JP4576014B2 - 光学式エンコーダー - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、装置の可動部分の移動量検出に用いられる光学式エンコーダーに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の光学式エンコーダーには、半導体レーザー光源、光検出器、回折格子、コリメータレンズ等の個別部品を高精度に組み合わせたタイプや、回折格子に相当するスケールを除いた部分を半導体プロセスやボンディング技術で小型化したタイプなどがある。このような従来例のひとつに、「光学」２７巻６号、ページ３２７〜３２８にある、山本英二著「面発光型半導体レーザーを用いたマイクロエンコーダー」がある。
【０００３】
このマイクロエンコーダーの基本構成は、ヘッド部と、これに対して特定の方向に移動可能なスケールとを備えている。ヘッド部は、フォトダイオード(ＰＤ)と信号処理回路が一体形成されたシリコン基板と、これにボンディングされた面発光レーザーとを有している。スケールは、一定のピッチで反射率が変化する二種類の構成要素が交互に並んだ光学パターンを有している。
【０００４】
面発光レーザーから射出された光ビームは、スケールで反射され、フォトダイオードにより強度が検出される。フォトダイオードで検出される光強度の強弱の変化の数を計ることにより、ヘッド部とスケールの間の相対移動の量が測定される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
光学式エンコーダーは、小型化や高分解能化が進んだ結果、工作機械や情報機器さらには医療機器など幅広い分野で利用されようとしている。現状では、光学式エンコーダーの高精度化のための対策や組立調整の簡便化については、エンコーダーメーカーや、エンコーダーのパーツを購入して製品に組み込むユーザーのノウハウに依存しており、一般に、光学式エンコーダー自体は、その性能を最高に引き出すための調整機能や、組み立ての状態や信号の安定度を測定する機能を備えていない。
【０００６】
本発明は、このような現状を鑑みて成されたものであり、その目的は、その性能を最高に引き出すための機能を備えた光学式エンコーダーを提供することである。
【０００７】
より具体的には、本発明の目的は、組み立て時の位置決め・位置合わせやメンテナンス時の調整や検出信号の補正のために、ヘッド部とスケールの光学的・幾何学的配置を検出する機能を有する光学式エンコーダーを提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の光学式エンコーダーは、一面においては、光源部と光検出部を含むヘッド部と、ヘッド部に対して相対的に特定の方向に移動可能なスケールとを備えており、スケールは、移動方向に沿って光学特性が一定の周期で変化する第一の光学パターンと、移動方向に沿った、移動量検出に有効な領域のほぼ全域にわたって光学特性が一定である第二の光学パターンとを有し、光源部は、第一の光学パターンに照射される第一の光ビームと、第二の光学パターンに照射される第二の光ビームとを射出し、光検出部は、第一の光学パターンを経由した第一の光ビームを受光する第一の受光部と、第二の光学パターンを経由した第二の光ビームを受光する第二の受光部と、第一の受光部と第二の受光部の出力信号を処理する信号処理部とを有し、信号処理部は、第一の受光部の出力信号に基づいてヘッド部とスケールの間の相対移動の量を検出する移動検出手段と、第二の受光部の出力信号に基づいてヘッド部とスケールの相対姿勢を検出する姿勢検出手段とを含んでいる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。
【００１３】
［第一実施形態］
図１に示されるように、光学式エンコーダーは、光源部１４０と光検出部１６０を含むヘッド部１３０と、これに対して特定の方向にすなわちｙ軸に沿って移動可能なスケール１１０とを備えている。ヘッド部１３０は、光源部１４０と光検出部１６０を保持するベース１３２を更に有し、スケール１１０に対して、望ましくは、適正なギャップｄと適正な姿勢で保持される。
【００１４】
スケール１１０は、平板状の基板１１２と、その表面に設けられた第一の光学パターン１１４と第二の光学パターン１１８と第三の光学パターン１１６とを有している。スケール１１０は長手軸を有しており、この長手軸が移動方向すなわちｙ軸に対して平行になるように配置される。第一の光学パターン１１４と第二の光学パターン１１８と第三の光学パターン１１６は共に長手軸に沿って帯状に延びている。第一の光学パターン１１４と第三の光学パターン１１６は長手軸に沿って一定の周期で光学特性が変化するが、第二の光学パターン１１８は長手軸に沿った全域にわたり光学特性が一定である。
【００１５】
ここにおいて「光学特性」は、反射率や透過率等の光に作用する諸特性をいう。
本実施形態は反射型の光学式エンコーダーであるため、本実施形態では光学特性は反射率を意味するが、透過型の光学式エンコーダーにおいては透過率を意味する。
【００１６】
第一の光学パターン１１４と第三の光学パターン１１６は共に、高反射率の領域と低反射率の領域とが長手軸に沿って数十μｍのピッチＰ0で交互に並んでいる。第一の光学パターン１１４と第三の光学パターン１１６は、同じ周期を有するが、位相がずれている。すなわち、第一の光学パターン１１４と第三の光学パターン１１６の反射率の異なる二つの領域が互いに長手軸に沿ってδずれている。言い換えれば、第三の光学パターン１１６は、第一の光学パターン１１４を長手軸に沿ってδ移動させたものと等価である。両者の間のずれδは、望ましくは、δ＝Ｐ0・(２ｎ−１)/４を満たしている。ここでｎは自然数である。
【００１７】
光源部１４０は、第一の光ビームＬ1を射出する第一の面発光レーザー１４４と第二の光ビームＬ2を射出する第二の面発光レーザー１４６と第三の光ビームＬ3を射出する第三の面発光レーザー１４８を含むレーザーアレイ１４２を備えている。第一の面発光レーザー１４４と第二の面発光レーザー１４６と第三の面発光レーザー１４８は、ｘ軸に沿って並んでいる。レーザーアレイ１４２は、ｘｙ平面に傾きを持って、すなわち、ｘ軸の周りに傾いて配置されている。第一の光ビームＬ1と第二の光ビームＬ2と第三の光ビームＬ3は、それぞれ、第一の光学パターン１１４と第二の光学パターン１１８と第三の光学パターン１１６に照射される。
【００１８】
光検出部１６０は、例えばフォトＩＣであり、第一の光学パターン１１４を経由した第一の光ビームＬ1を受光する第一の受光部１６４と、第二の光学パターン１１８を経由した第二の光ビームＬ2を受光する第二の受光部１７０と、第三の光学パターン１１６を経由した第三の光ビームＬ3を受光する第三の受光部１６６とを備えている。第一の受光部１６４と第二の受光部１７０と第三の受光部１６６は、その中心がｘ軸に沿って並ぶように配置されている。
【００１９】
第一の受光部１６４と第三の受光部１６６は、それぞれ、第一の光ビームＬ1と第三の光ビームＬ3の径に比べて大きい受光領域を持つ単一のフォトダイオードで構成される。また、第二の受光部１７０は、第二の光ビームＬ2の径に比べて同等かそれよりも小さい受光領域を持つ単一のフォトダイオードで構成される。第二の受光部１７０に照射される第二の光ビームＬ2は、ガウシアン分布のように、中心が最も高く、そこから離れるにつれて低下する光量分布を有する。
【００２０】
前述したように、ヘッド部１３０は、望ましくは、スケール１１０に対して、適正なギャップと適正な姿勢で保持される。この状態において、第二の光ビームＬ2の主光線は、第二の受光部１７０の中心に入射する。一方、第一の光ビームＬ1と第三の光ビームＬ3は、ギャップと姿勢にそれほど影響されることなく、それぞれ、第一の受光部１６４と第三の受光部１６６にほぼ適正に入射する。
【００２１】
光検出部１６０は更に、第一の受光部１６４と第二の受光部１７０と第三の受光部１６６の出力信号を処理する信号処理部２２０を備えている。信号処理部２２０は、例えば、レーザーアレイ１４２を駆動するレーザー駆動回路と、第一の受光部１６４と第三の受光部１６６の出力信号のゲインとオフセットを調整する正規化回路と、第一の受光部１６４の出力信号と第三の受光部１６６の出力信号とに基づいて光源部１４０とスケール１１０の間の相対移動の量と方向を検出する移動検出回路と、第二の受光部１７０の出力信号に基づいて光源部１４０とスケール１１０のギャップｄと相対姿勢を検出するギャップ・相対姿勢検出回路と、第二の受光部１７０の出力信号に基づいて光源部１４０のパワーを検出してこれを制御するオートパワーコントロール(ＡＰＣ)回路とを含んでいる。
【００２２】
本実施形態の光学式エンコーダーは、光源部１４０とスケール１１０の間の相対移動の方向と量を検出し得るが、要求される機能が移動量の検出のみの場合には、第三の面発光レーザー１４８と第三の光学パターン１１６と第三の受光部１６６は省略されてもよく、これらの省略に伴い、移動検出回路は、第一の受光部１６４の出力信号に基づいて光源部１４０とスケール１１０の間の相対移動の量のみを検出する。
【００２３】
＜相対移動検出＞
第一の面発光レーザー１４４から射出された第一の光ビームＬ1は、スケール１１０の第一の光学パターン１１４により第一の受光部１６４に向けて反射され、第一の受光部１６４で検出される。第一の受光部１６４は、入射する第一の光ビームＬ1の光量に対応した信号を出力する。ヘッド部１３０とスケール１１０の間の相対移動に対して、第一の受光部１６４の出力信号は擬似正弦波となる。
【００２４】
同様に、第三の面発光レーザー１４８から射出された第三の光ビームＬ3は、スケール１１０の第三の光学パターン１１６により第三の受光部１６６に向けて反射され、第三の受光部１６６で検出される。第三の受光部１６６は、入射する第三の光ビームＬ3の光量に対応した信号を出力する。ヘッド部１３０とスケール１１０の間の相対移動に対して、第三の受光部１６６の出力信号は擬似正弦波となる。
【００２５】
第一の受光部１６４と第三の受光部１６６から出力される擬似正弦波の信号は互いに１/４周期あるいは３/４周期の位相差があるため、ヘッド部１３０とスケール１１０の間の相対移動の方向と量を求めることができる。
【００２６】
＜ギャップ・姿勢検出＞
第二の面発光レーザー１４６から射出された第二の光ビームＬ2は、スケール１１０の第二の光学パターン１１８により第二の受光部１７０に向けて反射され、第二の受光部１７０で検出される。第二の受光部１７０は、入射する第二の光ビームＬ2の光量に対応した信号を出力する。
【００２７】
ヘッド部１３０とスケール１１０は、望ましくは、相対的に適正なギャップと適正な姿勢で保持される。この状態においては、レーザーアレイ１４２から射出された第一の光ビームＬ1と第二の光ビームＬ2と第三の光ビームＬ3の主光線が、それぞれ、スケール１１０で反射された後、第一の受光部１６４と第二の受光部１７０と第三の受光部１６６の中心に入射する。
【００２８】
スケール１１０とヘッド部１３０の光学的・幾何学的配置が適正な状態から外れると、すなわち、スケール１１０とヘッド部１３０の間のギャップｄの最適値からずれたり、ヘッド部１３０に対してスケール１１０がｘ軸周りやｙ軸周りに相対的に傾いたりすると、第一の受光部１６４と第三の受光部１６６から出力される擬似正弦波の信号の位相が変わって検出信号に誤差が生じたり、検出信号の出力が低下したりする。
【００２９】
このようなスケール１１０とヘッド部１３０の光学的・幾何学的配置の適正な状態からのずれは、第二の受光部１７０の出力に基づいて検出され得る。
【００３０】
スケール１１０とヘッド部１３０の間のギャップｄの変化は、第二の受光部１７０に照射される第二の光ビームＬ2のスポットをｙ軸に沿って移動させる。ヘッド部１３０とスケール１１０が適正なギャップで位置しているとき、第二の光ビームＬ2の主光線が第二の受光部１７０の中心に入射するため、第二の受光部１７０は最大の出力を示す。従って、第二の受光部１７０の出力の低下を検出することにより、スケール１１０とヘッド部１３０の間のギャップの変化が検出される。
【００３１】
従って、メンテナンス時においては、第二の受光部１７０の出力を最大に戻すように、スケール１１０とヘッド部１３０の間のギャップを調整し直せばよい。
また、組み立て時においては、スケール１１０とヘッド部１３０を、第二の受光部１７０の出力が最大となるギャップで配置し組み立てればよい。
【００３２】
また、組立後のヘッド１３０とスケール１１０のギャップ・姿勢検出に関しては、必ずしも、最適なギャップに対して、第二の受光部１７０の出力信号が最大となる必要はない。この場合、出力信号が変化することで、最適なギャップから外れていくことが分かり、出力信号の変化量により、ギャップの調整度合いについてある程度定量的な判断ができる。これに基づいて、エンコーダーの再調整や交換の判断が行なえる。
【００３３】
このように本実施の形態の光学式エンコーダーは、スケール１１０とヘッド部１３０の間のギャップの変化を測定できるため、以下の利点を有している。
【００３４】
ギャップの変動により生じる検出信号の誤差を計算して補正することができる。
【００３５】
所望のギャップにおける出力値が計算または経験的に導ければ、これを組立調整時やメンテナンスの際の調整の指標として用いることで、調整用の測定器を減らしたり不要にしたりすることができ、簡便な調整が可能となる。
【００３６】
ギャップ信号に基づいて、出荷前の良品判定をしたり、経時変化が生じた際のメンテナンスや交換の判定をしたりすることができる。
【００３７】
測定中のギャップの変化により生じる検出信号の誤差の大きさを確認することで、補正が出来ない場合のエンコーダーが保証できる検出精度の指標のひとつとなる。
【００３８】
＜パワーモニター＞
経時変化や温度変化などによりレーザーアレイ１４２から射出された第一の光ビームＬ1と第三の光ビームＬ3のパワーが変化すると、これに応じて、第一の受光部１６４と第三の受光部１６６の出力信号のレベルも変化する。このようなレーザーアレイ１４２のパワーの変化は、検出信号の読み取りに誤差を生じさせ、その変化が激しい場合には、検出信号を読み取りを不能にする。
【００３９】
第一の面発光レーザー１４４と第二の面発光レーザー１４６と第三の面発光レーザー１４８は、ほぼ同じ特性を有していると共に、ほぼ同じ経時変化や温度変化を受けると考えられる。第二の面発光レーザー１４６のパワーの変化は、第二の受光部１７０の出力信号に基づいて調べられる。従って、第一の面発光レーザー１４４と第三の面発光レーザー１４８のパワーの変化は、第二の受光部１７０の出力信号から推定される。
【００４０】
信号処理部２２０のＡＰＣ回路は、第二の受光部１７０の出力信号に基づいて第二の面発光レーザー１４６のパワーの変化を検出し、これを一定に保つようにレーザーアレイ１４２を制御する。ＡＰＣ回路によりレーザーアレイ１４２を制御する代わりに、第二の受光部１７０の出力信号に基づいて、エンコーダー信号である第一の受光部１６４と第三の受光部１６６の出力信号を補正してもよい。
【００４１】
このように本実施の形態の光学式エンコーダーは、第一の面発光レーザー１４４と第三の面発光レーザー１４８のパワーをモニターできるため、以下の利点を有している。
【００４２】
第一の面発光レーザー１４４と第三の面発光レーザー１４８からの裏面出力をモニターする必要が無い。これは、素子内を光が透過し難く、裏面モニターの利用が困難な短波長の面発光レーザに有効である。
【００４３】
第二の受光部１７０の出力信号を第一の面発光レーザー１４４と第三の面発光レーザー１４８のパワー安定化用のモニター信号に利用することで、第一の光ビームＬ1と第三の光ビームＬ3のパワー変動を抑えることができ、第一の受光部１６４と第三の受光部１６６の出力信号が安定し、検出精度が向上する。
【００４４】
第一の光ビームＬ1と第三の光ビームＬ3のパワー変動に基づいて、第一の受光部１６４と第三の受光部１６６の出力信号の誤差を補正することで、検出精度が向上される。
【００４５】
［第二実施形態］
図２に示されるように、光学式エンコーダーは、光源部１４０と光検出部１６０を含むヘッド部１３０と、これに対して特定の方向にすなわちｙ軸に沿って移動可能なスケール１１０とを備えている。ヘッド部１３０は、光源部１４０と光検出部１６０を保持するベース１３２を更に有し、スケール１１０に対して、望ましくは、適正なギャップｄと適正な姿勢で保持される。
【００４６】
スケール１１０は、平板状の基板１１２と、その表面に設けられた第一の光学パターン１１４と第二の光学パターン１１８と第三の光学パターン１１６とを有している。スケール１１０は長手軸を有しており、この長手軸が移動方向すなわちｙ軸に対して平行になるように配置される。第一の光学パターン１１４と第二の光学パターン１１８と第三の光学パターン１１６は共に長手軸に沿って帯状に延びている。第一の光学パターン１１４と第三の光学パターン１１６は長手軸に沿って一定の周期で光学特性が変化するが、第二の光学パターン１１８は長手軸に沿ったほぼ全域にわたり光学特性が一定である。
【００４７】
ここにおいて「光学特性」は、反射率や透過率等の光に作用する諸特性をいう。
本実施形態は反射型の光学式エンコーダーであるため、本実施形態では光学特性は反射率を意味するが、透過型の光学式エンコーダーにおいては透過率を意味する。
【００４８】
第一の光学パターン１１４と第三の光学パターン１１６は共に、高反射率の領域と低反射率の領域とが長手軸に沿って数十μｍのピッチＰ0で交互に並んでいる。第一の光学パターン１１４と第三の光学パターン１１６は、同じ周期を有するが、位相がずれている。すなわち、第一の光学パターン１１４と第三の光学パターン１１６の反射率の異なる二つの領域が互いに長手軸に沿ってδずれている。言い換えれば、第三の光学パターン１１６は、第一の光学パターン１１４を長手軸に沿ってδ移動させたものと等価である。両者の間のずれδは、望ましくは、δ＝Ｐ0・(２ｎ−１)/４を満たしている。ここでｎは自然数である。
【００４９】
第二の光学パターンは、高反射率の領域が長手軸に沿って帯状に延びており、その一方の端部に低反射率の領域１２０を有している。
【００５０】
光源部１４０は、第一の光ビームＬ1を射出する第一の面発光レーザー１４４と第二の光ビームＬ2を射出する第二の面発光レーザー１４６と第三の光ビームＬ3を射出する第三の面発光レーザー１４８を含むレーザーアレイ１４２を備えている。第一の面発光レーザー１４４と第二の面発光レーザー１４６と第三の面発光レーザー１４８は、ｘ軸に沿って並んでいる。レーザーアレイ１４２は、ｘｙ平面に傾きを持って、すなわち、ｘ軸の周りに傾いて配置されている。第一の光ビームＬ1と第二の光ビームＬ2と第三の光ビームＬ3は、それぞれ、第一の光学パターン１１４と第二の光学パターン１１８と第三の光学パターン１１６に照射される。
【００５１】
光検出部１６０は、例えばフォトＩＣであり、第一の光学パターン１１４を経由した第一の光ビームＬ1を受光する第一の受光部１６４と、第二の光学パターン１１８を経由した第二の光ビームＬ2を受光する第二の受光部１７０と、第三の光学パターン１１６を経由した第三の光ビームＬ3を受光する第三の受光部１６６とを備えている。第一の受光部１６４と第二の受光部１７０と第三の受光部１６６は、その中心がｘ軸に沿って並ぶように配置されている。
【００５２】
第一の受光部１６４と第三の受光部１６６は、それぞれ、第一の光ビームＬ1と第三の光ビームＬ3の径に比べて大きい受光領域を持つ単一のフォトダイオードで構成される。
【００５３】
また、第二の受光部１７０は、図３に示されるように、ｙ軸に沿って並んだ三個のフォトダイオード１７４と１７６と１７８を備えている。第二の受光部１７０に照射される第二の光ビームＬ2は、ガウシアン分布のように、中心が最も高く、そこから離れるにつれて低下する光量分布を有する。本実施形態では、第二の受光部１７０は、三個のフォトダイオードを備えているが、その個数はこれに限らず、二個のフォトダイオードを備えていてもよく、あるいは四個以上のフォトダイオードを備えていてもよい。
【００５４】
前述したように、ヘッド部１３０は、望ましくは、スケール１１０に対して、適正なギャップと適正な姿勢で保持される。この状態において、第二の光ビームＬ2の主光線は、第二の受光部１７０の中心に入射する。更に詳しく言えば、その主光線が中央のフォトダイオード１７４の中心に入射する。一方、第一の光ビームＬ1と第三の光ビームＬ3は、ギャップと姿勢にそれほど影響されることなく、それぞれ、第一の受光部１６４と第三の受光部１６６にほぼ適正に入射する。
【００５５】
光検出部１６０は更に、第一の受光部１６４と第二の受光部１７０と第三の受光部１６６の出力信号を処理する信号処理部２２０を備えている。信号処理部２２０は、例えば、レーザーアレイ１４２を駆動するレーザー駆動回路と、第一の受光部１６４と第三の受光部１６６の出力信号のゲインとオフセットを調整する正規化回路と、第一の受光部１６４の出力信号と第三の受光部１６６の出力信号とに基づいて光源部１４０とスケール１１０の間の相対移動の量と方向を検出する移動検出回路と、第二の受光部１７０の出力信号に基づいて光源部１４０とスケール１１０のギャップｄと相対姿勢を検出するギャップ・相対姿勢検出回路２２２と、第二の受光部１７０の出力信号に基づいて光源部１４０のパワーを検出してこれを制御するオートパワーコントロール(ＡＰＣ)回路２２４と、第二の受光部１７０の出力信号に基づいてスケール１１０のｘ軸周りの傾きを検出するｘ軸周り傾き検出回路２２６とを含んでいる。
【００５６】
本実施形態の光学式エンコーダーは、光源部１４０とスケール１１０の間の相対移動の方向と量を検出し得るが、要求される機能が移動量の検出のみの場合には、第三の面発光レーザー１４８と第三の光学パターン１１６と第三の受光部１６６は省略されてもよく、これらの省略に伴い、移動検出回路は、第一の受光部１６４の出力信号に基づいて光源部１４０とスケール１１０の間の相対移動の量のみを検出する。
【００５７】
＜相対移動検出＞
第一の面発光レーザー１４４から射出された第一の光ビームＬ1は、スケール１１０の第一の光学パターン１１４により第一の受光部１６４に向けて反射され、第一の受光部１６４で検出される。第一の受光部１６４は、入射する第一の光ビームＬ1の光量に対応した信号を出力する。ヘッド部１３０とスケール１１０の間の相対移動に対して、第一の受光部１６４の出力信号は擬似正弦波となる。
【００５８】
同様に、第三の面発光レーザー１４８から射出された第三の光ビームＬ3は、スケール１１０の第三の光学パターン１１６により第三の受光部１６６に向けて反射され、第三の受光部１６６で検出される。第三の受光部１６６は、入射する第三の光ビームＬ3の光量に対応した信号を出力する。ヘッド部１３０とスケール１１０の間の相対移動に対して、第三の受光部１６６の出力信号は擬似正弦波となる。
【００５９】
第一の受光部１６４と第三の受光部１６６から出力される擬似正弦波の信号は互いに１/４周期あるいは３/４周期の位相差があるため、ヘッド部１３０とスケール１１０の間の相対移動の方向と量を求めることができる。
【００６０】
＜ｚ相検出＞
第二の面発光レーザー１４６から射出された第二の光ビームＬ2は、スケール１１０の第二の光学パターン１１８により第二の受光部１７０に向けて反射され、第二の受光部１７０で検出される。第二の受光部１７０は、入射する第二の光ビームＬ2の光量に対応した信号を出力する。
【００６１】
第二の光学パターン１１８は、その一端部に低反射率の領域１２０を有しているため、第二の光ビームＬ2が、この低反射率の領域１２０を照射するとき、第二の受光部１７０の出力は大きく変化する。
【００６２】
従って、この第二の受光部１７０の出力の変化を検出することにより、低反射率の領域１２０を基準としてスケール１１０の位置を特定することができる。言い換えれば、第二の光ビームＬ2が低反射率の領域１２０を照射することに対応した第二の受光部１７０の出力信号の変化に基づいて、スケール１１０の原点信号を得ることができる。
【００６３】
＜ギャップ・姿勢検出＞
ヘッド部１３０とスケール１１０は、望ましくは、相対的に適正なギャップと適正な姿勢で保持される。この状態においては、レーザーアレイ１４２から射出された第一の光ビームＬ1と第二の光ビームＬ2と第三の光ビームＬ3の主光線が、それぞれ、スケール１１０で反射された後、第一の受光部１６４と第二の受光部１７０と第三の受光部１６６の中心に入射する。
【００６４】
スケール１１０とヘッド部１３０の光学的・幾何学的配置が適正な状態から外れると、すなわち、スケール１１０とヘッド部１３０の間のギャップｄの最適値からずれたり、ヘッド部１３０に対してスケール１１０がｘ軸周りやｙ軸周りに相対的に傾いたりすると、第一の受光部１６４と第三の受光部１６６から出力される擬似正弦波の信号の位相が変わって検出信号に誤差が生じたり、検出信号の出力が低下したりする。
【００６５】
このようなスケール１１０とヘッド部１３０の光学的・幾何学的配置の適正な状態からのずれは、第二の受光部１７０の出力に基づいて検出され得る。
【００６６】
スケール１１０とヘッド部１３０の間のギャップｄの変化は、第二の受光部１７０に照射される第二の光ビームＬ2のスポットをｙ軸に沿って移動させる。また、ヘッド部１３０に対するスケール１１０のｘ軸周りの相対的な傾きは、第二の受光部１７０に照射される第二の光ビームＬ2のスポットをｙ軸に沿って移動させるとともに、その形状を変形させる。
【００６７】
従って、三個のフォトダイオード１７４と１７６と１７８の出力に基づいて、第二の光ビームＬ2の最も光量の強い位置を検出することにより、スケール１１０とヘッド部１３０の間のギャップの変化とヘッド部１３０に対するスケール１１０のｘ軸周りの傾きが検出される。
【００６８】
あるいは、三個のフォトダイオード１７４と１７６と１７８の出力に基づいて、第二の光ビームＬ2のｙ軸方向のビームプロファイルを必要に応じて補間を用いて計算し、そのビームプロファイルのｙ軸方向の変位量や形状の変化を調べることにより、スケール１１０とヘッド部１３０の間のギャップの変化とヘッド部１３０に対するスケール１１０のｘ軸周りの傾きが分離して検出される。
【００６９】
このような検出の精度は、第二の受光部１７０のフォトダイオードの各々のｙ軸方向の寸法とそれらの間隔を小さくすることで高められる。ギャップの大きな変化やスケールの大きな傾きへの対応には、第二の受光部１７０のフォトダイオードを配置する範囲を大きくすればよい。従って、高精度の検出とギャップの大きな変化やスケールの大きな傾きへの対応の両方を実現するには、第二の受光部１７０は、ｙ軸方向の寸法の小さいフォトダイオードを多数有し、それらがｙ軸に沿って狭い間隔で広い範囲にわたって配置されているとよい。
【００７０】
従って、メンテナンス時においては、第二の受光部１７０の三個のフォトダイオード１７４と１７６と１７８の出力が最適なバランスに戻るように、スケール１１０とヘッド部１３０の間のギャップと姿勢を調整し直せばよい。また、組み立て時においては、スケール１１０とヘッド部１３０を、第二の受光部１７０の三個のフォトダイオード１７４と１７６と１７８の出力が最適なバランスとなるギャップと姿勢で配置し組み立てればよい。
【００７１】
また、組立後のヘッド１３０とスケール１１０のギャップ・姿勢検出に関しては、必ずしも、最適なギャップと姿勢に対して、光量の最大位置が必ずしも中央のフォトダイオード１７４の中心にくる必要はない。この場合、三個のフォトダイオード１７４と１７６と１７８の出力のバランスが変化することで、最適なギャップと姿勢から外れていくことが分かり、三個のフォトダイオード１７４と１７６と１７８の出力のバランスの変化により、ギャップと姿勢の調整度合いについてある程度定量的な判断ができる。これに基づいて、エンコーダーの再調整や交換の判断が行なえる。
【００７２】
このように本実施の形態の光学式エンコーダーは、スケール１１０とヘッド部１３０の間のギャップの変化やスケールのｘ軸周りの姿勢の変化を測定できるため、以下の利点を有している。
【００７３】
ギャップの変化やスケールのｘ軸周りの姿勢の変化により生じる検出信号の誤差を計算して補正することができる。
【００７４】
所望のギャップとｘ軸周りの姿勢における出力値が計算または経験的に導ければ、これを組立調整時やメンテナンスの際の調整の指標として用いることで、調整用の測定器を減らしたり不要にしたりすることができ、簡便な調整が可能となる。
【００７５】
ギャップ信号とｘ軸周りの傾きとに基づいて、出荷前の良品判定をしたり、経時変化が生じた際のメンテナンスや交換の判定をしたりすることができる。
【００７６】
測定中のギャップの変化やｘ軸周りの姿勢の変化により生じる検出信号の誤差の大きさを確認することで、補正が出来ない場合のエンコーダーが保証できる検出精度の指標のひとつとなる。
【００７７】
＜パワーモニター＞
経時変化や温度変化などによりレーザーアレイ１４２から射出された第一の光ビームＬ1と第三の光ビームＬ3のパワーが変化すると、これに応じて、第一の受光部１６４と第三の受光部１６６の出力信号のレベルも変化する。このようなレーザーアレイ１４２のパワーの変化は、検出信号の読み取りに誤差を生じさせ、その変化が激しい場合には、検出信号を読み取りを不能にする。
【００７８】
第一の面発光レーザー１４４と第二の面発光レーザー１４６と第三の面発光レーザー１４８は、ほぼ同じ特性を有していると共に、ほぼ同じ経時変化や温度変化を受けると考えられる。第二の面発光レーザー１４６のパワーの変化は、第二の受光部１７０の出力信号に基づいて検出され得る。従って、第一の面発光レーザー１４４と第三の面発光レーザー１４８のパワーの変化は、第二の受光部１７０の出力信号から推定される。
【００７９】
第二の面発光レーザー１４６のパワーの変化は、三個のフォトダイオード１７４と１７６と１７８の出力の任意の一つあるいはそれらの合計に基づいて検出される。
【００８０】
あるいは、第二の面発光レーザー１４６のパワーの変化は、三個のフォトダイオード１７４と１７６と１７８の出力に基づいて、第二の光ビームＬ2のｙ軸方向のビームプロファイルを必要に応じて補間を用いて計算し、そのビームプロファイルから推定される、プロファイルのピーク点の高さやフォトダイオードに入射する総光量により検出される。
【００８１】
信号処理部２２０のＡＰＣ回路２２４は、第二の受光部１７０の出力信号に基づいて第二の面発光レーザー１４６のパワーの変化を検出し、これを一定に保つようにレーザーアレイ１４２を制御する。ＡＰＣ回路２２４によりレーザーアレイ１４２を制御する代わりに、第二の受光部１７０の出力信号に基づいて、エンコーダー信号である第一の受光部１６４と第三の受光部１６６の出力信号を補正してもよい。
【００８２】
このように本実施の形態の光学式エンコーダーは、第一の面発光レーザー１４４と第三の面発光レーザー１４８のパワーをモニターできるため、以下の利点を有している。
【００８３】
第一の面発光レーザー１４４と第三の面発光レーザー１４８からの裏面出力をモニターする必要が無い。これは、素子内を光が透過し難く、裏面モニターの利用が困難な短波長の面発光レーザに有効である。
【００８４】
第二の受光部１７０の出力信号を第一の面発光レーザー１４４と第三の面発光レーザー１４８のパワー安定化用のモニター信号に利用することで、第一の光ビームＬ1と第三の光ビームＬ3のパワー変動を抑えることができ、第一の受光部１６４と第三の受光部１６６の出力信号が安定し、検出精度が向上する。
【００８５】
第一の光ビームＬ1と第三の光ビームＬ3のパワー変動に基づいて、第一の受光部１６４と第三の受光部１６６の出力信号の誤差を補正することで、検出精度が向上される。
【００８６】
第二の受光部１７０がｙ軸に沿って並ぶ複数のフォトダイオードを有しているため、ギャップの変化やｘ軸周りの姿勢の変化に影響されることなく、レーザーアレイ１４２のパワーを安定にモニターできる。また、ビームプロファイルを計算できるため、少ない受光面積でモニターを行なえる。
【００８７】
［第三実施形態］
図４に示されるように、光学式エンコーダーは、光源部１４０と光検出部１６０を含むヘッド部１３０と、これに対して特定の方向にすなわちｙ軸に沿って移動可能なスケール１１０とを備えている。ヘッド部１３０は、光源部１４０と光検出部１６０を保持するベース１３２を更に有し、スケール１１０に対して、望ましくは、適正なギャップｄと適正な姿勢で保持される。
【００８８】
スケール１１０は、平板状の基板１１２と、その表面に設けられた第一の光学パターン１１４と第二の光学パターン１１８と第三の光学パターン１１６とを有している。スケール１１０は長手軸を有しており、この長手軸が移動方向すなわちｙ軸に対して平行になるように配置される。第一の光学パターン１１４と第二の光学パターン１１８と第三の光学パターン１１６は共に長手軸に沿って帯状に延びている。第一の光学パターン１１４と第三の光学パターン１１６は長手軸に沿って一定の周期で光学特性が変化するが、第二の光学パターン１１８は長手軸に沿ったほぼ全域にわたり光学特性が一定である。
【００８９】
ここにおいて「光学特性」は、反射率や透過率等の光に作用する諸特性をいう。
本実施形態は反射型の光学式エンコーダーであるため、本実施形態では光学特性は反射率を意味するが、透過型の光学式エンコーダーにおいては透過率を意味する。
【００９０】
第一の光学パターン１１４と第三の光学パターン１１６は共に、高反射率の領域と低反射率の領域とが長手軸に沿って数十μｍのピッチＰ0で交互に並んでいる。第一の光学パターン１１４と第三の光学パターン１１６は、同じ周期を有するが、位相がずれている。すなわち、第一の光学パターン１１４と第三の光学パターン１１６の反射率の異なる二つの領域が互いに長手軸に沿ってδずれている。言い換えれば、第三の光学パターン１１６は、第一の光学パターン１１４を長手軸に沿ってδ移動させたものと等価である。両者の間のずれδは、望ましくは、δ＝Ｐ0・(２ｎ−１)/４を満たしている。ここでｎは自然数である。
【００９１】
第二の光学パターンは、高反射率の領域が長手軸に沿って帯状に延びており、その一方の端部に低反射率の領域１２０を有している。
【００９２】
光源部１４０は、一本の光ビームＬ0を射出する面発光レーザー１５０と、光ビームＬ0を分割して第一の光ビームＬ1と第二の光ビームＬ2と第三の光ビームＬ3を作り出すビーム分割素子１５２とを備えている。面発光レーザー１５０は、ｘｙ平面に傾きを持って、すなわち、ｘ軸の周りに傾いて配置されている。
【００９３】
ビーム分割素子１５２は、例えば回折格子である。回折格子は、面発光レーザー１５０に近い面が平らで、その反対側のスケール１１０に近い面に、ｘ軸に沿って一定のピッチｐgで並ぶ多数のｙ軸に沿って延びる溝を有している。回折格子１５２は、入射する光ビームＬ0をｘ軸に沿って回折させ、その内の０次光と±１次光から、第一の光ビームＬ1と第二の光ビームＬ2と第三の光ビームＬ3を作り出す。
【００９４】
このように作り出された第一の光ビームＬ1と第二の光ビームＬ2と第三の光ビームＬ3は、それぞれ、第一の光学パターン１１４と第二の光学パターン１１８と第三の光学パターン１１６に照射される。
【００９５】
このような一個の面発光レーザー１５０とビーム分割素子１５２の使用は、高い信頼性が必要なレーザーの数を減らし、コスト低減や信頼性の向上にとって有利である。また、使用するレーザーが１個で済むため、レーザーのボンディング時のアライメントに関して、チップの回転ずれの精度への影響を考慮しなくて済む。
【００９６】
光検出部１６０は、例えばフォトＩＣであり、第一の光学パターン１１４を経由した第一の光ビームＬ1を受光する第一の受光部１６４と、第二の光学パターン１１８を経由した第二の光ビームＬ2を受光する第二の受光部１７０と、第三の光学パターン１１６を経由した第三の光ビームＬ3を受光する第三の受光部１６６とを備えている。第一の受光部１６４と第二の受光部１７０と第三の受光部１６６は、その中心がｘ軸に沿って並ぶように配置されている。
【００９７】
第一の受光部１６４と第三の受光部１６６は、それぞれ、第一の光ビームＬ1と第三の光ビームＬ3の径に比べて大きい受光領域を持つ単一のフォトダイオードで構成される。
【００９８】
また、第二の受光部１７０は、図５に示されるように、ｘ軸とｙ軸に沿って、二次元的に配列された五個のフォトダイオード１８０と１８２と１８４と１８６と１８８を備えている。第二の受光部１７０に照射される第二の光ビームＬ2は、ガウシアン分布のように、中心が最も高く、そこから離れるにつれて低下する光量分布を有する。本実施形態では、第二の受光部１７０は、五個のフォトダイオードを備えているが、その個数はこれに限らず、それよりも多くのフォトダイオードを備えていてもよい。
【００９９】
前述したように、ヘッド部１３０は、望ましくは、スケール１１０に対して、適正なギャップと適正な姿勢で保持される。この状態において、第二の光ビームＬ2の主光線は、第二の受光部１７０の中心に入射する。更に詳しく言えば、その主光線が中央のフォトダイオード１８０の中心に入射する。一方、第一の光ビームＬ1と第三の光ビームＬ3は、ギャップと姿勢にそれほど影響されることなく、それぞれ、第一の受光部１６４と第三の受光部１６６にほぼ適正に入射する。
【０１００】
光検出部１６０は更に、第一の受光部１６４と第二の受光部１７０と第三の受光部１６６の出力信号を処理する信号処理部２２０を備えている。信号処理部２２０は、例えば、面発光レーザー１５０を駆動するレーザー駆動回路と、第一の受光部１６４と第三の受光部１６６の出力信号のゲインとオフセットを調整する正規化回路と、第一の受光部１６４の出力信号と第三の受光部１６６の出力信号とに基づいて光源部１４０とスケール１１０の間の相対移動の量と方向を検出する移動検出回路と、第二の受光部１７０の出力信号に基づいて光源部１４０とスケール１１０のギャップｄと相対姿勢を検出するギャップ・相対姿勢検出回路２２２と、第二の受光部１７０の出力信号に基づいて光源部１４０のパワーを検出してこれを制御するオートパワーコントロール(ＡＰＣ)回路２２４と、第二の受光部１７０の出力信号に基づいてスケール１１０のｘ軸周りの傾きを検出するｘ軸周り傾き検出回路２２６と、第二の受光部１７０の出力信号に基づいてスケール１１０のｙ軸周りの傾きを検出するｙ軸周り傾き検出回路２２８とを含んでいる。
【０１０１】
本実施形態の光学式エンコーダーは、光源部１４０とスケール１１０の間の相対移動の方向と量を検出し得るが、要求される機能が移動量の検出のみの場合には、第三の光学パターン１１６と第三の受光部１６６は省略されてもよく、これらの省略に伴い、ビーム分割素子１５２の第三の光ビームを作り出す機能は不要であり、移動検出回路は、第一の受光部１６４の出力信号に基づいて光源部１４０とスケール１１０の間の相対移動の量のみを検出する。
【０１０２】
＜相対移動検出＞
面発光レーザー１５０から射出された光ビームＬ0は、ビーム分割素子１５２により分割され、第一の光ビームＬ1と第二の光ビームＬ2と第三の光ビームＬ3が作り出される。
【０１０３】
第一の光ビームＬ1は、スケール１１０の第一の光学パターン１１４により第一の受光部１６４に向けて反射され、第一の受光部１６４で検出される。第一の受光部１６４は、入射する第一の光ビームＬ1の光量に対応した信号を出力する。ヘッド部１３０とスケール１１０の間の相対移動に対して、第一の受光部１６４の出力信号は擬似正弦波となる。
【０１０４】
同様に、第三の光ビームＬ3は、スケール１１０の第三の光学パターン１１６により第三の受光部１６６に向けて反射され、第三の受光部１６６で検出される。第三の受光部１６６は、入射する第三の光ビームＬ3の光量に対応した信号を出力する。ヘッド部１３０とスケール１１０の間の相対移動に対して、第三の受光部１６６の出力信号は擬似正弦波となる。
【０１０５】
第一の受光部１６４と第三の受光部１６６から出力される擬似正弦波の信号は互いに１/４周期あるいは３/４周期の位相差があるため、ヘッド部１３０とスケール１１０の間の相対移動の方向と量を求めることができる。
【０１０６】
＜ｚ相検出＞
第二の光ビームＬ2は、スケール１１０の第二の光学パターン１１８により第二の受光部１７０に向けて反射され、第二の受光部１７０で検出される。第二の受光部１７０は、入射する第二の光ビームＬ2の光量に対応した信号を出力する。
【０１０７】
第二の光学パターン１１８は、その一端部に低反射率の領域１２０を有しているため、第二の光ビームＬ2が、この低反射率の領域１２０を照射するとき、第二の受光部１７０の出力は大きく変化する。
【０１０８】
従って、この第二の受光部１７０の出力の変化を検出することにより、低反射率の領域１２０を基準としてスケール１１０の位置を特定することができる。言い換えれば、第二の光ビームＬ2が低反射率の領域１２０を照射することに対応した第二の受光部１７０の出力信号の変化に基づいて、スケール１１０の原点信号を得ることができる。
【０１０９】
＜ギャップ・姿勢検出＞
ヘッド部１３０とスケール１１０は、望ましくは、相対的に適正なギャップと適正な姿勢で保持される。この状態においては、レーザーアレイ１４２から射出された第一の光ビームＬ1と第二の光ビームＬ2と第三の光ビームＬ3の主光線が、それぞれ、スケール１１０で反射された後、第一の受光部１６４と第二の受光部１７０と第三の受光部１６６の中心に入射する。
【０１１０】
スケール１１０とヘッド部１３０の光学的・幾何学的配置が適正な状態から外れると、すなわち、スケール１１０とヘッド部１３０の間のギャップｄの最適値からずれたり、ヘッド部１３０に対してスケール１１０がｘ軸周りやｙ軸周りに相対的に傾いたりすると、第一の受光部１６４と第三の受光部１６６から出力される擬似正弦波の信号の位相が変わって検出信号に誤差が生じたり、検出信号の出力が低下したりする。
【０１１１】
このようなスケール１１０とヘッド部１３０の光学的・幾何学的配置の適正な状態からのずれは、第二の受光部１７０の出力に基づいて検出され得る。
【０１１２】
スケール１１０とヘッド部１３０の間のギャップｄの変化は、第二の受光部１７０に照射される第二の光ビームＬ2のスポットをｙ軸に沿って移動させる。また、ヘッド部１３０に対するスケール１１０のｘ軸周りの相対的な傾きは、第二の受光部１７０に照射される第二の光ビームＬ2のスポットをｙ軸に沿って移動させるとともに、その形状を変形させる。同様に、ヘッド部１３０に対するスケール１１０のｙ軸周りの相対的な傾きは、第二の受光部１７０に照射される第二の光ビームＬ2のスポットをｘ軸に沿って移動させるとともに、その形状を変形させる。
【０１１３】
従って、五個のフォトダイオード１８０と１８２と１８４と１８６と１８８の出力に基づいて、第二の光ビームＬ2の最も光量の強い位置を検出することにより、スケール１１０とヘッド部１３０の間のギャップの変化とヘッド部１３０に対するスケール１１０のｘ軸周りの傾きとｙ軸周りの傾きが検出される。
【０１１４】
あるいは、五個のフォトダイオード１８０と１８２と１８４と１８６と１８８の出力に基づいて、第二の光ビームＬ2のｙ軸方向とｘ軸方向の二次元的なビームプロファイルを必要に応じて補間を用いて計算し、そのビームプロファイルのｙ軸方向とｘ軸方向の変位量や形状の変化を調べることにより、スケール１１０とヘッド部１３０の間のギャップの変化とヘッド部１３０に対するスケール１１０のｘ軸周りの傾きとｙ軸周りの傾きとが分離して検出される。
【０１１５】
このような検出の精度は、第二の受光部１７０のフォトダイオードの各々のｙ軸に沿った寸法とそれらの間隔およびｘ軸に沿った寸法とそれらの間隔を小さくすることで高められる。ギャップの大きな変化やスケールの大きな傾きへの対応には、第二の受光部１７０のフォトダイオードを配置する範囲を大きくすればよい。従って、高精度の検出とギャップの大きな変化やスケールの大きな傾きへの対応の両方を実現するには、第二の受光部１７０は、ｙ軸とｘ軸に沿った寸法が共に小さいフォトダイオードを多数有し、それらがｙ軸とｘ軸に沿って狭い間隔で広い範囲にわたって配置されているとよい。
【０１１６】
従って、メンテナンス時においては、第二の受光部１７０の五個のフォトダイオード１８０と１８２と１８４と１８６と１８８の出力が最適なバランスに戻るように、スケール１１０とヘッド部１３０の間のギャップと姿勢を調整し直せばよい。また、組み立て時においては、スケール１１０とヘッド部１３０を、第二の受光部１７０の五個のフォトダイオード１８０と１８２と１８４と１８６と１８８の出力が最適なバランスとなるギャップと姿勢で配置し組み立てればよい。
【０１１７】
また、組立後のヘッド１３０とスケール１１０のギャップ・姿勢検出に関しては、必ずしも、最適なギャップと姿勢に対して、光量の最大位置が必ずしも中央のフォトダイオード１８０の中心にくる必要はない。この場合、五個のフォトダイオード１８０と１８２と１８４と１８６と１８８の出力のバランスが変化することで、最適なギャップと姿勢から外れていくことが分かり、五個のフォトダイオード１８０と１８２と１８４と１８６と１８８の出力のバランスの変化により、ギャップと姿勢の調整度合いについてある程度定量的な判断ができる。これに基づいて、エンコーダーの再調整や交換の判断が行なえる。
【０１１８】
このように本実施の形態の光学式エンコーダーは、スケール１１０とヘッド部１３０の間のギャップの変化やスケールのｘ軸周りとｙ軸周りの姿勢の変化を測定できるため、以下の利点を有している。
【０１１９】
ギャップの変化やスケールのｘ軸周りとｙ軸周りの姿勢の変化により生じる検出信号の誤差を計算して補正することができる。
【０１２０】
所望のギャップとｘ軸周りとｙ軸周りの姿勢における出力値が計算または経験的に導ければ、これを組立調整時やメンテナンスの際の調整の指標として用いることで、調整用の測定器を減らしたり不要にしたりすることができ、簡便な調整が可能となる。
【０１２１】
ギャップ信号とｘ軸周りとｙ軸周りの傾きとに基づいて、出荷前の良品判定をしたり、経時変化が生じた際のメンテナンスや交換の判定をしたりすることができる。
【０１２２】
測定中のギャップの変化やｘ軸周りとｙ軸周りの姿勢の変化により生じる検出信号の誤差の大きさを確認することで、補正が出来ない場合のエンコーダーが保証できる検出精度の指標のひとつとなる。
【０１２３】
＜パワーモニター＞
経時変化や温度変化などにより面発光レーザー１５０から射出される光ビームＬ0のパワーが変化すると、これに応じて、第一の受光部１６４と第三の受光部１６６の出力信号のレベルも変化する。このような面発光レーザー１５０パワーの変化は、検出信号の読み取りに誤差を生じさせ、その変化が激しい場合には、検出信号を読み取りを不能にする。
【０１２４】
面発光レーザー１５０のパワーの変化は、第二の受光部１７０の出力信号に基づいて検出され得る。
【０１２５】
例えば、面発光レーザー１５０のパワーの変化は、五個のフォトダイオード１８０と１８２と１８４と１８６と１８８の出力の任意の一つあるいはそれらの合計に基づいて検出される。
【０１２６】
あるいは、面発光レーザー１５０のパワーの変化は、五個のフォトダイオード１８０と１８２と１８４と１８６と１８８の出力に基づいて、第二の光ビームＬ2のｙ軸方向とｘ軸方向の二次元的なビームプロファイルを必要に応じて補間を用いて計算し、そのビームプロファイルから推定される、プロファイルのピーク点の高さやフォトダイオードに入射する総光量により検出される。
【０１２７】
信号処理部２２０のＡＰＣ回路２２４は、第二の受光部１７０の出力信号に基づいて、面発光レーザー１５０のパワーの変化を検出し、これを一定に保つように面発光レーザー１５０を制御する。ＡＰＣ回路２２４により面発光レーザー１５０を制御する代わりに、第二の受光部１７０の出力信号に基づいて、エンコーダー信号である第一の受光部１６４と第三の受光部１６６の出力信号を補正してもよい。
【０１２８】
このように本実施の形態の光学式エンコーダーは、面発光レーザー１５０のパワーをモニターできるため、以下の利点を有している。
【０１２９】
面発光レーザー１５０からの裏面出力をモニターする必要が無い。これは、素子内を光が透過し難く、裏面モニターの利用が困難な短波長の面発光レーザに有効である。
【０１３０】
第二の受光部１７０の出力信号を面発光レーザー１５０のパワー安定化用のモニター信号に利用することで、第一の光ビームＬ1と第三の光ビームＬ3のパワー変動を抑えることができ、第一の受光部１６４と第三の受光部１６６の出力信号が安定し、検出精度が向上する。
【０１３１】
第一の光ビームＬ1と第三の光ビームＬ3のパワー変動に基づいて、第一の受光部１６４と第三の受光部１６６の出力信号の誤差を補正することで、検出精度が向上される。
【０１３２】
第二の受光部１７０がｘ軸とｙ軸に沿って二次元的に並ぶ複数のフォトダイオードを有しているため、ギャップの変化やｘ軸周りやｙ軸周りの姿勢の変化に影響されることなく、面発光レーザー１５０のパワーを安定にモニターできる。また、ビームプロファイルを計算できるため、少ない受光面積でモニターを行なえる。
【０１３３】
［第四実施形態］
図６に示されるように、光学式エンコーダーは、光源部１４０と光検出部１６０を含むヘッド部１３０と、これに対して特定の方向にすなわちｙ軸に沿って移動可能なスケール１１０とを備えている。ヘッド部１３０は、光源部１４０と光検出部１６０を保持するベース１３２を更に有し、スケール１１０に対して、望ましくは、適正なギャップｄと適正な姿勢で保持される。
【０１３４】
スケール１１０は、平板状の基板１１２と、その表面に設けられた第一の光学パターン１１４と第二の光学パターン１１８と第三の光学パターン１１６とを有している。スケール１１０は長手軸を有しており、この長手軸が移動方向すなわちｙ軸に対して平行になるように配置される。第一の光学パターン１１４と第二の光学パターン１１８と第三の光学パターン１１６は共に長手軸に沿って帯状に延びている。第一の光学パターン１１４と第三の光学パターン１１６は長手軸に沿って一定の周期で光学特性が変化するが、第二の光学パターン１１８は長手軸に沿ったほぼ全域にわたり光学特性が一定である。
【０１３５】
ここにおいて「光学特性」は、反射率や透過率等の光に作用する諸特性をいう。
本実施形態は反射型の光学式エンコーダーであるため、本実施形態では光学特性は反射率を意味するが、透過型の光学式エンコーダーにおいては透過率を意味する。
【０１３６】
第一の光学パターン１１４と第三の光学パターン１１６は共に、高反射率の領域と低反射率の領域とが長手軸に沿って数十μｍのピッチＰ0で交互に並んでいる。第一の光学パターン１１４と第三の光学パターン１１６は、同じ周期を有するが、位相がずれている。すなわち、第一の光学パターン１１４と第三の光学パターン１１６の反射率の異なる二つの領域が互いに長手軸に沿ってδずれている。言い換えれば、第三の光学パターン１１６は、第一の光学パターン１１４を長手軸に沿ってδ移動させたものと等価である。両者の間のずれδは、望ましくは、δ＝Ｐ0・(２ｎ−１)/４を満たしている。ここでｎは自然数である。
【０１３７】
第二の光学パターンは、高反射率の領域が長手軸に沿って帯状に延びており、その一方の端部に低反射率の領域１２０を有している。
【０１３８】
光源部１４０は、一本の光ビームＬ0を射出する面発光レーザー１５０と、光ビームＬ0を分割して第一の光ビームＬ1と第二の光ビームＬ2と第三の光ビームＬ3と第四の光ビームＬ4を作り出すビーム分割素子１５４とを備えている。面発光レーザー１５０は、ｘｙ平面に傾きを持って、すなわち、ｘ軸の周りに傾いて配置されている。
【０１３９】
ビーム分割素子１５４は、例えば回折格子である。回折格子は、面発光レーザー１５０に近い面がハーフミラーであり、その反対側のスケール１１０に近い面に、ｘ軸に沿って一定のピッチｐgで並ぶ多数のｙ軸に沿って延びる溝を有している。回折格子１５４は、入射する光ビームＬ0をｘ軸に沿って回折させ、その内の０次光と±１次光から、第一の光ビームＬ1と第二の光ビームＬ2と第三の光ビームＬ3を作り出すとともに、入射する光ビームＬ0を部分的に反射して第四の光ビームＬ4を作り出す。
【０１４０】
このように作り出された第一の光ビームＬ1と第二の光ビームＬ2と第三の光ビームＬ3は、それぞれ、第一の光学パターン１１４と第二の光学パターン１１８と第三の光学パターン１１６に照射される。また、第四の光ビームＬ4は光検出部１６０に方向付けられる。
【０１４１】
このような一個の面発光レーザー１５０とビーム分割素子１５４の使用は、高い信頼性が必要なレーザーの数を減らし、コスト低減や信頼性の向上にとって有利である。また、使用するレーザーが１個で済むため、レーザーのボンディング時のアライメントに関して、チップの回転ずれの精度への影響を考慮しなくて済む。
【０１４２】
光検出部１６０は、例えばフォトＩＣであり、第一の光学パターン１１４を経由した第一の光ビームＬ1を受光する第一の受光部１６４と、第二の光学パターン１１８を経由した第二の光ビームＬ2を受光する第二の受光部１７０と、第三の光学パターン１１６を経由した第三の光ビームＬ3を受光する第三の受光部１６６と、第四の光ビームＬ4を直接受光する第四の受光部２１０とを備えている。第一の受光部１６４と第二の受光部１７０と第三の受光部１６６は、その中心がｘ軸に沿って並ぶように配置されている。
【０１４３】
第一の受光部１６４と第三の受光部１６６と第四の受光部２１０は、それぞれ、第一の光ビームＬ1と第三の光ビームＬ3と第四の光ビームＬ4の径に比べて大きい受光領域を持つ単一のフォトダイオードで構成される。
【０１４４】
また、第二の受光部１７０は、図７に示されるように、ｘ軸とｙ軸に沿って、二次元的に配列された五個のフォトダイオード１９０と１９２と１９４と１９６と１９８を備えている。中央のフォトダイオード１９０は円形形状を有し、他の四個のフォトダイオード１９２と１９４と１９６と１９８は、全体で中央のフォトダイオード１９０を取り囲む輪帯形状を成しており、それぞれ９０°の角度間隔で配置されている。第二の受光部１７０に照射される第二の光ビームＬ2は、ガウシアン分布のように、中心が最も高く、そこから離れるにつれて低下する光量分布を有する。本実施形態では、第二の受光部１７０は、五個のフォトダイオードを備えているが、その個数はこれに限らず、それよりも多くのフォトダイオードを備えていてもよい。
【０１４５】
前述したように、ヘッド部１３０は、望ましくは、スケール１１０に対して、適正なギャップと適正な姿勢で保持される。この状態において、第二の光ビームＬ2の主光線は、第二の受光部１７０の中心に入射する。更に詳しく言えば、その主光線が中央のフォトダイオード１９０の中心に入射する。一方、第一の光ビームＬ1と第三の光ビームＬ3と第四の光ビームＬ4は、ギャップと姿勢にそれほど影響されることなく、それぞれ、第一の受光部１６４と第三の受光部１６６と第四の受光部２１０にほぼ適正に入射する。
【０１４６】
光検出部１６０は更に、第一の受光部１６４と第二の受光部１７０と第三の受光部１６６の出力信号を処理する信号処理部２２０を備えている。信号処理部２２０は、例えば、面発光レーザー１５０を駆動するレーザー駆動回路と、第一の受光部１６４と第三の受光部１６６の出力信号のゲインとオフセットを調整する正規化回路と、第一の受光部１６４の出力信号と第三の受光部１６６の出力信号とに基づいて光源部１４０とスケール１１０の間の相対移動の量と方向を検出する移動検出回路と、第二の受光部１７０の出力信号に基づいて光源部１４０とスケール１１０のギャップｄと相対姿勢を検出するギャップ・相対姿勢検出回路２２２と、第四の受光部２１０の出力信号に基づいて光源部１４０のパワーを検出してこれを制御するオートパワーコントロール(ＡＰＣ)回路２２４と、第二の受光部１７０の出力信号に基づいてスケール１１０のｘ軸周りの傾きを検出するｘ軸周り傾き検出回路２２６と、第二の受光部１７０の出力信号に基づいてスケール１１０のｙ軸周りの傾きを検出するｙ軸周り傾き検出回路２２８とを含んでいる。
【０１４７】
本実施形態の光学式エンコーダーは、光源部１４０とスケール１１０の間の相対移動の方向と量を検出し得るが、要求される機能が移動量の検出のみの場合には、第三の光学パターン１１６と第三の受光部１６６は省略されてもよく、これらの省略に伴い、ビーム分割素子１５４は第三の光ビームを作り出す機能は不要であり、移動検出回路は、第一の受光部１６４の出力信号に基づいて光源部１４０とスケール１１０の間の相対移動の量のみを検出する。
【０１４８】
＜相対移動検出＞
面発光レーザー１５０から射出された光ビームＬ0は、ビーム分割素子１５４により分割され、第一の光ビームＬ1と第二の光ビームＬ2と第三の光ビームＬ3と第四の光ビームＬ4が作り出される。
【０１４９】
第一の光ビームＬ1は、スケール１１０の第一の光学パターン１１４により第一の受光部１６４に向けて反射され、第一の受光部１６４で検出される。第一の受光部１６４は、入射する第一の光ビームＬ1の光量に対応した信号を出力する。ヘッド部１３０とスケール１１０の間の相対移動に対して、第一の受光部１６４の出力信号は擬似正弦波となる。
【０１５０】
同様に、第三の光ビームＬ3は、スケール１１０の第三の光学パターン１１６により第三の受光部１６６に向けて反射され、第三の受光部１６６で検出される。第三の受光部１６６は、入射する第三の光ビームＬ3の光量に対応した信号を出力する。ヘッド部１３０とスケール１１０の間の相対移動に対して、第三の受光部１６６の出力信号は擬似正弦波となる。
【０１５１】
第一の受光部１６４と第三の受光部１６６から出力される擬似正弦波の信号は互いに１/４周期あるいは３/４周期の位相差があるため、ヘッド部１３０とスケール１１０の間の相対移動の方向と量を求めることができる。
【０１５２】
＜ｚ相検出＞
第二の光ビームＬ2は、スケール１１０の第二の光学パターン１１８により第二の受光部１７０に向けて反射され、第二の受光部１７０で検出される。第二の受光部１７０は、入射する第二の光ビームＬ2の光量に対応した信号を出力する。
【０１５３】
第二の光学パターン１１８は、その一端部に低反射率の領域１２０を有しているため、第二の光ビームＬ2が、この低反射率の領域１２０を照射するとき、第二の受光部１７０の出力は大きく変化する。
【０１５４】
従って、この第二の受光部１７０の出力の変化を検出することにより、低反射率の領域１２０を基準としてスケール１１０の位置を特定することができる。言い換えれば、第二の光ビームＬ2が低反射率の領域１２０を照射することに対応した第二の受光部１７０の出力信号の変化に基づいて、スケール１１０の原点信号を得ることができる。
【０１５５】
＜ギャップ・姿勢検出＞
ヘッド部１３０とスケール１１０は、望ましくは、相対的に適正なギャップと適正な姿勢で保持される。この状態においては、レーザーアレイ１４２から射出された第一の光ビームＬ1と第二の光ビームＬ2と第三の光ビームＬ3の主光線が、それぞれ、スケール１１０で反射された後、第一の受光部１６４と第二の受光部１７０と第三の受光部１６６の中心に入射する。
【０１５６】
スケール１１０とヘッド部１３０の光学的・幾何学的配置が適正な状態から外れると、すなわち、スケール１１０とヘッド部１３０の間のギャップｄの最適値からずれたり、ヘッド部１３０に対してスケール１１０がｘ軸周りやｙ軸周りに相対的に傾いたりすると、第一の受光部１６４と第三の受光部１６６から出力される擬似正弦波の信号の位相が変わって検出信号に誤差が生じたり、検出信号の出力が低下したりする。
【０１５７】
このようなスケール１１０とヘッド部１３０の光学的・幾何学的配置の適正な状態からのずれは、第二の受光部１７０の出力に基づいて検出され得る。
【０１５８】
スケール１１０とヘッド部１３０の間のギャップｄの変化は、第二の受光部１７０に照射される第二の光ビームＬ2のスポットをｙ軸に沿って移動させる。また、ヘッド部１３０に対するスケール１１０のｘ軸周りの相対的な傾きは、第二の受光部１７０に照射される第二の光ビームＬ2のスポットをｙ軸に沿って移動させるとともに、その形状を変形させる。同様に、ヘッド部１３０に対するスケール１１０のｙ軸周りの相対的な傾きは、第二の受光部１７０に照射される第二の光ビームＬ2のスポットをｘ軸に沿って移動させるとともに、その形状を変形させる。
【０１５９】
従って、五個のフォトダイオード１９０と１９２と１９４と１９６と１９８の出力に基づいて、第二の光ビームＬ2の最も光量の強い位置を検出することにより、スケール１１０とヘッド部１３０の間のギャップの変化とヘッド部１３０に対するスケール１１０のｘ軸周りの傾きとｙ軸周りの傾きが検出される。
【０１６０】
あるいは、五個のフォトダイオード１９０と１９２と１９４と１９６と１９８の出力に基づいて、第二の光ビームＬ2のｙ軸方向とｘ軸方向の二次元的なビームプロファイルを必要に応じて補間を用いて計算し、そのビームプロファイルのｙ軸方向とｘ軸方向の変位量や形状の変化を調べることにより、スケール１１０とヘッド部１３０の間のギャップの変化とヘッド部１３０に対するスケール１１０のｘ軸周りの傾きとｙ軸周りの傾きとが分離して検出される。
【０１６１】
このような検出の精度は、第二の受光部１７０のフォトダイオードの各々のｙ軸に沿った寸法とそれらの間隔およびｘ軸に沿った寸法とそれらの間隔を小さくすることで高められる。ギャップの大きな変化やスケールの大きな傾きへの対応には、第二の受光部１７０のフォトダイオードを配置する範囲を大きくすればよい。従って、高精度の検出とギャップの大きな変化やスケールの大きな傾きへの対応の両方を実現するには、第二の受光部１７０は、ｙ軸とｘ軸に沿った寸法が共に小さいフォトダイオードを多数有し、それらがｙ軸とｘ軸に沿って狭い間隔で広い範囲にわたって配置されているとよい。
【０１６２】
従って、メンテナンス時においては、第二の受光部１７０の五個のフォトダイオード１９０と１９２と１９４と１９６と１９８の出力が最適なバランスに戻るように、スケール１１０とヘッド部１３０の間のギャップと姿勢を調整し直せばよい。また、組み立て時においては、スケール１１０とヘッド部１３０を、第二の受光部１７０の五個のフォトダイオード１９０と１９２と１９４と１９６と１９８の出力が最適なバランスとなるギャップと姿勢で配置し組み立てればよい。
【０１６３】
また、組立後のヘッド１３０とスケール１１０のギャップ・姿勢検出に関しては、必ずしも、最適なギャップと姿勢に対して、光量の最大位置が必ずしも中央のフォトダイオード１８０の中心にくる必要はない。この場合、五個のフォトダイオード１９０と１９２と１９４と１９６と１９８の出力のバランスが変化することで、最適なギャップと姿勢から外れていくことが分かり、五個のフォトダイオード１９０と１９２と１９４と１９６と１９８の出力のバランスの変化により、ギャップと姿勢の調整度合いについてある程度定量的な判断ができる。これに基づいて、エンコーダーの再調整や交換の判断が行なえる。
【０１６４】
このように本実施の形態の光学式エンコーダーは、スケール１１０とヘッド部１３０の間のギャップの変化やスケールのｘ軸周りとｙ軸周りの姿勢の変化を測定できるため、以下の利点を有している。
【０１６５】
ギャップの変化やスケールのｘ軸周りとｙ軸周りの姿勢の変化により生じる検出信号の誤差を計算して補正することができる。
【０１６６】
所望のギャップとｘ軸周りとｙ軸周りの姿勢における出力値が計算または経験的に導ければ、これを組立調整時やメンテナンスの際の調整の指標として用いることで、調整用の測定器を減らしたり不要にしたりすることができ、簡便な調整が可能となる。
【０１６７】
ギャップ信号とｘ軸周りとｙ軸周りの傾きとに基づいて、出荷前の良品判定をしたり、経時変化が生じた際のメンテナンスや交換の判定をしたりすることができる。
【０１６８】
測定中のギャップの変化やｘ軸周りとｙ軸周りの姿勢の変化により生じる検出信号の誤差の大きさを確認することで、補正が出来ない場合のエンコーダーが保証できる検出精度の指標のひとつとなる。
【０１６９】
＜パワーモニター＞
経時変化や温度変化などにより面発光レーザー１５０から射出される光ビームＬ0のパワーが変化すると、これに応じて、第一の受光部１６４と第三の受光部１６６の出力信号のレベルも変化する。このような面発光レーザー１５０パワーの変化は、検出信号の読み取りに誤差を生じさせ、その変化が激しい場合には、検出信号を読み取りを不能にする。
【０１７０】
ビーム分割素子１５４により作り出された第四の光ビームＬ4は、第四の受光部２１０に直接方向付けられ、第四の受光部２１０で検出される。第四の受光部２１０は、入射する第四の光ビームＬ4の光量に対応した信号を出力する。従って、面発光レーザー１５０のパワーの変化は、第四の受光部２１０の出力信号に基づいて検出される。
【０１７１】
信号処理部２２０のＡＰＣ回路２２４は、第四の受光部２１０の出力信号に基づいて、面発光レーザー１５０のパワーの変化を検出し、これを一定に保つように面発光レーザー１５０を制御する。ＡＰＣ回路２２４により面発光レーザー１５０を制御する代わりに、第四の受光部２１０の出力信号に基づいて、エンコーダー信号である第一の受光部１６４と第三の受光部１６６の出力信号を補正してもよい。
【０１７２】
このように本実施の形態の光学式エンコーダーは、面発光レーザー１５０のパワーをモニターできるため、以下の利点を有している。
【０１７３】
面発光レーザー１５０からの裏面出力をモニターする必要が無い。これは、素子内を光が透過し難く、裏面モニターの利用が困難な短波長の面発光レーザに有効である。
【０１７４】
第四の受光部２１０の出力信号を面発光レーザー１５０のパワー安定化用のモニター信号に利用することで、第一の光ビームＬ1と第三の光ビームＬ3のパワー変動を抑えることができ、第一の受光部１６４と第三の受光部１６６の出力信号が安定し、検出精度が向上する。
【０１７５】
第一の光ビームＬ1と第三の光ビームＬ3のパワー変動に基づいて、第一の受光部１６４と第三の受光部１６６の出力信号の誤差を補正することで、検出精度が向上される。
【０１７６】
スケール１１０を経由しない第四の光ビームＬ4の光量に対応した第四の受光部２１０の出力信号をモニター信号に用いているため、ギャップや姿勢の変化の影響を全く受けない高精度のモニタリングを行なえる。このような高精度のモニタリングは、ギャップや姿勢の変化の測定の精度を高める。
【０１７７】
これまで、いくつかの実施の形態について図面を参照しながら具体的に説明したが、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で行なわれるすべての実施を含む。
【０１７８】
従って、本発明は、以下の各項に記す光学式エンコーダーを含んでいる。
【０１７９】
１． 光源部と光検出部を含むヘッド部と、
ヘッド部に対して相対的に特定の方向に移動可能なスケールとを備えており、
スケールは、移動方向に沿って延びる長手軸と、長手軸に沿って光学特性が一定の周期で変化する第一の光学パターンと、長手軸に沿ったほぼ全域にわたって光学特性が一定である第二の光学パターンとを有し、
光源部は、第一の光学パターンに照射される第一の光ビームと、第二の光学パターンに照射される第二の光ビームとを射出し、
光検出部は、第一の光学パターンを経由した第一の光ビームを受光する第一の受光部と、第二の光学パターンを経由した第二の光ビームを受光する第二の受光部と、第一の受光部と第二の受光部の出力信号を処理する信号処理部とを有し、
信号処理部は、第一の受光部の出力信号に基づいてヘッド部とスケールの間の相対移動の量を検出する移動検出手段と、第二の受光部の出力信号に基づいてヘッド部とスケールのギャップと相対姿勢を検出するギャップ・相対姿勢検出手段とを含んでいる、光学式エンコーダー。
【０１８０】
２． 第１項において、
スケールは、長手軸に沿って光学特性が一定の周期で変化する第三の光学パターンを更に有し、第一の光学パターンと第三の光学パターンは同じ周期を有するが、位相がずれており、
光源部は、第三の光学パターンに照射される第三の光ビームを更に射出し、
光検出部は、第三の光学パターンを経由した第三の光ビームを受光する第三の受光部を更に有し、
移動検出手段は、第一の受光部の出力信号と第三の受光部の出力信号に基づいてヘッド部とスケールの間の相対移動の量と方向を検出する、光学式エンコーダー。
【０１８１】
３． 第１項において、光学特性が反射率である、光学式エンコーダー。
【０１８２】
４． 第１項において、光学特性が透過率である、光学式エンコーダー。
【０１８３】
５． 第１項において、第二の受光部が、スケールの移動方向に沿って並んだ複数の受光素子を含んでいる、光学式エンコーダー。
【０１８４】
６． 第１項において、スケールは移動方向に平行な平面の面を持ち、第二の受光部が、スケールの面に平行に、二次元的に配置された複数の受光素子を含んでいる、光学式エンコーダー。
【０１８５】
７． 第１項において、
第二の光学パターンは、他に対して光学特性が異なる基準領域を有しており、
信号処理部は、第二の受光部の出力信号に基づいて基準領域を検知することによりスケールの基準位置を検出する基準位置検出手段を更に含んでいる、光学式エンコーダー。
【０１８６】
８． 第１項において、光源部が、第一の光ビームを発する第一の発光素子と第二の光ビームを発する第二の発光素子とを備えている、光学式エンコーダー。
【０１８７】
９． 第１項において、光源部が、一本の光ビームを発する発光素子と、一本の光ビームを分割して第一の光ビームと第二の光ビームを作り出すビーム分割素子とを含んでいる、光学式エンコーダー。
【０１８８】
１０． 第２項において、光源部が、第一の光ビームを発する第一の発光素子と第二の光ビームを発する第二の発光素子と第三の光ビームを発する第三の発光素子とを備えている、光学式エンコーダー。
【０１８９】
１１． 第２項において、光源部が、一本の光ビームを発する発光素子と、一本の光ビームを分割して第一の光ビームと第二の光ビームと第三の光ビームを作り出すビーム分割素子とを含んでいる、光学式エンコーダー。
【０１９０】
１２． 第１１項において、
光検出部は、第四の受光部を更に備えており、
ビーム分割素子は、第一の光ビームと第二の光ビームと第三の光ビームの他に、第四の受光部に直接照射される第四の光ビームを更に作り出し、
信号処理部は、第四の受光部の出力信号に基づいて光源部のパワーを検出するパワー検出手段を更に含んでいる、光学式エンコーダー。
【０１９１】
１３． 第１２項において、信号処理部が、パワー補正手段を更に含んでいる、光学式エンコーダー。
【０１９２】
１４． 第１項において、信号処理部が、第二の受光部の出力信号に基づいて光源部のパワーを検出するパワー検出手段を更に含んでいる、光学式エンコーダー。
【０１９３】
１５． 第１４項において、信号処理部が、パワー補正手段を更に含んでいる、光学式エンコーダー。
【０１９４】
１６． 光源部と光検出部を含むヘッド部と、
ヘッド部に対して相対的に特定の方向に移動可能なスケールとを備えており、
スケールは、移動方向に沿って延びる長手軸と、長手軸に沿って光学特性が一定の周期で変化する第一の光学パターンと、長手軸に沿ったほぼ全域にわたって光学特性が一定である第二の光学パターンとを有し、
光源部は、第一の光学パターンに照射される第一の光ビームと、第二の光学パターンに照射される第二の光ビームとを射出し、
光検出部は、第一の光学パターンを経由した第一の光ビームを受光する第一の受光部と、第二の光学パターンを経由した第二の光ビームを受光する第二の受光部と、第一の受光部と第二の受光部の出力信号を処理する信号処理部とを有し、
信号処理部は、第一の受光部の出力信号に基づいてヘッド部とスケールの間の相対移動の量を検出する移動検出手段と、第二の受光部の出力信号に基づいて光源部のパワーを検出するパワー検出手段とを含んでいる、光学式エンコーダー。
【０１９５】
１７． 第１６項において、信号処理部が、パワー補正手段を更に含んでいる、光学式エンコーダー。
【０１９６】
【発明の効果】
本発明よれば、ヘッド部とスケールの光学的・幾何学的配置を検出する機能と、光源部のパワーを計測する機能とを有する光学式エンコーダーが提供される。
これにより、組み立て時の位置決め・位置合わせやメンテナンス時の調整が容易に行なえるとともに、組み立て時の良品の判断やメンテナンス時の交換の判断を定量的に行なえるようになる。また、光源部のパワーの安定化を計ったり検出信号の補正を行なえるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一実施形態による光学式エンコーダーの概略斜視図である。
【図２】本発明の第二実施形態による光学式エンコーダーの概略斜視図である。
【図３】図２に示される光検出部の平面図である。
【図４】本発明の第三実施形態による光学式エンコーダーの概略斜視図である。
【図５】図４に示される光検出部の平面図である。
【図６】本発明の第四実施形態による光学式エンコーダーの概略斜視図である。
【図７】図６に示される光検出部の平面図である。
【符号の説明】
１１０ スケール
１１４ 第一の光学パターン
１１８ 第二の光学パターン
１１６ 第三の光学パターン
１３０ ヘッド部
１４０ 光源部
１６０ 光検出部
１６４ 第一の受光部
１６６ 第三の受光部
１７０ 第二の受光部
２２０ 信号処理部
【発明の属する技術分野】
本発明は、装置の可動部分の移動量検出に用いられる光学式エンコーダーに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の光学式エンコーダーには、半導体レーザー光源、光検出器、回折格子、コリメータレンズ等の個別部品を高精度に組み合わせたタイプや、回折格子に相当するスケールを除いた部分を半導体プロセスやボンディング技術で小型化したタイプなどがある。このような従来例のひとつに、「光学」２７巻６号、ページ３２７〜３２８にある、山本英二著「面発光型半導体レーザーを用いたマイクロエンコーダー」がある。
【０００３】
このマイクロエンコーダーの基本構成は、ヘッド部と、これに対して特定の方向に移動可能なスケールとを備えている。ヘッド部は、フォトダイオード(ＰＤ)と信号処理回路が一体形成されたシリコン基板と、これにボンディングされた面発光レーザーとを有している。スケールは、一定のピッチで反射率が変化する二種類の構成要素が交互に並んだ光学パターンを有している。
【０００４】
面発光レーザーから射出された光ビームは、スケールで反射され、フォトダイオードにより強度が検出される。フォトダイオードで検出される光強度の強弱の変化の数を計ることにより、ヘッド部とスケールの間の相対移動の量が測定される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
光学式エンコーダーは、小型化や高分解能化が進んだ結果、工作機械や情報機器さらには医療機器など幅広い分野で利用されようとしている。現状では、光学式エンコーダーの高精度化のための対策や組立調整の簡便化については、エンコーダーメーカーや、エンコーダーのパーツを購入して製品に組み込むユーザーのノウハウに依存しており、一般に、光学式エンコーダー自体は、その性能を最高に引き出すための調整機能や、組み立ての状態や信号の安定度を測定する機能を備えていない。
【０００６】
本発明は、このような現状を鑑みて成されたものであり、その目的は、その性能を最高に引き出すための機能を備えた光学式エンコーダーを提供することである。
【０００７】
より具体的には、本発明の目的は、組み立て時の位置決め・位置合わせやメンテナンス時の調整や検出信号の補正のために、ヘッド部とスケールの光学的・幾何学的配置を検出する機能を有する光学式エンコーダーを提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の光学式エンコーダーは、一面においては、光源部と光検出部を含むヘッド部と、ヘッド部に対して相対的に特定の方向に移動可能なスケールとを備えており、スケールは、移動方向に沿って光学特性が一定の周期で変化する第一の光学パターンと、移動方向に沿った、移動量検出に有効な領域のほぼ全域にわたって光学特性が一定である第二の光学パターンとを有し、光源部は、第一の光学パターンに照射される第一の光ビームと、第二の光学パターンに照射される第二の光ビームとを射出し、光検出部は、第一の光学パターンを経由した第一の光ビームを受光する第一の受光部と、第二の光学パターンを経由した第二の光ビームを受光する第二の受光部と、第一の受光部と第二の受光部の出力信号を処理する信号処理部とを有し、信号処理部は、第一の受光部の出力信号に基づいてヘッド部とスケールの間の相対移動の量を検出する移動検出手段と、第二の受光部の出力信号に基づいてヘッド部とスケールの相対姿勢を検出する姿勢検出手段とを含んでいる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。
【００１３】
［第一実施形態］
図１に示されるように、光学式エンコーダーは、光源部１４０と光検出部１６０を含むヘッド部１３０と、これに対して特定の方向にすなわちｙ軸に沿って移動可能なスケール１１０とを備えている。ヘッド部１３０は、光源部１４０と光検出部１６０を保持するベース１３２を更に有し、スケール１１０に対して、望ましくは、適正なギャップｄと適正な姿勢で保持される。
【００１４】
スケール１１０は、平板状の基板１１２と、その表面に設けられた第一の光学パターン１１４と第二の光学パターン１１８と第三の光学パターン１１６とを有している。スケール１１０は長手軸を有しており、この長手軸が移動方向すなわちｙ軸に対して平行になるように配置される。第一の光学パターン１１４と第二の光学パターン１１８と第三の光学パターン１１６は共に長手軸に沿って帯状に延びている。第一の光学パターン１１４と第三の光学パターン１１６は長手軸に沿って一定の周期で光学特性が変化するが、第二の光学パターン１１８は長手軸に沿った全域にわたり光学特性が一定である。
【００１５】
ここにおいて「光学特性」は、反射率や透過率等の光に作用する諸特性をいう。
本実施形態は反射型の光学式エンコーダーであるため、本実施形態では光学特性は反射率を意味するが、透過型の光学式エンコーダーにおいては透過率を意味する。
【００１６】
第一の光学パターン１１４と第三の光学パターン１１６は共に、高反射率の領域と低反射率の領域とが長手軸に沿って数十μｍのピッチＰ0で交互に並んでいる。第一の光学パターン１１４と第三の光学パターン１１６は、同じ周期を有するが、位相がずれている。すなわち、第一の光学パターン１１４と第三の光学パターン１１６の反射率の異なる二つの領域が互いに長手軸に沿ってδずれている。言い換えれば、第三の光学パターン１１６は、第一の光学パターン１１４を長手軸に沿ってδ移動させたものと等価である。両者の間のずれδは、望ましくは、δ＝Ｐ0・(２ｎ−１)/４を満たしている。ここでｎは自然数である。
【００１７】
光源部１４０は、第一の光ビームＬ1を射出する第一の面発光レーザー１４４と第二の光ビームＬ2を射出する第二の面発光レーザー１４６と第三の光ビームＬ3を射出する第三の面発光レーザー１４８を含むレーザーアレイ１４２を備えている。第一の面発光レーザー１４４と第二の面発光レーザー１４６と第三の面発光レーザー１４８は、ｘ軸に沿って並んでいる。レーザーアレイ１４２は、ｘｙ平面に傾きを持って、すなわち、ｘ軸の周りに傾いて配置されている。第一の光ビームＬ1と第二の光ビームＬ2と第三の光ビームＬ3は、それぞれ、第一の光学パターン１１４と第二の光学パターン１１８と第三の光学パターン１１６に照射される。
【００１８】
光検出部１６０は、例えばフォトＩＣであり、第一の光学パターン１１４を経由した第一の光ビームＬ1を受光する第一の受光部１６４と、第二の光学パターン１１８を経由した第二の光ビームＬ2を受光する第二の受光部１７０と、第三の光学パターン１１６を経由した第三の光ビームＬ3を受光する第三の受光部１６６とを備えている。第一の受光部１６４と第二の受光部１７０と第三の受光部１６６は、その中心がｘ軸に沿って並ぶように配置されている。
【００１９】
第一の受光部１６４と第三の受光部１６６は、それぞれ、第一の光ビームＬ1と第三の光ビームＬ3の径に比べて大きい受光領域を持つ単一のフォトダイオードで構成される。また、第二の受光部１７０は、第二の光ビームＬ2の径に比べて同等かそれよりも小さい受光領域を持つ単一のフォトダイオードで構成される。第二の受光部１７０に照射される第二の光ビームＬ2は、ガウシアン分布のように、中心が最も高く、そこから離れるにつれて低下する光量分布を有する。
【００２０】
前述したように、ヘッド部１３０は、望ましくは、スケール１１０に対して、適正なギャップと適正な姿勢で保持される。この状態において、第二の光ビームＬ2の主光線は、第二の受光部１７０の中心に入射する。一方、第一の光ビームＬ1と第三の光ビームＬ3は、ギャップと姿勢にそれほど影響されることなく、それぞれ、第一の受光部１６４と第三の受光部１６６にほぼ適正に入射する。
【００２１】
光検出部１６０は更に、第一の受光部１６４と第二の受光部１７０と第三の受光部１６６の出力信号を処理する信号処理部２２０を備えている。信号処理部２２０は、例えば、レーザーアレイ１４２を駆動するレーザー駆動回路と、第一の受光部１６４と第三の受光部１６６の出力信号のゲインとオフセットを調整する正規化回路と、第一の受光部１６４の出力信号と第三の受光部１６６の出力信号とに基づいて光源部１４０とスケール１１０の間の相対移動の量と方向を検出する移動検出回路と、第二の受光部１７０の出力信号に基づいて光源部１４０とスケール１１０のギャップｄと相対姿勢を検出するギャップ・相対姿勢検出回路と、第二の受光部１７０の出力信号に基づいて光源部１４０のパワーを検出してこれを制御するオートパワーコントロール(ＡＰＣ)回路とを含んでいる。
【００２２】
本実施形態の光学式エンコーダーは、光源部１４０とスケール１１０の間の相対移動の方向と量を検出し得るが、要求される機能が移動量の検出のみの場合には、第三の面発光レーザー１４８と第三の光学パターン１１６と第三の受光部１６６は省略されてもよく、これらの省略に伴い、移動検出回路は、第一の受光部１６４の出力信号に基づいて光源部１４０とスケール１１０の間の相対移動の量のみを検出する。
【００２３】
＜相対移動検出＞
第一の面発光レーザー１４４から射出された第一の光ビームＬ1は、スケール１１０の第一の光学パターン１１４により第一の受光部１６４に向けて反射され、第一の受光部１６４で検出される。第一の受光部１６４は、入射する第一の光ビームＬ1の光量に対応した信号を出力する。ヘッド部１３０とスケール１１０の間の相対移動に対して、第一の受光部１６４の出力信号は擬似正弦波となる。
【００２４】
同様に、第三の面発光レーザー１４８から射出された第三の光ビームＬ3は、スケール１１０の第三の光学パターン１１６により第三の受光部１６６に向けて反射され、第三の受光部１６６で検出される。第三の受光部１６６は、入射する第三の光ビームＬ3の光量に対応した信号を出力する。ヘッド部１３０とスケール１１０の間の相対移動に対して、第三の受光部１６６の出力信号は擬似正弦波となる。
【００２５】
第一の受光部１６４と第三の受光部１６６から出力される擬似正弦波の信号は互いに１/４周期あるいは３/４周期の位相差があるため、ヘッド部１３０とスケール１１０の間の相対移動の方向と量を求めることができる。
【００２６】
＜ギャップ・姿勢検出＞
第二の面発光レーザー１４６から射出された第二の光ビームＬ2は、スケール１１０の第二の光学パターン１１８により第二の受光部１７０に向けて反射され、第二の受光部１７０で検出される。第二の受光部１７０は、入射する第二の光ビームＬ2の光量に対応した信号を出力する。
【００２７】
ヘッド部１３０とスケール１１０は、望ましくは、相対的に適正なギャップと適正な姿勢で保持される。この状態においては、レーザーアレイ１４２から射出された第一の光ビームＬ1と第二の光ビームＬ2と第三の光ビームＬ3の主光線が、それぞれ、スケール１１０で反射された後、第一の受光部１６４と第二の受光部１７０と第三の受光部１６６の中心に入射する。
【００２８】
スケール１１０とヘッド部１３０の光学的・幾何学的配置が適正な状態から外れると、すなわち、スケール１１０とヘッド部１３０の間のギャップｄの最適値からずれたり、ヘッド部１３０に対してスケール１１０がｘ軸周りやｙ軸周りに相対的に傾いたりすると、第一の受光部１６４と第三の受光部１６６から出力される擬似正弦波の信号の位相が変わって検出信号に誤差が生じたり、検出信号の出力が低下したりする。
【００２９】
このようなスケール１１０とヘッド部１３０の光学的・幾何学的配置の適正な状態からのずれは、第二の受光部１７０の出力に基づいて検出され得る。
【００３０】
スケール１１０とヘッド部１３０の間のギャップｄの変化は、第二の受光部１７０に照射される第二の光ビームＬ2のスポットをｙ軸に沿って移動させる。ヘッド部１３０とスケール１１０が適正なギャップで位置しているとき、第二の光ビームＬ2の主光線が第二の受光部１７０の中心に入射するため、第二の受光部１７０は最大の出力を示す。従って、第二の受光部１７０の出力の低下を検出することにより、スケール１１０とヘッド部１３０の間のギャップの変化が検出される。
【００３１】
従って、メンテナンス時においては、第二の受光部１７０の出力を最大に戻すように、スケール１１０とヘッド部１３０の間のギャップを調整し直せばよい。
また、組み立て時においては、スケール１１０とヘッド部１３０を、第二の受光部１７０の出力が最大となるギャップで配置し組み立てればよい。
【００３２】
また、組立後のヘッド１３０とスケール１１０のギャップ・姿勢検出に関しては、必ずしも、最適なギャップに対して、第二の受光部１７０の出力信号が最大となる必要はない。この場合、出力信号が変化することで、最適なギャップから外れていくことが分かり、出力信号の変化量により、ギャップの調整度合いについてある程度定量的な判断ができる。これに基づいて、エンコーダーの再調整や交換の判断が行なえる。
【００３３】
このように本実施の形態の光学式エンコーダーは、スケール１１０とヘッド部１３０の間のギャップの変化を測定できるため、以下の利点を有している。
【００３４】
ギャップの変動により生じる検出信号の誤差を計算して補正することができる。
【００３５】
所望のギャップにおける出力値が計算または経験的に導ければ、これを組立調整時やメンテナンスの際の調整の指標として用いることで、調整用の測定器を減らしたり不要にしたりすることができ、簡便な調整が可能となる。
【００３６】
ギャップ信号に基づいて、出荷前の良品判定をしたり、経時変化が生じた際のメンテナンスや交換の判定をしたりすることができる。
【００３７】
測定中のギャップの変化により生じる検出信号の誤差の大きさを確認することで、補正が出来ない場合のエンコーダーが保証できる検出精度の指標のひとつとなる。
【００３８】
＜パワーモニター＞
経時変化や温度変化などによりレーザーアレイ１４２から射出された第一の光ビームＬ1と第三の光ビームＬ3のパワーが変化すると、これに応じて、第一の受光部１６４と第三の受光部１６６の出力信号のレベルも変化する。このようなレーザーアレイ１４２のパワーの変化は、検出信号の読み取りに誤差を生じさせ、その変化が激しい場合には、検出信号を読み取りを不能にする。
【００３９】
第一の面発光レーザー１４４と第二の面発光レーザー１４６と第三の面発光レーザー１４８は、ほぼ同じ特性を有していると共に、ほぼ同じ経時変化や温度変化を受けると考えられる。第二の面発光レーザー１４６のパワーの変化は、第二の受光部１７０の出力信号に基づいて調べられる。従って、第一の面発光レーザー１４４と第三の面発光レーザー１４８のパワーの変化は、第二の受光部１７０の出力信号から推定される。
【００４０】
信号処理部２２０のＡＰＣ回路は、第二の受光部１７０の出力信号に基づいて第二の面発光レーザー１４６のパワーの変化を検出し、これを一定に保つようにレーザーアレイ１４２を制御する。ＡＰＣ回路によりレーザーアレイ１４２を制御する代わりに、第二の受光部１７０の出力信号に基づいて、エンコーダー信号である第一の受光部１６４と第三の受光部１６６の出力信号を補正してもよい。
【００４１】
このように本実施の形態の光学式エンコーダーは、第一の面発光レーザー１４４と第三の面発光レーザー１４８のパワーをモニターできるため、以下の利点を有している。
【００４２】
第一の面発光レーザー１４４と第三の面発光レーザー１４８からの裏面出力をモニターする必要が無い。これは、素子内を光が透過し難く、裏面モニターの利用が困難な短波長の面発光レーザに有効である。
【００４３】
第二の受光部１７０の出力信号を第一の面発光レーザー１４４と第三の面発光レーザー１４８のパワー安定化用のモニター信号に利用することで、第一の光ビームＬ1と第三の光ビームＬ3のパワー変動を抑えることができ、第一の受光部１６４と第三の受光部１６６の出力信号が安定し、検出精度が向上する。
【００４４】
第一の光ビームＬ1と第三の光ビームＬ3のパワー変動に基づいて、第一の受光部１６４と第三の受光部１６６の出力信号の誤差を補正することで、検出精度が向上される。
【００４５】
［第二実施形態］
図２に示されるように、光学式エンコーダーは、光源部１４０と光検出部１６０を含むヘッド部１３０と、これに対して特定の方向にすなわちｙ軸に沿って移動可能なスケール１１０とを備えている。ヘッド部１３０は、光源部１４０と光検出部１６０を保持するベース１３２を更に有し、スケール１１０に対して、望ましくは、適正なギャップｄと適正な姿勢で保持される。
【００４６】
スケール１１０は、平板状の基板１１２と、その表面に設けられた第一の光学パターン１１４と第二の光学パターン１１８と第三の光学パターン１１６とを有している。スケール１１０は長手軸を有しており、この長手軸が移動方向すなわちｙ軸に対して平行になるように配置される。第一の光学パターン１１４と第二の光学パターン１１８と第三の光学パターン１１６は共に長手軸に沿って帯状に延びている。第一の光学パターン１１４と第三の光学パターン１１６は長手軸に沿って一定の周期で光学特性が変化するが、第二の光学パターン１１８は長手軸に沿ったほぼ全域にわたり光学特性が一定である。
【００４７】
ここにおいて「光学特性」は、反射率や透過率等の光に作用する諸特性をいう。
本実施形態は反射型の光学式エンコーダーであるため、本実施形態では光学特性は反射率を意味するが、透過型の光学式エンコーダーにおいては透過率を意味する。
【００４８】
第一の光学パターン１１４と第三の光学パターン１１６は共に、高反射率の領域と低反射率の領域とが長手軸に沿って数十μｍのピッチＰ0で交互に並んでいる。第一の光学パターン１１４と第三の光学パターン１１６は、同じ周期を有するが、位相がずれている。すなわち、第一の光学パターン１１４と第三の光学パターン１１６の反射率の異なる二つの領域が互いに長手軸に沿ってδずれている。言い換えれば、第三の光学パターン１１６は、第一の光学パターン１１４を長手軸に沿ってδ移動させたものと等価である。両者の間のずれδは、望ましくは、δ＝Ｐ0・(２ｎ−１)/４を満たしている。ここでｎは自然数である。
【００４９】
第二の光学パターンは、高反射率の領域が長手軸に沿って帯状に延びており、その一方の端部に低反射率の領域１２０を有している。
【００５０】
光源部１４０は、第一の光ビームＬ1を射出する第一の面発光レーザー１４４と第二の光ビームＬ2を射出する第二の面発光レーザー１４６と第三の光ビームＬ3を射出する第三の面発光レーザー１４８を含むレーザーアレイ１４２を備えている。第一の面発光レーザー１４４と第二の面発光レーザー１４６と第三の面発光レーザー１４８は、ｘ軸に沿って並んでいる。レーザーアレイ１４２は、ｘｙ平面に傾きを持って、すなわち、ｘ軸の周りに傾いて配置されている。第一の光ビームＬ1と第二の光ビームＬ2と第三の光ビームＬ3は、それぞれ、第一の光学パターン１１４と第二の光学パターン１１８と第三の光学パターン１１６に照射される。
【００５１】
光検出部１６０は、例えばフォトＩＣであり、第一の光学パターン１１４を経由した第一の光ビームＬ1を受光する第一の受光部１６４と、第二の光学パターン１１８を経由した第二の光ビームＬ2を受光する第二の受光部１７０と、第三の光学パターン１１６を経由した第三の光ビームＬ3を受光する第三の受光部１６６とを備えている。第一の受光部１６４と第二の受光部１７０と第三の受光部１６６は、その中心がｘ軸に沿って並ぶように配置されている。
【００５２】
第一の受光部１６４と第三の受光部１６６は、それぞれ、第一の光ビームＬ1と第三の光ビームＬ3の径に比べて大きい受光領域を持つ単一のフォトダイオードで構成される。
【００５３】
また、第二の受光部１７０は、図３に示されるように、ｙ軸に沿って並んだ三個のフォトダイオード１７４と１７６と１７８を備えている。第二の受光部１７０に照射される第二の光ビームＬ2は、ガウシアン分布のように、中心が最も高く、そこから離れるにつれて低下する光量分布を有する。本実施形態では、第二の受光部１７０は、三個のフォトダイオードを備えているが、その個数はこれに限らず、二個のフォトダイオードを備えていてもよく、あるいは四個以上のフォトダイオードを備えていてもよい。
【００５４】
前述したように、ヘッド部１３０は、望ましくは、スケール１１０に対して、適正なギャップと適正な姿勢で保持される。この状態において、第二の光ビームＬ2の主光線は、第二の受光部１７０の中心に入射する。更に詳しく言えば、その主光線が中央のフォトダイオード１７４の中心に入射する。一方、第一の光ビームＬ1と第三の光ビームＬ3は、ギャップと姿勢にそれほど影響されることなく、それぞれ、第一の受光部１６４と第三の受光部１６６にほぼ適正に入射する。
【００５５】
光検出部１６０は更に、第一の受光部１６４と第二の受光部１７０と第三の受光部１６６の出力信号を処理する信号処理部２２０を備えている。信号処理部２２０は、例えば、レーザーアレイ１４２を駆動するレーザー駆動回路と、第一の受光部１６４と第三の受光部１６６の出力信号のゲインとオフセットを調整する正規化回路と、第一の受光部１６４の出力信号と第三の受光部１６６の出力信号とに基づいて光源部１４０とスケール１１０の間の相対移動の量と方向を検出する移動検出回路と、第二の受光部１７０の出力信号に基づいて光源部１４０とスケール１１０のギャップｄと相対姿勢を検出するギャップ・相対姿勢検出回路２２２と、第二の受光部１７０の出力信号に基づいて光源部１４０のパワーを検出してこれを制御するオートパワーコントロール(ＡＰＣ)回路２２４と、第二の受光部１７０の出力信号に基づいてスケール１１０のｘ軸周りの傾きを検出するｘ軸周り傾き検出回路２２６とを含んでいる。
【００５６】
本実施形態の光学式エンコーダーは、光源部１４０とスケール１１０の間の相対移動の方向と量を検出し得るが、要求される機能が移動量の検出のみの場合には、第三の面発光レーザー１４８と第三の光学パターン１１６と第三の受光部１６６は省略されてもよく、これらの省略に伴い、移動検出回路は、第一の受光部１６４の出力信号に基づいて光源部１４０とスケール１１０の間の相対移動の量のみを検出する。
【００５７】
＜相対移動検出＞
第一の面発光レーザー１４４から射出された第一の光ビームＬ1は、スケール１１０の第一の光学パターン１１４により第一の受光部１６４に向けて反射され、第一の受光部１６４で検出される。第一の受光部１６４は、入射する第一の光ビームＬ1の光量に対応した信号を出力する。ヘッド部１３０とスケール１１０の間の相対移動に対して、第一の受光部１６４の出力信号は擬似正弦波となる。
【００５８】
同様に、第三の面発光レーザー１４８から射出された第三の光ビームＬ3は、スケール１１０の第三の光学パターン１１６により第三の受光部１６６に向けて反射され、第三の受光部１６６で検出される。第三の受光部１６６は、入射する第三の光ビームＬ3の光量に対応した信号を出力する。ヘッド部１３０とスケール１１０の間の相対移動に対して、第三の受光部１６６の出力信号は擬似正弦波となる。
【００５９】
第一の受光部１６４と第三の受光部１６６から出力される擬似正弦波の信号は互いに１/４周期あるいは３/４周期の位相差があるため、ヘッド部１３０とスケール１１０の間の相対移動の方向と量を求めることができる。
【００６０】
＜ｚ相検出＞
第二の面発光レーザー１４６から射出された第二の光ビームＬ2は、スケール１１０の第二の光学パターン１１８により第二の受光部１７０に向けて反射され、第二の受光部１７０で検出される。第二の受光部１７０は、入射する第二の光ビームＬ2の光量に対応した信号を出力する。
【００６１】
第二の光学パターン１１８は、その一端部に低反射率の領域１２０を有しているため、第二の光ビームＬ2が、この低反射率の領域１２０を照射するとき、第二の受光部１７０の出力は大きく変化する。
【００６２】
従って、この第二の受光部１７０の出力の変化を検出することにより、低反射率の領域１２０を基準としてスケール１１０の位置を特定することができる。言い換えれば、第二の光ビームＬ2が低反射率の領域１２０を照射することに対応した第二の受光部１７０の出力信号の変化に基づいて、スケール１１０の原点信号を得ることができる。
【００６３】
＜ギャップ・姿勢検出＞
ヘッド部１３０とスケール１１０は、望ましくは、相対的に適正なギャップと適正な姿勢で保持される。この状態においては、レーザーアレイ１４２から射出された第一の光ビームＬ1と第二の光ビームＬ2と第三の光ビームＬ3の主光線が、それぞれ、スケール１１０で反射された後、第一の受光部１６４と第二の受光部１７０と第三の受光部１６６の中心に入射する。
【００６４】
スケール１１０とヘッド部１３０の光学的・幾何学的配置が適正な状態から外れると、すなわち、スケール１１０とヘッド部１３０の間のギャップｄの最適値からずれたり、ヘッド部１３０に対してスケール１１０がｘ軸周りやｙ軸周りに相対的に傾いたりすると、第一の受光部１６４と第三の受光部１６６から出力される擬似正弦波の信号の位相が変わって検出信号に誤差が生じたり、検出信号の出力が低下したりする。
【００６５】
このようなスケール１１０とヘッド部１３０の光学的・幾何学的配置の適正な状態からのずれは、第二の受光部１７０の出力に基づいて検出され得る。
【００６６】
スケール１１０とヘッド部１３０の間のギャップｄの変化は、第二の受光部１７０に照射される第二の光ビームＬ2のスポットをｙ軸に沿って移動させる。また、ヘッド部１３０に対するスケール１１０のｘ軸周りの相対的な傾きは、第二の受光部１７０に照射される第二の光ビームＬ2のスポットをｙ軸に沿って移動させるとともに、その形状を変形させる。
【００６７】
従って、三個のフォトダイオード１７４と１７６と１７８の出力に基づいて、第二の光ビームＬ2の最も光量の強い位置を検出することにより、スケール１１０とヘッド部１３０の間のギャップの変化とヘッド部１３０に対するスケール１１０のｘ軸周りの傾きが検出される。
【００６８】
あるいは、三個のフォトダイオード１７４と１７６と１７８の出力に基づいて、第二の光ビームＬ2のｙ軸方向のビームプロファイルを必要に応じて補間を用いて計算し、そのビームプロファイルのｙ軸方向の変位量や形状の変化を調べることにより、スケール１１０とヘッド部１３０の間のギャップの変化とヘッド部１３０に対するスケール１１０のｘ軸周りの傾きが分離して検出される。
【００６９】
このような検出の精度は、第二の受光部１７０のフォトダイオードの各々のｙ軸方向の寸法とそれらの間隔を小さくすることで高められる。ギャップの大きな変化やスケールの大きな傾きへの対応には、第二の受光部１７０のフォトダイオードを配置する範囲を大きくすればよい。従って、高精度の検出とギャップの大きな変化やスケールの大きな傾きへの対応の両方を実現するには、第二の受光部１７０は、ｙ軸方向の寸法の小さいフォトダイオードを多数有し、それらがｙ軸に沿って狭い間隔で広い範囲にわたって配置されているとよい。
【００７０】
従って、メンテナンス時においては、第二の受光部１７０の三個のフォトダイオード１７４と１７６と１７８の出力が最適なバランスに戻るように、スケール１１０とヘッド部１３０の間のギャップと姿勢を調整し直せばよい。また、組み立て時においては、スケール１１０とヘッド部１３０を、第二の受光部１７０の三個のフォトダイオード１７４と１７６と１７８の出力が最適なバランスとなるギャップと姿勢で配置し組み立てればよい。
【００７１】
また、組立後のヘッド１３０とスケール１１０のギャップ・姿勢検出に関しては、必ずしも、最適なギャップと姿勢に対して、光量の最大位置が必ずしも中央のフォトダイオード１７４の中心にくる必要はない。この場合、三個のフォトダイオード１７４と１７６と１７８の出力のバランスが変化することで、最適なギャップと姿勢から外れていくことが分かり、三個のフォトダイオード１７４と１７６と１７８の出力のバランスの変化により、ギャップと姿勢の調整度合いについてある程度定量的な判断ができる。これに基づいて、エンコーダーの再調整や交換の判断が行なえる。
【００７２】
このように本実施の形態の光学式エンコーダーは、スケール１１０とヘッド部１３０の間のギャップの変化やスケールのｘ軸周りの姿勢の変化を測定できるため、以下の利点を有している。
【００７３】
ギャップの変化やスケールのｘ軸周りの姿勢の変化により生じる検出信号の誤差を計算して補正することができる。
【００７４】
所望のギャップとｘ軸周りの姿勢における出力値が計算または経験的に導ければ、これを組立調整時やメンテナンスの際の調整の指標として用いることで、調整用の測定器を減らしたり不要にしたりすることができ、簡便な調整が可能となる。
【００７５】
ギャップ信号とｘ軸周りの傾きとに基づいて、出荷前の良品判定をしたり、経時変化が生じた際のメンテナンスや交換の判定をしたりすることができる。
【００７６】
測定中のギャップの変化やｘ軸周りの姿勢の変化により生じる検出信号の誤差の大きさを確認することで、補正が出来ない場合のエンコーダーが保証できる検出精度の指標のひとつとなる。
【００７７】
＜パワーモニター＞
経時変化や温度変化などによりレーザーアレイ１４２から射出された第一の光ビームＬ1と第三の光ビームＬ3のパワーが変化すると、これに応じて、第一の受光部１６４と第三の受光部１６６の出力信号のレベルも変化する。このようなレーザーアレイ１４２のパワーの変化は、検出信号の読み取りに誤差を生じさせ、その変化が激しい場合には、検出信号を読み取りを不能にする。
【００７８】
第一の面発光レーザー１４４と第二の面発光レーザー１４６と第三の面発光レーザー１４８は、ほぼ同じ特性を有していると共に、ほぼ同じ経時変化や温度変化を受けると考えられる。第二の面発光レーザー１４６のパワーの変化は、第二の受光部１７０の出力信号に基づいて検出され得る。従って、第一の面発光レーザー１４４と第三の面発光レーザー１４８のパワーの変化は、第二の受光部１７０の出力信号から推定される。
【００７９】
第二の面発光レーザー１４６のパワーの変化は、三個のフォトダイオード１７４と１７６と１７８の出力の任意の一つあるいはそれらの合計に基づいて検出される。
【００８０】
あるいは、第二の面発光レーザー１４６のパワーの変化は、三個のフォトダイオード１７４と１７６と１７８の出力に基づいて、第二の光ビームＬ2のｙ軸方向のビームプロファイルを必要に応じて補間を用いて計算し、そのビームプロファイルから推定される、プロファイルのピーク点の高さやフォトダイオードに入射する総光量により検出される。
【００８１】
信号処理部２２０のＡＰＣ回路２２４は、第二の受光部１７０の出力信号に基づいて第二の面発光レーザー１４６のパワーの変化を検出し、これを一定に保つようにレーザーアレイ１４２を制御する。ＡＰＣ回路２２４によりレーザーアレイ１４２を制御する代わりに、第二の受光部１７０の出力信号に基づいて、エンコーダー信号である第一の受光部１６４と第三の受光部１６６の出力信号を補正してもよい。
【００８２】
このように本実施の形態の光学式エンコーダーは、第一の面発光レーザー１４４と第三の面発光レーザー１４８のパワーをモニターできるため、以下の利点を有している。
【００８３】
第一の面発光レーザー１４４と第三の面発光レーザー１４８からの裏面出力をモニターする必要が無い。これは、素子内を光が透過し難く、裏面モニターの利用が困難な短波長の面発光レーザに有効である。
【００８４】
第二の受光部１７０の出力信号を第一の面発光レーザー１４４と第三の面発光レーザー１４８のパワー安定化用のモニター信号に利用することで、第一の光ビームＬ1と第三の光ビームＬ3のパワー変動を抑えることができ、第一の受光部１６４と第三の受光部１６６の出力信号が安定し、検出精度が向上する。
【００８５】
第一の光ビームＬ1と第三の光ビームＬ3のパワー変動に基づいて、第一の受光部１６４と第三の受光部１６６の出力信号の誤差を補正することで、検出精度が向上される。
【００８６】
第二の受光部１７０がｙ軸に沿って並ぶ複数のフォトダイオードを有しているため、ギャップの変化やｘ軸周りの姿勢の変化に影響されることなく、レーザーアレイ１４２のパワーを安定にモニターできる。また、ビームプロファイルを計算できるため、少ない受光面積でモニターを行なえる。
【００８７】
［第三実施形態］
図４に示されるように、光学式エンコーダーは、光源部１４０と光検出部１６０を含むヘッド部１３０と、これに対して特定の方向にすなわちｙ軸に沿って移動可能なスケール１１０とを備えている。ヘッド部１３０は、光源部１４０と光検出部１６０を保持するベース１３２を更に有し、スケール１１０に対して、望ましくは、適正なギャップｄと適正な姿勢で保持される。
【００８８】
スケール１１０は、平板状の基板１１２と、その表面に設けられた第一の光学パターン１１４と第二の光学パターン１１８と第三の光学パターン１１６とを有している。スケール１１０は長手軸を有しており、この長手軸が移動方向すなわちｙ軸に対して平行になるように配置される。第一の光学パターン１１４と第二の光学パターン１１８と第三の光学パターン１１６は共に長手軸に沿って帯状に延びている。第一の光学パターン１１４と第三の光学パターン１１６は長手軸に沿って一定の周期で光学特性が変化するが、第二の光学パターン１１８は長手軸に沿ったほぼ全域にわたり光学特性が一定である。
【００８９】
ここにおいて「光学特性」は、反射率や透過率等の光に作用する諸特性をいう。
本実施形態は反射型の光学式エンコーダーであるため、本実施形態では光学特性は反射率を意味するが、透過型の光学式エンコーダーにおいては透過率を意味する。
【００９０】
第一の光学パターン１１４と第三の光学パターン１１６は共に、高反射率の領域と低反射率の領域とが長手軸に沿って数十μｍのピッチＰ0で交互に並んでいる。第一の光学パターン１１４と第三の光学パターン１１６は、同じ周期を有するが、位相がずれている。すなわち、第一の光学パターン１１４と第三の光学パターン１１６の反射率の異なる二つの領域が互いに長手軸に沿ってδずれている。言い換えれば、第三の光学パターン１１６は、第一の光学パターン１１４を長手軸に沿ってδ移動させたものと等価である。両者の間のずれδは、望ましくは、δ＝Ｐ0・(２ｎ−１)/４を満たしている。ここでｎは自然数である。
【００９１】
第二の光学パターンは、高反射率の領域が長手軸に沿って帯状に延びており、その一方の端部に低反射率の領域１２０を有している。
【００９２】
光源部１４０は、一本の光ビームＬ0を射出する面発光レーザー１５０と、光ビームＬ0を分割して第一の光ビームＬ1と第二の光ビームＬ2と第三の光ビームＬ3を作り出すビーム分割素子１５２とを備えている。面発光レーザー１５０は、ｘｙ平面に傾きを持って、すなわち、ｘ軸の周りに傾いて配置されている。
【００９３】
ビーム分割素子１５２は、例えば回折格子である。回折格子は、面発光レーザー１５０に近い面が平らで、その反対側のスケール１１０に近い面に、ｘ軸に沿って一定のピッチｐgで並ぶ多数のｙ軸に沿って延びる溝を有している。回折格子１５２は、入射する光ビームＬ0をｘ軸に沿って回折させ、その内の０次光と±１次光から、第一の光ビームＬ1と第二の光ビームＬ2と第三の光ビームＬ3を作り出す。
【００９４】
このように作り出された第一の光ビームＬ1と第二の光ビームＬ2と第三の光ビームＬ3は、それぞれ、第一の光学パターン１１４と第二の光学パターン１１８と第三の光学パターン１１６に照射される。
【００９５】
このような一個の面発光レーザー１５０とビーム分割素子１５２の使用は、高い信頼性が必要なレーザーの数を減らし、コスト低減や信頼性の向上にとって有利である。また、使用するレーザーが１個で済むため、レーザーのボンディング時のアライメントに関して、チップの回転ずれの精度への影響を考慮しなくて済む。
【００９６】
光検出部１６０は、例えばフォトＩＣであり、第一の光学パターン１１４を経由した第一の光ビームＬ1を受光する第一の受光部１６４と、第二の光学パターン１１８を経由した第二の光ビームＬ2を受光する第二の受光部１７０と、第三の光学パターン１１６を経由した第三の光ビームＬ3を受光する第三の受光部１６６とを備えている。第一の受光部１６４と第二の受光部１７０と第三の受光部１６６は、その中心がｘ軸に沿って並ぶように配置されている。
【００９７】
第一の受光部１６４と第三の受光部１６６は、それぞれ、第一の光ビームＬ1と第三の光ビームＬ3の径に比べて大きい受光領域を持つ単一のフォトダイオードで構成される。
【００９８】
また、第二の受光部１７０は、図５に示されるように、ｘ軸とｙ軸に沿って、二次元的に配列された五個のフォトダイオード１８０と１８２と１８４と１８６と１８８を備えている。第二の受光部１７０に照射される第二の光ビームＬ2は、ガウシアン分布のように、中心が最も高く、そこから離れるにつれて低下する光量分布を有する。本実施形態では、第二の受光部１７０は、五個のフォトダイオードを備えているが、その個数はこれに限らず、それよりも多くのフォトダイオードを備えていてもよい。
【００９９】
前述したように、ヘッド部１３０は、望ましくは、スケール１１０に対して、適正なギャップと適正な姿勢で保持される。この状態において、第二の光ビームＬ2の主光線は、第二の受光部１７０の中心に入射する。更に詳しく言えば、その主光線が中央のフォトダイオード１８０の中心に入射する。一方、第一の光ビームＬ1と第三の光ビームＬ3は、ギャップと姿勢にそれほど影響されることなく、それぞれ、第一の受光部１６４と第三の受光部１６６にほぼ適正に入射する。
【０１００】
光検出部１６０は更に、第一の受光部１６４と第二の受光部１７０と第三の受光部１６６の出力信号を処理する信号処理部２２０を備えている。信号処理部２２０は、例えば、面発光レーザー１５０を駆動するレーザー駆動回路と、第一の受光部１６４と第三の受光部１６６の出力信号のゲインとオフセットを調整する正規化回路と、第一の受光部１６４の出力信号と第三の受光部１６６の出力信号とに基づいて光源部１４０とスケール１１０の間の相対移動の量と方向を検出する移動検出回路と、第二の受光部１７０の出力信号に基づいて光源部１４０とスケール１１０のギャップｄと相対姿勢を検出するギャップ・相対姿勢検出回路２２２と、第二の受光部１７０の出力信号に基づいて光源部１４０のパワーを検出してこれを制御するオートパワーコントロール(ＡＰＣ)回路２２４と、第二の受光部１７０の出力信号に基づいてスケール１１０のｘ軸周りの傾きを検出するｘ軸周り傾き検出回路２２６と、第二の受光部１７０の出力信号に基づいてスケール１１０のｙ軸周りの傾きを検出するｙ軸周り傾き検出回路２２８とを含んでいる。
【０１０１】
本実施形態の光学式エンコーダーは、光源部１４０とスケール１１０の間の相対移動の方向と量を検出し得るが、要求される機能が移動量の検出のみの場合には、第三の光学パターン１１６と第三の受光部１６６は省略されてもよく、これらの省略に伴い、ビーム分割素子１５２の第三の光ビームを作り出す機能は不要であり、移動検出回路は、第一の受光部１６４の出力信号に基づいて光源部１４０とスケール１１０の間の相対移動の量のみを検出する。
【０１０２】
＜相対移動検出＞
面発光レーザー１５０から射出された光ビームＬ0は、ビーム分割素子１５２により分割され、第一の光ビームＬ1と第二の光ビームＬ2と第三の光ビームＬ3が作り出される。
【０１０３】
第一の光ビームＬ1は、スケール１１０の第一の光学パターン１１４により第一の受光部１６４に向けて反射され、第一の受光部１６４で検出される。第一の受光部１６４は、入射する第一の光ビームＬ1の光量に対応した信号を出力する。ヘッド部１３０とスケール１１０の間の相対移動に対して、第一の受光部１６４の出力信号は擬似正弦波となる。
【０１０４】
同様に、第三の光ビームＬ3は、スケール１１０の第三の光学パターン１１６により第三の受光部１６６に向けて反射され、第三の受光部１６６で検出される。第三の受光部１６６は、入射する第三の光ビームＬ3の光量に対応した信号を出力する。ヘッド部１３０とスケール１１０の間の相対移動に対して、第三の受光部１６６の出力信号は擬似正弦波となる。
【０１０５】
第一の受光部１６４と第三の受光部１６６から出力される擬似正弦波の信号は互いに１/４周期あるいは３/４周期の位相差があるため、ヘッド部１３０とスケール１１０の間の相対移動の方向と量を求めることができる。
【０１０６】
＜ｚ相検出＞
第二の光ビームＬ2は、スケール１１０の第二の光学パターン１１８により第二の受光部１７０に向けて反射され、第二の受光部１７０で検出される。第二の受光部１７０は、入射する第二の光ビームＬ2の光量に対応した信号を出力する。
【０１０７】
第二の光学パターン１１８は、その一端部に低反射率の領域１２０を有しているため、第二の光ビームＬ2が、この低反射率の領域１２０を照射するとき、第二の受光部１７０の出力は大きく変化する。
【０１０８】
従って、この第二の受光部１７０の出力の変化を検出することにより、低反射率の領域１２０を基準としてスケール１１０の位置を特定することができる。言い換えれば、第二の光ビームＬ2が低反射率の領域１２０を照射することに対応した第二の受光部１７０の出力信号の変化に基づいて、スケール１１０の原点信号を得ることができる。
【０１０９】
＜ギャップ・姿勢検出＞
ヘッド部１３０とスケール１１０は、望ましくは、相対的に適正なギャップと適正な姿勢で保持される。この状態においては、レーザーアレイ１４２から射出された第一の光ビームＬ1と第二の光ビームＬ2と第三の光ビームＬ3の主光線が、それぞれ、スケール１１０で反射された後、第一の受光部１６４と第二の受光部１７０と第三の受光部１６６の中心に入射する。
【０１１０】
スケール１１０とヘッド部１３０の光学的・幾何学的配置が適正な状態から外れると、すなわち、スケール１１０とヘッド部１３０の間のギャップｄの最適値からずれたり、ヘッド部１３０に対してスケール１１０がｘ軸周りやｙ軸周りに相対的に傾いたりすると、第一の受光部１６４と第三の受光部１６６から出力される擬似正弦波の信号の位相が変わって検出信号に誤差が生じたり、検出信号の出力が低下したりする。
【０１１１】
このようなスケール１１０とヘッド部１３０の光学的・幾何学的配置の適正な状態からのずれは、第二の受光部１７０の出力に基づいて検出され得る。
【０１１２】
スケール１１０とヘッド部１３０の間のギャップｄの変化は、第二の受光部１７０に照射される第二の光ビームＬ2のスポットをｙ軸に沿って移動させる。また、ヘッド部１３０に対するスケール１１０のｘ軸周りの相対的な傾きは、第二の受光部１７０に照射される第二の光ビームＬ2のスポットをｙ軸に沿って移動させるとともに、その形状を変形させる。同様に、ヘッド部１３０に対するスケール１１０のｙ軸周りの相対的な傾きは、第二の受光部１７０に照射される第二の光ビームＬ2のスポットをｘ軸に沿って移動させるとともに、その形状を変形させる。
【０１１３】
従って、五個のフォトダイオード１８０と１８２と１８４と１８６と１８８の出力に基づいて、第二の光ビームＬ2の最も光量の強い位置を検出することにより、スケール１１０とヘッド部１３０の間のギャップの変化とヘッド部１３０に対するスケール１１０のｘ軸周りの傾きとｙ軸周りの傾きが検出される。
【０１１４】
あるいは、五個のフォトダイオード１８０と１８２と１８４と１８６と１８８の出力に基づいて、第二の光ビームＬ2のｙ軸方向とｘ軸方向の二次元的なビームプロファイルを必要に応じて補間を用いて計算し、そのビームプロファイルのｙ軸方向とｘ軸方向の変位量や形状の変化を調べることにより、スケール１１０とヘッド部１３０の間のギャップの変化とヘッド部１３０に対するスケール１１０のｘ軸周りの傾きとｙ軸周りの傾きとが分離して検出される。
【０１１５】
このような検出の精度は、第二の受光部１７０のフォトダイオードの各々のｙ軸に沿った寸法とそれらの間隔およびｘ軸に沿った寸法とそれらの間隔を小さくすることで高められる。ギャップの大きな変化やスケールの大きな傾きへの対応には、第二の受光部１７０のフォトダイオードを配置する範囲を大きくすればよい。従って、高精度の検出とギャップの大きな変化やスケールの大きな傾きへの対応の両方を実現するには、第二の受光部１７０は、ｙ軸とｘ軸に沿った寸法が共に小さいフォトダイオードを多数有し、それらがｙ軸とｘ軸に沿って狭い間隔で広い範囲にわたって配置されているとよい。
【０１１６】
従って、メンテナンス時においては、第二の受光部１７０の五個のフォトダイオード１８０と１８２と１８４と１８６と１８８の出力が最適なバランスに戻るように、スケール１１０とヘッド部１３０の間のギャップと姿勢を調整し直せばよい。また、組み立て時においては、スケール１１０とヘッド部１３０を、第二の受光部１７０の五個のフォトダイオード１８０と１８２と１８４と１８６と１８８の出力が最適なバランスとなるギャップと姿勢で配置し組み立てればよい。
【０１１７】
また、組立後のヘッド１３０とスケール１１０のギャップ・姿勢検出に関しては、必ずしも、最適なギャップと姿勢に対して、光量の最大位置が必ずしも中央のフォトダイオード１８０の中心にくる必要はない。この場合、五個のフォトダイオード１８０と１８２と１８４と１８６と１８８の出力のバランスが変化することで、最適なギャップと姿勢から外れていくことが分かり、五個のフォトダイオード１８０と１８２と１８４と１８６と１８８の出力のバランスの変化により、ギャップと姿勢の調整度合いについてある程度定量的な判断ができる。これに基づいて、エンコーダーの再調整や交換の判断が行なえる。
【０１１８】
このように本実施の形態の光学式エンコーダーは、スケール１１０とヘッド部１３０の間のギャップの変化やスケールのｘ軸周りとｙ軸周りの姿勢の変化を測定できるため、以下の利点を有している。
【０１１９】
ギャップの変化やスケールのｘ軸周りとｙ軸周りの姿勢の変化により生じる検出信号の誤差を計算して補正することができる。
【０１２０】
所望のギャップとｘ軸周りとｙ軸周りの姿勢における出力値が計算または経験的に導ければ、これを組立調整時やメンテナンスの際の調整の指標として用いることで、調整用の測定器を減らしたり不要にしたりすることができ、簡便な調整が可能となる。
【０１２１】
ギャップ信号とｘ軸周りとｙ軸周りの傾きとに基づいて、出荷前の良品判定をしたり、経時変化が生じた際のメンテナンスや交換の判定をしたりすることができる。
【０１２２】
測定中のギャップの変化やｘ軸周りとｙ軸周りの姿勢の変化により生じる検出信号の誤差の大きさを確認することで、補正が出来ない場合のエンコーダーが保証できる検出精度の指標のひとつとなる。
【０１２３】
＜パワーモニター＞
経時変化や温度変化などにより面発光レーザー１５０から射出される光ビームＬ0のパワーが変化すると、これに応じて、第一の受光部１６４と第三の受光部１６６の出力信号のレベルも変化する。このような面発光レーザー１５０パワーの変化は、検出信号の読み取りに誤差を生じさせ、その変化が激しい場合には、検出信号を読み取りを不能にする。
【０１２４】
面発光レーザー１５０のパワーの変化は、第二の受光部１７０の出力信号に基づいて検出され得る。
【０１２５】
例えば、面発光レーザー１５０のパワーの変化は、五個のフォトダイオード１８０と１８２と１８４と１８６と１８８の出力の任意の一つあるいはそれらの合計に基づいて検出される。
【０１２６】
あるいは、面発光レーザー１５０のパワーの変化は、五個のフォトダイオード１８０と１８２と１８４と１８６と１８８の出力に基づいて、第二の光ビームＬ2のｙ軸方向とｘ軸方向の二次元的なビームプロファイルを必要に応じて補間を用いて計算し、そのビームプロファイルから推定される、プロファイルのピーク点の高さやフォトダイオードに入射する総光量により検出される。
【０１２７】
信号処理部２２０のＡＰＣ回路２２４は、第二の受光部１７０の出力信号に基づいて、面発光レーザー１５０のパワーの変化を検出し、これを一定に保つように面発光レーザー１５０を制御する。ＡＰＣ回路２２４により面発光レーザー１５０を制御する代わりに、第二の受光部１７０の出力信号に基づいて、エンコーダー信号である第一の受光部１６４と第三の受光部１６６の出力信号を補正してもよい。
【０１２８】
このように本実施の形態の光学式エンコーダーは、面発光レーザー１５０のパワーをモニターできるため、以下の利点を有している。
【０１２９】
面発光レーザー１５０からの裏面出力をモニターする必要が無い。これは、素子内を光が透過し難く、裏面モニターの利用が困難な短波長の面発光レーザに有効である。
【０１３０】
第二の受光部１７０の出力信号を面発光レーザー１５０のパワー安定化用のモニター信号に利用することで、第一の光ビームＬ1と第三の光ビームＬ3のパワー変動を抑えることができ、第一の受光部１６４と第三の受光部１６６の出力信号が安定し、検出精度が向上する。
【０１３１】
第一の光ビームＬ1と第三の光ビームＬ3のパワー変動に基づいて、第一の受光部１６４と第三の受光部１６６の出力信号の誤差を補正することで、検出精度が向上される。
【０１３２】
第二の受光部１７０がｘ軸とｙ軸に沿って二次元的に並ぶ複数のフォトダイオードを有しているため、ギャップの変化やｘ軸周りやｙ軸周りの姿勢の変化に影響されることなく、面発光レーザー１５０のパワーを安定にモニターできる。また、ビームプロファイルを計算できるため、少ない受光面積でモニターを行なえる。
【０１３３】
［第四実施形態］
図６に示されるように、光学式エンコーダーは、光源部１４０と光検出部１６０を含むヘッド部１３０と、これに対して特定の方向にすなわちｙ軸に沿って移動可能なスケール１１０とを備えている。ヘッド部１３０は、光源部１４０と光検出部１６０を保持するベース１３２を更に有し、スケール１１０に対して、望ましくは、適正なギャップｄと適正な姿勢で保持される。
【０１３４】
スケール１１０は、平板状の基板１１２と、その表面に設けられた第一の光学パターン１１４と第二の光学パターン１１８と第三の光学パターン１１６とを有している。スケール１１０は長手軸を有しており、この長手軸が移動方向すなわちｙ軸に対して平行になるように配置される。第一の光学パターン１１４と第二の光学パターン１１８と第三の光学パターン１１６は共に長手軸に沿って帯状に延びている。第一の光学パターン１１４と第三の光学パターン１１６は長手軸に沿って一定の周期で光学特性が変化するが、第二の光学パターン１１８は長手軸に沿ったほぼ全域にわたり光学特性が一定である。
【０１３５】
ここにおいて「光学特性」は、反射率や透過率等の光に作用する諸特性をいう。
本実施形態は反射型の光学式エンコーダーであるため、本実施形態では光学特性は反射率を意味するが、透過型の光学式エンコーダーにおいては透過率を意味する。
【０１３６】
第一の光学パターン１１４と第三の光学パターン１１６は共に、高反射率の領域と低反射率の領域とが長手軸に沿って数十μｍのピッチＰ0で交互に並んでいる。第一の光学パターン１１４と第三の光学パターン１１６は、同じ周期を有するが、位相がずれている。すなわち、第一の光学パターン１１４と第三の光学パターン１１６の反射率の異なる二つの領域が互いに長手軸に沿ってδずれている。言い換えれば、第三の光学パターン１１６は、第一の光学パターン１１４を長手軸に沿ってδ移動させたものと等価である。両者の間のずれδは、望ましくは、δ＝Ｐ0・(２ｎ−１)/４を満たしている。ここでｎは自然数である。
【０１３７】
第二の光学パターンは、高反射率の領域が長手軸に沿って帯状に延びており、その一方の端部に低反射率の領域１２０を有している。
【０１３８】
光源部１４０は、一本の光ビームＬ0を射出する面発光レーザー１５０と、光ビームＬ0を分割して第一の光ビームＬ1と第二の光ビームＬ2と第三の光ビームＬ3と第四の光ビームＬ4を作り出すビーム分割素子１５４とを備えている。面発光レーザー１５０は、ｘｙ平面に傾きを持って、すなわち、ｘ軸の周りに傾いて配置されている。
【０１３９】
ビーム分割素子１５４は、例えば回折格子である。回折格子は、面発光レーザー１５０に近い面がハーフミラーであり、その反対側のスケール１１０に近い面に、ｘ軸に沿って一定のピッチｐgで並ぶ多数のｙ軸に沿って延びる溝を有している。回折格子１５４は、入射する光ビームＬ0をｘ軸に沿って回折させ、その内の０次光と±１次光から、第一の光ビームＬ1と第二の光ビームＬ2と第三の光ビームＬ3を作り出すとともに、入射する光ビームＬ0を部分的に反射して第四の光ビームＬ4を作り出す。
【０１４０】
このように作り出された第一の光ビームＬ1と第二の光ビームＬ2と第三の光ビームＬ3は、それぞれ、第一の光学パターン１１４と第二の光学パターン１１８と第三の光学パターン１１６に照射される。また、第四の光ビームＬ4は光検出部１６０に方向付けられる。
【０１４１】
このような一個の面発光レーザー１５０とビーム分割素子１５４の使用は、高い信頼性が必要なレーザーの数を減らし、コスト低減や信頼性の向上にとって有利である。また、使用するレーザーが１個で済むため、レーザーのボンディング時のアライメントに関して、チップの回転ずれの精度への影響を考慮しなくて済む。
【０１４２】
光検出部１６０は、例えばフォトＩＣであり、第一の光学パターン１１４を経由した第一の光ビームＬ1を受光する第一の受光部１６４と、第二の光学パターン１１８を経由した第二の光ビームＬ2を受光する第二の受光部１７０と、第三の光学パターン１１６を経由した第三の光ビームＬ3を受光する第三の受光部１６６と、第四の光ビームＬ4を直接受光する第四の受光部２１０とを備えている。第一の受光部１６４と第二の受光部１７０と第三の受光部１６６は、その中心がｘ軸に沿って並ぶように配置されている。
【０１４３】
第一の受光部１６４と第三の受光部１６６と第四の受光部２１０は、それぞれ、第一の光ビームＬ1と第三の光ビームＬ3と第四の光ビームＬ4の径に比べて大きい受光領域を持つ単一のフォトダイオードで構成される。
【０１４４】
また、第二の受光部１７０は、図７に示されるように、ｘ軸とｙ軸に沿って、二次元的に配列された五個のフォトダイオード１９０と１９２と１９４と１９６と１９８を備えている。中央のフォトダイオード１９０は円形形状を有し、他の四個のフォトダイオード１９２と１９４と１９６と１９８は、全体で中央のフォトダイオード１９０を取り囲む輪帯形状を成しており、それぞれ９０°の角度間隔で配置されている。第二の受光部１７０に照射される第二の光ビームＬ2は、ガウシアン分布のように、中心が最も高く、そこから離れるにつれて低下する光量分布を有する。本実施形態では、第二の受光部１７０は、五個のフォトダイオードを備えているが、その個数はこれに限らず、それよりも多くのフォトダイオードを備えていてもよい。
【０１４５】
前述したように、ヘッド部１３０は、望ましくは、スケール１１０に対して、適正なギャップと適正な姿勢で保持される。この状態において、第二の光ビームＬ2の主光線は、第二の受光部１７０の中心に入射する。更に詳しく言えば、その主光線が中央のフォトダイオード１９０の中心に入射する。一方、第一の光ビームＬ1と第三の光ビームＬ3と第四の光ビームＬ4は、ギャップと姿勢にそれほど影響されることなく、それぞれ、第一の受光部１６４と第三の受光部１６６と第四の受光部２１０にほぼ適正に入射する。
【０１４６】
光検出部１６０は更に、第一の受光部１６４と第二の受光部１７０と第三の受光部１６６の出力信号を処理する信号処理部２２０を備えている。信号処理部２２０は、例えば、面発光レーザー１５０を駆動するレーザー駆動回路と、第一の受光部１６４と第三の受光部１６６の出力信号のゲインとオフセットを調整する正規化回路と、第一の受光部１６４の出力信号と第三の受光部１６６の出力信号とに基づいて光源部１４０とスケール１１０の間の相対移動の量と方向を検出する移動検出回路と、第二の受光部１７０の出力信号に基づいて光源部１４０とスケール１１０のギャップｄと相対姿勢を検出するギャップ・相対姿勢検出回路２２２と、第四の受光部２１０の出力信号に基づいて光源部１４０のパワーを検出してこれを制御するオートパワーコントロール(ＡＰＣ)回路２２４と、第二の受光部１７０の出力信号に基づいてスケール１１０のｘ軸周りの傾きを検出するｘ軸周り傾き検出回路２２６と、第二の受光部１７０の出力信号に基づいてスケール１１０のｙ軸周りの傾きを検出するｙ軸周り傾き検出回路２２８とを含んでいる。
【０１４７】
本実施形態の光学式エンコーダーは、光源部１４０とスケール１１０の間の相対移動の方向と量を検出し得るが、要求される機能が移動量の検出のみの場合には、第三の光学パターン１１６と第三の受光部１６６は省略されてもよく、これらの省略に伴い、ビーム分割素子１５４は第三の光ビームを作り出す機能は不要であり、移動検出回路は、第一の受光部１６４の出力信号に基づいて光源部１４０とスケール１１０の間の相対移動の量のみを検出する。
【０１４８】
＜相対移動検出＞
面発光レーザー１５０から射出された光ビームＬ0は、ビーム分割素子１５４により分割され、第一の光ビームＬ1と第二の光ビームＬ2と第三の光ビームＬ3と第四の光ビームＬ4が作り出される。
【０１４９】
第一の光ビームＬ1は、スケール１１０の第一の光学パターン１１４により第一の受光部１６４に向けて反射され、第一の受光部１６４で検出される。第一の受光部１６４は、入射する第一の光ビームＬ1の光量に対応した信号を出力する。ヘッド部１３０とスケール１１０の間の相対移動に対して、第一の受光部１６４の出力信号は擬似正弦波となる。
【０１５０】
同様に、第三の光ビームＬ3は、スケール１１０の第三の光学パターン１１６により第三の受光部１６６に向けて反射され、第三の受光部１６６で検出される。第三の受光部１６６は、入射する第三の光ビームＬ3の光量に対応した信号を出力する。ヘッド部１３０とスケール１１０の間の相対移動に対して、第三の受光部１６６の出力信号は擬似正弦波となる。
【０１５１】
第一の受光部１６４と第三の受光部１６６から出力される擬似正弦波の信号は互いに１/４周期あるいは３/４周期の位相差があるため、ヘッド部１３０とスケール１１０の間の相対移動の方向と量を求めることができる。
【０１５２】
＜ｚ相検出＞
第二の光ビームＬ2は、スケール１１０の第二の光学パターン１１８により第二の受光部１７０に向けて反射され、第二の受光部１７０で検出される。第二の受光部１７０は、入射する第二の光ビームＬ2の光量に対応した信号を出力する。
【０１５３】
第二の光学パターン１１８は、その一端部に低反射率の領域１２０を有しているため、第二の光ビームＬ2が、この低反射率の領域１２０を照射するとき、第二の受光部１７０の出力は大きく変化する。
【０１５４】
従って、この第二の受光部１７０の出力の変化を検出することにより、低反射率の領域１２０を基準としてスケール１１０の位置を特定することができる。言い換えれば、第二の光ビームＬ2が低反射率の領域１２０を照射することに対応した第二の受光部１７０の出力信号の変化に基づいて、スケール１１０の原点信号を得ることができる。
【０１５５】
＜ギャップ・姿勢検出＞
ヘッド部１３０とスケール１１０は、望ましくは、相対的に適正なギャップと適正な姿勢で保持される。この状態においては、レーザーアレイ１４２から射出された第一の光ビームＬ1と第二の光ビームＬ2と第三の光ビームＬ3の主光線が、それぞれ、スケール１１０で反射された後、第一の受光部１６４と第二の受光部１７０と第三の受光部１６６の中心に入射する。
【０１５６】
スケール１１０とヘッド部１３０の光学的・幾何学的配置が適正な状態から外れると、すなわち、スケール１１０とヘッド部１３０の間のギャップｄの最適値からずれたり、ヘッド部１３０に対してスケール１１０がｘ軸周りやｙ軸周りに相対的に傾いたりすると、第一の受光部１６４と第三の受光部１６６から出力される擬似正弦波の信号の位相が変わって検出信号に誤差が生じたり、検出信号の出力が低下したりする。
【０１５７】
このようなスケール１１０とヘッド部１３０の光学的・幾何学的配置の適正な状態からのずれは、第二の受光部１７０の出力に基づいて検出され得る。
【０１５８】
スケール１１０とヘッド部１３０の間のギャップｄの変化は、第二の受光部１７０に照射される第二の光ビームＬ2のスポットをｙ軸に沿って移動させる。また、ヘッド部１３０に対するスケール１１０のｘ軸周りの相対的な傾きは、第二の受光部１７０に照射される第二の光ビームＬ2のスポットをｙ軸に沿って移動させるとともに、その形状を変形させる。同様に、ヘッド部１３０に対するスケール１１０のｙ軸周りの相対的な傾きは、第二の受光部１７０に照射される第二の光ビームＬ2のスポットをｘ軸に沿って移動させるとともに、その形状を変形させる。
【０１５９】
従って、五個のフォトダイオード１９０と１９２と１９４と１９６と１９８の出力に基づいて、第二の光ビームＬ2の最も光量の強い位置を検出することにより、スケール１１０とヘッド部１３０の間のギャップの変化とヘッド部１３０に対するスケール１１０のｘ軸周りの傾きとｙ軸周りの傾きが検出される。
【０１６０】
あるいは、五個のフォトダイオード１９０と１９２と１９４と１９６と１９８の出力に基づいて、第二の光ビームＬ2のｙ軸方向とｘ軸方向の二次元的なビームプロファイルを必要に応じて補間を用いて計算し、そのビームプロファイルのｙ軸方向とｘ軸方向の変位量や形状の変化を調べることにより、スケール１１０とヘッド部１３０の間のギャップの変化とヘッド部１３０に対するスケール１１０のｘ軸周りの傾きとｙ軸周りの傾きとが分離して検出される。
【０１６１】
このような検出の精度は、第二の受光部１７０のフォトダイオードの各々のｙ軸に沿った寸法とそれらの間隔およびｘ軸に沿った寸法とそれらの間隔を小さくすることで高められる。ギャップの大きな変化やスケールの大きな傾きへの対応には、第二の受光部１７０のフォトダイオードを配置する範囲を大きくすればよい。従って、高精度の検出とギャップの大きな変化やスケールの大きな傾きへの対応の両方を実現するには、第二の受光部１７０は、ｙ軸とｘ軸に沿った寸法が共に小さいフォトダイオードを多数有し、それらがｙ軸とｘ軸に沿って狭い間隔で広い範囲にわたって配置されているとよい。
【０１６２】
従って、メンテナンス時においては、第二の受光部１７０の五個のフォトダイオード１９０と１９２と１９４と１９６と１９８の出力が最適なバランスに戻るように、スケール１１０とヘッド部１３０の間のギャップと姿勢を調整し直せばよい。また、組み立て時においては、スケール１１０とヘッド部１３０を、第二の受光部１７０の五個のフォトダイオード１９０と１９２と１９４と１９６と１９８の出力が最適なバランスとなるギャップと姿勢で配置し組み立てればよい。
【０１６３】
また、組立後のヘッド１３０とスケール１１０のギャップ・姿勢検出に関しては、必ずしも、最適なギャップと姿勢に対して、光量の最大位置が必ずしも中央のフォトダイオード１８０の中心にくる必要はない。この場合、五個のフォトダイオード１９０と１９２と１９４と１９６と１９８の出力のバランスが変化することで、最適なギャップと姿勢から外れていくことが分かり、五個のフォトダイオード１９０と１９２と１９４と１９６と１９８の出力のバランスの変化により、ギャップと姿勢の調整度合いについてある程度定量的な判断ができる。これに基づいて、エンコーダーの再調整や交換の判断が行なえる。
【０１６４】
このように本実施の形態の光学式エンコーダーは、スケール１１０とヘッド部１３０の間のギャップの変化やスケールのｘ軸周りとｙ軸周りの姿勢の変化を測定できるため、以下の利点を有している。
【０１６５】
ギャップの変化やスケールのｘ軸周りとｙ軸周りの姿勢の変化により生じる検出信号の誤差を計算して補正することができる。
【０１６６】
所望のギャップとｘ軸周りとｙ軸周りの姿勢における出力値が計算または経験的に導ければ、これを組立調整時やメンテナンスの際の調整の指標として用いることで、調整用の測定器を減らしたり不要にしたりすることができ、簡便な調整が可能となる。
【０１６７】
ギャップ信号とｘ軸周りとｙ軸周りの傾きとに基づいて、出荷前の良品判定をしたり、経時変化が生じた際のメンテナンスや交換の判定をしたりすることができる。
【０１６８】
測定中のギャップの変化やｘ軸周りとｙ軸周りの姿勢の変化により生じる検出信号の誤差の大きさを確認することで、補正が出来ない場合のエンコーダーが保証できる検出精度の指標のひとつとなる。
【０１６９】
＜パワーモニター＞
経時変化や温度変化などにより面発光レーザー１５０から射出される光ビームＬ0のパワーが変化すると、これに応じて、第一の受光部１６４と第三の受光部１６６の出力信号のレベルも変化する。このような面発光レーザー１５０パワーの変化は、検出信号の読み取りに誤差を生じさせ、その変化が激しい場合には、検出信号を読み取りを不能にする。
【０１７０】
ビーム分割素子１５４により作り出された第四の光ビームＬ4は、第四の受光部２１０に直接方向付けられ、第四の受光部２１０で検出される。第四の受光部２１０は、入射する第四の光ビームＬ4の光量に対応した信号を出力する。従って、面発光レーザー１５０のパワーの変化は、第四の受光部２１０の出力信号に基づいて検出される。
【０１７１】
信号処理部２２０のＡＰＣ回路２２４は、第四の受光部２１０の出力信号に基づいて、面発光レーザー１５０のパワーの変化を検出し、これを一定に保つように面発光レーザー１５０を制御する。ＡＰＣ回路２２４により面発光レーザー１５０を制御する代わりに、第四の受光部２１０の出力信号に基づいて、エンコーダー信号である第一の受光部１６４と第三の受光部１６６の出力信号を補正してもよい。
【０１７２】
このように本実施の形態の光学式エンコーダーは、面発光レーザー１５０のパワーをモニターできるため、以下の利点を有している。
【０１７３】
面発光レーザー１５０からの裏面出力をモニターする必要が無い。これは、素子内を光が透過し難く、裏面モニターの利用が困難な短波長の面発光レーザに有効である。
【０１７４】
第四の受光部２１０の出力信号を面発光レーザー１５０のパワー安定化用のモニター信号に利用することで、第一の光ビームＬ1と第三の光ビームＬ3のパワー変動を抑えることができ、第一の受光部１６４と第三の受光部１６６の出力信号が安定し、検出精度が向上する。
【０１７５】
第一の光ビームＬ1と第三の光ビームＬ3のパワー変動に基づいて、第一の受光部１６４と第三の受光部１６６の出力信号の誤差を補正することで、検出精度が向上される。
【０１７６】
スケール１１０を経由しない第四の光ビームＬ4の光量に対応した第四の受光部２１０の出力信号をモニター信号に用いているため、ギャップや姿勢の変化の影響を全く受けない高精度のモニタリングを行なえる。このような高精度のモニタリングは、ギャップや姿勢の変化の測定の精度を高める。
【０１７７】
これまで、いくつかの実施の形態について図面を参照しながら具体的に説明したが、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で行なわれるすべての実施を含む。
【０１７８】
従って、本発明は、以下の各項に記す光学式エンコーダーを含んでいる。
【０１７９】
１． 光源部と光検出部を含むヘッド部と、
ヘッド部に対して相対的に特定の方向に移動可能なスケールとを備えており、
スケールは、移動方向に沿って延びる長手軸と、長手軸に沿って光学特性が一定の周期で変化する第一の光学パターンと、長手軸に沿ったほぼ全域にわたって光学特性が一定である第二の光学パターンとを有し、
光源部は、第一の光学パターンに照射される第一の光ビームと、第二の光学パターンに照射される第二の光ビームとを射出し、
光検出部は、第一の光学パターンを経由した第一の光ビームを受光する第一の受光部と、第二の光学パターンを経由した第二の光ビームを受光する第二の受光部と、第一の受光部と第二の受光部の出力信号を処理する信号処理部とを有し、
信号処理部は、第一の受光部の出力信号に基づいてヘッド部とスケールの間の相対移動の量を検出する移動検出手段と、第二の受光部の出力信号に基づいてヘッド部とスケールのギャップと相対姿勢を検出するギャップ・相対姿勢検出手段とを含んでいる、光学式エンコーダー。
【０１８０】
２． 第１項において、
スケールは、長手軸に沿って光学特性が一定の周期で変化する第三の光学パターンを更に有し、第一の光学パターンと第三の光学パターンは同じ周期を有するが、位相がずれており、
光源部は、第三の光学パターンに照射される第三の光ビームを更に射出し、
光検出部は、第三の光学パターンを経由した第三の光ビームを受光する第三の受光部を更に有し、
移動検出手段は、第一の受光部の出力信号と第三の受光部の出力信号に基づいてヘッド部とスケールの間の相対移動の量と方向を検出する、光学式エンコーダー。
【０１８１】
３． 第１項において、光学特性が反射率である、光学式エンコーダー。
【０１８２】
４． 第１項において、光学特性が透過率である、光学式エンコーダー。
【０１８３】
５． 第１項において、第二の受光部が、スケールの移動方向に沿って並んだ複数の受光素子を含んでいる、光学式エンコーダー。
【０１８４】
６． 第１項において、スケールは移動方向に平行な平面の面を持ち、第二の受光部が、スケールの面に平行に、二次元的に配置された複数の受光素子を含んでいる、光学式エンコーダー。
【０１８５】
７． 第１項において、
第二の光学パターンは、他に対して光学特性が異なる基準領域を有しており、
信号処理部は、第二の受光部の出力信号に基づいて基準領域を検知することによりスケールの基準位置を検出する基準位置検出手段を更に含んでいる、光学式エンコーダー。
【０１８６】
８． 第１項において、光源部が、第一の光ビームを発する第一の発光素子と第二の光ビームを発する第二の発光素子とを備えている、光学式エンコーダー。
【０１８７】
９． 第１項において、光源部が、一本の光ビームを発する発光素子と、一本の光ビームを分割して第一の光ビームと第二の光ビームを作り出すビーム分割素子とを含んでいる、光学式エンコーダー。
【０１８８】
１０． 第２項において、光源部が、第一の光ビームを発する第一の発光素子と第二の光ビームを発する第二の発光素子と第三の光ビームを発する第三の発光素子とを備えている、光学式エンコーダー。
【０１８９】
１１． 第２項において、光源部が、一本の光ビームを発する発光素子と、一本の光ビームを分割して第一の光ビームと第二の光ビームと第三の光ビームを作り出すビーム分割素子とを含んでいる、光学式エンコーダー。
【０１９０】
１２． 第１１項において、
光検出部は、第四の受光部を更に備えており、
ビーム分割素子は、第一の光ビームと第二の光ビームと第三の光ビームの他に、第四の受光部に直接照射される第四の光ビームを更に作り出し、
信号処理部は、第四の受光部の出力信号に基づいて光源部のパワーを検出するパワー検出手段を更に含んでいる、光学式エンコーダー。
【０１９１】
１３． 第１２項において、信号処理部が、パワー補正手段を更に含んでいる、光学式エンコーダー。
【０１９２】
１４． 第１項において、信号処理部が、第二の受光部の出力信号に基づいて光源部のパワーを検出するパワー検出手段を更に含んでいる、光学式エンコーダー。
【０１９３】
１５． 第１４項において、信号処理部が、パワー補正手段を更に含んでいる、光学式エンコーダー。
【０１９４】
１６． 光源部と光検出部を含むヘッド部と、
ヘッド部に対して相対的に特定の方向に移動可能なスケールとを備えており、
スケールは、移動方向に沿って延びる長手軸と、長手軸に沿って光学特性が一定の周期で変化する第一の光学パターンと、長手軸に沿ったほぼ全域にわたって光学特性が一定である第二の光学パターンとを有し、
光源部は、第一の光学パターンに照射される第一の光ビームと、第二の光学パターンに照射される第二の光ビームとを射出し、
光検出部は、第一の光学パターンを経由した第一の光ビームを受光する第一の受光部と、第二の光学パターンを経由した第二の光ビームを受光する第二の受光部と、第一の受光部と第二の受光部の出力信号を処理する信号処理部とを有し、
信号処理部は、第一の受光部の出力信号に基づいてヘッド部とスケールの間の相対移動の量を検出する移動検出手段と、第二の受光部の出力信号に基づいて光源部のパワーを検出するパワー検出手段とを含んでいる、光学式エンコーダー。
【０１９５】
１７． 第１６項において、信号処理部が、パワー補正手段を更に含んでいる、光学式エンコーダー。
【０１９６】
【発明の効果】
本発明よれば、ヘッド部とスケールの光学的・幾何学的配置を検出する機能と、光源部のパワーを計測する機能とを有する光学式エンコーダーが提供される。
これにより、組み立て時の位置決め・位置合わせやメンテナンス時の調整が容易に行なえるとともに、組み立て時の良品の判断やメンテナンス時の交換の判断を定量的に行なえるようになる。また、光源部のパワーの安定化を計ったり検出信号の補正を行なえるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一実施形態による光学式エンコーダーの概略斜視図である。
【図２】本発明の第二実施形態による光学式エンコーダーの概略斜視図である。
【図３】図２に示される光検出部の平面図である。
【図４】本発明の第三実施形態による光学式エンコーダーの概略斜視図である。
【図５】図４に示される光検出部の平面図である。
【図６】本発明の第四実施形態による光学式エンコーダーの概略斜視図である。
【図７】図６に示される光検出部の平面図である。
【符号の説明】
１１０ スケール
１１４ 第一の光学パターン
１１８ 第二の光学パターン
１１６ 第三の光学パターン
１３０ ヘッド部
１４０ 光源部
１６０ 光検出部
１６４ 第一の受光部
１６６ 第三の受光部
１７０ 第二の受光部
２２０ 信号処理部
Claims (5)
- 光源部と光検出部を含むヘッド部と、
前記ヘッド部に対して相対的に特定の方向に移動可能なスケールとを備えており、
前記スケールは、移動方向に沿って光学特性が一定の周期で変化する第一の光学パターンと、移動方向に沿った、移動量検出に有効な領域のほぼ全域にわたって光学特性が一定である第二の光学パターンとを有し、
前記光源部は、前記第一の光学パターンに照射される第一の光ビームと、前記第二の光学パターンに照射される第二の光ビームとを射出し、
前記光検出部は、前記第一の光学パターンを経由した前記第一の光ビームを受光する第一の受光部と、前記第二の光学パターンを経由した前記第二の光ビームを受光する第二の受光部と、前記第一の受光部と前記第二の受光部の出力信号を処理する信号処理部とを有し、
前記信号処理部は、前記第一の受光部の出力信号に基づいて前記ヘッド部と前記スケールの間の相対移動の量を検出する移動検出手段と、前記第二の受光部の出力信号に基づいて前記ヘッド部と前記スケールの相対姿勢を検出する姿勢検出手段とを含んでいる、光学式エンコーダー。 - 前記第二の受光部は複数の受光素子を有し、
前記第二の受光部の出力信号に基づいて前記ヘッド部と前記スケールのギャップを、姿勢検出と同時に検出するギャップ検出手段を更に含んでいる、請求項１に記載の光学式エンコーダー。 - 前記第二の受光部は複数の受光素子を有し、
前記第二の受光部の出力信号に基づいて前記光源部のパワーを、姿勢検出と同時に検出するパワー検出手段を更に含んでいる、請求項１又は請求項２に記載の光学式エンコーダー。 - 前記第二の受光部は、前記スケールの移動方向に垂直な方向に並んだ複数の受光素子を含んでいる、請求項２又は請求項３に記載の光学式エンコーダー。
- 前記第二の受光部は、前記スケールの移動方向に平行に、二次元的に配置された複数の受光素子を含んでいる、請求項２又は請求項３に記載の光学式エンコーダー。
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