JP3751123B2 - 相対位置検出装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、相対位置検出装置に関し、より詳細には、光源からの光をスケールに投射し、光源とスケールの相対的な位置変化を受光素子により光学的に読み取る相対位置検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図８は、従来の相対位置検出装置の概略構成図で、図中、１は光源、２はレンズ、３は偏光ビームスプリッタ、４，５は１／４波長板、６，７はミラー、８はスケール、９はレンズ、１０はミラー、１１は１／２波長板、１２は偏光ビームスプリッタ、１３，１４は偏光板、１５，１６はフォトダイオードなどの受光素子である。
【０００３】
光源１からの光は、レンズ２を経て偏光ビームスプリッタ３によって相直交する２つの偏光光束に分離される。各偏光光束は１／４波長板４，５を通って円偏光光束となり、ミラー６，７で反射され、回折格子を有するスケール８に照射される。照射された各光束は回折し、レンズ９へ向かい、該レンズ９と一体のミラー１０で反射し、再び同じ光路を通って１／４波長板４，５まで戻る。該波長板４，５で、入射の際とは９０度傾きの異なる直線偏光光束に変換され、偏光ビームスプリッタ３により、前記光源１の方向とは異なる方向へ出射する。そして、１／２波長板１１に入射し、偏光を４５度回転させられる。偏光を４５度回転させられた光束は偏光ビームスプリッタ１２に入射し、２つの直線偏光光束に分けられ、偏光板１３，１４で４５度異なる偏光方向で選別され、フォトダイオード１５，１６で検知される。２つのフォトダイオード１５，１６は、４５度位相の異なる信号を出力する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
図８に示される位置検出装置によれば、スケール８が移動方向（Ｘ方向）と垂直な方向（Ｙ方向）に動いたり、また、スケール８が傾くとスケール上に結ばれる光の焦点がぼけることなどから、受光素子１５，１６の信号が出にくくなるという問題点があった。さらに、受光素子への光の強度が弱い場合に出力信号にボトム値が存在するので出力精度が悪い、光の利用効率が悪い、受光手段を小型化することができないなどの問題点があった。
【０００５】
本発明は、上述のような実情に鑑みてなされたもので、スケールの移動方向と垂直な方向への移動及びスケールの傾きなどに影響されない改善された相対位置検出装置を提供するものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、反射率又は透過率が周期的に変化するスリットパターンを有するスケールと、該スケールに光を投射する光源と、該光源からの光を透過する部分を中心部に有し、かつ、複数に分割された領域を有し、各領域の単位で、相互にスケールピッチのずれた光を反射するスリットを有する固定スリット板と、前記光源と前記スケールの相対的な位置の変化に伴う前記スケールからの反射光の光強度変化を検出する受光手段とを有し、前記光源と前記スケールの相対的な位置の変化を前記受光手段で読み取る相対位置検出装置において、前記スケールから反射してきた光によるスケールの像を、前記固定スリット板で反射させた後に前記受光手段上に投影し、前記スケールの移動を前記受光手段からの信号により検知することにより検知することを特徴とし、もって、スケールの移動方向に垂直な方向への移動及びスケールの傾きに影響されず、出力信号のボトム値をゼロに近づけることを可能にした相対位置検出装置を提供するものである。
【００１２】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記スケールと前記固定スリット板の間に前記集光手段を配置することを特徴とし、もって、受光手段を小型化することを可能にしたものである。
【００１３】
請求項３の発明は、請求項１又は２の発明において、前記スケールと前記受光手段の間に前記集光手段を配置することを特徴とし、もって、光の利用効率をよくすることを可能にしたものである。
【００１４】
請求項４の発明は、請求項１乃至３のいずれかの発明において、前記スケールと前記固定スリット板の間及び前記スケールと前記受光手段の間に前記集光手段を配置することを特徴とし、もって、設計の任意性並びに組付け性の向上、及び、受光素子の小型化を可能にしたものである。
【００１５】
請求項５の発明は、請求項１乃至４のいずれかの発明において、前記光源と前記スケールの間に前記集光手段を配置することを特徴とし、もって、光の利用効率の向上を可能にしたものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１（Ａ）は本発明の前提として関連する相対位置検出装置の概略構成図で、図中、２０は光源、２１はスリットパターンを有するスケール、２２，２２′はフォトダイオードなどの受光素子、２３はエンコーダ用のカウンタ、２４はスリットパターンを有するマスクである。ＳＰ１，ＳＰ１′はそれぞれスケール２１による反射光及び透過光中に現われるスリットパターンである。図１（Ｂ）は受光素子２２，２２′から得られるスケール２１の移動に対して９０度ずれた２つの信号（以下、これらの信号をＡ相信号及びＢ相信号という）を示す図である。
【００１７】
いま、光源２０の光を、光の反射率又は透過率が周期的に変化するスリットを有するスケール２１に投射する。該スケール２１からの反射光又は透過光により受光素子２２，２２′上にスリットパターンＳＰ１又はＳＰ１′が現われる。このパターンはスケール２１の移動に伴って変化するので、この変化を受光素子２２，２２′で読み取る。このとき、２つの受光素子２２，２２′を前記スリットの明暗のピッチに対して１／４ピッチずらしておけば、スケール２１の移動に対して９０度位相のずれた信号が得られる。これらの信号は、周知のエンコーダのＡ相信号，Ｂ相信号に相当することから、エンコーダ用のカウンタ２３を用いれば、スケール２１のスリットの移動本数をカウントでき、インクリメンタルな信号としてスケール２１の移動距離を検知することができる。
【００１８】
図１（Ｃ）は、マスク２４と共に使用される受光素子の構成を説明するための図で、図中、ａ，ｂ，ｃ，ｄはそれぞれ受光素子が配置される４つに分割された領域である。図１（Ｄ）は前記マスク２４の概略構成図で、前記領域ａ，ｂ，ｃ，ｄに対応する領域単位で、相互にスケールピッチがずれたスリットを有する態様を示す。ここで、ａ領域とｄ領域のスリット及びｂ領域とｃ領域のスリットは、１／４ピッチ位相がずれるようにし、ａ領域とｂ領域のスリットは、１／２ピッチ位相がずれるように配置する。
【００１９】
図１の相対位置検出装置において、受光素子を２個用いたが、１個の受光素子に現われる光の強度が弱い場合、つまり、出力信号のボトム値がゼロになりにくい場合には、受光素子を４つの領域ａ，ｂ，ｃ，ｄに配置し、これら受光素子上に、前記マスク２４を配置するようにしたものである。そして、受光素子間の出力信号の差をとると、例えば、
ａ領域の出力−ｂ領域の出力＝Ａ相信号
ｂ領域の出力−ｃ領域の出力＝Ｂ相信号
となり、ボトム値を差し引いてボトム値がゼロに近いＡ相及びＢ相信号が得られる。前記マスク２４を使用する代わりに、各領域の受光素子を出力の位相がずれるようスリット形状に作成しても同じ結果を得ることができる。なお、４つの領域に受光素子を配置する代わりに、３つの領域に受光素子を配置することもできる。
この場合には、例えば、
ａ領域の出力−ｂ領域の出力＝Ａ相信号
ｄ領域の出力−ｂ領域の出力＝Ｂ相信号
とする。ｃ領域の出力が不要となるので、前記マスクも受光素子も３つの領域でよい。さらに、前記マスクのスリットや前記スリット形式に作成する受光素子は、これらスリットや受光素子の位相関係さえ前記と同様であれば直線状に配置してもよい。
【００２０】
図２は、図１と異なる構成の相対位置検出装置の概略構成図であり、図中、３０は光源、３１はスリットパターンを有するスケール、３２は受光素子、３３は集光手段（レンズ）、そして、ＳＰ２，ＳＰ２′は受光素子３２，３２′上に生じるスリットパターンである。図２の相対位置検出装置は、光源３０とスケール３１との間に集光手段（レンズ）３３を配置し、光源３０からの光を集光手段（レンズ）３３により適当なスポット径に集光し、受光素子３２，３２′上にスリットパターンを投影するようにしたものである。このため、限られた大きさの受光素子に集光することができるので、光の利用効率の向上を図ることができる。
【００２１】
図３は、図２と異なる構成の相対位置検出装置の概略構成図であり、図中、図２と同じ構成部品には同じ参照番号を付し説明を省略する。図３の相対位置検出装置は、前記集光手段（レンズ）３３をスケール３１と受光素子３２，３２′の間に配置したものである。図３は、透過光側の構成を省略しているが、前記集光手段（レンズ）３３は透過光側のスリットと受光素子の間に配置してもよい。前記集光手段（レンズ）３３の配置により、図２の相対位置検出装置と同じ作用及び効果を得ることができる。
【００２２】
図４は、さらに異なる構成の相対位置検出装置の概略構成図であり、図中、４０は光源、４１はスリットパターンを有するスケール、４２，４２′は受光素子、４３は集光手段（レンズ）、４４は光分離手段（ビームスプリッタ）、４５は集光手段（レンズ）、そして、ＳＰ４はスリットパターンである。図４の相対位置検出装置は、反射光を利用するもので、光源４０からの光を、集光手段（レンズ）４３で集光し、光分離手段（ビームスプリッタ）４４からスケール４１に投射し、該スケール４１からの反射光を前記光分離手段（ビームスプリッタ）４４で反射させ、集光手段（レンズ）４５でさらに集光し、受光素子４２，４２′にスリットパターンを投影するようにしたものである。反射光を用いる場合には、投射光と反射光を分離するために、距離が必要である。しかし、前記光分離手段（ビームスプリッタ）４４を設けることにより、受光素子４２，４２′を小型化することができる。図４では、光分離手段としてキューブ状ビームスプリッタを用いた場合を示したが、板状のビームスプリッタを使用してもよい。
【００２３】
（請求項１の発明）
図５（Ａ）は請求項１の発明が適用される相対位置検出装置の概略構成図であり、図中、５０は光源、５１はスリットパターンを有するスケール、５２，５２′は受光素子、５３は図５（Ｂ）で詳述する固定スリット板である。図５（Ｂ）は前記固定スリット板５３の光の透過部及び光を反射するスリットの配置の態様を示す図で、図中、５３′は固定スリット板５３の中央部に設けられた光の透過部、５３″，５３″…は光を反射するスリットである。これら反射スリット５３″，５３″…の配置の態様は、例えば、ａ領域とｂ領域で反射スリット５３″，５３″…がスケール５１のスリットの明暗のピッチに対して１／４ピッチずれるように配置する。請求項１の発明は、光源５０からの光を固定スリット板５３の光の透過部５３′を透してスケール５１で反射させた後、固定スリット板５３のスリット５３″，５３″…で反射させ、受光素子５２，５２′上にスリットパターンを投影するようにしたものである。このため、受光素子５２，５２′からは、Ａ相信号，Ｂ相信号を得ることができる。
【００２４】
（請求項２の発明）
図６（Ａ）は請求項２の発明が適用される相対位置検出装置の概略構成図で、該相対位置検出装置は、図５の装置を使用しているので、図５と同じ構成部品には同じ参照番号を付し、説明は省略する。図６（Ａ）において、５４は集光手段（レンズ）である。
請求項２の発明は、光源５０からの光を固定スリット板５３を通して集光手段（レンズ）５３によってスケール５１上に集光し、その反射光を固定スリット板５３で反射させ、受光素子５２，５２′に導く。集光手段（レンズ）５４を配置することにより、スケール５１のスリットの本数を少なくできるので、固定スリット板５３上のスリットピッチを大きくでき、組付性を高めることができる。また、設計の任意性を高めることができる。限られた大きさの受光素子上にも集光することができるので、光の利用効率を良くすることができる。
【００２５】
（請求項３の発明）
図６（Ｂ）は請求項３の発明が適用される相対位置検出装置の概略構成図で、該相対位置検出装置は、図５の装置を使用しているので、図５と同じ構成部品には同じ参照番号を付し、説明を省略する。図６（Ｂ）において、５５は集光手段（レンズ）である。請求項３の発明は、固定スリット板５３と受光素子５２，５２′の間に集光手段（レンズ）５５を配置したものである。この集光手段（レンズ）５５の配置により、限られた大きさの受光素子上にスリットパターンを投影することができるので、光の利用効率をよくすることができる。
【００２６】
（請求項４発明）
図６（Ｃ）は請求項４の発明が適用される相対位置検出装置の概略構成図で、該相対位置検出装置は、図５の装置を使用しているので、図５と同じ構成部品には同じ参照番号を付し、説明を省略する。請求項４の発明は、固定スリット板５３とスケール５１の間及び前記固定スリット板５３と受光素子５２，５２′の間に、それぞれ集光手段（レンズ）５４，５５を配置したものである。この集光手段（レンズ）５４，５５の配置により、設計の任意性を高めることができ、また、組付け性も良くすることができ、更には、受光素子を小型化することができる。
【００２７】
（請求項５の発明）
図７は、請求項５の発明が適用される相対位置検出装置の概略構成図で、該相対位置検出装置は、図５及び図６の装置を使用しているので、図５及び図６の構成部品と同じ構成部品には、同じ参照番号を付し、説明を省略する。図７において、５６は光源５０と固定スリット板５３の間に設置した集光手段（レンズ）である。
請求項１から請求項４の発明では、光源５０から離れたところに受光素子５２，５２′を配置するため、光が発散気味になる。そこで、請求項５の発明は、前記光源５０と前記固定スリット板５３の間に集光手段（レンズ）５６を配置したもので、この集光手段（レンズ）５６の配置により光利用効率を向上することができる。
【００３３】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、スケールから反射又は透過してきた光による前記スケールの像を受光手段上に投影し、前記スケールの移動を前記受光手段からの信号により検知するので、スケールの移動方向に垂直な方向への移動及びスケールの傾きの影響を受けない相対位置検出装置を提供することができる。また、前記光源からの光を透過する部分を中心部に有し、かつ、前記光源からの光を透過する部分を中心部に有し、かつ、複数に分割された領域を有し、各領域の単位で、相互にスケールピッチのずれた光を反射するスリットを有する固定スリット板を有するので、受光素子に現われる信号の強度が低い場合に、出力信号のボトム値を０に近づけて、信号の品質を上げることができる。
【００３４】
請求項２発明によれば、請求項１の発明の効果に加えて、スケールと固定スリット板の間に集光手段（レンズ）を配置したので、受光素子を小型化することができる。
【００３５】
請求項３の発明によれば、請求項１又は２の発明の効果に加えて、前記スケールと受光手段の間に集光手段（レンズ）を配置したので、限られた大きさの受光素子上に集光することができ、光の利用効率を向上することができる。
【００３６】
請求項４の発明によれば、請求項１乃至３のいずれかの発明の効果に加えて、スケールと固定スリット板の間及び前記スケールと前記受光素子の間に集光手段（レンズ）を配置したので、設計の任意性を高めることができ、組付け性もよくできる。また、受光素子の小型化を図ることができる。
【００３７】
請求項５の発明によれば、請求項１乃至４のいずれかの発明の効果に加えて、光源とスリットの間に集光手段（レンズ）を配置したので、光の利用効率を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の前提として関連する相対位置検出装置の一例を説明するための概略構成図である。
【図２】 本発明に関連する相対位置検出装置の一例を説明するための概略構成図である。
【図３】 本発明に関連する相対位置検出装置の他の例を説明するための概略構成図である。
【図４】 本発明に関連する相対位置検出装置のさらに他の例を説明するための概略構成図である。
【図５】 本発明が適用される相対位置検出装置の一例を説明するための概略構成図である。
【図６】 本発明が適用される相対位置検出装置の他の例を説明するための概略構成図である。
【図７】 本発明が適用される相対位置検出装置のさらに他の例を説明するための概略構成図である。
【図８】 従来の相対位置検出装置の概略構成図である。
【符号の説明】
１…光源、２…レンズ、３…偏光ビームスプリッタ、４，５…１／４波長板、６，７…ミラー、８…スケール、９…レンズ、１０…ミラー、１１…１／２波長板、１２…偏光ビームスプリッタ、１３，１４…偏光板、１５，１６…フォトダイオードなどの受光素子、２０…光源、２１…スケール、２２，２２′…受光素子、２３…エンコーダ用カウンタ、２４…マスク、３０…光源、３１…スケール、３２，３２′…受光素子、３３…集光手段（レンズ）、４０…光源、４１…スケール、４２，４２′…受光素子、４３…集光手段（レンズ）、４４…ビームスプリッタ、４５…集光手段（レンズ）、５０…光源、５１…スケール、５２，５２′…受光素子、５３…固定スリット板、５３′…光の透過部、５３″…光の反射スリット、５４，５５，５６…集光手段（レンズ）、ＳＰ１，ＳＰ１′，ＳＰ２，ＳＰ２′，ＳＰ３，ＳＰ４，ＳＰ５，ＳＰ５′，ＳＰ６，ＳＰ６′ＳＰ７，ＳＰ７′，ＳＰ８，ＳＰ８′…スリットパターン。

Claims (5)

1. 反射率又は透過率が周期的に変化するスリットパターンを有するスケールと、該スケールに光を投射する光源と、該光源からの光を透過する部分を中心部に有し、かつ、複数に分割された領域を有し、各領域の単位で、相互にスケールピッチのずれた光を反射するスリットを有する固定スリット板と、前記光源と前記スケールの相対的な位置の変化に伴う前記スケールからの反射光の光強度変化を検出する受光手段とを有し、前記光源と前記スケールの相対的な位置の変化を前記受光手段で読み取る相対位置検出装置において、前記スケールから反射してきた光によるスケールの像を、前記固定スリット板で反射させた後に前記受光手段上に投影し、前記スケールの移動を前記受光手段からの信号により検知することにより検知することを特徴とする相対位置検出装置。
2. 前記スケールと前記固定スリット板の間に集光手段を配置したことを特徴とする請求項１に記載の相対位置検出装置。
3. 前記スケールと前記受光手段の間に前記集光手段を配置したことを特徴とする請求項１又は２に記載の相対位置検出装置。
4. 前記スケールと前記固定スリット板の間及び前記スケールと前記受光手段の間に前記集光手段を配置したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の相対位置検出装置。
5. 前記光源と前記スケールの間に前記集光手段を配置したことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の相対位置検出装置。

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