JP3007660B2 - アブソリュート型エンコーダ - Google Patents

アブソリュート型エンコーダ

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JP3007660B2 JP2211320A JP21132090A JP3007660B2 JP 3007660 B2 JP3007660 B2 JP 3007660B2 JP 2211320 A JP2211320 A JP 2211320A JP 21132090 A JP21132090 A JP 21132090A JP 3007660 B2 JP3007660 B2 JP 3007660B2
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【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明はアブソリュート型エンコーダに関する。
[従来の技術] 移動体の変位量や回転量を検出するエンコーダではス
ケールが移動体と一体化されて変位もしくは回転し、ス
ケールに形成されたコードパターンの変位や回転が光学
的に検知される。
アブソリュート型エンコーダとして知られるエンコー
ダのスケールにはスケールの絶対位置を検出し得るよう
に複数のトラックが用意され、各トラック毎に形成され
たパターンのピッチが互いに異なっている。各トラック
ごとに形成されたパターンの全体はコードパターンと呼
ばれる。コードパターンとしては純2進符号を基本とし
て2進化10進符号やグレーコードが知られている。複数
のトラックから同時に信号を検出し、検出された複数の
信号の組合せでスケールの絶対位置が知られる。
このようにアブソリュート型エンコーダのスケールに
はピッチの異なる複数のパターンが形成されている。ピ
ッチの最も小さいパターンからの信号は最下位ビット信
号と呼ばれ、最下位ビット信号を与えるパターンのピッ
チが小さい程、変位量や回転量の細かい検出が可能であ
る。
アブソリュート型エンコーダのスケールに於ける最下
位ビット信号を与えるパターンのピッチは従来数10μm
程度であった。
しかし近来、極めて細かいピッチの格子パターンに光
を照射して拡大的な影絵パターン(以下、単に影絵パタ
ーンという)を発生させ、この影絵パターンの変位また
は回転を検出することにより格子パターン自体の変位量
や回転量を検出する方法が提案され、上記最下位ビット
信号を与えるパターンのピッチとして0.1μm程度まで
が許容されるようになった。
即ち線状の光源からのコヒーレント光や、極めて微細
なスリットや楕円状もしくは円状の微細なアパーチュア
を介して取り出されたインコヒーレント光を、所定の条
件下でピッチの細かい格子パターンに照射すると格子パ
ターンによる透過光もしくは反射光により、格子パター
ンを影絵的に拡大した影絵パターンが得られるので、こ
の影絵パターンの変位または回転を検出することで格子
パターン自体の変位量や回転量を測定できるものであ
る。
[発明が解決しようとする課題] 上記のように影絵パターンを利用してアブソリュート
型エンコーダを構成する場合、複数の光源の全てをレー
ザー光源とするとエンコーダの生産コストが高くついて
しまう。
本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであっ
て、極めて細かいピッチのパターンを持つスケールを用
い極めて高精度の検出が可能で、しかも低コストで実現
できる新規なアブソリュート型エンコーダの提供を目的
とする。
[課題を解決するための手段] 本発明のアブソリュート型エンコーダは「コードパタ
ーンを有するスケールと、このスケール上のコードパタ
ーンに光を照射する光源装置と、この光源装置からの照
射光の上記スケールによる反射光もしくは透過光により
発生する影絵パターンを検出する受光装置と」を有す
る。
「光源装置」は、コヒーレント光を放射する線状光源
装置と、インコヒーレント光を放射する光源とこの光源
からのインコヒーレント光を影絵パターン発生可能な光
にするためのアパーチュアとを有する。
スケールにおけるピッチの小さいパターンは「線状光
源装置」からのコヒーレントな光により照射され、ピッ
チの大きいパターンは「アパーチュアを介して取り出し
た光源からのインコヒーレント光」により照射される。
「線状光源装置」を構成する「線状光源」は、特開平
1−297513号公報に開示されたものであり、必ずしも発
光部の形状が線状でないものも含む。
即ち第3図に示すように、影絵パターンを発生させる
ための格子パターン9のピッチをξとし、この格子パタ
ーンにコヒーレント光を照射するための光源1における
「格子パターンの繰り返し方向に対応する発光部長」を
dとするとき、 1/10≦(d/ξ)≦2 (1) を満足するものを線状光源と呼ぶのである。このような
線状光源を用いて格子パターン9を照射すると、格子パ
ターン9による透過光もしくは反射光により第3図に示
すような光強度の強弱パターンが発生する。この強弱パ
ターンにおける光強度の極大値の周期は、格子パターン
における格子ピッチを、恰も点光源により影絵的拡大し
たものになっている。このため、この光強度の強弱パタ
ーンを影影パターンを呼ぶのである。
第3図の線状光源1の発光部の図面に直交する方向の
長さには特に制限がない。従って、線状光源1の発光部
の2次元的な形状は上記関係(1)を満足するdに対し
て適宜に選択できる。
影絵パターンはまたインコヒーレント光によっても発
生させることができる。但しインコヒーレント光を発す
る光源からの光をそのまま格子パターンに照射しても影
絵パターンは発生しない。この場合、インコヒーレント
光をアパーチュアの開口部を介して取り出して格子パタ
ーンに照射する。この開口部における「格子パターンの
繰り返し方向に対応する方向の長さ」dAが、上記線状光
源の場合と同様、 1/10≦(dA/ξ)≦2 (2) なる関係を満足するようにすれば影絵パターンを発生さ
せることができる。
従って、アパーチュアにおける開口部の形状として
は、例えば第5図に示すような長さdAの細幅スリット
(同図(a))や、長軸もしくは短軸径がdAである楕円
形状(同図(b))、或いは直径dAの円形状(同図
(c))等が許容される。
スケールの形状としては従来からエンコーダのスケー
ルとして知られ・または提案されている種々の形状が可
能である。即ちスケールは「リニアスケール」でも良い
し(請求項2)、「円板状」でも良く(請求項3)、
「円筒状」でも「円錐形状」でも良い(請求項4,5)。
[作用] 上記のようにインコヒーレント光であっても適当なア
パーチュアを介して取り出した光を照射することにより
影絵パターンを発生させることが出来るが、格子パター
ンのピッチが小さくなるとインコヒーレント光により発
生する影絵パターンのコントラストは低くなる。
そこで本発明では、スケールにおける細かいピッチの
パターンにはコヒーレント光を照射してコントラストの
高い影絵パターンを発生させ、ピッチの比較的大きいパ
ターンにはインコヒーレント光を照射させて矢張りコン
トラストの高い影絵パターンを発生させるのである。
スケールのパターンを形成する方法として、ピッチの
大きいパターンは印刷、ピッチが比較的細かいものにつ
いては周知のレーザー光干渉法やフォト・リソグラフィ
が適用可能であり、ピッチの極めて細かいパターンの形
成にはマグネティック・リソグラフィが適している。
マグネティック・リソグラフィは、基体上にFe2O3
による面内磁化膜もしくはCoCr等の垂直磁化膜を形成
し、この磁化膜に磁気ヘッドによりパターンを磁化パタ
ーンとして書込み、この磁化パターンを磁性流体で顕像
化し、定着する方法である。
磁性流体としては、強磁性体の微粉末を界面活性剤中
に分散させた「磁性コロイド流体」や、上記微粉末を界
面活性剤とともに光硬化樹脂に分散させた「光硬化性磁
性流体」や熱硬化性樹脂に分散させた「熱硬化性磁性流
体」を用い得る。
強磁性体としては、鉄、Mnフェライト、Baフェライ
ト、Coフェライト、マグネタイト等を用い得る。光硬化
性樹脂としては、N−ビニルカルバゾル、ポリ塩化ビニ
ル、ポリスチレン等を用い得る。熱硬化性樹脂として
は、エポキシ樹脂、シリコン樹脂、メラミン樹脂等を用
い得る。
光硬化性樹脂は光照射により硬化するので、光硬化性
磁性流体で磁化パターンを顕像化すると、顕像化された
コードパターンに光照射するだけでコードパターンを磁
化膜に定着できる。熱硬化性樹脂は加熱により硬化する
ので、熱硬化性磁性流体で磁化パターンを顕像化する
と、顕像化されたコードパターンを加熱するだけでコー
ドパターンを磁化膜に定着できる。
[実施例] 以下、具体的な実施例を説明する。
第1図(a)は、本発明の1実施例を示している。図
に於いて符号7で示す回転軸は軸受け6により支持さ
れ、図示されないモーター等の駆動手段により回転駆動
されるようになっている。この実施例は回転軸7自体を
スケールとして構成されたアブソリュート型エンコーダ
の例である。
第2図に示すように回転軸7の周面の一部には磁化膜
が形成されている。この磁化膜の一部は垂直磁化膜領域
15Aとして、他の部分は面内磁化膜領域15Bとして形成さ
れている。磁化膜にはコードパターンが磁化パターンと
して書込まれるが、垂直磁化膜領域15Aには0.1〜10μm
の細かいピッチのパターンを書込み、面内磁化膜領域15
Bには10μm程度以上の中程度の細かさのピッチのパタ
ーンを書込む。大きいピッチのパターンは面内磁化膜領
域15Bに、パターン1単位が「トラック方向に交わる方
向の細かい縞状パターンにより構成される」ように書込
みを行う。コードパターンに対応して書込まれた磁化パ
ターンを磁性流体により顕像化し、顕像化されたパター
ンを定着すれば、第1図(a)に示すような所望のスケ
ール8が得られる。
第1図(a)は、このようにして得られたスケールと
光源、光センサーにより構成されたアブソリュート型エ
ンコーダを示している。
第1図(b)は垂直磁化膜領域に形成されたピッチの
細かいパターンの状態を示している。図には3本のトラ
ックが示されている。各矢印がトラック方向を示す。
第1図(c)は、面内磁化膜領域に形成されたピッチ
の大きいパターンを3トラック分示している。各矢印が
トラック方向を示す。各パターンの1単位は何れもトラ
ック方向に直交する方向に繰返される細かい縞状のパタ
ーンにより構成されている。縞の細かさは、このように
形成されたパターンの1単位から所望のビット信号を発
生できるという条件を満足する範囲で任意に設定して良
い。即ち、パターン1単位が大きいときはこれを塗潰す
代わりに「トラック方向に直交する方向の細かい縞状の
パターン」のハッチによりパターン1単位を形成するの
である。
なお垂直磁化膜領域と面内磁化膜領域とは材料を換え
て別個に作製しても良いが、成膜時の基体温度や膜厚に
よって、これらを作り分けることができるものもあり、
このような作製方法を利用すると作製作業も容易であ
る。
光源装置は、CaAsやAlGaAs等の半導体レーザーをアレ
イ化した線状光源装置1と、LEDによる光源1′と、ア
パーチュア1A′とにより構成されている。
線状光源装置1を構成する個々の半導体レーザーの発
光部の長手方向はコードパターン8におけるパターンの
格子配列方向、即ち軸7の回転によるコードパターン8
の移動方向に平行に対応させられている。線状光源装置
1からのコヒーレントな光は0.1〜100μmの細かいピッ
チのパターンに照射され、これら細かいピッチのパター
ンによる反射光は光センサー11上に各パターンを影絵的
に拡大する影絵パターンを形成する。光センサー11は、
発生する影絵パターンの種類数に等しい受光部を持ち、
各受光部からは対応する影絵パターンの移動に応じて下
位のビット信号が発せられる。
光源1′は1以上のLEDにより構成され、光源1′か
らのインコヒーレント光はアパーチュア1A′に照射され
る。アパーチュア1A′にはインコヒーレント光を影絵パ
ターン発生可能な光にするための前述の開口部が必要な
数だけ穿設されており、各開口部から取り出された光は
100μm以上の比較的大きいピッチを持つパターンに照
射される。これらピッチが比較的大きいパターンから発
生する影絵パターンは光センサー11′により受光され
る。光センサー11′も、発生する影絵パターンの種類数
に等しい受光部を持ち、各受光部からは対応する影絵パ
ターンの移動に応じてビット信号が発せられる。かくし
て光センサー11′からは、上位のビット信号が得られ
る。コードパターンに対応するビット信号の組み合わせ
によりスケール即ち回転軸7の絶対位置が検出される。
光センサー11,11′は受光装置を構成する。
上の実施例ではスケールのコードパターン全体をマグ
ネティック・リソグラフィにより形成したが、この例に
限らず中程度のピッチのパターンや大きなピッチのパタ
ーンの部分は、フォト・リソグラフィはレーザー光干渉
法、或は印刷等で形成しても良い。
またスケールの形状も上に説明した円筒状のものに限
らず第4図(a)に示すような円板形状や第4図(b)
に示すような円錐形状でも良く、あるいは周知のリニア
スケールでも良いことは言うまでもない。
[発明の効果] 以上、本発明によれば新規なアブソリュート型エンコ
ーダを提供できる。このエンコーダは上記の如く構成さ
れているから変位量や回転量を極めて正確に測定でき
る。即ち、コヒーレント光による拡大的な影絵パターン
の変位や回転を検出するので、最下位ビット信号を与え
るパターンのピッチを0.1μm程度に設定でき、上記変
位量や回転量を従来のエンコーダに比して、より正確に
測定できるのである。また光源装置の一部にインコヒー
レント光を放射する安価な光源を利用できるので安価に
作製できる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の1実施例を説明するための図、第2図
は第1図の実施例のスケールの作製を説明するための
図、第3図は影絵パターンを説明するための図、第4図
はスケールの2例を示す図、第5図はインコヒーレント
光から影絵パターンを発生させる光を得るためのアパー
チュアを説明するための図である。 1……線状光源装置、1′……光源、1A′……アパーチ
ュア、7……スケールとしての回転軸、8……コードパ
ターン、11,11′……受光装置を構成する光センサー
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 明渡 純 東京都新宿区早稲田3丁目18番1号 丸 茂ハイツ203号 (72)発明者 山口 友行 東京都大田区中馬込1丁目3番6号 株 式会社リコー内 (56)参考文献 特開 平2−57913(JP,A) 実開 平2−24318(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01D 5/38 G01D 5/36

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】コードパターンを有するスケールと、この
    スケール上の上記コードパターンに光を照射する光源装
    置と、この光源装置からの照射光の上記スケールによる
    反射光もしくは透過光により発生する拡大的な影絵パタ
    ーンを検出する受光装置とを有し、 上記光源装置は、コヒーレント光を放射する線状光源装
    置と、インコヒーレント光を放射する光源とこの光源か
    らのインコヒーレント光を通過させることにより影絵パ
    ターン発生可能な光にするために、上記インコヒーレン
    ト光を通過させ得る位置に配備されるアパーチュアとを
    有し、上記線状光源装置の発光部の、上記コードパター
    ンのトラック方向に対応する長さdおよび、上記アパー
    チュアの、上記コードパターンのトラック方向に対応す
    る径dAが、上記コードパターンのピッチξに対して、 1/10≦(d/ξ)≦2,1/10≦(dA/ξ)≦2の関係を満足
    するものであり、 上記スケールにおけるピッチの小さいパターンを上記線
    状光源装置からのコヒーレントな光により照射し、ピッ
    チの大きいパターンを上記アパーチュアを介して取り出
    した上記光源からのインコヒーレント光により照射する
    ことを特徴とする、アブソリュート型エンコーダ。
  2. 【請求項2】請求項1記載のアブソリュート型エンコー
    ダにおいて、 スケールがリニアスケールであることを特徴とするアブ
    ソリュート型エンコーダ。
  3. 【請求項3】請求項1記載のアブソリュート型エンコー
    ダにおいて、 スケールが円板状であることを特徴とするアブソリュー
    ト型エンコーダ。
  4. 【請求項4】請求項1記載のアブソリュート型エンコー
    ダにおいて、 スケールが円筒状であることを特徴とするアブソリュー
    ト型エンコーダ。
  5. 【請求項5】請求項1記載のアブソリュート型エンコー
    ダにおいて、 スケールが円錐状であり、コードパターンが円錐面に形
    成されていることを特徴とするアブソリュート型エンコ
    ーダ。
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