JP2014002078A - エンコーダおよびレンズ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】検出分解能の切り替えにより生じる光源の光量変動を低減可能なエンコーダを提供する。
【解決手段】エンコーダは、光源からの光を反射または透過し、光源に対して相対的に変位可能なスケールと、分解能切り替え信号に応じて切り替え可能な分解能で、スケールで反射または透過した光を受光するフォトダイオードアレイと、フォトダイオードアレイを構成する複数のフォトダイオードのうち、分解能切り替え信号に基づいて選択されたフォトダイオードの出力信号を用いて検出信号を生成する検出信号生成部と、所定の基準電圧とフォトダイオードの出力信号とを用いて光源の駆動電流を制御する電流制御部とを有し、電流制御部は、光源の駆動電流を一定にするように、分解能切り替え信号に応じて所定の基準電圧を変更する。
【選択図】図５

Description

本発明は、測定対象物の変位を検出するエンコーダに関する。

従来から、測定対象物の移動量や回転量等の変位を検出する変位検出装置として、光学式エンコーダが知られている。光学式エンコーダは、光源、光源からの光を反射または透過して光源に対して相対的に変位可能なスケール、および、スケールで反射または透過した光を受光する受光素子を備えて構成される。スケールには光を反射または透過するパターンが形成されており、光源に対するスケールの相対的変位に応じて、受光素子の受光光量が変化する。そして、受光素子の受光光量に応じて生成される検出信号に基づいてスケールの変位を検出する。

特許文献１には、１トラック上のスケールパターンに複数の異なる周期の変調パターンを形成することにより、少ないスケールトラックから多くの情報を取得可能な光学式エンコーダが開示されている。

特開２００９−１９８３１８号公報

高精度な位置検出を行うには、センサ面上で受光される像の、回折光の干渉により生じる不要な空間周波数成分、および、スケール透過率または反射率分布に含まれる不要な空間周波数成分を低減させ、検出波形の誤差成分を低減する必要がある。

一方、スケールトラックに複数のパターンを形成し、フォトダイオードアレイでの検出分解能を切り替えることにより、不要な空間周波数成分を低減できることが知られている。このような構成では、オートパワーコントロール回路を設ける必要がある。また、スイッチ回路を設けてフォトダイオードの接続を切り替えることにより、４相正弦波出力Ｓ（Ａ＋）、Ｓ（Ｂ＋）、Ｓ（Ａ−）、Ｓ（Ｂ−）が出力される。

しかしながら、検出分解能の切り替えにより４相正弦波出力に用いられるフォトダイオード数は異なり、オートパワーコントロールに用いられるフォトダイオードの数も異なるため、検出分解能の切り替えの際に光源の光量が変動する。この結果、分解能を切り替えの際の信号振幅の飽和やダイナミックレンジ確保のためのＳ／Ｎ低下が位置検出誤差の要因となる。

そこで本発明は、検出分解能の切り替えにより生じる光源の光量変動を低減可能な光学式エンコーダおよびレンズ装置を提供する。

本発明の一側面としてのエンコーダは、光源からの光を反射または透過し、該光源に対して相対的に変位可能なスケールと、分解能切り替え信号に応じて切り替え可能な分解能で、前記スケールで反射または透過した光を受光するフォトダイオードアレイと、前記フォトダイオードアレイを構成する複数のフォトダイオードのうち、前記分解能切り替え信号に基づいて選択されたフォトダイオードの出力信号を用いて検出信号を生成する検出信号生成部と、所定の基準電圧と前記フォトダイオードの前記出力信号とを用いて前記光源の駆動電流を制御する電流制御部とを有し、前記電流制御部は、前記光源の駆動電流を一定にするように、前記分解能切り替え信号に応じて前記所定の基準電圧を変更する。

本発明の他の側面としてのレンズ装置は、前記エンコーダを備えて構成される。

本発明の他の目的及び特徴は、以下の実施例において説明される。

本発明によれば、検出分解能の切り替えにより生じる光源の光量変動を低減可能なエンコーダおよびレンズ装置を提供することができる。

本実施例におけるエンコーダの概略構成図である。 本実施例におけるスケールのスケールトラックの構成図である。 本実施例において、第１分解能で検出する際のフォトダイオードアレイ９の受光面の配置図である。 本実施例において、第２分解能で検出する際のフォトダイオードアレイ９の受光面の配置図である。 本実施例における信号処理回路の構成図である。 本実施例におけるＡＰＣの動作説明図である。

以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明する。各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。

まず、図１を参照して、本実施例におけるエンコーダ（光学式エンコーダ）の構成について説明する。図１は、本実施例におけるエンコーダ１００の概略構成図である。エンコーダ１００は、スケール２０、センサユニット７、信号処理装置１０１、および、記憶装置１０２を備えて構成される。スケール２０は測定対象物である可動部（不図示）に取り付けられ、センサユニット７は固定部（不図示）に取り付けられる。ただし本実施例はこれに限定されるものではなく、スケール２０を固定部に取り付け、センサユニット７を可動部に取り付けてもよい。

信号処理装置１０１は、センサユニット７で得られたエンコーダ信号（検出信号）の内挿処理、記憶装置１０２への信号の書き込みおよび記憶装置１０２からの信号の読み出し、および、位置信号の出力などを行う。なお、本実施例では反射型の光学式エンコーダについて説明するが、これに限定されるものではない。本実施例は、透過型のエンコーダにも適用可能である。

センサユニット７は、ＬＥＤを有する光源１、および、フォトダイオードアレイ９を有する受光素子３を備える。また、センサユニット７は、フォトダイオードアレイ９で受光した光の光電変換などの信号処理を行う信号処理回路２ａを内蔵した半導体素子２（フォトＩＣチップ）を備える。ただし本実施例はこれに限定されるものではなく、このような信号処理回路２ａを受光素子３に内蔵してもよい。光源１、半導体素子２、および、受光素子３は、プリント基板４上に実装され、樹脂５を用いて封止されている。また、樹脂５の上には透明ガラス基板６が取り付けられている。このようにセンサユニット７は、これらの部材をパッケージ化して構成された受発光一体型のセンサユニットである。このように、フォトダイオードアレイ９は光源１と一体的に形成されており、スケール２０に対して相対的に変位可能である。

スケール２０は、光源１からの光を反射（または透過）し、光源１に対して相対的に変位可能に構成されている。スケール２０には、ガラス基板上にクロム反射膜をパターニングすることによりスケールトラック８が形成されている。センサユニット７はスケール２０と対向するように配置されており、センサユニット７内の光源１から出射した発散光束は、スケール２０のスケールトラック８に照射される。また、スケールトラック８から反射した光束は、センサユニット７内のフォトダイオードアレイ９に向けて反射される。フォトダイオードアレイ９上で、スケールトラック８からの反射率分布が２倍拡大された像として受光される。フォトダイオードアレイ９により受光された光束は電気信号に変換され（光電変換）、エンコーダ信号（検出信号）としてセンサユニット７から信号処理装置１０１へ送られる。

次に、図２を参照して、スケール２０のスケールトラック８の構成について説明する。図２は、スケール２０のスケールトラック８の構成図であり、スケールトラック８の一部拡大図についても示している。スケールトラック８は、単位ブロックパターン１０を移動方向（Ｘ軸方向）と移動方向に垂直な方向（Ｙ軸方向）にそれぞれ周期的に並べて構成されている。

本実施例において、スケールトラック８の単位ブロックパターン１０は、Ｘ軸方向の幅Ｘ０は７００μｍ、Ｙ軸方向の幅Ｙ０は５０μｍである。単位ブロックパターン１０は、Ｘ軸方向に５０μｍの幅、ピッチＰ（Ｐ＝１００μｍ）で等間隔に配置されたパターン列を有する領域（領域Ａ）と、Ｘ軸方向に７００μｍの周期の変調パターン列を有する領域（領域Ｂ）とを備えて構成されている。領域Ａと領域ＢのＹ軸方向の幅は、それぞれ２５μｍである。単位ブロックパターン１０の領域Ａは、さらにＹ軸方向において１２．５μｍごとに２つのパターン列に分割されている。２つのパターン列は、単位ブロックパターン１０の中心基準線ＣＲＬに対してＸ軸方向に±Ｐ／１２μｍ（±１００／１２μｍ）だけシフトしている。

このような構成においてスケール反射像の強度分布がセンサ受光面領域（フォトダイオード）で積分されることにより、１００μｍ周期の３倍周期成分がキャンセルされ、理想的な正弦波からの歪を低減することができる。なお本実施例は、３倍周期成分についての対策を行っているが、これに限定されるものではない。他の周期成分をキャンセルするために多段のシフト構成を採用すること、または、連続的なシフト構成を採用してもよい。

単位ブロックパターン１０の領域Ｂには、Ｘ軸方向に幅５０μｍの１１個の反射パターン列が並べられている。本実施例において、それぞれの反射パターンのＹ軸方向の幅Ｗは、Ｗ１＝５μｍ、Ｗ２＝９μｍ、Ｗ３＝１６μｍ、Ｗ４＝２０μｍ、Ｗ５＝２５μｍ、Ｗ６＝２５μｍ、Ｗ７＝２５μｍ、Ｗ８＝２０μｍ、Ｗ９＝１６μｍ、Ｗ１０＝９μｍ、Ｗ１１＝５μｍである。

また本実施例は、スケール２０のパターンとして、領域Ａが１００μｍピッチ、領域Ｂが７００μｍピッチの単位ブロックパターン１０を有する場合について説明するが、これに限定されるものではない。不要な周期成分をキャンセルするために２つの領域のパターンのピッチの比が奇数倍であれば、他のパターンを採用してもよい。

次に、図３および図４を参照して、本実施例における検出分解能の切り替えについて説明する。図３は、第１分解能で検出する際のフォトダイオードアレイ９の受光面の配置図である。図４は、第２分解能で検出する際のフォトダイオードアレイ９の受光面の配置図である。

図３および図４に示されるように、本実施例のフォトダイオードアレイ９は、２８個のフォトダイオード９ａがＸ軸方向に５０μｍピッチで並んで構成されている。また本実施例において、複数のフォトダイオード９ａのそれぞれにおいて、Ｘ軸方向の幅Ｘ＿ｐｄは５０μｍ、Ｙ軸方向の幅Ｙ＿ｐｄは８００μｍである。また、フォトダイオードアレイ９の全幅Ｘ＿ｔｏｔａｌは１４００μｍである。複数のフォトダイオード９ａのそれぞれからの信号は、スイッチ１３に出力される。

スイッチ１３は、分解能切り替え信号１１に応じて、スイッチ回路１２を介して第１分解能（高分解能）または第２分解能（低分解能）のいずれかに切り替えられる。このように、フォトダイオードアレイ９は、分解能切り替え信号１１に応じて切り替え可能な分解能（第１分解能または第２分解能）で、スケール２０で反射（または透過）した光を受光する。

図３に示されるように、フォトダイオードアレイ９が第１分解能でスケール２０からの光を受光する（スケール２０の変位を検出する）場合、複数のフォトダイオード９ａは、スイッチ１３を介して、Ａ＋、Ｂ＋、Ａ−、Ｂ−の各端子に交互に接続される。一方、図４に示されるように、フォトダイオードアレイ９が第２分解能で受光する場合、複数のフォトダイオード９ａは隣接する４つのフォトダイオード（フォトダイオード群）ごとに、Ａ＋、Ｂ＋、Ａ−、Ｂ−のいずれかのラインに接続される。また、隣接するフォトダイオード群の間の３つのフォトダイオードは、ＧＮＤ（グラウンド）ラインに接続される（接地される）。このような構成により、複数のフォトダイオード９ａのそれぞれからの信号は、スイッチ１３により切り替えられ、選択的に後段の４つの初段増幅器（増幅器３４、３５、３６、３７）に出力される。

スイッチ回路１２は、外部からの分解能切り替え信号１１に応じて、スイッチ１３の接続を切り替えるように構成されている。例えば分解能切り替え信号１１がハイレベルの場合、図２に示されるようにスケールパターン周期Ｐ＝１００μｍ（反射像周期２００μｍ）の検出ピッチとなる。一方、分解能切り替え信号１１がローレベルの場合、図２に示されるようにスケールパターン周期Ｘ０＝７００μｍ（反射像周期１４００μｍ）の検出ピッチとなる。本実施例において、切り替えにより４相正弦波出力の生成に用いられないフォトダイオードは、図４に示されるようにＧＮＤラインに接続される。すなわち、フォトダイオードアレイを構成する複数のフォトダイオード９ａのうち、分解能切り替え信号１１に基づいて選択されないフォトダイオードは接地される。

次に、図５を参照して、本実施例における信号処理回路２ａ（フォトＩＣチップ）について説明する。図５は、本実施例における信号処理回路２ａの構成図である。図５に示されるように、信号処理回路２ａには、４相正弦波出力Ｓ（Ａ＋）、Ｓ（Ｂ＋）、Ｓ（Ａ−）、Ｓ（Ｂ−）の生成（検出信号の生成）に用いられる初段増幅器として、４つの増幅器３４、３５、３６、３７（Ｉ−Ｖ変換増幅器）が設けられている。４つの増幅器３４、３５、３６、３７は、フォトダイオードアレイ９を構成する複数のフォトダイオード９ａのうち、分解能切り替え信号１１に基づいて選択されたフォトダイオードの出力信号を用いて検出信号を生成する検出信号生成部を構成する。

４相正弦波出力の相対位相は、Ｓ（Ａ＋）を基準として、Ｓ（Ｂ＋）は＋９０度、Ｓ（Ａ−）は＋１８０度、Ｓ（Ｂ−）は＋２７０度の関係にある。４相正弦波出力Ｓ（Ａ＋）、Ｓ（Ｂ＋）、Ｓ（Ａ−）、Ｓ（Ｂ−）は、Ａ相用差動増幅器３８およびＢ相用差動増幅器３９を介して、以下の式（１）、（２）で表される演算が行われ、直流成分が除去された２相正弦波信号Ｓ（Ａ）、Ｓ（Ｂ）が生成される。

Ｓ（Ａ）＝Ｓ（Ａ＋）−Ｓ（Ａ−） … （１）
Ｓ（Ｂ）＝Ｓ（Ｂ＋）−Ｓ（Ｂ−） … （２）
２相正弦波信号Ｓ（Ａ）、Ｓ（Ｂ）は、信号処理装置１０１に出力される。信号処理装置１０１は、２相正弦波信号Ｓ（Ａ）、Ｓ（Ｂ）の逆正接演算を行うことにより、位相信号（変位信号）を取得することができる。

本実施例において、信号処理回路２ａは、所定の基準電圧Ｖｆ３とフォトダイオード９ａの出力信号とを用いて光源１の駆動電流Ｉ_０を制御する差動増幅器４０（オートパワーコントロール回路）を有する。差動増幅器４０は、所定の基準電圧Ｖｆ３とフォトダイオードの出力信号の電圧との差分電圧を増幅させる。

信号処理回路２ａは、更に、光源１の駆動電流Ｉ_０を一定にするように、すなわち光源１の光量を一定にするように、分解能切り替え信号１１に応じて所定の基準電圧Ｖｆ３を変更するスイッチ４１を有する。スイッチ４１は、分解能切り替え信号１１に応じて第１分解能よりも低い第２分解能が選択された場合、所定の基準電圧Ｖｆ３として、第１分解能に対する基準電圧Ｖｒ１（第１基準電圧）よりも高い基準電圧Ｖｒ２（第２基準電圧）に変更する。差動増幅器４０およびスイッチ４１により、駆動電流Ｉ_０を制御する電流制御部が構成される。

ここで、図６を参照して、オートパワーコントロール回路（ＡＰＣ回路）の動作の概略について説明する。図６は、ＡＰＣ回路の動作説明図であり、図５の信号処理回路２ａを簡略化して示したものである。図６において、５０はフォトダイオードであり、前述のフォトダイオードアレイ９に相当する。５１は増幅器であり、前述の増幅器３４、３５、３６、３７に相当する。ＲはＩ−Ｖ変換抵抗である。４０は、ＡＰＣ用の利得Ａを有する差動増幅器である。５２は、光源１を駆動する駆動回路を構成するＦＥＴ（電界効果トランジスタ）である。ＦＥＴ５２のゲートに差動増幅器４０の出力電圧が印加されることにより、光源１の駆動電流Ｉ_０が制御される。ＦＥＴ５２のゲート電圧１Ｖに対する光源１の駆動電流Ｉ_０の変化量をｇｍとする。

光源１とフォトダイオード５０（フォトダイオードアレイ９）は、図１に示されるように、スケール２０を介して光学的に結合している。ここで、結合利得（駆動電流Ｉ_０に対するフォトダイオード５０の出力電流Ｉ_ｐｄの比）をＫとし、ＡＰＣ用の差動増幅器４０の基準電圧をＶｆ３とする。このとき、差動増幅器４０の利得Ａが十分に大きいとすると、駆動電流Ｉ_０は以下の式（３）のように表される。

駆動電流Ｉ_０は、基準電圧Ｖｆ３の増加（減少）とともに減少（増加）し、結合利得Ｋに反比例する。光源１の光量が減少した場合や、ゴミなどでフォトダイオード５０に入力される光量が減少した場合には、結合利得Ｋが減少するため、駆動電流Ｉ_０が増加するように制御される。

また、分解能切り替え前後において、フォトダイオードアレイ９のうちの一部のフォトダイオードがＧＮＤラインに接続される（接地される）場合、検出される全体の光量は減少し、式（３）中の結合利得Ｋの値が減少する。このとき、分解能の切り替え前後での結合利得をそれぞれＫ１、Ｋ２とすると、分解能の切り替えの際に、分解能切り替え後の基準電圧Ｖｆ３’を以下の式（４）のように設定することが好ましい。このため、分解能の切り替えにより結合利得がＫ１からＫ２に変化した場合でも、駆動電流Ｉ_０は変化せず、駆動電流Ｉ_０は一定に保たれる。

分解能切り替え前後における結合利得Ｋ１、Ｋ２は、光源１の光量分布やフォトダイオードアレイ９の受光面の配置構成などに基づいて、予め算出することが可能である。

図５を参照して、ＡＰＣ用の基準電圧Ｖｆ３の切り替えについて説明する。１１は、図３および図４を参照して説明したように、分解能切り替え信号である。４１は、基準電圧Ｖｆ３を切り替えるためのスイッチである。スイッチ４１は、分解能切り替え信号１１に応じて基準電圧Ｖｆ３として２つの基準電圧Ｖｒ１、Ｖｒ２（第１基準電圧、第２基準電圧）から一つの電圧を選択する。本実施例では、分解能切り替え信号１１がハイレベルの場合には基準電圧Ｖｒ１を選択し、分解能切り替え信号１１がローレベルの場合には基準電圧Ｖｒ２を選択する。

本実施例において、基準電圧Ｖｒ１、Ｖｒ２は、基準電圧設定用抵抗４２、４３、４４、４５を用いて、分解能切り替え前後での結合利得Ｋ１、Ｋ２に基づき式（４）を満たすように予め設定されている。なお本実施例において、基準電圧Ｖｒ１、Ｖｒ２は基準電圧設定用抵抗４２、４３、４４、４５を用いて設定されているが、これに限定されるものではない。例えば、ＤＡコンバータなどの外部手段を用いて基準電圧Ｖｆ３（基準電圧Ｖｒ１、Ｖｒ２）を設定するように構成してもよい。このような構成により、式（４）を満たしつつ、分解能切り替え信号１１に応じて、分解能切り替え時に基準電圧Ｖｆ３を切り替える（切り替え補正を行う）ことにより、分解能切り替え前後での駆動電流Ｉ_０を一定に保つことができる。

本実施例によれば、分解能切り替えにより位置検出信号を生成する際に用いられない未使用フォトダイオードが存在する場合でも、分解能切り替え信号に応じて、ＡＰＣ回路の基準電圧を未使用フォトダイオードによる光量変化に相当する分だけ補正可能である。このため、検出分解能の切り替えにより生じる光源の光量変動を低減可能なエンコーダおよびこのエンコーダを備えたレンズ装置を提供することができる。

その結果、ＡＰＣ回路本来の光源特性変化などの長期的経時変化に対する光源の光量の安定性を維持したまま、切り替え後の分解能での検出信号をＡＰＣ回路の応答時間に依存することなく高速かつ高精度で取得することが可能となる。また、ＡＰＣ回路の応答時間に依存することなく、切り替え前後の分解能を複合的に使用する位置検出が可能となる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

１ 光源
２ 半導体素子
３ 受光素子
９ フォトダイオードアレイ
１０ スイッチ
２０ スケール
３４、３５、３６、３７ 増幅器
３８、３９、４０ 差動増幅器
４１ 基準電圧切り替えスイッチ

Claims (7)

1. 光源からの光を反射または透過し、該光源に対して相対的に変位可能なスケールと、
   分解能切り替え信号に応じて切り替え可能な分解能で、前記スケールで反射または透過した光を受光するフォトダイオードアレイと、
   前記フォトダイオードアレイを構成する複数のフォトダイオードのうち、前記分解能切り替え信号に基づいて選択されたフォトダイオードの出力信号を用いて検出信号を生成する検出信号生成部と、
   所定の基準電圧と前記フォトダイオードの前記出力信号とを用いて前記光源の駆動電流を制御する電流制御部と、を有し、
   前記電流制御部は、前記光源の駆動電流を一定にするように、前記分解能切り替え信号に応じて前記所定の基準電圧を変更する、ことを特徴とするエンコーダ。
2. 前記電流制御部は、前記光源の光量を一定にするように前記所定の基準電圧を変更することを特徴とする請求項１に記載のエンコーダ。
3. 前記フォトダイオードアレイは、前記光源と一体的に形成されており、前記スケールに対して相対的に変位可能であることを特徴とする請求項１または２に記載のエンコーダ。
4. 前記電流制御部は、前記分解能切り替え信号に応じて第１分解能よりも低い第２分解能が選択された場合、前記所定の基準電圧として、該第１分解能に対する第１基準電圧よりも高い第２基準電圧に変更することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のエンコーダ。
5. 前記フォトダイオードアレイを構成する複数のフォトダイオードのうち、前記分解能切り替え信号に基づいて選択されないフォトダイオードは接地されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のエンコーダ。
6. 前記電流制御部は、オートパワーコントロール回路を有し、
   前記オートパワーコントロール回路は、前記所定の基準電圧と前記フォトダイオードの前記出力信号の電圧との差分電圧を増幅させることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のエンコーダ。
7. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載のエンコーダを有することを特徴とするレンズ装置。