JP2578493B2 - 光学式エンコーダ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔技術分野〕 本発明は光学式エンコーダに関し、所定の格子パター
ンが形成されたメインスケールと互いに位相が異なる複
数個の格子パターンが形成されたサブスケールとを有す
る光学式エンコーダに関する。

〔従来技術〕

従来よりメインスケールとサブスケールの一方を可動
ステージなどの可動体に連結し、光源からの光でメイン
スケールの格子パターン（スリツト列）を照明してメイ
ンスケールの格子パターンとサブスケールの格子パター
ンを通過した光を受光素子で受光し、この受光素子から
の光電変換された出力信号にもとづいて可動体の変位を
検出するエンコーダが良く知られている。

このようなエンコーダでは、変位方向の判別又は変位
量の分解能を向上させるために、サブスケールに複数個
の格子パターンを形成し、しかもこれらの格子パターン
のメインスケールの格子パターンに対する位相を互いに
異ならしめ、互いに位相が異なる周期信号を受光素子に
より得ていた。

しかしながら、従来のエンコーダでは、サブスケール
の複数個の格子パターンを可動体の変位方向に沿って設
けていたため、経時変化により互いの位相差がずれると
いう問題が生じていた。また、そもそも、両者が、格子
パターンを成すスリツトの配列方向に並んでいるため
に、互いの位相差を正確に規定することも容易ではな
い。

従って、例えば第５図に示すように、サブスケール10
0（マスク）の格子パターン7,8（又は9,10）を、可動体
（ここではメインスケール２が可動体に取付けられてい
る。）の変位方向ｘにほぼ直交する方向に並べて設けて
やれば、上述の問題は解消できる。

ところが、第５図に示すように、光源１の強度変動を
モニターするための矩形スリツト６を間に挟んで格子パ
ターン7,8を設けると、メインスケール２とサブスケー
ル100のアジスマ誤差（Azimuth:傾きθ）の影響によ
り、不図示の光電変換素子で格子パターン７及び格子パ
ターン８からの光を各々光電変換して得られる周期信号
の位相差が、予め決めた位相差から大きくずれることが
解かった。

〔発明の概要〕

本発明の目的は、光源の発光強度を調整できるととも
に、所定の位相差を有する複数個の周期的信号を正確に
得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。

上記目的を達成するために、本発明の光学式エンコー
ダは、所定周期の格子パターンが形成されたメインスケ
ールと、光源からの光で前記メインスケールを照明する
照明手段と、該メインスケールの格子パターンに対して
互いに位相が異なった第１と第２の格子パターンと前記
光源の発光強度を調整するための発光強度モニター用ス
リットを有し、前記メインスケールに対向させて設けら
れたサブスケールと、前記メインスケールの格子パター
ンと前記サブスケールの第１格子パターンを介して得ら
れる光と、前記メインスケールの格子パターンと前記サ
ブスケールの第２格子パターンを介して得られる光と、
前記メインスケールの格子パターンと前記サブスケール
の発光強度モニター用スリットを介して得られる光とを
個別に光電変換し、前記第１、第２格子パターンに対応
する互いに位相が異なる第１と第２の周期信号と、前記
発光強度モニター用スリットからの前記光源の発光強度
に対応する信号とを出力する光電変換手段とを有し、前
記光源の発光強度に対応する信号にもとづいて前記光源
の発光強度を調整するとともに、前記メインスケールと
サブスケールの一方を可動体に連結し、前記第１と第２
の周期信号にもとづいて該可動体の変位を測定する光学
式エンコーダにおいて、前記サブスケールの第１と第２
の格子パターンを、前記可動体が変位する方向にほぼ直
交する方向に近接させて設ける為に前記第１と第２の格
子パターンを挟んで前記発光強度モニター用スリットを
設けたことを特徴とするものである。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の実施例を具体的に説明するが、その前
に本発明の光学式エンコーダの基本構成が示してある前
述の第５図の装置に関し追加説明する。

第５図において、２と100は、前述したように各々メ
インスケールとサブスケールを示している。１はLEDな
どの光源であり、光源１から射出した光はレンズ５によ
りほぼ平行な光束となり、この平行光束がメインスケー
ル２の所定周期の格子パターン20（スリツト列）を照明
する。格子パターン20の光透過部（スリツト）を透過し
た光はサブスケール100の全面を照明する。

サブスケール100の後方には、サブスケール100の格子
パターン7,8,9,10と矩形スリツト６の各々に対応して設
けた複数個のフオトダイオード（以下、フオトダイオー
ドアレイと称す。）が設けられており、各フオトダイオ
ードアレイは入射光を光電変換する。

サブスケール100の格子パターン7,8,9,10からの光が
入射するフオトダイオードからの光電変換信号は、サブ
スケール100とメインスケール２のｘ方向の相対変位に
より周期的な信号となる。一方、矩形スリツト６からの
光が入射するフオトダイオードからの光電変換信号は周
期信号ではなく、光源１の発光強度の変化に応答して変
化する信号である。従って、このフオトダイオードから
の信号にもとづいて、光源１の発光強度を自動又は手動
で調整できる。

また、フオトダイオードとしては、その感度特性内に
光源１の発光スペクトルが含まれるものが用いられる。

さて、本発明の主たる特徴は、第５図に示されるよう
なサブスケール100の構成にある。

第１図及び第２図は本発明の一実施例を示すための説
明図であり、第１図はサブスケール100における格子パ
ターンの配置を示す拡大図、第２図は各格子パターンに
対応する各フオトダイオードからの出力信号を示す図で
ある。

格子パターン７は、対応するフオトダイオードからＡ
相信号を取出すためのパターンであり、格子パターン８
は対応するフオトダイオードからＢ相信号を取出すため
のパターンである。このＡ相信号の周期とＢ相信号の周
期は互いに90゜位相がずれたものであり、Ａ相及びＢ相
信号から周知の技術によりメインスケール２（可動体）
の変化する方向が判別できる。

また、格子パターン９は対応するフオトダイオードか
ら、Ａ相信号に対して180゜位相がずれた相信号を取
出すためのパターンであり、Ａ相信号と相信号の差動
をとることにより、電磁ノイズ等の外乱につよい周期信
号（Ｃ相信号）を形成し、この信号によりメインスケー
ル２の変位量や変位速度が測定される。

また、格子パターン10は対応するフオトダイオードか
ら、Ｂ相信号に対して180゜位相がずれた相信号を取
出すためのパターンであり、Ａ相と相の組合わせと同
様に、Ｂ相信号と相信号の差動をとることにより所定
の周期信号（Ｄ相信号）を形成し、この信号によりメイ
ンスケール２の変位量や変位速度が測定される。

もちろん、Ｃ相及びＤ相信号を組合せることにより、
各相単独の場合の、２倍の分解能でメインスケール２の
変位量が測定できる。

各格子パターン７〜10を介して得られる周期信号の状
態が第２図に示されている。このような周期信号を得る
ために、格子パターン７〜10は、その周期が格子パター
ン20の周期とほぼ同じであり、メインスケール２の格子
パターン20に対して、順次90゜づつ位相をずらしてあ
る。即ち、格子パターン７と８が互いに90゜位相がず
れ、格子パターン9,10が互いに90゜位相がずれているの
である。そして、本実施例では、格子パターン７と８を
変位方向ｘと直交する方向に互いに近接配置し、また格
子パターン９と10を変位方向ｘと直交する方向に互いに
近接配置している。このために、メインスケール２とサ
ブスケール100のアジスマ誤差の影響を、各周期信号が
受けにくくなっており、従って、各周期信号間の位相差
は正しく90゜に設定される。

第３図に格子パターン７と格子パターン８の距離とア
ジスマ誤差及びＡ相−Ｂ相間の相対的位相誤差量の関係
を示す。

第３図に示すグラフは、格子パターンのスリツトの長
さをｂ、幅をｗ（ｗ＝0.14・ｂ）、格子パターンA,Bの
スリツト端部間の距離をａとし、b/aをパラメータとし
てアジスマ誤差と位相誤差の関係をプロツトとしてあ
る。第３図から明らかなように、格子パターンA,B間の
距離が小さくなればなる程、アジスマ誤差の位相誤差に
対する影響も小さくなるのである。

従って、本実施例では、メインスケール２の変位方向
ｘに直交する方向に格子パターン7,8（9,10）を近接配
置したため、アジスマ誤差の影響が小さくなり、正確に
互いに90゜位相がずれた周期信号を常時得られる。これ
により、高精度の変位測定が可能な光学式エンコーダが
提供できる。

第１図に戻り、６は光源１の発光強度モニター用のス
リツトであり、これに対応するフオトダイオードから
は、光源１の発光強度に対応したＦ相信号が得られる。
このＦ相信号は、前述のように、光源１の発光強度を調
整するために用いられる。そして、スリツト６は、格子
パターン7,8の間、格子パターン9,10の間には存在せ
ず、これにより、上述した格子パターン7,8（格子パタ
ーン9,10）の近接配置を達成している。

また、本実施例におけるサブスケール100は、フオト
ダイオードアレイが形成されている基板上に設けられて
おり、フオトダイオードアレイとサブスケール100とは
一体化している。即ち、基板上にフオトダイオードアレ
イ（Ａ相、Ｂ相、相、相、Ｆ相用）を形成した後、
蒸着等の手法により各フオトダイオードアレイ上に格子
パターンやスリツトパターンを形成し、フオトダイオー
ドアレイをこれらのパターンによりマスキングしてい
る。従って、サブスケール100はマスクとして基板上に
設けられているのであり、第１図の符号６〜10で示す領
域は各々Ｆ相、Ａ相、Ｂ相、相、相用のフオトダイ
オード領域とみなしてよい。

このような構成とすることにより、メインスケール２
からの光を受光する受光手段（サブスケール＋光電変換
素子）の小型化を達成し、コンパクトな光学式エンコー
ダを提供できる。

また、フオトダイオードアレイを基板上に形成する時
に、フオトダイオード自体を格子状にパターニングし、
サブスケールとしての機能を与えてもよい。

第４図は本発明の他の実施例を示す説明図であり、第
１図の場合同様、エンコーダの基本構成は第５図に既に
示してある。本実施例のサブスケールと前記実施例のサ
ブスケールの違いは、Ｆ相信号を取り出すためのスリツ
ト６の形状にある。本実施例では、スリツト６を２つの
部分に分け、この２つの部分の間に格子パターン７〜10
を設けている。従って、格子パターン７と８、格子パタ
ーン９と10が近接配置されていることはもちろんのこ
と、格子パターン７と10、格子パターン８と９も近接配
置してある。

このような構成とすることにより、メインスケール２
を介してサブスケール100を照明する光の平行度に誤差
が多少あっても、メインスケール２の変位方向に配列し
た格子パターンを介して得られる周期信号間の位相誤差
の変動が小さくなる。

従って、例えば格子パターン７と９を介して得られる
周期信号の差動で形成されるＣ相信号が正確なものとな
り、精度の良い光学式エンコーダを提供できる。

以上２つの実施例を本願では示したが、本発明の思想
にもとづいて種々の形態の光学式エンコーダを提供する
ことが可能である。

例えば、上記各実施例では、第５図に示すようなリニ
アエンコーダを対象として説明したが、ロータリタイプ
のエンコーダにも本発明を用いることができる。また、
メインスケールを可動体に取り付ける代わりに、光源−
光学式−サブスケール−フオトダイオードの組から成る
１ユニツトを可動体に取付け、メインスケールを装置本
体に固定しても良い。また、フオトダイオードアレイを
用いる代わりに、サブスケールの格子パターンに対応さ
せて受光面を分割した分割センサを使用すると、セツテ
イングの面で有利になる。

〔発明の効果〕

以上、本発明によれば、光源の発光強度の調整ができ
るとともに、発光強度モニター用スリットが第１、第２
の格子パターンの間に存在しないので第１、第２の格子
パターンを近接配置でき、アジスマ誤差による周期信号
間の位相誤差の影響を低減し高精度に可動体の変位を測
定できる光学式エンコーダを提供することが可能にな
る。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は本発明の一実施例を示す説明図。 第３図は格子パターン間の距離とメインスケールとサブ
スケールのアジマス誤差とＡ相−Ｂ相間の位相誤差量の
関係を示すグラフ図。 第４図は本発明の他の実施例を示す説明図。 第５図は光学式エンコーダの基本構成を示す図。 １……光源 ２……メインスケール ６……スリツト ７〜10,20……格子パターン 100……サブスケール

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】所定周期の格子パターンが形成されたメイ
   ンスケールと、光源からの光で前記メインスケールを照
   明する照明手段と、該メインスケールの格子パターンに
   対して互いに位相が異なった第１と第２の格子パターン
   と前記光源の発光強度を調整するための発光強度モニタ
   ー用スリットを有し、前記メインスケールに対向させて
   設けられたサブスケールと、前記メインスケールの格子
   パターンと前記サブスケールの第１格子パターンを介し
   て得られる光と、前記メインスケールの格子パターンと
   前記サブスケールの第２格子パターンを介して得られる
   光と、前記メインスケールの格子パターンと前記サブス
   ケールの発光強度モニター用スリットを介して得られる
   光とを個別に光電交換し、前記第１、第２格子パターン
   に対応する互いに位相が異なる第１と第２の周期信号
   と、前記発光強度モニター用スリットからの前記光源の
   発光強度に対応する信号とを出力する光電変換手段とを
   有し、前記光源の発光強度に対応する信号にもとづいて
   前記光源の発光強度を調整するとともに、前記メインス
   ケールとサブスケールの一方を可動体に連結し、前記第
   １と第２の周期信号にもとづいて該可動体の変位を測定
   する光学式エンコーダにおいて、前記サブスケールの第
   １と第２の格子パターンを、前記可動体が変位する方向
   にほぼ直交する方向に近接させて設ける為に前記第１と
   第２の格子パターンを挟んで前記発光強度モニター用ス
   リットを設けたことを特徴とする光学式エンコーダ。