JP4703059B2

JP4703059B2 - Photoelectric encoder

Info

Publication number: JP4703059B2
Application number: JP2001257403A
Authority: JP
Inventors: 都越智
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2001-08-28
Filing date: 2001-08-28
Publication date: 2011-06-15
Anticipated expiration: 2021-08-28
Also published as: JP2003065803A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光電式エンコーダに関し、特にメインスケールに汚染物質が付着してもエラーが発生して測定不能になったり、測定精度、分解能が劣化を引き起こさない光電式エンコーダに関する。
【０００２】
【背景技術】
工作機械や三次元測定機の駆動軸の変位量や位置を測定するためにリニアエンコーダが使われている。このリニアエンコーダの多くには光電変換方式、いわゆる光電式エンコーダが使われている。一般的にこの光電式エンコーダには光学格子を備えたメインスケールと、このメインスケールに対向すると共に相対変位可能に配置された検出ヘッドが備えられている。さらにこの検出ヘッドには、メインスケールに光を照射する光源、メインスケールに対向配置されたインデックススケール、このインデックススケールを通過した光を受けて電気信号に変換する受光素子、この受光素子から出力される信号を正弦波、三角波、またはパルス状の周期信号に成形出力する信号処理回路等が備えられている。さらに光電式エンコーダとは別体のカウンタによりこの光電式エンコーダから出力された周期信号に基づきメインスケールと検出ヘッドの相対変位量や位置データを検出可能である。
【０００３】
上記メインスケールには材質や製造工程に起因する各種誤差因子、例えばメインスケールのうねりや格子ピッチ誤差などの誤差因子があり、これらの誤差因子により最終的に得られる測定精度を劣化させてしまうという問題がある。そこで、これらの誤差因子は比較的狭い範囲で生じている点に注目して、出願人による先の出願（特願 2001-066185号）において開示されているように、メインスケールの測定方向に比較的広い範囲に渡って光を照射してそこから透過または反射した光を受光することで得られる情報により各種誤差因子による影響を平均化し、出力される正弦波状の周期信号がカウント不可能になる、いわゆるエラー状態になるほど信号が劣化するのを防止しようとする工夫が行われている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、前述のようにメインスケールの広い範囲に光を照射した場合、図３に示すように、メインスケール上に塵、金属粉等の光を透過しない汚染物質３０が載っていると、逆に広い範囲に渡ってうすめられた影響が出てしまい高精度タイプの光電式エンコーダでは無視できない精度劣化を比較的広い範囲に渡って引き起こすという問題がある。
本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、メインスケール上に汚染物質が載ってしまっても精度劣化を起こさない光電式エンコーダの提供を目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段および作用】
本発明は、前記目的を達成するために、メインスケールと、このメインスケールに対して相対変位可能に対向配置されたインデックススケールと、前記メインスケールに対して光を照射する光源と、前記メインスケールに対する前記インデックススケールの相対変位量に応じて位相の異なる複数の周期信号を出力する複数の受光素子と、を備え、この複数の周期信号の変化に基づき前記相対変位量を検出する光電式エンコーダにおいて、前記周期信号のうち同相の複数の周期信号を出力する複数の受光素子と、このそれぞれの受光素子が出力する周期信号を入力して異常がないと判定された周期信号のみを出力する複数の信号安定度判定手段と、この複数の信号安定度判定手段により出力された前記周期信号を合成して１つの周期信号を生成する信号合成回路と、を備えたことを特徴とする。
【０００６】
また、本発明は上記手段に加え、前記光源を複数の光源により構成して、前記信号安定度判定手段において異常ありと判定された周期信号を出力する受光素子へ向かう光の照射を抑制するように前記複数の光源のいずれかの輝度を制御する複数の信号安定度判定手段と、をさらに備えること特徴とする。
【０００７】
また、本発明は上記手段に加え、信号安定度判定手段は入力された周期信号が所定レベル以下のときにこの周期信号を異常信号と判定することを特徴とする。
【０００８】
また、本発明は上記手段に加え、信号安定度判定手段は入力された周期信号の最大値と最小値を検出してその平均値ＤＣを求め、このＤＣが予め定められた所定レベルよりも低い場合は異常信号であると判定することを特徴とする。
【０００９】
本発明は上記手段に加え、信号安定度判定手段は入力された周期信号の最大値と最小値を検出してその差分ｐｐを求め、さらに最大値と最小値の平均値ＤＣを求め、ｐｐ／ＤＣが予め定められた所定レベルよりも低い場合は異常信号であると判定することを特徴とする。
【００１０】
また、本発明は上記手段に加え、信号安定度判定手段は入力された周期信号の最大値と最小値を検出してその差分ｐｐを求め、このｐｐが予め定められた所定レベルよりも低い場合は異常信号であると判定することを特徴とする。
【００１１】
そして、本発明は上記手段に加え、メインスケールと、このメインスケールに対して相対変位可能に対向配置されたインデックススケールと、前記メインスケールに対して光を照射する光源と、前記メインスケールと前記インデックススケールの相対変位により変調される光源からの光を検出して所定の位相差を有する所定数の周期信号を出力する複数の受光素子と、同一位相の周期信号を出力する複数の受光素子の出力を合成する複数の信号合成回路と、を備え、この複数の信号合成回路の出力に基づいて前記相対変位量を検出する光電式エンコーダにおいて、前記各受光素子の出力を入力して異常がないと判定された周期信号のみを前記信号合成回路に出力する信号安定度判定手段を備えたことを特徴とする。
【００１２】
以上のように、メインスケールの広い範囲に渡って光を照射してそこから透過または反射した光を複数の受光素子で受光して光電変換して複数の周期信号を出力すると共に、この複数の周期信号をそれぞれ監視して所定の信号レベル以下のときは異常信号であると判定して信号合成回路への出力をカットすることにより、メインスケール上に汚染物質が付着したとしても光電式エンコーダの精度劣化を防止できる。また、異常信号であると判定した周期信号を出力する受光素子へ向かう光の照射を抑制するように前記複数の光源のいずれかの輝度を制御するため、汚染物質からの乱反射光を抑え、受光素子、光源および汚染物質における余計な発熱を抑えることができるので発熱に伴うエンコーダの精度劣化を防止することができる。また、同様に光源における無駄な電力消費を抑えることもできる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を用いた好適な実施の形態について図面を用いて説明する。なお、全図中において同一符号を付したものは同一構成要素を表わしている。
（第１の実施形態）
図１は、本発明に係る第１の実施形態の光電式エンコーダ１の概略構成図である。この光電式エンコーダ１は透過型であり、主にメインスケール２とこのメインスケール２に対して図中のＸ軸方向に相対変位可能な検出ヘッド（図示せず）により構成されている。メインスケール２の表面には細長い矩形状の光学格子４が構成されており、このメインスケール２に相対変位可能に対向配置されたインデックススケール３にも同様に細長い矩形状の光学格子５が構成されている。
【００１４】
さらに、この検出ヘッドにはメインスケール２に対して光を照射する光源６、この光源を駆動する光源ドライバ７、メインスケール２からの透過光が照射されるインデックススケール３、このインデックススケール３の後方に配置されてインデックススケール３からの透過光を受ける受光素子８〜１１、この受光素子８〜１１のそれぞれの信号が異常信号でないかどうかをチェックする信号安定度判定手段１２〜１５、この信号安定度判定手段１２〜１５の各出力信号を合成して１つの周期信号を出力する信号合成回路１６およびこの信号合成回路１６からの周期信号を出力する出力端子１７が備えられている。検出ヘッドは通常これらの構成要素が一体となってメインスケール２に対して相対移動するように構成されている。さらに出力端子１７から出力される周期信号は正弦波状、矩形状、三角波状信号などがあるが、最も一般的なのは正弦波状信号であり、本発明に関しても正弦波状信号で説明を進める。この出力端子１７から出力された周期信号は検出ヘッドからケーブルを介してカウンタ（図示せず）へ入力されて変位量や絶対位置がカウントされあるいはその数値は蛍光管等の表示器により表示される。
【００１５】
一般的な検出ヘッドは、上記した光源６、光源ドライバ７、インデックススケール３、受光素子８〜１１、信号安定度判定手段１２〜１５、信号合成回路１６および出力端子１７を１つのセットにして複数備え、それぞれのセットから互いに位相の異なる周期信号、例えば９０度位相差の周期信号が出力されるように構成されている。ただしここでは説明を簡潔にするため１セットについてのみ説明を進める。
【００１６】
光源６から照射された光のうちメインスケール２およびインデックススケール３を透過する光が受光素子８〜１１に受光されて光電変換が行われて信号が出力される。このとき上記検出ヘッドがメインスケール２に対して相対移動すると、受光素子８〜１１へ至る光量が周期的に変化するため、受光素子８〜１１からそれぞれ出力される信号は光学格子４および５のピッチに基づいた周期信号となる。図４（ａ）は、検出ヘッドをメインスケール２に対して相対移動させた場合の各受光素子８〜１１からの出力信号曲線４０の変化を示している。例えば受光素子１０の出力信号に着目すると、メインスケール２上に汚染物質がない部分においては図４（ａ）の出力信号曲線４０の左側部分のように正常な正弦波状曲線となるが、メインスケール２上に例えば光を透過しない汚染物質３０が付着してしまうと、図４の出力信号曲線４０の右側部分のＤの範囲に示すように信号レベルが落ちてしまい、正常な正弦波状曲線とならない。
【００１７】
従ってこの間の受光素子１０の出力信号を信号合成回路１６に入力して他の受光素子の出力信号と合成してしまうと、正常な正弦波状信号にならず、この信号を出力端子１７から出力して上記カウンタへ入力すると正しい値の変位量がカウントされず、結果的に測定精度が劣化してしまう。またひどい場合はそれ以降のカウントが不可能となってしまういわゆるエラー状態となってしまう。そこで、各受光素子８〜１１の出力信号を各信号安定度判定手段１２〜１５へ入力して、各受光素子８〜１１の出力信号を監視する。もしもここで異常信号と判定したら信号合成回路１６へ出力せず、正常信号と判定された信号のみを信号合成回路１６へ出力して信号を合成して出力端子１７へ周期信号として出力するように構成する。
【００１８】
次に、この信号安定度判定手段１２〜１５が入力された周期信号が異常信号であるかどうかを判定するための４つの手法についてそれぞれ説明する。
（第１の手法）入力された信号が予め定められた所定レベルよりも低い場合は異常信号であると判定し、そうでない場合は正常信号と判定する。
（第２の手法）入力された信号の最大値と最小値を検出してその平均値ＤＣ（図４（ａ）の４２）を求め、このＤＣが予め定められた所定レベルよりも低い場合は異常信号であると判定し、そうでない場合は正常信号と判定する。
（第３の手法）入力された信号の最大値と最小値を検出してその差分ｐｐ（図４（ａ）の４１）を求め、さらに最大値と最小値の平均値ＤＣを求め、ｐｐ／ＤＣが予め定められた所定レベルよりも低い場合は異常信号であると判定し、そうでない場合は正常信号と判定する。
（第４の手法）入力された信号の最大値と最小値を検出してその差分ｐｐ（図４（ａ）の４１）を求め、このｐｐが所定レベルよりも低い場合は異常信号であると判定し、そうでない場合は正常信号と判定する。
【００１９】
上記の第１〜４の手法のいずれかまたは複数組合せて信号安定度判定手段１２〜１５に組み込むことができる。例えば、最も単純な第１の手法では、具体的には図５に示すようなオペアンプ８１と抵抗Ｒ₁ ，Ｒ₂ により構成されたコンパレータ８０により簡単に構成可能である。または、オペアンプとツェナーダイオードを組合わせることでも簡単に構成可能である。また、第２，３，４の手法では例えばデジタル信号に変換してマイクロコンピュータを使って構成可能である。マイクロコンピュータ内部で直前のピーク値とボトム値を記憶してその平均値ＤＣ、差分ｐｐを簡単に演算することができる。上記第２，３，４の手法のそれぞれで使われる所定レベルの値も予めマイクロコンピュータに記憶させておくことが可能である。
【００２０】
図１に示すように、メインスケール２上にＸ軸方向の長さｄに渡って汚染物質３０が付着している場合、この汚染物質３０の影響により受光素子１０には光源から照射された光２０が完全には届かず、図４（ａ）に示すように、例えばおよそ２周期分となるＤの範囲に渡って信号強度が低下することになる。上記第１の手法を具体化した図５に示したコンパレータ８０を用いた場合、出力信号曲線４０に示される出力信号がこのコンパレータ８０の入力端子８２へ入力されると、抵抗Ｒ₁ ，Ｒ₂ により規定される所定レベル４３との信号レベルの比較が行われ、図４（ｂ）に示す判定信号４４が出力端子８３から出力される。この判定信号４４は、入力端子８２へ入力された信号レベルが所定レベル４３よりも大きい場合は入力信号は正常信号であることを示すＨＩＧＨレベルとなり、逆に小さい場合は入力信号は異常信号であることを示すＬＯＷレベルとなる。従って、この判定信号４４で例えばゲート回路を制御すれば、受光素子１０の出力信号を信号合成回路１６へ入力するのを簡単にＯＮ／ＯＦＦ制御可能である。
【００２１】
また同様に、上記の第２〜４の手法のいずれかで異常信号かどうかを判定すれば、このＤの範囲よりも多少内側の範囲では信号は異常であると判定されるので、信号安定度判定手段１４において信号出力はカットされ出力されない。従って、この範囲では受光素子１０からの出力信号はカットされ、残りの受光素子８，９，１１の出力信号が信号合成回路１６に入力される。
【００２２】
次に、信号合成回路１６において、入力された信号は全て合成され、さらにオートゲインコントロール回路により所定の信号レベルになるようにレベル調整されて出力端子１７へ出力される。従って、受光素子８〜１１のうち少なくとも一つが正常な信号を出力していれば出力端子１７からは正常な周期信号が出力されることになるので、汚染に強い光電式エンコーダを実現可能である。従って、上記外部のカウンタにおいてこの出力端子１７から出力される周期信号を入力して位相変化量をカウントすることで、メインスケール２と検出ヘッドの相対移動量を検出可能である。また、この周期信号を内挿分割することで、さらに高分解能な変位検出も可能となる。また、信号合成回路１６において、入力された信号をいったんデジタル信号に変換して、それらのデジタル信号の平均値をマイクロコンピュータで計算して、パラレルまたはシリアル信号として出力端子１７から出力するようにしても構わない。
【００２３】
（第２の実施の形態）
図２は、本発明に係る第２の実施形態の光電式エンコーダ５０の概略構成図である。第１の実施形態と同様、この光電式エンコーダ５０は透過型であり、主にメインスケール２とこのメインスケール２に対して図中のＸ軸方向に相対変位可能な検出ヘッド（図示せず）により構成されている。第１の実施形態と同様、メインスケール２の表面には細長い矩形状の光学格子４が構成されており、このメインスケール２に相対変位可能に対向配置されたインデックススケール３にも同様に細長い矩形状の光学格子５が構成されている。
【００２４】
さらにこの検出ヘッドにはメインスケール２に対して光を照射する光源３２〜３５、この光源を駆動する光源ドライバ６２〜６５、メインスケール２からの透過光が照射されるインデックススケール３、このインデックススケール３の後方に配置されてインデックススケール３からの透過光を受ける受光素子８〜１１、この受光素子８〜１１のそれぞれの信号が異常信号でないかどうかをチェックすると共に光源ドライバ６２〜６５へ制御信号５２〜５５を出力する信号安定度判定手段２２〜２５、この信号安定度判定手段２２〜２５の各出力信号を入力して１つの周期信号を生成出力する信号合成回路１６およびこの信号合成回路１６からの周期信号を出力する出力端子１７が備えられている。なお上記光源３２〜３５は光を第１の実施形態よりも比較的狭い範囲に照射するようにして、各光源３２〜３５が各受光素子８〜１１に向けて光を照射するように構成する。光を狭い範囲に収束させるために各光源３２〜３５の前面に適宜円筒レンズ等光学要素を備えるように構成しても構わない。
【００２５】
上記のように第１の実施形態と同様、検出ヘッドは通常これらの構成要素が一体となってメインスケール２に対して相対移動するように構成されている。さらに出力端子１７から出力される周期信号は正弦波状、矩形状、三角波状信号などがあるが、最も一般的なのは正弦波状信号であり、本発明に関しても正弦波状信号で説明を進める。この出力端子１７から出力された周期信号は検出ヘッドからケーブルを介してカウンタ（図示せず）へ入力されて変位量や絶対位置がカウントされあるいはその数値は蛍光管等の表示器により表示される。
【００２６】
さらに、上記した光源３２〜３５、光源ドライバ６２〜６５、インデックススケール３、受光素子８〜１１、信号安定度判定手段２２〜２５、信号合成回路１６および出力端子１７をセットにして複数備え、それぞれのセットから互いに位相の異なる周期信号、例えば９０度位相差の周期信号が出力されるように構成されている。ただしここでは説明を簡潔にするため１セットについてのみ説明を進める。
【００２７】
光源３２〜３５から照射された光のうちメインスケール２およびインデックススケール３を透過する光が受光素子８〜１１に受光されて光電変換が行われて信号が出力される。このとき上記検出ヘッドがメインスケール２に対して相対移動すると、受光素子８〜１１へ至る光量が周期的に変化するため、受光素子８〜１１からそれぞれ出力される信号は光学格子４および５のピッチに基づいた周期信号となる。第１の実施形態と同様、図４（ａ）は、検出ヘッドをメインスケール２に対して相対移動させた場合の各受光素子８〜１１からの出力信号曲線４０の変化を示している。例えば受光素子１０の出力信号に着目すると、メインスケール２上に汚染物質がない部分においては図４（ａ）の出力信号曲線４０の左側部分のように正常な正弦波状曲線となるが、メインスケール２上に例えば光を透過しない汚染物質３０が付着してしまうと、図４（ａ）の出力信号曲線４０の右側部分のＤの範囲に示すように信号レベルが落ちてしまい、正常な正弦波状曲線とならない。
【００２８】
従ってこの間の受光素子１０の出力信号を信号合成回路１６に入力して他の受光素子の出力信号と合成してしまうと、正常な正弦波状信号にならず、この信号を出力端子１７から出力して上記カウンタへ入力すると正しい値の変位量がカウントされず、結果的に測定精度が劣化してしまう。また、ひどい場合はそれ以降のカウントが不可能となってしまういわゆるエラー状態となってしまう。そこで、各受光素子８〜１１の出力信号を各信号安定度判定手段２２〜２５へ入力して、各受光素子８〜１１の出力信号を監視する。もしもここで異常信号と判定したら信号合成回路１６へ出力せず、正常信号と判定された信号のみを信号合成回路１６へ出力して信号を合成して出力端子１７へ周期信号として出力するように構成する。さらに、信号判定手段２２〜２５から出力される制御信号５２〜５５により光源ドライバ６２〜６５の動作が制御される。
【００２９】
次に、この信号安定度判定手段２２〜２５が入力された周期信号が異常信号であるかどうかを判定するための手法として、第１の実施形態と同様の４つの手法が考えられる。この第１〜４の手法のいずれかまたは複数組合せて信号安定度判定手段２２〜２５に組み込むことができる。例えば、最も単純な第１の手法では、具体的には図５に示すようなオペアンプ８１と抵抗Ｒ₁ ，Ｒ₂ により構成されたコンパレータ８０により簡単に構成可能である。または、オペアンプとツェナーダイオードを組合わせることでも簡単に構成可能である。また、第２，３，４の手法では例えばデジタル信号に変換してマイクロコンピュータを使って構成可能である。マイクロコンピュータ内部で直前のピーク値とボトム値を記憶してその平均値ＤＣ、差分ｐｐを簡単に演算することができる。上記第２，３，４の手法のそれぞれで使われる所定レベルの値も予めマイクロコンピュータに記憶させておくことが可能である。また、制御信号５２〜５５は簡単なゲート回路により生成可能である。
【００３０】
図２に示すように、メインスケール２上にＸ軸方向の長さｄに渡って汚染物質３０が付着している場合、この汚染物質３０の影響により受光素子１０には光源から照射された光２０が完全には届かず、図４（ａ）に示すように、例えばおよそ２周期分となるＤの範囲に渡って信号強度が低下することになる。上記の第１〜４の手法のいずれかで異常信号かどうかを判定すれば、このＤの範囲よりも多少内側の範囲では信号は異常であると判定されるので、信号安定度判定手段２４において信号出力はカットされると共に光源ドライバ６４の動作をストップさせて光源３４をオフする、もしくは光源３４の発光輝度を低下させるように制御する制御信号５４を出力するよう構成可能である。従って、このＤの範囲では受光素子１０からの出力信号はカットされ、残りの受光素子８，９，１１の出力信号が信号合成回路１６に入力される。さらに異常信号を出力している受光素子に光を照射している光源をオフもしくは発光輝度を低下させることにより、無駄な消費電力を抑えると共に、光源による発熱および汚染物質に光が当たって乱反射することで発生する余計な外乱光を抑えることが可能になり、汚染物質による光電式エンコーダの精度劣化、分解能低下を防止することが可能である。
【００３１】
また、一旦オフにした光源は再点灯することが必要となる。この場合、所定時間経過後または所定距離移動後に再点灯すればよい。またこの両方の方法を組合せ、所定時間経過していなくとも所定距離移動した場合は再点灯するように構成することも可能である。
【００３２】
次に信号合成回路１６において、第１の実施形態と同様に入力された信号は全て合成され、さらにオートゲインコントロール回路により所定の信号レベルになるようにレベル調整されて出力端子１７へ出力される。従って、受光素子８〜１１のうち少なくとも一つが正常な信号を出力していれば出力端子１７からは正常な周期信号が出力されることになるので、汚染に強い光電式エンコーダを実現可能である。従って、上記外部のカウンタにおいてこの出力端子１７から出力される周期信号を入力して位相変化量をカウントすることで、メインスケール２と検出ヘッドの相対移動量を検出可能である。また、この周期信号を内挿分割することで、さらに高分解能な変位検出も可能となる。
【００３３】
以上、本発明について好適な実施形態を挙げて説明したが、本発明は、この実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲での変更が可能である。
例えば、上記実施形態では、透過型の光電式エンコーダに限って説明したが、反射型の光電式エンコーダにおいても同様に本発明を実施可能である。
また、上記実施形態では４個の受光素子を組合わせて一つの周期信号としたものについてのみ説明したが、２個以上の受光素子の組合わせであればいくつであっても実施可能である。
【００３４】
【発明の効果】
本発明によれば、光電式エンコーダにおいて、メインスケール上に汚染物質が付着しても出力される正弦波状等の周期信号が劣化することがない。従って、汚染物質によりエラーが発生したり測定精度、分解能が劣化しない光電式エンコーダを構成可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る第１の実施形態の概略構成図である。
【図２】本発明に係る第２の実施形態の概略構成図である。
【図３】従来の光学式エンコーダの概略構成図である。
【図４】受光素子の出力信号波形を示すグラフ及び判定信号を示すグラフである。
【図５】判定信号を出力するコンパレータの回路図である。
【符号の説明】
1,50 光電式エンコーダ
2 メインスケール
3 インデックススケール
4,5 光学格子
6,32,33,34,35 光源
7,62,63,64,65 光源ドライバ
8,9,10,11,70 受光素子
12,13,14,15,22,23,24,25 信号安定度判定手段
16 信号合成回路
30 汚染物質
44 判定信号
80 コンパレータ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a photoelectric encoder, and more particularly to a photoelectric encoder in which an error occurs even if contaminants adhere to a main scale and measurement becomes impossible and measurement accuracy and resolution do not deteriorate.
[0002]
[Background]
Linear encoders are used to measure the displacement and position of the drive shafts of machine tools and CMMs. Many of these linear encoders use a photoelectric conversion system, a so-called photoelectric encoder. Generally, this photoelectric encoder is provided with a main scale provided with an optical grating and a detection head arranged so as to face the main scale and be relatively displaceable. The detection head further includes a light source for irradiating light to the main scale, an index scale disposed opposite to the main scale, a light receiving element that receives light passing through the index scale and converts it into an electrical signal, and is output from the light receiving element. The signal processing circuit etc. which shape-output the signal to be output into a sine wave, a triangular wave, or a pulsed periodic signal are provided. Furthermore, the relative displacement amount and position data of the main scale and the detection head can be detected based on the periodic signal output from the photoelectric encoder by a counter separate from the photoelectric encoder.
[0003]
The main scale has various error factors due to the material and the manufacturing process, for example, error factors such as waviness of the main scale and lattice pitch error, and the measurement accuracy finally obtained is deteriorated by these error factors. There's a problem. Therefore, paying attention to the fact that these error factors occur in a relatively narrow range, as disclosed in the previous application by the applicant (Japanese Patent Application No. 2001-066185), it is compared with the measurement direction of the main scale. The influence of various error factors is averaged by the information obtained by irradiating light over a wide range and receiving light transmitted or reflected from it, and the output sinusoidal periodic signal cannot be counted In order to prevent the signal from deteriorating as a so-called error state is devised.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, when light is irradiated to a wide range of the main scale as described above, if a contaminant 30 that does not transmit light, such as dust or metal powder, is placed on the main scale, as shown in FIG. There is a problem in that a faint influence is produced over a wide range, causing a deterioration in accuracy that cannot be ignored by a high-precision photoelectric encoder over a relatively wide range.
The present invention has been made to solve such problems, and an object of the present invention is to provide a photoelectric encoder that does not deteriorate in accuracy even if contaminants are placed on the main scale.
[0005]
[Means and Actions for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention provides a main scale, an index scale disposed so as to be relatively displaceable with respect to the main scale, a light source that emits light to the main scale, and the main scale. A plurality of light receiving elements that output a plurality of periodic signals having different phases in accordance with a relative displacement amount of the index scale relative to the index scale, and a photoelectric encoder that detects the relative displacement amount based on a change in the plurality of periodic signals. A plurality of light receiving elements that output a plurality of in-phase periodic signals among the periodic signals, and a plurality of periodic signals that are determined to be normal by inputting the periodic signals output by the respective light receiving elements. A periodic signal is generated by synthesizing the periodic signals output by the signal stability determining means and the plurality of signal stability determining means. A signal combining circuit that, characterized by comprising a.
[0006]
According to the present invention, in addition to the above means, the light source is constituted by a plurality of light sources so as to suppress irradiation of light toward a light receiving element that outputs a periodic signal determined to be abnormal by the signal stability determination means. And a plurality of signal stability determination means for controlling the luminance of any of the plurality of light sources.
[0007]
In addition to the above means, the present invention is characterized in that the signal stability determination means determines that the periodic signal is an abnormal signal when the input periodic signal is below a predetermined level.
[0008]
In the present invention, in addition to the above means, the signal stability determination means detects the maximum value and the minimum value of the input periodic signal to obtain an average value DC, and this DC is lower than a predetermined level. In this case, it is determined that the signal is an abnormal signal.
[0009]
In the present invention, in addition to the above means, the signal stability determination means detects the maximum value and the minimum value of the input periodic signal, determines the difference pp, further calculates the average value DC of the maximum value and the minimum value, pp / When DC is lower than a predetermined level, it is determined that the signal is an abnormal signal.
[0010]
In the present invention, in addition to the above means, the signal stability determination means detects the maximum value and the minimum value of the input periodic signal, obtains the difference pp, and this pp is lower than a predetermined level. Is characterized as being an abnormal signal.
[0011]
In addition to the above-described means, the present invention provides a main scale, an index scale disposed so as to be relatively displaceable relative to the main scale, a light source that irradiates light to the main scale, the main scale, and the A plurality of light receiving elements that detect light from a light source modulated by relative displacement of the index scale and output a predetermined number of periodic signals having a predetermined phase difference; and a plurality of light receiving elements that output periodic signals of the same phase A photoelectric encoder for detecting the relative displacement based on the outputs of the plurality of signal combining circuits, and there is no abnormality when the outputs of the light receiving elements are input. Signal stability determining means for outputting only the periodic signal determined to be to the signal synthesizing circuit.
[0012]
As described above, light is emitted over a wide range of the main scale, and light transmitted or reflected from the light is received by a plurality of light receiving elements and photoelectrically converted to output a plurality of periodic signals. By monitoring each periodic signal and determining that it is an abnormal signal when it is below a predetermined signal level and cutting the output to the signal synthesis circuit, even if contaminants adhere to the main scale, the photoelectric encoder Accuracy degradation can be prevented. In addition, in order to control the luminance of any of the plurality of light sources so as to suppress the irradiation of light directed to the light receiving element that outputs the periodic signal determined to be an abnormal signal, the diffused reflection light from the pollutant is suppressed, and the light is received. Since excessive heat generation in the element, the light source, and the contaminant can be suppressed, it is possible to prevent deterioration of the encoder accuracy due to heat generation. Similarly, wasteful power consumption in the light source can be suppressed.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments using the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, what attached | subjected the same code | symbol in all the figures represents the same component.
(First embodiment)
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a photoelectric encoder 1 according to a first embodiment of the present invention. The photoelectric encoder 1 is a transmission type, and is mainly composed of a main scale 2 and a detection head (not shown) that can be relatively displaced with respect to the main scale 2 in the X-axis direction in the figure. An elongated rectangular optical grating 4 is formed on the surface of the main scale 2, and an elongated rectangular optical grating 5 is similarly formed on the index scale 3 that is opposed to the main scale 2 so as to be relatively displaceable. ing.
[0014]
The detection head further includes a light source 6 that emits light to the main scale 2, a light source driver 7 that drives the light source, an index scale 3 that is irradiated with light transmitted from the main scale 2, and a rear side of the index scale 3. Light receiving elements 8 to 11 which are arranged on the light receiving the transmitted light from the index scale 3, and signal stability determination means 12 to 15 for checking whether each signal of the light receiving elements 8 to 11 is an abnormal signal, A signal synthesis circuit 16 for synthesizing the output signals of the degree determination means 12 to 15 and outputting one periodic signal, and an output terminal 17 for outputting the periodic signal from the signal synthesis circuit 16 are provided. The detection head is usually configured such that these components are integrally moved relative to the main scale 2. Further, the periodic signal output from the output terminal 17 includes a sine wave signal, a rectangular signal, a triangular wave signal, and the like. The most common is a sine wave signal, and the present invention will be described with a sine wave signal. The periodic signal output from the output terminal 17 is input from a detection head to a counter (not shown) via a cable, and the displacement amount and absolute position are counted, or the numerical value is displayed on a display such as a fluorescent tube. .
[0015]
A general detection head includes a plurality of light sources 6, light source drivers 7, index scales 3, light receiving elements 8 to 11, signal stability determination means 12 to 15, a signal synthesis circuit 16 and an output terminal 17. And a periodic signal having a phase different from each other, for example, a periodic signal having a phase difference of 90 degrees is output from each set. However, only one set will be described here for the sake of brevity.
[0016]
Of the light emitted from the light source 6, the light that passes through the main scale 2 and the index scale 3 is received by the light receiving elements 8 to 11, undergoes photoelectric conversion, and outputs a signal. When the detection head moves relative to the main scale 2 at this time, the amount of light reaching the light receiving elements 8 to 11 changes periodically, so that the signals output from the light receiving elements 8 to 11 are those of the optical gratings 4 and 5, respectively. It becomes a periodic signal based on the pitch. FIG. 4A shows a change in the output signal curve 40 from each of the light receiving elements 8 to 11 when the detection head is moved relative to the main scale 2. For example, paying attention to the output signal of the light receiving element 10, a portion having no contaminant on the main scale 2 becomes a normal sinusoidal curve like the left side portion of the output signal curve 40 in FIG. For example, if a contaminant 30 that does not transmit light adheres to 2, the signal level drops as shown in the range D on the right side of the output signal curve 40 in FIG. 4, and a normal sinusoidal curve is not obtained. .
[0017]
Therefore, if the output signal of the light receiving element 10 during this period is input to the signal combining circuit 16 and combined with the output signals of other light receiving elements, it does not become a normal sinusoidal signal, and this signal is output from the output terminal 17. If the value is input to the counter, the correct amount of displacement is not counted, resulting in a deterioration in measurement accuracy. In a severe case, it becomes a so-called error state in which counting after that becomes impossible. Therefore, the output signals of the light receiving elements 8 to 11 are input to the signal stability determination means 12 to 15, and the output signals of the light receiving elements 8 to 11 are monitored. If it is determined here that the signal is abnormal, it is not output to the signal synthesis circuit 16, but only the signal determined to be a normal signal is output to the signal synthesis circuit 16 to synthesize the signal and output it to the output terminal 17 as a periodic signal. Constitute.
[0018]
Next, four methods for determining whether or not the periodic signal to which the signal stability determination means 12 to 15 are input are abnormal signals will be described.
(First Method) When the input signal is lower than a predetermined level, it is determined that the signal is an abnormal signal, and otherwise, it is determined as a normal signal.
(Second Method) The maximum value and the minimum value of the input signal are detected to obtain an average value DC (42 in FIG. 4A). When this DC is lower than a predetermined level, It is determined that the signal is an abnormal signal. Otherwise, the signal is determined to be a normal signal.
(Third method) The maximum value and minimum value of the input signal are detected, the difference pp (41 in FIG. 4A) is obtained, the average value DC of the maximum value and minimum value is further obtained, and pp / When DC is lower than a predetermined level, it is determined that the signal is an abnormal signal. Otherwise, it is determined that the signal is a normal signal.
(Fourth Method) The maximum value and the minimum value of the input signal are detected to obtain the difference pp (41 in FIG. 4A). If this pp is lower than a predetermined level, it is an abnormal signal. If not, it is determined as a normal signal.
[0019]
Any one or a combination of the above first to fourth methods can be incorporated into the signal stability determination means 12-15. For example, in the simplest first method, specifically, it can be easily configured by a comparator 80 including an operational amplifier 81 and resistors R ₁ and R ₂ as shown in FIG. Alternatively, it can be easily configured by combining an operational amplifier and a Zener diode. In the second, third, and fourth methods, for example, a digital signal can be converted and configured using a microcomputer. The previous peak value and bottom value can be stored inside the microcomputer, and the average value DC and the difference pp can be easily calculated. A predetermined level value used in each of the second, third, and fourth methods can also be stored in the microcomputer in advance.
[0020]
As shown in FIG. 1, when a contaminant 30 is attached to the main scale 2 over a length d in the X-axis direction, the light irradiated to the light receiving element 10 from the light source due to the influence of the contaminant 30. 20 does not reach completely, and as shown in FIG. 4A, for example, the signal intensity decreases over a range of D corresponding to approximately two cycles. When the comparator 80 shown in FIG. 5 that embodies the first technique is used, when the output signal indicated by the output signal curve 40 is input to the input terminal 82 of the comparator 80, the resistors R ₁ and R ₂ The signal level is compared with the predetermined level 43 defined by the above, and the determination signal 44 shown in FIG. 4B is output from the output terminal 83. The determination signal 44 is a HIGH level indicating that the input signal is a normal signal when the signal level input to the input terminal 82 is higher than the predetermined level 43, and conversely, the input signal is an abnormal signal. It becomes the LOW level which shows that. Therefore, if, for example, the gate circuit is controlled by the determination signal 44, the ON / OFF control of inputting the output signal of the light receiving element 10 to the signal synthesis circuit 16 can be easily performed.
[0021]
Similarly, if it is determined whether the signal is an abnormal signal by any of the above second to fourth methods, the signal is determined to be abnormal in a range slightly inside the range of D. In the determination means 14, the signal output is cut and not output. Accordingly, in this range, the output signal from the light receiving element 10 is cut, and the output signals of the remaining light receiving elements 8, 9, 11 are input to the signal synthesis circuit 16.
[0022]
Next, in the signal synthesis circuit 16, all the input signals are synthesized, and further, the level is adjusted to a predetermined signal level by the auto gain control circuit and output to the output terminal 17. Accordingly, if at least one of the light receiving elements 8 to 11 outputs a normal signal, a normal periodic signal is output from the output terminal 17, so that a photoelectric encoder resistant to contamination can be realized. . Therefore, the relative movement amount of the main scale 2 and the detection head can be detected by inputting the periodic signal output from the output terminal 17 and counting the phase change amount in the external counter. In addition, it is possible to detect displacement with higher resolution by interpolating the periodic signal. Further, in the signal synthesis circuit 16, the inputted signal is once converted into a digital signal, an average value of these digital signals is calculated by a microcomputer, and is output from the output terminal 17 as a parallel or serial signal. It doesn't matter.
[0023]
(Second Embodiment)
FIG. 2 is a schematic configuration diagram of a photoelectric encoder 50 according to the second embodiment of the present invention. As in the first embodiment, the photoelectric encoder 50 is a transmission type, and mainly includes a main scale 2 and a detection head (not shown) that can be relatively displaced with respect to the main scale 2 in the X-axis direction in the figure. It is comprised by. As in the first embodiment, an elongated rectangular optical grating 4 is formed on the surface of the main scale 2, and the elongated rectangular rectangle is similarly formed on the index scale 3 that is opposed to the main scale 2 so as to be relatively displaceable. A shaped optical grating 5 is constructed.
[0024]
Furthermore, the detection head irradiates light to the main scale 2, the light sources 32 to 35, the light source drivers 62 to 65 for driving the light source, the index scale 3 to which the transmitted light from the main scale 2 is irradiated, and the index scale. 3 and a light receiving element 8-11 that receives the transmitted light from the index scale 3, and checks whether each signal of the light receiving elements 8-11 is an abnormal signal or not and sends a control signal to the light source drivers 62-65. Signal stability determination means 22 to 25 for outputting 52 to 55, a signal synthesis circuit 16 for inputting and outputting each output signal of the signal stability determination means 22 to 25, and this signal synthesis circuit 16 Is provided with an output terminal 17 for outputting a periodic signal from. The light sources 32 to 35 are configured such that each light source 32 to 35 emits light toward each of the light receiving elements 8 to 11 so as to irradiate light in a relatively narrow range as compared with the first embodiment. . In order to converge light in a narrow range, an optical element such as a cylindrical lens may be appropriately provided in front of each of the light sources 32 to 35.
[0025]
As described above, as in the first embodiment, the detection head is usually configured such that these components are integrally moved relative to the main scale 2. Further, the periodic signal output from the output terminal 17 includes a sine wave signal, a rectangular signal, a triangular wave signal, and the like. The most common is a sine wave signal, and the present invention will be described with a sine wave signal. The periodic signal output from the output terminal 17 is input from a detection head to a counter (not shown) via a cable, and the displacement amount and absolute position are counted, or the numerical value is displayed on a display such as a fluorescent tube. .
[0026]
Furthermore, the light sources 32 to 35, the light source drivers 62 to 65, the index scale 3, the light receiving elements 8 to 11, the signal stability determination means 22 to 25, the signal synthesis circuit 16 and the output terminal 17 are provided as a set. A periodic signal having a phase different from each other, for example, a periodic signal having a phase difference of 90 degrees is output from the set. However, only one set will be described here for the sake of brevity.
[0027]
Of the light emitted from the light sources 32 to 35, the light transmitted through the main scale 2 and the index scale 3 is received by the light receiving elements 8 to 11 and subjected to photoelectric conversion to output a signal. When the detection head moves relative to the main scale 2 at this time, the amount of light reaching the light receiving elements 8 to 11 changes periodically, so that the signals output from the light receiving elements 8 to 11 are those of the optical gratings 4 and 5, respectively. It becomes a periodic signal based on the pitch. Similar to the first embodiment, FIG. 4A shows a change in the output signal curve 40 from each of the light receiving elements 8 to 11 when the detection head is moved relative to the main scale 2. For example, paying attention to the output signal of the light receiving element 10, a portion having no contaminant on the main scale 2 becomes a normal sinusoidal curve like the left side portion of the output signal curve 40 in FIG. If, for example, a contaminant 30 that does not transmit light adheres to 2, the signal level drops as shown in the range D on the right side of the output signal curve 40 in FIG. It does not become a curve.
[0028]
Therefore, if the output signal of the light receiving element 10 during this period is input to the signal combining circuit 16 and combined with the output signals of other light receiving elements, it does not become a normal sinusoidal signal, and this signal is output from the output terminal 17. If the value is input to the counter, the correct amount of displacement is not counted, resulting in a deterioration in measurement accuracy. In a severe case, it becomes a so-called error state in which counting after that becomes impossible. Therefore, the output signals of the light receiving elements 8 to 11 are input to the signal stability determination means 22 to 25, and the output signals of the light receiving elements 8 to 11 are monitored. If it is determined here that the signal is abnormal, it is not output to the signal synthesis circuit 16, but only the signal determined to be a normal signal is output to the signal synthesis circuit 16 to synthesize the signal and output it to the output terminal 17 as a periodic signal. Constitute. Further, the operations of the light source drivers 62 to 65 are controlled by the control signals 52 to 55 output from the signal determination units 22 to 25.
[0029]
Next, as a method for determining whether or not the periodic signal to which the signal stability determination means 22 to 25 are input is an abnormal signal, the same four methods as in the first embodiment can be considered. Any one or a combination of the first to fourth methods can be incorporated into the signal stability determination means 22 to 25. For example, in the simplest first method, specifically, it can be easily configured by a comparator 80 including an operational amplifier 81 and resistors R ₁ and R ₂ as shown in FIG. Alternatively, it can be easily configured by combining an operational amplifier and a Zener diode. In the second, third, and fourth methods, for example, a digital signal can be converted and configured using a microcomputer. The previous peak value and bottom value can be stored inside the microcomputer, and the average value DC and the difference pp can be easily calculated. A predetermined level value used in each of the second, third, and fourth methods can also be stored in the microcomputer in advance. The control signals 52 to 55 can be generated by a simple gate circuit.
[0030]
As shown in FIG. 2, when the contaminant 30 is attached on the main scale 2 over the length d in the X-axis direction, the light irradiated to the light receiving element 10 from the light source due to the influence of the contaminant 30. 20 does not reach completely, and as shown in FIG. 4A, for example, the signal intensity decreases over a range of D corresponding to approximately two cycles. If it is determined whether it is an abnormal signal by any of the above first to fourth methods, the signal stability determination means 24 determines that the signal is abnormal in a range slightly inside the range of D. The signal output is cut and the control of the light source driver 64 is stopped and the light source 34 is turned off, or the control signal 54 is controlled so as to decrease the light emission luminance of the light source 34. Therefore, in the range of D, the output signal from the light receiving element 10 is cut and the output signals of the remaining light receiving elements 8, 9, 11 are input to the signal synthesis circuit 16. Furthermore, by turning off the light source that irradiates light to the light receiving element that outputs an abnormal signal or reducing the light emission luminance, the power consumption is reduced, and the heat generated by the light source and the light strikes the pollutant and diffusely reflects it. Therefore, it is possible to suppress extraneous disturbance light generated by this, and it is possible to prevent deterioration in accuracy and resolution of the photoelectric encoder due to contaminants.
[0031]
Moreover, it is necessary to turn on the light source once turned off. In this case, the light may be turned on again after a predetermined time has elapsed or after a predetermined distance of movement. It is also possible to combine both of these methods so that the light turns on again after a predetermined distance even if the predetermined time has not elapsed.
[0032]
Next, in the signal synthesis circuit 16, all the input signals are synthesized in the same manner as in the first embodiment, and further, the level is adjusted to a predetermined signal level by the auto gain control circuit and output to the output terminal 17. . Accordingly, if at least one of the light receiving elements 8 to 11 outputs a normal signal, a normal periodic signal is output from the output terminal 17, so that a photoelectric encoder resistant to contamination can be realized. . Therefore, the relative movement amount of the main scale 2 and the detection head can be detected by inputting the periodic signal output from the output terminal 17 and counting the phase change amount in the external counter. In addition, it is possible to detect displacement with higher resolution by interpolating the periodic signal.
[0033]
While the present invention has been described with reference to a preferred embodiment, the present invention is not limited to this embodiment, and modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
For example, in the above-described embodiment, the description is limited to the transmissive photoelectric encoder, but the present invention can be similarly applied to a reflective photoelectric encoder.
In the above embodiment, only the combination of four light receiving elements into one periodic signal has been described. However, any number of combinations of two or more light receiving elements can be implemented.
[0034]
【The invention's effect】
According to the present invention, in a photoelectric encoder, a periodic signal such as a sine wave that is output does not deteriorate even if contaminants adhere to the main scale. Therefore, it is possible to configure a photoelectric encoder that does not cause errors due to contaminants and does not deteriorate measurement accuracy and resolution.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a first embodiment according to the present invention.
FIG. 2 is a schematic configuration diagram of a second embodiment according to the present invention.
FIG. 3 is a schematic configuration diagram of a conventional optical encoder.
FIG. 4 is a graph showing an output signal waveform of a light receiving element and a graph showing a determination signal.
FIG. 5 is a circuit diagram of a comparator that outputs a determination signal.
[Explanation of symbols]
1,50 photoelectric encoder
2 Main scale
3 Index scale
4,5 optical grating
6,32,33,34,35 Light source
7,62,63,64,65 Light source driver
8,9,10,11,70 Photo detector
12,13,14,15,22,23,24,25 Signal stability judgment means
16 Signal synthesis circuit
30 pollutants
44 Judgment signal
80 Comparator

Claims

The main scale,
An index scale arranged to be relatively displaceable with respect to the main scale;
A light source that emits light to the main scale;
A plurality of light receiving elements that output a plurality of periodic signals having different phases according to the relative displacement of the index scale with respect to the main scale, and a photoelectric device that detects the relative displacement based on changes in the plurality of periodic signals. In the encoder,
A plurality of light receiving elements that output a plurality of periodic signals in phase among the periodic signals;
A plurality of signal stability determination means for inputting only periodic signals output by the respective light receiving elements and outputting only periodic signals determined to be normal; and
A photoelectric encoder comprising: a signal synthesis circuit that synthesizes the periodic signals output by the plurality of signal stability determination means to generate one periodic signal.

In Claim 1, the light source comprises a plurality of light sources,
A plurality of signal stability determination means for controlling the luminance of any of the plurality of light sources so as to suppress irradiation of light toward a light receiving element that outputs a periodic signal determined to be an abnormal signal by the signal stability determination means; The photoelectric encoder further comprising:

3. The photoelectric encoder according to claim 1, wherein the signal stability determination unit determines that the periodic signal is an abnormal signal when the input periodic signal is equal to or lower than a predetermined level.

3. The signal stability determination means according to claim 1, wherein the signal stability determination means detects the maximum value and the minimum value of the input periodic signal and obtains an average value DC thereof. If this DC is lower than a predetermined level, an abnormality occurs. A photoelectric encoder characterized in that it is determined as a signal.

3. The signal stability determination means according to claim 1, wherein the signal stability determination means detects the maximum value and the minimum value of the input periodic signal, determines the difference pp, further calculates the average value DC of the maximum value and the minimum value, and pp / DC A photoelectric encoder characterized by determining that the signal is an abnormal signal when is lower than a predetermined level.

3. The signal stability determining means according to claim 1, wherein the signal stability determining means detects the maximum value and the minimum value of the inputted periodic signal to obtain a difference pp, and if this pp is lower than a predetermined level, an abnormal signal is detected. It is determined that the photoelectric encoder is.

The main scale,
An index scale arranged to be relatively displaceable with respect to the main scale;
A light source that emits light to the main scale;
A plurality of light receiving elements that detect light from a light source modulated by relative displacement between the main scale and the index scale and output a predetermined number of periodic signals having a predetermined phase difference;
A plurality of signal synthesis circuits that synthesize outputs of a plurality of light receiving elements that output periodic signals of the same phase; and a photoelectric encoder that detects the relative displacement based on the outputs of the plurality of signal synthesis circuits,
A photoelectric encoder, comprising: a signal stability determination unit that outputs only the periodic signal that is determined to have no abnormality by inputting the output of each light receiving element to the signal synthesis circuit.