JP4292569B2 - 光学式エンコーダ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、２次元方向に相対変位する２つの物体の相対変位を検出する光学式エンコーダに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、相対変位する２つの物体の相対変位を検出する装置としては、リニアエンコーダが知られている(例えば、特許文献１参照)。
【０００３】
【特許文献１】
特表２００１−５１８６０６号公報(第２図)
【０００４】
しかし、 ２次元方向に相対変位する２つの物体の相対変位を検出するためには、図１２のように２つのリニアエンコーダを組み合わせる必要があった。図１２において、第１のリニアエンコーダは、固定側物体２０１の上面に敷設されたＸ軸測定用のリニアスケール２０２と、可動ロッド２０３の端部に一体装着されてリニアスケール２０２上をＸ軸方向に走査する案内機構付き読みとりヘッド２０４からなり、第２のリニアエンコーダは、リニアスケール２０２の上方に配置されて可動ロッド２０３の上面に取り付けられたＹ軸測定用のリニアスケール２０５と、リニアスケール２０５上を可動してＹ方向に走査する案内機構付き読みとりヘッド２０６からなる。読みとりヘッド２０６は固体物体２０１に対して相対変位する移動側物体２０７に固定されている。
移動側物体２０７と固定側物体２０１のＸ軸方向の相対変位は、第１のリニアエンコーダのＸ軸リニアスケール２０２を読みとりヘッド２０４でより読みとることにより検出し、Ｙ軸方向の相対変位は、第２のリニアエンコーダのＹ軸リニアスケール２０５を読みとりヘッド２０６によって読みとることにより検出する。これら２つのリニアエンコーダの検出出力によって、２つの物体間の相対変位を測定していた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の光学式エンコーダは２次元方向に相対変位する２つの物体の相対変位を検出するために２つのリニアエンコーダを組み合わせていた。このため、移動体の回転を検出することができず、２次元の方向しか検出できず、ひいては駆動システムの位置制御を困難にしていた。
そこで、本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、２次元方向の相対変位と回転自由度を有する駆動システムにおいて、回転角度の検出可能な光学式エンコーダおよびその最適構成を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したものである。
請求項１に記載の発明は、固定側物体に対して、一定の間隙を保って移動する移動側物体の相対変位量を測定する光学式エンコーダにおいて、前記固定側物体に設けられ、周期的なパターンを有し、パターン形成面に対して間隔を保ち互いに直交するように配置された第１のスケールおよび第２のスケールと、前記移動側物体に設けられ、前記第１のスケールに対して第１の投射光を出射する第１の発光手段と、前記第１の投射光を前記第１のスケール上に集光させ第１の投射光スポットを形成させる第１の集光手段と、前記第１のスケール上で反射した光を検出する第１の受光手段と、前記第２のスケールに対して第２の投射光を出射する第２の発光手段と、前記第２の投射光を前記第２のスケール上に集光させ第２の投射光スポットを形成させる第２の集光手段と、前記第２のスケール上で反射した光を検出する第２の受光手段と、第３の位相差用投射光を出射する第３の発光手段と、前記第１の集光手段により前記第１のスケール上に集光された前記第１の投射光スポット位置に対して所定の位相差を有する位置に前記第３の位相差用投射光を集光させ第３の投射光スポットを形成させる第３の集光手段と、前記第１のスケール上で反射した光を検出する第３の受光手段と、第４の位相差用投射光を出射する第４の発光手段と、前記第２の集光手段により前記第２のスケール上に集光された前記第２の投射光スポット位置に対して所定の位相差を有する位置に前記第４の位相差用投射光を集光させ第４の投射光スポットを形成させる第４の集光手段と、前記第２のスケール上で反射した光を検出する第４の受光手段と、前記第１の受光手段、前記第２の受光手段、前記第３の受光手段および前記第４の受光手段からの信号を用いて前記移動側物体の回転角度を算出する手段とを有する。
このようになっているため、装置の追加なしに、位相差用の位置検出部を併用して前記第１の受光手段と、前記第２の受光手段と、前記第３の受光手段および前記第４の受光手段からの信号を用いて前記移動側物体の回転角度を検出することができる。
請求項２に記載の発明は、前記第１の投射光スポット位置と、前記移動側物体の回転中心軸と前記第１のスケールの交点とを結んだ直線と、前記第３の投射光スポット位置と、前記移動側物体の回転中心軸と前記第１のスケールの交点を結んだ直線が、互いに直交しており、かつ、前記第２の投射光スポット位置と、前記移動側物体の回転中心軸と前記第２のスケールの交点とを結んだ直線と、前記第４の投射光スポット位置と、前記移動側物体の回転中心軸と前記第２のスケールの交点を結んだ直線が互いに直交しているものである。
このようになっているため、第１の受光手段と第３の受光手段の組み合わせにおいてどちらかの検出感度が低いときでも、他方の検出感度が補うことができる。また、第２の受光手段と第４の受光手段の組み合わせにおいても同様である。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の具体的実施例を図に基づいて説明する。
（第１実施例）
図１は、本発明の光学式エンコーダの第１実施例を示す構成図である。図１において、１０１は相対変位する２つの物体の固定側物体、１０２は移動側物体である。固定側物体１０１には、間隙を保ち互いに直交するように配置された第１のスケール１０３と第２のスケール１０４が敷設されている。移動側物体１０２には、第１の発光手段１１１、第１の集光手段１１２、第１の光分離手段１１３、第１の受光手段１１４、第２の発光手段１２１、第２の集光手段１２２、第２の光分離手段１２３、第２の受光手段１２４が設けられている。さらに第１の受光手段１１４、第２の発光手段１２１、第２の集光手段１２２、第２の光分離手段１２３、第２の受光手段１２４は、図示しない演算手段に接続されている。
つぎに、動作について説明する。第１の発光手段１１１から出射した第１の投射光は、第１の光分離手段１１３を通過し、第１の集光手段１１２によって第１のスケール１０３上の第１の投射光スポットに集光される。この第１の投射光スポット１０５の内、第１のスケール１０３の光反射部上にある光が、第１のスケール１０３と垂直に正反射する。この第１の反射光を第１の光分離手段１１３により第１の投射光と分離し、第１の受光手段１１４で検出する。
同様に、第２の発光手段１２１から出射した第２の投射光は、第２の光分離手段１２３を通過し、第２の集光手段１２２によって第２のスケール１０４上の第２の投射光スポットに集光される。この第２の投射光スポットの内、第２のスケール１０４の光反射部に照射された光が、第２のスケール１０４と垂直に正反射する。この第２の反射光を第２の光分離手段１２３により第２の投射光と分離し、第２の受光手段１２４で検出する。
【０００８】
第１の投射光スポットが第１のスケール１０３の光反射部にある時に、第１の受光手段１２１で検出する第１の反射光は最大になり、第１の投射光スポットが光透過部にある時に、第１の受光手段１２１で検出する反射光は最小になる。したがって、移動側物体１０２が一定方向に変位すると、Ｘ軸の変位量に応じた回数で第１の受光手段１１４の検出出力Ｖ114に変化が生じる。この検出出力Ｖ114が所定のしきい値電圧を超える回数を積算することにより、移動側物体１０２のＸ軸方向の変位量を検出することができる。
同様に、第２の投射光スポットが第２のスケール１０４の光反射部にある時に、第２の受光手段１３１で検出する第２の反射光は最大になり、第２の投射光スポットが光透過部にある時に、第２の受光手段１２１で検出する反射光は最小になる。第１の受光手段１１４の検出出力Ｖ114と第２の受光手段１１５の検出出力Ｖ115が所定のしきい値電圧を超える積算回数から、移動側物体の２次元方向の相対変位を測定することができる。
さらに、進行方向の検出のために、移動側物体１０２には、第３の発光手段１３１、第３の集光手段１３２、第３の光分離手段１３３、第３の受光手段１３４、第４の発光手段１４１、第４の集光手段１４２、第４の光分離手段１４３、第４の受光手段１４４が設けられており、第１の発光手段１１１より照射される第１の投射光スポットの位置と第３の発光手段１３１より照射される第３の投射光スポット位置は、スケールのパターン幅の方向に変位しており、一般的にはスケールパターンの周期の１／４だけ変位させるように第３の発光手段１３１、第３の集光手段１３２、第３の光分離手段１３３、第３の受光手段１３４が配設されている。同様に、第２の発光手段１２１より照射される第２の投射光スポットの位置と第４の発光手段１４１より照射される第４の投射光スポット位置は、スケールのパターン幅の方向に変位しており、一般的にはスケールパターンの周期の１／４だけ変位させるように第４の発光手段１４１、第４の集光手段１４２、第４の光分離手段１４３、第４の受光手段１４４が配設されている。このようにして移動側物体１０２の２次元の位置と進行方向を知ることができる。
【０００９】
回転角度の検出方法について図２を用いて説明する。図２において、１０２は移動側物体、１１５は第１の投射光スポット位置、１２５は第２の投射光スポット位置、１３５は第３の投射光スポット位置、１４５は第４の投射光スポット位置である。図に対して水平方向をＸ軸、垂直方向をＹ軸とした場合に、基準角度θ0を以下のように規定する。
θ0＝ｔａｎ-1（Δｙ／Δｘ） ・・・（１）
ここで、Δｘは第１の受光手段の検出位置１１５と第３の受光手段検出位置１３５のＸ軸方向の相対距離、Δｙは第２の受光手段の検出位置１２５と第４の受光手段検出位置１４５のＹ軸方向の相対距離である。基準角度に対する回転角度θの検出には、進行方向検出用の第３の受光手段の信号、第４の受光手段の信号を利用する。すなわち、第１の受光手段からの検出信号をｘ1、第２の受光手段からの検出信号をｙ1、第３の受光手段からの検出信号をｘ2、第４の受光手段からの検出信号をｙ2とすると、基準角度に対する回転角度θは次式のように表される。
θ＝ｔａｎ-1[（ｙ2−ｙ1）／（ｘ2−ｘ1）]−ｔａｎ-1（Δｙ／Δｘ） ・・・（２）
なお、回転方向については、受光手段を２分割しそれぞれを回転軸まわりに変位させて配置することにより、両者の信号のタイミングによって回転方向を判別することができる。また別途、受光手段を追加することも本発明の趣旨を逸脱するものではない。
【００１０】
（第２実施例）
図３は本発明の第２実施例の投射光スポット位置と移動側物体回転中心の位置関係を示す図である。図において、１０２は移動側物体、１１５は第１の投射光スポット位置、１２５は第２の投射光スポット位置、１３５は第３の投射光スポット位置、１４５は第４の投射光スポット位置、１５１は移動側物体の回転中心とスケールの交点位置（以下、移動側物体回転中心交点と呼ぶ）である。第１の投射光スポット位置１１５と第３の投射光スポット位置１３５とを結んだ直線外に移動側物体回転中心交点１５１を配置している。同時に第２の投射光スポット位置１２５と第４の投射光スポット位置１４５とを結んだ直線外に移動側回転中心交点１５１を配置している。図４は、本発明の第２実施例の回転中心位置と検出分解能の関係を示す図である。スケールのパターン幅と間隔を等量とし、移動側物体の回転半径をパターン幅の２０倍という条件のもとで、回転中心まわりに回転させたときの検出信号の変化を比較したものである。図４（ａ）は、第１の投射光スポットにおける回転中心まわりに１８０度回転したときの検出信号の変化を示したものである。図４（ｂ）は、回転中心が２点の投射光スポットの直線上にある場合に回転中心まわりに１８０度回転したときの検出信号の変化を示したものである。図４（ｃ）は、回転中心が２点の投射光スポットの直線上にない場合に回転中心まわりに１８０度回転したときの検出信号の変化を示したものである。ここでは、具体的な一形態として中心角が１６０度のときの場合を示している。図４（ａ）と図４（ｂ）を比較すると、回転中心が２点の投射光スポットの直線上にある場合は、第１の投射光スポットの検出信号と第２の投射光スポットの検出信号は、まったく同じ信号になるため、第１の投射光スポットの検出信号感度が鈍いときには、同様に第２の投射光スポットの検出信号の感度も鈍くなる。検出信号の感度の評価のため、信号の立ち上がりをカウントすると、１８０度の回転に対して、カウント数は１０となった（図（ｂ）の○印で示す）。一方、図（ａ）と図（ｃ）を比較すると、回転中心が２点の投射光スポットの直線上にない場合は、第１の投射光スポットの検出信号に対して第２の投射光スポットの検出信号はシフトするため、第１の投射光スポットの検出信号感度と第２の投射光スポットの検出信号感度が回転角度により異なるため、一方の感度が鈍いときには他方で補うことができる。したがって、図４（ａ）と図４（ｂ）の検出信号を組み合わせると、図４（ａ）と図４（ｃ）の□印で示すようにカウント数は１２となり、よって、回転中心が２点の投射光スポットの直線外にある場合の方がカウント数が多く、高分解能化が可能であることが分かった。
【００１１】
（第３実施例）
図５は、本発明の第３実施例の投射光スポット位置と移動側物体回転中心の位置関係を示す図である。図５において第３実施例と異なる点は、第１の投射光スポット１１５から得られる直交座標の第１軸成分と回転中心と結んだ線分と第２の投射光スポット１２５から得られる直交座標の第１軸成分と回転中心と結んだ線分が互いに直交すると同時に第１の投射光スポット１１５から得られる直交座標の第２軸成分と回転中心と結んだ線分と第２の投射光スポット１２５から得られる直交座標の第２軸成分と回転中心と結んだ線分が互いに直交する第１の受光手段１２４により検出される直交座標と移動側物体回転中心交点１５１からなる線分と、第３の受光手段１３４と第４の受光手段１４４により検出される直交座標と移動側物体回転中心交点１５１からなる線分が互いに直交する点である。このように配置することで、第１の受光手段と第３の受光手段の組み合わせにおいてどちらかの検出感度が低いときでも、他方の検出感度が補うことで安定した回転角度を検出することができる。
図６は、本発明の第３実施例の回転中心と検出信号の関係を示す図である。スケールのパターン幅と間隔を等量とし、移動側物体の回転半径をパターン幅の２０倍という条件のもとで、回転中心まわりに回転させたときの検出信号を比較したものである。図６（ａ）は、第１の投射光スポットにおける回転中心まわりに１８０度回転したときの検出信号の変化である。図６（ｂ）は、中心角が９０度のときの第３の投射光スポットにおける回転中心あわりに１８０度回転したときの検出信号の変化である。図６（ａ）と図６（ｂ）の検出信号を組み合わせると、図６（ａ）と図６（ｃ）の□印で示すようにカウント数は１４となり、実施例２の場合のカウント数は１２だったので、さらに分解能が向上したことが分かった。したがって、請求項３の構成に比べて、請求項４の構成の方がより高分解能化が可能であることが分かった。
なお、回転方向については、受光手段を２分割しそれぞれを回転軸まわりに変位させて配置することにより、両者の信号のタイミングによって回転方向を判別することができる。また別途、受光手段を追加することも本発明の趣旨を逸脱するものではない。
【００１２】
（第４実施例）
図７は、本発明の第４実施例を示す構成図である。図７において、移動側物体１０２には、第１の発光手段１１１、第１の集光手段１１２、第１の受光手段１１３が設けられている。一方、第１スケール１０３と第２スケール１０４は、例えばそれぞれ長方形のパターン形状を有する突起部が一定間隔で繰り返し配列されている。第１スケール１０３と第２スケール１０４の高さはそれぞれ異なっており、また、第１スケール１０３と第２スケール１０４は、それぞれの相対位置関係が、長方形パターンが例えば互いが直交するよう配設されている。図８に第１スケール１０３と第２スケール１０４交叉部の拡大図を示す。第１スケール１０３突部の高さはｈA、第２スケール１０４突部の高さはｈB、第１スケール１０３と第２スケール１０４が重なった部分の高さはｈA＋ｈBである。図９ａ）はスケールの平面図である。また、図中に示すＣ−Ｃ‘線分に沿って第１の発光手段１１１によって照射されたときに第１の受光手段１１３で得られる信号を図９ｂ）に示す。第１の受光手段により得られる高さ情報は０、ｈA、ｈB、ｈA＋ｈBの４種類である。第１スケール１０３の長手方法と直交する方向（Ｘ軸方向）の変位に関しては、第１の受光手段１１３により得られる信号に高さ情報ｈAを含んだ状態から含まない状態に変化したとき、および高さ情報ｈAを含まない状態から含んだ状態に変化したとき１つカウントを進める。一方、第２スケール１０４の長手方法と直交する方向（Ｙ軸方向）の変位に関しても同様に、第１の受光手段１１３により得られる信号に高さ情報ｈBを含んだ状態から含まない状態に変化したとき、および高さ情報ｈBを含まない状態から含んだ状態に変化したときに１つカウントを進める。すなわち、図９ｂ）においては、Ｘ軸方向の変位は３カウント、Ｙ軸方向の変位は２カウントとなる。このようにしてカウント数を積算することにより、移動側物体１０２の２軸方向の変位量をそれぞれに検出することができる。さらに、進行方向の検出のために、移動体１０２には、第２の発光手段１２１、第２の集光手段１２２、第２の受光手段１２３が設けられており、第１の発光手段１１１より照射される第１の投射光スポットの位置と第２の発光手段１２１より照射される第２の照射スポット位置は、スケールのパターン方向に変位しており、第１のスケール、第２のスケール両方に対して、一般的にはスケールパターン周期の１／４だけ変位させるように第２の発光手段１２１、第２の集光手段１２２、第２の受光手段１２３が配設されている。
このようにして移動体１０２の２次元の位置と進行方向を知ることができる。つぎに回転角度の検出方法については、実施例１と同様、第１の受光手段１１３から得られる信号ｘ1，ｙ1と第２の受光手段１２３から得られる信号ｘ2，ｙ2を用いて、式（１）より算出することができる。
【００１３】
（第５実施例）
図１０は本発明の第５実施例の構成を示す図である。図において、１０２は移動側物体、１１５は第１の投射光スポット位置、１２５は第２の投射光スポット位置、１５１は移動側物体回転中心交点である。第１の投射光スポット位置１１５と第２の投射光スポット位置１２５とを結んだ直線外に移動側物体回転中心交点１５１を配置している。このように配置することで第２の実施例同様、回転中心を２つの投射光スポットの直線上に配置した場合と比較して、よりカウント数が得られ高分解能化が可能である。
【００１４】
（第６実施例）
図１１は、本発明の第６実施例の投射光スポット位置と移動側物体回転中心の位置関係を示す図である。図１１において第５実施例と異なる点は、第１のスポット位置１１５と回転中心とスケールの交点１１６とからなる線分と、第２のスポット位置１２５と移動側物体回転中心交点１５１とからなる線分が互いに直交する点である。このように配置することで第３の実施例同様、直交しない場合に比べて、よりカウント数が得られ高分解能化が可能である。
なお、以上の各実施例では直交した第１のスケールと第２のスケールを例にしたが、必要に応じて他の角度で交叉するように配置したものであっても本発明の趣旨を逸脱するものではない。
また、以上の各実施例の第１のスケールと第２のスケールは、樹脂基板やガラス基板上に作製することが可能である。第１のスケールと第２のスケールの製造には、射出成形法、レプリカ製法、フォトリソグラフィによるエッチング、レーザ加工等の方法が利用できる。特に、樹脂基板上に作成する場合は、安価に製造できる射出成形法が有効な製造方法である。また、ガラス基板を用いれば、温度によるスケール精度の変動が少なく、移動側物体の変位量を精度良く測定できるという特徴がある。さらに、請求項１の構成と比較して、発光手段、集光手段、受光手段の数を半分にすることができ、システム構成を簡易にすることができる。
各実施例の第１のスケールと第２のスケールは、異なる基板上に作製後、重ね合わせてもよいし、同一基板の表面と裏面にそれぞれのスケールを作成してもよい。スケール基板を薄くする必要がある場合には、同一基板の表面と裏面に作製する方が好ましい。
【００１５】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の光学式エンコーダによれば、位相差検出用の光学手段を用いたので、追加装置なしに移動側物体の回転角度を検出することができる。また、位相差検出用の光学手段の配置を工夫することにより、精度の高い回転角度の検出が可能な光学式エンコーダを提供することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を示す光学式エンコーダの斜視図
【図２】本発明の第１実施例における回転角度の検出方法を示す説明図
【図３】本発明の第２実施例の投射光スポット位置と移動側物体回転中心の位置関係を示す説明図
【図４】本発明の第２実施例の回転中心位置と検出分解能の関係を示す説明図
【図５】本発明の第３実施例の投射光スポット位置と移動側物体回転中心の位置関係を示す説明図
【図６】本発明の第３実施例の回転中心位置と検出分解能の関係を示す説明図
【図７】本発明の第４実施例を示す光学式エンコーダの斜視図
【図８】本発明の第４実施例の第１スケール１０３と第２スケール１０４交叉部の拡大斜視図
【図９】本発明の第４実施例を示すスケールの平面図
【図１０】本発明の第５実施例の構成を示す説明図
【図１１】本発明の第６実施例の投射光スポット位置と移動側物体回転中心の位置関係を示す説明図
【図１２】従来の光学式エンコーダを示す斜視図
【符号の説明】
１０１ 固定側物体
１０２ 移動側物体
１０３ 第１のスケール
１０４ 第２のスケール
１１１ 第１の発光手段
１１２ 第１の集光手段
１１３ 第１の光分離手段
１１４ 第１の受光手段
１１５ 第１の投射光スポット位置
１２１ 第２の発光手段
１２２ 第２の集光手段
１２３ 第２の光分離手段
１２４ 第２の受光手段
１２５ 第２の投射光スポット位置
１３１ 第３の発光手段
１３２ 第３の集光手段
１３３ 第３の光分離手段
１３４ 第３の受光手段
１３５ 第３の投射光スポット位置
１４１ 第４の発光手段
１４２ 第４の集光手段
１４３ 第４の光分離手段
１４４ 第４の受光手段
１４５ 第４の投射光スポット位置
１５１ 移動側物体回転中心交点
２０１ 固定側物体
２０２ Ｘ軸測定用リニアスケール
２０３ 可動ロッド
２０４ Ｘ軸測定用読みとりヘッド
２０５ Ｙ軸測定用リニアスケール
２０６ Ｙ軸測定用読みとりヘッド
２０７ 移動側物体
【発明の属する技術分野】
本発明は、２次元方向に相対変位する２つの物体の相対変位を検出する光学式エンコーダに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、相対変位する２つの物体の相対変位を検出する装置としては、リニアエンコーダが知られている(例えば、特許文献１参照)。
【０００３】
【特許文献１】
特表２００１−５１８６０６号公報(第２図)
【０００４】
しかし、 ２次元方向に相対変位する２つの物体の相対変位を検出するためには、図１２のように２つのリニアエンコーダを組み合わせる必要があった。図１２において、第１のリニアエンコーダは、固定側物体２０１の上面に敷設されたＸ軸測定用のリニアスケール２０２と、可動ロッド２０３の端部に一体装着されてリニアスケール２０２上をＸ軸方向に走査する案内機構付き読みとりヘッド２０４からなり、第２のリニアエンコーダは、リニアスケール２０２の上方に配置されて可動ロッド２０３の上面に取り付けられたＹ軸測定用のリニアスケール２０５と、リニアスケール２０５上を可動してＹ方向に走査する案内機構付き読みとりヘッド２０６からなる。読みとりヘッド２０６は固体物体２０１に対して相対変位する移動側物体２０７に固定されている。
移動側物体２０７と固定側物体２０１のＸ軸方向の相対変位は、第１のリニアエンコーダのＸ軸リニアスケール２０２を読みとりヘッド２０４でより読みとることにより検出し、Ｙ軸方向の相対変位は、第２のリニアエンコーダのＹ軸リニアスケール２０５を読みとりヘッド２０６によって読みとることにより検出する。これら２つのリニアエンコーダの検出出力によって、２つの物体間の相対変位を測定していた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の光学式エンコーダは２次元方向に相対変位する２つの物体の相対変位を検出するために２つのリニアエンコーダを組み合わせていた。このため、移動体の回転を検出することができず、２次元の方向しか検出できず、ひいては駆動システムの位置制御を困難にしていた。
そこで、本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、２次元方向の相対変位と回転自由度を有する駆動システムにおいて、回転角度の検出可能な光学式エンコーダおよびその最適構成を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したものである。
請求項１に記載の発明は、固定側物体に対して、一定の間隙を保って移動する移動側物体の相対変位量を測定する光学式エンコーダにおいて、前記固定側物体に設けられ、周期的なパターンを有し、パターン形成面に対して間隔を保ち互いに直交するように配置された第１のスケールおよび第２のスケールと、前記移動側物体に設けられ、前記第１のスケールに対して第１の投射光を出射する第１の発光手段と、前記第１の投射光を前記第１のスケール上に集光させ第１の投射光スポットを形成させる第１の集光手段と、前記第１のスケール上で反射した光を検出する第１の受光手段と、前記第２のスケールに対して第２の投射光を出射する第２の発光手段と、前記第２の投射光を前記第２のスケール上に集光させ第２の投射光スポットを形成させる第２の集光手段と、前記第２のスケール上で反射した光を検出する第２の受光手段と、第３の位相差用投射光を出射する第３の発光手段と、前記第１の集光手段により前記第１のスケール上に集光された前記第１の投射光スポット位置に対して所定の位相差を有する位置に前記第３の位相差用投射光を集光させ第３の投射光スポットを形成させる第３の集光手段と、前記第１のスケール上で反射した光を検出する第３の受光手段と、第４の位相差用投射光を出射する第４の発光手段と、前記第２の集光手段により前記第２のスケール上に集光された前記第２の投射光スポット位置に対して所定の位相差を有する位置に前記第４の位相差用投射光を集光させ第４の投射光スポットを形成させる第４の集光手段と、前記第２のスケール上で反射した光を検出する第４の受光手段と、前記第１の受光手段、前記第２の受光手段、前記第３の受光手段および前記第４の受光手段からの信号を用いて前記移動側物体の回転角度を算出する手段とを有する。
このようになっているため、装置の追加なしに、位相差用の位置検出部を併用して前記第１の受光手段と、前記第２の受光手段と、前記第３の受光手段および前記第４の受光手段からの信号を用いて前記移動側物体の回転角度を検出することができる。
請求項２に記載の発明は、前記第１の投射光スポット位置と、前記移動側物体の回転中心軸と前記第１のスケールの交点とを結んだ直線と、前記第３の投射光スポット位置と、前記移動側物体の回転中心軸と前記第１のスケールの交点を結んだ直線が、互いに直交しており、かつ、前記第２の投射光スポット位置と、前記移動側物体の回転中心軸と前記第２のスケールの交点とを結んだ直線と、前記第４の投射光スポット位置と、前記移動側物体の回転中心軸と前記第２のスケールの交点を結んだ直線が互いに直交しているものである。
このようになっているため、第１の受光手段と第３の受光手段の組み合わせにおいてどちらかの検出感度が低いときでも、他方の検出感度が補うことができる。また、第２の受光手段と第４の受光手段の組み合わせにおいても同様である。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の具体的実施例を図に基づいて説明する。
（第１実施例）
図１は、本発明の光学式エンコーダの第１実施例を示す構成図である。図１において、１０１は相対変位する２つの物体の固定側物体、１０２は移動側物体である。固定側物体１０１には、間隙を保ち互いに直交するように配置された第１のスケール１０３と第２のスケール１０４が敷設されている。移動側物体１０２には、第１の発光手段１１１、第１の集光手段１１２、第１の光分離手段１１３、第１の受光手段１１４、第２の発光手段１２１、第２の集光手段１２２、第２の光分離手段１２３、第２の受光手段１２４が設けられている。さらに第１の受光手段１１４、第２の発光手段１２１、第２の集光手段１２２、第２の光分離手段１２３、第２の受光手段１２４は、図示しない演算手段に接続されている。
つぎに、動作について説明する。第１の発光手段１１１から出射した第１の投射光は、第１の光分離手段１１３を通過し、第１の集光手段１１２によって第１のスケール１０３上の第１の投射光スポットに集光される。この第１の投射光スポット１０５の内、第１のスケール１０３の光反射部上にある光が、第１のスケール１０３と垂直に正反射する。この第１の反射光を第１の光分離手段１１３により第１の投射光と分離し、第１の受光手段１１４で検出する。
同様に、第２の発光手段１２１から出射した第２の投射光は、第２の光分離手段１２３を通過し、第２の集光手段１２２によって第２のスケール１０４上の第２の投射光スポットに集光される。この第２の投射光スポットの内、第２のスケール１０４の光反射部に照射された光が、第２のスケール１０４と垂直に正反射する。この第２の反射光を第２の光分離手段１２３により第２の投射光と分離し、第２の受光手段１２４で検出する。
【０００８】
第１の投射光スポットが第１のスケール１０３の光反射部にある時に、第１の受光手段１２１で検出する第１の反射光は最大になり、第１の投射光スポットが光透過部にある時に、第１の受光手段１２１で検出する反射光は最小になる。したがって、移動側物体１０２が一定方向に変位すると、Ｘ軸の変位量に応じた回数で第１の受光手段１１４の検出出力Ｖ114に変化が生じる。この検出出力Ｖ114が所定のしきい値電圧を超える回数を積算することにより、移動側物体１０２のＸ軸方向の変位量を検出することができる。
同様に、第２の投射光スポットが第２のスケール１０４の光反射部にある時に、第２の受光手段１３１で検出する第２の反射光は最大になり、第２の投射光スポットが光透過部にある時に、第２の受光手段１２１で検出する反射光は最小になる。第１の受光手段１１４の検出出力Ｖ114と第２の受光手段１１５の検出出力Ｖ115が所定のしきい値電圧を超える積算回数から、移動側物体の２次元方向の相対変位を測定することができる。
さらに、進行方向の検出のために、移動側物体１０２には、第３の発光手段１３１、第３の集光手段１３２、第３の光分離手段１３３、第３の受光手段１３４、第４の発光手段１４１、第４の集光手段１４２、第４の光分離手段１４３、第４の受光手段１４４が設けられており、第１の発光手段１１１より照射される第１の投射光スポットの位置と第３の発光手段１３１より照射される第３の投射光スポット位置は、スケールのパターン幅の方向に変位しており、一般的にはスケールパターンの周期の１／４だけ変位させるように第３の発光手段１３１、第３の集光手段１３２、第３の光分離手段１３３、第３の受光手段１３４が配設されている。同様に、第２の発光手段１２１より照射される第２の投射光スポットの位置と第４の発光手段１４１より照射される第４の投射光スポット位置は、スケールのパターン幅の方向に変位しており、一般的にはスケールパターンの周期の１／４だけ変位させるように第４の発光手段１４１、第４の集光手段１４２、第４の光分離手段１４３、第４の受光手段１４４が配設されている。このようにして移動側物体１０２の２次元の位置と進行方向を知ることができる。
【０００９】
回転角度の検出方法について図２を用いて説明する。図２において、１０２は移動側物体、１１５は第１の投射光スポット位置、１２５は第２の投射光スポット位置、１３５は第３の投射光スポット位置、１４５は第４の投射光スポット位置である。図に対して水平方向をＸ軸、垂直方向をＹ軸とした場合に、基準角度θ0を以下のように規定する。
θ0＝ｔａｎ-1（Δｙ／Δｘ） ・・・（１）
ここで、Δｘは第１の受光手段の検出位置１１５と第３の受光手段検出位置１３５のＸ軸方向の相対距離、Δｙは第２の受光手段の検出位置１２５と第４の受光手段検出位置１４５のＹ軸方向の相対距離である。基準角度に対する回転角度θの検出には、進行方向検出用の第３の受光手段の信号、第４の受光手段の信号を利用する。すなわち、第１の受光手段からの検出信号をｘ1、第２の受光手段からの検出信号をｙ1、第３の受光手段からの検出信号をｘ2、第４の受光手段からの検出信号をｙ2とすると、基準角度に対する回転角度θは次式のように表される。
θ＝ｔａｎ-1[（ｙ2−ｙ1）／（ｘ2−ｘ1）]−ｔａｎ-1（Δｙ／Δｘ） ・・・（２）
なお、回転方向については、受光手段を２分割しそれぞれを回転軸まわりに変位させて配置することにより、両者の信号のタイミングによって回転方向を判別することができる。また別途、受光手段を追加することも本発明の趣旨を逸脱するものではない。
【００１０】
（第２実施例）
図３は本発明の第２実施例の投射光スポット位置と移動側物体回転中心の位置関係を示す図である。図において、１０２は移動側物体、１１５は第１の投射光スポット位置、１２５は第２の投射光スポット位置、１３５は第３の投射光スポット位置、１４５は第４の投射光スポット位置、１５１は移動側物体の回転中心とスケールの交点位置（以下、移動側物体回転中心交点と呼ぶ）である。第１の投射光スポット位置１１５と第３の投射光スポット位置１３５とを結んだ直線外に移動側物体回転中心交点１５１を配置している。同時に第２の投射光スポット位置１２５と第４の投射光スポット位置１４５とを結んだ直線外に移動側回転中心交点１５１を配置している。図４は、本発明の第２実施例の回転中心位置と検出分解能の関係を示す図である。スケールのパターン幅と間隔を等量とし、移動側物体の回転半径をパターン幅の２０倍という条件のもとで、回転中心まわりに回転させたときの検出信号の変化を比較したものである。図４（ａ）は、第１の投射光スポットにおける回転中心まわりに１８０度回転したときの検出信号の変化を示したものである。図４（ｂ）は、回転中心が２点の投射光スポットの直線上にある場合に回転中心まわりに１８０度回転したときの検出信号の変化を示したものである。図４（ｃ）は、回転中心が２点の投射光スポットの直線上にない場合に回転中心まわりに１８０度回転したときの検出信号の変化を示したものである。ここでは、具体的な一形態として中心角が１６０度のときの場合を示している。図４（ａ）と図４（ｂ）を比較すると、回転中心が２点の投射光スポットの直線上にある場合は、第１の投射光スポットの検出信号と第２の投射光スポットの検出信号は、まったく同じ信号になるため、第１の投射光スポットの検出信号感度が鈍いときには、同様に第２の投射光スポットの検出信号の感度も鈍くなる。検出信号の感度の評価のため、信号の立ち上がりをカウントすると、１８０度の回転に対して、カウント数は１０となった（図（ｂ）の○印で示す）。一方、図（ａ）と図（ｃ）を比較すると、回転中心が２点の投射光スポットの直線上にない場合は、第１の投射光スポットの検出信号に対して第２の投射光スポットの検出信号はシフトするため、第１の投射光スポットの検出信号感度と第２の投射光スポットの検出信号感度が回転角度により異なるため、一方の感度が鈍いときには他方で補うことができる。したがって、図４（ａ）と図４（ｂ）の検出信号を組み合わせると、図４（ａ）と図４（ｃ）の□印で示すようにカウント数は１２となり、よって、回転中心が２点の投射光スポットの直線外にある場合の方がカウント数が多く、高分解能化が可能であることが分かった。
【００１１】
（第３実施例）
図５は、本発明の第３実施例の投射光スポット位置と移動側物体回転中心の位置関係を示す図である。図５において第３実施例と異なる点は、第１の投射光スポット１１５から得られる直交座標の第１軸成分と回転中心と結んだ線分と第２の投射光スポット１２５から得られる直交座標の第１軸成分と回転中心と結んだ線分が互いに直交すると同時に第１の投射光スポット１１５から得られる直交座標の第２軸成分と回転中心と結んだ線分と第２の投射光スポット１２５から得られる直交座標の第２軸成分と回転中心と結んだ線分が互いに直交する第１の受光手段１２４により検出される直交座標と移動側物体回転中心交点１５１からなる線分と、第３の受光手段１３４と第４の受光手段１４４により検出される直交座標と移動側物体回転中心交点１５１からなる線分が互いに直交する点である。このように配置することで、第１の受光手段と第３の受光手段の組み合わせにおいてどちらかの検出感度が低いときでも、他方の検出感度が補うことで安定した回転角度を検出することができる。
図６は、本発明の第３実施例の回転中心と検出信号の関係を示す図である。スケールのパターン幅と間隔を等量とし、移動側物体の回転半径をパターン幅の２０倍という条件のもとで、回転中心まわりに回転させたときの検出信号を比較したものである。図６（ａ）は、第１の投射光スポットにおける回転中心まわりに１８０度回転したときの検出信号の変化である。図６（ｂ）は、中心角が９０度のときの第３の投射光スポットにおける回転中心あわりに１８０度回転したときの検出信号の変化である。図６（ａ）と図６（ｂ）の検出信号を組み合わせると、図６（ａ）と図６（ｃ）の□印で示すようにカウント数は１４となり、実施例２の場合のカウント数は１２だったので、さらに分解能が向上したことが分かった。したがって、請求項３の構成に比べて、請求項４の構成の方がより高分解能化が可能であることが分かった。
なお、回転方向については、受光手段を２分割しそれぞれを回転軸まわりに変位させて配置することにより、両者の信号のタイミングによって回転方向を判別することができる。また別途、受光手段を追加することも本発明の趣旨を逸脱するものではない。
【００１２】
（第４実施例）
図７は、本発明の第４実施例を示す構成図である。図７において、移動側物体１０２には、第１の発光手段１１１、第１の集光手段１１２、第１の受光手段１１３が設けられている。一方、第１スケール１０３と第２スケール１０４は、例えばそれぞれ長方形のパターン形状を有する突起部が一定間隔で繰り返し配列されている。第１スケール１０３と第２スケール１０４の高さはそれぞれ異なっており、また、第１スケール１０３と第２スケール１０４は、それぞれの相対位置関係が、長方形パターンが例えば互いが直交するよう配設されている。図８に第１スケール１０３と第２スケール１０４交叉部の拡大図を示す。第１スケール１０３突部の高さはｈA、第２スケール１０４突部の高さはｈB、第１スケール１０３と第２スケール１０４が重なった部分の高さはｈA＋ｈBである。図９ａ）はスケールの平面図である。また、図中に示すＣ−Ｃ‘線分に沿って第１の発光手段１１１によって照射されたときに第１の受光手段１１３で得られる信号を図９ｂ）に示す。第１の受光手段により得られる高さ情報は０、ｈA、ｈB、ｈA＋ｈBの４種類である。第１スケール１０３の長手方法と直交する方向（Ｘ軸方向）の変位に関しては、第１の受光手段１１３により得られる信号に高さ情報ｈAを含んだ状態から含まない状態に変化したとき、および高さ情報ｈAを含まない状態から含んだ状態に変化したとき１つカウントを進める。一方、第２スケール１０４の長手方法と直交する方向（Ｙ軸方向）の変位に関しても同様に、第１の受光手段１１３により得られる信号に高さ情報ｈBを含んだ状態から含まない状態に変化したとき、および高さ情報ｈBを含まない状態から含んだ状態に変化したときに１つカウントを進める。すなわち、図９ｂ）においては、Ｘ軸方向の変位は３カウント、Ｙ軸方向の変位は２カウントとなる。このようにしてカウント数を積算することにより、移動側物体１０２の２軸方向の変位量をそれぞれに検出することができる。さらに、進行方向の検出のために、移動体１０２には、第２の発光手段１２１、第２の集光手段１２２、第２の受光手段１２３が設けられており、第１の発光手段１１１より照射される第１の投射光スポットの位置と第２の発光手段１２１より照射される第２の照射スポット位置は、スケールのパターン方向に変位しており、第１のスケール、第２のスケール両方に対して、一般的にはスケールパターン周期の１／４だけ変位させるように第２の発光手段１２１、第２の集光手段１２２、第２の受光手段１２３が配設されている。
このようにして移動体１０２の２次元の位置と進行方向を知ることができる。つぎに回転角度の検出方法については、実施例１と同様、第１の受光手段１１３から得られる信号ｘ1，ｙ1と第２の受光手段１２３から得られる信号ｘ2，ｙ2を用いて、式（１）より算出することができる。
【００１３】
（第５実施例）
図１０は本発明の第５実施例の構成を示す図である。図において、１０２は移動側物体、１１５は第１の投射光スポット位置、１２５は第２の投射光スポット位置、１５１は移動側物体回転中心交点である。第１の投射光スポット位置１１５と第２の投射光スポット位置１２５とを結んだ直線外に移動側物体回転中心交点１５１を配置している。このように配置することで第２の実施例同様、回転中心を２つの投射光スポットの直線上に配置した場合と比較して、よりカウント数が得られ高分解能化が可能である。
【００１４】
（第６実施例）
図１１は、本発明の第６実施例の投射光スポット位置と移動側物体回転中心の位置関係を示す図である。図１１において第５実施例と異なる点は、第１のスポット位置１１５と回転中心とスケールの交点１１６とからなる線分と、第２のスポット位置１２５と移動側物体回転中心交点１５１とからなる線分が互いに直交する点である。このように配置することで第３の実施例同様、直交しない場合に比べて、よりカウント数が得られ高分解能化が可能である。
なお、以上の各実施例では直交した第１のスケールと第２のスケールを例にしたが、必要に応じて他の角度で交叉するように配置したものであっても本発明の趣旨を逸脱するものではない。
また、以上の各実施例の第１のスケールと第２のスケールは、樹脂基板やガラス基板上に作製することが可能である。第１のスケールと第２のスケールの製造には、射出成形法、レプリカ製法、フォトリソグラフィによるエッチング、レーザ加工等の方法が利用できる。特に、樹脂基板上に作成する場合は、安価に製造できる射出成形法が有効な製造方法である。また、ガラス基板を用いれば、温度によるスケール精度の変動が少なく、移動側物体の変位量を精度良く測定できるという特徴がある。さらに、請求項１の構成と比較して、発光手段、集光手段、受光手段の数を半分にすることができ、システム構成を簡易にすることができる。
各実施例の第１のスケールと第２のスケールは、異なる基板上に作製後、重ね合わせてもよいし、同一基板の表面と裏面にそれぞれのスケールを作成してもよい。スケール基板を薄くする必要がある場合には、同一基板の表面と裏面に作製する方が好ましい。
【００１５】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の光学式エンコーダによれば、位相差検出用の光学手段を用いたので、追加装置なしに移動側物体の回転角度を検出することができる。また、位相差検出用の光学手段の配置を工夫することにより、精度の高い回転角度の検出が可能な光学式エンコーダを提供することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を示す光学式エンコーダの斜視図
【図２】本発明の第１実施例における回転角度の検出方法を示す説明図
【図３】本発明の第２実施例の投射光スポット位置と移動側物体回転中心の位置関係を示す説明図
【図４】本発明の第２実施例の回転中心位置と検出分解能の関係を示す説明図
【図５】本発明の第３実施例の投射光スポット位置と移動側物体回転中心の位置関係を示す説明図
【図６】本発明の第３実施例の回転中心位置と検出分解能の関係を示す説明図
【図７】本発明の第４実施例を示す光学式エンコーダの斜視図
【図８】本発明の第４実施例の第１スケール１０３と第２スケール１０４交叉部の拡大斜視図
【図９】本発明の第４実施例を示すスケールの平面図
【図１０】本発明の第５実施例の構成を示す説明図
【図１１】本発明の第６実施例の投射光スポット位置と移動側物体回転中心の位置関係を示す説明図
【図１２】従来の光学式エンコーダを示す斜視図
【符号の説明】
１０１ 固定側物体
１０２ 移動側物体
１０３ 第１のスケール
１０４ 第２のスケール
１１１ 第１の発光手段
１１２ 第１の集光手段
１１３ 第１の光分離手段
１１４ 第１の受光手段
１１５ 第１の投射光スポット位置
１２１ 第２の発光手段
１２２ 第２の集光手段
１２３ 第２の光分離手段
１２４ 第２の受光手段
１２５ 第２の投射光スポット位置
１３１ 第３の発光手段
１３２ 第３の集光手段
１３３ 第３の光分離手段
１３４ 第３の受光手段
１３５ 第３の投射光スポット位置
１４１ 第４の発光手段
１４２ 第４の集光手段
１４３ 第４の光分離手段
１４４ 第４の受光手段
１４５ 第４の投射光スポット位置
１５１ 移動側物体回転中心交点
２０１ 固定側物体
２０２ Ｘ軸測定用リニアスケール
２０３ 可動ロッド
２０４ Ｘ軸測定用読みとりヘッド
２０５ Ｙ軸測定用リニアスケール
２０６ Ｙ軸測定用読みとりヘッド
２０７ 移動側物体
Claims (2)
- 固定側物体に対して、一定の間隙を保って移動する移動側物体の相対変位量を測定する光学式エンコーダにおいて、
前記固定側物体に設けられ、周期的なパターンを有し、パターン形成面に対して間隔を保ち互いに直交するように配置された第１のスケールおよび第２のスケールと、
前記移動側物体に設けられ、前記第１のスケールに対して第１の投射光を出射する第１の発光手段と、前記第１の投射光を前記第１のスケール上に集光させ第１の投射光スポットを形成させる第１の集光手段と、前記第１のスケール上で反射した光を検出する第１の受光手段と、
前記第２のスケールに対して第２の投射光を出射する第２の発光手段と、前記第２の投射光を前記第２のスケール上に集光させ第２の投射光スポットを形成させる第２の集光手段と、前記第２のスケール上で反射した光を検出する第２の受光手段と、
第３の位相差用投射光を出射する第３の発光手段と、前記第１の集光手段により前記第１のスケール上に集光された前記第１の投射光スポット位置に対して所定の位相差を有する位置に前記第３の位相差用投射光を集光させ第３の投射光スポットを形成させる第３の集光手段と、前記第１のスケール上で反射した反射光を検出する第３の受光手段と、
第４の位相差用投射光を出射する第４の発光手段と、前記第２の集光手段により前記第２のスケール上に集光された前記第２の投射光スポット位置に対して所定の位相差を有する位置に前記第４の位相差用投射光を集光させ第４の投射光スポットを形成させる第４の集光手段と、前記第２のスケール上で反射した光を検出する第４の受光手段と、
前記第１の受光手段、前記第２の受光手段、前記第３の受光手段および前記第４の受光手段からの信号を用いて前記移動側物体の回転角度を算出する手段とを有することを特徴とする光学式エンコーダ。 - 前記第１の投射光スポット位置と、前記移動側物体の回転中心軸と前記第１のスケールの交点とを結んだ直線と、前記第３の投射光スポット位置と、前記移動側物体の回転中心軸と前記第１のスケールの交点を結んだ直線が、互いに直交しており、
かつ、前記第２の投射光スポット位置と、前記移動側物体の回転中心軸と前記第２のスケールの交点とを結んだ直線と、前記第４の投射光スポット位置と、前記移動側物体の回転中心軸と前記第２のスケールの交点を結んだ直線が互いに直交していることを特徴とする請求項１記載の光学式エンコーダ。
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