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技術 エンコーダ

出願人 株式会社ミツトヨ
発明者 木村彰秀
出願日 2015年12月22日 (4年11ヶ月経過) 出願番号 2015-249275
公開日 2017年6月29日 (3年4ヶ月経過) 公開番号 2017-116307
状態 特許登録済
技術分野 光学的変換
主要キーワード 他パターン 絶対データ インクリメンタル位置 原点パルス信号 M系列 測定スケール 光強度振幅 スケール位置
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2017年6月29日)のものです。
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図面 (9)

課題

解決手段

スケール1は、測定方向に所定のピッチで配列された複数のパターンが設けられた第1のパターン領域11及び第2のパターン領域12を有し、第1のパターン領域11及び第2のパターン領域12は測定方向に所定のピッチの1/(2×s)だけオフセットして配置されている。検出ヘッド2は、スケール1により回折された+s次回折光及び−s次回折光による干渉縞を検出する。信号処理部3は、干渉縞の光強度分布に現れる所定の値よりも光強度が低い位置に基づいて原点位置を検出し、それ以外の位置に現れる干渉縞に基づいてインクリメンタル位置を検出する。検出ヘッド2は、光源4、受光素子61に照射される光の検出結果を信号処理部3へ出力する検出部6、+s次回折光及び−s次回折光を検出部6に結像させる光学系5を有する。

概要

背景

現在、移動量を測定する装置の一つとして、光学式リニアエンコーダがある。光学式リニアエンコーダは、スケールとスケールに沿って移動する検出ヘッドとを有する。スケールには、例えば、原点位置を検出するためのアブソリュートパターンと、スケールと検出ヘッドとの間の相対的な移動量を検出するためのインクリメンタルパターンとが設けられる。光学式リニアエンコーダは、スケール上のアブソリュートパターンの検出結果である原点信号により原点位置を決定する。そして、原点位置を基準として上記の移動量を考慮することで、スケールと検出ヘッドとの間の位置関係を検出することができる。

また、インクリメンタルパターンとアブソリュートパターンとを1つのスケールトラック統合したシングルトラックアブソリュートエンコーダが知られている。このような シングルトラック型アブソリュートエンコーダとして、増分トラック(インクリメンタルパターン)と絶対トラック(アブソリュートパターン)とが一連ストライプ状に形成され、絶対トラックが疑ランダム分布している(特許文献1)。これにより、絶対トラックに対応する信号の組み合わせを検出することで、絶対位置を検出する。

また、光反射ラインで構成されたインクリメンタルスケール(インクリメンタルパターン)において、光反射ラインを除去することで分散コードワード形態の絶対データ(アブソリュートパターン)が形成されているアブソリュート位置測定方法が提案されている。(特許文献2)。

更に、2方向においてスケールに対する読み取り装置の絶対値を決める測定スケールが提案されている(特許文献3)。この測定スケールでは、2方向の位置を検出するため、チェック柄のパターンがスケール上に形成され、パターンブロックが画像化されて解読される。このブロックには絶対位置を規定する情報のビットが含まれており、かつ、このパターンは増分の測定にも使用される。

概要

スケールの微細化が可能なシングルトラック型アブソリュートエンコーダを提供すること。スケール1は、測定方向に所定のピッチで配列された複数のパターンが設けられた第1のパターン領域11及び第2のパターン領域12を有し、第1のパターン領域11及び第2のパターン領域12は測定方向に所定のピッチの1/(2×s)だけオフセットして配置されている。検出ヘッド2は、スケール1により回折された+s次回折光及び−s次回折光による干渉縞を検出する。信号処理部3は、干渉縞の光強度分布に現れる所定の値よりも光強度が低い位置に基づいて原点位置を検出し、それ以外の位置に現れる干渉縞に基づいてインクリメンタル位置を検出する。検出ヘッド2は、光源4、受光素子61に照射される光の検出結果を信号処理部3へ出力する検出部6、+s次回折光及び−s次回折光を検出部6に結像させる光学系5を有する。

目的

本発明は、上記の事情に鑑みて成されたものであり、本発明の目的は、スケールの微細化が可能なシングルトラック型アブソリュートエンコーダを提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

測定方向に所定のピッチで配列された複数のパターンが設けられた複数のパターン領域を有し、前記複数のパターン領域の少なくとも1つのパターン領域は、前記測定方向で隣接するパターン領域に対して前記測定方向に前記所定のピッチの1/(2×s)(ただし、sは1以上の整数)だけオフセットして配置されているスケールと、前記スケールに対して前記測定方向に相対的に移動可能であり、前記スケールにより回折された+s次回折光及び−s次回折光による干渉縞を検出し、検出結果を出力する検出ヘッドと、前記干渉縞の光強度分布に現れる所定の値よりも光強度が低い位置に基づいて原点位置を検出し、前記所定の値よりも光強度が低い位置以外に現れる干渉縞に基づいてインクリメンタル位置を検出する信号処理部と、を備え、前記検出ヘッドは、前記スケールに光を照射する光源と、前記測定方向に複数の受光素子が配列され、前記複数の受光素子に照射される光の検出結果を前記信号処理部へ出力する検出部と、前記スケールと前記検出部との間に配置され、前記光が前記スケールに照射されることで生じた+s次回折光及び−s次回折光を前記検出部に結像させる光学系と、を備える、エンコーダ

請求項2

前記光学系は、鏡面が前記測定方向と垂直であり、前記+s次回折光を前記検出部へ向けて反射する第1のミラーと、鏡面が前記測定方向と垂直、かつ、前記鏡面が前記第1のミラーと向き合うように配置され、前記−s次回折光を前記検出部へ向けて反射する第2のミラーと、を備え、前記第1のミラー及び前記第2のミラーは、前記+s次回折光及び前記−s次回折光を前記検出部に結像させる位置に配置される、請求項1に記載のエンコーダ。

請求項3

前記光学系は、2以上のレンズからなる両テレセントリック光学系として構成される、請求項1に記載のエンコーダ。

請求項4

前記光学系は、前記+s次回折光及び前記−s次回折光を前記検出部に結像させる回折格子で構成される、請求項1に記載のエンコーダ。

請求項5

前記複数のパターン領域は、2つの隣接するパターン領域の一方又は両方がオフセットすることで生じる継ぎ目が複数になるように配置される、請求項1乃至4のいずれか一項に記載のエンコーダ。

請求項6

前記継ぎ目は、ランダム又は疑ランダムに配置される、請求項5に記載のエンコーダ。

請求項7

前記継ぎ目は、M系列符号に則って配置される、請求項6に記載のエンコーダ。

技術分野

0001

本発明は、エンコーダに関し、具体的には、光学式のエンコーダに関する。

背景技術

0002

現在、移動量を測定する装置の一つとして、光学式リニアエンコーダがある。光学式リニアエンコーダは、スケールとスケールに沿って移動する検出ヘッドとを有する。スケールには、例えば、原点位置を検出するためのアブソリュートパターンと、スケールと検出ヘッドとの間の相対的な移動量を検出するためのインクリメンタルパターンとが設けられる。光学式リニアエンコーダは、スケール上のアブソリュートパターンの検出結果である原点信号により原点位置を決定する。そして、原点位置を基準として上記の移動量を考慮することで、スケールと検出ヘッドとの間の位置関係を検出することができる。

0003

また、インクリメンタルパターンとアブソリュートパターンとを1つのスケールトラック統合したシングルトラックアブソリュートエンコーダが知られている。このような シングルトラック型アブソリュートエンコーダとして、増分トラック(インクリメンタルパターン)と絶対トラック(アブソリュートパターン)とが一連ストライプ状に形成され、絶対トラックが疑ランダム分布している(特許文献1)。これにより、絶対トラックに対応する信号の組み合わせを検出することで、絶対位置を検出する。

0004

また、光反射ラインで構成されたインクリメンタルスケール(インクリメンタルパターン)において、光反射ラインを除去することで分散コードワード形態の絶対データ(アブソリュートパターン)が形成されているアブソリュート位置測定方法が提案されている。(特許文献2)。

0005

更に、2方向においてスケールに対する読み取り装置の絶対値を決める測定スケールが提案されている(特許文献3)。この測定スケールでは、2方向の位置を検出するため、チェック柄のパターンがスケール上に形成され、パターンブロックが画像化されて解読される。このブロックには絶対位置を規定する情報のビットが含まれており、かつ、このパターンは増分の測定にも使用される。

先行技術

0006

特開平5−71984号公報
特表2004−529344号公報
特開2001−194187号公報

発明が解決しようとする課題

0007

上述のシングルトラック型アブソリュートエンコーダによれば絶対位置を検出できるが、エンコーダを高精度化するにはスケールのピッチを短くする必要が有る。しかし、光学式、磁気式及び静電容量式いずれの方式のシングルトラック型アブソリュートエンコーダにおいて、スケールピッチ微細化したとしても、検出原理に起因する限界により、スケールを読み取ることができなくなる。

0008

本発明は、上記の事情に鑑みて成されたものであり、本発明の目的は、スケールの微細化が可能なシングルトラック型アブソリュートエンコーダを提供することである。

課題を解決するための手段

0009

本発明の第1の態様であるエンコーダは、
測定方向に所定のピッチで配列された複数のパターンが設けられた複数のパターン領域を有し、前記複数のパターン領域の少なくとも1つのパターン領域は、前記測定方向で隣接するパターン領域に対して前記測定方向に前記所定のピッチの1/(2×s)(ただし、sは1以上の整数)だけオフセットして配置されているスケールと、
前記スケールに対して前記測定方向に相対的に移動可能であり、前記スケールにより回折された+s次回折光及び−s次回折光による干渉縞を検出し、検出結果を出力する検出ヘッドと、
前記干渉縞の光強度分布に現れる所定の値よりも光強度が低い位置に基づいて原点位置を検出し、前記所定の値よりも光強度が低い位置以外に現れる干渉縞に基づいてインクリメンタル位置を検出する信号処理部と、を備え、
前記検出ヘッドは、
前記スケールに光を照射する光源と、
前記測定方向に複数の受光素子が配列され、前記複数の受光素子に照射される光の検出結果を前記信号処理部へ出力する検出部と、
前記スケールと前記検出部との間に配置され、前記光が前記スケールに照射されることで生じた+s次回折光及び−s次回折光を前記検出部に結像させる光学系と、を備える、ものである。

0010

本発明の第2の態様であるエンコーダは、上記のエンコーダにおいて、
前記光学系は、
鏡面が前記測定方向と垂直であり、前記+s次回折光を前記検出部へ向けて反射する第1のミラーと、
鏡面が前記測定方向と垂直、かつ、前記鏡面が前記第1のミラーと向き合うように配置され、前記−s次回折光を前記検出部へ向けて反射する第2のミラーと、を備え、
前記第1のミラー及び前記第2のミラーは、前記+s次回折光及び前記−s次回折光を前記検出部に結像させる位置に配置される、ことが望ましい。

0011

本発明の第3の態様であるエンコーダは、上記のエンコーダにおいて、
前記光学系は、2以上のレンズからなる両テレセントリック光学系として構成される、ことが望ましい。

0012

本発明の第4の態様であるエンコーダは、上記のエンコーダにおいて、
前記光学系は、前記+s次回折光及び前記−s次回折光を前記検出部に結像させる回折格子で構成される、ことが望ましい。

0013

本発明の第5の態様であるエンコーダは、上記のエンコーダにおいて、
前記複数のパターン領域は、2つの隣接するパターン領域の一方又は両方がオフセットすることで生じる継ぎ目が複数になるように配置される、ことが望ましい。

0014

本発明の第6の態様であるエンコーダは、上記のエンコーダにおいて、
前記継ぎ目は、ランダム又は疑ランダムに配置される、ことが望ましい。

0015

本発明の第7の態様であるエンコーダは、上記のエンコーダにおいて、
前記継ぎ目は、M系列符号に則って配置される、ことが望ましい。

発明の効果

0016

本発明によれば、スケールの微細化が可能なシングルトラック型アブソリュートエンコーダを提供することができる。

0017

本発明の上述及び他の目的、特徴、及び長所は以下の詳細な説明及び付随する図面からより完全に理解されるだろう。付随する図面は図解のためだけに示されたものであり、本発明を制限するためのものではない。

図面の簡単な説明

0018

実施の形態1にかかる光学式エンコーダ概略構成を示す斜視図である。
実施の形態1にかかる光学式エンコーダの構成を示す斜視図である。
実施の形態1にかかるスケールの構成を模式的に示す上面図である。
実施の形態1にかかる光学式エンコーダでの回折光干渉と干渉縞の光強度分布とを示す図である。
実施の形態2かかる光学式エンコーダの概略構成を示す斜視図である。
実施の形態2にかかるスケールの構成を模式的に示す上面図である。
実施の形態3にかかる光学式エンコーダ300の概略構成を示す図である。
実施の形態4にかかる光学式エンコーダ400の概略構成を示す図である。

実施例

0019

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。各図面においては、同一要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略される。以下の実施の形態にかかるエンコーダは、格子パターンからの光を検出して位置を算出する光学式エンコーダとして構成される。

0020

実施の形態1
本発明の実施の形態1にかかる光学式エンコーダについて説明する。図1は、実施の形態1にかかる光学式エンコーダ100の概略構成を示す斜視図である。図1に示すように、光学式エンコーダ100は、スケール1、検出ヘッド2及び信号処理部3を有する。スケール1と検出ヘッド2とは、スケール1の長手方向である測定方向(図1のX軸方向)に沿って相対的に移動が可能なように構成される。スケール1は、位置検出に用いるパターンが設けられ、パターンに光が照射されることで干渉光が生じる。検出ヘッド2は、干渉光の測定方向の変化を検出し、検出結果を示す電気信号図1検出信号DET)を信号処理部3に出力する。信号処理部3は、受け取った電気信号を信号処理することで、スケール1と検出ヘッド2との間の位置関係を検出することができる。

0021

なお、以下では、測長方向(図1のX軸方向)に対して垂直、かつ、スケール1の幅を示す方向をY軸とする。すなわち、スケール1の主面は、X−Y平面となる。また、スケール1の主面(X−Y平面)に垂直、すなわちX軸及びY軸に垂直な方向をZ軸とする。また、以下で参照する斜視図では、紙面下手前から右上奥へ向かう方向を、X軸の正方向とする。紙面右下手前から左上奥へ向かう方向を、Y軸の正方向とする。紙面下側から上側へ向かう方向を、Z軸の正方向とする。

0022

光学式エンコーダ100について、より詳細に説明する。図2は、実施の形態1にかかる光学式エンコーダ100の構成を示す斜視図である。図2に示すように、検出ヘッド2は、光源4、検出部6及び光学系5を有する。上述のように、スケール1と検出ヘッド2とは、測定方向(図2のX軸方向)に相対的に移動可能に構成される。

0023

図3は、実施の形態1にかかるスケール1の構成を模式的に示す上面図である。スケール1は、図2のZ軸に垂直な面(X−Y平面)を主面とし、X軸方向を長手方向とする板状の部材である。スケール1は、光源4からの平行光が主面(X−Y平面)に垂直に入射する位置に配置される。図2では、スケール1は、光源4に対してZ軸の負方向側に配置される。

0024

スケール1を構成する板状部材には、パターン10が形成される。パターン10では、図2及び3のY軸を長手方向とする格子状の光透過部が、X軸方向に並んで複数配置される。

0025

パターン10は、X軸方向に配列された第1のパターン領域11及び第2のパターン領域12を有する。第1のパターン領域11及び第2のパターン領域12は、図2のY軸を長手方向とする格子状の光透過部が、X軸方向に並んで複数配置される。つまり、第1のパターン領域11では、光透過部11Aと不透過部11Bとが、X軸方向に交互に、かつ、ピッチgにて繰り返して配置される。第2のパターン領域12では、光透過部12Aと不透過部12Bとが、X軸方向に交互に、かつ、ピッチgにて繰り返して配置される。

0026

本実施の形態においては、第1のパターン領域11と第2のパターン領域12とは、検出部6で検出される回折光の次数をs(sは、1以上の整数)とすると、X軸方向にピッチgの1/(2×s)(すなわち、ΔX=g/(2×s)だけ、換言すれば、位相にして180/s[°](π/s[rad])だけオフセットして配置される。

0027

なお、ここでいう「オフセット」とは、第1のパターン領域11を基準として第2のパターン領域12がΔXだけオフセットしている場合、第2のパターン領域12を基準として第1のパターン領域11がΔXだけオフセットしている場合、及び、スケール1を基準として、第1のパターン領域11と第2のパターン領域12とが互いにオフセットすることで、両者のオフセットの加算値がΔXとなる場合を包括的に含むものである。これは、第1のパターン領域11と第2のパターン領域12とに限られるものではなく、パターン領域が複数(3つ以上を含む)存在する場合に、測定方向(X軸方向)で隣接する2つのパターン領域についても同様である。換言すれば、複数(3つ以上を含む)のパターン領域のうち、少なくとも1つのパターン領域が測定方向(X軸方向)にオフセットしていればよいことを意味する。

0028

スケール1は、ガラスで構成されることが望ましい。この場合、例えば、ガラスに蒸着された金属膜で不透過部が形成され、金属膜が存在しない領域が光透過部となる。但し、光を透過する格子状の光透過部と、光を透過しない不透過部を構成できる材料であれば、いずれもスケール1を構成する材料として用いることができる。

0029

図2を参照して、検出ヘッド2の構成について説明する。まず、光源4について説明する。光源4は、平行光CLを出力する光源である。光源4は、例えば、光源素子及びコリメータを有する。光源が出力した光は、コリメータでコリメートされることで平行光CLとなる。光源素子としては、例えば、LED(Light Emitting Diode:発光ダイオード)、半導体レーザ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)などを用いることができる。また、コリメータとしては、レンズ光学系などの様々なコリメート手段を用いることができる。

0030

光学系5について説明する。光学系5は、スケール1を通過した+s(sは、1以上の整数)次回折光および−s次回折光を検出部6の受光面に結像させる結像光学系として構成される。なお、光学系5は、以下で説明する検出部6が検出対象とする回折光の次数に応じて、+s次回折光及び−s次回折光のうちで検出対象となるものを検出部6の受光面に結像させる結像光学系として構成される。本実施の形態では、光学系5は、第1のミラー51と第2のミラー52とで構成される。第1のミラー51は、鏡面がX(−)方向に向くように設けられ、スケール1を通過した+s次回折光を反射する。第2のミラー52は、鏡面がX(+)方向に向くように設けられ、スケール1を通過した−s次回折光を反射する。これにより、+s次回折光と−s次回折光は、検出部6の受光面に結像される。

0031

なお、本実施の形態では、光学系5は2枚のミラーで構成されるものとして説明したが、これは例示に過ぎない。スケール1を通過した+s次回折光および−s次回折光を検出部6の受光面に結像させることができるのであれば、光学系5はレンズにより構成されてもよいし、回折格子により構成されてもよいし、他の光学素子により構成されてもよいし、又は、異なる種類の光学素子を組み合わせて構成されてもよい。

0032

検出部6について説明する。検出部6は、スケール1を通過して検出部6の受光面に結像する光を検出可能に構成される。検出部6は、パターン10を通過した光を光電変換して得られた電気信号を、信号処理部3へ出力する。検出部6は、例えば、パターン10よりも小さなピッチ(例えば、1/2又は1/4)でX軸方向に複数の受光素子61(例えばフォトダイオード)が配列された受光素子アレイとして構成される。また、検出部6は、受光面積の大きなフォトダイオードの上にパターン10よりも小さなピッチ(例えば、1/2又は1/4)のパターンが形成された格子を配置した構成としてもよい。

0033

次いで、パターン10を透過した光の性質について説明する。図4は、実施の形態1にかかる光学式エンコーダ100での回折光の干渉と干渉縞の光強度分布とを示す図である。図4では、図面の簡略化のため、1組の+s次回折光及び−s次回折光を表示しているが、本発明は2次以上の高次の回折光についても成立するものである。よって、以下では、回折次数一般化した+s(sは、1以上の整数)次回折光及び−s次回折光について説明する。パターン10に入射した平行光CLは、パターン10で回折されて、+s次回折光及び−s次回折光が生じる。

0034

ここで、パターン10の中心、すなわち第1のパターン領域11と第2のパターン領域12との継ぎ目の点を中心点CPとする。第1のパターン領域11の光透過部11Aのうちで最も中心点CPに近いものを光透過部11Cとする。第2のパターン領域12の光透過部12Aのうちで最も中心点CPに近いものを光透過部12Cとする。

0035

スケール1が原点位置に到達すると、第1のパターン領域11の光透過部11Cからの+s次回折光P1と、第2のパターン領域12の光透過部12Cからの+s次回折光P2とは、ミラー51で反射されて検出部6に導かれる。このとき、+s次回折光P1と+s次回折光P2とは、同じ光路長を辿って検出部6に到達する。

0036

第1のパターン領域11の光透過部11Cからの−s次回折光M1と、第2のパターン領域12の光透過部12Cからの−s次回折光M2とは、ミラー52で反射されて検出部6に導かれる。このとき、−s次回折光M1と−s次回折光M2とは、同じ光路長を辿って検出部6に到達する。

0037

上述の通り、第1のパターン領域11と第2のパターン領域12とは、X軸方向にピッチgの1/(2×s)(すなわち、ΔX=g/(2×s))だけ、換言すれば、位相にして180/s[°](π/s[rad])だけオフセットして配置されている。つまり、+s次回折光P1の光路長と+s次回折光P2の光路長とが等しい場合、+s次回折光P1と+s次回折光P2との間には、オフセットに起因する相対的な位相差が生じる。同様に、−s次回折光M1の光路長と−s次回折光M2の光路長とが等しい場合、−s次回折光M1と−s次回折光M2との間には、オフセットに起因する相対的な位相差が生じる。このときの位相差Δθは、以下の式(1)で表される。

0038

式(1)に示すように、検出部6の受光面に到達した+s次回折光P1と+s次回折光P2との間には、π[rad](180[°])の位相差が存在する。そのため、検出部6に到達した+s次回折光P1と+s次回折光P2とは、境界BP近傍で干渉して互いにキャンセルしあう。また、検出部6の受光面に到達した−s次回折光M1と−s次回折光M2との間には、π[rad](180[°])の位相差が存在する。そのため、検出部6に到達した−s次回折光M1と−s次回折光M2とは、境界BM近傍で干渉して互いにキャンセルしあう。その結果、検出部6が検出する光強度Pの分布には、中心点CPに対応する位置に暗部DSが現れる。

0039

例えば、受光素子が出力する電気信号に対する閾値を設けると、信号処理部3は、電気信号の電圧が閾値を下回るタイミングを始期とし、電気信号の電圧が閾値を上回るタイミングを終期とする原点パルス信号を容易に生成することができる。

0040

また、光強度分布においては、暗部DSの両側に第1のパターン領域11及び第2のパターン領域12のピッチgで配置された光透過部に起因して、当然ながら、ピッチg/(2×s)の干渉縞が現れる。この干渉縞のピッチは一定であるので、干渉縞をインクリメンタル信号として用いることができる。

0041

上述の通り、第2のパターン領域12は第1のパターン領域11に対してX軸方向にg/(2×s)だけオフセットしているので、干渉縞にもオフセットが生じる。この場合、第1のパターン領域11により生じる干渉縞IP1と、第2のパターン領域12により生じる干渉縞IP2との間のオフセットは、干渉縞のピッチg/(2×s)と等しくなる。よって、干渉縞IP1と干渉縞IP2とは、結果として同位相となる。換言すれば、インクリメンタル信号には、第1のパターン領域11と第2のパターン領域12とをオフセット配置した影響はないことが理解できる。よって、精度よくインクリメンタル位置検出を行うことができる。

0042

なお、暗部DSのコントラストを高めるためには、光強度振幅が最も大きい+1次回折光及び−1次回折光を用いることが望ましい。以下、好適な実施例として、+1次回折光及び−1次回折光に着目して説明する。この場合、s=1であるので、オフセットΔXはg/2となる。また、+1次回折光と+1次回折光との間、及び、−1次回折光M1と−1次回折光M2との間に生じる位相差は、式(1)に示すようにπ[rad](180[°])となる。よって、上述と同様に、検出部6が検出する光強度Pの分布には、中心点CPに対応する位置に暗部DSが現れる。

0043

また、光強度分布においては、暗部DSの両側に第1のパターン領域11及び第2のパターン領域12のピッチgで配置された光透過部に起因して、当然ながら、ピッチg/2の干渉縞が現れる。よって、同様に、この干渉縞をインクリメンタル信号として用いることができる。

0044

上述の通り、干渉縞IP1と干渉縞IP2との間にもオフセットが生じるが、この場合の干渉縞のオフセットは干渉縞のピッチg/2と等しくなる。よって、干渉縞IP1と干渉縞IP2とは結果として同位相となり、上記と同様に、精度よくインクリメンタル位置検出を行うことができる。

0045

以上、本構成によれば、シングルトラック型アブソリュートエンコーダを実現できることが理解できる。また、本構成では光の回折と干渉を利用するので、スケールにもちいるパターン(すなわち、回折格子)を微細化できる点で、有利である。

0046

実施の形態2
本発明の実施の形態2にかかる光学式エンコーダについて説明する。図5は、実施の形態2にかかる光学式エンコーダ200の概略構成を示す斜視図である。図5に示すように、光学式エンコーダ200は、実施の形態1にかかる光学式エンコーダ100のスケール1をスケール7に置換した構成を有する。

0047

スケール7は、スケール1のパターン10を、パターン20に置換した構成を有する。スケール1のパターン10では、パターンが配置される領域が2つ存在し、2つのパターン領域がX軸方向にオフセットして配置されていた。しかし、パターン20は、3つ以上のパターン領域がX軸方向に配列され、かつ、それぞれ隣接する2つのパターン領域がX軸方向にオフセットして配置される。

0048

図6は、実施の形態2にかかるスケール7の構成を模式的に示す上面図である。図6では、パターン20に4つのパターン領域が設けられる例について説明する。スケール7には、X軸の−側から+側へ向かう方向に、第1〜第4のパターン領域21〜24が順に配置される。

0049

第1〜第4のパターン領域21〜24は、実施の形態1にかかる第1のパターン領域11及び第2のパターン領域12と同様に、図6のY軸を長手方向とする格子状の光透過部が、X軸方向に並んで複数配置される。つまり、第1〜第4のパターン領域21〜24では、それぞれ光透過部21A〜24Aと不透過部21B〜24Bとが、X軸方向に交互に、かつ、ピッチgにて繰り返して配置される。なお、第1〜第4のパターン領域21〜24の光透過部及び不透過部の数は、同一であってもよいし、それぞれ異なっていてもよい。また、一部のパターン領域の光透過部及び不透過部の数が同一で、その他パターン領域の光透過部及び不透過部の数がそれぞれ異なっていてもよい。

0050

この例では、第1のパターン領域21と第1のパターン領域22との間のオフセットをΔX1、第2のパターン領域22と第3のパターン領域23との間のオフセットをΔX2、第3のパターン領域23と第4のパターン領域24との間のオフセットをΔX3とする。オフセットΔX1〜ΔX3は、実施の形態1と同様に、ピッチgの1/(2×s)である。

0051

図6では、説明の簡略化のため、+1次回折光と−1次回折光との干渉縞の光強度分布を示している。上述のように、第1のパターン領域21〜第4のパターン領域24はオフセットして配置されているので、検出部6の受光面における干渉縞の光強度Pは、実施の形態1で説明したのと同様の原理で、パターン領域の継ぎ目に対応する位置に暗部DS1〜DS3が生じることとなる。そして、暗部DS1〜DS3が現れる位置はスケール7の設計と、スケール7から検出部6までの距離で決定できる。信号処理部3は、スケール7のX軸方向への移動と共に移動する暗部DS1〜DS3を検出し、検出した位置を原点として検出することができる。

0052

本実施の形態では、検出部に設ける受光素子の数を多くすることで、各受光素子で原点検出の結果を例えば平均化することで、より正確な原点検出を行うことができる。また、検出部は、面積の大きな受光素子の上に、暗部DS1〜DS3が現れる位置に基づいた距離だけ離隔して設けられた光透過部(スリット)が設けられたパターンを配置して構成することも可能である。この場合、非原点位置での受光素子の受光量を大きくすることができる。そして、原点位置では各光透過部での光強度が低下するので、原点位置と非原点位置との間で受光素子が検出する光の明暗度が拡大される。したがって、原点位置の検出が更に容易となる。

0053

なお、本実施の形態では、パターン20に4つのパターン領域(パターン領域の継ぎ目が3つ)が設けられる例について説明した。しかし、パターン領域は3つ(パターン領域の継ぎ目が2つ)でもよいし、5つ以上(パターン領域の継ぎ目が4つ以上)でもよい。

0054

また、パターン領域の継ぎ目の位置はランダムに配置されてもよく、例えばM系列符号などの疑似ランダム符号に則って配置されてもよい。M系列符号を適用することで、更に原点位置と非原点位置との間で受光素子が検出する光の明暗度を拡大することができる。当然のことながら、M系列符号を長くすることで、原点位置と非原点位置との間で受光素子が検出する光の明暗度を向上させることができる。

0055

よって、本構成によれば、エンコーダにおいて、より高精度にかつ容易に原点を検出できるエンコーダを実現することができる。

0056

実施の形態3
本発明の実施の形態3にかかる光学式エンコーダについて説明する。図7は、実施の形態3にかかる光学式エンコーダ300の概略構成を示す図である。図7に示すように、光学式エンコーダ300は、実施の形態1にかかる光学式エンコーダ100の光学系5を光学系30に置換した構成を有する。

0057

光学系30は、光学系5と同様に、スケール1を通過した+1次回折光(P1、P2)および−1次回折光(M1、M2)を検出部6の受光面に結像させる結像光学系として構成される。本実施の形態では、光学系30は、レンズ31とレンズ32を有し、両テレセントリック結像光学系として構成される。本実施の形態では、レンズ31及び32の焦点距離をfとする。

0058

レンズ31とレンズ32とは、平行光CLの光軸(すなわちZ軸)方向に並んで配置される。このとき、レンズ31は、スケール1から検出部6側(Z軸の−側)に焦点距離fだけ離れた位置に配置される。レンズ32は、レンズ31から検出部6側(Z軸の−側)に焦点距離fの2倍(2f)だけ離れ、かつ、検出部6からレンズ31側(Z軸の−側)に焦点距離fだけ離れた位置に配置される。

0059

光学系30は両テレセントリック光学系であるので、パターン10により生じた+1次回折光P1、+1次回折光P2、−1次回折光M1及び−1次回折光M2は、レンズ31で屈折して、光軸がZ軸と平行になる。その後、+1次回折光P1、+1次回折光P2、−1次回折光M1及び−1次回折光M2は、レンズ32で屈折して、検出部6の受光面に結像する。

0060

よって、光学系30は、光学系5と同様に、+1次回折光(P1、P2)及び−1次回折光(M1、M2)を検出部6の受光面に結像させることができる。よって、光学式エンコーダ300によれば、光学式エンコーダ100と同様に+1次回折光(P1、P2)及び−1次回折光(M1、M2)とを干渉させて原点位置を検出し、かつ、インクリメンタル位置検出を行うことができる。

0061

なお、本実施の形態では、光学系30は2枚のレンズで構成されるものとして説明したが、これは例示に過ぎない。両テレセントリック結像光学系を構成できるならば、3枚以上のレンズを用いて光学系を構成してもよい。また、スケール1を通過した+1次回折光(P1、P2)および−1次回折光(M1、M2)を検出部6の受光面に結像させることができるのであれば、レンズを用いて構成される両テレセントリック結像光学系以外の光学系を用いてもよい。

0062

実施の形態4
本発明の実施の形態4にかかる光学式エンコーダについて説明する。図8は、実施の形態4にかかる光学式エンコーダ400の概略構成を示す図である。図8に示すように、光学式エンコーダ400は、実施の形態1にかかる光学式エンコーダ100の光学系5を光学系40に置換した構成を有する。

0063

光学系40は、光学系5と同様に、スケール1を通過した+1次回折光(P1、P2)および−1次回折光(M1、M2)を検出部6の受光面に結像させる結像光学系として構成される。本実施の形態では、光学系40は、回折格子41により構成される。

0064

回折格子41は、図8のZ軸に垂直な面(X−Y平面)を主面とし、X軸方向を長手方向とする板状の部材である。回折格子41は、スケール1を通過した+1次回折光(P1、P2)および−1次回折光(M1、M2)が主面(X−Y平面)に入射する位置に配置される。

0065

回折格子41を構成する板状部材には、図8のY軸を長手方向とする格子状の光透過部41Aと、不透過部41Bとが、X軸方向に交互に、かつ、一定のピッチにて繰り返して配置される。ここで、回折格子41で回折されて検出部6に到達する+1次回折光(P1、P2)および−1次回折光(M1、M2)が検出部6の受光面で干渉縞を形成できるように、回折格子41のピッチが設計される。

0066

回折格子41は、ガラスで構成されることが望ましい。この場合、例えば、ガラスに蒸着された金属膜で不透過部が形成され、金属膜が存在しない領域が光透過部となる。但し、光を透過する格子状の光透過部と、光を透過しない不透過部を構成できる材料であれば、いずれも回折格子41を構成する材料として用いることができる。

0067

本実施の形態では、上述のように回折格子41が設計されることで、パターン10により生じた+1次回折光(P1、P2)と−1次回折光(M1、M2)とは、回折格子41で回折されることで検出部6の受光面に結像する。よって、光学系40は、光学系5と同様に、+1次回折光(P1、P2)と−1次回折光(M1、M2)とを検出部6の受光面に結像させることができる。よって、光学式エンコーダ400によれば、光学式エンコーダ100と同様に+1次回折光(P1、P2)と−1次回折光(M1、M2)とを干渉させて原点位置を検出し、かつ、インクリメンタル位置検出を行うことができる。

0068

その他の実施の形態
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、上述の実施の形態にかかるエンコーダは、透過型の光学式エンコーダとして説明したが、反射型の光学式エンコーダにも適用することができる。この場合、スケールの格子パターンの光透過部を反射部に、不透過部を非反射部に置換すればよい。また、スケールに対して光源4の側に受光部を配置すればよい。

0069

また、上述の実施の形態にかかるエンコーダは、リニアエンコーダに限定されるものではなく、ロータリーエンコーダとして構成できることはいうまでもない。

0070

説明の簡略化のため、上述の実施の形態2〜4では+1次回折光及び−1次回折光に着目して説明したが、実施の形態1と同様に、2以上の次数の回折光を用いて干渉縞を形成し、スケール位置を検出できることは言うまでもない。

0071

CL 平行光
CP中心点
IP1、IP2干渉縞
M1、M2 −s次回折光
P1、P2 +s次回折光
1、7スケール
2検出ヘッド
3信号処理部
4光源
5、30、40光学系
6 検出部
10、20パターン
11、21 第1のパターン領域
11A、11C、12A、12C、21A〜24A、41A光透過部
11B、12B、21B〜24B、41B 不透過部
12 第2のパターン領域
23 第3のパターン領域
24 第4のパターン領域
31、32レンズ
41回折格子
51 第1のミラー
52 第2のミラー
61受光素子
100、200、300、400 光学式エンコーダ

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