光電式エンコーダ
【課題】相対変位を測定する光電式エンコーダにおいて、超小型で、且つ原点検出を可能とする。
【解決手段】スケール１０が、インクリメンタルトラック１２の少なくとも一箇所に形成された反射スリットからなる原点マーク１４を有し、検出部（２０）が、光照射部（２４）と、該光照射部を中心としてその周囲に配置された、４つの位相が異なるインクリメンタル信号を出力するメイン受光部３０ａ、３０ｂ、３０ａｂ、３０ｂｂ、及び、前記光照射部を点対称の中心として測長方向に対して垂直方向に配置された、一対の原点信号受光部３２ｚ、３２ｚｂを有し、信号処理部４０が、３相信号生成部４８、２相正弦波信号生成部５０、方向判別部５６、内部周期カウンタ５８、及び、原点信号処理部６０を有する。
【解決手段】スケール１０が、インクリメンタルトラック１２の少なくとも一箇所に形成された反射スリットからなる原点マーク１４を有し、検出部（２０）が、光照射部（２４）と、該光照射部を中心としてその周囲に配置された、４つの位相が異なるインクリメンタル信号を出力するメイン受光部３０ａ、３０ｂ、３０ａｂ、３０ｂｂ、及び、前記光照射部を点対称の中心として測長方向に対して垂直方向に配置された、一対の原点信号受光部３２ｚ、３２ｚｂを有し、信号処理部４０が、３相信号生成部４８、２相正弦波信号生成部５０、方向判別部５６、内部周期カウンタ５８、及び、原点信号処理部６０を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電式エンコーダに係り、特にレーザ干渉測長器等の測長用センサとして用いるのに好適な、測長方向に沿って反射型位相格子が形成されたインクリメンタルトラックを有するメインスケールと、このメインスケールと相対変位する検出部と、を備えた光電式エンコーダに関する。
【背景技術】
【０００２】
インクリメンタル型の光電式エンコーダにおいて、検出器を小型化して検出範囲を小さくした場合、原点（基準点）を検出するための原点マークをメインスケールのインクリメンタルトラックと分離するのが困難になる。仮に、微小範囲で分離できたとしても、検出器のセットアップ（アライメント調整）が困難になり、エンコーダ性能を損ねてしまう。又、分離可能なようにインクリメンタルトラックと原点マークを離した場合には、検出器を小型に構成するのが困難になる。
【０００３】
小型検出器構成で、且つ、原点検出機能を持たせる場合、メインスケールのインクリメンタルトラック上に原点マークを施すことも行なわれている。しかしその場合、原点マーク部分でインクリメンタル検出での信号変動が起き、メインのインクリメンタル信号の狭範囲精度劣化やカウントエラーを生じるため、原点信号をインクリメンタル信号に正確に同期させるのが困難になる。
【０００４】
その対策として、特許文献１や２等で、検出範囲を広く取ることによって平均化を図る空間フィルタ効果により、ロバスト性を高めることが記載されている。
【０００５】
【特許文献１】ヨーロッパ特許ＥＰ２０７１２１号公報
【特許文献２】特表２００８−５０３７４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、平均化効果を高めるためには検出範囲を広く取る必要があり、検出器を小型化するのが困難である。一方、スケール周期を狭周期化すると、フィルタ効果が低減する。又、メインのインクリメンタル信号が崩れているので、厳密な原点同期が困難になる等の問題点を有する。
【０００７】
本発明は、前記従来の問題点を解消するべくなされたもので、小型の検出器で、原点検出を可能とすることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、測長方向に沿って反射型位相格子が形成されたインクリメンタルトラックを有するメインスケールと、このメインスケールと相対変位する検出部と、を備えた光電式エンコーダにおいて、前記スケールに設けられた、前記インクリメンタルトラックの少なくとも一箇所に形成された反射スリットからなる原点マークと、前記検出部に設けられた、前記メインスケールに拡散光を照射する光照射部、該光照射部を中心としてその周囲に配置されると共に前記光照射部から照射された光が前記メインスケールで回折されて形成された干渉縞を受光して、測長方向に沿って配置されて９０度位相差、且つ、測長方向に対して垂直方向に沿って配置されて１８０度位相差の関係となっている４つの受光窓を有して４つの位相が異なるインクリメンタル信号を出力するメイン受光部、及び、前記光照射部を点対称の中心として前記測長方向に対して垂直方向に配置されると共に原点信号を出力する一対の原点信号受光部と、前記４つのインクリメンタル信号から９０度位相差の３相信号を生成する３相信号生成部、この３相信号をベクトル合成して９０度位相差の２相正弦波信号を生成する２相正弦波信号生成部、前記メインスケールに対する前記検出部の相対変位の方向を判別してエッジを検出する方向判別部、相対変位の周期を計数する内部周期カウンタ、及び、前記原点信号受光部の出力から原点信号を発生する原点信号処理部、を有する信号処理部と、を備えることにより、前記課題を解決したものである。
【０００９】
ここで、前記原点マークの幅を、前記メイン受光部の幅の１／４以下で、且つ、前記原点信号受光部の幅の半分程度とすることができる。
【００１０】
又、前記光照射部を、点光源又は空間フィルタを有する光源とすることができる。
【００１１】
又、前記信号処理部が、原点パルスと９０度位相差矩形信号の間隔を検出するパルス間隔検出回路と、検出したパルス間隔により、前記周期カウンタ開始命令発生部のスタートトリガ位置を変更する回路と、を有することができる。
【００１２】
又、前記信号処理部が、９０度位相差の倍数を遅延させるカウンタ開始指令値遅延回路を有することができる。
【００１３】
又、前記信号処理部が、原点信号の受光レベルを記憶する回路を有することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、検出部の大きさが、従来のインクリメンタル構成と変わらないため、小さくできる。又、インクリメンタル信号から２相正弦波信号を合成しているので、周期カウントエラーを生じることなくインクリメンタル検出が可能である。更に、インクリメンタルトラック内に形成したイントラック原点マークと、方向を判別して、エッジを検出する方向判別部を使用することで、ゴミや汚れ等の光量低下要因と原点マークの区別が可能であり、ロバスト性が高い。又、ラテラル作動ベクトル合成法の併用と内部周期カウンタを使用することで、インクリメンタル信号に同期した所望（任意）の位置での原点出力が可能である。又、複雑な光学系変更を必要とせず、電気回路の付加で達成できるため、従来不可能であった小型検出器に低コストで原点検出機能を付加することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００１６】
本発明の第１実施形態におけるスケール１０と検出器２０の構成を図１（斜視図）及び図２（スケール側から見た平面図）に示す。
【００１７】
前記スケール１０は、図３に詳細に示す如く、反射型の位相格子でなるインクリメンタルトラック１２と、その少なくとも１箇所、例えば測長範囲外で検出器２０により検出可能な端部に形成された、インクリメンタルトラック１２の位相格子と平行な反射スリットでなる原点マーク１４を有する。該原点マーク１４は、例えば図４（ａ）に示す如く格子一体構造としたり、あるいは図４（ｂ）に示す如くアドオン構造とすることができる。ここで、原点マーク１４の幅Ｗ０は、図２に示される原点受光部３２ｚ、３２ｚｂの受光用差動スリット３３ｚ、３３ｚｂの幅Ｗｚ（図５参照）の約半分の幅であり、且つ、インクリメンタル検出への影響がある程度抑えられる幅を必要とする。なお、原点マーク１４の位置は、スケール１０の端部の１箇所に限定されず、精密なインクリメンタル測定が要求されない任意の位置に複数箇所設けることもできる。
【００１８】
前記検出器２０は、図１に示した如く、例えば光ファイバケーブル２２の中心に配設された投光用光ファイバ２６、及び、その出射端に配設された空間フィルタ２８でなる点光源２４と、図５に詳細に示す如く、該点光源２４を中心として田型に配置された、スケール１０で回折された干渉縞を検波して、４つ（位相０°のａ相、位相９０°のｂ相、位相１８０°のａｂ相、位相２７０°のｂｂ相）のインクリメンタル位相差信号をそれぞれ受光するための、インデックスパターン３１ａ、３１ｂ、３１ａｂ、３１ｂｂを備えたメイン受光部３０ａ、３０ｂ、３０ａｂ、３０ｂｂと、前記点光源２４を点対称の中心として、原点マーク１４の長手方向に配置された、一対の原点信号受光部３２ｚ（ｚ相）、３２ｚｂ（ｚｂ相）を有する。
【００１９】
投光用光ファイバ２６の他端は、レーザ光源（図示省略）に接続され、前記メイン受光部３０ａ、３０ｂ、３０ａｂ、３０ｂｂ、及び、原点信号受光部３２ｚ、３２ｚｂそれぞれを入射端とする受光用光ファイバ２９ａ、２９ｂ、２９ａｂ、２９ｂｂ、２９ｚ、２９ｚｂの他端は、光検出器（図示省略）に接続されている。
【００２０】
ここで、前記メイン受光部３０ａ、３０ｂ、３０ａｂ、３０ｂｂは、図５に詳細に示す如く、測長方向に垂直なラテラル方向の検出部（３０ａと３０ａｂ）（３０ｂと３０ｂｂ）の検波位相が、互いに１８０°の位相差を有していて、測長方向に離れた検出部（３０ａと３０ｂ）（３０ａｂと３０ｂｂ）は、互いに９０°の位相差を有している。
【００２１】
ここで、回折干渉縞（インクリメンタル）検波の各相受光部３０ａ、３０ｂ、３０ａｂ、３０ｂｂの測長方向幅をＷｄ、原点検出用受光部３２ｚ、３２ｚｂの開口幅をＷｚとすると、原点マーク（スリット）幅Ｗ０は、次の２つの条件を満たす必要がある。
【００２２】
（１／４）Ｗｄ＞Ｗ０ …（１）
【００２３】
即ち、スケール１０上のインクリメンタル信号検出領域は（１／２）Ｗｄであるため、原点マーク領域を検出器が通過した時に、ある程度信号を確保できる幅は、その半分以下である。
【００２４】
（１／２）Ｗｚ≒Ｗ０ …（２）
【００２５】
これは、検出器の高さが変化しても、比較的受光量変化が出難いようにして、アライメント調整の許容範囲を広げるためである。
【００２６】
前記原点マーク幅Ｗ０は、インクリメンタルトラック１２の周期より十分大きい（例えば５〜１０倍）ことが望ましい。
【００２７】
点光源２４より照射された放射光が、図６に示す如く、インクリメンタルトラック１２で回折され、検出部で干渉縞を形成する。この干渉縞を、各位相差を有したメイン受光部３０ａ、３０ｂ、３０ａｂ、３０ｂｂで検出する。又、原点マーク１４で反射（０次回折）された反射光を、測長方向にずらして配置した原点信号受光部３２ｚ、３２ｚｂで検出する。
【００２８】
前記原点信号受光部３２ｚ、３２ｚｂは、図７（ａ）（底面図）（ｂ）（側面図）に詳細に示すように、原点マーク１４に対し、正反射（０次回折）受光するように、スケール１０に対向して配置され、且つ、差動の受光部は、光源中心に点対称で配置されている。又、測長方向に原点マーク（スリット）幅Ｗ０の約２倍の受光幅Ｗｚを有している。この原点信号受光部３２ｚ、３２ｚｂは、原点マーク１４を検出した場合、図８に示すような信号を出力する。但し、受光部信号は原点マーク１４以外からの回折光干渉成分の直流成分を含む。
【００２９】
信号処理部４０は、図９に示す如く、前記メイン受光部３０ａ、３０ａｂ、３０ｂ、３０ｂｂの出力から、ラテラル差動ベクトル合成によりインクリメンタル信号を処理するインクリメンタル信号処理部４２と、相対変位の方向を判別してエッジを検出する方向判別部５６と、相対変位の周期を計数する内部周期カウンタ５８と、前記原点信号受光部３２ｚ、３２ｚｂの出力から原点信号を発生する原点信号処理部６０とを有している。
【００３０】
前記インクリメンタル信号処理部４２は、各相毎に設けられた電流−電圧変換器４４ａ、４４ａｂ、４４ｂ、４４ｂｂと、増幅器４６ａ、４６ａｂ、４６ｂ、４６ｂｂと、３つの差動増幅器４８Ａ、４８Ｂ、４８Ｃでなる３相信号生成部４８と、２つのベクトル合成差動増幅器５０Ａ、５０Ｂでなる２相正弦波信号生成部５０と、Ａ相、Ｂ相用の利得調整部５２Ａ、５２Ｂと、方形波とするための比較器５４Ａ、５４Ｂとを有する。
【００３１】
前記原点信号処理部６０は、電流−電圧変換器６２ｚ、６２ｚｂと、増幅器６４ｚ、６４ｚｂと、ｚ相とｚｂ相を差動増幅して、ゼロクロス信号である差動ｚ相信号を生成するための差動増幅器６６と、閾値発生部を有する比較器６８と、エッジ検出回路７０と、計数を開始するためのスタートトリガーを発生するトリガー回路７２と、原点検出パルスとインクリメンタル２相方形波エッジ間隔を検出するパルス間隔検出回路７４と、その検出間隔により、内部周期カウンタ５８に下位２ビットを付加する下位２ビット加算回路７６と、原点信号の所望位置を外部から指定して、記憶するためのメモリ／設定回路８０と、指定位置で原点（基準）パルスを出力するｚ信号出力回路８２とを有している。
【００３２】
以下、作用を説明する。
【００３３】
図１０（ａ）は、前記メイン受光部３０ａ、３０ａｂ、３０ｂ、３０ｂｂにより生成された周期信号Ｓａ、Ｓａｂ、Ｓｂ、Ｓｂｂの位相と強度の関係を示すベクトル図である。又、図１０（ｂ）は、３相信号生成部４８において生成された信号ＤＳａ（＝Ｓａ−Ｓａｂ）、ＤＳｂ（＝Ｓｂ−Ｓｂｂ）、ＤＳｃ（＝Ｓｂｂ−Ｓｂ）の位相と強度の関係を示す。図１０（ｃ）は、２相正弦波信号生成部５０において生成された信号Ａ、Ｂの位相と強度の関係を示す。なお、ここでは、各周期信号Ｓａ、Ｓｂ、Ｓａｂ、Ｓｂｂに位相のずれが生じていないものとする。
【００３４】
前述したように、メイン受光部３０ａ、３０ａｂ、３０ｂ、３０ｂｂは、周期信号Ｓａ、Ｓａｂ、Ｓｂ、Ｓｂｂを生成する。周期信号Ｓａ、Ｓａｂは、図９の電流−電圧変換器４４ａ、４４ａｂ及び増幅器４６ａ、４６ａｂを介して３相信号生成部４８の差動増幅器４８Ａに入力される。差動増幅器４８Ａは、両入力信号Ｓａ、Ｓａｂを差動増幅し、第１差動信号ＤＳａを出力する。この第１差動信号ＤＳａは０度の位相を持つ周期信号Ｓａと１８０度の位相を持つ周期信号Ｓａｂの差を取ったものであり、周期信号ＳａとＳａｂの位相のずれがなければ、基準位相と同じ０度の位相を有する信号である。
【００３５】
同様に周期信号Ｓｂ及びＳｂｂは、電流−電圧変換器４４ｂ、４４ｂｂ及び増幅器４６ｂ、４６ｂｂを介して３相信号生成部４８の差動増幅器４８Ｂに入力される。差動増幅器４８Ｂは、両入力信号Ｓｂ、Ｓｂｂを差動増幅し、第２差動信号ＤＳｂを出力する。この第２差動信号ＤＳｂは、９０度の位相を持つ周期信号Ｓｂと２７０度の位相を持つ周期信号Ｓｂｂの差を取ったものであり、周期信号ＳｂとＳｂｂの位相のずれが無ければ、基準位相に対して９０度の位相差を有する信号である。
【００３６】
又、周期信号Ｓｂ及び周期信号Ｓｂｂは、電流−電圧変換器４４ｂ、４４ｂｂ及び増幅器４６ｂ、４６ｂｂを介して３相信号生成部４８の差動増幅器４８Ｃにも入力される。差動増幅器４８Ｃは、差動増幅器４８Ｂと同様に両入力信号ＳｂとＳｂｂを差動増幅するが、その出力信号ＤＳｃは、上記第２差動信号ＤＳｂとは位相が１８０度異なる反転差動信号として得られる。即ち、反転差動信号ＤＳｃは、基準位相に対して２７０度（即ち−９０度）の位相差を有している信号である。図１０（ｂ）に示すように、３相信号生成部４８で得られた３相信号ＤＳａ、ＤＳｂ、ＤＳｃは、それぞれ９０度位相差を有することとなる。
【００３７】
その後、第１差動信号ＤＳａと第２差動信号ＤＳｂは２相正弦波信号生成部５０が有する差動増幅器５０Ａに入力される。差動増幅器５０Ａは、入力された２信号ＤＳａとＤＳｂをベクトル合成することにより、Ａ相信号を生成する。０度の位相の信号ＤＳａと９０度の位相の信号ＤＳｂがベクトル合成されるため、Ａ相信号は基準位相に対して４５度の位相差を有する信号となる。
【００３８】
同様に、第１差動信号ＤＳａと反転差動信号ＤＳｃは２相正弦波信号生成部５０が有する差動増幅器５０Ｂに入力される。差動増幅器５０Ｂは、入力された２信号ＤＳａとＤＳｃをベクトル合成することにより、Ｂ相信号を生成する。Ａ相信号と同様に、０度の位相の信号ＤＳａと２７０度（−９０度）の位相の信号ＤＳｃがベクトル合成されるため、Ｂ相信号は基準位相に対して３１５度（即ち−４５度）の位相を有する信号となる。このように、得られたＡ相信号とＢ相信号は９０度の位相差を有しており、その強度は等しい（図１０（ｃ）参照）。
【００３９】
次に、周期信号Ｓｂ、Ｓｂｂに、周期信号Ｓａ、Ｓａｂに対する位相ずれが生じている場合について説明する。一般に光電式エンコーダにおいては、光源の位置、メインスケールのスケール格子の誤差等により、その出力信号（周期信号）に位相ずれを生じる場合がある。図１１（ａ）は、周期信号Ｓｂ、Ｓｂｂが、理想的には周期信号Ｓａ、Ｓａｂに対し９０度の位相差を有しているところ、この９０度から更に位相差δのずれを有している場合のベクトル図である。図１１（ｂ）は、３相信号生成部４８において生成された３相差動信号ＤＳａ〜ＤＳｃの位相と強度の関係を示す。図１１（ｃ）は、２相正弦波信号生成部５０において生成された信号の位相と強度の関係を示す。
【００４０】
各周期信号Ｓａ〜Ｓｂｂは、上述したように３相信号生成部４８の差動増幅器４８Ａ〜４８Ｃに入力され、差動信号ＤＳａ〜ＤＳｃが出力される。ここで、第２差動信号ＤＳｂは第１差動信号ＤＳａに対して位相ずれδを有するため９０度位相差とはならず、第１差動信号ＤＳａに対し（９０−δ）度の位相差を有することになる。差動増幅器４８Ｃにより生成される反転差動信号ＤＳｃは、第２差動信号ＤＳｂを反転したものであるので、第２差動信号ＤＳｂとは１８０度位相差であるものの、第２差動信号ＤＳｂと同様に第１差動信号ＤＳａに対して位相ずれδを有しているため、第１差動信号ＤＳａに対し（２７０−δ）度の位相差を有することとなる。
【００４１】
図１１（ｂ）に示すように、３相信号生成部４８で得られた３相差動信号ＤＳａ〜ＤＳｃは、周期信号Ｓｃ、Ｓｄが位相ずれδを有しているため、互いに９０度位相差を有するものではなく、位相ずれδを含んでいる。
【００４２】
その後、位相ずれδを有する３相差動信号ＤＳａ〜ＤＳｃのうち、第１差動信号ＤＳａと第２差動信号ＤＳｂは２相正弦波信号生成部５０の差動増幅器５０Ａに入力され、ベクトル合成される。これにより、図１１（ｃ）に示すように、Ａ相信号が得られる。２相正弦波信号生成部５０における処理はベクトル合成なので、Ａ相信号の位相は（４５−δ／２）度となる。
【００４３】
又、第１差動信号ＤＳａと反転差動信号ＤＳｃも、同様に２相正弦波信号生成部５０の差動増幅器５０Ｂに入力されベクトル合成されることによりＢ相信号が得られる。ここで、Ｂ相信号の位相は（１３５−δ／２）度となる。
【００４４】
このように、得られた２相信号Ａ、Ｂは、元の周期信号Ｓａ〜Ｓｄに位相ずれが生じたとしても、９０度位相差を有することとなる。即ち、周期信号Ｓａ〜Ｓｄが位相ずれを有する場合にも、位相調整操作を行なうことなく９０度位相差を持つＡ相信号及びＢ相信号を得ることができる（図１１（ｃ）参照）。
【００４５】
２相正弦波信号生成部５０における９０度位相差２相信号Ａ、Ｂを生成する処理はベクトル合成であるため、図１１（ｃ）に示すように２相信号Ａ、Ｂはそれぞれの信号強度が異なっている。この場合、２相正弦波信号生成部５０において、２相信号Ａ、Ｂを生成した後、それぞれの信号Ａ、Ｂの利得を利得調整部５２Ａ、５２Ｂで調整することによって、図１１（ｄ）に示すように９０度位相差を有し、且つ、強度の等しいＡ相信号及びＢ相信号を生成することができる。
【００４６】
次に、スケール１０のインクリメンタルトラック１２に欠陥やムラ等が存在したり、測長移動時に動的なピッチング変動が発生したりすることによって、メイン受光部３０ａ、３０ｂ、３０ａｂ、３０ｂｂの受光量が変化し、メイン受光部３０ａ、３０ｂ、３０ａｂ、３０ｂｂより出力される周期信号Ｓａ、Ｓｂ、Ｓａｂ、Ｓｂｂの強度が劣化している場合について説明する。
【００４７】
通常の光電式エンコーダでは、受光部において、光源の照射位置を通る対角線上に位相が１８０度異なる信号を生成するメイン受光部が配置されている場合がある。例えば、図５におけるａ相の位置に基準位相（０度）の位相を有する周期信号Ｓａを生成するメイン受光部３０ａが配置され、ｂｂ相の位置に１８０度の位相を有する周期信号Ｓａｂを生成するメイン受光部３０ａｂが配置される。又、ｂ相の位置に９０度の位相差を持つ周期信号Ｓｂを生成するメイン受光部３０ｂが配置され、ａｂ相の位置に２７０度の位相差を有する周期信号Ｓｂｂを生成するメイン受光部３０ｂｂが配置される場合である。
【００４８】
スケール１０のインクリメンタルトラック１２上の欠陥やピッチング変動があると、受光部により出力される信号は光源を中心に配置されたメイン受光部のうち、片側のみ（例えば図５における田の字形状の左側）の信号が劣化することになる。
【００４９】
図１２は、上述の通常の光電式エンコーダにおいて周期信号Ｓａ、Ｓｂ、Ｓａｂ、Ｓｂｂのうち周期信号Ｓａ及びＳｂｂに劣化が生じている場合の位相と強度の関係を示す。通常の光電式エンコーダにおいては、０度の位相を有する周期信号を生成するメイン受光部３０ａにインクリメンタルトラック１２の欠陥等の影響が及び、０度の位相を有する周期信号Ｓａに劣化が生じる。同様に２７０度の位相を有する周期信号を生成するメイン受光部３０ｂｂに欠陥等の影響が及び、２７０度の位相を有する周期信号Ｓｂｂに、劣化が生じる。
【００５０】
図１３は、通常の光電式エンコーダにおいて、片側の受光部により生成された周期信号Ｓａ及びＳｂｂに劣化が生じた場合の、信号処理後の９０度位相差２信号Ａ、Ｂに基づくリサージュ信号を示す。差動増幅処理を行なう１組の信号の片方に劣化が生じた周期信号に基づき生成された９０度位相差２信号には、ＤＣ変動が発生する。そのため、リサージュ図形の中心がずれることとなる。ＤＣ変動が生じることにより狭範囲精度が劣化し、光電式エンコーダの測定に支障をきたす。
【００５１】
これに対して、本実施形態においては、メイン受光部３０ａ、３０ｂ、３０ａｂ、３０ｂｂのうち位相が１８０度異なる周期信号を生成するものは、測長方向に垂直にずれた位置に配置されている。従って、スケール１０のインクリメンタルトラック１２の欠陥やピッチング変動が生じ、片側の２つのメイン受光部（例えば図５におけるメイン受光部３０ａ及び３０ａｂ）に影響が及んだとしても、差動増幅処理される信号は同時に信号が劣化することになり、ＤＣ変動が生じることはない。
【００５２】
図１４（ａ）は、インクリメンタルトラック１２の一部に欠陥等が生じている場合のメイン受光部３０ａ、３０ｂ、３０ａｂ、３０ｂｂにおいて生成された各周期信号Ｓａ、Ｓｂ、Ｓａｂ、Ｓｂｂの位相と強度を示す。図１４（ｂ）は、各周期信号Ｓａ、Ｓｂ、Ｓａｂ、Ｓｂｂから生成された差動信号ＤＳａ〜ＤＳｃの位相と強度を示す。図１４（ｃ）は、２相正弦波信号生成部５０において生成された信号Ａ、Ｂの位相と強度の関係を示す。ここで、周期信号Ｓｂ及びＳｂｂは、周期信号Ｓａ及びＳａｂに対して位相δのずれを有しているものとして説明・図示する。
【００５３】
本実施形態のメイン受光部３０ａ、３０ａｂにおいて、上述したように理由により周期信号Ｓａ、Ｓａｂが劣化する（図１４（ａ）参照）。周期信号Ｓａ、Ｓａｂから３相信号生成部４８において生成される第１差動信号ＤＳａにも劣化が生じる。これに対しメイン受光部３０ｂ、３０ｂｂにより出力された周期信号Ｓｂ、Ｓｂｂは劣化していない。周期信号Ｓｂ、Ｓｂｂから３相信号生成部４８において生成される第２差動信号ＤＳｂ及び反転差動信号ＤＳｃにも劣化は生じない（図１４（ｂ）参照）。
【００５４】
３相信号生成部４８から出力された３相差動信号ＤＳａ〜ＤＳｃは、それぞれ位相ずれδを有すると共に、第１差動信号ＤＳａが劣化しているため、その信号強度が異なることとなる（図１４（ｂ）参照）。この３相差動信号ＤＳａ〜ＤＳｃを２相正弦波信号生成部５０に入力しベクトル合成すると、図１４（ｃ）に示すように、出力として位相差が９０度ではないＡ相信号及びＢ相信号が出力される。その後、このＡ相信号及びＢ相信号は、利得調整部５２Ａ、５２Ｂにおいて利得が調整され、等しい強度を有することとなる（図１４（ｄ）参照）。
【００５５】
図１５は、本実施形態において生成された９０度位相差２相信号Ａ、Ｂに基づくリサージュ信号を示す。図１５に示すリサージュ図形は生成されたＡ相信号及びＢ相信号の位相差が９０度ではないため、その形状が楕円形状となるものの、その中心がずれることはない。
【００５６】
スケール１０のインクリメンタルトラック１２に存在する欠陥やムラ、ピッチング変動により周期信号に劣化が生じた場合において、本実施形態に係る光電式エンコーダにより生成された２相信号は、正確に９０度位相差を有するものではない。しかし、従来の差動処理を行なう１組の受光部を光源中心に対角に配置していたため発生するＤＣ変動に比べ、本実施形態に係る光電式エンコーダにより得られる位相差の生じた２相信号による検出の狭範囲精度の劣化（誤差）は、半分以下である。そのため、本実施形態に係る光電式エンコーダは、スケール１０のインクリメンタルトラック１２の欠陥やピッチング変動が生じた場合にも有効である。
【００５７】
このように、本実施形態に係る光電式エンコーダは、その信号処理にベクトル合成を用いることにより、信号を調整している。位相ずれを有する３相信号は、この処理過程において正確に９０度位相差を有することとなる。これにより、位相ずれを有する３相信号において、可変抵抗器等を用いた位相調整操作をすることなく所望の９０度位相差の２相信号を得ることができる。又、本実施形態に係る光電式エンコーダは、スケールのインクリメンタルトラックに存在する欠陥やムラ、ピッチング変動により周期信号に劣化が生じた場合においても有効である。
【００５８】
以上のように、本実施形態に係る光電式エンコーダで得られた９０度位相差を持つＡ相信号とＢ相信号は、２相正弦波信号生成部５０において３相差動信号ＤＳａ〜ＤＳｃをベクトル合成しているため、信号強度が約√２倍となる。これにより信号雑音比が３ｄＢ改善する。
【００５９】
又、利得調整部５２Ａ、５２Ｂにおいて、信号の利得を調整することによって、ベクトル合成後に強度の等しい９０度位相差２相信号を得ることができる。
【００６０】
次に、図１６を参照して、原点検出法について説明する。
【００６１】
原点マーク１４の相対移動に伴い、各受光部では信号変動を生じる。図１６に示すように、相対移動方向（図ではｃｗ方向）に対して、まずメイン受光部３０ａと３０ａｂが正反射の影響を受け、干渉縞受光変動を生じる。次に、ａ相（ａｂ相）とｂ相（ｂｂ相）の間に配置されているｚ相（ｚｂ相）が、回折光量低下の影響を受け、信号低下を生じる。
【００６２】
受光量変動を受けても、既に説明したように、２相正弦波は、カウントエラーを起こすほど変動しない。なお、信号純度は低下するため、スリット通過時の補間による厳密な測長は困難である。
【００６３】
原点マーク１４がｚ相受光部３２ｚと対向する位置に来ると、正反射成分により受光量が増える。ずらした位置に配置されたｚｂ相との差動信号（差動ｚ相信号）では、原点検出部通過前後の変動と通過時の変動では、差動ｚ相信号のエッジ方向が異なる（図１６の場合は、前者が立上りエッジ、後者が立下がりエッジ）ため、原点マーク正反射位置での原点検出が可能となる。
【００６４】
次に、差動ｚ相信号の立下りエッジパルスで、インクリメンタル信号の内部周期カウンタ５８をリセットして、周期カウントを開始させ、メモリ／設定回路８０で設定した、エッジパルスより充分後の受光変動が起きない任意（所望）の位置で、ｚ信号出力回路８２から、周期カウントと同期して原点パルスを出力する。
【００６５】
これにより、インクリメンタル信号と同期して、且つ任意の位置での原点パルスの出力が可能となる。
【００６６】
ゴミがあった場合には、差動ｚ相信号の増減方向が逆となるため、移動方向が分かっていれば、容易に識別できる。
【００６７】
本実施形態においては、更に、原点検出パルスとインクリメンタル２相方形波エッジ間隔を検出するパルス間隔検出回路７４と、その検出間隔により、内部周期カウンタ５８に下位２ビットを加算する下位２ビット加算回路７６を付加することで、リセット位置変動による周期飛びを防止して、原点検出リセットパルスの再現性を確保する機能を有している。即ち、図１７に示す如く、取付により検出部が傾いた場合、カウント周期が跳んでしまうことがある。そこでカウンタ（１／４周期カウンタ）の下位に２ｂｉｔを加算して、半周期ずらす事で、ダウンエッジでカウントするようにして、繰返し再現性を向上することができる。理論的には、再現性＜±１／２周期でも、原点パルス（任意の位置）の再現性を確保できる。このように、取付による原点検出再現性の劣化を補償することで、繰返し再現性を向上できる。
【００６８】
なお、図１８に示す第２実施形態の如く、前記ｚ相／ｚｂ相差動増幅器６６の出力にレベル値記憶回路６７を設け、そのレベルを比較器６８の判定レベルに使用することで、光源の劣化や表面の汚れ／酸化による反射率の変化にかかわらず、より高精度に原点を検出することもできる。
【００６９】
又、前記実施形態においては、検出器が光ファイバで検出されていたが、本発明の適用対象は、これに限定されず、例えば発光ダイオードとフォトダイオード又はフォトダイオードアレイ等を用いて検出器を構成することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本発明の第１実施形態におけるスケールと検出器の関係を示す斜視図
【図２】同じく平面図
【図３】第１実施形態のスケール構造を示す斜視図
【図４】同じく格子とスリットの構造の例を示す断面図
【図５】同じく検出部の受光配置を示す平面図
【図６】同じく斜視図
【図７】同じく原点検出部を示す図
【図８】同じく原点マーク検出信号を示す図
【図９】同じく信号処理部の構成を示すブロック図
【図１０】同じく信号処理の例を示すベクトル図
【図１１】信号処理の他の例を示すベクトル図
【図１２】従来の光電式エンコーダによる信号の例を示すベクトル図
【図１３】従来の光電式エンコーダによる信号の例のリサージュ波形を示す図
【図１４】第１実施形態による信号処理の他の例を示すベクトル図
【図１５】同じく信号処理の他の例のリサージュ波形を示す図
【図１６】同じく原点検出の流れを示す図
【図１７】同じく取付により検出部が傾いた場合を示す図
【図１８】本発明の第２実施形態の信号処理部の構成を示すブロック図
【符号の説明】
【００７１】
１０…スケール
１２…インクリメンタルトラック
１４…原点マーク
２０…検出器
２４…点光源
２６…投光用光ファイバ
２８…空間フィルタ
３０ａ、３０ｂ、３０ａｂ、３０ｂｂ…メイン受光部
３２ｚ、３２ｚｂ…原点信号受光部
４０…信号処理部
４２…インクリメンタル信号処理部
４８…３相信号生成部
５０…２相正弦波信号生成部
５６…方向判別部
５８…内部周期カウンタ
６０…原点信号処理部
６７…レベル値記憶回路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電式エンコーダに係り、特にレーザ干渉測長器等の測長用センサとして用いるのに好適な、測長方向に沿って反射型位相格子が形成されたインクリメンタルトラックを有するメインスケールと、このメインスケールと相対変位する検出部と、を備えた光電式エンコーダに関する。
【背景技術】
【０００２】
インクリメンタル型の光電式エンコーダにおいて、検出器を小型化して検出範囲を小さくした場合、原点（基準点）を検出するための原点マークをメインスケールのインクリメンタルトラックと分離するのが困難になる。仮に、微小範囲で分離できたとしても、検出器のセットアップ（アライメント調整）が困難になり、エンコーダ性能を損ねてしまう。又、分離可能なようにインクリメンタルトラックと原点マークを離した場合には、検出器を小型に構成するのが困難になる。
【０００３】
小型検出器構成で、且つ、原点検出機能を持たせる場合、メインスケールのインクリメンタルトラック上に原点マークを施すことも行なわれている。しかしその場合、原点マーク部分でインクリメンタル検出での信号変動が起き、メインのインクリメンタル信号の狭範囲精度劣化やカウントエラーを生じるため、原点信号をインクリメンタル信号に正確に同期させるのが困難になる。
【０００４】
その対策として、特許文献１や２等で、検出範囲を広く取ることによって平均化を図る空間フィルタ効果により、ロバスト性を高めることが記載されている。
【０００５】
【特許文献１】ヨーロッパ特許ＥＰ２０７１２１号公報
【特許文献２】特表２００８−５０３７４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、平均化効果を高めるためには検出範囲を広く取る必要があり、検出器を小型化するのが困難である。一方、スケール周期を狭周期化すると、フィルタ効果が低減する。又、メインのインクリメンタル信号が崩れているので、厳密な原点同期が困難になる等の問題点を有する。
【０００７】
本発明は、前記従来の問題点を解消するべくなされたもので、小型の検出器で、原点検出を可能とすることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、測長方向に沿って反射型位相格子が形成されたインクリメンタルトラックを有するメインスケールと、このメインスケールと相対変位する検出部と、を備えた光電式エンコーダにおいて、前記スケールに設けられた、前記インクリメンタルトラックの少なくとも一箇所に形成された反射スリットからなる原点マークと、前記検出部に設けられた、前記メインスケールに拡散光を照射する光照射部、該光照射部を中心としてその周囲に配置されると共に前記光照射部から照射された光が前記メインスケールで回折されて形成された干渉縞を受光して、測長方向に沿って配置されて９０度位相差、且つ、測長方向に対して垂直方向に沿って配置されて１８０度位相差の関係となっている４つの受光窓を有して４つの位相が異なるインクリメンタル信号を出力するメイン受光部、及び、前記光照射部を点対称の中心として前記測長方向に対して垂直方向に配置されると共に原点信号を出力する一対の原点信号受光部と、前記４つのインクリメンタル信号から９０度位相差の３相信号を生成する３相信号生成部、この３相信号をベクトル合成して９０度位相差の２相正弦波信号を生成する２相正弦波信号生成部、前記メインスケールに対する前記検出部の相対変位の方向を判別してエッジを検出する方向判別部、相対変位の周期を計数する内部周期カウンタ、及び、前記原点信号受光部の出力から原点信号を発生する原点信号処理部、を有する信号処理部と、を備えることにより、前記課題を解決したものである。
【０００９】
ここで、前記原点マークの幅を、前記メイン受光部の幅の１／４以下で、且つ、前記原点信号受光部の幅の半分程度とすることができる。
【００１０】
又、前記光照射部を、点光源又は空間フィルタを有する光源とすることができる。
【００１１】
又、前記信号処理部が、原点パルスと９０度位相差矩形信号の間隔を検出するパルス間隔検出回路と、検出したパルス間隔により、前記周期カウンタ開始命令発生部のスタートトリガ位置を変更する回路と、を有することができる。
【００１２】
又、前記信号処理部が、９０度位相差の倍数を遅延させるカウンタ開始指令値遅延回路を有することができる。
【００１３】
又、前記信号処理部が、原点信号の受光レベルを記憶する回路を有することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、検出部の大きさが、従来のインクリメンタル構成と変わらないため、小さくできる。又、インクリメンタル信号から２相正弦波信号を合成しているので、周期カウントエラーを生じることなくインクリメンタル検出が可能である。更に、インクリメンタルトラック内に形成したイントラック原点マークと、方向を判別して、エッジを検出する方向判別部を使用することで、ゴミや汚れ等の光量低下要因と原点マークの区別が可能であり、ロバスト性が高い。又、ラテラル作動ベクトル合成法の併用と内部周期カウンタを使用することで、インクリメンタル信号に同期した所望（任意）の位置での原点出力が可能である。又、複雑な光学系変更を必要とせず、電気回路の付加で達成できるため、従来不可能であった小型検出器に低コストで原点検出機能を付加することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００１６】
本発明の第１実施形態におけるスケール１０と検出器２０の構成を図１（斜視図）及び図２（スケール側から見た平面図）に示す。
【００１７】
前記スケール１０は、図３に詳細に示す如く、反射型の位相格子でなるインクリメンタルトラック１２と、その少なくとも１箇所、例えば測長範囲外で検出器２０により検出可能な端部に形成された、インクリメンタルトラック１２の位相格子と平行な反射スリットでなる原点マーク１４を有する。該原点マーク１４は、例えば図４（ａ）に示す如く格子一体構造としたり、あるいは図４（ｂ）に示す如くアドオン構造とすることができる。ここで、原点マーク１４の幅Ｗ０は、図２に示される原点受光部３２ｚ、３２ｚｂの受光用差動スリット３３ｚ、３３ｚｂの幅Ｗｚ（図５参照）の約半分の幅であり、且つ、インクリメンタル検出への影響がある程度抑えられる幅を必要とする。なお、原点マーク１４の位置は、スケール１０の端部の１箇所に限定されず、精密なインクリメンタル測定が要求されない任意の位置に複数箇所設けることもできる。
【００１８】
前記検出器２０は、図１に示した如く、例えば光ファイバケーブル２２の中心に配設された投光用光ファイバ２６、及び、その出射端に配設された空間フィルタ２８でなる点光源２４と、図５に詳細に示す如く、該点光源２４を中心として田型に配置された、スケール１０で回折された干渉縞を検波して、４つ（位相０°のａ相、位相９０°のｂ相、位相１８０°のａｂ相、位相２７０°のｂｂ相）のインクリメンタル位相差信号をそれぞれ受光するための、インデックスパターン３１ａ、３１ｂ、３１ａｂ、３１ｂｂを備えたメイン受光部３０ａ、３０ｂ、３０ａｂ、３０ｂｂと、前記点光源２４を点対称の中心として、原点マーク１４の長手方向に配置された、一対の原点信号受光部３２ｚ（ｚ相）、３２ｚｂ（ｚｂ相）を有する。
【００１９】
投光用光ファイバ２６の他端は、レーザ光源（図示省略）に接続され、前記メイン受光部３０ａ、３０ｂ、３０ａｂ、３０ｂｂ、及び、原点信号受光部３２ｚ、３２ｚｂそれぞれを入射端とする受光用光ファイバ２９ａ、２９ｂ、２９ａｂ、２９ｂｂ、２９ｚ、２９ｚｂの他端は、光検出器（図示省略）に接続されている。
【００２０】
ここで、前記メイン受光部３０ａ、３０ｂ、３０ａｂ、３０ｂｂは、図５に詳細に示す如く、測長方向に垂直なラテラル方向の検出部（３０ａと３０ａｂ）（３０ｂと３０ｂｂ）の検波位相が、互いに１８０°の位相差を有していて、測長方向に離れた検出部（３０ａと３０ｂ）（３０ａｂと３０ｂｂ）は、互いに９０°の位相差を有している。
【００２１】
ここで、回折干渉縞（インクリメンタル）検波の各相受光部３０ａ、３０ｂ、３０ａｂ、３０ｂｂの測長方向幅をＷｄ、原点検出用受光部３２ｚ、３２ｚｂの開口幅をＷｚとすると、原点マーク（スリット）幅Ｗ０は、次の２つの条件を満たす必要がある。
【００２２】
（１／４）Ｗｄ＞Ｗ０ …（１）
【００２３】
即ち、スケール１０上のインクリメンタル信号検出領域は（１／２）Ｗｄであるため、原点マーク領域を検出器が通過した時に、ある程度信号を確保できる幅は、その半分以下である。
【００２４】
（１／２）Ｗｚ≒Ｗ０ …（２）
【００２５】
これは、検出器の高さが変化しても、比較的受光量変化が出難いようにして、アライメント調整の許容範囲を広げるためである。
【００２６】
前記原点マーク幅Ｗ０は、インクリメンタルトラック１２の周期より十分大きい（例えば５〜１０倍）ことが望ましい。
【００２７】
点光源２４より照射された放射光が、図６に示す如く、インクリメンタルトラック１２で回折され、検出部で干渉縞を形成する。この干渉縞を、各位相差を有したメイン受光部３０ａ、３０ｂ、３０ａｂ、３０ｂｂで検出する。又、原点マーク１４で反射（０次回折）された反射光を、測長方向にずらして配置した原点信号受光部３２ｚ、３２ｚｂで検出する。
【００２８】
前記原点信号受光部３２ｚ、３２ｚｂは、図７（ａ）（底面図）（ｂ）（側面図）に詳細に示すように、原点マーク１４に対し、正反射（０次回折）受光するように、スケール１０に対向して配置され、且つ、差動の受光部は、光源中心に点対称で配置されている。又、測長方向に原点マーク（スリット）幅Ｗ０の約２倍の受光幅Ｗｚを有している。この原点信号受光部３２ｚ、３２ｚｂは、原点マーク１４を検出した場合、図８に示すような信号を出力する。但し、受光部信号は原点マーク１４以外からの回折光干渉成分の直流成分を含む。
【００２９】
信号処理部４０は、図９に示す如く、前記メイン受光部３０ａ、３０ａｂ、３０ｂ、３０ｂｂの出力から、ラテラル差動ベクトル合成によりインクリメンタル信号を処理するインクリメンタル信号処理部４２と、相対変位の方向を判別してエッジを検出する方向判別部５６と、相対変位の周期を計数する内部周期カウンタ５８と、前記原点信号受光部３２ｚ、３２ｚｂの出力から原点信号を発生する原点信号処理部６０とを有している。
【００３０】
前記インクリメンタル信号処理部４２は、各相毎に設けられた電流−電圧変換器４４ａ、４４ａｂ、４４ｂ、４４ｂｂと、増幅器４６ａ、４６ａｂ、４６ｂ、４６ｂｂと、３つの差動増幅器４８Ａ、４８Ｂ、４８Ｃでなる３相信号生成部４８と、２つのベクトル合成差動増幅器５０Ａ、５０Ｂでなる２相正弦波信号生成部５０と、Ａ相、Ｂ相用の利得調整部５２Ａ、５２Ｂと、方形波とするための比較器５４Ａ、５４Ｂとを有する。
【００３１】
前記原点信号処理部６０は、電流−電圧変換器６２ｚ、６２ｚｂと、増幅器６４ｚ、６４ｚｂと、ｚ相とｚｂ相を差動増幅して、ゼロクロス信号である差動ｚ相信号を生成するための差動増幅器６６と、閾値発生部を有する比較器６８と、エッジ検出回路７０と、計数を開始するためのスタートトリガーを発生するトリガー回路７２と、原点検出パルスとインクリメンタル２相方形波エッジ間隔を検出するパルス間隔検出回路７４と、その検出間隔により、内部周期カウンタ５８に下位２ビットを付加する下位２ビット加算回路７６と、原点信号の所望位置を外部から指定して、記憶するためのメモリ／設定回路８０と、指定位置で原点（基準）パルスを出力するｚ信号出力回路８２とを有している。
【００３２】
以下、作用を説明する。
【００３３】
図１０（ａ）は、前記メイン受光部３０ａ、３０ａｂ、３０ｂ、３０ｂｂにより生成された周期信号Ｓａ、Ｓａｂ、Ｓｂ、Ｓｂｂの位相と強度の関係を示すベクトル図である。又、図１０（ｂ）は、３相信号生成部４８において生成された信号ＤＳａ（＝Ｓａ−Ｓａｂ）、ＤＳｂ（＝Ｓｂ−Ｓｂｂ）、ＤＳｃ（＝Ｓｂｂ−Ｓｂ）の位相と強度の関係を示す。図１０（ｃ）は、２相正弦波信号生成部５０において生成された信号Ａ、Ｂの位相と強度の関係を示す。なお、ここでは、各周期信号Ｓａ、Ｓｂ、Ｓａｂ、Ｓｂｂに位相のずれが生じていないものとする。
【００３４】
前述したように、メイン受光部３０ａ、３０ａｂ、３０ｂ、３０ｂｂは、周期信号Ｓａ、Ｓａｂ、Ｓｂ、Ｓｂｂを生成する。周期信号Ｓａ、Ｓａｂは、図９の電流−電圧変換器４４ａ、４４ａｂ及び増幅器４６ａ、４６ａｂを介して３相信号生成部４８の差動増幅器４８Ａに入力される。差動増幅器４８Ａは、両入力信号Ｓａ、Ｓａｂを差動増幅し、第１差動信号ＤＳａを出力する。この第１差動信号ＤＳａは０度の位相を持つ周期信号Ｓａと１８０度の位相を持つ周期信号Ｓａｂの差を取ったものであり、周期信号ＳａとＳａｂの位相のずれがなければ、基準位相と同じ０度の位相を有する信号である。
【００３５】
同様に周期信号Ｓｂ及びＳｂｂは、電流−電圧変換器４４ｂ、４４ｂｂ及び増幅器４６ｂ、４６ｂｂを介して３相信号生成部４８の差動増幅器４８Ｂに入力される。差動増幅器４８Ｂは、両入力信号Ｓｂ、Ｓｂｂを差動増幅し、第２差動信号ＤＳｂを出力する。この第２差動信号ＤＳｂは、９０度の位相を持つ周期信号Ｓｂと２７０度の位相を持つ周期信号Ｓｂｂの差を取ったものであり、周期信号ＳｂとＳｂｂの位相のずれが無ければ、基準位相に対して９０度の位相差を有する信号である。
【００３６】
又、周期信号Ｓｂ及び周期信号Ｓｂｂは、電流−電圧変換器４４ｂ、４４ｂｂ及び増幅器４６ｂ、４６ｂｂを介して３相信号生成部４８の差動増幅器４８Ｃにも入力される。差動増幅器４８Ｃは、差動増幅器４８Ｂと同様に両入力信号ＳｂとＳｂｂを差動増幅するが、その出力信号ＤＳｃは、上記第２差動信号ＤＳｂとは位相が１８０度異なる反転差動信号として得られる。即ち、反転差動信号ＤＳｃは、基準位相に対して２７０度（即ち−９０度）の位相差を有している信号である。図１０（ｂ）に示すように、３相信号生成部４８で得られた３相信号ＤＳａ、ＤＳｂ、ＤＳｃは、それぞれ９０度位相差を有することとなる。
【００３７】
その後、第１差動信号ＤＳａと第２差動信号ＤＳｂは２相正弦波信号生成部５０が有する差動増幅器５０Ａに入力される。差動増幅器５０Ａは、入力された２信号ＤＳａとＤＳｂをベクトル合成することにより、Ａ相信号を生成する。０度の位相の信号ＤＳａと９０度の位相の信号ＤＳｂがベクトル合成されるため、Ａ相信号は基準位相に対して４５度の位相差を有する信号となる。
【００３８】
同様に、第１差動信号ＤＳａと反転差動信号ＤＳｃは２相正弦波信号生成部５０が有する差動増幅器５０Ｂに入力される。差動増幅器５０Ｂは、入力された２信号ＤＳａとＤＳｃをベクトル合成することにより、Ｂ相信号を生成する。Ａ相信号と同様に、０度の位相の信号ＤＳａと２７０度（−９０度）の位相の信号ＤＳｃがベクトル合成されるため、Ｂ相信号は基準位相に対して３１５度（即ち−４５度）の位相を有する信号となる。このように、得られたＡ相信号とＢ相信号は９０度の位相差を有しており、その強度は等しい（図１０（ｃ）参照）。
【００３９】
次に、周期信号Ｓｂ、Ｓｂｂに、周期信号Ｓａ、Ｓａｂに対する位相ずれが生じている場合について説明する。一般に光電式エンコーダにおいては、光源の位置、メインスケールのスケール格子の誤差等により、その出力信号（周期信号）に位相ずれを生じる場合がある。図１１（ａ）は、周期信号Ｓｂ、Ｓｂｂが、理想的には周期信号Ｓａ、Ｓａｂに対し９０度の位相差を有しているところ、この９０度から更に位相差δのずれを有している場合のベクトル図である。図１１（ｂ）は、３相信号生成部４８において生成された３相差動信号ＤＳａ〜ＤＳｃの位相と強度の関係を示す。図１１（ｃ）は、２相正弦波信号生成部５０において生成された信号の位相と強度の関係を示す。
【００４０】
各周期信号Ｓａ〜Ｓｂｂは、上述したように３相信号生成部４８の差動増幅器４８Ａ〜４８Ｃに入力され、差動信号ＤＳａ〜ＤＳｃが出力される。ここで、第２差動信号ＤＳｂは第１差動信号ＤＳａに対して位相ずれδを有するため９０度位相差とはならず、第１差動信号ＤＳａに対し（９０−δ）度の位相差を有することになる。差動増幅器４８Ｃにより生成される反転差動信号ＤＳｃは、第２差動信号ＤＳｂを反転したものであるので、第２差動信号ＤＳｂとは１８０度位相差であるものの、第２差動信号ＤＳｂと同様に第１差動信号ＤＳａに対して位相ずれδを有しているため、第１差動信号ＤＳａに対し（２７０−δ）度の位相差を有することとなる。
【００４１】
図１１（ｂ）に示すように、３相信号生成部４８で得られた３相差動信号ＤＳａ〜ＤＳｃは、周期信号Ｓｃ、Ｓｄが位相ずれδを有しているため、互いに９０度位相差を有するものではなく、位相ずれδを含んでいる。
【００４２】
その後、位相ずれδを有する３相差動信号ＤＳａ〜ＤＳｃのうち、第１差動信号ＤＳａと第２差動信号ＤＳｂは２相正弦波信号生成部５０の差動増幅器５０Ａに入力され、ベクトル合成される。これにより、図１１（ｃ）に示すように、Ａ相信号が得られる。２相正弦波信号生成部５０における処理はベクトル合成なので、Ａ相信号の位相は（４５−δ／２）度となる。
【００４３】
又、第１差動信号ＤＳａと反転差動信号ＤＳｃも、同様に２相正弦波信号生成部５０の差動増幅器５０Ｂに入力されベクトル合成されることによりＢ相信号が得られる。ここで、Ｂ相信号の位相は（１３５−δ／２）度となる。
【００４４】
このように、得られた２相信号Ａ、Ｂは、元の周期信号Ｓａ〜Ｓｄに位相ずれが生じたとしても、９０度位相差を有することとなる。即ち、周期信号Ｓａ〜Ｓｄが位相ずれを有する場合にも、位相調整操作を行なうことなく９０度位相差を持つＡ相信号及びＢ相信号を得ることができる（図１１（ｃ）参照）。
【００４５】
２相正弦波信号生成部５０における９０度位相差２相信号Ａ、Ｂを生成する処理はベクトル合成であるため、図１１（ｃ）に示すように２相信号Ａ、Ｂはそれぞれの信号強度が異なっている。この場合、２相正弦波信号生成部５０において、２相信号Ａ、Ｂを生成した後、それぞれの信号Ａ、Ｂの利得を利得調整部５２Ａ、５２Ｂで調整することによって、図１１（ｄ）に示すように９０度位相差を有し、且つ、強度の等しいＡ相信号及びＢ相信号を生成することができる。
【００４６】
次に、スケール１０のインクリメンタルトラック１２に欠陥やムラ等が存在したり、測長移動時に動的なピッチング変動が発生したりすることによって、メイン受光部３０ａ、３０ｂ、３０ａｂ、３０ｂｂの受光量が変化し、メイン受光部３０ａ、３０ｂ、３０ａｂ、３０ｂｂより出力される周期信号Ｓａ、Ｓｂ、Ｓａｂ、Ｓｂｂの強度が劣化している場合について説明する。
【００４７】
通常の光電式エンコーダでは、受光部において、光源の照射位置を通る対角線上に位相が１８０度異なる信号を生成するメイン受光部が配置されている場合がある。例えば、図５におけるａ相の位置に基準位相（０度）の位相を有する周期信号Ｓａを生成するメイン受光部３０ａが配置され、ｂｂ相の位置に１８０度の位相を有する周期信号Ｓａｂを生成するメイン受光部３０ａｂが配置される。又、ｂ相の位置に９０度の位相差を持つ周期信号Ｓｂを生成するメイン受光部３０ｂが配置され、ａｂ相の位置に２７０度の位相差を有する周期信号Ｓｂｂを生成するメイン受光部３０ｂｂが配置される場合である。
【００４８】
スケール１０のインクリメンタルトラック１２上の欠陥やピッチング変動があると、受光部により出力される信号は光源を中心に配置されたメイン受光部のうち、片側のみ（例えば図５における田の字形状の左側）の信号が劣化することになる。
【００４９】
図１２は、上述の通常の光電式エンコーダにおいて周期信号Ｓａ、Ｓｂ、Ｓａｂ、Ｓｂｂのうち周期信号Ｓａ及びＳｂｂに劣化が生じている場合の位相と強度の関係を示す。通常の光電式エンコーダにおいては、０度の位相を有する周期信号を生成するメイン受光部３０ａにインクリメンタルトラック１２の欠陥等の影響が及び、０度の位相を有する周期信号Ｓａに劣化が生じる。同様に２７０度の位相を有する周期信号を生成するメイン受光部３０ｂｂに欠陥等の影響が及び、２７０度の位相を有する周期信号Ｓｂｂに、劣化が生じる。
【００５０】
図１３は、通常の光電式エンコーダにおいて、片側の受光部により生成された周期信号Ｓａ及びＳｂｂに劣化が生じた場合の、信号処理後の９０度位相差２信号Ａ、Ｂに基づくリサージュ信号を示す。差動増幅処理を行なう１組の信号の片方に劣化が生じた周期信号に基づき生成された９０度位相差２信号には、ＤＣ変動が発生する。そのため、リサージュ図形の中心がずれることとなる。ＤＣ変動が生じることにより狭範囲精度が劣化し、光電式エンコーダの測定に支障をきたす。
【００５１】
これに対して、本実施形態においては、メイン受光部３０ａ、３０ｂ、３０ａｂ、３０ｂｂのうち位相が１８０度異なる周期信号を生成するものは、測長方向に垂直にずれた位置に配置されている。従って、スケール１０のインクリメンタルトラック１２の欠陥やピッチング変動が生じ、片側の２つのメイン受光部（例えば図５におけるメイン受光部３０ａ及び３０ａｂ）に影響が及んだとしても、差動増幅処理される信号は同時に信号が劣化することになり、ＤＣ変動が生じることはない。
【００５２】
図１４（ａ）は、インクリメンタルトラック１２の一部に欠陥等が生じている場合のメイン受光部３０ａ、３０ｂ、３０ａｂ、３０ｂｂにおいて生成された各周期信号Ｓａ、Ｓｂ、Ｓａｂ、Ｓｂｂの位相と強度を示す。図１４（ｂ）は、各周期信号Ｓａ、Ｓｂ、Ｓａｂ、Ｓｂｂから生成された差動信号ＤＳａ〜ＤＳｃの位相と強度を示す。図１４（ｃ）は、２相正弦波信号生成部５０において生成された信号Ａ、Ｂの位相と強度の関係を示す。ここで、周期信号Ｓｂ及びＳｂｂは、周期信号Ｓａ及びＳａｂに対して位相δのずれを有しているものとして説明・図示する。
【００５３】
本実施形態のメイン受光部３０ａ、３０ａｂにおいて、上述したように理由により周期信号Ｓａ、Ｓａｂが劣化する（図１４（ａ）参照）。周期信号Ｓａ、Ｓａｂから３相信号生成部４８において生成される第１差動信号ＤＳａにも劣化が生じる。これに対しメイン受光部３０ｂ、３０ｂｂにより出力された周期信号Ｓｂ、Ｓｂｂは劣化していない。周期信号Ｓｂ、Ｓｂｂから３相信号生成部４８において生成される第２差動信号ＤＳｂ及び反転差動信号ＤＳｃにも劣化は生じない（図１４（ｂ）参照）。
【００５４】
３相信号生成部４８から出力された３相差動信号ＤＳａ〜ＤＳｃは、それぞれ位相ずれδを有すると共に、第１差動信号ＤＳａが劣化しているため、その信号強度が異なることとなる（図１４（ｂ）参照）。この３相差動信号ＤＳａ〜ＤＳｃを２相正弦波信号生成部５０に入力しベクトル合成すると、図１４（ｃ）に示すように、出力として位相差が９０度ではないＡ相信号及びＢ相信号が出力される。その後、このＡ相信号及びＢ相信号は、利得調整部５２Ａ、５２Ｂにおいて利得が調整され、等しい強度を有することとなる（図１４（ｄ）参照）。
【００５５】
図１５は、本実施形態において生成された９０度位相差２相信号Ａ、Ｂに基づくリサージュ信号を示す。図１５に示すリサージュ図形は生成されたＡ相信号及びＢ相信号の位相差が９０度ではないため、その形状が楕円形状となるものの、その中心がずれることはない。
【００５６】
スケール１０のインクリメンタルトラック１２に存在する欠陥やムラ、ピッチング変動により周期信号に劣化が生じた場合において、本実施形態に係る光電式エンコーダにより生成された２相信号は、正確に９０度位相差を有するものではない。しかし、従来の差動処理を行なう１組の受光部を光源中心に対角に配置していたため発生するＤＣ変動に比べ、本実施形態に係る光電式エンコーダにより得られる位相差の生じた２相信号による検出の狭範囲精度の劣化（誤差）は、半分以下である。そのため、本実施形態に係る光電式エンコーダは、スケール１０のインクリメンタルトラック１２の欠陥やピッチング変動が生じた場合にも有効である。
【００５７】
このように、本実施形態に係る光電式エンコーダは、その信号処理にベクトル合成を用いることにより、信号を調整している。位相ずれを有する３相信号は、この処理過程において正確に９０度位相差を有することとなる。これにより、位相ずれを有する３相信号において、可変抵抗器等を用いた位相調整操作をすることなく所望の９０度位相差の２相信号を得ることができる。又、本実施形態に係る光電式エンコーダは、スケールのインクリメンタルトラックに存在する欠陥やムラ、ピッチング変動により周期信号に劣化が生じた場合においても有効である。
【００５８】
以上のように、本実施形態に係る光電式エンコーダで得られた９０度位相差を持つＡ相信号とＢ相信号は、２相正弦波信号生成部５０において３相差動信号ＤＳａ〜ＤＳｃをベクトル合成しているため、信号強度が約√２倍となる。これにより信号雑音比が３ｄＢ改善する。
【００５９】
又、利得調整部５２Ａ、５２Ｂにおいて、信号の利得を調整することによって、ベクトル合成後に強度の等しい９０度位相差２相信号を得ることができる。
【００６０】
次に、図１６を参照して、原点検出法について説明する。
【００６１】
原点マーク１４の相対移動に伴い、各受光部では信号変動を生じる。図１６に示すように、相対移動方向（図ではｃｗ方向）に対して、まずメイン受光部３０ａと３０ａｂが正反射の影響を受け、干渉縞受光変動を生じる。次に、ａ相（ａｂ相）とｂ相（ｂｂ相）の間に配置されているｚ相（ｚｂ相）が、回折光量低下の影響を受け、信号低下を生じる。
【００６２】
受光量変動を受けても、既に説明したように、２相正弦波は、カウントエラーを起こすほど変動しない。なお、信号純度は低下するため、スリット通過時の補間による厳密な測長は困難である。
【００６３】
原点マーク１４がｚ相受光部３２ｚと対向する位置に来ると、正反射成分により受光量が増える。ずらした位置に配置されたｚｂ相との差動信号（差動ｚ相信号）では、原点検出部通過前後の変動と通過時の変動では、差動ｚ相信号のエッジ方向が異なる（図１６の場合は、前者が立上りエッジ、後者が立下がりエッジ）ため、原点マーク正反射位置での原点検出が可能となる。
【００６４】
次に、差動ｚ相信号の立下りエッジパルスで、インクリメンタル信号の内部周期カウンタ５８をリセットして、周期カウントを開始させ、メモリ／設定回路８０で設定した、エッジパルスより充分後の受光変動が起きない任意（所望）の位置で、ｚ信号出力回路８２から、周期カウントと同期して原点パルスを出力する。
【００６５】
これにより、インクリメンタル信号と同期して、且つ任意の位置での原点パルスの出力が可能となる。
【００６６】
ゴミがあった場合には、差動ｚ相信号の増減方向が逆となるため、移動方向が分かっていれば、容易に識別できる。
【００６７】
本実施形態においては、更に、原点検出パルスとインクリメンタル２相方形波エッジ間隔を検出するパルス間隔検出回路７４と、その検出間隔により、内部周期カウンタ５８に下位２ビットを加算する下位２ビット加算回路７６を付加することで、リセット位置変動による周期飛びを防止して、原点検出リセットパルスの再現性を確保する機能を有している。即ち、図１７に示す如く、取付により検出部が傾いた場合、カウント周期が跳んでしまうことがある。そこでカウンタ（１／４周期カウンタ）の下位に２ｂｉｔを加算して、半周期ずらす事で、ダウンエッジでカウントするようにして、繰返し再現性を向上することができる。理論的には、再現性＜±１／２周期でも、原点パルス（任意の位置）の再現性を確保できる。このように、取付による原点検出再現性の劣化を補償することで、繰返し再現性を向上できる。
【００６８】
なお、図１８に示す第２実施形態の如く、前記ｚ相／ｚｂ相差動増幅器６６の出力にレベル値記憶回路６７を設け、そのレベルを比較器６８の判定レベルに使用することで、光源の劣化や表面の汚れ／酸化による反射率の変化にかかわらず、より高精度に原点を検出することもできる。
【００６９】
又、前記実施形態においては、検出器が光ファイバで検出されていたが、本発明の適用対象は、これに限定されず、例えば発光ダイオードとフォトダイオード又はフォトダイオードアレイ等を用いて検出器を構成することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本発明の第１実施形態におけるスケールと検出器の関係を示す斜視図
【図２】同じく平面図
【図３】第１実施形態のスケール構造を示す斜視図
【図４】同じく格子とスリットの構造の例を示す断面図
【図５】同じく検出部の受光配置を示す平面図
【図６】同じく斜視図
【図７】同じく原点検出部を示す図
【図８】同じく原点マーク検出信号を示す図
【図９】同じく信号処理部の構成を示すブロック図
【図１０】同じく信号処理の例を示すベクトル図
【図１１】信号処理の他の例を示すベクトル図
【図１２】従来の光電式エンコーダによる信号の例を示すベクトル図
【図１３】従来の光電式エンコーダによる信号の例のリサージュ波形を示す図
【図１４】第１実施形態による信号処理の他の例を示すベクトル図
【図１５】同じく信号処理の他の例のリサージュ波形を示す図
【図１６】同じく原点検出の流れを示す図
【図１７】同じく取付により検出部が傾いた場合を示す図
【図１８】本発明の第２実施形態の信号処理部の構成を示すブロック図
【符号の説明】
【００７１】
１０…スケール
１２…インクリメンタルトラック
１４…原点マーク
２０…検出器
２４…点光源
２６…投光用光ファイバ
２８…空間フィルタ
３０ａ、３０ｂ、３０ａｂ、３０ｂｂ…メイン受光部
３２ｚ、３２ｚｂ…原点信号受光部
４０…信号処理部
４２…インクリメンタル信号処理部
４８…３相信号生成部
５０…２相正弦波信号生成部
５６…方向判別部
５８…内部周期カウンタ
６０…原点信号処理部
６７…レベル値記憶回路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測長方向に沿って反射型位相格子が形成されたインクリメンタルトラックを有するメインスケールと、
このメインスケールと相対変位する検出部と、を備えた光電式エンコーダにおいて、
前記スケールに設けられた、前記インクリメンタルトラックの少なくとも一箇所に形成された反射スリットからなる原点マークと、
前記検出部に設けられた、前記メインスケールに拡散光を照射する光照射部、該光照射部を中心としてその周囲に配置されると共に前記光照射部から照射された光が前記メインスケールで回折されて形成された干渉縞を受光して、測長方向に沿って配置されて９０度位相差、且つ、測長方向に対して垂直方向に沿って配置されて１８０度位相差の関係となっている４つの受光窓を有して４つの位相が異なるインクリメンタル信号を出力するメイン受光部、及び、前記光照射部を点対称の中心として前記測長方向に対して垂直方向に配置されると共に原点信号を出力する一対の原点信号受光部と、
前記４つのインクリメンタル信号から９０度位相差の３相信号を生成する３相信号生成部、この３相信号をベクトル合成して９０度位相差の２相正弦波信号を生成する２相正弦波信号生成部、前記メインスケールに対する前記検出部の相対変位の方向を判別してエッジを検出する方向判別部、相対変位の周期を計数する内部周期カウンタ、及び、前記原点信号受光部の出力から原点信号を発生する原点信号処理部、を有する信号処理部と、
を備えたことを特徴とする光電式エンコーダ。
【請求項２】
前記原点マークの幅が、前記メイン受光部の幅の１／４以下で、且つ、前記原点信号受光部の幅の半分程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。
【請求項３】
前記光照射部が、点光源又は空間フィルタを有する光源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。
【請求項４】
前記信号処理部が、原点パルスと９０度位相差矩形信号の間隔を検出するパルス間隔検出回路と、検出したパルス間隔により、前記周期カウンタ開始命令発生部のスタートトリガ位置を変更する回路と、を有す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。
【請求項５】
前記信号処理部が、９０度位相差の倍数を遅延させるカウンタ開始指令値遅延回路を有す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。
【請求項６】
前記信号処理部が、原点信号の受光レベルを記憶する回路を有す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。
【請求項１】
測長方向に沿って反射型位相格子が形成されたインクリメンタルトラックを有するメインスケールと、
このメインスケールと相対変位する検出部と、を備えた光電式エンコーダにおいて、
前記スケールに設けられた、前記インクリメンタルトラックの少なくとも一箇所に形成された反射スリットからなる原点マークと、
前記検出部に設けられた、前記メインスケールに拡散光を照射する光照射部、該光照射部を中心としてその周囲に配置されると共に前記光照射部から照射された光が前記メインスケールで回折されて形成された干渉縞を受光して、測長方向に沿って配置されて９０度位相差、且つ、測長方向に対して垂直方向に沿って配置されて１８０度位相差の関係となっている４つの受光窓を有して４つの位相が異なるインクリメンタル信号を出力するメイン受光部、及び、前記光照射部を点対称の中心として前記測長方向に対して垂直方向に配置されると共に原点信号を出力する一対の原点信号受光部と、
前記４つのインクリメンタル信号から９０度位相差の３相信号を生成する３相信号生成部、この３相信号をベクトル合成して９０度位相差の２相正弦波信号を生成する２相正弦波信号生成部、前記メインスケールに対する前記検出部の相対変位の方向を判別してエッジを検出する方向判別部、相対変位の周期を計数する内部周期カウンタ、及び、前記原点信号受光部の出力から原点信号を発生する原点信号処理部、を有する信号処理部と、
を備えたことを特徴とする光電式エンコーダ。
【請求項２】
前記原点マークの幅が、前記メイン受光部の幅の１／４以下で、且つ、前記原点信号受光部の幅の半分程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。
【請求項３】
前記光照射部が、点光源又は空間フィルタを有する光源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。
【請求項４】
前記信号処理部が、原点パルスと９０度位相差矩形信号の間隔を検出するパルス間隔検出回路と、検出したパルス間隔により、前記周期カウンタ開始命令発生部のスタートトリガ位置を変更する回路と、を有す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。
【請求項５】
前記信号処理部が、９０度位相差の倍数を遅延させるカウンタ開始指令値遅延回路を有す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。
【請求項６】
前記信号処理部が、原点信号の受光レベルを記憶する回路を有す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。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【公開番号】特開２０１０−７１８３０（Ｐ２０１０−７１８３０Ａ）
【公開日】平成２２年４月２日（２０１０．４．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２４０２１６（Ｐ２００８−２４０２１６）
【出願日】平成２０年９月１９日（２００８．９．１９）
【出願人】（０００１３７６９４）株式会社ミツトヨ (979)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年４月２日（２０１０．４．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年９月１９日（２００８．９．１９）
【出願人】（０００１３７６９４）株式会社ミツトヨ (979)
【Ｆターム（参考）】
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