JP6359254B2 - 光電式エンコーダ - Google Patents
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Description
本発明は、光電式エンコーダに関する。
スケール上に配置された擬似ランダムパターンを検出することにより絶対位置を求める、光電式のアブソリュート型エンコーダが知られている。スケール上に配置された擬似ランダムパターンとして、例えば、Ｍ系列符号と呼ばれるパターンを用いることができる（非特許文献１）。特許文献１に記載のアブソリュート型エンコーダは、スケール上の擬似ランダムパターンの像を、レンズを用いて検出器に導くことにより、スケールに対する検出器の位置を検出している。さらに、特許文献２に記載のアブソリュート型エンコーダは、レンズに代えてレンズアレイを用いている。
また、レンズを用いない構成のアブソリュート型エンコーダも知られている。特許文献３に記載のアブソリュート型エンコーダは、スケール上の擬似ランダムパターンを透過した光線を検出素子により直接検出している。
"Absolute position measurement using optical detection of coded patterns", J T M Stevenson et.al, J.Phys, E:Sci. Instrum. 21(1988) 1140-1145
特許文献１に記載のアブソリュート型エンコーダは、レンズを使用している。そのため、装置が大きくなり、かつ、コスト高となるという問題があった。また、特許文献２に記載のアブソリュート型エンコーダは、レンズに代えてレンズアレイを用いている。これにより、装置の小型化は図られるが、コスト高となるという問題は依然として残る。
一方、特許文献３に記載のアブソリュート型エンコーダはレンズを用いていない。ただし、スケールと受光器との間隔が大きくなると、疑似ランダムパターンを透過した光線が発散してしまい、受光器では疑似ランダムパターンを疑似ランダムパターンとして検出できなくなる。あるいは、擬似ランダムパターンを透過した光線が発散しないように、光源として極めて平行度の高い平行光を照射することができるレーザに代表されるコヒーレント光源を用いることがある。しかしながら、平行光を照射したとしても、スケールと受光器との間隔が大きくなると、疑似ランダムパターンと平行光の相互作用により光回折が生じてしまう。そして回折光相互の干渉により、スケール上に配置された疑似ランダムパターンとは異なるパターンが受光器に到達してしまう。
よって、スケールと検出ヘッドとの間のギャップを大きくできない。そのため、スケールと検出ヘッドとの間のギャップを極めて狭くする必要がある。しかし、スケールと検出ヘッドとの間のギャップが小さすぎると、スケールのうねりによりギャップが変動した場合又は金属粉等の異物が混入した場合に、エンコーダの測定が行えなくなるという問題があった。
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、レンズを用いなくても、スケールと検出ヘッドとの間のギャップを大きくとることができて、かつ、スケール上に配置された疑似ランダムデータを検出することができる光電式エンコーダを提供することを目的とする。
本発明の一態様にかかる光電式エンコーダは、疑似ランダムデータに基づいたアブソリュートパターンが設けられたアブソリュートスケールと、前記アブソリュートスケールの前記アブソリュートパターンに光を照射する光源及び、前記アブソリュートパターンからの光を受光する受光部を有する検出ヘッドと、を具備し、前記アブソリュートスケールに対する前記検出ヘッドの絶対位置を検出する光電式エンコーダであって、前記アブソリュートパターンは格子部と暗部との繰り返しで構成されており、さらに、前記格子部との協働によって干渉縞を発生させる干渉縞発生手段と、前記受光部で受光した干渉縞に基づいて、前記アブソリュートパターンの前記疑似ランダムデータを検出する干渉縞信号処理部と、を備える。
上述の光電式エンコーダにおける干渉縞発生手段が、前記検出ヘッドの、インコヒーレント光を発する前記光源と、前記光源から出射した光線が、前記アブソリュートパターンを介して受光部へと入射する光路上に設けられた補助格子と、を有してもよい。
また、本発明の他の態様にかかる光電式エンコーダにおいては、光源がコヒーレント光を発するものでもよい。
本発明の一態様にかかる光電式エンコーダにおいて、前記光源の放射強度が、前記光源の中心軸上の放射強度の５０％になる光源半値角θＬと、前記アブソリュートパターンのデータピッチＰＤＡＴＡと、前記アブソリュートスケールと前記補助格子との間隔ｕと、前記補助格子と前記受光部との間隔ｖとが、条件式（１）を満たすことを特徴としてもよい。
また、本発明の一態様にかかる光電式エンコーダは、インクリメンタルパターンが設けられたインクリメンタルスケールが、前記アブソリュートスケールと並列して設けられていてもよい。
さらに、上述の光電式エンコーダは、前記アブソリュートパターンの前記格子部の格子ピッチと、前記インクリメンタルパターンの格子ピッチとが等しくてもよい。
さらに、上述の光電式エンコーダは、前記アブソリュートパターンの前記格子部の格子ピッチと、前記インクリメンタルパターンの格子ピッチとが等しくてもよい。
また、本発明の一態様にかかる光電式エンコーダは、前記インクリメンタルパターンによって生じた干渉縞から得た周期信号に基づいて、前記アブソリュートパターンの疑似ランダムデータを検出してもよい。
さらにまた、本発明の一態様にかかる光電式エンコーダは、前記アブソリュートパターンの格子ピッチと、前記インクリメンタルパターンの格子ピッチとが異なってもよい。
本発明の一態様にかかる絶対位置検出方法は、疑似ランダムデータに基づいたアブソリュートパターンが設けられたアブソリュートスケールと、光源、干渉縞発生手段、及び受光部を有する検出ヘッドと、干渉縞信号処理部と、を具備し、前記アブソリュートスケールに対する前記検出ヘッドの絶対位置を検出する光電式エンコーダを用いた絶対位置検出方法であって、前記光源が、前記アブソリュートパターンに光を照射するステップと、前記干渉縞発生手段が、前記アブソリュートパターンからの光に干渉縞を発生させるステップと、前記受光部が、前記干渉縞を受光するステップと、前記干渉縞信号処理部が、前記干渉縞に基づいて、前記アブソリュートパターンの疑似ランダムデータを検出するステップと、を備える。
本発明により、レンズを用いなくても、スケールと検出ヘッドとの間のギャップを大きくとることができて、かつ、スケール上に配置された疑似ランダムデータを検出することができる光電式エンコーダを提供することができる。
[実施の形態１]
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１は、実施の形態１にかかる光電式エンコーダ１００の構成を示す図である。光電式エンコーダ１００は、アブソリュートスケール１１０と、検出ヘッド１２０とを具備している。さらに、検出ヘッド１２０は、アブソリュートスケール１１０に沿って測長軸方向に移動することが可能であり、アブソリュートスケール１１０に対する検出ヘッド１２０の絶対位置を検出する。また、検出ヘッド１２０は、インコヒーレント光源１２１と、受光部１２２と、干渉縞信号処理部１２４とを具備する。また、本実施形態にかかる光電式エンコーダ１００の検出ヘッド１２０では、さらに、アブソリュートスケール１１０と受光部１２２との間に、アブソリュート補助格子１２３を備える。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１は、実施の形態１にかかる光電式エンコーダ１００の構成を示す図である。光電式エンコーダ１００は、アブソリュートスケール１１０と、検出ヘッド１２０とを具備している。さらに、検出ヘッド１２０は、アブソリュートスケール１１０に沿って測長軸方向に移動することが可能であり、アブソリュートスケール１１０に対する検出ヘッド１２０の絶対位置を検出する。また、検出ヘッド１２０は、インコヒーレント光源１２１と、受光部１２２と、干渉縞信号処理部１２４とを具備する。また、本実施形態にかかる光電式エンコーダ１００の検出ヘッド１２０では、さらに、アブソリュートスケール１１０と受光部１２２との間に、アブソリュート補助格子１２３を備える。
図１に示されたインコヒーレント光源１２１は、インコヒーレント光を発する。インコヒーレント光源１２１としては、例えば、ＬＥＤ（Light Emitting Diode：発光ダイオード）、又はハロゲンランプ等を用いる。
インコヒーレント光源１２１は、アブソリュートスケール１１０に光を照射する。また、受光部１２２は、アブソリュートスケール１１０及びアブソリュート補助格子１２３を通過して発生する干渉縞を受光して、電気信号へと変換する。
図２は、実施の形態１にかかるアブソリュートスケール１１０の構成を示す図である。図２に示すように、アブソリュート（ＡＢＳ）スケール１１０には、アブソリュート（ＡＢＳ）パターン２００が設けられている。ＡＢＳパターン２００は、疑似ランダムデータに基づいて繰り返し配列された格子部２１０と暗部２２０とで構成されている。格子部２１０は疑似ランダムデータの“１”に、暗部２２０は疑似ランダムデータの“０”に対応する領域である。
図２に示すように、ＡＢＳスケール１１０の格子部２１０に、アブソリュート（ＡＢＳ）格子２１１が設けられている。ＡＢＳスケール１１０の格子部２１０はデータピッチＰＤＡＴＡの幅の光透過部に相当し、さらに、データピッチＰＤＡＴＡの範囲内にピッチＰＡＢＳのＡＢＳ格子２１１が設けられている。暗部２２０には、光不透過部が配置されている。図２では、不透明であることをハッチングで表現している。格子部２１０は連続して配置されてもよい。この場合、格子部２１０はデータピッチＰＤＡＴＡの整数倍の長さになる。
図３は、実施の形態１にかかる受光部１２２の構成を示す図である。図３に示すように、受光部１２２上には、光を検出するセンサ３０１、アナログスイッチ３０３、およびスイッチ制御ロジック回路３０４が設けられており、例えば、ＣＣＤリニアイメージセンサやＣＭＯＳリニアイメージセンサ等の光電変換素子が用いられる。センサ３０１で変換された電気信号は、受光部１２２で受光した干渉縞を電気信号として観測できるようにスイッチ制御ロジック回路３０４によってＯＮ／ＯＦＦが制御されたアナログスイッチ３０３と配線３０２を通って、干渉縞信号処理部１２４へと送られる。
干渉縞信号処理部１２４は、受光部１２２で受光した干渉縞に基づいて、ＡＢＳパターン２００の疑似ランダムデータを検出する。干渉縞信号処理部１２４は、検出ヘッド１２０の内部に設けてもよいし、配線３０２を検出ヘッド１２０の外部に引くことにより外部に設けてもよい。
図４は、実施の形態１にかかる光電式エンコーダの断面模式図である。図４に示すように、アブソリュート（ＡＢＳ）補助格子１２３は、インコヒーレント光源１２１から出射した光線が、ＡＢＳパターン２００を介して受光部１２２へと入射する光路上に設けられる。図４では、インコヒーレント光源１２１から受光部１２２の間にＡＢＳスケール１１０とＡＢＳ補助格子１２３とを配置している。インコヒーレント光源１２１から出射された光は、ＡＢＳスケール１１０上のＡＢＳパターン２００と、ＡＢＳ補助格子１２３とを通過して、受光部１２２に入射する。
ＡＢＳスケール１１０とＡＢＳ補助格子１２３とが間隔ｕで配置されているとき、ＡＢＳ補助格子１２３からの距離がｖである平面上に干渉縞４０１が発生する。
ＡＢＳ補助格子１２３の空間周波数がｆ１、ＡＢＳスケール１１０の格子部２１０に設けられたＡＢＳ格子２１１の周波数がｆ２の場合に発生する干渉縞４０１について説明する。
まず、ＡＢＳ補助格子１２３とＡＢＳ格子２１１とが回折格子として協働している場合、おのおのの空間周波数の関係は、
ｆ２／ｆ１＝２・ｖ／（ｕ＋ｖ）
となり、干渉縞４０１の周波数をＦ３とすると、
Ｆ３／ｆ１＝２・ｕ／（ｕ＋ｖ）
と表せる。
ここで、ｆ１＝ｆ２＝Ｆ３としたとき、ｖ＝ｕとなる。
まず、ＡＢＳ補助格子１２３とＡＢＳ格子２１１とが回折格子として協働している場合、おのおのの空間周波数の関係は、
ｆ２／ｆ１＝２・ｖ／（ｕ＋ｖ）
となり、干渉縞４０１の周波数をＦ３とすると、
Ｆ３／ｆ１＝２・ｕ／（ｕ＋ｖ）
と表せる。
ここで、ｆ１＝ｆ２＝Ｆ３としたとき、ｖ＝ｕとなる。
つまり、ＡＢＳ補助格子１２３の空間周波数とＡＢＳスケール１１０の格子部２１０に設けられたＡＢＳ格子２１１の空間周波数とを等しくした場合、２つの格子と同じ周波数の干渉縞４０１が、ＡＢＳ補助格子１２３とＡＢＳスケール１１０との間隔と等しい距離だけＡＢＳ補助格子１２３から離れた平面上に発生する。
また、ＡＢＳ補助格子１２３とＡＢＳ格子２１１とが回折格子として協働しないで、主にシャッター効果をもたらすように協働している場合、おのおのの空間周波数の関係は、
ｆ２／ｆ１＝ｖ／（ｕ＋ｖ）
Ｆ３／ｆ１＝ｕ／（ｕ＋ｖ）
と表せる。
ここで、ｆ１＝２ｆ２＝２Ｆ３としたとき、ｖ＝ｕとなる。
ｆ２／ｆ１＝ｖ／（ｕ＋ｖ）
Ｆ３／ｆ１＝ｕ／（ｕ＋ｖ）
と表せる。
ここで、ｆ１＝２ｆ２＝２Ｆ３としたとき、ｖ＝ｕとなる。
つまり、ＡＢＳ補助格子１２３の空間周波数を、ＡＢＳスケール１１０の格子部２１０に設けられたＡＢＳ格子２１１の空間周波数の２倍とした場合（ピッチを半分にした場合）、ＡＢＳ格子２１１と同じ周波数の干渉縞４０１が、ＡＢＳ補助格子１２３とＡＢＳスケール１１０との間隔と等しい距離だけＡＢＳ補助格子１２３から離れた平面上に発生する。
上述では、ｕ＝ｖの条件について検討したが、ｕ＝ｖとは異なる条件についても、ＡＢＳ補助格子１２３とＡＢＳ格子２１１とが上述の式で適切に算出された空間周波数に設定されれば、干渉縞４０１が生成される。
上述の通り、干渉縞４０１が生成される条件は、上述の式のパラメータであるｕ、ｖ、ｆ１、ｆ２が上述の式を満足することであり、ｕあるいはｖの大きさには制限がない。すなわち、上述の式を満足していれば、ＡＢＳスケール１１０とＡＢＳ補助格子１２３との間隔ｕを大きくしても、干渉縞４０１が発生する位置はＡＢＳ補助格子１２３からｖだけ離れたところである。そして、受光部１２２をＡＢＳ補助格子１２３から離れた位置ｖに配置することにより、干渉縞４０１を確実に検出することができる。
したがって、レンズを用いなくても、検出ヘッド１２０とＡＢＳスケール１１０間のギャップを大きくとることができる。
したがって、レンズを用いなくても、検出ヘッド１２０とＡＢＳスケール１１０間のギャップを大きくとることができる。
すなわち、実施の形態１では、インコヒーレント光源１２１とＡＢＳ補助格子１２３とによりアブソリュート干渉縞発生手段１３０が構成されている。
ここで、ＡＢＳスケール１１０上には、ＡＢＳパターン２００の格子部２１０が途切れ途切れに設けられている。そのため、干渉縞４０１は連続的には発生せず、格子部２１０が配置されている直下の領域にのみ干渉縞４０１が発生する（図４中の干渉縞４０１を参照）。
したがって、受光部１２２上のセンサ３０１を干渉縞４０１が発生する平面に配置すると、途切れ途切れの干渉縞４０１を受光部１２２が電気信号（干渉縞信号４０２）へと変換する。その後、干渉縞信号処理部１２４が、干渉縞信号４０２の包絡線４０４からＡＢＳパターン２００の疑似ランダムデータを検出する。ＡＢＳスケール１１０上の長さＰＤＡＴＡに対応する干渉縞信号４０２が、疑似ランダムデータの一単位に相当する。
ＡＢＳパターン２００上には、ＡＢＳ格子２１１が設けられた格子部２１０が、疑似ランダムデータに合わせて配置されている。しかし、光源からの光が発散していると、光線が暗部２２０の直下に回り込んで干渉縞４０１を発生させてしまう。この場合、格子部２１０による干渉縞信号４０２が、暗部２２０に対応する０信号領域に混信してしまう。このため、０信号領域を正しく検出できないおそれがある。
そこで、暗部２２０を挟んで配置されている、二つの格子部２１０のそれぞれが発生させる干渉縞４０１が、互いに重なり合わないようにするためには、ＡＢＳスケール１１０とＡＢＳ補助格子１２３と受光部１２２を、一定の条件を満足するように配置する必要がある。以下、図５〜図１２を用いて、二つの格子部２１０のそれぞれが発生させる干渉縞４０１が、互いに重なり合わない条件について説明する。
図５は、インコヒーレント光源１２１の光放射が５０％になる範囲を、インコヒーレント光源１２１の光放射指向特性のグラフの上に、模式的に重ねて示した図である。
光放射指向特性のグラフは、インコヒーレント光源１２１の中心軸上の放射強度を１００％としたときに、中心軸に対してθ傾いた方向から見える放射強度の割合を示している。放射強度が、中心軸上の放射強度の５０％になる角度を光源半値角θＬとする。
光放射指向特性のグラフは、インコヒーレント光源１２１の中心軸上の放射強度を１００％としたときに、中心軸に対してθ傾いた方向から見える放射強度の割合を示している。放射強度が、中心軸上の放射強度の５０％になる角度を光源半値角θＬとする。
図６は、図５に示したインコヒーレント光源１２１が、ひとつの疑似ランダムデータの“０”に対応する、暗部２２０の中心の直上に配置され、暗部２２０の両側に、疑似ランダムデータの“１”を示す格子部２１０Ｒ、２１０Ｌが配置されている状態を示す。
インコヒーレント光源１２１の中央部のみから光源半値角θＬで光が放射されている場合について考える。この場合、左の格子部２１０Ｌを通過した光と、右の格子部２１０Ｒを通過した光とは互いに交わらず、受光部１２２上に干渉縞４０１Ｒ、４０１Ｌがそれぞれ生成される。
インコヒーレント光源１２１の中央部のみから光源半値角θＬで光が放射されている場合について考える。この場合、左の格子部２１０Ｌを通過した光と、右の格子部２１０Ｒを通過した光とは互いに交わらず、受光部１２２上に干渉縞４０１Ｒ、４０１Ｌがそれぞれ生成される。
図６においては、インコヒーレント光源１２１が点光源であるものとして考えている。微小な点からのみ発光する点光源は、理想的な光源である。しかし、光電式エンコーダに用いられる光源においては、光源発光部５１０は、点発光レーザ光源では数μｍ、ＬＥＤでは数１００μｍ〜数ｍｍの、円形又は長方形である。
図７に、光源発光部５１０の測長方向の大きさＷが、データピッチＰＤＡＴＡよりも小さい場合の干渉縞４０１の生成位置を示す。光源発光部５１０のいずれの部分から出射された光であっても、暗部２２０の図７中左右の格子部２１０Ｒ、２１０Ｌを通過すれば、お互いに交わることなく受光部１２２に到達する。受光部１２２上には、左右の格子部２１０Ｒ、２１０Ｌに対応する干渉縞４０１Ｒ、４０１Ｌが、それぞれ分離して生成される。したがって、格子部２１０Ｒ、２１０Ｌが表す疑似ランダムデータの“１”をそれぞれ区別して検出することができる。
図８に、光源発光部５１０がデータピッチＰＤＡＴＡよりも大きい場合の干渉縞の生成位置を示す。紙面の都合上、インコヒーレント光源１２１は一部のみ図示している（図１０〜図１２についても同様である）。この場合、左右の格子部２１０Ｒ、２１０Ｌを通過した光が、暗部２２０の直下の受光部１２２上で重なることがある。このとき、左右の格子部２１０Ｒ、２１０Ｌのそれぞれにより生成された干渉縞４０１Ｒ、４０１Ｌが同一地点で重なってしまい、両者を区別することができない。すなわち、左右の格子部２１０Ｒ、２１０Ｌが表す疑似ランダムデータの“１”をそれぞれ区別して検出することができなくなってしまう。
この問題を解決するために、図９に示すように、光源からの光放射指向特性を鋭くし、光源半値角θＬを小さくすることが考えられる。光源半値角θＬが十分に小さい場合、図１０に示すように、左右の格子部２１０Ｒ、２１０Ｌのそれぞれを通過した光が重ならず、それぞれで生成された干渉縞４０１Ｒ、４０１Ｌを区別して検出することができる。
ここで、左右の格子部２１０Ｒ、２１０Ｌからの光が重ならないようにするためには、図１１に示すように、格子部２１０Ｌの右端部Ａから進む光線と、格子部２１０Ｒの左端部Ｂから進む光線とが、受光部１２２上のＣ点で交差するような光放射指向特性であればよい。すなわち、下記の条件式（１）を満足すればよい。
条件式（１）を満足する配置とすることにより、光線のクロストークを防止して、暗部２２０を挟んで配置された二つの格子部２１０が、区別して認識されなくなる不都合が解消される。なお、ＡＢＳパターン２００を検出する精度を上げるためには、光源半値角θＬは小さい方がよい。
さらに、図１２に示すように、光源半値角θＬが条件式（１）を満足していれば、光源発光部５１０の大きさに関わらず、左の格子部２１０Ｌを通過した光線は、右の格子部２１０Ｒを通過した光線と受光部１２２上で交わることはない。また、同様に、右の格子部２１０Ｒを通過した光線は、左の格子部２１０Ｌを通過した光線と受光部１２２上で交わることはない。したがって、光源発光部５１０の大きさに、光線のクロストーク防止のための制限を課す必要がなくなり、光源選定の自由度が大きくなる。
ＡＢＳスケール１１０の製造方法について説明する。平板状ガラス素地の表面にクロム等の金属薄膜を形成した後、この金属薄膜表面に感光性樹脂被膜を形成する。次に、その感光性樹脂被膜を露光・現像して、ＡＢＳパターン２００とＡＢＳ格子２１１とを感光性樹脂皮膜上に転写する。感光性樹脂被膜の露光には、例えば、ＡＢＳパターン２００とＡＢＳ格子２１１が設けられた形状のマスクを用いる。最後に、金属薄膜をエッチングして、ＡＢＳパターン２００とＡＢＳ格子２１１とをＡＢＳスケール１１０上に形成する。
以上、説明したように、本実施形態にかかる光電式エンコーダ１００により、レンズを用いなくても、スケールと検出ヘッドとの間のギャップを大きくとることができて、かつ、スケール上に配置された疑似ランダムデータを検出することができる光電式エンコーダを提供することができる。
本実施形態にかかる光電式エンコーダ１００は、レンズを用いない構成なので、鏡筒の容積分の小型化が可能である。
また、本実施形態にかかる光電式エンコーダ１００は、レンズ及びレンズアレイを用いない構成なので、部品点数が削減され、低コストとなる。
さらに、本実施形態にかかる光電式エンコーダ１００は、検出ヘッドとスケール間のギャップを大きくしても、疑似ランダムデータの検出が可能である。よって、検出ヘッドとスケール間のギャップへの異物の侵入に強い。
また、本実施形態にかかる光電式エンコーダ１００は、レンズ及びレンズアレイを用いない構成なので、部品点数が削減され、低コストとなる。
さらに、本実施形態にかかる光電式エンコーダ１００は、検出ヘッドとスケール間のギャップを大きくしても、疑似ランダムデータの検出が可能である。よって、検出ヘッドとスケール間のギャップへの異物の侵入に強い。
[実施の形態２]
図１３は、本発明の実施の形態２にかかる光電式エンコーダ７００の構成を示す図である。光電式エンコーダ７００は、アブソリュート（ＡＢＳ）スケール１１０と、インクリメンタル（ＩＮＣ）スケール７１４と、検出ヘッド７２０とを具備している。光電式エンコーダ７００は、ＡＢＳスケール１１０に対する検出ヘッド７２０の絶対位置を検出するとともに、ＩＮＣスケール７１４に対する検出ヘッド７２０の相対移動量を検出する。検出ヘッド７２０は、インコヒーレント光源１２１と、受光部１２２と、干渉縞信号処理部１２４とを具備する。また、本実施形態にかかる光電式エンコーダ７００は、さらに、ＡＢＳスケール１１０及びＩＮＣスケール７１４と受光部１２２との間に、アブソリュート（ＡＢＳ）補助格子１２３及びインクリメンタル（ＩＮＣ）補助格子７２６を備える。
図１３は、本発明の実施の形態２にかかる光電式エンコーダ７００の構成を示す図である。光電式エンコーダ７００は、アブソリュート（ＡＢＳ）スケール１１０と、インクリメンタル（ＩＮＣ）スケール７１４と、検出ヘッド７２０とを具備している。光電式エンコーダ７００は、ＡＢＳスケール１１０に対する検出ヘッド７２０の絶対位置を検出するとともに、ＩＮＣスケール７１４に対する検出ヘッド７２０の相対移動量を検出する。検出ヘッド７２０は、インコヒーレント光源１２１と、受光部１２２と、干渉縞信号処理部１２４とを具備する。また、本実施形態にかかる光電式エンコーダ７００は、さらに、ＡＢＳスケール１１０及びＩＮＣスケール７１４と受光部１２２との間に、アブソリュート（ＡＢＳ）補助格子１２３及びインクリメンタル（ＩＮＣ）補助格子７２６を備える。
図１４は、実施の形態２にかかるスケールの構成を示す図である。図１４に示すように、本発明の実施の形態２にかかる光電式エンコーダ７００においては、インクリメンタル（ＩＮＣ）スケール７１４とアブソリュート（ＡＢＳ）スケール１１０とが、並列して一体的に設けられている。ＩＮＣスケール７１４とＡＢＳスケール１１０とは、別々に設けてもよい。
図１４に示すように、ＡＢＳスケール１１０には、アブソリュート（ＡＢＳ）パターン２００が設けられている。ＡＢＳスケール１１０は、実施の形態１と同様の構成である。ＡＢＳパターン２００には、疑似ランダムデータに基づいた格子部２１０と暗部２２０とが、配置されている。格子部２１０は疑似ランダムデータの“１”に、暗部２２０は疑似ランダムデータの“０”に対応する領域である。
ＩＮＣスケール７１４には、インクリメンタル（ＩＮＣ）パターン８００が設けられている。ＩＮＣパターン８００には、測長軸方向にピッチＰＩＮＣのインクリメンタル（ＩＮＣ）格子８０１が連続的に配置されている。
ＩＮＣスケール７１４には、インクリメンタル（ＩＮＣ）パターン８００が設けられている。ＩＮＣパターン８００には、測長軸方向にピッチＰＩＮＣのインクリメンタル（ＩＮＣ）格子８０１が連続的に配置されている。
本実施形態にかかる光電式エンコーダ７００においては、ＩＮＣスケール７１４とＡＢＳスケール１１０とが、並列して一体的に設けられている。この構成を用いることにより、検出ヘッド７２０のスケールに対する絶対位置と相対移動量とを同時に検出することができる。
なお、検出ヘッド７２０のスケールに対する絶対位置と相対移動量とを同時に検出する場合には、受光部１２２として、リニアイメージセンサを２本用いるか、２次元イメージセンサを用いる。これにより、ＩＮＣスケール７１４及びＡＢＳスケール１１０から生じる２本の干渉縞を同時に検出できる。
さらに、本実施形態にかかる光電式エンコーダ７００においては、ＡＢＳスケール１１０を用いて粗い位置検出をしたうえに、さらに、ＩＮＣスケール７１４を用いた精細な位置の検出を組み合わせることができる。これにより、素早く高精度な位置検出が可能となる。
本実施形態にかかる光電式エンコーダ７００においては、ＡＢＳパターン２００の格子部２１０の格子ピッチＰＡＢＳと、ＩＮＣパターン８００の格子ピッチＰＩＮＣとが等しくてもよい。
格子ピッチを等しくすることにより、１種類のマスクを用いて、アブソリュート及びインクリメンタルの２種類のパターンを作製できる。この場合、パターンの作製に用いるマスクは、１種のみ製造すればよい。マスクは高価な部材であるから、スケールの製造コストが低減できる。
格子ピッチを等しくすることにより、１種類のマスクを用いて、アブソリュート及びインクリメンタルの２種類のパターンを作製できる。この場合、パターンの作製に用いるマスクは、１種のみ製造すればよい。マスクは高価な部材であるから、スケールの製造コストが低減できる。
図１５は、本発明の実施の形態２にかかる光電式エンコーダ７００のインクリメンタルスケール側の断面模式図である。図１３における、ＩＮＣスケール７１４側の断面を示す。図１５を用いて、本実施形態にかかる光電式エンコーダ７００の相対位置検出方法を説明する。図１５に示すように、ＩＮＣ補助格子７２６は、インコヒーレント光源１２１から出射した光線が、ＩＮＣスケール７１４を介して受光部１２２へと入射する光路上に設けられる。
すなわち、図１５では、インコヒーレント光源１２１から受光部１２２の間にＩＮＣスケール７１４とＩＮＣ補助格子７２６とを配置している。インコヒーレント光源１２１から出射した光は、ＩＮＣスケール７１４上のＩＮＣパターン８００と、ＩＮＣ補助格子７２６とを通過して、受光部１２２に入射する。
ＡＢＳスケール１１０の場合と同様に、ＩＮＣスケール７１４とＩＮＣ補助格子７２６とが間隔ｕで配置されているとき、ＩＮＣ補助格子７２６からの距離がｖである平面上に干渉縞９０１が発生する。
ＩＮＣ補助格子７２６の空間周波数がｆ１、ＩＮＣスケール７１４上のＩＮＣパターン８００のＩＮＣ格子８０１の周波数がｆ２の場合に発生する干渉縞９０１について説明する。
まず、ＩＮＣ補助格子７２６とＩＮＣ格子８０１とが回折格子として協働している場合、おのおのの空間周波数の関係は、
ｆ２／ｆ１＝２・ｖ／（ｕ＋ｖ）
となり、干渉縞９０１の周波数をＦ３とすると、
Ｆ３／ｆ１＝２・ｕ／（ｕ＋ｖ）
と表せる。
ここで、ｆ１＝ｆ２＝Ｆ３としたとき、ｖ＝ｕとなる。
まず、ＩＮＣ補助格子７２６とＩＮＣ格子８０１とが回折格子として協働している場合、おのおのの空間周波数の関係は、
ｆ２／ｆ１＝２・ｖ／（ｕ＋ｖ）
となり、干渉縞９０１の周波数をＦ３とすると、
Ｆ３／ｆ１＝２・ｕ／（ｕ＋ｖ）
と表せる。
ここで、ｆ１＝ｆ２＝Ｆ３としたとき、ｖ＝ｕとなる。
つまり、ＩＮＣ補助格子７２６の空間周波数とＩＮＣ格子８０１の空間周波数とを等しくした場合、すなわち両者のピッチを同じくした場合、２つの格子と同じ周波数の干渉縞９０１が、ＩＮＣスケール７１４とＩＮＣ補助格子７２６との間隔と等しい距離だけＩＮＣ補助格子７２６から離れた平面上に発生する。
また、ＩＮＣ補助格子７２６とＩＮＣ格子８０１とが回折格子として協働しないで、主にシャッター効果をもたらすように協働している場合、おのおのの空間周波数の関係は、
ｆ２／ｆ１＝ｖ／（ｕ＋ｖ）
Ｆ３／ｆ１＝ｕ／（ｕ＋ｖ）
と表せる。
ここで、ｆ１＝２ｆ２＝２Ｆ３としたとき、ｖ＝ｕとなる。
ｆ２／ｆ１＝ｖ／（ｕ＋ｖ）
Ｆ３／ｆ１＝ｕ／（ｕ＋ｖ）
と表せる。
ここで、ｆ１＝２ｆ２＝２Ｆ３としたとき、ｖ＝ｕとなる。
つまり、ＩＮＣ補助格子７２６の空間周波数を、ＩＮＣ格子８０１の空間周波数の２倍とした場合、すなわち、ＩＮＣ補助格子７２６のピッチをＩＮＣ格子８０１のピッチの半分にした場合、ＩＮＣ格子８０１と同じ周波数の干渉縞９０１が、ＩＮＣスケール７１４とＩＮＣ補助格子７２６との間隔と等しい距離だけＩＮＣ補助格子７２６から離れた平面上に発生する。
上述では、ｕ＝ｖの条件について検討したが、ｕ＝ｖとは異なる条件についても、ＩＮＣ補助格子７２６とＩＮＣ格子８０１とが上述の式で適切に算出された空間周波数に設定されれば、干渉縞９０１が生成される。
上述の通り、干渉縞９０１を生成される条件は、上述の式のパラメータであるｕ、ｖ、ｆ１、ｆ２が上述の式を満足することであり、ｕあるいはｖの大きさには制限がない。すなわち、上述の式を満足していれば、ＩＮＣスケール７１４とＩＮＣ補助格子７２６との間隔ｕを大きくしても、干渉縞９０１が発生する位置はＩＮＣ補助格子７２６からｖだけ離すことができる。そして、受光部１２２がＩＮＣ補助格子７２６から離れた位置ｖに配置されても、干渉縞９０１の光の強度が大きい個所は確実に検出することができる。
したがって、レンズを用いなくても、検出ヘッド１２０とＩＮＣスケール７１４間のギャップを大きくとることができる。
したがって、レンズを用いなくても、検出ヘッド１２０とＩＮＣスケール７１４間のギャップを大きくとることができる。
すなわち、実施の形態２では、インコヒーレント光源１２１とＩＮＣ補助格子７２６とにより、インクリメンタル干渉縞発生手段７３０が構成されている。
次に、発生した干渉縞９０１を受光部１２２で受光して、電気信号（干渉縞信号）に変換する。干渉縞９０１から生じた干渉縞信号は、ＩＮＣパターン８００に対応するピッチＰＩＮＣの波形を有する信号である。干渉縞信号処理部１２４は、起点から移動する際に通過した干渉縞９０１のピークの数を計測する。本実施形態にかかる光電式エンコーダ７００は、干渉縞９０１のピッチＰＩＮＣと通過したピークの数から、ＩＮＣスケール７１４に対する検出ヘッド７２０の移動量を検出する。
本実施形態にかかる光電式エンコーダ７００の絶対位置検出方法は、本発明の実施の形態１の絶対位置検出方法と同様である（図４を参照）。
まず、インコヒーレント光源１２１が、ＡＢＳスケール１１０に光を照射する。ＡＢＳスケール１１０上のＡＢＳパターン２００の格子部２１０を通過した光は、ＡＢＳ補助格子１２３を通過して、受光部１２２が配置されている面に干渉縞４０１が発生する。
まず、インコヒーレント光源１２１が、ＡＢＳスケール１１０に光を照射する。ＡＢＳスケール１１０上のＡＢＳパターン２００の格子部２１０を通過した光は、ＡＢＳ補助格子１２３を通過して、受光部１２２が配置されている面に干渉縞４０１が発生する。
発生した干渉縞４０１を受光部１２２で受光して、電気信号（干渉縞信号４０２）に変換する。干渉縞４０１から生じた干渉縞信号４０２の包絡線４０４から、ＡＢＳパターン２００の疑似ランダムデータを検出する。
また、光電式エンコーダ７００では、ＩＮＣパターン８００によって生じた干渉縞９０１から得た周期信号も検出している。
そこで、アブソリュートの干渉縞信号４０２から包絡線４０４を同期検波で検出するための同期信号波形を、インクリメンタルの干渉縞９０１から得た周期信号に基づいてつくることができる。この同期信号波形を用いて、ＡＢＳパターン２００によって生じた干渉縞４０１の信号を検出することにより、ノイズ等の外乱に強くなる。
そこで、アブソリュートの干渉縞信号４０２から包絡線４０４を同期検波で検出するための同期信号波形を、インクリメンタルの干渉縞９０１から得た周期信号に基づいてつくることができる。この同期信号波形を用いて、ＡＢＳパターン２００によって生じた干渉縞４０１の信号を検出することにより、ノイズ等の外乱に強くなる。
光電式エンコーダ７００においては、ＡＢＳパターン２００の格子ピッチと、ＩＮＣパターン８００の格子ピッチとが異なってもよい。例えば、ＡＢＳパターン２００の格子ピッチが７μｍで、ＩＮＣパターン８００の格子ピッチを４μｍとしてもよい。
ＩＮＣパターン８００による干渉縞が、ＡＢＳパターン２００側の受光部１２２に入射したとしても、アブソリュートとインクリメンタルとで干渉縞信号のピッチが異なるので、両者の信号を混信した状態から分離できる。
ＩＮＣパターン８００による干渉縞が、ＡＢＳパターン２００側の受光部１２２に入射したとしても、アブソリュートとインクリメンタルとで干渉縞信号のピッチが異なるので、両者の信号を混信した状態から分離できる。
[実施の形態３]
図１６は、本発明の実施の形態３にかかる光電式エンコーダ１０００の構成を示す図である。図１６に示すように、本発明の実施の形態３にかかる光電式エンコーダ１０００は、アブソリュート（ＡＢＳ）スケール１１０と、インクリメンタル（ＩＮＣ）スケール７１４と、検出ヘッド１０２０とを具備する。検出ヘッド１０２０は、コヒーレント光源１０２１と、受光部１２２と、干渉縞信号処理部１２４とを具備する。
図１６は、本発明の実施の形態３にかかる光電式エンコーダ１０００の構成を示す図である。図１６に示すように、本発明の実施の形態３にかかる光電式エンコーダ１０００は、アブソリュート（ＡＢＳ）スケール１１０と、インクリメンタル（ＩＮＣ）スケール７１４と、検出ヘッド１０２０とを具備する。検出ヘッド１０２０は、コヒーレント光源１０２１と、受光部１２２と、干渉縞信号処理部１２４とを具備する。
本実施形態にかかる光電式エンコーダ１０００は、ＡＢＳスケール１１０に対する検出ヘッド１０２０の絶対位置を検出するとともに、ＩＮＣスケール７１４に対する検出ヘッド１０２０の相対移動量を検出する。
コヒーレント光源１０２１は、コヒーレント光を発する。コヒーレント光源１０２１としては、例えば、半導体レーザを用いる。
図１７は、本実施形態にかかる光電式エンコーダ１０００のＡＢＳスケール側の断面模式図である。図１７を用いて、本実施形態にかかる光電式エンコーダ１０００の絶対位置検出方法を説明する。
まず、コヒーレント光源１０２１が、ＡＢＳスケール１１０に光を照射する。ＡＢＳスケール１１０に入射した光はコヒーレント光なので、ＡＢＳスケール１１０からの距離ｖの平面上にタルボット（Ｔａｌｂｏｔ）効果による自己干渉縞１１０１が発生する。ここで、コヒーレント光の光波長をλ、ＡＢＳスケール１１０上のＡＢＳパターン２００の格子部２１０の格子ピッチがＰＡＢＳ、とすると、ｖ＝ＰＡＢＳ ２÷λを満足する平面上に発生する自己干渉縞１１０１のピッチはＰＡＢＳとなる。
まず、コヒーレント光源１０２１が、ＡＢＳスケール１１０に光を照射する。ＡＢＳスケール１１０に入射した光はコヒーレント光なので、ＡＢＳスケール１１０からの距離ｖの平面上にタルボット（Ｔａｌｂｏｔ）効果による自己干渉縞１１０１が発生する。ここで、コヒーレント光の光波長をλ、ＡＢＳスケール１１０上のＡＢＳパターン２００の格子部２１０の格子ピッチがＰＡＢＳ、とすると、ｖ＝ＰＡＢＳ ２÷λを満足する平面上に発生する自己干渉縞１１０１のピッチはＰＡＢＳとなる。
次に、発生した自己干渉縞１１０１を受光部１２２で受光して、電気信号（干渉縞信号１１０２）に変換する。その後、自己干渉縞１１０１から生じた干渉縞信号１１０２の包絡線１１０４から、ＡＢＳパターン２００の疑似ランダムデータを検出する。これにより、本実施形態にかかる光電式エンコーダ１０００は、ＡＢＳスケール１１０に対する検出ヘッド１０２０の絶対位置を検出する。
図１８は、本実施形態にかかる光電式エンコーダ１０００のインクリメンタルスケール側の断面模式図である。図１８を用いて、本実施形態にかかる光電式エンコーダ１０００の相対位置検出方法を説明する。
まず、コヒーレント光源１０２１が、ＩＮＣスケール７１４に光を照射する。ＩＮＣスケール７１４に入射した光はコヒーレント光なので、ＩＮＣスケール７１４からの距離ｖの平面上にタルボット効果による自己干渉縞１２０１が発生する。ここで、コヒーレント光の光波長をλ、ＩＮＣスケール７１４上のＩＮＣパターン８００の格子ピッチがＰＩＮＣとすると、ｖ＝ＰＩＮＣ ２÷λを満足する平面上に発生する自己干渉縞１２０１のピッチはＰＩＮＣとなる。
次に、発生した自己干渉縞１２０１を受光部１２２で受光して、電気信号（干渉縞信号）に変換する。自己干渉縞１２０１から生じた干渉縞信号は、ＩＮＣパターン８００に対応するピッチＰＩＮＣの波形を有する信号である。干渉縞信号処理部１２４は、起点から移動する際に通過した自己干渉縞１２０１から生じた干渉縞信号のピークの数を計測する。本実施形態にかかる光電式エンコーダ１０００は、自己干渉縞１２０１のピッチＰＩＮＣから生じた干渉縞信号と通過したピークの数から、ＩＮＣスケール７１４に対する検出ヘッド１０２０の移動量を検出する。
すなわち、実施の形態３では、コヒーレント光源１０２１が干渉縞発生手段となる。実施の形態１あるいは実施の形態２のようなＡＢＳ補助格子１２３やＩＮＣ補助格子７２６を設けなくとも、コヒーレント光がＡＢＳスケール１１０やＩＮＣパターン８００を透過すると、所定の平面上に自己干渉縞が発生する。
本実施形態にかかる光電式エンコーダ１０００は、実施の形態１及び２のような補助格子を設けていない。部品点数の削減により、構造の簡素化が図れる。また、スケールと補助格子との位置調整工程が不要となるので、製造コストを削減できる。
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、透過型リニアエンコーダに限定されず、反射型リニアエンコーダであってもよい。
また、上記実施の形態ではリニアエンコーダを用いて本発明を説明したが、本発明をロータリーエンコーダに適用することを妨げるものではない。
また、上記実施の形態ではリニアエンコーダを用いて本発明を説明したが、本発明をロータリーエンコーダに適用することを妨げるものではない。
１１０ アブソリュートスケール
１２０、７２０、１０２０ 検出ヘッド
１２１ インコヒーレント光源
１２２ 受光部
１２３ アブソリュート補助格子
１３０ アブソリュート干渉縞発生手段
１２４ 干渉縞信号処理部
２００ アブソリュートパターン
２１０ 格子部
２１１ アブソリュート格子
２２０ 暗部
４０１、９０１ 干渉縞
１１０１、１２０１ 自己干渉縞
４０２、１１０２ 干渉縞信号
４０４、１１０４ 包絡線
７１４ インクリメンタルスケール
７３０ インクリメンタル干渉縞発生手段
８００ インクリメンタルパターン
８０１ インクリメンタル格子
１０２１ コヒーレント光源
１２０、７２０、１０２０ 検出ヘッド
１２１ インコヒーレント光源
１２２ 受光部
１２３ アブソリュート補助格子
１３０ アブソリュート干渉縞発生手段
１２４ 干渉縞信号処理部
２００ アブソリュートパターン
２１０ 格子部
２１１ アブソリュート格子
２２０ 暗部
４０１、９０１ 干渉縞
１１０１、１２０１ 自己干渉縞
４０２、１１０２ 干渉縞信号
４０４、１１０４ 包絡線
７１４ インクリメンタルスケール
７３０ インクリメンタル干渉縞発生手段
８００ インクリメンタルパターン
８０１ インクリメンタル格子
１０２１ コヒーレント光源
Claims (7)
- 疑似ランダムデータに基づいたアブソリュートパターンが設けられたアブソリュートスケールと、
前記アブソリュートスケールの前記アブソリュートパターンに光を照射する光源及び、
前記アブソリュートパターンからの光を受光する受光部を有する検出ヘッドと、を具備し、前記アブソリュートスケールに対する前記検出ヘッドの絶対位置を検出する光電式エンコーダであって、
前記アブソリュートパターンは格子部と暗部との繰り返しで構成されており、
さらに、前記格子部との協働によって干渉縞を発生させる干渉縞発生手段と、
前記受光部で受光した干渉縞に基づいて、前記アブソリュートパターンの前記疑似ランダムデータを検出する干渉縞信号処理部と、を備え、
前記干渉縞発生手段が、
前記光源から出射した光線が前記アブソリュートパターンを介して受光部へと入射する光路上に設けられた補助格子
を有し、
前記光源の放射強度が、前記光源の中心軸上の放射強度の５０％になる光源半値角θＬと、前記アブソリュートパターンのデータピッチＰＤＡＴＡと、前記アブソリュートスケールと前記補助格子との間隔ｕと、前記補助格子と前記受光部との間隔ｖとが、条件式（１）
- 前記光源がインコヒーレント光を発する、請求項１に記載の光電式エンコーダ。
- インクリメンタルパターンが設けられたインクリメンタルスケールが、前記アブソリュートスケールと並列して設けられている、請求項１又は２に記載の光電式エンコーダ。
- 前記アブソリュートパターンの前記格子部の格子ピッチと、前記インクリメンタルパターンの格子ピッチとが等しいことを特徴とする、請求項３に記載の光電式エンコーダ。
- 前記インクリメンタルパターンによって生じた干渉縞から得た周期信号に基づいて、前記アブソリュートパターンの疑似ランダムデータを検出する、請求項４に記載の光電式エンコーダ。
- 前記アブソリュートパターンの格子ピッチと、前記インクリメンタルパターンの格子ピッチとが異なることを特徴とする、請求項３に記載の光電式エンコーダ。
- 疑似ランダムデータに基づいたアブソリュートパターンが設けられたアブソリュートスケールと、
光源、干渉縞発生手段、及び受光部を有する検出ヘッドと、
干渉縞信号処理部と、を具備し、前記アブソリュートスケールに対する前記検出ヘッドの絶対位置を検出する光電式エンコーダを用いた絶対位置検出方法であって、
前記光源が、前記アブソリュートパターンに光を照射するステップと、
前記干渉縞発生手段が、前記アブソリュートパターンからの光に干渉縞を発生させるステップと、
前記受光部が、前記干渉縞を受光するステップと、
前記干渉縞信号処理部が、前記干渉縞に基づいて、前記アブソリュートパターンの前記疑似ランダムデータを検出するステップと、
を備え、
前記干渉縞発生手段が、
前記光源から出射した光線が前記アブソリュートパターンを介して受光部へと入射する光路上に設けられた補助格子
を有し、
前記光源の放射強度が、前記光源の中心軸上の放射強度の５０％になる光源半値角θＬと、前記アブソリュートパターンのデータピッチＰＤＡＴＡと、前記アブソリュートスケールと前記補助格子との間隔ｕと、前記補助格子と前記受光部との間隔ｖとが、条件式（１）
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