JP4022191B2 - 光学式エンコーダ及びその位置検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、光学式エンコーダに関する。

光学式エンコーダは、サーボシステムなどにおいて、モータなどの物体の回転運動や並進運動を光学的に検出して、位置や速度を求めるために用いられる。光学式エンコーダは、発光部（発光ダイオードなど）、受光部（フォトダイオードなど）および両者の間を移動する可動コード板を含む。可動コード板には、遮光部と透過部などの２種の領域が交互に配置されたパターン（信号トラック）が設けられる。遮光部は、たとえば、ガラス板にＣｒ蒸着で作成したパターンである。たとえば光学式ロータリーエンコーダでは、モータの回転軸に可動コード板である回転板が取り付けられる。信号トラックはスケールとして動作する。モータが回転し、発光部から出射する光が透過部を通って受光部に入射すると、入射光が電気信号に変換される。受光部からの信号を基に演算して、回転板の位置や速度が検出される。

サーボシステムにおける位置検出器であるエンコーダを広い温度範囲で安定して使用するためには、受光素子に入射する光レベルが温度変化に対して安定である必要がある。従来、サーミスタ等で温度をモニタし光量の補正を行う方式がとられていた。しかし、この方法は、部品点数が多くなりコストが高くなる、温度変化に伴うスケールの変化を間接的にしか検知できない、などの問題点があった。

このために、例えば特開平１０−１３２６１３号公報に記載されるエンコーダでは、Ｖ字状溝のパターンを配置した信号トラックを設けた第１のスケールの他に、透過部と遮光部からなるパターンを設けたインデックスとしての第２のスケールが設けられる。第２のスケールは、透過部と遮光部からなるパターンを備え、第１のスケールからの屈折光による明暗縞が形成される位置に固定されている。第２スケールの透過部を通った光を受光素子で検出して、受光量の変動に基づきスケールの移動量を検出する。第１のスケールと第２のスケールが熱膨張係数の異なる材料で製造されている場合、温度変化時に測定精度が低下することが問題となる。そこで、第１のスケールに並行して基準板（透過領域）を設ける。第１のスケールと基準板をそれぞれ透過した光を検出し、検出波形を整形する。この方式は、スケールが樹脂等で製造されている場合でも温度変化時のスケールの膨張・収縮に対応できるものである。
特開１０−１３２６１３号公報

しかし、特開平１０−１３２６１３号公報に記載される光学式エンコーダでは、第１のスケールの他に第２のスケールが必要である。より簡便な構成の光学式エンコーダで温度変化を受けないようにすることが望ましい。

この発明の目的は、温度変化の影響を受けない出力信号を出力する光学式エンコーダを提供することである。

光学式エンコーダは、発光部と、発光部からの光をコリメートするレンズと、コリメートされた光を反射する形状を有するＶ字部の有無により反射／通過の変調用パターンが形成された信号トラック、幅の等しいＶ字部が隣接して一列に配列された遮光トラック、及び、コリメートされた光を透過する透過領域を設けた光学スケールと、信号トラック、遮光トラックおよび透過領域からの透過光をそれぞれ検知する受光部と、前記の受光部での各検知信号を基にスケールの位置検出を行う信号処理ユニットとを備える。前記信号処理ユニットは、透過領域からの光量と遮光トラックからの光量とを入力し両者を比較して、遮光トラックのＶ字部に入射した光の通過する割合を求め、次に、信号トラックからの光量を検出し、さらに遮光トラックのＶ字部に入射した光の通過する割合を基にして信号トラックからの光量を補正し、補正した信号トラックからの光量に基づいて光学スケールの位置を検出する。

光学スケールのＶ字部での通過率を直接検知するので、高精度で位置が検出できる。また、サーミスタなどが不要であるので、温度変化時での高精度の位置検出が低コストで実現できる。

以下、本発明の実施の形態を添付の図面を参照して説明する。なお、図面において、同じ参照記号は同一または同等のものを示す。

実施の形態１．
図１と図２は、本発明の実施の形態１による光学式ロータリーエンコーダの光学系の全体構成を示す。ＬＥＤなどの発光部（光源）１から出射された光は、集光レンズ２によりコリメートされ、光学スケール３に入射する。光学スケール３は、回転軸に取りつけられ、その回りを回転する可動円板である。光学スケール３はたとえば樹脂により製造される。光学スケール３の（たとえば図１では受光部側の）表面の一部分には、光学スケール３の移動方向（図１の場合ならば円周方向）に信号トラック３０が形成されている。光学スケール３の信号トラック３０を透過した光は、フォトダイオード（ＰＤ）などの受光部４により検出されて電気信号に変換される。この電気信号の演算処理により、光学スケールの位置、速度などが検出できる。

光学スケール３についてさらに説明すると、信号トラック３０では、光の強度変調または遮光のため、多数のＶ字部（Ｖ字状の突起または溝）３２からなるパターンが、光学スケールの移動方向にそって形成されている。図３はＶ字パターンの１例（側面と下面）とその信号波形を示す。Ｖ字部３２の突起又は溝の２つの傾斜面は、光学スケール３の表面に垂直な面に対して（すなわちレンズ２によりコリメートされた光の入射方向に対して）対称的に設けられる。Ｖ字部３２の傾斜角は、材料の屈折率ｎで決まる臨界角θc＝sin^-1(１/ｎ)よりも大きい値、たとえば４５°、に設定されている。傾斜角をたとえば４５°に設定していると、Ｖ字部３２に入射した光は２つの傾斜面で２回全反射されて、発光部１の方に戻る。このように、入射光は、光学スケール３のＶ字部３２を透過しない。一方、Ｖ字部３２以外に入射した光は光学スケール３を透過する。このように、信号トラック３０ではＶ字部３２の有無により遮光／透過の変調用パターンが形成される。

図３に示されるＶ字パターンの１例では、幅が一定の多数のＶ字部３２を、間隔（スリットピッチ）を変化させて配列し、正弦波パターンとしている。スケール３が移動（図１ならば軸中心に回転）すると、信号トラック３２のＶ字部以外の部分を透過した光は、強度変調された光信号としてフォトダイオードなどの受光部４に入射し、光電気変換されて電気信号となる。光学スケール３が移動するとき、受光部４で検出される電気信号の強度は正弦波となる。光学スケール３の移動位置は、この電気信号を基に検出される。図３には信号波形として正弦波パターンが示されているが、これはフォトダイオード受光面に照射された光の積分値である。

ここで、実際のＶ字部３２における問題点を説明する。Ｖ字部３２の傾斜角は理想的には一様な値であることが望ましい。しかし、実際上は成形の際の転写なまりにより、Ｖ字部３２の先端に丸みが発生する。図４に、そのようなＶ字部３２の１例を示す。Ｖ字部３２の先端の丸み部分では、入射角が臨界角よりも小さくなっている。このため、入射光が反射されず、屈折されて透過して、漏れ光が発生する。また、光学スケール３の材料の屈折率の温度依存性により、Ｖ字部３２における通過率は温度により変化する。図５は、１例として材料がポリカーボネートである場合の屈折率と温度の関係を示す。このような材料においては、高温ほど臨界角θｃが小さくなり、Ｖ字部３２での漏れ光が増加する。したがって、Ｖ字部３２の通過率は温度が上がるほど大きくなるという温度特性を持つ。

図６は、光学スケールの材料の屈折率の温度依存性により、図３に示したＶ字パターンの信号トラック３０を通過した光による信号強度の波形を示す。信号トラック３０においてＶ字部３２の占める割合が小さい位置(すなわちＶ字部の間隔が広い位置）では、温度変化時の変動が小さいが、Ｖ字部３２の占める割合が大きい位置(すなわちＶ字部の間隔が狭い位置）では、温度が変化する時の変動が大きい。低温から高温に変化する際に、低温時の波形に比べて、高温時の波形のＡＣ振幅が小さくなると共に、ＤＣレベルが上昇する。

この課題を解決するため、本実施形態では、図２に示すように、スケール３に、信号トラック３０の他に、Ｖ字パターンを全周に形成した遮光トラック３１、及び、両トラック３０，３１の間のパターンを配置しない領域（パターンなし領域）３３を設けた。なお、本実施形態では遮光トラック３１は信号トラック３０の内側に記載しているが、位置関係は逆でもよい。発光部１の位置は、出射光が信号トラック３０、透過領域３３、遮光トラック３１にまたがって光学スケール３を照射するように設置される。受光部４は、信号トラック３０、パターンなし領域３３、遮光トラック３１からの光をそれぞれ検知するフォトダイオード４１（ＰＤ１）、フォトダイオード４２（ＰＤ２）、フォトダイオード４３（ＰＤ３）からなり、フォトダイオード４１、４２、４３からの検知信号はそれぞれアンプ５１、５２、５３により増幅される。信号処理ユニットとして動作するＣＰＵ６は、それらのアンプ５１〜５３で増幅された検知信号を入力して、それらの値を基にスケール３の位置を検出する。

遮光トラック３１には、図７に示すように、全周に、等しいＶ字部３２が密に隣接して１列に配列されている。遮光トラック３１に垂直に入射した光は理想的にはＶ字パターンにより全て反射されて、遮光トラック３１に入射した光が透過されない。しかし、Ｖ字部３２の形状が理想的でない場合、遮光トラック３１でも、Ｖ字部３２での漏れ光が発生する。

さらに、光学スケール３に、Ｖ字パターンを配置しない領域（パターンなし領域３３）を設ける。具体的には、このパターンなし領域３３として、信号トラック３０と遮光トラック３１の間の領域を用いる。このパターンなし領域３３は、入射光を透過する透過領域である。レンズ２からの入射光が、両トラック３０、３１及びパターンなし領域３３を照射するので、遮光トラック３１を透過した光と、パターンなし領域３３を透過した光を比較することにより、Ｖ字部３２のなまり部からの漏れ光レベル変化を得る。これにより、Ｖ字部３２に入射した光の通過する割合（通過率）の変化を直接検知する。なお、転写なまりは各Ｖ字部３２でほぼ一様であるので、各Ｖ字部３２での通過率は一様であると仮定するが、光量補正が正確に行われれば、精度への影響は小さい。

運転時の位置検出の際には、アンプ５２、５３からのパターンなし領域３３からの光量と遮光トラック３１からの光量を比較して、Ｖ字部３２のなまり部からの漏れ光レベルを求める。次に、アンプ５１からの信号トラック３０からの光量を、漏れ光レベルに対応して補正して、補正された信号を基にスケールの位置を検出する。

Ｖ字部３２での通過率を基に信号トラック３２からの信号波形を補正する方法として、種々の手法が可能である。樹脂製光学スケールの場合、温度依存性の影響が大きい。そこで、位置検出を高精度で行うため、信号トラック３０の変調パターンに対応したデータの温度依存性を記憶する補正データベースを、ＣＰＵ６内のメモリ（またはＣＰＵ４に接続される外部メモリ）に記憶しておく。この補正データベースは、図６に示した信号レベルのスケール位置依存性のデータを種々の通過率（温度）について記憶したものである。位置検出の前に、信号トラック３０の変調用パターンに対応した信号のスケール位置に対する温度依存性を測定し、得られたデータを補正データベースに登録しておく。

位置検出の際は、ＣＰＵ６は、遮光トラック３１からの光量とパターンなし領域３３からの光量を検出して両者を比較し、樹脂材料の屈折率変化によるＶ字３２のなまり部からの漏れ光レベル変化を演算する（通過率演算処理）。（これにより得られるＶ字部３２での通過率の演算結果から温度が推定される。）次に、Ｖ字部３２での通過率と補正データベース(図６に示した波形特性)を基に、位置を算出する（位置算出処理）。ここで、アンプ５１からの信号トラック３０からの信号波形を補正し、補正された信号を基に位置を算出する。

具合的には、ＣＰＵ６は、アンプ５１，５２，５３からの出力信号を入力する。そして、アンプ５２，５３からの入力（すなわち、パターンなし領域３３と遮光トラック３１をそれぞれ透過した光量）を基に、パターンなし領域３３からの光量と遮光トラック３１からの光量を比較して、樹脂材料の屈折率変化によるＶ字のなまり部からの漏れ光レベル変化（通過率）を演算する。演算された通過率を基に、補正データベースを用いて、アンプ５１からの信号トラック３０からの信号波形を補正して、光学スケール３の位置を算出する。このように、Ｖ字部３２での通過率変化を直接検知して、Ｖ字部の間隔により光変調させるパターン（たとえば図３）が形成された光学スケールについて高精度で位置を検出できる。

図８は、ＣＰＵ６による上述のエンコーダ制御のフローチャートを示す。まず、オフラインの処理において、各温度での波形データを測定して、信号レベルとスケール位置依存性のデータを得て（Ｓ１０）、補正データベースに登録しておく（Ｓ１２）。
光学式エンコーダの運転の際には、遮光トラック３１とパターンなし領域３３の光量を測定し（Ｓ１４）、Ｖ字部３２での通過率を演算し（Ｓ１６）、補正データベースに登録されているデータを参照して（Ｓ１８）、測定データからスケール位置を検出する（Ｓ２０）。

実施の形態２．
次に、発明の実施の形態２による光学式ロータリーエンコーダについて説明する。この光学式ロータリーエンコーダでは、樹脂製光学スケール３に形成された信号トラック３０におけるＶ字パターンの形状が第１の実施の形態とは異なっている。光学式ロータリーエンコーダ全体構成は、その他の点では図１と図２に示した実施の形態１と同様であるので、説明を省略する。

図９は、光学スケール３に形成された信号トラック３０のＶ字パターンとその信号波形を示す。この信号トラック３０は、Ｖ字の間隔を一定とし、Ｖ字の幅を変化させたものであり、その信号波形は正弦波である。光学スケール３が移動（図１ならば軸中心に回転）すると、信号トラック３０を通過した光は、強度変調された光信号として受光部４に入射し、光電気変換されて電気信号となる。この電気信号を基に移動位置が検出される。図９には信号波形として正弦波パターンが示されているが、これはフォトダイオード受光面に照射された光の積分値である。

Ｖ字部３２に入射した光の通過する割合（通過率）は、温度変化に伴う樹脂材料の屈折率変化によって変化し、信号特性が劣化する。この通過率の温度依存性により、信号トラック３０を通過した光による信号レベルの波形は、温度が変化するとき、図１０に示されるように変化する。信号トラック３０においてＶ字部３２の占める割合が小さい位置(Ｖ字幅が小さい位置）（図１１参照）では通過率変化の影響は小さく、Ｖ字の占める割合が大きい位置(Ｖ字幅が大きい位置）（図１２参照）では通過率変化の影響は大きい。一方、図１３に示すように、Ｖ字幅が小の場合の方が先端なまりの比率は大きくなり、温度変化時の通過率変動も大きくなる。したがって、図１０に示されるように、低温から高温に変化する際に、元の波形に対して、通過率のＡＣ振幅はあまり変化せず、ＤＣレベルが上昇する。

ＣＰＵ６による位置検出の動作は実施の形態１と同様である。（ＣＰＵ６による制御のフローチャートは図８と同様なので、説明を省略する。）すなわち、Ｖ字部３２での通過率から温度を推定し、信号トラック３０からの信号波形を補正する。この際にＶ字部の大きさに応じて、補正データベースに記憶されたデータ（図１０に示される特性）が参照される。

具体的には、あらかじめ、信号トラック３０の変調用パターンに対応した信号のスケール位置に対する温度依存性を測定し、補正データベースに記憶しておく。すなわち、この補正データベースは、図１０に示した種々の温度における信号レベルのスケール位置依存性のデータを記憶したものである。測定の際には、パターンなし領域３３からの光量と遮光トラック３１からの光量を比較し、樹脂材料の屈折率変化によるＶ字のなまり部からの漏れ光レベル変化（通過率）を演算する。ＣＰＵ６は、Ｖ字部での通過率を演算した結果と、信号トラック３０の変調用パターンに対応した補正データベース（図１０に示した波形特性に対応する）を基に、位置検出処理を行う。これにより、種々のＶ字パターンから成る信号トラックを設けた光学スケールについても高精度で位置検出できる。

なお、以上では光学式ロータリーエンコーダの実施形態について説明したが、本発明は、リニアエンコーダにも適用できることはいうまでもない。

光学式ロータリエンコーダーの図式的な斜視図 光学式ロータリエンコーダーの信号検出を説明するための図 信号トラックのＶ字パターンの１例とその信号強度波形の図 Ｖ字部の１例の断面図 ポリカーボネートの屈折率のグラフ 検出された信号レベルのスケール位置を示す図 遮光パターンの図 ＣＰＵによる制御のフローチャート 信号トラックのＶ字パターンの他の例とその信号強度波形の図 高温時と低温時の信号レベルの変化の１例のグラフ Ｖ字部の小さい場合における光通過状況を説明すための図 Ｖ字部の大きい場合における光通過状況を説明すための図 温度変化時の光通過率特性を説明するための図

符号の説明

１ 発光部（光源）、 ２ レンズ、 ３ 樹脂製光学スケール、 ３０ 信号トラック、 ３１ 遮光トラック、 ３２ Ｖ字部、 ３３ 透過領域、 ４ 受光部、 ６ ＣＰＵ。

Claims (4)

1. 発光部と、
   発光部からの光をコリメートするレンズと、
   コリメートされた光を反射する形状を有するＶ字部の有無により反射／通過の変調用パターンが形成された信号トラック、幅の等しい複数のＶ字部が隣接して一列に配列された遮光トラック、及び、コリメートされた光を透過する透過領域を設けた光学スケールと、
   信号トラック、遮光トラックおよび透過領域からの透過光をそれぞれ検知する受光部と、
   前記の受光部での各検知信号を基にスケールの位置検出を行う信号処理ユニットとを備え、
   前記信号処理ユニットは、透過領域からの光量と遮光トラックからの光量とを入力し両者を比較して、遮光トラックのＶ字部に入射した光の通過する割合を求め、次に、信号トラックからの光量を検出し、さらに遮光トラックのＶ字部に入射した光の通過する割合を基にして信号トラックからの光量を補正し、補正した信号トラックからの光量に基づいて光学スケールの位置を検出することを特徴とする光学式エンコーダ。
2. 前記信号処理ユニットは、信号トラックの変調用パターンの位置に対応して検出される信号レベルの温度変化を補正データベースに記憶しておき、
   信号トラックからの光量を検出したとき、Ｖ字部に入射した光の通過する割合と補正データベースを基に位置検出を行うことを特徴とした請求項１に記載の光学式エンコーダ。
3. 発光部と、
   発光部からの光をコリメートするレンズと、
   コリメートされた光を反射する形状を有するＶ字部の有無により反射／通過の変調用パターンが形成された信号トラック、幅の等しい複数のＶ字部が隣接して一列に配列された遮光トラック、及び、コリメートされた光を透過する透過領域を設けた光学スケールと、
   信号トラック、遮光トラックおよび透過領域からの透過光をそれぞれ検知する受光部と、
   前記の受光部での各検知信号を基にスケールの位置検出を行う信号処理ユニットとを備える光学式エンコーダの位置検出方法において、
   前記信号処理ユニットが、透過領域からの光量と遮光トラックからの光量とを検出し、両者を比較して、遮光トラックのＶ字部に入射した光の通過する割合を求め、
   次に、信号トラックからの光量を検出し、さらに遮光トラックのＶ字部に入射した光の通過する割合を基にして信号トラックからの光量を補正し、補正した信号トラックからの光量に基づいて光学スケールの位置を検出することを特徴とする光学式エンコーダの位置検出方法。
4. 信号トラックの変調用パターンの位置に対応して検出される信号レベルの温度変化を補正データベースに記憶しておき、
   信号トラックからの光量を検出したとき、Ｖ字部に入射した光の通過する割合と補正データベースを基に位置検出を行うことを特徴とした請求項３に記載の位置検出方法。

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