JPH10512374A - オプトエレクトロニックロータリエンコーダ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ロータリエンコーダは、一対の読み取りヘッド（１４）に対して回転するスケール（２２）を有する。読み取りヘッドのそれぞれは、スケールに光を投射して検光格子（４０）に干渉縞の如き間欠的な光パターンを発生する。この干渉縞および検光格子は、構造化検出器アレイ（１００）に入射する一続きの合成バーニヤ縞を生ずるように相互に作用する。一実施例において、検光格子は、直線合成縞を生ずるように角度を付けて延びる干渉縞と相互に作用し合うように形成される。スケール（２２）の偏心回転のための誤差は、合成縞の減少するピッチと共に減少する。

Description

【発明の詳細な説明】 オプトエレクトロニックロータリエンコーダ 本発明は、例えば、他方に対して一方の回転体の角変位を測定するために使用 可能なオプトエレクトロニックロータリエンコーダに関する。 このようなロータリエンコーダは、それ自体周知であり、相対的に回転可能な 最初の一方のボディに取り付けたコードホイールを一般に包含し、このコードホ イールは、半径方向に延びて円周方向に間隔をあけ、このコードホイールの外周 部近傍に等しい角度間隔で位置し、それによってスケールを形成する複数の線を 有する。相対的に回転可能な他方のボディに取り付けられてスケールと正確に重 なり合う光学的読み取りヘッドは、コードホイールの形態によるスケールに光を 投射し、光はさらに反射あるいは透過する。この反射あるいは透過光から、読み 取りヘッドは、第１および第２の相対回転可能なボディの相対的な角変位を示す 変化量を発生するように使用可能な一連の信号を発生する。 本発明の第１の形態は、間隔をあけた一連の線によって規定したスケールと、 このスケールと正確に重なり合って置かれる読み取りヘッドとを有し、スケール および読み取りヘッドが線の配列方向に相対的に移動可能であり、読み取りヘッ ドは、 光がスケールを通過することにより間欠的な光パターンを形成するように、ス ケールを照明するための手段と、 合成縞パターンを発生するように前記間欠的な光パターンと相互に作用するた めの検光格子と、 前記合成縞パターンが入射し、前記相対移動によって複数の移相循環変調信号 を発生するための検出器とを具え、 間欠的な光パターンおよび合成縞パターンの一方が直線パターンであり、他方 が角度の付いたパターンである 相対移動を測定するためのオプトエレクトロニックエンコーダ装置を提供する。 本発明の一つの独立した形態は、間隔をあけた一連の線によって規定したスケ ールと、このスケールと正確に重なり合って置かれる読み取りヘッドとを有し、 スケールおよび読み取りヘッドが線の配列方向に相対的に移動可能であり、読み 取りヘッドは、 光がスケールを通過することにより間欠的な光パターンを形成するように、ス ケールを照明するための手段と、 合成縞パターンを発生するように前記間欠的な光パターンと相互に作用するた めの検光格子と、 前記合成縞パターンが入射し、前記相対移動によって複数の移相循環変調信号 を発生するための検出器とを具え、この検出器は、 前記合成縞の配列方向に間隔をあけた複数組の感光性部材を具え、異なる組の 感光性部材が繰り返しパターンで交互に配列され、所定の組のすべての感光性部 材が電気的に共通に接続され、隣接する感光性部材は、前記合成縞の縞ピッチと 等しくない間隔に離された 相対的な角変位を測定するためのオプトエレクトロニックロータリエンコーダ装 置を提供する。 さて、この発明の実施例は、 図１が本発明によるロータリエンコーダの概略正面図であり、 図２が図１のII−IIの側面図であり、 図３ａ〜図３ｃが合成縞の発生を描いた信号図であり、 図４がベクトル図であり、 図５が図２の読み取りヘッドにおける検出器アレイの正面図であり、 図６ａ〜図６ｃがコードホイールの偏心効果を描いており、 図７が偏心による位相誤差を示すグラフであり、 図８が図２の読み取りヘッドで発生した干渉縞パターンを描いており、 図９が別な形態の検光格子の一部の正面図であり、 図１０が図９の検光格子と共に使用した検出器アレイの正面図を示す 添付図面を参照し、例示の方法によって記述される。 ところで、図１および図２を参照すると、二つの部材の相対的な角変位を測定 するための角度エンコーダは、中央軸受１２に対して回転を許容するように２つ の部材の一方に取り付けられた円形のコードホイール１０と、２つの部材の他方 に取り付けられた一対のオプトエレクトロニック読み取りヘッド１４とを包含す る。コードホイール１０は、その外周部に、交互に連続する光反射および無反射 の線２２で構成されたロータリスケール２０を有し、これらの線２２は、半径方 向に延びており、円周方向に相互に間隔をあけている。あるいは、スケールを形 成するようにコードホイール１０の表面にエッチングした（それ自体周知の）位 相格子型の構成によって、これらの線が与えられてもよい。 各読み取りヘッド１４は、拡散光源３０をそれぞれ包含し、これら拡散光源は インデックス格子３２を介してスケール２０を照明する平行光束を発生する。イ ンデックス格子３２は、スケール２０の複数の線２２の部分とインデックス格子 ３２によって規定した窓とが正確に重なり合うように、角度ピッチおよび円周方 向の間隔が一致する光透過線および不透過線（図示せず）を交互に具える。イン デックス格子３２を通過した後、光はスケール２０から反射され、インデックス 格子３２およびスケール２０の両方のそれらの相互作用によって、干渉縞の形態 の間欠的な光パターンが検光面ＡＰに形成される。インデックス格子３２および スケール２０上の両方の複数の線の角度は、格子３２とスケール２０との間の離 間距離と共に、ＧＢ１５０４６９１に示される直線符号化機構(linear encoding mechanism)と対応する光学的機構が適用されるように選択される。この型式の 光学的機構によると、検光面ＡＰに形成される干渉縞は、インデックス格子３２ およびスケール２０の複数の線と同じ角度ピッチを有する（注：別な光学的機構 においては暗い縞が形成されてもよい）。 読み取りヘッド１４に対するコードホイール１０の回転は、検光面ＡＰに発生 した干渉縞の回転と、前記検光面の任意の所定の箇所に入射する光強度が対応し て周期的に変化する変調とをもたらす。この光強度変調の２つあるいはそれ以上 の位相の観察は、ホイール１０の角変位の方向および大きさの両方の検出を可能 とする。しかしながら、この光強度変調の直接観察は、寸法が干渉縞の幅の半分 よりも小さいか、あるいはそれと同じである光起電力変換器を用いてのみ可能で ある。本実施例において、スケール２２の隣接する線の間の直線距離は、その外 半径部において、２マイクロメートルと等しく、それゆえ、これは検光面ＡＰに 発生した対応する干渉縞パターンの隣接する縞の間の最大直線距離でもある。こ のため、前述の光強度変化を直接観察するために必要な大きさの光検出器を構成 することは、実用的ではなく、すなわちコスト効率が良くない。寸法が干渉縞の 間隔よりも実質的に大きい光起電力変換器に対して明らかな光強度変調を生ずる ように、検光格子４０が検光面ＡＰに設けられる。 そこで、この検光格子４０の機能が図３ａ〜図３ｃを参照して説明される。さ て、図３ａを参照すると、角度を持った干渉縞５０の光強度分布が図３ａに描か れている。この強度分布は実質的に正弦曲線を描いており、しかもこの干渉縞の 角度ピッチは一定であることを確かめることができる。検光格子４０の形状は、 干渉縞と並べて図３ｂに描かれている。検光格子４０の角度ピッチが一定である ことは、図３ａおよび図３ｂから確かめることができるが、格子４０および干渉 縞５０の並びは、格子の角度ピッチが干渉縞のそれよりもわずかに大きいことを 明らかにしており、干渉縞がα°の角変位に対して１２ピークの角空間周波数を 有するのに対し、検光格子４０の複数の線は、α°の角変位毎に１１本の角周波 数を有する。この結果、干渉縞５０が検光格子４０の表面に投射される時、スケ ール２０から離れた格子４０側から観察されるのは、合成縞６０である。この合 成縞６０の発生は、検光格子４０が描かれた部分の中央部において、干渉縞パタ ーンの大きな強度ピークが格子４０の不透過線と正確に重なり合って存在してい るという点で説明することができ、それゆえ比較的わずかな入射光が干渉縞５０ から検光格子４０により伝えられる。大きな強度ピークは、格子４０の光透過線 と次第に正確に重なり合って周辺の方に存在し、この結果としてより多くの光が 検光格子４０によって伝えられる。このタイプの合成縞６０の発生は、うなり周 波数の発生、すなわちバーニヤスケールに例えることができる。この理由のため 、合成縞６０は、合成バーニヤ縞としてみなすことができる。 一つの干渉縞のピッチと等しい角変位に関し、（コードホイール１０の回転に よる）検光格子４０に対する干渉縞パターンの回転運動は、一つの合成縞のピッ チに関して合成バーニヤ縞の対応する変化を結果として生ずる。このため、合成 バーニヤ縞６０の変化は干渉縞５０の変化と一対一の関係を有するので、コード ホイールの角変位を決定する方法として、合成バーニヤ縞６０の変化から検光格 子のダウンビーム(downbeam)で生ずる光強度変調を観察することは有効である。 合成バーニヤ縞の移動は、一連の感光性部材が表面に形成された半導体基板１ ０２を具える図５に示した型式の構造化アレイ１００によって検出される。これ ら感光性部材１１０は、コードホイールに対して半径方向に延びており、３つの 組１１０Ａ，１１０Ｂ，１１０Ｃにグループ分けされており、所定の組のすべて の感光性部材は、電気的に共通に接続されている。感光性部材１１０は、繰り返 しパターン１１０Ａ−１１０Ｂ−１１０Ｃで交互に配列すると共に角度を付けて 間隔があいており、並行状の感光性部材が合成バーニヤ縞のピッチと等しい角度 １／Ｖ_fに離されるようなものである。合成バーニヤ縞がアレイを横切って移動 するので、各組の部材１１０は、正弦曲線を描いて変化する電気的出力を発生す る。それで、０°，１２０°および２４０°の位相関係を有する３つの組の部材 １１０Ａ，１１０Ｂ，１１０Ｃの出力は、コードホイールの回転の大きさおよび 方向をもたらす一対の正弦曲線を描いて変化する直角位相の出力を生ずるように 、周知の方法でそれぞれ組み合わせることができる。 入射干渉縞パターンと検光格子との間の相互作用によって生じた合成バーニヤ 縞のピッチは、簡単なベクトル計算によってあらかじめ推定可能である。そこで 、図４を参照すると、ベクトルＩ_fは、単位角変位毎の入射干渉縞パターンの縞 の数を表し、ベクトルＡ_gは、単位角変位毎の検光格子の線の数を表し、ベクト ルＶ_fは、入射干渉縞と検光格子の線との間の相互作用の結果として生ずる単位 角変位毎の合成バーニヤ縞の数を示している。これら３つのベクトルの和は、必 ず０と等しくなる。従って、例えば、入射干渉縞パターンが単位角変位に付き２ ５０本の縞を有しており、そして検光格子が単位角変位に付き２４９本の線を有 している場合、単位角変位毎の合成バーニヤ縞は、１本だけとなる。それで、こ の演算が２つの相互に作用する信号間のうなり周波数の発生の計算と対応するこ とを確かめることができる。 干渉縞のピッチ，検光格子の線のピッチおよび合成バーニヤ縞のピッチは、そ れぞれ１／Ｉ_f，１／Ａ_g，１／Ｖ_fであって、角度を持つ。角度エンコーダの ピッチを説明するためのさらなる方法は、隣接する線あるいは縞の間の円周方向 の間隔に関しており、これは式 によって与えられる。ここで、 Ｒは、観察される線あるいは縞の（線あるいは縞が半径方向に延びる点から測 定した）半径であり、 Ｎは、回転毎の線あるいは縞の数である。 今まで記述した装置は、スケール２０が完全な同心性を以て取り付けられるコ ードホイール１０を有するが、実際問題としてコードホイール１０の取り付けが 偏心するかも知れないので、円周方向の間隔は、重要なパラメータとなる。この ような偏心した取り付けの結果は、読み取りヘッドから観察した時、コードホイ ールの回転に連れてスケールの線の円周間隔に変化がある。さて、図６ａを参照 すると、コードホイール１０の光学的中心Ｏ（すなわち、この点からスケールの すべての線が半径方向に延びる）の位置が、回転するコードホイール１０の機械 的中心Ｍに対して描かれている。スケール２０の偏心距離は、これら２つの点の 間の距離と等しく、ｅで示される。図６ｂを参照すると、コードホイール１０の 最初の角変位において、読み取りヘッドが正確に重なり合うスケールの部分の円 周方向の間隔が となるように、読み取りヘッド１４がコードホイール１０に対して取り付けられ る。ここで、 ｒは、スケールの平均半径である。 図６ｃを参照すると、この角変位からコードホイール１０の１８０°の回転は 、（この反転の２倍の効果を考慮に入れる時）読み取りヘッドと正確に重なり合 って置かれるスケールの円周方向の間隔に の変化を結果として生じる。 スケール２０の円周方向の間隔に関するこの変化は、対応する変化を検光格子 に入射する干渉縞の円周方向の間隔にもたらし、その結果として、感光性アレイ １００に入射する合成バーニヤ縞の円周方向の間隔に変化をもたらす。アレイ１ ００の並行状の部材１１０間の円周方向の間隔は、合成バーニヤ縞の円周方向の 間隔と釣り合うように選択されるので、アレイ１００の部材１１０に対して選択 された合成バーニヤ縞の円周方向の間隔の変化は、アレイ１００の電気的出力に 位相誤差を生じさせる。感光性部材の各組１１０Ａ，Ｂ，Ｃにｎ個の感光性部材 があり、そしてｗがアレイ１００を横切る円周方向の距離（図５を参照のこと） とした場合、それで、合成バーニヤ縞が必要とする円周方向の間隔は、 であり、上述したベクトル解析を使用すると、スケールの円周方向の間隔の変化 に追従する合成バーニヤ縞の新たな円周方向の間隔ｑは、 と等しいことを示すことができる。 １つの合成バーニヤ縞の円周方向の間隔に関するこの変化から起こる位相誤差 率ｘは、 である。 アレイを横切るすべての縞に対して合計すると、累積誤差Ａは、 Ａ＝（ｘ＋２ｘ＋３ｘ＋４ｘ＋・・・ｎｘ）／ｎ Ａ＝（ｎ＋１）ｘ／２ である。 所定値ｅに対し、合成バーニヤ縞の円周方向の間隔の絶対的変化および百分率 変化は、両方とも増大するｎに伴って、より小さくなることを確かめることがで きる。従って、より多くの数の合成バーニヤ縞（すなわち、より小さい合成縞の 円周方向の間隔）は、位相誤差をより減少させる。図７は、１０μmの偏心量と 、１回転当たり５５８００本の線を有する平均半径が３５．５mmのスケールに対 し、合成バーニヤ縞の数の増大に伴う位相誤差の変化を描いたグラフである。 この現象は、干渉縞（従ってスケール）および検光格子の円周方向の間隔が相 対的に大きく相違する時、小さな間隔の合成バーニヤ縞が作り出されるという点 で、質的に理解することができる。より大きなこの相違は、偏心のためのスケー ル（従って干渉縞）の円周方向の間隔の変化の効果を比例してより小さくする。 ところで、図８を参照すると、検光格子の範囲を規定する窓２００に入射する 干渉縞が描かれている。 干渉縞と相互作用する検光格子４０の形状が合成バーニヤ縞の大きさを決定す るので、任意の所定の入射縞（すなわち、ここで記述された実施例においては干 渉縞）から、任意のピッチおよび／または形状の合成縞を得るように、検光格子 ４０を形成可能であることを我々は認識している。例えば、平行、すなわち「直 線」合成バーニヤ縞パターンは、角度を付けた半径方向に延びる縞パターンから 生じさせることができ、あるいは逆に生じさせることができる。 検光格子４０の全幅ｗを横切るｎ本の平行な合成バーニヤ縞を得るため、検光 格子４０の形状は、以下の方法で決定されることができる。 窓２００のその内半径部において、０次の縞（０次の縞は、検光格子４０の境 界を規定する窓２００に対してほぼ直角に延びる）から１次干渉縞の直線ピッチ は、Ｐ_iである。 従って、このピッチにおける線のユニット位置毎の線の数（すなわち、空間周 波数）は、１／Ｐ_iによって与えられる。 合成バーニヤ縞の要求空間周波数は、幅ｗの検光窓２００を横切るｎ本の縞、 すなわち、 ｎ／ｗ である。 図９を参照すると、幅がＷ／Ｎの合成バーニヤ縞を生じるために必要である検 光格子窓２００の内半径部における検光格子の０次の線と１次の線との間に必要 な直線ピッチは、Ａ_iであり、１／Ａ_iの空間周波数と対応する。 上述したベクトル解析を用いると、 １／Ａ_i＝１／Ｐ_i−ｎ／ｗ 再度整理して Ａ_i＝ｗＰ_i／（ｗ−ｎＰ_i） 合成バーニヤ縞が相互に平行に延びるように作られるため、窓２００内のその 外半径部における検光格子の１次および０次の線の間のピッチＡ₀は、ピッチｗ ／ｎの合成バーニヤ縞を生ずるように干渉縞とも相互作用し合うようなものでな ければならない。このため、１次および０次の干渉縞に関する限り、検光格子の １次および０次の線の外半径部におけるピッチの値Ａ₀を生ずるように、同じ計 算が繰り返される必要がある。 従って、 Ａ₀＝ｗＰ₀／（ｗ−ｎＰ₀） ここで、Ｐ₀は、外半径部における０次の縞と１次の縞との間のピッチである 。 それで、これらの計算は、検光格子のさらにすべての線に関する限り、何度も 繰り返され、それで格子全体は、０次の線によって規定した対称軸線に関して結 果として生ずる形状を写すことにより、描くことができる。 コードホイール１０の回転による直線合成バーニヤ縞の光強度変化と対応する ３つの移相循環変調電気的信号を発生するように形成した適当な構造化光検出器 アレイ４００は、図１０に描かれる。前記のように、検出器アレイ４００は、ほ ぼ平行に延在する複数の感光性部材４１０をその上に設けた半導体基板４０２を 具え、これら感光性部材は３つの組４１０Ａ，４１０Ｂ，４１０Ｃにグループ分 けされ、所定の組のすべての感光性部材は電気的に共通に接続されており、これ ら感光性部材は繰り返しパターン４１０Ａ−４１０Ｂ−４１０Ｃで交互に配列し ている。 この具体例において平行な合成バーニヤ縞を生ずるように改造した、すなわち 「曲げられた」検光格子の形状は、直線エンコーダおよび角度エンコーダの両方 に対して製造されるべき光検出器アレイの簡単な設計を可能とするので、都合が 良い。しかしながら、独立した長所は、角度を付けて構成した光検出器アレイの 場合においてさえ、アレイの構成を変更することなく、例えばインデックス格子 あるいはスケールのピッチや形状の変更が適応させられることができることであ り、これは、設計コストの大部分が光検出器アレイの設計と関係しているので、 エンコーダを改造するコストを著しく減少する。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．間隔をあけた一連の線によって規定したスケールと、このスケールと正確に 重なり合って置かれる読み取りヘッドとを有し、スケールおよび読み取りヘッド が線の配列方向に相対的に移動可能である、相対移動を測定するためのオプトエ レクトロニックエンコーダ装置であって、読み取りヘッドは、 光がスケール通過することにより間欠的な光パターンを形成するようにスケー ルを照明するための手段と、 合成縞パターンを発生するように前記間欠的な光パターンと相互作用のための 検光格子と、 前記合成縞パターンが入射し、前記相対移動によって複数の移相循環変調信号 を発生するための検出器とを具え、 間欠的な光パターンおよび合成縞パターンの一方が直線パターンであり、他方 が角度の付いたパターンであることを特徴とするオプトエレクトロニックエンコ ーダ装置。 ２．前記スケールは、ロータリスケールであることを特徴とする請求項１に記載 のオプトエレクトロニックエンコーダ装置。 ３．前記スケールは、直線スケールであることを特徴とする請求項１に記載のオ プトエレクトロニックエンコーダ装置。 ４．前記間欠的な光パターンは、干渉縞によって与えられることを特徴とする請 求項１から請求項３の何れかに記載のオプトエレクトロニックエンコーダ装置。 ５．前記読み取りヘッドは、前記スケールを照明するためのコヒーレント光源を 有することを特徴とする請求項４に記載のオプトエレクトロニックエンコーダ装 置。 ６．前記読み取りヘッドは、前記スケールを照明するための拡散光源およびイン デックス格子を包含することを特徴とする請求項４に記載のオプトエレクトロニ ックエンコーダ装置。 ７．前記検出器は、前記合成縞の配列方向に間隔をあけた複数組の感光性部材を 具え、異なる組の感光性部材は繰り返しパターンで交互に配列され、所定の組の すべての感光性部材は、電気的に共通に接続され、隣接する感光性部材は前記合 成縞の縞間隔と等しくない間隔に離されていることを特徴とする請求項１から請 求項６の何れかに記載のオプトエレクトロニックエンコーダ装置。 ８．間隔をあけた連続する線によって規定したスケールと、スケールと正確に重 なり合って置かれる読み取りヘッドとを有し、スケールおよび読み取りヘッドが 線の間隔の方向に相対的に移動可能である、相対的な角変位を測定するためのオ プトエレクトロニックエンコーダ装置であって、読み取りヘッドは、 スケールを照明するための手段であって、これにより間欠的な光パターンを形 成するスケールによって光が通過し、 合成縞パターンを生ずるように前記間欠的な光パターンと相互に作用するため の検光格子と、 前記合成縞パターンが入射し、前記相対移動によって複数の移相循環変調信号 を発生するための検出器とを具え、この検出器は、 前記合成縞の間隔の方向に間隔をあけた複数組の感光性部材を具え、異なる組 の感光性部材が繰り返しパターンで交互に配列され、所定の組のすべての感光性 部材が電気的に共通に接続され、隣接する感光性部材は前記合成縞の縞間隔と等 しくない間隔に離されていることを特徴とするオプトエレクトロニックエンコー ダ装置。 ９．合成縞は、直線縞であることを特徴とする請求項８に記載のオプトエレクト ロニックエンコーダ装置。