JP4629486B2 - 光学式エンコーダ - Google Patents

Description

本発明は、スケールの汚れ等による外乱に影響されにくい光学式エンコーダに関する。

一般的な光学式エンコーダの光学系斜視図を図５に示す。発光素子１から発せられた光はコリメータレンズ２で平行光束となり、メインスケール３に入射して透過し、その後インデックススケール４を透過して、受光素子５の受光面に入射し光電変換される。メインスケール３は、ガラス基板上に成膜された金属膜をエッチング等によって部分的に除去して形成される。メインスケール３は、透過部（スリット）と非透過部の繰り返しからなる光学格子（第１格子）となっている。そして、その格子線方向がメインスケール３の長手方向に垂直になるようになっている。また、インデックススケール４も、ガラス基板上の金属膜をエッチング等によって部分的に除去して形成される。インデックススケール４も、透過部（スリット）と非透過部の繰り返しからなる光学格子（第２格子）となっている。

このような構成でメインスケール３が長手方向に移動すると、メインスケール３とインデックススケール４とに設けられた光学格子の対向関係が変化することで、透過する光量が周期的に変化し、受光素子から得られる変位信号も周期的に変化する。変位信号の周期はメインスケール３上の光学格子のピッチＰとなる。

通常、光学式エンコーダでは、メインスケールの移動によって現れる周期的な変位信号を電気的に内挿分割することによって高分解能化を図っている。そのために、互いに９０度ずつ位相のずれた４種の変位信号が得られるように光学系を構成するのが一般的である。以下、４種の変位信号やそれに対応する光学系を表すのに、ａ、ｂ、ａ／、ｂ／の記号を用いる。ａを基準とすると、ｂ、ａ／、ｂ／は、電気角で言えば、それぞれ９０度、１８０度、２７０度の位相差を持っている。

光学式エンコーダの変位信号は擬似的に正弦波とみなせることから、メインスケールの長手方向の変位をＸとすると、４種の信号は、Ｋ＋Ｍ・ｓｉｎＸ、Ｋ＋Ｍ・ｃｏｓＸ、Ｋ−Ｍ・ｓｉｎＸ、Ｋ−Ｍ・ｃｏｓＸと表すことができる。ここで、Ｋはオフセット成分を表し、Ｍは振幅を表す。それぞれの信号を、Ｓａ、Ｓｂ、Ｓａ／、Ｓｂ／と呼ぶ。一般的な内挿分割方法の例としては、Ｓａ信号とその逆位相の信号Ｓａ／を減算して差動信号ＳＡを求める。減算によりオフセット成分が相殺されて、差動信号ＳＡは、２Ｍ・ｓｉｎＸとなる。同様にＳｂとＳｂ／の減算によって求められる差動信号ＳＢは、２Ｍ・ｃｏｓＸとなる。これら２つの差動信号の比は、ｓｉｎＸ／ｃｏｓＸとなり、アークタンジェントを計算したり、参照テーブルを利用したりすることによって、変位信号１周期の中での位置を求めることができる。

例えば発光素子１の光量変化などによって４種の変位信号のオフセット成分や振幅が同じように変化するならば、この内挿分割方法においてオフセット成分の相殺は差動によって除去される。また、振幅変動も差動信号ＳＡとＳＢとの比には影響を及ぼさない。従って、内挿誤差は発生しない。しかしながら、４種の変位信号のオフセット成分や振幅がばらばらに変わってしまうと、正確な内挿分割ができなくなり、結果的に内挿誤差を招く。

従来の光学式エンコーダでは、４種の信号を得るために、図５や図６（ａ）に表すようにインデックススケール４上に４つのスリットグループを設けているのが一般的である。図６（ａ）では、「田」の形に４つのスリットグループが配置されている。それぞれのスリットグループには数十本から数百本のスリットが含まれている。スリットの周期はメインスケール３のスリットの周期に対応したものとなっている。ここで、変位信号Ｓａ、Ｓｂ、Ｓａ／、Ｓｂ／を得るためのスリットグループを、それぞれ、Ｇａ、Ｇｂ、Ｇａ／、Ｇｂ／と呼ぶことにする。

位相の異なる変位信号を得るために、例えばＧｂのスリットグループに属するスリットは、Ｇａのスリットグループに属するスリットに対してメインスケール３の長手方向にわずかにずらして設けられている。このずれ量は変位信号の周期をＰとするならば、Ｐ／４に相当する量である。これによって、スリットグループＧｂから得られる変位信号は、Ｇａから得られる変位信号に対して電気角で９０度の位相差を持つようになる。同じように、Ｇａ／のスリットグループに属するスリットは、ｎＰ＋Ｐ／２（ただし、ｎは整数）に相当する量だけずらして設けられる。これによって、スリットグループＧａ／から得られる変位信号は、Ｇａから得られる変位信号に対して電気角で１８０度の位相差を持つようになる。

これらのスリットグループを透過した光束は、受光素子に入射する。受光素子上には、それぞれのスリットグループを透過した光束を光電変換するために、スリットグループの形状に対応した４つの受光領域が設けられており、受光領域に対応した４種の電気信号に変換される。

もう一つのスリットグループの例としては、図６（ｂ）のように各スリットグループを長手方向に並べて配置する方法もある。この方法でも、４つのスリットグループから互いに９０度の位相差を持つ変位信号が得られるように配置されている。

ここで、メインスケール３上になんらかの汚れ等がある場合を想定する。図７（ａ）はメインスケール３上に汚れが付着した場合を表している。このようなメインスケール３がインデックススケールと対向した状態で相対移動すると、メインスケール３上の汚れが対向したスリットグループを透過する光束が邪魔されて変位信号が乱れる。例えば、図６（ａ）のようにスリットグループが配置されたインデックススケールに、図７（ａ）のように汚れた領域（図中、ハッチングした領域）があるメインスケール３が対向した場合を図８（ａ）に示す。図８では、簡単のために、メインスケール３自体は図示せず、汚れだけを図示している。

メインスケール３が図で左から右に移動するならば、汚れは、まずスリットグループＧａに対向して変位信号Ｓａを大幅に減衰させる。次に、スリットグループＧｂ／に対向しての変位信号Ｓｂ／を大幅に減衰させる。このように、それぞれの変位信号を減衰させるため、先に述べたように各変位信号のオフセット成分や振幅がばらばらに変動して、大きな内挿誤差を招く。

また、図６（ｂ）のように、スリットグループが配置されたインデックススケールの場合、図８（ｂ）に示すように、汚れは、まずスリットグループＧａに対向して変位信号Ｓａを大幅に減衰させる。そして、次に、Ｇｂ、Ｇａ／、Ｇｂ／の順に各スリットグループに対向して、それぞれの変位信号を大幅に減衰させる。そのため、図６（ａ）のインデックススケールと同じように大きな内挿誤差を招く。

内挿誤差を招く別の例として、メインスケールの接合部によるものがある。メインスケールは通常ガラス基材からなる。したがって、材料の制約から、分割せずに１つの基材から形成できる長さは２〜３ｍ程度である。そのため、長いストロークの位置検出が必要な場合、複数の基材を接続して１つのメインスケールを構成する必要がある。この場合、メインスケールの長手方向に垂直に接合面を設ける必要がある。図７（ｂ）は、複数の基材を接合して形成したメインスケールを表した図である。メインスケール上の接合領域（図中、ハッチングした領域）においてスリットが欠損している。

このようなメインスケールがインデックススケールと対向した状態で相対移動すると、メインスケールの接合部が対向したスリットグループを透過する光束が邪魔されて変位信号が乱れる。例えば、図６（ａ）のようにスリットグループが配置されたインデックススケールの場合、メインスケールが図で左から右に移動するならば、接合部は、まずＧａとＧｂのスリットグループに対向してＳａとＳｂの変位信号を減衰させる。次に、Ｇａ／とＧｂ／のスリットグループに対向してＳａ／とＳｂ／の変位信号を減衰させる。このように、それぞれの変位信号を減衰させるため、先に述べたように各変位信号のオフセット成分や振幅がばらばらに変動して、大きな内挿誤差を招く。

また、図６（ｂ）のように、スリットグループが配置されたインデックススケールの場合、接合部、まずＧａのスリットグループに対向してＳａの変位信号を減衰させる。そして、次に、Ｇｂ、Ｇａ／、Ｇｂ／の順に各スリットグループに対向して、それぞれの変位信号を減衰させる。そのため、同じように内挿誤差を招く。

さらに、特許文献３のように、汚れによる誤差を平均化するために、ある信号を得るための受光部を複数個設ける技術も開示されている。しかしながら、上記のようにスケールの接合面のようなスリットの欠損に対しては、誤差を平均化する効果は充分得られない。また、部分的な汚れに対しても効果は十分でない。

このように従来のスリットグループ配置では、メインスケール上の汚れや接合部の影響を受けて内挿誤差が発生しやすいという欠点があった。

特許第２５３９２６９号 特開平６−１３７８９９ 国際公開第０１／０３１２９２号パンフレット

解決しようとする問題点は、メインスケール上の汚れた領域やメインスケールの接合領域が、受光素子５で発生する４種の変位信号に対してばらばらに影響を与えて、内挿精度を悪化させる点である。

本発明は、メインスケール上の汚れた領域や、メインスケールの接合領域の影響が、全ての変位信号に対してほぼ同等に影響するように、スリットグループを配置することを最も主要な特徴とする。

より具体的には、光源と、移動方向に沿ってスリットと非透過部とが繰り返される第１の格子が形成されたメインスケールと、それぞれ複数のスリットを含む４Ｎ個（ただし、Ｎは２以上の整数）のスリットグループが前記移動方向に沿った行及び前記移動方向に交差する列に形成された第２格子と、受光素子と、を備え、受光素子から出力される互いに異なる位相を持つ４種の周期的な変位信号からメインスケールの相対変位を検出する光学式エンコーダにおいて、前記第２格子は、４種の変位信号に対応するスリットグループをそれぞれ同数含み、スリットグループの各列に４種の変位信号に対応するスリットグループを同数ずつ含み、任意の２行×２列に配置された４つのスリットグループに４種の変位信号に対応するスリットグループを１個ずつ含むことを特徴とする。

ここで、前記第２格子は、透明基板上に形成された非透過膜を部分的に取り去って設けられた透過型格子とすることができる。また、前記第２格子は、前記受光素子上に形成された非透過膜を部分的に取り去って設けられた透過型格子とすることができる。

さらに、各スリットグループに属する複数のスリットは、変位信号に含まれる奇数次高調波のうち１つ以上を相殺するように配置することが好ましい。

また、光源と、移動方向に沿ってスリットと非透過部とが繰り返される第１の格子が形成されたメインスケールと、それぞれ複数のスリット状の受光領域を含む４Ｎ個（ただし、Ｎは２以上の整数）の受光領域のグループが前記移動方向に沿った行及び前記移動方向に交差する列に形成された受光素子と、を備え、受光素子から出力される互いに異なる位相を持つ４種の周期的な変位信号からメインスケールの相対変位を検出する光学式エンコーダにおいて、前記受光素子は、４種の変位信号に対応する受光領域のグループをそれぞれ同数含み、受光領域のグループの各列に４種の変位信号に対応する受光領域のグループを同数ずつ含み、任意の２行×２列に配置された４つの受光領域のグループに４種の変位信号に対応する受光領域のグループを１個ずつ含むことを特徴とする。

ここで、各受光領域のグループに属する複数の受光領域は、変位信号に含まれる奇数次高調波のうち１つ以上を相殺するように配置することが好ましい。

本発明によれば、部品点数を増やすことなく、メインスケール上の汚れた領域や接合領域による変位信号への影響が平均化され、内挿誤差を低減できる利点がある。

図１（ａ）に、本発明の光学式エンコーダに用いられるインデックススケールの例を示す。インデックススケール上には光学格子（第２格子）が成形されている。本実施例では、１６個のスリットグループが縦４列、横４列のマトリックス状に配置されている。それぞれのスリットグループには、従来例と同様に複数本のスリットが含まれている。そして、スリットグループＧａ１、Ｇａ２、Ｇａ３、Ｇａ４のそれぞれからは同じ位相の変位信号が得られるようにスリットが配置されている。

図１（ｂ）は、インデックススケールの後段に配置される受光素子を示す図である。受光素子上には、各スリットグループに対応する受光面が１６個形成されており、それぞれの受光面に入射した光が光電変換されて変位信号となる。図１（ｂ）の受光面に付した符号Ｓａ１、Ｓａ２、Ｓａ３、Ｓａ４・・・は、それぞれの受光面から得られる変位信号を表している。ここで、例えば、Ｓａ１、Ｓａ２、Ｓａ３、Ｓａ４を合計したものが、従来例の変位信号Ｓａに相当し、Ｓｂ／１、Ｓｂ／２、Ｓｂ／３、Ｓｂ／４を合計したものが、従来例の変位信号Ｓｂ／に相当する。

同様にスリットグループＧｂ１、Ｇｂ２，Ｇｂ３、Ｇｂ４から得られる変位信号も同位相である。ただし、Ｇａ１〜Ｇａ４から得られる変位信号を基準にすると、Ｇｂ１〜Ｇｂ４から得られる変位信号は９０度の位相差を持つ。また、Ｇａ／１〜Ｇａ／４から得られる変位信号やＧｂ／１〜Ｇｂ／４から得られる変位信号は、それぞれ１８０度、２７０度の位相差を持つ。すなわち、異なった符号（ａやａ／）が付されたスリットグループからは、互いに異なった位相の変位信号が得られ、同じ符号が付されたスリットグループからは、異なった数字が付されていても同じ位相の変位信号が得られるようになっている。

図１に示したスリットグループの配置について説明する。以下、スリットグループの横の並びを「行」、スリットグループの縦の並びを「列」と呼ぶ。本実施例の４行×４列のスリットグループの配置は、３つの規則を満足するようになっている。第１に、ａ、ｂ、ａ／、ｂ／に対応する４種のスリットグループが４つずつ均等な数だけ入っていること、第２に、どの列に着目しても、ａ、ｂ、ａ／、ｂ／に対応する４種のスリットグループが全て入っていること、そして、第３に、どの部分の２行２列、つまり「田」型の４つのスリットグループに着目しても４種のスリットグループが全て入っていることである。

このように配置されたスリットグループを使った光学式エンコーダで、例えばメインスケール３上に図７（ａ）のような汚れた領域が存在している場合、インデックススケールと対向して相対移動すると図２（ａ）のように汚れた領域の位置が移動していく。汚れた部分に対向したスリットグループは、光が遮られて、得られる変位信号のオフセット成分や振幅を減衰させる。しかしながら、従来技術と異なり、１つのスリットグループだけが影響されるのでなく、４つのスリットグループが影響される。

また、前述のように、インデックススケール上のどの部分に着目しても、ａ、ｂ、ａ／、ｂ／の４種のスリットグループが接近して配置されているので、どこに汚れが位置しても、４つのスリットグループが同じように影響を受ける確率が高くなる。

すなわち、４種の変位信号を表す式（Ｓａ＝Ｋ＋Ｍ・ｓｉｎＸ、Ｓｂ＝Ｋ＋Ｍ・ｃｏｓＸ、Ｓａ／＝Ｋ−Ｍ・ｓｉｎＸ、Ｓｂ／＝Ｋ−Ｍ・ｃｏｓＸ）において、オフセット成分Ｋが各信号同じ割合で増減したとしても、オフセット成分ＫはＳａとＳａ／との差動、そして、ＳｂとＳｂ／との差動によって相殺される。また、振幅Ｍが各信号同じ割合増減したとしても、最終的には位置の計算は、２Ｍ・ｓｉｎＸ／２Ｍ・ｃｏｓＸという比に基づいて計算されるので、計算結果には影響は及ばない。現実的には、全く同じ割合で増減はしないが、従来に比べて内挿誤差は大幅に軽減される。

さらに、メインスケール３上に、図７（ｂ）のような接合領域があった場合、インデックススケールと対向して相対移動すると図２（ｂ）のように接合領域の位置が移動する。接合領域に対向したスリットグループは、光が遮られて、得られる変位信号のオフセット成分や振幅を減衰させる。しかしながら、スリットグループのどの列にも必ず４種の信号に対応するスリットグループが存在するので、従来技術のように１つのスリットグループだけが影響されるのでなく、４種のスリットグループが同じように影響される。従って、内挿誤差は大幅に軽減される。

本実施例では、４行×４列のマトリックス状の１６個のスリットグループが形成されたインデックススケールの例を説明したが、８行×８列のマトリックス状や、さらに多くのスリットグループが形成されたインデックススケールでも、前述の３つの規則を満足していれば適用可能である。より多くのスリットグループを形成した方が、様々な形状や大きさの汚れに対して、より強い平均化効果を得ることができて効果的である。

また、本実施例では、光源部分からの光束がメインスケール上のスリットを透過して受光部へ入射する態様であるいわゆる透過型の光学系について説明したが、メインスケール上の非透過部は反射率の高い金属膜で形成されていることから、透過部と非透過部の繰り返しは、すなわち、非反射部と反射部の繰り返しとしてもよい。したがって、メインスケールの主面に対して、光源と同じ側に受光部を設置する態様であるいわゆる反射型の光学系を構成することも可能である。以下の実施例に関しても同様に、反射型の光学系にも適用可能である。

図３に、本発明の第２の実施例の構成を示す。本実施例では、インデックススケールを設けず、インデックススケール上にあったスリットを受光素子１０５上に直接形成している。具体的な構成例としては、図１（ｂ）のように受光面が形成された受光素子１０５の主面上に、まず、透明な絶縁膜が形成される。その上に、金属膜が蒸着やスパッタリング等の方法によって形成される。そして、その金属膜が、エッチングによって部分的に取り除かれ、図１（ａ）と同じようなスリットグループが形成される。

第２の実施例ではインデックススケールと受光素子が一体に形成されるため、第１の実施例に比較して光学系が小型に構成できる。また、第１の実施例で必要であったインデックススケールと受光素子の位置合わせ、すなわち、インデックススケール上のスリットグループを透過した光が受光素子上の対応する受光面に確実に入射するようにインデックススケールの位置を調整して固定する作業が不要となる。第２の実施例の場合、受光面とスリットグループとの位置合わせは、半導体プロセスの中で行われるため高精度に行うことができる。特に、より平均化効果を高めるためにスリットグループの数を増やすと、ひとつひとつのスリットグループが小さくなるため、より位置合わせの精度を高くする必要がある。したがって、スリットグループの数を増した場合に本実施例の効果は顕著となる。

本発明の第３の実施例は、受光素子上の受光面をスリット形状に形成する方法である。受光素子を製作する際に、受光感度のある受光面自体を、図１（ａ）のようなスリット形状に形成する。そして、例えば、Ｇａ１に相当するスリット形状の受光面を全て、導電パターンで接続する。これによって、第２の実施例と等価の信号を得ることができる。本実施例によれば、第２の実施例で必要であった金属膜の形成工程や金属膜のエッチング工程をなくすることができる。

次に、上述したインデックススケール、あるいは、受光素子に形成されたスリットグループの詳細について説明する。単純な例としては、図４（ａ）に示すように、ひとつのスリットグループに複数のスリットが属しており、メインスケール上のスリット列と同じ周期Ｐで複数のスリットが配置されている。このように配置されることによって、メインスケール上のスリット列とスリットグループのスリット列との対向関係によって透過する光の量が変わり、メインスケールの相対変位によって、従来技術の項で説明したように、ほぼ正弦波上の変位信号が得られる。

しかしながら、厳密には変位信号には信号周期の１／２や１／３の周期を持った高調波成分が含まれている。高調波成分が含まれていると内挿誤差が大きくなる。また、高調波成分は、メインスケールとインデックススケールとの間隙距離や、スリット製作時の誤差によっても変動するため、内挿計算上の単純な補正によって取り去ることは困難である。

第４の実施例では、スリットグループ内における複数のスリットの配置によって、上記高調波を取り除く方法を提案する。図４（ｂ）はそのスリット配置の一例である。ここでは、３次高調波と５次高調波を取り去るスリット配置の例を示している。スリットＳＬ１とＳＬ２、ＳＬ３とＳＬ４、ＳＬ５とＳＬ６、ＳＬ７とＳＬ８は、メインスケールのスリット周期ＰからＰ／６だけずれた間隔に配置されている。このずれによって、Ｐ／３の周期を持つ３次高調波は互いに打ち消し合って消去される。

また、ＳＬ１とＳＬ２のペアと、ＳＬ３とＳＬ４のペアとは、メインスケールのスリット周期Ｐの整数倍の距離からＰ／１０だけずれた間隔に配置されている。同様にＳＬ５とＳＬ６のペア、及び、ＳＬ７とＳＬ８のペアもスリット周期Ｐの整数倍の距離からＰ／１０だけずれた間隔に配置されている。このずれによって、Ｐ／５の周期を持つ５次高調波は互いに打ち消し合って消去される。

このように、変位信号から３次高調波と５次高調波が消去されて歪みの少ない正弦波を得ることができる。同様な方法で、７次高調波等、さらに高次の高調波も消去可能である。また、２次高調波など偶数次の高調波成分については、内挿分割方法で説明した１８０度位相の異なる変位信号、例えばＳａとＳａ／、ＳｂとＳｂ／を減算することによって、打ち消し合って消去される。第４の実施例で説明したスリット配置をそれぞれのスリットグループに適用することで、内挿誤差の小さい、高精度な位置検出が可能である。

この発明は、メインスケールを円板状に形成することで回転角度を検出するロータリエンコーダにも適用可能であるし、また、実施例では透過型のメインスケールによる透過型エンコーダ光学系を説明したが、反射型のメインスケールを使った反射型エンコーダにも適用可能である。

インデックススケール上のスリットグループの数を増やして、本発明の規則に基づいてマトリックス状に配置することによって、メインスケール上の汚れや、メインスケールの接合部に起因する内挿誤差の発生を大幅に低減することができる。

本発明の第１の実施例におけるインデックススケールと受光素子とを説明する図である。 本発明の第１の実施例におけるインデックススケールの作用を説明する図である 本発明の第２及び第３の実施例における光学系を説明する図である。 本発明の第４の実施例におけるスリットグループを説明する図である。 従来技術における光学系を説明する図である。 従来技術におけるインデックススケールを説明する図である。 メインスケールの説明図である。 従来技術によるインデックススケールの作用を説明する図である。

符号の説明

１ 発光素子、２ コリメータレンズ、３ メインスケール、４ インデックススケール、５，１０５ 受光素子。

Claims (6)

1. 光源と、移動方向に沿ってスリットと非透過部とが繰り返される第１の格子が形成されたメインスケールと、それぞれ複数のスリットを含む４Ｎ個（ただし、Ｎは２以上の整数）のスリットグループが前記移動方向に沿った行及び前記移動方向に交差する列に形成された第２格子と、受光素子と、を備え、受光素子から出力される互いに異なる位相を持つ４種の周期的な変位信号からメインスケールの相対変位を検出する光学式エンコーダにおいて、
   前記第２格子は、
   ４種の変位信号に対応するスリットグループをそれぞれ同数含み、
   スリットグループの各列に４種の変位信号に対応するスリットグループを同数ずつ含み、
   任意の２行×２列に配置された４つのスリットグループに４種の変位信号に対応するスリットグループを１個ずつ含むことを特徴とする光学式エンコーダ。
2. 前記第２格子は、透明基板上に形成された非透過膜を部分的に取り去って設けられた透過型格子であることを特徴とする請求項１に記載の光学式エンコーダ。
3. 前記第２格子は、前記受光素子上に形成された非透過膜を部分的に取り去って設けられた透過型格子であることを特徴とする請求項１に記載の光学式エンコーダ。
4. 各スリットグループに属する複数のスリットは、変位信号に含まれる奇数次高調波のうち１つ以上を相殺するように配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の光学式エンコーダ。
5. 光源と、移動方向に沿ってスリットと非透過部とが繰り返される第１の格子が形成されたメインスケールと、それぞれ複数のスリット状の受光領域を含む４Ｎ個（ただし、Ｎは２以上の整数）の受光領域のグループが前記移動方向に沿った行及び前記移動方向に交差する列に形成された受光素子と、を備え、受光素子から出力される互いに異なる位相を持つ４種の周期的な変位信号からメインスケールの相対変位を検出する光学式エンコーダにおいて、
   前記受光素子は、
   ４種の変位信号に対応する受光領域のグループをそれぞれ同数含み、
   受光領域のグループの各列に４種の変位信号に対応する受光領域のグループを同数ずつ含み、
   任意の２行×２列に配置された４つの受光領域のグループに４種の変位信号に対応する受光領域のグループを１個ずつ含むことを特徴とする光学式エンコーダ。
6. 各受光領域のグループに属する複数の受光領域は、変位信号に含まれる奇数次高調波のうち１つ以上を相殺するように配置されていることを特徴とする請求項５に記載の光学式エンコーダ。

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