JP2012233755A - 光学式エンコーダおよび光学式エンコーダの絶対位置検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 本来の絶対位置検出機能を失うことなく、メインスケールの組立性を改善する。
【解決手段】 光透過部または光反射部を連続して配列したメインスケール１２と、メインスケールに対して相対移動可能かつ光透過部または光反射部のピッチに関係付けをして配設された複数の受光素子を有する受光部と、メインスケールを介して受光部に光を照射する発光部とを有し、メインスケールは前記相対移動方向に光学的に不連続部分を有する光学式エンコーダにおいて、不連続部分Ｓ４１−Ｓ４４は、メインスケールの中央位置に対して対称に片側複数個ずつ両側に配置され、片側複数個の不連続部分は、異なる種別の不連続性パターンを持つ。
【選択図】 図１

Description

本発明は、変位測定に用いられ絶対位置検出を可能とする光学式エンコーダおよび絶対位置検出方法に関するものである。

光学式エンコーダは基本的に、光学格子が形成されたメインスケールと、メインスケールに光を照射する光源と、メインスケールの光学格子を透過または反射し、戻ってくる光を受光する受光素子アレイとを備えた構成とされている。

この光学式エンコーダはインクリメンタル型といわれ、スケールの移動に対してパルスの増減によりその移動量を検出することが可能である。インクリメンタル型の問題点として、絶対位置が不明のため、絶対位置を検出するセンサが別途必要となるという問題がある。

そこでこの問題を解決する手段として、メインスケールに欠落部分を設け、それによる出力信号の振幅の変化を読み取ることで絶対基準位置を取得する方式が特許文献１にて提案されている。

図４は透過型の光学式エンコーダの斜視図であり、光源１１の下方に、メインスケール１２、フォトダイオードアレイ１４を配列した受光部１３が順次位置している。そして、メインスケール１２が他の光学部材に対して矢印方向に移動可能とされている。

図５はメインスケール１２の平面図を示し、メインスケール１２上に等間隔に矩形状のスリットＳ１、Ｓ２、・・・が配列されている。ただし、スリットＳ１０のみは光線不透過領域の欠落部分とされ、原点検出のための特異点とされている。

図６は反射型の光学式エンコーダの斜視図であり、受光部１３に対し相対的に矢印の方向に移動可能なメインスケール１６を備え、メインスケール１６には細かい間隔で反射部と非反射部とが設けられており、受光部１３上に明暗の分布を与える。また、前述の原点検出の特異点はメインスケール１６では非反射部により設けられる。

図７はフォトダイオードアレイ１４の配列を示し、フォトダイオードＰ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４が受光エレメントとして０°、９０°、１８０°、２７０°の関係になるように繰り返して規則正しく並べられている。光源１１から発せられた光束はメインスケール１２に照射され、メインスケール１２のスリットＳを透過した光束が受光部１３上のフォトダイオードアレイ１４上に照射される。そのときの光強度分布を示したのが図７の１５の波形である。

図８は処理回路の構成を示す。フォトダイオードアレイ１４のフォトダイオードＰ１〜Ｐ４から得られた受光量に見合う電流は、電流電圧回路２１において電圧に変換され、変換信号を差動増幅器２２に差動入力し、エンコーダ信号Ａ、Ｂが得られる。また、フォトダイオードＰ１〜Ｐ４の和信号Ｃが、和算回路２３から出力される。

図９は電流電圧回路２１の４つの出力信号を示す。メインスケール１２のスリットＳを透過した光束による区間３１は、フォトダイオードＰ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４の出力位相差の関係を示している。また、区間３２では欠落スリットＳ１０の部分がフォトダイオードアレイ１４に重なった場合の出力を示している。本来、スリットＳとして存在しているはずの欠落スリットＳ１０からの光量がフォトダイオードＰ１〜Ｐ４に届かないため、本来であればスリット３個分の透過光の出力があるはずの振幅が、スリット１個分減少し正規の２／３の出力となる。

図１０の上段はフォトダイオードＰ１〜Ｐ４の信号をすべて重ねてあらわした波形図であり、中段はそのときの差増増幅器２２の出力Ａ、Ｂを、下段は和算回路２３の出力である和信号Ｃの変化の様子を示している。ここに示すように、欠落スリットＳ１０の影響を受けて、受光光量の和信号Ｃは波形周期にして３周期分にわたり出力が約２／３に低下する。この３周期の長さはフォトダイオードアレイ１４の周期本数分の長さと一致する。同時に差動増幅器２２の出力信号Ａ、Ｂの振幅も減少することになる。それにより、この和信号Ｃの出力変化点や、差動増幅器出力Ａ、Ｂの振幅変化点を原点信号として用いることが可能となる。

図１１は図５と異なるメインスケール１２の平面図であり、欠落スリットＳは１箇所ではなく、スリットＳ１０以外にスリットＳ１３を２個離して設けられている。図１２はこのときの出力信号の様子を示したものであり、振幅や出力が減少する領域の幅が、図５に示される欠落スリットＳ１０が１箇所のものに比べて長くなる。

また、図１３はメインスケール１２に連続した２つの欠落スリットＳ１０、Ｓ１１を設けたものである。図１４はこのときの出力信号の様子を示したものであり、和信号Ｃは２周期分にわたって出力が約１／３に低下する。

これら、図５〜図１４からわかるように、欠落スリットＳの配置パターンによって、それぞれ異なった出力信号を得ることができる。

特開２００５−２９１９８０号公報

光学式エンコーダに使用されるメインスケールは、基本的に変位を測定する物体の移動距離以上の長さが必要である。そのメインスケール全長のどの位置に原点（絶対位置）検出用の欠落スリットを設けるかは、その光学式エンコーダを使用する装置や、原点検出のシーケンスによって異なり、必ずしもメインスケールの中央位置とは限らない。

ここで、図１５のように欠落スリットＳ５１をメインスケール１２の端に設ける場合を考える。このようなメインスケール１２が存在した場合には、このメインスケール１２を装置に組み込む際には必ず決められた方向にメインスケール１２を組み込む必要があり、組立作業者の作業性を阻害する要因の一つとなりうる。だからといって、図１６のように組立性をあげるためにメインスケール１２の両端に同様の欠落スリットＳ５２、Ｓ５３を設けて方向性を無くしてしまうと、２つある欠落スリットＳ５２、Ｓ５３のうちどちらの欠落スリットを検出したかが分からなくなってしまう。そのため、本来の原点検出としての機能を失ってしまう。

（発明の目的）
本発明の目的は、本来の絶対位置検出機能を失うことなく、メインスケールの組立性を改善することができる光学式エンコーダおよび光学式エンコーダの絶対位置検出方法を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明の光学式エンコーダは、光透過部または光反射部を連続して配列したメインスケールと、前記メインスケールに対して相対移動可能かつ前記光透過部または光反射部のピッチに関係付けをして配設された複数の受光素子を有する受光部と、前記メインスケールを介して前記受光部に光を照射する発光部とを有し、前記メインスケールは前記相対移動方向に光学的に不連続部分を有する光学式エンコーダにおいて、前記不連続部分が、前記メインスケールの中央位置に対して対称に片側複数個ずつ両側に配置され、前記片側複数個の不連続部分が、異なる種別の不連続性パターンを持つことを特徴とするものである。

本発明によれば、本来の絶対位置検出機能を失うことなく、メインスケールの組立性を改善することができる。

本発明の実施例におけるメインスケールを示す平面図である。 絶対位置検出処理を示すフローチャートである。 欠落パターン検出処理を示すフローチャートである。 従来の透過型光学式エンコーダを示す斜視図である。 従来の欠落スリットを１個設けたメインスケールの平面図である。 従来の反射型光学式エンコーダを示す斜視図である。 従来のフォトダイオードアレイの配列および光強度分布を示す図である。 従来の処理回路の構成を示す図である。 フォトダイオードＰ１〜Ｐ４の出力波形を示す図である。 図５の場合の差増増幅器および和算回路の出力を示す図である。 欠落スリットを間隔あけて２個設けたメインスケールの平面図である。 図１１の場合の差増増幅器および和算回路の出力を示す図である。 欠落スリットを連続して２個設けたメインスケールの平面図である。 図１３の場合の差増増幅器および和算回路の出力を示す図である。 欠落スリットを片側に１個のみ設けたメインスケールの平面図である。 欠落スリットを片側に１個ずつ両側に設けたメインスケールの平面図である。

本発明を実施するための形態は、以下の実施例に記載される通りである。実施例は本発明を限定するものではなく、また、実施例の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが本発明に必須であるとは限らない。

本発明の光学式エンコーダは、図４、図６に示されるように、光透過部または光反射部を連続して配列したメインスケールを有する。また、メインスケールに対して相対移動可能かつ光透過部または光反射部のピッチに関係付けをして配設された複数の受光素子を有する受光部を有する。また、メインスケールを介して受光部に光を照射する発光部を有する。

図１は本発明の実施例におけるメインスケール１２の平面図である。メインスケール１２は、相対移動方向に光学的な不連続部分を構成するＳ４１〜Ｓ４４の４つの欠落スリットパターンを設けている。欠落スリットパターンＳ４１とＳ４４、Ｓ４２とＳ４３はメインスケール１２の中央位置に対しておのおの対称の位置に片側複数個ずつ両側に配置されたものであり、片側２個ずつの例として示されている。そして、それぞれ同じパターンによってスリットを欠落状態にさせて不連続部分として形成されている。ここでは仮に欠落スリットパターンＳ４１、Ｓ４４は２個のスリットを欠落させたパターン（以後、Ａパターンとする）、欠落スリットパターンＳ４２、Ｓ４３は１個のスリットを欠落させたパターン（以後、Ｂパターンとする）とする。Ａパターン、Ｂパターンは異なる種別の不連続性パターンを構成する。このように複数の欠落スリットパターンを中央位置に対称に配置することで、メインスケール１２の方向性が無くなり、組立性を改善することができる。

また、図１の下段にはこのメインスケール１２における和信号Ｃの出力を示している。前述の図５、図１０や図１３、図１４で説明した通り和信号Ｃの電圧低下レベルや低下時間はその対応するメインスケールの欠落スリットパターンによって異なる。そのため、その和信号Ｃの出力によって欠落スリットパターンがＡパターンとＢパターンのどちらのパターンなのかを識別することができる。

次に、図１のメインスケール１２に対しての絶対位置検出方法を図２のフローチャートを用いて説明する。そこで説明のために、図１において欠落スリットパターンＳ４１、Ｓ４２、Ｓ４３、Ｓ４４の各絶対位置をＬ２、Ｌ１、Ｒ１、Ｒ２とする。

まず、ステップＳ１０１にて初期化処理を行う。初期化処理のステップＳ１０１では光源１１（発光部）の電源投入や内部処理フラグのクリアなどを行う。次に、ステップＳ１０２にて起動時の光学式エンコーダの現状位置を仮の絶対位置（仮原点）として設定する。続いて、絶対位置検出をするためにアクチュエータを動作させ（Ｓ１０３）、第一の欠落スリットパターンを探索する（Ｓ１０６）。なお、ここでは駆動方向は予め定められた一方向、例えば図１における右方向とする。

そして、第一（一番目）の欠落スリットパターンを検出したら（Ｓ１０７）、その第一の欠落スリットパターンの種別（ＡパターンかＢパターン）を記憶し（Ｓ１０８）、さらにその欠落スリットパターンの仮絶対位置も記憶する（Ｓ１０９）。この際、欠落スリットパターンが見つかる前に駆動範囲端に達してしまった場合には（Ｓ１０４）、逆方向に探索を行うか、もしくはエラー処理とする（Ｓ１０５）。

ここで一旦、図３のフローチャートと図１４の出力信号波形を用いて、欠落スリットパターンの検出方法について説明する。まず、フォトダイオードアレイＰ１〜Ｐ４の出力の和信号Ｃの値ｘを取得する（Ｓ２０１）。そして、その和信号Ｃの値ｘが所定のレベル内（ＬＶ１＜ｘ＜ＬＶ２）であるかどうかを判定する（Ｓ２０２）。もし、所定の出力レベル内ではなかったものが、所定レベル内に入った場合（Ｓ２０３）には、その所定レベル内に入ったときの光学式エンコーダの仮絶対位置として欠落開始位置Ｐｏｓ１を記憶し（Ｓ２０４）、欠落測定フラグをセットする（Ｓ２０５）。この欠落測定フラグはセットされることで、現在、和信号Ｃの出力が所定レベル内にあることを示している。

そして、一度所定レベル内にあった信号が所定レベル外となった場合（Ｓ２０６）には、その所定レベルから外れた際の仮絶対位置として欠落終了位置Ｐｏｓ２をも記憶し、欠落測定フラグをクリアする（Ｓ２０７，Ｓ２０８）。この欠落開始位置Ｐｏｓ１と欠落終了位置Ｐｏｓ２から、その欠落スリットパターンの欠落幅を求めることができ（Ｓ２０９）、それによって所定の欠落幅であるかどうかを判定（Ｓ２１０）する。それら欠落スリットパターン通過中の和信号Ｃの出力レベルと欠落幅から、欠落スリットパターンの種別を判定し、それにより欠落スリットパターンを検出したものとする（Ｓ２１１）。このとき同時に、欠落開始位置Ｐｏｓ１および欠落終了位置Ｐｏｓ２から、その中点を欠落スリットパターンの仮絶対位置として算出する（Ｓ２１２）。

再び、図２のフローチャートを用いて絶対位置検出方法について説明する。第一の欠落スリットパターンの探索に続いて、次に第二（二番目）の欠落スリットパターンを探索する。引き続き、アクチュエータを動作させ（Ｓ１１０）、第二の欠落スリットパターンの検出を行う（Ｓ１１１）。このとき、第一の欠落スリットパターンから所定の距離以内で探索をおこなっても、二番目の欠落スリットパターンが見つからないとき（Ｓ１１３）には、第一の欠落スリットパターンの種別によって、第一の欠落スリットパターンがＳ４１〜Ｓ４４のどの欠落スリットパターンであったか判定することが可能となる（Ｓ１１４）。なお、ここでの所定の距離とは欠落スリットパターンＳ４１とＳ４２との距離とほぼ等しい。

もし、第一の欠落スリットパターンの種別がＡパターンであった場合には、二番目の欠落スリットパターンが所定の距離移動しても見つからないことから、その第一の欠落スリットパターンは欠落スリットパターンＳ４２であることが分かり（Ｓ１１６）、それにより第一の欠落スリットパターンの仮絶対位置は絶対位置Ｌ１と等しくなる。同様に、第一の欠落スリットパターンの種別がパターンＢであった場合には、第一の欠落スリットパターンはＳ４４であることがわかり（Ｓ１１８）、その結果絶対位置Ｒ２が求まる（Ｓ１１９）。

一方、探索により第二の欠落スリットパターンが見つかった場合には、その第一および第二の欠落スリットパターンの種別から、絶対位置Ｒ１、Ｌ２を求めることができる。

このように、駆動方向と２つの種別の欠落スリットパターンの検出順序によって、それぞれの欠落スリットパターンＳ４１〜４４を識別することができ、それによって絶対位置を求めることができる。

１２ メインスケール
Ｓ４１、Ｓ４２、Ｓ４３、Ｓ４４ 欠落スリットパターン
Ｌ１、Ｌ２、Ｒ１、Ｒ２ 絶対位置

Claims (3)

1. 光透過部または光反射部を連続して配列したメインスケールと、
   前記メインスケールに対して相対移動可能かつ前記光透過部または光反射部のピッチに関係付けをして配設された複数の受光素子を有する受光部と、
   前記メインスケールを介して前記受光部に光を照射する発光部とを有し、
   前記メインスケールは前記相対移動方向に光学的に不連続部分を有する光学式エンコーダにおいて、
   前記不連続部分は、前記メインスケールの中央位置に対して対称に片側複数個ずつ両側に配置され、
   前記片側複数個の不連続部分は、異なる種別の不連続性パターンを持つことを特徴とする光学式エンコーダ。
2. 前記不連続部分は、前記光透過部または光反射部の少なくとも１つの部分を欠落状態にすることにより形成されることを特徴とする請求項１に記載の光学式エンコーダ。
3. 前記請求項１または２に記載の光学式エンコーダの絶対位置を検出する光学式エンコーダの絶対位置検出方法であって、
   前記メインスケールを予め定められた一方向に駆動するステップと、
   一番目の前記不連続部分の不連続性パターンと仮絶対位置を検出し、検出した不連続部分の不連続性パターンおよび仮絶対位置を記憶するステップと、
   二番目の前記不連続部分の不連続性パターンを検出するステップと、
   前記一番目の不連続部分の仮絶対位置から所定の距離以内で前記二番目の不連続部分の不連続性パターンを検出したか否かと、前記一番目の不連続部分の不連続性パターンの種別とによって、前記不連続部分の絶対位置を検出するステップとを有することを特徴とする光学式エンコーダの絶対位置検出方法。

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