JP4020713B2 - 光学式エンコーダ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光学式エンコーダに係り、特に、光学的手段を用いて周期的な信号を検出することにより、光源とスケールの相対的な変位を検出する変位センサやサーボモータに適用可能な光学式エンコーダに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、工作機械や精密測定機器等においては、相対変位する２つの部材の位置を目標位置に一致させるために、この２つの部材間の変位量を検出して、その検出結果に基づいて制御を行うサーボ機構が設けられている。
【０００３】
現在、このようなサーボ機構としては、サーボモータ、特に、交流サーボモータが主流になりつつある。
【０００４】
ところで、交流サーボモータを制御するには、通常の位置、及び速度を制御するための、９０度位相差を有する２相信号、いわゆるＡ相、Ｂ相信号と、モータの磁極を制御するための１２０度位相差を有する３相信号、いわゆるＵ相、Ｖ相、Ｗ相信号が用いられている。
【０００５】
ここで、ＡＢ相信号は比較的短い周期の信号であり、一方、ＵＶＷ相信号は、ＡＢ相信号に比べて長い周期を有する信号となっている。
【０００６】
例えば、回転制御を行うロータリ型の交流サーボモータの場合、一般的なＡＢ相信号は、数１００〜数１０００周期／回転であるのに対し、一般的なＵＶＷ相信号は、２〜数周期／回転と、大きく異なっている。
【０００７】
このため、従来は、図１３に示すように、モータの回転軸に支持されたＡＢ相信号用を検出するためのスケール２０と光源１０と光検出器３０からなるセンサ１組と、ＵＶＷ相を検出するためのスケール４０と光検出器５０からなるセンサ１組との、都合２組のスケールとセンサとを用いて制御を行う必要があった。
【０００８】
従って、従来のサーボモータの構成では、ＡＢ相用とＵＶＷ相用の２組のスケールとセンサとを用いているため、部品点数も多く、調整や組立のコストの増大を招いており、また、モータ部に対してセンサ部が大きいなどの問題点を有している。
【０００９】
このような問題点を解決するために、例えば、特開平１０−１３２６０５公報には、図１４に示すように、一つの周期パターンを有するスケールと、これを検出するためのセンサ部一組と、このセンサからの出力信号を異なる周期に内挿するための二つの内挿手段を用いる位置検出装置が記載されている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平１０−１３２６０５公報に開示されている従来の位置検出装置には、以下に示すような多くの問題点が存在する。
【００１１】
すなわち、上記二つの内挿手段を用いる位置検出装置では、スケールパターンの周期をより粗いＵＶＷ相信号の周期とする必要があるので、ＡＢ相信号についてはこの粗い信号を内挿、分割して生成するため、高い分解能を実現することが困難であるという問題がある。
【００１２】
また、この場合、無理に分割数を大きくして見かけ上高い分解能を実現したとしても、大きな誤差を含んだものとなり、高い精度が要求される工作機械や精密測定器等に用いることができないという点で問題となる。
【００１３】
さらに、上記の方法では、信号処理が複雑なものとなり、制御系が複雑化するばかりでなく、装置の大型化、高価格化は避けられという問題がある
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、ＡＢ相信号を高分解能に出力可能で、しかも部品点数を少なくし、組立なども容易に行えることにより、小型で低価格な光学式エンコーダを提供することを目的としている。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明によると、一つのスケール上に反射型光学パターンと透過型光学パターンまたは、反射型光学パターンと磁気周期パターンを形成することにより、高分解能なＡＢ相出力と、制御しようとするモータに適したＵＶＷ相信号を出力することを可能とし、その結果、高分解能で、且つモータ制御可能であり、さらに部品点数が少なく小型化、低価格化が容易な光学式エンコーダを提供することが可能となる。
【００１５】
さらに、本発明によると、ＡＢ相用周期パターンとＵＶＷ相用周期パターンとを同一トラック上に形成することにより、ロータリ型センサの場合にはそのスケール最外径を、リニア型センサの場合にはそのスケール幅をより小型化した光学式エンコーダを提供することが可能となる。
【００１６】
具体的には、本発明によると、上記課題を解決するために、
（１） 光源と、前記光源に対して相対的に移動し、所定ピッチの周期的な光学パターンが形成されたスケールと、前記光源から出射された光ビームによる前記スケールの光学パターンからの反射光または透過光を受光する光検出器とを備える光学式エンコーダにおいて、
前記スケールが、少なくとも一つの反射型の光学パターンと、少なくとも一つの透過型の光学パターンとを有し、かつ、前記反射型の光学パターンの形成されたトラックと、前記透過型の光学パターンの形成されたトラックとが重なりを有し、前記反射型の光学パターンの有するピッチをＰｒとし、前記透過型の光学パターンの有するピッチをＰｔとしたとき、Ｐｔ＞Ｐｒなる関係を有しており、
前記光検出器が、前記スケールの反射型の光学パターンからの反射光を受光する第１の光検出器と、前記スケールの透過型の光学パターンからの透過光を受光する第２の光検出器とを有することを特徴とする、光学式エンコーダが提供される。
【００１７】
また、本発明によると、上記課題を解決するために、
（２） 前記反射型の光学パターンの有するピッチをＰｒとし、前記透過型の光学パターンの有するピッチをＰｔとしたとき、Ｐｔ＞１０×Ｐｒなる関係を有していることを特徴とする（１）に記載の光学式エンコーダが提供される。
【００１８】
また、本発明によると、上記課題を解決するために、
（３） 前記スケールの反射型の光学パターンのトラック幅をＷｒとし、前記スケールの透過型の光学パターンのトラック幅をＷｔとしたとき、Ｗｔ≧Ｗｒなる関係を有していることを特徴とする（１）又は（２）に記載の光学式エンコーダが提供される。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【００３１】
（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態による光学式エンコーダついて、図１乃至図３を参照して説明する。
【００３２】
図１は、本発明の第１の実施の形態による光学式エンコーダの構成を示す側面図である。
【００３３】
すなわち、図１に示す光学式エンコーダは、変位センサやサーボモータに適用可能であって、移動量や移動速度を検出するための９０度の位相差を有する２つの信号である、Ａ相信号とＢ相信号を検出して出力するための反射型のセンサヘッド１と、図示しないサーボモータの磁極の位置に同期した１２０度位相差を有する３つの信号、Ｕ相信号、Ｖ相信号、Ｗ相信号を検出して出力するための透過型センサヘッド３と、二つのセンサヘッド１及び３に対応した光学パターンが形成された一つのスケール２０により構成されている。
【００３４】
ここで、スケール２０は、図示しないサーボモータ本体の回転軸に支持され、モータの回転軸の回転に伴って回転する。
【００３５】
また、反射型のセンサヘッド１には、光源１１と、光検出器１３とが形成されている。
【００３６】
そして、光源１１から出射した光ビームは、スケール２０上に形成された反射型の光学パターン２２によって反射され、この反射光が光検出器１３で検出される。
【００３７】
この場合、スケール２０上に形成された反射型の光学パターン２２は、スケール２０の回転方向に周期的に反射部と非反射部を有しており、スケール２０の回転に伴って、反射型のセンサヘッド１は９０度位相差を有する二つの信号である、Ａ相信号とＢ相信号を出力するように構成されている。
【００３８】
また、モータを制御するため、モータの磁極の位置と同期した、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の１２０度位相差の３相の信号を検出して出力する透過型センサヘッド３は、光源３１と光検出器３３を有している。
【００３９】
そして、光源３１から出射した光ビームは、スケール２０上に形成された透過型の光学パターン２４によって変調され、この透過型の光学パターン２４に応じた光ビームが光検出器３３に入射されるようになっている。
【００４０】
ここで、スケール２０上に形成された透過型の光学パターン２４は、制御しようとするモータの磁極の位置と対応するように配置されており、この結果、光検出器３３からは１２０度位相差を有し、モータの磁極の位置に対応した３相の信号である、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各信号が出力されるように構成されている。
【００４１】
図２は、スケール２０に形成される、ＡＢ相用光学パターンとしての反射型の光学パターン２２と、ＵＶＷ相用光学パターンとしての透過型の光学パターン２４とを示す下面図である。
【００４２】
すなわち、図２に示されるように、スケール２０には、ＡＢ相用光学パターンとしての反射型の光学パターン２２が外周部に所定のピッチで形成されていると共に、ＵＶＷ相用光学パターンとしての透過型の光学パターン２４が内周部に所定の間隔で形成されている。
【００４３】
図３は、スケール２０の側断面である。
【００４４】
すなわち、このスケール２０の断面は、図３に示されるように構成されており、ガラス等の透明な部材からなる基材２６の表面にＡＢ相用光学パターンとしての反射型の光学パターン２２と、ＵＶＷ相用光学パターンとしての透過型の光学パターン２４が後述するコーティング部材により形成されている。
【００４５】
ここで、ＡＢ相用光学パターンとしての反射型の光学パターン２２は、反射型のパターンであるため、その反射部分にクロムなど所定の反射率を有するコーティング部材によりパターニングして形成することが可能である。
【００４６】
また、ＵＶＷ相用光学パターンとしての透過型の光学パターン２４は、透過型のパターンであるため、その非透過部分にクロム等の他に、黒色の樹脂や金属酸化物などのコーティング部材も使用することが可能である。
【００４７】
本実施の形態では、ＡＢ相用光学パターンとしての反射型の光学パターン２２も、ＵＶＷ相用光学パターンとしての透過型の光学パターン２４もガラス部材２６の表面にクロム膜を図２に示すようにパターニングしたものを用いている。
【００４８】
図１に戻って説明を続けると、光源１１から反射型の光学パターン２２に光ビームが照射されると、この光ビームは反射型の光学パターン２２により変調され、複数の受光素子からなる光検出器１３上に、この反射型の光学パターン２２に応じて周期的に光強度が変化する光強度パターンが投影される。
【００４９】
すなわち、光検出器１３には、この光強度パターンの二つ以上の位相を検出するための、複数の受光素子が光強度パターンの周期に応じて配置されている。
【００５０】
そして、光検出器１３は、この受光した光強度パターンから、互いに９０度位相差を有する二つの信号として、いわゆるＡＢ相信号を出力するように構成されている。
【００５１】
また、透過型のセンサヘッド３の光源３１から出射された光ビームは、スケール２０上に形成された透過型の光学パターン２４に照射され、この透過型の光学パターン２４により、透過するかまたは遮られ、光検出器３３には透過型の光学パターン２４に応じた光ビームが入射される。
【００５２】
ここで、光検出器３３は、１２０度位相差をもって同一トラック上に３個配置されており、１２０度位相差を有する３相信号である、Ｕ、Ｖ、Ｗ相信号を検出して出力可能なように構成されている。
【００５３】
以上のように構成することにより、本発明の第１の実施の形態によれば、１枚のスケール２０で、ＡＢ相信号とＵＶＷ相信号を検出して、出力可能な光学式エンコーダを実現することが可能となり、より小型で部品点数の少ない光学式エンコーダと、それを用いたサーボモータを提供することが可能となる。
【００５４】
（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態による光学式エンコーダについて、図４乃至図６を用いて説明する。
【００５５】
本発明の第２の実施の形態による光学式エンコーダにおいて、その基本的な構成は、上述した第１の実施の形態と同様に構成されており、基本的な動作についても、第１の実施の形態と同様であるため、以下では、主に、第１の実施の形態との相違点について説明する。
【００５６】
図４は、第２の実施の形態において、スケール２０上の同一のトラック上に重ねて形成される、ＡＢ相用光学パターンとしての反射型の光学パターン２２と、ＵＶＷ相用光学パターンとしての透過型の光学パターン２４とを示す下面図である。
【００５７】
すなわち、この第２の実施の形態においては、第１の実施の形態の説明図である図１において、スケール２０上の外周部に形成されたＡＢ相用の反射型の光学パターン２２とスケール２０上の内周部に形成されたＵＶＷ相用の透過型の光学パターン２４とが、図４に示されるように、スケール２０上の同一のトラック上に重ねて構成されている点で異なっている。
【００５８】
このため、第２の実施の形態による光学式エンコーダにおいては、ＡＢ相信号を検出するための反射型のセンサヘッド１と、ＵＶＷ相信号を検出するための透過型のセンサヘッド３とをスケール２０上の同一トラック上に配置することが可能となるので、スケール２０の半径を、第１の実施の形態と比較してより小型化することが可能となる。
【００５９】
すなわち、この第２の実施の形態による光学式エンコーダは、第１の実施の形態による光学式エンコーダの機能を損なうことなく、より小型化した光学式エンコーダを提供することが可能となる。
【００６０】
図５の（ａ）は、本実施の形態によるスケール２０の断面図である。
【００６１】
すなわち、このスケール２０は、図５の（ａ）の断面図に示すように、まず、ガラスなど透明な部材からなる基材２６の表面における所定のトラック上に所定のピッチで、ＵＶＷ相用光学パターンとしての透過型の光学パターン２４をコーティング部材によりパターニングして形成する。
【００６２】
このＵＶＷ相用光学パターンとしての透過型の光学パターン２４は、光を遮り、且つ反射率が後述するＡＢ相用光学パターンとしての反射型の光学パターン２２よりも小さいものであればコーティング部材として何を用いてもかまわない。
【００６３】
例えば、コーティング部材としては、黒色の樹脂やアルマイトなど光を遮り、表面の反射率が低いものであれば何でもよく、さらには、表面の反射率は、スケール２０の基材２６であるガラス等透明な部材の表面反射率と近いコーティング部材であることが望ましい。
【００６４】
この、ＵＶＷ相用光学パターンとしての透過型の光学パターン２４上には、ＡＢ相用光学パターンとしての反射型の光学パターン２２が形成されている。
【００６５】
このＡＢ相用光学パターンとしての反射型の光学パターン２２は、一般にアルミニウムやクロムなど、スケール２０の基材２６と比較して高い反射率を有するものなら何でもコーティング部材として使用することが可能であり、特に、コーティング部材としての金属膜をエッチングなどによりパターニングしたものを用いれば、容易で安価に作製することが可能である。
【００６６】
なお、図５の（ｂ）に示すように、反射型の光学パターン２２と透過型の光学パターン２４がそれぞれスケール２０の基材２６の異なる面上に形成されたスケールを用いることも可能である。
【００６７】
すなわち、図５の（ｂ）は、この第２の実施の形態の変形例によるスケール２０の断面図である。
【００６８】
次に、以上のような第２の実施の形態の光学式エンコーダの動作について、図６に示される構成に基づいて説明する。
【００６９】
図６は、本発明の第２の実施の形態による光学式エンコーダの構成を示す側面図である。
【００７０】
まず、図６に示すように、反射型のセンサヘッド１の光源１１から出射された光りビームは、第１の実施の形態の場合と同様にスケール２０上に形成されているＡＢ相用光学パターンとしての反射型の光学パターン２２により変調され、その反射光が光検出器１３により検出される。
【００７１】
一方、透過型のセンサヘッド３の光源３１から出射された光ビームは、スケール２０上のＡＢ相用光学パターンとしての反射型の光学パターン２２を通過し、ＵＶＷ相用光学パターンとしての透過型の光学パターン２４に入射される。
【００７２】
そして、光源３１から出射した光ビームが、スケール２０上でＡＢ相用光学パターンとしての反射型の光学パターン２２の下部に形成されたＵＶＷ相用光学パターンとしての透過型の光学パターン２４の透過部に入射した場合、光ビームはＡＢ相用光学パターンとしての反射型の光学パターン２２により変調されたのちＵＶＷ相用光学パターンとしての透過型の光学パターン２４を透過し、光検出器３３により検出される。
【００７３】
一方、この光ビームがＵＶＷ相用光学パターンとしての透過型の光学パターン２４の遮光部に入射した場合、光ビームはこの遮光部に遮られ、光検出器３３ではその光ビームが検出されない。
【００７４】
つまり、スケール２０の同一トラック上に二つのパターンを重ねて形成した場合でも、それぞれＡＢ相とＵＶＷ相信号を独立に検出することが可能となる。
【００７５】
ここで、透過型のセンサヘッド３の光検出器３３に検出されるＵＶＷ信号は、ＡＢ相パターンを通過した光ビームを検出することになる。
【００７６】
この場合、一般に、ＡＢ相用光学パターンとしての反射型の光学パターン２２の周期に比べてＵＶＷ相用光学パターンとしての透過型の光学パターン２４の周期は十分に大きい。
【００７７】
このため、光検出器３３の受光部の、スケール移動方向の長さをＡＢ相用光学パターンとしての反射型の光学パターン２２により変調された光強度パターンの周期の整数倍の大きさとするなどＡＢ相用光学パターンとしての反射型の光学パターン２２の周期に応じた大きさとすることにより、ＡＢ相用光学パターンとしての反射型の光学パターン２２による影響を除去することが可能である。
【００７８】
また、ＡＢ相用光学パターンとしての反射型の光学パターン２２により形成される光強度パターンが、光検出器３３の受光部に十分な周期数入射するように、十分に大きくすることによっても、ＡＢ相用光学パターンとしての反射型の光学パターン２２による影響を除去することが可能である。
【００７９】
さらには、受光素子の位置をスケールから遠ざける等、スケール２０と受光素子３３間の距離を大きくすることで、光強度パターンが結像しないように光検出器３３を配置するなどの方法によっても、ＡＢ相用光学パターンとしての反射型の光学パターン２２による影響を除去することが可能である。
【００８０】
なお、ＡＢ相用光学パターンとしての反射型の光学パターン２２のピッチＰｒは、ＵＶＷ相用光学パターンとしての透過型の光学パターン２４のピッチＰｔと比較して、Ｐｔ＞Ｐｒなる関係を有することが望ましく、さらにＰｔ＞１０×Ｐｒなる関係を有するようにすれば、より効果的である。
【００８１】
また、反射型の光学パターンと磁気パターンとを同一のスケール上に形成した場合においても、反射型の光学パターンのピッチＰｒと磁気パターンピッチＰｍとが、Ｐｍ＞Ｐｒなる関係を有することが望ましく、さらにＰｍ＞１０×Ｐｒなる関係を有するようにすれば、より効果的である。
【００８２】
以上のように構成することにより、本発明の第２の実施の形態によれば、１枚のスケールを用いると共に、そのスケールの大きさをより小型化することが可能となり、より小型の光学式エンコーダ及びそれを用いたサーボモータを提供することが可能となる。
【００８３】
（第３の実施の形態）
次に、本発明の第３の実施の形態による光学式エンコーダについて、図７を用いて説明する。
【００８４】
本実施の形態においては、その基本的な構成が、上述した第２の実施の形態と同様に構成されており、基本的な動作についても第２の実施の形態と同様であるため、以下では、主に、第２の実施の形態との相違点について説明する。
【００８５】
図７は、本実施の形態において、スケール２０上の同一のトラック上に重ねて形成されるＡＢ相用光学パターンとしての反射型の光学パターン２２と、ＵＶＷ相用光学パターンとしての透過型の光学パターン２４とを示す下面図である。
【００８６】
すなわち、図７に示すように、この第３の実施の形態では、同一トラック上に形成された、ＡＢ相用光学パターンとしての反射型の光学パターン２２の幅Ｗｒと、ＵＶＷ相用光学パターンとしての透過型の光学パターン２４の幅Ｗｔが、図７に示されるように、Ｗｔ≧Ｗｒなる関係を有するように構成されている。
【００８７】
このように構成することにより、ＡＢ相用としての反射型のセンサヘッド１と比べてＵＶＷ相用としての透過型のセンサヘッド３を、スケール２０の半径方向について取付余裕度を大きくすることが可能となる。
【００８８】
以上のように構成することにより、本発明の第３の実施の形態によれば、ＡＢ相用センサヘッド１に比べてＵＶＷ相用センサヘッド３の取付余裕度を大きくすることが可能となり、製造、組立コストをより低減した小型の光学式エンコーダおよびそれを用いたサーボモータを提供することが可能となる。
【００８９】
なお、反射型の光学パターンと磁気パターンとを同一のスケール上に形成した場合においても、反射型の光学パターンの幅Ｗｒと磁気パターンの幅Ｗｍとが、Ｗｍ≧Ｗｒなる関係を有するように構成することで、同様の効果を得ることができる。
【００９０】
（第４の実施の形態）
次に、本発明の第４の実施の形態による光学式エンコーダについて、図８を用いて説明する。
【００９１】
本実施の形態においては、その基本的な構成が、上述した第１及び第２の実施の形態と同様に構成されており、基本的な動作についてもこの第１及び第２の実施の形態と同様であるため、以下では、主に、これらの実施の形態との相違点について説明する。
【００９２】
図８は、本発明の第４の実施の形態による光学式エンコーダの主要部の構成を示す側面図である。
【００９３】
すなわち、図８に示すように、本実施の形態では、ＡＢ相信号を検出して出力するための反射型のセンサヘッド１の光源１１と、スケール２０と、光検出器１３とが、図示されてるようなタルボットイメージを形成して、それを検出し得るような位置関係として配置されている。
【００９４】
以下、タルボットイメージについて説明する。
【００９５】
図８に示される、各構成パラメータを以下のように定義する。
【００９６】
ｚ１：光源１１と、スケール２０上の回折格子パターンを形成した面の間隔
ｚ２：スケール２０上の回折格子パターンを形成した面と、光検出器の受光面との間隔
ｐ１：スケール２０上の回折格子パターンのピッチ
ｐ２：光検出器１３の受光面上に形成される、回折干渉パターン、すなわちタルボットイメージのピッチ
ここで、上記パラメータが、以下の（１）式に示す関係を満たすような特定の関係にあるときには、スケール２０の回折格子パターンと相似な強度パターンが光検出器１３の受光面上に生成される。
【００９７】
（１／ｚ１）＋（１／ｚ２）＝λ／（ｋ（ｐ１）² ） …（１）
ここで、λは光源から出射される光ビームの波長、ｋは自然数である。
【００９８】
この光検出器１３の受光面上に生成される、スケール２０の回折格子パターンと相似な強度パターンはタルボットイメージと呼ばれるもので、上記関係式を満たす条件で出現し、この効果をタルボット効果という。
【００９９】
このとき、光検出器３３の受光面上の回折干渉パターンのピッチｐ２は他の構成パラメータを用いて、以下の（２）式に示すように表すことができる。
【０１００】
ｐ２＝ｐ１（ｚ１＋ｚ２）／ｚ１ …（２）
前記光源１１に対して前記スケール２０が回折格子のピッチ方向に変位すると、同じ空間周期を保った状態で回折干渉パターンの強度分布がスケールの変位する方向に移動する。
【０１０１】
従って、光検出器３３上に形成される受光エリア３５の空間周期ｐ２０をｐ２と同じ値に設定すれば、スケール２０がピッチ方向にｐ１だけ移動する毎に光検出器３３から周期的な強度信号が得られることにより、スケール２０のピッチ方向の変位量を検出することができる。
【０１０２】
本実施の形態では、図８に示される、光源１１は可干渉光源であり、例えば、面発光レーザが用いられているものとする。
【０１０３】
この光源１１は光検出器３３上に配置されており、光源１１から出射される光ビームはスケール２０に対して略垂直に入射し、そのスケール２０からの反射光が光検出器１３上に形成された受光エリア１５に入射する。
【０１０４】
このとき、上記に示したパラメータである、ｚ１、ｚ２、ｐ１、ｐ２０、λは、上記式（１）に示されるような、タルボットイメージを形成して、検出可能なように構成されているため、このイメージを検出することで、スケール２０の移動に応じた、９０度位相差を有するＡＢ相信号を出力することが可能となる。
【０１０５】
本実施の形態のように構成されることにより、センサヘッド１を、特に、小型で、且つ高分解能に構成することが可能となるため、より小型で高性能な光学式エンコーダおよびそれを用いたサーボモータを提供することが可能となる。
【０１０６】
なお、本実施の形態では、光源１１として面発光レーザを用いたが、これにとらわれることなく、ＬＥＤやＳＬＤなどの可干渉光源であれば何を用いてもかまわない。
【０１０７】
また、本実施の形態では、スケール２０は、図５に示されるような光学式スケールであっても、また、図１０に示されるような、磁気スケールの表面に光学パターンを配置したものであってもかまわない。
【０１０８】
また、本実施の形態では、タルボットイメージを形成して、検出可能なように構成されているのが、反射型のセンサヘッド１である場合について説明したが、透過型のセンサヘッドである場合にも適用することができる。
【０１０９】
（第５の実施の形態）
次に、本発明の第５の実施の形態による光学式エンコーダについて図９乃至図１１を用いて説明する。
【０１１０】
本実施の形態においては、その基本的な構成が、上述した第２の実施の形態と同様に構成されており、基本的な動作についても、第２の実施の形態と同様であるため、以下では、主に、第２の実施の形態との相違点について説明する。
【０１１１】
図９は、本発明の第５の実施の形態による光学式エンコーダの構成を示す側面図である。
【０１１２】
すなわち、この第５の実施の形態においては、図９に示されるように、ＡＢ相信号を検出するための光学式センサヘッド１と、ＵＶＷ相を検出するための磁気式センサヘッド５とにより、一つのスケール２０から、９０度位相差のＡＢ相信号と１２０度位相差のＵＶＷ相信号を検出するように構成されている。
【０１１３】
図１０は、第５の実施の形態によるスケール２０の側断面図である。
【０１１４】
すなわち、スケール２０は、図１０に示されるような断面構造を有しており、スケール２０の基材２８は、磁化可能な部材である。
【０１１５】
図１１は、このようなスケール２０の基材２８に形成される磁気パターンＮ，Ｓと、反射型の光学パターン２２とを示す下面図である。
【０１１６】
すなわち、スケール２０の基材２８の表面には、図１１に示されるような磁気パターンＮ，Ｓが９０度おきに形成されていると共に、この磁気パターンＮ，Ｓの上に重ねた状態で反射型の光学パターン２２が形成されている。
【０１１７】
そして、磁気センサヘッド５は、例えば、ホール素子などであり、これにより、スケール２０の磁気パターンＮ，Ｓを検出するように構成されている。
【０１１８】
このように構成することより、本発明の第５の実施の形態によれば、より小型で低価格な光学式エンコーダと、それを用いたサーボモータを提供することが可能となる。
【０１１９】
なお、以上に示した全ての実施の形態を説明するに当たり、スケール２０には、ＡＢ相用光学パターンとしての反射型の光学パターン２２が形成されていると共に、ＵＶＷ相用光学パターンとしての透過型の光学パターン２４が形成されているとしたが、反射型の光学パターン２２からの反射光及び透過型の光学パターン２４からの透過光を、それぞれ、またはその一方を回折光として受光する構成とすることもできる。
【０１２０】
従って、本発明でいう反射光及び透過光の概念には、それらの回折光が含まれているものとする。
【０１２１】
また、以上に示した全ての実施の形態を説明するに当たり、１２０度位相差のＵＶＷ相を検出するセンサヘッド３は、図１、図６などに示されるように、簡単のため一つのみを記載し、ＵＶＷの３相の出力信号を出力すると記載したが、実際には、図１２に示されるように、ＵＶＷの３相の出力信号を出力するために、３個のセンサヘッド３−Ｕ、３−Ｖ、３−Ｗが配置されている。
【０１２２】
図１２は、スケール２０の同一円周上に１２０度の位相差を持って３個のセンサヘッド３−Ｕ、３−Ｖ、３−Ｗが配置されている構成を示す図である。
【０１２３】
すなわち、図１２に示されるように、スケール２０に形成されるＡＢ相用光学パターンとしての反射型の光学パターン２２、透過型の光学パターン２４と対応する同一円周上に、ＵＶＷの３相の出力信号を出力するために、１２０度の位相差を持って３個のセンサヘッド３−Ｕ、３−Ｖ、３−Ｗが配置されている。
【０１２４】
また、図９に示される磁気式センサヘッド５の場合も、上述したＵＶＷ相を検出するセンサヘッド３の場合と同様に１２０度位相差を有するように３個の磁気式センサヘッドが配置されるのが普通である。
【０１２５】
また、各実施の形態においては、ロータリ型の光学式エンコーダ及び回転型のモータについて説明したが、直線方向に移動するリニア型の光学式エンコーダ及びリニア型のサーボモータに適応可能なことは言うまでもない。
【０１２６】
本発明は、発明の要旨を逸脱しない範囲内に置いて種々多くの変形や修整が可能であり、上に説明した各実施の形態はその例に過ぎない。
【０１２７】
なお、本発明の要旨は以下のようにまとめることができる。
【０１２８】
１． 光源と、前記光源に対して相対的に移動し、所定ピッチの周期的な光学パターンが形成されたスケールと、前記可干渉光源から出射された光ビームによる、前記光学パターンからの反射光または透過光を受光する光検出器を備える光学式エンコーダにおいて、
前記スケールが、少なくとも一つの反射型光学パターンと、少なくとも一つの透過型の光学パターンとを有し、
前記光検出器が、前記スケールの反射型の光学パターンからの反射光を受光する第１の光検出器と、前記スケールの透過型の光学パターンからの反射光を受光する第２の光検出器とを有することを特徴とする、光学式エンコーダ。
【０１２９】
上記のように構成することにより、複数のセンサを用いて一つのスケールから複数の情報を検出することが可能となるため、より小型で低価格な光学式エンコーダおよびそれを用いたサーボモータを提供することが可能となる。
【０１３０】
なお、上記１．の光学式エンコーダの詳細については、第１の実施の形態において述べられている。
【０１３１】
２． 前記反射型の光学パターンの形成されたトラックと、前記透過型の光学パターンの形成されたトラックとが重なりを有することを特徴とする１．に記載の光学式エンコーダ。
【０１３２】
このように構成することにより、同一トラックから、情報を検出することが可能となるため、より小型で低価格な光学式エンコーダ及び、それを用いたサーボモータを提供することが可能となる。
【０１３３】
なお、上記２．の光学式エンコーダの詳細については、第２の実施の形態において述べられている。
【０１３４】
３． 前記反射型の光学パターンの有するピッチをＰｒとし、前記透過型の光学パターンの有するピッチをＰｔとしたとき、Ｐｔ＞Ｐｒなる関係を有していることを特徴とする２．に記載の光学式エンコーダ。
【０１３５】
このように構成することにより、反射型の光学パターンの影響を受けることなく、透過型の光学パターンの情報を検出する光学式エンコーダ及び、それを用いたサーボモータを提供することが可能となる。
【０１３６】
なお、上記３．の光学式エンコーダの詳細については、第２の実施の形態において述べられている。
【０１３７】
４． 前記反射型の光学パターンのトラック幅をＷｒとし、透過型の光学パターンのトラック幅をＷｔとしたとき、Ｗｔ≧Ｗｒなる関係を有していることを特徴とする２．に記載の光学式エンコーダ。
【０１３８】
このように構成することにより、反射型の光学パターンの情報を検出するためのセンサヘッドよりも、透過型の光学パターンの情報を検出するためのセンサヘッドの取付許容度を大きくすることが可能となるため、その組立作業において、効率的な組立が可能となる。
【０１３９】
なお、上記４．の光学式エンコーダの詳細については、第３の実施の形態において述べられている。
【０１４０】
５． 前記光源が可干渉光源であり、前記可干渉光源と、前記スケールと、前記光検出器とが、該可干渉光源から出射された光ビームによる前記周期的な光学パターンとしてタルボットイメージを形成、検出可能に配置され、前記第１及び第２の光検出器の少なくとも一方が、該タルボットイメージを検出可能に配置されていることを特徴とする２．に記載の光学式エンコーダ。
【０１４１】
このように構成することにより、反射型の光学パターンの情報を検出するためのセンサヘッドをより小型、高性能化することが可能となるため、より小型で高性能な光学式エンコーダ及び、それを用いたサーボモータを提供することが可能となる。
【０１４２】
なお、上記５．の光学式エンコーダの詳細については、第４の実施の形態において述べられている。
【０１４３】
６． 光源と、前記光源に対して相対的に移動し、所定ピッチの周期的な光学パターンが形成されたスケールと、前記可干渉光源から出射された光ビームによる、前記光学パターンからの反射光または透過光を受光する光検出器とを備える光学式エンコーダにおいて、
前記スケールが、少なくとも一つの反射型の光学パターンと、少なくとも一つの、磁気的特性が周期的に変化する磁気パターンとを有し、
前記光検出器が、前記スケールの前記反射型の光学パターンからの反射光を受光し、
前記スケールの磁気パターンの周期的変化を検出する磁気検出器をさらに有することを特徴とする光学式エンコーダ。
【０１４４】
このように構成することにより、より小型で低価格なエンコーダ及び、それを用いたサーボモータを提供することが可能となる。
【０１４５】
なお、上記６．の光学式エンコーダの詳細については、第５の実施の形態において述べられている。
【０１４６】
７． 前記光学パターンの形成されたトラックと、前記磁気パターンの形成されたトラックとが重なりを有することを特徴とする６．に記載の光学式エンコーダ。
【０１４７】
このように構成することにより、さらに小型で高性能な光学式エンコーダ及び、それを用いたサーボモータを提供することが可能となる。
【０１４８】
なお、上記７．の光学式エンコーダの詳細については、第５の実施の形態において述べられている。
【０１４９】
８． 前記スケールの反射型の光学パターンの有するピッチをＰｒとし、前記スケールの磁気パターンのピッチＰｍとしたとき、Ｐｍ＞Ｐｒなる関係を有していることを特徴とする７．に記載の光学式エンコーダ。
【０１５０】
このように構成することにより、反射型の光学パターンの影響を受けることなく、磁気パターンの情報を検出する光学式エンコーダ及び、それを用いたサーボモータを提供することが可能となる。
【０１５１】
なお、上記８．の光学式エンコーダの詳細については、第２の実施の形態において述べられている。
【０１５２】
９． 前記スケールの反射型の光学パターンのトラック幅をＷｒとし、前記スケールの磁気パターンのトラック幅をＷｍとしたとき、Ｗｍ≧Ｗｒなる関係を有していることを特徴とする７．に記載の光学式エンコーダ。
【０１５３】
このように構成することにより、反射型の光学パターンの情報を検出するためのセンサヘッドよりも、磁気パターンの情報を検出するためのセンサヘッドの取付許容度を大きくすることが可能となるため、その組立作業において、効率的な組立が可能となる。
【０１５４】
なお、上記９．の光学式エンコーダの詳細については、第３の実施の形態において述べられている。
【０１５５】
１０． 前記光源が可干渉光源であり、前記可干渉光源と、前記スケールと、前記光検出器とが、該可干渉光源から出射された光ビームによる前記周期的な光学パターンとしてタルボットイメージを形成、検出可能に配置され、前記光検出器が、該タルボットイメージを検出可能に配置されていることを特徴とする６．または７．に記載の光学式エンコーダ。
【０１５６】
このように構成することにより、反射型の光学パターンの情報を検出するためのセンサヘッドをより小型、高性能化することが可能となるため、より小型で高性能な光学式エンコーダ及び、それを用いたサーボモータを提供することが可能となる。
【０１５７】
なお、上記１０．の光学式エンコーダの詳細については、第４の実施の形態において述べられている。
【０１５８】
１１． 光源と、前記光源に対して相対的に移動し、所定ピッチの周期的な光学パターンが形成されたスケールと、前記光源から出射された光ビームによる、前記光学パターンからの反射光または透過光を受光する光検出器を備える光学式エンコーダにおいて、
前記スケールが、その光学特性が周期的に変化する反射型の第１の周期パターンと、その光学的特性が周期的に変化する透過型の第２の周期パターンとを有し、 前記光検出器が、前記スケールの反射型の第１の周期パターンからの反射光を受光する第１の光検出器と、前記スケールの透過型の第２の周期パターンからの反射光を受光する第２の光検出器とを有し、
前記スケールの反射型の第１の周期パターンのピッチをＰ１とし、前記スケールの透過型の第２の周期パターンのピッチをＰ２としたとき、Ｐ２＞１０×Ｐ１なる関係を有していることを特徴とする光学式エンコーダ。
【０１５９】
上記のように構成することにより、反射型の光学パターンの情報を検出可能で、かつ、反射型の光学パターンの影響を受けずに、透過型光学パターンの情報をも検出可能な光学式エンコーダをより小型で高性能化することが可能となり、さらに、これを用いたサーボモータを提供することが可能となる。
【０１６０】
なお、上記１１．の光学式エンコーダの詳細については、第１及び第４の実施の形態において述べられている。
【０１６１】
１２． 前記第１及び第２の光検出器が、それぞれ、９０度位相差を有する２相信号と、１２０度位相差を有する３相信号とを出力することを特徴とする１．乃至５．及び１１．のいずれか一つに記載の光学式エンコーダ。
【０１６２】
上記のように構成することにより、スケールの移動量、方向を検出するための９０度位相差を有するＡＢ相信号と、モータの磁極の位置を検出しモータを制御するための１２０度位相差のＵＶＷ信号を出力可能な光学式エンコーダ及び、それを用いたサーボモータを提供することが可能となる。
【０１６３】
なお、上記１２．の光学式エンコーダの詳細については、第１の実施の形態において述べられている。
【０１６４】
１３． 光源と、前記光源に対して相対的に移動し、所定ピッチの周期的な光学パターンが形成されたスケールと、前記光源から出射された光ビームによる、前記光学パターンからの反射光を受光する光検出器を備える光学式エンコーダにおいて、
前記スケールが、その光学特性が周期的に変化する反射型の第１の周期パターンと、その磁気的特性が周期的に変化する第２の周期パターンとを有し、
前記光検出器が、前記スケールの反射型の第１の周期パターンからの反射光を受光し、
前記スケールの磁気的特性が周期的に変化する第２の周期パターンの磁気的変化を検出する磁気検出器をさらに有し、
前記第１の周期パターンのピッチをＰ１とし、前記第２の周期パターンのピッチをＰ２としたとき、Ｐ２＞１０×Ｐ１なる関係を有していることを特徴とする光学式エンコーダ。
【０１６５】
上記のように構成することにより、スケールの移動量、方向を検出するための９０度位相差を有するＡＢ相信号と、モータの磁極の位置を検出しモータを制御するための１２０度位相差のＵＶＷ信号を出力可能な光学式エンコーダ及び、それを用いたサーボモータを提供することが可能となる。
【０１６６】
なお、上記１３．の光学式エンコーダの詳細については、第５の実施の形態において述べられている。
【０１６７】
１４． 前記光検出器及び磁気検出器が、それぞれ、９０度位相差を有する２相信号と、１２０度位相差を有する３相信号とを出力することを特徴とする６．乃至１０．及び１３．のいずれか一つに記載の光学式エンコーダ。
【０１６８】
上記のように構成することにより、スケールの移動量、方向を検出するための９０度位相差を有するＡＢ相信号と、モータの磁極の位置を検出しモータを制御するための１２０度位相差のＵＶＷ信号を出力可能な光学式エンコーダ及び、それを用いたサーボモータを提供することが可能となる。
【０１６９】
なお、上記１４．の光学式エンコーダの詳細については、第１及び第５の実施の形態において述べられている。
【０１７０】
そして、上述したような実施の形態で示した本明細書には、特許請求の範囲に示した請求項１乃至１４以外にも、以下に付記１として示すような発明が含まれている。
【０１７１】
（付記１） 請求項１乃至１４に記載の光学式エンコーダを用いて制御を行うことを特徴とする、交流サーボモータ。
【０１７２】
上記構成によると、小型、高性能で低価格なエンコーダを用いた交流サーボモータを提供することが可能となる。
【０１７３】
なお、付記１による交流サーボモータの詳細については、第１乃至第５の実施の形態において述べられている。
【０１７４】
【発明の効果】
従って、以上説明したように、本発明によれば、ＡＢ相信号を高分解能に出力可能で、しかも部品点数を少なくし、組立なども容易に行えることにより、小型で低価格な光学式エンコーダを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の第１の実施の形態による光学式エンコーダの構成を示す側面図である。
【図２】図２は、図１のスケール２０に形成される、ＡＢ相用光学パターンとしての反射型の光学パターン２２と、ＵＶＷ相用光学パターンとしての透過型の光学パターン２４とを示す下面図である。
【図３】図３は、図１のスケール２０の側断面である。
【図４】図４は、本発明の第２の実施の形態において、スケール２０上の同一のトラック上に重ねて形成される、ＡＢ相用光学パターンとしての反射型の光学パターン２２と、ＵＶＷ相用光学パターンとしての透過型の光学パターン２４とを示す下面図である。
【図５】図５の（ａ）は、本発明の第２の実施の形態によるスケール２０の断面図であり、図５の（ｂ）は、この第２の実施の形態の変形例によるスケール２０の断面図である。
【図６】図６は、本発明の第２の実施の形態による光学式エンコーダの構成を示す側面図である。
【図７】図７は、本発明の第３の実施の形態において、スケール２０上の同一のトラック上に重ねて形成される、ＡＢ相用光学パターンとしての反射型の光学パターン２２と、ＵＶＷ相用光学パターンとしての透過型の光学パターン２４とを示す下面図である。
【図８】図８は、本発明の第４の実施の形態による光学式エンコーダの主要部の構成を示す側面図である。
【図９】図９は、本発明の第５の実施の形態による光学式エンコーダの構成を示す側面図である。
【図１０】図１０は、同じく第５の実施の形態によるスケール２０の側断面図である。
【図１１】図１１は、図１０のスケール２０の基材２８に形成される磁気パターンＮ，Ｓと、反射型の光学パターン２２とを示す下面図である。
【図１２】図１２は、本発明の各実施の形態に適用される、ＵＶＷの３相の出力信号を出力するために、スケール２０に形成されるＡＢ相用光学パターンとしての反射型の光学パターン２２、透過型の光学パターン２４と対応する同一円周上に１２０度の位相差を持って３個のセンサヘッド３−Ｕ、３−Ｖ、３−Ｗが配置されている構成を示す図である。
【図１３】図１３は、従来技術として、ＡＢ相信号用を検出するためのスケールとセンサ１組と、ＵＶＷ相を検出するためのスケールとセンサ１組の、都合２組のスケールとセンサを用いて制御を行う構成を示す図である。
【図１４】図１４は、従来技術として特開平１０−１３２６０５公報に開示されている、一つの周期パターンを有するスケールと、これを検出するためのセンサ部一組と、このセンサからの出力信号を異なる周期に内挿するための二つの内挿手段を用いる位置検出装置の主要部の構成を示す図である。
【符号の説明】
１…反射型のセンサヘッド、
３…透過型センサヘッド、
２０…スケール、
１１…光源、
１３…光検出器、
２２…反射型の光学パターン、
３１…光源、
３３…光検出器、
２６…基材（透明な部材）、
２８…基材（磁化可能な部材）、
Ｎ，Ｓ…磁気パターン。

Claims (3)

1. 光源と、前記光源に対して相対的に移動し、所定ピッチの周期的な光学パターンが形成されたスケールと、前記光源から出射された光ビームによる前記スケールの光学パターンからの反射光または透過光を受光する光検出器とを備える光学式エンコーダにおいて、
   前記スケールが、少なくとも一つの反射型の光学パターンと、少なくとも一つの透過型の光学パターンとを有し、かつ、前記反射型の光学パターンの形成されたトラックと、前記透過型の光学パターンの形成されたトラックとが重なりを有し、前記反射型の光学パターンの有するピッチをＰｒとし、前記透過型の光学パターンの有するピッチをＰｔとしたとき、Ｐｔ＞Ｐｒなる関係を有しており、
   前記光検出器が、前記スケールの反射型の光学パターンからの反射光を受光する第１の光検出器と、前記スケールの透過型の光学パターンからの透過光を受光する第２の光検出器とを有することを特徴とする、光学式エンコーダ。
2. 前記反射型の光学パターンの有するピッチをＰｒとし、前記透過型の光学パターンの有するピッチをＰｔとしたとき、Ｐｔ＞１０×Ｐｒなる関係を有していることを特徴とする請求項１に記載の光学式エンコーダ。
3. 前記スケールの反射型の光学パターンのトラック幅をＷｒとし、前記スケールの透過型の光学パターンのトラック幅をＷｔとしたとき、Ｗｔ≧Ｗｒなる関係を有していることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学式エンコーダ。

Images