JP5968233B2 - 位置検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、工作機械、産業機械、ロボット等で用いられる位置検出装置に関する。

工作機械、各種産業機械、ロボットなどの位置制御用の位置検出装置として、直線位置及び回転の角度を情報として出力するスケール或いはエンコーダが使われている。
例えば特許文献１には、移動する回析格子をスケールとして用いた位置検出装置についての構成が開示されている。

特公平５−１３２４３号公報

ところで、この種の位置検出装置は、信頼性向上の観点から、耐ノイズ性が求められている。すなわち、電磁ノイズが多い環境で使用した場合でも、正確な位置検出が行える必要がある。

信号を高品位で耐ノイズ性を持たせる方法としては、例えば差動平衡伝送が知られている。差動平衡伝送は、送信側で１８０°位相が相反した信号を得、その１８０°位相が相反した信号を２本の並行導体を使い伝送する。受信側では、２本の導体間に終端抵抗を接続し、終端抵抗の両端間の電圧を検出する方法で、２本の導体に同時に受けるノイズ（コモンモードノイズ）に対して強く、古くは、業務用マイクロホンケーブル伝送、近年では高速シリアル通信に用いられている。
このとき重要なのが、差動信号間にノイズ（ノーマルモードノイズ）が混入しない様にすることである。
その為、業務用マイクロフォンでは、小型のトランスで、不平衡信号を差動平衡伝送に変換していた。また、高速シリアル通信では、送信処理を行う集積回路で平衡伝送部の２つの信号路に差が生じないように処理している。
位置検出装置が備える光学式エンコーダも、近年はＬＳＩ化が進み、光学式エンコーダ本体部でセンサが出力したアナログ信号をデジタル信号処理の後、デジタル化された位置情報を差動平衡伝送路に伝送する構成である。

ところで、高速、高精度な光学式エンコーダでは、光学部品を使い１８０°相反した２つの信号を得る。その１８０°相反した２つの信号が、それぞれ別の光電変換素子で電気信号に変換される。
光電変換素子としては、フォトダイオードやＰｉｎフォトダイオードが用いられ、光の強弱に応じた光電流を得る。フォトダイオードなどの光電変換素子には、比較的低抵抗な終端抵抗が接続され、それぞれの光電変換素子が検出した信号が電圧モードに変換される。そして、それぞれの光電変換素子と終端抵抗との間から引き出した電圧モードの信号が、差動平衡伝送路を構成する一方の信号線と他方の信号線で伝送される。このように差動平衡伝送路を使用して伝送することで、耐ノイズ性が高い伝送が可能になる。

図７は、従来の位置検出装置が備える光電変換素子に接続される回路の構成例である。
図７に示す位置検出装置は、光電変換素子として２つのフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２を備える。それぞれのフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２は、直流電源＋Ｂと接地電位部ＧＮＤとの間に接続される。各フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２と接地電位部ＧＮＤとの間には、終端抵抗Ｒ１，Ｒ２が接続される。２つの終端抵抗Ｒ１，Ｒ２を接続した中間点ｘが、接地電位部ＧＮＤと接続される。

２つのフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２は、位置検出用の相互に相反する光信号を受光し、受光レベルに対応したセンサ出力としての電流を得る。ここで、各フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２に終端抵抗Ｒ１，Ｒ２が接続してあることで、各フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２と各終端抵抗Ｒ１，Ｒ２との接続点から、センサ出力としての電流が電圧に変換されて取り出される。

各フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２と各終端抵抗Ｒ１，Ｒ２との接続点に得られる信号は、区間ａ及び区間ｂの信号線で取り出され、その２つの信号線を近接させて配置した区間ｃを引き延ばして、電圧信号を検出する回路に供給する。２つの信号線が近接した区間ｃが、差動平衡伝送路になっている。
区間ｃの末端部分には、２つの信号線の間に終端抵抗Ｒ３が接続される。そして、その終端抵抗Ｒ３が接続された一方の信号線に、演算増幅器１０の−側入力端が、抵抗Ｒ４を介して接続される。また、終端抵抗Ｒ３が接続された他方の信号線に、演算増幅器１０の＋側入力端が、抵抗Ｒ５を介して接続される。
演算増幅器１０の−側入力端と出力端との間には、抵抗Ｒ６が接続される。また、演算増幅器１０の＋側入力端と接地電位部ＧＮＤとの間には、抵抗Ｒ７が接続される。
そして、演算増幅器１０の出力端に得られる信号が、出力端子１１に供給される。
このように演算増幅器１０が接続してあることで、２つのフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２から取り出された相互に相反する電圧信号が、逆相で加算された信号が増幅されて、出力端子１１から取り出される。

ここで、２つのフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２は、図７に示すようにある程度（例えば数ｃｍ程度）離れて配置されるため、２つのフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２からの信号が近接するまでの区間ａ，ｂについても数ｃｍ程度の長さがある。この区間ａ，ｂは、差動平衡伝送路ではないため、不平衡状態でなる。この不平衡状態の区間ａ，ｂに外部からノイズが混入すると、ノーマルモードノイズとして受けてしまい、フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２の出力信号にノイズが混入してしまう。例えば図７に示すように区間ａの信号線にノイズＮが外部から混入したとき、矢印で示す起電力ｅが発生し、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２に逆方向の電流が発生して、出力信号にノイズが重畳されてしまう。したがって、従来の位置検出装置が備えるエンコーダは、耐ノイズ性が十分でなかった。
また、周波数の低い電磁誘導ノイズに対しては、一般的にシールド板の効果が低く、効果を上げるためには、厚いシールド板が必要となり装置の形状が大きくなると言う問題があった。

本発明は、位置検出装置の耐ノイズ性を向上させることを目的とする。

本発明は、相互に相反する位置検出用の信号を検出する第１及び第２のセンサを備えた位置検出装置である。
第１のセンサと第２のセンサとを共通の基準電位側と接続する第１の信号線と、第１のセンサの出力信号を検出信号伝送用の平衡伝送路の一方の信号線に供給する第２の信号線と、第２のセンサの出力信号を検出信号伝送用の平衡伝送路の他方の信号線に供給する第３の信号線とを備える。
そして、第１の信号線が、第２の信号線及び第３の信号線と近接するように配置し、これら第１の信号線と第２，第３の信号線で平衡伝送路となるようにした。

本発明によると、それぞれのセンサから引き出される信号線のほとんどの区間が平衡伝送路になる。したがって、耐ノイズ性を向上することができる。

本発明の一実施の形態による位置検出装置のセンサ配置例を示す図である。 本発明の一実施の形態による位置検出装置の例（例１）を示す構成図である。 本発明の一実施の形態による位置検出装置の例（例２）を示す構成図である。 本発明の一実施の形態による位置検出装置の例（例３）を示す構成図である。 本発明の一実施の形態による位置検出装置の例（例４）を示す構成図である。 本発明の一実施の形態による位置検出装置の例（例５）を示す構成図である。 従来の位置検出装置の例を示す構成図である。

以下、本発明の一実施の形態の例を、図１〜図６を参照して説明する。この図１〜図６において、従来例で説明した図７に対応する部分には同一符号を付す。

［１．センサの配置例］
まず、図１を参照して、本発明の一実施の形態の例の位置検出装置のセンサの配置状態について説明する。
図１は、移動する回析格子をスケールとして用い、回析光を干渉させて回析格子の位置変化（移動距離）を検出する光学式位置検出装置のセンサの配置状態の例を示す図である。
図１に示すように、干渉光１がハーフミラー２に入射し、２つの干渉光１Ａ，１Ｂに分離される。
２つに分けられた干渉光１Ａ，１Ｂの内、干渉光１Ａが、偏光ビームスプリッタ８に入射され、互いに９０°隔てた方向に２分される。そして、その２分された光がセンサ８ａ，８ｂに入射される。２つのセンサ８ａ，８ｂに入射される光は、相互に相反する信号である。

また、ハーフミラー２で分けられた干渉光１Ｂについては、λ／４板５を介して偏光ビームスプリッタ９に入射され、互いに９０°隔てた方向に２分される。そして、その２分された光がセンサ９ａ，９ｂに入射される。２つのセンサ９ａ，９ｂに入射される光についても、相互に相反する信号である。

そして、センサ８ａ，８ｂで検出した信号が、図２に示す回路に供給されて電圧信号として検出される。同様に、センサ９ａ，９ｂで検出した信号についても、図２に示す回路に供給されて電圧信号として検出される。

［２．位置検出装置の構成例（例１）］
次に、図２に示す一実施の形態の例（例１）の構成について説明する。図２に示す構成では、センサとしてフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２を使用した例を示す。すなわち、図２に示したフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２は、図１に示すセンサ８ａ，８ｂ又はセンサ９ａ，９ｂに相当する。

図２に示す位置検出装置のそれぞれのフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２は、直流電源＋Ｂと接地電位部ＧＮＤとの間に接続される。各フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２のアノード側と接地電位部ＧＮＤとの間には、終端抵抗Ｒ１，Ｒ２が接続される。２つの終端抵抗Ｒ１，Ｒ２は、信号線２５で接続する。この信号線２５は、配線基板２０上に配線パターンで形成される。配線基板２０は、例えばフレキシブル基板が使用される。この信号線２５の特定箇所２５ａが、回路の接地電位部ＧＮＤに接続される。特定箇所２５ａは、図２の例では、例えば信号線２１，２３と信号線２２，２４とが接続される部分に設定する。この箇所で接地電位部ＧＮＤに接続するのは１つの例であり、その他の箇所で接続してもよい。直流電源＋Ｂは、例えば３Ｖ，５Ｖ，１０Ｖなどの電圧である。

２つのフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２は、相互に１８０°相反する位置検出用の光信号を受光し、受光レベルに対応したセンサ出力としての電流を得る。そして、フォトダイオードＰＤ１と終端抵抗Ｒ１との接続点から、センサ出力としての電流が電圧に変換された信号が信号線２１に取り出される。信号線２１には信号線２２が接続される。また、フォトダイオードＰＤ２と終端抵抗Ｒ２との接続点から、センサ出力としての電流が電圧に変換された信号が信号線２３に取り出される。信号線２３には信号線２４が接続される。これらの信号線２１〜２４は、信号線２５と同様に、配線基板２０上に配線パターンで形成する。

ここで、信号線２２と信号線２４は、近接して配置され、差動平衡伝送路になっている。この２つの信号線２２，２４が近接して配置した部分が、図２に示す区間ｃである。
また、フォトダイオードＰＤ１に接続された信号線２１に近接して、信号線２５の前半部分が配置される。この信号線２１と信号線２５とが近接して配置された部分が、図２に示す区間ａである。
さらに、フォトダイオードＰＤ２に接続された信号線２３に近接して、信号線２５の後半部分が配置される。この信号線２３と信号線２５とが近接して配置された部分が、図２に示す区間ｂである。

したがって、区間ａでは、近接して配置された信号線２１と信号線２５とで平衡伝送路が構成される。
また、区間ｂでは、近接して配置された信号線２３と信号線２５とで平衡伝送路が構成される。なお、この例では、区間ａ内の信号線２１の長さと、区間ｂ内の信号線２３の長さを等しくする。
区間ａと区間ｂは、２つのフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２の配置間隔に対応して、例えば数ｃｍ程度の距離である。区間ｃは、例えば数ｍなどの比較的長い距離である。

区間ｃの信号線２２，２４に接続される回路は、図７に示した回路と同じである。すなわち、２つの信号線２２，２４の間に終端抵抗Ｒ３が接続され、その終端抵抗Ｒ３が接続された一方の信号線２２に、演算増幅器１０の−側入力端が、抵抗Ｒ４を介して接続される。また、終端抵抗Ｒ３が接続された他方の信号線２４に、演算増幅器１０の＋側入力端が、抵抗Ｒ５を介して接続される。
演算増幅器１０の−側入力端と出力端との間には、抵抗Ｒ６が接続される。また、演算増幅器１０の＋側入力端と接地電位部ＧＮＤとの間には、抵抗Ｒ７が接続される。
そして、演算増幅器１０の出力端に得られる信号が、出力端子１１に供給される。

この図２に示す構成の場合、区間ｃの信号線２２，２４が差動平衡伝送路である点は図７に示す従来例と同じであるが、２つのフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２から引き出された区間ａ，ｂの信号線２１，２３についても、基準電位である接地電位ＧＮＤと接続するための信号線２５と近接して配置され、平衡伝送路になる。
このように、センサの出力信号を伝送するそれぞれの区間ａ，ｂ，ｃが平衡伝送路で構成されることで、全ての区間が耐ノイズ性を持つ伝送路になる。したがって、位置検出装置として良好な耐ノイズ性が得られる。

［３．位置検出装置の構成例（例２）］
次に、図３に示す一実施の形態の例（例２）の構成について説明する。図３に示す構成では、区間ａ，ｂ，ｃの各平衡伝送路を、ツイストペアケーブル３０，４０，５０としたものである。
すなわち、フォトダイオードＰＤ１のアノード側と終端抵抗Ｒ１との間に、ツイストペアケーブル３０の一方の信号線３１を接続する。また、ツイストペアケーブル３０の他方の信号線３２を、終端抵抗Ｒ１の接地電位側に接続する。このツイストペアケーブル３０は、区間ａに相当する。
さらに、フォトダイオードＰＤ２のアノード側と終端抵抗Ｒ２との間に、ツイストペアケーブル４０の一方の信号線４１を接続する。また、ツイストペアケーブル４０の他方の信号線４２を、終端抵抗Ｒ２の接地電位側に接続する。このツイストペアケーブル４０は、区間ｂに相当する。

そして、ツイストペアケーブル３０の一方の信号線３１が、別のツイストペアケーブル５０の一方の信号線５１に接続される。また、ツイストペアケーブル４０の一方の信号線４１が、ツイストペアケーブル５０の他方の信号線５２に接続される。ツイストペアケーブル５０は、区間ｃに相当する。

区間ａのツイストペアケーブル３０の信号線３２と、区間ｂのツイストペアケーブル４０の信号線４２とは、接続点３２ａで接続される。この接続点３２ａが、接地電位部ＧＮＤ回路に接続される。

そして、ツイストペアケーブル５０の信号線５１，５２が、終端抵抗Ｒ３と抵抗Ｒ４，Ｒ５を介して演算増幅器１０に接続される。

この図３に示す構成としたことで、全ての区間ａ，ｂ，ｃがツイストペアケーブルによる平衡伝送路になる。ツイストペアケーブルは、誘導ノイズを受けても０．５ターン毎に磁界を受ける方向が逆になり、結果的に１ターン毎に打ち消し合う。このため、ツイストペアケーブルは、ノイズの影響を全く受けなくなる。

［４．位置検出装置の構成例（例３）］
次に、図４に示す一実施の形態の例（例３）の構成について説明する。図４に示す構成では、区間ａ，ｂ，ｃの各平衡伝送路を、ツイストペアケーブル３０，４０，５０とした上で、各フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２と各終端抵抗Ｒ１，Ｒ２の直列回路と並列に、デカップリングコンデンサＣ１，Ｃ２を接続したものである。

すなわち、フォトダイオードＰＤ１と終端抵抗Ｒ１の直列回路と並列に、デカップリングコンデンサＣ１を接続する。また、フォトダイオードＰＤ２と終端抵抗Ｒ２の直列回路と並列に、デカップリングコンデンサＣ２を接続する。
図４のその他の部分は、図３に示す回路と同様に構成する。

この図４に示すようにデカップリングコンデンサＣ１，Ｃ２を設けることで、電源に対するノイズの影響を低減することができる。

［５．位置検出装置の構成例（例４）］
次に、図５に示す一実施の形態の例（例４）の構成について説明する。図５に示す構成では、区間ａ，ｂ，ｃの各平衡伝送路を、ツイストペアケーブル３０，４０，５０とし、デカップリングコンデンサＣ１，Ｃ２を接続する点は図４の例と同じである。さらに図５の例では、フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２に直流電源＋Ｂを供給する信号線と接地電位部ＧＮＤ回路と接続する信号線についても、ツイストペアケーブル６０を使用したものである。

すなわち、２つのツイストペアケーブル３０，４０の信号線３２，４２の接続点３２ａが、ツイストペアケーブル６０の一方の信号線６１に接続される。また、フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２のカソード側が、ツイストペアケーブル６０の他方の信号線６２に接続される。

ツイストペアケーブル６０の一方の信号線６１の端部は、抵抗Ｒ７の接地電位接続部に共通に接続される。また、ツイストペアケーブル６０の他方の信号線６２の端部は、直流電源＋Ｂ側に接続される。
図５のその他の部分は、図４に示す回路と同様に構成する。

この図５に示すように電源供給用の信号線と接地電位接続用の信号線についても、ツイストペアケーブルを使用したことで、電源に対するノイズの影響を軽減することができる。

［６．位置検出装置の構成例（例５）］
次に、図６に示す一実施の形態の例（例５）の構成について説明する。この図６に示す構成では、フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２に、電流電圧変換増幅器７１，７２を接続し、この電流電圧変換増幅器７１，７２の出力をツイストペアケーブル３０，４０，６０で伝送するようにしたものである。

すなわち、フォトダイオードＰＤ１のアノード側に、電流電圧変換増幅器７１を接続する。この電流電圧変換増幅器７１の−入力端と出力端との間に抵抗Ｒ８を接続し、出力端に、区間ａのツイストペアケーブル３０の一方の信号線３１を接続する。また、電流電圧変換増幅器７１の＋入力端に、区間ａのツイストペアケーブル３０の他方の信号線３２を接続する。フォトダイオードＰＤ１のカソード側には、直流電源＋Ｂを供給する。

また、フォトダイオードＰＤ２のアノード側に、電流電圧変換増幅器７２を接続する。この電流電圧変換増幅器７２の−入力端と出力端との間に抵抗Ｒ９を接続し、出力端に、区間ｂのツイストペアケーブル４０の一方の信号線４１を接続する。また、電流電圧変換増幅器７２の＋入力端に、区間ｂのツイストペアケーブル４０の他方の信号線４２を接続する。フォトダイオードＰＤ２のカソード側には、直流電源＋Ｂを供給する。

区間ａのツイストペアケーブル３０の一方の信号線３１と、区間ｂのツイストペアケーブル４０の一方の信号線４１とは、区間ｃのツイストペアケーブル５０の信号線５１，５２に接続する。
また、区間ａのツイストペアケーブル３０の他方の信号線３２と、区間ｂのツイストペアケーブル４０の他方の信号線４２とは、接続点３２ａで共通に接続し、その接続点３２ａを接地電位部ＧＮＤに接続する。

この図６に示すように電流電圧変換増幅器７１，７２を使用した場合にも、ツイストペアケーブルを使用したことでノイズの影響を軽減することができる。

［７．変形例］
なお、上述した実施の形態では、光信号を受光するセンサとして、フォトダイオードを使用した例を示した。これに対して、その他のセンサを使用してもよい。例えば、フォトダイオードは、Ｐｉｎフォトダイオードを使用してもよい。あるいは、アバランシュフォトダイオードを使用してもよい。

また、上述した実施の形態では、フォトダイオード（センサ）から引き出した信号線（図２の信号線２１，２３や図３の信号線３１，４１）と隣接して配置される信号線（図２での信号線２５や図３での信号線３２，４２）は、接地電位部ＧＮＤと接続される信号線とした。これに対して、例えば直流電源＋Ｂが供給される信号線を、図２での信号線２１，２３と近接して配置したり、あるいは、図３での信号線３１，４１とツイストペアケーブルとなるようにしてもよい。

また、上述した実施の形態では、ツイストペアケーブルを使用した例を示した。ツイストペアケーブルは、２つの導線を撚り合わせたケーブルであるが、例えばフレキシブル基板などのプリント配線基板を使用して、ツイストペアケーブルと同様に信号線（導線）が一定間隔で交互に反転する平衡伝送路を形成するようにしてもよい。この場合には、例えばプリント配線基板の表面と裏面などの複数の層を利用することで、２つの信号線の位置を交互に反転させる形状に形成することができる。

また、上述した実施の形態では、図１に示したような光学式位置検出装置が備えるセンサから検出信号を得る構成に適用した。これに対して、その他の位置検出装置のセンサから信号を検出する構成に適用してもよい。
例えば、磁気スケールを備えた位置検出装置において、その磁気スケール上を移動する磁気センサ（磁気ヘッド）から信号を検出する構成に適用してもよい。この場合には、例えば図２や図３などに示したフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２の代わりに、磁気の強弱に応じて抵抗値が変化する２つの磁気抵抗素子を接続する。この２つの磁気抵抗素子は、相互に相反する磁気の強弱を検出する。そして、磁気抵抗素子を介して得られた信号を、図２に示した平衡伝送路や図３に示したツイストペアケーブルで伝送する。
このようにすることで、磁気式の位置検出装置においても、耐ノイズ性を向上させることができる。

さらに別の構成の位置検出装置に適用してもよい。例えば、プリンタが備える印字ヘッドの位置を光学センサなどで検出する場合にも、その光学センサの検出出力を図２に示した平衡伝送路や図３に示したツイストペアケーブルで伝送するようにしてもよい。

１…干渉光、２…ハーフミラー、５…λ／４板、８，９…偏光ビームスプリッタ、８ａ，８ｂ，９ａ，９ｂ…センサ、１０…差動増幅器、１１…出力端子、２０…配線基板、３０，４０，５０，６０…ツイストペアケーブル、７１，７２…電流電圧変換増幅器、ＰＤ１，ＰＤ２…フォトダイオード、Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３…終端抵抗

Claims (6)

1. 相互に相反する位置検出用の信号を検出する第１及び第２のセンサと、
   前記第１のセンサと前記第２のセンサとを、共通の基準電位側と接続する第１の信号線と、
   前記第１のセンサの出力信号を、検出信号伝送用の平衡伝送路の一方の信号線に供給する第２の信号線と、
   前記第２のセンサの出力信号を、検出信号伝送用の平衡伝送路の他方の信号線に供給する第３の信号線とを備え、
   前記第１の信号線を、前記第２の信号線及び前記第３の信号線と近接して配置し、平衡伝送路になるようにした
   位置検出装置。
2. 前記第１、第２及び第３の信号線とで構成される平衡伝送路を、ツイストペア状の導体で構成した
   請求項１記載の位置検出装置。
3. さらに、前記第１及び第２のセンサに電源電圧を供給する第４の信号線と、
   前記第１の信号線の途中に接続され、基準電位側と接続される第５の信号線とを備え、
   前記第４の信号線と前記第５の信号線とを近接して配置し、平衡伝送路になるようにした
   請求項２記載の位置検出装置。
4. 前記第１及び第２のセンサは光センサであり、それぞれの光センサに終端抵抗を接続し、それぞれの光センサで受光光量に応じて得られる電流を前記終端抵抗で電圧に変換した信号を、前記第２の信号線及び前記第３の信号線で検出信号伝送用の平衡伝送路に供給する
   請求項１記載の位置検出装置。
5. 前記第１及び第２のセンサは、光センサと、該光センサで受光光量に応じて得られる電流を電圧変換する電流電圧変換増幅器とを備え、
   それぞれの電流電圧変換増幅器で電圧に変換した信号を、前記第２の信号線及び前記第３の信号線で検出信号伝送用の平衡伝送路に供給する
   請求項１記載の位置検出装置。
6. 前記第１及び第２のセンサは、磁気の強弱に応じて抵抗値が変化する磁気抵抗素子であり、それぞれの磁気抵抗素子を介して得られた出力信号を、
   前記第２の信号線及び前記第３の信号線で検出信号伝送用の平衡伝送路に供給する
   請求項１記載の位置検出装置。
   

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