JPH0810145B2 - Optical encoder and its optical scale - Google Patents

Optical encoder and its optical scale

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JPH0810145B2
JPH0810145B2 JP1195576A JP19557689A JPH0810145B2 JP H0810145 B2 JPH0810145 B2 JP H0810145B2 JP 1195576 A JP1195576 A JP 1195576A JP 19557689 A JP19557689 A JP 19557689A JP H0810145 B2 JPH0810145 B2 JP H0810145B2
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Japan
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grating
window
light
diffraction
diffracted light
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淳 家城
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オ−クマ株式会社
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【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、例えば旋盤,フライス盤等の工作機械や、
半導体製造装置の位置計測に利用することができる光学
式エンコーダ及びその光学スケールに関する。
The present invention relates to a machine tool such as a lathe and a milling machine, and
The present invention relates to an optical encoder and an optical scale thereof that can be used for position measurement of a semiconductor manufacturing device.

(従来の技術) 第9図は、従来の光学式アブソリュート型エンコーダ
の光学系の一例を示す斜視構造図であり、測定光Laを発
する、例えばLED(Light Emitting Diode)やランプ等
の発光素子11と、発光素子11によって照射された測定光
Laを平行Lbにするコリメータレンズ12と、コリメータレ
ンズ12を透過して来た平行光Lbを透過させる部分(以
下、透過部という)13A及び透過させない部分(以下、
非透過部という)13Bが所定の長さ(以下、格子ピッチ
という)で繰返されている格子トラックt1,t2,……,tn
が表面にn本(nは整数)平行に並設されている第1ス
ケール13と、透過部13Aを透過して来た光(図示せず)
を透過させる透過窓14A1,14A2,……,14Anが第1スケー
ル13の各格子トラックt1,t2,……,tnに対応して設けら
れている第2スケール14と、第2スケール14の各透過窓
14A1,14A2,……,14Anに対応して設けられ、各透過窓14A
1,14A2,……,14Anを透過して来た光Lc1,Lc2,……,Lcn
強度に応じた電気信号に変換する光電変換素子15−1,15
−2,……,15−nとで構成されている。
(Prior Art) FIG. 9 is a perspective structural view showing an example of an optical system of a conventional optical absolute type encoder, which emits measurement light La, for example, a light emitting element 11 such as an LED (Light Emitting Diode) or a lamp. And the measurement light emitted by the light emitting element 11.
A collimator lens 12 that makes La parallel to Lb, a portion (hereinafter, referred to as a transmission portion) 13A that transmits the parallel light Lb that has transmitted through the collimator lens 12 and a portion that does not transmit (hereinafter,
Lattice tracks t 1 , t 2 , ..., t n in which a non-transmissive portion 13B is repeated with a predetermined length (hereinafter, referred to as a lattice pitch)
Light transmitted through the first scale 13 and the transmissive portion 13A that are arranged in parallel on the surface of n (n is an integer) parallel to each other (not shown)
Second scale 14 in which transmission windows 14A 1 , 14A 2 , ..., 14A n for transmitting light are provided corresponding to the respective lattice tracks t 1 , t 2 , ..., t n of the first scale 13, Each transparent window of the second scale 14
14A 1 , 14A 2 , ..., 14A n provided corresponding to each transmission window 14A
1, 14A 2, ......, light Lc 1 came through the 14A n, Lc 2, ......, a photoelectric conversion element for converting into an electric signal corresponding to the intensity of Lc n 15-1,15
-2, ..., 15-n.

このような構成の光学式アブソリュート型エンコーダ
の光学系10に用いられる第1スケール13には、第10図に
示すような隣り合った格子トラックt1,t2,及びt2,t3
び……tn-1,tnの格子ピッチP1,P2,P3,……,Pn-1,Pnが互
いに1:2の関係になっている交番2進符号(グレイコー
ド)が設けられている。従って、この第1スケール13の
各格子トラックt1,t2,t3,……,tn-1,tnの透過部13A、及
び第1スケール13の各格子トラックt1,t2,t3,……,
tn-1,tnに対応した第2スケール14の各透過窓14A1,14
A2,14A3,……,14An-1,14Anを透過して、各透過窓14A1,1
4A2,14A3,……,14An-1,14Anに対応した各光電変換素子1
5−1,15−2,15−3,……,15−n−1,15−nに入射する光
Lc1,Lc2,Lc3,……,Lcn-1,Lcnの強度が、第1スケール13
の長手方向の移動(図示矢印x)に伴ってそれぞれ周期
的に変化するので、この変化に応じて各光電変換素子15
−1,15−2,15−3,……,15−n−1,15−nで変換される
各電気信号もそれぞれ周期的に変化する。第11図は、横
軸に第1スケール13の長手方向の移動変位量mlを、縦軸
に各光電変換素子15−1,15−2,15−3,……,15−n−1,1
5−nで変換された電気信号S1,S2,S3,……,Sn-1,Snを示
すもので、各電気信号S1,S2,S3,……,Sn-1,Snがそれぞ
れ周期的に変化していることがわかる。そして、これら
電気信号S1,S2,S3,……,Sn-1,Snは、第12図の光学式ア
ブソリュート型エンコーダのブロック図に示すようにそ
れぞれコンパレータ20によってデジタル化d1,d2,d3,…
…,dn-1,dnされ、さらにデコーダ30によって交番2進符
合から純2進符合やBCD符合等の所望の形式の絶対位置
データDに変換される。
In the first scale 13 used in the optical system 10 of the optical absolute type encoder having such a configuration, adjacent grating tracks t 1 , t 2 , and t 2 , t 3 and so on as shown in FIG. The alternating binary code (Gray code) in which the lattice pitches P 1 , P 2 , P 3 , ..., P n-1 , P n of t n-1 , t n are in a 1: 2 relationship with each other is It is provided. Therefore, the transmission portion 13A of each of the lattice tracks t 1 , t 2 , t 3 , ..., T n-1 , t n of the first scale 13 and each of the lattice tracks t 1 , t 2 , t 3 , ……,
Each transmission window 14A 1 , 14 of the second scale 14 corresponding to t n-1 , t n
A 2 , 14A 3 , ..., 14A n-1 , 14A n are transmitted, and each transmission window 14A 1 , 1
4A 2 , 14A 3 , ......, 14A n-1 , 14A n corresponding to each photoelectric conversion element 1
Light incident on 5-1,15-2,15-3, ..., 15-n-1,15-n
Lc 1 , Lc 2 , Lc 3 , ..., Lc n-1 , Lc n have the first scale 13
Each of the photoelectric conversion elements 15 changes periodically with the movement in the longitudinal direction (arrow x in the figure).
Each of the electric signals converted by -1,15-2,15-3, ..., 15-n-1,15-n also changes periodically. In FIG. 11, the horizontal axis represents the displacement amount ml in the longitudinal direction of the first scale 13, and the vertical axis represents the photoelectric conversion elements 15-1, 15-2, 15-3, ..., 15-n-1, 1
Electric signal converted by 5-n S 1, S 2 , S 3, ......, show the S n-1, S n, each of the electric signals S 1, S 2, S 3 , ......, S n It can be seen that -1 , S n change periodically. And these electric signals S 1, S 2, S 3 , ......, S n-1, S n are digitized d 1 by the respective comparators 20 as shown in the block diagram of the optical absolute encoder of Figure 12 , d 2 , d 3 ,…
, D n−1 , d n, and is further converted by the decoder 30 into absolute position data D of a desired format such as alternating binary code or pure binary code or BCD code.

(発明が解決しようとする課題) 位置計測に利用される光学式アブソリュート型エンコ
ーダは、その位置検出分解能を高めてより微小な変位量
を検出可能にすること、及び同時により長いストローク
にわたってその絶対位置を検出可能にすることが求めら
れている。しかし、上述したような光学式アブソリュー
ト型エンコーダにおいては、最小位置検出分解能は最小
分割された格子トラックtnにおける格子ピッチPnと同程
度であり、絶対位置検出ストローク長は最大分割された
格子トラックt1における格子ピッチP1と同程度であるの
で、位置検出分解能を高め、かつ絶対位置検出ストロー
ク長を長くしようとすると、格子トラック数nが増加し
て光学式アブソリュート型エンコーダが大型化したり、
その部品である光電変換素子,コンパレータ等の数が増
加してしまうという欠点があった。
(Problems to be Solved by the Invention) An optical absolute encoder used for position measurement is capable of increasing its position detection resolution to detect a smaller displacement amount, and at the same time, its absolute position over a longer stroke. Is required to be detectable. However, in the optical absolute encoder as described above, the minimum position detection resolution is about the same as the grating pitch P n in the minimum divided grating track t n , and the absolute position detection stroke length is the maximum divided grating track. Since it is about the same as the grating pitch P 1 at t 1 , if the position detection resolution is increased and the absolute position detection stroke length is increased, the number of grating tracks n increases and the optical absolute encoder becomes larger,
There is a drawback that the number of photoelectric conversion elements, comparators, etc., which are the parts, increases.

本発明は上述のような事情からなされたものであり、
本発明の目的は、位置検出分解能が高く、かつ絶対位置
検出ストローク長が長い小型の光学式エンコーダ及びそ
の光学スケールを提供することにある。
The present invention has been made under the circumstances as described above,
An object of the present invention is to provide a compact optical encoder having a high position detection resolution and a long absolute position detection stroke length, and an optical scale thereof.

(課題を解決するための手段) 本発明は、例えば、旋盤、フライス盤等の工作機械
や、半導体製造装置の位置計測に利用される光学式エン
コーダ及びその光学スケールに関するものであり、本発
明の上記目的は、光学式エンコーダにおいては、 回折格子から成る格子窓が長手方向に所定の間隔をお
いて配置されており、個々の格子窓で生じる回折光が、
他の格子窓とは異なった固有の回折角度、もしくは回折
方向、また回折強度分布を有するようになっている光学
スケールと、可干渉性を有する平行光を発し、その光束
内に1つ以上の前記格子窓を含む光源装置と、前記格子
窓にて回折された回折光を受光し、各回折光の光点位置
を検出して電気信号に変化する光点位置検出装置と、前
記電気信号により前記光学スケールの位置データを求め
て出力する読取装置とを備えることによって、または、
回折格子から成る格子窓を2つ以上含んだ格子窓群が長
手方向に配置されており、個々の格子窓群内の各格子窓
で生じる回折光の組合わせが、 他の格子窓群内の各格子窓で生じる回折光の組合せと
は異なった固有の回折角度、もしくは回折方向、または
回折強度分布の組合せとなっている光学スケールと、可
干渉性を有する平行光を発し、その光束内に1つ以上の
前記格子窓群を含む光源装置と、前記格子窓群にて回折
された回折光を受光し、各回折光の光点位置を検出して
電気信号に変換する光点位置検出装置と、前記電気信号
により前記光学スケールの位置データを求めて出力する
読取装置とを備えることによって達成される。
(Means for Solving the Problems) The present invention relates to a machine tool such as a lathe and a milling machine, an optical encoder used for position measurement of a semiconductor manufacturing apparatus, and an optical scale thereof. The purpose is that in an optical encoder, grating windows made up of diffraction gratings are arranged at predetermined intervals in the longitudinal direction, and the diffracted light generated in each grating window is
It emits parallel light that has coherence with an optical scale that has a unique diffraction angle or direction or diffraction intensity distribution different from that of other grating windows, and has one or more rays in its light flux. A light source device including the grating window, a light spot position detection device that receives diffracted light diffracted by the lattice window, detects a light spot position of each diffracted light, and changes into an electric signal, and the electric signal A reading device for obtaining and outputting position data of the optical scale, or
A grating window group including two or more grating windows composed of diffraction gratings is arranged in the longitudinal direction, and a combination of diffracted light generated in each grating window in each grating window group is set in another grating window group. Emitting parallel light that has coherence with an optical scale that has a unique diffraction angle, diffraction direction, or diffraction intensity distribution combination that is different from the combination of diffracted light generated in each grating window, and A light source device including one or more of the lattice window groups, and a light spot position detection device that receives diffracted light diffracted by the lattice window groups, detects the light spot position of each diffracted light, and converts the diffracted light into an electric signal. And a reader for obtaining and outputting the position data of the optical scale based on the electric signal.

また、移動体の変位の検出等に使用される光学スケー
ルにおいては、回折格子から成る格子窓が長手方向に所
定の間隔をおいて配置されると共に、個々の格子窓で生
じる回折光が、他の格子窓とは異なった固有の回折角
度、もしくは回折方向、または回折強度分布を有するよ
うに配設されている、または、回折格子から成る格子窓
を2つ以上含んだ格子窓群が長手方向に配置されると共
に、個々の格子窓群内の各格子窓で生じる回折光の組合
せが、他の格子窓群内の各格子窓で生じる回折光の組合
せとは異なった固有の回折角度、もしくは回折方向、ま
たは回折強度分布の組合せとなるように配設されること
によって達成される。
Further, in an optical scale used for detecting displacement of a moving body, grating windows made of diffraction gratings are arranged at a predetermined interval in the longitudinal direction, and diffracted light generated in each grating window is Is arranged so as to have a unique diffraction angle, diffraction direction, or diffraction intensity distribution different from that of the grating window, or a grating window group including two or more grating windows composed of diffraction gratings is arranged in the longitudinal direction. And a unique diffraction angle different from the combination of the diffracted light generated in each grating window in the individual grating window group and the diffracted light generated in each grating window in the other grating window group, or This is achieved by arranging so as to be a combination of diffraction directions or diffraction intensity distributions.

(作用) 本発明の光学式エンコーダ及びその光学スケールは、
格子窓の変位により回折光の位置が移動することと、格
子窓での回折の仕方により格子窓を特定することができ
ることとを利用したものであり、長ストロークにわたっ
て分解能の高い位置データを正確に得ることができる。
(Operation) The optical encoder and the optical scale thereof of the present invention are
By utilizing the fact that the position of the diffracted light moves due to the displacement of the grating window and the fact that the grating window can be specified by the way of diffraction at the grating window, it is possible to accurately obtain position data with high resolution over a long stroke. Obtainable.

(実施例) 第1図は本発明の光学式アブソリュート型エンコーダ
の光学系の一例を示す斜視構造図であり、可干渉性の測
定光LIを発する、例えばLD(Laser Diode)等の発光素
子301と、この発光素子301によって照射された測定光LI
を平行光LJにするコリメータレンズ302と、このコリメ
ータレンズ302で平行にされた平行光LJを部分的に透過
させて所定幅の光束LKにするスリット303と、回折格子
を有する格子窓Tが一定間隔Wで配置され、各回折各子
は光の透過部,非透過部の比及び格子線方向が同一であ
ってピッチが異なり、スリット303からの光束LKを回折
する長形状のスケール304と、このスケール304の格子窓
Tで回折された複数の回折光をそれぞれ集光するシリン
ドリカルレンズ305と、このシリンドリカルレンズ305か
らの各回折光LL0,LL±1,……,LL±n,……の光点LP0,LP
±1,……,LP±n,……の位置を検出して電気信号に変換
する、例えばイメージセンサ等の光点位置検出素子306
とで構成されている。なお、直線上に固定して配設され
ている発光素子301,コリメータレンズ302,スリット303,
シリンドリカルレンズ305はスケール304に対して相対的
に移動できればよいが、この例ではスケール304が長手
方向(図示矢印X)に直線的に移動するようになってい
る。
(Embodiment) FIG. 1 is a perspective structural view showing an example of an optical system of an optical absolute encoder of the present invention, which emits coherent measurement light LI, for example, a light emitting element 301 such as an LD (Laser Diode) 301. And the measurement light LI emitted by the light emitting element 301.
Is a parallel light LJ, a slit 303 that partially transmits the parallel light LJ collimated by the collimator lens 302 to form a light beam LK having a predetermined width, and a grating window T having a diffraction grating is constant. Arranged at a distance W, each diffracting element has the same ratio of the light transmitting portion and the non-transmitting portion and the same lattice line direction and different pitches, and the elongated scale 304 that diffracts the light flux LK from the slit 303, A cylindrical lens 305 that condenses a plurality of diffracted lights diffracted by the grating window T of the scale 304, and diffracted lights LL 0 , LL ± 1 , ..., LL ± n ,. Light spot of LP 0 , LP
Detects the position of ± 1 , ..., LP ± n , ... and converts it to an electric signal, for example, a light spot position detection element 306 such as an image sensor.
It consists of and. The light emitting element 301 fixedly arranged on the straight line, the collimator lens 302, the slit 303,
The cylindrical lens 305 may move relative to the scale 304, but in this example, the scale 304 moves linearly in the longitudinal direction (arrow X in the drawing).

このような構成の光学式アブソリュート型エンコーダ
の光学系300において、シリンドリカルレンズ305からの
各回折光LL0,LL±1,……LL±……のうち0次回折光LL
0と正負のn次回折光LL±とがなす角(以下、回折角
という)±θは、スケール304の格子窓Tの回折格子
のピッチPPとスリット303からの光束LKの波長λとによ
り次式(1)で表わされる。
In the optical system 300 of the optical absolute encoder having such a configuration, the 0th-order diffracted light LL among the diffracted lights LL 0 , LL ± 1 , ... LL ± n ... From the cylindrical lens 305.
The angle formed by 0 and the positive and negative nth-order diffracted light LL ± n (hereinafter referred to as a diffraction angle) ± θ n is determined by the pitch PP of the diffraction grating of the grating window T of the scale 304 and the wavelength λ of the light flux LK from the slit 303. It is expressed by the following equation (1).

±θ=±sin-1(nλ/PP) ……(1) そして、正負のn次回折光の光点位置検出素子306上
の光点LP+n,LP-nは、スケール304と光点位置検出素子3
06との距離をSSとする次式(2)で表わされる距離ddn
を隔てて位置する。
± θ n = ± sin −1 (nλ / PP) (1) Then, the light spots LP + n and LP −n on the light spot position detecting element 306 of the positive and negative n-th order diffracted light are the scale 304 and the light spot position. Detector element 3
The distance dd n expressed by the following equation (2) where SS is the distance from 06
Located apart from each other.

ddn=2SStan(sin-1(nλ/PP)) ……(2) 例えば第2図に示すように、スケール304が同図示左
方に移動してスリット303からの光束LKの照射範囲がa
→bと変化した場合、光点位置検出素子306上の0次回
折光の光点LP1TO,LP2TO,LP3TOと1次回折光の光点LP1T
±1,LP2T±1,LP3T±は同図示のようになり、各1次回
折光の光点間距離dd1T,dd2T,dd3Tは次式(3),
(4),(5)で表わされる。
dd n = 2SStan (sin -1 (nλ / PP)) (2) For example, as shown in FIG. 2, the scale 304 moves to the left in the figure and the irradiation range of the light flux LK from the slit 303 is a.
→ When b is changed, the light spots LP 1TO , LP 2TO , LP 3TO of the 0th-order diffracted light and the light spot LP 1T of the 1st-order diffracted light on the light spot position detection element 306
± 1 , LP 2T ± 1 , LP 3T ± 1 is as shown in the figure, and the distances dd 1T , dd 2T , dd 3T between the light spots of each 1st-order diffracted light are expressed by the following equation (3),
(4) and (5).

dd1T=2SStan(sin-1(λ/PP1T)) ……(3) dd2T=2SStan(sin-1(λ/PP2T)) ……(4) dd3T=2SStan(sin-1(λ/PP3T)) ……(5) 従って、光点位置検出素子306上の正負の1次回折光
の光点LPnT±の位置からそれらの光点間距離ddnTを求
め、この光点間距離ddnTから回折格子のピッチPPnTを求
めてスケール304上の格子窓TnTを特定し、また光点位置
検出素子306上の0次回折光の光点LPnT0の位置から格子
窓の間隔W内の絶対位置を求めることで、スケール304
上の絶対位置データを求めることができる。
dd 1T = 2SStan (sin -1 (λ / PP 1T )) …… (3) dd 2T = 2SStan (sin -1 (λ / PP 2T )) …… (4) dd 3T = 2SStan (sin -1 (λ / PP 3T )) ...... (5) Therefore, the distance dd nT between these light spots is calculated from the position of the light spot LP nT ± 1 of the positive and negative first-order diffracted light on the light spot position detection element 306, and the distance between these light spots is calculated. The pitch PP nT of the diffraction grating is obtained from the distance dd nT to specify the grating window T nT on the scale 304, and the distance W from the position of the light point LP nT0 of the 0th-order diffracted light on the light spot position detecting element 306 to the grating window W n. By finding the absolute position in the scale 304
The absolute position data above can be determined.

第3図は本発明の光学式アブソリュート型エンコーダ
の一例を示すブロック図であり、上述した光学系300と
第1変換部320,第2変換部330及び演算部340で成る読取
装置310とで構成されている。
FIG. 3 is a block diagram showing an example of the optical absolute type encoder of the present invention, which is composed of the above-described optical system 300 and the reading device 310 including the first conversion unit 320, the second conversion unit 330, and the calculation unit 340. Has been done.

回折判定部322は、光点位置検出素子306上の例えば1
次回折光の光点LPnT±の位置を表わす第4図に示すよ
うな座標値(xnT+1,ynT+1),(xnT-1,ynT-1)を入力
し、次式(6)により光点間距離ddnTを求めて前式
(2)により回折格子のピッチPPnTを求める。
The diffraction determination unit 322 is, for example, 1 on the light spot position detection element 306.
Input the coordinate values (x nT + 1 , y nT + 1 ), (x nT-1 , y nT-1 ), as shown in FIG. 4, which represents the position of the light point LP nT ± 1 of the next-order diffracted light, and The distance dd nT between the light spots is obtained by the equation (6), and the pitch PP nT of the diffraction grating is obtained by the equation (2).

記憶部321にはスケール304上の各格子窓T1T,T2T,…,T
nT,…の位置データPOSH1,POSH2,…,POSHn,…と回折格子
のピッチPP1T,PP2T,…,PPnT,…とが対応付けられて記憶
されており、照合部323は回折判定部322からの回折格子
のピッチPPnTに対応する格子窓TnTの位置データPOSHn
記憶部321から読出して演算部340に送出する。
In the storage unit 321, each lattice window T 1T , T 2T , ..., T on the scale 304 is stored.
nT, the position of ... data P OSH1, P OSH2, ..., P OSHn, ... and pitch PP 1T of the diffraction grating, PP 2T, ..., PP nT, ... and is stored in association with, the matching unit 323 Position data P OSHn of the grating window T nT corresponding to the diffraction grating pitch PP nT from the diffraction determining unit 322 is read from the storage unit 321 and sent to the arithmetic unit 340.

一方、第2変換部330は、光点位置検出素子306上の0
次回折光の光点LPnTOの位置を表わす第4図に示すよう
な座標値(xnTO,ynTO)を入力し、スケール304上の格子
窓TnTの間隙W内の絶対位置POSLnを求めて演算部340に
送出する。なお、0次回折光の光点LPnTOの座標値(x
nTO,ynTO)の代りに、1次回折光の光点LPnT±の中間
点の座標値(xnT+1−xnT-1)/2,(ynT+1−ynT-1)/2)
を用いて上記絶対位置POSLnを求めることも可能であ
る。
On the other hand, the second conversion unit 330 outputs 0
By inputting coordinate values (x nTO , y nTO ) representing the position of the light point LP nTO of the next-order diffracted light, the absolute position P OSLn in the gap W of the lattice window T nT on the scale 304 is obtained. And outputs it to the calculation unit 340. Incidentally, 0 coordinates of the light spot LP NTO order diffracted light (x
nTO , y nTO ), instead of the light spot LP nT ± 1 of the first-order diffracted light, the coordinate value (x nT + 1 −x nT-1 ) / 2, (y nT + 1 −y nT-1 ). / 2)
It is also possible to obtain the absolute position P OSLn by using.

上述した位置データPOSHn及び絶対位置POSLnはスケー
ル304の変位に対して第5図に示すように変化するの
で、演算部340は位置データPOSHnと絶対位置POSLnを加
算してスケール304上の絶対位置データPOSnを求めて出
力する。
Since the position data P OSHn and the absolute position P OSLn described above change as shown in FIG. 5 with respect to the displacement of the scale 304, the calculation unit 340 adds the position data P OSHn and the absolute position P OSLn to the scale 304. The absolute position data P OSn of is calculated and output.

第6図は第1図に示す光学式アブソリュート型エンコ
ーダの光学系のスケール304に設けられる格子窓の別の
パターン例を示す図であり、回折格子を有する一対の格
子窓TnA,TnBが一定間隙WWで配置されており、各回折格
子は光の透過部、非透過部の比及び格子線方向が同一で
あってピッチが異なっている。このような構成によれば
格子窓の特定を格子窓の組合せ分増加させることができ
るので、スケール304を長尺化することができる。
FIG. 6 is a diagram showing another pattern example of the grating window provided on the scale 304 of the optical system of the optical absolute type encoder shown in FIG. 1, in which a pair of grating windows T nA and T nB having a diffraction grating are provided. The diffraction gratings are arranged with a constant gap WW, and the diffraction gratings have the same ratio of the light transmitting portion and the non-light transmitting portion and the same grating line direction but different pitches. With such a configuration, the number of grid windows can be increased by the number of combinations of grid windows, and thus the scale 304 can be elongated.

このスケール304上の絶対位置データを求める読取装
置は第3図に示す読取装置310の第1変換部320を第7図
に示すように変更すればよい。すなわち、2つの回折判
定部322は、光点位置検出素子306上の例えば2つの1次
回折光の光点LPnA±及びLPnB±の位置を表わす座標
値(xnA+1,ynA+1),(xnA-1,ynA-1)及び(xnB+1,y
nB+1)(xnB-1,ynB-1)をそれぞれ入力し、求めた光点
間距離ddnA及びddnBにより回折格子のピッチPPnA及びPP
nBをそれぞれ求める。
The reading device for obtaining the absolute position data on the scale 304 may be modified by changing the first conversion unit 320 of the reading device 310 shown in FIG. 3 as shown in FIG. That is, the two diffraction determination units 322 are arranged such that the coordinate values (x nA + 1 , y nA) representing the positions of the light spots LP nA ± 1 and LP nB ± 1 of, for example, two first-order diffracted lights on the light spot position detection element 306. +1 ), (x nA-1 ,, y nA-1 ) and (x nB + 1 , y
nB + 1) (x nB- 1, y nB-1) were respectively inputted, the diffraction grating by inter obtained point distance dd nA and dd nB pitch PP nA and PP
Find nB respectively.

組合せ判定部324は、各回折判定部322からのピッチPP
nA及びPPnBの組合せを判定し、その結果PPnABを照合部3
23に送出する。
The combination determination unit 324 uses the pitch PP from each diffraction determination unit 322.
The combination of nA and PP nB is determined, and as a result, PP nAB is compared with the matching unit 3
Send to 23.

記憶部321にはスケール304上の一対の格子窓T1A,T1B;
T2A,T2B;…;TnA,TnB;…の位置データPOSH1,POSH2,…,P
OSHn,…と回折格子のピッチの組合せPP1AB,PP2AB,…,PP
nAB,…とが対応付けられて記憶されており、照合部323
は組合せ判定部324からの回折格子のピッチの組合せPP
nABに対応する格子窓TnA,TnBの位置データPOSHnを記憶
部321から読出して送出する。
A pair of lattice windows T 1A , T 1B on the scale 304 are stored in the storage unit 321.
Position data P OSH1 , P OSH2 , ..., P of T 2A , T 2B ; ...; T nA , T nB ; ...
Combination of OSHn ,… and grating pitch PP 1AB , PP 2AB ,…, PP
nAB , ... Are stored in association with each other.
Is the combination PP of the diffraction grating pitches from the combination determination unit 324.
grille T nA that corresponds to the NAB, and sends the position data P OSHn of T nB reads from the storage unit 321.

なお、上述した各実施例においてはスケール304上の
格子窓の回折格子のピッチが格子窓毎に異なる場合を示
したが、透過部及び非透過部の比が格子窓毎に異なるス
ケールや、格子線方向が格子窓毎に異なるスケールを用
いてもスケール上の絶対位置データを得ることができ
る。すなわち、透過部及び非透過部の比を変えた場合
は、異なる次数の回折光の強度比が透過部及び非透過部
の比により変化することを利用するものであり、この原
理に基づく判定基準を回折判定部322が持つことで格子
窓を特定することができる。また、格子線方向を変えた
場合は、同次数の正負の回折光の光点位置が格子線方向
により移動(回転)することを利用するものであり、こ
の原理に基づく判定基準を回折判定部322が持つことで
格子窓を特定することができる。
In each of the above-described embodiments, the pitch of the diffraction grating of the grating window on the scale 304 is different for each grating window, but the ratio of the transmissive portion and the non-transmissive portion is different for each lattice window, and the grating Absolute position data on the scale can be obtained by using a scale whose line direction is different for each lattice window. That is, when the ratio of the transmissive part and the non-transmissive part is changed, the intensity ratio of diffracted light of different orders changes depending on the ratio of the transmissive part and the non-transmissive part. Since the diffraction determination unit 322 has the, the grating window can be specified. Further, when the lattice line direction is changed, the fact that the light spot positions of the positive and negative diffracted lights of the same order move (rotate) according to the lattice line direction is used, and the determination criterion based on this principle is used as the diffraction determination unit. The lattice window can be specified by having 322.

また、例えば第2図示b又は第6図示cのように光束
LKの照射範囲内に2組の格子窓が含まれる場合には、読
取装置310において各格子窓毎にスケール304上の絶対位
置データを求めて平均化するようにしてもよい。この平
均化処理を行なう際、各絶対位置データに重み付けを行
なえば格子窓の間隙W又はWWを周期とする誤差成分を低
減することができる。
Further, for example, as shown in b in FIG. 2 or c in 6 in FIG.
When two sets of lattice windows are included in the irradiation range of LK, the reader 310 may obtain and average absolute position data on the scale 304 for each lattice window. When performing this averaging process, by weighting each absolute position data, it is possible to reduce the error component having the gap W or WW of the lattice window as a period.

さらに、発光素子から照射された可干渉光をスケール
に透過させて回折光を得ているが、透過光と反射光とは
性質上差がないのでスケールで反射させて回折光を得る
ようにすることも可能である。反射式とした場合、発光
素子,コリメータレンズ,スリットとシリンドリカルレ
ンズ,光点位置検出素子とはスケールに対して同一側に
配設され、スケールは光反射部と光非反射部とで形成さ
れる。
Furthermore, the coherent light emitted from the light emitting element is transmitted to the scale to obtain diffracted light. However, since there is no difference in properties between the transmitted light and the reflected light, the scale reflects the diffracted light to obtain diffracted light. It is also possible. In the case of the reflection type, the light emitting element, the collimator lens, the slit and the cylindrical lens, and the light spot position detecting element are arranged on the same side with respect to the scale, and the scale is formed of a light reflecting portion and a light non-reflecting portion. .

そして、第8図に示すようにスケールを円板307にし
て、その表面に本発明の格子窓Tを円環状に設け、円板
307の中心を回転軸にして回転されば、角度の検出をア
ブソリュートで行なうことも可能である。
Then, as shown in FIG. 8, the scale is a disc 307, and the lattice window T of the present invention is annularly provided on the surface of the disc 307.
If the center of 307 is rotated about the axis of rotation, the angle can be detected absolutely.

(発明の効果) 以上のように本発明の光学式エンコーダによれば、従
来複数本の格子トラックが必要であった長ストロークの
絶対位置検出が直線状に配設された格子窓で可能となる
ので、部品が小さくなって光学式エンコーダを小型化す
ることができると共に、光学式エンコーダの製造コスト
ダウンや製品コストダウンを図ることができる。
(Effects of the Invention) As described above, according to the optical encoder of the present invention, long stroke absolute position detection, which has conventionally required a plurality of grid tracks, can be performed with a linearly arranged grid window. Therefore, it is possible to reduce the size of the optical encoder by reducing the number of parts, and it is possible to reduce the manufacturing cost and the product cost of the optical encoder.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図は本発明の光学式エンコーダの光学系の一例を示
す斜視構造図、第2図はその光学スケールの一例を示す
図、第3図はその読取装置の一例を示すブロック図、第
4図及び第5図はそれぞれ本発明の光学式エンコーダに
よる読取を説明する図、第6図は本発明の光学スケール
の別の一例を示す図、第7図はその読取装置の主要部を
示すブロック図、第8図は本発明の光学スケールのさら
に別の一例を示す図、第9図は従来の光学式エンコーダ
の光学系の一例を示す斜視構造図、第10図はその格子ト
ラックの一例を示す図、第11図はその電気信号の一例を
示す図、第12図はその読取装置の一例を示す図である。 10,300……光学式アブソリュート型エンコーダの光学
系、11,301……発光素子、12,302……コリメータレン
ズ、13,14,304,307……スケール、303……スリット、30
5……シリンドリカルレンズ、15……光電変換素子、20
……コンパレータ、30……デコーダ、306……光点位置
検出素子、310……読取装置、320……第1変換部、321
……記憶部、322……回折判定部、323……照合部、324
……組合せ判定部、330……第2変換部、340……演算
部。
FIG. 1 is a perspective structural view showing an example of an optical system of an optical encoder of the present invention, FIG. 2 is a view showing an example of an optical scale thereof, FIG. 3 is a block diagram showing an example of a reading device thereof, and FIG. FIG. 5 and FIG. 5 are views for explaining reading by the optical encoder of the present invention, FIG. 6 is a view showing another example of the optical scale of the present invention, and FIG. 7 is a block showing a main part of the reading device. FIG. 8 is a diagram showing still another example of the optical scale of the present invention, FIG. 9 is a perspective structural view showing an example of an optical system of a conventional optical encoder, and FIG. 10 is an example of its grating track. 11 is a diagram showing an example of the electric signal, and FIG. 12 is a diagram showing an example of the reading device. 10,300 …… Optical absolute encoder optical system, 11,301 …… Light emitting element, 12,302 …… Collimator lens, 13,14,304,307 …… Scale, 303 …… Slit, 30
5: Cylindrical lens, 15: Photoelectric conversion element, 20
...... Comparator, 30 …… Decoder, 306 …… Light spot position detection element, 310 …… Reading device, 320 …… First conversion unit, 321
...... Memory unit, 322 ...... Diffraction determination unit, 323 ...... Verification unit, 324
...... Combination determination unit, 330 …… Second conversion unit, 340 …… Calculation unit.

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】回折格子から成る格子窓が長手方向に所定
の間隔をおいて配置されており、個々の格子窓で生じる
回折光が、他の格子窓とは異なった固有の回折角度、も
しくは回折方向、または回折強度分布を有するようにな
っている光学スケールと、可干渉性を有する平行光を発
し、その光束内に1つ以上の前記格子窓を含む光源装置
と、前記格子窓にて回折された回折光を受光し、格回折
光の光点位置を検出して電気信号に変化する光点位置検
出装置と、前記電気信号により前記光学スケールの位置
データを求めて出力する読取装置とを備えてなることを
特徴とする光学式エンコーダ。
1. A grating window composed of a diffraction grating is arranged at a predetermined interval in the longitudinal direction, and diffracted light generated in each grating window has a unique diffraction angle different from those of other grating windows, or An optical scale that has a diffraction direction or a diffraction intensity distribution, a light source device that emits parallel light having coherence and includes one or more of the grating windows in its light flux, and the grating window A light spot position detecting device that receives the diffracted diffracted light, detects the light spot position of the diffracted light and changes it into an electric signal, and a reading device that obtains and outputs position data of the optical scale based on the electric signal. An optical encoder comprising:
【請求項2】前記格子窓を構成する回折格子は、個々の
格子窓で生じる回折光が、他の格子窓とは異なった固有
の回折角度、もしくは回折方向、または回折強度分布を
有するように設けられており、前記読取装置が、前記光
点位置検出装置から出力される電気信号により1次以上
の同次数の正負の回折光の光点位置を読取ってこの回折
光を回折した前記格子窓を特定する第1の交換手段と、
前記光点位置検出装置から出力される電気信号により0
次の回折光の光点位置を読取って前記格子窓の間隔内で
の位置を求める第2の変換手段と、前記第1の変換手段
及び第2の変換手段からの出力により前記光学スケール
の位置データを求める演算手段とで成る請求項1に記載
の光学式エンコーダ。
2. The diffraction grating constituting the grating window is configured so that the diffracted light generated in each grating window has a unique diffraction angle or diffraction direction or diffraction intensity distribution different from those of other grating windows. The grating window is provided in which the reading device reads the light point positions of positive and negative diffracted lights of the same or higher order than the first order by an electric signal output from the light point position detection device and diffracts the diffracted light. A first exchange means for identifying
0 according to the electric signal output from the light spot position detection device
Second conversion means for reading the light spot position of the next diffracted light to obtain the position within the interval of the grating window, and the position of the optical scale by the outputs from the first conversion means and the second conversion means. The optical encoder according to claim 1, further comprising a calculating unit that obtains data.
【請求項3】回折格子から成る格子窓を2つ以上含んだ
格子窓群が長手方向に配置されており、個々の格子窓群
内の各格子窓で生じる回折光の組合わせが、 他の格子窓群内の各格子窓で生じる回折光の組合せとは
異なった固有の回折角度、もしくは回折方向、または回
折強度分布の組合せとなっている光学スケールと、可干
渉性を有する平行光を発し、その光束内に1つ以上の前
記格子窓群を含む光源装置と、前記格子窓群にて回折さ
れた回折光を受光し、各回折光を光点位置を検出して電
気信号に変換する光点位置検出装置と、前記電気信号に
より前記光学スケールの位置データを求めて出力する読
取装置とを備えてなることを特徴とする光学式エンコー
ダ。
3. A grating window group including two or more grating windows composed of a diffraction grating is arranged in the longitudinal direction, and a combination of diffracted light generated in each grating window in each grating window group is Emitting parallel light having coherence with an optical scale that has a unique combination of diffraction angle or direction or diffraction intensity distribution different from the combination of diffracted light generated in each lattice window in the lattice window group. , A light source device including one or more of the lattice window groups in its light flux, and the diffracted light diffracted by the lattice window groups is received, and each diffracted light detects a light spot position and is converted into an electric signal. An optical encoder comprising: a light spot position detection device; and a reading device that obtains and outputs position data of the optical scale based on the electric signal.
【請求項4】移動体の変位の検出等に使用される光学ス
ケールにおいて、回折格子から成る格子窓が長手方向に
所定の間隔をおいて配置されると共に、個々の格子窓で
生じる回折光が、他の格子窓とは異なった固有の回折角
度、もしくは回折方向、または回折強度分布を有するよ
うに配設されていることを特徴とする光学スケール。
4. In an optical scale used for detecting displacement of a moving body, grating windows made of diffraction gratings are arranged at predetermined intervals in the longitudinal direction, and diffracted light generated in each grating window is The optical scale is characterized in that it is arranged so as to have a unique diffraction angle, diffraction direction, or diffraction intensity distribution different from other grating windows.
【請求項5】移動体の変位の検出等に使用される光学ス
ケールにおいて、回折格子から成る格子窓を2つ以上含
んだ格子窓群が長手方向に配置されると共に、個々の格
子窓群内の各格子窓で生じる回折光の組合せが、他の格
子窓群内の各格子窓で生じる回折光の組合せとは異なっ
た固有の回折角度、もしくは回折方向、または回折強度
分布の組合せとなるように配設されていることを特徴と
する光学スケール。
5. In an optical scale used for detecting displacement of a moving body, a grating window group including two or more grating windows made of a diffraction grating is arranged in the longitudinal direction, and each grating window group is provided. The combination of the diffracted light generated in each grating window of is a unique combination of the diffraction angle or the direction or the diffraction intensity distribution different from the combination of the diffracted light generated in each grating window in the other grating window group. An optical scale, which is characterized in that it is arranged in.
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