JPH05256663A - スケール装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 調整回路または調整機構の追加、および記録
時の調整等を不要とし、かつマルチトラックを有するア
ブソリュートエンコーダのコストダウンを図る。 【構成】 スケールのインクリメンタル信号記録トラッ
クＩの検出中心が回転中心とされ、原点ゲート信号の検
出部は２つのトラックＴ１、Ｔ２で構成されて、それら
２つの原点ゲート信号の検出中心は、回転中心に対して
左右対称となるように設定されているとともに、２つの
原点ゲート信号の記録パターンは同一とされている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、検出素子と記録面との
間にアジマス誤差が生じた場合にも、正確な検出信号を
得る際に好適なスケール装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、副トラックにλ原点信号の原点
ゲート信号を有するエンコーダの場合、原点ゲート信号
が発生される位置は、λの中心になることが望ましい
（ゲート信号の発生位置で電気的ドリフトにより誤差が
生じても原点発生位置はずれなくなる）。そして、検出
装置がスケールの走行基準面を走行中に基準面との間で
アジマスθの変動が生じた場合、原点ゲート信号記録位
置とインクリメンタル信号検出中心との距離をＰとする
と、Ｐｔａｎθの変動が生じ、位置によってはλの中心
からずれずてしまう場合があり、このような不都合を解
消する技術が提案されている（特願平３ー１３２９８０
号；未公開）。

【０００３】一方、マルチトラックを有するアブソリュ
ートエンコーダ（バーニア式；位相差方式）の場合、波
長が異なる信号が各々複数のトラックに記録され、絶対
位置が検出される際には各々のトラックの位相差が利用
されている。例えば、２トラックのみで実現しているも
のについて、トラック１とトラック２との関係は、λ₁
・（Ｎ−１）＝λ₂ ・Ｎ＝Ｌとなり、λ₁ はトラック１
に記録されている信号の波長、（Ｎ−１）はトラック１
に記録されている信号の波数、λ₂ はトラック２に記録
されている信号の波長、Ｎはトラック２に記録されてい
る信号の波数、Ｌはスケールの全長である。

【０００４】そして、絶対位置検出はトラック１とトラ
ック２との位相差によって次式、Ｘ＝Ｌ／２π（θ₁ ー
θ₂ ）から、求められる。ただし、θ₁ はトラック１の
検出器により検出される位相、θ₂ はトラック２の検出
器により検出される位相、Ｘは検出器のある位置であ
る。この場合、回転中心が記録媒体の外に位置すると、
前述したように、検出装置とスケール記録媒体基準面と
の間に角度φの変動が生じると、図１８に示されるよう
にトラック１ではａｔａｎφの変動が生じ、トラック２
ではｂｔａｎφの変動が生じる結果、検出装置ではΔＸ
＝Ｌ（Δθ₁ −Δθ₂ ）／２πの誤差が生じる。ただ
し、Δθ₁ ＝（２π・ａｔａｎφ）／λ₁ 、Δθ₂ ＝
（２π・ｂｔａｎφ）／λ₂ である。この場合、λ₁ ＝
４００〔μｍ〕、λ₂ ＝３９０〔μｍ〕、ａ＝２．５
〔ｍｍ〕、ｂ＝１．５〔ｍｍ〕、φ＝０．１〔度〕であ
れば、ΔＸ＝６５〔μｍ〕となる。

【０００５】また、回転中心がトラック間に置かれると
図１９に示されるようにΔＸ＝Ｌ（Δθ₁ ＋Δθ₂ ）／
２πの誤差が生じ、λ₁ ＝４００〔μｍ〕、λ₂ ＝３９
０〔μｍ〕、ａ＝２．５〔ｍｍ〕、ｂ＝１．５〔ｍ
ｍ〕、φ＝０．１〔度〕であれば、ΔＸ＝２７５〔μ
ｍ〕となる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記提
案された技術では、調整回路または調整機構の追加が必
要で、また、記録時の調整等が必要となる。一方、マル
チトラックを有するアブソリュートエンコーダにおい
て、高精度部品によって、検出装置と記録面とのアジマ
スを合わせる場合には、高精度部品使用によるコストア
ップ、組立工程での歩留り低下という問題がある。

【０００７】本発明の目的は、調整回路または調整機構
の追加が不要で、また、記録時の調整等が不要となり、
かつマルチトラックを有するアブソリュートエンコーダ
の場合、高精度部品が不要となり、コストダウンを図る
ことができるスケール装置を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明に係るスケール装
置は、例えば、図２に示されるように、複数のトラック
を有し、検出部の回転中心Ｉ両側にトラックＴ１、Ｔ２
が配置されるとともに、該検出部の回転中心Ｉから等距
離位置に形成されたトラックＴ１、Ｔ２の記録パターン
が同一とされたことを特徴とするものである。

【０００９】

【作用】本発明に係るスケール装置では、複数のトラッ
クを有し、検出部の回転中心両側にトラックが配置され
るとともに、該検出部の回転中心から等距離位置に形成
されたトラックの記録パターンが同一とされている。

【００１０】

【実施例】以下、本発明に係るスケール装置の好適な実
施例を、図面に基いて説明する。図１および図２に示さ
れるように、原点付スケールのインクリメンタル信号記
録トラックＩの検出中心Ｂが回転中心とされ、原点ゲー
ト信号の検出部は２つ（トラックＴ１、Ｔ２）で構成さ
れて、それら２つの原点ゲート信号の検出中心Ａ ₁ 、Ａ
₂ は回転中心Ｂに対して左右対称となるように設定され
ている。また、スケール記録媒体のインクリメンタル信
号トラックＩを中心として、その両側に原点ゲート信号
のトラックＴ１、Ｔ２が形成され、トラックＴ１、Ｔ２
に記録される信号は同一とされている。そして、図３か
ら理解されるように、原点ゲート信号トラックＴ１、Ｔ
２に記録されるゲート信号は奇関数で表せるので（奇関
数で表せるゲート信号のみが成立する）、これをフーリ
エ級数に展開すると、下式数１となる。

【００１１】

【数１】

【００１２】この場合、ｂ_K は定数、λは原点信号の波
長、Ｘはそのときの位置である。また、図４かから理解
されるように、検出装置にアジマス角θの誤差が生じる
と、トラックＴ１を検出する検出部Ａ₁ はΔＸの誤差を
生じ、トラックＴ２を検出する検出部Ａ₂ は（−ΔＸ）
の誤差を生じるので、検出部Ａ₁ で出力される信号をｆ
_A1（Ｘ）とし、検出部Ａ₂ で出力される信号をｆ
_A2（Ｘ）とすると、ｆ_A1（Ｘ）、ｆ_A2（Ｘ）各々下式数
２で与えられる。

【００１３】

【数２】

【００１４】そして、それら２つの信号を加算すると、
三角関数の公式、sin α＋sin β＝２sin ｛（α＋β）
/2｝・cos ｛（α−β）/2｝から、ｆ（Ｘ）＝ｆ
_A1（Ｘ）＋ｆ_A2（Ｘ）は下式数３で与えられる。

【００１５】

【数３】

【００１６】なお、数３中における余弦の関数成分はΔ
Ｘの変動によって生じる振幅成分の変動分であるので、
ｆ（Ｘ）＝０となる位置を原点ゲート信号の検出位置と
すれば、この点では振幅成分の変動が生じても、検出位
置の影響しないため、ΔＸの変動が生じて振幅成分が変
化しても、位置変動はキャンセルされることになる（図
５〜図７参照）。

【００１７】以上の原理によりＭＲを使用する場合につ
いて説明する。図８にはＭＲ検出ヘッド１が示されてお
り、ＭＲ検出ヘッド１は４つのＭＲ感磁面２を有し、長
手方向一方端部には、インクリメンタル信号（ＣＨ
２）、原点ゲート信号Ｇ₂ が各々出力される端子４、
６、Ｖ〔Ｖ〕の電圧が印加される端子８、１２、および
ＧＮＤ端子１０、１４が配設されている。また、ＭＲ検
出ヘッド１の長手方向他方端部には、インクリメンタル
信号（ＣＨ１）、原点ゲート信号Ｇ₁ が各々出力される
端子１６、１８、Ｖ〔Ｖ〕の電圧が印加される端子２
２、２６、およびＧＮＤ端子２０、２４が配設されてい
る。この場合、ＭＲ検出ヘッド１における原点ゲート信
号の検出パターンは、回転中心に対して対称に配置され
る。なお、スケールに対してＭＲ検出ヘッド１の中心部
を回転中心として固定する方法としては特願平３−８８
３４１号（スケール装置）等参照。また、ＭＲの原点の
パターン間隔は記録波長λに対してλ／２、インクリメ
ンタル部における各チャンネルのパターン間隔はλ／４
であり、ＣＨ１とＣＨ２間の間隔は（ｎ＋λ／８）であ
る。

【００１８】そして、記録媒体は図９に示されるよう
に、点ａと点ｂとにより支えられ、図１０から理解され
るように、中央のチャンネル２００を中心として２つの
チャンネル１００、３００が対称に配置されたヘッド５
０によっって、原点ゲート信号が記録され、この場合、
記録装置によってスケール装置が検出するインクリメン
タル信号に対して、原点ゲート信号が略中央となるよう
にインクリメンタル信号と同期がかけられて原点ゲート
信号が記録される。なお、原点ゲート信号をλの略中央
に記録する技術としては、特願平３−１３２９８０号等
が挙げられる。

【００１９】次に、原点ゲート信号Ｇ₁ とＧ₂ から出力
される信号は、図１１の回路により処理され、図１１に
おいて、２つのＭＲ磁性面２には抵抗Ｒ₁ 、Ｒ₂ が並列
に接続され、抵抗Ｒ₁ の出力は抵抗Ｒ₅ を介して差動ア
ンプ３の反転端子に入力されており、抵抗Ｒ₅ 出力側と
差動アンプ３の出力端子側とには抵抗Ｒ₆ の両端が接続
されている。また、２つのＭＲ磁性面２には抵抗Ｒ₃ 、
Ｒ₄ が並列に接続され、抵抗Ｒ₃ の出力は抵抗Ｒ₇ を介
して差動アンプ５の反転端子に入力されており、抵抗Ｒ
₇ 出力側と差動アンプ５の出力端子側とには抵抗Ｒ₈ の
両端が接続されている。なお、差動アンプ３、５の非反
転端子には各々信号Ｇ₁ 、Ｇ₂ が入力される。そして、
差動アンプ３の出力信号は抵抗Ｒ₉ を介して差動アンプ
７の反転端子に入力され、差動アンプ５の出力信号は抵
抗Ｒ₁₁を介して同様に差動アンプ７の反転端子に入力さ
れている。抵抗Ｒ₉ とＲ₁₁の出力側と差動アンプ７の出
端端子側とには抵抗Ｒ₁₀の両端が接続されており、差動
アンプ７の非反転端子は抵抗Ｒ ₁₂を介して接地されてい
る。

【００２０】以上の構成により、回路中、点イでは信号
がΔＸずれ、点ロでは信号が（−ΔＸ）ずれるので、点
イでの信号と点ロでの信号が加算された点ハでの信号は
位相が変動しない。なお、図１１中の回路特性は、Ｒ₁
＝Ｒ₂ ＝Ｒ₃ ＝Ｒ₄ 、Ｒ₅ ＝Ｒ₇ 、Ｒ₆ ＝Ｒ₈ 、Ｒ₉ ＝
Ｒ₁₁である。

【００２１】以上説明したように、この実施例では、検
出部の回転中心Ｉの両側にトラックＴ１、Ｔ２が配置さ
れるとともに、その検出部の回転中心から等距離位置に
形成されたトラックＴ１、Ｔ２の記録パターン（原点ゲ
ート信号Ｇ₁ 、Ｇ₂ ）が同一とされているので、調整回
路または調整機構の追加が不要で、また、記録時の調整
等が不要となる。

【００２２】なお、原点ゲート信号記録トラックを中央
に形成し、インクリメンタル信号記録トラックをその両
側に形成しても同様の効果がえられる。

【００２３】また、回転中心を検出素子の検出中心から
離れたところに配置する場合、回転中心を２つのトラッ
ク間（同一記録パターン）の略中央に配置することによ
り、同じように検出装置にアジマス角θの誤差が生じて
も、検出位置の誤差を相殺することができる（特願平３
−８８３４１号、特願平３−７８００１号等参照）。す
なわち、図１２においては、回転中心が検出素子から離
れた位置にあり、ａ＝５〔ｍｍ〕、Ｌ＝２５〔ｍｍ〕、
θ＝０．２〔度〕とすれば、ΔＸ＝ａsin θ＝１７．５
〔μｍ〕、ΔＹ＝Ｌ sinθ＝８７．３〔μｍ〕、ε＝Ｌ
（１−cos θ）＝０．１５〔μｍ〕となる。従って、イ
ンクリメンタル信号が２０〔μｍ〕で再生されるとし
て、検出中心Ａ₁ のみで原点ゲート信号が処理されれ
ば、ΔＸ＝ａtan θ＝１７．５〔μｍ〕なのでλを越え
てしまうが、検出中心Ａ₁ 、Ａ₂ の信号を加えれば、相
殺されて原点はずれない。この場合、ΔＹはトラックに
対して垂直方向のずれであるので、精度には影響せず、
εは水平方向のずれであるが、０．１５〔μｍ〕と微小
であるため無視することができる。なお、図１３に示さ
れた状況ではΔＹ、εは生じない。

【００２４】次に、他の実施例について説明する。この
実施例では、アブソリュートスケール（バーニア式の）
検出装置におけるスケールのλ₁ の波長で記録された信
号トラックの検出中心が回転中心とされ、それぞれの検
出中心は上記実施例における回転中心に対して左右対称
に配置され、スケール記録媒体のλ₁ 波長の信号トラッ
クを中心として、λ₂ 波長の信号トラックが両側に配置
される。 そして、図４から理解されるよ
うに、検出装置にアジマス角φの誤差が生じると、トラ
ックＴ１（λ₁ 信号）を検出する検出部Ａ₁ はΔＸの誤
差を生じ、トラックＴ２（λ₂ 信号）を検出する検出部
Ａ₂ は（−ΔＸ）の誤差を生じるので、検出部Ａ₁ で出
力される信号をｆ_A1（Ｘ）とし、検出部Ａ₂ で出力され
る信号をｆ_A2（Ｘ）とすると、ｆ_A1（Ｘ）、ｆ _A2（Ｘ）
は各々下式数４で与えられる。

【００２５】

【数４】 ｆ_A1（Ｘ）＝sin ｛２π（Ｘ＋ΔＸ）／λ₂ ｝ ｆ_A2（Ｘ）＝sin ｛２π（Ｘ−ΔＸ）／λ₂ ｝

【００２６】そして、それら２つの信号の各項を個別に
加算すると、三角関数の公式、sinα＋sin β＝２sin
｛（α＋β）/2｝・cos ｛（α−β）/2｝から、ｆ
（Ｘ）は下式数５で与えられる。

【００２７】

【数５】 ｆ（Ｘ）＝sin ｛２πＸ／λ₂ ｝cos ｛４πΔＸ／λ₂ ｝

【００２８】数５における余弦の関数成分はΔＸの変動
によって生じる振幅成分の変動分である。そして、図１
４および図１５から理解されるように、λ₂ トラックの
検出ヘッドは、２つのチャンネルによって構成され、Ｃ
Ｈ１に対して位相が（λ₂ ／４）ずれたＣＨ２との組合
せによって構成されている。そのλ₂ の位相はＣＨ１の
出力とＣＨ２の出力との比率によって求められ、ＣＨ１
の出力とＣＨ２の出力とを各々ｆ_cH1 （Ｘ）、ｆ
_CH2 （Ｘ）とすると、下式数６により与えられる。

【００２９】

【数６】 ｆ_cH1 （Ｘ)＝sin （2 πX/λ₂)cos （4 πΔX/λ₂) ｆ_CH2 （Ｘ)＝sin （2 πX/λ₂ ＋2 πλ₂/4 λ₂cosφ）cos （4 πΔX/λ₂) ＝cos （2 πX/λ₂)cos （4 πΔX/λ₂) ただし、λ₂/4 cos φ≒λ₂/4 であって、例えばφ＝１
〔度〕の角度変動でもcos φ＝０．９９９８≒１であ
る。従って、 ｆ_cH1 （Ｘ）／ｆ_CH2 （Ｘ）＝tan （2 πX/λ₂ ）＝ta
n θ₂ から、 θ₂ ＝arctan｛ ｆ_cH1 （Ｘ）／ｆ_CH2 （Ｘ）｝とな
る。 このように、ΔＸの変動が生じても検出され位相θ₂ は
影響を受けず、位相変動はキャンセルされたことにな
る。

【００３０】以上の原理によりＭＲを使用する場合につ
いて説明する。図１６にはＭＲ検出ヘッド１が示されて
おり、ＭＲ検出ヘッド１は６つのＭＲ感磁面２を有し、
長手方向一方端部には、（λ₂ −２）信号（ＣＨ１）、
λ₁ 信号（ＣＨ２）、（λ₂ −２）信号（ＣＨ２）が各
々出力される端子２１、２３、２５、Ｖ〔Ｖ〕の電圧が
印加される端子２７、２９、３１、およびＧＮＤ端子３
３、３５、３７が配設されている。また、ＭＲ検出ヘッ
ド１の長手方向他方端部には、（λ₂ −１）信号（ＣＨ
１）、λ₁ 信号（ＣＨ１）、（λ₂ −１）信号（ＣＨ
２）が各々出力される端子インクリメンタル信号（ＣＨ
１）が各々出力される端子３９、４１、４２、Ｖ〔Ｖ〕
の電圧が印加される端子４５、４７、４９、およびＧＮ
Ｄ端子５１、５３、５５が配設されている。

【００３１】この場合、ＭＲ検出ヘッド１におけるλ₂
の検出パターンは、回転中心に対して対称に配置され、
各チャンネルのＭＲのパターン間隔は記録波長λに対し
て（λ／４）であり、各トラックにおけるＣＨ１とＣＨ
２の間隔は（ｎ＋λ）／８（ｎは整数）である。そし
て、記録媒体は図９に示されるように、点ａと点ｂとに
より支えられ、図１０に示されたヘッド５０により、λ
₁ 信号とλ₂ 信号とが同期をかけて記録される。なお、
λ₁ 信号とλ₂ 信号とが記録される場合、図１７に示さ
れた記録装置が使用され、その記録装置は記録ヘッド５
０、レーザ測長装置６０、レーザ測長装置６０の出力信
号が入力されるカウンタ７０を有し、カウンタ７０から
の制御信号でλ₁ 信号記録装置８０とλ₂ 信号記録装置
９０とが各々制御されてλ₁ 信号とλ₂ 信号とが記録ヘ
ッド５０に送出される。また、（λ₂ −１）のパターン
および（λ₂ −２）のパターンから出力される信号は、
図１１に示された回路により処理されるため、上記実施
例と同様に、回路中、点イでは信号の位相がΔＸずれ、
点ロでは信号の位相が（−ΔＸ）ずれるので、点イでの
信号と点ロでの信号が加算された点ハでの信号は位相が
変動しない。なお、この方法は、コード式アブソリュー
トエンコーダに適用しても同様の効果が得られる。

【００３２】以上説明したように、この実施例では、検
出装置におけるスケールのλ₁ の波長で記録された信号
トラックの検出中心が回転中心とされ、それぞれの検出
中心は上記実施例における回転中心に対して左右対称に
配置され、スケール記録媒体のλ₁ 波長の信号トラック
を中心として、λ₂ 波長の信号トラックが両側に配置さ
れているので、マルチトラックを有するアブソリュート
エンコーダの場合、検出装置の機構部における高精度の
部品が不要となり、コストダウンを図ることが可能とな
る。

【００３３】

【発明の効果】以上の説明で理解されるように、本発明
に係るスケール装置では、複数のトラックを有し、検出
部の回転中心両側にトラックが配置されるとともに、該
検出部の回転中心から等距離位置に形成されたトラック
の記録パターンが同一とされされているので、調整回路
または調整機構の追加が不要で、また、記録時の調整等
が不要となり、かつ高精度部品が不要となり、コストダ
ウンを図ることができる利益がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】検出装置の説明図である。

【図２】トラックの説明図である。

【図３】ゲート信号の説明図である。

【図４】アジマス角θが生じた場合の説明図である。

【図５】誤差の説明図である。

【図６】誤差の説明図である。

【図７】誤差が相殺された場合の説明図である。

【図８】ＭＲ検出ヘッドの構成図である。

【図９】記録媒体の支持構造を示す説明図である。

【図１０】ヘッドの構成説明図である。

【図１１】好適な実施例の回路構成図である。

【図１２】誤差の説明図である。

【図１３】誤差の説明図である。

【図１４】検出ヘッドの説明図である。

【図１５】検出ヘッドの説明図である。

【図１６】ＭＲ検出ヘッドの構成図である。

【図１７】記録装置の構成説明図である。

【符号の説明】

１ ＭＲ検出ヘッド ２ ＭＲ磁性面 ３、５、７ 差動アンプ ４、６、１６、１８ 出力端子 Ｔ１、Ｔ２ 原点ゲート信号記録トラック Ｉ インクリメンタル信号記録トラック Ａ₁ 、Ａ₂ 原点ゲート信号検出中心 Ｂ インクリメンタル信号検出中心

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】複数のトラックを有し、検出部の回転中心
   両側にトラックが配置されるとともに、該検出部の回転
   中心から等距離位置に形成されたトラックの記録パター
   ンが同一とされたことを有することを特徴とするスケー
   ル装置。