JP2004198230A

JP2004198230A - 光学式エンコーダ及びこれを用いた駆動システム

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Publication number: JP2004198230A
Application number: JP2002366534A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Yoshida; 吉田　　康; Kazunari Matsuzaki; 一成松崎
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2002-12-18
Filing date: 2002-12-18
Publication date: 2004-07-15
Anticipated expiration: 2022-12-18
Also published as: JP4292568B2

Abstract

【課題】簡易なシステム構成で高精度の２次元方向相対変位を検出できる光学式エンコーダを得る。
【解決手段】本発明の光学式エンコーダは、一方の物体に対して一定の間隙を保ち他方の物体と相対変位する２つの物体の相対変位量を測定するもので、一方の物体に設けられ、周期的なパターンを有する第１のスリット103とこれと交叉するように配置された第２のスリット104と、他方の物体に設けられ、第１の投射光を出射する第１の発光手段111と、第１の集光手段112と、第１の光分離手段113と、第１の受光手段114と、第２の発光手段121と、第２の集光手段122と、第２の光分離手段123と、第２の受光手段124とを備えたものである。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、２次元方向に相対変位する２つの物体の相対変位を検出する光学式エンコーダおよびこのエンコーダを用いた駆動システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
相対変位する２つの物体の相対変位を検出する装置としては、リニアエンコーダが知られている(例えば、特許文献１参照)。
【０００３】
【特許文献１】特表２００１−５１８６０６号公報(第２図)
【０００４】
しかし、リニアエンコーダで測定できるのは１次元の直線変位のみである。２次元方向に相対変位する２つの物体の相対変位を検出するためには、図１２のように２つのリニアエンコーダを組み合わせる必要があった。図１２において、２０１は固定側物体、２０２はＸ軸測定用リニアスリット、２０３は可動ロッド、２０４はＸ軸測定用読みとりヘッド、２０５はＹ軸測定用リニアスリット、２０６はＹ軸測定用読みとりヘッド、２０７は移動側物体である。
第１のリニアエンコーダは、固定側物体２０１の上面に敷設されたＸ軸測定用のリニアスリット２０２と、可動ロッド２０３の端部に一体装着されてリニアスリット２０２上をＸ軸方向に走査する案内機構付き読みとりヘッド２０４からなる。第２のリニアエンコーダは、リニアスリット２０２の上方に配置されて可動ロッド２０３の上面に取り付けられたＹ軸測定用のリニアスリット２０５と、リニアスリット２０５上を可動してＹ方向に走査する案内機構付き読みとりヘッド２０６からなる。読みとりヘッド２０６は固体物体２０１に対して相対変位する移動側物体２０７に固定されている。
移動側物体２０７と固定側物体２０１のＸ軸方向の相対変位は、第１のリニアエンコーダのＸ軸リニアスリット２０２を読みとりヘッド２０４でより読みとることにより検出し、第２の軸方向の相対変位は、第２のリニアエンコーダのＹ軸リニアスリット２０５を読みとりヘッド２０６によって読みとることにより検出する。これら２つのリニアエンコーダの検出出力によって、２つの物体間の相対変位を測定していた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来は２次元方向に相対変位する２つの物体の相対変位を検出するために２つのリニアエンコーダを組み合わせる必要があり、リニアエンコーダの取り付けのためにシステム構成が複雑になるという問題があった。さらに、測定を要する点から読み取りヘッドの間が離れているので、アッベの誤差により測定の誤差が生じるという問題があった。
そこで、本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、簡易なシステム構成で２次元方向に相対変位する２つの物体の相対変位を検出することができる高精度の光学式エンコーダを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したものである。
請求項１に記載の発明は、一方の物体と、これに対して一定の間隙をもって相対する他方の物体との相対変位量を測定する光学式エンコーダにおいて、前記一方の物体に設けられ、周期的なパターンを有する第１のスリットと、これと交叉するように配置された第２のスリットと、前記他方の物体に設けられ、前記第１のスリットに対して第１の投射光を出射する第１の発光手段と、前記第１の投射光を前記第１のスリット上に集光させる第１の集光手段と、前記第１のスリット上で反射した前記第１の反射光を前記第１の投射光と分離する第１の光分離手段と、前記第１の反射光を検出する第１の受光手段と、前記第２のスリットに対して第２の投射光を出射する第２の発光手段と、前記第２の投射光を前記第２のスリット上に集光させる第２の集光手段と、前記第２のスリット上で発射した第２の反射光を前記第２の投射光と分離する第２の光分離手段と、前記第２の反射光を検出する第２の受光手段とを備えたものである。
このようになっているため、１つの光学式エンコーダで２次元の相対変位が測定でき、システム構成を簡易にすることができる。
【０００７】
また、請求項２に記載の発明は、前記第１の集光手段により前記第１のスリット上に集光された第１の投射光スポットに対して位相差を有するスリット位置に第３の投射光を出射する第３の発光手段と、前記第３の投射光を集光させる第３の集光手段と、前記第１のスリット上で反射した第３の反射光と前記第３の投射光を分離する第３の光分離手段と、前記第３の反射光を検出する第３の受光手段と、前記第２の集光手段により前記第２のスリット上に集光された第２の投射光スポットに対して位相差を有するスリット位置に第４の投射光を出射する第４の発光手段と、前記第４の投射光を集光させる第４の集光手段と、前記第２のスリット上で反射した第４の反射光と前記第４の投射光を分離する第４の光分離手段と、前記第４の反射光を検出する第４の受光手段とを備えたものである。
このようになっているため、１つの光学式エンコーダで２次元の進行方向と相対変位が測定でき、システム構成を簡易にすることができる。
【０００８】
また、請求項３記載の発明は、前記第１の発光手段または前記第３の発光手段と、前記第２の発光手段または前記第４の発光手段は異なる波長の光を出射し、前記第１のスリットの反射部は前記第３の投射光に対しては反射し、前記第４の投射光に対しては透過する波長依存性を有するものである。
このようになっているため、前記第４の投射光の光が前記第１のスリットで反射されることがないので、第４の受光手段での検出精度をよくすることができ、１つの光学式エンコーダで２次元の進行方向と相対変位が測定でき、システム構成を簡易にすることができる。
【０００９】
また、請求項４の発明は、前記第１の発光手段と前記第２の発光手段は異なる波長の光を出射し、前記第１のスリットの反射部は前記第１の投射光に対しては反射し、前記第２の投射光に対しては透過する波長依存性を有するものである。このようになっているため、前記第２の投射光の光が前記第１のスリットで反射されることがないので、第２の受光手段での検出精度をよくすることができ、１つの光学式エンコーダで２次元の相対変位が測定でき、システム構成を簡易にすることができる。
【００１０】
また、請求項５記載の発明は、一方の物体と、これに対して一定の間隙をもって相対する他方の物体との相対変位量を測定する光学式エンコーダにおいて、前記一方の物体に設けられ、周期的なパターンを有する第１のスリットとこれと交叉するように配置された第２のスリットと、前記他方の物体に設けられ、前記第１のスリットに対して第１の投射光を出射する第１の発光手段と、前記第１の投射光を前記第１のスリットまたは前記第２のスリット上に選択的に集光できる第１の多焦点集光手段と、前記第１のスリットまたは前記第２のスリット上で反射した第１の反射光を前記第１の投射光と分離する第１の光分離手段と、前記反射光を検出する第１の受光手段とを備えたものである。
このようになっているため、１つの光学式エンコーダで２次元の相対変位が測定でき、システム構成を簡易にすることができる。
【００１１】
また、請求項６に記載の発明は、第１のスリットまたは第２のスリットに対して第２の投射光を出射する第２の発光手段と、前記第１の多焦点集光手段により前記第１のスリット上に集光された第１の投射光スポットに対して第１の軸方向に位相差を有し、かつ前記第１の多焦点集光手段により前記第２のスリット上に集光された前記第１の投射光スポットに対して第２の軸方向に位相差を有するスリット位置に前記第２の投射光を集光させる第２の多焦点集光手段と、前記第１のスリットまたは前記第２のスリット上で反射した第２の反射光と前記第２の投射光を分離する第２の光分離手段と、前記第２の反射光を検出する第２の受光手段とを備えたものである。
このようになっているため、１つの光学式エンコーダで２次元の進行方向と相対変位が測定でき、システム構成を簡易にすることができる。
【００１２】
また、請求項７記載の発明は、前記多焦点集光手段が、可動集光手段からなるものである。
このようになっているため、１つの投射光を第１のスリットと第２のスリットに交互に照射できるため、投光手段、集光手段、受講手段等の構成要素を共通化でき、より少ないシステム構成にすることができる。
【００１３】
また、請求項８記載の発明は、前記第１の受光手段及び前記第２の受光手段は、それぞれ少なくとも２個の受光部からなるものである。
このようになっているため、スリット上の２カ所からの反射光を１つの受光手段で検出することができるので、より簡易な構成で２次元の進行方向と相対変位が測定できる。
【００１４】
また、請求項９記載の発明は、前記第１のスリットおよび前記第２のスリットの反射部が基板上に形成した薄膜である。
【００１５】
また、請求項１０記載の発明は、前記第１のスリットの反射部が半透過性としたものである。
このようになっているため、前記第２の投射光の光が前記第１のスリットで反射されることがないので、第２の受光手段での検出精度をよくすることができる。
また、請求項１１記載の発明は、前記第１のスリットおよび前記第２のスリットを樹脂基板上に作製したことを特徴とするものである。
また、請求項１２記載の発明は、前記第１のスリットおよび前記第２のスリットをガラス基板上に作製したものである。
このようになっているため、基板材としてガラスや樹脂などの多種の材料を用いることができる。
【００１６】
また、請求項１３記載の発明は、前記第１のスリットと前記第２のスリットを異なる基板上に作製したものである。
このようになっているため、容易に２次元方向のスリットを作製することができる。
【００１７】
また、請求項１４記載の発明は、前記第１のスリットと前記第２のスリットを同一基板の表面と裏面にそれぞれ作製したものである。
このようになっているため、薄い２次元方向のスリットを作製することができる。
【００１８】
また、請求項１５記載の発明は、２つの物体を相対変位させる駆動手段と、
前記２つの物体の相対変位量を測定する前記１乃至１７記載の光学式エンコーダと、前記光学式エンコーダの出力に基づいて駆動手段を制御する制御手段と、を備えたものである。
このようになっているため、１つの光学式エンコーダを用いて２次元の相対変位が測定できる、簡易なシステム構成にすることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の具体的実施例を図に基づいて説明する。
（第１の実施例）
図１は、本発明の光学式エンコ−ダの第１の実施例を示す構成図である。図１において、１０１は相対変位する２つの物体の固定側物体、１０２は移動側物体である。
固定側物体１０１には、間隙を保ち互いに直交するように配置された第１のスリット１０３と第２のスリット１０４が敷設されている。第１のスリット１０３にはＸ軸方向へ光反射部１０３Ａと光透過部１０３Ｂが周期的に配列されており、第２のスリット１０４にはＹ軸方向へ光反射部１０４Ａと光透過部１０４Ｂが周期的に配列されている。
移動側物体１０２には、第１の発光手段１１１、第１の集光手段１１２、第１の光分離手段１１３、第１の受光手段１１４、第２の発光手段１２１、第２の集光手段１２２、第２の光分離手段１２３、第２の受光手段１２４が設けられている。
【００２０】
つぎに、動作について説明する。第１の発光手段１１１から出射した第１の投射光は、第１の光分離手段１１３を通過し、第１の集光手段１１２によって第１のスリット１０３上の第１の投射光スポット１０５に集光される。この第１の投射光スポット１０５の内、第１のスリット１０３の光反射部１０３Ａ上にある光が、第１のスリット１０３と垂直に正反射する。この第１の反射光を第１の光分離手段１１３により第１の投射光と分離し、第１の受光手段１１４で検出する。同様に、第２の発光手段１２１から出射した第２の投射光は、第２の光分離手段１２３を通過し、第２の集光手段１２２によって第２のスリット１０４上の第２の投射光スポット１０６に集光される。この第２の投射光スポット１０６の内、第２のスリット１０４の光反射部１０４Ａ上に照射された光が、第２のスリット１０４と垂直に正反射する。この第２の反射光を第２の光分離手段１２３により第２の投射光と分離し、第２の受光手段１２４で検出する。
第１の投射光スポット１０５が第１のスリット１０３の光反射部１０３Ａ上にある時に、第１の受光手段１１４で検出する第１の反射光は最大になり、第１の投射光スポット１０５が光透過部１０３Ｂ上にある時に、第１の受光手段１１４で検出する第１の反射光は最小になる。したがって、移動側物体１０２がＸ軸の一方向に変位すると、Ｘ軸の変位量に応じた回数で第１の受光手段１１４の検出出力Ｖ₁₁₄に変化が生じる。この検出出力Ｖ₁₁₄が所定のしきい値電圧を超える回数を積算することにより、移動側物体１０２のＸ軸方向の変位量を検出することができる。
【００２１】
一方、第２の投射光スポット１０６が第２のスリット１０４の光反射部１０４Ａ上にある時に、第２の受光手段１３１で検出する第２の反射光は最大になり、第２の投射光スポット１０６が光透過部１０４Ｂ上にある時に、第２の受光手段１１４で検出する第１の反射光は最小になる。しかし、移動側物体１０２のＸ軸変位によっては、第２の投射光が第１のスリット１０３の光反射部１０３Ｂにより遮光され、第２の受光手段１２４で検出する第２の反射光が低下してしまう。つまり移動側物体１０２のＸ軸方向の変位に依存して、第２の受光手段１２４で検出する第２の反射光の光量の極大値が変化することになる。そのため、第２の反射光の変化の回数を正確に積算することは難しい。
【００２２】
この対策として、第１のスリット１０３の光反射部１０３Ａを半透過性とする方法や、図２（ｂ）のように第２の投射光スポット１０６の大きさを光反射部１０３Ａの幅よりも大きくする方法、図３（ｂ）のように第１のスリット１０３の光反射部１０３Ａの幅を光透過部１０３Ｂより細くする方法等が有効である。さらに、異なる波長の光を出射する第１の発光手段１１１と第２の発光手段１２１を選定し、発光手段１１１から出射した第１の投射光に対しては反射、第２の発光手段１２１から出射した第２の投射光に対しては透過する波長依存性を有するように第１のスリット１０３の光反射部１０３Ａを形成すれば、より効果的である。また、Ｘ軸受光手段１１４から得られたＸ軸変位量をもとに、第２の反射光の変化の回数を積算するためのＹ軸受光手段の検出信号のしきい値を補正することも可能である。
上記のように、第１の受光手段１１４の検出出力Ｖ₁₁₄と第２の受光手段１２４の検出出力Ｖ₁₂₄が所定のしきし、値電圧を超える積算回数から、移動側物体の２次元方向の相対変位を測定することができる。
図１において、第１の発光手段１１１と第２の発光手段１２１は、半導体レーザ、ＬＥＤ等の発光デバイスや、光ファイバなどの導光素子を用いることができる。第１の集光手段１１２と第２の集光手段１２２は、図１では一ヵ所にしか入れていないが、集光およびコリメートを目的に、光路中の任意の場所に複数挿入してもかまわない。第１の光分離手段１１３と第２の光分離手段１２３として、ハーフミラー、プリズム、光アイソレータなどが使用できる。光路長に偏光板を挿入し、偏光を用いた光分離を行うことも可能である。
【００２３】
（第２の実施例）
図４は、本発明の光学式エンコーダの第２の実施例の構成を示す図である。図４において、第１の実施例と異なる点は、移動側物体１０２に、第３発光手段１３１、第３集光手段１３２、第３光分離手段１３３、第３受光手段１３４、第４発光手段１４１、第４集光手段１４２、第４光分離手段１４３、第４受光手段１４４が付加されている点である。
第１のスリット１０３上または第２のスリット１０４上に集光される投射光スポットの位置関係を図５に示す。図５において、１０５は第１の発光手段１１１から出射した第１の投射光が第１のスリット面上に集光した第１の投射光スポット、１０６は第２の発光手段１２１から出射した第２の投射光が第２のスリット面上に集光した第２の投射光スポット、１０７は第３発光手段１３１から出射した第３投射光が第１のスリット面上に集光した第３投射光スポット、ｌ０８は第４発光手段１４１から出射した第４投射光が第２のスリット面上に集光した第４投射光スポットである。
第３投射光スポット１０７が、第１の投射光スポット１０５に対して１／４周期分の位相差を有するスリット位置になるように、第３発光手段１３１、第３集光手段１３２、第３光分離手段１３３、第３受光手段１３４は配置されている。同様に、第４投射光スポット１０８が、第２の投射光スポット１０６に対して１／４周期分の位相差を有するスリット位置になるように、第４発光手段１４１、第３集光手段１４２、第３光分離手段１４３、第３受光手段１４４は配置されている。
つぎに、動作について説明する。移動側物体１０２が変位すると、第３受光手段１３４には、Ｘ軸の進行方向に応じて第１の受光手段１１４よりも１／４ピッチ分位相が進むか、遅れて光量の変化が生じる。この第１の受光手段１１４と第３受光手段１３４との検出信号を用いることにより、移動側物体１０２のＸ軸方向の相対変位と供に進行方向を検出することが可能である。Ｙ軸についても同様に、第２の受光手段１２４と第４受光手段１４４の検出信号を用いることにより、
移動側物体１０２のＹ軸方向の相対変位と供に進行方向を検出することが可能である。
【００２４】
（第３実施例）
図６は、本発明の光学式エンコーダの第３実施例の構成を示す図である。図６において第１の実施例と異なる点は、Ｘ軸受光手段１１４、第２の受光手段１２４が、それぞれ２つの受光部１１４Ａと１１４Ｂ、１２４Ａと１２４Ｂに分かれている点である。
動作について説明する。第１の投射光スポット１０５が、第１のスリット１０３の光反射部１０３Ａの中心にあるときには、受光部１１４Ａと１１４Ｂに同量の反射光が入射し、その検出出力Ｖ_114AとＶ_114Bは等しくなる。この状態から移動側物体１０２が移動すると、第１の投射光スポット１０５が、第１のスリット１０３の光反射部１０３Ａからずれることにより、受光部１１４Ａと１１４Ｂに入射する反射光がアンバランスになる。例えばＸ軸の＋方向に移動した場合、受光部１１４Ｂに入射する反射光が受光部１１４Ａに比べて小さくなれば、検出出力Ｖ_114AがＶ_114Bよりも大きくなる。逆に、Ｘ軸の一方向に移動した場合、受光部１１４Ａに入射する反射光が受光部１１４Ｂに比べて小さくなり、検出出力Ｖ_114AがＶ_114Bよりも小さくなる。
したがって、受光部１１４Ａと１１４Ｂの検出信号の和Ｖ_114A＋Ｖ_114Bと差Ｖ_114A−Ｖ_114Bを用いることにより、移動側物体１０２のＸ軸方向の相対変位と供に進行方向を検出できる。Ｙ軸についても同様に、受光部１２４Ａと１２４Ｂの検出信号の和Ｖ_124A＋Ｖ_124Bと差Ｖ_124A−Ｖ_124Bを用いることにより、移動側物体１０２の第２の軸方向の相対変位と供に進行方向を検出することが可能である。
【００２５】
（第４実施例）
図７は、本発明の光学式エンコーダの第４実施例を示す構成図である。図７において、移動側物体１０２には、発光手段１５１、可変集光手段１５２、光分離手段１５４、受光手段１５５が設けられている。可変集光手段１５２には、可変機構１５３が設けられていて、発光手段１５１から出射された投射光の集光位置を第１のスリット上か第２のスリット上に選択的に切り替えることが可能になっている。
図８に基づき動作を説明する。例えば、移動側物体１０２がＸ軸方向のみに移動する場合には、図８（ａ）のように発光手段１５１から出射した投射光が第１のスリット１０３上に集光するように可変集光手段１５２を調整すればよい。受光手段１１４で検出する反射光量は、Ｘ軸の変位量に応じた回数で変化するので、受光手段１１４で検出Ｖ₁₁₄が所定のしきい値電圧を越えた回数を積算することにより、移動側物体１０２のＸ軸方向の変位量を検出することができる。
一方、移動側物体１０２がＹ軸方向のみに移動する場合には、図８（ｂ）のように発光手段１５１から出射した投射光が第２のスリット１０４上に集光するように可変集光手段１５２を調整すればよい。受光手段１１４で検出する反射光量は、Ｙ軸の変位量に応じた回教で変化するので、受光手段１１４で検出Ｖ₁₁₄が所定のしきい値電圧を越えた回数を積算することにより、移動側物体１０２の第２の軸方向の変位量を検出することができる。
しかし、移動側物体１０２がＸ軸方向と第２の軸方向に同時に移動する場合には、上記の方法では両軸の変位を測定することはできない。その場合は、高速で可変集光手段１５２の集光点切り替え、図８（ａ）の状態にあるときの検出出力Ｖ₁₁₄の変化の積算回数からＸ軸方向の変位量を、図８（ｂ）の状態にあるときの検出出力Ｖ₁₁₄の変化の積算回数からＸ軸方向の変位量を検出することができる。
例えば、第１のスリット１０３および第２のスリット１０４のスリットピッチが１μｍで、移動側物体１０２の移動速度が１０ｍｍ／ｓの場合、１０ＫＨｚ以上の周期で可動集光手段を動かして図８（ａ）と（ｂ）の状態を切り替えて、それぞれの状態での受光手段１５５の検出信号の変化の回数を積算すれば、両軸の変位を測定することが可能である。
【００２６】
（第５実施例）
図９は、本発明の光学式エンコーダの第５実施例の構成を示す図である。図９において第４実施例と異なる点は、移動側物体１０２に、位相差用発光手段１６１、位相差用の多点集光手段１６２、位相差用可変機構１６３、位相差用光分離手段１６４、位相差用受光手段１６５が付加されている点である。
第１のスリット１０３上または第２のスリット１０４上に集光される投射光スポットの位置関係を図１０に示す。図１０において、１０９は発光手段１５１から出射した投射光が第１のスリット面上または第２のスリット上に集光した投射光スポット、１１０は位相差用発光手段１６１から出射した位相差用投射光が第１のスリット面上または第２のスリット面上に集光した位相差用投射光スポットである。
位相差用投射光スポット１１０が、投射光スポット１０９に対してＸ軸方向にも第２の軸方向にも１／４周期分の位相差を有するように、位相差用発光手段１６１、位相差用の多点集光手段１６２、位相差用可変機構１６３、位相差用光分離手段１６４、位相差用受光手段１６５は配置されている。
動作について説明する。投射光および位相差用投射光の集光位置が、第１のスリット１０３上と第２のスリット１０４上を高速に繰り返すように、可動集光手段１５２と位相差用可動集光手段１６２を同期させて駆動させる。この状態で、移動側物体１０２が移動すると、第３受光手段１３４には、Ｘ軸の進行方向に応じて第１の受光手段１１４よりも１／４ピッチ分位相が進むか、遅れて光量の変化が生じる。この第１の受光手段１１４と第３受光手段１３４との検出信号を用いることにより、移動側物体１０２のＸ軸方向の相対変位と供に進行方向を検出することが可能である。Ｙ軸についても同様に、第２の受光手段１２４と第４受光手段１４４の検出信号を用いることにより、移動側物体１０２のＹ軸方向の相対変位と供に進行方向を検出することが可能である。
【００２７】
（第６実施例）
図１１は、本発明の光学式エンコーダの第３実施例の構成を示す図である。図１１において第３実施例と異なる点は、受光手段１５５が、４つの受光部１５５、１５５Ｂ、１５５Ｃと１５５Ｄに分かれている点である。
動作について説明する。投射光が第１のスリット１０３上に集光されていて、投射光スポット１０９の光反射部１０３Ａの中心にあるときには、受光部１５５Ａと１５５Ｂ、および１５５Ｃと１５５Ｄに同量の反射光が入射し、その検出出力は等しくなる。この状態から移動側物体１０２がＸ軸方向に移動すると、投射光スポット１０９が、第１のスリット１０３の光反射部１０３Ａからずれることにより、受光部１５５Ａと１５５Ｂ、および１５５Ｃと１５５Ｄに入射する反射光がアンバランスになる。例えばＸ軸の＋方向に移動した場合、受光部１５５Ｂに入射する反射光が受光部１５５Ａに比べて小さく、受光部１５５Ｄに入射する反射光が受光部１５５Ｃに比べて小さくなれば、受光部１５５Ａの検出出力Ｖ_155Aが受光部１５５Ｂの検出出力Ｖ_155Bよりも大きく、受光部１５５Ｃの検出出力Ｖ_155cが受光部１５５Ｄの検出出力Ｖ_155Dよりも大きくなる。逆に、Ｘ軸の−方向に移動した場合、受光部１１４Ａに入射する反射光が受光部１１４Ｂに比べて小さくなり、受光部１５５Ａの検出出力Ｖ_155Aが受光部１５５Ｂの検出出力Ｖ₁₅ _5Bよりも小さく、受光部１５５Ｃの検出出力Ｖ_155cが受光部１５５Ｄの検出出力Ｖ_155Dよりも小さくなる。
したがって、受光部１５５Ａと１５５Ｂの検出出力の和Ｖ_155A＋Ｖ_155B、または受光部１５５Ｃと１５５Ｄの検出出力の和Ｖ_155C＋Ｖ_155Dと、受光部１５５Ａと１５５Ｂの検出出力の差Ｖ_155A−Ｖ_155B、または受光部１５５Ｃと１５５Ｄの検出出力の差Ｖ_155C−Ｖ_155Dを用いることにより、移動側物体１０２のＸ軸方向の相対変位と供に進行方向を検出できる。
Ｙ軸についても同様に、受光部１５５Ａと１５５Ｃの検出出力の和Ｖ_155A＋Ｖ_155c、または受光部_155Bと_155Dの検出出力の和Ｖ_155B＋Ｖ_155Dと、受光部１５５Ａと１５５Ｃの検出出力の差Ｖ_155A−Ｖ_155c、または受光部１５５Ｂと１５５Ｄの検出出力の差Ｖ_155B−Ｖ_155Dを用いることにより、移動側物体１０２の第２の軸方向の相対変位と供に進行方向を検出できる。
【００２８】
なお、以上の各実施例では直交した第１のスリットと第２のスリットを例にしたが、必要に応じて他の角度で交叉するように配置したものであっても本発明の趣旨を逸脱するものではない。
また、以上の各実施例の第１のスリットと第２のスリットは、樹脂基板やガラス基板上に作製することが可館である。第１のスリットと第２のスリットの製造には、射出成形法、レプリカ製法、フォトマスク露光や電子ビーム露光を用いたエッチング、レーザ加工等の方法が利用できる。特に、樹脂基板上に作成する場合は、安価に製造できる射出成形法が有効な製造方法である。また、ガラス基板を用いれば、温度によるスリット精度の変動が少なく、移動側物体の変位量を精度良く測定できるという特徴がある。
さらに、各実施例の第１のスリットと前記第２のスリットは、異なる基板上に作製後、重ね合わせてもよいし、同一基板の表面と裏面にそれぞれのスリットを作成してもよい。スリット基板を薄くする必要がある場合には、同一基板の表面と裏面に作成する方が好ましい。
【００２９】
２つの物体を相対変位させる駆動手段に、上記構成の光学式エンコーダを取り付けて、この光学式エンコーダの出力に基づいて、駆動手段を制御する制御手段を加えると、１つの光学式エンコーダで２次元の相対変位が測定でき、簡易なシステムの駆動システムを構成することができる。
【００３０】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、一方の物体に周期的なパターンを有する第１のスリットとこれと交叉するように配置された第２のスリットを設け、他方の物体に、第１の投射光を出射する第１の発光手段と、第１の集光手段と、第１の光分離手段と、第１の受光手段と、第２の発光手段と、第２の集光手段と、第２の光分離手段と、第２の受光手段とを設けので、簡易で高精度の２次元方向の相対変位を検出できる光学式エンコーダを得る効果がある。
また、２つの物体を相対変位させる駆動手段と、上記のエンコーダと、光学式エンコーダの出力に基づいて駆動手段を制御する制御手段とを備えたので、簡易な構成で高精度の駆動システムが構築できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例を示す光学式エンコーダの斜視図
【図２】本発明の第１の実施例の投射光スポット部を示す拡大平面図
【図３】本発明の第１の実施例のスリット部を示す拡大平面図
【図４】本発明の第２の実施例を示す光学式エンコーダの斜視図
【図５】本発明の第２の実施例の投射光スポット位置を示す平面図
【図６】本発明の第３の実施例を示す光学式エンコーダの斜視図
【図７】本発明の第４の実施例を示す光学式エンコーダの斜視図
【図８】本発明の第４の実施例の投射光スポット位置を示す側断面図
【図９】本発明の第５の実施例を示す光学式エンコーダの斜視図
【図１０】本発明の第５の実施例の投射光スポット位置を示す平面図
【図１１】本発明の第６の実施例を示す光学式エンコーダの斜視図
【図１２】従来の光学式コーダの斜視図
【符号の説明】
１０１、２０１固定側物体
１０２、２０７移動側物体
１０３第１のスリット
１０３Ａ、１０４Ａ光反射部
１０３Ｂ、１０４Ｂ光透過部
１０４第２のスリット
１０５第１の投射光スポット
１０６第２の投射光スポット
１０９投射光スポット
１１１第１の発光手段
１１２第１の集光手段
１１３第１の光分離手段
１１４第１の受光手段
１１４Ａ、１１４Ｂ、１２４Ａ、１２４Ｂ、１５５、１５５Ａ、１５５Ｂ、１５５Ｃ、１５５Ｄ受光部
１２１第２の発光手段
１２２第２の集光手段
１２３第２の光分離手段
１２４第２の受光手段
１３１第３発光手段
１３２第３集光手段
１３３第３光分離手段
１３４第３受光手段
１４１第４発光手段
１４２簾４集光手段
１４３第４光分離手段
１４４第４受光手段
１５１発光手段
１５２可変集光手段
１５３可変機構
１５４光分離手段
１６１位相差用発光手段
１６２位相差用の多点集光手段
１６３位相差用可変機構
１６４位相差用光分離手段
１６５位相差用受光手段
２０２Ｘ軸測定用リニアスリット
２０３可動ロッド
２０４Ｘ軸測定用読みとりヘッド
２０５Ｙ軸測定用リニアスリット
２０６Ｙ軸測定用読みとりヘッド

Claims

一方の物体と、これに対して一定の間隙をもって相対する他方の物体との相対変位量を測定する光学式エンコーダにおいて、
前記一方の物体に設けられ、周期的なパターンを有する第１のスリットと、これと交叉するように配置された第２のスリットと、前記他方の物体に設けられ、前記第１のスリットに対して第１の投射光を出射する第１の発光手段と、前記第１の投射光を前記第１のスリット上に集光させる第１の集光手段と、前記第１のスリット上で反射した前記第１の反射光を前記第１の投射光と分離する第１の光分離手段と、前記第１の反射光を検出する第１の受光手段と、前記第２のスリットに対して第２の投射光を出射する第２の発光手段と、前記第２の投射光を前記第２のスリット上に集光させる第２の集光手段と、前記第２のスリット上で発射した第２の反射光を前記第２の投射光と分離する第２の光分離手段と、前記第２の反射光を検出する第２の受光手段とを備えたことを特徴とする光学式エンコーダ。
前記第１の集光手段により前記第１のスリット上に集光された第１の投射光スポットに対して位相差を有するスリット位置に第３の投射光を出射する第３の発光手段と、前記第３の投射光を集光させる第３の集光手段と、前記第１のスリット上で反射した第３の反射光と前記第３の投射光を分離する第３の光分離手段と、前記第３の反射光を検出する第３の受光手段と、前記第２の集光手段により前記第２のスリット上に集光された第２の投射光スポットに対して位相差を有するスリット位置に第４の投射光を出射する第４の発光手段と、前記第４の投射光を集光させる第４の集光手段と、前記第２のスリット上で反射した第４の反射光と前記第４の投射光を分離する第４の光分離手段と、前記第４の反射光を検出する第４の受光手段とを備えたことを特徴とする請求項１記載の光学式エンコーダ。
前記第１の発光手段または前記第３の発光手段と、前記第２の発光手段または前記第４の発光手段は異なる波長の光を出射し、前記第１のスリットの反射部は前記第３の投射光に対しては反射し、前記第４の投射光に対しては透過する波長依存性を有することを特徴とする請求項１または２記載の光学式エンコーダ。
前記第１の発光手段と前記第２の発光手段は異なる波長の光を出射し、前記第１のスリットの反射部は前記第１の投射光に対しては反射し、前記第２の投射光に対しては透過する波長依存性を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の光学式エンコーダ。
一方の物体と、これに対して一定の間隙をもって相対する他方の物体との相対変位量を測定する光学式エンコーダにおいて、
前記一方の物体に設けられ、周期的なパターンを有する第１のスリットとこれと交叉するように配置された第２のスリットと、前記他方の物体に設けられ、前記第１のスリットに対して第１の投射光を出射する第１の発光手段と、前記第１の投射光を前記第１のスリットまたは前記第２のスリット上に選択的に集光できる第１の多焦点集光手段と、前記第１のスリットまたは前記第２のスリット上で反射した第１の反射光を前記第１の投射光と分離する第１の光分離手段と、前記反射光を検出する第１の受光手段とを備えたことを特徴とする光学式エンコーダ。
前記第１のスリットまたは前記第２のスリットに対して第２の投射光を出射する第２の発光手段と、前記第１の多焦点集光手段により前記第１のスリット上に集光された第１の投射光スポットに対して第１の軸方向に位相差を有し、かつ前記第１の多焦点集光手段により前記第２のスリット上に集光された前記第１の投射光スポットに対して第２の軸方向に位相差を有するスリット位置に前記第２の投射光を集光させる第２の多焦点集光手段と、前記第１のスリットまたは前記第２のスリット上で反射した第２の反射光と前記第２の投射光を分離する第２の光分離手段と、前記第２の反射光を検出する第２の受光手段と、を備えたことを特徴とする請求項５記載の光学式エンコーダ。
前記多焦点集光手段が、可動集光手段からなることを特徴とする請求項５または６記載の光学式エンコーダ。
前記第１の受光手段及び前記第２の受光手段は、それぞれ少なくとも２個の受光部からなることを特徴とする請求項１、２、７のいずれか１項に記載の光学式エンコーダ。
前記第１のスリットおよび前記第２のスリットの反射部が基板上に形成した薄膜であることを特徴とする請求項１乃至８記載の光学式エンコーダ。
前記第１のスリットの反射部が半透過性であることを特徴とする請求項９記載の光学式エンコーダ。
前記第１のスリットおよび前記第２のスリットを樹脂基板上に作製したことを特徴とする請求項１乃至１０記載の光学式エンコーダ。
前記第１のスリットおよび前記第２のスリットをガラス基板上に作製したことを特徴とする請求項１乃至１０記載の光学式エンコーダ。
前記第１のスリットと前記第２のスリットを異なる基板上に作製したことを特徴とする請求項１乃至１２記載の光学式エンコーダ。
前記第１のスリットと前記第２のスリットを同一基板の表面と裏面にそれぞれ作製したことを特徴とする請求項１乃至１２記載の光学式エンコーダ。
２つの物体を相対変位させる駆動手段と、前記２つの物体の相対変位量を測定する前記１乃至１４記載の光学式エンコーダと、前記光学式エンコーダの出力に基づいて駆動手段を制御する制御手段とを備えた駆動システム。