JP2006145466A - 光学式スケール - Google Patents

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Abstract

【課題】基準位置信号とインクリメンタル信号を光学式スケールの同一位置で検出する。
【解決手段】光学式スケール１１が回転して凸レンズ１３が透過０次光Ｔ０にさしかかると、光源１５から出力した光束Ｌのうち、回折格子１２を透過する透過０次光Ｔ０は、周辺の光が集光されて基準位置信号検出センサ１４に入射し、基準位置信号検出センサ１４からはより大きな出力が得られ、この信号が基準位置信号となる。一方、回折格子１２により反射された反射回折光Ｌａ、Ｌｂは干渉後に回折光検出センサ１６で検出され、スケール１１の速度、角度等の検出がなされる。
【選択図】図４

Description

本発明は、スケールと検出手段との間の相対角度や相対変位を検出する光学式スケールに関するものである。
例えば、ロータリエンコーダ、リニアエンコーダは角度や位置検出センサとして使用され、特に高分解能の位置検出にはインクリメンタル式の光学式エンコーダが使用されている。
インクリメンタル式エンコーダは特許文献１、２に開示されているように、２つのインクリメンタル信号を計数することにより、相対角度又は相対変位を検出する測定器である。しかし、インクリメンタル信号の計数によって検出できるのは相対変位であるため、位置検出を行うためには外部座標系に関連付けられた参照位置信号を必要とする。
この参照位置信号は外部の別手段により得ることも可能であるが、エンコーダ単体で参照信号を得るために、インクリメンタル信号に加えて特定位置で参照信号、原点信号とも呼ばれる基準位置信号を出力するエンコーダも知られている。
特開２０００−２６６５６７号公報 特開２００３−９７９７５号公報
高分解能のエンコーダでは、高精度の位置情報の検出が望まれており、高精度の位置検出のためには、基準位置信号を高精度に検出する必要がある。
一般に、リニアエンコーダの光学式スケールにおいては、図９に示すように光学式スケール１のインクリメンタルパターン２の近傍に、基準位置信号発生用パターン３が設けられている。そして、図１０、図１１に示すように、全てのパターン２、３を含む大きな径の光束Ｌで照射し、これを独立した検出系４で検出することにより、基準位置信号発生用パターン３から基準位置信号を得ている。
光学系の最適化のために、これらのパターン２、３を別々の光源による光束で照射することも可能であるが、光源は比較的高価な構成部品であるため採用は困難である。また、インクリメンタルパターン２に照射する光束の一部を分離して、基準位置信号生成に用いることも可能であるが、構成が複雑化するという問題がある。
図９〜図１１に示す方法で基準位置信号を検出する場合に、本来、光学式スケール１が図１２（ａ）に示すような位置にあるべきものが、（ｂ）に示すようにその移動に伴って検出しようとする変位・角度方向以外にずれた場合に、基準位置信号検出センサＳ、２つのインクリメンタル信号検出センサＳａ、Ｓｂで得られる基準位置信号とインクリメンタル信号の位相が変化してしまうことになる。図１２（ｂ）は光学式スケール１が回転方向にずれた例を示し、ロータリエンコーダにおいては回転中心の振れにより同様に位相変化を生ずる。
このずれを低減するために、インクリメンタル信号と基準位置信号との検出位置を近付けて構成することが通常行われているが、高精度の検出を必要とする場合に、この小さなずれが問題になる場合がある。
このような光学式スケール１の角度ずれは、直動運動に関しては直動案内の精度による傾きにより発生し、また回転運動に関しては回転軸の精度による回転中心の振れにより発生する。このような姿勢の変動のうち、位置により再現性がある場合（リピータブル）には、変動があっても基準位置信号及び２つのインクリメンタル信号の検出結果は常に同じものが得られるが、現実には位置による再現性がない場合（ノンリピータブル）が発生し、上記誤差の原因となる。この場合に、２つのインクリメンタル信号の表す位置情報が異なることとなり、使用時に何れの信号を正とするかの判断を要する。
本発明の目的は、同一光源によって２つのインクリメンタル信号と共に基準位置信号を高精度に発生し得る光学式スケールを提供することにある。
上記目的を達成するための本発明に係る光学式スケールの技術的特徴は、インクリメンタル信号と基準位置信号を出力する光学式スケールであって、基板にインクリメンタル信号を生成するパターンと基準位置信号を生成するパターンを形成し、前記インクリメンタル信号を得るパターンに照射した光束のうち、前記インクリメンタル信号の生成に使用しない不要透過光又は不要反射光を、同一光軸上に設けた前記基準位置信号を得るパターンに入射させることにある。
本発明に係る光学式スケールによれば、基準位置信号とインクリメンタル信号を同一位置で検出できるため、インクリメンタル信号と基準位置信号相互の位相が姿勢変化に依存せず、高精度の位置、角度の検出ができる。
本発明を図１〜図８に図示の実施例に基づいて詳細に説明する。
本実施例１においては、例えば図１に示すような円板状のガラス基板を主体とする光学式スケール１１上にアルミニウムやクロム等の金属膜により円周方向に等ピッチの反射型回折格子１２が光学式スケール１１の周縁に沿って円環状に作成されている。また、光学式スケール１１の裏側の回折格子１２に相当する一部に、凸レンズ１３が設けられている。
回折格子１２を反射膜の有無による振幅格子とした場合に、図２に示すように上方から光束Ｌが投射されると、反射回折光、透過回折光の他に反射０次光Ｒ０、反射＋１次光Ｒ＋１、反射−１次光Ｒ−１、透過０次光Ｔ０、透過＋１次光Ｔ＋１、透過−１次光Ｔ−１が生ずる。
図３はスケール１１を切り取った模式図であり、光学式スケール１１の下方に例えばフォトダイオードから成る基準位置信号検出センサ１４が配置され、凸レンズ１３は透過０次光Ｔ０による基準位置信号パターンとされ、回折格子１２はインクリメンタル信号発生用のパターンとされている。
この回折格子１２に光束Ｌが入射し、得られた反射回折光Ｌａ、Ｌｂを図示しない干渉光学系で干渉させることにより、２つのインクリメンタル信号を得ることができる。一方、光学式スケール１１を透過しレンズ１３により集光された透過０次光Ｔ０は、基準位置信号検出センサ１４に入射して基準位置信号となる。
図４は基準位置信号の検出方法の説明図を示し、光源１５から出力した光束Ｌのうち、回折格子１２を透過する透過０次光Ｔ０の光量は、光学式スケール１１の構造と材料が均一であれば一定であるから、この透過０次光Ｔ０を検出する基準位置信号検出センサ１４の出力は凸レンズ１３が存在しない場合には一定である。光学式スケール１１が回転して凸レンズ１３が透過０次光Ｔ０にさしかかると、周辺の光が集光されて基準位置信号検出センサ１４に入射し、基準位置信号検出センサ１４からはより大きな出力が得られ、この信号が基準位置信号となる。
一方、回折格子１２により反射された反射回折光Ｌａ、Ｌｂは干渉後に回折光検出センサ１６で検出され、スケール１１の速度、角度等の検出がなされる。
このように本実施例１では、基準位置信号用として光束を分離する必要がなく、検出光学系を単純化することができる。また、インクリメンタルパターンを発生する回折格子１２と、凸レンズ１３から成る基準位置信号パターンを同時に照射するような大径の光束を必要とせず、光束Ｌを有効に利用することによってインクリメンタル信号の品質が向上する。
また、インクリメンタル信号を得るための照明光の同軸上に凸レンズ１３を配し、基準位置検出光学系を構成しているので、光学式スケール１１の姿勢変化によって、インクリメンタル信号と基準位置信号の位相の関係が変化することがなくなる。
例えば、高分解能エンコーダでは回折格子を用い、その回折光の干渉によりインクリメンタル信号を得る製品がある。しかし、この場合のインクリメンタル信号パターンである回折格子においては、不要な０次光や透過・反射光が発生する。
しかし、本実施例１においては、透過０次光Ｔ０を適切な基準位置パターン検出光学系に照射することにより、インクリメンタル信号検出用パターンと同じ位置で基準位置信号の検出ができる。
図５は実施例２の模式図を示し、実施例１のレンズ１３の代りに、この光学式スケール２１ではガラス板にピンホール状の透孔パターン２２が形成されている。実施例１と同様に、透孔パターン２２を通過した透過０次光Ｔ０による基準位置信号検出センサ１４における光量増加によって、基準位置信号を得ることができる。
なお、この透孔パターン２２は円形のみでなく、スリット等の二次元パターンによっても実施可能である。また、透孔パターン２２でなく、逆に遮光パターンによる構成でも検出光量の正負が反転するだけなので、同様に実施が可能である。
図６は実施例３の模式図を示し、ガラス基板から成る光学式スケール３１の裏面には、インクリメンタルパターンである透過型回折格子３２が形成されており、光学式スケール３１の表面の一部に凸レンズ３３が設けられている。
図７に示すように、光束Ｌを回折格子３２の格子方向に傾けて入射し、回折格子３２において反射された反射０次光Ｒ０を光学式スケール３１の表面に導く。この反射０次光Ｒ０が凸レンズ３３に至ると、図示しない上方の基準位置信号検出センサに集光して、実施例１と同様に基準位置信号の検出が可能となる。
また図８に示すように、光学式スケール３１に入射した光束Ｌのうち、透過型回折格子３２を透過した１次回折光同士を干渉させて、インクリメンタル信号を得る。回折格子３２を透過した透過回折格子Ｌａ、Ｌｂは干渉光学系に入射し、２つのインクリメンタル信号が得られる。
本実施例３の凸レンズ３３はフレネルレンズ等の回折光学素子により作成することもでき、実施例１、３の凸レンズ１３、３３の代りに、実施例２のような透孔パターン或いはスリット、遮光パターンとすることも可能である。
実施例１の光学式スケールの斜視図である。 回折格子による透過光、反射光の説明図である。 光学式スケールの模式図である。 基準位置信号の検出方法の説明図である。 実施例２の光学式スケールの模式図である。 実施例３の光学式スケールの模式図である。 回折格子による反射光の光路図である。 回折格子による透過光の光路図である。 従来例の光学式スケールの平面図である。 光学式スケールに光束を照射した状態の平面図である。 光学式スケールに光束を照射した状態の側面図である。 光学式スケールの姿勢変化による出力信号変化の説明図である。
符号の説明
１１、２１、３１ 光学式スケール
１２ 反射型回折格子
１３、３３ 凸レンズ
１４ 基準位置信号検出センサ
１５ 光源
１６ 回折光検出センサ
２２ 透孔パターン
３２ 透過型回折格子

Claims (8)

  1. インクリメンタル信号と基準位置信号を出力する光学式スケールであって、基板にインクリメンタル信号を生成するパターンと基準位置信号を生成するパターンを形成し、前記インクリメンタル信号を得るパターンに照射した光束のうち、前記インクリメンタル信号の生成に使用しない不要透過光又は不要反射光を、同一光軸上に設けた前記基準位置信号を得るパターンに入射させることを特徴とする光学式スケール。
  2. 前記インクリメンタル信号を生成するパターンは回折格子とした請求項１に記載の光学式スケール。
  3. 前記基準位置信号を生成するパターンは前記基板に設けた透孔としたことを特徴とする請求項１に記載の光学式スケール。
  4. 前記基準位置信号を生成するパターンは、前記インクリメンタル信号のパターンの一部と略同位置に配置した請求項１〜３の何れか１つの請求項に記載の光学式スケール。
  5. 前記基準位置信号を生成するパターンは、二次元パターンであることを特徴とする請求項４に記載の光学式スケール。
  6. 前記基準位置信号を生成するパターンは、レンズであることを特徴とする請求項４又は５に記載の光学式スケール。
  7. 前記基準位置信号を生成するパターンは、フレネルレンズであることを特徴とする請求項６に記載の光学式スケール。
  8. 請求項１〜７の何れか１つの光学式スケールを搭載した光学式エンコーダ。
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