JP3433606B2 - 位置検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、直線及び回転移動
物体の絶対位置検出に使用される位置検出装置に於い
て、安定した絶対値信号を出力する位置検出装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】直線移動、回転移動の位置検出装置とし
ては、図１２〜図１４に図示するようなエンコーダが開
発されている。このエンコーダは何れも、スケールとそ
のスケールを読むための検出ヘッドを備えている。

【０００３】スケール上に記録されるコードとして、非
繰り返しコードを応用した１トラック型アブソリュート
パターンを持つ磁気式アブソリュートエンコーダが既に
提案されている。それらのエンコーダについては例え
ば、特開平１−７９６１９号公報、特開平１−３１１２
２１号公報に開示されているので、それらを参照された
い。

【０００４】ここでは、本発明に関係して必要な部分の
みを簡単に説明するにとどめる。アブソリュート型エン
コーダは、スケールとそのスケールを読み取るセンサか
ら成り、スケールは１つのトラックに磁気的にコード
（符号）が記録されたものであり、スケールとセンサと
は該トラックに沿って相対的に移動してコードを読み取
るようになっている。

【０００５】図６は、１トラック型ＡＢＳエンコーダの
スケールとセンサＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４を図示したも
ので、この場合、センサは４つ設けられていて、これら
がトラック長手方向に直列に並べられており、スケール
上を一体となって移動し、４ビットの出力を出す。同図
において、スケール上の空白部分は無着磁部であり、Ｓ
Ｎで表された小区間は着磁部である。

【０００６】図６において、無着磁部は論理“０”、着
磁部は論理“１”に対応付けられており、スケール上の
無着磁部、着磁部の配列に対応してスケールの上方に対
応する論理値が示されている。このスケールに沿ってセ
ンサを動かした時の各センサの出力はスケールの下方に
示されている。

【０００７】４つのセンサＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４の出
力を組み合わせた値、即ち、図６のセンサ出力を縦方向
に読んだ値は、スケール上のセンサの絶対位置であり、
同図の最下段に対応する１６進符号で示すとおり、同一
の数列が繰り返されることがない。

【０００８】スケール上に記録するコードの基本的な構
成は、図７に図示したように、Ｍ系列等の非繰り返しパ
ターンを使用したコードである。なお同図には、５ビッ
ト、６ビット、８ビット、１０ビットの場合が例示され
ている。

【０００９】これらのコードの１つを使ってアブソリュ
ートトラックを形成する場合、パターン“０”と“１”
の内の一方を着磁、他方を無着磁として、記録部分１ビ
ットに対し波長λの交番磁気を対応させて、アブソリュ
ートパターンを記録する。また、後述するように、上記
アブソリュートトラックと平行に波長２λの交番磁気で
記録したインクレメンタルトラックを併設して、アブソ
リュートパターンと同期を取り、高分解能化を図るよう
にすることもできる。

【００１０】また、エンコーダは使用環境上静止してい
ることが多いので、パターン検出器には、静磁界を検出
できるものを用いる。そうして、特にロータリーエンコ
ーダの場合にはそれが高速で回転するので、非接触で検
出することができるＭＲ素子（磁気抵抗効果素子）等が
一般的に用いられている。

【００１１】そこで、このＭＲ素子センサを使ったアブ
ソリュートパターン読み取りについて、図８及び図９を
参照して、概略説明する。

【００１２】図８に示すアブソリュートパターン（１−
ａ）上には、素子の間隔がλ／４離れた一対のＭＲ素子
（ＭＲ１とＭＲ２）で成るセンサＳがビット間隔λ毎に
４つ（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４）設けられ、同図の（１
−ｂ）に示すインクレメンタルパターン上には各々が素
子間隔λ／２離れた２本１組のＭＲ素子で成る２つのセ
ンサＳ５，Ｓ６が間隔（７／４）λ離れて設けられてい
る。

【００１３】まず、ＭＲ素子センサ（ＭＲ１）１つで図
８のアブソリュートトラックを再生したときの再生出力
を調べると図９の最上段に示す出力波形となる。即ち、
再生波形は着磁部が丁度λ／２のところで分断した波形
となっている。

【００１４】この分断を解消するために、センサＭＲ１
と間隔λ／４離れたもう一つのセンサＭＲ２を用いて、
同じアブソリュートトラックを再生する。この時、セン
サＭＲ２の再生出力は図９の２段目に示すようなＭＲ１
の再生出力との位相差がλ／４の出力波形となってい
る。

【００１５】そこで、これらのセンサＭＲ１出力とＭＲ
２出力を図１５に示すようなブリッジ回路にて合成する
と、図９の３段目に示すような分断のない角形に優れた
出力波形を得ることができる。この出力波形は更に所定
のスレッショルドレベルで切ることにより、同図最下段
に示すようなきれいな２値信号となる。

【００１６】従って、上記一対のＭＲ素子からなるセン
サＳ１〜Ｓ４の各々から得られる出力波形を波形整形器
等で成形して、４つの各出力を組み合わせることによ
り、４ビットのアブソリュートコードを得ることができ
る。

【００１７】また、インクレメンタルトラックを上記セ
ンサＳ５，Ｓ６により再生した時の各出力は、丁度９０
°の位相差を持つ周期λの正弦、余弦の信号となり、こ
の２つの信号により波長λの区間内ではアブソリュート
な区間絶対値信号を得ることができる。

【００１８】その例を図１０に示す。ここでは、１区間
内の正弦波及び余弦波をそれらの出力レベルが０の時に
スレッショルドをかけて２分割することにより、４つの
絶対値信号（１１，１０，００，０１）を得ているが、
出力レベルを同様にｍ分割（ｍは正の整数）とすれば２
ｍ個の絶対値を得ることができる。

【００１９】上記のアブソリュートトラックより得られ
るアブソリュートコードと、インクレメンタルトラック
から得られる区間内絶対値信号を組み合わせることで、
全域にわたって高精度なアブソリュート信号を得ること
が可能である。

【００２０】

【発明が解決しようとする課題】上記のようなアブソリ
ュートエンコーダは、通常使用中においてはアブソリュ
ートな出力を提供するが、停電及び始業の電源投入時に
アブソリュートトラック上のＭＲ素子センサ群がトラッ
クパターンの着磁部と無着磁部との境界部に位置してい
るとき、センサの出力が不安定になる。

【００２１】非繰り返しコードは各コードがその性質上
ランダムに配列しているため、ビット出力が１つでも異
なれば、得られるアブソリュートコードが、要求される
位置のコードとは全く異なってしまい、間違った位置情
報を提供する危険性がある。

【００２２】この読み誤りを回避するために、一般的に
位相の異なる出力の２組のヘッド（センサ）を利用し
て、一方のヘッドが境界部分にいる時は、他方のヘッド
から出力を得るように、交互に２組のアブソリュート出
力信号を読み取り、境界部分の補正を行っている。

【００２３】しかし、磁気式アブソリュートエンコーダ
の場合、図１１に示すように、各ビットの出力に対して
一対のＭＲ素子から成るセンサを２つ用いなければなら
ず、それに加えて、２組のヘッドの境界補正を行えば、
１ビットに対し合計４本のＭＲセンサを必要とするの
で、出力ビット数を増大すれば検出器の大型化、配線の
複雑化の要因となり、これら諸問題の解消がアブソリュ
ートエンコーダ製作における重要な課題となっていた。

【００２４】

【課題を解決するための手段】上述の課題を解決するた
めに、本発明によれば、論理値“０”と“１”の組み合
わせでなるアブソリュートコードの、“０”又は“１”
のどちらか一方を着磁部、他方を無着磁部として構成さ
れたアブソリュートパターンを有するトラックと、この
アブソリュートパターンを有するトラックと併設され
た、所定波長の交番磁気を長手方向に記録した、インク
レメンタルパターンを有するトラックとを持つ符号板
と、該アブソリュートパターンを有するトラック及び該
インクレメンタルパターンを有するトラックの長手方向
に相対移動可能で、アブソリュートパターンとインクレ
メンタルパターンを検出するヘッドを合わせ持った位置
検出器と、により位置検出装置を構成する。

【００２５】そうして、上記アブソリュートパターンを
有するトラック（以下アブソリュートトラックという）
を検出する位置検出器の各ビットに対する検出ヘッドＨ
ｎ（ｎは出力ビット番号）は、素子間隔長Ｌづつ均等に
離れた３本のＭＲ素子Ｓｎ１，Ｓｎ２，Ｓｎ３で構成さ
れ、ＭＲ素子Ｓｎ１とＭＲ素子Ｓｎ２とで１つの信号を
生成するとともに、ＭＲ素子Ｓｎ２とＭＲ素子Ｓｎ３と
で１つの信号を生成することにより、上記検出ヘッドＨ
ｎから位相差Ｌの２つのアブソリュート信号を取り出
し、インクレメンタルパターンを有するトラック（以下
インクレメンタルトラックという）より得られる区間絶
対値信号が、一方のアブソリュート信号のビットの変位
位置と、位相差Ｌだけ遅れてビット変化する隣接した他
方のアブソリュート信号のビット変化位置とで挟まれた
部分のほぼ中央位置、即ち、２つのアブソリュート信号
の位相差の中央Ｌ／２で２つのアブソリュート信号を切
り換え選択するようにＭＲセンサもしくはパターン配置
し、同期をとる。

【００２６】本発明による位置検出装置は、１つのヘッ
ドを一対のＭＲ素子から成る２組のセンサで構成し、各
センサを構成する２本のＭＲ素子の内の１本を２組のセ
ンサで共有するように形成し、３本のＭＲ素子で従来型
と同様の境界補正が得られるようにしたものである。

【００２７】具体的に説明すると、一方のセンサ、例え
ばＳｎ１−Ｓｎ２間のブリッジ出力が境界部分の不安定
な信号出力となっているとき、素子間隔Ｌ分の位相差を
持つ他方のセンサＳｎ２−Ｓｎ３のブリッジ出力は安定
した信号出力を出しているので、インクレメンタル部分
から得られる区間絶対位置信号に応じてセンサを切り換
えるようなアブソリュート信号選択部を設け、アブソリ
ュート信号境界部よりＬ／２だけ位相差のある所で、ア
ブソリュートヘッドのセンサ出力のＳｎ２を共有にして
Ｓｎ１，Ｓｎ３を出力が安定しているセンサに切り換え
るように同期をとり、ブリッジ出力を選択すれば、区間
絶対値信号に同期した、境界部を読むことのない、アブ
ソリュート出力信号が得られる。

【００２８】本発明の更に他の具体例として、４ビット
コード出力の位置検出装置の全体の構成を図１に示し、
同検出装置に用いられる検出ヘッドの一例を示すヘッド
パターンを図２に示す。

【００２９】ここで、図１の装置をその動作とともに説
明する。同図にはヘッドＨ１〜Ｈ４が示されているが、
これらのヘッドは同様な動作をするので、ここではヘッ
ドＨ１を例に取って説明する。

【００３０】ヘッドＨ１の３本のＭＲ素子より得られる
信号の内、素子Ｓ１１，Ｓ１３からの信号をアブソリュ
ート信号選択回路に送る。この信号選択回路はアナログ
スイッチ等で構成され、図１０に示したような選択信号
により素子Ｓ１１，Ｓ１３からの信号の内、選択された
方の信号をブリッジ回路に送り、そこで、素子Ｓ１２か
ら供給され逆相器で位相反転された信号とのブリッジ出
力をとる。

【００３１】このブリッジ回路の出力は差動増幅器に供
給され、そこで差動増幅され、比較器を通し波形整形さ
れたアブソリュート信号となる。他のヘッドについても
同様に信号処理して４ビットのアブソリュート信号を取
り出す。

【００３２】こうして得た非繰り返しコードはランダム
配列のコードであるため、この信号をＲＯＭ等で構成さ
れた信号変換回路に送り、そこで２進（バイナリー）や
１０進（デシマル）コード等の要求する信号に変換す
る。この信号変換回路の出力と前記区間絶対値信号とを
組み合わせれば、従来型同様の全域にわたる絶対値信号
を得ることができる。

【００３３】なお、ヘッドＨ５，Ｈ６からは図１０を参
照して前述したとおり、正弦波信号及び余弦波信号が得
られ、これらは区間絶対値信号発生回路に供給され、区
間絶対値信号を作る。また、この区間絶対値信号発生回
路から前記ＡＢＳ信号選択回路に対して選択信号を供給
する。

【００３４】

【発明の実施の形態】次に図２及び図３を参照して本発
明の一実施例の形態について説明する。図２は、アブソ
リュートパターン読み取り用のヘッドＨ１〜Ｈ４とイン
クレメンタルパターン読み取り用のヘッドＨ５，Ｈ６を
形成した位置検出器のＭＲパターンを概念的に図示した
ものである。

【００３５】各アブソリュートパターン読み取り用のヘ
ッドは、３本のＭＲ素子で形成され、それらの一端が共
通のバイアス電源に接続される。また、インクレメンタ
ルパターン読み取りヘッドは正弦波出力ヘッドＨ５と余
弦波出力ヘッドＨ６から成り、正弦波出力ヘッドＨ５
は、２本のＭＲ素子で成る正弦波出力用及び反転正弦波
出力用のセンサ部を有し、それらの共通接続点は接地さ
れ両端は上記バイアス電源に接続される。同様にして、
余弦波出力ヘッドＨ６は、２本のＭＲ素子で成る余弦波
出力用及び反転余弦波出力用のセンサ部を有し、それら
の共通接続点は接地され、両端は上記バイアス電源に接
続される。

【００３６】図３は、図２に示す位置検出器を用いた位
置検出装置の一例を示す。同図に示すとおり、本発明の
符号板は、各ビット間隔をλとし、“０”を無着磁部、
“１”を着磁部として構成したアブソリュートパターン
（ＡＢＳ）で構成されたアブソリュートトラックと、こ
れに波長２λの交番磁気で記録されたインクレメンタル
パターン（ＩＮＣ）で構成されたインクレメンタルトラ
ックを併設し、アブソリュートパターン上に４つのヘッ
ドＨ１〜Ｈ４を互いに間隔λだけ離して配置する。

【００３７】インクレメンタルパターン（ＩＮＣ）を有
するトラック上には素子間隔λ／２の一対のＭＲ素子で
構成されたヘッドＨ５とＨ６が（７／４）λの間隔をお
いて配置されている。

【００３８】上記のヘッドＨ１〜Ｈ４は、アブソリュー
トトラックに沿って移動するとき４ビットのアブソリュ
ートコードを出力するが、ここでは説明を簡単にするた
め、ヘッドＨ１についてのみ説明する。

【００３９】このヘッドＨ１は、３本のＭＲ素子Ｓ１
１，Ｓ１２，Ｓ１３から成り、Ｓ１１とＳ１２で１つの
センサ（Ｓ１１−Ｓ１２）を構成し、Ｓ１２とＳ１３で
他の１つのセンサ（Ｓ１２−Ｓ１３）を構成している。
センサ（Ｓ１１−Ｓ１２）の２本の素子Ｓ１１，Ｓ１２
の間の間隔はλ／４であり、センサ（Ｓ１２−Ｓ１３）
の２本の素子Ｓ１２，Ｓ１３の間の間隔もλ／４であ
る。更に、これら２つのセンサの間のズレ間隔もλ／４
である。

【００４０】センサ（Ｓ１１−Ｓ１２）はセンサ（Ｓ１
２−Ｓ１３）よりも下流に配置されているので、センサ
（Ｓ１１−Ｓ１２）の出力はセンサ（Ｓ１２−Ｓ１３）
の出力よりもλ／４だけ位相が遅れている。この様子が
同図の３段目および４段目にオン・オフ波形図をもって
示されている。

【００４１】他方インクレメンタルトラックを２つのヘ
ッドＨ５，Ｈ６で読み取り、それらの出力から図３の５
段目に示すような選択信号を生成し、この信号によっ
て、上記２つのセンサ（Ｓ１１−Ｓ１２），（Ｓ１２−
Ｓ１３）の出力の中の一方をサンプリングすることによ
って、安定点での検出出力を抽出する。

【００４２】こうして抽出された出力信号を合成すれ
ば、同図の最下段に示すようなインクリメンタル信号に
同期した正確なアブソリュート信号が得られる。なお、
図３の５段目に記載した波形中に記入した記号ａとｂは
どちらのセンサを選択するかを示している。

【００４３】次に、図４を参照して本発明の他の実施の
形態について説明する。この実施の形態においては、上
記実施形態におけるアブソリュートトラックの着磁部に
対して改良を加えたものである。具体的に説明すると、
着磁部１ビットが単独で存在する部分（例えば、０，
１，０の１の部分）を（３／４）λ、即ち、素子間隔長
λ／４分だけ差し引いた波長の交番磁気で記録する。
又、着磁ビットが、例えばｎ個連続している部分に対し
ては、その連続部分の１ビット分に対して（３／４）λ
の交番磁気で記録（残りの部分は波長λで記録）、もし
くは連続波長より素子間隔長を差し引いた範囲に対し
て、記録波長＝｛１−（１／４ｎ）｝λ （ｎは連続す
るビット数）の交番磁気で記録する。例えば、４ビット
分の着磁部が連続する場合には１つのビット長を上記の
式においてｎ＝４として計算し、記録波長＝（１５／１
６）λとなる。

【００４４】このようにして記録したパターンを前記検
出器によって再生すると、各ピッチ幅が均一で分断の無
いアブソリュート信号を得ることができる。この方法に
よれば、各センサより得られるアブソリュートコードが
上記第１実施形態の場合と比較してより正確なコードで
あるため、本発明を適用した場合の補正に対する信頼性
が向上する。

【００４５】図５は本発明の更に他の実施形態について
示したもので、この実施の形態においては４つのトラッ
クから成るアブソリュートトラックと１つのインクレメ
ンタルトラックで構成されている。

【００４６】次に、図５を参照して、本発明の更に他の
実施形態として、上記に説明した本発明のヘッドを切り
換えるという技術思想を多トラック型のアブソリュート
パターンに適用した場合について説明する。

【００４７】図５において、トラックＴ１は２進符号の
最下位ビット、トラックＴ２は２進２桁目、トラックＴ
３は２進３桁目、トラックＴ４は２進４桁目を示し、そ
れぞれ２の０乗、１乗、２乗、３乗の重み付けがなされ
ている。

【００４８】ＭＲ素子の間隔はλ／４であり、２つのセ
ンサを形成する３本のＭＲ素子が連続して並んでいるの
で、合計の間隔は（１／４）λ×２＝λ／２となり、ト
ラックＴ１の１ビットはλで表される。トラックＴ２に
付いては２λ、トラックＴ３については４λ、トラック
Ｔ４については８λの長さとなる。

【００４９】ここに示す自然２進コードのコード配列を
見ると、任意の前後のコードは２つ以上のビットが変化
している部分も存在するので、上述した着磁部の読み取
り出力における位相のズレ込みが生じて、１トラック型
と同様にコード境界部での読み誤りの可能性がある。

【００５０】しかし、ここに上記本発明のヘッド切り換
えを適用して安定点で出力信号の抽出をすることによ
り、信頼性が向上し、読み誤りの無い優れたアブソリュ
ートエンコーダが実現できる。

【００５１】

【発明の効果】本発明によれば、磁気式アブソリュート
エンコーダにおける読み取りヘッドのＭＲ素子の数を減
らすことができたので、従来よりもエンコーダの構成、
製作が容易となった。また、所定間隔ずらせて配置した
２つのセンサからの出力を切り換えて使うことでより取
り出した信号の信頼性が向上し、読み誤りのない優れた
アブソリュートエンコーダを実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の位置検出装置の全体の構成図である。

【図２】本発明の位置検出装置に用いる検出ヘッドに適
用するＭＲパターンの模式図である。

【図３】アブソリュートエンコーダの構成図である。

【図４】アブソリュートエンコーダの構成図である。

【図５】アブソリュートエンコーダの構成図である。

【図６】４組のＭＲ素子から得られる出力とアブソリュ
ートコードの波形図である。

【図７】５〜１０ビットのアブソリュートコードの例を
示す説明図である。

【図８】従来の４ビットコード出力の１トラック型アブ
ソリュートパターンの構成図である。

【図９】従来のＭＲ素子２個を使ったセンサの出力波形
図である。

【図１０】インクレメンタルトラックの出力波形図であ
る。

【図１１】１トラック型アブソリュートエンコーダのト
ラックとヘッドの配置図である。

【図１２】エンコーダの外観図である。

【図１３】エンコーダの外観図である。

【図１４】エンコーダの外観図である。

【図１５】アブソリュート信号用ブリッジ回路である。

【符号の説明】

Ｈ１〜Ｈ４ ヘッド、 ＡＢＳ アブソリュート信号、
ＩＮＣ インクレメンタル信号、 ＲＯＭ 読み出し
専用メモリ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭64−79619（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−108193（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01D 5/00 - 5/62 G01R 33/00 - 33/26

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 論理値“０”と“１”の組み合わせで
   構成されたアブソリュートコードの、“０”又は“１”
   のどちらか一方を着磁部、他方を無着磁部として形成し
   たアブソリュートトラックと、このアブソリュートトラ
   ックに併設して、インクレメンタルトラックを設けた符
   号板と、 該アブソリュートトラックを読み取るヘッドとインクレ
   メンタルトラックを読み取る検出ヘッドとから成る位置
   検出器とを有し、上記符号板と上記位置検出器とは該符
   号板のアブソリュートトラック及びインクレメンタルト
   ラックの長手方向に対して相対的に移動可能なように設
   けられた位置検出装置において、 上記アブソリュートトラックを読み取る検出ヘッドＨｎ
   （ｎは各出力ビット番号）の各々は、素子間隔長Ｌづつ
   均等に離れた３つの磁気抵抗効果素子Ｓｎ１，Ｓｎ２，
   Ｓｎ３で構成され、上記磁気抵抗効果素子Ｓｎ１と上記磁気抵抗効果素子Ｓ
   ｎ２とで１つの信号を生成するとともに、上記磁気抵抗
   効果素子Ｓｎ２と上記磁気抵抗効果素子Ｓｎ３とで１つ
   の信号を生成することにより、 上記検出ヘッドＨｎから
   位相差Ｌの２つのアブソリュート信号を取り出し、該２
   つのアブソリュート信号の位相差の中央Ｌ／２の点で、
   上記インクレメンタルトラックより得られる選択信号に
   よって、２つのアブソリュート信号を切り換え選択す
   る、 検出ヘッド及び選択機能を有することを特徴とする位置
   検出装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の位置検出装置におい
   て、前記３つの磁気抵抗効果素子の素子間の間隔Ｌは、
   アブソリュート信号の最小分解能長をλとした時、 Ｌ＝λ／４ｍ（ｍ＝１，２，３，‥‥） で与えられることを特徴とする位置検出装置。