JP4918593B2 - 共用レチクル基板を有する複数のサブエンコーダを利用する光学式回転エンコーダ - Google Patents

Description

本発明は、サーボモータなどの回転物の回転位置を検出するために使用される光学式回転エンコーダの分野に関する。

位置フィードバックは、レシプロモータを含むモータの回転位置のクローズド・ループ制御にとって必要とされる。回転位置に応じ何らかの方法で光を変調し、検出した変調を対応する角度位置の値に変換することにより作動する、光学式位置検出器を含め、様々な位置検出技術が利用されてきている。モータアプリケーションにおいて、光学式位置検出器は、通常、モータの回転シャフトの一軸端に位置する。パターン化された反射ディスクなどの構成要素を、該回転シャフトの一端に結合してもよく、隣接したエンコーダ素子は、光信号を生成し、該ディスクから反射された光を検出するように作動する。前記変調は、例えば、反射光のパターンがディスクの回転位置を示し、それによりモータシャフトの回転位置をも示すような、ディスク上の反射及び無反射領域のパターンを利用することにより達成することもできる。

上記配置により光学式位置検出器で起こる問題の１つは、モータシャフトの偏心運動や回転時の「ブレ」（「半径方向ブレ」ともいう）、あるいは、反射ディスクとシャフトの不適切な半径方向の位置合わせに起因する、ある種の誤差である。ディスクの偏心運動は、反射光のパターンに偏心構成要素を与える。この偏心構成要素の一部は、光学式位置検出器によってシャフトの回転であると誤って認識され、これにより、光学式位置検出器の出力は、空間周期的なエラー構成要素を含むものとなる。

エンコーダディスクの直径方向反対に位置する（すなわち、１８０°隔てられている）一対の光学式位置検出器を利用することによって、偏心誘導エラーの問題に対処することが知られている。光学式位置検出器のアナログ出力は、ある範囲内で偏心の影響が完全に解消されるように合計される。この構成は、偏心エラーを効果的に取り除くことができるが、なお２つの欠点を抱える。第１に、直径線に対して垂直方向に位置する光学式位置検出器間の差動運動は、回転運動として認識される。そのような相対運動は、位置検出器の取付け構造又は構成要素が温度変化に応じて移動する場合に起こり得る。第２の不利点は、位置検出器の位置を調整することの難しさである。２つの別個の位置検出器は、対応するアナログ出力信号が互いに同調するように位置を調整しなければならず、さもなければ、合計された信号の変調は低減されてしまう。低い変調信号は、信号対雑音比を低下させ、位置検出器の補間した分解能を制限する。

上述のような先行技術の欠点を克服するために、共用モノリシックレチクル基板を利用する複数の光学式サブエンコーダを利用する回転式光学エンコーダが開示される。レチクル基板上で形成される各レチクル開口パターンは、回転スケールディスクに入射するそれぞれの位置における光学パターンの生成に関する。サブエンコーダのレチクル開口パターンが、同じレチクル基板上にあるため、温度によって誘発された差動効果が低減され、従って、全体的なエンコーダ精度が向上する。

開示された光学式回転位置エンコーダは、光源、光学式スケールパターンを含むモノリシックスケールディスク、光源−スケールディスク間のレチクル開口パターンを含むモノリシックレチクル基板、検出器、及び変換・デジタル処理回路を含む。光源、スケールディスク、レチクル基板、及び検出・変換回路は、回転軸の周囲の角度位置で複数の光学式サブエンコーダを形成し、各サブエンコーダは、レチクル開口パターン及び光学式スケールパターンの各々を介して光源から検出・変換回路へと延びる光路を有する。デジタル処理回路は、サブエンコーダのデジタル位置出力値を結合して、エンコーダ位置出力値を生成するように動作する。光学式サブエンコーダは、インクリメンタル位置エンコーダを含んでもよく、その出力は結合され、共用レチクル基板の使用に起因する熱安定性を改善するとともに、高分解能位置表示を提供する。ゼロ基準や「指標」、さらには、モータシャフトの初期運動のための粗絶対位置表示を提供するために、追加の光学式サブエンコーダを利用することもできる。

一実施形態において、エンコーダは、半周未満の回転範囲を有する往復運動シャフトの回転位置を検出するのに使用することができ、例えば、レーザーシステムにおいてレーザービームを誘導するために使用されるいわゆる「検流計」（galvanometer）の一部として使用される。光学式サブエンコーダは、インクリメンタル位置サブエンコーダである。光学パターンは、スケールディスクの直径方向反対側に２つのスケール部を含み、スケールディスクは、さらに、２つのスケール部間に光学位置基準パターンを含む。光学式位置エンコーダは、さらに、インクリメンタル光学式サブエンコーダ間に、基準光学式サブエンコーダを含む。基準光学式サブエンコーダは、光源アセンブリとスケールディスクの光学位置基準パターンとの間の基準光学式サブエンコーダの光路に沿ってレチクル基板上に形成される基準レチクル開口パターンを含む。光学位置基準パターンは、ゼロ基準に対応する位置、又は対応するレチクル基板のゼロ基準レチクル開口パターンとともに使用される回転シャフトの「インデックス」位置にゼロ基準パターンを含んでもよい。光学位置基準パターンは、あるいは、回転シャフトの絶対位置の粗表示を提供するように構成される粗絶対位置パターンを含んでもよい。さらに別の実施形態においては、ゼロ基準光学式サブエンコーダ及び粗絶対位置サブエンコーダの双方を利用することができ、この場合、インクリメンタル位置サブエンコーダから１／４回転分補正した直径方向反対の位置に配置するのが有利である。

上記、及び本発明の他の目的、特徴及び有利な点は、添付図面に例示されているように、以下の本発明の特定の実施形態の説明から明らかである。なお、添付図面中、異なる図における同じ参照文字は、同じ部材を参照している。図面は、必ずしも一定の縮尺ではなく、本発明の原理を例示することに重点が置かれている。

本発明に係る光学式回転位置エンコーダの概略側面図である。 図１の光学式回転式位置エンコーダの概略端面図である。 図１の光学式回転位置エンコーダの実装の概略側面図である。 ２つのインクリメンタル位置サブエンコーダ、粗絶対位置サブエンコーダ、及びゼロ基準サブエンコーダ、を示す図３の光学式回転位置エンコーダの概略端面図である。 図４の光学式回転位置エンコーダの光学式スケールディスクの概略図である。 インクリメンタルスケールパターン、ゼロ基準パターン、及び粗絶対スケールパターンを含む図５の光学式スケールディスク上に形成される光学パターンの図である。 図４のインクリメンタル位置サブエンコーダの各々の一部を形成するレチクル開口パターンの図である。 図７のレチクル開口パターンのレチクル開口の相対位相を説明する図である。 図４のインクリメンタル位置サブエンコーダの各々の一部を形成する検出素子の図である。 図４の粗絶対位置サブエンコーダの一部を形成するレチクル開口パターンの図である。 図４の粗絶対位置サブエンコーダの一部を形成する検出素子の図である。 図４のインクリメンタル及び粗絶対サブエンコーダの光路を示す概略側面図である。 図４のゼロ基準光学式サブエンコーダの一部を形成するゼロ基準レチクル開口パターンの図である。 図４のゼロ基準光学式サブエンコーダ用の光学式検出素子の図である。 図４のゼロ基準光学式サブエンコーダの光路を示す概略側面図である。 図３の光学式回転位置エンコーダの各回路基板上にあるアナログ／デジタル回路のブロック図である。 図１６ａの回路の一部の別の構成のブロック図である。 図３の光学式回転位置エンコーダを含むサーボ制御された検流計を使用したレーザーベースシステムのブロック図である。 図３の光学式回転位置エンコーダを含むサーボ制御された検流計を利用したレーザーベースシステムのブロック図である。 図１のエンコーダに使用可能な別のスケールディスクを示す図である。

本発明の実施形態は、高精度の位置検出が望まれるサーボモータの精密制御などのアプリケーションに使用される光学式回転位置エンコーダに関する。開示された光学式回転位置エンコーダは、モータシャフト或いは回転位置が探知される他の回転物の周囲の異なる角度位置に位置する複数の光学サブエンコーダの使用によって、精度を向上させることを特徴とする。光学式サブエンコーダは、共用モノリシックレチクル基板上の各レチクル開口パターンを使用するが、それはエンコーダ構成要素の温度誘起による差動運動と関連したエラーを低減させる。

図１は、光学式回転位置エンコーダの概略側面図を示す。光学式回転位置エンコーダは、回転軸１２の周囲の各角度位置に位置する複数の位置サブエンコーダ１０（１０Ａ及び１０Ｂとして示されている）を含む。サブエンコーダ１０は、スケールディスク１４、光源１６、モノリシックレチクル基板１８、光学式検出器２０、アナログ回路２２、及びデジタル回路２４を含む要素の構成により形成される。スケールディスク１４、レチクル基板１８、及びデジタル回路２４は、サブエンコーダ１０に共用される。一方、個々の検出器２０及びアナログ回路２２の構成要素は、サブエンコーダ１０に特有である。光源１６は、すべてのサブエンコーダ１０用の光を発生するただ一つの光源であってもよい。あるいは、光源１６は、各サブエンコーダ１０用の各サブ光源を含んでもよい。光源の例としては、発光ダイオード、半導体レーザー、量子デバイス、白熱光源及び、蛍光光源が挙げられる。

スケールディスク１２は、対応するパターンで光源１６からの光を反射するために、その上に形成されるスケール光学パターン２６を有する。例えば、これは、スケールディスク１４の無反射表面部分上に形成される反射パターン素子を用いて行うこともできる。レチクル基板１８は、以下でより詳細に説明するように、光のパターン化された透過を提供するレチクル開口パターン２８を含む。光学検出器２０は、レチクル開口パターン２８を通じてスケールディスク１２から反射される光を受け取る。従って、各サブエンコーダ１０は、レチクル基板１８のレチクル開口パターン２８及びスケールディスク１４のスケール光学パターン２６を介して、光源１６（共用又は個別）から各光学検出器２０に伸びる自身の光路を有する。図１は、２つのサブエンコーダ１０Ａ及び１０Ｂのみを示しているが、一般に、複数のサブエンコーダを軸１２の周囲に配置してもよい。

図２は、図１の光学式エンコーダの概略上面図または端面図である。図に示す構成において、２つのサブエンコーダ１０Ａ及び１０Ｂは、互いに直径方向反対に位置する（すなわち、軸１２の周囲に１８０°隔てられている）。各サブエンコーダ１０は、それぞれの光源（ＳＲＣ）１６、レチクル開口パターン（ＲＡ）２８、スケール光学パターン２６、及び半径方向外向きに伸びる方向に配置された光学検出器（ＤＥＴ）２０を含む。上述のように、光源１６Ａ及び１６Ｂは、一つの共用光源１６を実質的に構成してもよい。また、スケール光学パターン２６Ａ及び２６Ｂは、スケールディスク１４全体に広がる円弧状回折格子のような一つのスケール光学パターンを構成してもよい。２つのサブエンコーダ１０Ａ及び１０Ｂは、別個の位置表示を生成するために利用され、その後、サブエンコーダ１０のどちらか一方のみにより一般に提供される場合に比べて良い精度を得るため、以下に示すようにデジタル結合される。サブエンコーダ１０からの出力は、回転物の角度位置を制御するために、別個のシステム要素が使用することができる。そのような使用の具体例を、以下に示す。

図３は、図１のエンコーダの実装に係る光学式回転エンコーダの概略側面図であり、一アプリケーションでは、サーボモータアセンブリの一部として使用することができる。光学式回転位置エンコーダは、サーボ制御モータの回転シャフト３４などの回転物に取り付けられる光学式エンコーダヘッドアセンブリ３０及びスケールディスク３２を含む。図示した実施形態において、光学式エンコーダヘッドアセンブリ３０は、レチクル基板３８に取り付けられた光源アセンブリ３６、光源アセンブリ３６を取り囲むアナログ回路基板４０、及び絶縁体４４と電気相互接続４５を介してアナログ回路基板４０から隔てられたデジタル回路基板４２を含む。光源アセンブリ３６は、図１を参照して上述したような一つ以上の光源（ＳＲＣ）４６を含む。スケールディスク３２は、対応するパターンで光源４６からの光を反射するために、その上に形成されるスケール光学パターン４８を有する。これは、例えば、スケールディスク３２の無反射表面部分上でに形成される反射パターン素子を用いて行うことができる。以下でより詳細に説明するように、レチクル基板３８は、光のパターン化された透過を提供するレチクル開口パターン５０を含む。アナログ回路基板４０は、とりわけ、スケールディスク３２から反射される光を受け取る光学式検出器５２を含む。図３には、レチクル基板３８のレチクル開口パターン５０及びスケールディスク３２のスケール光学パターン４８のそれぞれを介して、それぞれの光源４６から、それぞれの光学式検出器５２に延びる自身の光路を有する２つの別個の光学式サブエンコーダが図示されている。以下でより詳細に説明するように、図示した実施形態において、図３の２つの光学式サブエンコーダは、合計４つの光学式サブエンコーダの一部である。

図４は、図３の光学式エンコーダの概略上面図または端面図である。該光学式エンコーダは、それぞれの象限に配置される４つの別個の光学式サブエンコーダを含む。特に、２つのインクリメンタル位置（INC POS）サブエンコーダ５４Ａ、５４Ｂは、互いに直径方向反対に位置し、粗絶対位置（COARSE ABS POS）サブエンコーダ５４Ｃ及びゼロ基準（ZERO REF）サブエンコーダ５４Ｄは、インクリメンタル位置サブエンコーダ５４Ａと５４Ｂを結ぶ線と直交する線に沿って、互いに直径方向反対に位置する。各光学式位置サブエンコーダ５４は、図２に示したのと同様に、半径方向に伸びている。実施形態の図は、いわゆる「検流計（galvanometer又はgalvo）」ミラーアセンブリなどの限られた回転だけが可能なサーボモータアプリケーションに使用するのに特に適している。そのような検流計は、例えば、レーザー材料加工システムやレーザー測定／計測システムなどの様々なレーザーベースシステムで使用される。

例示の実施形態において、回転シャフト３４の回転は、ゼロ基準位置に対して、＋／−４５機械度（mechanical degrees）以下に制限される。２つのインクリメンタル位置サブエンコーダ５４Ａ及び５４Ｂは、この回転範囲内で別個のインクリメンタル位置表示を生成するのに利用され、１つの該サブエンコーダにより提供される場合に比べて良い精度を得るため、以下にて説明するようにデジタル結合される。ゼロ基準サブエンコーダ５４Ｄは、「ゼロ基準」あるいは「インデックス」位置といわれる（「ホーム」ポジションともいわれる）特定の所定の角度位置の表示を提供するために使用される。粗絶対位置サブエンコーダ５４Ｃは、例えば、コントローラがゼロ基準位置の方に動く方法を確認するのを可能にする初期化中に使用することができる粗絶対位置表示を提供する。全てのサブエンコーダ５４からの出力は、上述のレーザー誘導ミラーなどの回転シャフト３４に取り付けられるシステム要素の角度位置を制御する別個のサーボドライバやコントローラにより使用される。

図５は、スケールディスク３２の構成を示す。外周に沿って、４つの反射パターン４８Ａ〜４８Ｄが配置されている。以下でより詳細に説明するように、パターン４８Ａ及び４８Ｂは、微細ピッチの回折格子を形成する間隔を介した線のそれぞれを含むスケール光学パターンである。スケール光学パターン４８Ａ及び４８Ｂの各々は、インクリメンタル位置サブエンコーダ５４Ａ及び５４Ｂそれぞれの一部を形成し、各々は、回転シャフト３４のゼロ基準位置から約＋／−４５機械度の範囲において、微細ピッチのインクリメンタル位置表示を提供するため、おおむねスケールディスク３２の周囲４分の１の範囲に広がっている。ゼロ基準パターン４８Ｄは、ゼロ基準サブエンコーダ５４Ｄの一部を形成し、ゼロ基準又はインデックス位置を確立する。粗絶対位置パターン４８Ｃは、粗絶対位置サブエンコーダ５４Ｃの一部を形成し、粗絶対位置表示を確立する。

図６は、様々なスケール光学パターン４８を詳細に例示する。図６（ａ）は、回折格子スケールパターン４８Ａ、４８Ｂの一部を示す。上述のように、これらは、多数の微細な間隔で配置された格子線を含む。一実施形態において、該線は、１０ミクロン幅であってもよく、２０ミクロンピッチを生み出すために１０ミクロン単位で間隔をあけてもよい。全体的に、各スケールパターン４８Ａ及び４８Ｂは、図５で示すように円弧状形を有しており、各線は半径方向に伸び、全体パターンはスケールディスク３２の外周の４分の１と交差して伸びている。レチクル開口パターン５０（以下に記す）によって定義されるもののような非常に小さな角度間隔にわたって、各スケールパターン４８Ａ及び４８Ｂの線はおおむね平行である。各スケールパターン４８Ａ及び４８Ｂは、それぞれのサブエンコーダ５４Ａ、５４Ｂのレチクル開口パターン５０と関連して作動し、以下で説明するように、それぞれの光学式検出器５２に到達する光の強度の位置に依存した変化あるいは変調を引き起こす。検出器５２は、デジタル信号を生成するためにアナログ回路基板４０及びデジタル回路基板４２上で回路により処理される対応するアナログ出力信号を生成する。デジタル信号はデジタル結合され、回転シャフト３４の角度位置を示す位置値を生成する。

図６（ｂ）は、ゼロ基準パターン４８Ｄを示す。ゼロ基準パターン４８Ｄは、インデックスパターン５６及び粗スケールパターン５８を含む。インデックスパターン５６は、インデックスパターン５６がインデックスポジションを通過する際狭パルス幅及び比較的高い信号対雑音比を有する信号を生成するために、それぞれのレチクル開口パターンで自動相関的に利用される。粗スケールパターン５８は、インクリメンタル角度位置の粗表示を提供する。インデックスパターン５６の検出によって生成される信号は、粗スケールパターン５８から生成される信号によって開閉され、回転シャフト３４の正確なゼロ基準位置を確認するインクリメンタル位置サブエンコーダ５４Ａ、５４Ｂからの位置信号と結合すことができるゼロ基準出力信号全体を生成する。例示した実施形態において、ゼロ基準位置は、各光源１６が各スケール光学パターン４８の角度範囲の中間を通る位置に選択される。

図６（ｃ）は、粗絶対パターン４８Ｃを示す。粗絶対パターン４８Ｃは、円周方向に延びた複数の三角形のパターンから成る。例示された実施形態において、３つの半径方向外側のパターン６０Ｏは、最左端で最も広く、最右端で先が細くなり、３つの半径方向内側のパターン６０Ｉは反対を逆向きである。パターン６０の各々から反射される光の強度は、回転シャフト３４の角度位置に応じて、おおむね線形に変化するのは当然である。パターン６０用の各光学式検出器５２からの出力は、粗絶対位置の表示を提供するために、他とは異なったかたちで使用される。具体的には、パターン６０Ｏ及び６０Ｉ用の２つの別個の検出器の出力をＡ、Ｂすると、粗絶対位置出力信号は、（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）として形成することができる。この値は、パターン６０の最左端で極大陽性、パターン６０の右端で極大陰性、中間点（Ａ＝Ｂの時）でゼロとなる。中間点が、ゼロ基準サブエンコーダ５４Ｄによって示されるゼロ基準位置と正確に位置を合わせられる場合、（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）の値の極性は、ゼロ基準位置から離れた方向を示し、その大きさは離れている距離を示す。実際には、パターン６０の中間点とゼロ基準サブエンコーダ５４Ｄによって示されるゼロ基準位置との間の関係が確立され、対応する調整や修正がサブエンコーダ５４Ｃまたは５４Ｄのどちらか一方の出力に適用されるような較正手順を実行することが必要になるかもしれない。粗絶対位置サブエンコーダ５４Ｃの粗絶対位置表示は、例えば、任意の初期位置からゼロ基準位置に到達するように回転シャフト３４を回転させる方向及び距離を決定する初期化ロジックによって使用されてもよい。

図７は、インクリメンタル位置サブエンコーダ５４Ａ、５４Ｂの各レチクル開口パターン５０Ａ、５０Ｂを示す（すなわち、図７に図示される構造は、各サブエンコーダ５４Ａ及び５４Ｂに対して繰り返される）。各レチクル開口パターン５０Ａ、５０Ｂは、３つのレチクル開口パターン６６を含み、内側パターン６６Ｉ、中間パターン６６Ｍ、及び外部パターン６６Ｏとして示されている。

これらのパターンの各々には、レチクル開口６４が含まれ、図に示すように、６４−１〜６４−４と名前が付けられている。各レチクル開口６４は、回折格子を形成する間隔をあけられた一連の線である。一実施形態において、線の間隔は、例えば、１７ミクロンでもよい。格子は、位相格子又は振幅格子のいずれかとして形成される。

レチクル開口６４の更なる説明の前に、インクリメンタル位置サブエンコーダ５４Ａ、５４Ｂの全体的な動作について、簡潔に説明する。これらサブエンコーダの各々は、多相位置検出器として配置される。スケールディスク３２から反射される光学パターンのサンプルは、スケールパターンの異なる空間位相に対応した複数の位置で取得され、これらのサンプルは、１つのインクリメンタル位置推定を生み出す三角関係によって結合される。特に、例示された実施形態において、インクリメンタル位置サブエンコーダ５４Ａ、５４Ｂは、４相エンコーダである。サンプルは、光学フリンジピリオド（optical fringe period）の空間位相０°、９０°、１８０°と２７０°と対応して得られる。これらの値は、Ａ、Ｂ、Ａ−及びＢ−と名前を付けることができ、内側フリンジ位置に対応する位相角θのｓｉｎ，ｃｏｓ，−ｓｉｎ、−ｃｏｓのそれぞれを表するために取り上げることもできる。θの値は以下の式で求められる。

このようにレチクル開口６４の各パターン６６内において、４つのレチクル開口６４の各々の相対空間位相は、４相光学エンコーダが実現される全体的なスキームに従って選択される。様々なスキームを使用することができる。例示された実施形態において、以下のスキームが使用されている（Ａは０°に相当し、そして、Ｂは９０°に相当する）。

図８は、上記特定のスキームを例示する。レチクル開口の中間パターン６６Ｍのスケール線は、３６０°の倍数単位に位置するよう引かれている。内側パターン６６Ｉのレチクル開口６４−１〜６４−４の線は、それぞれ、９０°、０°、１８０°及び２７０°ずつシフトされている。外側パターン６６Ｏのレチクル開口６４−１〜６４−４の線は、それぞれ、２７０°、１８０°、０°及び９０°ずつシフトされている。

図９は、インクリメンタル位置サブエンコーダ５４Ａ、５４Ｂの検出器５２Ａ、５２Ｂを示す。各検出器５２は、各々４つの検出器を有する２つの別個の検出器配列６７、すなわち、半径方向内側配列６７Ｉ及び半径方向外側配列６７Ｏ、を有する。例示された実施形態において、各サブエンコーダ５４Ａ、５４Ｂは、実際２つの光サブ経路（配列６７Ｉ、６７Ｏのそれぞれに対して１つ）を有する。内側光サブ経路は、入射方向に位置する内側レチクル開口パターン６６Ｉ及び反射方向に位置する中間レクチル開口パターン６６Ｍを通して延びており、内側検出器６７Ｉにて途切れる。外側光サブ経路は、入射方向に位置する中間レチクル開口パターン６６Ｍ及び反射方向に位置する外側レクチル開口パターン６６Ｏを通して伸びており、外側検出器６７Ｏにて途切れる。これらのサブ経路は、以下においてより詳細に説明する。また、以下に記載のように、配列６７Ｉ及び６７Ｏのそれぞれの出力は、特定のパフォーマンスの利点を光学式エンコーダに提供するために、アナログ式に結合される。内側光路のために、空間位相Ｂ、Ａ、Ａ−、及びＢ−、それぞれで４つのサンプルが得られ、外側光路のために、空間位相Ｂ−、Ａ−、Ａ、及びＢで４つのサンプルが得られるのは当然である。

図１０は、粗絶対位置サブエンコーダ５４Ｃ用のレチクル開口パターン５ＯＣを例示する。レチクル開口パターン５ＯＣは、３つの長方形のレチクル開口６８Ｉ、６８Ｍ、及び６８Ｏを含む。図１１は、内側検出器６９Ｉ及び外側検出器６９Ｏを含む検出器５２Ｃを示す。インクリメンタル位置エンコーダ５４Ａ、５４Ｂと同様に、粗絶対位置サブエンコーダ５４Ｃは、半径方向内側光サブ経路及び半径方向外側光サブ経路の両方を有する。

図１２ａ及び１２ｂは、サブエンコーダ５４Ａ、５４Ｂ、及び５４Ｃの各々の２つの光サブ経路を例示する概略側面図である。図１２ａは、インクリメンタルサブエンコーダ５４Ａ及び５４Ｂ用の経路を示す。光源４６からの光は、内側及び中間のレチクル開口パターン６６Ｉ、６６Ｍを通して入射方向に進行し、スケールディスク３２のそれぞれのスケール光学パターン４８Ａ又は４８Ｂによって反射される。反射光は、中間及び外側のレチクル開口パターン６６Ｍ、６６Ｏを通してアナログ回路基板４０（図１２に図示せず）上の各検出器配列６７へ反射方向に進行する。図１２ｂは、粗絶対サブエンコーダ５４Ｃの経路を示すが、これは、インクリメンタルサブエンコーダ５４Ａ、５４Ｂのものと同様である。不透明シールド７０は、所望の光路以外によって検出器６７、６９に達している光源４６からの迷光を防ぐために使用される。例示された実施形態において、シールド７０は、光源アセンブリ３６（図３）を囲む一般に円筒状のハウジングの一部であってもよい。

図１３は、ゼロ基準サブエンコーダ５４Ｄのレチクル開口パターン５ＯＤを例示する。レチクル開口パターン５ＯＤは、４つの内側レチクル開口７２Ｉ及び外側レチクル開口パターン７２Ｏから成る。内側レチクル開口７２Ｉは、レチクル開口６４（図７）と同様の回折格子として形成されるが、粗スケール５８のピリオドに対応するより粗いピリオドで形成される。外側レチクル開口パターン７２Ｏは、インデックスパターン５６（図６（ｂ））に対応する幅及び間隔を有する長方形の開口部である。

図１４は、ゼロ基準サブエンコーダ５４Ｄの検出器５２Ｄを示す。検出器５２Ｄは、４つの内側検出器７３Ｉ及び２つの外側検出器７３Ｏを含む。サブエンコーダ５４Ａ、５４Ｂ、及び５４Ｃ同様、ゼロ基準サブエンコーダ５４Ｄもまた、半径方向内側及び外側に光サブ経路を有する。内側サブ経路は、内側レチクル開口７２Ｉを通じて内側検出器７３Ｉへ延び、外側サブ経路は、外側レチクル開口７２Ｏを通じて外側検出器７３Ｏへ延びる。これらの経路は、これから説明するように、図１２に示された他のサブエンコーダ５４Ａ、５４Ｂ、及び５４Ｃのものとは少し異なる。

図１５は、ゼロ基準サブエンコーダ５４Ｄの光サブ経路を概略側面図の形で例示する。図１５ａは、外側光サブ経路を示す。光源４６からの光は、外側レチクル開口７２Ｏを通して入射方向に進み、スケールディスク３２のインデックスパターン５６によって反射される。反射光は、外側レチクル開口７２０を通してアナログ回路基板４０（図示せず）上のそれぞれの外側検出器７３Ｏへ反射方向に戻る。図１５ｂは、内側光サブ経路を示す。光源４６からの光は、内側レチクル開口７２１を通して入射方向に進み、スケールディスク３２の粗スケールパターン５８によって反射される。反射光は、内側レチクル開口７２Ｉを通して内側検出器７３Ｉへ反射方向に戻る。内側検出器７３Ｉからの信号は、外側検出器７３Ｏによって生成される信号を開閉するために使用され、開閉された信号は、サブエンコーダ５４Ａ、５４Ｂによって生成される狭トラック信号に関して既知の位相を有する。このゲート制御は、アナログ回路基板４０上で実行される。

図１６ａは、図３の光学式エンコーダの電気ブロック図である。サブエンコーダ５４のそれぞれの検出器５２が示されている。各サブエンコーダ５４は、関連するアナログ−デジタル変換器（Ａ／Ｄ）を有し、それぞれの出力は、デジタル回路基板４２に送信される。インクリメンタル位置サブエンコーダ５４Ａ及び５４Ｂの各々に対し、Ａ１／Ａ２及びＢ１／Ｂ２として示された４相アナログ出力が二組ある。サブエンコーダ５４Ａ及び５４Ｂの各々に対し、これらアナログ出力のそれぞれは、アナログ結合回路において結合される（サブエンコーダ５４Ａに対して７５Ａ、サブエンコーダ５４Ｂに対して７５Ａ）。この結合は、例えば、検出素子６７Ｉ及び６７Ｏの対応する方の出力を単に配線するか、あるいは、加算配列で増幅回路を使用する形をとってもよい。各々の結合アナログ信号は、対応するＡ／Ｄ変換器７４によりデジタル化され、デジタル化されたサンプルは、逆正接演算回路（ＡＴＡＮ）７６に提供される。

粗絶対位置サブエンコーダ５４Ｃに対し、検出器６９Ｉ、６９Ｏの各々から１つずつの２つのアナログ出力がある（図１１）。これらは、Ａ／Ｄｓ７４Ｃでデジタル値に変換され、デジタル化された信号は、粗絶対位置値を導くための上述の計算（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）を実行する比率回路（ＲＡＴＩＯ）７８で利用される。

ゼロ基準サブエンコーダ５４Ｄに対し、検出器配列７３Ｉ及び７３Ｏの各々１つずつの２組のアナログ出力がある（図１４）。これらは、Ａ／Ｄｓ７４Ｄによってデジタル値に変換され、デジタル化された信号は、ゼロ基準位置を確認する上述のゲートインデックス信号を生成するためにゲート回路８０で利用される。

回路７６、７８、及び８０の出力は、回転シャフト３４の回転位置を制御することに関与する外部サーボ駆動部に情報を提供するデジタルインターフェース回路７８に送信される。例示された実施形態において、サーボ駆動部は、例えば平均値をとることによって、インクリメンタル位置サブエンコーダ５４Ａ及び５４Ｂからの逆正接値をデジタル結合する。別の実施形態において、図１６ａに示されているように、デジタル結合は、ＡＴＡＮ回路７６とデジタルインターフェース回路７８の間で実行されてもよい。

図１６ａの回路は、システムゴールによって決定されるように、１つの回路基板上又は複数の回路基板上に配置することができる。図３のような実施形態に対し、別々の回路基板４０、４２の間でアナログ回路及びデジタル回路を分離することが望ましい場合がある。アナログ回路及びデジタル回路を同じ回路基板に配置する場合、当技術分野で一般に知られているように、デジタル回路で発生する電気的雑音から高感度アナログ回路を分離するために別々の地板／電力面を使用することが望ましい。

図１７は、図３の光学式エンコーダを利用可能なレーザーシステムのブロック図である。レーザービーム源（図示せず）によって生成されるレーザービーム８２は、モータ８８及び位置検出器９０からなるサーボモータアセンブリに取り付けられる光学素子８６（ミラーなど）を含む検流計８４により導かれる。位置検出器９０は、スケールディスク３２をモータシャフト３４に取り付けた図３の光学式エンコーダを使用して実行することができる。位置検出器９０の出力は、駆動信号をモータ８８に提供するサーボドライバ９２に送信される。サーボドライバ９２は、システムコントローラ（SYS CTRLLR）９６からの位置指令信号９４に応じて作動する。サーボドライバ９２は、位置指令信号９４による指令位置に基づき、当技術分野で一般に知られているように、指令された回転位置に回転シャフト３４（それにより光学エレメント８６も）を運ぶために、モータ８８のクローズド・ループ制御を採用する。

開示された光学式エンコーダが使用されるレーザーシステムは、例えば、レーザー材料加工を行うシステムやレーザーベースの測定又は計測を実行するシステムを含む。レーザー材料加工アプリケーションの具体例には、レーザーベースのマーキング、穿孔、切断、トリミング、ミクロ機械加工、焼結、及び溶接が含まれる。

図１８は、（上述のような検流計の限られた回転とは対照的に）回転位置が光学式位置エンコーダによって検出される対象物の完全な回転を伴う別の実施形態において使用可能なスケールディスク３２’を示す。スケールディスク３２’は、円周全体に広がるスケールパターン４８Ａ’を利用する。このような実施形態において、サブエンコーダ１０Ａ、１０Ｂなどの各サブエンコーダが、任意の回転位置の異なる位置にあるにもかかわらず、１つのスケールパターン４８Ａ’と相互に作用することは当然である。インデックス及び粗位置軌道４８Ｄ’は、図示されるように、スケールパターン４８Ａ’の内側に配置することができる。あるいは、インデックス及び粗位置軌道４８Ｄ’は、スケールパターン４８Ａ’の外側に配置することができる。これらの実施形態のいずれかは、スケールパターン４８Ａ及びインデックス及び粗位置軌道４８Ｄが角度方向（例えば、異象限）に分離される上述のような実施形態に代わるものである。

好ましい実施形態を参照して、本発明を詳しく例示して説明してきたが、添付の特許請求の範囲によって定義される発明の精神及び範囲から逸脱することなく、形式及び細部における種々の変更が可能であることは当業者に理解されるであろう。特に、例示された実施形態において、反射スケールディスク３２が使用されているが、別の実施形態において、（例えば、パターン６６Ｍ及び６６Ｏに対応する）外側レチクル開口パターン及び検出器５２の位置の変化に対応して、透過スケールディスク３２を採用することが望ましい場合がある。

他の代替的配置において、インデックスパターンは、フレネル領域レンズ、単一パルス幾何学的作図（シャッターアクション）、幾何学的パルスの自己相関、回折領域レンズ（円形又は円筒）などとすることができる。別の代替案として、前掲のインクリメンタル及び粗絶対位置サブエンコーダの代わりに高分解能絶対位置サブエンコーダを使用することができる。この種の典型的なエンコーダは、「Absolute Encoder Employing Concatenated, Multi-Bit, Interpolated Sub-Encoders」という表題の米国特許出願公開第２００５０１３３７０５号明細書に示されている。該出願にも示されているように、ランプ機能（レシオメトリック又はプッシュプルのいずれか）、グレイスケールパターン（例えば、ドットマトリクス、ディフラクティブ又はテイラードマイクロディフューザー）、検出器に傾斜する（ramping across）集中光線（フレネル領域レンズ）などの他の技術を使用することもできる。さらに、別の実施形態においては、上述のような２つの半径方向に分離した配列及びサブ経路ではなく、たった１つの検出器配列及び光サブ経路を使用することができる。このような別の実施形態の場合、各インクリメンタルサブエンコーダのレチクル開口パターンは、上記説明で示した３つのレチクル開口パターンではなく、たった２つのレチクル開口パターンだけしか必要としないであろう。

Claims (24)

1. 光源と、
   光学スケールパターンを含むモノリシックスケールディスクと、
   複数のレチクル開口パターンを含む、前記光源と前記スケールディスクの間に位置するモノリシックレチクル基板と、
   検出・変換回路と、
   前記検出・変換回路と結合するデジタル処理回路と、
   を備えた、回転軸の周囲で角度位置を検出するための光学式回転位置エンコーダであって、
   前記光源、スケールディスク、レチクル基板及び、検出・変換回路は、回転軸の周囲のそれぞれの角度位置に複数の光学式サブエンコーダを形成するように構成され、
   各サブエンコーダは、前記レチクル基板のレチクル開口パターン及び前記スケールディスクの前記光学スケールパターンを介して、それぞれの光路が前記光源から前記検出・変換回路に延びているそれぞれの光路を有し、
   各サブエンコーダは、それぞれのデジタル位置出力値を生成し、
   前記デジタル処理回路は、前記サブエンコーダの前記デジタル位置出力値を結合してエンコーダ位置出力値を生成するように作動し、
   前記光学式位置エンコーダによって検出される前記角度位置の範囲が半周未満であり、
   前記光学スケールパターンが、前記スケールディスクのそれぞれの間隔をあけられた角度位置に２つのスケール位置を備え、
   前記スケールディスクが、前記２つのスケール部の間に光学位置基準パターンを含み、
   前記スケールディスク、レチクル基板、光源、及び検出・変換回路が、基準光学式サブエンコーダを形成するようにさらに構成され、
   前記基準光学式サブエンコーダが、前記光源、前記スケールディスクの光学位置基準パターン及び前記検出器との間に位置する前記基準光学式サブエンコーダの光路に沿って前記レチクル基板上に形成される基準レチクル開口パターンを含む、
   光学式回転位置エンコーダ。
2. 前記スケールディスクの前記光学位置基準パターンが、ゼロ基準位置に対応する位置にゼロ基準パターンを備え、
   前記レチクル基板の前記基準開口パターンが、ゼロ基準レチクル開口パターンであって、
   前記基準光学式サブエンコーダが、前記スケールディスクのゼロ基準パターン及び前記レチクル基板の前記ゼロ基準レチクル開口パターンを利用して、前記光学式位置エンコーダが前記ゼロ基準位置にあるかどうかを検出するように構成される、
   請求項１に記載の光学式回転位置エンコーダ。
3. 前記スケールディスクの前記光学位置基準パターンが、前記光学式位置エンコーダの粗絶対位置を示すように構成された粗絶対位置パターンを備え、
   前記レチクル基板の前記基準レチクル開口パターンが、粗絶対位置レチクル開口パターンであって、
   前記基準光学式サブエンコーダが、前記スケールディスクの前記粗絶対位置パターン及び前記レチクル基板の前記粗絶対位置レチクル開口パターンを利用して、前記光学式位置エンコーダの前記粗絶対位置を検出するように構成される、
   請求項１に記載の光学式回転位置エンコーダ。
4. 前記スケールディスクの前記粗絶対位置パターンが、前記ゼロ基準位置から離れた角変位の大きさ及び方向を示すように更に構成され、
   前記粗絶対位置光学式サブエンコーダが、前記スケールディスクのパターンを示す前記粗絶対位置及び前記レチクル基板の前記粗絶対位置レチクル開口パターンを利用して、前記ゼロ基準位置からの前記光学式位置エンコーダの前記角変位の前記大きさを検出するように更に構成される、
   請求項３に記載の光学式回転エンコーダ。
5. 前記スケールディスクが、粗絶対位置パターンの反対側の位置にある前記２つのスケール部の間にゼロ基準パターンを含み、
   前記光源、スケールディスク、レチクル基板、及び検出・変換回路が、前記粗絶対位置光学式サブエンコーダの直径方向反対の位置にある２つの前記光学式サブエンコーダの間にゼロ基準光学式サブエンコーダを形成するようにさらに構成され、
   前記ゼロ基準光学式サブエンコーダは、前記光源及び前記スケールディスクの前記ゼロ基準パターンとの間にある前記ゼロ基準式サブエンコーダの光路に沿って、前記レチクル基板上に形成されるゼロ基準レチクル開口パターンを含み、
   前記ゼロ基準光学式サブエンコーダは、前記スケールディスクの前記ゼロ基準パターン及び前記レチクル基板の前記ゼロ基準レチクル開口パターンを利用して、前記光学式位置エンコーダがゼロ基準位置にあるかどうかを検出するように構成される、
   請求項３に記載の光学式回転位置エンコーダ。
6. 前記スケールディスクの前記光学パターンは、反射光学スケールパターンであって、前記光学サブエンコーダの各々の前記光路は、反射部を含み、
   前記レチクル基板のレチクル開口パターンの各々は、第１のレチクル開口パターン及び第２のレチクル開口パターンを含み、
   前記第１のレチクル開口パターンは、前記光学式サブエンコーダのそれぞれ１つの第１の光サブ経路の反射部に沿って位置し、
   前記第２のレチクル開口パターンは、前記光学式サブエンコーダのそれぞれ１つの第２の光サブ経路の反射部に沿って位置し、
   前記光学式サブエンコーダの各々は、前記光学式サブエンコーダのそれぞれの光サブ経路の前記反射部に沿って位置し、前記それぞれのレチクル開口パターンを通して進む光を受け取るそれぞれの第１及び第２の光学検出器をさらに含む、
   請求項１に記載の光学式回転位置エンコーダ。
7. 前記サブエンコーダの各々の前記第１及び第２のレチクル開口パターンは、（１）前記光源から前記スケールディスクへ入射方向に、及び（２）前記スケールディスクから前記ぞれぞれの光学検出器へ反射方向に、光が進むそれぞれの共用レチクル開口パターンを含む、
   請求項６に記載の光学式回転位置エンコーダ。
8. 前記光学式サブエンコーダの各々の前記第１および第２のレチクル開口パターンは、内側開口パターン、中間開口パターン、及び外側開口パターンを含み、
   前記中間開口パターンは、共用レチクル開口パターンであって、各々の開口パターンは、複数のレチクル開口を含み、
   各光学式サブエンコーダは、（１）前記内側開口パターンを通して入射方向に進む光が、反射方向に主として中間開口パターンを通して進むように前記スケールディスクから反射され、且つ、（２）中間開口パターンを通して入射方向に進む光が、反射方向に主として外側パターンを通して進むように前記スケールディスクから反射されるように構成され、
   前記内側及び外側の開口パターンのレチクル開口は、共通の空間位相で構成され、
   前記中間開口パターンのレチクル開口は、それぞれの異なる空間位相で構成される、
   請求項７に記載の光学式回転位置エンコーダ。
9. 前記スケールディスクは、回転シャフト同軸の軸端に取り付けられ、光学式エンコーダアセンブリは、前記回転シャフトを有する前記スケールディスク同軸に面し、
   前記光源は、前記レチクル基板に取り付けられる不透明なハウジングを含む光源アセンブリ内に収納され、
   前記光学式エンコーダアセンブリは、前記光学式検出器が配置される回路基板を備え、
   前記回路基板は、不透明なハウジングで囲まれ、前記回転シャフトから離れた方向に前記レチクル基板からは間隔をあけられている、
   請求項６に記載の光学式回転位置エンコーダ。
10. 前記光源が複数の別々の光源を備え、各々の別々の光源が前記光学サブエンコーダのそれぞれの一つだけに光を提供する、
    請求項１に記載の光学式回転位置エンコーダ。
11. 前記光源は、一つ以上の別個の光源を備え、
    各々の別個の光源は、発光ダイオード、半導体レーザー、量子デバイス、白熱光源、及び蛍光光源からなるグループから選択される、
    請求項１に記載の光学式回転位置エンコーダ。
12. 前記光学式サブエンコーダの各々は、前記検出・変換回路内で生成される複数のアナログ位置値を含み、
    前記検出・変換回路は、（１）前記光学式サブエンコーダの各々のそれぞれのアナログ位置値を結合してサブエンコーダアナログ位置出力値を生成するように構成されるアナログ結合回路、及び（２）アナログ位置出力値から前記サブエンコーダの各々の前記デジタル位置出力値を生成するように構成されるアナログ−デジタル変換回路を含む、
    請求項１に記載の光学式回転位置エンコーダ。
13. 前記デジタル処理回路は、前記サブエンコーダの前記デジタル位置出力値を結合してエンコーダ位置出力値を生成するように作動する、
    請求項１２に記載の光学式回転位置エンコーダ。
14. 前記光学式サブエンコーダの数が２つであり、前記２つの光学式サブエンコーダは、回転軸の周囲に直径方向反対に配置される、
    請求項１に記載の光学式回転位置エンコーダ。
15. 前記光学式位置サブエンコーダは、回転軸の周囲に等間隔に配置される、
    請求項１に記載の光学式回転位置エンコーダ。
16. 前記レチクル基板及び前記スケールディスクが同じ材料からなる、
    請求項１に記載の光学式回転位置エンコーダ。
17. 前記材料がガラスである、請求項１６に記載の光学式回転位置エンコーダ。
18. 前記スケールディスクは、スケール部から半径方向に間隔を置いて配置される光学式位置基準パターンを含み、
    前記スケールディスク、レチクル基板、光源、及び検出・変換回路は、基準光学式サブエンコーダを形成するようにさらに構成され、
    前記基準光学式サブエンコーダは、前記光源、前記スケールディスクの前記光学位置基準パターン、及び前記検出器の間にある前記基準光学式サブエンコーダの光路に沿って前記レチクル基板上に形成される基準レチクル開口パターンを含む、
    請求項１に記載の光学式回転位置エンコーダ。
19. 前記スケールディスクの前記光学位置基準パターンは、ゼロ基準パターンを備え、
    前記レチクル基板の前記基準レチクル開口パターンは、ゼロ基準レチクル開口パターンであって、
    前記基準光学式サブエンコーダは、前記スケールディスクの前記ゼロ基準パターン及び前記レチクル基板の前記ゼロ基準レチクル開口パターンを利用して前記光学式位置エンコーダがゼロ基準位置にあるかどうかを検出するように構成される、
    請求項１８に記載の光学式回転位置エンコーダ。
20. 回転軸の周囲に回転モータシャフトを有するサーボモータと、
    前記回転サーボモータシャフトの一端に位置し、前記回転位置を検出するよう構成される請求項１に記載の前記光学式回転位置エンコーダと、
    を備えるサーボモータアセンブリ。
21. 請求項２０に記載の前記サーボモータアセンブリと、
    前記回転サーボモータシャフトの他の一端と結合し、前記入射レーザービームの経路に沿って位置するように構成される光学素子と、
    を備える、選択方向に入射レーザービームを誘導するのに使用されるサーボ制御検流計。
22. レーザービームの光源と、
    請求項２１に記載の前記サーボ制御検流計と、
    位置指令信号に応じて前記サーボモータアセンブリの前記回転サーボモータシャフトの前記角度位置を制御するように構成されるサーボドライバと、
    所望の方法で前記レーザービームを誘導する前記位置指令信号を生成するように作動するシステムコントローラと、
    を備えるレーザーシステム。
23. レーザー材料加工及びレーザー測定のうちの少なくとも一方に使用されるよう構成される、請求項２２に記載のレーザーシステム。
24. 回転軸の周囲にある回転物の角度位置を検出するための光学式回転位置エンコーダであって、
    前記光学式位置エンコーダは、
    光学スケールパターンを含み、前記回転物に取り付けられる、反射モノリシックスケールディスクと、
    前記スケールディスクに近接し、複数のレチクル開口パターンを含む、モノリシックレチクル基板と、
    前記レチクル基板に取り付けられ、前記レチクル基板の前記レチクル開口パターンを通して前記スケールディスクの前記光学スケールパターンに光を誘導するように作動する１つ以上の光源を含む、光源アセンブリと、
    検出・変換回路と、
    前記検出・変換回路と結合するデジタル処理回路と、
    を備え、
    前記光源、スケールディスク、レチクル基板、及び検出・変換回路は、回転軸の周囲のそれぞれの象限に複数の光学式サブエンコーダを形成するよう構成され、
    前記サブエンコーダは、
    （ｉ）直径方向反対に位置するインクリメンタル位置サブエンコーダと、
    （ｉｉ）ゼロ基準サブエンコーダと、
    （ｉｉｉ）粗絶対位置エンコーダと、
    を含み、
    各サブエンコーダは、前記レチクル基板のレチクル開口パターン及び前記スケールディスクの前記光学スケールパターンのそれぞれを介して、前記光源から前記検出・変換回路へ延びるそれぞれの光路を有する反射光学式サブエンコーダであって、
    各サブエンコーダは、それぞれのデジタル位置出力値を有し、
    前記デジタル処理回路は、前記サブエンコーダの前記デジタル位置出力値を結合してエンコーダ位置出力値を生成するように作動する、
    光学式回転位置エンコーダ。

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