JPH04348224A - 光電式エンコーダー - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光電式エンコーダーに
おける位相差調整方法に係り、特に内挿分割精度を高め
るために複数のセグメントに分割された固定格子を有す
る光電式エンコーダーにおける位相差調整方法に関する
。

【０００２】

【従来の技術】一般に高分解能光電式エンコーダーにお
いては、その分解能及び内挿分割精度を高めるために種
々の試みがなされている。その一例として、格子パター
ンの格子ピッチを微小にして高分解能化を図るものがあ
る。これによって格子ピッチを極端に微小とすると、光
の回折による影響によって隣設する格子の像が重なりあ
い、その信号出力のＳ／Ｎ比が低下する原因となる。さ
らに上記の回折によるＳ／Ｎ比の低下は、移動格子と固
定格子との間隙によっても影響を受けるものであるから
、この間隙を可及的に小さくすればよいが、この間隙の
設定には限界があるので前記ボケの発生は避けられない
。従って、これが高分解能化の大きな欠点となっている
。また、例えば回転体の回転角を検出するようなロータ
リーエンコーダーの場合には、格子ピッチを変えずにパ
ターン円の直径を大きくすれば２つの格子間の間隙を変
えないで済むが、実際には面ブレ量が増して間隙が変動
し、それに伴ない信号出力も変動することになる。さら
に装置が大型化するという問題も生ずる。

【０００３】さらに、高分解能光電式エンコーダーにお
いて、その精度を一層高めるためには、固定格子パター
ンの精度を極力上げる必要がある。しかし、高分解能光
学式エンコーダーの場合には、格子パターンのピッチを
微小とする必要があり、パターンを高精度に作ることが
極めて困難であることからその実現が難しい。例えば、
最近の高分解能光電式エンコーダーにおいては、固定格
子パターンの位相精度としてサブミクロンのオーダーま
で要求されるようになっているので、その実現が一層困
難となっている。このようなサブミクロンオーダーの精
度の要求も例えば現在のＬＳＩ（大規模集積回路）のパ
ターニング技術を駆使すればその要求をも満足し得るも
のが実現可能とも考えられるが、そのための製作装置と
付帯設備等には漠大な費用がかかり、エンコーダー用の
専用装置として設備することはコスト的にみて容易では
ない。

【０００４】そこで、さらに高分解能及び高精度を追及
するために、固定格子を９０°位相の関係で（１／２ピ
ッチ）２つ配置し、これより９０°位相関係をもつ２つ
の信号出力を得て１／４ピッチに内挿することが提案さ
れている。実際の使用に当っては、上記２つの格子と１
８０°位相関係の格子をそれぞれ設け、１８０°位相関
係の格子間の出力の差動増幅をとって信頼性を上げるこ
とが行なわれる。

【０００５】この差動増幅は光源の光量変動電源電圧変
動等による信号出力の変動が内挿精度に影響を及ぼすこ
とのないようにするものである。この場合、固定格子間
の位相差誤差は、そのまま内挿誤差として表われるため
、高精度かつ高分解能とするためには、９０度位相関係
の位相差を正確に設定する必要が生ずる。そのため、従
来は例えば固定格子を構成する４つのセグメントを互に
別々に分離し、各セグメントの相対的な位相関係を組立
時に調整して配置し、その後にこれらを固定するように
してパターンの位相誤差を除去するようにしている。

【０００６】しかし乍ら、このような従来の手法では、
各セグメントの位置決めをサブミクロンオーダーの精度
で調整する必要があり、特に１つのセグメントを基準と
して他の３つのセグメントを前記の精度で調整する必要
がある。従ってその調整作業は容易ではない。さらに、
この調整後に各セグメントをそのままの状態で固定させ
る必要があり、従ってその固定作業も容易ではなく、し
かも経時変化等のないように固定する必要がある。この
ため、従来の手法では、その作業性や量産性が極めて悪
い。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上述の如く、従来の位
相差調整方法では作業性や量産性が極めて悪いと言う問
題があった。

【０００８】そこで本発明は、簡単な調整作業だけで、
パターンが持つ位相誤差を除去することができ、もって
内挿精度の向上に寄与できる光電式エンコーダーにおけ
る位相差調整方法を提供することを目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明に係る位相差調整
方法では、例えば１つのガラス基板上にパターニングさ
れた位相誤差を有する固定格子群のパターンを複数に分
離することなく、そのままの状態にし、この状態で簡単
な調整作業だけで前記の位相誤差を実質的に除去するよ
うにしている。

【００１０】すなわち、本発明は、相対移動方向に配列
された符号化パターンを有する第１格子と、この第１格
子に対向して配置され、且つ相対位置が格子ピッチの略
１／４周期（位相角で９０度）で配列されてなる少なく
とも２つの符号化パターンを前記第１格子の相対移動方
向に有する第２格子と、光源を有し、且つ前記光源から
の光を前記第１格子及び前記第２格子に照射するための
照光レンズ部と、前記第１格子及び第２格子を介した光
から第１信号及びこれと所定位相差を有する第２信号を
検出する検出部と、前記第２格子の有する少なくとも２
つの符号化パターンに照射する光の照射角を変化させる
ために前記光源と前記照光レンズ部との間の間隔を変え
る間隔変化手段とを有した光電式エンコーダーの位相差
を調整するに当り、前記第１信号と前記第２信号との位
相差が前記所定位相差よりも大きい場合には前記間隔変
化手段により前記光源と前記照光レンズ部との間の間隔
を大きくし、前記第１信号と前記第２信号との位相差が
前記所定位相差よりも小さい場合には前記間隔変化手段
により前記光源と前記照光レンズ部との間の間隔を小さ
くすることで前記検出部で検出される前記第１信号と前
記第２信号との位相差を前記所定位相差に調整するよう
にしたことを特徴としている。

【００１１】

【作用】光源と照光レンズ部との間の間隔を変えると、
第２格子上に形成される第１格子の像を相対移動方向に
移動させることができる。したがって、位相差を所定位
相差に合わせることが可能になる。

【００１２】

【実施例】以下、図面を参照しながら本発明の一実施形
態を説明する。図１には本発明に係る調整方法が適用さ
れる光電式エンコーダーの概略構成が示されている。

【００１３】同図において、１は変位量が測定される移
動体（図示せず）に取付けられて移動体と一体に移動す
る移動格子を示している。この移動格子１には適当な方
法で所定のパターン、例えば格子がピッチＰで形成され
ている。

【００１４】移動格子１と平行に、且つこれと対面する
ように、例えば１つのガラス基板上にパターニングされ
た固定格子２が設けられている。固定格子２は図２に示
す如く移動格子１と同一格子ピッチＰを有し、且つ互い
に略１／４周期即ちＰ／４（９０度の位相角）の関係と
なるように配列された左右２つのセグメント２１　，２
２　から構成されている。図１及び図２に示されている
例では、固定格子２が左右２つのセグメント２１　，２
２　の他に、さらにこれらの各セグメント２１　，２２
　に対しＰ／２（１８０度の位相角）の関係でそれぞれ
下方に配列されたセグメント２３　，２４　を備えたも
のとなっている。

【００１５】移動格子１と固定格子２とを挾んで、光源
４および集光装置、例えばコンデンサレンズ５からなる
光源装置３と、光検出素子、例えば光電変換素子６とが
互に対向するように配設され、移動体の移動に伴なって
生ずる移動格子１と固定格子２との相対移動に対応して
光電変換素子６から信号出力を得るようにしている。光
源装置３には光源４とコンデンサレンズ５との間隔ｌを
調整する適当な間隔調整手段（図示せず）が設けてある
。この間隔調整手段で光源４とコンデンサレンズ５との
間隔ｌを調整することにより、固定格子２上に形成され
る移動格子１の像の位置を左右方向に変位させて固定格
子２の左右のセグメント２１　，２２　間及び２３　，
２４　間の各セグメントのパターンに含まれる位相誤差
を除去するようにしている。

【００１６】なお、移動格子１と固定格子２とは互に接
触しないように所定間隔、例えば格子ピッチＰに比べて
余り大きくない範囲で間隔ｄを保って平行に配設されて
いる。光電変換素子６は、各セグメント２１　〜２４　
に対応するように配設された各光電変換素子６１　〜６
４　から構成され、各素子からそれぞれ信号出力を得る
ようになされている。

【００１７】このように間隔調整手段を設けているので
、次のようにして位相差を調整できる。すなわち、光源
４から放射された光は、コンデンサレンズ５を介して略
平行光線に変換される。こに光によって移動格子１が照
明されると、固定格子２上には図３に示す如く、フレネ
ル回折像（格子の影）１０が形成される。この場合、照
明方向を図３に示の如く角度θだけ変化させると、格子
の影の位置は移動格子１と固定格子２との格子間隔ｄと
照明光の入射角θで決まる変位量Δ、即ちΔ＝ｄｔａｎ
　θだけ横方向に変位する。この変位量Δを位相角に変
換するとΔ／Ｐ×３６０度＝φ度だけずれたことになる
。

【００１８】図４に示す如く、固定格子２中に含まれて
いる９０度位相差には、光源４とコンデンサレンズ５と
の間隔ｌをコンデンサレンズ５の焦点距離にした場合、
即ち平行照明とした場合に、光電変換によって得られる
９０度位相関係にあるべき２信号にパターン誤差分の位
相が加わることとなる。

【００１９】そこで、この例では光源４とコンデンサレ
ンズ５との間隔ｌを間隔調整手段にΔｌだけ変化させる
ことにより、照明光を発散又は収束させ、これにより固
定格子２上のフレネル回折像１０の位置を変位させて固
定格子２の各パターンの位相誤差を除去するようにして
いる。例えば図５に示す如く、固定格子２の左右のセグ
メント２１　，２２　間の１／４Ｐにパターン誤差δの
誤差がある場合には、間隔ｌを調整することにより照明
方向を調整して左右のセグメント２１　，２２　上に形
成される移動格子１のフレネル回折像１０の相対位置を
２Δ＝δとなるようにずらしているのである。

【００２０】パターン誤差δの補正についてさらに詳細
に説明する。図４において、固定格子２の格子ピッチ：
Ｐ、パターン誤差：δ、移動格子１と固定格子２との格
子間間隔：ｄ、コンデンサレンズ５の焦点距離：ｆ、固
定格子セグメントの光軸からの距離：ｈ、コンデンサレ
ンズと固定格子の間隔：Ｄ、光源から格子位置ｈに向か
う光線のコンデンサレンズ主平面上の光軸からの距離：
ｈ１　、照明光の傾斜角：θ、光源４とコンデンサレン
ズ５との間隔：ｌ、その間隔調整量：Δｌとする。

【００２１】前記の如くパターン誤差δを補正するため
には、回折像の変位量ΔをΔ＝δ／２とする必要がある
。従って、Δ＝ｄｔａｎ　θ＝δ／２からｔａｎ　θ＝
δ／２ｄとなる。照明光に傾斜角θを与えるためには、
レンズの結像公式より以下の如く光源４とコンデンサレ
ンズ５との間隔調整量Δｌを算出することができる。 　　　　　　　　　　　　　　　　Δ＝（ｔａｎ　θ）
・ｄ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　…（１）　　　　　　　　　　　　　　　　
Δ＝δ／２　→ｔａｎ　θ＝δ／２ｄ　　　　　　　　
　　　　　　　　ｈ１　＝ｈ＝Ｄｔａｎ　θ　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　…（
２）　　　レンズ結像公式より、 　　　　　　　　　　　　　　　　ｌ／（−ｈ１　／ｔ
ａｎ　θ）＋ｌ／ｌ＝１／ｆ　　　　　　　　…（３）
　　　（３）　式より、 　　　　　　　　　　　　　　　　ｌ＝（ｆｈ１　／ｔ
ａｎ　θ）／（ｆ＋ｈ１　／ｔａｎ　θ）　　…（４）
　　　（４）　式に（２）　式を代入して、　　　　　
　ｌ＝ｆ｛（ｈ／ｔａｎ　θ）−Ｄ｝／｛ｆ＋（ｈ／ｔ
ａｎ　θ）−Ｄ｝…（５）　　　（１）　式を（５）　
に代入すると、　　　　　　ｌ＝ｆ｛（　２ｄｈ／ｔａ
ｎ　θ）−Ｄ｝／｛ｆ＋（　２ｄｈ／ｔａｎ　θ）−Ｄ
｝　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　…（６）　故に、Δｌ＝ｌ
＝ｆ−ｌとなる。

【００２２】例えば１例として、δ＝１　μｍ、ｄ＝２
０μｍ、Ｐ＝１０μｍ、ｆ＝１０ｍｍ、ｈ＝３　ｍｍと
すると，照明光の傾斜角θはθ＝１．４３度となり、こ
のときのΔｌはΔｌ＝０．９０９　ｍｍとなる。従って
、光源４を間隔調整手段により０．９０９　ｍｍだけコ
ンデンサレンズ５側へ変位させればよいことになる。

【００２３】さらに例えば、固定格子２の格子ピッチＰ
をＰ＝１０μｍ、９０度位相を２．５　μｍ、パターン
誤差１　μｍとすると，位相角で３６度の内挿誤差とな
るが、Δｌを±０．１　ｍｍの精度で位置決めすること
により、例えば位相角で約４．５　度の内挿誤差まで押
え込むことができることになる。これは１　μｍのパタ
ーン誤差を０．１３μｍまで修正したことになる。すな
わち、位相差が所定位相差よりも大きい場合には光源４
とコンデンサ光レンズ５との間の間隔を大きくし、位相
差が所定位相差よりも小さい場合には光源４とコンデン
サレンズ５との間の間隔を小さくすることで位相差を所
定位相差に合わせ込むことができる。

【００２４】厳密には格子位置（ｈ）が異なると光線角
度（θ）も異なるが、コンデンサレンズの口径に対し固
定格子の１つのセグメントの大きさがあまり大きくない
ため、光線角度の大きさの１つのセグメント内での場所
の違いによる差は小さいのでセグメント中央の格子位置
で代表して差し支えない。また、たとえ光線角度が違っ
ていても電気出力信号の若干の低下が生ずるだけで内挿
精度には全く影響しない。次に本発明に係る位相差調整
方法を実施する場合に、光源４とコンデンサレンズ５と
の間隔を調整する間隔調整手段を図６および図７に基い
て説明する。

【００２５】図６において、外周面にネジ山を備えた円
柱状の光線ホルダー８に図の如く光源４が設けられてお
り、光線ホルダー８は内壁にネジ山を備えた支持体７に
螺着されている。光源４から後方に延びている４ａ，４
ｂは光源のリード線であり電源に接続されている。光源
４の前方には、コンデンサレンズ５が設置されており、
光源ホルダ−８を回転させることによって光源ホルダー
８が支持体７の中を前後する。その結果、光源４とコン
デンサレンズ５との間の間隔が変化する。この場合、光
源ホルダー８を回転させることによって所望の格子間の
位相調整が行なわれる。

【００２６】図７においては、コンデンサレンズ５を固
定したレンズホルダー９と支持体１１が螺着されており
、レンズホルダー９を回転させることにより支持体１１
内を移動させ、これによってコンデンサレンズ５と光源
４との間隔が変化する構成となっている。

【００２７】上記例では固定格子２として、９０度位相
の左右２つのセグメント２１　，２２　および２３　，
２４　より構成されたものについて説明したが、本発明
はこれに限定されることなく、種々変更、変形を加え得
ること勿論である。例えば固定格子として、左右の各セ
グメントのうち、その上下方向の各セグメント例えば２
１　と２３　および２２　と２４　とをそれぞれ１８０
度位相の関係となるように配列し、これらの１８０度位
相の２つの信号を作動増巾して光源出力変動や電源電圧
変動による位相誤差を除去するようにしてもよい。この
場合には１８０度位相のパターン位相誤差はエンコーダ
ーの内挿誤差に影響を与えるものではなく、且つこれら
の位相関係は１８０度位相関係であるので、例えば前記
のような照明光学系の調整が行われても、固定格子状に
形成される移動格子の回折像（影）は全く同一方向に同
一量だけ変位し、差動増巾後の出力変動も生ずることは
ない。また前記例においては固定格子の各セグメントを
１つの基板上にパターニングしたものについて述べたが
、必ずしも１つの基板上にパターニングするものに限定
する必要はない。 さらに前記例においては光源装置として光源とコンデン
サレンズとを各１個用いるものについて説明したが、例
えば左右のセグメントを２個以上に配列する場合には複
数の光源を用いて各独立に個々の照明方向を調整するよ
うにしてもよい。また前記例では固定格子の配置を光源
装置、移動格子、固定格子、光検出素子の順序に配置し
たものについて述べたが、例えば固定格子と移動格子と
の順序を入れ換えてもよいことは勿論である。さらに移
動格子を装着する移動体としては特定することなく例え
ば直線運動体又は回転運動体の何れでもよいこと明らか
である。さらにまた、固定格子としては前記上下左右各
２つのセグメントに限ることなく、これ以上の個数の上
下左右のセグメントを使用してもよいことは言うまでも
ない。

【００２８】さらに上記例では光透過形の光電式エンコ
ーダーについて説明したが光反射形の光電式エンコーダ
ーについても同様の原理に基づいて調整可能なことは言
うまでもない。

【００２９】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、極
めて簡単な作業だけで、パターンに存在する位相誤差を
実質的になくし、所定の位相差に合わせ込むことができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る位相調整方法適用される光電式エ
ンコーダーの概略構成図、

【図２】同エンコーダーにおける固定格子の概略図、

【
図３】本発明に係る位相調整方法の原理を説明するため
の面、

【図４】本発明に係る位相調整方法の原理を説明するた
めの面、

【図５】本発明に係る位相調整方法の原理を説明するた
めの面、

【図６】光源とコンデンサレンズとの間隔を調整する調
整手段の一例を示す図、

【図７】光源とコンデンサレンズとの間隔を調整する別
の調整手段を示す図。

【符号の説明】

１…移動格子、　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　２…固定格子、２１　〜２４…セグメント、　　　
　　　　　　　３…光源装置、４…光源、　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　４ａ，４ｂ…リード線、
５…コンデンサレンズ、　　　　　　　　　　　　６，
６１　〜６４　…光電変換素子、７…支持体、　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　８…光源ホルダ
ー、９…レンズホルダー、　　　　　　　　　　　　　
　１０…フレネル回折像、１１…支持体。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】相対移動方向に配列された符号化パターン
   を有する第１格子と、この第１格子に対向して配置され
   、且つ相対位置が格子ピッチの略１／４周期（位相角で
   ９０度）で配列されてなる少なくとも２つの符号化パタ
   ーンを前記第１格子の相対移動方向に有する第２格子と
   、光源を有し、且つ前記光源からの光を前記第１格子及
   び前記第２格子に照射するための照光レンズ部と、前記
   第１格子及び第２格子を介した光から第１信号及びこれ
   と所定位相差を有する第２信号を検出する検出部と、前
   記第２格子の有する少なくとも２つの符号化パターンに
   照射する光の照射角を変化させるために前記光源と前記
   照光レンズ部との間の間隔を変える間隔変化手段とを有
   し、相対移動を検出する光電式エンコーダーにおいて、
   前記第１信号と前記第２信号との位相差が前記所定位相
   差よりも大きい場合には前記間隔変化手段により前記光
   源と前記照光レンズ部との間の間隔を大きくし、前記第
   １信号と前記第２信号との位相差が前記所定位相差より
   も小さい場合には前記間隔変化手段により前記光源と前
   記照光レンズ部との間の間隔を小さくすることで前記検
   出部で検出される前記第１信号と前記第２信号との位相
   差を前記所定位相差に調整することを特徴とする光電式
   エンコーダーにおける位相差調整方法。
2. 【請求項２】前記検出部で検出する前記第１信号と前記
   第２信号との前記所定位相差は、１／４周期（位相角で
   ９０度）であることを特徴とする請求項１に記載の光電
   式エンコーダーにおける位相差調整方法。