JP4945976B2 - 光学式絶対値エンコーダ - Google Patents

Description

本発明は、直線位置又は回転角度の絶対変位量を計測するための光学式絶対値エンコーダに係るものであり、特にスケール又は回転板からＭ系列信号を検出することにより電源投入時の原点復帰動作が不要な絶対値検出機能を有する光学式絶対値エンコーダに関する。

近年、直線位置又は回転角度の絶対変位量を計測するための光学式エンコーダは、高分解能化および絶対値化が図られている（例えば特許文献１参照）。かかる光学式絶対値エンコーダは、いわゆるＭ系列情報に基づいたＭ系列トラック（第１トラック）、特定の周期（位相差周期）の明暗格子からなる第１内挿倍トラック（第２トラック）及び第１内挿倍トラックの位相差周期の１／Ｎ倍の位相差周期の凹凸格子からなる第２内挿倍トラック（第３トラック）が設けられたスケール（又は回転板）が用いられている。また、第１トラック及び第２トラックに対向して第１の発光素子及び第１の受光素子を配置し、第１の発光素子からの照射光が入射した第１トラック及び第２トラックからの光を検出してＭ系列信号及び第１内挿倍信号を得ている。また、第３トラックに対向して第２の発光素子及び第２の受光素子を配置し、第２の発光素子からの照射光が入射した第３トラックからの光を検出して第２内挿倍信号を得ている。そして、第１の発光素子及び第１の受光素子で構成される絶対値光学系から得られるＭ系列信号及び第１内挿倍信号をＣＰＵに取り込んで絶対値位置情報を取得すると共に、第２の発光素子及び第２の受光素子で構成される高分解能光学系から得られる第２内挿倍信号をＣＰＵに取り込んで絶対値位置情報の高分解能化を行っている。
特開２００３−２７９３８４号公報

しかしながら、上記したような絶対値光学系と高分解能光学系の２つの光学系を備える光学式絶対値エンコーダは、１）絶対値光学系の第１の発光素子からの照射光が高分解能光学系に及ぼす影響、２）第１の発光素子に用いられるＬＥＤの寿命に伴う光量低下による影響、により第２内挿倍信号のオフセット値が変動する。

一般に、第２内挿倍信号を内挿倍処理することにより、第２内挿倍信号の周期の１０００倍以上の分解能を実現しているが、このようなオフセット変動が発生すると内挿倍精度（位置検出精度）が悪化し、位置検出誤差の大きな要因となる。

本発明は、以上のような実情に鑑みてなされたもので、高分解能光学系が絶対値光学系より受ける照明光によって生ずるオフセット変動を最小限に抑えて精度の高い位置検出を行うことができる光学式絶対値エンコーダを提供することを目的とする。

本発明の光学式絶対値エンコーダは、Ｍ系列情報に基づいて反射と透過を繰り返すＭ系列トラックと、所定周期で反射と透過を繰り返す第１内挿倍トラックと、前記第１内挿倍トラックの１／Ｎ（Ｎは２以上の自然数）の周期の凹凸格子からなる第２内挿倍トラックと、が設けられたスケールと、前記Ｍ系列トラック及び前記第１内挿倍トラックと対向する位置に配置された第１発光素子と、前記Ｍ系列トラックと対向する位置に配置された複数の受光素子からなり前記Ｍ系列トラックからの光を検出してＭ系列信号を出力するＭ系列用受光素子群と、前記第１内挿倍トラックと対向する位置に配置された複数の受光素子からなり前記第１内挿倍トラックからの光を検出して第１内挿倍信号を出力する第１内挿倍用受光素子群とを備えた第１受光部と、前記第２内挿倍トラックと対向する位置に配置された第２発光素子と、前記第２内挿倍トラックと対向する位置に配置された複数の受光素子からなり前記第２内挿倍トラックからの光を検出して第２内挿倍信号を出力する第２受光部と、絶対値確立後は、前記第１発光素子を消灯して前記第２発光素子だけを点灯し、前記第２受光部から出力される第２内挿倍信号を用いて位置検出を継続する制御手段と、を具備し、前記Ｍ系列信号、第１内挿倍信号及び第２内挿倍信号を用いて絶対値位置情報が確立するまでは、前記第１発光素子の影響により前記第２内挿倍信号に発生するオフセット変動に相当するオフセット補正値を加算または減算して前記第２内挿倍信号をオフセット補正することを特徴とする。

このように構成された光学式絶対値エンコーダによれば、絶対値検出用の第１発光素子からの照明光が高分解能検出用の第２受光部に及ぼす影響と、絶対値検出用の第１発光素子の寿命による光量低下の影響とに起因する第２内挿倍信号のオフセット変動を最小限に抑えることが可能となり、位置検出精度の向上が図れる。

また本発明の光学式絶対値エンコーダは、Ｍ系列情報に基づいて反射と透過を繰り返すＭ系列トラックと、所定周期で反射と透過を繰り返す第１内挿倍トラックと、前記第１内挿倍トラックの１／Ｎ（Ｎは２以上の自然数）の周期の凹凸格子からなる第２内挿倍トラックと、が円周方向に沿って設けられた回転板と、前記Ｍ系列トラック及び前記第１内挿倍トラックと対向する位置に配置された第１発光素子と、前記Ｍ系列トラックと対向する位置に配置された複数の受光素子からなり前記Ｍ系列トラックからの光を検出してＭ系列信号を出力するＭ系列用受光素子群と、前記第１内挿倍トラックと対向する位置に配置された複数の受光素子からなり前記第１内挿倍トラックからの光を検出して第１内挿倍信号を出力する第１内挿倍用受光素子群とを備えた第１受光部と、前記第２内挿倍トラックと対向する位置に配置された第２発光素子と、前記第２内挿倍トラックと対向する位置に配置された複数の受光素子からなり前記第２内挿倍トラックからの光を検出して第２内挿倍信号を出力する第２受光部と、絶対値確立後は、前記第１発光素子を消灯して前記第２発光素子だけを点灯し、前記第２受光部から出力される第２内挿倍信号を用いて位置検出を継続する制御手段とを具備し、前記Ｍ系列信号、第１内挿倍信号及び第２内挿倍信号を用いて絶対値位置情報が確立するまでは、前記第１発光素子の影響により前記第２内挿倍信号に発生するオフセット変動に相当するオフセット補正値を加算または減算して前記第２内挿倍信号をオフセット補正することを特徴とする。

このように構成された光学式絶対値エンコーダによれば、ロータリー型でも上記同様に、絶対値検出用の第１発光素子からの照明光が高分解能検出用の第２受光部に及ぼす影響と、絶対値検出用の第１発光素子の寿命による光量低下の影響とに起因する第２内挿倍信号のオフセット変動を最小限に抑えることが可能となり、位置検出精度の向上が図れる。

上記記載の光学式絶対値エンコーダと、前記光学式絶対値エンコーダから出力される絶対値情報を用いて位置制御される移動体と、を備えた移動装置を構成することができる。

本発明によれば、絶対値検出用の第１発光素子からの照明光が高分解能光学系である第２受光部に及ぼす影響と、絶対値検出用の第１発光素子の寿命による光量低下の影響とに起因する第２内挿倍信号のオフセット変動を最小限に抑えることが可能となり、位置検出精度の向上が図れる。

以下、本発明の一実施の形態について図面を参照しながら具体的に説明する。
（第１の実施の形態）
図１は本発明の第１の実施の形態に係る光学式絶対値エンコーダが備える検出部の概略構成図、図２は本実施の形態に係る光学式絶対値エンコーダが備えるスケール板の概略構成図、図３は本実施の形態に係る光学式絶対値エンコーダが備える検出部の概略構成図、図４は本実施の形態に係る光学式絶対値エンコーダが備える第１受光部の受光セルアレイ群の概略構成図、図５は本実施の形態に係る光学式絶対値エンコーダが備える第２発光部及び第２受光部の概略構成図、図６は本実施の形態に係る光学式絶対値エンコーダが備える第２受光部の受光セルアレイ群の概略構成図である。

図１において、（ａ）は第１発光部２２，第１受光部２３を横側から眺めた図、（ｂ）はスケール板１０（図３参照）から検出部２０を眺めた図、（ｃ）は第２発光部２４，第２受光部２５を横側から眺めた図である。これらの図で示すように、検出部２０は、回路基板２１、第１発光部２２、第１受光部２３、第２発光部２４、第２受光部２５を備えている。回路基板２１は、図１（ｂ）で示すように、第１発光部２２、第１受光部２３、第２発光部２４、第２受光部２５を搭載している。すなわち、第１発光部２２及び第１受光部２３で構成される絶対値光学系と第２発光部２４及び第２受光部２５構成される高分解能光学系とを備えている。なお、図中の余白部分は、図示しないが、他の電子部品を搭載している。また、検出部２０を構成する各部２２〜２５の詳細については、スケール板１０の説明後に行う。

スケール板１０は、図２で示すように、透明板１１、第１トラック１２、第２トラック１３、および、第３トラック１４を備えている。スケール板１０は、図３で示すように、検出部２０と対向するとともに所定距離だけ離間するように配置される。この場合、スケール板１０または検出部２０のどちらか一方が図示しない移動体に固定されて図３で示す矢印ａ方向に移動するようになされ、他方は固定されて動かないようになされている。なお、本実施の形態では説明を具体化するため、検出部２０は固定され、また、スケール板１０が移動体に取り付けられて移動体とともに移動するものとする。

図１に戻り、検出部２０について説明する。同図において、第１発光部２２は、回路基板２１に直接、または、適宜構成された取付部材を介して配置され、平行光を発するように構成されている。第１受光部２３は、詳しくは図４に示すように構成される。図４の斜線で示した領域は、それぞれが光を感じる感帯部である受光セルを示し、その他の領域は光を検出しない不感帯を示している。そして、この第１受光部２３は、図４の最上段に位置する８個の受光セルから構成される受光セルアレイＡ群２３Ａ、上から２段目に位置する８個の受光セルから構成される受光セルアレイＢ群２３Ｂ、左下に位置する６個の受光セルから構成される受光セルアレイＡ’群２３Ａ’、および、右下に位置する６個の受光セルから構成される受光セルアレイＢ’群２３Ｂ’から構成される。

受光セルアレイＡ群２３Ａ，Ｂ群２３Ｂは、スケール板１０のＭ系列トラックである第１トラック１２（図２参照）に対向して配置されており、第１発光部２２から照射されて第１トラック１２の反射部１２ａで反射した反射光を検出してＭ系列信号を出力する。受光セルアレイＡ’群２３Ａ’，Ｂ’群２３Ｂ’は、スケール板１０の第１内挿倍トラックである第２トラック１３（図２参照）に対向して配置されており、第１発光部２２から照射されて第２トラック１３の反射部１３ａで反射した反射光を検出して第１内挿倍信号を出力する。Ｍ系列用の受光セルアレイＡ群２３Ａ，Ｂ群２３Ｂでは１群の受光セルアレイに受光セルが８個あることから１群で８ビットのＭ系列を検出できる。受光セルアレイＡ群２３Ａ，Ｂ群２３Ｂの受光セルは周期的に配置されるものであり、隣接する２つの受光セル間の距離である周期ピッチＰａ（以下、Ｍ系列用周期ピッチＰａという。）は、電気角で３６０°である。受光セルアレイＡ群２３Ａ、Ｂ群２３Ｂの位相差を電気角で１８０°とするため、図４の位相差Ｐ５の距離は、Ｍ系列用周期ピッチＰａの半分、つまり、Ｐａ／２とする。

一方、第１内挿倍用の受光セルアレイＡ’群２３Ａ’の６個の受光セルと受光セルアレイＢ’群２３Ｂ’の６個の受光セルは、それぞれ電気的に並列接続となっている（つまり６個の受光セルから出力される信号の和信号となる）。また、受光セルアレイＡ’群２３Ａ’，Ｂ群２３Ｂ’の周期ピッチ（以下、第１内挿倍用周期ピッチという。）Ｐ２，Ｐ３はＭ系列検出用周期ピッチＰ１と同じ値、つまり、第１内挿倍用周期ピッチはＰａとなるように設けられている。

第１内挿倍用周期ピッチＰａ（＝Ｐ２＝Ｐ３）を電気角で３６０°とした場合に、受光セルアレイＡ’群２３Ａ’，Ｂ群２３Ｂ’の位相差を９０°もしくは２７０°の電気角の位相差に設定するためには、図４の位相差となる距離Ｐ４を、Ｐａ／４または３Ｐａ／４とすることにより達成される。なお、本実施の形態では説明の具体化のため距離Ｐ４はＰａ／４であるとして説明する。

さらに、Ｍ系列用の受光セルアレイＢ群２３Ｂと第１内挿倍検出用の受光セルアレイＡ’群２３Ａ’とは適当な位相差にて配置されるが、本実施の形態では、受光セルアレイＢ群２３Ｂと受光セルアレイＡ’群２３Ａ’との機械角が同位相となるように配置されている。

続いて、第２発光部２４、第２受光部２５について説明する。図５（ａ）に第２発光部２４を、図５（ｂ）に第２受光部２５をそれぞれ示す。この図でスケール板１０の移動方向は矢印ａの方向である。第２発光部２４は、数μｍの発光領域２４ａに、複数の遮光領域２４ｂを配置して明暗パターンが形成されている。この明暗パターンの周期は、第２内挿倍トラックである第３トラック１４の位相差周期Ｐｂと同じ周期である。発光領域２４ａおよび遮光領域２４ｂは、スケール板１０の移動方向ａに対して垂直方向に配置されている。このような光は第３トラック１４（図２参照）上で干渉縞を生じることになる。

次に、図５（ｂ）において、第２受光部２５は、それぞれ独立した光を検出するための４個の受光セルアレイＡ”群２５Ａ”，Ｂ群２５Ｂ”，Ｃ”群２５Ｃ”，Ｄ”群２５Ｄ”が配置されている。これら４個の受光セルアレイＡ”群２５Ａ”，Ｂ群２５Ｂ”，Ｃ”群２５Ｃ”，Ｄ”群２５Ｄ”は、スケール板１０の第２内挿倍トラックである第３トラック１４（図２参照）の位相差周期Ｐｂと同じ周期で、スケール板１０の移動方向（矢印ａ方向）に対して垂直方向に配置された感帯部により形成される。

第２受光部２５は、詳しくは図６に示すように構成される。図６の斜線で示した領域は、それぞれが光を感じる感帯部である受光セルを示し、その他の領域は光を検出しない不感帯を示している。そして、第２受光部２５は、図６の下段左側に位置する６個の受光セルから構成される受光セルアレイＡ”群２５Ａ”、下段右側に位置する６個の受光セルから構成される受光セルアレイＢ”群２５Ｂ”、上段左側に位置する６個の受光セルから構成される受光セルアレイＣ”群２５Ｃ”、および、上段右側に位置する６個の受光セルから構成される受光セルアレイＤ”群２５Ｄ”から構成されている。Ａ”群２５Ａ”，Ｂ”群２５Ｂ”，Ｃ”群２５Ｃ”およびＤ”群２５Ｄ”において、各受光セルは、それぞれ電気的に並列に接続されている（つまり同じ群にある６個の受光セルから出力される信号の和信号となる）。

隣接する２つの受光セル間のピッチＰ６（＝Ｐｂ）とすると、Ｐ７は０．２５Ｐｂ、Ｐ８は０．５Ｐｂ、Ｐ９は１．２５Ｐｂの距離となる。このように配置することで、スケール板１０の第３トラック１４（図２参照）のトラックの１周期ピッチが電気角３６０゜に対応する周期信号であり、Ａ”群とＢ”群との位相差は、（９０＋α×３６０）゜に、Ａ”群とＣ”群との位相差は、（１８０＋β×３６０）゜に、Ａ”群とＤ”群との位相差は、（２７０＋γ×３６０）゜にそれぞれなる。ここに、α，β，γは適当な任意の整数である。本実施の形態ではＡ”群とＢ”群との位相差は９０゜であり、Ａ”群とＣ”群との位相差は１８０゜であり、Ａ”群とＤ”群との位相差は２７０゜である。

続いて、スケール板１０と検出部２０とを詳細に説明する。まず、スケール板１０について説明する。図２（ａ）は、検出部２０からスケール板１０を眺めた図、図２（ｂ）は、第３トラック（第２内挿倍トラック）１４を分断するＡ−Ａ’線断面図である。図２（ａ）で示すように、透明板１１の上に設けられた第１トラック１２は、Ｍ系列トラックであり、第２トラック１３は第１内挿倍トラックであり、また、第３トラック１４は第２内挿倍トラックである。

第１トラック１２のＭ系列トラックは、図２の斜線部で表される反射部１２ａと、隣接する２個の反射部１２ａの間にある透過部１２ｂとを交互に形成してなるトラックである。反射部１２ａを透明板１１の上に多数設けると、隣接する２個の反射部１２ａの間は透過部１２ｂとなって、反射部１２ａと透過部１２ｂとが交互に形成される。このような反射部１２ａと透過部１２ｂとをＭ系列の規則に従って配置してＭ系列トラックを形成する。ここで、Ｍ系列とは、Ｎを自然数とし、１周期あたり２^Ｎ個の１または０の組み合わせで構成され、簡単な規則によって作られる確定的系列であるが、外観上不規則な系列に似ているものである。このＭ系列の特定位置から連続するＮ個の１または０情報（パターン）は、Ｍ系列内では１つしか存在しないため、２^Ｎ個の重複しない情報を持つ。このＭ系列トラックは、このＭ系列の１を反射部１２ａ、０を透過部１２ｂとして、２^Ｎ個の明暗格子を有する。

第２トラック１３の第１内挿倍トラックは、第１トラック１２と同様に反射部１３ａを透明板１１の上に多数設け、反射部１３ａと透過部１３ｂとを交互に形成してなるトラックである。特定の周期で交互に反射部１３ａと透過部１３ｂとを配置して第１内挿倍トラックを形成する。

第３トラック１４の第２内挿倍トラックは、図２（ｂ）で示すように、スケール板１０の移動方向である矢印ａ方向と垂直方向に線状に形成され、第２発光部２４から照射される光の波長に対し１／４波長の深さｄで、所定の位相差周期Ｐｂで設けられた凹凸格子から構成される。この第３トラック１４の凹凸格子上には、非常に薄い反射膜が設けられている。なお、第３トラック１４の凹凸格子の位相差周期Ｐｂは、第２トラック１３の位相差周期Ｐａの１／Ｎ倍である。つまりＰａ＝Ｎ・Ｐｂが成立する。ここでＮは２以上の自然数の中から適当に選択された整数である。なお、図２（ａ）では、Ｎ＝約１０程度となるように図示されているが、本実施の形態ではＮ＝２が選択されるものとして以下説明を進める。

次に、図７は本実施の形態に係る光学式絶対値エンコーダの概略構成を示すブロック図である。同図において、受光セルアレイＡ群２３Ａ、Ｂ群２３Ｂより得られるＭ系列信号と、受光セルアレイＡ’群２３Ａ’、Ｂ’群２３Ｂ’より得られる第１内挿倍信号と、受光セルアレイＡ”群２５Ａ”、Ｂ”群２５Ｂ”、Ｃ”群２５Ｃ”及びＤ”群２５Ｄ”より得られる第２内挿倍信号とが、それぞれ図示せぬ電流電圧変換用抵抗でＩ／Ｖ変換され、さらにコンパレータ等により波形整形された後に、ＣＰＵ(Central Processing Unit)６０に取り込まれる。ＣＰＵ６０は、内部メモリ又は外部メモリ（共に図示略）に記憶されたプログラムに従って第１発光部２２及び第２発光部２４を点灯制御するとともに、第１受光部２３の受光セルアレイＡ群２３Ａ、Ｂ群２３Ｂより得られるＭ系列信号と、受光セルアレイＡ’群２３Ａ’、Ｂ’群２３Ｂ’より得られる第１内挿倍用信号と、第２受光部２５の受光セルアレイＡ”群２５Ａ”、Ｂ”群２５Ｂ”、Ｃ”群２５Ｃ”及びＤ”群２５Ｄ”より得られる第２内挿倍信号とを組み合わせて、絶対値情報を得る。本エンコーダは、電源投入後に絶対値情報を確立すると、通常の相対値エンコーダとして動作し、相対移動量と相対移動量検出前に得た絶対値情報とにより絶対値情報を算出する。ここで、本実施の形態では、絶対値光学系の第１発光部２２を電源投入時にだけ点灯させるようにし、絶対値情報確立後は第１発光部２２をだけを消灯するように制御する。第１発光部２２及び第２発光部２４の点灯制御はＣＰＵ６０が行うように構成している。

次に、エンコーダとしての動作について説明する。最初に、絶対値情報確立までの動作原理について説明する。
図８は第１受光部２３へ到達する反射光の説明図、図９は第２発光部２４および第２受光部２５による光検出を説明する説明図、図１０は検出信号の説明図である。まず、第１発光部２２、第１受光部２３の動作について説明する。例えば、図３（ａ）で示すように、第１発光部２２からの照明光は、スケール板１０の第１トラック１２と第２トラック１３を照明し、反射部での反射により光が多い領域（明領域）と透過部での透過により反射光が少ない領域（暗領域）とを含む反射光が第１受光部２３へ入射される。

そして、図８で示すような反射光が第１受光部２３へ到達する。上段の白黒列は、Ｍ系列トラックである第１トラック１２による反射光２７であり、また、下段の白黒列は、第１内挿倍トラックである第２トラック１３による反射光２８である。図８の反射光２７で黒く示す領域はスケール板１０の第１トラック１２の透過部１２ｂで透過したため反射光がないか著しく少ない暗領域であり、この暗領域は受光セルが光を受光しない。また、黒くない領域はスケール板１０の第１トラック１２の反射部１２ａで反射したため反射光が多い明領域であり、この明領域は受光セルが光を受光する。

同様に、図８の反射光２８の黒く示す領域は、スケール板１０の第２トラック１３の透過部１３ｂで透過したため反射光がないか著しく少ない暗領域であり、この暗領域は受光セルが光を受光しない。また、黒くない領域はスケール板１０の第２トラック１３の反射部１３ｂで反射したため反射光が多い明領域であり、この明領域は受光セルが光を受光する。そして、受光セルは光量に比例して光電流信号を出力する。具体的には、図１０で示すように、周期的に変化する信号を出力する。

続いて、第２発光部２４、第２受光部２５の動作について説明する。例えば、図５（ａ）で示すように、発光領域２４ａに複数の遮光領域２４ｂを配置して形成した明暗パターンを介して、図３（ｃ）で示すように、第２発光部２４から照射された光線は、スケール板１０を照明すると、スケール板１０の第３トラック１４の明暗格子（図２（ｂ）参照）により回折しつつ反射膜により反射して発生した±１次回折光により、図９で示すように、所定の位置に干渉縞２９が発生する。そして、この干渉縞２９が第２受光部２５へ入射する。

なお、干渉縞２９の明暗領域により第２受光部２５の各受光セルで光量が変化する点は図８を用いてした説明と同様であるが、特徴点としては、干渉縞２９が第２受光部２５の受光面でスケール板１０の移動速度の２倍の速度で移動するように受光されるため、第３トラック１４の凹凸の明暗格子の位相差周期（＝Ｐｂ）の１／２周期で、９０゜位相差の４相光電流信号を得られる点にある。このため、図１０で示すように第１内挿倍信号３３，３４の一周期の信号を得る期間で第２内挿倍信号３５，３６を４周期得られている。第３トラック１４と第２受光部２５の位相差周期（＝Ｐｂ）は大きいままで従来よりも２倍の位相差周期の第２内挿倍信号３５，３６を得られる。

このような第１受光部２３，第２受光部２５は、到達した照射光の光量に比例して光電流信号を出力する。第１受光部２３の受光セルアレイＡ群２３Ａ，Ｂ群２３Ｂは、Ｍ系列トラックである第１トラック１２による反射光を受光して、光電流信号であるＭ系列信号３１，３２を出力する。第１受光部２３の受光セルアレイＡ’群２３Ａ’，Ｂ’群２３Ｂ’は、第１内挿倍トラックである第２トラック１３による反射光を受光して、光電流信号である第１内挿倍信号３３，３４を出力する。第２受光部２５の受光セルアレイＡ”群２５Ａ”，Ｂ”群２５Ｂ”，Ｃ”群２５Ｃ”，Ｄ”群２５Ｄ”は、第２内挿倍トラックである第３トラック１４による干渉縞を受光して、光電流信号である第２内挿倍信号３５，３６を出力する。

これらＭ系列信号，第１内挿倍信号，第２内挿倍信号は、上述したように、電流電圧変換用抵抗でＩ／Ｖ変換され、コンパレータ等により波形整形されたのちに、ＣＰＵ６０に取り込まれる。ＣＰＵ６０に取り込まれる前のアナログ電圧信号は図１０で示すようになる。スケール板１０が移動して反射光・干渉縞の明暗位置の変化に対応し、図１０に示すようなＭ系列信号３１，３２および第１内挿倍信号３３，３４、第２内挿倍信号３５，３６を得る。例えば、図１０では、Ｍ系列用の受光セルアレイＡ群の中の１個の受光セルからのＭ系列信号３１、Ｍ系列用の受光セルアレイＢ群の中の一個の受光セルからのＭ系列信号３２、第１内挿倍用の受光セルアレイＡ’群，Ｂ’群からの第１内挿倍信号３３，３４及び第２内挿倍用の受光セルアレイＡ”群，Ｂ”群からの第２内挿倍信号３５，３６が図示されている。先ほど説明したように、第１内挿倍信号の一周期の信号を得る期間で第２内挿倍信号を４周期得られている。

図１０の縦軸は、各受光セルからの光電流信号を変換した電圧信号Ｖを示し、横軸はスケール番１０の移動に応じた絶対位置θを示す。なお、第１内挿倍信号３３，３４、および、第２内挿倍信号３５，３６は、オフセット電圧が加算されている。但し、本実施の形態では、第２受光部２５から得られる第２内挿倍信号は実際にはＡ”群，Ｂ”群，Ｃ”群，Ｄ”群の４信号であるが、ここではＡ”群，Ｂ”群の２信号のみ図示しており、その他のＣ”群，Ｄ”群の２信号は図示を省略している。

さて、第２受光部２５が受光セルアレイＡ”群２５Ａ”，Ｂ”群２５Ｂ”，Ｃ”群２５Ｃ”，Ｄ”群２５Ｄ”という４群を配置しているが、４相信号とすることにより、組立誤差、受光素子の感度ばらつき、第２発光部２４の照明むらなどに影響されて下位信号の電気角に角度誤差が発生する事態を回避し、高精度・高分解能の検出を実現することができる。この点は本出願人により特願平１１−３２２０７３号として特許出願され、特開２００１−１４１５２２号として出願公開された発明に基づくものであり、簡単に説明するに止める。

第２受光部２５の受光セルアレイＡ”群２５Ａ”，Ｂ”群２５Ｂ”，Ｃ”群２５Ｃ”，Ｄ”群２５Ｄ”という４群から出力され、ＣＰＵ６０に取り込まれる信号を、Ｉ_Ａ 、Ｉ_Ｂ 、Ｉ_Ｃ 、Ｉ_Ｄ とすると次式のようになる。

そして三角関数の公式により変形すると次式のようになる。

そしてこれら式から誤差成分である△Ｘ，△Ｙが除去されるように式を変形すると次式のようになる。

また、他の計算方法で△Ｘ，△Ｙが除去されるように式を変形すると次式のようになる。

ここでｍ，ｎ，Ｐは定数であるが、好ましくはｍ−ｎ／２＝Ｐの関係を満たすように決定される。このような式により求められたθ（絶対位置）は、誤差成分がないため正確な絶対位置を表している。このように４群の第２内挿倍信号を検出することで、検出精度を高めている。

続いて、取り込んだＭ系列信号，第１内挿倍信号，第２内挿倍信号を用いる絶対位置の検出原理について説明する。

例えば、図８で示すＭ系列用の受光セルアレイＢ群２３Ｂのように各受光セル毎の明部・暗部が明瞭な場合は各受光セル毎の検出が明確になされるが、図８で示すＭ系列用の受光セルアレイＡ群の受光セルのように、Ｍ系列トラックにて受光セルの一部の領域（例えば図８の受光セル４０など）が暗部と明部が共にある場合、受光セルアレイＡ群の８個の受光セルからの信号は、暗状態であるか、もしくは、明状態であるかを判断することが困難となり、正確な角度情報を得ることが困難となる。

そこで、受光セルアレイＢ群２３Ｂでは完全に明部（受光セル４１など）又は暗部（受光セル４２など）の状態となっている点に着目し、受光セルアレイＡ群２３Ａからの出力信号でなく、受光セルアレイＢ群２３Ｂからの出力信号を用いて、正しいＭ系列信号を得ることとなる。

例えば、図１０の３７ａの位置における検出信号では、受光セルアレイＡ群２３Ａのある受光セルの検出信号３１は、Ｍ系列信号が立ち上がっている途中であり、Ｈｉｇｈ又はＬｏｗ信号を判断するためには、不安定な状態であることがわかる。しかしながら、同じ位置３７ａでも受光セルアレイＢ群２３Ｂのある受光セルの検出信号３２は完全にＨｉｇｈ側であるために、Ｍ系列信号を正しく検出できる。

纏めると、間隔３８に含まれる位置の場合にはＣＰＵ６０が受光セルアレイＡ群２３ＡのＭ系列信号を選択するようにする。この選択を行う判断手法として、例えば、位置３７ｂにおける場合の第１内挿倍用の受光セルアレイＡ’群２３Ａ’の出力信号３３がマイナス側、すなわち、オフセット成分よりもＬｏｗ側にある場合には、受光セルアレイＡ群２３ＡのＭ系列信号を選択する。

同様に、間隔３９に含まれる角度の場合にはＣＰＵ６０が受光セルアレイＢ群２３ＢのＭ系列信号を選択するようにする。この選択を行う判断手法として、例えば、角度３７ａにおける場合の第１内挿倍用の受光セルアレイＡ’群２３Ａ’の出力信号がプラス側、すなわち、オフセット成分よりもＨｉｇｈ側にある場合に受光セルアレイＢ群２３ＢのＭ系列信号を選択する。

そして、このようにして得られた受光セルアレイＡ群，Ｂ群の正しいＭ系列信号を、例えば、ＣＰＵ６０が角度情報に変換する。これによりＭ系列信号は絶対値角度情報に変換される。ここで、Ｍ系列信号によって得られた８ビット分の分解能を上位８ビットと呼ぶ。

更に、高分解能とするために、第１内挿倍信号と同期して得られた第２内挿倍信号をさらに電気的に内挿倍することにより、Ｍ系列で得られた８ビットの分解能を超える分解能を実現することが可能となる。ここで、第２内挿倍によって得られたＸビット分の分解能を下位Ｘビットと呼ぶ。この上位８ビットの分解能と下位Ｘビットの分解能を組合せた分解能、すなわち８＋Ｘビット分の分解能を光学式ロータリエンコーダの分解能と呼ぶ。

しかしながら、下位の第２内挿倍信号は、Ｍ系列信号の１周期ピッチ内に４周期ピッチ分の内挿倍情報を持つために、何番目の内挿倍信号かを判断することが困難となる。例えば、位置３７ａにおいて角度情報を得ようとした場合、３番目の第２内挿倍信号３９ａを内挿倍するのであるが、１番目第２内挿倍信号３８ａ〜４番目第２内挿倍信号３９ｂの中のどの第２内挿倍信号を内挿倍したのかを判断することができない。そこで、第１内挿倍信号を電気的に内挿倍することにより、１番目〜４番目第２内挿倍信号３８ａ，３８ｂ，３９ａ，３９ｂを選定することが可能となる。

例えば、本実施の形態の場合は、第１内挿倍信号３３がＬｏｗ，３４がＨｉｇｈならば１番目第２内挿倍信号３８ａに、第１内挿倍信号３３，３４がともにＬｏｗならば２番目第２内挿倍信号３８ｂに、第１内挿倍信号３３がＨｉｇｈ，３４がＬｏｗならば３番目第２内挿倍信号３９ａに、第１内挿倍信号３３，３４がともにＨｉｇｈの場合が４番目第２内挿倍信号３９ｂに対応しているため、どの第２内挿倍信号を内挿倍したかの判断を行うことができる。

１番目〜４番目第２内挿倍信号の選定を可能とするため、第１内挿倍信号は、最低２ビット分だけ内挿倍できるようにすればよい。ここで、例えば、第１内挿倍信号によって得られた２ビットの分解能を中位２ビットと呼ぶ。これにより、Ｍ系列で得られた分解能８ビットに、中位２ビット及び下位のＸビットをつなぎ合わせることにより、（８＋２＋Ｘ）ビットの分解能を有する光学式絶対値エンコーダが実現可能である。

なお、本実施の形態では、Ｐａ＝２・Ｐｂとして具体的に説明したが、この値は２以外にも２の倍数である自然数を適宜選択することが可能である。このような本実施の形態の光学式絶対値エンコーダでは、高分解能を実現することが可能となる。また、高性能なＡ／Ｄ変換器なども不要となるため、コストダウンとなる。

次に、電源投入時に絶対値情報を確立した後の動作内容について説明する。
本実施の形態の光学式絶対値エンコーダは、電源投入時に絶対値情報を確立する処理を行い、その後は通常の相対値エンコーダとして動作し、相対移動量と確立済みの絶対値情報とにより絶対値情報を算出する。上述したように、絶対値を検出するための第１発光部２２からの照明光が高分解能光学系である第２受光部２５に影響を及ぼす他、第１発光部２２の寿命による光量低下の影響によって第２内挿倍信号のオフセットが変動する。そこで、電源投入時の絶対値情報を確立した後には、絶対値を検出するための第１発光部２２を消灯するようにＣＰＵ６０が制御している。

図１１は第１発光部２２及び第２発光部２４の両方を点灯して絶対値情報確立中におけるＣＰＵ入力信号の波形図であり、図１２は絶対値確立後に第１発光部２２を消灯し第２発光部２４だけを点灯している状態でのＣＰＵ入力信号の波形図である。図１１に示すように、絶対値情報確立中は第１発光部２２が点灯するので、その影響によって第２内挿倍信号３５，３６にはオフセット電圧５０，５１が生ずる。これに対し、絶対値情報確立後は第１発光部２２が消灯するので、図１２に示すように、第２内挿倍信号３５，３６のオフセット電圧５０，５１は略ゼロとなる。なお、第１発光部２２が消灯することで、Ｍ系列信号，第１内挿倍信号は出力されない。以上の動作をフロー図で表すと、図１３に示すようになる。すなわち、電源の投入によりメモリデータのクリアなどの初期化処理を行い（ステップＳ１０）、その後、第１発光部２２と第２発光部２４を共に点灯させて（ステップＳ１１）、Ｍ系列信号、第１内挿倍信号及び第２内挿倍信号を取り込んで上述した絶対値情報確立処理を行う（ステップＳ１２）。そして、絶対値情報を確立したかどうかを判定し（ステップＳ１３）、絶対値情報を確立していなければ、ステップＳ１１に戻り、絶対値情報を確立したならば、第１発光部２２を消灯する（ステップＳ１４）。その後は、第２内挿倍信号に基づいて相対移動量を算出し（ステップＳ１５）、算出した相対移動量と先に確立した絶対値情報とにより絶対値情報を算出する（ステップＳ１６）。そして、測定終了かどうかを判定し（ステップＳ１７）、測定を継続する場合はステップＳ１５に戻り、測定を終了する場合は本処理を終える。

このように本実施の形態に係る光学式絶対値エンコーダによれば、電源投入時には、絶対値光学系の第１発光部２２と高分解能光学系の第２発光部２４を共に点灯させて絶対値情報を確立し、絶対値情報を確立した後は絶対値光学系の第１発光部２２を消灯するようにしたので、絶対値検出用の第１発光部２２からの照明光が高分解能光学系である第２受光部２５に及ぼす影響と、絶対値検出用の第１発光部２２の寿命による光量低下の影響などによる第２内挿倍信号のオフセット変動を最小限に抑えることが可能となり、位置検出精度の向上が図れる。

（第２の実施の形態）
図１４は本発明の第２の実施の形態に係る光学式絶対値エンコーダの概略構成を示すブロック図である。なお、上述した図７と共通する部分には同一の符号を付けてその説明を省略する。上述した第１の実施の形態に係る光学式絶対値エンコーダでは、絶対値確立後には正確な位置検出情報を得ることができるが、絶対値確立中には絶対値光学系による影響によりオフセット変動が発生し、第２内挿倍信号３５，３６の周期の範囲内で位置検出誤差が発生する。これに対し、本実施の形態に係る光学式絶対値エンコーダでは、第２内挿倍信号３５，３６に予めオフセット変動に相当するオフセット補正値を加算（または減算）するようにして絶対値光学系による影響を最小限に抑えるようにした。この場合、上述した実施の形態１と同様に、絶対値情報確立後は絶対値光学系の第１発光部２２を消灯するので、補正値の加算（または減算）は絶対値情報確立中のみ行う。図１４中の補正回路７０が第２内挿倍信号３５，３６にオフセット変動に相当する補正値を加算（または減算）する。本実施の形態では、補正値を補正回路７０内の図示せぬメモリに格納している。

図１５は、補正値を加え場合の絶対値確立中のＭ系列信号，第１内挿倍信号，第２内挿倍信号を示す波形図である。同図に示すように、絶対値情報確立中でも第２内挿倍信号３５，３６のオフセット電圧５０，５１が略ゼロとなる。

このように、本実施の形態に係る光学式絶対値エンコーダによれば、第２内挿倍信号３５，３６にオフセット変動を抑える補正値を加算（または減算）するようにしたので、位置検出精度の向上が図れる。

なお、第２内挿倍信号３５，３６に対する補正値の加算（または減算）を補正回路７０が行うのではなく、補正回路７０の機能をソフトウェア化してＣＰＵ６０によって行うようにしても構わない。この場合、補正値は、ＣＰＵ６０の内蔵メモリ又は外部メモリ（いずれも図示略）に格納しておけば良い。ソフトウェア化することにより、補正回路７０が不要となり、その分、小型化及びコストダウンが図れる。

以上説明した第１、第２実施の形態に係る光学式絶対値エンコーダを用いて高精度な位置決め・速度制御を実現する半導体検査装置、製造装置、工作機械その他の移動装置とすることが可能である。また、これらの移動装置を従来の光学式絶対値エンコーダを使用した場合よりも、高分解能制御が可能となり、コストも低く抑えることができる。

なお、本実施の形態では、光学式絶対値エンコーダの一具体例である光学式リニアエンコーダについて説明したが、本発明は光学式リニアエンコーダに限定するものではなく、電気角を検出するようにした光学式ロータリエンコーダにも勿論適用可能である。光学式リニアエンコーダは発光素子と受光素子を一体に取り付けた検出部とスケール板と相対的に移動させる構成であるのに対し、光学式ロータリエンコーダはスリット円板を回転させる点で相違するものの下位信号は電気角θを用いるなどその原理は同じである。本発明を適用した光学式ロータリエンコーダでも高分解能化を実現できる。

本発明の光学式絶対値エンコーダは、半導体装置、製造装置、工作機械等において直線位置又は回転角度の絶対変位量を計測するセンサとして適用可能である。

第１の実施の形態に係る光学式絶対値エンコーダ画が備える検出部の概略構成図 第１の実施の形態に係る光学式絶対値エンコーダが備えるスケール板の概略構成図 第１の実施の形態に係る光学式絶対値エンコーダが備える検出部の概略構成図 第１の実施の形態に係る光学式絶対値エンコーダが備える第１受光部の受光セルアレイ群の概略構成図 第１の実施の形態に係る光学式絶対値エンコーダが備える第２発光部及び第２受光部の概略構成図 第１の実施の形態に係る光学式絶対値エンコーダが備える第２受光部の受光セルアレイ群の概略構成図 第１の実施の形態に係る光学式絶対値エンコーダにおける第１及び第２受光部、第１及び第２発光部及びその周辺回路の回路構成図 第１の実施の形態に係る光学式絶対値エンコーダにおける第１受光部の第２トラックと第３トラックとのピッチを説明するための図 第１の実施の形態に係る光学式絶対値エンコーダにおける第２発光部及び第２受光部による光検出を説明するための図 第１の実施の形態に係る光学式絶対値エンコーダにおけるＭ系列信号、第１内挿倍信号、第２内挿倍信号の波形図 第１の実施の形態に係る光学式絶対値エンコーダにおける絶対値確立中のＭ系列信号、第１内挿倍信号、第２内挿倍信号の波形図 第１の実施の形態に係る光学式絶対値エンコーダにおける絶対値確立後のＭ系列信号、第１内挿倍信号、第２内挿倍信号の波形図 第１の実施の形態に係る光学式絶対値エンコーダの動作フロー図 第２の実施の形態に係る光学式絶対値エンコーダにおける第１及び第２受光部、第１及び第２発光部及びその周辺回路の回路構成図 第２の実施の形態に係る光学式絶対値エンコーダにおける絶対値確立中のＭ系列信号、第１内挿倍信号、第２内挿倍信号の波形図

符号の説明

１０ スケール板
１１ 透明板
１２ 第１トラック
１２ａ 反射部
１２ｂ 透過部
１３ 第２トラック
１３ａ 反射部
１３ｂ 透過部
１４ 第３トラック
２０ 検出部
２１ 回路基板
２２ 第１発光部
２３ 第１受光部
２３Ａ 受光セルアレイＡ群
２３Ｂ 受光セルアレイＢ群
２３Ａ’ 受光セルアレイＡ’群
２３Ｂ’ 受光セルアレイＢ’群
２４ 第２発光部
２４ａ 発光領域
２４ｂ 遮光領域
２５ 第２受光部
２５Ａ” 受光セルアレイＡ”群
２５Ｂ” 受光セルアレイＢ”群
２５Ｃ” 受光セルアレイＣ”群
２５Ｄ” 受光セルアレイＤ”群
２７，２８ 反射光
２９ 干渉縞
３１，３２ Ｍ系列信号
３３，３４ 第１内挿倍信号
３５，３６ 第２内挿倍信号
３７ａ，３７ｂ 位置
３８，３９ 領域
３８ａ，３８ｂ 領域
３９ａ，３９ｂ 領域
４０，４１，４２ 受光セル
５０，５１ オフセット変動
６０ ＣＰＵ
７０ 補正回路

Claims (3)

1. Ｍ系列情報に基づいて反射と透過を繰り返すＭ系列トラックと、所定周期で反射と透過を繰り返す第１内挿倍トラックと、前記第１内挿倍トラックの１／Ｎ（Ｎは２以上の自然数）の周期の凹凸格子からなる第２内挿倍トラックと、が設けられたスケールと、
   前記Ｍ系列トラック及び前記第１内挿倍トラックと対向する位置に配置された第１発光素子と、
   前記Ｍ系列トラックと対向する位置に配置された複数の受光素子からなり前記Ｍ系列トラックからの光を検出してＭ系列信号を出力するＭ系列用受光素子群と、前記第１内挿倍トラックと対向する位置に配置された複数の受光素子からなり前記第１内挿倍トラックからの光を検出して第１内挿倍信号を出力する第１内挿倍用受光素子群とを備えた第１受光部と、
   前記第２内挿倍トラックと対向する位置に配置された第２発光素子と、
   前記第２内挿倍トラックと対向する位置に配置された複数の受光素子からなり前記第２内挿倍トラックからの光を検出して第２内挿倍信号を出力する第２受光部と、
   絶対値確立後は、前記第１発光素子を消灯して前記第２発光素子だけを点灯し、前記第２受光部から出力される第２内挿倍信号を用いて位置検出を継続する制御手段と、
   を具備し、
   前記Ｍ系列信号、第１内挿倍信号及び第２内挿倍信号を用いて絶対値位置情報が確立するまでは、前記第１発光素子の影響により前記第２内挿倍信号に発生するオフセット変動に相当するオフセット補正値を加算または減算して前記第２内挿倍信号をオフセット補正することを特徴とする光学式絶対値エンコーダ。
2. Ｍ系列情報に基づいて反射と透過を繰り返すＭ系列トラックと、所定周期で反射と透過を繰り返す第１内挿倍トラックと、前記第１内挿倍トラックの１／Ｎ（Ｎは２以上の自然数）の周期の凹凸格子からなる第２内挿倍トラックと、が円周方向に沿って設けられた回転板と、
   前記Ｍ系列トラック及び前記第１内挿倍トラックと対向する位置に配置された第１発光素子と、
   前記Ｍ系列トラックと対向する位置に配置された複数の受光素子からなり前記Ｍ系列トラックからの光を検出してＭ系列信号を出力するＭ系列用受光素子群と、前記第１内挿倍トラックと対向する位置に配置された複数の受光素子からなり前記第１内挿倍トラックからの光を検出して第１内挿倍信号を出力する第１内挿倍用受光素子群とを備えた第１受光部と、
   前記第２内挿倍トラックと対向する位置に配置された第２発光素子と、
   前記第２内挿倍トラックと対向する位置に配置された複数の受光素子からなり前記第２内挿倍トラックからの光を検出して第２内挿倍信号を出力する第２受光部と、
   絶対値確立後は、前記第１発光素子を消灯して前記第２発光素子だけを点灯し、前記第２受光部から出力される第２内挿倍信号を用いて位置検出を継続する制御手段と、
   を具備し、
   前記Ｍ系列信号、第１内挿倍信号及び第２内挿倍信号を用いて絶対値位置情報が確立するまでは、前記第１発光素子の影響により前記第２内挿倍信号に発生するオフセット変動に相当するオフセット補正値を加算または減算して前記第２内挿倍信号をオフセット補正することを特徴とする光学式絶対値エンコーダ。
3. 請求項１または請求項２に記載の光学式絶対値エンコーダと、
   前記光学式絶対値エンコーダから出力される絶対値情報を用いて位置制御される移動体と、
   を備えたことを特徴とする移動装置。
   

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