JP5747342B2 - 光学式エンコーダ - Google Patents

Description

本発明は、各種装置の位置制御、速度制御に用いられ、特に対象物に光を照射し、当該対象物から得られる光情報を利用する光学式エンコーダ（以下、エンコーダという。）に関するものである。

エンコーダは、ＬＥＤ等からなる発光部と、発光部から出射された光をスケールに投影し、その反射光の回折パターンを検出するフォトダイオードやフォトトランジスタ等からなる検出部と、回折パターンによって検出部が生成した位置信号や原点信号をエンコーダ信号として処理する信号処理部とから構成されており、エンコーダ／スケール間の相対移動量から対象物の変位検出を可能にするものである。位置信号としては、移動方向を示すために互いに９０度位相のずれたＡ相信号、Ｂ相信号を用い、原点信号としては、例えば電源をオフ（ＯＦＦ）後、再度電源をオン（ＯＮ）した時に正確な原点位置を検出するためにＺ相信号を用いる。
従来技術として、特許文献１には、Ａ相信号、Ｂ相信号、Ｚ相信号を同期させる際、原点信号の出力の仕方に応じて位置信号との同期位置を選択できるようにした技術が開示されている。特許文献２には、変位検出に用いられるエンコーダにおいて、ＡＢ相に同期した原点検出が安定して行う技術が開示されている。エンコーダは移動体の位置変位を検出する。移動体の移動に応じて周期信号を発生する位置信号発生手段と、移動体が所定の位置にある場合に、原点検出用信号を発生する原点検出用信号発生手段と、原点検出用信号発生手段の発生する原点検出用信号に基づいて位置信号発生手段の発生する周期信号に同期して、移動体が原点位置にあることを検出する原点検出回路と、原点検出回路における同期において、周期信号上の複数の位相位置から同期する位相位置を選択可能な選択手段とを有している。

特開２００３−８３７７１号公報 特開平２−２８１１０４号公報

エンコーダの高分解能・高精度化が進むにつれて、原点信号に対してもその精度の向上が必要になり、ＡＢ相信号と同等の分解能・精度やタイミングもＡＢ相信号と同期して出すことが要求されてきている。即ち、検出幅が狭く、再現性の良い原点信号が求められている。したがって、システムとしての不安定要素による原点検出精度の劣化や検出タイミングのずれを抑えることがエンコーダには求められている。
ＡＢ相信号とＺ相信号を別個の光学系などで検出しながら原点検出をＡＢ相に同期させる場合、Ａ相またはＢ相信号とＺ相信号の位相を正確に同期させたり、適切な位相差を持たせなければ、検出タイミングのずれによりＡＢ相信号の１周期分ずれた位置を原点とすることが生じる可能性がある。

従来、エンコーダの原点信号を生成するためのＺ相信号は、例えば、特許文献２に記載されている様に、図１０（ａ）に示すＺ相スケールを用い、Ｚ相スケールからの反射光を受光してＺ相出力信号（アナログ）を得ていた（図１０（ｂ））。そして、このＺ相出力信号（アナログ）を二値化してステップ状のＺ相出力信号（デジタル）を得る（図１０（ｃ））。図１１に示すように、このＺ相出力信号（デジタル）（図１１（ａ））を原点検出用信号として、位置信号であるＡ相出力信号（デジタル）（図１１（ｂ））もしくはＢ相出力信号（デジタル）に同期させて原点信号を形成した場合、Ｚ相信号のハイローの切替わりとＡ相（もしくはＢ相）の立ち下がり（立ち上がり）のタイミングでパルスを作成すると、エンコーダ／スケール間の走査方向により、図１１（ｃ）に示すように、生成される原点信号は、１周期ずれて正確な位置情報や速度情報が１周期ずれてしまう。
また、Ｚ相スケールが中央にパターンを有する場合において、パターンは、パターン幅が光源から発せられる光の照射領域と比較して十分幅広である場合、Ｚ相アナログ出力は、パルス状に形成されるが（図１２（ａ））、パターン幅が光照射領域と比較して狭い場合、安定したＺ相パルスを作成することが難しい（図１２（ｂ））。

本発明は、このような事情によりなされたもので、走査方向の依存性が小さく、Ａ相信号もしくはＢ相信号に同期した原点検出を安定して行うことができるエンコーダを提供する。

本発明の光学式エンコーダは、発光部と、前記発光部から出射された光がスケールに投影され、その反射光の回折パターンから位置信号および原点検出用信号を生成する検出部と、前記位置信号および前記原点検出用信号をデジタル化し、前記原点検出用信号からパルス状の原点信号を生成する信号処理部とを具備し、前記位置信号は前記反射光の回折パターンに応じた信号であって、移動方向を示すために互いに９０度位相のずれた信号であり、前記原点検出用信号は、前記反射光の回折パターンに応じた信号であって、原点位置を検出する信号であり、前記信号処理部は、前記位置信号および前記原点検出用信号を二値化することによりデジタル化し、デジタル化された前記位置信号および前記原点検出用信号の論理積演算を行うことにより原点信号を生成し、前記検出部で生成された原点検出用信号は、ロウレベルからハイレベルもしくはハイレベルからロウレベルまで所定の勾配で変化する信号であって、前記信号処理部において、第１及び第２の比較回路及び論理積回路から構成された二値化回路によりデジタル化され、前記検出部で生成された原点検出用信号は、前記第１の比較回路の正入力端及び前記第２の比較回路の負入力端に入力され、前記第１の比較回路負入力端には前記ロウレベルから前記ハイレベルまでの間の第１の基準電圧が入力され、前記第２の比較回路の正入力端には前記ロウレベルから前記ハイレベルまでの間の前記第１の基準電圧より高い第２の基準電圧が入力され前記第１及び第２の比較回路の出力が前記論理積回路に入力されて前記デジタル化された原点検出用信号が生成されることを特徴としている。前記発光部及び前記検出部は、対象物の可動部及び固定部のどちらか一方に取付けられ、この光学式エンコーダを操作する際に使用されるスケールは、前記可動部及び前記固定部のどちらか他方に取付けられるようにしても良い。

本発明によれば、走査方向の依存性が小さく、Ａ相信号もしくはＢ相信号に同期した原点検出を安定して行うことができる変位検出に用いて好適なエンコーダが得られる。

実施例１のエンコーダを構成する信号処理回路を示すブロック図。 図１の信号処理回路に入出力する信号の時間変化を示す波形図。 図１に示す信号処理回路を構成する原点信号を形成する同期回路の回路図。 図１に示す信号処理回路を構成する原点検出用信号を形成する二値回路の回路図及びこの二値回路を流れる信号の波形図。 図１に示す信号処理回路を流れる信号の波形図。 実施例１のエンコーダが形成された半導体基板の断面図及びこの半導体基板に間隔をおいて配置されたスケールの平面図。 図６に示す半導体基板の平面図。 図６に示すスケールの平面図。 実施例１で用いられるＺ相スケールの平面図及び図１の信号処理回路を流れるＺ相信号の波形図。 （ａ）従来のエンコーダＺ相出力信号を形成するためのＺ相スケールの平面図、（ｂ）従来の原点信号を形成するためのＺ相出力信号（アナログ）の波形図、（ｃ）従来の原点信号を形成するためのＺ相出力信号（デジタル）の波形図。 （ａ）従来のＺ相出力信号（デジタル）の波形図、（ｂ）従来のＺ相出力信号（デジタル）と同期させるＡ相出力信号（デジタル）の波形図、（ｃ）従来の走査方向の違いによって生ずる２つの原点信号の波形図。 （ａ）従来のパターン幅が光照射領域より十分広いＺ相スケール平面図及びこのＺ相スケールにより形成されたＺ相出力信号（アナログ）の波形図、（ｂ）従来のパターン幅が光照射領域より狭いＺ相スケールの平面図及びこのＺ相スケールにより形成されたＺ相出力信号（アナログ）の波形図。

以下、実施例を参照して発明の実施の形態を説明する。

図１乃至図９を参照して実施例１を説明する。図７は、実施例１のエンコーダが形成された半導体基板の平面図であり、図６は、図７中の破線ａ−ｂの断面を示す図及び平面図で示されたスケールを表す。
図６に示すように、エンコーダ１００は、半導体基板１に形成されている。半導体基板１には、発光部と、発光部から出射された光をスケールに投影し、その反射光の回折パターンを検出する検出部と、当該検出部の信号をエンコーダ信号として処理する信号処理回路とを具備している。発光部は、例えば、ＬＥＤ等の発光素子が形成され、第１の発光部２２及び第２の発光部３２を有している。検出部は、例えば、フォトダイオード（ＰＤ）が形成され、第１の検出部２１及び第２の検出部３１を有している。信号処理回路は、図示はしないが、半導体基板１に形成されて、エンコーダ信号としての位置信号や原点信号を形成する。

エンコーダ信号は、移動方向を示すために互いに９０度位相のずれた位置信号になるＡ相信号及びＢ相信号と、例えば、電源をオフ（ＯＦＦ）後、再度電源をオン（ＯＮ）した時に原点位置を検出する原点信号になるＺ相信号から形成される。また、前記スケールの内、前記Ｚ相信号を形成するためのＺ相スケールには光反射領域及び光透過領域の２領域からなるベタパターンを用い、原点信号は、前記Ｚ相スケールから形成されたＺ相出力信号（アナログ）をデジタル化して得られるパルス状信号をＡ相信号またはＢ相信号と同期させることにより得られる。

第１の発光部２２から放射された光は、Ｚ相スケール４１で反射され、反射光は、第１の検出部２１のフォトダイオードに入力し、Ｚ相出力信号（アナログ）を出力する。Ｚ相出力信号（アナログ）は、信号処理回路内の２値化回路でパルス状のＺ相出力信号に変換される。また、第２の発光部３２から放射された光は、ＡＢ相スケール４２で反射され、反射光は、第２の検出部３１のフォトダイオードに入力し、Ａ相又はＢ相出力信号（アナログ）を出力する。Ａ相またはＢ相出力信号（アナログ）は、信号処理回路内の２値化回路で位置信号に変換される。発光部２２、３２のＬＥＤから放射される光は、方向性が無いので、Ｚ相スケール４１あるいはＡＢ相スケール４２で反射あるいは透過させる前に、Ｚ相スケール４１あるいはＡＢ相スケール４２と発光部２２、３２との間に配置されたスケール（図示しない）を通して、方向性を持たせることができる。半導体基板１のＺ相出力信号形成部２及びＡＢ相出力信号形成部３は、半導体基板１に作り込まれるが、発光部２２、３２のＬＥＤは、これらとは別のチップとしてこの半導体基板１に取り付けられる。

図７は、図６に示すエンコーダが形成された半導体基板１の平面図である。半導体基板１は、Ｚ相出力信号形成部２及びＡＢ相出力信号形成部３を有し、Ｚ相出力信号形成部２は、第１の発光部２２及び第１の検出部２１を有し、ＡＢ相出力信号形成部３は、第２の発光部３２及び第１の検出部３１を有している。半導体基板１に離れてスケール４が配置されている。ここで用いるスケール４は、Ｚ相スケール４１及びＡＢ相スケール４２から構成されている（図８）。ただし、Ｚ相スケール及びＡＢ相スケールをそれぞれ別体で形成することも可能である。

次に、図１乃至図５及び図９を参照してエンコーダを構成する信号処理回路を説明する。
信号処理回路５は、Ａ相出力信号（ａ）（アナログ）及びＢ相出力信号（ｂ）（アナログ）をそれぞれ位置信号（ｃ）（デジタル）及び位置信号（ｄ）（デジタル）に変換する二値化回路５１、Ｚ相出力信号（ｅ）（アナログ）を原点検出用信号（ｆ）（デジタル）に変換する二値化回路５２、原点検出用信号（ｆ）（デジタル）を位置信号（ｃ）もしくは位置信号（ｄ）に同期させて原点信号（ｇ）を生成させる同期回路５３を備えている。Ａ相出力信号（ａ）又はＢ相出力信号（ｂ）は、エンコーダ１００が形成された半導体基板１の第２の発光部３２から放射された光をＡＢ相スケール４２で反射し、第２の検出部３１に入力して得られる。同様に、Ｚ相出力信号（ｅ）は、半導体基板１の第１の発光部２２から放射された光をＺ相スケール４１で反射し、第１の検出部２１に入力して得られる。

図２に示すように、Ａ相出力信号（ａ）、Ｂ相出力信号（ｂ）及びＺ相出力信号（ｅ）は、アナログ信号であり、位置信号（ｃ）及び（ｄ）、原点検出用信号（ｆ）及び原点信号（ｇ）は、デジタル信号である。図２は、信号処理回路５において、第１の検出器２１及び第２の検出器３１からの入力信号が処理されている状態を示すタイミングチャートであり、横軸は、時間を表し、対象物の一定速度の変位が生じているときの各信号の変化（波形）を示している。
図９によりＺ相出力信号（デジタル）（原点検出用信号（ｆ））の形成を説明する。原点信号を形成するＺ相出力信号（アナログ）は、Ｚ相スケールを用い、当該スケールからの反射光を受光して形成される。Ｚ相スケールは、入射する光を透過する白い領域と、入射する光を反射して反射光が第１の検出器２１に入射する光反射領域である黒い領域から構成され、移動する光照射領域に対応したＺ相出力信号（アナログ）が形成される。その後、Ｚ相出力信号（アナログ）を二値化回路５２（図１参照）により二値化して原点検出用信号（ｆ）となるＺ相出力信号（デジタル）が形成される。Ｚ相出力信号（アナログ）は、Ｚ相スケールの形状に対応して、例えば、０Ｖのレベルから１０Ｖのレベルに変化する波形を有している。Ｚ相出力（アナログ）信号から形成されたＺ相出力（デジタル）信号は、閾値の異なる２つの比較器を介して生成され、例えば、３Ｖと７Ｖに閾値を有する比較器を介して得られた２つの信号からパルス幅が形成される。

図４（ａ）は、図１に記載された信号処理回路５における原点検出用信号（ｆ）（Ｚ相出力信号（デジタル））を形成するための二値化回路５２を表している。二値化回路５２は、第１の比較回路５２１、第２の比較回路５２２及びＡＮＤ回路５２３を備えている。入力端には第１の検出器２１により検出されたＺ相出力信号（ｅ）が入力される。出力端（ＡＮＤ回路５２３の出力端）からは原点検出用信号（ｆ）が出力される。Ｚ相出力信号（ｅ）は、その波形図が図４（ｄ）に示される。原点検出用信号（ｆ）のパルス幅は、Ｚ相出力信号（ｅ）のロウレベル（この実施例では０Ｖ）からハイレベル（この実施例では１０Ｖ）の間の任意の２点の電圧から決められる。この実施例では、２点は、例えば、３Ｖと７Ｖとする。
Ｚ相出力信号（ｅ）は、第１の比較回路５２１の正（＋）入力端及び第２の比較回路５２２の負（−）入力端に入力される。第１の比較回路５２１の負（−）入力端には第１の基準電圧（Ｒｅｆ１）（この実施例では３Ｖ）が入力され、第２の比較回路５２２の正（＋）入力端には第２の基準電圧（Ｒｅｆ２）（この実施例では７Ｖ）が入力される。

対象物の相対移動に伴ってＺ相出力信号（ｅ）は、ロウレベルの０Ｖからハイレベルの１０Ｖに変化する。第１の比較回路５２１は、基準電圧（Ｒｅｆ１）が３Ｖであるから、Ｚ相出力信号（ｅ）が３Ｖまでロウレベル（０Ｖ）を出力し、３Ｖを越えるとハイレベルに変化して信号（ｈ）を出力する。第２の比較回路５２２は、基準電圧（Ｒｅｆ２）が７Ｖであり、Ｚ相出力信号（ｅ）が負（−）入力端に入力されるから、Ｚ相出力信号（ｅ）が７Ｖまではハイレベルを出力し、７Ｖを越えるとロウレベルに変化して信号（ｉ）を出力する。
次に、信号（ｈ）は、論理回路（ＡＮＤ（論理積））５２３の第１の入力端に入力され、信号（ｉ）は、第２の入力端に入力される。論理回路５２３は、信号（ｈ）、（ｉ）が入力されて原点検出用信号（ｆ）を出力する（図４（ｂ）及び（ｃ）参照）。

次に、同期回路５３により、原点信号（ｇ）を形成する（図３）。同期回路５３は、論理回路（ＡＮＤ）である。Ａ相出力信号（ａ）から形成された位置信号（ｃ）は、論理回路（ＡＮＤ）５３の第１の入力端に入力され、原点検出用信号（ｆ）は、第２の入力端に入力されて、原点信号（ｇ）が出力される。
また、同期回路５３は、Ｂ相出力信号（ｂ）から形成された位置信号（ｄ）を原点検出用信号（ｆ）に同期させて、原点信号（ｇ）を出力する。
図５に示すように、光反射領域及び光透過領域の２領域からなるベタパターンを有するスケールを用いてアナログＺ相出力信号からパルス状のデジタルＺ相出力信号を得て、パルス状のＺ相信号とＡ相信号又はＢ相信号のＡＮＤを取ってパルスを作成することにより、走査方向に関わらず、同一の位置に原点信号が得られる。このように走査方向の依存性が小さくＡ相信号もしくはＢ相信号に同期した原点検出を安定して行うことができるエンコーダが得られる。

１・・・半導体基板
２・・・Ｚ相出力信号形成部
３・・・ＡＢ相出力信号形成部
４・・・スケール
５・・・信号処理回路
２１・・・第１の検出部
２２・・・第１の発光部
３１・・・第２の検出部
３２・・・第２の発光部
４１・・・Ｚ相スケール
４２・・・ＡＢ相スケール
５１、５２・・・二値化回路
５３・・・同期回路
１００・・・エンコーダ

Claims (1)

1. 発光部と、前記発光部から出射された光がスケールに投影され、その反射光の回折パターンから位置信号および原点検出用信号を生成する検出部と、前記位置信号および前記原点検出用信号をデジタル化し、前記原点検出用信号からパルス状の原点信号を生成する信号処理部とを具備し、前記位置信号は前記反射光の回折パターンに応じた信号であって、移動方向を示すために互いに９０度位相のずれた信号であり、前記原点検出用信号は、前記反射光の回折パターンに応じた信号であって、原点位置を検出する信号であり、前記信号処理部は、前記位置信号および前記原点検出用信号を二値化することによりデジタル化し、デジタル化された前記位置信号および前記原点検出用信号の論理積演算を行うことにより原点信号を生成し、前記検出部で生成された原点検出用信号は、ロウレベルからハイレベルもしくはハイレベルからロウレベルまで所定の勾配で変化する信号であって、前記信号処理部において、第１及び第２の比較回路及び論理積回路から構成された二値化回路によりデジタル化され、前記検出部で生成された原点検出用信号は、前記第１の比較回路の正入力端及び前記第２の比較回路の負入力端に入力され、前記第１の比較回路負入力端には前記ロウレベルから前記ハイレベルまでの間の第１の基準電圧が入力され、前記第２の比較回路の正入力端には前記ロウレベルから前記ハイレベルまでの間の前記第１の基準電圧より高い第２の基準電圧が入力され前記第１及び第２の比較回路の出力が前記論理積回路に入力されて前記デジタル化された原点検出用信号が生成されることを特徴とする光学式エンコーダ。

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