JP5160360B2

JP5160360B2 - エンコーダ

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Description

本発明は、エンコーダスケールとエンコーダヘッドとの相対的変位を検出するエンコーダに関するものである。

エンコーダは、エンコーダスケールとエンコーダヘッドとから構成され、両者の相対的変位を検出するために、位相の異なる複数の周期信号を発生するようにしたものである。エンコーダの出力は、サイクルを計数するための処理回路に供給されて、進行方向、位置、変位、変位速度などを測定するのに用いられる。例えば、特開平６−２６８１７はエンコーダの一例を示している。

図９は、従来のエンコーダの構成例を示している。光源１０１には、固定の電流を印加するための抵抗１０２が直列に接続されている。光源１０１からの光は、光源１０１に対して相対的に移動する、周期的な光学パターンを有するスケール１０３に照射される。スケール１０３からの透過光、反射光、回折光あるいは散乱光は、該光の強度変化によってスケール１０３の移動量を検出するために受光素子１０４Ａ，１０４Ｂに入射される。受光素子１０４Ａ，１０４Ｂは、信号の位相が互いに１８０度異なるように配置されている。

受光素子１０４Ａ，１０４Ｂの後段にはそれぞれ抵抗１０５Ａと演算増幅器１０６Ａ、および抵抗１０５Ｂと演算増幅器１０６Ｂとからなる電流／電圧変換手段が接続され、この電流／電圧変換手段の後段には減算手段１０７が接続されている。さらに、演算増幅器１０６Ａ，１０６Ｂや減算手段１０７には基準電圧ＶＲＥＦ（１０８）が供給され、周期信号の基準とされる。

受光素子１０４Ａ，１０４Ｂにより発生される電気信号としての光電流は、電流／電圧変換手段に入力されて、それぞれ電圧信号ＶＰＡ，ＶＰＡＢに変換される。電圧信号ＶＰＡ，ＶＰＡＢには、スケール１０３からの強度変化の成分である交流成分以外に、一定の強度の光成分である直流成分とノイズとが等しく乗っている。減算手段１０７では、これを除去するためにＶＲＥＦ−（ＶＰＡＢ−ＶＰＡ）なる演算を行う。これによって強度変化のみを信号成分とする周期信号ＶＡが得られる。エンコーダは、図９で説明したような信号処理を行った電気信号をエンコーダ信号として複数個出力するように構成されている。
特開平６−２６８１７

ところで、上記した従来構成のエンコーダでは、電源電圧ＶＣＣとＧＮＤとの間に光源と抵抗を直列接続した構成となっているため、光源に供給される電流は、一定の値となっている。このときエンコーダが出力する信号は、光源の輝度と、光源、スケール、および受光素子との配置関係とによって決まる振幅を有する周期信号であることが期待されている。

しかし、エンコーダは、次のような特性を原因として、エンコーダが出力する振幅に大きな影響を受けることがある。

１．光源の輝度が大きく変動する。使用温度による±１０％程度の変動ばかりでなく、経年変化による±５０％以上の輝度変化も発生する。

２．スケールに汚れ、傷が発生する。光学式のエンコーダは、光源、スケール、および受光素子間に空間が存在するため、使用している間に汚れや異物混入による細かな傷が付く場合がある。これはエンコーダ信号の振幅に影響を与える。

３．処理回路がエンコーダ信号を処理できなくなる場合が発生する。主に１．で光源の輝度が大きく変動した場合、処理回路のレンジ内で信号処理ができればよいが、さらに電源電圧を低電圧化して使うような場合、処理回路内のレンジ自身が狭いために、受光素子が発生した直流成分だけでレンジを使いきってしまうことになる。この場合、エンコーダ信号は、振幅のない、あるいは非常に小さい歪んだ周期信号となる。特に、光透過性樹脂の中に光源と受光素子と光源駆動手段、信号処理回路などを搭載したＩＣ（受光素子を同一ＩＣに混載しても良い）などを実装した構成とした場合に、スケールからの反射光、回折光、散乱光などに伴う交流成分と直流成分以外に、樹脂の中で反射、散乱されてスケールと受光素子との相対変位による強度変化がない直流成分が大きな割合で発生する。このようなエンコーダの場合、エンコーダ信号に寄与しない前記直流成分が大きくなるため、電流／電圧変換手段などの信号変換時において、受光素子が発生した交流成分の電流信号を十分振幅の大きな電圧信号として後段へ伝えることができなかったり、電流／電圧変換手段の出力レンジを振り切り、エンコーダ信号が歪んだり、後段に信号が伝わらないなどの問題が発生する。

本発明はこのような課題に着目してなされたものであり、例えば光透過性樹脂の中に光源と、受光素子と、光源駆動手段、信号処理回路など、エンコーダを動作させるのに必要な最低限の回路を搭載したＩＣなどを実装した小型エンコーダを構成しようとしたときに、低コスト、高分解能可能なエンコーダとして実現するのに妨げになる構成、構成要素のばらつき、および使用時の経時変化を吸収して適切なエンコーダ信号を出力することが可能なエンコーダを提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明の第１の態様に係るエンコーダは、エンコーダスケールとエンコーダヘッドとの相対的変位を検出するエンコーダにおいて、エンコーダスケールとエンコーダヘッドとの相対的変位を検出するエンコーダにおいて、前記エンコーダヘッドには、光源と、前記光源からの光を前記エンコーダスケールを介して受光する受光素子と、該受光素子からの電気信号に対して信号処理を行う信号処理部とが搭載され、前記エンコーダは、設定にしたがって選択的に起動されるものであり、起動されたときに前記エンコーダヘッドから出力される１つまたは複数の電気信号をエンコーダ信号として検出する信号検出手段と、設定にしたがって選択的に起動されるものであり、起動されたときに前記信号検出手段により検出されたエンコーダ信号の波形を判定する信号判定手段と、前記信号判定手段による判定結果に基づいて、前記光源に印加する電流を複数段階で切り替える切り替え手段と、を具備する。

また、本発明の第２の態様に係るエンコーダは、第１の態様に係るエンコーダにおいて、前記信号検出手段は、前記エンコーダスケールと前記エンコーダヘッドとが必要な全域について相対変位されたときに出力されるエンコーダ信号を検出するものであり、前記信号判定手段は、前記検出されたエンコーダ信号の波形を判定する。

また、本発明の第３の態様に係るエンコーダは、第２の態様に係るエンコーダにおいて、前記信号検出手段は、前記エンコーダスケールと前記エンコーダヘッドとが必要な全域について相対変位された後、当該全域の一部について相対変位されたときに出力されるエンコーダ信号を検出するものであり、前記信号判定手段は、前記検出されたエンコーダ信号の波形を判定する。

また、本発明の第４の態様に係るエンコーダは、第１〜第３のいずれか１つの態様に係るエンコーダにおいて、前記信号検出手段は、前記エンコーダヘッドからのエンコーダ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータと、前記デジタル信号を検出する制御手段とを含む。

また、本発明の第５の態様に係るエンコーダは、第４の態様に係るエンコーダにおいて、前記制御手段は、前記エンコーダスケールと前記エンコーダヘッドとが必要な全域について相対変位されたときに出力されるエンコーダ信号を１周期ごとに観測して、最も大きな振幅と最も小さな振幅の少なくともどちらか一方を検出する。

また、本発明の第６の態様に係るエンコーダは、第４の態様に係るエンコーダにおいて、前記制御手段は、前記エンコーダスケールと前記エンコーダヘッドとが必要な全域について相対変位されたときに出力されるエンコーダ信号の１周期ごとの最大振幅値の内で最も小さな値と、同エンコーダ信号の１周期ごとの最小振幅値のうちで最も大きな値とを検出する第１の手段と、前記エンコーダ信号の１周期ごとの最大振幅値の内で最も大きな値と、同エンコーダ信号の１周期ごとの最小振幅値のうちで最も小さな値とを検出する第２の手段の少なくとも１つの手段で構成されている。

また、本発明の第７の態様に係るエンコーダは、第４の態様に係るエンコーダにおいて、前記制御手段は、前記エンコーダスケールと前記エンコーダヘッドとが必要な全域について相対変位されたときに出力される複数のエンコーダ信号から、円の半径を求める式を用いて前記エンコーダ信号の振幅を計算する。

また、本発明の第８の態様に係るエンコーダは、第１の態様に係るエンコーダにおいて、前記信号検出手段は、前記エンコーダ信号の周期数を検出する周期数検出手段を含み、前記信号判定手段は、検出された周期数と、前記エンコーダヘッドからのエンコーダ信号をデジタル化した信号の計数値とを比較する比較手段を含む。

また、本発明の第９の態様に係るエンコーダは、第２の態様に係るエンコーダにおいて、前記信号判定手段は、前記エンコーダスケールと前記エンコーダヘッドとが必要な全域について相対変位されたときに前記信号検出手段により検出されたエンコーダ信号の１周期ごとの振幅において、最も大きな振幅と最も小さな振幅との差が所定の値以上であるときに異常を示す出力を行う異常発生出力手段を有する。

また、本発明の第１０の態様に係るエンコーダは、第２の態様に係るエンコーダにおいて、前記信号検出手段は、前記エンコーダスケールと前記エンコーダヘッドとが必要な全域について相対変位されたときに出力されるエンコーダ信号の１周期ごとの最大振幅値の内で最も小さな値と、同エンコーダ信号の１周期ごとの最小振幅値のうちで最も大きな値とを検出する第１の検出手段と、前記エンコーダ信号の１周期ごとの最大振幅値の内で最も大きな値と、同略エンコーダ信号の１周期ごとの最小振幅値のうちで最も小さな値とを検出する第２の検出手段と、を具備し、前記信号判定手段は、前記第１の検出手段での最も小さな値と最も大きな値の差を第１の差、前記第２の検出手段での最も小さな値と最も大きな値の差を第２の差としたときに、前記第１の差と前記第２の差の差を算出し、この差が所定値以上であるときに異常を示す出力を行う異常発生出力手段を有する。

また、本発明の第１１の態様に係るエンコーダは、第２の態様に係るエンコーダにおいて、前記信号検出手段は、前記エンコーダスケールと前記エンコーダヘッドとが必要な全域について相対変位されたときに出力される複数のエンコーダ信号から、円の半径を求める式を用いて前記エンコーダ信号の振幅を計算する。

本発明によれば、エンコーダ設置時と定期的にスケールとエンコーダヘッドとの相対変化が必要な全域についてエンコーダ信号を検出してエンコーダ信号の特徴を取得し、この特徴を元に判定を行い、エンコーダの光源に印加する電流を複数階で切り替えるようにしたので、小型の光学式エンコーダを構成する場合に発生する、１．構成部品のばらつきが大きい、２．直流成分が大きい、３．経時変化が大きい、４．スケール上へのごみ、キズの付着、５．限られたサイズといった課題を低コストで解決することができる。

まず、本実施形態の概略を説明する。本実施形態では、所定周期のパターンが形成されたエンコーダスケールと、スケールに光を照射する可干渉光源と、スケールに反射した光の反射光、回折光、散乱光、および透過光のパターンを検出する複数の受光素子とからなる光学式エンコーダにおいて、エンコーダの光源に印加する電流を複数段階で切り替える印加電流切り替え機能付き駆動手段（切り替え手段）と、エンコーダヘッドが出力するエンコーダ信号としての略正弦波状信号を検出する信号検出手段と、前記信号検出手段が検出した略正弦波状信号の波形を判定する信号判定手段とを有する。

さらに、前記信号検出手段は、前記エンコーダスケールと前記エンコーダヘッドとが必要な全域について相対変位されたときに出力されるエンコーダ信号を検出するものであり、信号判定手段は、前記信号検出手段が検出したエンコーダ信号の波形を判定する。ここで、前記切り替え手段、前記信号検出手段、前記信号判定手段は、エンコーダを利用する製品において設定した所定間隔、あるいは／および所定動作時に選択的に動作するようになっている。このような構成とすることにより、エンコーダが通常の動作をしているときは、エンコーダ信号や、検出した光による帰還系のない安定した回路によりエンコーダを使用できる。それとともに、前記切り替え手段、前記信号検出手段と、前記信号判定手段を所定の設定時に選択的に動作させる構成していることにより、光源の経時的な大きな変化による回路のレンジオーバーやエンコーダ信号振幅の減少、スケールの汚れや傷によるエンコーダ信号振幅の減少といった不具合の発生を防止することもできる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係るエンコーダの構成を示す図であり、主として、所定周期のパターンが形成されたエンコーダスケール１１と、エンコーダヘッド１０とから構成される。エンコーダスケール１１とエンコーダヘッド１０とは矢印で示す方向に相対的に変位する。エンコーダヘッド１０には、光源１７（可干渉光源を含む）と、受光素子１２と、信号処理回路１３とが搭載されている。光源１７は駆動手段１６からの供給電流により駆動されて光を出射する。該光はエンコーダスケール１１を照射した後、反射、回折，散乱を起こしてエンコーダヘッド１０に再度入射する。

この再度入射する光は、エンコーダスケール１１とエンコーダヘッド１０との相対変位に伴って光量が変化する。そしてこの変化する光は、受光素子１２で検出される。受光素子１２は、検出した光に比例する電流を生成する。こうして得られたエンコーダスケール１１とエンコーダヘッド１０との相対変位にともなって変化する電気信号は、信号処理回路１３にて処理、すなわち電流／電圧変換、および１８０度位相の異なった信号同士を引き算して所定のゲインをかけて略正弦波状のエンコーダ信号として出力される。エンコーダヘッド１０は、このようにして１相以上の異なる位相関係を有する１つもしくは複数の略正弦波状信号を出力する。

以上がエンコーダの通常の動作であるが、本実施形態では、さらに上記基本的な構成に加えて、エンコーダヘッド１０の外部に、エンコーダヘッド１０から出力される１つまたは複数の電気信号をエンコーダ信号として検出する信号検出手段１４と、信号検出手段１４により検出されたエンコーダ信号の波形を判定する信号判定手段１５とが配置されている。さらに、信号判定手段１５による判定結果に基づいて、光源１７に印加する電流を複数段階で切り替える切り替え手段としての印加電流切り替え機能付き駆動手段１６がエンコーダヘッド１０の内部で光源１７に接続されている。

ここで、上記した信号検出手段１４と、信号判定手段１５とは、エンコーダが通常使われているときに動作させる必要はなく、選択的に起動させることができる。効果的な利用時期としては、例えばエンコーダを設置した生産時に動作させるか、あるいは、エンコーダを利用している装置によって、例えば電源を入れ直したとき、または時間的な間隔を置いたとき、または温度などの使用環境が変化したときなどに動作させればよい。このようにすることにより、エンコーダが通常使われているときに信号検出手段１４と、信号判定手段１５を動作させてエンコーダ信号にノイズや、不安定さを与えてしまうことを防ぐことができる。

図２は、本発明の一実施形態に係る印加電流切り替え手順の一例を説明するためのフローチャートである。まず、エンコーダの電源がＯＮ（ステップＳ１）されると、エンコーダは、エンコーダスケール１１とエンコーダヘッド１０との相対的変位を検出する通常の動作を行う。続いて、信号検出手段１４および信号判定手段１５が順次起動される（ステップＳ２、Ｓ３）。これにより、信号検出手段１４には、エンコーダヘッド１０から出力された１つまたは複数の略正弦波状信号が入力される。信号検出手段１４は、スケール１１とエンコーダヘッド１０との相対変位可能な範囲のうち、少なくともエンコーダ信号を利用する範囲の全域を変位させたときに検出されるエンコーダ信号の特徴を検出する。この検出された信号の特徴は、信号判定手段１５に入力される。信号判定手段１５は、光源１７に印加すべき印加電流を判定し、印加電流切り替え機能付き駆動手段１６にこの印加電流、あるいは印加電流が設定されているモードを指示する。印加電流切り替え機能付き駆動手段１６は、信号判定手段１５での判定結果に基づいて複数段階ですなわち少なくとも２種類以上の電流を切り替えて光源１７に印加する（ステップＳ４）。

図３（ａ）、（ｂ）は、エンコーダヘッド１０から出力されて信号検出手段１４に入力される１相分のエンコーダ信号の一例を示している。信号検出手段１４は、このエンコーダ信号の特徴を検出する。例えば図３（ａ）の例では、信号検出手段１４は、スケール１１とエンコーダヘッド１０との相対変位により得られた全略正弦波状信号において、最も振幅が小さい周期を見つけ、該周期における最大値ＬＭＡＸ、最小値ＬＭＩＮ、およびエンコーダ信号振幅の最小振幅値ＬＨ＝ＬＭＡＸ−ＬＭＩＮを算出する。また、図３（ｂ）の例では、信号検出手段１４は、同相対変位により得られた全略正弦波状信号において、最も振幅が大きい周期を見つけ、該周期における最大値ＢＭＡＸ、最小値ＢＭＩＮ、およびエンコーダ信号振幅の最大振幅値ＢＨ＝ＢＭＡＸ−ＢＭＩＮを算出する。図３（ａ）、（ｂ）の例の両方を検出しても良いが、どちらか一方でも良い。

信号判定手段１５は、図３（ａ）で得られたエンコーダ信号の最小値ＬＨがエンコーダ信号を利用する装置において最低限の振幅が得られているか否かの判定を行う。エンコーダ信号を２値化して利用する装置の場合、これだけでもよいことが多いが、必要に応じて、図３（ｂ）で得られたエンコーダ信号の最大値ＢＨが信号処理回路１３の処理レンジで処理できているか、ＬＭＡＸ，ＬＭＩＮなどが信号基準から余裕があるか否かなどを判定する。

また信号判定手段１５は、信号検出手段１４が検出した信号の特徴に基づいてエンコーダ信号が異常であるか否かを判断し、異常であると判断された場合には所定の警告を出力することができる。例えば、ＢＨ−ＬＨの値があまりに大きい場合、前記エンコーダヘッド１０と前記スケール１１との設置に不具合がある可能性があるとして警告を出す。

また、エンコーダ信号の異常を検出するために図４に示す構成を用いることができる。すなわち、この構成では、信号検出手段１４に備えられた周期数検出手段２０により、エンコーダヘッド１０から出力されたエンコーダ信号の周期を計数して比較手段２１に入力する。同時に、エンコーダヘッド１０から出力されたエンコーダ信号をデジタル化手段２２でデジタル化し（図５（ａ））、このデジタル化したエンコーダ信号をカウンタ２３にてカウントする。比較手段２１は、周期数検出手段２０からの計数値と、カウンタ２３のカウント値とを比較する。

例えば、各周期でカウント値が４である場合、周期数検出手段２０の計数値は４×周期数（図では８）＝３２となっているはずである。４×周期数の値がカウンタ２３のカウント値と異なっている場合、信号判定手段１５は、エンコーダを使用する側の処理が現在の前記エンコーダヘッド１０が出力しているエンコーダ信号では不適切であると判断して、異常発生出力手段１８から所定の警告を出力する。

なお、上記のカウント値は、位相差９０度の２相信号を２値化したエンコーダ信号をカウントした場合を想定しているが、これに限定されず、逓倍処理などにより分割数を増やした場合にも適用することができる。

これらの警告は、エンコーダの生産の初期段階において前記エンコーダヘッド１０と前記スケール１１との設置をやり直したり、製品が市場に出てからの不具合の発生を防ぐことに利用できる。

これらの警告の出力は、印加電流切り替え機能付き駆動手段１６の設定可能な一部、もしくはすべての印加電流に対して設定を行い、エンコーダ信号の出力、および前記信号検出手段１４によるエンコーダ信号の特徴を繰り返し取得して、出力してもよい。

印加電流切り替え機能付き駆動手段１６は、あらかじめ設定された少なくとも２つ以上の電流印加機能を備えており、これらをスイッチなどで切り替えることにより、前記光源１７に印加する電流を決定する手段である。

信号判定手段１５は、前記印加電流切り替え機能付き駆動手段１６に設定する印加電流、あるいは印加電流が設定されているモードを不揮発性メモリに記憶しておくことも可能である。こうすることにより、エンコーダの電源を一旦切断しても、次回起動時にエンコーダ信号が適切となる光源１７への印加電流にてエンコーダを利用することができる。

以上の構成を備えた本発明のエンコーダによれば、光源１７の経時変化や、スケール１１のよごれ、ごみ、および受光素子１２などの効率劣化、および高効率化などの課題を克服して、信号処理回路１３の処理レンジ内で適切に処理されたエンコーダ信号を出力することができる。

なお、本発明では、信号検出手段１４や信号判定手段１５をエンコーダヘッド外部に配置して、必要な最低限の機能のみをエンコーダヘッド内に搭載しているため、非常に小型にすることができる。

また、本実施形態では、信号検出手段１４によるエンコーダ信号の検出にあたって、スケール１１とエンコーダヘッド１０との相対変位可能な範囲のうち、少なくともエンコーダ信号を利用する範囲の全域を変位させることにしているが、生産時などの初期に１回全域を変位させておけば、次回からは一部を変位させて検出してもよい。

ここで次回から変位させる箇所は、使用する装置に依存する。例えば、電源を投入する頻度が高く、スケール１１とエンコーダヘッド１０の停止時の配置関係が毎回異なる場合には、一定期間の間には全域を変位させたのと同じことになる。一方、スケール１１とエンコーダヘッド１０の停止時の配置関係が毎回同じ場合には、停止時付近のエンコーダ信号の特徴と、全域のエンコーダ信号の特徴との相違を記憶しておき、停止時付近のエンコーダ信号のみから毎回特徴を得ることにより、全域の特徴を推定することが可能となる。そのほかの場合も図１に示す基本的な構成を利用することにより、エンコーダは適切なエンコーダ信号を出力することが可能となる。

（第２実施形態）
以下、図６を参照して本発明の第２実施形態を説明する。図６は、図１の構成において、信号検出手段１４の具体的な構成の一例を示している。図１と同一の名称が付してある構成要素については図１を用いてすでに説明したのでここでの詳細な説明を省略する。

信号検出手段３４は、Ａ／Ｄコンバータ３４ａと制御手段３４ｂとから構成される。Ａ／Ｄコンバータ３４ａは、エンコーダヘッド３０から出力された略正弦波状信号をデジタル信号に変換する。また制御手段３４ｂは、Ａ／Ｄコンバータ３４ａと、エンコーダヘッド３０とスケール３１とを相対変位させるモータ３９ｂを制御するモータドライバー３９ａとに接続されている。制御手段３４ｂは、モータドライバー３９ｂに対して、エンコーダヘッド３０とスケール３１とを相対変位させるべくモータ３９ｂを動かすように指示を出すとともに、Ａ／Ｄコンバータ３４ａにエンコーダ信号をデジタル変換するように指示を出してデジタル値を得る。そして、図３に示したようなエンコーダ信号の特徴を検出する。

制御手段３４ｂからモータドライバー３９ａへの指示は、Ａ／Ｄコンバータ３４ａでのデジタル変換がエンコーダ信号の１周期に対して信号の特徴を得るのに必要な回数が十分確保できる速度でエンコーダスケール１１とエンコーダヘッド１０とを相対的に変位させる指示であってもよい。

以上の構成は、エンコーダを利用する装置でチップマイコンを利用する場合には容易に構成することができる。つまり、チップマイコンは、Ａ／Ｄコンバータによるデジタル変換、プログラミングによる制御、および出力端子の状態設定を行うことができる。したがって、信号検出手段３４と、信号判定手段３５とを１チップで構成することが可能であり、適切なエンコーダ信号を出力するエンコーダを安価に提供することが可能となる。また、信号検出手段３４は、Ａ／Ｄコンバータ３４ａにより構成することにより、エンコーダ信号の複雑な特徴をより正確に得ることが可能となる。

信号検出手段３４と、設定判定手段３５との検出範囲や、検出タイミングなどは、第１実施形態で説明した構成と同じように行うことができ、また、効果も同様である。

（第３実施形態）
次に、図７を参照して本発明の第３実施形態について説明する。図７では、図１、図４の信号検出手段１４や図６の信号検出手段３４が検出するエンコーダ信号の特徴の検出についての変形例である。図７は、前記エンコーダヘッド１０，３０と、前記スケール１１，３１とを少なくとも変位が必要な全域について相対変位させたときにエンコーダヘッド１０，３０から出力されるエンコーダ信号である。

信号検出手段１４，３４は、エンコーダスケール１１，３１とエンコーダヘッド１０，３０とを少なくとも必要な全域について相対変異させたときにおいて、図７に示す略正弦波状信号の１周期ごとの最大振幅値の内で最も小さな値Ｍａｘ．１と、同略正弦波状信号の１周期ごとの最小振幅値のうちで最も大きな値Ｍｉｎ．１とを検出する。同様にして、信号検出手段１４，３４は、図７に示す略正弦波状信号の１周期ごとの最大振幅値の内で最も大きな値Ｍａｘ．２と、同略正弦波状信号の１周期ごとの最小振幅値のうちで最も小さな値Ｍｉｎ．２とを検出する。これらの値から、エンコーダ信号の特徴として、ｈ２＝Ｍａｘ．２−Ｍｉｎ．２と、ｈ１＝Ｍａｘ．１−Ｍｉｎ．１とが得られる。ここでｈ２は、エンコーダ信号処理回路１３，３３が利用するレンジ内の最大値を示している。ｈ１は、エンコーダ信号を利用する装置において取り扱わなければならない最も小さいエンコーダ信号振幅となる。

信号判定手段１５，３５は、上記ｈ２が信号処理回路１３，３３で適切に処理できていることと、上記ｈ１がエンコーダ信号を利用する場合に最低限の振幅を満たしていることとを判断して、印加電流切り替え手段１６，３６の切り替えの設定を行う。ここで最低限の振幅には、デジタル化時の誤差、２値化時のヒステリシス、周辺の回路を含めたノイズ量、温度による変動、余裕などを見越して設定する。なお、エンコーダ信号の利用が２値化のみであれば、ｈ１のみを判定するのみでも構わない。

また、信号判定手段１５，３５は、ｈ２−ｈ１が所定の値よりも大きい場合に、エンコーダスケール１１，３１とエンコーダヘッド１０，３０との設置状態が適正でないとして警告を出力することもできる。

以上の構成によれば、エンコーダ信号の特徴をより正確に検出することができ、ひいては、エンコーダをより最適な条件で使用することが可能となる。

なお、第１、２実施形態の一部を第３実施形態で置き換えた場合、これまで記載してきた同様の構成が成り立つと伴に、効果も同様である。

（第４実施形態）
本発明の第４実施形態は、エンコーダ信号が複数（ここでは２相）であった場合に、これら複数のエンコーダ信号を用いてエンコーダ信号の振幅を演算により求めることに関する。例えば図８に示すような９０度位相差の２相正弦波状のエンコーダ信号を利用した場合、エンコーダ信号をＡ／Ｄ変換するたびに、

で表現される円の半径ｒを求める式を利用してエンコーダ信号の振幅２×ｒを求める。ここで、ａ、ｂは２相のエンコーダ信号の各出力を示しており、Ｖｒｅｆはエンコーダ信号の基準値（中心値）を示している。

このようにすることにより、エンコーダ信号の振幅は、スケールとエンコーダヘッドとの位置関係がエンコーダ信号の１周期のどのような位置にあろうとも、常にエンコーダ信号の振幅を検出することができる。

その結果、エンコーダ信号が１周期内で振幅が変化した場合や、スケールとエンコーダヘッドとの関係が一方向でなく、一時的に停止した状態に陥ったり、バックラッシュなどにより進行方向が一時的に逆転した場合などにおいても、常に正しい振幅を検出することが可能になる。ひいては、スケール１１とエンコーダヘッド１０との相対変化が必要な全域において正確な最も大きな振幅と最も小さな振幅とを検出することが可能になる。

以下に、上記した実施形態と従来の構成とを比較して述べる。従来、光源の輝度をモニター用受光素子で常に検出し、光源に印加する電流を自動調整する構成のエンコーダや、エンコーダが出力するエンコーダ信号をエンコーダが動作中常に検出しておき、エンコーダ出力信号が所定の振幅となるように光源に印加する電流を自動調整する構成のエンコーダ等が知られている。

しかし前者の場合、光源の劣化やスケールの汚れや傷による低下したと判断して輝度が低下したとして光源に印加する電流を増加させてしまった場合、直流成分が増加してしまい肝心なエンコーダ信号の振幅がなくなってしまうことがあり問題となる。また、後者の場合、光源に印加する電流をエンコーダ信号の振幅が一定となるように自動電流印加量調整回路を設けることになるので、振幅を一定に保つことができる。しかし、信号処理回路のレンジぎりぎりで動作した場合、エンコーダ信号が歪む不安は残る。また、自動電流印加量調整回路を設けるため回路が大規模となる。自動調整回路では、スケールが外れた場合の電流印加が最大となるので、これに対する対応も必要となる。さらに印加電流と輝度との関係が数倍の差があるような光源において、エンコーダ信号が一定の振幅となるように動作させる場合、光源には利用することができる温度範囲が決まっておりこの範囲で電流印加を止めるには、温度監視をするか、光源の選別によるコスト増加といったマイナス面が存在する。さらに、光学式エンコーダは、外来の光が入射することも考えられ、自働電流印加調整回路の場合、回路が不安定な状態に陥ることも考えられるため、使用者がこれらの対策を迫られることもある。

これに対して、本願発明によれば、上記した従来の構成では到底期待できない効果として、「例えば光透過性樹脂の中に光源と受光素子と光源駆動手段、信号処理回路などエンコーダを動作させるのに必要な最低限の回路を搭載したＩＣなどを実装した小型エンコーダを構成しようとしたときに、低コスト、低電源電圧、高分解能可能なエンコーダを実現できる」という効果が得られる。

図１は、本発明の第１実施形態に係るエンコーダの構成を示す図である。図２は、本発明の一実施形態に係る印加電流切り替え手順の一例を説明するためのフローチャートである。図３は、エンコーダヘッド１０から出力されて信号検出手段１４に入力される１相分のエンコーダ信号の一例を示す図である。図４は、エンコーダ信号の異常を検出するための構成を示す図である。図５は、エンコーダ信号の異常を検出するための手順を説明するための図である。図６は、本発明の第２実施形態に係るエンコーダの構成を示す図である。図７は、本発明の第３実施形態を説明するための図である。図８は、本発明の第４実施形態を説明するための図である。従来のエンコーダの構成例を示す図である。

符号の説明

１１スケール
１２受光素子
１３信号処理回路
１４信号検出手段
１５信号判定手段
１６印加電流切り替え機能付き駆動手段（切り替え手段）
１７光源

Claims

エンコーダスケールとエンコーダヘッドとの相対的変位を検出するエンコーダにおいて、
前記エンコーダヘッドには、光源と、前記光源からの光を前記エンコーダスケールを介して受光する受光素子と、該受光素子からの電気信号に対して信号処理を行う信号処理部とが搭載され、
前記エンコーダは、
設定にしたがって選択的に起動されるものであり、起動されたときに前記エンコーダヘッドから出力される１つまたは複数の電気信号をエンコーダ信号として検出する信号検出手段と、
設定にしたがって選択的に起動されるものであり、起動されたときに前記信号検出手段により検出されたエンコーダ信号の波形を判定する信号判定手段と、
前記信号判定手段による判定結果に基づいて、前記光源に印加する電流を複数段階で切り替える切り替え手段と、
を具備することを特徴とするエンコーダ。
前記信号検出手段は、前記エンコーダスケールと前記エンコーダヘッドとが必要な全域について相対変位されたときに出力されるエンコーダ信号を検出するものであり、前記信号判定手段は、前記検出されたエンコーダ信号の波形を判定することを特徴とする請求項１に記載のエンコーダ。
前記信号検出手段は、前記エンコーダスケールと前記エンコーダヘッドとが必要な全域について相対変位された後、当該全域の一部について相対変位されたときに出力されるエンコーダ信号を検出するものであり、前記信号判定手段は、前記検出されたエンコーダ信号の波形を判定することを特徴とする請求項２に記載のエンコーダ。
前記信号検出手段は、前記エンコーダヘッドからのエンコーダ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータと、前記デジタル信号を検出する制御手段とを含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載のエンコーダ。
前記制御手段は、前記エンコーダスケールと前記エンコーダヘッドとが必要な全域について相対変位されたときに出力されるエンコーダ信号を１周期ごとに観測して、最も大きな振幅と最も小さな振幅の少なくともどちらか一方を検出することを特徴とする請求項４に記載のエンコーダ。
前記制御手段は、前記エンコーダスケールと前記エンコーダヘッドとが必要な全域について相対変位されたときに出力されるエンコーダ信号の１周期ごとの最大振幅値の内で最も小さな値と、同エンコーダ信号の１周期ごとの最小振幅値のうちで最も大きな値とを検出する第１の手段と、前記エンコーダ信号の１周期ごとの最大振幅値の内で最も大きな値と、同エンコーダ信号の１周期ごとの最小振幅値のうちで最も小さな値とを検出する第２の手段の少なくとも１つの手段で構成されていることを特徴とする請求項４に記載のエンコーダ。
前記制御手段は、前記エンコーダスケールと前記エンコーダヘッドとが必要な全域について相対変位されたときに出力される複数のエンコーダ信号から、円の半径を求める式を用いて前記エンコーダ信号の振幅を計算することを特徴とする請求項４に記載のエンコーダ。
前記信号検出手段は、前記エンコーダ信号の周期数を検出する周期数検出手段を含み、前記信号判定手段は、検出された周期数と、前記エンコーダヘッドからのエンコーダ信号をデジタル化した信号の計数値とを比較する比較手段を含むことを特徴とする請求項１に記載のエンコーダ。
前記信号判定手段は、前記エンコーダスケールと前記エンコーダヘッドとが必要な全域について相対変位されたときに前記信号検出手段により検出されたエンコーダ信号の１周期ごとの振幅において、最も大きな振幅と最も小さな振幅との差が所定の値以上であるときに異常を示す出力を行う異常発生出力手段を有することを特徴とする請求項２に記載のエンコーダ。
前記信号検出手段は、前記エンコーダスケールと前記エンコーダヘッドとが必要な全域について相対変位されたときに出力されるエンコーダ信号の１周期ごとの最大振幅値の内で最も小さな値と、同エンコーダ信号の１周期ごとの最小振幅値のうちで最も大きな値とを検出する第１の検出手段と、前記エンコーダ信号の１周期ごとの最大振幅値の内で最も大きな値と、同略エンコーダ信号の１周期ごとの最小振幅値のうちで最も小さな値とを検出する第２の検出手段と、を具備し、前記信号判定手段は、前記第１の検出手段での最も小さな値と最も大きな値の差を第１の差、前記第２の検出手段での最も小さな値と最も大きな値の差を第２の差としたときに、前記第１の差と前記第２の差の差を算出し、この差が所定値以上であるときに異常を示す出力を行う異常発生出力手段を有することを特徴とする請求項２に記載のエンコーダ。
前記信号検出手段は、前記エンコーダスケールと前記エンコーダヘッドとが必要な全域について相対変位されたときに出力される複数のエンコーダ信号から、円の半径を求める式を用いて前記エンコーダ信号の振幅を計算することを特徴とする請求項２に記載のエンコーダ。