JP2006329818A - 光学式エンコーダ - Google Patents

Abstract

【課題】簡便に基準位置を正確に出力できる光学式エンコーダを提供すること。
【解決手段】フォトディテクタ群１５２は、スケール１２０の移動方向に１次元的に配列された複数のフォトディテクタ要素ＰＤ１、ＰＤ２、ＰＤ３、ＰＤ４を有し、フォトディテクタ要素ＰＤ２からの出力信号と、他のフォトディテクタ要素ＰＤ３からの出力信号との第１の差分信号ＶＺを演算する差分信号演算手段５２３と、光源１１０から出射された光がスケール１２０上に形成された基準位置パターン１２２を経由してフォトディテクタ群１５２に入射する位置近傍において、第１の差分信号ＶＺがゼロ交差する領域を少なくとも含むゲート信号ＶＰＭを生成するゲート信号形成手段５３０と、を有し、ゲート信号ＶＰＭと、第１の差分信号ＶＺがゼロ交差する点とに基づいて基準位置信号を出力する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、エンコーダ、特に光学的手段を用いた光学的エンコーダに関する。

現在、工作機械のステージや測定装置などにおいて直線方向の変位量を検出するため、またはサーボモータなどにおいて回転角を検出するため、光学式や磁気式などのいわゆるエンコーダが利用されている。

光学式エンコーダは、一般的に、ステージ等の変位を検出しようとする部材に固定されたスケールと、スケールの変位を検出するためのセンサヘッドとによって構成されている。センサヘッドは、スケールに光を照射する発光部と、スケールにより変調された光ビームを検出するための受光部とを有している。そして、受光した光ビームの強度変化によってスケールの移動を検出している。

光学式エンコーダには、スケールの移動量に加えて基準位置を検出する機能を有するものが知られている。基準位置は、例えばステージ等の基準位置を検出するため、または移動可能範囲の限界点を検出したりするために用いられる。このため、基準位置を検出するときは、誤検出が無いこと、位置再現性が良いことなどが要求されている。

基準位置を検出する方法として、従来いくつかの方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。図２１は、従来技術の光学式エンコーダ１０の概略構成を示す。従来例の光学式エンコーダ１０では、光源から出射された光をスケール（不図示）に照射する。そして、スケールからの反射光を光検出器３０上の２セルフォトディテクタ（ＰＤ）１１、１２にて検出する。ここで、光学式エンコーダ１０は、基準位置検出機能を有している。

光源から出射された光は図示しないスケール上に形成された基準位置パターンにより集光される。基準位置パターンからの光は、２セルフォトディテクタ１１、１２上にビームスポット２０を形成する。それぞれ２セルフォトディテクタ１１、１２から出力される検出信号１１ａ、１２ａは、図示しない処理回路に出力される。ビームスポット２０は、スケールの移動に伴い２セルフォトディテクタ１１、１２上を、スケールの移動方向である図の左右方向に移動する。このため、２セルフォトディテクタ１１、１２からの出力信号１１ａ、１２ａの差分を演算すると、図２２に示されるような信号となる。この結果、差分信号がゼロ交差する位置５０を基準位置として検出することができる。なお、フォトディテクタアレイ４０は、スケールの移動検出に用いる。

特開平８−１７８６１３公報

基準位置を検出するための差分信号は、二つのフォトディテクタ１１、１２からの電気出力の差である。このため、差分信号がゼロ交差、またはこれと同じ電位となるのは、ビームスポット２０が二つのフォトディテクタ１１、１２に、それぞれ等量ずつ入射しているとき、及びフォトディテクタ１１、１２共にビームスポット２０が照射されていないときがある。

即ち、図２２に示されるように、ゼロ交差する点５０と、図２２の両端部分においてゼロ公差する点５１ａ、５１ｂとを区別することができない。このため、ゼロ交差する点５０と、他にゼロ公差する点５１ａ、５１ｂとのいずれの場合も基準位置として検出してしまう可能性がある。特に、静止状態でこれらのゼロ公差する点を区別することは困難である。従来技術では、意図的にスケールを左右に移動させるなどの余計な手間をかけなければ基準位置であるのか否かを判断することはできない。

このような不具合のため、上述した工作機械などでは、基準位置への移動、または基準位置を基準とした希望位置の検出が不正確となる。さらには、加工品の不良や、場合によっては、加工位置の見誤りによる装置そのものの破壊などが発生するおそれがある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、簡便に基準位置を正確に出力できる光学式エンコーダを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明によれば、光を出射する光源と、周期的な光学パターンと、少なくとも一つの基準位置パターンが形成され、光源に対して相対的に移動するスケールと、光源から出射され、周期的な光学パターンを経由した光を検出する周期パターン検出用光検出器と、基準位置パターンを経由した光を検出する基準位置検出用光検出器とを備えた基準位置検出機能を有する光学式エンコーダであって、基準位置検出用光検出器は、スケールの移動方向に１次元的に配列された複数のフォトディテクタ要素を有し、複数のフォトディテクタ要素のうち、少なくとも一つのフォトディテクタ要素からの出力信号と、フォトディテクタ要素とは異なる少なくとも一つの他のフォトディテクタ要素からの出力信号との第１の差分信号を演算する差分信号演算手段と、光源から出射された光がスケール上に形成された基準位置パターンを経由して基準位置検出用光検出器に入射する位置近傍において、第１の差分信号がゼロ交差する領域を少なくとも含むゲート信号を生成するゲート信号形成手段と、を有し、ゲート信号と、第１の差分信号がゼロ交差する点とに基づいて基準位置信号を出力することを特徴とする光学式エンコーダを提供できる。

また、本発明の好ましい態様によれば、ゲート信号形成手段は、１次元配列した複数のフォトディテクタ要素のうち、端部に面していない少なくとも二つのフォトディテクタ要素からの出力信号の和により構成される第１の和信号と、少なくとも二つのフォトディテクタ要素を挟むように配置された少なくとも二つの他のフォトディテクタ要素からの出力信号の和により構成される第２の和信号とを算出し、ゲート信号は、第１の和信号と第２の和信号とに基づいて出力されることが望ましい。

また、本発明の好ましい態様によれば、基準位置検出用光検出器は、１次元的に配列された４つのフォトディテクタ要素により構成され、第１の和信号は、１次元配列した４つのフォトディテクタ要素のうち、端部に面していない二つのフォトディテクタ要素からの出力信号の和であり、第２の和信号は、二つのフォトディテクタ要素を挟むように配置され、それぞれ端部に配置されている二つの他のフォトディテクタ要素からの出力信号の和であることが望ましい。

また、本発明の好ましい態様によれば、ゲート信号は、第１の和信号と第２の和信号との大小関係に基づいて出力されることが望ましい。

また、本発明の好ましい態様によれば、第１の差分信号のゼロ交差する点を含む基準位置近傍領域と基準位置近傍領域とは異なる領域とにおいて、それぞれ第１の和信号と第２の和信号との大小関係が互いに逆転するように、第１の和信号と第２の和信号との少なくとも一方の和信号にバイアス電圧を加算したことが望ましい。

また、本発明の好ましい態様によれば、ゲート信号は、第１の和信号から第２の和信号を引いた第２の差分信号と、第２の和信号から第１の和信号を引いた第３の差分信号の大小関係に基づいて出力されることが望ましい。

また、本発明の好ましい態様によれば、第１の差分信号のゼロ交差する点を含む基準位置近傍領域と基準位置近傍領域とは異なる領域とにおいて、それぞれ第２の差分信号と第３の差分信号の大小関係が互いに逆転するように、第２の差分信号と第３の差分信号との基準電位が設定されていることが望ましい。

また、本発明の好ましい態様によれば、４つのフォトディテクタ要素の受光部の大きさがそれぞれ略等しいことが望ましい。

また、本発明の好ましい態様によれば、４つのフォトディテクタ要素から出力される信号電流は、略等しい抵抗値を有する帰還抵抗により電圧変換されることが望ましい。

また、本発明の好ましい態様によれば、１次元的に配列された４つのフォトディテクタ要素は、一方の端部側から順番に、第１のフォトディテクタ要素と、第２のフォトディテクタ要素と、第３のフォトディテクタ要素と、第４のフォトディテクタ要素とからなり、第１の差分信号は、第１のフォトディテクタ要素の出力と第２のフォトディテクタ要素の出力との和信号と、第３のフォトディテクタ要素の出力と第４のフォトディテクタ要素の出力との和信号との差分信号であることが望ましい。

また、本発明の好ましい態様によれば、１次元的に配列された４つのフォトディテクタ要素の少なくとも両端部には少なくとも一つずつのダミーのフォトダイオードが接続されていることが望ましい。

また、本発明の好ましい態様によれば、光源の発光中心と、第１の差分信号の算出に係わる複数のフォトディテクタ要素のうち、少なくとも一つのフォトディテクタ要素と、フォトディテクタとは異なる少なくとも一つの他のフォトディテクタ要素との接合部の中心点とを直線で結んだとき、直線とスケールが移動方向とは互いに略直交することが望ましい。

また、本発明の好ましい態様によれば、光源からスケールまでの光路内にスリットまたはピンホールが形成され、光源の発光中心は、スリットまたはピンホールの開口中心により定まることが望ましい。

本発明に係る光学式エンコーダでは、ゲート信号形成手段は、光源から出射された光がスケール上に形成された基準位置パターンを経由して基準位置検出用光検出器に入射する位置近傍において、第１の差分信号がゼロ交差する領域を少なくとも含むゲート信号を生成する。そして、ゲート信号と、第１の差分信号がゼロ交差する点とに基づいて基準位置信号を出力する。これにより、簡便に基準位置を正確に出力できるという効果を奏する。

以下に、本発明に係る光学式エンコーダの実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例により、この発明が限定されるものではない。

図１は、本発明の実施例１に係る光学式エンコーダ１００の概略構成を示す斜視図である。また、図２、図３は、それぞれ光学式エンコーダ１００の上面図、側面図である。光学式エンコーダ１００は、いわゆる反射型の三重スリット方式の光学式エンコーダである。

光学式エンコーダ１００は、エンコーダヘッド１０１とスケール１２０とから構成されている。そして、光学式エンコーダ１００は、エンコーダヘッド１０１とスケール１２０との相対移動の向きや大きさを検出する。

エンコーダヘッド１０１は、光源１１０、光源スリット１３０、光検出器１５０とを有する。光源スリット１３０は、光源１１０の発光波長に対して透光性を有する部材、例えばガラス基板１３６などの表面にクロムなどの金属膜をパターニングして形成されている。そして、光源スリット１３０は、光検出器１５０の表面と略同一の高さに取り付けられている。

光源１１０から出射した光は、光源スリット１３０上に形成された開口部１３４または開口部１３２を通過してスケール１２０に入射する。光源１１０から出射された光のうち、開口部１３４を通過した光は、スケール１２０上に形成された周期的パターンである光学パターン１２４に照射される。光学パターン１２４で反射された光は、光検出器１５０上に形成されたフォトディテクタアレイ１５４上に明暗パターンを形成する。フォトディテクタアレイ１５４は、周期パターン検出用光検出器に対応する。ここで、光源１１０の出射光の波長λと、光源スリット１３０の開口部１３４のピッチＰｓｌｉｔと、スケール１２０上に形成された周期的な光学パターン１２４のピッチＰ１とが、いわゆる三重スリット構成によるエンコーダの要件を満足するように構成されている。

フォトディテクタアレイ１５４は、形成された明暗パターンを検出する。そして、フォトディテクタアレイ１５４は、形成された明暗パターンに応じた電気信号をエンコーダ信号として出力する。この結果、エンコーダヘッド１０１とスケール１２０との相対的な移動量の検出が可能である。

また、光源１１０から出射された光のうち、光源スリット１３０が有する開口部１３２を通過した光は、スケール１２０上に形成された基準位置パターン１２２に向かって照射される。スケール１２０上に形成された基準位置パターン１２２は、図１に示すようにスケール１２０上の所定箇所に設けられている。このため、スケール１２０とエンコーダヘッド１０１が所定の位置関係となったとき、光源１１０から出射された光が基準位置パターン１２２に照射される。そして、基準位置パターン１２２で反射された光がフォトディテクタ群１５２に入射する。フォトディテクタ群１５２は、基準位置検出用光検出器に対応する。

フォトディテクタ群１５２は、ｙ軸に沿った方向に１次元的に配列された４つのフォトディテクタ要素ＰＤ１、ＰＤ２、ＰＤ３、ＰＤ４により構成されている。フォトディテクタ群１５２に入射した光は、スケール１２０の移動に伴ってフォトディテクタ群１５２上を移動する。

例えば、スケール１２０が図２における左から右へｙ方向に移動するとき、基準位置パターン１２２によって反射された光のスポットは、はじめにフォトディテクタ要素ＰＤ１に入射する。そして、スケール１２０の相対移動に伴い、光のスポットが入射する位置は、フォトディテクタ要素ＰＤ２、ＰＤ３、ＰＤ４と順次移動する。

図４は、このときのそれぞれのフォトディテクタ要素ＰＤ１、ＰＤ２、ＰＤ３、ＰＤ４からの出力信号の例を示す。なお、出力信号の波形にフォトディテクタ要素の符号ＰＤ１、ＰＤ２、ＰＤ３、ＰＤ４を付して示す。本実施例では、個々のフォトディテクタ要素ＰＤ１、ＰＤ２、ＰＤ３、ＰＤ４は、同一の形状、同一の大きさを有している。このため、出力される信号は略同じ形状となる。この結果、フォトディテクタ要素ＰＤ１、ＰＤ２、ＰＤ３、ＰＤ４が配置されている位置の分だけ信号出力の位置がずれることとなる。

４つのフォトディテクタ要素ＰＤ１、ＰＤ２、ＰＤ３、ＰＤ４からの出力をもとに、以下の（１）〜（４）式に従う演算により図６に示す３つのアナログ信号ＶＺ、ＶＭ１２ｂｉａｓ、ＶＲＬを出力する。

ＶＺ＝Ｖ(ＰＤ２)−Ｖ(ＰＤ３)＋Ｖｒｅｆ・・・（１）
ＶＭ１２＝Ｖ(ＰＤ１)＋Ｖ(ＰＤ４) ・・・（２）
ＶＭ１２ｂｉａｓ＝ＶＭ１２＋Ｖｂｉａｓ・・・（３）
ＶＲＬ＝Ｖ(ＰＤ２)＋Ｖ(ＰＤ３) ・・・（４）

ここで、
Ｖ(ＰＤ１)は、フォトディテクタ要素ＰＤ１からの出力信号を電圧変換した信号、
Ｖ(ＰＤ２)は、フォトディテクタ要素ＰＤ２からの出力信号を電圧変換した信号、
Ｖ(ＰＤ３)は、フォトディテクタ要素ＰＤ３からの出力信号を電圧変換した信号、
Ｖ(ＰＤ４)は、フォトディテクタ要素ＰＤ４からの出力信号を電圧変換した信号、
Ｖｒｅｆは、別に規定される基準となる中間電位、
Ｖｂｉａｓは、ＶＭ１２に加えるバイアス電圧、をそれぞれ示している。

このような出力を行うためには、例えば図５に示すような回路を用いる。フォトディテクタ要素ＰＤ１、ＰＤ２、ＰＤ３、ＰＤ４からの出力信号は、それぞれ演算増幅器５０１、５０２、５０３、５０４に入力される。演算増幅器５０１、５０２、５０３、５０４は、略等しい抵抗値を有する帰還抵抗５１１Ｒ、５１２Ｒ、５１３Ｒ、５１４Ｒにより信号電流を電圧変換する。演算増幅器５２３は、差分信号演算手段に対応する。

さらに、演算増幅器５２１、５２２、５２３は、それぞれ信号ＶＭ１２ｂｉａｓ、ＶＲＬ、ＶＺを出力する。信号ＶＲＬは、第１の和信号に対応する。信号ＶＭ１２は、第２の和信号に対応する。ゲート信号生成回路５３０は、信号ＶＭ１２ｂｉａｓ、ＶＲＬに基づいて、ゲート信号ＶＰＭを出力する。パルス化回路５４０は、信号ＶＺをパルス化して信号ＶＰＺを出力する。ＡＮＤ回路５５０は、信号ＶＰＭと信号ＶＰＺとのＡＮＤ演算を行い信号Ｚを出力する。なお、図５において、ＶｒｅｆやＶｂｉａｓの加算方法は通常の方法を用いるものとし、本図では省略する。

図６に示すように、出力信号ＶＺは、ゼロ交差する点において基準電圧Ｖｒｅｆを中心に上下に変化する。出力信号ＶＺは、第１の差分信号に対応する。また、信号ＶＭ１２ｂｉａｓは、二つのピークを有する信号である。信号ＶＲＬは、信号ＶＭ１２ｂｉａｓの二つのピークに挟まれる位置に一つのピークを有する信号である。

ここで、基準位置から離れた領域では、フォトディテクタＰＤ１、ＰＤ２、ＰＤ３、ＰＤ４にほぼ等しい量の外光等が入射する。このため、信号ＶＭ１２にバイアス電圧Ｖｂｉａｓを加算しないとき、信号ＶＲＬと信号ＶＭ１２とは略等しい大きさの出力となる。

そこで、基準位置以外の領域ではＶＲＬ＜ＶＭ１２ｂｉａｓとなり、かつ基準位置近傍領域である、信号ＶＭ１２の二つのピークの間の領域ではＶＲＬ>ＶＭ１２ｂｉａｓとなるようにＶｂｉａｓを設定する。そして、これを信号ＶＭ１２に加算する。

ここで、本実施例による基準位置検出方法について図６に基づいてさらに説明する。はじめに、ゲート信号ＶＰＭについて説明する。ゲート信号ＶＰＭは、基準位置近傍でＨｉｇｈとなり、それ以外の領域ではＬｏｗとなることで基準位置近傍であることを示す信号である。ゲート信号ＶＰＭは、信号ＶＭ１２ｂｉａｓと信号ＶＲＬの大小関係から発生させる。二つの信号ＶＭ１２ｂｉａｓと信号ＶＲＬとでは基準位置以外の領域ではＶＭ１２ｂｉａｓ>ＶＲＬとなり、また基準位置近傍においてはＶＭ１２ｂｉａｓ＜ＶＲＬとなるようにバイアス電圧Ｖｂｉａｓが設定されている。このため、ＶＭ１２ｂｉａｓ＜ＶＲＬとなる領域でＨｉｇｈとなるパルス信号、換言すると基準位置近傍においてのみＨｉｇｈとなるゲート信号ＶＰＭを得ることができる。

次に、基準位置近傍で立ち上がる信号ＶＰＺについて説明する。信号Ｖ(ＰＤ２)と信号Ｖ(ＰＤ３)の差分の出力である信号ＶＺに基づいて、ゼロ交差する点、即ちＶＺ＝Ｖｒｅｆで立ち上がるパルス信号ＶＰＺを発生させる。

信号ＶＰＺは、図７に示すようにスケール１２０の移動方向にかかわらずゼロ交差する点において立ち上がるように出力のアルゴリズムが設計されている。例えば、前述したエンコーダ信号、または信号ＶＺのピークとボトムとの出現順などからスケール１２０の移動方向を算出する。そして、スケール１２０の移動方向と信号ＶＺとから、スケール１２０の移動方向にかかわらずゼロ交差で立ち上がる信号ＶＰＺを出力できる。従って、パルス信号ＶＰＺの立ち上がりポイントは、スケール１２０の移動方向にかかわらず基準位置となるゼロ交差する点となる。

そして、ゲート信号ＶＰＭとゼロ交差信号ＶＰＺとの重なり（ＡＮＤ演算）を演算することで、基準位置パルス信号である信号Ｚを出力する。信号ＶＰＺは、基準位置以外の領域においてもＨｉｇｈとなる場合もある。しかしながら、ゲート信号ＶＰＭがＨｉｇｈであり、かつ信号ＶＰＺがＨｉｇｈとなるのは、基準位置のみである。この結果、安定な基準位置信号を得ることができる。

また、アナログ信号である信号ＶＭ１２ｂｉａｓと信号ＶＲＬとからゲート信号ＶＰＭを発生させるため、またはアナログ信号ＶＺから基準位置パルス信号ＶＰＺを出力させるため、例えばコンパレータを用いることができる。このとき、好ましくは、コンパレータにヒステリシスを持たせておくことが望ましい。これにより、パルスの立ち上がり時、立下り時を安定化することができる。

また、本実施例においては、バイアス電圧Ｖｂｉａｓは、信号ＶＭ１２のみに加えられている。これに限られず、信号ＶＲＬにもバイアス電圧を加算することで、信号を安定化できる。このとき、好ましくは信号ＶＭ１２、ＶＲＬ双方に加算されるバイアス電圧の値は、その差がＶｂｉａｓとすることが望ましい。

また、光源スリット１３０の基準位置検出用の開口部１３２の開口中心と、フォトディテクタ群１５２内のフォトディテクタ要素ＰＤ２とフォトディテクタ要素ＰＤ３とが接している部分とを結ぶ直線は、スケール１２０の移動方向に対して略直交していることが望ましい。このように配置することで、４つのフォトディテクタ要素ＰＤ１、ＰＤ２、ＰＤ３、ＰＤ４に対し、等しい、または中心対称となるように光を照射することができる。即ち、図４に示すような、各フォトディテクタ要素ＰＤ１、ＰＤ２、ＰＤ３、ＰＤ４から出力される信号は、いずれもが等しい大きさであること、またはフォトディテクタ要素ＰＤ２、ＰＤ３とで略等しく、またフォトディテクタ要素ＰＤ１、ＰＤ４とで略等しい大きさであることを実現できる。

本実施例では、上述の構成により、基準位置以外の領域で誤パルスを発生することを低減できる。この結果、簡便に基準位置を正確に出力できる光学式エンコーダを提供することができる。

本発明の実施例２に係る光学式エンコーダについて、図８、図９を参照して説明する。本実施例では、フォトディテクタ群１５２が有するフォトディテクタ要素ＰＤ１、ＰＤ２、ＰＤ３、ＰＤ４から出力される電気信号からゲート信号を形成する信号処理回路の構成が上記実施例１と異なる。上記実施例１と同一の部分には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

ゲート信号を形成するため、本実施例では、上述した（２）、（４）式より信号ＶＭ１２と信号ＶＲＬを形成する。そして、これらを用いて以下の（５）、（６）式で示すように、ゲート信号を形成するための出力ＶＲＬ(＋)、ＶＲＬ(−)を生成する。出力ＶＲＬ(＋)は、第２の差分信号に対応する。出力ＶＲＬ(−)は、第３の差分信号に対応する。

ＶＲＬ(＋)＝ＶＲＬ−ＶＭ１２＋Ｖｒｅｆ・・・ （５）
ＶＲＬ(−)＝ＶＭ１２−ＶＲＬ＋Ｖｒｅｆ・・・ （６）

信号ＶＲＬ(＋)と信号ＶＲＬ(−)は、基準位置から離れた領域ではＶＲＬ(＋)＝ＶＲＬ(−)となる。ここで、ゲート信号は、ＶＲＬ(＋)とＶＲＬ(−)との大小関係から形成する。このため、基準位置から離れた領域においては、ＶＲＬ（＋）＝ＶＲＬ（−）となるのは好ましくない。そこで、Ｖｂｉａｓ２を新たに設定する。そして、（７）、（８）式のように、信号ＶＲＬ(＋）、ＶＲＬ（−）に対してＶｂｉａｓ２を加算すること、または減算することで、出力信号ＶＲＬ(＋)ｂｉａｓ、ＶＲＬ(−)ｂｉａｓを生成する。

ＶＲＬ（＋）ｂｉａｓ＝ＶＲＬ（＋）−Ｖｂｉａｓ２・・・（７）
ＶＲＬ（−）ｂｉａｓ＝ＶＲＬ（−）＋Ｖｂｉａｓ２・・・（８）

図８は、上述の演算を行うための回路構成の一例を示す。図８で示す回路では、図５で示した回路に対してさらに演算増幅器５２４、５２５が設けられている。なお、図８において、信号Ｖｒｅｆ、Ｖｂｉａｓ２の加算方法は、通常の方法を用いるものとし、省略している。

次に、実施例２における基準位置信号発生方法について、図９を用いて説明する。図９において、信号ＶＺ、ＶＰＺは、上記実施例１と同一であるため、重複する説明は省略する。

信号ＶＲＬ(＋)ｂｉａｓ、ＶＲＬ(−)ｂｉａｓについて説明する。信号Ｖｂｉａｓ２は、基準位置領域から離れた領域においてＶＲＬ(＋)ｂｉａｓ＜ＶＲＬ(−)ｂｉａｓとなり、かつ基準位置近傍においてＶＲＬ(＋)ｂｉａｓ＞ＶＲＬ(−)ｂｉａｓとなるように設定されている。このように設定することで、二つのアナログ信号ＶＲＬ(＋)ｂｉａｓ、ＶＲＬ(−)ｂｉａｓは、それぞれ図９の（ｃ）に示すような出力となる。そして、ゲート信号ＶＰＭ２は、ＶＲＬ(＋)ｂｉａｓ＞ＶＲＬ(−)ｂｉａｓにおいてＨｉｇｈとなり、それ以外の領域ではＬｏｗとなるように出力される。

ここで、本実施例では、フォトディテクタ群１５２が有するフォトディテクタ要素ＰＤ１、ＰＤ２、ＰＤ３、ＰＤ４は、それぞれ同一の形状、同一の大きさである。このため、フォトディテクタ要素ＰＤ１、ＰＤ２、ＰＤ３、ＰＤ４に入射する信号成分以外の光、例えば外光等による信号外電流の大きさは略等しい。また、信号ＶＲＬ、ＶＭ１２とも二つのフォトディテクタ要素の和信号である。このため、これらの信号の有する信号外電流は略等しい。従って、（５）、（６）式のように、信号ＶＲＬ、ＶＭ１２の差分信号を計算することで、信号外電流成分を取り除くことができる。これにより、外光等に影響されない安定なゲート信号を出力することができる。

これにより、図９の（ｂ）、（ｄ）、（ｅ）に示すように、基準位置信号ＶＰＺと、ゲート信号ＶＰＭ２との重なりから基準位置パルス信号Ｚ２を安定に出力することができる。なお、本実施例では、信号ＶＲＬ(＋）と信号ＶＲＬ（−）に対して、同じ大きさのバイアス電圧Ｖｂｉａｓ２を加算すること、または減算することを行っている。ここで、加算、減算においては、必ずしも同じ電圧である必要は無い。さらに、信号ＶＲＬ(＋）と信号ＶＲＬ（−）のいずれか一方に対してのみ、加算すること、または減算することでも良い。

本実施例のように構成することで、外光等の影響を受けにくい安定な基準位置信号を出力する光学式エンコーダを得ることができる。

次に本発明の実施例３について、図１０、図１１を参照しながら説明する。本実施例は、図６、図９に示されている基準位置信号ＶＺの出力方法が実施例１及び実施例２とは異なる。上記実施例１、実施例２と同一の部分には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

本実施例における基準位置信号ＶＺ２の出力方法について、図１０を参照しながら説明する。基準位置信号ＶＺ２は、（９）式に基づいて出力される。
ＶＺ２＝Ｖ(ＰＤ１）＋Ｖ(ＰＤ２）−Ｖ(ＰＤ３）−Ｖ(ＰＤ４）・・・（９）

このようにして出力される基準位置信号ＶＺ２は、実施例１、実施例２において用いた基準位置信号ＶＺと比較すると、図１０で示す演算増幅器１００１を設けることで生成できる。図１１は、実施例１、実施例２と同じ条件のとき、信号ＶＺ２と信号ＶＺとを比較して示す。図１１から明らかなように、ゼロ交差する点の位置精度が変化することなく、基準位置信号の振幅を大きくすることができる。これにより、ノイズ等に対してより影響を受けにくい構成となる。

なお、図１１で示すような信号ＶＺ２は、フォトディテクタ要素ＰＤ２、ＰＤ３のスケール１２０の移動方向に対する寸法を大きくしたときにも同様に得られる。しかしながら、本実施例の場合、フォトディテクタ要素ＰＤ１、ＰＤ２、ＰＤ３、ＰＤ４の寸法を意図的に大きくしなくても同様の効果を得ることができる。このため、ゲート信号形成のためのフォトディテクタ群１５２が有する４つのフォトディテクタ要素ＰＤ１、ＰＤ２、ＰＤ３、ＰＤ４を有効に使用できる。

本実施例では、上記のように構成することで、信号の増幅率を大きくすることなく、十分な信号強度を得ることができる。

次に、本発明の実施例４に係る光学式エンコーダについて、図１２、図１３を参照しながら説明する。本実施例は、基本的な構成は実施例１と同様である。そして信号の演算方法については、実施例１、実施例２、実施例３、実施例４のいずれも適用可能なように構成されている。

本実施例では、図１２に示すように、基準位置検出用のフォトディテクタ群１５２を構成する４つのフォトディテクタ要素ＰＤ１、ＰＤ２、ＰＤ３、ＰＤ４の両端にダミーのフォトディテクタＤＭ１、ＤＭ２を設けている。

一般にフォトディテクタ要素は、受光面に入射した光に応じた電流を出力する。このとき、フォトディテクタ要素周辺の領域に光が照射したとき、半導体基板内において不要な光電流が発生する。発生した不要な光電流の一部は、フォトディテクタ要素に流れ込んでしまう。このため、発生した不要な光電流の一部は、あたかもフォトディテクタの受光面に光が入射したように出力されるため問題である。

本実施例では、１次元的に配列された４つのフォトディテクタ要素ＰＤ１、ＰＤ２、ＰＤ３、ＰＤ４の両端部には少なくとも一つずつのダミーのフォトダイオードＤＭ１、ＤＭ２が接続されている。

フォトディテクタ要素ＰＤ２は、その両端を他のフォトディテクタ要素ＰＤ１、ＰＤ３により挟まれて配置されている。同様に、フォトディテクタ要素ＰＤ３は、フォトディテクタ要素ＰＤ２、ＰＤ４により挟まれて配置されている。このため、フォトディテクタ要素ＰＤ２、ＰＤ３に関しては、フォトディテクタ要素周辺の領域で発生した不要な光電流は、図２における上下方向（ｘ方向）からのみ流入する。

これに対して、フォトディテクタ要素ＰＤ１、ＰＤ４は、それぞれ上下方向（ｘ方向）に加えて、端部の一方（ｙ方向）がフォトディテクタ要素の形成されていない領域に接している。換言すると、矩形形状のフォトディテクタ要素ＰＤ１、ＰＤ４は、３つの辺部がフォトディテクタ要素の形成されていない領域に接している。

従って、光量が略均一な光がフォトディテクタ群１５２に照射されたとき、フォトディテクタ要素ＰＤ２、ＰＤ３の出力よりも、フォトディテクタ要素ＰＤ１、ＰＤ４の出力の方が見かけ上大きくなってしまう。

そこで、図１２に示すように、フォトディテクタ群１５２の両端にダミーのフォトディテクタＤＭ１、ＤＭ２を設ける。これにより、光量が略均一な光がフォトディテクタ群１５２に照射されたとき、フォトディテクタ要素ＰＤ１、ＰＤ２、ＰＤ３、ＰＤ４の出力を略等しくすることができる。なお、ダミーのフォトディテクタＤＭ１、ＤＭ２の大きさ及び形状は、スケール１２０の移動方向（ｙ方向）において十分な幅があれば良い。例えば、他のフォトディテクタ要素ＰＤ１、ＰＤ２、ＰＤ３、ＰＤ４と同じ大きさ、形状のものを用いることができる。

また、ダミーのフォトディテクタＤＭ１、ＤＭ２の幅（ｙ方向の長さ）が十分でないとき、フォトディテクタ要素ＰＤ１、ＰＤ４のそれぞれ端部に複数のダミーのフォトディテクタをｙ方向に連続して配置することが望ましい。

本実施例においては、フォトディテクタ群１５２の両端にのみダミーのフォトディテクタＤＭ１、ＤＭ２を設けている。しかしながら、これに限られず、図１３に示すように、ダミーのフォトディテクタ要素ＤＭ３、ＤＭ４をさらに上下方向に配置することもできる。これにより、さらに安定な基準位置信号、ゲート信号を出力することができる。

このように構成することで、基準位置検出用フォトディテクタ群１５２が有するフォトディテクタ要素ＰＤ１、ＰＤ２、ＰＤ３、ＰＤ４の実効的な受光感度を等しくすることができる。この結果、より安定な基準位置信号、ゲート信号を出力できる。

次に、本発明の実施例５について、図１４を参照しながら説明する。本実施例の基本的な構成及び動作は、上記実施例１と同一である。実施例１〜４においては、光源１１０と光源スリット１３０とを組み合わせている構成である。これに対して、本実施例では、面発光レーザ、または電流狭窄型ＬＥＤなどの点光源を用いている点が異なる。

本実施例に係る光学式エンコーダ３００の上面図を図１４に示す。光源１１０と光源スリット１３０の代わりに点光源１１１と出射窓部１１３が配置されている。点光源１１１と、スケール１２０上に形成された光学パターン１２４と、周期パターン検出用光検出器であるフォトディテクタアレイ１５４の位置関係と、点光源１１１から出射される光の発振波長と、光学パターン１２４のピッチＰ１と、フォトディテクタアレイ１５４が検出可能な明暗パターンのピッチとの関係が、いわゆるタルボットイメージを形成し、かつ検出可能なように構成されている。このとき、上述した三重スリット構成のエンコーダにおける明暗パターンとほぼ同様な明暗パターンを形成、検出できる。

また、点光源１１１から出射された光ビームが、スケール１２０上に形成された基準位置パターン１２２に照射され、かつ基準位置パターン１２２で反射された光が基準位置検出用光検出器であるフォトディテクタ群１５２に照射されるように配置できる。これにより、実施例１〜４で説明した方法により基準位置を検出できる。

また、点光源１１１の発光中心である出射窓部１１３と、複数のフォトディテクタ要素のうち、少なくとも一つのフォトディテクタ要素ＰＤ２と、フォトディテクタ要素ＰＤ２とは異なる少なくとも一つの他のフォトディテクタ要素ＰＤ３との接合部３０１の中心点とを直線ＡＸで結んだとき、直線ＡＸとスケール１２０が移動するｙ方向とは互いに略直交している。

ここで、点光源１１１から出射される光のビーム広がり角が小さく、４つのフォトディテクタ要素ＰＤ１、ＰＤ２、ＰＤ３、ＰＤ４に十分均一に照射されない場合がある。このような場合でも、上述の構成とすることで、４つのフォトディテクタ要素ＰＤ１、ＰＤ２、ＰＤ３、ＰＤ４に対し、中心対称な光を照射することができる。この結果、即ち、図４に示すように、各フォトディテクタ要素ＰＤ１、ＰＤ２、ＰＤ３、ＰＤ４から出力される信号に関して、フォトディテクタ要素ＰＤ２からの信号とフォトディテクタ要素ＰＤ３からの信号とを略等しくできる。また、フォトディテクタ要素ＰＤ２からの信号とフォトディテクタ要素ＰＤ４からの信号とを略等しくできる。

本実施例のように構成することで、部品点数が少なく、より小型化可能な光学式エンコーダを実現することができる。

上述の実施例１〜５において、スケール１２０上に形成された基準位置パターン１２２については様々な構成例をとることができる。例えば、図１５に示されるような単一の反射パターン２２２でも良い。または、図１６に示すような回折パターンを有するホログラフィックレンズ３２２のような構成でも良い。さらに、ホログラフィックレンズ３２２は、１軸方向に集光作用を有する構成だけでなく、同心円上のパターンで１点に集光するような構成でも良い。

また、フォトディテクタ要素の数量は４つに限られない。例えば、図１７に示すように５つのフォトディテクタ要素ＰＤ１、ＰＤ２、ＰＤ３、ＰＤ４、ＰＤ５を１次元的に配列することもできる。

図１７に示す構成においては、信号ＶＺ、ＶＭ１２ｂｉａｓ、ＶＲＬを生成する手順はいくつかのものが考えられる。例えば（１０）〜（１３）式に従って、信号を生成することができる。

ＶＺ＝Ｖ（ＰＤ２）−Ｖ（ＰＤ３）＋Ｖｒｅｆ ・・・（１０）
ＶＭ１２＝Ｖ（ＰＤ１）＋Ｖ（ＰＤ５） ・・・（１１）
ＶＭ１２ｂｉａｓ＝ＶＭ１２＋Ｖｂｉａｓ ・・・（１２）
ＶＲＬ＝Ｖ（ＰＤ２）＋Ｖ（ＰＤ３）＋Ｖ（ＰＤ４）・・・（１３）

また、他の算出手順では、以下の（１４）〜（１７）式に従って信号を生成しても良い。
ＶＺ＝Ｖ（ＰＤ２）−Ｖ（ＰＤ３）＋Ｖｒｅｆ ・・・（１４）
ＶＭ１２＝Ｖ（ＰＤ１）＋Ｖ（ＰＤ５） ・・・（１５）
ＶＭ１２ｂｉａｓ＝ＶＭ１２＋Ｖｂｉａｓ ・・・（１６）
ＶＲＬ＝Ｖ（ＰＤ２）＋Ｖ（ＰＤ３） ・・・（１７）

さらに、例えば、図１８に示すように６つのフォトディテクタ要素ＰＤ１、ＰＤ２、ＰＤ３、ＰＤ４、ＰＤ５、ＰＤ６を１次元的に配列することもできる。

図１８に示す構成においては、（１８）〜（２１）式に従って、信号ＶＺ、ＶＭ１２ｂｉａｓ、ＶＲＬを生成する。

ＶＺ＝（Ｖ（ＰＤ２）＋Ｖ（ＰＤ３））−（Ｖ（ＰＤ４）＋Ｖ（ＰＤ５））＋Ｖｒｅｆ ・・・（１８）
ＶＭ１２＝Ｖ（ＰＤ１）＋Ｖ（ＰＤ６） ・・・（１９）
ＶＭ１２ｂｉａｓ＝ＶＭ１２＋Ｖｂｉａｓ ・・・（２０）
ＶＲＬ＝Ｖ（ＰＤ２）＋Ｖ（ＰＤ３）＋Ｖ（ＰＤ４）＋Ｖ（ＰＤ４）・・・（２１）

上述の手順では、信号ＶＺの振幅が大きくできるので、ノイズに強い光学式エンコーダを得られる。また、フォトディテクタ要素ＰＤ１とフォトディテクタ要素ＰＤ６との距離が遠いため、ゲート信号の幅を大きくし、安定的に出力できる。

また、他の手順の例として以下の（２２）〜（２５）式に従って信号を生成しても良い。この手順では、必ずしも全てのフォトディテクタ要素を用いない。
ＶＺ＝Ｖ（ＰＤ３）−Ｖ（ＰＤ４）＋Ｖｒｅｆ ・・・（２２）
ＶＭ１２＝Ｖ（ＰＤ１）＋Ｖ（ＰＤ６） ・・・（２３）
ＶＭ１２ｂｉａｓ＝ＶＭ１２＋Ｖｂｉａｓ ・・・（２４）
ＶＲＬ＝Ｖ（ＰＤ３）＋Ｖ（ＰＤ４） ・・・（２５）

また、全てのフォトディテクタ要素は、同一の大きさ、同一の形状を有しいていることは必要ない。これにより、適宜、設計仕様に基づいて変形すること、数量を増やすことは自由である。

また、光源スリット１３０上に形成された開口部１３４または開口部１３２も種々の変形例をとることができる。例えば、図１９に示すように、開口部１３２の代わりにピンホール２３２を形成しても良い。さらに、図２０に示すように、開口部１３４と開口部１３２とを、一つのピンホール３３２で兼用することもできる。さらに、ピンホールの代わりにスリットを用いても良い。このように、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲内において種々の変形例をとることができる。

以上のように、本発明に係る光学式エンコーダは、簡便に基準位置を正確に出力できる光学式エンコーダに有用である。

本発明の実施例１に係る光学式エンコーダの斜視構成を示す図である。 実施例１に係る光学式エンコーダの上面構成を示す図である。 実施例１に係る光学式エンコーダの断面構成を示す図である。 出力信号を示す図である。 実施例１に係る光学式エンコーダの回路構成を示す図である。 実施例１において生成される信号を示す図である。 スケールの移動方向と出力信号との関係を示す図である。 実施例２に係る光学式エンコーダの回路構成を示す図である。 実施例２において生成される信号を示す図である。 実施例３に係る光学式エンコーダの回路構成を示す図である。 実施例３において生成される信号を示す図である。 実施例４に係る光学式エンコーダの上面構成を示す図である。 実施例４の変形例に係る光学式エンコーダの上面構成を示す図である。 実施例５に係る光学式エンコーダの上面構成を示す図である。 変形例に係る光学式エンコーダの開口部を示す図である。 他の変形例に係る光学式エンコーダの開口部を示す図である。 フォトディテクタ要素の変形例の上面構成を示す図である。 フォトディテクタ要素の他の変形例の上面構成を示す図である。 開口部の変形例を示す図である。 開口部の他の変形例を示す図である。 従来技術の光学式エンコーダの上面構成を示す図である。 従来技術の出力信号を示す図である。

符号の説明

１００ 光学式エンコーダ
１０１ エンコーダヘッド
１１０ 光源
１１１ 点光源
１１３ 出射窓部
１２０ スケール
１２２ 基準位置パターン
１２４ 光学パターン
１３０ 光源スリット
１３２、１３４ 開口部
１３６ ガラス基板
１５０ 光検出器
１５２ フォトディテクタ群
１５４ フォトディテクタアレイ
２００、３００ 光学式エンコーダ
２２２ 反射パターン
２３２、３３２ ピンホール
３２２ ホログラフィックレンズ
３０１ 接合部
５１１Ｒ、５１２Ｒ、５１３Ｒ、５１４Ｒ 帰還抵抗
５０１、５０２、５０３、５０４ 演算増幅器
５２１、５２２、５２３、５２４、５２５ 演算増幅器
５３０ ゲート信号生成回路
５４０ パルス化回路
５５０ ＡＮＤ回路
１００１ 演算増幅器
ＰＤ１、ＰＤ２、ＰＤ３、ＰＤ４、ＰＤ５、ＰＤ６ フォトディテクタ要素
１０ 光学式エンコーダ
１１、１２ フォトディテクタ
１１ａ、１２ａ 信号
２０ 光ビーム
３０ 光検出器
４０ フォトディテクタアレイ

Claims (13)

1. 光を出射する光源と、
   周期的な光学パターンと、少なくとも一つの基準位置パターンが形成され、前記光源に対して相対的に移動するスケールと、
   前記光源から出射され、周期的な前記光学パターンを経由した光を検出する周期パターン検出用光検出器と、前記基準位置パターンを経由した光を検出する基準位置検出用光検出器とを備えた基準位置検出機能を有する光学式エンコーダであって、
   前記基準位置検出用光検出器は、前記スケールの移動方向に１次元的に配列された複数のフォトディテクタ要素を有し、
   複数の前記フォトディテクタ要素のうち、少なくとも一つのフォトディテクタ要素からの出力信号と、前記フォトディテクタ要素とは異なる少なくとも一つの他のフォトディテクタ要素からの出力信号との第１の差分信号を演算する差分信号演算手段と、
   前記光源から出射された光が前記スケール上に形成された前記基準位置パターンを経由して前記基準位置検出用光検出器に入射する位置近傍において、前記第１の差分信号がゼロ交差する領域を少なくとも含むゲート信号を生成するゲート信号形成手段と、を有し、
   前記ゲート信号と、前記第１の差分信号がゼロ交差する点とに基づいて基準位置信号を出力することを特徴とする光学式エンコーダ。
2. 前記ゲート信号形成手段は、
   １次元配列した複数の前記フォトディテクタ要素のうち、端部に面していない少なくとも二つの前記フォトディテクタ要素からの出力信号の和により構成される第１の和信号と、
   少なくとも二つの前記フォトディテクタ要素を挟むように配置された少なくとも二つの他のフォトディテクタ要素からの出力信号の和により構成される第２の和信号とを算出し、
   前記ゲート信号は、前記第１の和信号と前記第２の和信号とに基づいて出力されることを特徴とする請求項１に記載の光学式エンコーダ。
3. 前記基準位置検出用光検出器は、１次元的に配列された４つの前記フォトディテクタ要素により構成され、
   前記第１の和信号は、１次元配列した４つの前記フォトディテクタ要素のうち、端部に面していない二つの前記フォトディテクタ要素からの出力信号の和であり、
   前記第２の和信号は、二つの前記フォトディテクタ要素を挟むように配置され、それぞれ端部に配置されている二つの他の前記フォトディテクタ要素からの出力信号の和であることを特徴とする請求項２に記載の光学式エンコーダ。
4. 前記ゲート信号は、前記第１の和信号と前記第２の和信号との大小関係に基づいて出力されることを特徴とする請求項３に記載の光学式エンコーダ。
5. 前記第１の差分信号の前記ゼロ交差する点を含む基準位置近傍領域と前記基準位置近傍領域とは異なる領域とにおいて、それぞれ前記第１の和信号と前記第２の和信号との大小関係が互いに逆転するように、前記第１の和信号と前記第２の和信号との少なくとも一方の和信号にバイアス電圧を加算したことを特徴とする請求項４に記載の光学式エンコーダ。
6. 前記ゲート信号は、前記第１の和信号から前記第２の和信号を引いた第２の差分信号と、前記第２の和信号から前記第１の和信号を引いた第３の差分信号の大小関係に基づいて出力されることを特徴とする請求項３に記載の光学式エンコーダ。
7. 前記第１の差分信号の前記ゼロ交差する点を含む基準位置近傍領域と前記基準位置近傍領域とは異なる領域とにおいて、それぞれ前記第２の差分信号と前記第３の差分信号の大小関係が互いに逆転するように、前記第２の差分信号と前記第３の差分信号との基準電位が設定されていることを特徴とする請求項６に記載の光学式エンコーダ。
8. ４つの前記フォトディテクタ要素の受光部の大きさがそれぞれ略等しいことを特徴とする請求項３〜７のいずれか一項に記載の光学式エンコーダ。
9. ４つの前記フォトディテクタ要素から出力される信号電流は、略等しい抵抗値を有する帰還抵抗により電圧変換されることを特徴とする請求項８に記載の光学式エンコーダ。
10. １次元的に配列された４つの前記フォトディテクタ要素は、一方の端部側から順番に、第１のフォトディテクタ要素と、第２のフォトディテクタ要素と、第３のフォトディテクタ要素と、第４のフォトディテクタ要素とからなり、
    前記第１の差分信号は、
    前記第１のフォトディテクタ要素の出力と前記第２のフォトディテクタ要素の出力との和信号と、前記第３のフォトディテクタ要素の出力と前記第４のフォトディテクタ要素の出力との和信号との差分信号であることを特徴とする請求項３〜９のいずれか一項に記載の光学式エンコーダ。
11. １次元的に配列された４つのフォトディテクタ要素の少なくとも両端部には少なくとも一つずつのダミーのフォトダイオードが接続されていることを特徴とする請求項３〜１０のいずれか一項に記載の光学式エンコーダ。
12. 前記光源の発光中心と、
    前記第１の差分信号の算出に係わる複数の前記フォトディテクタ要素のうち、少なくとも一つの前記フォトディテクタ要素と、前記フォトディテクタ要素とは異なる少なくとも一つの前記他のフォトディテクタ要素との接合部の中心点とを直線で結んだとき、
    前記直線と前記スケールが移動方向とは互いに略直交することを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載の光学式エンコーダ。
13. 前記光源から前記スケールまでの光路内にスリットまたはピンホールが形成され、
    前記光源の発光中心は、前記スリットまたは前記ピンホールの開口中心により定まることを特徴とする請求項１２に記載の光学式エンコーダ。

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