JP5064049B2 - バックグラウンドノイズを低減した反射型エンコーダ - Google Patents

Description

本発明は位置エンコーダに関し、特に、バックグラウンドノイズを低減した反射型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のコンポーネントの位置の測定値を生成する。エンコーダは一般に、モータその他のアクチュエータへの閉ループフィードバックの形成に使用される。例えば、シャフトエンコーダは、動かない何らかの既知の基準点に対する回転シャフトの相対回転位置を示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際に、可動キャリッジの現在位置と、可動キャリッジ関する固定の基準点との間の距離を測定する。

光学エンコーダは、光源と光検出器を使用して、エンコーダディスクやエンコーダストリップの位置の変化を測定する。透過型エンコーダの場合、エンコーダディスクは、不透明なストリップと透明なストリップを交互に含む一連のストリップを有する。光源は、コードストリップの一方の側に配置され、光検出器は、コードストリップの他方の側に配置される。光源と光検出器は相対的に固定の位置にあり、コードストリップは、光検出器と光源の間を移動し、その際、コードストリップの不透明な領域は、光検出器に到達する光を遮る。コードストリップの位置は、明るい領域と暗い領域の間の変化をフォトダイオードによって測定することにより判定される。

反射型エンコーダの場合、光源と光検出器は、エンコーダストリップの同じ側に配置され、エンコーダストリップは、交互に配置された反射性ストリップと吸収性ストリップから構成される。光源は、反射性ストリップから光が反射されたときに、光源からの光が光検出器上に投影されるような位置に配置される。

透過型エンコーダは、許容誤差やコントラスト比の観点で、反射型エンコーダに比べて多数の利点を有する。反射型エンコーダでは、コードストリップ自体の像、又はコードストリップからの反射光の中に見られるような光源の像が光検出器上に結像される際の、コードストリップと光検出器との間の距離が重要となる。したがって、コードストリップから光検出器までの距離に誤差があると、像の焦点はずれ、エラーが発生することになる。

透過型エンコーダの場合、光源からの光は、コードストリップに到達する前にコリメートされる。したがって、コードストリップから反射される光も、コリメートされている。検出アセンブリは単に、このコリメートされた光を光検出器の表面に投影するだけでよい。したがって、重要な距離は、撮像レンズから光検出器までの距離であり、この距離は、エンコーダアセンブリとは無関係に、光検出器の製造業者によって精密に調節することが可能である。

不都合なことに、透過型エンコーダは、エンコーダの組み立て時に、２つの独立したコンポーネントを、すなわち光源と光検出器を互いに位置合わせし、整列させた状態で取り付けなければならない。これに対し、反射型エンコーダは、単一のエミッタ／ディテクタ要素から構成され、エミッタ／ディテクタ要素は、光源からの光を光検出器上に投影する種々の光学部品と一緒にまとめてパッケージングされる。そのため、組み立てコストが低減される。エンコーダを使用する機械系のサイズが小さくなるほど、コードストリップの両側への部品の取り付けに伴なう問題は大きくなる。こうしたシステムでは、上記のような問題があるにも関わらず、反射型エンコーダの方が大きな利点を有する。

ただし、反射型エンコーダは、光源／光検出器モジュールにおける光源の内部反射が原因で、その信号対雑音比がかなり悪い。反射型エンコーダでは、光源と光検出器が一緒に１つの透明な材料の中に封入され、その透明な材料が、コードホイールを所望の態様で照明し、光を光検出器上に投影するために必要なレンズ機能も提供する。光源によって生成される光の一部は、その透明な封止材と空気との間の境界で反射され、光検出器へと戻される。この光は、コードホイールとは無関係なバックグラウンド光を形成し、その結果、エンコーダの信号対雑音比を低下させる。

特開２００５−１５６５４９号公報 実願昭５７−１６０９８２号（実開昭５９−６４５２０号）のマイクロフィルム 特開平８−８７７２４号公報

本発明の一形態は、コードストリップとエミッタ／ディテクタモジュールとを有するエンコーダである。コードストリップは、交互に配置された反射性ストリップと不透明なストリップを有する。エミッタ／ディテクタモジュールは、光を生成し、生成された光の一部を撮像素子へ導く光源と、検出器によって検出された所定方向の直線偏光を有する光の強度を示す信号を生成する光検出器とを含む。光源と光検出器は、透明媒体の中に封入される。その際、透明媒体とコードストリップの間には隙間が設けられる。前記所定方向は、透明媒体と隙間との間の境界から反射され、光検出器によって受信される光の強度を低減するような方向が選択される。更に、光源に偏光フィルタを設けることにより、透明媒体と隙間との間の境界から反射される光の除去を更に向上させることもできる。

ここで、図１〜図３を参照する。これらは、幾つかの典型的な従来のエンコーダ設計を示している。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１２とに分割することができる。本明細書で使用される用語を単純化するために、「コードスケール」という用語は、線形コードストリップと、円形のコードディスク又はコードホイールとの両方を含むものとして定義される。モジュール１５は、コードスケール１２の一部を照明するエミッタ１１を含む。光検出器１３は、照明されたコードスケールを観測する。エミッタ１１には通常、光源としてＬＥＤが使用される。光検出器は通常、１以上のフォトダイオードを含む。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、レンズ２４のようなコリメート光学部品により平行ビームとしてコリメートされる。コードスケール１２は不透明なストリップ１６と透明なストリップ１７とを有する。コードスケール１２がエミッタ１１と光検出器１３の間を移動するとき、光ビームは、コードスケール上の不透明なストリップによって遮られる。光検出器のフォトダイオードは、フラッシュ光を受け取る。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。

光検出器は、コリメートされた光をフォトダイオード上に投影する撮像レンズ２５を有する場合がある。レンズ２５は、明るいストリップのサイズを調節し、光検出器上のフォトダイオード（１つ又は複数）のサイズに一致させるために使用される。このようにレンズ２５を使用した場合、光検出器は、コードスケール１２と、レンズ２５の焦点との間の点に配置される。光検出器上に形成されるコードスケールの像のサイズは、光検出器とレンズとの間の距離によって決まる。

一般に、透過型エンコーダは、エンコーダの製造業者に対して提供される２つの独立したサブモジュールから構成される。第１のサブモジュールは、エミッタ１１及びレンズ２４からなる光源を含む。第２のサブモジュールは、光検出器１３及びレンズ２５から構成される。光がコリメートされているため、重要な距離は、エミッタ１１とレンズ２４の間の距離と、レンズ２５と光検出器１３との間の距離だけである。サブモジュールの製造業者は、それらの距離を高精度で調節することができる。したがって、透過型設計では、エンコーダの製造業者が管理しなければならない許容誤差が、実質的に低減される。ただし、透過型エンコーダは、エンコーダの組み立て全体の観点で見れば、比較的コストがかかる。なぜなら、２つのサブモジュールを位置合わせして取り付けなければならないからである。また、上記のように、多くの用途では、エンコーダに対して光検出器の反対側に光源を取り付けるだけの十分な空間が確保できないため、反射型エンコーダが必要とされる。

図２は、反射型エンコーダの１つのタイプを示している。反射型エンコーダの場合、コードスケールは、反射性ストリップ１８と吸収性ストリップ１９とを含む。エミッタは、光源１１からの光がコードスケール１２上の反射性ストリップに当たったときに、光源からの光を光検出器１３上に投影するレンズ２１のような光学系を含む。エミッタからの光は、コードスケール上のストリップによって反射、又は吸収される。光検出器からの出力は、再び論理信号に変換される。光検出器が複数のフォトダイオードを含み、それらがフォトダイオードに対するストリップの像の整合性に依存する信号を生成する実施形態では、第２のレンズ２７を使用することにより、上で述べたものと同様のやり方でコードスケールの像のサイズを光検出器のサイズに合わせて調節することができる。

図３は、撮像エンコーダの他の実施形態を示している。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きをする。ただし、モジュール１５が、照明されたコードストリップの像を光検出器１４上に形成する撮像光学部品２３を含む点が異なる。また、光源１１からの光は、光検出器１４上の像が形成される領域においてコードスケールの像の明るさが均一になるように、レンズ２２によって加工される。

下記の説明を単純化するために、残りの図面では、光源からの光を光検出器上に投影する種々のレンズは、省略するものとする。ただし、光源、及び／又は光検出器は、レンズその他の光学素子を含む場合もある。

次に図４を参照する。この図は、本発明の一実施形態による典型的な反射型エンコーダのレイアウトを示している。コードスケール３４は、エミッタ／ディテクタモジュール３７からの光によって照明される。エミッタ／ディテクタモジュール３７は、基板３１に搭載されたＬＥＤ３２及び光検出器３３を含む。光検出器３３は、１以上のフォトダイオードを含む。フォトダイオードの数は、エンコーダの設計により異なる場合がある。これらの構成要素は、透明なエポキシ層３５の中に封入される。エポキシ層３５の上面は、コードスケール３４から反射されたＬＥＤ３２からの光を光検出器３３上に投影するレンズを形成するように成形される。光源からの光線は、符号３８で示されている。

この透明なエポキシカプセル材料は、周囲の空気よりも高い屈折率を有する。そのため、表面３６にあたる光の一部は、フレネル反射により反射され、符号３９で示すようにエミッタ／ディテクタモジュールへと戻される。この光の一部は、光検出器３３に直接あたる。反射光の一部は、エミッタ／ディテクタモジュールの壁で反射され、光検出器３３に到達する。このようにすると、光検出器３３に到達する光の量が、コードスケール３４によって反射される光とは無関係になるため、均一なバックグラウンド照明が形成され、それによって、光検出器３３の信号対雑音比は低減される。

バックグラウンド光の重要性は、エンコーダのサイズや分解能によって変わる。コードスケール３４から反射される光の量は、コードスケール上の反射性ストリップのサイズによって変わる。非常に高い分解能を持つエンコーダの場合、それらのストリップは小さく、したがって、反射光の量も少ない。同様に、多くの用途では、空間的制約から、物理的に小さなエンコーダを必要とする。フォトダイオードにおけるコードスケールからの反射光が、レンズ表面３６における内部反射からのバックグラウンド光の強度と同程度の強度である場合、エンコードは正常に動作しないであろう。

本発明は、表面３６からのフレネル反射光の一部が偏光されているという考え方に基づいている。光源３２から放射される光は、２つの直交する直線偏光成分を有するように見える。一方は、図において紙面に入射する成分で、もう一方は、図において紙面に平行な成分である。入射面に対して平行な電界を有する光の反射率は、ブルースター角のときにゼロになる。他の角度のときは、反射光の一部が偏光される。したがって、レンズ表面３６で反射され、光検出器３３に入射するフレネル反射光の一部は偏光される。すなわち、その光は２つの直線偏光成分を含み、一方の成分は他方の成分よりも大きいものとなる。最大振幅の偏光成分を含む光を除去するような偏光方向を有する直線偏光フィルタ４１を光検出器３３の正面に配置することにより、この光は除去することができる。

本発明の上記の実施形態によれば、光検出器３３に入射するフレネル反射光の一部を遮断することができる。あるいは、光源３２は、光源３２によって生成される光から表面３６で選択的に反射された光の偏光を除去するような向きを持つ直線偏光光源で置き換えてもよい。その場合、フレネル反射光の量は低減され、したがって、エンコーダの信号対雑音比は改善される。直線偏光光源は、当該技術分野において既知のものであるから、詳しい説明はしない。本発明の説明のためには、ＬＥＤその他の非偏光光源の正面に偏光フィルタを置くことによりそのような光源を作成できることを記載すれば十分である。なお、直線偏光の光を放射するレーザも、当該技術分野では知られている。

次に、図５を参照する。この図は、本発明の他の実施形態によるエンコーダの断面図である。エンコーダ６０は、直線偏光光源６２を含むエミッタ／ディテクタモジュール６５を有する。直線偏光光源６２は、図の紙面内の向きに偏光を持つ光を生成する。この偏光の向きは、境界６６においてフレネル反射を受ける光の量が低減されるような向きが選択される。全ての光が境界６６にブルースター角で当たるわけではないので、境界６６での反射時に、光の一部は反射され、エミッタ／ディテクタモジュール６５へと戻される。残りの光は、エミッタ／ディテクタモジュール６５を出て、四分の一波長板６８のような偏光回転器を通過する。四分の一波長板６８は、符号７２で示すように偏光を９０度だけ回転させる。この光は、コードスケール３４によって反射され、偏光フィルタ６１を備えた光検出器６３上に投影される。偏光フィルタ６１は、図の紙面に対して垂直な偏光ベクトルを有する光を通過させ、図の紙面内の方向に偏光ベクトルを有する光を遮断するような位置に配置される。したがって、境界６６において反射された符号７１で示す光は遮断される。

上で説明した種々の実施形態は、コードスケールを使用して、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。コードスケールという用語は、リニアエンコーダ、すなわち、他のコンポーネントに対するあるコンポーネントの直線移動の測定に使用されるラインに沿って交互に配置された一連の矩形ストライプを意味する。次に、図６を参照する。この図は、ライン９６に沿って反射性ストリップ９２と吸収性ストリップ９３を交互に有するコードスケール９１を有するリニアエンコーダ９０の一部を示す平面図である。エミッタ／ディテクタモジュール９５は、コードスケール９１の一部の下側に配置される。コードスケール９１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。

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位を測定するシャフトエンコーダを構成することも可能である。次に、図７を参照する。この図は、本発明の一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によってコードパターンを照明し、コードパターンの反射位置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。上で説明したコードスケールはコードディスク８１によって置き換えられている。コードディスク８１は、シャフト８６の中心と同軸の中心を有する円に沿って、切り分けられたパイの形をしたセクタ８２及び８３を交互に有する。各セクタは、シャフト８９の中心と同じ中心を有する円８９の２本の半径、並びに、円８８及び８９によって画定される。エミッタ／ディテクタモジュール８５の光源と光検出器は、円８９の半径に沿って一直線上に配置される。本明細書で使用される用語を単純化するために、「コードスケール」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。

上記の説明、及び添付の図面から、当業者には、本発明の種々の変更も明らかであろう。したがって、本発明は、特許請求の範囲によってのみ制限される。

従来の透過型エンコーダを示す図である。 従来の透過型エンコーダの１タイプを示す図である。 従来の撮像エンコーダの他の形態を示す図である。 本発明の一実施形態による典型的な反射型エンコーダのレイアウトを示す図である。 本発明の他の実施形態によるエンコーダを示す断面図である。 １本のラインに沿って反射性ストリップと吸収性ストリップが交互に配置されたコードストリップを有す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を示す平面図である。

３４、８１、９１ コードスケール
３２、６２ 光源
３３、６３ 光検出器
３５、６５、８５、９５ エミッタ／ディテクタモジュール
６０、８０、９０ エンコーダ

Claims (4)

1. 反射性ストリップと不透明なストリップを交互に有するコードスケール(34,81,91)と、
   光を生成し、生成された光を前記コードスケールへと導く光源(32,62)と、前記コードスケールからの反射光を受け取り、前記反射光における所定方向の直線偏光を有する光の強度を示す信号を生成する光検出器(33,63)とを含むエミッタ／ディテクタモジュール(35,65,85,95)と
   を含み、前記光源と前記光検出器(33,63)は透明媒体の中に封入され、前記透明媒体と前記コードスケール(34,81,91)との間に隙間が設けられ、
   前記所定方向は、前記光検出器(33,63)によって受信された、前記透明媒体と前記隙間の間の境界から反射された光の強度を低減するように選択される、反射型エンコーダ(60,80,90)。
2. 前記光検出器は直線偏光フィルタを含む、請求項１に記載の反射型エンコーダ。
3. 前記光源は、前記所定方向に対して直交する偏光を持つ直線偏光の光を生成する、請求項１に記載の反射型エンコーダ。
4. 前記透明媒体から出力される光の偏光を９０度だけ回転させる偏光回転器を更に含み、前記偏光回転器は前記隙間に配置される、請求項３に記載の反射型エンコーダ。

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