JP4928206B2 - 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から成る。そして、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、特許文献１に提案されている。また、本発明者らもこの構成のエンコーダとして、特許文献２などを出願している。

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となる。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ず、絶対位置を検出するセンサが別途に必要になる問題がある。

これを回避する手段として、次の方式が考えられている。図１７は特許文献３に開示されたインクリメンタル式のエンコーダにおける絶対位置を検出するためにスケール１のパターンの透過率を示している。スケール１ａは透過率１であるのに対し、スケール１ｂ、１ｃ、１ｄ・・・と徐々に透過率が下がっている。

図１８はこのスケール１を用いたとき、センサをスケール１の透過率の変化している部分が通過したときに得られる信号変化であり、Ａ、Ｂはセンサから得られるアナログ２相信号から成るエンコーダ信号である。

ここで、スケール１のパターンの透過率が徐々に下がってゆくことにより信号振幅が低下し、この変化を検出することにより絶対位置を検出できる。

特公平６−５６３０４号公報 特開２００３−１６１６４５号公報 特開平１０−３１８７９０号公報

上述の従来例で示したような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する。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、高速なＡＤ変換器などの回路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安定して造ることが困難であり、実際の振幅変化もかなりのばらつきが発生するという問題がある。

本発明の目的は、上述の問題点を解消し、スケール移動に伴うセンサ信号変化の規則に応じた演算処理を施すことにより、簡単な構成で原点検出を可能とするエンコーダを提供することにある。

上述目的を達成するための本発明に係るエンコーダの技術的特徴は、発光部と、前記発光部に対して相対移動が可能であり、所定の間隔で反射部分と前記反射部分の一部が欠落した非反射部分とを形成したスケールと、前記発光部で発光し前記スケールの反射部分で反射した光を受光し、受光する光の強度に応じた信号を出力する受光部と、前記スケールの相対移動に伴って前記スケールの非反射部分によってもたらされる前記信号の欠落に基づいて前記スケールの原点位置を演算によって求める演算手段と、を有するエンコーダにおいて、
前記受光部には位相の異なる複数のアナログ信号を出力する複数のフォトダイオードを配列した複数のセグメントを配列し、
前記スケールの非反射部分の幅が、前記反射部分のｎピッチ分であり、前記所定の個数前のデータは、前記受光部のセグメント数−ｎ＋１であり、
前記演算手段は、前記アナログ信号波形が１周期の中の最小値から最大値に変化する間の中間電圧又は前記アナログ信号波形が１周期の中の最大値から最小値に変化する間の中間電圧を前記受光部から出力されるアナログ信号波形の中心電圧とし、前記中心電圧の現在の値と前記所定の個数前のデータにおける中心電圧の値との差を求め、前記差が閾値を超えたことに基づいて前記原点位置を検出することを特徴とする。

本発明に係るエンコーダによれば、絶対位置検出を行う際に受光素子のセグメント数とスケールの不連続部分との関係を基に、アナログ中心電圧の変化点を検出して、原点を求めることを可能とする。

また、この構成によれば、エンコーダ信号と原点信号が同じスケールから得られる同期信号のため、精度の良い原点信号であり、かつ原点用の余分な部品が不要なため、安価な原点位置検出機能付きエンコーダが得られる。

本発明を図１〜図１６に図示の実施例に基づいて詳細に説明する。

図１は反射型スケールとしてマイクロルーフミラーアレイを用いた構成のエンコーダの構成図であり、発光部１１、受光部１２、移動体であるスケール１３から成る。発光部１１で発光した光が、細かい間隔の反射部分１３ａと非反射部分１３ｂを持つスケール１３で反射して、図２に示す受光部１２のフォトダイオード１４の列上に明暗の分布を与える。図１のスケール１３は極く一部のみを図示しているが、実際にはスケール１３は進行方向に長く、反射部分１３ａが所定周期で並んだ領域の一部に反射部分が欠落している非反射部分１３ｂがある。

この構成においては、特にスケール１３がマイクロルーフミラーアレイでなく、単に反射部分と非反射部分を持つ構成であっても、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１２上に形成される。

図２の受光部１２においては、多数のフォトダイオード１４が配列されており、４個のフォトダイオード１４で１組とされる測定部分が複数個存在している。この４個のフォトダイオード１４で１組を成す測定部分が、スケール１３の明暗１周期分の長さに対応しており、この１組の測定部分を１セグメントと称し、図２においては６セグメントとされている。この４個のフォトダイオード１４から得られる信号を演算することで、位相が９０°ずれた２相の正弦波信号を得ることが可能となる。

スケール１３を介して受光部１２に戻ってきた光の強度の強い部分Ｌａがスケールピッチと或る関係で分布し、受光部１２側は１セグメントに光の強度が強い部分Ｌａが存在する。本実施例では、スケール１３に非反射部分１３ｂを設けているため、光の強度の強い部分Ｌａ中に光の弱い部分Ｌｂが発生する。

この構成によれば、反射光がスケール１３の非反射部分１３ｂによって完全に１つ欠落したとしても、他のフォトダイオード１４が存在するために、ほぼフォトダイオード１４が残っている割合で信号振幅が得られる。例えば、本実施例では６個の光強度が強い部分Ｌａを受ける構成になっており、そのうちの１つが欠落しているので、通常に対し５／６の光量が得られることになる。

図３は本実施例の処理回路構成図であり、１セグメントの４個のフォトダイオード１４ａ〜１４ｄの後段にそれぞれ電流電圧変換器が接続されている。フォトダイオード１４ａ〜１４ｄ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１４ａと１４ｃ、１４ｂと１４ｄのそれぞれ位相が１８０°ずれた信号がアナログ増幅器２１ａ〜２１ｄに接続されている。アナログ増幅器２１ａ〜２１ｄの出力はコンパレータ２２ａ、２２ｂのプラスとマイナスに入力して２値化され、Ａ相、Ｂ相のデジタル信号ＤＡ、ＤＢが出力されている。更に、アナログ増幅器２１ａ〜２１ｄの出力は差動増幅器２３ａ、２３ｂに接続され、Ａ相、Ｂ相のアナログ信号Ａ、Ｂが出力されている。このような構成とすることで、センサ出力としてアナログ信号のゼロクロスポイントで切換わるデジタル信号が得られる。

図４はこの回路から得られた信号の波形図である。デジタル信号ＤＡ、ＤＢはアナログ信号Ａ、Ｂのゼロクロスポイントにおいて生成されており、しかもアナログ信号Ａ、Ｂは位相は９０°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の最大値と最小値になる。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を取り込めば、アナログ信号Ａの１周期の中の最大値と最小値が得られる。アナログ信号Ａの振幅とＡ相の中心電圧は、最大値をＡｍａｘ、最小値をＡｍｉｎとすると、次の式からそれぞれ求めることができる。
振幅＝Ａｍａｘ−Ａｍｉｎ
中心電圧＝（Ａｍａｘ＋Ａｍｉｎ）／２

図５は図２の受光部１２を用いて、スケール１３側の非反射部分１３ｂが１スリット分であるときのデジタル信号ＤＡ、ＤＢの立ち上りと立下りのパルスのタイミングにより検出したＡ相アナログ信号Ａの検出信号を示している。デジタル信号ＤＡ、ＤＢの立ち上がりと立下りのパルスを合わせると、１周期に４個の信号が得られることになる。

例えば、回転型のスケール１３で１回転に１０００パルス得られるとすると、スケール１３の１回転で図５の１周期当たりの４個の信号が１０００個得られるので、合計では４０００個のデータを検出することになる。

図５において、振幅（Ａｍａｘ−Ａｍｉｎ）が小さくなっている個所が６周期分ある。これは、スケール１３の非反射部分１３ｂが通過したときに発生する現象で、受光部１２上には通常６セグメント分の光の明暗が得られるが、１ピッチ分欠落しており、光が戻ってこない分がある。そのために、振幅がその比率５／６に下がっている。ここで、図５のアナログ信号Ａが最小値Ａｍｉｎから最大値Ａｍａｘになっているときの中心電圧Ａの（Ａｍｉｎ＋Ａｍａｘ）／２をプロットしたのが、黒丸の点である。

図６は中心電圧を拡大して表示した状態を示し、中心電圧はスケール１３の非反射部分１３ｂが受光部１２上を横切った瞬間に上又は下に変化している。フォトダイオード１４により得られたアナログ信号Ａ、Ｂの並びに対し、アナログ信号Ａ側から非反射部分１３ｂが横切ったときは下側に出て、アナログ信号Ｂ側から横切ったときは上側に出る。ただし、信号特性はフォトダイオード１４の結線によっても変わるので、一概にこの傾向で信号が出力されるとは限らない。

図６では、スケール１３がグラフ図の横軸の０側から８０側に移動しているときに、先ずレベルが下がる部分が発生し、次にレベルが上がる部分が発生する。このレベルが下がる部分と上がる部分は、非反射部分１３ｂが受光部１２の端を横切るときに発生するので、６セグメントの構成のときには、６ピッチ分の間隔で信号レベルの高い所と低い個所が形成される。

図７は図６のデータの６個前のデータとの差を求めた値を示すグラフ図である。図６から分かるように、中心電圧のレベルが上がる個所と下がる個所は、ちょうど６個（＝セグメント数分）ずれているので、その差を求めることで、より大きく信号変化位置を取り出すことが可能となる。

従って、信号処理としては得られた中心電圧のデータの６個前のデータの差が、或る閾値レベル（ＬＶ１）を越えたときが原点であるとすれば、原点位置が分かる。

図８はこの検出方法のアルゴリズムのフローチャート図である。

（ステップＳ１）原点検出開始。スケール１３を移動させ信号発生させる。

（ステップＳ２）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Ａｍａｘと最小値Ａｍｉｎを検出する。

（ステップＳ３）（Ａｍａｘ＋Ａｍｉｎ）／２からアナログ信号Ａの中心電圧を求める。

（ステップＳ４）ＳＡ＝（現在の中心電圧−６個前の中心電圧）を演算する。

（ステップＳ５）ＳＡ＞閾値ＬＶ１になるパルス値のときのデジタル信号ＤＡの立ち上りを原点とする。

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、精度の良い原点位置を得ることが可能となる。

従来は中心電圧の最大値ｍａｘ又は最小値ｍｉｎの位置を求め、或る区間のデータを保存し、大小比較や微分処理などを行っていたため、処理が複雑となる。しかし本実施例では、このように単純に６個前のデータとの差が或る閾値レベルを超えているかどうかを確認するだけなので、単純かつ確実に原点位置を求めることができる。

以上の説明では、フォトダイオード１４のセグメント数が６個のときの信号変化について述べたが、例えば受光部１２が５セグメントならば５個前のデータとの差を求めればよい。つまり、セグメント数との関係により、幾つ前のデータとの差を求めればよいかが決まる。

図９は実施例２におけるエンコーダの構成図を示し、図１ではスケール１３のスリットの非反射部分１３ｂが１個としたのに対し、実施例２においては連続した２個所に非反射部分１３ｂ、１３ｂ’が設けられている。

図１０は非反射部分１３ｂが２個になったときのデジタル信号ＤＡ、ＤＢのパルスエッジにおいて、Ａ相アナログ信号Ａを取り込んだときの信号波形及び中心電圧の部分のグラフ図である。

図１１はアナログ信号Ａの中心電圧を拡大して表示したものである。実施例１と異なるのは、中心電圧レベルが高くなる部分と低くなる部分が、それぞれ２個連続して得られることである。この図１１から分かるように、中心電圧のレベルが上がる個所と下がる個所は、ちょうど６個（＝セグメント数分）ずれており、かつ欠落部が２つになっているので、そのまま６個前のデータとの差を求めると、ピーク部分が２個になる。

図１２はデータの５個前のデータとの差を求めた値を示すグラフ図である。本実施例２では、５個前のデータとの差を求めており、検出信号の演算結果がピークになる部分は１個所になり、原点位置の検出が可能となる。従って、信号処理としては得られた中心電圧のデータの５個前のデータの差が、或る閾値レベル（ＬＶ２）を越えたときに原点とすることで原点位置が分かる。

ｎ個前のデータとの差を求めるという演算処理をする場合に、演算処理回路としてはｎ個のデータを記憶しておく必要があり、ｎの数が増えるほど記憶容量が必要になる。本実施例２は２個の非反射部分１３ｂ、１３ｂ’を設けることで、この記憶量を減らすことが可能となり、演算処理回路の簡略化が可能となる。

ここでは、スケール１３の１回転に１個所の原点位置を求めるための演算方法を示している。しかし、６個前のデータとすると、スケール１３の１回転に２パルス分の原点信号が得られるので、これを利用した演算処理を施し、ゾーン的な信号として使用するという手段も考えられる。

ここでは、セグメント数−非反射部分の数＋１の差データを演算処理したが、セグメント数＋非反射部分の数−１の差データからでも、原点位置を求めることは可能である。

実施例１、２においては、データは０から順にデータが増えてゆくとして、求めていた中心電圧はアナログ信号Ａが最小値ｍｉｎから最大値ｍａｘに移行している区間のデータから（Ａｍｉｎ＋Ａｍａｘ）／２の演算をして求めている。

ただし、スケール１３の移動方向が逆になったり、データを取り込むときに、特に最小値ｍｉｎから最大値ｍａｘへ移行している区間のデータであることを考えずに、２個ずつのデータをサンプリングすることがある。この場合に、（Ａｍｉｎ＋Ａｍａｘ）／２の演算すると、図１３に示すように左から右に向かっているときを基準にして、最大値ｍａｘから最小値ｍｉｎに移行している区間のデータから演算すると、図１４に示すように中心電圧の変化が観察されない。

従って、必ずＡ相アナログ信号Ａが最小値ｍｉｎから最大値ｍａｘに移行している区間のデータから中心電圧（Ａｍｉｎ＋Ａｍａｘ）／２の演算をするように、データを取り込む順番を例えば最小値Ａｍｉｎからにするとかを決める必要がある。従って、最初に求めたデータが最小値Ａｍｉｎのデータか最大値Ａｍａｘのデータであるかを知る手段を要し、回路又は演算処理部が複雑になる。

実施例３はこの現象を回避するためのものである。アナログ信号Ａが最小値ｍｉｎから最大値ｍａｘに移行している区間のデータから（Ａｍｉｎ＋Ａｍａｘ）／２の演算と、信号Ａが最大値ｍａｘから最小値ｍｉｎに移行している区間のデータから同様の演算の両方を入力データとする。そして、従来６セグメントの受光部１２のときに、６個前のデータとの差を求めていたのに対し、１２個前のデータとの差を取るようにしている。

図１５は上述した最小値ｍｉｎ→最大値ｍａｘ→最小値ｍｉｎ→・・・と双方の区間のデータを取り込んだグラフ図である。このように、双方の区間のデータを取り込むことにより、確実に中心電圧の変化が現れる。

図１６は図１５で得られたデータ配列で、１２個前のデータとの差を求めたときのグラフ図である。このグラフ図では、演算した結果が原点が至ったときに高いレベルになるので、処理回路としては１２個前のデータとの差を求めた結果が、或る閾値レベル（ＬＶ１）を越えたときに原点位置であると判断する。従って、原点位置に至ったときにカウンタをリセットしたり、そのときのアナログ信号Ａに同期させた原点信号を出力す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。 受光部のパターンと検出される光の明暗パターンとの説明図である。 処理回路構成図である。 得られたデジタル信号とアナログ信号の波形図である。 処理回路により検出した信号及び演算結果のグラフ図である。 中心電圧の推移のグラフ図である。 原点信号のグラフ図である。 原点検出アルゴリズムのフローチャート図である。 実施例２のエンコーダの構成図である。 処理回路により検出した信号及び演算結果のグラフ図である。 中心電圧の推移のグラフ図である。 原点信号のグラフ図である。 処理回路により検出した信号及び演算結果のグラフ図である。 実施例３の中心電圧の推移のグラフ図である。 中心電圧の推移のグラフ図である。 原点信号のグラフ図である。 従来の光学式エンコーダのスケール部の構成図である。 スケールの透過率の変化部分がセンサを通過しているときのエンコーダ信号出力波形図である。

符号の説明

１１ 発光部
１２ 受光部
１３ スケール
１３ａ 反射部分
１３ｂ、１３ｂ’ 非反射部分
１４ フォトダイオード
２１ アナログ増幅器
２２ コンパレータ
２３ 差動増幅器
Ａ、Ｂ アナログ信号
ＤＡ、ＤＢ デジタル信号

Claims (4)

1. 発光部と、前記発光部に対して相対移動が可能であり、所定の間隔で反射部分と前記反射部分の一部が欠落した非反射部分とを形成したスケールと、前記発光部で発光し前記スケールの反射部分で反射した光を受光し、受光する光の強度に応じた信号を出力する受光部と、前記スケールの相対移動に伴って前記スケールの非反射部分によってもたらされる前記信号の欠落に基づいて前記スケールの原点位置を演算によって求める演算手段と、を有するエンコーダにおいて、
   前記受光部には位相の異なる複数のアナログ信号を出力する複数のフォトダイオードを配列した複数のセグメントを配列し、
   前記スケールの非反射部分の幅が、前記反射部分のｎピッチ分であり、前記所定の個数前のデータは、前記受光部のセグメント数−ｎ＋１であり、
   前記演算手段は、前記アナログ信号波形が１周期の中の最小値から最大値に変化する間の中間電圧又は前記アナログ信号波形が１周期の中の最大値から最小値に変化する間の中間電圧を前記受光部から出力されるアナログ信号波形の中心電圧とし、前記中心電圧の現在の値と前記所定の個数前のデータにおける中心電圧の値との差を求め、前記差が閾値を超えたことに基づいて前記原点位置を検出することを特徴とするエンコーダ。
2. 発光部と、前記発光部に対して相対移動が可能であり、所定の間隔で反射部分と前記反射部分の一部が欠落した非反射部分とを形成したスケールと、前記発光部で発光し前記スケールの反射部分で反射した光を受光し、受光する光の強度に応じた信号を出力する受光部と、前記スケールの相対移動に伴って前記スケールの非反射部分によってもたらされる前記信号の欠落に基づいて前記スケールの原点位置を演算によって求める演算手段と、を有するエンコーダにおいて、
   前記受光部には位相の異なる複数のアナログ信号を出力する複数のフォトダイオードを配列した複数のセグメントを配列し、
   前記スケールの非反射部分の幅が、前記反射部分のｎピッチ分であり、前記所定の個数前のデータは、前記受光部のセグメント数＋ｎ−１であり、
   前記演算手段は、前記アナログ信号波形が１周期の中の最小値から最大値に変化する間の中間電圧又は前記アナログ信号波形が１周期の中の最大値から最小値に変化する間の中間電圧を前記受光部から出力されるアナログ信号波形の中心電圧とし、前記中心電圧の現在の値と前記所定の個数前のデータにおける中心電圧の値との差を求め、前記差が閾値を超えたことに基づいて前記原点位置を検出することを特徴とするエンコーダ。
3. 発光部と、前記発光部に対して相対移動が可能であり、所定の間隔で反射部分と前記反射部分の一部が欠落した非反射部分とを形成したスケールと、前記発光部で発光し前記スケールの反射部分で反射した光を受光し、受光する光の強度に応じた信号を出力する受光部と、前記スケールの相対移動に伴って前記スケールの非反射部分によってもたらされる前記信号の欠落に基づいて前記スケールの原点位置を演算によって求める演算手段と、を有するエンコーダにおいて、
   前記受光部には位相の異なる複数のアナログ信号を出力する複数のフォトダイオードを配列した複数のセグメントを配列し、
   前記スケールの非反射部分の幅が、前記反射部分のｎピッチ分であり、前記所定の個数前のデータは、２×（前記受光部のセグメント数）−ｎ＋１であり、
   前記演算手段は、前記アナログ信号波形が１周期の中の最小値から最大値に変化する間の中間電圧及び前記アナログ信号波形が１周期の中の最大値から最小値に変化する間の中間電圧を前記受光部から出力されるアナログ信号波形の中心電圧とし、前記中心電圧の現在の値と前記所定の個数前のデータにおける中心電圧の値との差を求め、前記差が閾値を超えたことに基づいて前記原点位置を検出することを特徴とするエンコーダ。
4. 発光部と、前記発光部に対して相対移動が可能であり、所定の間隔で反射部分と前記反射部分の一部が欠落した非反射部分とを形成したスケールと、前記発光部で発光し前記スケールの反射部分で反射した光を受光し、受光する光の強度に応じた信号を出力する受光部と、前記スケールの相対移動に伴って前記スケールの非反射部分によってもたらされる前記信号の欠落に基づいて前記スケールの原点位置を演算によって求める演算手段と、を有するエンコーダにおいて、
   前記受光部には位相の異なる複数のアナログ信号を出力する複数のフォトダイオードを配列した複数のセグメントを配列し、
   前記スケールの非反射部分の幅が、前記反射部分のｎピッチ分であり、前記所定の個数前のデータは、２×（前記受光部のセグメント数）＋ｎ−１であり、
   前記演算手段は、前記アナログ信号波形が１周期の中の最小値から最大値に変化する間の中間電圧及び前記アナログ信号波形が１周期の中の最大値から最小値に変化する間の中間電圧を前記受光部から出力されるアナログ信号波形の中心電圧とし、前記中心電圧の現在の値と前記所定の個数前のデータにおける中心電圧の値との差を求め、前記差が閾値を超えたことに基づいて前記原点位置を検出することを特徴とするエンコーダ。

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