JPH02143113A - 光学式エンコーダ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔技術分野〕 本発明は光学式エンコーダに関し、所定の格子パターン
が形成されたメインスケールと互いに位相が異なる複数
個の格子パターンが形成されたサブスケールとを有する
光学式エンコーダに関する。

〔従来技術〕

従来よりメインスケールとサブスケールの一方を可動ス
テージなどの可動体に連結し、光源からの光でメインス
ケールの格子パターン（スリット列）を照明してメイン
スケールの格子パターンとサブスケールの格子パターン
を通過した光を受光素子で受光し、この受光素子からの
光電変換された出力信号にもとづいて可動体の変位を検
出するエンコーダが良く知られている。

このようなエンコーダでは、変位方向の判別又は変位量
の分解能を向上させるために、サブスケールに複数個の
格子パターンを形成し、しかもこれらの格子パターンの
メインスケールの格子パターンに対する位相を互いに異
ならしめ、互いに位相が異なる周期信号を受光素子によ
り得ていた。

しかしながら、従来のエンコーダでは、サブスケールの
複数個の格子パターンを可動体の変位方向に沿って設け
ていたため、経時変化により互いの位相差がずれるとい
う問題が生じていた。また、そもそも、両者が、格子パ
ターンを成すスリットの配列方向に並んでいるために、
互いの位相差を正確に規定することも容易ではない。

従って、例えば第５図に示すように、サブスケール１０
０（マスク）の格子パターン７．８（又は９゜１０）を
、可動体（ここではメインスケール２が可動体に取付け
られている。）の変位方向Ｘにほぼ直交する方向に並べ
て設けてやれば、上述の問題は解消できる。

ところが、第５図に示すように、光源１の強度変動をモ
ニターするための矩形スリット６を間に挾んで格子パタ
ーン７．８を設けると、メインスケールパターン７及び
格子パターン８からの光を各々光電変換して得られる周
期信号の位相差が、予め決めた位相差から大きくずれる
ことが解かった。

〔発明の概要〕

本発明の目的は、所定の位相差を有する複数個の周期信
号を正確に得ることができる光学式エンコーダを提供す
ることにある。

上記目的を達成するために、本発明の光学式エンコーダ
は所定周期の格子パターンが形成されたメインスケール
と、該メインスケールの格子パターンに対して互いに位
相が異なった第１と第２の格子パターンを有し、前記メ
インスケールに対向させて設けられたサブスケールと、
前記メインスケールを照明する照明手段と、前記メイン
スケールの格子パターンと前記サブスケールの第１格子
パターンを介して得られる光と、前記メインスケールの
格子パターンと前記サブスケールの第２格子パターンを
介して得られる光を個別に光電変換し、各々の光に対応
する互いに位相が異なる第１と第２の周期信号を出力す
る光電変換手段とを有し、前記メインスケールとサブス
ケールの一方を可動体に連結し、前記第１と第２の周期
信号にもとづいて該可動体の変位を測定する光学式エン
コーダにおいて、前記サブスケールの第１と第２の格子
パターンを、前記可動体が変位する方向にほぼ直交する
方向に近接させて設けたことを特徴とするものである。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の実施例を具体的に説明するが、その前に
本発明の光学式エンコーダの基本構成が示しである前述
の第５図の装置に関し追加説明する。

第５図において、２と１００は、前述したように各々メ
インスケールとサブスケールを示している。

１はＬＥＤなどの光源であり、光源１から射出した光は
レンズ５によりほぼ平行な光束となり、この平行光束が
メインスケール２の所定周期の格子パターン２０（スリ
ット列）を照明する。格子パターン２０の光透過部（ス
リット）を透過した光はサブスケール１００の全面を照
明する。

サブスケール１００の後方には、サブスケール１００の
格子パターン７、８．９．　１０と矩形スリット６の各
々に対応して設けた複数個のフォトダイオード（以下、
フォトダイオードアレイと称す。）が設けられており、
各フォトダイオードアレイは入射光を光電変換する。

サブスケール１００の格子パターン７、８．９．　１０
からの光が入射するフォトダイオードからの光電変換信
号は、サブスケール１００とメインスケール２のＸ方向
の相対変位により周期的な信号となる。

一方、矩形スリット６からの光か入射するフォトダイオ
ードからの光電変換信号は周期信号ではなく、光源１の
発光強度の変化に応答して変化する信号である。従って
、このフ第１・ダイオードからの信号にもとづいて、光
源Ｉの発光強度を自動又は手動で調整できる。

また、フォトダイオードとしては、その感度特性内に光
源１の発光スペクトルが含まれるものが用いられる。

さて、本発明の主たる特徴は、第５図に示されるような
サブスケール１００の構成にある。

第１図及び第２図は本発明の一実施例を示すための説明
図であり、第１図はサブスケール１００における格子パ
ターンの配置を示す拡大図、第２図は各格子パターンに
対応する各フォトダイオードからの出力信号を示す図で
ある。

格子パターン７は、対応するフォトダイオードからＡ相
信号を取出すためのパターンであり、格子パターン８は
対応するフォトダイオードからＢ相信号を取り出すため
のパターンである。このＡ相信号の周期とＢ相信号の周
期は互いに９０°位相がずれたものであり、Ａ相及びＢ
相信号から周知の技術によりメインスケール２（可動体
）の変化する方向が判別できる。

また、格子パターン９は対応するフォトダイオードから
、Ａ相信号に対して１８０’　位相がずれたＡ相信号を
取出すためのパターンであり、人相信号とＡｍ１号の差
動をとることにより、電磁ノイズ等の外乱につよい周期
信号（Ｃ相信号）を形成し、この信号によりメインスケ
ール２の変位量や変位速度が測定される。

また、格子パターン１０は対応するフォトダイオードか
ら、Ｂ相信号に対して１０００位相がずれたｎ相信号を
取出すためのパターンであり、Ａ相とＡ相の組合わせと
同様に、Ｂ相信号とｎ相信号の差動をとることにより所
定の周期信号（ｎ相信号）を形成し、この信号によりメ
インスケール２の変位量や変位速度が測定される。

もちろん、Ｃ相及びｎ相信号を組合せることにより、各
相単独の場合の、２倍の分解能でメインスケール２の変
位量が測定できる。

各格子パターン７〜１０を介して得られる周期信号の状
態が第２図に示されている。このような周期信号を得る
ために、格子パターン７〜１０は、その周期が格子パタ
ーン２０の周期とほぼ同じであり、メインスケール２σ
格子パターン２０に対して、順次９０°づつ位相をずら
しである。即ち、格子パターン７と８が互いに９０°位
相がずれ、格子パターン９．１０が互いに９０°位相が
ずれているのである。

そして、本実施例では、格子パターン７と８を変位方向
Ｘと直交する方向に互いに近接配置し、また格子パター
ン９と１０を変位方向Ｘと直交する方向に互いに近接配
置している。このために、メインスケール２とサブスケ
ール１００のアジマス誤差の影響を、各周期信号が受け
に（くなっており、従って、各周期信号間の位相差は正
しく９０″　に設定される。

第３図に格子パターン７と格子パターン８の距離とアジ
マス誤差及びＡ相−Ｂ相間の相対的位相誤差量の関係を
示す。

第３図に示すグラフは、格子パターンのスリットの長さ
を６１幅をｗ　（ｗ＝ｏ、１４　・ｂ）、格子パターン
Ａ、　Ｂのスリット端部間の距離をａとし、ｂ　／　ａ
をパラメータとしてアジマス誤差と位相誤差の関係をプ
ロットとしである。第３図から明らかなように、格子パ
ターンＡ、　Ｂ間の距離が小さ（なればなる程、アジマ
ス誤差の位相誤差に対する影響も小さくなるのである。

従って、本実施例では、メインスケール２の変位方向Ｘ
に直交する方向に格子パターン７．８（９゜１０）を近
接配置したため、アジマス誤差の影響が小さくなり、正
確に互いに９０″　位相がずれた周期信号を常時得られ
る。これにより、高精度の変位測定が可能な光学式エン
コーダが提供できる。

第１図に戻り、６は光源ｌの発光強度モニター用のスリ
ットであり、これに対応するフォトダイオードからは、
光源ｌの発光強度に対応したｎ相信号が得られる。この
ｎ相信号は、前述のように、光源１の発光強度を調整す
るために用いられる。そして、スリット６は、格子パタ
ーン７．８の間、格子パターン９．１０の間には存在せ
ず、これにより、上述した格子パターン７．８（格子パ
ターン９．　１０）の近接配置を達成している。

また、本実施例におけるサブスケール１００は、フォト
ダイオードアレイが形成されている基板上に設けられて
おりζフォトダイオードアレイとサブスケール１００と
は一体化している。即ち、基板上にフォトダイオードア
レイ（Ａ相、Ｂ相、人相、ｎ相、Ｆ相用）を形成した後
、蒸着等の手法により上 各フォトダイオードアレイ△に格子パターンやスリット
パターンを形成し、フォトダイオードアレイをこれらの
パターンによりマスキングしている。

従って、サブスケール１００はマスクとして基板上に設
けられているのであり、第１図の符号６〜１０で示す領
域は各々Ｆ相、Ａ相、Ｂ相、Ａ相、ｎ相用のフォトダイ
オード領域とみなしてよい。

このような構成とすることにより、メインスケール２か
らの光を受光する受光手段（サブスケール＋充電変換素
子）の小型化を達成し、コンパクトな光学式エンコーダ
を提供できる。

また、フォトダイオードアレイを基板上に形成する時に
、フォトダイオード自体を格子状にバターニングし、サ
ブスケールとしての機能を与えてもよい。

第４図は本発明の他の実施例を示す説明図であり、第１
図の場合同様、エンコーダの基本構成は第５図に既に示
しである。本実施例のサブスケールと前記実施例のサブ
スケールの違いは、Ｆ相信号を取り出すためのスリット
６の形状にある。本実施例では、スリット６を２つの部
分に分け、この２つの部分の間に格子パターン７〜ｌＯ
を設けている。従って、格子パターン７と８、格子パタ
ーン９と１０が近接配置されていることはもちろんのこ
と、格子パターン７と１０、格子パターン８と９も近接
配置しである。

このような構成とすることにより、メインスケール２を
介してサブスケール１００を照明する光の平行度に誤差
が多少あっても、メインスケール２の変位方向に配列し
た格子パターンを介して得られる周期信号間の位相誤差
の変動が小さくなる。

従って、例えば格子パターン７と９を介して得られる周
期信号の差動で形成されるＣ相信号が正確なものとなり
、精度の良い光学式エンコーダを提供できる。

以上２つの実施例を本願では示したが、本発明の思想に
もとづいて種々の形態の光学式エンコーダを提供するこ
とが可能である。

例えば、上記各実施例では、第５図に示すようなリニア
エンコーダを対象として説明したが、ロークリタイプの
エンコーダにも本発明を用いることができる。また、メ
インスケールを可動体に取り付ける代わりに、光源−光
学系−サブスケールーフォトダイオードの組から成るｌ
ユニットを可動体に取付け、メインスケールを装置本体
に固定しても良い。また、フォトダイオードアレイを用
いる代わりに、サブスケールの格子パターンに対応させ
て受光面を分割した分割センサを使用すると、セツティ
ングの面で有利になる。

〔発明の効果〕

以上、本発明によれば、サブスケールの第１と第２の格
子パターンを可動体の変位方向にほぼ直交する方向に近
接配置することにより、メインスケールとサブスケール
間のアジマス誤差による周期信号間の位相誤差を軽減で
きるために所定の位相差をもつ複数個の周期信号が正確
に得られ、高精度に可動体の変位を測定できる光学式エ
ンコーダを提供することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は本発明の一実施例を示す説明図。 第３図は格子パターン間の距離とメインスケールとサブ
スケールのアジマス誤差とＡ相−Ｂ相間の位相誤差量の
関係を示すグラフ図。 第４図は本発明の他の実施例を示す説明図。 第５図は光学式エンコーダの基本構成を示す図。 １・・・光源 ２・・・メインスケール ６・・・スリット ７〜１０．　２０・・・格子パターン １００・・・サブスケール 箭 嘔ｅ口

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 所定周期の格子パターンが形成されたメインスケールと
   、該メインスケールの格子パターンに対して互いに位相
   が異なった第１と第２の格子パターンを有し、前記メイ
   ンスケールに対向させて設けられたサブスケールと、前
   記メインスケールを照明する照明手段と、前記メインス
   ケールの格子パターンと前記サブスケールの第１格子パ
   ターンを介して得られる光と、前記メインスケールの格
   子パターンと前記サブスケールの第２格子パターンを介
   して得られる光を個別に光電変換し、各々の光に対応す
   る互いに位相が異なる第１と第２の周期信号を出力する
   光電変換手段とを有し、前記メインスケールとサブスケ
   ールの一方を可動体に連結し、前記第１と第２の周期信
   号にもとづいて該可動体の変位を測定する光学式エンコ
   ーダにおいて、前記サブスケールの第１と第２の格子パ
   ターンを、前記可動体が変位する方向にほぼ直交する方
   向に近接させて設けたことを特徴とする光学式エンコー
   ダ。