JP2009047595A

JP2009047595A - 絶対位置測長型エンコーダ

Info

Publication number: JP2009047595A
Application number: JP2007214900A
Authority: JP
Inventors: Kouhei Kusano; 亘平草野
Original assignee: Mitutoyo Corp; Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Current assignee: Mitutoyo Corp; Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Priority date: 2007-08-21
Filing date: 2007-08-21
Publication date: 2009-03-05

Abstract

【課題】電気ノイズによる信号の劣化を抑制する事により信頼性の高い絶対位置測長型エンコーダを提供する。
【解決手段】絶対位置測長型エンコーダは、スケール１２と、スケール１２に測定光を照射する光源１１と、スケール１２を透過した測定光を受光する受光器１４と、受光器１４の受光信号を処理してスケール１２の絶対位置を検出する信号処理回路２０とを備える。スケール１２は、絶対位置を表現した第１明暗パターンからなる第１アブソリュートパターン３２を有する第１アブソリュートトラック３０２と、第１明暗パターンを反転した第２明暗パターンからなる第２アブソリュートパターン３３を有する第２アブソリュートトラック３０３とを有する。信号処理回路２０は、第１アブソリュートパターン３２に基づく第１受光信号Ｓ１と第２アブソリュートパターン３３に基づく第２受光信号Ｓ２にて差分信号Ｓ５を生成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、絶対位置測長型エンコーダに関する。

物体の移動距離を測定するための装置として、相対移動距離を測定するインクリメンタルエンコーダの他、絶対位置の測長を可能にしたアブソリュートエンコーダが知られている。

インクリメンタルエンコーダは、光電式エンコーダの場合、明暗の等間隔のインクリメンタルパターンからなるインクリメンタルトラックを有し、このパターンに基づく明暗信号をカウントし、更に内挿することにより、相対的な移動距離を高精度に検出する。また、明暗の等間隔のパターンとは別に設けられた原点検出パターンを検出し、この原点からの相対的な移動距離を検出することにより、絶対的な移動距離を検出することができる。ただし、原点検出パターンを読むため、測定に先立ちスケールを左右に移動させなければならない。

一方、アブソリュートエンコーダは、例えばＭ系列符号等の擬似ランダム符号を表現したアブソリュートパターンからなるアブソリュートトラックを有し、このパターンを読むことで得られた物体の絶対位置を検出するものである。アブソリュートエンコーダは、インクリメンタルエンコーダと異なり、原点検出パターンによる原点検出を行う必要は無く、電源投入後のその位置から測定を開始することができる。しかし、検出精度の面では、インクリメンタルエンコーダよりも劣る。

そのため、等間隔のインクリメンタルパターンからなるインクリメンタルトラックと、擬似ランダム符号を表現したアブソリュートパターンからなるアブソリュートトラックとを１つのスケール上に平行に配置した絶対位置測長型エンコーダが、例えば特許文献１により知られている。そのエンコーダでは、電源投入後、まずアブソリュートトラック上のアブソリュートパターンを読み取って絶対位置を検出し、続いてインクリメンタルトラック上のインクリメンタルパターンを読み取って得られる高精度な相対位置により絶対位置を補間する。これによれば、インクリメンタルエンコーダとアブソリュートエンコーダとの双方の長所を得つつ、それぞれの短所を補った絶対位置測長型エンコーダを得ることができる。

しかしながら、このような構成のエンコーダの場合であっても、電気ノイズによりアブソリュートパターンに基づく受光信号の波形が劣化し、絶対位置検出にエラーが生じるという問題がある。
特開平７−２８６８６１号公報

本発明は、電気ノイズによる信号の劣化を抑制する事により信頼性の高い絶対位置測長型エンコーダを提供することを目的とするものである。

本発明に係る絶対位置測長型エンコーダは、スケールと、当該スケールに測定光を照射する光源と、前記スケールで反射又は透過した前記測定光を受光する受光器と、前記受光器の受光信号を処理して前記スケールの絶対位置を検出する信号処理回路とを備え、前記スケールは、絶対位置を表現した第１明暗パターンからなる第１アブソリュートパターンを有する第１アブソリュートトラックと、絶対位置を表現した前記第１明暗パターンの明暗を反転した第２明暗パターンからなる第２アブソリュートパターンを有する第２アブソリュートトラックとを有することを特徴とする。

この絶対位置測長型エンコーダによれば、第１受光信号と、その反転信号となる第２受光信号を生成することができる。そして、これら第１受光信号と第２受光信号を用いれば、電気ノイズによる影響を除外した信号を生成することが可能である。

また、前記信号処理回路は、前記第１アブソリュートパターンに基づく第１受光信号と前記第２アブソリュートパターンに基づく第２受光信号とを差動増幅することを特徴とする。

また、前記スケールは、第１の周期で等間隔に形成された第３明暗パターンからなるインクリメンタルパターンを有するインクリメンタルトラックを有し、前記信号処理回路は、前記差動増幅された信号、及び前記インクリメンタルパターンから得られた信号に基づいて、前記スケールの絶対位置を検出するものとしても良い。このような構成とすることにより、高精度な位相位置により、絶対位置を補間することができるため、さらに、絶対位置の検出精度を高めることができる。

この発明によれば、電気ノイズによる信号の劣化を抑制する事により信頼性の高い絶対位置測長型エンコーダを提供することができる。

次に、本発明の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る絶対位置測長型光電式エンコーダの全体構成を示す概略図である。この実施形態の絶対位置測長型光電式エンコーダは、発光素子１１と、スケール１２と、レンズ１３と、フォトダイオードアレイ１４と、信号処理回路２０とを備えて構成されている。

発光素子１１は、例えば、ＬＥＤである。スケール１２は、図２に示すように、透明ガラス基板上に、明暗の等間隔の配列ピッチＰｉ（たとえば４０μｍ）で形成されたインクリメンタルパターン３１からなるインクリメンタルトラック３０１と、擬似ランダムパターン（ここではＭ系列符号）により絶対位置を表現した一般的な第１アブソリュートパターン３２からなる第１アブソリュートトラック３０２とを形成して構成される。

さらに、スケール１２は、擬似ランダムパターン（ここではＭ系列符号）により絶対位置を表現した一般的な第２アブソリュートパターン３３からなる第２アブソリュートトラック３０３を形成して構成される。第２アブソリュートパターン３３は、第１アブソリュートパターン３２の明暗パターンを反転したものである。

発光素子１１は、このスケール１２を照射し、スケール１２を透過した照射光は、レンズ１３を介してフォトダイオードアレイ１４上に投影される。

図３に示すように、フォトダイオードアレイ１４は、インクリメンタルトラック３０１、第１アブソリュートトラック３０２、及び第２アブソリュートトラック３０３のそれぞれに対応して、ＩＮＣフォトダイオードアレイ４１、第１ＡＢＳフォトダイオードアレイ４２、及び第２ＡＢＳフォトダイオードアレイ４３を備えている。各フォトダイオードアレイ４１〜４３は、対応するパターン３１〜３３のピッチに対応した配列ピッチでフォトダイオードを配列して構成される。

ＩＮＣフォトダイオードアレイ４１は、９０°ずつ位相の異なる４組のフォトダイオードアレイを有し、インクリメンタルパターン３１に基づく明暗信号を検出して９０度位相差の４相正弦波信号を出力する。第１ＡＢＳフォトダイオードアレイ４２及び第２ＡＢＳフォトダイオードアレイ４３は、第１及び第２アブソリュートパターン３２，３３に基づく明暗信号を測長方向に掃引し得られた信号を出力する。

図１に戻って説明を続ける。信号処理装置２０は、一例として、ノイズフィルタ・増幅回路２１、Ａ／Ｄ変換器２２、相対位置検出回路２３、プリアンプ２４、差動増幅回路２５、Ａ／Ｄ変換器２６、絶対位置検出回路２７、及び絶対位置合成回路２８を備えて構成される。

ノイズフィルタ・増幅回路２１は、ＩＮＣフォトダイオードアレイ４１からのアナログ出力信号（９０°位相差４相信号）のノイズを除去した後この信号を増幅して出力する。Ａ／Ｄ変換器２２は、ノイズフィルタ・増幅回路２１が出力するアナログ出力信号をデジタル信号に変換する。相対位置検出回路２３は、得られた９０°位相差４相信号から９０°位相差２相信号を生成し、ａｒｃｔａｎ演算を行うことにより、スケール１２の相対的な移動量・移動方向を示す相対位置信号Ｄ２を出力する。

プリアンプ２４は、第１ＡＢＳフォトダイオードアレイ４２及び第２ＡＢＳフォトダイオードアレイ４３からの第１受光信号Ｓ１及び第２受光信号Ｓ２を増幅させて第１増幅信号Ｓ３、及び第２増幅信号Ｓ４を出力する。差動増幅回路２５は、２つの増幅信号Ｓ３、Ｓ４の差分となる差分信号Ｓ５を出力する。Ａ／Ｄ変換器２６は、差動増幅回路２５が出力するアナログ信号である差分信号Ｓ５をデジタル信号に変換する。変換後のデジタル信号は、この場合第１アブソリュートパターン３２及び第２アブソリュートパターン３３に表現されたＭ系列符号のデータを含んでいる。

絶対位置検出回路２７は、差分信号Ｓ５に基づくＭ系列符号と、Ｍ系列により表現される絶対位置との関係を示すテーブル（図示せず）を有しており、このテーブルを参照して、スケール１２の絶対位置を示す絶対値信号Ｄ１を出力する。

絶対位置合成回路２８は、絶対位置信号Ｄ１、相対位置信号Ｄ２に基づいて、スケール１２の微細な絶対位置を算出する。この絶対位置合成回路２８の動作を、図４を参照して説明する。絶対位置信号Ｄ１は、スケール１２の絶対位置についての情報を有している。第１アブソリュートパターン３２は、インクリメンタルパターン３１に対し所定の精度をもって形成されるので、絶対値信号Ｄ１から絶対位置が得られることで、インクリメンタルパターン３１の周期Ｐｉの何周期目にスケール１２が位置しているのかを特定することができる。その後は、インクリメンタルパターン３１から得られた高精度な相対位置信号Ｄ２により、絶対位置を補間する事により、スケール１２の高精度な絶対位置を出力することが可能である。

次に、図５を参照して、第１増幅信号Ｓ３、第２増幅信号Ｓ４、及び差分信号Ｓ５について説明する。図５は、スケール１２の移動に伴う第１増幅信号Ｓ３、第２増幅信号Ｓ４、及び差分信号Ｓ５を示す図である。

図５に示すように、第１増幅信号Ｓ３は、第１アブソリュートパターン３２の明暗に対応して強度を変動させる。第２増幅信号Ｓ４は、第２アブソリュートパターン３３の明暗に対応して強度を変動させる。第２アブソリュートパターン３３は、第１アブソリュートパターン３２と反対の明暗パターンにより形成されているので、第２増幅信号Ｓ４の波形は、第１増幅信号Ｓ２の強度を反転させたものとなる。

ここで、時間ｔ１、時間ｔ２、時間ｔ３にて電気ノイズＮが生じる場合を考える。このような場合、図５に示すように、第１増幅信号Ｓ１及び第２増幅信号Ｓ２のいずれにおいても、時間ｔ１、時間ｔ２、時間ｔ３にて電気ノイズＮが計測されることとなる。このような場合であっても、第１増幅信号Ｓ３及び第２増幅信号Ｓ４の差分にあたる差分信号Ｓ５は、電気ノイズＮによる影響を解消したものとなる。さらに、差分信号Ｓ５は、第１増幅信号Ｓ３及び第２増幅信号Ｓ４の２倍の信号強度を有する信号となる。

以上説明したように、本実施形態によれば、差分信号Ｓ５により得られた絶対位置信号Ｄ１に基づき、絶対位置検出回路２７にて、絶対位置を検出するので、電気ノイズによる影響を解消する事ができるため、信頼性の高いスケール１２の絶対位置情報を得ることができる。

以上、発明の実施形態を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、追加等が可能である。例えば、上記実施形態では、透過型の光電式エンコーダを例にとって説明したが、図６に示すように、発光素子１１からの反射型の光学系として、発光素子１１をレンズ１３やフォトダイオードアレイ１４と同じ側に配置してもよい。

本発明の実施形態に係る絶対位置測長型光電式エンコーダの全体構成を示す概略図である。図１のスケール１２の構成を説明する平面図である。図１のフォトダイオードアレイ１４の構成を説明する平面図である。実施形態に係る絶対位置測長型光電式エンコーダの動作を説明する。スケール１２の移動に伴う第１増幅信号Ｓ３、第２増幅信号Ｓ４、及び差分信号Ｓ５を示す図である。本実施形態の変形例を示す。

符号の説明

１１…発光素子、１２…スケール、１３…レンズ、１４…フォトダイオードアレイ、２０…信号処理回路、２１…ノイズフィルタ増幅回路、２２、２６…Ａ／Ｄ変換器、２３…相対位置検出回路、２４・・・プリアンプ、２５…差分回路、２７…絶対位置検出回路２８…絶対位置合成回路、３１…インクリメンタルパターン、３２…第１アブソリュートパターン、３３…第２アブソリュートパターン、４１…ＩＮＣフォトダイオードアレイ、４２…第１ＡＢＳフォトダイオードアレイ、４３…第２ＡＢＳフォトダイオードアレイ、３０１…インクリメンタルトラック、３０２…第１アブソリュートトラック、３０３…第２アブソリュートトラック。

Claims

スケールと、
当該スケールに測定光を照射する光源と、
前記スケールで反射又は透過した前記測定光を受光する受光器と、
前記受光器の受光信号を処理して前記スケールの絶対位置を検出する信号処理回路と
を備え、
前記スケールは、
絶対位置を表現した第１明暗パターンからなる第１アブソリュートパターンを有する第１アブソリュートトラックと、
絶対位置を表現した前記第１明暗パターンの明暗を反転した第２明暗パターンからなる第２アブソリュートパターンを有する第２アブソリュートトラックと
を有する
ことを特徴とする絶対位置測長型エンコーダ。
前記信号処理回路は、前記第１アブソリュートパターンに基づく第１受光信号と前記第２アブソリュートパターンに基づく第２受光信号とを差動増幅する
ことを特徴とする請求項１記載の絶対位置測長型エンコーダ。
前記スケールは、
第１の周期で等間隔に形成された第３明暗パターンからなるインクリメンタルパターンを有するインクリメンタルトラックを有し、
前記信号処理回路は、前記差動増幅された信号、及び前記インクリメンタルパターンから得られた信号に基づいて、前記スケールの絶対位置を検出するものであることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の絶対位置測長型エンコーダ。