JP2012068077A - 光学式エンコーダ - Google Patents

Abstract

【課題】発光素子に過大な電流が流れることを防ぎ、角度変換精度を最大限維持したままエンコーダの長寿命化を図れる光学式エンコーダを提供する。
【解決手段】アナログ原信号を生成する光学回路と、発光素子の駆動電流を制御する光量制御部と、前記アナログ原信号を増幅しアナログ正弦波信号を生成する信号増幅部と、前記アナログ正弦波信号を２相ディジタル正弦波信号に変換するＡ／Ｄ変換部と、前記２相ディジタル正弦波信号を補正して変換用２相正弦波信号を生成する信号補正部と、前記アナログ原信号をディジタルパルス信号に変換するパルス変換部と、前記変換用２相正弦波信号の角度変換値と前記ディジタルパルス信号から位置情報を生成する位置情報生成部とを備え、前記光量制御部は前記発光素子の光量を一定量に維持し、且つ駆動電流が許容電流値を許容電流値で制限すると共に許容電流到達信号を出力し、前記許容電流到達信号で信号補正動作を切替える。
【選択図】図１

Description

本発明は光学回路からのアナログ正弦波を内挿分割処理することで高分解能化を行う光学式エンコーダにおいて、発光素子の光量制御に関するものである。

一般にＦＡ（Ｆａｃｔｏｒｙ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ）のサーボモータ制御装置で使用される光学式エンコーダでは、赤外線ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）などの発光素子から出力される光をフォトダイオードなどの受光素子が受取る際に、モータ回転軸に取付けられたスリット板のスリットパターンと受光素子表面のマスクパターンとの相対位置により透過する光量を増減させ、受光素子の光電変換によって出力される２相アナログ信号をコンパレータによりパルス変換し、パルスをアップ／ダウンカウントすることで位置情報を検出している。

この種のエンコーダに対し高分解能化を図る方法として、スリットとマスクのパターン間隔を微細化することでパルスカウント数を増加させる方法がある。しかしこの方法では、パターンの加工精度の限界や隣接するスリット同士での光の干渉等が発生し高分解能化は困難であるため、近年ではスリットとマスクのパターン形状を変更することで受光量を調整して２相アナログ信号を直交する正弦波状とし、直交する２相アナログ正弦波信号を用いた内挿分割処理でパルスカウント間を補間することで高分解能化を図る方法が主流となっている。

通常内挿分割処理はアナログ正弦波信号をＡ／Ｄ変換（Ａｎａｌｏｇ ｔｏ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）し、ディジタル信号処理による逆三角関数を用いた角度変換で角度情報を生成しているが、精度の高い角度情報を得るためには正弦波信号を角度変換する前に補正処理を施し正規化しなければならない。特に振幅に対しては、Ａ／Ｄ変換後のディジタル信号を処理して正規化を行う場合、変換前のアナログ正弦波の振幅が小さいとＳＮ比（Ｓｉｇｎａｌ ｔｏ Ｎｏｉｓｅ ｒａｔｉｏ）が下がり信号のノイズ成分が増幅され、さらにＡ／Ｄ変換に対するダイナミックレンジが小さくなるため角度分解能が粗くなり角度変換の精度が大幅に悪化する。従って、アナログ正弦波の振幅は可能な限り大きく維持しておかなければならない。

しかし光学回路に使用している発光素子は経年変化や温度特性の変化により光量が低下し、必要な振幅を維持することが出来なくなる。

そのため、受光素子から出力されるＡ相信号およびＢ相信号の大きさよりＡ＾２＋Ｂ＾２の値を計算し、これが一定の値に保たれるように発光素子に流れる電流を制御することにより、新たに受光素子を追加することなく、素子の経年変化および温度特性の影響による振幅の変化を補正する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開平１−９４２１７号公報

しかしながら前記従来の構成では、劣化により低下した光量を補うために発光素子に流す電流（以下駆動電流）を増加させて光量を上昇させるように制御しているが、発光素子
は素子に流す電流と発光積算時間により劣化が進行（経年変化）し光量が低下するため、駆動電流を増加させると劣化の進行速度が急激に加速されるため、時間経過と共に過大な駆動電流が流れることとなり素子の寿命が著しく短くなる。一般に光学式エンコーダの製品寿命は発光素子の寿命が支配的なため、結果として製品寿命が短くなり信頼性を損なうという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、経年変化による光量低下に対して駆動電流の制御とディジタル信号処理の補正処理とを組み合わせることにより角度情報の精度を維持したままで長寿命化を図り信頼性を損なうことのない光学式エンコーダを提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために本発明の光学式エンコーダは、発光素子から出力される光をスリット板のスリットパターンと受光素子表面のマスクパターンとの相対位置で増減させて光電変換することにより生成される直交する２相アナログ原信号とアナログパルス原信号と光量フィードバック信号とを生成する光学回路と、前記光量フィードバック信号から前記発光素子に流す駆動電流を制御する光量制御部と、前記アナログ原信号を増幅し直交する２相アナログ正弦波信号を生成する信号増幅部と、前記アナログ正弦波信号をＡ／Ｄ変換により２相ディジタル正弦波信号を生成するＡ／Ｄ変換部と、前記２相ディジタル正弦波信号を信号処理により補正して変換用２相正弦波信号を生成する信号補正部と、前記アナログパルス原信号を２値化してディジタルパルス信号に変換するパルス変換部と前記変換用２相正弦波信号を逆三角関数して得られる角度変換値により前記ディジタルパルス信号を補間することで位置情報を生成する位置情報生成部と、前記位置情報をパラレル／シリアル変換して外部装置との通信を行う通信部とを備え、前記光量制御部は前記駆動電流を制御することで前記光量フィードバック信号を一定量に維持し、且つ駆動電流があらかじめ設定された許容電流値を超える場合は許容電流値で制限すると共に許容電流到達信号を出力し、前記信号補正部は前記許容電流到達信号により信号補正の動作を切替える構成としたものである。

これによって駆動電流を許容電流値で制限することで発光素子に過大な電流が流れることを防ぎ、さらに信号補正処理の動作を切替えることによって角度変換精度を最大限維持したままエンコーダの長寿命化を図り、信頼性を高めることができる。

また、本発明の光学式エンコーダは、前記信号補正部から出力される補正量信号と前記光量フィードバック信号と前記許容電流到達信号から発光素子の寿命情報を出力する寿命演算部をさらに備え、前記寿命演算部は寿命が近づいていることを示す警告情報と、警告情報出力後に前記補正量信号と前記光量フィードバック信号から演算した発光素子の余寿命とを寿命情報として出力する構成としたものである。

これによって、エンコーダの長寿命化を図ることで寿命がきたエンコーダの交換回数を最小にしたうえで、光学式エンコーダの上位装置側で寿命情報を元にエンコーダの交換時期を判断してあらかじめ交換作業を計画することが可能となり、交換におけるデッドタイムを短縮あるいはなくすことができ、システム全体の信頼性を高めることができる。

また、本発明の光学式エンコーダは、エンコーダ周囲温度を検出し温度情報を出力する温度検出部をさらに備え、前記寿命演算部は前記余寿命を温度情報で補正する構成としたものである。

これによって、光学式エンコーダの上位装置側でより正確な寿命情報から交換時期を判断することができ、光学式エンコーダの寿命を最大限に生かして運用することができ、高
信頼性のシステムを構築することができる。

本発明の光学式エンコーダは、駆動電流を許容電流値で制限することで発光素子に過大な電流が流れることを防ぎ、さらに信号補正処理の動作を切替えることによって角度変換精度を最大限維持したままエンコーダの長寿命化を図り、信頼性を高めることができる。

本発明の実施の形態１における光学式エンコーダの構成図 本発明の実施の形態１における駆動電流と光量と許容電流到達信号波形を示す図

第１の発明は発光素子から出力される光をスリット板のスリットパターンと受光素子表面のマスクパターンとの相対位置で増減させて光電変換することにより生成される直交する２相アナログ原信号とアナログパルス原信号と光量フィードバック信号とを生成する光学回路と、前記光量フィードバック信号から前記発光素子に流す駆動電流を制御する光量制御部と、前記アナログ原信号を増幅し直交する２相アナログ正弦波信号を生成する信号増幅部と、前記アナログ正弦波信号をＡ／Ｄ変換により２相ディジタル正弦波信号を生成するＡ／Ｄ変換部と、前記２相ディジタル正弦波信号を信号処理により補正して変換用２相正弦波信号を生成する信号補正部と、前記アナログパルス原信号を２値化してディジタルパルス信号に変換するパルス変換部と前記２相変換用正弦波信号を逆三角関数して得られる角度変換値により前記ディジタルパルス信号を補間することで位置情報を生成する位置情報生成部と、前記位置情報をパラレル／シリアル変換して外部装置との通信を行う通信部とを備え、前記光量制御部は前記駆動電流を制御することで前記光量フィードバック信号を一定量に維持し、且つ駆動電流があらかじめ設定された許容電流値を超える場合は許容電流値で制限すると共に許容電流到達信号を出力し、前記信号補正部は前記許容電流到達信号により信号補正の動作を切替える構成とすることにより、駆動電流を許容電流値で制限することで発光素子に過大な電流が流れることを防ぎ、さらに信号補正処理の動作を切替えることによって角度変換精度を最大限維持したままエンコーダの長寿命化を図り、信頼性を高めることができる。

第２の発明は、特に、第１の発明の光学式エンコーダに前記信号補正部から出力される補正量信号と前記光量フィードバック信号と前記許容電流到達信号から発光素子の寿命情報を出力する寿命演算部をさらに備え、前記寿命演算部は寿命が近づいていることを示す警告情報と、警告情報出力後に前記補正量信号と前記光量フィードバック信号から演算した発光素子の余寿命とを寿命情報として出力する構成とすることにより、エンコーダの長寿命化を図ることで寿命がきたエンコーダの交換回数を最小にしたうえで、光学式エンコーダの上位装置側で寿命情報を元にエンコーダの交換時期を判断してあらかじめ交換作業を計画することが可能となり、交換におけるデッドタイムを短縮あるいはなくすことができ、システム全体の信頼性を高めることができる。

第３の発明は、特に、第２の発明の光学式エンコーダにエンコーダ周囲温度を検出し温度情報を出力する温度検出部をさらに備え、前記寿命演算部は前記余寿命を温度情報で補正する構成とすることにより、光学式エンコーダの上位装置側でより正確な寿命情報から交換時期を判断することができ、光学式エンコーダの寿命を最大限に生かして運用することができ、高信頼性のシステムを構築することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における光学式エンコーダの構成図を示すものである。

図１において光学式エンコーダは、発光素子１とスリット板２と受光素子３からなる光学回路１００、光量制御部４、信号増幅部５、Ａ／Ｄ変換部６、信号補整部７、パルス変換部８、位置情報生成部９、寿命演算部１０、温度検出部１１、通信部２０から成り、通信部２０はＲＳ４８５などの双方向シリアル通信手段により図示しない上位装置と情報の送受信を行う。

発光素子１は赤外線ＬＥＤや半導体レーザーなどの光源であり、一般にＦＡのサーボモータでは安価で信頼性の高い赤外線ＬＥＤが採用され、超高分解能の角度測定用エンコーダなどでは半導体レーザーが採用されている。スリット板２は、光を透過するガラスや樹脂材でできた板上に光を遮断する格子状のスリットパターンや全周に渡り透過するオープンパターンを設けたものや、ステンレス鋼の薄板に光を透過する部分を穴あけ加工したもの、あるいは透過部分に反射膜を形成したものが使用される。受光素子３はフォトダイオードやフォトトランジスタが用いられ、受光素子表面に格子状のマスクパターンや受光光量を検出する開口部などが配置されている。発光素子１からの発光光１Ａがスリット板２を介して受光素子３で透過光または反射光２Ａとなり受けるように配置し、スリット板はモータシャフトに接続されるエンコーダ回転軸に設置されている。エンコーダ回転軸が回転するとスリット板２のスリットパターンと受光素子３のマスクパターンの相対位置が変化するため、回転に合わせて受光素子から正弦波の直交する２相アナログ原信号３Ｂとアナログパルス信号３Ｃが出力され、スリット板のオープンパターンと受光素子の開口部からは受光素子が受取る光量を表す光量フィードバック信号３Ａが出力される。ここでアナログパルス信号３Ｃは、インクリメンタルタイプのエンコーダでは２相パルスと原点パルスが出力され、アブソリュートタイプのエンコーダではＭコードやグレイコードなどの絶対番地を判別可能なコードパルスが出力される。

光量制御部４は受光素子３からの光量フィードバック信号３Ａをもとに発光素子１の発光量を一定量に維持するように発光素子の駆動電流４Ａをフィードバックコントロールし、駆動電流が許容電流値を超えた場合は許容電流値で制限をかけたうえで許容電流到達信号４Ｂの出力をＬｏｗからＨｉｇｈに切替るものであり、光量フィードバック信号をＡ／Ｄ変換してＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）やマイクロコンピュータあるいはＡＳＩＣ(Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ)やＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）に入力し、ソフトウェアやロジック回路のディジタルフィードバック処理で駆動電流の指令値を演算し、指令値をＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）やＤ／Ａ変換（Ｄｉｇｉｔａｌ ｔｏ Ａｎａｌｏｇ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）で出力してトランジスタで駆動電流に変換する構成としてもよいし、オペアンプとトランジスタを使用したアナログ回路で構成してもよい。ここで許容電流値は、駆動電流が過大とならないような値であり、例えば発光素子の絶対最大定格電流値に対して余裕を持たせた値としてもよいし、絶対最大定格電流を超えない範囲で起動直後の電流値に一定の倍率を乗じた値としてもよい。また、許容電流値は図示しない不揮発性メモリなどに格納して任意に読み出しまたは書き換えができるようにしてもよいし、通信部を介して上位装置から値を設定してもよい。図４は光量制御部４の駆動電流４Ａと発光素子１の光量の関係を示したものであり、従来構成の駆動電流２０１は時間が経過すると共に発光素子の劣化による光量低下を補うように駆動電流を増加させるため、従来構成の発光光量３０１に示すように許容電流値を超えた一定時間は光量を維持することはできるが、駆動電流が許容電流値を越えて過大な電流量となるため発光素子の劣化速度も大きくなり、急激に光
量が低下する。光量が低下すると２相アナログ原信号３Ｂの信号レベルも低下するため、光量が信号補正部７での補正処理が動作可能な限界量を示す補正可能限界レベル未満となる時間Ｔ１で補正不可能となり、位置情報９Ａを生成できなくなる。それに対し本発明の駆動電流２０２は、駆動電流が許容電流値以上に上昇しないように制御するため、許容電流値に達した時間Ｔ０以降は発光素子の劣化により光量は低下するが、その低下速度は従来構成の場合よりも小さいため、結果として光量が補正可能限界レベル未満となる時間Ｔ２（＞Ｔ１）まで位置情報を生成することができる。

信号増幅部５はオペアンプやトランジスタ等のアナログ増幅回路で構成され、入力された受光素子３からの直交する２相アナログ原信号３Ｂを、後段のＡ／Ｄ変換部６の入力レンジに合わせた固定倍率で増幅し２相アナログ正弦波信号５Ａを出力する。

Ａ／Ｄ変換部６は２相アナログ正弦波信号５Ａを一定周期でサンプリングし、２相ディジタル正弦波信号６Ａを生成する。一般にはＤＳＰやＡＳＩＣに内蔵されているＡ／Ｄ変換器を使用するが、高サンプリング周波数が必要な場合はパラレル出力タイプの変換器を使用してもよいし、小型高分解能化が必要な場合はシリアル出力タイプの変換器を使用してもよい。また、変換したディジタル信号を複数回平均化あるいはディジタルフィルタ処理を施してノイズの影響を低減した信号を出力してもよい。

信号補正部７はソフトウェアあるいはロジック回路で構成され、２相ディジタル正弦波信号６Ａに含まれるオフセット、振幅、位相のずれや変動を補正処理して正規化された変換用２相正弦波信号７Ａを出力する。角度変換精度を最大限維持できるように許容電流到達信号４Ｂに基づきそれぞれの補正の有効／無効を独立して切替え、例えば許容電流到達信号がＬｏｗのときは振幅補正を無効且つ他の補正を有効として補正処理をおこない、Ｈｉｇｈのときはすべての補正を有効にして補正処理をおこなう。あるいはすべての補正を許容電流到達信号がＬｏｗのときは無効とし、Ｈｉｇｈのときは有効としてもよい。なお、有効／無効の切替えではなく、ＬｏｗとＨｉｇｈのそれぞれで異なる補正処理をおこなってもよい。

パルス変換部８はコンパレータ等の比較増幅器により構成され、アナログパルス信号３Ｃを２値化してディジタルパルス信号８Ａを出力する。一般にインクリメンタルタイプのエンコーダでは汎用の比較増幅器で構成され、アブソリュートタイプのエンコーダでは多数の比較増幅器が必要となるため専用のカスタムアナログＩＣで構成される場合もある。

位置情報生成部９はディジタルパルス信号８Ａを計数し、変換用２相正弦波信号７Ａから逆三角関数を用いた角度変換による内挿処理でパルス間を補間し、高分解能の位置情報９Ａを生成するものである。ディジタルパルスの計数動作は、インクリメンタルタイプでは２相パルスをＵＰ／ＤＯＷＮカウントし、原点パルスが入力された場合はカウントをリセットする動作となり、アブソリュートタイプではコードパルスを論理回路やＲＯＭテーブルを用いた変換処理により絶対位置を算出する動作となる。内挿処理では２相正弦波を直接逆正接で角度変換してもよいし、２相正弦波それぞれを逆正弦／逆余弦で角度変換して重み付け関数による合成処理の結果を用いてもよい。

以上の構成により、光学式エンコーダは駆動電流を許容電流値で制限することにより発光素子に過大な電流が流れることを防ぎ、さらに信号補正部７の補正処理動作を切替えることによって角度変換精度を最大限維持したまま位置情報が生成できる時間が長くなるため、エンコーダを長寿命化して信頼性を高めることができる。

さらに信号補正部７は補正処理で検出する振幅、オフセット、位相の補正量信号７Ｂを出力し、寿命演算部１０を備えた光学式エンコーダは、寿命演算部で光量フィードバック
信号３Ａと許容電流到達信号４Ｂと補正量信号とから発光素子の寿命情報１０Ａを出力する。寿命情報は寿命が近づいていることを示す警告情報と発光素子の余寿命からなる。警告情報は、許容電流到達信号がＨｉｇｈとなったときに警告出力してもよいし、許容電流到達信号がＨｉｇｈとなってから光量フィードバック信号が一定比率以下となったときに警告出力してもよいし、許容電流到達信号がＨｉｇｈとなってから補正量信号がエンコーダ動作開始時の補正量から一定比率以上（あるいは以下）となったときに警告出力してもよい。発光素子の余寿命は、光量が補正可能限界レベル未満になるまでの残りの時間を光量フィードバック信号の減少量と経過時間の比率からを演算して出力してもよいし、エンコーダ動作開始直後の補正量信号を保持して現在の補正量信号との比率から演算して出力してもよい。

以上の構成により、エンコーダの長寿命化によりエンコーダ交換回数は最小となり、さらに寿命演算部１０を備えることで警告情報からエンコーダの交換部品の手配を事前に行うことが可能となり、発光素子の余寿命から交換時期を予測できるため交換作業を計画することが可能となり、エンコーダ交換におけるデッドタイムを短縮あるいはなくすことができシステム全体の信頼性を高めることができる。

さらに温度検出部１１を備える光学式エンコーダは、温度検出部を温度検出ＩＣやサーミスタなどの温度検出用センサで構成し、エンコーダあるいは発光素子の周囲温度を測定し温度情報１１Ａとして出力する。寿命演算部１０は温度情報からアレニウスの定理などを用いて寿命情報を補正演算して出力することができる。

以上の構成により、温度検出部を備えることで寿命情報の正確性が増し、エンコーダ交換回数の最小化を図ることができ、信頼性をさらに高めることができる。

以上のように、本発明にかかる光学式エンコーダは、発光素子に過大な電流が流れることを防ぎ、角度変換精度を最大限維持したまま長寿命化を図ることが可能となるので、発光素子の光量を制御するレーザプリンタやスキャナ等の用途にも適用できる。

１００ 光学回路
１ 発光素子
１Ａ 発光光
２ スリット板
２Ａ 透過光または反射光
３ 受光素子
３Ａ 光量フィードバック信号
３Ｂ ２相アナログ原信号
３Ｃ アナログパルス信号
４ 光量制御部
４Ａ 駆動電流
４Ｂ 許容電流到達信号
５ 信号増幅部
５Ａ ２相アナログ正弦波信号
６ Ａ／Ｄ変換部
６Ａ ２相ディジタル正弦波信号
７ 信号補正部
７Ａ 変換用２相正弦波信号
７Ｂ 信号補正量信号
８ パルス変換部
８Ａ ディジタルパルス信号
９ 位置情報生成部
９Ａ 位置情報
１０ 寿命演算部
１０Ａ 寿命情報
１１ 温度検出部
１１Ａ 温度情報
２０ 通信部
２０Ａ 双方向通信信号
２０１ 従来構成の駆動電流
２０２ 本発明の駆動電流
３０１ 従来構成の発光素子光量
３０２ 本発明の発光素子光量

Claims (3)

1. 発光素子から出力される光をスリット板のスリットパターンと受光素子表面のマスクパターンの相対位置で増減させて光電変換することにより生成される直交する２相アナログ原信号とアナログパルス原信号と光量フィードバック信号とを生成する光学回路と、前記光量フィードバック信号から前記発光素子に流す駆動電流を制御する光量制御部と、前記アナログ原信号を増幅し直交する２相アナログ正弦波信号を生成する信号増幅部と、前記アナログ正弦波信号をＡ／Ｄ変換により２相ディジタル正弦波信号を生成するＡ／Ｄ変換部と、前記２相ディジタル正弦波信号を信号処理により補正して変換用２相正弦波信号を生成する信号補正部と、前記アナログパルス原信号を２値化してディジタルパルス信号に変換するパルス変換部と前記変換用２相正弦波信号を逆三角関数して得られる角度変換値により前記ディジタルパルス信号を補間することで位置情報を生成する位置情報生成部と、前記位置情報をパラレル／シリアル変換して外部装置との通信を行う通信部とを備え、前記光量制御部は前記駆動電流を制御することで前記光量フィードバック信号を一定量に維持し、且つ駆動電流があらかじめ設定された許容電流値を超える場合は許容電流値で制限すると共に許容電流到達信号を出力し、前記信号補正部は前記許容電流到達信号により信号補正の動作を切替えることを特徴とする光学式エンコーダ。
2. 前記信号補正部から出力される補正量信号と前記光量フィードバック信号と前記許容電流到達信号から発光素子の寿命情報を出力する寿命演算部をさらに備え、前記寿命演算部は寿命が近づいていることを示す警告情報と、警告情報出力後に前記補正量信号と前記光量フィードバック信号から演算した発光素子の余寿命とを寿命情報として出力することを特徴とする請求項１の光学式エンコーダ。
3. エンコーダ周囲温度を検出し温度情報を出力する温度検出部をさらに備え、前記寿命演算部は前記余寿命を温度情報で補正することを特徴とする請求項２の光学式エンコーダ。