TWI394934B - Photoelectric encoder - Google Patents

Description

光電式編碼器

本發明係關於一種光電式編碼器。

專利文獻1揭示一種將移動體之移位訊號化之光電式編碼器。該光電式編碼器，係將照明光投射於與移動體一起移動之移動格子(專利文獻1圖1之符號15)與固定之指標(index)格子(專利文獻1圖1之符號14)，以受光元件(專利文獻1圖1之符號16)檢測出透過兩者之照明光強度，當作表示兩格子之偏移量之資訊。來自該受光元件之輸出訊號，伴隨移動格子之移動而產生周期性變化。據此，可從該訊號之強度，檢測移動體之微小移動量。

一般而言，該種光電式編碼器施有如下之設計。即，以受光元件之複數個受光面，分別檢測出分別透過移動格子以及指標格子上之各區域之各照明光強度，且將移動格子以及指標格子之格子圖案排列設定成，兩者之格子偏移量在區域間稍有不同。此時，來自各受光面之輸出訊號，伴隨移動體之移動在不同相位分別產生周期性變化。據此，可從該訊號之強度，檢測移動體之移動量與移動方向(即移位)。

專利文獻1：日本特開2002－243503號公報

但是，在該光電式編碼器中為產生相位相異之訊號，使用透過移動格子上相異區域之照明光，若該移動格子之姿勢改變，該訊號之相位關係會變動，而有移位之檢測精度下降之問題。

因此本發明之目的，在提供一種光電式編碼器，即使格子產生姿勢改變，亦可正確產生表示移動體之移位之訊號。

本發明之第1態樣之光電式編碼器，其特徵在於，係具備：光源，供射出照明光；移動格子，具有格子線，可在與該格子線交叉方向移位；指標格子，係該移動格子之移位基準；受光器，接收經由該移動格子以及該指標格子之該照明光；調變裝置，係使從該指標格子射出之光產生周期性改變；以及移位檢測裝置，根據該受光器接收之該照明光，檢測出該移動格子之移位。

又，該光電式編碼器中，該調變裝置，係使該指標格子與射入該指標格子之該照明光之相對位置關係產生周期性調變。又，該光電式編碼器中，該調變裝置，係使該指標格子之位置產生周期性改變。又，該光電式編碼器中，該調變裝置，係使從該光源射入該指標格子或該移動格子之該照明光之角度產生周期性改變。

又，該光電式編碼器中，該光源，可射出角度不同之複數個該照明光，該調變裝置，係周期性切換複數個該照明光。又，該光電式編碼器中，該移動格子以及該指標格子，係繞射光柵；且配置光學系統，以使該指標格子產生之1對繞射光在該移動格子上形成該指標格子之格子像。

又，該光電式編碼器中，該調變裝置，係使該移動格子上之該指標格子之格子像或投影像之位置產生周期性改變。又，該光電式編碼器中，該光學系統，為了使該1對之繞射光重疊於該移動格子上之相同區域，具有使該一對之繞射光分別偏向之反射構件。又，該光電式編碼器中，該調變裝置，係使該1對繞射光之間之相位差產生周期性改變。又，該光電式編碼器中，該調變裝置，係以上昇與下降呈對稱之波形來進行周期性變化；該移位檢測裝置，係取出該受光器接收之該照明光強度之經時變化之特定頻率成分來作為該移位訊號。

又，該光電式編碼器中，該調變裝置，係以上昇與下降呈非對稱之波形來進行該周期性變化；該移位檢測裝置，係取出該受光器接收之該照明光強度之經時變化之相位來作為該移位訊號。又，該光電式編碼器中，該移位檢測裝置在該移位訊號產生時亦產生該周期性變化之振幅訊號；且進一步具備控制裝置，其監測該振幅訊號並控制該調變裝置以使該振幅訊號成為一定。

又，該光電式編碼器中，該移位檢測裝置在該移位訊號產生時亦產生該照明光之光量訊號；且進一步具備控制裝置，其監測該光量訊號並控制該光源以使該光量訊號成為一定。

本發明之第2態樣之光電式編碼器，其特徵在於，係具備：光源，供射出照明光；尺標(scale)，具有排列於既定方向之圖案；基準構件，相對該尺標而移位，為該移位基準；受光器，接收經由該尺標以及該基準構件之該照明光；調變裝置，係在該尺標與該基準構件相對移位之期間，使該照明光於該移位方向產生周期性調變；以及移位檢測裝置，根據該受光器接收之該照明光，檢測出該尺標與該基準構件之相對移位。

該光電式編碼器中，該調變裝置，係使該基準構件與射入該基準構件之照明光之相對位置關係產生周期性調變。又，該光電式編碼器中，該調變裝置，係使該照明光射入該基準構件之角度產生周期性調變。

本發明之第1態樣以及第2態樣之光電式編碼器中，該調變裝置可為致動器，用以改變該指標格子或射向指標格子之照明光。又，該照明光源為點光源陣列，該調變裝置驅動點光源陣列之點光源。該光電式編碼器中，照明光照射在該指標格子上，可在移動格子上形成指標格子之格子像或投影像。

依據本發明之光電式編碼器，即使格子產生姿勢改變，亦可正確產生表示移動體之移位之訊號。

(第1實施形態)

以下說明第1實施形態。本實施形態，係繞射光干涉方式之光電式線性編碼器之實施形態。

首先說明本編碼器之構成。圖1係本編碼器之構成圖。本編碼器之光學系統部分具備有：光源11、準直鏡12、當作基準構件之指標繞射光柵13、反射鏡14A和14B、當作尺標之移動繞射光柵15、以及受光元件16等。指標繞射光柵13具光分離元件之功能，能分離光源11射出之光成複數個光。本編碼器之光學系統部分中，具備使指標繞射光柵13振動之致動器17。指標繞射光柵13之振動方向，係與指標繞射光柵13之光柵之形成面平行且與格子線垂直之方向。

例如，光源11係射出波長λ＝850 nm之雷射光之雷射光源。指標繞射光柵13以及移動繞射光柵15，係透過型之繞射光柵，例如相位型之繞射光柵。該指標繞射光柵13與移動繞射光柵15之光柵間距(pitch)p相同，係50 μ m以下，例如，設定為8 μ m左右。當作調變裝置之致動器17，例如，由壓電元件構成，可以振幅：數μ m、頻率：約20~30 kHz來振動。

其中，光源11、準直鏡12、反射鏡14A和14B、受光元件16、以及致動器17之相對位置固定。相對於此，移動繞射光柵15與未圖示之移動體(測定對象物)一起移位。其移位方向，係與移動繞射光柵15之光柵之形成面平行且與格子線垂直之方向。又，在圖1中，所示為右手系之XYZ正交座標系，其以該移動繞射光柵15之移動方向為X方向，移動繞射光柵15之格子線方向為Y方向，移動繞射光柵15之法線方向為Z方向。以下，按照需要使用該正交座標系來說明。

又，本編碼器之電路部分具備有：受光電路21、1階成分檢測電路22、2階成分檢測電路23、3階成分檢測電路24、4階成分檢測電路25、時鐘電路26、編碼器訊號處理電路27、調變度控制電路28、致動器驅動電路29、光源驅動電路30、0階成分檢測電路31、以及光量控制電路32等。

接著，說明本編碼器之光學系統部分之動作。光源11射出照明光。該照明光，經由準直鏡12成為平行光，射入指標繞射光柵13，藉由指標繞射光柵13之繞射作用產生各階數之繞射光。指標繞射光柵13根據入射光產生±1階繞射光。又，指標繞射光柵13係以相位型之繞射光柵形成，其不產生±1階繞射光以外之光、例如0階光與±2階以上之繞射光，或者，僅產生相較於±1階繞射光之強度，極微弱之0階光與±2階以上之繞射光。指標繞射光柵13產生之±1階繞射光，經由反射鏡14A、14B分別偏向後，重疊於移動繞射光柵15之相同區域，在該區域形成指標繞射光柵13之格子像。即，±1階繞射光射入移動繞射光柵15之相同位置，射入該位置之±1階繞射光，進一步藉由移動繞射光柵15之繞射作用再次繞射，在干涉狀態下射入受光元件16。換言之，格子像射出之±1階繞射光，藉由移動繞射光柵15之繞射作用成合併狀態，射入受光元件16。受光元件16輸出表示射入之±1階繞射光之干涉強度之訊號(以下稱「干涉訊號I」)。

以上之本編碼器中，移動繞射光柵15移位之期間，致動器17對指標繞射光柵13施以驅動。受致動器17之驅動，指標繞射光柵13之位置在X方向周期性調變，使±1階繞射光之相位差產生周期性調變。因該相位差之周期性調變，移動繞射光柵15上之格子像之相位產生周期性調變(據此，格子像之明暗圖案在X方向周期性調變)。因此，干涉訊號I會經時變化。以下，詳細說明之。

首先，考慮未驅動致動器17時之情形。此時，若將以指標繞射光柵13為基準之移動繞射光柵15在X方向之移位預設為x，射入受光元件16之＋1階繞射光之複振幅I_＋ 、－1階繞射光之複振幅I_－ ，可如下式(1)、(2)表示。又，在此，將各繞射光之照明光之光量(振幅)規格化成1表示。又，「j」係單位複數。

I_＋ ＝exp[2j π x/p]………(1) I_－ ＝exp[－2j π x/p]………(2)

據此，干涉訊號I如下式(3)，以移動繞射光柵15之移位x之函數表示。

I＝1/2 | exp[2j π x/p]＋exp[－2j π x/p]|² ………(3)

接著，考慮驅動致動器17時之情形。此時，指標繞射光柵13，以既定位置為基準振動於X方向(周期性調變)。該調變中之指標繞射光柵13之位置之經時變化之波形(以下稱「調變波形」)，係角頻率ω、振幅ε(片振幅為ε/2)之正弦波(sin ω t)。以下，將調變度定義為2d＝2 π ε/p當作一指標，係表示以光柵間距p為基準之振幅ε之幅度。經由此周期性調變，＋1階繞射光之相位與－1階繞射光之相位調變於相反方向。即，調變＋1階繞射光與－1階繞射光之相位差。

據此，本編碼器中，＋1階繞射光之複振幅I_＋ 、－1階繞射光之複振幅I_－ ，如下式(4)、(5)所示。

I_＋ ＝exp[2j π x/p－j π ε/p×sin(ω t)]………(4) I_－ ＝exp[－2j π x/p＋j π ε/p×sin(ω t)]………(5)

將調變度2d＝2 π ε/p代入式(4)、(5)中，則變成式(6)、(7)所示。

I_＋ ＝exp[2j π x/p－jd×sin(ω t)]………(6) I_－ ＝exp[－2j π x/p＋jd×sin(ω t)]………(7)

據此，干涉訊號I如下式(8)，以移動繞射光柵15之移位x與時間t之函數表示。

I＝1/2 | exp[2j π x/p－jd×sin(ω t)]＋exp[－2j π x/p＋jd×sin(ω t)]|² ＝1＋cos[4 π x/p－2d×sin(ω t)]＝1＋cos(4 π x/p)×cos[2d×sin(ω t)]＋sin(4 π x/p)×sin[2d×sin(ω t)]………(8)

整理(貝塞爾級數展開)式(8)與時間t之關係後，如下式(9)所示。

I＝1＋J₀ (2d)×cos(4 π x/p)＋2J₁ (2d)×sin(4 π x/p)×sin(ω t)＋2J₂ (2d)×cos(4 π x/p)×cos(2 ω t)＋2J₃ (2d)×sin(4 π x/p)×sin(3 ω t)＋2J₄ (2d)×cos(4 π x/p)×cos(4 ω t)＋…………(9)

但是，J_n 係n階之貝塞爾展開係數，只要調變度2d為一定即為一定之值。又，調變度2d與貝塞爾展開係數J_n (n＝1、2…)之關係，如圖2所示。

根據式(9)，干涉訊號I之經時變化之0階成分I₀ 、1階成分I₁ 、2階成分I₂ 、3階成分I₃ 、4階成分I₄ …，分別如下式(10)所示。又，0階成分I₀ 係不經時變化之頻率成分之強度；n階成分I_n 係以角頻率n ω經時變化之頻率成分之強度。

I₀ ＝1＋J₀ (2d)×cos(4 π x/p)，I₁ ＝2J₁ (2d)×sin(4 π x/p)，I₂ ＝2J₂ (2d)×cos(4 π x/p)，I₃ ＝2J₃ (2d)×sin(4 π x/p)，I₄ ＝2J₄ (2d)×cos(4 π x/p)，…………(10)

因此，本編碼器中，可使用表示移位x之正弦訊號與餘弦訊號，其將干涉訊號I之經時變化之特定頻率成分(例如1階成分I₁ )與其他特定頻率成分(例如2階成分I₂ )偏移90°相位。即，本編碼器中，即使只具備1個受光元件16，但會使受光元件16之干涉訊號I產生經時變化，可從其經時變化取得正弦訊號與餘弦訊號雙方。

又，先前，為取得正弦訊號與餘弦訊號而使用不同之受光元件，若移動繞射光柵15傾斜，正弦訊號與餘弦訊號之相位關係會產生偏移(測定誤差之要因)。相對於此，本實施形態之編碼器，為取得正弦訊號與餘弦訊號，使用相同之受光元件16，可得到即使移動繞射光柵15傾斜，正弦訊號與餘弦訊號之相位關係不產生偏移(測定誤差之要因)之效果。

又，本編碼器中，移動繞射光柵15之移位x為各值時之干涉訊號I之經時變化之波形，如圖3所示。圖3(a)、(b)、(c)、(d)、(e)之虛線框內，分別表示移動繞射光柵15之移位x(移位x之角度表現)為－81°、－36°、0°、36°、81°時之干涉訊號I之經時變化之波形。圖3(a)、(b)、(c)、(d)、(e)各圖之左上方之圖，表示移動繞射光柵15之移位，下方之圖為調變波形，即表示施加於指標繞射光柵13之調變之波形，右上方虛線圍繞之圖，係此情形之干涉訊號I之波形。

如圖3所明示，本編碼器中，若移位x不同，干涉訊號I之經時變化之波形所包含之各頻率成分之強度均衡會改變。尤其，移位x為0°時，2階成分(cos(2 ω t))之強度變大。又，移位x在正向愈大，1階成分(sin(ω t))之強度愈大，移位x在負向愈大，1階成分(－sin(ω t))之強度愈大。

又，移位x為－81°時之干涉訊號I之經時變化之波形(圖3(a)之右上)係相當於，對無調變中之干涉訊號I之移位x之波形(圖3(a)之左上)，將調變波形(圖3(a)之左下)在x＝－81°之位置加以重疊形成之波形。又，移位x為－36°時之干涉訊號I之經時變化之波形(圖3(a)之右上)係相當於，對無調變中之干涉訊號I之移位x之波形(圖3(a)之左上)，將調變波形(圖3(a)之左下)在x＝－36°之位置加以重疊形成之波形。

又，移位x為0°時之干涉訊號I之經時變化之波形(圖3(a)之右上)係相當於，對無調變中之干涉訊號I之移位x之波形(圖3(a)之左上)，將調變波形(圖3(a)之左下)在x＝0°之位置加以重疊形成之波形。又，移位x為＋36°時之干涉訊號I之經時變化之波形(圖3(a)之右上)係相當於，對無調變中之干涉訊號I之移位x之波形(圖3(a)之左上)，將調變波形(圖3(a)之左下)在x＝＋36°之位置加以重疊形成之波形。

又，移位x為＋81°時之干涉訊號I之經時變化之波形(圖3(a)之右上)係相當於，對無調變中之干涉訊號I之移位x之波形(圖3(a)之左上)，將調變波形(圖3(a)之左下)在x＝＋81°之位置加以重疊形成之波形。

接著，說明本編碼器之電路部分之動作。光量控制電路32，透過光源驅動電路30驅動控制光源11。該控制係控制照明光之光量保持一定。

調變度控制電路(控制裝置)28，按照來自時鐘電路26之角頻率ω之正弦波訊號(sin ω t)，對致動器驅動電路29給予正弦波構成之調變訊號，驅動控制致動器17。據此，指標繞射光柵13在X方向之位置產生周期性調變。又，該控制中，亦進行將周期性調變之調變度2d保有一定值之控制。該調變度2d之目標值設定為「2.3」。此時，貝塞爾展開係數「J₀ 」，如圖2中箭頭所示為0。

受光電路21連續驅動受光元件16，且連續取入從受光元件16輸出之干涉訊號I，分別給予0階成分檢測電路31、1階成分檢測電路22、2階成分檢測電路23、3階成分檢測電路24、以及4階成分檢測電路25。該檢測電路中至少2個，當作移動繞射光柵15之移位檢測裝置來作用。0階成分檢測電路31，從被給予之干涉訊號I之經時變化，取出其0階成分I₀ 。1階成分檢測電路22，從干涉訊號I之經時變化，取出其1階成分I₁ 。2階成分檢測電路23，從干涉訊號I之經時變化，取出其2階成分I₂ 。3階成分檢測電路24，從干涉訊號I之經時變化，取出其3階成分I₃ 。4階成分檢測電路25，從干涉訊號I之經時變化，取出其4階成分I₄ 。

其中，1階成分檢測電路22、2階成分檢測電路23、3階成分檢測電路24、以及4階成分檢測電路25之取出動作，係由同步於來自時鐘電路26之脈衝訊號之同步檢波構成。圖4中，以1階成分檢測電路22、2階成分檢測電路23代表該電路，圖示取出動作之概念。如圖4所示，從時鐘電路26輸出角頻率ω之脈衝訊號(圖4中示為「sin ω t」)至1階成分檢測電路22。1階成分檢測電路22將該脈衝訊號與來自受光電路21之干涉訊號I合成，用低通濾波器(LPF)使其平滑化，取出1階成分I₁ 。

另一方面，從時鐘電路26輸出角頻率2 ω且與該脈衝訊號相位偏移90°之脈衝訊號(圖4中示為「cos2 ω t」)至2階成分檢測電路23。2階成分檢測電路23將該脈衝訊號與來自受光電路21之干涉訊號I合成，用低通濾波器(LPF)使其平滑化，取出2階成分I₂ 。接著，圖1之編碼器輸出處理電路27將所取出之1階成分I₁ 、2階成分I₂ 取入，根據該成分I₁ 、I₂ ，與貝塞爾展開係數J₁ 、J₂ (常數)，及式(10)，產生表示sin(4 π x/p)之值之正弦訊號Ss與表示cos(4 π x/p)之值之餘弦訊號Sc。該正弦訊號Ss、餘弦訊號Sc係由來自同一受光元件16之干涉訊號I所產生(通過移動繞射光柵15之同一區域之照明光所產生)，故移動繞射光柵15之姿勢即使改變，兩者之相位關係不會變動。

又，調變度控制電路28將所取出之1階成分I₁ 、2階成分I₂ 、3階成分I₃ 、以及4階成分I₄ 取入，根據該成分I₁ 、I₂ 、I₃ 、I₄ 與式(10)，監測本編碼器實際進行之周期性調變之調變度2d(即調變度2d之實測值，又，該調變度2d以「I₁ /I₃ 」、「I₂ /I₄ 」表示)。再者，調變度控制電路28控制致動器驅動電路29使監測之調變度2d朝向接近該目標值「2.3」之方向。據此，調變度2d可保持在一定值(2.3)(施以反饋控制)。

又，光量控制電路32將所取出之0階成分I₀ 取入，控制光源驅動電路30使其朝向可抑制該0階成分I₀ 之變動之方向。據此，照明光之光量可保持在一定值(施以反饋控制)。因為將調變度2d之目標值設為「2.3」，故可簡單控制光量。調變度2d為「2.3」時，貝塞爾展開係數J₀ ＝0，0階成分I₀ 表示光量(振幅)本身。藉由反饋控制，產生周期性調變期間，光學系統部分之測定條件可保持一定，故可高精度檢測出本編碼器必要之訊號(即干涉訊號I之經時變化)。因此，本編碼器產生之該正弦訊號Ss、餘弦訊號Sc，正確表示移動繞射光柵15之移位x。

本實施形態中，雖以反射鏡14A和14B分別偏向指標繞射光柵13產生之±1階繞射光，例如，亦可使用相對於指標繞射光柵13之光柵間距，具有其1/2光柵間距之指標繞射光柵代替反射鏡14A、14B。

(第2實施形態)

以下說明第2實施形態。本實施形態係繪影方式(slit shutter型)之光電式編碼器之實施形態。在此，僅說明與第1實施形態(圖1)之相異點。相異點在光學系統部分。圖5(a)係本編碼器之光學系統部分之構成圖。如圖5(a)所示，本編碼器之光學系統部分具備有：光源11、準直鏡12、指標格子13'、移動格子15'、受光元件16、以及使指標格子13'振動之致動器17等。指標格子13'之X方向之位置，以與第1實施形態相同之調變波形來產生周期性調變。

但，本編碼器之原理不利用光之干涉作用，故形成於移動格子15'上之像，不是指標格子13'之格子像，而只要是指標格子13'之投影像(所謂「影」)即可。據此，不需要使1對之繞射光偏向之反射鏡14A、14B。又，可使用可干涉性低之物(LED等)當作光源11。又，可使用格子間距足夠大之明暗格子(遮光部與透過部構成之格子)當作指標格子13'以及移動格子15'。

接著，說明本編碼器之動作。從光源11射出之照明光經由準直鏡12成為平行光，射入指標格子13'，透過其格子之透過部。透過指標格子13'之照明光，射入移動格子15'，形成指標格子13'之投影像。透過該指標格子13'與移動格子15'雙方之照明光，射入受光元件16。受光元件16輸出表示該照明光之射入強度之訊號(以下稱「強度訊號f」)。

以上之本編碼器中，受致動器17之驅動，指標格子13'之位置在X方向周期性調變，使移動格子15'上之投影像之位置產生周期性調變(據此，移動格子15'上之投影像之明暗圖案周期性調變)。因此，來自受光元件16之強度訊號f經時變化。本編碼器中，該強度訊號f與第1實施形態之干涉訊號I相同，由未圖示之電路部分處理，取出其0階成分f₀ 、1階成分f₁ 、2階成分f₂ …等。

在此，本編碼器中，先將以指標格子13'為基準之移動格子15'之X方向之移位預設為x，根據無調變中之強度訊號f之移位x變化之波形預設為f(x)，周期性調變中之強度訊號f之經時變化，如次式(11)所示為泰勒展開。又，將本編碼器之調變波形設為dsin(ω t)。

f[x,dsin(ωt)]＝f(x)＋f'(x)×d×sin(ωt)＋f"(x)/2×d² ×sin² (ωt)＋…＝f(x)＋f'(x)×d×sin(ωt)＋f"(x)×d² /4×[1－cos(2ωt)]＋…………(11)

根據式(11)，得知強度訊號f之經時變化之1階成分f₁ 之強度，與f'(x)成比例，2階成分f₂ 之強度，與f"(x)成比例。

若，以三角函數來表示根據無調變中之強度訊號f之移位x變化之波形[f(x)]時(例如，表示成f(x)＝cos(x)之時)，f'(x)＝sin(x)，f"(x)＝－cos(x)，故本編碼器之強度訊號f之經時變化，描繪與第1實施形態之干涉訊號I之經時變化相同之波形。因此，本編碼器中，例如，將光學系統部分設計成，根據無調變中之強度訊號f之移位x變化之波形[f(x)]為f(x)＝sin(x)－1/18×sin(3x)來作為擬似正弦訊號。

此時，本編碼器中取出之1階成分f₁ ，係如圖5(b)所示。又，圖5(b)中，以同一座標表示根據1階成分f₁ 之移位x變化之波形，以及根據無調變中之強度訊號f之移位x變化之波形。因此，本編碼器中，與第1實施形態相同，可產生以不同之相位正確表示移位x之正弦訊號Ss與cos訊號Sc。

又，本實施形態中，雖透過指標格子13'之光射入移動格子15'，亦可將指標格子13'配置在移動格子15'之後，並以致動器17調變指標格子13'之位置。

(第3實施形態)

以下說明第3實施形態。本實施形態，係繞射干涉方式之光電式線性編碼器之實施形態。在此，僅說明與第1實施形態(圖1)之相異點。相異點在電路部分。

圖6係本編碼器之構成圖。本編碼器之電路部分中，省略時鐘電路26、1階成分檢測電路22、2階成分檢測電路23、3階成分檢測電路24、以及4階成分檢測電路25，但相對具備有鋸齒狀波產生電路40。調變度控制電路(控制裝置)28按照來自鋸齒狀波產生電路40之訊號，給予致動器驅動電路29調變訊號，驅動控制致動器17。據此，指標繞射光柵13之X方向之位置，以鋸齒狀之調變波形周期性調變。該周期性調變之調變度2d，設定成2 π。

本編碼器中，移動繞射光柵15之移位x為各值時之干涉訊號I之經時變化之波形，如圖7所示。圖7(a)、(b)、(c)之虛線框內，分別表示移動繞射光柵15之移位x(移位x之角度表現)為－81°、－36°、0°時，干涉訊號I之經時變化之波形。又，圖7之表示方法與圖3相同。

如圖7所明示，本編碼器中，無論移位x為何值，干涉訊號I之經時變化之波形相同，若移位x不同，僅是相位相異。接著，圖6之受光電路21連續驅動受光元件16，且連續取入從受光元件16輸出之干涉訊號I，並分別給予編碼器訊號處理電路27、調變度控制電路28、以及0階成分檢測電路31。

編碼器訊號處理電路27從被給予之干涉訊號I之經時變化取出其波形之相位。該相位，表示移動繞射光柵15之移位x本身。

調變度控制電路28從被給予之干涉訊號I之經時變化監測該波形是否有轉折點。接著，控制致動器驅動電路29以降低該轉折點。據此，調變度2d可保持在一定值(2π)(施以反饋控制)。

0階成分檢測電路31從被給予之干涉訊號I之經時變化取出0階成分I₀ 。光量控制電路32取入該0階成分I₀ ，控制光源驅動電路30使其朝向可抑制該0階成分I₀ 之變動之方向。據此，照明光之光量可保持在一定值(施以反饋控制)。

如上述，依據本編碼器，電路構成較簡單且可得到與第1實施形態相同之效果。

又，本實施形態雖係變更第1實施形態之電路部分，同樣亦可變更第2實施形態之電路部分。又，本實施形態中，將調變度2d設定成2 π，即使設定成2 π之整數倍，亦可得到相同效果。

(其他實施形態)

又，該第1實施形態或第3實施形態(繞射光干涉方式之編碼器)中，為周期性調變±1階繞射光之相位差(為周期性調變格子像之相位)，雖以致動器17周期性調變指標繞射光柵13之位置，如圖8所示，亦可省略致動器17，且將電性光學元件(EOM)等插入±1階繞射光之光路之一方周期性調變±1階繞射光之一方之光路長。此情形，電性光學元件相當於使指標格子射出之光產生周期性變化之調變裝置。此情形，±1階繞射光之相位差產生周期性調變，故亦可得到與上述實施形態相同之效果。

又，第1實施形態或第3實施形態中，為周期性調變＋1階繞射光與－1階繞射光之相位差(為周期性調變格子像之相位)，亦可採用其他方法或調變裝置。例如，預先設定＋1階繞射光之光路長與－1階繞射光之光路差之相差值，周期性調變光源11之波長之方法等。又，有各種方法設定2個光路之光路長之相差值，例如，僅將平行平板插入一方之光路之方法等。

又，第1實施形態、第2實施形態之1階成分檢測電路22、2階成分檢測電路23、3階成分檢測電路24、以及4階成分檢測電路25之取出動作，雖應用同步檢波法，亦可應用其他方法，例如，如AC測定之振幅測量方法、特定相位或特定時間之振幅測量方法等。

又，上述各實施形態中，指標繞射光柵13(或指標格子13')之位置之調變方向雖與X方向一致(即，與移動繞射光柵15或移動格子15'之移動方向一致)，但只要至少含有X方向之成分，其他方向亦可。又，使指標繞射光柵13(或指標格子13')環繞既定軸周期性擺動(例如，環繞與Y軸平行之軸周期性擺動)取代直線振動，亦可得到相同效果。

又，第1實施形態或第2實施形態之編碼器中，雖設定調變波形成正弦波，亦可設定成上昇與下降呈對稱之其他波形。例如，亦可設定成三角波等。又，第3實施形態之編碼器中，雖設定調變波形成鋸齒狀，亦可設定成上昇與下降呈非對稱之其他波形。

又，上述任一實施形態之編碼器中，亦可施有提昇移位之檢測精度之設計。例如，亦可追加檢測出周期性調變之中心位置(偏置量)之光學系統(補充用之固定之指標格子)，將該光學系統之輸出訊號給予調變度控制電路28，使調變度控制電路28進行保持偏置量成一定之控制。

又，亦可應用上述任一實施形態之線性編碼器來構成旋轉方式之編碼器。

(第4實施形態)

以下說明第4實施形態。本實施形態，係繞射光干涉方式之光電式線性編碼器之實施形態。在此，僅說明與第1實施形態(圖1)之相異點。相異點在光學系統部分。

圖9係本編碼器之光學系統部分之構成圖。如圖9所示，當作本編碼器之調變裝置之致動器17，係使光源11振動而非使指標繞射光柵13振動。藉由該振動，光源11之位置與第1實施形態之指標繞射光柵13相同，以既定位置為基準在X方向(＝移動繞射光柵15之移動方向)周期性調變。此時，從準直鏡12射入指標繞射光柵13之照明光之入射角度，於圖9中箭頭所示方向產生周期性調變。該調變方向，係環繞與Y軸(＝格子線方向)平行之軸。

於該方向調變入射角度後，移動繞射光柵15上之格子像之相位，與第1實施形態之調變大致相同，來自受光元件16之干涉訊號I，亦與第1實施形態之經時變化大致相同。因此，本編碼器亦可得到與第1實施形態大致相同之效果。

又，本實施形態雖係變更第1實施形態(繞射光干涉方式)之光學系統部分，同樣亦可變更原理相異之其他實施形態(繪影方式)與電路部分相異之其他實施形態之光學系統部分。

又，繪影方式之編碼器(圖5)中，形成於移動格子15'上之像，並非指標格子13'之格子像，而僅是投影像(影)，但與本實施形態相同調變照明光之入射角度後，該投影像之位置調變，故可使來自受光元件16之強度訊號f與第2實施形態同樣產生經時變化。又，本實施形態中，光源11之位置之調變方向，雖與X方向(＝移動繞射光柵15之移動方向)一致，但只要至少含有X方向之成分，不與X方向一致亦可。

又，本實施形態中，雖調變光源11之位置，如圖9之右上方框內所示，若在準直鏡12與指標繞射光柵13之間配置彎曲反射鏡M，以致動器17擺動該反射鏡M於箭頭之方向，同樣可調變照明光之入射角度。又，擺動之支點，例如，係圖中之點A。又，本實施形態中，雖調變光源11之位置，若在遠離編碼器之位置配置光源11且以光纖引導該光源11之射出光，只要調變其射出端之位置，同樣可調變照明光之入射角度。

又，該反射鏡M，例如，亦可用表面被覆反射膜之水晶振動構件，藉著水晶振動構件本身之振動使照明光產生調變。

(第5實施形態)

以下說明第5實施形態。本實施形態，係繞射光干涉方式之光電式線性編碼器之實施形態。在此，僅說明與第1實施形態(圖1)之相異點。相異點在光學系統部分。圖10係本編碼器之光學系統部分之構成圖。如圖10所示，本編碼器中，省略致動器17，且具備點光源陣列11'來代替光源11。

點光源陣列11'，係將複數個點光源排列於X方向(＝移動繞射光柵15之移動方向)形成之所謂「面發光雷射」。該複數個點光源在表觀上之配置間距p'(從指標繞射光柵13側觀察時之配置間距)，設定成遠小於光柵間距p。例如，相對於p＝8 μ m，p'≦數μ m。該點光源陣列11'藉由未圖示之光源驅動電路驅動。光源驅動電路，切換點光源陣列11'之複數個點光源內之點燈光源(即點燈位置)。若使該點燈位置之經時變化圖案具有周期性，則與第4實施形態中周期性調變光源11之位置時相同，可周期性調變照明光之入射角度。因此，本實施形態中，光源驅動電路具有調變裝置之功能，使指標格子之射出光產生周期性改變。

點燈位置之切換，可比調變物體之位置更快速，故本編碼器中，可將調變之調變頻率設定為比第1實施形態更高。例如，可設定為MHz之等級。

因此，本編碼器中，若將複數個點光源在表觀上之配置間距p'設定為極小，可得到與第1實施形態相同之效果，與縮短訊號產生時間之效果。

且，本編碼器中，未調變物體之位置，即使未施以第1實施形態之反饋控制，亦可保持調變度2d與周期性調變之中心位置(偏置量)等為一定。因此，本編碼器中，可得到與第1實施形態相同之效果且簡化電路部分。

又，本編碼器中，為將複數個點光源在表觀上之配置間距p'設定較小，亦可使點光源陣列11'相對於準直鏡12之姿勢呈傾斜。

又，本實施形態雖係變更第1實施形態(繞射干涉方式)之光學系統部分，同樣亦可變更原理相異之其他實施形態(繪影方式)與電路部分相異(即調變波形相異)之其他實施形態之光學系統部分。又，本實施形態中實現各種調變波形之方法，例如以下所述。

若點光源陣列11'之點光源之個數為7個，這7個點光源之位置依序稱為「1」、「2」、「3」、「4」、「5」、「6」、「7」之情形，若點燈位置之經時變化圖案為：「1」→「2」→「3」→「4」→「5」→「6」→「7」→「1」→「2」→「3」→「4」→「5」→「6」→「7」→「1」→「2」→「3」→「4」→「5」→「6」→「7」→「1」…可實現鋸齒狀之調變波形。

又，若採用如圖11(a)所示之經時變化圖案(「4」→「3」→「2」→「1」→「2」→「3」→「4」→「5」→「6」→「7」→「6」→「5」→「4」→…)，可實現三角波狀之調變波形。又，若採用如圖11(b)所示之經時變化圖案，可實現正弦波狀之調變波形。該經時變化圖案中，依點燈位置而具有不同的點燈時間。又，圖11(a)、(b)中，橫軸係時間、縱軸係點燈位置(點光源之編號)。

上述實施形態中，使指標格子射出之光產生周期性改變之調變裝置，係使用致動器與EOM等，但並不侷限於此，只要是可使指標格子射出之光產生周期性改變之裝置與元件，可使用任意之物品。若由其他觀點觀之，亦可是使該指標格子與射入指標格子之照明光之相對位置關係產生周期性調變之調變裝置。雖該致動器與EOM亦有該作用，除此之外，例如，在照明光源以及指標格子不產生移位或移動之情況下，可用反射鏡或稜鏡等光學元件使照明光源射向指標格子之光之入射位置或方向產生周期性偏向。

再者，亦可使指標格子本身具備有使其射出光周期性改變之功能。又，上述實施形態中，檢測出移動格子之移位之移位檢測裝置，雖係使用1階以及2階成分檢測電路或0階成分檢測電路，但並不侷限於此，只要是可檢測出移動格子之移位之裝置與元件，可使用任意之物品。例如，亦可使受光元件本身具備有該功能。

上述實施形態中，相對於編碼器之光學系統部分，雖說明移動繞射光柵15進行移位之構成，亦可固定移動繞射光柵15(固定之移動繞射光柵，可視為固定繞射光柵)，相對於該固定繞射光柵，編碼器之光學系統部分與未圖示之移動體(測定對象物)共同進行移位。

又，上述實施形態中，雖說明使用繞射光柵當作光分離元件，其構成不侷限於此。例如，亦可用將從光源射出之同調光分割為2之分束器當作光分離元件。使用分束器之情形，將分束器分割之2束光各自重疊在移動繞射光柵15上之相同區域產生干涉即可。又，上述實施形態中，雖說明使用繞射光柵當作尺標，亦可用在透明之尺標基板上有透光部與遮光部(例如，鉻形成之區域)交互排列之圖案者。

又，上述實施形態中，指標繞射光柵13與移動繞射光柵15係相位光柵，亦可為振幅型之繞射光柵。

再者，上述實施形態中，雖以透過型之繞射光柵為例說明移動繞射光柵15，亦可以反射型之繞射光柵當作移動繞射光柵15。此情形，將受光元件16配置在指標繞射光柵13側即可。

上述實施形態中，將指標繞射光柵13與移動繞射光柵15之配置關係相反亦可。即，光源11射出之照明光射入之繞射光柵當作移動繞射光柵，該繞射光柵產生之繞射光射入之繞射光柵當作指標繞射光柵。即，按照光源11、準直鏡12、移動繞射光柵15、指標繞射光柵13、受光元件16之順序排列。

又，指標繞射光柵13與移動繞射光柵15之間距未必要相同。即，指標繞射光柵13與移動繞射光柵15之間距相異亦可。此情形，由於指標繞射光柵13、移動繞射光柵15產生之繞射光之射出方向係依光之波長λ與該間距而定，故依各繞射光柵之間距適當決定指標繞射光柵13與移動繞射光柵15間之光學系統、受光元件16等之配置關係即可。

11．．．光源

11'．．．點光源陣列

12．．．準直鏡

13．．．指標繞射光柵

13'．．．指標格子

14A、14B．．．反射鏡

15．．．移動繞射光柵

15'．．．移動格子

16．．．受光元件

17．．．致動器

21．．．受光電路

22．．．1階成分檢測電路

23．．．2階成分檢測電路

24．．．3階成分檢測電路

25．．．4階成分檢測電路

26．．．時鐘電路

27．．．編碼器訊號處理電路

28．．．調變度控制電路

29．．．致動器驅動電路

30．．．光源驅動電路

310．．．階成分檢測電路

32．．．光量控制電路

40．．．鋸齒狀波產生電路

圖1係第1實施形態之編碼器之構成圖。

圖2係調變度2d與貝塞爾展開係數J_n (n＝1,2,…)之關係之示意圖。

圖3之(a)~(e)，係第1實施形態之移動繞射光柵15之移位x為各值時，干涉訊號I之經時變化波形之示意圖。

圖4係1階成分檢測電路22、2階成分檢測電路23之取出動作之概念之示意圖。

圖5之(a)及(b)，係第2實施形態之編碼器之說明圖。

圖6係第3實施形態之編碼器之構成圖。

圖7之(a)~(c)，係第3實施形態之移動繞射光柵15之移位x為各值時，干涉訊號I之經時變化波形之示意圖。

圖8係第1實施形態或第3實施形態之編碼器之變形例之說明圖。

圖9係第4實施形態之編碼器之說明圖。

圖10係第5實施形態之編碼器之說明圖。

圖11之(a)及(b)，係第5實施形態之編碼器中，實現各種調變波形之方法之說明圖。

11．．．光源

12．．．準直鏡

13．．．指標繞射光柵

14A、14B．．．反射鏡

15．．．移動繞射光柵

16．．．受光元件

17．．．致動器

21．．．受光電路

221．．．階成分檢測電路

232．．．階成分檢測電路

243．．．階成分檢測電路

254．．．階成分檢測電路

26．．．時鐘電路

27．．．編碼器訊號處理電路

28．．．調變度控制電路

29．．．致動器驅動電路

30．．．光源驅動電路

31．．．0階成分檢測電路

32．．．光量控制電路

Claims (30)

1. 一種光電式編碼器，其特徵在於，係具備：光源，供射出照明光；移動格子，具有格子線，可在與該格子線交叉方向移位；指標格子，係該移動格子之移位基準；受光器，接收經由該移動格子以及該指標格子之該照明光；調變裝置，係使從該指標格子射出之光產生周期性改變；以及移位檢測裝置，根據該受光器接收之該照明光，檢測出該移動格子之移位。
2. 如申請專利範圍第1項之光電式編碼器，其中，該調變裝置，係使該指標格子與射入該指標格子之該照明光之相對位置關係產生周期性調變。
3. 如申請專利範圍第1項之光電式編碼器，其中，該調變裝置，係使該指標格子之位置產生周期性改變。
4. 如申請專利範圍第1項之光電式編碼器，其中，該調變裝置，係使從該光源射入該指標格子或該移動格子之該照明光之角度產生周期性改變。
5. 如申請專利範圍第4項之光電式編碼器，其中，該光源，可射出角度不同之複數個該照明光，該調變裝置，係周期性切換複數個該照明光。
6. 如申請專利範圍第1項至第5項中任一項之光電式編碼器，其中，該調變裝置，係使該移動格子上之該指標格 子之格子像或投影像之位置產生周期性改變。
7. 如申請專利範圍第1項至第5項中任一項之光電式編碼器，其中，該移動格子以及該指標格子，係繞射光柵；且配置光學系統，以使該指標格子產生之1對繞射光在該移動格子上形成該指標格子之格子像。
8. 如申請專利範圍第7項之光電式編碼器，其中，該光學系統，為了使該1對之繞射光重疊於該移動格子上之相同區域，具有使該一對之繞射光分別偏向之反射構件。
9. 如申請專利範圍第7項之光電式編碼器，其中，該調變裝置，係使該1對繞射光之間之相位差產生周期性改變。
10. 如申請專利範圍第8項之光電式編碼器，其中，該調變裝置，係使該1對繞射光之間之相位差產生周期性改變。
11. 如申請專利範圍第1項至第5項中任一項之光電式編碼器，其中，該調變裝置，係以上昇與下降呈對稱之波形來進行周期性變化；該移位檢測裝置，係取出該受光器接收之該照明光強度之經時變化之特定頻率成分來作為該移位訊號。
12. 如申請專利範圍第1項至第5項中任一項之光電式編碼器，其中，該調變裝置，係以上昇與下降呈非對稱之波形來進行該周期性變化；該移位檢測裝置，係取出該受光器接收之該照明光強度之經時變化之相位，來作為該移位訊號。
13. 如申請專利範圍第1項至第4項中任一項之光電式 編碼器，其中，該移位檢測裝置在該移位訊號產生時亦產生該周期性變化之振幅訊號；且進一步具備控制裝置，其監測該振幅訊號並控制該調變裝置以使該振幅訊號成為一定。
14. 如申請專利範圍第1項至第5項中任一項之光電式編碼器，其中，該移位檢測裝置在該移位訊號產生時亦產生該照明光之光量訊號；且進一步具備控制裝置，其監測該光量訊號並控制該光源以使該光量訊號成為一定。
15. 如申請專利範圍第1項至第4項中任一項之光電式編碼器，其中，該受光器具有單一之受光元件。
16. 如申請專利範圍第1項之光電式編碼器，其中，該調變裝置具有致動器，用以驅動該指標格子以及該光源之其中一方。
17. 如申請專利範圍第1項之光電式編碼器，其中，該光源具有點光源陣列；該調變裝置係驅動該點光源陣列。
18. 如申請專利範圍第1項之光電式編碼器，其中，在該指標格子產生之1對繞射光之光路長差係對應該照明光波長之周期性調變而變化。
19. 如申請專利範圍第18項之光電式編碼器，其具備在該1對繞射光之光路長設定差之光學構件。
20. 一種光電式編碼器，其特徵在於，係具備：光源，供射出照明光； 尺標，具有排列於既定方向之圖案；基準構件，相對該尺標而移位，為該移位基準；受光器，接收經由該尺標以及該基準構件之該照明光；調變裝置，係在該尺標與該基準構件相對移位之期間，使該照明光於該移位方向產生周期性調變；以及移位檢測裝置，根據該受光器接收之該照明光，檢測出該尺標與該基準構件之相對移位。
21. 如申請專利範圍第20項之光電式編碼器，其中，該調變裝置，係使該基準構件與射入該基準構件之照明光之相對位置關係產生周期性調變。
22. 如申請專利範圍第20項之光電式編碼器，其中，該調變裝置，係使該照明光射入該基準構件之角度產生周期性調變。
23. 如申請專利範圍第20項之光電式編碼器，其中，該光源為點光源陣列，該調變裝置係驅動該點光源陣列。
24. 如申請專利範圍第20項之光電式編碼器，其中，在該基準構件產生之1對繞射光之光路長差係對應該照明光波長之周期性調變而變化。
25. 如申請專利範圍第24項之光電式編碼器，其中，該調變裝置週期性調變該照明光波長。
26. 如申請專利範圍第24或25項之光電式編碼器，其具備在該1對繞射光之光路長設定差之光學構件。
27. 如申請專利範圍第20項至第23項中任一項之光電式編碼器，其中，該尺標，係以具有排列在該既定方向之 複數個格子線之透過型繞射光柵而形成。
28. 如申請專利範圍第20項至第23項中任一項之光電式編碼器，其中，該受光器，具有單一之受光元件。
29. 一種光電式編碼器，具備：光源，供射出照明光；尺標，具有排列於既定方向之圖案；基準構件，相對該尺標而移動；以及受光器，接收經由該尺標以及該基準構件之該照明光；其特徵在於：該基準構件具有光分離元件；進一步具備使該照明光之中以該基準構件分離後之一對光干涉之光學系統；以該基準構件分離之該一對光之光路長差，係依據該照明光之波長被周期性調變而變化。
30. 一種光電式編碼器，其特徵在於，係具備：光源，供射出照明光；移動格子，具有格子線，可在與該格子線交叉方向移動；指標格子，係該移動格子之移位基準；受光器，接收經由該移動格子以及該指標格子之該照明光；調變裝置，係使該移動格子及該指標格子之一方在另一方之上形成之格子像或投影像之圖案周期性變化；以及移位檢測裝置，根據該受光器接收之該照明光，檢測出該移動格子之移位。