JP4360762B2

JP4360762B2 - 光学式エンコーダ装置

Info

Publication number: JP4360762B2
Application number: JP2001083928A
Authority: JP
Inventors: 宏一工藤
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2001-03-23
Filing date: 2001-03-23
Publication date: 2009-11-11
Anticipated expiration: 2021-03-23
Also published as: JP2002286507A; US20020134927A1; US6774355B2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、直線距離計測、直線速度計測等に用いられるリニアエンコーダ、あるいは、回転体の角度・角速度計測、回転制御用のセンサや複写機などのドラム回転制御に用いられるロータリーエンコーダなどの光学式エンコーダ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
第１５図は従来の光学式エンコーダ装置（図示例はリニアエンコーダ）の一例を示す。図中１は光源（光源部）、２は光源１からの光を平行光線としてスケールに投射するためのコリメートレンズ、３は一定の格子定数を持った光学格子からなるスケール、４は前記スケール３と同じ格子定数を持った光学素子からなるインデックススケールである。スケール３の移動方向を識別するために、インデックススケールは、互いに１／４波長だけずらされた２つの格子を持っている。５及び５’は上記２つの光学格子のそれぞれを通過した光を検出するための検出器（受光部）、６は上記スケールの移動方向を示す矢印である。
【０００３】
この構造において、スケール３を矢印６の方向に移動させると、インデックススケール４との相対位置関係により、光が通過したり遮断されたりする。この光量変化を検出器５で検出することにより、正弦波状の電気信号が得られ、これをカウントすることにより、スケール３の移動量を検知することができる。
【０００４】
ロータリーエンコーダの場合は、スケールが円板状になっており、円周方向にスリットが配列されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来のエンコーダ装置では、スケールの取り付け角度ずれ（リニアエンコーダの場合）や取り付け偏心（ロータリーエンコーダの場合）などがあると、その誤差が直接計測誤差となるために、スケールの取り付けに厳しい精度が要求される。
【０００６】
一般的なスケール３は、図１５の従来例のように、インデックススケール４に対して開口幅を広く持たせている。これは、スケール３と光源部や受光部などからなるヘッド部とのアライメント許容範囲を広く持たせるためである。逆に言うと、アライメント許容範囲を広くとったことにより、スケールが傾いて取り付けられたとしても、ユーザが気付かずに誤差を持った計測をしてしまう可能性が広がることになる。従って、いくら高精度なスケールを用いても、その性能を十分に発揮することができないという問題が生じる。
【０００７】
特にロータリーエンコーダは、偏心による誤差が（偏心量）／（スケール半径）だけ発生するので、分解能が高い場合には、堅牢なハウジングと精密な位置調整により組み立てる必要があり、そのために非常に高価になってしまう。
【０００８】
また、最近では、低コスト化を図るべく、回転スケールと検出ヘッドを分離してユーザが治具を用いて組み付けるようにしたモジュール型と呼ばれる物も提供されてきている。しかしながら、一般の機器に組み込む場合には、回転スケールを精密に組み付け調整する必要があり、結局コストアップに繋がる。
【０００９】
そこで、この問題を回避するために、ヘッドを１８０°ずらして２個搭載し、それぞれの計測角の和の１／２を計算する方法がよく知られている。しかし、この方法も、コストの高いヘッドを２個使うのでコストアップになる。
【００１０】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、コストを抑え、取り付け時の精密な調整も不要でありながら、スケールの取り付け誤差を補正することができ、これまでコストの面で搭載が難しかった機器へも利用することのできる光学式エンコーダ装置を提供するを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の請求項１に記載の光学式エンコーダ装置は、一定方向に移動自在とされ且つ移動方向にスリットが配列されたスケールと、該スケールに対して光ビームを照射する光源部と、前記光ビームのスケール透過光またはスケール反射光を受光して光電変換を行う受光部とを備えた光学式エンコーダ装置において、
前記スリットのスケール移動方向と直交する方向の開口寸法とスケールに対する光ビームの照射径とをほぼ同じ大きさに設定したことを特徴とする。
【００１４】
請求項１に記載の発明によれば、光ビームの照射径がスリットの開口幅と同程度に設定されているので、ヘッド（光源部及び受光部）とスケールの中心位置が合っていないと、光ビームの一部がけられて、受光する光強度が減少する。従って、この光強度の増減を観測することにより、ヘッドとスケールのアライメント誤差を検知することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
図１は第１実施形態として示すリニアエンコーダのスケール１１の斜視図である。このエンコーダは、一定方向（自身の長手方向）に移動自在とされ且つ移動方向にスリット１２が配列されたスケール１１と、該スケール１１に対して光ビームＨを照射する光源部（図１では図示略）と、光ビームＨのスケール透過光またはスケール反射光を受光して光電変換を行う受光部（図１では図示略）とを備えている。
【００２４】
そして、この実施形態では、前記スリット１２のスケール移動方向と直交する方向の開口寸法Ｔを、スケール１１に対する光ビームＨの照射径に応じて制限された寸法に設定したことを特徴としている。一般的なスリット１２の形成方法としては、半導体プロセスを用いてガラス上にクロムなどをパターニングする方法や、分解能が低くても良い場合は金属板の打ち抜き加工やエッチングによる穴あけなどの方法が知られており、これらの方法でスリット１２を形成すればよい。また、スリット１２の機能としては光を透過すればよいので、写真プロセスなどで透過率変化を持たせるなどの方法を採用することもできる。
【００２５】
この実施形態では、スリット１２の横方向の（開口幅）寸法Ｔに制限を設け、使用する光ビームＨの透過像が、スケール１１の位置とヘッド（光源部及び受光部よりなる）の位置関係により、非対称になることを利用して、スケール１１とヘッドのアライメント誤差を検出するようにしている。スリット１２の開口の大きさについては、組み合わされるヘッドによっても最適な大きさが異なってくるため、特に規定はしない。
【００２６】
次に作用を説明する。
図２では、上から順にスリットに入射する光ビームのプロファイル、スリットの開口、スリットを透過した光ビームのプロファイルを示している。通常の光源から出射される光ビームプロファイルは、上図のように、おおよそガウシアン分布をなしている。この光ビームがスリットの中心に対して少しずれて入射したとすると、スリットの開口に制限されて、下図に示すように、中心に対し非対称なパターンの光ビームが得られる。
【００２７】
従って、この非対称の度合いを検知することで、スケールとヘッドの位置関係が検知することができる。非対称度合いの検知方法としては、単純に光強度を観測すればよい。図２のような分布を持ったパターンの場合、中心対象の時に最も強い光強度が得られるので、ヘッドとスケールのアライメントを適正になす場合は、出力信号が最も大きくなる位置に、ヘッドとスケールの位置を調整すればよいことになる。
【００２８】
このように、エンコーダを構成する場合に、受光部からの出力信号の強度をモニターすることで、そのデータをスケールとヘッドのアライメントに利用することができる。また、信号検知時に出力信号の振幅が変動することを観測することで、取り付け角度の誤差を求めることができ、その誤差データを出力信号の補正に利用することができる。
【００２９】
また、以上で述べた考えは、ロータリーエンコーダにそのまま適用するができる。即ち、ロータリエンコーダの場合、回転方向が移動方向であり、図３に示すように、スケール２１のスリット２２は円周方向に配列され、回転方向と直交する方向のスリット２２の開口寸法Ｔが、光ビームの照射径に応じて制限された寸法に設定されている。
【００３０】
このようにロータリーエンコーダに適用することで、エンコーダディスク（スケール２１）の取り付け誤差や偏心量の検知を行うことができ、その検知データに基づいて計測誤差を補正することができる。
【００３１】
図４は第２実施形態のエンコーダの概略図である。このエンコーダは、一定方向（紙面と直交する方向）に移動自在とされ且つ移動方向にスリット３２が配列されたスケール３１と、該スケール３１に対して光ビームＨを照射する光源部３３と、光ビームＨのスケール透過光を受光して光電変換を行う受光部３４とを備えている。光源部３３と受光部３４は、予め一体化されたヘッド３５として構成されている。スリット３２のスケール移動方向と直交する方向の開口寸法（図４で示される開口の寸法）は、光源部３３からスケール３１に照射される光ビームＨの照射径（ビーム径）とほぼ同じ寸法に設定されている。ここでは、通常使われるＬＥＤ、ＬＤなどの光源はそのままでは発散してしまうので、レンズ３７で発散角を調整して所定の照射径が得られるようにしている。
【００３２】
なお、光ビームＨのスケール移動方向における照射寸法は、スリット３２の移動方向の幅と同程度でもよい。また、スケール３１の汚れや傷による誤検知を減らすためには、従来例のようにインデックススケールを使って複数本のスリットを同時に観測するようにするとよい。
【００３３】
図６、図７にインデックススケール４１Ａ、４１Ｂの例を示す。図１５の従来例では、スケールの直後にインデックススケールを配置しているが、光源がある程度のコヒーレンシーを有する場合には、離して配置しても構わない。図６のインデックススケール４１Ａは１相のスリット４２を持つが、図７のインデックススケール４１Ｂは２相のスリット４２を持つ。受光部３４は、２相のスリット４２に対応して２相の領域に分割されている。
【００３４】
図４の構成においてスケール３１を透過した光ビームＨは、スケール３１の遮光部で遮光され、スリット３２を透過する。ここで、スリット３２は開口幅が制限され、光ビームＨはスリット３２の開口幅と同程度に設定されているので、ヘッドとスケールの位置関係によって、受光部３４に入射する光ビームのパターンは、図５の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）のように変化する。（ａ）はヘッドとスケールの中心が合っている場合、（ｂ）、（ｃ）はヘッドとスケールの中心が合っていない場合のビームパターンＨＰを示している。（ｂ）、（ｃ）の場合は、光ビームの一部がけられるため、受光する光強度が減少する。従って、この光強度の増減を観測することにより、ヘッドとスケールのアライメント誤差を検知することができる。
【００３５】
上記の実施形態の段階であると、ヘッドとスケールのアライメント誤差が生じていることまでは分かる。また、誤差量を特定することもできる。しかし、どちらの方向に誤差が生じているのかまでは判別できない。
【００３６】
そこで、第３の実施形態では、図８（ａ）に示すように、受光部３４をスケール移動方向と直交する方向にＡとＢの２つの領域に分割している。このように受光領域がＡとＢの２領域に分割された受光素子を用いると、スリットによる光ビームのけられ方に応じて、（Ａ領域）−（Ｂ領域）の差分信号が、図８（ｂ）の曲線のように変化する。そこで、図中中央のＳの部分に変動が収まるように設定すれば、直線性の高い検出が行えるようになり、ヘッドとスケールのアライメント誤差が高精度に検出できると共にその方向性が検知できるようになる。
【００３７】
図９は第４の実施形態の説明図である。この実施形態は、低コストでアライメント誤差の方向性を検知できるようにすることを解決課題にしている。構成的には、いままでの実施形態では、スリット３２の中心に光ビームＨの中心が来るように調整していたが、この実施形態では、予めスリット３２の開口のエッジに光ビームＨの一部が掛かるように調整していることを特徴とする。
【００３８】
例えば図のように、光ビームＨの中心をスリット３２の開口エッジに合うようにヘッドとスケールの位置関係を設定したとすると、受光部３４で得られる光は開口によりけられる前の１／２になる。この位置から開口のエッジが光ビームＨをける方向に動けば信号強度が減り、逆に光ビームをより通過させる方向に動けば信号強度が増すので、ナイフエッジ（開口エッジ）の位置により、図１０のようなカーブで信号強度が変化する。従って、受光領域を分割しなくても、変化の方向を判別できる。
【００３９】
図１０は第５に実施形態の説明図である。受光部３４で受ける光量はスケール３１の汚れ、傷、スリット３２の開口精度などによっても変動してしまう。そのため、受光光量だけで誤差量を検出すると高精度に検出できないおそれがある。そこで、本実施形態では、スケール３１の汚れなどによる光量変化があっても、精度良くヘッドとスケールのアライメント誤差が計測できるようにすることを目的としている。
【００４０】
構成的には、スケール３１に照射する光ビームＨとして、スケール３１上において強度分布が一様（強度分布が無い）であり且つスケール移動方向と直交する方向において一様な形状分布（形状分布が無い）を持つような光源（光源部３３）を利用することを特徴としている。このような一様な強度分布を持つ光ビームを得る方法としては、光源の後に拡散板を置いて、プロファイルを均一にする方法、ステッパーに用いられるようなフライアイレンズに代表されるホモジェナイザーを利用する方法などがある。また、スケールの移動方向と直交する方向に形状分布を持たないようにするためには、前述の強度分布の無い光を長方形のマスクを通して照射する方法などがある。
【００４１】
このような強度分布と形状分布の無い光ビームＨをスケール３１に照射した場合、受光部３４上に照射される透過光のビーム像ＨＳは、図１２に示すようになる。従って、スケール３１とヘッド（光源部及び受光部）の位置関係が変化したときには、ビーム像ＨＳが受光面上を上下に移動するだけになるので、受光部３４で得られるトータルの受光光量は変化しない。仮りにスケール３１の汚れなどで全光量が減少した場合においても、２分割の受光部３４の差分信号の全光量に占める割合（［Ａ−Ｂ］／［Ａ＋Ｂ］）は一定であるので、高精度にヘッドとスケールのアライメント誤差が検出できる。
【００４２】
図１３は第６の実施形態の説明図である。図１３で示したような均一分布の光を得るためにはホモジェナイザーなどの高価な光学素子を利用する必要がある。そこで、本実施形態では、コストをかけずに同様の効果を得られるようにすることを課題にしている。
【００４３】
構成的には、光源部からの光ビームＨを２本とし、スケール３１への照射位置において前記２つの光ビームＨの間隔がスリット３２の開口部の大きさと略同じくなるように設定したことを特徴としている。これら２つの光ビームＨを得る方法としては、光源を２つ用意する方法でもよいし、ビームスプリッタやハーフミラーなどの光分割素子を利用する方法でもよい。
【００４４】
図１４は、前記の２つの光ビームＨがスケール３１に照射された際の、受光部３４上のビーム像ＨＳのパターンを示す。ヘッドとスケールのアライメントが合っているときには、それぞれ２つの光ビームＨの中心はスリット３２の開口エッジの位置にあり、スリット透過に関わる光は、それぞれの光ビームＨの半分の光量となる。即ち、２つの光ビームＨの透過光量が同じ場合には、１本分の光がスリット透過に利用される。この状態で、スケールとヘッドの位置が変動した場合には、図のように２つの受光領域のうち片側の光量が増え、もう一方の光量が減少する。しかし、２つのビームのプロファイルがほぼ同じであれば、片側で増加した光量と、減少する側の減少光量が同じになるので、全体としてはビーム１本分の光量が得られることになる。従って、高価な光学素子を用いなくても、受光光量の総和が一定になり、図１２の場合と同様の効果が低コストで得られることになる。
【００４５】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、受光部からの出力信号の強度をモニターすることにより、スケールとヘッド（光源部及び受光部）のアライメントを適正に行うことができる。また、信号検知時に出力信号の振幅が変動することを観測することで、スケールの取り付け角度の誤差を求めることができ、その誤差データを出力信号の補正に利用することができる。また、ロータリーエンコーダに適用した場合は、エンコーダディスク（スケール）の取り付け誤差や偏心量の検知を行うことができ、その検知データを計測誤差補正に利用することができる。その結果、コストを抑え、取り付け時の精密な調整も不要とすることができ、これまでコストの面で搭載が難しかった機器へも利用することができるようになる。
また、光ビームの照射径がスリットの開口幅と同程度に設定されているので、ヘッド（光源部及び受光部）とスケールの中心位置が合っていないと、光ビームの一部がけられて、受光する光強度が減少する。従って、この光強度の増減を観測することにより、ヘッドとスケールのアライメント誤差を検知することができる。
【００４７】
請求項２に記載の発明によれば、受光領域が２以上に分割された受光部を使うので、スリットによる光ビームのけられ方によって、各領域の差分信号が変化する。従って、差分信号の変動が収まるように設定すれば、直線性の高い検出が行えるので、ヘッドとスケールのアライメント誤差を高精度に検出できると共に、その方向性も検知することができる。
【００４８】
請求項３に記載の発明によれば、受光領域が分割されていなくても、スケールの取り付け誤差が発生している方向性を判別することができる。
【００４９】
請求項４に記載の発明によれば、スケールの汚れなどによる光量変化があっても、精度良くヘッドとスケールのアライメント誤差が計測できる。
【００５０】
請求項５に記載の発明によれば、高価な光学素子を用いなくても、受光光量の総和が一定になり、請求項４と同様の効果が低コストで得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態におけるスケールの説明図である。
【図２】図１のスケールに光ビームを透過させた場合の入射ビームとスリット開口と射出ビームのプロファイルを示す図である。
【図３】本発明をロータリエンコーダに適用した場合のスケールの説明図である。
【図４】本発明の第２実施形態の説明図である。
【図５】同第２実施形態においてスケールを透過した光ビームのパターンの説明図で、（ａ）はヘッドとスケールのアライメントが適正な場合、（ｂ）と（ｃ）はアライメント誤差がある場合を示す図である。
【図６】同実施形態で使用することのできるインデックススケールの例を示す図である。
【図７】同インデックススケールの他の例を示す図である。
【図８】本発明の第３実施形態の説明図であり、（ａ）は受光部の領域分割を示す図、（ｂ）は差分信号の変化を示す図である。
【図９】本発明の第４実施形態の説明図である。
【図１０】同第４実施形態におけるスリット（ナイフエッジ）の移動量と受光光量の関係を示す図である。
【図１１】本発明の第５実施形態の説明図である。
【図１２】同第５実施形態における受光部上のビーム像を示す図である。
【図１３】本発明の第６実施形態の説明図である。
【図１４】同第６実施形態における受光部上のビーム像を示す図である。
【図１５】従来例の説明図である。
【符号の説明】
１１，２１，３１…スケール
１２，２２，３２…スリット
３３…光源部
３４…受光部
Ｈ…光ビーム
Ｔ…開口寸法

Claims

一定方向に移動自在とされ且つ移動方向にスリットが配列されたスケールと、該スケールに対して光ビームを照射する光源部と、前記光ビームのスケール透過光またはスケール反射光を受光して光電変換を行う受光部とを備えた光学式エンコーダ装置において、
前記スリットのスケール移動方向と直交する方向の開口寸法とスケールに対する光ビームの照射径とをほぼ同じ大きさに設定したことを特徴とする光学式エンコーダ装置。
前記受光部が、前記スケール移動方向と直交する方向に２以上の領域に分割され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装置。
前記光源部が光ビームを、前記スリットの開口の片側に掛かる位置に照射す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装置。
前記光源部からスケールに向けて出射される光ビームが、前記スケール上において一様の強度分布とスケール移動方向と直交する方向に一様な形状分布とを持つことを特徴とする請求項２に記載の光学式エンコーダ装置。
前記光源部から出射される光ビームが２本とされ、該２本の光ビームの間隔が、前記スリットの開口の大きさと略同じに設定されていることを特徴とする請求項２に記載の光学式エンコーダ装置。