JP3327718B2 - 光学式エンコーダ - Google Patents

光学式エンコーダ

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JP3327718B2 JP02577395A JP2577395A JP3327718B2 JP 3327718 B2 JP3327718 B2 JP 3327718B2 JP 02577395 A JP02577395 A JP 02577395A JP 2577395 A JP2577395 A JP 2577395A JP 3327718 B2 JP3327718 B2 JP 3327718B2
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    • G01D5/00Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/26Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01D5/32Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
    • G01D5/34Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
    • G01D5/36Forming the light into pulses

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optical Transform (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、工作機械や半導体製造
装置の位置計測に利用される光学式エンコーダに関す
る。
【0002】
【従来の技術】従来の光学式エンコーダでは、第1の回
折格子(以下、第1格子という)に対して長手方向に相
対移動する例えば図6に記載の第2の回折格子(以下、
第2格子という)2が第1格子の後方に配置され、例え
ば図7に記載の受光部3が第2格子2の後方に配置され
ている。第1格子及び第2格子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、格子ピッチ
Pという)で繰り返されている格子部が設けられてい
る。第2格子2は、図示のようにa,b,a/,b/の
4つの格子部からなる。これらは、図示のように互いに
P/4、P/2、3P/4の位相差をもって配置されて
いる。ここで、Pは、複数スリットの間隔であり、信号
の周期と同一である。このような構成において、平行光
束Lを第1格子に照射すると、第1格子及び第2格子2
の4つの格子部を透過した光がそれぞれ受光部3の受光
素子a,b,a/,b/に入射する。そして、受光部3
の各受光素子は入射光をその光強度に応じた電気信号に
それぞれ変換して出力する。
【0003】この電気信号の変化は、第1格子と第2格
子2との相対変位によって第1格子及び第2格子2を透
過する光量が変化することにより生じるものである。ま
た、この電気信号は、本来第1格子と第2格子2との重
なり具合により発光側から見たみか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、実際は光の
回折等により、さまざまな歪成分を含んだ信号となって
いる。そして、この信号を疑似正弦波とみなして位置検
出が行われている。位置検出は、所定の位相差を有する
複数の(2相や3相、4相など)信号をもとに行なわれ
る。例えば、90゜位相差を持って、sin信号、co
s信号の2相信号を生成し、逆正接演算により位置を求
める公知な方法がある。そのために、図6及び図7に示
すような第2格子2と受光部3により、複数の位相信号
を出力するようにしている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】上述した従来の構成の
光学式エンコーダで、位置を検出する場合、図6に示す
ように各相の検出場所が離れており、各相の検出が異な
った場所の第1格子において行なわれているため、スケ
ールの汚れやキズや誤差の影響により各信号にアンバラ
ンスが生じ、それが誤差になってしまうという問題があ
った。そして、光源の平行性や強度のばらつきによって
も、各相の信号にばらつきが生じるという問題があっ
た。また、各相の光のクロストークを防ぐために、第2
の格子2や受光部3の受光素子各相の間にスペースを設
ける必要があり、装置の大型化をもたらしていた。さら
には、歪成分を含んだ信号を疑似正弦波として求めた位
置検出値は大きな分割誤差を伴っていた。この従来の光
学式エンコーダで得られる変位信号の歪率は第1格子と
第2格子2との間隔が変化すると大きく変動してしま
う。そのため、誤差を一定値以内に抑えるためには、第
1格子と第2格子2との間隔を適切な間隔で一定に保つ
必要があり、非常に厳しい取り付け精度が要求されると
いう問題があった。この後段の問題を解消するものとし
ては、本出願人により、歪成分を除去するために隣合っ
たパターンの間隔が等しくなく、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
ーダが示されている(特開平3−48122号公報参
照)。しかし、この光学式エンコーダでも、各相の検出
場所が離れているため、前段の問題が生じていた。
【0005】本発明は上述した事情から成されたもので
あり、本発明の目的は、各相の検出をできる限り同一の
場所で行うことができ、かつ、より歪の少ない変位信号
を安定して出力できる光学式エンコーダを提供すること
にある。
【0006】
【課題を解決するための手段】同一のピッチP(Pはス
リットの間隔)を有する第1のスケールと、この第1の
スケールと相対変位する複数の受光素子群とを備え、前
記受光素子からの所定位相の位相差を有する信号をもと
に、相対位置を検出する光学式エンコーダに関するもの
であり、本発明の上記目的は、スケール長手方向に前記
第1のスケールのパターンのピッチの整数倍を含まない
任意の幅を有する受光素子が前記長手方向に複数並設さ
れて成る受光素子群であって、一つの前記受光素子群と
他の前記受光素子群は、一つの前記受光素子群で得られ
る信号と他の前記受光素子群で得られる信号とが、所定
の位相差を有するように配置されており、一つの前記受
光素子群と他の前記受光素子群に属する受光素子が長手
方向に入り混じって配置されることにより汚れ等による
信号のアンバランスを抑制し、一つの相の信号に対応し
た受光素子群は、それに含まれる受光素子の間隔が一定
でなく、一つの受光素子を基準としたとき、他の受光素
子が、k×P(kは正の整数、Pは信号の周期)に加え
て、P/(2・l)、P/(2・m)、P/(2・
n)、P/(2・o)・・・(l,m,n,o・・・は
正の整数)だけの位相差ならびに、これらの位相差の和
の組み合わせに応じた位相差を有するように形成されて
配置されており、他の相の信号に対応した受光素子群
は、それに含まれる受光素子が前記一つの相の信号に対
応した受光素子群と同様に形成され、当該他の相に必要
な位相差を有した位置に配置されていることによって達
成され、信号に含まれる歪み成分を除去するようになっ
ている。
【0007】
【作用】本発明の光学式エンコーダは、各相用の受光素
子が光電変換素子上に格子状に混在して形成されている
ので、各相の検出を同じ場所で行なうことができる。ま
た、一つの相の中でも、受光素子の間隔が一定でなく、
基準位相となる受光素子に対して、Pの倍数毎に、P/
(2・l)、P/(2・m)、P/(2・n)、P/
(2・o)・・・だけの位相差ならびに、これらの位相
差の和の組み合わせに応じた位相差を有して受光素子が
形成されているので、低い次数の成分から高い成分の歪
までを同時に除去することができ、また、偶数次の高調
波成分が生じない。
【0008】
【実施例】図1は本発明の光学式エンコーダの一例を示
す斜視構造図であり、第1の回折格子(以下、第1格子
という)1に対して図示矢印方向に相対移動する受光部
3が第1格子1の後方に配置されている。この光学式エ
ンコーダは、受光部3の受光素子31が、図2に示すよ
うに格子状に設けられている。図2に示す受光部3の受
光素子31は、平均すると数μm〜数百μmの間隔で配
置されている。この配置パターンは、4相の信号a,
b,a/,b/(0゜、90゜、180゜、270゜)
を出力する光学式エンコーダに用いられるものである。
本実施例では、第1格子1のピッチをPとすると、受光
素子31の幅はP/2となっており、その隣にP/4だ
けの間をおいて、受光素子31が並んでいる。ある受光
素子31をa信号に割り当てて受光素子31aとしたと
き、その隣の受光素子をb信号用の受光素子31b、その
隣の受光素子をa/信号用の受光素子31a/、その隣の
受光素子をb/信号用の受光素子31b/とし、その隣に
再び受光素子31aが配置される。配置パターンは、これ
らを周期として繰り返す。この時、例えば受光素子31a
からは数1の信号Iaが得られる。
【0009】
【数1】 ただし、k:奇数、M:λZ/P^2、λ:光源の波
長、Z:第1格子1と受光部3との距離、P:第1格子
1の格子ピッチ、x:相対変位これに対して、受光素子
31b、31a/、31b/からは数2〜数4の信号Ib、I
a/、Ib/が得られる。
【0010】
【数2】Ib(x) = Ia(xーπ/2)
【0011】
【数3】Ia/(x) = Ia(xーπ)
【0012】
【数4】Ib/(x) = Ia(xー3π/2) したがって、受光素子31a、31b、31a/、31b/か
ら、各々位相が90゜異なった信号が得られる。
【0013】ここで、a信号用の受光素子は3つおきに
とびとびに配置されており、a信号用の受光素子どうし
は互いに内部で接続されている。接続されたa信号用の
複数の受光素子をまとめてa信号用の受光素子群と呼
ぶ。b,a/,b/信号用の受光素子群もまた同様であ
る。ここで、bとb/の呼び方は逆でもよい。また、4
相の信号を出力するようになっているが、2相や3相を
出力するように配置してもよい。またIa、とIa/、な
らびにIbとIb/の差動をとるように、受光素子どうし
を接続してもよい。この場合、受光素子は、ほとんど同
じ場所に混入されて置かれているので、照射される光強
度は各相に均等であり、また受光素子の特性も揃ってい
る。従って、差動をとることにより、従来の構成では除
去しきれなかったDC成分が相殺され、AC成分のみを
得ることができる。また、図に示す配置により、受光素
子の占める面積比は、全体の2/3になる。従来におけ
る構成では、受光素子の占める面積比は、全体の1/2
であったので、効率が16.7%も向上する。さらに、
各相のクロストークを防止するための余分なスペースを
設けなくてもよいので、実際には、さらに効率が向上す
る。従って、従来と同じレベルの信号を得るのに、発光
素子の発光強度を低下することができ、消費電力、発
熱、寿命において優れた改善がなされる。
【0014】しかし、この発明においては、信号成分の
中に前式に示された歪み成分が含まれており、それによ
って、求められた位置検出値に分割誤差が含まれてしま
う。図3はこれを改善した受光部の第2の実施例を示し
たものである。このパターンは、4相の信号a,b,a
/,b/(0゜、90゜、180゜、270゜)を出力
する光学式エンコーダに用いられるものである。この配
置パターンでは、変位信号の1/L倍(L=3)の周期
成分を除去するようになっている。
【0015】第1格子のピッチをPとすると、受光素子
31の幅はP/2となっている。ここで、ある基準とな
る受光素子31をa信号に割り当てて受光素子31aとし
たとき、次の受光素子31aは、ほぼ3Pだけ隔てたとこ
ろに配置されるが、この位置が、本実施例では3P+P
/6の位置となっている(P/6=(P/(2・
L))。続いて、受光素子は、基準より6P、9P+P
/6、12P、15P+P/6・・・のところに配置さ
れる。また、これに対して信号bに対応した受光素子3
1bは、受光素子31aに対してP/4の位相差をもって配
置されている。図3の実施例では、受光素子31aに対し
て、P/4だけの間をおいている。受光素子31bは、基
準より3P/4の位置に置かれ、続いて15P/4+P
/6、27P/4、39/4P+P/6・・・の位置に
配置される。受光素子31a/、31b/は受光素子31aに対
してP/2、3P/4の位相差をもって同様に配置され
る。
【0016】結局、ある基準となる受光素子31aに対し
て、3P/4の位置に受光素子31b、3P/2の位置に
受光素子31a/、9P/4の位置に受光素子31b/が配置
され、さらに、3P+P/6の位置に受光素子31aが、
15P/4+P/6、9P/2+P/6、21P/4+
P/6の位置に各々31b、31a/、31b/が置かれて、再
び6Pに受光素子31aが置かれる。以後、受光素子の配
置パターンは、これらの8個の受光素子が6Pを周期と
して繰り返される。ここで、受光素子31aから得られる
信号Iaには、3次の歪み成分が含まれない。これは、
受光素子31aの配置により、3次の歪み成分が相殺され
除去されるからである。また、偶数次の成分も含まれな
い。信号Ib、Ia/、Ib/も同様である。そして、信号
Ia、Ib、Ia/、Ib/は、各々位相が90゜異なる信
号である。ここで、第1の発明と同様に、a信号用の受
光素子は3つおきにとびとびに配置されており、a信号
用の受光素子どうしは互いに内部で接続されている。
b,a/,b/信号用の受光素子群もまた同様である。
【0017】図4は、受光部の第3の実施例を示したも
のである。この配置パターンも、4相の信号を出力する
光学式エンコーダに用いられるものであり、変位信号の
1/L、1/m倍(L=3、m=5)の周期成分を除去
するようになっている。第1格子のピッチをPとする
と、受光素子31の幅はP/2となっている。ここで、
ある基準となる受光素子31をa信号に割り当てて受光
素子31aとしたとき、次の受光素子31aは、ほぼ3Pだ
け隔てたところに配置されるが、この位置が、本実施例
では3P+P/10の位置となっている。続いて、受光
素子は、基準より6P+4P/15、9P+P/6、1
2P・・・のところに配置される。この配置の仕方が第
1の実施例と異なり、3次の歪み成分に加えて5次の歪
み成分をも除去するようにしている。この配置の左右の
順序などはこの限りではなく、これらの組み合わせ(P
/10、P/6、4P/15)を含んでいればどのよう
に行ってもよい。
【0018】信号bに対応した受光素子31bは、この
受光素子31aに対してP/4の位相差をもって配置さ
れている。図4の実施例では、受光素子31aに対し
て、P/4だけの間をおいている。受光素子31bは、
基準より3P/4の位置に置かれ、続いて15P/4+
P/6、27P/4+P/10、39/4P+4P/1
5、51/4P…の位置に配置される。受光素子31a
/、31b/は受光素子31aに対してP/2、3P/
4の位相差をもって同様に配置される。結局、この配置
パターンでは、16個の受光素子が12Pを周期として
繰り返される。ここで、受光素子31aから得られる信
号Iaには、3次ならびに5次の歪み成分が含まれな
い。これは、受光素子31aの配置により、3次と5次
の歪み成分が相殺され除去されるからである。また、偶
数次の成分も含まれない。信号Ib、Ia/、Ib/も
同様である。
【0019】図5は、受光部の第4の実施例を示したも
のである。この配置パターンも、4相の信号を出力する
光学式エンコーダに用いられるものであり、変位信号の
1/L、1/m、1/n、1/o倍(l=3、m=5、
n=7、o=11)倍の周期成分を除去するようになっ
ている。第1格子のピッチをPとすると、受光素子31
の幅はP/2となっている。ここで、ある基準となる受
光素子31をa信号に割り当てて受光素子31aとしたと
き、次の受光素子31aは、3P+P/14の位置に置か
れ、続いて、受光素子は、基準より、6P+18P/1
54、9P+P/6、12P+14P/66、15P+
10P/42、18P+131P/462、21P+7
1P/210、24P+886P/2310、27P+
103P/330、30P+8P/30、33P+16
7P/770、36P+12P/70、39P+16P
/110、42P+P/10、45P+P/22、48
P・・・のところに配置される。この受光素子の位相差
は、P/(2・l)、P/(2・m)、P/(2・
n)、P/(2・o)の4種の位相差ならびにその組み
合わせの和により決定されたものである(ただし、l=
3、m=5、n=7、o=11)。この論理により決定
されていれば、左右の配置などの順序はこの限りではな
く、これらの組み合わせを含んでいればどのように行っ
てもよい。また、できるだけ受光素子の間隔が均等に近
くなるように設計してもよい。
【0020】この配置の仕方が第1、第2の実施例と異
なり、3次や5次の歪み成分に加えて7次や11次の歪
み成分をも除去するようにしている。信号bに対応した
受光素子31bは、この受光素子31aに対してP/4
の位相差をもって配置されている。図5の実施例では、
受光素子31aに対して、P/4だけの間をおいてい
る。受光素子31bは、基準より3P/4の位置に置か
れ、続いて15P/4+P/14、27P/4+18P
/154、39P/4+P/6、51P/4+14P/
66、63P/4+10P/42…183P/4+P/
22、195P/4…の位置に配置される。受光素子
1a/、31b/は受光素子31aに対してP/2、3
P/4の位相差をもって同様に配置される。結局、この
パターンでは、受光素子31a/と受光素子31b/を
含み64個の受光素子が48Pを周期として繰り返され
る。この配置の左右の順序などはこの限りではない。
光素子31aと受光素子31bの配置パターンは、この
ように位相差を有するだけの配同じ配置パターンでもよ
いし、配置の左右の順序などが異なっていてもよい。3
1a/と31b/も同様である。また、効率は悪いが、
受光素子31の間隔をさらに広くとってもよいし、同じ
受光素子、例えば受光素子31aを2つ以上続けて並べ
ておいてもよい。
【0021】ここで、受光素子31aから得られる信号
Iaは、Pを基本周期とし、3次、5次、7次、9次、
11次の歪み成分が含まれない。これは、受光素子31
aの配置により、これらの歪み成分が相殺され除去され
るからである。また、偶数次の成分も含まれない。信号
Ib、Ia/、Ib/も同様である。この受光素子64
個を1周期とするが、配置は1周期分でも良いし、2周
期以上でもよい。なお、さらに13次を除去したい場合
は、p=13として、P/(2・13)を組み合わせに
盛り込んで配置パターンを作成すればよい。17次、1
9次、…を除去する場合も同様である。
【0022】また第1の発明で示したように、IaとI
a/、ならびにIbとIb/の差動をとるように、受光素子
を接続してもよい。この場合、受光素子は、ほとんど同
じ場所に混入されて置かれているので、照射される光強
度は各相に均等であり、また受光素子の特性も揃ってい
る。従って、差動をとることにより、従来の構成では除
去しきれなかったDC成分が相殺され、AC成分のみを
得ることができる。また、同様に、受光素子の占める面
積比は、全体の2/3になる。従来における構成では、
受光素子の占める面積比は、全体の1/2であったの
で、効率が16.7%も向上する。従って、従来と同じ
レベルの信号を得るのに、発光素子の発光強度を低下す
ることができ、消費電力、発熱、寿命において優れた改
善がなされる。
【0023】また、この実施例によれば、11次までの
奇数成分ならびに偶数次の成分が除去される。これは、
l,m,n,o,・・・(l=3、m=5、n=7、o
=11)等の選び方による。ここで、本発明では、7次
と11次の間にある9次消し用の配置パターンを設けて
いない。これは、9次が3次を因数とする成分であり、
3次消しの配置パターンで除去されるからであり、素数
の次数の成分を除去する配置パターンを製作すればよ
い。なお、受光部3は、耐環境性のために、樹脂モール
ドやキャンパッケージ化してもよい。また、セラミック
やメタルなどのパッケージに格納して、受光面をガラス
や樹脂などで保護してもよい。本発明は、以上に示した
光学式エンコーダにはもちろんのこと、磁気式や電磁
式、静電容量式のエンコーダにも使用できる。また、第
1スケールのピッチと第2格子の平均的なピッチは、ほ
ぼ同じでも、また1:2等の異なったピッチでも本発明
は適用できる。また、受光素子の幅はP/2でなくても
よい。この幅は、揃っていなくてもよい。本発明はそれ
らに限定されない。
【0024】
【発明の効果】以上のように、本発明の光学式エンコー
ダによれば、各相用の受光素子が、光電変換素子上に格
子状に混在して形成されているので、各相の検出を同じ
場所で行なうことができ、スケールの汚れやキズや誤差
の影響、光源の平行性や強度のばらつきがあっても、精
度の高い検出が可能となる。また、光の利用効率が向上
するので、消費電力、発熱、寿命において優れた改善が
なされるとともに、小型化も可能となる。さらには、受
光素子の間隔が一定でなく、信号波形の低い次数から高
い次数までの歪成分を同時に取り除いて高精度の位置検
出を行うことができるので、例えば工作機械において精
度の高い加工を容易に行うことが可能となり、生産効率
の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の光学式エンコーダの実施例を示す斜視
構造図である。
【図2】図1に示す実施例の受光部の第1の例を示す図
である。
【図3】図1に示す実施例の受光部の第2の例を示す図
である。
【図4】図1に示す実施例の受光部の第3の例を示す図
である。
【図5】図1に示す実施例の受光部の第4の例を示す図
である。
【図6】従来の光学式エンコーダの第2格子の一例を示
す図である。
【図7】従来の光学式エンコーダの受光部の一例を示す
図である。
【符号の説明】
1 第1スケール 2 第2スケール 3 受光部

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】同一のピッチP(Pはスリットの間隔)を
    有する第1のスケールと、この第1のスケールと相対変
    位する複数の受光素子群とを備え、複数の前記受光素子
    群それぞれからの所定位相の位相差を有する信号をもと
    に、相対位置を検出する光学式エンコーダにおいて、ス
    ケール長手方向に前記第1のスケールのパターンのピッ
    チの整数倍を含まない任意の幅を有する受光素子が前記
    長手方向に複数並設されて成る受光素子群であって、一
    つの前記受光素子群と他の前記受光素子群は、一つの前
    記受光素子群で得られる信号と他の前記受光素子群で得
    られる信号とが、所定の位相差を有するように配置され
    ており、一つの前記受光素子群と他の前記受光素子群に
    属する受光素子が長手方向に入り混じって配置されるこ
    とにより汚れ等による信号のアンバランスを抑制し、一
    つの相の信号に対応した受光素子群は、それに含まれる
    受光素子の間隔が一定でなく、一つの受光素子を基準と
    したとき、他の受光素子が、k×P(kは正の整数)に
    加えて、P/(2・l)、P/(2・m)、P/(2・
    n)、P/(2・o)・・・(l,m,n,o・・・は
    正の整数)だけの位相差ならびに、これらの位相差の和
    の組み合わせに応じた位相差を有するように形成されて
    配置されており、他の相の信号に対応した受光素子群
    は、それに含まれる受光素子が前記一つの相の信号に対
    応した受光素子群と同様に形成され、当該他の相に必要
    な位相差を有した位置に配置されていることによって信
    号に含まれる歪み成分を除去することを特徴とする光学
    式エンコーダ。
  2. 【請求項2】前記受光素子群が4つであって、4相の信
    号に対応し、一つの相を基準としたとき他の信号の位相
    が90°、180°、270°となるように配置されて
    いる請求項1に記載の光学式エンコーダ。
  3. 【請求項3】前記受光素子群が2つであって、2相の信
    号に対応し、一つの相を基準としたとき他の信号の位相
    が90°となるように配置されている請求項1に記載の
    光学式エンコーダ。
  4. 【請求項4】前記受光素子の幅が、第1のスケールのピ
    ッチのほぼ1/2である請求項1,2または3に記載の
    光学式エンコーダ。
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