JP5887064B2

JP5887064B2 - 光学式エンコーダ

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Publication number: JP5887064B2
Application number: JP2011089011A
Authority: JP
Inventors: 川床　修; 修川床; 小林　博和; 博和小林
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2010-04-28
Filing date: 2011-04-13
Publication date: 2016-03-16
Anticipated expiration: 2031-04-13
Also published as: CN102288202A; JP2011247879A; US20110266424A1; EP2383544A1

Description

本発明は、光学式エンコーダに関する。

従来、所定方向に沿って形成される格子状の目盛りを有するスケールと、スケールに光を出射する光源と、所定方向に沿って配列される複数の受光素子で構成され、スケールを介して受光される光に基づく信号を出力する受光素子アレイと、受光素子アレイから出力される信号に基づいて、スケールの位置を測定する測定手段とを備える光学式エンコーダが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に記載の光電式エンコーダ（光学式エンコーダ）は、アブソリュートエンコーダとして構成されている。この光電式エンコーダのスケールには、絶対位置を測定するためのアブソリュートパターン（目盛り）と、相対位置を測定するためのインクリメンタルパターン（目盛り）とが所定方向に沿って形成されている。なお、アブソリュートパターン、及びインクリメンタルパターンは、光源から出射される光を透過、または遮断して明暗を生成するパターンである。
また、光電式エンコーダは、アブソリュートパターン、及びインクリメンタルパターンに対応して配設される複数のフォトダイオードアレイ（受光素子アレイ）と、フォトダイオードアレイから出力される信号に基づいて、スケールの位置を測定する信号処理回路（測定手段）とを備えている。

ここで、特許文献１に記載の光電式エンコーダでは、例えば、アブソリュートパターンをＭ系列乱数のパターンとすることによって、スケールの絶対位置を測定している。
これに対して、特許文献２に記載のリニアエンコーダでは、上位トラック（アブソリュートパターン）を等間隔のパターンとすることによって、スケールの絶対位置を測定している。
以下、アブソリュートパターンを等間隔のパターンとすることによって、スケールの絶対位置を測定する光学式エンコーダについて説明する。

図４は、アブソリュートパターンを等間隔のパターンとした光学式エンコーダ１００を示す模式図である。なお、図４では、紙面上下方向の軸をＹ軸とし、Ｙ軸と直交する２軸をＸ，Ｚ軸としている。
光学式エンコーダ１００は、アブソリュートエンコーダとして構成され、図４に示すように、スケール１１０と、光源１２０と、光源１２０から出射される光を平行光とするレンズ１３０と、複数の受光素子アレイ１４１〜１４３、及び受光素子アレイ１４１〜１４３から出力される信号に基づいて、スケール１１０の位置を測定する測定手段１４４とで構成される基板１４０とを備える。

スケール１１０は、Ｘ軸方向に沿って形成され、スケール１１０の絶対位置を測定するためのアブソリュートパターン１１１，１１３と、アブソリュートパターン１１１，１１３の間にＸ軸方向に沿って形成され、スケール１１０の相対位置を測定するためのインクリメンタルパターン１１２とを有している。
なお、アブソリュートパターン１１１の明暗の周期は、アブソリュートパターン１１３の明暗の周期と比較して僅かに短く設定されている。また、インクリメンタルパターン１１２の明暗の周期は、アブソリュートパターン１１１，１１３の明暗の周期と比較して短く設定されている。

受光素子アレイ１４１，１４３は、光源１２０から出射され、アブソリュートパターン１１１，１１３を介して受光される光に基づく信号を出力するものである。また、受光素子アレイ１４２は、光源１２０から出射され、インクリメンタルパターン１１２を介して受光される光に基づく信号を出力するものである。

図５は、光学式エンコーダ１００の基板１４０を示す模式図である。
受光素子アレイ１４１〜１４３は、等間隔で配置された各受光素子を１つの組とした複数の組で構成されるとともに、各受光素子から出力される信号を組ごとに合成して出力するように構成されている。具体的に、例えば、受光素子アレイ１４１では、図５に示すように、４つおきに配置された複数の受光素子１４１Ａの出力を合成している。また、受光素子１４１Ｂ〜１４１Ｄの出力も受光素子１４１Ａと同様に合成している。
そして、受光素子１４１Ａ〜１４１Ｄの組から出力される信号は、増幅器１４５を介して測定手段１４４に入力される。すなわち、受光素子アレイ１４１は、等間隔で配置された各受光素子を１つの組とした４つの組で構成されている。

ここで、受光素子アレイ１４１における各組の周期Ｔ、すなわち受光素子１４１Ａから受光素子１４１Ｄまでを一周期とする周期Ｔは、アブソリュートパターン１１１における明暗の周期と同一となるように設定されている。したがって、受光素子アレイ１４１から出力される信号は、９０度の位相差を有する４相信号となる。
なお、他の受光素子アレイ１４２，１４３の構成も受光素子アレイ１４１と同様である。ここで、受光素子アレイ１４２における各組の周期は、インクリメンタルパターン１１２における明暗の周期と同一となるように設定され、受光素子アレイ１４３における各組の周期は、アブソリュートパターン１１３における明暗の周期と同一となるように設定されている。すなわち、受光素子アレイ１４２における各組の周期は、受光素子アレイ１４１，１４３における各組の周期と比較して短く設定されている。

測定手段１４４は、受光素子アレイ１４１〜１４３から出力される４相信号を２相信号に変換し、この２相信号に基づいて、アブソリュートパターン１１１，１１３、及びインクリメンタルパターン１１２に対応する位相信号をそれぞれ生成する。そして、測定手段１４４は、アブソリュートパターン１１１，１１３、及びインクリメンタルパターン１１２に対応する各位相信号に基づいて、特許文献２に記載のリニアエンコーダと同様にスケール１１０の位置を測定する。

特開２００９−１９８３１８号公報特開２０１０−２５８７９号公報

ところで、このような光学式エンコーダ１００では、例えば、ごみ等の異物がスケール１１０に付着したり、スケール１１０に破損が生じたりすることによって、受光素子アレイ１４１〜１４３に対して影Ｓを落とし、受光素子アレイ１４１〜１４３から出力される信号に異常が生じるという問題がある。そして、受光素子アレイ１４１〜１４３から出力される信号に異常が生じると、光学式エンコーダ１００は、適切な測定をすることができなくなるという問題がある。

なお、受光素子アレイ１４２における各組の周期は、受光素子アレイ１４１，１４３における各組の周期と比較して短く設定されているので、受光素子アレイ１４１，１４３から出力される信号には、特に異常が生じやすいという問題がある。これは、受光素子アレイにおける各組の周期が短くなるに従って、ごみ等の異物がスケール１１０に付着したり、スケール１１０に破損が生じたりすることによって、受光素子アレイ１４１〜１４３に落ちる影Ｓの影響が大きくなるからである。

本発明の目的は、受光素子アレイから出力される信号に異常が生じた場合であっても適切な測定をすることができる光学式エンコーダを提供することにある。

本発明の光学式エンコーダは、所定方向に沿って形成される格子状の目盛りを有するスケールと、前記スケールに光を出射する光源と、前記所定方向に沿って配列される複数の受光素子で構成され、前記スケールを介して受光される光に基づく信号を出力する受光素子アレイと、前記受光素子アレイから出力される信号に基づいて、前記スケールの位置を測定する測定手段とを備える光学式エンコーダであって、前記スケールは、前記目盛りとして、互いに平行な３つのパターンを有し、これらのパターンのうち、２つはアブソリュートパターンであり、１つはインクリメンタルパターンであり、２つの前記アブソリュートパターン及び前記インクリメンタルパターンは、前記光源から出射される光に等間隔で明暗を生成するパターンであり、一方の前記アブソリュートパターンにおける前記明暗の周期は、他方の前記アブソリュートパターンの前記明暗の周期に比べて短く、前記インクリメンタルパターンの前記明暗の周期は、２つの前記アブソリュートパターンの前記明暗の周期に比べて短く、前記受光素子アレイは、前記アブソリュートパターンのそれぞれに対応した第１受光素子アレイ、及び前記インクリメンタルパターンに対応した第２受光素子アレイを有し、前記第１受光素子アレイは、複数の領域に分割され、前記測定手段は、前記各領域から出力される信号に基づいて、前記各領域に異常が生じているか否かを判定する異常判定部と、前記第１受光素子アレイのうち前記異常判定部にて異常が生じていないと判定された前記各領域と、前記第２受光素子アレイと、から出力される信号に基づいて、前記スケールの位置を測定する位置測定部とを備えることを特徴とする。

このような構成によれば、位置測定部は、受光素子アレイの各領域のうち、異常判定部にて異常が生じていないと判定された各領域から出力される信号に基づいて、スケールの位置を測定するので、ごみ等の異物がスケールに付着したり、スケールに破損が生じたりすることによって、受光素子アレイから出力される信号に異常が生じた場合であっても適切な測定をすることができる。

本発明では、前記各領域の間には、隙間が設けられていることが好ましい。

ここで、ごみ等の異物がスケールに付着したり、スケールに破損が生じたりすることによって、受光素子アレイに対して落ちる影は、スケールの位置に応じて受光素子アレイに対して移動することになる。
本発明では、受光素子アレイの各領域の間には、隙間が設けられているので、受光素子アレイに対して落ちる影が隙間より小さいものであれば、各領域の間に跨って影が落ちることを防止することができる。したがって、本発明によれば、ごみ等の異物がスケールに付着したり、スケールに破損が生じたりすることによって、受光素子アレイから出力される信号に異常が生じた場合であっても更に適切な測定をすることができる。

本発明では、前記アブソリュートパターンは、前記光源から出射される光に等間隔で明暗を生成するパターンとされ、前記各領域は、等間隔で配置された前記各受光素子を１つの組とした複数の組で構成されるとともに、前記各受光素子から出力される信号を前記組ごとに合成して出力するように構成され、前記各組の周期は、前記アブソリュートパターンにて生成される明暗の周期と同一とされ、前記異常判定部は、前記各組から出力される信号を比較することで前記各領域に異常が生じているか否かを判定することが好ましい。

本発明では、スケールの目盛りは、光源から出射される光に等間隔で明暗を生成するパターンとされているので、スケールを介して受光素子アレイにて受光される光は、受光素子アレイの受光面で所定方向に沿って正弦波状に明暗を形成することになる。
ここで、受光素子アレイにおける各組の周期は、スケールの目盛りにて生成される明暗の周期と同一とされているので、受光素子アレイにおける各組から出力される信号に基づいて、受光素子アレイの受光面に形成される正弦波状の明暗を再現することができる。

また、本発明では、受光素子アレイにおける各組から出力される信号は、受光素子アレイの受光面に形成される正弦波状の明暗の同位相となる位置に配置された各受光素子にて受光される光に基づく信号を合成した信号となる。
したがって、異常判定部は、受光素子アレイにおける各組から出力される信号を比較することで各領域に異常が生じているか否かを容易に判定することができる。

本発明の一実施形態に係る光学式エンコーダを示す図。本発明の一実施形態に係る光学式エンコーダの基板を示す模式図。本発明の変形例における３相信号の場合において異常判定の方法を示す模式図。アブソリュートパターンを等間隔のパターンとした光学式エンコーダを示す模式図。光学式エンコーダの基板を示す模式図。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る光学式エンコーダ１を示す図である。なお、図１では、紙面上下方向の軸をＹ軸とし、Ｙ軸と直交する２軸をＸ，Ｚ軸としている。
光学式エンコーダ１は、アブソリュートエンコーダとして構成され、図１に示すように、Ｘ軸方向を長手方向とする矩形板状のスケール２と、スケール２に光を出射する光源３と、光源３から出射される光を平行光とするレンズ４と、光源３から出射され、レンズ４、及びスケール２を介した光の光路後段に配設される基板５とを備える。

スケール２は、透光性を有する材料で構成され、Ｘ軸方向に沿って形成される格子状の目盛りを有している。具体的に、スケール２は、絶対位置を測定するための目盛りとしてのアブソリュートパターン２１，２３と、アブソリュートパターン２１，２３の間に形成され、相対位置を測定するための目盛りとしてのインクリメンタルパターン２２とを有している。
なお、アブソリュートパターン２１，２３、及びインクリメンタルパターン２２は、光源３から出射される光を透過、または遮断して等間隔で明暗を生成するパターンである。また、アブソリュートパターン２１の明暗の周期は、アブソリュートパターン２３の明暗の周期と比較して僅かに短く設定されている。また、インクリメンタルパターン２２の明暗の周期は、アブソリュートパターン２１，２３の明暗の周期と比較して短く設定されている。

図２は、光学式エンコーダ１の基板５を示す模式図である。
基板５は、図２に示すように、複数の受光素子アレイ５１〜５３と、受光素子アレイ５１〜５３から出力される信号に基づいて、スケール２の位置を測定する測定手段５４とを備える。
受光素子アレイ５１は、２つの領域５１１，５１２に分割され、領域５１１，５１２の間には、隙間が設けられている。また、受光素子アレイ５３は、受光素子アレイ５１と同様に２つの領域５３１，５３２に分割され、領域５３１，５３２の間には、隙間が設けられている。

領域５１１，５１２、受光素子アレイ５２、及び領域５３１，５３２は、等間隔で配置された各受光素子を１つの組とした複数の組で構成されるとともに、各受光素子から出力される信号を組ごとに合成して出力するように構成されている。具体的に、例えば、領域５１１では、４つおきに配置された２つの受光素子５１１Ａの出力を合成している。また、受光素子５１１Ｂ〜５１１Ｄの出力も受光素子５１１Ａと同様に合成している。
そして、受光素子５１１Ａ〜５１１Ｄの組から出力される信号は、オペアンプ等で構成される増幅器５５を介して測定手段５４に入力される。すなわち、領域５１１は、等間隔で配置された各受光素子を１つの組とした４つの組で構成されている。

ここで、領域５１１における各組の周期Ｔ、すなわち受光素子５１１Ａから受光素子５１１Ｄまでを一周期とする周期Ｔは、アブソリュートパターン２１における明暗の周期と同一となるように設定されている。したがって、領域５１１から出力される信号は、９０度の位相差を有する４相信号となる。
なお、他の受光素子アレイ５２、及び領域５１２，５３１，５３２の構成も領域５１１と同様である。ここで、領域５１２における各組の周期は、アブソリュートパターン２１における明暗の周期と同一となるように設定され、受光素子アレイ５２における各組の周期は、インクリメンタルパターン２２における明暗の周期と同一となるように設定され、領域５３１，５３２における各組の周期は、アブソリュートパターン２３における明暗の周期と同一となるように設定されている。

測定手段５４は、領域５１１，５１２，５３１，５３２から出力される信号に基づいて、領域５１１，５１２，５３１，５３２に異常が生じているか否かを判定する異常判定部５４１と、受光素子アレイ５１〜５３から出力される信号に基づいて、スケール２の位置を測定する位置測定部５４２とを備える。
異常判定部５４１は、領域５１１，５１２，５３１，５３２における各組から出力される信号を比較することで領域５１１，５１２，５３１，５３２に異常が生じているか否かを判定する。

ここで、アブソリュートパターン２１，２３は、光源３から出射される光に等間隔で明暗を生成するパターンとされているので、スケール２を介して受光素子アレイ５１，５３にて受光される光は、受光素子アレイ５１，５３の受光面で所定方向に沿って正弦波状に明暗を形成することになる。
また、領域５１１，５１２，５３１，５３２から出力される信号は、前述したように、９０度の位相差を有する４相信号となる。

したがって、例えば、受光素子５１１Ａ、及び受光素子５１１Ｃから出力される信号のように、１８０度の位相差を有する信号を加算すると０となる。
そこで、本実施形態では、異常判定部５４１は、領域５１１，５１２，５３１，５３２における各組から出力される４相信号のうち、１８０度の位相差を有する信号を加算して０とならない場合には、領域５１１，５１２，５３１，５３２に異常が生じていると判定する。

なお、信号の加算や、閾値との比較などを行う回路は、オペアンプや、コンパレータなどのハードウェアを用いて容易に構成することができる。また、異常判定部５４１は、領域５１１，５１２のいずれにも異常が生じていないと判定した場合には、領域５１１，５１２から出力される信号を合成して出力し、領域５３１，５３２のいずれにも異常が生じていないと判定した場合には、領域５３１，５３２から出力される信号を合成して出力する。

位置測定部５４２は、異常判定部５４１にて異常が生じていないと判定された領域５１１，５１２，５３１，５３２、及び受光素子アレイ５２から出力される４相信号を２相信号に変換し、この２相信号に基づいて、アブソリュートパターン２１，２３、及びインクリメンタルパターン２２に対応する位相信号をそれぞれ生成する。そして、位置測定部５４２は、アブソリュートパターン２１，２３、及びインクリメンタルパターン２２に対応する各位相信号に基づいて、特許文献２に記載のリニアエンコーダと同様にスケール２の位置を測定する。

このような本実施形態によれば以下の効果がある。
（１）位置測定部５４２は、受光素子アレイ５１，５３の領域５１１，５１２，５３１，５３２のうち、異常判定部５４１にて異常が生じていないと判定された領域５１１，５１２，５３１，５３２から出力される信号に基づいて、スケール２の位置を測定するので、ごみ等の異物がスケール２に付着したり、スケール２に破損が生じたりすることによって、受光素子アレイ５１，５３から出力される信号に異常が生じた場合であっても適切な測定をすることができる。

（２）受光素子アレイ５１，５３の領域５１１，５１２，５３１，５３２の間には、隙間が設けられているので、受光素子アレイ５１，５３に対して落ちる影Ｓが隙間より小さいものであれば、領域５１１，５１２，５３１，５３２の間に跨って影Ｓが落ちることを防止することができる。したがって、光学式エンコーダ１は、ごみ等の異物がスケール２に付着したり、スケール２に破損が生じたりすることによって、受光素子アレイ５１，５３から出力される信号に異常が生じた場合であっても更に適切な測定をすることができる。
（３）異常判定部５４１は、領域５１１，５１２，５３１，５３２における各組から出力される４相信号のうち、１８０度の位相差を有する信号を加算して０とならない場合には、領域５１１，５１２，５３１，５３２に異常が生じていると判定するので、領域５１１，５１２，５３１，５３２に異常が生じているか否かを容易に判定することができる。

〔実施形態の変形〕
なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、前記実施形態では、受光素子アレイ５２は、複数の領域に分割されていなかったが、複数の領域に分割してもよい。
前記実施形態では、領域５１１，５１２の間、及び領域５３１，５３２の間には、隙間が設けられていたが、隙間は設けられていなくてもよい。

前記実施形態では、異常判定部５４１は、領域５１１，５１２，５３１，５３２における各組から出力される４相信号のうち、１８０度の位相差を有する信号を加算して０とならない場合には、領域５１１，５１２，５３１，５３２に異常が生じていると判定していた。これに対して、異常判定部は、例えば、各領域における各組から出力される４相信号を全て加算することで異常が生じているか否かを判断してもよい。また、異常判定部は、例えば、各領域における各組から出力される４相信号を閾値とそれぞれ比較することで異常が生じているか否かを判断してもよい。要するに、異常判定部は、各領域における各組から出力される信号を比較することで各領域に異常が生じているか否かを判定すればよい。

前記実施形態では、領域５１１，５１２，５３１，５３２における各組から出力される４相信号から、各領域５１１，５１２，５３１，５３２の異常を判定していたが、これに限られない。例えば、各領域５１１，５１２，５３１，５３２において、２組または３組の信号、つまり、１８０度位相が異なる２相信号、あるいは、１２０度位相が異なる３相信号が出力されるように構成し、これらの２相信号あるいは３相信号から各領域５１１，５１２，５３１，５３２の異常を判定するようにしてもよい。
この場合、２相信号から異常を判定するには、前記実施形態と同様な方法によって行うことができる。また、３相信号から異常を判定するには、例えば、図３に示すように、１２０度位相が異なる信号を信号１，２，３とすると、異常判定部は、
信号１＝（信号２）／２＋（信号３）／２
が成り立つか否かによって異常を判定することができる。つまり、塵やスケール欠陥がなければ、上記式が成り立つから、この式が成り立つか否かによって異常を判定することができる。

前記実施形態では、受光素子アレイ５１〜５３における各組の周期は、スケール２の目盛りにおける明暗の周期と同一となるように設定されていたが、同一となるように設定されていなくてもよい。

前記実施形態では、アブソリュートパターン２１，２３、及びインクリメンタルパターン２２は、光源３から出射される光を透過、または遮断して等間隔で明暗を生成するパターンとされ、受光素子アレイ５１〜５３は、等間隔で配置された各受光素子を１つの組とした複数の組で構成されるとともに、各受光素子から出力される信号を組ごとに合成して出力するように構成されていたが、他の構成の光学式エンコーダに本発明を適用してもよい。なお、この場合には、異常判定部は、光学式エンコーダの構成に応じて異常を判定すればよい。要するに、異常判定部は、受光素子アレイの各領域から出力される信号に基づいて、各領域に異常が生じているか否かを判定すればよい。

前記実施形態では、光学式エンコーダ１は、アブソリュートエンコーダとして構成されていたが、インクリメンタルエンコーダに本発明を適用してもよい。また、前記実施形態では、光学式エンコーダ１は、リニアエンコーダとして構成されていたが、ロータリエンコーダに本発明を適用してもよい。
前記実施形態では、光学式エンコーダ１は、スケール２にて透過される光を受光素子アレイ５１〜５３にて受光するように構成されていた。これに対して、光学式エンコーダは、スケールにて反射される光を受光素子アレイにて受光するように構成されていてもよい。

本発明は、光学式エンコーダに好適に利用することができる。

１…光学式エンコーダ
２…スケール
３…光源
２１，２３…アブソリュートパターン（目盛り）
２２…インクリメンタルパターン（目盛り）
５１〜５３…受光素子アレイ
５１１，５１２，５３１，５３２…領域
５４１…異常判定部
５４２…位置測定部

Claims

所定方向に沿って形成される格子状の目盛りを有するスケールと、前記スケールに光を出射する光源と、前記所定方向に沿って配列される複数の受光素子で構成され、前記スケールを介して受光される光に基づく信号を出力する受光素子アレイと、前記受光素子アレイから出力される信号に基づいて、前記スケールの位置を測定する測定手段とを備える光学式エンコーダであって、
前記スケールは、前記目盛りとして、互いに平行な３つのパターンを有し、これらのパターンのうち、２つはアブソリュートパターンであり、１つはインクリメンタルパターンであり、
２つの前記アブソリュートパターン及び前記インクリメンタルパターンは、前記光源から出射される光に等間隔で明暗を生成するパターンであり、
一方の前記アブソリュートパターンにおける前記明暗の周期は、他方の前記アブソリュートパターンの前記明暗の周期に比べて短く、
前記インクリメンタルパターンの前記明暗の周期は、２つの前記アブソリュートパターンの前記明暗の周期に比べて短く、
前記受光素子アレイは、前記アブソリュートパターンのそれぞれに対応した第１受光素子アレイ、及び前記インクリメンタルパターンに対応した第２受光素子アレイを有し、
前記第１受光素子アレイは、複数の領域に分割され、
前記測定手段は、
前記各領域から出力される信号に基づいて、前記各領域に異常が生じているか否かを判定する異常判定部と、
前記第１受光素子アレイのうち前記異常判定部にて異常が生じていないと判定された前記各領域と、前記第２受光素子アレイと、から出力される信号に基づいて、前記スケールの位置を測定する位置測定部とを備える
ことを特徴とする光学式エンコーダ。
請求項１に記載の光学式エンコーダにおいて、
前記各領域の間には、隙間が設けられている
ことを特徴とする光学式エンコーダ。
請求項１又は請求項２に記載の光学式エンコーダにおいて、
前記アブソリュートパターンは、前記光源から出射される光に等間隔で明暗を生成するパターンとされ、
前記各領域は、等間隔で配置された前記各受光素子を１つの組とした複数の組で構成されるとともに、前記各受光素子から出力される信号を前記組ごとに合成して出力するように構成され、
前記各組の周期は、前記アブソリュートパターンにて生成される明暗の周期と同一とされ、
前記異常判定部は、前記各組から出力される信号を比較することで前記各領域に異常が生じているか否かを判定する
ことを特徴とする光学式エンコーダ。