JPH0128887B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は光電式エンコーダーに係り、特に内挿
分割精度を高めるために複数のセグメントに分割
された固定格子を有する光電式エンコーダーに関
する。

一般に高分解能光電式エンコーダーにおいては
その分解能及び内挿分割精度を高めるために種々
の試みがなされている。

その一例として格子パターンの格子ピツチを微
小にして高分解能化を図るものがある。

これによつて格子ピツチを極端に微小とすると
光の回折による影響によつて隣接する格子の像が
重なりあい、その信号出力のＳ／Ｎ比が低下する
原因となる。

さらに上記の回折によるＳ／Ｎ比の低下は移動
格子と固定格子との間隙によつても影響を受ける
ものであるからこの間隙を可及的に小さくすれば
よいが、この間隙は前記両格子が互に接触しない
程度に可及的に小さくできるがこれには限界があ
るので前記ボケの発生は避けられない。従つてこ
れが高分解能化の大きな欠点となつている。また
例えば回転体の回転角を検出するようなロータリ
ーエンコーダーの場合には格子ピツチを変えずに
パターン円の直径を大きくすれば２つの格子間の
間隙を変えないで済むが、実際には面ブレ量が増
し間隙が変動しそれに伴ない信号出力も変動する
こととなる。さらに装置が大型化するという問題
も生ずる。さらに高分解能光電式エンコーダーに
おいて、その精度を高めるためには、固定格子パ
ターンの精度を極力上げる必要がある。

しかし高精度に作ることが極めて困難であるの
でその実現が難しい。

例えば最近の高分解能光電式エンコーダーにお
いては、固定格子パターンの位相精度としてサブ
ミクロンのオーダーまで要求されるようになつて
いるので、その実現が一層困難となつている。こ
のようなサブミクロンのオーダーの精度の要求も
例えば現在のLSI（大規模集積回路）のパターニ
ング技術を駆使すればその要求をも満足し得るよ
うなものが実現可能とも考えられるが、そのため
の製作装置と付帯設備等には漢大な費用がかか
り、エンコーダー用の専用装置として設備するこ
とはコスト的にみて容易ではない。

そこで、高分解能及び高精度を追求するために
固定格子を90゜位相の関係で（1/2ピツチ）２つ配
置しこれより90゜位相関係をもつ２つの信号出力
を得て、1/4ピツチに内挿することは知られてお
り、さらに高分解能及び高精度を追求するために
固定格子を45゜位相差で４つ配置し、これより４
つの信号出力を得て1/8ピツチに内挿することが
提案されている。

実際の使用に当つては、上記４つの格子と180゜
位相関係の格子をそれぞれ４つ設け、180゜位相関
係の格子間の出力の差動増幅をとつて信頼性を上
げることが行なわれる。

この差動増幅は光源の光量変動、電源電圧変動
等による信号出力の変動が内挿精度に影響を及ぼ
すことのないようにするものである。

この場合において固定格子間の位相差誤差はそ
のまま内挿誤差として表われるため高精度かつ高
分解能とするためには45度位相関係の位相差を正
確に設定する必要が生ずる。

そのため従来は例えば固定格子を構成する４つ
のセグメントを互に別々に分離し、各セグメント
の相対的な位相関係を組立時に調整して配置し、
その後これらを固定するようにしてパターンの位
相誤差を除去するようになされている。しかし乍
らこの従来のものでは各セグメントの位置決めを
サブミクロンオーダーの精度で調整する必要があ
り、特に１つのセグメントを基準として他の３つ
のセグメントを前記の精度で調整する必要があ
り、従つてその調整作業が容易ではない。さらに
この調整後各セグメントをそのままの状態で固定
させる必要があり、従つてその固定作業も容易で
はないばかりでなく、さらに経時変化等のないよ
うに固定する必要があるので、前記の従来のもの
ではその作業性や量産性が極めて悪いものであつ
た。

本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、
その目的とするところは前記従来の欠点を解消
し、簡単な調整手段を用いてパターンの位相誤差
を除去することにより内挿精度を高め得る光電式
エンコーダーを提供するにある。

本発明においては例えば１つのガラス基板上に
パターニングした各位相誤差を有する固定格子群
のパターンを従来方法における如く複数に分離す
ることなくそのままの状態で使用し、簡単な調整
手段を用いることにより前記の位相誤差を実質的
に除去するようにしてなるものである。

本発明による光電式エンコーダーは、相対移動
を検出する光電式エンコーダーにおいて、相対移
動方向に配列された符号化パターンを有する第１
格子と、前記第１格子と対向して配置され、且つ
相対移動が格子ピツチの1/8周期（位相角で45度）
で配置される少なくとも４つの符号化パターンを
前記第１格子の相対移動方向に有する第２格子
と、前記第２格子を照明する複数の光源と、前記
光源からの光を前記第１格子及び前記第２格子に
照射するための複数のレンズ部と、前記レンズ部
と前記光源との少なくとも一つに関し該光源を該
レンズ部の光軸と離隔した位置に配置し且つ前記
レンズ部と前記光源とを相対的に回転自在としこ
の回転により前記光源と前記レンズ部の光軸との
前記相対移動方向の距離が変化するように前記光
源と前記レンズ部とを支持する支持部と、前記第
１格子及び前記第２格子から前記複数の第２格子
毎の信号を得る検出器とを有し、前記支持部にお
いて前記レンズ部と前記光源とを相対的に回転さ
せることにより一の光源と他の光源からの光で得
られた前記検出器の信号の位相差が変化するよう
に構成したことを特徴とする。

以下本発明の一実施例を添付図面を参照して詳
細に説明する。

第１図は本発明の一実施例の概略説明図であ
る。第１図において変位量を測定すべき移動体
（図示せず）には適当な方法により所定のパター
ン例えば格子ピツチＰを有する移動格子１が装置
され、移動格子１が移動体の移動と共に移動する
ようになされている。この移動格子１と平行に且
つこれと対面するように例えば１つのガラス基板
上にパターニングされた固定格子２が設けられて
いる。この固定格子２は例えば第２図に示す如く
移動格子１と同一格子ピツチＰを有し、且つその
移動格子１の移動方向に相対位置が格子ピツチＰ
の略1/8周期（位相角で45度）となるように配列
された少くとも４つのセグメント例えば０、Ｐ／
８、Ｐ／４、3P／８（位相角で０度、45度、90
度、135度）になるように配列された４つのセグ
メント２₁，２₂，２₃，２₄から構成されている。

前記移動格子１と固定格子２中の隣接する少く
とも２つのセグメント例えば２₁，２₂および２₃，
２₄とをそれぞれ挾んで互に対向するように少く
とも２組例えば光源４，４′と焦光装置例えばコ
ンデンサレンズ５，５′とからなる２組の光源装
置３，３′および光検出素子例えば光電変換素子
６（６₁，６₂，６₃，６₄の４素子から構成）が配
設され、移動体の移動に伴なつて生ずる移動格子
１と固定格子２との相対移動に対応して光電変換
素子６からそれぞれ信号出力を得るようになされ
ている。

２組の光源装置３，３′にはそれぞれ光源４，
４′とコンデンサレンズ５，５′との間隔l₁，l₂を
調整する適当な間隔調整手段（図示せず）を設
け、これにより間隔l₁，l₂をそれぞれ調整するこ
とにより固定格子２上に形成される移動格子１の
像の位置をそれぞれ左右方向に変位させて各組の
左右のセグメント間即ち２₁と２₂との間および２
_３と２₄との間のパターンに含まれる位相誤差を除
去するようになされている。

前記２組の光源装置３，３′にはさらに光源４，
４′とコンデンサレンズ５，５′とを相対的に移動
格子１の移動方向と平行に移動させる移動手段
（図示せず）が設けられている。この移動手段は
２組の光源装着３，３′の両方にそれぞれ設ける
代りに１方だけに設けるようにしてもよく、さら
に光源又はコンデンサレンズの何れを移動させる
ようにしてもよい、これにより例えば２組の照明
光学系即ち光源装置３，３′に対向して配列され
ている各２つのセグメント２₁，２₂および２₃，
２₄からなる２組の格子パターンの間の位相誤差
を少くとも一方の光源装置３（又は３′）の光源
４（又は４′）とコンデンサレンズ５（又は５′）
との相対位置を移動格子１の移動方向に平行に変
位させ、以つて後述の如く移動格子１を若干斜め
方向から照明することにより除去するようになさ
れている。

なお移動格子１と固定格子２とは互に接触しな
いように所定間隔例えば格子ピツチＰに比べて余
り大きくない範囲で間隔ｄを保つて平行に配設さ
れている。光電変換素子６は各セグメント２₁〜
２₄に対応するように配設された各光電変換素子
６₁〜６₄から構成され各素子からそれぞれ信号出
力を得るようになされている。

次に本発明の前記実施例の作動について説明す
る。

第１図図示のものにおいてそれぞれ光源４，
４′から発生される光はコンデンサレンズ５，
５′を介して平行光線に変換される。これにより
移動格子１が照明されるとそれぞれ固定格子２上
には第３図に示す如くフレネル回折像（格子の
影）１０が形成される。第３図においては一方の
照明系のセグメント例えば２₁，２₂について図示
されている。この場合照明方向を第３図図示の如
く角度θ₁だけ変化させると格子の影１０の位置は
移動格子１と固定格子２との格子間隔ｄと照明光
の入射角θ₁より決まる変位量Δ即ちΔ＝dtanθ₁だ
け横方向に変位する。この変位量Δを位相角に変
換するとΔ／Ｐ×360度＝φ度だけズレたことに
なる。

第４図に図示の如く固定格子２中のセグメント
２₁，２₂に含まれている45度位相誤差は光源４と
コンデンサレンズ５との間隔l₁をコンデンサレン
ズ５の焦点距離ｆにした場合即ち平行照明とした
場合には、光電変換によつて得られる45度位相関
係にあるべき２信号にパターン誤差分の位相が加
わることとなる。従つて本発明によれば光源４と
コンデンサレンズ５との間隔調整手段により間隔
l₁をΔl₁だけ変化させることにより、照明光を発
散又は収束させ、これにより固定格子２のセグメ
ント２₁，２₂上のフレネル回折像１０の位置を変
位させて固定格子２のセグメント２₁，２₂間の各
パターンの位相誤差を除去することができるもの
である。例えば第２図において固定格子２中の前
記左右のセグメント２₁，２₂間の1/8Ｐにパター
ン誤差δ₁の誤差がある場合には間隔l₁を調整する
ことにより照明方向を調整して左右のセグメント
２₁，２₂上に形成される移動格子１のフレネル回
折像１０の相対位置を2Δ＝δ₁となるようにずら
してやればよい。

前記のパターン誤差δ₁の補正についてさらに詳
細に説明する。例えば第４図において固定格子２
の格子ピツチ：Ｐ、セグメント２₁と２₂とのパタ
ーン誤差：δ₁、移動格子１と固定格子２との格子
間間隔：ｄ、コンデンサレンズ５の焦点距離：
ｆ、セグメント２₁，２₂の光軸からの距離：ｈ、
照明光の傾斜角：θ₁、光源４とコンデンサレンズ
５との間隔：l₁、その間隔調整量：Δl₁とする。
前記の如くパターン誤差δ₁を補正するためには回
折像１０の変位量ΔをΔ＝δ₁／２となるようにす
る必要がある。従つてΔ＝dtanθ₁＝δ₁／２から
tanθ₁＝δ₁／2dとなる。照明光に傾斜角θ₁の傾斜角を 与えるためにはレンズの結像公式より以下の如く
光源４とコンデンサレンズ５との間隔調整量Δl₁
を算出することができる。

第４図において固定格子２の格子ピツチ：Ｐ、
セグメント２₁と２₂とのパターン誤差：δ₁、移動
格子１と固定格子２との格子間間隔：ｄ、コンデ
ンサレンズ５の焦点距離：ｆ、セグメント２₁，
２₂の光軸からの距離：ｈ、コンデンサレンズと
固定格子の間隔：Ｄ、光源から格子位置ｈに向う
光線のコンデンサレンズ主平面上の光軸からの距
離：h₁、照明光の傾斜角：θ、光源４とコンデン
サレンズ５との間隔：ｌ、その間隔調整量：Δl
とする。

前記の如くパターン誤差δ₁を補正するためには
回折像１０の変位置ΔをΔ＝δ₁／２となるように
する必要がある。

従つてΔ＝dtanθ₁＝δ₁／２からtanθ₁＝δ₁／2dと
な る。

照明光に傾斜角θ₁の傾斜角を与えるためにはレ
ンズの結像公式より以下の如く光源４とコンデン
サレンズ５との間隔調整量Δl₁を算出することが
できる。

Δ＝（tanθ）・ｄ ……(1) Δ＝δ／２⇒ tanθ＝δ／2d h₁＝ｈ＝Dtanθ ……(2) レンズ結像公式より １／−h₁／tanθ＋１／ｌ＝１／ｆ ……(3) (3)より ｌ＝fh₁／tanθ／ｆ＋h₁／tanθ……(4) (4)に(2)を代入して ｌ＝ｆ（ｈ／tanθ−Ｄ）／ｆ＋ｈ／tanθ−Ｄ
……(5) (1)を(5)に代入すると ｌ＝ｆ（2dh／δ−Ｄ）／ｆ＋2dh／δ−Ｄ 故に Δl＝ｆ−ｌ となる 従つて例えば１例としてδ₁＝1μｍ、ｄ＝20μｍ、
Ｐ＝10μｍ、ｆ＝10mm、ｈ＝３mmとすると照明光
の傾斜角θ₁はθ₁＝1.43度となり、このときのΔl₁は
Δl₁＝0.77mmとなる。従つて光源４を間隔調整手
段により0.91mmだけコンデンサレンズ５側へ変位
させればよいこととなる。

以上は２組の光源装置３，３′中の一方の光源
装置３の照明系に含まれるセグメント２₁，２₂の
位相誤差の除去について説明したが、他方の照明
系に含まれるセグメント２₃，２₄の位相誤差の除
去も前記と全く同様にして行うことができる。例
えばコンデンサレンズ５′の焦点距離とセグメン
ト２₃，２₄の光軸からの距離をそれぞれ前記の場
合と同一即ちｆとｈとし、照明光の傾斜角をθ₂、
光源４′とコンデンサレンズ５′との間隔をl₂、そ
の間隔調整量をΔl₂とすればセグメント２₃と２₄
とのパターン誤差δ₂は前記の場合と全く同様に
Δl₂＝ｆ−l₂に基いて光源４′とコンデンサレンズ
５′との間隔をΔl₂だけ調整することにより除去で
きること明らかである。

本発明においてはさらに例えば２組の照明光学
系即ち光源装置３，３′にそれぞれ対向して配列
されている各２つのセグメント２₁，２₂および２
_３，２₄からなる２組の格子パターン間の位相誤差
を除去するようになされている。これについて第
５図に示す説明図に基いて説明する。第５図にお
いては第１図のものと同一部分には同一符号が付
けられている。前記２組の格子パターン間の位相
誤差例えばセグメント２₁とセグメント２₃のパタ
ーン間の位相誤差δ₃を補正するために移動手段に
より一方の光源例えば光源４′をコンデンサレン
ズ５′に対し移動格子１の移動方向に相対的に平
行に移動させるものとする。この場合におけるコ
ンデンサレンズ５′の光軸上から移動格子１の移
動方向と平行な方向に光源４′までの距離をＳと
し、その時の照明光の傾斜角をθ₃とすれば前記と
同様にパターン間の位相誤差δ₃はδ₃＝dtanθ₃とな
る。さらに tanθ₃＝Ｓ／l₂ であるから Ｓ／l₂＝δ₃／ｄ となりこれから Ｓ＝δ₃l₂／ｄ となる。従つてセグメント２₁と２₃との各組のパ
ターン間の位相誤差δ₃を除去するためには光源
４′（又はコンデンサレンズ５′）を移動手段によ
り前記距離Ｓだけ移動させればよいこと明らかで
ある。

例えば各位相誤差がδ₁＝δ₂＝δ₃＝1μｍ、ｐ＝
10μｍ、ｄ＝20μｍ、ｆ＝10mm、Ｄ＝20mm、ｈ＝
３mmとするとθ₁＝θ₂＝1.43度でΔl₁＝Δl₂＝0.91mm
となり、Ｓ＝0.54mmとなるので、各位相誤差を除
去するためには間隔調整手段により光源４，４′
をそれぞれ0.91mmだけコンデンサレンズ５，５′
側へ変位させ、且つ一方の光源４′（又はコンデ
ンサレンズ５′）を移動手段により移動格子１の
移動方向に平行に0.54mmだけ移動させればよい。

次に本発明における光源とコンデンサレンズの
相対的移動を具体化した一例を第６図および第７
図に基いて説明する。

光源支持体９，９′は円柱状でありその円形の
前方の終端面の中央に光源４，４′が設けられ周
囲が螺刻されている。

固定ホルダー７，７′は円筒状をしておりその
内壁は螺刻され、光源支持体９，９′と枢着する
構成となつている。

光源支持体９，９′を回転させると固定ホルダ
ー７，７′と枢着されているため前記光源支持体
９，９′は固定ホルダー７，７′内を軸方向へ移動
する。

また固定ホルダー７，７′の前方終端には第７
図に示す如くその外側壁に溝が周設されている。

レンズ支持体８，８′は円筒状をなしその後方
終端部には突部が周設されており固定ホルダー
７，７′前方終端の溝と回動自在に嵌合している。

そのレンズ支持体８，８′の前方終端にはコン
デンサレンズ５，５′がそのレンズ支持体８，
８′の回転中心とコンデンサレンズ５，５′の光軸
中心と一致しないように固設されている。

そのためレンズ支持体８，８′を回転させると
コンデンサレンズ５，５′の中心はレンズ支持体
８，８′の回転中心の周囲を回転する。

このレンズ支持体８，８′の前方には移動格子
及び固定格子（図示せず）が設けられさらにその
前方には検出器（図示せず）を設置してある。

実際使用する際には、1/8分割内挿において光
源装置を２つ用いる場合の調整手順は一方の光源
装置の光源支持体を回転させコンデンサレンズと
光源との間隔を変化させることによつて0゜と45゜
の位相関係の格子間の誤差を補正し、次に他方の
光源装置においても90゜と135゜との位相誤差の補
正を同様にして行う。

次に0゜と45゜の格子の組と90゜と135゜の格子の組
との間の誤差補正をレンズ支持体を回転させるこ
とによつてコンデンサレンズの中心が、レンズ支
持体の回転中心のまわりを回転する。

この偏心の移動格子の移動方向の変位量によつ
て２組の格子間の誤差の補正がされる。

この場合２つの光源装置の少なくとも一方が移
動方向に移動可能な構成であればよい。

本発明は以上の如く構成されているので例えば
前記実施例において内挿８分割を行う場合、45度
位相のパターンが36度の内挿誤差を有していると
きでも前記各手段により±0.1mmの精度でΔl₁，
Δl₂，Ｓの調整をすることにより内挿誤差を５度
乃至６度の誤差までに押え込むことができること
となる。

さらに前記実施例においては２組の光源装置と
４つのセグメントとを使用するものについて述べ
たが、本発明は上記の実施例に限定されることな
く種々変形、変更を加え得ること勿論である。例
えば前記実施例では固定格子の配置を光源装置、
移動格子、固定格子、光電変換素子の順序に配置
したものについて述べたが、例えば固定格子と移
動格子との順序を入れ換えてもよく、さらに移動
格子を装着する移動体としては例えば直線運動体
又は回転運動体の何れでもよい。さらに固定格子
としては前記実施例に示された各セグメントの他
に第１図に示す如くその上下方向に各セグメント
と180度位相の関係にある他の格子パターン（セ
グメント２₅〜２₈）を配列し、且つこれらに対応
する光電変換素子６₅〜６₈を設けこれらの180度
位相の２つの信号を差動増巾して光源出力変動や
電源電圧変動による位相誤差を除去するようにし
てもよい。この場合には180度位相のパターンの
位相誤差はエンコーダーの内挿精度に影響を与え
るものでなく、且つこれらの位相関係は例えば前
記のような照明光学系の調整が行なわれても固定
格子上に形成される移動格子の回折像（影）は全
く同一方向に同一量だけ変位するので、差動増巾
後の出力変動も生ずることはない。さらにまた前
記実施例においては、固定格子の４つのセグメン
トの相対位相関係の配列として０度、45度、90
度、135度の順に配列したものについて説明した
が、例えば０度、90度、45度、135度のようにし
てもよく、その配列は任意に変え得るものであ
る。また固定格子の各セグメントを１つの基板上
にパターニングしたものに限定する必要もない。
さらに本発明によれば前記の如く各セグメントの
配列がどのような位相関係であつても調整により
所望の位相関係となるようにすることができるの
で例えば固定格子パターンとしては移動格子パタ
ーンと全く同じものを用いることもできることと
なり、格子パターンの製作が容易となるものであ
る。

最後に本実施例において光透過形の光電式エン
コーダーについて説明したが、光反射形の光電式
エンコーダーについても同様の原理に基づいて調
整可能なことはいうまでもない。

【図面の簡単な説明】

第１は本発明の一実施例の概略説明図、第２図
は第１図の固定格子の１部の概略図、第３図乃至
第５図はそれぞれ第１図に示す実施例の作動を説
明するための説明用図面、第６図は本発明におけ
る光源とコンデンサレンズの相対的移動を具体化
した一例を示す概略構成図、第７図は第６図の１
部の拡大詳細図である。 １……移動格子、２……固定格子、２₁〜２₈…
…セグメント、３，３′……光源装置、４，４′…
…光源、５，５′……コンデンサレンズ、６，６₁
〜６₈……光電変換素子、７，７′……固定ホルダ
ー、８，８′……レンズ支持体、９，９′……光源
支持体、１０……回折像。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 相対移動を検出する光電式エンコーダーにお
   いて、相対移動方向に配列された符号化パターン
   を有する第１格子と、前記第１格子と対向して配
   置され、且つ相対移動が格子ピツチの1/8周期
   （位相角で45度）で配置される少なくとも４つの
   符号化パターンを前記第１格子の相対移動方向に
   有する第２格子と、前記第２格子を照明する複数
   の光源と、前記光源からの光を前記第１格子及び
   前記第２格子に照射するための複数のレンズ部
   と、前記レンズ部と前記光源との少なくとも一つ
   に関し該光源を該レンズ部の光軸と離隔した位置
   に配置し且つ前記レンズ部と前記光源とを相対的
   に回転自在としこの回転により前記光源と前記レ
   ンズ部の光軸との前記相対移動方向の距離が変化
   するように前記光源と前記レンズ部とを支持する
   支持部と、前記第１格子及び前記第２格子から前
   記複数の第２格子毎の信号を得る検出器とを有
   し、前記支持部において前記レンズ部と前記光源
   とを相対的に回転させることにより一の光源と他
   の光源からの光で得られた前記検出器の信号の位
   相差が変化するように構成したことを特徴とする
   光電式エンコーダー。 ２ 前記第２格子の有する複数種類の符号化パタ
   ーンのそれぞれにつき略1/2周期（位相角で180
   度）で、前記第１格子と対向してかつ相対移動方
   向に対し垂直方向に配列された符号化パターンを
   有する第２格子を具備することを特徴とする前記
   特許請求の範囲第１項記載の光電式エンコーダ
   ー。