JPH09126722A

JPH09126722A - 変位情報検出装置

Info

Publication number: JPH09126722A
Application number: JP7303610A
Authority: JP
Inventors: Akira Ishizuka; 公石塚
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1995-10-27
Filing date: 1995-10-27
Publication date: 1997-05-16

Abstract

(57)【要約】【課題】２つの基板間の相対的変位情報としての原点
信号とインクリメンタル信号を高分解能で検出すること
かできる変位情報検出装置を得ること。【解決手段】光源手段からの光束を第１基板に設けた
インクリメンタル信号検出用の位相格子及び原点信号検
出用のレンズ手段に各々入射させ、該位相格子とレンズ
手段からの変調光を該第１基板と対向配置した第２基板
に設けた格子列と原点用のマーク手段に各々入射させ、
該格子列と原点用のマーク手段からの変調光を各々受光
素子で受光して該第１基板と該第２基板との相対的な変
位情報を得ていること。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は変位情報検出装置に
関し、特に相対的に移動するスケール（第１基板）と基
板（第２基板）に取り付けられた格子に光束を照射し
て、そこから得られる位相又は強度変調された信号光を
検出することにより該スケールと基板に関する位置，位
置ずれ量，位置ずれ方向，速度，加速度，原点位置等の
変位情報を検出するエンコーダ（リニアエンコーダ，ロ
ータリーエンコーダ）等に好適なものである。

【０００２】この他、これらの変位情報に基づいてＡＣ
モータ等の駆動装置の電流量や方向を制御して、物体の
回転移動をさせる装置（エンコーダ付モータ等）等に好
適なものである。

【０００３】

【従来の技術】従来より、物体の相対的な変位情報（変
位量，速度，加速度等）を高精度に測定する為の装置と
してインクリメンタル型のエンコーダが多く利用されて
いる。又このエンコーダにはその内部に絶対位置情報を
計算する為に原点情報を検出する為の装置が付加されて
いる。

【０００４】一般にエンコーダにおけるインクリメンタ
ル信号の検出機構は相対移動するスケール（第１基板）
上に透過，非透過（又は反射，非反射）の繰り返し格子
パターンを記録しておき、固定のスリット基板（第２基
板）にも全く等しいピッチのスリットパターン（格子パ
ターン）を記録しておき、両者を間隔（ギャップ）Ｇを
隔てて重ね合わせておいてから双方に平行光束を照明し
ている。このときスケールの移動によって両者のパター
ンの一致の具合に応じて透過光量が周期的に変化する。
このときの変化量を受光素子にて検出し、正弦波状の電
気的なインクリメンタル信号を得ている。又は更に２値
化回路によって矩形波状に変換されて電気的なインクリ
メンタル信号を得ている。

【０００５】又原点信号の検出機構は相対移動するスケ
ール上に複数の透過，非透過（又は反射，非反射）のラ
ンダム格子パターンを記録しておき、固定のスリット基
板にも全く等しいランダム格子パターンを記録してお
き、両者を間隔（ギャップ）Ｇを隔てて重ね合わせてお
いてから双方に平行光束を照明している。このときスケ
ールの移動によって両者のパターンが完全に一致した瞬
間に最大の透過光量となるようなパルス状信号光を得て
いる。このパルス状信号光を受光素子にて検出して原点
信号を得ている。更に２値化回路によって矩形波状に変
換した電気的な原点信号を得ている。

【０００６】相対的な変位情報を検出する為のスケール
とスリット基板には、それぞれ格子パターン，原点パタ
ーンが併設されている。そして多くの場合、両者を並列
的に検出している。この場合は、インクリメンタル信号
の検出原理も原点信号の検出原理もスケールとスリット
基板の重なり具合の変化による透過光量の変調効果を利
用している。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】最近のエンコーダには
変位情報の検出に高分解能化が求められている。インク
リメンタル信号の検出をより高精度，高分解能に行うに
はインクリメンタル信号検出用の格子パターンをより高
密度に記録する必要がある。しかしながらそうすると光
束がスケール上のスリット列を透過してスリット基板上
のスリット列に到達する前に、光の回折現象によって明
暗のコントラストが低下しやすくなる。

【０００８】これに対してスケール板とスリット基板
（検出ヘッド）を数１０μｍまで近接させる方法があ
る。しかしながら近接しすぎるとスケールガイド機構の
誤差等によって接触して破損する場合があり、近接させ
ることができないという問題点があった。

【０００９】高分解能を有する原点信号の検出方法とし
ては、例えばインクリメンタル信号検出用の光学要素と
別途に設けたレンズ又はシリンダーレンズによりスケー
ル上に併設された原点パターントラック（理想的には透
過，非透過パターン）上に光束を線状に集光して、該ス
ケール上に設けた１本のスリット開口パターンより成る
原点パターンを照明している。そしてスケールの移動に
伴う原点パターンからの透過光量の変化を検出して、こ
れによりインクリメンタル信号の検出分解能と同程度の
分解能で原点信号を得ている。

【００１０】しかし原点信号検出の為に集光光束が必要
となる。例えばコリメータレンズとスケール間のスリッ
ト開口パターン近傍にシリンダーレンズ等を挿入する必
要が生じ、この結果、装置の小型化や組み立てが難しく
なるという問題点があった。

【００１１】更にシリンダーレンズの挿入により原点信
号の検出がシリンダーレンズの取り付け方によってずれ
るのでインクリメンタル信号との同期を良好に行うのが
難しくなってくるという問題点があった。

【００１２】本発明は、装置全体の小型化を図りつつ、
インクリメンタル信号及び原点信号を高分解能で検出
し、第１基板と第２基板との相対的な変位情報を高精度
に求めることのできる変位情報検出装置の提供を目的と
する。

【００１３】この他本発明は、光学系全体の小型化を図
りつつ、高分解能で原点信号とインクリメンタル信号を
得て第１基板と第２基板の相対的な変位情報を高精度に
検出することができる変位情報検出装置の提供を目的と
する。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明の変位情報検出装
置は、（１−１）光源手段からの光束を第１基板に設けたイン
クリメンタル信号検出用の位相格子及び原点信号検出用
のレンズ手段に各々入射させ、該位相格子とレンズ手段
からの変調光を該第１基板と対向配置した第２基板に設
けた格子列と原点用のマーク手段に各々入射させ、該格
子列と原点用のマーク手段からの変調光を各々受光素子
で受光して該第１基板と該第２基板との相対的な変位情
報を得ていることを特徴としている。

【００１５】特に、（１−１−１）前記第１基板と第２基板との間隔は前記
レンズ手段の焦点距離に略等しいこと。

【００１６】（１−１−２）前記レンズ手段は所定の格
子ピッチより成る位相格子、又は断面形状が凹凸の該凹
凸の比率に規則性のある回折格子レンズより成り、入射
光束を点状集光光束又は線状集光光束として射出してい
ること。

【００１７】（１−１−３）前記レンズ手段からの集光
光束の前記第２基板上における光束幅をａ、前記原点用
のマーク手段の透過部幅又は遮光部幅をｂとしたときａ≦ｂとなるように各要素を設定していること。

【００１８】（１−１−４）前記第１基板上のレンズ手
段の両側を通過する直進光束の幅が前記マーク手段から
の変調光を受光する受光素子の幅よりも広くなるように
各要素を設定していること。

【００１９】（１−１−５）前記第１基板上のレンズ手
段はラメラ位相格子より成り、その断面凹凸の段差によ
って凹部透過光と凸部透過光が互いにλ／２の光路差と
なるようにしていること。

【００２０】（１−１−６）前記マーク手段からの変調
光を受光する受光素子の受光信号はパルス状信号であ
り、該パルス状信号を２値化回路を介して矩形状信号と
していること。

【００２１】（１−１−７）前記位相格子で回折された
回折光同士は互いに干渉して前記第２基板上で前記格子
列のピッチと同ピッチの干渉パターンを形成し、前記受
光素子は該格子列を介した光束を受光しており、該受光
素子で得られたインクリメンタル信号を２値化回路を介
して矩形波状信号としていること。

【００２２】（１−１−８）前記格子列はスリット格子
列であること。

【００２３】（１−１−９）前記マーク手段はスリット
を有すること。

【００２４】（１−１−１０）前記マーク手段は光透
過、非透過を逆転させた２つのパターンを有し、各パタ
ーンからの光を各々受光素子で検出し、検出信号の差分
より原点信号を得ること。等、を特徴としている。

【００２５】（１−２）光源手段からの光束をコリメー
ターレンズで平行光束として第１基板に設けたインクリ
メンタル信号検出用の位相格子及び原点信号検出用のレ
ンズ手段に各々入射させ、該位相格子と原点レンズから
の変調光を該第１基板に対して該レンズ手段の焦点距離
と略同程度の間隔で対向配置した第２基板上の格子列と
原点検出用マーク手段に各々入射させ、該格子列と原点
検出用マーク手段からの該第１基板と第２基板の相対的
変位に基づく変調光を各々受光素子で受光してインクリ
メンタル信号と原点信号を得ていることを特徴としてい
る。

【００２６】特に、（１−２−１）前記第２基板上の格子列上には前記位相
格子からの回折光同士が干渉して明暗パターンが投影さ
れていること。

【００２７】（１−２−２）前記格子列はスリット格子
列であること。

【００２８】（１−２−３）前記マーク手段はスリット
を有すること。

【００２９】（１−２−４）前記マーク手段は光透過、
非透過を逆転させた２つのパターンを有し、各パターン
からの光を各々受光素子で検出し、検出信号の差分より
原点信号を得ること。を、特徴としている。

【００３０】

【発明の実施の形態】図１は本発明の実施形態１のイン
クリメンタル信号検出光学系の要部断面図、図２は本発
明の実施形態１の原点アナログ信号検出光学系の要部断
面図である。図３は図２の一部分を変更したときの要部
断面図である。図４は図１のインクリメンタル信号の検
出光学系と図２の原点アナログ信号検出光学系を一体的
にまとめた要部斜視図、図５は実施形態１の受光手段で
得られる信号の説明図である。

【００３１】図中、ＳＣＬは第１基板としての矢印方向
に移動可能なスケールであり、移動物体（不図示）に取
着されている。スケールＳＣＬ上にはインクリメンタル
信号用の２つの位相格子（格子パターン）ＧＴ（Ａ），
ＧＴ（Ｂ）と原点信号用の原点レンズ（これはリニアパ
ターンの回折レンズより構成される，リニア回折レン
ズ，リニアフレネルゾーンプレートとも言う）Ｌ（Ｚ）
が互いに異なるトラック上に形成されている。

【００３２】ＳＬＩＴは第２基板としてのスリット基板
であり、スケールＳＣＬと５０〜数１００μｍ程度の間
隔（ギャップ）Ｇを隔てて対向配置している。スリット
基板ＳＬＩＴは点ＰＯを境界にして４つの領域に分割
し、各領域には格子の配列の位置を１／４ピッチ分ずら
したスリット格子ＳＬＩＴ（Ａ），ＳＬＩＴ（Ｂ），Ｓ
ＬＩＴ（Ａ−），ＳＬＩＴ（Ｂ−）が形成されている。
又スリット基板ＳＬＩＴには原点信号用の原点スリット
格子（原点スリット）ＳＬＩＴ（Ｚ）がスリット格子Ｓ
ＬＩＴ（Ａ），ＳＬＩＴ（Ｂ），ＳＬＩＴ（Ａ−），Ｓ
ＬＩＴ（Ｂ−）と異なるトラック上に形成されている。

【００３３】ＬＧＴはＬＥＤ等の低コヒーレンシーの光
源手段である。ＬＮＳはコリメーターレンズであり、光
源手段ＬＧＴからの光束を平行光束としている。光源手
段ＬＧＴとコリメーターレンズＬＮＳは投光手段の一要
素を構成している。ＰＤは受光手段であり、スリット格
子ＳＬＩＴ（Ａ），ＳＬＩＴ（Ｂ），ＳＬＩＴ（Ａ
−），ＳＬＩＴ（Ｂ−）で回折された回折光を受光する
為の４つの受光素子ＰＤ（Ａ），ＰＤ（Ｂ），ＰＤ（Ａ
−），ＰＤ（Ｂ−）と原点信号用の受光素子ＰＤ（Ｚ）
を有している。

【００３４】本実施形態では光源手段ＬＧＴ，コリメー
ターレンズＬＮＳ，スリット基板ＳＬＩＴ，そして受光
手段ＰＤは検出ヘッド内に収納し、固定されている。

【００３５】次に本実施形態において図１によりインク
リメンタル信号の検出方法について説明する。光源手段
ＬＧＴより射出された光束をコリメーターレンズＬＮＳ
によって平行光束にし、相対移動するスケールＳＣＬ上
に照明している。平行光束はスケールＳＣＬ上のインク
リメンタル用の位相格子トラックと原点信号用の原点回
折レンズトラックに同時に一括して照明している。

【００３６】図１に示すようにインクリメンタル用の位
相格子トラックでは凹凸形状より成る位相格子ＧＴ
（Ａ），ＧＴ（Ｂ）より回折光束を発生して５０〜数１
００μｍ離れた空間にもとの格子ピッチの半分の明暗パ
ターンを投影する。ここで位相格子ＧＴ（Ａ），ＧＴ
（Ｂ）としてラメラ格子で０次回折光が発生しないよう
な微細構造のものを用いている。又凹凸部でそれぞれ光
を透過するものを用いている。

【００３７】スケールＳＣＬ上の位相格子ＧＴ（Ａ），
ＧＴ（Ｂ）によってスリット基板ＳＬＩＴ上に投影され
た明暗パターンは該明暗パターンと等ピッチのスリット
基板ＳＬＩＴ上のスリット格子ＳＬＩＴ（Ａ），ＳＬＩ
Ｔ（Ｂ），ＳＬＩＴ（Ａ−），ＳＬＩＴ（Ｂ−）によっ
て該明暗パターンとスリット格子ＳＬＩＴ（Ａ），ＳＬ
ＩＴ（Ｂ），ＳＬＩＴ（Ａ−），ＳＬＩＴ（Ｂ−）との
位置関係に応じて選択的に透過，遮光している。

【００３８】４つのスリット格子ＳＬＩＴ（Ａ），ＳＬ
ＩＴ（Ｂ），ＳＬＩＴ（Ａ−），ＳＬＩＴ（Ｂ−）は点
ＰＯを境界に領域を４分割していて、互いの格子の配列
の位相を１／４ピッチ分ずらして形成してある。これに
より、それぞれの領域を透過した信号光の明暗の変化の
タイミングが１／４周期づつずれるようにして、所謂
Ａ，Ｂ相信号を発生させている。その際にスケールＳＣ
Ｌの移動によって位相格子ＧＴ（Ａ），ＧＴ（Ｂ）が１
ピッチ分移動すると明暗パターンは２ピッチ分移動する
のでスリット格子ＳＬＩＴを透過した光束は明暗が正弦
波状に２回変化する。

【００３９】図５（Ａ）は、このときの４つの受光素子
のうちの２つの受光素子ＰＤ（Ａ），ＰＤ（Ｂ）に到達
する光量がスケールＳＣＬの相対移動によって変化する
明暗信号の様子を示している。この明暗信号光を受光素
子ＰＤ（Ａ），ＰＤ（Ｂ）で受光しており、このとき受
光素子ＰＤ（Ａ），ＰＤ（Ｂ）からスケールＳＣＬの位
相格子１ピッチ分の移動で２周期の正弦波状のアナログ
信号電流を得ている。例えば、スケールＳＣＬの位相格
子ピッチがＰ＝２０μｍであれば、１０μｍ周期の正弦
波状アナログ信号電流が得られる。

【００４０】本実施形態では以上のようにしてスケール
ＳＣＬの移動に伴うインクリメンタル信号を受光手段Ｐ
Ｄで得ている。

【００４１】尚、本実施形態においてスリット基板ＳＬ
ＩＴの４つのスリット格子の代わりに１／４ピッチずら
した２つのスリット格子ＳＬＩＴ（Ａ），ＳＬＩＴ
（Ｂ）を設け、又受光手段ＰＤの４つの受光素子の代わ
りに２つの受光素子ＰＤ（Ａ），ＰＤ（Ｂ）を設けて、
該２つの受光素子によりＡ，Ｂ相信号を得るようにして
も良い。

【００４２】次に本実施形態において図２により原点ア
ナログ信号の検出方法について説明する。図２に示すよ
うにスケールＳＣＬ上の原点レンズＬ（Ｚ）に照明され
た光束は原点レンズＬ（Ｚ）の焦点距離ｆの位置にあた
る空間に線状集光パターンを投影して、その投影空間に
配置したスリット基板ＳＬＩＴの１本の原点スリットＳ
ＬＩＴ（Ｚ）に入射している。そしてスリット基板ＳＬ
ＩＴの原点スリットＳＬＩＴ（Ｚ）を透過した光束は受
光素子ＰＤ（Ｚ）に入射している。尚、集光光束の幅ａ
（強度が１／２以上の領域幅）は、原点スリットＳＬＩ
Ｔ（Ｚ）の幅ｂに比べて等しいか小さく設定している。
即ちａ≦ｂとなるように各要素を設定している。

【００４３】ここで原点レンズＬ（Ｚ）全体に光束が照
明され、スケールＳＣＬの相対移動によって両者が合致
した瞬間に原点スリットＳＬＩＴ（Ｚ）からは最大光量
の光束が透過するので、受光素子ＰＤ（Ｚ）に最大量の
透過光量が入射し、パルス状のするどい波形が出力され
る。

【００４４】図５（Ｂ）は、このときの受光素子ＰＤ
（Ｚ）に到達する光量のスケールの相対移動に伴う変化
の様子を示している。尚、本実施形態ではスケールＳＣ
Ｌ上の原点レンズＬ（Ｚ）トラックの原点レンズＬ
（Ｚ）の両側の部分が単なる光束透過部になっており、
原点レンズＬ（Ｚ）の相対移動に応じて、直進透過光が
受光素子ＰＤ（Ｚ）に入射する。この為に、原点レンズ
Ｌ（Ｚ）が存在しないときにも受光素子ＰＤ（Ｚ）で
は、ある程度の光量が検出される。

【００４５】そこで本実施形態では少なくとも原点レン
ズＬ（Ｚ）全体に光束が照明されているとき受光素子Ｐ
Ｄ（Ｚ）に直進透過光が入射しないようにする為に原点
レンズＬ（Ｚ）の幅よりも受光素子ＰＤ（Ｚ）の幅を小
さくしておき、これにより原点信号のＳ／Ｎ比の向上を
図っている。

【００４６】図３は図２のスリット基板ＳＬＩＴ上の原
点スリット格子ＳＬＩＴ（Ｚ）の透過，不透過を反転し
たときの実施形態の要部概略図である。図３に示す構成
によれば、スケールＳＣＬの相対移動によって原点レン
ズ（Ｚ）と原点スリット格子ＳＬＩＴ（Ｚ）が合致した
瞬間に全て光束が遮断されるので、その総和は最小にな
り、受光素子ＰＤ（Ｚ）に最小量の透過光量が入射し、
図５（Ｃ）のように図５（Ｂ）とは反転したパルス状の
するどい波形が出力される。

【００４７】尚、本実施形態でもスケールＳＣＬ上の原
点レンズＬ（Ｚ）トラックの原点レンズＬ（Ｚ）の両側
の部分が単なる光束透過部になっており、原点レンズＬ
（Ｚ）の相対移動に応じて直進透過光が受光素子ＰＤ
（Ｚ）に大量に入射する為に原点レンズＬ（Ｚ）が存在
しないときに大光量が検出される。

【００４８】原点レンズＬ（Ｚ）が相対移動によって照
明領域にさしかかると、初めは原点レンズＬ（Ｚ）の周
辺部に入射した光束がスリット基板ＳＬＩＴ上の原点ス
リット格子ＳＬＩＴ（Ｚ）を外れ、かつ受光素子ＰＤ
（Ｚ）の外へ入射する。その為、受光素子ＰＤ（Ｚ）へ
の入射光量が低下していく。そのうち原点レンズＬ
（Ｚ）の中央部付近に入射した光束がスリット基板ＳＬ
ＩＴ上の原点スリット格子ＳＬＩＴ（Ｚ）を僅かに外
れ、かつ受光素子ＰＤ（Ｚ）へ入射する。その為受光素
子ＰＤ（Ｚ）への入射光量が一時的に回復する。

【００４９】やがて原点レンズＬ（Ｚ）全体に入射した
光束がスリット基板ＳＬＩＴ上の原点スリット格子ＳＬ
ＩＴ（Ｚ）と合致し、遮光され、かつ直進光束も受光素
子ＰＤ（Ｚ）へ入射しないようになる。本実施形態では
以上のようにして原点アナログ信号を得ている。

【００５０】次に本実施形態において原点デジタル信号
の抽出及びその信号処理系について説明する。

【００５１】図４は図１のインクリメンタル信号の検出
光学系及び図２の原点信号の検出光学系を一体的にまと
めた光学系の全体構成の斜視図である。図６（Ａ）は受
光素子ＰＤ（Ｚ）の出力から原点デジタル信号を得る回
路の説明図であり、図６（Ｂ）は図６（Ａ）の回路中に
おいて信号レベルがスケールＳＣＬの相対移動に伴って
変化する様子を示す説明図である。図６（Ｂ）のよう
に、適切に設定された基準電圧Ｖｒｅｆと受光素子ＰＤ
（Ｚ）の出力からアンプＡＭＰを介して得られた原点ア
ナログ信号Ｖ（ＰＤ（Ｚ））をコンパレータＣＯＭＰに
て比較して２値化し、原点デジタル信号として出力して
いる。

【００５２】図４においてはインクリメンタル用のスリ
ット基板ＳＬＩＴをスリット格子ＳＬＩＴ（Ａ），ＳＬ
ＩＴ（Ｂ），ＳＬＩＴ（Ａ−），ＳＬＩＴ（Ｂ−）のよ
うに４分割し、互いに９０°の位相差でずらして形成し
ている。そして、それらに対応する受光素子をＰＤ
（Ａ），ＰＤ（Ｂ），ＰＤ（Ａ−），ＰＤ（Ｂ−）の４
つでそれぞれ受光することで互いに９０°の位相差のあ
る４相インクリメンタル信号が得られるように構成して
いる。インクリメンタル信号の検出方法は図１で示した
のと同様である。又原点信号の検出方法は図２で示した
のと同様である。

【００５３】以上のように本実施形態ではインクリメン
タル信号検出光学系と原点検出光学系を共通化してい
る。特にインクリメンタル信号検出光学系と原点検出光
学系を各々図１，図２に示すように構成して、又図４に
示すように一体的に構成している。そしてスケールＳＣ
Ｌからインクリメンタル信号用の位相格子により１／２
ピッチの明暗パターンの発生する位置までの距離Ｇと原
点レンズの焦点距離ｆとを略等しくし、これによりイン
クリメンタル信号用のスリット格子ＳＬＩＴ（Ａ），Ｓ
ＬＩＴ（Ｂ），ＳＬＩＴ（Ａ−），ＳＬＩＴ（Ｂ−）と
原点検出用の原点スリット格子ＳＬＩＴ（Ｚ）を同一の
基板に形成できるようにしてスリット基板ＳＬＩＴを共
通化している。又インクリメンタル信号用の受光手段Ｐ
Ｄと原点信号用の受光素子ＰＤ（Ｚ）及びその他の受光
素子を同一基板上に受光素子アレイとして一体化して装
置の簡素化を図っている。又、本実施形態においては次
のような効果も同様に得られる。

【００５４】（Ａ１）生産性が良い。例えば、スケール
ＳＣＬ上に設けた原点レンズＬ（Ｚ）もインクリメンタ
ル信号用の位相格子ＧＴ（Ａ），ＧＴ（Ｂ）もどちらも
透明な凹凸状の光学素子であり、どちらのパターンもレ
プリカ，射出成形等の同一の製法で製造できるので非常
にローコスト化できる。特に、原点レンズを回折レンズ
としてパターニングする場合には、どちらもラメラ位相
格子状のパターンであり、又その凹凸の段差も０次回折
光の発生しない段差にするという点で同じであり、ガラ
スエッチングによる製法及びそれを用いたレプリカ，射
出成形も可能となり非常に生産性の優れた光学素子にな
る。

【００５５】（Ａ２）高分解能な原点信号とインクリメ
ンタル信号が容易に得られる。スケールＳＣＬ上の原点
レンズ（Ｚ）による集光光束幅と原点スリット格子ＳＬ
ＩＴ（Ｚ）の各スリット幅を狭くすれば必要な高分解能
の原点信号が容易に得られる。

【００５６】（Ａ３）小型化が容易となる。スケールＳ
ＣＬ上にインクリメンタル信号用の位相格子及び原点レ
ンズを併置し、スリット基板ＳＬＩＴ上にインクリメン
タル信号用のスリット格子ＳＬＩＴ（Ａ），ＳＬＩＴ
（Ｂ），ＳＬＩＴ（Ａ−），ＳＬＩＴ（Ｂ−）及び原点
スリット格子ＳＬＩＴ（Ｚ）を併置し、更に受光素子基
板上にインクリメンタル信号用の４つの受光素子ＰＤ
（Ａ），ＰＤ（Ｂ），ＰＤ（Ａ−），ＰＤ（Ｂ−）、原
点用の受光素子ＰＤ（Ｚ）を併置して受光素子アレイと
して一体化しているので、各信号検出光学系部品が共通
化され、原点検出用専用部品が不要になり小型化でき
る。

【００５７】（Ａ４）原点信号とインクリメンタル信号
が同期できる。検出の基準をインクリメンタル信号，原
点信号ともにスケール及びスリット基板としているの
で、インクリメンタル信号と原点信号の関係が機械的に
安定し、同期信号が得られる。

【００５８】図７は本発明の実施形態２の要部概略図で
ある。本実施形態では図４の実施形態１に比べてスケー
ルＳＣＬ上の原点レンズトラック及びインクリメンタル
用位相格子トラックに併置して光量モニタ用トラック
（トラック全体が透過部）を新たに設け、スケールＳＣ
Ｌ上の原点レンズトラック及びインクリメンタル用位相
格子トラックを照射した光束と同一の平行光束を照明し
ている。そして光量モニタ用トラックを透過させてスリ
ット基板ＳＬＩＴ上の開口部ＷＮＤ（ｒｅｆ）を透過さ
せて、光量モニタ用の受光素子ＰＤ（ｒｅｆ）にて、受
光するように構成した点が異なっており、その他の構成
は同じである。

【００５９】図８（Ａ）は本実施形態における受光素子
ＰＤ（Ｚ），ＰＤ（ｒｅｆ）からの出力信号から原点デ
ジタル信号を得る回路の説明図である。同図では受光素
子ＰＤ（ｒｅｆ）にて検出された光量レベルに適切な倍
率をかけて基準電圧信号Ｖｒｅｆを作り、原点アナログ
信号Ｖ（ＰＤ（Ｚ））との比較をコンパレータにて行
い、２値化して出力している。図８（Ｂ）は図８（Ａ）
の回路中において信号レベルがスケールＳＣＬの相対移
動に伴って変化する様子を示す説明図である。

【００６０】本実施形態では光源手段からの光量変動の
影響を受けないで原点信号の検出が行えるという特長が
ある。

【００６１】図９は本発明の実施形態３の要部概略図で
ある。本実施形態では図４の実施形態１に比べてスケー
ルＳＣＬ上の原点レンズトラックＬ（Ｚ１）及びインク
リメンタル用の位相格子トラックに併置して原点用レン
ズトラックＬ（Ｚ２）をもう一つ設け、スケールＳＣＬ
上の原点レンズトラック及びインクリメンタル用の位相
格子トラックと共に同一の平行光束を照明し、原点スリ
ット格子ＳＬＩＴ（Ｚ１）を透過させて原点検出用の受
光素子ＰＤ（Ｚ１）にて受光すると同時に原点検出用の
反転スリットアレイＳＬＩＴ（Ｚ２）を透過させて受光
素子ＰＤ（Ｚ２）にて受光している点が異なっており、
その他の構成は同じである。

【００６２】図１０（Ａ）は受光素子ＰＤ（Ｚ１）及び
ＰＤ（Ｚ２）の出力信号から原点デジタル信号を得る回
路の説明図である。同図では検出された２つの互いに反
転した原点アナログ信号Ｖ（ＰＤ（Ｚ１）），Ｖ（ＰＤ
（Ｚ２））をコンパレータにて比較して２値化を行い出
力している。図１０（Ｂ）は図１０（Ａ）の回路中にお
いて信号レベルがスケールＳＣＬの相対移動に伴って変
化する様子を示す説明図である。

【００６３】この実施形態は光源手段からの光量変動の
影響を受けないで原点検出が行えるという特長に加えて
図２，図３の原点アナログ信号が小さい場合にピーク信
号間の振幅差を大きくしてコンパレータによる２値化が
より安定して行えるようにする効果がある。

【００６４】本発明に係る変位情報検出装置においては
インクリメンタル信号と原点信号とを同期させており、
このときの方法について説明する。図１１（Ａ），
（Ｂ）は本発明においてインクリメンタル信号と原点信
号を同期させるときの実施形態３の説明図である。図１
１（Ａ）に示すようにインクリメンタル信号用のスリッ
ト格子ＳＬＩＴ（Ａ），ＳＬＩＴ（Ｂ）の各スリット幅
をＷ（Ａ，Ｂ）とし、原点スリット格子ＳＬＩＴ（Ｚ）
のスリット幅をＷ（Ｚ）としたときＷ（Ａ，Ｂ）＝Ｗ（Ｚ）を満たすようにしている。そして図１１（Ｂ）の２値化
回路で得られるインクリメンタル信号Ａｏｕｔと原点信
号Ｚｏｕｔの検出分解能は略等しくなる（但し原点アナ
ログ信号のピーク信号を１／２電圧にて２値化して得ら
れた原点デジタル信号の場合。）。

【００６５】この実施形態ではインクリメンタル信号発
生も、原点信号発生も同一のスケールＳＣＬにより空間
に投影された明暗パターン及び集光光を同一のスリット
板によって検出しているので、両者の検出のタイミング
の相互ずれは生じにくい。即ち原点信号とインクリメン
タル信号の関係は光学的，機械的に固定されるので、両
者の信号が略同期する。図１２は図１１（Ｂ）の回路中
において原点信号レベル（上側）及びインクリメンタル
信号レベル（下側）がスケールの移動に伴って変化する
様子を示す説明図である。同図に示すように原点信号Ｚ
ｏｕｔとインクリメンタル信号Ａｏｕｔとが略同期して
いる。尚図中ＰＤ（Ａ）とＰＤ（Ａ−）は互いに位相が
１８０°ずれたＡ相インクリメンタル信号用の受光素子
である。

【００６６】図１３（Ａ），（Ｂ）は本発明においてイ
ンクリメンタル信号と原点信号を同期させるときの実施
形態４の説明図である。本実施形態では図１１の実施形
態３に比べてＷ（Ａ，Ｂ）＝Ｗ（Ｚ）／２を略満たすようにしてインクリメンタル信号の検出分解
能に対して原点信号の検出分解能をわざと１／２にして
いる。

【００６７】そして図１３（Ｂ）の２値化回路を経て得
られた原点信号Ｚ０とインクリメンタル信号Ａｏｕｔと
を論理回路ＬＣによってＡＮＤをとることでインクリメ
ンタル信号Ａｏｕｔと位相も含めて完全に同期した原点
信号Ｚｏｕｔを得ている。

【００６８】図１４は図１３（Ｂ）の回路中において原
点信号レベル（上側）及びインクリメンタル信号レベル
（下側）がスケールの相対移動に伴って変化する様子を
示す説明図である。同図に示すように原点信号Ｚｏｕｔ
とインクリメンタル信号Ａｏｕｔとが完全に同期して出
力されている。尚図中ＰＤ（Ａ）とＰＤ（Ａ−）は互い
に位相が１８０°ずれたＡ相インクリメンタル信号用の
受光素子である。

【００６９】図１５は本発明の変位情報検出装置を８極
ＡＣモータ制御用信号層（Ｃｓ相）付きのロータリーエ
ンコーダに適用したときの光学構成の要部斜視図であ
る。同図においてスケールＳＣＬはディスクスケールと
して円形に構成している。スケールＳＣＬに形成される
インクリメンタル用のリニア位相格子は放射状の位相格
子ＧＴ（Ａ），ＧＴ（Ｂ）として円形の帯状のトラック
上に形成している。又スリット基板ＳＬＩＴに形成され
るスリットはディスクスケールＳＣＬ上の放射状の位相
格子ＧＴ（Ａ），ＧＴ（Ｂ）の放射中心軸を同じにする
放射状のスリット格子ＳＬＩＴ（Ａ），ＳＬＩＴ（Ｂ）
として形成している。

【００７０】尚インクリメンタル信号は互いに９０°位
相差のある４相信号Ａ，Ｂ，Ａ−，Ｂ−が検出されるよ
うに図７に示すようにスリット基板ＳＬＩＴ上のスリッ
ト格子をＳＬＩＴ（Ａ），ＳＬＩＴ（Ｂ），ＳＬＩＴ
（Ａ−），ＳＬＩＴ（Ｂ−）として４分割し、互いに１
／４ピッチづつずらして形成している。

【００７１】又、受光手段ＰＤは４つのスリット格子に
対応して４つの受光素子ＰＤ（Ａ），ＰＤ（Ｂ），ＰＤ
（Ａ−），ＰＤ（Ｂ−）でそれぞれの信号光を受光して
いる。８極ＡＣモータ制御用信号相（Ｃｓ相）の６つの
パターンＣｓ−１，Ｃｓ−２，Ｃｓ−３，Ｃｓ−１−，
Ｃｓ−２−，Ｃｓ−３−はスケール基板ＳＣＬ上に放射
状の位相回折格子の有無によって形成され、それらを透
過する光束のうち位相回折格子によって直進光の光量が
低減されるので、６つのトラック上に互いに１２０°の
位相差のある４周期／回転の実質的な明暗パターンとし
て形成している。そしてスリット基板ＳＬＩＴ上の窓部
を透過して、夫々の受光素子ＰＤ（Ｃｓ−１）〜ＰＤ
（Ｃｓ−３−）にて検出している。これらはすべてイン
クリメンタル信号と原点信号とともに並列的に検出して
いる。

【００７２】尚、以上の各実施形態では次のような構成
の変更が可能である。

【００７３】（Ｂ１）原点レンズを屈折を利用した球面
レンズで構成すること。その場合は、微小レンズをレプ
リカ等の手法で透明基板表面に形成することができる。

【００７４】（Ｂ２）原点レンズを前述の実施形態では
すべてリニア回折レンズで構成しているが、円形ゾーン
プレートを位相格子にしたサーキュラー回折レンズに変
えてもよい。この場合はスリット基板上には点状集光光
束があらわれる。同様に楕円回折レンズでもよい。

【００７５】（Ｂ３）原点レンズトラックにおいて原点
レンズ以外の部分を単なる透過部ではなく、回折格子等
による非透過部、半透過部として処理してもよい。この
場合原点アナログ信号のＳ／Ｎが多少向上する。

【００７６】（Ｂ４）原点用パルス状信号を２値化しな
いでそのまま原点アナログ信号として出力すること。

【００７７】（Ｂ５）リニアスケールをディスクスケー
ルとして円形に変換し、そこに形成されるインクリメン
タル信号用のリニア位相回折格子を放射状位相回折格子
として円形の帯状のトラック上に形成し、スリット基板
上のリニアスリットもディスクスケール上の放射状位相
回折格子の放射中心軸を同じにする放射状スリットに変
換して、回転変位情報を検出するロータリーエンコーダ
にすること。

【００７８】（Ｂ６）スケール上に原点レンズトラッ
ク、インクリメンタル信号用の位相回折格子トラックと
ともに、ＡＣモータ制御用信号用トラック等を並列配置
し、かつ同受光素子アレイにて一括して受光して、イン
クリメンタル信号，原点信号，ＡＣモータ制御用信号
（Ｃｓ相）を出力できるエンコーダにすること。

【００７９】

【発明の効果】本発明によれば、相対移動する第１基板
（スケール）にインクリメンタル信号検出用の位相格子
（格子パターン）と原点信号検出用のレンズ手段を設け
ることにより装置全体の小型化を図りつつ、インクリメ
ンタル信号及び原点信号を高分解能で検出し、第１基板
と第２基板との相対的な変位情報を高精度に求めること
のできる変位情報検出装置を達成することができる。

【００８０】又本発明によれば、一対の照明、受光光学
系によって相対移動スケールと固定のスリット基板を衝
突の危険の無い程度離して配置しながら高分解能なイン
クリメンタル信号及び原点信号が同期して検出できるよ
うになり、小型，薄型，構成容易，安価な変位情報検出
装置を達成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態１におけるインクリメンタル
信号検出光学系の説明図

【図２】本発明の実施形態１における原点アナログ信号
検出の説明図

【図３】本発明の実施形態１における原点アナログ信号
検出の他の実施形態の説明図

【図４】本発明の実施形態１における要部概略図

【図５】本発明の実施形態１における受光手段からの信
号の説明図

【図６】本発明の実施形態１における原点デジタル信号
への変換の説明図

【図７】本発明の実施形態２の要部概略図

【図８】本発明の実施形態２における原点デジタル信号
への変換の説明図

【図９】本発明の実施形態３の要部概略図

【図１０】本発明の実施形態３における原点デジタル信
号への変換の説明図

【図１１】本発明の実施形態における原点信号とインク
リメンタル信号の同期方法の説明図

【図１２】本発明の実施形態における原点信号とインク
リメンタル信号の同期方法の説明図

【図１３】本発明の実施形態における原点信号とインク
リメンタル信号の同期方法の説明図

【図１４】本発明の実施形態における原点信号とインク
リメンタル信号の同期方法の説明図

【図１５】本発明をＡＣモータ用制御信号検出を兼ね備
えたロータリーエンコーダに適用したときの要部概略図

【符号の説明】

ＳＣＬスケール（第１基板）ＧＴ（Ａ），ＧＴ（Ｂ）位相格子Ｌ（Ｚ）原点レンズＳＬＩＴスリット基板（第２基板）ＳＬＩＴ（Ａ），ＳＬＩＴ（Ｂ），ＳＬＩＴ（Ａ−），
ＳＬＩＴ（Ｂ−）スリット格子ＳＬＩＴ（Ｚ）原点スリット格子ＬＧＴ光源手段ＬＮＳコリメーターレンズＰＤ受光手段ＰＤ（Ａ），ＰＤ（Ｂ），ＰＤ（Ａ−），ＰＤ（Ｂ−）
受光素子ＰＤ（Ｚ）原点受光素子

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光源手段からの光束を第１基板に設けた
インクリメンタル信号検出用の位相格子及び原点信号検
出用のレンズ手段に各々入射させ、該位相格子とレンズ
手段からの変調光を該第１基板と対向配置した第２基板
に設けた格子列と原点用のマーク手段に各々入射させ、
該格子列と原点用のマーク手段からの変調光を各々受光
素子で受光して該第１基板と該第２基板との相対的な変
位情報を得ていることを特徴とする変位情報検出装置。
【請求項２】前記第１基板と第２基板との間隔は前記
レンズ手段の焦点距離に略等しいことを特徴とする請求
項１の変位情報検出装置。
【請求項３】前記レンズ手段は所定の格子ピッチより
成る位相格子、又は断面形状が凹凸の該凹凸の比率に規
則性のある回折格子レンズより成り、入射光束を点状集
光光束又は線状集光光束として射出していることを特徴
とする請求項１の変位情報検出装置。
【請求項４】前記レンズ手段からの集光光束の前記第
２基板上における光束幅をａ、前記原点用のマーク手段
の透過部幅又は遮光部幅をｂとしたときａ≦ｂとなるように各要素を設定していることを特徴とする請
求項１又は３の変位情報検出装置。
【請求項５】前記第１基板上のレンズ手段の両側を通
過する直進光束の幅が前記マーク手段からの変調光を受
光する受光素子の幅よりも広くなるように各要素を設定
していることを特徴とする請求項１の変位情報検出装
置。
【請求項６】前記第１基板上のレンズ手段はラメラ位
相格子より成り、その断面凹凸の段差によって凹部透過
光と凸部透過光が互いにλ／２の光路差となるようにし
ていることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項記載
の変位情報検出装置。
【請求項７】前記マーク手段からの変調光を受光する
受光素子の受光信号はパルス状信号であり、該パルス状
信号を２値化回路を介して矩形状信号としていることを
特徴とする請求項１の変位情報検出装置。
【請求項８】前記位相格子で回折された回折光同士は
互いに干渉して前記第２基板上で前記格子列のピッチと
同ピッチの干渉パターンを形成し、前記受光素子は該格
子列を介した光束を受光しており、該受光素子で得られ
たインクリメンタル信号を２値化回路を介して矩形波状
信号としていることを特徴とする請求項１又は７の変位
情報検出装置。
【請求項９】光源手段からの光束をコリメーターレン
ズで平行光束として第１基板に設けたインクリメンタル
信号検出用の位相格子及び原点信号検出用のレンズ手段
に各々入射させ、該位相格子と原点レンズからの変調光
を該第１基板に対して該レンズ手段の焦点距離と略同程
度の間隔で対向配置した第２基板上の格子列と原点検出
用マーク手段に各々入射させ、該格子列と原点検出用マ
ーク手段からの該第１基板と第２基板の相対的変位に基
づく変調光を各々受光素子で受光してインクリメンタル
信号と原点信号を得ていることを特徴とする変位情報検
出装置。
【請求項１０】前記第２基板上の格子列上には前記位
相格子からの回折光同士が干渉して明暗パターンが投影
されていることを特徴とする請求項９の変位情報検出装
置。
【請求項１１】前記格子列はスリット格子列であるこ
とを特徴とする請求項１の変位情報検出装置。
【請求項１２】前記格子列はスリット格子列であるこ
とを特徴とする請求項９の変位情報検出装置。
【請求項１３】前記マーク手段はスリットを有するこ
とを特徴とする請求項１の変位情報検出装置。
【請求項１４】前記マーク手段はスリットを有するこ
とを特徴とする請求項９の変位情報検出装置。
【請求項１５】前記マーク手段は光透過、非透過を逆
転させた２つのパターンを有し、各パターンからの光を
各々受光素子で検出し、検出信号の差分より原点信号を
得ることを特徴とする請求項１の変位情報検出装置。
【請求項１６】前記マーク手段は光透過、非透過を逆
転させた２つのパターンを有し、各パターンからの光を
各々受光素子で検出し、検出信号の差分より原点信号を
得ることを特徴とする請求項９の変位情報検出装置。