JP2004219380A

JP2004219380A - Photoelectric encoder

Info

Publication number: JP2004219380A
Application number: JP2003009855A
Authority: JP
Inventors: Toru Yaku; 亨夜久
Original assignee: Mitutoyo Corp; Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Current assignee: Mitutoyo Corp; Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Priority date: 2003-01-17
Filing date: 2003-01-17
Publication date: 2004-08-05

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To allow measurement precision to be changed. <P>SOLUTION: This photoelectric encoder 1 computes a displacement based on four light signals of different phases. A detection area R detects the light signal of a corresponding phase out of the four light signals. Selection is allowed by a number selection part 33 to constitute the detection area R of one or two successive photodiode(s) to change a pitch of the detection range R. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、精密測定に使用される光電式エンコーダに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から直線変位や角度変位などの精密な測定に光電式エンコーダが利用されている。光電式エンコーダには様々なタイプがあり、例えば、発光器と、発光器からの光が照射される光学格子が形成されたスケールと、スケールに対して移動可能に対向配置されると共に複数のフォトダイオードがアレイ状に配置された受光器と、を含んで構成されたタイプがある（例えば、特許文献１参照）。このタイプでは、スケールの光学格子を透過した発光器からの光を受光器で受光し、光電変換されて発生した電気信号を利用して直線などの変位量を演算する。
【０００３】
【特許文献１】
特開昭６４−５７１２０号公報（第３頁の第１の実施例、図１、図２）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
光電式エンコーダによる精密測定にも程度があり、どのような測定でも一律同じ精度である必要はなく、状況に応じて精度を変えることができれば便利である。
【０００５】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたもので、測定精度を変えることができる光電式エンコーダを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る第１の光電式エンコーダは、所定の位相の光信号を検出するために一つの受光素子または連続して配置された複数の受光素子により構成される検出領域と、検出領域を構成する受光素子の個数を選択する個数選択部と、複数の検出領域がアレイ状に配置された受光部と、受光部とギャップを設けて相対移動可能に配置されると共に光学格子を含むスケールと、スケールに照射する光を生成する光源部と、を備えることを特徴とする。
【０００７】
本発明に係る第１の光電式エンコーダによれば、個数選択部により、検出領域を構成する受光素子の個数を選択することができるので、検出領域のピッチを変えることができる。したがって、本発明によれば光電式エンコーダの測定精度を変えることができる。
【０００８】
本発明に係る第１の光電式エンコーダにおいて、個数選択部は、一方がオンのとき他方がオフする二つのスイッチが受光素子の各々に対応するように設けられているようにすることができる。これによれば、検出領域を構成する受光素子の個数を二種類（例えば、一つと二つ）の中から選択するのを、簡易な構造で実現することができる。
【０００９】
本発明に係る第２の光電式エンコーダは、所定の位相の光信号を検出する検出領域と、検出領域からの信号が入力可能な増幅部と、検出領域が少なくとも一つの受光素子で構成された第１状態と、検出領域が連続して配置された複数の受光素子で構成されかつそのうちの一部の受光素子が増幅部と切り離された第２状態と、の切り替えをする切替部と、複数の検出領域がアレイ状に配置された受光部と、受光部とギャップを設けて相対移動可能に配置されると共に光学格子を含むスケールと、スケールに照射する光を生成する光源部と、を備えることを特徴とする。
【００１０】
本発明に係る第２の光電式エンコーダによれば、切替部により、検出領域が互いに異なる第１状態と第２状態との切り替えができるので、光電式エンコーダの測定精度を変えることができる。さらに、第２状態では、検出領域が連続して配置された複数の受光素子で構成されるようにすると共にそのうちの一部の受光素子が増幅部と切り離されるようにしている。したがって、検出領域に到達する光信号の中から高調波の除去が可能となるため、測定精度を向上させることができる。
【００１１】
本発明に係る第２の光電式エンコーダの第２状態において、検出領域のうち一部の受光素子以外の受光素子で構成される部分の幅が、波長がスケールの光学格子のピッチと等しい基本波の第Ｎ次高調波（Ｎ＝２以上の整数）の波長の整数倍と同じにすることができる。これによれば、２次、３次、４次、５次、・・・の高調波のうち所望の高調波を除去することができるので、測定精度を向上させることができる。特に第３次高調波は、測定精度を悪化させる大きな原因となるので第３次高調波を除去するのが好ましい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施形態に係る光電式エンコーダについて説明する。図１は第１実施形態に係る光電式エンコーダ１の概略構成を示す図である。まず、光電式エンコーダ１の構成を説明する。光電式エンコーダ１は、発光ダイオード（ＬＥＤ）３と、これに近い順に沿って配置されたインデックススケール５、スケール７、受光部９とにより構成される。光電式エンコーダ１はリニヤ（一次元）型であるが、本発明は二次元型にも適用できる。
【００１３】
発光ダイオード３およびインデックススケール５により光源部１１が構成される。光源部１１で生成された光がスケール７に照射される。発光ダイオード３は光を放射する発光素子の一例であり、このダイオード３からの光Ｌが照射される位置には、インデックススケール５が配置されている。インデックススケール５は長尺状の透明基板１３を含み、この基板１３の発光ダイオード３側に向く面と反対側の面上に光学格子１５が形成されている。光学格子１５は複数の遮光部１７が所定のピッチを設けてリニヤ状（アレイ状の一例）に、かつ各遮光部１７が図面の奥行き方向に延びるように、配置されたものである。遮光部１７は金属などから構成される。なお、光源部がインデックススケール５を含まない場合でも本発明を適用することができる。
【００１４】
インデックススケール５の光学格子１５側には、インデックススケール５と所定のギャップを設けてスケール７が位置している。スケール７はインデックススケール５よりも長手方向の寸法が大きく、図１にはその一部が表れている。スケール７はガラスなどの透明材料から構成される長尺状の透明基板１９を含む。透明基板１９の一方の面がインデックススケール５の光学格子１５と対向している。透明基板１９の他方の面上には、金属などからなる複数の遮光部２１が所定のピッチを設けてリニヤ状（アレイ状の一例）に、かつ各遮光部２１が図面の奥行き方向に延びるように、形成されている。これにより光学格子２３が構成される。
【００１５】
受光部９は、１６個のフォトダイオードＤ（受光素子の一例）が所定のピッチを設けてリニヤ状（アレイ状の一例）に、かつ各フォトダイオードが図面の奥行き方向に延びるように、ガラスなどの透明基板２５に配置されたものである。フォトダイオードＤの受光面が光学格子２３側に向くように、スケール７と所定のギャップを設けて受光部９が位置している。フォトダイオードＤの個数は１６個に限定されず、１６個より少なくてもよいし（例えば８個）、多くてもよい（例えば９６個）。受光素子として、フォトダイオードの替わりにフォトトランジスタを用いることもできる。
【００１６】
受光部９には、複数の検出領域Ｒがアレイ状に配置されている。検出領域Ｒは、一つのフォトダイオードＤで構成された状態と、連続して配置された二つのフォトダイオードＤで構成された状態との選択が可能である。検出領域Ｒは、正弦波状をした四つの光信号のうち対応する位相の光信号を検出する。詳しくは、検出領域Ｒには、Ａ相（０^０）の信号を検出するもの、Ａ相より９０^０位相がずれたＢ相（９０^０）の信号を検出するもの、Ａ相より１８０^０位相がずれた／Ａ相（１８０^０）の信号を検出するもの、およびＡ相より２７０^０位相がずれた／Ｂ相（２７０^０）の信号を検出するものがある。
【００１７】
Ａ相やＢ相の信号以外にこれらを反転させた、／Ａ相や／Ｂ相の信号を生成しているのは、Ａ相やＢ相の信号に含まれる直流成分の除去、並びに、信号の信頼性及び高速追従性の確保のためである。また、Ａ相およびＢ相を変位量の測定に利用するのは、受光部９および光源部１１の移動方向の判断のためであるので、原理的には、Ａ相のみで変位量の測定が可能である。したがって、本発明は、Ａ相およびＢ相の信号を利用しかつ／Ａ相および／Ｂ相の信号を利用しない光電子エンコーダやＡ相の信号のみを利用する光電式エンコーダにも、適用することができる。
【００１８】
検出領域Ｒで検出された光信号は、光電変換されて、受光部９のフォトダイオードＤが形成されている側の面２７に配置された演算部２９の増幅部３１に送られて増幅された後、演算部２９で変位量の演算が実行される。演算部２９はＩＣチップにより構成される。面２７には、検出領域Ｒを構成するフォトダイオードＤの個数を選択する個数選択部３３が配置されている。
【００１９】
受光部９は、光源部１１と共に一つのホルダ（図示せず）に取り付けられており、このホルダは図中のＸで示すスケール７の長手方向に移動可能にされている。つまり、光電式エンコーダ１は、固定されたスケール７に対して、上記ホルダを移動させることにより、変位量を測定する。なお、光源部１１と受光部９を固定し、スケール７を移動させて変位量を測定するタイプにも、本発明を適用することができる。したがって、本発明のスケールは、受光部および光源部に対して、相対移動可能に配置されている。
【００２０】
図２は、個数選択部３３の回路構成およびこれと関連する部分を示す図である。個数選択部３３では、個数選択入力Ｓの電圧に応じて、検出領域Ｒを構成するフォトダイオードＤの個数を選択する。具体的には、個数選択入力Ｓの電圧がＨの場合、検出領域Ｒは一つのフォトダイオードＤで構成され、電圧がＬの場合、検出領域Ｒは連続して配置された二つのフォトダイオードＤで構成される。これを実現するため、フォトダイオードＤの各々は、個数選択入力Ｓの電圧が印加される伝送ゲートＴＧ１の入力部および個数選択入力Ｓの電圧がインバータＩＶを介して印加される伝送ゲートＴＧ２の入力部と接続されている。よって、各フォトダイオードＤは、個数選択入力Ｓの電圧がＨ、Ｌに応じて一方がオンで他方がオフとなる二つの伝送ゲートＴＧ１，２により、対応する位相の光信号を検出できるようにされている。したがって、簡易な構造の個数選択部３３により、個数の選択を実現することができる。なお、伝送ゲートＴＧ１，２の出力部は演算部２９と接続されている。
【００２１】
フォトダイオードＤのピッチは例えば、１５μｍである。よって、検出領域Ｒを一つのフォトダイオードＤで構成した場合、検出領域Ｒのピッチは１５μｍとなる。一方、検出領域Ｒを連続して配置された二つのフォトダイオードＤで構成した場合、検出領域Ｒのピッチは３０μｍとなる。
【００２２】
次に、光電式エンコーダ１の測定動作について、図１〜図４を用いて説明する。図３および図４は図２と対応しており、図３は検出領域Ｒを一つのフォトダイオードＤで構成した場合、図４は検出領域Ｒを連続して配置された二つのフォトダイオードＤで構成した場合を示す図である。図３および図４において、図２中の符号が示すものと同一のものについては同一符号を付すことによりそれらの説明を省略する。
【００２３】
図３に示すように、スケール７の光学格子２３のピッチが例えば２０μｍの場合、ピッチ１５μｍの検出領域Ｒを選択する。よって、個数選択入力Ｓの電圧をＨにする。これにより、インバータＩＶと接続されていない伝送ゲートＴＧ１がオンすると共に接続されている伝送ゲートＴＧ２がオフするので、検出領域Ｒは一つのフォトダイオードＤで構成される。
【００２４】
図１に示すように、発光ダイオード３から光Ｌをインデックススケール５に照射して変調させ、その変調光をスケール７に照射すると、インデックススケール５の光学格子１５とスケール７の光学格子２３との重なりにより明暗パターンが生じる。そして、受光部９および光源部１１をＸで示す方向に移動させることにより生じる明暗パターンの変化を、図３の各検出領域Ｒで検出する。
【００２５】
各検出領域Ｒから出力されたＡ相（０^０）、Ｂ相（９０^０）、／Ａ相（１８０^０）、／Ｂ相（２７０^０）の信号は演算部２９に送られる。演算部２９では、Ａ相およびＢ相に所定の処理（直流成分の除去等）をした後に、処理されたＡ相およびＢ相を基にして変位量が演算し、その数値を図示しない表示部に出力する。
【００２６】
これに対して図４に示すように、光学格子２３のピッチが例えば４０μｍのスケール７を用いる場合、ピッチ３０μｍの検出領域Ｒを選択する。したがって、個数選択入力Ｓの電圧をＬにすることにより、インバータＩＶと接続された伝送ゲートＴＧ２をオンにすると共に接続されていない伝送ゲートＴＧ１をオフにする。この結果、連続して配置された二つのフォトダイオードＤにより、検出領域Ｒが構成される。この後の動作は、検出領域Ｒのピッチが１５μｍの場合と同じである。
【００２７】
ところで、光電式エンコーダの測定精度を変えるには、光電式エンコーダの分解能を変えればよい。つまり、分解能が例えば１０ｎｍと１μｍとでは、１０ｎｍの方が分解能は高く、したがって測定精度が高くなる。分解能を高く（低く）するにはスケール７の光学格子２３のピッチを小さく（大きく）すればよい。光学格子２３のピッチと受光部９の検出領域Ｒのピッチとは相関関係にあるため、光学格子２３のピッチを変えた場合、それに応じて検出領域Ｒのピッチを変える必要がある。第１実施形態に係る光電式エンコーダ１によれば、個数選択部３３により、検出領域Ｒを、フォトダイオードＤの個数が一つの状態と連続して配置された二つの状態との選択ができるので、検出領域Ｒのピッチを変えることができる。したがって、光電式エンコーダ１によれば、測定精度を変えることができる。
【００２８】
ここで、検出領域のピッチが異なる複数の受光部を用意し、測定精度に応じて最適な受光部を選択するようにすれば、第１実施形態に係る光電式エンコーダ１と同様な効果を達成できる。しかし、受光部は半導体デバイスなので、検出領域のピッチが異なる複数の受光部を作製するためには、それに応じてマスクも用意しなければならず、製造コストが上昇する。第１実施形態によれば、このようなコスト上昇は生じない。
【００２９】
なお、第１実施形態では、検出領域Ｒを一つのフォトダイオードで構成された状態と連続する二つのフォトダイオードで構成された状態との選択ができるようにされている。これら二つの状態で検出領域が異なればよいので、検出領域Ｒを連続する複数のフォトダイオードで構成されるようにし、一方の状態と他方の状態とでフォトダイオードの個数を異ならせるようにしてもよい（例えば、フォトダイオードの個数が一方の状態では２個、他方の状態では３個）。
【００３０】
また、第１実施形態では、検出領域Ｒを構成するフォトダイオードの個数を二種類の中から選択できるようにしているが、三種類以上であってもよい。例えば、検出領域Ｒを、一つのフォトダイオードで構成される状態、連続する二つのフォトダイオードで構成される状態および連続する三つのフォトダイオードで構成される状態の三種類の中から選択できるようにしてもよい。
【００３１】
次に、第２実施形態を説明する。図５は第２実施形態に係る光電式エンコーダ４１の切替部４３の回路構成およびこれと関連する部分を示す図であり、図２と対応している。光電式エンコーダ４１の光源部は図示していないが、図１の光源部１１と同様である。図５において、図２中の符号が示すものと同一のものについては同一符号を付すことにより、その説明を省略する。
【００３２】
第２実施形態では切替部４３により、図６に示す第１状態と図７に示す第２状態との切り替えができる。図６の第１状態では、検出領域Ｒが一つのフォトダイオードＤで構成されている。図７の第２状態では、検出領域Ｒが連続して配置された二つのフォトダイオードＤで構成されるようにすると共に一方のフォトダイオードが演算部２９の増幅部（図５の増幅部３１）と切り離されている。したがって、検出領域Ｒは第１状態と第２状態とで異なっている。第２実施形態では切替部４３により、検出領域Ｒが互いに異なる第１状態と第２状態との切り替えができるようにしているので、光電式エンコーダ４１の測定精度を変えることができる。
【００３３】
また、第２実施形態は、第１実施形態と異なり図７の第２状態において、検出領域Ｒを構成する二つのフォトダイオードのうち一方が演算部２９の増幅部と切り離されるようにしている。これにより、スケール７の光学格子２３のピッチ（検出ピッチ）を大きくしながらも、高精度な測定が可能となる。この理由を以下に説明する。
【００３４】
検出領域Ｒに到達する光信号には、波長がスケール７の光学格子２３のピッチと等しい基本波の他に、基本波の周波数の二倍以上の周波数の高調波も含まれる。測定精度を高めるためには、高調波を除くことが好ましく、特に第３次高調波は他の高調波よりもエネルギーが大きいので、測定精度の低下の大きな原因となる。
【００３５】
そこで、第２状態では、検出領域Ｒのうち増幅部から切り離されたフォトダイオード以外のフォトダイオードで構成される部分の幅を第３次高調波の波長と同じにしている。このようにすれば、第３次高調波は検出されないので、光信号から第３次高調波を除去できる。
【００３６】
具体的には、第２状態において、スケール７の光学格子２３のピッチは４０μｍなので、第３次高調波の波長は、４０μｍ÷３≒１３．３μｍとなる。したがって、図５に示すように、各フォトダイオードの幅を１３．３μｍにする。このようにすれば、第２状態の検出領域Ｒでは、増幅部と接続されているフォトダイオードが一つなので、この一つのフォトダイオードの幅１３．３μｍが、検出領域Ｒのうち増幅部から切り離されたフォトダイオード以外のフォトダイオードで構成される部分の幅１３．３μｍとなる。よって、この幅を第３次高調波の波長と同じにすることができる。以上により、第２実施形態によれば、第３次高調波を除去できるので、スケール７の光学格子２３のピッチを大きくしながらも、高精度な測定が可能となる。
【００３７】
ここで、「検出領域Ｒのうち増幅部から切り離されたフォトダイオード以外のフォトダイオードで構成される部分の幅が除去したい高調波の波長と同じ」には、高調波を除去できる程度の差異も含まれる。
【００３８】
なお、第３次高調波以外の第Ｎ次高調波（Ｎ＝２以上の整数）も、上記幅を、その高調波の波長の整数倍と同じにすることにより除去することが可能である。また、第１状態は検出領域Ｒが少なくとも一つのフォトダイオードで構成されていればよい。したがって、例えば、連続して配置された二つのフォトダイオードであって、各フォトダイオードが増幅部と接続されている検出領域Ｒにしてもよい。
【００３９】
なお、第１および第２実施形態では、個数選択部３３、切替部４３のスイッチを伝送ゲートにしているが、ＭＯＳやＭＩＳ電界効果トランジスタで構成してもよい。
【００４０】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明に係る第１および第２の光電式エンコーダによれば、光電式エンコーダの測定精度を変えることができる。したがって、光電式エンコーダを測定対象に応じて使用することができる。また、本発明に係る第２の光電式エンコーダによれば、検出領域に到達する光信号の中から高調波の除去が可能となるため、測定精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る光電式エンコーダの概略構成を示す図である。
【図２】図１の個数選択部の回路構成およびこれと関連する部分を示す図である。
【図３】検出領域を一つのフォトダイオードで構成した場合を示す図である。
【図４】検出領域を連続して配置された二つのフォトダイオードで構成した場合を示す図である。
【図５】本発明の第２実施形態に係る光電式エンコーダの切替部の回路構成およびこれと関連する部分を示す図である。
【図６】本発明の第２実施形態に係る光電式エンコーダにおいて、検出領域が第１状態を示す図である。
【図７】本発明の第２実施形態に係る光電式エンコーダにおいて、検出領域が第２状態を示す図である。
【符号の説明】
１・・・光電式エンコーダ、３・・・発光ダイオード、５・・・インデックススケール、７・・・スケール、９・・・受光部、１１・・・光源部、１３・・・透明基板、１５・・・光学格子、１７・・・遮光部、１９・・・透明基板、２１・・・遮光部、２３・・・光学格子、２５・・・透明基板、２７・・・面、２９・・・演算部、３１・・・増幅部、３３・・・個数選択部、４１・・・光電式エンコーダ、４３・・・切替部、Ｒ・・・検出領域、Ｄ・・・フォトダイオード、Ｌ・・・光、ＴＧ１，２・・・伝送ゲート[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a photoelectric encoder used for precision measurement.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, photoelectric encoders have been used for precise measurement of linear displacement, angular displacement, and the like. There are various types of photoelectric encoders, for example, a light emitting device, a scale on which an optical grating to which light from the light emitting device is irradiated is formed, and a plurality of photo encoders are disposed so as to be movably opposed to the scale. There is a type including a photodetector in which diodes are arranged in an array (for example, see Patent Document 1). In this type, light from a light-emitting device that has passed through an optical grating of a scale is received by a light-receiving device, and a displacement amount such as a straight line is calculated using an electric signal generated by photoelectric conversion.
[0003]
[Patent Document 1]
JP-A-64-57120 (first embodiment on page 3; FIGS. 1 and 2)
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
There is also a degree of precision measurement by a photoelectric encoder, and it is not necessary that the same precision is always the same for any measurement, and it is convenient if the precision can be changed according to the situation.
[0005]
The present invention has been made in view of the above point, and an object of the present invention is to provide a photoelectric encoder capable of changing measurement accuracy.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
A first photoelectric encoder according to the present invention comprises a detection area configured by one light receiving element or a plurality of light receiving elements arranged continuously to detect an optical signal of a predetermined phase, and a detection area. A number selection unit for selecting the number of light receiving elements to be provided, a light receiving unit in which a plurality of detection areas are arranged in an array, a scale including an optical grating and being arranged so as to be relatively movable by providing a light receiving unit and a gap, A light source unit that generates light for irradiating the scale.
[0007]
According to the first photoelectric encoder of the present invention, the number of light receiving elements constituting the detection area can be selected by the number selection unit, so that the pitch of the detection area can be changed. Therefore, according to the present invention, the measurement accuracy of the photoelectric encoder can be changed.
[0008]
In the first photoelectric encoder according to the present invention, the number selection unit may be configured such that two switches, one of which is on and the other is off, are provided corresponding to each of the light receiving elements. According to this, the number of light receiving elements constituting the detection area can be selected from two types (for example, one and two) with a simple structure.
[0009]
A second photoelectric encoder according to the present invention includes a detection region for detecting an optical signal having a predetermined phase, an amplifier capable of inputting a signal from the detection region, and a detection region including at least one light receiving element. A switching unit configured to switch between a first state and a second state in which the detection region is configured by a plurality of light receiving elements arranged continuously and some of the light receiving elements are separated from the amplification unit; A light-receiving section in which the detection areas are arranged in an array, a scale including an optical grating, which is disposed so as to be relatively movable with a gap provided with the light-receiving section, and a light source section that generates light for irradiating the scale. It is characterized by the following.
[0010]
According to the second photoelectric encoder according to the present invention, the switching unit can switch between the first state and the second state in which the detection areas are different from each other, so that the measurement accuracy of the photoelectric encoder can be changed. Further, in the second state, the detection region is configured by a plurality of light receiving elements arranged continuously, and some of the light receiving elements are separated from the amplifier. Therefore, harmonics can be removed from the optical signal that reaches the detection region, so that the measurement accuracy can be improved.
[0011]
In the second state of the second photoelectric encoder according to the present invention, in the detection region, the width of a part of the detection region constituted by the light receiving elements other than a part of the light receiving elements has a wavelength equal to the pitch of the scale optical grating. (N = an integer of 2 or more). According to this, a desired harmonic among the second, third, fourth, fifth,... Harmonics can be removed, so that the measurement accuracy can be improved. In particular, since the third harmonic is a major cause of deteriorating the measurement accuracy, it is preferable to remove the third harmonic.
[0012]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, a photoelectric encoder according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram illustrating a schematic configuration of a photoelectric encoder 1 according to the first embodiment. First, the configuration of the photoelectric encoder 1 will be described. The photoelectric encoder 1 includes a light emitting diode (LED) 3, and an index scale 5, a scale 7, and a light receiving unit 9 arranged along the order close to the light emitting diode (LED). Although the photoelectric encoder 1 is of a linear (one-dimensional) type, the present invention can also be applied to a two-dimensional type.
[0013]
The light source unit 11 includes the light emitting diode 3 and the index scale 5. Light generated by the light source unit 11 is applied to the scale 7. The light emitting diode 3 is an example of a light emitting element that emits light, and an index scale 5 is disposed at a position where light L from the diode 3 is irradiated. The index scale 5 includes a long transparent substrate 13, and an optical grating 15 is formed on a surface of the substrate 13 opposite to a surface facing the light emitting diode 3 side. The optical grating 15 is configured such that a plurality of light shielding portions 17 are arranged in a linear shape (an example of an array shape) with a predetermined pitch, and each light shielding portion 17 extends in the depth direction of the drawing. The light shield 17 is made of metal or the like. The present invention can be applied even when the light source unit does not include the index scale 5.
[0014]
The scale 7 is positioned on the optical grating 15 side of the index scale 5 with a predetermined gap from the index scale 5. The scale 7 has a larger dimension in the longitudinal direction than the index scale 5, and a part thereof is shown in FIG. The scale 7 includes a long transparent substrate 19 made of a transparent material such as glass. One surface of the transparent substrate 19 faces the optical grating 15 of the index scale 5. On the other surface of the transparent substrate 19, a plurality of light shielding portions 21 made of metal or the like are provided at a predetermined pitch in a linear shape (an example of an array shape), and each light shielding portion 21 extends in the depth direction of the drawing. Is formed. Thereby, the optical grating 23 is configured.
[0015]
The light receiving section 9 is made of glass or the like so that 16 photodiodes D (an example of light receiving elements) are linearly arranged (an example of an array) with a predetermined pitch and each photodiode extends in the depth direction of the drawing. Are disposed on the transparent substrate 25 of FIG. The light receiving section 9 is positioned with a predetermined gap from the scale 7 so that the light receiving surface of the photodiode D faces the optical grating 23 side. The number of photodiodes D is not limited to 16, and may be less than 16 (for example, 8) or more (for example, 96). As the light receiving element, a phototransistor can be used instead of the photodiode.
[0016]
In the light receiving section 9, a plurality of detection regions R are arranged in an array. The detection region R can be selected from a state composed of one photodiode D and a state composed of two photodiodes D arranged continuously. The detection region R detects an optical signal having a corresponding phase among four sinusoidal optical signals. Specifically, the detection in the region R, detects a signal of the A phase ^{(0 0),} which detects the signal of the A-phase from 90 ⁰ phase shifted phase B (90 ^0), 180 ⁰ phase from phase A detects a signal of shifted / a phase (180 ^0), and the a-phase from 270 ⁰ phase shifted / B phase is to detect a signal (270 ^0).
[0017]
In addition to the A-phase and B-phase signals, the inverted / A-phase and / B-phase signals are generated because the DC components included in the A-phase and B-phase signals are removed and the signals are removed. This is to ensure the reliability and high-speed followability. In addition, since the A-phase and the B-phase are used for measuring the displacement, the displacement of the light-receiving unit 9 and the light source 11 is determined in principle. It is possible. Therefore, the present invention can also be applied to an opto-electronic encoder using A-phase and B-phase signals and not using / A-phase and / B-phase signals, or a photoelectric encoder using only A-phase signals. it can.
[0018]
The optical signal detected in the detection region R is photoelectrically converted, sent to the amplification unit 31 of the calculation unit 29 disposed on the surface 27 of the light receiving unit 9 on the side where the photodiode D is formed, and amplified. After that, the calculation unit 29 calculates the displacement amount. The operation unit 29 is configured by an IC chip. On the surface 27, a number selection unit 33 for selecting the number of photodiodes D constituting the detection region R is arranged.
[0019]
The light receiving section 9 is attached to one holder (not shown) together with the light source section 11, and this holder is movable in the longitudinal direction of the scale 7 indicated by X in the figure. That is, the photoelectric encoder 1 measures the amount of displacement by moving the holder with respect to the fixed scale 7. Note that the present invention can be applied to a type in which the light source unit 11 and the light receiving unit 9 are fixed and the displacement amount is measured by moving the scale 7. Therefore, the scale of the present invention is disposed so as to be relatively movable with respect to the light receiving unit and the light source unit.
[0020]
FIG. 2 is a diagram showing a circuit configuration of the number selection unit 33 and parts related thereto. The number selection unit 33 selects the number of photodiodes D forming the detection region R according to the voltage of the number selection input S. Specifically, when the voltage of the number selection input S is H, the detection region R is constituted by one photodiode D, and when the voltage is L, the detection region R is composed of two photodiodes D arranged continuously. It consists of. To realize this, each of the photodiodes D is connected to the input of the transmission gate TG1 to which the voltage of the number selection input S is applied and the input of the transmission gate TG2 to which the voltage of the number selection input S is applied via the inverter IV. Connected to the department. Therefore, each photodiode D can detect an optical signal of a corresponding phase by the two transmission gates TG1 and TG2, one of which is turned on and the other is turned off, according to the voltage of the number selection input S being H or L. Have been. Therefore, the selection of the number can be realized by the number selection unit 33 having a simple structure. Note that the output units of the transmission gates TG1 and TG2 are connected to the arithmetic unit 29.
[0021]
The pitch of the photodiodes D is, for example, 15 μm. Therefore, when the detection region R is constituted by one photodiode D, the pitch of the detection region R is 15 μm. On the other hand, when the detection region R is constituted by two photodiodes D arranged continuously, the pitch of the detection region R is 30 μm.
[0022]
Next, the measurement operation of the photoelectric encoder 1 will be described with reference to FIGS. 3 and 4 correspond to FIG. 2. FIG. 3 shows a case where the detection region R is constituted by one photodiode D, and FIG. 4 shows a case where the detection region R is constituted by two photodiodes D arranged continuously. It is a figure showing the case where it constituted. 3 and 4, the same components as those shown by the reference numerals in FIG. 2 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
[0023]
As shown in FIG. 3, when the pitch of the optical grating 23 of the scale 7 is, for example, 20 μm, a detection region R having a pitch of 15 μm is selected. Therefore, the voltage of the number selection input S is set to H. As a result, the transmission gate TG1 not connected to the inverter IV is turned on and the transmission gate TG2 connected is turned off, so that the detection region R is constituted by one photodiode D.
[0024]
As shown in FIG. 1, light L is emitted from the light emitting diode 3 to the index scale 5 to modulate the light, and the modulated light is applied to the scale 7, so that the optical grating 15 of the index scale 5 and the optical grating 23 of the scale 7 The overlap produces a light-dark pattern. Then, a change in the light and dark pattern caused by moving the light receiving unit 9 and the light source unit 11 in the direction indicated by X is detected in each detection region R in FIG.
[0025]
The A-phase (0 ⁰ ), B-phase (90 ⁰ ), / A-phase (180 ⁰ ), and / B-phase (270 ⁰ ) signals output from each detection area R are sent to the arithmetic unit 29. The arithmetic unit 29 performs a predetermined process (removal of a DC component, etc.) on the A phase and the B phase, calculates a displacement amount based on the processed A phase and the B phase, and displays the numerical value on a display unit (not shown). Output to
[0026]
On the other hand, as shown in FIG. 4, when using a scale 7 in which the pitch of the optical grating 23 is, for example, 40 μm, a detection region R having a pitch of 30 μm is selected. Accordingly, by setting the voltage of the number selection input S to L, the transmission gate TG2 connected to the inverter IV is turned on and the transmission gate TG1 not connected is turned off. As a result, the detection region R is constituted by the two photodiodes D arranged consecutively. The subsequent operation is the same as when the pitch of the detection regions R is 15 μm.
[0027]
Incidentally, in order to change the measurement accuracy of the photoelectric encoder, the resolution of the photoelectric encoder may be changed. That is, when the resolution is, for example, 10 nm and 1 μm, the resolution is higher at 10 nm, and the measurement accuracy is higher. To increase (decrease) the resolution, the pitch of the optical grating 23 of the scale 7 may be reduced (increased). Since the pitch of the optical grating 23 and the pitch of the detection region R of the light receiving unit 9 are correlated, when the pitch of the optical grating 23 is changed, the pitch of the detection region R needs to be changed accordingly. According to the photoelectric encoder 1 according to the first embodiment, the number selection unit 33 can select the detection region R between one state where the number of the photodiodes D is one and two states where the number of the photodiodes D is continuously arranged. , The pitch of the detection region R can be changed. Therefore, according to the photoelectric encoder 1, the measurement accuracy can be changed.
[0028]
Here, if a plurality of light receiving units having different detection region pitches are prepared and the optimum light receiving unit is selected according to the measurement accuracy, the same effect as that of the photoelectric encoder 1 according to the first embodiment is achieved. it can. However, since the light receiving section is a semiconductor device, in order to produce a plurality of light receiving sections having different detection region pitches, a mask must be prepared in accordance therewith, which increases the manufacturing cost. According to the first embodiment, such a cost increase does not occur.
[0029]
In the first embodiment, the detection region R can be selected from a state composed of one photodiode and a state composed of two continuous photodiodes. Since the detection regions need only be different in these two states, the detection region R may be configured by a plurality of continuous photodiodes, and the number of photodiodes may be different in one state and the other state. Good (for example, the number of photodiodes is two in one state and three in the other state).
[0030]
Further, in the first embodiment, the number of the photodiodes constituting the detection region R can be selected from two types, but may be three or more types. For example, the detection region R can be selected from three types: a state composed of one photodiode, a state composed of two consecutive photodiodes, and a state composed of three consecutive photodiodes. You may.
[0031]
Next, a second embodiment will be described. FIG. 5 is a diagram illustrating a circuit configuration of the switching unit 43 of the photoelectric encoder 41 according to the second embodiment and a portion related thereto, and corresponds to FIG. The light source unit of the photoelectric encoder 41 is not shown, but is similar to the light source unit 11 of FIG. In FIG. 5, the same components as those shown by the reference numerals in FIG. 2 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.
[0032]
In the second embodiment, the switching unit 43 can switch between the first state shown in FIG. 6 and the second state shown in FIG. In the first state of FIG. 6, the detection region R is constituted by one photodiode D. In the second state shown in FIG. 7, the detection region R is constituted by two photodiodes D arranged in series, and one of the photodiodes is used as an amplifier of the arithmetic unit 29 (the amplifier 31 of FIG. 5). And is separated. Therefore, the detection region R is different between the first state and the second state. In the second embodiment, the switching unit 43 can switch between the first state and the second state in which the detection regions R are different from each other, so that the measurement accuracy of the photoelectric encoder 41 can be changed.
[0033]
In the second embodiment, unlike the first embodiment, in the second state of FIG. 7, one of the two photodiodes forming the detection region R is separated from the amplification unit of the calculation unit 29. Thus, high-precision measurement can be performed while increasing the pitch (detection pitch) of the optical grating 23 of the scale 7. The reason will be described below.
[0034]
The optical signal arriving at the detection region R includes not only a fundamental wave whose wavelength is equal to the pitch of the optical grating 23 of the scale 7 but also a harmonic having a frequency twice or more the frequency of the fundamental wave. In order to increase the measurement accuracy, it is preferable to remove harmonics. In particular, since the third harmonic has higher energy than other harmonics, it causes a large decrease in measurement accuracy.
[0035]
Therefore, in the second state, the width of the portion of the detection region R constituted by the photodiode other than the photodiode separated from the amplifier is set to be the same as the wavelength of the third harmonic. With this configuration, since the third harmonic is not detected, the third harmonic can be removed from the optical signal.
[0036]
Specifically, in the second state, since the pitch of the optical grating 23 of the scale 7 is 40 μm, the wavelength of the third harmonic is 40 μm ÷ 3 ≒ 13.3 μm. Therefore, as shown in FIG. 5, the width of each photodiode is set to 13.3 μm. According to this configuration, in the detection region R in the second state, since one photodiode is connected to the amplification unit, the width of this one photodiode is 13.3 μm, which is separated from the amplification unit in the detection region R. The width of the portion constituted by the photodiodes other than the selected photodiode is 13.3 μm. Therefore, this width can be made equal to the wavelength of the third harmonic. As described above, according to the second embodiment, since the third harmonic can be removed, high-precision measurement can be performed while increasing the pitch of the optical grating 23 of the scale 7.
[0037]
Here, "the width of the portion of the detection region R constituted by the photodiode other than the photodiode separated from the amplification unit is the same as the wavelength of the harmonic to be removed" means that there is no difference in the degree to which the harmonic can be removed. included.
[0038]
Note that the Nth harmonic (N = an integer of 2 or more) other than the third harmonic can also be removed by making the width equal to an integer multiple of the wavelength of the harmonic. In the first state, the detection region R may be configured by at least one photodiode. Therefore, for example, the detection region R may be two photodiodes arranged in series and each photodiode is connected to the amplification unit.
[0039]
In the first and second embodiments, the switches of the number selection unit 33 and the switching unit 43 are transmission gates, but may be configured by MOS or MIS field-effect transistors.
[0040]
【The invention's effect】
As described above, according to the first and second photoelectric encoders according to the present invention, the measurement accuracy of the photoelectric encoder can be changed. Therefore, the photoelectric encoder can be used according to the measurement target. Further, according to the second photoelectric encoder of the present invention, it is possible to remove harmonics from the optical signal that reaches the detection region, so that measurement accuracy can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a photoelectric encoder according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a circuit configuration of a number selection unit in FIG. 1 and a portion related thereto.
FIG. 3 is a diagram illustrating a case where a detection region is configured by one photodiode.
FIG. 4 is a diagram showing a case where a detection region is configured by two photodiodes arranged continuously.
FIG. 5 is a diagram illustrating a circuit configuration of a switching unit of a photoelectric encoder according to a second embodiment of the present invention and a portion related thereto.
FIG. 6 is a diagram showing a detection area in a first state in a photoelectric encoder according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a diagram showing a detection area in a second state in the photoelectric encoder according to the second embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Photoelectric encoder, 3 ... Light emitting diode, 5 ... Index scale, 7 ... Scale, 9 ... Light receiving part, 11 ... Light source part, 13 ... Transparent substrate, 15 ... Optical grating, 17 ... Shading part, 19 ... Transparent substrate, 21 ... Shading part, 23 ... Optical grating, 25 ... Transparent substrate, 27 ... Surface, 29 ... Calculation section, 31 Amplification section, 33 Number selection section, 41 Photoelectric encoder, 43 Switching section, R Detection area, D Photodiode, L ..Light, TG1, TG2, transmission gate

Claims

A detection region configured by one light receiving element or a plurality of light receiving elements arranged continuously to detect an optical signal of a predetermined phase,
A number selection unit for selecting the number of the light receiving elements constituting the detection area,
A light receiving unit in which a plurality of the detection areas are arranged in an array,
A scale including an optical grating and arranged so as to be relatively movable with the light receiving unit and a gap provided therebetween,
A light source unit that generates light for irradiating the scale,
A photoelectric encoder comprising:

2. The photoelectric encoder according to claim 1, wherein the number selection unit is provided such that two switches, one of which is on and the other is off, correspond to each of the light receiving elements.

A detection region for detecting an optical signal having a predetermined phase,
An amplification unit to which a signal from the detection region can be input,
A first state in which the detection region is constituted by at least one light receiving element; and a detection state in which the detection region is constituted by a plurality of light receiving elements arranged continuously and some of the light receiving elements are separated from the amplifying unit. A switching unit for switching between the second state and
A light receiving unit in which a plurality of the detection areas are arranged in an array,
A scale including an optical grating and arranged so as to be relatively movable with the light receiving unit and a gap provided therebetween,
A light source unit that generates light for irradiating the scale,
A photoelectric encoder comprising:

In the second state, the width of a part of the detection region constituted by the light receiving elements other than the part of the light receiving elements is the Nth harmonic of the fundamental wave whose wavelength is equal to the pitch of the optical grating of the scale. 4. The photoelectric encoder according to claim 3, wherein the wavelength is equal to an integral multiple of a wavelength of (N = an integer of 2 or more).