TWI498529B - 光學式編碼器 - Google Patents

Description

光學式編碼器

本發明係有關於一種能夠檢測光學式刻度(scale)之絕對旋轉角度的光學式編碼器。

一般就檢測側定對象物之旋轉角度的旋轉(rotary)編碼器而言，係具備有光學式刻度、檢測元件、以及計算裝置，該光學式刻度係具有明暗之光學圖案(pattern)；該檢測元件係用以檢測光學刻度上的光學圖案；該計算裝置係配置於檢測元件的後段；並藉由計算裝置檢測連結於馬達等之旋轉軸之光學式刻度的旋轉角度。

就該種旋轉編碼器而言，遞增(incremental)方式與絕對絕對值(absolute)方式係廣為人知，該遞增方式係以計算裝置累計從檢測元件所輸出之脈波(pluse)信號來檢測旋轉角度；而該絕對值方式係藉由計算裝置從光學式刻度上之角度固有之光學圖案檢測光學式刻度的絕對角度。遞增方式係因藉由從原點位置的增量檢測旋轉角度，故在啟動電源時必須有原點復位動作。另一方面，絕對值方式係因不須進行脈波信號的累計，故在啟動電源時不須原點復位動作，故能夠快速地進行從緊急停止或由停電時復原。

此外，就用以檢測絕對角度或者絕對位置的技術而言，有一種調變光學式刻度之光學圖案的方式為人所知。例如，專利文獻1的線性(liner)刻度量測裝置提及：具有光學式刻度、投光部、以及受光部，該光學式刻度係由透 明部與不透明部所構成，該投光部係用以對光學式刻度照射光線，而該受光部係用以接受來自光學式刻度之光線，且使光學式刻度上之不透明部的線寬從細線向粗線順序變化，俾使在受光部所檢測之透過光量依正弦地變化。

此外，專利文獻2的位置檢測裝置係具有光學式刻度、投光部、以及受光部，該光學式刻度係由遮光部與穿透部所構成，該投光部係用以對光學式刻度照射光線，而該受光部係用以接受來自光學式刻度之光線，且調變光學式刻度上之遮光部的長度，俾使穿透光學式刻度之光線的絕對量單調減少或者單調增加。

(先前技術文獻) (專利文獻)

專利文獻1：日本特開昭61-182522號公報(第6圖)。

專利文獻2：日本特開2007-248359號公報(第1圖、第2圖)。

專利文獻3：日本特開2003-177036號公報。

專利文獻4：日本特開2003-75200號公報。

專利文獻5：日本特開2005-164533號公報。

在專利文獻1中，藉由調變光學式刻度上的光學圖案，從而能夠獲得正弦波輸出，進而藉由在位移1/4周期之位置設置受光元件而獲得餘弦波輸出，且藉由該等之正弦波輸出與餘弦波輸出的反正切計算即能夠檢測絕對角 度。

然而，當發生光學系統之位置位移等，提高了正弦波輸出的底端(bottom)部時，產生了偏移(offset)誤差a。該情形，當令正弦波輸出的偏移為a、振幅為b時，反正切計算的結果即如下之計算式，產生了誤差ε 。

換言之，因角度誤差ε 係以偏移誤差a相對於振幅b的大小所決定，故藉由使振幅b變大，a/b的值即變小，而能夠減輕偏移誤差a的影響。然而，根據專利文獻1的光學式刻度之情形，為了使振幅變大，並使最大光量與最小光量之差變大，則必須在相當於正弦波之底端部之部位，使透明部的寬度儘可能愈小，另一方面，必須在相當於正弦波峰值(peak)部之部位，使不透明部的寬度儘可能愈小，惟振幅的增加亦有製造上的極限。

此外，在專利文獻2中，若為線性編碼器(linear encoder)，雖能夠獲得三角波或者正弦波的輸出，惟為了以旋轉編碼器實現正弦波輸出，因形成了圓弧狀的光學圖案，故需要復雜的設計。進而，導致在線性編碼器與旋轉編碼器之光學式刻度的設計手法相異，使設計變得繁雜。

本發明的目的係為提供一種與習知者相比高精確度且 高解析力的光學式編碼器。

為達成上述目的，本發明的光學式編碼器係具備：光學式刻度，係具有周期性光學圖案，且能夠相對性角位移者；投光部，係用以以朝向光學式刻度照射光線；受光部，係用以接受來自光學式刻度之光；以及計算部，係根據來自受光部之信號，計算光學式刻度的絕對旋轉角度θ ；光學圖案係含有交互地配置之複數個遮光部以及複數個穿透部，且將沿著預定之圓周方向之第n號遮光部的節距(pitch)設為Pn、將第n號遮光部的寬度設為Wn，則與第n號之遮光部的角度θ n相對應的穿透率T(θ n)以及遮光部的節距Pn係滿足下述的計算式，且光學圖案之遮光部的寬度Wn係以遮光部之節距Pn的函數進行變化。

θ _n =θ _{n -1} +P _n …(A2)

根據如此之構成，遮光部的節距Pn及遮光部的寬度Wn兩方係沿著光學式刻度的圓周方向進行變化，藉此能夠伴隨著光學式刻度的旋轉而獲得任意的穿透率。因此，與僅間距的調變或者僅寬度的調變相較，即能夠使最大光量與最小光量的差更加大。結果，能夠以高精確度且高解析力檢測光學式刻度的絕對旋轉角度θ 。

本申請案係以2011年2月21日在日本所提出申請之日本特許出願2011-34094號申請案為而主張優先權之基礎，此等的揭露內容係藉由參照前述優先權之基礎案而編入本申請案。

以下，一邊參圖式一邊說明最佳之實施形態。

[實施形態1]

第1圖係為顯示本發明之實施形態1之構成的斜視圖。光學式編碼器1係以投光部2、光學式刻度3、受光部4、以及計算部5等所構成。

投光部2係為用以朝向光學式刻度3照射光線的光源，例如從壽命及成本(cost)觀點觀之，宜使用LED(light-emitting diode)(發光二極體)。LED亦可附帶透鏡(lens)，為了低成本化，為晶片(chip)單體亦無妨。在投光部2與光學式刻度3之間，設置透鏡及/或反射鏡等光學系統亦無妨。

光學式刻度3係以相對於投光部2以及受光部4而能夠相對性角位移之方式被支撐，且具有沿著圓周方向交互地配置複數個遮光部6a以及複數個穿透部6b之週期性的光學圖案6。光學圖案6係藉由投光部2發揮作為用以調變被照射之光強度的光強度調變手段之功能。

在本實施形態中，雖例示在投光部2與受光部4之間介置光學式刻度3的透過型編碼器，惟就替代而言，亦同樣地能夠使用在光學式刻度3的單側配置投光部2以及受 光部4的反射型編碼器。在透過型以及反射型任一情形，只要形成穿透部與遮光部的周期構造或者反射部與非反射部的周期構造，均不特別侷限光學式刻度3的構造。

光學式刻度3，係例如亦可藉由在玻璃(glass)基板上蒸鍍鉻(chromium)等之金屬，且採用光蝕刻法(photolithography)而圖案加工金屬膜所形成。此外，如第2圖所示，就基材而言，例如亦可使用聚碳酸酯(polycarbonate)等之透明樹脂，成型成穿透部6b為平坦、遮光部6a為剖面V字狀之突起者。此時，突起之角度若構成為使用之光線的臨界角以上，則照射於V字突起之光線則會因全反射而變成不透過，而發揮作為遮光部6a的功能。遮光部6a係亦可如第3圖所示，為剖面V字狀之溝，以顯示同樣的遮光功能。藉由如此一體成型品的採用，即能夠低價地製造光學式刻度3。

在光學式刻度3中，至少同心圓狀設置有2條具有周期性之光學圖案6之軌跡(tarck)。例如，設置於第1軌跡T1的光學圖案6係隨光學式刻度3的每1次旋轉，以一周期的正弦函數進行調變光強度，另一方面，設置於第2軌跡T2的光學圖案6，係隨光學式刻度3的每1次旋轉，以一周期的餘弦函數進行調變光強度。亦即，各軌跡T1、T2的光學式圖案6，係遮光部6a以及穿透部6b的分佈形狀於圓周方向為相同，惟互相偏移相位達90度而配置。

受光部4係為光檢測手段，係進行接光來自光學式刻度3的光線，例如透過光或者反射光，且輸出與受光強度 成比例之信號，例如採用PD(photodiode)(光二極體)等之受光元件。在受光部4與光學式刻度3之間設置透鏡及/或反射鏡亦無妨。受光部4係具有與光學式刻度3的各軌跡T1、T2相對應之2個受光元件41、42。當光學式刻度3進行1次旋轉時，受光元件41係輸出以正弦波進行變化的信號S1，而受光元件42係輸出以餘弦波進行變化的信號S2。

計算部5係以A/D轉換器或微處理器(microprocessor)等所構成，根據來自受光部4的信號S1、S2，計算光學式刻度3的絕對旋轉角度θ 。關於該計算手法詳如後述。

接著，針對動作進行說明。光學式刻度3係連結於馬達及/或轉子等旋轉體的旋轉軸，並因應於其旋轉角度而對來自投光部2的光線進行強度調變。以各軌跡T1、T2之光學圖案6所調變之光線，則分別在受光部4之受光元件41、42被檢測。

當光學式刻度3旋轉時，因應於其旋轉角度θ ，如第4圖所示，從受光元件41獲得具有偏移a與振幅b的正弦波輸出S1=(a+b×sinθ )。同樣地，從受光元件42獲得具有偏移a與振幅b的餘弦波輸出S2=(a+b×cosθ )。

在計算部5中儲存有預先計量之偏移值a以作為補償值。因此，計算部5藉由從受光部4的正弦波輸出S1以及餘弦波輸出S2減去偏移值a，如第5圖所示，即獲得無偏移的正弦波輸出S3=b×sinθ 以及無偏移的餘弦波輸出S4 =b×cosθ 。接著，計算部5藉由使用下述計算式(2)執行反正切計算，即能夠算出光學式刻度3的絕對旋轉角度θ 。

接著，針對發生光量變動時的角度誤差進行說明。假設現在，因某種影響發生了光量變動。此時，如第6圖所示，原本的輸出S1隨著偏移誤差α 的加算而變動成輸出S1α 。在該狀態下，計算部5即使進行偏移值a的減算亦會剩餘偏移誤差α ，當保持此狀態下執行反正切計算時，會產生如下述計算式(3)所示的角度誤差ε 。

因此，從上述計算式(3)可得知，為使偏移誤差α 的影響變小，則必須使振幅b變大。

接著，針對用以增大振幅b的手法進行說明。以下，如第7圖所示，雖例示使用樹脂材料作為光學式刻度3的基材，以形成作為遮光部6a之剖面V字狀的突起之情形，惟只要光學式刻度3為具備穿透部與遮光部的周期構造或者反射部與非反射部的周期構造，並不特別侷限於此。

在此種1次旋轉輸出1周期之正弦波的光學式刻度3中，光學式刻度3相對於角度的穿透率T(θ )係可使用直流成份DC與交流成份AC以如下述計算式(4)所表示。在 此，θ n係為從基準角度θ ₀ 沿著預定之圓周方向計數之第n號之遮光部的角度。

T (θ _n )=DC +AC sinθ _n ………(4)

此外，與第n號之遮光部的角度相對應的穿透率T(θ _n )，係當令第n號之遮光部6a的節距為Pn、第n號之遮光部6a的寬度為Wn時，亦能夠以下述計算式(5)表示。

此外，第n號之遮光部的角度θ _n 係使用第m號之遮光部6a的節距Pm能夠以下述計算式(6)來定義。

在此，使用常數A，並以下述計算式(7)、式(7A)定義第n號之遮光部6a的間距Pn及寬度Wn。

如此，藉由以節距及寬度成為反比關係之方式定義，即能夠在當遮光部6a的節距Pn大時使遮光部6a的寬度Wn變小，並且，在當遮光部6a的節距Pn小時使遮光部6a的寬度Wn變大。結果，最大光量與最小光量的差變得更大，而能在受光部4獲得具有更大振幅的光強度。

在正弦波之峰值位置的穿透率TH(θ )與在正弦波之底端位置的穿透率TL(θ )，係令在正弦波之峰值位置之遮光部6a的節距為PH、令遮光部6a的寬度為WH、令在正弦波之底端位置之遮光部6a的節距為PL、令遮光部6a的寬度為WL，而表示在下述計算式(8)、(9)。

復使用最大穿透率TH與最小穿透率TL，以下述式(10)、式(11)分別表示正弦波的直流成份DC與交流成份AC。

使用計算式(4)、式(5)，以下述計算式(12)表示遮光部6a的節距Pn。

將計算式(7)代入該計算式(12)，即得到下述的計算式(13)。

例如，當令在正弦波之峰值位置之遮光部6a的寬度WH為1度、且令在正弦波之峰值位置之遮光部6a的節距PH為10度時，則成為穿透率TH=90%、且常數A=10，當令在正弦波之底端位置的穿透率為TL=5%時，則遮光部6a相對於第n號角度的節距Pn與第n號之遮光部6a的角度θ n即如下述(第1表)。

在此，令n=0為原點時，則必須為了使最後之遮光部6a的角度與原點一致而進行修正。因此，使用最後之遮光部6a的角度θ ，並根據下述計算式(14)，將相當於修正後之第n號之遮光部6a之位置的角度θ n’進行修正。

此時，遮光部6a相對於第n號角度的節距Pn與第n號之遮光部6a的角度θ n’即如下述(第2表)。

在此，考慮遮光部6a之寬度W為固定，而僅遮光部6a之節距Pn進行調變之情形。則此時，與以計算式(7)定義時同樣地，令W為1度、在正弦波之峰值位置之遮光部6a的節距PH為10度、穿透率TH=90%、在正弦波之底端位置的穿透率TL=5%。與計算式(5)同樣地，能以下述計算式(15)表示第n號的穿透率T(θ n)。

將W=1度、TL=5%代入計算式(15)，則PL=1.05度。故此，在正弦波之底部之遮光部6a的間隔會成為0.05度。例如將在光學式刻度3之光學圖案6上的半徑設為10mm時，此為相當於約8.7μm。

另一方面，將計算式(7)代入計算式(9)能得到下述計算式(16)。

將TL=5%、A=10代入計算式(16)以及計算式(7)，則WL=3.08度、PL=3.24度。故此，在正弦波之底部之遮光部6a的間隔係成為0.16度。例如將在光學式刻度3之光學圖案6上的半徑設為10mm時，此為相當於約27.9μm。此結果，即使在僅在遮光部6a之寬度Wn進行調變時亦為同樣。換言之，在使用前述值之情形，根據計算式(7)來定義，即能夠將遮光部6a最密之間隔的概度設為約為3倍，而使得光學式刻度3的製造變得容易。

此外，在以遮光部6a的寬度W為固定，且僅在遮光部6a的節距Pn進行調變之情形，當將遮光部6a最密之間隔，與計算式(7)同樣地設為0.16度時，即會成為PL=1.16度、且在正弦波之底端的穿透率為約14%，相較於根據計算式(7)來定義之情形，振幅降低至約1/3。

根據以上本實施形態，因使最大光量與最小光量的差變得更大，而能夠使接受之光的振幅增大，故能夠減低由於偏移誤差導致角度誤差的影響。結果，能夠以高精確度且高解析力來量測光學式刻度的絕對旋轉角度θ 。此外，因能夠在遮光部6a的最密部採用大的間隔，故使得光學式刻度3的製造亦變得容易。

[實施形態2]

第8圖係顯示本明之實施形態2的說明圖。本實施形態的光學式編碼器，雖然具有與實施形態1的光學式編碼器1同樣的構成，惟不同點為將光學圖案6之遮光部6a的寬度W’n，以下述計算式(17)、式(17a)來表示，以取代計算式(7)。惟，係數m係為大於0之實數。

關於其他之構成及檢測原理，因與實施形態1之情形同樣，故以下僅針對相異之構成部分進行說明，而相同部 分則省略其說明。

以下，雖例示使用樹脂材料作為光學式刻度3的基材，以形成剖面V字狀的突起作為遮光部6a之情形，惟只要光學式刻度3係具備穿透部與遮光部的周期構造或者反射部與非反射部的周期構造，並不特別侷限於此。

以如計算式(17)定義第n號之遮光部6a的節距Pn及寬度W’n的關係，從而能夠在當遮光部6a的節距Pn為大時使遮光部6a的寬度W’n變小，並且，能在當遮光部6a的節距Pn為小時使遮光部6a的寬度W’n變大。結果，使最大光量與最小光量的差變得更大，而能在受光部4獲得具有更大振幅的光強度。

將計算式(17)的W’n代入計算式(12)的Wn時，遮光部6a的節距Pn則成為如下述計算式(18)。

例如，令在正弦波之峰值位置之遮光部6a的寬度WH為1度、在正弦波之峰值位置之遮光部6a的節距PH為10度、係數m=2時，則會成為穿透率TH=90%、常數A=10，且令在正弦波之底端位置的穿透率為TL=5%時，則遮光部6a相對於第n號角度的節距Pn與第n號之遮光部6a的角度θ n即如下述(第3表)。

在此，與實施形態1同樣地，必須為了使最後之遮光部6a的角度與原點一致而進行修正。因此，使用最後之遮光部6a的角度θ ，並根據計算式(14)，將相當於修正後之第n號之遮光部6a之位置的角度θ n’進行修正。

遮光部6a相對於此時之第n號角度的節距Pn與第n號之遮光部6a的角度θ n’係如下述(第4表)。

在此，當由計算式(16)以及計算式(17)，分別求得在正弦波之最密部之遮光部6a的寬度W’L與遮光部6a的節距PL，則W’L=2.12度、PL=2.23度，且在正弦波之底端部之遮光部6a的間隔係為0.11度，相較於在實施形態1所說明m=1的情形，會有若干變小的情形。然而，如(第3表)所示，構成1次旋轉1周期之正弦波的階調數會變多，且在以計算式(14)補償角度前的角度大致與原點位置一致，故離理想正弦波的誤差會變小，而能夠進行更高精確度的檢測。

根據以上本實施形態，因使最大光量與最小光量的差變得更大，而能夠使接受之光的振幅增大，故能夠減低由於偏移誤差導致之角度誤差的影響。結果，能夠以高精確度且高解析力來量測光學式刻度的絕對旋轉角度θ 。此外，因能夠在遮光部6a的最密部採用大的間隔，故光學式刻度3的製造亦變得容易。復因構成1次旋轉1周期之正弦波的階調數變多，且因離理想正弦波的誤差變小，故使 高精確度檢測化為可能。

1‧‧‧光學式編碼器

2‧‧‧投光部

3‧‧‧光學式刻度

4‧‧‧受光部

5‧‧‧計算部

6‧‧‧光學圖案

6a‧‧‧遮光部

6b‧‧‧穿透部

41‧‧‧受光元件

42‧‧‧受光元件

T1‧‧‧第1軌

T2‧‧‧第2軌

S1、S2‧‧‧信號

第1圖係為顯示本發明之實施形態1的構成之斜視圖。

第2圖係為顯示光學式刻度之一例的剖面圖。

第3圖係為顯示光學式刻度其他例的剖面圖。

第4圖係為顯示受光部之輸出信號的圖表(graph)。

第5圖係為顯示從受光部的輸出信號減去偏移值之結果的圖表。

第6圖係為顯示起因於光量變動之偏移誤差的圖表。

第7圖係為顯示光學式刻度之尺寸的說明圖。

第8圖係為顯示本發明之實施形態2的說明圖。

1‧‧‧光學式編碼器

2‧‧‧投光部

3‧‧‧光學式刻度

4‧‧‧受光部

5‧‧‧計算部

6‧‧‧光學圖案

41‧‧‧受光元件

42‧‧‧受光元件

6a‧‧‧遮光部

6b‧‧‧穿透部

T1‧‧‧第1軌

T2‧‧‧第2軌

S1、S2‧‧‧信號

Claims (3)

1. 一種光學式編碼器，係具備：光學式刻度，係具有周期性光學圖案，且能夠相對性角位移；投光部，係用以朝向光學式刻度照射光線；受光部，係用以接受光來自光學式刻度之光線；以及計算部，係用以根據來自受光部之信號，計算光學式刻度的絕對旋轉角度θ ；光學圖案係含有交互地配置之複數個遮光部以及複數個穿透部，且將沿著預定之圓周方向之第n號遮光部的節距設為Pn、將第n號遮光部的寬度設為Wn，則與第n號遮光部的角度θ n相對應的穿透率T(θ n)以及遮光部的節距Pn係滿足下述計算式，且光學圖案之遮光部的寬度Wn係以遮光部之節距Pn的函數進行變化， θ _n =θ _{n -1} +P _n ………(A2) 。
2. 如申請專利範圍第1項所述之光學式編碼器，其中，係使用遮光部的節距Pn、常數A以及係數m(m為大於0之實數)，以下述計算式表示光學圖案之遮光部的寬度W’n，
3. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之光學式編碼器，其中，設最大穿透率為TH、最小穿透率為TL，則以下述計算式表示光學圖案的穿透率T(θ n)， T (θ _n )=DC +AC sinθ _n ………(A4)