JP5063997B2 - 改良形補間エンコーダ - Google Patents

Description

本発明は補間エンコーダに関する。

エンコーダは、何らかの所定の基準点に対するシステム内の構成要素の位置の測定に使用される。エンコーダは通常、モータその他のアクチュエータに対する閉ループフィードバックシステムを形成するために使用される。例えば、シャフトエンコーダは、固定された何らかの既知の基準点に対する回転シャフトの位置を表わすデジタル信号を出力する。リニアエンコーダは、可動キャリッジが所定の経路に沿って移動するときに、可動キャリッジの現在位置と、可動キャリッジに対して固定された位置にある基準点との間の距離を測定する。

絶対シャフトエンコーダは通常、シャフトに結合されたディスク上の複数のトラックを使用する。各トラックは、ディテクタから見て暗い色と明るい色の一連のストリップから構成され、ディテクタは、検出された領域が明るいか、それとも暗いかに応じて、１又は０のデジタル値を出力する。Ｎビットバイナリエンコーダは通常、そのようなトラックを１ビットにつき１本、Ｎ本使用する。インクリメンタルエンコーダは通常、１本のトラックを使用し、ディテクタはその１本のトラックを検出し、ディテクタが横切ったストリップの方向及び数を判定する。位置は、各ストリップがディテクタを横切る際にカウンタをインクリメント又はデクリメントすることによって判定される。

いずれのタイプのエンコーダも、最終的な分解能は、ストリップパターンや、ストリップパターンの検出に使用されるディテクタのサイズによって決まる。分解能を向上させるためには、ストリップの密度を増加させなければならない。例えば、シャフトエンコーダの場合、１度の回転あたりのストリップの本数を増加させなければならない。同様に、リニアエンコーダの場合、直線運動の限界点間のストリップの本数を増加させなければならない。しかしながら、光学的制約やコストの制約から、実際には、ストリップの密度には限界がある。

分解能を向上させる１つの方法は、補間技術を使用して、ストリップの縁部が検出されるポイント間においてコードストリップとフォトディテクタの間の相対位置を推定することである。１つの方式として、１本のトラックからの光を２セットのディテクタで検出するものがある。フォトディテクタの形や位置は、互いに９０度位相がずれた２つの正弦波信号が生成されるように設定される。これら２つの正弦波信号が交差するポイントを測定することにより、中間位置における測定値を得ることができる。中間点における判定精度は、正弦関数の周波数によって決まり、従って、コードストリップ又はディスク上のストリップの本数によって決まる。したがって、この種のシステムは、限られた大きさの分解能しか向上させることができない。

特開平１−２１６２０９号公報 特開平２−２１２１５号公報

本発明は、ディテクタと、ディテクタ上にコードストリップの画像を生成する光学系とを有するエンコーダを含む。画像は、複数の明るいストリップ及び暗いストリップを含み、ディテクタは、コードストリップがディテクタに対して相対移動する際に、互いに位相の異なる複数の正弦波信号を生成する。各正弦波信号は、コードストリップが、ディテクタに対して１本の明るいストリップと１本の暗いストリップの和に等しい距離だけ移動したときに、１サイクルが経過する。エンコーダは、複数の周波数増幅信号を生成するための周波数逓倍器を含み、各周波数増幅信号は、正弦波信号のうちの１つに対応し、対応する正弦波信号の整数倍の周波数を有する。エンコーダは、周波数増幅信号を利用し、信号補間器を使用して複数の位置を規定する。ディテクタに対する、１本の明るいストリップと１本の暗いストリップの和に等しい距離のコードストリップの移動に対応して、そのようなポイントが少なくとも５つ存在する。信号補間器は、第１の状態及び第２の状態を有する信号であって、周波数増幅信号のうちの１つが所定の値を超えるたびにその状態が変化する信号を生成する。

図１〜図３を参照すると、これらの図面は、一般的なエンコーダの設計を示している。エンコーダは、エミッタ／ディテクタモジュール１５と、コードホイール又はコードストリップとに分割することができる。モジュール１５は、コードストリップ１２の一部を照明するエミッタ１１を有する。照明されたコードストリップは、ディテクタ１３によって検出される。エミッタは通常、ＬＥＤを光源として有する。ディテクタは通常、１以上のフォトダイオードを有する。図１は、透過型エンコーダを示している。透過型エンコーダの場合、エミッタからの光は、エミッタの一部として形成されたコリメート光学部品によって平行ビームとして平行化される。コードストリップ１２は、不透明なストリップ１６と透明なストリップ１７とを含む。コードストリップ１２がエミッタ１１とディテクタ１３の間を移動するとき、光ビームは、コードストリップ上の不透明なストリップによって遮断される。ディテクタのフォトダイオードは、閃光を受け取る。そして、得られた信号を使用して、論理１と論理０の間で変化する論理信号が生成される。

図２は、反射型エンコーダを示している。反射型エンコーダの場合、コードストリップ１２は、反射性ストリップ１８と吸収性ストリップ１９とを含む。この場合も、エミッタ１１は、レンズのようなコリメート光学部品を有する。エミッタ１１からの光は、コードストリップ上のストリップによって反射又は吸収される。反射光は、ディテクタ１３のフォトダイオード上に画像を形成する。この場合も、フォトダイオードからの出力は論理信号に変換される。

図３は、撮像エンコーダを示している。撮像エンコーダは、上で説明した反射型エンコーダと実質的に同じ動作をする。ただし、モジュール１５は、照明されたコードストリップ１２の画像をディテクタ１４上に形成する撮像光学部品を有する点が異なる。

これらの各タイプのエンコーダでは、ストリップパターンの一部の画像が、フォトダイオードアレイのフォトダイオードの感光領域上に生成される。説明を簡単にするために、以下では、コードストリップの画像を示す図面と、画像が形成されるフォトディテクタの表面領域を示す図面を使用する。図を単純化するために、各図面において、コードストリップの画像は、フォトダイオードの横に描かれている。しかしながら、実際には、コードストリップの画像は、フォトダイオードアレイの表面に投影されることが望ましい。また、図面をさらに単純化するために、光源、コリメート光学部品、及び撮像光学部品は、省略している。

次に、図４及び図５を参照すると、これらの図面は、正弦関数による補間を利用した２チャネルエンコーダを示している。補間器２０は、画像２１をフォトダイオードアレイ２２上に投影するコードストリップを有する。画像は、２４及び２５でそれぞれ示すように、明るい帯と暗い帯を交互に有する。フォトダイオードアレイは、Ａ、Ｂ、Ａ’及びＢ’というラベルが付けられた４つのフォトダイオードを含む。フォトダイオードＡ’及びＢ’は、フォトダイオードＡ及びＢからの信号の補間信号をそれぞれ生成する。フォトダイオードＡ及びＢは互いにある量だけずらして配置され、フォトダイオードＢの信号が、フォトダイオードＡの信号に対して９０度位相がずれるように配置される。

信号Ａと信号Ａ’は回路３１によって結合され、図５に示すような正弦関数のチャネルＡ信号が生成される。同様に、信号Ｂと信号Ｂ’は回路３２によって結合され、チャネルＢ信号が生成される。チャネルＢ信号は、チャネルＡ信号に対して９０度位相がずれている。ある進行方向では、チャネルＡ信号は、チャネルＢ信号に先行することになる。他方の進行方向では、チャネルＢ信号が、チャネルＡ信号に先行することになる。このように、これら２つの信号の関係を観測することにより、進行方向を判定することができる。

これら２つのチャネル信号は補間器２３によって結合され、コードストリップ画像の周期よりも短い周期の方形波を有する出力信号が生成される。つまり、コードストリップ画像の２Ｄ部分がフォトダイオードの１つを横切るときに、出力信号は１サイクル以上が経過することになる。出力信号の位相は、補間器２３に使用されるアルゴリズムによって異なる。こうしたアルゴリズムは当該技術分野では周知のものであり、本発明を理解する上で重要ではないので、詳細な説明はしない。本発明の説明のためには、２Ｄサイクル内の補間ポイントの数が、２つの正弦関数のうちの一方が、他方の正弦関数に整数を乗じることによって生成される曲線と交差するポイントを判定することによって定義できることに留意すれば十分である。

上記のように、各フォトダイオードは、正弦関数の出力信号を生成する。次に、図６及び図７を参照すると、これらの図面は、そのような信号を生成するフォトディテクタを示している。図６は、フォトディテクタ４０の平面図であり、図７は、図６においてライン７−７に沿って切断して見たときのフォトディテクタ４０の断面図である。フォトディテクタ４０は、能動領域４６と、１以上の開口部が形成されたスクリーン４１とを有するフォトダイオード４３から構成される。開口部の例は４２で示されている。フォトダイオードは、そのフォトダイオードに入射する光の量に比例した出力信号を生成する。コードストリップ画像がフォトダイオードを横切って一定速度で移動する際に、明るいパターンが開口部の上を移動する。明るいパターンが開口部を横切って移動する際に、明るい帯内の光の強度は一定に維持されるものと仮定する。開口部の形は、その光の強度を時間の関数としたときに、光の強度が正弦関数になるように決定される。

本発明は、チャネルＡ信号とチャネルＢ信号を使用して、より高い周波数を有する新たな一対の正弦波信号を生成する。これらの高い周波数の信号は、元のチャネルＡ信号及びチャネルＢ信号から通常得られる分解能よりも高い分解能を得るために、更なる補間に使用してもよいし、使用しなくてもよい。次に、図８を参照すると、この図は、本発明の一実施形態によるエンコーダ１００を示している。説明を単純化するために、図４を参照して上で説明した要素と同様の働きをするエンコーダ１００の要素については、同じ参照符号を付し、詳しい説明はしない。

エンコーダ１００は、周波数逓倍回路１０１を使用して、上で述べた正弦波のチャネルＡ信号及び正弦波のチャネルＢ信号を２つの新たな信号、すなわち、チャネルＡ信号及びチャネルＢ信号の倍数の周波数を有するチャネルＡ’信号及びチャネルＢ’信号を生成する。そして、それらの周波数増幅信号を補間回路１０２に入力し、最終的な出力信号を得る。説明のために、チャネルＡ＝ｓｉｎ（θ）、チャネルＢ＝ｃｏｓ（θ）であるものと仮定する。本発明は、ｃｏｓ（ｎθ）及びｓｉｎ（ｎθ）が、ｓｉｎ（θ）及びｃｏｓ（θ）から算出できるという考え方に基づいている。

例えば、
ｓｉｎ（２θ）＝２ｓｉｎ（θ）ｃｏｓ（θ）
ｃｏｓ（２θ）＝ｃｏｓ２（θ）−ｓｉｎ２（θ）
である。

同様に、
ｓｉｎ（３θ）＝３ｓｉｎ（θ）−４ｓｉｎ３（θ）
ｃｏｓ（３θ）＝４ｃｏｓ３（θ）−３ｃｏｓ（θ）
である。

これらの信号の更に高次数の倍数は、元の信号を使用して算出してもよいし、又は、ｃｏｓ（２θ）、ｓｉｎ（２θ）、ｃｏｓ（θ）、ｓｉｎ（θ）等の種々の組み合わせを乗算及び加算することによって算出してもよい。計算は、アナログ回路で実施してもよいし、デジタル回路で実施してもよい。２つの信号を互いに乗算するアナログ回路や、２つの信号を加算するアナログ回路については、当該技術分野において周知のものであるから、ここで詳しい説明はしない。安価なエンコーダが必要な場合、アナログ回路が望ましい。

原理的には、元のチャネルＡ信号及びチャネルＢ信号に使用された補間アルゴリズムはいずれも、新たなチャネルＡ’信号及びチャネルＢ’信号にも使用することができる。補間の最も単純な形は、チャネルＡ’信号又はチャネルＢ’信号がゼロを通過するポイントにおける測定である。その場合、いずれかの信号がゼロを通過するたびに、出力信号を０と１の間で交互に切り替える。周波数増幅の前に、コードストリップが距離２Ｄを移動する期間中に、そのようなポイントは４個存在する。したがって、周波数を２倍にすることによって生成された信号を使用した場合、そのようなポイントは８個規定され、単に元のチャネルＡ信号及びチャネルＢ信号を使用するシステムに比べて、分解能を更に２倍にすることができる。同様に、元の周波数に係数３を乗算することによって新たな信号を生成した場合、コードストリップが距離２Ｄを移動するときに、そのようなポイントは１２個規定される。

上記の実施形態は、コードストリップを使用して、エミッタ・ディテクタモジュールからの光を変調している。コードストリップという用語は通常、リニアエンコーダを意味する。すなわち、ある構成要素の他の構成要素に対する直線移動の測定に使用される、１本のラインに沿って配置された一連の交互の矩形ストリップを意味する。次に、図９を参照すると、この図は、ライン９６に沿って配置された反射性ストリップ９２と吸収性ストリップ９３をそれぞれ有するコードストリップ９１を備えたリニアエンコーダ９０の一部を示す平面図である。コードストリップは、ライン９６に対して平行な方向に、エミッタ・ディテクタモジュール９５に対して相対移動する。エミッタ・ディテクタモジュールは、上で述べた形の多数のフォトディテクタを有する。各フォトディテクタは、窓と、コードストリップパターンがディテクタに対して相対移動したときに正弦波信号を生成するフォトダイオードとを有する。フォトダイオードの数は、ディテクタにおいて実施されるチャネル数に応じて異なる。

ただし、当然ながら、本発明の教示を利用すれば、コードディスクを使用して、固定位置に対するシャフトの角度変化を測定するシャフトエンコーダを構築することも可能である。次に、図１０を参照すると、図１０は、本発明の他の実施形態によるエンコーダ８０の平面図である。エンコーダ８０は、シャフト８６の角度位置をエンコードする。エンコーダ８０は、エミッタ・ディテクタモジュール８５でコードパターンを照明し、コードパターンの反射部分によって反射された光を測定する点で、上で説明したエンコーダに似ている。上記のコードストリップは、コードディスク８１で置き換えられている。コードディスク８１は、シャフト８６と同じ中心を有する円に沿って、切り分けられたパイの形を有するセクタ８２及び８３を交互に有する。各セクタは、シャフト８６の中心と同じ中心を有する円８９の２本の半径と、円８８及び８９によって確定される。フォトディテクタは、その円の半径方向に並べて配置されたコード窓を有し、フォトダイオードが、互いに位相の異なる正弦波信号を生成するように構成される。エミッタ・ディテクタモジュール８５の光源及びフォトディテクタは、円８９の半径８４に沿って位置決めされる。本明細書では、用語を単純化するために、「コードストリップ」という用語は、線形コードストリップと円形コードディスクの両方を含むものとして定義される。

上で説明した実施形態は、９０度位相の異なる正弦波信号を使用している。しかしながら、異なる数の正弦波信号を使用する実施形態を構築することも可能である。例えば、エンコーダは、６０度位相の異なる３つの正弦波信号を生成する３つのディテクタを使用してもよい。そして、それらの信号を結合すれば、周波数増幅された信号が得られる。

上記の説明及び添付の図面から、当業者には、本発明に対する種々の変更が可能であることは明らかであろう。したがって、本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によってのみ規定される。

透過型エンコーダを示す図である。 反射型エンコーダを示す図である。 撮像エンコーダを示す図である。 正弦関数補間を利用した２チャネルエンコーダを示す図である。 チャネル信号を生成するための信号Ａと信号Ａ’を結合した信号が正弦波であることを示す図である。 フォトディテクタ４０の平面図である。 図６のライン７−７に沿って切断して見たときのフォトディテクタ４０の断面図である。 本発明の一実施形態によるエンコーダ１００を示す図である。 リニアエンコーダ９０の一部を示す平面図である。 本発明の他の実施形態によるエンコーダ８０の平面図である。

Claims (5)

1. ディテクタ(122)と、
   前記ディテクタ(122)上にコードストリップ(12)の画像(21)を生成する光学系(15)であって、前記画像(21)が、複数の明るいストリップ及び暗いストリップ(24,25)を含み、前記コードストリップ(12)が前記ディテクタに対して相対移動する際に、前記ディテクタが互いに位相の異なる複数の正弦波信号を生成し、前記コードストリップ(12)が前記ディテクタ(122)に対して、１本の明るいストリップ(24)と１本の暗いストリップ(25)の和に等しい距離だけ相対移動したときに、各正弦波信号が１サイクルを経過するように構成される、光学系(15)と、
   複数の周波数増幅信号を生成する周波数逓倍器(101)であって、各周波数増幅信号が、前記正弦波信号のうちの１つに対応し、対応する正弦波信号の整数倍の周波数を有し、前記整数倍が１倍よりも大きい、周波数逓倍器(101)と、
   前記周波数増幅信号を使用して複数の位置を定義する信号補間器(102)と
   を含み、
   前記信号補間器(102)は、第１の状態及び第２の状態を有する信号を生成し、前記周波数増幅信号のいずれかが所定の値を通過するたびに、前記信号の状態を前記第１の状態と前記第２の状態との間で交互に切り替えるように構成される、エンコーダ(100)。
2. 前記ディテクタ(122)は、９０度位相のずれた正弦関数を生成する、請求項１に記載のエンコーダ(100)。
3. 前記コードストリップ(12)が前記ディテクタ(122)に対して、１本の明るいストリップ(24)と１本の暗いストリップ(25)の和に等しい距離だけ移動する期間中に、前記周波数増幅信号のいずれかが前記所定の値を通過するポイントが、少なくとも５つ存在する、請求項１に記載のエンコーダ（100）。
4. 前記整数倍は、２の整数倍である、請求項２に記載のエンコーダ(100)。
5. 前記ディテクタ(122)は複数のフォトディテクタを含む、請求項１に記載のエンコーダ(100)。

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