JP2017111068A

JP2017111068A - 光エンコーダ

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Publication number: JP2017111068A
Application number: JP2015247013A
Authority: JP
Inventors: 中島　秀幸; Hideyuki Nakajima; 秀幸中島
Original assignee: Seiko NPC Corp
Current assignee: Seiko NPC Corp
Priority date: 2015-12-18
Filing date: 2015-12-18
Publication date: 2017-06-22
Anticipated expiration: 2035-12-18
Also published as: JP6684087B2

Abstract

【課題】光源、スケール、光検出器の各取り付け位置のばらつきによる周期的、非周期的各パターン及び各パターンを検出する光検出器への光の誤入射がなくなり、基準位置信号を安定して、確実に検出できる光エンコーダを提供する。
【課題の解決手段】光エンコーダは、光源４と、移動方向に反射部９ａと非反射部９ｂとを交互に配列してなる周期的なインクリメンタルパターンの中に、非周期的なインデックスパターン１１ａ，１１ｂを配置してなる光学的パターンを設けたスケール２と、インクリメンタルパターン９ａ，９ｂを検出する複数の光検出器６とインデックスパターン１１ａ，１１ｂを検出する複数の光検出器６ｚとをスケール２の移動方向に一定のパターンで配列してなるＰＤアレイ６Ａを備え、信号処理回路で各光検出器６ｚの検出信号を差動増幅して二値化したうえ論理演算して基準位置信号を生成する。
【選択図】図３

Description

本発明は、光学的手段を用いた光エンコーダに関し、特に、３重回折格子技術を用いた光エンコーダに関する。

光エンコーダは、物体の移動量及び／又は基準位置を検出するために用いられるものであり、各種の構成が知られている。このうち、３重回折格子技術を用いて物体の移動量を検出する光エンコーダは、光を出射する光源と、周期的な光学パターンを有し、前記光源に対して相対的に移動するスケールと、前記光源から出射されて前記スケールを経由した光を検出する光検出器とからなる。そして、前記光検出器は、例えばフォトダイオードからなる検出器を複数配列してなり、各検出器は、一定周期を有する明暗パターンの９０度ずつ位相の異なる４つの位相部分を検出可能なように、前記周期ごとに電気的に接続された４つのグループ、すなわち、Ａ相、Ｂ相、−Ａ相（以下「ＡＢ相」という。）、−Ｂ相（以下「ＢＢ相」という。）を検出する各グループに分けられている。これら４つのグループが検出する信号は、互いに９０度ずつ位相が異なり、例えばＡ相とＡＢ相は、位相が１８０度異なる反転信号である（特許文献１）。

前記３重回折格子技術を用いた光エンコーダで、スケールの移動量に加えて基準位置を検出する機能を有するものとしては、スケールにおける物体の移動を検出するための周期的パターンであるインクリメンタルパターンと、基準位置を検出するためインデックスパターンを、別々に離れた位置に設ける一方、光検出器における前記インクリメンタルパターンを経由した光を検出する周期的パターン検出用光検出器と、前記インデックスパターンを経由した光を検出する基準位置検出用光検出器を、別々に離れた位置に設ける構成が知られている。そして、前記基準位置検出用光検出器による検出信号に基づいて基準位置信号（Ｚ相パルス信号）を得るものである（特許文献２）。

特許第４６５８４５２号公報特許第４８６９６２８号公報

ところが、この基準位置検出用光検出器による検出信号に基づいて基準位置信号（Ｚ相パルス信号）を得る従来技術では、前述のように、スケールに設けたインクリメンタルパターンとインデックスパターンが別々に離れた位置に配置される一方、光検出器に設けた前記インクリメンタルパターンを経由した光を検出する周期的パターン検出用光検出器と、前記インデックスパターンを経由した光を検出する基準位置検出用光検出器も、別々に離れた位置に配置されているので、スケールと光源及び光検出器の各取り付け位置にばらつきがあると、本来インクリメンタルパターンに入射される光が、インデックスパターンに入射されて基準位置検出用光検出器で検出されるという事態を生じるため、インデックスパターンを経由した光で生成される基準位置信号（Ｚ相パルス信号）を安定して、確実に検出できないという不都合がある。

本発明は、この不都合を解消して、基準位置信号（Ｚ相パルス信号）を安定して、確実に検出できる３重回折格子技術を用いた光エンコーダを提供することを目的とする。

前記目的を達成するために本発明の請求項１に係る光エンコーダは、光を出射する光源と、光学的パターンが形成されて前記光源に対して相対的に移動可能なスケールと、前記光源から出射されて前記光学的パターンを経由した光を検出する光検出器を備えた光エンコーダであって、前記スケールの光学的パターンは、前記スケールの移動方向に反射部と非反射部とを交互に配列してなる周期的なインクリメンタルパターンの中に、非周期的なインデックスパターンを少なくとも一つ配置してなり、前記光検出器は、前記インクリメンタルパターンを検出する光検出器と、前記インクリメンタルパターンを検出する光検出器に挟まれた１個、及び隣接した２個の前記インデックスパターンを検出する光検出器を、前記スケールの移動方向に一定のパターンで配列してなる一方、前記インデックスパターンを検出する光検出器の検出信号に基づいて基準位置信号を生成する信号処理回路を有するものである。

同じく前記目的を達成するために本発明の請求項２に係る光エンコーダは、請求項１の構成において、前記非周期的なインデックスパターンは、前記インクリメンタルパターンの反射部に挟まれるようにして、非反射部、反射部、非反射部をほぼ１対３対１の幅で、かつ前記各非反射部の幅は前記インクリメンタルパターンの反射部とほぼ同一幅として配置してなり、または、前記非周期的なインデックスパターンは、前記インクリメンタルパターンの非反射部に挟まれるようにして、反射部、非反射部、反射部をほぼ１対３対１の幅で、かつ前記各反射部の幅は前記インクリメンタルパターンの非反射部とほぼ同一幅として配置してなり、
前記インクリメンタルパターンを検出する光検出器は、一定周期を有する明暗パターンの９０度ずつ位相の異なる４つの位相部分を検出可能なように、各位相部分に対応させた４つの光検出器を周期的に配列してなり、前記インデックスパターンを検出する光検出器は、８個の光検出器を３個、１個、１個、３個の第１〜第４の４グループに分けて、前記インクリメンタルパターン検出用光検出器の連続する任意の４個のうち１番目、２番目、４番目の光検出器を前記第１グループの光検出器に置き換え、続く４個のうち３番目の光検出器を前記第２グループの光検出器に置き換え、続く４個のうち３番目の光検出器を前記第３グループの光検出器に置き換え、続く４個のうち１番目、２番目、４番目の光検出器を前記第４グループの光検出器に置き換えてなり、前記信号処理回路は、前記８個のインデックスパターン検出用光検出器の各検出信号を電圧変換した上、第１，第４グループの各検出信号を差動増幅して得た差分信号を基準信号と比較して生成したパルス信号と、第２，第３グループの各検出信号を差動増幅して得た差分信号を前記第１，第４グループの差分信号と比較して生成したパルス信号とを論理演算して基準位置信号とするものである。

本発明の請求項１に係る光エンコーダによれば、スケールのインクリメンタルパターンの配列中にインデックスパターンを配置し、インクリメンタルパターン検出用光検出器の配列中にインデックスパターン検出用光検出器を配置することによって、光源、スケール、光検出器の各取り付け位置のばらつきによる前記各パターン及び前記各パターンに対応する光検出器への光の誤入射がなくなり、基準位置信号を安定して、確実に検出できるという効果を奏する。

本発明の請求項２に係る光エンコーダによれば、前記効果に加えて、インクリメンタルパターン検出用の光検出器配列中の所定位置に配置した８個のインデックスパターン検出用光検出器の検出信号を差動増幅、論理演算して基準位置信号を求めることにより、前記検出信号以外のインクリメンタルパターンを経由した光やオフセット光に基づく信号をキャンセルすることで、基準位置信号をより安定して、より確実に検出できるという効果を奏する。

本発明の一実施形態を示す概略的な斜視図。同じく側面図。同じく光源スリットとスケールにおける反射部、非反射部の配列状態、並びに光検出器におけるインクリメンタルパターン検出用とインデックスパターン検出用の各検出器の配列状態の一例を示す説明図。同じく各相開始時におけるインクリメンタルパターン検出用光検出器とインデックスパターン検出用光検出器の相対的位置関係を示す比較表。同じくインデックスパターン検出用光検出器の検出信号を処理する検出信号処理回路の一例を示す構成図。同じく検出信号処理回路による差動増幅前後の電圧波形図。同じく検出信号処理回路によるパルス信号化後の電圧波形図。

以下、本発明を３重回折格子技術を用いた反射型光エンコーダに適用した一実施形態について、添付図面に基づき説明する。図１及び図２に示すように、光エンコーダは、エンコーダヘッド１と、スケール２からなり、これらエンコーダヘッド１とスケール２は、Ｘ方向に相対的に移動可能である。

エンコーダヘッド１は、ＰＣＢ基板３上に、ＬＥＤなどの光源４とＩＣ５を搭載してなり、前記ＩＣ５内部に光電変換可能なフォトダイオードなどの光検出器６を多数配列して、光検出器アレイ（以下「ＰＤアレイ」という。）６Ａを構成している。前記光源４の上面には、光が透過可能なガラス基板などで構成されて光学的な遮光部１０ａと透過部１０ｂを有する光源スリット（以下「スリット」という。）７が、第１の回折格子として配置されている。また、前記光源４と前記ＩＣ５は、互いの上面がほぼ同一高さ位置にあるとともに、透明樹脂８で被覆されている。したがって、前記スリット７は、ＰＤアレイ６Ａの表面とほぼ同一高さ位置に設けられているものである（図２参照）。

光源４から出射した光は、スリット７の透過部１０ｂを透過して透明樹脂８を透過し、ガラス基板などで構成されて光学的な反射部９ａと非反射部９ｂを有する、第２の回折格子であるスケール２に入射する。このスケール２の反射部９ａで反射された光は、再び透明樹脂８を透過して、ＰＤアレイ６Ａに入射される。図中のＬは光路を示している。また、スケール２がＸ方向に移動することで、スケール２で反射される光路が変化する。なお、光源４の出射光の波長と、スリット７の透過部１０ｂのピッチと、スケール２の周期的パターンのピッチは、３重回折格子技術による光エンコーダの要件を充たすよう構成されている。そして、ＰＤアレイ６Ａにおける光検出器６のピッチとスケール２の周期的パターンのピッチ、光源４と前記周期的パターンとの距離、前記ＰＤアレイ６Ａと前記周期的パターンとの距離の各関係に応じて、スケール２の第２の回折格子と相似な明暗パターンが、第３の回折格子として前記ＰＤアレイ６Ａ上に光学的に生成される。

続いて，図３に基づいて、スリット７、スケール２及びＰＤアレイ６Ａの各構成をより詳細に説明する。図３（ａ）に示すように、スリット７の遮光部１０ａと透過部１０ｂは同一幅２Ｗ（Ｗは所定の長さを示す）で形成されることによって、前記遮光部１０ａは等間隔２Ｗをおいて配置されている。また、図３（ｂ）に示すように、スケール２の周期的パターンであるインクリメンタルパターンにおいては、交互に配列された反射部９ａと非反射部９ｂは同一幅Ｗで形成されることによって、前記反射部９ａは等間隔Ｗをおいて配置されている。一方、非周期的なパターンであるインデックスパターンとして、インクリメンタルパターンの中に、幅が３Ｗの反射部１１ａとその両側に位置する幅がＷの非反射部１１ｂが形成されている。そして、前記反射部１１ａの幅方向中央を通る中心線Ｍを軸として、インデックスパターンとインクリメンタルパターンは、左右対称なパターンを形成している。本実施形態におけるインデックスパターンは、インクリメンタルパターンにおける一つの非反射部を反射部に変換することにより形成している。また、本実施形態では、前記反射部１１ａの幅方向中央を通る中心線Ｍを軸として、インデックスパターンとインクリメンタルパターンは、左右対称なパターンを形成しているが、左右非対称なパターンを形成しても良い。

図３（ｃ）に示すように、ＰＤアレイ６Ａは、幅がスケール２の反射部９ａ及び非反射部９ｂの各幅Ｗよりも若干狭いフォトダイオードからなる光検出器６を等間隔に多数配列してなる。なお、物理構造上、光検出器６は各幅Ｗより若干狭いが、スケール２の周期的パターンピッチとＰＤアレイ６Ａにおける光検出器６の光学的ピッチは略同等である。このうち、インクリメンタルパターン検出用である各光検出器６は、Ａ相、Ｂ相、ＡＢ相、ＢＢ相の４相のうち一相を検出するもので、検出対象がＡ相、Ｂ相、ＡＢ相、ＢＢ相の順で周期的に配置されている。説明の便宜上、各光検出器６には検出する相に対応させて、それぞれＡ，Ｂ，ＡＢ，ＢＢと図示している。また、これらインクリメンタルパターン検出用の光検出器６の配列中に、インデックスパターンを検出してＺ相パルス信号を生成するための４グループ合計８個の光検出器６ｚを、インクリメンタルパターン検出用の光検出器６と置き換えて配置しており、その使用するＰＤアレイ６Ａの領域を、説明の便宜上グループ別にＺ１〜Ｚ４と図示している。

図３（ｃ）は、光検出器３個の第１グループＺ１、光検出器１個の第２グループＺ２、光検出器１個の第３グループＺ３、光検出器３個の第４グループＺ４の配列について、Ａ相開始時、すなわち第１グループＺ１のはじめの光検出器がＡ相を検出する光検出器６に対応する場合、ＰＤアレイ６Ａでの配置領域を示すものである。具体的には、連続するＡ〜ＢＢの４個の光検出器６において１番目Ａ、２番目Ｂ、４番目ＢＢの３個の光検出器６を前記第１グループＺ１の光検出器６ｚに置き換え、続くＡ〜ＢＢの４個の光検出器６うち３番目ＡＢの光検出器６を前記第２グループＺ２の光検出器６ｚに置き換え、続くＡ〜ＢＢの４個の光検出器６うち３番目ＡＢの光検出器６を前記第３グループＺ３の光検出器６ｚに置き換え、続くＡ〜ＢＢの４個の光検出器６のうち１番目Ａ、２番目Ｂ、４番目ＢＢの３個の光検出器６を前記第４グループＺ４の光検出器６ｚに置き換えてなるものである。

また、Ｂ相、ＡＢ相、ＢＢ相各開始時のＰＤアレイ６Ａにおける各グループＺ１〜Ｚ４の光検出器における使用領域は上述とは異なり、これらの場合は図４に示す通りである。この図４で理解できるように、Ａ相、Ｂ相、ＡＢ相、ＢＢ相のどの相の開始時においても、ＰＤアレイ６Ａの光検出器の配列中における各グループＺ１〜Ｚ４の相対的位置関係は変わらないものである。

以上の構成において、光源４から出射され、スリット７を通過してインクリメンタルパターンで反射された光は、ＰＤアレイ６Ａ上に明暗パターンを形成し、この明暗パターンはインクリメンタルパターン検出用の光検出器６で検出される。インクリメンタルパターン検出用の光検出器６から出力された検出信号は、図示していない公知の信号処理回路で処理されて、エンコーダヘッド１に対するスケール２の相対的な移動量が検出される。

また、図３（ｂ）の別実施構成では、スケール２の周期的パターンであるインクリメンタルパターンにおいては、上述したように、交互に配列された反射部９ａと非反射部９ｂは同一幅Ｗで形成されることによって、前記反射部９ａは等間隔Ｗをおいて配置されている。そして、非周期的なパターンであるインデックスパターンとして、インクリメンタルパターンの中に、幅が３Ｗの非反射部１１ｂとその両側に位置する幅がＷの反射部１１ａが形成されている。そして、前記反射部１１ａの幅方向中央を通る中心線Ｍを軸として、インデックスパターンとインクリメンタルパターンは、左右対称なパターンを形成している。本実施形態におけるインデックスパターンは、インクリメンタルパターンにおける一つの非反射部を反射部に変換することにより形成している。また、本実施形態では、前記反射部１１ａの幅方向中央を通る中心線Ｍを軸として、インデックスパターンとインクリメンタルパターンは、左右対称なパターンを形成しているが、左右非対称なパターンを形成しても良い。図３（ｂ）の別実施構成におけるインデックスパターンは、インクリメンタルパターンにおける一つの反射部を非反射部に変換することにより形成している。なお、その時のスケール、及びＰＤアレイは、図３（ａ）、図３（ｂ）で示した構成であり、同様に図１で示した３重回折格子技術を用いた反射型光エンコーダに適用した一実施形態の構成を成す。

次に、インデックスパターン検出信号から基準位置信号（Ｚ相パルス信号）を生成する信号処理回路を、図５に基づいて説明する。インデックスパターン検出用光検出器６ｚに光が入射して、各グループＺ１〜Ｚ４の光検出器６ｚから光電変換された電流信号が出力されると、第１グループＺ１の電流信号は電流電圧変換回路１２ａに入力され、第２グループＺ２の電流信号は電流電圧変換回路１２ｃに入力され、第３グループＺ３の電流信号は電流電圧変換回路１２ｄに入力され、第４グループＺ４の電流信号は電流電圧変換回路１２ｂに入力される。前記各電流電圧変換回路１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄは、それぞれ入力された電流信号を電圧信号に変換して出力する。

第１グループＺ１の出力信号と第４グループＺ４の出力信号は、差動増幅回路１３ａに入力し、この差動増幅回路１３ａにより前記各出力信号の差分信号が増幅されて出力される。また、第２グループＺ２の出力信号と第３グループＺ３の出力信号は、差動増幅回路１３ｂに入力し、この差動増幅回路１３ｂにより前記各出力信号の差分信号が増幅されて出力される。そして、ウィンドウコンパレータのような比較回路１４において、前記差動増幅回路１３ａの出力と基準電圧とを比較して二値化したパルス信号を生成するとともに、前記差動増幅回路１３ａの出力と前記差動増幅回路１３ｂの出力を比較して二値化したパルス信号を生成する。前記比較回路１４から出力された各パルス信号はＡＮＤ回路１５に入力し、論理演算されて、基準位置信号であるＺ相パルス信号が出力端子１６から出力される。また、図５は、ＡＮＤ回路１５を用いて論理演算されているが、ＮＡＮＤ回路などを用いて論理演算されても良い。

続いて、本実施形態における基準位置信号の生成について、図６及び図７に基づいてさらに説明する。図６は各電流電圧変換回路１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄの出力波形（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）及び各差動増幅回路１３ａ，１３ｂの出力波形（ｅ），（ｆ）を示すもので、縦方向は電圧値、横方向は図１のＸ方向の距離を表している。また、波形の１周期に相当する図６のＷは、図１のＸ方向にＷ分だけ図１に示すスケール２が移動した状態を示す。図７は各差動増幅回路１３ａ，１３ｂの出力を二値化した比較回路１４の出力波形（ｇ），（ｈ）と基準位置信号（Ｚ相パルス信号）であるＡＮＤ回路１５の出力波形（ｉ）を示すものである。

図６に示すように、差動増幅回路１３ａに波形（ａ）で入力した電流電圧変換回路１２ａの出力と、波形（ｂ）で入力した電流電圧変換回路１２ｂの出力は、差分が増幅されて波形（ｅ）で差動増幅回路１３ａから出力される。一方、差動増幅回路１３ｂに波形（ｃ）で入力した電流電圧変換回路１２ｃの出力と、波形（ｄ）で入力した電流電圧変換回路１２ｄの出力は、差分が増幅されて波形（ｆ）で差動増幅回路１３ｂから出力される。ここで、前記波形（ａ）と前記波形（ｂ）との相違、及び前記波形（ｃ）と前記波形（ｄ）との相違は、光源４から出射された光がスケール２の反射部１１ａで反射されて、ＰＤアレイ６ＡのＺ１〜Ｚ４領域の各光検出器６ｚに入射した時の入射光強度依存（場所依存）により生じるものである。

図７に示すように、比較回路１４に波形（ｅ）で入力した差動増幅回路１３ａの出力は、基準電圧と比較されて二値化され、波形（ｇ）のパルス信号として出力される。また、前記比較回路１４に波形（ｆ）で入力した差動増幅回路１３ｂの出力は、前記差動増幅回路１３ａの波形（ｅ）の出力と比較されて二値化され、波形（ｈ）のパルス信号として出力される。これら前記比較回路１４から出力された各波形（ｇ），（ｈ）の出力は、ＡＮＤ回路１５に入力して論理演算され、波形（ｉ）の基準位置信号（Ｚ相パルス信号）として出力される。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、例えば、反射型のみならず透過型の光エンコーダにも適用可能である。また、インデックスパターンの反射部１１ａの幅は、インクリメンタルパターンの反射部９ａの幅の３倍程度に限らないが、移動量及び基準位置の検出精度を考慮すると３倍程度が好ましいことを、実験的に確認した。

１エンコーダヘッド
２スケール
３ＰＣＢ基板
４光源
５ＩＣ
６光検出器
６ＡＰＤアレイ
６Ｚインデックスパターン検出用光検出器
７スリット
８透明樹脂
９ａ，１１ａ反射部
９ｂ，１１ｂ非反射部
１０ａ遮光部
１０ｂ透過部
１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ電流電圧変換回路
１３ａ，１３ｂ差動増幅回路
１４比較回路
１５ＡＮＤ回路
１６出力端子

Claims

光を出射する光源と、光学的パターンが形成されて前記光源に対して相対的に移動可能なスケールと、前記光源から出射されて前記光学的パターンを経由した光を検出する光検出器を備えた光エンコーダであって、前記スケールの光学的パターンは、前記スケールの移動方向に反射部と非反射部とを交互に配列してなる周期的なインクリメンタルパターンの中に、非周期的なインデックスパターンを少なくとも一つ配置してなり、前記光検出器は、前記インクリメンタルパターンを検出する光検出器と、前記インクリメンタルパターンを検出する光検出器に挟まれた１個、及び隣接した２個の前記インデックスパターンを検出する光検出器を、前記スケールの移動方向に一定のパターンで配列してなる一方、前記インデックスパターンを検出する光検出器の検出信号に基づいて基準位置信号を生成する信号処理回路を有することを特徴とする光エンコーダ。
前記非周期的なインデックスパターンは、前記インクリメンタルパターンの反射部に挟まれるようにして、非反射部、反射部、非反射部をほぼ１対３対１の幅で、かつ前記各非反射部の幅は前記インクリメンタルパターンの反射部とほぼ同一幅として配置してなり、
または、前記非周期的なインデックスパターンは、前記インクリメンタルパターンの非反射部に挟まれるようにして、反射部、非反射部、反射部をほぼ１対３対１の幅で、かつ前記各反射部の幅は前記インクリメンタルパターンの非反射部とほぼ同一幅として配置してなり、
前記インクリメンタルパターンを検出する光検出器は、一定周期を有する明暗パターンの９０度ずつ位相の異なる４つの位相部分を検出可能なように、各位相部分に対応させた４つの光検出器を周期的に配列してなり、前記インデックスパターンを検出する光検出器は、８個の光検出器を３個、１個、１個、３個の第１〜第４の４グループに分けて、前記インクリメンタルパターン検出用光検出器の連続する任意の４個のうち１番目、２番目、４番目の光検出器を前記第１グループの光検出器に置き換え、続く４個のうち３番目の光検出器を前記第２グループの光検出器に置き換え、続く４個のうち３番目の光検出器を前記第３グループの光検出器に置き換え、続く４個のうち１番目、２番目、４番目の光検出器を前記第４グループの光検出器に置き換えてなり、
前記信号処理回路は、前記８個のインデックスパターン検出用光検出器の各検出信号を電圧変換した上、第１，第４グループの各検出信号を差動増幅して得た差分信号を基準信号と比較して生成したパルス信号と、第２，第３グループの各検出信号を差動増幅して得た差分信号を前記第１，第４グループの差分信号と比較して生成したパルス信号とを論理演算して基準位置信号とすることを特徴とする請求項１記載の光エンコーダ。