JP2004069654A - 光学式エンコーダ - Google Patents
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Abstract
【課題】被検体からの可干渉光源への不所望な戻り光が低減された光学式エンコーダを提供する。
【解決手段】光学式エンコーダは、ステージ等の変位測定対象物に固定されるスケール１と、このスケールの変位を検出するためのエンコーダヘッド２とを備えている。エンコーダヘッド２は、スケール１に垂直に光ビームを照射する第一の可干渉光源５と第二の可干渉光源６と、スケール１で反射された光ビームを検出する第一の光検出器７と第二の光検出器８とを有している。スケール１は、移動量検出用の周期的に並ぶ光学パターン３と、基準位置検出用の基準位置パターン４とを有している。スケール１は、エンコーダヘッド２に対して相対的に移動するように支持されている。第二の光検出器８は、可干渉光源６に対して、スケール１の移動方向に対して相対的にずれて位置している。
【選択図】 図１
【解決手段】光学式エンコーダは、ステージ等の変位測定対象物に固定されるスケール１と、このスケールの変位を検出するためのエンコーダヘッド２とを備えている。エンコーダヘッド２は、スケール１に垂直に光ビームを照射する第一の可干渉光源５と第二の可干渉光源６と、スケール１で反射された光ビームを検出する第一の光検出器７と第二の光検出器８とを有している。スケール１は、移動量検出用の周期的に並ぶ光学パターン３と、基準位置検出用の基準位置パターン４とを有している。スケール１は、エンコーダヘッド２に対して相対的に移動するように支持されている。第二の光検出器８は、可干渉光源６に対して、スケール１の移動方向に対して相対的にずれて位置している。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、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】
特開２００２−４８６０２号公報は、このような光学式エンコーダのひとつを開示している。その構成を図８に示す。
【０００３】
図８に示されるように、この光学式リニアエンコーダ１００は、移動検出のための光学系を含むエンコーダヘッド１０２と、エンコーダヘッド１０２に対して並進移動可能なスケール１０４とを備えている。
【０００４】
可動スケール１０４は、基板１１０の表面に形成された、スケール１０４の移動検出用の光学パターン１１２と、スケール１０４の基準位置検出用の基準位置パターン１１４とを備えている。
【０００５】
光学パターン１１２は、スケール１０４の移動方向に沿って一定の周期ｐ１で変化する反射率を有している。
【０００６】
基準位置パターン１１４は、スケール１０４の移動方向に関してスケール１０４の一部の領域のみに存在し、スケール１０４の移動方向に関して集光作用を有している。
【０００７】
エンコーダヘッド１０２は、面発光レーザ等の可干渉光源１２２と光学パターン１１２から回折干渉パターンを検出するための移動検出用の第一の光検出器１２４と、基準位置パターン１１４からの集光パターンを検出するための基準位置検出用の光検出器１２６とを備えており、これらは共に基板１２０に設けられている。
【０００８】
次にこのリニアエンコーダの動作について説明する。
【０００９】
可干渉光源１２２から射出される光ビーム１４２は、スケール１０４に垂直に照射され、その表面にビームスポット１４４を形成する。ビームスポット１４４の一部１４４ａは、常に光学パターン１１２に当たっており、そこからの回折干渉ビームは第一の光検出器１２４を照明し、その受光面に光学パターン１１２によって形成された回折干渉パターン１４６は、ピッチｐ２＝ｐ１（ｚ１＋ｚ２）／ｚ１の周期を有する明暗パターンであり、この明暗パターンは、スケール１０４の移動に従って第一の光検出器１２４の受光エリア上をスケール１０４の移動方向と平行に移動する。
【００１０】
第一の光検出器１２４は、第一〜第四の受光エリア群を含む複数の受光エリアを備えており、各々受光エリア群の出力に基づいて、図９に示されるように、Ａ相信号とＢ相信号が生成される。Ａ相信号とＢ相信号は、それぞれ特定の位置における回折干渉パターン１４６の周期ｐ２の４分の１周期、すなわち位相が９０度ずれている。このＡ相信号とＢ相信号から、図１０に示されるようなリサージュ図形が得られる。このリサージュ図形上の点Ｐの移動速度と移動方向に基づき、スケール１０４の移動速度と移動方向を検出できる。
【００１１】
また、ビームスポット１４４の別の一部１４４ｂは、スケール１０４が基準位置にあるとき、基準位置パターン１１４に照射される。その反射光のビームは、スケール１０４の移動方向の寸法が絞られて、第二の光検出器１２６を照明するビームスポット１４８を形成する。その結果、第二の光検出器１２６で光が感知され、基準位置信号が検出される。
【００１２】
このように光学式リニアエンコーダ１００は、基準位置パターン１１４と第二の光検出器１２６を備えているため、スケール１０４の基準点位置を検出することができる。さらにホログラムレンズの利用により、スケール１０４の基準位置を高い精度で検出できる。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
前述の光学式リニアエンコーダ１００では、可干渉光源１２２はスケール１０４に対して中央に配置されており、従ってスケール１０４に形成されるビームスポット１４４の中心が光学パターン１１２と基準位置パターン１１４のちょうど間に来るように設計されている。これにより、スケール１０４で反射された光が、特に基準位置パターン１１４によって集光された光ビームが、可干渉光源１２２に戻らないように設計されている。
【００１４】
スケール１０４は、厳密には移動される際に、その所望の移動方向に直交する方向にもがたつきなどが原因で少なからず移動される。つまり、スケール１０４は、移動される際に、移動方向に直交する方向の変動を伴う。このため、ビームスポット１４４の中心に基準位置パターン１１４がかかり、その結果、集光された光ビームが可干渉光源１２２に戻り光として戻ることがある。
【００１５】
戻り光を受けた可干渉光源１２２の光強度を示している図１１から分かるように、このような戻り光は可干渉光源１２２の光強度を不安定にさせる。図１１に示された光強度の可干渉光源１２２に対して、第二の光検出器では、図１２（Ａ）に示されるような光強度の信号が検出される。その結果、図１２（Ｂ）に示されるように、複数の基準位置信号が検出される。結局、可干渉光源１２２への不所望な戻り光は、基準位置の検出を不安定にし、移動量測定の精度を低下させる。
【００１６】
本発明は、このような実状を考慮して成されたものであり、その目的は、不所望な光が光源に戻り難い光学式エンコーダを提供することである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明による光学式エンコーダは、可干渉光源と、前記可干渉光源に設けられた光ビーム射出窓部と、前記可干渉光源に対して相対的に移動することが可能なように設けられ、表面に前記光ビーム射出窓部から射出される光ビームを集光させる基準位置パターンを持つ、前記可干渉光源から前記光ビームを照射されるスケールと、前記光ビームを受けた前記スケールによる、前記光ビームの反射光または回折光または散乱光を検出する受光面をもつ光検出手段とを備えており、前記光検出手段は、少なくとも基準位置検出手段を含んでおり、前記基準位置検出手段と前記光ビーム射出窓部とは、前記スケールの移動方向に相対的にずれた位置に配置されていることを特徴とする。
【００１８】
本発明による別の光学式エンコーダは、可干渉光源と、前記可干渉光源に設けられた光ビーム射出窓部と、前記可干渉光源に対して相対的に移動することが可能なように設けられ、表面に前記光ビーム射出窓部から射出される光ビームを集光させる基準位置パターンと、周期的に並ぶ光学パターンをそれぞれ持つ、前記可干渉光源から前記光ビームを照射されるスケールと、前記光ビームを受けた前記スケールによる、前記光ビームの反射光または回折光または散乱光を検出する受光面をもつ光検出手段とを備えており、前記光検出手段は、基準位置検出手段と、複数の受光部で構成された受光面からなる相対移動量検出手段とを含んでおり、前記基準位置検出手段と前記光ビーム射出窓部とは、前記スケールの移動方向に相対的にずれた位置に配置されていることを特徴とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。
【００２０】
第一実施形態
本発明の第一実施形態に関する光学式エンコーダを図１に示す。
【００２１】
図１に示されるように、本実施形態の光学式エンコーダは、ステージ等の変位測定対象物に設けられるスケール１と、このスケール１の変位を検出するためのエンコーダヘッド２とを備えている。
【００２２】
エンコーダヘッド２は、スケール１に垂直に光ビームを照射する第一の可干渉光源５と第二の可干渉光源６と、回折干渉パターンおよび集光パターンをそれぞれ検出するための第一の光検出器７と第二の光検出器８とを有している。第一の可干渉光源５と第二の可干渉光源６と第一の光検出器７と第二の光検出器８は共に同じ基板１３に設けられている。つまり、これらはエンコーダヘッド２に略平面実装されている。
【００２３】
スケール１は、その表面に、第一の可干渉光源５からの光ビームを回折させ、回折干渉パターンを作る、周期的に並ぶ光学パターン３と、第二の可干渉光源６からの光ビームを集光させて集光パターンを作る基準位置パターン４とを有している。周期的に並ぶ光学パターン３は相対的移動量検出用であり、光ビームを集光させる基準位置パターン４はスケール１の移動に関する基準位置検出用である。
【００２４】
スケール１は、エンコーダヘッド２に対して相対的に移動するように支持されている。つまり、スケール１は、第一の可干渉光源５と第二の可干渉光源６から射出される光ビームを横切るように移動可能に支持されている。より詳しくは、スケール１は、周期的に並ぶ光学パターン３の周期方向に平行移動するリニア型のスケールである。
【００２５】
第一の可干渉光源５と第二の可干渉光源６は、それぞれ、スケール１の周期的に並ぶ光学パターン３と基準位置パターン４に対して回折干渉する光を発する光源であり、発光ダイオード（ＬＥＤ）や端面発光レーザ（ＬＤ）や面発光レーザ（ＳＥＬ）やスーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）等で構成される。
【００２６】
周期的に並ぶ光学パターン３は、例えば、一定の周期を有する回折格子パターンで構成される。光ビームを集光させる基準位置パターン４は、例えば、第二の可干渉光源６から射出された光ビームにおける所定の領域を、スケール１の移動方向に対して集光する特性を持つホログラムレンズあるいはホログラム集光パターンで構成される。
【００２７】
スケール１に照射された光ビームは、周期的に並ぶ光学パターン３や基準位置パターン４により、回折や散乱を伴って、反射される。周期的に並ぶ光学パターン３からの反射光は、第一の光検出器７の受光面上に回折干渉パターンを生成する。また、基準位置パターン４からの反射光は、スケール１の移動方向に関して集光されて、第二の光検出器８の受光面に照射される。つまり、基準位置パターン４からの反射光は、集光された光ビームとして第二の光検出器８の受光面に照射される。
【００２８】
第一の光検出器７は、複数の受光部を有しており、スケール１の移動方向に直交する方向に関して、第一の可干渉光源５の横に位置している。第二の光検出器８は、単一の受光部を有しており、スケール１の移動方向に直交する方向に関して、第二の可干渉光源６の横に位置している。さらに、第二の光検出器８は、第二の可干渉光源６に対して、スケール１の移動方向に対してずれて位置している。つまり、第二の光検出器８と第二の可干渉光源６は、スケール１の移動方向に互いにずれた位置に配置されている。
【００２９】
このような光学式エンコーダでは、周期的に並ぶ光学パターン３は、第二の可干渉光源６によって照明されている間、第一の光検出器７の受光面上に回折干渉パターンすなわちタルボットイメージ１０を生成する。また、基準位置パターン４は、第一の可干渉光源５によって照明されたとき、すなわちスケール１が基準位置近くに相対的に位置するとき、エンコーダヘッド２に集光スポット１２を形成する。
【００３０】
スケール１の移動量は、第一の光検出器７によりタルボットイメージの移動を調べることにより求められる。また、スケール１の基準位置は、第二の光検出器８により集光スポット１２を感知することにより求められる。
【００３１】
本実施形態の光学式エンコーダは、第一の可干渉光源５に設けられた光ビーム射出窓と周期的に並ぶ光学パターン３との間隔をＺ１、周期的に並ぶ光学パターン３と第一の光検出器７との間隔をＺ２、光ビームの中心波長をλ、周期的に並ぶ光学パターン３のピッチをＰ１、第一の光検出器７の受光面上の回折干渉パターンのピッチをＰ２、ｎを自然数として、下記の式で表されるフーリエ条件を満たしている。
【００３２】
（１／Ｚ１）十（１／Ｚ２）＝λ／ｎ（Ｐ１）２
その結果、第一の光検出器７の受光面上には、スケール１の周期的に並ぶ光学パターン３に相似の回折干渉パターンが生成される。第一の光検出器７の受光面上に生成された回折干渉パターンのピッチＰ２は次式で表される。
【００３３】
Ｐ２＝Ｐ１（Ｚ１十Ｚ２）／Ｚ１
ここで、Ｚ１＝Ｚ２であるから、結局、Ｐ２＝２Ｐ１となる。すなわち、第一の光検出器７の受光面上には、スケール１の周期的に並ぶ光学パターン３に対して２倍のピッチを有する回折干渉パターンが生成される。
【００３４】
第一の光検出器７は、複数の受光部すなわち光電変換素子を有している。複数の受光部は、例えば、スケール１の移動方向に沿ってＰ２のピッチすなわち周期間隔で整列されている。この場合、スケール１の移動に伴ってピッチＰ１で周期的に並ぶ光学パターン３によって生成されたピッチＰ２の回折干渉パターンが移動する結果、第一の光検出器７の各受光部からは周期Ｐ２で変化する正弦波形の信号が得られる。従って、正弦波形を調べることにより、例えばピークやゼロクロスを計数することにより、スケール１の移動量を求めることができる。
【００３５】
しかし、より好ましくは、第一の光検出器７の複数の受光部は、スケール１の移動方向に沿ってＰ２の４分の１のピッチすなわち周期間隔で整列されているとよい。さらに、連続する４つ毎に、受光部の出力をそれぞれＡ＋、Ａ−、Ｂ＋、Ｂ−とし、Ａ＋−Ａ−とＢ＋−Ｂ−を演算により求めるとよい。このように求められたＡ＋−Ａ−（いわゆるＡ相信号）とＢ＋−Ｂ−（いわゆるＢ相信号）は、図９に示されるように、位相が互いに９０度ずれた正弦波形となる。
【００３６】
これらのＡ相信号とＢ相信号に基づいて、図１０に示されるようなリサージュ図形を得ることができる。リサージュ図形の１回転は、スケール１の周期的に並ぶ光学パターン３の１ピッチ分の移動量に対応している。従って、リサージュ図形に基づいて、このリサージュ図形を位相分割することによってスケール１の移動量を周期的に並ぶ光学パターン３のピッチよりも細かい分解能で求めることができる。
【００３７】
また、スケール１の基準位置は、前述したように、第二の光検出器８によって集光スポット１２を感知することにより求められる。すなわち、スケール１上の基準位置近くに位置するとき、第二の可干渉光源６から射出された光ビームがホログラムレンズである基準位置パターン４に照射され、エンコーダヘッド２上に集光スポット１２が形成される。
【００３８】
前述したように、第二の光検出器８と第二の可干渉光源６は、スケール１の移動方向に対してずれて位置している。これにより、光強度の強い集光スポット１２の中心部分が、第二の光検出器８にかかるときは、必然的に第二の可干渉光源６の光ビーム射出窓から外れる。つまり、基準位置パターン４によって集光された光ビームが、第二の光検出器８の受光面に対して照射されるとき、第二の可干渉光源６の光ビーム射出窓に照射されないように設定されている。
【００３９】
次に、スケール１の移動方向に沿った第二の光検出器８と第二の可干渉光源６の好適なずれ量Ｌｚについて考察する。
【００４０】
図２や図３に示されるように、スケール移動方向に関して第二の光検出器８の光源寄りの縁部と第二の可干渉光源６の光ビーム射出窓２２の中心とのずれ量をＬｚとする。また、光ビーム射出窓２２のスケール移動方向の幅を２Ｗ、集光スポット１２のスケール移動方向の最大幅を２Ｗｓｐｓとする。
【００４１】
好適なずれ量は、Ｗ＜ＬｚまたはＷｓｐｓ＜Ｌｚを満たしているとよい。これは、図２に示される位置関係に対応しており、第二の光検出器８がスケール移動方向に関して第二の可干渉光源６の光ビーム射出窓２２の中心から、ＷかＷｓｐｓのいずれかの大きい方の寸法よりも離れていることを意味している。つまり、集光スポット１２の光強度の最も強い中心部分が第二の可干渉光源６の光ビーム射出窓２２の中心に位置するときに、集光スポット１２が第二の光検出器８にかからないことを意味している。言い換えれば、集光スポット１２の中心部分近くが第二の光検出器８にかかるとき、すなわちスケール１が基準位置近くに位置するとき、第二の可干渉光源６の光ビーム射出窓２２に集光スポット１２がほとんどかからないことを意味している。
【００４２】
更に好適なずれ量は、Ｗ＋２Ｗｓｐｓ＜Ｌｚを満たしているとよい。これは、図３に示される位置関係に対応しており、第二の光検出器８がスケール移動方向に関して第二の可干渉光源６の光ビーム射出窓２２の中心から、ＷとＷｓｐｓの和に等しい寸法よりも離れていることを意味している。つまり、集光スポット１２が第二の可干渉光源６の光ビーム射出窓２２と第二の光検出器８に同時にかからないことを意味している。
【００４３】
このように、第二の可干渉光源６と第二の光検出器８とがスケール移動方向に対してずれて位置していることにより、スケール１が基準位置近くに位置しているときは、集光スポット１２の光強度の強い中心部分が第二の可干渉光源６の光ビーム射出窓２２にかかることがない。その結果、図４（Ａ）に示されるように、第二の光検出器８で検出される光強度の信号は、戻り光による第二の可干渉光源６の光強度の変動の影響が少ないものとなる。その結果、図４（Ｂ）に示されるように、単一の基準位置信号が得られる。
【００４４】
そのため、本実施形態の光学式エンコーダは、スケール１の基準位置の検出を正確に行なえる。また、これに伴い、スケール１の移動量を高い精度で求めることができる。
【００４５】
第二実施形態
本発明の第二実施形態に関する光学式エンコーダを図５に示す。図５において、図１中の部材と同じ参照符号で示された部材は同等の部材を示しており、その詳しい説明は省略する。
【００４６】
本実施形態の光学式エンコーダは、スケール１に形成されている移動量検出用の周期的に並ぶ光学パターン３と基準位置検出用の基準位置パターン４を除いては、第一実施形態の光学式エンコーダと同じである。以下、第一実施形態との相違点に重点をおいて、本実施形態の光学式エンコーダについて図５を参照しながら説明する。
【００４７】
本実施形態の光学式エンコーダでは、図５に示されるように、スケール１の周期的に並ぶ光学パターン３は、第一の可干渉光源５に対して、スケールの移動方向に直交する方向にずれて位置している。
【００４８】
また、スケール１に形成された基準位置パターン４は、第二の可干渉光源６に対して、スケール１の移動方向に直交する方向にずれて位置している。言い換えれば、基準位置パターン４は、第二の可干渉光源６の主軸１５を基準にして、スケール１の移動方向に直交する方向に関して、一方の側（外側）のみに存在している。
【００４９】
これにより、基準位置パターン４によって集光される回折光や散乱光により形成される集光スポット１２は、第二の可干渉光源６を基準にして、スケール１の移動方向に直交する方向に関して、一方の側（外側）のみに形成される。従って、スケール１の移動方向に直交する方向に沿った不所望なスケール１の移動がなければ、集光スポット１２は、第二の可干渉光源６の光ビーム射出窓にかかることはない。
【００５０】
従って、本実施形態の光学式エンコーダは、第一実施形態の光学式エンコーダと比較して、基準位置パターン４で反射されて集光された光が第二の可干渉光源６の光ビーム射出窓に戻ることが少ない。つまり、戻り光による悪影響の発生、すなわち第二の可干渉光源６の光強度が不安定になることが更に低減されている。
【００５１】
このように、本実施形態の光学式エンコーダでは、第一実施形態の光学式エンコーダと同様に第二の可干渉光源６と第二の光検出器８とがスケール移動方向に関して互いにずれて位置していることにより、第二の可干渉光源６の光強度の安定化が図られていることに加えて、基準位置パターン４が第二の可干渉光源６に対して、スケール１の移動方向に直交する方向に対して互いにずれていることにより、基準位置パターン４で反射、集光された光ビームが第二の可干渉光源６に戻り難い設計となっている。
【００５２】
このため、本実施形態の光学式エンコーダは、スケール１の基準位置の検出を更に正確に行なえる。また、これに伴い、スケール１の移動量を更に高い精度で求めることができる。
【００５３】
第三実施形態
本発明の第三実施形態に関する光学式エンコーダを図６に示す。図６において、図１中の部材と同じ参照符号で示された部材は同等の部材を示しており、その詳しい説明は省略する。
【００５４】
本実施形態の光学式エンコーダは、いわゆる１ビーム方式の光学式エンコーダであり、エンコーダヘッド２は、スケール１に垂直に光ビームを照射するただ１つの可干渉光源５を有している。
【００５５】
これに対応して、移動量検出用の周期的に並ぶ光学パターン３と基準位置検出用の基準位置パターン４とは、可干渉光源５からの一本の光ビームがそれらを同時に照明し得るように、互いに近づけてスケール１に形成されている。周期的に並ぶ光学パターン３と基準位置パターン４は、可干渉光源５の主軸１５を基準にして、スケール１の移動方向に直交する方向に関して両側に位置している。
【００５６】
また、第一の光検出器７と第二の光検出器８は、スケール１の移動方向に直交する方向に関して、可干渉光源５の左右両側に位置している。さらに、第二の光検出器８は、可干渉光源５に対して、スケール１の移動方向に対してずれて位置している。つまり、第二の光検出器８と可干渉光源５は、スケール１の移動方向に互いにずれた位置に配置されている。
【００５７】
可干渉光源５から射出された光ビームは、スケール１に照射され、周期的に並ぶ光学パターン３と基準位置パターン４を照明する。周期的に並ぶ光学パターン３に照射された部分のビーム９ａは、周期的に並ぶ光学パターン３によって回折や散乱を伴って反射され、第一の光検出器７の受光面上に回折干渉パターンを生成する。また、基準位置パターン４に照射された部分のビーム９ｂは、周期的に並ぶ光学パターン３によって集光されながら反射され、エンコーダヘッド２に集光スポット１２を形成する。
【００５８】
集光スポット１２は、可干渉光源５を基準にして、スケール１の移動方向に直交する方向に関して、第二の光検出器８の側のみに形成される。従って、スケール１の移動方向に直交する方向に沿った不所望なスケール１の移動がなければ、集光スポット１２は、可干渉光源５の光ビーム射出窓にかかることはない。つまり、基準位置パターン４が可干渉光源５に対して、スケール１の移動方向に直交する方向に対して互いにずれていることにより、基準位置パターン４で反射された光が可干渉光源５に戻り難い設計となっている。
【００５９】
このように、本実施形態の光学式エンコーダでは、第一実施形態の光学式エンコーダと同様に可干渉光源５と第二の光検出器８とがスケール移動方向に対してずれて位置していることにより、可干渉光源５の光強度の安定化が図られている。
【００６０】
このため、本実施形態の光学式エンコーダは、スケール１の基準位置の検出を正確に行なえる。また、これに伴い、スケール１の移動量を高い精度で求めることができる。
【００６１】
第四実施形態
本発明の第四実施形態に関する光学式エンコーダを図７に示す。
【００６２】
この光学式エンコーダ３００は、移動つまり回転検出のための光学系を含むエンコーダヘッド３０２と、エンコーダヘッド３０２に対して回転可能あるいは回動可能なロータリースケール３０４とを備えている。
【００６３】
ロータリースケール３０４は、円形の光学的に透明な基板３１０の表面に形成された、ロータリースケール３０４の回転検出用の周期的に並ぶ光学パターン３１２を備えている。この光学パターン３１２は、放射状に周期的に並んで配置された多数の扇形の反射部を有しており、反射部は、それと同じ大きさの扇形の隙間を置いて並んでいる。
【００６４】
また、ロータリースケール３０４は、透明な基板３１０の中央部分すなわち回転中心近傍に、扇形のホログラム集光パターンである、ロータリースケール３０４の回転基準位置検出用の基準位置パターン４を有している。この基準位置パターン４を除いて、この領域は反射率が低い領域あるいは反射率がほぼ０に等しい領域を備えている。
【００６５】
基準位置パターン４は、これに照射される光ビームを、ロータリースケール３０４の回転方向に関して集光しながら反射し、エンコーダヘッド３０２に集光スポット１２を形成する。
【００６６】
エンコーダヘッド３０２は、可干渉な光ビームを放射する光源すなわち可干渉光源３２２と、スケールの回転検出用の光検出器３２４とを備えている。光検出器３２４は、複数の受光エリア３３０を備えている。これらの受光エリア３３０は、可干渉光源３２２を中心とする円周上に、一定の角度ピッチで並んでいる。
【００６７】
また、エンコーダヘッド３０２は更に、基準位置検出用の基準位置パターン４によってエンコーダヘッド３０２上に形成されるで集光スポット１２を検出するための第二の光検出器８を有している。
【００６８】
第二の光検出器８は、可干渉光源３２２に対して、ロータリースケール３０４の移動方向すなわち回転方向に対してずれて位置している。つまり、第二の光検出器８と可干渉光源３２２は、可干渉光源３２２の中心を中心とする円の円周に沿って、互いにずれた位置に配置されている。
【００６９】
エンコーダヘッド３０２とロータリースケール３０４は、ロータリースケール３０４の回転軸とエンコーダヘッド３０２から射出される光ビームの主軸３２８とが近い位置になるように、一定の間隔を置いて互いに平行に配置されている。
【００７０】
ロータリースケール３０４の表面に対して、半径ｒ１の円周３４２上に入射する光は、エンコーダヘッド３０２の表面に対して、半径ｒ２の円周３４４上に照射される。ここに、半径ｒ１と半径ｒ２は、ｒ２＝ｒ１（ｚ１＋ｚ２）／ｚ１の関係を満たしており、ｚ１は可干渉光源３２２とロータリースケール３０４の間隔、ｚ２はロータリースケール３０４と光検出器３２４の間隔である。
【００７１】
可干渉光源３２２から射出された所定の広がりを有する光ビームは、ロータリースケール３０４に略垂直に照射される。この光ビームの主軸近傍の一部は、ロータリースケール３０４の中心付近に形成された低反射領域および基準位置パターン４を照明し、その外側の一部は、周期的に並ぶ光学パターン３１２を照明する。
【００７２】
低反射領域に形成された基準位置パターン４に照射された光ビームは、集光されてエンコーダヘッド３０２上に集光スポット１２を形成する。前述したように、第二の光検出器８は可干渉光源３２２に対してロータリースケール３０４の移動つまり回転方向に対してずれて位置しているため、戻り光の影響が抑制されており、可干渉光源３２２の光強度の安定化が図られている。
【００７３】
このため、本実施形態の光学式エンコーダは、ロータリースケール３０４の基準位置の検出を正確に行なえる。また、これに伴い、ロータリースケール３０４の移動量すなわち回転量を高い精度で求めることができる。
【００７４】
これまで、図面を参照しながら本発明の実施の形態を述べたが、本発明は、これらの実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において様々な変形や変更が施されてもよい。
【００７５】
【発明の効果】
本発明の光学式エンコーダによれば、光源と基準位置検出手段とが被検体の移動方向に対してずれているため、被検体からの不所望な光が光源に戻ることが効果的に防止される。これにより、本発明の光学式エンコーダは、高い安定性で基準位置の検出を行なえ、これに伴い高い精度で移動量を測定できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一実施形態に関する光学式エンコーダを示している。
【図２】スケール移動方向に沿って好適なずれ量を伴って位置している可干渉光源と光検出器を示している。
【図３】スケール移動方向に沿って別の好適なずれ量を伴って位置している可干渉光源と光検出器を示している。
【図４】図１の光学式エンコーダの基準位置検出用の光検出器で検出される光強度の信号と、それに従って得られる基準位置信号とを示している。
【図５】本発明の第二実施形態に関する光学式エンコーダを示している。
【図６】本発明の第三実施形態に関する光学式エンコーダを示している。
【図７】本発明の第四実施形態に関する光学式エンコーダを示している。
【図８】従来例のひとつである特開２００２−４８６０２号公報に開示されている光学式リニアエンコーダを示している。
【図９】光学式リニアエンコーダにおいて広く知られているいわゆるＡ相信号とＢ相信号を示している。
【図１０】図９に示されたＡ相信号とＢ相信号に基づいて得られるリサージュ図形を示している。
【図１１】戻り光の影響を受けた可干渉光源の光強度を示している。
【図１２】図８の光学式リニアエンコーダにおいて、図１１に示された光強度の可干渉光源に対して、基準位置検出用の光検出器で検出される光強度の信号と、それに従って得られる基準位置信号とを示している。
【符号の説明】
１ スケール
２ エンコーダヘッド
３ 光学パターン
４ 光学パターン
５ 可干渉光源
６ 可干渉光源
７ 光検出器
８ 光検出器
【発明の属する技術分野】
本発明は、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】
特開２００２−４８６０２号公報は、このような光学式エンコーダのひとつを開示している。その構成を図８に示す。
【０００３】
図８に示されるように、この光学式リニアエンコーダ１００は、移動検出のための光学系を含むエンコーダヘッド１０２と、エンコーダヘッド１０２に対して並進移動可能なスケール１０４とを備えている。
【０００４】
可動スケール１０４は、基板１１０の表面に形成された、スケール１０４の移動検出用の光学パターン１１２と、スケール１０４の基準位置検出用の基準位置パターン１１４とを備えている。
【０００５】
光学パターン１１２は、スケール１０４の移動方向に沿って一定の周期ｐ１で変化する反射率を有している。
【０００６】
基準位置パターン１１４は、スケール１０４の移動方向に関してスケール１０４の一部の領域のみに存在し、スケール１０４の移動方向に関して集光作用を有している。
【０００７】
エンコーダヘッド１０２は、面発光レーザ等の可干渉光源１２２と光学パターン１１２から回折干渉パターンを検出するための移動検出用の第一の光検出器１２４と、基準位置パターン１１４からの集光パターンを検出するための基準位置検出用の光検出器１２６とを備えており、これらは共に基板１２０に設けられている。
【０００８】
次にこのリニアエンコーダの動作について説明する。
【０００９】
可干渉光源１２２から射出される光ビーム１４２は、スケール１０４に垂直に照射され、その表面にビームスポット１４４を形成する。ビームスポット１４４の一部１４４ａは、常に光学パターン１１２に当たっており、そこからの回折干渉ビームは第一の光検出器１２４を照明し、その受光面に光学パターン１１２によって形成された回折干渉パターン１４６は、ピッチｐ２＝ｐ１（ｚ１＋ｚ２）／ｚ１の周期を有する明暗パターンであり、この明暗パターンは、スケール１０４の移動に従って第一の光検出器１２４の受光エリア上をスケール１０４の移動方向と平行に移動する。
【００１０】
第一の光検出器１２４は、第一〜第四の受光エリア群を含む複数の受光エリアを備えており、各々受光エリア群の出力に基づいて、図９に示されるように、Ａ相信号とＢ相信号が生成される。Ａ相信号とＢ相信号は、それぞれ特定の位置における回折干渉パターン１４６の周期ｐ２の４分の１周期、すなわち位相が９０度ずれている。このＡ相信号とＢ相信号から、図１０に示されるようなリサージュ図形が得られる。このリサージュ図形上の点Ｐの移動速度と移動方向に基づき、スケール１０４の移動速度と移動方向を検出できる。
【００１１】
また、ビームスポット１４４の別の一部１４４ｂは、スケール１０４が基準位置にあるとき、基準位置パターン１１４に照射される。その反射光のビームは、スケール１０４の移動方向の寸法が絞られて、第二の光検出器１２６を照明するビームスポット１４８を形成する。その結果、第二の光検出器１２６で光が感知され、基準位置信号が検出される。
【００１２】
このように光学式リニアエンコーダ１００は、基準位置パターン１１４と第二の光検出器１２６を備えているため、スケール１０４の基準点位置を検出することができる。さらにホログラムレンズの利用により、スケール１０４の基準位置を高い精度で検出できる。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
前述の光学式リニアエンコーダ１００では、可干渉光源１２２はスケール１０４に対して中央に配置されており、従ってスケール１０４に形成されるビームスポット１４４の中心が光学パターン１１２と基準位置パターン１１４のちょうど間に来るように設計されている。これにより、スケール１０４で反射された光が、特に基準位置パターン１１４によって集光された光ビームが、可干渉光源１２２に戻らないように設計されている。
【００１４】
スケール１０４は、厳密には移動される際に、その所望の移動方向に直交する方向にもがたつきなどが原因で少なからず移動される。つまり、スケール１０４は、移動される際に、移動方向に直交する方向の変動を伴う。このため、ビームスポット１４４の中心に基準位置パターン１１４がかかり、その結果、集光された光ビームが可干渉光源１２２に戻り光として戻ることがある。
【００１５】
戻り光を受けた可干渉光源１２２の光強度を示している図１１から分かるように、このような戻り光は可干渉光源１２２の光強度を不安定にさせる。図１１に示された光強度の可干渉光源１２２に対して、第二の光検出器では、図１２（Ａ）に示されるような光強度の信号が検出される。その結果、図１２（Ｂ）に示されるように、複数の基準位置信号が検出される。結局、可干渉光源１２２への不所望な戻り光は、基準位置の検出を不安定にし、移動量測定の精度を低下させる。
【００１６】
本発明は、このような実状を考慮して成されたものであり、その目的は、不所望な光が光源に戻り難い光学式エンコーダを提供することである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明による光学式エンコーダは、可干渉光源と、前記可干渉光源に設けられた光ビーム射出窓部と、前記可干渉光源に対して相対的に移動することが可能なように設けられ、表面に前記光ビーム射出窓部から射出される光ビームを集光させる基準位置パターンを持つ、前記可干渉光源から前記光ビームを照射されるスケールと、前記光ビームを受けた前記スケールによる、前記光ビームの反射光または回折光または散乱光を検出する受光面をもつ光検出手段とを備えており、前記光検出手段は、少なくとも基準位置検出手段を含んでおり、前記基準位置検出手段と前記光ビーム射出窓部とは、前記スケールの移動方向に相対的にずれた位置に配置されていることを特徴とする。
【００１８】
本発明による別の光学式エンコーダは、可干渉光源と、前記可干渉光源に設けられた光ビーム射出窓部と、前記可干渉光源に対して相対的に移動することが可能なように設けられ、表面に前記光ビーム射出窓部から射出される光ビームを集光させる基準位置パターンと、周期的に並ぶ光学パターンをそれぞれ持つ、前記可干渉光源から前記光ビームを照射されるスケールと、前記光ビームを受けた前記スケールによる、前記光ビームの反射光または回折光または散乱光を検出する受光面をもつ光検出手段とを備えており、前記光検出手段は、基準位置検出手段と、複数の受光部で構成された受光面からなる相対移動量検出手段とを含んでおり、前記基準位置検出手段と前記光ビーム射出窓部とは、前記スケールの移動方向に相対的にずれた位置に配置されていることを特徴とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。
【００２０】
第一実施形態
本発明の第一実施形態に関する光学式エンコーダを図１に示す。
【００２１】
図１に示されるように、本実施形態の光学式エンコーダは、ステージ等の変位測定対象物に設けられるスケール１と、このスケール１の変位を検出するためのエンコーダヘッド２とを備えている。
【００２２】
エンコーダヘッド２は、スケール１に垂直に光ビームを照射する第一の可干渉光源５と第二の可干渉光源６と、回折干渉パターンおよび集光パターンをそれぞれ検出するための第一の光検出器７と第二の光検出器８とを有している。第一の可干渉光源５と第二の可干渉光源６と第一の光検出器７と第二の光検出器８は共に同じ基板１３に設けられている。つまり、これらはエンコーダヘッド２に略平面実装されている。
【００２３】
スケール１は、その表面に、第一の可干渉光源５からの光ビームを回折させ、回折干渉パターンを作る、周期的に並ぶ光学パターン３と、第二の可干渉光源６からの光ビームを集光させて集光パターンを作る基準位置パターン４とを有している。周期的に並ぶ光学パターン３は相対的移動量検出用であり、光ビームを集光させる基準位置パターン４はスケール１の移動に関する基準位置検出用である。
【００２４】
スケール１は、エンコーダヘッド２に対して相対的に移動するように支持されている。つまり、スケール１は、第一の可干渉光源５と第二の可干渉光源６から射出される光ビームを横切るように移動可能に支持されている。より詳しくは、スケール１は、周期的に並ぶ光学パターン３の周期方向に平行移動するリニア型のスケールである。
【００２５】
第一の可干渉光源５と第二の可干渉光源６は、それぞれ、スケール１の周期的に並ぶ光学パターン３と基準位置パターン４に対して回折干渉する光を発する光源であり、発光ダイオード（ＬＥＤ）や端面発光レーザ（ＬＤ）や面発光レーザ（ＳＥＬ）やスーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）等で構成される。
【００２６】
周期的に並ぶ光学パターン３は、例えば、一定の周期を有する回折格子パターンで構成される。光ビームを集光させる基準位置パターン４は、例えば、第二の可干渉光源６から射出された光ビームにおける所定の領域を、スケール１の移動方向に対して集光する特性を持つホログラムレンズあるいはホログラム集光パターンで構成される。
【００２７】
スケール１に照射された光ビームは、周期的に並ぶ光学パターン３や基準位置パターン４により、回折や散乱を伴って、反射される。周期的に並ぶ光学パターン３からの反射光は、第一の光検出器７の受光面上に回折干渉パターンを生成する。また、基準位置パターン４からの反射光は、スケール１の移動方向に関して集光されて、第二の光検出器８の受光面に照射される。つまり、基準位置パターン４からの反射光は、集光された光ビームとして第二の光検出器８の受光面に照射される。
【００２８】
第一の光検出器７は、複数の受光部を有しており、スケール１の移動方向に直交する方向に関して、第一の可干渉光源５の横に位置している。第二の光検出器８は、単一の受光部を有しており、スケール１の移動方向に直交する方向に関して、第二の可干渉光源６の横に位置している。さらに、第二の光検出器８は、第二の可干渉光源６に対して、スケール１の移動方向に対してずれて位置している。つまり、第二の光検出器８と第二の可干渉光源６は、スケール１の移動方向に互いにずれた位置に配置されている。
【００２９】
このような光学式エンコーダでは、周期的に並ぶ光学パターン３は、第二の可干渉光源６によって照明されている間、第一の光検出器７の受光面上に回折干渉パターンすなわちタルボットイメージ１０を生成する。また、基準位置パターン４は、第一の可干渉光源５によって照明されたとき、すなわちスケール１が基準位置近くに相対的に位置するとき、エンコーダヘッド２に集光スポット１２を形成する。
【００３０】
スケール１の移動量は、第一の光検出器７によりタルボットイメージの移動を調べることにより求められる。また、スケール１の基準位置は、第二の光検出器８により集光スポット１２を感知することにより求められる。
【００３１】
本実施形態の光学式エンコーダは、第一の可干渉光源５に設けられた光ビーム射出窓と周期的に並ぶ光学パターン３との間隔をＺ１、周期的に並ぶ光学パターン３と第一の光検出器７との間隔をＺ２、光ビームの中心波長をλ、周期的に並ぶ光学パターン３のピッチをＰ１、第一の光検出器７の受光面上の回折干渉パターンのピッチをＰ２、ｎを自然数として、下記の式で表されるフーリエ条件を満たしている。
【００３２】
（１／Ｚ１）十（１／Ｚ２）＝λ／ｎ（Ｐ１）２
その結果、第一の光検出器７の受光面上には、スケール１の周期的に並ぶ光学パターン３に相似の回折干渉パターンが生成される。第一の光検出器７の受光面上に生成された回折干渉パターンのピッチＰ２は次式で表される。
【００３３】
Ｐ２＝Ｐ１（Ｚ１十Ｚ２）／Ｚ１
ここで、Ｚ１＝Ｚ２であるから、結局、Ｐ２＝２Ｐ１となる。すなわち、第一の光検出器７の受光面上には、スケール１の周期的に並ぶ光学パターン３に対して２倍のピッチを有する回折干渉パターンが生成される。
【００３４】
第一の光検出器７は、複数の受光部すなわち光電変換素子を有している。複数の受光部は、例えば、スケール１の移動方向に沿ってＰ２のピッチすなわち周期間隔で整列されている。この場合、スケール１の移動に伴ってピッチＰ１で周期的に並ぶ光学パターン３によって生成されたピッチＰ２の回折干渉パターンが移動する結果、第一の光検出器７の各受光部からは周期Ｐ２で変化する正弦波形の信号が得られる。従って、正弦波形を調べることにより、例えばピークやゼロクロスを計数することにより、スケール１の移動量を求めることができる。
【００３５】
しかし、より好ましくは、第一の光検出器７の複数の受光部は、スケール１の移動方向に沿ってＰ２の４分の１のピッチすなわち周期間隔で整列されているとよい。さらに、連続する４つ毎に、受光部の出力をそれぞれＡ＋、Ａ−、Ｂ＋、Ｂ−とし、Ａ＋−Ａ−とＢ＋−Ｂ−を演算により求めるとよい。このように求められたＡ＋−Ａ−（いわゆるＡ相信号）とＢ＋−Ｂ−（いわゆるＢ相信号）は、図９に示されるように、位相が互いに９０度ずれた正弦波形となる。
【００３６】
これらのＡ相信号とＢ相信号に基づいて、図１０に示されるようなリサージュ図形を得ることができる。リサージュ図形の１回転は、スケール１の周期的に並ぶ光学パターン３の１ピッチ分の移動量に対応している。従って、リサージュ図形に基づいて、このリサージュ図形を位相分割することによってスケール１の移動量を周期的に並ぶ光学パターン３のピッチよりも細かい分解能で求めることができる。
【００３７】
また、スケール１の基準位置は、前述したように、第二の光検出器８によって集光スポット１２を感知することにより求められる。すなわち、スケール１上の基準位置近くに位置するとき、第二の可干渉光源６から射出された光ビームがホログラムレンズである基準位置パターン４に照射され、エンコーダヘッド２上に集光スポット１２が形成される。
【００３８】
前述したように、第二の光検出器８と第二の可干渉光源６は、スケール１の移動方向に対してずれて位置している。これにより、光強度の強い集光スポット１２の中心部分が、第二の光検出器８にかかるときは、必然的に第二の可干渉光源６の光ビーム射出窓から外れる。つまり、基準位置パターン４によって集光された光ビームが、第二の光検出器８の受光面に対して照射されるとき、第二の可干渉光源６の光ビーム射出窓に照射されないように設定されている。
【００３９】
次に、スケール１の移動方向に沿った第二の光検出器８と第二の可干渉光源６の好適なずれ量Ｌｚについて考察する。
【００４０】
図２や図３に示されるように、スケール移動方向に関して第二の光検出器８の光源寄りの縁部と第二の可干渉光源６の光ビーム射出窓２２の中心とのずれ量をＬｚとする。また、光ビーム射出窓２２のスケール移動方向の幅を２Ｗ、集光スポット１２のスケール移動方向の最大幅を２Ｗｓｐｓとする。
【００４１】
好適なずれ量は、Ｗ＜ＬｚまたはＷｓｐｓ＜Ｌｚを満たしているとよい。これは、図２に示される位置関係に対応しており、第二の光検出器８がスケール移動方向に関して第二の可干渉光源６の光ビーム射出窓２２の中心から、ＷかＷｓｐｓのいずれかの大きい方の寸法よりも離れていることを意味している。つまり、集光スポット１２の光強度の最も強い中心部分が第二の可干渉光源６の光ビーム射出窓２２の中心に位置するときに、集光スポット１２が第二の光検出器８にかからないことを意味している。言い換えれば、集光スポット１２の中心部分近くが第二の光検出器８にかかるとき、すなわちスケール１が基準位置近くに位置するとき、第二の可干渉光源６の光ビーム射出窓２２に集光スポット１２がほとんどかからないことを意味している。
【００４２】
更に好適なずれ量は、Ｗ＋２Ｗｓｐｓ＜Ｌｚを満たしているとよい。これは、図３に示される位置関係に対応しており、第二の光検出器８がスケール移動方向に関して第二の可干渉光源６の光ビーム射出窓２２の中心から、ＷとＷｓｐｓの和に等しい寸法よりも離れていることを意味している。つまり、集光スポット１２が第二の可干渉光源６の光ビーム射出窓２２と第二の光検出器８に同時にかからないことを意味している。
【００４３】
このように、第二の可干渉光源６と第二の光検出器８とがスケール移動方向に対してずれて位置していることにより、スケール１が基準位置近くに位置しているときは、集光スポット１２の光強度の強い中心部分が第二の可干渉光源６の光ビーム射出窓２２にかかることがない。その結果、図４（Ａ）に示されるように、第二の光検出器８で検出される光強度の信号は、戻り光による第二の可干渉光源６の光強度の変動の影響が少ないものとなる。その結果、図４（Ｂ）に示されるように、単一の基準位置信号が得られる。
【００４４】
そのため、本実施形態の光学式エンコーダは、スケール１の基準位置の検出を正確に行なえる。また、これに伴い、スケール１の移動量を高い精度で求めることができる。
【００４５】
第二実施形態
本発明の第二実施形態に関する光学式エンコーダを図５に示す。図５において、図１中の部材と同じ参照符号で示された部材は同等の部材を示しており、その詳しい説明は省略する。
【００４６】
本実施形態の光学式エンコーダは、スケール１に形成されている移動量検出用の周期的に並ぶ光学パターン３と基準位置検出用の基準位置パターン４を除いては、第一実施形態の光学式エンコーダと同じである。以下、第一実施形態との相違点に重点をおいて、本実施形態の光学式エンコーダについて図５を参照しながら説明する。
【００４７】
本実施形態の光学式エンコーダでは、図５に示されるように、スケール１の周期的に並ぶ光学パターン３は、第一の可干渉光源５に対して、スケールの移動方向に直交する方向にずれて位置している。
【００４８】
また、スケール１に形成された基準位置パターン４は、第二の可干渉光源６に対して、スケール１の移動方向に直交する方向にずれて位置している。言い換えれば、基準位置パターン４は、第二の可干渉光源６の主軸１５を基準にして、スケール１の移動方向に直交する方向に関して、一方の側（外側）のみに存在している。
【００４９】
これにより、基準位置パターン４によって集光される回折光や散乱光により形成される集光スポット１２は、第二の可干渉光源６を基準にして、スケール１の移動方向に直交する方向に関して、一方の側（外側）のみに形成される。従って、スケール１の移動方向に直交する方向に沿った不所望なスケール１の移動がなければ、集光スポット１２は、第二の可干渉光源６の光ビーム射出窓にかかることはない。
【００５０】
従って、本実施形態の光学式エンコーダは、第一実施形態の光学式エンコーダと比較して、基準位置パターン４で反射されて集光された光が第二の可干渉光源６の光ビーム射出窓に戻ることが少ない。つまり、戻り光による悪影響の発生、すなわち第二の可干渉光源６の光強度が不安定になることが更に低減されている。
【００５１】
このように、本実施形態の光学式エンコーダでは、第一実施形態の光学式エンコーダと同様に第二の可干渉光源６と第二の光検出器８とがスケール移動方向に関して互いにずれて位置していることにより、第二の可干渉光源６の光強度の安定化が図られていることに加えて、基準位置パターン４が第二の可干渉光源６に対して、スケール１の移動方向に直交する方向に対して互いにずれていることにより、基準位置パターン４で反射、集光された光ビームが第二の可干渉光源６に戻り難い設計となっている。
【００５２】
このため、本実施形態の光学式エンコーダは、スケール１の基準位置の検出を更に正確に行なえる。また、これに伴い、スケール１の移動量を更に高い精度で求めることができる。
【００５３】
第三実施形態
本発明の第三実施形態に関する光学式エンコーダを図６に示す。図６において、図１中の部材と同じ参照符号で示された部材は同等の部材を示しており、その詳しい説明は省略する。
【００５４】
本実施形態の光学式エンコーダは、いわゆる１ビーム方式の光学式エンコーダであり、エンコーダヘッド２は、スケール１に垂直に光ビームを照射するただ１つの可干渉光源５を有している。
【００５５】
これに対応して、移動量検出用の周期的に並ぶ光学パターン３と基準位置検出用の基準位置パターン４とは、可干渉光源５からの一本の光ビームがそれらを同時に照明し得るように、互いに近づけてスケール１に形成されている。周期的に並ぶ光学パターン３と基準位置パターン４は、可干渉光源５の主軸１５を基準にして、スケール１の移動方向に直交する方向に関して両側に位置している。
【００５６】
また、第一の光検出器７と第二の光検出器８は、スケール１の移動方向に直交する方向に関して、可干渉光源５の左右両側に位置している。さらに、第二の光検出器８は、可干渉光源５に対して、スケール１の移動方向に対してずれて位置している。つまり、第二の光検出器８と可干渉光源５は、スケール１の移動方向に互いにずれた位置に配置されている。
【００５７】
可干渉光源５から射出された光ビームは、スケール１に照射され、周期的に並ぶ光学パターン３と基準位置パターン４を照明する。周期的に並ぶ光学パターン３に照射された部分のビーム９ａは、周期的に並ぶ光学パターン３によって回折や散乱を伴って反射され、第一の光検出器７の受光面上に回折干渉パターンを生成する。また、基準位置パターン４に照射された部分のビーム９ｂは、周期的に並ぶ光学パターン３によって集光されながら反射され、エンコーダヘッド２に集光スポット１２を形成する。
【００５８】
集光スポット１２は、可干渉光源５を基準にして、スケール１の移動方向に直交する方向に関して、第二の光検出器８の側のみに形成される。従って、スケール１の移動方向に直交する方向に沿った不所望なスケール１の移動がなければ、集光スポット１２は、可干渉光源５の光ビーム射出窓にかかることはない。つまり、基準位置パターン４が可干渉光源５に対して、スケール１の移動方向に直交する方向に対して互いにずれていることにより、基準位置パターン４で反射された光が可干渉光源５に戻り難い設計となっている。
【００５９】
このように、本実施形態の光学式エンコーダでは、第一実施形態の光学式エンコーダと同様に可干渉光源５と第二の光検出器８とがスケール移動方向に対してずれて位置していることにより、可干渉光源５の光強度の安定化が図られている。
【００６０】
このため、本実施形態の光学式エンコーダは、スケール１の基準位置の検出を正確に行なえる。また、これに伴い、スケール１の移動量を高い精度で求めることができる。
【００６１】
第四実施形態
本発明の第四実施形態に関する光学式エンコーダを図７に示す。
【００６２】
この光学式エンコーダ３００は、移動つまり回転検出のための光学系を含むエンコーダヘッド３０２と、エンコーダヘッド３０２に対して回転可能あるいは回動可能なロータリースケール３０４とを備えている。
【００６３】
ロータリースケール３０４は、円形の光学的に透明な基板３１０の表面に形成された、ロータリースケール３０４の回転検出用の周期的に並ぶ光学パターン３１２を備えている。この光学パターン３１２は、放射状に周期的に並んで配置された多数の扇形の反射部を有しており、反射部は、それと同じ大きさの扇形の隙間を置いて並んでいる。
【００６４】
また、ロータリースケール３０４は、透明な基板３１０の中央部分すなわち回転中心近傍に、扇形のホログラム集光パターンである、ロータリースケール３０４の回転基準位置検出用の基準位置パターン４を有している。この基準位置パターン４を除いて、この領域は反射率が低い領域あるいは反射率がほぼ０に等しい領域を備えている。
【００６５】
基準位置パターン４は、これに照射される光ビームを、ロータリースケール３０４の回転方向に関して集光しながら反射し、エンコーダヘッド３０２に集光スポット１２を形成する。
【００６６】
エンコーダヘッド３０２は、可干渉な光ビームを放射する光源すなわち可干渉光源３２２と、スケールの回転検出用の光検出器３２４とを備えている。光検出器３２４は、複数の受光エリア３３０を備えている。これらの受光エリア３３０は、可干渉光源３２２を中心とする円周上に、一定の角度ピッチで並んでいる。
【００６７】
また、エンコーダヘッド３０２は更に、基準位置検出用の基準位置パターン４によってエンコーダヘッド３０２上に形成されるで集光スポット１２を検出するための第二の光検出器８を有している。
【００６８】
第二の光検出器８は、可干渉光源３２２に対して、ロータリースケール３０４の移動方向すなわち回転方向に対してずれて位置している。つまり、第二の光検出器８と可干渉光源３２２は、可干渉光源３２２の中心を中心とする円の円周に沿って、互いにずれた位置に配置されている。
【００６９】
エンコーダヘッド３０２とロータリースケール３０４は、ロータリースケール３０４の回転軸とエンコーダヘッド３０２から射出される光ビームの主軸３２８とが近い位置になるように、一定の間隔を置いて互いに平行に配置されている。
【００７０】
ロータリースケール３０４の表面に対して、半径ｒ１の円周３４２上に入射する光は、エンコーダヘッド３０２の表面に対して、半径ｒ２の円周３４４上に照射される。ここに、半径ｒ１と半径ｒ２は、ｒ２＝ｒ１（ｚ１＋ｚ２）／ｚ１の関係を満たしており、ｚ１は可干渉光源３２２とロータリースケール３０４の間隔、ｚ２はロータリースケール３０４と光検出器３２４の間隔である。
【００７１】
可干渉光源３２２から射出された所定の広がりを有する光ビームは、ロータリースケール３０４に略垂直に照射される。この光ビームの主軸近傍の一部は、ロータリースケール３０４の中心付近に形成された低反射領域および基準位置パターン４を照明し、その外側の一部は、周期的に並ぶ光学パターン３１２を照明する。
【００７２】
低反射領域に形成された基準位置パターン４に照射された光ビームは、集光されてエンコーダヘッド３０２上に集光スポット１２を形成する。前述したように、第二の光検出器８は可干渉光源３２２に対してロータリースケール３０４の移動つまり回転方向に対してずれて位置しているため、戻り光の影響が抑制されており、可干渉光源３２２の光強度の安定化が図られている。
【００７３】
このため、本実施形態の光学式エンコーダは、ロータリースケール３０４の基準位置の検出を正確に行なえる。また、これに伴い、ロータリースケール３０４の移動量すなわち回転量を高い精度で求めることができる。
【００７４】
これまで、図面を参照しながら本発明の実施の形態を述べたが、本発明は、これらの実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において様々な変形や変更が施されてもよい。
【００７５】
【発明の効果】
本発明の光学式エンコーダによれば、光源と基準位置検出手段とが被検体の移動方向に対してずれているため、被検体からの不所望な光が光源に戻ることが効果的に防止される。これにより、本発明の光学式エンコーダは、高い安定性で基準位置の検出を行なえ、これに伴い高い精度で移動量を測定できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一実施形態に関する光学式エンコーダを示している。
【図２】スケール移動方向に沿って好適なずれ量を伴って位置している可干渉光源と光検出器を示している。
【図３】スケール移動方向に沿って別の好適なずれ量を伴って位置している可干渉光源と光検出器を示している。
【図４】図１の光学式エンコーダの基準位置検出用の光検出器で検出される光強度の信号と、それに従って得られる基準位置信号とを示している。
【図５】本発明の第二実施形態に関する光学式エンコーダを示している。
【図６】本発明の第三実施形態に関する光学式エンコーダを示している。
【図７】本発明の第四実施形態に関する光学式エンコーダを示している。
【図８】従来例のひとつである特開２００２−４８６０２号公報に開示されている光学式リニアエンコーダを示している。
【図９】光学式リニアエンコーダにおいて広く知られているいわゆるＡ相信号とＢ相信号を示している。
【図１０】図９に示されたＡ相信号とＢ相信号に基づいて得られるリサージュ図形を示している。
【図１１】戻り光の影響を受けた可干渉光源の光強度を示している。
【図１２】図８の光学式リニアエンコーダにおいて、図１１に示された光強度の可干渉光源に対して、基準位置検出用の光検出器で検出される光強度の信号と、それに従って得られる基準位置信号とを示している。
【符号の説明】
１ スケール
２ エンコーダヘッド
３ 光学パターン
４ 光学パターン
５ 可干渉光源
６ 可干渉光源
７ 光検出器
８ 光検出器
Claims (16)
- 可干渉光源と、
前記可干渉光源に設けられた光ビーム射出窓部と、
前記可干渉光源に対して相対的に移動することが可能なように設けられ、表面に前記光ビーム射出窓部から射出される光ビームを集光させる基準位置パターンを持つ、前記可干渉光源から前記光ビームを照射されるスケールと、
前記光ビームを受けた前記スケールによる、前記光ビームの反射光または回折光または散乱光を検出する受光面をもつ光検出手段と、
を備えた光学式エンコーダであって、
前記光検出手段は、少なくとも基準位置検出手段を含んでおり、
前記基準位置検出手段と前記光ビーム射出窓部とは、前記スケールの移動方向に相対的にずれた位置に配置されていることを特徴とする光学式エンコーダ。 - 前記スケールは、平行移動が可能なリニア型のスケールであ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。
- 前記反射光または前記回折光または前記散乱光は、前記基準位置パターンによって集光された光ビームとして前記受光面に照射されることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の光学式エンコーダ。
- 前記基準位置パターンは、前記光ビーム射出窓部から射出された光ビームにおける所定の領域を、前記スケールの移動方向に対して集光する特性を持つホログラムレンズであることを特徴とする、請求項１乃至請求項３の何れか１つに記載の光学式エンコーダ。
- 前記基準位置パターンは、前記可干渉光源に対して、それぞれ前記スケールの移動方向に直交する方向に相対的にずれて配置されていることを特徴とする、請求項１乃至請求項４の何れか１つに記載の光学式エンコーダ。
- 前記可干渉光源と前記光検出手段は、同一の基板上に設けられていることを特徴とする、請求項１乃至請求項５の何れか１つに記載の光学式エンコーダ。
- 前記集光された光ビームが、前記光検出手段の受光面に対して照射されるとき、前記光ビーム射出窓部に照射されないように設定されていることを特徴とする、請求項１乃至請求項６の何れか１つに記載の光学式エンコーダ。
- 前記可干渉光源において、前記光ビーム射出窓部の前記スケールの移動方向の幅を２Ｗ、
前記基準位置パターンにより集光された前記光ビームの前記光検出手段上に形成されたスポットの、前記スケールの移動方向の幅を２Ｗｓｐｓ、
前記基準位置検出手段の受光部における、前記スケールの移動方向で前記可干渉光源寄りの縁部と、前記光ビーム射出窓部の中心との前記スケールの移動方向のずれ量をＬｚとすると、
Ｗ＜ＬｚまたはＷｓｐｓ＜Ｌｚ
の関係が成り立つことを特徴とする請求項１乃至請求項７の何れか１つに記載の光学式エンコーダ。 - 前記可干渉光源において、前記光ビーム射出窓部の前記スケールの移動方向の幅を２Ｗ、
前記基準位置パターンにより集光された前記光ビームの前記光検出手段上に形成されたスポットの、前記スケールの移動方向の幅を２Ｗｓｐｓ、
前記基準位置検出手段の受光部における、前記スケールの移動方向で前記可干渉光源寄りの縁部と、前記光ビーム射出窓部の中心との前記スケールの移動方向のずれ量をＬｚとすると、
Ｗ＋２Ｗｓｐｓ＜Ｌｚ
の関係が成り立つことを特徴とする請求項８に記載の光学式エンコーダ。 - 可干渉光源と、
前記可干渉光源に設けられた光ビーム射出窓部と、
前記可干渉光源に対して相対的に移動することが可能なように設けられ、表面に前記光ビーム射出窓部から射出される光ビームを集光させる基準位置パターンと、周期的に並ぶ光学パターンをそれぞれ持つ、前記可干渉光源から前記光ビームを照射されるスケールと、
前記光ビームを受けた前記スケールによる、前記光ビームの反射光または回折光または散乱光を検出する受光面をもつ光検出手段と、
を備えた光学式エンコーダであって、
前記光検出手段は、基準位置検出手段と、複数の受光部で構成された受光面からなる相対移動量検出手段と、を含んでおり、
前記基準位置検出手段と前記光ビーム射出窓部とは、前記スケールの移動方向に相対的にずれた位置に配置されていることを特徴とする光学式エンコーダ。 - 前記スケールは、回転が可能な円盤状のスケール、もしくは前記可干渉光源に対して、前記光学パターンの並ぶ周期方向に平行移動する、リニア型のスケールであることを特徴とする、請求項１０に記載の光学式エンコーダ。
- 前記可干渉光源は、前記スケールに設けられた周期的に並ぶ前記光学パターンに対して回折干渉する光ビームを射出する光源であることを特徴とする、請求項１０または請求項１１に記載の光学式エンコーダ。
- 前記可干渉光源と前記光検出手段は、同一の基板上に設けられていることを特徴とする、請求項１０乃至請求項１２の何れか１つに記載の光学式エンコーダ。
- 前記可干渉光源から周期的に並ぶ前記光学パターンに至る光ビームについて、
前記光ビーム射出窓部と周期的に並ぶ前記光学パターンとの間隔をｚ１、
周期的に並ぶ前記光学パターンと前記光検出手段の受光面の間隔をｚ２、
周期的に並ぶ前記光学パターンのピッチをｐ１とした場合、
前記光検出手段の受光面は、前記スケールの移動方向に対して平行に、略
ｐ１（ｚ１十ｚ２）／ｚ１
の周期を有する光強度パターンの所定の位相部分を検出可能な、複数の受光部を有する受光面から構成されていることを特徴とする、請求項１０乃至請求項１３の何れか１つに記載の光学式エンコーダ。 - 前記集光された光ビームが、前記基準位置検出手段の受光面に対して照射されるとき、前記光ビーム射出窓部に照射されないように設定されていることを特徴とする、請求項１０乃至請求項１４の何れか１つに記載の光学式エンコーダ。
- 前記相対的移動量検出手段は、タルボットイメージによる拡大投影パターンの移動を検出することを特徴とする、請求項１０乃至請求項１５の何れか１つに記載の光学式エンコーダ。
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|---|---|---|---|---|
| JP2005265855A (ja) * | 2004-03-16 | 2005-09-29 | Wai-Hon Lee | 光学式位置エンコーダ装置 |
| KR100900873B1 (ko) | 2005-08-29 | 2009-06-04 | 캐논 가부시끼가이샤 | 광학식 인코더 및 상기 광학식 인코더를 이용한 장치 |
| WO2014141370A1 (ja) * | 2013-03-11 | 2014-09-18 | 株式会社安川電機 | エンコーダ、エンコーダ付きモータ、サーボシステム |
-
2002
- 2002-08-09 JP JP2002233057A patent/JP2004069654A/ja not_active Withdrawn
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| JPWO2014141370A1 (ja) * | 2013-03-11 | 2017-02-16 | 株式会社安川電機 | エンコーダ、エンコーダ付きモータ、サーボシステム |
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