JP4498024B2 - 光学式エンコーダ - Google Patents

Description

本発明は、変位測定や角度測定に用いられる光学式エンコーダに関するものである。

光学式エンコーダは基本的に、第１の光学格子が形成されたメインスケールと、これに対向して配置され第２の光学格子が形成されたインデックススケールと、メインスケールに光を照射する光源と、メインスケールの光学格子を透過又は反射し、更にインデックススケールの光学格子を透過した光を受光する受光素子とを備えて構成されている。

この種の光学式エンコーダにおいて、インデックススケールを兼ねて受光素子アレイを用いる方式は、既に特許文献１に提案されている。また、本発明者もこの構成のエンコーダとして、特許文献２に開示の発明を出願している。

特公平６−５６３０４号公報 特開２００３−１６１６４５号公報

この構成のエンコーダはインクリメンタル型と云われ、スケールの移動に対し、パルスの増減によりその移動量を検出することが可能である。

このインクリメンタル型の問題として、回転角度の絶対位置が分からないために、絶対位置を検出するセンサを別途必要とする問題があるが、それを回避する手段として特許文献３が開示されている。

特開平１０−３１８７９０号公報

この特許文献３においては、インクリメンタル式の透過型のエンコーダにおける絶対値を検出するために、図１３に示すようにスケール１に配列したスリット２の透過率を変化させ、例えばスリット２ａの透過率を１とし、並列する順次のスリット２ｂ、２ｃ、２ｄの透過率を徐々に低下させている。

図１４はこのスケール１を用いて、センサをスリット２の透過率が変化している部分が通過したときに得られる信号変化を示しており、センサから得られるアナログ２相信号Ｏａ、Ｏｂは、スリット２の透過率が徐々に低下することにより振幅が低下するので、この変化を検出することによって絶対位置を検出するようになっている。

上述の従来例で示すエンコーダの絶対位置検出手段では、信号振幅を検出する方法として、得られるエンコーダ信号の１周期よりも十分に細かいタイミングでサンプリングし、そこから得られる信号のピークとバレイの電圧を求めなければならず、この処理のために高速なＡＤ変換器など規模の大きな回路が必要となる。また、スケールに透過率の異なる部分を正確に製作する必要があり、実際の振幅変化もかなりのばらつきが発生する問題がある。

本発明の目的は、上述の問題点を解消し、簡単な構成で不連続部分が得られるスケール構成とし、環境変化の影響を受けることのない信号や信号処理を用いて、スケールに付した不連続部分の位置を原点として安定して検出することを可能とする光学式エンコーダを提供することにある。

上記目的を達成するための本発明に係る光学式エンコーダは、所定の間隔の光学格子が形成され、前記光学格子の一部に光学的な不連続部分が設けられたスケールと、該スケールに対して相対移動可能に設けられ、光源から照射された光束を前記スケールを介して受光する複数の受光素子を１セグメントとし、複数の前記セグメントを有し、複数の前記セグメント間の互いに対応する位置からは同位相の出力が得られるよう前記光学格子のピッチに関係付けして配設した受光素子アレイと、前記受光素子アレイから得られる電気信号に基づいてインクリメンタル信号を得る信号処理回路とを有する光学式エンコーダにおいて、前記信号処理回路は、前記インクリメンタル信号として互いに位相が９０°ずれた２つのアナログ信号と、前記２つのアナログ信号と位相が等しく、前記アナログ信号の２値化された信号である２つのデジタル信号とを出力し、少なくとも一方のデジタル信号のパルスエッジのタイミングで得られる前記一方のデジタル信号と位相が９０°ずれた前記アナログ信号の値に基づいて、前記位相が９０°ずれたアナログ信号の振幅又は中心電圧を求め、前記不連続部材が前記受光素子アレイを通過するときに前記振幅又は前記中心電圧の変化を検出し、該変化が発生したときの位置に基づいて原点を検出することを特徴とする。

本発明に係る光学式エンコーダによれば、絶対位置検出を行う際にアナログエンコーダ信号振幅の変化点或いは中心電圧の変化点を検出することにより、スケールの不連続部分の位置を検出することを可能とし、スケールの絶対位置を簡素な電気回路により検出することができる。

本発明を図示の実施例に基づいて詳細に説明する。

図１は反射型スケールの形状をマイクロルーフミラーアレイとした光学式エンコーダの構成図である。従来では、発光部と受光部とがスケールを挟んで対向して設置された所謂透過型の構成であったが、本実施例１では反射型の構成とされている。また、スケール１１の形状をマイクロルーフミラーアレイを用いた構成とすることにより、光の利用効率を向上させている。このマイクロルーフミラーアレイについては、特許文献４に開示されている。

特開２００２−３２３３４７号公報

移動体であるスケール１１の片側には、発光部１２、複数の受光素子を列状に配置した受光部１３が固定して配置されている。発光部１２で発光した光は、細かい間隔の反射部と非反射部を持つスケール１１で反射して図２の受光部１３の受光素子の列上に明暗の分布を与える。この構成は特にスケール１１がマイクロルーフミラーアレイを用いた構成ではなく、単に反射部と非反射部を持つ構成であれば、信号レベルは異なるものの、同様な光の明暗の分布が受光部１３上に形成され、エンコーダ信号を得ることができる。

従来のスケールでは前述したように、不連続部分として透過率が異なる部分を構成していたが、本実施例１では光束が完全に透過しない不連続部分１１ａがスケール１１に設けられている。従来例において透過率が異なる部分を設けていたのは、完全な不完全部分を設けると信号が欠落しエラーとなってしまうため、或る程度の信号振幅が必要であったためである。

図２に示す受光部１３は、４個のフォトダイオードＳを１セグメントとし、複数のセグメントを有する構成とされている。１３ａはスケール１１を介して受光部１３に戻ってきた光の強度が強い部分である。通常のエンコーダでは、この光強度の強い部分１３ａがスケール１１のピッチと或る関係で分布する。本実施例１の構成では、４つのフォトダイオードＳのセグメントと同じ間隔で１３ａの部分が分布することになる。

本実施例１では、スケール１１に不連続部分１１ａを設けているため、１３ｂに示すように光強度の強い部分が抜ける現象が生ずる。しかし、この構成によれば入力光の波がスケール１１の不連続部分１１ａに従って、完全に１つ欠落したとしても、他のフォトダイオードＳの存在のために、ほぼフォトダイオードＳが残っている割合での信号振幅が得られる。

図３は本実施例の回路構成図であり、フォトダイオードＳ１〜Ｓ４の出力はそれぞれ電流電圧変換器２１に接続されている。フォトダイオードＳ１〜Ｓ４からはそれぞれ位相が９０゜ずれた信号が出力され、フォトダイオードＳ１とＳ３、Ｓ２とＳ４からのそれぞれ位相が１８０°ずれた信号が、２個の差動増幅器２２及び２個のコンパレータ２３のプラス入力とマイナス入力に入力して２値化され、アナログエンコーダ信号（以下、アナログ信号と云う）Ａ、Ｂと、デジタルエンコーダ信号（以下、デジタル信号と云う）ＤＡ、ＤＢが得られる。

図４は図３の回路構成から得られた信号のタイムチャート図である。デジタル信号ＤＡ、ＤＢはアナログ信号Ａ、Ｂのゼロクロスにおいて生成されており、しかもアナログ信号Ａ、Ｂは９０°位相がずれているため、デジタル信号ＤＢの立上りと立下りはアナログ信号Ａの最大と最小の値になる。

従って、デジタル信号ＤＢのパルスエッジのタイミングでアナログ信号Ａの信号を取り込めば、アナログ信号Ａの最大値と最小値の値が得られる。

また、アナログ信号Ａの振幅は（アナログ信号Ａの最大値−アナログ信号Ａの最小値）から求められ、アナログ信号Ａの中心電圧は、{(アナログ信号Ａの最大値＋アナログ信号Ａの最小値)／２}から求めることができる。

図５はこの手法により得られたアナログ信号Ａの振幅の波形図を示し、データは６００パルス／Ｒで、図１に示したような不連続部分１１ａが１回転で１個所、図５では２３０番目のパルス付近に現われている。

このように、不連続部分１１ａが通過したとき信号振幅は低下することになるが、この低下のレベルとしては、４つのフォトダイオードＳ１〜Ｓ４を１セグメントとしたとき、図２では６セグメントのフォトダイオードのグループがあるのに対し、１セグメント分の信号が入力しないため、図５での信号レベルは不連続部分１１ａを設けないときの信号レベルと比べると５／６に低下している。

マイクロコンピュータなどの演算処理部では、図５において信号レベルが３Ｖを下回った場合、又は振幅値が最小値になった場合などのときに原点であると認識し、そのときの位置を記憶し、或いはコンパレータを設けてパルス信号を出力する。

このように、スケール１１に不連続部分１１ａを設け、振幅を一方のデジタル信号ＤＢのパルスエッジを基準に一方のアナログ信号Ａをサンプリングし演算処理することで、原点位置を検出することが可能となる。

図６は本実施例１の原点検出アルゴリズムのフローチャート図である。ステップＳ１で原点検出を開始し、スケール１１を移動させて信号を発生させる。

ステップＳ２でデジタル信号ＤＢの立ち上りと立ち下りタイミングで、アナログ信号Ａの信号を検出し、アナログ信号Ａの最大値と最小値を求める。

ステップＳ３で最大値−最小値を演算して振幅を求める。

ステップＳ４で、振幅値が最小になる個所を検出する。

ステップＳ５で、振幅値が最小のパルス値のときのデジタル信号ＤＡの立ち上り位置を原点とする。

このようにして、デジタル信号の或る特定のパルスエッジを原点位置とすることにより、再現性の良い原点位置を高精度で得ることが可能となる。

図７は実施例１において、検出不能となる場合の振幅変動の波形図を示している。スケール１１に不連続部分１１ａを設けたにも拘らず、他の振幅変動が大きく、実施例１のような或る電圧を下廻ったとき、又は最小値となったときを計算しても、不連続部分１１ａを捉えられないという問題が発生することがある。

これはスケール１１の汚れ、取付精度が悪いなどの原因によるものであるが、それを解消するためには、エンコーダを塵埃が侵入しない環境で使用したり、組み立て調整を厳しく行うなどの制約が生ずる。

本実施例２は振幅変動が大きくとも、スケール１１の原点である不連続部分１１ａを検出するために、検出信号を微分して不連続部分１１ａが通過したときの急激な振幅変化を捉えている。

図８は図７におけるアナログ信号Ａを微分した結果であり、図８（ａ）は全領域での微分信号の波形図、図８（ｂ）は不連続部分１１ａが通過したときの振幅が急激に変化したときの微分信号の波形図を示している。

図８（ａ）から分かるように、スケール１１の不連続部分１１ａが通過した個所では、微分値が大きく上下に変化している。これは実際の振幅が一瞬低下して直ちに復活するためである。図８（ｂ）は微分値が大きく変化している個所の横軸を拡大しており、マークのある個所はエンコーダ信号の１パルスに相当する。

ここで、マイクロコンピュータなどにより微分値を検索してゆき、例えば図８（ｂ）で微分値が−０．５を下回った個所から、＋０．５を超える間の個所で、最もゼロに近い値を見付けるようにする。すると、図８（ｂ）の点線で囲った２３２番目のパルス位置が原点位置として選択できる。

従って、最初に計数したパルス計数値に対し２３２を差し引くなどして、以後はこのパルス位置を原点に決定することが可能となる。なお、この計数のときのデジタル信号ＤＡのエッジを原点位置とすることで、精度の良い原点位置を得ることができる。

図９は実施例３を説明するためのアナログ信号Ａの出力波形図であり、従来の信号振幅ではなく、アナログ信号Ａの中心電圧に着目している。図９（ａ）は横軸をパルス位置としたときのアナログ信号Ａの振幅とその中心電圧を示し、図９（ｂ）はスケール１１の不連続部分が通過する付近のアナログ信号Ａの中心電圧の変化を横軸を拡大して示している。

図９（ｂ）から分かるように、アナログ信号Ａの中心電圧はスケール１１の不連続部分１１ａが発光部１２、受光部１３に入ったときにプラス側にピークを出力し、発光部１２、受光部１３を抜けるときにマイナス側にピークを出力する。

図１０はこの現象の説明図であり、スケール１１の不連続部分１１ａによる部分１３ｂが受光部１３の端の部分にあるとき、光が入射する部分と出射する部分で不均衡が生じ、図３の差動増幅器２２で相殺していたオフセット成分が、微妙に発生している。これにより、図９（ｂ）に示すような中心電圧の変化部が検出される。従って、図９（ｂ）の点線でくくった個所のように、電圧変化のピークになるパルス位置を原点とすることができる。

図９（ａ）からも分かるように、アナログ信号Ａの中心電圧は、振幅が変化しているにも拘らず殆ど変化せず、スケール１１の不連続部分１１ａが通過するときのみ変動するため、安定して原点を検出することが可能となる。

図１１は実施例４のアナログ信号Ａの中心電圧とその中心電圧を微分した波形を示している。この図１１において、中心電圧のピークの部分を見ると、複数のピークが存在し、中心電圧のピークを取るという前述の実施例３では、状況により異なる方の個所が求めるピーク値になってしまうという問題が発生する。

そこで本実施例４では、アナログ信号Ａの中心電圧の微分値を求めると、上がり下がりを有するＳ字カーブになるので、上昇してから下がるときのゼロに近い個所を原点と決定することで、確実に１個所を原点位置に決定することができる。なお図１１においては、個所２２４番目のパルス位置が原点となる。

また、ここで微分した結果の上がり下がりのゼロに近い個所が２個所あり、何れかを決められないとき、初期時にゼロに最も近い個所を原点として選択し、次の原点検出からは先の個所が持っていた値に最も近い個所を探すことにより、確実に原点位置を捉えることが可能となる。

図１２はこの実施例４の原点検出アルゴリズムのフローチャート図である。ステップＳ１１で原点検出スタートし、スケール１１を移動し信号を発生させる。ステップＳ１２においてデジタル信号ＤＢの立ち上りと立ち下りタイミングでアナログ信号Ａの信号を検出することで、アナログ信号Ａの最大値と最小値を検出する。

ステップＳ１３で｛最大値＋最小値}／２から中心電圧を求める。ステップＳ１４で中心電圧値データの中心電圧が或る値以上に変化している領域のデータを微分する。

ステップＳ１５〜Ｓ１６で初期測定のときは、微分値がゼロに近いパルス位置を原点と決定し、その微分値Ｘを記憶する。ステップＳ１７で、初期測定ではないときは微分値がＸのときの個所を選択する。ステップＳ１８で、得られた個所のデジタル信号ＤＡの立ち上りの位置を原点とする。

このようにして、デジタル信号の或る特定のパルスエッジを原点位置であるとすることにより、精度の良い原点位置を得ることが可能となる。

実施例１の光学式エンコーダの構成図である。 フォトダイオードアレイのパターンと検出される光の明暗パターンとの関係図である。 処理回路の構成図である。である。 デジタル信号とアナログ信号のタイムチャート図である。 アナログ信号の振幅の波形図である。 原点検出アルゴリズムのフローチャート図である。 検出不能となる場合の振幅変動のアナログ信号の波形図である。 実施例２のアナログ信号を微分した信号の波形図である。 実施例３のアナログ信号の振幅と中心電圧の波形図である。 フォトダイオードアレイのパターンと検出される光の明暗パターンとの関係図である。 実施例４のエンコーダの中心電圧とこの中心電圧を微分した信号の波形図である。 原点検出アルゴリズムのフローチャート図である。 従来の光学式エンコーダのスケール部の構成図である。 スケールの不連続部分がセンサを通過しているときのエンコーダ信号の出力波形図である。

符号の説明

１１ スケール
１１ａ 不連続部分
１２ 発光部
１３ 受光部
２１ 電流電圧変換器
２２ 差動増幅器
２３ コンパレータ
Ｓ、Ｓ１〜Ｓ４ フォトダイオード

Claims (5)

1. 所定の間隔の光学格子が形成され、前記光学格子の一部に光学的な不連続部分が設けられたスケールと、
   該スケールに対して相対移動可能に設けられ、光源から照射された光束を前記スケールを介して受光する複数の受光素子を１セグメントとし、複数の前記セグメントを有し、複数の前記セグメント間の互いに対応する位置からは同位相の出力が得られるよう前記光学格子のピッチに関係付けして配設した受光素子アレイと、
   前記受光素子アレイから得られる電気信号に基づいてインクリメンタル信号を得る信号処理回路とを有する光学式エンコーダにおいて、
   前記信号処理回路は、前記インクリメンタル信号として互いに位相が９０°ずれた２つのアナログ信号と、前記２つのアナログ信号と位相が等しく、前記アナログ信号の２値化された信号である２つのデジタル信号とを出力し、
   少なくとも一方のデジタル信号のパルスエッジのタイミングで得られる前記一方のデジタル信号と位相が９０°ずれた前記アナログ信号の値に基づいて、前記位相が９０°ずれたアナログ信号の振幅又は中心電圧を求め、前記不連続部材が前記受光素子アレイを通過するときに前記振幅又は前記中心電圧の変化を検出し、該変化が発生したときの位置に基づいて原点を検出することを特徴とする光学式エンコーダ。
2. 前記不連続部分の通過は、前記振幅又は前記中心電圧の変化のピーク値の位置を求めて検出す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。
3. 前記不連続部分の通過は、前記振幅又は前記中心電圧の変化の微分した結果を用いて検出す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。
4. 前記不連続部分の通過は、前記振幅又は前記中心電圧の変化の微分した値のゼロクロス個所付近の個所を原点位置として検出す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。
5. 前記不連続部分は、初期動作時に前記振幅又は前記中心電圧の変化の微分した値のゼロクロス付近の個所を原点位置とし、そのときの微分値を記憶し、次回に該微分記憶値に最も近い個所を原点位置と決定することことを特徴とする請求項１に記載の光学式エンコーダ。

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