JP3459755B2 - 変位情報測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は変位情報測定装置に
関し、特に変位物体（光学スケール）に光を照射した際
に発生する波面分割作用を利用して変位物体の回転情報
や移動等の変位情報の物理量を高精度に求めることので
きるロータリーエンコーダやリニアエンコーダ等に好適
なものである。

【０００２】

【従来の技術】従来よりフロッピーディスクの駆動等の
コンピューター機器、プリンター等の事務機器、あるい
はＮＣ工作機械、更にはＶＴＲのキャプステンモーター
や回転ドラム等の回転機構の回転速度や回転速度の変動
量又は直線移動物体の変動量を検出する為の測定手段と
して光電的なロータリーエンコーダやリニアエンコーダ
が利用されてきている。

【０００３】図１７は特開平６−１０９４８４号公報で
提案されている３つの受光素子から成る受光手段からの
出力信号の和信号を用いてコンパレートレベルを設定し
て回転情報を得ているロータリーエンコーダの要部概略
図である。

【０００４】同図において８１は発光素子、８２は透光
部と遮光部を一定のピッチで配列した固定スケール、８
３はＶ溝を一定の周期で配列した可動スケールである。
可動スケール８３は被測定物体（不図示）に連結されて
いる。８４ａ、８４ｂ、８４ｃは各々受光素子である。

【０００５】可動スケール８３は、例えば図３に示すよ
うにＶ溝の平面部Ｖａの幅がピッチＰに対して１／２、
またＶ溝を形成している２つの傾斜部Ｖｂの幅が各々１
／４・Ｐ有し、各々の傾斜部はＶ溝の底部と平面部に対
する垂線を結ぶ直線に対して４５°の傾きを持ってい
る。

【０００６】固定スケール８２の透過部と可動スケール
８３のＶ型溝の平面部Ｖａと傾斜部Ｖｂを通過した光束
を受光素子８４ａ、８４ｂ、８４ｃで所定の位相差を付
与した状態で受光し、該３つの受光素子からの信号を用
いることにより、被測定物体の変位方向及び変位量等を
検出している。

【０００７】このとき、３つの受光素子８４ａ、８４
ｂ、８４ｃで得られた信号の信号処理方法は、発光素子
８１からの光束の発光強度の変化、そして光学スケール
の汚れ等による光学特性の変化があっても、信頼性の高
い２値化信号が得られるようにしている。例えば３つの
受光素子８４ａ、８４ｂ、８４ｃからの出力信号の和信
号に基づいてコンパレートレベルを設定し、２値化信号
を得ている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】図３はＶ溝を有する可
動スケールのＶ溝の断面形状が理想的な場合を示してい
る。しかしながら、一般にはＶ溝を有する可動スケール
が、スケール成形時における転写性の問題から、例えば
図５に示すようにＶ溝の傾斜部Ｖｂと平坦部Ｖａとの界
面である角部が丸くなることがある。このようなスケー
ルを用いた場合、３つの受光素子で検出される信号が、
コンパレートレベルを設定するために必要な所定の比で
検出されず信頼性の高い２値化信号を得ることができな
いという問題があった。

【０００９】本発明は、基板面に例えばＶ溝を形成し、
入射光束を波面分割するようにした光学スケールに光照
射手段から光束を入射させ、該光学スケールで波面分割
した複数の光束を各々、複数の受光素子で受光し、該複
数の受光素子からの信号を用いて変位情報を求める際、
光照射手段からの光束の光学スケールへの入射位置を変
位させ、複数の受光素子からの出力信号レベルを調整す
ることによって信頼性の良い２値化信号が得られ、高精
度な変位情報が得られる変位情報測定装置の提供を目的
とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の変位情報測定装
置は、(1-1) 第１，第２光学スケールのうち少なくとも
一方に波長分割作用をするスケール部を設け、光照射手
段からの光束を該第１，第２光学スケールに順次入射さ
せ、該第１，第２光学スケールを介した後に複数に分割
した光束を各々複数の受光素子を有する受光手段で受光
し、該受光手段からの信号を利用して該第１，第２スケ
ールとの相対的な変位情報を求める変位情報測定装置に
おいて調整手段によって該光照射手段からの光束の該第
１，第２光学スケール面上への入射位置を変えて該受光
手段の複数の受光素子で得られる信号の強度バランスを
調整していることを特徴としている。

【００１１】(1-2) 筐体内に設けた光照射手段からの光
束を波長分割作用をするスケール部を設けた光学スケー
ルの第１領域に入射させ、次いで該光学スケールの第２
領域に再入射させ、該第２領域から射出する複数の光束
を各々複数の受光素子を有する受光手段で受光し、該受
光手段からの信号を利用して該筐体と該光学スケールと
の相対的な変位情報を求める変位情報測定装置において
調整手段によって該光照射手段からの光束の該光学スケ
ール面上への入射位置を変えて該受光手段の複数の受光
素子で得られる信号の強度バランスを調整していること
を特徴としている。

【００１２】特に、構成(1-1) 又は(1-2) において、(1
-2-1) 前記スケール部は平行平面状の基板上に断面が台
形状となるようにＶ溝を一定の周期で複数形成して構成
されており、該台形状の平面部の幅と、該平面部を挟む
２つの傾斜面の幅との比が変位情報を検出する変位方向
と直交する方向で変化していること。

【００１３】(1-2-2) 前記スケール部は円板上に断面が
台形状となるＶ溝を径方向に沿って放射状に複数形成し
て構成されており、該台形状の平面部の幅と該平面部を
挟む２つの傾斜面の幅との比が径方向に沿って変化して
いること。

【００１４】(1-2-3) 前記スケール部は平板上に断面が
台形状となるＶ溝を変位方向と直交する方向に複数形成
して構成されており、該台形状の平面部の幅と該平面部
を挟む２つの傾斜面の幅との比が変位方向と直交する方
向で変化していること。

【００１５】(1-2-4) 前記スケール部はプラスチックに
よるモールド成型より製造されたものであり、該モール
ド成型において、その場合のスリット部の金型の駒加工
を、種々の先端形状を有するバイトを該光学スケールの
法線に対して平行に走らせ、バイト先端形状による溝部
とそれ以外の部分との面積が同一でないこと。等を特徴
としている。

【００１６】

【発明の実施の形態】図１は本発明の実施形態１の要部
概略図である。図中、１は光照射手段であり、例えばＬ
ＥＤから成っている。２は固定スケールであり、透明な
円板上に白，黒パターンを放射状に又は放射状の光透過
部２ａと幅が一定の光遮光部２ｂとを形成しており、支
持部材（不図示）に支持されている。３は可動の光学ス
ケールであり、図２に示すように透明な円板（基板）３
ｃ上に一定周期の複数の格子３ｄを設けた構成より成り
立っている。

【００１７】格子３ｄは平坦部３０ａとＶ溝３０ｂから
成っている。固定スケール２はＬＥＤ１からの光束を振
幅分割して明暗のパターンを光学スケール３面上に投影
している。光学スケール３は固定スケール２からの光束
を３方向に波面分割（光変調）している。

【００１８】４は受光手段であり、光学スケール３で光
変調され射出した３つの光束を各々受光する為の３つの
フォトディテクタ（受光素子）４ａ，４ｂ，４ｃを有し
ている。この受光手段４からの信号をパルスカウント回
路や回転方向の判別回路を有する信号処理回路（不図
示）等を用いて光学スケール３の、回転情報を得てい
る。

【００１９】図２は図１の光学スケール３の要部概略図
である。光学スケール３の格子部３ｄは内周から外周に
かけて平坦部３０ａの幅が一定であり、Ｖ溝３０ｂの傾
斜面３０ｂ−１，３０ｂ−２の合計の周方向の幅は外周
に行くにしたがい広くなっている。このようなＶ溝３０
ｂを有する光学スケール３をモールド成形する場合の金
型の駒加工は、光学スケール３の法線に対して平行に台
形バイトを走らせる。これは、バイトの走り方向が単純
になるため加工が容易になり、溝の加工精度も高くな
る。

【００２０】図２（Ｃ）は図２（Ｂ）のＡ−Ａ断面図，
図２（Ｄ）は図２（Ｂ）のＢ−Ｂ断面図である。

【００２１】本実施形態ではＶ溝３０ｂの幅は外周にい
くに従って広くなっている。この為図２（Ｃ），（Ｄ）
に示すように格子３ｄの平坦部３０ａの幅とＶ溝３０ｂ
の傾斜部３０ｂ−１と３０ｂ−２との合計の幅との比は
光学スケール３の回転中心から周辺にいくに従って変化
している。

【００２２】次に本実施形態における光学スケール３の
回転情報の検出方法について説明する。光照射手段１で
あるＬＥＤからの光束を固定スケール２に入射される。
この固定スケール２は振幅回折格子の光学作用を有して
いるため透過部２ａを透過した光束は、明るい縞（パタ
ーン）を可動の光学スケール３に投影する。光学スケー
ル３において、明るいパターン２ａを透過し、かつ平坦
部３０ａに入射した光束は、図３に示すように直線透過
し、フォトディテクタ４ｃに到着する。

【００２３】また、明るいパターン２ａを透過し、かつ
Ｖ溝面を形成する2ツの傾斜面３０ｂ−１及び３０ｂ−２
に入射した光束は、各々の面に４５°の入射角をもって
入射するためそれぞれ異なる方向に大きく屈折して各々
のフォトディテクタ４ａ及び４ｂに到達する。

【００２４】このように光学スケール３においては、入
射光束に対して異なる方向に傾斜した２つの傾斜面、３
０ｂ−１，３０ｂ−２及びＶ溝３０ｂとＶ溝３０ｂの間
の平面３０ａの合計３種の傾き方向の異なる面により、
光束は３つの方向に別れて進み、各々の面に対応した位
置に設けられた各フォトディテクタ４ａ，４ｂ，４ｃに
到達する。

【００２５】即ち光学スケール３においてＶ溝３０ｂを
有する格子３ｄは光波面分割素子として機能する。ここ
で光学スケール３が回転すると各フォトディテクタ４
ａ，４ｂ，４ｃで検出される光量が変化する。格子３ｄ
の位置と固定スケール２の位置の相対的変位に応じ、各
フォトディテクタに入射する光量バランスが変化し、そ
の結果、光学スケール３が反時計廻りに回転したとする
と、図４（Ａ）に示すような光学スケール３の回転に伴
う光量変化が得られる。

【００２６】ここで横軸は光学スケール３の回転量（変
位量ΔＸ）、縦軸はフォトディテクタの受光光量であ
る。信号ａ，ｂ，ｃはそれぞれフォトディテクタ４ａ，
４ｂ，４ｃに対応している。次に、この３つの信号ａ，
ｂ，ｃから信号処理回路によりコンパレートレベルＣＬ
を設定し、図４（Ｂ）のように変位信号である２値化信
号Ｓａ，Ｓｂを得ている。これより光学スケール３の高
精度の移動情報を得ている。この時、フォトディテクタ
４ａ，４ｂ，４ｃで検出される光量の比は、１：１：２
であり、これより信頼性の高い２値化信号Ｓａ，Ｓｂを
得ている。

【００２７】図４（Ａ），（Ｂ）に示す信号は、光学ス
ケール３の格子３ｄが理想的に形成されている場合であ
る。これに対して例えば製造誤差等により、図５に示す
ように光学スケール３のＶ溝３０ｂと平坦部３０ａの境
目である角部が成形の転写性から図５で示すように丸み
を帯びてしまう場合がある。この場合に３つのフォトデ
ィテクタ４ａ，４ｂ，４ｃに入射する光量は、図６
（Ａ）のようになり、フォトディテクタ４ａ，４ｂ，４
ｃで検出される光量の比は、１：１：２から大きく外れ
てくる。

【００２８】このとき２値化信号Ｓａ，Ｓｂは図４
（Ｂ）に比べてパルス幅精度が大きく異なり、理想的な
信号精度を得ることができない。この３つのフォトディ
テクタ４ａ，４ｂ，４ｃで検出される光量を常に理想的
な１：１：２の比にするために、本実施形態では光照射
手段１からの光束を固定スケール２、即ち光学スケール
３に入射させるときの入射位置を調整手段（不図示）に
より光照射手段又は固定スケール２と光学スケール３と
の相対的位置を変化させて径方向に移動させ、Ｖ溝３０
ｂと平坦部３０ａから透過する光量のバランスを調整し
ている。

【００２９】次に本実施形態において光照射手段１から
の光束を固定スケール２に入射させるときの固定スケー
ル２上への入射位置よってフォトディテクタ４ａ，４
ｂ，４ｃで検出される光量を調整する方法について説明
する。

【００３０】図２（Ｂ）に示すように光学スケール３の
内周側と外周側ではＶ溝３０ｂの幅と平坦部３０ａの幅
の比が異なり、図２（Ｂ）のＡ−Ａ方向とＢ−Ｂ方向で
のフォトディテクタ４ａ，４ｂ，４ｃで検出される光量
ａ，ｂ，ｃの比は、図７（Ａ），（Ｂ）のようになる。

【００３１】このように入射光束を光学スケール３の径
方向位置で変化させることにより、フォトディテクタ４
ａ，４ｂ，４ｃで検出される光量のバランスを調整して
いる。例えば、図６のようにフォトディテクタ４ａ，４
ｂ，４ｃで検出される光量比が、１：１：２でない場合
は、固定スケール２と光学スケール３を径方向に移動さ
せ、出力光量の比を調整し光量比が１：１：２となるよ
うにし、これにより、信頼性の高い２値化信号が得てい
る。

【００３２】尚、本実施形態においてはスケール（２，
３）又は光照射手段１と受光手段４のいずれか一方向を
径方向に変位させている。又、固定スケールと光学スケ
ールの構成を逆にして、固定スケール２をＶ溝を有する
構成とし、光学スケール３を振幅格子より構成しても良
い。

【００３３】図８は本発明の実施形態２の一部分の要部
斜視図、図９は本発明の実施形態２の一部分の要部断面
図である。本実施形態は図１の実施形態１に比べて光学
スケール３が固定スケールと可動スケールの両方の作用
をし、所謂自己投射方式を採用している点が異なってお
り、その他の構成は基本的に同じである。

【００３４】図中１は光源であり、例えばＬＥＤや半導
体レーザで構成し、波長λ（６３２．８ｎｍ）の可干渉
性光束を発している。１２はレンズ系であり、球面レン
ズ又は非球面レンズより成り、光源１からの光束を集光
して、後述する光学スケール３に導光している。

【００３５】光源１とレンズ系１２等は光照射手段ＬＲ
の一要素を構成している。３は位相差検出機能と振幅型
の回折格子機能とを有する光学スケールであり、図２
（Ｂ）に示すように円板状の基板３ｃの表面上に一定周
期の複数の放射状格子（スリット数２５００又は５００
０のＶ溝格子）より成る格子部３ｄを設けて構成してい
る。

【００３６】このとき格子部３ｄのうち平面部３０ａの
幅は半径方向で同じであり、Ｖ溝の傾斜面３０ｂ−１，
３０ｂ−２の合計の幅が半径方向で異なっている。この
為格子部３ｄは平面部３０ａの幅に対する傾斜部３０ｂ
−１，３０ｂ−２の合計の幅の比が半径方向で異なって
いる。

【００３７】光学スケール３の基板３ｃは透孔性の光学
材料、例えばポリカーボやプラスチックより成り、回転
体（不図示）の一部に取り付けており、回転体と一体的
に回転軸３ｅを中心に矢印１６方向に回転している。

【００３８】光学スケール３の格子部３ｄの詳細は図２
（Ｃ），（Ｄ）で示すのと同様である。即ち、Ｖ溝部を
構成する２つの傾斜面３０ｂ−１，３０ｂ−２と１つの
平面部３０ａが交互に配列されて格子部３ｄを形成して
いる。各々の傾斜面３０ｂ−１，３０ｂ−２はＶ溝の底
部と中心とを結ぶ直線に対し各々臨界角以上で傾いてい
る。

【００３９】本実施形態では光学スケール３からの回折
光のうち０次回折光と±１次回折光の３つの光束を利用
している。ここで、この格子部３ｄのＶ溝は光学スケー
ル３に対して放射状に構成されている為、光学スケール
３の内周側と外周側ではピッチが異なっている。

【００４０】尚、ここでピッチとは平坦部３０ａの幅と
２つの傾斜面３０ｂ−１，３０ｂ−２の幅との合計した
値を言う。

【００４１】本実施形態では光学スケール３の材質をポ
リカーボやプラスチックとし、射出成形もしくは圧縮成
形当の製法によって作成している。１４は凹面ミラーで
あり、球面ミラー，楕円ミラー，放物ミラー，非球面ミ
ラー等から成っている。凹面ミラー１４は格子部３ｄの
フーリエ変換面に一致している。

【００４２】本実施形態ではレンズ系１２で集光され、
光学スケール３の第１領域３ａに入射した光束１０１が
光学スケール３の格子部で回折し、このときｎ次の回折
光（０次と±１次の回折光）が凹面ミラー１４の面１４
ｂ又はその近傍（凹面ミラー１４の瞳位置又はその近
傍）に集光するように各要素を設定している。

【００４３】凹面ミラー１４の光軸１４ａと入射光束１
０１の中心光線（主光線）は偏心している。凹面ミラー
１４は光学スケール３で回折し、集光してきた収束光束
（３つの回折光束）を反射させ、光学スケール３面上の
第２領域３ｂに３つの回折光に基づく干渉パターン像
（像）を再結像させている。

【００４４】このとき光学スケール３が回転方向１６に
移動すると再結像した像は回転方向１６とは反対の方向
に移動する。即ち、格子部と干渉パターン像は相対的に
光学スケール３の移動量の２倍の値で相対変位する。

【００４５】本実施形態ではこれにより光学スケール３
に構成されている格子部の２倍の分解能の回転情報を得
ている。

【００４６】４は受光手段であり、光学スケール３の格
子部３ｄの第２領域３ｂ近傍に形成した干渉パターンと
格子部のＶ溝との位相関係に基づく光束が第２領域３ｂ
で幾何学的に屈折され、射出した３つの光束を各々受光
する為の３つのフォトディテクタ（受光素子）４ａ，４
ｂ，４ｃを有している。この受光手段４からの信号をパ
ルスカウント回路や回転方向の判別回路を有する信号処
理回路１０３によって処理し、これより回転情報を得て
いる。尚、光源１，レンズ系１２，そして受光手段４は
筐体ＰＫ内に固定保持されている。

【００４７】次に本実施形態における光学スケール（回
転体）３の回転情報の検出方法について説明する。光照
射手段の一要素であるＬＥＤ１からの光束をレンズ系１
２により凹面ミラー面上１４ｂの反射面４ｂ又はその近
傍に集光するようにしている。この収束光を光学スケー
ル３の格子部３ｄ上の第１領域３ａに入射させる。第１
領域３ａに入射した収束光のうち図２（Ｃ），（Ｄ）に
示す格子部３ｄの平面部３０ａに到達した光線は該平面
部３０ａを通過して凹面ミラー１４に進み、その面上に
結像する。

【００４８】またＶ溝を構成する傾斜面３０ｂ−１に到
達した光線は、傾斜面３０ｂ−１の傾斜角が臨界角以上
に設定されている為、図に示すように全反射してＶ溝を
構成する他方の傾斜面３０ｂ−２に向けられ、傾斜面３
０ｂ−２においても全反射する。

【００４９】このように最終的に格子部３ｄの傾斜面３
０ｂ−１へ到達した光線は、光学スケール３の内部に進
入することなく、入射方向に戻されることになる。同様
にＶ溝を構成する他方の傾斜面３０ｂ−２に到達した光
線も全反射を繰り返して戻される。従って第１領域３ａ
においてＶ溝を形成する２つの傾斜面３０ｂ−１，３０
ｂ−２の範囲に到達する光束は、光学スケール３内に進
入することなく反射され、平面部３０ａに到達した光線
のみが光学スケール３を進むことになる。

【００５０】即ち、第１領域３ａにおいてＶ溝型の格子
部３ｄは透過型の振幅回折格子と同様の光学作用を有す
る。この第１領域３ａの格子部３ｄで光束は回折され、
格子部の作用により０次，±１次，±２次‥‥の回折光
が生じ、凹面ミラー１４の面上にその回折光が集光す
る。集光した回折光は、主光線に対して偏芯している凹
面ミラー１４によって反射し、光学スケール３の第２領
域３ｂ部で再結像し、光学スケール３面上に像（放射状
の溝の像）を再結像する。

【００５１】ここで第１領域３ａと第２領域３ｂは光学
スケール３面の放射状格子の格子部３ｄに対して半径方
向に異なった（一部が重複していても良い）領域であ
る。このとき、光学スケール３の格子部３ｄは、第１領
域３ａと第２領域３ｂの格子ピッチが異なる。さらに、
第２領域３ｂの照射領域においても光学スケール３の内
周側と外周側のピッチが異なっている。

【００５２】そこで本実施形態では、格子部３ｄ上の第
２領域３ｂに第１領域３ａの格子部を拡大投影し、光学
スケール３の格子部３ｄのピッチと同様の像（反転像）
を形成するようにしている。そのために本実施形態では
凹面ミラー１４を所望の曲率半径Ｒに設定し、入射光束
の主光線に対して偏心配置するとともに入射光軸に対す
るずれ量も最適な値にしている。

【００５３】これによって第１領域３ａの格子部の像が
凹面ミラー１４によって第２領域３ｂ面上に再結像する
とき放射状格子の一部のピッチが合致するようにしてＳ
／Ｎ比の良い検出信号を得ている。

【００５４】本実施形態では凹面ミラー１４で反射し、
格子部３ｄの第２領域３ｂ上に再結像した３つの光束の
うち、今度は格子部３ｄで幾何学的に屈折する光束のみ
を用いている。

【００５５】第２領域３ｂにおいては図１０に示すよう
に平坦部３０ａに入射した光束は、図に示すように直線
透過し、受光手段４の中央部のフォトディテクタ４ｃに
到着する。また、Ｖ溝面を形成する２つの傾斜面３０ｂ
−１及び３０ｂ−２に到達した光線は、各々の面に所定
の入射角を持って入射するため、それぞれ異なる方向に
大きく屈折して受光手段４の両側のフォトディテクタ４
ａ及び４ｂに到達する。

【００５６】このように第２領域３ｂにおいて、入射光
束に対して異なる方向に傾斜した２つの傾斜面３０ｂ−
１，３０ｂ−２及びＶ溝の間の平面部３０ａの合計３種
の傾き方向の異なる面により、光束は３つの方向に別れ
て進み、各々の面に対応した位置に設けられた各フォト
ディテクタ４ａ，４ｂ，４ｃに到達する。即ち第２領域
３ｂにおいてＶ溝の格子部３ｄは光波波面分割素子とし
て機能する。

【００５７】即ち第２領域３ｂの格子部と、その面上に
結像した干渉パターン像との位相関係に基づく光束が３
方向に偏向され、各フォトディテクタ４ａ，４ｂ，４ｃ
に入射している。

【００５８】ここで光学スケール３が回転すると、各フ
ォトディテクタ４ａ，４ｂ，４ｃで検出される光量が変
化する。格子部３ｄの位置と像の位置の相対的変位に応
じ、各フォトディテクタに入射する光量バランスが変化
し、その結果、光学スケール３が反時計廻りに回転した
とすると、図４（Ａ）に示すような光学スケール３の回
転に伴う光量変化が得られる。ここで横軸は光学スケー
ル３の回転量、縦軸は受光光量である。

【００５９】信号ａ，ｂ，ｃはそれぞれフォトディテク
タ４ａ，４ｂ，４ｃに対応している。尚、逆に光学スケ
ール３が時計廻りに回転した場合は、信号ａはフォトデ
ィテクタ４ｂ、信号ｂはフォトディテクタ４ａ、信号ｃ
はフォトディテクタ４ｃの出力となる。これらの信号を
基に実施形態１と同様に光学スケール３の回転角度や回
転量あるいは回転速度や回転加速度等の回転情報を得て
いる。

【００６０】本実施形態においても光照射手段１からの
光束の光学スケール３への径方向の入射位置を調整手段
で調整し、受光素子４（４ａ，４ｂ，４ｃ）で得られる
光量比を調整してＳ／Ｎ比の良い信号を得ている。

【００６１】図１１は本発明の実施形態３に係る光学ス
ケールの要部概略図である。本実施形態の光学スケール
３はＶ溝の２つの傾斜部の幅が径方向で等しく、平坦部
３０ａの幅が径方向で異なっている。即ち、平坦部３０
ａの幅が中心から周辺部にいくに従って順次拡大してい
る。光学スケールとしての作用は実施形態１，２と同じ
である。

【００６２】図１２は本発明の実施形態４の要部斜視
図、図１３は本発明の実施形態４の一部分の説明図、図
１４は本発明の実施形態４の一部分の説明図である。

【００６３】本実施形態は変位物体の検出手段として実
施形態１，２のロータリーエンコーダの代わりにリニア
エンコーダを用いそれに伴って変位物体としての光学ス
ケール３１の構成を変えた点が異なっているだけであ
り、その他の基本構成は同じである。

【００６４】図中３１は光学スケールであり、移動物体
（不図示）に対して固定されており、矢印３１ｅに示す
方向（変位方向）に移動している。光学スケール３１は
図１４に示すように基板３１ｃ上に移動方向と直交する
方向にＶ溝を、その傾斜面の幅が移動方向３１ｅと直交
する方向で異なるように形成した格子部３１ｄを設けて
構成している。格子部３１ｄの平面部３１ａの幅も移動
方向３１ｅと直交する方向で異なっている。光学スケー
ル３１は波面分割作用を有している。

【００６５】図１５（Ａ），（Ｂ）は光学スケール３１
の格子部３１ｄの詳細図であり、直線状のＶ溝部を構成
する２つの傾斜面３１ｂ−１，３１ｂ−２と１つの平面
部３１ａが交互に配列されて格子部３１ｄを形成してい
る。Ｖ溝の各々の傾斜面３１ｂ−１，３１ｂ−２はＶ溝
の底部と平坦部３０ａの垂線に対し各々臨界角以上で傾
いている。

【００６６】本実施形態では光学スケール３１からの回
折光のうち０次回折光と±１次回折光の３つの光束を利
用している。ここで、この格子部３１ｄの溝は光学スケ
ール３１の移動方向に対して直線状に構成されている。

【００６７】尚、本実施形態では光学スケール３１の材
質をポリカーボやプラスチックとし、射出成形もしくは
圧縮成形当の製法によって作成している。１４は凹面ミ
ラーであり、球面ミラー，楕円ミラー，放物ミラー，非
球面ミラー等から成っている。凹面ミラー１４は格子部
３ｄのフーリエ変換面に一致している。

【００６８】本実施形態では図１２に示すようにレンズ
系１２で集光され、光学スケール３１の第１領域３１ａ
に入射した光束１０１が光学スケール３１で回折し、こ
のときｎ次の回折光（０次と±１次の回折光）が凹面ミ
ラー１４の面１４ｂ又はその近傍（凹面ミラー１４の瞳
位置又はその近傍）に集光するように各要素を設定して
いる。

【００６９】図１３に示すように凹面ミラー１４の光軸
１４ａに対して入射光束１０１の主光線１０１ａと凹面
ミラー１４で反射し、光学スケール３１への再入射光束
１０２の主光線１０２ａは対称になっている。又、凹面
ミラー１４は光学スケール３１から透過した収束光束
（３つの回折光束）を反射させ、光学スケール３１面上
の第２領域３１ｂに３つの像を再結像させている。この
とき光学スケール３１が矢印方向３１ｅに移動すると再
結像した像は矢印方向３１ｅとは反対の方向に移動す
る。即ち、格子部と干渉パターン像は相対的に光学スケ
ール３１の移動量の２倍の値で相対変位する。

【００７０】本実施形態ではこれにより光学スケール３
１に構成されている格子部の２倍の分解能の移動情報を
得ている。

【００７１】４は受光手段であり、光学スケール３１の
格子部３１ｄの第２領域３１ｂ近傍に形成した干渉パタ
ーンと格子部のＶ溝との位相関係に基づく光束が第２領
域３１ｂで幾何学的に屈折され、射出した３つの光束を
各々受光する為の３つのフォトディテクタ（受光素子）
４ａ，４ｂ，４ｃを有している。この受光手段４からの
信号をパルスカウント回路や移動方向の判別回路を有す
る信号処理１０３によって処理し、これより移動情報を
得ている。尚、光源１，レンズ系１２，そして受光手段
５は筐体ＰＫ内に固定保持されている。

【００７２】次に本実施形態における光学スケール（移
動体）３１の移動情報の検出方法について説明する。光
照射手段の一要素であるＬＥＤ１からの光束をレンズ系
１２により凹面ミラー面上１４の反射面１４ｂ又はその
近傍に集光するようにしている。この収束光を光学スケ
ール３１の格子部３１ｄ上の第１領域３１ａに入射させ
る。第１領域３１ａに入射した収束光のうち図１５に示
す格子部３１ｄの平面部３１ａに到達した光線は該平面
部３１ａを通過して凹面ミラー１４に進み、その面上に
結像する。またＶ溝を構成する傾斜面３１ｂ−１に到達
した光線は、傾斜面３１ｂ−１の傾斜角が臨界角以上に
設定されている為、図に示すように全反射してＶ溝を構
成する他方の傾斜面３１ｂ−２に向けられ、傾斜面３１
ｂ−２においても全反射する。

【００７３】これによって最終的に格子部３１ｄの傾斜
面３１ｂ−１へ到達した光線は、凹面ミラーに進入する
ことなく、入射方向に戻されることになる。同様にＶ溝
を構成する他方の傾斜面３１ｂ−２に到達した光線も全
反射を繰り返して戻される。従って第１領域３１ａにお
いてＶ溝を形成する２つの傾斜面３１ｂ−１，３１ｂ−
２の範囲に到達する光束は、光学スケール３１内に進入
することなく反射され、平面部３１ａに到達した光線の
みが光学スケール３１を進むことになる。

【００７４】即ち、第１領域３１ａにおいてＶ溝型の格
子部３１ｄは透過型の振幅回折格子と同様の光学作用を
有する。この第１領域３１ａの格子部３１ｄで光束は回
折され、格子部の作用により０次，±１次，±２次‥‥
の回折光が生じ、凹面ミラー１４の面上にその回折光が
集光する。集光した回折光は、図１３に示すように光軸
１４ａに対して対称に反射し、光学スケール３１の第２
領域３１ｂ部で再結像し、光学スケール３１面上に像を
再結像させる。

【００７５】ここで第１領域３１ａと第２領域３１ｂは
光学スケール３１面の移動方向と直交する放射状格子の
格子部３１ｄに対して異なった（一部が重複していても
良い）領域である。

【００７６】本実施形態では、格子部３１ｄ上の第２領
域３１ｂに第１領域３１ａの格子部３１ｄを投影するよ
うにしている。そのために本実施形態では凹面ミラー１
４を所望の曲率半径Ｒに設定し、入射光束１０１の主光
線１０１ａと再入射光束１０２の主光線１０２ａが光軸
１４ａに対して対称となるようにしている。

【００７７】これによって第１領域３１ａの格子部の像
が凹面ミラー４によって第２領域３１ｂ面上に再結像す
るとき放射状格子の一部のピッチが合致するようにして
Ｓ／Ｎ比の良い検出信号を得ている。

【００７８】第２領域３１ｂにおいて傾斜面３１ｂに入
射した光束は、図１５（Ｂ）に示すように直線透過し、
受光手段４の中央部のフォトディテクタ４ｃに到着す
る。また、Ｖ溝面を形成する２つの傾斜面３１ｂ−１及
び３１ｂ−２に到達した光線は、各々の面に所定の入射
角を持って入射するため、それぞれ異なる方向に大きく
屈折して受光手段４の両側のフォトディテクタ４ａ及び
４ｂに到達する。

【００７９】このように第２領域３１ｂにおいて、入射
光束に対して異なる方向に傾斜した２つの傾斜面３１ｂ
−１，３１ｂ−２及びＶ溝の間の平面部３１ａの合計３
種の傾き方向の異なる面により、光束は３つの方向に別
れて進み、各々の面に対応した位置に設けられた各フォ
トディテクタ４ａ，４ｂ，４ｃに到達する。即ち第２領
域３１ｂにおいてＶ溝の格子部３１ｄは光波波面分割素
子として機能する。

【００８０】即ち第２領域３１ｂの格子部と、その面上
に結像した干渉パターン像との位相関係に基づく光束が
３方向に偏向され、各フォトディテクタ４ａ，４ｂ，４
ｃに入射している。

【００８１】ここで光学スケール３１が移動すると、各
フォトディテクタ４ａ，４ｂ，４ｃで検出される光量が
変化する。格子部３１ｄの位置と像の位置の相対的変位
に応じ、各フォトディテクタに入射する光量バランスが
変化し、その結果、光学スケール３１が移動方向３１ｅ
方向に移動したとすると、図４（Ａ），（Ｂ）に示すよ
うな光学スケール３１の移動に伴う光量変化が得られ
る。

【００８２】これによって実施形態１と同様にして光学
スケール３１の移動情報を得ている。本実施形態におい
ても光照射手段１からの光束の光学スケール３１上への
移動方向３１ｅと直交する方向への入射位置を調整して
受光素子４（４ａ，４ｂ，４ｃ）で得られる光量比を調
整してＳ／Ｎ比の良い信号を得ている。ここで横軸は光
学スケール３の移動量、縦軸は受光光量である。

【００８３】尚、以上の各実施形態において基板上に設
けるＶ溝の代わりに図１６に示すような台形溝を用いて
も良い。

【００８４】同図において平坦部３０ａと傾斜部３０ｂ
−１，３０ｂ−２を通過した光束が各々受光素子４ｃ，
４ａ，４ｂに入射している。

【００８５】又、本発明の実施形態として図１８のよう
に平坦部３０ａと傾斜部３０ｂ−１，３０ｂ−２は径方
向に沿って不連続に変化する構成でも構わない。

【００８６】

【発明の効果】本発明によれば以上のように、基板面に
例えばＶ溝を形成し、入射光束を波面分割するようにし
た光学スケールに光照射手段から光束を入射させ、該光
学スケールで波面分割した複数の光束を各々、複数の受
光素子で受光し、該複数の受光素子からの信号を用いて
変位情報を求める際、光照射手段からの光束の光学スケ
ールへの入射位置を変位させ、複数の受光素子からの出
力信号レベルを調整することによって信頼性の良い２値
化信号が得られ、高精度な変位情報が得られる変位情報
測定装置を達成することができる。

【００８７】特に本発明によれば、光学スケールの転写
性により、3 つの受光手段で得られる光量バランスが理
想的な１：１：２という比を満足することができない場
合でも光束をＶ溝と平坦部の比が異なった位置に入射さ
せることにより光量バランスが調整可能となり、信頼性
の高い2 値化信号を得られ、移動体の変位情報を高精度
に検出することができる変位情報測定装置を達成するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態１の要部概略図

【図２】図１の一部分の説明図

【図３】図１の一部分の説明図

【図４】図１の受光手段からの出力信号と２値化信号の
説明図

【図５】Ｖ溝を有した光学スケールの説明図

【図６】図５の光学スケールを用いたときの受光手段か
らの出力信号の説明図

【図７】本発明の実施形態１における調整手段による受
光手段からの出力信号の説明図

【図８】本発明の実施形態２の要部概略図

【図９】本発明の実施形態２の要部断面図

【図１０】図８の一部分の説明図

【図１１】本発明の実施形態３に係る光学スケールの説
明図

【図１２】本発明の実施形態４の要部概略図

【図１３】図１２の一部分の説明図

【図１４】図１２の一部分の説明図

【図１５】図１２の一部分の説明図

【図１６】本発明に係る光学スケールの説明図

【図１７】従来のロータリエンコーダの要部概略図

【図１８】本発明に係る光学スケールの他の実施形態の
要部斜視図

【符号の説明】

１ 光照射手段 ２ 固定スケール ３，３１ 可動スケール（光学スケール） ４ 受光手段 ４ａ，４ｂ，４ｃ 受光素子 ３０ｂ Ｖ溝 ３０ａ 平面部 ３０ｂ−１，３０ｂ−２ 傾斜部 １２ レンズ系 １４ 凹面鏡 １０３ 信号処理回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平６−109484（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−8510（ＪＰ，Ａ) 実開 昭61−56575（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭57−146015（ＪＰ，Ｕ) 特公 昭36−11793（ＪＰ，Ｂ１) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01D 5/26 - 5/38 G01B 11/00 - 11/30

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１，第２光学スケールのうち少なくと
   も一方に波長分割作用をするスケール部を設け、光照射
   手段からの光束を該第１，第２光学スケールに順次入射
   させ、該第１，第２光学スケールを介した後に複数に分
   割した光束を各々複数の受光素子を有する受光手段で受
   光し、該受光手段からの信号を利用して該第１，第２ス
   ケールとの相対的な変位情報を求める変位情報測定装置
   において調整手段によって該光照射手段からの光束の該
   第１，第２光学スケール面上への入射位置を変えて該受
   光手段の複数の受光素子で得られる信号の強度バランス
   を調整していることを特徴とする変位情報測定装置。
2. 【請求項２】 筐体内に設けた光照射手段からの光束を
   波長分割作用をするスケール部を設けた光学スケールの
   第１領域に入射させ、次いで該光学スケールの第２領域
   に再入射させ、該第２領域から射出する複数の光束を各
   々複数の受光素子を有する受光手段で受光し、該受光手
   段からの信号を利用して該筐体と該光学スケールとの相
   対的な変位情報を求める変位情報測定装置において調整
   手段によって該光照射手段からの光束の該光学スケール
   面上への入射位置を変えて該受光手段の複数の受光素子
   で得られる信号の強度バランスを調整していることを特
   徴とする変位情報測定装置。
3. 【請求項３】 前記スケール部は平行平面状の基板上に
   断面が台形状となるようにＶ溝を一定の周期で複数形成
   して構成されており、該台形状の平面部の幅と、該平面
   部を挟む２つの傾斜面の幅との比が変位情報を検出する
   変位方向と直交する方向で変化していることを特徴とす
   る請求項１又は２の変位情報測定装置。
4. 【請求項４】 前記スケール部は円板上に断面が台形状
   となるＶ溝を径方向に沿って放射状に複数形成して構成
   されており、該台形状の平面部の幅と該平面部を挟む２
   つの傾斜面の幅との比が径方向に沿って変化しているこ
   とを特徴とする請求項１又は２の変位情報測定装置。
5. 【請求項５】 前記スケール部は平板上に断面が台形状
   となるＶ溝を変位方向と直交する方向に複数形成して構
   成されており、該台形状の平面部の幅と該平面部を挟む
   ２つの傾斜面の幅との比が変位方向と直交する方向で変
   化していることを特徴とする請求項１又は２の変位情報
   測定装置。
6. 【請求項６】 前記スケール部はプラスチックによるモ
   ールド成型より製造されたものであり、該モールド成型
   において、その場合のスリット部の金型の駒加工を、種
   々の先端形状を有するバイトを該光学スケールの法線に
   対して平行に走らせ、バイト先端形状による溝部とそれ
   以外の部分との面積が同一でない事を特徴とする請求項
   １から５のいずれか１項記載の変位情報測定装置。