JP4924879B2 - エンコーダ - Google Patents

Description

本発明は、エンコーダに係り、さらに詳しくは、移動体の位置情報を光学的に検出するエンコーダに関する。

従来から、スキャン方式のエンコーダでは、移動スケールを経由した照明光を受光素子で受光して、該受光素子から出力される出力信号から２つ以上の異なる位相信号を生成し、これらの位相信号に基づいて移動スケールの位置情報を検出する処理（以下、単に検出処理という）が行われている（例えば、特許文献１参照）。

この検出処理において、位置情報の検出精度を向上するためには、移動スケールに設けられたパターンを高精細にしてエンコーダの分解能を向上することが考えられるが、パターンを高精細にすると照明光を変調するスキャナーの能力が追随できなくなるという問題がある。また、エンコーダの計測精度を向上しようとする場合には、出力信号に含まれる歪みを効果的に除去することも必要となる。

特開２００２−１７０６９６号公報

本発明は、第１の観点からすると、変調された照明光の干渉を利用して、移動体の位置情報を検出するエンコーダであって、前記移動体の移動方向に配列されたパターンを有するスケールと、前記変調された照明光を干渉させて出射光を生成する光学系と、前記出射光を受光する受光素子と、前記受光素子から供給される位相が異なる少なくとも２つの光電変換信号を減算して第１の信号を生成し、生成された前記第１の信号に基づいて前記移動体の位置情報を出力する制御回路と、を備え、前記スケール、前記光学系、及び前記受光素子のうち少なくとも１つは前記移動体に固定され、前記スケールは前記光学系及び前記受光素子と相対的に移動するエンコーダである。

これによれば、制御回路は、受光素子から供給される位相が異なる少なくとも２つの光電変換信号を減算して第１の信号を生成し、生成された前記第１の信号に基づいて移動体の位置情報を出力する。これにより、実質的に、照明光の変調度を大きくしたのと同様の効果を得ることが可能となる。
本発明は、第２の観点からすると、変調された照明光の干渉を利用して、移動体の位置情報を検出するエンコーダであって、前記移動体の移動方向に配列されたパターンを有するスケールと、前記変調された照明光を干渉させて出射光を生成する光学系と、前記出射光を受光する受光素子と、前記受光素子から供給される位相が異なる少なくとも２つの光電変換信号を乗算して生成された信号に基づいて前記移動体の位置情報を出力する制御回路と、を備え、前記スケール、前記光学系及び前記受光素子のうち少なくとも１つは前記移動体に固定され、前記スケールは前記光学系及び前記受光素子と相対的に移動するエンコーダである。
これによれば、制御回路は、受光素子から供給される位相が異なる少なくとも２つの光電変換信号を乗算して生成された信号に基づいて移動体の位置情報を出力する。これにより、２つの光電変換信号の乗算によって実質的に変調度を大きくすることができ、検出精度の向上が可能となる。

以下、本発明の一実施形態を図１に基づいて説明する。

図１には、本発明の一実施形態に係るエンコーダ１０の概略的な構成が示されている。図１に示されるように、エンコーダ１０は、いわゆる回折干渉方式のエンコーダであり、所定方向（Ｘ軸方向）に移動する移動体の移動方向、あるいは移動量、あるいは変位を検出するリニアエンコーダである。

このエンコーダ１０は、図１に示されるように、光源１２、アクチュエータ１６、コリメータレンズ１８、インデックススケール２０、１対の反射ミラー２２Ａ,２２Ｂ、移動スケール２４、受光素子２６、及び制御回路３０を備えている。

光源１２は、コヒーレントな光、例えば波長λ（＝８５０ｎｍ）のレーザ光を図１における−Ｚ方向に向けて射出する。

アクチュエータ１６は、例えばピエゾ素子からなり、光源１２の−Ｘ側に配置されている。このアクチュエータ１６は、制御回路３０から供給される駆動信号に基づいて、光源１２を周期的にＸ軸方向に振動する。本実施形態では、アクチュエータ１６は、後述する変調度制御回路３３とアクチュエータ制御回路３２とが協働することによって、変調振幅ε（片振幅ε／２）、変調度ｄ（＝π・ε／ｐ）、変調角周波数ωで振動される。

コリメータレンズ１８は、光源１２の下方に配置され、光源１２から射出された照明光を平行光に成形する。

インデックススケール２０は、コリメータレンズ１８の下方に配置されている。このインデックススケール２０は、Ｘ軸方向を周期方向とする回折格子が形成された透過型の位相格子であり、コリメータレンズ１８を透過した照明光が入射すると、複数の回折光を発生させる。図１では、それらの回折光のうち、インデックススケール２０で発生した±１次回折光（図１において、＋Ｘ側に出射している回折光を＋１次回折光とし、−Ｘ側に出射している回折光を−１次回折光とする）が示されている。

反射ミラー２２Ａ,２２Ｂそれぞれは、インデックススケール２０の下方で、コリメータレンズ１８の光軸から−Ｘ方向及び＋Ｘ方向へそれぞれ所定距離隔てた位置に、相互に対向した状態で配置されている。反射ミラー２２Ａ,２２Ｂは、インデックススケール２０で発生した−１次回折光及び＋１次回折光それぞれを、移動スケール２４へ向けて偏向する。これにより、インデックススケール２０で生成された±１次回折光は、移動スケール２４へ少なくとも一部が相互に重なり合った状態で入射する。

移動スケール２４は、反射ミラー２２Ａ,２２Ｂの下方にＸ軸方向に移動可能に配置されている。この移動スケール２４は、Ｘ軸方向を周期方向とする回折格子が形成された透過型の位相格子であり、その格子ピッチｐは、インデックススケール２０に形成された位相格子の格子ピッチから僅かにずれている。そして、インデックススケール２０で生成された＋１次回折光と−１次回折光とは、移動スケール２４で±１次回折を受けることで相互に干渉した状態で受光素子２６へ入射する。

受光素子２６は、移動スケール２４の下方に配置されている。この受光素子２６は、移動スケール２４を経由した照明光が干渉することにより形成される干渉縞に合わせて設けられた４つの受光部２６ａ,２６ｂ,２６ｃ,２６ｄを有している。そして、各受光部２６ａ〜２６ｄに入射する照明光の強度に応じた光電変換信号Ｉ_ａ,Ｉ_ｂ,Ｉ_ｃ,Ｉ_ｄを出力する。これらの光電変換信号Ｉ_ａ〜Ｉ_ｄは、上述したようにアクチュエータ１６が振動されるため、次式（１）〜（４）で示される。なお、ｘはインデックススケール２０に対する移動スケール２４の変位である。

Ｉ_ａ＝１＋ｃｏｓ［４πｘ／ｐ−２ｄ・ｓｉｎ（ωｔ）］ …（１）
Ｉ_ｂ＝１＋ｓｉｎ［４πｘ／ｐ−２ｄ・ｓｉｎ（ωｔ）］ …（２）
Ｉ_ｃ＝１−ｃｏｓ［４πｘ／ｐ−２ｄ・ｓｉｎ（ωｔ）］ …（３）
Ｉ_ｄ＝１−ｓｉｎ［４πｘ／ｐ−２ｄ・ｓｉｎ（ωｔ）］ …（４）

前記制御回路３０は、光源駆動回路３１、アクチュエータ駆動回路３２、変調度制御回路３３、信号生成回路３４、補正回路３５、演算回路３６を有している。

光源駆動回路３１は、照明光の強度が一定となるように光源１２を駆動する。

信号生成回路３４は、受光素子２６から供給される光電変換信号Ｉ_ａ〜Ｉ_ｄを受信すると、次式（５）及び（６）に示されるように、相互に１８０度の位相差がある光電変換信号Ｉ_ａから光電変換信号Ｉ_ｃを減算して信号Ｉ_Ａを生成し、また、相互に１８０度の位相差がある光電変換信号Ｉ_ｂから光電変換信号Ｉ_ｄを減算して信号Ｉ_Ｂを生成する。信号Ｉ_Ａ,Ｉ_Ｂは、補正回路３５及び演算回路３６へそれぞれ出力される。

Ｉ_Ａ＝Ｉ_ａ−Ｉ_ｃ＝２ｃｏｓ［４πｘ／ｐ−２ｄ・ｓｉｎ（ωｔ）］ …（５）
Ｉ_Ｂ＝Ｉ_ｂ−Ｉ_ｄ＝２ｓｉｎ［４πｘ／ｐ−２ｄ・ｓｉｎ（ωｔ）］ …（６）

演算回路３６は、信号Ｉ_Ａ,Ｉ_Ｂを相互に乗じて信号Ｉ_ＡＢを生成する。上記式（５）及び（６）において、４πｘ／ｐ−２ｄ・ｓｉｎ（ωｔ）をφと定義すると、信号Ｉ_Ａ,Ｉ_Ｂは、それぞれ２ｃｏｓ（φ）、２ｓｉｎ（φ）となる。そして、信号Ｉ_Ａと、信号Ｉ_Ｂとを乗じると、次式（７）に示される信号Ｉ_ＡＢが得られる。演算回路３６は、信号Ｉ_ＡＢを算出すると、この信号Ｉ_ＡＢを移動スケール２４の位置情報として外部に出力するとともに、変調度制御回路３３へ出力する。

Ｉ_ＡＢ＝Ｉ_Ａ×Ｉ_Ｂ＝４ｓｉｎφ・ｃｏｓφ＝２ｓｉｎ（２φ）
＝２ｓｉｎ［８πｘ／ｐ−４ｄ・ｓｉｎ（ωｔ）］ …（７）

変調度制御回路３３は、一例として、角周波数ωのクロック信号ＣＬ（＝ｋ１・ｓｉｎωｔ）に基づいて、正弦波からなる変調信号（ｋ２・ｓｉｎωｔ）を生成してアクチュエータ駆動回路３２へ出力し、アクチュエータ１６を変調振幅ε（片振幅ε／２）、変調度ｄ（＝π・ε／ｐ）、変調角周波数ωで振動させる。これにより、光源１２から射出される照明光が変調され、受光素子２６からは、上記式（１）〜（４）に示されるように、９０度ずつ位相がずれた光電変換信号Ｉ_ａ,Ｉ_ｂ,Ｉ_ｃ,Ｉ_ｄが出力される。

また、変調度制御回路３３は、演算回路３６から供給される信号Ｉ_ＡＢを常時監視し、信号Ｉ_ＡＢの値に基づいて変調振幅εが移動スケール２４の格子ピッチＰの半分（Ｐ／２）以上の大きさになるように制御する。これにより信号Ｉ_Ａ、及び信号Ｉ_Ｂの半周期以上のリサージュモニタが可能となる。

補正回路３５は、信号Ｉ_Ａ、及び信号Ｉ_Ｂをリサージュモニタして、信号Ｉ_Ａ、及び信号Ｉ_Ｂの位相ずれや歪みを補正し、補正後の２つの信号Ｉ_Ａ’,Ｉ_Ｂ’を移動スケール２４の位置情報として出力する。

以上説明したように、本実施形態に係るエンコーダ１０では、信号生成回路３４により、受光素子２６からの光電変換信号Ｉ_ａ,Ｉ_ｂ,Ｉ_ｃ,Ｉ_ｄに演算が施され、その結果として２つの信号Ｉ_Ａ,Ｉ_Ｂが生成される。そして、演算回路３６では、この信号Ｉ_Ａ,Ｉ_Ｂから信号Ｉ_ＡＢが生成され、エンコーダ１０から出力される。この信号Ｉ_ＡＢは、上記式（７）に示されるように、時間ｔに依存する項が４ｄ・ｓｉｎ（ωｔ）である。一方、信号Ｉ_Ａ,Ｉ_Ｂの時間ｔに依存する項は上記式（５）及び（６）に示されるように、２ｄ・ｓｉｎ（ωｔ）であるから、信号Ｉ_ＡＢは、信号Ｉ_Ａ,Ｉ_Ｂに対して、変調度ｄを実質的に２倍にしたのと同様に変化する。したがって、信号Ｉ_ＡＢに基づいて移動スケール２４の位置を検出した場合には、変調度ｄを２倍にしたのと同程度に精度よく移動スケール２４の位置を検出することが可能となる。

また、本実施形態に係るエンコーダ１０では、変調度制御回路３３は、演算回路３６から供給される信号Ｉ_ＡＢに基づいて、アクチュエータ１６の変調振幅εが移動スケール２４の格子ピッチの半分以上の大きさになるように制御される。これにより、信号生成回路３４から出力される信号Ｉ_Ａ,Ｉ_Ｂの少なくとも半周期以上をリサージュモニタして、信号Ｉ_Ａ,Ｉ_Ｂの位相ずれや歪みを除去する補正を行い、補正が行われた後の信頼性の高い信号Ｉ_Ａ’,Ｉ_Ｂ’をエンコーダ１０の出力信号とすることができる。したがって、信号Ｉ_Ａ’,Ｉ_Ｂ’に基づいて、移動スケール２４の移動方向も精度良く検出することが可能となる。

また、本実施形態に係るエンコーダ１０では、アクチュエータ１６の振動が何らかの要因で停止してしまった場合にも、信号生成回路３４は、光電変換信号Ｉ_ａ,Ｉ_ｂ,Ｉ_ｃ,Ｉ_ｄに演算を施すことができる。したがって、エンコーダ１０は出力信号Ｉ_Ａ’,Ｉ_Ｂ’,Ｉ_ＡＢの出力を継続することが可能である。この場合には、例えば、制御回路３０に、信号Ｉ_ＡＢを常時監視してアクチュエータ１６の停止を検出する回路を設け、外部にアクチュエータ１６の停止やステータスを通知する信号を送信するようにしてもよい。

また、本実施形態に係るエンコーダ１０では、位相が相互に１８０度異なる光電変換信号Ｉ_ａ,Ｉ_ｃ及び光電変換信号Ｉ_ｂ,Ｉ_ｄの差分をそれぞれ信号Ｉ_Ａ,Ｉ_Ｂとしている。これにより、信号Ｉ_Ａ,Ｉ_Ｂ,Ｉ_ＡＢに、光電変換信号Ｉ_ａ,Ｉ_ｂ,Ｉ_ｃ,Ｉ_ｄのノイズが混入するのを回避することが可能となっている。

なお、本実施形態では、受光素子２６が４つの受光部２６ａ〜２６ｄを有し、位相がそれぞれ９０度ずつ異なる４つの信号を出力することとしたが、これに限らず、例えば、位相が異なる２つの信号を出力し、この２つの信号を乗算した信号を出力するようにしてもよい。この場合にも、移動スケール２４の位置検出において、変調度を実質的に２倍にしたのと同様の効果を得ることが可能となる。

また、受光素子２６に形成された受光部２６ａ〜２６ｄの配置は一例であり、本発明がこれに限定されるものではない。要するに、照明系との組み合わせにより受光素子２６から、位相の異なる４つの信号が出力されればよい。

また、本実施形態では、コリメータレンズ１８、インデックススケール２０、及び反射ミラー２２Ａ,２２Ｂからなる光学系を含むエンコーダ１０について説明したが、本発明がこれに限定されるものではなく、例えば、インデックススケール２０の代わりに、ビームスプリッタを用いて照明光を回折してもよく、反射ミラー２２Ａ,２２Ｂの代わりに、回折格子を用いることとしてもよい。要するに、光学系は、入射する照明光からそれぞれ位相の異なる複数の信号を生成することができればよい。

また、本実施形態では、光源１２を周期的に振動して、照明光の変調を行ったが、これに限らず、インデックススケール２０を周期的に駆動させるようにしてもよい。

また、光源１２を振動させずに、コリメータレンズ１８をＸ軸に沿って周期的に振動させるエンコーダにも本発明を適用することが可能である。また、光源１２とコリメータレンズ１８との間に音響光学素子（ＡＯＭ）や、電気光学素子（ＥＯＭ）を配置することによって、照明光の進行方向又は通過位置を周期的に振動させるエンコーダにも本発明を適用することができる。

また、本実施形態では、移動スケール２４が移動する場合について説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、移動スケール２４以外の部分が移動する場合についても本発明を採用することができる。要は、移動スケール２４と他の光学部材とが相対的に移動する構成であればよい。

また、本実施形態では、インデックススケール２０と移動スケール２４が位相格子を有する場合について説明したが、これに限らず、振幅型の回折格子（明暗型の回折格子）を採用してもよい。また、振幅型の回折格子と位相格子とを混在させるようにしてもよい。

また、本実施形態では、±１次回折光を計測光として用いたが、本発明はこれには限られない。さらに高次の回折光の干渉光を計測光として用いてもよいし、０次とｎ次（又は−ｎ次）、＋ｎ次と＋（ｍ＋ｎ）次というように異なる次数の回折光同士の干渉光を計測光として用いてもよい。

また、本実施形態に係るエンコーダ１０は、移動体の一軸方向の位置情報を検出するリニアエンコーダであったが、回転体の回転量を検出するロータリーエンコーダにも本発明を適用することができる。

以上説明したように、本発明のエンコーダは、移動体の位置情報を光学的に検出するのに適している。

本発明の一実施形態に係るエンコーダの構成を概略的に示す図である。

符号の説明

１０…エンコーダ、１２…光源、１６…アクチュエータ、１８…コリメータレンズ、２０…インデックススケール、２２Ａ,２２Ｂ…反射ミラー、２４…移動スケール、２６…受光素子、２６ａ,２６ｂ,２６ｃ,２６ｄ…受光部、３０…制御回路、３１…光源駆動回路、３２…アクチュエータ駆動回路、３３…変調度制御回路、３４…信号生成回路、３５…補正回路、３６…演算回路。

Claims (9)

1. 変調された照明光の干渉を利用して、移動体の位置情報を検出するエンコーダであって、
   前記移動体の移動方向に配列されたパターンを有するスケールと、
   前記変調された照明光を干渉させて出射光を生成する光学系と、
   前記出射光を受光する受光素子と、
   前記受光素子から供給される位相が異なる少なくとも２つの光電変換信号を減算して第１の信号を生成し、生成された前記第１の信号に基づいて前記移動体の位置情報を出力する制御回路と、を備え、
   前記スケール、前記光学系、及び前記受光素子のうち少なくとも１つは前記移動体に固定され、前記スケールは前記光学系及び前記受光素子と相対的に移動するエンコーダ。
2. 前記制御回路は、前記第１の信号と、前記受光素子から供給され前記２つの光電変換信号とは位相が異なる少なくとも２つの光電変換信号を減算した第２の信号と、を乗算して生成した信号に基づいて前記移動体の位置情報を出力する請求項１に記載のエンコーダ。
3. 前記制御回路は、前記第１の信号と前記第２の信号とを乗算して生成した信号に基づいて前記照明光の変調度合いを制御する請求項２に記載のエンコーダ。
4. 前記制御回路は、前記照明光の変調が停止した際にも、前記第１の信号に基づいて、前記移動体の位置情報を出力する請求項１〜３のいずれか一項に記載のエンコーダ。
5. 前記制御回路は、前記照明光の変調が停止した際に、外部にアラーム信号を出力する請求項１〜４のいずれか一項に記載のエンコーダ。
6. 前記受光素子は、前記少なくとも２つの光電変換信号を前記制御回路に供給する少なくとも２つの受光部を有する請求項１〜５のいずれか一項に記載のエンコーダ。
7. 前記第１の信号を構成した前記２つの光電変換信号は、前記移動方向に対して互いに１８０°の位相差を有する信号である請求項１〜６のいずれか一項に記載のエンコーダ。
8. 変調された照明光の干渉を利用して、移動体の位置情報を検出するエンコーダであって、
   前記移動体の移動方向に配列されたパターンを有するスケールと、
   前記変調された照明光を干渉させて出射光を生成する光学系と、
   前記出射光を受光する受光素子と、
   前記受光素子から供給される位相が異なる少なくとも２つの光電変換信号を乗算して生成された信号に基づいて前記移動体の位置情報を出力する制御回路と、を備え、
   前記スケール、前記光学系及び前記受光素子のうち少なくとも１つは前記移動体に固定され、前記スケールは前記光学系及び前記受光素子と相対的に移動するエンコーダ。
9. 前記信号を構成した前記２つの光電変換信号は、前記移動方向に対して互いに９０°の位相差を有する信号である請求項８に記載のエンコーダ。

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