JP2015161595A

JP2015161595A - 光学式エンコーダ

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Publication number: JP2015161595A
Application number: JP2014037154A
Authority: JP
Inventors: 祥希大野; Yoshiki Ono
Original assignee: Tokyo Seimitsu Co Ltd
Current assignee: Tokyo Seimitsu Co Ltd
Priority date: 2014-02-27
Filing date: 2014-02-27
Publication date: 2015-09-07
Anticipated expiration: 2034-02-27
Also published as: JP6261380B2

Abstract

【課題】２つの光学スケールを利用し、簡単な演算回路で高精度の原点検出が可能な光学式エンコーダの実現。
【解決手段】第１および第２光学式スケール201,2-2と、光源11と、主軸方向に順にセンサピッチで配列された４相の主センサ部を繰り返した第１受光センサ15-1と、４相の副センサ部を繰り返した第２受光センサ15-2と、検出信号を演算処理する信号処理部とを有し、第２光学式スケールのパターン15-2は、所定位置において濃い部分または淡い部分の幅が他の部分と異なり、信号処理部は、第１から第４の主センサ部の出力をデジタル信号に変換し、主位置データを出力する主位置データ生成部43と、第１から第４の副センサ部の出力をデジタル信号に変換し、副位置データを出力する副位置データ生成部44と、主位置データと副位置データの差データから原点を検出する原点判定部52と、を有する光学式エンコーダ。
【選択図】図１３

Description

本発明は、光学式エンコーダに関し、特に原点検出を可能にした光学式エンコーダに関する。

被測定物の長さ、厚さ、内外径などの形状や、回転角度または移動量などの変位量を測定するのに、光学式エンコーダが広く使用され、その構成も広く知られている。光学式エンコーダには、光学式スケールを透過した光を検出する透過式と、光学式スケールで反射した光を検出する反射式と、があり、小型化のため反射式が多く使用される。以下、反射式のリニア光学式エンコーダを例として説明を行うが、本発明はこれに限定されるものではなく、光学式エンコーダであれば適用可能である。

特許文献１および２に記載されるように、近年の反射式のリニア光学式エンコーダは、高精度化、小型化・薄型化および組立の容易化のために、半導体製造技術を適用して光源と受光センサを一体に形成したセンサ基板を使用する。センサ基板は、反射式の光学スケールに対して、光源からの照明光が光学スケールで反射し、光学スケールのパターンに応じた光パターンが受光センサ上に形成されるように配置される。反射式のリニア光学式エンコーダは、光学スケールとセンサ基板の相対的な移動量を測定する。

各部の製造バラつきの影響を低減するため、受光センサは、第１から第４のセンサ部を有する。第１から第４のセンサ部は、同じ幅で、光学スケールの濃淡パターンの配列方向と同じ方向（以下、主軸方向）に順にセンサピッチで配列され、第１から第４のセンサ部を１セットとするセンサ組を、主軸方向に所定組（セット）数繰り返し配列される。したがって、第１のセンサ部は、４センサピッチで配列されることになり、他の第２から第４のセンサ部も、４センサピッチでそれぞれ配列される。セット数は、例えば１３である。複数（例えば１３）の第１のセンサ部の検出信号は加算されて＋Ａ信号とされる。同様に、複数の第２から第４のセンサ部の検出信号もそれぞれ加算されて＋Ｂ、−Ａ、−Ｂ信号とされる。複数のセンサ部の信号を加算することにより、センサ部の感度のバラツキ、照明光のムラ、組立誤差などの影響を低減できる。

光学式エンコーダは、光学スケール上に周期的に形成した濃淡（反射強度が異なる）パターンを読み取ることで、光学スケールとセンサ基板の相対的な移動量を測定する。しかし、測定できるのは相対的な移動量のみであり、絶対位置を測定することはできない。

光学式エンコーダで絶対位置を測定可能であると、相対位置のみの測定と比較して以下の点で有利である。
まず、何らかの外因によりミスカウントが発生した場合を考える。この場合、原点が存在しない、すなわち測定の基準点が存在しないため、ミスカウントを検出することが、機構上行えないことになる。そのため、ミスカウントが発生した以降の測定値すべてが誤った値となる危険性がある。
これに対して、原点を有する場合、原点を基準にすることでミスカウントを検出できるため、誤った値をその都度訂正することが可能になる。

また、電源喪失などの外因により、測定途中でカウント値を失った場合を考える。原点が存在しない場合、光学式エンコーダのみで元の状態に復帰することは不可能である。これに対して、原点が存在する場合、原点位置の値をあらかじめ定めておき、原点まで退避することで、元の状態に復帰することができる。
以上のことは、実際の機械加工時の測定に光学式エンコーダを使用する場合に、非常に重要である。

そこで、光学式エンコーダでは、相対位置検出のための光学スケールとは別に、原点検出機構を設けるのが一般的である。

特開２０１０−２２３６３１号公報特開２０１２−１０３２３０号公報

特許文献１は、同一のスケール基板上に平行に形成した２つの光学スケールを有する原点検出機構を提案しているが、記載されている原点検出機構は、以下の点で十分とは言えない。
原点検出に用いる信号の振幅変化の勾配が小さいため、閾値との比較による原点検出を高精度で行うことが難しかった。また、光源の光量変動の影響を受け、原点位置をずれて検出する可能性があった。

そのため、高精度で原点検出を行うには、相対位置検出のための光学スケールの信号処理部に加えて、原点検出機構の補正用の回路を設ける必要があり、サイズ・コストを増加させる。
さらに、４つのセンサ部の出力を合計したＺ相信号を生成し、Ａ相信号との組み合わせで原点信号を生成しており、往復の相対移動に伴ってずれが発生する。

本発明は、２つの光学スケールを利用し、簡単な演算回路で高精度の原点検出が可能な光学式エンコーダの実現を目的とする。

本発明の光学式エンコーダは、平行に形成した２つの光学スケールの一方は、濃い部分と淡い部分の幅が同じで、スケールピッチで濃淡を繰り返した通常の濃淡パターンであるが、他方の光学スケールは、同様にスケールピッチで濃淡を繰り返すが、所定位置において、濃い部分または淡い部分の幅がスケールピッチの１／２を超えない範囲で広くなっている。言い換えれば、所定位置で、位相がシフトすることを特徴とする。

すなわち、本発明の光学式エンコーダは、第１光学系と、第２光学系と、信号処理部と、を有する。第１光学系は、主軸方向に変化する第１濃淡パターンを有する第１光学式スケールと、第１光学式スケールの第１照明光を出力する第１光源と、第１照明光で第１光学式スケールを照明することにより生成された第１濃淡パターンの像を検出するように配置された第１受光センサと、を有し、第１受光センサは、主軸方向に順にセンサピッチで配列された第１から第４の主センサ部からなる第１センサ組を、主軸方向に所定組数繰り返し配列した第１センサ配列を有する。第２光学系は、主軸方向に変化する第２濃淡パターンを有する第２光学式スケールと、第２光学式スケールの第２照明光を出力する第２光源と、第２照明光で第２光学式スケールを照明することにより生成された第２濃淡パターンの像を検出するように配置された第２受光センサと、を有し、第２受光センサは、主軸方向に順にセンサピッチで配列された第１から第４の副センサ部からなる第２センサ組を、主軸方向に所定組数繰り返し配列した第２センサ配列を有する。信号処理部は、第１光学系の第１受光センサの検出信号および第２光学系の第２受光センサの検出信号を演算処理する。第１光学式スケールおよび第２光学式スケールは、第１光源、第１受光センサ、第２光源および第２受光センサに対して相対移動する。第１光学式スケールの第１濃淡パターンは、濃い部分と淡い部分の幅が同じで、スケールピッチで濃淡を繰り返す。第２光学式スケールの第２濃淡パターンは、濃い部分と淡い部分の幅が同じで、スケールピッチで濃淡を繰り返し、所定位置において、濃い部分または淡い部分の幅がスケールピッチの１／２を超えない範囲で広くなっている。信号処理部は、第１から第４の主センサ部の出力の少なくとも１つをデジタル信号に変換し、主位置データを出力する主位置データ生成部と、第１から第４の副センサ部の出力の少なくとも１つをデジタル信号に変換し、副位置データを出力する副位置データ生成部と、主位置データと副位置データの差データを演算する差演算部と、差データの絶対値が所定値以上であるか判定し、判定値の変化から原点を検出する原点判定部と、を有する。

本発明の光学式エンコーダでは、第２光学式スケールの第２濃淡パターンが、所定位置において、濃い部分または淡い部分の幅がスケールピッチの１／２を超えない範囲で広くなっており、位相がシフトする。そのため、第２受光センサが所定位置の一方の側の第２濃淡パターンを検出している場合、主位置データと副位置データは同相の信号であるが、所定位置の他方の側の第２濃淡パターンを検出している場合、位相シフトした信号である。そのため、第１受光センサの検出信号から演算した移動位置と第２受光センサの検出信号から演算した位相差（移動位置差）は、所定位置の一方の側では同じであり、他方の側では位相シフトした信号であり、移動に伴い第１から第４の副センサ部が所定位置の部分を検出しはじめてから検出しなくなるまで位相差が徐々に変化する。したがって、位相差が所定値を超えているか否かを判定することにより、一方の側であるか他方の側であるかが判定でき、位相差が所定値を超えた時に、所定位置、すなわち原点を検出できる。第１から第４の主センサ部の検出信号により、位置は正確に検出できるので、原点検出は、いずれのスケールピッチであるかを判定できればよい。

第１光学式スケールおよび第２光学式スケールは、共通のスケール基板上に隣接して、第１濃淡パターンおよび第２濃淡パターンが平行に、所定位置の一方の側では濃い部分と淡い部分の位置が一致するように形成されることが望ましい。また、第１光源、第１受光センサ、第２光源および第２受光センサは、共通のセンサ基板上に形成され、第１光源および第２光源は共通光源として形成され、第１受光センサおよび第２受光センサは、共通光源の両側に、第１センサ配列および第２センサ配列が平行に、第１から第４の主センサ部および第１から第４の副センサ部の位置が一致するように形成されることが望ましい。さらに、センサ基板は、スケール基板に対して、第１濃淡パターンで反射された共通光源からの照明光が第１受光センサに投影され、第２濃淡パターンで反射された共通光源からの照明光が第２受光センサに投影されるように配置されることが望ましい。

これにより、センサ基板とスケール基板の位置調整が容易になり、小型化および薄型化が可能である。

スケールピッチは、センサピッチの２倍であり、センサ基板は、スケール基板に対して、第１濃淡パターンおよび第２濃淡パターンが、センサピッチの４倍の濃淡パターンとして投影されるように配置される。
これにより、簡単な構成で、検出信号の振幅の増加および分解能の向上が図れる。

一般的な光学式エンコーダと同様に、信号処理部は、第１主差演算回路および第２主差演算回路の出力から、センサピッチの４倍の長さを１周期とする周期長内の位相を算出する。したがって、原点検出は、いずれの周期長に原点があるか判定できればよい。そこで、信号処理部は、原点判定回路の比較回路の出力変化がいずれの周期長内で発生したかを検出し、移動方向を考慮して原点がいずれの周期長内にあるか判定する。

本発明の光学式エンコーダは、２つの光学スケールの一方を移動量検出に、他方を原点検出に利用し、移動量検出に使用される一般的な回路に、簡単な演算回路を付加するだけで、高精度に原点検出を行うことができるという効果を奏する。

図１は、実施形態の反射式のリニア光学式エンコーダの主要部を示す図である。図２は、受光部のパターンを示す図である。図３は、スケール基板とセンサ基板の配置関係を示す図である。図４は、光源からの光が反射パターンで反射され受光部に投影される経路を模式的に示す図である。図５は、受光部に投影される反射パターンを示す図である。図６は、スケール基板とセンサ基板の相対的な位置関係（長さ）の変化に伴う検出信号の変化を示す図である。図７は、光学式エンコーダで使用される検出信号の演算回路を示す図である。図８は、スケール基板とセンサ基板の相対的な位置関係（長さ）の変化に伴うＡ相信号とＢ相信号の変化を示す図である。図９は、実施形態の反射式のリニア光学式エンコーダにおけるスケールのパターンを示す図である。図１０は、図９に示す反射パターンを有するスケール基板に対して、センサ基板を、主軸方向が一致するように図３に示すように配置した場合の、受光部に投影される反射パターンを示す図である。図１１は、ピッチ一定の反射パターンが投影される受光部と、ピッチがシフトする反射パターン投影される受光部の１３セットのセルの信号を合わせた信号の、所定位置を超えて移動した場合の変化を示す図である。図１２は、実施形態において、移動位置の応じた、受光部の信号の位相差を示す図である。図１３は、実施形態の反射式のリニア光学式エンコーダにおける信号処理部の構成を示す図である。図１４は、実施形態の反射式のリニア光学式エンコーダにおける信号処理部の処理の流れを示すフローチャートである。図１５は、受光部の信号を演算する演算回路により算出された相対位置信号と、これまで説明した原点の検出により発生される原点信号と、の関係を説明する図である。

図１は、実施形態の反射式のリニア光学式エンコーダの主要部を示す図である。
実施形態の反射式のリニア光学式エンコーダは、２つの反射パターン２−１および２−２が形成されたスケール基板１と、光源１１、格子１２が形成された光透過部材１３、および２個の受光素子１４−１および１４−２が形成され、透明な樹脂材１６で被覆されたセンサ基板１０と、を有する。一軸方向に相対的に移動する２つの部材の一方にスケール基板１を、他方にセンサ基板１０を固定し、２つの部材の相対的な移動距離を測定する。ここでは、移動方向を主軸方向と称する。

反射パターン２−１および２−２は、透明なガラス基板で形成され、センサ基板１０に対向する面に形成されている。反射パターン２−１は、主軸方向にスケールピッチｐ２で形成された反射パターンであり、反射部分にはクロムが蒸着され、反射部分の間は光を透過するため、ピッチｐ２の反射パターンが形成される。反射パターン２−２については後述する。反射パターン２−１が主光学式スケールとして、反射パターン２−２が副光学式スケールとして機能する。

光源１１はＬＥＤであり、格子１２は格子ピッチｐ１を有する光学パターンである。受光素子１４−１および１４−２の表面には、図２に示すようなパターンの受光部１５−１および１５−２がそれぞれ形成される。
光源１１、反射パターン２−１および受光素子１４−１が第１光学系を、光源１１、反射パターン２−２および受光素子１４−２が第２光学系を、それぞれ形成する。

図２は、受光部１５−１および１５−２のパターンを示す図である。図示のように、同じ幅のセンサ部ＰＳ１〜ＰＳ４が、センサピッチｓｐで主軸方向に順に形成され、繰り返し形成される。言い換えれば、センサ部ＰＳ１〜ＰＳ４を１組（セット）として、このセットが繰り返しピッチｐ３＝４ｓｐで複数セット形成される。実施形態では、例えば１３セット形成されるので、センサ部は合計５２個である。センサ部ＰＳ１〜ＰＳ４は、例えばフォトダイオードで形成され、独立した受光素子として動作する。複数（ここでは１３個）のセンサ部ＰＳ１の出力は共通に接続されて検出信号＋Ａとなる。以下同様に、複数のセンサ部ＰＳ２〜ＰＳ４の出力はそれぞれ共通に接続されて検出信号＋Ｂ、−Ａ、−Ｂとなる。

パターンの受光部１５−１および１５−２は、光源１１の中心を通る主軸方向の面に対して対称に形成される。

図３は、スケール基板１とセンサ基板１０の配置関係を示す図である。
図３に示すように、光源１１からの光は、格子１２を通過し、図において左側方向の光は、反射パターン２−１で反射され、受光部１５−１に投影され、右側方向の光は、反射パターン２−２で反射され、受光部１５−２に投影される。

図１から図３の構成、配置および投影されるパターンの詳細については、特許文献１に記載されているので、これ以上の説明は省略する。

図４は、光源１１からの光が反射パターン２で反射され受光部１５に投影される経路を模式的に示す図である。
図４に示すように、反射パターン２は、スケールピッチｐ２（＝２０μｍ）の反射パターンであり、デューティは５０％であるため、反射部分２Ｒの幅はｐ２／２（＝１０μｍ）である。実施形態では、反射部分２Ｒが幅ｐ２（＝２０μｍ）のパターンとして受光部１５に投影される。したがって、受光部１５に投影されるパターンのピッチは２ｐ２（＝４０μｍ）である。

図５は、受光部１５に投影される反射パターンを示す図である。
図５に示すように、受光部１５では、４つのセンサ部ＰＳ１〜ＰＳ４がピッチｐ２／２（＝１０μｍ）で配列されている。この上に、投影される濃淡パターンは、ピッチ２ｐ２（＝４０μｍ）の濃淡パターンであり、デューティは５０％であるため、濃い部分４Ａおよび淡い部分４Ｂの幅はｐ２（＝２０μｍ）である。

図２に示したように、複数のセンサ部ＰＳ１〜ＰＳ４の出力はそれぞれ共通に接続されて、検出信号＋Ａ、＋Ｂ、−Ａ、−Ｂとなる。

図６は、スケール基板１とセンサ基板１０の相対的な位置関係（長さ）の変化に伴う検出信号＋Ａ、＋Ｂ、−Ａ、−Ｂの変化を示す図である。図６に示すように、検出信号＋Ａ、＋Ｂ、−Ａ、−Ｂは、２０μｍを周期とする正弦波状の信号で、１／４位相（９０°）ずつずれた信号である。言い換えれば、検出信号＋Ａと−Ａは、１／２位相（１８０°）ずれた信号であり、検出信号＋Ｂと−Ｂは、１／２位相（１８０°）ずれた信号である。

図７は、光学式エンコーダで使用される検出信号の演算回路を示す図である。
演算回路は、検出信号＋Ａ、−Ａ、＋Ｂ、−Ｂをそれぞれ増幅する増幅回路３１〜３４と、増幅回路３１と３２の出力の差を演算してＡ相信号PHASEAを出力する第１差演算回路３５と、増幅回路３３と３４の出力の差を演算してＢ相信号PHASEBを出力する第２差演算回路３６と、を有する。

図８は、スケール基板１とセンサ基板１０の相対的な位置関係（長さ）の変化に伴うＡ相信号PHASEAとＢ相信号PHASEBの変化を示す図である。上記のように、検出信号＋Ａと−Ａは、１／２位相（１８０°）ずれた信号であり、検出信号＋Ｂと−Ｂは、１／２位相（１８０°）ずれた信号であるため、増幅率が１であっても、Ａ相信号PHASEAおよびＢ相信号PHASEBは、検出信号＋Ａ、−Ａ、＋Ｂ、−Ｂの２倍の振幅の信号となる。また。Ａ相信号PHASEAおよびＢ相信号PHASEBは、１／４位相（９０°）ずれた信号である。

したがって、Ａ相信号PHASEAおよびＢ相信号PHASEBの値の比率を検出することにより、９０°未満の位相も検出することができ、実際に使用されている光学式エンコーダでも、スケールピッチまたはセンサピッチの数十分の１の分解能で位置（長さ）を検出している。これは、実施形態の反射式のリニア光学式エンコーダでも同じである。

以上説明した実施形態の反射式のリニア光学式エンコーダの構成は、特許文献１に記載されており、広く知られている。
以下に説明する実施形態の反射式のリニア光学式エンコーダは、反射パターン２−２および演算回路が、これまでと異なる。

図９は、実施形態の反射式のリニア光学式エンコーダにおける反射パターン２−１および２−２を示す図である。
前述のように、反射パターン２−１は、主軸方向にスケールピッチｐ２＝２０μｍで形成された反射パターンであり、反射部分Ｒと透過部分Ｔは同じ１０μｍの幅である。

反射パターン２−２は、所定位置５の透過部分Ｔの幅が１４μｍに広がっており、所定位置５の左側の部分においては、反射パターン２−１と同じパターンを有し、右側の部分においては、反射パターン２−１の反射部分Ｒと透過部分Ｔを４μｍシフトした反射パターンを有する。ここでは、所定位置５を原点とする。なお、ここでは所定位置５の透過部分Ｔの幅が１４μｍとしたが、２０μｍより小さければよく、反射部分Ｒの幅を変えてもよい。

図１０は、図９に示す反射パターン２−１および２−２を有するスケール基板１に対して、センサ基板１０を、主軸方向が一致するように図３に示すように配置した場合の、受光部１５−２に投影される反射パターンを示す図である。

図１０に示すように、受光部１５−２では、４つのセンサ部ＰＳ１〜ＰＳ４がピッチｐ２／２（＝１０μｍ）で配列されている。この上に、投影される濃淡パターンは、所定位置以外では、ピッチ２ｐ２（＝４０μｍ）の濃淡パターンであり、デューティは５０％であるため、濃い部分（透過部分が投影された部分）４Ａおよび淡い部分（反射部分が投影された部分）４Ｂの幅はｐ２（＝２０μｍ）である。所定位置の濃い部分（透過部分が投影された部分）４Ａ’の幅は２８μｍである。

前述のように、主および副センサ部は、１０μｍピッチで配列された＋Ａ、＋Ｂ、−Ａ、−Ｂを１セットとし、１３セットが連続して配列されており、投影されるパターンは２０μｍピッチであり、センサの配列ピッチの２倍である。したがって、移動量をｘμｍとすると、ｎ番目の１個の＋Ａセルの出力信号の強度は、＋Ａ_n＝ｓｉｎ（２π（ｘ／４０））となる。１３個の＋Ａのセルの出力信号を合わせて、＋Ａ信号としているが、１３個のセルに投影される濃淡パターンは同じであり、１３個の＋Ａのセルの出力信号を合わせた信号の強度は、図６に示すように、＋Ａ＝１３ｓｉｎ（２π（ｘ／４０））となる。これは、他のセル＋Ｂ、−Ａ、−Ｂについても同様である。前述のように、これらの信号のすべてまたは一部から移動位置を演算する。

図１０に示す投影状況では、受光部１５−２の左側の＋Ａ₁、＋Ｂ₁、−Ａ₁、−Ｂ₁から＋Ａ₇、＋Ｂ₇、−Ａ₇、−Ｂ₇には、主受光部１５−１と同じパターンが投影されるが、右側の＋Ａ₈、＋Ｂ₈、−Ａ₈には２８μｍ幅の広い濃い部分が投影され、−Ｂ₈、＋Ａ₉、＋Ｂ₉、−Ａ₉、−Ｂ₉から＋Ａ₁₃、＋Ｂ₁₃、−Ａ₁₃、−Ｂ₁₃には、８μｍシフトしたパターンが投影されることになる。

したがって、所定位置の左側の１個の＋Ａセルの出力信号の強度は、＋Ａ_n＝ｓｉｎ（２π（ｘ／４０））に対して、右側の１個の＋Ａセルの出力信号の強度は、＋Ａ_n＝ｓｉｎ（２π（ｘ／４０）−２π×８／４０）＝ｓｉｎ（２π（ｘ／４０−１／５））になる。受光部１５−２の１３セット分の信号は、これらの信号を合わせた信号である。例えば、８セット目に４μｍ幅だけの広い透過部が存在する場合には、＋Ａ＝８ｓｉｎ（２π（ｘ／４０））＋５ｓｉｎ（２π（ｘ／４０−１／５））になる。これを、１３セット中のｎ番目に幅広パターン（シフトパターン）があるとして一般化すると、＋Ａ＝ｎｓｉｎ（２π（ｘ／４０））＋（１３−ｎ）ｓｉｎ（２π（ｘ／４０−１／５））になる。

図１１は、ピッチ一定の反射パターン２−１が投影される受光部１５−１と、ピッチがシフトする反射パターン２−２が投影される受光部１５−２の１３セットのセルの信号を合わせた信号＋Ａの、所定位置を超えて移動した場合の変化を示す図である。実線が受光部１５−１の＋Ａを、破線が受光部１５−２の＋Ａを、それぞれ示す。

図１１に示すように、左側では、受光部１５−１および１５−２の信号＋Ａは同じであるが、１３セットの端のセルが所定位置に移動すると、受光部１５−２の信号＋Ａの振幅が低下すると共に、位相がずれ始める。７セット目のセルが所定位置に移動すると、受光部１５−２の信号＋Ａの振幅はもっとも低下し、その後元の振幅に徐々に戻るが、位相差はさらに増加し、１３セットの反対側の端のセルが所定位置を通過すると、振幅は受光部１５−１の信号＋Ａと同じで、位相が８μｍシフトした信号となる。

図１２は、実施形態において、移動位置の応じた、受光部１５−１および１５−２の信号＋Ａの位相差を示す図である。図１２に示すように、左側では位相座はゼロであり、右側では位相差が８μｍであり、所定位置（幅の異なるシフトパターンを有する部分）を含む前後５２０μｍの幅で、位相差ゼロと位相差８μｍの間で変化する。この部分の変化は直線状に変化するとみなせる。

なお、図１２に示した位相差の変化は、受光部１５−１および１５−２の信号−Ａ、＋Ｂおよび−Ｂの間でも同様であり、＋Ａと−Ａの差を演算した位相信号PHASEAおよび＋Ｂと−Ｂの差を演算した位相信号PHASEBについても同様である。したがって、受光部１５−１から演算される主移動位置と、受光部１５−２から演算される副移動位置との差、図１２に示すように変化する。

図１３は、実施形態の反射式のリニア光学式エンコーダにおける信号処理部の構成を示す図である。
なお、実施形態の反射式のリニア光学式エンコーダでは、一般的な反射式のリニア光学式エンコーダと同様に、反射パターン２−１の反射パターンを受光する受光部１５−１の信号を演算する演算回路が、反射パターン２−１のスケールピッチの周期より高分解能で移動位置を演算するが、これについては広く知られているので説明を省略する。実施形態の反射式のリニア光学式エンコーダは、上記の位置演算機能に、これまでと異なる原点検出機能を付加したものであり、原点検出に関係する演算処理についてのみ説明する。

信号処理部は、第１リーディングヘッド４１と、第２リーディングヘッド４２と、第１インターポレータ４３と、第２インターポレータ４４と、第１カウンタ４５と、第２カウンタ４６と、共通クロック源４７と、差演算回路４８と、絶対値化回路４９と、和演算回路５０と、定数倍化回路５１と、コンパレータ５２と、遅延回路５３と、排他的論理和（ＸＯＲ）ゲート５４と、を有する。

第１リーディングヘッド４１および第２リーディングヘッド４２は、受光部１５−１および１５−２に対応し、アナログ信号＋Ａ、＋Ｂ、−Ａ、−Ｂを出力する。第１インターポレータ４３および第２インターポレータ４４は、アナログ信号＋Ａ、＋Ｂ、−Ａ、−Ｂをデジタルデータに変換して出力する。ここで、原点検出処理のみであれば、受光部１５−１および１５−２の出力する＋Ａ（または＋Ｂ、−Ａ、−Ｂのいずれか）をデジタル信号として出力すればよいが、反射パターン２−１のスケールピッチの周期より高分解能で移動位置を演算するので、＋Ａと−Ａの差および＋Ｂと−Ｂの差をデジタル演算して出力しても、図７に示すアナログ回路で導出した＋Ａと−Ａの差および＋Ｂと−Ｂの差をデジタルデータに変換してもよい。さらに、これらのデータから演算した移動位置の変化を出力してもよい。

したがって、第１インターポレータ４３および第２インターポレータ４４以降の処理は、すべてデジタル信号処理により行われるが、図１３では、処理内容を分かり易くするために、アナログ回路の形で表している。以下の説明では、第１インターポレータ４３および第２インターポレータ４４は、移動位置の変化データを出力するものとし、４０μｍを２^m分割（例えば、ｍ＝６なら６４等分、ｍ＝８なら２５６等分）したデータを出力する。また、第１インターポレータ４３および第２インターポレータ４４は、正方向の移動の場合には正の値を、負方向の移動の場合には負の値を出力する。

第１カウンタ４５は、共通クロック源４７からの共通クロックに同期して、第１インターポレータ４３の出力する主位置データをカウントする。第２カウンタ４６は、共通クロック源４７からの共通クロックに同期して、第２インターポレータ４４の出力する副位置データをカウントする。第１カウンタ４５および第２カウンタ４６は、共通クロックに同期してカウント動作を行うため、両者に時間的なずれは生じない。第１カウンタ４５および第２カウンタ４６は、移動位置の変化データをカウントするので、第１カウンタ４５および第２カウンタ４６のカウント値が移動位置を示す。

差演算回路４８は、第１カウンタ４５と第２カウンタ４６のカウント値の差、すなわち移動位置の差を演算する。絶対値回路４９は、カウント値の差絶対値を演算する。
和演算回路５０および定数倍化回路５１は、頻繁な判定値変動を防止するため、絶対値回路４９の出力する差絶対値にヒステリシス特性を持たせる処理を行う。具体的には、定数倍化回路５１は、コンパレータ５２の出力する２値データ（ゼロまたは１）に係数（分解能の１０倍程度）を乗じて出力し、和演算回路５０は、絶対値回路４９の出力する差絶対値に定数倍化回路５１の出力を加算し、判定結果を正帰還する。ヒステリシスの範囲は、定数倍化回路５１の係数により決定される。スケールの移動方向によりヒステリシス分異なる位置で原点信号が発生するが、前述のように、受光部１５−１の信号を演算する演算回路により、反射パターン２−１のスケールピッチの周期より高分解能で移動位置を演算しており、位置差が１スケールピッチ内であれば問題はない。

コンパレータ５２は、和演算回路５０の出力を閾値Ｖｔｈと比較し、和演算回路５０の出力が閾値Ｖｔｈを超えて変化した時に、出力を変化させる。具体的には、コンパレータ５２の出力は、和演算回路５０の出力が閾値Ｖｔｈより小さい状態から大きい状態に変化すると、「１(H:High)」から「０(L:Low)」に変化し、和演算回路５０の出力が閾値Ｖｔｈより大きい状態から小さい状態に変化すると、ＬからＨに変化する。例えば、図１２に示すように８μｍの差が生じる場合には、和演算回路５０の出力が４μｍに対応する値の時に、コンパレータ５２の出力が変化するようにＶｔｈを設定する。

遅延回路５３は、コンパレータ５２の出力を短い時間遅延させる。排他的論理和（ＸＯＲ）ゲート５４は、コンパレータ５２の出力と遅延回路５３の出力の排他的論理和を演算する。これにより、コンパレータ５２の出力が変化すると、ＸＯＲゲート５４は、短いパルスを発生する。これが原点検出信号である。

以上のようにして発生された原点検出信号に基づいて、第１インターポレータ４３の出力する主位置データにおいて、第１所定位置である原点が含まれるスケールピッチを判定し、主位置データから原点を判定する。

図１４は、実施形態の反射式のリニア光学式エンコーダにおける信号処理部の処理の流れを示すフローチャートである。
ステップＳ１１では、ループ数パラメータＮおよび原点信号（原点に対して一方の場合がゼロ、他方の場合が１になる）Ｓをゼロに初期化する。

ステップＳ１２では、第１カウンタ４５および第２カウンタ４６用のレジスタに記憶されたカウント値ｃｏｕｎｔ１およびｃｏｕｎｔ２を読み出す。
ステップＳ１３では、ｃｏｕｎｔ１とｃｏｕｎｔ２の差Δを演算する。
ステップＳ１４では、差Δを絶対値化する。

ステップＳ１５では、パラメータＳに定数倍化回路５１の係数を乗じてＸを算出する。
ステップＳ１６では、絶対値化したΔにＸを加算し、新たなΔを演算する。
ステップＳ１７では、新たなΔが閾値より大きいかを判定し、大きくなければステップＳ１８に進み、大きければステップＳ１９に進む。

ステップＳ１８では、Ｓ＝０とする。
ステップＳ１９では、Ｓ＝１とする。したがって、ヒステリシス分があるが、Δが大きければＳ＝１になり、小さければＳ＝０になる。
ステップＳ２０では、パラメータＮがゼロでないか判定し、ゼロであればステップＳ２１に進み、ゼロでなければ（１であれば）ステップＳ２３に進む。

ステップＳ２１では、Ｎ＝Ｎ＋１にする。すなわち、Ｎを１増加する。
ステップＳ２２では、変数Ｙ＝Ｓにする。
ステップＳ２３では、Ｎ＝０にする。

以上のルーチンで、１回目にＳ２０に到達した時にはＮ＝０であるからＳ２１およびＳ２２に進み、Ｓ１２に戻った後、次に２回目にＳ２０に到達した時にはＮ＝１であるからＳ２３に進むことになる。
ステップＳ２４では、ＳとＹの排他的論理和を演算し、演算結果を新たなＳとする。

以上のルーチンで、Δが２回連続で閾値より小さいか、または閾値より大きければ、新たなＳはゼロとなり、原点信号は発生しない。これに対して、２回のループでΔが異なると、新たなＳはゼロとなり、原点信号は発生する。言い換えれば、方向にかかわらず、Δが閾値を超えて変化すると、原点信号が発生する。

前述のように、実施形態の反射式のリニア光学式エンコーダでは、一般的な反射式のリニア光学式エンコーダと同様に、反射パターン２−１の反射パターンを受光する受光部１５−１の信号を演算する演算回路が、反射パターン２−１のスケールピッチの周期より高分解能で移動位置を演算する。

図１５は、受光部１５−１の信号を演算する演算回路により算出された相対位置信号と、これまで説明した原点の検出により発生される原点信号と、の関係を説明する図である。

受光部１５−１の信号を演算する演算回路は、主Ａ相信号がｓｉｎ成分を、主Ｂ相信号が−ｃｏｓ成分を示すことを利用して、センサピッチを１周期とした場合の１周期内の位相を算出する。図１５では、１周期の位相ゼロは、主Ａ相信号がゼロで、主Ｂ相信号が負のピーク値の時である。差信号が、移動方向にかかわらず原点である所定位置を含む１周期の中央付近（１８０度）付近で発生するようにすれば、原点に対応するスケールのピッチ（サイクル）を判定でき、原点位置を特定できる。

以上説明した実施形態の反射式のリニア光学式エンコーダは、デジタル処理後のカウント値を用いるため、回路上に実装せず、ソフトウエアのみで実現できる。カウント値をリアルタイムで検出することで原点信号を発生するため、処理はソフトウエア上で完結させるようにすることが望ましい。ソフトウエア処理は、専用チップを設けて実行するようにしても、例えば、外部の演算ユニットのようなデバイス上で実行するようにしてもよい。

例えば、アナログ回路で、コンパレータで信号電圧を比較する場合、信号電圧自体の絶対値の変動が判定結果に影響する。特に、光源光量が変動すると、信号電圧の最大値が変動するため、正規化を行うなどの余分な回路が必要となる。これに対して、実施形態の反射式のリニア光学式エンコーダは、第１および第２リーディングヘッドが投影されるパターンの信号を正しく出力すれば、後の処理はデジタル処理で行うため、光量変動等の影響を受けない。

また、異常説明した実施形態では、反射型のスケールを使用したが、透過型のスケールを使用することも可能である。
さらに、演算処理手順は一例であり、位置ずれの変化を検出できれば、どのような処理手順を用いてもよい。

本発明は、各種の光学式エンコーダに適用可能である。

１スケール基板
２−１、２−２反射パターン
５所定位置
１０センサ基板
１１光源
１４−１、１４−２受光素子
１５−１、１５−２受光部
３５第１差演算回路
３６第２差演算回路
４１第１リーディングヘッド
４２第２リーディングヘッド
４３第１インターポレータ
４４第２インターポレータ
４５第１カウンタ
４６第２カウンタ
４８差演算回路
５０和演算回路
５２コンパレータ

Claims

主軸方向に変化する第１濃淡パターンを有する第１光学式スケールと、前記第１光学式スケールの第１照明光を出力する第１光源と、前記第１照明光で前記第１光学式スケールを照明することにより生成された前記第１濃淡パターンの像を検出するように配置された第１受光センサと、を備え、前記第１受光センサは、前記主軸方向に順にセンサピッチで配列された第１から第４の主センサ部からなる第１センサ組を、前記主軸方向に所定組数繰り返し配列した第１センサ配列を有する第１光学系と、
前記主軸方向に変化する第２濃淡パターンを有する第２光学式スケールと、前記第２光学式スケールの第２照明光を出力する第２光源と、前記第２照明光で前記第２光学式スケールを照明することにより生成された前記第２濃淡パターンの像を検出するように配置された第２受光センサと、を備え、前記第２受光センサは、前記主軸方向に順に前記センサピッチで配列された第１から第４の副センサ部からなる第２センサ組を、前記主軸方向に所定組数繰り返し配列した第２センサ配列を有する第２光学系と、
前記第１光学系の前記第１受光センサの検出信号および前記第２光学系の前記第２受光センサの検出信号を演算処理する信号処理部と、を備え、
前記第１光学式スケールおよび前記第２光学式スケールは、前記第１光源、前記第１受光センサ、前記第２光源および前記第２受光センサに対して相対移動し、
前記第１光学式スケールの前記第１濃淡パターンは、濃い部分と淡い部分の幅が同じで、スケールピッチで濃淡を繰り返し、
前記第２光学式スケールの前記第２濃淡パターンは、濃い部分と淡い部分の幅が同じで、前記スケールピッチで濃淡を繰り返し、所定位置において、濃い部分または淡い部分の幅が前記スケールピッチの１／２を超えない範囲で広くなっており、
前記信号処理部は、
前記第１から第４の主センサ部の出力の少なくとも１つをデジタル信号に変換し、主位置データを出力する主位置データ生成部と、
前記第１から第４の副センサ部の出力の少なくとも１つをデジタル信号に変換し、副位置データを出力する副位置データ生成部と、
前記主位置データと前記副位置データの差データを演算する差演算部と、
前記差データの絶対値が所定値以上であるか判定し、判定値の変化から原点を検出する原点判定部と、を備えることを特徴とする光学式エンコーダ。
前記第１光学式スケールおよび前記第２光学式スケールは、共通のスケール基板上に隣接して、前記第１濃淡パターンおよび前記第２濃淡パターンが平行に、前記所定位置の一方の側では濃い部分と淡い部分の位置が一致し、他方の側では濃い部分と淡い部分がずれているように形成され、
前記第１光源、前記第１受光センサ、前記第２光源および前記第２受光センサは、共通のセンサ基板上に形成され、前記第１光源および前記第２光源は共通光源として形成され、前記第１受光センサおよび前記第２受光センサは、共通光源の両側に、前記第１センサ配列および前記第２センサ配列が平行に、前記第１から第４の主センサ部および前記第１から第４の副主センサ部の位置が一致するように形成され、
前記センサ基板は、前記スケール基板に対して、前記第１濃淡パターンで反射された前記共通光源からの照明光が前記第１受光センサに投影され、前記第２濃淡パターンで反射された前記共通光源からの照明光が前記第２受光センサに投影されるように配置される請求項１に記載の光学式エンコーダ。
前記スケールピッチは、前記センサピッチの２倍であり、
前記センサ基板は、前記スケール基板に対して、前記第１濃淡パターンおよび前記第２濃淡パターンが、前記スケールピッチの４倍の濃淡パターンとして投影されるように配置される請求項２に記載の光学式エンコーダ。