JP4223324B2

JP4223324B2 - 光学式エンコーダ

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Publication number: JP4223324B2
Application number: JP2003145968A
Authority: JP
Inventors: 繁朗川野; 俊之鉾館
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2003-05-23
Filing date: 2003-05-23
Publication date: 2009-02-12
Anticipated expiration: 2023-05-23
Also published as: JP2004347504A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、光学式エンコーダに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光学式エンコーダは、移動体の変位と連動して変位する回折格子が受光素子の受光面に形成する干渉縞の通過本数に基づき移動体の移動量や位置の測定を行うように構成される測定装置である。この光学式エンコーダは、例えば、数値制御装置においてサーボモータ等の駆動系の移動量を検出するのに使用されている。
【０００３】
ところで、光学式エンコーダでは、光源としてＬＥＤ（発光ダイオード）やＬＤ（レーザダイオード）が使用されるが、その光源の光出力が印加する電圧や周囲温度の変化に応じて変動すること、また、製造過程において回折格子の線幅や膜圧にばらつきが生じることが知られている。これらの変動やばらつきは、受光光量や干渉縞のコントラストを変動させるので、測定精度の低下を招来する。
【０００４】
そこで、この問題を解決すべく、例えば特許文献１では、互いに９０度位相が異なる受光信号（Ａ相、Ｂ相）の交流成分の２乗和と、予め設定した基準電圧値とが等しくなるように、光量のフィードバック制御を行う光量制御に関する技術が開示されている。
【０００５】
また、上記の特許文献１では、Ａ相およびＢ相の受光素子をそれぞれ逆位相の受光素子、すなわちａ相とａ’相、ｂ相とｂ’相とによって構成し、ａ相とａ’相の受光量を加算し、ｂ相とｂ’相の受光量を加算することによりそれぞれの交流成分が打ち消された直流成分の和を求め、その和の電圧値が予め設定した基準電圧値と等しくなるように、光量のフィードバック制御を行う技術が開示されている。これによれば、エンコーダの信号処理を行うデジタル回路内のフィードバック制御によって、Ａ相、Ｂ相の交流成分の振幅ピーク値を一定にすることができる。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００１−３１１６３０号公報（００１３〜００１９、図１，２）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特許文献１に開示された光量制御方法では、交流成分の振幅ピーク値が最適化されるので、Ａ相、Ｂ相の交流成分をＡ／Ｄ変換する際の量子化誤差は殆ど無いが、それぞれの交流成分を２乗する回路が必要である。この２乗演算回路をアナログ回路で構成すると、回路自体が複雑になる。また、温度変化等の影響でアナログ回路を構成する部品の特性が変化するので、演算値の変動が起こり易く安定性が低くなる。
【０００８】
また、回折格子が形成される基材に外気温度や湿度等の環境変化の影響で反り等の変形が生じた場合には、その回折格子からの受光量が変化してしまう。この場合、上記特許文献１に開示された制御技術では、予め設定した基準電圧値が、信号処理を行っているデジタル回路におけるＡ相、Ｂ相の交流成分の振幅変動許容範囲を超えてしまうことが生ずる。そして、その基準電圧値が振幅変動許容範囲よりも大きいと、Ａ／Ｄ変換入力の上限値を超えてしまい、一方小さいとＡ／Ｄ変換の分解能の影響を受けるので、量子化誤差が増え、その結果、演算精度が低下するという問題がある。
【０００９】
この発明は、上記に鑑みてなされたもので、印加する電圧や周囲温度により光源光量が変動したり、回折格子が形成される基材に反り等の変形が生じたりしても、その影響を受けることなく高精度な位置測定が行える光学式エンコーダを得ることを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、この発明にかかる光学式エンコーダは、出射光量の調節が行える光源と、移動体の変位に連動して変位するように配置され、前記光源からの光を回折して干渉縞を形成する回折格子と、前記干渉縞を受光して互いに位相が異なるＡ相とＢ相の受光信号をそれぞれ出力するＡ相受光素子およびＢ相受光素子と、前記Ａ相とＢ相の各受光信号の直流成分の和電圧値がリサージュ波形の円中心となり、半径が前記Ａ相とＢ相の各受光信号の交流成分の振幅ピーク値で与えられるリサージュ波形の大きさが変動許容範囲内に収まるように前記光源の出射光量を制御する光量制御手段とを備えることを特徴とする。
【００１１】
具体的には、前記Ａ相受光素子およびＢ相受光素子は、それぞれ、逆位相の受光信号を出力する２つの受光素子で構成し、前記光量制御手段は、前記Ａ相とＢ相の各受光信号の直流成分を前記逆位相の受光信号を加算して求め、その和が予め設定した受光量指令値と等しくなるように前記光源の出射光量を制御する第１光量制御手段と、前記Ａ相とＢ相の各受光信号の交流成分を前記逆位相の受光信号を減算して求め、その振幅ピーク値が前記変動許容範囲の上限値以下となるように前記受光量指令値に補正を加える第２光量制御手段とで構成することができる。また、前記第２光量制御手段は、所定のリセット条件が満たされたとき、前記補正動作を実行するようにしてもよい。
【００１２】
この発明によれば、互いに位相が異なるＡ相とＢ相の各受光信号の直流成分の和電圧値がリサージュ波形の円中心となり、半径が前記Ａ相とＢ相の各受光信号の交流成分の振幅ピーク値で与えられるリサージュ波形の大きさが変動許容範囲内に収まるように光源の出射光量を制御する。具体的には、前記Ａ相とＢ相の各受光信号の直流成分を前記逆位相の受光信号を加算して求め、その和が予め設定した受光量指令値と等しくなるように前記光源の出射光量を制御する過程で、前記Ａ相とＢ相の各受光信号の交流成分を前記逆位相の受光信号を減算して求め、その振幅ピーク値が前記変動許容範囲の上限値以下となるように前記受光量指令値に補正を加えるようにしたので、リサージュ波形の大きさを一定に保つことができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる光学式エンコーダの好適な実施の形態を詳細に説明する。
【００１４】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１である光学式エンコーダの制御回路の構成を示す系統図である。図１において、光学式エンコーダでは、光源（図示例ではＬＥＤ）１０１と受光素子１０２との間に、基材であるコードディスク１０３が移動体の変位に連動して変位（回転または移動）するように配置される。コードディスク１０３には、回折格子として機能する遮光スリット１０４が設けられ、通過する光源１０１の出射光が受光素子１０２の受光面に干渉縞を形成するようになっている。
【００１５】
すなわち、光学式エンコーダでは、コードディスク１０３が変位（回転または移動）すると遮光スリット１０４を通過する光量、つまり受光素子１０２に到達する光量が変化するので、この光量の変化数である干渉縞の本数を計数することによって、コードディスク１０３の変位位置、つまり移動体の変位位相の測定が行える。
【００１６】
ここで、受光素子１０２は、４つの受光素子ａ，ａ’，ｂ，ｂ’で構成されている。受光素子ａ，ａ’は、Ａ相用の受光素子であり、互いに逆位相の受光信号を出力する。また、受光素子ｂ，ｂ’は、Ｂ相用の受光素子であり、互いに逆位相の受光信号を出力する。そして、干渉縞の１周期内の位置が精度良く計測できるようにするために、Ａ相用の受光素子とＢ相用の受光素子とは、一般には、干渉縞の１／４周期ずらした位置に配置される。つまり、９０度の位相差を持つＡ相とＢ相の受光信号が得られるようにしている。
【００１７】
受光素子（ａ相、ａ’相、ｂ相、ｂ’相）１０２の検出信号は、受光量検出回路１０５とリサージュ波形検出回路１０９とに与えられる。なお、後の信号処理においてＡ相とＢ相の受光信号が９０度の位相差を持つようにすることができるので、Ａ相とＢ相の受光信号は当初から９０度の位相差を持つ必要性は必ずしも無いと言える。
【００１８】
図１に示すように、この実施の形態１である光学式エンコーダにおける制御系は、受光素子１０２→受光量検出回路１０５→差分検出回路１０６→指令値変換器１０７→光源駆動回路（定電流ＬＥＤドライバ）１０８→光源１０１と一巡する制御系１２１と、受光素子１０２→リサージュ波形検出回路１０９→差分検出回路１１０→指令値変換器１１１→受光量指令回路１１２→差分検出回路１０６に至る制御系１３１とで構成されている。
【００１９】
制御系１２１は、従来から行われている受光量を一定にするフィードバック制御系である。制御系１３１は、この実施の形態によるリサージュ波形の大きさを一定にするフィードバック制御系である。
【００２０】
まず、受光量を一定にするフィードバック制御系１２１での制御内容を概略説明する。すなわち、受光量検出回路１０５では、ａ相とａ’相の受光量を加算してＡ相の交流成分を打ち消し、ｂ相とｂ’相の受光量を加算してＢ相の交流成分を打ち消し、得られたＡ相直流成分とＢ相直流成分の和を求める。
【００２１】
差分検出回路１０６では、受光量検出回路１０５にて求められた直流成分の和と受光量指令値（図１では受光量指令回路１１２の一方の入力になっている）との差分を求める。指令値変換器１０７では、差分検出回路１０６にて求められた差分を電流指令値に変換して光源駆動回路１０８に与え、光源駆動回路１０８に、受光量検出回路１０５にて求められた直流成分の和と受光量指令値とが等しくなるように光源１０１を駆動制御させる。
【００２２】
次に、この実施の形態によるリサージュ波形の大きさを一定にするフィードバック制御系１３１について説明する。リサージュ波形検出回路１０９では、受光素子１０２から得られるＡ相受光信号とＢ相受光信号とから交流成分をそれぞれ取り出し、それらの合成信号点の軌跡が直交座標系の原点を中心に一定の半径を持つ円上を移動するリサージュ波形の大きさ（半径または直径）を検出する。
【００２３】
差分検出回路１１０では、リサージュ波形検出回路１０９にて求められたリサージュ波形と理想的なリサージュ波形の大きさ（つまり、リサージュ波形の変動許容範囲の上限値）を与えるリサージュ指令値との差分を求める。リサージュ波形の変動許容範囲の上限値とは、Ａ／Ｄ変換レンジの最大値である。
【００２４】
指令値変換器１１１では、差分検出回路１１０にて差分されたリサージュ波形の大きさを対応する光量値に変換する。受光量指令回路１１２では、指令値変換器１１１にて変換された光量値を予め設定された受光量指令値に加算し、差分検出回路１０６に与える。
【００２５】
要するに、制御系１３１では、検出したリサージュ波形の大きさがリサージュ波形の変動許容範囲内に収まるように、制御系１２１における制御基準値である受光量指令値に補正を加えるフィードバック制御を行うようになっている。
【００２６】
以下、図２〜図６を参照して具体的に説明する。なお、図２は、図１に示すリサージュ波形検出回路の構成例を示すブロック図である。図３は、図２に示す交流成分検出回路の構成例を示す回路図である。図４は、図２に示すリサージュ半径検出回路およびリサージュ直径検出回路の構成例を示す回路図である。図５は、図４に示すリサージュ半径検出回路でのＡ相振幅とＢ相振幅の検出動作を説明する波形図である。図６は、図１に示すリサージュ波形の大きさを一定に保つフィードバック制御系の動作を説明する概略回路図である。
【００２７】
リサージュ波形検出回路１０９は、例えば図２に示すように、交流成分検出回路２０１と、リサージュ半径検出回路２０２と、リサージュ直径検出回路２０３とで構成されている。
【００２８】
交流成分検出回路２０１に受光素子ａ，ａ’，ｂ，ｂ’から入力されるａ相受光信号、ａ’相受光信号、ｂ相受光信号およびｂ’相受光信号は、図５（１）に示すように、ある直流電圧レベルに交流電圧成分が重畳された信号である。そして、ａ相受光信号とａ’相受光信号における交流電圧成分は、逆相の関係にある。同様に、ｂ相受光信号とｂ’相受光信号における交流電圧成分は、逆相の関係にある。
【００２９】
交流成分検出回路２０１では、ａ相受光信号とａ’相受光信号とがａ相交流成分検出回路２１１とａ’交流成分検出回路２１２とに並列に入力される。また、ｂ相受光信号とｂ’相受光信号とがｂ相交流成分検出回路２１３とｂ’交流成分検出回路２１４とに並列に入力される。
【００３０】
図３は、ａ相交流成分検出回路２１１の構成を示すが、各相の交流成分検出回路は、同様に図３に示すように、逆相関係にある２相の受光信号が入力される直流成分抽出回路３０１と、逆相関係にある２相の受光信号のうちの正相受光信号と直流成分抽出回路３０１の出力とが入力される交流成分検出回路３０２とで構成されている。
【００３１】
図３において、直流成分抽出回路３０１では、ａ相受光信号とａ’相受光信号とを加算して直流成分を取り出し、抵抗分圧して半分の値を求める。交流成分検出回路３０２では、ａ相受光信号から直流成分抽出回路３０１にて求めた直流成分を引き算して交流成分を取り出す。このようにしてａ相，ａ’相，ｂ相，ｂ’相の各交流成分が抽出される（図５（２））。ａ相交流成分とａ’相交流成分とはリサージュ半径検出回路２０２におけるＡ相振幅検出回路２２１に入力され、ｂ相交流成分とｂ’相交流成分とはＢ相振幅検出回路２２２に入力される。
【００３２】
リサージュ半径検出回路２０２におけるＡ相振幅検出回路２２１とＢ相振幅検出回路２２２は、図４に示すように構成され、所定のタイミングで発生するリセット信号に応答してＡ相振幅ピーク値およびＢ相振幅ピーク値の検出動作を実行するようになっている。ここで検出されるＡ相振幅ピーク値およびＢ相振幅ピーク値は、それぞれリサージュ波形の半径を与える。
【００３３】
リサージュ直径検出回路２０３は、Ａ相振幅検出回路２２１とＢ相振幅検出回路２２２が検出したＡ相振幅ピーク値とＢ相振幅ピーク値との和を求める。その結果、リサージュ波形の半径の平均値を２倍した値、つまりリサージュ波形の直径が検出される（図５（１３））。
【００３４】
次に、図４を参照して、リサージュ半径検出回路２０２の構成と動作について説明する。図４において、ａ相交流成分は、サンプルホールド回路４０１を介して全波整流回路４０２とヒステリシス付きのコンパレータ４０５と反転増幅器４０７の一方の入力端とに入力される。ａ’相交流成分は、サンプルホールド回路４０６を介して反転増幅器４０７の他方の入力端に入力される。反転増幅器４０７の出力は、サンプルホールド回路４０８に入力される。サンプルホールド回路４０８の出力は、同期回路４０９およびリセット回路４１０を介してリサージュ直径検出回路２０３に与えられる。
【００３５】
また、ｂ相交流成分は、サンプルホールド回路４１１を介して全波整流回路４１２とヒステリシス付きのコンパレータ４１５と反転増幅器４１７の一方の入力端とに入力される。ｂ’相交流成分は、サンプルホールド回路４１６を介して反転増幅器４１７の他方の入力端に入力される。反転増幅器４１７の出力は、サンプルホールド回路４１８に入力される。サンプルホールド回路４１８の出力は、同期回路４１９およびリセット回路４２０を介してリサージュ直径検出回路２０３に与えられる。
【００３６】
全波整流回路４０２の出力は、反転増幅器４０３，ヒステリシス付きのコンパレータ４０４を介してサンプルホールド回路４１８の制御端に接続される。サンプルホールド回路４１８の制御端には、コンパレータ４１５の出力も接続されている。
【００３７】
また、全波整流回路４１２の出力は、反転増幅器４１３，ヒステリシス付きのコンパレータ４１４を介してサンプルホールド回路４０８の制御端に接続される。サンプルホールド回路４０８の制御端には、コンパレータ４０５の出力も接続されている。
【００３８】
外部から入力されるリセット（ＲＥＳＥＴ）信号は、リセット回路４１０，４２１とインバータ回路４２１，４２２とに与えられている。インバータ回路４２１は、リセット（ＲＥＳＥＴ）信号が入力されたとき、サンプルホールド回路４０１，４０６をリセットするようになっている。同様に、インバータ回路４２２は、リセット（ＲＥＳＥＴ）信号が入力されたとき、サンプルホールド回路４１１，４１６をリセットするようになっている。
【００３９】
同期回路４０９，４１９は、ＲＣの時定数回路で構成され、サンプルホールド回路４０８，４１８の出力を同期を取ってリサージュ直径検出回路２０３に与える働きをする。リセット回路４１０は、リセット（ＲＥＳＥＴ）信号が入力されたとき、同期回路４０９，４１９をリセットするようになっている。
【００４０】
以上の構成において、リセット（ＲＥＳＥＴ）信号が入力されると、サンプルホールド回路４０１，４０６，４１１，４１６が動作を開始し、ａ相、ａ’相、ｂ相、ｂ’相の各交流成分信号（図５（２））が取り込まれる。
【００４１】
ａ相交流成分信号は、全波整流回路４０２にて全波整流される（図５（３））。反転増幅器４０３では、全波整流された信号とａ相のピーク電圧に等しい直流電圧との差分を取る（図５（３）（４））。そして、ヒステリシス付きのコンパレータ４０４では、反転増幅器４０３で得た信号波形（図５（４））と直流電圧との差を取り、信号波形（図５（４））のピーク部分でパルスを出力する（図５（５））。
【００４２】
一方、ヒステリシス付きのコンパレータ４１５では、ｂ相交流成分信号が正の値を取るときに矩形波パルスを出力する（図５（６））。このとき、反転増幅器４１７では、ｂ相交流成分信号とｂ’相交流成分信号との差分を取り、Ｂ相信号の振幅値（つまり、リサージュ波形のＢ相成分の半径）をサンプルホールド回路４１８に出力している。
【００４３】
そこで、コンパレータ４０４，４１５が発生するパルスが重なるタイミングにおいて、サンプルホールド４１８をオン動作させ、反転増幅器４１７の出力を取り込ませる（図５（７））。
【００４４】
また、ｂ相交流成分信号は、全波整流回路４１２にて全波整流される（図５（８））。反転増幅器４１３では、全波整流された信号とｂ相のピーク電圧に等しい直流電圧との差分を取る（図５（８）（９））。そして、ヒステリシス付きのコンパレータ４１４では、反転増幅器４１３で得た信号波形（図５（９））と直流電圧との差分を取り、信号波形（図５（９））のピーク部分でパルスを出力する（図５（１０））。
【００４５】
一方、ヒステリシス付きのコンパレータ４０５では、ａ相交流成分信号が正の値を取るときに矩形波パルスを出力する（図５（１１））。このとき、反転増幅器４０７では、ａ相交流成分信号とａ’相交流成分信号との差分を取り、Ａ相信号の振幅値（つまり、リサージュ波形のＡ相成分の半径）をサンプルホールド回路４０８に出力している。
【００４６】
そこで、コンパレータ４１４，４０５が発生するパルスが重なるタイミングにおいて、サンプルホールド４０８をオン動作させ、反転増幅器４０７の出力を取り込ませる（図５（１２））。
【００４７】
このようにして得られたリサージュ波形のＡ相成分の半径（図５（１２））とＢ相成分の半径（図５（７））に対して、同期回路４０９，４１９にて同期を取り、リサージュ直径検出回路２０２に与える。リサージュ直径検出回路２０２では、各半径値を加算する。その結果、次式で示すように、Ａ相成分とＢ相成分の直径の平均が得られる（図５（１３））。
【００４８】
すなわち、Ａ相成分の半径値をｒａ、Ｂ相成分の半径値をｒｂとすれば、
Ａ相成分の直径値＝ｒａ×２・・・（１）
Ｂ相成分の直径値＝ｒｂ×２・・・（２）
となる。そして、各相成分の直径値の平均値は、

となり、各半径値を加算することによってＡ相成分とＢ相成分の直径の平均が得られることが解る。このようにして得られるＡ相成分とＢ相成分の各直径の平均に基づき、リサージュ波形が求められる。なお、Ａ相成分とＢ相成分の各半径を求めるようにしてもよい。これによってもリサージュ波形が求められる。
【００４９】
その後、リセット（ＲＥＳＥＴ）信号が入力し（図５（１４）、同期回路４０９，４１９は、リセット回路４１０，４２０によって半径値の信号がリセットされ、次の入力に備えるようにしている。また、インバータ回路４２１では、サンプルホールド回路４１０，４０６をオフ動作させ、インバータ回路４２２では、サンプルホールド回路４１１，４１６をオフ動作させ、リセット（ＲＥＳＥＴ）信号による各相交流成分の短絡を回避するようにしている。
【００５０】
そして、図６において、差分検出回路１１０において、このリサージュ波形を構成するＡ相成分とＢ相成分の直径平均値の実測値（リサージュ波形検出回路１０９の出力）と、各相交流成分の信号をＡ／Ｄ変換するのに最適なリサージュ波形（リサージュ指令値）の大きさとの差分を求める。
【００５１】
受光量指令回路１１２では、差分検出回路１１０において求められた理想値であるリサージュ指令値とリサージュ波形検出回路１０９における実測値との差分と、受光量指令値発生回路６０１における半固定抵抗器にて予め設定された受光量指令値とを加算する。つまり、受光量を一定にするフィードバック制御系１２１での受光量指令値を補正する。
【００５２】
差分検出回路１０６では、受光量指令回路１１２にて求められた値と受光量検出回路１０５にて実測されたＡ相、Ｂ相の直流成分の和との差分を取り、受光量を一定にするフィードバック制御系１２１の制御値とする。その結果、フィードバック制御系１３１では、リサージュ波形を最適な大きさに保つ受光量を得続けることになる。
【００５３】
このときのリサージュ波形は、Ａ相直流成分とＢ相直流成分の和の電圧値が円の中心となり、半径がＡ相交流成分とＢ相交流成分の振幅ピーク値となる円になる。したがって、リサージュ波形の変動許容範囲は、Ａ相、Ｂ相交流成分の振幅ピーク値の変動許容範囲と同じ意味を持つことになる。
【００５４】
このように、実施の形態１によれば、受光量を一定にするフィードバック制御系の受光量指令値に、Ａ相、Ｂ相の交流成分の振幅ピーク値が変動許容範囲の上限値以下となるように補正を加えるようにしたので、リサージュ波形を最適な大きさに安定的に保つことができる。
【００５５】
したがって、外気温度や湿度等の環境変化の影響で生じるコードディスクの反り等の影響を受けて、予め設定した受光量指令値によるＡ相、Ｂ相の交流成分の振幅が最適値からずれてしまい、Ａ相、Ｂ相交流成分のＡ／Ｄ変換における量子化誤差が発生するということがなくなる。
【００５６】
また、リサージュ波形の大きさを求める回路の構成として２乗演算回路を採用しないので、リサージュ波形の補正にアナログの２乗演算回路を使用する従来例では、温度変化等の影響を受け、アナログ２乗演算回路を構成する部品の特性が変化し、演算値が変動してしまうことが起こるが、そのような不安定性が無くなる。
【００５７】
また、従来の回路構成では、特性が変化したエンコーダの基準電圧値を調整するため、エンコーダを使用している機器の作業を中断しなければならなかったのが、この実施の形態１では、運転中は、受光量指令値の変動をリサージュ波形の大きさの変動として補正しているので、機器を取り巻く環境の温度や湿度の変化に影響されず、機器の作業中断もなくなる。
【００５８】
実施の形態２．
図７は、この発明の実施の形態２である光学式エンコーダの制御回路におけるリサージュ波形検出回路の構成例を示すブロック図である。なお、図７では、図２に示した構成と同一ないしは同等である構成要素には、同一の符号が付されている。ここでは、この実施の形態２に関わる部分を中心に説明する。
【００５９】
実施の形態２によるリサージュ波形検出回路７０１は、図２に示した構成において、リサージュ半径検出回路２０２に代えて、ピークホールド検出回路７０２が設けられている。
【００６０】
ピークホールド検出回路７０２は、ａ相交流成分検出回路２１１およびａ’相交流成分検出回路２１１の出力を受けるＡ相振幅検出回路７２１と、ｂ相交流成分検出回路２１３およびｂ’相交流成分検出回路２１４の出力を受けるＢ相振幅検出回路７２２とを備えている。
【００６１】
このピークホールド検出回路７０２におけるＡ相振幅検出回路７２１とＢ相振幅検出回路７２２は、図８に示すように構成され、所定のタイミングで発生するリセット信号に応答してＡ相振幅ピーク値およびＢ相振幅ピーク値の検出動作を実行し、リサージュ直径検出回路２０３に与えるようになっている。ここで検出されるＡ相振幅ピーク値およびＢ相振幅ピーク値は、それぞれリサージュ波形の半径を与える。これによって、実施の形態１と同様に、リサージュ直径検出回路２０３は、リサージュ波形の直径の平均を求めることができる。
【００６２】
図８は、図７に示すピークホールド検出回路およびリサージュ直径検出回路の構成例を示す回路図である。図８において、ａ相交流成分とａ’相交流成分は、サンプルホールド回路８０１，８０２を介して加算回路８０３に入力され、加算される。ピーク値検出回路８０４は、加算回路８０３が出力するＡ相交流成分信号の上限ピーク値と下限ピーク値とを求める。
【００６３】
ピーク値検出回路８０４が検出したＡ相のピーク値は、リサージュ直径検出回路２０３に与えられるとともに、サンプルホールド回路８１５に対し、そのままトリガパルスとして送り込まれる。
【００６４】
また、ｂ相交流成分とｂ’相交流成分は、サンプルホールド回路８１１，８１２を介して加算回路８１３に入力され、加算される。ピーク値検出回路８１４は、加算回路８１３が出力するＢ相交流成分信号の上限ピーク値と下限ピーク値とを求める。ピーク値検出回路８１４が検出したＢ相のピーク値は、リサージュ直径検出回路２０３に与えられるとともに、サンプルホールド回路８１５の入力となっている。サンプルホールド回路８１５の出力は、リサージュ直径検出回路２０３に与えられている。
【００６５】
このようにＡ相とＢ相の交流成分のピーク値を同時に検出するので、リサージュ直径検出回路２０３では、同期の取れた状態で入力するＡ相のピーク値とＢ相のピーク値とを加算し、それを半分にしてリサージュ波形の直径の平均を求めることができる。
【００６６】
なお、ピーク値検出回路８０４とリサージュ直径検出回路２０３との接続ラインと接地（グランド）との間には、リセット（ＲＥＳＥＴ）信号に応じてリセット操作を行うリセット回路４１０が設けられている。同様に、サンプルホールド回路８１５とリサージュ直径検出回路２０３との接続ラインと接地（グランド）との間には、リセット（ＲＥＳＥＴ）信号に応じてリセット操作を行うリセット回路４１０が設けられている。
【００６７】
また、サンプルホールド回路８０１，８０２をリセット（ＲＥＳＥＴ）信号に応じてリセット操作を行うリセット操作するインバータ回路４１１が設けられている。同様に、サンプルホールド回路８１１，８１２をリセット（ＲＥＳＥＴ）信号に応じてリセット操作するインバータ回路４２２とが設けられている。
【００６８】
この実施の形態２では、実施の形態１と同様に、各相交流成分の振幅を安定化させることができる。したがって、周囲環境等によるエンコーダの特性変化が引き起こす機器の作業中断を回避することが可能となる等、実施の形態１と同様の作用効果が得られる。
【００６９】
実施の形態３．
実施の形態３では、実施の形態１，２による光学式エンコーダをレーザ加工機に搭載し、加工作業の過程でリサージュ波形の大きさを補正する場合について説明する。
【００７０】
レーザ加工に使用するガルバノスキャナの位置決め精度は、高精度が要求されるので、角度分解能の非常に高いエンコーダが必要となる。このエンコーダがガルバノスキャナの周囲環境によって特性が変化した場合、ガルバノスキャナをレーザ加工機から取り外し、ガルバノスキャナを分解して基準電圧値を調整しなければならない。さらに、その調整後に再びガルバノスキャナをレーザ加工機に取り付け、被加工物へのレーザの光路を再調整する必要がある。これらの調整作業は、レーザ加工機を使った加工作業時間に加算されるロスタイムである。
【００７１】
実施の形態１，２による光学式エンコーダを使用すれば、上述したように周囲環境の変化に応じて自動的にリサージュ波形の補正ができるので、そのようなロスタイムの発生を無くすことができる。実施の形態１，２による光学式エンコーダの適用方法には、図９と図１０に示す二通りの方法が考えられる。なお、図９は、この発明の光学式エンコーダをレーザビア加工機に適用した場合のリサージュ波形補正動作を説明するフローチャートである（その１）。図１０は、この発明の光学式エンコーダをレーザビア加工機に適用した場合のリサージュ波形補正動作を説明するフローチャートである（その２）。
【００７２】
図９において、レーザビア加工機にて加工を行う際の加工位置を決定するために光学式エンコーダを使用する場合、被加工物が載置されるワークを動かして、被加工物の加工指定箇所をガルバノスキャナが1度にスキャンできる範囲に持っていき、レーザ加工するように加工機に指令を与える加工プログラムを読み込み、一連の加工作業がスタートすると（ステップＳＴ９０１）、リセット指令条件を満たすか否かを判断する（ステップＳＴ９０２）。図４や図８に示したリセット（ＲＥＳＥＴ）信号の入力条件ないしは発生条件である。
【００７３】
ここで、リセット指令条件には、各種のものが考えられる。加工プログラムに基づく一連の作業途中においては、ある加工エリアから他の加工エリアにその被加工物を載せたテーブルを移動させる間は、被加工物に対してレーザ出力が停止することから、加工プログラム作動中でも加工作業自体は停止状態にある。
【００７４】
そこで、まず（１）「非加工時であるか否か」をリセット指令条件とすることが考えられる。また、リセット指令条件には、（２）光学式エンコーダを使用するにあたっての温度や湿度などの推奨環境値と比較して実際の環境が外れているか否か、（３）光学式エンコーダを連続運転させる際にその運転スタート時からある一定時間が経過したか否かなども挙げることができる。
【００７５】
要するに、ステップＳＴ９０２では、（１）〜（３）などのリセット指令条件を満たすか否かを判断する。それらのリセット指令条件を満たす場合は（ステップＳＴ９０２：Ｙｅｓ）、図４や図８示したリセット（ＲＥＳＥＴ）信号の短パルスが入力され(ステップＳＴ９０３)、上述したリセット操作が行われる。
【００７６】
その後、コードディスク１０３を１度〜２度程度の特定の微小角度だけ回転させるように数値制御装置から指令を送り(ステップＳＴ９０３)、加工プログラムのなかで被加工物に対する全ての加工指令が終了したか否かを判断する（ステップＳＴ９０５）。
【００７７】
全ての加工指令が終了した場合は(ステップＳＴ９０５：Ｙｅｓ)、リサージュ波形の補正は行わないが、まだ加工指令が残っている場合は(ステップＳＴ９０５：Ｎｏ)、コードディスクを微小角度振ることで得られるリサージュ波形の直径又は半径の大きさを検出し（ステップＳＴ９０６）、リサージュ波形の大きさを一定にするフィードバック制御系１３１によるリサージュ波形の補正をかける。このように、加工が終了するまでの間、リセット条件を満たす場合は、コードディスクを微小角度振ってリサージュ波形の補正を行うことを繰り返すのが一つの使用方法である。
【００７８】
図１０において、加工プログラムを読み込み、一連の加工作業がスタートすると（ステップＳＴ１００１）、リセット指令条件を満たすか否かを判断する（ステップＳＴ１００２）。上記（１）〜（３）などのリセット指令条件を満たす場合は（ステップＳＴ１００２：Ｙｅｓ）、図４や図８示したリセット（ＲＥＳＥＴ）信号の短パルスが入力され(ステップＳＴ１００３)、上述したリセット操作が行われる。
【００７９】
引き続いて、常に発生するリサージュ波形の直径又は半径の大きさを検出し（ステップＳＴ１００４）、リサージュ波形の大きさを一定にするフィードバック制御系１３１によるリサージュ波形の補正をかける。全ての加工指令が終了した場合は(ステップＳＴ１００５：Ｙｅｓ)、リサージュ波形補正を行わないが、まだ加工指令が残っている場合は(ステップＳＴ１００５：Ｎｏ)、ステップＳＴ１００２に戻り、リサージュ波形の補正動作を連続的に行う。このように、加工が終了するまでの間、リセット条件を満たす場合は、加工時に発生するリサージュ波形を用いてその大きさ（直径または半径）の補正を連続して行うのがもう一つの使用方法である。
【００８０】
以上のように、実施の形態１，２による光学式エンコーダでは、リサージュ波形の補正を加工プログラム進行中に自動的に行い、しかもレーザ加工を停止させることがないため、加工プログラムを進行させるにあたり、時間的ロスは全く生じない。
【００８１】
また、レーザビア加工機のように光学式エンコーダを使用する機械を動作させる場合は、外気温度や湿度が変化する環境変化等の発生に備えて、例えば、図４や図８にて説明した回路におけるa相、a’相、ｂ相、ｂ’相交流成分の信号入力端子の直後に、温度や湿度の検出器からパルスを出すスイッチを設置し、リセット指令条件が満たされると、図９や図１０に示す手順で加工作業を実行する加工プログラムを用意すれば、エンコーダの手動調整を不要にすることができる。
【００８２】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、互いに位相が異なるＡ相とＢ相の各受光信号の直流成分の和電圧値がリサージュ波形の円中心となり、半径が前記Ａ相とＢ相の各受光信号の交流成分の振幅ピーク値で与えられるリサージュ波形の大きさが変動許容範囲内に収まるように光源の出射光量を制御する。具体的には、前記Ａ相とＢ相の各受光信号の直流成分を前記逆位相の受光信号を加算して求め、その和が予め設定した受光量指令値と等しくなるように前記光源の出射光量を制御する過程で、前記Ａ相とＢ相の各受光信号の交流成分を前記逆位相の受光信号を減算して求め、その振幅ピーク値が前記変動許容範囲の上限値以下となるように前記受光量指令値に補正を加えるようにしたので、リサージュ波形の大きさを一定に保つことができる。したがって、印加する電圧や周囲温度により光源光量が変動したり、回折格子が形成される基材に反り等の変形が生じたりしても、その影響を受けることなく高精度な位置測定が行えるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１である光学式エンコーダの制御回路の構成を示す系統図である。
【図２】図１に示すリサージュ波形検出回路の構成例を示すブロック図である。
【図３】図２に示す交流成分検出回路の構成例を示す回路図である。
【図４】図２に示すリサージュ半径検出回路およびリサージュ直径検出回路の構成例を示す回路図である。
【図５】図４に示すリサージュ半径検出回路でのＡ相振幅とＢ相振幅の検出動作を説明する波形図である。
【図６】図１に示すリサージュ波形の大きさを一定に保つフィードバック制御系の動作を説明する概略回路図である。
【図７】この発明の実施の形態２である光学式エンコーダの制御回路におけるリサージュ波形検出回路の構成例を示すブロック図である。
【図８】図７に示すピークホールド検出回路およびリサージュ直径検出回路の構成例を示す回路図である。
【図９】この発明の光学式エンコーダをレーザビア加工機に適用した場合のリサージュ波形補正動作を説明するフローチャートである（その１）。
【図１０】この発明の光学式エンコーダをレーザビア加工機に適用した場合のリサージュ波形補正動作を説明するフローチャートである（その２）。
【符号の説明】
１０１光源、１０２受光素子、ａ，ａ’ Ａ相用の逆位相受光素子、ｂ，ｂ’ Ｂ相用の逆位相受光素子、１０３コードディスク（基材）、１０４遮光スリット（回折格子）、１０５受光量検出回路、１０６，１１０差分検出回路、１０７，１１１指令値変換器、１０８光源駆動回路、１１２受光量指令回路、１０９，７０１リサージュ波形検出回路、２０１交流成分検出回路、２１１ａ交流成分検出回路、２１２ａ’交流成分検出回路、２１３ｂ交流成分検出回路、２１４ｂ’交流成分検出回路、２０２リサージュ半径検出回路、２２１，７２１Ａ相振幅検出回路、２２２，７２２Ｂ相振幅検出回路、２０３リサージュ直径検出回路、３０１直流成分抽出回路、３０２交流成分抽出回路、４０１，４０６，４０８，４１１，４１６，４１８，８０１，８０２，８１１，８１２，８１５サンプルホールド回路、４０２，４１２全波整流回路、４０３，４０７，４１３，４１７反転増幅器、４０４，４０５，４１４，４１５コンパレータ、４０９，４１９同期回路、４１０，４２０リセット回路、４２１，４２２インバータ回路、６０１受光量指令値発生回路、７０２ピークホールド検出回路、８０３，８１３加算回路、８０４，８１４ピーク値検出回路。

Claims

出射光量の調節が行える光源と、
移動体の変位に連動して変位するように配置され、前記光源からの光を回折して干渉縞を形成する回折格子と、
前記干渉縞を受光して互いに位相が異なるＡ相とＢ相の受光信号をそれぞれ出力するＡ相受光素子およびＢ相受光素子と、
前記Ａ相とＢ相の各受光信号の直流成分の和電圧値がリサージュ波形の円中心となり、半径が前記Ａ相とＢ相の各受光信号の交流成分の振幅ピーク値で与えられるリサージュ波形の大きさが変動許容範囲内に収まるように前記光源の出射光量を制御する光量制御手段と、
を備えることを特徴とする光学式エンコーダ。
前記Ａ相受光素子およびＢ相受光素子は、それぞれ、逆位相の受光信号を出力する２つの受光素子で構成され、
前記光量制御手段は、
前記Ａ相とＢ相の各受光信号の直流成分を前記逆位相の受光信号を加算して求め、その和が予め設定した受光量指令値と等しくなるように前記光源の出射光量を制御する第１光量制御手段と、
前記Ａ相とＢ相の各受光信号の交流成分を前記逆位相の受光信号を減算して求め、その振幅ピーク値が前記変動許容範囲の上限値以下となるように前記受光量指令値に補正を加える第２光量制御手段と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載の光学式エンコーダ。
前記第２光量制御手段は、所定のリセット条件が満たされたとき、前記補正動作を実行することを特徴とする請求項２に記載の光学式エンコーダ。