JP5882590B2 - 光学式エンコーダおよび光学式エンコーダを有する装置 - Google Patents
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Description
また、本発明に係る光学式エンコーダを有する装置は、上記光学式エンコーダを有することを特徴とする。
本実施形態は、位置に関する相対値出力と共に絶対値出力を可能とするアブソリュート方式の光学式エンコーダであり、その構成を図2に示す。このエンコーダは、可動部に取り付けられるスケール200、固定部に取り付けられるセンサユニット301、信号処理回路401、記憶装置402を備える。信号処理回路401は、センサユニット301で得られたエンコーダ信号の内挿処理や、記憶装置402への信号の書き込み、および、読み出し、位置信号の出力等を行う。
スケール200の第1トラック201および第2トラック202の一部の拡大図を図4に示す。第1トラック201は測位方向(移動方向)に垂直な方向(Y軸方向)に対し一様で、測位方向(X軸方向)に50μmごとに異なる領域に分けられている。それぞれの領域は、反射膜に一定密度で反射膜の抜けたピンホールが形成されており、反射膜のある面積と反射膜の無い面積の比率を変化させることで平均反射率を異ならせてある。
、24%、60%、30%、60%、24%、49.2%、10.8%、36%、0%の順で、反射膜の領域が並んでいる(このX方向50μmごとの第1領域P1乃至第14領域P14の平均反射率の値を分布A+Bとして図1(b)に示す)。
そして、上述した加算される反射率変調の一方である、上述した平均反射率差が30%の100μm周期(細周期P)の反射率変調に関しては、具体的な反射率変調の成分は、30%、0%、30%、0%、30%、0%、30%、0%、30%、0%、30%、0
%、30%、0%となる(このX方向50μmごとの第1領域P1乃至第14領域P14の平均反射率の値を分布Aとして図1(b)に示す)。このように、上述した平均反射率差が30%の100μm周期(細周期P)の反射率変調に関し、本実施形態では変調振幅に相当する1周期内の最大反射率(平均反射率の最大値)と最小反射率(平均反射率の最小値)の差(平均反射率差)は30%であって、測位方向の各1周期内で均一な変調振幅を備えている。
次に、フォトダイオードアレイ311の受光面配置を図5、図6に示し、エンコーダの出力信号に関して説明する。フォトダイオードアレイ311の受光面は、細周期パターン検出(高分解能検出モード)時には200μm周期であり、粗周期パターン検出(低分解能検出モード)時には1400μm周期で配置構成される。フォトダイオードアレイ312もフォトダイオードアレイ311と同様である。フォトダイオードアレイ311にはフォトダイオードがX軸方向に50μmピッチで28個並んでおり、一つのフォトダイオードはX方向幅X_pdが50μmであり、Y方向幅Y_pdは800μmである。フォトダイオードアレイ311の全幅X_totalは1400μmである。
低分解能検出モード時の700μmの検出ピッチにおいては、各々4つの隣接するフォトダイオードが電気的に接続される。これにより、図6のA+、B+、A−、B−夫々がスケールパターン100μm周期の変調成分の反射像周期と一致する200μmの幅で加算されることになり、100μm周期の変調成分が出力に与える影響を低減することができる。
高分解能検出モード時の100μmの検出ピッチにおいては、信号に関わるフォトダイオードの全幅が1400μmとなり、スケールパターン700μm周期の変調成分の反射像周期と一致する。このため、700μm周期の変調成分によって出力振幅が変動する影響を低減することができる。即ち、図5において離散して配置されるA+、B+、A−、B−夫々がスケールパターン700μm周期の変調成分の反射像周期と一致する1400μmの範囲で加算されることになり、700μm周期の変調成分が出力に与える影響を低減することができる。
4相正弦波の相対位相はそれぞれの検出ピッチに対し、S(A+)を基準とすると、S(B+)は約+90度、S(A−)は約+180度、S(B−)は約+270度の関係にある。これらの出力は、図2中の信号処理回路401において、
S(A)=S(A+)−S(A−)
S(B)=S(B+)−S(B−)
なる演算を行って、直流分が除去された2相正弦波状信号S(A)、S(B)を生成し、さらにこれらの逆正接演算を行うことで位相信号を得る。
ここで、各周波数成分の発生メカニズムと不要成分の除去について説明する。スケールパターンからの回折角度分布は、反射率分布のフーリエ変換によって得られる。本実施形態の第1トラック201では平均反射率の測位方向(X方向)分布が、一定振幅の100μm周期の反射率変調と、一定振幅の700μm周期の反射率変調との和になっている。これにより、主要な回折成分は、0次光に加え、粗周期(700μm周期)による±1次回折光と、細周期(100μm周期)による±1次回折光の5成分となる。
な空間周波数成分2f、6f、8f、14fが発生する。即ち、空間周波数成分2fは、粗周期による±1次回折光同士の干渉によって発生し、空間周波数成分6fは、細周期による+1次(−1次)回折光と粗周期による+1次(−1次)回折光の干渉によって発生する。また空間周波数成分8fは、細周期による+1次(−1次)回折光と粗周期による−1次(+1次)回折光の干渉によって発生し、空間周波数成分14fは、細周期による±1次回折光同士の干渉によって発生する。スケールからの反射回折像に含まれる空間周波数成分を図7に示す。
次に、アブソリュート位置検出を行う手順を説明する。既述したように、アブソリュート位置検出を行うために、スリットトラック201を検出するフォトダイオードアレイ311の他に、スリットトラック202を検出するフォトダイオードアレイ312を備える。第1トラック201に対し第2トラック202の周期は僅かに異なっており、またフォトダイオードアレイ311、312は夫々が細周期パターン検出の高分解能検出センサアレイと粗周期パターン検出の低分解能検出センサアレイとして兼用される。
P1=φ1´−φ2´
P2=φ1−φ2
P3=φ1´
P4=φ1
P1は周期T1=34.3mmの周期信号で、これを最上位信号とする。P2は周期T2=4.9mmの周期信号で、これを中上位信号とする。P3は周期T3=0.7mmの周期信号で、これを中下位信号とする。P4は周期T4=0.1mmの周期信号で、これを最下位信号とする。
まず、中間信号Q1、Q2を、上述したP1〜P4、T1〜T4を使用し、以下の演算によって取得する。
Q2=Round[Q1−(P3−P3_offset)×T3/T1]+ (P3−P3_offset)×T3/T1
ここで、Round[]は四捨五入の処理を行う関数である。続いて、アブソリュート位置信号S_absを以下のようにして取得する。
このようにして得られたアブソリュート位置信号S_absを信号処理回路401から出力する。
本実施形態では、第1の実施形態に対しスケール200のパターンが異なっている。それ以外の構成、信号処理は第1の実施形態と同様なので説明を省略する。スケール200の第1トラック201および第2トラック202の一部の拡大図を図10に示す。
第1トラック201は、単位ブロックパターン211を測位方向(X軸方向)と測位方向に垂直な方向(Y軸方向)にそれぞれ周期的に並べたパターンとなっている。第1トラック201の単位ブロックパターン211は、X方向幅X0が700μm、Y方向幅Y0が50μmである。
本実施形態では、第1の実施形態に対しスケール200のパターンが異なっている。また、センサの検出ピッチは100μmと600μmの切り替えとなっている。それ以外の構成、信号処理は実施形態1と同様なので説明を省略する。本実施形態における第1のトラック201および第2のトラック202のスケールパターンを図12に示す。
S(A)=S(A+)−S(A−)
S(B)=S(B+)−S(B−)
なる演算を行って、直流分が除去された2相正弦波状信号S(A)、S(B)を生成し、さらにこれらの逆正接演算を行うことで位相信号を得る。
P1=φ1´−φ2´
P2=φ1−φ2
P3=φ1´
P4=φ1
P1は周期T1=43.2mmの周期信号で、これを最上位信号とする。P2は周期T2=7.2mmの周期信号で、これを中上位信号とする。P3は周期T3=0.6mmの周期信号で、これを中下位信号とする。P4は周期T4=0.1mmの周期信号で、これを最下位信号とする。以下の処理は第1の実施形態と同様なので省略する。
本実施形態では、信号に寄与しない余計な回折光成分が発生しにくいだけでなく、信号に寄与する回折光成分同士の相互干渉を低減することができ、正弦波状信号の歪を低減することができる。
本実施形態は変位方向が回転方向である光学式ロータリーエンコーダであり、その構成を図15に示す。このエンコーダは、回転可動部に取り付けられるロータリースケール210、固定部に取り付けられるセンサユニット302、信号処理回路401、記憶装置402とからなる。信号処理回路401は、センサユニット302で得られたエンコーダ信号の内挿処理や、記憶装置402への信号の書き込み、および、読み出し、位置信号の出力、等を行う。
放射状トラック203の一部の拡大図を図17に示す。放射状トラック203は、センサ走査領域に対し両側に、反射膜スリットが等角度間隔Pに配置されている領域(領域C)を有する。さらに、センサ走査領域に対し中央の、反射部と非反射部の境界線がピッチθ0=P×6の正弦波状に形成された反射膜パターンよりなる領域(領域D)を有する。
まず、中間信号Q1、Q2を以下の演算によって取得する。
Q1=Round[(P1−P1_offset)−(P2−P2_offset)×T2/T1]+ (P2−P2_offset)×T2/T1
ここで、Round[]は四捨五入の処理を行う関数である。
S_abs=Round[Q1−P3×T3/T1]+ P3×T3/T1
このようにして得られたアブソリュート位置信号S_absを信号処理回路から出力する。
以上、スケールの反射率分布を、細周期パターンに対応した変調成分と粗周期パターンに対応した変調成分との加算された値となるようにしたが、反射率分布の替わりにスケールの透過率分布を同様のものとしても良い。
Claims (13)
- 光源と、
前記光源により照射され測位方向の細周期パターンおよび前記細周期パターンよりも周期が長い粗周期パターンを1つのトラック内に備えるスケールと、
前記スケールからの光を受光して前記細周期パターンを検出する高分解能検出モードと、前記スケールからの光を受光して前記粗周期パターンを検出する低分解能検出モードとで動作可能なセンサアレイと、
を有する光学式エンコーダであって、
前記スケールの透過率分布または反射率分布が、前記測位方向に垂直な方向の透過率または反射率の積分値が、前記細周期パターンに対応した第1周期で、前記測位方向に沿って均一な変調振幅で周期的に変化する第1の変調成分と、前記測位方向に垂直な方向の透過率または反射率の積分値が、前記第1周期よりも長く前記粗周期パターンに対応する第2周期で、前記測位方向に沿って均一な変調振幅で周期的に変化する第2の変調成分と、
が加算された分布であることを特徴とする光学式エンコーダ。 - 前記センサアレイのうち前記高分解能検出モードにおいて使用される高分解能検出センサアレイの測位方向の全幅が、前記粗周期パターンの周期の整数倍であることを特徴とする請求項1に記載の光学式エンコーダ。
- 前記センサアレイのうち前記高分解能検出モードにおいて使用される高分解能検出センサアレイの測位方向の全幅が、前記粗周期パターンの周期と等しいことを特徴とする請求項2に記載の光学式エンコーダ。
- 前記センサアレイのうち前記高分解能検出モードにおいて使用される高分解能検出センサアレイと前記センサアレイのうち前記低分解能検出モードにおいて使用される低分解能検出センサアレイの各センサは、夫々4相正弦波出力を得て前記4相正弦波出力を基に不要周波数成分を除去する信号処理回路に接続されることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の光学式エンコーダ。
- 前記センサアレイのうち前記高分解能検出モードにおいて使用される高分解能検出センサアレイと前記センサアレイのうち前記低分解能検出モードにおいて使用される低分解能検出センサアレイは、分解能が切り替え可能な共通のセンサアレイで構成されることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の光学式エンコーダ。
- 前記高分解能検出モードでは前記センサアレイのうち前記高分解能検出モードにおいて使用される高分解能検出センサアレイを測位方向に第1の幅および第1の周期で構成し、低分解能検出モードでは前記センサアレイのうち前記低分解能検出モードにおいて使用される低分解能検出センサアレイを測位方向に前記第1の幅の整数倍である第2の幅および前記第1の周期の整数倍である第2の周期で構成し、前記高分解能検出モードと前記低分解能検出モードを切り替えるスイッチを有することを特徴とする請求項5に記載の光学式エンコーダ。
- 前記細周期パターンと前記粗周期パターンが測位方向に垂直な方向で分離されることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の光学式エンコーダ。
- 前記スケールは更にアブソリュート位置検出用パターンを備え、
前記アブソリュート位置検出用パターンによるアブソリュート位置情報を基に、
前記センサアレイのうち前記高分解能検出モードにおいて使用される高分解能検出センサアレイおよび前記センサアレイのうち前記低分解能検出モードにおいて使用される低分解能検出センサアレイの出力を基にアブソリュート位置信号を合成してアブソリュート位置信号をより高分解能化させることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の光学式エンコーダ。 - 前記センサアレイのうち前記高分解能検出モードにおいて使用される高分解能検出センサアレイと前記センサアレイのうち前記低分解能検出モードにおいて使用される低分解能検出センサアレイは、アブソリュート位置検出のために夫々2組設けられ、2組の前記センサアレイのうち前記高分解能検出モードにおいて使用される高分解能検出センサアレイおよび2組の前記センサアレイのうち前記低分解能検出モードにおいて使用される低分解能検出センサアレイで夫々周期が異なり、前記センサアレイのうち前記高分解能検出モードにおいて使用される高分解能検出センサアレイおよび前記センサアレイのうち前記低分解能検出モードにおいて使用される低分解能検出センサアレイからの位相情報をアブソリュート位置信号をより高分解能化させるためにアブソリュート位置信号を合成することを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の光学式エンコーダ。
- 前記センサアレイのうち前記低分解能検出モードにおいて使用される低分解能検出センサアレイにおける位置検出に用いられない未使用のセンサがGNDに接続されることを特徴とする請求項1乃至9のいずれか1項に記載の光学式エンコーダ。
- 測位方向が回転方向であることを特徴とする請求項1乃至10のいずれか1項に記載の光学式エンコーダ。
- 前記粗周期パターンの周期が前記細周期パターンの周期の奇数倍であることを特徴とする請求項1乃至11のいずれか1項に記載の光学式エンコーダ。
- 請求項1乃至12のいずれか1項に記載の光学式エンコーダが位置検出に用いられることを特徴とする光学式エンコーダを有する装置。
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