JP4298526B2 - 光電式エンコーダ - Google Patents

Description

本発明は光電式エンコーダに関し、特に、変位エンコーダースケールを用い、各種工作機械や半導体製造装置等の位置測定、移動物体の移動量検出等に使用される光電式エンコーダに関する。

従来の光電式エンコーダでは、信号ピッチＰに対してＰ／４ずつの位相差を持つＡ相、Ｂ相、／Ａ相、／Ｂ相の幅Ｐ／２の受光素子をスケール移動方向に対して並設し、これら位相の異なる４個の受光素子を１セットとして、複数セットの受光素子群をスケールの移動方向に配置し、スケールの移動量、即ち、移動物体の移動量、相対位置を検出している。光源はスケールに対して受光素子と反対側に配置されており、スケールのデューティ（ＤＵＴＹ）比は５０％としている（例えば、特許文献１参照）。

他の従来例としては、信号ピッチＰに対してＰ／４ずつの位相差を持つＡ相、Ｂ相、／Ａ相、／Ｂ相の受光素子をスケール移動方向に対して３Ｐ／４毎の間隔を置いて配置し、スケールの移動量を検出する光電式エンコーダを開示している（例えば、特許文献２参照）。

ここでピッチＰはスケールに形成された複数の光通過用スリットの各間隔であり、信号の周期と同じである。また、本明細書の説明では、所定の位相差を持つＡ相、Ｂ相、／Ａ相、／Ｂ相については、／Ａ相はＡ相の、／Ｂ相はＢ相のそれぞれ反転差動信号（位相差が１８０度）の相補関係にあることを意味している。

特開平８−２０１１１７号公報（段落０００８、図２） 特開２００２−２３６０３３号公報（段落００６７〜００６９、図１０）

しかしながら、上述のような従来の光電式エンコーダにおいては、ピッチが狭いためクロストーク防止手段を設けるスペースを確保することができず、光信号の受光素子への回り込みや受光素子間のクロストークが発生するといった不都合があった。このようなクロストークを防止する手段を設けるために、受光素子の幅をＰ／２より小さくすることが考えられるが、このように受光素子の幅を小さくすると信号出力が減少する。

また、従来の光電式エンコーダにおいては配線が複雑で、場所によっては配線同士が重なり、受光素子アレイの製造を困難にしていた。さらに、光源の放射角変動により、各相の位相差に誤差が発生するといった課題があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、各受光素子間にクロストーク防止手段を設けるスペースを確保し、光信号の受光素子への回り込み成分やクロストークを低減できる光電式エンコーダを提供することを目的とする。また、配線の重なりをなくして配線間のクロストークを低減し、受光素子アレイの製造を容易にすることを目的とする。

さらに、光源の放射角変動の影響を受けることなく安定した差動増幅を行うことができ、放射角誤差による差動後の位相誤差を低減できる光電式エンコーダを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る光電式エンコーダは、光源からの放射光で照射することにより所定ピッチ（Ｐ）の周期的な光強度分布パターンを発生するスケールと、スケールと相対変位する複数の受光素子群とを備え、複数の受光素子群それぞれからの所定位相の位相差を有する信号をもとに、移動量を検出する。各受光素子群には複数個の受光素子が所定ピッチＰ離れた同一位相の位置に、少なくとも２個は隣接するように配置され、所定ピッチＰ以上離れた同一位相の位置に配置された複数個の受光素子を１つの受光素子群とし、複数の受光素子群を並設したことを特徴とする。

このように、同位相の受光素子を隣接させ、同位相の複数の受光素子を１セットとして複数組の受光素子群を並設したことにより、比較的狭いピッチでも各受光素子間にクロストーク防止部材を設けるスペースを確保でき、信号光の受光素子への回り込み成分やクロストークを低減できる。さらに、配線の重なりをなくすことができ、受光素子アレイの製造も容易となる。

以下、添付の図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において共通する要素には同一の符号を付し、重複する説明については簡単のために省略している。

（実施の形態１）
本発明の実施の形態１について図１乃び図２を参照して以下に説明する。図１は本発明の実施の形態１に係る光電式エンコーダの概略構成を示し、図２は、位相を基準に複数組の受光素子を配置した受光素子アレイの拡大図である。
図１において、１０２はＬＥＤ等の光源であり、ロータリースケール１０４を照射する放射光を発生する。１０３は回転軸１０８を中心に回転する円板であり、被検物体（不図示）の移動と一体的に回転する。

ロータリースケール１０４は複数個に分割された光通過用スリットを放射状に形成した構成であり、円板１０３の回転軸１０８を中心に円板（回転体）１０３内に同心円放射状に配置されている。また、ロータリースケール１０４は光軸と垂直な照射パターンの中心軸線１０１を有し、スケールのピッチＰでデューティ（ＤＵＴＹ）比は５０％としている。１０６は受光素子アレイであり、ロータリースケール１０４からの透過光を受光して光電変換するフォトダイオード等の受光素子１０５を複数個配置し、受光素子アレイ１０６上にはピッチＰのスケールパターンが照射されるように構成されている。ここで、スケールの照射パターンの中心軸線１０１は、受光素子アレイ１０６の中心軸線（図２を参照して後述する）と一致させている。

図２に示す受光素子アレイ１０６において、各受光素子の幅がほぼＰ／２である合計１６個の受光素子を配置して、基準のＡ相（２２）に対して９０度の位相差を持つＢ相（２４）と、１８０度の位相差を持つ／Ａ相（２３）と、２７０度の位相差を持つ／Ｂ相（２５）の４信号を検出するように構成され、４相の信号に対応している。各受光素子の配置位置は、まずＡ相の受光素子Ａ１を配置し、受光素子の中心間の距離がピッチＰとなる位置に２つ目のＡ相の受光素子Ａ２を配置する。続いてＡ２から受光素子の中心間の距離が３Ｐ／２の位置に／Ａ相の受光素子／Ａ１を配置し、さらに、間隔Ｐ毎に／Ａ相の受光素子／Ａ２、／Ａ３、／Ａ４を順次配置した構成としている。

次に、／Ａ４から受光素子の中心間の距離が３Ｐ／２の位置にＡ相の３個目の受光素子Ａ３を配置し、さらに、間隔Ｐを置いてＡ相の4番目の受光素子Ａ４を配置している。同様に、受光素子Ａ４から受光素子の中心間の距離が５Ｐ／４の位置にＢ相の受光素子Ｂ１を配置し、間隔Ｐを置いてＢ相の受光素子Ｂ２を配置し、続いてＢ２から中心間の距離が３Ｐ／２の位置に／Ｂ相の受光素子／Ｂ１を配置し、さらに、間隔Ｐ毎に／Ｂ相の受光素子／Ｂ２、／Ｂ３、／Ｂ４を順次配置する。さらに、／Ｂ４から受光素子の中心間の距離が３Ｐ／２の位置にＢ相の３個目の受光素子Ｂ３を配置し、さらに、間隔Ｐを置いてＢ相の受光素子Ｂ４を配置している。即ち、同一位相の４個の受光素子で各受光素子群を形成し、それぞれの受光素子群において、少なくとも２個の受光素子を隣接して配置している。

上記構成において、参照番号２８はＡ相および／Ａ相の各受光素子群の位相軸１０９上における共通の面積重心、２９はＢ相および／Ｂ相の各受光素子群の位相軸上における共通の面積重心である。さらに、照射パターンの中心軸線１０１から上記位相軸上における面積重心２８までの位相距離と、中心軸線１０１から面積重心２９までの位相距離が等しくなるように受光素子群を配置している。

４つの受光素子群に分割した合計１６個の受光素子により、Ａ相２２、Ｂ相２４、／Ａ相２３、／Ｂ相２５の４信号を検出し、Ａ相２２と／Ａ相２３、Ｂ相２４と／Ｂ相２５で差動増幅し、９０度位相差の信号（２２，２３；２４，２５）を生成する。１６個の各隣接受光素子間の空いたスペースに、クロストーク防止用遮断層として共通のダミー層２６を設け、ダミー層２６に入射した光成分をダミー信号（Ｄ）２７として検出している。これにより、各受光素子間を遮断するとともに、受光素子間の空いたスペースに一旦入射した光を、ダミー信号２７として吸い取ることで、受光素子への回り込みを防止することがてきる。

一例として、円板１０３に形成されたロータリースケール１０４の回転軸中心Ｏからの平均半径をｒ＝９．５５ｍｍ、ロータリースケールの分割数を５００とすると、ロータリースケールの平均ピッチＰは２πｒ／５００として求められ、略１２０μｍとなる。このときの受光素子間の空きスペースは最小でもＰ／２（即ち、６０μｍ）となり、ダミー層２６を設けるのに充分なスペースを確保している。

このような構成において、ダミー層２６を設けたことにより、各受光素子への回り込み成分や各信号成分間のクロストークを低減できる。また、Ａ相２２、Ｂ相２４、／Ａ相２３、／Ｂ相２５とダミー信号２７の配線を重ねることなく各信号成分を検出することができる。さらに、Ａ相２２と／Ａ相２３、Ｂ相２４と／Ｂ相２５において、受光素子群の位相軸上の面積重心が完全に一致させている。

即ち、Ａ相の受光素子群Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４の面積重心と／Ａ相の受光素子群／Ａ１，／Ａ２，／Ａ３，／Ａ４の面積重心はともに面積重心２８であり、Ｂ相の受光素子群Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４の面積重心と／Ｂ相の受光素子群／Ｂ１，／Ｂ２，／Ｂ３，／Ｂ４の面積重心はともに面積重心２９である。このように受光素子群の位相軸上の面積重心を一致させたことにより、光源の放射角変動などの影響を受けずに、所定の位相を持つ複数の信号間の位相差を安定化させることができる。

また、照射パターンの中心軸線１０１から上記位相軸上におけるＡ相２２と／Ａ相２３の面積重心２８までの位相距離と、Ｂ相２４と／Ｂ相２５の面積重心２９までの位相距離を等しくしている。このように、所定の位相差を持つ複数の受光素子群において、各受光素子群の位相軸上の面積重心を、光源からの放射光の中心軸（１０１）に対して軸対称に配置したことにより、光源の放射角変動のうち、軸対称成分の影響を受けずに、所定の位相差を持つ複数の信号間の位相差を安定化させることができる。

図５は光源からの放射角変動の一例を示す説明図である。同図において、５１は光源、５２はスケール、５３は受光素子アレイ、破線５４は正規の放射光、実線５５は誤差発生時の放射光であり、例えば、放射角誤差による、差動後の位相差９０度の位相誤差が発生した放射角変動例を示している。

これに対して本実施の形態１では、図２に示すように、Ａ相２２と／Ａ相２３、Ｂ相２４と／Ｂ相２５の各受光素子群の位相軸上の面積重心位置を一致させたことにより、光源の放射角変動などの影響を受けずに、所定の位相差を持つ複数の信号間の位相差を安定化させることができる。

また、面積重心２８と面積重心２９を、照射パターンの中心軸線１０１に関して対称位置に配置しているので、光源の放射角変動のうち、軸対称成分の影響を受けずに、所定の位相差を持つ複数の信号間の位相差を安定化させることができる。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２について図３を参照して以下に説明する。図３は本発明の実施の形態２に係る光電式エンコーダの、位相を基準に各受光素子を図示した受光素子アレイ２０６の拡大図である。

図３に示すように、受光素子アレイ２０６において、各受光素子の配置位置は、Ａ相の受光素子Ａ１からの受光素子の中心間の距離がピッチＰとなる位置に２つ目のＡ相の受光素子Ａ２を配置する。続いてＡ２から受光素子の中心間の距離が５Ｐ／４の位置にＢ相の受光素子Ｂ１を配置し、さらに、間隔Ｐ毎にＢ相の受光素子Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４を順次配置した構成としている。

次に、Ｂ４から受光素子の中心間の距離が７Ｐ／４の位置にＡ相の３個目の受光素子Ａ３を配置し、さらに、間隔Ｐを置いてＡ相の４番目の受光素子Ａ４を配置している。同様に、受光素子Ａ４から受光素子の中心間の距離が３Ｐ／２の位置に／Ａ相の１番目の受光素子／Ａ１を配置し、間隔Ｐを置いて２番目の受光素子／Ａ２を配置し、続いて／Ａ２から受光素子の中心間の距離が５Ｐ／４の位置に／Ｂ相の１番目の受光素子／Ｂ１を配置し、さらに、間隔Ｐ毎に／Ｂ相の受光素子／Ｂ２、／Ｂ３、／Ｂ４を順次配置している。さらに、／Ｂ４から受光素子の中心間の距離が７Ｐ／４の位置に／Ａ相の３個目の受光素子／Ａ３を配置し、さらに、間隔Ｐを置いて／Ａ相の４番目の受光素子／Ａ４を配置している。この構成においても、実施の形態１と同様に、同一位相の４個の受光素子で各受光素子群を形成し、それぞれの受光素子群において、少なくとも２個の受光素子を隣接して配置している。

上記構成において、照射パターンの中心軸線１０１から上記位相軸上におけるＡ相とＢ相の面積重心３８までの位相距離と、／Ａ相と／Ｂ相の面積重心３９までの位相距離がほぼ等しくなるように、受光素子群を配置している。

これら１６個の受光素子より、Ａ相３２、Ｂ相３４、／Ａ相３３、／Ｂ相３５の４信号を検出し、Ａ相３２と／Ａ相３３、Ｂ相３４と／Ｂ相３５で差動増幅し、９０度位相差の信号を生成する。１６個の受光素子間の空いたスペースに、共通のダミー層３６を設け、ダミー層３６に入射した光成分をダミー信号（Ｄ）３７として検出している。これにより、各受光素子間を遮断するとともに、受光素子間の空いたスペースに一旦入射した光を、ダミー信号３７として吸い取ることで、受光素子への回り込みを防止することがてきる。

このような構成において、ダミー層３６を設けたことにより、各受光素子への回り込み成分や各信号成分間のクロストークを低減できる。また、Ａ相３２、Ｂ相３４、／Ａ相３３、／Ｂ相３５とダミー信号３７の配線を重ねることなく各信号成分を検出することができる。さらに、照射パターンの中心軸線１０１から上記位相軸上におけるＡ相３２とＢ相３４の面積重心３８までの位相距離と、／Ａ相３３と／Ｂ相３５の面積重心３９までの位相距離を等しくしているので、放射角変動などの外乱の影響を受けることはなく、安定した差動増幅を行うことができる。

このように本実施の形態２では、図３に示すように、Ａ相３２と／Ａ相３３、およびＢ相３４と／Ｂ相３５の各受光素子群の、図５に示すような放射角誤差による差動後の位相誤差を低減させることができる。

（実施の形態３）
本発明の実施の形態３について図４を参照して以下に説明する。図４は本発明の実施の形態３に係る光電式エンコーダの、位相を基準に各受光素子を図示した受光素子アレイの拡大図である。

図４に示すように、受光素子アレイ３０６において、各受光素子の配置位置は、まずＡ相の受光素子Ａ１を配置し、受光素子の中心間の距離がピッチＰとなる位置に２つ目のＡ相の受光素子Ａ２を配置する。続いてＡ２から受光素子の中心間の距離が５Ｐ／４の位置にＢ相の受光素子Ｂ１を配置し、さらに、間隔Ｐをおいて受光素子Ｂ２を配置している。

次に、Ｂ２から受光素子の中心間の距離が５Ｐ／４の位置に／Ａ相の１個目の受光素子／Ａ１を配置し、さらに、間隔Ｐを置いて受光素子／Ａ２を配置している。／Ａ２から受光素子の中心間の距離が５Ｐ／４の位置に／Ｂ相の受光素子／Ｂ１を配置し、さらに、間隔Ｐをおいて受光素子／Ｂ２を配置した構成としている。

同様に、／Ｂ２から受光素子の中心間の距離が５Ｐ／４の位置にＡ相の受光素子Ａ３を配置し、さらに、間隔Ｐを置いて受光素子Ａ４を配置している。受光素子Ａ４から受光素子の中心間の距離が５Ｐ／４の位置にＢ相の受光素子Ｂ３を配置し、間隔Ｐを置いて受光素子Ｂ４を配置している。続いてＢ４から受光素子の中心間の距離が５Ｐ／４の位置に／Ａ相の受光素子／Ａ３を配置し、さらに、間隔Ｐを置いて受光素子／Ａ４を順次配置し、さらに、／Ａ４から受光素子の中心間の距離が５Ｐ／４の位置に／Ｂ相の３個目の受光素子／Ｂ３を配置し、さらに、間隔Ｐを置いて受光素子／Ｂ４を配置している。このように、上記構成においては、例えば受光素子Ａ２とＢ１に代表される隣接する各受光素子群の端同士の受光素子中心間の距離は５Ｐ／４に設定している。この構成においても、実施の形態１や実施の形態２と同様に、同一位相の４個の受光素子で各受光素子群を形成し、それぞれの受光素子群において、少なくとも２個の受光素子を隣接して配置している。

これら１６個の受光素子より、Ａ相４２、Ｂ相４４、／Ａ相４３、／Ｂ相４５の４信号を検出して差動増幅し、９０度位相差の信号を生成する。１６個の受光素子間の空いたスペースに、共通のダミー層４６をクロストーク防止用に設け、ダミー層４６に入射した光成分をダミー信号（不図示）として検出している。これにより、各受光素子間を遮断するとともに、受光素子間の空いたスペースに一旦入射した光を、ダミー信号として吸い取ることで、受光素子への回り込みを防止することがてきる。これにより、受光素子を１つずつ５Ｐ／４の間隔ごとに配置した場合に比べて、並設配置とダミー層の配置を維持しつつ、受光素子アレイ全体の面積を小さくできる。

なお、上述の実施の形態１〜３においては、同一位相の４個の受光素子で各受光素子群を形成し、それぞれの受光素子群において、少なくとも２個の受光素子を隣接して配置しているが、スケールのピッチや光源の照射領域に応じて、各受光素子群の受光素子の数を増やしてもよいし、減らしてもよい。また、受光素子群を構成する受光素子の幅をＰ／２としているが、この幅を狭めてもよいし広げてもよい。また、各受光素子群の位相差は、実施の形態１〜３のように９０度毎の０度、９０度、１８０度、２７０度とするのが、互いに位相差が１８０度の信号を差動増幅して９０度位相差の２信号を得る点で好ましいが、各受光素子群の位相差は９０度以外の位相差であってもよく、例えば４５度毎に８個の受光素子群を形成し、互いに位相差が１８０度の信号を差動増幅して４５度位相差の４信号を得る構成とすることで、信号数は増えるが位相検出の精度向上を図ることも可能である。

また、各受光素子群の位相差が不均一であってもよく、例えば、光源の放射角変動や強度変動の影響を受けやすくなるが、受光素子群の位相差が９０度と２７０度、即ち、受光素子群の位相が０度と９０度の２つのみとし、差動増幅を行なわずに９０度位相差の２信号を得る構成としてもよい。

また、所定の位相差を持つ受光素子群の数を４個としているが、所定の位相差を有する受光素子群の数は、２個、３個または８個等いくつでもよい。また、位相差が所定の関係にある複数の受光素子群の、各々の位相軸上における面積重心を完全に一致させることが望ましいが、概ね一致している場合でも、複数の受光素子群の位相差を安定化させる効果が得られる。また、位相差が所定の関係にある複数の受光素子群の、各々の位相軸上における面積重心を、光源からの放射光の中心軸に対して軸対称に配置させることが望ましいが、概ね軸対称である場合でも、複数の受光素子群の位相差を安定化させる効果が得られる。

また、図６に示すように、ピッチＰ以上の幅を有する受光素子６１と、Ｐ／２の幅を有する受光窓６２をピッチＰで（即ち、同位相で）複数個配置した遮光板６３とを組み合わせて、１つの受光素子群を構成することも可能である。また、図６において、受光窓６２の幅をＰ／２としているが、この幅を狭めてもよいし広げてもよい。

また、ロータリースケールにピッチＰでデューティ比５０％のスケールを用いているが、例えば、ピッチＰで正弦波状または三角波状に変化するスケールなど、ピッチＰで周期的に変化するものであればよい。また、各隣接受光素子の間に、例えば蒸着膜等による遮光部材を配置して、クロストークを低減させることもできる。また、各受光素子の間に、例えばエッチング等による信号光遮断手段を設け、クロストークを低減させることも可能である。また、上述の実施の形態ではロータリーエンコーダについて説明したが、本発明はリニアエンコーダにも同様に適用可能である。

以上説明したように、本発明によれば、比較的狭いピッチでも各受光素子間にクロストーク防止部材を設けるスペースを確保でき、信号光の受光素子への回り込み成分やクロストークを低減化に活用できる。さらに、配線の重なりをなくすことができ、受光素子アレイの製造も容易化に活用できる。また、Ａ相と／Ａ相、Ｂ相と／Ｂ相の各受光素子群の面積重心を一致させ、照射パターンの中心軸に対して各面積重心位置を軸対称に配置したことにより、光源の放射角変動などの影響を受けることなく、複数の信号間の位相差を安定させることに活用できる。

本発明に係る実施の形態１に係る光電式エンコーダの概略構成を示す要部斜視図である。 図１に示す光電式エンコーダの各受光素子を配置した受光素子アレイの拡大図である。 本発明に係る実施の形態２に係る光電式エンコーダの各受光素子を配置した受光素子アレイの拡大図である。 本発明に係る実施の形態３に係る光電式エンコーダの各受光素子を配置した受光素子アレイの拡大図である。 光源からの放射角変動の一例を示す説明図である。 受光素子群の一例を示す斜視図である。

符号の説明

２２，３２，４２ Ａ相信号、 ２３，３３，４３ ／Ａ相信号、 ２４，３４，４４ Ｂ相信号、 ２５，３５，４５ ／Ｂ相信号、 ２６，３６，４６ ダミー層、 ２７，３７ ダミー信号、 ２８，２９，３８，３９ 受光素子群の面積重心、 ６１ 受光素子、 ６２ 受光窓、 ６３ 遮光板、 １０１ 中心軸線、 １０２ 光源、 １０３ 円板、 １０４ ロータリースケール、 １０５ 受光素子、 １０６，２０６，３０６ 受光素子アレイ、 １０８ 回転軸

Claims (5)

1. 光源からの放射光で照射することにより所定ピッチ（Ｐ）の周期的な光強度分布パターンを発生するスケールと、前記スケールと相対変位する複数の受光素子群とを備え、前記複数の受光素子群それぞれからの所定位相の位相差を有する信号をもとに、移動量を検出する光電式エンコーダにおいて、
   複数個の受光素子を所定ピッチＰ離れた同一位相の位置に、少なくとも２個は隣接するように配置し、所定ピッチＰ以上離れた同一位相の位置に配置された複数個の受光素子を１つの受光素子群としたことを特徴とする光電式エンコーダ。
2. 前記複数の受光素子群は所定の位相差を持ち、互いに位相差が所定の関係にある複数の受光素子群の、各々の位相軸上の面積重心を一致させたことを特徴とする請求項１に記載の光電式エンコーダ。
3. 前記複数の受光素子群は、各隣接受光素子の間に、一体構成のクロストーク防止部を設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載の光電式エンコーダ。
4. 前記クロストーク防止部は蒸着膜部材である請求項３に記載の光電式エンコーダ。
5. 前記クロストーク防止部はエッチングによる信号光遮断部材である請求項３に記載の光電式エンコーダ。

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