm〕であるものとする。本実施形態では、第 3のトラック 113上には、この配列を 1周 期としたパターンが図 5 (A)に示されるように 4周期分(B0〜B3)配列されて!/、るため 、第 3のトラック 13のパターン部分の全長 (X軸方向に関する全長)は、第 1のトラック 1 3と同様、 80〔mm〕<^なっている。
[0015] 図 1に戻り、第 4のトラック 115の第 2のインクリメンタルパターンは、幅 Hbを 32等分 して、各分割領域を不透明部分と透明部分とに交互に繰り返したパターンである。な お、本実施形態では、不透明部分及び透明部分の X軸方向に関する幅は、 0. 625〔 mm〕であるものとする。この第 2のインクリメンタルパターンは、前述した第 2のアブソ リュートパターンに対して、前述した第 2単位パターンの X軸方向に関する幅の 1/4 に相当する位相差をつけて配置されて!/、る。
[0016] 検出部 20は、第 1のアブソリュート信号用検出器 29と、単一のフォトダイオードから 成る第 1のインクリメンタル信号用検出器 25と、第 2のアブソリュート信号用検出器 12 9と、単一のフォトダイオードから成る第 2のインクリメンタル信号用検出器 125と、を 含んでいる。
[0017] 第 1のアブソリュート信号用検出器 29は、フォトダイオードアレイを構成する 8つのフ ォ卜ダイオード、 21a, 21b, 22a, 22b, 23a, 23b, 24a, 24bを含んでいる。また、第 2 のアブソリユート信号用検出器 129は、フォトダイオードアレイを構成する 8つのフォト ダイオード 121a, 121b, 122a, 122b, 123a, 123b, 124a, 124bを含んでいる。
[0018] この検出器 20は、例えば、スケール 11の Z側に配置されており、スケール 11に + Z側から光が照射され、スケール 11の透明部分を透過した光を受光したときには 信号「0」を信号処理系 40に出力し、スケール 11の不透明部分で遮光され、光を受 光しなかったときには信号処理系 40に「1」を出力するものとする。
[0019] 信号処理系 40は、上記の検出部 20からの信号を、検出部 20を基準とするスケー ル 11の絶対位置に変換する。ここで、信号処理系 40は、第 1の信号処理部 30、第 2 の信号処理部 130、演算部 50を含んでいる。
[0020] 第 1の信号処理部 30は、図 2に示されるような回路を有している。すなわち、第 1の 信号処理部 30は、 8つのフォトダイオード 21a〜24bからの出力をそれぞれ増幅する 8つの増幅器 31a, 31b, 32a, 32b, 33a, 33b, 34a, 34bと、各増幅器力、ら出力さ
れた信号を波型整形して矩形波信号からなるパルス列を形成するコンパレータ 41a, 41b, 42a, 42b, 43a, 43b, 44a, 44bと、卜ライステートノ ッファ回路 51a, 51b, 52 a, 52b, 53a, 53b, 54a, 54bとを含んでいる。また、第 1のインクリメンタノレ信号用検 出器 25からの出力を増幅する増幅器 35と、増幅器 35から出力された信号を方形波 に整形し、二値信号を出力するコンパレータ 45とを含んでいる。このコンパレータ 45 からの出力は、トライステートバッファ回路 51a〜54bに入力するようになっている。
[0021] このように構成される第 1の信号処理部 30では、コンパレータ 45からの出力(二値 信号)が低レベルの場合には、トライステートバッファ回路 51a, 52a, 53a, 54aが、 フ才トダイ才ード 21a, 22a, 23a, 24aによる検出信号に基づくノ ノレス歹 IJ (ノ ノレス歹 Ij7 la, 72a, 73a, 74a)を出力端子 61, 62, 63, 64に出力し、出力(二値信号)が高レ ベルの場合にはトライステートバッファ回路 51b, 52b, 53b, 54b力 フォトダイォー ド 21b, 22b, 23b, 24bによる検出信号に基づくノ ノレス歹 IJ (ノ ノレス歹 lj71b, 72b, 73b , 74b)を出力端子 61, 62, 63, 64に出力する。
[0022] これについて、図 4に基づいて、具体的に説明する。図 4には、第 1の信号処理部 3 0における各コンパレータの出力波形と最終出力信号との関係が示されている。この うち、センサ選択信号 (a又は b)は、コンパレータ 45からの出力(二値信号 75 (図 2参 照))が低レベルのときに「a」、二値信号 75が高レベルのときに「b」を出力するものと されており、センサ選択信号が「a」のときには、コンパレータ 41a, 42a, 43a, 44a力、 ら出力されるフォトダイオード 21a, 22a, 23a, 24aの検出出力によるパルス列 71a, 72a, 73a, 74aが最終出力として選択される。逆に、センサ選択信号が「b」のときに は、コンノ レータ 41b, 42b, 43b, 44b力、ら出力されるフォトダイ才ード 21b, 22b, 2 3b, 24bの検出出力によるパルス列 71b, 72b, 73b, 74bが最終出力として選択さ れる。
[0023] そして、第 1の信号処理部 30では、これら最終出力のうち、パルス列 71a (又は 71b )の出力には 23を掛け、パルス列 72a (又は 72b)の出力には 22を掛け、ノ ルス列 71a (又は 71b)の出力には 21を掛け、パルス列 71a (又は 71b)の出力には 2°を掛け、各 値の和(16進数)を、演算部 50に送る。
[0024] なお、図 4におレヽて (ま、最終信号力 5, 2, 1, 0, 8, 4, 10, 13, 6, 3, 9, 12, 14,
15, 7, 11」と数字が昇順(又は降順)に並んでいないが、これを図 4に示されるように 「0〜 15」の数列に置き換える(変換する)こととする。すなわち、本実施形態では、ス ケール 11の幅 (周期) Ha (図 1参照)内に、絶対的な位置を計測することが可能な 16 等分の目盛りが備えられていると看做すことができる。
[0025] 第 2の信号処理部 130は、図 3に示されるように、前述した第 1の信号処理部 30と 同様の構成となっている。すなわち、第 2の信号処理部 130は、 8つのフォトダイォー ド 121a〜; 124bに接続された 8つの増幅器 131 a〜; 134bと、 8つのコンノ レータ 141 a〜144bと、 8つのトライステートバッファ回路 151a〜154bと、第 2のインクリメンタル 信号用検出器 125に接続された増幅器 135と、コンパレータ 145と、を含んでいる。
[0026] このように構成される第 2の信号処理部 130では、第 1の信号処理部 30と同様に、 コンパレータ 145からの出力(二値信号)が低レベルの場合には、トライステートバッ ファ回路 151a, 152a, 153a, 154a力 S、フォトダイオード 121a, 122a, 123a, 124a による検出信号に基づくノ ノレス歹 IJ (ノ ノレス歹 IJ l 71a, 172a, 173a, 174a)を出力端 子 161 , 162, 163, 164に出力し、出力(二値信号)が高レベルの場合にはトライス テートノ ッファ回路 151b, 152b, 153b, 154b力 フ才トダイオード 121b, 122b, 1 23b, 124bによる検出信号に基づくノ ノレス歹 IJ (ノ ノレス歹 lJ171b, 172b, 173b, 174b )を出力端子 161 , 162, 163, 164に出力する。従って、各コンパレータの出力波形 と最終出力信号との関係は、図 4と同様となる。すなわち、幅 Hb (図 1参照)の間に絶 対的な位置を計測することが可能な 16等分の目盛りが備えられていると看做すこと ができる。
[0027] 前述したように、本実施形態では、スケール 11上に、図 5 (A)に示されるように、第 1のアブソリユートパターンが X軸に沿って 5周期分(A0〜A4)、第 2のアブソリユート パターンが X軸に沿って 4周期分(B0〜B3)配列されて!/、ること力、ら、スケール 11上 には、図 5 (B)に示されるような目盛りが振られたのと同様の機能を有することとなる。
[0028] 従って、例えば、検出器 20が点 Dの直下に存在する場合には、第 1の信号処理部 30と第 2の信号処理部 130とからは「4, 0」という値力 演算部 50に対して出力される 。また、例えば、検出器 20が点 Eの直下に存在する場合には、第 1の信号処理部 30 と第 2の信号処理部 130とからは「7, 12」という値が演算部 50に対して出力される。
[0029] 演算部 50では、これらの出力(「A, B」とする)を用いて、まず、次式(1)により、「B 区間番号」 Nを算出する。ここで、 「B区間番号」とは、検出器 20が周期 BO、 Bl、 B2 、 B3のどの範囲内にあるかを示す番号であり、 Nは、 0, 1 , 2, 3のいずれかの番号で ある。
[0030] N = int (A (-) int (B X 5/4) ) /4
ただし、「int」は整数部分をとる演算子であるものとし、また、「(-)」は 16の補数減算
、すなわち、減算結果が負であった場合に 16を加える演算子であるものとする。
[0031] 従って、例えば、上記点 Dにおける B区間番号 Nは、 N = int (4(-)int (0 X 5/4) ) /
4 = 1となり、例えば、上記点 Eにおける B区間番号 Nは、 N = int (7(-)int (12 X 5/4
) ) /4 = 2となる。
[0032] 次いで、演算部 50では、上記のようにして算出された B区間番号 Nを用いて、スケ ール 11上における絶対位置 (ABS)を次式(2)により、算出する。
[0033] ABS = N X 16 + B …(2)
従って、例えば、上記点 Dにおける絶対位置 (ABS)は、 ABS = 1 X 16 + 0 = 16と なり、例えば、上記点 Eにおける絶対位置(ABS)は、 ABS = 2 X 16 + 12 = 44となる
〇
[0034] 図 6には、上式(1)、 (2)を用いて算出される、スケール 11上における絶対位置 (A BS)を纏めた表が示されている。この図 6から分かるように、本実施形態においては、 スケール 11上に、絶対位置 (ABS)が 0〜63まで順に並ぶこととなる。
[0035] すなわち、本実施形態では、スケール 11上には、実質的に、第 2のアブソリュートパ ターンの 1ビットの幅と同一のビット幅(1. 25〔mm〕)で、かつビット長が 64のアブソリ ユートパターンが形成されていると看做すことができる。
[0036] すなわち、スケーノレ 11によると、計測範囲が幅^½ (16〔111111〕),幅^¾ (20〔111111〕) の最小公倍数である 80〔mm〕であり、その 80〔mm〕の間隔内で分解能 1 · 25 [mm] にて計測することが可能となってレ、る。
[0037] 以上、説明したように、本実施形態のアブソリユートエンコーダ 10によると、演算部 5 0力 第 1のアブソリュートパターンを用いて第 1の信号処理部 30から出力された絶対 位置情報と、第 1のアブソリュートパターンの周期の整数倍でない周期を有する第 2
のアブソリュートパターンを用いて第 2の信号処理部 130から出力された絶対位置情 報とを用いて、新たな絶対位置情報を算出する。従って、演算部 50では、分解能を 下げることなく、それぞれの絶対位置情報の組み合わせの数だけ、新たな絶対位置 を算出することができることから、いずれかの絶対位置情報をそのまま用いる場合に 比べ、計測範囲を拡げることが可能となる。
[0038] なお、上記実施形態では、第 1のアブソリュートパターンと、第 2のアブソリュートパタ 一ンの幅 (周期)を 16〔mm〕と 20 [mm]と設定した場合につ!/、て説明したが、これに 限られるものではなぐ第 1のアブソリュートパターンの周期が第 2のアブソリュートパタ ーンの周期の整数倍、又は(1/整数)倍の関係に無ければ、種々の周期を採用す ること力 Sできる。この場合、計測範囲は、第 1のアブソリュートパターンの周期と第 2の アブソリュートパターンの周期の最小公倍数となるので、最小公倍数が大きくなれば なるほど(例えば、周期の差が小さいほど)計測範囲が伸びる。例えば、第 1のアブソ リュートパターンの周期を 16〔mm〕、第 2のアブソリュートパターンの周期を 17〔mm〕 とすれば、最大 272 [mm]の範囲での計測が可能である。
[0039] ただし、周期の差を小さくした場合、検出部 20の傾きなどで、第 1のアブソリュート パターンと第 2のアブソリュートパターンの検出位置に誤差が生じると、絶対位置を誤 検出するおそれが高まる。すなわち、上記実施形態を用いて説明すると、例えば、実 際には B区間番号 Nが「0」となるはず力 検出部 20の傾きなどにより、誤検出が生じ 、「3」と算出される可能性がある。そこで、このように、誤検出の傾向が分かっている 場合には、該誤検出を低減するために、例えば、第 2のアブソリュートパターンのうち の周期「B3」内のパターンを使用しないこととし、演算部 50における上式(1 )を用い た算出結果が「3」になった場合には、例えば、 B区間番号 Nを必ず「0」に置き換える ように設定しておくこととする。
[0040] このようにすることで、第 1、第 2のアブソリユートパターンの周期の差が小さい場合 であっても、検出部 20の傾きの影響を受けずに、高精度な絶対位置計測を行うこと が可能となる。
[0041] なお、上記実施形態では、スケール 11上に、周期の異なるアブソリユートパターン 力 ¾つ設けられる場合について説明した力 これに限られるものではなぐ例えば、ス
ケール上に 3つ以上のアブソリュートパターンが設けられることとしても良い。この場合 、各アブソリュートパターン同士の周期が整数倍、又は(1/整数)倍の関係にないよ うにする必要がある。
[0042] また、上記実施形態では、スケール 11上に、各アブソリュートパターンのそれぞれ に対応して、インクリメンタルパターンが設けられる場合について説明した力 これに 限られるものではなぐ例えば、インクリメンタルパターンの分解能を第 1のアブソリュ ートパターンの第 1単位パターン及び第 2のアブソリュートパターンの第 2単位パター ンの公約数とする、第 1、第 2アブソリユートパターンそれぞれに共通のインクリメンタ ルパターンを 1つのみ設けることとしても良い。
[0043] なお、上記実施形態では、第 1、第 2のアブソリュートパターンとして、 4ビットのもの を用いることとした力 これに限らず、その他のビット数のアブソリユートパターンを用 いることとしてあ良い。
[0044] なお、上記実施形態で示した、式(1)、 (2)は、例示であって、これらとは異なる計 算式を用いて、絶対位置を算出することとしても良い。勿論、 B区間番号を算出する ことなく、直接絶対位置を算出することとしても良い。また、上記実施形態では、式(1 )、(2)を用いて、第 1のアブソリュートパターンと第 2のアブソリュートパターンのうち、 第 2のアブソリュートパターンの分解能と同一の分解能で新たな絶対位置 (ABS)を 計測する場合について説明した力 これに限らず、第 1のアブソリュートパターンの分 解能と同一の分解能で新たな絶対位置を計測することができるような計算式を採用 することとしてあ良い。
[0045] なお、上記実施形態では、リニアエンコーダに本発明が適用された場合について 説明したが、これに限られるものではなぐ例えば、ロータリエンコーダに本発明を適 用することも可能である。
[0046] なお、上記実施形態では、スケール 11の透明部分を透過した光を受光する透過型 のエンコーダに、本発明を適用した。しかし、それに限らず、例えば、反射部分と非 反射部分とが周期的に配列されたスケールを用い、その反射部分より反射される光 を受光する反射型のエンコーダに、本発明を適用することも可能である。また、回折 格子をスケールとして用いる干渉型のエンコーダに、本発明を適用することも可能で
ある。
産業上の利用可能性
以上説明したように、本発明のアブソリュートエンコーダは、移動する物体の変位を 計測するのに適している。
Claims
[1] 一軸方向に関する絶対位置情報を計測するアブソリュートエンコーダであって、 前記一軸方向に関して所定周期を有する第 1のアブソリュートパターンが、前記一 軸方向に沿って複数配列された第 1のトラックと、前記一軸方向に関して前記所定周 期の整数倍でない周期を有する第 2のアブソリュートパターン力 前記一軸方向に沿 つて複数配列された第 2のトラックと、を有する符号板と;
前記符号板を介した光を受光する受光器と;を備えるアブソリユートエンコーダ。
[2] 請求項 1に記載のアブソリュートエンコーダにお!/、て、
前記第 1のトラックを介した光の受光結果から第 1の絶対位置情報を検出し、前記 第 2のトラックを介した光の受光結果から第 2の絶対位置情報を検出する検出器を更 に備えるアブソリユートエンコーダ。
[3] 請求項 2に記載のアブソリュートエンコーダにおいて、
前記検出器にて検出された前記第 1、第 2の絶対位置情報に基づいて、新たな絶 対位置情報を算出する演算部を更に備えるアブソリユートエンコーダ。
[4] 請求項;!〜 3のいずれか一項に記載のアブソリュートエンコーダにおいて、
前記符号板は、前記第 2のトラックを複数種類有し、
前記各第 2のトラックを構成する第 2のアブソリュートパターンの周期は、互いに整 数倍の関係になレ、アブソリュートエンコーダ。
[5] 請求項;!〜 3のいずれか一項に記載のアブソリュートエンコーダにおいて、
前記符号板は、前記第 2のトラックを 1つ有し、
前記第 1のアブソリュートパターンの周期と、前記第 2のアブソリュートパターンの周 期の比が m : n (m、 nは整数、かつ n≠k'm (ただし、 kは整数))であり、
前記第 1のトラックでは、前記第 1のアブソリュートパターンが前記一軸方向に n個配 列され、前記第 2のトラックでは、前記第 2のアブソリュートパターンが、前記一軸方向 に m個配列されているアブソリユートエンコーダ。
[6] 請求項 5に記載のアブソリュートエンコーダにおいて、
前記演算部は、前記第 1の絶対位置情報と前記第 2の絶対位置情報との関係から 、前記 m個の第 2のアブソリュートパターンのうちのいずれのパターンを用いて計測が
行われているかを特定し、
該特定結果と前記第 2の絶対位置情報とから、新たな絶対位置情報を算出するァ ブソリュートエンコーダ。
[7] 請求項 6に記載のアブソリュートエンコーダにおいて、
前記演算部は、
前記第 2のアブソリュートパターンのうちの少なくとも 1つのパターンを、計測に使用 しなレ、不使用パターンに設定し、
前記特定結果が前記不使用パターンであった場合には、前記不使用パターンとは 異なるパターンが特定されたものと読み替えるアブソリユートエンコーダ。
[8] 請求項;!〜 7のいずれか一項に記載のアブソリュートエンコーダにおいて、
前記符号板は、
前記第 1のトラックに対応して設けられた第 1のインクリメンタルトラックと、 前記第 2のトラックに対応して設けられた第 2のインクリメンタルトラックと、を更に有 するアブソリユートエンコーダ。
[9] 請求項;!〜 7のいずれか一項に記載のアブソリュートエンコーダにおいて、
前記符号板は、
前記第 1のトラックと前記第 2のトラックの両方に共通するインクリメンタルトラックを更 に有するアブソリユートエンコーダ。
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