(57)【要約】【課題】  微少な移動量を検出でき、検出能力が低下しないエンコーダを提供する。【解決手段】  光源２と、光源２からの光を受光して受光した光の強度を検出する受光素子３と、光源２と受光素子３との間に固定した、定ピッチＴのスリット４の列が設けられた固定スケール５と、光源２と受光素子３との間で被検物と共に移動し、固定スケール５と同じピッチＴのスリット６の列を有する移動スケール７とからなるエンコーダ１であって、光源２と固定スケール５または移動スケール７との間と、受光素子２と固定スケール５または移動スケール７との間との少なくともいずれかに、光を透過する透過開口８，１０を設けた開口板９，１１を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、該光源からの光を受光して受光した光の強度を検出する受光素子と、
前記光源と前記受光素子との間に固定した、定ピッチのスリットの列が設けられた固定スケールと、
前記光源と前記受光素子との間で被検物と共に移動し、前記固定スケールと同じピッチのスリットの列を有する移動スケールとからなるエンコーダであって、
前記光源と前記固定スケールまたは前記移動スケールとの間と、前記受光素子と前記固定スケールまたは前記移動スケールとの間との少なくともいずれかに、光を透過する透過開口を設けた開口板を有することを特徴とするエンコーダ。
【請求項２】
前記光源と前記固定スケールまたは前記移動スケールとの間と、前記受光素子と前記固定スケールまたは前記移動スケールとの間との両方に、それぞれ、前記開口板を有することを特徴とする請求項１に記載のエンコーダ。
【請求項３】
前記光源と前記固定スケールまたは前記移動スケールとの間と、前記受光素子と前記固定スケールまたは前記移動スケールとの間とのいずれか一方に、前記開口板を２つ以上有することを特徴とする請求項２に記載のエンコーダ。
【請求項４】
前記被検物の移動方向の幅が最も狭い前記透過開口は、前記スリットのピッチの整数倍の幅であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のエンコーダ。
【請求項５】
前記被検物の移動方向の幅が最も狭い前記透過開口は、両端が前記固定スケールの前記スリットの端部に正対すること特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のエンコーダ。
【請求項６】
前記被検物の移動方向の幅が最も狭い前記透過開口が設けられた前記開口板は、前記固定スケールに固定されていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のエンコーダ。
【請求項７】
光源と、
定ピッチのスリットの列を有する固定スケールと、
被検物と共に移動し、前記スリットの列と同じピッチの光を反射する反射部の列が設けられた移動スケールと、
前記光源から発せられ、前記スリットを通過して前記反射部で反射した光を受光し、受光した光の強度を検出する受光素子とからなるエンコーダであって、
前記光源と前記固定スケールの間と、前記移動スケールと前記受光素子の間との少なくともいずれかに、部分的に開口した開口板を有することを特徴とするエンコーダ。
【請求項８】
前記透過開口の前記被検物の移動方向の幅は、前記光源および前記受光素子の少なくともいずれかの幅より狭いことを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載のエンコーダ。
【請求項９】
前記固定スケールは、前記被検物の移動方向に１／４ピッチずれた２列の前記スリットが設けられ、或いは、前記移動スケールは、前記被検物の移動方向に１／４ピッチずれた２列の前記スリットまたは前記反射部が設けられ、
それぞれ、いずれかの前記スリットの列を通過、或いは、いずれかの前記反射部の列で反射した光を検出する２つの前記受光素子を有することを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載のエンコーダ。
【請求項１０】
前記受光素子の出力を閾値処理して２値化し、２値化した出力が変化するたびに前記被検物の位置を表す数値を前記スリットの１／２ピッチの長さに相当する値だけ増減する演算を行うことを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載のエンコーダ。
【請求項１１】
前記移動スケールは、最も狭い前記透過開口よりも大きく開口した透過部を有し、
前記光の経路が前記透過部内にあるときの前記受光素子の出力信号を検出して、前記被検物の位置を表す値をリセットすることを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載のエンコーダ。
【請求項１２】
前記移動スケールは、最も狭い前記透過開口よりも大きい範囲に透過性の部分がない遮蔽部を有し、
前記光の経路が前記遮蔽部内にあるときの前記受光素子の出力信号を検出して、前記被検物の位置を表す値をリセットすることを特徴とする請求項１から１１のいずれかに記載のエンコーダ。
【請求項１３】
前記受光素子の出力を閾値と比較して２値化し、
前記移動スケールが等速移動しているときに、前記２値の出力時間の比が所定の値になるように前記閾値を変更することを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載のエンコーダ。
【請求項１４】
前記受光素子の出力の最小値と最大値を記憶し、前記最小値と最大値の間の１つ以上の中間値を設定し、前記受光素子の出力値を前記最小値、前記最大値および前記中間値と比較して、前記スリットのピッチより小さい長さに相当する値を算出することを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載のエンコーダ。
【請求項１５】
前記受光素子の出力の最小値と最大値を記憶し、前記受光素子の出力値から前記最小値を引いた値を前記最大値と前記最小値の差分で除して、前記スリットのピッチ未満の長さに相当する値を算出することを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載のエンコーダ。
【請求項１６】
前記被検物を移動させる駆動装置の入力または出力を基に前記被検物の位置を表す値を算出し、前記受光素子の出力が最小値または最大値となったとき、前記位置を表す値を前記スリットのピッチの１／２の整数倍の位置に相当する値に補正することを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載のエンコーダ。
【請求項１７】
光源と、該光源からの光を受光して受光した光の強度を検出する受光素子と、
前記光源と前記受光素子との間に固定した、定ピッチのスリットの列が設けられた固定スケールと、
前記光源と前記受光素子との間で被検物と共に移動し、前記固定スケールと同じピッチのスリットの列を有する移動スケールとからなるエンコーダであって、
前記移動スケールは、前記光源から前記受光素子に到達しうる光の経路よりも大きく開口した透過部を有し、
前記光の経路が前記透過部内にあるときの前記受光素子の出力信号を検出して、前記被検物の位置を表す値をリセットすることを特徴とするエンコーダ。
【請求項１８】
光源と、該光源からの光を受光して受光した光の強度を検出する受光素子と、
前記光源と前記受光素子との間に固定した、定ピッチのスリットの列が設けられた固定スケールと、
前記光源と前記受光素子との間で被検物と共に移動し、前記固定スケールと同じピッチのスリットの列を有する移動スケールとからなるエンコーダであって、
前記移動スケールは、前記光源から前記受光素子に到達しうる光の経路よりも大きい範囲に透過性の部分がない遮蔽部を有し、
前記光の経路が前記遮蔽部内にあるときの前記受光素子の出力信号を検出して、前記被検物の位置を表す値をリセットすることを特徴とするエンコーダ。
【請求項１９】
光源と、該光源からの光を受光して受光した光の強度を検出する受光素子と、
前記光源と前記受光素子との間に固定した、定ピッチのスリットの列が設けられた固定スケールと、
前記光源と前記受光素子との間で被検物と共に移動し、前記固定スケールと同じピッチのスリットの列を有する移動スケールとからなるエンコーダであって、
前記受光素子の出力を閾値と比較して２値化し、
前記移動スケールが等速移動しているときに、前記２値の出力時間の比が所定の値になるように前記閾値を変更することを特徴とするエンコーダ。
【請求項２０】
光源と、該光源からの光を受光して受光した光の強度を検出する受光素子と、
前記光源と前記受光素子との間に固定した、定ピッチのスリットの列が設けられた固定スケールと、
前記光源と前記受光素子との間で被検物と共に移動し、前記固定スケールと同じピッチのスリットの列を有する移動スケールとからなるエンコーダであって、
前記受光素子の出力の最小値と最大値を記憶し、前記最小値と最大値の間の１つ以上の中間値を設定し、前記受光素子の出力値を前記最小値、前記最大値および前記中間値と比較して、前記スリットのピッチより小さい長さに相当する値を算出することを特徴とするエンコーダ。
【請求項２１】
光源と、該光源からの光を受光して受光した光の強度を検出する受光素子と、
前記光源と前記受光素子との間に固定した、定ピッチのスリットの列が設けられた固定スケールと、
前記光源と前記受光素子との間で被検物と共に移動し、前記固定スケールと同じピッチのスリットの列を有する移動スケールとからなるエンコーダであって、
前記受光素子の出力の最小値と最大値を記憶し、前記受光素子の出力値から前記最小値を引いた値を前記最大値と前記最小値の差分で除して、前記スリットのピッチ未満の長さに相当する値を算出することを特徴とするエンコーダ。
【請求項２２】
光源と、該光源からの光を受光して受光した光の強度を検出する受光素子と、
前記光源と前記受光素子との間に固定した、定ピッチのスリットの列が設けられた固定スケールと、
前記光源と前記受光素子との間で駆動装置に駆動される被検物と共に移動し、前記固定スケールと同じピッチのスリットの列を有する移動スケールとからなるエンコーダであって、
駆動装置の入力または出力を基に前記被検物の位置を表す値を算出し、前記受光素子の出力が最小値または最大値となったとき、前記算出した位置を前記スリットのピッチの１／２の整数倍の位置に相当する値に補正することを特徴とするエンコーダ。
【請求項２３】
前記固定スケールおよび前記移動スケールは、柔軟な材料からなることを特徴とする請求項１から２２のいずれかに記載のエンコーダ。
【請求項２４】
前記固定スケールおよび前記移動スケールの少なくともいずれかは、ステンレス材料をエッチング加工またはプレスによる打抜き加工して形成したことを特徴とする請求項１から２２のいずれかに記載のエンコーダ。
【請求項２５】
前記固定スケールおよび前記移動スケールの少なくともいずれかは、透過性のプラスチックフィルムからなり、
前記スリットは、前記プラスチックフィルムに塗布した感光材料を感光して設けた遮光層の透過開口であること特徴とする請求項１から２２のいずれかに記載のエンコーダ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学的に移動量を検出するエンコーダに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、レンズにより平行な光線を発する光源と、光源からの光を受光して受光した光の強度を検出する光検出器（受光素子）と、光源と受光素子との間に固定した、定ピッチのスリットの列が設けられた固定スケールと、固定スケールと同じピッチのスリットの列を有する移動スケールとからなるエンコーダが記載されている。
【特許文献１】特開平０８−５４２５８号公報
【０００３】
点光源とレンズを用いれば、特許文献１のように平行な光線が得られる。しかし、実際の微少量を検出するエンコーダにおいて、発光ダイオード（ＬＥＤ）などで構成される光源は、無視できない面積から拡散光を発する平面状の光源であり、レンズによって平行光線を得ることは困難である。
【０００４】
図１７に平面光源を用いた従来のエンコーダ３１を示す。従来のエンコーダ３１は、発光ダイオード３２と、発光ダイオード３２に正対して受光した光の強度に比例した電流を出力するフォトダイオード（ＰＤ）３３と、所定のピッチＴで１／２ピッチ（１／２Ｔ）幅のスリット３４の列が設けられた格子状の固定スケール３５と、固定スケール３５と同じピッチＴで同じ幅のスリット３６の列が設けられた移動量を測定すべき被検物と共に移動する移動スケール３７とからなっている。
【０００５】
仮に発光ダイオード３２が理想的な平行光線を発生すると仮定すると、移動スケール３７が固定スケール３５と１／２ピッチずれた状態では発光ダイオード３２が発した光は全て遮光され、フォトダイオード３３は光を受光しないので出力が０になる。移動スケール３７を移動すると、移動スケール３７の位相が固定スケール３５と一致するまでは移動量に比例してフォトダイオード３３に到達する光量が増加し、さらに移動すると、フォトダイオードに到達する光量が移動量に反比例して減少する。つまり、理想的には、エンコーダ３１の出力は、図１８のグラフに破線で示すように、最小値０で周期がスリット３４，３６のピッチＴに一致する三角波になる。
【０００６】
しかしながら、実際の発光ダイオード３２は、斜め方向にも光を発生しており、図１７に矢印で示すように、移動スケール３７が固定スケール３５と１／２Ｔずれた状態でも、斜め方向の光がフォトダイオード３３に到達する。また、発光ダイオード３２は、幅が２．５Ｔあり、一端は固定スケール３５のスリット３４の中央に正対しているが、他端はスリット３４が設けられていない部分の中央に正対しているので、エンコーダ３１は、事実上、幅１／４Ｔのスリットが設けられているのと同じである。幅１／４Ｔのスリットは、幅１／２Ｔのスリット３４を透過する光とピーク位置が１／８Ｔずれた台形波形を主とする光量の光を透過するため、フォトダイオード３３全体の出力に歪みを与える。このため、出力波形は、図１８に示すように、非対称な歪んだ波形となるので移動スケール３７の位置を容易に算出することができない。
【０００７】
さらに、斜め方向にフォトダイオード３３に到達する光量は、固定スケール３５と移動スケール３７との間隔が大きくなるほど多くなるが、固定スケール３５と移動スケール３７とは相対移動するので、間隔を０にすることは不可能であり、固定スケール３５と移動スケール３７との隙間の個体差によるバラツキが発光ダイオード３２やフォトダイオード３３の幅に比べて無視できない大きさになり、演算によって波形を補正するのは不可能である。
【０００８】
このようなエンコーダ３１では、出力を閾値と比較して出力が閾値を越えるたびに、移動スケール３７の位置を表す値を一定量増減する。つまり、スリット３４の１ピッチ分の長さＴが検出できる最小単位になり、加工上の制約から十分に分解能を高くできないという問題がある。さらに、発光ダイオード３２が発する光量やフォトダイオード３３の受光量に対する出力は、環境温度によって変動したり経年変化する。このため、図１８に示すように、フォトダイオード３３の出力が低下したとき、ピーク時においても設定した閾値を越えなくなり、移動スケール３７の移動を検出できないという問題が発生する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
以上の問題点に鑑みて、本発明は、微少な移動量を検出でき、検出能力が低下しないエンコーダを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記課題を解決するために、本発明によるエンコーダの第１の態様は、光源と、該光源からの光を受光して受光した光の強度を検出する受光素子と、前記光源と前記受光素子との間に固定した、定ピッチのスリットの列が設けられた固定スケールと、前記光源と前記受光素子との間で被検物と共に移動し、前記固定スケールと同じピッチのスリットの列を有する移動スケールとからなるエンコーダであって、前記光源と前記固定スケールまたは前記移動スケールとの間と、前記受光素子と前記固定スケールまたは前記移動スケールとの間との少なくともいずれかに、光を透過する透過開口を設けた開口板を有するものとする。
【００１１】
この構成によれば、開口板が光源から受光素子に達することができる光の経路を制限して、斜め方向に受光素子に到達しようとする光を遮光するので、受光素子の出力が理想的な三角波に近い波形になる。
【００１２】
また、本発明の第１の態様のエンコーダにおいて、前記光源と前記固定スケールまたは前記移動スケールとの間と、前記受光素子と前記固定スケールまたは前記移動スケールとの間との両方に、それぞれ、前記開口板を有してもよい。
【００１３】
この構成によれば、光源側と受光素子側の両方で光の経路を制限するので、斜め方向の光を遮断する能力が高く、より線形性の高い出力が得られる。
【００１４】
また、本発明の第１の態様のエンコーダにおいて、前記光源と前記固定スケールまたは前記移動スケールとの間と、前記受光素子と前記固定スケールまたは前記移動スケールとの間とのいずれか一方に、前記開口板を２つ以上有してもよい。
【００１５】
この構成によれば、光源や受光素子と共に取り付ける開口板と、固定スケールに対して高精度に取り付ける開口板とを設けることで、斜め方向の光を効果的に遮断して線形性の高い出力が得られる。
【００１６】
また、本発明の第１の態様のエンコーダにおいて、前記被検物の移動方向の幅が最も狭い前記透過開口は、前記スリットのピッチの整数倍の幅であってもよい。
【００１７】
この構成によれば、有効な光の経路の両端に実質的に幅の狭いスリットができても、両端のスリットを通過した光量を足し合わせれば、正規のスリットピッチに一致する三角波になる。このため、出力波形に歪みが生じないので、開口板の取付位置によって出力の線形性が損なわれることがない。
【００１８】
また、本発明の第１の態様のエンコーダにおいて、前記被検物の移動方向の幅が最も狭い前記透過開口は、両端が前記固定スケールの前記スリットの端部に正対してもよい。
【００１９】
この構成によれば、有効な光の経路が被検物の移動方向前後に対称になり、出力波形に歪みが生じない。
【００２０】
また、本発明の第１の態様のエンコーダにおいて、前記被検物の移動方向の幅が最も狭い前記透過開口が設けられた前記開口板は、前記固定スケールに固定されていてもよい。
【００２１】
この構成によれば、透過開口の位置が正確に定められるので、エンコーダの出力が設計通りに線形性が高いものになる。
【００２２】
また、本発明による第２の態様のエンコーダは、光源と、定ピッチのスリットの列を有する固定スケールと、被検物と共に移動し、前記スリットの列と同じピッチの光を反射する反射部の列が設けられた移動スケールと、前記光源から発せられ、前記スリットを通過して前記反射部で反射した光を受光し、受光した光の強度を検出する受光素子とからなるエンコーダであって、前記光源と前記固定スケールの間と、前記移動スケールと前記受光素子の間との少なくともいずれかに、部分的に開口した開口板を有するものとする。
【００２３】
この構成によれば、移動スケールの一方に構成要素がない反射型の移動スケールであるので、移動スケールを直接被検物に固定できる。また、開口板によって光源と受光素子との中央で反射する光以外の経路を遮断するので線形性の高い出力が得られる。
【００２４】
また、本発明の第１および第２の態様のエンコーダにおいて、前記透過開口の前記被検物の移動方向の幅は、前記光源および前記受光素子の少なくともいずれかの幅より狭くてもよい。
【００２５】
この構成によれば、光源と受光素子との間の光の経路を被検物の移動方向に制限するので、被検物の移動方向に直角でない斜め方向の光を遮断して、線形性の高い出力が得られる。
【００２６】
また、本発明の第１および第２の態様のエンコーダにおいて、前記固定スケールは、前記被検物の移動方向に１／４ピッチずれた２列の前記スリットが設けられ、或いは、前記移動スケールは、前記被検物の移動方向に１／４ピッチずれた２列の前記スリットまたは前記反射部が設けられ、それぞれ、いずれかの前記スリットの列を通過、或いは、いずれかの前記反射部の列で反射した光を検出する２つの前記受光素子を有してもよい。
【００２７】
この構成によれば、２つの受光素子の出力は、９０°位相がずれたものになり、２つの出力から、リサージュ図形を描くなどして、移動スケールがいずれの方向に移動しているかを導出することができる。
【００２８】
また、本発明の第１および第２の態様のエンコーダにおいて、前記受光素子の出力を閾値処理して２値化し、２値化した出力が変化するたびに前記被検物の位置を表す数値を前記スリットの１／２ピッチの長さに相当する値だけ増減する演算を行ってもよい。
【００２９】
この構成によれば、単純な２値化によってもスリットの１／２ピッチ（１／２Ｔ）の最小検出能力を得られる。
【００３０】
また、本発明によるエンコーダの第３の態様は、光源と、該光源からの光を受光して受光した光の強度を検出する受光素子と、前記光源と前記受光素子との間に固定した、定ピッチのスリットの列が設けられた固定スケールと、前記光源と前記受光素子との間で被検物と共に移動し、前記固定スケールと同じピッチのスリットの列を有する移動スケールとからなるエンコーダであって、前記移動スケールは、前記光源から前記受光素子に到達しうる光の経路よりも大きく開口した透過部を有し、前記光の経路が前記透過部内にあるときの前記受光素子の出力信号を検出して、前記被検物の位置を表す値をリセットするものとする。
【００３１】
この構成によれば、透過部が光源から受光素子に至る光の経路を遮らないとき、光の経路にスリットがあるときにと容易に区別できる出力が得られる。この出力が得られる位置を原点と、光源と受光素子の出力ゲインの増減を相殺するように基準値を補正して、被検物の位置を正しく検出できる。
【００３２】
また、本発明によるエンコーダの第４の態様は、光源と、該光源からの光を受光して受光した光の強度を検出する受光素子と、前記光源と前記受光素子との間に固定した、定ピッチのスリットの列が設けられた固定スケールと、前記光源と前記受光素子との間で被検物と共に移動し、前記固定スケールと同じピッチのスリットの列を有する移動スケールとからなるエンコーダであって、前記移動スケールは、前記光源から前記受光素子に到達しうる光の経路よりも大きい範囲に透過性の部分がない遮蔽部を有し、前記光の経路が前記遮蔽部内にあるときの前記受光素子の出力信号を検出して、前記被検物の位置を表す値をリセットするものとする。
【００３３】
この構成によれば、遮蔽部によって光源から受光素子に至る光の経路が移動スケールによって完全に遮られた状態で連続的な出力が得られるので、この出力を基に、光源と受光素子の出力ゲインの増減を相殺するように基準値を補正して、被検物の位置を正しく検出できる。
【００３４】
また、本発明によるエンコーダの第５の態様は、光源と、該光源からの光を受光して受光した光の強度を検出する受光素子と、前記光源と前記受光素子との間に固定した、定ピッチのスリットの列が設けられた固定スケールと、前記光源と前記受光素子との間で被検物と共に移動し、前記固定スケールと同じピッチのスリットの列を有する移動スケールとからなるエンコーダであって、前記受光素子の出力を閾値と比較して２値化し、前記移動スケールが等速移動しているときに、前記２値の出力時間が等しくなるように前記閾値を変更するものとする。
【００３５】
この構成によれば、被検物を移動させる駆動手段が定常状態で駆動しているときに、エンコーダの出力が閾値以上となる時間と、閾値以下となる時間が等しくなるように閾値の値を変更するので、エンコーダのゲインが低下したときも、出力が閾値と等しくなる移動スケールの位置は、スリットのピッチＴの１／２毎の位置になる。このため、光源や受光素子のゲインの変化によって検出する位置が変化しない。
【００３６】
また、本発明によるエンコーダの第６の態様は、光源と、該光源からの光を受光して受光した光の強度を検出する受光素子と、前記光源と前記受光素子との間に固定した、定ピッチのスリットの列が設けられた固定スケールと、前記光源と前記受光素子との間で被検物と共に移動し、前記固定スケールと同じピッチのスリットの列を有する移動スケールとからなるエンコーダであって、前記受光素子の出力の最小値と最大値を記憶し、前記最小値と最大値の間の１つ以上の中間値を設定し、前記受光素子の出力値を前記最小値、前記最大値および前記中間値と比較して、前記スリットのピッチより小さい長さに相当する値を算出するものとする。
【００３７】
この構成によれば、受光素子の出力の最大値と最小値とを記憶して、両者の等分点などの中間値を設定し、中間値との比較において移動スケールの位置を算出することで、スリットのピッチよりも小さな移動量を検出できる。
【００３８】
また、本発明によるエンコーダの第６の態様は、光源と、該光源からの光を受光して受光した光の強度を検出する受光素子と、前記光源と前記受光素子との間に固定した、定ピッチのスリットの列が設けられた固定スケールと、前記光源と前記受光素子との間で被検物と共に移動し、前記固定スケールと同じピッチのスリットの列を有する移動スケールとからなるエンコーダであって、前記受光素子の出力の最小値と最大値を記憶し、前記受光素子の出力値から前記最小値を引いた値を前記最大値と前記最小値の差分で除して、前記スリットのピッチ未満の長さに相当する値を算出するものとする。
【００３９】
この構成によれば、移動スケールの位置と受光素子の出力の最大値と最小値との間を直線近似して、移動スケールの移動量を連続的に算出できる。
【００４０】
また、本発明によるエンコーダの第８の態様は、光源と、該光源からの光を受光して受光した光の強度を検出する受光素子と、前記光源と前記受光素子との間に固定した、定ピッチのスリットの列が設けられた固定スケールと、前記光源と前記受光素子との間で駆動装置に駆動される被検物と共に移動し、前記固定スケールと同じピッチのスリットの列を有する移動スケールとからなるエンコーダであって、駆動装置の入力または出力を基に前記被検物の位置を表す値を算出し、前記受光素子の出力が最小値または最大値となったとき、前記算出した位置を前記スリットのピッチの１／２の整数の位置に相当する値に補正するものとする。
【００４１】
この構成によれば、移動スケールを駆動する駆動装置の入力または出力から移動スケールの位置を算出しながら、受光素子の出力が最大または最小になったときに、算出した移動スケールの位置をスリットピッチに合わせて補正するので、スリットピッチ未満の位置検出においては、受光素子が受光する光量の歪みに関係なく直線的な位置を算出でき、スリットピッチ以上の位置検出においては、スリットピッチ毎に誤差を補正して正確な位置を算出できる。
【００４２】
また、本発明の第１から第８の態様のエンコーダにおいて、前記固定スケールおよび前記移動スケールを柔軟な材料で構成すれば位置を検出する被検物に対する適応性が高く、前記固定スケールおよび前記移動スケールは、ステンレス材料をエッチング加工またはプレスによる打抜き加工して容易に形成することもでき、透過性のプラスチックフィルムに塗布した感光材料を感光して透過開口を有する遮光層を設けることでも容易に形成できる。
【発明の効果】
【００４３】
本発明のエンコーダは、光源からの光の経路を制限する開口板によって被検物の移動量に対して線形な出力を得ることができ、出力信号を処理する基準値を補正したり演算を補正するので、環境変化や経時変化による検出能力の変動がなく、微少な移動量を算出できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４４】
これより、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の第１実施形態のエンコーダ１の分解斜視図である。エンコーダ１は、光源である発光ダイオード２と、発光ダイオード２に正対して受光した光の強度に比例した電流を出力する受光素子であるフォトダイオード３との間に、スリット４の列が設けられた固定スケール５が固定され、被検物と共に矢印方向に移動するスリット６の列が設けられた移動スケール７が配置され、発光ダイオード２と固定スケール５との間に、透過開口８が設けられた第１開口板９が固定され、移動スケール７とフォトダイオード３との間に、透過開口１０が設けられた第２開口板１１が固定されている。固定スケール５および移動スケール７は、例えばステンレス板をエッチング或いはプレスによる打抜き加工してスリット４，６の列を形成したものである。ここで、固定スケール５と移動スケール７との位置は逆であってもよい。
【００４５】
図２は、エンコーダ１の断面を示す。固定スケール５のスリット４および移動スケール７のスリット６は、同じピッチＴで並んで設けられた幅１／２Ｔの貫通穴である。第１開口板９および第２開口板１１の透過開口８，１０は、移動スケール７の移動方向にＴの幅を有しており、中心が固定スケール５の１つのスリット４の中心に一致している。
【００４６】
続いて以上の構成のエンコーダ１の出力特性と位置の算出方法について説明する。
図２に矢印で示すように、第１開口板９および第２開口板１１によって発光ダイオード２からフォトダイオード３に到達可能な光の経路は、透過開口８と透過開口１０を共に貫通する経路に限られる。このため、発光ダイオード２からフォトダイオード３を固定スケール５および移動スケール７のスリット４，６を通して斜め方向に見通すことができる経路の多くは、第１開口板９および第２開口板１１で遮られ、ほぼ移動スケール７の移動方向に垂直な方向の光だけがフォトダイオード３に到達することができる。固定スケール５および移動スケール７を移動スケール７の移動方向に垂直な方向に見通すことができる面積、つまり、スリット４とスリット６の重なり合う面積は、移動スケール７の位相が固定スケール５の位相と同じときに最大であり、移動スケール７が固定スケール５に対して１／２Ｔだけずれているときに０になる。
【００４７】
フォトダイオード３の出力は、図３に示すように、移動スケール７の位置に対して三角波に近い曲線を描く。発光ダイオード２から発せられてフォトダイオード３に到達する光量に比例するが、僅かながら斜め方向の光のフォトダイオード３に到達するので完全な三角波にはなっていないが、破線で示した第１開口板９および第２開口板１１がない場合の出力波形に比べると、最大値の前後に対称な歪みのない波形であり、線形性の高い増減を周期的に繰り返している。よって、エンコーダ１は、フォトダイオード３の出力の最小値と最大値を記憶し、フォトダイオード３の出力値から最小値を引いた値を出力の最大値と最小値の差分で除して、ピッチＴ未満の長さに相当する値を算出する線形近似を行って移動スケール７の位置を精度よく算出することができる。
【００４８】
また、図４に示すように、移動スケール７の位置を算出するにあたり、フォトダイオード３の出力の最大値Ｐｍａｘと最小値Ｐｍｉｎとを記憶し、最大値Ｐｍａｘと最小値Ｐｍｉｎを４等分する出力値を中間値Ｐｑ１，Ｐｑ２，Ｐｑ３として設定し、出力を最大値Ｐｍａｘ、最小値Ｐｍｉｎおよび中間値Ｐｑ１，Ｐｑ２，Ｐｑ３と比較して、出力の１周期を８つに区分し、移動スケール７の移動距離１／８Ｔに相当するものとしてもよい。また、中間値は等分点でなくともよく、予め波形が分かっている場合は実際の移動距離に合致する比で最大値Ｐｍａｘと最小値Ｐｍｉｎを分ける値に定めてもよい。
【００４９】
続いて、図５に、本発明の第２実施形態のエンコーダ１ａの断面を示す。本実施形態において、第１実施形態と同じ構成要素には同じ符号を付して説明を省略する。エンコーダ１ａは、透過性の柔軟なプラスチックフィルム１２からなる移動スケール１３を有している。移動スケール１３は、プラスチックフィルム１２の表面に塗布した感光材料を感光させて定着した遮光層１４を有し、遮光層１４は感光する際にピッチＴで幅１／２Ｔのマスキングをすることで開口したスリット１５が形成されている。遮光層１４は、また、エンコーダ１ａの第１開口板９および第２開口板１１の透過開口８および１０は、移動スケール１３の移動方向の幅が２．５Ｔである。さらに、エンコーダ１ａは、固定スケール５の発光ダイオード２側の表面に移動方向の幅２Ｔの透過開口１６を有する第３開口板１７が貼着されている。第３開口板１７は、透過開口１６の端部が固定スケール５のスリット４の端部に一致するように固定されている。
【００５０】
以上の構成からなるエンコーダ１ａの出力特性と移動スケール１３の位置の算出方法とを説明する。第３開口板１７の透過開口１６は、固定スケール５のスリット４と両端が一致しているので、固定スケール５のスリット４の有効幅はすべて１／２Ｔであり、移動スケール１３のスリット１５と重なり合う面積が移動スケール１３の位置に対して一定の割合で増加、減少を繰り返す。このため、図６に示すように、フォトダイオード３の出力は、ピークの両側に対称な周期的な波形を示す。エンコーダ１ａでは、固定スケール５に第３開口板１７を貼着するので、両者の位置関係がずれないように組み立てることができる。このため、透過開口１６の幅が（ｎ＋１／２）Ｔであれば、組立誤差により１／２Ｔより有効幅の狭いスリット４ができることがなく、ピークの前後に対象な出力波形が得られる。
【００５１】
図７は、フォトダイオード３の出力と閾値の関係を示す。エンコーダ１ａは、フォトダイオード３の出力を閾値と比較して出力を２値化する。そして２値化した出力の値が変化するたびに、移動スケール１３の位置を表す数値を１／２Ｔに相当する値だけ増減する。また、エンコーダ１ａは、移動スケール１３が固定された被検物（不図示）を駆動する駆動装置（不図示）の出力または駆動装置への入力から、被検物が１周期以上の距離を定常状態に駆動されていることを検知し、その際の出力が閾値以上である時間ＴＨと、出力が閾値以下である時間ＴＬとが同じ時間になるように閾値を補正する。よって、図示するように出力が低下したときは、閾値も低く設定される。このように、補正した閾値で出力を２値化することで、発光ダイオード２やフォトダイオード３のゲインに拘わらず、移動スケール１３の１／２Ｔの移動を正確に検出できる。
【００５２】
また、出力波形の凸部と凹部との幅に大きな差がある場合、ＴＨとＴＬを同じにすると出力波形の傾きが小さいときに閾値と交差することになるので検出精度が低くなるので、ＴＨとＴＬとの比を適切な値に維持するように閾値を補正するとよい。また、ＴＨは、出力が閾値と交差してから最大になるまでまたは出力が最大になってから閾値と交差するまでの時間を計測することで１／２ＴＨが計測でき、同様に、最小値と閾値との間の時間を計測した１／２ＴＬとの比を適切な値にするように閾値を補正してもよい。
【００５３】
さらに、フォトダイオード３の出力波形のピークが尖鋭な場合、出力が最大値または最小値であることを検出して、移動スケール１３の位相が固定スケール５と一致または１／２Ｔずれていることを正確に検知可能である。このような場合、エンコーダ１ａは、被検物を駆動する駆動装置への入力や出力パルスなどから、移動スケール１３の位置を算出し、フォトダイオード３の出力の尖鋭なピーク（最大値または最小値）を検知したときに、算出した移動スケール１３の位置を表す値を固定スケール５と一致する値または１／２Ｔずれている値に補正することで、微少な移動量を算出できるとともに、大きく移動したときにも検出精度を維持することができる。
【００５４】
また、図８に、本発明の第３実施形態のエンコーダ１ｂを示す。本実施形態についても、第１実施形態と異なる構成要素のみ説明する。エンコーダ１ｂは、移動スケール７の端部に、透過開口８および透過開口１０よりも十分に大きな面積を有していてスリット４や他の透過性の部分のない遮蔽部１８と、透過開口８および透過開口１０よりも十分に大きく開口した透過部１９とが設けられている。
【００５５】
このエンコーダ１ｂのフォトダイオード３の出力波形を図９に示し、遮蔽部１８および透過部１９の機能を説明する。第１開口板９の透過開口８および固定スケール５のスリット４を通過した光が移動スケール７によって遮断されずにすべて透過部１９を通過するとき、フォトダイオード３の出力は、（通常、出力回路が反転増幅器を構成しているので）最小値Ｐｏを示し、すべて遮蔽部１８で遮断されるとき、フォトダイオード３の出力は最大値Ｐｃを示す。
【００５６】
光路が遮蔽部１８で遮断されるときには斜め方向の光もフォトダイオード３に到達することができないので、最大値Ｐｃは、スリット６が光路上にある時のピーク値よりも大きな値になる。同様に、最小値Ｐｏも、スリット６が光路上にある時の最小値よりも小さな値になる。このため、最大値Ｐｃまたは最小値Ｐｏをとる位置をエンコーダ１ｂの原点に設定することで、移動スケール１３の位置を算出できる。図９において、最大値Ｐｃを検出したとき、移動スケール１３の位置を表す値を０にリセットする。最大値Ｐｃを検出してから、出力が最初に閾値を下回るまでの移動距離は一定であるので、出力が最初に閾値より低くなったときに移動スケール１３の位置を表す値に所定の値を加算する。また、エンコーダ１ｂにおいて、最小値Ｐｏを検出して移動スケール１３の位置を表す値をリセットしてもよい。
【００５７】
図１０に本発明の第４実施形態のエンコーダ１ｃを示す。本実施形態は、図８のエンコーダ１ｂの遮蔽部１８と透過部１９を入れ替えたものである。このエンコーダ１ｃの出力は、図１１に示す波形を描く。エンコーダ１ｃでは、最小値Ｐｏを検出して移動スケール１３の位置を表す値をリセットするようになっている。
【００５８】
また、図１２に、本発明の第５実施形態のエンコーダ１ｄを示す。本実施形態についても、第１実施形態と異なる構成要素のみ説明する。エンコーダ１ｄは、２列のスリット６ａ，６ｂが設けられた移動スケール７’を有し、スリット６ａ，６ｂの両列は互いに１／４ピッチ（１／４Ｔ）だけ移動スケール７’の移動方向にずれて配置されている。第１開口板９’には、２つの透過開口８ａ，８ｂがスリット６ａ，６ｂの両列に対応して移動スケール７’の移動方向と直角に並んで設けられている。第２開口板１１’にも、同様に２つの透過開口１０ａ，１０ｂが設けられている。そして、透過開口８ａおよびと透過開口１０ａを通過した光を受光するフォトダイオード３ａと、透過開口８ｂおよびと透過開口１０ｂを通過した光を受光するフォトダイオード３ｂとが並んで設けられている。
【００５９】
このエンコーダ１ｄのフォトダイオード３ａの出力Ｐａとフォトダイオード３ｂの出力Ｐｂとの波形を図１３に示す。図示するように、スリット６ａとスリット６ｂとが１／４Ｔずれているために、出力Ｐａと出力Ｐｂとは、位相が１／４周期ずれた波形を描く。両出力Ｐａ，Ｐｂの値の変化をリサージュ図形に示すと、図１４のようになり、その回転方向から、移動スケール７’がいずれの方向に移動しているかを判別することができる。
【００６０】
また、図１５に示す第６実施形態のエンコーダ１ｅのように、図１２のエンコーダ１ｄの固定スケール５と移動スケール７に換えて、スリット４ａの列と１／４ピッチずれたスリット４ｂの列とを有する固定スケール５’と１列のスリット６を設けた移動スケール７とによっても、図１３と同様の出力Ｐａ，Ｐｂが得られ、移動スケール７の移動方向を検出できる。また、本実施形態の第２開口板１１のように、透過開口１０を１つだけ設けても、移動スケール７の移動方向に光の経路を制限する機能を果たすことができる。同様に、第１開口板９’の透過開口８ａ，８ｂが一体であってもよい。
【００６１】
図１６は、本発明の第７実施形態の反射型エンコーダ２１を示す。反射型エンコーダ２１は、発光ダイオード２２とフォトダイオード２３とが同一平面上に配置され、一定ピッチのスリット２４の列が設けられた固定スケール２５と、例えばプラスチック基材２６の表面にスリット２４と同じピッチで金属を蒸着して鏡面を形成した反射部２７の列が設けられ、被検物と共に移動する移動スケール２８と、発光ダイオード２２およびフォトダイオード２３と固定スケール２５との間に固定され、２つの透過開口２９が設けられた開口板３０とからなる。プラスチック基材２６は光を透過するものでも殆どを吸収するものでもよい。また、移動スケール２８は、一定のピッチで光を反射するものであればよく、鏡面を有する基材に定ピッチのスリットを設けて構成することもできる。
【００６２】
反射型エンコーダ２１は、発光ダイオード２２からフォトダイオード２３に至る光の経路を、開口板３０により発光ダイオード２２とフォトダイオード２３の中心に正対する位置で移動スケール２８によって反射する経路に制限することで、移動スケール２８の位置に対して線形性の高いフォトダイオード２３の出力が得られる。この反射型エンコーダ２１は、移動スケール２８の片側に構成要素がないので、被検物の表面に、移動スケール２８を直接貼着することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の第１実施形態のエンコーダの分解斜視図。
【図２】図１のエンコーダの断面図。
【図３】図１のエンコーダのフォトダイオードの出力波形を示すグラフ。
【図４】図３の出力に対して設定する中間値を示すグラフ。
【図５】本発明の第２実施形態のエンコーダの断面図。
【図６】図５のエンコーダのフォトダイオードの出力波形を示すグラフ。
【図７】図６の出力の変化と閾値の補正を示すグラフ。
【図８】本発明の第３実施形態のエンコーダの分解斜視図。
【図９】図８のエンコーダのフォトダイオードの出力波形を示すグラフ。
【図１０】本発明の第４実施形態のエンコーダの分解斜視図。
【図１１】図１０のエンコーダのフォトダイオードの出力波形を示すグラフ。
【図１２】本発明の第５実施形態のエンコーダの分解斜視図。
【図１３】図１２のエンコーダのフォトダイオードの出力波形を示すグラフ。
【図１４】図１２のエンコーダの出力のリサージュ図形。
【図１５】本発明の第６実施形態のエンコーダの分解斜視図。
【図１６】本発明の第７実施形態のエンコーダの断面図。
【図１７】従来のエンコーダの断面図。
【図１８】図１７のエンコーダの出力波形を示すグラフ。
【符号の説明】
【００６４】
１  エンコーダ
２  発光ダイオード（光源）
３  フォトダイオード（受光素子）
４  スリット
５  固定スケール
６  スリット
７  移動スケール
８  透過開口
９  第１開口板
１０  透過開口
１１  第２開口板
１２  プラスチックフィルム
１３  移動スケール
１４  遮光層
１６  透過開口
１７  第３開口板
１８  遮蔽部
１９  透過部
Ｔ  ピッチ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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