JP5693502B2 - 光学式エンコーダ - Google Patents

Description

本発明は、光学式スケール上のパターンを光学的に検出することによって、光学式スケールの変位量を計測する光学式エンコーダに関する。

光学式エンコーダは、サーボシステムなどにおいて、モータなどの物体の回転運動や並進運動を光学的に検出して、位置や速度を求めるために用いられる。一般的な光学式エンコーダは、発光部と、受光部と、受光部にて検出した信号から角度を演算するための演算部と、信号トラックが形成された回転円板から構成されている。信号トラックには透過光量が変調されるようパターンが形成されており、例えば、正弦波信号が得られるように形成されている。さらに、正弦波信号と比べて位相が９０°シフトした余弦波信号を同時に取得し、演算部にて逆正接演算することによって回転角度を検出する。

さらに、１回転内の絶対角度を検出する技術として、回転円板の１回転で１周期を有する正弦波信号及び余弦波信号、ならびに回転円板の１回転で複数周期を有する少なくとも１つ以上の正弦波信号とを用いる方法が知られている。１回転１周期で変動する信号を、信号周期の短い１回転複数周期の信号を用いて内挿することで、高精度、高分解能に絶対角度を検出することができる。

上記光学式エンコーダにおける問題点について図１３を用いて説明する。上記光学式エンコーダの受光部にて検出される１回転１周期の正弦波信号及び余弦波信号は、それぞれａ＋ｂ・ｓｉｎθ及びａ＋ｂ・ｃｏｓθと表される。ここで各信号のＡＣ（交流）成分の振幅をｂ、ＤＣ（直流）成分をａとする。上記エンコーダにて検出される回転角度θは、式（１）に示すように、正弦波と余弦波の逆正接演算によって演算できる。

ここで、上記受光部にて検出される正弦波信号ａ＋ｂ・ｓｉｎθと余弦波信号ａ＋ｂ・ｃｏｓθには、発光部光量に依存したＤＣ成分ａが含まれるため、逆正接演算の前に正弦波信号および余弦波信号からＤＣ成分ａを減算する必要がある。計測開始前に回転円板を１回転させて、正弦波信号又は余弦波信号を３６０°分測定できれば、ＤＣ成分ａを抽出することができる、

しかしながら、エンコーダの電源投入後に直ちに計測を開始するためには、回転円板を１回転させることなく、逆正接演算の前にＤＣ成分ａの減算処理を行う必要がある。そのため演算部では、信号のＤＣ成分が０レベルとなるように、例えば、較正作業の段階で予め測定しておいた信号のＤＣ成分を用いることによって補正が可能である。

ところが、上記光学式エンコーダの動作環境が較正作業時と比べて変化した場合、例えば、環境温度が上昇するにつれて発光部の光量が減少することがある。発光部の光量が１／Ｍに減少した場合、正弦波信号のＡＣ成分とＤＣ成分も減少し、（ａ＋ｂ・ｓｉｎθ）／Ｍ（１＜Ｍ）となる。そのため、較正作業での室温時と同様の信号ＤＣ成分の補正値ａを用いて、高温時の信号のＤＣ成分を補正した場合、ＤＣ成分を完全にキャンセルすることができない。その結果、高温時の逆正接演算の結果は、式（２）に示すように、真の回転角度θに対して角度誤差εが付加される。

１回転１周期信号の角度誤差εが増大すると、１回転複数周期トラックへの内挿時に、誤った回転角度を内挿する「トラック飛び」という問題が生じる。そのため、エンコーダの環境温度が変動したとしても、常に信号ＤＣ成分を０レベルに補正することが必要である。

この問題を解決する方法として、正弦波信号ａ＋ｂ・ｓｉｎθに対して、位相が１８０°シフトした第２の正弦波信号ａ−ｂ・ｓｉｎθを取得し、式（３）に示すように、両者の差分を演算することによって、ＤＣ成分を補正する方法が知られている。この補正方法では、温度変化時に信号ＤＣ成分が変化したとしても、０レベルに補正することが可能である。

しかしながら、１回転１周期の正弦波信号トラックにおいて、位相０°の信号および、位相が１８０°シフトした信号の両方を検出しようとする場合、図１４に示すように、２つの受光部４ａ，４ｂを回転円板３の回転中心に対して対称位置に設置する必要がある。そのため、受光部全体のサイズが大きくなるという問題がある。

温度変動時の信号ＤＣ成分を補正する他の方法が、例えば、特許文献１〜３で提案されている。

特許文献１では、回転位置検出用の受光素子とは別個に光源光量検出用の受光素子を設け、回転位置検出用の出力から光量検出用の出力を減算し、環境温度の変化による光源光量変動を補正している。

特許文献２では、回転位置に対する信号パターン透過光の温度変化を事前に補正テーブルに保存しておき、トラック全域に全反射によって入射光を遮光するＶ字突起を設けた全遮光トラックおよび入射光を透過する全透過トラックの両方を設置し、両者の出力を比較して、Ｖ字突起に入射した光の通過する割合を求める。その結果を用いて、補正テーブルから現在の温度と円板回転位置に対する補正値を算出し、信号トラックからの光量補正を行っている。

特許文献３では、インクリメンタルトラックから得られる信号のうち位相が０°、９０°、１８０°、２７０°である４つの信号の和を取ることで、信号ＤＣ成分を検出し、このＤＣ成分を利用して光源の光量を一定に制御している。

実開昭６０−２７３１５号公報 特開２００５−９８９３１号公報 特開２０１０−６６２７２号公報

光学式エンコーダの量産性向上とコストダウンのために、信号トラックの透過光量の変調を、図１５に示すようなＶ字突起の分布密度の変化によって実現する方法が知られている。

Ｖ字突起の傾斜面角度θ_ｖは、材料の屈折率ｎで決まる臨界角θ_ｃ＝ｓｉｎ^−１（１／ｎ）よりも大きい値に設定される。そのため、Ｖ字突起への入射光は、傾斜面で２回全反射して入射側に戻るようになり、結果としてＶ字突起は遮光機能を果たす。しかし、実際のＶ字突起は、成形加工時の転写なまりによって、先端に丸みが生じている。先端部の傾斜角度が臨界角よりも小さくなると、入射光を完全に遮光できず、図１６に示すように、先端部から漏れ光が生じる。こうした漏れ光量は、例えば、高温時に樹脂材料の膨張又は屈折率変化により増加する。その結果、図１７に示すように、Ｖ字突起の漏れ光量変化の影響は、Ｖ字突起の間隔が密に配置されて透過率が低くなった位置、つまり正弦波信号のボトム位置で大きくなり、一方、Ｖ字突起の間隔が粗に配置されて透過率が高くなった位置、つまり正弦波信号のピーク位置で少なくなる。そのため、正弦波信号のボトム部分が大きく押し上げられ、信号ＡＣ成分が減少し、ＤＣ成分が増加する。

従って、信号トラックとしてＶ字突起を用いた光学式エンコーダでは、高温時には、発光部の光量変化だけでなく、Ｖ字突起の漏れ光量変化により、信号ＤＣ成分およびＡＣ成分が変化することになる。信号ＤＣ成分が変化して、０レベルに補正できなかった場合、逆正接演算時に角度誤差が発生することになる。また、信号ＡＣ成分が減少した場合、角度検出時の分解能が低下することになる。

特許文献１の手法では、温度変化時の光源光量変化による信号ＤＣ成分変化は検出することができるが、Ｖ字突起の漏れ光量変化による信号ＤＣ成分変化を検出することができない。従って、補正後の正弦波信号にＤＣ成分が残留し、角度誤差が生じることになる。

また、特許文献２では、以下のような問題がある。Ｖ字突起の漏れ光量による信号ＤＣ成分の補正は可能であるが、その補正には、回転円板位置に対する信号出力の温度依存性を保存した補正テーブルを使用している。そのため、事前に各温度に対する信号出力を測定し、メモリに保存しておく必要があり、製造コストが高くなる。さらに、補正値の算出には全透過と全遮光の２トラックを使用するため、受光部や演算部がそれぞれ２つずつ必要であり、コストが増加することになる。

また、特許文献３では、信号ＤＣ成分を常に補正するためには、位相が０°、９０°、１８０°、２７０°である４つの信号を取得する必要がある。しかし、１回転１周期の正弦波信号トラックにおいて位相が互いに９０°シフトした４つの信号を得るためには、４つの受光部を回転円板の円周方向に９０°間隔で配置する必要があり、受光部全体のサイズが大きくなる。

本発明の目的は、低コストかつ小型な構成で、動作環境変化時の１回転１周期信号のＡＣ成分およびＤＣ成分を補正できる光学式エンコーダを提供することである。

上記目的を達成するために、本発明に係る光学式エンコーダは、光源を有する発光部と、
発光部からの光を集光する光学系と、
透過率が周期的に変化しているスケール部を有する回転円板と、
回転円板を透過した光を受光する受光部と、
受光部からの検出信号に基づいて、回転円板の回転角度を演算する演算部とを備え、
スケール部は、回転円板の１回転で１周期の正弦波信号を発生する第１トラックと、回転円板の１回転で１周期の余弦波信号を発生する第２トラックと、回転円板の１回転でｍ周期（ｍは２以上の整数）の正弦波信号を発生する第３トラックと、光源光量を監視するためのモニタトラックとを有し、第１、第２および第３トラックは、断面Ｖ字状の突起または溝からなる遮光部の分布密度の変化によって透過光量を変調する機能を有しており、
演算部は、モニタトラックからの検出信号を用いて得られる定常時の光源光量および環境変化時の光源光量から、動作環境の変化に起因した光源光量変化率Ｍを算出し、そして、該光源光量変化率Ｍおよび第３トラックからの検出信号を用いて、動作環境の変化に起因した遮光部の漏れ光量変化Ｖを算出することによって、検出信号のうち１回転１周期信号のＡＣ成分およびＤＣ成分を補正することを特徴とする。
また本発明に係る光学式エンコーダは、光源を有する発光部と、
発光部からの光を集光する光学系と、
透過率が周期的に変化しているスケール部を有する回転円板と、
回転円板を透過した光を受光する受光部と、
受光部からの検出信号に基づいて、回転円板の回転角度を演算する演算部とを備え、
スケール部は、回転円板の１回転で１周期の正弦波信号を発生する第１トラックと、回転円板の１回転で１周期の余弦波信号を発生する第２トラックと、回転円板の１回転でｍ周期（ｍは２以上の整数）の正弦波信号を発生する第３トラックとを有し、各トラックは、断面Ｖ字状の突起または溝からなる遮光部の分布密度の変化によって透過光量を変調する機能を有しており、
演算部は、定常時および環境変化時における第３トラックからの検出信号を用いて、動作環境の変化に起因した光源光量変化率Ｍおよび遮光部の漏れ光量変化Ｖを算出することによって、検出信号のうち１回転１周期信号のＡＣ成分およびＤＣ成分を補正することを特徴とする。

本発明によれば、計測開始前に回転円板を１回転させなくとも、任意の温度に対して電源投入直後から１回転１周期信号のＤＣ成分を０レベルに補正し、ＡＣ成分を室温時ＡＣ成分に補正することが可能となる。その結果、環境温度が変化しても、角度誤差の発生を抑制でき、検出分解能が低下せず、エンコーダの信頼性を向上させることができる。

本発明の実施の形態１を示す斜視図である。 各信号トラックに対応した出力信号の一例を示すグラフである。 Ｖ字突起のピッチ変調パターンと１回転１周期正弦波信号との関係を示す説明図である。 各受光部の配置と１回転ｍ周期信号との関係を示す説明図である。 １回転１周期正弦波信号において、位相０°信号、位相９０°信号、位相１８０°信号および位相２７０°信号を得るのに必要な受光部の配置を示す。 モニタ信号を用いて１回転１周期信号のＤＣ成分をキャンセルする手法の説明図である。 １回転１周期信号および１回転ｍ周期信号の逆正接演算結果を用いた内挿分割の手法の説明図である。 環境温度変化に伴う信号波形変化についての説明図である。 実施の形態１における１回転１周期信号のＤＣ成分とＡＣ成分の補正方法を示したフローチャートである。 信号トラックをＶ字溝で形成した構造の一例を示す断面図である。 本発明の実施の形態２を示す斜視図である。 実施の形態２における１回転１周期信号のＤＣ成分とＡＣ成分の補正方法を示したフローチャートである。 環境温度変化に起因したＤＣ成分の補正誤差についての説明図である。 １回転１周期正弦波信号において、位相０°信号および位相１８０°信号を得るのに必要な受光部の配置を示す。 Ｖ字突起構造の一例を示す断面図である。 Ｖ字突起の先端漏れ光を示す断面図である。 先端漏れ光に起因した正弦波信号の変動を示す説明図である。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１を示す斜視図である。光学式エンコーダ５０は、発光部１と、レンズ２と、回転円板３と、受光部４と、演算部５などで構成される。

発光部１は、例えば、ＬＥＤ（発光ダイオード）又はＬＤ（レーザダイオード）などの光源を備え、回転円板３に向けて光を放射する。レンズ２は、発光部１からの光を集光し、例えば、平行光を回転円板３に入射させる。受光部４は、例えば、フォトダイオードなどの受光素子を備え、回転円板３を透過した光を受光して電気信号に変換する。演算部５は、例えば、マイクロプロセッサなどを備え、受光部４からの検出信号に基づいて、回転円板３の回転角度を演算する機能を有する。

回転円板３は、モータ軸６に連結されて回転可能に支持された透明な円形基板と、該基板上に形成され、透過率が周期的に変化し、角変位量に応じて透過光量が変調されるパターンを有するスケール部を備える。スケール部は、回転円板の１回転で１周期の正弦波信号を発生する正弦波信号トラック３ａと、回転円板の１回転で１周期の余弦波信号を発生する余弦波信号トラック３ｂと、回転円板の１回転でｍ周期（ｍは２以上の整数）の正弦波信号を発生する正弦波信号トラック３ｃとを有する。受光部４には、図４に示すように、信号トラック３ａ〜３ｃに対応して１回転１周期正弦波用受光部４１、１回転１周期余弦波用受光部４２、１回転ｍ周期用受光部４３が配置される。

回転円板３の任意の絶対回転角をθ_１として、信号トラック３ａには、受光部４が正弦波信号ａ_１＋ｂ_１・ｓｉｎθ_１を出力するような変調パターンが形成される。信号トラック３ｂには、受光部４が余弦波信号ａ_１＋ｂ_１・ｃｏｓθ_１を出力するような変調パターンが形成される。信号トラック３ｃには、受光部４が正弦波信号ａ_２＋ｂ_２・ｓｉｎθ_２（θ_２＝ｍθ_１、ｍは整数）を出力するような変調パターンが形成される。信号トラック３ａ〜３ｃに対応した出力信号の一例を図２に示す。

スケール部には、発光部１の光量を常に監視するためのモニタトラック３ｄがさらに設けられ、例えば、全周に渡って一定の透過率を示すように、変調パターン無しのリングパターンとして形成される。受光部４には、図４に示すように、このモニタトラック３ｄに対応してモニタ用受光部４４が配置される。

信号トラック３ａ〜３ｃは、図１５に示したように、断面Ｖ字状の突起パターンまたは溝パターンからなる遮光部の分布密度の変化によって透過光量を変調する機能を有する。こうした変調パターンは、回転円板３の円周方向に沿って形成される。

上述したように、Ｖ字突起の傾斜面角度θ_ｖは、材料の屈折率ｎで決まる臨界角θ_ｃ＝ｓｉｎ^−１（１／ｎ）よりも大きい値に設定される。そのため、Ｖ字突起への入射光は、傾斜面で２回全反射して、全反射光８ａとなって入射側に戻るようになり、結果としてＶ字突起は遮光機能を果たす。また、Ｖ字突起以外の透過領域に入射した光は、透過光８ｂとなって透過する。そのためＶ字突起および透過領域のピッチとデューティ比を調整することにより、トラック透過光量の変調パターンを形成できる。例えば、１回転１周期正弦波信号が得られるようにＶ字突起のピッチ変調によって形成されたパターンの一例を図３に示す。ここで、ピッチとは、図１５に示す回転方向に対して交互に形成されたＶ字突起と透過領域の繰り返し周期Ｐである。デューティ比とは、繰り返し１周期ＰにおけるＶ字突起の割合のことであり、Ｖ字突起の幅をＷとすると、Ｗ／Ｐで表される。

上述したように、Ｖ字突起の傾斜部は理想的には直線であることが望ましいが、図１６に示したように、実際には成形加工時の転写なまりによって、先端部に丸みが発生する。突起先端の丸み部では、入射角が臨界角より小さくなっているため、全反射により光が折り返されず、一部透過して先端漏れ光８ｃが発生する。

次に、回転角度の検出原理について説明する。まず、信号トラック３ｃに関して、図４に示すように、１回転ｍ周期信号として位相０°の信号ａ_２＋ｂ_２・ｓｉｎθ_２、位相９０°の信号ａ_２＋ｂ_２・ｃｏｓθ_２、位相１８０°の信号ａ_２−ｂ_２・ｓｉｎθ_２、位相２７０°の信号ａ_２−ｂ_２・ｃｏｓθ_２が得られるように、位相０°用受光部４３ａ、位相９０°用受光部４３ｂ、位相１８０°用受光部４３ｃおよび位相２７０°用受光部４３ｄを配置している。得られた４つの信号は、式（４ａ）（４ｂ）に示すように、位相０°信号と位相１８０°信号の差分および、位相９０°信号と位相２７０°信号の差分を演算することによって、信号ＤＣ成分が０レベルに補正された信号が得られる。

得られた正弦波信号２ｂ_２・ｓｉｎθ_２および余弦波信号２ｂ_２・ｃｏｓθ_２を用いて逆正接演算を行うことによって、式（５）に示すように、角度出力θ_２が求まる。

次に、信号トラック３ａ，３ｂに関して、１回転１周期の正弦波信号と余弦波信号では、位相が０°、９０°、１８０°、２７０°である４つの信号を得るためには、図５に示すように、４つの受光部４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｄを回転円板３の円周方向に９０°間隔で配置する必要があり、受光部全体のサイズが大きくなる。

そこで、図６に示すように、モニタトラック３ｄを利用して発光部１の光量を監視して得られるモニタ信号を、１回転１周期信号から減算することによって、ＤＣ成分を０レベルに補正することができる。そして、ＤＣ成分をキャンセルした１回転１周期の正弦波信号ｂ_１・ｓｉｎθ_１と余弦波信号ｂ_１・ｃｏｓθ_１を用いて逆正接演算を行うことによって、式（６）に示すように、回転円板３の絶対回転角θ_１が得られる。

続いて、１回転１周期信号の逆正接演算結果および１回転ｍ周期信号の逆正接演算結果を用いて、図７に示すように内挿分割することによって、１回転内の絶対角度を高精度に検出することが可能である。

次に、動作環境の変化に伴う信号波形変化について説明する。ここでは温度変化を例示するが、他の環境変化についても同様である。

図８は、１回転１周期の正弦波信号の室温時の信号波形に対する高温時の信号波形の変化を示す。室温時と比べて高温時には、発光部の光量低下により、受光部での受光光量が全体的に低下し、ａ_１＋ｂ_１・ｓｉｎθ_１が１／Ｍ倍され、（ａ_１＋ｂ_１・ｓｉｎθ_１）／Ｍとなる。

また、高温時には、Ｖ字突起の先端漏れ光量の変化によりＶ字突起の透過光量が増加する。Ｖ字突起の漏れ光量の変化の影響は、信号トラックの中でも特に遮光部（Ｖ字突起が密に配置された部分）での影響が大きいので、正弦波信号ではボトム部の光量変化が特に大きく、トップ部は光量がほとんど変化しない。つまり、ボトム部分が押し上げられて、信号ＡＣ成分が低下し、ＤＣ成分が増加する。

従って、温度上昇時の信号波形変化を要約すると、室温時の正弦波信号ａ_１＋ｂ_１・ｓｉｎθ_１は、高温時には発光部の光量変化により信号ＡＣ成分とＤＣ成分が１／Ｍ倍され（ａ_１＋ｂ_１・ｓｉｎθ_１）／Ｍとなり、信号ＡＣ成分とＤＣ成分が減少する。さらに、Ｖ字突起の漏れ光量変化により、正弦波信号のボトム部のみ増加し、ａ_１’＋ｂ_１’・ｓｉｎθ_１（ａ１’＞ａ１／Ｍ、ｂ１’＜ｂ１／Ｍ）となり、信号ＡＣ成分が減少し、信号ＤＣ成分が増加する。ここで、Ｖ字突起の漏れ光量変化に対する信号ＡＣ成分変化をＶとすると、信号ＤＣ成分変化はＶ／２となるので、高温時の信号ＡＣ成分とＤＣ成分は、式（７ａ）（７ｂ）のように表すことができる。

ここで、高温時の１回転１周期信号の角度検出における問題点について説明する。１回転１周期信号は、モニタトラック３ｄを利用したモニタ信号により信号ＤＣ成分を補正しているため、高温時にＶ字突起の漏れ光量変化が生じた場合、高温時信号出力ａ_１’＋ｂ_１’・ｓｉｎθ_１に対して高温時モニタ出力はａ_１／Ｍであり、その差を計算すると、式（８）のようになり、信号ＤＣ成分を０レベルに補正することができない。

その結果、逆正接演算時に角度誤差が発生し、１回転１周期信号に一定以上の角度誤差が発生すると、絶対角度検出の際に、１回転ｍ周期信号とのつなぎに誤差が生じ、誤った角度を検出してしまう問題が起こる。そのため、高温時にＶ字突起の漏れ光量変化が発生したとしても、１回転１周期信号のＤＣ成分を０レベルに補正することが必要である。また、角度検出の分解能は、信号ＡＣ成分によって決定され、ＡＣ成分が大きいほど高分解能となる。したがって、高温時に信号ＡＣ成分が小さくなると、分解能が低下してしまうため、温度上昇による信号ＡＣ成分低下を補正する必要がある。

次に、１回転１周期信号の信号ＤＣ成分とＡＣ成分を補正する方法について、図９のフローチャートを用いて説明する。

まず、ステップ１０１、１０２及び１０３では、室温時の動作について示している。ステップ１０１では、１回転１周期信号のＤＣ成分ａ_１及びＡＣ成分ｂ_１を検出し、演算部５に設けられたメモリに予め保存しておく。次に、ステップ１０２では、１回転ｍ周期信号のＡＣ成分ｂ_２を検出し、メモリに保存する。

その方法として、例えば、１回転ｍ周期信号として、位相０°信号ａ_２＋ｂ_２・ｓｉｎθ_２、位相９０°信号ａ_２＋ｂ_２・ｃｏｓθ_２、位相１８０°信号ａ_２−ｂ_２・ｓｉｎθ_２、位相２７０°信号ａ_２−ｂ_２・ｃｏｓθ_２を取得して、式（４ａ）（４ｂ）に示すように、位相０°信号と位相１８０°信号の差分および、位相９０°信号と位相２７０°信号の差分を演算することによって、２ｂ_２・ｓｉｎθ_２と２ｂ_２・ｃｏｓθ_２を取得する。次に、式（９）に示すように、演算部５は、これらの信号を二乗して合計することによって、１回転ｍ周期信号のＡＣ成分ｂ_２を算出できる。

ステップ１０３では、室温時のモニタ信号出力ｍ_１をメモリに保存する。

次に、高温時の動作について説明する。ステップ１１１に示すように、高温時１回転１周期信号Ｓを検出する（Ｓ＝ａ_１’＋ｂ_１’・ｓｉｎθ_１）。そして、ステップ１１２では、上記の方法により、高温時の１回転ｍ周期信号のＡＣ成分ｂ_２’を検出する。また、ステップ１１３に示すように、高温時のモニタ出力（ｍ_２＝ｍ_１／Ｍ）を検出する。

続いて、高温時１回転１周期信号の補正値の算出を行う。まず、ステップ１２０では温度変動による光源光量変化率Ｍを算出する。即ち、ステップ１０３及び１１３で検出した、室温時及び高温時モニタ信号出力ｍ_１とｍ_２を比較して、式（１０）に示すように、両者の比率を計算することによって、光源光量変化率Ｍを算出する。

次にステップ１３０に示すように、Ｖ字突起の漏れ光量変化による信号ＡＣ成分の変化Ｖを算出する。式（７ａ）と同様に、１回転ｍ周期信号のＡＣ成分変化は、式（１１ａ）のように表され、そして、式（１１ｂ）のように変形できる。

式（１１ｂ）に、ステップ１０２、１１２及び１２０にて検出したｂ_２、ｂ_２’及びＭを代入することにより、Ｖ字突起の漏れ光量変化による信号ＡＣ成分変化Ｖを得ることができる。

最後に、高温時１回転１周期信号の補正を行う。まず、ステップ１４０にて、ＤＣ成分を０レベルに補正する。式（７ｂ）にステップ１０１、１２０、１３０にて検出した室温時１周期信号ＤＣ成分ａ_１、光源光量変化率Ｍ、Ｖ字突起の漏れ光量変化による信号ＡＣ成分変化Ｖを代入すると、高温時１回転１周期信号のＤＣ成分ａ_１’を検出できる。続くステップ１４０では、ステップ１１１にて検出した高温時１回転１周期信号Ｓから、高温時ＤＣ成分ａ_１’を減算し、式（１２）に示すように、ＤＣ成分を０レベルに補正する。

次に、ステップ１５０にて、ＤＣレベルが補正された１回転１周期信号について、ＡＣ成分の補正を行う。高温時に対する室温時のＡＣ成分の比率は、式（７ａ）より、ｂ_１／（ｂ_１／Ｍ−Ｖ）であるので、高温時ＡＣ成分を室温時に補正するためには、式（１３）に示すように演算すればよい。

以上より、計測開始前に回転円板を１回転させなくとも、任意の温度に対して電源投入直後から１回転１周期信号のＤＣ成分を０レベルに補正し、ＡＣ成分を室温時ＡＣ成分に補正することが可能となる。その結果、エンコーダ環境温度が変化したとしても、角度誤差が発生することなく動作することができ、室温時と比べて検出分解能が低下せず、エンコーダの信頼性を向上させることができる。

なお、本実施形態では、信号トラックを形成する構造としてＶ字突起を用いた例を説明したが、図１０に示すようなＶ字溝７１を用いた場合でも同様の補正が可能である。

また、本実施形態では、高温時の補正方法について説明したが、当然、低温時の補正も可能である。

実施の形態２．
図１１は、本発明の実施の形態２を示す斜視図である。光学式エンコーダ５１は、上述した実施の形態１と同様な構成を有するが、スケール部において光源光量監視用のモニタトラックを省略している点で相違する。

実施の形態２における１回転１周期信号のＤＣ成分とＡＣ成分の補正方法について、図１２に示すフローチャートを用いて説明する。

まず、ステップ２０１及び２０２では、室温時の動作について示している。ステップ２０１では、１回転１周期信号のＤＣ成分ａ_１及びＡＣ成分ｂ_１を検出し、演算部５に設けられたメモリに予め保存しておく。次に、ステップ２０２では、１回転ｍ周期信号のＤＣ成分ａ_２及びＡＣ成分ｂ_２を検出し、メモリに保存する。

まず、信号ＡＣ成分ｂ_２を検出する方法として、１回転ｍ周期信号として、位相０°信号ａ_２＋ｂ_２・ｓｉｎθ_２、位相９０°信号ａ_２＋ｂ_２・ｃｏｓθ_２、位相１８０°信号ａ_２−ｂ_２・ｓｉｎθ_２、位相２７０°信号ａ_２−ｂ_２・ｃｏｓθ_２を取得して、式（４ａ）（４ｂ）に示したように、位相０°信号と位相１８０°信号の差分および、位相９０°信号と位相２７０°信号の差分を演算することによって、２ｂ_２・ｓｉｎθ_２と２ｂ_２・ｃｏｓθ_２を取得する。

次に、式（９）に示したように、演算部５は、これらの信号を二乗して合計することによって、１回転ｍ周期信号のＡＣ成分ｂ_２を算出できる。

次に、信号ＤＣ成分ａ_２を検出する方法として、位相０°信号ａ_２＋ｂ_２・ｓｉｎθ_２と位相１８０°信号ａ_２−ｂ_２・ｓｉｎθ_２を加算することによって、式（１４）に示すように信号ＤＣ成分ａ_２を算出できる。代替として、位相９０°信号ａ_２＋ｂ_２・ｃｏｓθ_２と位相２７０°信号ａ_２−ｂ_２・ｃｏｓθ_２の加算によって、信号ＤＣ成分ａ_２を算出してもよい。

次に、高温時の動作について説明する。ステップ２１１に示すように、高温時１回転１周期信号Ｓを検出する（Ｓ＝ａ_１’＋ｂ_１’・ｓｉｎθ_１）。そして、ステップ２１２では、上記の方法により、高温時の１回転ｍ周期信号のＤＣ成分ａ_２’及びＡＣ成分ｂ_２’を検出する。

続いて、高温時１回転１周期信号の補正値の算出を行う。まず、ステップ２２１では温度変動による光源光量変化率Ｍを算出する。式（７ａ）（７ｂ）と同様に、１回転周期信号の室温時と高温時の信号ＡＣ成分とＤＣ成分の関係は以下のように表される。

式（１５ａ）（１５ｂ）より、Ｖを消去すると、下記のように式（１６）が得られる。

こうしてステップ２０２及び２１２にて検出した室温時及び高温時の１回転ｍ周期信号のＡＣ成分とＤＣ成分から、光源光量変化率Ｍを算出することができる。次にステップ２２２では、Ｖ字突起の漏れ光量変化による信号ＡＣ成分変化Ｖを算出する。式（１５ａ）に式（１６）を代入し、Ｍを消去すると、下記のように式（１７）が得られる。

こうしてステップ２０２及び２１２にて検出した室温時及び高温時の１回転ｍ周期信号のＡＣ成分とＤＣ成分から、Ｖ字突起の漏れ光量変化による信号ＡＣ成分変化Ｖを得ることができる。

最後に、高温時１回転１周期信号の補正を行う。まず、ステップ２３０にて、ＤＣ成分を０レベルに補正する。式（１５ｂ）にステップ２０１、２２１、２２２にて検出した室温時１周期信号ＤＣ成分ａ_１、光源光量変化率Ｍ、Ｖ字突起の漏れ光量変化による信号ＡＣ成分変化Ｖを代入すると、高温時１回転１周期信号のＤＣ成分ａ_１’を検出できる。続くステップ２３０では、ステップ２１１にて検出した高温時１回転１周期信号Ｓから、高温時ＤＣ成分を減算し、式（１８）に示すように、ＤＣ成分を０レベルに補正する。

次に、ステップ２４０にて、ＤＣレベルが補正された１回転１周期信号について、ＡＣ成分の補正を行う。高温時に対する室温時のＡＣ成分の比率は、式（１５ａ）より、ｂ_１／（ｂ_１／Ｍ−Ｖ）であるので、高温時ＡＣ成分を室温時に補正するためには、式（１９）に示すように演算すればよい。

以上より、計測開始前に回転円板を１回転させなくとも、任意の温度に対して電源投入直後から１回転１周期信号のＤＣ成分を０レベルに補正し、ＡＣ成分を室温時ＡＣ成分に補正することが可能となる。その結果、エンコーダ環境温度が変化したとしても、角度誤差が発生することなく動作することができ、室温時と比べて検出分解能が低下せず、エンコーダの信頼性を向上させることができる。

また本実施形態では、スケール部にモニタトラックを設ける必要がなく、モニタトラック用の受光部を削減できるため、回転円板３を小型化でき、コスト低減が図られる。

１ 発光部、 ２ レンズ、 ３ 回転円板、 ３ａ １回転１周期正弦波トラック、
３ｂ １回転１周期余弦波トラック、 ３ｃ １回転ｍ周期トラック、
３ｄ モニタトラック、 ４ 受光部、 ５ 演算部、 ６ モータ軸、
７ Ｖ字突起、 ７１ Ｖ字溝、 ８ａ 全反射光、 ８ｂ 透過光、
８ｃ 先端漏れ光、 ５０，５１ 光学式エンコーダ

Claims (8)

1. 光源を有する発光部と、
   発光部からの光を集光する光学系と、
   透過率が周期的に変化しているスケール部を有する回転円板と、
   回転円板を透過した光を受光する受光部と、
   受光部からの検出信号に基づいて、回転円板の回転角度を演算する演算部とを備え、
   スケール部は、回転円板の１回転で１周期の正弦波信号を発生する第１トラックと、回転円板の１回転で１周期の余弦波信号を発生する第２トラックと、回転円板の１回転でｍ周期（ｍは２以上の整数）の正弦波信号を発生する第３トラックと、光源光量を監視するためのモニタトラックとを有し、第１、第２および第３トラックは、断面Ｖ字状の突起または溝からなる遮光部の分布密度の変化によって透過光量を変調する機能を有しており、
   演算部は、モニタトラックからの検出信号を用いて得られる定常時の光源光量および環境変化時の光源光量から、動作環境の変化に起因した光源光量変化率Ｍを算出し、そして、該光源光量変化率Ｍおよび第３トラックからの検出信号を用いて、動作環境の変化に起因した遮光部の漏れ光量変化Ｖを算出することによって、検出信号のうち１回転１周期信号のＡＣ成分およびＤＣ成分を補正することを特徴とする光学式エンコーダ。
2. 受光部は、第３トラックについて位相が互いに９０度ずつ異なる０°，９０°，１８０°，２７０°の信号を取得するように構成され、
   演算部は、０°信号と１８０°信号の差分から正弦波信号を、９０°信号と２７０°信号の差分から余弦波信号を計算し、得られた正弦波信号と余弦波信号の二乗和を計算することによって、１回転ｍ周期信号のＡＣ成分を演算することを特徴とする請求項１記載の光学式エンコーダ。
3. 演算部は、１回転ｍ周期の定常時のＡＣ成分、１回転ｍ周期の環境変化時のＡＣ成分、および前記光源光量変化率Ｍから、遮光部の環境変化時の漏れ光量変化Ｖを演算し、得られた環境変化時の光量変化率Ｍおよび漏れ光量変化Ｖから、１回転１周期信号の変化を補正することを特徴とする請求項１または２記載の光学式エンコーダ。
4. 光源を有する発光部と、
   発光部からの光を集光する光学系と、
   透過率が周期的に変化しているスケール部を有する回転円板と、
   回転円板を透過した光を受光する受光部と、
   受光部からの検出信号に基づいて、回転円板の回転角度を演算する演算部とを備え、
   スケール部は、回転円板の１回転で１周期の正弦波信号を発生する第１トラックと、回転円板の１回転で１周期の余弦波信号を発生する第２トラックと、回転円板の１回転でｍ周期（ｍは２以上の整数）の正弦波信号を発生する第３トラックとを有し、各トラックは、断面Ｖ字状の突起または溝からなる遮光部の分布密度の変化によって透過光量を変調する機能を有しており、
   演算部は、定常時および環境変化時における第３トラックからの検出信号を用いて、動作環境の変化に起因した光源光量変化率Ｍおよび遮光部の漏れ光量変化Ｖを算出することによって、検出信号のうち１回転１周期信号のＡＣ成分およびＤＣ成分を補正することを特徴とする光学式エンコーダ。
5. 受光部は、第３トラックについて位相が互いに９０度ずつ異なる０°，９０°，１８０°，２７０°の信号を取得するように構成され、
   演算部は、０°信号と１８０°信号の差分から正弦波信号を、９０°信号と２７０°信号の差分から余弦波信号を計算し、得られた正弦波信号と余弦波信号の二乗和を計算することによって、１回転ｍ周期信号のＡＣ成分を演算することを特徴とする請求項４記載の光学式エンコーダ。
6. 受光部は、第３トラックについて位相が互いに９０度ずつ異なる０°，９０°，１８０°，２７０°の信号を取得するように構成され、
   演算部は、０°信号と１８０°信号の和、または９０°信号と２７０°信号の和から、１回転ｍ周期信号のＤＣ成分を演算することを特徴とする請求項４または５記載の光学式エンコーダ。
7. 演算部は、１回転ｍ周期の定常時のＡＣ成分およびＤＣ成分、ならびに１回転ｍ周期の環境変化時のＡＣ成分およびＤＣ成分から、環境変化時の光量変化率Ｍを検出することを特徴とする請求項４〜６のいずれかに記載の光学式エンコーダ。
8. 演算部は、１回転ｍ周期の定常時のＡＣ成分およびＤＣ成分、ならびに１回転ｍ周期の環境変化時のＡＣ成分およびＤＣ成分から、遮光部の環境変化時の漏れ光量変化Ｖを演算することを特徴とする請求項４〜７のいずれかに記載の光学式エンコーダ。

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