JP2012093159A - 光電式エンコーダ - Google Patents

Abstract

【課題】検出部取付・調整の際の作業性を向上させる。
【解決手段】測定軸方向に所定ピッチで回折格子が形成されたスケールと、このスケールに対して相対移動可能に配置され、スケールに光を照射する照射部、並びにスケールの回折格子で反射または透過された光を受光する受光部を備えた検出ヘッドと、この検出ヘッドの受光部からの受光信号を処理する信号処理装置と、検出ヘッドと信号処理装置との間で信号の伝送を行う信号伝送手段とを備え、信号処理装置又は信号処理装置に接続された情報処理装置にスケールに対する検出ヘッドの取り付け姿勢を示す情報を表示する表示手段を設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、リニアスケール等に用いられる光電式エンコーダに関する。

位相格子スケールを利用した光電式エンコーダにおいては、ヘッドに設けられた点光源からのコヒーレント光を位相格子スケールに照射することにより、スケール位置情報を有した回折光の干渉縞を生成し、この干渉縞をヘッドに設けられた受光素子で位相検波することにより、スケールに対するヘッドの相対的移動量に対応した測長を可能としている（特許文献１〜３参照）。

特開２００４−５３６０５号公報 特開２００７−２３２６８１号公報 特開２００８−３９６０２号公報

このような光電式エンコーダでは、使用者は、相対的に変位する２つの測定対象に対してスケール及びヘッドをそれぞれ取り付ける。ここで、スケール及びヘッドは、発光素子から出射される光がスケールにて反射または透過され、受光素子にて受光されるとともに、受光素子にて受光される光の強度が所定の範囲内となるように、適切な位置関係で取り付ける必要がある。

このようなエンコーダでは、ヘッドを装置に取り付ける際、所定の信号が得られるようにヘッド位置（特にスケールに対してヨーイング、ギャップ方向）の調整を行い、最大の信号振幅を得てから出力信号のゲイン調整を行っていたが、信号調整は主に信号処理部の内部に設置される電装基板に対し、オシロスコープを用いて行っており、調整時の良否判定がわかりにくく、調整準備及び調整作業にも時間がかかるといった問題があった。

本発明は、このような点に鑑みなされたもので、検出ヘッドの取り付け及び調整の作業性を向上させた光電式エンコーダを提供することを目的としている。

本発明に係る光電式エンコーダは、測定軸方向に所定ピッチで回折格子が形成されたスケールと、このスケールに対して相対移動可能に配置され、スケールに光を照射する照射部、並びにスケールの回折格子で反射または透過された光を受光する受光部を備えた検出ヘッドと、この検出ヘッドの受光部からの受光信号を処理する信号処理装置と、検出ヘッドと信号処理装置との間で信号の伝送を行う信号伝送手段とを備え、信号処理装置又は信号処理装置に接続された情報処理装置にスケールに対する検出ヘッドの取り付け姿勢を示す情報を表示する表示手段を設けたことを特徴としている。

また、本発明の他の実施形態に係る光電式エンコーダは、測定軸方向に所定ピッチで回折格子が形成されたスケールと、このスケールに対して相対移動可能に配置され、スケールに光を照射する照射部、並びにスケールの回折格子で反射または透過された光を受光する受光部を備えた検出ヘッドと、この検出ヘッドの受光部からの受光信号を処理する信号処理装置とを備え、信号処理装置と信号伝送手段を介して接続された情報処理装置にスケールに対する検出ヘッドの取り付け姿勢を示す情報を表示する表示手段を設けたことを特徴としている。

この様な構成においては、検出ヘッドの取付姿勢を、表示手段で視覚的に確認することが可能となるため、検出ヘッドの取付・調整の際の作業性が向上する。また、検出ヘッドが視認困難な場所に配置されていても調整作業を容易に行うことができる。更に、検出ヘッドと表示手段とを離すことにより、検出ヘッドを小型化することができると共に、発熱源の分離を図ることができるので、高精度の測定が可能になる。

なお、前記信号伝送手段はケーブルであっても良いし、無線伝送手段であっても良い。

また、本発明の一実施形態に係る光電式エンコーダにおいて、受光部は、照射部の周囲に測定軸方向及びこれと直交する方向に所定の間隔を空けて配置され照射部から出射されスケールの回折格子で反射された光を受光するようにしても良い。

また、本発明の他の実施形態に係る光電式エンコーダにおいて、受光部は、照射部から等距離に配置された透過型の回折格子を受光面に有しスケールに対する測定軸方向の変位を検出するための変位検出用受光部と、照射部を中心としてスケールに対する受光面のピッチ、ロール及びヨウの少なくとも一つを検出するための姿勢モニタ用受光部とを備えており、表示手段は、姿勢モニタ用受光部によって検出されたピッチ、ロール及びヨウの少なくとも一つを表示する様にしても良い。

この場合、例えば、変位検出用受光部は、照射部を中心として測定軸方向及びこれと直交する方向に均等配置され９０°ずつ位相がずれた４相の透過型の回折格子を有する４つの変位検出用受光面を有し、姿勢モニタ用受光部は、照射部を中心として測定軸と直交する方向に均等配置された一対のモニタ用受光面とを有し、信号処理装置は、変位検出用受光部の受光信号の振幅差により検出面のピッチを検出し、姿勢モニタ用受光部の受光信号の振幅差によりロールを検出し、姿勢モニタ用受光部の受光信号の位相差によりヨウを検出する様にしても良い。

また、本発明の更に他の実施形態に係る光電式エンコーダにおいて、検出ヘッドは、先端に照射部を有する第１の光ファイバと、この第１の光ファイバの周囲に配置されて先端に受光部を有する第２の光ファイバと、これら第１及び第２の光ファイバの先端側を被覆材による被覆状態のまま緊密に束ねる円筒状のフェルールとを備えており、ケーブルは、第１及び第２の光ファイバであっても良い。

本発明によれば、検出部取付・調整の際の作業性に優れた光電式エンコーダを提供する事が可能となる。

本発明の第１実施形態に係る光電式エンコーダの構成を示す図である。 同装置における検出ヘッドの概略図である。 同装置における検出ヘッドの一部を切り欠いた斜視図である。 同装置のマスクを示す図である。 同装置における信号処理装置の構成を示すブロック図である。 同装置における表示器の一例を表す図である。 同装置における検出ヘッドの取り付け姿勢を示す図である。 同装置における検出ヘッドがＹａｗ方向に回転した時の単相信号を示している。 同装置における検出ヘッドがＰｉｔｃｈ方向に回転した時の単相信号を示している。 同装置における検出ヘッドがＲｏｌｌ方向に回転した時の単相信号を示している。 同装置における検出部の取付・調整作業を示すフローチャートである。 本発明の第３実施形態に係る光電式エンコーダの構成を示す図である。

［第１実施形態］
次に、本発明の第１実施形態に係る光電式エンコーダについて図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の第１実施形態に係る光電式エンコーダの構成を示す図である。本発明の第１実施形態に係る光電式エンコーダは、測定軸方向に所定ピッチで反射型の回折格子が形成されたスケール１と、このスケール１の回折格子が形成されている面側にスケール１に対して所定のギャップを介して対向され、且つ相対移動可能に配置された検出ヘッド２とを備えている。検出ヘッド２はケーブル３を介して信号処理装置４に接続されている。信号処理装置４は、外部の情報処理装置（例えばＰＣ）と接続されるインタフェースを構成するもので、表示器４１及び後述する信号処理回路４２（図５）を備えている。

図２は、上述した光電式エンコーダにおける検出ヘッド２の概略図、図３は、同検出ヘッド２及びケーブル３の一部を切り欠いた斜視図である。

ケーブル３は複数本の光ファイバを束ねて構成されている。本実施形態においては、図３に示すように、照射用光ファイバ２１１の周りに６本の受光用光ファイバ２２１が束ねられてケーブル３が構成されている。ケーブルの先端部がフェルール２５によって被覆されて検出ヘッド２を構成している。照射用光ファイバ２１１には、例えば、シングルモードファイバが使用される。また、受光用光ファイバ２２１には、例えば、マルチモードファイバが使用される。これら照射用光ファイバ２１１及び受光用光ファイバ２２１は、それらを束ねた外接径（以下、バンドル径）よりも僅かに大きい内径を有するインナーチューブ２４内に収容されている。図２（ａ）に示すように、照射用光ファイバ２１１の先端部が照射部２１を構成し、受光用光ファイバ２２１の先端部が受光部２２を構成している。図２（ｂ）に示すように、この照射部２１及び受光部２２の前面には透過型の回折格子を有するマスク２３が取り付けられている。

図４は、上記マスク２３の詳細を示す図である。

即ち、照射部２１を中心として、左上、右上、左下及び右下に配置された４つの受光部２２が変位検出用受光部２２２となり、上下方向に配置された２つの受光部２２が姿勢モニタ用受光部２２３となる。これらの変位検出用受光部２２２及び姿勢モニタ用受光部２２３の前面に位置する様にマスク２３を構成する透過型の４つの変位検出用回折格子２３１と２つの姿勢モニタ用回折格子２３２がそれぞれ設けられている。照射部２１の前面に位置するマスク２３の中心部は、照射部２１からの光がそのまま透過する様になっている。

左上、右上、左下及び右下の変位検出用回折格子２３１は、同一ピッチでそれぞれ空間的な位相関係が、０°、９０°、１８０°及び２７０°であるａ相、ｂ相、ａｂ相及びｂｂ相の回折格子を形成している。また、上下の姿勢モニタ用回折格子２３２は、空間的な位相関係が共に０°で同一ピッチの回折格子を形成している。

次に、同光電式エンコーダにおける信号処理装置４について説明する。図５は、本発明の第１実施形態に係る光電式エンコーダにおける信号処理装置４の構成を示すブロック図である。

信号処理装置４は、照射用光ファイバ２１１の基端部を接続する部分に、光源として、例えばＬＤ４３を有する。このＬＤ４３は、ＬＤドライバ４４により駆動されてコヒーレント光を発光する。コヒーレント光は、光学系４５を介して照射用光ファイバ２１１に入力され、照射用光ファイバ２１１のコアを導波して、コアの先端の照射部２１よりスケール１に向けて照射される。

また、信号処理装置４は、受光用光ファイバ２２１の基端部を接続する部分に、６つの受光部２２で受光した光を検出する６つの受光素子４６を有する。６つの受光素子４６は、それぞれ変位検出信号ａ，ｂ，ａｂ，ｂｂと姿勢モニタ用信号ｍｏｎ１，ｍｏｎ２を出力する。これらの信号はＡ／Ｄ変換器４２１でデジタル信号に変換される。また、Ａ／Ｄ変換器４２１にはずれ検出回路４２２が接続されており、Ａ／Ｄ変換器４２１から入力された情報からスケール１に対する検出ヘッド２の取り付け姿勢を示す情報を検出する。検出された情報は表示制御回路４２３を介して表示器４１に入力され、表示器４１において表示される。尚、Ａ／Ｄ変換器４２１でデジタル信号に変換された変位検出情報ａ，ｂ，ａｂ，ｂｂ及び姿勢モニタ用情報ｍｏｎ１，ｍｏｎ２は、通信制御回路４２４を介して外部の情報処理装置であるＰＣ５に送信される。ＰＣ５は、受信した情報に基づいて、スケール１に対する検出ヘッド２の相対位置を算出し、表示する。

図６は、本実施形態の光電式エンコーダにおける表示器４１の一例を示す図である。表示器４１は、信号振幅及びスケール１に対する検出ヘッド２の取り付け姿勢を示す３つのパラメータを示すインジケータを有している。本実施形態において、スケール１に対する検出ヘッド２の取り付け姿勢を示す３つのパラメータは、後述するＹａｗ、Ｐｉｔｃｈ、及びＲｏｌｌである。インジケータとしては、ＬＥＤ、液晶画面、ＥＬ等、種々の表示手段を用いる事が可能である。また、適切な取り付け位置からの誤差を数値化して表示しても良い。

なお、このような表示器４１を、検出ヘッド２に設けた場合、発熱源となることや電磁ノイズの影響を受けること、小型化の点などから望ましくない。そこで、本実施形態に係る光電式エンコーダにおいては、表示器４１を検出ヘッド２から離れた信号処理装置４に設けている。

次に、本実施形態に係る光電式エンコーダにおける検出ヘッド２の取付・調整方法について説明する。

図７は、本発明の第１実施形態に係る光電式エンコーダにおける検出ヘッド２の取り付け姿勢を示す図である。ここでは、スケール１に対する検出ヘッド２の相対移動方向をＸ方向、スケール１の面と平行で、Ｘ方向に直交する方向をＹ方向、Ｘ方向及びＹ方向に直交する方向、すなわちスケール１の面に直交する方向をＺ方向とする。また、スケール１と検出ヘッド２との間のＸ−Ｚ平面内での傾きをＰ（Ｐｉｔｃｈ）方向、Ｙ−Ｚ平面内での傾きをＲ（Ｒｏｌｌ）方向、Ｘ−Ｙ平面内での傾きをＹａ（Ｙａｗ）方向とする。

検出ヘッド２の取付・調整時には、スケール１に対して検出ヘッド２を移動させて得られたｍｏｎ１，ｍｏｎ２，ａ，ｂ，ａｂ，ｂｂ信号により検出ヘッド２の取付姿勢を検出する。

検出ヘッド２がＹａ方向に回転すると、スケールと直交する方向（図７のＹ方向）に配置されたｍｏｎ１，ｍｏｎ２信号の位相関係が崩れる。Ｙａ方向に回転すると位相差が変化しながら、信号が低下していく。この時の様子を図８に示す。ｍｏｎ１信号及びｍｏｎ２信号の差分をみることで、ｍｏｎ１信号とｍｏｎ２信号の位相が揃っているか判断できる。（位相が揃っていれば、ゼロになる。）ただし、Ｙａ方向への回転を進めると、再度位相が揃うところが出てくるため、別途信号振幅を検出することでＹａ方向の検出を行う。即ち、信号振幅が最大で且つｍｏｎ１，ｍｏｎ２の差分がゼロであれば、Ｙａ方向の傾きは無いものと判断する。

検出ヘッド２がＰ方向に回転すると、図７のＸ方向に配置された信号ａ，ａｂとｂ，ｂｂの信号振幅及び中心電圧（基準電圧）に差が生じる。この時の様子を図９に示す。図９においては、検出ヘッド２が図７中のＰ方向に回転した場合を想定しているが、この場合には、スケールに近づく方のｂ信号は振幅が増大し、スケールから離れる方のａ信号では受光部２２によって受光される光量が低下し、振幅が減少する。従って、信号ａとｂの振幅差又は中心電圧の差を検出することで、Ｐ方向のずれを検出でき、どちらが大きいかを判定すれば、ずれの方向も判別できる。

また、信号ａとａｂは１８０°位相差の信号であり、信号ｂとｂｂも１８０°位相差の信号である。従って、信号ａと信号ａｂ、または信号ｂと信号ｂｂを加算した場合、直流値となる。この信号ａ及びａｂの加算値と、信号ｂ及びｂｂの加算値とを比較する事によってＰ方向のずれを検出する事も可能である。この方法によれば、振幅差又は中心電圧の差を検出する必要が無くなる為、より簡便にＰ方向のずれを検出する事が可能となる。

検出ヘッド２がＲ方向に回転すると、図７のＹ方向に配置されたｍｏｎ１とｍｏｎ２の信号振幅及び中心電圧に差が表れる。この時の様子を図１０に示す。スケールに近づく方（図７ではｍｏｎ１）では信号が増大し、スケールから離れる方（図７ではｍｏｎ２）では、信号が減少する。ここで、信号ｍｏｎ１とｍｏｎ２の振幅差又は中心電圧の差を検出することで、Ｒ方向のずれを検出でき、どちらが大きいかを判定すれば、ずれの方向も判別できる。

これらの結果を基に、各ファイバからの信号を解析することで検出ヘッド２の取付姿勢を確認することが可能となる。

図１１は、本発明の第１実施形態に係る光電式エンコーダにおける検出ヘッド２の取付・調整作業を示すフローチャートである。まず最初に、所定の位置に検出ヘッド２を取りつける（Ｓ１）。次に、検出ヘッド２を移動させて、表示器４１の画面上において、検出ヘッド２によって受信された受信信号の振幅が適切な範囲に収まるように、検出ヘッド２の取り付け位置をＹａ方向に調整する（Ｓ２）。次に受信信号の振幅が適切な範囲内に収まっているかどうかを確認し（Ｓ３）、収まっていない場合には検出ヘッド２の取り付けをやり直す（Ｓ４）。この際、スケール１と検出ヘッド２との距離が適切であるかどうか、発光素子の発光レベルや受光素子の受光レベルの調整が適切であるかどうかを確認しても良い。受信信号の強度レベルが適切な範囲内に収まった場合には表示器４１の画面上においてＰ、Ｒ、Ｙａ方向の取付角度が適切かどうか確認しつつ、取付角度の調整を行う（Ｓ５、Ｓ６）。最後にもう一度受信信号の強度レベルが適切であるかどうかを確認し、適切な範囲内に収まっていない場合にはスケール１と検出ヘッド２の位置関係を確認し、収まっている場合には終了する（Ｓ７、Ｓ８）。

本発明の第１実施形態に係る光電式エンコーダにおいては、検出ヘッド２を取り付ける際に、オシロスコープ等を用いる必要が無く、検出ヘッド２の取り付け姿勢を容易に確認する事が可能であるため、検出部取付・調整の際の作業性が向上する。

また、信号処理装置４は、検出ヘッド２からそのまま延長されるケーブル３によって検出ヘッド２から離れた位置に設置できる。検出ヘッド２は全て光学部品から構成され、電装系を有していない。従って、超小型で発熱源がなく、電気ノイズの影響を受けない構造となっている。これは半導体/液晶露光装置など高精度な位置決めを必要とする装置や原子力・化学プラント、真空中の測定など遠隔操作を必要とする装置に対して有効な測定システムとなる。

［第２実施形態］
第１の実施形態では、表示器４１を信号処理装置４に設けたが、信号処理装置４に接続されたＰＣ５等の外部情報処理装置に設けられたディスプレイを取付姿勢調整用の表示手段とすることもできる。

この場合でも、検出ヘッド２と離れた場所に表示手段を設けることができるので、取付調整作業が容易に行えるという効果がある。

［第３実施形態］
第３の実施形態に係る光電式エンコーダの構成を図１２に示す。第３の実施形態は基本的には第１の実施形態と同じであるが、本実施形態においては信号処理装置４が検出ヘッド２に組み込まれている点、信号処理装置４からの出力信号が無線伝送手段６を介してＰＣ５に入力されている点で異なる。また、この場合ＰＣ５のディスプレイが表示器４１として機能している。

［その他の実施形態］
なお、上記の光電式エンコーダにおける検出ヘッド２の取付・調整作業は、手作業で行っても良いし、遠隔操作で行うことも可能である。遠隔操作で行う場合には、検出ヘッド２取り付け部に、姿勢調整を遠隔操作で行えるようなアクチュエータを設置する事が考えられる。この場合、温度変化を嫌う環境や、真空環境下など、人が入りにくいような場所において検出ヘッド２の位置を調整する事が可能となる。また、取り付け姿勢の誤差情報からアクチュエータにフィードバックを行い、自動で姿勢制御を行うことも考えられる。

１…スケール、２…検出ヘッド、３…ケーブル、４…信号処理装置、５…ＰＣ、２１…照射部、２２…受光部、２３…マスク、２４…インナーチューブ、２５…フェルール、４１…表示器、４２…信号処理回路、２２２…変位検出用受光部、２２３…姿勢モニタ用受光部。

Claims (8)

1. 測定軸方向に所定ピッチで回折格子が形成されたスケールと、
   このスケールに対して相対移動可能に配置され、前記スケールに光を照射する照射部、並びに前記スケールの回折格子で反射または透過された光を受光する受光部を備えた検出ヘッドと、
   この検出ヘッドの受光部からの受光信号を処理する信号処理装置と、
   前記検出ヘッドと前記信号処理装置との間で信号の伝送を行う信号伝送手段と、
   を備えた光電式エンコーダにおいて、
   前記信号処理装置又は前記信号処理装置に接続された情報処理装置に前記スケールに対する前記検出ヘッドの取り付け姿勢を示す情報を表示する表示手段を設けた
   ことを特徴とする光電式エンコーダ。
2. 測定軸方向に所定ピッチで回折格子が形成されたスケールと、
   このスケールに対して相対移動可能に配置され、前記スケールに光を照射する照射部、並びに前記スケールの回折格子で反射または透過された光を受光する受光部を備えた検出ヘッドと、
   この検出ヘッドの受光部からの受光信号を処理する信号処理装置と
   を備えた光電式エンコーダにおいて、
   前記信号処理装置と信号伝送手段を介して接続された情報処理装置に前記スケールに対する前記検出ヘッドの取り付け姿勢を示す情報を表示する表示手段を設けた
   ことを特徴とする光電式エンコーダ。
3. 前記信号伝送手段はケーブルである事を特徴とする請求項１または２記載の光電式エンコーダ。
4. 前記信号伝送手段は無線伝送手段であることを特徴とする請求項１または２記載の光電式エンコーダ。
5. 前記受光部は、
   前記照射部の周囲に前記測定軸方向及びこれと直交する方向に所定の間隔を空けて配置され前記照射部から出射され前記スケールの回折格子で反射された光を受光する
   ことを特徴とする請求項１〜４のうちいずれか１項記載の光電式エンコーダ。
6. 前記受光部は、
   前記照射部から等距離に配置された透過型の回折格子を受光面に有し前記スケールに対する前記測定軸方向の変位を検出するための変位検出用受光部と、
   前記照射部を中心として前記スケールに対する前記受光面のピッチ、ロール及びヨウの少なくとも一つを検出するための姿勢モニタ用受光部と
   を備え、
   前記表示手段は、前記姿勢モニタ用受光部によって検出されたピッチ、ロール及びヨウの少なくとも一つを表示する
   ことを特徴とする請求項１〜５のうちいずれか１項記載の光電式エンコーダ。
7. 前記変位検出用受光部は、
   前記照射部を中心として前記測定軸方向及びこれと直交する方向に均等配置され９０°ずつ位相がずれた４相の透過型の回折格子を有する４つの変位検出用受光面を有し、
   前記姿勢モニタ用受光部は、前記照射部を中心として前記測定軸と直交する方向に均等配置された一対のモニタ用受光面とを有し、
   前記信号処理装置は、前記変位検出用受光部の受光信号の振幅差により前記検出面のピッチを検出し、前記姿勢モニタ用受光部の受光信号の振幅差によりロールを検出し、前記姿勢モニタ用受光部の受光信号の位相差によりヨウを検出するものである
   ことを特徴とする請求項６記載の光電式エンコーダ。
8. 前記検出ヘッドは、
   先端に前記照射部を有する第１の光ファイバと、
   この第１の光ファイバの周囲に配置されて先端に前記受光部を有する第２の光ファイバと、
   これら第１及び第２の光ファイバの前記先端側を被覆材による被覆状態のまま緊密に束ねる円筒状のフェルールと
   を備え、
   前記ケーブルは、前記第１及び第２の光ファイバである
   ことを特徴とする請求項３記載の光電式エンコーダ。

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