JP2001356028A - 光学式エンコーダ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明は、環境要因が変化しても、基準点検出
の誤差や間違いを抑制する基準位置検出、または、位置
精度や分解能、再現性の高い基準位置検出による光学式
エンコーダを提供する。 【解決手段】本発明の一態様によると、スケールに形成
された空間周期的光変調手段に光を照射し、この空間周
期的光変調手段で変調された光情報を第１の光検出手段
で検出することにより、前記スケールの変位を検出する
光学式エンコーダにおいて、前記スケールには、さらに
基準位置検出用光変調手段が形成されており、少なくと
も前記スケールが所定の位置にある場合に、前記基準位
置検出用光変調手段に光を照射可能な光源と、前記光源
より前記スケールを経由した光を検出する第２の光検出
手段と、前記第２の光検出手段の出力が所定のレベルを
クロスする第１および第２の位置情報を、前記第１の光
検出手段の出力により測定し、この測定結果より前記ス
ケールの基準位置を検出する信号処理手段とを有するこ
とを特徴とする光学式エンコーダが提供される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光学式エンコーダ
に係り、特に、精密メカニズムの変位量を検出する光学
式エンコーダに関する。

【０００２】

【従来の技術】光学式エンコーダの構成に関する従来技
術として、まず、本発明者による第１の従来技術（特願
平１１−６４１１号）を説明する。

【０００３】図１４にその構成図を示す。

【０００４】すなわち、この光学式エンコーダは、可干
渉光源である半導体レーザ１（または面発光レーザ１
０）から出射したレーザビームを回折パターンを生成す
る所定周期の光学パターンより成る空間周期的光変調手
段（図１４では透過型または反射型の回折格子スケー
ル）が形成されたスケール２，２′に照射し、これによ
り生成される回折パターンの特定部分が光検出器３また
は光検出器３′のいずれかにより検出されるように構成
されている。

【０００５】さて、可干渉光源１と光検出器３がスケー
ル２に対して同じ側に配置される場合には、図１４の
（ｂ）に示すように、半導体レーザ１は、該半導体レー
ザ１（または面発光レーザ１０）から出射した光ビーム
の主軸４１，４２が、スケール２面の垂線に対して角度
φだけ傾斜するように傾斜台１１上に配置される。

【０００６】次に、この光学式エンコーダによるセンシ
ング動作を説明する。

【０００７】図１４の（ａ）に示すように、各構成パラ
メータを以下のように定義する。

【０００８】ｚ１：光源１からスケール２上の空間周期
的光変調手段を形成した面に至る距離を光ビームの主軸
上で測った長さ、 ｚ２：スケール２上の空間周期的光変調手段（光変調領
域）を形成した面から光検出器３の受光面に至る距離を
光ビームの主軸上で測った長さ、 Ｐｓ：スケール２上の光変調領域における光学パターン
のピッチ、 Ｐｄｉｆ：光検出器３の受光面上の回折パターンのピッ
チ、 θｘ：スケール２上の回折格子のピッチ方向に対する光
源１からの光ビームの拡がり角、 θｙ：上記θｘに対して垂直方向の光源１からの光ビー
ムの拡がり角。

【０００９】但し、光ビームの拡がり角は、光ビーム強
度がピークとなる方向に対して１／２となる一対の境界
線９のなす角を示す。

【００１０】尚、「スケール上の光変調領域における光
学パターンのピッチ」とは、スケール上に形成された光
学特性が変調されたパターンの空間的な周期を意味す
る。

【００１１】また、「光検出器の受光面上の回折パター
ンのピッチ」とは、受光面上に生成された回折パターン
の強度分布の空間的な周期を意味する。

【００１２】光の回折理論によると、ｚ１，ｚ２が以下
の（１）式に示す関係を満たすような特定の関係にある
ときには、スケール２の回折格子パターンと略相似な強
度パターン１０３，１０４が光検出器３の受光領域
（面）４上に生成される。

【００１３】 （１／ｚ１）＋（１／ｚ２）＝（λ／ｎＰｓ² ） …（１） ここで、λは光源１の波長、ｎは整数である。

【００１４】このときには、光検出器３の受光面４上の
回折パターンのピッチＰｄｉｆは他の構成パラメータを
用いて以下のように表すことができる。

【００１５】 Ｐｄｉｆ＝Ｐｓ（ｚ１＋ｚ２）／ｚ１ …（２） 前記光源１に対して前記スケール２が回折格子のピッチ
方向に変位すると、同じ空間周期を保った状態で回折パ
ターンの強度分布がスケール２の変位する方向に移動す
る。

【００１６】従って、光検出器３の受光領域４の空間周
期ｐ２をＰｄｉｆと同じ値に設定すれば、スケール２が
ピッチ方向にＰｓだけ移動するごとに光検出器３から周
期的な強度を有する振幅曲線１０３，１０４が得られる
ので、スケール２のピッチ方向の変位量を検出すること
ができる。

【００１７】ここで、振幅曲線１０３，１０４は、図１
４に示すように、光軸を特定方向に傾斜させた反射型の
構成において、スケールと光源および光検出器のギャッ
プ距離が変化して場合の受光面上の光の振幅曲線を示し
ており、このような構成ではギャップ距離が変化して
も、光の振幅曲線の位相（またはピーク位置）が変化し
ないことを示している。

【００１８】尚、上記の説明は光源１からスケール２に
至る光ビームが一定の拡がり角を持つ場合（以下これを
「拡がりビームの場合」と記す）を想定して記載した
が、光源１からの出射ビームがレンズ（図示せず）によ
り平行光にコリメートされてスケール２に照射される場
合（以下これを「平行ビームの場合」と記す）は上記の
（１）式および（２）式においてｚ１→∞として考えれ
ばよい。

【００１９】この場合、（２）式は Ｐｄｉｆ＝Ｐｓ …（２）′ になる。

【００２０】さらに、実用においては、光検出器３の空
間周期Ｐｄｉｆの受光素子群をＰｄｉｆ／４の間隔でず
らせて、交互に配置した４群の受光素子群を形成し、こ
れら各群の受光素子からの出力を各々、Ｖａ，Ｖｂ，Ｖ
ａ′，Ｖｂ′とし、Ｖａ−Ｖａ′とＶｂ−Ｖｂ′をエン
コーダのいわゆるＡ相（正弦波）、Ｂ相（余弦波）出力
として利用する。

【００２１】スケール２と光源１の相対的な変位ｘは、
例えば、Ａ相、Ｂ相の信号によりリサージュ図形をプロ
ットし、このリサージュ図形のプロット点が１回転する
とスケール２上の周期的変調手段（この場合は周期的な
反射または透過率の光学パターン）の１ピッチ分の移動
として検出され、さらに、リサージュ図形のプロット点
の位相角により、前記周期的光学パターンの１ピッチよ
り細かな変位を検出することができる。

【００２２】また、特願平１１−６４１１号では、Ｖ
ａ、Ｖｂ，Ｖａ′、Ｖｂ′の各出力の演算和をとること
によりレーザビ−ムの強度をモニタすることができるた
め、環境変化や経時変化などによるレーザビームの強度
変化を一定にするようにフィードバックしたり、あるい
は、Ａ相、Ｂ相出力信号とＶａ、Ｖｂ，Ｖａ′、Ｖｂ′
の各出力の演算和の信号との適当な演算により、環境変
化や経時変化などによるレーザビームの強度変化の影響
を或程度、補正することが可能である。

【００２３】従って、このような第１の従来技術におい
ては、スケールとヘッドとのギャップ変動の影響を殆ど
受けないで、スケールのｘ方向の相対変位を正確に検出
できる。

【００２４】次に、同じく特願平１１−６４１１号に示
された第２の従来技術について説明する。

【００２５】図１５にその構成を示す。

【００２６】この従来技術では、スケール２上の回折格
子トラック（空間周期的光変調手段）２１のピッチ方向
と平行して、第２のトラックが形成されており、図１５
では、第２のトラックが基準位置検出用のパターン２２
である。

【００２７】そして、各トラックパターン２１，２２に
対して、傾斜台１１上に配置された面発光レーザ１０の
ビーム出射窓１０１，１０２から光ビームが照射され、
その反射または回折パターンが光検出手段にて検出され
るように構成されている。

【００２８】図１５では、回折格子トラック２１による
回折パターン５′は、受光素子アレイ群３（これは第１
の光検出手段に対応する）により検出され、上述と同様
にＡ相、Ｂ相の信号が出力される。

【００２９】一方、基準位置検出用のパターン２２によ
る反射光５は、光強度検出用の受光素子３′（これは第
２の光検出手段に対応する）により検出される。

【００３０】例えば、パターン２２で示した領域が周辺
部より反射率が大きい場合には、ビーム出射窓１０２か
らの第２の光ビームが基準位置検出用のパターン２２に
照射されたときだけ、受光素子３′の出力が所定値を上
回るために、おおよその基準位置を検出することができ
る。

【００３１】

【発明が解決しようとする課題】上述の第１の従来技術
においては、エンコーダの出力はいわゆるＡ相、Ｂ相が
得られるのみであるため、相対的な変位量の検出は可能
であるが、絶対的な位置検出ができない。

【００３２】一方、第２の従来技術では、スケールパタ
ーンの異なる複数のトラックに各々レーザビームを照射
する構成により、基準点の検出や、絶対位置の検出が可
能になる。

【００３３】この場合、第２の光ビームが基準位置検出
用のパターン２２に照射されたときだけ受光素子３′の
出力が所定値を上回るため、おおよその基準位置を検出
することができるが、以下の問題点があり、その基準位
置を精度良く検出したり、再現性よく検出する方式は開
示されていない。

【００３４】（１）第２の光ビームの強度が環境要因に
より変化すると第２の光検出手段からの出力信号レベル
が変化する。

【００３５】従って、例えば、第２の光検出手段からの
出力信号レベルが特定の値になったときを基準位置と判
断するような方式では、環境変化により基準位置の検出
結果に誤差が生じる。

【００３６】（２）スケール２と光源１の相対変位速度
や向きが変化すると，第２の光検出手段からの時間経過
に対する出力信号形状が変化する。

【００３７】従って、例えば、第２の光検出手段からの
出力信号を時間微分して、この微分信号のゼロクロス点
を基準位置として検出する方式では相対変位速度や向き
が変化すると、基準位置検出結果に誤差または間違いが
生じる。

【００３８】あるいは、別の例として、第２の光検出手
段の出力レベルとクロスするように設定した特定のスラ
イスレベルと前記第２の光検出手段の出力レベルのクロ
スポイントに対応する第１および第２の時刻の中間時刻
を基準位置検出時と見なす方法では、相対変位速度や向
きが変化すると、基準位置の検出結果に誤差または間違
いが生じる。

【００３９】（３）基準位置検出用のパターンの構成に
より基準位置の検出精度や再現性が影響されるが、これ
を高める具体的な基準位置検出用のパターンやそれに付
随した検出手段、信号処理手段の構成が開示されていな
い。

【００４０】本発明は上記の問題点に鑑みてなされたも
のであり、解決すべき課題は、（１）環境要因が変化し
ても、基準点検出の誤差や間違いを抑制する基準位置検
出方法またはエンコーダ構成を提供することであり、ま
た、（２）位置精度や分解能、再現性の高い基準位置検
出方法またはエンコーダ構成を提供することである。

【００４１】

【課題を解決するための手段】本発明によると、上記課
題を解決するために、（１） スケールに形成された空
間周期的光変調手段に光を照射し、この空間周期的光変
調手段で変調された光情報を第１の光検出手段で検出す
ることにより、前記スケールの変位を検出する光学式エ
ンコーダにおいて、前記スケールには、さらに基準位置
検出用光変調手段が形成されており、少なくとも前記ス
ケールが所定の位置にある場合に、前記基準位置検出用
光変調手段に光を照射可能な光源と、前記光源より前記
スケールを経由した光を検出する第２の光検出手段と、
前記第２の光検出手段の出力が所定のレベルをクロスす
る第１および第２の位置情報を、前記第１の光検出手段
の出力により測定し、この測定結果より前記スケールの
基準位置を検出する信号処理手段とを有することを特徴
とする光学式エンコーダが提供される。

【００４２】（対応する発明の実施の形態）この発明に
関する実施の形態は、第１の実施の形態が該当する。

【００４３】この発明の構成中、信号処理手段は、例え
ば、図６のブロック図に示された変位検出回路８１、絶
対位置表示回路８５、回路ブロック８４、回路ブロック
８２、回路ブロック８３等を指す。

【００４４】また、本発明によると、上記課題を解決す
るために、（２） スケールに形成された空間周期的光
変調手段に光を照射し、この空間周期的光変調手段で変
調された光情報を第１の光検出手段で検出することによ
り、前記スケールの変位を検出する光学式エンコーダに
おいて、前記スケールには、さらに基準位置検出用光変
調手段が形成されており、少なくとも前記スケールが所
定の位置にある場合に、前記基準位置検出用光変調手段
に光を照射可能な光源と、前記光源より前記スケールを
経由した光を検出する第２の光検出手段と、前記第２の
光検出手段の出力を前記第１の光検出手段の出力に基づ
いて検出した対象の変位に対して微分或いは差分した結
果を用いて、前記スケールの基準位置を検出する信号処
理手段とを有することを特徴とする光学式エンコーダが
提供される。

【００４５】（対応する発明の実施の形態）この発明に
関する実施の形態は、第３の実施の形態（第２の光検出
手段の出力を第１の光検出手段の出力に基づいて検出し
た対象の変位に対して微分）が対応する。

【００４６】この発明の構成中、信号処理手段は、第３
の実施の形態における図１０のブロック図に示された機
能ブロック８６、機能ブロック８７、機能ブロック８
８、変位検出回路８１、機能ブロック（絶対位置表示回
路）８５等を指す。

【００４７】尚、この発明の第３の実施の形態では微分
しか記載されていないが、差分でもよい。

【００４８】また、本発明によると、上記課題を解決す
るために、（３） スケールに形成された空間周期的光
変調手段に光を照射し、この空間周期的光変調手段で変
調された光情報を第１の光検出手段で検出することによ
り、前記スケールの変位を検出する光学式エンコーダに
おいて、前記スケールには、さらにスケール移動方向に
シリーズに配置された複数の機能領域を有する基準位置
検出用光変調手段が形成されており、前記スケールが所
定の基準位置近傍を移動するときに、前記複数の機能領
域に順に光ビームを照射可能な光源と、前記光源より前
記スケールを経由した光を検出する、前記複数の機能領
域の各々に対応した複数の光検出手段と、前記各機能領
域に対応した各光検出手段からの出力を比較または演算
した結果を用いて、前記スケールの基準位置を検出する
信号処理手段とを有することを特徴とする光学式エンコ
ーダが提供される。

【００４９】（対応する発明の実施の形態）この発明に
関する実施の形態は、第４および第５の実施の形態が該
当する。

【００５０】

【発明の実施の形態】以下図面を参照して本発明の実施
の形態について説明する。

【００５１】（第１の実施の形態）本発明による光学式
エンコーダの第１の実施の形態を図１乃至図６に示す。

【００５２】ここで、図１はセンサヘッドとスケール２
の斜視図である。

【００５３】図２の（ａ）はスケール２を上面から−ｚ
方向に向かって見た平面図、図２の（ｂ）はセンサヘッ
ドとスケール２のｘｚ面内の断面図、図２の（ｃ）は図
１のｚ０断面に対するｚｙ面内の断面図である。

【００５４】図３は時間経過ｔに対する第２の光検出手
段の出力を示す説明図である。

【００５５】図４は図３におけるｔ＝ｔ（Ｘｃ）近傍の
詳細図である。

【００５６】図５は図４におけるｔ＝ｔ（Ｘｃ）近傍に
ついて、スケール２と光源１の相対変位Ｘｒｅｌに対す
る第２の光検出手段３２の出力を示す説明図である。

【００５７】図６は変位検出方法の一例を示す機能ブロ
ック図である。

【００５８】この発明の第１の実施の形態は、次のよう
に構成されている。

【００５９】図１、図２を用いて、本実施の形態のセン
サヘッド構成の概要を説明する。

【００６０】尚、本明細書においては、図１に示すよう
に、検出すべきスケール２の相対移動方向をｘ軸に、ス
ケール面に平行な方向でｘ軸と垂直な方向をｙ軸に、ま
た、ｘ，ｙ軸に対して共に垂直な方向をｚ軸に設定す
る。

【００６１】光源１として使用する面発光レーザのビー
ム出射窓１０１，１０２から出射した第１および第２の
光ビームは、各々の光ビームの主軸４１，４３に沿って
進み、（スケール２が所望の基準位置近傍にあるときに
は、さらに各々がスケール２の面上に形成されている空
間周期的光変調手段２１と基準位置検出用光変調手段２
２Ａに照射されると同時に）スケール２の面にて光軸を
折り曲げられて、各々が主軸４２，４４に沿って第１の
光検出手段３１を構成する受光素子群と第２の光検出手
段３２の受光領域に到達する。

【００６２】尚、図１、図２において、参照符号５５は
光ビーム分岐手段として働く半透過性の光学部材であ
り、この光学部材５５の表面で反射された第２の光ビー
ムは直接に第４の光検出手段３３により受光され、第２
の光ビームの強度モニタとしての機能を実現することが
できる。

【００６３】そして、センサの周辺環境が変化しても、
例えば、この第４の光検出手段３３の出力を光源１の駆
動手段（図示せず）にフィードバックすることにより、
第２の光ビーム出力の安定化を図ることができるため、
環境変化に対して安定な基準位置の検出が可能となる。

【００６４】また、領域３９には各光検出手段の信号の
処理・演算回路や光源の駆動回路などが集積されてい
る。

【００６５】図１において、参照符号３Ａは光検出手段
や電子回路が形成された半導体基板であり、参照符号６
は光源１と前記半導体基板３Ａを固定する傾斜台である
とともに、発生した熱を逃がすためのヒートシンクでも
ある。

【００６６】尚、いわゆる「反射型の構成」とするた
め、スケール２と光源１のｚ方向の距離が変化しても、
第１の光ビーム４１がスケール２面に照射されるｘ方向
の位置がずれないように規定したヒートシンク６の所定
の斜面に光源１として使用する面発光レーザが傾斜した
面に取り付けられている。

【００６７】図２において、参照符号７はセンサヘッド
のパッケージベースであり、また、光学部材５５はビー
ム出射窓５１を兼ねた封止ガラスであってもよい。

【００６８】図１、図２において、参照符号４５は第２
の光ビーム４３が分岐用部分透過ガラス５５により反射
された光の光軸である。

【００６９】次に、この発明の第１の実施の形態の作用
を説明する。

【００７０】第１の光ビーム４１は、空間周期的光変調
手段２１により第１の光検出手段３１を構成する受光素
子群が形成された面上で回折パターンを形成する。

【００７１】第１の光検出手段３１は、これを構成する
空間周期Ｐｄｉｆの受光素子群をＰｄｉｆ／４の間隔で
ずらせて、交互に配置した４群の受光素子群ＰＤａ０，
ＰＤｂ０，ＰＤａ０，ＰＤｂ０，ＰＤａ１，ＰＤｂ１，
ＰＤａ１，ＰＤｂ１，…で構成されており、前記空間周
期的光変調手段２１と第１の光ビーム４１により生成さ
れた回折パターンの特定の空間位相部分に相当する光強
度信号が、これら各群の受光素子群から出力され、以後
はこれをＶａ，Ｖｂ，Ｖａ′，Ｖｂ′と記載することに
する。

【００７２】Ｖａ−Ｖａ′とＶｂ−Ｖｂ′はエンコーダ
のいわゆるＡ相（正弦波）、Ｂ相（余弦波）出力信号と
して利用される。

【００７３】また、Ｖａ，Ｖｂ，Ｖａ′，Ｖｂ′の各出
力の総和をとることにより、レーザビームの強度をモニ
タすることができるため、環境変化や経時変化などによ
るレーザビームの強度変化を一定にするようにフィード
バックしたり、あるいは、Ａ相、Ｂ相出力信号とＶａ，
Ｖｂ，Ｖａ′，Ｖｂ′の各出力の演算和の信号との適当
な演算により、環境変化や経時変化などによるレーザビ
ームの強度変化の影響を或程度、補正することが可能で
ある。

【００７４】従って、第１の実施の形態においては、ス
ケール２とセンサヘッドのギャップ変動の影響および周
囲環境の影響を殆ど受けないで、スケール２のｘ方向の
変位を正確に検出することができる。

【００７５】一方、スケール２と光源１の位置関係があ
らかじめ設定した基準位置近傍になるようにスケール２
が相対移動したときには、前記第２の光ビーム４３は、
スケール２上の基準位置検出用光変調手段２２Ａが形成
された領域に照射され、ここで光学特性が変調される
が、スケール２が基準位置近傍にないときには、空間周
期的光変調手段２１またはそれ以外の領域に照射され
る。

【００７６】この第１の実施の形態では、基準位置検出
用光変調手段２２Ａを均−な高反射パターンで形成した
とすれば、第２の光検出手段３２からの出力は、図３で
示すような特性になる。

【００７７】尚、本明細書の説明図では、第２の光検出
手段３２からの出力をＰｚまたはＳｚと略して記してい
る。

【００７８】図３においては、第２の光ビーム４３が空
間周期的光変調手段２１に照射されているときをｔ
（Ａ）点で、第２の光ビーム４３が基準位置検出用光変
調手段２２Ａの中央部に照射されているときをｔ（ｘ
ｃ）点で示している。

【００７９】また、ｔ（ｘｃ）点の近傍で、第２の光検
出手段３２からの出力が特定のスライスレベルＳｓとク
ロスする点を、ｔ（ＸＬ）、ｔ（ＸＲ）で示している。

【００８０】今、第２の光ビーム４３が空間周期的光変
調手段２１に照射されている状態から基準位置検出用光
変調手段２２Ａに照射される状態に向かうようなスケー
ル２の変位を仮定すると、第２の光検出手段３２からの
出力は、時間経過に対しては図３に示すように変化す
る。

【００８１】すなわち、 （１）Ａ点近傍では、スケール２が変位するとｘ方向に
空間周期Ｐｄｉｆのピッチでごく僅かな振幅で周期的な
変化を示す。

【００８２】このときの出力の平均的なレベルをＳｄ
ｃ、振幅をΔＳとする。

【００８３】（２）第２の光ビーム４３が空間周期的光
変調手段２１の端部と基準位置検出用光変調手段２２Ａ
の中間にあるとき（図３では（Ｂ）点で示すとき）は、
Ｐｚ出力が最小になる。

【００８４】（３）ＸＣ点近傍では、基準位置検出用光
変調手段２２Ａの高反射パターンで反射された光ビーム
の強度が最大になるので、出力も最大になる。

【００８５】このときの出力が最大になるレベルをＳｐ
とする。

【００８６】ここで、Ｓｄｃ＋ΔＳ＜Ｓｓ＜Ｓとなるよ
うなスライスレベルＳｓを設定し、第２の光検出手段３
２からの出力がこれ以上であれば、スケール２が基準位
置近傍にあることを検出することができる。

【００８７】さらに、ｔ（Ｘｃ）点近傍の第２の光検出
手段３２からの出力の詳細な特性を図４、図５を用いて
説明する。

【００８８】今、前記スケール２上の基準位置検出用光
変調手段２２Ａにおける前記第２の光ビーム４３の照射
中心位置と光源１の距離をＬ、前記第２の光ビーム４３
のビーム拡がり角の半値全幅をθ、基準位置検出用光変
調手段２２Ａはスケール移動方向に特定幅をもつ均一な
光学特性パターンであるとともに、前記特定幅を２×ａ
×ＬＴａｎ（θ／２）として、ａ＝０．５，ａ＝２．
５，ａ＝４の場合について実験した結果を図５に示す。

【００８９】この実験では、Ｌ＝３５０μｍ、θは約５
ｄｅｇで実施した。

【００９０】さらに、Ｐ＝Ｐ１，Ｐ＝Ｐ２，Ｐ＝Ｐ３で
示した曲線は、第２の光ビーム４３の出力が各々、０．
３８ｍＷ，０．３０ｍＷ，０．２３ｍＷにおける第２の
光検出手段３２からの出力を示している。

【００９１】一方、図４は、図５の各々の場合につい
て、スケール２がＸＬ点からＸＲ点に速度を落としなが
ら移動する状態を想定して推定した第２の光検出手段３
２からの出力の時間経過に対する特性であり、時刻ｔ
（Ｘｃ）に対して非対称な曲線となる。

【００９２】図４、図５の特性を見比べることにより、
図５はスケール２の変位速度に依存しない特性であるた
め、変位Ｘｒｅｌに対して第２の光検出手段３２からの
出力ＳｚをプロットしてＸＬ点およびＸＲ点を取り扱え
ば、ＸＬ点とＸＲ点の位置情報の特定比率配分位置を基
準位置として検出することができる。

【００９３】例えば、ＸＬ点とＸＲ点の中間位置を読み
とれば、基準位置検出用光変調手段２２Ａとして形成さ
れた光学特性パターンの中心位置を基準位置として検出
することができる。

【００９４】図６は、本実施の形態の信号処理の方法を
ブロック図で示したものである。

【００９５】まず、第１の光検出手段３１から出力され
るＡ，Ｂ相信号は変位検出回路８１により相対的な変位
情報Ｘｒｅｌを絶対位置表示回路８５に出力する。

【００９６】一方、第２の光検出手段３２から出力され
る信号Ｓｚは、回路ブロック８４により、Ｌ点、Ｒ点に
相当するときだけ変位検出回路８１からＸＬ，ＸＲを読
み出すトリガ信号を変位検出回路８１に出力する。

【００９７】回路ブロック８２によりＸＬ，ＸＲが格納
された後、回路ブロック８３でＸｃ＝（ＸＬ＋ＸＲ）／
２の演算が行われるとともに、絶対位置検出回路８５で
は、Ｘｒｅｌ−Ｘｃの演算を行い、基準位置をゼロとす
る絶対位置情報Ｘａｂｓを出力する。

【００９８】尚、この発明の第１の実施の形態の各構成
は、当然、各種の変形、変更が可能である。

【００９９】本実施の形態では、光源１と光検出手段３
１，３２，３３がスケール２に対して同じ側に配置され
るいわゆる「反射型の構成」を示したが、光源１と光検
出手段３１，３２，３３がスケール２に対して反対側に
配置されるいわゆる「透過型の構成」としてもよい。

【０１００】光源１としては、面発光レーザの例を示し
たが、通常の端面出射型半導体レーザや、その他の光源
を使用してもよい。

【０１０１】また、本実施の形態では、「拡がりビーム
の場合」を説明したが、「平行ビームの場合」にも同様
に適用することができる。

【０１０２】また、第１の光検出手段３１については、
これを構成する空間周期Ｐｄｉｆの受光素子群をずらせ
る間隔や受光素子群の数は必ずしも前述の記載例に限定
されない。

【０１０３】また、空間周期Ｐｄｉｆの受光素子群を複
数設ける場合には、各々の受光素子を交互に設ける構成
に限定されるものではなく、各群の受光素子群の全部ま
たは一部を空間的に別の場所にまとめて設ける場合も含
まれる。

【０１０４】また、第２の光検出手段３２からの出力に
よる基準位置の検出アルゴリズムは上記に記載した例に
限定されない。

【０１０５】基準位置については、ＸＬとＸＲの値に基
づくようにあらかじめ決めた算出式に従って決定すれば
よい。

【０１０６】さらに、空間周期的光変調手段２１と基準
位置検出用光変調手段２２Ａは同じスケール２上に形成
される必要はなく、空間周期的光変調手段２１と第２の
光変調領域が連動して動くように構成されていれば、別
体であってもよい。

【０１０７】（第２の実施の形態）本発明による光学式
センサの第２の実施の形態を図７、図８に示す。

【０１０８】ここで、図７は基準位置検出方法に関する
ブロック図である。

【０１０９】図８の（ａ）は第２の光検出手段３２から
の出力特性を示す図であり、図８の（ｂ）はその時間微
分を示す図である。

【０１１０】センサヘッド構成は、図１、図２に示した
ものと同様である。

【０１１１】尚、本実施の形態において、第１の実施の
形態と同様な部分については説明を省略する。

【０１１２】この発明の第２の実施の形態と作用を説明
する。

【０１１３】センサヘッドの構成は第１の実施の形態と
同様なので、ここでは、信号処理方法とその構成につい
て、図７により説明する。

【０１１４】第２の光検出手段３２からの出力Ｓｚは、
機能ブロック８６と機能ブロック８９とに入力される。

【０１１５】機能ブロック８６では、Ｓｚ＞Ｓｓのとき
Ｇｔ＝１、Ｓｚ＜ＳｓのときＧｔ＝０として、機能ブロ
ック８８に出力する。

【０１１６】機能ブロック８９では、Ｓｚを時間に対し
て微分した結果Ｄｓｔ＝ｄＳｚ／ｄｔを機能ブロック８
８に出力する。

【０１１７】一方、第１の光検出手段３１より出力され
たＡ相、Ｂ相の信号は、変位検出回路８１にて、前述し
たような方法により変位情報Ｘｒｅｌに変換されて、機
能ブロック８８と機能ブロック８５とに出力される。

【０１１８】機能ブロック８８では、Ｇｔ＝１かつｄＳ
ｚ／ｄｔ＝０の時だけ変位検出回路のＸｒｅｌを読み出
し、これを基準位置情報Ｘｃとして機能ブロック８５で
示す絶対位置表示回路に出力する。

【０１１９】また、同時に、基準位置検出パルスＺを出
力する。

【０１２０】絶対位置表示回路８５では、Ｘｒｅｌ−Ｘ
ｃの演算を行い、絶対位置Ｘａｂｓとして出力する。

【０１２１】図８の（ａ）は、スケール２と光源１の移
動速度が異なる場合について、Ｐｚ出力を各々、Ｓｚ，
Ｓｚ′，Ｓｚ″で示している。

【０１２２】また、図８の（ｂ）は、スケール２と光源
１の移動速度が異なる場合について、Ｐｚ出力の時間微
分を各々、ｄＳｚ／ｄｔ，ｄＳｚ′／ｄｔ，ｄＳｚ″／
ｄｔで示している。

【０１２３】尚、この発明の第２の実施の形態では微分
しか記載されていないが、差分でもよい。

【０１２４】（第３の実施の形態）本発明の光学式セン
サの第３の実施の形態を図９、図１０に示す。

【０１２５】ここで、図９の（ａ）は第２の光検出手段
３２からの出力Ｓｚの特性を示す図であり、図９の
（ｂ）は第２の光検出手段３２からの出力Ｓｚの時間微
分を示す図であり、図９の（ｃ）は第２の光検出手段３
２からの出力Ｓｚのスケール変位に対する微分を示す図
である。

【０１２６】図１０は基準位置検出方法に関する機能ブ
ロック図である。

【０１２７】センサヘッド構成は図１、図２に示したも
のと同様である。

【０１２８】尚、本実施の形態において、第１の実施の
形態と同様な部分については説明を省略する。

【０１２９】この発明の第３の実施の形態と作用を説明
する。

【０１３０】センサヘッドの構成は第１の実施の形態と
同様なので、ここでは、信号処理方法とその構成につい
て図１０により説明する。

【０１３１】第１の光検出手段３１より出力されたＡ
相、Ｂ相の信号は、変位検出回路８１において、前述し
たような方法により変位情報Ｘｒｅｌに変換されて、機
能ブロック８７、８８に出力される。

【０１３２】一方、第２の光検出手段３２からの出力Ｓ
ｚは、機能ブロック８６と機能ブロック８７とに入力さ
れる。

【０１３３】機能ブロック８６では、Ｓｚ＞Ｓｓのとき
Ｇｔ＝１、Ｓｚ＜Ｓｓの時Ｇｔ＝０として、機能ブロッ
ク８８に出力する。

【０１３４】尚、この発明の第３の実施の形態では微分
しか記載されていないが、差分でもよい。

【０１３５】機能ブロック８７では、Ｓｚを変位Ｘｒｅ
ｌに対して微分した結果としてのＤｓｚを機能ブロック
８８に出力する。

【０１３６】機能ブロック８８では、Ｇｔ＝１かつＤｓ
ｚ＝０の時だけ変位検出回路８１からＸｒｅｌを読み出
し、これを基準位置情報Ｘｃとして機能ブロック８５で
示す絶対位置表示回路に出力すると同時に、基準位置検
出パルスＺを出力する。

【０１３７】絶対位置表示回路８５ではＸｒｅｌ−Ｘｃ
の演算を行い、絶対位置Ｘａｂｓとして出力する。

【０１３８】図９の（ａ）は、スケール１と光源２の移
動速度が異なる場合について、Ｐｚ出力を各々、ｓｚ，
ｓｚ′，ｓｚ″で示している。

【０１３９】図９の（ｂ）は、スケール１と光源２の移
動速度が異なる場合について、Ｐｚ出力の時間微分Ｄｓ
ｔを各々、ｄＳｚ／ｄｔ，ｄＳｚ′／ｄｔ，ｄＳｚ″／
ｄｔで示している。

【０１４０】また、図９の（ｃ）は、Ｐｚ出力をＸｒｅ
ｌに対して微分した結果としてのＤｓｚを示しており、
これはスケール１と光源２の移動速度に依存しない。

【０１４１】図９の（ｂ）、（ｃ）から明らかなよう
に、ｐｚ出力の時間微分Ｄｓｔは、スケール２の移動速
度が小さいときには、Ｄｓｔの絶対値が小さくなるた
め、Ｄｓｔ＝０を電子回路で判定するときに雑音に影響
され易いが、Ｐｚ出力をＸｒｅｌに対して微分した結果
としてのＤｓｚ＝０を基準位置とする検出方法はスケー
ル２の移動速度に影響されにくいという利点がある。

【０１４２】（第４の実施の形態）本発明の光学式セン
サの第４の実施の形態を図１１、図１２に示す。

【０１４３】ここで、図１１はセンサヘッドとスケール
２の斜視図である。

【０１４４】また、図１２は基準位置検出に関する信号
処理方法を示す図である。

【０１４５】尚、本実施の形態において、第１の実施の
形態と同様な部分については説明を省略する。

【０１４６】この発明の第４の実施の形態の構成と作用
を説明する。

【０１４７】スケール２と光源１の位置関係があらかじ
め設定した基準位置近傍になるようにスケール２が相対
移動したときには、前記第２の光ビーム４３は、基準位
置検出用光変調手段２２Ａが形成された領域に照射さ
れ、ここで光学特性が変調されるが、スケール２が基準
位置近傍にないときには、空間周期的光変調手段２１ま
たはそれ以外の領域に照射される。

【０１４８】この実施の形態では、基準位置検出用光変
調手段２２Ａをスケール移動方向に対してシリーズに第
１の機能領域として作用する回折格子形成領域２３と第
２の機能領域として作用する均一な高反射パターン２２
Ｂとで形成したとすれば、第２、第３の光検出手段３
２，３２′からの出力は、図１２の（ａ）で示すような
特性になる。

【０１４９】すなわち、第２のビーム４３がスケール２
により反射された光を検出する位置に第３の光検出手段
３２′が配置されているとともに、第２のビーム４３が
回折格子形成領域２３により回折された光を検出する位
置に第２の光検出手段３２が配置されている。

【０１５０】図１２の（ａ）においては、第２の光ビー
ム４３が、基準位置検出用光変調手段２２Ａの領域２２
Ｂと領域２３との境界部に照射されているときを、Ｘｃ
点で示している。

【０１５１】今、第２のビーム４３が空間周期的光変調
手段２１に照射されている状態から基準位置検出用光変
調手段２２Ａに照射される状態に向かうようなスケール
２の変位を仮定すると、第２の光検出手段３２からの出
力は、変位に対しては以下のように変化する。

【０１５２】尚、本明細書の説明図では、第２の光検出
手段３２からの出力をＳｚ１、第３の光検出手段３２′
からの出力をＳｚ２と略して記している。

【０１５３】すなわち、 （１）Ｘｃ点より手前では、ちようど第２の光ビームが
回折格子形成領域２３の中央部に当たったとき、Ｓｚ１
が最大になるのに対して、Ｓｚ２は非常に小さな値であ
る。

【０１５４】（２）Ｘｃ点に近づくにつれて、Ｓｚ１が
減少し、Ｓｚ２が増大する。

【０１５５】そして、Ｘｃ点ではＳｚ１とＳｚ２は、回
折格子の回折効率、均一反射領域の反射率、第２および
第３の光検出手段３２，３２′の各受光領域の面積など
に依存した一定の大小関係になるが、ここでは、一例と
して、Ｓｚ１＝Ｓｚ２の場合を示している。

【０１５６】（３）Ｘｃ点を越えると、Ｓｚ１はさらに
減少し、Ｓｚ２が増大し、ちようど第２の高反射領域２
２Ｂの中央部に当たったとき、Ｓｚ２が最大になる。

【０１５７】すなわち、図１２の（ｂ）では、Ｓｚ１−
Ｓｚ２がプラスからマイナスに変化するゼロクロス点を
スケール２が基準位置Ｘｃとして検出することができ
る。

【０１５８】尚、Ｘｃ点で、Ｓｚ１＝Ｓｚ２でない場合
には、Ｓｚ１−αＳｚ２＝０となるように、例えば、Ｓ
ｚ２をＳｚ３に対して予め設定した一定の値α倍してか
ら、ゼロクロス点を検出する方式が望ましい。

【０１５９】このゼロクロスは第２の光ビームの強度に
は殆ど依存していないため、このαがあらかじめ実験や
試算で解っていれば、第２の光ビーム４３の強度が緩や
かに変動してもＸｃ点を精度よく検出することができ
る。

【０１６０】（第５の実施の形態）本発明の光学式エン
コーダの第５の実施の形態を図１３、図１２に示す。

【０１６１】ここで、図１３はセンサヘッドとスケール
２の斜視図である。

【０１６２】また、図１２は基準位置検出に関する信号
処理方法を示す図であり、第４の実施の形態と同様であ
る。

【０１６３】尚、本実施の形態において、第４の実施の
形態と同様な部分については説明を省略する。

【０１６４】この発明の第５の実施の形態の構成と作用
を説明する。

【０１６５】スケール２と光源１の位置関係があらかじ
め設定した基準位置近傍になるようにスケール２が相対
移動したときには、前記第２の光ビーム４３は、スケー
ル２の基準位置検出用光変調手段２２Ａが形成された領
域に照射され、ここで光学特性が変調されるが、スケー
ル２が基準位置近傍にないときには、スケール２の空間
周期的光変調手段２１またはそれ以外の領域に照射され
る。

【０１６６】この実施の形態では、基準位置検出用光変
調手段２２Ａは、スケール移動方向に対してシリーズに
第１の機能領域として作用する回折格子形成領域２３−
１と第２の機能領域として作用する回折格子形成領域２
３−２とで形成されており、第１の機能領域と第２の機
能領域の回折格子による光ビームの回折方向が直交して
いる。

【０１６７】第２、第３の光検出手段３２，３２′から
の出力は、図１２の（ａ）で示すような特性になる。

【０１６８】すなわち、第２の光ビームが第１の機能領
域により回折された光を検出する位置に第２の光検出手
段３２が配置され、第２の光ビームが第２の機能領域に
より回折された光を検出する位置に第３の光検出手段３
２′が配置されている。

【０１６９】回折格子形成領域２３−１と２３−２の回
折効率を同じに、また、第２および第３の光検出手段３
２，３２′の受光領域を同じ形状と大きさに設定すれ
ば、ちょうど第２の光ビーム４３が回折格子形成領域２
３−１の中央部に当たったときの第２の光検出手段３２
からの出力Ｓｚ１と、ちょうど第２の光ビーム４３が回
折格子形成領域２３−２の中央部に当たったときの第３
の光検出手段３２′からの出力Ｓｚ２とを同じ値に設定
することができる。

【０１７０】従って、第５の実施の形態によれば、第４
の実施の形態のように、基準点検出用のパターン幅をき
めるａの値をあらかじめ実験や試算で求めなくても、Ｘ
ｃ点でＳｚ１−Ｓｚ２がゼロになるので、Ｘｃ点を精度
よく検出することができるため、基準位置検出手段の設
計が容易になるという利点がある。

【０１７１】尚、第５の実施の形態では、屈曲方向の異
なるホログラムを用いる代わりに、屈曲角度の異なるホ
ログラムを用いてもよい。

【０１７２】そして、上述したような実施の形態で示し
た本明細書には、特許請求の範囲に示した請求項１乃至
３以外にも、以下に付記１乃至付記１１として示すよう
な発明が含まれている。

【０１７３】（付記１） 空間周期的光変調手段と基準
位置検出用光変調手段とが形成されたスケールと、前記
スケールの前記各々の光変調手段に第１および第２の光
ビームを照射可能な光源と、前記第１および第２の光ビ
ームが、各々、前記スケールによって変調された光情報
を検出する第１および第２の光検出手段とを有する光学
式エンコーダにおいて、前記第２の光ビームが前記スケ
ールの基準位置検出用光変調手段に照射されたときに、
前記第２の光検出手段の出力レベルとクロスするように
特定のスライスレベルを設定し、前記第２の光検出手段
の出力レベルのクロスポイントに対応する第１および第
２の位置情報を前記第１の光検出手段の出力により測定
し、前記第１および第２の位置情報の特定比率配分位置
を基準位置として検出することを特徴とする光学式エン
コーダ。

【０１７４】（対応する発明の実施の形態）この発明に
関する実施の形態は、第１の実施の形態が対応する。

【０１７５】この付記１では、光源からの出射ビームが
「平行ビームの場合」も「拡がりビームの場合」も含ま
れる。

【０１７６】また、「第１および第２の光ビームを照射
可能な光源」とは単一ビームを出射した後にビーム分岐
する場合も含まれる。

【０１７７】また、「前記スケールの前記各々の光変調
手段に第１および第２の光ビームを照射可能な光源」と
は、第２の光ビームが常にスケール上の基準位置検出用
光変調手段が形成された領域に照射される場合に限定さ
れるものではなく、スケール上のそれ以外の領域や空間
周期的光変調手段が形成された領域にも照射される場合
も含まれる。

【０１７８】この実施の形態では、空間周期的光変調手
段と基準位置検出用光変調手段を形成した領域がスケー
ルの移動方向にシリーズに一体形成された形態を示して
いるが、これら二つの領域がスケールの移動方向に並行
して形成される場合も含まれる。

【０１７９】（作用効果）可干渉光源から出射した第１
の光ビームはスケール上の空間周期的光変調手段が形成
された領域に照射され、ここで光学変調された光情報が
第１の光検出手段で検出され、スケールと光源の相対的
な変位を前述の［従来の技術」で紹介した方法により検
出できる。

【０１８０】一方、第２の光ビームは、スケールが基準
位置近傍に変位すると、前記空間周期的光変調手段と一
体に変位する基準位置検出用光変調手段に照射され、こ
こで変調された第２の光ビームの光学特性を第２の光検
出手段により検出する。

【０１８１】このとき、前記第２の光検出手段の出力レ
ベルとクロスするように設定した特定のスライスレベル
と前記第２の光検出手段の出力レベルのクロスポイント
に対応する第１および第２の位置情報を前記第１の光検
出手段の出力に基づく前述の変位検出方法により検出
し、前記第１および第２の位置情報の特定比率配分位置
を基準位置として検出することができる。

【０１８２】（付記２） 空間周期的光変調手段と基準
位置検出用光変調手段とが形成されたスケールと、前記
スケールの前記各々の光変調手段に所定の拡がり角を有
する第１および第２の光ビームを照射可能な光源と、前
記第１および第２の光ビームが、各々、前記スケールに
よって変調された光情報を検出する第１および第２の光
検出手段とを有する光学式エンコーダにおいて、前記ス
ケール上の基準位置検出用光変調手段における前記第２
の光ビーム照射中心位置と光源との距離をＬ、前記第２
の光ビームのビーム拡がり角の半値全幅をθとすると、
前記基準位置検出用光変調手段はスケール移動方向に特
定幅をもつ均一な光学特性パターンであるとともに、前
記特定幅は２×ａ×Ｌ×Ｔａｎ（θ／２）で、ａは０．
５から３までの値であることを特徴とする光学式エンコ
ーダ。

【０１８３】（対応する発明の実施の形態）この発明に
関する実施の形態は、第１、２の実施の形態が対応す
る。

【０１８４】（作用効果）可干渉光源から出射した第１
の光ビームはスケール上の空間周期的光変調手段が形成
された領域に照射され、ここで光学変調された光情報が
第１の光検出手段で検出され、スケールと光源の相対的
な変位を前述の［従来の技術」で紹介した方法により検
出できる。

【０１８５】一方、第２の光ビームは、スケールが基準
位置近傍に変位すると、前記空間周期的光変調手段と一
体に変位する基準位置検出用光変調手段として機能する
前記特定幅を有する光学特性パターンに照射され、ここ
で変調された第２の光ビームの光学特性を第２の光検出
手段により検出する。

【０１８６】このとき、前記特定幅ＷｚはＷｚ＝２×ａ
×Ｌ×Ｔａｎ（θ／２）で、ａは０．５から３までの値
とすることにより、スケール移動量に対する第２の光検
出手段の出力曲線が図５の（ｂ）で示すように、ピーク
またはボトムを有するなめらかに変化する曲線になり、
図５の（ａ）に示すようにスケール移動量に対して第２
の光検出手段の出力変化しない領域が発生したり、逆
に、図５の（ｃ）に示すようにスケール移動量に対して
第２の光検出手段の出力変化が異常に小さくなることが
ない。

【０１８７】ここで、スケール面に照射される第２の光
ビームの光軸の傾斜が小さいときには、スケール面上に
おける第２の光ビームの拡がり幅Ｗｏは、半値全幅で、
Ｗｏ＝２×Ｌ×Ｔａｎ（θ／２）になる。

【０１８８】前記の基準位置検出手段の特定幅Ｗｚはお
およそスケール面上における第２の光ビームの拡がり幅
Ｗｏのオーダーにすれば、基準位置を検出することがで
きると推察される。

【０１８９】Ｗｚ＝ａ×Ｗｏとして、ａを可変して第２
の光検出手段からの出力特性に関して実験した結果を図
５の（ａ）〜（ｃ）に示す。

【０１９０】この実験結果によると、第２の光ビームが
基準位置検出用光変調手段の中央部に照射されたとき
に、Ｗｚが無限大の時の第２の光検出手段の出力Ｓｚに
対して、ａ＝０．５の場合には、Ｓｚの出力の最大値が
約１／１０になる条件であり、スケールの移動に対して
Ｓｚが殆ど変化しない領域が発生し始める条件が、ａ＝
２．５乃至３であったため、本発明では、前記特定幅Ｗ
ｚを規定するａの値を０．５乃至３と規定している。

【０１９１】このような構成により、スケール移動量に
対してピークまたはボトムを有するなめらかに変化する
第２の光検出手段の出力曲線を利用すれば、スケール移
動方向の基準位置を精度良く検出することができる。

【０１９２】（付記３） 付記２の光学式エンコーダに
おいて、前記第２の光ビームが前記基準位置検出用光変
調手段に照射された状態において、前記第２の光検出手
段の時間微分値がゼロとなる点を基準位置として検出す
ることを特徴とする光学式エンコーダ。

【０１９３】（対応する発明の実施の形態）この発明に
関する実施の形態は、第２の実施の形態が対応する。

【０１９４】（作用効果）本項では、付記２と同様な作
用・効果は省略して記述する。

【０１９５】前述のスケール移動量に対してピークまた
はボトムを有するなめらかに変化する第２の光検出手段
の出力曲線を時間に対して微分すれば、図８に示すよう
に、第２の光ビームの中心が前記特定幅を有する光学特
性パターンの中心に照射されたときに、前記の微分結果
がゼロになる。

【０１９６】これにより、周囲環境の変化による光源出
力の緩やかな変動が生じても、スケール移動方向の基準
位置を精度良く検出することができる。

【０１９７】（付記４） 空間周期的光変調手段と基準
位置検出用光変調手段とが形成されたスケールと、前記
スケールの前記各々の光変調手段に第１および第２の光
ビームを照射可能な光源と、前記第１および第２の光ビ
ームが、各々、前記スケールによって変調された光情報
を検出する第１および第２の光検出手段とを有する光学
式エンコーダにおいて、前記第１の光検出手段からの出
力をもとに求めたスケールと光源の相対変位をＸｒｅ
ｌ、第２の光検出手段からの出力Ｓｚとすると、Ｘｒｅ
ｌに対してＳｚを差分または微分した信号を基にして基
準位置を検出する基準位置検出手段を有することを特徴
とする光学式エンコーダ。

【０１９８】（対応する発明の実施の形態）この発明に
関する実施の形態は、第３の実施の形態が対応する。

【０１９９】（作用効果）可干渉光源から出射した第１
の光ビームはスケール上の空間周期的光変調手段が形成
された領域に照射され、ここで光学変調された光情報が
第１の光検出手段の出力Ｓａとして出力され、スケール
と光源の相対的な変位Ｘｒｅｌを前述の「従来の技術」
で紹介した方法により検出できる。

【０２００】一方、第２の光ビームは、スケールが基準
位置近傍に変位すると、前記空間周期的光変調手段と一
体に変位する基準位置検出用光変調手段に照射され、こ
こで変調された第２の光ビームの光学特性を第２の光検
出手段からの出力Ｓｚとして出力する。

【０２０１】ＳｚをＸｒｅｌに対して差分または微分す
る信号をもとにしてスケール移動の基準位置を検出す
る。

【０２０２】付記３の構成の場合には、Ｓｚを時間微分
する信号をもとにしてスケール移動の基準位置を検出す
るので、スケール移動量が緩やか場合や、スケールの移
動方向が基準位置近傍で変化する場合には、基準位置検
出に対する誤差や検出エラーが発生する可能性がある
が、この付記４では、Ｓｚを変位Ｘｒｅｌに対して差分
または微分する信号をもとにしているためこの問題を解
決できる。

【０２０３】また、この基準位置検出方法は第２の光ビ
ームの出力パワーの大小には殆ど影響されないので、周
囲環境の変化による光源出力の緩やかな変動が生じて
も、スケール移動方向の基準位置を精度良く検出するこ
とができる。

【０２０４】（付記５） 付記４の光学式エンコーダに
おいて、上記基準位置検出手段は、ＳｚをＸｒｅｌによ
り差分または微分した信号のゼロクロス点を基にして基
準位置を検出する基準位置検出手段を有することを特徴
とする光学式エンコーダ。

【０２０５】（対応する発明の実施の形態）この発明に
関する実施の形態は、第３の実施の形態が対応する。

【０２０６】（作用効果）本項では、付記４と同様な作
用・効果は省略して記述する。

【０２０７】ＳｚをＸｒｅｌに対して差分または微分す
る信号のゼロクロス点をスケール移動の基準位置として
検出する。

【０２０８】これにより、例えば、空間周期的光変調手
段を構成する光学パターンが均一な反射または透過率の
パターンの中心位置をスケール移動の基準位置として検
出することができる。

【０２０９】（付記６） 付記１，３，５の光学式エン
コーダにおいて、前記第２の光ビームが前記基準位置検
出用光変調手段に照射された状態を前記第２の光検出手
段の出力レベルが前記第２の光検出手段の出力レベルと
クロスするように設定した特定のスライスレベルとの大
小関係により判別することを特徴とする光学式エンコー
ダ。

【０２１０】（対応する発明の実施の形態）この発明に
関する実施の形態は、第２、３の実施の形態が対応す
る。

【０２１１】（作用効果）本項では、付記１，３，５と
同様な作用・効果は省略して記述する。

【０２１２】第２の光検出手段の出力の時間微分がゼロ
になる点が、所望の検出すべき基準位置以外にも存在す
る場合にも、誤りなく基準位置検出が可能となる。

【０２１３】（付記７） 空間周期的光変調手段と基準
位置検出用光変調手段とが形成されたスケールと、前記
スケールの前記各々の光変調手段に第１および第２の光
ビームを照射可能な光源と、前記第１および第２の光ビ
ームが、各々、前記スケールによって変調された光情報
を検出する第１および第２の光検出手段とを有する光学
式エンコーダにおいて、前記基準位置検出用光変調手段
はスケール移動方向にシリーズに配置された少なくとも
第１および第２の機能領域により構成され、光ビームが
基準位置検出用光変調手段の第１および第２の機能領域
に照射されたときには、各々、第２、第３の光検出手段
に導かれることを特徴とする光学式エンコーダ。

【０２１４】（対応する発明の実施の形態）この発明に
関する実施の形態は、第４，５の実施の形態が対応す
る。

【０２１５】（作用効果）可干渉光源から出射した第１
の光ビームはスケール上の空間周期的光変調手段が形成
された領域に照射され、ここで光学変調された光情報が
第１の光検出手段で検出され、スケールと光源の相対的
な変位Ｘｒｅｌを前述の［従来の技術」で紹介した方法
により検出できる。

【０２１６】一方、第２の光ビームは、スケールが基準
位置近傍に変位すると、前記第１の機能領域に照射さ
れ、ここで光学変調された第２の光ビームの光学特性を
第２の光検出手段によって検出する。

【０２１７】さらに、第２の光ビームが前記第１の機能
領域を通過し、第２の機能領域に照射されたときには、
ここで変調された第２の光ビームの光学特性は第３の光
検出手段により検出される。

【０２１８】第２、第３の光検出手段の出力をもとに適
切な信号処理をすることにより、スケール移動の基準位
置を検出することができる。

【０２１９】また、この基準位置検出方法は第２の光ビ
ームの出力パワーの大小には殆ど影響されない各種の検
出方法を利用できるので、周囲環境の変化による光源出
力の緩やかな変動が生じても、スケール移動方向の基準
位置を精度良く検出することができる。

【０２２０】（付記８） 付記７の光学式エンコーダに
おいて、前記第２、第３の光検出手段からの出力の差信
号を基にして基準位置を検出する基準位置検出手段を有
することを特徴とする光学式エンコーダ。

【０２２１】（対応する発明の実施の形態）この発明に
関する実施の形態は、第４，５の実施の形態が対応す
る。

【０２２２】（作用効果）本項では、付記７と同様な作
用・効果は省略して記述する。

【０２２３】この付記８は、付記７における基準点検出
に関する具体的な信号処理を規定したものである。

【０２２４】付記７の構成により得られた第２、第３の
光検出手段からの出力の差信号を基にして基準位置を検
出する。

【０２２５】この付記８での基準位置検出は、第２、第
３の光検出手段からの出力の差を利用するので、周囲環
境の変化による光源出力の緩やかな変動が生じても、ス
ケール移動方向の基準位置を精度良く検出することがで
きる。

【０２２６】（付記９） 付記７の光学式エンコーダに
おいて、第２、第３の機能領域は互いに光ビームの屈曲
方向の異なるホログラムであることを特徴とする光学式
エンコーダ。

【０２２７】（対応する発明の実施の形態）この発明に
関する実施の形態は、第５の実施の形態が対応する。

【０２２８】（作用効果）本項では、付記７と同様な作
用・効果は省略して記述する。

【０２２９】この付記９は、付記７における第２、第３
の機能領域の具体的な構成方法を規定したものである。

【０２３０】この付記９での基準位置検出も第２の光ビ
−ムの出力パワーの大小には殆ど影響されない各種の検
出方法を利用できるので、周囲環境の変化による光源出
力の緩やかな変動が生じても、スケール移動方向の基準
位置を精度良く検出することができる。

【０２３１】（付記１０） 付記７の光学式エンコーダ
において、第２、第３の機能領域は互いに光ビームの屈
曲角度の異なるホログラムであることを特徴とする光学
式エンコーダ。

【０２３２】（対応する発明の実施の形態）この発明に
関する実施の形態は、第４、５の実施の形態が対応す
る。

【０２３３】（作用効果）本項では、付記７と同様な作
用・効果は省略して記述する。

【０２３４】この付記１０での基準位置検出は、付記７
における第２、第３の機能領域の具体的な構成方法を規
定したものである。

【０２３５】この付記１０での基準位置検出も第２の光
ビ−ムの出力パワーの大小には殆ど影響されない各種の
検出方法を利用できるので、周囲環境の変化による光源
出力の緩やかな変動が生じても、スケール移動方向の基
準位置を精度良く検出することができる。

【０２３６】（付記１１） スケールに形成された空間
周期的光変調手段に光を照射し、この空間周期的光変調
手段で変調された光情報を第１の光検出手段で検出する
ことにより、前記スケールの変位を検出する光学式エン
コーダにおいて、前記スケールには、さらに基準位置検
出用光変調手段が形成されており、少なくとも前記スケ
ールが所定の位置にある場合に、前記基準位置検出用光
変調手段に光を照射可能な光源と、前記光源より前記ス
ケールを経由した光を検出する第２の光検出手段と、前
記第２の光検出手段の出力を時間に対して微分或いは差
分した結果を用いて、前記スケールの基準位置を検出す
る信号処理手段とを有することを特徴とする光学式エン
コーダ。

【０２３７】（対応する発明の実施の形態）この発明に
関する実施の形態は、第２の実施の形態が対応する。

【０２３８】この発明の構成中、信号処理手段は、一例
としては、第２の実施の形態における図７のブロック図
に示された機能ブロック８６、機能ブロック８９、機能
ブロック８８、機能ブロック８９、変位検出回路８１、
機能ブロック（絶対位置表示回路）８５等を指す。

【０２３９】尚、第２の実施の形態では微分しか記載さ
れていないが、差分でもよい。

【０２４０】（作用効果）第２の光検出手段の出力を時
間に対して微分（或いは差分）で検出して、基準位置を
求めるので、環境変化による影響が少なく、精度がよい
ので、環境要因が変化しても、基準点検出の誤差や間違
いを抑制する基準位置検出、または、位置精度や分解
能、再現性の高い基準位置検出による光学式エンコーダ
を提供することができる。

【０２４１】

【発明の効果】従って、以上説明したように、請求項１
記載の本発明によれば、単に、第２の光検出手段の出力
と所定のレベルを比較して、第２の光検出手段の出力が
所定のレベルを上回つた（又は下回った）位置を基準位
置とするのではなく、所定のレベルをクロスする２つの
位置より、基準位置を判定しているので、環境要因の変
化に強く、環境要因が変化しても、基準点検出の誤差や
間違いを抑制する基準位置検出、または、位置精度や分
解能、再現性の高い基準位置検出による光学式エンコー
ダを提供することができる。

【０２４２】また、以上説明したように、請求項２記載
の本発明によれば、第２の光検出手段の出力を前記第１
の光検出手段の出力に基づいて検出した対象の変位に対
して微分（或いは差分）で検出して、基準位置を求める
ので、環境変化による影響が少なく、精度がよいので、
環境要因が変化しても、基準点検出の誤差や間違いを抑
制する基準位置検出、または、位置精度や分解能、再現
性の高い基準位置検出による光学式エンコーダを提供す
ることができる。

【０２４３】また、以上説明したように、請求項３記載
の本発明によれば、各機能領域に対応した二つの光検出
手段からの出力の差を利用するので、周囲環境の変化に
よる光源出力の緩やかな変動が生じても、スケール移動
方向の基準位置を精度良く検出することができるので、
周囲の環境による影響が少なく、精度がよく、環境要因
の変化に強く、環境要因が変化しても、基準点検出の誤
差や間違いを抑制する基準位置検出、または、位置精度
や分解能、再現性の高い基準位置検出による光学式エン
コーダを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明による光学式エンコーダの第１
の実施の形態を説明するために示したセンサヘッドとス
ケール２の斜視図である。

【図２】図２の（ａ）は、図１のスケール２を上面から
−ｚ方向に向かって見た平面図、図２の（ｂ）は図１の
センサヘッドとスケール２のｘｚ面内の断面図、図２の
（ｃ）は図１のｚ０断面に対するｚｙ面内の断面図であ
る。

【図３】図３は、図１の第２の光検出手段からの出力を
時間経過ｔに対して示した説明図である。

【図４】図４は、図３におけるｔ＝ｔ（Ｘｃ）近傍の詳
細図である。

【図５】図５は、図４におけるｔ＝ｔ（Ｘｃ）近傍につ
いて、スケール２と光源１の相対変位Ｘｒｅｌに対する
第２の光検出手段３２の出力を示す説明図である。

【図６】図６は、本発明による光学式エンコーダの第１
の実施の形態における変位検出方法の一例を示す機能ブ
ロック図である。

【図７】図７は、本発明による光学式センサの第２の実
施の形態を説明するために示した基準位置検出方法に関
するブロック図である。

【図８】図８の（ａ）は、本発明による光学式センサの
第２の実施の形態を説明するために示した第２の光検出
手段３２からの出力特性を示す図であり、図８の（ｂ）
はその時間微分を示す図である。

【図９】図９は、本発明の光学式センサの第３の実施の
形態を説明するために示したもので、図９の（ａ）は第
２の光検出手段３２からの出力Ｓｚの特性を示す図であ
り、図９の（ｂ）は第２の光検出手段３２からの出力Ｓ
ｚの時間微分を示す図であり、図９の（ｃ）は第２の光
検出手段３２からの出力Ｓｚのスケール変位に対する微
分を示す図である。

【図１０】図１０は、本発明の光学式センサの第３の実
施の形態を説明するために示したもので、基準位置検出
方法に関する機能ブロック図である。

【図１１】図１１は、本発明の光学式センサの第４の実
施の形態を説明するために示したセンサヘッドとスケー
ル２の斜視図である。

【図１２】図１２は、本発明の光学式センサの第４の実
施の形態を説明するために示した基準位置検出に関する
信号処理方法を示す図である。

【図１３】図１３は、本発明の光学式センサの第５の実
施の形態を説明するために示したセンサヘッドとスケー
ル２の斜視図である。

【図１４】図１４は、光学式エンコーダの構成に関する
従来技術として、本発明者による第１の従来技術（特願
平１１−６４１１号）を説明するために示した構成図で
ある。

【図１５】図１５は、光学式エンコーダの構成に関する
従来技術として、同じく本発明者による特願平１１−６
４１１号に示された第２の従来技術を説明するために示
した構成図である。

【符号の説明】

１…光源、 ２…スケール、 １０１，１０２…ビーム出射窓、 ４１，４３…第１および第２の光ビーム（の主軸）、 ２１…空間周期的光変調手段、 ２２Ａ…基準位置検出用光変調手段、 ４２，４４…第１および第２の光ビームが折り曲げられ
た主軸、 ３１…第１の光検出手段、 ３２…第２の光検出手段、 ５５…光ビーム分岐手段として働く半透過性の光学部
材、 ３３…第４の光検出手段、 ３２′…第３の光検出手段、 ３９…各光検出手段の信号の処理・演算回路や光源の駆
動回路などが集積されている領域、 ３…光検出手段や電子回路が形成された半導体基板、 ６…ヒートシンク、 ７…センサヘッドのパッケージベース、 ５１…ビーム出射窓、 ４５…第２の光ビームが分岐用部分透過ガラス５により
反射された光の光軸、 ８１…変位検出回路、 ８５…絶対位置表示回路、 ８４…読み出しトリガ信号を出力する回路ブロック、 ８２…ＸＬ，ＸＲを格納する回路ブロック、 ８３…Ｘｃ＝（ＸＬ＋ＸＲ）／２の演算を行う回路ブロ
ック、 ８５…絶対位置検出回路。 ８６…Ｓｚ＞ＳｓのときＧｔ＝１、Ｓｚ＜ＳｓのときＧ
ｔ＝０として出力する機能ブロック、 ８９…Ｓｚを時間に対して微分した結果Ｄｓｔ＝ｄＳｚ
／ｄｔを出力する機能ブロック、 ８８…Ｇｔ＝１かつｄＳｚ／ｄｔ＝０のときだけ変位検
出回路のＸｒｅｌを読み出し、これを基準位置情報Ｘｃ
として出力する機能ブロック、 ８５…Ｘｒｅｌ−Ｘｃの演算を行い、絶対位置Ｘａｂｓ
として出力する絶対位置表示回路としての機能ブロッ
ク、 ８７…Ｓｚを変位Ｘｒｅｌに対して微分した結果として
のＤｓｚを出力する機能ブロック、 ２３…第１の機能領域として作用する回折枠子形成領
域、 ２２Ｂ…第２の機能領域として作用する均一な高反射パ
ターン、 ２３−１…第１の機能領域として作用する回折格子形成
領域、 ２３−２…第２の機能領域として作用する回折格子形成
領域。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F065 AA02 AA07 AA09 AA14 BB13 BB29 DD03 DD19 FF48 GG04 HH05 JJ03 JJ05 JJ26 LL28 MM03 QQ13 QQ29 QQ30 2F103 BA04 BA31 BA32 CA03 CA04 DA01 DA04 DA12 EA02 EA15 EB02 EB15 EB32 FA11 FA16

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 スケールに形成された空間周期的光変調
   手段に光を照射し、この空間周期的光変調手段で変調さ
   れた光情報を第１の光検出手段で検出することにより、
   前記スケールの変位を検出する光学式エンコーダにおい
   て、 前記スケールには、さらに基準位置検出用光変調手段が
   形成されており、 少なくとも前記スケールが所定の位置にある場合に、前
   記基準位置検出用光変調手段に光を照射可能な光源と、 前記光源より前記スケールを経由した光を検出する第２
   の光検出手段と、 前記第２の光検出手段の出力が所定のレベルをクロスす
   る第１および第２の位置情報を、前記第１の光検出手段
   の出力により測定し、この測定結果より前記スケールの
   基準位置を検出する信号処理手段とを有することを特徴
   とする光学式エンコーダ。
2. 【請求項２】 スケールに形成された空間周期的光変調
   手段に光を照射し、 この空間周期的光変調手段で変調された光情報を第１の
   光検出手段で検出することにより、前記スケールの変位
   を検出する光学式エンコーダにおいて、 前記スケールには、さらに基準位置検出用光変調手段が
   形成されており、 少なくとも前記スケールが所定の位置にある場合に、前
   記基準位置検出用光変調手段に光を照射可能な光源と、 前記光源より前記スケールを経由した光を検出する第２
   の光検出手段と、 前記第２の光検出手段の出力を前記第１の光検出手段の
   出力に基づいて検出した対象の変位に対して微分或いは
   差分した結果を用いて、前記スケールの基準位置を検出
   する信号処理手段とを有することを特徴とする光学式エ
   ンコーダ。
3. 【請求項３】 スケールに形成された空間周期的光変調
   手段に光を照射し、 この空間周期的光変調手段で変調された光情報を第１の
   光検出手段で検出することにより、前記スケールの変位
   を検出する光学式エンコーダにおいて、 前記スケールには、さらにスケール移動方向にシリーズ
   に配置された複数の機能領域を有する基準位置検出用光
   変調手段が形成されており、 前記スケールが所定の基準位置近傍を移動するときに、
   前記複数の機能領域に順に光ビームを照射可能な光源
   と、 前記光源より前記スケールを経由した光を検出する、前
   記複数の機能領域の各々に対応した複数の光検出手段
   と、 前記各機能領域に対応した各光検出手段からの出力を比
   較または演算した結果を用いて、前記スケールの基準位
   置を検出する信号処理手段とを有することを特徴とする
   光学式エンコーダ。