JP4960133B2 - 絶対位置測長型エンコーダ - Google Patents

Description

本発明は、絶対位置測長型エンコーダに関する。

物体の移動距離を測定するための装置として、相対移動距離を測定するインクリメンタルエンコーダの他、絶対位置の測長を可能にしたアブソリュートエンコーダが知られている。

インクリメンタルエンコーダは、光電式エンコーダの場合、明暗の等間隔のインクリメンタルパターンからなるインクリメンタルトラックを有し、このパターンに基づく明暗信号をカウントすることにより、相対的な移動距離を検出する。また、明暗の等間隔のパターンとは別に設けられた原点検出パターンを検出し、この原点からの相対的な移動距離を検出することにより、絶対的な移動距離を検出することができる。ただし、原点検出パターンを読むため、測定に先立ちスケールを左右に移動させなければならない。

一方、アブソリュートエンコーダは、例えばＭ系列符号等の擬似ランダム符号を表現したアブソリュートパターンからなるアブソリュートトラックを有し、このパターンを読むことで得られた物体の絶対位置を検出するものである。アブソリュートエンコーダは、インクリメンタルエンコーダと異なり、原点検出パターンによる原点検出を行う必要は無く、電源投入後のその位置から測定を開始することができる。しかし、検出精度の面では、インクリメンタルエンコーダよりも劣る。

そのため、等間隔のインクリメンタルパターンからなるインクリメンタルトラックと、擬似ランダム符号を表現したアブソリュートパターンからなるアブソリュートトラックとを１つのスケール上に平行に配置した絶対位置測長型エンコーダが、例えば特許文献１により知られている。そのエンコーダでは、電源投入後、まずアブソリュートトラック上のアブソリュートパターンを読み取って絶対位置を検出し、続いてその位置からの相対移動距離をインクリメンタルトラック上のインクリメンタルパターンを読み取って検出する。これによれば、インクリメンタルエンコーダとアブソリュートエンコーダとの双方の長所を得つつ、それぞれの短所を補った絶対位置測長型エンコーダを得ることができる。

しかし、このような構成のエンコーダの場合、インクリメンタルパターンの明暗ピッチが微細になってくると、それに合わせてアブソリュートパターンをインクリメンタルパターンに対して位置ずれを生じることなく微細に形成することが困難になる。また、スケールの全長が長くなると、その全域に亘ってアブソリュートパターンとインクリメンタルパターンの相対的な位相関係を維持することが困難になる。

このような理由から、アブソリュートパターンとインクリメンタルパターンを併用した絶対位置測長型エンコーダにおいて、微細化を図ることが困難になってきている。
特開平７−２８６８６１号公報

本発明は、アブソリュートパターンのインクリメンタルパターンに対する位置ずれに対する許容度を大きくし、もってインクリメンタルパターンの微細化を可能とした高精度な絶対位置測長型エンコーダを提供することを目的とするものである。

本発明に係る絶対位置測長型エンコーダは、第１の周期で等間隔に形成された第１明暗パターンからなるインクリメンタルパターンを有するインクリメンタルトラックと、絶対位置を表現したアブソリュートパターンを有するアブソリュートトラックと、前記第１周期よりも大きい第２の周期で等間隔に形成された第２明暗パターンからなる位置基準パターンを有する位置基準トラックとを形成されたスケールと、 このスケールに測定光を照射する光源と、前記スケールで反射又は透過した前記測定光を受光する受光器と、前記受光器の受光信号を処理して前記スケールの絶対位置を検出する信号処理回路とを備え、前記アブソリュートパターンと前記位置基準パターンとは、同一のトラック上に形成されており、前記アブソリュートパターンと前記位置基準パターンとが重複する部分においては、前記アブソリュートパターンが消去されていることを特徴とする。
また、本発明の別の態様に係る絶対位置測長型エンコーダは、第１の周期で等間隔に形成された第１明暗パターンからなるインクリメンタルパターンを有するインクリメンタルトラックと、絶対位置を表現したアブソリュートパターンを有するアブソリュートトラックと、前記第１周期よりも大きい第２の周期で等間隔に形成された第２明暗パターンからなる位置基準パターンを有する位置基準トラックとを形成されたスケールと、このスケールに測定光を照射する光源と、前記スケールで反射又は透過した前記測定光を受光する受光器と、前記受光器の受光信号を処理して前記スケールの絶対位置を検出する信号処理回路とを備え、前記アブソリュートパターンと前記位置基準パターンとは、同一のトラック上に形成されており、前記アブソリュートパターンと前記位置基準パターンとが重複しないよう、前記アブソリュートパターンが縮小されて形成されていることを特徴とする。

このエンコーダによれば、アブソリュートパターンは、第１の周期で明暗パターンが形成されたインクリメンタルパターンとの関係で正確に形成される必要はなく、これより周期の大きい第２の周期で形成された位置基準パターンに対し、所定の精度で形成されていればよい。従って、アブソリュートパターンのインクリメンタルパターンに対する位置誤差の許容度を大きくすることができ、結果としてインクリメンタルパターンの微細化、及びエンコーダの高精度化に寄与することができる。

この発明によれば、アブソリュートパターンのインクリメンタルパターンに対する位置ずれの許容度を大きくし、もってインクリメンタルパターンの微細化を可能とし、それにより高精度な絶対位置測長型エンコーダを提供することができる。

次に、本発明の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。

［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絶対位置測長型光電式エンコーダの全体構成を示す概略図である。この実施の形態の絶対位置測長型光電式エンコーダは、発光素子１１と、スケール１２と、レンズ１３と、フォトダイオードアレイ１４と、信号処理回路２０とを備えて構成されている。

発光素子１１は、コヒーレント光を出射する光源、例えばレーザダイオードである。スケール１２は、図２に示すように、透明ガラス基板上に、明暗の等間隔の配列ピッチＰｉ（たとえば４０μｍ）で形成されたインクリメンタルパターン３１からなるインクリメンタルトラック３０１と、擬似ランダムパターン（ここではＭ系列符号）により絶対位置を表現した一般的なアブソリュートパターン３２からなるアブソリュートトラック３０２とを形成して構成される。

これに加え、スケール１２は、アブソリュートパターン３２に対し所定の位相関係を有し且つ明暗の等間隔の配列ピッチＰｒ（＞Ｐｉ）で形成された測長方向の幅がＷｒの位置基準パターン３３からなる位置規準トラック３０３とを備える。すなわち、このアブソリュートパターン３２は、この位置基準パターン３３の等間隔パターンの絶対位置を表現している。インクリメンタルパターン３１の配列ピッチＰｉは、例えば位置基準パターン３３の配列ピッチＰｒの整数分の１に設定される。この実施の形態では、一例としてＰｉ＝４Ｐｒであると想定する。一例として、Ｐｉ＝４０μｍの場合、Ｐｒ＝１６０μｍに設定される。

インクリメンタルパターン３１と位置基準パターン３３とは、いずれもエンコーダの全長に亘って等間隔の配列ピッチ（Ｐｉ、Ｐｒ）で形成されるため、エンコーダの全長に亘って正確に形成することが比較的容易である。これに対し、アブソリュートパターン３２は、全長に亘って同一の部分が一箇所も無いため、全長に亘って正確に形成することが困難である。

ここで、従来技術のように、位置基準パターンが３３が無く、インクリメンタルパターン３１とアブソリュートパターン３３のみが存在するエンコーダを想定する。このようなエンコーダでは、例えばインクリメンタルパターン３１の配列ピッチを４０μｍとした場合、アブソリュートパターン３３の精度は、スケール１２の全長に亘り、その半分未満の±２０μｍ未満にしなければならない。

本実施の形態のように、インクリメンタルパターン３１の配列ピッチＰｉより大なる配列ピッチＰｒを有する位置基準パターン３３を形成すれば、アブソリュートパターン３３の位置精度は、この位置基準パターン３３の配列ピッチＰｒに合わせれば十分である。従って、アブソリュートパターン３２の位置誤差の許容度を大きくすることができる。例えば、位置基準パターン３３の配列ピッチＰｒがＰｉの４倍の１６０μｍであれば、アブソリュートパターン３３の位置誤差は、スケール１２の全長に亘り、±８０μｍまで許容することが可能になる。このことは、インクリメンタルパターン３１の配列ピッチＰｉを、アブソリュートパターン３３の精度を考慮せずに決定することができることを意味する。従って、本実施の形態によれば、インクリメンタルパターン３１のピッチを微細化することができ、もってエンコーダの高精度化を図ることができる。

発光素子１１は、このスケール１２を照射し、スケール１２を透過した照射光は、レンズ１３を介してフォトダイオードアレイ１４上に投影される。

図３に示すように、フォトダイオードアレイ１４は、インクリメンタルトラック３０１、アブソリュートトラック３０２、及び位置基準トラック３０３のそれぞれに対応して、ＩＮＣフォトダイオードアレイ４１、ＡＢＳフォトダイオードアレイ４２、及び位置基準フォトダイオードアレイ４３を備えている。各フォトダイオードアレイ４１〜４３は、対応するパターン３１〜３３のピッチに対応した配列ピッチでフォトダイオードを配列して構成される。

ＩＮＣフォトダイオードアレイ４１は、９０°ずつ位相の異なる４組のフォトダイオードアレイを有し、インクリメンタルパターン３１に基づく明暗信号を検出して９０度位相差の４相正弦波信号を出力する。ＡＢＳフォトダイオードアレイ４２は、アブソリュートパターンに基づく明暗信号を測長方向に掃引し得られた信号を出力する。また、位置基準フォトダイオードアレイ４３は、位置基準パターン３３を少なくとも１つ以上検出できるよう、測長方向の寸法ＷＰＤＲが設定されており（ＷＰＤＲ＞Ｐｒ＋Ｗｒ）、位置基準パターン３３に基づく明暗信号を測長方向に掃引し得られた信号を出力する。

図１に戻って説明を続ける。信号処理装置２０は、一例として、ノイズフィルタ・増幅回路２１、Ａ／Ｄ変換器２２、相対位置検出回路２３、ノイズフィルタ・増幅回路２４、Ａ／Ｄ変換器２５、絶対位置検出回路２６、ノイズフィルタ・増幅回路２７、Ａ／Ｄ変換器２８、基準位置検出回路２９、及び絶対位置合成回路３０を備えて構成される。

ノイズフィルタ・増幅回路２１は、ＩＮＣフォトダイオードアレイ４１からのアナログ出力信号（９０°位相差４相信号）のノイズを除去した後この信号を増幅して出力する。Ａ／Ｄ変換器２２は、ノイズフィルタ・増幅回路２１が出力するアナログ出力信号をデジタル信号に変換する。相対位置検出回路２３は、得られたデジタル信号（９０°位相差信号）の振幅のａｒｃｔａｎ演算を行うことにより、スケール１０の相対的な移動量・移動方向を示す相対位置信号Ｄ２を出力する。

ノイズフィルタ・増幅回路２４は、ＡＢＳフォトダイオードアレイ４２からのアナログ出力信号（絶対位置信号）のノイズを除去した後この信号を増幅して出力する。Ａ／Ｄ変換器２５は、ノイズフィルタ・増幅回路２４が出力するアナログ信号をデジタル信号に変換する。変換後のデジタル信号は、この場合アブソリュートパターン３２に表現されたＭ系列符号のデータを含んでいる。

絶対位置検出回路２６は、このＭ系列符号と、Ｍ系列により表現される絶対位置との関係を示すテーブル（図示せず）を有しており、このテーブルを参照して、スケール１２の絶対位置を示す絶対値信号Ｄ１を出力する。

ノイズフィルタ・増幅回路２７は、位置基準フォトダイオードアレイ４３からのアナログ出力信号のノイズを除去した後この信号を増幅して出力する。Ａ／Ｄ変換器２８は、ノイズフィルタ・増幅回路２６が出力するアナログ信号をデジタル信号に変換する。そして、基準位置検出回路２９は、デジタル信号に含まれる位置基準パターンの基準位置を示す位置基準信号Ｄ３を出力する。

絶対位置合成回路３０は、絶対位置信号Ｄ１、相対位置信号Ｄ２、位置基準信号Ｄ３に基づいて、スケール１２の微細な絶対位置を算出する。この絶対位置合成回路３０の動作を、図４を参照して説明する。絶対位置信号Ｄ１は、スケール１２の絶対位置についての情報を有している。アブソリュートパターン３２は、位置基準パターン３３に対し所定の精度をもって形成されるので、絶対値信号Ｄ１から絶対位置が得られることで、位置基準パターン３３の周期Ｐｒの何周期目にスケール１２が位置しているのかを特定することができる（図４の（１））。

位置基準パターン３３の周期Ｐｒの何周期目かが特定されると、その後、位置基準信号Ｄ３の信号量が検出されることにより、インクリメンタルパターン３１の何周期目にスケール１２が位置しているのかを特定することができる（図４の（２））。インクリメンタルパターン３１、位置基準パターン３３は、いずれも等間隔の明暗パターンにより形成されるため、配列ピッチＰｒとＰｉの比が大きい場合でも、両者間の位置精度を高く保つことが容易である。このため、位置基準パターン３３の何周期目かが判明し、さらに位置基準信号Ｄ３の信号量が検出されることにより、インクリメンタルパターン３１の何周期目にスケール１２が位置するのかを特定することができる。その後は、インクリメンタルパターン３１から得られた相対位置信号Ｄ２の明暗を計数することにより、スケール１２の絶対位置を算出し出力することが可能である。

以上説明したように、この実施の形態によれば、アブソリュートパターン３２により得られた絶対位置信号Ｄ１に基づき、スケール１２の絶対位置が、位置基準パターン３３との関係において検出され、その後、位置基準パターン３３に基づく位置基準信号Ｄ３、及びインクリメンタルパターン３１に基づく相対位置信号Ｄ２により、精緻なスケール１２の絶対位置情報を得ることができる。アブソリュートパターン３２は微細に形成されたインクリメンタルパターン３１に対する位置精度を要求されず、より配列ピッチの大きい位置基準パターン３３に対し所定の位置精度で形成されれば十分である。従って、本実施の形態によれば、インクリメンタルパターン３１のピッチを微細化することができ、もってエンコーダの高精度化を図ることができる。

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態に係る絶対位置測長型光電式エンコーダを、図５〜図１０を参照して説明する。第１の実施の形態と同一の構成要素については、図５〜図１０において同一の符号を付し、以下ではその詳細な説明は省略する。

図５は、この第２の実施の形態の全体構成を示す概略図であり、図６はスケール１２の平面構成を示している。図６に示すように、本実施の形態では、アブソリュートパターン３２と位置基準パターン３２に代え、この２種類のパターンを１トラックに統合したＡＢＳ／位置基準統合パターン３４からなるＡＢＳ／位置基準統合トラック３０４を備えている点で第１の実施の形態と異なっている。ＡＢＳ／位置基準統合トラック３０４は、図６に示すように、擬似ランダムパターンを表現したアブソリュートパターン３２´と、このアブソリュートパターン３２´の隙間において、インクリメンタルパターン３１の配列ピッチＰｉより大きな配列ピッチＰｒで配列された位置基準パターン３３´とを１トラックに配列して形成されたものである。なお、図６において、位置基準パターン３３´にハッチングが施されているが、図面の説明上、アブソリュートパターン３２´と位置基準パターン３３´とを区別して理解しやすくするために付記したものである。実際のスケールでは、図７に示すように、アブソリュートパターン３２´と位置基準パターン３３´はスケール１２上に同じ材料により形成されており、パターンの形状のみが異なっている。本実施の形態では、上記のようにスケール１２が２トラックを備えるのみであるので、３トラックからなる第１の実施の形態に比べ小型化が可能である。

また、スケール１２が上記のように構成されているのに対応して、フォトダイオードアレイ１４は、図８に示すように、インクリメンタルトラック３０１、及びＡＢＳ／位置基準統合パターントラック３０４のそれぞれに対応して、ＩＮＣフォトダイオードアレイ４１、ＡＢＳ／位置基準フォトダイオードアレイ４４を備えている。

また図５に示すように、本実施の形態の信号処理回路２０において、インクリメンタルパターン３１に基づく信号の処理のための構成（２１〜２３）は第１の実施の形態と同様である。一方、上述のＡＢＳ／位置基準統合パターン３４に基づく信号は、ノイズフィルタ増幅回路２４、Ａ／Ｄ変換器２５を介して分離回路２０１に入力される点で、第１の実施の形態と異なっている。分離回路２０１は、ＡＢＳ／位置基準統合パターン３４のうち、前述の位置基準パターン３３´からの信号と、前述のアブソリュートパターン３２´からの信号とを分離する機能を有する。両信号の分離は、パターン３４に基づく信号と位置基準パターン３３´の設計値との相関演算を行うことにより実行することができる。すなわち、その相関演算の結果として位置基準パターン３３´に基づく信号を得ることができる。相関演算には、乗算型、減算型いずれのタイプのものも採用が可能である。分離された位置基準パターン３３´からの信号は、基準位置検出回路２９に入力され、基準位置検出回路２９は位置基準信号Ｄ３を出力する。

なお、上記とは逆に、パターン３４に基づく信号と、アブソリュートパターン３２´の設計値との相関を演算し、その演算の結果としてアブソリュートパターン３２´に基づく信号を得ることも可能である。

本実施の形態のＡＢＳ／位置基準統合パターン３４の構成例を、図９及び図１０を参照して説明する。図９は、第１の構成例を示している。この第１の構成例では、同図（ａ）に示すようなアブソリュートパターン３２´と、位置基準パターン３３´とが１トラックに統合されて、同図（ｂ）に示す構成とされている。この統合を行う場合、一部においてアブソリュートパターン３２´と位置基準パターン３３´とが重なり合う（矢印Ａで示す位置）。この第１の構成例では、この重なり部分においてはアブソリュートパターン３２´を省略し、代わりにその位置（矢印Ａ）に位置基準パターン３３´を形成している。このように矢印Ａの部分でアブソリュートパターン３２´を省略（消去）しても、絶対位置検出回路２６において位置基準パターン３３´の設計値（矢印Ａの位置の情報を含む）が把握されていれば、省略がされていない場合と同様にして絶対位置を検出することが可能である。

図１０は、第２の構成例を示している。この例では、同図（ａ）に示すようにアブソリュートパターン３２´と位置基準パターン３３´とが重なり合う部分が生じた場合、同図（ｂ）に示すように、重なり部分を省略する代わりに、重なり部分が生じないようアブソリュートパターン３２´を縮小して形成し、重なり部分を無くすようにしている。

［第３の実施の形態］
図１１は、本発明の第３の実施の形態に係る絶対位置検出型エンコーダの構成を示している。全体構成は第１の実施の形態（図１）と略同一であるので、図示は省略する。この実施の形態では、位置基準トラック３０３Ａ、３０３Ｂの２種類がインクリメンタルトラック３０１を挟む両側に設けられている点で、第１の実施の形態と異なっている（図示は省略するが、フォトダイオードアレイ１４の位置基準フォトダイオードアレイ４３も、これに対応して２系統設けられる）。このような構成によれば、スケール１２に傾き（ヨーイング）が生じた場合においても、２系統の位置基準パターン３３Ａ、３３Ｂそれぞれに基づく信号の平均を取ることにより、これに基づく誤差を相殺することが可能になる。

［第４の実施の形態］
図１２は本発明の第４の実施の形態に係る絶対位置検出型エンコーダの構成を示している。全体構成は第１の実施の形態（図１）と略同一であるので、図示は省略する。この実施の形態では、第２の実施の形態と同様のＡＢＳ／位置基準統合トラック３０４Ａ、３０４Ｂが、インクリメンタルトラック３０１を挟むようにして形成されている点で、上記の実施の形態と異なっている。このような構成によれば、スケール１２に傾き（ヨーイング）が生じた場合においても、２系統のＡＢＳ／位置基準パターン３４Ａ、３４Ｂそれぞれに基づく信号の平均を取ることにより、これに基づく誤差を相殺することが可能になる。

［その他］
以上、発明の実施の形態を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、追加等が可能である。例えば、上記実施の形態では、透過型の光電式エンコーダを例にとって説明したが、図１３に示すように、発光素子１１からの反射型の光学系として、発光素子２２をレンズ２４や受光素子アレイ２６と同じ側に配置してもよい。

本発明の第１の実施の形態に係る絶対位置測長型光電式エンコーダの全体構成を示す概略図である。 図１のスケール１２の構成を説明する平面図である。 図１のフォトダイオードアレイ１４の構成を説明する平面図である。 第１の実施の形態に係る絶対位置測長型光電式エンコーダの動作を説明する。 本発明の第２の実施の形態に係る絶対位置測長型光電式エンコーダの全体構成を示す概略図である。 図５のスケール１２の構成を説明する平面図である。 図６のスケール１２の構成を、ハッチングを付記しないで図示した平面図である。 図５のフォトダイオードアレイ１４の構成を説明する平面図である。 図５のスケール１２中のＡＢＳ／位置基準統合スケール３４の構成の詳細を説明する概念図である。 図６のスケール１２中のＡＢＳ／位置基準統合スケール３４の構成の詳細を説明する概念図である。 本発明の第３の実施の形態に係る絶対位置測長型光電式エンコーダのスケール１２の構成を示す。 本発明の第４の実施の形態に係る絶対位置測長型光電式エンコーダのスケール１２の構成を示す。 本実施の形態の変形例を示す。

符号の説明

１１・・・発光素子、 １２・・・スケール、 １３・・・レンズ、 １４・・・フォトダイオードアレイ、 ２０・・・信号処理回路、 ２１、２４、２７・・・ノイズフィルタ増幅回路、 ２２、２５、２８・・・Ａ／Ｄ変換器、 ２３・・・絶対位置検出回路、 ２６・・・相対位置検出回路、 ２９・・・基準位置検出回路、 ３０・・・絶対位置合成回路、 ３１・・・インクリメンタルパターン、 ３２・・・アブソリュートパターン、 ３３・・・位置基準パターン、 ３４・・・ＡＢＳ／位置基準統合パターン、 ３０１・・・インクリメンタルトラック、 ３０２・・・アブソリュートトラック、 ３０３・・・位置基準トラック、 ３０４・・・ＡＢＳ／位置基準トラック。

Claims (4)

1. 第１の周期で等間隔に形成された第１明暗パターンからなるインクリメンタルパターンを有するインクリメンタルトラックと、絶対位置を表現したアブソリュートパターンを有するアブソリュートトラックと、前記第１周期よりも大きい第２の周期で等間隔に形成された第２明暗パターンからなる位置基準パターンを有する位置基準トラックとを形成されたスケールと、
   このスケールに測定光を照射する光源と、
   前記スケールで反射又は透過した前記測定光を受光する受光器と、
   前記受光器の受光信号を処理して前記スケールの絶対位置を検出する信号処理回路と
   を備え、
   前記アブソリュートパターンと前記位置基準パターンとは、同一のトラック上に形成されており、前記アブソリュートパターンと前記位置基準パターンとが重複する部分においては、前記アブソリュートパターンが消去されている
   ことを特徴とする絶対位置測長型エンコーダ。
2. 第１の周期で等間隔に形成された第１明暗パターンからなるインクリメンタルパターンを有するインクリメンタルトラックと、絶対位置を表現したアブソリュートパターンを有するアブソリュートトラックと、前記第１周期よりも大きい第２の周期で等間隔に形成された第２明暗パターンからなる位置基準パターンを有する位置基準トラックとを形成されたスケールと、
   このスケールに測定光を照射する光源と、
   前記スケールで反射又は透過した前記測定光を受光する受光器と、
   前記受光器の受光信号を処理して前記スケールの絶対位置を検出する信号処理回路と
   を備え、
   前記アブソリュートパターンと前記位置基準パターンとは、同一のトラック上に形成されており、前記アブソリュートパターンと前記位置基準パターンとが重複しないよう、前記アブソリュートパターンが縮小されて形成されている
   ことを特徴とする絶対位置測長型エンコーダ。
3. 前記信号処理回路は、前記アブソリュートパターンから得られた信号に基づいて、前記スケールが前記第２周期の何番目にあるか判定し、この判定結果、前記位置基準パターンから得られた信号、及び前記インクリメンタルパターンから得られた信号に基づいて、前記スケールの絶対位置を検出するものである請求項１又は２記載の絶対位置測長型エンコーダ。
4. 前記アブソリュートパターンは、前記位置基準パターンとの関係において、前記第２周期の半分未満の精度をもって形成される請求項１又は２記載の絶対位置測長型エンコーダ。

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