JP2006029828A - エンコーダ - Google Patents

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Abstract

【課題】 測定対象物の回転角度等の絶対値を簡単な構成で精度良く検出し得るエンコーダを提供する。
【解決手段】 プロファイルセンサ７の受光領域１００と、スケール板３に配置された光透過／遮断部４とは、受光領域１００の幅をＷ、ラインＬ１上とラインＬ２上とに渡って隣り合う光透過／遮断部４の距離をＤとした場合に、Ｗ／２＜Ｄ＜Ｗの関係式を満たす。これにより、隣り合う２つの光透過／遮断部４の少なくとも１つは受光領域１００上に常に位置する。ここで、各光透過／遮断部４は、移動方向Ａに垂直な方向において光の透過／遮断パターンが異なるため、光強度プロファイルデータＶＹ(ｍ)に基づき、受光領域１００上に位置する光透過／遮断部４を特定することができる。更に、光強度プロファイルデータＶＸ(ｎ)に基づき、特定された光透過／遮断部４の移動方向Ａにおける位置を特定することができる。
【選択図】 図６

Description

本発明は、光学式のエンコーダに関する。
従来における光学式のエンコーダとして、次のようなものが特許文献１に記載されている。すなわち、異なる種類の回折格子からなる格子窓が所定の間隔をとって複数配置された光学スケールに対して光を照射し、格子窓によって回折された回折光のパターンを２次元イメージセンサで撮像する。そして、撮像した回折光のパターンに基づいて格子窓を特定すると共に、画像中における回折光のパターンの位置に基づいて光学スケールの移動方向における格子窓の位置を特定し、測定対象物の絶対位置を検出する。
特公平８−１０１４５号公報
しかしながら、上述したようなエンコーダにあっては、測定対象物の絶対位置検出の分解能は高いものの、２次元イメージセンサを用いているためフレームメモリが必要となるなど、装置が複雑化してしまうという問題がある。
そこで、本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、測定対象物の回転角度や移動距離等の絶対値を簡単な構成で精度良く検出することができるエンコーダを提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明に係るエンコーダは、移動方向に沿った第１のライン上と第２のライン上とに渡って千鳥状に複数の光透過／遮断部が配置されたスケール板と、光透過／遮断部に光を照射する光源装置と、スケール板を挟んで光源装置と対向するように配置され、移動方向、及び移動方向に垂直な方向に複数の画素が２次元配列された受光領域を有して、移動方向、及び移動方向に垂直な方向のそれぞれについて入射光強度の１次元分布を示す光強度プロファイルデータを出力する光検出装置とを備え、光透過／遮断部のそれぞれは、移動方向に垂直な方向において光の透過及び遮断のパターンが互いに異なっており、受光領域の移動方向に沿った幅をＷとし、第１のライン上と第２のライン上とに渡って隣り合う光透過／遮断部の移動方向に沿った距離をＤとした場合に、Ｗ／２＜Ｄ＜Ｗの関係式を満たしていることを特徴とする。
このエンコーダにおいては、第１のライン上と第２のライン上とに渡って隣り合う２つの光透過／遮断部の少なくとも１つは、光検出装置の受光領域上に常に位置することになる。ここで、光透過／遮断部のそれぞれは、移動方向に垂直な方向において光の透過及び遮断のパターンが互いに異なっているため、移動方向に垂直な方向についての光強度プロファイルデータに基づいて、受光領域上に位置する光透過／遮断部を特定することができる。更に、移動方向についての光強度プロファイルデータに基づいて、特定された光透過／遮断部の移動方向における位置を特定することができる。このように、移動方向、及び移動方向に垂直な方向のそれぞれについて入射光強度の１次元分布を示す光強度プロファイルデータを出力する光検出装置を用いることで、測定対象物の回転角度や移動距離等の絶対値を簡単な構成で精度良く検出することが可能になる。なお、光検出装置の受光領域上に２つの光透過／遮断部が同時に位置する場合でも、その２つの光透過／遮断部は第１のライン上と第２のライン上とのそれぞれに存在するため、移動方向に垂直な方向についての光強度プロファイルデータに基づくその２つの光透過／遮断部の特定が妨げられることはない。
また、本発明に係るエンコーダにおいては、光透過／遮断部のそれぞれは、スケール板に形成される光透過孔の数量、及び移動方向に垂直な方向における光透過孔の位置の相異によって、移動方向に垂直な方向において光の透過及び遮断のパターンが互いに異なっていることが好ましい。このように、スケール板に形成される光透過孔の数量、及び移動方向に垂直な方向における光透過孔の位置を相異させることで、移動方向に垂直な方向における光の透過及び遮断のパターンを容易且つ確実に異ならせることができる。
また、本発明に係るエンコーダとしては、次のような態様がある。すなわち、スケール板は回転運動を行い、スケール板には、その回転方向を移動方向として複数の光透過／遮断部が配置されているロータリエンコーダとしての態様や、スケール板は直線運動を行い、スケール板には、その直線方向を移動方向として複数の光透過／遮断部が配置されているリニアエンコーダとしての態様である。
本発明に係るエンコーダによれば、測定対象物の回転角度や移動距離等の絶対値を簡単な構成で精度良く検出することができる。
以下、本発明に係るエンコーダの好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
図１は、本発明に係るエンコーダの一実施形態を示す構成図である。このエンコーダ１は、いわゆるアブソリュート型のロータリエンコーダであり、測定対象物（図示せず）に連結される回転軸２を備えている。この回転軸２には、円板状のスケール板３が固定されており、このスケール板３は、回転軸２の回転に伴って回転する。この回転方向をスケール板３の移動方向Ａとする。
図２は、エンコーダ１のスケール板３の正面図である。同図に示されるように、スケール板３の縁部には、移動方向Ａに沿って同心円状のラインＬ１及びラインＬ２が設定され、これらのラインＬ１上とラインＬ２上とに渡って千鳥状に複数の光透過／遮断部４が配置されている。より具体的には、光透過／遮断部４は、ラインＬ１上及びラインＬ２上のそれぞれにおいて所定の間隔をとって複数配置されており、ラインＬ２上に配置された光透過／遮断部４は、ラインＬ１上に配置された光透過／遮断部４のうち隣り合う光透過／遮断部４の中間に位置している。
光透過／遮断部４のそれぞれは、図３に示されるように、スケール板３に形成される光透過孔５の数量、及び移動方向Ａに垂直な方向（すなわち、スケール板３の半径方向）における光透過孔５の位置の相異によって、移動方向Ａに垂直な方向において光の透過及び遮断のパターンが異なっている。このように、スケール板３に形成される光透過孔５の数量、及び移動方向Ａに垂直な方向における光透過孔５の位置を相異させることで、移動方向Ａに垂直な方向における光の透過及び遮断のパターンを容易且つ確実に異ならせることができる。
例えば、回転軸２を中心として等角度間隔毎に６４個の光透過／遮断部４１，４２，４３・・・４６４がスケール板３の縁部に配置されているものとすると、光透過／遮断部４１〜４６４のそれぞれについて光の透過及び遮断のパターンを異ならせるためには６ビットの情報が必要となる。ここでは、移動方向Ａに垂直な方向に沿った６箇所に光透過孔５を形成するか否かで６ビットの情報を作り出している。なお、回転するスケール板３の振動やスケール板３の反り・軸ずれ等にも対応可能とすべく、光透過／遮断部４１〜４６４の外側端部には必ず光透過孔５が形成されている。また、光透過孔５は隣り合う場合には、つなげて一つの光透過孔としてもよい。
また、図１に示されるように、エンコーダ１は、ラインＬ１，Ｌ２上に配置された光透過／遮断部４に光を照射するＬＥＤ等からなる光源装置６と、スケール板３を挟んで光源装置６と対向するように配置されたプロファイルセンサ（光検出装置）７とを備えている。プロファイルセンサ７は、光源装置６から出射された光のうち光透過／遮断部４の光透過孔５を透過した光を受光して、光強度プロファイルデータを解析部８に出力する。
ここで、プロファイルセンサ７の構成について説明する。図４は、エンコーダ１のプロファイルセンサ７の構成図である。プロファイルセンサ７は、受光領域１００、第１信号処理部１１０及び第２信号処理部１２０を有している。受光領域１００は、移動方向Ａ（ラインＬ１，Ｌ２の接線方向）、及びその移動方向Ａに垂直な方向に２次元配列されたＭ×Ｎ個の画素により構成されており、第ｍ行第ｎ列の位置にある画素には２つのフォトダイオードＰＤＸ,ｍ,ｎ及びＰＤＹ,ｍ,ｎが形成されている。なお、Ｍ，Ｎのそれぞれは２以上の整数であり、ｍは１以上Ｍ以下の任意の整数、ｎは１以上Ｎ以下の任意の整数である。各フォトダイオードＰＤＸ,ｍ,ｎ，ＰＤＹ,ｍ,ｎのアノード端子は接地されている。第ｎ列にあるＭ個のフォトダイオードＰＤＸ,１,ｎ〜ＰＤＸ,Ｍ,ｎのカソード端子は、共通の配線ＬＸ,ｎにより第１信号処理部１１０と接続されている。第ｍ行にあるＮ個のフォトダイオードＰＤＹ,ｍ,１〜ＰＤＹ,ｍ,Ｎのカソード端子は、共通の配線ＬＹ,ｍにより第２信号処理部１２０と接続されている。
図５は、プロファイルセンサ７に含まれる第１信号処理部１１０の回路図である。第１信号処理部１１０は、シフトレジスタ１１１、積分回路１１２及びＮ個のスイッチＳＷ１〜ＳＷＮを有している。各スイッチＳＷｎの一端は配線ＬＸ,ｎに接続されており、各スイッチＳＷｎの他端は共通の配線を介して積分回路１１２の入力端に接続されている。また、各スイッチＳＷｎは、シフトレジスタ１１１から出力される制御信号に基づいて順次に閉じる。積分回路１１２は、アンプＡ、容量素子Ｃ及びスイッチＳＷを有している。容量素子Ｃ及びスイッチＳＷは、互いに並列的に接続されて、アンプＡの入力端子と出力端子との間に設けられている。スイッチＳＷが閉じると、容量素子Ｃが放電されて、積分回路１１２から出力される電圧値が初期化される。スイッチＳＷが開いて、スイッチＳＷｎが閉じると、配線ＬＸ,ｎに接続されている第ｎ列のＭ個のフォトダイオードＰＤＸ,１,ｎ〜ＰＤＸ,Ｍ,ｎそれぞれの光入射に応じて発生した電荷の総和が積分回路１１２に入力し、その電荷が容量素子Ｃに蓄積されて、この蓄積電荷量に応じた電圧値ＶＸ(ｎ)が積分回路１１２から出力される。第２信号処理部１２０も、第１信号処理部１１０と同様の構成を有し、同様の動作をする。
以上のように構成されたプロファイルセンサ７は、受光領域１００における移動方向Ａ（ラインＬ１，Ｌ２の接線方向）について入射光強度の１次元分布を示す第１光強度プロファイルデータＶＸ(ｎ)を第１信号処理部１１０から出力すると共に、その移動方向Ａに垂直な方向について入射光強度の１次元分布を示す第２光強度プロファイルデータＶＹ(ｍ)を第２信号処理部１２０から出力することができる。解析部８は、これら第１光強度プロファイルデータＶＸ(ｎ)及び第２光強度プロファイルデータＶＹ(ｍ)を入力して解析する。
次に、プロファイルセンサ７の受光領域１００と、ラインＬ１，Ｌ２上に配置された光透過／遮断部４との関係について説明する。図６に示されるように、受光領域１００と光透過／遮断部４とは、受光領域１００の移動方向Ａに沿った幅をＷとし、ラインＬ１上とラインＬ２上とに渡って隣り合う光透過／遮断部４の移動方向Ａに沿った距離をＤとした場合に、Ｗ／２＜Ｄ＜Ｗの関係式を満たしている。
これにより、エンコーダ１においては、図６及び図７に示されるように、ラインＬ１上とラインＬ２上とに渡って隣り合う２つの光透過／遮断部４の少なくとも１つは、プロファイルセンサ７の受光領域１００上に常に位置することになる。ここで、光透過／遮断部４のそれぞれは、移動方向Ａに垂直な方向において光の透過及び遮断のパターンが互いに異なっているため、移動方向Ａに垂直な方向についての第２光強度プロファイルデータＶＹ(ｍ)に基づいて、受光領域１００上に位置する光透過／遮断部４を解析部８で特定することができる。更に、移動方向Ａについての第１光強度プロファイルデータＶＸ(ｎ)に基づいて、特定された光透過／遮断部４の移動方向Ａにおける位置を解析部８で特定することができる。
このように、エンコーダ１にプロファイルセンサ７を用いることで、２次元イメージセンサを用いる際に必要となるフレームメモリ等が不要となり、測定対象物の回転角度の絶対値を簡単な構成で精度良く検出することが可能になる。しかも、プロファイルセンサ７を用いることで、同じ画素数であれば、２次元イメージセンサを用いた場合に比べ処理時間を大幅に短縮化することが可能になる。
なお、図６に示されるように、プロファイルセンサ７の受光領域１００上に２つの光透過／遮断部４が同時に位置する場合でも、その２つの光透過／遮断部４はラインＬ１上とラインＬ２上とのそれぞれに存在するため、移動方向Ａに垂直な方向についての第２光強度プロファイルデータＶＹ(ｍ)に基づくその２つの光透過／遮断部４の特定が妨げられることはない。
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態は、スケール板３が回転運動を行い、その回転方向を移動方向Ａとして複数の光透過／遮断部４がスケール板３に配置されているロータリエンコーダとしてエンコーダ１が構成されている場合であったが、図８に示されるように、長尺状のスケール板３がその長手方向に直線運動を行い、その直線方向を移動方向Ａとして複数の光透過／遮断部４がスケール板３に配置されているリニアエンコーダとしてエンコーダ１を構成することもできる。
このようにリニアエンコーダとしてエンコーダ１を構成しても、プロファイルセンサ７の受光領域１００と光透過／遮断部４とが、受光領域１００の移動方向Ａに沿った幅をＷとし、ラインＬ１上とラインＬ２上とに渡って隣り合う光透過／遮断部４の移動方向Ａに沿った距離をＤとした場合に、Ｗ／２＜Ｄ＜Ｗの関係式を満たしていれば、上述した理由により、測定対象物の移動距離の絶対値を簡単な構成で精度良く検出することが可能になる。
また、図９に示されるように、移動方向Ａに垂直な方向（すなわち、スケール板３の半径方向）に沿ってプロファイルセンサ７を一組配置し、ラインＬ１上の光透過／遮断部４を一方のプロファイルセンサ７の受光領域１００上に位置させ、ラインＬ２上の光透過／遮断部４を他方のプロファイルセンサ７の受光領域１００上に位置させるようにエンコーダ１を構成してもよい。そして、このような構成を採用する場合にも、図１０に示されるように、リニアエンコーダとしてエンコーダ１を構成することができる。
本発明に係るエンコーダの一実施形態を示す構成図である。 図１に示されたエンコーダのスケール板の正面図である。 図１に示されたエンコーダの光透過／遮断部を示す図である。 図１に示されたエンコーダのプロファイルセンサの構成図である。 図１に示されたエンコーダのプロファイルセンサに含まれる第１信号処理部の回路図である。 図１に示されたエンコーダにおける受光領域と光透過／遮断部との関係を示す第１の図である。 図１に示されたエンコーダにおける受光領域と光透過／遮断部との関係を示す第２の図である。 図１に示されたエンコーダをリニアエンコーダとして構成した場合のスケール板の正面図である。 図１に示されたエンコーダの変形例のスケール板の正面図である。 図１に示されたエンコーダの変形例をリニアエンコーダとして構成した場合のスケール板の正面図である。
符号の説明
１…エンコーダ、３…スケール板、４…光透過／遮断部、５…光透過孔、６…光源装置、７…プロファイルセンサ（光検出装置）、１００…受光領域、Ａ…移動方向、Ｌ１，Ｌ２…ライン。

Claims (4)

  1. 移動方向に沿った第１のライン上と第２のライン上とに渡って千鳥状に複数の光透過／遮断部が配置されたスケール板と、
    前記光透過／遮断部に光を照射する光源装置と、
    前記スケール板を挟んで前記光源装置と対向するように配置され、前記移動方向、及び前記移動方向に垂直な方向に複数の画素が２次元配列された受光領域を有して、前記移動方向、及び前記移動方向に垂直な方向のそれぞれについて入射光強度の１次元分布を示す光強度プロファイルデータを出力する光検出装置とを備え、
    前記光透過／遮断部のそれぞれは、前記移動方向に垂直な方向において光の透過及び遮断のパターンが互いに異なっており、
    前記受光領域の前記移動方向に沿った幅をＷとし、前記第１のライン上と前記第２のライン上とに渡って隣り合う前記光透過／遮断部の前記移動方向に沿った距離をＤとした場合に、Ｗ／２＜Ｄ＜Ｗの関係式を満たしていることを特徴とするエンコーダ。
  2. 前記光透過／遮断部のそれぞれは、前記スケール板に形成される光透過孔の数量、及び前記移動方向に垂直な方向における前記光透過孔の位置の相異によって、前記移動方向に垂直な方向において光の透過及び遮断のパターンが互いに異なっていることを特徴とする請求項１記載のエンコーダ。
  3. 前記スケール板は回転運動を行い、前記スケール板には、その回転方向を前記移動方向として複数の光透過／遮断部が配置されていることを特徴とする請求項１又は２記載のエンコーダ。
  4. 前記スケール板は直線運動を行い、前記スケール板には、その直線方向を前記移動方向として複数の光透過／遮断部が配置されていることを特徴とする請求項１又は２記載のエンコーダ。
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