JPH03115809A - 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） 本発明はエンコーダに関し、特に被測定物体の移動量や
移動方向等の移動状態を透光部と遮光部を周期的に設け
たスケールを利用して検出するようにした充電的なエン
コーダに関するものでる。

（従来の技術） 従来より被測定物体の回転や移動等に関する変位状態を
検出する装置として充電的なロータリーエンコーダやリ
ニアエンコーダが多く利用されている。

第１０図（Ａ）　、　（Ｂ）は被測定物体の直線移動状
態を検出するようにした従来のリニアエンコーダの光学
系の平面と側面の要部概略図である。

同図においてＬＥＤ等の光源５１からの光束は投光レン
ズ５２により略平行光束とされ主スケール５３に投光さ
れる。主スケール５３はガラス等の透明基材又は金属の
薄板にエツチング等の手法により輻の等しい透光部と遮
光部を周期的に設けたスリット列より構成されている。

主スケール５３を通過した光束は主スケール５３と同じ
周期のパターンより成る副スケール５４に入射し、副ス
ケール５４を通過した光束は受光手段５５で受光される
。

主スケール５３は一点鎖線で囲まれた検出ヘッド部６０
に対し、相対的に矢印六方向に移動可能となるように構
成されている。

ここで副スケール５４は例えば第１１図に示すように４
つのスケール５４−１〜５４−４を有し、これらの各ス
ケールは主スケール５３と同周期のスリット列より成り
、投光レンズ５２から投射される光束中に配置されてい
る。又各スケール５４−１〜５４−４の位置関係は例え
ばスケール５４−１を基準にとるとスケール５４−２は
スリットピッチの１／またけスケール５４−１とずれて
おり、同様にスケール５４−３はスリ、ソトビッチの１
／４、スケール５４−４はスリットピッチの３／４だけ
ずれた状態となっている。

受光手段５５は第１１図に示すように４つの光検出器５
５−１〜５５−４を有し、各スケール５４−１〜５４−
４の後方に各々対応して配置されている。ここでスケー
ル５４−１〜５４−４は主スケール５３の移動の方向判
別及びＤＣオフセット成分を除くことを目的として配置
されている。

第１２図は第１０図に示したリニアエンコーダにおいて
主スケール５３と検出ヘッド部６０が相対的に所定量移
動したときの光検出器５５−１〜５５−４から得られる
出力信号の説明図である。

同図に示す出力信号波形はいずれもスリットピッチを単
位として周期的に変化している。同図（Ａ）〜（Ｄ）は
順に光検出器５５−１〜５５−４からの出力波形である
。

今、第１２図（Ａ）の出力波形を基準にとれば副スケー
ルの位置関係より同図（Ｂ）　、　（Ｃ）　、　（Ｄ＞
の出力波形は各々１８０度、９０度、２７０度たけ位相
かずれている。

従来のリニアエンコーダはこれら４つの出力信号を用い
て、例えば第１２図（Ａ）と同図（Ｂ）の差動出力及び
同図（Ｃ）と同図（Ｄ）の差動出力よりＤＣオフセット
変動分を除き、各２つの差動出力の位相関係から周知の
方法により主スケール５３の移動量及び移動方向を検出
している。

第１３図は従来の回折格子を用い、異なる次数の２つの
回折光同志の干渉を利用して測長を行なうリニアエンコ
ーダの測長原理を示す説明図である。

同図において７５は光束であり、例えばレーザ等の干渉
性の高い光源から出射し、平行光化されて回折格子７０
に入射している。該光束７５は回折格子７０を通過する
際に回折作用を受け、入射方向とは進行方向の兄なる複
数の次数の回折光７６．７７を発生する。ここでは７６
は＋１次回折光、７７は一１次回折光を示している。

＋１次回折光７６及び−１次回折光７７はミラー７１．
７２で各々反射し、方向を変えハーフミラ−７３で合成
され互いに干渉する。このときの干渉した光束の強度を
光検出３７４で検出している。

今、回折路−７−７０が矢印Ａで示す方向に移動すると
＋１次回折光７６と一１次回折光７７は互いに逆の位相
変化が牛し、干渉した九の強度が回折路７−７０の移動
量に応じて正弦波的に変化する。

光検出器７４によりこのときの強度変化を検出（干渉縞
を計数）することにより回折格子７０の測長く移動量の
検出）を行っている。

この方法は回折格子７０の格子ピッチをＰ、−ト渉させ
る２つの回折光の次数を各々ｍ、ｎとすると、回折路ｐ
７０の１ピッチ分の移動にに対しＰ／（ｍ−ｎ）を周期
とする強度変化の干渉縞が現われる。この為、回折格子
７０の格子ピッチＰを細かくし、高次の回折光同志を互
いに干渉させれば高分解能の測長が可能となるという特
長を有している。

（発明が解決しようとする問題点） 第１０図に示す従来のリニアエンコーダにおいては、光
源にＬＥＤ等のような４Ｔ限サイズの発光面を用いてい
る為に主スケールへの入射光束が完全な平行光束となら
す、主スケールと副スケールとの間隔か変化すると光検
出器からの出力振幅か変動し、又検出分解能を」二げる
為にスケールのピッチを細かくすると回折の影響が出て
ノイズ成分が増加してくるという問題点があった。

一方、第１３図に示す回折格子を利用したリニアエンコ
ーダにおいては、高分解能化な図るには高精度の格子ピ
ッチの細かな回折格子や干渉性の良いレーザ光源、ミラ
ー、ハーフミラ−等の高精度の光学部品を高精度に組立
る必要かあり、装置全体が複雑化してくるという問題点
があった。

本発明はスケール位置の変動に対する光検出器からの出
力振動か少なく、スケールのピッチを細かくしても回折
の影響を殆ど受けずに簡易な構成により被測定物の移動
量を高精度に検出することのできる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） 本発明のエンコーダは、光源からの光束を光分割結合手
段で２つに分割した後、該２つの光束を互いに重ね合わ
せて干渉縞を形成し、該干渉縞な該干渉縞のパターンに
対応したパターンが形成されているスケール面上に投影
し、該スケールを介した光束を受光手段で受光し、該受
光手段からの出力信号を利用して該スケールの相対的な
移動状態を検出したことを特徴としている。

（実施例） 第１図は本発明の第１実施例の光学系の基本構成の概略
図である。同図において１は光源で例えば半導体レーザ
より成っている。２はコリメーターレンズであり、半導
体レーザ１から出射した光束を平行光化している。３は
光分割結合手段であり、光分割器及び光合成器として作
用する複プリズムより成り、コリメーターレンズ２から
の光束を２つの光束３ａ、３ｂに波面分割した後、プリ
ズム作用で後述するスケール４方向の空間内で合成して
いる。

４はスケールであり、ガラス板や金属板を基材としスリ
ット状の透光部と遮光部を周期的に設けたパターンを有
している。又スケール４は矢印六方向に相対的に移動可
能となるように設定されている。５は受光手段としての
光検出器であり、スケール４の後方に配置されている。

本実施例では半導体レーザ１から出射しコリメーターレ
ンズ２で平行光化された光束は、複プリズム３により波
面分割され、互にその方向が異なる２つの光束３ａ、３
ｂとなって進行する。該２つの光束３ａ、３ｂは図中の
斜線を施した部分で重なり合い、その部分に干渉縞を形
成する。光束が平行光束であれば干渉縞は直線状でかつ
等ピッチの干渉縞となる。

第２図は２つの光束３ａ、３ｂが重ね合わされた部分に
形成される干渉縞を模式的に表わした説明図である。干
渉縞のピッチは複プリズム３によって屈折された２つの
部分光束の交差角によって定まり、任意に設定可能であ
る。

本実施例では干渉縞のピッチがスケール４のパターンピ
ッチと同じになるように設定されている。例えばスケー
ル４のパターンピッチを１０μｍ、半導体レーザ１から
出射する光の波長を０．８３μｍとすると２つの光束の
交差角は約ｔ　ａ　ｎ　−’　（０，８３７１０）＝　
４　、７°となる。複プリズム３は２等辺三角柱状であ
るとし、硝材の屈折率ｎ＝１．５とすると、複プリズム
３のクサビ角θは略２（ｎ−１）θ＝４．７°により求
められ、θ＝４．７°となる。

スケール４は前記干渉縞が形成された位置に干渉縞の縞
の並び方向とスケール４のスリット状の透光部と遮光部
の並“ｋ方向が平行になるように配置されている。

今、スケール４が矢印Ａの方向に移動すると、干渉縞の
明部、暗部とスケール４の透光部、遮光部か同相である
か逆相であるかに応じて光検出器５に入射する光量が変
化する。

本実施例は光検出器５からの出力信号に基ついて、この
ときの光量変化を計数することによりスケール４の相対
的移動量を検出している。

本実施例では第１図に示すように干渉縞は図中斜線部で
示した広い範囲の空間に一様に形成されているので、ス
ケール４と他の部材の間隔が多少変動しても光検出器５
へ出力値に対する影響はなく、光検出器５からは常に安
定した振幅の出力信号が得られるという特長を有してい
る。

第３図は本実施例においてスケール４の移動方向の判別
を行なう為の複プリズム３の形状を示す実施例の説明図
である。

同図において複プリズム３は斜線を施した領域へ及びＢ
からの２つの透過光束が互いに１／４波長の光路差を有
するように領ｇＡ及びＢには各々所定の厚さの透明誘電
体膜が蒸着等の手段により施されている。

尚、領域Ａ、Ｂのいずれか一方の領域のみに所定の厚さ
の透明誘電体膜を施して通過光束に対し、互いに１／４
波長の光路差を付与するようにしても良い。

本実施例では係る複プリズム３を通過した光束によって
形成される干渉縞は第４図に示すように領域Ａと領域Ｂ
に対応して干渉縞がにの部分３ａｌと下の部分３ｂｌで
互いに１／４ピツチ（９０°）位相がずれている。従っ
てそれぞれの部分に対応して２つの光検出器を置いて出
力信号を検出すれば出力信号の位相関係からスケール４
の移動方向を判別することが可能となる。

第５図は本発明に係る光分割結合手段の他の実施例の概
略図である。同図において１１は光分割結合手段であり
、楔状のガラス板より成り、図中Ｆ方から入射した平行
光束Ｌ１はガラス板１１の表面及び裏面で各々反射して
分割され、その後〃いに角度をもって空間で重なり合う
ので、重なり合った部分には等間隔の直線状の干渉縞が
形成される。干渉縞のピッチはガラス板１１のクサビ角
θ１、屈折率を変えることにより所望の値に設定するこ
とが可能である。

又、方向判別のためにガラス板１１の表面には第３図で
説明したのと同様の透明誘電体膜の厚さを部分的に変え
たものが蒸着されている。

第６図は第５図においてガラス板１１から反射した２光
束により空間に形成される干渉縞を表わす説明図である
。

同図では最上部の干渉縞に１を基準に、順次干渉縞に２
．に３．に４の位相が９００１８０’　　２７０’ずれ
るように各要素を設定している。これら４種類の干渉縞
に１〜に４のそれぞれに対応する光検出器からの出力信
号を用い被測定物の方向判別を行っている。

本発明において干渉縞を形成するこの他の手段としては
、例えば所謂ロンキー格子として知られるような回折格
子、複ミラー、その他各種の２光束丁渉計で用いられる
ような干渉手段等いずれを用いることもできる。干渉縞
の位相を部分的に変える手段も銹電体膜暮着に限らずプ
リズムに部分的に段差をつけたり、光路長を変える部材
を挿入したりしても良い。尚、回折格子の場合には格子
の位相を部分的に変えるのが簡便で好ましい。

この他、上記のような干渉縞の形成法のうち、特に好ま
しいのは干渉させる２つの光束ができるだけ共通光路（
コモンバス）に近い光路をとるものである。その理由は
環境変化、機械的変形に対して強く、安定した干渉縞を
作ることかできる。

又、これまでの説明においては光源として半導体レーザ
な挙げたが、必ずしもその必要はなく、目的によっては
ガスレーザ等を用いても良い。あるいはＬＥＤを用いて
も良く、特にＬＥＤはレーザのように干渉性が良くない
ので干渉縞に重畳される不要なノイズを除去することが
でき、又コストも安くつくという特長がある。

尚、ＬＥＤと回折格子の組合わせによりノイズの少ない
干渉縞を形成し得ることについては例えば”　Ｃｏｎ５
ｊｒｕｃｔｔｎ　ｏｆ　Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ　０ｐ
ｔｉｃａ１口ｅｍｅｎｔ、ｓ　　ｉｎ　　Ｎｏｎ−ｃｏ
ｈｅｒｅｎｔ　　Ｌｉｇｈｔ″　Ｌｅｉｔ、ｈｅｔａｌ
Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　５ＰＴＥ　ｖｏｗ、５
０３．Ｐ２〜１９８４等の文献で提案されている。

第７図（＾）　、　（Ｂ）は本発明をリニアエンコーダ
に適用したときの第２実施例の平面概略図と側面概略図
である。図中、第１図で示した要素と同一要素には同符
番を付している。

１０はスケール４以外の各部材を相対的に筺体内に一体
化し固定した検出ヘッド部である。被測定物の測定原理
は第１図で説明したのと同様である。

通常の使用状態ではスケール４は固定され、検出ヘッド
部１０が第７図（Ａ）の矢印の方向に移動することによ
って、該検出ヘッド１ｏあるいは検出ヘッド１０に取付
けられた測定対象の移動量、位置等を計測している。

尚、本実施例ではリニアエンコーダに適用した例を示し
たが本発明はそのままロータリーエンコーダにも同様に
適用することかできる。

第８．第９図は本発明のエンコーダを光ディスク等の情
報記録再生装置に適用したときの第３゜第４実施例の光
学系の要部概略図である。

第８図の第３実施例において２０は光ヘッドである。該
光ヘッド２０は光源である半導体レーザ２１、コリメー
ターレンズ２２、ビーム整形プリズム２３、ビームスプ
リッタ−２４、はね上げミラー２５、球面レンズとシリ
ンドリカルレンズの組合わせから成る非点収差発生光学
系２６、光検出器２７、複プリズム２８、光検出器２９
等を有する。

同図において半導体レーザ２１から出射した光束はコリ
メーターレンズ２２で平行光束とされ、ビーム整形プリ
ズム２３を介しビームスプリッタ−２４で通過光束と反
射光束の２つの光束に分割される。このうち通過光束は
、はね上げミラー２５を経て紙面−Ｆ方にある対物レン
ズ（不図示）により光ディスク（不図示）Ｆに集光され
る。該光ディスクで反射された光束は再び逆の経路をた
どってビームスプリッタ−２４に至り、該ビームスプリ
ッタ−２４で反射された後、非点収差発生光学系２６を
通って光検出器２７で検出される。

光検出器２７で検出された信号より情報再生信号、フォ
ーカスエラー信号、トラッキングエラー１８号等を得て
いる。

本方式の光ヘッドはフォーカスエラー検出方式として周
知の非点収差法、トラッキングエラー検出方式としては
例えば周知の１ビ一ムプツシユプル方式をとっている。

一方、ビームスプリッタ−２４で反射された光束は通常
は使用されないものであるが、本実施例ではこの反射光
束を第３図に示す形状と同様の複プリズム２８に入射さ
せ、第１図の実５１例で説明したような方法で干渉縞を
発生させる。干渉縞の存在する位置にはスケール３０が
同図のように固定配置され、スケール３０を通過した光
が光検出器２９で検知されるようになっている。

そして光検出器２９からの出力信号を利用して第１図の
第１実施例で説明したのと同様の方法により、スケール
３０に対する光ヘッド２０の相対的移動量を求めている
。

周知のように光ヘッド２０は光ディスク（不図示）上の
所望のトラックを選択して情報の記録、再生を行なうた
めに光ヘッド２０全体を光ディスクのラジアル方向（図
中の矢印Ａ）に移動（シーク）させる必要がある。本実
施例ではこのときの移動量あるいは光ヘッド２０の位置
制御を光検出器２９から得られる信号を用いて行ってい
る。

本実施例では同図に示す構成をとることにより通常の光
ヘッドでは使用されずに捨てられる光束を利用して測長
な行っている。即ち新たに別光源を有するリニアエンコ
ーダを準備する必要がない等の特長を有している。

第９図の第４実施例において４０は光ヘッドである。光
ヘッド４０を構成する各要素のうち第８図の第３実施例
の要素と同一要素には同符番な付している。

本実施例と第８図の第３実施例と異なる点は光ヘッド４
０のシータ方向が図中の矢印Ａのように第３実施例と直
交している点と干渉縞の発生部材として第５図で説明し
たと同様のクサビ状のガラス板３１を用いている点であ
る。ガラス板３１は干渉縞の発生と同時に光路折り曲げ
作用も兼ねている。

この他の構成は第８図の第３実施例と基本的に同じであ
る。尚、光ヘッドの種類によっては偏光ビームスプリッ
タ−と１／４波長板の組合せ等によりアイソレータを構
成して光の有効利用を行う方式のものかあり、リニアエ
ンコータ部に光を導けないものもあるが、そのような場
合には例えば光束の偏光方向をわずかに回転させるなど
してアイソレーションをわずかにくずし、必要な光束を
確保すれば本発明を同様に適用することができる。

（発明の効果） 本発明によれば萌述の如く空間上の広い範囲に形成され
た干渉縞を利用して測長を行うことにより、スケール位
置の変動に対して出力振幅の変動が少なく、又スケール
のピッチを細かくしても干渉縞と光学的スケールを重ね
合わせているので、回折光の影響が少なく、簡易な構成
により高精度な検出が可能なエンコーダを達成すること
ができる。

又、本発明は光デイスク装置の光ヘッド部等にも容易に
適用することができ高精度な光デイスク装置を得ること
が出来る等の特長を有している。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例の光学系の要部概略図、第
２図、第４図は第１図で得られる干渉縞の説明図、第３
図は第１図の光分割結合手段の説明図、第５図、第６図
は第１図の光分割結合手段の他の−・実施例と、それを
用いたときの干渉縞の説明図、第７．第８．第９図は本
発明の第２゜第３．第４実施例の概略図、第１０図、第
１３図は各々従来のリニアエンコーダの概略図、Ｔｒｊ
ｉｉ、第１２図は第１０図の一部分と、光検出器から得
られる出力波形の説明図である。 図中、１は光源（半導体レーザ）、２はコリメーターレ
ンズ、３，２８．３１は光分割結合手段、４はスケール
、５は受光手段、１０は光ヘッドである。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）光源からの光束を光分割結合手段で２つに分割し
   た後、該２つの光束を互いに重ね合わせて干渉縞を形成
   し、該干渉縞を該干渉縞のパターンに対応したパターン
   が形成されているスケール面上に投影し、該スケールを
   介した光束を受光手段で受光し、該受光手段からの出力
   信号を利用して該スケールの相対的な移動状態を検出し
   たことを特徴とするエンコーダ。
2. （２）前記光分割結合手段に導光される光束は光学的情
   報記録再生装置の光ヘッドにおいて、情報の記録再生に
   用いられる光源からの光束の一部であることを特徴とす
   る請求項１記載のエンコーダ。