JP6138664B2 - 光学式エンコーダ - Google Patents

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Description

本発明は、工作機械や半導体製造装置等に組み込まれ、可動軸の位置を検出する光学式エンコーダに関する。
下記特許文献１には、受光素子を各相入り混じって配置させることにより、スケールの汚れやキズなどが生じても、位置検出誤差を生じさせない上、歪みの少ない変位信号を得ることができる光学式エンコーダが記載されている。
特開平１０−１３２６１４号公報
受光素子の受光領域を狭くできれば、光源を簡素化し易く、光学式エンコーダを低コスト化できる。特許文献１記載の光学式エンコーダの実施例で開示された受光素子の配置方法では、受光素子間の間隙はまだ広い。そのため、もっと狭い受光領域で動作し、スケールの汚れやキズなどが生じても、位置検出誤差を生じさせない上、歪みの少ない変位信号を得ることができる光学式エンコーダが望まれていた。また、受光素子間の間隙が広いほど、無効となる光が増加し、それに比例して光源で無駄に消費される電力が増加していた。このため、省エネルギーの観点からも、受光素子間の間隙がさらに狭いエンコーダが要望されていた。
本発明は、上述のような事情から成されたものであり、本発明の目的は、スケールの汚れやキズなどが生じても、位置検出誤差を生じさせない上、歪みの少ない変位信号を得ることができる受光素子の配置方法を工夫し、狭い受光領域で動作できるようにして、光源の簡素化による低コスト化と低消費電力を実現した高精度な光学式エンコーダを提供することにある。
本発明に係る光学式エンコーダは、ピッチＰの格子を有するスケールからの透過光又は反射光を受光し、それぞれ９０度（１／４Ｐ）の整数倍で位相のずれた４相の信号を出力する複数の受光素子から成り、すべての受光素子は、縦の幅が同じであり、横方向（スケール長手方向）に１２Ｎ個（Ｎは、自然数）の受光素子がＰ／６０又は２Ｐ／６０の間隙を空けて配置され、任意の連続して並ぶ４個は、すべて異なる位相の信号を出力し、それぞれの同じ位相の信号を出力する受光素子は、横の幅が７Ｐ／６０，１３Ｐ／６０，２０Ｐ／６０の３種類であることを特徴とする。
また、本発明に係る光学式エンコーダにおいて、受光素子は、上下の２辺が横方向にＰ／７ずれた平行四辺形をしていることが望ましい。
本発明では、スケールの汚れやキズなどが生じても、位置検出誤差を生じさせない上、歪みの少ない変位信号を得ることができる特許文献１の技術を適用した光学式エンコーダを、受光素子の間隙をＰ／６０又は２Ｐ／６０の狭い間隙で配置でき、受光領域も最小で３Ｐ以下の１６８Ｐ／６０の幅で実現できる。これにより、低コストかつ低消費電力の高精度な光学式エンコーダを実現できる。
本発明の光学式エンコーダの受光素子の配置を示す図である。 本発明の別の光学式エンコーダの受光素子の配置を示す図である。 図１の受光素子の出力信号を示すグラフである。 図１の受光素子の信号を内挿処理して得られる位置検出精度を示すグラフである。 図２の受光素子の出力信号を示すグラフである。 図２の受光素子の信号を内挿処理して得られる位置検出精度を示すグラフである。
図１の受光素子１，２，３，４，５，６，７，８，９，１０，１１，１２は、すべて縦の幅（スケールの短手方向の長さ）が同じであり、各受光素子間にＰ／６０又は２Ｐ／６０の間隙を開けて、スケール長手方向に配置されている。また、受光素子の接続状態は、図に示されていないが、受光素子１，２，３，４，５，６，７，８，９，１０，１１，１２は、背面にてコモンの電極に接続されている。また、受光素子１，５，９は、前面にある透明電極が並列接続され信号Ａ＋を出力する。また、受光素子２，６，１０は、前面にある透明電極が並列接続され、信号Ａ＋とは９０度（Ｐ／４）位相の異なる信号Ｂ＋信号を出力する。また、受光素子３，７，１１は、前面にある透明電極が並列接続され、信号Ａ＋とは１８０度（２Ｐ／４）位相の異なる信号Ａ−信号を出力する。また、受光素子４，８，１２は、前面にある透明電極が並列接続され、信号Ａ＋とは２７０度（３Ｐ／４）位相の異なる信号Ｂ−信号を出力する。以上の構成により、任意の連続して並ぶ４個の受光素子は、すべて異なる位相の信号を出力するように配置されている。また、受光素子２，３，５，８は、横の幅が７Ｐ／６０となっている。また、受光素子１，６，１１，１２は、横の幅が１３Ｐ／６０となっている。また、受光素子４，７，９，１０は、横の幅が２０Ｐ／６０（Ｐ／３）となっている。
つまり、同じ位相の信号を出力する受光素子（例えば信号Ａ＋用の受光素子１，５，９、例えば、信号Ｂ＋用の受光素子２，６，１０）は、横幅が、７Ｐ／６０，１３Ｐ／６０，２０Ｐ／６０の三種類となっている。また、１８０度位相が異なる二種類の受光素子（Ａ＋用受光素子とＡ−用受光素子、Ｂ＋用受光素子とＢ−用受光素子）は、受光素子の横幅の並びが、ずれてはいるものの、順番は同じとなっている。例えば、三つあるＡ＋用受光素子の横幅は、左側から順に、１３Ｐ／６０，７Ｐ／６０，２０Ｐ／６０であるのに対し、Ａ−用受光素子の横幅は、左側から順に、７Ｐ／６０，２０Ｐ／６０，１３Ｐ／６０となる。つまり、Ａ＋用受光素子、Ａ−用受光素子は、いずれも、横幅が１３Ｐ／６０の受光素子の次（横幅１３Ｐ／６０の受光素子が末尾の場合は、先頭）には、横幅７Ｐ／６０の受光素子が、横幅７Ｐ／６０の受光素子の次には、横幅２０Ｐ／６０の受光素子が位置するようになっている。同様に、Ｂ＋用受光素子、Ｂ−用受光素子は、いずれも、横の幅が７Ｐ／６０の受光素子の次には、横幅１３Ｐ／６０の受光素子が、横幅１３Ｐ／６０の受光素子の次（横幅１３Ｐ／６０の受光素子が末尾の場合は先頭）には、横幅２０Ｐ／６０の受光素子が位置するようになっている。
このように３種類の幅を持つ受光素子を図１のように配置することにより、図３のグラフに示すように、信号Ａ＋，Ｂ＋，Ａ−，Ｂ−には、Ｐ／３とＰ／５のピッチで変化する３次高調波と５次高調波がキャンセルされたＰのピッチで変化する正弦波に近い信号を得ることができる。また、これらの４相の信号を内挿処理することにより、図４のグラフに示すように、格子ピッチＰが２ｍｍという広いピッチのスケールでも、±６μｍ以下の高精度な位置検出が可能である。以上のように、本発明では、受光素子を格子ピッチＰの３倍弱（１７８Ｐ／６０）という狭い領域に配置するだけで、高精度な位置検出を実現できる。また、受光素子は、１７８Ｐ／６０の領域のうちの１６０Ｐ／６０（７Ｐ／６０×４＋１３Ｐ／６０×４＊２０Ｐ／６０×４）と約９０％を占めるため、受光領域に照射された光を高効率に電気信号に変換できる。なお、本発明の高調波成分を除去する方法は、特許文献１に記載された技術を用いている。しかし、特許文献１で開示された受光素子の配置では、少なくとも格子ピッチＰの４倍以上の領域が必要である。また、最も受光素子の占有率が高い同発明の図２でも、格子ピッチＰの５倍弱（１９Ｐ／４）の領域うちの４Ｐ（Ｐ／４×１６）と約８４％の占有率が限界であった。それに対して、本発明では、特許文献１で開示された受光素子の配置よりも、２５％以上も配置領域を大幅に短縮できる上、受光素子の配置領域に占める占有率も約９０％と限界に近いレベルまで向上させることが可能である。また、特許文献１の技術と比べて、本実施形態でも、スケールに対する各相の受光素子の幅をより微細にしているため、各相の検出をほぼ同一場所で行うことができる。そのため、スケールのピッチに小さい細かさでスケールの汚れや傷や誤差等が生じても、各相への影響が均等で、各出力信号はアンバランスが生じず、それによる位置検出への誤差を生じさせない。さらに、受光素子の幅により、高次の歪み成分が除去されるようになっているため、少ない本数の受光素子により、歪みの少ない変位信号を得ることができるので、信号が十分な平均化効果をもって安定して出力できる。
図２は、本発明の別の実施形態を示すもので、図１と図２の受光素子１と受光素子２１，受光素子２と受光素子２２，受光素子３と受光素子２３，受光素子４と受光素子２４，受光素子５と受光素子２５，受光素子６と受光素子２６，受光素子７と受光素子２７，受光素子８と受光素子２８，受光素子９と受光素子２９，受光素子１０と受光素子３０，受光素子１１と受光素子３１，受光素子１２と受光素子３２は、それぞれ同じ位置に配置され、かつ、横の幅も同じである。また、図１の受光素子１，２，３，４，５，６，７，８，９，１０，１１，１２は、長方形をしているのに対して、図２の受光素子２１，２２，２３，２４，２５，２６，２７，２８，２９，３０，３１，３２は、上下の２辺が横方向にＰ／７ずれた平行四辺形をしている。このように受光素子の形状を上下の２辺が横方向にＰ／７ずれた平行四辺形とすることにより、信号Ａ＋，Ｂ＋，Ａ−，Ｂ−は、Ｐ／７ピッチの間で変化する光量が積分された信号となる。そのため、Ｐ／７ピッチのサイクルで変化する７次高調波成分がキャンセルされる。これにより、図５のグラフに示すように極めて正弦波に近い信号を得ることができる。また、これらの４相の信号を内挿処理することにより、図６のグラフに示すように、格子ピッチＰが２ｍｍという広いピッチのスケールでも、±１μｍ程度の非常に高精度な位置検出が可能である。また、７次高調波よりも上の高調波も減衰できる効果もある。このように、図２の光学式エンコーダは、図１の光学式エンコーダよりも受光領域はＰ／７増加するものの、さらに高精度な位置検出が可能となる。
なお、図１と図２で左端に横幅が１３Ｐ／６０の信号Ａ＋を出力する受光素子を配置した例を示したが、左端の受光素子を３Ｐ分右側に移動させて右端へ移動させることが可能なため、任意の受光素子を左端とする配置が可能である。また、実施例では、１２個の受光素子を使用した例を示したが、１２個を１ブロックとする受光素子群を３Ｐ間隔ごとに配置できるため、２４個や３６個等の１２の倍数個の受光素子でも本発明を実現できる。また、信号Ａ＋と信号Ａ−、信号Ｂ＋と信号Ｂ−を出力するそれぞれの受光素子を極性の異なるフォトダイオードを直列接続することにより、信号Ａ＋と信号Ａ−の差信号Ａ、信号Ｂ＋と信号Ｂ−の差信号Ｂのような９０度位相の異なる２相の信号に受光素子側で変換してから使用することも可能である。
１〜１２,２１〜３２ 受光素子。

Claims (2)

  1. ピッチＰの格子を有するスケールからの透過光又は反射光を受光し、それぞれ９０度（１／４Ｐ）の整数倍で位相のずれた４相の信号を出力する複数の受光素子から成る光学式エンコーダにおいて、
    前記すべての受光素子は、縦の幅が同じであり、横方向（スケール長手方向）に１２Ｎ個（Ｎは、自然数）の受光素子がＰ／６０又は２Ｐ／６０間隔を空けて配置され、任意の連続して並ぶ４個は、すべて異なる位相の信号を出力し、それぞれの同じ位相の信号を出力する受光素子は、横の幅が７Ｐ／６０，１３Ｐ／６０，２０Ｐ／６０の３種類であることを特徴とする光学式エンコーダ。
  2. 前記受光素子は、上下の２辺が横方向にＰ／７ずれた平行四辺形をしていることを特徴とする請求項１記載の光学式エンコーダ。
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