(57)【要約】【課題】測定精度を変えることができる光電式エンコーダを提供する。【解決手段】光電式エンコーダ１は、位相の異なる四つの光信号を基にして変位を演算する。検出領域Ｒは、四つの光信号のうち対応する位相の光信号を検出する。個数選択部３３によって、検出領域Ｒが一つのまたは連続する二つのフォトダイオードＤで構成されるように選択することができるため、検出領域Ｒのピッチを変えることができる。【選択図】  図１
2004219380.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の位相の光信号を検出するために一つの受光素子または連続して配置された複数の受光素子により構成される検出領域と、
前記検出領域を構成する前記受光素子の個数を選択する個数選択部と、
複数の前記検出領域がアレイ状に配置された受光部と、
前記受光部とギャップを設けて相対移動可能に配置されると共に光学格子を含むスケールと、
前記スケールに照射する光を生成する光源部と、
を備えることを特徴とする光電式エンコーダ。
【請求項２】
前記個数選択部は、一方がオンのとき他方がオフする二つのスイッチが前記受光素子の各々に対応するように設けられていることを特徴とする請求項１記載の光電式エンコーダ。
【請求項３】
所定の位相の光信号を検出する検出領域と、
前記検出領域からの信号が入力可能な増幅部と、
前記検出領域が少なくとも一つの受光素子で構成された第１状態と、前記検出領域が連続して配置された複数の受光素子で構成されかつそのうちの一部の受光素子が前記増幅部と切り離された第２状態と、の切り替えをする切替部と、
複数の前記検出領域がアレイ状に配置された受光部と、
前記受光部とギャップを設けて相対移動可能に配置されると共に光学格子を含むスケールと、
前記スケールに照射する光を生成する光源部と、
を備えることを特徴とする光電式エンコーダ。
【請求項４】
前記第２状態において、前記検出領域のうち前記一部の受光素子以外の受光素子で構成される部分の幅が、波長が前記スケールの前記光学格子のピッチと等しい基本波の第Ｎ次高調波（Ｎ＝２以上の整数）の波長の整数倍と同じであることを特徴とする請求項３記載の光電式エンコーダ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、精密測定に使用される光電式エンコーダに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から直線変位や角度変位などの精密な測定に光電式エンコーダが利用されている。光電式エンコーダには様々なタイプがあり、例えば、発光器と、発光器からの光が照射される光学格子が形成されたスケールと、スケールに対して移動可能に対向配置されると共に複数のフォトダイオードがアレイ状に配置された受光器と、を含んで構成されたタイプがある（例えば、特許文献１参照）。このタイプでは、スケールの光学格子を透過した発光器からの光を受光器で受光し、光電変換されて発生した電気信号を利用して直線などの変位量を演算する。
【０００３】
【特許文献１】
特開昭６４−５７１２０号公報（第３頁の第１の実施例、図１、図２）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
光電式エンコーダによる精密測定にも程度があり、どのような測定でも一律同じ精度である必要はなく、状況に応じて精度を変えることができれば便利である。
【０００５】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたもので、測定精度を変えることができる光電式エンコーダを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る第１の光電式エンコーダは、所定の位相の光信号を検出するために一つの受光素子または連続して配置された複数の受光素子により構成される検出領域と、検出領域を構成する受光素子の個数を選択する個数選択部と、複数の検出領域がアレイ状に配置された受光部と、受光部とギャップを設けて相対移動可能に配置されると共に光学格子を含むスケールと、スケールに照射する光を生成する光源部と、を備えることを特徴とする。
【０００７】
本発明に係る第１の光電式エンコーダによれば、個数選択部により、検出領域を構成する受光素子の個数を選択することができるので、検出領域のピッチを変えることができる。したがって、本発明によれば光電式エンコーダの測定精度を変えることができる。
【０００８】
本発明に係る第１の光電式エンコーダにおいて、個数選択部は、一方がオンのとき他方がオフする二つのスイッチが受光素子の各々に対応するように設けられているようにすることができる。これによれば、検出領域を構成する受光素子の個数を二種類（例えば、一つと二つ）の中から選択するのを、簡易な構造で実現することができる。
【０００９】
本発明に係る第２の光電式エンコーダは、所定の位相の光信号を検出する検出領域と、検出領域からの信号が入力可能な増幅部と、検出領域が少なくとも一つの受光素子で構成された第１状態と、検出領域が連続して配置された複数の受光素子で構成されかつそのうちの一部の受光素子が増幅部と切り離された第２状態と、の切り替えをする切替部と、複数の検出領域がアレイ状に配置された受光部と、受光部とギャップを設けて相対移動可能に配置されると共に光学格子を含むスケールと、スケールに照射する光を生成する光源部と、を備えることを特徴とする。
【００１０】
本発明に係る第２の光電式エンコーダによれば、切替部により、検出領域が互いに異なる第１状態と第２状態との切り替えができるので、光電式エンコーダの測定精度を変えることができる。さらに、第２状態では、検出領域が連続して配置された複数の受光素子で構成されるようにすると共にそのうちの一部の受光素子が増幅部と切り離されるようにしている。したがって、検出領域に到達する光信号の中から高調波の除去が可能となるため、測定精度を向上させることができる。
【００１１】
本発明に係る第２の光電式エンコーダの第２状態において、検出領域のうち一部の受光素子以外の受光素子で構成される部分の幅が、波長がスケールの光学格子のピッチと等しい基本波の第Ｎ次高調波（Ｎ＝２以上の整数）の波長の整数倍と同じにすることができる。これによれば、２次、３次、４次、５次、・・・の高調波のうち所望の高調波を除去することができるので、測定精度を向上させることができる。特に第３次高調波は、測定精度を悪化させる大きな原因となるので第３次高調波を除去するのが好ましい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施形態に係る光電式エンコーダについて説明する。図１は第１実施形態に係る光電式エンコーダ１の概略構成を示す図である。まず、光電式エンコーダ１の構成を説明する。光電式エンコーダ１は、発光ダイオード（ＬＥＤ）３と、これに近い順に沿って配置されたインデックススケール５、スケール７、受光部９とにより構成される。光電式エンコーダ１はリニヤ（一次元）型であるが、本発明は二次元型にも適用できる。
【００１３】
発光ダイオード３およびインデックススケール５により光源部１１が構成される。光源部１１で生成された光がスケール７に照射される。発光ダイオード３は光を放射する発光素子の一例であり、このダイオード３からの光Ｌが照射される位置には、インデックススケール５が配置されている。インデックススケール５は長尺状の透明基板１３を含み、この基板１３の発光ダイオード３側に向く面と反対側の面上に光学格子１５が形成されている。光学格子１５は複数の遮光部１７が所定のピッチを設けてリニヤ状（アレイ状の一例）に、かつ各遮光部１７が図面の奥行き方向に延びるように、配置されたものである。遮光部１７は金属などから構成される。なお、光源部がインデックススケール５を含まない場合でも本発明を適用することができる。
【００１４】
インデックススケール５の光学格子１５側には、インデックススケール５と所定のギャップを設けてスケール７が位置している。スケール７はインデックススケール５よりも長手方向の寸法が大きく、図１にはその一部が表れている。スケール７はガラスなどの透明材料から構成される長尺状の透明基板１９を含む。透明基板１９の一方の面がインデックススケール５の光学格子１５と対向している。透明基板１９の他方の面上には、金属などからなる複数の遮光部２１が所定のピッチを設けてリニヤ状（アレイ状の一例）に、かつ各遮光部２１が図面の奥行き方向に延びるように、形成されている。これにより光学格子２３が構成される。
【００１５】
受光部９は、１６個のフォトダイオードＤ（受光素子の一例）が所定のピッチを設けてリニヤ状（アレイ状の一例）に、かつ各フォトダイオードが図面の奥行き方向に延びるように、ガラスなどの透明基板２５に配置されたものである。フォトダイオードＤの受光面が光学格子２３側に向くように、スケール７と所定のギャップを設けて受光部９が位置している。フォトダイオードＤの個数は１６個に限定されず、１６個より少なくてもよいし（例えば８個）、多くてもよい（例えば９６個）。受光素子として、フォトダイオードの替わりにフォトトランジスタを用いることもできる。
【００１６】
受光部９には、複数の検出領域Ｒがアレイ状に配置されている。検出領域Ｒは、一つのフォトダイオードＤで構成された状態と、連続して配置された二つのフォトダイオードＤで構成された状態との選択が可能である。検出領域Ｒは、正弦波状をした四つの光信号のうち対応する位相の光信号を検出する。詳しくは、検出領域Ｒには、Ａ相（００）の信号を検出するもの、Ａ相より９００位相がずれたＢ相（９００）の信号を検出するもの、Ａ相より１８００位相がずれた／Ａ相（１８００）の信号を検出するもの、およびＡ相より２７００位相がずれた／Ｂ相（２７００）の信号を検出するものがある。
【００１７】
Ａ相やＢ相の信号以外にこれらを反転させた、／Ａ相や／Ｂ相の信号を生成しているのは、Ａ相やＢ相の信号に含まれる直流成分の除去、並びに、信号の信頼性及び高速追従性の確保のためである。また、Ａ相およびＢ相を変位量の測定に利用するのは、受光部９および光源部１１の移動方向の判断のためであるので、原理的には、Ａ相のみで変位量の測定が可能である。したがって、本発明は、Ａ相およびＢ相の信号を利用しかつ／Ａ相および／Ｂ相の信号を利用しない光電子エンコーダやＡ相の信号のみを利用する光電式エンコーダにも、適用することができる。
【００１８】
検出領域Ｒで検出された光信号は、光電変換されて、受光部９のフォトダイオードＤが形成されている側の面２７に配置された演算部２９の増幅部３１に送られて増幅された後、演算部２９で変位量の演算が実行される。演算部２９はＩＣチップにより構成される。面２７には、検出領域Ｒを構成するフォトダイオードＤの個数を選択する個数選択部３３が配置されている。
【００１９】
受光部９は、光源部１１と共に一つのホルダ（図示せず）に取り付けられており、このホルダは図中のＸで示すスケール７の長手方向に移動可能にされている。つまり、光電式エンコーダ１は、固定されたスケール７に対して、上記ホルダを移動させることにより、変位量を測定する。なお、光源部１１と受光部９を固定し、スケール７を移動させて変位量を測定するタイプにも、本発明を適用することができる。したがって、本発明のスケールは、受光部および光源部に対して、相対移動可能に配置されている。
【００２０】
図２は、個数選択部３３の回路構成およびこれと関連する部分を示す図である。個数選択部３３では、個数選択入力Ｓの電圧に応じて、検出領域Ｒを構成するフォトダイオードＤの個数を選択する。具体的には、個数選択入力Ｓの電圧がＨの場合、検出領域Ｒは一つのフォトダイオードＤで構成され、電圧がＬの場合、検出領域Ｒは連続して配置された二つのフォトダイオードＤで構成される。これを実現するため、フォトダイオードＤの各々は、個数選択入力Ｓの電圧が印加される伝送ゲートＴＧ１の入力部および個数選択入力Ｓの電圧がインバータＩＶを介して印加される伝送ゲートＴＧ２の入力部と接続されている。よって、各フォトダイオードＤは、個数選択入力Ｓの電圧がＨ、Ｌに応じて一方がオンで他方がオフとなる二つの伝送ゲートＴＧ１，２により、対応する位相の光信号を検出できるようにされている。したがって、簡易な構造の個数選択部３３により、個数の選択を実現することができる。なお、伝送ゲートＴＧ１，２の出力部は演算部２９と接続されている。
【００２１】
フォトダイオードＤのピッチは例えば、１５μｍである。よって、検出領域Ｒを一つのフォトダイオードＤで構成した場合、検出領域Ｒのピッチは１５μｍとなる。一方、検出領域Ｒを連続して配置された二つのフォトダイオードＤで構成した場合、検出領域Ｒのピッチは３０μｍとなる。
【００２２】
次に、光電式エンコーダ１の測定動作について、図１〜図４を用いて説明する。図３および図４は図２と対応しており、図３は検出領域Ｒを一つのフォトダイオードＤで構成した場合、図４は検出領域Ｒを連続して配置された二つのフォトダイオードＤで構成した場合を示す図である。図３および図４において、図２中の符号が示すものと同一のものについては同一符号を付すことによりそれらの説明を省略する。
【００２３】
図３に示すように、スケール７の光学格子２３のピッチが例えば２０μｍの場合、ピッチ１５μｍの検出領域Ｒを選択する。よって、個数選択入力Ｓの電圧をＨにする。これにより、インバータＩＶと接続されていない伝送ゲートＴＧ１がオンすると共に接続されている伝送ゲートＴＧ２がオフするので、検出領域Ｒは一つのフォトダイオードＤで構成される。
【００２４】
図１に示すように、発光ダイオード３から光Ｌをインデックススケール５に照射して変調させ、その変調光をスケール７に照射すると、インデックススケール５の光学格子１５とスケール７の光学格子２３との重なりにより明暗パターンが生じる。そして、受光部９および光源部１１をＸで示す方向に移動させることにより生じる明暗パターンの変化を、図３の各検出領域Ｒで検出する。
【００２５】
各検出領域Ｒから出力されたＡ相（００）、Ｂ相（９００）、／Ａ相（１８００）、／Ｂ相（２７００）の信号は演算部２９に送られる。演算部２９では、Ａ相およびＢ相に所定の処理（直流成分の除去等）をした後に、処理されたＡ相およびＢ相を基にして変位量が演算し、その数値を図示しない表示部に出力する。
【００２６】
これに対して図４に示すように、光学格子２３のピッチが例えば４０μｍのスケール７を用いる場合、ピッチ３０μｍの検出領域Ｒを選択する。したがって、個数選択入力Ｓの電圧をＬにすることにより、インバータＩＶと接続された伝送ゲートＴＧ２をオンにすると共に接続されていない伝送ゲートＴＧ１をオフにする。この結果、連続して配置された二つのフォトダイオードＤにより、検出領域Ｒが構成される。この後の動作は、検出領域Ｒのピッチが１５μｍの場合と同じである。
【００２７】
ところで、光電式エンコーダの測定精度を変えるには、光電式エンコーダの分解能を変えればよい。つまり、分解能が例えば１０ｎｍと１μｍとでは、１０ｎｍの方が分解能は高く、したがって測定精度が高くなる。分解能を高く（低く）するにはスケール７の光学格子２３のピッチを小さく（大きく）すればよい。光学格子２３のピッチと受光部９の検出領域Ｒのピッチとは相関関係にあるため、光学格子２３のピッチを変えた場合、それに応じて検出領域Ｒのピッチを変える必要がある。第１実施形態に係る光電式エンコーダ１によれば、個数選択部３３により、検出領域Ｒを、フォトダイオードＤの個数が一つの状態と連続して配置された二つの状態との選択ができるので、検出領域Ｒのピッチを変えることができる。したがって、光電式エンコーダ１によれば、測定精度を変えることができる。
【００２８】
ここで、検出領域のピッチが異なる複数の受光部を用意し、測定精度に応じて最適な受光部を選択するようにすれば、第１実施形態に係る光電式エンコーダ１と同様な効果を達成できる。しかし、受光部は半導体デバイスなので、検出領域のピッチが異なる複数の受光部を作製するためには、それに応じてマスクも用意しなければならず、製造コストが上昇する。第１実施形態によれば、このようなコスト上昇は生じない。
【００２９】
なお、第１実施形態では、検出領域Ｒを一つのフォトダイオードで構成された状態と連続する二つのフォトダイオードで構成された状態との選択ができるようにされている。これら二つの状態で検出領域が異なればよいので、検出領域Ｒを連続する複数のフォトダイオードで構成されるようにし、一方の状態と他方の状態とでフォトダイオードの個数を異ならせるようにしてもよい（例えば、フォトダイオードの個数が一方の状態では２個、他方の状態では３個）。
【００３０】
また、第１実施形態では、検出領域Ｒを構成するフォトダイオードの個数を二種類の中から選択できるようにしているが、三種類以上であってもよい。例えば、検出領域Ｒを、一つのフォトダイオードで構成される状態、連続する二つのフォトダイオードで構成される状態および連続する三つのフォトダイオードで構成される状態の三種類の中から選択できるようにしてもよい。
【００３１】
次に、第２実施形態を説明する。図５は第２実施形態に係る光電式エンコーダ４１の切替部４３の回路構成およびこれと関連する部分を示す図であり、図２と対応している。光電式エンコーダ４１の光源部は図示していないが、図１の光源部１１と同様である。図５において、図２中の符号が示すものと同一のものについては同一符号を付すことにより、その説明を省略する。
【００３２】
第２実施形態では切替部４３により、図６に示す第１状態と図７に示す第２状態との切り替えができる。図６の第１状態では、検出領域Ｒが一つのフォトダイオードＤで構成されている。図７の第２状態では、検出領域Ｒが連続して配置された二つのフォトダイオードＤで構成されるようにすると共に一方のフォトダイオードが演算部２９の増幅部（図５の増幅部３１）と切り離されている。したがって、検出領域Ｒは第１状態と第２状態とで異なっている。第２実施形態では切替部４３により、検出領域Ｒが互いに異なる第１状態と第２状態との切り替えができるようにしているので、光電式エンコーダ４１の測定精度を変えることができる。
【００３３】
また、第２実施形態は、第１実施形態と異なり図７の第２状態において、検出領域Ｒを構成する二つのフォトダイオードのうち一方が演算部２９の増幅部と切り離されるようにしている。これにより、スケール７の光学格子２３のピッチ（検出ピッチ）を大きくしながらも、高精度な測定が可能となる。この理由を以下に説明する。
【００３４】
検出領域Ｒに到達する光信号には、波長がスケール７の光学格子２３のピッチと等しい基本波の他に、基本波の周波数の二倍以上の周波数の高調波も含まれる。測定精度を高めるためには、高調波を除くことが好ましく、特に第３次高調波は他の高調波よりもエネルギーが大きいので、測定精度の低下の大きな原因となる。
【００３５】
そこで、第２状態では、検出領域Ｒのうち増幅部から切り離されたフォトダイオード以外のフォトダイオードで構成される部分の幅を第３次高調波の波長と同じにしている。このようにすれば、第３次高調波は検出されないので、光信号から第３次高調波を除去できる。
【００３６】
具体的には、第２状態において、スケール７の光学格子２３のピッチは４０μｍなので、第３次高調波の波長は、４０μｍ÷３≒１３．３μｍとなる。したがって、図５に示すように、各フォトダイオードの幅を１３．３μｍにする。このようにすれば、第２状態の検出領域Ｒでは、増幅部と接続されているフォトダイオードが一つなので、この一つのフォトダイオードの幅１３．３μｍが、検出領域Ｒのうち増幅部から切り離されたフォトダイオード以外のフォトダイオードで構成される部分の幅１３．３μｍとなる。よって、この幅を第３次高調波の波長と同じにすることができる。以上により、第２実施形態によれば、第３次高調波を除去できるので、スケール７の光学格子２３のピッチを大きくしながらも、高精度な測定が可能となる。
【００３７】
ここで、「検出領域Ｒのうち増幅部から切り離されたフォトダイオード以外のフォトダイオードで構成される部分の幅が除去したい高調波の波長と同じ」には、高調波を除去できる程度の差異も含まれる。
【００３８】
なお、第３次高調波以外の第Ｎ次高調波（Ｎ＝２以上の整数）も、上記幅を、その高調波の波長の整数倍と同じにすることにより除去することが可能である。また、第１状態は検出領域Ｒが少なくとも一つのフォトダイオードで構成されていればよい。したがって、例えば、連続して配置された二つのフォトダイオードであって、各フォトダイオードが増幅部と接続されている検出領域Ｒにしてもよい。
【００３９】
なお、第１および第２実施形態では、個数選択部３３、切替部４３のスイッチを伝送ゲートにしているが、ＭＯＳやＭＩＳ電界効果トランジスタで構成してもよい。
【００４０】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明に係る第１および第２の光電式エンコーダによれば、光電式エンコーダの測定精度を変えることができる。したがって、光電式エンコーダを測定対象に応じて使用することができる。また、本発明に係る第２の光電式エンコーダによれば、検出領域に到達する光信号の中から高調波の除去が可能となるため、測定精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る光電式エンコーダの概略構成を示す図である。
【図２】図１の個数選択部の回路構成およびこれと関連する部分を示す図である。
【図３】検出領域を一つのフォトダイオードで構成した場合を示す図である。
【図４】検出領域を連続して配置された二つのフォトダイオードで構成した場合を示す図である。
【図５】本発明の第２実施形態に係る光電式エンコーダの切替部の回路構成およびこれと関連する部分を示す図である。
【図６】本発明の第２実施形態に係る光電式エンコーダにおいて、検出領域が第１状態を示す図である。
【図７】本発明の第２実施形態に係る光電式エンコーダにおいて、検出領域が第２状態を示す図である。
【符号の説明】
１・・・光電式エンコーダ、３・・・発光ダイオード、５・・・インデックススケール、７・・・スケール、９・・・受光部、１１・・・光源部、１３・・・透明基板、１５・・・光学格子、１７・・・遮光部、１９・・・透明基板、２１・・・遮光部、２３・・・光学格子、２５・・・透明基板、２７・・・面、２９・・・演算部、３１・・・増幅部、３３・・・個数選択部、４１・・・光電式エンコーダ、４３・・・切替部、Ｒ・・・検出領域、Ｄ・・・フォトダイオード、Ｌ・・・光、ＴＧ１，２・・・伝送ゲート
【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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