JP3369110B2 - 光電式エンコーダ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は光電式エンコーダ、
特に絶対位置を検出することのできるリニアエンコーダ
あるいはロータリエンコーダなどの光電式エンコーダの
改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】移動体の位置測定あるいは移動量の測定
のために光電的エンコーダが広く用いられており、相対
移動される一方の部材にメインスケールが取付けられ、
他方の部材に検出ヘッドを取付け、両スケール間の相対
移動量を光電変換して検出することによって、正確な位
置あるいは移動量を測定することができる。このような
光電式エンコーダは、例えば三次元測定器におけるプロ
ーブの移動量を測定したり、あるいは、工作機械の工具
の移動位置あるいは移動量を検出するために用いられて
いる。

【０００３】通常、メインスケール上には光学的に明暗
格子を形成する信号トラックが設けられ、一方、検出ヘ
ッドには、前記メインスケールの信号トラックに測定光
を照射する発光器が設けられ、前記信号トラックを通過
あるいは反射した光をインデックス側の信号格子を通し
て受光器で受光し、メインスケールと検出ヘッドとの相
対量に応じた明暗変化を電気的に検出して両者間の相対
位置あるいは相対移動量を精密に測定可能である。この
ような光電式エンコーダは、照射光の透過を利用するか
あるいは反射を利用するかによって透過型あるいは反射
型の光電式エンコーダに分類される。

【０００４】通常、この種の光電式エンコーダは、メイ
ンスケールと検出ヘッドとの相対移動量を測定するが、
改良されたエンコーダとして、メインスケールに原点ト
ラックを設けることによって、両スケール間の原点位置
を検出して絶対移動量を測定することが可能となってい
る。

【０００５】図５には、従来における一般的な原点測定
可能な光電式エンコーダの概略正面図が示され、また図
６には反射型光電式エンコーダとして構成された図５の
測定状態が模式的な断面図として示されている。

【０００６】図５、６において、相対移動される一方の
部材にはメインスケール１０が固定されており、一方、
他方の部材には検出ヘッド２０が固定されている。メイ
ンスケール１０の表面には精密な相対移動を検出するた
めに移動方向Ｘに沿って複数の精密な明暗格子が設けら
れており、これが主信号トラック１１を形成している。
通常、この主信号トラック１１はガラス基台からなるメ
インスケール１０の表面に金属などの反射率の高い薄膜
を蒸着し、これを格子状にエッチングした構成からな
る。また、前述した絶対測定を行うため、前記主信号ト
ラック１１に隣接して原点トラック１２が設けられ、原
点トラック１２はトラック上の少なくとも一ヶ所に金属
薄膜からなる他の部分と反射率の異なる少なくとも１個
の原点マーク１２ａを含む。

【０００７】一方、検出ヘッド２０は光透過性の高いガ
ラス基板からなり、そのほぼ中央位置に発光ダイオード
などからなる発光器２１が設けられている。この発光器
２１と対向する検出ヘッド２０の表面には、前記メイン
スケール１０の主信号トラック１１と同様の格子ピッチ
を有する発光格子２２が設けられ、図示した拡散型の発
光器２１から照射される光がこの発光格子２２を通って
明暗模様としてメインスケール１０の主信号トラック１
１あるいは原点トラック１２へ導光される。

【０００８】図６において、主信号トラック１１から反
射した明暗光は再び検出ヘッド２０に向かって反射さ
れ、検出ヘッド２０の表面に設けられているそれぞれ一
対の第１主信号格子２３ａ、２３ｂ及び第２主信号格子
２４ａ、２４ｂを通り、検出ヘッド２０に固定されてい
るそれぞれ一対の第１主信号受光器２５ａ、２５ｂ及び
第２主信号受光器２６ａ、２６ｂによって明暗信号が電
気的に検出される。周知のように、第１主信号受光器２
５ａと第２主信号受光器２６ａとが互いに９０度位相の
異なる信号Ａ、Ｂを出力し、一方他方の第１主信号受光
器２５ｂ及び２６ｂがそれぞれ前記９０度互いに異なる
位相を持った信号Ａ、Ｂに対して反転した信号Ｂ（−）
及びＡ（−）を出力する。したがって、これらの互いに
位相の異なる４種類の信号を演算することによって、極
めて精度の高い精密位相検出を行うことが可能である。

【０００９】次に、発光器２１から照射された拡散光は
更に発光格子２２を通って原点トラック１２へ照射さ
れ、前記原点マーク１２ａからの反射光が検出ヘッド２
０に設けられた原点格子２７を通って原点受光器２８に
入射される。この信号は原点信号Ｚとして出力され、メ
インスケール１０と検出ヘッド２０との原点位置を示す
ことができる。したがって、この原点信号Ｚを用いるこ
とによって、両者間の移動量を絶対値として出力するこ
とができる。

【００１０】なお、前記発光格子２２は、主信号トラッ
ク及び原点トラックに対して同一の格子として説明して
いるが、主信号トラックと原点トラックの両者に対して
それぞれ異なる格子形状とすることも可能である。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】前述したように、従来
の光電式エンコーダによれば、反射型あるいは透過型の
いずれにおいても、メインスケールと検出ヘッドとの原
点位置を知ることができるが、図５、６から明らかなよ
うに、従来装置においては、メインスケール１０の主信
号トラック１１と原点トラック１２とは互いに隣接して
配置されており、発光器２１からの照射光を最も離れた
原点トラックに確実に届かせるためには、十分に大きな
発光強度と広い発光角度を必要としていた。特に、原点
マーク１２ａは長いメインスケール１０の中に１個ある
いは極めて少ない数しか設けられておらず、この原点マ
ーク１２ａからの透過あるいは反射信号が他の主信号に
比して極めて緩い勾配をもった信号とならざるを得ず、
発光器２１の光量が少ない場合には、正確な原点位置を
取り出し難いという欠点があり、前述した発光器２１の
照度を大きくとるという必要性があった。

【００１２】この結果、従来装置に原点トラックを付加
した場合には、発光器２１における電流消費が増大し、
あるいは装置が大型化してしまうという欠点を有してい
た。

【００１３】また、従来においては、原点トラックが主
信号トラックの片側に配置されているため、メインスケ
ール１０が移動方向Ｘに対して僅かに傾いて移動したよ
うな場合、原点位置と主信号位置との間に大きな誤差が
生じてしまい、絶対値測定誤差を生じさせるという問題
を生じていた。

【００１４】本発明は上記従来の課題に鑑みなされたも
のであり、その目的は、装置を小型化し、発光器におけ
る電流消費を低減し、更に絶対原点を正確に検出するこ
とのできる改良された光電式エンコーダを提供すること
にある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、相対移動される一方の部材に固定され、
主信号トラックと原点トラックが設けられたメインスケ
ールと、相対移動する他方の部材に固定され、発光器、
発光格子、第１主信号格子、第２主信号格子、原点格
子、第１主信号受光器、第２主信号受光器、原点受光器
を有する検出ヘッドとを含み、前記メインスケールと検
出ヘッドとが相対移動する際、メインスケールと検出ヘ
ッドとの間のギャップが変化するものであり、上記メイ
ンスケールは、スケールの移動方向に沿って第１主信号
トラック及び第２主信号トラックを形成するように並列
に二分割された主信号トラックと、両主信号トラックの
間に配置された原点トラックを有し、前記第１主信号格
子及び第１主信号受光器は前記第１主信号トラックに対
向するように、かつ、第１主信号トラックの延在方向に
沿って２個離間して配置され、一方の第１主信号受光器
から前記メインスケールと前記検出ヘッド間の相対移動
量に応じたＡ信号を出力し、他方の第１主信号受光器か
ら前記Ａ信号に対して９０度位相の異なるＢ（−）信号
を出力し、前記第２主信号格子及び第２主信号受光器は
前記第２主信号トラックに対向するように、かつ、前記
第２主信号トラックの延在方向に沿って２個離間して配
置され、前記一方の第１主信号受光器に対応する一方の
第２主信号受光器から前記メインスケールと前記検出ヘ
ッド間の相対移動量に応じ、かつ前記Ａ信号に対して９
０度位相が異なるとともに前記Ｂ（−）信号に対して位
相が反転したＢ信号を出力し、前記他方の第１主信号受
光器に対応する他方の第２主信号受光器から前記Ｂ信号
に対して９０度位相が異なるとともに前記Ａ信号に対し
て位相が反転したＡ（−）信号を出力し、前記原点トラ
ックに対向するように配置された前記原点格子及び前記
原点受光器から原点信号を出力することを特徴とする。

【００１６】この結果、本発明によれば、スペースユテ
ィリティを改善し、発光器の照射光を有効に利用するこ
とができ、また原点トラック及び原点受光器が発光器か
ら近くに配置されることから、原点測定用の照射光量が
従来よりも充分に大きい状態で測定作用が行われ、正確
な原点測定を可能とする。また、原点トラックが両主信
号トラックに挟まれた位置にあるため、メインスケール
が移動方向に僅かに傾いた場合においても、原点信号と
主信号との調整を電気的に容易に行うことが可能とな
る。

【００１７】本発明は、特に発光器として拡散型の発光
器を用いた場合に有効である。

【００１８】本発明は、反射型においてもあるいは透過
型においても同様に適用することができる。

【００１９】本発明においては、更に検出ヘッドにおけ
る第１主信号格子及び第１主信号受光器を発光器に対し
てメインスケールの幅方向の一側に配置し、第２主信号
格子及び第２主信号受光器をメインスケール幅方向他側
に配置し、原点格子及び原点受光器を発光器に対してメ
インスケールの移動方向に隣接して配置することによっ
て、原点受光器と発光器との間隔を著しく近接させるこ
とが可能となる。

【００２０】本発明において、発光器自体を光拡散型の
発光器とすることが好適である、またエンコーダ自体と
しては反射型でも透過型でもいずれの形式も採用可能で
ある。

【００２１】また、本発明における光電式エンコーダ
は、メインスケールと検出ヘッドとが相対移動する際
に、両者間のギャップが変化する場合においても正確な
検出作用を可能とすることができる。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下図面に基づいて本発明の好適
な実施形態を説明する。

【００２３】図１、図２には本発明の第１実施形態が示
され、従来の図５、図６と同一あるいは対応する部材に
は同一符号を付して説明を省略する。

【００２４】本発明において特徴的なことは、メインス
ケール１０に設けられている主信号トラックが第１主信
号トラック１１ａ、第２主信号トラック１１ｂに分割さ
れていることであり、両主信号トラック１１ａ、１１ｂ
はスケールの移動方向Ｘに沿って並列に二分割されてい
る。そして、両主信号トラック１１ａ、１１ｂの間に原
点トラック１２が配置されている。

【００２５】上記メインスケール１０の構成にしたが
い、検出ヘッド２０のそれぞれ一対の第１主信号格子２
３ａ、２３ｂ、第１主信号受光器２５ａ、２５ｂそして
第２主信号格子２４ａ、２４ｂそして第２主信号受光器
２６ａ、２６ｂの配置が若干変更され、それぞれ前述し
た二分割された第１及び第２主信号トラック１１ａ、１
１ｂと対応した配置となっている。そして、本実施形態
において特徴的なことは、検出ヘッド２０に設けられて
いる原点格子２７及び原点受光器２８が発光器２１と隣
接して前述した原点トラック１２との対向面に配置され
ていることである。

【００２６】図２において、発光器２１からの照射光が
３本の矢印にて示されており、両主信号トラック１１
ａ、１１ｂに対する光路は従来の図６とほぼ同様である
が、原点測定のために原点トラック１２から反射される
光路は図６と比し十分に短い光路となっていることが明
らかである。

【００２７】以上のように、第１実施形態から明らかな
ように、本発明によれば、原点トラック１２を発光器２
１の近傍に配置することができたために、原点測定のた
めの照射光は発光器２１が拡散型であったとしても、十
分に大きな照度の状態で原点マーク１２ａの検出を行う
ことができ、発光器２１の照度を特に増大させることな
く正確に原点位置を測定することが可能となる。

【００２８】したがって、本発明によれば、装置を小型
し、かつ消費電流を低減することのできる利点がある。

【００２９】また、本発明によれば、メインスケール１
０が移動方向Ｘに沿って僅かに角度φだけ傾いた場合に
おいても、原点信号が主信号の中央位置から検出される
ので、このような傾きφに対しても電気的に確実かつ容
易に補正することができるという利点がある。

【００３０】また、図１の実施形態において、メインス
ケールの幅Ｗは従来と同一の幅とすることができ、これ
によってメインスケール１０のガラス基板を従来と同様
のものを利用することができるという利点がある。

【００３１】図１において、主信号を検出するための主
信号格子及び主信号受光器の幅方向ピッチＰｙは従来の
図５と比して僅かに増加しているが、発光器２１を光拡
散型とした場合においても、全体的に光が到達する距離
が従来の図５におけるよりも短かくすることができ、こ
れによっても本発明によれば、発光器２１の照射光を有
効に利用することができることが理解されよう。

【００３２】図３には本発明に係る光電式エンコーダの
第２実施形態が示され、第１実施形態と同一又は対応す
る部材には同一符号を付して説明を省略する。

【００３３】第２実施形態において特徴的なことは、主
信号格子及び主信号受光格子配置ピッチＰｘを小さくし
たことである。

【００３４】すなわち、一対の第１主信号格子２３ａ、
２３ｂ及び一対の第１主信号受光器２５ａ、２５ｂは発
光器２１に対してメインスケール１０の幅方向一側に発
光器２１と隣接して配置されている。同様に、第２主信
号格子２４ａ、２４ｂ及び一対の第２主信号受光器２６
ａ、２６ｂは発光器２１に対してメインスケール１０の
幅方向他側に発光器２１と隣接して配置されている。

【００３５】このために、第２実施形態によれば、メイ
ンスケール１０の幅Ｗは、第１実施形態より広くなる
が、一方においてメインスケールの移動方向に対するピ
ッチＰｘを狭くすることができ、発光器２１のメインス
ケール幅方向両側に配置された各対の主信号格子２３ａ
／２３ｂ、２４ａ／２４ｂ、主信号受光器２５ａ／２５
ｂ、２６ａ／２６ｂを近接配置し、発光器２１の照射光
をさらに有効に利用することが可能となる。

【００３６】このような第２実施形態の形状は、発光器
２１として光拡散型の発光器を用いた場合においてその
照射光を有効に利用するために極めて有用である。もち
ろん、第２実施形態においても、原点格子２７及び原点
受光器２８が発光器２１と近接した位置に配置され、こ
れによって原点測定用の充分な照射光量を得ることが可
能である。第２実施形態における前述したメインスケー
ル移動方向のピッチＰｘが小さいことは、さらに本発明
に係る光電式エンコーダを、メインスケールと検出ヘッ
ドとが相対移動する際に両者間のギャップが変化するよ
うな利用形態において極めて有用である。

【００３７】図４には前述したメインスケールと検出ヘ
ッドとのギャップが異なる利用形態を示している。図に
おいて、メインスケール１０はワイヤボンダ装置のベン
ディングアーム３０の基部３０ａに装着されている。ボ
ンディングアーム３０は軸１００を中心に僅かな角度揺
動し、その先端が対向している半導体チップ４０の所定
位置にボンディング作用を行う。通常、このような揺動
運動に対する位置を検出するためにはロータリエンコー
ダ又はその一部を利用した扇状スケールを使用するのが
通常であるが、ロータリエンコーダの場合には、エンコ
ーダ軸芯を測定対象物である、図４におけるボンディン
グアーム３０の軸１００と正確に一致させなければなら
ず、この軸合わせが面倒であるという欠点があった。こ
のために、図示のごとくリニアスケールであるメインス
ケール１０をボンディングアーム３０の基部３０ａに直
接固定することが提案された。この場合、検出ヘッド２
０が図示していない基部に固定されており、ボンディン
グアーム３０が所定角度揺動するときに、メインスケー
ル１０と検出ヘッド２０との相対移動量を測定する。

【００３８】このような利用形態においては、ボンディ
ングアーム３０が揺動するにしたがい、メインスケール
１０と検出ヘッド２０とのギャップが変化してしまう。

【００３９】したがって、このような場合にメインスケ
ール１０の揺動方向に対して検出用の主信号受光器が広
い間隔で配置されていると、実際の測定範囲を広くとる
ことができないという欠点がある。このような場合、図
３に示した移動方向ピッチＰｘが狭い本発明の第２実施
形態によれば、メインスケール１０と検出ヘッド２０と
のギャップが変化した場合においても、比較的広い揺動
範囲を許容することが可能であり、このような利用形態
に対して本発明の第２実施形態が極めて有用である。

【００４０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
メインスケールに設けられる原点トラックを二分割した
主信号トラックを間に配置することによって、発光器の
照射光を有効に利用することができ、小型かつ小電力の
光電式エンコーダを得ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係る光電式エンコーダの好適な第１
実施形態を示す要部平面図である。

【図２】 図１に示した第１実施形態の検出作用を示す
模式的な断面図である。

【図３】 本発明に係る光電式エンコーダの好適な第２
実施形態を示す要部平面図である。

【図４】 図３に示した実施形態をワイヤボンダ装置に
適用した状態を示す斜視図である。

【図５】 従来における光電式エンコーダを示す平面図
である。

【図６】 図５に示した従来の光電式エンコーダの模式
的断面図である。

【符号の説明】

１０ メインスケール、１１ａ 第１主信号トラック、
１１ｂ 第２主信号トラック、１２ 原点トラック、２
０ 検出ヘッド、２１ 発光器、２２ 発光格子、２３
ａ、２３ｂ 第１主信号格子、２４ａ、２４ｂ 第２主
信号格子、２５ａ、２５ｂ 第１主信号受光器、２６
ａ、２６ｂ 第２主信号受光器、２７ 原点格子、２８
原点受光器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平８−94388（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−158413（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−279812（ＪＰ，Ａ) 実開 平６−7013（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01D 5/00 - 5/62 G01B 7/00 - 7/34 G01B 11/00 - 11/30

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 相対移動される一方の部材に固定され、
   主信号トラックと原点トラックが設けられたメインスケ
   ールと、 相対移動する他方の部材に固定され、発光器、発光格
   子、第１主信号格子、第２主信号格子、原点格子、第１
   主信号受光器、第２主信号受光器、原点受光器を有する
   検出ヘッドと、 を含み、前記メインスケールと検出ヘッドとが相対移動する際、
   メインスケールと検出ヘッドとの間のギャップが変化す
   るものであり、 上記メインスケールは、スケールの移動方向に沿って第
   １主信号トラック及び第２主信号トラックを形成するよ
   うに並列に二分割された主信号トラックと、両主信号ト
   ラックの間に配置された原点トラックを有し、 前記第１主信号格子及び第１主信号受光器は前記第１主
   信号トラックに対向するように、かつ、第１主信号トラ
   ックの延在方向に沿って２個離間して配置され、一方の
   第１主信号受光器から前記メインスケールと前記検出ヘ
   ッド間の相対移動量に応じたＡ信号を出力し、他方の第
   １主信号受光器から前記Ａ信号に対して９０度位相の異
   なるＢ（−）信号を出力し、 前記第２主信号格子及び第２主信号受光器は前記第２主
   信号トラックに対向するように、かつ、前記第２主信号
   トラックの延在方向に沿って２個離間して配置され、前
   記一方の第１主信号受光器に対応する一方の第２主信号
   受光器から前記メインスケールと前記検出ヘッド間の相
   対移動量に応じ、かつ前記Ａ信号に対して９０度位相が
   異なるとともに前記Ｂ（−）信号に対して位相が反転し
   たＢ信号を出力し、前記他方の第１主信号受光器に対応
   する他方の第２主信号受光器から前記Ｂ信号に対して９
   ０度位相が異なるとともに前記Ａ信号に対して位相が反
   転したＡ（−）信号を出力し、 前記原点トラックに対向するように配置された前記原点
   格子及び 前記原点受光器から原点信号を出力することを
   特徴とする光電式エンコーダ。
2. 【請求項２】 請求項１記載の光電式エンコーダにおい
   て、 前記発光器は光拡散型発光器であることを特徴とする光
   電式エンコーダ。
3. 【請求項３】 請求項１、２のいずれか１に記載の光電
   式エンコーダにおいて、 前記発光器、発光格子、第１主信号格子、第２主信号格
   子、原点格子、第１主信号受光器、第２主信号受光器及
   び原点受光器は前記メインスケールの一方側に配置され
   る反射型であることを特徴とする光電式エンコーダ。
4. 【請求項４】 請求項１、２のいずれか１に記載の光電
   式エンコーダにおいて、 前記発光器及び発光格子は前記メインスケールの一方側
   に配置され、前記第１主信号格子、第２主信号格子、原
   点格子、第１主信号受光器、第２主信号受光器及び原点
   受光器は前記メインスケールの他方側に配置される透過
   型であることを特徴とする光電式エンコーダ。