TWI416082B

TWI416082B - 光學式編碼器

Info

Publication number: TWI416082B
Application number: TW098118320A
Authority: TW
Inventors: Hajime Nakajima; Takuya Noguchi; Takeshi Musha; Youichi Omura; Toshiro Nakashima; Tatsuya Nagatani; Takashi Iwamoto
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2008-06-05
Filing date: 2009-06-03
Publication date: 2013-11-21
Also published as: WO2009148066A1; KR101184129B1; KR20110015598A; CN102047078A; CN102047078B; DE112009001319T5; DE112009001319B4; JP4854809B2; US20110049341A1; TW201003044A; US8415610B2; JPWO2009148066A1

Description

光學式編碼器

本發明係關於一種具備光源、設於測量對象之信號軌、及受光元件，且將受光元件之輸出進行運算而求出上述測量對象之變位之光學式編碼器。

在上述之光學式編碼器中，習知例如係具有以從光源經由信號軌在受光元件所獲得之光穿透量或反射光量變化為正弦波狀之方式形成上述信號軌，且復在上述正弦波狀之光量變化中各偏移1/4間距之位置配置受光元件之構成。依據此種構成，即可從各個受光元件取出彼此偏移90°相位之信號，且將從上述信號軌之圖案(pattern)所獲得之信號之1周期內予以多數分割(參照例如專利文獻1)。

此外，在具備複數個繞射光柵之光學式編碼器中，為了將輸出信號中之高諧波失真去除，在繞射光柵中，亦存在有非將鄰接之圖案之間隔作成固定，而是作成具有相對於成為基準相位之圖案為規定之相位差、及各相位差之和之組合對應之相位差之圖案者(參照例如專利文獻2)。

再者，此外亦提案有一種相對於具有預定波數之主切縫軌(slit track)，設置少特定波數之副切縫軌，而從兩者之電性角度之差產生長周期之信號之游動(vernier)式編碼之手法(參照例如專利文獻3)。

專利文獻1：日本特開昭61-182522號公報

專利文獻2：日本特開平8-184466號公報

專利文獻3：日本特開平08-304113號公報

在光學式編碼器中，在利用正弦波角度內插方式之檢測中，內插精確度係由檢測正弦波之值之電路所限制。因此，在進行需高解析度之絕對值檢測時，係需於測量對象設置複數個信號軌，且依序連接內插角度位置來構成。因此，會有要設置信號軌之刻度尺(scale)之面積變大之問題。

此外，雖如上所述提出有使圖案間隔變化之方案，惟在提升正弦波角度內插解析度之目的上，習知並未存在有進一步考慮受光元件之配置位置及輸出信號之運算方法之技術。

本發明係有鑑於解決上述之問題而研創者，其目的在提供一種以單一信號軌而可提升內插角度精確度之光學式編碼器。

為了達成上述目的，本發明係構成如下。

亦即，本發明之一態樣之光學式編碼器，其特徵為具備：光源；一個信號軌(signal track)，設於測量對象且與該測量對象之動作連動而將來自上述光源之光束進行調變；光檢測部，接受來自上述信號軌之光束且轉換為電信號予以輸出；及運算部，用以運算來自該光檢測部之輸出信號；上述信號軌係具有將來自上述光源之光進行強度調變為正弦波狀，而且以λ為基本周期將依mλ=Λ(m係自然數)重複之相位調變賦予至該正弦波之構成；上述光檢測部係由從賦予上述相位調變之信號軌接受調變為正弦波狀之光束取出正弦信號及餘弦信號；藉由上述運算部，從一個上述信號軌獲得周期λ之基本周期信號與周期Λ之相位調變信號之2個周期信號。

在上述第1態樣中，亦可構成為：上述光檢測部係將第1光檢測器對與第2光檢測器對配置於在上述相位調變之周期Λ中依{(2n+1)Λ/2}周期離開之位置，該第1光檢測器對係由從藉由上述信號軌接受調變為上述正弦波狀之光束取出正弦信號及餘弦信號之一對光檢測器所構成，而該第2光檢測器對係由從藉由上述信號軌接受調變為上述正弦波狀之光束取出正弦信號及餘弦信號之一對光檢測器所構成；上述運算部係藉由從上述第1光檢測器對及上述第2光檢測器對各自輸出之上述正弦信號及上述餘弦信號而運算各光檢測器對之位置中之各電性角度，且取得所獲得之各電性角度之和而求出上述基本周期λ中之電性角度，並取得上述各電性角度之差而求出第1相位調變信號。

在上述第1態樣中，亦可構成為：上述光檢測部係復具備配置在相對於上述第1光檢測器對及上述第2光檢測器對分別依{(2n+1)Λ/4}周期離開之位置且由與上述第1光檢測器對及上述第2光檢測器對相同之構成而成之第3光檢測器對及第4光檢測器對；上述運算部係藉由從上述第1光檢測器對及上述第2光檢測器對所求出之上述第1相位調變信號、及從上述第3光檢測器對及上述第4光檢測器對所求出之第2相位調變信號而運算相位調變信號之電性角度。

在上述第1態樣中，亦可構成為：上述光檢測部係將第1光檢測器對與第2光檢測器對配置於在上述相位調變之周期Λ中依Λ/2周期離開之位置，該第1光檢測器對係由從藉由上述信號軌接受調變為上述正弦波狀之光束取出正弦信號及餘弦信號之一對光檢測器所構成，而該第2光檢測器對係由從藉由上述信號軌接受調變為上述正弦波狀之光束取出正弦信號及餘弦信號之一對光檢測器所構成；再者，復具備配置在相對於上述第1光檢測器對及上述第2光檢測器對分別依Λ/4周期離開之位置且由與上述第1光檢測器對及上述第2光檢測器對相同之構成而成之第3光檢測器對及第4光檢測器對；上述運算部係藉由從上述第1光檢測器對與上述第2光檢測器對、及上述第3光檢測器對與上述第4光檢測器對各自所輸出之上述正弦信號及上述餘弦信號而運算各光檢測器對之位置中之各電性角度，且取得所獲得之各電性角度之和而求出上述基本周期λ中之電性角度，並取得上述各電性角度之差而求出第1相位調變信號。

在上述第1態樣中，亦可構成為：上述運算部係復藉由從上述第1光檢測器對與上述第2光檢測器、及上述第3光檢測器對與上述第4光檢測器對所求出之上述第1相位調變信號、以及上述第2光檢測器對與上述第3光檢測器對、及上述第4光檢測器對與上述第1光檢測器對所求出之上述第2相位調變信號之差而運算相位調變信號之電性角度。

在上述第1態樣中，亦可構成為：上述測量對象係除上述信號軌之第1信號軌之外，另具有與該第1信號軌不同之第2信號軌，且與各信號軌對應而具有上述光檢測部，而第1信號軌係為用以產生經上述相位調變之正弦波之信號軌，而第2信號軌係為用以進行單一周期之正弦波狀之光強度調變之信號軌，該單一周期係具有較可在上述第1信號軌解析之解析度高之頻率。

在上述第1態樣中，亦可構成為：上述測量對象係除上述信號軌之第1信號軌之外，另具有與該第1信號軌不同之第2信號軌，且與各信號軌對應而具有上述光檢測部，而第1信號軌係為用以產生經上述相位調變之正弦波之信號軌，而第2信號軌係為用以進行單一周期之正弦波狀之光強度調變之信號軌，該單一周期係具有較可在上述第1信號軌解析之解析度低之頻率。

在上述第1態樣中，亦可構成為：上述第2信號軌係為用以進行單一周期之正弦波狀之光強度調變之信號軌，該單一周期係具有該第2信號軌之波數n較上述第1信號軌之波數L僅相差j之波數。

在上述第1態樣中，亦可構成為：相對於上述第2信號軌之軌半徑R，上述第1信號軌之軌半徑係為R(L/n)。

此外，本發明之第2態樣之光學式編碼器，其特徵為具備：光源；刻度尺，具有安裝於被測量物且與上述被測量物之動作連動而將來自上述光源之光束進行調變之第1軌及第2軌；光檢測部，接受來自上述刻度尺之經調變之光束且轉換為電信號予以輸出；及運算部，用以運算來自上述光檢測部之輸出信號而運算上述被測量物之位置；上述第1軌係由相對於將該軌整體進行k分割之周期Λ具有n個波數之固定周期圖案所構成；上述第2軌係具有較上述第1軌之n個波數僅相差m之波數，而且賦予在上述周期Λ變化之函數所致之相位調變而構成；上述光檢測部係具有：與上述第1軌對應而配置之第1光檢測器、及與上述第2軌對應而配置且彼此偏移Λ/4周期所配置之複數個第2光檢測器；上述運算部係運算從上述第1光檢測器之輸出信號及上述第2光檢測器之輸出信號分別求出之電性角度運算輸出之差而求出長周期之信號，且運算從上述第2光檢測器之輸出信號所求出之電性角度運算輸出之差而求出上述周期Λ內之絕對位置，且運算上述電性角度運算輸出之和而求出在周期Λ內重複m次之游動輸出。

在上述第2態樣中，亦可構成為：復具備固定在上述刻度尺之上述第1軌及上述第2軌與上述光源之間所配置之固定光柵，而上述光檢測部係用以檢測藉由上述固定光柵與上述刻度尺所產生之光柵像。

在上述第2態樣中，亦可構成為：上述刻度尺之上述第1軌及上述第2軌係具有對於光之相位賦予調變之相位光柵。

依據本發明之第1態樣中之光學式編碼器，係具備與一個信號軌對向之光檢測部、及運算部，可從上述光檢測部獲得具有複數個不同周期之正弦波信號及餘弦波信號。如此，即可從一個信號軌獲得周期不同之2個周期信號。因此，可達成具有信號軌之刻度尺之小型化，並且在一個信號軌可內插之電性角度係可從上述2個周期信號求出，而可使內插解析度較習知更為提升。具體而言，上述可內插之電性角度係可藉由上述光檢測部所具備之第1光檢測器對及第2光檢測器對中之各電性角度之和來求出。

此外，依據本發明之第2態樣中之光學式編碼器，係具備第2軌、第2光檢測器、及運算部，藉此而可從第2軌獲得複數個周期之正弦波輸出。因此，在1軌中，可內插之電性角度可由前述複數個周期之內插電性角度之和來獲得，而可使內插解析度提升。

此外，由於如上所述可從一個軌獲得複數個周期之正弦波輸出，因此不需設置多段之軌，而可謀求刻度尺之小型化。

以下參照附圖說明本發明之實施形態之光學式編碼器。另外，在各圖中，係對於相等或相同之構成部分賦予相同符號。

(實施形態1)

第1圖係為表示本發明之實施形態1之光學式編碼器100之構成圖。該光學式編碼器100係具備：光源101、刻度尺102、光檢測部104、及與光檢測部104連接之運算部106。

以光源101而言，係可使用例如LED(Light Emittion Diode；發光二極體)或LD(Laser Diode；雷射二極體)等。刻度尺102係夾在光源101與光檢測部104作配置，且為安裝於本實施形態1中之測量對象之旋轉軸105之圓板，且沿著圓周設有用以調變來自光源101之光束之一個信號軌103。信號軌103係與旋轉軸105之旋轉角對應而圖案化。

光檢測部104係接受來自信號軌103之光束，且轉換為電信號而輸出至運算部106。運算部106係如後所詳述，在功能上具有電性角度運算部106a、和運算部106b、及差運算部106c，用以運算刻度尺102，亦即旋轉軸105之旋轉角度或旋轉位置而予以輸出。

在本實施形態1中，如圖所示，且如上所述，光學式編碼器100雖係以迴轉編碼器(rotary encoder)之情形為例，惟不限定於此形態，對於線性編碼器(linear encoder)之實施形態，本發明亦可適用。此外，在本實施形態1中，光檢測部104雖係用以檢測穿透信號軌103之光源101之光束，惟不限定於此形態，以檢測反射光之方式構成亦可。

此外，第2圖係顯示刻度尺102之信號軌103之形態，而第3圖係將第2圖內以虛線所示之A區域加以放大圖示。此外，第4圖係將第3圖所示之信號軌103之圖案予以展開為直線狀，以易於理解。

信號軌103之圖案係將正弦波狀之調變賦予至來自光源101之光者，且由調變之暗部(斜線部)115與明部116交替構成，而賦予以基本周期λ依Λ=mλ(m係自然數)之周期重複之相位調變。此外，相位調變之周期Λ係為將信號軌103之1周作k等份之角度，在本實施形態中係設為k=16、m=8。

如第2圖及第3圖所示，光檢測部104係具有光檢測器107至114，而光檢測器107至114係與單一之信號軌103對向配置。再者，光檢測器107、109、111、113係在刻度尺102之外周側，於相同半徑上沿著周方向配置，且如後所詳述之方式輸出相位調變波形之正弦波。光檢測器108、110、112、114係相對於光檢測器107、109、111、113在刻度尺102之內周側，於相同半徑上沿著周方向配置，且如後所詳述之方式輸出相位調變波形之餘弦波。此外，光檢測器107與光檢測器108、光檢測器109與光檢測器110、光檢測器111與光檢測器112、光檢測器113與光檢測器114之各對，係沿著刻度尺102中各自不同之直徑上配置。此外，由光檢測器107與光檢測器108構成第1光檢測器對，由光檢測器109與光檢測器110構成第2光檢測器對，由光檢測器111與光檢測器112構成第3光檢測器對，及由光檢測器113與光檢測器114構成第4光檢測器對。

相對於如上所述所形成之信號軌103之圖案，在本實施形態中係如第3圖所示，由光檢測器107及光檢測器108所構成之第1光檢測器對、及由光檢測器109及光檢測器110所構成之第2光檢測器對，係配置於依Λ/2之周期(一般而言係為{(2n+1)Λ/2}之周期(n係為0以上之整數))離開之位置，同樣地，由光檢測器111及光檢測器112所構成之第3光檢測器對、及由光檢測器113及光檢測器114所構成之第4光檢測器對，亦配置於依Λ/2之周期(一般而言係為{(2n+1)Λ/2}之周期)離開之位置。再者，第1光檢測器對與第3光檢測器對、第3光檢測器對與第2光檢測器對、第2光檢測器對與第4光檢測器對係分別配置於依Λ/4之周期(一般而言係{(2n+1)Λ/4}之周期)離開之位置。

再者，光檢測器107至114係以第5圖所示之方式構成。另外，第5圖係與第4圖之圖示對應而在將第3圖所示之各光檢測器配置成直線狀之狀態下圖示。茲舉構成第1光檢測器對之光檢測器107及光檢測器108為例進行說明，光檢測器107係由副檢測器107a、107b、107c所構成，光檢測器108係由副檢測器108a、108b所構成。副檢測器107b及副檢測器107c係形成為副檢測器107a之面積之各1/2，且將副檢測器107a夾在之間而配置在相對於副檢測器107a偏移基本周期λ之1/2之位置。副檢測器108a與副檢測器108b係形成相同面積，而副檢測器108a與副檢測器108b均配置於偏移基本周期λ之1/2之位置。再者，副檢測器107a與副檢測器108a及副檢測器108b係彼此賦予基本周期λ之1/4之偏移而配置。其他關於構成第2光檢測器對之光檢測器109及光檢測器110、構成第3光檢測器對之光檢測器111及光檢測器112、構成第4光檢測器對之光檢測器113及光檢測器114，亦與上述之第1光檢測器對同樣方式構成。

以下茲針對具有以上構成之本實施形態1之光學式編碼器100中之動作進行說明。

如上所述，在以基本周期λ賦予依Λ=mλ周期重複之相位調變之信號軌103之信號圖案中，相位調變圖案之電性角度原點117(第4圖)係相對於虛線所示之基本周期λ之電性角度原點117a而隨著相位調變產生δ(θ)之偏移。相位調變圖案之f[θ]波形、及δ[θ]波形係例如賦予下列公式之強度調變。

此外，參照第5圖，如上所述，例如在將構成光檢測器107之副檢測器107a、107b、107c配置於規定位置，且將構成光檢測器108之副檢測器108a、108b配置於規定位置之狀態下，係以副檢測器107a之中心為基準，而將其輸出f7a[θ]以賦予時，副檢測器107b之輸出f7b[θ]、及副檢測器107c之輸出f7c[θ]係可分別以下式來表示。

在此，β較小而m較大時，f7a[θ]-(f7b[θ]+f7c[θ])係可近似於下列式。

另外，β係表示相位調變波之相位振幅，且為可以0<β<π任意設定之常數，而m係為自然數。

再者，副檢測器108a之輸出f8a[θ]、及副檢測器108b之輸出f8b[θ]係可表示為下列式。

在此，β較小而m較大時，f8a[θ]-f8b[θ]係可近似於下列式。

因此，在相同位置θ中，光檢測器107係輸出正弦信號，而光檢測器108係輸出餘弦信號。

此光檢測器107之正弦信號、與光檢測器108之餘弦信號係藉由運算部106之電性角度運算部106a進行除算，亦即進行反正切運算，藉此而求出下述(10)式所示之電性角度。

【式10】此外，構成第2光檢測器對之光檢測器109及光檢測器110係相對於上述之構成第1光檢測器對之光檢測器107及光檢測器108，配置在偏移相位調變周期之半周期、Λ/2之位置。因此，從光檢測器109及光檢測器110所獲得之反正切運算輸出，係如下述(11)式所示，相位調變項之符號係相對於(10)式反轉。

再者藉由運算部106之和運算部106b，將由構成第1光檢測器對之光檢測器107及光檢測器108之(10)式所示之電性角度運算結果、及由構成第2光檢測器對之光檢測器109及光檢測器110之(11)式所示之電性角度運算結果之和進行運算。藉由該運算，而求出下述(12)式所示之基本周期之電性角度。

此外，藉由運算部106之差運算部106c，將(10)式所示之電性角度運算結果、及(11)式所示之電性角度運算結果之差進行運算，藉此而抽出下述(13)式所示之相位調變成分。

藉由在(13)式所獲得之相位調變周期Λ之信號而可檢測出內插角度。然而，為了更提高內插角度之精確度，係以採用以下方法為較佳。

亦即，上述相位調變周期Λ之信號，如(13)式所示係為正弦波信號，於電性角度解析度存在位置依存性。

另一方面，構成第3光檢測器對之光檢測器111、112、及構成第4光檢測器對之光檢測器113、114係分別相對於構成第1光檢測器對之光檢測器107、108、及構成第2光檢測器對之光檢測器109、110，設於僅彼此偏移相位調變周期之1/4周期(Λ/4)之位置。因此，關於此等第3光檢測器對之光檢測器111、112、及第4光檢測器對之光檢測器113、114係與上述第1光檢測器對及第2光檢測器對之情形相同，若以運算部106運算各個電性角度運算結果之差，則如下述(14)式所示，可獲得相對於(13)式位移電性角度90°相位之餘弦波形狀之相位調變信號。

再者，藉由運算部106之電性角度運算部106a，而進行從第1光檢測器對及第2光檢測器對所求出之上述(13)式所示之相位調變信號、及從第3光檢測器對及第4光檢測器對所求出之上述(14)式所示之相位調變信號之反正切運算。藉由此運算結果，即可獲得電性角度解析度不存在位置依存性之在周期Λ之電性角度2πθ/Λ。

如此，依據本實施形態1之光學式編碼器，即可以更高精確度求出相位調變信號之電性角度。因此，可提供較習知更高解析度之光學式編碼器。

(實施形態2)

在實施形態1之光學式編碼器中，如上所述，係分別由光檢測器107及光檢測器108構成第1光檢測器對、由光檢測器109及光檢測器110構成第2光檢測器對、由光檢測器111及光檢測器112構成第3光檢測器對、由光檢測器113及光檢測器114構成第4光檢測器對。

相對於此，在本實施形態中，係分別由光檢測器107及光檢測器111、與光檢測器108及光檢測器112構成第1光檢測器對；由光檢測器109及光檢測器113、與光檢測器110及光檢測器114構成第2光檢測器對；由光檢測器111及光檢測器109、與光檢測器112及光檢測器110構成第3光檢測器對；由光檢測器113及光檢測器107、與光檢測器114及光檢測器108構成第4光檢測器對。其他構成係與實施形態1之光學式編碼器中之構成相同。

茲以上述第1光檢測器對為例更具體說明。另外，在其他光檢測對中亦可同樣考慮。

如實施形態1所說明，從在相同圓周上位於外周側之光檢測器107及光檢測器111獲得正弦波輸出，且從位於內周側之光檢測器108及光檢測器112獲得餘弦波輸出。藉由運算部106之電性角度運算部106a，進行上述正弦波輸出與上述餘弦波輸出之除算，亦即進行反正切運算，藉此即可獲得與上述(10)式所示相同之電性角度。

本實施形態2之第1光檢測器對與第2光檢測器對、及第3光檢測器對與第4光檢測器對係與實施形態1之情形相同，處於相位調變周期之半周期，亦即偏移Λ/2之相位關係。此外，本實施形態2之第1光檢測器對與第3光檢測器對、及第2光檢測器對與第4光檢測器對係處於相位調變周期之4分之1周期，亦即偏移Λ/4之相位關係。因此，如實施形態1所說明，藉由上述(12)式之運算而求出基本周期之電性角度，且藉由上述(13)式之運算而抽出相位調變成分。

如本實施形態2之光學式編碼器，藉由例如以第1光檢測器對與第4光檢測器對之2個光檢測器對共用來自光檢測器107及光檢測器108之輸出，輸入於運算部106之信號之輸出係可獲得相較於實施形態1之情形2倍之輸出。因此，依據本實施形態2之光學式編碼器，當然可獲得上述實施形態1之效果，再者，亦具有即使在僅可獲得微弱信號之形態中，亦可以更高精確度求出相位調變信號之電性角度之優點。

(實施形態3)

第6圖係為顯示構成本發明之實施形態3中之光學式編碼器所具備之光檢測部104-3之各光檢測器之配置之概略圖。另外，在第6圖中，亦與第5圖之情形相同在將各光檢測器配置為直線狀之狀態下圖示。

本實施形態3之光學式編碼器之基本構成係與實施形態1及實施形態2之構成相同，僅光檢測部之構成相異。亦即，本實施形態3之光學式編碼器所具備之光檢測部104-3係相對於上述之光檢測器113及光檢測器114在朝右方Λ/4之位置另配置光檢測器125及光檢測器126。光檢測器125係由副檢測器125a、125b、125c所構成，而光檢測器126係由副檢測器126a、126b所構成。副檢測器125a、125b、125c係具有與上述之副檢測器107a、107b、107c相同之構成。此外，關於副檢測器126a、126b，亦具有與上述之副檢測器108a、108b相同之構成。

在此，由於信號軌103之圖案係以周期Λ調變，因此從光檢測器125與光檢測器107、及光檢測器126與光檢測器108，可獲得相同相位之信號。

此外，在本實施形態3之光學式編碼器中，係分別由光檢測器107及光檢測器111、與光檢測器108及光檢測器112構成第1光檢測器對；由光檢測器109及光檢測器113、與光檢測器110及光檢測器114構成第2光檢測器對；由光檢測器111及光檢測器109、與光檢測器112及光檢測器110構成第3光檢測器對；由光檢測器113及光檢測器125、與光檢測器114及光檢測器126構成第4光檢測器對。

在如此構成之本實施形態3之光學式編碼器中，上述第1光檢測器對與第2光檢測器對、及第3光檢測器對與第4光檢測器對係與實施形態2相同，處於相位調變周期之半周期，亦即偏移Λ/2之相位關係，此外，第1光檢測器對與第3光檢測器對、及第2光檢測器對與第4光檢測器對係處於相位調變周期之4分之1周期，亦即偏移Λ/4之相位關係。因此，在本實施形態3之光學式編碼器所具備之運算部106中，如實施形態1所說明，係藉由上述(12)式之運算，而求出基本周期之電性角度，且藉由上述(13)式之運算而抽出相位調變成分。

在實施形態2中，第1光檢測器對、第2光檢測器對、第3光檢測器對係分別獲得來自以Λ/4間隔配置之光檢測器之輸出，相對於此，第4光檢測器對係獲得來自以3Λ/4間隔配置之光檢測器之輸出。由於信號軌103之圖案係以周期Λ調變，因此以輸出之相位而言，第4光檢測器對內之光檢測器113與光檢測器107、及光檢測器114與光檢測器108係與其他光檢測器同樣處於相位Λ/4之位置關係。然而，在第4光檢測器對內之光檢測器113、107、114、108中，刻度尺102之實際之1旋轉內之機械角度位置與其他光檢測器有所不同。因此，在例如刻度尺102相對於旋轉軸105偏移組裝時，在實施形態2之構成中，恐有僅第4光檢測器對顯示與其他檢測器對不同之信號的舉動之虞。

相對於此，在本實施形態3之構成中，於第1至第4所有光檢測器對中，相位及刻度尺102之1旋轉內之機械角度位置關係為相同。因此，縱使例如刻度尺102相對於旋轉軸105偏移組裝時，依據本實施形態3之光學式編碼器，亦可達成可獲得穩定之信號之效果。當然，本實施形態3之光學式編碼器，可獲得上述實施形態1之光學式編碼器所達成之效果。

(實施形態4)

第7圖係為顯示構成本發明之實施形態4中之光學式編碼器所具備之光檢測部104-4之光檢測器之配置之概略圖。另外，在第7圖中，亦與第5圖及第6圖之情形相同在將各光檢測器配置為直線狀之狀態下圖示。

本實施形態4之光學式編碼器之基本構成係與實施形態1及實施形態2之構成相同，僅光檢測部之構成相異。

亦即，本實施形態4之光學式編碼器所具備之第7圖所示之光檢測部104-4係具有光檢測器131至134。光檢測器131至134係由相同之構成所成。茲以例如光檢測器131為例進行說明，光檢測器131係由副檢測器117a、117b、117c、117d、118a、118b、118c、118d所構成。副檢測器117a、117b、117c、117d雖個數不同，惟相當於實施形態1中之光檢測器107之副檢測器107a至107c，而副檢測器118a、118b、118c、118d雖個數不同，惟相當於實施形態1中之光檢測器108之副檢測器108a、108b。

副檢測器117a至117d、及副檢測器118a至118d均係由相同面積所構成。副檢測器118a係配置於相對於副檢測器117a偏移基本周期λ之1/4之位置。關於副檢測器117b與副檢測器118b、副檢測器117c與副檢測器118c、副檢測器117d與副檢測器118d亦同樣配置於偏移基本周期λ之1/4之位置。副檢測器117a與副檢測器117c、副檢測器117b及副檢測器17d，係彼此賦予基本周期λ之1/2之偏移而配置，副檢測器118a及副檢測器118c、副檢測器118b及副檢測器118d亦彼此賦予基本周期λ之1/2之偏移而配置。

此外，副檢測器117a、117b、副檢測器118a、118b係沿著刻度尺102之相同直徑上配置，而副檢測器117c、117d、副檢測器118c、118d係沿著刻度尺102之相同直徑上配置，副檢測器117a、117b、118a、118b、及副檢測器117c、117d、118c、118d係沿著刻度尺102之不同直徑上配置。

相當於實施形態1所說明之第1光檢測器對及第2光檢測器對之光檢測器131與光檢測器132係與實施形態1相同，配置於依Λ/2之周期(一般而言係{(2n+1)Λ/2}之周期)離開之位置，同樣地，關於相當於第3光檢測器對及第4光檢測器對之光檢測器133與光檢測器134亦配置於依Λ/2之周期(一般而言係{(2n+1)Λ/2}之周期)離開之位置。再者，光檢測器131與光檢測器133、光檢測器133與光檢測器132、光檢測器132與光檢測器134係分別配置於依Λ/4之周期(一般而言係{(2n+1)Λ/4}之周期)離開之位置。

具備如以上方式構成之光檢測部104-4之本實施形態4之光學式編碼器係動作如下。

以動作而言係與實施形態1之情形大致相同。亦即，若將副檢測器117a之輸出設為f7a[θ]、將副檢測器117b之輸出設為f7b[θ]、將副檢測器107c之輸出設為f7c[θ]、將副檢測器117d之輸出設為f7d[θ]，則(f7a[θ]+f7c[θ])-(f7b[θ]+f7d[θ])係成為與實施形態1所說明之(6)式中之正弦輸出f7a[θ]-(f7b[θ]+f7c[θ])相同之輸出。同樣地，關於副檢測器118a至118d，若亦將該等輸出分別設為f8a[θ]、f8b[θ]、f8c[θ]、f8d[θ]，則(f8a[θ]+f8c[θ])-(f8b[θ]+f8d[θ])係成為與實施形態1所說明之(9)式中之餘弦輸出f8a[θ]-f8b[θ]相同之輸出。以下同樣進行藉由運算部106之電性角度運算部106a之運算，本實施形態4之光學式編碼器即可獲得與實施形態1所說明之相同之效果。

在實施形態1中，係具有以夾著副檢測器107a之方式配置副檢測器107b及107c，藉此而使(6)式所示之正弦輸出f7a[θ]-(f7b[θ]+f7c[θ])、與(9)式所示之餘弦輸出f8a[θ]-f8b[θ]之刻度尺102相對於旋轉角度之相位大略一致之效果。然而，在實施形態1中，係輸出來自以副檢測器107較副檢測器108更廣之角度範圍之信號。因此，在刻度尺102相對於旋轉中心偏移組裝時，係可考慮在使用(6)式與(9)式所運算之輸出間產生相位偏移，且在使用(10)式所運算之電性角度產生角度檢測誤差之情形。

相對於此，在本實施形態4之光學式編碼器中，係例如在光檢測器131中，於刻度尺102之外周側與內周側均等地配置副檢測器117a至117d、及副檢測器118a至118d。因此，可使正弦輸出及餘弦輸出之刻度尺102相對於旋轉角度之相位大略一致，並且亦可使正弦輸出及餘弦輸出之信號檢測之角度範圍大略一致。因此，縱使包括刻度尺102相對於旋轉中心偏移組裝時在內，相較於實施形態1之光學式編碼器，實施形態4之光學式編碼器亦可獲得更穩定之角度檢測值。當然，在本實施形態4之光學式編碼器中，亦具有單一之信號軌103，藉此即可與實施形態1之光學式編碼器之情形相同，獲得刻度尺102之小型化之效果。

(實施形態5)

本實施形態5之光學式編碼器，係針對上述之實施形態4之光學式編碼器所具備之光檢測部104-4，採用與上述之實施形態2相同之信號處理方法，以獲得光檢測部104-4之信號強度較大之方式所構成之光學式編碼器。

茲具體說明。在實施形態4中，光檢測器131至134係構成分別獨立之檢測器。相對於此，在本實施形態5之光學式編碼器中，係分別由光檢測器131與光檢測器133構成第1光檢測器對、由光檢測器132與光檢測器134構成第2光檢測器對、由光檢測器133與光檢測器132構成第3光檢測器對、由光檢測器134與光檢測器131構成第4光檢測器對。

藉由如此構成，關於本實施形態5，亦可與實施形態2相同，例如以第1光檢測器對與第4光檢測器對之2個光檢測器對來共用來自光檢測器131之輸出。藉此，輸入於運算部106之信號之輸出，即可獲得相較於本實施形態5之情形、實施形態4之情形2倍之輸出。因此，與實施形態2相同，本實施形態5之光學式編碼器係具有即使在僅可獲得微弱信號之形態中，亦可以更高精確度求出相位調變信號之電性角度之優點。此外，本實施形態5之光學式編碼器當然可獲得上述之實施形態1之光學式編碼器所達成之效果。

(實施形態6)

第8圖係為表示構成本發明之實施形態6之光學式編碼器所具備之光檢測部104-6之光檢測器之配置之概略圖。另外，在第8圖中，亦與第5圖等之情形相同，在將各光檢測器配置為直線狀之狀態下圖示。

本實施形態6之光學式編碼器之基本構成係與實施形態1及實施形態2之構成相同，僅光檢測部之構成相異。如第8圖所示，本實施形態6之光學式編碼器所具備之光檢測部104-6係具有與上述之實施形態4及實施形態5之情形相同之光檢測器131至134，再者，相對於光檢測器134在Λ/4右方配置光檢測器135。在各光檢測器131至135中，光檢測器所具備之副檢測器之構成係與實施形態4所說明之構成相同。

此外，在本實施形態6中，係分別由光檢測器131與光檢測器133構成第1光檢測器對、由光檢測器132與光檢測器134構成第2光檢測器對、由光檢測器133與光檢測器132構成第3光檢測器對、由光檢測器134與光檢測器135構成第4光檢測器對。

在由以上方式構成之本實施形態6之光學式編碼器中，當然可獲得與上述之實施形態1之光學式編碼器所達成之效果，且可獲得兼具上述實施形態3之光學式編碼器、與實施形態4及實施形態5之光學式編碼器之效果。

(實施形態7)

在實施形態1至6之光學式編碼器中，刻度尺102係顯示具有單一信號軌103之構成。藉由具有單一信號軌103，實施形態1至6之光學式編碼器係可獲得可將刻度尺102小型化之效果。

另一方面，如第9圖之刻度尺102-1所示，亦可設置複數個信號軌103、151。本實施形態7之光學式編碼器係具有設置上述刻度尺102-1之構成，以取代實施形態1之光學式編碼器所具備之刻度尺102。刻度尺102-1中之第2信號軌151係由較第1信號軌103之基本周期更細間距(pitch)之單一間距之信號軌所構成。

此外，在本實施形態7之光學式編碼器中，係與各個信號軌103、151相對向，分別配置實施形態1所說明之光檢測部104、104之2個光檢測部。另外，光源101及運算部106係可分別與信號軌103、151對應設置，亦可為以信號軌103、151共有之方式構成。

此外，在本實施形態7之光學式編碼器中，係以藉由第1信號軌103之圖案由運算部106求出之基本周期之電性角度之內插精確度更佳之方式設定第2信號軌151的間距。藉此，即可藉由第1信號軌103特定第2信號軌151之波數位置。

再者，在本實施形態7之光學式編碼器中，係將第2信號軌151設為以刻度尺102-1之1旋轉具有1次周期之信號圖案，且將該檢測精確度設定為以第1信號軌103所獲得之相位調變周期以上。藉此，即可以第2信號軌151特定相位調變周期之波數位置，再者，藉由從第1信號軌103所獲得之相位調變信號之電性角度，即可特定第1信號軌103之基本周期之波數位置，且可特定1旋轉之絕對角度位置。

此外，亦可另外再加上具有較第1信號軌103之基本周期更細間距之第3信號軌。此時，可進行以第3信號軌規定解析度之1旋轉絕對值之檢測。

綜上所述，依據實施形態7之光學式編碼器，由具有2個信號軌觀之，相較於上述之實施形態1至6之構成，在裝置小型化之點雖稍不及，惟相較於實施形態1至6之光學式編碼器，可獲得更高之解析度。

(實施形態8)

接著說明實施形態8之光學式編碼器。

以習知之光學式編碼器之課題之一而言，係有將光學系統之間隙，亦即將光源與光檢測部相對於刻度尺之信號軌之間隙之餘裕提升之課題。以克服此課題之有效方法而言，係可舉使用3光柵方式之光學系統。在此3光柵方式中，係將上述間隙以在刻度尺上構成信號軌之狹縫之間距來決定。因此，為了進行刻度尺之旋轉角度之絕對值檢測，若將長周期與短周期之狹縫配置於刻度尺，則會有所需之光學系統之差變得過大，而難以構成光學式編碼器之問題。

茲具體說明。為了檢測刻度尺之1旋轉之絕對角度位置，如實施形態7所說明，係採用以具有較第1信號軌103之基本周期更細間距之單一間距所排列之具有狹縫之第2信號軌。茲以此種使用第2信號軌之3光柵方式之光學系統為例。在此構成中，於第1信號軌與第2信號軌，構成各軌之各個狹縫之信號間距係不同。因此，相對於各信號軌最良好產生狹縫之像之各光檢測部相對於刻度尺之位置亦不同。換言之，各光檢測部與刻度尺之各個最佳間距，在第1信號軌與第2信號軌有所不同。因此，會有難以構成此種具有各光檢測部之光學系統之課題。

因此，在本實施形態8之光學式編碼器中，刻度尺係由構成游動之主狹縫之信號軌、及相對於該主狹縫之信號軌具有僅特定波數相異之波數之副狹縫之信號軌所構成。再者，將從副狹縫所獲得之波形，以成為將相位調變波以特定之周期重疊於基本周期之正弦波之方式構成。

藉由如此構成，即可使構成2個信號軌之各個狹縫中之信號間距接近。因此，不會再有光學式編碼器之光學系統之上述間隙變得過大，而且相異之情形，而可適用使用3光柵方式之光學系統。以下參照第10圖更詳細說明。

第10圖係為顯示本發明之實施形態8之光學式編碼器200之構成圖。該光學式編碼器200係具備：光源101、201、刻度尺102-2、光檢測部104、204、以及與光檢測部104連接之運算部206。

光源101、第1信號軌103、及光檢測部104係與實施形態1所說明之構成相同。

以旋轉軸105為中心旋轉且具有上述第1信號軌103之刻度尺102-2係具有第2信號軌203，該第2信號軌203係比第1信號軌103更靠外周側且與第1信號軌103鄰接。光源201及光檢測部204係與第2信號軌203對向配置。運算部206係為用以運算從光檢測部104、204所獲得之信號，且將刻度尺102-2之旋轉角度位置予以輸出之運算手段。另外，運算部206係為進行與實施形態1所說明之運算部106相同動作之部分，在功能上，具有上述之電性角度運算部106a、和運算部106b、及差運算部106c。

在本實施形態中，光源101、201雖相對於各信號軌103、203各設有1個，惟亦可採用將1個光源照射於2個信號軌103、203，且藉由光檢測部104、204檢測該穿透光之構成。此外，在本實施形態中，如圖所示，在光檢測部104、204、及刻度尺102-2之間係配置固定刻度尺207，該固定刻度尺207係分別設置有與第1信號軌103對向的檢測狹縫208、及與第2信號軌203對向的檢測狹縫209。然而不限定於該構成，亦可如實施形態1所示構成為將來自信號軌103、201之穿透光直接以光檢測部104、204予以檢測。

第11圖係為顯示刻度尺102-2中之第1信號軌103及第2信號軌203、以及光檢測部104、204之配置圖。第2信號軌203係以將第1信號軌103之1周作n等份之周期ξ配置狹縫，詳細內容雖未圖示，惟構成由與周期ξ對應而輸出正弦波及餘弦波之光檢測部204、或光檢測部204及檢測狹縫209之組合而成之光檢測部。

另外，相對於第1信號軌103之光檢測部104係可採用與實施形態1至6相同之構成。第11圖所示之光檢測部104雖與第3圖所示之構成相同，惟為了簡化圖示，係將第3圖所示之光檢測器107及光檢測器108以一個區塊圖示為光檢測器對104a，將光檢測器111及光檢測器112以一個區塊圖示為光檢測器對104b，將光檢測器109及光檢測器110以一個區塊圖示為光檢測器對104c，將光檢測器113及光檢測器114以一個區塊圖示為光檢測器對104d。

此外，光檢測部204係將2個光檢測器以一個區塊圖示為光檢測器對204a。

第2信號軌203係如上所述以將第1信號軌103之1周作n等份之周期ξ配置狹縫，而第1信號軌103係以基本周期λ賦予依Λ=mλ(m係自然數)之周期重複之相位調變。此外，相位調變之周期Λ係為將信號軌103之1周作k等份之角度。在本實施形態8中，係設為n=2048、k=16、m=112。亦即，若將第2信號軌203之周期設為ξ=360/n、第1信號軌103之基本周期設為λ=360/L，則成為頻率差j=n-L=256。藉由第1信號軌103與第2信號軌203之頻率差j=n-L而構成游動。亦即，在本實施形態8中，係可從2個信號軌103、203獲得2048波、256波、16波之3個頻率之信號。

此外，藉由將屬於主信號軌之第2信號軌203之刻度尺102-2上之半徑位置設為R，將屬於副信號軌之第1信號軌103配置於第2信號軌203靠內周側，即可使第2信號軌203及第1信號軌103中之各狹縫之信號間距相同。具體而言，若將第1信號軌103之半徑位置設定於R×(L/n)之位置，則相對於構成第2信號軌203之狹縫之間距2πR/n，構成第1信號軌103之狹縫之間距即成為2π(R×L/n)/L=2πR/n，而可使構成第1信號軌103之狹縫、與構成第2信號軌203之狹縫之間距一致。

藉由上述方式構成，即可使第2信號軌203中之狹縫之間距、與第1信號軌103中之狹縫之間距一致或大略一致。因此，不會再有光學式編碼器之光學系統如上述間隙過大且相異之情形。具體而言，係可使第2信號軌203與光檢測部204之間隙、及第1信號軌103與光檢測部104之間隙一致或大略一致。因此，可應用使用3光柵方式之光學系統。

再者，在本實施形態8之光學式編碼器中，亦與上述實施形態1至7之光學式編碼器之情形相同，當然可達成具有高解析度之效果。

在本實施形態8中，如圖所示，且如上述所示，光學式編碼器200雖係以迴轉編碼器之情形為例，惟不限定於此形態，對於線性編碼器之實施形態，本發明亦可適用。此外，在本實施形態8中，光檢測部104、204雖係檢測來自穿透信號軌103、203之光源101、102之光束，惟不限定於此形態，以檢測反射光之方式構成亦可。

(實施形態9)

在實施形態8中，係以成為第1信號軌103與第2信號軌203之頻率差j=n-L之方式，將構成第1信號軌103之副狹縫之波數L，相對於構成第2信號軌203之主狹縫之波數n，決定為成為較少之波數。相對於此，亦可將副狹縫之波數h相對於主狹縫之波數n設為僅多j，亦即以成為j=h-n之方式設定副狹縫之波數h。本實施形態9之光學式編碼器係具有該種將副狹縫之波數h相對於主狹縫之波數n設為僅多j之構成。另外，在本實施形態9之光學式編碼器中，其他構成係與實施形態8之構成相同。

在本實施形態9之光學式編碼器中，如第12圖所示，若將具有主狹縫之第2信號軌203-2之刻度尺上之半徑位置設為R，則將具有副狹縫之第1信號軌103-2配置於較第2信號軌203-2更靠外周側。藉此，即可使構成第2信號軌203-2之狹縫、與構成第1信號軌103-2之狹縫之信號間距相同。具體而言，若將第1信號軌103-2之半徑位置設定於R×(h/n)之位置，則相對於構成第2信號軌203-2之第2狹縫之間距2πR/n，構成第1信號軌103-2之第1狹縫之間距係成為2π(R×h/n)/h=2πR/n。如此，即可使構成第2信號軌203-2之第2狹縫之間距、與構成第1信號軌103-2之第1狹縫之間距一致。

依據本實施形態9之光學式編碼器，當然可達成與上述之實施形態1等之光學式編碼器之情形同樣具有高解析度之效果，且可進一步獲得以下之效果。亦即，將光檢測部相對於刻度尺所佔之角度範圍規定為一定值時，由於刻度尺之外周側之曲率較內周側更小，因此光檢測部之實際之面積係以刻度尺之外周側可取得更廣之面積。因此，為了以相位調變波取出信號，係以將光檢測器之數較多之光檢測部配置於刻度尺之外周側，實際上較為容易構成光檢測部。在本實施形態中，係將具有副狹縫之第1信號軌103-2配置於較第2信號軌203-2更靠外周側，而可容易構成光檢測部。

(實施形態10)

茲說明實施形態10之光學式編碼器之構成。本實施形態10之光學式編碼器之基本整體構成，雖係與第10圖及第11圖所示之構成相同，惟構成刻度尺之2個信號軌之狹縫之配置係與第10圖及第11圖所示之情形不同。此外，關於第10圖所示之檢測狹縫208、209，在本實施形態10之光學式編碼器中，構成亦有所不同。

首先，參照第13圖至第16圖說明上述2個信號軌之詳細構成。

第13圖係為用以說明圖案化實施形態10之光學式編碼器所具備之刻度尺所具備之信號軌233、243之狹縫圖案之直線展開圖，而將圓周上之角度位置展開為直線位置。另外，信號軌233係與第10圖及第11圖所示之第1信號軌103對應，而信號軌243係與第2信號軌203對應。

信號軌233、243之各狹縫圖案係為將周期性正弦波狀之調變賦予光者，且由調變之圖示上之暗部211與明部212交替構成。構成信號軌243之狹縫係以一定之周期ξ配置，而在信號軌233中狹縫係以接受調變之周期λ配置。信號軌233、243中之各狹縫圖案均係將Λ設為將刻度尺之1旋轉作k等份之周期，Λ=2π/k。信號軌233中之周期λ之狹縫係賦予在周期Λ之中形成m個狹縫列之依周期重複之相位調變。

另一方面，信號軌243之周期ξ係將相對於信號軌233之周期λ之周期Λ內之波數L僅少j之波數設為基本周期，且對於其加上依存於位置θ之相位調變δ(θ)。

信號軌233之相位調變圖案之波形f[θ]係例如將其振幅設為α(0<α<1)，且以成為下述(15)、(16)式之強度調變設定。

另一方面，信號軌243之此圖案之波形g[θ]係可例如將其振幅設為γ(0<γ<1)，而設為下述(17)式。

在上述(16)中，β=0時，係以游動軌之構成，如第13圖所示，信號軌243與信號軌233係成為相位依周期ω一致之周期圖案。在此圖案中，係取出上述波形f[θ]與上述波形g[θ]之相位，且運算其差，藉此而獲得下述(18)之長周期之信號。另外，運算動作亦包括以下之運算而以上述運算部206來執行。

另外，如此，設置相當於主軌之信號軌243與相當於副軌之信號軌233，且將從兩者之電性角度之差取出長周期之信號之編碼器係稱為游動式之編碼器。

上述之相位之取出，在參照第10圖所說明之固定刻度尺207之檢測狹縫209中，係可例如第15圖所示藉由檢測狹縫圖案209-1來實現。檢測狹縫圖案209-1係具有與信號軌243相同之周期ξ，且相對於信號軌243之狹縫傾斜地形成。圖中由虛線所包圍之區域210a至210d係顯示光檢測部204之分割區域，而光檢測部204之光檢測器204a(第11圖)係以將射入分割區域210a至210d之光之積分值予以輸出之方式構成。檢測狹縫圖案209之各狹縫之傾斜，在相鄰之上述分割區域平均設定為各位移1/4周期。在此種構成中，來自光檢測器204a之各分割區域210a至210d之輸出，如第16圖所示，係為與信號軌243重疊而成之光穿透量，且如下述(19)至下述(22)式所示，成為各偏移π/2相位之正弦波。

再將上述(19)至(22)之各式如下述(23)式所示進行運算，而可算出正切，且藉由反正切運算而抽出(亦即取出)相位。惟(19)至(22)式中之θ1係為固定之初期位置，且為光檢測器204a相對於機械角度原點之位置偏移。

在本實施形態10之信號軌233中，上述β係為β≠0，此時之信號軌233中之狹縫圖案，在第14圖中係成為陰影所示之圖案。在第14圖中，係重疊顯示第13圖所示之β=0時之圖案，β≠0之圖案，相對於上述β=0時，係成為有相位偏移之狹縫圖案。

相對於此種信號軌233之狹縫圖案，配置與上述檢測狹縫圖案209-1相同之檢測狹縫圖案，且針對來自光源101之穿透光，以構成光檢測部104之上述光檢測器對104a至104d(第11圖)受光。再者關於來自各光檢測器對104a至104d之信號，係藉由運算部206中之運算處理而輸出各相位角度(電性角度)。各光檢測器對104a至104d係以位置偏移成為Λ/4之方式配置。若將各光檢測器對104a至104d之輸出相位分別設為ψ1、ψ2、ψ3、ψ4，則表示為下述(24)至(27)式所示。

與上述(23)式相同，關於穿透信號軌233及檢測狹縫圖案之光之檢測相位之上述(24)至(27)式，若運算與信號軌243之相位差ψ1、ψ2、ψ3、ψ4，則如以下(28)至(31)式所示獲得角度輸出。

【式28】將來自位置偏移Λ/2之光檢測器對104a與光檢測器對104c之角度輸出Φ1[θ]及Φ3[θ]之差藉由運算部206進行運算，而獲得下述(32)式。

同樣地，將來自位置偏移Λ/2之光檢測器對104a與光檢測器對104c之角度輸出Φ2[θ]及Φ4[θ]之差進行運算，而獲得下述(33)式。

藉由上述(32)式及(33)式，抽出在信號軌233中重疊之相位調變成分。再者，藉由運算部206，將固定相位去除且進行除算，並進一步進行反正切運算，而獲得在信號軌233中重疊之重疊波形之電性角度。

另一方面，分別運算來自光檢測器對104a之角度輸出Φ1[θ]、與來自光檢測器對104c之角度輸出Φ3[θ]之和、以及來自光檢測器對104b之角度輸出Φ2[θ]、與來自光檢測器對104d之角度輸出Φ4[θ]之和，而獲得下述(34)式及(35)式。

【式35】 (34)式及(35)式之運算輸出係為(18)式之游動檢測之運算輸出，而成為在周期Λ內j次之重複輸出。另一方面，(32)式及(33)式所示之上述相位調變波係為在周期Λ內僅1次之波形。因此，藉由使用(32)式及(33)式所示之上述相位調變波之電性角度輸出，即可特定(34)式及(35)式所示之上述游動檢測之j次重複之重複次數位置。再者，藉由(34)式及(35)式所示之上述游動檢測之電性角度，即可特定在信號軌243之n次重複波形之位置，且可進行精確度較高之絕對值位置檢測。

亦即，在本實施形態10之正弦波角度內插方式之光學式編碼器中，係可超越在單一周期之正弦波中藉由信號檢測電路所受到之內插精確度之限制，而可提升在單一信號軌之內插角度精確度。

此外，在本實施形態10中，雖亦以迴轉編碼器之情形為例進行說明，惟由第13圖、第14圖即可明瞭，採用線性編碼器之構成，同樣亦可適用本發明。

此外，在本實施形態10中，雖係假定相位調變波δ(θ)為正弦波，惟只要是滿足δ(θ+Λ/2)=-δ(θ)之函數，則可將相位調變波與基本波分離。

此外，在本實施形態10中，雖係以光源與光檢測部夾入刻度尺之穿透式之光學系統進行說明，惟亦可明瞭即使將光源與光檢測部相對於刻度尺配置於相同側，作成以刻度尺為反射板之反射式之光學系統，亦完全可進行相同之動作。

再者，在本實施形態10中，信號軌233之周期λ，雖係作成以相對於信號軌243之波數n僅少j之波數L為基本周期，且對於其加上依存於位置θ之相位調變δ(θ)之構成，惟本實施形態並不限定於此，如實施形態9所示，亦可作成將信號軌233之周期相對於信號軌243之波數n僅多j之波數h設為基本周期之構成。此時所獲得之效果，係與實施形態9相同。

(實施形態11)

在實施形態10之光學式編碼器中，係顯示刻度尺102-1所示之信號軌243及233之圖案投影於固定刻度尺207之檢測狹縫209-1、209-1之構成。然而，亦可採用第17圖所示之本實施形態11之光學式編碼器250之構成。

亦即，以固定並配置第1個光柵221、222在光源201、101側，亦即光源201、101與刻度尺102-3之間，使來自光源201、101之各光通過第1個光柵221、222，且通過信號軌243、233，再通過檢測狹縫圖案209-1、209-1，分別到達光檢測部204、104之方式構成。在此種構成中，由信號軌243、233之狹縫圖案而成之第1個光柵221、222之光柵像係以成像於第3個光柵之檢測狹縫圖案209-1、209-1上之方式構成。此種構成雖係被稱為3光柵法或光柵影像(grating image)法，惟採用此種光學構成，亦可實現實施形態10之光學式編碼器所具有之動作及效果。

在本實施形態11之光學式編碼器250中，第1個光柵221、222、及檢測狹縫圖案209-1、209-1之各光柵之間距係藉由加上刻度尺102-3、第1個光柵221、222及檢測狹縫圖案209-1、209-1之間距之成像關係來選擇。因此，依據本實施形態11之光學式編碼器250，關於各光柵，係可使該間距大致相等，藉此而可提升上述間隙之裕度，而不會使變位靈敏度敏感。換言之，可進行較廣間隙且高解析度之檢測。

此外，在此方式之信號軌243、233之狹縫圖案中，係可使用將周期性相位調變賦予至光之相位光柵。藉由將刻度尺設為相位光柵，即可較振幅光柵更加提升光使用效率。

再者，與實施形態10所示相同，在本實施形態11亦可進行線性編碼器之構成、以及反射型之構成。

另外，藉由將上述各種實施形態之中之任意實施形態予以適當組合，亦可達成各自所具有之效果。

本發明雖係參照所附圖示就有關較佳之實施形態充分揭示，惟精通此技術者當然可進行各種變形及修改。此種變形及修改只要不脫離所附申請專利範圍所載之本發明之範圍，均應包含於本發明中。

此外，2008年6月5日所申請之日本特願第2008-148063號、及2008年11月18日所申請之日本特願2008-294189號之說明書、圖示、申請專利範圍、及摘要之揭示內容，均作為參考納入本說明書中。

100、200、250．．．光學式編碼器

101、201．．．光源

102、102-2、102-3．．．刻度尺

103、151、203、233、243．．．信號軌

104、104-3、104-4、104-6、204．．．光檢測部

104a至104d、204a．．．光檢測器對

105．．．旋轉軸

106、206．．．運算部

106a．．．電性角度運算部

106b．．．和運算部

106c．．．差運算部

107至114、125、126、131至135‧‧‧光檢測器

107a至107c、108a至108b‧‧‧副檢測器

115、211‧‧‧暗部

116、212‧‧‧明部

117‧‧‧電性角度原點

117a至117d、118a至118d、125a、126a‧‧‧副檢測器

207‧‧‧固定刻度尺

208‧‧‧檢測狹縫

209‧‧‧檢測狹縫圖案

210a‧‧‧區域

221‧‧‧光柵

第1圖係為顯示本發明之實施形態1之光學式編碼器之構成之斜視圖。

第2圖係為顯示第1圖所示之光學式編碼器之信號軌之平面圖。

第3圖係為第2圖所示之信號軌之放大圖。

第4圖係為將第2圖所示之信號軌展開為直線狀之圖。

第5圖係為說明第1圖所示之光學式編碼器所具備之光檢測部之構成之圖，且將光檢測部展開為直線狀之圖。

第6圖係為說明本發明之實施形態2之光學式編碼器所具備之光檢測部之構成之圖，且將光檢測部展開為直線狀之圖。

第7圖係為顯示本發明之實施形態4之光學式編碼器之信號軌之放大圖。

第8圖係為顯示本發明之實施形態6之光學式編碼器之信號軌之放大圖。

第9圖係為顯示本發明之實施形態7之光學式編碼器之信號軌之放大圖。

第10圖係為顯示本發明之實施形態8之光學式編碼器之構成圖。

第11圖係為顯示本發明之實施形態8之光學式編碼器之信號軌之平面圖。

第12圖係為顯示本發明之實施形態9之光學式編碼器之信號軌之平面圖。

第13圖係為說明本發明之實施形態10之光學式編碼器之信號軌中之游動方式之直線展開圖。

第14圖係為顯示本發明之實施形態10之光學式編碼器之信號軌之直線展開圖。

第15圖係為顯示本發明之實施形態10之光學式編碼器之檢測狹縫(slit)之直線展開圖。

第16圖係為顯示本發明之實施形態10之光學式編碼器之檢測狹縫之動作之直線展開圖。

第17圖係為表示本發明之實施形態11之光學式編碼器之構成圖。

100．．．光學式編碼器

101．．．光源

102．．．刻度尺

103．．．信號軌

104．．．光檢測部

105．．．旋轉軸

106．．．運算部

106a．．．電性角度運算部

106b．．．和運算部

106c．．．差運算部

Claims

一種光學式編碼器，其特徵為具備：光源；一個信號軌，設於測量對象且與該測量對象之動作連動而將來自上述光源之光束進行調變；光檢測部，接受來自上述信號軌之光束且轉換為電信號予以輸出；及運算部，用以運算來自該光檢測部之輸出信號；上述信號軌係具有將來自上述光源之光進行強度調變為正弦波狀，而且以λ為基本周期將依m λ=Λ(m係自然數)重複之相位調變賦予至該正弦波之構成；上述光檢測部係由從賦予上述相位調變之信號軌接受調變為正弦波狀之光束取出正弦信號及餘弦信號；藉由上述運算部，從一個上述信號軌獲得周期λ之基本周期信號與周期Λ之相位調變信號之2個周期信號。
如申請專利範圍第1項之光學式編碼器，其中，上述光檢測部係將第1光檢測器對與第2光檢測器對配置於在上述相位調變之周期Λ中依{(2n+1)Λ/2}(n係為0以上之整數)周期離開之位置，該第1光檢測器對係由從藉由上述信號軌接受調變為上述正弦波狀之光束取出正弦信號及餘弦信號之一對光檢測器所構成，而該第2光檢測器對係由從藉由上述信號軌接受調變為上述正弦波狀之光束取出正弦信號及餘弦信號之一對光檢測器所構成；上述運算部係藉由從上述第1光檢測器對及上述第2光檢測器對各自輸出之上述正弦信號及上述餘弦信號而運算各光檢測器對之位置中之各電性角度，且取得所獲得之各電性角度之和而求出上述基本周期λ中之電性角度，並取得上述各電性角度之差而求出第1相位調變信號。
如申請專利範圍第1項或第2項之光學式編碼器，其中，上述光檢測部係復具備配置在相對於上述第1光檢測器對及上述第2光檢測器對分別依{(2n+1)Λ/4}(n係為0以上之整數)周期離開之位置且由與上述第1光檢測器對及上述第2光檢測器對相同之構成而成之第3光檢測器對及第4光檢測器對；上述運算部係藉由從上述第1光檢測器對及上述第2光檢測器對所求出之上述第1相位調變信號、及從上述第3光檢測器對及上述第4光檢測器對所求出之第2相位調變信號而運算相位調變信號之電性角度。
如申請專利範圍第1項或第2項之光學式編碼器，其中，上述光檢測部係將第1光檢測器對與第2光檢測器對配置於在上述相位調變之周期Λ中依Λ/2周期離開之位置，該第1光檢測器對係由從藉由上述信號軌接受調變為上述正弦波狀之光束取出正弦信號及餘弦信號之一對光檢測器所構成，而該第2光檢測器對係由從藉由上述信號軌接受調變為上述正弦波狀之光束取出正弦信號及餘弦信號之一對光檢測器所構成；復具備配置在相對於上述第1光檢測器對及上述第2光檢測器對分別依Λ/4周期離開之位置且由與上述第1光檢測器對及上述第2光檢測器對相同之構成而成之第3光檢測器對及第4光檢測器對；上述運算部係藉由從上述第1光檢測器對及上述第2光檢測器對、及上述第3光檢測器對及上述第4光檢測器對各自所輸出之上述正弦信號及上述餘弦信號而運算各光檢測器對之位置中之各電性角度，且取得所獲得之各電性角度之和而求出上述基本周期λ中之電性角度，並取得上述各電性角度之差而求出第1相位調變信號。
如申請專利範圍第2項之光學式編碼器，其中，上述運算部係復藉由從上述第1光檢測器對與上述第2光檢測器對、及上述第3光檢測器對與上述第4光檢測器對所求出之上述第1相位調變信號、以及上述第2光檢測器對與上述第3光檢測器對、及上述第4光檢測器對與上述第1光檢測器對所求出之上述第2相位調變信號之差而運算相位調變信號之電性角度。
如申請專利範圍第1項之光學式編碼器，其中，上述測量對象係除上述信號軌之第1信號軌之外，另具有與該第1信號軌不同之第2信號軌，且與各信號軌對應而具有上述光檢測部，而第1信號軌係為用以產生經上述相位調變之正弦波之信號軌，而第2信號軌係為用以進行單一周期之正弦波狀之光強度調變之信號軌，該單一周期係具有較可在上述第1信號軌解析之解析度高之頻率。
如申請專利範圍第1項之光學式編碼器，其中，上述測量對象係除上述信號軌之第1信號軌之外，另具有與該第1信號軌不同之第2信號軌，且與各信號軌對應而具有上述光檢測部，而第1信號軌係為用以產生經上述相位調變之正弦波之信號軌，而第2信號軌係為用以進行單一周期之正弦波狀之光強度調變之信號軌，該單一周期係具有較可在上述第1信號軌解析之解析度低之頻率。
如申請專利範圍第6項或第7項之光學式編碼器，其中，上述第2信號軌係為用以進行單一周期之正弦波狀之光強度調變之信號軌，該單一周期係具有該第2信號軌之波數n較上述第1信號軌之波數L僅相差j之波數。
如申請專利範圍第8項之光學式編碼器，其中，相對於上述第2信號軌之軌半徑R，上述第1信號軌之軌半徑係為R(L/n)。
一種光學式編碼器，其特徵為具備：光源；刻度尺，具有安裝於被測量物且與上述被測量物之動作連動而將來自上述光源之光束進行調變之第1軌及第2軌；光檢測部，接受來自上述刻度尺之經調變之光束且轉換為電信號予以輸出；及運算部，用以運算來自上述光檢測部之輸出信號而運算上述被測量物之位置；上述第1軌係由相對於將該軌整體進行k分割之周期Λ具有n個波數之固定周期圖案所構成；上述第2軌係具有較上述第1軌之n個波數僅相差m之波數，而且賦予在上述周期Λ變化之函數所致之相位調變而構成；上述光檢測部係具有：與上述第1軌對應而配置之第1光檢測器、及與上述第2軌對應而配置且彼此偏移Λ/4周期所配置之複數個第2光檢測器；上述運算部係運算從上述第1光檢測器之輸出信號及上述第2光檢測器之輸出信號分別求出之電性角度運算輸出之差而求出長周期之信號，且運算從上述第2光檢測器之輸出信號所求出之電性角度運算輸出之差而求出上述周期Λ內之絕對位置，且運算上述電性角度運算輸出之和而求出在周期Λ內重複m次之游動輸出。
如申請專利範圍第10項之光學式編碼器，其中，復具備固定在上述刻度尺之上述第1軌及上述第2軌與上述光源之間所配置之固定光柵，而上述光檢測部係用以檢測藉由上述固定光柵與上述刻度尺所產生之光柵像。
如申請專利範圍第11項之光學式編碼器，其中，上述刻度尺之上述第1軌及上述第2軌係具有對於光之相位賦予調變之相位光柵。