JP7520595B2 - Optical encoder and drive control device - Google Patents
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Description
本発明は、光学式エンコーダ等に関する。 The present invention relates to optical encoders, etc.
従来、工作機やFA装置などの角度測定に、ロータリーエンコーダが用いられている。光学式エンコーダには、例えば特許文献1に記載されているように、径方向に集光効果を持たせることで、受光効率を向上することができる。
Conventionally, rotary encoders are used to measure angles in machine tools, factory automation equipment, and the like. Optical encoders can improve light receiving efficiency by providing a radial light collecting effect, as described in
ロータリースケールでは、読み取る検出半径によって、移動方向の空間周波数が変化する。特に、検出半径が小さい場合、径のずれに対する、空間周波数の変化はより敏感になる。
読み取り中心径からのずれが大きく、検出信号に実質的に寄与できない領域の格子パターンからの光束を受光面に集光しても、信号効率を向上することはできず、逆にノイズ成分を増大する場合もある。
本発明は、小径化した場合でも低ノイズで、高分解能な光学式エンコーダを提供することを目的とする。
In a rotary scale, the spatial frequency in the direction of movement changes depending on the detection radius. In particular, when the detection radius is small, the change in spatial frequency with respect to the deviation of the radius becomes more sensitive.
Even if the light beam from a grating pattern in an area that is significantly shifted from the reading center diameter and cannot substantially contribute to the detection signal is focused on the light receiving surface, the signal efficiency cannot be improved and may even increase the noise component.
An object of the present invention is to provide an optical encoder that has low noise and high resolution even when its diameter is reduced.
本発明の光学式エンコーダは、
所定の軸を回転中心として回転するとともに、第1の半径領域に配置された第1の周期パターンと、前記第1の半径領域とは異なる半径領域に配置された第2の周期パターンとを含む格子パターンを有するロータリースケールと、
前記格子パターンを照射する光源と、
前記光源からの光によって照射された前記格子パターンにより形成される干渉縞を検出する受光素子と、を有し、
前記受光素子は、前記第1の周期パターンにより形成された第1の干渉縞を受光するとともに、前記第2の周期パターンから前記第1の周期パターンへの半径方向へ前記第2の周期パターンによって回折された第2の回折光を受光するように構成され、
前記光源から第1の周期パターンまでの光路長と、前記第1の周期パターンから前記受光素子までの第1の回折光の光路長と、が同じで、
前記光源から第2の周期パターンまでの光路長と、前記第2の周期パターンから前記受光素子までの第2の回折光の光路長と、が異なるように構成したことを特徴とする。
The optical encoder of the present invention comprises:
a rotary scale that rotates about a predetermined axis and has a grating pattern including a first periodic pattern arranged in a first radial area and a second periodic pattern arranged in a radial area different from the first radial area;
A light source that irradiates the grid pattern;
a light receiving element for detecting interference fringes formed by the grating pattern irradiated with light from the light source,
the light receiving element is configured to receive first interference fringes formed by the first periodic pattern and to receive second diffracted light diffracted by the second periodic pattern in a radial direction from the second periodic pattern to the first periodic pattern,
an optical path length from the light source to the first periodic pattern and an optical path length of the first diffracted light from the first periodic pattern to the light receiving element are equal,
The optical path length from the light source to the second periodic pattern and the optical path length of the second diffracted light from the second periodic pattern to the light receiving element are configured to be different .
本発明によれば、小径化した場合でも、低ノイズで高分解能な光学式エンコーダを実現することができる。 The present invention makes it possible to realize a low-noise, high-resolution optical encoder even when the diameter is reduced.
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。 The following describes an embodiment of the present invention with reference to the drawings.
図1には、本発明の実施例1である光学式エンコーダ(以下、単にエンコーダという)の構成を示している。図2は本実施例における光学式エンコーダの、図1のX軸側から見た断面構造を示している。
エンコーダは、不図示の測定装置の固定部に取り付けられるセンサユニット10と、前記測定装置の可動部に取り付けられ、センサユニット10に対して所定の軸を回転中心として回転可能な(ロータリー)スケール20とを有する。なお、装置の固定部にスケール20を取り付け、可動部にセンサユニット10を取り付けてもよい。
Fig. 1 shows the configuration of an optical encoder (hereinafter simply referred to as an encoder) according to a first embodiment of the present invention. Fig. 2 shows a cross-sectional structure of the optical encoder in this embodiment as viewed from the X-axis side of Fig. 1.
The encoder has a
すなわち、センサユニット10とスケール20とが相対移動可能であればよい。以下の説明において、センサユニット10に対するスケール20の移動方向(図2中のX方向)、すなわちスケール20とセンサユニット10との相対移動方向を位置検出方向という。センサユニット10は、LED等からなる発光素子11と、受光素子アレイ12を有する受光IC13とが同一パッケージ内に実装された受発光一体型のセンサユニットである。受光素子アレイ12は、スケール20に設けられた格子パターンで反射した光の強度分布を検出するための複数の受光素子が位置検出方向(X方向、即ちスケールの円周方向あるいは、半径に直角の方向)に配列されて構成されている(図4参照)。
In other words, it is sufficient that the
一方、スケール20には、円周方向に交互に配列された反射部と非反射部とにより反射型回折格子として形成された格子パターン21が設けられている。図3は格子パターン21の例を示す図であり、グレー部が非反射部、白部が反射部である。なお、本実施例では反射型スケールを用いているが、本発明はこれに限るものでは無く、透過型で構成しても良い。その場合は、グレー部が非透過部、白部を透過部とすれば良い。
On the other hand, the
読み取り中心半径r0(第1の半径位置)を中心とし、径方向幅Wr0の領域(領域A、第1の半径領域)を備えている。また、円周方向に、ロータリースケールの回転中心に対して所定の角度Tp/2毎に交互に配列された反射部と非反射部からなるスリット列(第1のパターン、第1の周期パターン)が複数設けられている。各スリット列はロータリースケールの回転中心から半径方向に延びた放射状の形状を有し、所定の角度毎に配置されている。第1のパターンは第1の周期P1を有する。
半径がr0+Wr0/2より大きい領域は、所定の半径r1(第3の半径位置)を含む領域B(第3の半径領域)を備える。
The rotary scale has a region (region A, first radial region) centered on the reading center radius r0 (first radial position) and having a radial width Wr0. In addition, a plurality of slit rows (first pattern, first periodic pattern) are provided in the circumferential direction, each row consisting of reflective and non-reflective sections arranged alternately at a predetermined angle Tp/2 with respect to the center of rotation of the rotary scale. Each slit row has a radial shape extending radially from the center of rotation of the rotary scale, and is arranged at a predetermined angle. The first pattern has a first period P1.
The region with a radius larger than r0+Wr0/2 includes a region B (third radius region) that includes a predetermined radius r1 (third radius position).
領域Bは、径方向に所定の間隔で周期的に非反射部と反射部からなる同心円状パターンを有する。同心円状パターンはロータリースケールの回転中心から所定間隔で複数配置され前記回転中心の円周方向に沿って延びている。また、円周方向に交互に配列された反射部と非反射部からなるスリット列(第2のパターン、第2の周期パターン)が設けられており、領域Bの第2のパターンの周期P2は第1のパターンの周期P1より長い。また前記第2のパターンと前記同心円状のパターンより格子パターンが形成されている。径方向に隣接する格子の径方向の中心間の距離はRp1で、径方向の反射部幅はRm1、非反射部幅はRs1である。 Area B has a concentric pattern consisting of non-reflective and reflective parts arranged periodically at a predetermined interval in the radial direction. A plurality of concentric patterns are arranged at a predetermined interval from the center of rotation of the rotary scale and extend along the circumferential direction of the center of rotation. In addition, a slit row (second pattern, second periodic pattern) consisting of reflective and non-reflective parts arranged alternately in the circumferential direction is provided, and the period P2 of the second pattern in area B is longer than the period P1 of the first pattern. In addition, a grating pattern is formed by the second pattern and the concentric pattern. The distance between the radial centers of adjacent gratings in the radial direction is Rp1, the radial width of the reflective parts is Rm1, and the width of the non-reflective parts is Rs1.
半径がr0-Wr0/2より小さい領域は、所定の半径r2(第2の半径位置)を含む領域C(第2の半径領域)を備え、径方向に所定の間隔で周期的に非反射部と反射部からなる同心円状パターンを有する。前記同心円状パターンはロータリースケールの回転中心から所定間隔で複数配置され前記回転中心の円周方向に沿って延びている。また、円周方向に交互に配列された反射部と非反射部からなるスリット列(第2の(周期)パターン)が設けられており、第2のパターンと前記同心円状パターンとによって格子パターンが形成されている。領域Cの第2のパターンの周期P2は第1のパターンの周期P1より短い。径方向に隣接する格子パターンの径方向の中心間の距離はRp2で、径方向の反射部幅はRm2、非反射部幅はRs2である。また、領域A、B、Cとも、円周方向の反射部幅はTmであり、非反射部の幅はTsである。 The region with a radius smaller than r0-Wr0/2 has a region C (second radius region) including a predetermined radius r2 (second radius position), and has a concentric pattern consisting of non-reflective and reflective parts arranged periodically at a predetermined interval in the radial direction. The concentric patterns are arranged at a predetermined interval from the center of rotation of the rotary scale and extend along the circumferential direction of the center of rotation. In addition, a slit row (second (periodic) pattern) consisting of reflective and non-reflective parts arranged alternately in the circumferential direction is provided, and a grid pattern is formed by the second pattern and the concentric pattern. The period P2 of the second pattern in region C is shorter than the period P1 of the first pattern. The distance between the centers of the radially adjacent grid patterns is Rp2, the radial width of the reflective part is Rm2, and the non-reflective part width is Rs2. In addition, the circumferential width of the reflective part is Tm and the width of the non-reflective part is Ts in all of regions A, B, and C.
本実施例では以下のパラメータを用いる。
Wr0=0.3mm
Tp=2π/1885=0.0033333 rad
Ts=Tp/2
Tm=Tp/2
Rp1=6μm
Rs1=Rp1/2
Rm1=Rp1/2
Rp2=6μm
Rs2=Rp2/2
Rm2=Rp2/2
r0=6mm
r1=6.2mm
r2=5.8mm
In this embodiment, the following parameters are used:
Wr0=0.3 mm
Tp=2π/1885=0.0033333 rad
Ts = Tp / 2
Tm = Tp / 2
Rp1=6 μm
Rs1 = Rp1/2
Rm1=Rp1/2
Rp2=6 μm
Rs2 = Rp2/2
Rm2 = Rp2 / 2
r0=6 mm
r1=6.2 mm
r2=5.8 mm
光源の中心波長をλとし、発光素子11の発光点を配置する半径位置から読み取り中心半径r0の距離をdr0とする(図7参照)。本実施例では、
λ=650nm
dr0=1mm
とする。また、発光素子11は前記格子パターンに対して所定の角度で光を照射する。
The central wavelength of the light source is λ, and the distance from the radial position where the light emitting point of the
λ=650 nm
dr0=1 mm
The
図4には、前記光源からの光によって照射された前記格子パターンの干渉縞を検出する受光素子としての受光素子アレイ12を示している。本実施例では、受光素子アレイ12は、160個の受光素子が位置検出方向に一列に並べられて構成されている。位置検出方向において互いに隣り合う2つの受光素子の中心間距離(隣接素子ピッチ)Xpdは10μmである。また、各受光素子の位置検出方向に直交する方向(Y方向)のサイズ(幅)Ypdは1000μmである。
Figure 4 shows the light receiving
160個の受光素子は、A(+)相、B(+)相、A(-)相およびB(-)相に、この順で、かつ循環的に割り当てられており、これら4つの相における各相に割り当てられた40個(2以上)の受光素子が1つの受光素子群を構成する。つまり、本実施例では、それぞれ40個の受光素子により構成される受光素子群が4つ設けられている。各受光素子群を構成する40個の受光素子は互いに電気的に接続されており、これらの出力(電流)は互いに足し合わされて後段に相ごとに設けられた不図示のIV(電流電圧)変換アンプに入力される。4つおきに配置された同じ受光素子群を構成する40個の受光素子のうち位置検出方向において最も近い2つの受光素子の中心間距離(群内素子ピッチ)Ppdは40(10×4)μmである。 The 160 light receiving elements are assigned to the A(+), B(+), A(-) and B(-) phases in this order and in a cyclical manner, and 40 (two or more) light receiving elements assigned to each of these four phases constitute one light receiving element group. In other words, in this embodiment, four light receiving element groups each consisting of 40 light receiving elements are provided. The 40 light receiving elements constituting each light receiving element group are electrically connected to each other, and their outputs (currents) are added together and input to an IV (current-voltage) conversion amplifier (not shown) provided for each phase in the subsequent stage. The center-to-center distance (intra-group element pitch) Ppd between the two light receiving elements closest to each other in the position detection direction among the 40 light receiving elements constituting the same light receiving element group arranged every four is 40 (10 x 4) μm.
各相のIVアンプの出力は、スケール20の移動に応じてその値が正弦波状に変化する電圧信号(正弦波信号)となる。4つの相に対して設けられた4つのIVアンプの出力はそれぞれ、信号位相の0度、90度、180度および270度に対応しており、演算処理によって位置情報に変換される。
図5は、本実施例のエンコーダの光路を展開して、すなわち反射を透過のように展開して示した図である。発光素子11から格子パターン21までの距離L1は、2mm±0.3mmの範囲に設定される。格子パターン21から受光素子アレイ12までの距離L2は、L1と等しく(または等しいとみなせる範囲内に)設定される。本実施例では、L1=L2=2mmとする。なおL1、L2は実効光路長に対応しており、実効光路長とは物理長を屈折率で除した値である。
The output of the IV amplifier for each phase is a voltage signal (sine wave signal) whose value changes sinusoidally in response to the movement of the
5 is a diagram showing the optical path of the encoder of this embodiment expanded, that is, expanded as if reflection were transmission. The distance L1 from the light-emitting
発光素子11としてのLEDから出射した発散光束は、格子パターン21に入射する。格子パターン21によって回折および反射された0次光、+1次回折光と-1次回折光は、受光素子アレイ12上で互いに干渉し、これにより周期Pの光強度分布を有する干渉縞が形成される。
図6は、受光素子アレイ12上の干渉縞の空間周波数Pに対する、4つの相に対して設けられた4つのIVアンプそれぞれの出力の信号振幅の応答特性を示している。
A divergent light beam emitted from an LED serving as a light-emitting
FIG. 6 shows the response characteristics of the signal amplitude of the output of each of the four IV amplifiers provided for the four phases, with respect to the spatial frequency P of the interference fringes on the light receiving
横軸の空間周波数は、受光素子アレイ12の群内素子ピッチの逆数1/Ppdで正規化されており、1で信号振幅の応答がピークを持つ。本実施例では、検出格子としての受光素子アレイ12の群内素子ピッチPpdが、検出感度がピークとなる周期P0に対応する。
The spatial frequency on the horizontal axis is normalized by the inverse of the element pitch in the
干渉縞の周期PがPpdからずれると、出力される信号振幅は減衰し、読み取っている干渉縞の本数をN(本実施例では40)として、Ppd/Pが(N+1)/N=1.025、或いは、(N-1)/N=0.975までずれると、信号が消失する。即ち、受光素子アレイ12は、前記第1の干渉縞の周期に対応した検出周期を有し、第1の周期としてのP0を含む所定の周期範囲の第1の干渉縞を検出可能であって、前記所定の周期範囲外の干渉縞は実質的に検出不能となっている。
When the period P of the interference fringes deviates from Ppd, the output signal amplitude attenuates, and when Ppd/P deviates to (N+1)/N=1.025 or (N-1)/N=0.975, where N is the number of interference fringes being read (40 in this embodiment), the signal disappears. In other words, the light receiving
図7にX軸側より見た光路展開図を示す。図5と同様に、本実施例のエンコーダの光路を展開して、すなわち反射を透過のように展開して示している。続いて、図7を用いて、回折の作用をスケール半径ごとに示す。
領域Aの半径r0を通る光束は、周方向のパターン周期Tp×r0が光学倍率M0=(L1+L2)/L1で、受光素子アレイ12上に投影され、Tp×r0×M0の空間周期の干渉縞を形成する。発光素子11の発光点を配置する半径位置から領域B内の半径r1の距離dr1は以下のように書ける。
Fig. 7 shows an optical path development as seen from the X-axis side. As in Fig. 5, the optical path of the encoder of this embodiment is developed, that is, reflection is developed as if it were transmission. Next, Fig. 7 shows the effect of diffraction for each scale radius.
A light beam passing through radius r0 of region A is projected onto the light-receiving
dr1=r1-r0+dr0
発光点から領域B内の半径r1に入射する光束31の光路長Opl1Aは以下の数1のように書ける。
dr1=r1-r0+dr0
The optical path length Opl1A of the
半径r1から内周方向に回折され受光素子アレイ12上に入射する光束41bの、受光素子アレイ12に入射する半径位置からr1の距離dr1_rは、回折光の出射角θ1outを用い以下の数3、数4のように書ける。
光束41bの光路長OplBは以下の数5のように書ける。
光束41bにより、受光素子アレイ12上に形成される円周方向の干渉縞の空間周期P1は以下の数7のように書ける。
同様に、内周側のr2を経由する光線の作用を、図8を用いて説明する。
発光素子11の発光点を配置する半径位置から領域C内の半径r2の距離dr2は以下の数8のように書ける。
The spatial period P1 of the circumferential interference fringes formed on the light receiving
Similarly, the effect of the light passing through r2 on the inner periphery side will be described with reference to FIG.
The distance dr2 of radius r2 within region C from the radial position where the light emitting point of the
以上のように、光源から第2の半径領域の格子(周期)パターンまでの光路長より、前記第2の半径領域の格子(周期)パターンから前記受光素子までの回折光の光路長が長くなるように構成されている。また、光源から第3の半径領域の格子(周期)パターンまでの光路長より、前記第3の半径領域の格子(周期)パターンから前記受光素子までの回折光の光路長が短くなるように構成されている。
As described above, the optical path length of the diffracted light from the grating (periodic) pattern of the second radial region to the light receiving element is longer than the optical path length from the light source to the grating (periodic) pattern of the second radial region, and the optical path length of the diffracted light from the grating (periodic) pattern of the third radial region to the light receiving element is shorter than the optical path length from the light source to the grating (periodic) pattern of the third radial region.
一方、半径r1から径方向に回折されずに受光素子アレイ12上に入射する光束41aは以下のようになる。
光束41a(径方向0次光)は、周方向のパターン周期Tp×r1が光学倍率M0=(L1+L2)/L1で、受光素子アレイ12上に投影され、Tp×r1×M0の空間周期P1′の干渉縞を形成する。空間周期P1′は以下の数16で表される。
On the other hand, a
The
正規化空間周波数1/P1′×Ppdは、0.968となる。これは、r0/r1に等しい。一方、信号が消失する正規化空間周波数は、(N-1)/N=0.975であり、上記はこれよりさらにずれているため、検出信号に実質的に寄与することができない。言い換えると、r1 > r0×N/(N-1)であることが、径方向に回折構造が無い場合に検出信号に実質的に寄与できない一つの条件である。なお、Nは受光素子で読み取っている干渉縞の本数である。
The normalized
同様に、半径r2から径方向に回折されずに受光素子アレイ12上に入射する光束42aは以下のようになる。光束42a(径方向0次光)は、周方向のパターン周期Tp×r2が光学倍率M0=(L1+L2)/L1で、受光素子アレイ12上に投影され、Tp×r2×M0の空間周期P2´の干渉縞を形成する。空間周期P2′は以下の数17で表される。
Similarly, the
言い換えると、r2 < r0×N/(N+1)であることが、径方向に回折構造が無い場合に検出信号に実質的に寄与できない一つの条件である。
上述のように、径方向の回折構造が無い場合は、上記の条件を満たす半径r1、r2を経由する光束は、検出信号に有効に寄与できない。
In other words, r2 < r0 × N/(N + 1) is one condition under which the absence of a diffraction structure in the radial direction makes no substantial contribution to the detection signal.
As described above, if there is no radial diffraction structure, the light beams passing through the radii r1 and r2 that satisfy the above conditions cannot effectively contribute to the detection signal.
受光素子アレイ12の径方向の大きさYpdは、検出信号に実質的に寄与する光束、すなわち、半径r1から内周方向に回折される光束41b、半径r2から外周方向に回折される光束42c、が入射する位置をカバーしていることが望ましい。さらに望ましくは、図9に示すように、検出信号に実質的に寄与しない光束、半径r1、半径r2から径方向に回折されない光束41a、42aが入射しないような幅(たとえば、Ypd=600μm)とすることで、信号のSN比を向上することができる。
It is desirable that the radial size Ypd of the light
上述したように、r1、もしくはr2の半径位置のパターンは、本実施例のような径方向の回折構造が無い場合は径方向0次光成分のみとなり、受光素子が検出可能な所定の周期範囲から外れてしまうため、位置検出信号のS/N比に寄与することができない。しかし本実施例では、前記の所定の周期範囲外のパターンも効率的に検出信号に寄与させるために、r1もしくはr2の半径位置(半径領域)のパターンに径方向の回折構造を持たせている。 As described above, if the pattern at the radial position of r1 or r2 does not have a radial diffraction structure as in this embodiment, it will only have a radial zero-order light component, which will fall outside the specified periodic range that the light receiving element can detect, and will not contribute to the S/N ratio of the position detection signal. However, in this embodiment, in order to allow patterns outside the specified periodic range to efficiently contribute to the detection signal, the pattern at the radial position (radial region) of r1 or r2 has a radial diffraction structure.
更に、光源からの光を格子パターンに対して、前記格子パターンより前記ロータリースケールの中心に近い側から光を照射するようにしている。そして、受光素子は、前記格子パターンからの回折光を前記格子パターンより前記ロータリースケールの中心から遠い側で受光するように配置されている。
なお、前記の第1のパターンは、透過率や反射率や光路差のいずれかの光学特性が、円周方向に所定の角度毎に交互に変化するように配列されていれば良い。同心円状パターンも同様に透過率や反射率や光路差のいずれかの光学特性が径方向に変化するように配列されていれば良い。
Furthermore, the light from the light source is irradiated onto the grating pattern from a side closer to the center of the rotary scale than the grating pattern, and the light receiving element is disposed to receive the diffracted light from the grating pattern on a side farther from the center of the rotary scale than the grating pattern.
The first pattern may be arranged so that any one of the optical characteristics, i.e., transmittance, reflectance, and optical path difference, changes alternately at predetermined angles in the circumferential direction, and the concentric patterns may be arranged so that any one of the optical characteristics, i.e., transmittance, reflectance, and optical path difference, changes radially.
さらに望ましくは、径方向に回折されて形成される周方向の干渉縞が、信号が消失する空間周波数ずれの半分以下の範囲に入っていることである。信号が消失する空間周波数は、検出に用いる干渉縞の本数をN、検出感度がピークとなる周期P0として、
(N±1)/N/P0
と書ける。本実施例のように受光素子アレイを検出格子として検出する場合には、P0=Ppdとなる。
More preferably, the circumferential interference fringes formed by the radial diffraction are within a range of half or less of the spatial frequency shift at which the signal disappears. The spatial frequency at which the signal disappears is expressed as follows, where N is the number of interference fringes used for detection, and P0 is the period at which the detection sensitivity reaches its peak:
(N±1)/N/P0
When the light receiving element array is used as a detection grating as in this embodiment, P0=Ppd.
望ましくは、径方向に回折され受光素子アレイ12上に入射する光束により検出格子上に形成される円周方向の干渉縞の空間周期P(本実施例におけるP1もしくはP2)が、以下の条件を満たす。そのために、径方向の格子構造周期である距離Rp(本実施例におけるRp1もしくはRp2)を以下の条件に合うように設定する。
(N-0.5)/N/P0<1/P<(N+0.5)/N/P0
Preferably, the spatial period P (P1 or P2 in this embodiment) of the circumferential interference fringes formed on the detection grating by the light beam diffracted in the radial direction and incident on the light receiving
(N-0.5)/N/P0<1/P<(N+0.5)/N/P0
前記受光素子アレイは、前記第1のパターンにより形成された周期Q1の第1の干渉縞を受光するとともに、前記第2のパターンによって回折され、前記第1の干渉縞の方向に向けて形成される周期Q2の第2の干渉縞を受光するように配置されている。そして、光学式エンコーダは、領域Cの第2パターンについては、
P2×Q1/P1<Q2<P1×Q1/P2
領域Bの第2のパターンについては、
P2×Q1/P1>Q2>P1×Q1/P2
の条件を満たすように構成されている。より好ましくは、領域Cの第2パターンについては、
P2×Q1/P1<Q2<Q1
領域Bの第2のパターンについては、
P2×Q1/P1>Q2>Q1
の条件を満たすように構成されている。
The light receiving element array is disposed to receive first interference fringes having a period Q1 formed by the first pattern, and to receive second interference fringes having a period Q2 diffracted by the second pattern and formed in the direction of the first interference fringes. The optical encoder then performs the following for the second pattern in the region C:
P2×Q1/P1<Q2<P1×Q1/P2
For the second pattern in region B,
P2×Q1/P1>Q2>P1×Q1/P2
More preferably, the second pattern in the region C is configured to satisfy the following condition:
P2×Q1/P1<Q2<Q1
For the second pattern in region B,
P2×Q1/P1>Q2>Q1
It is configured to satisfy the following conditions.
以上述べたように、本実施例によれば、円周方向の周期がずれて検出信号に実質的に寄与できない領域である半径r1もしくはr2の領域に対して、径方向に所定の周期の回折構造を持たせている。また半径r1もしくはr2の領域からの光束を回折し、検出格子上で検出可能な周期の干渉縞を形成するようにしている。それにより、従来技術では検出信号に実質的に寄与できない半径領域からの光束を、有効な光束として受光することができ、光の利用効率を向上するとともに、SN比を向上することができる。 As described above, according to this embodiment, a diffraction structure with a predetermined period in the radial direction is provided for the region of radius r1 or r2, which is an area where the period in the circumferential direction is shifted and cannot substantially contribute to the detection signal. In addition, the light beam from the region of radius r1 or r2 is diffracted to form interference fringes with a detectable period on the detection grating. As a result, the light beam from the radial area that cannot substantially contribute to the detection signal in the conventional technology can be received as an effective light beam, improving the light utilization efficiency and the signal-to-noise ratio.
図10は実施例2における格子パターン21の例を示す図である。それ以外の構成は実施例1のものと共通である。本実施例におけるスケール20には、円周方向に交互に配列された位相段差に、全面反射膜を備えた反射型回折格子として形成された格子パターン21が設けられている。図10中、グレー部が凹部、白部が凸部である。凹部と凸部による位相差は約波長/2で設計されている。
Figure 10 is a diagram showing an example of a
格子パターン21には、円周方向に交互に配列された凹部と凸部からなるスリット列が、径方向に複数並べられて設けられている。スリット列は、円周方向の凸部幅がTw1の列と、Tw2の列が、円周方向の格子位相を180度異ならせて、径方向に交互に隣接して配置されている。
隣接する円周方向の格子位相が同じスリット列の径方向の中心間の距離Rp(r)は、半径rがr0から離れるに従い、徐々に小さくなるように変化させている。
The
The radial center-to-center distance Rp(r) between adjacent slit rows having the same circumferential grating phase is changed so as to gradually decrease as the radius r moves away from r0.
本実施例では以下のパラメータを用いる。
Tp=2π/864=0.007272 rad
Tw1=Tp/2
Tw2=Tp/2
r0=5.5mm
λ=650nm
dr0=1mm
L1=L2=2mm
In this embodiment, the following parameters are used:
Tp=2π/864=0.007272 rad
Tw1=Tp/2
Tw2=Tp/2
r0=5.5 mm
λ=650 nm
dr0=1 mm
L1 = L2 = 2 mm
なお、本実施例では反射型スケールを用いているが、本実施例はこれに限るものでは無く、透過型で構成しても良い。その場合は、反射膜を無くし、透明基材による段差構造とし、空気と透明基材の屈折率差による位相差をλ/2とすれば良い。
続いて、図11を用いて、径方向回折の作用を説明する。
格子パターン21によって回折および反射された+1次回折光と-1次回折光は、例えば図13に示すインデックス格子15上で互いに干渉し、周期P(r)の干渉縞が形成される。
In this embodiment, a reflective scale is used, but the present embodiment is not limited to this, and a transmissive scale may be used. In this case, the reflective film is eliminated, a step structure is formed using a transparent base material, and the phase difference due to the refractive index difference between air and the transparent base material is set to λ/2.
Next, the effect of radial diffraction will be described with reference to FIG.
The +1st order diffracted light and -1st order diffracted light diffracted and reflected by the
即ち、径方向に集光作用をもつ回折レンズとして作用し、受光素子アレイ12上で略焦点を結ぶ。焦点を結ぶためには、例えば、以下の数18~数22を満たすように、スリット列の中心間の距離Rp(r)を決めれば良い。
発光点から半径rに入射する光束31の光路長Opl1Aは以下の数23のように書ける。
光束41bにより、受光素子アレイ12上に形成される円周方向の干渉縞の空間周期P1は以下の数26のように書ける。
一方、半径rから径方向に回折されずに受光素子アレイ12上に入射する光束41a(径方向0次光)は、周方向のパターン周期Tp×rが光学倍率M0=(L1+L2)/L1で、受光素子アレイ12上に投影される。その結果、以下の数27で表される空間周期P(r)′の干渉縞を形成する。
On the other hand, the
図12で示したように、干渉縞の周期PがPpdからずれると、出力される信号振幅は減衰する。読み取っている干渉縞の本数をN(本実施例では40)として、Ppd/Pが(N+1)/N=1.025、或いは、(N-1)/N=0.975までずれると、信号が消失する。つまり、径方向の回折構造が無い場合は、読み取り中心半径r0から±0.1mm以上ずれた位置を経由する光束は、検出信号に有効に寄与できない。一方、実線で示すように、径方向の回折構造を持たせることで、読み取り中心半径r0から±1mmずれた位置を経由する光束でも、検出信号に有効に寄与させることができる。 As shown in FIG. 12, when the period P of the interference fringes deviates from Ppd, the output signal amplitude attenuates. If the number of interference fringes being read is N (40 in this embodiment), and Ppd/P deviates to (N+1)/N=1.025 or (N-1)/N=0.975, the signal disappears. In other words, if there is no radial diffraction structure, the light beam passing through a position shifted by ±0.1 mm or more from the reading center radius r0 cannot effectively contribute to the detection signal. On the other hand, as shown by the solid line, by providing a radial diffraction structure, even the light beam passing through a position shifted by ±1 mm from the reading center radius r0 can effectively contribute to the detection signal.
このように、径方向への回折構造をもたせることで、広い半径領域にわたって、検出信号に実質的に寄与できるようになっていることが分かる。
さらに、径方向の集光効果を持たせた上で、検出信号に実質的に寄与する半径範囲を広くとる条件について述べる。図11において、発光素子11から格子パターン21までの距離L1、格子パターン21から受光素子アレイ12までの距離L2をL1と等しく(または等しいとみなせる範囲内に)設定し、L1=L2=Lとする。受光部を発光素子に対して回転軸の外周側に配置する。受光部の径方向中心から発光素子の径方向中心の径方向距離をd、両者の径方向の中点におけるスケール半径をr0とする。
下記の数28を満たす場合に、集光効果と広い検出範囲を得ることができる。
In this way, it can be seen that by providing a diffraction structure in the radial direction, it is possible to substantially contribute to the detection signal over a wide radial area.
Furthermore, the conditions for widening the radial range that substantially contributes to the detection signal while providing a radial light collecting effect will be described. In Fig. 11, the distance L1 from the
When the following formula 28 is satisfied, a light collecting effect and a wide detection range can be obtained.
以上述べたように、光源、受光素子の半径方向の配置、スケールとの距離を上記条件のように配置することにより、径方向に狭い範囲に集光させつつ、検出信号に有効に寄与させることができる。径方向に集光されることで、面内回転の許容量を増大させる効果も得られる。 As described above, by arranging the light source and the light receiving element in the radial direction and the distance from the scale according to the above conditions, it is possible to focus the light in a narrow radial range while still allowing it to contribute effectively to the detection signal. Focusing the light in the radial direction also has the effect of increasing the tolerance for in-plane rotation.
図13は本実施例における光学式エンコーダの他の構成例を示している。
センサユニット10は、LEDにより構成された発光素子11と受光素子アレイ12を有する受光IC13とが同一パッケージ内に実装された受発光一体型のセンサユニットとしている。発光素子11からスケール20に向かう光路中には、位置検出方向に交互に配列された透過部と遮光部とにより透過型回折格子として形成された第1の格子としての光源格子(光源パターン)14が設けられている(図16参照)。
FIG. 13 shows another example of the configuration of the optical encoder according to this embodiment.
The
また、スケール20から受光素子アレイ12に向かう光路中(スケール20と受光素子アレイ12との間)には、第3の格子としてのインデックス格子(中間パターン)15が設けられている。インデックス格子15は、位置検出方向に交互に配列された透過部と遮光部とにより透過型回折格子として形成されている。光源格子14とインデックス格子15はそれぞれ、カバーガラス16の一方の面上に透過部となるクロム膜を形成することで設けられる。光源格子14とインデックス格子15が設けられたカバーガラス16は、発光素子11および受光IC13が封止された透光性樹脂17に対して貼り合わされて、これら発光素子11および受光IC13と光学的に一体化される。
In addition, an index grating (intermediate pattern) 15 is provided as a third grating in the optical path from the
図14は実施例3におけるスケール20上の格子パターン21の例を示す図である。本実施例におけるスケール20には、円周方向に交互に配列された位相段差に、全面反射膜を備えた反射型回折格子として形成された格子パターン21が設けられている。図14中、グレー部が凹部、白部が凸部である。凹部と凸部による位相差は約波長/2で設計されている。
読み取り中心半径r0を中心とし、径方向幅Wr0の領域には、領域Aを備え、円周方向に交互に配列された凸部と凹部からなるスリット列が設けられている。
Fig. 14 is a diagram showing an example of a
An area having a radial width Wr0 centered on the reading center radius r0 includes an area A, and is provided with a row of slits each made up of a projection and a recess alternately arranged in the circumferential direction.
半径がr0+Wr0/2より大きい領域は、所定の半径r1を含む領域Bを備える。領域Bは、円周方向に交互に配列された凸部と凹部からなるスリット列が、径方向に複数並べられて設けられている。スリット列は、径方向に円周方向の凸部幅はTw1の列と、Tw2の列が、円周方向の格子位相を180度異ならせて交互に隣接して配置されている。径方向に交互に配列される円周方向の格子位相において、径方向に隣接する格子位相の径方向の中心間の距離はRp1で、径方向の凸部幅はRs1、凹部幅はRm1である。 A region with a radius larger than r0+Wr0/2 includes region B that includes a predetermined radius r1. Region B has multiple slit rows arranged in the radial direction, each row consisting of convex portions and concave portions arranged alternately in the circumferential direction. The slit rows are arranged alternately in the radial direction, with rows of convex portions with a width in the radial direction of Tw1 and rows of convex portions with a width in the radial direction of Tw2, with the circumferential grating phases differing by 180 degrees. In the circumferential grating phases arranged alternately in the radial direction, the distance between the radial centers of adjacent grating phases in the radial direction is Rp1, the radial convex portion width is Rs1, and the concave portion width is Rm1.
同様に、半径がr0-Wr0/2より小さい領域は、所定の半径r2を含む領域Cを備え、円周方向に交互に配列された凸部と凹部からなるスリット列が、径方向に複数並べられて設けられている。スリット列は、径方向に円周方向の凸部幅はTw1の列と、Tw2の列が、円周方向の格子位相を180度異ならせて交互に隣接して配置されている。径方向に交互に配列される円周方向の格子位相において、径方向に隣接する格子位相の径方向の中心間の距離はRp2で、径方向の凸部幅はRs2、凹部幅はRm2である。 Similarly, the region with a radius smaller than r0-Wr0/2 includes region C with a predetermined radius r2, and multiple slit rows consisting of convex portions and concave portions arranged alternately in the circumferential direction are arranged in the radial direction. The slit rows are arranged alternately in the radial direction with circumferential convex portion widths of Tw1 and Tw2, with the circumferential grating phases differing by 180 degrees. In the circumferential grating phases arranged alternately in the radial direction, the distance between the radial centers of radially adjacent grating phases is Rp2, the radial convex portion width is Rs2, and the concave portion width is Rm2.
本実施例では以下のパラメータとなっている。
Wr0=0.12mm
Tp=2π/1885=0.0033333 rad
Tw1=Tp/2
Tw2=Tp/2
Rp1=9μm
Rs1=Rp1/2
Rm1=Rp1/2
Rp2=9μm
Rs2=Rp2/2
Rm2=Rp2/2
r0=6mm
r1=6.1mm
r2=5.9mm
In this embodiment, the parameters are as follows:
Wr0=0.12mm
Tp=2π/1885=0.0033333 rad
Tw1=Tp/2
Tw2=Tp/2
Rp1=9 μm
Rs1 = Rp1/2
Rm1=Rp1/2
Rp2=9 μm
Rs2 = Rp2/2
Rm2 = Rp2 / 2
r0=6 mm
r1=6.1 mm
r2=5.9 mm
なお、本実施例では反射型スケールを用いているが、本発明はこれに限るものでは無く、透過型で構成しても良い。その場合は、反射膜を無くし、透明基材による段差構造とし、空気と透明基材の屈折率差による位相差を波長/2とすれば良い。
本実施例では、受光素子アレイ12は、32個の受光素子が位置検出方向に一列に並べられて構成されている。位置検出方向において互いに隣り合う2つの受光素子の中心間距離(隣接素子ピッチ)Xpdは64μmである。また、各受光素子の位置検出方向に直交する方向(Y方向)でのサイズ(幅)Ypdは450μmである。
In this embodiment, a reflective scale is used, but the present invention is not limited to this, and a transmissive scale may be used. In this case, the reflective film is eliminated, a step structure is formed using a transparent base material, and the phase difference due to the refractive index difference between air and the transparent base material is set to wavelength/2.
In this embodiment, the light receiving
32個の受光素子は、A(+)相、B(+)相、A(-)相およびB(-)相に、この順で、かつ循環的に割り当てられており、これら4つの相における各相に割り当てられた8個(2以上)の受光素子が1つの受光素子群を構成する。つまり、本実施例では、それぞれ8個の受光素子により構成される受光素子群が4つ設けられている。各受光素子群を構成する8つの受光素子は互いに電気的に接続されており、これらの出力(電流)は互いに足し合わされて後段に相ごとに設けられた不図示のIV変換アンプに入力される。4つおきに配置された同じ受光素子群を構成する8つの受光素子のうち位置検出方向において最も近い2つの受光素子の中心間距離(群内素子ピッチP)Ppdは256(=64×4)μmである。 The 32 light receiving elements are assigned to the A(+), B(+), A(-) and B(-) phases in this order and in a cyclical manner, and the eight (two or more) light receiving elements assigned to each of these four phases constitute one light receiving element group. In other words, in this embodiment, four light receiving element groups are provided, each consisting of eight light receiving elements. The eight light receiving elements that make up each light receiving element group are electrically connected to each other, and their outputs (currents) are added together and input to an IV conversion amplifier (not shown) that is provided for each phase in the subsequent stage. The center-to-center distance (intra-group element pitch P) Ppd between the two light receiving elements that are closest in the position detection direction among the eight light receiving elements that make up the same light receiving element group arranged every four is 256 (=64×4) μm.
図15には、本実施例のエンコーダの光路を展開して、すなわち反射を透過のように展開して示している。発光素子11と光源格子14の距離L0は0.3mmである。発光素子11とともに光源を構成する光源格子14(後述する2次点光源)から格子パターン21までの距離L1は、2.1mm±0.3mmの範囲に設定される。格子パターン21からインデックス格子15までの距離L2は、L1と等しく(または等しいとみなせる範囲内に)設定される。本実施例では、L1=L2=2.1mmとする。インデックス格子15から受光素子アレイ12までの実効光路長としての距離L3は、0.3mmである。実効光路長とは、物理長を屈折率で除した値である。
Figure 15 shows the optical path of the encoder of this embodiment expanded, that is, expanded as if reflection were transmission. The distance L0 between the light-emitting
図16には、センサユニット10の構成をスケール側から見て示している。光源格子14の格子ピッチP1は20μmであり、インデックス格子15の格子ピッチP3は18.46154μmである。
発光素子11としてのLEDから出射した発散光束は、光源格子14を通過することによって互いにインコヒーレントな複数の2次点光源を含む光源アレイを形成する。
16 shows the structure of the
Divergent light beams emitted from the LEDs serving as the
光源格子14から出射した発散光束は、格子パターン21に入射する。なお、本実施例では、LEDと光源格子14との組み合わせによって2次点光源を形成するが、これに代えて、電流狭窄型LEDや半導体レーザー等を実効的な点光源として配置してもよい。また、本実施例では、光源格子14上の点光源からの発散光束をそのまま格子パターン21に入射させるが、これに代えて、レンズを用いて実効的な点光源の位置を変換して格子パターン21に入射させてもよい。この場合、L1は実効的な点光源と格子パターン21との間の距離に置き換えられる。
The divergent light beam emitted from the
格子パターン21によって回折および反射された+1次回折光と-1次回折光は、インデックス格子15上で互いに干渉し、周期Pの干渉縞が形成される。インデックス格子15の格子ピッチP3とPの差により、もとの干渉縞に対して粗い空間周期Pmが重畳された光強度分布(干渉縞)がインデックス格子15を透過する。空間周期Pmは以下の式で表すことができる。ただし、ABS(x)はxの絶対値を表す関数である。
Pm=ABS(P・P3/(P-P3))
The +1st order diffracted light and -1st order diffracted light diffracted and reflected by the
Pm=ABS(P・P3/(P−P3))
インデックス格子15を透過した空間周期Pmの光強度分布は、さらに伝搬して、像倍率Mで受光素子アレイ12上に投影される。すなわち、受光素子アレイ12上には、空間周期M・Pmの光強度分布が形成される。このときの像倍率Mは、
M=(L0+L1+L2+L3)/(L0+L1+L2)
で表される。
The light intensity distribution with a spatial period Pm that has passed through the index grating 15 propagates further and is projected onto the light-receiving
M=(L0+L1+L2+L3)/(L0+L1+L2)
It is expressed as:
受光素子アレイ12上には、M・Pmの周期を持つ強度分布が形成され、
M・Pm=Ppd
のときに、検出振幅がピークとなる。
言い換えると、インデックス格子15上で、検出振幅がピークとなる空間周期P0は以下のように表せる。
An intensity distribution having a period of M·Pm is formed on the light receiving
M Pm = Ppd
The detected amplitude reaches its peak when
In other words, the spatial period P0 at which the detected amplitude reaches a peak on the index grating 15 can be expressed as follows:
P0=P3・Ppd/(Ppd-M・P3)=20μm
その時にインデックス格子15上で読み取られる干渉縞の本数Nは、受光素子アレイ12の全幅2048μmをP0・Mで割って、N=96となる。
P0=P3・Ppd/(Ppd−M・P3)=20μm
At that time, the number N of interference fringes read on the index grating 15 is calculated by dividing the total width of the light
図17は、インデックス格子15上の干渉縞の空間周波数Pに対する、4つの相に対して設けられた4つのIVアンプの出力の信号振幅の応答特性を示している。横軸の空間周波数は、インデックス格子と受光素子アレイからなる検出系の検出ピーク周波数がP0の逆数で正規化されており、1で信号振幅の応答がピークを持つ。 Figure 17 shows the response characteristics of the signal amplitude of the output of four IV amplifiers provided for four phases against the spatial frequency P of the interference fringes on the index grating 15. The spatial frequency on the horizontal axis is normalized by the reciprocal of P0, the detection peak frequency of the detection system consisting of the index grating and the light receiving element array, and the signal amplitude response has a peak at 1.
干渉縞の周期PがP0からずれると、出力される信号振幅は減衰し、読み取っている干渉縞の本数をN(本実施例では96)として、P0/Pが(N+1)/N=1.01、或いは、(N-1)/N=0.99までずれると、信号が消失する。 When the period P of the interference fringes deviates from P0, the output signal amplitude attenuates, and if the number of interference fringes being read is N (96 in this embodiment), the signal disappears when P0/P deviates to (N+1)/N=1.01 or (N-1)/N=0.99.
続いて、図18を用いて、回折の作用をスケール半径ごとに示す。
光源の中心波長をλとし、発光素子11の発光点を配置する半径から読み取り中心半径r0の距離をdr0とする。本実施例では、
λ=650nm
dr0=1mm
とする。
Next, the effect of diffraction will be shown for each scale radius using FIG.
The central wavelength of the light source is λ, and the distance from the radius where the light emitting point of the
λ=650 nm
dr0=1 mm
Let us assume that.
領域Aの、半径r0を通る光束は、周方向のパターン周期Tp×r0が光学倍率M0=(L1+L2)/L1で、受光素子アレイ12上に投影され、Tp×r0×M0/2の空間周期の干渉縞を形成する。
発光素子11の発光点を配置する半径から領域B内の半径r1の距離dr1は以下の数30のように書ける。
A light beam passing through a radius r0 of region A has a circumferential pattern period Tp×r0 and is projected onto the light receiving
The distance dr1 from the radius where the light emitting point of the
光源格子から領域B内の半径r1に入射する光束31の光路長Opl1Aは以下の数32ように書ける。
半径r1から内周方向に回折され受光素子アレイ12上に入射する光束41bのインデックス格子に入射する半径位置からr1の距離dr1_rは、回折光の出射角θ1outを用い以下の数33、数34のように書ける。
The distance dr1_r from the radial position r1 at which the
光束41bにより、受光素子アレイ12上に形成される円周方向の干渉縞の空間周期P1は以下の数37のように書ける。
同様に、内周側のr2を経由する光線の作用を、図19を用いて説明する。
発光素子11の発光点を配置する半径から領域C内の半径r2の距離dr2は以下の数38のように書ける。
The spatial period P1 of the circumferential interference fringes formed on the light receiving
Similarly, the effect of the light passing through r2 on the inner periphery side will be described with reference to FIG.
The distance dr2 from the radius where the light emitting point of the
半径r2から外周方向に回折され受光素子アレイ12上に入射する光束42cの、受光素子アレイ12に入射する半径位置からr2の距離dr2_rは、回折光の出射角θ2outを用い以下の数41、数42のように書ける。
光束42cの光路長Opl2Bは以下の数43のように書ける。
一方、半径r1から径方向に回折されずに受光素子アレイ12上に入射する光束41aは以下の数46のようになる。光束41a(径方向0次光)は、周方向のパターン周期Tp×r1が光学倍率M0=(L1+L2)/L1で、受光素子アレイ12上に投影され、Tp×r1×M0/2の空間周期P1′の干渉縞を形成する。
On the other hand, the
同様に、半径r2から径方向に回折されずに受光素子アレイ12上に入射する光束42aは以下の数47のようになる。光束42a(径方向0次光)は、周方向のパターン周期Tp×r2が光学倍率M0=(L1+L2)/L1で、受光素子アレイ12上に投影され、Tp×r2×M0の空間周期P2′の干渉縞を形成する。
Similarly, the
半径r1、r2から径方向に回折しない光束による干渉縞による出力応答は、検出感度がピークとなる周期P0の応答とは逆符号になっており、検出信号に実質的に寄与しない成分であることが図17より分かる。つまり、径方向の回折構造が無い場合は、半径r1、r2を経由する光束は、検出信号に有効に寄与できない。 The output response due to interference fringes caused by light beams that do not diffract in the radial direction from radii r1 and r2 has the opposite sign to the response at period P0 where the detection sensitivity is at its peak, and it can be seen from Figure 17 that this is a component that does not substantially contribute to the detection signal. In other words, if there is no radial diffraction structure, the light beams that pass through radii r1 and r2 cannot effectively contribute to the detection signal.
以上述べたように、本実施例によれば、径方向に適切な周期の回折構造を持たせ、円周方向の周期がずれて検出信号に実質的に寄与できない領域の半径位置のパターンからの光束を回折し、検出格子上で検出可能な周期の干渉縞を形成するようにしている。 As described above, according to this embodiment, a diffraction structure with an appropriate period in the radial direction is provided, and light beams from a pattern at a radial position in an area where the period in the circumferential direction is shifted and the area cannot substantially contribute to the detection signal are diffracted, forming interference fringes with a detectable period on the detection grating.
図20は実施例4における格子パターン21の例を示す図である。本実施例におけるスケール20には、円周方向に交互に配列された位相段差に、全面反射膜を備えた反射型回折格子として形成された格子パターン(格子パターン)21が設けられている。図20中、グレー部が凹部、白部が凸部である。凹部と凸部による位相差は約波長/2で設計されている。
Figure 20 is a diagram showing an example of a
読み取り中心半径r0を中心とし、径方向幅rW0の領域には、領域Aを備え、円周方向に交互に配列された凸部と凹部からなるスリット列が設けられている。領域Aにおいては、凹部スリットと凸部スリットの境界Tp/6幅に、径方向に周期を持つ凹凸格子となっている。径方向の格子周期は4μmである。 A region with a radial width rW0 centered on the reading center radius r0 has an area A, in which a row of slits consisting of convex and concave portions arranged alternately in the circumferential direction is provided. In area A, the boundary Tp/6 width between the concave slits and the convex slits forms a concave-convex grating with a period in the radial direction. The grating period in the radial direction is 4 μm.
半径がr0+Wr0/2より大きい領域は、所定の半径r1を含む領域Bを備える。領域Bは、円周方向に交互に配列された凸部と凹部からなるスリット列が、径方向に複数並べられて設けられている。スリット列は、径方向に円周方向の凸部幅がTw1の列と、Tw2の列が、円周方向の格子位相を180度異ならせて交互に隣接して配置されている。径方向に交互に配列される格子位相において、径方向に隣接する格子位相の径方向の中心間の距離はRp1で、径方向の凸部幅はRs1、凹部幅はRm1である。 A region with a radius larger than r0+Wr0/2 includes region B that includes a predetermined radius r1. Region B has multiple slit rows arranged in the radial direction, each row consisting of convex portions and concave portions arranged alternately in the circumferential direction. The slit rows are arranged alternately in the radial direction, with rows of convex portions with a width in the radial direction of Tw1 and rows of Tw2, with the circumferential grating phases differing by 180 degrees. In the grating phases arranged alternately in the radial direction, the distance between the radial centers of adjacent grating phases in the radial direction is Rp1, the radial convex portion width is Rs1, and the concave portion width is Rm1.
同様に、半径がr0‐Wr0/2より小さい領域は、所定の半径r2を含む領域Cを備え、円周方向に交互に配列された凸部と凹部からなるスリット列が、径方向に複数並べられて設けられている。スリット列は、径方向に円周方向の凸部幅はTw1の列と、Tw2の列が、円周方向の格子位相を180度異ならせて交互に隣接して配置されている。径方向に交互に配列される格子位相において、径方向に隣接する格子位相の径方向の中心間の距離はRp2で、径方向の凸部幅はRs2、凹部幅はRm2である。 Similarly, the region with a radius smaller than r0-Wr0/2 includes region C with a predetermined radius r2, and multiple slit rows consisting of convex portions and concave portions arranged alternately in the circumferential direction are arranged in the radial direction. The slit rows are arranged alternately in the radial direction with convex portion widths of Tw1 and Tw2, with the circumferential grating phases differing by 180 degrees. In the grating phases arranged alternately in the radial direction, the distance between the radial centers of adjacent grating phases in the radial direction is Rp2, the radial convex portion width is Rs2, and the concave portion width is Rm2.
実施例3との違いは、格子デューティ比(周方向周期の中での凸部幅と凹部幅の比率)が1:2となっている点である。すなわち、Tw1/Tp=Tw2/Tp=1/3である。
本実施例では以下のパラメータとなっている。
The difference from Example 3 is that the grating duty ratio (the ratio of the convex portion width to the concave portion width in the circumferential period) is 1:2, i.e., Tw1/Tp=Tw2/Tp=1/3.
In this embodiment, the parameters are as follows:
Wr0=0.12mm
Tp=2π/1885=0.0033333 rad
Tw1=Tp/3
Tw2=Tp/3
Rp1=9μm
Rs1=Rp1/2
Rm1=Rp1/2
Rp2=9μm
Rs2=Rp2/2
Rm2=Rp2/2
r0=6mm
r1=6.1mm
r2=5.9mm
Wr0=0.12mm
Tp=2π/1885=0.0033333 rad
Tw1=Tp/3
Tw2=Tp/3
Rp1=9 μm
Rs1 = Rp1/2
Rm1=Rp1/2
Rp2=9 μm
Rs2 = Rp2/2
Rm2 = Rp2 / 2
r0=6 mm
r1=6.1 mm
r2=5.9 mm
なお、本実施例では反射型スケールを用いているが、本発明はこれに限るものでは無く、透過型で構成しても良い。その場合は、反射膜を無くし、透明基材による段差構造とし、空気と透明基材の屈折率差による位相差をλ/2とすれば良い。 In this embodiment, a reflective scale is used, but the present invention is not limited to this, and a transmissive scale may be used. In that case, the reflective film is eliminated, a step structure is formed using a transparent substrate, and the phase difference due to the refractive index difference between air and the transparent substrate is set to λ/2.
本実施例では、領域B、領域Cで格子デューティを1:2とすることで、径方向の回折光に含まれる、円周方向の±3次回折光を低減することができる。また、領域Aの凹部スリットと凸部スリットの境界Tp/6幅に、径方向に周期を持つ凹凸格子としたことで、径方向に回折しない成分に含まれる、円周方向の±3次回折光を低減することができる。このようにすることで、ギャップの変化に対する信号振幅の変動を抑制することが可能である。 In this embodiment, by setting the grating duty to 1:2 in regions B and C, it is possible to reduce the ±3rd order diffracted light in the circumferential direction contained in the diffracted light in the radial direction. In addition, by using a concave-convex grating with a radial period at the boundary Tp/6 width between the concave slits and convex slits in region A, it is possible to reduce the ±3rd order diffracted light in the circumferential direction contained in the component that does not diffract in the radial direction. In this way, it is possible to suppress the fluctuation in signal amplitude due to changes in the gap.
図21は実施例5における格子パターン21の例を示す図である。本実施例におけるスケール20には、円周方向に交互に配列された位相段差に、全面反射膜を備えた反射型回折格子として形成された格子パターン21が設けられている。図20中、グレー部が凹部、白部が凸部である。凹部と凸部による位相差は約波長/2で設計されている。
Figure 21 is a diagram showing an example of a
読み取り中心半径r0を中心とし、径方向幅rW0の領域には、領域Aを備え、円周方向に交互に配列された凸部と凹部からなるスリット列が設けられている。領域Aのスリット列は実施例4の物と同様である。 The area with the reading center radius r0 at its center and radial width rW0 has area A, which has a row of slits made of convex and concave portions arranged alternately in the circumferential direction. The row of slits in area A is the same as that in Example 4.
半径がr0+Wr0/2より大きい領域は、所定の半径r1を含む領域Bを備える。領域Bは、円周方向に交互に配列された凸部と凹部からなるスリット列が、径方向に複数並べられて設けられている。スリット列は、径方向に円周方向の凸部幅はTw1の列と、Tw2の列が、円周方向の格子位相を120度(2π×dT/Tp rad)異ならせて交互に隣接して配置されている。径方向に交互に配列される格子位相において、径方向に隣接する格子位相の径方向の中心間の距離はRp1で、径方向の凸部幅はRs1、凹部幅はRm1である。 A region with a radius larger than r0+Wr0/2 includes region B that includes a predetermined radius r1. Region B has multiple slit rows arranged in the radial direction, each row consisting of convex portions and concave portions arranged alternately in the circumferential direction. The slit rows are arranged alternately in the radial direction, with rows of convex portions with a width in the radial direction of Tw1 and rows of Tw2, with the circumferential grating phase differing by 120 degrees (2π×dT/Tp rad). In the grating phases arranged alternately in the radial direction, the distance between the radial centers of adjacent grating phases in the radial direction is Rp1, the radial convex portion width is Rs1, and the concave portion width is Rm1.
同様に、半径がr0‐Wr0/2より小さい領域は、所定の半径r2を含む領域Cを備る。領域Cは、円周方向に交互に配列された凸部と凹部からなるスリット列が、径方向に複数並べられて設けられている。スリット列は、径方向に円周方向の凸部幅はTw1の列と、Tw2の列が、円周方向の格子位相を120度(2π×dT/Tp rad)異ならせて交互に隣接して配置されている。径方向に交互に配列される格子位相において、径方向に隣接する格子位相の径方向の中心間の距離はRp2で、径方向の凸部幅はRs2、凹部幅はRm2である。
本実施例では以下のパラメータとなっている。
Similarly, the region with a radius smaller than r0-Wr0/2 includes a region C including a predetermined radius r2. Region C is provided with a plurality of slit rows arranged in the radial direction, each row being made up of convex portions and concave portions alternately arranged in the circumferential direction. The slit rows are arranged alternately in the radial direction, with a convex portion width Tw1 in the circumferential direction and a convex portion width Tw2 in the radial direction, with the circumferential grating phase differing by 120 degrees (2π×dT/Tp rad). In the grating phases arranged alternately in the radial direction, the distance between the radial centers of the grating phases adjacent in the radial direction is Rp2, the convex portion width in the radial direction is Rs2, and the concave portion width is Rm2.
In this embodiment, the parameters are as follows:
Wr0=0.12mm
Tp=2π/1885=0.0033333 rad
Tw1=Tp/2
Tw2=Tp/2
dT=Tp/3
Rp1=9μm
Rs1=Rp1/2
Rm1=Rp1/2
Rp2=9μm
Rs2=Rp2/2
Rm2=Rp2/2
r0=6mm
r1=6.1mm
r2=5.9mm
Wr0=0.12mm
Tp=2π/1885=0.0033333 rad
Tw1=Tp/2
Tw2=Tp/2
dT = Tp / 3
Rp1=9 μm
Rs1 = Rp1/2
Rm1=Rp1/2
Rp2=9 μm
Rs2 = Rp2/2
Rm2 = Rp2 / 2
r0=6 mm
r1=6.1 mm
r2=5.9 mm
本実施例は、エンコーダをレンズ鏡筒へ搭載した撮像装置であり、図22は撮像装置の断面模式図である。図22において、53はセンサユニット、54はCPUであり、メモリ57に記憶されたコンピュータプログラムに基づき装置全体の各種動作を実行する制御部として機能する。これらがエンコーダを構成している。ここで、センサユニット53は実施例1におけるセンサユニット10の機能をする。
また、51はレンズ群、52は駆動レンズ、55は撮像素子、50は円筒体であり、これらが撮像手段を構成している。レンズ群41を構成する駆動レンズ52は、例えばオートフォーカス用のレンズであり、光軸方向であるY方向に変位可能である。
This embodiment is an imaging device in which an encoder is mounted on a lens barrel, and Fig. 22 is a schematic cross-sectional view of the imaging device. In Fig. 22, 53 is a sensor unit, and 54 is a CPU, which functions as a control unit that executes various operations of the entire device based on a computer program stored in
In addition, the imaging means is constituted by a
駆動レンズ52は、オートフォーカス用のレンズに限らずズーム調整レンズなど、駆動変位可能なレンズなどであればその他のものでも構わない。本実施例のスケール取り付け構成における円筒体50は、駆動レンズ52を駆動する図示しないアクチュエータと連結されている。
スケール20は、円盤面上に形成された放射状パターンよりなるロータリー型スケールであり、減速ギア56を介して円筒体50と連結されている。
The
The
アクチュエータ、または手動により、円筒体50を、レンズ群51の光軸を中心に回転させると、スケール20はセンサユニット53に対して相対的に回転変位し、それに伴い駆動レンズ52が光軸方向であるY方向(矢印方向)に駆動される。そして、エンコーダのセンサユニット53から得られる駆動レンズ52の変位に応じた信号は、CPU54に出力される。CPU54からは、駆動レンズ52が所望の位置へ移動されるための駆動信号が生成され、駆動レンズ52はその信号に基づいて駆動される。
When the
図23は、ガルバノ走査装置を含む、レーザー加工装置の例を示す図である。
レーザー光源610からのレーザー光を、ガルバノ走査装置620、630で、直交する2軸方向に偏向させる。レンズ640で集光されたレーザー光は、加工対象650に照射される。
ガルバノ走査装置620、630には、回転可動部にミラーを備え、モーターにより駆動される。ガルバノ走査装置620、630に、実施例1におけるセンサユニット10を含む光学式エンコーダが内蔵されている。そして、光学式エンコーダの出力を、CPU等を内蔵した不図示の制御部に入力し、制御部はモーターの回転角度制御の動作を制御し回転角度等を制御する。
FIG. 23 is a diagram showing an example of a laser processing device including a galvano scanning device.
A laser beam from a
The
このように、本発明によれば高分解能な位置検出が可能な光学式エンコーダを得ることができる。また、実施例6や実施例7のような光学式エンコーダを用いた駆動制御装置に適用することもできる。なお駆動制御装置における可動部としては実施例6や実施例7のようなレンズやミラー等に限られず、駆動変位可能なものであれば適用可能である。即ち、本発明の光学式エンコーダを用いて可動部の変位量を測定し、測定された変位量に基づき前記可動部の動作を制御する駆動制御装置全般に適用できることは言うまでもない。 In this way, according to the present invention, an optical encoder capable of high-resolution position detection can be obtained. It can also be applied to drive control devices using optical encoders such as those in Examples 6 and 7. The moving parts in the drive control devices are not limited to lenses, mirrors, etc. as in Examples 6 and 7, and can be anything that can be driven and displaced. In other words, it goes without saying that the present invention can be applied to all drive control devices that measure the amount of displacement of a moving part using the optical encoder and control the operation of the moving part based on the measured amount of displacement.
以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
また、本実施例における制御の一部または全部を上述した実施例の機能を実現するコンピュータプログラムをネットワーク又は各種記憶媒体を介して光学式エンコーダを用いた装置に供給するようにしてもよい。そしてその光学式エンコーダを用いた装置におけるコンピュータ(又はCPUやMPU等)がプログラムを読み出して実行するようにしてもよい。その場合、そのプログラム、及び該プログラムを記憶した記憶媒体は本発明を構成することとなる。
Although the preferred embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to these embodiments, and various modifications and changes are possible within the scope of the gist of the present invention.
Furthermore, a computer program for implementing all or part of the control in this embodiment may be supplied to an apparatus using an optical encoder via a network or various storage media. Then, a computer (or a CPU, MPU, etc.) in the apparatus using the optical encoder may read and execute the program. In this case, the program and the storage medium storing the program constitute the present invention.
10 センサユニット
11 発光素子
12 受光素子アレイ
14 光源格子
15 インデックス格子
20 スケール
21 格子パターン
REFERENCE SIGNS
Claims (17)
前記格子パターンを照射する光源と、
前記光源からの光によって照射された前記格子パターンにより形成される干渉縞を検出する受光素子と、を有し、
前記受光素子は、前記第1の周期パターンにより形成された第1の干渉縞を受光するとともに、前記第2の周期パターンから前記第1の周期パターンへの半径方向へ前記第2の周期パターンによって回折された第2の回折光を受光するように構成され、
前記光源から第1の周期パターンまでの光路長と、前記第1の周期パターンから前記受光素子までの第1の回折光の光路長と、が同じで、
前記光源から第2の周期パターンまでの光路長と、前記第2の周期パターンから前記受光素子までの第2の回折光の光路長と、が異なるように構成したことを特徴とする光学式エンコーダ。 a rotary scale that rotates about a predetermined axis and has a grating pattern including a first periodic pattern arranged in a first radial area and a second periodic pattern arranged in a radial area different from the first radial area;
A light source that irradiates the grid pattern;
a light receiving element for detecting interference fringes formed by the grating pattern irradiated with light from the light source,
the light receiving element is configured to receive first interference fringes formed by the first periodic pattern and to receive second diffracted light diffracted by the second periodic pattern in a radial direction from the second periodic pattern to the first periodic pattern,
an optical path length from the light source to the first periodic pattern and an optical path length of the first diffracted light from the first periodic pattern to the light receiving element are equal,
An optical encoder characterized in that an optical path length from the light source to the second periodic pattern and an optical path length of the second diffracted light from the second periodic pattern to the light receiving element are configured to be different.
P2<P1のとき、P2×Q1/P1<Q2<P1×Q1/P2
もしくは
P1<P2のとき、P2×Q1/P1>Q2>P1×Q1/P2
となるように構成されていることを特徴とする請求項1に記載の光学式エンコーダ。 the light receiving element is disposed to receive first interference fringes having a period Q1 formed by the first periodic pattern having a first period P1 in the circumferential direction of the first radial region, and to receive second interference fringes having a period Q2 diffracted by the second periodic pattern having a second period P2 different from the first period in the circumferential direction of a radial region different from the first radial region and formed in a direction of the first interference fringes;
When P2<P1, P2×Q1/P1<Q2<P1×Q1/P2
Or, when P1<P2, P2×Q1/P1>Q2>P1×Q1/P2
2. The optical encoder according to claim 1, wherein the optical encoder is configured such that:
P2<P1のとき、P2×Q1/P1<Q2<Q1
もしくは
P1<P2のとき、P2×Q1/P1>Q2>Q1
となるように構成されていることを特徴とする請求項1に記載の光学式エンコーダ。 the light receiving element is disposed to receive first interference fringes having a period Q1 formed by the first periodic pattern having a first period P1 in the circumferential direction of the first radial region, and to receive second interference fringes having a period Q2 diffracted by the second periodic pattern having a second period P2 different from the first period in the circumferential direction of a radial region different from the first radial region and formed in a direction of the first interference fringes;
When P2<P1, P2×Q1/P1<Q2<Q1
Or, when P1<P2, P2×Q1/P1>Q2>Q1
2. The optical encoder according to claim 1, wherein the optical encoder is configured such that:
前記第1のパターンに対して光を照射する光源と、
前記光源からの光によって、前記ロータリースケールの第1の半径領域の前記第1のパターンにより形成された第1の周期を含む所定の周期範囲の第1の干渉縞を検出可能であって、前記所定の周期範囲外の干渉縞は検出不能な受光素子と、を有し、
前記ロータリースケールの前記所定の周期範囲外の第2の周期の第2のパターンを有する第2の半径領域の放射状パターンに対して、前記回転中心から所定間隔で複数配置され前記第2の半径領域の円周方向に沿って延びる同心円状パターンを設けるとともに、前記光源からの光によって前記ロータリースケールの前記第2の半径領域の前記第2の周期の第2のパターンを前記同心円状パターンによって前記第1の干渉縞の方向に向けて回折させることによって、前記所定の周期範囲の第2の干渉縞を前記受光素子に入射させるようにしたことを特徴とする光学式エンコーダ。 a rotary scale that rotates about a predetermined axis and has a radial first pattern extending in a radial direction from the rotation center and arranged at predetermined angle intervals;
a light source that irradiates light onto the first pattern;
a light-receiving element capable of detecting, by light from the light source, first interference fringes within a predetermined periodic range including a first period formed by the first pattern in a first radial region of the rotary scale, and unable to detect interference fringes outside the predetermined periodic range,
an optical encoder comprising : a radial pattern of a second radial region having a second pattern of a second period outside the predetermined periodic range of the rotary scale; a plurality of concentric patterns arranged at predetermined intervals from the center of rotation and extending along a circumferential direction of the second radial region ; and a light source is used to diffract the second pattern of the second period of the second radial region of the rotary scale by the concentric patterns in the direction of the first interference fringes, thereby causing second interference fringes within the predetermined periodic range to be incident on the light receiving element.
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