专利名称：编码器的制作方法
技术领域：
本发明是一种编码器，更具体而言是一种对移动体的位置信息进 行光学检测的编码器。
背景技术：
扫描式编码器中执行如下处理由受光元件接收经过移动标度 (scale)的照明光，由从所述受光元件输出的输出信号而生成2个以 上的不同的相位信号，并根据这些相位信号来检测移动标度的位置信 息(以下，简称为检测处理)(例如，参照专利文献l)。
此检测处理中，为了提高位置信息的检测精度，考虑到使移动标 度上所设的图案达到高精细的水平以提高编码器的分辨率。然而，如 果使图案达到高精细的水平，那么会存在以下问题调制照明光的扫 描仪的能力无法对应于所述高精细的图案。而且，当要提高编码器的 测量精度时，也必须有效地除去输出信号内包含的失真。
专利文献l:美国专利第6,639,686号说明书
发明内容
本发明是一种编码器，其是利用从光源射出的照明光的干涉来对 移动体的位置信息进行检测的光电式编码器，该编码器包括标度，
固定在所述移动体上，且具有沿所述移动体的移动方向排列的图案； 光学系统，将照明光照射到所述标度上，从而产生包含相互不同的2 个以上相位信息的出射光；信号生成装置，接收所述出射光，生成分 别与所述相位信息相对应的信号；以及输出装置，根据所述信号生成 装置生成的信号，来输出所述移动体的位置信息。
这样，所述信号生成电路根据包含互不相同的2个以上相位信息
3的出射光，而生成与相位信息相对应的信号(相位信号)。然后，输 出装置根据相位信号而生成移动体的位置信息且进行输出。所以，通 过对各相位信号实施规定的处理，实质上能获得与增大照明光的调制 度时相同的效果。
图l是表示本发明的一实施方式中的编码器的构成的概要图。
具体实施例方式
以下，参照图1对本发明的一实施方式进行说明。
图1中表示本发明的一实施方式中的编码器10的概要性的构成。 如图l所示，编码器10是所谓衍射干涉式的编码器，且是对沿规定 方向(x轴方向)移动的移动体的移动方向、或移动量、或位移进行
检测的线性编码器。
如图1所示，此编码器10包括光源12、致动器16、准直透镜 18、指数标度20、 一对反射镜22A、 22B、移动标度24、受光元件26 以及控制电路30。
光源12将相千光、例如波长X(-850 nm)的激光射向图1中的 -Z方向。
致动器16由例如压电元件构成，且配置在光源12的-X侧。此 致动器16根据从控制电路30供给的驱动信号，使光源12沿X轴方 向周期性地振动。本实施方式中，通过后述的调制度控制电路33与 致动器控制电路32的协动，使致动器16以调制振幅s (单振幅￡/2 )、 调制度d (=7P￡/p)、调制角频率co进行振动。
准直透镜18配置在光源12的下方，使从光源12射出的照明光 成为平行光。
指数标度20配置在准直透镜18的下方。此指数标度20是形成 了衍射光栅的透射型相位光栅，且此衍射光栅以X轴方向为周期方 向。而且，当穿过准直透镜18的照明光入射后，产生多束衍射光。图1中，示出这些衍射光中的、由指数标度20产生的士1阶衍射光。 另外，这里，将图1中+X侧产生的衍射光作为+l阶衍射光，而将-X 侧产生的衍射光作为-1阶衍射光。
在指数标度20的下方、且从准直透镜18的光轴分别向-X方向 及+X方向隔着规定距离的位置上，以相互对向的状态分别配置有反 射镜22A、 22B。反射镜22A、 22B将指数标度20所产生的-1阶衍射 光和+1阶衍射光分别向移动标度24进行偏转。这样，由指数标度20 产生的士l阶衍射光，以至少有一部分相互重合的状态入射到移动标度 24。
移动标度24以能沿X轴方向移动的方式配置在反射镜22A、22B 的下方。此移动标度24是形成了衍射光栅的透射型相位光栅，且此 衍射光4册以X轴方向为周期方向。而且，形成在此移动标度24上的 衍射光栅的光栅间距p，与形成在指数标度20上的相位光栅的光栅间 距稍有偏差。而且，指数标度20所产生的+l阶衍射光与-1阶衍射光， 在移动标度24受到±1阶衍射，从而以相互干涉的状态入射到受光元 件26。
受光元件26配置在移动标度24的下方。此受光元件26具有4 个受光部26a、 26b、 26c、 26d，这4个受光部26a、 26b、 26c、 26d 对应于因经过移动标度24的照明光产生干涉而形成的千涉条紋而设 置。而且，输出与入射到各受光部26a 26d的照明光的强度对应的光 电转换信号Ia、 Ib、 Ic、 Id。由于致动器16如上所述地振动，所以这 些光电转换信号Ia Ia以下式(1) ~ (4)表示。另外，x是移动标 度24相对于指数标度20的位移。
Ia=l + cos [ 4丌x/p - 2d'sin (cot) ] ...... (1)
Ib=l + sin [ 4丌x/p - 2d.sin (cot) ] ...... ( 2 )
Ic=l - cos [ 4丌x/p - 2d.sin (cot) ] ...... ( 3 )
Id=l - sin [ 47ix/p - 2d.sin ( ot) ] ...... ( 4 )
所述控制电路30包括光源驱动电路31、致动器驱动电路32、调 制度控制电路33、信号生成电路34、校正电路35以及运算电路36。光源驱动电路31对光源12进行驱动，以使照明光达到固定强度。 信号生成电路34在收到从受光元件26供给的光电转换信号Ia ~ Id后，如下式(5)和(6)所示，从光电转换信号Ia减去光电转换信
号Ic而生成信号IA,此光电转换信号Ia与此光电转换信号Ie相互存
在180度的相位差。而且，从光电转换信号Ib减去光电转换信号Id 而生成信号IB，此光电转换信号Ib与此光电转换信号Id相互存在180 度的相位差。这些信号IA、 IB分别输出到校正电路35和运算电路36。
IA=Ia - Ic=2cos [ 4丌x/p - 2d'sin ( cot) ] ...... ( 5 )
IB=Ib - Id=2sin [ 4丌x/p - 2d'sin ( cot) ] ...... ( 6 )
运算电路36将信号lA、 Ib相乘而生成信号Iab。在所述式(5) 和(6)中，如果将4丌x/p - 2d'sin ((ot)定义为(|)，那么信号IA、 IB 分别成为2cos ( d) ) 、 2sin ((]))。然后，如果将信号IA与信号IB 相乘，那么可获得下式(7)所示的信号IAB。运算电路36算出信号
IaB后，将此信号IAB作为移动标度24的位置信息而输出到外部，并
且输出到调制度控制电路33 。
lAB=lAxlB=4sin cj) 'cos cj) =2sin ( 2 (J))
=2sin [ 8丌x/p - 4d'sin (cot)〗......(7 )
作为一个例子，调制度控制电路33根据角频率co的时钟信号 CL ( =kl.sinot)，而生成由正弦波构成的调制信号(k2'sincot)。而 且，调制度控制电路33根据此调制信号，经过致动器驱动电路32而 使致动器16以调制振幅s (单振幅s/2 )、调制度d ( =7P￡/p )、调制 角频率co进行振动。这样，从光源12射出的照明光得到调制，从受 光元件26输出如所述式(1) ~ (4)所示的相位分别偏移90度的光 电转换信号Ia、 Ib、 Ic、 Id。
而且，调制度控制电路33 —直对由运算电路36供给的信号IAB
进行监视，根据信号lAB的值进行控制，以使调制振幅s的大小为移
动标度24的光栅间距p的一半(p/2)以上。这样，能对信号L和信 号lB的半周期以上进行莉莎监控(Lissajous monitor)。
校正电路35对信号Ia和信号lB进行莉莎监控，而校正信号IA和信号Ib的相位偏移和失真，将校正后的2个信号IA'、 lB，作为移动 标度24的位置信息而输出。
如上所述，本实施方式中的编码器10中，由信号生成电路34
对来自受光元件26的光电转换信号Ia、 Ib、 Ie、 Id进行运算，作为其
結果而生成2个信号Ia、 Ib。然后，在运算电路36中，由该信号IA、 Ib生成信号Iab，且从编码器10输出。此信号Iab如所述式(7)所示， 依赖于时间t的项为4d'sin (wt)。另一方面，信号 Ia、 Ib 的依赖于 时间t的项如所述式(5)及(6)所示，为2d.sin ((ot)。所以，信 号Iab相对于信号Ia、 Ib的变化等同于实质上将调制度d扩大为2倍。
因此，当根据信号lAB而检测出移动标度24的位置时，能与将调制度
d扩大为2倍时同样地以高精度检测出移动标度24的位置。
而且，在本实施方式的编码器10中，调制度控制电路33根据由 运算电路36供给的信号lAB进行控制，以使致动器16的调制振幅s 的大小为移动标度24的光栅间距的一半以上。而且，校正电路35对 从信号生成电路34输出的信号IA、 lB的至少半周期以上进行莉莎监 控，并迸行除去信号Ia、 Ib的相位偏移和失真的校正。所以，可将校 正后可靠性校高的信号Ia'、 IB'作为编码器10的输出信号。另外，其 结果，能根据信号Ia'、 Ib'，而以高精度检测出移动标度24的移动方 向。
而且，在本实施方式的编码器10中，不论致动器16因何原因而 停止振动，信号生成电路34都能对光电转换信号Ia、 Ib、 Ic、 Id进行 运算。所以，编码器10能继续输出输出信号lA，、 IB'、 Iab。这时，也 可例如在控制电路30中设置用于一直监视信号lAB而对致动器16的 停止进行检测的电路，并向外部发送用于通知致动器16的停止或状 态等的信号。
而且，在本实施方式的编码器10中，将相位相差180度的光电
转换信号L、 Ie和光电转换信号Ib、 Id的差量分别设为信号IA、 Ib。
这样，能避免光电转换信号Ia、 Ib、 Ie、 Id的杂波(noise)混入到信 号Ia、 Ib、 Iab中。
7另外，在本实施方式中，受光元件26具有4个受光部26a ~ 26d， 且输出相位分别相差90度的4个信号，但并不限于此，例如，也可 输出相位不同的2个信号，并输出将这2个信号相乘后所得到的信号。 这时，在移动标度24的位置检测中，能获得与将调制度实质上扩大 为2倍时相同的效果。
而且，形成在受光元件26上的受光部26a ~ 26d的配置仅为一例， 本发明并不限于此。总之，通过与照明系统相组合而从受光元件26 输出相位不同的4个信号即可。
而且，在本实施方式中，对于包含由准直透镜18、指数标度20 以及反射镜22A、 22B构成的光学系统的编码器IO进行了说明，但本 发明并不限于此，例如，既可使用分束器代替指数标度20来使照明 光衍射，也可使用衍射光栅来代替反射镜22A、 22B。总之，只要光 学系统能由入射的照明光而生成相位各不相同的多个信号即可。
而且，在本实施方式中，使光源12周期性地振动而对照明光进 行了调制，但并不限于此，也可使指数标度20周期性地振动。
另外，本发明也可适用于不使光源12振动而使准直透镜18沿X 轴周期性地振动的编码器。而且，在光源12与准直透镜18之间配置 声光调制器(AOM ， Acousto-Optical Modulator )或电光调制器 (EOM， Electro-Optical Modulator)从而4吏照明光的4亍进方向或通 过位置周期性地振动的编码器中，也可使用本发明。
而且，在本实施方式中，对移动标度24移动的情况进行了说明， 但本发明并不限于此，移动标度24以外的部分也可移动。总之，只 要具有移动标度24与其它光学部件相对移动的构成即可。
另外，在本实施方式中，对指数标度20与移动标度24具有相位 光栅的情形进行了说明，但并不限于此，也可采用具有振幅型衍射光 栅(明暗型衍射光栅)的标度。而且，也可混合采用具有振幅型衍射 光栅的标度和具有相位光栅的标度。
而且，本实施方式中，使用±1阶衍射光作为测量光，但并不限 于此，既可使用更高阶的衍射光的干涉光作为测量光，也可采用像0阶与n阶(或-n阶)、+n阶与+ (m + n)阶这样阶数不同的衍射光 彼此的干涉光作为测量光。
另外，本实施方式的编码器IO是对移动体的单轴方向上的位置 信息进行检测的线性编码器，但在对旋转体的旋转量进行检测的旋转 编码器(rotary encoder )中也可使用本发明。
产业上的可利用性
如上所述，本发明的编码器适于对移动体的位置信息进行光学检测。
权利要求
1. 一种编码器，利用经过调制的照明光的干涉，来检测出移动体的位置信息，该编码器的特征在于包括标度，固定在所述移动体上，且具有沿所述移动体的移动方向而排列的图案；光学系统，向所述标度照射所述照明光，而产生含有互不相同的2个以上相位信息的出射光；信号生成装置，接收所述出射光而生成分别与所述相位信息相对应的信号；及输出装置，根据所述信号生成装置生成的信号，输出所述移动体的位置信息。
2. 根据权利要求1所述的编码器，其特征在于 还包括处理装置，该处理装置根据由所述信号生成装置生成的各个信号的加法运算、减法运算、乘法运算、以及除法运算中的至少1 个运算结果，来调整所述照明光的调制度。
3. 根据权利要求1或2所述的编码器，其特征在于所述输出装置即便在所述照明光的调制已停止时，也根据由所述 信号生成装置生成的信号，而输出所述移动体的位置信息。
4. 根据权利要求1至3中的任一项所述的编码器，其特征在于还包括警报检测装置，该警报检测装置在所述照明光的调制已停 止时，向外部输出警报信号。
全文摘要
本发明是一种编码器，对于来自受光元件(26)的光电转换信号(I<sub>a</sub>、I<sub>b</sub>、I<sub>c</sub>、I<sub>d</sub>)进行运算，结果计算出2个信号(I<sub>A</sub>、I<sub>B</sub>)。然后，由信号(I<sub>A</sub>、I<sub>B</sub>)生成信号(I<sub>AB</sub>)，且从编码器(10)输出此信号(I<sub>AB</sub>)。如式(7)所示，此信号(I<sub>AB</sub>)中依赖于时间t的项为4d·sin(ωt)。另一方面，如式(5)及(6)所示，信号(I<sub>A</sub>、I<sub>B</sub>)中依赖于时间t的项为2d·sin(ωt)，因此，信号(I<sub>AB</sub>)相对于信号(I<sub>A</sub>、I<sub>B</sub>)的变化等同于实质上将调制度扩大为2倍。所以，当根据信号(I<sub>AB</sub>)检测移动标度(24)的位置时，能与将调制度扩大为2倍时同样地以高精度检测出移动标度(24)的位置。
文档编号G01D5/38GK101535777SQ20078004208
公开日2009年9月16日 申请日期2007年11月8日 优先权日2006年11月14日
发明者今井亨, 渡边昭宏, 牧野内进 申请人:株式会社尼康