(57)【要約】【課題】  計測精度の悪化を抑えつつ、高速に対応可能な光学式エンコーダを提供することを目的としている。【解決手段】  発光手段と、前記発光手段からの光が照射されるスケールと、前記スケールからの光を受光して出力信号を得る受光センサと、前記出力信号から被計測物の位置又は回転角度を演算する演算手段とを備える光学式エンコーダであって、前記受光センサの出力信号にもとづいて、前記受光センサの蓄積時間を制御する蓄積時間制御手段を備える。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光手段と、前記発光手段からの光が照射されるスケールと、前記スケールからの光を受光して出力信号を得る受光センサと、前記出力信号から被計測物の位置又は回転角度を演算する演算手段とを備える光学式エンコーダであって、
前記受光センサの出力信号にもとづいて、前記受光センサの蓄積時間を制御する蓄積時間制御手段を備えることを特徴とする光学式エンコーダ。
【請求項２】
前記蓄積時間制御手段は、前記出力信号から算出された前記被計測物の速度に関連する値と予め設定されているしきい値とを比較し、比較結果に応じて前記蓄積時間を変更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。
【請求項３】
前記蓄積時間制御手段は、前記被計測物の速度が高くなるにつれて、前記蓄積時間が短くなるように、前記蓄積時間を変更す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。
【請求項４】
前記受光センサの出力信号にもとづいて前記出力信号のコントラスト値を算出するコントラスト算出手段を備え、
前記蓄積時間制御手段は、前記コントラスト算出手段で演算されたコントラスト値にもとづいて、前記受光センサの蓄積時間を制御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。
【請求項５】
前記蓄積時間制御手段は、前記コントラスト算出手段で算出されたコントラスト値としきい値とを比較し、前記コントラスト値がしきい値よりも小さい場合に、前記受光センサの蓄積時間を短くすることを特徴とする請求項４に記載の光学式エンコーダ。
【請求項６】
蓄積時間毎に、蓄積時間を短くするための第１しきい値と、蓄積時間を長くするためのしきい値とが予め設定され、
前記蓄積時間制御手段は、前記コントラスト算出手段で算出されたコントラスト値と第１のしきい値とを比較し、前記コントラスト値が第１しきい値よりも小さい場合に、前記受光センサの蓄積時間を短くし、さらに、前記コントラスト算出手段で算出されたコントラスト値と第２のしきい値とを比較し、前記コントラスト値が第２しきい値よりも大きい場合に、前記受光センサの蓄積時間を長くすることを特徴とする請求項５に記載の光学式エンコーダ。
【請求項７】
前記受光センサの出力信号にもとづいて前記被計測物の速度を算出する速度算出手段と、
前記蓄積時間制御手段は、前記速度算出終段で算出された速度にもとづいて、前記受光センサの蓄積時間を制御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。
【請求項８】
前記変更手段は、前記速度算出手段で算出された速度としきい値とを比較し、前記速度がしきい値よりも大きい場合に、前記受光センサの蓄積時間を短くすることを特徴とする請求項７に記載の光学式エンコーダ。
【請求項９】
前記受光センサの出力信号にもとづいて前記出力信号の振幅を算出し、算出された振幅にもとづいてエラー信号を出力することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の光学式エンコーダ。
【請求項１０】
前記発光手段の発光量を制御する発光制御手段を備え、
前記発光制御手段は、前記受光センサの出力信号または前記蓄積時間制御部の制御に応じて、前記発光手段の発光量を制御することを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１つに記載の光学式エンコーダ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は被計測物の位置又は回転角度を計測する光学式エンコーダに関する。
【背景技術】
【０００２】
被計測物の位置又は回転角度を計測する光学式エンコーダとして、受光手段を用いてスケールからの光を受光することで信号波形を得て、得られた信号波形から被計測物の位置又は回転角度を演算するものがある。
【０００３】
光学式エンコーダにおいて、被計測物が高速で移動又は回転する場合に、得られる信号波形のコントラストが低下してしまう問題がある。コントラストが低下すると、計測精度の悪化もしくは計測エラーを引き起こす可能性がある。
【０００４】
特許文献１には、ロータリーエンコーダが高速回転したときの信号波形のコントラスト低下を抑えるために、受光手段の転送ゲートへ電荷を移動させるシフトパルスよりも時間的に十分短いパルス光を発光させることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−３０３５３８
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１では、ロータリーエンコーダが低速の場合も高速の場合も常に短いパルス光を発光させている。この場合、低速時において短いパルス光を発光させると信号波形の振幅は小さくなってしまう。
【０００７】
近年、エンコーダの計測精度に対する要求は高まり、さらなるコントラストとＳ／Ｎ比の向上が望まれている。特許文献１に記載の方法は、コントラストを高くすることはできるが、低速時において振幅が小さくなるため低速時のＳ／Ｎ比を犠牲にし、計測精度が悪化してしまう。
【０００８】
本願発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、低速時と高速時の両方で計測精度を向上させることが可能な光学式エンコーダを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、発光手段と、前記発光手段からの光が照射されるスケールと、前記スケールからの光を受光して出力信号を得る受光センサと、前記出力信号から被計測物の位置又は回転角度を演算する演算手段とを備える光学式エンコーダであって、前記受光センサの出力信号にもとづいて、前記受光センサの蓄積時間を制御する蓄積時間制御手段を備えることを特徴としている。本願において、位置又は回転角度とは、絶対位置や絶対角度の場合にかぎらず、相対位置（変位量）や相対角度（回転量）の場合も含む。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、低速時と高速時の両方で計測精度を向上させることが可能な光学式エンコーダを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の光学式エンコーダの構成を示す図
【図２】第１実施形態のコントローラの構成を示す図
【図３】受光センサの出力信号を示す図
【図４】被計測物の速度と受光センサの出力信号のコントラスト値との関係を示す図
【図５】被計測物の速度と受光センサの出力信号の振幅との関係を示す図
【図６】第２実施形態のコントローラの構成を示す図
【図７】第３実施形態のコントローラの構成を示す図
【図８】第４実施形態のコントローラの構成を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る光学式エンコーダの概略図である。第１の実施形態では被計測物の位置を計測するリニアエンコーダを説明するが、本発明は被計測物の回転角度を計測するロータリーエンコーダにも適用可能である。また、第１実施形態ではインクリメンタルエンコーダを説明するが、本発明はアブソリュートエンコーダにも適用可能である。
【００１３】
エンコーダ１００は、発光ダイオード（発光手段）１０と、コリメータレンズ２０と、スケール３０と、受光センサ４０と、コントローラ（制御手段）６０と、を備える。発光ダイオード１０からの光はコリメータレンズ（平行化手段）２０により平行にされ、光透過部と遮光部からなる構造（パターン）を有するスケール３０に照射される。そして、受光センサ４０はスケール３０（パターン）からの光を受光して出力信号を得る。
【００１４】
発光ダイオードに代えてレーザなど他の発光手段を用いてもよく、コリメータレンズ２０に代えて他の平行化手段を用いてもよい。平行化手段を用いない構成であってもよく、この場合には、拡散光を用いればよい。
【００１５】
スケール３０はコリメータレンズ２０と受光センサ４０の間に配置され、パターンの配列方向（図１の左右方向）に移動可能である。本実施形態において、スケール３０を被計測物としている。スケール３０の光透過部分と遮光部分は交互に等ピッチで形成される。図１においては、模式的に光透過部分を白色、遮光部分を黒色で示す。スケール３０は、光透過部分と遮光部分に加えて半透過部分を用いてもよく、光の透過を利用する代わりに光の反射を利用してもよい。反射を利用する場合には、受光センサ４０はスケール３０に対して発光ダイオードと同じ側に配置される。
【００１６】
受光センサ４０として、例えばＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ  Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）センサやＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ）センサが用いられる。本実施形態では、受光センサ４０は複数の受光素子をパターンの配列方向に並べて構成されるが、これに限られず、単一の受光素子を用いることも可能である。受光センサ４０は受光した光を電気的な信号波形に変換し、得られた信号波形（出力信号）はケーブル（伝送手段）を介してコントローラ６０に伝送される。
【００１７】
図２を用いて、コントローラ６０の構成および機能について説明する。コントローラ６０は、エンコーダ１００に関するデータ処理および動作制御を実行する。コントローラ６０として、例えば、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ  Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  ｇａｔｅ  ａｒｒａｙ）のような集積回路を用いることができ、メモリ（記憶手段）を含む。コントローラ６０の構成はこれに限るものではなく、ハードウェアで実現してもソフトウェアで実現してもよい。
【００１８】
ケーブル５０を介して伝送された信号波形は、Ａ／Ｄ変換器６１によりデジタル信号に変換される。デジタル信号に変換された信号波形は、位置演算部６２（演算手段）に入力される。位置演算部６２は、入力された信号波形に基づいてスケール３０の位置を演算する。演算された位置に関する信号は、ケーブル６３を介してコントローラ６０の外部へ出力される。
【００１９】
デジタル信号に変換された信号波形は、コントラスト算出部６４（コントラスト算出手段）に入力される。コントラスト算出部６４は、以下の演算式に基づいて、入力された信号波形のコントラスト値を算出する。
コントラスト値＝（最大値−最小値）／（最大値＋最小値）      …（数式１）
算出されたコントラスト値は、蓄積時間制御部６５（蓄積時間制御手段）に入力される。蓄積時間制御部６５は、入力されたコントラスト値をしきい値と比較し、ケーブル５１を介して、比較結果に応じた蓄積時間制御信号を出力する。蓄積時間制御部６５は、コントラスト値がしきい値よりも小さい場合に受光センサ４０の蓄積時間を所定の時間だけ短くするように蓄積時間制御信号を出力する。しきい値および所定の時間は、メモリに予め記憶（設定）される。蓄積時間制御信号は、例えば、周期をもつパルス信号であり、パルス信号のパルス幅を変更することで受光センサ４０の蓄積時間を制御する。
【００２０】
図３は、コントローラ６０が取得する信号波形を示す図である。横軸は、受光センサ４０内における位置を示し、プロットは各受光素子の位置に対応している。縦軸は、各受光素子の出力（光量）を示す。信号波形は、光透過部分に対向する位置で光量が最大、遮光部分に対向する位置で光量が最小となっており、正弦波のように周期性をもつ波形となる。本実施形態では、光透過部分のピッチを１６０μｍ、遮光部分のピッチを１６０μｍ、受光センサ４０のピッチを約１３．３μｍとしている。また、受光センサ４０の蓄積時間の初期値を１０μｓｅｃ、コントラスト値のしきい値を０．４、所定の時間を１μｓｅｃとしている。蓄積時間１０μｓｅｃ、速度０ｍ／ｓにおける信号波形（丸プロットで示す）の振幅を１、コントラスト値を１として規格化している。
【００２１】
図３において、三角プロットは、蓄積時間１０μｓｅｃ、速度１２ｍ／ｓの場合の信号波形を示す。このとき、受光素子の出力の最大値が０．６５、最小値が０．３５であるため、数式１からコントラスト値は０．３となる。このコントラスト値はしきい値０．４よりも小さい。そこで、蓄積時間制御部６５は、蓄積時間を１μｓｅｃ短くして９μｓｅｃに変更する。図３の四角プロットは、蓄積時間９μｓｅｃ、速度１２ｍ／ｓの場合の信号波形を示す。このとき、受光素子の出力の最大値が０．６３、最小値が０．２７であるため、数式１からコントラスト値は０．４となる。このコントラスト値はしきい値０．４以上となる。
【００２２】
図４は、スケール３０の速度とコントラスト値との関係を示す図である。図４の横軸はスケールの速度、縦軸はコントラスト値であり、蓄積時間毎にプロットされている。図４から、蓄積時間を短くすればコントラスト値が大きくなることがわかる。いいかえると、算出されたコントラスト値は、スケール３０の速度に関連した値となる。したがって、しきい値と所定の値（蓄積時間の変更量）を適宜設定することによって、高速時においてもコントラスト不足による計測エラーを回避することが可能となる。
【００２３】
さらに、蓄積時間制御部６５は、高速から低速になった場合に、受光センサ４０の蓄積時間を長くする。具体的には、蓄積時間制御部６５は、コントラスト値がしきい値よりも大きい場合に受光センサ４０の蓄積時間を所定の時間だけ長くするように蓄積時間制御信号を出力する。このしきい値は、上述の蓄積時間を短くするためのしきい値とは別に用意され、蓄積時間に関連付けて記憶（設定）されている。例えば、蓄積時間９μｓｅｃに対して、しきい値が０．６であるとすると、蓄積時間９μｓｅｃの状態で入力されたコントラスト値が０．６を上回った場合に、蓄積時間が１０μｓｅｃに戻される。つまり、蓄積時間毎に、蓄積時間を短くするためにコントラスト値と比較するしきい値（第１しきい値）と、蓄積時間を長くするためにコントラスト値と比較するしきい値（第２しきい値）とが記憶されている。蓄積時間制御部６５は、コントラスト値と第１のしきい値とを比較し、コントラスト値が第１しきい値よりも小さい場合に、受光センサ４０の蓄積時間を短くする。さらに、コントラスト値と第２のしきい値とを比較し、コントラスト値が第２しきい値よりも大きい場合に、受光センサの蓄積時間を長くする。
【００２４】
このように本実施形態では、算出されたコントラスト値に応じて蓄積時間を変更しており、常に蓄積時間を短く設定しているわけではない。この蓄積時間の変更による効果を説明する。
【００２５】
図５は、スケールの速度と振幅との関係を示す図である。図５の横軸はスケールの速度、縦軸は振幅である。上述のとおり、蓄積時間１０μｓｅｃ、移動体（スケール）の速度０ｍ／ｓにおける出力の振幅を１として規格化している。振幅は以下の式で表される。
振幅＝（最大値−最小値）／２      …（数式２）
図５から、低速時において、蓄積時間が短くすれば振幅が小さくなることわかる。本実施形態では、コントラスト値が十分に得られる低速時において蓄積時間を長く設定することによって、低速時における振幅を大きくすることができ、Ｓ／Ｎ比を向上させることができる。
【００２６】
以上のように、本実施形態によれば、低速時の計測精度の悪化を抑えつつ、高速に対応可能なエンコーダを提供することができる。また、実際に得られた信号波形にもとづいて算出されたコントラスト値を用いるため、高い信頼性を得ることができる。
【００２７】
（第２実施形態）
第２実施形態について説明する。第１実施形態と同じ構成については同一の符号を付して説明を省略する。第２実施形態における光学式エンコーダは、第１実施形態における構成に加えて、受光センサ４０の出力信号にもとづいてエラー判定を行うエラー判定部を有する。
【００２８】
図６は、第２実施形態におけるエンコーダのコントローラ７０を示す図である。本実施形態において、第１実施形態で説明したように、コントラスト算出部６６は入力された信号波形からコントラスト値を算出する。さらに、コントローラ７０は、エラー判定部６６を備える。エラー判定部６６は、入力された信号波形から（数式２）にもとづいて振幅を算出し、算出された振幅をしきい値と比較し、比較結果にもとづいてエラー判定を行う。しきい値はメモリに予め記憶（設定）されている。振幅がしきい値よりも小さい場合には、ケーブル６３を介してエラー信号を出力する。ケーブル６３以外のケーブルを別途設けてエラー信号を出力してもよい。これにより、エンコーダを使用するユーザは、エンコーダが取り付けられる装置の使用状況に応じて、エラー警告、エラー表示、装置停止などの処理を行うことができる。要求される計測精度に応じてしきい値を適宜設定することによって、エラー信号が出力されないかぎりは振幅（Ｓ／Ｎ比）低下による計測精度の悪化が生じていないことが保障されるため、信頼性が高いエンコーダを提供することが可能となる。また、実際に得られた信号波形にもとづいて算出された振幅を用いるため、特に高い信頼性を得ることができる。
【００２９】
本実施形態によれば、第１実施形態よりもさらに信頼性を高めたエンコーダを提供することが可能となる。
【００３０】
（第３実施形態）
第３実施形態について説明する。第１実施形態と同じ構成については説明を省略する。第３実施形態における光学式エンコーダは、第１実施形態における構成に加えて、受光センサ４０の出力にもとづいて発光手段を制御する発光制御部を有する。
【００３１】
図７は、第３実施形態におけるエンコーダのコントローラ８０を示す図である。本実施形態において、第１実施形態で説明したように、蓄積時間制御部６５は入力されたコントラスト値がしきい値よりも小さい場合に受光センサ４０の蓄積時間を所定の時間だけ短くするように蓄積時間制御信号を出力する。本実施形態では、さらにコントローラ８０は発光制御部６７を備える。
【００３２】
発光制御部６７は、蓄積時間制御部６７による蓄積時間の変更に応じて、ケーブル５２を介して発光量制御信号を出力する。蓄積時間制御部６７が蓄積時間を短くした場合に、発光制御部６７は発光ダイオード１０の発光量を所定の量だけ大きくする。逆に、蓄積時間制御部６７が蓄積時間を長くした場合に、発光制御部６７は発光ダイオード１０の発光量を所定の量だけ小さくする。所定の量はメモリに予め記憶（設定）されている。発光量制御信号は、例えば、周期性をもつパルス信号であり、パルス幅を変更することで発光部の発光量を変更可能である。発光ダイオード１０の発光量と信号波形の振幅は比例関係にあり、発光量を２倍にすれば振幅を２倍にすることができる。蓄積時間制御部６７が蓄積時間を短くすることは、スケール３０の速度が高速であることを意味し、図５に示すように振幅が低下していることが想定される。本実施形態によれば、発光量を大きくすることによって振幅（Ｓ／Ｎ比）を向上させることが可能となる。
【００３３】
本実施形態では、発光制御部６７による発光量制御信号の出力は、蓄積時間の変更をトリガとして説明したが、これに限られるものではない。例えば、受光センサ４０の信号波形から振幅を算出し、この振幅としきい値とを比較し、比較結果に応じて発光量を変更してもよい。本実施形態によれば、振幅（Ｓ／Ｎ比）低下による計測精度の悪化を回避できるため、第１実施形態よりもさらに信頼性を高めたエンコーダを提供することが可能となる。
【００３４】
（第４実施形態）
本発明の第４実施形態について説明する。本実施形態の光学式エンコーダは、コントローラ９０が速度算出部を備え、蓄積時間制御部がコントラスト値ではなく速度にもとづいて蓄積時間を制御する点で第１実施形態と異なる。以下の説明において、第１実施形態と同様の構成については説明を省略する。
【００３５】
図４で示したように、被計測物が高速になるにつれて信号波形のコントラスト値は低下する。そこで、受光センサ４０の出力信号からスケール３０の速度を算出し、その結果にもとづいて蓄積時間を制御することで、コントラスト値の低下を抑えることができる。
【００３６】
図８は第４実施形態のコントローラ９０を示す図である。コントローラ９０は、位置演算部６２の出力にもとづいてスケール３０の速度を算出する速度算出部６８を備える。位置から速度を算出する方法は公知の微分法などを用いればよい。そして、速度算出部６８は算出された速度に関する信号を蓄積時間制御部６５へ出力する。
【００３７】
蓄積時間制御部６５は、速度がしきい値よりも小さい場合に受光センサ４０の蓄積時間を所定の時間だけ短くするように蓄積時間制御信号を出力する。しきい値および所定の時間は、メモリに予め記憶（設定）される。一例として、蓄積時間の初期値が１０μｓｅｃの場合、算出された速度が１０．５ｍ／ｓを上回ったときに蓄積時間を９μｓｅｃに変更する。また、蓄積時間が９μｓｅｃの状態において、速度が１０．５ｍ／ｓを下回ったときに蓄積時間を１０μｓｅｃに変更する。
【００３８】
本実施形態によれば、第１実施形態と同様に、しきい値と所定の値（蓄積時間の変更量）を適宜設定することによって、高速時においてもコントラスト不足による計測エラーを回避することが可能となる。また、図５で説明したように、コントラスト値が十分に得られる低速時において蓄積時間を長く設定することによって、低速時における振幅（Ｓ／Ｎ比）を向上させることができる。
【００３９】
以上のように、本実施形態によれば、低速時の計測精度の悪化を抑えつつ、高速に対応可能なエンコーダを提供することができる。また、実際に得られた信号波形にもとづいて算出されたコントラスト値を用いるため、高い信頼性を得ることができる。
【００４０】
なお、本実施形態と第２実施形態または第３実施形態とを併用することもできる。
【符号の説明】
【００４１】
１０  発光ダイオード
３０  スケール
４０  受光センサ
６０、７０、８０、９０  コントローラ
６２  位置演算部
６４  コントラスト算出部
６５  蓄積時間制御部
６６  エラー判定部
６７  発光制御部
６８  速度算出部
１００  エンコーダ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2014102121.tif 000009
【図８】
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