DE102023125570A1

DE102023125570A1 - Optischer encoder

Info

Publication number: DE102023125570A1
Application number: DE102023125570.3A
Authority: DE
Inventors: Akihide Kimura
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2022-10-03
Filing date: 2023-09-21
Publication date: 2024-04-04
Also published as: JP2024053373A; US20240110816A1; CN117824720A

Abstract

Bereitgestellt wird ein optischer Encoder, der die Auswirkungen von unerwünschtem gebeugtem Licht auf stabile Weise verringern kann. Der optische Encoder 1 weist eine Skala 2 und einen Detektionskopf 3 auf. Der Detektionskopf 3 weist eine Lichtquelle 4 und eine Lichtempfangseinrichtung 6 mit einer Lichtempfangsfläche 60 auf. Die Lichtempfangsfläche 60 weist eine Elementreihe 7 mit mehreren Lichtempfangselementen 70 auf, die entlang der Messrichtung mit der gleichen Periode wie die der Interferenzstreifen angeordnet sind. Ein Fehler, der in den von den Interferenzstreifen erzeugten Detektionssignalen enthalten ist und durch die Tatsache verursacht wird, dass die Anzahl der Lichtempfangselemente 70 eine ungerade Anzahl ist, wird hier als ein durch die Anzahl-der-Elemente-bedingter Fehler bezeichnet, und ein vorgegebener zulässiger Fehler wird als zulässiger Fehler bezeichnet. Die Anzahl der Lichtempfangselemente 70 in der Elementreihe 7 ist derart festgelegt, dass der durch die Anzahl-der-Elemente-bedingte Fehler kleiner als der zulässige Fehler ist. Ein solcher durch die Anzahl-der-Elemente-bedingter Fehler wird verursacht, wenn eine ungerade Gesamtanzahl von Lichtempfangselementen 70 vorhanden ist und diese ungerade Gesamtanzahl von Lichtempfangselementen 70 funktionstüchtig ist, oder wenn eine gerade Gesamtanzahl von Lichtempfangselementen 70 vorhanden ist, aber ein Element weniger als diese gerade Gesamtanzahl von Lichtempfangselementen funktionstüchtig ist.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft optische Encoder.
BESCHREIBUNG DES STANDS DER TECHNIK
Ein optischer Encoder, aufweisend: eine Skala mit Teilungsstrichen; und einen Detektionskopf, der auf bewegbare Weise relativ zu der Skala vorgesehen ist, ist aus dem Stand der Technik bekannt. Der Detektionskopf des in der japanischen Patentanmeldung Nr. 2019-012064 beschriebenen optischen Encoders weist zum Beispiel auf: eine Lichtquelle, die Licht an die Skala zuführt; und eine Lichtempfangseinrichtung mit einer Lichtempfangsfläche, die das Licht von der Lichtquelle über die Skala empfängt. Die Lichtempfangseinrichtung wandelt das an der Lichtempfangsfläche empfangene Licht in Detektionssignale um, die sich entsprechend der Periode der Teilungsstriche gemäß der Relativbewegung zwischen der Skala und dem Detektionskopf ändern, und gibt dann solche Detektionssignale aus, wobei die Detektionssignale Differenzsignale von zumindest zwei Phasen mit unterschiedlichen Phasen sind.
Die Lichtempfangsfläche hat mehrere entlang der Messrichtung angeordnete Lichtempfangselemente, deren Periode derjenigen der Teilungsstriche entspricht. In einem optischen Encoder wird das von der Lichtquelle zugeführte Licht über die Teilungsstriche in mehrere gebeugte Lichtstrahlen umgewandelt. Die mehreren gebeugten Lichtstrahlen erzeugen Interferenzstreifen mit der gleichen Periode wie die der Teilungsstriche. Die Lichtempfangseinrichtung detektiert das Detektionssignal durch den Empfang solcher Interferenzstreifen, und der Detektionskopf detektiert anhand des Detektionssignals den Betrag der Relativbewegung zwischen der Skala und dem Detektionskopf.
Wenn in einem solchen optischen Encoder die Lichtstrahlen ±1-ter Ordnung, die Interferenzstreifen erzeugen, als Signallicht betrachtet werden, sind die anderen Lichtstrahlen unerwünschtes Licht. Wenn die unerwünschten Lichtstrahlen sich mit den Interferenzstreifen mischen, treten in den Interferenzstreifen Störungen auf. Wird als unerwünschtes Licht zum Beispiel der Lichtstrahl 0-ter Ordnung beigemischt, kommt es zu Störungen in der Stärke der Interferenzstreifen, die zum Signallicht werden.
Störungen in der Intensität der Interferenzstreifen können zu Fehlern bei der Detektion der Relativbewegung zwischen Skala und Detektionskopf führen.
Aus diesem Grund wird, wie bei dem in der japanischen Patentanmeldung Nr. 04-184218 beschriebenen optischen Positionsdetektor (optischer Encoder), üblicherweise ein Objekt zur Abschirmung unerwünschten Lichts auf dem optischen Pfad des von der Lichtquelle zugeführten und über die Skala an der Lichtempfangseinrichtung empfangenen Lichts bereitgestellt, wodurch das unerwünschte Licht physisch abgeschirmt wird. Bei dem Verfahren der japanischen Patentanmeldung Nr. 04-184218 besteht jedoch das Problem, dass der Raum für die Bereitstellung des Abschirmobjekts sichergestellt werden muss, wodurch der optische Encoder an Größe zunimmt. Darüber hinaus kann auch ein Problem dahingehend bestehen, dass die Struktur des optischen Encoders komplexer wird, da ein Mechanismus zur Bereitstellung des Abschirmobjekts benötigt wird.
Hingegen werden bei den in den japanischen Patentanmeldungen Nr. 2018-105845 und 2019-219347 beschriebenen Encodern (optischen Encodern) die Wirkungen des unerwünschten Lichts verhindert, ohne das unerwünschte Licht physisch abzuschirmen. Insbesondere können die - Wirkungen des unerwünschten Lichts aufgehoben werden, indem die Anzahl der entlang der Messrichtung angeordneten Lichtempfangselemente auf eine gerade Anzahl eingestellt wird. Auf diese Weise können die optischen Encoder eine stabile Detektion durchführen, indem sie die Wirkungen des unerwünschten Lichts auf die Interferenzstreifen und/oder die Störungen der Intensität der Interferenzstreifen verhindern, wobei die Wirkungen und/oder Störungen zu Fehlern führen.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
DURCH DIE ERFINDUNG ZU LÖSENDE PROBLEME
Es wird angemerkt, dass auch wenn die Anzahl der angeordneten Lichtempfangselemente auf eine gerade Anzahl eingestellt ist, es eine ungerade Anzahl von funktionstüchtigen Lichtempfangselementen geben kann, und die Anzahl der angeordneten Lichtempfangselemente in der Tat eine ungerade Anzahl werden kann. Insbesondere können die Lichtempfangselemente aufgrund einer Fehlfunktion eines der angeordneten Lichtempfangselemente oder aufgrund des Auftretens von Lichtempfangselementen, die aufgrund einer Verschmutzung oder dergleichen der Skala, der Lichtempfangseinrichtung und/oder der Lichtempfangselemente kein Licht und/oder keine Detektionssignale detektieren können, funktionsuntüchtig werden.
Die Probleme, die sich ergeben, wenn die Anzahl der angeordneten Lichtempfangselemente eine ungerade Anzahl ist, werden nun unter Bezugnahme auf die 3 bis 6 beschrieben.
3 ist ein Diagramm, das die Detektionssignale zeigt, wenn die idealen Interferenzstreifen, die nur Lichtstrahlen ±1-ter Ordnung beinhalten, mit 12 Lichtempfangselementen detektiert werden. 4 ist ein Diagramm, das die Detektionssignale zeigt, wenn die Interferenzstreifen, die den Lichtstrahl 0-ter Ordnung und die Lichtstrahlen ±2-ter Ordnung beinhalten, die mit Intensitäten von 50 % bzw. 14 % vermischt sind, wenn sie auf den Lichtstrahlen ±1-ter Ordnung basieren, mit den 12 Lichtempfangselementen detektiert werden. Bei den 12 Lichtempfangselementen handelt es sich um die Anzahl der Lichtempfangselemente, wenn drei Sätze mit vier Lichtempfangselementen verwendet werden, wobei jedes Lichtempfangselement eine entsprechende Phase detektiert, wenn vierphasige Signale als Detektionssignale detektiert werden sollen. In 3 und 4 zeigt die vertikale Achse die Amplitude des Detektionssignals und die horizontale Achse die Verschiebung der Skala. Es wird angemerkt, dass es sich bei 4 um ein Diagramm handelt, das unter Verwendung der Ausgangsbedingungen berechnet und gezeichnet wurde, unter denen sich die größte Störung in den Interferenzstreifen findet.
Die Lichtempfangselemente sind mit der gleichen Periode wie die Interferenzstreifen angeordnet. Ferner weisen die Lichtempfangselemente auf: ein A-Phasenelement zum Detektieren eines A-Phasensignals; ein B-Phasenelement zum Detektieren eines B-Phasensignals; ein AB-Phasenelement zum Detektieren eines AB-Phasensignals und ein BB-Phasenelement zum Detektieren eines BB-Phasensignals. Daher kann die Lichtempfangseinrichtung ein vierphasiges Signal detektieren.
Wie in 3 gezeigt, werden die Interferenzstreifen, die nur durch Signallicht ohne Beimischung von unerwünschtem Licht erzeugt werden, als Detektionssignal mit einer bestimmten Periode und einer bestimmten Amplitude detektiert. Andererseits weisen die Interferenzstreifen, die durch die Vermischung von unerwünschtem Licht mit dem Signallicht erzeugt werden, Störungen in der Periode und/oder Amplitude des Detektionssignals auf, wie in 4 gezeigt.
5A ist ein Diagramm, das die Detektionssignale zeigt, wenn die idealen Interferenzstreifen nur Lichtstrahlen ±1-ter Ordnung mit einem einzigen Lichtempfangselement zur Detektion einer entsprechenden Phase, d.h. mit insgesamt vier Lichtempfangselementen, detektiert werden, und 5B ist ein Diagramm, das die Amplitude des Fehlers in 5A zeigt. 6A ist ein Diagramm, das die Detektionssignale zeigt, wenn die Interferenzstreifen, die den Lichtstrahl 0-ter Ordnung und die Lichtstrahlen der Ordnung ±2 beinhalten, die mit Intensitäten von 50 % bzw. 14 % eingemischt sind, wenn sie auf den Lichtstrahlen ±1-ter Ordnung basieren, mit einem einzigen Lichtempfangselement zur Detektion einer entsprechenden Phase, d.h. insgesamt vier Lichtempfangselementen, wie in 5A detektiert werden. 6B ist ein Diagramm, das die Amplitude des Fehlers in 6A zeigt. In 5A und 6A zeigen die vertikalen Achsen die Amplitude der differentiellen A-Phase und der differentiellen B-Phase (die Amplitude des Detektionssignals), und die horizontalen Achsen zeigen die Verschiebung der Skala. 5B und 6B sind Diagramme, welche die Frequenzanalyse der in 5A und 6A dargestellten Detektionssignale zeigen. In 5B und 6B zeigen die vertikalen Achsen die Amplitude der Fehler und die horizontalen Achsen zeigen die Ortsfrequenz der Fehler.
Wie in 5A gezeigt, werden die Interferenzstreifen, die nur durch Signallicht erzeugt werden, ohne dass unerwünschtes Licht darin eingemischt wird, als Detektionssignal mit einer bestimmten Periode und einer bestimmten Amplitude detektiert. Dann zeigt, wie in 5B gezeigt, die Frequenzanalyse des in 5A erhaltenen Detektionssignals, dass nur die zur Detektion verwendete Signalfrequenzkomponente vorhanden ist.
Hingegen weisen die Interferenzstreifen, die dadurch erzeugt wurden, dass unerwünschtes Licht mit dem Signallicht gemischt wurde, Störungen in der Periode und/oder Amplitude des Detektionssignals auf, wie in 6A gezeigt. Wie in 6B gezeigt, zeigt die Frequenzanalyse der in 6A erhaltenen Detektionssignale, dass zusätzlich zu der zur Detektion verwendeten Signalfrequenzkomponente zwei weitere Signalfrequenzkomponenten vorhanden sind. Insbesondere sind eine Fehlerkomponente 1, die eine Periode hat, die doppelt so lang ist wie die Signalperiode des Signallichts (d.h. Lichtstrahlen ±1-ter Ordnung), und eine Fehlerkomponente 2, die eine Periode hat, die 0,677-mal so lang ist wie die Signalperiode des Signallichts (d.h. Lichtstrahlen ±1-ter Ordnung), vorhanden.
Wenn die Gesamtanzahl der funktionstüchtigen Lichtempfangselemente in den japanischen Patentanmeldungen Nr. 2018-105845 und 2019-219347 eine gerade Anzahl ist, kann der Encoder Detektionssignale ohne Fehlerkomponenten erhalten, wie in 3, 5A und 5B gezeigt.
Wenn jedoch die Gesamtanzahl der funktionstüchtigen Lichtempfangselemente aufgrund der oben beschriebenen Fehlfunktion, Verschmutzung oder ähnlichem in den japanischen Patentanmeldungen Nr. 2018-105845 und 2019-219347 eine ungerade Anzahl ist, erhält der Encoder Detektionssignale mit Fehlerkomponenten, wie in den 4, 6A und 6B gezeigt. Wenn die Gesamtanzahl der funktionstüchtigen Lichtempfangselemente zu einer ungeraden Anzahl wird, auch wenn die Gesamtanzahl der Lichtempfangselemente eine gerade Anzahl ist, entsteht das Problem, dass das Auftreten von Fehlern nicht verhindert werden kann und keine stabilen Detektionssignale erhalten werden können, da die vorteilhafte Wirkung der Löschung der Fehlerursache aufgrund von unerwünschtem Licht verringert wird.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen optischen Encoder bereitzustellen, der die Auswirkungen von unerwünschtem Licht auf stabile Weise verringern kann.
MITTEL ZUR LÖSUNG DER PROBLEME
Der optische Encoder der vorliegenden Erfindung weist auf: eine plattenförmige Skala mit entlang einer Messrichtung mit einer vorgegebenen Periode ausgebildeten Teilungsstrichen, wobei die Teilungsstriche als Beugungsgitter zum Beugen von einfallendem Licht fungieren; und einen Detektionskopf, der auf bewegbare Weise relativ zu der Skala entlang der Messrichtung vorgesehen ist. Der Detektionskopf weist auf: eine Lichtquelle, die Licht an die Skala zuführt; und eine Lichtempfangseinrichtung mit einer Lichtempfangsfläche zum Empfangen von Licht von der Lichtquelle über die Skala. Das Licht, das durch die Skala gelangt ist, bildet auf der Lichtempfangsfläche Interferenzstreifen, die sich gemäß der Periode der Teilungsstriche in Abhängigkeit der Relativbewegung zwischen Skala und Detektionskopf verändern. Die Lichtempfangsfläche weist eine Elementreihe mit mehreren entlang der Messrichtung angeordneten Lichtempfangselementen auf, welche die gleiche Periode wie jene der Interferenzstreifen haben.
Dabei wird ein Fehler, der in den Detektionssignalen enthalten ist, die aus den Interferenzstreifen erzeugt werden, die aus dem empfangenen Licht gewonnen werden, wobei ein solcher Fehler durch die Tatsache verursacht wird, dass die Anzahl der Lichtempfangselemente eine ungerade Anzahl ist, als ein durch die Anzahl-der-Elemente-bedingter Fehler bezeichnet, und ein vorgegebener zulässiger Fehler wird als zulässiger Fehler bezeichnet.
Insbesondere bezieht sich der zulässige Fehler auf einen Fehler, der hinsichtlich der Leistung des optischen Encoders zulässig ist, und der optische Encoder ist so ausgelegt, dass der durch die Anzahl-der-Elemente-bedingte Fehler den zulässigen Fehler nicht überschreitet, wobei der zulässige Fehler als Zielwert festgelegt wird.
Die Anzahl von Lichtempfangselementen in der Elementreihe wird dahingehend festgelegt, eine Anzahl zu sein, bei der der durch die Anzahl-der-Elemente-bedingte Fehler kleiner als der zulässige Fehler ist. Ein solcher durch die Anzahl-der-Elemente-bedingte Fehler wird verursacht, wenn eine ungerade Gesamtanzahl von Lichtempfangselementen vorhanden ist und diese ungerade Gesamtanzahl von Lichtempfangselementen funktionstüchtig ist, oder wenn eine gerade Gesamtanzahl von Lichtempfangselementen vorhanden ist, aber ein Element weniger als diese gerade Gesamtanzahl von Lichtempfangselementen funktionstüchtig ist.
Gemäß einer solchen Erfindung kann der optische Encoder unter den oben beschriebenen Bedingungen den Fehler verringern, selbst wenn die Anzahl der funktionstüchtigen Lichtempfangselemente eine ungerade Anzahl ist, indem die Lichtempfangselemente in einer Anzahl angeordnet werden, bei der der durch die Anzahl-der-Elemente-bedingte Fehler kleiner als der zulässige Fehler ist. Dementsprechend kann der optische Encoder die Wirkung des unerwünschten Lichts auf stabile Weise verringern, selbst wenn die Gesamtanzahl der funktionstüchtigen Lichtempfangselemente aufgrund von Fehlfunktionen, Verschmutzung oder ähnlichem zu einer ungeraden Anzahl wird.
In diesem Fall beugt die Skala das von der Lichtquelle zugeführte Licht und teilt es in einen Lichtstrahl 0-ter Ordnung, Lichtstrahlen ±1-ter Ordnung und Lichtstrahlen ±2-ter Ordnung. Der optische Encoder betrachtet die Lichtstrahlen ±1-ter Ordnung als Signallicht und die anderen Lichtstrahlen als unerwünschtes Licht, das den durch die Anzahl-der-Elemente-bedingten Fehler verursacht, und verwendet die von den Lichtstrahlen ±1-ter Ordnung gebildeten Interferenzstreifen zur Detektion, und der optische Encoder ist, hinsichtlich der Intensität des unerwünschten Lichts in Bezug auf die Intensitäten der Lichtstrahlen ±1-ter Ordnung, die an die Lichtempfangseinrichtung zugeführt werden, derart konfiguriert, dass eine Intensität des Lichtstrahls 0-ter Ordnung 50 % oder weniger beträgt und die Intensitäten der Lichtstrahlen ±2-ter Ordnung 14 % oder weniger betragen. Wenn der zulässige Fehler auf 0,1 % festgelegt ist, wird die Anzahl der Lichtempfangselemente in der Elementreihe bevorzugt auf 1.082 oder mehr festgelegt, was eine Anzahl ist, bei der der durch die Anzahl-der-Elemente-bedingte Fehler 0,1 % oder weniger beträgt.
Gemäß einer solchen Konfiguration, in der Interferenzstreifen, die von den Lichtstrahlen ±1-ter Ordnung gebildet werden, zur Detektion verwendet werden, kann der optische Encoder die Wirkung von unerwünschtem Licht auf stabile Weise verringern, selbst wenn die Gesamtanzahl der funktionstüchtigen Lichtempfangselemente aufgrund von Fehlfunktionen, Verschmutzung oder ähnlichem zu einer ungeraden Anzahl wird.
In diesem Fall wandelt die Lichtempfangseinrichtung die an der Lichtempfangsfläche empfangenen Interferenzstreifen in Detektionssignale um, die entsprechend der Periode der Teilungsstriche gemäß der Relativbewegung zwischen Skala und Detektionskopf variieren, und gibt dann solche Detektionssignale aus, wobei die Detektionssignale Differenzsignale von zumindest zwei Phasen mit unterschiedlichen Phasen sind. Bevorzugt weist die Lichtempfangsfläche eine Gruppe von Elementreihen auf, wobei zumindest zwei Elementreihen entlang einer Richtung orthogonal zu der Messrichtung angeordnet sind.
Gemäß einer solchen Konfiguration kann der optische Encoder Fehler verhindern, die aufgrund von Verschmutzung auftreten können, selbst wenn eines der Lichtempfangselemente verschmutzt ist.
In diesem Fall wandelt die Lichtempfangseinrichtung die an der Lichtempfangsfläche empfangenen Interferenzstreifen in Detektionssignale um, die entsprechend der Periode der Teilungsstriche gemäß der Relativbewegung zwischen der Skala und dem Detektionskopf variieren, und gibt dann solche Detektionssignale aus, wobei die Detektionssignale Differenzsignale von zwei Phasen mit unterschiedlichen Phasen sind. Die Lichtempfangsfläche weist eine Elementreihe mit mehreren Lichtempfangselementen, die entlang der Messrichtung mit einer Periode angeordnet sind, die derjenigen der Teilungsstriche entspricht, und weist eine Elementreihengruppe auf, in der vier solcher Elementreihen gemeinsam entlang einer Richtung orthogonal zu der Messrichtung angeordnet sind. Die Elementreihen weisen hinsichtlich jeder der beiden Phasen positivphasige Signalelementreihen, die positivphasige Signale ausgeben, und negativphasige Signalelementreihen, die negativphasige Signale ausgeben, auf. Diese beiden Phasen sind entlang der Messrichtung mit einer vorgegebenen Phasendifferenz versetzt. Mehrere Elementreihengruppen sind entlang der orthogonalen Richtung in der Lichtempfangsfläche angeordnet. Die positivphasigen Signale der beiden Phasen werden dabei als erstes und zweites Signal, das negativphasige Signal des ersten Signals als drittes Signal und das negativphasige Signal des zweiten Signals als viertes Signal bezeichnet. Die Elementreihen in der Elementreihengruppe sind bevorzugt entlang der Richtung orthogonal zu der Messrichtung in folgender Reihenfolge angeordnet: die positivphasige Signalelementreihe, die das erste Signal ausgibt; die positivphasige Signalelementreihe, die das zweite Signal ausgibt; die negativphasige Signalelementreihe, die das dritte Signal ausgibt, und die negativphasige Signalelementreihe, die das vierte Signal ausgibt.
Mit einer solchen Konfiguration kann der optische Encoder vierphasige Signale als Detektionssignale erhalten und gleichzeitig Fehler vermeiden, die aufgrund von Verschmutzung auftreten können.
Alternativ wandelt die Lichtempfangseinrichtung die an der Lichtempfangsfläche empfangenen Interferenzstreifen in Detektionssignale um, die gemäß der Periode der Teilungsstriche in Abhängigkeit von der Relativbewegung zwischen Skala und Detektionskopf variieren, und gibt dann solche Detektionssignale aus, wobei die Detektionssignale Differenzsignale von zumindest zwei Phasen mit unterschiedlichen Phasen sind. Die Lichtempfangsfläche weist eine Elementreihe mit mehreren Lichtempfangselementen, die entlang der Messrichtung mit einer Periode angeordnet sind, die derjenigen der Teilungsstriche entspricht, und eine Elementreihengruppe, in der zumindest vier solcher Elementreihen gemeinsam entlang einer Richtung orthogonal zu der Messrichtung angeordnet sind, auf. Die Elementreihen weisen in Bezug auf jede der zumindest zwei Phasen eine positivphasige Signalelementreihe, die ein positivphasiges Signal ausgibt, das eines der Detektionssignale ist, und eine negativphasige Signalelementreihe, die ein negativphasiges Signal ausgibt, das eines der Detektionssignale ist, auf. Die zumindest zwei Phasen sind entlang der Messrichtung mit einer vorgegebenen Phasendifferenz versetzt. Bevorzugt sind die Elementreihen in der Elementreihengruppe an Positionen angeordnet, an denen die Summe des Abstands in der orthogonalen Richtung von einer Referenzposition zu der positivphasigen Signalelementreihe und des Abstands in der orthogonalen Richtung von der Referenzposition zu der negativphasigen Signalelementreihe für alle Phasen der zumindest zwei Phasen gleich ist. Die Referenzposition bezieht sich auf eine vorgegebene Position auf der Empfangsfläche.
Dabei ist die Fläche, auf der die Teilungsstriche der Skala 2 angeordnet sind, bevorzugt parallel zu der Lichtempfangsfläche. Es kann jedoch zu einer Verschiebung der Phasendifferenz der Differenzsignale kommen, wenn die Fläche, auf der die Teilungsstriche angeordnet sind (im Folgenden einfach als „Skala“ bezeichnet) der Skala in Bezug auf die Lichtempfangsfläche mit einer Drehung und einer Neigung um eine Drehachse angeordnet ist, wobei die Achse im Prozess der Herstellung und/oder Verwendung orthogonal zu der Lichtempfangsfläche ist. Es besteht ein Problem dahingehend, dass diese Verschiebung der Phasendifferenz eine Verschlechterung der Genauigkeit des optischen Encoders verursachen kann.
Gemäß einer solchen Konfiguration ist es jedoch möglich, die Verschiebung der Phasendifferenz der Differenzsignale auszugleichen, die dadurch verursacht wird, dass die Skala in Bezug auf die Lichtempfangsfläche mit einer Drehung und einer Neigung um eine Drehachse angeordnet ist, wobei die Achse orthogonal zu der Lichtempfangsfläche ist. Dies wird dadurch erreicht, dass die Elementreihen in der Elementreihengruppe an Positionen angeordnet werden, an denen die Summe des Abstands in der orthogonalen Richtung von einer Referenzposition zu der positivphasigen Signalelementreihe und des Abstands in der orthogonalen Richtung von der Referenzposition zu der negativphasigen Signalelementreihe für alle Phasen der zumindest zwei Phasen gleich ist. Daher kann der optische Encoder die Verschlechterung der Genauigkeit auch dann verhindern, wenn die Skala in Bezug auf die Lichtempfangsfläche mit einer Drehung und einer Neigung um eine Drehachse angeordnet ist, wobei die Achse orthogonal zu der Lichtempfangsfläche ist.
In diesem Fall weist die Elementreihengruppe bevorzugt eine erste Elementreihengruppe und eine zweite Elementreihengruppe auf, die neben der ersten Elementreihengruppe in der orthogonalen Richtung in der Lichtempfangsfläche angeordnet ist, wobei die zweite Elementreihengruppe Elementreihen in einer anderen Anordnung als der der Elementreihen der ersten Elementreihengruppe aufweist. Dann machen die positivphasigen Signalelementreihen in der ersten Elementreihengruppe bevorzugt die Hälfte der Elementreihen in der ersten Elementreihengruppe aus und sind in Bezug auf die Mitte der orthogonalen Richtung in der ersten Elementreihengruppe auf einer Seite angeordnet, wobei die positivphasigen Signalelementreihen in einer Reihenfolge angeordnet sind, die als eine vorgegebene Referenz von einer Endseite der orthogonalen Richtung in Richtung der Mitte in der ersten Elementreihengruppe dient. Dabei kann sich „die Reihenfolge, die als vorgegebene Referenz dient“ auf die Reihenfolge der A-Phase und dann der B-Phase beziehen, wenn die beiden Phasen zum Beispiel aus zwei Phasen der A-Phase und der B-Phase bestehen. Bevorzugt machen die negativphasigen Signalelementreihen in der ersten Elementreihengruppe die Hälfte der Elementreihen in der ersten Elementreihengruppe aus und sind in Bezug auf die Mitte der orthogonalen Richtung auf der anderen Seite in der ersten Elementreihengruppe angeordnet, wobei die negativphasigen Signalelementreihen in einer Reihenfolge angeordnet sind, die als eine vorgegebene Referenz von der anderen Endseite der orthogonalen Richtung in Richtung der Mitte in der ersten Elementreihengruppe dient. Darüber hinaus machen die positivphasigen Signalelementreihen in der zweiten Elementreihengruppe bevorzugt die Hälfte der Elementreihen in der zweiten Elementreihengruppe aus und sind in Bezug auf die Mitte der orthogonalen Richtung in der zweiten Elementreihengruppe auf einer Seite angeordnet, wobei die positivphasigen Signalelementreihen in einer umgekehrten Reihenfolge zu der Reihenfolge angeordnet sind, die als eine vorgegebene Referenz (in der oben beschriebenen Basis in der Reihenfolge der B-Phase und dann der A-Phase) von einer Endseite der orthogonalen Richtung in Richtung der Mitte in der zweiten Elementreihengruppe dient.
Bevorzugt machen die negativphasigen Signalelementreihen in der zweiten Elementreihengruppe die Hälfte der Elementreihen in der zweiten Elementreihengruppe aus und sind in Bezug auf die Mitte der orthogonalen Richtung auf der anderen Seite in der zweiten Elementreihengruppe angeordnet, wobei die negativphasigen Signalelementreihen in einer umgekehrten Reihenfolge zu der Reihenfolge angeordnet sind, die als eine vorgegebene Referenz von der anderen Endseite der orthogonalen Richtung zur Mitte in der zweiten Elementreihengruppe dient.
Gemäß der eingangs beschriebenen Konfiguration ist es möglich, die Verschiebung der Phasendifferenz der Differenzsignale, die dadurch verursacht wird, dass die Skala in Bezug auf die Lichtempfangseinrichtung mit einer Drehung und einer Neigung um eine Drehachse angeordnet ist, wobei die Achse orthogonal zu der Lichtempfangsfläche ist, effizient auszugleichen, während verhindert wird, dass die Amplitude der Differenzsignale klein wird, wobei die Differenzsignale auf den Detektionssignalen von der Lichtempfangseinrichtung basieren. Dies kann im Gegensatz zu dem Fall stehen, in dem die erste Elementreihengruppe und die zweite Elementreihengruppe nicht bereitgestellt sind.
Alternativ dazu weist die Lichtempfangseinrichtung eine Fotodiode mit einer Fläche auf, die größer ist als die Gesamtfläche der Gesamtanzahl von Lichtempfangselementen, und eine Musterbildungsschicht, die auf der Lichtempfangsfläche der Fotodiode angeordnet ist, wobei die Musterbildungsschicht einen durchlässigen Teil, der Licht transmittiert, sowie einen undurchlässigen Teil, der das Licht blockiert, aufweist. Bevorzugt wird eine Vielzahl solcher durchlässiger Teile entlang der Messrichtung mit der gleichen Periode wie die der Interferenzstreifen gebildet, und sie fungieren als Lichtempfangselemente.
Dabei gibt es Fälle, in denen vorgefertigte Lichtempfangselemente aufgrund der IC-Entwurfsregeln nicht im optischen Encoder verwendet werden können, insbesondere aufgrund der Anordnung und/oder Größe der Substrate und/oder der Größe des Elements, die zu groß ist, oder dergleichen. Gemäß der oben beschriebenen Konfiguration können jedoch pseudo-feine Lichtempfangselemente gebildet werden, indem die durchlässigen Teile auf feine Weise geformt werden. Daher können Lichtempfangselemente frei gestaltet werden, ohne durch die IC-Entwurfsregeln beschränkt zu werden.
In diesem Fall beinhaltet der Detektionskopf ein optisches Element, welches das von der Skala gebeugte und geteilte Licht auf die Lichtempfangsfläche konzentriert. Dieses optische Element ist bevorzugt zwischen der Skala und der Lichtempfangseinrichtung angeordnet.
Da die von der Skala abgehenden gebeugten Lichtstrahlen effizient auf der Lichtempfangsfläche gesammelt werden können, können gemäß dieser Konfiguration die für das Signal erforderlichen gebeugten Lichtstrahlen effizient gesammelt werden und es kann mehr optische Leistung (Lichtmenge) im Vergleich zu dem Fall erzielt werden, in dem das optische Element nicht verwendet wird.
In diesem Fall ist das optische Element bevorzugt eine Beugungsgitterplatte, deren Plattenoberfläche parallel zu der Oberfläche der Skala verläuft, auf dem die Teilungsstriche angeordnet sind, und die entlang einer vorgegebenen Richtung ein Gitter auf der Plattenoberfläche aufweist.
Gemäß einer solchen Konfiguration kann durch die Verwendung einer Beugungsgitterplatte für das optische Element leicht eine Konfiguration erreicht werden, bei der gebeugte Lichtstrahlen, die von der Skala abweichen, effizient auf der Lichtempfangsfläche gesammelt werden können.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 ist eine perspektivische Ansicht, die einen optischen Encoder gemäß den jeweiligen Ausführungsformen zeigt.
2 ist eine schematische Darstellung des optischen Encoders gemäß den jeweiligen Ausführungsformen.
3 ist ein Diagramm, das die Detektionssignale zeigt, wenn die idealen Interferenzstreifen, die nur Lichtstrahlen ±1-ter Ordnung beinhalten, mit 12 Lichtempfangselementen detektiert werden.
4 ist ein Diagramm, das die Detektionssignale zeigt, wenn die Interferenzstreifen, die den Lichtstrahl 0-ter Ordnung und die Lichtstrahlen der Ordnung ±2 beinhalten, die mit Intensitäten von 50 % bzw. 14 % eingemischt sind, wenn sie auf den Lichtstrahlen ±1-ter Ordnung basieren, mit den 12 Lichtempfangselementen detektiert werden.
5A ist ein Diagramm, das die Detektionssignale zeigt, wenn die idealen Interferenzstreifen nur Lichtstrahlen ±1-ter Ordnung mit vier Lichtempfangselementen detektiert werden.
5B ist ein Diagramm, das die Amplitude des Fehlers in 5A zeigt.
6A ist ein Diagramm, das die Detektionssignale zeigt, wenn die Interferenzstreifen, die den Lichtstrahl 0-ter Ordnung und die Lichtstrahlen ±2-ter Ordnung beinhalten, die mit Intensitäten von 50 % bzw. 14 % eingemischt sind, wenn sie auf den Lichtstrahlen ±1-ter Ordnung basieren, mit den vier Lichtempfangselementen detektiert werden.
6B ist ein Diagramm, das die Amplitude des Fehlers in 6A zeigt.
7 ist ein Diagramm, welches das Berechnungsergebnis zeigt, wenn die Gesamtanzahl der Lichtempfangselemente in einer Elementreihe von 1 auf 30 erhöht wird.
8 ist ein Diagramm, welches das Berechnungsergebnis zeigt, wenn die Gesamtanzahl der Lichtempfangselemente in einer Elementreihe von 1070 auf etwa 1090 erhöht wird.
9 ist ein Diagramm, das die Lichtempfangseinrichtung gemäß einer ersten Variation zeigt.
10 ist eine Darstellung, welche die Lichtempfangseinrichtung gemäß einer zweiten Variation zeigt.
11 ist eine schematische Darstellung, welche die Lichtempfangseinrichtung gemäß der zweiten Variation, eine Signaleingangs-/Ausgangseinheit und Bedieneinrichtungen zeigt.
12 ist eine Darstellung, das die Lichtempfangseinrichtung gemäß einer dritten Variation zeigt.
13 ist eine schematische Darstellung, welche die Lichtempfangseinrichtung gemäß der dritten Variation, die Signaleingangs-/Ausgangseinheit und die Bedieneinrichtung zeigt.
14 ist eine Darstellung, welche die Lichtempfangseinrichtung gemäß einer vierten Variation zeigt.
15 ist eine Darstellung, die das Lichtempfangselement gemäß einer ersten Variation zeigt.
16 ist eine Darstellung, die das Lichtempfangselement gemäß einer zweiten Variation zeigt.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Erste Ausführungsform
Die erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die 1 bis 8 beschrieben.
1 ist eine perspektivische Ansicht, die einen optischen Encoder 1 gemäß der ersten Ausführungsform zeigt. 2 ist eine schematische Darstellung, die den optischen Encoder 1 gemäß der ersten Ausführungsform zeigt. Da die Skala 2 des optischen Encoders 1, die später beschrieben wird, vom reflektierenden Typ ist, zeigt 1 einen optischen Encoder 1 vom reflektierenden Typ; 2 zeigt jedoch einen optischen Encoder 1 vom durchlässigen Typ, bei dem das an der Skala 2 reflektierte Licht zurückgeklappt ist, um den optischen Pfad des Lichts aus der Lichtquelle 4 zu verdeutlichen.
Wie in 1 dargestellt ist der optische Encoder 1 ein linearer Encoder, welcher aufweist: eine plattenförmige Skala 2, die entlang der X-Richtung gebildet ist, bei der es sich um die Messrichtung handelt, und einen Detektionskopf 3, der auf bewegbare Weise relativ zu der Skala entlang der X-Richtung bereitgestellt ist. In den folgenden Beschreibungen und den jeweiligen Zeichnungen wird die Messrichtung, d.h. die Längsrichtung der Skala 2 als X-Richtung (X-Achse), die Breitenrichtung der Skala 2 als Y-Richtung (Y-Achse) und die Höhenrichtung senkrecht zu den X- und Y-Richtungen als Z-Richtung (Z-Achse senkrecht zu den X- und Y-Achsen) bezeichnet.
Der Detektionskopf 3 weist auf: eine Lichtquelle 4; ein optisches Element 5; und eine Lichtempfangseinrichtung 6 mit einer Lichtempfangsfläche 60 und ist so vorgesehen, dass er sich in X-Richtung relativ zu der Skala 2 vorwärts oder rückwärts bewegen kann. Ein linearer Encoder erhält Positionsinformationen aus dem Betrag der Relativbewegung zwischen der Skala 2 und dem Detektionskopf 3, indem er den Detektionskopf 3 entlang der Skala 2 bewegt.
Zunächst wird die Skala 2 beschrieben.
Die Skala 2 ist aus Glas oder ähnlichem hergestellt und hat die Form einer Platte. Auf einer Seite der Skala 2 sind Teilungsstriche 20 vorgesehen, die mit einer vorgegebenen Periode g entlang der X-Richtung ausgebildet sind. Die Teilungsstriche 20 weisen einen reflektierenden Teil 21, der Licht von der Lichtquelle 4 reflektiert, und einen nicht reflektierenden Teil 22 auf, der Licht absorbiert oder dergleichen, ohne das Licht zu reflektieren. Der reflektierende Teil 21 ist eine Metallplatte, die dünn ausgebildet und bearbeitet ist, um Licht zu reflektieren. Auf den nicht reflektierenden Teil 22 ist ein Antireflexionsmittel aufgetragen, das Licht absorbiert, so dass dieser kein Licht reflektiert. Der reflektierende Teil 21 und der nicht-reflektierende Teil 22 haben die gleiche Breite und sind in gleichen Abständen angeordnet. Der reflektierende Teil 21 muss nicht unbedingt eine Metallplatte sein, sofern er Licht reflektieren kann. Der reflektierende Teil 21 kann zum Beispiel ein Spiegel oder dergleichen sein. Auf den nicht-reflektierenden Teil 22 muss kein Antireflexionsmittel aufgetragen werden, sofern er kein Licht reflektiert, und er kann eine beliebige Konfiguration haben.
Die Teilungsstriche 20 fungieren als Beugungsgitter zum Beugen von einfallendem Licht, und das von der Lichtquelle 4 zugeführte Licht wird gebeugt und in zumindest den Lichtstrahl 0-ter Ordnung, die Lichtstrahlen ±1-ter Ordnung und die Lichtstrahlen ±2-ter Ordnung geteilt. Das Licht, das die Teilungsstriche 20 durchlaufen hat, bildet auf der Lichtempfangsfläche 60 Interferenzstreifen, die entsprechend der Periode g der Teilungsstriche 20 gemäß der Relativbewegung zwischen der Skala 2 und dem Detektionskopf 3 variieren. Der optische Encoder 1 betrachtet die Lichtstrahlen ±1-ter Ordnung als Signallicht und die anderen Lichtstrahlen als unerwünschtes Licht, und die von den Lichtstrahlen ±1-ter Ordnung gebildeten Interferenzstreifen werden zur Detektion verwendet.
Als nächstes werden die Lichtquelle 4, das optische Element 5 und die Lichtempfangseinrichtung 6 des Detektionskopfes beschrieben.
Die Lichtquelle 4 gibt paralleles Licht auf eine Seite der Skala 2 ab. Für die Lichtquelle 4 wird eine Leuchtdiode (LED) verwendet. Die Lichtquelle 4 ist jedoch nicht auf LEDs beschränkt, es kann jede beliebige Lichtquelle verwendet werden, sofern sie Interferenzstreifen auf der Lichtempfangseinrichtung 6 erzeugen kann. Beispiele hierfür sind ein Halbleiterlaser, ein Helium-Neon-Laser und dergleichen. In 1 ist der optische Pfad des von der Lichtquelle 4 zugeführten Lichts durch einen Pfeil dargestellt.
Das optische Element 5 ist zwischen der Skala 2 und der Lichtempfangseinrichtung 6 angeordnet, um das von der Skala gebeugte und geteilte Licht auf die Lichtempfangsfläche 60 der Lichtempfangseinrichtung 6 zu richten.
Das optische Element 5 hat eine zur Oberfläche der Skala 2 parallele Plattenoberfläche 50, auf der die Teilungsstriche 20 angeordnet sind, und entlang der X-Richtung, die eine vorgegebene Richtung ist, ein Gitter 55 auf der Plattenoberfläche 50. Das Gitter 55 hat einen konvexen Teil 51 und einen Aussparungsteil 52. Der konvexe Teil 51 und der Aussparungsteil 52 sind abwechselnd ausgebildet und mit einer vorgegebenen Periode g entlang der X-Richtung, welche die Messrichtung ist, angeordnet. Das optische Element 5 ist eine Beugungsgitterplatte vom durchlässigen Typ, die aus einem Plattenmaterial aus synthetischem Quarz gebildet ist. Das optische Element 5 muss nicht unbedingt aus einem Plattenmaterial aus synthetischem Quarz gebildet sein, und es kann jedes beliebige optische Element verwendet werden, sofern es ein transparentes Plattenmaterial ist.
Die Lichtempfangseinrichtung 6 ist parallel zu der Oberfläche der XY-Ebene angeordnet, welche die Plattenoberfläche der Skala 2 ist. Die Lichtempfangseinrichtung 6 weist die Lichtempfangsfläche 60 auf, die Licht von der Lichtquelle 4 durch die Skala 2 empfängt.
Die Lichtempfangseinrichtung 6 empfängt das Licht, das durch die Skala 2 gelangt ist, und detektiert aus den von solchem Licht erzeugten Interferenzstreifen ein Detektionssignal. In der vorliegenden Ausführungsform werden die Interferenzstreifen auf der Lichtempfangsfläche 60 entlang der Y-Richtung, d.h. in der Breitenrichtung der Skala 2, erzeugt. Für die Lichtempfangseinrichtung 6 wird eine Fotodiodenanordnung (PDA) verwendet. Eine PDA ist ein Detektor, der in der Lage ist, mehrere Interferenzstreifen auf einmal zu messen. Die Lichtempfangseinrichtung 6 ist nicht auf PDAs beschränkt, es kann jeder beliebige Detektor verwendet werden, zum Beispiel ein ladungsgekoppeltes Bauteil (charge-coupled device, CCD) oder dergleichen.
Die Lichtempfangseinrichtung 6 wandelt die an der Lichtempfangsfläche 60 empfangenen Interferenzstreifen in Detektionssignale um, die sich entsprechend der Periode der Teilungsstriche 20 gemäß der Relativbewegung zwischen der Skala 2 und dem Detektionskopf 3 ändern, und gibt dann solche Detektionssignale aus, wobei die Detektionssignale Differenzsignale von zumindest zwei Phasen mit unterschiedlichen Phasen sind. Die Detektionssignale umfassen Detektionssignale zweier Phasen (d.h. A-Phase und B-Phase), die unterschiedlich sind. Die Detektionssignale der beiden Phasen sind Differenzsignale. In der vorliegenden Ausführungsform umfassen die Detektionssignale: ein A-Phasensignal, welches das positivphasige Signal der A-Phase ist; ein AB-Phasensignal, welches das negativphasige Signal der A-Phase ist; ein B-Phasensignal, welches das positivphasige Signal der B-Phase ist; und ein BB-Phasensignal, welches das negativphasige Signal der B-Phase ist.
Die Lichtempfangsfläche 60 weist eine Elementreihe 7 mit mehreren Lichtempfangselementen 70 auf, die entlang der X-Richtung, der Messrichtung, mit der gleichen Periode wie jener der Interferenzstreifen angeordnet sind.
Wie in 3 gezeigt und unten beschrieben, weisen die mehreren Lichtempfangselemente 70 in der Elementreihe 7 ein Element 71 zum Detektieren des A-Phasensignals, ein Element 72 zum Detektieren des B-Phasensignals, ein Element 73 zum Detektieren des AB-Phasensignals und ein Element 74 zum Detektieren des BB-Phasensignals auf.
Wie in 3 gezeigt sind in den mehreren Lichtempfangselementen 70 die Elemente 71 bis 74 wiederholt derart angeordnet, dass die Elemente in der Reihenfolge des Elements 71 zum Detektieren des A-Phasensignals, des Elements 72 zum Detektieren des B-Phasensignals, des Elements 73 zum Detektieren des AB-Phasensignals und des Elements 74 zum Detektieren des BB-Phasensignals entlang der X-Richtung, welche die Messrichtung ist, angeordnet sind.
Dabei wird ein Fehler, der in den Detektionssignalen enthalten ist, die aus den Interferenzstreifen erzeugt werden, die aus dem empfangenen Licht gewonnen werden, wobei ein solcher Fehler durch die Tatsache verursacht wird, dass die Anzahl der Lichtempfangselemente 70 eine ungerade Anzahl ist, als ein durch die Anzahl-der-Elemente-bedingter Fehler bezeichnet, und ein vorgegebener zulässiger Fehler wird als zulässiger Fehler bezeichnet. Insbesondere bezieht sich der zulässige Fehler auf einen Fehler, der in Bezug auf die Leistung des optischen Encoders 1 zulässig ist, und der optische Encoder 1 ist so ausgelegt, dass der durch die Anzahl-der-Elemente-bedingte Fehler den zulässigen Fehler nicht überschreitet, wobei der zulässige Fehler als Zielwert festgelegt ist.
Im Gegensatz zum Signallicht (d.h. Lichtstrahlen ±1-ter Ordnung), das die Interferenzstreifen bildet, die in die Detektionssignale umgewandelt werden, verursacht das unerwünschte Licht, wie zum Beispiel die Lichtstrahlen 0-ter Ordnung und/oder die Lichtstrahlen ±2-ter Ordnung, den durch die Anzahl-der-Elemente-bedingten Fehler. Der optische Encoder 1 versucht, die durch die Anzahl-der-Elemente-bedingten Fehler zu vermeiden, indem er die Anzahl der Lichtempfangselemente 70 in der Elementreihe 7 anpasst.
Insbesondere wird die Anzahl der Lichtempfangselemente 70 in der Elementreihe 7 derart festgelegt, dass der durch die Anzahl-der-Elemente-bedingte Fehler kleiner als der zulässige Fehler ist. Ein solcher durch die Anzahl-der-Elemente-bedingter Fehler wird verursacht, wenn es eine ungerade Gesamtanzahl von Lichtempfangselementen 70 gibt und diese ungerade Gesamtanzahl von Lichtempfangselementen 70 funktionstüchtig sind, oder wenn es eine gerade Gesamtanzahl von Lichtempfangselementen 70 gibt, aber eines weniger als diese gerade Gesamtanzahl von Lichtempfangselementen funktionstüchtig sind. Dabei ist der optische Encoder 1 in Bezug auf die Intensität des unerwünschten Lichts in Bezug auf die Intensität des Signallichts (d.h. Lichtstrahlen ±1-ter Ordnung), das an die Lichtempfangseinrichtung 6 zugeführt wird, derart konfiguriert, dass die Intensität des Lichtstrahls 0-ter Ordnung 50 % oder weniger beträgt und die Intensitäten der Lichtstrahlen ±2-ter Ordnung 14 % oder weniger betragen. Wenn der zulässige Fehler auf 0,1 % festgelegt ist, wird die Anzahl der Lichtempfangselemente 70 in der Elementreihe 7 bevorzugt auf 1.082 oder mehr festgelegt, was die Anzahl ist, bei der der durch die Anzahl-der-Elemente-bedingte Fehler 0,1 % oder weniger sein wird.
Im Folgenden wird die Konfiguration des optischen Encoders 1 beschrieben, um den durch die Anzahl der Elemente induzierten Fehler auf 0,1 % oder weniger einzustellen, und wie die Gesamtanzahl der Lichtempfangselemente 70 in der Elementreihe 7 auf 1.082 oder mehr eingestellt werden kann.
Bei dem in den 1 und 2 dargestellten optischen Encoder 1 hat die Lichtquelle 4 eine Lichtwellenlänge von 660 nm und ist so angeordnet, dass der Einfallswinkel θ des Lichts auf die Teilungsstriche 20 der Skala 2 30 Grad beträgt (vgl. 1). Es wird angenommen, die Periode f der Teilungsstriche 20 der Skala 2 (vgl. 1 und 2) 2 µm beträgt, die Periode g des Gitters 55 des optischen Elements 5 1,375 µm beträgt (vgl. 1 und 2), und die Periode h der Lichtempfangselemente 70 in der Elementreihe 7 der Lichtempfangseinrichtung 6 2,2 µm beträgt (vgl. 1 und 2) .
In einem solchen optischen Encoder 1 weist das von der Skala 2 gebeugte Licht nur den Lichtstrahl 0-ter Ordnung, die Lichtstrahlen ±1-ter Ordnung und die Lichtstrahlen ±2-ter der Ordnung auf, und es sind keine gebeugten Lichtstrahlen ±3-ter Ordnung oder höher vorhanden.
Zu diesem Zeitpunkt wird das Signallicht (d.h. die Lichtstrahlen ±1-ter Ordnung) zu 10 % und das unerwünschte Licht (d.h. die Lichtstrahlen 0-ter Ordnung) zu 25 % detektiert.
Theoretisch tritt das unerwünschte Licht der Lichtstrahlen ±2-ter Ordnung nicht auf; es tritt jedoch, basierend auf den theoretischen Werten, mit einer Beugungseffizienz von etwa 7 % auf, wenn Fertigungsfehler berücksichtigt werden. Wenn der konvexe Teil 51 eine Breite j in X-Richtung entlang der Messrichtung von 0,34 um und der Aussparungsteil 52 eine Nuttiefe k von 0,85 µm in Bezug auf die Periode von 1,375 µm des Gitters 55 des optischen Elements 5 hat, wird das Signallicht (d.h. die Lichtstrahlen ±1-ter Ordnung) zu 60 % oder mehr erhalten, das unerwünschte Licht der Lichtstrahlen 0-ter Ordnung beträgt 12 % oder weniger, und das unerwünschte Licht der Lichtstrahlen ±2-ter Ordnung beträgt 12 % oder weniger.
In diesem Fall kann die Lichtmenge, welche die Lichtempfangselemente 70 in der Elementreihe 7 erreicht, mit den nachstehenden Gleichungen (1) bis (3) ermittelt werden, indem die Beugungseffizienz der Skala 2 mit der Beugungseffizienz des optischen Elements 5 multipliziert wird:
$\begin{array}{l} Lichtstrahl 0 - ter Ordnung = 25 % \times 12 % = 0,25 \times 0,12 = \\ 0,03 \end{array}$
$\begin{array}{l} Lichstrahlen \pm 1 - ter Ordnung = 10 % \times 60 % = 0,1 \times 0,6 \\ = 0,06 \end{array}$
$\begin{array}{l} Lichtsrahlen \pm 2 - ter Ordnung = 7 % \times 12 % = 0,07 \times 0,12 \\ = 0,0084 \end{array}$
Basierend auf den Lichtstrahlen ±1-ter Ordnung erreicht der Lichtstrahl 0-ter Ordnung die Lichtempfangselemente 70 in der Elementreihe 7 gemäß Gleichung (4), mit einer Lichtmenge von 50% und die Lichtstrahlen ±2-ter Ordnung erreichen die Lichtempfangselemente 70 in der Elementreihe 7 gemäß Gleichung (5) mit einer Lichtmenge von 14%.
$\begin{array}{l} Lichtstrahl 0 - ter Ordnung / \pm 1 - ter Ordnung = 0,03 / \\ 0,06 = 0,5 = 50 % \end{array}$
$\begin{array}{l} Lichtstrahlen \pm 2 - ter Ordnung / Lichtstrahlen \pm 1 - ter \\ O r d n u n g = 0,0084 / 0,06 = 0,14 = 14 % \end{array}$
Die obigen Berechnungsgleichungen gehen davon aus, dass das gesamte erzeugte unerwünschte Licht in die Lichtempfangsfläche (dem Bereich der Lichtempfangsfläche, in dem das Licht empfangen werden kann) der Lichtempfangseinrichtung eingekoppelt wird. Dabei kann abhängig von der mechanischen Konstruktion des optischen Encoders (Detektors) ein Teil des unerwünschten Lichts abgeschirmt werden, bevor es die Lichtempfangseinrichtung (Lichtempfangsfläche) erreicht, und nur ein Teil des erzeugten unerwünschten Lichts kann in die Lichtempfangsfläche eingekoppelt werden. Zum Beispiel kann ein Teil des unerwünschten Lichts aufgrund der angeordneten oder gehaltenen Komponenten, die nicht für die Abschirmung des unerwünschten Lichts vorgesehen sind, der Konstruktion des optischen Encoders und/oder dergleichen abgeschirmt werden. In einem solchen Fall, da nur ein Teil des unerwünschten Lichts an die Lichtempfangseinrichtung (Lichtempfangsfläche) zugeführt wird, wird das Verhältnis des unerwünschten Lichts zum Signallicht klein, und somit kann der optische Encoder der vorliegenden Erfindung noch höhere vorteilhafte Wirkungen erzielen.
Im Folgenden wird anhand der Figuren eine beispielhafte Berechnung der Interferenzstreifen beschrieben.
3 ist ein Diagramm, das die Detektionssignale zeigt, wenn die idealen Interferenzstreifen, die nur Lichtstrahlen ± 1-ter Ordnung beinhalten, mit 12 Lichtempfangselementen detektiert werden und 4 ist ein Diagramm, das die Detektionssignale zeigt, wenn die Interferenzstreifen, die den Lichtstrahl 0-ter Ordnung und die Lichtstrahlen der Ordnung ±2 beinhalten, die mit Intensitäten von 50 % bzw. 14 % eingemischt sind, wenn sie auf den Lichtstrahlen ±1-ter Ordnung basieren, mit den 12 Lichtempfangselementen detektiert werden. Die vertikalen und horizontalen Achsen in 3 und 4 sind wie oben beschrieben. Die Detektionssignale, die von den Lichtempfangselementen 70 in der Elementreihe 7 detektiert werden, sind Detektionssignale von vier Phasen, d.h. der A-Phase, der B-Phase, der AB-Phase und der BB-Phase, wie oben beschrieben. Die Störungen in den Interferenzstreifen hängen auch von den anfänglichen Phasenbeziehungen zwischen den jeweiligen gebeugten Lichtstrahlen ab. 3 und 4 zeigen den Fall, dass die Lichtempfangselemente 70 in der Elementreihe 7 mit der gleichen Periode wie die Interferenzstreifen angeordnet sind, wobei die Anfangsbedingung verwendet wird, unter der in den Interferenzstreifen die größte Störung ermittelt wird.
5A ist ein Diagramm, das die Detektionssignale zeigt, wenn die idealen Interferenzstreifen, die nur Lichtstrahlen ±1-ter Ordnung beinhalten, mit vier Lichtempfangselementen detektiert werden, und 5B ist ein Diagramm, das die Amplitude des Fehlers in 5A zeigt. Darüber hinaus ist 6A ein Diagramm, das die Detektionssignale zeigt, wenn die Interferenzstreifen, die den Lichtstrahl 0-ter Ordnung und die Lichtstrahlen der Ordnung ±2 beinhalten, die mit Intensitäten von 50 % bzw. 14 % vermischt sind, wenn sie auf den Lichtstrahlen ±1-ter Ordnung basieren, mit den vier Lichtempfangselementen detektiert werden, und 6B ist ein Diagramm, das die Amplitude des Fehlers in 6A zeigt. Die vertikalen und horizontalen Achsen jedes Diagramms sind wie oben beschrieben. Die Frequenzanalyse der durch die Berechnung erhaltenen Detektionssignale zeigt, dass die „Fehlerkomponente 1“, bei der es sich um den durch die Anzahl-der-Elemente-bedingten Fehler mit einer Periode handelt, die doppelt so lang ist wie die ursprüngliche Signalperiode, und die „Fehlerkomponente 2“, bei der es sich um den durch die Anzahl-der-Elemente-bedingten Fehler mit einer Periode handelt, die 0,667 mal so lang ist wie die ursprüngliche Signalperiode, vorhanden sind.
7 ist ein Diagramm, welches das Berechnungsergebnis zeigt, wenn die Gesamtanzahl der Lichtempfangselemente 70 in der Elementreihe 7 von 1 auf 30 erhöht wird. 7 ist ein Diagramm, das die Anzahl der Lichtempfangselemente von 1 bis 30 auf der horizontalen Achse und die in den Detektionssignalen verbleibenden Fehlerkomponenten auf der vertikalen Achse zeigt. Die Größe der Fehlerkomponente ist definiert als das Verhältnis, wenn die Amplitudenkomponente des Signals dahingehend festgelegt wird, „1“ sein.
Wie in den oben beschriebenen japanischen Patentanmeldungen Nr. 2018-105845 und 2019-219347 ist die Fehlerkomponente, d.h. der durch die Anzahl-der-Elemente-bedingte Fehler, gleich Null, wenn die Gesamtanzahl der funktionstüchtigen Lichtempfangselemente in der Elementreihe 7 eine gerade Anzahl ist. Wenn jedoch die Gesamtanzahl der funktionstüchtigen Lichtempfangselemente zu einer ungeraden Anzahl wird, kann der durch die Anzahl-der-Elemente-bedingte Fehler auftreten, und eine hohe Genauigkeit kann nicht auf stabile Weise erreicht werden.
8 ist ein Diagramm, welches das Berechnungsergebnis zeigt, wenn die Gesamtanzahl der Lichtempfangselemente 70 von 1070 auf etwa 1090 erhöht wird. Der optische Encoder 1 kann in der Lage sein, den durch die Anzahl-der-Elemente-bedingten Fehler auf etwa 0,001 (0,1 %) zu unterdrücken, selbst wenn die Gesamtanzahl der funktionstüchtigen Lichtempfangselemente 70 zu einer ungeraden Anzahl wird, indem die Gesamtanzahl der Lichtempfangselemente 70 in der Elementreihe 7 erhöht und der Mittelungseffekt verbessert wird.
Insbesondere sind, wie in 8 gezeigt, die Fehlerkomponente 1 und die Fehlerkomponente 2 beide kleiner als 0,001 (0,1 %), wenn die Gesamtanzahl der Lichtempfangselemente 70 dahingehend festgelegt ist, 1.082 oder mehr zu betragen. Basierend hierauf, hinsichtlich der Intensität des unerwünschten Lichts in Bezug auf die Intensität des Signallichts (d.h. Lichtstrahlen ±1-ter Ordnung), das an die Lichtempfangseinrichtung 6 zugeführt wird, in dem optischen Encoder 1, der derart konfiguriert ist, dass die Intensität des Lichtstrahls 0-ter Ordnung 50% oder weniger beträgt und die Intensitäten der Lichtstrahlen ±2-ter Ordnung 14 % oder weniger in Bezug auf die Intensität des Signallichts (d.h. Lichtstrahlen ±1-ter Ordnung) betragen, kann die Genauigkeit stabil aufrechterhalten werden, indem die Gesamtanzahl der Lichtempfangselemente 70 dahingehend festgelegt wird, 1.082 oder mehr zu betragen.
Auf diese Weise kann durch Erhöhen der Anzahl von Lichtempfangselementen 70 und die Erhöhung des Mittelungseffekts die Wirkung des unerwünschten Lichts auf stabile Weise verringert werden, selbst wenn die Gesamtanzahl der funktionstüchtigen Lichtempfangselemente 70 zu einer ungeraden Anzahl wird, ohne von verschiedenen Störfaktoren beeinflusst zu werden.
Mit einer solchen ersten Ausführungsform können die folgenden vorteilhaften Wirkungen erzielt werden:

(1) Unter den oben beschriebenen Bedingungen kann der optische Encoder 1 den Fehler verringern, selbst wenn die Anzahl der funktionstüchtigen Lichtempfangselemente 70 eine ungerade Anzahl ist, indem die Lichtempfangselemente 70 in einer Anzahl angeordnet werden, bei der der durch die Anzahl-der-Elemente-bedingte Fehler kleiner als der zulässige Fehler ist. Dementsprechend kann der optische Encoder 1 die Wirkung des unerwünschten Lichts auf stabile Weise verringern, selbst wenn die Gesamtanzahl der funktionstüchtigen Lichtempfangselemente 70 aufgrund von Fehlfunktionen, Verschmutzung oder dergleichen zu einer ungeraden Anzahl wird;
(2) in einer vorgegebenen Konfiguration, in der Interferenzstreifen, die durch die Lichtstrahlen ±1-ter Ordnung gebildet werden, zur Detektion verwendet werden, kann der optische Encoder 1 die Wirkung von unerwünschtem Licht auf stabile Weise verringern, selbst wenn die Gesamtanzahl der funktionstüchtigen Lichtempfangselemente aufgrund von Fehlfunktionen, Verschmutzung oder ähnlichem zu einer ungeraden Anzahl wird;
(3) da die gebeugten Lichtstrahlen, die von der Skala 2 abweichen, effizient auf der Lichtempfangsfläche gesammelt werden können, können die gebeugten Lichtstrahlen, die für das Signal benötigt werden, effizient gesammelt werden und es kann im Vergleich zu dem Fall, in dem das optische Element nicht verwendet wird, mehr optische Leistung (Lichtmenge) erhalten werden; und
(4) durch die Verwendung einer Beugungsgitterplatte für das optische Element 5 kann eine Konfiguration, bei der gebeugte Lichtstrahlen, die von der Skala 2 abweichen, effizient auf der Lichtempfangsfläche gesammelt werden können, leicht erreicht werden.

Zweite Ausführungsform
Die zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden beschrieben. In der folgenden Beschreibung sind zuvor beschriebene Teile mit denselben Bezugszeichen bezeichnet, und ihre Beschreibungen entfallen.
Gemäß der oben beschriebenen ersten Ausführungsform ist bei dem in den 1 und 2 dargestellten optischen Encoder 1 die Lichtquelle 4 mit einer Lichtwellenlänge von 660 nm so angeordnet, dass der Einfallswinkel θ des Lichts auf die Teilungsstriche 20 der Skala 2 30 Grad beträgt und die Periode f der Teilungsstriche 20 der Skala 2 2 um, die Periode g des Gitters 55 des optischen Elements 5 1,375 µm und die Periode h der Lichtempfangselemente 2,2 µm beträgt.
Der in den 1 und 2 dargestellte optische Encoder 1 gemäß der zweiten Ausführungsform ist wie folgt konfiguriert. Insbesondere hat die Lichtquelle 4 wie bei der oben beschriebenen ersten Ausführungsform eine Lichtwellenlänge von 660 nm und ist so angeordnet, dass der Einfallswinkel θ des Lichts auf die Teilungsstriche 20 der Skala 2 30 Grad beträgt (vgl. 1).
Im Gegensatz zur oben beschriebenen ersten Ausführungsform ist die zweite Ausführungsform jedoch derart konfiguriert, dass die Periode f der Teilungsstriche 20 der Skala 2 (vgl. 1 und 2) 1 µm, die Periode g des Gitters 55 des optischen Elements 5 0,4 um (vgl. 1 und 2) und die Periode h der Lichtempfangselemente 70 in der Elementreihe 7 der Lichtempfangseinrichtung 6 1 µm beträgt (vgl. 1 und 2).
Bei dem optischen Encoder 1 gemäß der zweiten Ausführungsform beträgt die Periode f der Teilungsstriche 20 der Skala 2 1 µm und ist damit feiner als die Periode f der Teilungsstriche in der oben beschriebenen ersten Ausführungsform, die 2 µm beträgt. Somit weist das resultierende gebeugte Licht, das von der Skala 2 gebeugt wird, nur den Lichtstrahl 0-ter Ordnung und die Lichtstrahlen ±1-ter Ordnung auf, und keine Lichtstrahlen ±2-ter Ordnung oder höher, d.h., es sind keine gebeugten Lichtstrahlen ±2-ter Ordnung oder höher vorhanden. Dementsprechend kann selbst bei dem optischen Encoder 1 mit der oben beschriebenen Konfiguration der durch die Anzahl-der-Elemente-bedingte Fehler auf etwa 0,001 (0,1 %) unterdrückt werden, und die Wirkung des unerwünschten Lichts kann auf stabile Weise verringert werden, ohne von verschiedenen Störfaktoren beeinflusst zu werden, selbst wenn die Gesamtanzahl der funktionstüchtigen Lichtempfangselemente 70 zu einer ungeraden Anzahl wird, indem die Gesamtanzahl der Lichtempfangselemente 70 in der Elementreihe 7 erhöht und der Mittelungseffekt verstärkt wird.
Bei einer solchen zweiten Ausführungsform können die gleichen vorteilhaften Wirkungen erzielt werden wie bei der oben beschriebenen ersten Ausführungsform.
Variation von Ausführungsformen
Es wird angemerkt, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist, und jede Variation, Verbesserung usw. von der vorliegenden Erfindung umfasst ist, insofern sie die Aufgabe der vorliegenden Erfindung lösen können.
Zum Beispiel wurde in den jeweiligen oben beschriebenen Ausführungsformen der Fall beschrieben, in dem die vorliegende Erfindung in dem optischen Encoder 1, der ein linearer Encoder ist, verwendet wird, aber der Encoder ist nicht insbesondere beschränkt, was das Format des Detektors, die Detektionsmethode und dergleichen betrifft, sofern es ein optischer Encoder ist. In den oben beschriebenen Ausführungsformen ist die Skala 2 des optischen Encoders 1 von einem reflektierenden Typ, der das Licht der Lichtquelle 4 reflektiert, aber die Skala kann auch von einem durchlässigen Typ sein. Wenn die Skala vom durchlässigen Typ ist, kann der optische Encoder entsprechend konfiguriert werden. Zum Beispiel weisen die Teilungsstriche 20 einen reflektierenden Teil und einen nicht reflektierenden Teil auf, wobei der reflektierende Teil eine Metallplatte oder dergleichen sein kann. Ist die Skala des optischen Encoders jedoch vom durchlässigen Typ, kann es sich bei den Teilungsstrichen um Löcher handeln, die in einem Gittermuster in der Skala ausgebildet sind. Außerdem können die Teilungsstriche zum Beispiel durch Aufbringen einer Membran o. ä. auf die Skalenplatte gebildet werden, die in einem Gittermuster ausgebildet ist, das kein Licht durchlässt.
In den oben beschriebenen Ausführungsformen beträgt der zulässige Fehler 0,1 %, und die Anzahl der Lichtempfangselemente 70 wird so eingestellt, dass der durch die Anzahl-der-Elemente-bedingte Fehler 0,1 % oder weniger beträgt. Der zulässige Fehler kann jedoch als Zielwert in Abhängigkeit von der Leistung des optischen Encoders frei festgelegt werden. Daher muss der zulässige Fehler nicht unbedingt 0,1 % betragen und kann stattdessen 0,1 % oder mehr oder 0,1 % oder weniger betragen, sofern der optische Encoder so ausgelegt ist, dass der durch die Anzahl-der-Elemente-bedingte Fehler den zulässigen Fehler nicht überschreitet, wobei der zulässige Fehler als Zielwert festgelegt wird.
Bei der oben beschriebenen ersten Ausführungsform beträgt die Lichtwellenlänge der Lichtquelle 4 660 nm, der Einfallswinkel des Lichts der Lichtquelle 4 zur Skala 2 beträgt 30 Grad, die Periode der Teilungsstriche 20 beträgt 2 µm, die Periode des Gitters 55 des optischen Elements 5 beträgt 1,375 um, und die Periode der Lichtempfangselemente 70 beträgt 2,2 µm. In der oben beschriebenen zweiten Ausführungsform beträgt die Periode der Abstufungen 20 1 um, die Periode des Gitters 55 des optischen Elements 5 beträgt 0,4 µm und die Periode der Lichtempfangselemente 70 beträgt 1 µm. Außerdem ist der optische Encoder 1 hinsichtlich der Intensität des unerwünschten Lichts in Bezug auf die Intensitäten der Lichtstrahlen ±1-ter Ordnung, die an die Lichtempfangseinrichtung 6 zuführt werden, derart konfiguriert, dass die Intensität des Lichtstrahls 0-ter Ordnung 50 % oder weniger beträgt und die Intensitäten der Lichtstrahlen ±2-ter Ordnung 14 % oder weniger betragen. Wenn der zulässige Fehler auf 0,1 % festgelegt ist, wird die Anzahl der Lichtempfangselemente 70 in der Elementreihe 7 auf 1.082 oder mehr festgelegt, was die Anzahl ist, bei der der durch die Anzahl-der-Elemente-bedingte Fehler 0,1 % oder weniger beträgt.
Die Lichtempfangsfläche der Lichtempfangseinrichtung des optischen Encoders weist eine Elementreihe mit mehreren Lichtempfangselementen auf, die entlang der Messrichtung mit der gleichen Periode wie die der Interferenzstreifen angeordnet sind. Der optische Encoder kann jedoch eine beliebige Konfiguration haben und/oder beliebige Lichtempfangseinrichtungen verwenden, sofern die Anzahl der Lichtempfangselemente in der Elementreihe so eingestellt ist, dass der durch die Anzahl-der-Elemente-bedingte Fehler kleiner als der zulässige Fehler ist. Ein solcher durch die Anzahl-der-Elemente-bedingter Fehler wird verursacht, wenn eine ungerade Gesamtanzahl von Lichtempfangselementen vorhanden ist und diese ungerade Gesamtanzahl von Lichtempfangselementen funktionstüchtig ist, oder wenn eine gerade Gesamtanzahl von Lichtempfangselementen vorhanden ist, aber ein Element weniger als diese gerade Gesamtanzahl von Lichtempfangselementen funktionstüchtig ist.
Zum Beispiel wandelt die Lichtempfangseinrichtung die an der Lichtempfangsfläche empfangenen Interferenzstreifen bevorzugt in Detektionssignale um, die sich entsprechend der Periode der Teilungsstriche gemäß der Relativbewegung zwischen Skala und Detektionskopf ändern, und gibt solche Detektionssignale aus, wobei die Detektionssignale Differenzsignale von zumindest zwei Phasen mit unterschiedlichen Phasen sind. Dabei weist die Lichtempfangsfläche bevorzugt eine Gruppe von Elementreihen auf, wobei zumindest zwei Elementreihen entlang einer zur Messrichtung orthogonalen Richtung angeordnet sind. Durch eine solche Anordnung kann der optische Encoder Fehler vermeiden, die durch Verschmutzung entstehen können, auch wenn eines der Lichtempfangselemente verschmutzt ist.
Nachfolgend werden die Variationen der Lichtempfangseinrichtung beschrieben, bei denen zumindest zwei Elementreihen angeordnet sind.
9 ist ein Diagramm, das die Lichtempfangseinrichtung 6A gemäß einer ersten Variation zeigt.
Die Lichtempfangseinrichtung gemäß der ersten Variation wandelt die an der Lichtempfangsfläche empfangenen Interferenzstreifen in Detektionssignale um, die entsprechend der Periode der Teilungsstriche gemäß der Relativbewegung zwischen Skala und Detektionskopf variieren, und gibt dann solche Detektionssignale aus, wobei die Detektionssignale Differenzsignale von zwei Phasen mit unterschiedlichen Phasen sind.
Wie in 9 gezeigt, weist die Lichtempfangsfläche 60A Elementreihen 7a, 7b, 7ab und 7bb mit mehreren Lichtempfangselementen 70 auf, die entlang der Messrichtung (X-Richtung) mit einer Periode angeordnet sind, die derjenigen der Teilungsstriche entspricht (vgl. 1 und 2), und eine Elementreihengruppe 8, in der vier solcher Elementreihen 7a, 7b, 7ab und 7bb zusammen entlang einer Richtung (Y-Richtung) orthogonal zu der Messrichtung angeordnet sind.
Die Elementreihen 7a, 7b, 7ab und 7bb weisen hinsichtlich jeder der beiden Phasen positivphasige Signalelementreihen auf, die positivphasige Signale ausgeben, und negativphasige Signalelementreihen, die negativphasige Signale ausgeben. Diese beiden Phasen sind entlang der Messrichtung mit einer vorgegebenen Phasendifferenz versetzt. Mehrere Elementreihengruppen 8 sind entlang der orthogonalen Richtung in der Lichtempfangsfläche 60A angeordnet.
Dabei werden die positivphasigen Signale der beiden Phasen als ein erstes und ein zweites Signal bezeichnet, das negativphasige Signal des ersten Signals wird als drittes Signal bezeichnet und das negativphasige Signal des zweiten Signals wird als viertes Signal bezeichnet. Die Elementreihen 7a, 7b, 7ab und 7bb in der Elementreihengruppe 8 sind entlang der zur Messrichtung orthogonalen Richtung in der folgenden Reihenfolge angeordnet: die positivphasige Signalelementreihe 7a, die das erste Signal ausgibt, die positivphasige Signalelementreihe 7b, die das zweite Signal ausgibt, die negativphasige Signalelementreihe 7ab, die das dritte Signal ausgibt, und die negativphasige Signalelementreihe 7bb, die das vierte Signal ausgibt.
Gemäß dieser Konfiguration kann die Lichtempfangseinrichtung 6A vierphasige Signale als Detektionssignale erhalten und gleichzeitig Fehler verhindern, die aufgrund von Verschmutzung auftreten können.
10 ist eine Darstellung, welche die Lichtempfangseinrichtung 6B gemäß einer zweiten Variation zeigt.
Wie in 10 dargestellt, weist die Lichtempfangsfläche 60B der Lichtempfangseinrichtung 6B gemäß der zweiten Variation Elementreihen 7a, 7b, 7ab und 7bb auf. Die jeweiligen Elementreihen 7a, 7b, 7bb und 7ab weisen mehrere Lichtempfangselemente 70 auf, die entlang der Messrichtung (X-Richtung) mit einer Periode angeordnet sind, die derjenigen der Teilungsstriche 20 entspricht (vgl. 1 und 2). Die Elementreihen 7a, 7b, 7bb und 7ab sind gemeinsam entlang einer zur Messrichtung orthogonalen Richtung (Y-Richtung) angeordnet.
Darüber hinaus weist die Lichtempfangsfläche 60B Elementreihengruppen 8B auf, wobei jede Gruppe vier Elementreihen 7a, 7b, 7bb und 7ab aufweist. Eine Elementreihengruppe 8B weist vier Elementreihen 7a, 7b, 7bb und 7ab auf. Mehrere Elementreihengruppen 8B sind entlang der Y-Richtung in der Lichtempfangsfläche 60B angeordnet.
11 ist eine schematische Darstellung, welche die Lichtempfangseinrichtung 6B gemäß der zweiten Variation, eine Signaleingangs-/Ausgangseinheit 9 und eine Bedieneinrichtung 10 zeigt.
Wie in 11 gezeigt, weist die Elementreihengruppe 8B die erste Elementreihe 7a, die zweite Elementreihe 7b, die dritte Elementreihe 7bb und die vierte Elementreihe 7ab auf, und zwar in dieser Reihenfolge von der Seite mit der +Y-Richtung zur Seite mit der -Y-Richtung (in der Zeichnung von oben nach unten). Die Elementreihen 7a, 7b, 7bb und 7ab sind entlang der Y-Richtung mit einem vorgegebenen Abstand P angeordnet. Die Elementreihen 7a, 7b, 7bb und 7ab weisen hinsichtlich jeder der beiden Phasen positivphasige Signalelementreihen (die erste Elementreihe 7a und die zweite Elementreihe 7b), die positivphasige Signale ausgeben, und negativphasige Signalelementreihen (die dritte Elementreihe 7bb und die vierte Elementreihe 7ab), die negativphasige Signale ausgeben, auf.
Die erste Elementreihe 7a gibt das A-Phasensignal aus, welches das positivphasige Signal der A-Phase ist. Die zweite Elementreihe 7b gibt das B-Phasensignal aus, welches das positivphasige Signal der B-Phase ist. Die dritte Elementreihe 7bb gibt das BB-Phasensignal aus, welches das negativphasige Signal der B-Phase ist. Die vierte Elementreihe 7ab gibt das AB-Phasensignal aus, welches das negativphasige Signal der A-Phase ist. Dementsprechend entsprechen die erste Elementreihe 7a und die zweite Elementreihe 7b den positivphasigen Signalelementreihen in der vorliegenden Erfindung. Darüber hinaus entsprechen in der vorliegenden Erfindung die dritte Elementreihe 7bb und die vierte Elementreihe 7ab den negativphasigen Signalelementreihen.
Darüber hinaus sind die Elementreihen 7a, 7b, 7bb und 7ab entlang der X-Richtung mit einer vorgegebenen Phasendifferenz versetzt. Insbesondere ist basierend auf dem A-Phasensignal, das B-Phasensignal, mit einer Phasendifferenz von 90° angeordnet, das AB-Phasensignal mit einer Phasendifferenz von 180° angeordnet und das BB-Phasensignal mit einer Phasendifferenz von 270° angeordnet. Daher ist in Bezug auf die erste Elementreihe 7a die zweite Elementreihe 7b entlang der X-Richtung mit einer Phasendifferenz von 90° versetzt, die dritte Elementreihe 7b ist entlang der X-Richtung mit einer Phasendifferenz von 270° versetzt, und die vierte Elementreihe 7ab ist entlang der X-Richtung mit einer Phasendifferenz von 180° versetzt.
Die erste Elementreihe 7a und die zweite Elementreihe 7b, welche die positivphasigen Signalelementreihen sind, machen die Hälfte (zum Beispiel zwei Reihen) der mehreren (zum Beispiel vier) Elementreihen 7a, 7b, 7bb und 7ab in der Elementreihengruppe 8B aus und sind in Bezug auf die Mitte, die der Schnittpunkt zwischen der Y-Richtung und der X-Achse ist, auf einer Seite (d.h. der Seite mit der +Y-Richtung), in der Lichtempfangsfläche 60B angeordnet. Darüber hinaus machen die dritte Elementreihe 7bb und die vierte Elementreihe 7ab, welche die negativphasigen Signalelementreihen sind, die Hälfte (zum Beispiel zwei Reihen) der mehreren (zum Beispiel vier) Elementreihen 7a, 7b, 7bb und 7ab in der Elementreihengruppe 8B aus und sind in Bezug auf die Mitte, die der Schnittpunkt zwischen der Y-Richtung und der X-Achse ist, auf der anderen Seite (d.h. der Seite der -Y-Richtung), in der Lichtempfangsfläche 60B angeordnet.
Darüber hinaus weist der optische Encoder 1 auf: eine erste Signaleingangs-/Ausgangseinheit 9a und eine zweite Signaleingangs-/Ausgangseinheit 9b, welche die von der Lichtempfangseinrichtung 6B ausgegebenen Detektionssignale als Eingaben von Differenzsignalen verwenden; und die Bedieneinrichtung 10, die den Betrag der Relativbewegung zwischen der Skala 2 (vgl. 1 und 2) und dem Detektionskopf 3 basierend auf den aus den beiden Signaleingangs-/Ausgangseinheiten 9a und 9b ausgegebenen Differenzsignalen steuert.
Die beiden Signaleingangs-/Ausgangseinheiten 9a und 9b weisen jeweils Positivphasen-Signaleingangs-/Ausgangseinheiten 91a und 91b auf, in die positivphasige Signale als Detektionssignale von der Lichtempfangseinrichtung 6B eingegeben werden, und weisen jeweils Negativphasen-Signaleingangs-/Ausgangseinheiten 92a und 92b auf, in die negativphasige Signale eingegeben werden.
An der ersten Signaleingangs-/Ausgangseinheit 9a wird aus der ersten Elementreihe 7a der Lichtempfangseinrichtung 6B das A-Phasensignal in die Positivphasen-Signaleingangs-/Ausgangseinheit 91a eingegeben, und das AB-Phasensignal wird aus der vierten Elementreihe 7ab in die Negativphasen-Signaleingangs-/Ausgangseinheit 92a eingegeben. Dann gibt die erste Signaleingangs-/Ausgangseinheit 9a ein differentielles A-Phasensignal, das die Differenz zwischen dem A-Phasensignal und dem AB-Phasensignal ist (d.h. das A-Phasensignal - das AB-Phasensignal), an die Bedieneinrichtung 10 aus.
An der zweiten Signaleingangs-/Ausgangseinheit 9b wird das B-Phasensignal in die Positivphasen-Signaleingangs-/Ausgangseinheit 91b aus der zweiten Elementreihe 7b der Lichtempfangseinrichtung 6B eingegeben, und das BB-Phasensignal wird in die Negativphasen-Signaleingangs-/Ausgangseinheit 92b aus der dritten Elementreihe 7bb eingegeben. Dann gibt die zweite Signaleingangs-/Ausgangseinheit 9b ein differentielles B-Phasensignal, das die Differenz zwischen dem B-Phasensignal und dem BB-Phasensignal ist (d.h. dem B-Phasensignal - dem BB-Phasensignal), an die Bedieneinrichtung 10 aus. In den Figuren der folgenden Beschreibung sind die positivphasigen Signale durch eine durchgezogene Linie und die negativphasigen Signale durch eine gestrichelte Linie dargestellt, und zwar in Bezug auf die Eingaben in zwei Signaleingangs-/Ausgangseinheiten 9a und 9b aus den Elementreihen 7a, 7b, 7bb und 7ab.
Die Elementreihen 7a, 7b, 7bb und 7ab in der Elementreihengruppe 8B sind an Positionen angeordnet, an denen die Summe des Abstands in +Y-Richtung von einer Referenzposition zu einer positivphasigen Signalelementreihe (die erste Elementreihe 7a oder die zweite Elementreihe 7b) und des Abstands in -Y-Richtung von der Referenzposition zu einer negativphasigen Signalelementreihe (die dritte Elementreihe 7bb oder die vierte Elementreihe 7ab) für alle Phasen gleich ist.
Hierbei bezieht sich die Referenzposition auf eine vorgegebene Position auf der Lichtempfangsfläche 60B, und die Beschreibung erfolgt unter Verwendung der X-Achse in den Figuren als Referenzposition in der vorliegenden Ausführungsform.
Die erste Elementreihe 7a befindet sich in einem Abstand von +3P/2 in der +Y-Richtung von der Referenzposition. Die zweite Elementreihe 7b befindet sich in einem Abstand von +P/2 in der +Y-Richtung von der Referenzposition. Die dritte Elementreihe 7bb befindet sich in einem Abstand von -P/2 in der -Y-Richtung von der Referenzposition. Die vierte Elementreihe 7ab befindet sich in einem Abstand von -3P/2 in -Y-Richtung von der Referenzposition.
Die Summe des Abstands zwischen der ersten Elementreihe 7a, die das A-Phasensignal ausgibt und der Referenzposition und des Abstands zwischen der vierten Elementreihe 7ab, die das AB-Phasensignal ausgibt und der Referenzposition ist wie in der untenstehenden Gleichung (6) ausgedrückt, wobei das A-Phasensignal und das AB-Phasensignal als Eingaben für das differentielle A-Phasensignal dienen. Darüber hinaus ist die Summe des Abstands zwischen der zweiten Elementreihe 7b, die das B-Phasensignal ausgibt, und der Referenzposition und des Abstands zwischen der dritten Elementreihe 7bb, die das BB-Phasensignal ausgibt, und der Referenzposition wie in Gleichung (7) unten ausgedrückt, wobei das B-Phasensignal und das BB-Phasensignal als Eingaben für das differentielle B-Phasensignal dienen.
$(+ 3 P / 2) + (- 3 P / 2) = 0$
$(+ P / 2) + (- P / 2) = 0$
Wie in den Gleichungen (6) und (7) angegeben, sind die Elementreihen 7a, 7b, 7bb, und 7ab in der Elementreihengruppe 8B an Positionen angeordnet, an denen die Summe des Abstands in der +Y-Richtung von der Referenzposition zu einer positivphasigen Signalelementreihe (die erste Elementreihe 7a oder die zweite Elementreihe 7b) und des Abstands in der -Y-Richtung von der Referenzposition zu einer negativphasigen Signalelementreihe (die dritte Elementreihe 7bb oder die vierte Elementreihe 7ab) für das differentielle A-Phasensignal und das differentielle B-Phasensignal gleich ist.
Dabei ist die Fläche, auf der die Teilungsstriche 20 (vgl. 1 und 2) der Skala 2 angeordnet sind, bevorzugt parallel zu der Lichtempfangsfläche 60. Es kann jedoch zu einer Verschiebung der Phasendifferenz der Differenzsignale kommen, wenn die Fläche, auf der die Teilungsstriche 20 angeordnet sind (im Folgenden einfach als „Skala 2“ bezeichnet), der Skala 2 in Bezug auf die Lichtempfangsfläche mit einer Drehung und einer Neigung um eine Drehachse angeordnet wird, wobei die Achse orthogonal zu der Lichtempfangsfläche 60B ist, und zwar während des Herstellungs- und/oder Nutzungsprozesses. Es besteht das Problem, dass diese Verschiebung der Phasendifferenz eine Verschlechterung der Genauigkeit des optischen Encoders verursachen kann.
Gemäß der oben beschriebenen Konfiguration ist es jedoch möglich, die Verschiebung der Phasendifferenz der Differenzsignale, die dadurch verursacht wird, dass die Skala 2 in Bezug auf die Lichtempfangsfläche 60B mit einer Drehung und einer Neigung um eine Drehachse angeordnet ist, wobei die Achse orthogonal zu der Lichtempfangsfläche 60B ist, aufzuheben. Daher kann die Verschlechterung der Genauigkeit auch dann verhindert werden, wenn die Skala 2 in Bezug auf die Lichtempfangsfläche 60B mit einer Drehung und einer Neigung um eine Drehachse angeordnet ist, wobei die Achse orthogonal zu der Lichtempfangsfläche 60B ist.
12 ist ein Diagramm, das die Lichtempfangseinrichtung 6C gemäß einer dritten Variation zeigt.
Wie in 12 gezeigt, weist die Lichtempfangseinrichtung 6C gemäß der dritten Variation eine erste Elementreihengruppe 8B und eine zweite Elementreihengruppe 8C auf, die neben der ersten Elementreihengruppe 8B in der orthogonalen Richtung (Y-Richtung) in der Lichtempfangsfläche 60C angeordnet ist.
Die zweite Elementreihengruppe 8C weist vier Elementreihen 7B, 7A, 7AB und 7BB auf, die in einer anderen Anordnung als die der Elementreihen 7a, 7b, 7bb und 7ab in der ersten Elementreihengruppe 8B sind. Die Elementreihen 7B, 7A, 7AB und 7BB sind gemeinsam entlang einer zur Messrichtung orthogonalen Richtung (Y-Richtung) angeordnet. Die erste Elementreihengruppe 8B und die zweite Elementreihengruppe 8C sind als ein Satz von Elementreihengruppen 8B und 8C kombiniert, und mehrere Sätze von Elementreihengruppen 8B und 8C sind entlang der Y-Richtung in der Lichtempfangsfläche 60C angeordnet. Insbesondere sind die erste Elementreihengruppe 8B und die zweite Elementreihengruppe 8C in abwechselnder und wiederholter Weise entlang der Y-Richtung in der Lichtempfangsfläche 60C angeordnet.
13 ist eine schematische Darstellung, welche die Lichtempfangseinrichtung 6C gemäß der dritten Variation, die Signaleingangs-/Ausgangseinheit 9 und die Bedieneinrichtung 10 zeigt.
Wie in 13 gezeigt, weist die zweite Elementreihengruppe 8C die fünfte Elementreihe 7B, die sechste Elementreihe 7A, die siebte Elementreihe 7AB und die achte Elementreihe 7BB auf, und zwar in dieser Reihenfolge von der Seite der +Y-Richtung zur Seite der -Y-Richtung (in der Zeichnung von oben nach unten). Die Elementreihen 7B, 7A, 7AB und 7BB sind entlang der Y-Richtung mit einem vorgegebenen Abstand P angeordnet.
Die Elementreihen 7B, 7A, 7AB und 7BB weisen hinsichtlich jeder der beiden Phasen positivphasige Signalelementreihen (die fünfte Elementreihe 7B und die sechste Elementreihe 7A), die positivphasige Signale ausgeben, und negativphasige Signalelementreihen (die siebte Elementreihe 7AB und die achte Elementreihe 7BB), die negativphasige Signale ausgeben, auf.
Darüber hinaus sind die Elementreihen 7B, 7A, 7AB und 7BB entlang der X-Richtung mit einer vorgegebenen Phasendifferenz versetzt. Insbesondere ist in Bezug auf die fünfte Elementreihe 7B die sechste Elementreihe 7A entlang der X-Richtung mit einer Phasendifferenz von 90° versetzt, die siebte Elementreihe 7AB ist entlang der X-Richtung mit einer Phasendifferenz von 270° versetzt, und die achte Elementreihe 7BB ist entlang der X-Richtung mit einer Phasendifferenz von 180° versetzt.
Die fünfte Elementreihe 7B gibt das B-Phasensignal aus, welches das positivphasige Signal der B-Phase ist. Die sechste Elementreihe 7A gibt das A-Phasensignal aus, d.h. das positivphasige Signal der A-Phase. Die siebte Elementreihe 7AB gibt das Signal der AB-Phase aus, welches das negativphasige Signal der A-Phase ist. Die achte Elementreihe 7BB gibt das BB-Phasensignal aus, welches das negativphasige Signal der B-Phase ist. Dementsprechend entsprechen die fünfte Elementreihe 7B und die sechste Elementreihe 7A in der vorliegenden Erfindung den positivphasigen Signalelementreihen. Darüber hinaus entsprechen die siebte Elementreihe 7AB und die achte Elementreihe 7BB in der vorliegenden Erfindung den negativphasigen Signalelementreihen.
In der ersten Elementreihengruppe 8B machen die positivphasigen Signalelementreihen (die erste Elementreihe 7a und die zweite Elementreihe 7b) die Hälfte (zum Beispiel zwei Reihen) der mehreren (zum Beispiel vier) Elementreihen 7a, 7b, 7bb und 7ab in der ersten Elementreihengruppe 8B aus und sind in Bezug auf die Mitte der Y-Richtung in der ersten Elementreihengruppe 8B auf der Seite der +Y-Richtung angeordnet. Darüber hinaus sind die positivphasigen Signalelementreihen (die erste Elementreihe 7a und die zweite Elementreihe 7b) in der ersten Elementreihengruppe 8B in einer Reihenfolge angeordnet, die als vorgegebene Referenz dient, und zwar von der einen Endseite der Y-Richtung zur Mitte hin (in der Zeichnung von unten nach oben). In der dritten Variation entspricht „die Reihenfolge, die als vorgegebene Referenz für die positivphasigen Signalelementreihen dient“, der Reihenfolge der A-Phase und dann der B-Phase.
Darüber hinaus machen in der zweiten Elementreihengruppe 8C die positivphasigen Signalelementreihen (die fünfte Elementreihe 7B und die sechste Elementreihe 7A) die Hälfte (zum Beispiel zwei Reihen) der mehreren (zum Beispiel vier) Elementreihen 7B, 7A, 7AB und 7BB in der zweiten Elementreihengruppe 8C aus und sind in Bezug auf die Mitte der Y-Richtung in der zweiten Elementreihengruppe 8C auf der Seite der +Y-Richtung angeordnet. Darüber hinaus sind die positivphasigen Signalelementreihen (die fünfte Elementreihe 7B und die sechste Elementreihe 7A) in der zweiten Elementreihengruppe 8C in umgekehrter Reihenfolge zu der Reihenfolge angeordnet, die als vorgegebene Referenz dient, und zwar von der einen Endseite der Y-Richtung zur Mitte hin (in der Zeichnung von oben nach unten).
Da „die Reihenfolge, die als vorgegebene Referenz für die positivphasigen Signalelementreihen dient“ der Reihenfolge der A-Phase und dann der B-Phase entspricht, entspricht „die umgekehrte Reihenfolge der Reihenfolge, die als vorgegebene Referenz für die positivphasigen Signalelementreihen dient“, insbesondere der Reihenfolge der B-Phase und dann der A-Phase.
Wenn also die positivphasigen Signalelementreihen der ersten Elementreihengruppe 8B in der Reihenfolge der ersten Elementreihe 7a, die das A-Phasensignal ausgibt, und der zweiten Elementreihe 7b, die das B-Phasensignal ausgibt, von einer Endseite der Y-Richtung zur Mitte hin (in der Zeichnung von unten nach oben) angeordnet sind, sind die positivphasigen Signalelementreihen der zweiten Elementreihengruppe 8C in der Reihenfolge der fünften Elementreihe 7B, die das B-Phasensignal ausgibt, und der sechsten Elementreihe 7A, die das A-Phasensignal ausgibt, von einer Endseite der Y-Richtung zur Mitte hin (in der Zeichnung von oben nach unten) angeordnet, so dass die Reihenfolge, in der die beiden Phasen angeordnet sind, umgekehrt ist.
In der ersten Elementreihengruppe 8B machen die negativphasigen Signalelementreihen (die dritte Elementreihe 7bb und die vierte Elementreihe 7ab) die Hälfte (zum Beispiel zwei Reihen) der mehreren Elementreihen 7a, 7b, 7bb und 7ab in der ersten Elementreihengruppe 8B (zum Beispiel vier Reihen) aus und sind in Bezug auf die Mitte der Y-Richtung auf der Seite der -Y-Richtung in der ersten Elementreihengruppe 8B angeordnet. Außerdem sind die negativphasigen Signalelementreihen (die dritte Elementreihe 7bb und die vierte Elementreihe 7ab) in der ersten Elementreihengruppe 8B in einer Reihenfolge angeordnet, die als vorgegebene Referenz dient, und zwar von der anderen Endseite der Y-Richtung zur Mitte hin (in der Zeichnung von unten nach oben). In der dritten Variation entspricht „die Reihenfolge, die als vorgegebene Referenz für die negativphasigen Signalelementreihen dient“, der Reihenfolge der AB-Phase und dann der BB-Phase.
Darüber hinaus machen in der zweiten Elementreihengruppe 8C die negativphasigen Signalelementreihen (die siebte Elementreihe 7AB und die achte Elementreihe 7BB) die Hälfte (zum Beispiel zwei Reihen) der mehreren (zum Beispiel vier) Elementreihen 7B, 7A, 7AB und 7BB in der zweiten Elementreihengruppe 8C aus und sind in Bezug auf die Mitte der Y-Richtung auf der Seite der -Y-Richtung in der zweiten Elementreihengruppe 8C angeordnet. Außerdem sind die negativphasigen Signalelementreihen (die siebte Elementreihe 7AB und die achte Elementreihe 7BB) in der zweiten Elementreihengruppe 8C in umgekehrter Reihenfolge zu der Reihenfolge angeordnet, die als vorgegebene Referenz dient, und zwar von der anderen Endseite der Y-Richtung zur Mitte hin (in der Zeichnung von unten nach oben).
Da insbesondere „die Reihenfolge, die als vorgegebene Referenz für die negativphasige Signalelementreihen dient“, der Reihenfolge der AB-Phase und dann der BB-Phase entspricht, entspricht „die umgekehrte Reihenfolge zu der Reihenfolge, die als vorgegebene Referenz für die negativphasige Signalelementreihen dient“, der Reihenfolge der BB-Phase und dann der AB-Phase. Wenn also die negativphasigen Signalelementreihen der ersten Elementreihengruppe 8B in der Reihenfolge der vierten Elementreihe 7ab, die das AB-Phasensignal ausgibt, und der dritten Elementreihe 7bb, die das BB-Phasensignal ausgibt, von der anderen Endseite der Y-Richtung zur Mitte hin (in der Zeichnung von unten nach oben) angeordnet sind, sind die negativphasige Signalelementreihen der zweiten Elementreihengruppe 8C in der Reihenfolge der achten Elementreihe 7BB, die das BB-Phasensignal ausgibt, und der siebten Elementreihe 7AB, die das AB-Phasensignal ausgibt, von der anderen Endseite der Y-Richtung zur Mitte hin (in der Zeichnung von unten nach oben) angeordnet, so dass die Reihenfolge, in der die beiden Phasen angeordnet sind, umgekehrt ist.
Mit anderen Worten sind die Elementreihen 7a, 7b, 7bb und 7ab in der ersten Elementreihengruppe 8B von der Seite der +Y-Richtung zur Seite der -Y-Richtung so angeordnet, dass ihre Detektionssignale in der Reihenfolge ausgegeben werden, die als vorgegebene Referenz dient, nämlich in der Reihenfolge des A-Phasensignals, des B-Phasensignals, des BB-Phasensignals und des AB-Phasensignals. Dann werden die Elementreihen 7B, 7A, 7AB und 7BB in der zweiten Elementreihengruppe 8C von der Seite der +Y-Richtung zur Seite der -Y-Richtung so angeordnet, dass ihre Detektionssignale in der umgekehrten Reihenfolge zu der Reihenfolge ausgegeben werden, die als vorgegebene Referenz dient, nämlich in der Reihenfolge des B-Phasensignals, des A-Phasensignals, des AB-Phasensignals und des BB-Phasensignals.
Was die beiden Signaleingangs-/Ausgangseinheiten 9a und 9b betrifft, so werden bei der ersten Signaleingangs-/Ausgangseinheit 9a die A-Phasen-Signale aus der ersten Elementreihe 7a und der sechsten Elementreihe 7A der Lichtempfangseinrichtung 6C in die Positivphasen-Signaleingangs-/Ausgangseinheit 91a eingegeben, und die AB-Phasen-Signale werden aus der vierten Elementreihe 7ab und der siebten Elementreihe 7AB in die Negativphasen-Signaleingangs-/Ausgangseinheit 92a eingegeben. Dann gibt die erste Signaleingangs-/Ausgangseinheit 9a ein differentielles A-Phasensignal, das die Differenz zwischen dem A-Phasensignal und dem AB-Phasensignal ist (d.h. das A-Phasensignal - das AB-Phasensignal), an die Bedieneinrichtung 10 aus.
An der zweiten Signaleingangs-/Ausgangseinheit 9b werden die B-Phasensignale aus der zweiten Elementreihe 7b und der fünften Elementreihe 7B der Lichtempfangseinrichtung 6C in die Positivphasen-Signaleingangs-/Ausgangseinheit 91b eingegeben, und die BB-Phasensignale werden aus der dritten Elementreihe 7bb und der achten Elementreihe 7BB in die Negativphasen-Signaleingangs-/Ausgangseinheit 92b eingegeben. Dann gibt die zweite Signaleingangs-/Ausgangseinheit 9b ein differentielles B-Phasensignal, das die Differenz zwischen dem B-Phasensignal und dem BB-Phasensignal ist (d.h. das B-Phasensignal - das BB-Phasensignal), an die Bedieneinrichtung 10 aus.
Die Elementreihen 7a, 7b, 7bb, 7ab, 7B, 7A, 7AB und 7BB in der ersten Elementreihengruppe 8B und der zweiten Elementreihengruppe 8C sind an Positionen angeordnet, an denen die Summe des Abstands in Y-Richtung von der Referenzposition zu einer positivphasigen Signalelementreihe (der ersten Elementreihe 7a, der zweiten Elementreihe 7b, Elementreihe 7a, der zweiten Elementreihe 7b, der fünften Elementreihe 7B oder der sechsten Elementreihe 7A) und der Abstand in Y-Richtung von der Referenzposition zu einer negativphasigen Signalelementreihe (der dritten Elementreihe 7bb, der vierten Elementreihe 7ab, der siebten Elementreihe 7AB oder der achten Elementreihe 7BB) für alle Phasen der beiden Phasen gleich ist.
Die erste Elementreihe 7a befindet sich in einem Abstand von +7P/2 in der +Y-Richtung von der Referenzposition. Die zweite Elementreihe 7b befindet sich in einem Abstand von +5P/2 in der +Y-Richtung von der Referenzposition. Die dritte Elementreihe 7bb befindet sich in einem Abstand von +3P/2 in der +Y-Richtung von der Referenzposition. Die vierte Elementreihe 7ab befindet sich in einem Abstand von +P/2 in der +Y-Richtung von der Referenzposition. Die fünfte Elementreihe 7B befindet sich in einem Abstand von -P/2 in der -Y-Richtung von der Referenzposition. Die sechste Elementreihe 7A befindet sich in einem Abstand von -3P/2 in der -Y-Richtung von der Referenzposition. Die siebte Elementreihe 7AB befindet sich in einem Abstand von -5P/2 in der -Y-Richtung von der Referenzposition. Die achte Elementreihe 7BB befindet sich in einem Abstand von -7P/2 in der -Y-Richtung von der Referenzposition.
Die Summe aus: dem Abstand zwischen der ersten Elementreihe 7a, die das A-Phasensignal ausgibt, und der Referenzposition; dem Abstand zwischen der sechsten Elementreihe 7A, die das A-Phasensignal ausgibt, und der Referenzposition; dem Abstand zwischen der vierten Elementreihe 7ab, die das AB-Phasensignal ausgibt, und der Referenzposition; und dem Abstand zwischen der siebten Elementreihe 7AB, die das AB-Phasensignal ausgibt, und der Referenzposition, ist wie in Gleichung (8) unten ausgedrückt, wobei die A-Phasensignale und die AB-Phasensignale als Eingaben für das differentielle A-Phasensignal dienen. Darüber hinaus ist die Summe aus: dem Abstand zwischen der zweiten Elementreihe 7b, die das B-Phasensignal ausgibt, und der Referenzposition; dem Abstand zwischen der fünften Elementreihe 7B, die das B-Phasensignal ausgibt, und der Referenzposition; dem Abstand zwischen der dritten Elementreihe 7bb, die das BB-Phasensignal ausgibt, und der Referenzposition; und dem Abstand zwischen der achten Elementreihe 7BB, die das BB-Phasensignal ausgibt, und der Referenzposition wie in Gleichung (9) unten ausgedrückt, wobei die B-Phasensignale und die BB-Phasensignale als Eingaben für das differentielle B-Phasensignal dienen.
$(+ 7 P / 2) + (- 3 P / 2) + (+ P / 2) + (- 5 P / 2) = 0$
$(+ 5 P / 2) + (- P / 2) + (+ 3 P / 2) + (- 7 P / 2) = 0$
Wie in den Ausdrücken (8) und (9) angegeben, sind die Elementreihen an Positionen angeordnet, an denen die Summe aus dem Abstand in Y-Richtung von der Referenzposition zu einer positivphasigen Signalelementreihe (der ersten Elementreihe 7a, der zweiten Elementreihe 7b, der fünften Elementreihe 7B, oder der sechsten Elementreihe 7A) und dem Abstand in Y-Richtung von der Referenzposition zu einer negativphasigen Signalelementreihe (der dritten Elementreihe 7bb, der vierten Elementreihe 7ab, der siebten Elementreihe 7AB oder der achten Elementreihe 7BB) für das differentielle A-Phasensignal und das differentielle B-Phasensignal gleich ist.
Gemäß der oben beschriebenen Konfiguration ist es möglich, die Verschiebung der Phasendifferenz der Differenzsignale, die dadurch verursacht wird, dass die Skala 2 in Bezug auf die Lichtempfangseinrichtung 6C mit einer Drehung und einer Neigung um eine Drehachse angeordnet ist, wobei die Achse orthogonal zu der Lichtempfangsfläche 60C ist, wirksam auszugleichen, während verhindert wird, dass die Amplitude der Differenzsignale klein wird, wobei die Differenzsignale auf den Detektionssignalen von der Lichtempfangseinrichtung 6C basieren. Dies kann im Gegensatz zu dem Fall stehen, in dem die erste Elementreihengruppe 8B und die zweite Elementreihengruppe 8C nicht bereitgestellt sind.
14 ist ein Diagramm, das die Lichtempfangseinrichtung gemäß einer vierten Variation zeigt.
Wie in 14 gezeigt, weist die Lichtempfangseinrichtung gemäß der vierten Variation auf: eine Fotodiode 600 mit einer Fläche, die größer ist als die Gesamtfläche der Gesamtanzahl der Lichtempfangselemente 70; und einer Musterbildungsschicht 700, die auf der Lichtempfangsfläche 60D der Fotodiode 600 angeordnet ist, wobei die Musterbildungsschicht 700 einen durchlässigen Teil 61, der Licht transmittiert, und einen undurchlässigen Teil 62, der das Licht blockiert, aufweist. Eine Vielzahl solcher durchlässiger Teile 61 wird entlang der Messrichtung (X-Richtung) mit der gleichen Periode wie die der Interferenzstreifen gebildet, und sie fungieren als Lichtempfangselemente 70.
Wie oben beschrieben gibt es Fälle, in denen vorgefertigte Lichtempfangselemente aufgrund ihrer Anordnung und/oder Größe nicht verwendet werden können; gemäß der oben beschriebenen Konfiguration können jedoch pseudofeine Lichtempfangselemente 70 gebildet werden, indem die durchlässigen Teile 61 auf feine Weise gebildet werden. Daher können die Lichtempfangselemente frei gestaltet werden, ohne durch die IC-Entwurfsregeln beschränkt zu sein.
15 zeigt das Lichtempfangselement gemäß einer ersten Variation, und 16 zeigt das Lichtempfangselement gemäß einer zweiten Variation.
In den oben beschriebenen jeweiligen Ausführungsformen weist der Detektionskopf 3 ein optisches Element 5 auf, und das optische Element ist eine Beugungsgitterplatte mit einer zur Oberfläche der Skala parallelen Plattenoberfläche, auf der die Teilungsstriche angeordnet sind, und mit einem Gitter auf der Plattenoberfläche entlang einer vorgegebenen Richtung. Der Detektionskopf muss jedoch nicht unbedingt ein optisches Element aufweisen, und selbst wenn er ein optisches Element aufweist, muss dieses optische Element nicht unbedingt eine Beugungsgitterplatte sein, sondern kann ein beliebiges optisches Element sein, sofern es zwischen der Skala und der Lichtempfangseinrichtung angeordnet ist und das von der Skala gebeugte und geteilte Licht auf die Lichtempfangsfläche lenkt. Das optische Element kann zum Beispiel eine Linse 5A sein, die zwischen der Skala 2 und der Lichtempfangseinrichtung 6 angeordnet ist, wie bei dem Detektionskopf 3A des in 15 dargestellten optischen Encoders 1A. Bei dem optischen Element kann es sich auch um zwei Spiegel 5B handeln, die senkrecht zu der Lichtempfangsfläche 60 angeordnet sind, wie bei dem Detektionskopf 3B des in 16 gezeigten optischen Encoders 1B. Ferner ist das optische Element nicht auf die oben beschriebenen jeweiligen Variationen beschränkt, und anstelle einer einzelnen Linse 5A können mehrere Linsen kombiniert werden, Linsen unterschiedlicher Form und Anordnung verwendet werden, oder Spiegel unterschiedlicher Form und Anordnung als die Spiegel 5B verwendet werden. Das optische Element kann ein Halbspiegel, ein Strahlteiler oder eine Kombination aus diesen beiden sein.
INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
Wie oben beschrieben kann die vorliegende Erfindung auf zweckmäßige Weise auf optische Encoder angewendet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

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JP 04184218 [0006]
JP 2018105845 [0007, 0016, 0017, 0073]
JP 2019219347 [0007, 0016, 0017, 0073]

Claims

Optischer Encoder, aufweisend: eine plattenförmige Skala, die entlang einer Messrichtung mit einer vorgegebenen Periode ausgebildete Teilungsstriche aufweist, wobei die Teilungsstriche als Beugungsgitter zum Beugen von einfallendem Licht fungieren; und einen Detektionskopf, der auf bewegbare Weise relativ zu der Skala entlang der Messrichtung vorgesehen ist, wobei: der Detektionskopf aufweist: eine Lichtquelle, die Licht an die Skala zuführt, und eine Lichtempfangseinrichtung mit einer Lichtempfangsfläche zum Empfangen von Licht von der Lichtquelle über die Skala; das Licht, das durch die Skala gelangt ist, auf der Lichtempfangsfläche Interferenzstreifen bildet, die auf entsprechende Weise zu der Periode der Teilungsstriche gemäß der Relativbewegung zwischen der Skala und dem Detektionskopf variieren; die Lichtempfangsfläche eine Elementreihe mit mehreren Lichtempfangselementen aufweist, die entlang der Messrichtung mit der gleichen Periode wie der der Interferenzstreifen angeordnet sind; und wenn ein Fehler, der in Detektionssignalen enthalten ist, die aus den Interferenzstreifen erzeugt werden, die aus dem empfangenen Licht erhalten werden, wobei der Fehler durch die Tatsache verursacht wird, dass die Anzahl der Lichtempfangselemente eine ungerade Anzahl ist, als ein durch die Anzahl-der-Elemente-bedingter Fehler bezeichnet wird und ein vorgegebener zulässiger Fehler als ein zulässiger Fehler bezeichnet wird, die Anzahl von Lichtempfangselementen in der Elementreihe dahingehend festgelegt wird, eine Anzahl zu sein, bei der der durch die Anzahl-der-Elemente-bedingte Fehler kleiner als der zulässige Fehler ist, wobei der durch die Anzahl-der-Elemente-bedingte Fehler verursacht wird, wenn es eine ungerade Gesamtanzahl von Lichtempfangselementen gibt und eine solche ungerade Gesamtanzahl von Lichtempfangselementen funktionstüchtig sind, oder wenn es eine gerade Gesamtanzahl von Lichtempfangselementen gibt, jedoch eines weniger als diese gerade Gesamtanzahl von Lichtempfangselementen funktionstüchtig ist.
Optischer Encoder nach Anspruch 1, wobei: die Skala das von der Lichtquelle zugeführte Licht beugt und in einen Lichtstrahl 0-ter Ordnung, Lichtstrahlen ±1-ter Ordnung und Lichtstrahlen ±2-ter Ordnung teilt; der optische Encoder die Lichtstrahlen ±1-ter Ordnung als Signallicht und die anderen Lichtstrahlen als unerwünschtes Licht, das den durch die Anzahl-der-Elementebedingten Fehler verursacht, betrachtet und die von den Lichtstrahlen ±1-ter Ordnung gebildeten Interferenzstreifen zur Detektion verwendet; der optische Encoder hinsichtlich einer Intensität des unerwünschten Lichts in Bezug auf die Intensitäten der Lichtstrahlen ±1-ter Ordnung, die an die Lichtempfangseinrichtung zugeführt werden, derart konfiguriert ist, dass eine Intensität des Lichtstrahls 0-ter Ordnung 50 % oder weniger beträgt und die Intensitäten der Lichtstrahlen ±2-ter Ordnung 14 % oder weniger betragen; und wenn der zulässige Fehler auf 0,1 % festgelegt ist, die Anzahl der Lichtempfangselemente in der Elementreihe auf 1.082 oder mehr festgelegt wird, was eine Anzahl ist, bei der der durch die Anzahl-der-Elemente-bedingte Fehler 0,1 % oder weniger beträgt.
Optischer Encoder nach Anspruch 1 oder 2, wobei: die Lichtempfangseinrichtung die an der Lichtempfangsfläche empfangenen Interferenzstreifen in Detektionssignale umwandelt, die entsprechend der Periode der Teilungsstriche gemäß der Relativbewegung zwischen der Skala und dem Detektionskopf variieren, und dann solche Detektionssignale ausgibt, wobei die Detektionssignale Differenzsignale von zumindest zwei Phasen mit unterschiedlichen Phasen sind; und die Lichtempfangsfläche eine Gruppe von Elementreihen aufweist, bei der zumindest zwei Elementreihen entlang einer Richtung orthogonal zu der Messrichtung angeordnet sind.
Optischer Encoder nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei: die Lichtempfangseinrichtung die an der Lichtempfangsfläche empfangenen Interferenzstreifen in Detektionssignale umwandelt, die entsprechend der Periode der Teilungsstriche gemäß der Relativbewegung zwischen der Skala und dem Detektionskopf variieren, und dann solche Detektionssignale ausgibt, wobei die Detektionssignale Differenzsignale von zwei Phasen mit unterschiedlichen Phasen sind; die Lichtempfangsfläche eine Elementreihe mit mehreren Lichtempfangselementen, die entlang der Messrichtung mit einer Periode angeordnet sind, die jener der Teilungsstriche entspricht, und eine Elementreihengruppe aufweist, in der vier solcher Elementreihen gemeinsam entlang einer Richtung orthogonal zu der Messrichtung angeordnet sind; die Elementreihen, hinsichtlich jeder der beiden Phasen, aufweisen: eine positivphasige Signalelementreihe, die ein positivphasiges Signal ausgibt, das eines der Detektionssignale ist, und eine negativphasige Signalelementreihe, die ein negativphasiges Signal ausgibt, das eines der Detektionssignale ist; die beiden Phasen entlang der Messrichtung mit einer vorgegebenen Phasendifferenz versetzt sind; mehrere Elementreihengruppen entlang der orthogonalen Richtung in der Lichtempfangsfläche angeordnet sind; und wenn die positivphasigen Signale der beiden Phasen als ein erstes Signal und ein zweites Signal bezeichnet werden, und wenn das negativphasige Signal des ersten Signals als drittes Signal und das negativphasige Signal des zweiten Signals als viertes Signal bezeichnet werden, die Elementreihen in der Elementreihengruppe entlang der Richtung orthogonal zu der Messrichtung in der folgenden Reihenfolge angeordnet sind: die positivphasige Signalelementreihe, die das erste Signal ausgibt; die positivphasige Signalelementreihe, die das zweite Signal ausgibt; die negativphasige Signalelementreihe, die das dritte Signal ausgibt, und die negativphasige Signalelementreihe, die das vierte Signal ausgibt.
Optischer Encoder nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 3, wobei: die Lichtempfangseinrichtung die an der Lichtempfangsfläche empfangenen Interferenzstreifen in Detektionssignale umwandelt, die auf entsprechende Weise zu der Periode der Teilungsstriche gemäß der Relativbewegung zwischen der Skala und dem Detektionskopf variieren, und dann solche Detektionssignale ausgibt, wobei die Detektionssignale Differenzsignale von zumindest zwei Phasen mit unterschiedlichen Phasen sind; die Lichtempfangsfläche eine Elementreihe mit mehreren Lichtempfangselementen, die entlang der Messrichtung mit einer Periode angeordnet sind, die derjenigen der Teilungsstriche entspricht, und eine Elementreihengruppe aufweist, in der zumindest vier solcher Elementreihen gemeinsam entlang einer Richtung orthogonal zu der Messrichtung angeordnet sind; die Elementreihen hinsichtlich jeder der beiden Phasen eine positivphasige Signalelementreihe, die ein positives Phasensignal ausgibt, und eine negativphasige Signalelementreihe, die ein negatives Phasensignal ausgibt, aufweisen; die zumindest zwei Phasen entlang der Messrichtung mit einer vorgegebenen Phasendifferenz versetzt sind; und die Elementreihen in der Elementreihengruppe an Positionen angeordnet sind, an denen die Summe aus dem Abstand in der orthogonalen Richtung von einer Referenzposition zu der positivphasigen Signalelementreihe sowie dem Abstand in der orthogonalen Richtung von der Referenzposition zu der negativphasigen Signalelementreihe für alle Phasen der zumindest zwei Phasen gleich ist.
Optischer Encoder nach einem der vorstehenden Ansprüche 3 bis 5, wobei: die Elementreihengruppe eine erste Elementreihengruppe und eine zweite Elementreihengruppe aufweist, die neben der ersten Elementreihengruppe in der orthogonalen Richtung in der Lichtempfangsfläche angeordnet ist, wobei die zweite Elementreihengruppe Elementreihen in einer anderen Anordnung als jener der Elementreihen in der ersten Elementreihengruppe aufweist; die positivphasigen Signalelementreihen in der ersten Elementreihengruppe die Hälfte der Elementreihen in der ersten Elementreihengruppe ausmachen und in Bezug auf die Mitte der orthogonalen Richtung in der ersten Elementreihengruppe auf einer Seite angeordnet sind, wobei die positivphasigen Signalelementreihen in einer Reihenfolge angeordnet sind, die als eine vorgegebene Referenz von einer Endseite der orthogonalen Richtung zur Mitte in der ersten Elementreihengruppe dient; die negativphasigen Signalelementreihen in der ersten Elementreihengruppe die Hälfte der Elementreihen in der ersten Elementreihengruppe ausmachen und in Bezug auf die Mitte der orthogonalen Richtung auf der anderen Seite in der ersten Elementreihengruppe angeordnet sind, wobei die negativphasigen Signalelementreihen in einer Reihenfolge angeordnet sind, die als eine vorgegebene Referenz von der anderen Endseite der orthogonalen Richtung zur Mitte in der ersten Elementreihengruppe dient; die positivphasigen Signalelementreihen in der zweiten Elementreihengruppe die Hälfte der Elementreihen in der zweiten Elementreihengruppe ausmachen und in Bezug auf die Mitte der orthogonalen Richtung in der zweiten Elementreihengruppe auf einer Seite angeordnet sind, wobei die positivphasigen Signalelementreihen in einer Reihenfolge angeordnet sind, die umgekehrt zu der Reihenfolge ist, die als eine vorgegebene Referenz von einer Endseite der orthogonalen Richtung zur Mitte in der zweiten Elementreihengruppe dient; und die negativphasigen Signalelementreihen in der zweiten Elementreihengruppe die Hälfte der Elementreihen in der zweiten Elementreihengruppe ausmachen und in Bezug auf die Mitte der orthogonalen Richtung auf der anderen Seite in der zweiten Elementreihengruppe angeordnet sind, wobei die negativphasigen Signalelementreihen in einer umgekehrten Reihenfolge zu der Reihenfolge angeordnet sind, die in der zweiten Elementreihengruppe als eine vorgegebene Referenz von der anderen Endseite der orthogonalen Richtung zur Mitte dient.
Optischer Encoder nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei: die Lichtempfangseinrichtung eine Fotodiode mit einer Fläche, die größer ist als die Gesamtfläche der Gesamtanzahl der Lichtempfangselemente, und eine Musterbildungsschicht aufweist, die auf einer Lichtempfangsfläche der Fotodiode angeordnet ist, wobei die Musterbildungsschicht einen durchlässigen Teil, der Licht transmittiert, und einen undurchlässigen Teil, der das Licht blockiert, aufweist; und entlang der Messrichtung eine Vielzahl solcher durchlässiger Teile mit der gleichen Periode wie jener der Interferenzstreifen ausgebildet ist, und die durchlässigen Teile als Lichtempfangselemente fungieren.
Optischer Encoder nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei: der Detektionskopf ein optisches Element aufweist, welches das von der Skala gebeugte und geteilte Licht hin zur Lichtempfangsfläche konzentriert; und das optische Element zwischen der Skala und der Lichtempfangseinrichtung angeordnet ist.
Optischer Encoder nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das optische Element eine Beugungsgitterplatte ist, deren Plattenoberfläche parallel zu einer Oberfläche der Skala verläuft, auf der die Teilungsstriche angeordnet sind, und die entlang einer vorgegebenen Richtung ein Gitter auf der Plattenoberfläche aufweist.