JP6315548B2 - 光学式エンコーダ - Google Patents
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Description
本発明は、光学式エンコーダに関する。
相対移動する２つの部材間の相対変位を検出する装置として、３格子原理を利用した光学式エンコーダが知られている（特許文献１）。図１１に、特許文献１に記載の光学式エンコーダ８００の構成を示す。光学式エンコーダ８００は、光源１１０の直下に設けられた光源格子１２０、スケール８４０に設けられたスケール格子８５０、および、フォトダイオード１５２の直上に設けられた受光格子１５１の３つの格子を有する。光源格子１２０および受光格子１５１を有する検出ヘッド１７０がスケール８４０に対して移動し、フォトダイオード１５２が生成する信号強度の変化から検出ヘッド１７０の移動量を検出する。
光源格子１２０は光透過部１２１と不透過部１２２とを有し、光透過部１２１と不透過部１２２とは周期Ｐで交互に並べられている。スケール格子８５０は光透過部８５１と不透過部８５２とを有し、光透過部８５１と不透過部８５２とは周期Ｐで交互に並べられている。受光格子１５１は光透過部１５３と不透過部１５４とを有し、光透過部１５３と不透過部１５４とは周期Ｐで交互に並べられている。３格子原理では、光源格子１２０、スケール格子８５０、および受光格子１５１で格子ピッチが同じである。さらに、光源格子１２０とスケール８４０との間のギャップと、スケール８４０と受光格子１５１との間のギャップとが相等しい。
図１２は、光源格子１２０、スケール格子８５０、および、受光格子１５１を断面して示しており、不透過部１２２ａ〜１２２ｄ、８５２ａ〜８５２ｄ、１５４ａ〜１５４ｄの断面にはハッチングを施している。
光学式エンコーダ８００において、スケール８４０の動きと、そのときの干渉縞の様子と、を簡単に説明する。
要は、３格子原理により、スケール８４０が半ピッチ移動するごとに、信号強度のピークが現れることを説明する。
図１２、図１３、図１４を参照されたい。
まず、図１２の状態からスタートする。
図１２においては、光源格子１２０とスケール格子８５０とで格子が揃った状態を示している。（いわば、０次光が光源格子１２０およびスケール格子８５０の光透過部を通過できる経路がある。）
さらに、受光格子１５１は、光源格子１２０と格子を揃えて配設されるものであるので、図１２の状態においては、光源格子１２０、スケール格子８５０、受光格子１５１で格子が揃っていることになる。
この状態で光源格子１２０の光透過部を右から順に１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃ・・・とする。同じく、スケール格子８５０の光透過部を右から順に８５１ａ、８５１ｂ、８５１ｃ・・・とし、受光格子１５１の光透過部を右から順に１５３ａ、１５３ｂ、１５３ｃ・・・とする。
要は、３格子原理により、スケール８４０が半ピッチ移動するごとに、信号強度のピークが現れることを説明する。
図１２、図１３、図１４を参照されたい。
まず、図１２の状態からスタートする。
図１２においては、光源格子１２０とスケール格子８５０とで格子が揃った状態を示している。（いわば、０次光が光源格子１２０およびスケール格子８５０の光透過部を通過できる経路がある。）
さらに、受光格子１５１は、光源格子１２０と格子を揃えて配設されるものであるので、図１２の状態においては、光源格子１２０、スケール格子８５０、受光格子１５１で格子が揃っていることになる。
この状態で光源格子１２０の光透過部を右から順に１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃ・・・とする。同じく、スケール格子８５０の光透過部を右から順に８５１ａ、８５１ｂ、８５１ｃ・・・とし、受光格子１５１の光透過部を右から順に１５３ａ、１５３ｂ、１５３ｃ・・・とする。
この状態において、光源格子１２０およびスケール格子８５０の光透過部を透過した光線同士において、光路長が等しくなるところで干渉縞の明部ができる。
例えば、１２１ｂ→８５１ｃ→１５３ｃと辿る光と、１２１ｂ→８５１ｂ→１５３ｃと辿る光と、で光路長が等しい。したがって、受光格子１５１の光透過部１５３ｃには干渉縞の明部ができる。
同じく、１２１ｂ→８５１ｃ→１５３ｂと辿る光と、１２１ｂ→８５１ａ→１５３ｂと辿る光と、で光路長が等しい。したがって、受光格子１５１の光透過部１５３ｂには干渉縞の明部ができる。
このように、図１２の状態において、光源格子１２０、スケール格子８５０を透過してきた光は、半ピッチ周期で明部が現れる干渉縞を受光格子１５１の位置に作ることがわかる。
したがって、干渉縞のすべての明部が受光格子１５１の光透過部を透過してフォトダイオード１５２に達する。このとき、フォトダイオード１５２の信号強度はピークを示す。
例えば、１２１ｂ→８５１ｃ→１５３ｃと辿る光と、１２１ｂ→８５１ｂ→１５３ｃと辿る光と、で光路長が等しい。したがって、受光格子１５１の光透過部１５３ｃには干渉縞の明部ができる。
同じく、１２１ｂ→８５１ｃ→１５３ｂと辿る光と、１２１ｂ→８５１ａ→１５３ｂと辿る光と、で光路長が等しい。したがって、受光格子１５１の光透過部１５３ｂには干渉縞の明部ができる。
このように、図１２の状態において、光源格子１２０、スケール格子８５０を透過してきた光は、半ピッチ周期で明部が現れる干渉縞を受光格子１５１の位置に作ることがわかる。
したがって、干渉縞のすべての明部が受光格子１５１の光透過部を透過してフォトダイオード１５２に達する。このとき、フォトダイオード１５２の信号強度はピークを示す。
さて、図１２の状態からスケール格子８５０が徐々に右に移動するとする。
このとき、スケール格子８５０の動きに伴って干渉縞も徐々にその位置を変える。
干渉縞の明部の位置が受光格子１５１の光透過部からずれていけば、フォトダイオード１５２の信号強度は徐々に下がっていくであろう。
では、次に再び信号強度がピークを迎えるのはどの状態かというと、図１３のように、スケール８４０が半ピッチ移動したときである。
このとき、スケール格子８５０の動きに伴って干渉縞も徐々にその位置を変える。
干渉縞の明部の位置が受光格子１５１の光透過部からずれていけば、フォトダイオード１５２の信号強度は徐々に下がっていくであろう。
では、次に再び信号強度がピークを迎えるのはどの状態かというと、図１３のように、スケール８４０が半ピッチ移動したときである。
図１３において光線を追跡すれば分かるように、例えば、１２１ｂ→８５１ｄ→１５３ｃと辿る光と、１２１ｂ→８５１ｂ→１５３ｃと辿る光と、で光路長が等しい。したがって、受光格子１５１の光透過部１５３ｃには干渉縞の明部ができる。（図１２の状態でも受光格子１５１の光透過部１５３ｃに干渉縞の明部が当たっていたことを思い起こされたい。）
同じく、例えば、１２１ｂ→８５１ｃ→１５３ｂと辿る光と、１２１ｂ→８５１ｂ→１５３ｂと辿る光と、で光路長が等しい。したがって、受光格子１５１の光透過部１５３ｂには干渉縞の明部ができる。
同じく、例えば、１２１ｂ→８５１ｃ→１５３ｂと辿る光と、１２１ｂ→８５１ｂ→１５３ｂと辿る光と、で光路長が等しい。したがって、受光格子１５１の光透過部１５３ｂには干渉縞の明部ができる。
このように、図１３の状態において、光源格子１２０、スケール格子８５０を透過してきた光は、半ピッチ周期で明部が現れる干渉縞を受光格子１５１の位置に作り、さらに、この干渉縞は図１２の状態（スケール格子８５０が半ピッチ移動する前）と同じになることがわかる。
当然のことながら、スケール格子８５０がさらに半ピッチ移動すると図１４の状態になるが、これは図１２の状態と実質的に同じであり、したがって、できる干渉縞も図１２と同じになる。
図１５に、スケール格子８５０の移動に伴う検出信号の変化を示した。スケール格子８５０の半ピッチ移動ごとに信号のピークが得られている。
製造技術の限界として光源格子１２０、スケール格子８５０および受光格子１５１の格子はピッチＰまでしか細かくできないとしても、エンコーダの検出分解能としてはその半分の半ピッチ（Ｐ／２）になっている。
これが三格子原理を用いたエンコーダの大きな利点である。
図１５に、スケール格子８５０の移動に伴う検出信号の変化を示した。スケール格子８５０の半ピッチ移動ごとに信号のピークが得られている。
製造技術の限界として光源格子１２０、スケール格子８５０および受光格子１５１の格子はピッチＰまでしか細かくできないとしても、エンコーダの検出分解能としてはその半分の半ピッチ（Ｐ／２）になっている。
これが三格子原理を用いたエンコーダの大きな利点である。
さらに、三格子原理のエンコーダでは、一定周期（スケール格子８５０の半ピッチ移動ごと）で信号強度の同じ変化が繰り返されることが分かっているので、信号周期（半ピッチ）よりもさらに細かくスケール格子８５０の変位を検出するべく、信号の一周期をさらに分割する内挿（補間）を行うことができる。
この内挿（補間）を行うにしても、周期Ｐのなかを内挿（補間）することに比べて、周期Ｐ／２を内挿（補間）する方が内挿によって得られる分解能が２倍になるのは当然である。
この内挿（補間）を行うにしても、周期Ｐのなかを内挿（補間）することに比べて、周期Ｐ／２を内挿（補間）する方が内挿によって得られる分解能が２倍になるのは当然である。
さて、三格子原理によって、スケール格子８５０の半ピッチ移動ごとに信号のピークが得られることはその通りであるが、より詳細に信号強度の変化を見てみると、符号ＸＩＩ（ＸＩＶ）のピークと符号ＸＩＩＩのピークとでは強度がわずかに異なっている。
ここで、図１５において、符号ＸＩＩのピークは図１２、符号ＸＩＩＩのピークは図１３、符号ＸＩＶのピークは図１４の状態に対応する。
スケール格子８５０の半ピッチ移動ごとに信号のピークが現れるとしても、半ピッチごとに得られる信号は異なっているのである。
このことは、一定周期（スケール格子８５０の半ピッチ移動ごと）で同じ信号が得られることを前提とする内挿（補間）が正確には行えないことを意味する。
ここで、図１５において、符号ＸＩＩのピークは図１２、符号ＸＩＩＩのピークは図１３、符号ＸＩＶのピークは図１４の状態に対応する。
スケール格子８５０の半ピッチ移動ごとに信号のピークが現れるとしても、半ピッチごとに得られる信号は異なっているのである。
このことは、一定周期（スケール格子８５０の半ピッチ移動ごと）で同じ信号が得られることを前提とする内挿（補間）が正確には行えないことを意味する。
スケール格子８５０が１ピッチ移動したときに出来るピークＸＩＩ（図１２の場合）とピークＸＩＶ（図１４の場合）とが同じであることは確かである。
したがって、正確に内挿を行うには、周期Ｐのなかを内挿（補間）するほかない。
仮に、周期Ｐ／２で内挿（補間）すると、内挿誤差が生じることは避けられない。（この内挿誤差は周期Ｐをもつであろう。）
高い分解能を得るために周期Ｐ／２を内挿（補間）しているはずであるのに、それが必然的に周期Ｐの誤差を含まざるを得ないとなっては意味がない。
したがって、正確に内挿を行うには、周期Ｐのなかを内挿（補間）するほかない。
仮に、周期Ｐ／２で内挿（補間）すると、内挿誤差が生じることは避けられない。（この内挿誤差は周期Ｐをもつであろう。）
高い分解能を得るために周期Ｐ／２を内挿（補間）しているはずであるのに、それが必然的に周期Ｐの誤差を含まざるを得ないとなっては意味がない。
本発明者はこのことに気付くとともに、その原因を詳細に検討した。
そして、図１２（図１４）の場合と図１３の場合とでは、同じ位置に干渉縞が発生していても、互いの光路の性質が異なっているということに思い至った。
そして、図１２（図１４）の場合と図１３の場合とでは、同じ位置に干渉縞が発生していても、互いの光路の性質が異なっているということに思い至った。
本発明の目的は、このような問題を解決するためになされたものであり、格子ピッチＰに対して正確にＰ／２周期の検出信号を得られる光学式エンコーダを提供することにある。
本発明の光学式エンコーダは、
光を発する光源と、
所定のピッチで形成された２以上のスケール格子を有するスケールと、
前記光源と前記スケールとの間に配置され、所定のピッチで形成された格子を有する光源格子と、
前記光源格子および前記スケールにより生成された干渉縞を検出する干渉縞検出手段と、を備え、
前記２以上のスケール格子は並列して配置されており、かつ、隣り合うスケール格子同士は互いに１／２周期ずれた関係にある
ことを特徴とする。
光を発する光源と、
所定のピッチで形成された２以上のスケール格子を有するスケールと、
前記光源と前記スケールとの間に配置され、所定のピッチで形成された格子を有する光源格子と、
前記光源格子および前記スケールにより生成された干渉縞を検出する干渉縞検出手段と、を備え、
前記２以上のスケール格子は並列して配置されており、かつ、隣り合うスケール格子同士は互いに１／２周期ずれた関係にある
ことを特徴とする。
本発明では、
前記２以上のスケール格子は互いにピッチが等しい
ことが好ましい。
前記２以上のスケール格子は互いにピッチが等しい
ことが好ましい。
本発明では、
互いに１／２周期ずれたスケール格子で発生した干渉縞を、あわせて一つの干渉縞として前記干渉縞検出手段により検出する
ことが好ましい。
互いに１／２周期ずれたスケール格子で発生した干渉縞を、あわせて一つの干渉縞として前記干渉縞検出手段により検出する
ことが好ましい。
本発明では、
前記スケールは長手状のスケールであり、
前記スケールの短手方向に前記スケール格子が２列又は４列で配列されている
ことが好ましい。
前記スケールは長手状のスケールであり、
前記スケールの短手方向に前記スケール格子が２列又は４列で配列されている
ことが好ましい。
また、本発明では、
前記スケールは２次元的な広がりを持っており、
前記スケール格子は、Ｎを整数として、２Ｎ列配列されている
ことが好ましい。
前記スケールは２次元的な広がりを持っており、
前記スケール格子は、Ｎを整数として、２Ｎ列配列されている
ことが好ましい。
さらに、本発明では、
前記光源格子の短手方向の幅は、前記２以上のスケール格子が配設されている領域の短手方向の幅よりも長い
ことが好ましい。
前記光源格子の短手方向の幅は、前記２以上のスケール格子が配設されている領域の短手方向の幅よりも長い
ことが好ましい。
本発明の光学式エンコーダは、
光を発する光源と、
所定のピッチで２次元的な広がりを持って形成された千鳥状の格子を有するＸＹスケールと、
前記光源と前記ＸＹスケールとの間に配置され、Ｘ軸方向に所定のピッチで形成された格子を有するＸ軸方向光源格子と、
前記光源と前記ＸＹスケールとの間に配置され、前記Ｘ軸方向と交差するＹ軸方向に所定のピッチで形成された格子を有するＹ軸方向光源格子と、
前記Ｘ軸方向光源格子および前記ＸＹスケールにより生成された干渉縞を検出するＸ軸方向干渉縞検出手段と、
前記Ｙ軸方向光源格子および前記ＸＹスケールにより生成された干渉縞を検出するＹ軸方向干渉縞検出手段と、を備える。
光を発する光源と、
所定のピッチで２次元的な広がりを持って形成された千鳥状の格子を有するＸＹスケールと、
前記光源と前記ＸＹスケールとの間に配置され、Ｘ軸方向に所定のピッチで形成された格子を有するＸ軸方向光源格子と、
前記光源と前記ＸＹスケールとの間に配置され、前記Ｘ軸方向と交差するＹ軸方向に所定のピッチで形成された格子を有するＹ軸方向光源格子と、
前記Ｘ軸方向光源格子および前記ＸＹスケールにより生成された干渉縞を検出するＸ軸方向干渉縞検出手段と、
前記Ｙ軸方向光源格子および前記ＸＹスケールにより生成された干渉縞を検出するＹ軸方向干渉縞検出手段と、を備える。
本発明によれば、格子ピッチＰに対して正確にＰ／２周期の検出信号を得られる光学式エンコーダを提供することができる。
[実施の形態１]
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本実施形態にかかる光学式エンコーダ１００の構成を示す図である。光学式エンコーダ１００は、スケール１４０と、検出ヘッド１７０とを有する。検出ヘッド１７０は、光源１１０と、光源格子１２０と、干渉縞検出手段１５０と、を備える。干渉縞検出手段１５０は、受光格子１５１と、フォトダイオード１５２とを有する。光学式エンコーダ１００は、検出ヘッド１７０がスケール１４０に対して移動し、スケール１４０に対して検出ヘッド１７０が相対的に移動する移動量を検出する。光源格子１２０とスケール１４０との間のギャップと、スケール１４０と干渉縞検出手段１５０との間のギャップとは、等しくなるように配置されている。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本実施形態にかかる光学式エンコーダ１００の構成を示す図である。光学式エンコーダ１００は、スケール１４０と、検出ヘッド１７０とを有する。検出ヘッド１７０は、光源１１０と、光源格子１２０と、干渉縞検出手段１５０と、を備える。干渉縞検出手段１５０は、受光格子１５１と、フォトダイオード１５２とを有する。光学式エンコーダ１００は、検出ヘッド１７０がスケール１４０に対して移動し、スケール１４０に対して検出ヘッド１７０が相対的に移動する移動量を検出する。光源格子１２０とスケール１４０との間のギャップと、スケール１４０と干渉縞検出手段１５０との間のギャップとは、等しくなるように配置されている。
図２にスケール１４０の構成を示す。スケール１４０は、第１のスケール格子１４１と、第２のスケール格子１４２と、を図示しないガラス基板上に有する。第１のスケール格子１４１および第２のスケール格子１４２は、ともにＸ軸方向（第１の方向）に配列されている。第１のスケール格子１４１と第２のスケール格子１４２とは、スケール１４０上に並列して配設されている。
第１のスケール格子１４１は光透過部１４３と不透過部１４４とを有し、光透過部１４３と不透過部１４４とが周期Ｐで交互に配列されている。第２のスケール格子１４２は光透過部１４５と不透過部１４６とを有し、光透過部１４５と不透過部１４６とが周期Ｐで交互に配列されている。ここで大事なポイントは、第１のスケール格子１４１と第２のスケール格子１４２とは、Ｘ軸方向に１／２周期（Ｐ／２）だけずれた状態で配設されていることである。なお、第１のスケール格子１４１および第２のスケール格子１４２において、不透過部１４４、１４６を光の反射率が高い材質で形成して光反射部とすることにより、スケール１４０を反射型スケールとすることもできる。
図１に示すように、検出ヘッド１７０は、光源１１０と、光源格子１２０と、干渉縞検出手段１５０と、を備える。
光源１１０は、光を発する。光源１１０としては、例えば、ＬＥＤ（Light Emitting Diode：発光ダイオード）、レーザーダイオード、ＳＬＥＤ（Self-Scanning Light Emitting Device：自己走査型発光素子）、ＯＬＥＤ（Organic light-emitting diode：有機発光ダイオード）を用いる。
光源１１０は、光を発する。光源１１０としては、例えば、ＬＥＤ（Light Emitting Diode：発光ダイオード）、レーザーダイオード、ＳＬＥＤ（Self-Scanning Light Emitting Device：自己走査型発光素子）、ＯＬＥＤ（Organic light-emitting diode：有機発光ダイオード）を用いる。
光源格子１２０は、光源１１０の直下に配置されている。光源格子１２０は光透過部１２１と不透過部１２２とを有し、光透過部１２１と不透過部１２２とが長手方向（Ｘ軸方向）に交互に配列されている。光源格子１２０は、図示しないガラス基板上に設けられている。
光源格子１２０の短手方向（Ｙ軸方向）の幅Ｌ２は、第１のスケール格子１４１および第２のスケール格子１４２が配設されている領域の短手方向の幅Ｌ４よりも長い。これにより、第１のスケール格子１４１および第２のスケール格子１４２が、光源格子１２０を透過した光により均一に照射される。
光源格子１２０の短手方向（Ｙ軸方向）の幅Ｌ２は、第１のスケール格子１４１および第２のスケール格子１４２が配設されている領域の短手方向の幅Ｌ４よりも長い。これにより、第１のスケール格子１４１および第２のスケール格子１４２が、光源格子１２０を透過した光により均一に照射される。
干渉縞検出手段１５０は、光源格子１２０およびスケール１４０により生成された干渉縞を検出する。干渉縞検出手段１５０は、受光格子１５１と、フォトダイオード１５２とを有する。フォトダイオード１５２は、受光した光を電気信号（検出信号）に変換する。受光した光の強度に応じて、検出信号の強度も変化する。受光格子１５１は光透過部１５３と不透過部１５４とを有し、光透過部１５３と不透過部１５４とが周期Ｐで交互に配列されている。図１ではスケール１４０が透過型スケールとして説明されているが、スケール１４０を反射型スケールとする場合は、干渉縞検出手段１５０は、スケール１４０に対して光源１１０と同じ側に位置することになる。
生成された干渉縞のうち受光格子１５１の光透過部１５３を透過した光がフォトダイオード１５２により検出され、検出信号へと変換される。干渉縞検出手段１５０は、受光格子１５１とフォトダイオード１５２とに代えて、フォトダイオードが複数配列されたフォトダイオードアレイを用いることもできる。
図１の干渉縞検出手段１５０は、正弦波単相信号を出力する構成である。受光格子１５１の位相をπ／４ずつずらして４組配置することにより、位相をπ／４ずつずらしたＡ＋相、Ｂ＋相、Ａ−相、Ｂ−相の信号を出力することもできる。
図１の干渉縞検出手段１５０は、正弦波単相信号を出力する構成である。受光格子１５１の位相をπ／４ずつずらして４組配置することにより、位相をπ／４ずつずらしたＡ＋相、Ｂ＋相、Ａ−相、Ｂ−相の信号を出力することもできる。
次に、光学式エンコーダ１００の動作について説明する。
光源１１０から発せられた光は、光源格子１２０を透過する際に回折されて、コヒーレント光となる。光源格子１２０には多数の光透過部１２１が設けられているので、光源格子１２０を透過した光は、Ｘ軸方向に多数配列された線状の光源のように振る舞う。
光源１１０から発せられた光は、光源格子１２０を透過する際に回折されて、コヒーレント光となる。光源格子１２０には多数の光透過部１２１が設けられているので、光源格子１２０を透過した光は、Ｘ軸方向に多数配列された線状の光源のように振る舞う。
光源格子１２０を透過した光は、スケール１４０の第１のスケール格子１４１および第２のスケール格子１４２により回折される。
スケール格子、光源格子、および受光格子の格子が揃った状態、すなわち、光源格子を通過した０次光がスケール格子を通過できる経路がある状態を、第１の位置関係とする。光源格子および受光格子と、スケール格子の格子が半ピッチずれている状態、すなわち、光源格子を通過した０次光がスケール格子により遮られる状態を、第２の位置関係とする。
スケール格子、光源格子、および受光格子の格子が揃った状態、すなわち、光源格子を通過した０次光がスケール格子を通過できる経路がある状態を、第１の位置関係とする。光源格子および受光格子と、スケール格子の格子が半ピッチずれている状態、すなわち、光源格子を通過した０次光がスケール格子により遮られる状態を、第２の位置関係とする。
スケール格子が第１の位置関係にあるときに生成される干渉縞を第１の干渉縞、格子が第２の位置関係にあるときに生成される干渉縞を第２の干渉縞とする。第１の干渉縞と第２の干渉縞は同位相の干渉縞である。
第１の干渉縞と第２の干渉縞とでは、受光格子１５１の光透過部１５３に入射するまでの光路が異なる。よって、第１の干渉縞と第２の干渉縞とでは、位相が同じでも強度が異なる可能性がある。
第１の干渉縞と第２の干渉縞とでは、受光格子１５１の光透過部１５３に入射するまでの光路が異なる。よって、第１の干渉縞と第２の干渉縞とでは、位相が同じでも強度が異なる可能性がある。
図３では、第１のスケール格子１４１が第１の位置関係にある。このとき、半ピッチずれた第２のスケール格子１４２は第２の位置関係となる。図３では、第１のスケール格子１４１を通過した光を実線で、第２のスケール格子１４２を通過した光を破線で示している。
図３に示す状態では、第１の位置関係にある第１のスケール格子１４１が第１の干渉縞、第２の位置関係にある第２のスケール格子１４２が第２の干渉縞を生成する。第１の干渉縞と第２の干渉縞とが５０％ずつの割合で足しあわされて受光格子１５１の光透過部１５３を通過し、フォトダイオード１５２に入射する。
図４は、図３の状態からスケール１４０が半ピッチずれた状態を示す。図４でも図３と同様に、第１のスケール格子１４１を通過した光を実線で、第２のスケール格子１４２を通過した光を破線で示している。
図４では、第１のスケール格子１４１が第２の位置関係にある。このとき、半ピッチずれた第２のスケール格子１４２は第１の位置関係となる。第２の位置関係にある第１のスケール格子１４１が第２の干渉縞、第１の位置関係にある第２のスケール格子１４２が第１の干渉縞を生成する。第１の干渉縞と第２の干渉縞は同位相の干渉縞である。
光学式エンコーダ１００において図４に示す状態は、信号強度の総和をとれば、図３に示す状態と同じである。
図４では、第１のスケール格子１４１が第２の位置関係にある。このとき、半ピッチずれた第２のスケール格子１４２は第１の位置関係となる。第２の位置関係にある第１のスケール格子１４１が第２の干渉縞、第１の位置関係にある第２のスケール格子１４２が第１の干渉縞を生成する。第１の干渉縞と第２の干渉縞は同位相の干渉縞である。
光学式エンコーダ１００において図４に示す状態は、信号強度の総和をとれば、図３に示す状態と同じである。
特許文献１に記載の光学式エンコーダ８００はスケール格子が一つしかなかった。そのため、スケール格子が半ピッチずつ動くと、第１の位置関係と第２の位置関係とが繰り返されている。そのことにより、第１の干渉縞と第２の干渉縞とが交互に生じるため、フォトダイオード１５２が生成する検出信号の強度ピークにゆらぎが生じる。
本実施形態の光学式エンコーダ１００は、第１の格子スケール１４１に加えて第２の格子スケール１４２を設けてある。この構成により、スケール１４０が移動するときに、第１の位置関係と第２の位置関係とが同時に存在する。したがって、第１の干渉縞と第２の干渉縞とが同時に存在する。フォトダイオード１５２では、第１の干渉縞と第２の干渉縞とが常に足しあわされるので、生成される検出信号の強度ピークにゆらぎがなくなる。
以上、説明したように、本発明によれば、格子ピッチＰに対して正確にＰ／２周期の検出信号を得られる光学式エンコーダを提供することができる。
[実施の形態２]
図５は、本実施形態にかかるエンコーダ４００の構成を示す図である。エンコーダ４００は、光源１１０と、光源格子１２０と、スケール４１０と、干渉縞検出手段１５０と、を備える。エンコーダ４００は、光源１１０、光源格子１２０、および、干渉縞検出手段１５０に対してスケール４１０が相対的に移動する移動量を検出する。光源格子１２０とスケール４１０との間のギャップと、スケール４１０と干渉縞検出手段１５０との間のギャップとは、等しくなるように配置されている。
図５は、本実施形態にかかるエンコーダ４００の構成を示す図である。エンコーダ４００は、光源１１０と、光源格子１２０と、スケール４１０と、干渉縞検出手段１５０と、を備える。エンコーダ４００は、光源１１０、光源格子１２０、および、干渉縞検出手段１５０に対してスケール４１０が相対的に移動する移動量を検出する。光源格子１２０とスケール４１０との間のギャップと、スケール４１０と干渉縞検出手段１５０との間のギャップとは、等しくなるように配置されている。
図６は、スケール４１０の構成を示す平面図である。エンコーダ４００では、スケール４１０は、図示しないガラス基板上に、第１のスケール格子４２０と、第２のスケール格子４３０と、第３のスケール格子４４０と、第４のスケール格子４５０と、が並列して配列されている。スケール４１０は長手状の形状であり、スケール４１０の短手方向に、スケール格子が４列で配列されている。
スケール格子４２０〜４５０が繰り返して配列されていることにより、光源格子１２０とスケール４１０とがＹ軸方向にずれた場合でも、第１のスケール格子４２０および第３のスケール格子４４０に入射する光と、第２のスケール格子４３０および第４のスケール格子４５０に入射する光との強度比の変化を小さくできる。これにより、フォトダイオード１５２に入射する第１の干渉縞と第２の干渉縞の強度比の変化を小さくできる。したがって、光源格子１２０とスケール４１０とがＹ軸方向にずれた場合に、フォトダイオード１５２から出力される検出信号の内挿誤差を小さくすることができる。
[実施の形態３]
図７は、本実施形態にかかる光学式エンコーダ６００の構成を示す斜視図である。光学式エンコーダ６００は、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の変位を検出できる。Ｘ軸方向の変位は、実施の形態１に対応する。Ｙ軸方向の変位は、実施の形態１の光学式エンコーダ１００を９０°回転させた形態である。
光学式エンコーダ６００は、光源１１０と、Ｘ軸方向光源格子６１０と、Ｙ軸方向光源格子６２０と、ＸＹスケール６３０と、干渉縞検出手段６４０と、を備える。Ｘ軸方向光源格子６１０およびＹ軸方向光源格子６２０は、同一平面上に乗るように配置されている。Ｘ軸方向光源格子６１０およびＹ軸方向光源格子６２０とＸＹスケール６３０との間のギャップと、ＸＹスケール６３０と干渉縞検出手段６４０との間のギャップとは、等しくなるように配置されている。
図７は、本実施形態にかかる光学式エンコーダ６００の構成を示す斜視図である。光学式エンコーダ６００は、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の変位を検出できる。Ｘ軸方向の変位は、実施の形態１に対応する。Ｙ軸方向の変位は、実施の形態１の光学式エンコーダ１００を９０°回転させた形態である。
光学式エンコーダ６００は、光源１１０と、Ｘ軸方向光源格子６１０と、Ｙ軸方向光源格子６２０と、ＸＹスケール６３０と、干渉縞検出手段６４０と、を備える。Ｘ軸方向光源格子６１０およびＹ軸方向光源格子６２０は、同一平面上に乗るように配置されている。Ｘ軸方向光源格子６１０およびＹ軸方向光源格子６２０とＸＹスケール６３０との間のギャップと、ＸＹスケール６３０と干渉縞検出手段６４０との間のギャップとは、等しくなるように配置されている。
ＸＹスケール６３０は、図示しないガラス基板上にＸＹ格子６３３が形成されている。図８は、ＸＹスケール６３０上に形成されたＸＹ格子６３３の構成を示す平面図である。ＸＹ格子６３３は、矩形の不透過部６３２が、２次元的な広がりを持って千鳥状に配置されている。不透過部６３２が存在しない部分が、光が透過する光透過部６３１となる。ＸＹ格子６３３のＸ軸方向の周期はＰであり、Ｙ軸方向の周期はＱである。
また、ＸＹ格子６３３は、Ｘ軸方向に光透過部６３１と不透過部６３２とが交互に配列されたスケール格子が、互いに１／２周期ずらしてＹ軸方向に並列して配置されているとも考えられる。
また、ＸＹ格子６３３は、Ｘ軸方向に光透過部６３１と不透過部６３２とが交互に配列されたスケール格子が、互いに１／２周期ずらしてＹ軸方向に並列して配置されているとも考えられる。
不透過部６３２を光の反射率が高い材質で形成することにより、不透過部６３２を光反射部とすることができる。ＸＹ格子６３３を光透過部６３１と光反射部とで構成することにより、反射型のエンコーダとすることもできる。光透過部６３１と光反射部とが同一の形状なので、ひとつのＸＹ格子６３３を、透過型エンコーダおよび反射型エンコーダの双方に用いることができる。ＸＹ格子６３３を反射型エンコーダに用いる場合は、光透過部６３１と光反射部（不透過部６３２）の面積比が１：１となるので、ＸＹ格子６３３に反射される光量が多く、信号強度の大きい反射型エンコーダを提供できる。
図９は、Ｘ軸方向光源格子６１０およびＹ軸方向光源格子６２０の構成を示す斜視図である。Ｘ軸方向光源格子６１０は、光透過部６１１と不透過部６１２とがＸ軸方向に周期Ｐで配列されている。Ｙ軸方向光源格子６２０は、光透過部６２１と不透過部６２２とがＹ軸方向に周期Ｑで配列されている。
干渉縞検出手段６４０は、Ｘ軸方向（第１の方向）の干渉縞を検出するＸ軸方向干渉縞検出手段６５０と、Ｙ軸方向（第２の方向）の干渉縞を検出するＹ軸方向干渉縞検出手段６６０と、を有する。Ｘ軸方向干渉縞検出手段６５０はＸ軸方向の移動量を検出し、Ｙ軸方向干渉縞検出手段６６０はＹ軸方向の移動量を検出する。
Ｘ軸方向干渉縞検出手段６５０は、Ｘ軸方向光源格子６１０およびＸＹスケール６３０により生成された干渉縞を検出する。Ｘ軸方向干渉縞検出手段６５０は、Ｘ軸方向受光格子６５１と、第１のフォトダイオード６５２とからなる。Ｘ軸方向受光格子６５１は、光透過部６５３と不透過部６５４とがＸ軸方向に周期Ｐで配列されている。
Ｙ軸方向干渉縞検出手段６６０は、Ｙ軸方向光源格子６２０およびＸＹスケール６３０により生成された干渉縞を検出する。Ｙ軸方向干渉縞検出手段６６０は、Ｙ軸方向受光格子６６１と、第２のフォトダイオード６６２とからなる。Ｙ軸方向受光格子６６１は、光透過部６６３と不透過部６６４とがＹ軸方向に周期Ｑで配列されている。
Ｘ軸方向光源格子６１０、Ｙ軸方向光源格子６２０、ＸＹスケール６３０、Ｘ軸方向受光格子６５１、および、Ｙ軸方向受光格子６６１の、Ｘ軸方向とＹ軸方向の格子ピッチは等しく（Ｐ＝Ｑ）てもよい。Ｐ＝Ｑのときは、ＸＹ格子６３３は正方形の光透過部６３１と不透過部６３２とを有する。これにより、光学式エンコーダ６００の移動量の検出の刻みが、Ｘ軸方向とＹ軸方向とで等しくなる。
以上、説明したように、本実施形態にかかる光学式エンコーダ６００は、実施の形態１と同様に、格子ピッチＰに対して正確にＰ／２周期の検出信号を得られる光学式エンコーダを提供することができる。
また、本実施形態にかかる光学式エンコーダ６００は、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の変位を同時に検出することができる。
また、本実施形態にかかる光学式エンコーダ６００は、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の変位を同時に検出することができる。
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、本発明のエンコーダが透過型エンコーダである場合について説明したが、反射型エンコーダであっても本発明は成り立つ。また、本発明のエンコーダがリニアエンコーダの場合について説明したが、本発明はロータリエンコーダにも用いることができる。
１００、４００、６００、８００ 光学式エンコーダ
１１０ 光源
１２０ 光源格子
１４０、４１０、６３０ スケール
１４１、４２０ 第１のスケール格子
１４２、４３０ 第２のスケール格子
４４０ 第３のスケール格子
４５０ 第４のスケール格子
１５０、６４０ 干渉縞検出手段
１５１ 受光格子
１５２ フォトダイオード
１７０ 検出ヘッド
６１０ Ｘ軸方向光源格子
６２０ Ｙ軸方向光源格子
６３０ ＸＹスケール
６３３ ＸＹ格子
６５０ Ｘ軸方向干渉縞検出手段
６５１ Ｘ軸方向受光格子
６５２ 第１のフォトダイオード
６６０ Ｙ軸方向干渉縞検出手段
６６１ Ｙ軸方向受光格子
６６２ 第２のフォトダイオード
８５０ スケール格子
１１０ 光源
１２０ 光源格子
１４０、４１０、６３０ スケール
１４１、４２０ 第１のスケール格子
１４２、４３０ 第２のスケール格子
４４０ 第３のスケール格子
４５０ 第４のスケール格子
１５０、６４０ 干渉縞検出手段
１５１ 受光格子
１５２ フォトダイオード
１７０ 検出ヘッド
６１０ Ｘ軸方向光源格子
６２０ Ｙ軸方向光源格子
６３０ ＸＹスケール
６３３ ＸＹ格子
６５０ Ｘ軸方向干渉縞検出手段
６５１ Ｘ軸方向受光格子
６５２ 第１のフォトダイオード
６６０ Ｙ軸方向干渉縞検出手段
６６１ Ｙ軸方向受光格子
６６２ 第２のフォトダイオード
８５０ スケール格子
Claims (6)
- 光を発する光源と、
所定のピッチで形成された２以上のスケール格子を有するスケールと、
前記光源と前記スケールとの間に配置され、所定のピッチで形成された格子を有する光源格子と、
前記光源格子および前記スケールにより生成された干渉縞を検出する干渉縞検出手段と、を備え、
前記２以上のスケール格子は並列して配置されており、かつ、隣り合うスケール格子同士は互いに１／２周期ずれた関係にあって、
互いに１／２周期ずれた前記スケール格子でそれぞれ生成された第１の干渉縞と第２の干渉縞とを、足しあわせて前記干渉縞検出手段により検出する
ことを特徴とする光学式エンコーダ。 - 前記２以上のスケール格子は互いにピッチが等しい
ことを特徴とする請求項１に記載の光学式エンコーダ。 - 前記スケールは長手状のスケールであり、
前記スケールの短手方向に前記スケール格子が２列又は４列で配列されている
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光学式エンコーダ。 - 前記スケールは２次元的な広がりを持っており、
前記スケール格子は、Ｎを整数として、２Ｎ列配列されている
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光学式エンコーダ。 - 前記光源格子の短手方向の幅は、前記２以上のスケール格子が配設されている領域の短手方向の幅よりも長い
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の光学式エンコーダ。 - 光を発する光源と、
所定のピッチで２次元的な広がりを持って形成された千鳥状の格子を有するＸＹスケールと、
前記光源と前記ＸＹスケールとの間に配置され、Ｘ軸方向に所定のピッチで形成された格子を有するＸ軸方向光源格子と、
前記光源と前記ＸＹスケールとの間に配置され、前記Ｘ軸方向と交差するＹ軸方向に所定のピッチで形成された格子を有するＹ軸方向光源格子と、
前記Ｘ軸方向光源格子および前記ＸＹスケールにより生成された干渉縞を検出するＸ軸方向干渉縞検出手段と、
前記Ｙ軸方向光源格子および前記ＸＹスケールにより生成された干渉縞を検出するＹ軸方向干渉縞検出手段と、を備え、
前記Ｘ軸方向光源格子および前記ＸＹスケールにおけるＹ軸方向で隣接するスケール格子によりそれぞれ生成された第１の干渉縞と第２の干渉縞とを、足しあわせて前記Ｘ軸方向干渉縞検出手段により検出し、
前記Ｙ軸方向光源格子および前記ＸＹスケールにおけるＸ軸方向で隣接するスケール格子によりそれぞれ生成された第３の干渉縞と第４の干渉縞とを、足しあわせて前記Ｙ軸方向干渉縞検出手段により検出する
光学式エンコーダ。
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