JP2014035216A - 光学式ロータリーエンコーダ及びその補正方法 - Google Patents

Abstract

【課題】回転体と受光部との距離の変動の検出を可能にする。
【解決手段】スケール１２には反射型の回折格子１２−１が形成されている。受光部１４は、受光量に応じた出力信号を出力する複数のフォトダイオードを備えている。受光信号整形器１５は、レーザダイオード１１より発せられた光の回折格子１２−１での反射光を受光している複数のフォトダイオードの各々からの出力を合成して、当該反射光に含まれる所定周期の縞模様成分を表す信号を獲得する。センサ距離変動方向・距離推定器１７は、スケール１２と受光部１４との間の距離の変動方向を検出する。この検出は、受光信号整形器１５によって獲得された、回折格子１２−１が複数のフォトダイオードの受光位置で生じさせる干渉縞よりも周期が短い縞模様成分を表す第一信号と、当該干渉縞よりも周期が長い縞模様成分を表す第二信号とに基づいて行われる。
【選択図】図１

Description

本発明は、光学式ロータリーエンコーダの技術に関するものである。

光学式ロータリーエンコーダに関して、幾つかの技術が知られている。
例えば、被検出部材が取り付けられる検出対象の回転速度・回転角を高精度で検出するという技術が知られている。この技術は、まず、モータの出力軸に取り付けられた円板状のコードホイールの周方向に９０°間隔で配置された３つの回転センサが、それぞれコードホイールの回転速度に応じた信号を出力するようにする。このコードホイールは、出力軸に対し偏心すると１回転で１周期の誤差成分（１周期成分）が生じ、楕円状に変形すると１回転で２周期の誤差成分（２周期成分）が生じる。ここで、第１回転センサと第２回転センサとの出力を平均化して２周期成分を除去した補正信号と、第１回転センサと第３回転センサとの出力の差分により２周期成分を除去した補正信号とを、残留する１周期成分の位相及び振幅を合わせて減算若しくは加算する。この技術では、このようにして、被検出部材の１回転で１周期の誤差成分と１回転で２周期の誤差成分とを共に除去するようにしている。（例えば特許文献１参照）

また、ディスクの偏心が回転毎に変化しても正しく偏心量を補正できるというロータリーエンコーダについての技術が知られている。この技術では、回転ディスクと、メインセンサと、補助センサとをロータリーエンコーダに備える。ここで、回転ディスクには、回転ディスクの回転角度を検出するためのメインスリットパターンと回転ディスクの偏心を検出するための複数本の同心円状の補助スリットのパターンとが形成されている。メインセンサは、メインスリットパターンの読み取りを行う。そして、補助センサは、メインセンサに対して９０度の位置に配置され、補助スリットパターンの検出を行う。この技術は、この補助センサからの信号で、メインセンサの角度検出信号の補正を行うというものである。（例えば特許文献２参照）

また、低コストの構成で、パルス板の偏心による測定誤差を最小限に抑えるという光学式エンコーダについての技術が知られている。この技術は、パルス板のスリットパターンを、パルス板の進行方向に向かって角度（例えば４５度）を設けて形成するというものである。（例えば特許文献３参照）

また、回転エンコーダのエンコーダスケール部材の偏心を決定するという技術が知られている。この技術では、まず、幾何学的中心を有するエンコーダスケール素材を得る。次に、エンコーダスケール素材を、所定位置に中心を置いて取り付ける。次に、エンコーダスケール素材にスケールを作成してエンコーダスケール部材を形成する。こうすることによって、エンコーダスケール部材のスケールの中心が当該所定位置に置かれる。この技術は、ここで、前述の幾何学的中心と前述の所定位置との間の偏心を測定するというものである。（例えば特許文献４参照）

特開２００５−１６８２８０号公報 特開２００１−２６４１１９号公報 特開２００４−１０９０７４号公報 特表２００８−５３９４０７号公報

光学式ロータリーエンコーダには、回転体の回転角度の検出の手法の違いによって幾つかの種類のものがある。そのうちのひとつに、一定の間隔で格子が配列されている反射型の回折格子が形成されている回転体における当該回折格子に、光源より発せられた光を反射させたときの反射光によって形成される干渉縞を利用するものが知られている。この種類のエンコーダは、受光量に応じた信号を出力する複数の受光素子で上述の反射光を受光したときに当該複数の受光素子の各々から出力される信号に対して整形処理及び内挿処理を行うことによって、回転体の回転角度を検出する。

このような光学式ロータリーエンコーダにおいて、回折格子が形成されている回転体と、複数の受光素子を備えている受光部との距離が変動してしまうことがある。この変動は、例えば、回転体の回転軸の偏心や、熱膨張や経年劣化による回転体及び受光部の形状変化などによって生じる。このような変動が生じた場合には、反射光の受光素子での受光レベルの低下や干渉縞のピッチの変動が発生し、結果として、回転角度の検出精度を低下させることがある。

ここで、回転体と受光部との距離の変動を抑制する手法として、例えば、受光部の位置を制御して、反射光の受光素子での受光レベルが最大となるようにするという手法が考えられる。しかしながら、この手法では、受光レベルが最大となるときの受光部の制御位置を行き過ぎてしまったり、受光レベルが最大となるときの受光部の制御位置の付近で受光部が長い間振動してしまったりすることが考えられる。このような現象は、例えば、回転体と受光部との距離の変動の方向を検出し、その検出結果に応じた制御を行うことによって解消される。

上述した問題に鑑み、本明細書で後述する光学式ロータリーエンコーダは、回転体と受光部との距離の変動の検出を可能にする。

本明細書で後述する光学式ロータリーエンコーダのひとつに、光源、回転体、受光部、合成部、及び検出部を備えるというものがある。ここで、光源は光を発するものである。回転体は、一定の間隔で格子が配列されている反射型の回折格子が形成されているものである。受光部は、受光量に応じた出力信号を出力する複数の受光素子を備えているものである。合成部は、光源より発せられた光の回折格子での反射光を受光している複数の受光素子の各々から出力される出力信号を合成して、当該反射光に含まれる所定周期の縞模様成分を表す信号を獲得するものである。検出部は、回転体と受光部との間の距離の変動方向を検出するものである。検出部は、この検出を、合成部によって獲得された、回折格子が複数の受光素子の受光位置で生じさせる干渉縞よりも周期が短い縞模様成分を表す第一信号と、合成部によって獲得された、当該干渉縞よりも周期が長い縞模様成分を表す第二信号とに基づいて行う。

また、本明細書で後述する光学式ロータリーエンコーダの補正方法のひとつは、まず、複数の受光素子の各々から出力される、受光量に応じた信号を合成して、第一信号と第二信号とを獲得する。このとき、当該複数の受光素子は、一定の間隔で格子が配列されている反射型の回折格子が形成されている回転体における該回折格子で光源より発せられた光が反射したときの反射光を受光している。ここで、第一信号は、回折格子が複数の受光素子の受光位置で生じさせる干渉縞よりも周期が短い縞模様成分を表す信号であり、第二信号は、当該干渉縞よりも周期が長い縞模様成分を表す信号である。次に、この第一信号と第二信号とに基づいて、回転体と複数の受光素子を備えている受光部との間の距離の変動方向を検出する。そして、この変動方向の検出結果に基づいて、この距離を変化させて当該距離の変動を抑制する。

本明細書で後述する光学式ロータリーエンコーダによれば、回転体と受光部との距離の変動を検出できるという効果を奏する。

光学式ロータリーエンコーダの一実施例の構成を図解したブロック図である。 干渉縞のピッチとフォトダイオードの配置間隔との関係の一例を表した図である。 受光部とスケールとの間の距離のズレと角度情報の精度との関係を説明する図である。 縞模様成分のピッチと当該縞模様成分を表している信号の検出レベルとの関係を表した図である。 図４の部分拡大図である。 フォトダイオードの配置間隔の異なるフォトダイオードアレイを用いた場合と同様の、縞模様成分を表している信号の検出レベルを求める手法の説明図である。 受光信号整形器及びセンサ距離変動方向・距離推定器の具体的な回路構成例である。

まず図１について説明する。図１は、光学式ロータリーエンコーダの一実施例の構成を図解したブロック図である。
図１において、エンコーダ１０は、レーザダイオード１１、スケール１２、フォトダイオードアレイ１３、受光部１４、受光信号整形器１５、内挿器１６、センサ距離変動方向・距離推定器１７、センサ位置制御器１８、及び微動アクチュエータ１９を備えている。

レーザダイオード１１は光源の一例であり、レーザ光を発光してスケール１２に照射するものである。
スケール１２は回転体の一例であり、回折格子１２−１が形成されている。回折格子１２−１は、一定の間隔で各格子が配列されている反射型のものである。スケール１２は円筒形であって円筒軸を回転軸とするものであり、回折格子１２−１は、円筒形であるスケール１２の側面に、回転軸に平行に各格子が配置されて形成されている。エンコーダ１０は、回転軸を中心としてスケール１２を回転させたときの回転角度情報を得るものである。なお、本実施例では、レーザダイオード１１が発光するレーザ光の波長の１／４を単位とする格子バターンにより回折格子１２−１を構成している。

なお、スケール１２の形状は上述した円筒形のものに限定されるものではなく、例えば、円盤形であって、円盤の中心を回転軸とし、回折格子１２−１が、円盤の片面の表面に一定の間隔で円盤の中心から放射状に各格子が配置されて形成されているものでもよい。

フォトダイオードアレイ１３は受光素子アレイの一例であって、複数のフォトダイオードを一定の間隔で一列に並べて形成されており、受光部１４に備えられている。なお、フォトダイオードは、光を受光すると、その受光量に応じた出力信号を出力するものであり、受光素子の一例である。

なお、本実施例では、フォトダイオードアレイ１３における各フォトダイオードの配置間隔は、レーザ光の回折格子１２−１での反射光がフォトダイオードの受光位置で形成する干渉縞のピッチの１／８としている。図２は、干渉縞のピッチとフォトダイオードの配置間隔との関係の一例を表している。図２において、波形２０は、回折格子１２−１からの反射光のフォトダイオードアレイ１３の配置位置での強度を表しており、この波形２０の１周期の長さが干渉縞のピッチを表している。また、図２に表示しているＡ、Ｂ、Ｃ、…、Ｐの文字は、１６個のフォトダイオード１３−１を個別に表している。つまり、図２の例では、波形２０の２周期に相当する長さに１６個のフォトダイオード１３−１が配置されていることから、干渉縞のピッチ当たりで８個のフォトダイオード１３−１が配置されている。

受光信号整形器１５は合成部の一例であり、レーザ光の反射光に含まれる所定周期の縞模様成分を表す信号を獲得するものである。受光信号整形器１５は、レーザダイオード１１より発せられたレーザ光の回折格子１２−１での反射光を受光している、フォトダイオードアレイ１３の複数のフォトダイオード１３−１の各々から出力される出力信号を合成することによって、この信号を獲得する。

内挿器１６は、受光信号整形器１５によって獲得された、レーザ光の反射光のうち回折格子１２−１が複数のフォトダイオード１３−１の受光位置に生じさせる縞模様を表す信号、すなわち干渉縞を表す信号に基づいて、スケール１２の回転角度情報を獲得する。

ここで、図１のエンコーダ１０において行われる、スケール１２の回転角度情報を獲得する手法について説明する。
フォトダイオードアレイ１３として、図２に例示したものを用いる場合、受光信号整形器１５は、下記の２つの式で表される信号の合成を行って、干渉縞の波形２０についての、周期が１／４周期ずれている２つの信号の組（Ｓ_sin ，Ｓ_cosine）を求める。
Ｓ_sin ＝{(A+B+C+D)-(E+F+G+H)}+{(I+J+K+L)-(M+N+O+P)}………［１］
Ｓ_cosine＝{(C+D+E+F)-(G+H+I+J)}+{(K+L+M+N)-(O+P+A+B)}………［２］

なお、上記の［１］式及び［２］式において、Ａ、Ｂ、Ｃ、…、Ｐの文字は、１６個のフォトダイオード１３−１の各々が出力する、受光量に応じた大きさの信号である。

内挿器１６は、受光信号整形器１５から出力される信号の組（Ｓ_sin ，Ｓ_cosine）に対して、下記の［３］式の演算を行って、スケール１２の回転角度情報Ｐ_osを獲得する。
Ｐ_os＝tan^-1(Ｓ_sin /Ｓ_cosine) ………［３］

ここで、受光部１４とスケール１２との間の距離のズレと角度情報の精度との関係について、図３を用いて説明する。
図３において、［Ａ］及び［Ｂ］は、受光信号整形器１５の出力を用いて描かれるリサージュ曲線の例を表している。これらのリサージュ曲線は、上記［１］式により合成された信号Ｓ_sin を横軸とし、上記［２］式により合成された信号Ｓ_cosineを縦軸とすることによって描かれたものである。また、［Ｃ］及び［Ｄ］は、スケール１２の実際の回転角度とエンコーダ１０によるスケール１２の回転角度の獲得結果とを対応付けたグラフの例である。これらのグラフにおいて、横軸はスケール１２の実際の回転角度を表しており、縦軸はエンコーダ１０によるスケール１２の回転角度の獲得結果を表している。

この図３において、［Ａ］及び［Ｃ］は、受光部１４とスケール１２との間の距離が適正である場合を表している。例えば、フォトダイオードアレイ１３におけるフォトダイオード１３−１の配置間隔と干渉縞の波形２０の周期とが図２に図解した関係である場合には、受光部１４とスケール１２との間の距離が適正であるといえる。この場合には、リサージュ曲線により囲まれる領域の面積は広くなり、実際の回転角度とエンコーダ１０による回転角度の獲得結果との関係も比例関係となり、検出精度は良好である。

一方、図３において、［Ｂ］及び［Ｄ］は、受光部１４とスケール１２との間の距離が適正な距離からズレてしまっている場合を表している。この場合には、フォトダイオードアレイ１３におけるフォトダイオード１３−１の配置間隔と干渉縞の波形２０の周期との関係が適正でなくなる結果、リサージュ曲線により囲まれる領域の面積は狭くなる。このことは、干渉縞を表している信号の検出レベルが低下していることを表している。また、この場合には、実際の回転角度とエンコーダ１０による回転角度の獲得結果との関係は単調性が大きく損なわれており、検出精度は低下している。

後述するセンサ距離変動方向・距離推定器１７、センサ位置制御器１８、及び微動アクチュエータ１９は、受光部１４とスケール１２との間の距離の適正値からのズレの方向を検出し、その方向とは逆方向に受光部１４を移動させて、その距離を適正なものとする。

なお、受光信号整形器１５には、フォトダイオード１３−１から出力される信号のうち、受光量に応じたものではないことが明らかであるノイズ等の信号成分を除去する前置フィルタを備えるようにしてもよい。

また、内挿器１６は、前掲の［３］式の演算を行う代わりに、予め用意しておいた、信号の組（Ｓ_sin ，Ｓ_cosine）と回転角度情報Ｐ_osとの関係を表しているテーブルを参照して信号の組（Ｓ_sin ，Ｓ_cosine）から回転角度情報Ｐ_osを獲得するようにしてもよい。すなわち、例えば、信号の組（Ｓ_sin ，Ｓ_cosine）をアドレス入力とした回転角度情報Ｐ_osのルックアップテーブルをメモリに予め用意しておくようにし、内挿器１６は、このルックアップテーブルを用いることによって、回転角度情報Ｐ_osを獲得するようにしてもよい。

次にセンサ距離変動方向・距離推定器１７について説明する。センサ距離変動方向・距離推定器１７は検出部の一例であり、スケール１２と受光部１４との間の距離の変動方向を検出する。センサ距離変動方向・距離推定器１７は、この検出を、受光信号整形器１５によって獲得された２つの信号に基づいて行う。この２つの信号のうちの一方である第一信号は、回折格子１２−１が複数のフォトダイオード１３−１の受光位置に生じさせる干渉縞よりも周期が短い縞模様を表す信号である。また、この２つの信号のうちの他方である第二信号は、当該干渉縞よりも周期が長い縞模様を表す信号である。

ここで、センサ距離変動方向・距離推定器１７による、スケール１２と受光部１４との間の距離の変動方向の検出の手法について説明する。
まず図４について説明する。図４は、フォトダイオードアレイ１３が受光する反射光に含まれる縞模様成分のピッチと当該縞模様成分を表している信号の検出レベルとの関係を表している。

図４において、横軸は基準のピッチを１としたときの縞模様線分のピッチを表している。なお、基準のピッチとは、フォトダイオードアレイ１３におけるフォトダイオード１３−１の配置間隔の基準とした縞模様成分のピッチ、すなわち、回折格子１２−１によって形成される干渉縞のピッチをいうものとする。また、この干渉縞のピッチを基準として設定したフォトダイオード１３−１の配置間隔を「標準の間隔」と称することとする。

また、図４において、縦軸は縞模様成分を表している信号の検出レベルを表している。なお、縞模様成分を表している信号の検出レベルLevel は、受光信号整形器１５から出力される信号の組（Ｓ_sin ，Ｓ_cosine）の値を用いて、下記の［４］式の計算を行うことによって求められる。
Level ＝（Ｓ_sin ²＋Ｓ_cosine ²）^1/2 ………［４］

図４において、実線の曲線は、フォトダイオード１３−１の配置間隔を標準の間隔の１／２倍としたフォトダイオードアレイ１３を用いた場合の縞模様成分を表している信号の検出レベルを表している。以下の説明では、フォトダイオードアレイ１３におけるこのフォトダイオード１３−１の配置間隔を「密の間隔」と称することとする。この実線の曲線は、ピッチが０．５であるときの縞模様成分を表している信号の検出レベルが最大となる一方、ピッチが１．０であるときの縞模様成分、すなわち干渉縞を表している信号の検出レベルは最小となることを表している。

また、図４において、破線の曲線は、フォトダイオード１３−１の配置間隔を標準の間隔の３／２倍としたフォトダイオードアレイ１３を用いた場合の信号の検出レベルを表している。以下の説明では、フォトダイオードアレイ１３におけるこのフォトダイオード１３−１の配置間隔を「粗の間隔」と称することとする。この破線の曲線は、ピッチが１．５であるときの縞模様成分を表している信号の検出レベルが最大となる一方、ピッチが１．０であるときの縞模様成分、すなわち干渉縞を表している信号の検出レベルは最小となることを表している。

次に、この図４における、縞模様成分のピッチが１の近傍の区間、すなわち、図４において符号Ａによって表されている、干渉縞のピッチの近傍の区間に注目する。図５は、図４における区間Ａの部分を拡大したものである。

図５において、縞模様成分のピッチが１よりも大きい領域では、縞模様成分を表している信号の検出レベルは、破線で表されている粗の間隔のフォトダイオードアレイ１３を用いた場合の方が、実線で表されている密の間隔のものを用いた場合よりも大きくなる。一方、縞模様成分のピッチが１よりも小さい領域では、縞模様成分の信号を表している検出レベルは、破線で表されている粗の間隔のフォトダイオードアレイ１３を用いた場合の方が、実線で表されている密の間隔のものを用いた場合よりも小さくなる。

図５において、点線で表した曲線は、粗の間隔のフォトダイオードアレイ１３を用いた場合の縞模様成分を表している信号の検出レベルから、密の間隔のフォトダイオードアレイ１３を用いた場合の縞模様成分の信号の検出レベルを減算した結果を表している。つまり、この減算結果が正の場合には、粗の間隔のフォトダイオードアレイ１３を用いた場合の縞模様成分を表している信号の検出レベルの方が大きい場合であり、これはすなわち、スケール１２と受光部１４との間の距離が、適正値よりも遠い場合を表している。一方、この減算結果が負の場合には、密の間隔のフォトダイオードアレイ１３を用いた場合の縞模様成分を表している信号の検出レベルの方が大きい場合であり、これはすなわち、スケール１２と受光部１４との間の距離が、適正値よりも近い場合を表している。従って、この減算結果の値の正負を判定することで、スケール１２と受光部１４との間の距離の変動方向を検出することができる。

センサ距離変動方向・距離推定器１７は、以上のようにして、スケール１２と受光部１４との間の距離の変動方向の検出を行う。
なお、図５における一点鎖線の曲線は、標準の間隔のフォトダイオードアレイ１３を用いた場合の干渉縞を表している信号の検出レベルを表しており、ピッチが１のときの縞模様成分、すなわち干渉縞を表している信号の検出レベルが最大となることを表している。

ところで、本実施例のエンコーダ１０では、図６を用いて次に説明するようにして、フォトダイオード１３−１の配置間隔の異なるフォトダイオードアレイ１３を用いた場合と同様の、縞模様成分を表している信号の検出レベルを求めるようにしている。

まず、本実施例では、２４個のフォトダイオード１３−１が一定の間隔で並べられているフォトダイオードアレイ１３を用いる。このフォトダイオード１３−１を構成しているフォトダイオードアレイ１３の各々の出力信号を、図６の［Ａ］に図解するように、Ａ、Ｂ、Ｃ、…、Ｘとする。

この場合において、受光信号整形器１５は、まず、図６の［Ｃ］に図解するように、下記の２つの式で表される信号の合成を行って、干渉縞を表している波形についての、周期が１／４周期ずれている２つの信号の組（Ｓ_sin ，Ｓ_cosine）を求める。
Ｓ_sin ＝(A+B+C+D)-(E+F+G+H)+(I+J+K+L)-(M+N+O+P)+(Q+R+S+T)-(U+V+W+X)
………［５］
Ｓ_cosine＝(C+D+E+F)-(G+H+I+J)+(K+L+M+N)-(O+P+Q+R)+(S+T+U+V)-(W+X+A+B)
………［６］

ここで、センサ距離変動方向・距離推定器１７は、受光信号整形器１５が上述のようにして求めた信号の組（Ｓ_sin ，Ｓ_cosine）の値を、前掲した［４］式に代入して計算する。この計算によって得られる値Level は、標準の間隔のフォトダイオードアレイ１３を用いた場合の縞模様成分を表している信号、すなわち、干渉縞を表している信号の検出レベルを表している。

また、受光信号整形器１５は、図６の［Ｂ］に図解するように、下記の２つの式で表される信号の合成を行って、周期が干渉縞の１／２倍である縞模様成分を表している波形についての、周期が１／４周期ずれている２つの信号の組（Ｓ_sin ，Ｓ_cosine）を求める。
Ｓ_sin ＝(A+B)-(C+D)+(E+F)-(G+H)+(I+J)-(K+L)+(M+N)-(O+P)+
(Q+R)-(S+T)+(U+V)-(W+X)………［７］
Ｓ_cosine＝(B+C)-(D+E)+(F+G)-(H+I)+(J+K)-(L+M)+(N+O)-(P+Q)+
(R+S)-(T+U)+(V+W)-(X+A)………［８］

ここで、センサ距離変動方向・距離推定器１７は、受光信号整形器１５が上述のようにして求めた信号の組（Ｓ_sin ，Ｓ_cosine）の値を、前掲した［４］式に代入して計算する。この計算によって得られる値Level は、密の間隔のフォトダイオードアレイ１３を用いた場合の縞模様成分を表している信号の検出レベルを表している。

更に、受光信号整形器１５は、図６の［Ｄ］に図解するように、下記の２つの式で表される信号の合成を行って、周期が干渉縞の３／２倍である縞模様成分を表している波形についての、周期が１／４周期ずれている２つの信号の組（Ｓ_sin ，Ｓ_cosine）を求める。
Ｓ_sin ＝(A+B+C+D+E+F)-(G+H+I+J+K+L)+(M+N+O+P+Q+R)-(S+T+U+V+W+X)
………［９］
Ｓ_cosine＝(D+E+F+G+H+I)-(J+K+L+M+N+O)+(P+Q+R+S+T+U)-(V+W+X+A+B+C)
………［１０］

ここで、センサ距離変動方向・距離推定器１７は、受光信号整形器１５が上述のようにして求めた信号の組（Ｓ_sin ，Ｓ_cosine）の値を、前掲した［４］式に代入して計算する。この計算によって得られる値Level は、粗の間隔のフォトダイオードアレイ１３を用いた場合の縞模様成分を表している信号の検出レベルを表している。

本実施例のエンコーダ１０では、以上のようにして、フォトダイオード１３−１の配置間隔の異なるフォトダイオードアレイ１３を用いた場合と同様の、縞模様成分を表している信号の検出レベルを求める。なお、一般的には、次のようにして、縞模様成分を表している信号の検出レベルを求めるようにすればよい。

まず、ｎを、検出対象の縞模様成分のピッチに応じて値が選択される自然数とする。この場合において、フォトダイオードアレイ１３において一列に並べられているフォトダイオード１３−１の各々の出力信号をフォトダイオードアレイ１３におけるフォトダイオード１３−１の列順に４ｎ個ずつグループ分けしておく。

まず、受光信号整形器１５は、各グループにおいてのフォトダイオード１３−１の列順の第１番目から第２ｎ番目までの出力信号についての全グループでの加算合計を求める。この合計を「第一合計」と称することとする。

次に、受光信号整形器１５は、各グループにおいてのフォトダイオード１３−１の列順の第２ｎ＋１番目から第４ｎ番目までの出力信号についての全グループでの加算合計を求める。この合計を「第二合計」と称することとする。

ここで、受光信号整形器１５は、第一合計から第二合計を減算した差分値を求める。この差分値は前述した信号Ｓ_sin となる。

次に、受光信号整形器１５は、各グループにおいてのフォトダイオード１３−１の列順の第ｎ＋１番目から第３ｎ番目までの出力信号についての全グループでの加算合計を求める。この合計を「第三合計」と称することとする。

次に、受光信号整形器１５は、各グループにおいてのフォトダイオード１３−１の列順の第１番目から第ｎ番目まで及び第３ｎ＋１番目から第４ｎ番目までの出力信号についての全グループでの加算合計を求める。この合計を「第四合計」と称することとする。

ここで、受光信号整形器１５は、第三合計から第四合計を減算した差分値を求める。この差分値は前述した信号Ｓ_cosineとなる。

なお、以上までの手順において、ｎの値を「２」とした場合には、前掲した式［５］及び式［６］の計算を受光信号整形器１５が行う手順、すなわち、干渉縞を表している信号の検出レベルを求めるために受光信号整形器１５が行う手順となる。また、ｎの値を「１」とした場合には、前掲した式［７］及び式［８］の計算を行う手順、すなわち、密の間隔のフォトダイオードアレイ１３を用いた場合の縞模様成分を表している信号の検出レベルを求めるために受光信号整形器１５が行う手順となる。そして、ｎの値を「３」とした場合には、前掲した式［９］及び式［１０］の計算を行う手順、すなわち、粗の間隔のフォトダイオードアレイ１３を用いた場合の縞模様成分を表している信号の検出レベルを求めるために受光信号整形器１５が行う手順となる。

その後、以上のようにして受光信号整形器１５が求めた信号の組（Ｓ_sin ，Ｓ_cosine）の値を、センサ距離変動方向・距離推定器１７が前掲した［４］式に代入して計算する。この計算によって得られる値Level が、縞模様成分を表している信号の検出レベルを表している。エンコーダ１０をこのように構成してもよい。

エンコーダ１０の他の構成要素について説明する。
センサ位置制御器１８は、スケール１２と受光部１４との間の距離の変動方向の検出結果に基づき、微動アクチュエータ１９を制御して、その変動方向とは逆の方向に受光部１４を移動させて、その距離の変動を抑制する。また、センサ位置制御器１８は、検出されたスケール１２と受光部１４との間の距離が適正値となった場合には、微動アクチュエータ１９を制御して、受光部１４の移動を停止させる。このセンサ位置制御器１８は、制御部の一例である。

微動アクチュエータ１９は、例えば、ピエゾ素子やＶＣＭ（Voice Coil Motor）等であり、センサ位置制御器１８から送られてくる制御信号に応じて、受光部１４の位置を移動させて、スケール１２からの距離を変化させる。
エンコーダ１０は、以上の構成要素を備えている。

次に図７について説明する。図７は、受光信号整形器１５及びセンサ距離変動方向・距離推定器１７の具体的な回路構成例である。
図７の構成例においては、バッファ２１と演算増幅器２２−１ａ〜２２−３ｂとにより受光信号整形器１５が構成されている。また、二乗演算回路２３−１ａ〜２３−３ｂと、加算器２４−１〜２４−３と、平方根演算回路２５−１〜２５−３と、減算回路２６とによりセンサ距離変動方向・距離推定器１７が構成されている。

フォトダイオードアレイ１３を構成している各フォトダイオード１３−１の出力信号は、各々バッファ２１を経由した後に、図６に提示した演算、すなわち、前掲した［５］式から［１０］式までの各式に表されている加減算が行われる。演算増幅器２２−１ａ〜２２−３ｂは、この信号の加減算に使用される。ここで、演算増幅器２２−１ａは［７］式の計算に使用され、演算増幅器２２−１ｂは［８］式の計算に使用される。また、演算増幅器２２−２ａは［５］式の計算に使用され、演算増幅器２２−２ｂは［６］式の計算に使用される。そして、演算増幅器２２−３ａは［９］式の計算に使用され、演算増幅器２２−３ｂは［１０］式の計算に使用される。

二乗演算回路２３−１ａ〜２３−３ｂと、加算器２４−１〜２４−３と、平方根演算回路２５−１〜２５−３との組み合わせの回路は、前掲した［４］式の演算を行う回路である。

二乗演算回路２３−１ａ〜２３−３ｂは、演算増幅器２２−１ａ〜２２−３ｂの各々の出力信号を二乗した信号を出力する。

加算器２４−１は、２つの二乗演算回路２３−１ａ及び２３−１ｂの各々の出力信号を加算した信号を出力する。すなわち、加算器２４−１は、演算増幅器２２−１ａ及び２２−１ｂの各々の出力信号を二乗した信号を加算した信号を出力する。そして、平方根演算回路２５−１は、この加算器２４−１の出力信号に対する平方根演算を行い、その結果の信号を出力する。

加算器２４−２は、２つの二乗演算回路２３−２ａ及び２３−２ｂの各々の出力信号を加算した信号を出力する。すなわち、加算器２４−２は、演算増幅器２２−２ａ及び２２−２ｂの各々の出力信号を二乗した信号を加算した信号を出力する。そして、平方根演算回路２５−２は、この加算器２４−２の出力信号に対する平方根演算を行い、その結果の信号を出力する。この平方根演算回路２５−２の出力信号の大きさは、スケール１２と受光部１４との間の距離に対応している。

加算器２４−３は、２つの二乗演算回路２３−３ａ及び２３−３ｂの各々の出力信号を加算した信号を出力する。すなわち、加算器２４−３は、演算増幅器２２−３ａ及び２２−３ｂの各々の出力信号を二乗した信号を加算した信号を出力する。そして、平方根演算回路２５−３は、この加算器２４−３の出力信号に対する平方根演算を行い、その結果の信号を出力する。

減算回路２６は、平方根演算回路２５−３の出力信号から平方根演算回路２５−１の出力信号を減算して、その結果の信号を出力する。この減算回路２６の出力信号が正である場合には、スケール１２と受光部１４との間の距離が、適正値よりも遠くなっていることを表している。一方、この減算回路２６の出力信号が負である場合には、スケール１２と受光部１４との間の距離が、適正値よりも近くなっていることを表している。

なお、図７の構成において、スケール１２と受光部１４との間の距離の変動方向は、減算回路２６の出力信号の符号の正負によって判定され、その出力信号の大きさは変動方向の判定には特に用いられない。そこで、図７の構成から、平方根演算回路２５−１及び２５−３を削除してもよい。すなわち、減算回路２６が、加算器２４−３の出力信号から加算器２４−１の出力信号を減算して、その結果の信号を出力するように構成してもよい。このように構成しても、減算回路２６の出力信号の符号の正負に基づいた、スケール１２と受光部１４との間の距離の変動方向の判定は適切に行われる。

また、図７の構成では、受光信号整形器１５及びセンサ距離変動方向・距離推定器１７をアナログ信号処理回路により実現している。この代わりに、例えば、フォトダイオードアレイ１３を構成している各フォトダイオード１３−１の出力信号をデジタルデータに変換し、受光信号整形器１５及びセンサ距離変動方向・距離推定器１７をデジタル信号処理回路により実現するようにしてもよい。

１０ エンコーダ
１１ レーザダイオード
１２ スケール
１２−１ 回折格子
１３ フォトダイオードアレイ
１３−１ フォトダイオード
１４ 受光部
１５ 受光信号整形器
１６ 内挿器
１７ センサ距離変動方向・距離推定器
１８ センサ位置制御器
１９ 微動アクチュエータ
２０ 波形
２１ バッファ
２２−１ａ、２２−１ｂ、２２−２ａ、２２−２ｂ、
２２−３ａ、２２−３ｂ 演算増幅器
２３−１ａ、２３−１ｂ、２３−２ａ、２３−２ｂ、
２３−３ａ、２３−３ｂ 二乗演算回路
２４−１、２４−２、２４−３ 加算器
２５−１、２５−２、２５−３ 平方根演算回路
２６ 減算回路

Claims (5)

1. 光を発する光源、
   一定の間隔で格子が配列されている反射型の回折格子が形成されている回転体、
   受光量に応じた出力信号を出力する複数の受光素子を備えている受光部、
   前記光源より発せられた光の前記回折格子での反射光を受光している前記複数の受光素子の各々から出力される出力信号を合成して、該反射光に含まれる所定周期の縞模様成分を表す信号を獲得する合成部、及び
   前記合成部によって獲得された、前記回折格子が前記複数の受光素子の受光位置で生じさせる干渉縞よりも周期が短い縞模様成分を表す第一信号と、前記合成部によって獲得された、該干渉縞よりも周期が長い縞模様成分を表す第二信号とに基づいて、前記回転体と前記受光部との間の距離の変動方向を検出する検出部、
   を備えることを特徴とする光学式ロータリーエンコーダ。
2. 前記受光部は、前記複数の受光素子を一定の間隔で一列に並べて形成されている受光素子アレイを備えており、
   前記合成部は、ｎを前記所定周期に応じて値が選択される自然数とした場合に、前記複数の光学素子の各々の出力信号を前記受光素子アレイにおける前記複数の光学素子の列順に４ｎ個ずつグループ分けし、各グループにおいての該列順の第１番目から第２ｎ番目までの出力信号についての全グループでの合計から、各グループにおいての該列順の第２ｎ＋１番目から第４ｎ番目までの出力信号についての全グループでの合計を減算した差分値を求めると共に、各グループにおいての該列順の第ｎ＋１番目から第３ｎ番目までの出力信号についての全グループでの合計から、各グループにおいての該列順の第１番目から第ｎ番目まで及び第３ｎ＋１番目から第４ｎ番目までの出力信号についての全グループでの合計を減算した差分値を求め、得られた２つの差分値に基づいて前記所定周期の縞模様成分のレベルを表す信号を獲得することを特徴とする請求項１に記載の光学式ロータリーエンコーダ。
3. 前記検出部は、前記ｎの値を第一の値としたときに前記合成部によって獲得された前記第一信号と、前記ｎの値を該第一の値よりも大きい第二の値としたときに前記合成部によって獲得された前記第二信号との差に基づいて前記変動方向を検出することを特徴とする請求項２に記載の光学式ロータリーエンコーダ。
4. 前記検出部による検出結果に基づいて前記距離を変化させて前記距離の変動を抑制する制御部を更に備えることを特徴とする請求項１から３のうちのいずれか一項に記載の光学式ロータリーエンコーダ。
5. 一定の間隔で格子が配列されている反射型の回折格子が形成されている回転体における該回折格子で光源より発せられた光が反射したときの反射光を受光している複数の受光素子の各々から出力される、受光量に応じた信号を合成して、該回折格子が該複数の受光素子の受光位置で生じさせる干渉縞よりも周期が短い縞模様成分を表す第一信号と、該干渉縞よりも周期が長い縞模様成分を表す第二信号とを獲得し、
   前記第一信号と前記第二信号とに基づいて、前記回転体と前記複数の受光素子を備えている受光部との間の距離の変動方向を検出し、
   前記変動方向の検出結果に基づいて前記距離を変化させて前記距離の変動を抑制する、
   ことを特徴とする光学式ロータリーエンコーダの補正方法。