JP4425112B2

JP4425112B2 - エンコーダ

Info

Publication number: JP4425112B2
Application number: JP2004316209A
Authority: JP
Inventors: 克宜松井; 晴義豊田; 直久向坂; 行信杉山; 誠一郎水野
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2004-10-29
Filing date: 2004-10-29
Publication date: 2010-03-03
Anticipated expiration: 2024-10-29
Also published as: JP2006126060A

Description

本発明は、光学式のエンコーダに関するものである。

従来における光学式のエンコーダとして、次のようなものが特許文献１に記載されている。すなわち、異なる種類の回折格子からなる格子窓が所定の距離置きに複数形成された光学スケールに対して光を照射し、格子窓によって回折された回折光のパターンを２次元イメージセンサで撮像する。そして、撮像された回折光のパターンに基づいて格子窓を特定すると共に、画像中における回折光のパターンの位置に基づいて光学スケールの動作方向における格子窓の位置を特定し、光学スケールの動作距離を検出する。
特公平８−１０１４５号公報

しかしながら、上述したようなエンコーダにあっては、光学スケールの動作距離検出の分解能は高いものの、２次元イメージセンサを用いているためフレームメモリが必要となるなど、装置が複雑化してしまうという問題がある。

そこで、本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、スケール板の動作角度や動作距離等の絶対値を簡単な構成で精度良く検出することができるエンコーダを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係るエンコーダは、所定の動作方向に可動するスケール板と、スケール板において動作方向に沿ったライン上に複数形成され、動作方向に垂直な方向に光伝播部及び光非伝播部が１次元配列されて構成された光中継部と、光中継部に向けて光を投光する光源装置と、光源装置により投光された光を光中継部を介して受光するように配置され、動作方向、及び動作方向に垂直な方向に複数の画素が２次元配列されて構成された受光領域を有して、動作方向、及び動作方向に垂直な方向のそれぞれについて入射光強度の１次元分布を示す光強度プロファイルデータを出力する光検出装置とを備え、光中継部のそれぞれは、光伝播部及び光非伝播部の１次元配列のパターンが互いに異なっており、隣り合う光中継部間では、光伝播部及び光非伝播部の１次元配列のパターンが１箇所異なっていることを特徴とする。

このエンコーダにおいては、スケール板において動作方向に沿ったライン上に複数形成された光中継部のそれぞれは、光伝播部及び光非伝播部の１次元配列のパターンが互いに異なっている。これにより、その１次元配列のパターンをコードとして、例えば、スケール板の動作角度や動作距離等の絶対値（動作絶対値）の情報を各光中継部に付与すれば、動作方向に垂直な方向についての光強度プロファイルデータに基づいて、光源装置により投光された光を光検出装置に対して中継した光中継部を識別し、識別された光中継部から基本となる動作絶対値を求めることができる。更に、動作方向についての光強度プロファイルデータに基づいて、受光領域中の基準位置に対する識別された光中継部の位置を算出し、算出された位置から基本となる動作絶対値を補正して、より詳細な動作絶対値を求めることができる。このように、動作方向、及び動作方向に垂直な方向のそれぞれについて入射光強度の１次元分布を示す光強度プロファイルデータを出力する光検出装置を用いることによって、スケール板の動作角度や動作距離等の絶対値を簡単な構成で精度良く検出することが可能になる。なお、光源装置により投光された光を光検出装置に対して中継した光中継部が同時に複数存在する場合でも、隣り合う光中継部間では、光伝播部及び光非伝播部の１次元配列のパターンが１箇所異なっていることから、動作方向に垂直な方向についての光強度プロファイルデータに基づくその複数の光中継部の識別が妨げられることはない。

また、動作方向に垂直な方向についての光強度プロファイルデータに基づいて、光源装置により投光された光を光検出装置に対して中継した光中継部を識別した後、動作方向についての光強度プロファイルデータに基づいて、受光領域中の基準位置に対する光中継部の位置を算出し、光中継部の位置からスケール板の動作絶対値を求める処理部を備えることが好ましい。このような処理部を備えることにより、上述したようにして、スケール板の動作角度や動作距離等の絶対値を容易に検出することが可能になる。

また、光検出装置は、光源装置により投光された光を１個又は２個の光中継部を介して受光するように配置されていることが好ましい。これにより、スケール板の動作角度や動作距離等の絶対値を検出するに際し、その処理を単純化することができる。

本発明に係るエンコーダによれば、スケール板の動作角度や動作距離等の絶対値を簡単な構成で精度良く検出することができる。

以下、本発明に係るエンコーダの好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１に示されるように、エンコーダ１は、いわゆるアブソリュート型のロータリエンコーダであり、測定対象物（図示せず）に連結される回転軸２を備えている。この回転軸２には、円板状のスケール板３が固定されており、このスケール板３は、回転軸２の回転に伴って回転する。この回転方向をスケール板３の動作方向αとする。図２に示されるように、スケール板３において動作方向αに沿ったラインＬ１上には、回転軸２を中心として等角度置きに光中継部４が複数形成されている。

光中継部４は、図３に示されるように、光透過孔として形成された光透過部（光伝播部）５及び光遮断部（光非伝播部）６が動作方向αに垂直な方向に１次元配列されて構成されている。光透過部５は、光を透過させることによって光を伝播し、光遮断部６は、光を反射又は吸収することによって光を伝播しない。そして、光中継部４のそれぞれは、光透過部５及び光遮断部６の１次元配列のパターンが互いに異なっており、隣り合う光中継部４，４間では、光透過部５及び光遮断部６の１次元配列のパターンが１箇所異なっている。

ここでは、回転軸２を中心として等角度置きに８個の光中継部４がラインＬ１上に配置されているものとする。このとき、光中継部４のそれぞれについて光透過部５及び光遮断部６の１次元配列のパターンを互いに異ならせるためには、３ビットのコードを利用すればよく、隣り合う光中継部４，４間について光透過部５及び光遮断部６の１次元配列のパターンを１箇所異ならせるためには、いわゆるグレイコードを利用すればよい。つまり、光透過部５を「１」、光遮断部６を「０」として光中継部４をコードで表すと、図３において右から順に「０００」，「００１」，「０１１」，「０１０」，「１１０」，「１１１」，「１０１」，「１００」となる。

更に、スケール板３において、動作方向αに垂直な方向に沿って光中継部４を通るラインＬ２上で、且つ動作方向αに沿ったラインＬ３上には、光中継部４との間に１個の光遮断部６を挟んで基準光透過部（基準光伝播部）７が光透過孔として形成されている。

また、図１に示されるように、エンコーダ１は、ラインＬ１上に配置された光中継部４に向けて平行光を投光するＬＥＤ等からなる光源装置８と、スケール板３を挟んで光源装置８と対向するように配置されたプロファイルセンサ（光検出装置）９とを備えている。プロファイルセンサ９は、光源装置８により投光された光のうち光中継部４の光透過部５を透過した光を受光して（換言すれば、光源装置８により投光された光を光中継部４を介して受光して）、光強度プロファイルデータを処理部１１に出力する。

ここで、プロファイルセンサ９の構成について説明する。図４に示されるように、プロファイルセンサ９は、受光領域１００、第１信号処理部１１０及び第２信号処理部１２０を有している。受光領域１００は、動作方向α（ラインＬ１の接線方向）、及び動作方向αに垂直な方向に２次元配列されたＭ×Ｎ個の画素により構成されており、第ｍ行第ｎ列の位置にある画素には２つのフォトダイオードＰＤ_Ｘ,ｍ,ｎ及びＰＤ_Ｙ,ｍ,ｎが形成されている。なお、Ｍ，Ｎのそれぞれは２以上の整数であり、ｍは１以上Ｍ以下の任意の整数、ｎは１以上Ｎ以下の任意の整数である。各フォトダイオードＰＤ_Ｘ,ｍ,ｎ，ＰＤ_Ｙ,ｍ,ｎのアノード端子は接地されている。第ｎ列にあるＭ個のフォトダイオードＰＤ_Ｘ,１,ｎ〜ＰＤ_Ｘ,Ｍ,ｎのカソード端子は、共通の配線Ｌ_Ｘ,ｎにより第１信号処理部１１０と接続されている。第ｍ行にあるＮ個のフォトダイオードＰＤ_Ｙ,ｍ,１〜ＰＤ_Ｙ,ｍ,Ｎのカソード端子は、共通の配線Ｌ_Ｙ,ｍにより第２信号処理部１２０と接続されている。

第１信号処理部１１０は、図５に示されるように、シフトレジスタ１１１、積分回路１１２及びＮ個のスイッチＳＷ_１〜ＳＷ_Ｎを有している。各スイッチＳＷ_ｎの一端は配線Ｌ_Ｘ,ｎに接続されており、各スイッチＳＷ_ｎの他端は共通の配線を介して積分回路１１２の入力端に接続されている。また、各スイッチＳＷ_ｎは、シフトレジスタ１１１から出力される制御信号に基づいて順次に閉じる。積分回路１１２は、アンプＡ、容量素子Ｃ及びスイッチＳＷを有している。容量素子Ｃ及びスイッチＳＷは、互いに並列的に接続されて、アンプＡの入力端子と出力端子との間に設けられている。スイッチＳＷが閉じると、容量素子Ｃが放電されて、積分回路１１２から出力される電圧値が初期化される。スイッチＳＷが開いて、スイッチＳＷ_ｎが閉じると、配線Ｌ_Ｘ,ｎに接続されている第ｎ列のＭ個のフォトダイオードＰＤ_Ｘ,１,ｎ〜ＰＤ_Ｘ,Ｍ,ｎそれぞれの光入射に応じて発生した電荷の総和が積分回路１１２に入力し、その電荷が容量素子Ｃに蓄積されて、この蓄積電荷量に応じた電圧値Ｖ_Ｘ(ｎ)が積分回路１１２から出力される。第２信号処理部１２０も、第１信号処理部１１０と同様の構成を有し、同様の動作をする。

以上のように構成されたプロファイルセンサ９は、受光領域１００における動作方向α（ラインＬ１の接線方向）について入射光強度の１次元分布を示す第１光強度プロファイルデータＶ_Ｘ(ｎ)を第１信号処理部１１０から出力すると共に、動作方向αに垂直な方向について入射光強度の１次元分布を示す第２光強度プロファイルデータＶ_Ｙ(ｍ)を第２信号処理部１２０から出力することができる。処理部１１には、これら第１光強度プロファイルデータＶ_Ｘ(ｎ)及び第２光強度プロファイルデータＶ_Ｙ(ｍ)が入力される。

なお、プロファイルセンサ９は、光源装置８により投光された光を１個又は２個の光中継部４を介して受光するように配置されている。つまり、図６に示されるように、受光領域１００の動作方向αに沿った幅をＷとし、隣り合う光中継部４，４の動作方向αに沿った距離をＤとすると、Ｗ／２＜Ｄ＜Ｗの関係式を満たす。これにより、受光領域１００上には、１個又は２個の光中継部４が常に位置することになる。

次に、処理部１１における処理手順について、図６を参照して説明する。

まず、動作方向αについての第１光強度プロファイルデータＶ_Ｘ(ｎ)に基づいて所定の閾値th１を超えた領域の数が算出され、受光領域１００上に位置する光中継部４の数が判断される。

続いて、動作方向αに垂直な方向についての第２光強度プロファイルデータＶ_Ｙ(ｍ)に基づいて基準光透過部７の重心位置が算出され、その重心位置が基準位置ｙ_０とされる。なお、基準光透過部７の重心位置の算出に際しては、光中継部４との間に１個の光遮断部６を挟んで基準光透過部７が形成されているため、第２光強度プロファイルデータＶ_Ｙ(ｍ)に基づいて基準光透過部７の重心位置を正確に算出することができる。

そして、基準位置ｙ_０を基準として、光中継部４において重心間距離ｐ_１置きに現れる光透過部５又は光遮断部６のコードが以下の演算によりｊビット(ｊ＝１，２，３)読み取られる。
(１)受光領域１００上に位置する光中継部４の数が１個の場合
code(ｊ)＝ｆ(Ｖ_Ｙ(ｙ_ｊ))＝ｆ(Ｖ_Ｙ(ｙ_０＋(ｊ＋１)×ｐ_１))
if (Ｖ_Ｙ(ｙ_ｊ)＞th２) then ｆ(Ｖ_Ｙ(ｙ_ｊ))＝１；
else ｆ(Ｖ_Ｙ(ｙ_ｊ))＝０；
(２)受光領域１００上に位置する光中継部４の数が２個の場合
code(ｊ)＝ｆ(Ｖ_Ｙ(ｙ_ｊ))＝ｆ(Ｖ_Ｙ(ｙ_０＋(ｊ＋１)×ｐ_１))
if (Ｖ_Ｙ(ｙ_ｊ)＞th３) then ｆ(Ｖ_Ｙ(ｙ_ｊ))＝２；
if (Ｖ_Ｙ(ｙ_ｊ)＞th２) and (Ｖ_Ｙ(ｙ_ｊ)＜th３) then ｆ(Ｖ_Ｙ(ｙ_ｊ))＝１；
if (Ｖ_Ｙ(ｙ_ｊ)＜th２) then ｆ(Ｖ_Ｙ(ｙ_ｊ))＝０；
ここで、ｆ(Ｖ_Ｙ(ｙ_ｊ))は閾値関数である。また、th２，th３は、光源装置８、プロファイルセンサ９の受光感度等から予め決定される閾値であり、閾値th２は、動作方向αに沿って光透過部５が１個存在する場合の明るさの判断基準として定められ、閾値th３は、動作方向αに沿って光透過部５が２個存在する場合の明るさの判断基準として定められる。

以上の演算により、例えば、図６に示される場合に得られる出力値は「１２０」となる。このように、隣り合う光中継部４，４の出力値が「１２０」となるのは、エンコーダ１において１組しかない。つまり、受光領域１００上に位置する光中継部４のコードは「０１０」及び「１１０」である。そして、光中継部４のコードの配列（図３において右から順に「０００」，「００１」，「０１１」，…，「１００」）を処理部１１が記憶しているため、図６において右側の光中継部４のコードが「０１０」、左側の光中継部４のコードが「１１０」と一意に識別される。

続いて、スケール板３の動作角度の算出が以下のように行われる。初めに、動作方向αについての第１光強度プロファイルデータＶ_Ｘ(ｎ)に基づいて、閾値th１を超えた領域の重心位置posが次の演算により算出される。なお、動作方向αにおける受光領域１００の中心位置を重心位置posの原点（基準位置）とする。
pos＝１次モーメント／０次モーメント
１次モーメント＝Σ(Ｖ_Ｘ(ｎ)×ｎ) （Ｖ_Ｘ(ｎ)＞th１の連続する領域に対して）
０次モーメント＝Σ(Ｖ_Ｘ(ｎ)) （Ｖ_Ｘ(ｎ)＞th１の連続する領域に対して）

そして、この演算により算出された重心位置posから、スケール板３の動作角度θが次の演算により算出される。なお、動作方向αにおける受光領域１００の中心位置にコード「０００」の光中継部４の重心位置が一致した状態を０度とする。
θ＝(コード順＋pos／ｐ_２)×(３６０／コード数)
ここで、ｐ_２は、隣り合う光中継部４，４の重心間距離である。また、コード順は、図３において右から順に「０００」が「０」、「００１」が「１」、「０１１」が「２」、…、「１００」が「７」である。

具体例として、図６に示される場合において、コード「０１０」の光中継部４の重心位置がpos＝＋１５０（画素）、コード「１１０」の光中継部４の重心位置がpos＝−２５０（画素）、隣り合う光中継部４，４の重心間距離がｐ_２＝４００（画素）であるとき、コード「０１０」の光中継部４の重心位置posに基づけば、スケール板３の動作角度θは次のようになる。
θ＝(３＋１５０／４００)×(３６０／８)＝１５２度

一方、コード「１１０」の光中継部４の重心位置posに基づけば、スケール板３の動作角度θは次のようになる。
θ＝(４＋（−２５０）／４００)×(３６０／８)＝１５２度

このように、受光領域１００上に２個の光中継部４が位置する場合には、どちらの光中継部４の重心位置posに基づいてもスケール板３の動作角度θを算出することができる。

以上説明したように、エンコーダ１においては、スケール板３において動作方向αに沿ったラインＬ１上に複数形成された光中継部４のそれぞれは、光透過部５及び光遮断部６の１次元配列のパターンが互いに異なっている。これにより、その１次元配列のパターンをコードとして、動作方向αに垂直な方向についての第２光強度プロファイルデータＶ_Ｙ(ｍ)に基づき、受光領域１００上に位置する光中継部４を処理部１１で識別することができる。更に、動作方向αについての第１光強度プロファイルデータＶ_Ｘ(ｎ)に基づき、受光領域１００中の基準位置に対する識別された光中継部４の重心位置を算出し、その重心位置からスケール板３の詳細な動作角度を算出することができる。このように、プロファイルセンサ９を用いることで、２次元イメージセンサを用いる際に必要となるフレームメモリ等が不要となり、スケール板３の動作角度を簡単な構成で精度良く検出することが可能になる。しかも、プロファイルセンサ９を用いることで、同じ画素数であれば、２次元イメージセンサを用いた場合に比べ処理時間を大幅に短縮化することが可能になる。

なお、図６に示されるように、受光領域１００上に２個の光中継部４が同時に位置する場合でも、隣り合う光中継部４，４間では、光透過部５及び光遮断部６の１次元配列のパターンが１箇所異なっていることから、動作方向αに垂直な方向についての第２光強度プロファイルデータＶ_Ｙ(ｍ)に基づくその２個の光中継部４の識別が妨げられることはない。

また、エンコーダ１においては、光源装置８により投光された光を１個又は２個の光中継部４を介して受光するようにプロファイルセンサ９が配置されている。これにより、スケール板３の動作角度を算出するに際し、その処理を単純化することができる。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。

例えば、上記実施形態に係るエンコーダ１は、スケール板３が回転動作を行い、その回転方向をスケール板３の動作方向αとして光中継部４がスケール板３に複数形成されて構成されたロータリエンコーダであったが、本発明に係るエンコーダは、スケール板が直線動作を行い、その直線方向をスケール板の動作方向として光中継部がスケール板に複数形成されて構成されたリニアエンコーダであってもよい。

また、上記実施形態に係るエンコーダ１は、光源装置８により投光された光のうち光中継部４の光透過部５を透過した光を受光するようにプロファイルセンサ９が配置されて構成された透過型のエンコーダであったが、本発明に係るエンコーダは、光源装置により投光された光のうち光中継部の光伝播部により回折又は散乱等された光を受光するようにプロファイルセンサが配置されて構成された反射型のエンコーダであってもよい。すなわち、本発明に係るエンコーダは、光源装置により投光された光を光中継部を介して受光するようにプロファイルセンサが配置されて構成されたものであればよい。

また、受光領域１００上に位置する光中継部４の数が２個の場合には、その２個の光中継部４の識別を次のように行うこともできる。まず、上記実施形態と同様に、動作方向αに垂直な方向についての第２光強度プロファイルデータＶ_Ｙ(ｍ)に基づいて２個の光中継部４のコードの出力値を得る。続いて、動作方向αについての第１光強度プロファイルデータＶ_Ｘ(ｎ)に対して複数の閾値（th１×１，th１×２，th１×３，th１×４）を設定し、その複数の閾値で閾値処理を行うことで、各光中継部４が有する光透過部５及び基準光透過部７の数を判断する。このように、受光領域１００上に同時に位置する２個の光中継部４について、その２個の光中継部４のコードの出力値、並びに各光中継部４が有する光透過部５及び基準光透過部７の数が分かれば、その２個の光中継部４を識別することができる。

具体例として、図６に示される場合、第２光強度プロファイルデータＶ_Ｙ(ｍ)に基づく２個の光中継部４のコードの出力値は「１２０」となる。そして、図６において右側の光中継部４が有する光透過部５及び基準光透過部７の数は２個、左側の光中継部４が有する光透過部５及び基準光透過部７の数は３個となる。このように、隣り合う光中継部４，４の出力値が「１２０」となり、且つ右側の光中継部４が有する光透過部５及び基準光透過部７の数が２個、左側の光中継部４が有する光透過部５及び基準光透過部７の数が３個となるのは、エンコーダ１において１組しかない。従って、図６において右側の光中継部４のコードが「０１０」、左側の光中継部４のコードが「１１０」と一意に識別することができる。

更に、受光領域１００上に位置する光中継部４の数が２個の場合には、その２個の光中継部４の識別を次のように行うこともできる。まず、上記実施形態と同様に、動作方向αに垂直な方向についての第２光強度プロファイルデータＶ_Ｙ(ｍ)に基づいて２個の光中継部４のコードの出力値を得る。続いて、第２光強度プロファイルデータＶ_Ｙ(ｍ)と閾値th２との比較を行い、Ｖ_Ｙ(ｍ)＞th２であれば開口があることが分かる。ここで、隣りのコードとの差は必ず１箇所であるため、Ｖ_Ｙ(ｍ)＞th２の条件を満たすブロックのうちで、Ｖ_Ｙ(ｍ)の最小のものが異なるコード（１）の位置ということで決定することができる。

本発明に係るエンコーダの一実施形態の構成図である。図１に示されたエンコーダのスケール板の正面図である。図１に示されたエンコーダの光中継部及び基準光透過部を示す図である。図１に示されたエンコーダのプロファイルセンサの構成図である。図１に示されたエンコーダのプロファイルセンサに含まれる第１信号処理部の回路図である。図１に示されたエンコーダにおける受光領域と光中継部との関係を示す図である。

符号の説明

１…エンコーダ、３…スケール板、４…光中継部、５…光透過部（光伝播部）、６…光遮断部（光非伝播部）、８…光源装置、９…プロファイルセンサ（光検出装置）、１１…処理部、Ｌ１…ライン、α…動作方向。

Claims

所定の動作方向に可動するスケール板と、
前記スケール板において前記動作方向に沿ったライン上に複数形成され、前記動作方向に垂直な方向に光伝播部及び光非伝播部が１次元配列されて構成された光中継部と、
前記光中継部に向けて光を投光する光源装置と、
前記光源装置により投光された光を前記光中継部を介して受光するように配置され、前記動作方向、及び前記動作方向に垂直な方向に複数の画素が２次元配列されて構成された受光領域を有して、前記動作方向、及び前記動作方向に垂直な方向のそれぞれについて入射光強度の１次元分布を示す光強度プロファイルデータを出力する光検出装置とを備え、
前記光中継部のそれぞれは、前記光伝播部及び前記光非伝播部の１次元配列のパターンが互いに異なっており、
隣り合う前記光中継部間では、前記光伝播部及び前記光非伝播部の１次元配列のパターンが１箇所異なっていることを特徴とするエンコーダ。
前記動作方向に垂直な方向についての前記光強度プロファイルデータに基づいて、前記光源装置により投光された光を前記光検出装置に対して中継した前記光中継部を識別した後、前記動作方向についての前記光強度プロファイルデータに基づいて、前記受光領域中の基準位置に対する前記光中継部の位置を算出し、前記光中継部の位置から前記スケール板の動作絶対値を求める処理部を備えることを特徴とする請求項１記載のエンコーダ。
前記光検出装置は、前記光源装置により投光された光を１個又は２個の前記光中継部を介して受光するように配置されていることを特徴とする請求項１又は２記載のエンコーダ。