JP7252809B2 - 光電式エンコーダおよび光電式エンコーダにおける演算方法 - Google Patents
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Description
本発明は、レンズアレイを備える光電式エンコーダおよび光電式エンコーダにおける演算方法に関する。
従来、測定方向に沿って設けられた周期的なスケールパターンを有するスケールと、スケールと対向して測定方向に沿って相対移動するヘッドと、スケールとヘッドとの相対移動に基づく信号を演算する演算手段と、を備える光電式エンコーダが知られている。ヘッドは、スケールに向かって光を照射する光源と、スケールを介した光源からの光を撮像する撮像手段と、スケールと撮像手段との間に配置されるレンズと、を備える。演算手段は、撮像手段にて撮像された光源からの光に基づいて、スケールとヘッドとの相対移動量を演算する。
図７は、従来の演算手段による正弦波信号の位相解析方法を示すグラフである。
演算手段は、図７（Ａ）に示すように、例えば、撮像手段の光を撮像できる領域である撮像領域Ｈにて撮像された光から正弦波信号を生成する。正弦波信号の１周期はΛで表す。演算手段は、生成された正弦波信号の位相解析をすることでスケールとヘッドとの相対移動量を演算している。この際、演算手段は、位相解析にフーリエ変換を用いることで高精度な解析をすることができる。
演算手段は、図７（Ａ）に示すように、例えば、撮像手段の光を撮像できる領域である撮像領域Ｈにて撮像された光から正弦波信号を生成する。正弦波信号の１周期はΛで表す。演算手段は、生成された正弦波信号の位相解析をすることでスケールとヘッドとの相対移動量を演算している。この際、演算手段は、位相解析にフーリエ変換を用いることで高精度な解析をすることができる。
ここで、光電式エンコーダのサイズは、レンズといった光学系の焦点距離に依存する。具体的には、光源からの光は、スケールとレンズを介して撮像手段に照射されるが、スケールを介した像（光）を鮮明に照射するためには、レンズによる焦点距離を調節する必要がある。撮像手段に照射された像の全体、すなわち撮像領域Ｈ全体が鮮明に結像されるように焦点を合わせるには、スケールとレンズの間およびレンズと撮像手段との間に、ある程度の距離を設ける必要がある。また、レンズの大きさは撮像領域Ｈに応じて大きく構成される。このため、光電式エンコーダは、レンズの大きさと焦点距離、撮像領域Ｈの大きさに伴って大型化してしまうことがある。
このような問題に対し、例えば特許文献１，２では、単一のレンズではなく複数の小径レンズを有するレンズアレイを用いている。レンズアレイの複数の小径レンズは、撮像領域が小さく、焦点距離も短いため、単一のレンズを用いる場合と比較して、光電式エンコーダの小型化を図ることができる。しかし、レンズアレイを用いた場合、複数の小径レンズ同士の境界は像を結像することができず、図７（Ｂ）に示すように、撮像手段に照射される像は、例えば第１撮像領域Ｈ１と第２撮像領域Ｈ２というように小径レンズ毎に分離した状態で結像される。
このような問題に対し、特許文献１の光学エンコーダ（光電式エンコーダ）は、図７（Ｂ）に示すように、光電式検出器（撮像手段）にて結像される像が同位相に重なるように各小径レンズの配置を考量し、レンズアレイの周期性を調整することで、光電式検出器に結像される像に分離が生じないようにしている。また、レンズアレイをプラスチック等で形成した場合、熱膨張などの温度変化により、各小径レンズの焦点距離といった特性がそれぞれに変化してしまうことがあるが、特許文献２の光電式エンコーダは、最小二乗法などを用いて各小径レンズの変化分を補正している。第１撮像領域Ｈ１と第２撮像領域Ｈ２というように分離した状態の正弦波信号において、最小二乗法を用いることでフーリエ変換を用いた場合と同様の精度で位相を解析することができる。
しかしながら、特許文献２の光電式エンコーダでは、計算上、高精度に位相を解析することができたとしても、マイコン等に実装すると不安定な行列演算が発生し、丸め誤差の影響などにより、大きな位相誤差を生じることがある。また、最小二乗法による位相の解析は、フーリエ変換と比較して、演算内容が非常に多いため、演算に時間を要するという問題がある。
本発明の目的は、複数の小径レンズを有するレンズアレイを用いたとしても、高精度にスケールとヘッドとの相対移動量を演算することができる光電式エンコーダを提供することである。
本発明の光電式エンコーダは、測定方向に沿って設けられた周期的なスケールパターンを有するスケールと、スケールと対向して測定方向に沿って相対移動するヘッドと、スケールとヘッドとの相対移動に基づく信号を演算する演算手段と、を備え、ヘッドは、スケールに向かって光を照射する光源と、スケールを介した光源からの光を撮像する撮像手段と、スケールと撮像手段との間に配置されるレンズアレイと、を備える光電式エンコーダであって、レンズアレイは、スケールパターンを介した像を撮像手段上に結像する第１レンズと、第１レンズに対して測定方向に沿って並設され、スケールパターンを介した像を撮像手段上に結像する第２レンズと、を備え、演算手段は、撮像手段にて撮像された第１レンズによる像と第２レンズによる像のそれぞれから正弦波信号を生成する信号生成部と、第１レンズによる像の正弦波信号から少なくとも１周期の正弦波信号を第１解析領域として抽出し、第２レンズによる像の正弦波信号から第１解析領域の周期の数と同じ数の周期の正弦波信号を第２解析領域として抽出する解析領域抽出部と、第１解析領域の一端から第２解析領域の一端までの距離である領域間距離に基づいて、第２解析領域の正弦波信号から第１解析領域の正弦波信号に重ねるように第１解析領域の一端まで正弦波信号を生成し、生成した第２解析領域の正弦波信号に基づく正弦波信号と第１解析領域の正弦波信号とを合成する信号合成部と、信号合成部にて合成された正弦波信号に基づいてスケールとヘッドとの相対移動量を算出する移動量算出部と、を備えることを特徴とする。
このような本発明によれば、演算手段は、信号合成部にて領域間距離に基づいて、第２解析領域の正弦波信号から第１解析領域の正弦波信号に重ねるように第１解析領域の一端まで正弦波信号を生成し、生成した第２解析領域の正弦波信号に基づく正弦波信号と第１解析領域の正弦波信号とを合成し、移動量算出部にて、信号合成部で合成された正弦波信号に基づいてスケールとヘッドとの相対移動量を算出するため、複雑な演算や補正をすることなく、複数の小径レンズである第１レンズと第２レンズとの境界において結像されない像による信号を補間することができる。したがって、光電式エンコーダは、複数の小径レンズを有するレンズアレイを用いたとしても、高精度にスケールとヘッドとの相対移動量を演算することができる。
この際、撮像手段は、測定方向に沿って配置ピッチｐにて並設される受光素子を備え、解析領域抽出部は、第１レンズによる像の正弦波信号および第２レンズによる像の正弦波信号から１周期Λが整数Ｑ倍となるように第１解析領域および第２解析領域を抽出し、受光素子は、１周期Λと配置ピッチｐとの双方で割り切れるように整数ｑ倍となるように並設されていることが好ましい。
このような構成によれば、解析領域抽出部は、第１解析領域および第２解析領域のそれぞれについて正弦波信号の１周期Λの整数Ｑ倍となるように抽出し、受光素子は、１周期Λと配置ピッチｐとの双方で割り切れるように整数ｑ倍となるように並設されているため、位相の解析において例えばフーリエ変換を用いることができる。したがって、光電式エンコーダは、レンズアレイを用いたとしてもフーリエ変換にて高精度に位相の解析をすることができる。
この際、信号合成部と移動量算出部は、第１解析領域の一端の点をｎ＝１とし、第１解析領域の他端の点をｎ＝ｍとし、第２解析領域の一端の点をｎ＝ｍ＋１とし、第２解析領域の他端の点をｎ＝Ｎとし、ｎ番目の点の信号強度をｙｎとし、第１解析領域および第２解析領域が含む１周期をΛとし、領域間距離をｄとし、受光素子の配置ピッチをｐとし、位相をΦとしたとき、下記の一実施形態の式（１）にて信号を合成しスケールとヘッドとの相対移動量を算出することが好ましい。
このような構成によれば、演算手段は、式（１）にてスケールとヘッドとの相対移動量を算出することができるため、容易に本発明をマイコン等に実装することができる。
本発明の光電式エンコーダにおける演算方法は、測定方向に沿って設けられた周期的なスケールパターンを有するスケールと、スケールと対向して測定方向に沿って相対移動するヘッドと、スケールとヘッドとの相対移動に基づく信号を演算する演算手段と、を備え、ヘッドは、スケールに向かって光を照射する光源と、スケールを介した光源からの光を撮像する撮像手段と、スケールと撮像手段との間に配置されるレンズアレイと、を備える光電式エンコーダにおける演算方法であって、レンズアレイは、スケールパターンを介した像を撮像手段上に結像する第１レンズと、第１レンズに対して測定方向に沿って並設され、スケールパターンを介した像を撮像手段上に結像する第２レンズと、を備え、演算手段は、撮像手段にて撮像された第１レンズによる像と第２レンズによる像のそれぞれから正弦波信号を生成する信号生成工程と、第１レンズによる像の正弦波信号から少なくとも１周期の正弦波信号を第１解析領域として抽出し、第２レンズによる像の正弦波信号から第１解析領域の周期の数と同じ数の周期の正弦波信号を第２解析領域として抽出する解析領域抽出工程と、第１解析領域の一端から第２解析領域の一端までの距離である領域間距離に基づいて、第２解析領域の正弦波信号から第１解析領域の正弦波信号に重ねるように第１解析領域の一端まで正弦波信号を生成し、生成した第２解析領域の正弦波信号に基づく正弦波信号と第１解析領域の正弦波信号とを合成する信号合成工程と、信号合成工程にて合成された正弦波信号に基づいてスケールとヘッドとの相対移動量を算出する移動量算出工程と、を備えることを特徴とする。
このような本発明によれば、演算手段は、信号合成工程にて領域間距離に基づいて、第２解析領域の正弦波信号から第１解析領域の正弦波信号に重ねるように第１解析領域の一端まで正弦波信号を生成し、生成した第２解析領域の正弦波信号に基づく正弦波信号と第１解析領域の正弦波信号とを合成し、移動量算出工程にて合成された正弦波信号に基づいてスケールとヘッドとの相対移動量を算出するため、複雑な演算や補正をすることなく、複数の小径レンズである第１レンズと第２レンズとの境界において結像されない像による信号を補間することができる。したがって、光電式エンコーダにおける演算方法は、光電式エンコーダに複数の小径レンズを有するレンズアレイを用いたとしても、高精度にスケールとヘッドとの相対移動量を演算することができる。
以下、本発明の一実施形態を図１から図４に基づいて説明する。各図において、スケール２の長手方向をＸ方向とし、短手方向をＹ方向とし、高さ方向をＺ方向として示し、以下では単にＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向として説明することがある。
図１は、本発明の一実施形態に係る光電式エンコーダ１を示す斜視図である。
図１に示すように、光電式エンコーダ１は、長尺状のスケール２と、スケール２と対向して測定方向であるＸ方向に沿って相対移動するヘッド３と、を備える。
光電式エンコーダ１は、図示しない測定器であるリニアスケールに用いられるリニアエンコーダである。光電式エンコーダ１は、リニアスケールの内部に設けられている。リニアスケールは、スケール２に対してヘッド３を測定方向であるＸ方向に沿って相対移動させることでスケール２に対するヘッド３の位置を検出し、検出結果を図示しない液晶ディスプレイといった表示手段などに出力する。
図１は、本発明の一実施形態に係る光電式エンコーダ１を示す斜視図である。
図１に示すように、光電式エンコーダ１は、長尺状のスケール２と、スケール２と対向して測定方向であるＸ方向に沿って相対移動するヘッド３と、を備える。
光電式エンコーダ１は、図示しない測定器であるリニアスケールに用いられるリニアエンコーダである。光電式エンコーダ１は、リニアスケールの内部に設けられている。リニアスケールは、スケール２に対してヘッド３を測定方向であるＸ方向に沿って相対移動させることでスケール２に対するヘッド３の位置を検出し、検出結果を図示しない液晶ディスプレイといった表示手段などに出力する。
ヘッド３は、スケール２に向かって光を照射する光源４と、複数の小径レンズを有するレンズアレイ５と、スケール２を介した光源４からの光を撮像する撮像手段６と、を備える。ヘッド３は、スケール２に対してＸ方向に進退可能に設けられている。光源４とレンズアレイ５と撮像手段６とは、一体でスケール２に対して相対移動するように構成されている。
スケール２は、例えばガラス等で形成され、一面には測定方向であるＸ方向に沿って設けられた周期的なスケールパターン２０が設けられている。
スケールパターン２０は反射型であり、光源４からの光を反射する反射部２１と光を反射しない非反射部２２とを有する。スケールパターン２０は、Ｘ方向に沿って反射部２１および非反射部２２を所定のピッチで交互に並設する、いわゆるインクリメンタルパターンである。撮像手段６が撮像するインクリメンタルパターンを介した光からは、インクリメンタル信号である正弦波信号が生成される。光電式エンコーダ１は、この正弦波信号を解析することでスケール２とヘッド３との相対移動量を算出する。
スケールパターン２０は反射型であり、光源４からの光を反射する反射部２１と光を反射しない非反射部２２とを有する。スケールパターン２０は、Ｘ方向に沿って反射部２１および非反射部２２を所定のピッチで交互に並設する、いわゆるインクリメンタルパターンである。撮像手段６が撮像するインクリメンタルパターンを介した光からは、インクリメンタル信号である正弦波信号が生成される。光電式エンコーダ１は、この正弦波信号を解析することでスケール２とヘッド３との相対移動量を算出する。
光源４は、例えばＬＥＤ（Light Emitting Diode）である。光源４は、スケール２に光を照射する適切な角度で設置されている。なお、光源４はＬＥＤに限らず、任意の光源を用いてもよい。
レンズアレイ５は、スケール２と撮像手段５との間に配置される。レンズアレイ５は、プラスチック等により形成されている。レンズアレイ５は、複数の小径レンズとして、スケールパターン２０を介した像を撮像手段６上に結像する第１レンズ５１と、第１レンズ５１に対して測定方向であるＸ方向に沿って並設され、スケールパターン２０を介した像を撮像手段６上に結像する第２レンズ５２と、を備える。なお、説明の都合上、レンズアレイ５の中央部に配置された２つの小径レンズを第１レンズ５１と第２レンズ５２としているが、Ｘ方向に沿って並設されていれば、どの小径レンズを第１レンズ５１と第２レンズ５２としてもよい。また、レンズアレイ５は、プラスチックではなくガラス等、透光性素材であればどのようなもので形成されていてもよい。
レンズアレイ５は、スケール２と撮像手段５との間に配置される。レンズアレイ５は、プラスチック等により形成されている。レンズアレイ５は、複数の小径レンズとして、スケールパターン２０を介した像を撮像手段６上に結像する第１レンズ５１と、第１レンズ５１に対して測定方向であるＸ方向に沿って並設され、スケールパターン２０を介した像を撮像手段６上に結像する第２レンズ５２と、を備える。なお、説明の都合上、レンズアレイ５の中央部に配置された２つの小径レンズを第１レンズ５１と第２レンズ５２としているが、Ｘ方向に沿って並設されていれば、どの小径レンズを第１レンズ５１と第２レンズ５２としてもよい。また、レンズアレイ５は、プラスチックではなくガラス等、透光性素材であればどのようなもので形成されていてもよい。
撮像手段６は、測定方向であるＸ方向に沿って配置ピッチｐにて並設される受光素子６１を備える。受光素子６１には、ＰＤＡ(Photo Diode Array)が用いられる。なお、撮像手段６はＰＤＡに限らず、ＰＳＤ（Position Sensitive Detector）やＣＣＤ（Charge-Coupled Device）等の任意の検出器を用いてもよい。
撮像手段６は、レンズアレイ５の＋Ｚ方向側（紙面上方側）にレンズアレイ５と重なるように向かい合わせて設置されている。すなわち、スケール２と撮像手段６とは、レンズアレイ５を挟んで互いに重なるように向い合せて設置されている。
撮像手段６は、レンズアレイ５の＋Ｚ方向側（紙面上方側）にレンズアレイ５と重なるように向かい合わせて設置されている。すなわち、スケール２と撮像手段６とは、レンズアレイ５を挟んで互いに重なるように向い合せて設置されている。
図２は、光電式エンコーダ１を示すブロック図である。
図２に示すように、光電式エンコーダ１は、スケール２とヘッド３との相対移動に基づく信号を演算する演算手段７をさらに備える。
演算手段７は、信号生成部７１と、解析領域抽出部７２と、信号合成部７３と、移動量算出部７４と、を有して構成される。演算手段７は、例えばマイコン等である。
図２に示すように、光電式エンコーダ１は、スケール２とヘッド３との相対移動に基づく信号を演算する演算手段７をさらに備える。
演算手段７は、信号生成部７１と、解析領域抽出部７２と、信号合成部７３と、移動量算出部７４と、を有して構成される。演算手段７は、例えばマイコン等である。
信号生成部７１は、撮像手段６にて撮像された第１レンズ５１による像と第２レンズ５２による像のそれぞれから正弦波信号を生成する。
解析領域抽出部７２は、第１レンズ５１による像の正弦波信号から少なくとも１周期の正弦波信号を第１解析領域として抽出し、第２レンズ５２による像の正弦波信号から第１解析領域の周期の数と同じ数の周期の正弦波信号を第２解析領域として抽出する。解析領域抽出部７２による具体的な解析領域の抽出方法は、図３から図５を用いて後述する。
解析領域抽出部７２は、第１レンズ５１による像の正弦波信号から少なくとも１周期の正弦波信号を第１解析領域として抽出し、第２レンズ５２による像の正弦波信号から第１解析領域の周期の数と同じ数の周期の正弦波信号を第２解析領域として抽出する。解析領域抽出部７２による具体的な解析領域の抽出方法は、図３から図５を用いて後述する。
信号合成部７３は、第１解析領域の一端から第２解析領域の一端までの距離である領域間距離に基づいて、第２解析領域の正弦波信号から第１解析領域の正弦波信号に重ねるように第１解析領域の一端まで正弦波信号を生成し、生成した第２解析領域の正弦波信号に基づく正弦波信号と第１解析領域の正弦波信号とを合成する。信号合成部７２による具体的な信号合成方法は、図３から図５を用いて後述する。
移動量算出部７４は、信号合成部７３にて合成された正弦波信号に基づいてスケール２とヘッド３との相対移動量を算出する。
移動量算出部７４は、信号合成部７３にて合成された正弦波信号に基づいてスケール２とヘッド３との相対移動量を算出する。
図３は、光電式エンコーダ１の演算手段７による相対移動量の算出方法を示すフローチャートであり、図４および図５は、光電式エンコーダ１の演算手段７による相対移動量の算出方法を示すグラフである。なお、図４と図５とは別れているが、グラフ（Ａ）から（Ｅ）は、演算手段７による相対移動量の算出方法における一連の流れを表すものである。
以下、図３から図５を用いて、光電式エンコーダ１における具体的な相対移動量の算出方法を説明する。
以下、図３から図５を用いて、光電式エンコーダ１における具体的な相対移動量の算出方法を説明する。
先ず、図３に示すように、撮像手段６における受光素子６１がスケール２を介した光源４からの光を撮像すると、信号生成部７１は、撮像手段６にて撮像された第１レンズ５１による像と第２レンズ５２による像のそれぞれから正弦波信号を生成する信号生成工程を実行する（ステップＳＴ０１）。
信号生成部７１による信号生成工程では、図４（Ａ）に示すように、第１レンズ５１の撮像可能範囲である第１撮像領域ｈ１にて撮像された像から正弦波信号を生成し、第２レンズ５２の撮像可能範囲である第２撮像領域ｈ２にて撮像された像から正弦波信号を生成する。
信号生成部７１による信号生成工程では、図４（Ａ）に示すように、第１レンズ５１の撮像可能範囲である第１撮像領域ｈ１にて撮像された像から正弦波信号を生成し、第２レンズ５２の撮像可能範囲である第２撮像領域ｈ２にて撮像された像から正弦波信号を生成する。
次に、図３と図４（Ａ）に示すように、解析領域抽出部７２は、第１レンズ５１の第１撮像領域ｈ１による像の正弦波信号から２周期分の正弦波信号を第１解析領域Ｈ１として抽出し、第２レンズ５２の第２撮像領域ｈ２による像の正弦波信号から第１解析領域Ｈ１の周期の数と同じ数の周期、すなわち２周期分の正弦波信号を第２解析領域Ｈ２として抽出する解析領域抽出工程を実行する（ステップＳＴ０２）。
解析領域抽出部７２は、第１レンズ５１の第１撮像領域ｈ１による像の正弦波信号および第２レンズ５２の第２撮像領域ｈ２による像の正弦波信号から１周期Λが整数Ｑ倍となるように第１解析領域Ｈ１（Ｈ１＝ΛＱ）および第２解析領域Ｈ２（Ｈ２＝ΛＱ）を抽出する。この際、第１解析領域Ｈ１＝第２解析領域Ｈ２＝ΛＱとの関係となっていることを要する。そして、受光素子６１は、１周期Λと配置ピッチｐとの双方で割り切れるように整数ｑ倍となるように並設されている。光電式エンコーダ１が、フーリエ変換を用いて位相を解析するためである。
続いて、信号合成部７３は、第１解析領域Ｈ１の一端（紙面左側）から第２解析領域Ｈ２の一端（紙面左側）までの距離である領域間距離ｄに基づいて、図４（Ｂ），（Ｃ）に示すように、第２解析領域Ｈ２の正弦波信号から第１解析領域Ｈ１の正弦波信号に重ねるように第１解析領域Ｈ１の一端まで破線にて図示する正弦波信号を生成し、図５（Ｄ）に示すように、生成した第２解析領域Ｈ２の正弦波信号に基づく破線の正弦波信号と第１解析領域Ｈ１の正弦波信号とを合成する信号合成工程を実行する（ステップＳＴ０３）。なお、図４（Ｂ）では、第２解析領域Ｈ２の正弦波信号に基づく破線の正弦波信号が生成される様子を説明するために、第１解析領域Ｈ１と第２解析領域Ｈ２との位置を紙面上下方向にズラして配置し記載しているが、実際は、図４（Ｃ）の状態にて破線の正弦波信号は生成されている。
そして、図３に示すように、移動量算出部７４は、信号合成部７３の信号合成工程にて合成された正弦波信号に基づいてスケール２とヘッド３との相対移動量を算出する移動量算出工程を実行する（ステップＳＴ０４）。
具体的には、図５（Ｄ）にて信号合成部７３が正弦波信号を合成すると、図５（Ｅ）に示すように、移動量算出部７４は、第２解析領域Ｈ２を、第１レンズ５１と第２レンズ５２とによる信号の分離分だけ、すなわち、第１解析領域Ｈ１の他端（紙面右側）と第２解析領域Ｈ２の一端とが接するまで正弦波信号に沿ってシフトし、第１解析領域Ｈ１と第２解析領域Ｈ２とを合成した解析領域Ｈ３内の正弦波信号に基づいてスケール２とヘッド３との相対移動量を算出する。
具体的には、図５（Ｄ）にて信号合成部７３が正弦波信号を合成すると、図５（Ｅ）に示すように、移動量算出部７４は、第２解析領域Ｈ２を、第１レンズ５１と第２レンズ５２とによる信号の分離分だけ、すなわち、第１解析領域Ｈ１の他端（紙面右側）と第２解析領域Ｈ２の一端とが接するまで正弦波信号に沿ってシフトし、第１解析領域Ｈ１と第２解析領域Ｈ２とを合成した解析領域Ｈ３内の正弦波信号に基づいてスケール２とヘッド３との相対移動量を算出する。
信号合成部７３と移動量算出部７４は、フーリエ変換である以下の式を用いて２つの正弦波信号を合成しスケール２とヘッド３との相対移動量を算出する。
具体的には、第１解析領域Ｈ１の一端の点をｎ＝１とし、第１解析領域Ｈ１の他端の点をｎ＝ｍとし、第２解析領域Ｈ２の一端の点をｎ＝ｍ＋１とし、第２解析領域Ｈ２の他端の点をｎ＝Ｎとし、ｎ番目の点の信号強度をｙｎとし、第１解析領域Ｈ１および第２解析領域Ｈ２が含む１周期をΛとし、領域間距離をｄとし、受光素子６１の配置ピッチをｐとし、位相をΦとしたとき、式（１）にて信号を合成しスケール２とヘッド３との相対移動量を算出する。
具体的には、第１解析領域Ｈ１の一端の点をｎ＝１とし、第１解析領域Ｈ１の他端の点をｎ＝ｍとし、第２解析領域Ｈ２の一端の点をｎ＝ｍ＋１とし、第２解析領域Ｈ２の他端の点をｎ＝Ｎとし、ｎ番目の点の信号強度をｙｎとし、第１解析領域Ｈ１および第２解析領域Ｈ２が含む１周期をΛとし、領域間距離をｄとし、受光素子６１の配置ピッチをｐとし、位相をΦとしたとき、式（１）にて信号を合成しスケール２とヘッド３との相対移動量を算出する。
このように第１レンズ５１と第２レンズ５２とにより演算手段７にて生成される正弦波信号が分離し、分離した正弦波信号が第１レンズ５１と第２レンズ５２とのそれぞれの特性により単に足し合わせただけでは位相を求めるための正弦波信号を得られない場合であったとしても、信号合成部７３により分離した２つの信号を合成して補正するとともに補間することができるため、高精度にスケール２とヘッド３との相対移動量を演算することができる。
このような本実施形態によれば、以下の作用・効果を奏することができる。
（１）演算手段７は、信号合成部７３にて領域間距離ｄに基づいて、第２解析領域Ｈ２の正弦波信号から第１解析領域Ｈ１の正弦波信号に重ねるように第１解析領域Ｈ１の一端まで正弦波信号を生成し、生成した第２解析領域Ｈ２の正弦波信号に基づく正弦波信号と第１解析領域Ｈ１の正弦波信号とを合成し、移動量算出部７４にて、信号合成部７３で合成された正弦波信号に基づいてスケール２とヘッド３との相対移動量を算出するため、複雑な演算や補正をすることなく、レンズアレイ５の複数の小径レンズである第１レンズ５１と第２レンズ５２との境界において結像されない像による信号を補間することができる。したがって、光電式エンコーダ１は、レンズアレイ５を用いたとしても、高精度にスケール２とヘッド３との相対移動量を演算することができる。
（１）演算手段７は、信号合成部７３にて領域間距離ｄに基づいて、第２解析領域Ｈ２の正弦波信号から第１解析領域Ｈ１の正弦波信号に重ねるように第１解析領域Ｈ１の一端まで正弦波信号を生成し、生成した第２解析領域Ｈ２の正弦波信号に基づく正弦波信号と第１解析領域Ｈ１の正弦波信号とを合成し、移動量算出部７４にて、信号合成部７３で合成された正弦波信号に基づいてスケール２とヘッド３との相対移動量を算出するため、複雑な演算や補正をすることなく、レンズアレイ５の複数の小径レンズである第１レンズ５１と第２レンズ５２との境界において結像されない像による信号を補間することができる。したがって、光電式エンコーダ１は、レンズアレイ５を用いたとしても、高精度にスケール２とヘッド３との相対移動量を演算することができる。
（２）解析領域抽出部７２は、第１解析領域Ｈ１および第２解析領域Ｈ２のそれぞれについて正弦波信号の１周期Λの整数Ｑ倍となるように抽出し、受光素子６１は、１周期Λと配置ピッチｐとの双方で割り切れるように整数ｑ倍となるように並設されているため、位相の解析においてフーリエ変換を用いることができる。したがって、光電式エンコーダ１は、レンズアレイ５を用いたとしてもフーリエ変換にて高精度に位相の解析をすることができる。
（３）演算手段７は、式（１）にてスケール２とヘッド３との相対移動量を算出することができるため、容易に本発明をマイコン等に実装することができる。
（３）演算手段７は、式（１）にてスケール２とヘッド３との相対移動量を算出することができるため、容易に本発明をマイコン等に実装することができる。
（４）演算手段７は、信号合成工程にて領域間距離ｄに基づいて、第２解析領域Ｈ２の正弦波信号から第１解析領域の正弦波信号Ｈ１に重ねるように第１解析領域の一端まで正弦波信号を生成し、生成した第２解析領域Ｈ２の正弦波信号に基づく正弦波信号と第１解析領域Ｈ１の正弦波信号とを合成し、移動量算出工程にて合成された正弦波信号に基づいてスケール２とヘッド３との相対移動量を算出するため、複雑な演算や補正をすることなく、第１レンズ５１と第２レンズ５２との境界において結像されない像による信号を補間することができる。したがって、光電式エンコーダ１における演算方法は、光電式エンコーダ１にレンズアレイ５を用いたとしても、高精度にスケール２とヘッド３との相対移動量を演算することができる。
〔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、光電式エンコーダ１は、測定器としてのリニアスケールに用いられていたが、ダイヤルゲージ（テストインジケータ）やマイクロメータ等の他の測定器に用いられていてもよい。すなわち、光電式エンコーダは、用いられる測定器の形式や方式などについて特に限定されるものではなく、その他の測定器などにおいても利用可能であり、本発明の光電式エンコーダを何に実装するかについては、特に限定されるものではない。また、光電式エンコーダは、センサ等の測定器以外のものに用いられていてもよい。
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、光電式エンコーダ１は、測定器としてのリニアスケールに用いられていたが、ダイヤルゲージ（テストインジケータ）やマイクロメータ等の他の測定器に用いられていてもよい。すなわち、光電式エンコーダは、用いられる測定器の形式や方式などについて特に限定されるものではなく、その他の測定器などにおいても利用可能であり、本発明の光電式エンコーダを何に実装するかについては、特に限定されるものではない。また、光電式エンコーダは、センサ等の測定器以外のものに用いられていてもよい。
前記実施形態では、光電式エンコーダ１はリニアエンコーダであったが、ロータリーエンコーダであってもよい。また、前記実施形態では、撮像手段６は受光素子６１を備えていたが、撮像手段は受光素子を備えていなくてもよく、スケールを介した光源からの光を撮像することができればどのような手段を用いてもよい。前記実施形態では、演算手段７はマイコン等であったが、マイコンでなくともよく、外部接続されたパソコン等であってもよく、演算手段が演算することができれば、どのようなもので構成されていてもよい。
前記実施形態では、解析領域抽出部７２は、第１レンズ５１の第１撮像領域ｈ１による像の正弦波信号から２周期分の正弦波信号を第１解析領域Ｈ１として抽出し、第２レンズ５２の第２撮像領域ｈ２による像の正弦波信号から同様に２周期分の正弦波信号を第２解析領域Ｈ２として抽出する解析領域抽出工程を実行していたが、解析領域抽出部は２周期分の正弦波信号を第１解析領域および第２解析領域としなくともよく、少なくとも１周期分の正弦波信号を第１解析領域および第２解析領域として抽出することができればよい。すなわち、解析領域抽出部は、第１レンズによる像の正弦波信号から少なくとも１周期の正弦波信号を第１解析領域として抽出し、第２レンズによる像の正弦波信号から第１解析領域の周期の数と同じ数の周期の正弦波信号を第２解析領域として抽出することができればよい。
前記実施形態では、図４および図５では、第１解析領域Ｈ１は紙面左側に図示され、第２解析領域Ｈ２は右側に図示されていたが、紙面左側を第２解析領域Ｈ２とし、紙面右側を第１解析領域Ｈ１としてもよい。また、信号合成部７３は、第１解析領域Ｈ１の一端（紙面左側）から第２解析領域Ｈ２の一端（紙面左側）までの距離である領域間距離ｄに基づいて、図４（Ｂ），（Ｃ）に示すように、第２解析領域Ｈ２の正弦波信号から第１解析領域Ｈ１の正弦波信号に重ねるように第１解析領域Ｈ１の一端まで破線にて図示する正弦波信号を生成していたが、第２解析領域の正弦波信号から第１解析領域の正弦波信号に重ねるように第１解析領域の一端まで正弦波信号を生成することができれば、紙面左右方向のどちらを一端としてもよい。
前記実施形態では、信号合成部７３と移動量算出部７４は、第１レンズ５１を介した第１解析領域Ｈ１の正弦波信号と第２レンズ５２を介した第２解析領域Ｈ２の正弦波信号との２つの正弦波信号について、式（１）を用いて合成しスケール２とヘッド３との相対移動量を算出していたが、例えば第２レンズ５２に対して測定方向であるＸ方向に沿って並設され、スケールパターンを介した像を撮像手段６上に結像する第３レンズをさらに備え、第３レンズを介した第３解析領域の正弦波信号を用いて３つの正弦波信号について合成しスケールとヘッドとの相対移動量を算出してもよい。この際、３つめの正弦波信号のために式（１）の第２項と同様の第３項を用いることを要し、領域間距離については第１解析領域Ｈ１の一端から第２解析領域Ｈ２の一端までの距離ではなく、第２解析領域Ｈ２の一端から第３解析領域の一端までの領域間距離ｄ' として演算することを要する。すなわち、信号合成部は、２つの正弦波信号に限らず、レンズアレイの有する複数の小径レンズの数に応じて発生する正弦波信号について信号を合成してもよい。
また、信号合成部７３と移動量算出部７４は、フーリエ変換である式（１）を用いて合成しスケール２とヘッド３との相対移動量を算出していたが、式（１）やその他のフーリエ変換を用いて演算しなくともよく、他の方法にて演算してもよい。すなわち、信号合成部は、第１解析領域の一端から第２解析領域の一端までの距離である領域間距離に基づいて、第２解析領域の正弦波信号から第１解析領域の正弦波信号に重ねるように第１解析領域の一端まで正弦波信号を生成し、生成した第２解析領域の正弦波信号に基づく正弦波信号と第１解析領域の正弦波信号とを合成することができればよく、移動量算出部は、信号合成部にて合成された正弦波信号に基づいてスケールとヘッドとの相対移動量を算出することができればよい。
図６は、変形例に係る光電式エンコーダを示す斜視図である。具体的には、図６（Ａ）は、第１変形例に係る光電式エンコーダ１Ａを示す斜視図であり、図６（Ｂ）は、第２変形例に係る光電式エンコーダ１Ｂを示す斜視図である。
前記実施形態では、光電式エンコーダ１におけるスケール２は、反射型のスケールパターン２０を有していた。
前記実施形態では、光電式エンコーダ１におけるスケール２は、反射型のスケールパターン２０を有していた。
第１変形例では、図６（Ａ）に示すように、光電式エンコーダ１Ａにおけるスケール２Ａは透過型のスケールパターン２０Ａを有している点で前記実施形態と異なる。スケールパターン２０は、光源４からの光を透過する透過部２１Ａと光を透過しない非透過部２２とを有し、光電式エンコーダ１Ａは、スケールパターンが反射型である場合と同様に、スケールパターン２０Ａを介した光により生じる正弦波信号を解析することでスケールとヘッドとの相対移動量を算出する。これにより、光電式エンコーダ１Ａは、透過型のスケールパターンを有する場合でも、レンズアレイ５を用いて小型化を図るとともに、高精度にスケール２Ａとヘッド３との相対移動量を演算することができる。
第２変形例では、図６（Ｂ）に示すように、光電式エンコーダ１Ｂは、光源４からの光を反射する反射手段１０をさらに備える点で第１変形例と異なる。反射手段１０は例えばミラーであるが、光源４からの光をスケール２Ａに向かって反射することができればどのようなものでもよい。これにより、光電式エンコーダ１Ｂは、光源４の位置を自由に設計することができるため、光電式エンコーダ１Ｂの設計の自由度を向上させることができる。
以上のように、本発明は、レンズアレイを備える光電式エンコーダおよび光電式エンコーダにおける演算方法に好適に利用できる。
１，１Ａ～１Ｂ 光電式エンコーダ
２，２Ａ スケール
２０ スケールパターン
３ ヘッド
４ 光源
５ レンズアレイ
５１ 第１レンズ
５２ 第２レンズ
６ 撮像手段
６１ 受光素子
７ 演算手段
７１ 信号生成部
７２ 解析領域抽出部
７３ 信号生成部
７４ 移動量算出部
２，２Ａ スケール
２０ スケールパターン
３ ヘッド
４ 光源
５ レンズアレイ
５１ 第１レンズ
５２ 第２レンズ
６ 撮像手段
６１ 受光素子
７ 演算手段
７１ 信号生成部
７２ 解析領域抽出部
７３ 信号生成部
７４ 移動量算出部
Claims (4)
- 測定方向に沿って設けられた周期的なスケールパターンを有するスケールと、前記スケールと対向して測定方向に沿って相対移動するヘッドと、前記スケールと前記ヘッドとの相対移動に基づく信号を演算する演算手段と、を備え、前記ヘッドは、前記スケールに向かって光を照射する光源と、前記スケールを介した前記光源からの光を撮像する撮像手段と、前記スケールと前記撮像手段との間に配置されるレンズアレイと、を備える光電式エンコーダであって、
前記レンズアレイは、
前記スケールパターンを介した像を前記撮像手段上に結像する第１レンズと、
前記第１レンズに対して測定方向に沿って並設され、前記スケールパターンを介した像を前記撮像手段上に結像する第２レンズと、を備え、
前記演算手段は、
前記撮像手段にて撮像された前記第１レンズによる像と前記第２レンズによる像のそれぞれから正弦波信号を生成する信号生成部と、
前記第１レンズによる像の正弦波信号から少なくとも１周期の正弦波信号を第１解析領域として抽出し、前記第２レンズによる像の正弦波信号から前記第１解析領域の周期の数と同じ数の周期の正弦波信号を第２解析領域として抽出する解析領域抽出部と、
前記第１解析領域の一端から前記第２解析領域の一端までの距離である領域間距離に基づいて、前記第２解析領域の正弦波信号から前記第１解析領域の正弦波信号に重ねるように前記第１解析領域の一端まで正弦波信号を生成し、生成した前記第２解析領域の正弦波信号に基づく正弦波信号と前記第１解析領域の正弦波信号とを合成する信号合成部と、
前記信号合成部にて合成された正弦波信号に基づいて前記スケールと前記ヘッドとの相対移動量を算出する移動量算出部と、を備えることを特徴とする光電式エンコーダ。 - 請求項１に記載された光電式エンコーダにおいて、
前記撮像手段は、測定方向に沿って配置ピッチｐにて並設される受光素子を備え、
前記解析領域抽出部は、
前記第１レンズによる像の正弦波信号および前記第２レンズによる像の正弦波信号から当該正弦波信号の１周期Λの整数Ｑ倍となるように前記第１解析領域および前記第２解析領域を抽出し、
前記受光素子の配置ピッチｐは、前記第１解析領域および前記第２解析領域の一端から他端までの距離を割り切れることを特徴とする光電式エンコーダ。 - 請求項２に記載された光電式エンコーダにおいて、
前記信号合成部と前記移動量算出部は、
前記第１解析領域の一端の点をｎ＝１とし、前記第１解析領域の他端の点をｎ＝ｍとし、前記第２解析領域の一端の点をｎ＝ｍ＋１とし、前記第２解析領域の他端の点をｎ＝Ｎとし、ｎ番目の点の信号強度をｙｎとし、前記第１解析領域および前記第２解析領域が含む１周期をΛとし、前記領域間距離をｄとし、前記受光素子の配置ピッチをｐとし、位相をΦとしたとき、
式（１）にて信号を合成し前記スケールと前記ヘッドとの相対移動量を算出することを特徴とする光電式エンコーダ。
- 測定方向に沿って設けられた周期的なスケールパターンを有するスケールと、前記スケールと対向して測定方向に沿って相対移動するヘッドと、前記スケールと前記ヘッドとの相対移動に基づく信号を演算する演算手段と、を備え、前記ヘッドは、前記スケールに向かって光を照射する光源と、前記スケールを介した前記光源からの光を撮像する撮像手段と、前記スケールと前記撮像手段との間に配置されるレンズアレイと、を備える光電式エンコーダにおける演算方法であって、
前記レンズアレイは、
前記スケールパターンを介した像を前記撮像手段上に結像する第１レンズと、
前記第１レンズに対して測定方向に沿って並設され、前記スケールパターンを介した像を前記撮像手段上に結像する第２レンズと、を備え、
前記演算手段は、
前記撮像手段にて撮像された前記第１レンズによる像と前記第２レンズによる像のそれぞれから正弦波信号を生成する信号生成工程と、
前記第１レンズによる像の正弦波信号から少なくとも１周期の正弦波信号を第１解析領域として抽出し、前記第２レンズによる像の正弦波信号から前記第１解析領域の周期の数と同じ数の周期の正弦波信号を第２解析領域として抽出する解析領域抽出工程と、
前記第１解析領域の一端から前記第２解析領域の一端までの距離である領域間距離に基づいて、前記第２解析領域の正弦波信号から前記第１解析領域の正弦波信号に重ねるように前記第１解析領域の一端まで正弦波信号を生成し、生成した前記第２解析領域の正弦波信号に基づく正弦波信号と前記第１解析領域の正弦波信号とを合成する信号合成工程と、
前記信号合成工程にて合成された正弦波信号に基づいて前記スケールと前記ヘッドとの相対移動量を算出する移動量算出工程と、を備えることを特徴とする光電式エンコーダにおける演算方法。
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