JP5927482B2 - 光学式エンコーダ装置 - Google Patents

Description

本発明は、光学式エンコーダ装置に関し、特に、受光手段から得られる信号の高調波成分を除去するための新規な改良に関する。

図６Ａ（ａ）は光学式エンコーダ装置の一例を示す斜視構造図であり、第１スリット１に対して図示矢印方向に相対移動する第２スリット２が第１スリットの後方に配置され、光電変換素子３が第２スリット２の後方に各々配置されている。第１スリット１及び第２スリット２には、光を透過させる部分（以下、透過部という）及び透過させない部分（以下、非透過部という）が所定の長さ（以下、スリットピッチという）で繰返されているパターン部が設けられている。

このような構成において、平行光束Ｌを第１スリットに照射すると、第１スリット１及び第２スリット２を透過した光が光電変換素子３に入射する。そして、光電変換素子３は入射光をその光強度に応じた電気信号に変換して出力する。この電気信号は、第１スリット１と第２スリット２との相対変位によって第１スリット１及び第２スリット２を透過する光量が変化することにより得られるものであり、その周期がスリットピッチの変位信号である。この変位信号は、本来、第１スリット１と第２スリット２との重なり具合により発光側から見た見掛け上の透過部の変化に比例した三角波信号となるはずであるが、実際には光の回折等により三角波が鈍って疑似正弦波となっている。そして、この疑似正弦波を変位信号に利用して位置検出が行われている。

また、上述した従来の光学式エンコーダで得られる変位信号はフーリエ級数で表され下記（１）式となる。

この変位信号は第１スリット１と第２スリット２との間隙が変化すると上記高調波成分の影響により大きく歪んでしまう。この変位信号の歪みは下記歪み率で表される。

この変位信号の歪みは主に３次高調波、５次高調波、７次高調波といった低次の高調波成分によるものである。従って、このような変位信号を利用して求めた位置検出値は大きな誤差を伴っていた。

そこで、歪成分を除去するためにスリットを半径方向に分割し、分割したスリットを所定の位相差を有して配置することでｎ次の歪成分を除去する光学式エンコーダが提案され
ている（特許文献１参照）。特許文献１には図７に示す第２スリットに設けられているスリットパターンを、図８に示すように２Ｃ，２Ｄ，２Ｅ，２Ｆの透過パターンが１組となって前記第１スリットのピッチで繰返し配設し、前記２Ｃの透過パターンに対して、前記２Ｄ，２Ｅ，２Ｆの透過パターンは、それぞれ前記第１スリットのピッチの１／１２，１／６，１／４の位相差をもった間隔で配置され、受光手段により検出された信号の高調波成分を効果的に除去されるように構成されたものが開示されている。

特開２００７−２１８６０３号公報

第１スリットと相対変位する第２スリットの両スリットより得た透過光を検出する受光手段を有する光学式エンコーダでは、上述した従来の光学式エンコーダで得られる変位信号は、主に３次高調波、５次高調波、７次高調波といった低次の高調波成分を含み、その結果、このような変位信号を利用して求めた位置検出値は大きな誤差を伴っていた。

特許文献１の第２スリット２は、スリット部が従来の光学式エンコーダと異なり、図８に示すようにピッチＰで繰返す透過部と非透過部（図示黒色部）とで成るスリット部２Ｃ，２Ｄ，２Ｅ，２Ｆが配設されている。そして、スリット部２Ｄ，２Ｅ，２Ｆはスリット部２Ｃを基準とするとそれぞれの位相がＰ／１２，Ｐ／６，Ｐ／４ずれている。

これにより、高調波成分の除去は可能となる。しかし、図８に示すように２Ｃから２Ｆのスリットパターンに位相のズレがあるため、２Ｃのスリット端から２Ｆのスリット端までのスリット幅が３Ｐ／４（＝Ｐ／２＋Ｐ／４）となり、第１スリットの透過部と非透過部の比率は１：１のため、第１スリットの透過部の幅であるＰ／２より大きくなる。

そのため、図９（ａ）に示すように従来、変位信号が最大値を示す場合において、第１のスリットを透過した光が第２スリットを全て透過できず、従来と比べ変位信号の最大値が低下する。この低下量は従来の変位信号の最大値の２５％となる。また、図９（ｂ）に示すように変位信号が最小値を示す場合においても、第１スリットの非透過部に隣接する透過部を透過した光が第２スリットを透過し、従来と比べ変位信号の最小値が増加する。この増加量は従来の変位信号の最小値の２５％となる。よって、図９（ｃ）に示すように第２スリットに位相のズレが無い従来の高調波を除去しない場合より、光電変換素子にて検出される変位信号の振幅が５０％低下するという課題があった。

また通常、検出される変位信号はノイズの影響を受けて、変位信号波形にノイズが重畳されてしまう。この場合、図６Ａ（ｂ）に示すように１８０度位相差を持つよう、第２スリットを２−１と２−２を配置し、図６Ｂ（ｃ）に示すような回路構成にて差動増幅信号を生成し、ノイズの影響を低減しているが、平行光束の光強度の分布が不均一となると変位信号の振幅に振幅差が生じ、図６Ｂ（ｄ）に示すように差動増幅信号の振幅中心が基準電圧からずれてしまい、光強度の分布の調整による振幅値の中心の調整を必要とし、かつ第２スリットを２つ必要とする為、工数、部品点数、およびコストが増加するという課題があった。

本発明は、前記従来の問題に鑑みてなされたものにおいて、その目的は、変位信号の高調波成分を効果的に除去すると共に、変位信号の最大値の低下および最小値の増加を低減でき、変位信号の振幅低下を低減することができる光学式エンコーダ装置を提供することにある。

上記の目的を達成するため、第１の発明は、第１のスリットと相対変位する第２のスリットの両スリットより得た透過光を検出する受光手段を有する光学式エンコーダ装置において、前記第２のスリットに設けられているスリットパターンは、２つのスリットパターンを有し、各々のパターン部は透過部と非透過部の比率が前記第１のスリットのピッチに対し１：２とし、かつ互いに前記第１のスリットのピッチの１／１２の位相差となるように構成されている。

なお、第１および第２の透過パターンが、第１のスリットの半径方向に沿ってならび１組となって前記第１のスリットのピッチの同じ周期で繰返し配置され、前記第１の透過パターンに対して、前記第２の透過パターンが前記第１のスリットのピッチの１／１２の位相差をもった間隔で配置されるよう構成されている。

このような構成により、透過部と非透過部の比率が前記第１のスリットのピッチに対し１：２となるように構成することにより、３次高調波成分が除去できる。また、１／１２の位相差となるように２つのスリットを配置することで、５次，７次の高調波成分が低減できる。

また、第２のスリットの透過部と非透過部の比率を１：２とすることで透過部の幅は第１のスリットピッチの１／３となり、前記第１のスリットのピッチの１／１２の位相差をもつ２つのスリットパターンを合わせた透過部の幅は、前記第１のスリットのピッチの５／１２（＝１／３＋１／１２）となる。これは、前記第１のスリットのピッチの透過部の幅が１／２より小さく、前記第１のスリットを透過した光は全て第２スリットを透過することができ、約３３％の最大値の低下となるが、前記第１のスリットの非透過部に隣接する透過部を透過した光が前記第２のスリットを透過し、変位信号の最小値を増加させることはない。したがって、受光手段により検出された変位信号の振幅低下を３３％の低減に抑えることができ、かつ、高調波成分を効果的に除去することができる。

第２の発明は、第２のスリットの透過部の幅は、前記第１のスリットのピッチの５／１２であり、前記第１のスリットのピッチの透過部の幅が１／２より小さいため、ノイズの影響を低減するために１８０度の位相差を持った２つの変位信号を１つの第２スリットで実現し差動増幅信号を生成するように構成されている。

このような構成により、２つの変位信号を生成する第２のスリットの透過部を隣接して配設することが可能となり、平行光束の光強度分布が不均一になっても光強度の差異が緩和され、２つの変位信号の振幅値がほぼ同一値となり、差動増幅後の変位信号の振幅値の中心と基準電圧のズレを抑制することができる。

第３の発明は、第１の発明では第１および第２の透過パターンが第１のスリットの半径方向に沿ってならび１組となっているのに対して、本発明は、第１および第２の透過パターンが、第１のスリットの移動方向に沿ってならび１組となって前記第１のスリットのピッチと２倍の周期で繰り返し配置され、前記第１の透過パターンに対して、前記第２の透過パターンが前記第１のスリットのピッチの１／１２の位相差をもった間隔で配置され構成されている。この発明においても、検出される変位信号の振幅低下を低減することができ、また、高調波成分を効果的に除去することができる。

第４の発明は、第２の発明と同様に、ノイズの影響を低減するために１８０度の位相差を持った２つの変位信号にて差動増幅信号を生成することを１つの第２スリットで実現することができる。

本発明によれば、受光手段により検出された変位信号の振幅低下を低減し、また、高調波成分を効果的に除去することができる。

（ａ）本発明の一実施形態を示す斜視構造図、（ｂ）本発明の一実施形態を示す斜視構造図 （ａ）本発明の一実施形態における第２スリット部の一例の図、（ｂ）本発明の一実施形態における第２スリット部の一例の図 （ａ）本発明の一実施形態における変位信号波形、（ｂ）合成信号より得られる「（ａ）」と同値の信号波形、（ｃ）本発明より得られる変位信号波形図 本発明の一実施形態における変位信号波形の振幅の図 本発明の一実施形態における第２スリット部の他の一例の図 （ａ）従来の斜視構造図、（ｂ）従来の１８０度位相差を持つ２信号の斜視構造図 （ｃ）増幅信号の回路構成例、（ｄ）電気信号の振幅が一定でない場合の増幅信号の図 従来の高調波成分を除去可能な構成の斜視構造図 従来の高調波成分を除去可能なスリット部の一例の図 （ａ）従来の高調波成分を除去可能なスリット部での変位信号が最大値を示す場合の模式図、（ｂ）従来の高調波成分を除去可能なスリット部での変位信号が最小値を示す場合の模式図、（ｃ）は従来の高調波成分を除去可能なスリット部での変位信号の振幅の図

以下、本発明を具体化した一実施形態を図１〜図４にしたがって説明する。図１は本発明の光学式エンコーダの第１の実施例を図６Ａ、図６Ｂ、図７に対応させて示す斜視構造図であり、同一構成箇所は同符号を付して説明を省略する。この光学式エンコーダは第２スリット２に設けられているスリット部が従来の光学式エンコーダと異なり、図２（ａ）に示すようにピッチＰで繰返す透過部（図示斜線部）と非透過部とで成る透過スリット部２Ａ、透過スリット部２Ｂが配設されている。そして、透過スリット部２Ａ、透過スリット部２Ｂは、各々透過部と非透過部の比率を１：２としており、また、透過スリット部２Ｂは透過スリット部２Ａを基準とするとそれぞれの位相がＰ／１２ずれている。

次に上記のように構成された光学式エンコーダ装置の作用を説明する。

このような構成において、例えば透過スリット部２Ａを透過して来た光量の変化、即ち変位信号ＩＡ（ｘ）は、図３（ａ）に示すような台形波となる。透過率１００％が台形波の山の上面で透過率０％が台形波の谷の下面となり、台形波の上面、下面がそれぞれπ／３の位相となる。変位信号ＩＡ（ｘ）は、式（１）で示される従来の光学式エンコーダで得られる変位信号のうち、主成分である基本波成分と３次高調波成分と５次高調波成分と７次高調波成分に着目すると、図３（ｂ）に示すように、式（２）で示される変位信号ｆ（ｘ）と、式（３）で示したπ／３の位相をもつ変位信号ｆ’（ｘ）を合成した式（４）で示される。

これに対して各スリット部２Ｂを透過して来た光の変化は、図３（ｃ）に示すようにスリット部２Ｂがスリット部２Ａに対してＰ／１２だけ位相がずれた次式（５）で示される変位信号ＩＢ（ｘ）となる。

従って、各スリット部２Ａ，２Ｂを同面積にして同光量が透過するようにし、各スリット部２Ａ，２Ｂを透過して来た光を光電変換するようにすればそれぞれの光を加算したことになり、下記（６）式に示す式が算出される。

この実施形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。

各スリット部２Ａ，２Ｂを同面積にして同光量が透過するようにし、各スリット部２Ａ，２Ｂを透過して来た光を光電変換するようにすればそれぞれの光を加算したことになり、式（６）に示すように３次高調波が相殺される。本実施例での７次高調波成分までの変位信号の歪み率は、計算上１．２％となり従来の提案での７次高調波成分までの歪み率と同等の結果となり歪み率を改善できる。

また、スリット部２Ａ端からスリット部２Ｂ端までのスリット幅が５Ｐ／１２であり、第１スリットの透過部のスリット幅Ｐ／２より小さいため、変位信号の振幅低減を抑制した精度の高い変位信号を得ることができる。

図２（ａ）に示す実施例は、第２のスリットのスリットパターンを半径方向に分割したものであるが、半径方向の各スリットパターンを連結せずに個々のスリットパターンとしても同様の効果が得られる。

また、ノイズの影響を低減するために１８０度の位相差を持った２つの変位信号にて差動増幅信号を生成する場合、本発明では図２（ｂ）に示すように、図２（ａ）にて検出される変位信号をａ、１８０度の位相差を有する変位信号を／ａとすると、ａおよび／ａを隣接して配設すると共に、図１（ｂ）に示すように光電変換素子を櫛形に配置し、櫛形の上下の光電変換素子の配置のピッチは第２スリットのａおよびａ／の配置に合わせ、Ｐ／２とする。このような構成により、２つの変位信号を隣接して配設することにより、平行光束の光強度分布が不均一になっても光強度の差異が緩和され、ａおよび／ａの変位信号の振幅値を同一値とし、差動増幅後の変位信号の基準電圧からのずれを抑制することができる。

また、図５の実施例に示すように第２スリットのスリットパターンを移動方向に分割しても同様の効果が得られる。

なお、上述した実施例ではロータリ型の光学式エンコーダ装置について述べたものであるが、リニア型のエンコーダ装置についても同様の効果を呈する。

本発明による光学式エンコーダ装置は、ロータリ型およびリニア型に適用でき、高調波成分を効果的に除去することができる。

１ 第１スリット
２ 第２スリット
２Ａ、２Ｂ 透過スリット部
３ 光電変換素子

Claims (3)

1. 第１のスリットと相対変位する第２のスリットの両スリットより得た透過光を検出する受光手段を有する光学式エンコーダ装置において、
   前記第１のスリットと第２のスリットは、光を透過させる透過部と非透過部をその幅方向にスリットピッチで繰り返すように配置したスリットパターンを有し、
   前記第１のスリットと前記第２のスリットのスリットピッチは互いに等しく、
   前記第１のスリットの透過部の幅は前記スリットピッチの１／２にし、前記第２のスリットの透過部の幅は前記スリットピッチの１／３とするとともに、
   前記第２のスリットのスリットパターンは、前記透過部を前記第２のスリットの半径方向に二分するように区分される、第１の透過パターンと第２の透過パターンで構成され、
   前記第２の透過パターンは、前記第１の透過パターンに対し、前記透過部の幅方向に前記スリットピッチの１／１２だけずれていることを特徴とする光学式エンコーダ装置。
2. 第１のスリットと相対変位する第２のスリットの両スリットより得た透過光で、互いに１８０度の位相差をもった２つの変位信号を検出する受光手段を有する光学式エンコーダ装置において、
   前記第１のスリットと第２のスリットは、光を透過させる透過部と非透過部をその幅方向にスリットピッチで繰り返すように配置したスリットパターンを有し、
   前記第２のスリットのスリットピッチを、前記第１のスリットのスリットピッチの１／２の周期とし、
   前記第１のスリットの透過部の幅は前記第１のスリットのスリットピッチの１／２にし、前記第２のスリットの透過部の幅は前記第１のスリットのスリットピッチの１／３とするとともに、
   前記第２のスリットのスリットパターンは、前記透過部を前記第２のスリットの半径方向に二分するように区分される、第１の透過パターンと第２の透過パターンで構成され、
   前記第２の透過パターンは、前記第１の透過パターンに対し、前記透過部の幅方向に前記第１のスリットのスリットピッチの１／１２だけずれていることを特徴とする光学式エンコーダ装置。
3. 第１のスリットと相対変位する第２のスリットの両スリットより得た透過光を検出する受
   光手段を有する光学式エンコーダ装置において、
   前記第１のスリットと第２のスリットは、光を透過させる透過部と非透過部をその幅方向に所定のスリットピッチで繰り返すように配置したスリットパターンを有し、
   前記第１のスリットと前記第２のスリットのスリットピッチは互いに等しく、
   前記第１のスリットの透過部の幅は前記スリットピッチの１／２にし、前記第２のスリットの透過部の幅は前記スリットピッチの１／３とするとともに、
   前記第２のスリットのスリットパターンは、前記透過部の幅方向に交互に繰り返して配置される、第１の透過パターンと第２の透過パターンで構成され、
   前記第２の透過パターンは、前記第１の透過パターンに対し、前記透過部の幅方向に前記スリットピッチの１／１２だけずれていることを特徴とする光学式エンコーダ装置。