JP2007218691A - 光電式エンコーダ - Google Patents

Abstract

【課題】簡単で小さな光学系及び受光系を用いて、広い検出範囲の測定を可能とする。
【解決手段】所定のパターン（インクリメンタルパターン１００や擬似ランダムパターン２００）が形成されたスケールに対して相対変位可能な検出器を有する光電式エンコーダ（インクリメンタルエンコーダやアブソリュートエンコーダ）において、前記パターン（１００、２００）の同時に検出すべき検出範囲を少なくとも検出方向に分割して、それぞれの検出領域１２０毎に検出するための、複数の受光系（１３０、１３２）を備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、所定のパターンが形成されたスケールに対して相対変位可能な検出器を有する光電式エンコーダに係り、特に、簡単で小さな光学系及び受光系を用いて、広い検出範囲を測定することが可能な光電式エンコーダに関する。

光電式エンコーダ、例えばインクリメンタル型の光電式リニアエンコーダで、スケール上の汚れに対する感度を小さくするためには、スケール上の検出範囲を広くする必要がある。しかしながら、検出範囲を広くすると、検出器内部の光学系が大きくなるという問題点が発生する。

又、特許文献１に記載されているように、メインスケール上に配置された擬似ランダムパターンを検出することにより絶対位置を求める、いわゆるアブソリュート型エンコーダも知られている。

前記擬似ランダムパターンとしては、例えば、非特許文献１のFigure1.に記載されたＭ系列符号と呼ばれるパターンが用いられる。

このアブソリュート型エンコーダにおいては、スケールに配置されたパターンの一部を検出し、そのパターンが、擬似ランダムパターン全体のどの部分と一致しているかを比較して求める。具体的には、特許文献２に記載されているように、検出パターンと擬似ランダムパターンの相関係数を演算し、相関係数が一番高くなったところを絶対位置としている。

このような擬似ランダムパターンによる絶対位置検出方法では、絶対位置が検出できる長さ（絶対検出範囲）を長くしようとすると、擬似ランダムパターンの循環周期を長くして、且つ、良好な相関ピークを得るためには長いパターンを検出しなければならない。しかしながら、長いパターンを検出するためには、広い視野を持った光学系が必要で、大きなレンズを使用するために大きな光学系になるという問題点を有している。

これを改善する手段として、特許文献３には、図１及び図２に示す如く、レンズアレイ結像光学系３、４を２つ重ねて用いることが記載されている。この方法では、スケール２上のパターン２１、２２（図２中のＯ）を、まず中間像Ｏ´に結像した後に、受光素子１９上の検出像Ｏ″に結像させている。図において、１は走査ユニット、１０はプリント基板、１１は光源、Ｌは光ビーム、１２は側壁、１３はコンデンサーレンズ、１５はガラス板、Ａは光軸、Ｂは光束、３１ａ〜ｃ、４１ａ〜ｃはレンズである。

特開平７−２８６８６１号公報（図１） 特開平８−２９２００号公報（図１、図３（Ａ）） 特開２００４−３１７５０３号公報（図１、図２） ＪＴＭ Stevenson et.al"Absolute position measurement using optical detection of coded patterns"，Ｊ．Phys，Ｅ：Sci．Instrum.21(1988)1140-1145(Figure1.)

しかしながら、特許文献３では、レンズアレイ結像光学系を２つ重ねているので、最終的な検出像を得るためには、両者の位置関係を正確に設定する必要があり、実際に光学系を実現する上では、大きな技術課題となってしまうという問題点を有していた。

本発明は、前記従来の問題点を解消するべくなされたもので、比較的簡単な光学系と受光系を用いて、広い検出範囲を確保することを課題とする。

本発明は、所定のパターンが形成されたスケールに対して相対変位可能な検出器を有する光電式エンコーダにおいて、前記パターンの同時に検出すべき検出範囲を少なくとも検出方向に分割して、それぞれ検出するための、複数の受光系を備えることにより、前記課題を解決したものである。

又、前記受光系間に遮光板を配設したものである。

又、前記受光系毎に結像光学系を設けたものである。

又、前記結像光学系を片側又は両側テレセントリック光学系としたものである。

又、前記検出範囲を、検出方向と垂直な方向にも分割したものである。

又、前記分割して検出した個所の出力の振幅により、検出範囲の部分的な汚染を検出するようにしたものである。

又、前記汚染が検出された個所以外の出力を変位検出に用いるようにしたものである。

又、前記パターンをインクリメンタルパターンとしたものである。

又、前記分割して検出した個別の出力を平均化することで、移動量を検出するようにしたものである。

又、前記分割して検出した個別の出力の相対比較により、検出器の姿勢検出を行なうようにしたものである。

又、前記パターンを擬似ランダムパターンとしたものである。

又、前記分割して検出されたパターンを個別に相関演算して、各相関ピークの順序が正しく、且つ、各相関ピークの間隔が所定範囲内である位置を絶対位置と判定するようにしたものである。

又、前記相関ピークの高さが閾値より低い場合は、該当する個別検出パターンを相関演算に用いないようにしたものである。

又、複数の個別検出パターンのうちの一つについて循環周期全域で相関演算を行なって一番高い相関ピークを求め、その周辺でのみ相関演算を行うようにしたものである。

本発明によれば、同時に検出すべき検出範囲を分割して、それぞれ検出するようにしたので、個別の検出領域が小さくても、広い検出範囲を確保できる。個別の検出領域は小さくても良いため、径が小さく、焦点距離の小さいレンズで光学系を構成可能となり、全体の大きさを緩和できる。又、遮光板を入れることにより、隣り合った光学系からの光を遮断できる。又、結像光学系として、片側又は両側テレセントリック光学系を用いることにより、エアギャップ変動に対して鈍感な検出系が構成できる。

特にインクリメンタルエンコーダに適用した場合には、移動量検出が、個別の検出領域の相対的な位置関係に依存しないため、比較的簡単な光学系、受光素子で構成できる。又、広い検出範囲での平均化効果により、汚れに対する感度が小さくなる。更に、検出範囲の部分的な汚染検出が可能となり、汚染個所以外での平均化処理が可能になる。又、個別の検出領域での出力を相対的に比較することで、検出器の姿勢検出が可能になる。

又、アブソリュートエンコーダに用いた場合には、分割して検出することにより、長い擬似ランダムパターンが検出できる。更に、分割して相関演算して、個々の相関ピークの順序と間隔を設計値と照合することにより、非連続検出パターンでも相関ピークが得られる。又、低い相関ピークの個別検出パターンを使わないことで、信頼性が高い検出ができる。又、個々の分割検出パターンのうち一つだけ循環周期全域で相関演算し、その他は一番高い相関ピークの近傍にあることを予想して相関演算範囲を狭めることにより、演算時間を節約できる。又、例えば２次元受光アレイ素子で検出して、汚れの無い部分の個別検出パターンを切り出すことにより、汚れの影響を受けない検出ができる。

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。

まず、インクリメンタルエンコーダに適用した実施形態について説明する。

本発明の第１実施形態は、図３に示す如く、スケール上のインクリメンタル（ＩＮＣ）パターン１００の検出範囲を、複数個の検出領域１２０に分割して検出方向（図の左右方向）に配置し、それぞれの検出領域に対し、結像光学系１１０と、結像領域より小さい受光アレイ素子１３０Ａ〜Ｅを並べて配置したものである。

このとき、それぞれの受光アレイ素子１３０Ａ〜Ｅに対して、左右反転像が結像する。検出範囲全体の像を用いて検出する場合、像を再度反転する必要があり、更に、検出領域同士の相対的な長手方向位置関係に正確性が求められる。しかし、本発明による分割検出の場合には、それが不要となり、比較的簡単に構成できる。

即ち、１個の検出領域が小さくても、複数個配置することで、広い検出範囲の情報を得ることが可能になる。

又、１個の検出領域は小さくても良いため、比較的径が小さく、焦点距離の小さいレンズが使用できるため、光学系を小さくできる。

又、検出領域同士の相対的な位置関係（検出方向）に影響を受けないため、光学系に使用するレンズは、図３に示したようなレンズアレイや、小型の単レンズ、ボールレンズ等を並べることができる。

図３においては、受光アレイ素子１３０を複数個並べているが、単一の長い受光素子上に複数のアレイ受光部を検出方向に並べて設けても良い。

検出範囲の大きさ、検出領域の大きさは任意で、レンズの大きさ、配置ピッチで決まるため、比較的容易に変更できる。

エンコーダの移動量の出力は、図４に示すように、全ての検出領域のデータを平均化処理回路１４０で平均化して求めることができる。よって、個別の検出領域が小さくても、広い検出範囲が確保されるため、スケールの検出範囲の一部分が汚れた場合の感度が小さくなる。

又、図５に示す第２実施形態のように、汚染検出回路１５０を設けて、各検出領域の出力の振幅を検出することで、スケール検出範囲の部分的な汚染検出が可能となり、汚染部を除いた範囲で平均化処理を行なうこともできる。

更に、図６に示す第３実施形態のように、検出範囲を２次元的に分割し、インクリメンタルパターン１００上に結像光学系と結像領域より小さい受光素子を複数個、２次元的に並べて、個別の検出領域の出力を比較する姿勢検出回路１６０を設けることにより、ヨー、ピッチ、ロール等の姿勢検出が可能となる。これを利用することで、アラーム機能や外部モニタによる姿勢検出等の機能充実が図れる。なお、単一の受光素子の上に受光アレイ検出部を複数個、２次元的に並べて検出しても良い。又、図３に示した１次元的な分割でも、ピッチ検出は可能である。

更に、図７に示す第４実施形態のように、結像光学系１１０の間に遮光板１７０を配置することにより、隣り合ったレンズから入射してくる光による像の悪化を防ぐこともできる。

次に、アブソリュートエンコーダに適用した本発明の実施形態について説明する。

本発明の第５実施形態は、図８に示す如く、アブソリュートスケール上の擬似ランダムパターン２００を、例えばレンズアレイでなる結像光学系１１０で複数個の検出領域に分割し、各結像面下に配置した１次元受光アレイ素子１３０Ａ〜Ｅで個々に分割して検出するようにしたものである。

個々のレンズによる結像倍率には制限が無いが、拡大光学系では左右の像が互いに干渉してしまう。これらの干渉は第４実施形態で示したような遮光板によって防ぐこともできるが、スケールからの光量を効率的に使うためには、１倍以下の等倍・縮小光学系の方が良い。

又、図８においては、受光アレイ素子１３０を複数個並べているが、単一の長い受光素子上に複数のアレイ受光部を設けても良い。

分割された個別検出パターンは、図９に示すような構成の信号処理回路の相関器２１０で、基となる擬似ランダムパターンと個々に相関演算を行なう。その場合、個別検出パターンは左右反転されているので、図１０に示す如く、基となる擬似ランダムパターンも左右反転させておく。

そして、前記相関器２１０から出力される相関ピークの高さが閾値以上であるか、ピーク高さ判定部２２０で確認する。

ここで、個別検出パターンを相関器２１０で個々に相関計算するが、個別検出パターンに含まれるデータビット数は少ないので、相関ピークは低い。

そこで、相関ピーク順序判定部２３０で、個々の相関ピークの順序が、検出した位置の順序と同じであることを確認し、更に、相関ピーク間隔判定部２４０で、相関ピークの間隔が、レンズピッチ、あるいは受光アレイ素子の配置ピッチと同じであることを確認して、最終的に絶対位置演算部２５０で、擬似ランダムパターン上の絶対位置として確定する。

なお、ピッチ間隔の比較では、配列公差、あるいは配列公差に光学倍率を掛けたものを許容範囲とすることができる。

なお、図１１に示す如く、スケール上の一部に汚れが存在していると、ある個別検出パターンが不明瞭になってしまい、相関ピークが低くなってしまう恐れがある。このような状況では、相関ピーク順序と間隔の判定が正確にはできない。そこで、このような状況を防ぐために、前記ピーク高さ判定部２２０で、相関ピークの高さを確認する。そして、所定の高さよりも低い場合には、該当する個別検出パターンを相関演算に使用せず、残りの個別検出パターンを用いて相関演算を実施する。

所定の高さの設定方法としては、例えば一番高い相関ピークの半分とすることができる。あるいは、擬似ランダムパターンとしてｎ段のシフトレジスタで生成されたＭ系列を用いている場合には、（２×ｎ−１）ビットの長さのパターンから得られる相関値の最大値を設定することもできる。

これにより、大きな光学系や複数のレンズアレイ結像光学系を用いなくても、長い擬似ランダムパターンを確実に検出することが可能となる。

なお、第５実施形態では、個別検出パターンを個別に相関演算しなければならないので、循環周期が長い場合には、検出パターンの数だけ演算時間がかかってしまう。そこで、図１２に示す第６実施形態では、相関演算方法を改良し、ある１つの個別検出パターン（図１２ではＣ）のみ循環周期全域で相関演算を行なって、一番高い相関ピークを求める。そして、その他の個別検出パターンによる相関ピークは、この一番高い相関ピークの周囲にあるはずなので、相関演算の範囲を狭めて（図１２では±（２＋α）、ここでαはレンズピッチの誤差、倍率誤差を考慮した余裕分）、その範囲内で個々に相関演算を行なう。

もし、その範囲内にその他の個別検出パターンの相関ピークが無い場合には、一番初めに検出した相関ピークに誤りがあったものと判断して、２番目の高い相関ピークを求め（あるいは一番最初の相関演算の時に記憶しておき）、同じような処理を行なう。

これにより、複数の個別検出パターンの相関ピークを求める際の演算時間の増加を防ぐことができる。

更に、図１３に示す第７実施形態の如く、レンズアレイ結像光学系１１０の間に遮光板１７２を配置することにより、隣り合ったレンズから入射してくる光による像の悪化を防ぐことができる。

又、図１４に示す第８実施形態の如く、結像光学系を、絞り板１１４をレンズアレイ１１３と受光アレイ素子１３０の間に配置した片側テレセントリック光学系１１２として、結像系のＮＡを制限することができる。これにより、焦点深度が広くなるので、スケールとのエアギャップ変動や受光素子配置位置変動に対して感度が少ない検出系を構成することができる。

あるいは、図１５に示す第９実施形態の如く、結像光学系を、絞り板１１４の反対側にもレンズアレイ１１７を配置した両側テレセントリック光学系１１６として、スケールとのエアギャップ変動や受光素子配置位置変動に対して感度が少ない検出系を構成することもできる。この両側テレセントリック光学系１１６では２枚のレンズアレイ１１３、１１７を重ねているが、特許文献３のように中間像を生成しているわけではない。そのため、特許文献３のレンズアレイ２枚重ねに対して、レンズアレイ間距離の許容範囲が広い。

なお、第８及び第９実施形態は、いずれも、テレセントリック光学系がアブソリュートエンコーダに適用されていたが、同様に片側又は両側テレセントリック光学系をインクリメンタルエンコーダにも適用することもできる。

又、図１６に示す第１０実施形態の如く、スケールに平行光を照射すると共に、必要に応じて受光系間に遮光板１７４を配設することによって、結像光学系がなくてもスケール上の擬似ランダムパターンを検出することができる。この場合は、個別検出パターンが左右反転していないので、相関演算するときの基の擬似ランダムパターンも反転させないでおく。

これにより、検出範囲よりも小さい受光アレイ素子１３０Ａ〜Ｅであっても、並べて配置して、分割して検出・相関演算することにより、長い循環周期の擬似ランダムパターンに対応できる。

更に、図１７に示す第１１実施形態の如く、検出範囲よりも小さい受光アレイ素子を複数個、検出方向と、これに垂直な方向に並べて２次元に配列することもできる。これにより、スケール上の汚れの影響を受け難い、沢山の近接した個別相関ピークにより、絶対位置検出の信頼性が向上できる。

更に、図１８に示す第１２実施形態の如く、単一の２次元受光アレイ素子１３２を用いて、擬似ランダムパターンを検出することもできる。

本実施形態では、図１９に示す如く、得られた２次元画像データから個別の検出パターンを切り取り、図２０に示す如く、それぞれについて相関演算を行ない、図２１に示す如く、互いの相関ピークの順序と間隔を確認して、絶対位置を決定する。

スケール上に汚れが存在して、ちょうど個別検出パターンＥのところに汚れの像が映ってしまってパターンが不明瞭になった状態を図２２に示す。このように個別検出パターンに汚れが映ってしまうと、図２３に示す如く、相関ピーク高さが低くなってしまい、相関ピークの順序と間隔の判定が正確にはできない。そのような状況を防ぐため、図２０におけるピーク高さ判定部２２０において、相関ピークの高さを確認する。そして、所定の高さよりも低い場合には、該当する個別検出パターンを相関演算に使用せず、残りの個別検出パターンを用いて相関演算を実施する。

又、汚れが映った場合は、該当部分の光量が減っている。そこで、図２４に示す第１３実施形態の如く、２次元画像データの範囲内において、平均的な光量よりも落ちているところは汚れがあるものと判断して、該当部分を避けるようにして個別検出パターンを切り取ることもできる。

この方法により、スケール上の汚れに影響を受けない絶対位置検出が実現できる。

特許文献３に記載されたレンズアレイによる光学系を示す斜視図 同じく光路図 インクリメンタルエンコーダに適用した本発明の第１実施形態の要部を模式的に示す、一部平面図を含む光路図 同じく信号処理回路を示すブロック図 本発明の第２実施形態の信号処理回路を示すブロック図 同じく第３実施形態の要部を示す平面図及びブロック図 同じく第４実施形態の要部を模式的に示す、一部平面図を含む光路図 アブソリュートエンコーダに適用した本発明の第５実施形態の要部を模式的に示す、一部平面図を含む光路図 同じく信号処理回路を示すブロック図 同じく処理内容を示す図 同じく相関ピークが汚れにより低くなってしまった場合を示す図 本発明の第６実施形態の処理内容を示す図 同じく第７実施形態の要部を模式的に示す、一部平面図を含む光路図 同じく第８実施形態の要部を模式的に示す、一部平面図を含む光路図 同じく第９実施形態の要部を模式的に示す、一部平面図を含む光路図 同じく第１０実施形態の要部を模式的に示す、一部平面図を含む光路図 同じく第１１実施形態の要部を模式的に示す、一部斜視図を含む光路図 同じく第１２実施形態の検出部の構成を示す、一部斜視図を含む光路図 同じく個別検出パターンの切り取り位置を示す平面図 同じく信号処理回路を示すブロック図 同じく個別相関ピーク信号の一例を示す図 同じく汚れが映ってしまった場合を示す平面図 同じく汚れが映ってしまった場合の相関ピークを示す図 本発明の第１３実施形態における処理を示す平面図

符号の説明

１００…インクリメンタル（ＩＮＣ）パターン
１１０…結像光学系
１１２…片側テレセントリック光学系
１１４…絞り板
１１６…両側テレセントリック光学系
１２０…検出領域
１３０…１次元受光アレイ素子
１３２…２次元受光アレイ素子
１４０…平均化処理回路
１５０…汚染検出回路
１６０…姿勢検出回路
１７０、１７２、１７４…遮光板
２００…擬似ランダムパターン
２１０…相関器
２２０…ピーク高さ判定部
２３０…相関ピーク順序判定部
２４０…相関ピーク間隔判定部
２５０…絶対位置演算部

Claims (14)

1. 所定のパターンが形成されたスケールに対して相対変位可能な検出器を有する光電式エンコーダにおいて、
   前記パターンの同時に検出すべき検出範囲を少なくとも検出方向に分割して、それぞれ検出するための、複数の受光系を備えたことを特徴とする光電式エンコーダ。
2. 前記受光系間に遮光板が配設されていることを特徴とする請求項１に記載の光電式エンコーダ。
3. 前記受光系毎に結像光学系が設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光電式エンコーダ。
4. 前記結像光学系が片側又は両側テレセントリック光学系であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光電式エンコーダ。
5. 前記検出範囲が、検出方向と垂直な方向にも分割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電式エンコーダ。
6. 前記分割して検出した個所の出力の振幅により、検出範囲の部分的な汚染を検出するようにされていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の光電式エンコーダ。
7. 前記汚染が検出された個所以外の出力を変位検出に用いるようにされていることを特徴とする請求項６に記載の光電式エンコーダ。
8. 前記パターンがインクリメンタルパターンであることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の光電式エンコーダ。
9. 前記分割して検出した個所の出力を平均化することで移動量を検出するようにされていることを特徴とする請求項８に記載の光電式エンコーダ。
10. 前記分割して検出した個所の出力の相対比較により、検出器の姿勢検出を行なうようにされていることを特徴とする請求項８に記載の光電式エンコーダ。
11. 前記パターンが擬似ランダムパターンであることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の光電式エンコーダ。
12. 前記分割して検出されたパターンを個別に相関演算して、各相関ピークの順序が正しく、且つ、各相関ピークの間隔が所定範囲内である位置を絶対位置と判定するようにされていることを特徴とする請求項１１に記載の光電式エンコーダ。
13. 前記相関ピークの高さが閾値より低い場合は、該当する個別検出パターンを相関演算に用いないようにされていることを特徴とする請求項１２に記載の光電式エンコーダ。
14. 複数の個別検出パターンのうちの一つについて循環周期全域で相関演算を行なって一番高い相関ピークを求め、その周辺でのみ相関演算を行うようにされていることを特徴とする請求項１２又は１３に記載の光電式エンコーダ。

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