(57)【要約】【課題】スケールピッチ及び受光素子ピッチを細かくすることなく、分解能を向上させる。【解決手段】受光素子では、移動体に取り付けられたスケールの明暗パターンの周期を４分割するようにＳ１〜Ｓ４のフォトダイオード群が構成され、それらの出力を演算処理することにより、Ａ相（Ｓ１−Ｓ３）、Ｂ相（Ｓ２−Ｓ４）の２相信号を出力する。発光素子１１又は発光素子１２が点灯したときは（ａ）又は（ｂ）の信号値がＡ、Ｂ相の処理回路から出力される。発光素子１１を点灯し、明暗パターンが受光素子上を移動すると、時間的に位相が９０゜ずれたＡ、Ｂ相信号が得られ、波数を計数することにより移動量が検知できる。スケールの或る位置Ｐ１では、信号レベルは２つのポイントａとなる。発光素子１１を消灯し発光素子１２を点灯させると、位置関係が（ｂ）に示すように変わりポイントｂとなる。この状態は、（ａ）でスケールが４５゜矢印方向に移動したことと同じであり、分解能が２倍となる。【選択図】        図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学格子を形成したスケールと、該スケールに対して相対移動可能に設けると共に前記光学格子のピッチに関係付けして配設した複数の受光素子と、前記スケールを介して前記受光素子に光束を照射する光源とを有する光学式エンコーダにおいて、前記光源は少なくとも２個所からの発光を可能とし、その発光状態と前記受光素子の受光信号から得られた情報を演算処理して位置情報を得ることを特徴とする光学式エンコーダ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、変位測定や角度測定に用い、分解能を向上させた光学式エンコーダに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光学式エンコーダは基本的に、第１の光学格子が形成されたメインスケールと、これに対向して配置されて第２の光学格子が形成されたインデックススケールと、メインスケールに光を照射する光源と、メインスケールの光学格子を透過又は反射し、更にインデックススケールの光学格子を透過した光を受光する受光素子とから構成されている。この種の光学式エンコーダにおいて、インデックススケールを兼ねて受光素子アレイを用いる方式は既に提案されている。
【０００３】
図９は従来の光電型エンコーダの概略構成図を示し、検出側格子基板２３２は図１０に示すように、例えばガラスから成る光透過性基材２５０上に光遮断性でかつ導電性材料の例えば金属膜から成る第１信号導出材層２５２、光を電気信号に変換するＰＮ半導体層２５４、光透過性でかつ導電性材料である例えばＩｎ２Ｏ３、ＳｎＯ２、Ｓｉ又はこれらの混合物から成る第２信号導出材層２５６を、この順序で積層形成した受光部２５８を細帯状に一定ピッチで形成している。そして、この受光部２５８をメインスケール２２４に対向して配置し、各受光部２５８がスリットの役割も果たしている。
【０００４】
受光部２５８の第２信号導出材層２５６を通過した光はＰＮ半導体層２５４に至り、Ｎ型非晶質シリコン膜２６０とＰ型非晶質シリコン膜２６２の境界面で光電変換され、出力端子２６４、２６６から外部に取り出される。
【０００５】
このような光電型エンコーダでは、発光側格子基板２３０を発光素子２１２と一体形成すると共に、検出側格子基板２３２を受光部２５８と一体形成しているので、部品点数の削減、小型軽量化が図られることになる。
【０００６】
図１１はこのエンコーダに用いられている受光素子であるフォトダイオードアレイのパターン例と、検出される光の明暗パターンとの関係を示している。正弦波状の光の明暗パターンに対し、フォトダイオード群Ｓ１〜Ｓ４は０°、９０°、１８０゜、２７０゜と位相がずれた位置関係で繰り返して配置され、図示しない電流／電圧変換回路に入力される。電流／電圧変換された信号はそれぞれ９０゜ずれた信号であり、差動増幅することにより、例えばＡ相（Ｓ１−Ｓ３）、Ｂ相（Ｓ２−Ｓ４）という０°、９０°と位相がずれた２相のアナログ正弦波電圧信号が得られる。
【０００７】
実際のエンコーダでは、このアナログ正弦波電圧信号をコンパレータを介してデジタル信号として計数処理回路等に入力し、演算処理がなされる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
この従来例で示したようなエンコーダでは、より高分解能にするためには、スケール及び受光素子の明暗の領域のピッチを細かくしてゆく必要がある。
【０００９】
しかしながら、スケールピッチを細かくすると、受光素子に得られる信号振幅が減少し、ノイズやデジタル化するコンパレータのヒステリシスに影響が生じたりして、精度が相当に低下してしまうという問題がある。
【００１０】
本発明の目的は、上述の課題を解決し、スケールピッチ及び受光素子ピッチを細かくすることなく、分解能を向上させ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。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明に係る光学式エンコーダは、光学格子を形成したスケールと、該スケールに対して相対移動可能に設けると共に前記光学格子のピッチに関係付けして配設した複数の受光素子と、前記スケールを介して前記受光素子に光束を照射する光源とを有する光学式エンコーダにおいて、前記光源は少なくとも２個所からの発光を可能とし、その発光状態と前記受光素子の受光信号から得られた情報を演算処理して位置情報を得ることを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明を図１〜図８に図示の実施の形態に基づいて詳細に説明する。
図１は第１の実施の形態の光学式エンコーダの構成図を示し、２個の並列した発光素子１１、１２に対し中間部に移動体が取り付けら光学格子を有するエンコーダスケール１３を介して、表面にＳ１〜Ｓ４のフォトダイオード群を配置した受光素子１４が対向して配置されている。
【００１３】
発光素子１１、１２は図２に示すようにそれぞれ発光窓１１ａ、１２ａを有し、ワイヤ１１ｂ、１２ｂにより電圧が供給され、共通電極１５により共通の電位が与えられている。従来では、発光素子に窓を設けマルチポイントで同時に発光させていたのに対し、本実施の形態では少なくとも２つ以上の発光窓１１ａ、１２ａを有し、その発光状態をそれぞれ独立に制御するようになっている。
【００１４】
発光素子１１、１２の位置関係は、受光素子１４上で得られる光が位置的に４５゜ずれるようになっている。従って、発光素子１１が点灯したときに受光素子１４上で得られる光の強さは、図１の１１’に示すようになり、発光素子１２が点灯したときに受光素子１４上で得られる光の強さは１２’となる。
【００１５】
図３は発光素子１１、１２がそれぞれ点灯したときのエンコーダスケール１３の位置と信号出力の関係図である。図３（ａ）はアナログ波形とアナログ１周期を４逓倍したデジタル計数値の関係も示している。
【００１６】
移動体に取り付けられたエンコーダスケール１３が移動することにより、明暗のパターンが受光素子１４上を移動する。受光素子１４では、明暗パターンの周期を４分割するようにＳ１〜Ｓ４のフォトダイオード群が構成されており、それらを演算処理することにより、Ａ相（Ｓ１−Ｓ３）、Ｂ相（Ｓ２−Ｓ４）の２相信号を出力する構成になっている。
【００１７】
発光素子１１が点灯したときの１１’の状態の光分布のときは、図３（ａ）に示す信号値がＡ、Ｂ相の処理回路から出力され、発光素子１２が点灯したときの１２’の状態の光分布のときは、図３（ｂ）に示す信号値がＡ、Ｂ相の処理回路から出力される。
【００１８】
明暗パターンが受光素子１４上を移動すると、時間的に位相が９０゜ずれた発光素子１１を点灯し、エンコーダスケール１３によるＡ、Ｂ相信号が得られ、このＡ、Ｂ相の波数を計数することにより移動量が検知できる。そして、エンコーダスケール１３が或る位置Ｐ１で停止した状態では、信号レベルは図３（ａ）の２つのポイントａとなる。
【００１９】
ここで、発光素子１１を消灯し発光素子１２を点灯させると、発光素子とエンコーダスケール１３の位置関係が図３（ｂ）に示すように変わるため、位置と信号の関係も変わり、図３（ａ）ではポイントａであった信号が、図３（ｂ）のポイントｂとなる。この状態は、図３（ａ）でエンコーダスケール１３が４５゜矢印方向へ移動したことと同じである。
【００２０】
ここで、信号処理回路からの出力信号について見てみると、発光素子１１の点灯時にはポイントａはＡ相ではＢ相共にＨｉレベルであったのに対し、発光素子１２の点灯状態ではポイントｂはＡ相ではＬｏレベル、Ｂ相ではＨｉレベルとなる。ここで、Ｂ相が切換わるということは、実際の停止位置がエンコーダスケール１３があと４５゜移動した位置になると、Ａ相信号が切換わる位置にあるということになる。即ち、Ａ相、Ｂ相がＨｉレベルの領域９０゜の中の４５゜〜９０゜の領域にあったことを意味し、分解能が２倍となる。
【００２１】
仮に、Ａ相信号がＨｉレベルのままであれば、Ａ相、Ｂ相がＨｉレベルの９０゜の領域の中の０゜〜４５゜の領域にあることとなる。
【００２２】
計数値、発光素子の切換後のデジタル信号レベルの信号変化の有り無しと、位置との関係は次の表１のようになる。
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【００２３】
このように、発光素子１１、１２を切換えて使用することにより、得られた結果をもう１ビットの計数値に反映するなどすることで、従来の分解能の２倍の分解能が得られる。
【００２４】
図４は第２の実施の形態を構成する光学式エンコーダの構成図を示している。第１の実施の形態においては２つの発光素子１１、１２を設け、これらを切換えて２倍の分解能を得る形にしたが、この第２の実施の形態では、これらの発光素子１１、１２の両側に、更に発光素子２１、２２が配列され、４倍の分解能を得るようにされている。
【００２５】
図４において、１１’、１２’、２１’、２２’はそれぞれ発光素子１１、１２、２１、２２が点灯したときの受光素子１４上で得られる光の強さの特性図である。このとき、発光素子１１、２１、１２、２２は受光素子１４上で得られる光が、位置的に２２．５゜ずれるような位置関係にされている。
【００２６】
図５は第２の実施の形態の発光素子の斜視図である。発光素子１１、１２、２１、２２にはそれぞれ発光窓１１ａ、１２ａ、２１ａ、２２ａが設けられ、電圧を供給するワイヤ１１ｂ、１２ｂ、２１ｂ、２２ｂが接続されている。
【００２７】
図６は発光素子１１、１２、２１、２２がそれぞれ点灯したときのエンコーダスケール１３の位置とＡ相信号の関係である。発光素子１１が点灯している状態で、エンコーダスケール１３が或るポイントＰ２で停止すると、Ａ相電圧としてａの信号が得られる。このときの電圧はＨｉレベルである。次に、発光素子２１を点灯し信号ｃを得る。更に、発光素子１２、２２と順に切換えてゆくと、発光素子２２に切換えたときの電圧がＬｏレベルに変化する。発光素子２２が点灯している状態は、エンコーダスケール１３が６７．５゜動いた状態に相当する。即ち、６７．５゜動くと、信号レベルが切換わるポイントがある。従って、Ｐ２は計数値１の領域の２２．５゜〜４５゜の範囲であることが分かる。
【００２８】
同様な考え方によりまとめると、次の表２のようになる。
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【００２９】
このようにして本実施の形態では、１周期の波形を１６分割することが可能となる。
【００３０】
図７、図８は第３の実施の形態を構成する光学式エンコーダの構成図を示す。第１の実施の形態においては、２つの発光素子１１、１２を設け、それらを切換えて２倍の分解能を得るようにしたが、この第３の実施の形態では２つの発光素子１１、１２の発光パワーをそれぞれ変化させ、その光を合成して信号を取り出すようにしている。
【００３１】
図７において、発光素子１１と発光素子１２がそれぞれが個別に点灯したときには、受光素子１４上では１波分の９０゜位相がずれた個所に明暗の分布が発生するような位置関係になっている。このとき、発光素子１１、１２とエンコーダスケール１３が或る位置関係にあるときの発光素子１１のみが点灯した場合に、１１’のような明暗分布が受光素子１４上で得られる。このとき、発光素子１２に切換えると、明暗分布は１２’のように受光素子１４上で９０゜位置のずれたところに分布する。
【００３２】
ここで、発光素子１１、１２を同時に従来の発光パワーの１／√２で発光させると、処理回路の出力信号は１３’のように合成された形で形成される。これはあたかも、受光素子１４が発光素子１１に対して４５゜ずれた位置にあるときの信号と等価である。
【００３３】
図８は発光素子１１、１２の発光パワーのバランスを変えた場合を示している。図８に示すように、受光素子１４が発光素子１１に対して３０゜ずれた位置にあるときの信号を得ようとする場合に、発光素子１１の発光パワーをｃｏｓ（３０゜）＝√３／２、発光素子１２のパワーをｓｉｎ（３０゜）＝１／２の割合にすれば、必要な信号が得られる。その他の任意な位置に関しても同様な考え方で、発光素子１１、１２の発光パワーを変えると、発光位置がずれたかのような信号が得られる。
【００３４】
従って、エンコーダスケール１３が停止した後に、発光素子１１、１２のバランスを変えてゆき、如何にも素子が移動しているかのようにし、デジタル信号が切換わるポイントを見い出すことにより、任意の分解能で停止位置を検出することが可能となる。
【００３５】
光パワーの変更手段は、光パワーを検出しながら安定させる手段や、光パワーと電流の関係がほぼリニアであることを利用して、電流値により光パワーを制御しているが、他の手段であってもよい。
【００３６】
また、本実施の形態は透過型の光学式エンコーダの構成であるが、反射型光学式のエンコーダであっても、発光素子と受光素子が同じ側になるだけであって、同じ効果が得られる。
【００３７】
本発明の実施の形態の幾つかを次に列挙する。
【００３８】
［実施の形態１］  光学格子を形成したスケールと、該スケールに対して相対移動可能に設けると共に前記光学格子のピッチに関係付けして配設した複数の受光素子と、前記スケールを介して前記受光素子に光束を照射する光源とを有する光学式エンコーダにおいて、前記光源は少なくとも２個所からの発光を可能とし、その発光状態と前記受光素子の受光信号から得られた情報を演算処理して位置情報を得ることを特徴とする光学式エンコーダ。
【００３９】
［実施の形態２］  前記光源は複数個とし、これらの光源の何れかを選択して単独で発光させ、そのときの受光素子の受光信号により前記位置情報を得ることを特徴とする実施の形態１に記載の光学式エンコーダ。
【００４０】
［実施の形態３］  前記光源は複数個とし、前記スケールが移動を停止したとき、前記複数個の前記光源の発光位置を徐々にずらして、そのときの前記受光素子の検出情報から前記位置情報を得ることを特徴とする実施の形態１に記載の光学式エンコーダ。
【００４１】
［実施の形態４］  前記スケールが移動を停止したとき、少なくとも２つ以上の前記光源の発光強度をそれぞれ変化させ、そのときの前記受光素子の検出情報から前記位置情報を得ることを特徴とする実施の形態１に記載の光学式エンコーダ。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明に係る光学式エンコーダは、光源を切換えたり光源パワーを変化させることにより、従来のエンコーダの分解能よりも高い分解能を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態の光学式エンコーダの構成図である。
【図２】発光素子の斜視図である。
【図３】発光素子がそれぞれ点灯したときのスケール位置と信号の説明図である。
【図４】第２の実施の形態の光学式エンコーダの構成図である。
【図５】発光素子の斜視図である。
【図６】発光素子がそれぞれ点灯したときのスケール位置と信号の説明図である。
【図７】第３の実施の形態の光学式エンコーダの構成図である。
【図８】信号光源の発光パワーのバランスを変化させる場合の説明図である。
【図９】従来の光学式エンコーダの構成図である。
【図１０】検出側格子基板の断面図である。
【図１１】フォトダイオードアレイのパターン例と検出される光の明暗パターンとの関係図である。
【符号の説明】
１１、１２、２１、２２  発光素子
１１ａ、１２ａ、２１ａ、２２ａ  発光窓
１１ｂ、１２ｂ、２１ｂ、２２ｂ  ワイヤ
１５  共通電極
Ｓ１〜Ｓ４  受光素子群
【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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