JP2005265512A

JP2005265512A - 光学式エンコーダ

Info

Publication number: JP2005265512A
Application number: JP2004075827A
Authority: JP
Inventors: Akio Atsuta; 暁生熱田; Masahiko Igaki; 正彦井垣
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2004-03-17
Filing date: 2004-03-17
Publication date: 2005-09-29

Abstract

【課題】スケール又はその付帯部材に不連続部分を設けて絶対位置を検出し得る光学式エンコーダを得る。
【解決手段】スケール１１、２つの発光素子１２ａ、１２ｂを備えた発光部１２、複数のフォトダイオードＳを並列した受光部１３から成り、発光部１２で発光した光が、細かい間隔の反射部と非反射部を持つスケール１１で反射して、受光部１３上に明暗の分布を与える。また、Ｘ方向に直線状に移動するスケール１１の反射部には、スケール１１の移動方向に非反射部である不連続部分１１ａが部分的に設けられている。受光部１３で得られた受光信号は処理回路により不連続部分１１ａを検出し、絶対信号をも検出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、変位測定や角度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に関するものである。

光学式エンコーダは基本的に、第１の光学格子が形成されたメインスケールと、これに対向して配置され第２の光学格子が形成されたインデックススケールと、メインスケールに光を照射する光源と、メインスケールの第１の光学格子を透過又は反射し、更にインデックススケールの第２の光学格子から戻ってくる光を受光する受光素子とを備えた構成とされている。

この種の光学式エンコーダにおいて、インデックススケールを兼ねて受光素子アレイを用いる方式は、既に例えば特許文献１において提案されている。また、本出願人も同様の構成の特許文献２の光学式エンコーダを出願している。

この構成のエンコーダはインクリメンタル型と云われ、スケールの移動に対し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。このインクリメンタル型の問題点として、回転角度の絶対位置が不明なため、絶対位置を検出するセンサが別途に必要になるという問題がある。

特許文献３においては、上述の問題を回避し、インクリメンタル式の透過型のエンコーダにおける絶対位置を検出するために、図１１に示すようにスケール１に配列したスリット２の透過率を変化させ、例えばスリット２ａは透過率を１としているのに対し、並列する順次のスリット２ｂ、２ｃ、２ｄの透過率は徐々に下がっている。

図１２はこのスケール１を用いたとき、センサをスリット２の透過率が変化している部分が通過したときに得られる信号変化を示しており、センサからアナログ２相信号Ｏａ、Ｏｂが得られる。スリット２の透過率が徐々に下がることにより、信号Ｏａ、Ｏｂの振幅が低下するので、この変化を検出することにより絶対位置を検出するようになっている。

特公平６−５６３０４号公報特開２００３−１６１６４５号公報特開平１０−３１８７９０号公報

しかし、上述の従来例で説明したようなエンコーダの絶対位置検出手段では、信号の振幅を検出しなければならないため、信号のピークとバレイの電圧を求めなければならず、振幅の変化を検出するためには、最低でも１周期の半分の時間を必要とする。また、スケール１のスリット２には透過率が異なる部分を製作しなければならず、ばらつきなどを考慮すると、製作がかなり困難となるという問題がある。

また、透過率が異なる部分を設けていては、信号が欠落しエラーとなってしまうことがあり、エラーにならない程度の信号振幅が必要となる。

本発明の目的は、上述の問題点を解消し、スケール又はその付帯部材に不連続部分を設けて、信号処理回路部を用いてスケールの絶対位置をも検出し得る光学式エンコーダを提供することにある。

上記目的を達成するための本発明に係る光学式エンコーダは、光学格子を形成したスケールと、該スケールに対して相対移動可能に設けると共に前記光学格子のピッチに関係付けして配設した複数のフォトダイオードを有する受光部と、前記スケールを介して前記受光部に光を照射する発光部と、前記受光部の出力信号を処理する信号処理回路部とを有する光学式エンコーダにおいて、前記スケール又は前記スケールと共に移動する付帯部材に相対移動方向に沿った光学的な不連続部分を設け、前記受光部で得られる信号の変化を前記信号処理回路部で検出して前記不連続部を検出することを特徴とする。

本発明に係る光学式エンコーダによれば、スケール又はその付帯部材に設けた不連続部分を基に、信号処理回路部を用いて安価なコストで絶対位置の検出が可能となる。

更に、温度変化に存在する環境においては、温度補償回路を用いることにより、簡素な構成で温度補償も実施でき、検出は更に正確となる。

本発明を図１〜図１０に図示の実施例に基づいて詳細に説明する。

図１は実施例１を示し、移動体であるスケール１１の形状を、反射型のマイクロルーフミラーアレイとした直線移動式の光学式エンコーダの光学系の構成図であり、このような構成を採用することにより、光の利用効率を向上させることができる。このマイクロルーフミラーアレイを用いた構成については、特許文献４に開示されている。なお、受光部１３に対し相対的にかつ直線状にＸ方向に移動するスケール１１の反射部には、反射部のＸ方向への連続性を損う非反射部による不連続部分１１ａが部分的に設けられている。

この光学式エンコーダは、スケール１１、２つの発光素子１２ａ、１２ｂを備えた発光部１２、複数のフォトダイオードＳを並列した受光部１３から成り、発光部１２で発光した光が、細かい間隔の反射部と非反射部を持つスケール１１で反射して、受光部１３上に明暗の分布を与える。

この構成は、特にスケール１１がマイクロルーフミラーアレイを用いた構成でなく、単に反射部と非反射部を持つ構成であれば、信号レベルは異なるものの、同様な光の明暗の分布が受光部１３上に形成され、エンコーダ信号を得ることが可能である。

特開２００２−３２３３４７号公報

図２は複数のフォトダイオードＳを配列した受光部１３の構成と入力光の明暗パターンの説明図であり、フォトダイオードＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４はそれぞれ０゜、９０゜、１８０゜、２７０゜の関係になるように繰り返して配置されている。入力光の明暗パターンが不連続部分１１ａによって部分的に欠落しても、他のフォトダイオードＳの存在のために、ほぼフォトダイオードＳの残っている割合での信号振幅が得られる。

図３は処理回路の構成図を示し、受光部１３のフォトダイオードＳから得られた受光量に見合う電流を電流電圧回路２１で電圧に変換し、変換信号を差動増幅器２２に差動入力し、（Ｓ１−Ｓ３）、（Ｓ２−Ｓ４）に相当する信号が、ノイズなどの影響を受けないエンコーダ信号Ａ、Ｂとして出力される。

更に、フォトダイオードＳで得られた全光量を演算回路２３で演算し、フィードバック回路２４で基準電圧と比較して、発光部１２の発光量が所定の光量レベルになるようにフィードバックする。発光部１２を流れる電流値は、オフセット除去回路２５が設けられた電流検出回路２６により、電圧信号Ｃとして検出される。電流検出回路２６はスケール１１の不連続部分１１ａが通過する電流変化を大きく捉えるために、光量のバイアス分を除去して変化部分を拡大するためにゲインを上げる構成とされている。

この図３の処理回路構成では、不連続部分１１ａがフォトダイオードＳを通過したときには、受光部１３で得られる光量が少なくなるために、フィードバック回路２４により発光部１２を流れる電流を大きくして、受光部１３への光量を一定にするように動作する。このような回路構成によって、信号振幅も変わらない安定したエンコーダ信号Ａ、Ｂが得られることになる。

図４は受光部１３がスリット８波分の幅を持っている場合に、スケール１１の不連続部分１１ａが通過したときの電流検出回路２６で得られる信号Ｃと、差動増幅器２２から得られるエンコーダ信号Ａ、Ｂを示している。

図４に示すように、スケール１１の不連続部分１１ａが１つの場合に、最初にフォトダイオードＳに不連続部分１１ａがかかったときに光量が減少し、フィードバック回路２４では電流を増え、電流検出回路２６の信号Ｃは約１／８の割合で増加する。そして、その状態がフォトダイオードＳにスケール１１の不連続部分１１ａがかかっている間続き、外れると元の信号レベルに低下する。このような構成にすることで、エンコーダ信号Ａ、Ｂに変化を与えることなく、信号Ｃと基準電圧Ｄとのレベルの比較により、不連続部分１１ａが通過したことを検出できる。

実施例では、不連続部分１１ａが１つのときの場合を示したが、２つの不連続部分１１ａが連続していれば電流変化も２倍になり、電流検出回路２６の信号Ｃのレベルの変化も大きくなる。これを利用することにより、信号Ｃのレベルにより何個の不連続部分１１ａの群がフォトダイオードＳ上を通過しているかが分かるので、スケール１１に特殊なパターンを構成させることにより、絶対位置の検出に利用できる。

図５は実施例２の回転型の光学式エンコーダにおける透過型スケール３１等の光学的な構成図を示している。スケール３１には不連続部分を設けずに、スケール３１の発光部３２、受光部３３とは反対側にスケール３１を透過した光を反射して、受光部３３に戻す効果を有する反射板３４が設けられている。反射板３４は保持部材３５に張り付けられ、スケール３１と共に共通の回転軸３６により回転するようにされている。

図６は反射板３４の反射部３４ａと非反射部３４ｂのパターンを示し、反射部３４ａと非反射部３４ｂが丁度半分半分の半月状の形状とされ、非反射部３４ｂが回転方向に対する不連続部分となっている。

発光部３２から出射した光は光路Ｌ１を経てスケール３１に至り、スケール３１で反射して受光部３３に戻って位置パルスのエンコーダ信号Ａ、Ｂを発生させる。また、発光部３２で発光した光の一部はスケール３１を光路Ｌ２のように通過し、反射板３４の反射部３４ａで反射してスケール３１を経て受光部３３に戻る。

この光路Ｌ２による光はエンコーダ信号Ａ、Ｂとは異なり、絶対位置を得るための信号Ｃを発生するためのものであり、スケール３１の反射パターンとは関係のないＤＣ光である。従って、受光部３３はスケール３１の裏側に反射部３４ａがあるときは、ＤＣ光が入ってきたかのような動作となり、発光部３２の光量を絞る方向に動作する。

図７はこの実施例２の構成において、実施例１で用いた図３に示す回路からの信号Ａ、Ｂ、Ｃを示し、反射板３４の反射部３４ａが受光部３３上に至ると、反射してきた光の影響で、発光部３２の電流を減らす挙動となる。従って、この変化により実施例１と同様に、絶対位置に対応した位置情報が得られる。

本実施例２では、スケール３１に加工を加えることなく、つまりスケール３１には不連続部分を設けることなく、非反射部３４ｂを有する反射板３４をスケール３１の裏側に配置するだけで、絶対位置情報が得られる利点がある。また、反射板３４の反射部３４ａと非反射部３４ｂのパターンを変えて信号Ｃのハイレベルとローレベルの区間を変更したり、反射板３４の反射率を変えることにより、ハイレベルとローレベルの差を変化させることも可能である。

図８は温度環境に対応していないときの電流検出回路２６の信号Ｃであり、温度環境が変わることによって、発光部１２、３２を流れる電流のオフセットが大きく上下する。発光部１２、３２で同じ発光量を得るためには、電流は高温では少なく、低温では増やす必要がある。また、受光部１３、３３の温度特性としては、高温で検出電圧が上がり、低温で検出電圧が下がる傾向にある。

その他にも、温度によって特性変化する部材が存在するが、図８はこれらの各部材の温度特性を合成した特性を基にしたエンコーダ信号及び電流検出回路の出力の波形図である。この温度特性は高温で同じ光量を得るためには電流値が下がり、低温では電流値が上がる傾向となっている。このとき、信号Ｃが基準電圧Ｄと比較する場合に、信号Ｃの立上部は基準電圧Ｄと交叉する位置は温度によって大きくずれて、絶対位置の検出に誤差が介入されるという問題がある。

図９はこの温度特性を改善するための実施例３の回路構成図を示し、基本構成は実施例１の図３と同様であるが、本実施例では発光部１２に直列に接続されている抵抗Ｒが、正の温度特性を持つ感温抵抗とされている。これにより、高温時に電流が減少しても抵抗Ｒの値は増えるため、電流検出回路２６からの信号Ｃが上昇し、それぞれが打ち消し合うことになる。

従って、抵抗Ｒの温度係数と受光部１３の電流変化の温度特性を組み合わせることにより、温度変化があっても図１０に示すように信号Ｃが大きく変わることがなく、基準電圧Ｄと交叉する位置を殆ど変わらなくすることが可能となる。

本実施例では、抵抗Ｒを感温抵抗にする手段を用いたが、オフセット除去回路２５の部分に温度補償回路を設けるようにすることも可能である。

また、従来例の図１１に示すように、スケールは１１、３１スリットを設けた透過型として、スリットの配列において不連続部分を設けるようにしてもよい。

実施例１の光学系の構成図である。受光部と入力光の明暗パターンの説明図である。処理回路の構成図である。エンコーダ信号及び電流検出回路出力の波形図である。実施例２の回転型エンコーダの光学的関係の構成図である。反射板の平面図である。エンコーダ信号及び電流検出回路の出力の波形図である。温度変化があるときのエンコーダ信号及び電流検出回路の出力の波形図である。実施例３の回路構成図である。温度補償をしたときのエンコーダ信号及び電流検出回路の出力の波形図である。従来の光学式エンコーダのスケール部の構成図である。エンコーダ信号の出力波形図である。

符号の説明

１１、３１スケール
１２、３２発光部
１３、３３受光部
２１電流電圧変換回路
２２差動増幅器
２３演算回路
２４フィードバック回路
２６電流検出回路
３４反射板
３５保持部材
３６回転軸
Ｓフォトダイオード

Claims

光学格子を形成したスケールと、該スケールに対して相対移動可能に設けると共に前記光学格子のピッチに関係付けして配設した複数のフォトダイオードを有する受光部と、前記スケールを介して前記受光部に光を照射する発光部と、前記受光部の出力信号を処理する信号処理回路部とを有する光学式エンコーダにおいて、前記スケール又は前記スケールと共に移動する付帯部材に相対移動方向に沿った光学的な不連続部分を設け、前記受光部で得られる信号の変化を前記信号処理回路部で検出して前記不連続部を検出することを特徴とする光学式エンコーダ。
前記信号処理回路部に前記不連続部の変化による光量の変化を検出し該変化を一定にするための光量安定化回路を設け、前記光量を安定させるための前記発光部を流れる電流値の変化から前記不連続部分を検出す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。
前記光量安定化回路による前記発光部を流れる電流値のレベルを検知することにより、前記不透過部分の検出信号を得ることを特徴とする請求項２に記載の光学式エンコーダ。
前記信号処理回路部に温度による前記発光部の電流変動を補償する温度補償回路を設けたことを特徴とする請求項２又は３に記載の光学式エンコーダ。
前記温度補償回路は温度、取付状態による前記電流変動を補償する操作を所定のタイミングで行うことを特徴とする請求項４に記載の光学式エンコーダ。