JPH0285718A - エンコーダ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は移動物体の移動状態を充電的に測定するエンコ
ーダに関し、特に移動物体に取付けた回折格子に、例え
ばに可干渉性光束を入射させ該回折格子か、らの回折光
を互いに干渉させて干渉縞を形成し、干渉縞の明暗の縞
を計数することによって移動物体の移動状態を測定した
り、又その際用いる基準位置信号を効率的に、かつ高精
度に得るようにしたエンコーダに関するものである。

（従来の技術） 従来よりサブミクロンの単位で測定することのできる測
定器としては、レーザー等の可干渉性光束を用い移動物
体に設けた回折格子からの回折光より干渉縞を形成させ
、該干渉縞を利用したり又矩形スリットから得られる基
準位置信号を利用したリニアエンコーダやロータリーエ
ンコーダが良く知られている。

これらのエンコーダにおいては小型化、高分解能化に伴
い、回折格子からの干渉縞の読み取りと共に移動物体の
変位状態を測定する際に用いる基準位置信号（原点信号
）が高い繰り返し精度で得られることが要求されている
。

例えばインクリメンタルタイプのロータリーエンコーダ
は周期的な放射格子と共に１回転中に１箇所基準位置を
示す基準信号を発生するようなパターンが設けられてい
る。

このときの基準信号のパターンは反射体や不透過体から
成り、該パターンをパターン検出系を用いて該パターン
の有無（又は遠近）により行っている。

本出願人は先に特開昭６２−２００２２３号公報におい
て、回転ディスクの直径が２０ｍｍ、１回転当りのパル
ス数（正弦波周波数）　８１０００　　（格子本数２０
２５０本）程度のロータリーエンコーダを提案した。

同公報においては基準位置信号を例えば矩形状反射スリ
ットを被測定物体である回転ディスク上に設け、そこに
矩形状又は長楕円状断面を有する光束を照射し、そこか
らの反射光束を検出タイミングが異なるように位置をず
らした２つの受光素子によって検知している。そして同
公報では両受光素子からの出力信号を比較することによ
って原理的に矩形状反射スリットの幅よりも高分解能に
基準位置を求めることのできるロータリーエンコーダを
提案している。

一般に基準位置検出精度は矩形反射スリット幅が狭く、
かつ照射光束断面の幅が狭い程高くなる。そこで同公報
では矩形反射スリット幅を４μｍ、矩形光束の幅を８μ
ｍ程度として、これにより１６角度秒以下の基準位置信
号の繰り返し精度な得ている。

しかしながらパターンが形成されている回転ディスク面
上にゴミ等が付着していると照射光束が遮られ矩形反射
スリットからの光束の読み取り精度が低下してくる。特
に数μｍ程度の矩形反射スリットを検出する際に、例え
ば直径数十μｍ程度のゴミが付着していると検出精度は
大きく低下してくる。

同桟に回折格子部に照射される光束の照射位置における
断面の幅がゴミ等の大きさに近くなったときゴミ等の影
響によって回折光の光量が低下し、回折光による干渉信
号の検知を困難にしてしまう。

（発明が解決しようとする問題点） 本発明は移動物体の変位状態を測定する際に移動物体に
対して回折格子や基準位置信号用の矩形反射スリット等
のパターンを透明スケール板に適切に設定することによ
り、ゴミやキズ等の影響による反射又は透過光束の検出
精度の低下を防止し、高精度な検出を可能としたエンコ
ーダの提供を目的とする。

（問題点を解決するための手段） 被測定物体に連結した透明スケール板の該被測定物体の
変位状態を測定する為のパターンを設け、該パターンに
光束を入射させ、該パターンからの反射光束又は透過光
束を利用して該被測定物体の変位状態を測定する際、該
透明スケール板の２つの面のうち、該透明スケール板に
入射する集光光束の断面積が小さくなる方の面上に該パ
ターンを設けたことである。

（実施例） 第１図は本発明をロータリーエンコーダに適用したとき
の一実施例の光学系の概略図である。

本実施例ではレーザー１より放射された光束を集光レン
ズ２によって集光した後、偏光ビームスプリッタ−３に
入射させ、略等光量の反射光束と透過光束の２つの直線
偏光の光束に分割している。このうち反射した光束はイ
波長板４を経て、円偏光とし、２つの反射面を有するプ
リズム１６を介した後、被測定回転物体と連結した透明
スケール円板６の裏面に設けた放射状の回折格子より成
る放射格子パターン（以下「放射格子」という。）７の
位置Ｍ、に入射させている。そして放射格子７に入射し
回折した透過回折光のうち特定次数の回折光を反射手段
８により反射させ、同一光路を逆行させ放射格子７上の
略凹−位置Ｍ、に再入射させている。そして放射格子７
により再回折された特定次数の回折光をイ波長板４を介
して入射したときと９０度偏光方位の異なる直線偏光と
し偏光ビームスプリッタ−３に入射させている。

第２図はこのときの透明スケール円板６に設けた放射格
子７近傍の説明図である。

本実施例では照射光束２０１を集光光束として透明スケ
ール円板６に入射させている。そして光２に２０１が透
明スケール円板６に入射する際の光束の断面積か小さい
方の面となる裏面に放射格子７を設けている。これによ
り透明スケール円板６而上にゴム２０２やキズ等（以下
単に「ゴミ」という。）が付着したときに集光光束断面
の大きさかゴミ２０２よりも大きくなるようにして、か
つ放射格子７による回折光波面のゆがみが小さくなるよ
うにし波面収差の少ない状態で検出している。例えば光
束径がゴミ等よりも充分大きく（２倍以上）なるように
集光光束を入射させている。

尚、本実施例では偏光ビームスプリッタ−３から反射手
段８に至る特定次数の回折光の往復光路゛を同一として
いる。第３図は第１図で示した反射手段の一実施例の説
明図である。

同図においては反射鏡４０を集光レンズ４１の略焦点面
上に配置し、集光レンズ４１に平行に入射してきた特定
次数の回折光のみをマスク４２の開口部４３を通過させ
反射鏡４０で反射させた後、元の光路を逆戻りするよう
にしている。そして、その他の次数の回折光をマスク４
２により遮光している。

第１図に戻り偏光ビームスプリッタ−３で分割された２
つの光束のうち透過した光束は％波長板５を介し円偏光
とし、円板６上の放射格子７上の位置Ｍ１と回転Ｉｌ！
１ＩＩ５０に対して略点対称の位置Ｍ２に入射させてい
る。そして放射格子７に入射し回折した透過回折光のう
ち特定次数の回折光を前述の反射手段８と同様の反射手
段９により同一光路を逆行させて、放射格子７の略凹−
位置Ｍ２に再入射させている。そして放射格子７より再
回折された特定次数の回折光を％波長板５を介し入射し
たときとは９０度偏光方位の異なる直線偏光とし偏光ビ
ームスプリッタ−３に入射させている。

このとき、透過光束も前述の反射光束と同様に偏光ビー
ムスプリッタ−３から反射手段９に至る特定次数の回折
光の往復光路を同一としている。

そして反射手段８を介し入射してきた回折光と重なり合
わせた後、イ波長板１０を介し円偏光とし、光分割器１
１で２つの光束に分割し、各々の光束を互いの偏光方位
を４５度傾けて配置した偏光板１２．１３を介し双方の
光束に９０度の位相差を付けた直線偏光として各々の受
光手段１４．１５に入射させている。そして受光手段１
４．１５により形成された２光束の干渉縞の強度を検出
している。

一方、本実施例ではレーザー１から直接環いた光束若し
くは別個に設けた不図示の光源からの光束若しくは放射
格子７の位置Ｍ１に入射し、回折した光束のうち反射手
段８に入射する特定次数の回折光、例えばｍ次の回折光
以外の回折光の中から特定次数の回折光、例えば−ｍ次
、ｍ＋１次等の回折光束等から成る光束４０１を反射鏡
１８とビームスプリッタ−１９を介し、シリンドリカル
レンズ２１により長楕円状となるようにして透明スケー
ル円板６上に設けた基準位置検出部２２に入射させてい
る。

基準位置検出部２２は例えば矩形スリットの反射面から
成っている。そして基準位置検出部２２を反射した光量
を２つの受光器２４Ａ、２４Ｂを有する受光手段２４に
より光電的に受光することにより基準位置信号を得てい
る。

第４図（Ａ）はこのときの基準位置信号を検出する際の
検出系の要部概略図である。

本実施例では同図に示すように透明スケール円板６に第
２図に示した放射格子７に入射させたときと同様に集光
光束４０１を入射させている。そして光束４０１が透明
スケール円板６上に入射する際の光束径の面積が小さく
なる方の面（裏面）に矩形スリットの反射面より成る基
準位置検出部２２を設けている。これにより例えば数十
μｍ程度のゴミ４０２等が透明スケール円板６上に付着
したときの影響を少なくしている。

特に本実施例では光束４０１の断面を透明スケール円板
６の表面では数百μｍの幅とし、裏面では矩形スリット
反射面２２の幅の２倍程度となるようにしている。

これにより矩形スリット反射部２２が照射光束の幅の中
央に位置したとき受光器２２Ａ、２２Ｂへの入射光束量
が等しくなり、受光器２２Ａ。

２２Ｂからの出力が等しくなるようにしている。

このように本実施例においてはシリンドリカルレンズに
よる片方向の集光光束を用い、かつ集光幅が狭く、かつ
ゴミの付着の少ない裏面に反射スリットを設けることに
よってゴミやキズ等の影響を軽減させている。

第４図（Ｂ）は基準位置検出部２２として幅Ｐの反射面
が幅Ｐａの光束の集光領域にさしかかったときの様子を
模式的に示した説明図である。

本実施例ではレーザーからの光束をビームスプリッタ−
１９により一部を反射し、シリンドリカルレンズ２１に
より円板６上の基準位置検出部２２が配置されている近
傍に線状に集光している。円板６の移動に伴い円板６が
ある位置まできたときに基準位置検出部２２の反射面２
２ａにより反射される。

このとき第４図（Ａ）に示すように反射面２２が左方か
ら右方へ移動中なら最初に反射される光束はシリンドリ
カルレンズ２１を経て、ビームスプリッタ−１９を経て
一方の受光器２４Ａに入射する。

更に反射面２２が右方に移動すると受光器２４Ｂにも入
射してくる。この結果、受光器２４Ａと受光器２４Ｂへ
の入射光量が等しくなる瞬間が生じる。

本実施例ではこのときの２つの受光器２４Ａ。

、２４Ｂからの出力信号が等しくなる位置を零位置、即
ち基準位置としＺ相信号を発生させている。

第５図（Ａ）〜（Ｅ）は第４図に示す実施例において反
射面２２ａと光束の集光領域幅Ｐａとの相対的関係にお
ける２つの受光器２４Ａ、２４Ｂに入射する光量の変化
の様子を示す説明図である。同図（Ｂ）より明らかのよ
うにＰａ弁２Ｐとなるように設定するのがＺ相信号を精
度良く検出するのに好ましい。同図（Ｅ）のＰａ≦Ｐで
は零位置を鯖度良く検出するのが困難となってくる。

尚、本実施例においてシリンドリカルレンズの代わりに
スリットと球面レンズを用いて透明スケール円板６上の
基準位置検出部近傍にスリット状の光束を集光させるよ
うにしても良い。

又、前記実施例では２個の独立した受光素子を用いてい
るが、１個の素子上に２つの受光面を備えた所謂２分割
センサーを用いれば、更に構成が簡便となり、配置も簡
素化される。

（発明の効果） 本発明によれば回折格子や基準位置信号用の矩形スリッ
ト反射部より成るパターンを移動物体に連結した透明ス
ケール板の入射光束の断面積が小さくなる方の面上に設
けることにより、該透明スケール板上にゴミやキズ等が
付着してもゴミやキズの影響を少なくした状態で回折格
子からの回折光や矩形スリット反射部より成るパターン
からの光束を良好に検出することができる為、移動物体
の移動状態を高精度に検出することができるエンコーダ
を達成することができる。

【図面の簡単な説明】

７ｇ１図は本発明を口タリーエンコーダに適用したとき
の一実施例の概略図、第２図は第１図の透明スケール円
板上の放射格子の説明図、第３図は第１図の反射手段の
一実施例の概略図、第４図（Ａ）　、　（Ｂ）は第１図
の基準信号の検出系の説明図、第５図は第４図（Ａ）の
受光器で得られる信号出力の説明図である。 図中、１はレーザー、２は集光レンズ、３はビームスプ
リッタ−１４，５，１０は％波長板、６は透明スケール
円板、７は放射格子、８．９は反射手段、１１は光分割
器、１２．１３は偏光板、１４，１５．２４Ａ、２４Ｂ
は受光器、１９はビームスプリッタ−１２１はシリンド
リカルレンズ、２２は基準位置検出部、２０２，４０２
はゴミである。 第　２　囲

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）被測定物体に連結した透明スケール板に該被測定
   物体の変位状態を測定する為のパターンを設け、該パタ
   ーンに収斂光束を入射させ、該パターンからの反射光束
   又は透過光束を利用して該被測定物体の変位状態を測定
   する際、前記透明スケールの前記パターンが形成された
   面とは反対側の面から前記光束を入射させたことを特徴
   とするエンコーダ。
2. （２）前記パターンは周期的な回折格子であることを特
   徴とする請求項１記載のエンコーダ。
3. （３）前記パターンは前記被測定物体の変位状態を測定
   する際の基準位置信号を得る為の矩形スリットであるこ
   とを特徴とする請求項１記載のエンコーダ。