JP2567036B2 - 光学式エンコーダ - Google Patents
光学式エンコーダInfo
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
- G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
- G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
- G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
- G01D5/36—Forming the light into pulses
- G01D5/38—Forming the light into pulses by diffraction gratings
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- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optical Transform (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 〔技術分野〕 本発明は光学式エンコーダ、特に測長ストロークの長
い光学式エンコーダに関する。
い光学式エンコーダに関する。
従来から、高分解能で且つ測長ストロークが長い光学
式エンコーダが強く要望されてきた。
式エンコーダが強く要望されてきた。
測長ストロークを拡張する為にはスケールを長尺化す
れば良いが、微細な格子パターンを備えた長尺の光学式
スケールを作成するのは困難である。
れば良いが、微細な格子パターンを備えた長尺の光学式
スケールを作成するのは困難である。
この様な問題を回避して、本件出願人は、高分解で且
つ測長ストロークが長い光学式リニアエンコーダを特開
昭58−191906号公報で開示している。この公開公報が示
すリニアエンコーダは、スケールに形成された格子パタ
ーン部の有効長より短い間隔を置いて複数個の読み取り
ヘツドを配列して、スケールの移動に伴って各読み取り
ヘツドからの信号を選択的に取り出してスケールを読み
取るものである。
つ測長ストロークが長い光学式リニアエンコーダを特開
昭58−191906号公報で開示している。この公開公報が示
すリニアエンコーダは、スケールに形成された格子パタ
ーン部の有効長より短い間隔を置いて複数個の読み取り
ヘツドを配列して、スケールの移動に伴って各読み取り
ヘツドからの信号を選択的に取り出してスケールを読み
取るものである。
しかしながら、この様に各読み取りヘツドからの信号
を切り換える為には、スケールの位置をモニターするセ
ンサ等の付加的機構が必要になる為、あまり好ましくな
い。
を切り換える為には、スケールの位置をモニターするセ
ンサ等の付加的機構が必要になる為、あまり好ましくな
い。
本発明の目的は、上記従来の問題点に鑑み、高分解能
で且つ測長ストロークを長くすることができ、しかも構
成が簡便な光学式エンコーダを提供することにある。
で且つ測長ストロークを長くすることができ、しかも構
成が簡便な光学式エンコーダを提供することにある。
回折格子が形成されたスケールと、前記スケールの移
動方向に沿って配列され、可干渉性光束を前記スケール
に入射させ、前記回折格子からの二つ回折光より前記ス
ケールの移動量に応じてその偏波面が回転する干渉光を
形成し、偏光子を介して該干渉光を受光することによっ
て前記スケールの移動量を読みとる第１及び第２の読み
取り手段と、前記第１及び第２の読み取り手段からの出
力信号の位相が一致するように前記干渉光に対する前記
偏光子の位置関係を調整する手段と、前記第１及び第２
の読み取り手段からの出力信号を合成する手段とを有す
ることを特徴とする。これにより、スケールの位置に依
らず常に連続した周期信号が正確に得られる。
動方向に沿って配列され、可干渉性光束を前記スケール
に入射させ、前記回折格子からの二つ回折光より前記ス
ケールの移動量に応じてその偏波面が回転する干渉光を
形成し、偏光子を介して該干渉光を受光することによっ
て前記スケールの移動量を読みとる第１及び第２の読み
取り手段と、前記第１及び第２の読み取り手段からの出
力信号の位相が一致するように前記干渉光に対する前記
偏光子の位置関係を調整する手段と、前記第１及び第２
の読み取り手段からの出力信号を合成する手段とを有す
ることを特徴とする。これにより、スケールの位置に依
らず常に連続した周期信号が正確に得られる。
又、本発明によれば複数個の読み取り手段間の出力信
号の位相差を零に調整する動作を読み取り手段間の位置
調整によらず、位相信号を形成する例えば偏光素子等の
光学素子の回転取付角度の調整により行うことによっ
て、容易に各々の各読み取り手段で読みとった周期信号
の位相差を補正することができる。又、各読み取り手段
からの信号を加算回路で常時加算することによって、光
学式スケールがどの読み取り手段によって検出されてい
ようとも、或いは２つのヘツドにまたがって両者から同
時に信号を得ていようとも、連続した周期信号がスケー
ルの全ストロークにわたって得られるようになり、長尺
の微細格子パターンを具えたリニアスケールを用いたリ
ニアエンコーダと同等なエンコーダが実現できる。
号の位相差を零に調整する動作を読み取り手段間の位置
調整によらず、位相信号を形成する例えば偏光素子等の
光学素子の回転取付角度の調整により行うことによっ
て、容易に各々の各読み取り手段で読みとった周期信号
の位相差を補正することができる。又、各読み取り手段
からの信号を加算回路で常時加算することによって、光
学式スケールがどの読み取り手段によって検出されてい
ようとも、或いは２つのヘツドにまたがって両者から同
時に信号を得ていようとも、連続した周期信号がスケー
ルの全ストロークにわたって得られるようになり、長尺
の微細格子パターンを具えたリニアスケールを用いたリ
ニアエンコーダと同等なエンコーダが実現できる。
本発明の更なる特徴及び具体的形態は、後述する実施
例に記載されている。
例に記載されている。
第１図及び第２図（ａ）〜（ｂ）は本発明に係る光学
式エンコーダの第１の実施例を示し、第２図（ａ）〜
（ｂ）は読み取りヘツドH1〜H3の受光部の拡大斜視図で
ある。同図において、１は半導体レーザ、２はコリメー
タレンズ、３は偏光ビームスプリツタ、４は1/4波長
板、５は回折格子パターンが形成されたリニアスケー
ル、６は反射光学素子、７は1/4波長板、８は非偏光ビ
ームスプリツタ（プリズム）、9,10は互いに偏光方位を
45℃ずらして回転調整される、偏光板等の偏光素子、1
1,12は受光素子である。本光学式エンコーダはリニアス
ケール５以外の部材で構成したものを読み取りヘツドと
称して１つの筐体にまとめ、これをH1,H2,H3の３セツト
用意し、これらのヘツドH1,H2,H3を（２セツト以上の任
意の数で可）、スケール５の格子パターン部の有効長
（格子パターンが形成されている部分の長さからスケー
ル５上の照射光束のスポツト径を引いたもの）以下の間
隔で配置する。第１図に示すように図の左方からスケー
ル５が矢印Ｐの方向へ移動していくとき、最初はヘツド
H1のみから信号が得られるだけだが、続いてヘツドH1,H
2両者から信号が出力されるようになり、次にヘツドH2
からの出力信号のみになり、次にヘツドH2,H3から信号
が出力されるようになり、最後にヘツドH3のみから信号
が出力される。ここで、各ヘツドH1,H2,H3からの信号
は、第４図に示す様に加算回路40で加算される様になっ
ており、例えばスケール５の移動に伴って、H1とH2、又
はH2とH3からの信号が加算され、測長信号が出力され
る。
式エンコーダの第１の実施例を示し、第２図（ａ）〜
（ｂ）は読み取りヘツドH1〜H3の受光部の拡大斜視図で
ある。同図において、１は半導体レーザ、２はコリメー
タレンズ、３は偏光ビームスプリツタ、４は1/4波長
板、５は回折格子パターンが形成されたリニアスケー
ル、６は反射光学素子、７は1/4波長板、８は非偏光ビ
ームスプリツタ（プリズム）、9,10は互いに偏光方位を
45℃ずらして回転調整される、偏光板等の偏光素子、1
1,12は受光素子である。本光学式エンコーダはリニアス
ケール５以外の部材で構成したものを読み取りヘツドと
称して１つの筐体にまとめ、これをH1,H2,H3の３セツト
用意し、これらのヘツドH1,H2,H3を（２セツト以上の任
意の数で可）、スケール５の格子パターン部の有効長
（格子パターンが形成されている部分の長さからスケー
ル５上の照射光束のスポツト径を引いたもの）以下の間
隔で配置する。第１図に示すように図の左方からスケー
ル５が矢印Ｐの方向へ移動していくとき、最初はヘツド
H1のみから信号が得られるだけだが、続いてヘツドH1,H
2両者から信号が出力されるようになり、次にヘツドH2
からの出力信号のみになり、次にヘツドH2,H3から信号
が出力されるようになり、最後にヘツドH3のみから信号
が出力される。ここで、各ヘツドH1,H2,H3からの信号
は、第４図に示す様に加算回路40で加算される様になっ
ており、例えばスケール５の移動に伴って、H1とH2、又
はH2とH3からの信号が加算され、測長信号が出力され
る。
各ヘツドの間の距離をＬ、スケールの有効長をｌとす
ると、スケール５の測長ストロークは2L＋2lとなる。
ると、スケール５の測長ストロークは2L＋2lとなる。
一般に、Ｎセツトの読み取りヘツドが間隔Ｌ毎に配置
されれば、測長ストロークは（Ｎ−１）Ｌ＋2lとなり、
見かけ上、（Ｎ−１）Ｌ＋2lの長尺なスケールを用いた
リニアエンコーダが実現される。
されれば、測長ストロークは（Ｎ−１）Ｌ＋2lとなり、
見かけ上、（Ｎ−１）Ｌ＋2lの長尺なスケールを用いた
リニアエンコーダが実現される。
各ヘツドH1,H2,H3のスケール５の読取りの原理は以下
の通りである。半導体レーザ１からのレーザ光束を偏光
ビームスプリツタ３でＰ偏光光とＳ偏光光に分離し、各
々の光束を1/4波長板４を介してスケール５の回折格子
パターンに指向する。そして、次数の異なる回折をさせ
て回折格子の（即ちスケール５の）位置に応じた位相の
ずれを生ぜしめ、反射光学素子６を介して再回折した後
に再び1/4波長板４を通過した各光束が偏波面が互いに9
0℃ずれたまま重なり合ってまま（いわゆる明暗の干渉
現象にはならない）同時に1/4波長板７を透過する事で1
/4波長板に入射する前の直交２偏波間の位相差で決定さ
れる方位に偏波面を有する直線偏光光に変換して、後に
偏光素子9,10を介して干渉縞の明暗の周期信号に変換し
て受光素子11,12に入射せしめる反射光学素子６の使用
によりＰ偏光光が＋１次の回折を２回行い、Ｓ偏光光が
−１次の回折を２回行うことによって、両偏光光間の位
相のずれはスケール５の格子パターンの１ピツチ当り８
πになり、1/4波長板７を通過したあと生じる直線偏光
の偏波面は２回転する。従って、偏光素子9,10を介して
得られる干渉光は４周期だけ明暗が変化する。
の通りである。半導体レーザ１からのレーザ光束を偏光
ビームスプリツタ３でＰ偏光光とＳ偏光光に分離し、各
々の光束を1/4波長板４を介してスケール５の回折格子
パターンに指向する。そして、次数の異なる回折をさせ
て回折格子の（即ちスケール５の）位置に応じた位相の
ずれを生ぜしめ、反射光学素子６を介して再回折した後
に再び1/4波長板４を通過した各光束が偏波面が互いに9
0℃ずれたまま重なり合ってまま（いわゆる明暗の干渉
現象にはならない）同時に1/4波長板７を透過する事で1
/4波長板に入射する前の直交２偏波間の位相差で決定さ
れる方位に偏波面を有する直線偏光光に変換して、後に
偏光素子9,10を介して干渉縞の明暗の周期信号に変換し
て受光素子11,12に入射せしめる反射光学素子６の使用
によりＰ偏光光が＋１次の回折を２回行い、Ｓ偏光光が
−１次の回折を２回行うことによって、両偏光光間の位
相のずれはスケール５の格子パターンの１ピツチ当り８
πになり、1/4波長板７を通過したあと生じる直線偏光
の偏波面は２回転する。従って、偏光素子9,10を介して
得られる干渉光は４周期だけ明暗が変化する。
ここで、本光学式エンコーダは、第２図に示すような
各ヘツドH1,H2,H3内の非偏光ビームスプリツタプリズム
８及び偏光素子9,10、受光素子11,12を一体化した部分1
00を受光ユニツト（部）と称することにする。この受光
ユニツトの偏光素子9,10が矢印の向きに回転調整が行え
るように調整機構が設けてあり、ヘツドH1,H2間、ヘツ
ドH2,H3間の互いに対応する受光素子11,12からの出力信
号の位相がそろうように調整して固定する。
各ヘツドH1,H2,H3内の非偏光ビームスプリツタプリズム
８及び偏光素子9,10、受光素子11,12を一体化した部分1
00を受光ユニツト（部）と称することにする。この受光
ユニツトの偏光素子9,10が矢印の向きに回転調整が行え
るように調整機構が設けてあり、ヘツドH1,H2間、ヘツ
ドH2,H3間の互いに対応する受光素子11,12からの出力信
号の位相がそろうように調整して固定する。
本実施例において受光ユニツトに入射する光束は互い
に90゜偏光面がずれた２つの回折光同志を重ね合わせた
後λ/4板７を通過させたことによって直線偏光になって
おり、その偏光方位はスケール上の格子が１ピツチ移動
する間に２回転をするから偏光素子9,10を入射光束を回
転軸として回転調整すれば偏光素子を通過した干渉光が
形成する明暗の周期信号の位相を調整できる（つまり、
受光素子から得られる信号の位相がずれる）。この偏光
素子9,10の回転機構を用いて順次、ヘツドH2からの信号
の位相をヘツドH1からの信号の位相に合わせ、ヘツドH3
からの信号の位相をヘツドH2からの信号の位相に合わせ
るという調整を重ねていけばよい。
に90゜偏光面がずれた２つの回折光同志を重ね合わせた
後λ/4板７を通過させたことによって直線偏光になって
おり、その偏光方位はスケール上の格子が１ピツチ移動
する間に２回転をするから偏光素子9,10を入射光束を回
転軸として回転調整すれば偏光素子を通過した干渉光が
形成する明暗の周期信号の位相を調整できる（つまり、
受光素子から得られる信号の位相がずれる）。この偏光
素子9,10の回転機構を用いて順次、ヘツドH2からの信号
の位相をヘツドH1からの信号の位相に合わせ、ヘツドH3
からの信号の位相をヘツドH2からの信号の位相に合わせ
るという調整を重ねていけばよい。
上記実施例では各ヘツドH1,H2,H3により検出される周
期信号のヘツド間の位相の調整を各々の偏光素子9,10の
回転によって行ったが、第３図及び第４図（ａ）〜
（ｃ）に示すように受光ユニツト100を入射光束を回転
軸として回転調整する機構を設けてもよい。この場合、
受光素子11,12間の位相関係は固定されるので、受光素
子11の出力か12の出力どちらか一方に着目して、各ヘツ
ドH1,H2,H3間の出力信号の位相合わせを行えばよいの
で、より簡便な調整ができる。
期信号のヘツド間の位相の調整を各々の偏光素子9,10の
回転によって行ったが、第３図及び第４図（ａ）〜
（ｃ）に示すように受光ユニツト100を入射光束を回転
軸として回転調整する機構を設けてもよい。この場合、
受光素子11,12間の位相関係は固定されるので、受光素
子11の出力か12の出力どちらか一方に着目して、各ヘツ
ドH1,H2,H3間の出力信号の位相合わせを行えばよいの
で、より簡便な調整ができる。
尚、実施例に記載されたスケールの読み取りヘツドの
構成は一つの実施例にすぎず、回折格子で１回以上回折
した回折光を用いて干渉縞を形成することを原理とする
構成であれば良い。
構成は一つの実施例にすぎず、回折格子で１回以上回折
した回折光を用いて干渉縞を形成することを原理とする
構成であれば良い。
例えば、本件出願人による前述の特開昭58−191906号
公報に記載されたものや、特開昭58−191906号公報、特
開昭61−178613号公報、62−6119号公報、或いはUSP3,7
26,595、及びUSP4,676,645、USP4,629,886に示されるエ
ンコーダの構成を用いることができる。
公報に記載されたものや、特開昭58−191906号公報、特
開昭61−178613号公報、62−6119号公報、或いはUSP3,7
26,595、及びUSP4,676,645、USP4,629,886に示されるエ
ンコーダの構成を用いることができる。
以上、本発明によれば格子パターンが形成されたスケ
ールの移動方向に沿って配列した第１及び第２の読み取
り手段からの出力信号の位相差を調整する為に第１及び
第２の読み取り手段で受光される干渉光の偏光方向を調
整する手段を設けることにより、簡単な構成で、高分解
能を有しかつ全ストロークに亙って常に正確なスケール
の読み取り動作が行える。
ールの移動方向に沿って配列した第１及び第２の読み取
り手段からの出力信号の位相差を調整する為に第１及び
第２の読み取り手段で受光される干渉光の偏光方向を調
整する手段を設けることにより、簡単な構成で、高分解
能を有しかつ全ストロークに亙って常に正確なスケール
の読み取り動作が行える。
第１図及び第２図（ａ）〜（ｃ）は本発明に係る光学式
エンコーダの一実施例を示す説明図。 第３図及び第４図（ａ）〜（ｃ）は本発明に係る光学式
エンコーダの他の実施例を示す説明図。 第５図は本発明に係る光学式エンコーダの部分的ブロツ
ク図。 H1〜H3……読み取りヘツド ５……光学式リニアスケール 9,10……偏光素子（板） 40……加算回路 100……受光ユニツト
エンコーダの一実施例を示す説明図。 第３図及び第４図（ａ）〜（ｃ）は本発明に係る光学式
エンコーダの他の実施例を示す説明図。 第５図は本発明に係る光学式エンコーダの部分的ブロツ
ク図。 H1〜H3……読み取りヘツド ５……光学式リニアスケール 9,10……偏光素子（板） 40……加算回路 100……受光ユニツト
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石井 哲 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キ ヤノン株式会社内 (72)発明者 窪田 洋一 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キ ヤノン株式会社内 (72)発明者 築地 正彰 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キ ヤノン株式会社内 (56)参考文献 特開 昭58−191906（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−6119（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−178613（ＪＰ，Ａ)
Claims (1)
- 【請求項１】回折格子が形成されたスケールと、 前記スケールの移動方向に沿って配列され、可干渉性光
束を前記スケールに入射させ、前記回折格子からの二つ
の回折光より前記スケールの移動量に応じてその偏波面
が回転する干渉光を形成し、偏光子を介して該干渉光を
受光することによって前記スケールの移動量を読みとる
第１及び第２の読み取り手段と、 前記第１及び第２の読み取り手段からの出力信号の位相
が一致するように前記干渉光に対する前記偏光子の位置
関係を調整する手段と、 前記第１及び第２の読み取り手段からの出力信号を合成
する手段と を有することを特徴とする光学式エンコーダ。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63112734A JP2567036B2 (ja) | 1988-05-10 | 1988-05-10 | 光学式エンコーダ |
| US07/346,886 US4998798A (en) | 1988-05-10 | 1989-05-03 | Encoder having long length measuring stroke |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63112734A JP2567036B2 (ja) | 1988-05-10 | 1988-05-10 | 光学式エンコーダ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01282420A JPH01282420A (ja) | 1989-11-14 |
| JP2567036B2 true JP2567036B2 (ja) | 1996-12-25 |
Family
ID=14594209
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63112734A Expired - Fee Related JP2567036B2 (ja) | 1988-05-10 | 1988-05-10 | 光学式エンコーダ |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4998798A (ja) |
| JP (1) | JP2567036B2 (ja) |
Families Citing this family (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB2256476B (en) * | 1991-05-30 | 1995-09-27 | Rank Taylor Hobson Ltd | Positional measurement |
| US5283434A (en) * | 1991-12-20 | 1994-02-01 | Canon Kabushiki Kaisha | Displacement detecting device with integral optics |
| FR2718230B1 (fr) * | 1994-04-05 | 1996-06-21 | Aerospatiale | Ligne à retard pour interféromètre. |
| JP3530573B2 (ja) * | 1994-04-27 | 2004-05-24 | キヤノン株式会社 | 光学式変位センサ |
| EP1270312B1 (en) | 1997-05-02 | 2007-01-24 | Ats Automation Tooling Systems Inc. | Modular conveyor system having multiple moving elements under independent control |
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