JP4981203B2 - 光学式エンコーダー - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学的手段を用いた光学式変位センサー、特に光学式エンコーダーに関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、工作機械のステージや３次元計測定器などに於いては直線方向変位量を検出するための、また、サーボモータなどに於いては回転角を検出するための、光学式や磁気式などのいわゆるエンコーダーが利用されている。
【０００３】
光学式エンコーダーは、一般的に、ステージ等の変位を検出しようとする部材に固定されるスケールと、このスケールの変位を検出するためのセンサーヘッドとを備えている。センサーヘッドは、スケールに光ビームを照射する光源と、スケールを透過したまたはスケールで反射された回折光を検出するための光検出器とを有しており、受光した光信号の変化によってスケールの移動を検出している。
【０００４】
第一の従来技術として、代表的な光学式エンコーダーについて説明する。図３２は、レンズなどの光学部品を必要としない小型・低コストなレーザーエンコーダーの一例として、面発光レーザーと反射型スケールを用いたエンコーダーの構成図である。この面発光レーザーと反射型スケールを用いたレーザーエンコーダーについては例えば論文「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」(山本英二、光学２７巻６号(１９９８))に記載されている。
【０００５】
このエンコーダー１０は、図３２に示されるように、反射型のスケール１２とセンサーヘッド１４とで構成されている。センサーヘッド１４は、面発光レーザー１６と光検出器１８を含み、これらは共に基材２０に固定され、面発光レーザー１６と光検出器１８の相対的な位置関係は一定に維持されている。スケール１２は、紙面に垂直な方向に反射率が周期的に変化するパターンを有している。このパターンは、例えば、ガラス等の透明な基板の表面にアルミニウム等の反射率の高い部材をパターニングすることにより形成されている。
【０００６】
スケール１２はステージ(図示せず)等と連動してセンサーヘッド１４に対して相対的に図３２の紙面に垂直な方向に往復運動し、センサーヘッド１４はこの移動をスケール１２からの反射光の強度変化から検出する。面発光レーザー１６から射出された光ビームはスケール１２により反射され、この反射光が光検出器１８により受光される。スケール１２上のパターンは、その反射率が紙面に垂直な方向に周期的に変化するため、光検出器１８により受光される反射光の強度変化からスケールの変位量を検出することができる。
【０００７】
次に第二の従来技術として、可干渉光源と回折格子スケールを用いたレーザーエンコーダーについて説明する。図３３は、レンズなどの光学部品を必要としない小型・低コストなエンコーダーの一例である、可干渉光源と回折格子スケールを用いたレーザーエンコーダーの構成図である。この可干渉光源と回折格子スケールを用いたレーザーエンコーダーについては例えば、「コパル：ロータリーエンコータカタログ」に記載されている。
【０００８】
このレーザーエンコーダー３０では、図３３に示されるように、可干渉光源である半導体レーザー３２から射出されたレーザービームが、透過型の回折格子スケール３４に照射され、これにより回折干渉パターン３６が光検出器４０の受光面に生成される。
【０００９】
図３３に示されるように、各構成パラメータを以下のように定義する。
【００１０】
ｚ1：光源とスケール上の回折格子の間隔
ｚ2：スケール上の回折格子と光検出器の間隔
ｐ1：スケール上の回折格子のピッチ
ｐ2：光検出器の受光面上の回折干渉パターンのピッチ
なお、「スケール上の回折格子のピッチ」とは、スケール上に形成される光学特性が変調されたパターンの空間的な周期を意味する。また、「光検出器の受光面上の回折パターンのピッチ」とは、受光面上に生成された回折パターンの強度分布の空間的な周期を意味する。
【００１１】
光の回折理論によると、上記のように定義されるｚ1、ｚ2が以下の(１)式に示す関係を満たすような特定の関係にある時、スケール３４の回折格子パターンと相似な強度パターンが光検出器４０の受光面上に生成される。
【００１２】
(１/ｚ1)＋(１/ｚ2)＝λ/ｋｐ1²・・・(１)
ここで、λは光源から射出される光ビームの波長、ｋは自然数である。
【００１３】
このときには、受光面上の回折干渉パターンのピッチｐ2は、他の構成パラメータを用いて以下の(２)式に示すように表すことが出来る。
【００１４】
ｐ2＝ｐ1(ｚ1＋ｚ2)/ｚ1・・・(２)
光源に対してスケールが回折格子のピッチ方向に変位すると、同じ空間周期を保った状態で回折干渉パターンの強度分布がスケールの変位する方向に移動する。
【００１５】
光検出器４０は複数の受光エリア４２を有しており、受光エリア４２はスケール３４の移動方向に平行に空間周期ｐ20で配置されており、その空間周期ｐ20は回折格子スケールのピッチｐ2に等しい。このため、スケール３４がピッチ方向にｐ1だけ移動する毎に、光検出器４０からは周期ｐ2で周期的に変化する強度信号が得られる。これにより、スケール３４のピッチ方向の変位量が検出される。
【００１６】
光学式エンコーダーは高精度、高分解能、非接触式であり、かつ電磁波障害耐性に優れるなどの特徴を有しているため、さまざまな分野で利用されており、特に高精度、高分解能を要するエンコーダーにおいては、光学式が主流となっている。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の光学式エンコーダーは、以下に述べる問題点を有している。
【００１８】
第一の従来例は、光源をスケールに対して傾けて配置するために専用の固定台を用いる必要があり、このため、組立が困難となり、コストの上昇を招いている。また、光源とスケールの距離いわゆるギャップが厳しく調整されている必要があり、さもないと、光検出器の所定の部分にスケールからの反射光が入射しなくなり、信号強度や精度に悪影響が生じてしまう。さらに、センサーヘッドの小型化のために、光源と光検出器の受光エリアを近づけて配置しようとすると、スケールからの反射光ビームが光源である面発光レーザーのチップの端に遮られるなどして受光エリアに届かなくなったりする。また、このような事態を避けるため、光源の取付角度をさらに大きくする必要が生じたりする。結局、小型化、低価格化は難しい。
【００１９】
また、第二の従来例に示すような構成の場合、スリット等高価な光学部品を使用しており、しかも、これらの光学部品を高精度で組み立てる必要があるため、小型化・低価格化は極めて困難である。
【００２０】
また、第一、第二の従来例とも、複数の光学パターンを形成したスケールから情報を読み出す場合、光学パターンの数と同数の光源を用いるか、ビームスプリッタ等を用いてビームを分割する必要があり、小型化、低価格化がいっそう困難である。
【００２１】
本発明は、このような事情を考慮して成されたものであり、小型化と低価格化が実現された光学式エンコーダーを提供することである。より具体的には、光源をスケールに対して傾斜させる必要がなく、スケールとヘッド間のギャップ調整などに厳しい精度が要求されない、光学式エンコーダーを提供することである。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
本発明による光学式エンコーダーは、一面においてはリニアエンコーダーであり、所定周期の光学パターンが形成された可動スケールと、上記光学パターン面に所定形状の光ビームを略垂直に照射する可干渉光源と、上記光学パターンで反射された上記光源からの光ビームを受光して、上記光学パターンによって受光面に生成された回折パターンを検出する光検出手段とを有している。上記可干渉光源から上記光学パターンに至る光ビームの主軸の長さをｚ１、上記光学パターンから上記光検出手段の受光面に至る光ビームの主軸の長さをｚ２、上記光学パターンの所定部分のピッチをｐ１とすると、上記光検出手段の検出ピッチｐ２は、ｐ２＝ｐ１・（ｚ１＋ｚ２）／ｚ１となる。
【００２３】
本発明による光学式エンコーダーは、別の一面においてはロータリーエンコーダーであり、回動の円周方向に所定周期の光学パターンが形成された回動可能なスケールと、上記回動の回動軸上に位置し、上記スケールの回動中心近傍に、放射される光ビームの主軸が略垂直に入射し、上記光学パターン面に所定形状の光ビームを略垂直に照射する可干渉光源と、上記光学パターンを経由した上記可干渉光源からの光ビームを受光して、上記光学パターンによって受光面に生成された回折パターンを検出する光検出手段とを有している。上記スケールの回動中心近傍に略垂直に入射し、上記スケールは、上記光学パターンを所定の半径ｒ１の円周上に有している。上記可干渉光源と上記光学パターンとの間隔をｚ１、上記光学パターン面と上記光検出手段の受光エリアとの間隔をｚ２とすると、上記光検出手段の受光エリアは、半径ｒ２＝ｒ１（ｚ１＋ｚ２）／ｚ１で決められる半径ｒ２を有する円周上の上記所定周期位置に受光エリアを有する受光エリア群により構成されている。上記可干渉光源からの光ビームが照射される部分の、上記光学パターンのピッチをｐ１とすると、上記光検出手段の検出ピッチｐ２は、ｐ２＝ｐ１・（ｚ１＋ｚ２）／ｚ１となる。
【００２７】
【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。
【００２８】
第一の実施の形態は反射型の光学式リニアエンコーダーであり、これについて図１ないし図４を参照しながら説明する。
【００２９】
図１に示されるように、本実施の形態の光学式リニアエンコーダー１００は、移動検出のための光学系を含むエンコーダーヘッド１０２と、エンコーダーヘッド１０２に対して並進移動可能な可動スケール１０４とを備えている。
【００３０】
可動スケール１０４は、光学的に透明な基板たとえばガラス基板１１０の表面に形成された、スケール１０４の移動検出用の第一の光学パターン１１２と、スケール１０４の基準位置検出用の第二の光学パターン１１４とを備えている。
【００３１】
第一の光学パターン１１２は、スケール１０４の移動方向に沿ってスケール１０４のほぼ全体に延びており、スケール１０４の移動方向に沿って一定の周期ｐ1で変化する反射率を有している。第一の光学パターン１１２は、例えば、透明な基板１１０に対して、高い反射率を有する金属等の同じ幅の細長い膜を、一定の間隔(例えばｐ1/２)を置いて成膜して形成される。
【００３２】
第二の光学パターン１１４は、スケール１０４の移動方向に関してスケール１０４の一部の領域のみに存在し、スケール１０４の移動方向に関して集光作用を有している。第二の光学パターン１１４は、例えば、ホログラフィックパターン、例えばシリンドリカル・ホログラムレンズである。
【００３３】
エンコーダーヘッド１０２は、可干渉な光を放射する光源すなわち可干渉光源１２２と、第一の光学パターン１１２からの反射光を検出するための移動検出用の第一の光検出手段あるいは光検出器１２４と、第二の光学パターン１１４からの反射光を検出するための基準位置検出用の第二の光検出手段あるいは光検出器１２６とを備えており、これらは共に基板１２０に保持されている。
【００３４】
例えば、基板１２０は例えば半導体基板であり、第一の光検出器１２４と第二の光検出器１２６は共に半導体基板１２０に形成されている。可干渉光源１２２は例えば単体の面発光レーザーであり、接着等の手段によって平坦な基板１２０に固定されている。つまり、光源１２２と光検出器１２４と１２６は、基板１２０に対してハイブリッドに設けられている。面発光レーザー１２２は平坦な基板１２０に固定されるので、その取り付けは容易に行なえる。
【００３５】
可干渉光源１２２は、好ましくは面発光レーザーであるが、面発光レーザーに限定されるものではなく、端面発光レーザーや発光ダイオード(ＬＥＤ)等であってもよい。しかしながら、面発光レーザーは、レンズ等の光学部品を用いることなく、所望の形状の光ビームを射出させることができるため、小型化という目的にとっては特に好適である。
【００３６】
エンコーダーヘッド１０２と可動スケール１０４は、言い換えれば基板１２０と透明基板１１０は、一定の間隔を置いて互いに平行に配置されている。従って、面発光レーザー１２２から放射される光ビーム１４２は、スケール１０４の表面に実質的に垂直に照射される。すなわち、面発光レーザー１２２から可動スケール１０４に向かう光ビーム１４２の主軸１２８は、可動スケール１０４に実質的に垂直である。
【００３７】
第一の光検出器１２４は、図２に示されるように、複数の受光エリア１３０、別の言い方をすれば、フォトダイオード等の受光素子を備えている。この複数の受光エリア１３０は、第一の受光エリア群１３２と、第二の受光エリア群１３４と、第三の受光エリア群１３６と、第四の受光エリア群１３８とを含んでいる。
【００３８】
同じ受光エリア群に属する受光エリアはｐ2のピッチで並んでおり、従って、隣接する二つの受光エリアはｐ2/４のピッチで並んでいる。より一般的には、同じ受光エリア群の受光エリアはｐ2×ｎ(ｎ＝１，２，３，・・・)のピッチで並んでおり、隣接する二つの受光エリアは(ｐ2/４)×ｍ(ｍ＝１，２，３，・・・)のピッチで並んでいる。
【００３９】
それぞれの受光エリア群の受光エリアは櫛の歯状に並んでおり、それらは他の受光エリア群の受光エリアと互いに噛み合うように配置されている。
【００４０】
同じ受光エリア群の受光エリアは互いに電気的に接続されており、第一の受光エリア群１３２はＡ⁺信号を、第二の受光エリア群１３４はＡ^-信号を、第三の受光エリア群１３６はＢ⁺信号を、第四の受光エリア群１３８はＢ^-信号を出力する。ここにおいて、Ａ^-信号はＡ⁺信号の反転信号すなわち位相が１８０度ずれた信号を意味している。Ｂ^-信号とＢ⁺信号の関係も同様である。
【００４１】
これらの信号は(図示しない)信号処理回路によって処理され、Ａ⁺信号とＡ^-信号の減算によってＡ相信号が生成され、Ｂ⁺信号とＢ^-信号の減算によってＢ相信号が生成される。信号処理回路は、例えば、光検出器１２４や光検出器１２６と同様に、半導体基板１２０に形成されるとよい。
【００４２】
第二の光検出器１２６は、図３に示されるように、単一の受光エリア１４０、別の言い方をすれば、フォトダイオード等の受光素子を備えている。
【００４３】
次に、図１に戻って本実施の形態のリニアエンコーダーの動作について説明する。
【００４４】
面発光レーザー１２２から射出される光ビーム１４２は、可動スケール１０４に垂直に照射され、その表面にビームスポット１４４を形成する。ビームスポット１４４の一部１４４ａは、常に第一の光学パターン１１２を当たっており、そこからの反射光のビームは第一の光検出器１２４を照明し、その受光面に第一の光学パターン１１２によって形成された回折干渉パターン１４６が投影される。この回折干渉パターン１４６は、ピッチｐ2＝ｐ1(ｚ1＋ｚ2)/ｚ1の周期を有する明暗パターンであり、この明暗パターンは、スケール１０４の移動に従って光検出器１２４の受光エリア１３０上をスケール１０４の移動方向と平行に移動する。
【００４５】
前述したように、第一の光検出器１２４は、第一〜第四の受光エリア群を含む複数の受光エリア１３０を備えており、各受光エリア群の出力に基づいて、図４(Ａ)に示されるように、Ａ相信号とＢ相信号が生成される。Ａ相信号とＢ相信号は、それぞれ特定の位置における回折干渉パターン１４６の位相を反映しており、両者は互いに、回折干渉パターン１４６の周期ｐの４分の１の周期、すなわち位相が９０度ずれている。このＡ相信号とＢ相信号から、図４(Ｂ)に示されるように、リサージュ図形が得られる。
【００４６】
Ａ相信号とＢ相信号が正弦波に近似される場合、リサージュ図形は円形となる。図４(Ｂ)の点Ｐは、ある時点における、光検出器１２４に対するスケール１０４の相対的な位置を示しており、スケール１０４の移動に従って、このリサージュ図形の円周上を移動する。さらに、点Ｐの移動の速度と方向は、スケール１０４の移動の速度と方向に依存する。従って、リサージュ図形上の点Ｐの移動速度と移動方向に基づいて、スケール１０４の移動速度と移動方向を検出できる。
【００４７】
また、ビームスポット１４４の別の一部１４４ｂは、スケール１０４が基準位置にあるとき、第二の光学パターン１１４、例えばシリンドリカル・ホログラムレンズに照射される。その反射光のビームは、スケール１０４の移動方向の寸法が絞られて、第二の光検出器１２６を好適に照明するビームスポット１４８を形成する。その結果、第二の光検出器１２６で光が感知され、基準位置信号が検出される。
【００４８】
一方、スケール１０４が基準位置から外れているときは、ビームスポット１４４の別の一部１４４ｂは、第二の光学パターン１１４から外れているため、第二の光検出器１２６で光は感知されず、基準位置信号は検出されない。
【００４９】
このように、リニアエンコーダー１００は、第二の光学パターン１１４と第二の検出器１２６を備えているため、スケール１０４の基準点位置を検出することができる。さらに、シリンドリカル・ホログラムレンズの利用により、スケール１０４の基準位置を高い精度で検出できる。
【００５０】
特に、受光エリア１４０は、より好ましくは、ｐ1(ｚ1＋ｚ2)/ｚ1より狭い幅を有している。ここに、幅はスケール１０４の移動方向に沿う寸法であり、ｚ1は光源１２２からスケール１０４に向かう光ビームの主軸の長さであり、ｚ2は光学パターン１１４から受光エリア１４０に向かう光ビームの主軸の長さである。この場合、この場合には、スケール１０４の基準点位置を、スケール１０４の光学パターン１１２の周期ｐ1以下の感度で検出できる。
【００５１】
面発光レーザー１２２の厚さがｚ1とｚ2に較べて十分小さい場合、ｚ1とｚ2の比は一定となるため、光検出器１２４に投影される回折干渉パターン１４６の周期ｐ2は変化しない。また、光検出器１２４に投影される回折干渉パターン１４６は、ｚ1とｚ2の変化に対して、スケール１０４の移動方向に直交する方向に移動するので、検出される位置精度には全く影響を及ぼさない。
【００５２】
以上の説明から分かるように、本実施の形態のリニアエンコーダーは、面発光レーザー１２２は平坦な基板１２０に取り付けられるので、量産性に優れている。光源１２２からの光ビーム１４２がスケール１０４にほぼ垂直に照射されるので、小型化に適している。また、一つの光源１２２で異なる二つの光学パターン１１２と１２４を照明し、異なるスケール情報を得ているので、小型で高性能である。
【００５３】
本実施の形態は、様々な変形が可能である。基準位置検出のための第２の光学パターン１１４は、シリンドリカル・ホログラムレンズに限定されるものではなく、スケール１０４の移動方向に関して基準位置で光学特性が変化するパターンであればどのようなものでもよい。また、光検出器１２６は単一の受光エリアに限定されるものではなく、並列に配置された複数の受光エリアを備えていてもよい。また、第二の光学パターン１１４に対応する受光エリアパターンを備えていてもよい。
【００５４】
また、ｚ1＝ｚ2とするために、例えば、面発光レーザー１２２を沈下させて配置することで、面発光レーザー１２２の射出面と光検出器１２４の受光面の高さが揃えられてもよい。また、受光エリアの実効的な受光面の高さを上げるために、例えば光学的距離を調整する屈折率部材が光路中に配置されてもよい。
【００５５】
以下、いくつかの変形例について図面を参照しながら説明する。
【００５６】
第一の変形例は、光源の改良に関するものであり、図５に示されるように、両面発光の面発光レーザー１５０を備えている。面発光レーザー１５０は、スケールに向き合う上面から光ビーム１４２を射出すると共に、その反対側の下面から光ビーム１５２を射出する。
【００５７】
基板１２０はレーザー取付部１５４を備えており、レーザー取付部１５４は金属パターンで形成されており、面発光レーザー１５０の下面の電極と電気的に接続される。レーザー取付部１５４は、その中央部分に、面発光レーザー１５０の下面から射出される光ビーム１５２を通過させる開口を有している。
【００５８】
基板１２０は、さらに、レーザー取付部１５４の開口を通過した光ビーム１５２の強度を検出するための受光部１５８を備えている。受光部１５８は入射する光ビーム１５２の強度に応じた信号を出力する。
【００５９】
面発光レーザー１５０では、上面から射出される光ビーム１４２と下面から射出される光ビーム１５２の光強度の比は一定である。従って、受光部１５８からの出力信号に従って、例えば(図示しない)処理回路によって、面発光レーザー１５０の駆動を制御することにより、面発光レーザー１５０の上面から射出される光ビーム１４２の強度を所望の強度に調整することができる。あるいは、温度の変化等による環境の変化に対しても、光ビーム１４２の強度を一定に保つように制御することができる。さらには、所定の上限値を越える強度の光ビームが射出されないように制御することもできる。
【００６０】
このように本変形例のリニアエンコーダーは、別部品の素子や要素を追加することなく、面発光レーザー１５０から射出される光ビーム１４２の強度を制御することができる。
【００６１】
第二の変形例は、スケールの改良に関するものであり、図６に示されるように、スケール１０４は、第一の光学パターン１１２と第二の光学パターン１１４の間を、スケール１０４の移動方向に沿って帯状に延びる細長い低反射あるいは非反射の領域１１６を備えている。別の言い方をすれば、スケール１０４は、光源から射出される光ビームの主軸近傍の部分が照射される部分に、反射率が低い帯状の細長い領域あるいは反射率がほぼ０に等しい領域１１６を備えている。
【００６２】
このような領域１１６は、光源から射出された光ビームが、スケール１０４の主に光学パターン１１２で、希に光学パターン１１４で、反射されて、光源に再入射して光源の出力特性を不安定にするという不所望な現象の発生を防止する。別の言い方をすれば、光源とスケールの間でいわゆる複合共振器が形成されることを防止する。その結果、光源から射出される光ビームが安定化される。
【００６３】
第三の変形例も、スケールの改良に関するものであり、図７に示されるように、スケール１０４は、透明基板１１０の中央部分をスケール１０４の移動方向に平行に延びる帯状の低反射あるいは非反射の領域１１６と、その両側に位置する移動検出のための一対の光学パターン１１２ａ，１１２ｂとを備えており、光学パターン１１２ａ，１１２ｂは、それぞれ、スケール１０４の移動方向に沿ってスケール１０４のほぼ全体に延びており、スケール１０４の移動方向に沿って一定の周期で変化する反射率を有している。
【００６４】
また、エンコーダーヘッド１０２は、このスケール１０４に応じて、図８に示されるように、それぞれの光学パターン１１２ａ，１１２ｂからの反射光を検出するための一対の光検出器１２４ａ，１２４ｂを備えている。光検出器１２４ａ，１２４ｂの各々は、図２に示される光検出器１２４と同様に、第一〜第四の受光エリア群を含む複数の受光エリアを備えている。
【００６５】
本変形例では、スケール１０４が低反射あるいは非反射の領域１１６を備えているので、光源とスケールの間で複合共振器が形成されることが防止され、その結果、光源から射出される光ビームの安定化が図られる。また、図１の構成と比較して、約二倍の光量の回折干渉パターンを検出するため、ゴミやほこり、スケールの傷や欠陥などに対して強い耐性を有している。
【００６６】
第四の変形例も、スケールの改良に関するものであり、図９に示されるように、スケール１０４は、透明基板１１０の中央部分をスケール１０４の移動方向に平行に延びる帯状の低反射あるいは非反射の領域１１６と、その両側に位置する一対の移動検出用の光学パターン１１２ａ，１１２ｂと、さらにその両外側に位置する一対の基準位置検出用の光学パターン１１４ａ，１１４ｂとを備えている。光学パターン１１２ａ，１１２ｂは、それぞれ、スケール１０４の移動方向に沿ってスケール１０４のほぼ全体に延びており、スケール１０４の移動方向に沿って一定の周期で変化する反射率を有している。光学パターン１１４ａ，１１４ｂは、それぞれ、スケール１０４の移動方向に関してスケール１０４の一部の領域のみに存在し、スケール１０４の移動方向に関して光を集光させる機能を有している。
【００６７】
また、エンコーダーヘッド１０２は、このスケール１０４に応じて、図１０に示されるように、それぞれの光学パターン１１２ａ，１１２ｂからの反射光を検出するための一対の光検出器１２４ａ，１２４ｂと、それぞれの光学パターン１１４ａ，１１４ｂからの反射光を検出するための一対の光検出器１２６ａ，１２６ｂとを備えている。光検出器１２４ａ，１２４ｂの各々は、図２に示される光検出器１２４と同様に、第一〜第四の受光エリア群を含む複数の受光エリアを備えている。また、光検出器１２６ａ，１２６ｂの各々は、図８に示される光検出器１２６と同様に、単一の受光エリアを備えている。
【００６８】
本変形例では、スケール１０４が低反射あるいは非反射の領域１１６を備えているので、光源とスケールの間で複合共振器が形成されることが防止され、その結果、光源から射出される光ビームの安定化が図られる。また、強い光で照明されることが望ましい移動検出用の光学パターン１１２ａ，１１２ｂに、光ビームの強度の比較的強い部分が照射され、特に強い光で照明される必要のない基準位置検出用の光学パターン１１４ａ，１１４ｂに、光ビームの強度の比較的弱い部分が照射されるので、高精度と高機能を両立させている。
【００６９】
第五の変形例は、光検出器に関するものであり、図１１に示されるように、移動検出用の光検出器１２４は、第一の受光エリア群１３２と第二の受光エリア群１３４を含む受光エリア群１３０Ａと、第三の受光エリア群１３６と第四の受光エリア群１３８を含む受光エリア群１３０Ｂとを有している。第一の受光エリア群１３２の受光エリアと第二の受光エリア群１３４の受光エリアはｐ2/２のピッチで交互に並んでいる。同様に、第三の受光エリア群１３６の受光エリアと第四の受光エリア群１３８の受光エリアもｐ2/２のピッチで交互に並んでいる。受光エリア群１３０Ａと受光エリア群１３０Ｂの隣接する二つの受光エリアは、ｐ2/４＋ｐ2×ｎ(ｎは自然数)の間隔を有している。
【００７０】
この光検出器は、隣接する受光エリアのピッチがｐ2/２であるので、ピッチがｐ2/４である図２に示される光検出器に比べて、容易に製造することができる。また、一つ一つの受光エリアの面積を大きく取ることができので、スケールの移動検出のＳ/Ｎが向上される。また、非常に小さいピッチｐ2の要求に対して、図２に示される光検出器では、製造が難しくなったり、コストの相当な上昇を招いたりすることが予想されるが、図１１に示される光検出器は、同じ要求に対しても、比較的容易に製造することができる。
【００７１】
第六の変形例は、スケールに関するものであり、図１２に示されるように、スケール１０４は、スケール１０４の移動方向に沿ってスケール１０４のほぼ全体に延びている移動検出用の光学パターン１１２と、スケール１０４の移動方向に関して一部の領域に存在している基準位置検出用の光学パターン１１８とを備えている。光学パターン１１２は、既に説明したように、スケール１０４の移動方向に沿って一定の周期で変化する反射率を有している。光学パターン１１８は、これに照射された光を反射し一点に集光する機能を有しており、ホログラフィックパターン、例えばホログラムレンズで構成されている。
【００７２】
本変形例では、基準位置検出用の光学パターン１１８で反射された光のビームが一点に集光されるので、エンコーダーヘッドとスケールの平行度が多少落ちても、基準位置検出のための光ビームは、スケールが基準位置にある場合には、基準位置検出用の光検出器に安定に照射される。つまり、スケールが基準位置にあるときに基準位置検出用の光検出器の受光面上に形成される小径のほぼ円形のビームスポットは、エンコーダーヘッドとスケールの平行度の低下に対して、その細長い受光面上をその長手方向に沿って移動するだけであるので、基準位置検出用の光検出器に常に十分な量の光が照射される。これは、エンコーダーヘッドとスケールに要求される平行度を緩和し、その取付や組み立てを容易にしたり、あるいはその適用範囲を拡大したりする。
【００７３】
第二の実施の形態
図１３に示されるように、第二の実施の形態の光学式リニアエンコーダー１００は、移動検出のための光学系を含むエンコーダーヘッド１０２と、エンコーダーヘッド１０２に対して並進移動可能な可動スケール１０４とを備えている。
【００７４】
可動スケール１０４は、光学的に透明な基板たとえばガラス基板１６０の表面に形成された、スケール１０４の移動検出用の光学パターン１６２を備えている。光学パターン１６２は、スケール１０４のほぼ全面に広がっており、スケール１０４の移動方向に沿って一定の周期で変化する反射率を有している。
【００７５】
エンコーダーヘッド１０２は、可干渉な光を放射する可干渉光源１７２と、光学パターン１６２からの反射光を検出するための光検出手段あるいは光検出器１２４とを備えており、これらは共に基板１７０に保持されている。可干渉光源１７２は例えば面発光レーザーで、接着等の手段によって基板１７０に固定されている。
【００７６】
基板１７０は例えば半導体基板であり、光検出器１７４は半導体基板１７０に形成されている。光検出器１７４は、面発光レーザー１７２を取り囲んで基板１７０のほぼ全面に広がっている複数の受光エリアを有しており、受光エリアは、スケール１０４の移動方向に沿って一定のピッチで並んでいる。なお、光源の周囲の受光エリアが形成されていない領域は、スケールの移動方向に沿って、Ｗspace＝ｐ2×ｎ(ｎ＝１，２，３，・・・)の長さを有していることが望ましい。
【００７７】
このように、移動検出用の光学パターン１６２がスケール１０４のほぼ全面に形成されており、また、移動検出用の光検出器１７４もエンコーダーヘッド１０２のほぼ全面に形成されているので、スケール１０４で形成される回折干渉パターンを広範囲に渡って検出するので、このリニアエンコーダー１００は、スケール１０４へのごみやほこりの付着や光学パターン１６２の乱れや傷などに対して高い耐性を有している。
【００７８】
さらに、リニアエンコーダー１００は、面発光レーザー１７２から射出される光ビームの主軸上に、光ビームの偏光面あるいは偏波面を４５度回転させる１/４波長板１７６を備えている。１/４波長板１７６は、面発光レーザー１７２から射出される光ビームの主軸上のどこに配置されてもよい。例えば、１/４波長板１７６は、面発光レーザー１７２の射出窓に取り付けられる。
【００７９】
面発光レーザー１７２への再入射光は、すなわち、面発光レーザー１７２から射出され、スケール１０４の光学パターン１６２で反射され、面発光レーザー１７２に戻る光は、１/４波長板１７６を二回通過しているため、面発光レーザー１７２から射出された直後の光の偏光面あるいは偏波面に対して、９０度回転した偏光面あるいは偏波面を有している。このため、この再入射光は、射出直後の光と干渉することがなく、面発光レーザー１７２の射出光に影響を与えない。従って、面発光レーザー１７２からは、安定した光ビームが射出される。
【００８０】
１/４波長板１７６は、スケール１０４の表面に設けれられてもよい。この場合、面発光レーザー１７２への戻り光の対策が成されていないエンコーダーにおいて、そのスケールを、１/４波長板１７６を備えたものに交換することによって、エンコーダーヘッドをそのまま流用しながらも、面発光レーザー１７２への戻り光の問題を解決することができる。
【００８１】
第三の実施の形態
図１４に示されるように、第三の実施の形態の光学式リニアエンコーダー１００は、移動検出のための光学系を含むエンコーダーヘッド１０２と、エンコーダーヘッド１０２に対して並進移動可能な可動スケール１０４とを備えている。
【００８２】
可動スケール１０４は、スケール１０４の移動検出用の光学パターン２０２と、スケール１０４の基準位置検出用の一対の光学パターン２０４と、光源の出力モニター用の一対の光学パターン２０６とを備えており、これらの光学パターンは共に、光学的に透明な基板２００の表面に形成されている。出力モニター用の一対の光学パターン２０６は、基準位置検出用の一対の光学パターン２０４の両外側に配置されている。
【００８３】
移動検出用の光学パターン２０２は、スケール１０４の移動方向に沿って延びており、スケール１０４の移動方向に沿って一定の周期で変化する反射率を有している。基準位置検出用の光学パターン２０４は、スケール１０４の移動方向に関して一部の領域に存在しており、スケール１０４の移動方向に関して光を集光させる機能を有している。出力モニター用の光学パターン２０６は、高い反射率を有しており、スケール１０４の移動方向に沿って延びている。
【００８４】
エンコーダーヘッド１０２は、移動検出用の光学パターン２０２に可干渉な光ビームを照射するための第一の光源２１２と、基準位置検出用の光学パターン２０４と出力モニター用の光学パターン２０６に光ビームを照射するための第二の光源２１４と、移動検出用の光学パターン２０２からの反射光を検出するための光検出手段あるいは光検出器２１６と、基準位置検出用の光学パターン２０４からの反射光を検出するための一対の光検出手段あるいは光検出器２１８と、出力モニター用の光学パターン２０６からの反射光を検出するための一対の光検出手段あるいは光検出器２２０とを備えている。これらの素子は共に基板２１０に保持されている。
【００８５】
第一の光源２１２と第二の光源２１４は例えば共に同じ面発光レーザーであり、これらは共に接着等の手段によって基板２１０に固定されている。基板２１０は例えば半導体基板であり、光検出器２１６，２１８，２２０は半導体プロセスによって半導体基板２１０に形成されている。
【００８６】
移動検出用の光検出器２１６は、スケール１０４の移動方向に沿って一定のピッチで並んでいる複数の受光エリアを有しており、これらの受光エリアは面発光レーザー２１２を取り囲んで広がっている。基準位置検出用の一対の光検出器２１８は、それぞれ、スケール１０４の移動方向に直交する方向に細長い単一の受光エリアを備えており、これら一対の受光エリアは、スケール１０４の移動方向に直交する方向に関して、面発光レーザー２１４の両側に配置されている。出力モニター用の一対の光検出器２２０は、それぞれ、比較的大きな四角形の単一の受光エリアを備えており、これら一対の受光エリアは、スケール１０４の移動方向に直交する方向に関して、基準位置検出用の一対の光検出器２１８の両外側に配置されている。
【００８７】
面発光レーザー２１２から射出された光ビームは、スケール１０４の移動検出用の光学パターン２０２に照射され、光学パターン２０２によって形成された回折干渉パターンは、移動検出用の光検出器２１６に照射される。この回折干渉パターンは、面発光レーザー２１２から射出された光ビームの主軸を含まない所定領域の全部によって形成されており、その殆どの部分が移動検出用の光検出器２１６によって検出されるので、このリニアエンコーダー１００は、スケール１０４へのごみやほこりの付着や光学パターン２０２の乱れや傷などに対して高い耐性を有している。
【００８８】
面発光レーザー２１２から射出された光ビームは、その一部は常に出力モニター用の光学パターン２０６に照射され、また、他の一部は、スケール１０４が基準位置にあるときに、スケール１０４の基準位置検出用の光学パターン２０４に照射される。
【００８９】
出力モニター用の光学パターン２０６で反射された光は、出力モニター用の光検出器２２０に照射され、光検出器２２０からは、面発光レーザー２１４の出力を反映する信号が出力される。光検出器２２０からの信号に従って面発光レーザー２１４の駆動を制御することにより、面発光レーザー２１２から射出される光ビームの安定化が図られる。
【００９０】
また、スケール１０４が基準位置にあるときに基準位置用の光学パターン２０４で反射される光は、スケール１０４の移動方向に平行な方向の寸法が絞られて、基準位置検出の光検出器２１８に照射され、光検出器２１８の出力に従って、スケール１０４が基準位置にあることが検出される。
【００９１】
第四の実施の形態
図１５に示されるように、第四の実施の形態の光学式リニアエンコーダー１００は、移動検出のための光学系を含むエンコーダーヘッド１０２と、エンコーダーヘッド１０２に対して並進移動可能な可動スケール１０４とを備えている。
【００９２】
図１６に示されるように、可動スケール１０４は、光学的に透明な基板２４０の表面に形成された、移動検出用の光学パターン２４２と、これと同じ構造の光学パターン２４４と、基準位置検出用の光学パターン２４６とを備えている。これらの光学パターン２４２，２４４，２４６は、スケール１０４の移動方向に沿って並んでおり、光学パターン２４６は光学パターン２４２と光学パターン２４４の間に位置している。
【００９３】
光学パターン２４２は、スケール１０４の移動方向に沿って一定の周期ｐ1で変化する反射率を有している。光学パターン２４６は、スケール１０４の移動方向に関して光を集光させる機能を有しており、例えば、シリンドリカル・ホログラムレンズ等のホログラフィックパターンである。
【００９４】
図１５に示されるように、エンコーダーヘッド１０２は、可干渉な光を放射する光源２５２と、スケール１０４の移動検出用の光検出手段あるいは光検出器２５４と、スケール１０４の基準位置検出用の光検出手段あるいは光検出器２５６とを備えている。光源２５２と光検出器２５４と光検出器２５６は、スケール１０４の移動方向に沿って並んでおり、光源２５２は光検出器２５４と光検出器２５６の間に位置している。
【００９５】
例えば、可干渉光源２５２は単体の面発光レーザーであり、光検出器２５４と光検出器２５６は半導体基板２５０に一体に形成されており、面発光レーザー２５２は接着等によって半導体基板２５０に固定されている。つまり、光源２５２と光検出器２５４と光検出器２５６は基板２５０にハイブリッドに設けられている。
【００９６】
光検出器２５４は、スケール１０４の移動方向に直交する方向に細長い複数の受光エリアを備えており、これらの受光エリアは、スケール１０４の移動方向に沿って、光学パターン２４２の周期ｐ1の約二倍に等しい一定のピッチｐ2で並んでいる。また、光検出器２５６は、スケール１０４の移動方向に直交する方向に細長い単一の受光エリアを備えている。
【００９７】
面発光レーザー２５２から射出された光ビームは、スケール１０４に照射され、移動検出用の光学パターン２４２によって形成された回折干渉パターンは、移動検出用の光検出器２５４に投影される。また、スケール１０４が基準位置にあるとき、基準位置検出用の光学パターン２４６によって反射された光のビームは、スケール１０４の移動方向の寸法が絞られて、基準位置検出用の光検出器２５６に照射される。なお、光学パターン２４４は、移動検出用の光学パターン２４２と同じ構造を有しているが、スケール１０４の移動検出には利用されないが、スケール１０４の移動し過ぎ等の検出に利用される。
【００９８】
移動検出用の光検出器２５４は、図２に示される光検出器１２４と同様に、第一〜第四の受光エリア群を含む複数の受光エリアを備えている。従って、各受光エリア群の出力に基づいてＡ相信号とＢ相信号を得ることができ、これに基づいてスケール１０４の移動を検出することができる。
【００９９】
本実施の形態では、エンコーダーヘッド１０２は、単体の面発光レーザー２５２が、光検出器２５４と光検出器２５６が一体に形成された半導体基板２５０に取り付けられたハイブリッド構成であるが、エンコーダーヘッド１０２の構成はこれに限定されない。
【０１００】
例えば、エンコーダーヘッド１０２は、図１７に示されるように、面発光レーザー２５２と光検出器２５４と光検出器２５６が共に半導体製造プロセスによって半導体基板２５０に一体に集積されたモノリシック構成であってもよい。あるいは、エンコーダーヘッド１０２は、図１８に示されるように、単体の面発光レーザー２５２と単体の光検出器２５４と単体の光検出器２５６とが共に基板２５０に取り付けられたハイブリッド構成であってもよい。
【０１０１】
これまで述べてきた第一〜第四の実施の形態において、スケール１０４の光学パターンは様々に変形されてもよい。スケール１０４の光学パターンの変形例を図１９〜図２２に示す。もちろん、これらの変形例の光学パターンの適用においては、光学パターンのレイアウトに応じて、エンコーダーヘッド１０２の光検出手段あるいは光検出器のレイアウトも変更されるべきである。また、図１９〜図２０に示されるスケール１０４の適用においては、エンコーダーヘッド１０２は、光源からの射出光と光源への戻り光の干渉を防止するための１/４波長板を備えているとよい。
【０１０２】
図１９に示されるスケール１０４は、移動検出用の光学パターン２６２と基準位置検出用の光学パターン２６４と出力モニター用の光学パターン２６６とを備えており、これらの光学パターンは共に透明基板２６０に形成されている。移動検出用の光学パターン２６２は、スケール１０４の移動方向に沿って延びており、スケール１０４の移動方向に沿って一定の周期で変化する反射率を有している。基準位置検出用の光学パターン２６４は、スケール１０４の移動方向に関して一部の領域に存在しており、スケール１０４の移動方向に関して光を集光させる機能を有している。出力モニター用の光学パターン２０６は、一定の高い反射率を有しており、スケール１０４の移動方向に沿って帯状に延びている。移動検出用の光学パターン２６２はスケール１０４のほぼ半面に広がっており、移動検出用の光学パターン２６２と基準位置検出用の光学パターン２６４と出力モニター用の光学パターン２０６は、スケール１０４の移動方向に直交する方向に並んでいる。
【０１０３】
図２０に示されるスケール１０４は、移動検出用の光学パターン２６２と出力モニター用の光学パターン２６６とを備えている。移動検出用の光学パターン２６２は、スケール１０４の移動方向に沿って延びており、スケール１０４の移動方向に沿って一定の周期で変化する反射率を有している。出力モニター用の光学パターン２０６は、一定の高い反射率を有しており、スケール１０４の移動方向に沿って帯状に延びている。移動検出用の光学パターン２６２はスケール１０４のほぼ半面に広がっており、出力モニター用の光学パターン２０６はスケール１０４の残りの半面のほぼ全体に広がっている。
【０１０４】
図２１に示されるスケール１０４は、移動検出用の光学パターン２６２と基準位置検出用の一対の光学パターン２６４とを備えている。移動検出用の光学パターン２６２は、スケール１０４の移動方向に沿って延びており、スケール１０４の移動方向に沿って一定の周期で変化する反射率を有している。基準位置検出用の光学パターン２６４は、スケール１０４の移動方向に関して一部の領域に存在しており、スケール１０４の移動方向に関して光を集光させる機能を有している。移動検出用の光学パターン２６２はスケール１０４の中央部に広がっており、基準位置検出用の光学パターン２６４はスケール１０４の両側に位置している。
【０１０５】
図２２に示されるスケール１０４は、移動検出用の光学パターン２６２と出力モニター用の光学パターン２６６とを備えている。移動検出用の光学パターン２６２は、スケール１０４の移動方向に沿って延びており、スケール１０４の移動方向に沿って一定の周期で変化する反射率を有している。出力モニター用の光学パターン２０６は、一定の高い反射率を有しており、スケール１０４の移動方向に沿って帯状に延びている。移動検出用の光学パターン２６２はスケール１０４の中央部に広がっており、出力モニター用の光学パターン２０６はスケール１０４の両側に位置している。
【０１０６】
また、移動検出用の光検出器も様々に変形されてよい。移動検出用の光検出器の変形例を図２３〜図２５に示す。
【０１０７】
図２３に示される移動検出用の光検出器２８０は、二種類の受光エリア群すなわち第一の受光エリア群２８２と第二の受光エリア群２８４を備えている。第一の受光エリア群２８２と第二の受光エリア群２８４はスケールの移動方向に沿って交互に並んでいる。第一の受光エリア群２８２と第二の受光エリア群２８４の各々は、それぞれ、一定のピッチｐ2で並ぶ四つの受光エリアを有している。第一の受光エリア群２８２と第二の受光エリア群２８４の隣接する二つの受光エリアは、ｐ2/４×ｎ(ｎは自然数)の間隔を有している。
【０１０８】
図２４に示される移動検出用の光検出器２８０は、四種類の受光エリア群すなわち第一の受光エリア群２８２と第二の受光エリア群２８４と第三の受光エリア群２８６と第四の受光エリア群２８８を備えている。第一の受光エリア群２８２と第二の受光エリア群２８４と第三の受光エリア群２８６と第四の受光エリア群２８８はスケールの移動方向に沿って交互に並んでいる。第一の受光エリア群２８２と第二の受光エリア群２８４と第三の受光エリア群２８６と第四の受光エリア群２８８の各々は、それぞれ、一定のピッチｐ2で並ぶ四つの受光エリアを有している。隣接する二つの受光エリア群の隣接する二つの受光エリアは、ｐ2/４×ｎ(ｎは自然数)の間隔を有している。
【０１０９】
図２５に示される移動検出用の光検出器２８０は、三種類の受光エリア群すなわち第一の受光エリア群２８２と第二の受光エリア群２８４と第三の受光エリア群２８６と、三種類の受光エリア群で得られる信号から四相の信号を作り出す信号処理回路２９０とを備えている。第一の受光エリア群２８２と第二の受光エリア群２８４と第三の受光エリア群２８６はスケールの移動方向に沿って交互に並んでいる。第一の受光エリア群２８２と第二の受光エリア群２８４と第三の受光エリア群２８６の各々は、それぞれ、一定のピッチｐ2で並ぶ四つの受光エリアを有している。隣接する二つの受光エリア群の隣接する二つの受光エリアは、ｐ2/４×ｎ(ｎは自然数)の間隔を有している。
【０１１０】
上述した第一〜第四の実施の形態は、いずれも反射型のリニアエンコーダーであるが、本発明の適用先はこれに限定されるものではなく、透過型のリニアエンコーダーに適用されてもよい。
【０１１１】
第五の実施の形態
第五の実施の形態は反射型の光学式ロータリーエンコーダーであり、これについて図２６ないし図３０を参照しながら説明する。
【０１１２】
図２６に示されるように、本実施の形態の光学式ロータリーエンコーダー３００は、移動検出のための光学系を含むエンコーダーヘッド３０２と、エンコーダーヘッド３０２に対して回転可能あるいは回動可能なロータリースケール３０４とを備えている。
【０１１３】
ロータリースケール３０４は、円形の光学的に透明な基板３１０の表面に形成された、スケール３０４の回転検出用の光学パターンあるいは回折格子パターン３１２を備えている。この回折格子パターン３１２は、図２７に示されるように、放射状に配置された多数の扇形の反射部を有しており、反射部は、それと同じ大きさの扇形の隙間を置いて並んでいる。言い換えれば、同じ大きさの扇形の反射部と非反射部が円周に沿って交互に配置されており、反射部の面積と非反射部の面積の比は１：１である。
【０１１４】
また、ロータリースケール３０４は、図２７に示されるように、透明基板３１０の中央部分すなわち回転中心近傍に、低反射領域３１４を備えている。別の言い方をすれば、スケール３０４は、光源から射出される光ビームの主軸近傍の部分が照射される部分に、反射率が低い領域あるいは反射率がほぼ０に等しい領域３１４を備えている。
【０１１５】
エンコーダーヘッド３０２は、可干渉な光を放射する光源すなわち可干渉光源３２２と、スケールの回転検出用の光検出手段あるいは光検出器３２４とを備えている。光検出器３２４は、複数の受光エリア３３０、別の言い方をすれば、フォトダイオード等の受光素子を備えている。これらの受光エリア３３０は、光源３２２を中心とする円周上に、一定の角度ピッチで並んでいる。
【０１１６】
例えば、可干渉光源３２２は例えば単体の面発光レーザーであり、光検出器３２４が半導体製造プロセスによって一体に形成された半導体基板３２０に、接着等の手段によって基板３２０に固定されている。つまり、光源３２２と光検出器３２４と３２６は、基板３２０に対してハイブリッドに設けられている。面発光レーザー３２２は平坦な基板３２０に固定されるので、その取り付けは容易に行なえる。
【０１１７】
エンコーダーヘッド３０２とロータリースケール３０４は、ロータリースケール３０４の回転軸とエンコーダーヘッド３０２から射出される光ビームの主軸３２８とがほぼ一致するように、一定の間隔を置いて互いに平行に配置されている。従って、面発光レーザー３２２から放射される光ビームは、スケール３０４の表面に実質的に垂直に照射される。すなわち、面発光レーザー３２２から射出される光ビームの主軸３２８は、ロータリースケール３０４に実質的に垂直である。
【０１１８】
エンコーダーヘッド３０２は、好ましくは、図５に示される構成が適用されている。すなわち、面発光レーザー３２２は、両面発光の面発光レーザーであり、エンコーダーヘッド３０２は、面発光レーザー３２２の下面から射出される光ビームを検出する受光部を更に備えており、この受光部からの出力に従って(図示しない)処理回路によって面発光レーザーから射出される光ビームの強度が制御される。
【０１１９】
また、ロータリースケール３０４の表面において、半径ｒ1の円周３４２上に入射する光は、エンコーダーヘッド３０２の表面において、半径ｒ2の円周３４４上に照射される。ここに、半径ｒ1と半径ｒ2は、ｒ2＝ｒ1(ｚ1＋ｚ2)/ｚ1の関係を満たしており、ｚ1は面発光レーザー３２２とスケール３０４の間隔、ｚ2はスケール３０４と光検出器３２４の間隔である。
【０１２０】
エンコーダーヘッド３０２上の受光エリア３３０は、面発光レーザー３２２を略中心として、半径方向に比較的長い寸法を有している。好ましくは、光検出器３２４の受光エリア３３０は、ロータリースケール３０４回転中心から回折格子パターン３１２の内側までの距離ｒminと外側までの距離ｒmaxに対して、面発光レーザー３２２から、ｒmin(ｚ1＋ｚ2)/ｚ1とｒmax(ｚ1＋ｚ2)/ｚ1の間に延びている。このような受光エリア３３０は、回折格子パターン３１２に入射する任意の光を検出し得る。受光エリア３３０は、この範囲を越えて延びていると更に好ましく、ｚ１(＝ｚ２)が広がった場合でも回折格子パターン３１２に入射する任意の光を検出し得る。
【０１２１】
面発光レーザー３２２から射出された所定の広がりを有する光ビームは、ロータリースケール３０４に垂直に照射される。この光ビームの主軸近傍の一部は、ロータリースケール３０４の中心付近に形成された低反射領域３１４を照明し、その外側の一部は、低反射領域３１４の外側に位置する光学パターン３１２を照明する。
【０１２２】
低反射領域３１４を照明する部分の光ビームは、これによって吸収されるため、ほとんど面発光レーザー３２２に戻らない。その結果、面発光レーザー３２２から射出された光ビームがロータリースケール３０４の表面で反射されて面発光レーザー３２２に再入射することにより、光源の出力特性が不安定になるという不所望な現象の発生が防止される。別の言い方をすれば、面発光レーザー３２２とスケール３０４の間でいわゆる複合共振器が形成されることが防止される。その結果、面発光レーザー３２２から射出される光ビームが安定化される。
【０１２３】
前述したように、ロータリースケール３０４の回折格子パターン３１２は、図２７に示されるように、放射状に配置された多数の扇形の反射部を有しているため、回折格子パターン３１２のピッチは、ロータリースケール３０４の半径方向で異なっている。つまり、回折格子パターン３１２上の任意の半径の円周上において、反射部と非反射部は同数であるため、回折格子パターンのピッチｐ1は、ロータリースケール３０４の半径方向に連続的に変化している。
【０１２４】
従って、光学パターン３１２を照明する部分の光ビームは、光学パターン３１２によって反射回折され、ピッチｐ1が式(１)をほぼ満足する範囲によって形成された回折干渉パターンが、光検出器３２４上に投影される。この回折干渉パターンは、放射状に延びる干渉縞を有している。言い換えれば、回折干渉パターンは、円周に沿って明暗パターンを有している。明暗パターンは、ロータリースケール３０４の回転に対応して回転する。
【０１２５】
図２６において、面発光レーザー３２２の厚さが、面発光レーザー３２２とスケール３０４の間隔ｚ1、スケール３０４と光検出器３２４の間隔ｚ2に対して十分に小さいとすると、ｚ1＝ｚ2と近似できるため、式(２)よりｐ2＝２ｐ1となり、エンコーダーヘッド３０２の受光面に投影される明暗パターンは、ロータリースケール３０４の回折格子パターンのピッチｐ1の約二倍のピッチｐ2を有する。
【０１２６】
エンコーダーヘッド３０２のいくつかの例が図２８〜図３０に示される。いずれのエンコーダーヘッド３０２も、受光エリア３３０は、第一の受光エリア群３３２と第二の受光エリア群３３４と第三の受光エリア群３３６と第四の受光エリア群３３８とを含んでおり、同じ受光エリア群の受光エリアは互いに電気的に接続されており、第一の受光エリア群３３２はＡ⁺信号を、第二の受光エリア群３３４はＡ^-信号を、第三の受光エリア群３３６はＢ⁺信号を、第四の受光エリア群３３８はＢ^-信号を出力する。
【０１２７】
これらの信号は(図示しない)信号処理回路によって処理され、Ａ⁺信号とＡ^-信号の減算によってＡ相信号が生成され、Ｂ⁺信号とＢ^-信号の減算によってＢ相信号が生成される。信号処理回路は、例えば、光検出器３２４と同様に、半導体基板３２０に形成されるとよい。さらに、Ａ相信号とＢ相信号から得られるサージュ図形に基づいて、スケールの回転量と回転方向が精度良く求められる。
【０１２８】
図２８に示されるエンコーダーヘッド３０２では、第一の受光エリア群３３２と第二の受光エリア群３３４と第三の受光エリア群３３６と第四の受光エリア群３３８に含まれる受光エリアが、それぞれ円周上に順番に配列されている。このレイアウトによれば、Ａ⁺信号とＡ^-信号とＢ⁺信号とＢ^-信号のいずれも全周にわたって検出されるため、外光がある場合や、スケール３０４の回折格子に欠陥や傷等があったり反射率等が不均一であったりする場合でも、安定した信号を検出できる。
【０１２９】
図２９に示されるエンコーダーヘッド３０２では、同じ受光エリア群に属する受光エリアが隣接して配置されている。このレイアウトによれば、光検出器を小型化したり、電気配線を最小化したりすることができる。また、受光エリアの大きさを理想的とすることができ、信号強度等を十分に取ることができる。
【０１３０】
図３０に示されるエンコーダーヘッド３０２では、同じ受光エリア群が更に三つの小群に分けられており、第一〜第四の受光エリア群の各小群が円周に沿って順番に配置されている。つまり、受光エリア群の小群がほぼ１２０度の角度間隔で配置されている。このレイアウトによれば、電気配線を複雑にすることなく、スケール３０４の回折格子の欠陥や傷、反射率等の不均一による影響を最小限とすることができる。
【０１３１】
本実施の形態においては、受検出器は、回折干渉パターンの四つの異なる位相を検出しているが、必要に応じて、一つのみの位相、あるいは、二つまたは三つの異なる位相を検出してもよく、また、それ以上の位相を検出してもよい。
【０１３２】
本実施の形態によれば、傷やごみ等の影響も受け難く、スケールと光源または光検出器の距離の調整も容易で、組み立て等に高価な部品や特殊な組み立てを必要としない、超小型高性能なロータリーエンコーダーが提供される。
【０１３３】
第六の実施の形態
第六の実施の形態は反射型の光学式ロータリーエンコーダーであり、これについて図３１を参照しながら説明する。第六の実施の形態は、第五の実施の形態に類似しており、同じ参照符号で示される部材は同等の部材を意味し、その詳しい記述は以下の説明では省略する。
【０１３４】
図３１に示されるように、本実施の形態の光学式ロータリーエンコーダー３００は、移動検出のための光学系を含むエンコーダーヘッド３０２と、エンコーダーヘッド３０２に対して回転可能あるいは回動可能なロータリースケール３０４とを備えている。
【０１３５】
ロータリースケール３０４は、円形の光学的に透明な基板３１０の表面に形成された、スケール３０４の回転検出用の光学パターンあるいは回折格子パターン３１２を備えている。本実施の形態のロータリースケール３０４は、第五の実施の形態のロータリースケールとは異なり、図２７に示されるような低反射領域３１４を回転中心近傍に備えていない。
【０１３６】
エンコーダーヘッド３０２は、可干渉な光を放射する光源すなわち可干渉光源３２２と、スケールの回転検出用の光検出手段あるいは光検出器３２４とを備えている。光検出器３２４は、光源３２２を中心とする円周上に、一定の角度ピッチで並んでいる複数の受光エリア３３０を備えている。
【０１３７】
例えば、可干渉光源３２２は例えば片面発光の単体の面発光レーザーであり、光検出器３２４が半導体製造プロセスによって一体に形成された半導体基板３２０に、接着等の手段によって基板３２０に固定されている。
【０１３８】
エンコーダーヘッド３０２とロータリースケール３０４は、ロータリースケール３０４の回転軸とエンコーダーヘッド３０２から射出される光ビームの主軸３２８とがほぼ一致するように、一定の間隔を置いて互いに平行に配置されている。
【０１３９】
ロータリーエンコーダー３００は、さらに、面発光レーザー３２２から射出される光ビームの主軸上に、光ビームの偏光面あるいは偏波面を４５度回転させる１/４波長板３４０を備えている。１/４波長板３４０は、面発光レーザー３２２から射出される光ビームの主軸上のどこに配置されてもよい。１/４波長板３４０は、例えば、面発光レーザー３２２の射出窓に取り付けられる。
【０１４０】
面発光レーザー３２２への再入射光は、１/４波長板３４０を二回通過しているため、面発光レーザー３２２から射出された直後の光の偏光面あるいは偏波面に対して、９０度回転した偏光面あるいは偏波面を有している。このため、この再入射光は、射出直後の光と干渉することがなく、面発光レーザー３２２の射出光に影響を与えない。従って、面発光レーザー３２２からは、安定した光ビームが射出される。
【０１４１】
１/４波長板３４０は、スケール３０４の表面に設けれられてもよい。この場合、面発光レーザー３２２への戻り光の対策が成されていないエンコーダーにおいて、そのスケールを、１/４波長板３４０を備えたものに交換することによって、エンコーダーヘッドをそのまま流用しながらも、面発光レーザーへの戻り光の問題を解決することができる。
【０１４２】
本実施の形態によれば、エンコーダーヘッドのサイズや性能に影響を与えることなく、戻り光の影響を受けない安定な光源を有する光学式ロータリーエンコーダーが提供される。
【０１４３】
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。
【０２００】
【発明の効果】
本発明によれば、光源が光検出器と共にスケールに対して平行に配置された光学式エンコーダーが提供される。これにより、光源と光検出器を互いに近づけて配置できると共にその組み立ても容易に行なえる。結局、低価格で小型の光学式エンコーダーが提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施の形態の光学式リニアエンコーダーの概略的な構成を示す斜視図である。
【図２】図１に示される移動検出用の光検出器の平面図である。
【図３】図１に示される基準位置検出用の光検出器の平面図である。
【図４】 (Ａ)は移動検出用の光検出器で得られるＡ相信号とＢ相信号を示し、(Ｂ)はこのＡ相信号とＢ相信号に基づいて得られるリサージュ図形を示している。
【図５】第一の実施の形態の第一の変形例における光源とその取付部を示している。
【図６】第一の実施の形態の第二の変形例における可動スケールの構成を示している。
【図７】第一の実施の形態の第三の変形例における可動スケールの構成を示している。
【図８】図７に示される可動スケールに応じて用いられるエンコーダーヘッドの構成を示している。
【図９】第一の実施の形態の第四の変形例における可動スケールの構成を示している。
【図１０】図９に示される可動スケールに応じて用いられるエンコーダーヘッドの構成を示している。
【図１１】第一の実施の形態の第五の変形例における移動検出用の光検出器の構成を示している。
【図１２】第一の実施の形態の第六の変形例における可動スケールの構成を示している。
【図１３】本発明の第二の実施の形態の光学式リニアエンコーダーの概略的な構成を示す斜視図である。
【図１４】本発明の第三の実施の形態の光学式リニアエンコーダーの概略的な構成を示す斜視図である。
【図１５】本発明の第四の実施の形態の光学式リニアエンコーダーの概略的な構成を示す斜視図である。
【図１６】図１５に示される可動スケールの平面図である。
【図１７】第四の実施の形態におけるエンコーダーヘッドの変形例を示している。
【図１８】第四の実施の形態におけるエンコーダーヘッドの別の変形例を示している。
【図１９】第一ないし第四の実施の形態に適用可能な可動スケールの構成を示している。
【図２０】第一ないし第四の実施の形態に適用可能な別の可動スケールの構成を示している。
【図２１】第一ないし第四の実施の形態に適用可能な他の可動スケールの構成を示している。
【図２２】第一ないし第四の実施の形態に適用可能な更に別の可動スケールの構成を示している。
【図２３】第一ないし第四の実施の形態に適用可能な移動検出用の光検出器の構成を示している。
【図２４】第一ないし第四の実施の形態に適用可能な別の移動検出用の光検出器の構成を示している。
【図２５】第一ないし第四の実施の形態に適用可能な他の移動検出用の光検出器の構成を示している。
【図２６】本発明の第五の実施の形態の光学式ロータリーエンコーダーの概略的な構成を示す斜視図である。
【図２７】図２６に示されるロータリースケールの平面図である。
【図２８】図２６の光学式ロータリーエンコーダーに適用されるエンコーダーヘッドの平面図である。
【図２９】図２６の光学式ロータリーエンコーダーに適用される別のエンコーダーヘッドの平面図である。
【図３０】図２６の光学式ロータリーエンコーダーに適用される他のエンコーダーヘッドの平面図である。
【図３１】本発明の第六の実施の形態の光学式ロータリーエンコーダーの概略的な構成を示す斜視図である。
【図３２】第一の従来技術としての反射型の光学式エンコーダーを示している。
【図３３】第二の従来技術としての透過型の光学式エンコーダーを示している。
【符号の説明】
１００ 光学式リニアエンコーダー
１０２ エンコーダーヘッド
１０４ 可動スケール
１１０ 基板
１１２ 第一の光学パターン
１１４ 第二の光学パターン
１２２ 可干渉光源
１２４ 第一の光検出器
１２６ 第二の光検出器

Claims (18)

1. 所定周期の光学パターンが形成された可動スケールと、上記光学パターン面に所定形状の光ビームを略垂直に照射する可干渉光源と、上記光学パターンで反射された上記光源からの光ビームを受光して、上記光学パターンによって受光面に生成された回折パターンを検出する光検出手段とを有し、
   上記可干渉光源から上記光学パターンに至る光ビームの主軸の長さをｚ１、上記光学パターンから上記光検出手段の受光面に至る光ビームの主軸の長さをｚ２、上記光学パターンの所定部分のピッチをｐ１とすると、上記光検出手段の検出ピッチｐ２は、ｐ２＝ｐ１・（ｚ１＋ｚ２）／ｚ１となることを特徴とする光学式エンコーダー。
2. 同一の基板上に、上記光源と上記光検出手段がハイブリッドまたはモノリシックに設けられていることを特徴とする請求項１に記載の光学式エンコーダー。
3. 上記光検出手段が形成された基板の上に、上記光源が取付けられていることを特徴とする請求項２に記載の光学式エンコーダー。
4. 上記光検出手段は上記光ビームの主軸の光は受光しないように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の光学式エンコーダー。
5. 上記光学式エンコーダーは反射型であることを特徴とする請求項１に記載の光学式エンコーダー。
6. 上記可動スケールには光ビームを反射して集光させる作用を有するホログラフィックパターンも形成されており、
   上記ホログラフィックパターンは基準位置検出に用いられることを特徴とする請求項１に記載の光学式エンコーダー。
7. 上記可動スケールには上記光学パターンが復数形成されており、上記複数の光学パターンは、スケールの移動方向に沿って一列に並んでおり、基準位置検出用の光学パターンを含んでいることを特徴とする請求項１に記載の光学式エンコーダー。
8. 上記スケールの有する複数の光学パターンのうち少なくとも一つが、上記光源から射出された光ビームの所定の領域を、スケールの移動方向に対して集光性を有するシリンドリカル・ホログラムレンズであり、
   上記光検出手段の、上記ホログラムレンズにより集光された光ビームを検出する受光エリアの少なくとも一つが、上記スケールの移動方向の幅が、ｐ１（ｚ１＋ｚ２）／ｚ１より短いことを特徴とする請求項１に記載の光学式エンコーダー。
9. 上記光検出手段は、同一の基坂上に形成された複数の受光エリアを含むことを特徴とする請求項１に記載の光学式エンコーダー。
10. 上記スケールで反射された上記光ビームが上記光源に帰還するのを抑制する手段を有することを特徴とする請求項１に記載の光学式エンコーダー。
11. 上記光ビームの主軸が上記スケール表面と交差する部分での上記スケール表面の反射率が、上記光学パターン部分よりも低いことを特徴とする請求項１０に記載の光学式エンコーダー。
12. 上記可干渉光源は面発光レーザーであることを特徴とする請求項１に記載の光学式エンコーダー。
13. 上記可干渉光源は、上記光学パターンに向けて光ビームを射出する面とは反対側の面からも光ビームを射出するものであり、後者の光ビームを受光して強度を検出する強度検出手段と、上記強度検出手段の検出結果を用いて、上記可干渉光源の光ビーム強度を制御する手段とをさらに有することを特徴とする請求項１に記載の光学式エンコーダー。
14. 回動の円周方向に所定周期の光学パターンが形成された回動可能なスケールと、
    上記回動の回動軸上に位置し、上記スケールの回動中心近傍に、放射される光ビームの主軸が略垂直に入射し、上記光学パターン面に所定形状の光ビームを略垂直に照射する可干渉光源と、
    上記光学パターンを経由した上記可干渉光源からの光ビームを受光して、上記光学パターンによって受光面に生成された回折パターンを検出する光検出手段とを有し、
    上記スケールは、上記光学パターンを所定の半径ｒ１の円周上に有し、上記可干渉光源と上記光学パターンとの間隔をｚ１、上記光学パターン面と上記光検出手段の受光エリアとの間隔をｚ２とすると、上記光検出手段の受光エリアは、半径ｒ２＝ｒ１（ｚ１＋ｚ２）／ｚ１で決められる半径ｒ２を有する円周上の上記所定周期位置に受光エリアを有する受光エリア群により構成されており、上記可干渉光源からの光ビームが照射される部分の、上記光学パターンのピッチをｐ１とすると、上記光検出手段の検出ピッチｐ２は、ｐ２＝ｐ１・（ｚ１＋ｚ２）／ｚ１となることを特徴とする光学式エンコーダー。
15. 上記光学式エンコーダーは反射型であることを特徴とする請求項１４に記載の光学式エンコーダー。
16. 上記スケールで反射された上記光ビームが上記光源に帰還するのを抑制する手段を有することを特徴とする請求項１４に記載の光学式エンコーダー。
17. 上記光ビームの主軸が上記スケール表面と交差する部分での上記スケール表面の反射率が、上記光学パターン部分よりも低いことを特徴とする請求項１６に記載の光学式エンコーダー。
18. 上記可干渉光源は、面発光レーザーであり、
    上記面発光レーザーが、前方及び後方に光ビームを射出可能であり、上記光検出手段上の、上記面発光レーザーを配置する所定部分に光出力測定用受光エリアを設け、上記光源から前方に射出される光ビームを上記スケールに照射し、上記光源から後方に射出される光ビームを上記光検出手段上の光出力測定用受光エリアに入射可能に配置し、
    上記光検出手段の有する上記光出力測定用受光エリアに入射する、上記面発光レーザーの後方に射出される光ビームの出力強度により、上記面発光レーザーの出力の制御を可能としたことを特徴とする請求項１４に記載の光学式エンコーダー。

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