JP2011164029A - 光電式エンコーダ - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な計算で、スケールの汚れや格子の欠陥により発生する位置検出誤差を低減する。
【解決手段】所定周期の格子１２が形成されたスケール１３と、該スケール１３に対して相対変位可能であると共に光源１４及び受光器３０を備えた検出ヘッド２０と、を備えた光電式エンコーダにおいて、前記受光器３０の受光素子３４がＮ相（Ｎは３以上の整数）の明暗信号を出力するようにされると共に、該Ｎ相明暗信号をそれぞれデジタル化したＮ相のデジタル信号に、周期固定の正弦波関数を最小２乗法によりフィッティングして、前記Ｎ相明暗信号の位相を検出する際に、該Ｎ相明暗信号の周期Ｐが前記Ｎ相デジタル信号のデータ点間隔ｗの整数倍になり、受光素子全長Ｍが該Ｎ相明暗信号の周期Ｐの整数倍になるようにする。
【選択図】図４

Description

本発明は、所定周期の格子が形成されたスケールと、該スケールに対して相対変位可能とされた、光源及び受光器を備えた光電式エンコーダに係り、特に、リニアエンコーダに用いるのに好適な、簡単な計算で、スケールの汚れや格子の欠陥より発生する位置検出誤差を低減することが可能な光電式エンコーダに関する。

従来から、物質の直線移動量の精密測定に光電式エンコーダが利用されている。光学式エンコーダで採用されている位置検出方法の一つとして、受光素子アレイから得られるリサージュ信号の逆正接演算が良く用いられている。

例えば、特許文献１で提案されている方法では、その第１図、第２図に示される如く、まず、感光帯３５を形成するＰ型半導体層３４でなる受光素子を、スケール１３の光学格子１２の位相に対して位相差がつく配置ピッチでアレイ状に配置する。次に、受光素子の出力信号を差動アンプ３８Ａ、３８Ｂで差動増幅する事によりリサージュ信号を生成し、更に、リサージュ信号に対して逆正接演算を行うことにより位置を検出している。

特開昭６４−５７１２０号公報（第１図、第２図）

しかしながら、本願の図１に示す如く、スケール上に汚れが付着した場合や、スケールの格子に欠陥がある場合には、汚れや格子欠陥の大きさが様々な上、受光素子３４に照射される測定光が遮光されてしまう為、受光素子３４の出力信号がアンバランスとなる。受光素子３４の出力信号にアンバランスが生じると、リサージュ信号の直流成分が、図２に実線で示す正常位置から、破線で示す位置にオフセットしてしまい、逆正接演算による位置検出に誤差が生じてしまうという問題点を有していた。

このような問題点を解決するべく、所定周期の格子が形成されたスケールと、該スケールに対して相対変位可能であると共に光源及び受光器を備えた検出ヘッドと、を備えた光電式エンコーダにおいて、前記受光器の受光素子がＮ相（Ｎは３以上の整数）の明暗信号を出力するようにすると共に、図３に例示する如く、該Ｎ相の明暗信号をそれぞれデジタル化したＮ相デジタル信号に、周期固定の正弦波関数をフィッティングして、該Ｎ相明暗信号の位相を検出することが考えられる。

この技術は、撮像された全ての点を演算対象とするため、エッジのみを演算対象とする方法と比較し、精度の向上が見込める。しかし、演算量が多いことから演算時間が長い。そのため、高性能な信号処理回路を必要とするのでコストが高くなるという問題点がある。

本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、最小二乗法による正弦波モデル関数導出演算を高速化することにより、安価な処理回路でも適用可能としてコストを下げることを課題とする。

図３に示した技術で、フィッティング関数が
ｙ＝Ａsin(ｘ−Ｂ)−Ｃ （１）
で示される周期固定の正弦波であるとき、（１）式中のパラメータＡ、Ｂ、Ｃは、次式で導出される。

このとき（２）式中の変数ａ、ｂ、ｃは、次式で定義される。

しかし、図４（ａ）（ｂ）に示す以下の条件
ａ．Ｎ相明暗信号の周期Ｐ（例えばスケール周期Ｐｓ）が、Ｎ相デジタル信号のデータ点間隔ｗ（例えば受光素子ピッチＰｄ）の整数倍（Ｐ＝ｎ・ｗ：ｎは１以上の整数）
ｂ．受光素子全長Ｍが、Ｎ相明暗信号の周期Ｐの整数倍（Ｍ＝Ｎ・Ｐ：Ｎは１以上の整数）（この時、受光素子全長Ｍ＝解析全長Ｌとなる）
を満たすようにＮ相デジタル信号のデータ点間隔ｗ及び受光素子全長Ｍを設計することで、次式が成り立つようになる。

ここで、（８）式を（４）〜（７）式に代入し、ａ、ｂ、ｃを導くと、次式を得ることができる。

更に（９）式を（２）式に代入することで、パラメータＡ、Ｂ、Ｃを次式のように求めることができる。

特に位相を求める際は、sin（−Ｂ）とcos（−Ｂ）の比のみが要求されることを考慮すると、（１０）式を次式のように変形すると良い。

このとき、位相Ｂは、次式で表現することができる。

また、Ｎ相明暗信号の周期ＰとＮ相デジタル信号のデータ点間隔ｗの関係が、演算時間を減らす前記条件ａ、ｂを満たすことができない場合に関しても、
ａ．Ｎ相明暗信号の周期Ｐがデータ点間隔ｗの整数倍ではない場合は、図５（ａ）に例示するように、Ｎ相明暗信号に任意の補間を適用し、Ｎ相明暗信号の周期Ｐがデータ点間隔ｗの整数倍になるようにデータ点間隔ｗを補間し、データ点を生成することでｗ’を、また、
ｂ．受光素子全長ＭがＮ相明暗信号の周期Ｐの整数倍ではない場合は、図５（ｂ）に例示するように、解析全長ＬがＮ相明暗信号の周期Ｐの整数倍になるように受光素子全長Ｍから切り捨て、解析全長を限定することでＬを調整することが可能であり、
本発明を適用することが可能となる。

本発明は、上記知見に基づいてなされたもので、所定周期の格子が形成されたスケールと、該スケールに対して相対変位可能であると共に光源及び受光器を備えた検出ヘッドと、を備えた光電式エンコーダにおいて、前記受光器の受光素子がＮ相（Ｎは３以上の整数）の明暗信号を出力するようにされると共に、該Ｎ相明暗信号をそれぞれデジタル化したＮ相のデジタル信号に、周期固定の正弦波関数を最小２乗法によりフィッティングして、前記Ｎ相明暗信号の位相を検出する際に、該Ｎ相明暗信号の周期（Ｐ）が前記Ｎ相デジタル信号のデータ点間隔（ｗ）の整数倍になり、受光素子全長（Ｍ）が該Ｎ相明暗信号の周期（Ｐ）の整数倍となるようにして、前記課題を解決したものである。

ここで、前記Ｎ相明暗信号の周期（Ｐ）が前記Ｎ相デジタル信号のデータ点間隔（ｗ）の整数倍でない場合は、図５（ａ）に例示する如く、該Ｎ相明暗信号の周期（Ｐ）が前記Ｎ相デジタル信号のデータ点間隔（ｗ）の整数倍になるように前記Ｎ相デジタル信号のデータ点間隔を補間して、データ点を生成することができる。

又、受光素子全長（Ｍ）が前記Ｎ相明暗信号の周期（Ｐ）の整数倍でない場合は、図５（ｂ）に例示する如く、解析全長（Ｌ）がＮ相明暗信号の周期（Ｐ）の整数倍になるように受光素子全長（Ｍ）から切り捨て、解析全長（Ｌ）を調整することができる。

又、前記Ｎ相明暗信号から、スケールの汚れや格子の欠陥を検出することができる。

又、前記スケールの汚れや格子の欠陥がある部分をフィッティングの対象から除外して、再びフィッティングを行うことができる。

又、前記スケールの汚れや格子の欠陥が過剰に存在する場合は、偶発的な位置検出エラーとすることができる。

本発明によれば、最小二乗法による周期固定正弦波モデル関数導出演算量を減らすことにより、正弦波関数をフィッティングする演算時間の大幅な短縮を実現できる。

又、スケール上に汚れ或いは格子欠陥のある箇所に検出ヘッドが位置した場合、受光素子の出力する明暗信号強度が部分的に低下するが、特許文献１の技術のように、選択的に同位相の受光素子が遮光される事は起こりにくいので、位置検出不能となりにくく、連続的に位置検出が可能である。

更に、図２に示すような、リサージュ信号の直流オフセットによって誤差が発生する逆正接演算は行わない為、汚れによる信号劣化が生じても位置検出に誤差が生じにくい。

又、スケールの汚れや格子の欠陥の箇所を検出して、位置検出の対象から除去する事が可能である。

又、スケールの汚れや格子の欠陥が過剰に存在する場合は、正弦波関数の振幅がゼロ付近の値となる為、予め所定の閾値を設定する事により、アクシデンタルな位置検出エラーの検出が可能である。

又、周期固定の正弦波関数を用いる事により、検出の周期が狂うエリアシングを回避出来る等の優れた作用効果を奏する。

スケールの汚れ或いは格子の欠損により測定光が遮光されている状態を示す平面図 図１の場合に生じるリサージュ信号の変化を示す図 測定データとフィッティング関数の一例を示す図 本発明の原理を示す図 本発明の変形例の原理を示す図 本発明の第１実施形態の全体構成を示す図 同じくスケールの構成を示す平面図 同じく受光器の構成を示す平面図 同じく正常時の正弦波関数のフィッティング状態の例を示す図 図９でスケールの汚れ或いは格子欠損がある場合のフィッティング状態の例を示す図 同じく所定の値より差が大きいデータを無視した例を示す図 同じく偶発的な位置検出エラーの説明図 スケールの汚れ或いは格子の欠陥の箇所を検出してエラー出力する回路の例を示す図 エリアシングの説明図 本発明の第２実施形態の要部構成を示す図 第２実施形態の一例の要部構成を示す図 第２実施形態の他の例の要部構成を示す図 本発明が適用可能な反射型の光電式エンコーダの構成例を示す図

以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。

本発明に係る光電式エンコーダの第１実施形態の全体構成の概略を図６に示す。この光電式エンコーダは、図７に示す如く、透明ガラス基板１１上に周期（スケール周期）Ｐｓのインクリメンタルパターンを格子１２として形成したスケール１３と、測定光を照射する光源としての発光素子１４、測定光を平行光にするコリメータレンズ１７及びアレイ状の受光素子３４を搭載した受光器３０を備えた検出ヘッド２０と、受光素子３４の出力信号を処理して位置信号を出力する信号処理回路６０とを備えて構成されている。ここで、スケール１３は、発光素子１４及び受光器３０を含む検出ヘッド２０に対して測長方向に相対移動可能である。

前記受光器３０は、図８に示す如く、受光素子３４が、データ点間隔ｗと一致する一定周期（受光素子ピッチ）Ｐｄでアレイ状にＮ個（Ｎは３以上の整数で、例えば１０２４個）配置されており、入射された測定光を光電変換した各受光素子３４の出力をスイッチング素子３４ａで掃引することにより、プリアンプ３７を介してＮ相（例えば１０２４相）の明暗信号を出力する。特許文献１の技術の場合、同位相の受光素子が選択的に故障すると位置検出不能となるが、本発明の場合、全ての受光素子が等しく機能する為、位置検出不能となりにくい。

本実施形態では、後出図１５に示すレンズ１７とスケール１３間の距離Ａと、レンズ１７と受光素子３４間の距離Ｂを同じとして、光学系倍率ｍ＝１とし、Ｎ相明暗信号の周期Ｐとスケール周期Ｐｓが一致するようにしている。

前記信号処理回路６０は、図６に示した如く、まず、入力されるＮ相明暗信号をノイズフィルタ増幅回路６２でノイズフィルタリングし、所定のゲインにて増幅した後、Ａ／Ｄ変換回路６４でそれぞれＡ／Ｄ変換する。続いて、位相検出回路６６にてスケール１３の位相を検出した後、位置信号として、２相方形波生成回路６８から、２相方形波を、例えばカウンタ回路等へ出力する。

前記位相検出回路６６の機能の詳細について、図８を用いて更に説明する。この位相検出回路６６は、それぞれデジタル化されたＮ相明暗信号を対象に、周期固定の正弦波関数である前出（１）式をモデルとした最小２乗法によるフィッティング処理を、それぞれ行う事により、Ｎ相明暗信号のそれぞれの位相を検出する。

ここで、正弦波関数の最小２乗法について説明する。簡単にする為、図３に示した如く、横軸を位相、縦軸を強度とする。

まず、図３のように、Ｎ個のデータ（ｘ_i，ｙ_i）をフィッティング対象とし、フィッティング関数をｆ（ｘ）とする。

最小２乗法の定義から次式が最小となるｆ（ｘ）のパラメータ値を求めればよい。

ここで、ｆ（ｘ）に含まれるパラメータをＡｋ（ｋ＝１，２，・・・，Ｍ）と置き、（１３）式をＡｋで偏微分するとゼロであるから次式が求められる。

（１４）式からパラメータ数Ｍの数だけ方程式が導かれるので、方程式を連立する事によりＡｋを求める事ができる。

最小２乗法の一般式については、書籍「理工系の基礎数学 数値計算」（高橋大輔著）のＰ５２〜Ｐ５４を参照されたい。

次に、フィッティング関数が（１）式で示した正弦波関数である場合について説明する。

（１）式を（１４）式に代入した場合、連立方程式を解く事が困難になる為、三角関数の合成公式を用いて、（１）式を次式に置き換える。
ｙ＝ａsinｘ＋ｂcosｘ＋ｃ （１５）

（１５）式を（１４）式に代入し、連立方程式を解くとａ、ｂ、ｃが求められ、三角関数の合成公式から（１）式中のパラメータＡ、Ｂ、Ｃを前出（２）式のように求める事ができる。

初期位相Ｂはスケール１３の位相に等しい為、スケール位置を検出する事ができる。尚、一般に非線形関数をモデルとした場合、最小２乗法を適用すると解を一義的に求める事ができないが、正弦波関数の周期を固定とした場合は、例外的に解を一義的に求める事ができる。

スケール１３上に汚れが付着した場合や、スケールの格子１２に欠陥がある場合について、図１０を用いて説明する。汚れ或いは格子欠陥のある箇所は、受光素子３４が出力する明暗信号強度が低下するが、選択的に同位相の受光素子が遮光される事は起こらない。更に、図２に示すような、リサージュ信号の直流オフセットによって誤差が発生する逆正接演算は行わない為、汚れによる信号劣化が生じても位置検出に誤差が生じにくい。

また、図１１に示す如く、フィッティング処理の際に、所定の値より差が大きいデータは無視することで、位置検出の対象から除去する事も可能である。

スケール１３の汚れや格子１２の欠陥が過剰に存在する場合は、図１２に示す如く、正弦波関数の振幅Ａがゼロ付近の値となる為、あらかじめ所定の閾値を設定する事により、偶発的な位置検出エラーの検出が可能である。例えば、スケール１３の汚れや格子１２の欠陥箇所の検出をエラーとして出力する事が可能である。エラー出力の例として、図１３（Ａ）に示す位相検出回路６６からエラー信号を出力する方法や、図１３（Ｂ）に示す２相方形波生成回路６８から出力される方形波の位相を揃える方法を用いる事が可能である。

また、周期固定の正弦波関数を用いる事により、図１４に破線で示すような、スケール１３のインクリメンタルパターンの周期（スケール周期）Ｐｓと異なる周期を検出してしまうエリアシングを、実線のように回避出来る。

なお、前記実施形態においては、光学系倍率ｍ＝１で、スケール周期ＰｓがＮ相明暗信号の周期Ｐと一致していたが、光学系倍率は１に限定されず、図１５に示す第２実施形態のように、レンズ１７とスケール１３間の距離Ａと、レンズ１７と受光素子３４間の距離Ｂを異なる値として、例えば図１６に示す如く、光学系倍率ｍを０．５倍としたり、図１７に示す如く、光学系倍率ｍを２倍とすることもできる。図において、ｆはレンズ１７の焦点の位置である。

又、前記実施形態においては、データ点間隔ｗが受光素子ピッチＰｄと一致していたが、所望のデータ点間隔ｗ’と受光素子ピッチＰｄが一致しない場合には、図５（ａ）に示したように、受光素子ピッチＰｄ（＝ｗ）で得られるデータを補完して、所望のデータ点間隔ｗ’とすることができる。

更に、本発明は、図１８に示すような反射型の光電式エンコーダにも適用する事ができる。

本発明は、更に、リニアエンコーダと同様にロータリーエンコーダへの適用も可能である。

１２…格子
１３…スケール
１４…発光素子（光源）
２０…検出ヘッド
３０…受光器
３４…受光素子
６０…信号処理回路
６６…位相検出回路
Ｐ…Ｎ相明暗信号の周期
ｗ…データ点間隔
Ｌ…解析全長
Ｍ…受光素子全長

Claims (6)

1. 所定周期の格子が形成されたスケールと、
   該スケールに対して相対変位可能であると共に光源及び受光器を備えた検出ヘッドと、を備えた光電式エンコーダにおいて、
   前記受光器の受光素子がＮ相（Ｎは３以上の整数）の明暗信号を出力するようにされると共に、該Ｎ相明暗信号をそれぞれデジタル化したＮ相のデジタル信号に、周期固定の正弦波関数を最小２乗法によりフィッティングして、前記Ｎ相明暗信号の位相を検出する際に、
   該Ｎ相明暗信号の周期が前記Ｎ相デジタル信号のデータ点間隔の整数倍になり、
   受光素子全長が該Ｎ相明暗信号の周期の整数倍になるようにしたことを特徴とする光電式エンコーダ。
2. 前記Ｎ相明暗信号の周期が前記Ｎ相デジタル信号のデータ点間隔の整数倍でない場合は、該Ｎ相明暗信号の周期が前記Ｎ相デジタル信号のデータ点間隔の整数倍になるように前記Ｎ相デジタル信号のデータ点間隔を補間して、データ点を生成することを特徴とする請求項１に記載の光電式エンコーダ。
3. 受光素子全長が前記Ｎ相明暗信号の周期の整数倍でない場合は、解析全長が該Ｎ相明暗信号の周期の整数倍になるように受光素子全長から切り捨て、解析全長を調整することを特徴とする請求項１又は２に記載の光電式エンコーダ。
4. 前記Ｎ相明暗信号から、スケールの汚れや格子の欠陥を検出することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の光電式エンコーダ。
5. 前記スケールの汚れや格子の欠陥がある部分をフィッティングの対象から除外して、再びフィッティングを行うことを特徴とする請求項４に記載の光電式エンコーダ。
6. 前記スケールの汚れや格子の欠陥が過剰に存在する場合は、偶発的な位置検出エラーとすることを特徴とする請求項４に記載の光電式エンコーダ。

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