JP5841365B2 - Optical encoder - Google Patents

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Description

本発明は、変位センサなどに用いられる光学式エンコーダに関する。   The present invention relates to an optical encoder used for a displacement sensor or the like.

小型で比較的単純な構成により位置や角度を検出できる検出器として、タルボットエンコーダや三重格子エンコーダが知られている。   Talbot encoders and triple grating encoders are known as detectors that can detect positions and angles with a small and relatively simple configuration.

たとえば特開平9−196706は、三重格子エンコーダの一例を開示している。このエンコーダは、透過型の光源用スケールを備えた光源と、メインスケールと、受光素子のフォトダイオードアレイとで構成されている。メインスケールは、光源とフォトダイオードアレイに対して、相対的に変位する測定対象に設置されている。また、光源およびフォトダイオードアレイと、メインスケールとの間には、干渉パターンが結像するように、一定の間隔が設けられている。   For example, Japanese Patent Laid-Open No. 9-196706 discloses an example of a triple grating encoder. This encoder includes a light source having a transmission type light source scale, a main scale, and a photodiode array of light receiving elements. The main scale is installed on a measurement object that is displaced relative to the light source and the photodiode array. In addition, a constant interval is provided between the light source and the photodiode array and the main scale so that an interference pattern is formed.

光源から出射した光は、光源用スケールを通り、メインスケールで反射される。反射された光は、フォトダイオードアレイ面に干渉パターンを形成する。この干渉パターンは、フォトダイオードアレイとメインスケールの相対的移動に伴って、フォトダイオードアレイ上を移動する。   The light emitted from the light source passes through the light source scale and is reflected by the main scale. The reflected light forms an interference pattern on the photodiode array surface. This interference pattern moves on the photodiode array as the photodiode array and the main scale move relative to each other.

光学式エンコーダは、フォトダイオードアレイ上の干渉パターンの移動を調べることにより、フォトダイオードアレイとメインスケールの相対位置を求める。これにより、高分解能な変位測定を行っている。   The optical encoder obtains the relative position between the photodiode array and the main scale by examining the movement of the interference pattern on the photodiode array. Thereby, displacement measurement with high resolution is performed.

特開平9−196706号公報JP-A-9-196706

タルボットエンコーダや三重格子エンコーダは、他の方式エンコーダと比較して精度が良い等の利点があるが、光源からの光をスケールで反射または透過し、干渉パターンが結像する位置に受光素子を配置する必要がある。そのため、光源とスケールと受光素子の配置が限定されてしまい、光源とスケールと受光素子の配置の自由度が低い。光源とスケールと受光素子の配置の自由度が低いと、たとえば、スケールと光源及び受光素子の間隔を狭くすることができない。これは、さらなる薄型化を妨げる要因でもある。   Talbot encoders and triple grating encoders have advantages such as better accuracy than other encoders. However, light from the light source is reflected or transmitted by the scale, and a light receiving element is placed at the position where the interference pattern forms an image. There is a need to. For this reason, the arrangement of the light source, the scale, and the light receiving element is limited, and the degree of freedom in the arrangement of the light source, the scale, and the light receiving element is low. If the degree of freedom of arrangement of the light source, the scale, and the light receiving element is low, for example, the interval between the scale, the light source, and the light receiving element cannot be reduced. This is also a factor that prevents further thinning.

本発明は、前記の点に鑑みてなされたもので、光源とスケールと受光素子の配置の自由度が高い光学式エンコーダを提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above points, and an object thereof is to provide an optical encoder having a high degree of freedom in arrangement of a light source, a scale, and a light receiving element.

本発明による光学式エンコーダは、空間的に光学的特性が周期的に変化するスケールスリットを有するスケールと、スケールに向けて光を発光する複数の発光部と、発光部から発光されスケールスリットを経由した光を受光する受光部を有している。スケールと受光部は、スケールスリットの光学的特性の変化方向に沿って相対的に移動可能である。スケールは、発光部に対向した光入射部と、受光部に対向した光出射部と、光入射部から入射した光を光出射部へ導光する導光部を有している。導光部は、光入射部から入射した光の少なくとも一部を、スケールの厚み方向に対向するように導光部内に配置された反射部による光路が特定されない多重反射を介して、スケールの厚み方向に垂直な方向に向けて導光する。 An optical encoder according to the present invention includes a scale having a scale slit whose spatial optical characteristics periodically change, a plurality of light emitting units that emit light toward the scale, and light emitted from the light emitting unit and passing through the scale slit. A light receiving portion for receiving the received light. The scale and the light receiving unit are relatively movable along the changing direction of the optical characteristics of the scale slit. The scale includes a light incident part that faces the light emitting part, a light emitting part that faces the light receiving part, and a light guide part that guides light incident from the light incident part to the light emitting part. The light guide unit is configured so that at least part of the light incident from the light incident unit has a thickness of the scale through multiple reflection in which the optical path is not specified by the reflection unit disposed in the light guide unit so as to face the thickness direction of the scale. The light is guided in a direction perpendicular to the direction.

本発明によれば、光源とスケールと受光素子の配置の自由度が高い光学式エンコーダが提供される。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the optical encoder with a high freedom degree of arrangement | positioning of a light source, a scale, and a light receiving element is provided.

実施形態による光学式エンコーダの一例の斜視図である。It is a perspective view of an example of the optical encoder by an embodiment. スケールを破断して示した図1の光学式エンコーダの側面図である。FIG. 2 is a side view of the optical encoder of FIG. 1 with a scale broken away. 図1に示されたスケールスと受光部であるPDアレイを示している。FIG. 2 shows a PD array as a scale and a light receiving unit shown in FIG. 1. 図1の受光部を介して得られるA相とB相の検出信号を示している。The A phase and B phase detection signals obtained via the light receiving section of FIG. 1 are shown. ただ一つの発光部によって形成される周期的光学パターンの光強度分布を示している。The light intensity distribution of the periodic optical pattern formed by only one light emitting part is shown. 三つの発光部によって形成される周期的光学パターンの光強度分布を示している。The light intensity distribution of the periodic optical pattern formed of three light emission parts is shown. 受光部がスケールに接触または近接するように配置されて構成された光学式エンコーダを透過型モデルで示している。An optical encoder configured such that the light receiving unit is arranged so as to be in contact with or close to the scale is shown as a transmission type model. 受光部がスケールから離して配置されて構成された光学式エンコーダを透過型モデルで示している。An optical encoder having a light receiving portion arranged away from the scale is shown as a transmission model. 発光する発光部のいくつかの組み合わせを示している。Several combinations of light emitting sections that emit light are shown. 図7または図8の光学式エンコーダのスケールが変更された光学式エンコーダの透過型モデルを示している。9 shows a transmission model of the optical encoder in which the scale of the optical encoder in FIG. 7 or FIG. 8 is changed. 複数の発光部の中央の部分に受光部が整列した光学式エンコーダの透過型モデルを示している。A transmissive model of an optical encoder in which a light receiving portion is aligned at a central portion of a plurality of light emitting portions is shown. 複数の発光部の端の部分に受光部が整列した光学式エンコーダの透過型モデルを示している。A transmissive model of an optical encoder in which a light receiving portion is aligned with end portions of a plurality of light emitting portions is shown. 複数の発光部の別の端の部分に受光部が整列した光学式エンコーダの透過型モデルを示している。A transmissive model of an optical encoder in which a light receiving portion is aligned with another end portion of a plurality of light emitting portions is shown. 図11の光学式エンコーダのスケールが変更された光学式エンコーダの透過型モデルを示している。12 shows a transmissive model of the optical encoder in which the scale of the optical encoder in FIG. 11 is changed. 複数トラックのスケールを有する光学式エンコーダの一例の斜視図である。It is a perspective view of an example of an optical encoder which has a scale of a plurality of tracks. 千鳥状に配列された複数の発光部の構成例を示している。The structural example of the several light emission part arranged in zigzag form is shown. 千鳥状に配列された複数の発光部の別の構成例を示している。The other structural example of the several light emission part arranged in zigzag form is shown. 二次元的に配列された複数の発光部の構成例を示している。The structural example of the several light emission part arranged in two dimensions is shown. 二次元的に配列された複数の発光部の別の構成例を示している。The other structural example of the several light emission part arranged in two dimensions is shown. PDアレイに代わる受光部の別の構成例を示している。The other structural example of the light-receiving part replaced with PD array is shown.

以下、図面を参照して実施形態を説明する。図1は、実施形態による光学式エンコーダの一例を示す斜視図である。また図2は、スケールを破断して示した図1の光学式エンコーダの側面図である。   Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a perspective view illustrating an example of an optical encoder according to an embodiment. FIG. 2 is a side view of the optical encoder of FIG. 1 with the scale broken.

図1と図2に示すように、光学式エンコーダ100は、光学的特性が周期的に変化するスケールスリット122を有するスケール110と、スケール110に向けて光を発光する複数の発光部142を有する発光ユニット140と、発光部142から発光されスケール110を経由した光を受光する受光部172を有する受光ユニット170を有している。   As shown in FIGS. 1 and 2, the optical encoder 100 includes a scale 110 having a scale slit 122 whose optical characteristics periodically change, and a plurality of light emitting units 142 that emit light toward the scale 110. The light receiving unit 170 includes a light emitting unit 140 and a light receiving unit 172 that receives light emitted from the light emitting unit 142 and passing through the scale 110.

発光ユニット140と受光ユニット170は、相対的な位置が変わらないように配置されている。たとえば、発光ユニット140と受光ユニット170は共に基板192に搭載されてヘッド190を構成している。   The light emitting unit 140 and the light receiving unit 170 are arranged so that their relative positions do not change. For example, the light emitting unit 140 and the light receiving unit 170 are both mounted on the substrate 192 to form the head 190.

スケール110とヘッド190は、それぞれ、一方向に互いに相対移動可能な一対の構造体に取り付けられる。その結果、スケール110とヘッド190(したがって受光部172)は、一方向たとえば図1中のX方向に沿って相対的に移動可能に配置される。一方向に互いに相対移動可能な一対の構造体は、たとえば、一方が不動の固定体であり、他方が固定体に対して移動可能な移動体であってよい。あるいは、一対の構造体は、両者が共に移動可能であってもよい。一例では、ヘッド190が固定体に取り付けられ、スケール110が移動体に取り付けられる。   The scale 110 and the head 190 are each attached to a pair of structures that can move relative to each other in one direction. As a result, the scale 110 and the head 190 (and hence the light receiving portion 172) are arranged so as to be relatively movable in one direction, for example, the X direction in FIG. For example, one of the pair of structures that can move relative to each other in one direction may be a stationary body that does not move, and the other body that may move relative to the stationary body. Alternatively, the pair of structures may be movable together. In one example, the head 190 is attached to the fixed body, and the scale 110 is attached to the moving body.

実際には、スケール110が移動される場合もヘッド190が移動される場合もスケール110とヘッド190の両者が移動される場合もあるが、以下の説明では、ヘッド190(したがって受光部172)に対するスケール110の相対的な移動を単にスケール110の移動と呼ぶこともある。   Actually, both the scale 110 and the head 190 may be moved both when the scale 110 is moved and when the head 190 is moved. However, in the following description, with respect to the head 190 (and thus the light receiving unit 172). The relative movement of the scale 110 may be simply referred to as the movement of the scale 110.

スケール110は板状の形状をしており、たとえば、その表面のひとつにスケールスリット122が設けられている。スケールスリット122は、たとえば、光透過型であり、一方向に沿って交互に配列された複数の矩形状の光遮断部122aと光透過部122bを有している。スケール110は、スケール110とヘッド190の相対移動方向に応じて光学的特性が変化するように、好ましくはスケールスリット122の光学的特性の変化方向がスケール110の移動方向すなわち図1中のX方向に平行になるように配置される。   The scale 110 has a plate shape, and for example, a scale slit 122 is provided on one of its surfaces. The scale slit 122 is, for example, a light transmissive type, and includes a plurality of rectangular light blocking portions 122a and light transmissive portions 122b that are alternately arranged along one direction. The scale 110 preferably has a change direction of the optical characteristics of the scale slit 122, that is, the movement direction of the scale 110, that is, the X direction in FIG. 1, so that the optical characteristics change according to the relative movement direction of the scale 110 and the head 190. Arranged so as to be parallel to

発光部142と受光部172は、スケール110に対して同じ側に配置されている。たとえば、発光部142の発光面と受光部172の受光面は同一平面上に位置し、スケールスリット122が設けられたスケール110の表面に対して平行に位置している。発光部142と受光部172は、スケール110の移動方向に非平行な方向に、たとえばスケール110の移動方向に垂直な方向に一定の間隔を置いて配置されている。   The light emitting unit 142 and the light receiving unit 172 are arranged on the same side with respect to the scale 110. For example, the light emitting surface of the light emitting unit 142 and the light receiving surface of the light receiving unit 172 are located on the same plane and are located in parallel to the surface of the scale 110 provided with the scale slit 122. The light emitting unit 142 and the light receiving unit 172 are arranged in a direction non-parallel to the moving direction of the scale 110, for example, in a direction perpendicular to the moving direction of the scale 110, with a certain interval.

各発光部142は、たとえば、LEDやLD等の発光素子で構成されている。しかし各発光部142は、これに限らず、光を発光する個所を広く意味している。したがって各発光部142は、たとえば、光ファイバーなどによって導光された光を出射する個所で構成されてもよい。   Each light-emitting part 142 is comprised by light emitting elements, such as LED and LD, for example. However, each light-emitting part 142 is not limited to this, and widely refers to a portion that emits light. Therefore, each light emission part 142 may be comprised in the location which radiate | emits the light guided by the optical fiber etc., for example.

複数の発光部142は、スケール110の移動方向(図1中のX方向)に沿って一定の間隔を置いて配置されている。一例では、発光ユニット140はほぼ0.5mmの厚さに構成されており、1mmの長さ当たりに3つの受光部172が設けられている。   The plurality of light emitting units 142 are arranged at regular intervals along the moving direction of the scale 110 (X direction in FIG. 1). In one example, the light emitting unit 140 has a thickness of approximately 0.5 mm, and three light receiving portions 172 are provided for each 1 mm length.

受光ユニット170の受光部172は、たとえば、フォトダイオード(PD)アレイなどの受光素子で構成される。しかし受光部172は、これに限らず、光を受光する個所を広く意味している。したがって受光部172は、たとえば、光ファイバーなどによって受光素子へ導光された光を受光する個所で構成されてもよい。   The light receiving unit 172 of the light receiving unit 170 is configured by a light receiving element such as a photodiode (PD) array, for example. However, the light receiving unit 172 is not limited to this, and widely refers to a portion that receives light. Therefore, for example, the light receiving unit 172 may be configured to receive light guided to the light receiving element by an optical fiber or the like.

受光部172を構成するPDアレイは、図3に示すように、四相のフォトダイオードA,B,AB,BBを有している。フォトダイオードA,B,AB,BBは、スケール110の移動方向に沿って互いに連続して繰り返し並べられている。各相A,B,AB,BBのフォトダイオードは互いに電気的に接続されている。連続して並ぶ4つのフォトダイオードA,B,AB,BBが、PDアレイの検出周期の一周期を規定している。言い換えれば、フォトダイオードA,B,AB,BBは、検出周期の1/4すなわち90°ずつ、ずらして配置されている。   As shown in FIG. 3, the PD array constituting the light receiving unit 172 includes four-phase photodiodes A, B, AB, and BB. The photodiodes A, B, AB, and BB are continuously and repeatedly arranged along the moving direction of the scale 110. The photodiodes of each phase A, B, AB, BB are electrically connected to each other. Four photodiodes A, B, AB, and BB arranged in series define one detection period of the PD array. In other words, the photodiodes A, B, AB, and BB are arranged so as to be shifted by 1/4 of the detection period, that is, by 90 °.

スケール110は、発光部142に対向した光入射部118と、受光部172に対向した光出射部120と、光入射部118から入射した光を光出射部120へ導光する導光部を有している。スケールスリット122は光出射部120に配置されている。   The scale 110 has a light incident part 118 facing the light emitting part 142, a light emitting part 120 facing the light receiving part 172, and a light guide part that guides light incident from the light incident part 118 to the light emitting part 120. doing. The scale slit 122 is disposed in the light emitting unit 120.

スケール110は、ガラス板等の板状の透明部材112と、光入射部118と光出射部120を除いて透明部材112の表面を覆っている反射膜114を有している。反射膜114は、たとえばアルミニウム膜で構成されており、高い反射率を有している。発光部142と受光部172に対向した透明部材112の平面上の光入射部118と光出射部120の間に位置する反射膜114の一部114aは、スケール110の移動方向に沿って帯状に延びている。   The scale 110 includes a plate-like transparent member 112 such as a glass plate, and a reflective film 114 that covers the surface of the transparent member 112 except for the light incident portion 118 and the light emitting portion 120. The reflective film 114 is made of an aluminum film, for example, and has a high reflectance. A portion 114 a of the reflective film 114 located between the light incident portion 118 and the light emitting portion 120 on the plane of the transparent member 112 facing the light emitting portion 142 and the light receiving portion 172 is shaped like a band along the moving direction of the scale 110. It extends.

光入射部118は、発光部142に対向するスケール110の面上の一部の領域であって、スケール110が移動した際に発光部142からの光がスケール110に入射することを想定し得る範囲全体を指している。したがって、光入射部118は、相対位置の測定方向すなわちスケール110の移動方向に、相対位置の測定範囲とほぼ同等の長さを有している。発光部142が発光した光は、この光入射部118を通って透明部材112の内部に入射する。光入射部118は、実際の使用において、光が入射しない個所を含んでいてもよい。   The light incident part 118 is a partial region on the surface of the scale 110 facing the light emitting part 142, and it can be assumed that the light from the light emitting part 142 enters the scale 110 when the scale 110 moves. Refers to the entire range. Therefore, the light incident part 118 has a length substantially equal to the measurement range of the relative position in the measurement direction of the relative position, that is, the movement direction of the scale 110. The light emitted from the light emitting unit 142 enters the transparent member 112 through the light incident unit 118. The light incident portion 118 may include a portion where light does not enter in actual use.

光入射部118は、入射効率を高めるために、反射防止の処理が施されていてもよい。   The light incident portion 118 may be subjected to antireflection processing in order to increase the incidence efficiency.

導光部は、光入射部118から入射した光が光出射部120に到達するまでの経路上に存在する物質と空間を指している。本実施形態では、導光部は、透明部材112と反射膜114から構成されている。光入射部118から透明部材112に入射した光は、透明部材112の表面に設けられた反射膜114によって反射されながら透明部材112内部を進行し、少なくとも一部は光出射部120に導光される。ここで、通常の光学設計とは異なり、光入射部118から光出射部120までの間には、具体的な光路は想定していない、もしくは、複数の光路が同時に存在することを想定している。そのため、スケール110内部での反射は、主に、1回反射を含む多重反射を想定している。多重反射は、1回以上で特定回数の反射のみが起きる場合と、1回以上で反射回数が異なる反射が同時に起きる場合を想定している。検出に寄与する反射としては、特定回数の反射、たとえば1回反射の比重が大きくても構わない。また、導光部による光の伝達距離が長くなるほど具体的な光路を想定せず、決められた光入射部118から光出射部120までの間を光が伝達可能な構成・配置を狙った設計をおこなうものとする。   The light guide unit refers to a substance and a space that exist on the path until the light incident from the light incident unit 118 reaches the light emitting unit 120. In the present embodiment, the light guide unit is composed of a transparent member 112 and a reflective film 114. The light that has entered the transparent member 112 from the light incident portion 118 travels through the transparent member 112 while being reflected by the reflective film 114 provided on the surface of the transparent member 112, and at least part of the light is guided to the light emitting portion 120. The Here, unlike a normal optical design, a specific optical path is not assumed between the light incident part 118 and the light emitting part 120, or a plurality of optical paths are assumed to exist simultaneously. Yes. Therefore, the reflection inside the scale 110 mainly assumes multiple reflections including one-time reflection. The multiple reflection assumes a case where only a specific number of reflections occur once or more and a case where reflections different in the number of reflections occur once or more occur simultaneously. As the reflection that contributes to detection, the specific gravity of a specific number of reflections, for example, a single reflection may be large. In addition, a design aiming at a configuration / arrangement in which light can be transmitted from a predetermined light incident part 118 to a light emission part 120 without assuming a specific optical path as the light transmission distance by the light guide part becomes longer. Shall be performed.

導光効率を高めるための構成・配置を取ったり、部材を選定したり、適当な処理を光入射部118や導光部に施すことも検出効率を向上させるのに有効である。   Taking a configuration / arrangement for improving the light guide efficiency, selecting a member, and applying an appropriate process to the light incident portion 118 and the light guide portion are also effective in improving the detection efficiency.

光出射部120は、受光部172に対向するスケール110の面上の一部の領域かつ光入射部118とは異なる領域であって、スケールスリット122の光遮断部122aを含み、スケール110が移動した際にスケール110から受光部172へ向かって光が出射することを想定し得る範囲全体を指している。したがって、光出射部120は、光入射部118と同様に、相対位置の測定方向すなわちスケール110の移動方向に、相対位置の測定範囲とほぼ同等の長さを有している。光出射部120に導光された光は、光出射部120からスケールスリット122を通って受光部172へ出射する。光出射部120は、実際の使用において、光が出射しない個所を含んでいてもよい。   The light emitting unit 120 is a partial region on the surface of the scale 110 facing the light receiving unit 172 and a region different from the light incident unit 118, and includes the light blocking unit 122 a of the scale slit 122. This indicates the entire range in which it can be assumed that light is emitted from the scale 110 toward the light receiving unit 172. Therefore, similarly to the light incident unit 118, the light emitting unit 120 has a length substantially equal to the relative range measurement range in the relative position measurement direction, that is, the movement direction of the scale 110. The light guided to the light emitting unit 120 is emitted from the light emitting unit 120 through the scale slit 122 to the light receiving unit 172. The light emitting unit 120 may include a portion where light is not emitted in actual use.

一例では、図2と図3に示されるように、発光部142は、スケール110の光入射部118に接触または近接するように配置され、受光部172は、スケール110の光出射部120に接触または近接するように配置される。図1では、各構成要素を見やすくするために、スケール110は発光部142と受光部172から離して描かれている。この場合、受光部172の検出周期たとえばPDアレイの各相のPDのピッチは、図3に示すように、スケール110のスケールスリット122のピッチに等しくなるように設定される。   In one example, as shown in FIGS. 2 and 3, the light emitting unit 142 is disposed so as to be in contact with or close to the light incident unit 118 of the scale 110, and the light receiving unit 172 is in contact with the light emitting unit 120 of the scale 110. Or it arrange | positions so that it may adjoin. In FIG. 1, the scale 110 is drawn away from the light emitting unit 142 and the light receiving unit 172 in order to make each component easy to see. In this case, the detection period of the light receiving unit 172, for example, the pitch of the PD of each phase of the PD array is set to be equal to the pitch of the scale slits 122 of the scale 110 as shown in FIG.

別の例では、発光部142は、スケール110の光入射部118に対して離して配置され、受光部172は、スケール110の光出射部120に対して離して配置される。この場合、受光部172の検出周期たとえばPDアレイの各相のPDのピッチは、スケール110のスケールスリット122のピッチを反映して受光部172上に形成される周期的光学パターンのピーク間隔に等しくなるように設定される。   In another example, the light emitting unit 142 is disposed away from the light incident unit 118 of the scale 110, and the light receiving unit 172 is disposed away from the light emitting unit 120 of the scale 110. In this case, the detection period of the light receiving unit 172, for example, the pitch of the PD of each phase of the PD array is equal to the peak interval of the periodic optical pattern formed on the light receiving unit 172 reflecting the pitch of the scale slit 122 of the scale 110. Is set to be

光学式エンコーダ100はさらに、複数の発光部142のおのおのの発光を独立に制御する制御部130と、受光部172を介して得られる信号を処理してスケール110と受光部172の相対移動を求める信号処理部160を有している。制御部130と信号処理部160は一体化してもよいし、ヘッド190上に配置してもよい。   The optical encoder 100 further calculates a relative movement between the scale 110 and the light receiving unit 172 by processing a signal obtained via the control unit 130 that independently controls light emission of each of the plurality of light emitting units 142 and the light receiving unit 172. A signal processing unit 160 is included. The control unit 130 and the signal processing unit 160 may be integrated, or may be disposed on the head 190.

たとえば、制御部130によって、すべての発光部142が発光される。発光部142から発光された光の少なくとも一部は、光入射部118を通って透明部材112に入射する。透明部材112に入射した光の少なくとも一部は、反射膜114による1回反射または多重反射を介して光出射部120に導光される。光出射部120に導光された光の少なくとも一部は、光出射部120から受光部172に向かって出射する。光出射部120から出射した光は、スケールスリット122と受光部172の相対移動方向に沿って光強度が周期的に変化する周期的光学パターンを受光部172上に形成する。   For example, all light emitting units 142 emit light by the control unit 130. At least a part of the light emitted from the light emitting unit 142 enters the transparent member 112 through the light incident unit 118. At least a part of the light incident on the transparent member 112 is guided to the light emitting unit 120 through single reflection or multiple reflection by the reflection film 114. At least a part of the light guided to the light emitting unit 120 is emitted from the light emitting unit 120 toward the light receiving unit 172. The light emitted from the light emitting part 120 forms a periodic optical pattern on the light receiving part 172 whose light intensity periodically changes along the relative movement direction of the scale slit 122 and the light receiving part 172.

スケールスリット122が受光部172に対して相対移動すると、受光部172上に形成された周期的光学パターンが移動する。受光部172がPDアレイで構成されている場合、PDアレイの各フォトダイオードA,B,AB,BBが検出する光量が変動する。その結果、図4に示すように、フォトダイオードA,B,AB,BBから互いに90°位相が異なる擬似正弦波信号が得られる。図4には、そのうちの位相が互いに90°異なるA相とB相の信号が描かれている。これらの擬似正弦波信号に基づいて、信号処理部160において、受光部172に対するスケール110の移動量と移動方向が求められ得る。   When the scale slit 122 moves relative to the light receiving unit 172, the periodic optical pattern formed on the light receiving unit 172 moves. When the light receiving unit 172 includes a PD array, the amount of light detected by each photodiode A, B, AB, BB of the PD array varies. As a result, as shown in FIG. 4, pseudo sine wave signals whose phases are different from each other by 90 ° are obtained from the photodiodes A, B, AB, and BB. FIG. 4 shows A-phase and B-phase signals whose phases are 90 ° different from each other. Based on these pseudo sine wave signals, the signal processing unit 160 can determine the amount and direction of movement of the scale 110 relative to the light receiving unit 172.

図4に示した擬似正弦波信号は、信号波形の一例である。たとえば、スケール110と受光部172が接している構成では、矩形波状の信号が得られることもある。   The pseudo sine wave signal shown in FIG. 4 is an example of a signal waveform. For example, when the scale 110 and the light receiving unit 172 are in contact with each other, a rectangular wave signal may be obtained.

受光部172上に形成される周期的光学パターンの光強度分布によっては、波形が歪んだり、信号レベルが低下したりする可能性がある。特に、スケール110と受光部172の間にギャップがある場合、受光部172上に形成される周期的光学パターンの光強度分布が一定の周期を持たなかったり、スケール110と受光部172の間のギャップが設計値通りでない場合、周期的光学パターンの光強度分布の周期と受光部172の検出周期との間にずれが生じて、検出レベルが下がったりする可能性がある。   Depending on the light intensity distribution of the periodic optical pattern formed on the light receiving portion 172, the waveform may be distorted or the signal level may be reduced. In particular, when there is a gap between the scale 110 and the light receiving unit 172, the light intensity distribution of the periodic optical pattern formed on the light receiving unit 172 does not have a constant period, or between the scale 110 and the light receiving unit 172. When the gap is not as designed, there is a possibility that the detection level is lowered due to a deviation between the period of the light intensity distribution of the periodic optical pattern and the detection period of the light receiving unit 172.

図5は、発光ユニット140がただ一つの発光部142を有している構成において、受光部172上に形成される周期的光学パターンの光強度分布のグラフを示している。また、図6は、発光ユニット140が複数たとえば三つの発光部142を有している構成において、受光部172上に形成される周期的光学パターンの光強度分布のグラフを示している。これらの光強度分布のグラフにおいて、縦軸は光強度を示し、横軸は、スケール110の移動方向に沿った受光部172上の位置を示している。受光部172上の位置は、受光部172の中心を基準とした相対位置で表されている。   FIG. 5 shows a graph of the light intensity distribution of the periodic optical pattern formed on the light receiving part 172 in the configuration in which the light emitting unit 140 has only one light emitting part 142. FIG. 6 shows a graph of the light intensity distribution of a periodic optical pattern formed on the light receiving portion 172 in a configuration in which the light emitting unit 140 has a plurality of, for example, three light emitting portions 142. In these light intensity distribution graphs, the vertical axis indicates the light intensity, and the horizontal axis indicates the position on the light receiving unit 172 along the moving direction of the scale 110. The position on the light receiving unit 172 is represented by a relative position with respect to the center of the light receiving unit 172.

実際の設計では、スケール110の移動方向に沿った受光部172の幅は有限であり、その幅の範囲において光強度分布と受光の仕方を調整する。   In actual design, the width of the light receiving portion 172 along the moving direction of the scale 110 is finite, and the light intensity distribution and the light receiving method are adjusted within the range of the width.

図5に示されるように、ただ一つの発光部142によって形成される周期的光学パターンでは、山や谷における光強度がふぞろいになっており、また山や谷の間隔もふぞろいになっている。このような周期的光学パターンに対しては、PDアレイのPDの幅を一定にするのではなく、実際の周期的光学パターンの光強度分布に合わせて設定するなどの設計上の工夫が必要になる。   As shown in FIG. 5, in the periodic optical pattern formed by the single light emitting unit 142, the light intensities at the peaks and valleys are uniform, and the intervals between the peaks and valleys are also uniform. For such a periodic optical pattern, it is necessary to devise a design such as setting the PD width of the PD array in accordance with the light intensity distribution of the actual periodic optical pattern, instead of making the PD width constant. Become.

これに対して、図6に示されるように、複数の発光部142によって形成される周期的光学パターンでは、各個の発光部142によって形成される周期的光学パターンの光強度分布が重ね合わされる結果、山や谷における光強度はほぼ均一にそろっており、また山や谷の間隔もほぼ均一にそろっている。言い換えれば、図6の周期的光学パターンは、図5の周期的光学像パターンに比べて、強度分布が均一と見なせる範囲が拡大されていると言える。その結果、PDに対する設計上の制約はほとんどなくなり、設計の自由度が向上する。   On the other hand, as shown in FIG. 6, in the periodic optical pattern formed by the plurality of light emitting units 142, the light intensity distribution of the periodic optical pattern formed by each light emitting unit 142 is superimposed. The light intensity in the mountains and valleys is almost uniform, and the intervals between the mountains and valleys are almost uniform. In other words, it can be said that the range in which the intensity distribution of the periodic optical pattern in FIG. 6 can be regarded as uniform is expanded as compared with the periodic optical image pattern in FIG. As a result, there are almost no design restrictions on the PD, and the degree of design freedom is improved.

本実施形態に係る光学式エンコーダ100によれば、スケール110が光入射部118と導光部と光出射部120を有しているため、発光部142から発光され光入射部118に入射した光は、スケール110の内部を導光されて光出射部120から出射する。これにより、従来のように発光部142から発光された光がスケール110で反射された後に結像する位置に受光部172がくるように、スケール110に対して発光部142と受光部172を配置する必要がなくなる。すなわち、発光部142と受光部172の位置は、スケール110が導光可能な範囲で任意に決めることができるので、設計の自由度が向上される。
また、発光部142と受光部172をスケール110に接触または近接させて配置することにより、薄型の光学式エンコーダ100が構成され得る。
According to the optical encoder 100 according to the present embodiment, since the scale 110 includes the light incident unit 118, the light guide unit, and the light emitting unit 120, the light emitted from the light emitting unit 142 and incident on the light incident unit 118. Is guided through the scale 110 and is emitted from the light emitting unit 120. Accordingly, the light emitting unit 142 and the light receiving unit 172 are arranged with respect to the scale 110 so that the light receiving unit 172 comes to a position where the light emitted from the light emitting unit 142 is reflected by the scale 110 and forms an image after the light is reflected by the scale 110 as in the conventional case. There is no need to do it. That is, the positions of the light emitting unit 142 and the light receiving unit 172 can be arbitrarily determined within a range in which the scale 110 can guide light, so that the degree of freedom in design is improved.
Further, by arranging the light emitting unit 142 and the light receiving unit 172 in contact with or close to the scale 110, the thin optical encoder 100 can be configured.

また、ヘッド190を固定体に設け、スケール110を移動体に設けた構成においては、電源や信号線などの配線が必要な発光部142と受光部172が共に固定体に配置され、移動体には配線が不要なため、取り扱いが容易である。   In the configuration in which the head 190 is provided on the fixed body and the scale 110 is provided on the moving body, the light emitting unit 142 and the light receiving unit 172 that require wiring such as a power source and a signal line are both arranged on the fixed body. Is easy to handle because no wiring is required.

スケール110に入射した光は、1回反射と多重反射の組み合わせによって導光される。1回反射による導光は反射回数が少ないので、反射による光量の低下が抑えられる。また、多重反射による導光は、光入射部118と光出射部120の位置がスケール110の厚さに比べて大きく離れているスケール110に対しても有効に作用する。   Light incident on the scale 110 is guided by a combination of single reflection and multiple reflection. The light guide by one-time reflection has a small number of reflections, so that a decrease in light amount due to reflection can be suppressed. In addition, the light guide by multiple reflections effectively acts on the scale 110 in which the positions of the light incident part 118 and the light emitting part 120 are far apart from the thickness of the scale 110.

また、スケール110のスケールスリット122を通る光は、スケール110の厚さ方向に垂直な成分を持つことでスケール110内を伝達していく。そのため、実施形態のような平行平板状のスケール110では、光出射部120から受光部172に対して斜めに光が照射されることが考えられる。そのため、発光部142と受光部172が相対位置の測定方向と同じ方向に配置されていると、測定方向に傾いた光が受光部172に当たる。そのため、スケール110と受光部172のギャップの変化により受光部172が検出する信号の位相がずれ、検出位置に誤差が生じてしまう。しかし、本実施形態では、受光部172に対して発光部142が測定方向に垂直な方向に配置されている。これにより、スケール110と受光部172のギャップが変化しても、受光部172が検出する信号の位相はずれにくくなり、その結果、検出位置に誤差が生じにくくなる。   The light passing through the scale slit 122 of the scale 110 is transmitted through the scale 110 by having a component perpendicular to the thickness direction of the scale 110. Therefore, in the parallel plate scale 110 as in the embodiment, it is conceivable that light is irradiated obliquely from the light emitting unit 120 to the light receiving unit 172. Therefore, when the light emitting unit 142 and the light receiving unit 172 are arranged in the same direction as the measurement direction of the relative position, light inclined in the measurement direction strikes the light receiving unit 172. Therefore, the phase of the signal detected by the light receiving unit 172 is shifted due to a change in the gap between the scale 110 and the light receiving unit 172, and an error occurs in the detection position. However, in the present embodiment, the light emitting unit 142 is arranged in a direction perpendicular to the measurement direction with respect to the light receiving unit 172. As a result, even if the gap between the scale 110 and the light receiving unit 172 changes, the phase of the signal detected by the light receiving unit 172 is less likely to shift, and as a result, an error is less likely to occur at the detection position.

また、発光部142に対して受光部172が相対位置の測定方向に垂直な方向に配置されているため、受光部172上に形成される光学パターンの強度分布が受光部172の中央をピークに山型となり、たとえばPDアレイの形状・配置の設定といった設計を適用しやすい。そのため、エンコーダ信号の各相の信号出力レベルをほぼ等しくすることが容易である。さらには、スケール110とヘッド190のギャップが変動した場合にも、容易に、エンコーダ信号出力レベルの変動を抑制したり、各相の信号レベルをほぼ等しく保ったりできる。   Further, since the light receiving unit 172 is arranged in a direction perpendicular to the measurement direction of the relative position with respect to the light emitting unit 142, the intensity distribution of the optical pattern formed on the light receiving unit 172 peaks at the center of the light receiving unit 172. For example, it is easy to apply a design such as setting of the shape and arrangement of the PD array. Therefore, it is easy to make the signal output level of each phase of the encoder signal substantially equal. Furthermore, even when the gap between the scale 110 and the head 190 fluctuates, fluctuations in the encoder signal output level can be easily suppressed and the signal levels of the respective phases can be kept substantially equal.

さらに、発光ユニット140が複数の発光部142を備えていることにより、次のような効果が得られる。(1)検出に必要な光量の確保が容易となる。(2)周期的光学パターンの場所によるムラや光量ムラが低減される。(3)発光部142の光強度や光分布等のばらつきの影響が平均化の効果によって緩和される。(4)スケール110と受光部172が離して配置された構成において、受光範囲内において周期的光学パターンを理想の形に制御しやすくなる。   Furthermore, since the light emitting unit 140 includes the plurality of light emitting units 142, the following effects can be obtained. (1) It is easy to secure the amount of light necessary for detection. (2) Unevenness and light amount unevenness due to the location of the periodic optical pattern are reduced. (3) The influence of variation in the light intensity, light distribution, etc. of the light emitting unit 142 is mitigated by the averaging effect. (4) In the configuration in which the scale 110 and the light receiving unit 172 are arranged apart from each other, the periodic optical pattern can be easily controlled to an ideal shape within the light receiving range.

[発光部142の好適な間隔]
前述したように、受光部172は、一例では、スケール110に接触または近接するように配置される。図7は、そのように構成された光学式エンコーダを透過型モデルで示している。図7において、Plは、複数の発光部142の間隔を示し、Psは、スケールスリット122のピッチを示し、Piは、受光部の受光面174上に形成される周期的光学パターン176のピーク間隔を示している。また、aは、発光部142とスケールスリット122の間隔を示し、bは、発光部142と受光部の受光面174の間隔を示している。
[Suitable spacing of the light emitting unit 142]
As described above, the light receiving unit 172 is disposed so as to be in contact with or close to the scale 110 in one example. FIG. 7 shows the optical encoder thus configured in a transmissive model. In FIG. 7, Pl indicates the interval between the plurality of light emitting units 142, Ps indicates the pitch of the scale slits 122, and Pi indicates the peak interval of the periodic optical pattern 176 formed on the light receiving surface 174 of the light receiving unit. Is shown. Further, a indicates the interval between the light emitting unit 142 and the scale slit 122, and b indicates the interval between the light emitting unit 142 and the light receiving surface 174 of the light receiving unit.

この構成では、スケール110と受光部の受光面174は接触または近接しているので、a=b,Pi=Psと近似され得る。周期的光学パターン176の振幅は、PlがPsの自然数倍であるときに最大になる。周期的光学パターン176の振幅が大きいほど、相対位置検出の信号品質を高める。つまり、発光部142の間隔Plは、自然数をnとして、Pl=n・Ps=n・Piを満たしていると好ましい。   In this configuration, the scale 110 and the light receiving surface 174 of the light receiving unit are in contact or close to each other, and thus can be approximated as a = b and Pi = Ps. The amplitude of the periodic optical pattern 176 is maximized when Pl is a natural number multiple of Ps. The greater the amplitude of the periodic optical pattern 176, the higher the signal quality of relative position detection. That is, it is preferable that the interval Pl between the light emitting units 142 satisfies Pl = n · Ps = n · Pi, where n is a natural number.

また別の例では、受光部172は、スケール110の光出射部120から離して配置される。図8は、そのように構成された光学式エンコーダを透過型モデルで示している。図8に示される各種パラメーターPl,Ps,Pi,a,b,nは、図7に関連して説明した同じである。   In another example, the light receiving unit 172 is disposed away from the light emitting unit 120 of the scale 110. FIG. 8 shows the optical encoder thus configured in a transmissive model. The various parameters Pl, Ps, Pi, a, b, and n shown in FIG. 8 are the same as described with reference to FIG.

この構成では、スケール110と受光部の受光面174が離れているので、a≠b,Pi≠Psである。また、受光部の受光面174に形成される周期的光学パターンのピーク間隔Piは、スケールスリット122のピッチPsよりも大きい。周期的光学パターン176の振幅が最大となるのは、Pl=n・Pi・Ps/(Pi−Ps)を満たしているときである。したがって、発光部142の間隔Plは、Pl=n・Pi・Ps/(Pi−Ps)を満たしていると好ましい。   In this configuration, since the scale 110 and the light receiving surface 174 of the light receiving unit are separated from each other, a ≠ b and Pi ≠ Ps. Further, the peak interval Pi of the periodic optical pattern formed on the light receiving surface 174 of the light receiving unit is larger than the pitch Ps of the scale slits 122. The amplitude of the periodic optical pattern 176 is maximized when Pl = n · Pi · Ps / (Pi−Ps) is satisfied. Therefore, it is preferable that the interval Pl of the light emitting units 142 satisfies Pl = n · Pi · Ps / (Pi−Ps).

以上をまとめると、光学式エンコーダの検出精度向上のために、発光部142の間隔Plは、Pi=Psのとき、Pl=n・Ps=n・Pi…(1)を満足し、Pi≠Psのとき、Pl=n・Pi・Ps/(Pi−Ps)…(2)を満足しているとよい。受光部の受光面174上に形成される周期的光学パターン176の振幅が最大となるのは、このような間隔Plのときである。   To summarize the above, in order to improve the detection accuracy of the optical encoder, the interval Pl between the light emitting units 142 satisfies Pl = n · Ps = n · Pi (1) when Pi = Ps, and Pi ≠ Ps. In this case, it is preferable that Pl = n · Pi · Ps / (Pi−Ps) (2) is satisfied. The amplitude of the periodic optical pattern 176 formed on the light receiving surface 174 of the light receiving unit is maximized at the interval Pl.

[制御部130の変形例]
これまで、制御部130は、複数の発光部142を同時に発光させる例について説明した。本変形例では、制御部130は、発光する発光部142の組み合わせを切り替える。
[Modification of Control Unit 130]
So far, the control part 130 demonstrated the example which makes the some light emission part 142 light-emit simultaneously. In this modification, the control unit 130 switches the combination of the light emitting units 142 that emit light.

各発光部142は、たとえば、発光素子で構成されてもよい。この場合、制御部130は、たとえば、各発光素子のオンオフを制御することにより、発光する発光部142の組み合わせを切り替え得る。   Each light emitting unit 142 may be configured by a light emitting element, for example. In this case, the control part 130 can switch the combination of the light emission part 142 which light-emits, for example by controlling ON / OFF of each light emitting element.

また、各発光部142が光学的開口で構成され、一つの発光部142に一つの発光素子がファイバーなどを介して接続されてもよい。この場合も、制御部130は、各発光素子のオンオフを制御することにより、発光する発光部142の組み合わせを切り替え得る。   Moreover, each light emission part 142 may be comprised by optical opening, and one light emitting element may be connected to one light emission part 142 via a fiber etc. Also in this case, the control part 130 can switch the combination of the light emission part 142 which light-emits by controlling ON / OFF of each light emitting element.

あるいは、複数の発光部142がファイバーなどを介して共通の光源に接続されており、各発光部142がシャッターを有していてもよい。この場合、制御部130は、たとえば、各シャッターの開閉を制御することにより、発光する発光部142の組み合わせを切り替え得る。   Or the some light emission part 142 is connected to the common light source through the fiber etc., and each light emission part 142 may have a shutter. In this case, the control part 130 can switch the combination of the light emission part 142 which light-emits, for example by controlling opening and closing of each shutter.

図9は、発光する発光部142のいくつかの組み合わせ(A),(B),(C),(D),(E),(F),(G)を示している。図9において、白抜きの発光部142は、発光する発光部を示し、ハッチングされた発光部142は、発光しない発光部を示している。   FIG. 9 shows some combinations (A), (B), (C), (D), (E), (F), and (G) of the light emitting unit 142 that emits light. In FIG. 9, a white light emitting unit 142 indicates a light emitting unit that emits light, and a hatched light emitting unit 142 indicates a light emitting unit that does not emit light.

組み合わせ(A)では、すべての発光部142が発光し、発光する発光部142の間隔Plonは、発光部142の間隔Plに等しい。 In the combination (A), all the light emitting units 142 emit light, and the interval Pl on of the light emitting units 142 that emit light is equal to the interval Pl of the light emitting units 142.

組み合わせ(B)と(C)のいずれでも、1個おきの発光部142が発光し、発光する発光部142の間隔Plonは、発光部142の間隔Plの2倍すなわち2Plに等しい。組み合わせ(B)と(C)では、発光する発光部142が相違している。 Any combination with (B) in (C), the light emitting unit 142 of every other emits light, the interval Pl on the light emitting portion 142 emits light, equal to twice i.e. 2Pl spacing Pl of the light emitting portion 142. In the combinations (B) and (C), the light emitting portions 142 that emit light are different.

組み合わせ(D)は、2個おきの発光部142が発光し、発光する発光部142の間隔Plonは、発光部142の間隔Plの3倍すなわち3Plに等しい。 Combination (D), the light emitting portion 142 of the two intervals emits light, the interval Pl on the light emitting portion 142 emits light, equal to three times i.e. 3Pl spacing Pl of the light emitting portion 142.

組み合わせ(E)と(F)と(G)のいずれでも、一部分の連続する発光部142が発光し、発光する発光部142の間隔Plonは、発光部142の間隔Plに等しい。組み合わせ(E)と(F)と(G)では、発光する発光部142が相違している。 In any of the combinations (E), (F), and (G), a part of the continuous light emitting units 142 emit light, and the interval Pl on of the light emitting units 142 that emit light is equal to the interval Pl of the light emitting units 142. In the combinations (E), (F), and (G), the light emitting portions 142 that emit light are different.

たとえば、発光する発光部142の組み合わせ(A)〜(G)を切り替えることによって、所望の目的に応じて、発光する発光部142の最適な組み合わせを選ぶことができる。発光する発光部142の組み合わせの切り替えは、たとえば、a)必要な光量の確保、b)発光する発光部142のピッチの変更、c)スケール110と受光部172のギャップ変化の補償、d)実装後の発光部142と受光部172の位置ずれの補償、e)複数トラックのスケールへの対応に有効である。   For example, by switching the combinations (A) to (G) of the light emitting units 142 that emit light, the optimum combination of the light emitting units 142 that emit light can be selected according to a desired purpose. For example, the combination of the light emitting units 142 that emit light can be switched by a) securing a necessary amount of light, b) changing the pitch of the light emitting unit 142 that emits light, c) compensating for a gap change between the scale 110 and the light receiving unit 172, d) mounting This is effective in compensating for the positional deviation between the light emitting unit 142 and the light receiving unit 172, and e) corresponding to the scale of a plurality of tracks.

[a)必要な光量の確保]
たとえば、必要な光量を確保するのに必要な発光部142だけを発光させるができる。
[A) Securing necessary light quantity]
For example, only the light emitting unit 142 necessary for securing a necessary light amount can be emitted.

発光する発光部142の組み合わせの例としては、組み合わせ(A),(E),(G)が挙げられる。組み合わせ(E)の代わりに組み合わせ(F)であってもよい。式(1)または式(2)のPlの条件を保ちつつ、光量を調整することで検出効率そのものは変化させずに光量の切り替えが可能となる。また、この切り替えでは、一定の光量の光が届く範囲を切り替えることも可能である。   Examples of combinations of the light emitting units 142 that emit light include combinations (A), (E), and (G). The combination (F) may be used instead of the combination (E). By adjusting the light quantity while maintaining the condition of Pl in the expression (1) or the expression (2), the light quantity can be switched without changing the detection efficiency itself. In this switching, it is also possible to switch a range in which a certain amount of light reaches.

[b)発光する発光部142のピッチの変更]
たとえば、組み合わせ(A),(B),(D)の間で切り替えることによって、発光する発光部142のピッチを変更することができる。組み合わせ(B)の代わりに組み合わせ(C)が使用されてもよい。発光する発光部142のピッチを変更することによって、異なるピッチのスケールに対応させることができる。
[B) Changing the pitch of the light emitting unit 142 that emits light]
For example, the pitch of the light emitting units 142 that emit light can be changed by switching between the combinations (A), (B), and (D). The combination (C) may be used instead of the combination (B). By changing the pitch of the light emitting units 142 that emit light, it is possible to correspond to different pitch scales.

たとえば、図10は、図7または図8に示される光学式エンコーダのスケール110がスケール110’に変更された光学式エンコーダの透過型モデルを示している。スケール110’のスケールスリット122’のピッチは、スケール110のスケールスリット122のピッチPsの2倍に等しい。図10において、a’は、発光部142とスケールスリット122’の間隔を示し、b’は、発光部142と受光部の受光面174の間隔b’を示している。   For example, FIG. 10 shows a transmission model of the optical encoder in which the scale 110 of the optical encoder shown in FIG. 7 or FIG. 8 is changed to a scale 110 '. The pitch of the scale slits 122 ′ of the scale 110 ′ is equal to twice the pitch Ps of the scale slits 122 of the scale 110. In FIG. 10, a ′ represents the distance between the light emitting part 142 and the scale slit 122 ′, and b ′ represents the distance b ′ between the light emitting part 142 and the light receiving surface 174 of the light receiving part.

スケール110からスケール110’への変更に応じて、発光する発光部142の組み合わせは、組み合わせ(A)から組み合わせ(B)または(C)に切り替えられる。   In accordance with the change from the scale 110 to the scale 110 ′, the combination of the light emitting units 142 that emit light is switched from the combination (A) to the combination (B) or (C).

0次光だけを検出する場合、つまり受光部の受光面174がスケール110’に接触または近接している構成では、a’,b’はそれぞれa,bに等しい。すなわち、a’=a,b’=bである。この構成は、薄型の光学式エンコーダの構成に適している。   In the case where only the 0th order light is detected, that is, in the configuration in which the light receiving surface 174 of the light receiving unit is in contact with or close to the scale 110 ', a' and b 'are equal to a and b, respectively. That is, a '= a, b' = b. This configuration is suitable for the configuration of a thin optical encoder.

一方、いわゆるタルボットエンコーダの場合、つまり受光部の受光面174がスケール110’から離れている構成では、a’=4a、b’=4bとなる。この構成では、受光面174にはシャープな周期的光学パターンが形成されるため、高精度なエンコーダ信号が得られる。   On the other hand, in the case of a so-called Talbot encoder, that is, in a configuration in which the light receiving surface 174 of the light receiving unit is separated from the scale 110 ', a' = 4a and b '= 4b. In this configuration, since a sharp periodic optical pattern is formed on the light receiving surface 174, a highly accurate encoder signal can be obtained.

[c)スケール110と受光部172のギャップ変化の補償]
たとえば、スケール110と受光部172のギャップが変化するとき、式(2)の周期的光学パターンのピーク間隔Piすなわち受光部172の検出周期たとえばPDアレイの各相のPDのピッチを変えずにPlとPsを調整することによって、2つのギャップに対応することが可能である。
[C) Compensation of gap change between scale 110 and light receiving unit 172]
For example, when the gap between the scale 110 and the light receiving unit 172 changes, the peak interval Pi of the periodic optical pattern of Expression (2), that is, the detection period of the light receiving unit 172, for example, Pl without changing the PD pitch of each phase of the PD array. And Ps can be adjusted to accommodate two gaps.

また、受光部172が、たとえば多数の検出部を有し、検出周期を変更することが可能な構成である場合、式(2)を満足させつつ、検出周期を変更することができる。
検出周期を切り替えることは、検出分解能を変えることできることを意味する。通常、取付調整などの公差は分解能の高さに影響されるが、必要以上の分解能にしないことで、取付調整などの公差を緩和することが可能となる。
Further, when the light receiving unit 172 has, for example, a large number of detection units and can change the detection cycle, the detection cycle can be changed while satisfying the expression (2).
Switching the detection cycle means that the detection resolution can be changed. Normally, tolerances such as mounting adjustment are affected by the resolution, but by not setting the resolution more than necessary, it is possible to relax tolerances such as mounting adjustment.

また、1つのエンコーダで複数のエンコーダの役割を果たすことが出来るため、省スペース・低コスト化・エンコーダ構成の共通化などの利点がある。   In addition, since one encoder can serve as a plurality of encoders, there are advantages such as space saving, cost reduction, and common encoder configuration.

[d)実装後の発光部142と受光部172の位置ずれの補償]
また、光学式エンコーダとして組み上がった状態で、発光する発光部142の最適な組み合わせを選択することができる。
[D) Compensation for misalignment between light emitting unit 142 and light receiving unit 172 after mounting]
Moreover, the optimal combination of the light emission part 142 which light-emits can be selected in the state assembled as an optical encoder.

組み合わせ(E)〜(G)では、発光する発光部142の組み合わせに偏りを持たせている。たとえば、実装後の光学式エンコーダにおいて、図11に示されるように、複数の発光部142の中央の部分に受光部172が整列する場合には、発光する発光部142の組み合わせ(G)を選択することによって、もっとも検出効率の良い受光が可能となる。また、図12,図13に示されるように、複数の発光部142の端の部分に受光部172が整列する場合には、それぞれ、発光する発光部142の組み合わせ(F),(E)を選択することによって、もっとも検出効率の良い受光が可能となる。   In the combinations (E) to (G), the combinations of the light emitting units 142 that emit light are biased. For example, in the optical encoder after mounting, as shown in FIG. 11, when the light receiving unit 172 is aligned with the central portion of the plurality of light emitting units 142, the combination (G) of the light emitting units 142 that emit light is selected. By doing so, it is possible to receive light with the highest detection efficiency. Also, as shown in FIGS. 12 and 13, when the light receiving unit 172 is aligned with the end portions of the plurality of light emitting units 142, the combinations (F) and (E) of the light emitting units 142 that emit light are respectively set. By selecting, it is possible to receive light with the highest detection efficiency.

同様に、発光する発光部142の組み合わせを、組み合わせ(B)と(C)の間で切り替えることによって、発光部142と受光部172の位置ずれに起因する周期的光学パターンと受光部の検出周期の位相ずれを調整することが可能となる。   Similarly, by switching the combination of the light emitting unit 142 that emits light between the combinations (B) and (C), the periodic optical pattern resulting from the positional deviation between the light emitting unit 142 and the light receiving unit 172 and the detection period of the light receiving unit. It is possible to adjust the phase shift.

これにより、発光部142と受光部172の実装・配置ずれに強い構成を取ることが可能となる。これは、組立後の調整や使用時の調整によって所望の信号を得ることを可能にするため、製造時に要求される組み立て精度を低減し、製造時間やコストの削減・性能向上につながる。   As a result, it is possible to adopt a configuration that is resistant to mounting and disposition of the light emitting unit 142 and the light receiving unit 172. This makes it possible to obtain a desired signal by adjustment after assembly or adjustment at the time of use, so that the assembly accuracy required at the time of manufacture is reduced, leading to reduction in manufacturing time, cost, and performance.

さらに、発光部142と受光部172の位置ずれの補償は、前述の発光する発光部142のピッチの変更と組み合わされてもよい。たとえば、図14に示されるように、スケール110’のスケールスリット122’のピッチ2Psに応じて、発光する発光部142のピッチをたとえば2Plに変更するとともに、発光部142に対する受光部172の位置に応じて、発光する発光部142の範囲を変更してもよい。   Further, the compensation for the positional deviation between the light emitting unit 142 and the light receiving unit 172 may be combined with the change in the pitch of the light emitting unit 142 that emits light. For example, as shown in FIG. 14, the pitch of the light emitting units 142 that emit light is changed to 2 Pl, for example, according to the pitch 2Ps of the scale slits 122 ′ of the scale 110 ′, and at the position of the light receiving unit 172 relative to the light emitting unit 142 Accordingly, the range of the light emitting unit 142 that emits light may be changed.

[e)複数トラックのスケールへの対応]
さらに、発光する発光部142の切り替えを信号検出中に切り替えることによって、複数トラックのスケールに対応することも可能である。
[E) Support for multiple track scales]
Furthermore, by switching the light emitting unit 142 that emits light during signal detection, it is possible to support a scale of a plurality of tracks.

そのようなスケールを有する光学式エンコーダ100Aを図15に示す。光学式エンコーダ100Aは、互いに相対的に移動可能なスケール110Aとヘッド190Aを有している。ヘッド190Aは、複数の発光部142を有する発光ユニット140と、受光部172Aを有する受光ユニット170Aと、受光部172Bを有する受光ユニット170Bを有している。受光部172A,172Bの構成は、検出周期の違いを除けば、前述した受光部172と同様である。   An optical encoder 100A having such a scale is shown in FIG. The optical encoder 100A includes a scale 110A and a head 190A that can move relative to each other. The head 190A includes a light emitting unit 140 having a plurality of light emitting units 142, a light receiving unit 170A having a light receiving unit 172A, and a light receiving unit 170B having a light receiving unit 172B. The configuration of the light receiving units 172A and 172B is the same as that of the light receiving unit 172 described above except for the difference in the detection cycle.

スケール110Aは、発光部142に対向した光入射部118と、受光部172A,172Bにそれぞれ対向した光出射部120Aと、光出射部120A,120Bにそれぞれ設けられたスケールスリット122A,122Bと、光入射部118から入射した光を光出射部120A,120Bへ導光する導光部とを有している。たとえば、スケールスリット122Bのピッチは、スケールスリット122Aのピッチの2倍である。そのほか、スケール110Aの詳細な構成は、前述したスケール110と同様である。   The scale 110A includes a light incident part 118 that faces the light emitting part 142, a light emitting part 120A that faces the light receiving parts 172A and 172B, scale slits 122A and 122B provided in the light emitting parts 120A and 120B, and light. And a light guide unit that guides light incident from the incident unit 118 to the light emitting units 120A and 120B. For example, the pitch of the scale slits 122B is twice the pitch of the scale slits 122A. In addition, the detailed configuration of the scale 110A is the same as that of the scale 110 described above.

タイムシェアリングによって一定時間ごとに、発光する発光部142の組み合わせが、各トラックにスケールスリット122A,122Bに適したものに切り替えられる。スケールスリット122A,122Bを経由した光は、それぞれ、一定時間ごとに、受光部172A,172Bを介して検出される。その結果、スケールスリット122A,122Bによる2トラック検出がリアルタイムに可能となる。これにより、絶対位置検出も可能となる。   The combination of the light emitting units 142 that emit light is switched over to a track suitable for the scale slits 122A and 122B at regular intervals by time sharing. The light that has passed through the scale slits 122A and 122B is detected via the light receiving portions 172A and 172B at regular intervals, respectively. As a result, two-track detection by the scale slits 122A and 122B becomes possible in real time. Thereby, absolute position detection is also possible.

発光部142の切り替えには、発光部142は少なくとも2個あればよい。また、受光部172の検出可能範囲の外側には周期的光学パターンは必要ないので、複数の発光部142の個数および設置範囲は必要以上に大きく設定する必要はない。   In order to switch the light emitting units 142, at least two light emitting units 142 may be used. In addition, since the periodic optical pattern is not required outside the detectable range of the light receiving unit 172, the number of light emitting units 142 and the installation range do not need to be set larger than necessary.

[発光部142の変形例]
これまでに説明した例では、複数の発光部142は、スケール110の移動方向に平行な一本の直線上に配列されている。しかし、スケールスリット122のピッチに比べて発光部142の大きさが比較的大きい場合には、複数の発光部142は、図16や図17に示されるように、千鳥状に配列されてもよい。つまり、複数の発光部142は、スケール110の移動方向に沿って、スケール110の移動方向に垂直な方向に偏差をもって(言い換えれば、ずれを伴って)配列されてもよい。図16と図17において、スケール110の移動方向Xに平行な一直線上に、その中心が位置する発光部142の間隔をPlとする。図16に示される配列では、複数の発光部142の間隔は実質的にPl/2に狭められている。また、図17に示される配列では、複数の発光部142の間隔は実質的にPl/3に狭められている。
[Modification of Light Emitting Unit 142]
In the example described so far, the plurality of light emitting units 142 are arranged on a single straight line parallel to the moving direction of the scale 110. However, when the size of the light emitting units 142 is relatively larger than the pitch of the scale slits 122, the plurality of light emitting units 142 may be arranged in a staggered manner as shown in FIGS. . That is, the plurality of light emitting units 142 may be arranged with a deviation (in other words, with a deviation) in a direction perpendicular to the moving direction of the scale 110 along the moving direction of the scale 110. In FIG. 16 and FIG. 17, the interval between the light emitting portions 142 whose centers are located on a straight line parallel to the moving direction X of the scale 110 is defined as Pl. In the arrangement shown in FIG. 16, the interval between the plurality of light emitting portions 142 is substantially narrowed to Pl / 2. In the arrangement shown in FIG. 17, the interval between the plurality of light emitting portions 142 is substantially narrowed to Pl / 3.

また、複数の発光部142は、スケール移動方向に並べて間隔Plで配置されている、つまり一次元的に配列されている。しかし、複数の発光部142は、たとえば図18に示されるように、スケール移動方向に加えてスケール移動方向に垂直な方向にも並べて配置されてもよい、つまり二次元的に配列されてもよい。これにより、たとえば、ヘッド190とスケール110のトラックずれ(すなわちスケール110の移動方向に垂直な方向のヘッド190とスケール110の相対的な位置ずれ)の影響が低減され得る。   Further, the plurality of light emitting units 142 are arranged in the scale moving direction and arranged at the interval Pl, that is, are arranged one-dimensionally. However, as shown in FIG. 18, for example, the plurality of light emitting units 142 may be arranged side by side in a direction perpendicular to the scale movement direction in addition to the scale movement direction, that is, may be arranged two-dimensionally. . Thereby, for example, the influence of the track deviation between the head 190 and the scale 110 (that is, the relative positional deviation between the head 190 and the scale 110 in the direction perpendicular to the moving direction of the scale 110) can be reduced.

二次元配列の場合、たとえば、図19に示されるように、スケール110の移動方向に間隔Plで並ぶ発光部142を、スケール110の移動方向に垂直な方向にも、スケール110の移動方向の位置を変えて、たとえば間隔Plの1/2ずらして配置してもよい。あるいは、図18の二次元配置の発光部142において、発光する発光部142の組み合わせが図19の二次元配置の発光部142と同じになるように、各発光部142の発光を制御してもよい。これにより、特に回折等の周期的な構造による結像への影響が回避または低減され得る。   In the case of the two-dimensional arrangement, for example, as shown in FIG. 19, the light emitting units 142 arranged at intervals Pl in the moving direction of the scale 110 are also positioned in the moving direction of the scale 110 in the direction perpendicular to the moving direction of the scale 110. For example, they may be shifted by 1/2 of the interval Pl. Alternatively, in the two-dimensionally arranged light emitting units 142 of FIG. 18, the light emission of each light emitting unit 142 is controlled so that the combination of the light emitting units 142 that emit light is the same as the two-dimensionally arranged light emitting units 142 of FIG. Good. As a result, the influence on the imaging due to the periodic structure such as diffraction can be avoided or reduced.

[受光部172の変形例]
これまで、受光部172がPDアレイで構成された例について説明したが、受光部172はまた、図20に示すように、四つの受光素子184A,184B,184C,184Dと、1枚の部材に設けられた四つの透過スリット182A,182B,182C,182Dの組み合わせで構成されてもよい。透過スリット182A〜182Dは、それぞれ、受光素子184A〜184Dの受光面に配置されている。図20では、理解を促すために、受光素子184A〜184Dと透過スリット182A〜182Dは離して描かれている。透過スリット182A〜182Dは、スケールスリット122と同様に、スケール110の移動方向に沿って交互に配列された複数の矩形状の光遮断部と光透過部を有している。各透過スリット182A〜182Dのピッチは、それぞれ、スケールスリット122のピッチと同じである。四つの透過スリット182A〜182Dは互いに位相が90°ずれている。受光素子184A〜184Dが受光する光量は、スケール110のスケールスリット122と透過スリット182A〜182Dの位置関係で変化し、受光素子184A〜184Dから互いに90°位相が異なる擬似正弦波信号が得られる。これらの擬似正弦波信号に基づいて、受光部172に対するスケール110の移動量と移動方向が求められ得る。
[Modification of Light Receiving Unit 172]
So far, the example in which the light receiving unit 172 is configured by a PD array has been described. However, as shown in FIG. 20, the light receiving unit 172 includes four light receiving elements 184A, 184B, 184C, 184D and one member. You may be comprised by the combination of the provided four transmission slits 182A, 182B, 182C, 182D. The transmission slits 182A to 182D are disposed on the light receiving surfaces of the light receiving elements 184A to 184D, respectively. In FIG. 20, in order to facilitate understanding, the light receiving elements 184A to 184D and the transmission slits 182A to 182D are drawn apart from each other. Similar to the scale slit 122, the transmission slits 182A to 182D have a plurality of rectangular light blocking portions and light transmission portions that are alternately arranged along the moving direction of the scale 110. The pitch of each transmission slit 182A-182D is the same as the pitch of the scale slit 122, respectively. The four transmission slits 182A to 182D are 90 ° out of phase with each other. The amount of light received by the light receiving elements 184A to 184D varies depending on the positional relationship between the scale slit 122 of the scale 110 and the transmission slits 182A to 182D, and pseudo-sine wave signals whose phases are different from each other by 90 ° are obtained from the light receiving elements 184A to 184D. Based on these pseudo sine wave signals, the moving amount and moving direction of the scale 110 relative to the light receiving unit 172 can be obtained.

[そのほかの変形例]
また、90°異なる位相差信号を生成するPDアレイの構成について説明したが、90°に限定する必要はなく、任意の位相差にしてもよい。
[Other variations]
In addition, the configuration of the PD array that generates the phase difference signals that differ by 90 ° has been described, but it is not necessary to limit to 90 °, and an arbitrary phase difference may be used.

また、スケール110のスケールスリット122が透過型の構成について説明しているが、スケールスリット122は透過型に限らず反射型であってもよい。この場合、スケールスリット122は、たとえば、スケール110の移動方向に沿って交互に配列された複数の光反射部と光遮断部(または光透過部)で構成され得る。   Moreover, although the scale slit 122 of the scale 110 has been described with respect to the transmissive type, the scale slit 122 is not limited to the transmissive type but may be a reflective type. In this case, the scale slit 122 may be composed of, for example, a plurality of light reflecting portions and light blocking portions (or light transmitting portions) arranged alternately along the moving direction of the scale 110.

さらに、スケール110のスケールスリット122と、光入射部118と導光部と光出射部120は一体でなくてもよく、受光部172に対して同一の相対移動をする構成であれば、分かれていてもよい。   Further, the scale slit 122 of the scale 110, the light incident part 118, the light guiding part, and the light emitting part 120 do not have to be integrated, and are separated as long as they have the same relative movement with respect to the light receiving part 172. May be.

また、発光部142と受光部172がヘッド190として一体になっている例を説明したが、たとえば、相対移動可能な一対の構造体の一方にスケール110が設けられ、他方に受光部172が設けられてさえいればよい。すなわち、スケール110と受光部172が相対移動可能に設けられていればよい。発光部142は、スケール110の光入射部118に光を入射させ得ればよく、受光部172から分離して設けられても、スケール110に設けられても、受光部172やスケール110から独立して移動可能に設けられてもよい。   Further, the example in which the light emitting unit 142 and the light receiving unit 172 are integrated as the head 190 has been described. For example, the scale 110 is provided on one of a pair of relatively movable structures, and the light receiving unit 172 is provided on the other. It only has to be done. That is, the scale 110 and the light receiving unit 172 may be provided so as to be relatively movable. The light emitting unit 142 only needs to allow light to enter the light incident unit 118 of the scale 110. The light emitting unit 142 may be provided separately from the light receiving unit 172, provided on the scale 110, independent of the light receiving unit 172 and the scale 110. And may be provided so as to be movable.

これまで、図面を参照しながら本発明の実施形態を述べたが、本発明は、これらの実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において様々な変形や変更が施されてもよい。ここにいう様々な変形や変更は、上述した実施形態を適当に組み合わせた実施も含む。   The embodiments of the present invention have been described above with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to these embodiments, and various modifications and changes can be made without departing from the scope of the present invention. Also good. The various modifications and changes described here include an implementation in which the above-described embodiments are appropriately combined.

100,100A…光学式エンコーダ、110,110’,110A…スケール、112…透明部材、114…反射膜、118…光入射部、120,120A,120B…光出射部、122,122’,122A,122B…スケールスリット、122a…光遮断部、122b…光透過部、130…制御部、140…発光ユニット、142…発光部、160…信号処理部、170,170A,170B…受光ユニット、172,172A,172B…受光部、174…受光面、176…周期的光学パターン、182A,182B,182C,182D…透過スリット、184A,184B,184C,184D…受光素子、190,190A…ヘッド、192…基板。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 100,100A ... Optical encoder, 110, 110 ', 110A ... Scale, 112 ... Transparent member, 114 ... Reflective film, 118 ... Light incident part, 120, 120A, 120B ... Light emitting part, 122, 122', 122A, 122B ... Scale slit, 122a ... Light blocking unit, 122b ... Light transmitting unit, 130 ... Control unit, 140 ... Light emitting unit, 142 ... Light emitting unit, 160 ... Signal processing unit, 170, 170A, 170B ... Light receiving unit, 172, 172A , 172B... Light receiving section, 174... Light receiving surface, 176... Periodic optical pattern, 182A, 182B, 182C, 182D.

Claims (7)

空間的に光学的特性が周期的に変化するスケールスリットを有するスケールと、
前記スケールに向けて光を発光する複数の発光部と、
前記発光部から発光され前記スケールスリットを経由した光を受光する受光部を有しており、
前記スケールと前記受光部は、前記スケールスリットの光学的特性の変化方向に沿って相対的に移動可能であり、
前記スケールは、前記発光部に対向した光入射部と、前記受光部に対向した光出射部と、前記光入射部から入射した光を前記光出射部へ導光する導光部を有しており、
前記導光部は、前記光入射部から入射した光の少なくとも一部を、前記スケールの厚み方向に対向するように前記導光部内に配置された反射部による光路が特定されない多重反射を介して、前記スケールの厚み方向に垂直な方向に向けて導光する光学式エンコーダ。
A scale having a scale slit with spatially varying optical properties periodically;
A plurality of light emitting units that emit light toward the scale;
It has a light receiving part that receives light emitted from the light emitting part and passed through the scale slit,
The scale and the light receiving unit are relatively movable along the change direction of the optical characteristics of the scale slit,
The scale includes a light incident portion facing the light emitting portion, a light emitting portion facing the light receiving portion, and a light guide portion that guides light incident from the light incident portion to the light emitting portion. And
The light guide unit receives at least part of the light incident from the light incident unit through multiple reflection in which an optical path is not specified by a reflection unit arranged in the light guide unit so as to face the thickness direction of the scale. An optical encoder for guiding light in a direction perpendicular to the thickness direction of the scale.
前記複数の発光部は、前記受光部と前記スケールの相対移動の方向に沿って間隔を置いて配置されている請求項1に記載の光学式エンコーダ。   The optical encoder according to claim 1, wherein the plurality of light emitting units are arranged at intervals along a direction of relative movement between the light receiving unit and the scale. 前記受光部に受光される光は、前記スケールスリットの周期的な結像パターンを前記受光部上に作り出し、前記間隔は、前記受光部上に形成される周期的な光学パターンの光強度の振幅を最大にする間隔である請求項2に記載の光学式エンコーダ。   The light received by the light receiving unit creates a periodic imaging pattern of the scale slit on the light receiving unit, and the interval is the amplitude of the light intensity of the periodic optical pattern formed on the light receiving unit. The optical encoder according to claim 2, wherein the interval is a maximum interval. 前記スケールスリットのピッチをPs、前記受光部上に形成される結像パターンの強度ピークの間隔をPi、前記複数の発光部の前記間隔をPlとするとき、前記一定の間隔Plは以下の式、
Pi≠Psのとき、 Pl=n・Pi・Ps/(Pi−Ps) (nは自然数)
Pi=Psのとき、 Pl=n・Ps=n・Pi (nは自然数)を満足する請求項3に記載の光学式エンコーダ。
When the pitch of the scale slit is Ps, the interval between the intensity peaks of the imaging pattern formed on the light receiving portion is Pi, and the interval between the plurality of light emitting portions is Pl, the constant interval Pl is expressed by the following equation. ,
When Pi ≠ Ps, Pl = n · Pi · Ps / (Pi−Ps) (n is a natural number)
4. The optical encoder according to claim 3, wherein Pi = Ps satisfies Pl = n · Ps = n · Pi (n is a natural number). 5.
前記複数の発光部のおのおのの発光を独立に制御する制御部を有し、前記制御部は、発光する発光部の組み合わせを切り替え可能である請求項1に記載の光学式エンコーダ。   The optical encoder according to claim 1, further comprising: a control unit that independently controls light emission of each of the plurality of light emitting units, wherein the control unit is capable of switching a combination of light emitting units that emit light. 前記制御部は、発光する発光部の間隔を切り替え可能である請求項5に記載の光学式エンコーダ。   The optical encoder according to claim 5, wherein the control unit is capable of switching an interval between light emitting units that emit light. 前記制御部は、前記発光する発光部の組み合わせを時間の経過と共に切り替え可能である請求項5に記載の光学式エンコーダ。   The optical encoder according to claim 5, wherein the control unit is capable of switching a combination of the light emitting units that emit light over time.
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