JP2539269B2

JP2539269B2 - 光学式エンコ―ダ

Info

Publication number: JP2539269B2
Application number: JP1183871A
Authority: JP
Inventors: 淳家城; 圭司松井
Original assignee: OOKUMA KK
Current assignee: OOKUMA KK
Priority date: 1989-07-17
Filing date: 1989-07-17
Publication date: 1996-10-02
Anticipated expiration: 2011-10-02
Also published as: US5068530A; JPH0348122A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、工作機械や半導体製造装置の位置計測に利
用される光学式エンコーダに関する。

（従来の技術）第７図は従来の光学式エンコーダの一例を示す斜視構
造図であり、第１の回折格子（以下、第１格子という）
１に対して図示矢印方向に相対移動する第２の回折格子
（以下、第２格子という）２が第１格子１の後方に配置
され、光電変換素子３が第２格子２の後方に配置されて
いる。第１格子１及び第２格子２には、光を透過させる
部分（以下、透過部という）及び透過させない部分（以
下、非透過部という）が所定の長さ（以下、格子ピッチ
という）で繰返されている格子部が設けられている。

このような構成において、平行光束Ｌを第１格子に照
射すると、第１格子１及び第２格子２を透過した光が光
電変換素子３に入射する。そして、光電変換素子３は入
射光をその光強度に応じた電気信号に変換して出力す
る。この電気信号は、第１格子１と第２格子２との相対
変位によって第１格子１及び第２格子２を透過する光量
が変化することにより得られるものであり、その周期が
格子ピッチの変位信号である。また、この変位信号は、
本来第１格子１と第２格子２との重なり具合により発光
側から見た見掛け上の透過部の変化に比例した三角波信
号となるはずであるが、実際には光の回折等により三角
波が鈍って疑似正弦波となっている。そして、この疑似
正弦波を変位信号に利用して位置検出が行われている。

（発明が解決しようとする課題）上述した従来の光学式エンコーダで得られる変位信号
の歪率は第１格子１と第２格子２との間隙が変化すると
第８図に示すように大きく変動してしまう。この歪率の
変動は主に変位信号に含まれる変位信号周期の1/3倍の
周期信号や1/5倍の周期信号（以下、３次高調波成分、
５次高調波成分という）によるものである。従って、こ
のような変位信号を利用して求めた位置検出値は大きな
誤差を伴っていた。また、この誤差を小さくするには第
１格子１と第２格子２との間隙を一定にすれば良いが、
非常に厳しい取付精度が要求されるという問題があっ
た。

本発明は上述した事情から成されたものであり、本発
明の目的は、歪の少ない変位信号を安定して出力するこ
とができる光学式エンコーダを提供することにある。

（課題を解決するための手段）本発明の上記目的は、前記第２の格子に設けられてい
る格子パターンは、第１及び第２の透過スリットが１組
となって前記第１の回折格子のピッチの２倍の周期で繰
返し配設され、隣り合う前記第１及び第２の各透過スリ
ットが、それぞれ前記第１の回折格子のピッチの1/6の
位相差をもった間隔で配置されていることによって達成
される。あるいは、前記第２の格子に設けられている格
子パターンは、第１乃至第４の透過スリットが１組とな
って前記第１の回折格子のピッチの４倍の周期で繰返し
配設され、前記第１の透過スリットに対して、前記第2,
第３及び第４の透過スリットがそれぞれ前記第１の回折
格子のピッチの1/6,1/10,4/15の位相差をもった間隔で
配置されていることによって達成される。

（作用）本発明の光学式エンコーダは、格子パターンの隣り合
う透過スリットが不等間隔であって、隣り合う透過スリ
ットを透過した光どうしが干渉しあい、格子の各微小部
分毎に歪成分を光波の段階で除去するようになってい
る。従って、歪のない良好な変位信号を、回折格子や受
光素子の汚れや効率のばらつき、及び入射光束の強度分
布の影響を受けないで得ることができる。

（実施例）第１図は本発明の光学式エンコーダの第１の実施例を
第７図に対応させて示す斜視構造図であり、同一構成箇
所は同符号を付して説明を省略する。この光学式エンコ
ーダは第２格子２に設けられている格子部が従来の光学
式エンコーダと異なり、第２図に示すように数μｍ〜数
百μｍのピッチＰで繰返す透過部（図示斜線部）と非透
過部とで成る格子部2E,2F,2G,2Hが田の字状に配設され
ている。そして、格子部2F,2G,2Hは格子部2Eを基準とす
るとそれぞれの位相がP/6,P/10,4P/15ずれている。

このような構成において、例えば格子部2Eを透過して
来た光量の変化、即ち変位信号I_E（ｘ）をその主成分で
ある基本波成分と３次高調波成分と５次高調波成分に着
目して示すと次式（１）となる。

I_E（ｘ）＝asin（２πx/P）±A₃sin（３・２πx/P）±A
₅sin（５・２πx/P）＋Ｂ ……（１）これに対して各格子部2F,2G,2Hを透過して来た光量の
変化、即ち変位信号I_F(x),I_G(x),I_H(x)は各格子部2F,2
G,2Hが格子部2Eに対してそれぞれP/6,P/10,4P/15だけ位
相がずれているので次式（２），（３），（４）とな
る。

I_F（ｘ）＝asin（２π（x/P＋1/6））±A₃sin（３・２
π（x/P＋1/6））±A₅sin（５・２π（x/P＋1/6））＋
Ｂ＝asin（２πx/P＋π/3）±A₃sin（３・２πx/P＋
π）±A₅sin（５・２πx/P＋５π/3）＋Ｂ……（２）
I_G（ｘ）＝asin（２π（x/P＋1/10））±A₃sin（３・２
π（x/P＋1/10））±A₅sin（５・２π（x/P＋1/10））
＋Ｂ＝asin（２πx/P＋π/5）±A₃sin（３・２πx/P＋
３π/5）±A₅sin（５・２πx/P＋π）＋Ｂ……（３）
I_H（ｘ）＝asin（２π（x/P＋4/15））±A₃sin（３・２
π（x/P＋4/15））±A₅sin（５・２π（x/P＋4/15））
＋Ｂ＝asin（２πx/P＋８π/15）±A₃sin（３・２πx/P
＋８π/5）±A₅sin（５・２πx/P＋８π/3）＋Ｂ ……
（４）従って、各格子部2E,2F,2G,2Hを同面積にして同光量
が透過するようにし、各格子部2E,2F,2G,2Hを透過して
来た光を光電変換するようにすればそれぞの光を加算し
たことになり、３次高調波及び５次高調波が相殺されて
精度の高い変位信号を得ることができる。

第３図は本発明の光学式エンコーダの第２の実施例を
第１図に対応させて示す斜視構造図であり、同一構成箇
所は同符号を付して説明を省略する。この光学式エンコ
ーダは第４図又は第５図に示す格子部が設けられてい
る。

第４図に示す格子部は、数μｍ〜数百μｍのピッチ2P
で繰返す透過スリット2A′と、この透過スリット2A′の
間に配設され、この透過スリット2A′からＰ＋P/6ずれ
た位置に配設された透過スリット2B′とが設けられてい
る。つまり、この格子部を構成する透過スリットはその
隣り合う間隔が（Ｐ＋P/6）と（Ｐ−P/6）とで交互に変
化しており一定でなく、格子周期がP/6で変調された形
となっている。また、格子のデューティつまり透過部と
非透過部の比は、場所によって異なり3:4や3:2となって
いる。

このような構成において、例えば透過スリット2A′を
透過して来た光量の変化、即ち変位信号Ｉ_Ａ′（ｘ）を
その主成分である基本波成分と３次高調波成分に着目し
て示すと次式（５）となる。

Ｉ_Ａ′（ｘ）＝asin（２πx/P）±A₃sin（３・２πx/
P）＋Ｂ ……（５）これに対して透過スリット2B′を透過して来た光量の
変化、即ち変位信号Ｉ_Ｂ′（ｘ）は透過スリット2B′が
透過スリット2A′に対して位相がP/6ずれているので次
式（６）となる。

Ｉ_Ｂ′（ｘ）＝asin（２π（x/P＋1/6））±A₃sin（３
・２π（x/P＋1/6））＋Ｂ＝asin（２πx/P＋π/3）±A
₃sin（３・２πx/P＋π）＋Ｂ ……（６）従って、透過スリット2A′,2B′を同面積にして同光
量が透過するようにし、透過スリット2A′,2B′を透過
して来た光を光電変換するようにすればそれぞれの光を
加算したことになり、３次高調波が相殺されて第６図に
示すような精度の高い変位信号を得ることができる。

また、この作用を光の振幅において説明すると、回折
光の振幅は格子の透過率のフーリエ変換で表されるの
で、透過スリット2A′を透過して来た光の振幅ｒ
_Ａ′（ｘ）を、その主成分である基本波成分と３次高調
波成分について示す次式（７）となる。

ｒ_Ａ′（ｘ）＝ａ′sin（２πx/P）±Ａ_３′sin（３・
２πx/P）＋Ｂ′ ……（７）これに対して透過スリット2B′を透過して来た光の振
幅ｒ_Ｂ′（ｘ）は透過スリット2B′が透過スリット2A′
に対して位相がP/6ずれているので次式（８）となる。

ｒ_Ｂ′（ｘ）＝ａ′sin（２πx/P＋π/3）±Ａ_３′sin
（３・２πx/P＋π）＋Ｂ′ ……（８）これらの振幅を加算すると、３次高調波成分は０とな
る。従って、透過光の振幅の３次高調波成分は、透過ス
リット2A′と2B′を透過して来た光を重ね合わせること
により、つまり、干渉によって除去される。これによ
り、透過して来た光は、３次高調波成分が含まれておら
ず、受光素子３に入射される前に歪成分が除去される。
従って、受光素子３の汚れや効率の部分的なばらつきが
あっても、また受光素子３以降の電気回路等にばらつき
があっても、歪の除去には全く影響されない。

これに対して、第１図ならびに第２図に示した第１の
実施例は、透過スリットが等間隔で、格子のデューティ
も1:1であり、透過して来た光の振幅には３次の高調波
成分が含まれている。従って、受光素子３の汚れや電気
回路等のばらつきの影響を受けてしまうもので、作用が
全く異なる。

第５図に示す格子部は、数μｍ〜数百μｍのピッチ4P
で繰返す透過スリット2E′と、この透過スリット2E′の
間に配設され、この透過スリット2E′からＰ＋P/6,2P＋
P/10,3P＋4P/15ずれた位置に配設された透過スリット2
F′,2G′,2H′とが設けられている。

つまり、この格子部を構成する透過スリットはその隣
り合う間隔が交互に変化しており一定でなく変調された
形となっている。また、格子のデューティつまり透過部
と非透過部の比は、場所によって異なっている。

このような構成において、例えば透過スリット2E′を
透過して来た光量の変化、即ち変位信号Ｉ_Ｅ′（ｘ）を
その主成分である基本波成分と３次高調波成分と５次高
調波成分に着目して示すと次式（９）となる。

Ｉ_Ｅ′（ｘ）＝asin（２πx/P）±A₃sin（３・２πx/
P）±A₅sin（５・２πx/P）＋Ｂ ……（９）これに対して透過スリット2F′,2G′,2H′を透過して
来た光量の変化、即ち変位信号Ｉ_Ｆ′（ｘ）,I
_Ｇ′（ｘ）,I_Ｈ′（ｘ）は透過スリット2F′,2G′,2H′
が透過スリット2E′に対してそれぞれP/6,P/10,4P/15だ
け位相がずれているので次式（10），（11），（12）と
なる。

Ｉ_Ｆ′（ｘ）＝asin（２π（x/P＋1/6））±A₃sin（３
・２π（x/P＋1/6））±A₅sin（５・２π（x/P＋1/
6））＋Ｂ＝asin（２πx/P＋π/3）±A₃sin（３・２πx
/P＋π）±A₅sin（５・２πx/P＋５π/3）＋Ｂ ……（1
0）Ｉ_Ｇ′（ｘ）＝asin（２π（x/P＋1/10））±A₃sin（３
・２π（x/P＋1/10））±A₅sin（５・２π（x/P＋1/1
0））＋Ｂ＝asin（２πx/P＋π/5）±A₃sin（３・２πx
/P＋３π/5）±A₅sin（５・２πx/P＋π）＋Ｂ ……（1
1）Ｉ_Ｈ′（ｘ）＝asin（２π（x/P＋4/15））±A₃sin（３
・２π（x/P＋4/15））±A₅sin（５・２π（x/P＋4/1
5））＋Ｂ＝asin（２πx/P＋８π/15）±A₃sin（３・２
πx/P＋８π/5）±A₅sin（５・２πx/P＋８π/3）＋Ｂ
……（12）従って、透過スリット2E′,2F′,2G′,2H′を同面積
にして同光量が透過するようにし、透過スリット2E′,2
F′,2G′,2H′を透過して来た光を光電変換するように
すればそれぞれの光を加算したことになり、３次高調波
及び５次高調波が相殺されてさらに精度の高い変位信号
を得ることができる。

また、この作用を光の振幅において説明すると、回折
光の振幅は格子の透過率のフーリエ変換で表わされるの
で、透過スリット2E′を透過して来た光の振幅ｒ
_Ｅ′（ｘ）を、その主成分である基本波成分と３次高調
波成分と５次高調波成分について示すと次式（13）とな
る。

ｒ_Ｅ′（ｘ）＝ａ′sin（２πx/P）±Ａ_３′sin（３・
２πx/P）±Ａ_５′sin（５・２πx/P）＋Ｂ′ ……（1
3）これに対して透過スリット2F′,2G′,2H′を透過して
来た光の振幅ｒ_Ｆ′（ｘ）,r_Ｇ′（ｘ）,r_Ｈ′（ｘ）は
透過スリット2F′,2G′,2H′が透過スリット2E′に対し
てそれぞれP/6,P/10,4P/15だけ位相がずれているので次
式（14），（15），（16）となる。

ｒ_Ｆ′（ｘ）＝ａ′sin（２πx/P＋π/3）±Ａ_３′sin
（３・２πx/P＋π）±Ａ_５′sin（５・２πx/P＋５π/
3）＋Ｂ′ ……（14）ｒ_Ｇ′（ｘ）＝ａ′sin（２πx/P＋π/5）±Ａ_３′sin
（３・２πx/P＋３π/5）±Ａ_５′sin（５・２πx/P＋
π）＋Ｂ′ ……（15）ｒ_Ｈ′（ｘ）＝ａ′sin（２πx/P＋８π/15）±Ａ_３′s
in（３・２πx/P＋８π/5）±Ａ_５′sin（５・２πx/P
＋８π/3）＋Ｂ′ ……（16）これらの振幅を加算すると、３次高調波成分ならびに
５次高調波成分は０となる。従って、透過光の振幅の３
次と５次の高調波成分は、透過スリット2E′,2F′,2
G′,2H′を透過して来た光を重ね合わせることにより、
つまり、干渉することによって除去される。これによ
り、透過して来た光には、３次ならびに５次高調波成分
が含まれておらず、受光素子３に入射される前に歪成分
が除去される。本実施例では、４本の透過スリット単位
で歪を除去する、つまり、格子部の各微小部分毎に歪を
除去するようになっており、これら複数の位相の透過ス
リットが１つの格子部内に均等に配置されているので、
入射光束Ｌの光の強度分布が均一でなくても歪を除去す
る効果が高く常に高精度の変位信号を得ることができ
る。また、格子部の一部が汚れていたり効率にばらつき
があっても同様の効果を得ることができる。

なお、上述した第２の実施例では位相のずれをP/6等
としたが、例えば−P/6→０→＋P/6というずれが繰返さ
れるようにしても同様の効果を呈する。

（発明の効果）以上のように、本発明の光学式エンコーダによれば、
格子や受光素子の汚れ、及び入射光束の強度分布に不均
一等があっても、歪成分を取除いて高精度の位置検出を
行なうことができるので、例えば工作機械において精度
の高い加工を容易に行なうことが可能となり、生産効率
の向上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の光学式エンコーダの第１の実施例を示
す斜視構造図、第２図はその格子部の一例を示す図、第
３図は本発明の光学式エンコーダの第２の実施例を示す
斜視構造図、第４図及び第５図は第２の実施例の格子部
の一例を示す図、第６図は本発明の光学式エンコーダに
よる出力波形の一例を示す特性図、第７図は従来の光学
式エンコーダの一例を示す斜視構造図、第８図はそれに
よる出力波形の一例を示す特性図である。１……第１格子、２……第２格子、2E,2F,2G,2H……格
子部、2A′,2B′,2E′,2F′,2G′,2H′……透過スリッ
ト、３……光電変換素子。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】第１の回折格子と、この第１の回折格子と
相対変位する第２の回折格子とを有し、前記相対変位を
検出する光学式エンコーダにおいて、前記第２の格子に
設けられている格子パターンは、第１及び第２の透過ス
リットが１組となって前記第１の回折格子のピッチの２
倍の周期で繰返し配設され、隣り合う前記第１及び第２
の各透過スリットが、それぞれ前記第１の回折格子のピ
ッチの1/6の位相差をもった間隔で配置されていること
を特徴とする光学式エンコーダ。
【請求項２】第１の回折格子と、この第１の回折格子と
相対変位する第２の回折格子とを有し、前記相対変位を
検出する光学式エンコーダにおいて、前記第２の格子に
設けられている格子パターンは、第１乃至第４の透過ス
リットが１組となって前記第１の回折格子のピッチの４
倍の周期で繰返し配設され、前記第１の透過スリットに
対して、前記第2,第３及び第４の透過スリットがそれぞ
れ前記第１の回折格子のピッチの1/6,1/10,4/15の位相
差をもった間隔で配置されていることを特徴とする光学
式エンコーダ。