KR20110015598A - 광학식 인코더 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 정현파 각도 내삽 방식의 인코더에 있어서, 단일의 신호 트랙에서의 내삽 각도 정밀도를 향상 가능한 광학식 인코더를 제공한다. 기본 주기의 정현파에 소정의 주기로 위상 변조파를 중첩한 파형을 신호 트랙(103)으로서 마련하고, 위상 변조파의 정현 신호 및 여현 신호를 취출하는 광검출기(104)를 마련한다. 연산부(106)는 광검출기에 구비되는 제 1 광검출기 쌍 및 제 2 광검출기 쌍의 출력 신호로부터 각각 전기각을 연산하고, 그 합 및 차이를 구하는 것에 의해, 기본 주기의 전기각과 위상 변조파를 얻는다.
Description
본 발명은 광원과, 측정 대상에 마련한 신호 트랙(signal track)과, 수광 소자를 구비하고, 수광 소자의 출력을 연산하여 상기 측정 대상의 변위를 구하는 광학식 인코더에 관한 것이다.
상술한 바와 같은 광학식 인코더에서는, 종래, 예컨대, 광원으로부터 신호 트랙을 경유하여 수광 소자에서 얻어지는 투과 광량 또는 반사 광량이 정현파 형상으로 변화되도록 상기 신호 트랙을 형성하고, 또한, 상기 정현파 형상의 광량 변화에서 1/4피치씩 어긋난 위치에 수광 소자를 배치한 구성을 갖는다. 이러한 구성에 의하면, 각각의 수광 소자로부터 서로 90° 위상이 어긋난 신호가 취출되고, 상기 신호 트랙의 패턴으로부터 얻어지는 신호의 1주기 내를 다수 분할하는 것이 가능해진다(예컨대 특허문헌1 참조).
또, 복수의 회절 격자를 구비한 광학식 인코더에서는, 출력 신호에 있어서의 고조파 왜곡을 제거하기 위해서, 회절 격자에서, 인접하는 패턴의 간격을 일정하지 않고, 기준 위상으로 되는 패턴에 대해 규정한 위상차, 및 각 위상차의 합의 조합에 따른 위상차를 갖는 패턴으로 한 것도 존재한다(예컨대 특허문헌2 참조).
또, 소정의 파수(波數)를 갖는 주(主)슬릿 트랙에 대해, 소정 파수만큼 적은 부슬릿 트랙을 마련하고, 양자의 전기각(電氣角; electrical angle)의 차이로부터 긴 주기의 신호를 생성하는 버니어식 인코더(Vernier encoder)의 수법도 제안되어 있다(예컨대 특허문헌3 참조).
광학식 인코더에 있어서, 정현파 각도 내삽 방식(sine wave angle interpolation)을 이용한 검출에서는, 내삽 정밀도는 정현파의 값을 검출하는 회로에 의해서 제한된다. 따라서, 고분해능이 필요한 절대값 검출을 행하도록 한 경우에는, 측정 대상에 복수의 신호 트랙을 마련하고, 순차적으로 내삽 각도 위치를 연속하게 구성해야 한다. 따라서, 신호 트랙을 마련하는 스케일의 면적이 커진다고 하는 문제점이 있었다.
또, 상술한 바와 같이 패턴 간격을 변화시킨다고 하는 제안이 이루어져 있지만, 정현파 각도 내삽 분해능을 향상시킬 목적에서, 수광 소자의 배치 위치 및 출력 신호의 연산 수법까지 더 고려한 기술은 종래에 존재하지 않는다.
본 발명은, 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해서 이루어진 것으로, 단일의 신호 트랙에서 내삽 각도 정밀도의 향상이 가능한 광학식 인코더를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 이하와 같이 구성된다.
즉, 본 발명의 일 형태에 있어서의 광학식 인코더는, 광원과, 측정 대상에 마련되고 해당 측정 대상의 움직임에 연동하여 상기 광원으로부터의 광속(光束)을 변조하는 하나의 신호 트랙과, 상기 신호 트랙으로부터의 광속을 수광하여 전기 신호로 변환해서 출력하는 광검출부와, 해당 광검출부로부터의 출력 신호를 연산하는 연산부를 구비하며, 상기 신호 트랙은, 상기 광원으로부터의 광을 정현파 형상으로 강도 변조하고, 또한 해당 정현파에 λ를 기본 주기로 하여 mλ=Λ(m은 자연수)마다 반복하는 위상 변조를 부여하는 구성을 갖고, 상기 광검출부는, 상기 위상 변조를 부여한 신호 트랙으로부터 정현파 형상으로 변조를 부여한 광속으로부터 정현 신호 및 여현 신호를 취출하고, 상기 연산부에 의해, 하나의 상기 신호 트랙으로부터 주기 λ의 기본 주기 신호와 주기 Λ의 위상 변조 신호의 2개의 주기 신호를 얻는 것을 특징으로 한다.
상기 제 1 형태에 있어서, 상기 광검출부는, 상기 신호 트랙에 의해서 상기 정현파 형상으로 변조된 광속으로부터 정현 신호(sine signal) 및 여현 신호(cosine signal)를 취출하는 1쌍의 광검출기로 이루어지는 제 1 광검출기 쌍(a first optical detector pair)과, 상기 신호 트랙에 의해서 상기 정현파 형상으로 변조된 광속으로부터 정현 신호와 여현 신호를 취출하는 1쌍의 광검출기로 이루어지는 제 2 광검출기 쌍을, 상기 위상 변조의 주기 Λ에서 {(2n+1)Λ/2} 주기만큼 떨어진 위치에 배치하고, 상기 연산부는, 상기 제 1 광검출기 쌍 및 상기 제 2 광검출기 쌍의 각각으로부터 출력되는 상기 정현 신호 및 상기 여현 신호에 의해 각 광검출기 쌍의 위치에서의 각 전기각을 연산하고, 얻어진 각 전기각의 합을 취하여 상기 기본 주기 λ에서의 전기각을 구하고, 상기 각 전기각의 차를 취하여 제 1 위상 변조 신호를 구하도록 구성할 수도 있다.
상기 제 1 형태에 있어서, 상기 광검출부는, 상기 제 1 광검출기 쌍 및 상기 제 2 광검출기 쌍에 대해 각각 {(2n+1)Λ/4} 주기만큼 떨어진 위치에 배치되고 상기 제 1 광검출기 쌍 및 상기 제 2 광검출기 쌍과 동일한 구성으로 이루어지는 제 3 광검출기 쌍 및 제 4 광검출기 쌍을 더 구비하며, 상기 연산부는, 상기 제 1 광검출기 쌍 및 상기 제 2 광검출기 쌍으로부터 구한 상기 제 1 위상 변조 신호와, 상기 제 3 광검출기 쌍 및 상기 제 4 광검출기 쌍으로부터 구한 제 2 위상 변조 신호에 의해 위상 변조 신호의 전기각을 연산하도록 구성할 수도 있다.
상기 제 1 형태에 있어서, 상기 광검출부는, 상기 신호 트랙에 의해서 상기 정현파 형상으로 변조된 광속으로부터 정현 신호 및 여현 신호를 취출하는 1쌍의 광검출기로 이루어지는 제 1 광검출기 쌍과, 상기 신호 트랙에 의해서 상기 정현파 형상으로 변조된 광속으로부터 정현 신호와 여현 신호를 취출하는 1쌍의 광검출기로 이루어지는 제 2 광검출기 쌍을, 상기 위상 변조의 주기 Λ에서 Λ/2 주기만큼 떨어진 위치에 배치하고, 또한, 상기 제 1 광검출기 쌍 및 상기 제 2 광검출기 쌍에 대해 각각 Λ/4 주기만큼 떨어진 위치에 배치되고 상기 제 1 광검출기 쌍 및 상기 제 2 광검출기 쌍과 동일한 구성으로 이루어지는 제 3 광검출기 쌍 및 제 4 광검출기 쌍을 구비하며, 상기 연산부는, 상기 제 1 광검출기 쌍 및 상기 제 2 광검출기 쌍과, 상기 제 3 광검출기 쌍 및 상기 제 4 광검출기 쌍의 각각으로부터 출력되는 상기 정현 신호 및 상기 여현 신호에 의해 각 광검출기 쌍의 위치에서의 각 전기각을 연산하고, 얻어진 각 전기각의 합을 취해 상기 기본 주기 λ에서의 전기각을 구하고, 상기 각 전기각의 차를 취해 제 1 위상 변조 신호를 구하도록 구성할 수도 있다.
상기 제 1 형태에 있어서, 상기 연산부는, 또한 상기 제 1 광검출기 쌍과 상기 제 2 광검출기 쌍 및 상기 제 3 광검출기 쌍과 상기 제 4 광검출기 쌍으로부터 구한 상기 제 1 위상 변조 신호와, 상기 제 2 광검출기 쌍과 상기 제 3 광검출기 쌍 및 상기 제 4 광검출기 쌍과 상기 제 1 광검출기 쌍으로부터 구한 상기 제 2 위상 변조 신호의 차에 의해 위상 변조 신호의 전기각을 연산하도록 구성할 수도 있다.
상기 제 1 형태에 있어서, 상기 측정 대상은, 상기 신호 트랙인 제 1 신호 트랙에 부가하여, 해당 제 1 신호 트랙과는 다른 제 2 신호 트랙을 더 갖고, 각 신호 트랙에 대응하여 상기 광검출부를 갖고, 제 1 신호 트랙은 상기 위상 변조된 정현파를 생성하는 신호 트랙이고, 제 2 신호 트랙은 상기 제 1 신호 트랙에서 분해할 수 있는 분해능보다 높은 주파수를 갖는 단일 주기의 정현파 형상의 광 강도 변조를 행하는 신호 트랙이도록 구성할 수도 있다.
상기 제 1 형태에 있어서, 상기 측정 대상은, 상기 신호 트랙인 제 1 신호 트랙에 부가하여, 해당 제 1 신호 트랙과는 다른 제 2 신호 트랙을 더 갖고, 각 신호 트랙에 대응하여 상기 광검출부를 가지며, 제 1 신호 트랙은 상기 위상 변조된 정현파를 생성하는 신호 트랙이고, 제 2 신호 트랙은 상기 제 1 신호 트랙에서 분해할 수 있는 분해능보다 낮은 주파수를 갖는 단일 주기의 정현파 형상의 광 강도 변조를 행하는 신호 트랙이도록 구성할 수도 있다.
상기 제 1 형태에 있어서, 상기 제 2 신호 트랙은 당해 제 2 신호 트랙의 파수 n이 상기 제 1 신호 트랙의 파수 L보다 j만큼 차이나는 파수를 갖는 단일 주기의 정현파 형상의 광 강도 변조를 행하는 신호 트랙이도록 구성할 수도 있다.
상기 제 1 형태에 있어서, 상기 제 2 신호 트랙의 트랙 반경 R에 대해 상기 제 1 신호 트랙의 트랙 반경이 R(L/n)이도록 구성할 수도 있다.
또한, 본 발명의 제 2 형태에 있어서의 광학식 인코더는, 광원과, 피측정물에 부착되고 상기 피측정물의 움직임에 연동하여 상기 광원으로부터의 광속을 변조하는 제 1 트랙 및 제 2 트랙을 갖는 스케일과, 상기 스케일로부터의 변조된 광속을 수광하여 전기 신호로 변환해서 출력하는 광검출부와, 상기 광검출부로부터의 출력 신호를 연산하여 상기 피측정물의 위치를 연산하는 연산부를 구비한 광학식 인코더로서, 상기 제 1 트랙은 당해 트랙 전체를 k개 분할하는 주기 Λ에 대해 n의 파수를 갖는 고정의 주기 패턴으로 구성되고, 상기 제 2 트랙은, 상기 제 1 트랙의 n의 파수보다 m만큼 차이나는 파수를 갖고, 또한 상기 주기 Λ로 변화되는 함수에 의한 위상 변조를 부여하여 구성되고, 상기 광검출부는, 상기 제 1 트랙에 대응하여 배치되는 제 1 광검출기와, 상기 제 2 트랙에 대응하여 배치되고 서로 Λ/4 주기 어긋나 배치되는 복수의 제 2 광검출기를 가지며, 상기 연산부는, 상기 제 1 광검출기의 출력 신호 및 상기 제 2 광검출기의 출력 신호로부터 각각 구한 전기각 연산 출력의 차를 연산하여 긴 주기의 신호를 구하고, 상기 제 2 광검출기의 출력 신호로부터 구한 전기각 연산 출력의 차를 연산하여 상기 주기 Λ 내에서의 절대 위치를 구하고, 상기 전기각 연산 출력의 합을 연산해서 주기 Λ 내에서 m회 반복하는 버니어 출력을 구하는 것을 특징으로 한다.
상기 제 2 형태에 있어서, 상기 스케일의 상기 제 1 트랙 및 상기 제 2 트랙과 상기 광원의 사이에 고정하여 배치되는 고정 격자를 더 구비하며, 상기 광검출부는 상기 고정 격자와 상기 스케일에 의해서 생성되는 격자 상(a grating image)을 검출하도록 구성할 수도 있다.
상기 제 2 형태에 있어서, 상기 스케일의 상기 제 1 트랙 및 상기 제 2 트랙은 광의 위상에 변조를 행하는 위상 격자를 갖도록 구성할 수도 있다.
본 발명의 제 1 형태에 있어서의 광학식 인코더에 의하면, 하나의 신호 트랙에 대향한 광검출부와 연산부를 구비하여, 상기 광검출부로부터 복수의 다른 주기를 갖는 정현파 신호 및 여현파 신호가 얻어진다. 이와 같이, 1개의 신호 트랙으로부터 주기가 다른 2개의 주기 신호를 얻을 수 있다. 따라서, 신호 트랙을 갖는 스케일의 소형화를 달성할 수 있음과 아울러, 하나의 신호 트랙에서 내삽 가능한 전기각은 상기 2개의 주기 신호로부터 구할 수 있어, 내삽 분해능을 종래보다 향상시키는 것이 가능해진다. 구체적으로는, 상기 내삽 가능한 전기각은 상기 광검출부에 구비되는 제 1 광검출기 쌍 및 제 2 광검출기 쌍에서의 각 전기각의 합에 의해서 구할 수 있다.
또, 본 발명의 제 2 형태에 있어서의 광학식 인코더에 의하면, 제 2 트랙, 제 2 광검출기, 및 연산부를 구비함으로써, 제 2 트랙으로부터 복수의 주기의 정현파 출력을 얻을 수 있다. 따라서, 1 트랙에 있어서, 내삽 가능한 전기 각도가 상기 복수의 주기의 내삽 전기 각도의 합으로 얻을 수 있어, 내삽 분해능을 향상할 수 있다.
또, 상술한 바와 같이 하나의 트랙으로부터 복수의 주기의 정현파 출력을 얻을 수 있으므로, 다단의 트랙을 마련할 필요는 없어 스케일의 소형화를 도모하는 것도 가능하다.
도 1은 본 발명의 실시 형태 1에 따른 광학식 인코더의 구성을 나타내는 사시도,
도 2는 도 1에 나타내는 광학식 인코더의 신호 트랙을 나타내는 평면도,
도 3은 도 2에 나타내는 신호 트랙의 확대도,
도 4는 도 2에 나타내는 신호 트랙을 직선 형상으로 전개한 도면,
도 5는 도 1에 나타내는 광학식 인코더에 구비되는 광검출부의 구성을 설명하는 도면으로서, 광검출부를 직선 형상으로 전개한 도면,
도 6은 본 발명의 실시 형태 2에 따른 광학식 인코더에 구비되는 광검출부의 구성을 설명하는 도면으로서, 광검출부를 직선 형상으로 전개한 도면,
도 7은 본 발명의 실시 형태 4에 따른 광학식 인코더의 신호 트랙을 나타내는 확대도,
도 8은 본 발명의 실시 형태 6에 따른 광학식 인코더의 신호 트랙을 나타내는 확대도,
도 9는 본 발명의 실시 형태 7에 따른 광학식 인코더의 신호 트랙을 나타내는 확대도,
도 10은 본 발명의 실시 형태 8에 따른 광학식 인코더를 나타내는 구성도,
도 11은 본 발명의 실시 형태 8에 따른 광학식 인코더의 신호 트랙을 나타내는 평면도,
도 12는 본 발명의 실시 형태 9에 따른 광학식 인코더의 신호 트랙을 나타내는 평면도,
도 13은 본 발명의 실시 형태 10에 따른 광학식 인코더의 신호 트랙에서의 버니어 방식을 설명하는 직선 전개도,
도 14는 본 발명의 실시 형태 10에 따른 광학식 인코더의 신호 트랙을 나타내는 직선 전개도,
도 15는 본 발명의 실시 형태 10에 따른 광학식 인코더의 검출 슬릿을 나타내는 직선 전개도,
도 16은 본 발명의 실시 형태 10에 따른 광학식 인코더의 검출 슬릿의 동작을 나타내는 직선 전개도,
도 17은 본 발명의 실시 형태 11에 따른 광학식 인코더를 나타내는 구성도이다.
도 2는 도 1에 나타내는 광학식 인코더의 신호 트랙을 나타내는 평면도,
도 3은 도 2에 나타내는 신호 트랙의 확대도,
도 4는 도 2에 나타내는 신호 트랙을 직선 형상으로 전개한 도면,
도 5는 도 1에 나타내는 광학식 인코더에 구비되는 광검출부의 구성을 설명하는 도면으로서, 광검출부를 직선 형상으로 전개한 도면,
도 6은 본 발명의 실시 형태 2에 따른 광학식 인코더에 구비되는 광검출부의 구성을 설명하는 도면으로서, 광검출부를 직선 형상으로 전개한 도면,
도 7은 본 발명의 실시 형태 4에 따른 광학식 인코더의 신호 트랙을 나타내는 확대도,
도 8은 본 발명의 실시 형태 6에 따른 광학식 인코더의 신호 트랙을 나타내는 확대도,
도 9는 본 발명의 실시 형태 7에 따른 광학식 인코더의 신호 트랙을 나타내는 확대도,
도 10은 본 발명의 실시 형태 8에 따른 광학식 인코더를 나타내는 구성도,
도 11은 본 발명의 실시 형태 8에 따른 광학식 인코더의 신호 트랙을 나타내는 평면도,
도 12는 본 발명의 실시 형태 9에 따른 광학식 인코더의 신호 트랙을 나타내는 평면도,
도 13은 본 발명의 실시 형태 10에 따른 광학식 인코더의 신호 트랙에서의 버니어 방식을 설명하는 직선 전개도,
도 14는 본 발명의 실시 형태 10에 따른 광학식 인코더의 신호 트랙을 나타내는 직선 전개도,
도 15는 본 발명의 실시 형태 10에 따른 광학식 인코더의 검출 슬릿을 나타내는 직선 전개도,
도 16은 본 발명의 실시 형태 10에 따른 광학식 인코더의 검출 슬릿의 동작을 나타내는 직선 전개도,
도 17은 본 발명의 실시 형태 11에 따른 광학식 인코더를 나타내는 구성도이다.
본 발명의 실시 형태인 광학식 인코더에 대해 도면을 참조하면서 이하에 설명한다. 또, 각 도면에 있어서, 동일 또는 동등한 구성 부분에 대해서는 동일한 부호를 부여하고 있다.
(실시 형태 1)
도 1은 본 발명의 실시 형태 1에 따른 광학식 인코더(100)를 나타내는 구성도이다. 상기 광학식 인코더(100)는 광원(101)과, 스케일(102)과, 광검출부(104)와, 광검출부(104)에 접속되는 연산부(106)를 구비한다.
광원(101)으로서, 예컨대 LED나 LD 등이 사용 가능하다. 스케일(102)은, 광원(101)과 광검출부(104) 사이에 배치되고, 본 실시 형태 1에서의 측정 대상인 회전축(105)에 부착된 디스크이고, 광원(101)으로부터의 광속을 변조하는 하나의 신호 트랙(103)을 원주를 따라 마련되어 있다. 신호 트랙(103)은 회전축(105)의 회전각에 대응하여 패터닝되어 있다.
광검출부(104)는 신호 트랙(103)으로부터의 광속을 수광하여 전기 신호로 변환해서 연산부(106)에 출력한다. 연산부(106)는, 상세한 것은 후술하지만, 기능적으로 전기각 연산부(106a), 합 연산부(106b), 및 차 연산부(106c)를 갖고, 스케일(102), 즉 회전축(105)의 회전 각도 또는 회전 위치를 연산하여 출력한다.
본 실시 형태 1에서는, 도시한 바와 같이 또한 상술한 바와 같이, 광학식 인코더(100)는 로터리 인코더(rotary encoder)의 경우를 예로 채용하지만, 이 형태에 한정되지 않고, 리니어 인코더(linear encoder)의 실시 형태에 대해서도 본 발명은 적용 가능하다. 또, 본 실시 형태 1에서는, 광검출부(104)는 신호 트랙(103)을 투과한 광원(101)의 광속을 검출하지만, 이 형태에 한정되지 않고, 반사광을 검출하도록 구성하여도 좋다.
또, 도 2에는, 스케일(102)의 신호 트랙(103)의 형태를 나타내고, 도 3에는, 도 2 내에 점선으로 나타내는 A 영역을 확대하여 도시하고 있다. 또, 도 4는, 이해를 쉽게 하기 위해서, 도 3에 나타내는 신호 트랙(103)의 패턴을 직선 형상으로 전개한 것이다.
신호 트랙(103)의 패턴은, 광원(101)으로부터의 광에 정현파 형상의 변조를 행해지는 것이기 때문에, 변조의 암부(暗部; dark section)(사선부)(115)와 명부(明部; bright section)(116)가 교대로 구성되고, 기본 주기 λ에서 Λ=mλ(m은 자연수)의 주기마다 반복되는 위상 변조가 부여되고 있다. 또한, 위상 변조의 주기 Λ는 신호 트랙(103)의 1주를 k 등분하는 각도이며, 본 실시 형태에서는 k=16, m=8로 하고 있다.
도 2 및 도 3에 나타낸 바와 같이, 광검출부(104)는 광검출기(107~114)를 갖고, 광검출기(107~114)는 단일의 신호 트랙(103)에 대향하여 배치된다. 또, 광검출기(107, 109, 111, 113)는, 스케일(102)의 외주측에서, 동일 반경 상에서, 둘레 방향을 따라 배치되고, 상세한 것은 후술하는 바와 같이 위상 변조 파형의 정현파를 출력한다. 광검출기(108, 110, 112, 114)는, 광검출기(107, 109, 111, 113)에 대해 스케일(102)의 내주측에서, 동일 반경 상에서, 둘레 방향을 따라 배치되고, 상세한 것은 후술하는 바와 같이 위상 변조 파형의 여현파를 출력한다. 또, 광검출기(107)와 광검출기(108), 광검출기(109)와 광검출기(110), 광검출기(111)와 광검출기(112), 광검출기(113)와 광검출기(114)의 각 쌍은 스케일(102)에서의 각각 다른 직경 상을 따라 배치되어 있다. 또, 광검출기(107)와 광검출기(108)로 제 1 광검출기 쌍을 구성하고, 광검출기(109)와 광검출기(110)로 제 2 광검출기 쌍을 구성하고, 광검출기(111)와 광검출기(112)로 제 3 광검출기 쌍을 구성하고, 광검출기(113)와 광검출기(114)로 제 4 광검출기 쌍을 구성한다.
상술한 바와 같이 형성되어 있는 신호 트랙(103)의 패턴에 대해, 본 실시 형태에서는 도 3에 나타낸 바와 같이, 광검출기(107) 및 광검출기(108)로 구성되는 제 1 광검출기 쌍과, 광검출기(109) 및 광검출기(110)로 구성되는 제 2 광검출기 쌍은 Λ/2의 주기(일반적으로는, {(2n+1)Λ/2}의 주기(n은 0 이상의 정수))만큼 떨어진 위치에 배치되고, 마찬가지로, 광검출기(111) 및 광검출기(112)로 구성되는 제 3 광검출기 쌍과, 광검출기(113) 및 광검출기(114)로 구성되는 제 4 광검출기 쌍에 대해서도, Λ/2의 주기(일반적으로는, {(2n+1)Λ/2}의 주기)만큼 떨어진 위치에 배치된다. 또한, 제 1 광검출기 쌍과 제 3 광검출기 쌍, 제 3 광검출기 쌍과 제 2 광검출기 쌍, 제 2 광검출기 쌍과 제 4 광검출기 쌍은 각각 Λ/4의 주기(일반적으로는, {(2n+1)Λ/4}의 주기)만큼 떨어진 위치에 배치된다.
또한, 광검출기(107~114)는 도 5에 나타낸 바와 같이 구성되어 있다. 또, 도 5는, 도 4의 도시에 대응하여, 도 3에 나타내는 각 광검출기를 직선 형상으로 배치한 상태로 도시하고 있다. 제 1 광검출기 쌍을 구성하는 광검출기(107) 및 광검출기(108)를 예로 설명하면, 광검출기(107)는 서브검출기(107a, 107b, 107c)로 구성되고, 광검출기(108)는 서브검출기(108a, 108b)로 구성되어 있다. 서브검출기(107b) 및 서브검출기(107c)는 서브검출기(107a)의 면적의 각각 1/2로 형성되고, 서브검출기(107a)를 사이에 두고 서브검출기(107a)에 대해 기본 주기 λ의 1/2 어긋난 위치에 배치된다. 서브검출기(108a)와 서브검출기(108b)는 동일 면적으로 이루어지며, 서브검출기(108a)와 서브검출기(108b)도 기본 주기 λ의 1/2 어긋난 위치에 배치된다. 또한, 서브검출기(107a)와 서브검출기(108a) 및 서브검출기(108b)는 서로 기본 주기 λ의 1/4 어긋나 배치되어 있다. 다른 제 2 광검출기 쌍을 구성하는 광검출기(109) 및 광검출기(110), 제 3 광검출기 쌍을 구성하는 광검출기(111) 및 광검출기(112), 제 4 광검출기 쌍을 구성하는 광검출기(113) 및 광검출기(114)에 대해서도, 상술한 제 1 광검출기 쌍과 동일하게 구성되어 있다.
이상과 같은 구성을 갖는 본 실시 형태 1의 광학식 인코더(100)에 있어서의 동작에 대해 이하에 설명한다.
상술한 바와 같이, 기본 주기 λ에서 Λ=mλ 주기마다 반복하는 위상 변조가 행해진 신호 트랙(103)의 신호 패턴에 있어서, 위상 변조 패턴의 전기각 원점(117)(도 4)은 점선으로 나타낸 기본 주기 λ의 전기각 원점(117a)에 대해 위상 변조에 따라 δ(θ)의 어긋남이 발생한다. 위상 변조 패턴의 f[θ] 파형, 및 δ[θ] 파형은, 예컨대,
로 되는 강도 변조로 주어진다.
또, 도 5를 참조하여 상술한 바와 같이, 예컨대 광검출기(107)를 구성하는 서브검출기(107a, 107b, 107c)가 규정 위치에 배치되고, 광검출기(108)를 구성하는 서브검출기(108a, 108b)가 규정 위치에 배치되어 있는 상태에서는, 서브검출기(107a)의 중심을 기준으로 하여, 그 출력 f7a[θ]가,
으로 주어질 때, 서브검출기(107b)의 출력 f7b[θ] 및 서브검출기(107c)의 출력 f7c[θ]는, 각각
로 나타낼 수 있다. 여기서, β가 작고, m이 클 때에는, f7a[θ]-(f7b[θ]+f7c[θ])는,
로 근사될 수 있다. 또, β는 위상 변조파의 위상 진폭을 나타내고, 0<β<π에서 임의로 설정 가능한 정수, m은 자연수이다.
또, 서브검출기(108a)의 출력 f8a[θ] 및 서브검출기(108b)의 출력 f8b[θ]는,
로 나타낼 수 있다. 여기서, β가 작고, m이 클 때에는, f8a[θ]-f8b[θ]는,
로 근사될 수 있다. 따라서, 동일 위치 θ에 있어서, 광검출기(107)가 정현 신호를 출력하고, 광검출기(108)가 여현 신호를 출력한다.
이 광검출기(107)의 정현 신호와 광검출기(108)의 여현 신호는 연산부(106)의 전기각 연산부(106a)에서 제산(除算)이 행해져, 즉 아크탄젠트 연산(arctangent operation)이 행해지는 것에 의해, 하기 (10)식에 나타내어지는 전기각이 구해진다.
또, 제 2 광검출기 쌍을 구성하는 광검출기(109) 및 광검출기(110)는, 상술한, 제 1 광검출기 쌍을 구성하는 광검출기(107) 및 광검출기(108)에 대해, 위상 변조 주기의 반주기, Λ/2 어긋난 위치에 배치되어 있다. 따라서, 광검출기(109) 및 광검출기(110)로부터 얻어지는 아크탄젠트 연산 출력은, 하기 (11)식에 나타낸 바와 같이, 위상 변조항의 부호가 (10)식에 대해 반전된다.
또 연산부(106)의 합 연산부(106b)에서, 제 1 광검출기 쌍을 구성하는 광검출기(107) 및 광검출기(108)에 의한, (10)식에 나타내는 전기각 연산 결과와, 제 2 광검출기 쌍을 구성하는 광검출기(109) 및 광검출기(110)에 의한, (11)식에 나타내는 전기각 연산 결과의 합을 연산한다. 해당 연산에 의해, 하기 (12)식에 나타낸, 기본 주기에 의한 전기각이 구해진다.
또, 연산부(106)의 차 연산부(106c)에서, (10)식에 나타내는 전기각 연산 결과와, (11)식에 나타내는 전기각 연산 결과의 차를 연산하는 것에 의해, 하기 (13)식에 나타낸 위상 변조 성분을 추출한다.
(13)식으로 얻은 위상 변조 주기 Λ의 신호에 의해 내삽 각도가 검출 가능하다. 그러나, 보다 내삽 각도의 정밀도를 높이기 위해서, 이하의 수법을 채용하는 것이 바람직하다.
즉, 상기 위상 변조 주기 Λ의 신호는, (13)식에 나타낸 바와 같이 정현파 신호이며, 전기각 분해능에 위치 의존성이 존재한다.
한편, 제 3 광검출기 쌍을 구성하는 광검출기(111, 112), 및 제 4 광검출기 쌍을 구성하는 광검출기(113, 114)는, 각각, 제 1 광검출기 쌍을 구성하는 광검출기(107, 108), 및 제 2 광검출기 쌍을 구성하는 광검출기(109, 110)에 대해, 위상 변조 주기의 1/4 주기(Λ/4)만큼 서로 어긋난 위치에 마련되어 있다. 따라서, 이들 제 3 광검출기 쌍의 광검출기(111, 112), 및 제 4 광검출기 쌍의 광검출기(113, 114)에 대해, 상술한 제 1 광검출기 쌍 및 제 2 광검출기 쌍의 경우와 마찬가지로, 연산부(106)에서 각각의 전기각 연산 결과의 차를 연산하면, 하기 (14)식에 나타낸 바와 같이, (13)식에 대해 전기각으로 90° 위상이 시프트된 여현파 형상의 위상 변조 신호를 얻을 수 있다.
그리고, 연산부(106)의 전기각 연산부(106a)에서, 제 1 광검출기 쌍 및 제 2 광검출기 쌍으로부터 구한, 상기 (13)식에 나타내는 위상 변조 신호와, 제 3 광검출기 쌍 및 제 4 광검출기 쌍으로부터 구한, 상기 (14)식에 나타내는 위상 변조 신호의 아크탄젠트 연산을 행한다. 이 연산 결과에 의해, 전기각 분해능에 위치 의존성이 존재하지 않는, 주기 Λ에서의 전기 각도 2πθ/Λ를 얻을 수 있다.
이와 같이 본 실시 형태 1의 광학식 인코더에 의하면, 위상 변조 신호의 전기각을, 보다 높은 정밀도로 구하는 것이 가능해진다. 따라서, 종래에 비하여 고분해능의 광학식 인코더가 제공 가능해진다.
(실시 형태 2)
실시 형태 1의 광학식 인코더로서는, 상술한 바와 같이, 광검출기(107) 및 광검출기(108)로 제 1 광검출기 쌍을, 광검출기(109) 및 광검출기(110)로 제 2 광검출기 쌍을, 광검출기(111) 및 광검출기(112)로 제 3 광검출기 쌍을, 광검출기(113) 및 광검출기(114)로 제 4 광검출기 쌍을 각각 구성하였다.
이에 반하여, 본 실시 형태에서는, 광검출기(107) 및 광검출기(111)와, 광검출기(108) 및 광검출기(112)로 제 1 광검출기 쌍을, 광검출기(109) 및 광검출기(113)와, 광검출기(110) 및 광검출기(114)로 제 2 광검출기 쌍을, 광검출기(111) 및 광검출기(109)와, 광검출기(112) 및 광검출기(110)로 제 3 광검출기 쌍을, 광검출기(113) 및 광검출기(107)와, 광검출기(114) 및 광검출기(108)로 제 4 광검출기 쌍을 각각 구성한다. 그 외의 구성은 실시 형태 1의 광학식 인코더에 있어서의 구성과 동일하다.
상기 제 1 광검출기 쌍을 예에 채용하여 더욱 구체적으로 설명한다. 또, 그 외의 광검출기 쌍에서도 동일하게 생각할 수 있다.
실시 형태 1에서 설명한 바와 같이, 동일한 원주 상에서 외주측에 위치하는 광검출기(107) 및 광검출기(111)로부터 정현파 출력이 얻어지고, 내주측에 위치하는 광검출기(108) 및 광검출기(112)로부터 여현파 출력이 얻어진다. 연산부(106)의 전기각 연산부(106a)에서, 상기 정현파 출력과 상기 여현파 출력의 제산이 행해져, 즉 아크탄젠트 연산이 행하여지는 것에 의해, 상기 (10)식에 나타내어진 것과 동일한 전기각을 얻을 수 있다.
본 실시 형태 2에 있어서의 제 1 광검출기 쌍과 제 2 광검출기 쌍, 및 제 3 광검출기 쌍과 제 4 광검출기 쌍은, 실시 형태 1의 경우와 마찬가지로, 위상 변조 주기의 반주기, 즉 Λ/2 어긋난 위상 관계에 있다. 또, 본 실시 형태 2에 있어서의 제 1 광검출기 쌍과 제 3 광검출기 쌍, 및 제 2 광검출기 쌍과 제 4 광검출기 쌍은 위상 변조 주기의 4분의 1주기, 즉 Λ/4 어긋난 위상 관계에 있다. 따라서, 실시 형태 1에서 설명한 바와 같이, 상기 (12)식의 연산에 의해 기본 주기에 의한 전기각이 구해지고, 상기 (13)식의 연산에 의해 위상 변조 성분이 추출된다.
본 실시 형태 2에 있어서의 광학식 인코더와 같이, 예컨대 광검출기(107) 및 광검출기(108)로부터의 출력을 제 1 광검출기 쌍과 제 4 광검출기 쌍의 2개의 광검출기 쌍에서 공용하는 것에 의해, 연산부(106)에 입력되는 신호의 출력은 실시 형태 1의 경우에 비하여 2배의 출력을 얻을 수 있다. 따라서, 본 실시 형태 2의 광학식 인코더에 의하면, 상술한 실시 형태 1에서의 효과를 얻는 것은 물론, 미약한 신호밖에 얻어지지 않는 형태에서도, 위상 변조 신호의 전기각을 보다 높은 정밀도로 구하는 것이 가능해진다고 하는 이점이 더 있다.
(실시 형태 3)
도 6은 본 발명의 실시 형태 3에 있어서의 광학식 인코더에 구비되는 광검출부(104-3)를 구성하는 각 광검출기의 배치를 나타내는 개략도이다. 또, 도 6에 있어서도, 도 5의 경우와 마찬가지로 각 광검출기를 직선 형상으로 배치한 상태로 도시하고 있다.
본 실시 형태 3에 있어서의 광학식 인코더의 기본적인 구성은, 실시 형태 1 및 실시 형태 2에서의 구성과 동일하지만, 광검출부만의 구성을 달리한다. 즉, 본 실시 형태 3의 광학식 인코더에 구비되는 광검출부(104-3)는, 상술한 광검출기(113) 및 광검출기(114)에 대해 오른쪽으로 Λ/4의 위치에 광검출기(125) 및 광검출기(126)를 더 배치하고 있다. 광검출기(125)는 서브검출기(125a, 125b, 125c)로 구성되고, 광검출기(126)는 서브검출기(126a, 126b)로 구성된다. 서브검출기(125a, 125b, 125c)는 상술한 서브검출기(107a, 107b, 107c)와 동일한 구성을 갖는다. 또, 서브검출기(126a, 126b)에 대해서도, 상술한 서브검출기(108a, 108b)와 동일한 구성을 갖는다.
여기서, 신호 트랙(103)의 패턴은 주기 Λ로 변조되어 있기 때문에, 광검출기(125)와 광검출기(107), 및, 광검출기(126)와 광검출기(108)로부터는 동일한 위상의 신호를 얻을 수 있다.
또한, 본 실시 형태 3에 있어서의 광학식 인코더에서는, 광검출기(107) 및 광검출기(111)와, 광검출기(108) 및 광검출기(112)로 제 1 광검출기 쌍을, 광검출기(109) 및 광검출기(113)와, 광검출기(110) 및 광검출기(114)로 제 2 광검출기 쌍을, 광검출기(111) 및 광검출기(109)와, 광검출기(112) 및 광검출기(110)로 제 3 광검출기 쌍을, 광검출기(113) 및 광검출기(125)와, 광검출기(114) 및 광검출기(126)로 제 4 광검출기 쌍을 구성한다.
이와 같이 구성한 본 실시 형태 3에 있어서의 광학식 인코더에서는, 상기 제 1 광검출기 쌍과 제 2 광검출기 쌍, 및, 제 3 광검출기 쌍과 제 4 광검출기 쌍은 실시 형태 2의 경우와 마찬가지로 위상 변조 주기의 반주기, 즉 Λ/2 어긋난 위상 관계에 있고, 또한, 제 1 광검출기 쌍과 제 3 광검출기 쌍, 및, 제 2 광검출기 쌍과 제 4 광검출기 쌍은 위상 변조 주기의 4분의 1 주기, 즉 Λ/4 어긋난 위상 관계에 있다. 따라서, 본 실시 형태 3의 광학식 인코더에 구비되는 연산부(106)에서는, 실시 형태 1에서 설명한 바와 같이, 상기 (12)식의 연산에 의해, 기본 주기에 의한 전기각이 구해지고, 상기 (13)식의 연산에 의해 위상 변조 성분이 추출된다.
실시 형태 2에서는, 제 1 광검출기 쌍, 제 2 광검출기 쌍, 제 3 광검출기 쌍의 각각은 Λ/4 간격으로 배치된 광검출기로부터의 출력을 얻는데 반하여, 제 4 광검출기 쌍은 3Λ/4 간격으로 배치된 광검출기로부터의 출력을 얻고 있다. 신호 트랙(103)의 패턴은 주기 Λ로 변조되어 있기 때문에, 제 4 광검출기 쌍 내의 광검출기(113)와 광검출기(107), 및 광검출기(114)와 광검출기(108)는 출력의 위상으로서는 다른 광검출기와 마찬가지로 위상Λ/4의 위치 관계에 있다. 그러나, 제 4 광검출기 쌍 내의 광검출기(113, 107, 114, 108)에서는, 스케일(102)의 실제 1회전 내의 기계각 위치가 다른 광검출기 쌍과는 상이하다. 따라서, 예컨대 스케일(102)이 회전축(105)에 대해 어긋나 어셈블링되는(assembled) 경우에는, 실시 형태 2의 구성에서는, 제 4 광검출기 쌍만이 다른 광검출기 쌍과는 다른 신호 거동(signal behavior)을 나타내는 것이 염려된다.
이에 대하여 본 실시 형태 3의 구성에서는, 제 1 내지 제 4의 모든 광검출기 쌍에 있어서, 위상 및 스케일(102)의 1회전 내의 기계각 위치 관계가 동일해진다. 따라서, 가령 예컨대, 스케일(102)가 회전축(105)에 대해 어긋나 어셈블링된 경우라도, 본 실시 형태 3의 광학식 인코더에 의하면, 안정한 신호를 획득할 수 있다고 하는 효과를 얻을 수 있다. 물론, 본 실시 형태 3의 광학식 인코더는 상술한 실시 형태 1의 광학식 인코더가 획득하는 효과를 얻을 수 있다.
(실시 형태 4)
도 7은 본 발명의 실시 형태 4에 있어서의 광학식 인코더에 구비되는 광검출부(104-4)를 구성하는 광검출기의 배치를 나타내는 개략도이다. 또, 도 7에 있어서도, 도 5 및 도 6의 경우와 마찬가지로 각 광검출기를 직선 형상으로 배치한 상태로 도시하고 있다.
본 실시 형태 4에 있어서의 광학식 인코더의 기본적인 구성은, 실시 형태 1 및 실시 형태 2에서의 구성과 동일하며, 광검출부만의 구성을 달리한다.
즉, 본 실시 형태 4의 광학식 인코더에 구비되는 도 7에 나타내는 광검출부(104-4)는 광검출기(131~134)를 갖는다. 광검출기(131~134)는 동일한 구성으로 이루어진다. 예컨대 광검출기(131)를 예로 설명하면, 광검출기(131)는 서브검출기(117a, 117b, 117c, 117d, 118a, 118b, 118c, 118d)로 구성된다. 서브검출기(117a, 117b, 117c, 117d)는, 개수는 다르지만, 실시 형태 1에 있어서의 광검출기(107)의 서브검출기(107a~107c)에 상당하고, 서브검출기(118a, 118b, 118c, 118d)는, 개수는 다르지만, 실시 형태 1에 있어서의 광검출기(108)의 서브검출기(108a, 108b)에 상당한다.
서브검출기(117a~117d) 및 서브검출기(118a~118d)는 모두 동일 면적으로 구성된다. 서브검출기(118a)는 서브검출기(117a)에 대해 기본 주기 λ의 1/4 어긋난 위치에 배치된다. 서브검출기(117b)와 서브검출기(118b), 서브검출기(117c)와 서브검출기(118c), 서브검출기(117d)와 서브검출기(118d)에 대해서도 마찬가지로, 기본 주기 λ의 1/4 어긋난 위치에 배치된다. 서브검출기(117a) 및 서브검출기(117c)와, 서브검출기(117b) 및 서브검출기(117d)는 서로 기본 주기 λ의 1/2의 어긋남이 주어져 배치되어 있고, 서브검출기(118a) 및 서브검출기(118c)와, 서브검출기(118b) 및 서브검출기(118d)도, 서로 기본 주기 λ의 1/2의 어긋남이 주어져 배치되어 있다.
또, 서브검출기(117a, 117b)와 서브검출기(118a, 118b)는, 스케일(102)에서의 동일한 직경 상을 따라 배치되고, 서브검출기(117c, 117d)와 서브검출기(118c, 118d)는 스케일(102)에서의 동일한 직경 상을 따라 배치되고, 서브검출기(117a, 117b, 118a, 118b)와 서브검출기(117c, 117d, 118c, 118d)는 스케일(102)에서의 다른 직경 상을 따라 배치되어 있다.
또한, 실시 형태 1에서 설명한 제 1 광검출기 쌍 및 제 2 광검출기 쌍에 상당하는 광검출기(131)와 광검출기(132)는, 실시 형태 1과 마찬가지로, Λ/2의 주기(일반적으로는, {(2n+1)Λ/2}의 주기)만큼 떨어진 위치에 배치되고, 마찬가지로, 제 3 광검출기 쌍 및 제 4 광검출기 쌍에 상당하는 광검출기(133)와 광검출기(134)에 대해서도 Λ/2의 주기(일반적으로는, {(2n+1)Λ/2}의 주기)만큼 떨어진 위치에 배치된다. 또한, 광검출기(131)와 광검출기(133), 광검출기(133)와 광검출기(132), 광검출기(132)와 광검출기(134)는 각각 Λ/4의 주기(일반적으로는, {(2n+1)Λ/4}의 주기)만큼 떨어진 위치에 배치된다.
이상과 같이 구성된 광검출부(104-4)를 구비한 본 실시 형태 4의 광학식 인코더는 이하와 같이 동작한다.
동작으로서는 실시 형태 1의 경우와 거의 동일하다. 즉, 서브검출기(117a)의 출력을 f7a[θ], 서브검출기(117b)의 출력을 f7b[θ], 서브검출기(107c)의 출력을 f7c[θ], 및, 서브검출기(117d)의 출력을 f7d[θ]라고 하면, (f7a[θ]+f7c[θ])-(f7b[θ]+f7d[θ])은 실시 형태 1에서 설명한 (6)식에서의 정현 출력 f7a[θ]-(f7b[θ]+f7c[θ])와 동일한 출력으로 된다. 마찬가지로, 서브검출기(118a~118d)에 대해서도, 그들의 출력을 각각 f8a[θ], f8b[θ], f8c[θ], f8d[θ]라고 하면, (f8a[θ]+f8c[θ])-(f8b[θ]+f8d[θ])은 실시 형태 1에서 설명한 (9)식에서의 여현 출력 f8a[θ]-f8b[θ]와 동일한 출력으로 된다. 이하 마찬가지로, 연산부(106)의 전기각 연산부(106a)에 의한 연산을 행하는 것에 의해, 본 실시 형태 4의 광학식 인코더는 실시 형태 1에서 설명한 것과 동일한 효과를 얻을 수 있다.
실시 형태 1에서는, 서브검출기(107a)를 샌드위치하도록 서브검출기(107b 및 107c)를 배치함으로써, (6)식으로 나타내어지는 정현 출력 f7a[θ]-(f7b[θ]+f7c[θ])와, (9)식으로 나타내어지는 여현 출력 f8a[θ]-f8b[θ]의 스케일(102)의 회전각에 대한 위상을 대략 일치시키는 효과가 있다. 그러나, 실시 형태 1에서는, 서브검출기(107)쪽이 서브검출기(108)보다 넓은 각도 범위로부터의 신호를 출력하게 된다. 따라서, 스케일(102)이 회전 중심에 대해 어긋나 어셈블링된 경우에는, (6)식과 (9)식을 이용하여 연산되는 출력간에 위상 어긋남이 발생하여, (10)식을 이용하여 연산되는 전기각에 각도 검출 오차가 발생하는 경우가 생각된다.
이에 반하여, 본 실시 형태 4에 있어서의 광학식 인코더에서는, 예컨대 광검출기(131)에서는, 스케일(102)에서의 외주측과 내주측에, 서브검출기(117a~117d), 및 서브검출기(118a~118d)를 고르게(evenly) 배치하고 있다. 따라서, 정현 출력 및 여현 출력의 스케일(102)의 회전각에 대한 위상을 대략 일치시킴과 아울러, 정현 출력 및 여현 출력의 신호 검출의 각도 범위도 대략 일치시킬 수 있다. 따라서, 가령, 스케일(102)이 회전 중심에 대해 어긋나 어셈블링된 경우도 포함시켜, 실시 형태 1에 있어서의 광학식 인코더에 비하여, 실시 형태 4에 있어서의 광학식 인코더는 보다 안정한 각도 검출값을 얻는 것이 가능하다. 물론, 본 실시 형태 4의 광학식 인코더에 있어서도, 단일의 신호 트랙(103)을 갖는 것에 의해, 실시 형태 1의 광학식 인코더의 경우와 마찬가지로 스케일(102)의 소형화라는 효과를 얻을 수 있다.
(실시 형태 5)
본 실시 형태 5에 있어서의 광학식 인코더는, 상술한 실시 형태 4의 광학식 인코더에 구비되는 광검출부(104-4)에 대해, 상술한 실시 형태 2와 동일한 신호 처리 방법을 채용하여, 광검출부(104-4)의 신호 강도를 크게 얻도록 구성한 광학식 인코더이다.
구체적으로 설명한다. 실시 형태 4에서는, 광검출기(131~134)는 각각 독립된 검출기를 구성하였다. 이에 반하여 본 실시 형태 5에 있어서의 광학식 인코더에서는, 광검출기(131)와 광검출기(133)로 제 1 광검출기 쌍을, 광검출기(132)와 광검출기(134)로 제 2 광검출기 쌍을, 광검출기(133)와 광검출기(132)로 제 3 광검출기 쌍을, 광검출기(134)와 광검출기(131)로 제 4 광검출기 쌍을 각각 구성한다.
이와 같이 구성함으로써, 본 실시 형태 5에 대해서도, 실시 형태 2와 마찬가지로, 예컨대 광검출기(131)로부터의 출력을 제 1 광검출기 쌍과 제 4 광검출기 쌍의 2개의 광검출기 쌍에서 공용할 수 있다. 이것에 의해, 연산부(106)에 입력되는 신호의 출력은, 본 실시 형태 5의 경우, 실시 형태 4의 경우에 비하여 2배의 출력을 얻는 것이 가능해진다. 따라서, 실시 형태 2의 경우와 마찬가지로 본 실시 형태 5의 광학식 인코더는, 미약한 신호밖에 얻어지지 않는 형태에서도, 위상 변조 신호의 전기각을 보다 높은 정밀도로 구하는 것이 가능해진다고 하는 이점이 있다. 또, 본 실시 형태 5의 광학식 인코더는 상술한 실시 형태 1의 광학식 인코더가 획득하는 효과를 물론 얻을 수 있다.
(실시 형태 6)
도 8은 본 발명의 실시 형태 6에 있어서의 광학식 인코더에 구비되는 광검출부(104-6)를 구성하는 광검출기의 배치를 나타내는 개략도이다. 또, 도 8에 있어서도, 도 5 등의 경우와 마찬가지로 각 광검출기를 직선 형상으로 배치한 상태로 도시하고 있다.
본 실시 형태 6에 있어서의 광학식 인코더의 기본적인 구성은, 실시 형태 1 및 실시 형태 2에 있어서의 구성과 동일하지만, 광검출부만의 구성을 달리한다. 도 8에 나타낸 바와 같이, 본 실시 형태 6에 있어서의 광학식 인코더에 구비되는 광검출부(104-6)는, 상술한 실시 형태 4 및 실시 형태 5의 경우와 동일한 광검출기(131~134)를 갖고, 또한, 광검출기(134)에 대해 Λ/4 오른쪽으로 광검출기(135)를 배치하고 있다. 각 광검출기(131~135)에 있어서, 광검출기에 구비되는 서브검출기의 구성은 실시 형태 4에서 설명한 구성과 동일하다.
또한, 본 실시 형태 6에 있어서, 광검출기(131)와 광검출기(133)로 제 1 광검출기 쌍을, 광검출기(132)와 광검출기(134)로 제 2 광검출기 쌍을, 광검출기(133)와 광검출기(132)로 제 3 광검출기 쌍을, 광검출기(134)와 광검출기(135)로 제 4 광검출기 쌍을 각각 구성한다.
이상과 같이 구성되는 본 실시 형태 6에 있어서의 광학식 인코더에서는, 상술한 실시 형태 1의 광학식 인코더가 획득하는 효과를 얻을 수 있는 것은 물론, 상술한 실시 형태 3의 광학식 인코더와, 실시 형태 4 및 실시 형태 5의 광학식 인코더의 효과를 더불어 가지는 효과를 얻을 수 있다.
(실시 형태 7)
실시 형태 1~6에 있어서의 광학식 인코더에서는, 스케일(102)은 단일의 신호 트랙(103)을 갖는 구성을 나타내고 있다. 단일의 신호 트랙(103)을 가짐으로써, 실시 형태 1~6에 있어서의 광학식 인코더는 스케일(102)을 소형화할 수 있다고 하는 효과를 얻을 수 있다.
한편, 도 9에 나타내는 스케일(102-1)과 같이, 복수의 신호 트랙(103, 151)을 마련할 수도 있다. 본 실시 형태 7에 있어서의 광학식 인코더는, 실시 형태 1에 있어서의 광학식 인코더에 구비되는 스케일(102) 대신에 상기 스케일(102-1)을 마련한 구성을 갖는다. 스케일(102-1)에 있어서의 제 2 신호 트랙(151)은 제 1 신호 트랙(103)의 기본 주기보다 미세한 피치를 갖는 단일의 피치의 신호 트랙으로 구성되어 있다.
또, 본 실시 형태 7에 있어서의 광학식 인코더에서는, 각각의 신호 트랙(103, 151)에 대향하여, 실시 형태 1에서 설명한 광검출부(104, 104) 2개가 각각 배치된다. 또, 광원(101) 및 연산부(106)는 각각의 신호 트랙(103, 151)에 대응하여 마련하더라도 좋고, 신호 트랙(103, 151)에서 공유하도록 구성하여도 좋다.
또한, 본 실시 형태 7에 있어서의 광학식 인코더에서는, 제 1 신호 트랙(103)의 패턴에 의해 연산부(106)에서 구해지는 기본 주기의 전기각의 내삽 정밀도보다 좋아지도록 제 2 신호 트랙(151)의 피치를 설정한다. 이것에 의해, 제 1 신호 트랙(103)에 의해 제 2 신호 트랙(151)의 파수 위치를 특정하는 것이 가능해진다.
또, 본 실시 형태 7에 있어서의 광학식 인코더에서는, 제 2 신호 트랙(151)을 스케일(102-1)의 1회전으로 1회의 주기를 갖는 신호 패턴으로 하고, 그 검출 정밀도를 제 1 신호 트랙(103)에서 얻어지는 위상 변조 주기 이상으로 설정한다. 이것에 의해, 제 2 신호 트랙(151)에서 위상 변조 주기의 파수 위치를 특정할 수 있고, 또한, 제 1 신호 트랙(103)으로부터 얻어지는 위상 변조 신호의 전기각에 의해, 제 1 신호 트랙(103)의 기본 주기의 파수 위치를 특정할 수 있어, 1회전의 절대 각도 위치가 특정 가능해진다.
또, 제 1 신호 트랙(103)의 기본 주기보다 미세한 피치를 갖는 제 3 신호 트랙을 더 부가하더라도 좋다. 이 경우, 제 3 신호 트랙에서 분해능이 규정되는 1회전 절대값의 검출이 가능하게 된다.
이상과 같이, 실시 형태 7의 광학식 인코더에 의하면, 2개의 신호 트랙을 가지므로 상술한 실시 형태 1~6의 구성에 비하여 장치 소형화의 점에서는 약간 뒤떨어지지만, 실시 형태 1~6의 광학식 인코더에 비하여 보다 고분해능을 얻을 수 있다.
(실시 형태 8)
다음으로, 실시 형태 8에 있어서의 광학식 인코더에 대하여 설명한다.
종래의 광학식 인코더의 과제의 하나로서, 광학계의 갭, 즉 스케일의 신호 트랙에 대한 광원과 광검출부의 간극의 여유를 향상시켜야 하는 과제가 있다. 이 과제를 극복하는 유효한 방책으로서, 3격자 방식을 이용한 광학계를 들 수 있다. 이 3격자 방식에서는, 상기 갭이 스케일 상에서 신호 트랙을 구성하는 슬릿의 피치로 결정된다. 따라서, 스케일의 회전 각도의 절대값 검출을 행하기 위해서 긴 주기와 짧은 주기의 슬릿을 스케일에 배치하고자 하면, 필요한 광학계의 갭의 차가 지나치게 커지게 되어, 광학식 인코더의 구성이 어려워진다고 하는 문제점이 있었다.
구체적으로 설명한다. 스케일의 1회전의 절대 각도 위치를 검출하기 위해서, 실시 형태 7에서 설명한 바와 같이, 제 1 신호 트랙(103)의 기본 주기보다 미세한 피치를 갖는 단일의 피치로 배열된 슬릿을 갖는 제 2 신호 트랙을 이용한다. 이러한 제 2 신호 트랙을 이용한 3격자 방식의 광학계를 예로 채용한다. 이 구성에서는, 제 1 신호 트랙과 제 2 신호 트랙에 있어서, 각 트랙을 구성하는 각각의 슬릿의 신호 피치가 상이하다. 따라서, 각 신호 트랙에 대해 슬릿의 상(像)을 가장 잘 생성하는 각 광검출부의 스케일에 대한 위치가 상이하다. 환언하면, 각 광검출부와 스케일의 각각의 최적갭이 제 1 신호 트랙과 제 2 신호 트랙에서 상이하다. 따라서, 이러한 각 광검출부를 갖는 광학계의 구성이 곤란하게 된다고 하는 과제가 있다.
그래서, 본 실시 형태 8에 따른 광학식 인코더에서는, 스케일은, 버니어를 구성하는 주 슬릿의 신호 트랙과, 해당 주 슬릿의 신호 트랙에 대해 소정 파수만큼 상이한 파수를 가지는 부 슬릿의 신호 트랙으로 구성한다. 그리고, 부 슬릿으로부터 얻어지는 파형을, 기본 주기의 정현파에 소정의 주기로 위상 변조파를 중첩한 파형으로 되도록 구성한다.
이와 같이 구성함으로써, 2개의 신호 트랙을 구성하는 각각의 슬릿에 있어서의 신호 피치를 가깝게 할 수 있다. 따라서, 광학식 인코더의 광학계의 상기 갭이 과대하게 되고, 또한 차이나는 것이 없어져, 3격자 방식을 이용한 광학계의 적용이 가능해진다. 이하에, 도 10을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
도 10은 본 발명의 실시 형태 8에 따른 광학식 인코더(200)를 나타내는 구성도이다. 상기 광학식 인코더(200)는 광원(101, 201)과, 스케일(102-2)과, 광검출부(104, 204)와, 광검출부(104)에 접속되는 연산부(206)를 구비한다.
광원(101), 제 1 신호 트랙(103), 및 광검출부(104)는 실시 형태 1에서 설명한 구성과 동일하다.
회전축(105)을 중심으로 회전하여 상기 제 1 신호 트랙(103)을 갖는 스케일(102-2)은 제 1 신호 트랙(103)보다 외주측에서 제 1 신호 트랙(103)에 인접하여 제 2 신호 트랙(203)을 갖는다. 광원(201) 및 광검출부(204)는 제 2 신호 트랙(203)에 대향하여 배치된다. 연산부(206)는 광검출부(104, 204)로부터 얻어진 신호를 연산하여, 스케일(102-2)의 회전 각도 위치를 출력하기 위한 연산 수단이다. 또, 연산부(206)는, 실시 형태 1에서 설명한 연산부(106)와 동일한 동작을 행하는 부분이고, 기능적으로 상술한 전기각 연산부(106a), 합 연산부(106b), 및 차 연산부(106c)를 갖는다.
본 실시 형태에서는, 광원(101, 201)은, 각 트랙(103, 203)에 대해 하나씩 마련되어 있지만, 하나의 광원을 2개의 신호 트랙(103, 203)에 조사하고, 그 투과광을 광검출부(104, 204)에서 검출하는 구성을 채용하더라도 좋다. 또한, 본 실시 형태에서는, 도시한 바와 같이, 광검출부(104, 204)와 스케일(102-2) 사이에, 제 1 신호 트랙(103)에 대향하여 검출 슬릿(208)을, 제 2 신호 트랙(203)에 대향하여 검출 슬릿(209)을 각각 마련한 고정 스케일(207)을 배치하고 있다. 그러나, 해당 구성에 한정되지 않고, 실시 형태 1과 같이 신호 트랙(103, 201)으로부터의 투과광을 직접 광검출부(104, 204)에서 검출하도록 구성하여도 좋다.
도 11은 스케일(102-2)에 있어서의 제 1 신호 트랙(103) 및 제 2 신호 트랙(203), 및 광검출부(104, 204)의 배치를 나타낸 도면이다. 제 2 신호 트랙(203)은 제 1 신호 트랙(103)의 1주를 n등분하는 주기 ξ로 슬릿이 배치되고, 상세하게는 도시하고 있지 않지만, 주기 ξ에 대응하여 정현파 및 여현파를 출력하는 광검출부(204), 또는 광검출부(204) 및 검출 슬릿(209)의 조합으로 이루어지는 광검출부가 구성된다.
또, 제 1 신호 트랙(103)에 대한 광검출부(104)는 실시 형태 1~6과 동일한 구성을 채용할 수 있다. 도 11에 나타내는 광검출부(104)는, 도 3에 나타내는 구성과 동일하지만, 도시의 간략화를 위해, 도 3에 나타내는 광검출기(107) 및 광검출기(108)를 하나의 블록으로 광검출기 쌍(104a)으로서 도시하고, 광검출기(111) 및 광검출기(112)를 하나의 블록으로 광검출기 쌍(104b)으로서 도시하고, 광검출기(109) 및 광검출기(110)를 하나의 블록으로 광검출기 쌍(104c)으로서 도시하고, 광검출기(113) 및 광검출기(114)를 하나의 블록으로 광검출기 쌍(104d)으로서 도시하고 있다.
또, 광검출부(204)는 2개의 광검출기를 하나의 블록으로 광검출기 쌍(204a)으로서 도시하고 있다.
제 2 신호 트랙(203)은, 상술한 바와 같이 제 1 신호 트랙(103)의 1주를 n등분하는 주기 ξ로 슬릿이 배치되고, 제 1 신호 트랙(103)은 기본 주기 λ로 Λ=mλ(m은 자연수)의 주기마다 반복되는 위상 변조가 주어져 있다. 또, 위상 변조의 주기 Λ는 신호 트랙(103)의 1주를 k등분하는 각도이다. 본 실시 형태 8에서는, n=2048, k=16, m=112라고 하고 있다. 즉, 제 2 신호 트랙(203)의 주기를 ξ=360/n, 제 1 신호 트랙(103)의 기본 주기 λ=360/L이라고 하면, 주파수 차 j=n-L=256로 된다. 제 1 신호 트랙(103)과 제 2 신호 트랙(203)의 주파수 차 j=n-L에 의해, 버니어를 구성하고 있다. 즉, 본 실시 형태 8에서는, 2개의 신호 트랙(103, 203)으로부터 2048파, 256파, 16파의 3개의 주파수의 신호를 얻을 수 있다.
또, 주 신호 트랙인 제 2 신호 트랙(203)의 스케일(102-2) 상의 반경 위치를 R이라고 하고, 부 신호 트랙인 제 1 신호 트랙(103)을 제 2 신호 트랙(203)보다 내주측에 배치하는 것에 의해, 제 2 신호 트랙(203) 및 제 1 신호 트랙(103)에서의 각 슬릿의 신호 피치를 동일하게 할 수 있다. 구체적으로는, 제 1 신호 트랙(103)의 반경 위치를 R×(L/n)의 위치로 설정하면, 제 2 신호 트랙(203)을 구성하는 슬릿의 피치 2πR/n에 대해, 제 1 신호 트랙(103)을 구성하는 슬릿의 피치는 2π(R×L/n)/L=2πR/n으로 되어, 제 1 신호 트랙(103)을 구성하는 슬릿과 제 2 신호 트랙(203)을 구성하는 슬릿의 피치를 매칭시킬 수 있게 된다.
상술한 바와 같이 구성함으로써, 제 2 신호 트랙(203)에서의 슬릿의 피치와, 제 1 신호 트랙(103)에서의 슬릿의 피치를 일치 또는 대략 일치시킬 수 있다. 따라서, 광학식 인코더의 광학계의 상기 갭이 과대하고 또한 차이나는 것은 없어진다. 구체적으로는, 제 2 신호 트랙(203)과 광검출부(204)의 간극과, 제 1 신호 트랙(103)과 광검출부(104)의 간극을 일치 또는 대략 일치시킬 수 있다. 따라서, 3격자 방식을 이용한 광학계의 적용이 가능해진다.
또, 본 실시 형태 8에 있어서의 광학식 인코더에서도, 상술한 실시 형태 1~7의 광학식 인코더의 경우와 마찬가지로, 고분해능을 갖는다고 하는 효과를 얻을 수 있다는 것은 말할 필요도 없다.
본 실시 형태 8에서는, 도시한 바와 같이 또한 상술한 바와 같이, 광학식 인코더(200)는 로터리 인코더의 경우를 예로 채용하지만, 이 형태에 한정되지 않고, 리니어 인코더의 실시 형태에 대해서도 본 발명은 적용 가능하다. 또, 본 실시 형태 8에서는, 광검출부(104, 204)는, 신호 트랙(103, 203)을 투과한 광원(101, 201)으로부터의 광속을 검출하지만, 이 형태에 한정되지 않고, 반사광을 검출하도록 구성하여도 좋다.
(실시 형태 9)
실시 형태 8에서는, 제 1 신호 트랙(103)과 제 2 신호 트랙(203)의 주파수 차 j=n-L로 되도록, 제 2 신호 트랙(203)을 구성하는 주 슬릿의 파수 n에 대해 제 1 신호 트랙(103)을 구성하는 부 슬릿의 파수 L을 적은 파수로 되도록 결정하였다. 이에 반하여, 부 슬릿의 파수 h를 주 슬릿의 파수 n에 대해 j만큼 많게 취하도록, 즉, j=h-n으로 되도록 부슬릿의 파수 h를 설정하는 것도 가능하다. 본 실시 형태 9에 있어서의 광학식 인코더는, 그러한, 부 슬릿의 파수 h를 주 슬릿의 파수 n에 대해 j만큼 많게 취한 구성을 갖는다. 또, 본 실시 형태 9의 광학식 인코더에 있어서, 그 외의 구성은 실시 형태 8에 있어서의 구성과 동일하다.
본 실시 형태 9의 광학식 인코더에서는, 도 12에 나타낸 바와 같이, 주 슬릿을 갖는 제 2 신호 트랙(203-2)의 스케일 상의 반경 위치를 R이라고 하면, 부 슬릿을 갖는 제 1 신호 트랙(103-2)을 제 2 신호 트랙(203-2)보다 외주측에 배치한다. 이것에 의해, 제 2 신호 트랙(203-2)을 구성하는 슬릿과, 제 1 신호 트랙(103-2)을 구성하는 슬릿의 신호 피치를 동일하게 할 수 있다. 구체적으로는, 제 1 신호 트랙(103-2)의 반경 위치를 R×(h/n)의 위치로 설정하면, 제 2 신호 트랙(203-2)을 구성하는 제 2 슬릿의 피치 2πR/n에 대해, 제 1 신호 트랙(103-2)을 구성하는 제 1 슬릿의 피치는 2π(R×h/n)/h=2πR/n으로 된다. 이와 같이, 제 2 신호 트랙(203-2)을 구성하는 제 2 슬릿의 피치와, 제 1 신호 트랙(103-2)을 구성하는 제 1 슬릿의 피치를 일시킬 수 있게 된다.
본 실시 형태 9의 광학식 인코더에 의하면, 상술한 실시 형태 1 등의 광학식 인코더의 경우와 마찬가지로 고분해능을 갖는다고 하는 효과를 얻는 것은 물론, 또 이하의 효과를 얻을 수 있다. 즉, 스케일에 대해 광검출부가 차지하는 각도 범위를 있는 일정값으로 규정한 경우, 스케일의 외주측쪽이 내주측보다 곡율이 작으므로, 광검출부의 실제 면적은 스케일의 외주측쪽이 보다 넓은 면적을 취할 수 있다. 따라서, 위상 변조파에서 신호를 취출하기 위해 광검출기의 수가 많아지는 광검출부를 스케일의 외주측에 배치한 쪽이, 광검출부의 구성이 물리적으로 용이하게 된다. 본 실시 형태에서는, 부 슬릿을 갖는 제 1 신호 트랙(103-2)을 제 2 신호 트랙(203-2)보다 외주측에 배치하고 있어, 광검출부의 구성을 용이하게 할 수 있다.
(실시 형태 10)
실시 형태 10에 있어서의 광학식 인코더의 구성에 대해 설명한다. 본 실시 형태 10에 있어서의 광학식 인코더의 기본적인 전체 구성은, 도 10 및 도 11에 나타내는 구성과 동일하지만, 스케일 상의 2개의 신호 트랙을 구성하는 슬릿의 배치가 도 10 및 도 11에 나타내는 경우와 상이하다. 또, 도 10에 나타내는 검출 슬릿(208, 209)에 대해서도, 본 실시 형태 10에 있어서의 광학식 인코더에서는 구성이 상이하다.
우선, 상기 2개의 신호 트랙의 상세 구성에 대해 도 13~도 16을 참조하여 설명한다.
도 13은 실시 형태 10에 있어서의 광학식 인코더에 구비되는 스케일에 구비되는 신호 트랙(233, 243)에 패터닝되어 있는 슬릿 패턴을 설명하기 위한 직선 전개도로서, 원주 상의 각도 위치를 직선 위치로 전개하고 있다. 또, 신호 트랙(233)이 도 10 및 도 11에 나타내는 제 1 신호 트랙(103)에 대응하고, 신호 트랙(243)이 제 2 신호 트랙(203)에 대응한다.
신호 트랙(233, 243)에 있어서의 각 슬릿 패턴은 광에 주기적인 정현파 형상의 변조를 부여함으로써, 변조의, 도시한 암부(211)와 명부(212)가 교대로 구성되어 있다. 신호 트랙(243)을 구성하는 슬릿은 일정한 주기 ξ로 배치되고, 신호 트랙(233)에서는 슬릿은 변조되는 주기 λ로 배치된다. 신호 트랙(233, 243)에서의 각 슬릿 패턴도, Λ를 스케일의 1회전을 k 등분하는 주기 Λ=2π/k로 한다. 신호 트랙(233)에 있어서의 주기 λ의 슬릿은, 주기 Λ 내에서 m개의 슬릿 열을 형성하는, 주기마다 반복하는 위상 변조가 부여되어 있다.
한편, 신호 트랙(243)의 주기 ξ는 신호 트랙(233)의 주기 λ의 주기 Λ 내의 파수 L에 대해 j만큼 적은 파수를 기본 주기로 하고, 그것에 대해 위치 θ에 의존한 위상 변조 δ(θ)가 부여된다.
신호 트랙(233)의 위상 변조 패턴의 파형 f[θ]은, 예컨대 그 진폭을 α(0<α<1)이라고 하고, 하기 (15), (16)의 식으로 되는 강도 변조로 주어진다.
한편, 신호 트랙(243)의 이 패턴의 파형 g[θ]은, 예컨대 그 진폭을 γ(0<γ<1)이라고 하고, 하기 (17)의 식과 같을 수 있다.
상기 (16)에서, β=0일 때는, 버니어 트랙의 구성에서, 도 13과 같이, 신호 트랙(243)과 신호 트랙(233)은 주기 ω마다 위상이 일치하는 주기 패턴로 된다. 이 패턴에서는, 상기 파형 f[θ]과 상기 파형 g[θ]의 위상을 취출하고, 그 차를 연산하는 것에 의해 하기 (18)의 긴 주기의 신호를 얻는다. 또, 연산 동작은 이하의 연산도 포함시켜 상기 연산부(206)에서 실행된다.
또, 이와 같이, 주 트랙에 상당하는 신호 트랙(243)과 부 트랙에 상당하는 신호 트랙(233)을 마련하고, 양자의 전기각의 차로부터 긴 주기의 신호를 취출하는 인코더가 버니어식의 인코더라고 불린다.
상술한 위상의 취출은, 도 10을 참조하여 설명한 고정 스케일(207)의 검출 슬릿(209)에 있어서, 예컨대 도 15에 나타내는 검출 슬릿 패턴(209-1)에 의해서 실현 가능하다. 검출 슬릿 패턴(209-1)은, 신호 트랙(243)과 동일한 주기 ξ를 갖고, 신호 트랙(243)의 슬릿에 대해 경사져 형성되어 있다. 도면 중 파선으로 둘러싸인 영역(210a~210d)은 광검출부(204)의 분할 영역을 나타내고 있고, 광검출부(204)의 광검출기(204a)(도 11)는 분할 영역(210a~210d)에 입사한 광의 적분값을 출력하도록 구성되어 있다. 검출 슬릿 패턴(209)의 각 슬릿의 경사는 이웃하는 상기 분할 영역에서 평균으로서 1/4주기씩 시프트되도록 설정되어 있다. 이러한 구성에 있어서, 광검출기(204a)로부터의 각 분할 영역(210a~210d)의 출력은, 도 16과 같이, 신호 트랙(243)과의 겹침에 의한 투과 광량이고, 하기 (19)~하기 (22)의 식과 같이, π/2씩 위상이 어긋난 정현파로 된다.
상기 (19)~(22)의 각 식을, 하기 (23)의 식과 같이 더욱 연산하여, 탄젠트를 산출하고, 아크탄젠트 연산에 의해 위상을 추출, 즉 취출할 수 있다. 단, (19)~(22)의 식에 있어서의 θ1은 고정의 초기 위상이고, 기계각 원점에 대한 광검출기(204a)의 위치 어긋남이다.
본 실시 형태 10에 있어서의 신호 트랙(233)에서는, 상기 β는 β≠0이고, 이 경우의 신호 트랙(233)에서의 슬릿 패턴은 도 14에서 해칭으로 나타내는 패턴(hatched pattern)과 같아진다. 도 14에서는, 도 13에서 나타낸 β=0의 경우의 패턴을 중첩하여 표시하고 있으며, β≠0의 패턴은 상기 β=0의 경우에 대해, 위상 어긋남이 있는 슬릿 패턴으로 된다.
이러한 신호 트랙(233)의 슬릿 패턴에 대하여, 상기 검출 슬릿 패턴(209-1)과 같은 검출 슬릿 패턴을 배치하고, 광원(101)으로부터의 투과광에 대해, 광검출부(104)를 구성하는 상기 광검출기 쌍(104a~104d)(도 11)에서 수광한다. 그리고, 각 광검출기 쌍(104a~104d)으로부터의 신호에 대해, 연산부(206)에서의 연산 처리에 의해 각 위상각(전기각)이 출력된다. 각 광검출기 쌍(104a~104d)은 위치 어긋남이 Λ/4로 되도록 배치되어 있다. 각 광검출기 쌍(104a~104d)의 출력 위상을 각각 ψ1, ψ2, ψ3, ψ4라고 하면, 하기 (24)~(27)의 식과 같이 나타내어진다.
상기 (23)의 식과 마찬가지로, 신호 트랙(233) 및 검출 슬릿 패턴을 투과한 광의 검출 위상인 상기 (24)~(27)의 식에 대해, 신호 트랙(243)과의 위상차 φ1, φ2, φ3, φ4를 연산하면, 이하의 (28)~(31)식과 같이 각도 출력을 얻는다.
Λ/2만큼 위치 어긋나 있는 광검출기 쌍(104a)과 광검출기 쌍(104c)으로부터의 각도 출력 Φ1[θ] 및 Φ3[θ]의 차를 연산부(206)에서 연산하여, 하기 (32)식을 얻는다.
마찬가지로, Λ/2만큼 위치 어긋나 있는 광검출기 쌍(104a)과 광검출기 쌍(104c)로부터의 각도 출력 Φ2[θ] 및 Φ4[θ]의 차를 연산하여, 하기 (33)식을 얻는다.
상기 (32)식 및 (33)식에 의해, 신호 트랙(233)에서 중첩된 위상 변조 성분이 추출되어 있다. 또한, 연산부(206)에서, 고정 위상을 제거하고, 제산을 행하고, 또한 아크탄젠트 연산을 행함으로써, 신호 트랙(233)에서 중첩되어 있는 중첩 파형의 전기각이 얻어진다.
한편, 광검출기 쌍(104a)으로부터의 각도 출력 Φ1[θ]과 광검출기 쌍(104c)으로부터의 각도 출력 Φ3[θ]의 합, 및, 광검출기 쌍(104b)으로부터의 각도 출력 Φ2[θ]과 광검출기 쌍(104d)으로부터의 각도 출력 Φ4[θ]의 합을 각각 연산하여, 하기 (34)식 및 (35)식을 얻는다.
(34)식 및 (35)식의 연산 출력은, (18)식의 버니어 검출의 연산 출력이고, 주기 Λ 내에서 j회의 반복 출력으로 된다. 한편, (32)식 및 (33)식으로 표시되는 상기 위상 변조파는 주기 Λ 내에서 1회만의 파형이다. 따라서, (32)식 및 (33)식으로 표시되는 상기 위상 변조파의 전기각 출력을 이용하는 것에 의해, (34)식 및 (35)식으로 표시되는 상기 버니어 검출의 j회의 반복에서의 반복 회수 위치를 특정할 수 있다. 또한,(34)식 및 (35)식으로 표시되는 상기 버니어 검출의 전기각에 의해, 신호 트랙(243)의 n회의 반복 파형에서의 위치를 특정할 수 있어, 정밀도가 높은 절대 위치 검출이 가능해진다.
즉, 본 실시 형태 10에 있어서의 정현파 각도 내삽 방식의 광학식 인코더에 있어서, 단일 주기의 정현파에서 신호 검출 회로에 의해 받는 내삽 정밀도의 제한을 넘어, 단일의 신호 트랙에서의 내삽 각도 정밀도를 향상시킬 수 있다.
또, 본 실시 형태 10에 있어서도, 로터리 인코더의 경우를 예로 채용하여 설명했지만, 도 13, 도 14으로 명확한 바와 같이, 리니어 인코더의 구성을 채용하더라도 본 발명은 마찬가지로 적용 가능하다.
또, 본 실시 형태 10에서는, 위상 변조파δ(θ)를 정현파라고 가정했지만, δ(θ+Λ/2)=-δ(θ)를 만족하는 함수이면, 위상 변조파와 기본파를 분리하는 것이 가능하다.
또, 본 실시 형태 10에 있어서도, 광원과 광검출부가 스케일을 샌드위치하는 투과식의 광학계로 설명을 했지만, 광원과 광검출부를 스케일에 대해 동일한 측에 배치하고, 스케일을 반사판으로 한 반사식의 광학계로 하여도 완전히 동일한 동작이 가능한 것은 명백하다.
또, 본 실시 형태 10에서는, 신호 트랙(233)의 주기 λ는, 신호 트랙(243)의 파수 n에 대해 j만큼 적은 파수 L을 기본 주기로 하고, 그것에 대하여 위치 θ에 의존한 위상 변조 δ(θ)가 부가되는 구성으로 했지만, 본 실시 형태는 이것에 한정되지 않고, 실시 형태 9와 같이, 신호 트랙(233)의 주기를 신호 트랙(243)의 파수 n에 대해 j만큼 많은 파수 h를 기본 주기로 하는 구성으로 할 수도 있다. 이 경우에 얻어지는 효과는 실시 형태 9와 동일하다.
(실시 형태 11)
실시 형태 10의 광학식 인코더에서는, 스케일(102-1)에 마련된 신호 트랙(243 및 233)의 패턴이 고정 스케일(207)의 검출 슬릿(209-1, 209-1)에 투영되는 구성을 나타내었다. 그러나, 도 17에 나타내는 본 실시 형태 11에 있어서의 광학식 인코더(250)와 같은 구성을 채용할 수도 있다.
즉, 광원(201, 101)측, 즉 광원(201, 101)과 스케일(102-3) 사이에, 1번째의 격자(221, 222)를 고정하여 배치하고, 광원(201, 101)으로부터의 각 광이 1번째의 격자(221, 222)를 통과하고, 신호 트랙(243, 233)을 통과하고, 검출 슬릿 패턴(209-1, 209-1)을 통과하여, 광검출부(204, 104)에 각각 도달하도록 구성한다. 이러한 구성에 있어서, 또한, 신호 트랙(243, 233)의 슬릿 패턴에 의한 1번째의 격자(221, 222)의 격자 상이 3번째의 격자인 검출 슬릿 패턴(209-1, 209-1) 상에 결상하도록 구성한다. 이러한 구성은 3격자법 또는 그레이팅 이미징법(grating imaging method)이라고 불리는 것이지만, 이러한 광학 구성을 채용하더라도, 실시 형태 10의 광학식 인코더가 갖는 동작 및 효과를 실현할 수 있다.
본 실시 형태 11에 있어서의 광학식 인코더(250)에서, 1번째의 격자(221, 222) 및 검출 슬릿 패턴(209-1, 209-1)의 각 격자의 피치는 스케일(102-3)과, 1번째의 격자(221, 222) 및 검출 슬릿 패턴(209-1, 209-1)의 갭을 부가한 결상 관계에 의해서 선택된다. 따라서, 본 실시 형태 11에 있어서의 광학식 인코더(250)에 의하면, 각 격자에 대해, 그 피치를 거의 동일하게 함으로써, 변위 감도를 민감하게 하는 일없이, 상기 간극의 마진을 향상시킬 수 있다. 환언하면, 넓은 간극이고 또한 고분해능의 검출이 가능해진다.
또, 이 방식에 있어서의 신호 트랙(243, 233)에서의 슬릿 패턴에는, 광에 주기적인 위상 변조를 주는 위상 격자를 이용하는 것이 가능하다. 스케일을 위상 격자로 하는 것에 의해, 진폭 격자에 비하여 광 이용 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 실시 형태 10에서 나타낸 것과 마찬가지로, 본 실시 형태 11에서도 리니어 인코더에서의 구성, 및, 반사형에서의 구성이 가능하다.
또, 상술한 다양한 실시 형태 중 임의의 실시 형태를 적절히 조합하는 것에 의해, 각각이 갖는 효과를 얻도록 할 수 있다.
본 발명은, 첨부 도면을 참조하면서 바람직한 실시 형태에 관련하여 충분히 기재되어 있지만, 이 기술이 숙련된 사람들에게 있어서는 여러 가지의 변형이나 수정은 명백하다. 그러한 변형이나 수정은 첨부한 특허청구범위에 의한 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않는 한, 그 범위에 포함된다고 이해되어야 한다.
또, 2008년 6월 5일에 출원된 일본 특허 출원 제2008-148063호, 및 2008년 11월 18일에 출원된 일본 특허 출원 제2008-294189호의 명세서, 도면, 특허청구범위, 및 요약서의 개시 내용 모두는 참고로서 본 명세서 내에 편입되는 것이다.
100: 광학식 인코더
101: 광원
102, 102-2, 102-3: 스케일
103: 신호 트랙
104: 광검출부
105: 회전축
106: 연산부
107~114: 광검출기
200: 광학식 인코더
201: 광원
203: 신호 트랙
204: 광검출부
206: 연산부
233: 신호 트랙
243: 신호 트랙
250: 광학식 인코더
101: 광원
102, 102-2, 102-3: 스케일
103: 신호 트랙
104: 광검출부
105: 회전축
106: 연산부
107~114: 광검출기
200: 광학식 인코더
201: 광원
203: 신호 트랙
204: 광검출부
206: 연산부
233: 신호 트랙
243: 신호 트랙
250: 광학식 인코더
Claims (12)
- 광원과,
측정 대상에 마련되고 상기 측정 대상의 움직임에 연동하여 상기 광원으로부터의 광속(光束)을 변조하는 하나의 신호 트랙과,
상기 신호 트랙으로부터의 광속을 수광하여 전기 신호로 변환해서 출력하는 광검출부와,
상기 광검출부로부터의 출력 신호를 연산하는 연산부
를 구비하되,
상기 신호 트랙은, 상기 광원으로부터의 광을 정현파 형상으로 강도 변조하고, 또한 상기 정현파에 λ를 기본 주기로 하여 mλ=Λ(m은 자연수)마다 반복하는 위상 변조를 부여하는 구성을 갖고,
상기 광검출부는, 상기 위상 변조를 부여한 신호 트랙으로부터 정현파 형상으로 변조된 광속으로부터 정현 신호 및 여현 신호를 취출하고,
상기 연산부에 의해, 하나의 상기 신호 트랙으로부터 주기 λ의 기본 주기 신호와 주기 Λ의 위상 변조 신호 2개의 주기 신호를 얻는 것
을 특징으로 하는 광학식 인코더.
- 제 1 항에 있어서,
상기 광검출부는, 상기 신호 트랙에 의해서 상기 정현파 형상으로 변조된 광속으로부터 정현 신호 및 여현 신호를 취출하는 1쌍의 광검출기로 이루어지는 제 1 광검출기 쌍과, 상기 신호 트랙에 의해서 상기 정현파 형상으로 변조된 광속으로부터 정현 신호와 여현 신호를 취출하는 1쌍의 광검출기로 이루어지는 제 2 광검출기 쌍을, 상기 위상 변조의 주기 Λ에서 {(2n+1)Λ/2} 주기만큼 떨어진 위치에 배치하고,
상기 연산부는, 상기 제 1 광검출기 쌍 및 상기 제 2 광검출기 쌍의 각각으로부터 출력되는 상기 정현 신호 및 상기 여현 신호에 의해 각 광검출기 쌍의 위치에서의 각 전기각(電氣角)을 연산하고, 얻어진 각 전기각의 합을 취해 상기 기본 주기 λ에서의 전기각을 구하고, 상기 각 전기각의 차(差)를 취해 제 1 위상 변조 신호를 구하는
광학식 인코더.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 광검출부는, 상기 제 1 광검출기 쌍 및 상기 제 2 광검출기 쌍에 대해 각각 {(2n+1)Λ/4} 주기만큼 떨어진 위치에 배치되고 상기 제 1 광검출기 쌍 및 상기 제 2 광검출기 쌍과 동일한 구성으로 이루어지는 제 3 광검출기 쌍 및 제 4 광검출기 쌍을 더 구비하며,
상기 연산부는, 상기 제 1 광검출기 쌍 및 상기 제 2 광검출기 쌍으로부터 구해지는 상기 제 1 위상 변조 신호와, 상기 제 3 광검출기 쌍 및 상기 제 4 광검출기 쌍으로부터 구해지는 제 2 위상 변조 신호에 의해 위상 변조 신호의 전기각을 연산하는
광학식 인코더.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 광검출부는, 상기 신호 트랙에 의해서 상기 정현파 형상으로 변조된 광속으로부터 정현 신호 및 여현 신호를 취출하는 1쌍의 광검출기로 이루어지는 제 1 광검출기 쌍과, 상기 신호 트랙에 의해서 상기 정현파 형상으로 변조된 광속으로부터 정현 신호와 여현 신호를 취출하는 1쌍의 광검출기로 이루어지는 제 2 광검출기 쌍을, 상기 위상 변조의 주기 Λ에서 Λ/2 주기만큼 떨어진 위치에 배치하고, 또한, 상기 제 1 광검출기 쌍 및 상기 제 2 광검출기 쌍에 대해 각각 Λ/4 주기만큼 떨어진 위치에 배치되고 상기 제 1 광검출기 쌍 및 상기 제 2 광검출기 쌍과 동일한 구성으로 이루어지는 제 3 광검출기 쌍 및 제 4 광검출기 쌍을 구비하며,
상기 연산부는, 상기 제 1 광검출기 쌍 및 상기 제 2 광검출기 쌍과, 상기 제 3 광검출기 쌍 및 상기 제 4 광검출기 쌍의 각각으로부터 출력되는 상기 정현 신호 및 상기 여현 신호에 의해 각 광검출기 쌍의 위치에서의 각 전기각을 연산하고, 얻어진 각 전기각의 합을 취해 상기 기본 주기 λ에서의 전기각을 구하고, 상기 각 전기각의 차를 취해 제 1 위상 변조 신호를 구하는
광학식 인코더.
- 제 2 항 또는 제 4 항에 있어서,
상기 연산부는 또한, 상기 제 1 광검출기 쌍 및 상기 제 2 광검출기 쌍과, 상기 제 3 광검출기 쌍 및 상기 제 4 광검출기 쌍으로부터 구해지는 상기 제 1 위상 변조 신호, 및, 상기 제 2 광검출기 쌍 및 상기 제 3 광검출기 쌍과, 상기 제 4 광검출기 및 상기 제 1 광검출기 쌍으로부터 구해지는 상기 제 2 위상 변조 신호의 차에 의해 위상 변조 신호의 전기각을 연산하는 광학식 인코더.
- 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 측정 대상은, 상기 신호 트랙인 제 1 신호 트랙에 부가하여, 상기 제 1 신호 트랙과는 다른 제 2 신호 트랙을 더 갖고, 각 신호 트랙에 대응하여 상기 광검출부를 갖고,
제 1 신호 트랙은 상기 위상 변조된 정현파를 생성하는 신호 트랙이고,
제 2 신호 트랙은 상기 제 1 신호 트랙에서 분해할 수 있는 분해능보다 높은 주파수를 갖는 단일 주기의 정현파 형상의 광 강도 변조를 행하는 신호 트랙인
광학식 인코더.
- 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 측정 대상은, 상기 신호 트랙인 제 1 신호 트랙에 부가하여, 상기 제 1 신호 트랙과는 다른 제 2 신호 트랙을 더 갖고, 각 신호 트랙에 대응하여 상기 광검출부를 갖고,
제 1 신호 트랙은 상기 위상 변조된 정현파를 생성하는 신호 트랙이고,
제 2 신호 트랙은 상기 제 1 신호 트랙에서 분해할 수 있는 분해능보다 낮은 주파수를 갖는 단일 주기의 정현파 형상의 광 강도 변조를 행하는 신호 트랙인
광학식 인코더.
- 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
상기 제 2 신호 트랙은 상기 제 2 신호 트랙의 파수(波數) n이 상기 제 1 신호 트랙의 파수 L보다 j만큼 차이나는 파수를 갖는 단일 주기의 정현파 형상의 광 강도 변조를 행하는 신호 트랙인 광학식 인코더.
- 제 8 항에 있어서,
상기 제 2 신호 트랙의 트랙 반경 R에 대해 상기 제 1 신호 트랙의 트랙 반경이 R(L/n)인 광학식 인코더. - 광원과, 피측정물에 부착되고 상기 피측정물의 움직임에 연동하여 상기 광원으로부터의 광속을 변조하는 제 1 트랙 및 제 2 트랙을 갖는 스케일과, 상기 스케일로부터의 변조된 광속을 수광하여 전기 신호로 변환해서 출력하는 광검출부와, 상기 광검출부로부터의 출력 신호를 연산하여 상기 피측정물의 위치를 연산하는 연산부를 구비한 광학식 인코더로서,
상기 제 1 트랙은 상기 트랙 전체를 k개 분할하는 주기 Λ에 대해 n의 파수를 갖는 고정의 주기 패턴으로 구성되고,
상기 제 2 트랙은 상기 제 1 트랙의 n의 파수보다 m만큼 차이나는 파수를 갖고, 또한 상기 주기 Λ에서 변화되는 함수에 의한 위상 변조를 부여하여 구성되고,
상기 광검출부는,
상기 제 1 트랙에 대응하여 배치되는 제 1 광검출기와,
상기 제 2 트랙에 대응하여 배치되고 서로 Λ/4 주기 어긋나 배치되는 복수의 제 2 광검출기를 갖고,
상기 연산부는, 상기 제 1 광검출기의 출력 신호 및 상기 제 2 광검출기의 출력 신호로부터 각각 구한 전기각 연산 출력의 차를 연산하여 긴 주기의 신호를 구하고, 상기 제 2 광검출기의 출력 신호로부터 구한 전기각 연산 출력의 차를 연산하여 상기 주기 Λ 내에서의 절대 위치를 구하고, 상기 전기각 연산 출력의 합을 연산하여 주기 Λ 내에서 m회 반복하는 버니어 출력(Vernier output)을 구하는 것
을 특징으로 하는 광학식 인코더. - 제 10 항에 있어서,
상기 스케일의 상기 제 1 트랙 및 상기 제 2 트랙과 상기 광원 사이에 고정하여 배치되는 고정 격자를 더 구비하며,
상기 광검출부는 상기 고정 격자와 상기 스케일에 의해서 생성되는 격자 상(a grating image)을 검출하는
광학식 인코더.
- 제 11 항에 있어서,
상기 스케일의 상기 제 1 트랙 및 상기 제 2 트랙은 광의 위상에 변조를 부여하는 위상 격자를 갖는 광학식 인코더.
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