JPH10104021A - Optical encoder - Google Patents

Optical encoder

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Publication number
JPH10104021A
JPH10104021A JP25614296A JP25614296A JPH10104021A JP H10104021 A JPH10104021 A JP H10104021A JP 25614296 A JP25614296 A JP 25614296A JP 25614296 A JP25614296 A JP 25614296A JP H10104021 A JPH10104021 A JP H10104021A
Authority
JP
Japan
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light
scale plate
reflection
optical
optical encoder
Prior art date
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Pending
Application number
JP25614296A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Hideyuki Kondo
秀幸 近藤
Toshiaki Shimodaira
俊朗 下平
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nidec Instruments Corp
Original Assignee
Sankyo Seiki Manufacturing Co Ltd
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Filing date
Publication date
Application filed by Sankyo Seiki Manufacturing Co Ltd filed Critical Sankyo Seiki Manufacturing Co Ltd
Priority to JP25614296A priority Critical patent/JPH10104021A/en
Publication of JPH10104021A publication Critical patent/JPH10104021A/en
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a condensing optical encoder having a structure wherein a scale plate is readily manufactured with high accuracy and the resolution is readily changed. SOLUTION: A scale plate 40 of an optical type rotary encoder 10 comprises a glass substrate 41 wherein a first reflection section 42 and a second reflection section 43 with equal widths each having different reflection ratio are alternatively formed on the surface thereof 411. For example, the first reflection section has a total reflection film and the second reflection section has a half mirror film. A quantity of a receiving light by a photodetector is changed in the sine wave corresponding to a position of a light spot formed by the emission light. An encode pulse signal can be formed based on the quantity of the receiving light. The scale plate can be readily and accurately manufactured compared to the case that a signal which is changed in the sine wave using two-layer reflection section having a step in the light axis direction is formed. Even when a relationship between the width of the reflection section and the diameter of the optical spot is changed, it is possible to obtain the encode pulse signal having the duty ratio of 50%,, thereby readily changing the resolution of the encoder.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、移動部材の移動方
向および移動位置を光学的に検出する光学式エンコーダ
に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical encoder for optically detecting a moving direction and a moving position of a moving member.

【0002】[0002]

【従来の技術】図10には一般的に用いられる光学式エ
ンコーダの原理を示してある。この光学式エンコーダ1
0Bは、レーザダイオード(LED)などの発光素子7
とフォトダイオード(PD)等の光検出器8との間に、
スリットが一定のピッチで形成されている移動スリット
板6が配置され、この移動スリット板6と光検出器8と
の間には固定スリット板9が配置されて構成となってい
る。移動部材(図示せず)に取り付けた移動スリット板
6が移動すると、発光素子7と光検出器8との間の光路
が間欠的に遮られる。この結果、光検出器8からは、移
動スリット板6が取り付けられている移動部材の移動状
態に応じた出力波形信号が出力される。この出力波形信
号を信号処理回路8Aで波形整形することによりエンコ
ードパルス信号が得られる。
2. Description of the Related Art FIG. 10 shows the principle of a commonly used optical encoder. This optical encoder 1
0B is a light emitting element 7 such as a laser diode (LED).
And a photodetector 8 such as a photodiode (PD),
A movable slit plate 6 having slits formed at a constant pitch is arranged, and a fixed slit plate 9 is arranged between the movable slit plate 6 and the photodetector 8. When the moving slit plate 6 attached to a moving member (not shown) moves, an optical path between the light emitting element 7 and the photodetector 8 is intermittently blocked. As a result, the photodetector 8 outputs an output waveform signal according to the moving state of the moving member on which the moving slit plate 6 is attached. The output pulse signal is shaped by the signal processing circuit 8A to obtain an encode pulse signal.

【0003】光学式エンコーダでは、移動方向を検出す
るために位相が1/4周期ずれた第1および第2のエン
コードパルス信号(A相信号およびB相信号)を得る必
要がある。このために、発光素子7と光検出器8を(n
+1/4)周期(nは整数)ずらして2組配置して、2
種類のエンコードパルス信号を得るようにしている。
In an optical encoder, it is necessary to obtain first and second encode pulse signals (A-phase signal and B-phase signal) whose phases are shifted by 1/4 cycle in order to detect the moving direction. For this purpose, the light emitting element 7 and the photodetector 8 are set to (n
+1/4) period (n is an integer), and
The kind of encoding pulse signal is obtained.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】ここで、光ピックアッ
プなどに採用されている光学系を利用して、分解能の高
い光学式エンコーダを実現することができる。
Here, an optical encoder having a high resolution can be realized by using an optical system employed in an optical pickup or the like.

【0005】図7には本願人が提案している集光方式の
光学式エンコーダの全体構成を示してある。この図に示
すように、光学式エンコーダ10Aは、スケール板40
Aと、このスケール板40Aに光を集束させると共にス
ケール板40Aからの戻り光を検出する2つの光学ユニ
ット20Aおよび30Aと、これらの光学ユニット20
Aおよび30Aによる戻り光の受光量に基づき、位相が
1/4周期ずれた2つのエンコードパルス信号を形成す
るパルス信号形成回路50Aとを有している。
FIG. 7 shows the entire configuration of a condensing type optical encoder proposed by the present applicant. As shown in this figure, the optical encoder 10A
A, two optical units 20A and 30A for focusing light on the scale plate 40A and detecting return light from the scale plate 40A, and these optical units 20A and 30A.
And a pulse signal forming circuit 50A for forming two encode pulse signals whose phases are shifted by 1/4 cycle based on the amount of return light received by A and 30A.

【0006】スケール板40Aはガラス基板41Aを有
し、この裏面には、基板41Aの表面の側から第1の反
射板42Aおよび第2の反射板43Aがこの順序で形成
されている。第1の反射板42Aは光を反射する一定幅
の反射部421および光を透過する一定幅の透過部42
2が等間隔(周期λ)で交互に形成されている。第1の
反射板42Aの反射部421に対して、第2の反射板4
3Aの反射面は後退した位置に形成されている。これら
の間の光路方向の段差は光学ユニット20Aからの出射
光の波長の1/4に設定されている。このため、反射部
421で反射した光と第2の反射板43Aで反射した光
は位相が180°ずれることになり、互いに打ち消し合
うことになる。
[0006] The scale plate 40A has a glass substrate 41A, and on the back surface thereof, a first reflector 42A and a second reflector 43A are formed in this order from the front side of the substrate 41A. The first reflecting plate 42A includes a reflecting portion 421 having a constant width for reflecting light and a transmitting portion 42 having a constant width for transmitting light.
2 are alternately formed at regular intervals (period λ). The second reflecting plate 4 is provided with respect to the reflecting portion 421 of the first reflecting plate 42A.
The reflecting surface of 3A is formed at the position where it is retracted. The step in the direction of the optical path between them is set to 波長 of the wavelength of the light emitted from the optical unit 20A. Therefore, the light reflected by the reflector 421 and the light reflected by the second reflector 43A are out of phase by 180 °, and cancel each other.

【0007】第1および第2の光学ユニット20Aおよ
び30Aの配置関係は、次のように設定されている。す
なわち、第1の光学ユニット20Aからの出射光がスケ
ール板40Aに対して光スポットとして集束する位置A
と、第2の光学ユニット30Aからの出射光がスケール
板40Aに対して光スポットとして集束する位置Bとの
間隔dは、反射部421の形成周期をλとした場合に、 d=(n±1/4)λ (nは整数)・・・・(1) を満たすように設定されている。第1および第2の光学
ユニット20Aおよび30Aは、この配置関係を保持し
た状態で、ガイドシャフト2に取り付けられている。
The arrangement of the first and second optical units 20A and 30A is set as follows. That is, the position A where the light emitted from the first optical unit 20A converges as a light spot on the scale plate 40A.
The distance d between the light emitted from the second optical unit 30A and the position B at which the light emitted from the second optical unit 30A converges as a light spot on the scale plate 40A is d = (n ± (1/4) λ (n is an integer)... (1) The first and second optical units 20A and 30A are attached to the guide shaft 2 while maintaining this positional relationship.

【0008】第1および第2の光学ユニット20Aおよ
び30Aは同様な構成なので、第1の光学ユニット20
Aの構成のみを以下に説明する。
Since the first and second optical units 20A and 30A have the same configuration, the first optical unit 20A
Only the configuration of A will be described below.

【0009】第1の光学ユニット20Aはガイドシャフ
ト2に取り付けられたハウジング29Aを備えている。
このハウジング29Aの内部には発光素子21Aからの
出射光をスケール板40Aに集光するための往路と、ス
ケール板40Aからの戻り光を発光素子21Aとは異な
る方向に配置された光検出器27Aに導くための復路と
を備えた光学系が構成されている。
The first optical unit 20A has a housing 29A attached to the guide shaft 2.
Inside the housing 29A, a forward path for condensing light emitted from the light emitting element 21A on the scale plate 40A, and a photodetector 27A arranged in a different direction from the light emitting element 21A for returning light from the scale plate 40A. And an optical system having a return path for guiding to

【0010】往路には、発光素子21Aからスケール板
40Aに向かってハーフミラー23Aおよび対物レンズ
25Aがこの順序で配置されている。復路には、スケー
ル板40Aから光検出器27Aに向かって対物レンズ2
5Aおよびハーフミラー23Aがこの順序で配置されて
いる。ここで、ハーフミラー23Aは発光素子21Aか
らの出射光とスケール板40Aからの戻り光を分離する
ように反射面231が所定の角度に設定されている。
On the outward path, a half mirror 23A and an objective lens 25A are arranged in this order from the light emitting element 21A toward the scale plate 40A. On the return path, the objective lens 2 is moved from the scale plate 40A to the photodetector 27A.
5A and the half mirror 23A are arranged in this order. Here, the reflection surface 231 of the half mirror 23A is set at a predetermined angle so as to separate outgoing light from the light emitting element 21A and return light from the scale plate 40A.

【0011】第1の光学ユニット20Aは、対物レンズ
25によってスケール板40Aに集束する光スポットの
直径が第1の反射板42Aの反射部421(透過部42
2)の幅とほぼ等しくなるように調整されている。な
お、図8に示すように、光スポットの直径2rを第1の
反射板42Aの反射部421の幅Wより狭くしておいて
も良い。この場合、たとえば、光スポット100の単位
面積当たりの光強度が均一であるときには、光スポット
100のビーム径rを反射部421の幅Wの0.8倍程
度に調整すればよい。また、光スポット100の単位面
積当たりの光強度が不均一であるときには、反射部42
1からの戻り光の光量と、第2の反射板43Aからの戻
り光の光量がほぼ等しくなるような関係に調整すればよ
い。
In the first optical unit 20A, the diameter of the light spot converged on the scale plate 40A by the objective lens 25 is adjusted by the reflection portion 421 (transmission portion 42) of the first reflection plate 42A.
The width is adjusted to be substantially equal to the width of 2). As shown in FIG. 8, the diameter 2r of the light spot may be smaller than the width W of the reflection portion 421 of the first reflection plate 42A. In this case, for example, when the light intensity per unit area of the light spot 100 is uniform, the beam diameter r of the light spot 100 may be adjusted to about 0.8 times the width W of the reflection part 421. When the light intensity per unit area of the light spot 100 is non-uniform,
What is necessary is just to adjust the relationship such that the light amount of the return light from 1 and the light amount of the return light from the second reflection plate 43A become substantially equal.

【0012】この構成の第1の光学ユニット20Aにお
いて、発光素子21Aからの出射光は、対物レンズ25
Aによってスケール板40Aに光スポットとして集束す
る。スケール板40Aで反射した出射光の戻り光は復路
に導かれる。
In the first optical unit 20A having this configuration, the light emitted from the light emitting element 21A is transmitted to the objective lens 25A.
A focuses on the scale plate 40A as a light spot. The return light of the output light reflected by the scale plate 40A is guided to the return path.

【0013】復路に導かれた戻り光は対物レンズ25A
を介してハーフミラー23Aに戻る。ハーフミラー23
Aに戻った戻り光の一部はハーフミラー23Aの反射面
231によって反射されて、ほぼ90度進行方向を変え
られ、発光素子21Aからの出射光と分離される。ハー
フミラー23Aによって進行方向が変えられた戻り光は
光検出器27Aに導かれる。光検出器27Aは、フォト
ダイオード(PD)などの受光素子を備えており、この
受光素子によって戻り光が検出される。
The return light guided to the return path is directed to the objective lens 25A.
And returns to the half mirror 23A. Half mirror 23
A part of the return light returning to A is reflected by the reflection surface 231 of the half mirror 23A, changes its traveling direction by approximately 90 degrees, and is separated from the light emitted from the light emitting element 21A. The return light whose traveling direction has been changed by the half mirror 23A is guided to the photodetector 27A. The photodetector 27A includes a light receiving element such as a photodiode (PD), and returns light is detected by the light receiving element.

【0014】ここで、第1の反射板42Aと第2の反射
板43Aとの段差は、前述のように、出射光の波長の1
/4に設定されている。従って、光スポットによる反射
部421に対する照射面積と第2の反射板43Aに対す
る照射面積が等しい場合には、反射部421からの戻り
光と第2の反射板43Aからの戻り光との間の打ち消し
合いが最大となるので、光検出器の受光量が最小とな
る。照射面積が一方の側の方が大きくなるのに伴って他
方の側が小さくなるので、これに伴って双方からの戻り
光の打ち消し合いの程度が低下して、光検出器の受光量
が増加する。そして、一方の側の照射面積が最大となっ
たときに、光検出器の受光量が最大となる。
Here, the step between the first reflector 42A and the second reflector 43A is, as described above, one wavelength of the emitted light.
/ 4. Therefore, when the irradiation area of the light spot on the reflection unit 421 and the irradiation area of the second reflection plate 43A are equal, the cancellation between the return light from the reflection unit 421 and the return light from the second reflection plate 43A is cancelled. Since the matching is maximum, the amount of light received by the photodetector is minimum. As the irradiation area becomes larger on one side and becomes smaller on the other side, the degree of cancellation of return light from both sides decreases with this, and the amount of light received by the photodetector increases. . When the irradiation area on one side becomes maximum, the amount of light received by the photodetector becomes maximum.

【0015】従って、光学ユニット20Aとスケール板
40Aが相対的に移動すると、光検出器27Aの出力波
形P(a)は、図9(A)に示すような正弦波形とな
る。この出力波形P(a)をパルス信号形成回路50A
で処理することにより、矩形波状の第1のエンコードパ
ルス信号Vaが形成される。すなわち、パルス信号形成
回路50Aは、出力波形P(a)の中点レベルを通る定
電位の基準電位Voが予め設定され、この基準電位Vo
と出力波形P(a)を比較するように構成されている。
出力波形P(a)を基準電位Voと比較することによ
り、ハイレベルとローレベルの比(デューティー比)が
50%の第1のエンコードパルス信号(A相信号)Va
が得られる。
Accordingly, when the optical unit 20A and the scale plate 40A move relatively, the output waveform P (a) of the photodetector 27A becomes a sine waveform as shown in FIG. This output waveform P (a) is converted to a pulse signal forming circuit 50A.
, A first encode pulse signal Va having a rectangular wave shape is formed. That is, in the pulse signal forming circuit 50A, a constant reference potential Vo passing through the midpoint level of the output waveform P (a) is set in advance, and this reference potential Vo is set.
And the output waveform P (a).
By comparing the output waveform P (a) with the reference potential Vo, a first encode pulse signal (A-phase signal) Va having a high-level to low-level ratio (duty ratio) of 50% is obtained.
Is obtained.

【0016】なお、第1の光学ユニット20Aと同様な
構成の第2の光学ユニット30Aからも光検出器37A
から正弦波状の出力波形P(b)が得られる。第2の光
学ユニット30Aからの出射光がスケール板40Aに光
スポットとして集束する位置Bと第1の光学ユニット2
0Aからの出射光がスケール板40Aに光スポットとし
て集束する位置Aとの間隔dが式(1)を満たすよう
に、第1および第2の光学ユニット20Aおよび30A
が配置されている。従って、第2の光学ユニット30A
からの出力波形P(b)の位相は出力波形P(a)に対
して1/4周期ずれる。すなわち、第2の光学ユニット
30Aからの出力波形P(b)に基づいてパルス信号形
成回路50Aによって形成される第2のエンコードパル
ス信号Vbの位相は第1のエンコードパルス信号Vaと
は1/4周期ずれる。
Note that the second optical unit 30A having the same configuration as the first optical unit 20A also has a photodetector 37A.
, A sinusoidal output waveform P (b) is obtained. The position B where the light emitted from the second optical unit 30A converges as a light spot on the scale plate 40A and the first optical unit 2
The first and second optical units 20A and 30A so that the distance d from the position A where the light emitted from 0A converges as a light spot on the scale plate 40A satisfies Expression (1).
Is arranged. Therefore, the second optical unit 30A
Is shifted from the output waveform P (a) by 1/4 cycle. That is, the phase of the second encode pulse signal Vb formed by the pulse signal forming circuit 50A based on the output waveform P (b) from the second optical unit 30A is 1/4 that of the first encode pulse signal Va. Period shift.

【0017】この結果、位相が1/4周期ずれた第1お
よび第2のエンコードパルス信号VaおよびVbを得る
ことができ、これらのパルス信号VaおよびVbに基づ
いてスケール板40Aの移動方向、移動位置等を検出で
きる。
As a result, the first and second encode pulse signals Va and Vb whose phases are shifted by 1/4 cycle can be obtained. Based on these pulse signals Va and Vb, the moving direction and the moving direction of the scale plate 40A can be obtained. Position and the like can be detected.

【0018】ここで、この構成の光学式エンコーダ10
Aにおいて、スケール板40Aに形成される光スポット
にフォーカシングエラーが発生すると、精度の高いエン
コードパルス信号を得ることができない。そこで、オー
トフォーカス機構を搭載することが望ましい。例えば、
光検出器37Aの手前の光路上にシリンドリカルレンズ
を配置して、戻り光に非点収差を与えて、光検出器37
Aの受光面に形成される戻り光の光スポット形状に基づ
き、集光レンズの光軸方向の位置を微調整してフォーカ
シングエラーを回避すればよい。
Here, the optical encoder 10 having this configuration
In A, if a focusing error occurs in the light spot formed on the scale plate 40A, a highly accurate encoded pulse signal cannot be obtained. Therefore, it is desirable to mount an autofocus mechanism. For example,
A cylindrical lens is arranged on the optical path before the photodetector 37A to give astigmatism to the return light,
A focusing error may be avoided by finely adjusting the position of the condenser lens in the optical axis direction based on the light spot shape of the return light formed on the light receiving surface of A.

【0019】このように構成した光学式エンコーダ10
Aにおいては、次のような解決すべき課題がある。
The optical encoder 10 constructed as described above
A has the following problems to be solved.

【0020】第1に、第1および第2の反射板42A、
42Bの段差が光の波長の1/4となることを利用して
A相およびB相のエンコードパルス信号VaおよびVb
を得ている。この構成では、第1の反射板42Aと第2
の反射板43Aと間の段差を精度良く形成しないと、目
標とする特性が得られない。大型のスケール板において
は、上記段差を精度良く形成することが困難であり、大
型のスケール板を必要とする測長機等の機器において
は、精度の高いエンコードパルス信号が得られないおそ
れがある。
First, the first and second reflectors 42A,
A and B phase encode pulse signals Va and Vb utilizing the fact that the step of 42B becomes 1/4 of the wavelength of light
Have gained. In this configuration, the first reflector 42A and the second
Unless a step between the reflection plate 43A and the reflection plate 43A is accurately formed, a target characteristic cannot be obtained. In a large scale plate, it is difficult to form the step with high accuracy, and in a device such as a length measuring machine that requires a large scale plate, a highly accurate encoded pulse signal may not be obtained. .

【0021】第2に、図8を参照して説明したように、
光検出器の受光量が最小になるのは、第1および第2の
反射板42A、42Bからの反射光の光量が等しくなる
ときである。従って、反射板の反射部の幅あるいはその
周期λと、そこに形成される光スポット径とは予め設定
されている一定の関係に保持する必要がある。この関係
を満たさないと、希望する精度の出力が得られない等の
弊害が発生する。また、一方の寸法を変更すると、それ
に伴って他方の寸法も変更する必要が生じてしまう。
Second, as described with reference to FIG.
The amount of light received by the photodetector is minimized when the amounts of light reflected from the first and second reflectors 42A and 42B are equal. Therefore, it is necessary to maintain a predetermined relationship between the width or the period λ of the reflection portion of the reflection plate and the diameter of the light spot formed thereon. If this relationship is not satisfied, adverse effects such as a failure to obtain an output with desired accuracy will occur. Further, when one dimension is changed, the other dimension must be changed accordingly.

【0022】例えば、図8において、光スポット径に比
べて第1の反射板42Aの反射部421の幅を広くした
場合には、光スポット100の全体が、第1の反射板4
2Aの反射部421に形成されている時、および第2の
反射板43Aに形成されている時に、光検出器の受光量
が最大となる。また、受光量が最大となっている期間が
長くなり、その期間では検出器出力の波形は平坦なもの
となる。この結果、図9(B)から分かるように、光検
出器27Aおよび37Aから得られる出力波形P(a)
およびP(b)を、出力波形P(a)およびP(b)の
中点を通る基準電圧Voと比較することによって得られ
る第1および第2のエンコードパルス信号VaおよびV
bのデューティー比は50%にはならなくなってしま
う。このような不具合を解消するためには、光学系を設
計しなおして、光スポットの径を広げる必要がある。
For example, in FIG. 8, when the width of the reflecting portion 421 of the first reflecting plate 42A is made larger than the diameter of the light spot, the entire light spot 100 becomes the first reflecting plate 4A.
When formed on the 2A reflector 421 and when formed on the second reflector 43A, the amount of light received by the photodetector becomes maximum. In addition, the period during which the amount of received light is maximum becomes longer, and during that period, the waveform of the detector output becomes flat. As a result, as can be seen from FIG. 9B, the output waveform P (a) obtained from the photodetectors 27A and 37A.
And P (b) are compared with a reference voltage Vo passing through the middle point between the output waveforms P (a) and P (b).
The duty ratio of b does not become 50%. In order to solve such a problem, it is necessary to redesign the optical system and increase the diameter of the light spot.

【0023】また、例えば、分解能を高めるために、第
1および第2の反射板の反射部の幅を狭くすると、それ
に合わせて、光スポットの径も小さくする必要がある。
すなわち、光学ユニットの光学系を設計しなおす必要が
生ずるので不便であり、コストアップにも繋がってしま
う。
Further, for example, when the width of the reflecting portions of the first and second reflecting plates is reduced to increase the resolution, it is necessary to reduce the diameter of the light spot accordingly.
That is, it is necessary to redesign the optical system of the optical unit, which is inconvenient and leads to an increase in cost.

【0024】なお、スケール板40Aに単一の反射板の
みを形成することが考えられる。この場合には、反射板
の反射部の間の透過部に光スポットが位置している間は
光検出器の受光量は零となる。これでは、オートフォー
カス機能を働かせることができくなる。従って、オート
フォーカス機能を備えた光学式エンコーダでは、常に光
検出器が戻り光を受光できるようにする必要がある。
It is conceivable to form only a single reflector on the scale plate 40A. In this case, the amount of light received by the photodetector is zero while the light spot is located on the transmission part between the reflection parts of the reflection plate. This makes it impossible to activate the autofocus function. Therefore, in an optical encoder having an autofocus function, it is necessary that the photodetector can always receive return light.

【0025】本発明の課題は、上記の弊害を解消するこ
とのできる集光方式の光学式エンコーダを提案すること
にある。
An object of the present invention is to propose an optical encoder of a light condensing system capable of solving the above-mentioned problems.

【0026】[0026]

【課題を解決するための手段】本発明の光学式エンコー
ダでは、反射率の異なる2種類の反射部をスケール板に
形成することによって、上記の課題を解決するようにし
ている。
In the optical encoder according to the present invention, the above-mentioned problem is solved by forming two kinds of reflecting portions having different reflectances on the scale plate.

【0027】すなわち、本発明の光学式エンコーダは、
交互に配列された複数の第1および第2の反射部を備え
たスケール板と、このスケール板に光を集束させると共
に前記スケール板からの戻り光を検出する光学ユニット
と、この光学ユニットからの前記戻り光の受光量から前
記スケール板の位置情報に基づいたエンコードパルス信
号を形成するパルス信号形成手段とを有し、前記光学ユ
ニットは、レーザ光源と、前記レーザ光源からの出射光
を光スポットとして前記スケール板に集束させる集光レ
ンズと、前記スケール板からの前記戻り光を検出する光
検出器とを備えた構成としてある。ここで、前記スケー
ル板の前記第1および第2の反射部を、前記出射光に対
する反射率が相互に異なるものとしたことを特徴として
いる。
That is, the optical encoder of the present invention comprises:
A scale plate having a plurality of first and second reflecting portions arranged alternately; an optical unit for focusing light on the scale plate and detecting return light from the scale plate; Pulse signal forming means for forming an encode pulse signal based on the position information of the scale plate from the amount of light received by the return light, the optical unit comprising: a laser light source; and a light spot for emitting light from the laser light source. And a photodetector that detects the return light from the scale plate. Here, the first and second reflecting portions of the scale plate have different reflectances for the emitted light.

【0028】本発明の光学式エンコーダでは、第1の反
射部からの戻り光と第2の反射部からの戻り光とでは光
量が異なるので、スケール板における光スポットの形成
位置に応じて戻り光の光量が変化する。従って、この光
量の変化に基づきエンコードパルス信号が形成される。
第1および第2の反射部の反射率を異なるものにするこ
とは、例えば、これらの反射部の形成材料を選択するこ
とにより簡単に実現でき、また、反射率の設定も簡単に
制御できる。従って、本発明によれば、目標とする特性
の大型のスケール板を簡単に、しかも精度良く製造でき
るので、測長機などのように大型のスケール板を必要と
する機器においても、精度の良いエンコードパルス信号
を形成可能な光学式エンコーダを実現できる。
In the optical encoder according to the present invention, since the amount of light is different between the return light from the first reflector and the return light from the second reflector, the return light depends on the position where the light spot is formed on the scale plate. Changes the amount of light. Therefore, an encode pulse signal is formed based on the change in the light amount.
Making the reflectances of the first and second reflecting portions different can be easily realized by, for example, selecting a material for forming these reflecting portions, and the setting of the reflectance can be easily controlled. Therefore, according to the present invention, a large scale plate having a target characteristic can be easily and accurately manufactured. Therefore, even in a device requiring a large scale plate such as a length measuring machine, high accuracy can be obtained. An optical encoder capable of forming an encoded pulse signal can be realized.

【0029】本発明においては、前記スケール板に形成
される前記第1の反射部を高反射ミラーとし、前記第2
の反射部をハーフミラーとする構成を採用できる。
In the present invention, the first reflecting portion formed on the scale plate is a high reflection mirror, and the second reflecting portion is
Can be adopted as a half mirror.

【0030】また、スケール板としては、前記出射光に
対して透明な透明基板と、この透明基板の表面に所定の
周期で形成された前記第1の反射部としての高反射膜
と、この高反射膜が形成された前記透明基板の表面を覆
う状態に形成された前記第2の反射部としてのハーフミ
ラー膜とを備えた構成のものを採用できる。
Further, as the scale plate, a transparent substrate transparent to the emitted light, a highly reflective film as the first reflective portion formed on the surface of the transparent substrate at a predetermined period, A configuration including a half mirror film as the second reflection portion formed so as to cover the surface of the transparent substrate on which the reflection film is formed can be adopted.

【0031】ここで、本発明においては、等しい幅の前
記の第1および第2の反射部を交互に配列した構成を採
用することが望ましい。
Here, in the present invention, it is desirable to adopt a configuration in which the first and second reflecting portions having the same width are alternately arranged.

【0032】この構成を採用すれば、第1および第2の
反射部の幅寸法に対して光スポットの直径を所定の関係
となるように設定しなくても、デューティー比が50%
のエンコードパルス信号を得ることができる。例えば、
戻り光の光量は、光スポットの最も多くの部分が反射率
の高い第1の反射部にのみ位置しているときに最大とな
り、光スポットの最も多くの部分が反射率の低い第2の
反射部にのみ位置しているときに最小となる。そして、
光スポット形成位置が第1の反射部から第2の反射部、
あるいはその逆に移動するのに伴って光量が増加あるい
は減少する。従って、光スポット径にかかわりなく、受
光量の変化特性はその中点レベルを基準として正側部分
および負側部分が同一幅のものとなる。このため、1お
よび第2の反射板の幅を変化させたとしても、光スポッ
トのビーム径を変えることなく、デューティー比が50
%のエンコードパルス信号を得ることができる。換言す
ると、スケール板の分解能を変えた場合でも光学系の設
計変更を必要としない。
With this configuration, the duty ratio can be reduced to 50% even if the diameter of the light spot is not set to have a predetermined relationship with the width dimension of the first and second reflecting portions.
Can be obtained. For example,
The amount of return light is maximum when the most part of the light spot is located only on the first reflection part having a high reflectance, and the most part of the light spot is located on the second reflection part having a low reflectance. Minimum when located only in the part. And
The light spot forming position is from the first reflecting portion to the second reflecting portion,
Alternatively, the amount of light increases or decreases with the movement. Therefore, regardless of the diameter of the light spot, the change characteristic of the amount of received light is such that the positive side portion and the negative side portion have the same width with respect to the midpoint level. Therefore, even if the widths of the first and second reflectors are changed, the duty ratio can be reduced to 50 without changing the beam diameter of the light spot.
% Encoding pulse signal can be obtained. In other words, even when the resolution of the scale plate is changed, it is not necessary to change the design of the optical system.

【0033】次に、本発明の光学式エンコーダは、上記
の構成に加えて、前記光検出器の検出結果に基づきフォ
ーカシングエラー信号を検出して、前記集光レンズの光
軸方向の位置を調整するオートフォーカス機構を有した
構成を採用している。スケール板に形成した第1および
第2の反射部は、いずれも所定の反射率を備えているの
で、光検出器は常に戻り光を受光することができ、従っ
て、常に適切なフォーカシングを行うことができる。
Next, in addition to the above configuration, the optical encoder of the present invention detects a focusing error signal based on the detection result of the photodetector and adjusts the position of the condenser lens in the optical axis direction. It employs a configuration having an automatic focusing mechanism. Since the first and second reflection portions formed on the scale plate each have a predetermined reflectance, the photodetector can always receive the return light, and therefore always perform appropriate focusing. Can be.

【0034】[0034]

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明を適
用した光学式エンコーダを説明する。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An optical encoder to which the present invention is applied will be described below with reference to the drawings.

【0035】図1には光学式エンコーダの概略構成を示
してある。光学式エンコーダ10は、スケール板40
と、このスケール板40に光を集束させると共にスケー
ル板40からの戻り光を検出する光学ユニット20と、
この光学ユニット20による戻り光の受光量に基づき位
相が1/4周期ずれた2つのエンコードパルス信号を形
成するパルス信号形成回路50とを有している。
FIG. 1 shows a schematic configuration of an optical encoder. The optical encoder 10 includes a scale plate 40
An optical unit 20 that focuses light on the scale plate 40 and detects return light from the scale plate 40;
And a pulse signal forming circuit 50 for forming two encode pulse signals whose phases are shifted by 周期 cycle based on the amount of light received by the optical unit 20.

【0036】図1、図2(A)にはスケール板40の断
面構成を示してあり、図4にはスケール板40に形成さ
れた反射部のパターンを示してある。このスケール板4
0は、光学ユニット20からの出射光の波長に対して透
明なガラス基板(透明基板)41を有している。このガ
ラス基板41における光入射側とは反対側の表面411
には、例えばクロムからなる全反射膜(第1の反射部)
42が一定の間隔(周期)λで形成されている。全反射
膜42が形成されたガラス基板表面411には、全反射
膜42を覆う状態に、ハーフミラー膜43が形成されて
いる。本例では、全反射膜42とハーフミラー膜43
は、これらの幅が同一幅(λ/2)となるように形成さ
れている。
FIGS. 1 and 2A show a cross-sectional structure of the scale plate 40, and FIG. 4 shows a pattern of a reflection portion formed on the scale plate 40. FIG. This scale plate 4
0 has a glass substrate (transparent substrate) 41 transparent to the wavelength of the light emitted from the optical unit 20. Surface 411 of glass substrate 41 on the side opposite to the light incident side
Is a total reflection film made of, for example, chromium (first reflection portion)
42 are formed at a constant interval (period) λ. On the glass substrate surface 411 on which the total reflection film 42 is formed, a half mirror film 43 is formed so as to cover the total reflection film 42. In this example, the total reflection film 42 and the half mirror film 43
Are formed such that their widths are the same (λ / 2).

【0037】ここで、一般的に用いられている全反射膜
は反射率が完全に100%ではないものもある。本明細
書における全反射膜は、反射率が約80%以上の高反射
膜も含む意味で用いるものとする。
Here, some of the generally used total reflection films have a reflectance that is not completely 100%. The term “total reflection film” used in the present specification includes a high reflection film having a reflectance of about 80% or more.

【0038】なお、図2(B)に示すように、スケール
板40としては、ガラス基板41の表面411の全体に
ハーフミラー膜43を形成し、しかる後に、その表面に
等間隔で一定の幅の全反射膜42を形成した構成とする
こともできる。
As shown in FIG. 2 (B), as the scale plate 40, a half mirror film 43 is formed on the entire surface 411 of the glass substrate 41, and thereafter, a uniform width is formed on the surface at regular intervals. The total reflection film 42 may be formed.

【0039】次に、図1を参照して光学ユニット20の
構成を説明する。この光学ユニット20は、ガイドシャ
フト2に取り付けられたハウジング29を備えている。
このハウジング29の内部には発光素子(レーザ光源)
21から出射された出射光をスケール板40に集束する
ための往路と、スケール板40Aからの反射光を発光素
子21とは異なる方向に配置された光検出器27に導く
ための復路とを備えた光学系が構成されている。
Next, the configuration of the optical unit 20 will be described with reference to FIG. The optical unit 20 includes a housing 29 attached to the guide shaft 2.
A light emitting element (laser light source) is provided inside the housing 29.
It has a forward path for converging outgoing light emitted from 21 to scale plate 40, and a return path for guiding reflected light from scale plate 40A to photodetector 27 arranged in a direction different from that of light emitting element 21. Optical system.

【0040】往路には、レーザ光源21からスケール板
40に向かって分光素子22、ハーフミラー23、およ
び対物レンズ25がこの順序で配置されている。分光素
子22は例えば、グレーティングレンズ等の所定の回折
条件を備えたレンズであり、レーザ光源21からの出射
光が分光素子22を通過すると、少なくとも、回折0次
光(メインビーム)L0と回折±1次光(サブビーム)
L1およびL2に分光されるように設定されている。ま
た、分光素子22によるこれらの回折光L0、L1、お
よびL2の回折方向は、メインビームL0がスケール板
40に光スポットとして形成される位置とサブビームL
2がスケール板40に光スポットとして形成される位置
との間隔dが、スケール板の全反射膜42およびハーフ
ミラー膜43の形成周期をλとすると、 d=(n±1/4)λ (nは整数)・・・・(1) の関係を満たすように調整されている。本例の分光素子
22は、d=(1±1/4)λとなるように調整されて
いる。この間隔dは、分光素子22を光軸回りに回転さ
せることによって微調整できる。勿論、光学ユニット2
0全体を光軸回りに回転させても良い。
On the outward path, the spectral element 22, the half mirror 23, and the objective lens 25 are arranged in this order from the laser light source 21 toward the scale plate 40. The spectroscopic element 22 is a lens having a predetermined diffraction condition, such as a grating lens. When the light emitted from the laser light source 21 passes through the spectroscopic element 22, at least the zero-order diffracted light (main beam) L0 and the diffracted light ± Primary light (sub-beam)
The light is set to be split into L1 and L2. The directions of diffraction of the diffracted lights L0, L1, and L2 by the spectroscopic element 22 are based on the position where the main beam L0 is formed as a light spot on the scale plate 40 and the sub beam L
If the interval d between the position 2 and the position where the light spot is formed on the scale plate 40 is λ, the formation period of the total reflection film 42 and the half mirror film 43 of the scale plate is λ, then d = (n ± 1 /) λ ( (n is an integer) (1). The spectral element 22 of this example is adjusted so that d = (1 ± 1/4) λ. This interval d can be finely adjusted by rotating the spectroscopic element 22 around the optical axis. Of course, the optical unit 2
The whole 0 may be rotated around the optical axis.

【0041】なお、図1においては、一方のサブビーム
(回折+1次光)L1を省略してあるが、このサブビー
ムL1はメインビームL0に対してサブビームL2と点
対称の状態に形成される。従って、サブビームL2が式
(1)を満たせば、サブビームL1がスケール板40に
光スポットとして集光する位置とメインビームL0が集
光する位置との間隔は式(1)を満たすことになる。
In FIG. 1, one of the sub-beams (diffraction + first-order light) L1 is omitted, but this sub-beam L1 is formed to be point-symmetric with the sub-beam L2 with respect to the main beam L0. Therefore, if the sub-beam L2 satisfies the expression (1), the interval between the position where the sub-beam L1 condenses as a light spot on the scale plate 40 and the position where the main beam L0 condenses satisfies the expression (1).

【0042】次に、復路には、スケール板40から光検
出器27に向かって対物レンズ25、ハーフミラー2
3、シリンドリカルレンズ26、および光検出器27が
この順序で配置されている。ハーフミラー23はレーザ
光源21からの出射光とスケール板40からの戻り光を
出射光から分離して光検出器27に導くための光学素子
である。シリンドリカルレンズ26は、光検出器27へ
の戻り光に非点収差を与えるためのものであり、後述の
オートフォーカス機構は、光検出器27の受光面に形成
される戻り光の光スポット形状に基づき、フォーカシン
グエラーを検出して、対物レンズ25の光軸方向の位置
を微調整することにより、オートフォーカス動作を行う
ようになっている。
Next, on the return path, the objective lens 25 and the half mirror 2 move from the scale plate 40 toward the photodetector 27.
3. The cylindrical lens 26 and the photodetector 27 are arranged in this order. The half mirror 23 is an optical element for separating outgoing light from the laser light source 21 and return light from the scale plate 40 from the outgoing light and guiding the light to the photodetector 27. The cylindrical lens 26 is for giving astigmatism to the return light to the photodetector 27, and an autofocus mechanism described later is used to shape the light spot of the return light formed on the light receiving surface of the photodetector 27. Based on this, a focusing error is detected, and the position of the objective lens 25 in the optical axis direction is finely adjusted to perform an autofocus operation.

【0043】図3には光検出器27の受光面の構成を示
してある。本例の光検出器27はメインビームL0のス
ケール板40からの戻り光を受光するための4つの受光
面271a〜272dを備えた4分割受光素子(第1の
受光手段)271と、この受光素子271の両側に配置
され、サブビームL1およびL2のスケール板40から
の戻り光を受光するための受光素子(第2の受光手段)
272および273を備えている。これらの受光素子2
71、272、および273は半導体プロセスによって
同一チップ上に製造されている。
FIG. 3 shows the structure of the light receiving surface of the photodetector 27. The photodetector 27 of this example includes a four-division light receiving element (first light receiving means) 271 having four light receiving surfaces 271a to 272d for receiving return light of the main beam L0 from the scale plate 40, and the light receiving element 271. Light receiving elements (second light receiving means) arranged on both sides of the element 271 for receiving return light of the sub beams L1 and L2 from the scale plate 40
272 and 273 are provided. These light receiving elements 2
71, 272, and 273 are manufactured on the same chip by a semiconductor process.

【0044】この構成の光学式エンコーダ10における
エンコードパルスの生成動作を説明する。レーザ光源2
1からの出射光は、分光素子22によって回折され、回
折0次光(メインビーム)L0および回折±1次光(サ
ブビーム)L1およびL2として分光素子22から出射
される。分光素子22から出射されたメインビームL0
とサブビームL1およびL2は対物レンズ25に導かれ
る。対物レンズ25に導かれたメインビームL0とサブ
ビームL1およびL2は、対物レンズ25によってスケ
ール板40にそれぞれ光スポットとして集光される。
The operation of generating an encode pulse in the optical encoder 10 having this configuration will be described. Laser light source 2
The light emitted from 1 is diffracted by the spectroscopic element 22, and is emitted from the spectroscopic element 22 as the zero-order diffracted light (main beam) L0 and the diffracted ± first-order lights (sub beams) L1 and L2. Main beam L0 emitted from spectral element 22
And the sub beams L1 and L2 are guided to the objective lens 25. The main beam L0 and the sub-beams L1 and L2 guided to the objective lens 25 are condensed as light spots on the scale plate 40 by the objective lens 25, respectively.

【0045】図4に示すように、メインビームL0がス
ケール板40の位置A(0)にある反射膜42に光スポ
ット100として集光したとすれば、サブビームL1お
よびL2は位置A(0)に対して光学ユニット20とス
ケール板40の相対移動方向に沿って(1+1/4)λ
離れた位置A(+)およびA(−)にそれぞれ光スポッ
ト101および光スポット102として集光する。な
お、図4においては、光スポット100、101、10
2の直径がスケール板40の全反射膜42の幅と同一に
設定されている場合を示してある。
As shown in FIG. 4, if the main beam L0 is condensed as a light spot 100 on the reflection film 42 at the position A (0) of the scale plate 40, the sub beams L1 and L2 are shifted to the position A (0). Along the relative movement direction of the optical unit 20 and the scale plate 40 with respect to (1 + /) λ
Light beams 101 and 102 are condensed at distant positions A (+) and A (-), respectively. In FIG. 4, the light spots 100, 101, 10
2 shows a case in which the diameter of 2 is set to be the same as the width of the total reflection film 42 of the scale plate 40.

【0046】ここで、式(1)において、光スポットの
間隔が(1−1/4)λとなるように分光素子22を設
定すれば、サブビームL1およびL2は破線で示す位置
A’(+)および位置A’(−)に光スポット101お
よび102として集光することになる。
Here, in equation (1), if the spectral element 22 is set so that the interval between the light spots is (1-1 / 4) λ, the sub-beams L1 and L2 are positioned at the position A '(+ ) And the light spots 101 and 102 at the position A ′ (−).

【0047】集光されたメインビームL0とサブビーム
L1およびL2は、全反射膜42、ハーフミラー膜43
で反射され、それぞれ戻り光として復路に導かれる。復
路に導かれたそれぞれの戻り光は、対物レンズ25、ハ
ーフミラー23を介してシリンドリカルレンズ26に至
る。このシリンドリカルレンズ26を介して非点収差が
付与された後に光検出器27の受光素子271、27
2、および273にそれぞれ集光する。すなわち、メイ
ンビームL0のスケール板40からの戻り光は中央に位
置する4分割受光素子271にメインスポットとして集
光され、サブビームL1およびL2のスケール板40か
らの戻り光は受光素子272および273にそれぞれサ
イドスポットとして集光される。
The converged main beam L0 and sub-beams L1 and L2 are applied to the total reflection film 42 and the half mirror film 43.
And is guided to the return path as return light. Each return light guided to the return path reaches the cylindrical lens 26 via the objective lens 25 and the half mirror 23. After astigmatism is given through the cylindrical lens 26, the light receiving elements 271 and 27 of the photodetector 27
2, and 273, respectively. That is, the return light of the main beam L0 from the scale plate 40 is condensed as a main spot on the quadrant light receiving element 271 located at the center, and the return lights of the sub beams L1 and L2 from the scale plate 40 are received by the light receiving elements 272 and 273. Each is collected as a side spot.

【0048】メインビームL0の光スポット100、サ
ブビームL1、L2の光スポット101、102の最も
多くの部分が全反射膜42上に位置する時には、スケー
ル板40からのそれぞれの戻り光の光量が最大となる。
逆に、光スポット100、101、および102の最も
多くの部分がハーフミラー膜43上に位置する時には、
スケール板40からのそれぞれの戻り光の光量が最小と
なる。このため、光学ユニット20とスケール板40が
相対的に移動すると、全反射膜42がλの間隔で形成さ
れているので、メインビームL0のスケール板40から
の戻り光を受光する受光素子271の出力波形P(0)
は、図5に示すような周期λの正弦波形となる。この出
力波形P(0)は4分割受光素子271の受光面271
a〜271dからの出力の総和として得られる。
When the most spots of the light spot 100 of the main beam L0 and the light spots 101 and 102 of the sub-beams L1 and L2 are located on the total reflection film 42, the amount of each return light from the scale plate 40 becomes maximum. Becomes
Conversely, when most of the light spots 100, 101, and 102 are located on the half mirror film 43,
The amount of each return light from the scale plate 40 is minimized. For this reason, when the optical unit 20 and the scale plate 40 relatively move, the total reflection film 42 is formed at an interval of λ, so that the light receiving element 271 that receives the return light of the main beam L0 from the scale plate 40 is formed. Output waveform P (0)
Is a sine waveform with a period λ as shown in FIG. This output waveform P (0) corresponds to the light receiving surface 271 of the four-divided light receiving element 271.
a to 271d are obtained as the sum of the outputs.

【0049】また、サブビームL1およびL2のスケー
ル板40からの戻り光を受光する受光素子272および
273の出力波形P(1)およびP(2)も図5に示す
ように正弦波形となる。サブビームL1およびL2の光
スポット101および102の位置A(+)およびA
(−)は、メインビームL0の光スポット100の位置
A(0)に対してそれぞれ(1+1/4)λ離れている
ので、出力波形P(0)に対して位相が1/4周期ずれ
た周期λの正弦波形となる。更に、サブビームL1の出
力波形P(1)とサブビームL2の出力波形P(2)は
反転した関係となる。これらの出力波形P(1)および
P(2)のレベルは、サブビームL1およびL2が回折
±1次光であるので、回折0次光であるメインビームL
0の戻り光に基づいた出力波形P(0)に比べて低くな
る。
The output waveforms P (1) and P (2) of the light receiving elements 272 and 273 for receiving the return lights of the sub beams L1 and L2 from the scale plate 40 also have sine waveforms as shown in FIG. Positions A (+) and A of light spots 101 and 102 of sub-beams L1 and L2
Since (−) is apart from the position A (0) of the light spot 100 of the main beam L0 by (1 + 0) λ, the phase is shifted by 1 / period with respect to the output waveform P (0). It has a sine waveform with a period λ. Further, the output waveform P (1) of the sub-beam L1 and the output waveform P (2) of the sub-beam L2 have an inverted relationship. The levels of these output waveforms P (1) and P (2) are the same as the main beam L, which is the zero-order diffracted light because the sub-beams L1 and L2 are diffracted ± first-order lights.
It becomes lower than the output waveform P (0) based on the return light of 0.

【0050】このようにして各受光素子271、27
2、および273から得られた出力波形P(0)、P
(1)、およびP(2)はパルス信号形成回路50にお
いて以下に説明するように処理され、エンコードパルス
信号が得られる。
In this way, each light receiving element 271, 27
2, and the output waveforms P (0), P obtained from 273
(1) and P (2) are processed in the pulse signal forming circuit 50 as described below, and an encoded pulse signal is obtained.

【0051】図6はパルス信号形成回路のブロック図で
ある。この図に示すように、パルス信号形成回路50で
は、メインビームL0のスケール40からの戻り光を受
光した4分割受光素子271の各受光面271a〜27
1dからの出力信号が増幅器501〜504でそれぞれ
増幅され、増幅後の出力信号が加算器511によって全
加算される。この結果、出力波形P(0)が所定の増幅
率で増幅された出力波形P’(0)が得られる。
FIG. 6 is a block diagram of the pulse signal forming circuit. As shown in this figure, in the pulse signal forming circuit 50, each of the light receiving surfaces 271a to 271 of the four-division light receiving element 271 that has received the return light of the main beam L0 from the scale 40.
Output signals from 1d are amplified by the amplifiers 501 to 504, respectively, and the amplified output signals are fully added by the adder 511. As a result, an output waveform P ′ (0) obtained by amplifying the output waveform P (0) at a predetermined amplification factor is obtained.

【0052】また、サブビームL1およL2のスケール
板40からの戻り光を受光した受光素子272および2
73からの出力波形P(1)およびP(2)が増幅器5
05および506でほぼ同じ増幅率で増幅され、増幅後
の出力波形P’(1)およびP’(2)が比較器521
で比較される。この結果、ハイレベルとローレベルの比
(デューティー比)が50%となった第2のエンコード
パルス信号(B相信号)Vbが得られる。
The light receiving elements 272 and 2 receiving the return light of the sub-beams L1 and L2 from the scale plate 40, respectively.
73, the output waveforms P (1) and P (2)
05 and 506, the output waveforms P ′ (1) and P ′ (2) after amplification are output from the comparator 521.
Are compared. As a result, a second encode pulse signal (B-phase signal) Vb in which the ratio (duty ratio) between the high level and the low level is 50% is obtained.

【0053】さらに、増幅器505および506で増幅
された出力波形P’(1)およびP’(2)は、加算器
512で加算され、これにより、一定の電位レベルの信
号が得られる。さらに、この一定の電位レベルの信号は
上記の出力波形P’(0)の中点を通過するように増幅
器507で適当な増幅率で増幅される。この結果、出力
波形P’(0)からエンコードパルス信号を形成するた
めの基準電位Voが得られる。
Further, output waveforms P ′ (1) and P ′ (2) amplified by amplifiers 505 and 506 are added by adder 512, whereby a signal of a constant potential level is obtained. Further, the signal having the constant potential level is amplified by the amplifier 507 at an appropriate amplification factor so as to pass through the middle point of the output waveform P ′ (0). As a result, a reference potential Vo for forming an encode pulse signal is obtained from the output waveform P ′ (0).

【0054】上記の出力波形P’(0)は、比較器52
2において基準電位Voと比較され、ハイレベルとロー
レベルの比(デューティー比)が50%であり、第2の
エンコードパルス信号Vbとは位相が1/4周期ずれた
第1のエンコードパルス信号(A相信号)Vaが得られ
る。このようにして、パルス信号形成回路50からは第
1および第2のエンコードパルス信号VaおよびVbが
出力される。
The output waveform P ′ (0) is output to the comparator 52
2 is compared with the reference potential Vo, the ratio between the high level and the low level (duty ratio) is 50%, and the phase of the first encode pulse signal (() is shifted from the second encode pulse signal Vb by 1 / cycle. (A-phase signal) Va is obtained. In this manner, the first and second encode pulse signals Va and Vb are output from the pulse signal forming circuit 50.

【0055】ここで、光学式エンコーダ10は、光スポ
ットのフォーカスずれを自動的に修正するためのオート
フォーカス機構を備えている。このオートフォーカス機
構は非点収差法によりフォーカシングエラー信号を検出
するものである。すなわち、メインビームL0のスケー
ル板40からの戻り光はシリンドリカルレンズ26によ
って非点収差波面とされるので、焦点が合っている場合
には4分割受光素子271に集光されるメインスポット
200の形状は円形になるが、焦点がずれている場合に
は図3において破線で示すような楕円形となる。従っ
て、4分割受光素子271の各受光部分で得られる受光
量に基づき、フォーカシングエラー信号を得ることがで
きる。
Here, the optical encoder 10 is provided with an autofocus mechanism for automatically correcting the defocus of the light spot. This autofocus mechanism detects a focusing error signal by an astigmatism method. That is, since the returning light of the main beam L0 from the scale plate 40 is converted to an astigmatic wavefront by the cylindrical lens 26, the shape of the main spot 200 condensed on the four-divided light receiving element 271 when focused is achieved. Is circular, but if the focus is out of focus, it becomes elliptical as shown by the broken line in FIG. Therefore, a focusing error signal can be obtained based on the amount of light received at each light receiving portion of the four-divided light receiving element 271.

【0056】図6を参照して説明すると、光学式エンコ
ーダ10では、まず、メインビームL0のスケール板4
0からの戻り光を受光する4分割受光素子271の4つ
の受光面271a〜271dのうち、点対象の位置にあ
る2対の受光面271aおよび271cと271bと2
71dの出力を加算器601および602で加算する。
これらの2つの加算出力を比較器621で比較する。焦
点がずれている場合には、これらの信号に差があるの
で、比較器621の出力には、それに対応するフォーカ
スずれ信号が表れる。このフォーカスずれ信号に基づい
て対物レンズ駆動回路61を介して対物レンズ移動機構
63によってフォーカスずれが無くなる方向に対物レン
ズ25を移動する。
Referring to FIG. 6, in the optical encoder 10, first, the scale plate 4 of the main beam L0
Of the four light receiving surfaces 271a to 271d of the four-segment light receiving element 271 that receives the return light from 0, two pairs of light receiving surfaces 271a, 271c, 271b, and 2 at the point target position
The outputs of 71d are added by adders 601 and 602.
These two added outputs are compared by the comparator 621. When the focus is out of focus, there is a difference between these signals, and a corresponding out-of-focus signal appears at the output of the comparator 621. Based on this focus shift signal, the objective lens 25 is moved by the objective lens moving mechanism 63 via the objective lens drive circuit 61 in a direction in which the focus shift is eliminated.

【0057】ここで、本例では、スケール板40に、全
反射膜42とハーフミラー膜43を交互に形成してある
ので、出射光の光スポットがいずれの位置に形成された
状態においても、光検出器の側においては戻り光を検出
できる。従って、例えば、全反射膜と透過部分を交互に
形成したような場合のように、透過部分に光が照射して
いる間は戻り光を検出できず、オートフォーカス機能が
働かなくなるという弊害は発生しない。
Here, in this example, the total reflection film 42 and the half mirror film 43 are alternately formed on the scale plate 40, so that the light spot of the emitted light is formed at any position. The return light can be detected on the side of the photodetector. Therefore, for example, as in the case where the total reflection film and the transmission portion are alternately formed, the return light cannot be detected while the transmission portion is irradiated with light, and the adverse effect that the autofocus function does not work occurs. do not do.

【0058】(その他の実施形態)以上の説明において
は、スケール板に、第1の反射部として全反射膜を形成
し、第2の反射部としてハーフミラー膜を形成してあ
る。全反射膜の代わりに、50%以上の反射率の反射膜
を採用し、ハーフミラー膜の代わりに、50%未満の反
射率の反射膜を採用してもよい。いずれの場合において
も、第1および第2の反射部の反射率を相対的に異なる
ものとすればよい。
(Other Embodiments) In the above description, a total reflection film is formed as a first reflection portion and a half mirror film is formed as a second reflection portion on a scale plate. Instead of the total reflection film, a reflection film having a reflectance of 50% or more may be employed, and instead of the half mirror film, a reflection film having a reflectance of less than 50% may be employed. In any case, the reflectances of the first and second reflecting portions may be relatively different.

【0059】[0059]

【発明の効果】以上説明したように、本発明の光学式エ
ンコーダは、スケール板として反射率の異なる2種類の
反射部を交互に形成した構成を採用することにより、ス
ケール板からの戻り光の光量を変化させてスケール板の
位置情報に関するエンコードパルス信号を得るようにし
ている。従って、光軸方向に段差を付けて2層の反射部
を形成する場合に比べて、スケール板を簡単に、しかも
精度良く製造することができる。
As described above, the optical encoder according to the present invention employs a configuration in which two types of reflection portions having different reflectivities are alternately formed as a scale plate, so that the return light from the scale plate can be reduced. By changing the amount of light, an encode pulse signal relating to the position information of the scale plate is obtained. Therefore, the scale plate can be manufactured more easily and more accurately than in a case where a two-layer reflecting portion is formed with a step in the optical axis direction.

【0060】また、スケール板に形成された第1および
第2の反射部を等しい幅で交互に形成する構成を採用す
れば、これらの反射部の幅と反射部に形成される光スポ
ットの径との大小関係が変化しても、デューティー比が
50%のエンコードパルス信号を得ることができる。従
って、第1および第2の反射部の幅を変えて光学式エン
コーダの分解能を変更した場合でも、光学系を設計変更
する必要がないという利点がある。
Further, by adopting a configuration in which the first and second reflecting portions formed on the scale plate are alternately formed with the same width, the width of these reflecting portions and the diameter of the light spot formed on the reflecting portion are adopted. Can be obtained even if the magnitude relationship changes. Therefore, even when the resolution of the optical encoder is changed by changing the width of the first and second reflecting portions, there is an advantage that it is not necessary to change the design of the optical system.

【0061】さらには、スケール板に形成された第1お
よび第2の反射部はそれぞれ所定の反射率を備えている
ので、光スポットがいずれの反射部を照射していても、
常に戻り光を光検出器の側で検出できる。従って、常に
オートフォーカス機能を動作させることができるという
利点もある。
Further, since the first and second reflecting portions formed on the scale plate each have a predetermined reflectance, even if the light spot irradiates any reflecting portion,
Return light can always be detected on the photodetector side. Therefore, there is an advantage that the autofocus function can always be operated.

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

【図1】本発明を適用した集光方式の光学式エンコーダ
の概略構成図である。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a light collecting type optical encoder to which the present invention is applied.

【図2】(A)は図1の光学式エンコーダのスケール板
を示す断面図、(B)はスケール板の別の例を示す断面
図である。
2A is a sectional view showing a scale plate of the optical encoder of FIG. 1, and FIG. 2B is a sectional view showing another example of the scale plate.

【図3】図1の光学式エンコーダの光検出器の各受光素
子の受光面にそれぞれ形成される戻り光の光スポット形
状を示す説明図である。
FIG. 3 is an explanatory diagram showing a light spot shape of return light formed on a light receiving surface of each light receiving element of the photodetector of the optical encoder of FIG. 1;

【図4】図1の光学式エンコーダのスケール板に光スポ
ットとして集光されたメインビームとサブビームの位置
関係を示す説明図である。
FIG. 4 is an explanatory diagram showing a positional relationship between a main beam and a sub beam collected as a light spot on a scale plate of the optical encoder of FIG. 1;

【図5】図1の光学式エンコーダの光検出器の受光素子
から得られる出力波形を示す波形図である。
5 is a waveform diagram showing an output waveform obtained from a light receiving element of a photodetector of the optical encoder of FIG.

【図6】図1の光学式エンコーダのパルス信号形成回路
の概略構成を示すブロック図である。
FIG. 6 is a block diagram showing a schematic configuration of a pulse signal forming circuit of the optical encoder of FIG. 1;

【図7】本願人が提案している光学式エンコーダの概略
構成図である。
FIG. 7 is a schematic configuration diagram of an optical encoder proposed by the present applicant.

【図8】スケール板の反射部の幅と光スポットのビーム
径の関係を示す説明図である。
FIG. 8 is an explanatory diagram showing a relationship between a width of a reflecting portion of a scale plate and a beam diameter of a light spot.

【図9】(A)は図7の光学式エンコーダから得られる
第1および第2のエンコードパルス信号を示す波形図で
あり、(B)は光スポットの直径よりもスケール板の反
射部および透過部の幅が広い場合の第1および第2のエ
ンコードパルス信号を示す波形図である。
9A is a waveform diagram showing first and second encode pulse signals obtained from the optical encoder of FIG. 7, and FIG. 9B is a diagram showing a reflection portion and a transmission of a scale plate rather than a diameter of a light spot; FIG. 9 is a waveform diagram showing first and second encode pulse signals when the width of the section is wide.

【図10】一般的な光学式エンコーダの原理図である。FIG. 10 is a principle diagram of a general optical encoder.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10 光学式エンコーダ 20 光学ユニット 21 レーザ光源 23 ハーフミラー 25 対物レンズ 26 シリンドリカルレンズ 27 光検出器 40 スケール板 41 ガラス基板(透明基板) 42 全反射膜(第1の反射部) 43 ハーフミラー膜(第2の反射部) 50 パルス信号形成回路 Reference Signs List 10 optical encoder 20 optical unit 21 laser light source 23 half mirror 25 objective lens 26 cylindrical lens 27 photodetector 40 scale plate 41 glass substrate (transparent substrate) 42 total reflection film (first reflection part) 43 half mirror film (first) 2 reflection part) 50 pulse signal forming circuit

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 交互に配列された複数の第1および第2
の反射部を備えたスケール板と、このスケール板に光を
集束させると共に前記スケール板からの戻り光を検出す
る光学ユニットと、この光学ユニットからの前記戻り光
の受光量から前記スケール板の位置情報に基づいたエン
コードパルス信号を形成するパルス信号形成手段とを有
し、 前記光学ユニットは、レーザ光源と、前記レーザ光源か
らの出射光を光スポットとして前記スケール板に集束さ
せる集光レンズと、前記スケール板からの前記戻り光を
検出する光検出器とを備え、 前記スケール板の前記第1および第2の反射部は、前記
出射光に対する反射率が相互に異なっていることを特徴
とする光学式エンコーダ。
1. A method according to claim 1, wherein a plurality of first and second alternately arranged first and second arrays are arranged.
A scale plate having a reflecting portion, an optical unit that focuses light on the scale plate and detects return light from the scale plate, and a position of the scale plate based on an amount of the return light received from the optical unit. Pulse signal forming means for forming an encoded pulse signal based on the information, the optical unit, a laser light source, a condensing lens that focuses the light emitted from the laser light source as a light spot on the scale plate, A light detector for detecting the return light from the scale plate, wherein the first and second reflection portions of the scale plate have different reflectances for the outgoing light. Optical encoder.
【請求項2】 請求項1において、前記第1の反射部は
高反射ミラーであり、前記第2の反射部はハーフミラー
であることを特徴とする光学式エンコーダ。
2. The optical encoder according to claim 1, wherein the first reflection section is a high reflection mirror, and the second reflection section is a half mirror.
【請求項3】 請求項1において、前記スケール板は、
前記出射光に対して透明な透明基板と、この透明基板の
表面に所定の間隔で形成された一定幅の前記第1の反射
部としての高反射膜と、この高反射膜が形成された前記
透明基板の表面を覆う状態に形成された前記第2の反射
部としてのハーフミラー膜とを備えていることを特徴と
する光学式エンコーダ。
3. The method according to claim 1, wherein:
A transparent substrate that is transparent to the outgoing light, a high-reflection film as the first reflection portion having a constant width formed at a predetermined interval on the surface of the transparent substrate, and the high-reflection film formed with the high-reflection film An optical encoder, comprising: a half-mirror film as the second reflection portion formed so as to cover a surface of a transparent substrate.
【請求項4】 請求項1において、同一幅の前記第1お
よび第2の反射部が交互に形成されていることを特徴と
する光学式エンコーダ。
4. The optical encoder according to claim 1, wherein the first and second reflecting portions having the same width are formed alternately.
【請求項5】 請求項1乃至4のうちの何れかの項にお
いて、更に、前記光検出器の検出結果に基づきフォーカ
シングエラー信号を検出して、前記集光レンズの光軸方
向の位置を調整するオートフォーカス機構を有している
ことを特徴とする光学式エンコーダ。
5. The method according to claim 1, further comprising detecting a focusing error signal based on a detection result of the photodetector, and adjusting a position of the condenser lens in an optical axis direction. An optical encoder having an auto-focus mechanism for performing the operation.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011047867A (en) * 2009-08-28 2011-03-10 Nikon Corp Scale, position detecting device, stage apparatus, and exposure apparatus
JP2016138879A (en) * 2015-01-26 2016-08-04 ドクトル・ヨハネス・ハイデンハイン・ゲゼルシヤフト・ミツト・ベシユレンクテル・ハフツングDr. Johannes Heidenhain Gesellschaft Mit Beschrankter Haftung Position measuring device

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