JP2011226864A - 光学式絶対位置測長型エンコーダ - Google Patents

Abstract

【課題】アブソリュート（ＡＢＳ）パターンの検出精度の向上と、スケール上のゴミなどによるノイズの影響の低減を図る。
【解決手段】相対移動可能な検出器とスケール１２を備え、検出器側には絶対位置検出用の発光素子１１、光学系（レンズ１３）及び受光素子（フォトダイオードアレイ１４）を配置し、スケール側には所定のアブソリュートパターン３２を配置した光学式絶対位置測長型エンコーダにおいて、前記アブソリュートパターン３２を、測長方向に分割したり、前記アブソリュートパターンの一部のエッジ位置を測長方向に変更する。
【選択図】図３

Description

本発明は、光学式絶対位置測長型エンコーダに係り、特に、アブソリュート（ＡＢＳ）パターンの検出精度の向上と、スケール上のゴミなどによるノイズの影響の低減を図ることが可能な光学式絶対位置測長型エンコーダに関する。

従来、光学式エンコーダは、原点検出のため、特許文献１に例示されるように、検出器側には原点検出用の発光素子、光学系及び受光素子を配置し、一方、スケール側には所定の原点パターンを配置する構成となっている。この構成によれば、スケールと検出器を相対移動させると、スケール上の原点パターンが検出部を横切る際に、例えば特許文献１の図５や図１３に例示されるような、デルタ関数的なピーク信号が生成され、予め適切な閾値を設定しておくことにより、原点の検出が可能である。

又、特許文献２や３に記載されているように、参照マークをスケール上に複数配置し、その配置ピッチを不等として特徴的にずらすことにより、擬似的に絶対位置（ＡＢＳ）検出を行なう光学式エンコーダも実用化されている。

又、出願人は特許文献４や５で、明暗の等間隔の配列ピッチＰｉで形成されたインクリメンタル（ＩＮＣ）パターンと、擬似ランダムパターンにより絶対位置を表現したアブソリュート（ＡＢＳ）パターンとに加え、アブソリュートパターンに対し所定の位相関係を有し、且つ明暗の等間隔の配列ピッチＰｒ（＞Ｐｉ）で形成された位置基準パターンを備えた、３トラックによる光学式絶対位置測長型エンコーダを提案している。

この特許文献４や５で提案した３トラック（ＡＢＳ、位置基準、ＩＮＣ）による光学式絶対位置測長型エンコーダにおいては、撮像されたＡＢＳパターンや位置基準パターンから位置情報を取り出す際に、パターンの一致の検出に画像相関を用いる手法が用いられる。この手法は、自己に記憶されている参照パターンと、撮像から得られた検出パターンとの「差」、または「積」を計算することにより得られる相関関数上で、１本の相関ピークを発生させるという方法である。

特開平７−３１８３７１号公報（図５、図１３） 特開昭６０−１２０２１６号公報（第１図） 特開昭６２−２９１５０７号公報（第２図、第３図） 特開２００８−２６１７０１号公報 特開２００９−２７０２号公報

しかしながら、例えば図１（ａ）に示す如く、ＡＢＳパターンをランダム符号系列に従って配置した場合、幅の広いパターンがあるため、エッジの数が少なく、図２に破線で例示する如く、相関ピークの幅が広く検出精度が不十分である。又、図１（ｂ）に示す如く汚れが無い状態で、移動量ｄだけ移動したときの相関ピークが、図１（ｄ）に破線で示す如くであった場合、図１（ｃ）に示す如く汚れが付着すると、相関ピークが図１（ｄ）に実線で示す如くになり、汚れによる誤りピークの発生で誤検出の可能性が高くなるという問題点があった。

本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、ＡＢＳパターンの検出精度の向上を図るとともに、スケール上のゴミ等によるノイズの影響を受け難くすることを課題とする。

本発明は、相対移動可能な検出器とスケールを備え、検出器側には絶対位置検出用の発光素子、光学系及び受光素子を配置し、スケール側には所定のアブソリュートパターンを配置した光学式絶対位置測長型エンコーダにおいて、前記アブソリュートパターンを、測長方向に分割することにより、前記課題を解決したものである。

ここで、前記アブソリュートパターンを、ランダム或いは等間隔に測長方向に分割することができる。

又、前記アブソリュートパターンの一部のエッジ位置を測長方向に変更することができる。

本発明は、又、相対移動可能な検出器とスケールを備え、検出器側には絶対位置検出用の発光素子、光学系及び受光素子を配置し、スケール側には所定のアブソリュートパターンを配置した光学式絶対位置測長型エンコーダにおいて、前記アブソリュートパターンの一部のエッジ位置を測長方向に変更することにより、前記課題を解決したものである。

ここで、前記アブソリュートパターンを、ランダム符号系列に従って配置することができる。

又、前記ランダム符号系列に従って配置されたアブソリュートパターンのエッジの位置を、パターン線幅の±１／２の範囲で測長方向に変更することができる。

本発明によれば、画像相関によるＡＢＳパターンの一致の検出にあたり、図３（ｂ）に例示するように、ＡＢＳパターンを分割してエッジの位置を増やすと共に、必要に応じてエッジの位置をずらすことにより、図２に実線で示す如く鋭い相関ピークを発生させて、ＡＢＳパターンの検出精度の向上を図るとともに、図３（ｅ）に示す如く、スケール上のゴミ等によるノイズの影響を受け難くすることができる。

従来のＡＢＳパターンの一例、及び、その問題点を説明する図 従来のＡＢＳパターンの一例、及び、他の問題点を説明する図 本発明の作用を説明する図 本発明の実施形態の全体構成を示す概略図 前記実施形態のスケールの構成を示す平面図 同じくフォトダイオードアレイの構成を示す平面図 同じくＡＢＳフォトダイオードアレイの詳細構成を示す回路図 同じく動作を説明する図 （Ａ）ランダム符号系列をスケール上に配置した例、及び（Ｂ）エッジの位置をランダムにずらした例を示す平面図 エッジの位置の定義を示す図 エッジの位置のずらし方を示す図 前記実施形態の変形例を示す概略図

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。

図４は、本発明の実施形態に係る光学式エンコーダの全体構成を示す概略図である。本実施形態の光学式エンコーダは、発光素子１１と、スケール１２と、レンズ１３と、フォトダイオードアレイ１４と、信号処理回路２０とを備えて構成されている。

発光素子１１は、コヒーレント光を出射する光源、例えばレーザダイオードである。

スケール１２は、図５に示すように、透明ガラス基板上に、明暗の等間隔な配列ピッチＰｉ（例えば４０μｍ）で形成されたインクリメンタルパターン３１からなるインクリメンタルトラック３０１と、擬似ランダムパターン（ここではＭ系列符号）により絶対位置を表現した一般的なアブソリュートパターン３２からなるアブソリュートトラック３０２と、このアブソリュートパターン３２に対し所定の位相関係を有し、且つ明暗の等間隔な配列ピッチＰｒ（＜Ｐｉ）で形成された、測長方向の幅がＷｒの位置基準パターン３３からなる位置基準トラック３０３とを形成して構成される。

即ち、アブソリュートパターン３２は、位置基準パターン３３の等間隔パターンの絶対位置を表現している。インクリメンタルパターン３１の配列ピッチＰｉは、例えば位置基準パターン３３の配列ピッチＰｒの整数分の１に設定される。本実施形態では、一例としてＰｒ＝４Ｐｉであると想定する。一例として、Ｐｉ＝４０μｍの場合、Ｐｒ＝１６０μｍに設定される。

インクリメンタルパターン３１と位置基準パターン３３とは、いずれもエンコーダの全長にわたって等間隔の配列ピッチ（Ｐｉ、Ｐｒ）で形成されるため、エンコーダの全長にわたって正確に形成することが比較的容易である。ここで、位置基準パターン３３が無く、インクリメンタルパターン３１とアブソリュートパターン３２のみが存在するエンコーダを想定する。このようなエンコーダでは、例えばインクリメンタルパターン３１の配列ピッチを４０μｍとした場合、アブソリュートパターン３２の精度は、スケール１２の全長にわたり、その半分未満の±２０μｍ未満にしなければならない。

これに対して、本実施形態のように、インクリメンタルパターン３１の配列ピッチＰｉより大きな配列ピッチＰｒを有する位置基準パターン３３を形成すれば、アブソリュートパターン３２の位置精度は、この位置基準パターン３３の配列ピッチＰｒに合わせれば十分である。従って、アブソリュートパターン３２の位置誤差の許容度を大きくすることができる。例えば、位置基準パターン３３の配列ピッチＰｒがＰｉの４倍の１６０μｍであれば、アブソリュートパターン３２の位置誤差は、スケール１２の全長にわたり、±８０μｍまで許容することが可能になる。従って、インクリメンタルパターン３１の配列ピッチＰｉを、アブソリュートパターン３２の精度を考慮せずに決定することが可能となり、インクリメンタルパターン３１のピッチを微細化して、エンコーダを高精度化することができる。

前記発光素子１１は、スケール１２を照射し、スケール１２を透過した照射光は、レンズ１３を介してフォトダイオードアレイ１４上に投影される。

図６に示すように、例えばＣＭＯＳで構成されるフォトダイオードアレイ１４は、インクリメンタルトラック３０１、アブソリュートトラック３０２及び位置基準トラック３０３のそれぞれに対応して、ＩＮＣフォトダイオードアレイ４１、ＡＢＳフォトダイオードアレイ４２及び位置基準フォトダイオードアレイ４３を備えている。各フォトダイオードアレイ４１〜４３は、対応するパターン３１〜３３のピッチに対応した配列ピッチでフォトダイオードを配列して構成される。

ＩＮＣフォトダイオードアレイ４１は、例えば９０度ずつ位相の異なる４組のフォトダイオードアレイを有し、インクリメンタルパターン３１に基づく明暗信号を検出して９０度位相差の４相正弦波信号を出力する。ＡＢＳフォトダイオードアレイ４２は、アブソリュートパターン３２に基づく明暗信号を測長方向に掃引して得られた信号を出力する。又、位置基準フォトダイオードアレイ４３は、位置基準パターン３３を少なくとも１つ以上検出できるよう、測長方向の寸法ＷPDｒが設定されている（ＷPDｒ＞Ｐｒ＋Ｗｒ）。

前記ＡＢＳフォトダイオードアレイ４２及び位置基準フォトダイオードアレイ４３は、それぞれ、図７に示す如く、スイッチング素子４５でＡＢＳフォトダイオードアレイ４２又は位置基準フォトダイオードアレイ４３の各受光要素１〜Ｎを掃引することにより、得られた信号を出力する。

図４に示す信号処理回路２０は、一例として、ノイズフィルタ・増幅回路２１、Ａ／Ｄ変換器２２、相対位置検出回路２３、プリアンプ２４、２７、相関演算回路２５、２８、絶対位置検出回路２６、基準位置検出回路２９及び絶対位置合成回路３０を備えて構成される。

ノイズフィルタ・増幅回路２１は、ＩＮＣフォトダイオードアレイ４１からのアナログ出力信号（９０度位相差４相信号）のノイズを除去した後、この信号を増幅して出力する。

Ａ／Ｄ変換器２２は、ノイズフィルタ・増幅回路２１が出力するアナログ出力信号をデジタル信号に変換する。相対位置検出回路２３は、得られたデジタル信号（９０度位相差信号）の振幅のarctan演算を行なうことにより、スケール１２の相対的な移動量・移動方向を示す相対位置信号Ｄ１を出力する。

プリアンプ２４は、ＡＢＳフォトダイオードアレイ４２に接続されたスイッチング素子４５の出力を増幅して出力する。相関演算回路２５は、設計値との相関演算を行い、絶対位置検出回路２６は、相関演算回路２８の演算結果に基づいて、スケール１２の絶対位置を示す絶対位置信号Ｄ２を出力する。

プリアンプ２７は、位置基準フォトダイオードアレイ４３に接続されたスイッチング素子４５の出力を増幅して出力する。相関演算回路２８は、設計値との相関演算を行ない、基準位置検出回路２９は、相関演算回路２８の演算結果に基づいて位置基準パターン３３の基準位置を示す位置基準信号Ｄ３を出力する。

前記絶対位置合成回路３０は、絶対位置信号Ｄ２、相対位置信号Ｄ１、位置基準信号Ｄ３に基づいて、スケール１２の微細な絶対位置を算出する。この絶対位置合成回路３０の動作を、図８を参照して説明する。絶対位置信号Ｄ２は、スケール１２の絶対位置についての情報を有している。アブソリュートパターン３２は、位置基準パターン３３に対し所定の情報をもって形成されるので、絶対位置信号Ｄ２から絶対位置が得られることで、位置基準パターン３３の周期Ｐｒの何周期目にスケール１２が位置しているのかを特定することができる（図８の（１））。

位置基準パターン３３の周期Ｐｒの何周期目かが特定されると、その後、位置基準信号Ｄ３の信号量が検出されることにより、インクリメンタルパターン３１の何周期目にスケール１２が位置しているのかを特定することができる（図８の（２））。インクリメンタルパターン３１、位置基準パターン３３は、いずれも等間隔の明暗パターンにより形成されるため、配列ピッチＰｒとＰｉの比が大きい場合でも、両者間の位置精度を高く保つことが容易である。このため、位置基準パターン３３の何周期目かが判明し、更に位置基準信号Ｄ３の信号量が検出されることにより、インクリメンタルパターン３１の何周期目にスケール１２が位置するのかを特定することができる。その後は、インクリメンタルパターン３１から得られる相対位置信号Ｄ１の明暗を計算することにより、スケール１２の絶対位置を算出し出力することが可能である。

以上説明したように、本実施形態によれば、アブソリュートパターン３２により得られた絶対位置検出信号Ｄ２に基づき、スケール１２の絶対位置が、位置基準パターン３３との関係において検出され、その後、位置基準パターン３３に基づく位置基準信号Ｄ３、及びインクリメンタルパターン３１に基づく相対位置信号Ｄ１により、精緻なスケール１２の絶対位置信号を得ることができる。アブソリュートパターン３２は微細に形成されたインクリメンタルパターン３１に対する位置精度を要求されず、より配列ピッチの大きい位置基準パターン３３に対し所定の位置精度で形成されていれば十分である。従って、本実施形態によれば、インクリメンタルパターン３１のピッチを微細化することができ、よって、エンコーダの高精度化を図ることができる。

更に、アブソリュートパターン３２が、図３（ａ）に示すような設計値に対して、図３（ｂ）に示す如く、分割され、且つ、一部のパターンのエッジ位置が測長方向に変更されている。従って、図３（ｄ）に示す如く、汚れが付着した場合でも、図３（ｅ）に示す如く、誤りピークの発生が抑制される。アブソリュートパターン３２の分割方法は、ランダム或いは等間隔の測長方向の分割のいずれであっても良い。

又、図９（Ａ）に示す如く、スケール上にパターンをランダム符号系列に従って配置するとき、ランダム符号系列の１符合に対応したパターンの線幅をＷ_bitとすると、スケール上に配置されたランダム符号系列のパターンエッジは、Ｗ_bit×ｎ（ｎは正の整数）の位置にのみ現れる。

この特徴により、相関演算を行うとき、Ｗ_bit毎にエッジの位置が一致してしまうことから、汚れにより誤りピークが発生しやすく、誤検出をしてしまう可能性が高い。

そこで、図９（Ｂ）に例示する如く、スケールパターンエッジの位置を−Ｗ_bit／２からＷ_bit／２の範囲でずらすことにより、相関演算を行なうとき、誤った位置以外でエッジが一致することを抑制し、結果的に誤りピークの発生を抑えることが可能となる。

エッジのずらし方は、図１０に示す如く、パターンエッジのずれをΔｐ_i（ｉ＝１，２，３・・・Ｎ）とし、Δｐ_iの値域を−Ｗ_bit／２＜Δｐ_i＜Ｗ_bit／２とすると、図１１（Ａ）に示す如く、ランダムにずらしたり、図１１（Ｂ）に示す如く、正規分布に従ってずらしたり、図１１（Ｃ）に示す如く、三角波に従ってずらしたり、図１１（Ｄ）に示す如く、正弦波に従ってずらすことができる。

なお、前記実施形態においては、本発明が透過型のエンコーダに適用されていたが、本発明の適用対象は、これに限定されず、図１２に示す変形例のように、反射型の光学系として、発光素子１１をレンズ１３やフォトダイオードアレイ１４と同じ側に配置しても良い。

１１…発光素子
１２…スケール
１３…レンズ
１４…フォトダイオードアレイ
２０…信号処理回路
２１…ノイズフィルタ・増幅回路
２２…Ａ／Ｄ変換器
２３…相対位置検出回路
２４、２７…プリアンプ
２５、２８…相関演算回路
２６…絶対位置検出回路
２９…基準位置検出回路
３０…絶対位置合成回路
３１…インクリメンタル（ＩＮＳ）パターン
３２…アブソリュート（ＡＢＳ）パターン
３３…位置基準パターン
４１…ＩＮＣフォトダイオードアレイ
４２…ＡＢＳフォトダイオードアレイ
４３…位置基準フォトダイオードアレイ
４５…スイッチング素子
３０１…インクリメンタル（ＩＮＣ）トラック
３０２…アブソリュート（ＡＢＳ）トラック
３０３…位置基準トラック

Claims (6)

1. 相対移動可能な検出器とスケールを備え、
   検出器側には絶対位置検出用の発光素子、光学系及び受光素子を配置し、
   スケール側には所定のアブソリュートパターンを配置した光学式絶対位置測長型エンコーダにおいて、
   前記アブソリュートパターンを、測長方向に分割したことを特徴とする光学式絶対位置測長型エンコーダ。
2. 前記アブソリュートパターンが、ランダム或いは等間隔に測長方向に分割されていることを特徴とする請求項１に記載の光学式絶対位置測長型エンコーダ。
3. 前記アブソリュートパターンの一部のエッジ位置を測長方向に変更したことを特徴とする請求項１又は２に記載の光学式絶対位置測長型エンコーダ。
4. 相対移動可能な検出器とスケールを備え、
   検出器側には絶対位置検出用の発光素子、光学系及び受光素子を配置し、
   スケール側には所定のアブソリュートパターンを配置した光学式絶対位置測長型エンコーダにおいて、
   前記アブソリュートパターンの一部のエッジ位置を測長方向に変更したことを特徴とする光学式絶対位置測長型エンコーダ。
5. 前記アブソリュートパターンが、ランダム符号系列に従って配置されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の光学式絶対位置測長型エンコーダ。
6. 前記ランダム符号系列に従って配置されたアブソリュートパターンのエッジの位置を、パターン線幅の±１／２の範囲で測長方向に変更したことを特徴とする請求項５に記載の光学式絶対位置測長型エンコーダ。

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