JP6159236B2 - 光学式アブソリュートエンコーダ - Google Patents

Description

本発明は、工作機械や半導体製造装置等に組み込まれ、可動軸の位置を検出する光学式アブソリュートエンコーダに関する。

図３は、特許文献１の技術を適用した光学式アブソリュートエンコーダで、メインスケール（第１格子）のピッチの小さな格子パターンに対応するインデックススケール（第２格子）に、特許文献２に代表される高精度化技術を適用した従来の高精度光学式アブソリュートエンコーダの構造を示す図である。メインスケール３は、ガラスでできており、表面にクロム等の金属が蒸着され、上下に２つの格子パターンが形成されている。メインスケール３の上部には、長手方向に１６λのピッチ間隔ごとに、８λの幅のスリットが形成されている。また、メインスケール３の下部には、長手方向にλのピッチ間隔ごとに、０．５λの幅のスリットが形成されている。

インデックススケール４は、ガラスからできており、表面にクロム等の金属が蒸着され、上部にメインスケール３の上部の格子パターンから透過する光を透過させる８λの幅のスリットが４個形成されている。また、４個のスリットは、其々メインスケールの上部の格子パターンに対して、４λずつ位相ずらして配置されている。また、４個のスリットの背面には其々受光素子３１，３２，３３，３４が配置されている。これにより、受光素子３１，３２，３３，３４は、メインスケール３とインデックススケール４の相対位置の変化に応じて、９０度（４λ）ずつ位相がずれた１６λの周期で変化する４相の電気信号が出力される。

図示はしていないが受光素子３１と３３、受光素子３２と３４が出力する位相が８λずれた信号は、其々の差を演算することにより、相対位置の変化に対して、オフセット成分と偶数次高調波が除去された１６λの周期で変化する９０度で位相の異なる２相の正弦波信号が得られる。この２相信号を内挿演算処理することにより、１６λ間のアブソリュート位置を検出することができる。

インデックススケール４の下部には、８個のスリットユニットが設けられている。各スリットユニットは、メインスケール３の下部の格子パターンから透過する光を透過させる０．５λの幅のスリット４つから構成される。８個のスリットユニットは、スリットユニットごとに６λ―λ／４ずつスケールの長手方向に位相をずらして等間隔に配置されている。また、各スリットユニットの背面には、其々受光素子４１，４２，４３，４４，４５，４６，４７，４８が配置されている。

図示されていないが、受光素子４１と４５、受光素子４２と４６、受光素子４３と４７、受光素子４４と４８は、其々出力信号が並列接続されている。並列接続された受光素子に対応する２個のスリットユニットは、２３λ位相がずれているため、信号的には同じ位相の信号として出力される。これにより、受光素子４１と４５、受光素子４２と４６、受光素子４３と４７、受光素子４４と４８からは、メインスケール３とインデックススケール４の相対位置の変化に応じて、９０度（λ／４）ずつ位相がずれたλの周期で変化する４相の信号が出力される。

また、受光素子４１，４５の出力信号と受光素子４３，４７の出力信号の差と受光素子４２，４６の出力信号と受光素子４４，４８の出力信号の差を演算することにより、相対位置の変化に対して、オフセット成分と偶数次高調波が除去されたλの周期で変化する９０度位相の異なる２相の正弦波信号が得られる。また、スリットユニット内の４個のスリットは、メインスケール３の下部の格子パターンに対して、特許文献２に記載された技術に基づいてλのピッチから一定のルールでスリットの位相をずらして配置されている。これにより、λの周期で変化する９０度で位相の異なる２相の正弦波信号には、オフセットや偶数次高調波以外にも３次と５次の奇数次高調波も除去されている。したがって、このλの周期で変化する９０度位相の異なる２相の正弦波信号を内挿演算処理することにより、λ間のアブソリュート位置を高精度に位置検出することができる。また、１６λ間のアブソリュート位置データとλ間のアブソリュート位置を高精度に位置検出した位置データを結合することにより、１６λ間のアブソリュート位置を高精度に検出することが可能である。

特開昭６３−１８７９１９号公報 特開平３−４８１２２号公報

図３のような光学式アブソリュートエンコーダの下部に配置したピッチの小さなλピッチの格子パターンにより、非常に高精度な位置を検出できる。しかし、実際は、隣接する上部のピッチの荒い格子から１６λピッチで変化する漏れ光が混入し易いという問題がある。このため、１６λで変化する誤差やλピッチで変化する誤差が発生する可能性があり、下部単独の検出で本来達成できる精度が得られないという問題があった。

本発明は、上述のような事情から成されたものであり、本発明の目的は、高精度な光学式アブソリュートエンコーダを提供することにある。

本発明の光学式アブソリュートエンコーダは、メインスケールおよび前記メインスケールの長手方向に相対変位するインデックススケールを備えた光学式アブソリュートエンコーダであって、前記メインスケールは、長手方向に対してピッチλで並ぶスリットから構成される第一格子パターンと、ピッチＮλ（Ｎは、３以上の整数）で並ぶスリットから構成される第二格子パターンと、を有し、前記インデックススケールは、前記第一格子パターンからの光を前記相対変位に対して周期λ変化する４相の光の強弱に変換する第三格子パターンと、前記第二格子パターンからの光を前記相対変位に対して周期Ｎλ変化する４相の光の強弱に変換する第四格子パターンと、を有し、前記第三格子パターンは、前記長手方向に配置され、同じ形状の二つの格子パターングループを有し、前記二つの格子パターングループは、Ｍを１以上の整数、−０．５λ≦α≦０．５λとしたとき、前記長手方向に（Ｍ＋０．５）Ｎλ＋α位相をずらして配置されている、ことを特徴とする。

好適な態様では、Ｎが偶数のとき、前記第三格子パターンの二つの格子パターングループは（Ｍ＋０．５）Ｎλ位相をずらして配置される。他の好適な態様では、Ｎが偶数のとき、前記第三格子パターンの二つの格子パターングループは（Ｍ＋０．５）Ｎλ±λ／Ｌ位相（Ｌは６，１０，１４，２２の何れかの数）をずらして配置される。他の好適な態様では、Ｎが奇数のとき、前記第三格子パターンの二つの格子パターングループは（Ｍ＋０．５）Ｎλ−０．５λ＋λ／Ｌ又は、（Ｍ＋０．５）Ｎλ＋０．５λ−λ／Ｌ位相（Ｌは６，１０，１４，２２の何れかの数）をずらして配置される。

本発明では、インデックススケールの第三格子パターンは、長手方向に配置された２組の同じ形状の格子パターングループからなり、２組の格子パターングループは、Ｍを１以上の整数、−０．５λ≦α≦０．５λとしたとき、（Ｍ＋０．５）Ｎλ＋α位相をずらして配置されている。そのため、メインスケールからのピッチＮλの第二格子パターンから漏れ光が混入しても、其々の格子パターングループがピッチＮλの第二格子パターンから受ける影響は、ほぼ逆位相となるため、各組の信号の合成後に含まれるピッチＮλで変化する成分はキャンセルされる。その結果、図３に示したような従来の光学式アブソリュートエンコーダで問題となった誤差を発生しにくい光学式アブソリュートエンコーダを実現できる。

第一実施形態の光学式アブソリュートエンコーダのインデックススケールの格子パターンと受光素子の配置を示す図である。 第二実施形態の光学式アブソリュートエンコーダのインデックススケールの格子パターンと受光素子の配置を示す図である。 従来の光学式アブソリュートエンコーダの構成を示す図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、第一実施形態の光学式アブソリュートエンコーダのインデックススケールの格子パターンと受光素子の配置を示す図である。図２は、第二実施形態の光学式アブソリュートエンコーダのインデックススケールの格子パターンと受光素子の配置を示す図である。図１と図２では図示していないが、インデックススケールは、図３と同じメインスケール３と組み合わされて光学式アブソリュートエンコーダを構成する。すなわち、図１、図２に図示されたインデックススケール１，２に対応するメインスケールには、下部にピッチλでスリットが並ぶ第一格子パターンが、上部にピッチ１６λでスリットが並ぶ第二格子パターンが形成されている。

図１のインデックススケール１は、ガラスからできており、表面にクロム等の金属が蒸着される。インデックススケール１の上部には、第二格子パターンから透過する光を透過させる８λの幅のスリット４個で構成される第四格子パターンが形成されている。

インデックススケール１の下部には、第三格子パターンが形成されている。第三格子パターンには、メインスケール３の下部の格子パターンから透過する光を透過させる０．５λの幅のスリットが複数形成されている。連続して並ぶ四つのスリットは、一つのスリットユニットを構成する。また、連続して並ぶ二つのスリットユニットは、一つのスリットユニットグループ（格子パターングループ）を構成する。第三格子パターンには、全く同じ構成の二つのスリットユニットグループが配置されている。各スリットユニットグループ内では、４個のスリットユニットが６λ―λ／４ずつスケールの長手方向に位相をずらして等間隔に配置している。また、各スリットユニット内において、四つのスリットはピッチλで並んでいる。また、各スリットユニットの背面には、其々受光素子１１，１２，１３，１４，１５，１６，１７，１８が配置されている。

ここで、第一格子パターンのスリットピッチをλ、第二格子パターンのスリットピッチをＮλ（Ｎは３以上の整数）、Ｍを１以上の整数、αを−０．５λ≦α≦０．５λとしたとき、二組のスリットパターングループは、スケール長手方向に、｛（Ｍ＋０．５）Ｎλ＋α｝位相をずらして配置される。本実施形態では、第二格子パターンのスリットピッチＮλ＝１６λであり、Ｍ＝１、α＝０としているため、二組のスリットユニットグループは、長手方向に、２４λ位相をずらして配置されている。ただし、この配置は一例であり、Ｍは、１以上の整数であればよく、二組のスリットユニットグループの位相差は、４０λ＋α、５６λ＋α等でもよい。また、αは、−０．５λ≦α≦０．５λであればよく、二組のスリットユニットグループの位相差は、２４λ＋０．５λや、２４λ−０．５λ等でもよい。

図示されていないが、受光素子１１と１５、受光素子１２と１６、受光素子１３と１７、受光素子１４と１８は、其々出力信号が並列接続されている。並列接続された受光素子に対応する２個のスリットユニットは、２４λ位相がずれているため、信号的には同じ位相の信号が出力される。これにより、受光素子１１と１５、受光素子１２と１６、受光素子１３と１７、受光素子１４と１８からは、メインスケール３とインデックススケール１の相対位置の変化に応じて、９０度（λ／４）ずつ位相がずれたλの周期で変化する４相の電気信号が出力される。また、メインスケールからのピッチ１６λで変化する漏れ光が混入しても、二つのスリットユニットグループで得られる信号が完全に逆位相となる（０．５Ｎλ位相がずれている）ため、合成された信号にはピッチ１６λで変化する信号が除去される。なお、本実施形態では、α＝０としているが、−０．５λ≦α≦０．５λであれば、二つのスリットユニットグループで得られる信号は、ほぼ逆位相とみなすことができる。

次に、第二の実施形態について図２を参照して説明する。図２のインデックススケール２は、ガラスからできており、表面にクロム等の金属が蒸着される。インデックススケール２の上部には、第二格子パターンから透過する光を透過させる８λの幅のスリット４個で構成される第四格子パターンが形成されている。

インデックススケール２の下部には、第三格子パターンが形成されている。第三格子パターンには、メインスケール３の下部の格子パターンから透過する光を透過させる０．５λの幅のスリットが複数形成されている。連続して並ぶ四つのスリットは、一つのスリットユニットを構成する。また、連続して並ぶ四つのスリットユニットは、一つのスリットユニットグループを構成する。第三格子パターンには、全く同じ構成の二つのスリットユニットグループが配置されている。各スリットユニットグループ内では、４個のスリットユニットが６λ―λ／４ずつスケールの長手方向に位相をずらして等間隔に配置している。また、各スリットユニット内において、四つのスリットはピッチλで並んでいる。また、各スリットユニットの背面には、其々受光素子２１，２２，２３，２４，２５，２６，２７，２８が配置されている。

ここで、第一格子パターンのスリットピッチをλ、第二格子パターンのスリットピッチをＮλ（Ｎは３以上の整数）、Ｍを１以上の整数、Ｌを６，１０，１４，２２のいずれかの数としたとき、二組のスリットパターングループは、スケール長手方向に、（Ｍ＋０．５）Ｎλ±λ／Ｌ位相をずらして配置される。本実施形態では、第二格子パターンのスリットピッチＮλ＝１６λであり、Ｍ＝１、Ｌ＝１４としているため、二組のスリットユニットグループは、長手方向に、２４λ-λ／１４位相をずらして配置されている。ただし、この配置は一例であり、Ｍは、１以上の整数であればよく、二組のスリットユニットグループの位相差は、４０λ±λ／Ｌ、５６λ±λ／Ｌ等でもよい。また、Ｌは、キャンセルしたい素数次高調波の次数の２倍の数となり、現実的には、６，１０，１４，２２のいずれかの数でよい。したがって、二組のスリットユニットグループの位相差は、２４λ＋λ／１０や、２４λ−λ／１０、２４λ＋λ／６や、２４λ−λ／６等でもよい。

図示されていないが、受光素子２１と２５、受光素子２２と２６、受光素子２３と２７、受光素子２４と２８は、其々出力信号が並列接続されている。並列接続された受光素子に対応する２個のスリットユニットは、２４λ−λ／１４位相がずれているため、合成された信号は、第一の実施形態に比べ僅かに振幅が小さくなる。しかし、７次高調波が其々の組で逆位相となるため、合成された信号は、７次高調波がキャンセルされた信号となる。これにより、受光素子２１と２５、受光素子２２と２６、受光素子２３と２７、受光素子２４と２８からは、メインスケール３とインデックススケール２の相対位置の変化に応じて、９０度（λ／４）ずつ位相がずれたλの周期で変化する４相の電気信号が出力される。また、メインスケールからのピッチ１６λで変化する漏れ光が混入しても、二つのスリットユニットグループで得られる信号は、ほぼ逆位相（１７８．４度）となるため、合成された信号にはピッチ１６λで変化する信号がほぼ除去される。また、７次の奇数次高調波も除去されるため、図１の光学式アブソリュートエンコーダよりも高精度な位置を検出することが可能である。

なお、図２では、スリットユニット内で、３次と５次の奇数次高調波を除去できるため、２組のスリットユニットグループを、（Ｍ＋０．５）Ｎλ±λ／Ｌ＝２４λ−λ／１４位相（Ｎ＝１６、Ｍ＝１、Ｌ＝１４）ずらして配置したが、例えばスリットユニット内で５次と７次の高調波を除去できる場合は、（Ｍ＋０．５）Ｎλ±λ／６配置をずらすことにより、３次高調波を除去することができる。また、スリットユニット内で３次と７次の高調波を除去できる場合は、２組のスリットユニットグループを（Ｍ＋０．５）Ｎλ±λ／１０位相をずらすことにより、５次の高調波を除去できる。また、スリットユニット内で３次と５次と７次の高調波を除去できる場合は、２組のスリットユニットグループを（Ｍ＋０．５）Ｎλ±λ／２２位相をずらすことにより１１次の高調波も除去することが可能である。

なお、図１，２では、Ｎ＝１６のようにＮが偶数の例を説明した。しかし、Ｎが奇数の場合、２組のスリットユニットグループを（Ｍ＋０．５）Ｎλずらして配置すると、各スリットユニットグループからは、λの周期で変化する４相の電気信号が其々λ／２ずれた逆位相で出力されるため、合成した信号が消えてしまう問題がある。この場合は、２組のスリットユニットグループを（Ｍ＋０．５）Ｎλ―０．５λ又は（Ｍ＋０．５）Ｎλ＋０．５λ付近に配置をずらすことにより、合成した信号の振幅確保が可能である。ただし、Ｎλで変化する信号の除去能力が多少減少する。

また、Ｎが奇数の場合で、２組のスリットユニットにより３次から１１次までの奇数次高調波の一つの成分を除去したい場合は、２組のスリットユニットグループを（Ｍ＋０．５）Ｎλ−０．５λ＋λ／Ｌ又は、（Ｍ＋０．５）Ｎλ＋０．５λ−λ／Ｌ位相ずらして配置するとよい。このように配置することで、奇数次高調波の除去と同時に、Ｎλで変化する信号の除去能力も改善できる。

なお、実施例では、ガラスにスリットを設けてインデックススケールとしたが、フォトダイオード等の受光素子を、スリット形状とすることにより、受光素子のみでインデックススケールを実現することも可能である。また、本発明は、図１や図２の実施例で示した透過型の光学式アブソリュートエンコーダだけでなく、反射型の光学式アブソリュートエンコーダでも実現できる。

１，２，４ インデックススケール、３ メインスケール、１１，１２,１３，１４，１５，１６，１７，１８，２１,２２,２３，２４，２５,２６,２７,２８,３１，３２，３３，３４，４１，４２，４３，４４，４５，４６，４７，４８ 受光素子。

Claims (4)

1. メインスケールおよび前記メインスケールの長手方向に相対変位するインデックススケールを備えた光学式アブソリュートエンコーダであって、
   前記メインスケールは、長手方向に対してピッチλで並ぶスリットから構成される第一格子パターンと、ピッチＮλ（Ｎは、３以上の整数）で並ぶスリットから構成される第二格子パターンと、を有し、
   前記インデックススケールは、前記第一格子パターンからの光を前記相対変位に対して周期λ変化する４相の光の強弱に変換する第三格子パターンと、前記第二格子パターンからの光を前記相対変位に対して周期Ｎλ変化する４相の光の強弱に変換する第四格子パターンと、を有し、
   前記第三格子パターンは、前記長手方向に配置され、同じ形状の二つの格子パターングループを有し、
   前記二つの格子パターングループは、Ｍを１以上の整数、−０．５λ≦α≦０．５λとしたとき、前記長手方向に（Ｍ＋０．５）Ｎλ＋α位相をずらして配置されている、
   ことを特徴とする光学式アブソリュートエンコーダ。
2. 請求項１に記載の光学式アブソリュートエンコーダであって、
   Ｎが偶数のとき、前記第三格子パターンの二つの格子パターングループは（Ｍ＋０．５）Ｎλ位相をずらして配置される、ことを特徴とする光学式アブソリュートエンコーダ。
3. 請求項１に記載の光学式アブソリュートエンコーダであって、
   Ｎが偶数のとき、前記第三格子パターンの二つの格子パターングループは（Ｍ＋０．５）Ｎλ±λ／Ｌ位相（Ｌは６，１０，１４，２２の何れかの数）をずらして配置される、ことを特徴とする光学式アブソリュートエンコーダ。
4. 請求項１に記載の光学式アブソリュートエンコーダであって、
   Ｎが奇数のとき、前記第三格子パターンの二つの格子パターングループは（Ｍ＋０．５）Ｎλ−０．５λ＋λ／Ｌ又は、（Ｍ＋０．５）Ｎλ＋０．５λ−λ／Ｌ位相（Ｌは６，１０，１４，２２の何れかの数）をずらして配置される、ことを特徴とする光学式アブソリュートエンコーダ。