(57)【要約】【課題】スケール又はその付帯部材に不連続部分を設けて、絶対位置を容易に検出する。【解決手段】マイクロルーフミラーアレイから成るスケールから受光部に出力される２相信号Ａ、Ｂにおいて、２相信号Ａ、Ｂの振幅が小さい回転位置は、スケールに反射部があるときの出力であり、振幅が大きい回転位置は非反射部があるときの出力である。  信号Ａ、Ｂを演算処理回路により演算して二乗和を求めると、信号Ａ、Ｂの振幅の変化点が急峻に得られるので、閾値Ｌを用いてスケールの反射部と非反射部の位置を識別する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
スケールの相対移動を２相信号として出力する光学式エンコーダにおいて、光学格子を形成した前記スケールと、前記スケールに対して相対移動可能とす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を有し、前記スケール又はその付帯部材に光学的に不連続である部分を設け、該不連続部分が前記受光部を通過している状態と通過していない状態を、前記受光部から得られる前記２相信号をそれぞれ二乗して和を求めた二乗和を用いて検出することを特徴とする光学式エンコーダ。
【請求項２】
前記不連続部分の通過状態を検出する手段として、前記二乗和の大きさを所定のレベルと比較することにより行う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】
前記不連続部分の通過状態を検出後に、基準位置を検出するために駆動方向を決定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４】
前記受光部、前記発光部を有する少なくとも２個の検出部を配置し、これらの検出部でそれぞれ得られた２相信号による前記二乗和を差分して、その大小関係を基に前記不連続部分の通過状態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。
【請求項５】
前記受光部、前記発光部を有する少なくとも２個の検出部を配置し、これらの検出部でそれぞれ得られた２相信号による位置情報を平均して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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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、例えば特許文献１において既に提案されている。また、本出願人も同様の構成の特許文献２による光学式エンコーダを出願している。
【０００４】
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。
【０００５】
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７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の透過率を１とし、並列する順次のスリット２ｂ、２ｃ、２ｄの透過率を徐々に低下させている。
【０００６】
図８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の透過率が徐々に低下することにより、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って絶対位置を検出するようになっている。
【０００７】
【特許文献１】特公平６−５６３０４号公報
【特許文献２】特開２００３−１６１６４５号公報
【特許文献３】特開平１０−３１８７９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、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、信号振幅を検出する方法として、得られるエンコーダ信号の１周期よりも十分に短いタイミングでサンプリングし、そこから得られる信号のピークとバレイの電圧を求める動作のため、或る範囲内で駆動していなければならず、停止状態のときに、所定部分がどの位置にあるかを知ることができない。
【０００９】
また、そのために信号の振幅を知るには、短いタイミングでサンプリングする高速なＡＤ変換器など回路規模の大きな回路が必要となる。その上、例えば図７に示すスケール１のスリット２のように、透過率が異なる部分を正確に製作しなければならず、実際の振幅変化もかなりのばらつきが発生する問題点がある。
【００１０】
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、絶対位置を検出し得る光学式エンコーダを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
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、スケールの相対移動を２相信号として出力する光学式エンコーダにおいて、光学格子を形成した前記スケールと、前記スケールに対して相対移動可能とす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を有し、前記スケール又はその付帯部材に光学的に不連続である部分を設け、該不連続部分が前記受光部を通過している状態と通過していない状態を、前記受光部から得られる前記２相信号をそれぞれ二乗して和を求めた二乗和を用いて検出することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る光学式エンコーダによれば、絶対位置の検出を行う際に２相信号の振幅から二乗和を演算することにより、スケールがどの位置にあるかを明確に検出することが可能となり、高速な位置決めシーケンスを実現できる。
【００１３】
また回路構成としては、エンコーダの信号レベルを検出して演算する回路のみであるため、特に回路を増加させることなく、簡単な構成で絶対位置の検出が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明を図１〜図６に図示の実施例に基づいて詳細に説明する。
【実施例１】
【００１５】
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構成図であり、このようなマイクロルーフミラーアレイ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基本構成については、特許文献４に開示されている。
【００１６】
【特許文献４】特開２００２−３２３３４７号公報
【００１７】
実施例１は回転型のエンコーダであり、スケール１１は反射型であって、スケール１１に対し片側に発光部１２、受光部１３が配置されている。スケール１１の発光部１２、受光部１３とは反対側に、スケール１１を透過した光を反射して受光部１３に戻す効果を有する反射板１４が設けられている。反射板１４は保持部材１５に張り付けられ、スケール１１と共に共通の回転軸１６により回転するようにされている。
【００１８】
図２は反射板１４の反射部１４ａと非反射部１４ｂのパターンを示し、反射部１４ａと非反射部１４ｂが丁度半分半分の半月状とされ、非反射部１４ｂが回転方向に対する不連続部分となっている。
【００１９】
発光部１２から出射した光は光路Ｌ１を経てスケール１１に至り、スケール１１で反射して受光部１３に戻って位置パルスの２相のエンコーダ信号Ａ、Ｂを発生させる。また、発光部１２で発光した光の一部はスケール１１を光路Ｌ２のように通過し、反射板１４の反射部１４ａで反射して再びスケール１１を経て受光部１３に戻る。
【００２０】
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を発生するためのものであり、スケール１１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１３はスケール１１の裏側に反射部１４ａ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１２の光量が絞られ、受光部１３で得られる信号Ａ、Ｂのレベルが小さくなる。
【００２１】
図３において、横軸はスケール１１の回転位置であり、縦軸（ａ）は２相信号Ａ、Ｂをそれぞれ二乗して和算した二乗和（Ａ2＋Ｂ2）、（ｂ）は２相信号Ａ、Ｂの出力であり、信号Ａを実線、信号Ｂは一点差線で示している。図３（ｂ）において、信号Ａ、Ｂの振幅が小さい回転位置は反射部１４ａがあるときの出力であり、振幅が大きい回転位置は非反射部１４ｂがあるときの出力である。
【００２２】
二乗和はＡＤ変換器などで信号Ａ、Ｂを取り込み、マイクロコンピュータなどの演算処理回路により演算する。この二乗和によれば、信号Ａ、Ｂの振幅の変化点が急峻に得られるので、比較電圧閾値Ｌにより反射部１４ａと非反射部１４ｂの境界検出が容易となり、単に信号Ａ、Ｂを用いるよりもはるかに明確に検出が可能となる。
【００２３】
このように、二乗和を用いて反射部１４ａ、非反射部１４ｂの検出を行い、原点からの計数によればスケール１１のゾーンが分かり、更には２相信号Ａ、Ｂによって正確な絶対位置を検出できる。
【００２４】
またスケール１１を停止目標位置で停止させるには、図３においてスケール１１の停止目標位置を閾値Ｌにより定まるＲとすると、例えばスケール１１が相対的に位置Ｓにあれば、処理回路により得られた二乗和の値は、予め設定されていた閾値Ｌに比較して小さいことが分かる。これにより、アクチュエータなどの駆動手段により、スケール１１を相対的に紙面右側に駆動するように動作させ、停止目標位置Ｒに到達させることができる。逆に、スケール１１が位置Ｔにあると、二乗和の値は閾値Ｌに比較して大きいので、スケール１１を相対的に紙面左側に駆動するように動作させ、停止目標位置Ｒに到達するようにすればよい。
【００２５】
このようにして、二乗和の出力により停止状態からスケール１１を何れの方向に駆動すべきかが分かり、容易に最短で停止目標位置に到達できる。
【００２６】
本実施例１では、反射部１４ａ、非反射部１４ｂを用いて１８０°ずれる位置で信号レベルが変わるような２領域の位置を検出できるようにしたが、反射率が異なる部分を段階的に数個所設けて、更にゾーンを分割して検出することも可能である。
【００２７】
また、受光部１３がフォトダイオードアレイになっていて、反射光の複数の明暗を検出するような構成のときは、スケール１１のパターンを１又はそれ以上に欠落させて信号レベルを変化させることもできる。
【実施例２】
【００２８】
図４は実施例１において、温度変化や経時変化により回路部品の特性が変化して検出が不能となる例を示している。図４で分かるように、温度変化などにより信号Ａ、Ｂの振幅が小さくなった場合には、二乗和（Ａ2＋Ｂ2）の振幅値はＰのような値を取り、予め設定していた閾値Ｌと比較しても、二乗和がハイレベルになる部分がなく、ゾーン検出が不能となる。
【００２９】
図５はこの問題を解決するための実施例２の構成図を示し、円板状のスケール２１の裏面には半月状に反射部２２ａと非反射部２２ｂが設けられており、反射部２２ａが存在するときには余分な光が受光部に戻ってくるため、センサのコントラストが低下し十分な振幅の２相信号Ａ、Ｂが得られなくなる。そこで実施例２においては、発光部、受光部をそれぞれ有する２組のセンサヘッド２３、２４が、スケール２１の丁度１８０°位置がずれた個所に配置されている。
【００３０】
図６において、Ｐ１は図５のセンサヘッド２３からの２相信号Ａ、Ｂの二乗和のレベルを示し、Ｐ２はセンサヘッド２４からの２相信号の二乗和のレベルを示している。図６から分かるように、信号出力Ｐ１、Ｐ２はレベルの上下のタイミングが丁度逆になるような二乗和となる。
【００３１】
図５に示すようなスケール２１とセンサヘッド２３、２４の位置関係のとき、センサヘッド２３にはスケール２１の裏面に反射部２２ａが存在するため、２相信号Ａ、Ｂの二乗和による信号振幅は低い値Ｐ１’を取り、逆にセンサヘッド２４はスケール２１の裏面に非反射部２２ｂがあるため信号振幅は高い値Ｐ２’を取る。
【００３２】
Ｐ３はセンサヘッド２３の二乗和Ｐ１とセンサヘッド２４の二乗和Ｐ２の差分を求めた演算出力であり、演算出力Ｐ３は二乗和Ｐ１が二乗和Ｐ２よりも大きいとプラスになり、二乗和Ｐ１が二乗和Ｐ２よりも小さいとマイナスになる。このように、２つのセンサヘッド２３、２４の二乗和のレベルの差分を求めると、振幅が温度などにより上下しても、二乗和の信号出力Ｐ１、Ｐ２のレベルは同じように上下するので大小関係が変化することはない。
【００３３】
このように、エンコーダ停止時のセンサヘッド２３の二乗和Ｐ１とセンサヘッド２４の二乗和Ｐ２から、温度変化などがあっても、スケール２１がどの位置にあるかのゾーン情報を得ることができる。
【００３４】
本実施例２では、絶対位置検出のために２個のセンサヘッド２３、２４を配置しているが、この構成によりそれぞれのセンサヘッド２３、２４からそれぞれ得られた値からArctanなどの演算により得られた位置情報の平均を求めると、スケール２１が偏心して取り付いている場合であっても、その影響を相殺することができ、正確な位置信号が得られる。
【００３５】
このような効果は特許文献５に記載されているが、デジタル値の平均を求めて効果を得ている。特許文献５のようなアナログ信号も検出する構成であるときは、アナログ値のArctanの演算をして、細かい位置情報にすることが可能であり、それぞれのセンサヘッド２３、２４の信号からArctanの演算により得た位置情報を平均することで、偏心の影響をより正確に相殺することができる。
【００３６】
【特許文献５】特開２００１−１８８０１７号公報
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】実施例１の光学系の構成図である。
【図２】反射板の平面図である。
【図３】エンコーダの回転位置と、２相信号Ａ、Ｂ及び信号Ａ、Ｂの二乗和のグラフ図である。
【図４】温度変化や経時変化により検出不能となる二乗和の変動のグラフ図である。
【図５】実施例２のエンコーダの構成図である。
【図６】実施例２の２つのセンサヘッドのそれぞれの二乗和とその差分のグラフ図である。
【図７】従来の光学式エンコーダのスケールの構成図である。
【図８】エンコーダ信号の出力波形図である。
【符号の説明】
【００３８】
１１、２１  スケール
１２  発光部
１３  受光部
１４  反射板
１４ａ、２２ａ  反射部
１４ｂ、２２ｂ  非反射部
１５  保持部材
１６  回転軸
２３、２４  センサヘッド
【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】
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【図８】
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