JPH0486522A - 光学式アブソリュート・エンコーダ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、光学式の１トラック型アブソリュート・パタ
ーンを符号板に設けたアブソリュート・エンコーダに関
し、詳しくは、該パターン読取り用の光源として半導体
レーザを活用するための技術に関する。

［従来の技術１ アブソリュート・エンコーダは、符号板上における検出
部の絶対位置情報を得るための計測器であって、絶対位
置情報を含むような目盛を形成した符号板と、該目盛の
読取り機能を備えた検出部とを組合せて構成され、動作
から見ると、帯状の符号板に沿って検出部が直線的に移
動するリニア型のものと、円盤状の符号板に対して検出
部が角移動するロータリ型のものとに大別されるが、い
ずれにせよ検出部が符号板から直接に絶対位置情報を読
取るものである。

従来、アブソリュート・エンコーダは、前記目盛として
、並列に配置した複数本のそれぞれ周期の異るデジタル
繰返しパターン（インクリメンタル・パターン）を用い
、検出部がこの複数本のパターンを並列に検出する多ト
ラック型のものが船釣であったが、近年、全周期系列や
Ｍ系列等の特殊な数列に従って最小読取単位を配置した
、１本のデジタル配列パターン（１トラック型アブソリ
ュート・パターン）を用い、検出部がこのバタンの複数
の位相位置を読取る１トラック型のものが盛んに研究さ
れている。

この１トラック型アブソリユート・エンコーダは、多ト
ラック型のものに比べてパターン本数が少なくて済むた
め、符号板の小型化に有利で、検出部のセンサ取付け、
調整も容易である。

一方、符号板上に設けた１本のインクリメンタル・パタ
ーンから、検出部が反転パルスを検出して、該パルス数
の積算、減算処理により、符号板と検出部の相対移動量
を求めるインクリメンタル・エンコーダも一般的に使用
されている。ここでは、通常、符号板に設けた原点から
のパルス・カウント数により、符号板と検出部の絶対位
置情報を得ることかできる。このインクリメンタル・エ
ンコーダは、センサ個数が少なくて済み、構造か簡単な
ことに加え、パターンの規則性を利用した信頼性の高い
読取り方法（例えば第５図）を採用できる利点があるが
、少なくとも電源投入時に一度、符号板に対する検出部
の原点復帰動作を行わせる必要がある。

このような従来のアブソリュート・エンコーダとインク
リメンタル・エンコーダの利点、欠点を鑑みて、本願出
願人は、先に、符号板に１トラック型アブソリュート・
パターンとインクリメンタル・パターンとを並列に配置
して、必要な時には１トラック型アブソリュート・パタ
ーンを読取るが、通常はインクリメンタル・パターンを
読取るようにしたアブソリュート・エンコーダ、を提案
した。これは、電源投入時に１トラック型アブソリュー
ト・パターンから絶対位置の初期値を読み込み、その後
はこの初期値にインクリメンタル・パターンからのパル
ス数を加減して刻々の絶対位置を求めるものである。

第４図は、電源投入時など絶対位置が必要な時には１ト
ラック型アブソリュート・パターンを読取り、通常はイ
ンクリメンタル・パターンを読取る光学式のアブソリュ
ート・エンコーダを説明するための図で、（ａ）は符号
板の平面図、（ｂ）は１トラック型アブソリュート・パ
ターンの検出を行う部分の断面図、（Ｃ）　はインクリ
メンタル・パターンの検出を行う部分の断面図、（ｄ）
は検出信号の線図である。ここでは、インクリメンタル
・パターンについて、該パターンの規則性（周期性）を
利用した信頼性の高い読取方法が採用されている。

第４図（ａ）〜　（Ｃ）において、符号板Ａには、白部
を０黒部を１として、特殊な数列に従って長さλの最小
読取単位を一周２５６個配置したアブソリュート・トラ
ックＰと、１ピツチの長さをλとしたインクリメンタル
・トラックＩとが形成されている。

′ｔＳ４図（ｂ）において、検出部ＢのトラックＰを検
出する部分は、トラックＰｔｉ取り用光源である発光ダ
イオードＲ１と、平行光を得るための非球面コリメート
・レンズＬと、トラックＰ上で隣接する８個の最小読取
単位をそれぞれ検出するようにピッチλて配置した８個
のフォトセンサ３１〜Ｓ８からなる受光用のセンサ・ア
レーとを含んでいる。

このように構成された、トラックＰを検出する部分では
、ダイオードＲ１から射出された光がレンズしにより平
行光に変換されて、トラックＰ上の８個の最小読取単位
に入射して、該最小読取単位が白部の場合には符号板Ａ
を透過して、相当するセンサＳ１〜Ｓ８に入射するが、
黒部の場合には遮光されてセンサｓ１〜ｓ８に届かない
。従って、センサＳ１〜Ｓ８の受光時の出力値を０、非
受光時の出力値を１と定めれば、センサｓ１〜Ｓ８によ
り、トラックＰ上の連続した８個の最小読取単位がその
まま読取られることになる。

第４図（Ｃ）において、検出部ＢのトラックＩを検出す
る部分は、パターンの規則性を利用した読取方法を採用
しており、トラックＩ読取り用光源である発光ダイオー
ドＲ２と、平行光を得るための非球面コリメート・レン
ズＬ１と、トラックｌに同一なパターンを６ピツチ分形
成したマスクＭと、平行光を収束させるための非球面コ
リメート・レンズＬ２と、受光用のフォトセンサＳとを
含んでいる。

このように構成された、トラック■を検出する部分ては
、ダイオードＲ２から射出された光がレンズＬ１により
平行光に変換されて、マスクＭと符号板Ａの重なりに入
射し、マスクＭの白部とトラックＩの白部が重なフてい
る部分を透過した光だけがレンズＬ２により収束されて
、センサＳに入射する。

本従来例のアブソリュート・エンコーダにおいては、電
源投入時に、第４図（ｂ）のセンサＳ１〜Ｓ８により、
符号板に対する検出部の絶対位置の初期値を読み込み、
その後は、この初期値に、第４図（ｃ）のセンサＳから
得た相対移動量を加算、減算して、インクリメンタル・
エンコーダと同様に刻々の絶対位置を求めるようにして
いる。

第４図（ｄ）に、第４図（ｃ）のセンサＳの受光量の変
化を、第４図（ｂ）のセンサＳ３の受光量と比較して示
す。ここでは、第４図（ｂ）、（ｃ）の位置関係から、
図中、矢印方向に符号板Ａが移動するとしている。

第４図（ｄ）において、センサＳ３の受光量がゆるやか
に変化しているのに対して、センサＳの受光量は、６ピ
ツチ分（トラックＰにおける白部はぼ３個分）の最大ピ
ークと、該ピークからλ／２ずれた完全遮光の最小ボト
ムとを交互に形成する三角波となる。この三角波は、図
示されない比較回路を用いて、適当な位相位置で反転す
るインクリメンタル信号に変換される。

パターンの規則性を利用した、このような検出方法によ
れば、第４図（ｂ）のような１個の白部を１個のセンサ
で読取る場合に比べて、センサＳの出力のピーク／ボト
ム比が大きくなり、ＳＮ比の高い、確実なパルス・カウ
ントを行うことができる。従って、第４図のアブソリュ
ート・エンコーダにおいては、トラックＩの白部の長さ
がトラックＰの最小読取単位の長さλの半分であるにも
かかわらず、トラック■の検出の信頼性がトラックＰの
検出の信頼性よりも高いと言える。

［発明か解決しようとする課題］ 第４図の従来例のアブソリュート・エンコーダにおいて
、符号板を小型化するには、最小読取単位の長さλを短
くする必要があるが、＾を短くすると第４図（ｂ）のセ
ンサＳ１〜Ｓ８によるトラックＰの読取りに間違いが増
すことが指摘されている。すなわち、第４図（Ｃ）のト
ラックｌを検出する部分においては、１ピツチの長さえ
が縮小されても、センサＳの小型化は必要とせず、マス
クＭのピッチ数を増せば、検出の信頼性の向上も可能で
あるのに対して、第４図（ｂ）のトラックＰを検出する
部分においては、最小読取単位の長さλの縮小に伴い、
センサＳ１〜Ｓ８の間口も縮小されるため、受光量が減
少して、センサＳ１〜Ｓ８の白部と黒部とにおける出力
値が接近して読み誤りを発生し易くなる。

第５図は、最小読取単位の長さを縮小した場合に発生す
る問題を説明するための図であって、第４図（ｂ）のト
ラックＰを検出する部分の部分的な拡大図である。

第５図において、ダイオードＲ１から射出された光Ｘは
、レンズしにより平行光に変換され、トラックＰの白部
を透過して、センサＳ７とセンサＳ８の境界に入射して
いる。しかし、発光ダイオドは発光面積が比較的広く、
光Ｘに加えて光Ｘ１、ｘ２も同時に発生しており、光ｘ
１、ｘ２はレンズＬを経てトラックＰ上の光Ｘの入射点
を通過するものの、それぞれセンサＳ７、Ｓ８に入射し
てしまう。すなわち、光源の広がりが、センサＳ１〜Ｓ
８上におけるトラックＰの投影像のコントラストを下げ
ているため、隣りのセンサに光が漏れて黒部における遮
光が不完全なものになる可能性を残している。

また、ダイオードＲ１から射出された別の光Ｙは、トラ
ックＰ上の白部と黒部の境界を通過する際に干渉光Ｙ１
、Ｙ２を発生するが、この干渉光Ｙ１、Ｙ２もまた、セ
ンサＳ１〜Ｓ８上におけるトラックＰの投影像のコント
ラストを下げる要因となっている。

従って、最小読取単位の長さλを縮小する場合には、セ
ンサＳ１〜５８間の境界の幅をある程度確保したままて
センサ・アレー全体を小型化することとなり、センサＳ
１〜Ｓ８の間口はさらに挟まり、受光量の減少とＳ／Ｎ
比の低下が当然に予想される。

本発明は、センサＳ１〜３８間の境界の幅をある程度確
保したままでセンサ・アレー全体を小型化した場合に起
こる、センサＳ１〜Ｓ８の受光量の減少とＳ／Ｎ比の低
下を飛躍的に回復させることを目的としている。

［課題を解決するための手段］ 本発明の光学式アブソリュート・エンコーダは１トラッ
ク型アブソリュート・パターンとインクリメンタル・パ
ターンとを並列に形成した符号板（Ａ）と、該符号板（
Ａ）に対して相対移動可能な検出部（Ｂ）　とからなり
、 要求信号入力時にのみ前記アブソリュート・パターンを
読取って絶対位置信号を出力し、それ以外は前記インク
リメンタル・パターンを！　取ってインクリメンタル信
号を出力する光学式アブソリュート・エンコーダにおい
て、 前記アブソリュート・パターンの読取り用光源として半
導体レーザを使用し、かつ、 該半導体レーザを前記要求信号入力時に読取りに必要な
時間だけ点灯させる制御回路を付加したものである。

［作用］ 本発明の光学式アブソリュート・エンコータでは、第４
図のものと同様に、必要な際（要求信号入力時）にはア
ブソリュート・パターンを読取って絶対位置信号を出力
するが、通常はインクリメンタル・パターンを読取って
インクリメンタルレイ言号を出力する。従って、アブソ
リュート・バタンから得た絶対位置を初期値として、イ
ンクリメンタル・パターンから得た相対移動量を加算、
減算すれば、刻々の絶対位置を求めることも可能である
。

しかし、第４図の従来例のアブソリュート・エンコーダ
においては、アブソリュート・パターンの読取り用光源
に発光ダイオードか採用されていたのに対して、本発明
のアブソリュート・エンコーダにおいては、同光源に半
導体レーザか採用されている。この半導体レーザは、発
光ダイオードよりも発光強度が大きいために、センサの
間口が狭まっても、センサに十分な受光量を確保できる
ことに加え、点光源性に優れているために、第５図の光
Ｘ１、ｘ２のような、光源の広がりに起因する不要な光
を発生しない。これにより、検出部（センサＳ１〜Ｓ８
）上におけるアブソリュート・パターン（トラックＰ）
の投影像のコントラストが高まる。

一方、半導体レーザは、発光ダイオードの寿命が半永久
的なのに比べ、現在の技術水準で、強発光状態の積算寿
命時間は約５００時間が限度とされているので、制御回
路を設けて必要最小限の時間だけ半導体レーザを駆動し
発光させて、通常は半導体レーザを消灯しておく。すな
わち、制御回路は、半導体レーザを、要求信号入力時に
、アブソリュート・パターンの読取りに必要な時間たけ
駆動する。

［発明の実施例コ 本発明の実施例を図面を参照して説明する。

第１図は、本発明の実施例の光学式アブソリュート・エ
ンコーダを説明するための図で、１トラック型アブソリ
ュート・パターンの検出を行う部分の部分的な拡大図で
ある。

本実施例では、第４図（ａ）、　（ｃ）に示される従来
例の符号板Ａと、インクリメンタル・パターンを検出す
る部分とをそのまま用いることとし、これらの図に関連
する説明も省略する。

第１図において、符号板ＡにはトラックＰが形成され、
検出部Ｂは、半導体レーザＱと、平行光を得るための非
球面コリメート・レンズＬと、受光素子３１〜５８（一
部は図示していない）とを含んでいる。また、制御回路
Ｅは、端子ｅに要求信号が人力されると、予め定めた、
トラックＰの読取りに必要な所定時間だけ、半導体レー
ザＱを駆動し、発光させる。

半導体レーザＱは、接合部から点状の強い発光２が得ら
れ、第５図のような光源の広がりに起因する光ｘ１、ｘ
２は発生せず、センサＳ１〜Ｓ８上には、コントラスト
の良いトラックＰの投影像が形成される。また、第４図
（ｂ）の場合よりも、発光強度が高い分たけ、トラック
Ｐの白部におけるセンサＳ１〜Ｓ８の受光量が増えてい
る。

第２図は、本実施例の光学式アブソリュート・エンコー
ダの絶対位置を求める回路の構成を説明するためのブロ
ック図である。

第３図は、本実施例の光学式アブソリュート・エンコー
ダの絶対位置を求める回路の動作を説明するためのチャ
ート図である。

第２図、第３図において、電源が投入されるとパワーオ
ン・リセット回路１１よりリセット信号が出力され、Ｊ
−にフリップ・フロップ１８とカウンタ１７がクリアさ
れる。ＮＣ装置のようなコントローラからの絶対位置要
求信号１２を受けると、Ｊ−にフリップ・フロップ１８
の出力信号がＨレベルとなり、制御回路Ｅの端子ｅに入
力されて、半導体レーザＱが駆動され、発光する。この
とき、第１図のセンサＳ１〜Ｓ８の出力は、図示しない
シリアル転送回路により、端子６にシリアル信号として
人力され、シフトレジスタ１３に蓄えられて、元のパラ
レルな信号に戻される。この転送が完了すると、終了信
号が出て、Ｊ−にフリップ・フロップ１８の圧力信号が
反転し、制御回路Ｅにより半導体レーザＱが消灯される
。

また、シリアル転送回路にセンサＳ１〜Ｓ８の出力が読
み込みまれ、転送され、シフトレジスタ１３に蓄えられ
た以降、本実施例の光学式アブソリュート・エンコーダ
は、インクリメンタル・エンコーダ動作を開始する。す
なわち、シフトレジスタ１３のデータは、ＲＯＭ１４に
て位置パターンに変換された後に、アップダウン・カウ
ンタ１５にロートされる。その後、相対移動が発生する
とインクリメンタル・パルスが発生し、カウンタ１５に
先にロートされたデータは、相対移動方向に応して、１
パルスごとに、１つ加算または減算される。

方、出力端子２４からは、発振器２０て発生してカウン
タ】７て計数されるパルスのカウント数と、カウンタ１
５にロートされたデータとか致して、比較回路１６から
一致信号が出力されるまで、発振器２０からのパルスが
そのまま出力され続ける。すなわち、比較回路１６が一
致信号を出力した瞬間、出力端子２４から出力されたパ
ルス数が、その時点における符号板に対する検出部の絶
対位置に一致したことになり、トライステート・バッフ
ァ２２．２３が切替わって、今度はトラックＩからセン
サＳが読取ったパルスが出力端子２４に接続されること
となる。

従って、出力端子２４に接続される受は子側装置では、
アップダウン・カウンタを用いて、発振器２０からのパ
ルスをカウントして初期値をセットした後は、通常のイ
ンクリメンタル・エンコーダ動作を行えばよい。すなわ
ち、符号板Ａと検出部Ｂの相対移動の方向に応じてアッ
プまたはダウンを定めて、パルス・カウントを遂行する
ことにより刻々の絶対位置を求める。

なお、なんらかの事情で絶対位置が必要になった場合に
は、その都度、ＲＥＱ端子１２にＬレベル信号を人力す
れば、以上の動作を繰返す。

［発明の効果］ 本発明の光学式アブソリュート・エンコーダにおいては
、アブソリュート・パターン読取り用光源として、発光
強度か大きく、点光源性に優れた半導体レーザを用いる
から、アブソリュート・パターン読取りのＳ／Ｎ比が向
上して読取値の信頼性が飛躍的に向上する。従りて、符
号板とセンサの間隔を拡大したり、センサとセンサとの
間隔を縮小する等が可能となり、設計上の自由度と可能
性が拡大される。また、アブソリュート・パターンの銹
取りの信頼性が向上するから、最小読取単位を縮小して
、符号板のさらなる小型化を行うことも、実際上可能と
なる。

また、制御回路により、半導体レーザの点灯時間を必要
最小限に留めているので、半導体レーザの寿命に束縛さ
れずに、従来例のアブソリュート・エンコーダと同様な
、長期間に渡って安定した動作が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の実施例の光学式アブソリュート・エ
ンコーダを説明するための図で、１トラック型アブソリ
ュート・パターンの検出を行う部分の部分的な拡大図で
ある。 第２図は、本実施例の光学式アブソリュート・エンコー
ダの絶対位置を求める回路の構成を説明するためのブロ
ック図である。 第３図は、本実施例の光学式アブソリュート・エンコー
ダの絶対位置を求める回路の動作を説明するためのチャ
ート図である。 第４図は、先に出願したアブソリュート・エンコーダを
説明するための図で、（ａ）は符号板の平面図、（ｂ）
は１トラック型アブソリュート・パターンの検出を行う
部分の断面図、（Ｃ）はインクリメンタル・パターンの
検出を行う部分の断面図、（ｄ）は検出信号の線図であ
る。 ３ｇ５図は、最小読取単位の長さを縮小した場合に発生
する問題を説明するための図であって、第４図（ｂ）の
トラックＰを検出する部分の部分的な拡大図である。 ［主要部分の符号の説明］ Ａ・・・符号板　　　　　　Ｂ・・・検出部Ｑ・・・半
導体レーザ　　　Ｅ・・・制御回路Ｍ・・・マスク Ｐ・・・アブソリュート・トラック ■・・・インクリメンタル・トラック Ｒ１、Ｒ２・・・発光ダイオード Ｌ、Ｌｌ、Ｌｌ・・・レンズ Ｓ、Ｓｌ〜Ｓ８・・・センサ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １トラック型アブソリュート・パターンとインクリメン
   タル・パターンとを並列に形成した符号板（Ａ）と、該
   符号板（Ａ）に対して相対移動可能な検出部（Ｂ）とか
   らなり、 要求信号入力時にのみ前記アブソリュート・パターンを
   読取って絶対位置信号を出力し、それ以外は前記インク
   リメンタル・パターンを読取ってインクリメンタル信号
   を出力する光学式アブソリュート・エンコーダにおいて
   、 前記アブソリュート・パターンの読取り用光源として半
   導体レーザを使用し、かつ、 該半導体レーザを前記要求信号入力時に読取りに必要な
   時間だけ点灯させる制御回路を付加したことを特徴とす
   る光学式アブソリュート・エンコーダ。